BST-MEMS移相器开关

为了提高MEMS电容开关性能,介绍了移相器的一种新型结构——分布式电容周期性加载结构。分析发现移相器的相移度和单元可变电容的变化率有关。目前MEMS可变电容单元采用的介质基本上是氮化硅。BST薄膜作为一种性质优良的介电材料,其介电常数远大于氮化硅。从MEMS移相器开关性能的几个关键指标出发,探讨在MEMS移相器开关中,用BST薄膜代替氮化硅介质的可能性。     

BST薄膜非线性特性及机理研究

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,简称BST)薄膜具有非线性强、漏电流小、居里温度可调等特点,因而在介质移相器、压控滤波器等方面有着广泛的应用前景。笔者对BaxSr1-xTiO3(x=0.45~0.90)系列陶瓷的晶体结构和介电性能、膜厚均匀性控制、BST薄膜的微结构(包括组成、晶体结构和电畴等)和介电非线性尺度效应、铁电薄膜介电非线性模型、薄膜型介质移相器的设计和制作等重要问题进行了研究,取得了以下研究结果:通过研究靶基中心不重合的磁控溅射系统,建立了平面磁控溅射膜厚分布的数学模型,提出了采用T=∫Ld(x,y)ds=∫0td(ξ(t),ψ(t))ξ'2(t)+ψ'2(t)dt来描述靶基中心不重合的平面磁控溅射的膜厚分布情况。在靶基距为72mm、公自转转速比为5.3的条件下,采用自行设计的射频磁控溅射设备和φ100mm靶材制备的BST薄膜膜厚均匀性偏差为2.8%。采用压电力显微镜(PFM)研究了BST薄膜中电畴的类型和尺寸。不仅证实BST薄膜中存在90°铁电畴,而且确定了BST薄膜由多畴转变为单畴结构的晶粒临界尺寸(单畴临界尺寸)为31nm左右。通过研究BST薄膜的介电非线性尺度效应,发现晶粒尺寸和膜厚对薄膜的介电非线性具有重要的作用。随着晶粒尺寸和膜厚的增加,BST薄膜的介电系数、介电系数变化率都逐渐增大。晶粒尺寸对单畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响特别显著,而对多畴态薄膜的介电系数电压变化率和矫顽场强影响不明显。在上述实验研究的基础上,对铁电材料的介电非线性机理进行了研究。首先,从简单、实用的角度出发写出表征P(E)和ε(E)非线性的数学多项式,根据介电偏压特性曲线和电滞回线的特征值和连续性原理,给出边界条件和初始条件,解出表达式中的各项系数,从而建立了铁电晶体的介电非线性模型。然后,采用理想的晶粒–晶界几何模型,画出铁电陶瓷材料的等效电路,引入晶粒和晶界的大小,从而建立了铁电陶瓷的介电非线性模型。再采用理想二极管等效界面势垒,得到薄膜型平板电容器等效电路,引入膜厚和界面厚度两个尺度变量,从而建立了铁电薄膜的介电非线性模型。最后,利用文献的数据和曲线对模型进行了验证,模拟得到的曲线与实验得到的曲线变化趋势基本一致,表明该模型可以较好地解释铁电材料(包括陶瓷和薄膜)的介电非线性特性及其随晶粒大小、膜厚和界面厚度等尺度变化的规律。对薄膜型介质移相器的设计、制作和测试进行了研究。采用ADS和HFSS软件进行仿真,设计出了分布式电容负载型铁电薄膜介质移相器的电路结构和各部分的尺寸;采用改进的剥离工艺,制作出了电极线条整齐的铁电薄膜介质移相器;采用矢量网络分析仪,在频率为35GHz、控制电压为40V条件下,测得介质移相器的移相度为180°,插损为9.7dB。     

BST铁电薄膜压控微波器件

作为一种典型的钙钛矿结构铁电体,BST具有极强的非线性介电性质,其介电常数随外加直流偏压变化,同时BST薄膜易于与微带共面波导等电路集成,能有效减小电路体积,因此可广泛应用于压控变容器、滤波器、移相器、振荡器等微波器件中。该类器件调谐速度极快,损耗低,工作频带宽,功率承载能力强,可调性好。介绍了BST薄膜的非线性介电性质与其在微波应用中的国外研究现状。     

梯度多层BST薄膜介电性能研究

成分梯度多层钛酸锶钡薄膜具有较好的综合介电性能,包括适中的介电常数、高的介电调谐率、低的介质损耗及低的介电温度系数等,日益成为微波调制器件如移相器、滤波器、谐振器等的重要候选薄膜材料。就国内外近年来取得的重要成果进行了综述,对今后成分梯度多层BST薄膜的研究前景及方向进行了展望。     

Sol-Gel法制备BST铁电薄膜及其性能分析

用Sol-Gel法制备出表面致密,界面清晰的BST铁电薄膜。分析了BST薄膜的J-V特性,由于使用了不同的上下电极,导致J-V曲线的不对称,且在外延生长的Pt电极上制备的BST薄膜有较低的漏电流。分别在大气和干燥气氛下测量了BST薄膜的介电特性,分析结果表明:湿度对BST薄膜的介电特性有很大的影响,为了得到正确的介电特性,其测量必须在真空或干燥气氛下进行。     

S0l—Gel法制备BST铁电薄膜及其性能分析

用SoI—Gel法制备出表面致密，界面清晰的BST铁电薄膜。分析了BST薄膜的J-V特性，由于使用了不同的上下电极，导致J—V曲线的不对称，且在外延生长的Pt电极上制备的BST薄膜有较低的漏电流。分别在大气和干燥气氛下测量了BST薄膜的介电特性，分析结果表明：湿度对BST薄膜的介电特性有很大的影响,为了得到正确的介电特性，其测量必须在真空或干燥气氛下进行。     

(Ba0.5Sr0.5)TiO3/LaNiO3异质薄膜的介电调谐特性

用脉冲激光沉积工艺制备Ba0.5Sr0.5TiO3(简称BST)薄膜和Ba0.5Sr0.5TiO3/LaNiO3(简称BST/LNO)薄膜。在650℃原位退火10 min,获得了(100)和(110)择优取向生长的BST和BST/LNO薄膜,薄膜晶粒呈柱状结构,BST薄膜和BST/LNO异质结构薄膜的晶粒尺寸分别为150~200 nm和50~80 nm。在室温和1 MHz条件下,BST薄膜和BST/LNO异质结构薄膜的相对介电常数和介电调谐率分别达811和58.9%、986和60.1%;用LNO作底电极,可增益介电常数和介电调谐率。     

Zn掺杂对BST薄膜介电调谐性能的影响

用sol-gel法在Pt/SiO2/Si基片上制备了未掺杂和掺杂Zn的钛酸锶钡(BST)薄膜。用XRD对BST薄膜进行了物相分析,研究了Zn掺杂对薄膜的表面形貌和介电调谐性能的影响。结果表明:室温下,随着Zn加入量的增加,BST薄膜的介电常数减小,介质损耗降低,介电调谐量增加。x(Zn)为0.025的BST薄膜具有最大的优越因子(FOM),其值为29.28。     

射频磁控溅射法制备（Ba0.7Sr0.3）TiO3铁电薄膜

采用射频磁控溅射法制备了用于非致冷红外焦平面阵列的（Ba0.7Sr0.3）TiO3（BST）铁电薄膜。研究了BST铁电薄膜的制备工艺,分析了BST铁电薄膜的晶体结构和微观形貌。测试了其介电特性,测得的相对介电常数－温度曲线表明制备的（Ba0.7Sr0.3）TiO3铁电薄膜的居里温度在室温附近,约30℃处。     

高度(100)取向的BST薄膜及其高介电调谐率

用脉冲激光沉积法制备(Ba1-xSrx)TiO3(x=0.35,0.50简称BST35和BST50)介电薄膜。在650℃原位退火10min,获得高度(100)取向柱状生长的晶粒。BST35薄膜的平均晶粒尺寸为50nm,BST50薄膜的晶粒尺寸为150~200nm。在室温和1MHz条件下,BST35的最大εr和调谐率分别达到810和76%,其介电调谐率高于国内外同类文献报道的数据;BST50的εr和调谐率最大分别达到875和63%。薄膜为(100)取向生长,因为薄膜沿平面c轴极化而产生应力,在电场作用下,而获得高介电调谐率。     

X‐Band Phased Array Antenna Using Ferroelectric (Ba,Sr)TiO3 Coplanar Waveguide Phase Shifter

A phased array antenna was fabricated using four‐element ferroelectric phase shifters with a coplanar waveguide (CPW) transmission line structure based on a Ba0.6Sr0.4TiO3(BST)/MgO structure. Epitaxial BST films were deposited on MgO (001) substrates by pulsed laser deposition. To attain the large differential phase shift and small losses for a ferroelectric CPW phase shifter, an impedance‐matching‐part adding technique between the effective transmission line and connecting cable was used. The return loss and insertion loss for this technique‐adapted BST CPW device were improved with respect to those for a normal BST CPW device. For an X‐band phased array antenna system consisting of ferroelectric BST CPW phase shifters, power divider, dc block, patch antenna, and programmed dc power, the steering beam could be tilted by 15° in either direction.     

钛酸锶钡(BST)铁电移相器材料的研究现状

钛酸锶钡(BST)材料被普遍认为是最有前途的铁电移相器材料。BST作为铁电移相器材料的研究已有多年,到目前为止取得了不少突破性的进展。综述了国内外研究人员在BST体材、厚膜以及薄膜方面所做的工作及获得的一些成果。     

2.4 GHz continuously variable ferroelectric phase shifters using all-pass networks

Continuously variable ferroelectric (BST on sapphire) phase shifters based on all-pass networks are presented. An all-pass network phase shifter consists of only lumped LC elements, and thus the total size of the phase shifter is kept to less than 2.2 mm /spl times/ 2.6 mm at 2.4 GHz. The tunability (C/sub max//C/sub min/) of a BST interdigital capacitor is over 2.9 with a bias voltage of 140 V. The phase shifter provides more than 121/spl deg/ phase shift with the maximum insertion loss of 1.8 dB and the worst case return loss of 12.5 dB from 2.4 GHz to 2.5 GHz. By cascading two identical phase shifters, more than 255/spl deg/ phase shift is obtained with the maximum insertion loss of 3.75 dB. The loss figure-of-merit of both the single- and double-section phase shifters is over 65/spl deg//dB from 2.4 GHz to 2.5 GHz.     

A new high performance phase shifter using BaxSr1-xTiO3 thin films

In this paper, a new device topology has been proposed to implement parallel plate capacitors using Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST) thin films. The device layout utilizes a single parallel capacitor and minimizes conductor losses in the base electrode. The new design simplifies the monolithic process and overcomes the problems associated with electrode patterning. An X-band 180° phase shifter has been implemented using the new device design. The circuit provided 240° phase shift with an insertion loss of only 3 dB at 10 GHz at room temperature. We have shown a figure of merit 93°/dB at 6.3 GHz and 87°/dB at 8.5 GHz. To our knowledge, these are the best figure of merit results reported in the literature for distributed phase shifters implemented using BST films at room temperature     

sol-gel法制备的BST薄膜的晶化行为研究进展

重点综述了前驱体、基片和热处理工艺等因素对sol-gel法制备的钛酸锶钡BST(Ba1-SrxTiO3)铁电薄膜的晶x化行为及介电性能的影响,并从动力学和热力学角度进行了解释,进而提出一些实用措施:选用低温分解的羧酸盐和加有螯合剂的钛醇盐作原料、采用与BST晶格匹配度好的基片、提高升温速率、加入晶种或理想的添加剂等,来消除或减弱中间相的影响以实现低温下高介电性能的BST薄膜的sol-gel制备;最后,提出了研究中需进一步解决的课题。     

sol-gel法制备BST薄膜及介电调谐性能

采用sol-gel法制备了Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜。探讨了溶胶中醋酸和乙二醇用量对BST晶化温度和物相的影响,配制出了晶化温度低且无杂相的BST溶胶,对比了退火升温速率对BST薄膜形貌的影响。发现在低速率升温条件下生长的薄膜致密、均匀一致,无气孔、裂纹。测试了薄膜的介电调谐性能,在室温1 MHz下,BST薄膜的εr、tanδ和T分别为592,0.025和42%。     

铁电（Ba,Sr）TiO3及介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5薄膜材料应用于电调谐微波器件研究进展

铁电钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)是一种拥有十分优越铁电/介电性能的材料,在可调谐微波器件方面具有很好的应用前景。本文概括介绍了BST薄膜的研究意义、基本结构、薄膜的制备方法,并针对可调谐微波器件应用需求,详细探讨了通过掺杂、组分梯度变化、纳米铁电多层薄膜以及将铁电BST与新型介电Bi2O3-ZnO-Nb2O5(BZN)薄膜相结合等对铁电薄膜性能进行优化的手段,最后对该领域的前沿问题从材料研究层面作了小结与展望。