CN105493211A - 可变电容元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种寄生电容小且静电电容可变率大的可变电容元件。该可变电容元件的特征在于，具有：可变电容层，其由电介质材料构成；一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和一对引出部，其分别与一对电极连结，一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上。
Description
技术领域
本发明涉及可变电容元件。
背景技术
作为可变电容元件，已知一种通过使电介质层的介电常数根据施加电压而变化，来使静电电容变化的可变电容元件。
例如，专利文献1中公开了一种电介质层与电极交替层叠，电极形成为梳形的可变电容元件。
此外，专利文献2中公开了一种通过化学溶液沉积(ChemicalSolutionDeposition；(CSD))法以及溅射法，分别形成了铁电薄膜以及薄膜电极的可变电容元件。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-101041号公报
专利文献2：国际公开第2013/061985号
发明内容
-发明要解决的课题-
专利文献1那种将电极形成为梳形的可变电容元件由于其电极构造导致寄生电容变大，不容易增大静电电容可变率。梳形电极中存在从对置的电极的重合部分分别向相反的端面延伸的部分(延伸部分)。本发明人注意到：在这种构造的情况下，在电极的重合部分与延伸部分之间产生寄生电容，在减小电极的重合面积或者增大施加电压来减小静电电容的情况下，该寄生电容的影响相对较大，静电电容可变率变小。
此外，由于上述那种可变电容元件是将电介质层与电极层层叠并同时烧制，因此一般难以使用熔点低的Ag以及Cu等低损耗的金属。为了使用这种金属，需要在电介质层中添加玻璃等烧结助剂来实现低温烧结，电介质层的性能会牺牲。
此外，通过专利文献2而得到的元件由于电极的厚度薄，不能满足趋肤深度(skindepth)，并且为了防止电极形成后的退火处理中的剥离，电极材料被限定于Pt或者Au等，在高频下难以使用低损耗的Ag或者Cu，因此导电损耗变得较大。进一步地，若通过专利文献2的CSD(ChemicalSolutionDeposition)法或者溅射法来增大电极的厚度，已知每当超过了500nm的厚度就形成凸起物，因此在之后的层叠工序等制造工序中会产生问题。此外，高频下使用的设备中，考虑阻抗匹配对于低损耗化很重要，但在专利文献2那种方法中阻抗匹配不容易。
因此，本发明的目的在于，提供一种将寄生电容尽量抑制得较小，即使在低静电电容区域中静电电容可变率也较大的可变电容元件。优选提供一种更低损耗的可变电容元件。
-解决课题的手段-
本发明人为了消除上述问题而进行了认真研究，发现通过将位于元件内部的电极引出到元件外部的一对导体配置在同一轴上，能够减小寄生电容。
进一步地，优选地，为了将适于高频下使用并且低损耗的铜或者银用作为电极材料，发现能够将电极以及引出部与元件主体分开烧结的结构。
因此，根据本发明的第1主旨，提供一种可变电容元件，其特征在于，具有：可变电容层，其由电介质材料构成；一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和一对引出部，其分别与一对电极连接，一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上。
此外，根据本发明的第2主旨，提供一种可变电容元件的制造方法，该可变电容元件具有：可变电容层，其由电介质材料构成；一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和一对引出部，其分别与一对电极连接，一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上，所述可变电容元件的制造方法中，通过将电介质材料形成为片状，或者将该片层叠来制作可变电容层，通过形成贯通口的同时将绝缘体片层叠来制作绝缘部，或者通过在将绝缘体片层叠之后，形成贯通口来制作绝缘部，在一对绝缘部之间夹着可变电容层得到层叠体，通过向上述贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料，与层叠体同时烧制，来形成电极以及引出部，或者，在烧制层叠体之后，向贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料来形成电极以及引出部。
根据本发明的第3主旨，提供一种可变电容元件的制造方法，该可变电容元件具有：可变电容层，其由电介质材料构成；一对电极，其隔着可变电容层而位于对置的位置；一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和一对引出部，其分别与一对电极连接，一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上，在形成有贯通口的一对绝缘部之间夹着可变电容层而得到层叠体，将其烧制，接下来，向贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料来形成电极以及引出部。
-发明效果-
根据本发明，通过在可变电容元件中，将引出部配置在同一轴上，从而提供一种抑制了寄生电容的可变电容元件，其中，该可变电容元件具有：由电介质材料构成的可变电容层、隔着可变电容层而位于相对置的位置的一对电极、将可变电容层支撑在中间的一对绝缘部、和与各电极连接并贯通绝缘部的一对引出部。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式中的可变电容元件的示意立体图。
图2是图1的实施方式中的层叠线圈部件的A-A’处的示意剖视图。
图3是本发明的其它实施方式中的可变电容元件的示意立体图。
图4是图2的剖视图中的电极部周边的放大图。
图5(a)是用于表示使用现有技术来形成的可变电容元件的内部电极的形状以及位置的示意透视俯视图，图5(b)是图5(a)的B-B’处的示意剖视图。
图6是表示实施例1以及比较例1的可变电容元件的静电电容的图表。
图7是表示实施例2以及3的可变电容元件中相对于施加电压的静电电容可变率的图表。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的可变电容元件。其中，本实施方式的可变电容元件以及各构成要素的形状以及配置等并不限定于图示的例子。
如图1以及图2所示，本实施方式的可变电容元件1示意性地具有：可变电容层2、隔着可变电容层而处于对置的位置的一对电极4以及4’、将可变电容层2支撑在中间的一对绝缘部6以及6’、与电极4以及4’电连接并贯通绝缘部6以及6’的一对引出部8以及8’、和外部电极12。
上述可变电容层2由1种或者1种以上的电介质材料构成。通过调整电介质材料的厚度，能够调整可变电容元件的容量。
作为上述电介质材料，只要是介电性的材料就不被特别限定，但优选铁电材料。通过使用铁电材料，能够更加增大可变电容元件的容量以及静电电容可变率。
作为上述铁电材料，并不被特别限定，但举例有：从包含Ba、Sr以及Ti的烧结陶瓷、包含Ba、Zr以及Ti的烧结陶瓷、以及包含Bi、Zn以及Nb的烧结陶瓷中选择的1种或者1种以上的铁电材料。这种铁电材料例如一般已知有(BaSr)TiO3、Ba(ZrTi)O3以及(BiZn)Nb2O7。
可变电容层的厚度并不被特别限定，例如是0.5～100μm，优选是1～10μm，更优选是1～5μm。从增大可变电容元件的容量的观点出发，优选可变电容层的厚度是10μm以下，为了可靠地确保绝缘性，优选是1μm以上。
在本发明的可变电容元件中，一对电极4以及4’对置地位于可变电容层2的两个主表面上。通过改变该电极与可变电容层的接触面的面积，能够调整可变电容元件的容量。
该电极4以及4’只要是对置即可，可以在可变电容层2的任意位置，以任意大小、任意形状存在，但如果可能，优选彼此为相同的大小、相同的形状，并相对于可变电容层对称配置，优选配置在可变电容层的中央。
作为构成电极的材料，只要是导电性就不被特别限定，举例有：Ag、Cu、Pt、Ni、Al、Pd、Au、蒙乃尔(Ni-Cu合金)等。其中，由于高频下的导电损耗较低，因此优选Ag或者Cu。
电极的厚度并不被特别限定，但优选为例如0.5μm以上。通过将电极的厚度设为0.5μm以上，能够更加减少电阻，此外，能够确保趋肤深度(skindepth)。
在本发明的可变电容元件1中，一对引出部8以及8’分别与电极4以及4’相连，被配置在一对绝缘部6以及6’的内部。引出部具有将电极引出到可变电容元件的外部的功能。
上述一对引出部8以及8’的特征在于，处于与可变电容层2大致垂直的同轴上。所谓“与可变电容层大致垂直”，是指可变电容层与轴所成的角实质上为90°，例如80～90°，优选为85～90°，更优选为88～90°。通过这样配置，能够减少寄生电容。
作为构成引出部的材料，只要是导电性就不被特别限定，举例有：Ag、Cu、Pt、Ni、Al、Pd、Au、蒙乃尔(Ni-Cu合金)等。其中，由于高频下的导电损耗较低，因此优选Ag或者Cu。
优选地，引出部由与上述电极相同的材料构成，与电极一体地形成。
引出部的形状并不被特别限定，例如能够设为圆柱形、圆锥梯形、棱锥形、棱锥梯形、它们的中空体例如中空圆柱形、中空圆锥梯形。从制造的容易性的观点出发，优选中空或者中实的圆柱或者圆锥梯形。该引出部的轴向的长度并不被特别限定，能够根据所希望的元件的大小来适当地选择。
引出部的厚度只要是能够确保趋肤深度(skindepth)的厚度即可，不被特别限定。
在本发明的可变电容元件1中，绝缘部6以及6’位于夹持可变电容层2的位置，具有贯通口10以及10’。在贯通口10以及10’的内部存在引出部8以及8’。一对绝缘部隔着一对电极来将可变电容层支撑在中间。
一对绝缘部的这些贯通口被配置在与可变电容层大致垂直的同轴上，被配置成在可变电容层侧的贯通口的端部存在电极。电极可以是与贯通口的开口部相同的大小，也可以不同。贯通口的形状能够根据贯通此处的引出部的形状来适当地选择。
形成绝缘部的材料只要是绝缘性的材料就不被特别限定，例如能够使用陶瓷材料、树脂等。由于能够与可变电容层同时烧制，因此优选陶瓷材料。
作为上述陶瓷材料，并不被特别限定，能够使用一般的绝缘性陶瓷材料，例如举例有：玻璃、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物的烧结体等。
在一个方式中，上述陶瓷材料也可以是与构成上述可变电容层的电介质材料相同的材料。通过使用与构成可变电容层的电介质材料相同的材料，从而没有绝缘部与可变电容层的热膨胀率的差，能够抑制烧结时在两者之间产生的应力。
在其他方式中，上述陶瓷材料也可以是介电常数比构成上述可变电容层的电介质材料低的材料。通过使得构成绝缘部的陶瓷材料的介电常数较低，能够减小可变电容元件的寄生电容，其结果，能够更加增大静电电容可变率。
上述陶瓷材料的相对介电常数并不被特别限定，但优选是500以下，更优选是300以下，进一步优选是100以下，更加进一步优选是30以下。
绝缘部的厚度(与可变电容层垂直的方向的厚度)并不被特别限定，能够根据所希望的元件的大小来适当地选择。
可变电容元件1在绝缘部的与支撑可变电容层的面对置的面，具有外部电极12。另外，虽然在本实施方式中，设置了外部电极，但这不是必须的要素，也可以不设置外部电极，将引出部直接与外部的布线连接。
作为形成外部电极的材料，只要是导电性就不被特别限定，举例有：Ag、Cu、Pt、Ni、Al、Pd、Au、蒙乃尔(Ni-Cu合金)等。优选地，使用与上述电极以及引出部相同的材料。
以上，说明了本发明的一个实施方式，但本发明并不限定于该实施方式，能够进行各种改变。
例如，本发明的可变电容元件也可以如图3所示，在与可变电容层的主表面垂直的面的至少一个面具有导体部。通过设置这种导体部，能够减少电磁波的辐射损耗。
上述的本实施方式的可变电容元件1例如能够如下制造。
首先，由电介质材料形成可变电容层。
将电介质材料成形为片状，来形成电介质片。例如，可以通过将电介质材料与包含粘结剂树脂以及有机溶剂的有机载体混合/搅拌并成形为片状来得到电介质片，但并不限定于此。将该电介质片层叠多片并进行压接，来得到可变电容层。也能够将1片电介质片用作为可变电容层。
接下来，由绝缘性材料形成绝缘部。
例如，在绝缘性材料是陶瓷材料的情况下，可以与上述可变电容层同样地，通过将陶瓷材料与包含粘结剂树脂以及有机溶剂的有机载体混合/搅拌，并成形为片状，来得到陶瓷片。将该陶瓷片层叠成所希望的厚度并进行压接，来得到陶瓷片的层叠体(以下，也称为陶瓷层叠体)。然后，在陶瓷层叠体形成用于形成引出部的贯通口，来得到绝缘部。贯通口的形成手段并不被特别限定，例如能够使用激光或者冲头来形成。也可以为了防止压接时的变形，在形成的贯通口中填充例如碳膏剂。
接下来，按照陶瓷层叠体、可变电容层以及陶瓷层叠体的顺序，进行层叠使得2个陶瓷层叠体的贯通口为同轴上，并进行压接来得到层叠体。
接下来，对上述得到的层叠体进行烧制，为了形成电极以及引出部而在贯通口内部填充导电性材料来作为导体膏剂、例如银膏剂，进一步为了形成外部电极而在贯通口露出的面涂敷导体膏剂并再次烧制，或者在贯通口内部以及外部电极形成部通过溅射法来形成导电性材料的膜。
如以上那样，得到本实施方式的可变电容元件1。
另外，本发明的可变电容元件1的制造方法并不限定于本实施方式，能够进行各种改变。
例如，在形成陶瓷层叠体的情况下，虽然在上述中是在得到层叠体之后形成贯通口，但并不局限于此，例如，也可以印刷陶瓷膏剂，通过光刻法来设置贯通口并进行层叠。
此外，虽然在上述中是在烧制了可变电容层以及绝缘部之后形成电极以及引出部，但也可以例如一边将陶瓷片层叠一边填充导体膏剂，或者在将可变电容层与陶瓷层叠体层叠之前向贯通口填充导体膏剂，或者在将可变电容层与陶瓷层叠体层叠之后烧制之前填充导体膏剂并将整体同时烧制。
此外，作为另外的方法，也可以在可变电容层的主表面上涂敷电极用的导体膏剂，接着将绝缘部层叠，并向贯通口填充导体膏剂。
作为进一步另外的方法，也可以分别烧制可变电容层以及绝缘部，然后，将它们按照绝缘部、可变电容层以及绝缘部的顺序进行接合。接合方法并不被特别限定，例如能够使用粘合剂或者玻璃等来进行接合。
优选地，如上述实施方式那样，在烧制可变电容层以及绝缘部之后，烧制导体膏剂来形成电极以及引出部。通过这样分别烧制，能够将具有比可变电容层以及绝缘部的烧制温度低的熔点的金属、例如Ag或者Cu，用作电极以及引出部的材料。
【实施例1】
实施例1
·本发明的可变电容元件的制作
将BaCO3、Nd2O3、Al2O3、SiO2以及TiO2粉末称量为相对介电常数大约为300的规定的组成(0.65BaTiO3-0.20NdAlO3-0.25SiO2-0.10Al2O3(摩尔比))。接下来，将称量物加入到球磨机，湿式地混合并粉碎16小时，在干燥后，以1200℃预烧2小时。将得到的预烧物再次加入到球磨机，湿式地粉碎16小时之后，加入粘合剂以及可塑剂，通过刮刀法来成形为30μm的厚度的片状。将得到的片冲压成规定的大小后，层叠20片并临时压接。
接下来，通过激光来在得到的层叠体形成通孔，将碳膏剂填充到通孔进行通孔填充。在这些层叠体的2个之间夹住1片成为可变电容层的片(与形成通孔部的片相同的片)，进行层叠使得形成在2个层叠体的通孔分别重合，以100MPa进行压接，通过温等静压机(WarmIsostaticPress；WIP)来以60℃、200MPa进行压接，得到层叠体。接下来，使用切割机来将得到的层叠体切分为单片(长度L＝1.0mm，宽度W＝0.5mm，高度T＝0.5mm)并以1000～1400℃进行烧制。
接下来，将Ag膏剂填充到通孔内，为了形成外部电极而在通孔露出的部分涂敷相同的Ag膏剂，以750℃进行烧制，得到图1以及2所示的实施例1的试料(可变电容元件)。
如上述那样制作了图4所示的电极的对接部分的直径d是5、10、20以及30μm的4种实施例1的试料(可变电容元件)。
使用阻抗分析器(AgilentTechnologies社制：HP4294A)，在温度25±2℃、电压1Vrms、频率1kHz的条件下测量得到的4种实施例1的试料的静电电容，分别求出10个平均值。图6中表示结果。
比较例1
在实施例1中制作出的片上将Pd膏剂印刷为图5所示的大致三角形的形状，进行层叠使得其前端部隔着1片重合，通过温等静压机(WarmIsostaticPress；WIP)，以60℃、200MPa进行压接来得到层叠体。使用切割机来将得到的层叠体切分为单片(长度L＝1.0mm，宽度W＝0.5mm，高度T＝0.5mm)，以1100～1400℃进行烧结。
接下来，为了在侧面形成外部电极，通过涂敷Ag膏剂并以750℃进行烧制，从而制作出比较例试料。
如上述那样制作了4种比较例试料，以使得图5所示的电极的重合部分的面积与上述实施例1的电极的接合部分的直径d为5、10、20以及30μm的面积相同。
使用阻抗分析器(AgilentTechnologies社制：HP4294A)，在温度25±2℃、电压1Vrms、频率1kHz的条件下测量得到的4种比较例试料的静电电容，分别求出10个平均值。图6中一并表示结果。
由图6可知，在作为现有的层叠构造的比较例试料中，即使将内部电极的重合尺寸缩小到5μm，静电电容也只降低至大约0.6pF。另一方面，在实施例1的试料中，若将对接部分的直径缩小到5μm，则静电电容降低到大约0.1pF。认为这是因为：与作为现有的层叠构造的比较例试料相比，实施例1的试料能够将寄生电容抑制得更小，因此能够广泛地使用元件本来应具有的静电电容的可变范围。
实施例2
称量BaCO3、SrCO3以及TiO2粉末以使得成为相对介电常数大约为2000的规定的组成((Ba0.6Sr0.4)TiO3)。使用该称量物，按照与实施例1相同的顺序，制作出实施例2的试料。
实施例3
称量CaCO3、Al2O3、SiO2、B2O3粉末以使得成为相对介电常数大约为7的规定的组成(将由0.16CaO-0.11Al2O3-0.64SiO2-0.09B2O3(摩尔比)构成的玻璃陶瓷与Al2O3按照1∶1(重量比)混合而成的物质)。使用该称量物，按照与实施例1相同的顺序，制作出由CaO-Al2O3-SiO2-B2O3系的玻璃陶瓷构成的厚度30μm的片。在将得到的片冲压为规定的大小后，层叠20片，并进行临时压接。
接下来，通过激光在得到的层叠体形成通孔，将碳膏剂填充到通孔来进行通孔填充。在这些层叠体的2个之间，将上述实施例2中形成的片作为可变电容层来夹住1片，进行层叠使得形成在2个层叠体的通孔分别重合，以100MPa进行压接，通过温等静压机(WarmIsostaticPress；WIP)来以60℃、200MPa进行压接，得到层叠体。接下来，使用切割机来将得到的层叠体切分为单片(长度L＝1.0mm，宽度W＝0.5mm，高度T＝0.5mm)，以1100～1400℃进行烧制。
接下来，将Ag膏剂填充到通孔内，为了形成外部电极而在通孔露出的部分涂敷相同的Ag膏剂，以750℃进行烧制，得到实施例3的试料。
对实施例2以及实施例3的试料施加直流电压，在1kHz、1V的条件下测量静电电容，求出电容可变率。
电容可变率＝(Cap0-CapDC)/Cap0×100(％)
这里，CapDC是施加了规定的直流电压时的静电电容值，Cap0是不施加直流电压的状态下的静电电容值。图7中表示结果。
如图7所示，在绝缘部与可变电容层是同一材料的BST系材料(相对介电常数2000)的实施例2中，随着直流施加电压成为3V/μm以上而静电电容变小，静电电容的变化变小。另一方面，在绝缘部中使用了低介电常数的材料(相对介电常数7)的实施例3中，即使将直流施加电压设为3V/μm以上，静电电容也相对于直流电压的变化而充分地变化。认为这是由于：若静电电容变小则寄生电容的影响相对变大，即使施加更大电压，表观的静电电容也不变化。也就是说，认为由于绝缘部的相对介电常数较大(相对介电常数2000)的实施例2的可变电容元件的两端面间的寄生电容较大，绝缘部的低介电常数较小(相对介电常数7)的实施例3能够抑制该寄生电容，因此与实施例2相比，实施例3即使在施加了较高电压的情况下，静电电容的变化也不降低。
产业上的可利用性
本发明的保护元件能够用于RFID(RadioFrequencyIdentification，射频识别)***等多种多样的电子设备。
-符号说明-
1…可变电容元件
2…可变电容层
4、4’…电极
6、6’…绝缘部
8、8’…引出部
10…贯通口
12…外部电极
101…可变电容元件
102…电介质
104…电极
112…外部电极
Claims (8)
1.一种可变电容元件，其特征在于，具有：
可变电容层，其由电介质材料构成；
一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；
一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和
一对引出部，其分别与一对电极连接，
一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上。
2.根据权利要求1所述的可变电容元件，其特征在于，
绝缘部由介电常数比构成可变电容层的电介质材料低的电介质材料构成。
3.根据权利要求1或者2所述的可变电容元件，其特征在于，
电极以及引出部由Ag或者Cu构成。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的可变电容元件，其特征在于，
电极以及引出部的厚度是0.5～100μm。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的可变电容元件，其特征在于，
所述可变电容元件还具有：外部电极，其位于绝缘部的与支撑可变电容层的面对置的面，并与引出部电连接。
6.根据权利要求1～5的任意一项所述的可变电容元件，其特征在于，
在绝缘部的与可变电容层垂直的面的至少一个面还具有导体部。
7.一种可变电容元件的制造方法，该可变电容元件具有：
可变电容层，其由电介质材料构成；
一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；
一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和
一对引出部，其分别与一对电极连接，
一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上，
所述可变电容元件的制造方法的特征在于，
通过将电介质材料形成为片状，或者对该片进行层叠来制作可变电容层，
通过形成贯通口的同时将绝缘体片层叠来制作绝缘部，或者通过在将绝缘体片层叠之后，形成贯通口来制作绝缘部，
在一对绝缘部之间夹着可变电容层来得到层叠体，
通过向上述贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料，与层叠体同时进行烧制，来形成电极以及引出部，或者，在烧制层叠体之后，向贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料来形成电极以及引出部。
8.一种可变电容元件的制造方法，该可变电容元件具有：
可变电容层，其由电介质材料构成；
一对电极，其隔着可变电容层而位于相对置的位置；
一对绝缘部，其隔着一对电极将可变电容层支撑在中间；和
一对引出部，其分别与一对电极连接，
一对引出部分别被配置在一对绝缘部内，并且处于与可变电容层大致垂直的同轴上，
所述可变电容元件的制造方法的特征在于，
在形成有贯通口的一对绝缘部之间夹着可变电容层而得到层叠体，对其进行烧制，接下来，向贯通口赋予电极以及引出部形成用的导电性材料来形成电极以及引出部。
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