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TWI230505B - Voltage-controlled oscillator - Google Patents

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TWI230505B
TWI230505B TW092107156A TW92107156A TWI230505B TW I230505 B TWI230505 B TW I230505B TW 092107156 A TW092107156 A TW 092107156A TW 92107156 A TW92107156 A TW 92107156A TW I230505 B TWI230505 B TW I230505B
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TW
Taiwan
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thin
film
voltage
film piezoelectric
controlled oscillator
Prior art date
Application number
TW092107156A
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English (en)
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TW200306069A (en
Inventor
Takashi Kawakubo
Ryoichi Ohara
Kazuhide Abe
Hiroshi Tsurumi
Hiroshi Yoshida
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of TW200306069A publication Critical patent/TW200306069A/zh
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Description

1230505 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於電壓控制振盪器。 【先前技術】 近年來，使用薄膜壓電共振子的電壓控制振盪器受到 重視。薄膜壓電共振子（FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator)是在形成於基板上的空洞上，是依序形成下部 電極、壓電體膜及上部電極的元件。 這種薄膜壓電共振子能夠以，接觸於空氣層的下部電 極及上部電極與壓電體層加起來的厚度，爲振盪波長半波 長的條件的頻率產生共振。頻率是從1GHz至5GHz時， 其厚度是對應0.5 μιη至3 μιη左右的厚度。如此，特別對 GHz以上的高頻領域的共振有利。 第27圖是表示這種薄膜壓電共振子的共振頻率附近 的阻抗變化。 如第27圖所示，阻抗是在反共振頻率fA顯示最大値 ，在共振頻率fR顯示最小値。 第2 8圖是表示薄膜壓電共振子的阻共振頻率附近的 相位變化。 如第28圖所示，在反共振頻率fA以上及共振頻率 fR以下之頻率，相位落後9 0 ° ，在反共振頻率f A與共振 頻率fR間的頻率，相位領先90° 。 可以利用這種阻抗特性及相位特性形成共振電路。 1230505 (2) 反共振頻率fA與共振頻率fR，與壓電膜的有效電器 機械結合係數k2eff間有下列關係。 k2eff=(fA2-fR2)/ fA2〜2(fA-fR)/ fA.....式⑴ 因此，由壓電體膜的電器機械結合係數k2eff，決定 壓電體膜的共振頻率fR與反共振頻率fA之差。 使用這種薄膜壓電共振子形成電壓控制振盪器時，通 φ 常是將薄膜壓電共振子，與電容値因電壓而變之變容二極 體等之變容元件串聯或並聯組合。 如此將電容成分與薄膜壓電共振子組合時，振盪頻率 是在薄膜壓電共振子的共振頻率與反共振頻率之間。此項 振盪頻率範圍可以從式（1)看出，是受到有效電器機械結 合係數kkff的限制。 又因變容二極體的Q値是較薄膜壓電共振子的Q値 小很多，因此會有電壓控制振盪器的Q値降低’相位雜 H 訊變大的問題。 同時，爲了擴大頻率的可變範圍，有時會串聯或並聯 使用線圈等之電抗元件。但是，電抗元件的Q値是極端 的低，因此會有電壓控制振盪器的Q値進一步降低，相 位雜訊進一步變大的問題。 又因電抗元件經長時間使用時的變化相當大，也有欠 缺穩定性的問題。 -8- 1230505 (3) [發明所欲解決之課題] 本發明是有鑑於上述問題點而完成者，其目的在提供 ，頻率穩定性高、相位雜訊很低、經長時間使用後的變化 很少、具有廣大的頻率可變範圍、超小型而新穎的電壓控 制振盪器。 【發明內容】 [用以解決課題之手段] 爲了達成上述目的，本發明提供一種’具備有： 由分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在1〇^m以下 的錦駄礦（perovskite)型單晶強介電體薄膜’及以中間夾 著上述強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的一對電極’藉由 上述一對電極間的電壓改變共振頻率的至少一個薄膜壓電 共振子； 對上述一對電極間施加電壓的控制電壓電路；以及 連接在上述薄膜壓電共振子，與此共振子一起構成振 盪電路的放大器， 爲其特徵的電壓控制振盪器。 並且提供，具有複數個上述薄膜壓電共振子，上述複 數個薄膜壓電共振子成彈性方式結合在一起的電壓控制振 盪器。 並且提供，組合複數個上述薄膜壓電共振子的平衡電 路的電壓控制振盪器。 並且提供，具備有：由第1薄膜壓電共振子與第1放 -9- 1230505 (4) 大器構成的第1振盪環路；由第2薄膜壓電共振子與第2 放大器構成’與上述第i振盪環路成電氣絕緣的第2振盪 環路；以及彈性方式結合上述第1薄膜壓電共振子與上述 第2薄膜壓電共振子的手段的電壓控制振盪器。 上述？早丨生方式結合以逆相結合較佳。 串聯連接上述複數個薄膜壓電共振子構成串聯電路， 在上述串聯電路並聯連接放大器，而在上述複數個薄膜壓 電共振子的反共振點附近的頻率振盪較佳。 在上述第1及第2薄膜壓電共振子的共振點附近的頻 率振盪較佳。 另外提供’上述薄膜壓電共振子至少在其一方的電極 連接規定容量的電容器，構成並聯電路或串聯電路，上述 電路的共振頻率因施加在上述薄膜壓電共振子的上述一對 電極間的電壓，而成爲可變的電壓控制振盪器。 而且，上述電壓控制電路最好能夠產生直流電壓。 並且，上述強介電體薄膜最好是以鈦酸鋇或鈦酸銷酸 鉛爲主成分的磊晶成長膜。 並且，本發明可提供，具備有： 由分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在ΙΟμπι以下 的鈣鈦礦型單晶的第1強介電體薄膜，及以中間夾著上述 第1強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的第1及第2電極構 成的第1薄膜壓電共振子； 由分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在10 Mm以下 的鈣鈦礦型單晶的第2強介電體薄膜；及以夾著上述第2 -10- 1230505 (5) 強介電體薄膜連同上述第2電極的方式所的薄膜狀的第3 電極所構成，膜厚度方向堆積在上述第1薄膜壓電共振子 ，以上述第2電極爲共同電極的第2薄膜壓電共振子； 在上述電極間施加電壓的控制電壓電路；以及 連接在上述第1及第2薄膜壓電共振子，構成振盪電 路的放大器， 爲其特徵的電壓控制振盪器。 這時，包含上述第1及第2強介電體薄膜、上述第1 馨 電極至第3電極的厚度最好具有振盪波長的1 /4波長的基 本共振頻率。 同時，本發明可提供，具備有： 基板； 設在上述基板上，由分極方向與膜厚度方向一致，且 厚度在1 Ομηι以下的鈣鈦礦型單晶的第1強介電體薄膜， 及中間夾著上述強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的第1及 第2電極構成的第1薄膜壓電共振子； β 設在上述基板上，鄰接於上述第1薄膜壓電共振子’ 與上述第1強介電體薄膜共有上述強介電體膜，以中間夾 著上述強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的第3及第4電極 構成的第2薄膜壓電共振子； 在上述電極間施加電壓的控制電壓電路；以及 連接在上述第1及第2薄膜壓電共振子，以構成振盪 電路的放大器， 爲其特徵的電壓控制振盪器。 -11- 1230505 (6) 並且，本發明可提供，具備有： 具有：分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在 以下的鈣鈦礦型單晶的強介電體薄膜，及以中間夾著 第1強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的一對電極，藉 述一對電極間的電壓使共振頻率的一個薄膜壓電共振 向上述一對電極間施加電壓的電壓控制電路；以及， 在上述薄膜壓電共振子，與此共振子一倂構成共振電 放大器的複數個電壓控制振盪器； 以不同的頻率使上述複數個電壓控制振盪器振盪 段；以及 連接在上述複數個電壓控制振盪器，輸出上述電 制振盪器的輸出頻率差的乘法器的電壓控制振盪器。 這時是，最好具備有，可與上述薄膜壓電共振子 成串聯或並聯電路的方式所選擇性連接之複數個電容 藉由跟上述電容器的至少一個組合，控制共振頻率。 其變形例子是，最好具備有，可與規定之電容器 成串聯或並聯電路的方式所選擇性連接之複數個薄膜 共振子，藉由跟上述薄膜壓電共振子的至少一個組合 制共振頻率。 另外，本發明可提供，具備有： 基板； 設在上述基板上，由分極方向與膜厚度方向一致 厚度在1 Ομιη以下的鈣鈦礦型單晶的強介電體薄膜； 間夾著上述強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的第1及 1 0 μ m 上述 由上 子； 連接 路的 的手 壓控 以構 器， 以構 壓電 ，控 ，且 及中 第2 -12- 1230505 (7) 電極構成的薄膜壓電共振子； 設在上述基板上，鄰接於上述薄膜壓電共振子，與上 述強介電體薄膜共有上述薄膜壓電共振子，以中間夾著上 述強介電體薄膜的方式所的薄膜狀的電極所構成，以上述 強介電體薄膜當作壓電致動器的開關元件； 在上述第1及第2電極間施加電壓的控制電壓電路； 以及 連接在上述第1及第2薄膜壓電共振子，以構成振盪 電路的放大器， 爲其特徵的電壓控制振盪器。 【實施方法】 茲參照附圖，詳細說明本發明的實施形態如下。再者 ，本發明並不限定爲以下的實施形態，可以有各種變形。 本發明人等曾對，在薄膜壓電共振子的壓電體使用強 介電體一事，從理論及實驗面返覆做廣泛的探討。其結果 發現，強介電體材料本質上具有加上電場後音速會有很大 變化的性質，只要滿足幾個條件，便能夠藉由在強介電體 施加控制電壓，而使振盪頻率成爲可變。 具體上是，當作壓電體使用的強介電體材料，必須是 分極方向與膜厚度方向一致的單結晶。要充分引出強介電 體膜的壓電性，且藉由施加電壓使頻率成爲可變，強介電 體膜的分極方向必須與膜厚度方向一致。爲此，最好是藉 由晶膜成長而成爲單晶。 -13- 1230505 (8) 並且’強介電體膜的厚度必須是在1〇μηι以下。最好 是 3 μιη以下。要取得較大的頻率可變範圍，加在強介電 體的電場要很大，如果考慮到行動通信機器可利用的電壓 是3V左右，膜厚度將需要10μιη以下。 將此強介電體夾在一對電極間，改變加在電極間的電 壓，便可提供可調變振盪頻率的電壓控制振盪器。 這種電壓控制振盪器是使強介電體膜的共振頻率本身 變化，因此，不依電氣機械結合係數，便能夠決定頻率的 可變範圍。同時，可以採用不用積體化難、Q値低的變容 二極體的電路架構。 同時，可以對控制電壓，使電壓控制振盪器的共振頻 率變化率有某種程度的增大。如果考慮通常的攜帶式無線 電機器的動作電壓是3 V前後以下，則至少可以實現 〇 . 0 1 % / V以上的變化率，最好是有〇 . 2 % / V以上的變化 率。 要實現此變化率，以使用晶膜成長之鈦酸鋇或ΡΖΤ 等的強介電體。 發明人等發現，使用鈦酸鋇時，在對應約2 GHz的振 盪頻率的1 μπι膜厚度的強介電體膜施加3 V的偏壓，便可 以實現約〇 · 5 %的共振頻率的變化。 因此’如果將鈦酸鋇當作壓電體使用，便可以構成Q 値非常高的振盪電路。這時，振盪頻率的可變範圍是以共 振頻率的可變寬度（不是共振、反共振頻率間）來決定，因 此可以構成對電路常數或雜訊很穩定的（低雜訊）電壓控制 -14- 1230505 Ο) 振盪器。 (實施形態1) 第1圖表示使用在本發明實施形態1的電壓控制振盪 器的薄膜壓電共振子的截面圖。 此電壓控制振盪器是將晶膜成長在矽基板1的鈦酸鋇 強介電體膜7當作壓電體薄膜4使用。以夾住此壓電體薄 膜4狀形成的一對電極3、5是使用銥（1〇電極。藉由此壓 電體薄膜4與夾住此的一對電極3、4形成薄膜壓電共振 此薄膜壓電共振子是在矽基板1上晶膜成長SfRu03 犧牲層8，再於其上晶膜成長銥下部電極3、鈦酸鋇強介 電體膜7及銥上部電極5。然後去除成爲共振部6部分下 的犧牲層8，形成空洞2而製成。 在此電壓控制振盪器的一對電極3、4間施加交流電 壓時，藉由壓電逆效果發生交變應力，激起厚度縱模態的 彈性振盪的共振。 再從控制電壓電路9在一對電極3、4間施加相當於 控制電壓 Vc的直流偏壓，因強介電體內的音速會變化， 因此可以使共振頻率或反共振頻率成爲可變。 第2圖表示，在此薄膜壓電共振子，測量對控制電壓 的共振頻率與反共振頻率的結果。這時，強介電體膜7的 膜厚度是llOOnm，下部電極3的膜厚度是lOOnm，上部 電極5的膜厚度是I50nm。 -15- 1230505 (10) 從第2圖可以看出，對控制電壓Vc，使直流電壓作 0.2V〜〜3.0V 的變化時，共振頻率的變化是 1.995 GHz 〜2.00 5 5 GHz，反共振頻率的變化是2.85GHz〜2.09 5 1 GHz。 亦即，觀察到兩頻率均有約0.20%/ V的變化率。同時， Q値非常高，有900，可以做相位雜訊很小的振盪。 其次，在第3圖表示使用兩個薄膜壓電共振子的平衡 型電壓控制振盪器1 1 〇的基本方塊電路圖。 如第3圖所示，在串聯兩個反轉型放大器111及112 的振盪環路內，並聯連接有一對薄膜壓電共振子1 1 3及 1 1 4的串聯電路1 1 9。薄膜壓電共振子1 1 3具有電極11 5 及116，薄膜壓電共振子114具有電極117及118。 若在電極115及117施加控制電壓Vcont，可以改變 薄膜壓電共振子1 1 3及1 1 4的反共振頻率，可以使振盪器 110的輸出頻率爲可變。這時，電極116及118是在逆相 位的關係。 在此平衡型電壓控制振盪器，薄膜壓電共振子1 1 3及 1 1 4的阻抗成爲最大的反共振頻率附近，振盪電路的環路 增益最大，而產生振盪。 其次，第4圖表示以CMOS反相器形成第3圖所示反 轉放大器111及112時之等效電路120。 如第4圖所示，藉由P型MOS電晶體121與N型 MOS電晶體122形成CMOS反相器，同樣，藉由P型 MOS電晶體123與N型MOS電晶體124形成另一個 C Μ Ο S反相器。一方的C Μ 0 S反相器的輸出經由去除直流 -16- 1230505 (11) 用的電容器127連接在另一方的CMOS反相器的輸入。在 兩CMOS反相器施加有電源電壓Vdd。 在此CMO S反相器的環路，並聯有串聯連接一對薄膜 壓電共振子125及126的串聯電路119。而在輸出Vout 連接有輸出緩衝放大器128及129。 在使用這種CMOS反相器的平衡型電壓控制振盪器 120是，很適合於2GHz頻帶而10MHz以下的可變頻率範 圍的用途，是Q値非常高的振盪器。 這種平衡型電壓控制振盪器是使用一對薄膜壓電共振 子，各個共振子之成爲逆相關係的電極連接在平衡型振盪 環路，可以輸出適合平衡型電壓控制振盪器的同一頻率且 逆相的兩個輸出。 (實施形態2) 第5圖表示本發明實施形態2的一對薄膜壓電共振子 1 3 0的截面圖。 此共振子很適合於使用在平衡型電壓控制振盪器，一 對薄膜壓電共振子是爲了使振盪一致，相互成彈性結合。 彈性結合的薄膜壓電共振子有，在膜厚度方向積層的所謂 積層晶體濾波器的構造，或在面內方向結合的所謂單片晶 體濾波器的構造。本實施形態是積層晶體濾波器構造。 如第5圖所示，薄膜壓電共振子是在矽基板〗上晶膜 成長SrRu03犧牲層8，再於其上晶膜成長銥下部電極133 、鈦酸鋇強介電體膜1 3 4、銥中間電極1 3 5、鈦酸鋇強介 -17- 1230505 (12) 電體膜1 3 6及銥上部電極1 3 7。然後去除在成爲共振部 1 3 8部分下的犧牲層8，形成空洞1 3 2而製成。 此平衡型薄膜壓電共振子堆積有：由下部電極1 3 3、 強介電體膜1 3 4及中間電極1 3 5構成的第1薄膜壓電共振 子l3〇a;及由中間電極135、強介電體膜136及上部電極 137構成的第2薄膜壓電共振子130b，共用中間電極135 ，兩個薄膜壓電共振子強力彈性結合在一起。 下部電極1 3 3至共同的中間電極1 3 5的厚度相當於振 g 盪頻率的1/4波長，同樣，中間電極135至上部電極 1 3 7的厚度相當於振盪頻率的1 / 4波長。因此，下部電 極133至上部電極137的厚度成爲振盪頻率的一半波長， 而產生振盪。亦即，使用具有振盪頻率的兩倍的基本共振 頻率之兩個薄膜壓電共振子。 如第5圖所示，厚度方向的相位分布p1是上部電極 1 3 7與下部電極1 3 3成相逆相位。將此一對薄膜壓電共振 子裝配在，例如第4圖所示的電壓控制振盪器1 20的節點 馨 N 1及N2間，便可以形成可取的平衡型薄膜壓電控制振盪 使用在平衡型電壓控制振盪器的一對薄膜壓電共振子 是，爲了實現Q値高的振盪，會要求共振特性整齊的薄 膜壓電共振子，但現實是因成膜條件等的微妙的偏差，使 共振頻率等產生若干差異，這種差異使振盪特性惡化。 因爲使一對薄膜壓電共振子成彈性結合，成爲實質上 是同一個共振子而共振，可獲得純度非常高的共振特性， -18- 1230505 (13) 在平衡型電壓控制振盪器，可以使雙輸出的特性完全平衡 〇 而且，藉由使施加於中間電極1 3 5與節點N 1、N 2間 的直流偏壓V c ο n t成爲可變，使振盪頻率穩定變化。 (實施形態3) 第6圖及第7圖表示本發明實施形態3的一對薄膜壓 電共振子的截面圖。此共振子適合於構成平衡型電壓控制 振盪器。 共振子具有在面內方向彈性結合的單片晶體濾波器的 構造 鄰接設置在壓電膜面內的薄膜壓電共振子相互間的連 結模態有：在全面縱振動時鄰接的共振子成爲逆相位 (negative phase sequence)的反對稱模態（斜對稱模態或 A 模態）；與同相位（common mode phase)的對稱模態（S模態 )。任一模態的選擇是依電極間隔或電極尺寸、壓電體的 彈性矩陣、周圍的拘束條件等。 此平衡型電壓控制振盪器使用的兩個共振子是使用同 一強介電體膜，在面內相鄰配置，成彈性相結合。 藉此，可完全彈性相結合，而以同一頻率振盪，且構 成逆相位的輸出。 第6圖是使用對稱模態時的單片晶體濾波器的截面模 式圖。 如第6圖所示，在矽基板1 4 1上作成的空洞1 4 2上， -19- 1230505 (14) 形成有下部電極144、下部電極145、強介電體膜143、 上部電極146及上部電極147。此等成爲薄膜壓電共振子 140 A、140B。 相鄰設置有：由下部電極144、強介電體膜143及上 部電極146構成的第1薄膜壓電共振子140A ;及由下部 電極145、強介電體膜143及上部電極147構成的第2薄 膜壓電共振子140B。 又如第6圖所示，面內的相位分布P2是，薄膜壓電 φ 共振子成強力彈性連結在一起，使兩個薄膜壓電共振子成 爲同相位。再者，P 1表示膜厚度方向的相位分布。 因此，將成逆相位的上部電極1 4 6及下部電極1 4 5， 分別連接在第4圖所示電路的節點N 1及N2，在上部電極 1 4 7與下部電極1 44間施加控制電壓Vc，便可以形成可取 的平衡型電壓控制振盪器。 第7圖是使用反對稱模態時的單片晶體濾波器構造配 置的一對薄膜壓電共振子1 5 0的截面模式圖。 擊 如第7圖所示，在形成於矽基板1 5 1上的空洞1 5 2上 ，形成有下部電極I53、強介電體膜154、上部電極155 及上部電極1 56。由此等形成薄膜壓電共振子。 相鄰設置有：由下部電極153、強介電體膜154及上 部電極155構成的第1薄膜壓電共振子150A;及由下部 電極1 5 3、強介電體膜1 5 4及上部電極1 5 6構成的第2薄 膜壓電共振子150B。 又如第7圖所示，面內的相位分布P2是，薄膜壓電 -20- 1230505 (15) 共振子成強力彈性連結在一起，使兩個薄膜壓電共振子成 爲逆相位。再者，P 1表示膜厚度方向的相位分布。 因此，將成逆相位關係的上部電極1 5 5及下部電極 1 5 7，分別連接在第4圖所示電路的節點N1及N2，在共 同的下部電極1 5 3施加控制電壓Vc，便可以形成可取的 平衡型電壓控制振盪器。 再者，薄膜壓電共振子的構造並不限定爲第5圖至第 7圖所示的構造。只要滿足，設置彈性結合的至少一對薄 膜壓電共振子，各薄膜壓電共振子的逆相位的電極連接在 振盪環路的互補的連接點N1及N2之條件，便可以有各 種變化。 例如，也可以是取代設置於共振部下的空洞，而配設 布拉格（Bragg)反射層的所謂固定裝設式共振器。 (實施形態4) 第8圖是本發明第4實施形態的平衡型電壓控制振盪 器160的電路圖。 此平衡型電壓控制振盪器形成有，由反轉型放大器 i 6 1與薄膜壓電共振子 163構成的第1振盪環路160A;及由反轉型放大器 162與薄膜壓電共振子164 構成的第2振盪環路160B，薄膜壓電共振子I63與 薄膜壓電共振子1 64是彈性方式以逆相關係結合在一起。 同時，薄膜壓電共振子的兩端是經由電谷益 165 -21- 1230505 (16) 166、167及168接地，這是爲了要使整個被動元件的相 位反轉，配合反轉放大器，使振盪條件的整個環路的相位 轉動角爲2π。 在此基本方塊160的電路架構，放大器161及162與 薄膜壓電共振子1 63及1 64是成串聯連接，因此，在薄膜 壓電共振子1 6 1及1 62的阻抗成爲最小的共振頻率附近， 振盪電路的環路增益爲最大，而產生振盪。 其次，在第9圖表示，以ΝΡΝ雙極電晶體形成第8 . φ 圖的基本方塊160的反轉放大器161及162時的等效電路 1 70 〇 形成有：由ΝΡΝ雙極電晶體171與薄膜壓電共振子 173構成的第1振盪環路，及由ΝΡΝ雙極電晶體172與薄 膜壓電共振子1 74構成的第2振盪環路，薄膜壓電共振子 1 73與薄膜壓電共振子1 74是彈性方式以逆相關係結合在 一起。 而在薄膜壓電共振子173及174的一方的電極173a # 、174a，經由電阻173b、174b施加有使頻率爲可變的控 制電壓Vcont，而另一方的電極則互成逆相關係。 使用這種電壓控制振盪器及振盪電路，可以構成很適 用於2GHz頻帶而頻率可變範圍爲10MHz以下的用途，Q 値非常高的平衡型電壓控制振盪器。 (實施形態5) 第1 0圖表示本發明實施形態5的平衡型電壓控制振 -22- 1230505 (17) 盪器的基本方塊電路圖1 8 0。 此平衡型電壓控制振盪器形成有，反轉型放大器 、182、183 及 184 與薄 膜壓電共振子1 8 5及1 8 6全部串聯連接的振盪環 薄膜壓電共振子1 8 5及1 8 6是彈性方式以逆相關係結 一起。 同時，薄膜壓電共振子1 8 5及1 8 6的兩端是經由 器187、189、188及190接地。這是爲了要使各薄膜 共振的相位反轉，配合反轉放大器，使振盪條件的整 路的相位轉動角爲2ηπ(η是整數）。 在此基本方塊160的電路，反轉型放大器181 、1 8 3及1 8 4與薄膜壓 電共振子185及186是全部串聯連接在一起，因 在薄膜壓電共振子的阻抗成爲最小的共振頻率附近， 電路的環路增益爲最大，而產生振盪。 其次，在第1 1圖表示，以CMOS反相器形成第 的基本方塊180的反轉放大器181、182、183及184 等效電路。 CMOS反相器201、202、203及204與薄膜壓電 子2〇5及2〇6全部串聯 連接在一起，而構成振盪環路，薄膜壓電共振子 及2〇6是彈性方式以逆相關係結合在一起。 而在薄膜壓電共振子205及206的一方的電極 、206a，經由電阻205b及206b，從控制電壓電路2: 18 1 路。 合在 電容 壓電 個環 、182 此， 振盪 10圖 時的 共振 205 20 5 a 1 6施 -23- 1230505 (18) 加有控制電壓Vcont，而另一方的電極則互成逆相關係。 使用這種電壓控制振盪器及振盪電路，可以構成很適 用於2GHz頻帶而頻率可變範圍爲10 MHz以下的用途’ Q 値非常高的平衡型電壓控制振盪器。 此平衡型電壓控制振盪器的特徵是，形成有相互絕緣 且分別獨立的兩個振盪環路，而以薄膜壓電共振子的共振 點附近的頻率振盪。 這時，形成兩個振盪環路的一對薄膜壓電共振子是以 逆相位成彈性結合在一起，因此可以實現具有同一頻率而 逆相位的兩個輸出的平衡型電壓控制振盪器。 同時是兩個以上的放大器與一對薄膜壓電共振子全部 串聯構成一個振盪環路，在薄膜壓電共振子的阻抗最小的 共振頻率附近振盪。以振盪環路中成爲逆相位的兩個節點 N 1 N 2爲輸出點，則可實現具有同一頻率而逆相位的兩個 輸出的平衡型電壓控制振盪器。 (實施形態6) 第1 2圖是實施形態6的電壓控制振盪器2 1 0的方塊 圖。 如第1 2圖所示，此電壓控制振盪器2 1 0具備有做爲 輸入輸出端子的接地端子GND、供應電源電壓Vcc的電 源端子Vcc、向薄膜壓電共振子供應控制電壓Vc的控制 端子Vc及輸出振盪信號的輸出端子〇ut ° 同時，電壓控制振盪器210具備有··備有薄膜壓電共 -24- 1230505 (19) 盪子2 1 2，依控制電壓Vc振盪可變頻率的第1振盪電路 211;備有薄膜壓電共盪子215，振盪固定頻率的第2振 盪電路2 1 4 ;輸出第1振盪電路與第2振盪電路的頻率差 用混頻器的乘法器2 1 7 ;確保第1振盪電路2 1 1與乘法器 2 1 7間的絕緣的輸出緩衝器2 1 3 ;確保第2振盪電路2 1 4 與乘法器2 1 7間的絕緣的輸出緩衝器2 1 6。 在此，振盪電路2 1 1及2 1 4可以使用實施形態2至實 施形態5所說明的平衡型電壓控制振盪電路。 在第1 3圖表示，在薄膜壓電貢盪子2 1 2測量對控制 電壓的振盪頻率的結果。共振子具有第1圖所示構造，強 介電體薄膜4的膜厚度爲23 Onm ;下部電極3的膜厚度爲 25nm ;上部電極5的膜厚度爲50nm ;第1振盪電路21 1 的負載電容爲9pF。 從弟13圖可以瞭解》對控制電壓Vc爲0.2V〜3.0V， 獲得6.00士0.045 GHz的共鎭頻率可變範圍。 而在薄膜壓電共盪子2 1 5，以第1圖所示構造，使強 介電體薄膜4的膜厚度爲3 1 Onm ;下部電極3的膜厚度爲 35nm ;上部電極5的膜厚度爲72nm的結果，獲得不施加 控制電壓時的第2振盪電路214的振盪頻率4GHz。 將第1振盪電路2 1 1及第2振盪電路21 4的輸出，分 別經由輸出緩衝器2 1 3、2 1 6輸入乘法器2 1 7，輸出兩振 盪電路的輸出差，而得對振盪頻率確保相對大的可變頻率 範圍。 本實施例可以獲得2GHz±45GHz的輸出頻率。可以滿 -25- 1230505 (20) 足對W-CDMA用電壓控制振盪器要求的特性。 第14圖是將上述振盪電路與乘法器（混頻電路）安裝 在同一封裝體的封裝體的截面圖。 如第1 4圖所示，絕緣性的Si基板上形成有薄膜壓電 共振子；振盪電路所使用的電容器；電阻器及電感器等。 並且，形成輸出緩衝器所使用的所有電容器；電阻器及電 感器等被動元件，構成被動晶片220。在此面上搭載：用 以搭載兩個振盪電路與輸出緩衝器電路的高頻半導體 φ IC221;及搭載混頻電路的高頻半導體IC222，由封裝樹 脂224加以模塑。 主要搭載振盪電路使用的電晶體或輸出緩衝器所使用 的電晶體的IC221，以及主要搭載混頻器使用的電晶體的· 1C ：222以裸晶片的狀態經由突塊連接在一起，成一體封裝 而成模組223。 由於以晶片上裝晶片的形態模組化，因此能夠高密度 安裝，形成非常小的電壓控制振盪器。 0 如此，備有複數個平衡型電壓控制振盪器，具有能夠 輸出從複數個電壓控制振盪器輸出的輸出頻率差用的乘法 器，複數個電壓控制振盪器與乘法器封閉安裝在同一基板 上0 (實施形態7) 第1 5圖是本發明實施形態7的電壓控制振盪器2 3 0 的方塊圖。 - 26- 1230505 (21) 此電壓控制振盪器2 3 0是關於，可以輸出RF頻率與 IF頻率的兩種頻率的雙模態電壓控制振盪器。 如第15圖所示，此電壓控制振盪器23 0具備有做爲 輸入輸出端子之接地端子GND、供應電源電壓Vcc的電 源端子Vcc、供應第1控制電壓Vcl的控制端子Vcl、供 應第2控制電壓Vc2的控制端子Vc2、輸出第1振盪信號 的輸出端子Outl及輸出第2振盪信號的輸出端子Out2。 同時，電壓控制振盪器230具備有：備有薄膜壓電共 盪子23 4，依控制電壓Vcl振盪可變頻率的第1振盪電路 23 1 ;確保第1振盪電路23 1與乘法器241間的絕緣的輸 出緩衝器23 7;備有薄膜壓電共振子23 5，依控制電壓 Vc2振盪可變頻率的第2振盪電路232 ;確保第2振盪電 路232與乘法器241間的絕緣的輸出緩衝器2 3 8 ;備有薄 膜壓電共振子23 6，可振盪固定頻率的第3振盪電路233 ;將第3振盪電路23 3的輸出分配給兩個乘法器的分配器 240 ;確保第3振盪電路2 3 3與分配器240間的絕緣的輸 出緩衝器2：39。乘法器241輸出第1振盪電路231與第3 振盪電路233的頻率的差値，乘法器242輸出第2振盪電 路23 2與第3振盪電路23 3的頻率的差値。 在此，第1、第2、第3振盪電路231、232、233可 以使用實施形態2至實施形態5所說明的任一平衡型電壓 控制振盪電路。 在第1薄膜壓電供盪子234，使強介電體薄的膜厚度 爲23〇nm ;下部電極的膜厚度爲25nm ;上部電極的膜厚 -27- 1230505 (22) 度爲 50nm時，對控制電壓 Vcl爲 0.2V〜3.0V，獲得 6.00±0.〇45GHz的共振頻率可變範圍。 在第2薄膜壓電供盪子23 5，使強介電體薄膜的膜厚 度爲25 5 nm ;下部電極的膜厚度爲25 nm ;上部電極的膜 厚度爲50nm時，獲得大致上爲4.25 GHz的共振頻率。 在第3薄膜壓電供盪子236，使強介電體薄膜的膜厚 度爲33〇nm;下部電極的膜厚度爲25nm;上部電極的膜 厚度爲 5 0 nm時，不施加控制電壓時獲得第3振盪電路 2 3 3的共振頻率4GHz。 將第1振盪電路231及第3振盪電路23 3的輸出分別 經由輸出緩衝器或分配器輸入乘法器，輸出兩振盪電路的 輸出的差，便可以對振盪頻率相對確保很大的可變頻率範 圍。 如此，可獲得2GHz：±=45MHZ的輸出頻率。藉此可以 大致上滿足對W-CDMA用電壓控制振盪器要求的特性。 同時，將第2振盪電路232及第3振盪電路233的輸 出分別經由輸出緩衝器或分配器輸入乘法器，輸出兩振盪 電路的輸出的差，便可以獲得大約24 0MHz的振盪頻率。 若以單一振盪電路振盪此頻率時，必須使電壓控制振盪器 的壓電體的膜厚度達5 000nm以上，本實施形態是藉由使 用兩個振盪電路，而得以薄很多的強介電體的膜厚度獲得 相同的頻率，因此可以短時間製成電壓控制振盪器，技術 上也容易許多。 同時，令第1及第2振盪電路23 1、232同時獨立振 -28- 1230505 (23) 盪兩種頻率時，也不致於像使用電感器及電容器時發生相 互干擾，能夠進行穩定的振盪。 (實施形態8) 第1 6圖表示本發明實施形態8的電壓控制振盪器 2 4 0的方塊圖。 如第1 6圖所示，電壓控制振盪器240具備有做爲輸 入輸出端子的接地端子GND、供應電源電壓Vcc的電源 端子Vcc、向薄膜壓電共振子供應控制電壓Vc的控制端 子Vc、供應切換頻率用開關控制信號的控制端子Cont及 輸出振盪信號的輸出端子Out。 同時，電壓控制振盪器240具備有：備有薄膜壓電共 盪子242及切換頻率用的電容調整電路243，依控制電壓 Vc振盪可變頻率的振盪電路241;用以確保振盪電路241 與輸出端子Out間的絕緣的輸出緩衝器244。 在此，振盪電路的共振元件使用，從薄膜壓電共盪子 2 4 2及電容調整電路2 4 3依控制信號開閉的開關S 1〜S η所 選擇的電容器C1〜Cn。 可以使用：在薄膜壓電共盪子242的電極間施加相當 於控制電壓Vc的直流偏壓的手段；及選擇電容調整電路 的電容値的手段；的兩種手段控制振盪頻率。 電容調整電路243所含的電容器C1〜Cn的電容値， 最好是，可以例如使用倍數系列等，而能以少數的電容器 涵蓋廣大的電容變化範圍。 -29- 1230505 (24)
在第17圖表示，在薄膜壓電共盪子242的控制電壓 與共振頻率頻率的關係。這時，強介電體薄膜的膜厚度爲 1 lOnm ;下部電極的膜厚度爲15nm ;上部電極的膜厚度 爲20nm;電容調整電路的C1〜C3分別爲2pF、4pF、8pF ο 如第17圖所示，將電容調整電路的電容切換成使用 C1時，使用C2時，使用C3時，使用C1 + C2 + C3時，對 控制電壓 Vc爲 0.2V〜3.0V時測量共振頻率，獲得 2.00±0.〇8GHz的共鎭頻率可變範圍。 本實施形態的電壓控制振盪器的共振元件具有薄膜壓 電共振子及複數個電容器，依外部控制信號Cont將上述 複數個電容器切換成特定電容器的手段。以使用強介電體 的薄膜壓電共振子，與藉由外部信號從具有複數電容量的 電容器選擇的電容器，構成串聯電路或並聯電路的共振電 路，相當於頻道選擇的頻率控制是藉由電容器的選擇爲之 ，頻率的微調整是藉由在電壓控制振盪器施加控制電壓爲 之，便可以實現，具有廣大的頻率可變範圍，又因不使用 變容二極體，而具有非常低的雜訊特性的電壓控制振盪器 (實施形態9) 第1 8圖是本發明實施形態9的電壓控制振盪器的方 塊圖。 如第1 8圖所示，電壓控制振盪器2 5 0具備有做爲輸 -30- 1230505 (25) 入輸出端子之接地端子GND、供應電源電壓Vcc的電源 端子Vcc、供應控制電壓Vc的控制端子Vc，供應切換頻 率用控制信號的控制端子Cont及輸出振盪信號的輸出端 子 Out。 同時，電壓控制振盪器2 5 0具備有：備有複數個薄膜 壓電共振子F1〜Fri的薄膜壓電共振子選擇電路252;備有 固定電容2 5 3，依控制電壓Vc振盪可變頻率的振盪電路 2 5 1 ;用以確保振盪電路2 5 1與輸出端子間的絕緣的輸出 _ 緩衝器2 5 4。 振盪電路的共振元件是使用，固定電容2 5 3與從薄膜 壓電共振子選擇電路2 5 2依控制信號開閉的開關S 1〜S η所 選擇的薄膜壓電共振子F1〜Fn。可以使用：藉由薄膜壓電 共振子選擇電路選擇具有中心共振頻率不相同的薄膜壓電 共振子的手段；及在薄膜壓電共盪子的電極間施加相當於 控制電壓Vc的直流偏壓的手段；的兩種手段控制廣大範 圍的振盪頻率。 薄膜壓電共振子選擇電路2 5 2所含的薄膜壓電共振子 F 1〜Fn的中心共振頻率最好是，例如相互間的間隔相等。 在本實施形態是使用8個薄膜壓電共振子F 1〜F 8，使 該等強介電體的膜厚度爲1 1 〇nm與下部電極的膜厚度爲 15nm均相同，上部電極的膜厚度在15nm至45nm之範圍 內等間隔變化。其結果，各薄膜壓電共振子的中心共振頻 率是以8MHz間隔，在1.972GHz〜2.029GHz之範圍，而且 ，由於在上下電極間施加控制電壓則可使各中心共振頻率 -31- 1230505 (26) 變化8 · 5MHz，因此獲得整體上1 .968 GHz〜2.0 3 3 GHz的連 續的共振頻率可變範圍。 如此，電壓控制振盪器的共振元件有複數個薄膜壓電 共振子，具有可藉由外部控制信號從上述複數個薄膜壓電 共振子選擇特定的薄膜壓電共振子的手段。使用，藉由外 部信號從使用複數個中心共振頻率不相同的強介電體的薄 膜壓電共振子選擇出來的薄膜壓電共振子，及具有固定電 容的電容器，構成共振電路，相當於頻道選擇的頻率控制 g 是藉由選擇薄膜壓電共振子而爲之，頻率的微調是藉由在 薄膜壓電共振子施加控制電壓，藉此可以獲得具有廣大的 可變範圍的頻率，同時因爲不使用便容二極體，因此相位 雜訊非常低的電壓控制振盪器。 (實施形態1〇) 第1 9圖是本發明實施形態1 〇的電壓控制振盪器的方 塊圖。 ⑩ 如第1 9圖所示，此電壓控制振盪器260具備有做爲 輸入輸出端子之接地端子GND、供應電源電壓Vcc的電 源端子Vcc、供應控制電壓Vc的控制端子Vc、供應切換 頻率用控制信號的控制端子Cont及輸出振盪信號的輸出 端子Out。 同時，電壓控制振盪器200具備有：備有薄膜壓電共. 盪子262及切換頻率用的電容調整電路26S，依控制電壓 Vc振盪可變頻率的振盪電路261 ;用以去除振盪電路261 32- 1230505 (27) 的紋波成分的帶通濾波器26 5 ;用以確保振盪電路261與 帶通瀘波器2 6 5間的絕緣的輸出緩衝器244。 在此，與實施形態9同樣，振盪電路的共振元件是使 用，從薄膜壓電共盪子262及電容調整電路2 63對應控制 信號開閉的開關S1〜Sn所選擇的電容器C1〜Cn。可以使用 :在薄膜壓電共盪子242的電極間施加相當於控制電壓 Vc的直流偏壓的手段；及選擇電容調整電路的電容値的 手段；的兩種手段控制振盪頻率。 _ 第20圖表示對稱梯子型的帶通濾波器26 5。此對稱 梯子型的帶通濾波器265是具備有：兩組串聯連接兩個的 薄膜壓電共振子266，及兩個並聯連接的薄膜壓電共振子 2 6 7的全梯型。 如第21圖所示，並聯連接的薄膜壓電共振子267與 串聯連接的薄膜壓電共振子266的中心頻率僅相差Af分 。在此是使串聯連接的薄膜壓電共振子266的共振頻率與 並聯連接的薄膜壓電共振子267的反共振頻率一致。 · 第22圖表示此對稱梯子型的帶通濾波器265的通過 特性。如圖示，帶通濾波器265可以過濾具有某種寬度的 頻率。 在本實施形態，將使用在振盪電路的薄膜壓電共振子 62、使用在帶通濾波器的串聯連接的薄膜壓電共振子66 、並聯連接的薄膜壓電共振子67全部以同一處理程序形 成在同一絕緣性矽基板上。亦即，使強介電體的膜厚度爲 llOnm與下部電極的膜厚度爲15nm均相同，僅上部電極 -33- 1230505 (28) 的膜厚度分別爲2 〇 n m、2 3 n m、1 7 n m，而進行中心頻率的 調諧。 第23圖表示變形例子的對稱格子型帶通濾波器的電 路。 此對稱格子型帶通濾波器是具備有：兩個串聯連接的 薄膜壓電共振子2 81 ’及兩個並聯連接的薄膜壓電共振子 2 8 2的格子型的濾波器2 8 0。 依照這種構造時，可以藉由大致上單一的處理程序在 同一基板上作成，振盪電路所使用的共振子，及構成去除 振盪電路的紋波成分的帶通濾波器的薄膜壓電共振子，能 夠以容易的處理程序作成高性能的電壓控制振盪器。 本實施形態是著眼於，能夠組合複數個薄膜壓電共振 子形成帶通濾波器或低通濾波器，而在同一基板上同時作 成電壓控制振盪器與濾波器。通常在電壓控制振盪器的輸 出含有高頻的紋波成分，要使用在RF接收電路或發送電 路時，可以使用低通濾波器等將其去除。 馨 本實施形態可以在同一製程形成電壓控制振盪器與濾 波器，其益處很大，使用薄膜壓電共振子構成的濾波器有 上述梯子型濾波器或格子型濾波器等。 (實施形態1 1) 第24圖表示使用同一材料與處理程序將本發明實施 形態1 1的薄膜壓電共振子278與壓電開關元件279形成 在同一基板2 7 1上的電壓控制振盪器的截面圖。 -34- 1230505 (29) 薄膜壓電共振子2 7 8是經由空洞2 7 2在矽基板2 7 1依 序形成下部電極273、壓電膜274、上部電極275而成。 而，壓電開關元件279是同樣經由開放構造的空洞272在 矽基板271依序形成下部電極273、壓電膜274、上部電 極2 75 ’而再附加對向電極及懸臂27 7的構造。亦即是壓 電致動器，在電極間施加電壓時，懸臂便會撓曲，下部電 極2 7 3與對向電極276相接觸。 在本實施形態，下部電極273及上部電極275是使用 對基板成晶膜成長的單晶的Pt，而強介電體膜274則使 用對基板成晶膜成長的單晶的鈦酸鋇強介電體，電極、壓 電體均以同一處理程序製成。 如此，在同一基板上同時形成薄膜壓電共振子，及低 導通電阻的壓電開關元件，便能夠很容易構成第1 7圖或 第1 9圖所示的使用薄膜壓電共振子及開關元件的電壓控 制振盪器。 因爲組合薄膜壓電共振子與開關元件，而得構成具有 着 很大的頻率可變範圍的電壓控制振盪器。較之使用半導體 的開關兀件，使用壓電致動器的開關元件具有較低的導通 電阻，可以製成包含Q値很高的開關元件的振盪電路。 (實施形態12) 第25圖表示本發明實施形態1 2的電壓控制振盪器 2 9 0的電路圖。 薄膜壓電共振子29 1可以使用第1圖所說明者。 -35- 1230505 (30) 此振盪電路290是在控制電壓Vc與輸出Out間，並 聯連接有薄膜壓電共振子291。薄膜壓電共振子291的一 方接地。 若在薄膜壓電共振子2 9 1的兩電極間，藉由控制電壓 電路292施加相當於控制電壓Vc的直流偏壓，強介電體 內的音速會變化，因此，可以使共振頻率或反共振頻率成 爲可變。 在第26圖表示，對薄膜壓電共振子測量對控制電壓 的共振頻率或反共振頻率的結果。這時，強介電體膜的膜 厚度爲1 100 nm、下部電極的膜厚度爲100 nm，上部電極 的膜厚度爲150nm。同時，振盪電路110的固定負載電容 量爲9pF。 從第26圖可以看出，令控制電壓Vc成0.2V〜3.0V變 化時，共振頻率便作 1.99 5 GHz〜2.005 5 GHz的變化。觀測 到約0.2 0%/ V的變化率。同時，可獲得900的非常高的 Q値，能夠進行相位雜訊少的振盪。 可以提供，適合在2GHz頻帶、頻率可變範圍10MHz 以下的用途，品質非常高的電壓控制振盪器。 在以上所述的實施形態，使用作爲薄膜壓電共振子的 強介電體膜的單晶強介電體，是藉由晶膜成長形成在單晶 基板上的鈣鈦礦系的強介電體，而鈣鈦礦系的強介電體則 是以鈦酸鋇，或以鈦酸鍩酸鉛爲主成分的強介電體較佳。 因爲，以鈦酸鋇，或以鈦酸鉻酸鉛爲主成分的強介電 體，若以單晶製成，將具有非常大的電氣機械結合係數， -36- 1230505 (31) 同時具有音速大的電場依存性。 再者’上述實施形態也可以單獨使用，但是組合幾個 會有更大的效果。 如以上所述，依據本發明時，可以提供：具有很大的 頻率可變範圍、頻率穩定性高、相位雜訊低、經長時間後 的變化很少、超小型，可同時進行複數個頻率的振盪動作 的電壓控制振盪器。 【圖式簡單說明】 第1圖是本發明實施形態1的薄膜壓電共振子的截面 圖。 第2圖是表示本發明實施形態1的薄膜壓電共振子的 控制電壓與共振頻率之關係的曲線圖。 第3圖是本發明實施形態1的平衡型電壓控制振盪器 的方塊電路圖。 第4圖是本發明實施形態i的平衡型電壓控制振盪器 的等效電路圖。 第5圖是本發明實施形態2的平衡型薄膜壓電共振子 的截面圖。 第6圖是本發明實施形態3的平衡型薄膜壓電共振子 的截面圖。 第7圖是本發明實施形態3的平衡型薄膜壓電共振子 的截面圖。 第8圖是本發明實施形態4的平衡型電壓控制振盪器 -37- 1230505 (32) 的方塊電路圖。 第9圖是本發明實施形態4的平衡型電壓控制振盪器 的等效電路圖。 第1〇圖是本發明實施形態5的電壓控制振盪器的方 塊電路圖。 第1 1圖是本發明實施形態6的電壓控制振盪器的等 效電路圖。 第1 2圖是本發明實施形態6的電壓控制振盪器的方 φ 塊電路圖。 第1 3圖是表示本發明實施形態6的電壓控制振盪器 的控制電壓與振盪頻率之關係的曲線圖。 第1 4圖是表示本發明實施形態6的電壓控制振盪器 的安裝形態的模式截面圖。 第1 5 B是本發明實施形態7的電壓控制振盪器的方 塊電路圖。 第1 6圖是本發明實施形態8的電壓控制振盪器的方 · 塊電路圖。 H 1 7圖[是表示本發明實施形態8的電壓控制振盪器 的控制電壓與振盪頻率之關係的曲線圖。 第1 8圖是本發明實施形態9的電壓控制振盪器的方 塊電路圖。 第1 9圖是本發明實施形態1 〇的電壓控制振盪器的方 塊電路圖。 第20圖是本發明實施形態1 〇所使用對稱梯子型帶通 -38- 1230505 (33) 濾波器的電路圖。 第2 1圖是表示本發明實施形態1 〇的帶通濾波器所使 用的薄膜壓電共振子的阻抗特性的曲線圖。 第22圖是表示本發明實施形態1 〇的帶通濾波器的通 過電力特性的曲線圖。 第23圖是本發明實施形態1 〇所使用對稱梯子型帶通 濾波器的電路圖。 第24圖是本發明實施形態1 1的電壓控制振盪器的薄 膜壓電共振子與壓電開關元件的模式截面圖。 第2 5圖是本發明實施形態1 2的電壓控制振盪器的等 效電路圖。 第26圖是表示本發明實施形態12的電壓控制振盪器 的控制電壓與振盪頻率之關係的曲線圖。 第27圖是表示傳統的薄膜壓電共振子的阻抗特性的 曲線圖。 第2 8圖是表示傳統的薄膜壓電共振子的相位特性的 曲線圖。 【圖號說明】 1 、 131、 141、 151、 271 ：砂基板 2、 132、 142、 152、 272 ：空洞 3、 133、 144、 145、 153、 273:下部電極 4、 7、 134、 136、 143、 154、 274:強介電體膜 5、 137、 146、 147、 155、 156、 157、 275 ：上部電極 -39- 1230505 (34) 6、1 3 8 :共振部 8 :犧牲層 9、292:控制電壓電路 110、 120、 160、 170、 180、 200、 210、 230' 240、 250、 2 9 0 :電壓控制振盪器 111、 112、 161、 162、 181、 182、 183、 184 ：反轉型放大 器 113、 114、 125、 126、 130、 140、 150、 163、 164、 173、 174、 185、 186、 205、 206、 212、 215、 234、 235、 236、 242、 262、 266、 267、 281、 278、 282、 291:薄膜壓電共 振子 115、 116、 117、 118:電極 1 1 9 :串聯電路 12 1、123 : P型MOS電晶體 122、124: N型MOS電晶體 127、 165、 166、 167 、 168、 187、 188、 189、 190 ：電容 器 128、 129 :輸出緩衝放大器 1 3 5 :中間電極 1 7 1、1 72 : NPN雙極電晶體 173a、 174a、 205a、 206a ：電極 173b' 174b、 205b、 206b:電阻 201、202、203、204 ： CMOS 反相器 211、 214、 231、 232、 233、 241、 251、 261：振盪電路 -40 - 1230505 (35) 213、216、237、238、239、244、254、264 ：輸出緩衝器 2 1 7 :乘法器 2 2 0 :被動晶片
22 1、222 :高頻半導體1C 2 2 3 :模組 224 :封裝樹脂 243、263:電容調整電路 252:薄膜壓電共振子選擇電路 2 5 3 :固定電容器 2 6 0 :電壓控制振盪電路 2 6 5 :帶通濾波器 2 7 6 :對向電極 2 7 7 :懸臂 2 7 9 :壓電開關元件 2 8 0 :濾波器

Claims (1)

1230505 (υ 拾、申請專利範圍 ι·一種電壓控制振盪器，其特徵爲具備有： 備有：分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在ΐ〇μΐΏ 以下的#5銶礦（perovskite)型單晶的強介電體薄膜；及中 間夾著上述強介電體薄膜而設置的薄膜狀的一對電極；而 藉由上述一對電極間的電壓，改變共振頻率的至少一個薄 膜壓電共振子； 對上述一對電極間施加電壓的控制電壓電路；以及 連接在上述薄膜壓電共振子，與此共振子一起構成振 盪電路的放大器。 2 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 具有複數個上述薄膜壓電共振子，上述複數個薄膜壓 電共振子彈性方式結合在一起。 ^ 3 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 上述電壓控制振盪器是組合複數個上述薄膜壓電共振 子的平衡電路。 4 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 具備有：由第1薄膜壓電共振子與第1放大器構成的 第1振盪環路；由第2薄膜壓電共振子與第2放大器構成 ，與上述第1振盪環路成電氣絕緣的第2振盪環路；以及 彈性方式結合上述第1薄膜壓電共振子與上述第2薄膜壓 -42- 1230505 (2) 電共振子的手段。 5 ·如申請專利範圍第2項所述之電壓控制振盪器，其 中 上述彈性結合爲逆相結合。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 串聯連接複數個薄膜壓電共振子構成串聯電路，在上 述串聯電路並聯連接放大器，而在上述複數個薄膜壓電共 振子的反共振點附近的頻率振盪。 7 ·如申請專利範圍第4項所述之電壓控制振盪器，其 中 在上述第1及第2薄膜壓電共振子的共振點附近的頻 率振盪。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 上述薄膜壓電共振子至少在其一方的電極連接規定容 量的電容器，構成並聯電路或串聯電路，上述電路的共振 頻率因施加在上述薄膜壓電共振子的上述一對電極間的電 壓而成爲可變。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器，其 中 上述電壓控制電路可產生直流電壓。 1 0.如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器， 其中 -43- 1230505 (3) 上述強介電體薄膜是以鈦酸鋇或鈦酸銷酸鉛爲主成分 的磊晶成長膜。 1 1 . 一種電壓控制振盪器，其特徵爲具備有： 由分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在以下 的鈣鈦礦型單晶的第1強介電體薄膜；以中間夾著上述第 1強介電體薄膜而設置的薄膜狀的第I及第2電極構成的 第1薄膜壓電共振子； 由 分 極: 方向與膜厚度方向一致 ? 且 厚 度 在 1 0 μ m 以 下 的 鈣 欽 礦 型 單晶的第2強介電體薄 膜 以 夾 著 上述 第 2 強 介 電 體 薄 膜: 連同上述第2電極而設 置 的 薄 膜 狀 的第 3 電 極 所 構 成 ， 膜‘ 厚度方向堆積在上述第 1 薄 膜 壓 電 共振 子 5 而 以 上 述 第 2 ^ 電極爲共同電極的第2 薄 膜 壓 電 共 振子 9 在 上 述▲ 電極間施加電壓的控制 電 壓 電 路 9 以及 連 接 在 上述第1及第2薄膜壓 電 共 振 子 5 構成 振 盪 電 路 的 放 大 器 〇 1 2 .如申 請專利範圍第1 1項所 述 之 電 壓 控 制振 盪 器 5 其 中 上 述 第 1薄膜壓電共振子與上 述 第 2 薄 膜 壓電 共 振 子 彈 性 方 式 結 合在〜起。 13 •如申 請專利範圍第1 1項所 述 之 電 壓 控 制振 盪 器 其 中 包 含 上 述第1及第2強介電體 薄 膜 、 上 述 第1 電 極 至 第 3 電 極， W度具有振盪波長的1 /4 波 長 的 基 本共 振 頻 率 -44- 1230505 (4) 1 4 . 一種電壓控制振盪器，其特徵爲具備有： 基板； 設在上述基板上，由分極方向與膜厚度方向一致，且 厚度在1 Ομηι以下的鈣鈦礦型單晶的強介電體薄膜；及中 間夾著上述第1強介電體薄膜而設置的薄膜狀的第1及第 2電極構成的第1薄膜壓電共振子； 設在上述基板上，鄰接於上述薄膜壓電共振子，與上 述第1薄膜壓電共振子共有上述強介電體膜，以中間夾著 上述強介電體薄膜而設置的薄膜狀的第3及第4電極構成 的第2薄膜壓電共振子； 在上述電極間施加電壓的控制電壓電路；以及 連接在上述第1及第2薄膜壓電共振子，構成振盪電 路的放大器。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之電壓控制振盪器， 其中 上述第1薄膜壓電共振子與第2薄膜壓電共振子彈性 方式結合在一起。 16. —種電壓控制振盪器，其特徵爲具備有： 具有：分極方向與膜厚度方向一致，且厚度在10 μχη 以下的鈣鈦礦型單晶的強介電體薄膜，及以中間夾著上述 強介電體薄膜而設置的薄膜狀的一對電極，藉由上述一對 電極間的電壓，使共振頻率變化的至少一個薄膜壓電共振 子；向上述一對電極間施加電壓的電壓控制電路；以及， 連接在上述薄膜壓電共振子，與此共振子一倂構成共振電 -45- 1230505 (5) 路的放大器的複數個電壓控制振盪器； 以不同的頻率使上述複數個電壓控制振盪器振盪的手 段；以及 連接在上述複數個電壓控制振盪器，輸出上述電壓控 制振盪器的輸出頻率差的乘法器。 1 7 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器’ 其中 具備有，可與上述薄膜壓電共振子以構成串聯或並聯 電路的方式所選擇性連接之複數個電容器，藉由跟上述電 容器的至少一個組合，控制共振頻率。 1 8 .如申請專利範圍第1項所述之電壓控制振盪器， 其中 具備有，可與規定之電容器以構成串聯或並聯電路的 方式所選擇性連接之複數個薄膜壓電共振子，藉由跟上述 薄膜壓電共振子的至少一個組合，控制共振頻率。 1 9 . 一種電壓控制振盪器，其特徵爲具備有： 基板； 設在上述基板上，由分極方向與膜厚度方向一致，且 厚度在ΙΟμιη以下的鈣鈦礦型單晶的強介電體薄膜；及中 間夾著上述強介電體薄膜而設置的薄膜狀的第1及第2電 極構成的薄膜壓電共振子； 設在上述基板上，鄰接於上述薄膜壓電共振子’與上 述薄膜壓電共振子共有上述強介電體薄膜’以中間夾著上 述強介電體薄膜而設置的薄膜狀的電極所構成’以上述強 -46 - 1230505 (6) 介電體薄膜當作壓電致動器的開關元件； 在上述第1及第2電極間施加電壓的控制電壓電路； 以及 連接在上述第1及第2薄膜壓電共振子，以構成振盪電 路的放大器。
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