Параметрический rc-элемент с распределёнными параметрами

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании аналоговых устройств обработки и формирования сигналов дробного порядка. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами (RC-ЭРП) состоит из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных слоев с выводами от резистивных слоев. Один или несколько резистивных слоев выполнены из материала, удельное электрическое сопротивление которого чувствительно к физическому или химическому воздействию, и каждый резистивный слой содержит не менее двух электрических выводов и поперечный разрез, делящий RC-элемент с распределенными параметрами на условные секции. Ширина разреза значительно меньше продольных размеров условных секций, а длины условных секций RC-элемента с распределенными параметрами выполняются в соотношении 5:7:1. Техническим результатом является улучшение частотных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании аналоговых устройств обработки и формирования сигналов (частотно-избирательных устройств, интеграторов, дифференциаторов, генераторов, фазовращателей, элементов с постоянной фазой и др.) дробного (не целого) порядка.

Известны RC-элементы (структуры) с распределенными параметрами (авт. св. № SU 361474, № SU 320921, № SU 289450, № SU 1708128 A1, патент № RU 2408977 C1). Они представляют собой многослойные (3÷6 слоев) резистивно-емкостные конструкции, в которых проводящие и/или резистивные слои разделены диэлектрическими слоями. Проводящие и/или резистивные слои контактируют с выводами, общее количество которых не превышает шести. Конфигурация слоев как однородная (патент № RU 2408977 C1), так и неоднородная - имеются прорези в слое или отсутствует часть слоя (авт. св. № SU 320921, № SU 289450, № SU 1708128 A1).

Данные технические решения подразумевают изготовление RC-элементов из материалов с точно заданными свойствами, при этом неоднородность параметров вдоль пространственных координат достигается исключительно конструктивно-технологическими способами (прорези в слоях, отсутствие отдельных частей слоев и пр.). Следовательно, упомянутые RC-элементы с распределенными параметрами (RC-ЭРП) обеспечивают конкретные, нерегулируемые в процессе функционирования устройства частотные характеристики: элементы с постоянной фазой на их основе имеют точный уровень постоянства фазы ФЧХ входного импеданса в конкретном диапазоне частот и изменить эту характеристику возможно, только изменяя конструкцию самого RC-ЭРП или ее параметры.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является RC-структура с распределенными параметрами (авт. св. № SU 1708128 A1). Указанное устройство позволяет получать нерегулируемые ФЧХ входного импеданса с уровнями постоянства фазы, зависящими от конфигурации продольной прорези верхнего резистивного слоя в конкретном диапазоне частот шириной до 1,5 декад.

Подстройка частотных характеристик и регулировка данного RC-ЭРП ограничена невозможностью оперативного многократного изменения положения продольной прорези. При регулировании RC-ЭРП требуются дополнительные технологические операции формирования прорези в резистивной пленке верхнего поверхностного слоя конструкции RC-ЭРП.

Задачей изобретения является расширение функционала RC-ЭРП с возможностью оперативного многократного регулирования частотных характеристик в процессе работы, а также улучшение частотных характеристик, а именно увеличение ширины частотного диапазона постоянства фазы ФЧХ входного импеданса.

Поставленная задача решается за счет применения RC-элемента с распределенными параметрами, состоящего из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных слоев с выводами от резистивных слоев. При этом один или несколько резистивных слоев выполнены из материала, удельное электрическое сопротивление которого чувствительно к физическому или химическому воздействию, и каждый резистивный слой содержит не менее двух электрических выводов и поперечный разрез, делящий RC-элемент с распределенными параметрами на условные секции. Ширина разреза значительно меньше продольных размеров условных секций, а длины условных секций RC-элемента с распределенными параметрами выполняются в соотношении 5:7:1.

Первый резистивный слой содержит два электрических вывода, расположенных на противоположных кромках слоя, являющихся, соответственно, входом и выходом сигнала, а второй резистивный слой содержит три электрических вывода, первый и второй из которых находятся на противоположных кромках слоя, а третий примыкает к поперечному разрезу, при этом первый вывод является входом, а второй и третий - выходом сигнала.

Описанную выше конструкцию будем называть в дальнейшем параметрическим RC-элементом с распределенными параметрами.

На фиг.1 изображена конструкция 3-слойного параметрического RC-ЭРП; на фиг.2 - условное графическое обозначение параметрического RC-ЭРП; на фиг.3 - оптимальная схема соединения выводов параметрического RC-ЭРП в случае элемента с постоянной фазой; на фиг.4 - семейство фазочастотных характеристик входного импеданса параметрического RC-ЭРП.

Параметрический RC-ЭРП состоит из выводов 1÷5, резистивных слоев 6, 7 и диэлектрического слоя 8. Сопротивления резистивных слоев 6, 7 характеризуются удельными сопротивлениями ρ₁, ρ₂ соответственно. Емкость между резистивными слоями распределенная и характеризуется удельной емкостью c_уд=εε₀/d, где ε - диэлектрическая проницаемость материала слоя 8, ε₀ - диэлектрическая постоянная, d - толщина слоя 8.

Слои 6 и 7 имеют поперечные разрезы 9 и 10, соответственно, ширина которых значительно меньше продольных размеров слоев, а их геометрическое положение показано на фиг.1. Резистивные слои 6 и 7 имеют электрический контакт с двумя выводами, расположенными на взаимно противоположных кромках слоев: слой 6 - с выводами 1, 2, слой 7 - с выводами 3, 4. Кроме того, резистивный слой 7 имеет электрический контакт с выводом 5, примыкающим к поперечному разрезу 10 и расположенным согласно фиг.1.

Форма всех слоев параметрического RC-ЭРП преимущественно прямоугольная. Ширина h и длина l конструкции параметрического RC-ЭРП могут принимать различные значения, они определяют коэффициент формы γ (γ=l/h), а также определяют значения параметров RC-ЭРП. Конструкция параметрического RC-ЭРП условно разделена на три секции L1, L2, L3 по имеющимся поперечным разрезам 9 и 10, причем ширина разрезов не учитывается, так как ничтожно мала по сравнению с длинами секций.

Общим, как для параметрического RC-ЭРП, так и для устройств на его основе, например, элементов с постоянной фазой, является зависимость электрических характеристик (АЧХ, ФЧХ и др.) от значений параметров ρ₁, ρ₂, c_уд, а, следовательно, и от применяемых материалов, соотношения параметров ρ₁/ρ₂=N, соотношений длин L1, L2, L3 условных секций, определяющих положение поперечных разрезов 9, 10 и вывода 5, схемы соединения выводов 1÷5.

Для получения полезного эффекта необходимо реализовать следующее соотношение длин секций L1:L2:L3=5:7:1, воспроизвести схему соединения выводов согласно фиг.3 и обеспечить возможность изменения соотношения N в процессе функционирования параметрического RC-ЭРП путем равномерного однородного изменения ρ₁ и/или ρ₂ за счет физического или химического воздействия любой природы (электромагнитное, радиационное, температурное и т.д.) на чувствительный к данному воздействию материал резистивного слоя (слоев).

Устройство работает следующим образом. Рассмотрим пример работы параметрического RC-ЭРП в качестве элемента с постоянной фазой. Используя схему включения, приведенную на фиг.3, проведем измерение ФЧХ входного импеданса данного RC-ЭРП при различных значениях N. Сигнал с генератора подается одновременно на выводы 2, 4, а выводы 1, 3, 5 соединяются с общей точкой. На поверхностный чувствительный резистивный слой 6 оказывается физическое или химическое воздействие, изменяющее ρ₁, что в свою очередь приводит к изменению N. На фиг.4 приведены графики ФЧХ входного импеданса для значений N из диапазона 0,1÷10.

Из графика, приведенного на фиг.4, следует, что плавное изменение коэффициента N в логарифмическом масштабе позволяет изменять уровень постоянства фазы ФЧХ входного импеданса параметрического RC-ЭРП в линейном масштабе от -1,5° до -25° на одном и том же частотном диапазоне шириной более 2 декад при неравномерности фазы ФЧХ ±1,5°. Регулировать уровень постоянства фазы ФЧХ входного импеданса можно непосредственно в процессе функционирования устройства при изменении интенсивности управляющего физического или химического воздействия.

Все слои параметрического RC-ЭРП по физико-химическим свойствам однородны в продольном и поперечном направлениях конструкции, поэтому изменение параметров чувствительного слоя (слоев) при воздействии управляющего физического или химического фактора равномерное. При изготовлении параметрического RC-ЭРП число технологических операций не изменяется относительно обычных RC-ЭРП, но возникают дополнительные требования к чувствительным материалам резистивного слоя (слоев): достаточная чувствительность к используемому физическому или химическому воздействию, известный закон зависимости параметра ρ₁, ρ₂ от данного воздействия и другие.

1. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами, состоящий из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных слоев с выводами от резистивных слоев, отличающийся тем, что один или несколько резистивных слоев выполнены из материала, удельное электрическое сопротивление которого чувствительно к физическому или химическому воздействию, каждый резистивный слой содержит не менее двух электрических выводов и поперечный разрез, делящий параметрический RC-элемент с распределенными параметрами на условные секции, при этом ширина разреза значительно меньше продольных размеров условных секций.

2. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами по п.1, отличающийся тем, что длины условных секций выполняются в соотношении 5:7:1.

3. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами по п.1, отличающийся тем, что первый резистивный слой содержит два электрических вывода, расположенных на противоположных кромках слоя, являющихся, соответственно, входом и выходом сигнала, а второй резистивный слой содержит три электрических вывода, первый и второй из которых находятся на противоположных кромках слоя, а третий примыкает к поперечному разрезу, при этом первый вывод является входом, а второй и третий - выходом сигнала.