CN102255143B - 电子元件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电子元件提供位于电介质基体(262)之上或之中、处于一对电导体(260A、260B)之间并与其接触的陶瓷元件(264)，其中陶瓷元件包括一种或多种金属氧化物，其在整个所述陶瓷元件中的金属氧化物组分均匀度的波动小于或等于1.5mol％。一种制造电子元件的方法，提供以下步骤：在基体上的一对导电体之间形成陶瓷元件并与该对导电体接触，包括沉积金属有机先导物的混合物并使金属氧化物先导物同时沉积，以形成包括一种或多种金属氧化物的陶瓷元件。
Description
本申请是发明名称为“电子元件及制造方法”，申请号为“200680023565.5”，国际申请日为2006年6月30日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及嵌入式电子元件的构建，具体说，涉及用于信号处理的元件。
相关申请
申请人要求2005年6月30日提交的申请号为60/695,485，名称为“扩展频谱接收器及制造方法(SPREAD SPECTRUM RECIEVER ANDMEHTOD OF MANUFACTURE)”的美国临时专利申请的优先权，其内容引用于此作为参考。
背景技术
传统的数字通信利用信号脉冲的强度编码二进位信息，其利用全振幅或高振幅脉冲将1位(1bit)信息和低振幅或无振幅脉冲转换成0位(0bit)数据，反之亦然。无线通信在有限带宽的限制下和多源信号干扰下运行，该信号干扰可以导致利用简单数字编码的数据流中的高比特误差率水平。已开发出扩展频谱信令协议以提供有意义的数据速率和更高的信号强度的方式用于解决这些问题。这些协议利用相位偏移键控(phase shift keying，PSK)或正交振幅调制(quadrature amplitude modulation)技术将传输脉冲整形为一种符号，该符号将一系列连续数据位编码成信号脉冲。图1A利用相图说明具有恒定振幅101和调制移相103的信号如何生成四个不同的相态105A、105B、105C、105D，这些相态用于对四个不同的两位数据组合[1,1]、[0,1]、[1,0]、[0,0]标记符号。图1B说明如何利用含有16个不同振幅和相态107的信号群(signal constellation)：[1,1,1,1]、[1,1,1,0]、[1,1,0,1]、[1,0,1,1]、[0,1,1,1]、[1,0,0,1]、[1,0,0,0]、[0,1,0,1]、[0,1,0,0]、[0,0,1,0]、[1,0,0,1]、[0,0,0,1]、[1,0,0,0]、[0,0,0,1]、[0,1,1,0]和[0,0,0,0]编码每个四(4)位的符号。
这些符号调制技术通过信号滚降参数(signal roll-off parameter)α影响脉冲的形状，该信号滚降参数可以取1≤α≤0范围的值。如图2A、2B、2C所示，当在时域中观察脉冲109A、109B、109C时，用于表示不同符号的不同滚降参数会显著调制信号载波。时域信号调制主要影响脉冲的前部和曳尾111A、111A'、111B、111B'、111C、111C。图3A、3B、3C说明变化的滚降参数如何在频域中影响脉冲113A、113B、113C。T用于定义符号时长，W为奈奎斯特率(Nyquist rate)，在图2、3中W＝1/2T。这种调制形式使得脉冲的功率谱密度(power spectral density)随着滚降参数的增加扩展到更大的频率。因此，在频域中通过分析符号更有效地实现信号检测。
传统的接收器使用传感器记录脉冲的时域记号并将处理器功能用于执行数学计算脉冲功率谱密度的快速傅里叶逆变换(inverse Fast FourierTransform，IFFF)或快速傅里叶离散逆变换(inverse Discrete Fast FourierTransform)。使用数学方法对符号的功率谱密度进行去卷积增加接收器元件成本，从所有可利用的功率预算中消耗额外功率，并在移动无线平台上包装时占用宝贵的实际空间。
在基于正交频分多路复用(orthogonal frequency divisionmultiplexing，OFDM)的无线通信***中尤其如此。OFDM技术，包括但不限于WiMAX，为开发的用以可靠地提高数据速率的多载波调制方法。通过缩短符号时长提高单一载波的数据速率通常更易受影响而增加比特误差率。OFDM法利用多个在低数据速率下运行的载波(通常称为“副载波(sub-carriers)”)。这就使得所有副载波的复合数据在组合速率下通信，该组合速率与使用相同的基本调制具有相同频道带宽的单一载波的数据速率相比，具有更高的数据速率。采用更长符号持续时间的主要优点在于误差率的净减少，其通过减少的来自内部符号干扰对误差的易感性实现，其中内部符号干扰由多路时间散布导致。此外，当频率选择性衰减(frequency-selective fading)仅分布到少数副载波并且多数副载波的衰减深度不足以大到生成明显比特误差时，内部符号干扰就不是问题。图4A、4B表示多个副载波115如何生成具有矩形形状的各副载波的复合功率谱，其大部分调制数据包含在前/尾侧带117A、17A'的功率谱密度中。然而，更多的副载波还增加所需的IFFF/IDFFF计算处理能力，以通译副载波复合，该处理能力在移动平台上受到限制。
无源电阻器、电容器和感应器元件，统称为无源元件(passivecomponent)，用于形成包含这些装置的过滤级。目前，大多数无源元件组装在印刷电路板表面上，通常包含在全装配电路板中使用的所有元件的80％，并且占电路板主要表面的实际空间的50％。小波形因数是移动无线***的总体要求。因此，需要通过将无源元件从电路板表面转移到一个或更多内层减少电路焊垫(footprint)的方法。这种实践，更普遍地公知为嵌入无源技术(embedded passive technology)，在大规模高速电路，例如服务器和无线电通信开关中也是有用的，其需要大量的电终止传输线。尽管嵌入无源技术已经从二十世纪八十年代早期已经开始发展，但是几乎没有成功达到理想性能公差的方法。无源元件嵌入电路板中之后不能重做(调换)公差范围之外的无源元件，这就需要这些元件的目标性能的公差为±1％，因为单个元件的失败会导致失去整个电路板的价值。此外，嵌入的无源元件需要在所有预期的工作温度下保持其目标性能公差，以便于设计并确保电路的可靠性。工作温度典型范围从-40℃到+125℃。大多嵌入无源技术的公知技术依赖于包含具有相同介电性能材料的层的薄膜技术。已经证实电阻性金属薄膜具有获得热稳定性能的最好能力，其公差在±1％以内。
如图5A、5B所示，嵌入电阻器119典型地包含两个金属板，金属板含有导电层121及装配到各电介质层124、125上的电阻性金属层123。各金属层被图样化，以在导电金属层121中生成导电体127，在电阻性金属层123中生成电阻器件129、130。这就导致在两个层压板如图5B所示对齐并接触时，电阻器件129、130的位置处于导电体127之间的缝隙131、132之上。电阻器件129、130的电阻由导电体127之间缝隙131、132的间隔以及电阻性金属层123的薄片电阻率和厚度控制。元素阻抗(elementalresistance)由缝隙131、132的间隔确定，因为层压电阻性金属板具有相同的厚度和电阻率。通常，薄膜金属电阻器件129、130的尺寸控制将达到±5％的公差，激光修调(laser trimming)用于将性能公差带入±1％的目标值以内。电阻性薄膜包含具有低电阻热导系数(thermal coefficients ofresistance，TCR)的镍(Ni)或铂(Pt)，其在工作温度下提供±1％公差以内的热稳定性。薄膜电阻器件129、130主要的可靠性问题包括，导致金属薄片形成的与金属电极127和/或形成电介质层125的材料的相互作用，以及热膨胀系数的不匹配，其可能导致薄膜电阻器件129、130和封装电介质125之间的分层。
薄膜技术也用于制造嵌入式电容器。高速CMOS半导体电路中对噪音抑制的需求极大地促动了对嵌入式电容器的需求，其中开关装置的同时翻转引起较大的冲击电流，该冲击电流由嵌入到电路板中的电源平面施加，半导体元件装在该电源平面上。在从电源平面内可利用不充足的电荷以供应冲击电流时，在电路中产生电源噪音。退耦电容器用于在高速电路中抑制电源噪音。图6A、6B总体上表示在电路中利用嵌入式退耦电容器131抑制电源噪音，该电路包含电路板133和高速半导体芯片135。电源平面137被构建成含有***到两个导电金属板141、142之间的电介质层139的层压板电容器(图6A)。导电金属层142中的一个图样化，以在电源平面137与向半导体元件供应冲击电流的垂直互联(via)145保持电接触的区域提供浮动接地平面(floating ground planes)143(图6B)。由电介质层139形成的嵌入式退耦电容器131位于金属板141和浮动接地平面143之间，收集并供应过剩电荷，用以抑制电源噪音，该电源噪音可以在存在不充足的存储电荷时产生，以供应冲击电流。3M公司制造的C-Ply材料采用含有载有高κ值的非导电性钛酸钡粉末的电介质层139。尽管这些结构提供高薄板电容量(6nF/inch2)，但仍需要更高的电容量。此外，负载到电介质层139中的非导电性粉末具有不足以提供低电容导热系数(thermal coefficient of capacitance，TCC)和稳定温度性能的颗粒尺寸(1-2微米)。同样地，3M公司的C-Ply退耦电容器仅设定具有X7R型行为(在预期的工作温度下性能值在目标值的±15％以内)。富士通公司(Fujitsu,Ltd.)报道了一种气溶胶沉积技术(aerosol deposition technique)的开发，该技术在室温下形成高κ值的钛酸钡陶瓷，其可以用于利用预先组方的陶瓷粉末在电路板内嵌入电容器。报道的形成高质量膜(0.05-2微米)的颗粒尺寸也不足以保持对于热稳定性能或COG型行为来说合适的TCC。
图7A、7B表示嵌入到互联结构或印刷电路板151中的无源感应器150的俯视图和侧视图。感应器150典型地包含线圈结构147或简单的环形结构(图中未表示)，其设计在一个或多个电介质板152上，具有向线圈147供应电流的馈线149，其位于独立的电介质层153上，该电介质层位于线圈所处的平面的下级(或上级)。电介质层152、153、154总体上包含用于构建电路的相同材料。
授予Imagawa等人的5,154,973号美国专利公开了一种介质透镜天线，其包括高κ值的绝缘陶瓷组合物，其由平均颗粒尺寸为1至50微米之间的粉末与有机热塑性材料制成。授予Kanba等人的5,892,489号美国专利公开了一种结合有高κ值氧化物陶瓷的芯片天线，其包含螺旋缠绕的导体，其通过在电介质板上印刷平面轨迹结构并将这些板组装在一起形成所述的芯片天线。授予K.Asakura等人的6,028,568号美国专利公开了一种含有至少一种折叠天线的芯片天线，该折叠天线通过将导体印刷在多个电介质层上形成，其中至少一层的电介质层为磁性材料，并将上述电介质层熔合到上述实心结构中。授予T.Tsuru等人的6,222,489B1号美国专利公开了一种含有单极或双极天线的芯片天线，其通过在多个电介质层上印刷导体轨迹制备，其中每个单独的层具有相同的组合物，向上述单独的层提供εR＝1-130的相对介电常数或μR1-7的相对渗透率，上述多个层熔合到单个的元件中。授予HJ.Kim等人的6,650,303B2号美国专利公开了一种包含多个电介质板的芯片天线，其中每个板具有遍及整个板的相同的组合物，导电体设计成形成螺旋天线。授予A.Hilgers的6,680,700B2和6,683,576B2号美国专利公开了一种包含核心陶瓷基体的芯片天线，其具有相同的介电性能，将导电金属绘制在其固定至电路板的表面的周围。Canora等人的6,025,811号美国专利公开了一种具有嵌入或固定到电路中的密耦合导向器的定向天线，其中导向器元件为导电元件，其具有矩形横截面轮廓。T.T.Kodas等人提出的10/265,351号美国专利公开了一种由低粘度溶剂中的纳米粒胶状悬浮体形成导电电子材料的喷墨技术。Koda等人提出的10/286,363号美国专利公开了一种由可流动的高粘度先导流体形成无机电阻器和电容器的直写(direct-write)(注射为基础)方法，其中该先导流体由分子先导物和无机粉末组合在一起组成。6,036,899和5,882,722号美国专利公开了一种利用纳米颗粒糊施加金属层的方法和处方。
授予de Rochemont等人的6,027,826号美国专利公开了在金属基体上形成氧化物陶瓷的方法，用以利用金属有机物(分子)先导物溶液和液体气溶胶喷射技术形成层、丝和线金属-陶瓷组合物结构。授予de Rochemont等人的6,323,549和6,742,249号美国专利公开了包含互联结构的物品和构建互联结构的方法，该结构利用嵌入硅陶瓷的至少不连续的导线将半导体芯片与更大的***电接触，同样还公开了利用金属有机物(分子)先导物溶液和液体气溶胶喷射技术将无源元件嵌入所述互联结构中的方法。授予de Rochemont等人的5,707,715和6,143,432号美国专利公开了在由金属有机物(分子)先导物制备的金属-陶瓷电路板和金属-陶瓷及陶瓷-陶瓷组合物结构中释放热导减小的机械应力的物品和方法，并且还公开了在上述有机物(分子)先导物溶液中结合第二相颗粒(粉末)。这些参考文献的内容引用于此作为参考，如同将其全部写入一样。11/243,422号美国专利公开了将频率选择性和热稳定性赋予小型天线元件的物品和方法，以及在单独陶瓷模块中简化RF前端结构的构建。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种电子元件，其包含位于电介质基体之上或之中、处于一对电导体之间并与其接触的陶瓷元件，其中陶瓷元件包括一种或多种金属氧化物，其在整个陶瓷元件中的金属氧化物组分均匀度的波动小于或等于1.5mol％。
金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成。颗粒尺寸沿每个粒子的主轴线测定，其小于包含在陶瓷元件中的平均颗粒尺寸的1.5倍、大于其0.5倍。颗粒尺寸通过制造过程中控制热处理决定。
陶瓷元件具有由包括在其中的特定的一种或多种金属氧化物确定的电学特性。电学特性受制造过程中使用热处理控制颗粒尺寸的影响。陶瓷元件的电学特性显示出实质上恒定的值，其在40℃至120℃的工作温度范围内变化≤1％。
陶瓷元件可以通过使金属有机先导物同时沉积而制造。同时沉积可以通过对沉积的金属有机先导物使用快速热退火实现。陶瓷元件可以通过在同时沉积之前沉积羧酸盐先导物制造。先导物可以作为蜡质化合物沉积。可以向沉积的先导物施加辐射能，以引起同时沉积。
金属氧化物可以具有金红石、烧绿石、钙钛矿、主体中心立方体、斜十二方面体、菱形偏三八方面体晶体相，或以上的结合，其包括氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铑(Rh2O3)、氧化锇(OsO2)、氧化锑(Sb2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO)、氧化铪(HfO)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铁(Fe2O3)和氧化硅(SiO4)中的一种或多种。
陶瓷元件可以包括具有本征薄片电阻率大于25μΩ-cm的电阻性金属氧化物材料。陶瓷元件还可以包括导电性金属氧化物，并且其中电子元件为电阻器。金属氧化物可以具有金红石、烧绿石或钙钛矿晶体相，其包括氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铑(Rh2O3)、氧化锇(OsO2)、氧化锑(Sb2O3)以及铟-锡氧化物中的一种或多种。金属氧化物可以选自由以下物质组成的群组：氧化铋(Bi2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铅(PbO)以及氧化钕(Nd2O3)。金属氧化物可以包括由氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化钡(BaO)、氧化钪(Sc2O3)、氧化钛(Ti2O3)、氧化钒(V2O3)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锰(Mn2O3)以及氧化铁(Fe2O3)组成的群组中选出的碱土金属氧化物。金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成。陶瓷元件可以具有在-40℃至125℃的工作温度范围内变化≤5％的电阻系数或电阻值。陶瓷元件可以具有在-40℃至125℃的工作温度范围内变化≤1％的电阻系数或电阻值。陶瓷元件可以具有大约在10欧姆到50百万欧姆之间的电阻值。陶瓷元件可以具有大约在1欧姆到500百万欧姆之间的电阻值。
电子元件可以是具有一对形成相对电极的电导体和形成其电介质的陶瓷元件的电容器。一种或多种金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成。
电容器可以具有大约在0.01pF至900μF之间的电容值。每一对电导体可以包括独立的放大区域，该区域具有彼此相对的方向，陶瓷元件位于其间。电导体和陶瓷元件可以形成电容量>20nF/英寸2的薄板电容器。
该对电导体可以是电路板轨迹的形式，为相对电极生成多样的接近间隔、交错排列的指状物。陶瓷元件可以位于交错排列的指状物之间形成的曲折缝隙中，曲折的缝隙可以保持实质上不变的间隔，即使在曲折缝隙的弯曲或拐角区域也是如此。
陶瓷元件可以具有在40℃至120℃的工作温度范围内变化≤5％的介电常数值。金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成，该颗粒尺寸平均小于70纳米。陶瓷元件可以具有在40℃至120℃的工作温度范围内变化≤1％的介电常数值。金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成，该颗粒尺寸平均小于50纳米。
陶瓷元件可以具有高介电常数，一种或多种金属氧化物可以具有钙钛矿晶体结构，并总体上具有化学式M(1)M(2)O3，其中M(1)组和M(2)组中的金属以1:1摩尔比率存在。组M(1)、M(2)的每组中可以包括多种金属，每组中组合的摩尔浓度相同。两种金属M(1a)、M(1b)可以选自组M(1)，另两种金属可以选自组M(2)，一种或多种金属氧化物具有化学式M(1a) (1-x)M(1b) (x)M(2a) (1-y)M(2b) (y)O3。组M(1)的金属氧化物可以包括：从氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)和氧化钡(BaO)中选出的碱土金属氧化物；从氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)和氧化铷(Rb2O)中选出的碱金属氧化物；以及从氧化镧(La2O3)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铅(PbO)和氧化钕(Nd2O3)中选出的重金属氧化物。组M(2)的金属氧化物可以包括氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO)、氧化铪(HfO)、氧化钽(Ta2O5)以及氧化铌(Nb2O5)。
该对电导体可以通过一个或多个附加电导体连接，其环绕陶瓷元件形成感应器。感应器可以显示出大约0.1pH至500nH范围的感应系数。感应器可以在40℃至120℃的工作温度范围内保持感应系数值在±1％以内。金属氧化物可以具有主体中心的立方晶体相，其包括氧化铁(Fe2O3)和一种或多种以下物质：氧化钴(CoO)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化锰(MnO)、氧化铜(CuO)、氧化钒(VO)、氧化镁(MgO)以及氧化锂(Li2O)。权利要求42所述的电子元件，其中一种或多种金属氧化物中的一种金属氧化物为氧化硅(SiO4)，陶瓷元件采用斜十二方面体或菱形偏方三八面体晶体相，其它金属氧化物包括一种或多种以下物质：氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化铬(Cr2O3)、氧化钒(V2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化钴(Co3O4)、氧化钆(Gd2O3)、氧化钕(Nd2O3)以及氧化钬(Ho2O3)。
附加的导电体可以在陶瓷元件周围形成线圈。附加的导电体可以包括多种附加导电体，包括一个或多个作为电路板轨迹形成、并位于陶瓷元件之下的第二导电体。每个该一个或多个第二导电体可以拉长，并具有位于其相对末端的接触垫，其中多种附加导电体包括多个位于接触垫上并邻接陶瓷元件的接电柱。该多种附加导电体可以包括一个或多个位于陶瓷元件之上与接电柱连接的引线。
陶瓷元件可以包括多个嵌入到电介质基体中并可操作地互联的陶瓷元件。该多个陶瓷元件可以包括第一和第二陶瓷元件，其每个形成不同类型的无源元件。第一和第二陶瓷元件可以分别形成电容器和感应器。该多个陶瓷元件可以形成电子滤波器。
电子元件还可以包含装在电介质基体上并可操作地连接至一对导电体中的一个的集成电路。陶瓷元件可以包括多个嵌入到电介质基体中的陶瓷元件，并且其中多个陶瓷元件形成电子滤波器。电子元件还可以包含可操作地连接至电子滤波器的天线元件。
电介质基体可以是多层电路板中的一层。一个或多个电导体可以包括接触垫，并且还包含位于接触垫之上的导电柱，其用于穿过电介质基体提供与电路板中的相邻层的电连接。多层电路板中的一个或多个其他层可以包括嵌入式电子元件。电子元件还可以包含装在多层电路板中的一层上、并且可操作地连接至一对导电体中的一个的集成电路。
电介质基体可以在陶瓷元件周围形成。一个或多个导电体和陶瓷元件可以首先在基础基体上形成。可以在将电介质基体与其它电介质基体结合之前除去基础基体，以形成多层电路板。可以在多层电路板的第二层水平上的电介质基体顶部形成一个或多个附加电子元件，其中在一个或多个附加电子元件周围形成第二电介质层，以形成多层电路板。
在本发明的另一实施例中，提供一种制造电子元件的方法，其包含以下步骤：在基体上的一对导电体之间形成陶瓷元件并与该对导电体接触，包括沉积金属有机先导物的混合物并使金属氧化物先导物同时沉积，以形成包括一种或多种金属氧化物的陶瓷元件。
同时沉积可以通过使用快速热退火沉积金属有机先导物来实现。陶瓷元件在同时沉积之前通过沉积羧酸盐先导物制造。该先导物可以作为蜡质化合物沉积。可以向沉积的先导物施加辐射能以引起同时沉积。金属氧化物可以具有金红石、烧绿石或钙钛矿晶体相，其包括氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铑(Rh2O3)、氧化锇(OsO2)以及氧化锑(Sb2O3)中的一种或多种。金属氧化物形成具有在整个陶瓷元件中的金属氧化物组分均匀度小于或等于1.5mol％的波动。金属氧化物可以实质上由具有实质上统一的颗粒尺寸的粒子组成。颗粒尺寸沿每个粒子的主轴线测定，并且其中颗粒尺寸小于包含在陶瓷元件中的平均颗粒尺寸的1.5倍、大于其0.5倍。颗粒尺寸通过制造过程中控制热处理决定。
本发明的另一实施例提供一种天线，其包含：具有最大尺寸D的折叠式天线元件；以及超材料电介质体，其将折叠式天线嵌入距超材料电介质体外表面一段距离S；其中超材料电介质体包含相对介电常数εR≤10的电介质主体，和一个或多个相对介电常数εR＞10的电介质包合物；距离S大于折叠式天线感应近场区突出的长度d，其中感应近场区突出的长度d以下式定义：其中λ为折叠式天线元件发射或接收的电磁激发波长。
电介质主体可以是有机电介质。有机电介质可以包括FR4、RogersDuroid或PFTE Teflon电介质。有机电介质主体可以具有损耗角正切tanδ≤10-3。电介质主体可以是无机电介质。无机电介质主体可以是硅土或氧化铝电介质。无机电介质主体可以具有损耗角正切tanδ≤10-3。无机电介质主体可以具有在-150℃至+250℃的工作温度范围内稳定的相对介电常数εR。
本发明的另一实施例提供一种天线，其包含：具有最大尺寸D的折叠式天线元件；以及超材料电介质体，其将折叠式天线嵌入距包含在超材料电介质体内的电介质包合物一段距离S；其中超材料电介质体包含相对介电常数εR≤10的电介质主体，和一个或多个相对介电常数εR＞10的电介质包合物；距离S大于折叠式天线感应近场区突出的长度d，其中感应近场区突出的长度d以下式定义：其中λ为折叠式天线元件发射或接收的电磁激发波长。
本发明对不同的实施例进行说明，这些实施例能使频率选择天线被设计成扩频接收器，并使用高κ包合物和以增加辐射的方式紧密耦合的导向器。
附图说明
为了更好地理解本发明以及本发明的其它和进一步的方面，请参照以下结合附图对其进行的说明，其中：
图1A、1B表示用于通过相位偏移键控法和正交振幅调制法分别将位偶(bit pair)及四位包(four bit packet)编码成符号的正交相态；
图2A、2B、2C为用不同滚降参数编码的符号的代表性时域脉冲形状；
图3A、3B、3C为图2A、2B、2C所示的时域符号在频域中观察时的代表性功率谱密度；
图4A、4B表示单个的PSD元件及组合起来以形成高数据速率、低比特误差的无线通信线路时的多个副载波上的用于调制脉冲的功率谱密度；
图5A、5B表示嵌入电阻器的薄膜的公知技术；
图6A、6B表示嵌入电容器的薄膜的公知技术；
图7A、7B表示嵌入感应器的薄膜的公知技术；
图8表示在BST电瓷中颗粒尺寸作为温度的函数对电介质反应的影响；
图9为流程图，说明用于组方先导物溶液的过程，其可以用于组方用于在基体表面选定位置印刷多个陶瓷组合物的液体气溶胶喷雾或固体蜡；
图10A、10B表示利用液体气溶胶喷雾将多种陶瓷组合物应用到基体表面选定位置的方法；
图11表示一种利用固体蜡先导物通过印刷LCD电瓷将多种陶瓷组合物应用到基体表面选定位置的方法；
图12A1、12A2、12B表示一种可选的利用固体蜡先导物通过印刷LCD电瓷将多种陶瓷组合物应用到基体表面选定位置的方法；
图13A、13B表示陶瓷电阻器件的俯视及侧视图；
图14A、14B表示由不同电阻值的元件组成的陶瓷电阻器阵列的俯视及侧视图；
图15表示混合相电阻性陶瓷的微观结构；
图16A、16B、16C、16D表示含电互联嵌入式离散电阻器元件的印刷电路板的有关实施例及其制造；
图17A、17B、17C、17D、17E、17F、17G表示具有COG型行为的离散电容器元件的有关实施例及其制造；
图18表示具有COG型行为、由纳米金属糊形成的板式电容器的有关实施例及其制造；
图19A、19B表示具有COG型行为、形成有金属箔电极的板式电容器的有关实施例及其制造；
图20A、20B、20C表示有关在电介质层嵌入离散电容器件的实施例及其制造；
图21A、21B表示从板式电容器层分离的嵌入式电容器的有关实施例及其制造；
图22表示含有电互联的嵌入式离散及板式电容器的印刷电路板；
图23A、23B、23C、23D、23E、23F、23G表示离散感应器线圈的有关实施例及其制造；
图24A、24B表示嵌入电介质层中的感应器线圈的有关实施例及其制造；
图25表示含有电互联的嵌入式离散感应器线圈的印刷电路板的有关实施例及其制造；
图26A、26B表示含有嵌入式电阻器、电容器和感应器的电介质层的有关实施例及其制造；
图27A、27B表示含有电互联的嵌入式电阻器、电容器和感应器的印刷电路板的有关实施例及其制造；
图28表示天线尺寸；
图29A、29B、29C表示嵌入到超材料(meta-material)电介质中的折叠天线元件，该超材料电介质在其周边界限内划定天线的感应近场；
图30表示扩频接收器的实施例及构建；
图31A、31B表示与阻抗传输线匹配的L部分的电抗负载的布置；
图32A、32B表示频率选择性天线的代表性导电带和相应的VSWR轮廓；以及
图33A、33B分别表示单一载波和多个载波扩频接收器的***架构。
具体实施方式
以下术语在此以其被规定的含义使用。
术语电路板以下定义为无源电路，其包含单一电介质层或多个堆叠的电介质层，导电轨迹印刷或应用在电介质层上，其用于在更大的电子***中的一个或多个半导体元件、无源元件以及电源之间发送电信号或电子信号。为了本发明的目的，电路板可以理解为意指背板(back plane)、主板(mother board)或子板(daughter card)。
术语“互联”以下定义为无源电路，其包含单一电介质层或多个堆叠的电介质层，导电轨迹印刷或应用在电介质层上，其用于在更大的电子***中的一个或多个半导体、无源元件、电源以及电路板之间发送电信号或电子信号。为了本发明的目的，电路板可以理解为意指更小的配线结构，其插在一个或多个半导体元件和电路板之间，使得互联和一个或多个半导体元件的组合作为一个模块或子***模块发挥作用。
术语“电瓷”以下定义为包含两种或更多金属氧化物成分的陶瓷组合物，其中所述的金属氧化物成分已选定，用以产生特定的电反应或绝缘反应或物理特性，例如介电常数(主要由材料的相对介电常数(εR)、相对渗透率(μR)及损耗角正切(loss tangent，tanδ)确定)或电阻系数等等。
术语“铁电的(ferroelectric)”用于定义一种由某些离子晶格中的离子的集***移产生的自发极化的状态，其产生一种内部电极化状态，而不用施加外部电场。铁电材料的特征在于转变温度，公知为居里转变温度(Curietransition-temperature)，在该温度以下离子晶体显示顺电行为。
术语“顺电性”用于定义一种情形，在该情形中，没有电场时材料不具有内部电极化。
缩写“LCD”以下定义为指液体化学沉积。液体化学沉积以下定义为指一种方法，含有金属氧化物先导物的低挥发性金属有机盐溶液通过该方法沉积到所需的陶瓷组合物上，最好是将羧酸盐溶液用于通过液体气溶胶喷射的方式使所需的氧化物组合物沉积到加热到250℃至500℃，最好是325℃至430℃温度之间的基体上，或者通过蜡基喷墨***加到温度保持在350℃，最好是250℃的基体上。
术语“金属有机物先导物”以下理解为表示一种有机分子，特定的金属原子已通过中间氧键结合到其碳原子上。
术语“有机物金属先导物”以下理解为表示一种有机分子，所需金属原子直接结合到其碳原子上。
术语“超材料电介质”以下理解为表示一种电介质体，其包含低介电常数、主体中含有至少一种更高介电常数或高渗透性(μR≠1)电介质包合物无磁性主电介质，其中该包合物具有比穿过或入射到超材料电介质体传播的电磁激发波长小的物理尺寸(≤λ/4，最好≤λ/8)。
术语“纳米颗粒导电糊”以下理解为表示一种由极细金属颗粒和附加化学添加剂组成的可流动先导物，其中颗粒尺寸范围为10nm至100nm，其可以用于以100℃至350℃范围的低转化温度掩蔽印刷或喷墨的高质量金属化层。
术语“快速热退火”以下理解为表示一种热处理，其中通过这样的方式将电阻加热(resistive heat)和辐射聚焦(focused radiation)结合应用到沉积在基体表面的材料层上，即要使得上述沉积的材料层加热到足够的内部温度，以在上述沉积材料中持续激发晶体化过程一小段时间，但使上述基体很大程度上不受快速退火处理的影响，即使上述基体在内部温度明显低于那些用于结晶化上述沉积材料的内部温度下易受材料相变化的影响。辐射聚焦通常理解为指利用激光、脉冲激光或一个或多个灯释放的红外、可见或紫外光的吸收波长。辐射聚焦还可以包括微波辐射。在快速退火处理中可能也需要使用受控的气体气氛。
术语“无源元件”以下理解为表示一种基本的电阻器、电容器或感应器。
术语“标准操作温度”以下理解为指-40℃至+125℃的温度范围。
申请人在此结合2005年10月3日提交的申请号为11/243,422，名称为“陶瓷天线模块及其制造方法(CERAMIC ANTENNA MODULE ANDMETHODS OF MANUFACTURE THEREOF)”的正在审查的美国临时专利申请的内容作为参考。
提供一种利用无源元件、而非计算方法确定传输符号功率谱密度的方式的方法及装置对减少用于移动无线***的功率消耗及收发器的成本来说很有价值。此外，减少这种放大接收器的形成因素的方法和装置在移动无线***中也很需要。具有在工作温度下保持稳定的调谐参数、并不受周围电磁环境影响的精确调谐的无源线路在提供上述益处中起着重要的作用。使这些电路易受去谐影响的因素主要涉及材料的选择、用于处理所选材料的制造方法以及封装包含在模块中的一个或多个天线的电介质的设计。通常，天线的调谐收位于天线近场辐射图内的电介质材料的影响。如下所述，天线近场辐射图从天线元件延伸出一段距离dnear field，其为天线最大尺寸及其辐射波长的函数。近场通常延伸超出手机的边界，其引起天线调谐被电介质负载改变，其中该电介质负载在装置持在或带到用户头部附近时施加。如下所述，本发明的一个具体目标是在装置内提供一种或多种的嵌入电介质内的天线，该电介质已经加工得含有所有或大多数天线感应近场。这减少了外部对近场的影响，并且因此而稳定天线的电磁调谐。本发明的另一个具体目标是提供电路及其制造方法，该电路具有集成无源元件和电介质材料的能力，其中该电介质材料在单一电路层上具有较宽的性能值范围，其中上述性能值具有≤±1％目标值的公差和热稳定性。这通过使用液体化学沉积(LCD)，可选地，参照de Rochemont等人提供的有喷雾热解金属有机物分解(spray-pyrolyzed metalorganic decomposition，SP-MOD)法达到此要求。
LCD利用液体溶液在分子水平将一种或多种金属有机盐先导物混合到一种或多种所需的金属氧化物中。低挥发性金属有机盐最好是先导化合物，特别是羧酸盐化合物，具体说，羧酸盐化合物大于5元(rank，碳原子数)。5元或更多元的羧酸盐化合物在高温下更易分解而非气化。这就使得要在溶液中以分子水平充分混合的先导化合物的宽范围变化能够原子化成气溶胶喷雾，并沉积到加热到高于上述先导化合物分解温度的高温基体上。每种金属有机先导物将具有相等的分解温度，范围约为250℃至350℃。溶液中获得的分子水平的先导物部分在基体加热到所有金属有机物的种类都开始同时分解的温度时在喷雾沉积物中复制。LCD法提供一种在沉积材料中获得极高级别化学均一性的方法，更具体说，提供一种非常精确制备受控材料的处方的方法，无论沉积材料的化学复杂性(明显不同的金属氧化物化合物数量)如何。已经证实LCD法能够生成金属化学计量控制的化学均一材料，其统计学变异≤1.5mol％。当电瓷处理到受控状态并具有均一微观结构时，小于1.5mol％的电瓷组合物的波动对电介质性能的影响可以忽略不计。利用LCD法制备的电介质材料的初始物理状态为固溶体/或玻璃，其不具有可辨的晶体微观结构或颗粒/粒子尺寸。现在可以理解微观结构对电瓷的介电常数和物理特性具有极大的影响。均一的微观结构是对LCD陶瓷适当退火的关键特征。不同于粉末处理的陶瓷，其提供的颗粒/粒子尺寸分布约为某些20％-30％的颗粒/粒子平均直径>1.5x平均颗粒/粒子尺寸，适当退火的LCD100％的颗粒的粒子直径≤1.5x并且≥0.5x平均颗粒尺寸，最好100％的颗粒的粒子直径≤1.25x并且≥0.75x平均颗粒尺寸。适当的退火条件包括依赖于特定陶瓷组合物的温度和氧化还原气氛。
图8(参照Vest,Ferroelectrics,102,53-68(1990))表示作为由金属有机先导物制备的钛酸锶钡(BST)电瓷温度的函数的介电常数，其中对该金属有机先导物进行加热处理，生成具有三种不同颗粒尺寸的同样材料的组合物，三种尺寸分别为：0.034微米(μm)200、0.10μm202、已经0.200μm204。BST电瓷体为具有高κ特性的电介质材料，其在制造小电容器中有用。如图所示，颗粒尺寸大于0.10μm或100纳米(nm)的BST电瓷202显示出非常高的介电常数(εR>400)，以及在约135℃的居里转变温度具有介电常数峰的铁电行为。居里转变温度表示电介质从顺电性转换到铁电行为的温度。通常，较大的颗粒尺寸产生较高的介电常数和更强的标称铁电行为，其对温度高度不稳定。图8还表示当陶瓷颗粒/粒子尺寸限制到非常小的尺寸～34nm时，具有对温度稳定的介电常数的高相对介电常数(εR≥200)200。
在高介电常数电瓷体的情况下，更小的颗粒尺寸抑制临界域的形成，该临界域激发协同交互作用对顺电向铁电相转变的反应。BST电瓷平行板电容器的总电容量由下式得出：
i.C＝AεoεR/d (1)
其中A为板面积，ε0为自由间隔的介电常数(ε0＝8.854x10-12F/m)，εR为材料的相对介电常数，当陶瓷颗粒在粒子尺寸保持大于50-70nm时具有热不稳定性能值。在由粉末制备的电瓷电容器中不能获得稳定的电性能(在制定的工作温度下≤1％目标性能值)，因为其不能将陶瓷的微观结构控制在必要的精度。尽管最近纳米粉末技术的发展声称能制备从10nm到80nm的极细粉末，但是粉末制备不能允许粒子直径的均一控制。粒子直径典型地定义为粒子主轴线的长度。通常，给定的粉末制品由具有平均直径的粒子尺寸的分布组成，其中20％-30％体积的分布包括>1.5x分布均值的粒子直径。尽管颗粒尺寸(粒子直径)和电介质性能值之间的关系非线性，但是，图8中的202和204的曲线清楚地说明，BST电瓷体的简单二倍颗粒尺寸(直径)可以产生可以是大于均值2-3x的电介质响应值。此外，粉末处理需要后续的热处理，以烧结或转化陶瓷，这引起更大的颗粒的生成。因此，即使很窄的粒子分布也不足以在标准工作温度下将电瓷性能公差控制在目标值的±1％以内。某些电瓷体，具体说是含有氧化钕(Nd2O3)的组合物，将显示对温度稳定的电介质特性，但是它们通常还会具有低相对介电常数，εR≤40。因此，需要提供具有高相对介电常数(εR≥50)、精确控制目标值(公差<±1％)以及热性能稳定的装置的电瓷体和方法或制造方法。
LCD电瓷最初从不含任何可辨颗粒的固溶体沉积。之后的加热或激光处理可以用于向电瓷提供能量，以成核到特定的微观结构状态。陶瓷内的颗粒成长速率依赖于成核位点上的精确化学组合物。当足量的能量施加到初始成核上时，LCD在整个沉积过程中非常精确地控制(≤1.5％)陶瓷组合物，以确保颗粒成长的均一性。因此，本发明的一个具体实施例就是利用高介电常数陶瓷电瓷体(εR≥50)制造电容器的能力，该高介电常数陶瓷电瓷体公知显示铁电行为，该实施例在整个均一微观结构中提供稳定的温度性能，颗粒尺寸<70nm，最好<50nm。
现参照图9-12，说明制造用于设计和构建具有≤±5％、最好是≤±1％的性能公差和热稳定性的无源元件的电瓷组合物的方法，其为高频元件提供高性能功能。为了达到此目标，提供在单一基体层的选定位置释放多种LCD先导物材料的方法，以及将单层高质量电瓷体均匀地施加到整个基体表面的方法。LCD材料的制造从溶液制备步骤开始，其由以下步骤组成：将金属先导物与羧酸溶剂、最好是5元或更多元的羧酸反应，为每个结合到最终沉积物中的金属氧化物形成羧酸盐溶液206A、206B…206N。在目的是制造单一组分(一种金属氧化物)时使用单一组分溶液，当需要合成混合金属氧化物材料时，就制备多种单一组分的溶液。两种羧酸盐，2-乙基己酸盐(2-ethylhexanoate)和新癸酸盐(neo-decanoate)最好用于形成上级液体膜并具有有效的热解特性。较佳的形成羧酸盐的方法包括通过真空蒸馏和过滤促进上述羧酸盐与初始高挥发性低元金属先导物，例如醋酸盐的置换反应。尽管醋酸盐代表了用于LCD处理中的合适的低元先导物，但是其它低元高挥发性先导物也可以不加限制地使用。某些金属或半金属，例如钛或硅，对羟基(OH-)具有非常强的亲和力，是理想的用于LCD处理的化学品，如果这些化合物即使暴露在极少量的氧气或水蒸气中也会永久地被破坏。在这种情况下，就需要使这些气体/潮湿敏感的化合物在干燥、惰性气体氛围、例如氦、氩或干燥氮气中反应，并且在手套式操作箱中包装、储存和搬运溶液。在此情况下，应该将惰性气体作为净化气体导入真空蒸馏柱中。
然后检验反应溶液以确定精确的摩尔浓度208A、208B…208N。电感耦合等离子体原子发射光谱法(Inductively-coupled plasma atomic emissionspectroscopy，ICP-AES)是较佳的检验方法。当需要多组分电瓷体时，接着将检验溶液滴定并彻底地混合，以形成含有公知能在喷雾沉积之后产生所需化学计量的分子化学计量的混合溶液210。然后在混合了多种先导物之后将混合的先导物溶液过滤一次或多次。溶液的化学计量不同于沉积物的化学计量，其强烈依赖于沉积***的具体特征。先导物溶液可能必须富集某些在沉积过程中更倾向于较高流失率的金属阳离子的浓度；然而，当严格控制所有工艺参数时，金属阳离子的流失率可以完全预期。用多元羧酸盐溶液制备的溶液能够溶解高摩尔浓度的羧酸盐。溶液中的金属密度更方便地以其当量氧化物的百分重量表示(wt％当量氧化物)，其能够快速计算确定出给定量的溶液中生成多少固体氧化物材料。举例来说，100克的具有10％wt％当量氧化物的溶液在全量的材料沉积之后能生成10克金属氧化物。总的来说，建议制备具有0.001％至25％范围、最好是0.1％至20％wt％当量氧化物的溶液。利用液体气溶胶喷雾沉积制造薄膜材料(<1微米厚度)时，最好使用稀溶液(0.001％至1％wt％当量氧化物)。当制造先导物蜡、厚膜(1微米≤沉积厚度≤1mm)或大体积材料(厚度≥1mm)时，最好使用1％至25％wt％当量氧化物浓度的更浓的溶液。制备的溶液随后可以沉积到加热至200℃至500℃，最好是250℃至430℃温度之间的基体上，利用液体气溶胶喷雾212进行帘幕涂敷过程，或者需要完全覆盖基体表面区域时的毯式涂敷过程。沉积随后在300℃至600℃，最好是350℃至450℃温度范围进行烘烤步骤213，以除去任何在沉积过程之后保留在沉积物中的残留有机材料。包含干燥空气、惰性气体例如氦、氩或其它有或无分压的氧化还原气体例如氧或一氧化碳和二氧化碳混合物的受控的气体氛围在烘烤过程中也可以应用，以加速残留有机混合物的去除。烘烤步骤213也可以包含快速热退火步骤。更经常地，沉积材料在烘烤步骤213之后保持无可见晶体的固溶体。通常需要将沉积材料变成具有精确控制的微观结构的结晶化的更高状态，因此施加可选的退火步骤214，最好是快速热退火步骤。利用由介质吸收的波长的聚焦脉冲激光是优选的用于快速热退火步骤的工艺，因为其在可选退火步骤214过程中允许极高级别的对给予沉积物的能量/功率的控制。使用脉冲激光退火与上述其它热退火控制结合具有优势。
将用于无源元件的多种陶瓷组合物分散到单一板或层的选定区域的低成本技术是优选的。将多种陶瓷组合物在室温或低于250℃的温度下分散到单一板或层的选定区域的低成本技术也是优选的。作为解决的工艺，LCD技术是经得起直写工艺的检验的，其允许将多种材料组合物局部施加到单一层上。为此目的，喷墨沉积***也是不错的选择，优选固溶体沉积物实现获得最佳公差的微观结构控制。如上所指出的，固溶体在所有液体气溶胶都同时分解时形成。低温下加到基体上的多组分先导物溶液将引起随后的多种先导物的分解，该低温随后经过所有先导物的分解温度升高。随后的分解促使所有的各金属氧化物作为保持在全部沉积材料中分散的纳米核从溶液中分离，其不利于微观结构控制。将溶液施加到加热至足以引起所有金属有机先导物同时分解的温度的基体上，保护在液体溶液中获得的分子水平的混合。沸腾溶剂和分解的同时生成的分解产物产生废品“蒸汽”，从沉积物中发散。这不利于喷墨沉积***，因为蒸汽废弃产物会污染打印头。如图10A、10B所示，多种溶液的局部沉积可以通过将一种具体的先导物溶液的第一液体气溶胶喷雾218A通过第一固体掩模220A中的穿孔224施加，该第一固体掩模位于加热的基板222上方。这就使得第一陶瓷组合物226A在基板222的选定区域形成。第二陶瓷组合物226B(图10B)之后就可以通过将第二液体气溶胶喷雾218B通过第二固体掩模220B中的穿孔施加。固体掩模220A、220B在穿孔224附近应该具有凹槽228，其防止从基体222表面取下固体掩模220A、220B时将沉积陶瓷组合物226A、226B拉掉。该方法可以用于在基体表面选定区域提供多种具有用于电阻器、电容器或感应器的特性的陶瓷组合物，或提供可以向一组电阻器元件或一组电容器元件或一组感应器元件提供不同性能值的陶瓷组合物。
本发明的另一特定实施例包括在低沉积温度下在基体表面选定位置定位多种陶瓷组合物的方法。在此情况下，采用溶剂提取步骤215(图9)将溶剂彻底从混合溶液210中去除，以将先导物变成可以采用传统的蜡印刷***216选择性地施加到基板表面的固体蜡。蜡状固体相中分子间的作用力强大得足以保护溶液中产生的分子混合水平，这就抑制了蜡状固体随后分解成所需金属氧化物陶瓷时相间隔离成单一种类的氧化物。固体蜡相先导物的生成使得大量传统的印刷技术可以用于在单一的表面上沉积多种不同的陶瓷组合物。图11表示一种使用多个蜡棒230的方法，每个蜡棒可以含有用于不同陶瓷组合物的先导物，将蜡棒在打印头232上局部加热，使蜡棒230的末端液化，使得打印头232在基体上经过时，先导物蜡的液滴234在基体238表面上选定的区域凝固成固体蜡沉积物236。熔化的蜡滴234从打印头232中的出现也可以通过喷墨处理台239加速和导向。
图12A1、12A2、12B参照一种可选蜡印刷技术，其中，将多种蜡先导组合物240A、240B、240C、240D等等施加到条带242的表面，以形成具有交替的蜡先导组合物图样的先导物带244。之后可以通过具有极细的加热针头248阵列的打印头246(图12B)供给一个或多个卷盘的先导物带244。针头248阵列中的选定针头248A可以在其经过打印头前端时与先导物带244接触，引起特定的先导物蜡熔化成液滴250，其附着在基体252预先选定的位置上，液滴在该位置硬化成固体先导物蜡254。
液体气溶胶在基体表面上的同时分解产生自由基化学，其导致金属氧化物活泼地键合到金属和电介质表面。蜡基先导物的分解周期与金属氧化物沉积物和基体之间的活泼自由基键合水平不同。这些沉积物显示优先键合到洁净金属表面上的氧化物表面上。在这种情况下，可以将薄氧化物层256应用到金属电极258的表面，蜡质先导物254将会施加在其上形成电瓷体。为了更好地获得≤±5％，最好是≤±1％的性能公差和热稳定性，最好避免随后的蜡沉积物的分解，其会导致单一种类的氧化物的结块，这会中断随细微微观结构的控制。为了使固体先导物蜡沉积物254的分解速度最大化，应用紫外辅助(UV-辅助，UV-assisted)热解步骤217(图9)，最好是利用聚焦微波、红外或紫外辐射形式的能量的UV-辅助快速热退火热解步骤，加速印刷蜡先导物初始分解成金属氧化物固溶体。UV-辅助热解步骤217之后进行烘烤步骤213以及可选步骤214。
现参照图13A-27B对嵌入到电路板或互连结构中的具有≤±5％，最好是≤±1％的性能公差和热稳定性的无源元件的具体实施例进行说明。本发明的一个具体实施例利用上述选定沉积物的方法在单一层中形成多个具有宽范围电阻、电容量、感应系数和阻抗值的无源元件。该实施例可以包含单一类别的无源元件，例如仅有电阻器，或者可以在单一层上组合所有类别的无源元件(电阻器、电容器和感应器)。如图13A、13B所示，离散的电阻器元件270由至少两个装在牺牲基体或层262上的导电电极260A、260B组成。该至少两个导电电极260A、260B由低电阻系数的金属、例如铜、银或金或其它具有出众导电特性的金属或合金制成。两个导电电极260A、260B可以用照相平板法从薄膜材料图样化，或者它们可以通过直写法形成，例如丝网印刷或喷墨印刷。牺牲层262可以是剥离箔，其通常包含用于形成导电电极的高质量薄膜、化学停止层例如铬酸盐单层以及机械粗糙承载箔或板。牺牲层262还可以包含电介质表面。牺牲层262的材料选择基于其耐受以后所有的处理步骤以及在制造过程中容易从适当的点移除的能力。电阻性电瓷264选择性位于导电电极260A、260B之间。对电阻性电瓷264的厚度265、电阻性电瓷264的宽度266以及两个导电电极260A、260B之间的间隔268都进行选择，以在给定电阻性电瓷264的本征电阻率(以Ω-cm计)的情况下生成电阻性元件270的目标性能。电阻器件的电阻值也可以通过激光修调很好地调整，其在电阻性电瓷中切开凹槽271。
电阻性电瓷264的本征电阻率依赖于电瓷化学组合物和微观结构。基本电阻器的特征在于具有大于25μΩ-cm的本征薄片电阻率(intrinsic sheetresistivity)。如上所述，LCD电阻性电瓷在烘烤步骤213之后将立即表现为非晶相固溶体(图9)。随后的退火步骤214将在沉积物内形成成核颗粒。有效地具有0nm颗粒尺寸的非晶相将表现出最大的本征电阻率。电导率通常在颗粒内最大，并随着电流经过颗粒边界而减弱。因此，单位体积的给定电瓷组合物在其具有0nm颗粒尺寸时将具有其最高的本征电阻率，当该单位体积包含单一颗粒时将具有其最低的本征电阻率。类似地，单位体积的包含大量小颗粒(以及颗粒边界)的电阻性电瓷将比同样单位体积的包含较少量较大颗粒的同样的电阻性电瓷具有其更高的本征电阻率。通常方便地将无源元件成束排成阵列，其中阵列中的每个元件可以具有同样的电阻值。可选择地，需要时无源元件阵列含有单个的元件，其具有显著不同的电阻值。
图14A、14B表示一个特定的实施例，其中电阻性元件274的阵列273中每个电阻性电瓷272A、272B、272C、...272N以同样体积的同样电瓷材料制成，利用辐射聚焦进行选择性退火，使得每个电阻器件275A、275B、275C、...275N具有不同的微观结构(颗粒尺寸)和可测定的不同电阻值。电阻器阵列的另一实施例包括电阻件277A、277B、277C、...277N的阵列276，其由具有同样组合物和微观结构的电阻性电瓷278A…278N组成，其中重要的物理尺寸例如电阻器件279A、279B、279C、...279N(如图所示)的长度可以改变，以产生不同的电阻值。应该理解，可变的重要物理尺寸可以可选地为图13A、13B所示的电阻器件的厚度265或其宽度266。然而，另一实施例包括阵列280，其中选定位置用于生成具有不同电瓷组合物284B、284C、...284N的电阻器件282A、282B、282C、...282N和显著不同的电阻值。
电阻性电瓷组合物通常根据其晶体结构进行分类，并典型地含有以下金属氧化物作为主要组分：氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铑(Rh2O3)、氧化锇(OsO2)以及氧化锑(Sb2O3)。这一组主要金属氧化物包含优选的电瓷组合物的组群。这些单一组分的电阻性电瓷采用金红石型晶体结构(rutile crystal structure)，例外的是具有三角系晶体结构(trigonal crystal structure)的氧化锑(Sb2O3)和氧化铑(Rh2O3)，以及具有立方体紧密晶体结构(cubic close-packed crystal structure)的氧化铜(CuO)和氧化镍(NiO)。具有金红石型晶体结构的主要金属氧化物的本征电阻率在金红石型主要氧化物结合在一起以及具有一种或多种过渡金属氧化物和/或重金属氧化物时可以变化，其最终结晶化成烧绿石晶体结构(pyrochlore crystal)。具有金红石型晶体结构的主要金属氧化物的本征电阻率在金红石型主要氧化物结合在一起以及具有一种或多种碱土金属元素氧化物和/或重金属氧化物时可以变化，其最终结晶化成钙钛矿型晶体结构(perovskite crystal structure)。这些晶体结构的组分化学总体上采用下列公式：
1.M(1)M(2) 2O7 (烧绿石) (2a)
2.M(3)M(2)O3 (钙钛矿) (2b)
其中M(1)表示一种或多种三价过渡金属氧化物和/或一种或多种三价重金属氧化物，M(2)表示具有上述金红石型晶体结构的主要金属氧化物，M(3)表示一种或多种碱土金属氧化物。较佳的三价过渡金属氧化物选自由以下物质组成的群组：氧化钪(Sc2O3)、氧化钛(Ti2O3)、氧化钒(V2O3)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锰(Mn2O3)、氧化铁(Fe2O3)。较佳的重金属氧化物选自由氧化铋(Bi2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铅(PbO)和氧化钕(Nd2O3)组成的群组。较佳的碱土金属氧化物选自由氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)和氧化钡(BaO)组成的群组。当需要视觉透明的导体或电阻性元件时，例如在视觉显示装置中，铟-锡氧化物(ITO)和锑-锡氧化物就是较佳的电瓷组合物。
如图15所示，如果向固溶体中加入少量0.001-10％、最好是0.1-3％的强绝缘氧化物，例如二氧化硅或二氧化铝先导物，电瓷本征电阻率可以增加。这些强绝缘氧化物相286在退火步骤中将从电阻性电瓷相288中分离出来，引起结合的混合相材料290具有更高的本征电阻率。
如下所述，本发明的特定需求要求电瓷电阻器具有宽范围的电阻值，使得用户可以选择从1Ω到500百万Ω，最好是10Ω到50百万Ω的精确电阻值。另一需求要求这些电瓷电阻器需要具有≤±5％，最好是≤±1％的热稳定性和性能公差，并要集成到与半导体芯片或其它无源电路元件、包括天线电连结的电路板或互联的至少一层中。宽范围的电阻值源自选择性沉积适当的电瓷组合物或适当的与少量强绝缘氧化物混合的电瓷组合物以及控制电瓷组合物的微观结构使其具有从0nm到10微米、最好是从0纳米到2微米的颗粒尺寸。
现参照图16A、16B、16C和16D说明将离散的电阻器或电阻器阵列嵌入电路板或互联结构中的方法。图16A表示具有离散电阻器292和多个电阻器阵列294的基体296的俯视图，其中电阻器阵列294选择性位于衬垫及轨迹电极网络295中的精确位置上，轨迹电极网络295图样化在牺牲基体296上。衬垫及轨迹电极网络295用于垂直地在离散电阻器平面内发送信号。利用激光处理对每个电阻器件中形成离散电阻器292或电阻器阵列294的电阻性电瓷进行选择性退火，以将电阻性电瓷组合物变成达到目标电阻值的微观结构状态。在进一步处理之前，各个电阻器都可以测试并通过附加的选择性退火或激光雕合重做。
一旦所有的电阻器元件在要求的公差内制造，就将绝缘电介质层298、金属化层300以及垂直互联(vias)301加在如图16C所示的结构上，其中垂直互联(via)301保持金属化层300与衬垫及轨迹电极网络295之间的电连结。电介质层298可以是有机材料，例如FR4、聚四氟乙烯(polyfluorotetraehylene，PFTE，Teflon)或Rogers Duroid材料。可选择地，电介质层298可以为LCD处理的无机材料，例如硅土、氧化铝或采用幕帘式涂敷或毯式涂敷液体气溶胶喷雾的硅酸盐或铝酸盐电介质。金属化层300可以包含接地或电源平面，或者可以图样化成发挥信号传递网络的功能。金属化层300可以采用多种技术施加，例如通过黏合剂粘合到电介质层上的金属板，或者通过直写的方法、例如丝网印刷或喷墨印刷，最好采用低温纳米粒子糊。推荐采用低温金属化技术，这样形成的结构能经受不会改变嵌入式电瓷微观结构的最高温度。层结构302包含至少一个经预试的嵌入式电阻器件292或电阻器阵列294，其与衬垫及轨迹电极网络295电连结，然后将金属化层300从牺牲层296分离。
这样嵌入式电阻器层结构302就可以与一层或多层附加信号传递层304A、304B结合成如图16D所示的堆叠多层结构305。信号传递层304A、304B含有电介质材料307A、307B内的via306A、306B，其保持每个信号传递层304A、304B的金属化层308A、308B与嵌入式电阻器件292和294之间的电连结。整个或部分金属化层308A、308B可以包括信号轨迹或电源或接地平面。因此，该实施例提供嵌入式电阻器件292和电阻器阵列294与半导体元件310之间通过与金属化层308B电接触的导电装置312，或者与外部装置(图中未表示)之间通过位于堆叠多层结构305周边的电接触点314的电连结。
现参照图17A、17B、17C、17D、17E、17F和17G说明在印刷电路板或互联结构内嵌入离散电容器元件的方法，其中该电容器元件具有具有≤±5％，最好是≤±1％的热稳定性和性能公差。如图17A、17B所示，离散的平行板电容器316为用于离散电容器件的一个实施例。其由插在顶部电极318和底部电极319之间、相对介电常数εR≥10、最好为εR≥100的电介质材料317组成。电介质材料317的相对介电常数(εR)的厚度(d)321，以及从前较小的顶部电极318或底部电极319的表面积322根据式(1)主要地决定离散电容器件316的总电容量。平行板电容器采用上述方法通过图样化底部电极319、金属化层中的至少一个轨迹导体323和via垫324固定到牺牲层325装配。需要对多电介质厚度321及电极表面积322加以严格控制，以获得高公差。电容器元件的一个较佳实施例示于图17C、17D、17E、17F和17G中。相互交错的电容器326将两个相对的电极328A、328B结合起来，这两个电极图样化到已经加在牺牲基体330上的单一金属化层中。每个电极都具有各自的电极指332A和332B，其与相对电极的电极指间隔排列，在两组电极指之间的缝隙中生成曲折的线路电容。高介电常数的电瓷333(图17E、17F)选择性位于电极指332A和332B之上和之间，以填满相对的电极指332A和332B之间的间隔334并完成电容器326。首先，电容量由电极指332A和332B之间的缝隙间距336、平均指长337以及电瓷333的介电常数决定。因此，制造高公差通过保持以下两个工艺参数的公差控制来限制：图样化电极指328A和328B的精度以及高介电常数的电瓷333的化学/微观结构特性和厚度338。突出到电极328A、328B之上的强弥散场(fringing field)339(图17D)的出现是可以影响叉指电容(公差的人为因素。这些场突出的范围与高κ电瓷333的相对介电常数(εR)成反比。高介电常数的电瓷333相对于≥10μm及≥6μm的厚度338(图17F)应该分别具有相对介电常数εR≥50、最好为εR≥100，以减轻弥散场对公差的影响。性能公差的控制也能通过保持装置中线路电容的统一性来提高。因此，有一个附加较佳实施例利用电极指332A、332B互锁的端点上的弯曲边缘340A、340B(图17G)保护整个电容器曲折路径中间距334的统一。离散的叉指电容器326通过一个或多个与电极指332A、332B电接触的电轨迹344A、334B保持与via垫342A、342B电连结，
本发明的另一个需求包括具有COG型行为的分布式薄板电容或退耦电容器。COG型行为指变化≤+250ppm/℃的电容量值。因此，COG型电容器在40℃至125℃的温度范围内其性能值保持在其目标的4.1％以内。如上所述，退耦电容器在抑制电源噪音中有价值。现参照图18、19A和19B说明薄板电容器355的制造方法，该薄板电容器的薄板电容≥20nf/英寸2，最好是薄板电容≥150nf/英寸2，并且在-40℃至125℃的温度范围性能公差≤±5％，最好≤±1％。将高介电常数LCD电瓷346加在固定到牺牲基体350上的导电板电极348上。更明确地，可再利用的金属薄，例如镍箔，向装在其表面上的薄膜提供具延展性和机械稳定性的基体。导电板电极348的厚度351在1μm和2mm之间，最好是20μm和200μm之间的范围内。利用图9所示的液体气溶胶喷雾工艺将高介电常数电瓷346加在导电板电极348上，并经退火工艺、最好是快速热退火工艺，其使高介电常数电瓷346变成顺电性微观结构，该结构提供最大的相对介电常数εR≥50、最好为εR≥150，以及稳定的热性能。高介电常数电瓷346的厚度352在10nm到2mm之间，最好是500nm到100μm之间的范围内。利用低温纳米粒子糊施加顶部电极层353，使其厚度354在1μm到1mm之间，最好是25μm到50μm之间的范围内。在将薄板电容器355***印刷电路板或互联结构中之前，除去牺牲基体350，以生成薄板电容器355。
图19A和19B表示制造薄板电容器356的一种可选方法。将高介电常数电瓷358A、358B加到两个分离的导电金属箔360A、360B上生成金属-陶瓷层板362A、362B。然后将金属-陶瓷层板362A、362B放在一起，使陶瓷面364A朝向陶瓷面364B。然后将结合的金属-陶瓷-金属结构356在600℃至900℃温度范围内热压/热辊2分钟至2小时，最好是5分钟至1小时，以将高介电常数电瓷366变成顺电性微观结构，该结构提供最大的相对介电常数εR≥50、最好为εR≥150，以及稳定的热性能。施加的机械性压力368应该在5吨/英寸2至200吨/英寸2之间。不含氧气的干燥气体用于对氧敏感的金属，例如铜。在这种情况下，可以利用不含氧气的干燥气体中的分压一氧化碳/二氧化碳混合物实现对氧化还原的控制。
如上所述，热稳定电容值是特定的目标。图8说明了对微观结构的良好控制可以如何稳定电瓷相对介电常数。电瓷组合物对电介质强度有影响。高介电常数与材料的高电子密度有关。因此，最大化相对介电常数时优选含有重金属氧化物的电瓷组合物，因为重金属贡献更高的电子密度。本发明的一个具体实施例通过将上述提及的高介电常数电瓷的微观结构在整个LCD沉积物中限制到颗粒尺寸≤70nm，最好是≤50nm来向离散电容器316、326或薄板电容器356提供热稳定性。具有0.01pF至900μF范围的热稳定电容值、公差≤±5％，最好是≤±1％的嵌入式电容器元件(离散或薄板)是本发明的一个特定的实施例。
本发明较佳的高介电常数电瓷具有钙钛矿晶体结构，并且总体上具有下列化学式。
1.M(1)M(2)O3 (3a)
其中M(1)和M(2)组中的金属以1:1摩尔比率存在。每组中表示有多种金属是可能的；然而，每组中组合的摩尔浓度必须保持相同。例如，如果两种金属M(1a)、M(1b)选自组M(1)，另两种金属选自组M(2)，则化学式(3)修正为：
a.M(1a) (1-x)M(1b) (x)M(2a) (1-y)M(2b) (y)O3. (3b)
优选用于高介电常数电瓷的组M(1)的金属氧化物包括：从氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)和氧化钡(BaO)组成的群组中选出的碱土金属氧化物；从包括氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)和氧化铷(Rb2O)的群组中选出的碱金属氧化物；以及从包括氧化镧(La2O3)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铅(PbO)和氧化钕(Nd2O3)的群组中选出的重金属氧化物。优选用于高介电常数电瓷的组M(2)的金属氧化物包括：氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO)、氧化铪(HfO)、氧化钽(Ta2O5)以及氧化铌(Nb2O5)。
现参照图20A、20B和20C说明将离散电容器和薄板电容器集成到嵌入式离散电容器层369中的方法，该离散电容器层随后可以结合到印刷电路板或互联结构中。离散平行板电容器370或电容器阵列371以及叉指电容器372或电容器阵列373在牺牲基体374上制造。每个离散平行板电容器371、372具有via垫375和上电极376，其用于实现随后的电连接。每个离散叉指电容器372、373具有两个via垫377，其用于实现随后的电连接。如图20C所示，一旦所有的电容器件在所需的公差内制成，之后就将绝缘电介质层378、金属化层380以及保持金属化层380和via垫375、377或上电极376(如果需要)之间电连接的垂直互联(via)382加在结构上。电介质层378可以是有机材料，例如FR4、聚四氟乙烯(polyfluorotetraehylene，PFTE，Teflon)或Rogers Duroid材料。可选择地，电介质层378可以为LCD处理的无机材料，例如硅土、氧化铝或采用幕帘式涂敷或毯式涂敷液体气溶胶喷雾的硅酸盐或铝酸盐电介质。金属化层380可以包含接地或电源平面，或者可以图样化成发挥信号传递网络的功能。金属化层380可以采用多种技术施加，例如通过黏合剂粘合到电介质层上的金属板，或者通过直写的方法、例如丝网印刷或喷墨印刷，最好采用低温纳米粒子糊。推荐采用低温金属化技术，这样形成的结构能经受不会改变嵌入式电瓷微观结构的最高温度。然后将嵌入式离散电容器层369从牺牲层296分离，用于印刷电路板或互联结构，其中嵌入式离散电容器层369包含至少一个与via垫375、377或via382电连结的经预试的嵌入式离散电容器件370或371。
现参照图21A、21B和22说明将具有COG型行为的离散和薄板电容器嵌入印刷电路板或互联结构中的方法。如图21A、21B所示，利用减去步骤选择性除去来自具有COG型行为的薄板电容器的导电电极材料，生成含有一个或多个具有浮动接地平面388A、388B的平行板电容器386A、386B以及含有信号轨迹392、衬垫393或起到电源平面394作用的金属化层389。之后薄板电容器层384和/或嵌入式离散电容器层369(图20)就可以与一个或多个附加信号传递层396A、396B、396C结合成堆叠多层结构398。信号传递层396A、396B、396C含有用于在电介质材料402A、402B、402C内传导信号的via400A、400B、400C和镀金属404A、404B、404C。这种电网用于保持嵌入式电容器元件406A、406B、408A、408B以及410A、410B与半导体元件412之间通过与表面金属化层404A电接触的导电装置414，或与外部装置(图中未表示)之间通过位于堆叠多层结构398周边的电接触点416的电连结。
现参照图23A、23B、23C、23D、23E、23F和23G说明将至少一个陶瓷感应器嵌入到电介质层中的方法，该电介质层可以集成到印刷电路板或互联结构中。图样化的金属化层418固定到牺牲基体419上(图23)。在金属化层418中图样化提供两组衬垫420A、420B、420C...420N和421A、421B、421C...421N，其用于构建图23B中的线圈绕组、至少一个导电轨迹422以及至少一个衬垫424，用以在含有感应器线圈的层内发送信号或向其它与该层保持电连结的层中发送信号。第一组导电元件425A、425B、425C...425N分别***导电垫420A和421A、420B和421B、420C和421C以及420N和421N之间，以形成下半部线圈(图23C)。导电元件可以在图样化的金属化层418内形成，或者，较佳地，它们可以包含圆形引线(round wire bond)，其具有较高的自感应系数和较低的电阻系数。具有相对渗透率μR≠1的电瓷426(图23D)选择性位于两组衬垫(420A、420B、420C...420N和421A、421B、421C...421N)之间及导电元件425A、425B、425C...425N之上(图23D)。最好是金属扣的垂直互联427B、427C...427N和428A、428B、428C...428(N-I)(图23E、23F)的高度430等于磁性电瓷426的厚度或比其大10-20％，其分别***衬垫420B、420C...420N和421A、421B、421C...421(N-1)上。沉积的磁性电瓷426的厚度应该在10μm≤t≤5,000μm，最好是100μm≤t≤500μm范围内。图23G表示如何通过在垂直互联428A和427B、428B和427C、428C和427(C+1)...428(N-I)和427N之间分别自动点焊(stitchbonding)第二组导线元件434A、434B、434C...434(N-I)来完成陶瓷感应器线圈432。陶瓷感应器线圈432的感应系数L由下式确定：
i.L＝N2μoμRA/ι (4)
其中N为线圈的圈数，μ0＝4πx10-7H/m，μR为电瓷426的相对介电常数，A为线圈单圈的横截面积，ι为线圈长度。用于制造线圈的金属导体的阻抗、空间样式以及表面粗糙度，以及所有导电元件的精确位置都是关键的公差参数，这也就是为什么引线结合法(wire bonding)是优选。推荐具有≤±5μm，最好≤±3.5μm的焊接位置精度，≤±10μm，最好≤±3μm的高度精度，以及最小间距为60μm，最好为50μm的接线柱球焊(Studbumping)和自动点焊装置，例如由AT Premier(AccuBump模式)K&S,Willow Grove,PA提供的处理工具。推荐用激光修调电瓷426的选定位置，以保持对尺寸公差的控制。
将感应器线圈电瓷426的渗透率控制在≤±5％，最好≤±1％的值，是本发明的另一具体实施例。本发明另一具体实施例制造基本陶瓷感应器线圈，其提供0.01pH至500nH范围的感应系数，性能公差≤目标值的±5％，最好≤目标值的±1％。电瓷渗透率主要是电瓷组合物、颗粒尺寸的函数，通常依赖于频率和温度。用于感应器线圈的优选电瓷组合物包括铁酸盐和石榴石(garnet)。铁酸盐采用主体中心的立方晶体结构(body-centered cubiccrystal structure)，并具有下列化学式：
l.M1Fe2O4 (5a)
其中Fe为铁氧化物，M1代表一种或多种总摩尔浓度为铁氧化物摩尔浓度一半的选择金属氧化物。优选用于高渗透率的铁酸盐电瓷的组M1金属氧化物包括：氧化钴(CoO)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化锰(MnO)、氧化铜(CuO)、氧化钒(VO)、氧化镁(MgO)以及氧化锂(Li2O)。石榴石采用斜十二方面体(rhombic dodecahedron)或偏方三八面体(trapezohedron)晶体结构，或者为两者的结合，并具有以下化学式：
i.A3B2(SiO4)3 (5b)
其中组A金属氧化物具有与氧化硅相等的摩尔浓度，组B金属氧化物的摩尔浓度为氧化硅摩尔浓度的2/3。优选用于高渗透率的石榴石电瓷的组A金属氧化物包括：氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铁(FeO)以及氧化锰(MnO)。优选用于高渗透率的石榴石电瓷的组B金属氧化物包括：氧化铝(AI2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化铬(Cr2O3)、氧化钒(V2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化钴(Co3O4)、氧化钆(Gd2O3)、氧化钕(Nd2O3)以及氧化钬(Ho2O3)。感应系数值在0.01pH至1,000μH、公差≤±5％、最好≤±1％的陶瓷感应器线圈432(图23G)将包含已选择性退火的铁酸盐或石榴石电瓷426，其具有受控的微观结构，具有10nm至25μm，最好为250nm至5μm范围的颗粒尺寸。
现参照图24A、24B说明将至少一个在牺牲基体419上制造的离散感应器线圈432集成到嵌入式离散感应器线圈层436中的方法，该离散感应器线圈层随后可以结合到印刷电路板或互联结构中。每个离散感应器线圈432具有至少一个via垫424，其用于实现随后的电连接。如图24B所示，一旦所有的感应器线圈件在所需的公差内制成，之后就将绝缘电介质层438、金属化层440以及保持金属化层440和至少一个via垫424(如果需要)之间电连接的垂直互联(via)442加在结构上。电介质层438可以是有机材料，例如FR4、聚四氟乙烯(polyfluorotetraehylene，PFTE，Teflon)或Rogers Duroid材料。可选择地，电介质层438可以为LCD处理的无机材料，例如硅土、氧化铝或采用幕帘式涂敷或毯式涂敷液体气溶胶喷雾的硅酸盐或铝酸盐电介质。金属化层440可以包含接地或电源平面，或者可以图样化成发挥信号传递网络的功能。金属化层440可以采用多种技术施加，例如通过黏合剂粘合到电介质层上的金属板，或者通过直写的方法、例如丝网印刷或喷墨印刷，最好采用低温纳米粒子糊。推荐采用低温金属化技术，这样形成的结构能经受不会改变嵌入式电瓷微观结构的最高温度。然后将嵌入式离散感应器线圈层436从牺牲基体419分离，用于印刷电路板或互联结构，其中嵌入式离散感应器线圈层436包含至少一个与via垫424或via442电连结的经预试的嵌入式离散感应器线圈432。
现参照图25说明将至少一个离散感应器线圈嵌入印刷电路板或互联结构中的方法。嵌入式离散感应器线圈层436之后就可以与一个或多个附加信号传递层444A、444B结合成堆叠多层结构446。信号传递层444A、444B含有用于在电介质材料452A、452B内传导信号的via448A、448B和镀金属450A、450B。这种电网用于保持至少一个嵌入式感应器线圈432与半导体元件454之间通过与表面金属化层450A电接触的导电装置456，或与外部装置(图中未表示)之间通过位于堆叠多层结构446周边的电接触点458的电连结。
现参照图26A、26B以及27A、27B说明将在牺牲基体466上制造的至少一个离散感应器线圈460、至少一个离散电容器462以及至少一个离散电阻器464集成到单一嵌入式无源层468中的方法，该无源层随后可以结合到印刷电路板或互联结构中。每个元件460、462、464都具有至少一个via垫470A、470B、470C，其用于实现随后的电连接。如图26B所示，一旦所有的无源元件在所需的公差内制成，就将绝缘电介质层472、金属化层474以及保持金属化层474和无源元件460、462、464的至少一个via垫470(如果需要)之间电连接的垂直互联(via)476加在结构上。电介质层472可以是有机材料，例如FR4、聚四氟乙烯(polyfluorotetraehylene，PFTE，Teflon)或Rogers Duroid材料。可选择地，电介质层472可以为LCD处理的无机材料，例如硅土、氧化铝或采用幕帘式涂敷或毯式涂敷液体气溶胶喷雾的硅酸盐或铝酸盐电介质。金属化层474可以包含接地或电源平面，或者可以图样化成发挥信号传递网络的功能。金属化层474可以采用多种技术施加，例如通过黏合剂粘合到电介质层上的金属板，或者通过直写的方法、例如丝网印刷或喷墨印刷，最好采用低温纳米粒子糊。推荐采用低温金属化技术，这样形成的结构能经受不会改变嵌入式电瓷微观结构的最高温度。然后将嵌入式无源元件层468从牺牲基体466分离，用于印刷电路板或互联结构，其中嵌入式无源元件层468包含至少一个与via垫470或via476电连结的经预试的嵌入式无源元件460、462、464。
现参照图27A、27B说明将至少一个离散感应器线圈嵌入印刷电路板或互联结构中的方法。在一个实施例中(图27A)，嵌入式无源元件层468之后可以与一个或多个附加信号传递层476A、476B结合成堆叠多层结构478。信号传递层476A、476B含有用于在电介质材料482A、482B内传导信号的via478A、478B和镀金属480A、480B。这种电网用于保持至少一个嵌入式感应器线圈460、至少一个离散电容器462以及至少一个离散电阻器464与半导体元件484之间通过与表面金属化层480A电接触的导电装置486，或与外部装置(图中未表示)之间通过位于堆叠多层结构478周边的电接触点488的电连结。在另一个实施例中(图27B)，嵌入式电阻器、电容器以及感应器与半导体元件484之间的电连通通过装配多层结构489实现，该多层结构489包含嵌入式电阻器层302、嵌入式电容器层369以及嵌入式感应器层436，以及一个或多个信号传递层476A、476B。该一个或多个信号传递层附加用于建立与外部装置通过位于多层结构489周边的电接触点488的电连结。在参照图27A、27B所述的方式中，可以结合多种元件并采用最适当的二维或三维排列构建多层电路板。
上述方法和实施例提供了生产热稳定滤波电路的方法，该电路包含公差≤±5％，最好≤±1％的电路LCR元件，其可用于将电路的感应阻抗Z控制在公差≤±5％，最好≤±1％。无线电路包括作为最基本电路元件的天线。天线元件的调谐(阻抗)受位于天线感应近场区域内的电介质材料的影响。参照图28，感应近场从具有最大尺寸D491的天线490突出一段距离d，其由下式给出：
其中λ为天线元件490发射的电磁辐射的波长。含有由低渗透率的电介质材料环绕的天线元件的手机装置具有感应近场区域，其突出手机的包装之外，因而受紧邻手机的电介质负载的影响，例如用户的手和头，或者移动装置包装的布局。这些负载在使用中可能会发生很大的变化，其对保持天线电路元件中的稳定阻抗是不想要的。此外，即使手机包装设计发生很小的改变，如果要将相同的天线重新用于改造后的手机包装中也需要对其RF前端电路进行重新设计。因此，需要提供一种独立平台的天线模块，其具有不受天线模块附近的电介质负载的变化影响的调谐(阻抗)。本发明的一个具体实施例制造独立平台的天线模块，其生成包含在天线模块主体内的感应近场，因此，不受其附近电介质负载的变化的影响。
现参照图29A、29B、29C说明包含在超材料电介质体494内的折叠天线元件492。超材料电介质体494包含低介电常数的主电介质496，其相对介电常数εR≤10，最好εR≤5，以及至少一个高介电常数的电介质包含物498，其相对介电常数εR≥10，最好εR≥100。通过定义，超材料电介质体494内的至少一个电介质包含物498具有小于穿过超材料电介质体494传播的电磁激励的波长的物理尺寸。超材料电介质体494具有有效的电介质介电常数εREff，其与主电介质496的相对介电常数εRHost和至少一个电介质包含物498的相对介电常数εRIncl的相对容积率(volume fraction)成正比。图29B中的具体实施例包含具有最大物理尺寸Dfolded500的折叠天线元件492，其嵌入有效质介电常数εREff≥10，最好有效质介电常数εREff≥100的超材料电介质体494内。尽管图29A、29B、29C中的图示表示的是折叠偶极天线，但是应该理解，同样的推理也适用于折叠单极天线。高介电常数和高渗透率的电介质媒体减少穿过其的电磁激励的相位速度。减少的相位速度又产生有效的波长λEff，其由下式给出：
其中，c为真空中的光速(c＝2.9979x108m/sec2)，f为电磁激励的频率，μR和εR分别为电介质媒体的相对渗透率和相对介电常数，λfreespace为真空中电磁激励的波长。因此，当电介质媒体具有εR＝16和εR＝100的相对介电常数时，穿过无磁性的媒体(μR＝1)传播的电磁激励将分别具有等于λfreespace/4和λfreespace/10的有效波长λEff。因此，分别由ιres≈λ/2和ιres≈λ/4给出的折叠偶极天线或折叠单极天线的共振长度ιres成比例地下降，从而可使折叠天线元件492的最大物理尺寸减小至这样的一个点，在该点其感应近场突出一段包含在距离S503内的距离d502，将折叠天线元件492从超材料电介质体494的外表面分离。在该实施例中，感应近场将保持不被天线模块506的物理尺寸504之外的电介质负载所影响。高介电常数的电介质媒体总体上具有热不稳定性和高损耗，其可以负面影响频率调谐和信号性能。因此，本发明的另一实施例即为制造使用选择性定位的电介质包含物498的天线模块506，该电介质包含物具有相对介电常数εR和相对渗透率μR为≤±5％目标值，最好为≤±1％目标值的热稳定性公差。位于天线感应近场区域内的高损耗材料将会以限制相位调制滚降率的方式影响天线的信号调制，其又会限制可由天线传输的无线符号的数量。因此，需要设计折叠天线元件492和超材料电介质体494，使得至少一个高介电常数的电介质包合物496位于距折叠天线元件492一段距离508，其大于感应近场突出的距离d510。在该特殊实施例中，感应近场包含在具有损耗角正切tanδ≤10-3的低损耗主电介质512内，最好是在具有损耗角正切tanδ≤2x10-4的超低损耗主电介质内。无定形二氧化硅是一种优选的超低损耗电介质媒体，因为其在-150℃至250℃温度范围内具有稳定的介电性能以及损耗角正切tanδ≤2x10-5的损耗角正切。适合用作超低损耗主电介质512的有机电介质媒体包括PFTE Teflon和Rogers Duroid电介质。该特殊实施例还提供独立平台的天线模块，因为感应近场突出的距离d510保持在天线模块的实心状态尺寸514内。
以上所述技术教导了提供在电磁和热干扰存在的情况下保持精确阻抗调频的无线电路元件(嵌入式无源元件和独立平台天线模块)的方法和实施例。将这些实施例结合到另一个建立无源扩频接收器的实施例中。参照图30、31A、31B、32、33A、33B，扩频接收器517包含至少一个频率选择(frequency-selective antenna，FSA)天线元件518，其通过导电装置519与包含一个或多个嵌入式无源元件的印刷电路板或互联结构520电连结，其中嵌入式无源元件具有热稳定性和≤±5％，最好为≤±1％的性能公差，用于在印刷电路板或互联结构520内构建阻抗匹配的传输线521。印刷电路板或互联结构520又与位于印刷电路板或互联结构520的主表面的顶部574和底部572的半导体元件523A、523B通过导电装置522电连结。半导体元件523A中的至少一个为低噪音电源放大器522A，最好为差分低噪音电源放大器，其通过一个或多个阻抗匹配的传输线521和第一带通滤波器(pass band filter)526与FSA元件518电连结。利用集总电路元件通过传输线使两个元件阻抗匹配在本领域通常称为L部分匹配(L-sectionmatching)。通常，用安装在印刷电路表面的离散元件进行L部分匹配仅用于高达1GHz的频率，因为与工作波长相比，感应元件的尺寸不是非常小(<λ/10)。上述利用高电阻系数、高介电常数或高渗透率的电瓷形成嵌入式无源元件的实施例极大地缩小了无源元件的尺寸。此外，将这些元件嵌入电路板或互联结构内消除了对电路有感应噪音影响的焊缝和表面via。因此，包含L部分匹配的传输线、用具有热稳定性和≤±5％、最好为≤±1％的性能公差的嵌入式无源元件调谐的印刷电路板或互联结构是本发明的另一较佳实施例。
图31A、31B表示信号电源阻抗Z0＝(R0+X0)532和传输线负载ZL＝(RL+XL)534之间的L部分匹配528、530的两种特有结构，其包含感应串联负载jX536和感应并联负载jB538。L部分匹配528(图31A)用于负载阻抗ZL534的实际部分RL大于电源阻抗Z0532时。在此情况下，感应并联负载jB538由下式确定：
l.
并且，感应串联负载jX536由下式确定：
a.X＝(1/B)+(XLZ0/RL)－(Z0/BRL) (8a)
L部分匹配530(图31B)用于负载阻抗ZL534的实际部分RL小于电源阻抗Z0532时。在此情况下，感应并联负载jB538由下式确定：
i.
并且，感应串联负载jX536由下式确定：
a.X＝(1/B)+(XLZ0/RL)－(Z0/BRL) (8d)
不需要印刷电路板或互联结构520内所有的阻抗调谐都采用L部分匹配法进行管理，因为电路调谐也可以采用传输线短截线(transmission-linestub)实现。然而，通过本发明实现的高公差控制、小尺寸以及宽范围的性能值提供了将精密带宽滤波器、例如四分之一波长转换器(quarter-wavetransformer)、二阶多节式转换器(binomial multi-section transformer)以及柴比雪夫式多节匹配转换器(Chebyshev multi-section matchingtransformer)集成到扩频接收器中。这些滤波装置是微波电路技术领域的技术人员所公知的，对这些装置的阻抗调谐参数的全部说明请参见DavidM.Pozar,John Wiley&Sons,Hoboken所著的《微波工程》(MicrowaveEngineering,3rd Edition,David M.Pozar,John Wiley&Sons,Hoboken,NJ2005(ISBN:0-471-44878-8))。
如图32A、32B所示，FSA元件518的特征在于，调谐到兴趣频率的中心频率fc542、并在上带频fU544和下带频fL546之间提供≥-20dB信号绝缘、最好是≥-40dB信号绝缘的导带(conductance band)540，其中上带频和下带频决定了对兴趣带通(pass band)548的限制(图32A)。FSA导带540比所需带通548窄，所以FSA518被又调谐成具有频率依赖阻抗，其提供输入信号反射系数550(图32B)，该输入信号反射系数在中心频率fc542处约为1，在上带频fU544和下带频fL546处该输入信号反射系数约为2。信号反射系数可选地以电压驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR)表示。
现参照图30、33和34说明扩频接收器装置的设计特征，该扩频接收器装置涉及源于其中的印刷电路板或互联结构520中的嵌入式无源元件和滤波装置。图33表示单一载波频率扩频装置552的结构，其包含FSA元件518、调谐成向低噪音电源放大器(LNA)半导体元件523A输出包含在所需带通548(图32A)内的信号频率的第一带通滤波器526。LNA半导体元件523A在所需带通548中放大信号，并将其导向第二带通滤波器554。第二带通滤波器554起到梳状滤波器的作用，最好采用四分之一波长转换器。第二带通滤波器554将包含在所需带通548中的离散频率成分绝缘，使其进入独立通道556。将通道556中的信号通过阻抗匹配传输线521(图30)导向含有传感器元件558和模拟-数字转换平台560的半导体元件523B(图30)，其中模拟-数字转换平台将包含在独立通道556中的绝缘频率成分的信号特征在等于无线符号的脉冲持续时间长度T的时间段内进行积分。时钟562将来自独立通道556的经数字格式化的积分值转换到微处理器564中，该微处理器将相对积分值与参考表566进行对比，并将对应于测定权重的无线符号568经绝缘频率通道556输出。印刷电路板或互联结构520的主表面572、574(570A)或边界(570B)上的电接触点570A、570B(图30)用于建立与外部装置(图中未表示)的电连结。宽带扩频接收器580可选包含多个独立的载波频率扩频平台582、582B、582C...582N，其并联运行，向微处理器584供应多载波信号的频率权重数据，其参照查找表586产生复合无线符号588(图34)。
尽管已参照不同的实施例对本发明进行了说明，但是应该认识到，本发明还可以在权利要求的思想和范围内做出进一步和其它实施例的广泛变化。
Claims (9)
1.一种天线，其包含：
折叠式天线元件，所述折叠式天线元件具有的最大长度尺寸由D表示；以及
超材料电介质体，其将所述折叠式天线元件嵌入距所述超材料电介质体外表面一段距离S；
其中所述超材料电介质体包含相对介电常数εR≤10的电介质主体和一个或多个相对介电常数εR>10的电介质包合物；
所述距离S大于所述折叠式天线元件感应近场区突出的长度d，
其中所述感应近场区突出的长度d以下式定义：其中λ为所述折叠式天线元件发射或接收的电磁激发波长。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，电介质主体为有机电介质。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述有机电介质包括FR4、Rogers Duroid或PFTE Teflon电介质。
4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述有机电介质主体具有损耗角正切tanδ≤10-3。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电介质主体是无机电介质。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述无机电介质主体为硅土或氧化铝电介质。
7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述无机电介质主体具有损耗角正切tanδ≤10-3。
8.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述无机电介质主体具有在-150℃至+250℃的工作温度范围内稳定的相对介电常数εR。
9.一种天线，其包含：
折叠式天线元件，所述折叠式天线元件具有的最大长度尺寸由D表示；以及
超材料电介质体，其将所述折叠式天线元件嵌入距包含在所述超材料电介质体内的电介质包合物一段距离S；
其中所述超材料电介质体包含相对介电常数εR≤10的电介质主体和一个或多个相对介电常数εR>10的电介质包合物；
所述距离S大于所述折叠式天线元件感应近场区突出的长度d，
其中所述感应近场区突出的长度d以下式定义：其中λ为所述折叠式天线元件发射或接收的电磁激发波长。
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