超导谐振器和滤波器器件及其制造方法

专利名称：超导谐振器和滤波器器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及射频谐振器和滤波器器件，特别涉及用超导材料制成的这种器件。
背景技术：
自从先前的发现以来，高温超导(HTS)材料就被考虑用作薄膜谐振器和滤波器，例如微波通信应用中GHZ频率范围内的微带或空腔结构。由于电损耗低，所以将HTS材料用于这类器件有望获得高的Q值。该优点同样被应用于低频端，但是通常用于微波频率的普通1/4波长并联耦合设计导致工作在MHZ范围内的器件尺寸之大令人无法容忍。
一种使MHZ范围的谐振器和滤波器达到可实用尺寸的方法是分块单元法，它采用分立的电感和电容单元。一种这样的结构由两匝螺旋管组成，匝之间有内部数字电容器。另一种结构包含两个螺线管和两个由电介质层隔开的电容耦合环。第三种结构包括自谐振螺线管。但是在低MHZ频率端，用来形成螺线管的导体长度较长，导致电阻较大而电路Q值较低。
滤波器可以设计为工作在感兴趣的一个频率或多个频率下。例如信道化滤波器在一个输入端口上接收多个频率信号并且向一个或多个输出端口选择性地输出信号。对信道化滤波器有兴趣的参见G.Matthaei等人的“微波滤波器、阻抗匹配网络和耦合结构”第16章(Artech House,Dedham,MA,1980)。

发明内容
本发明的一个目标是提供一种小型、高Q值、低损耗谐振器结构，适于MHZ范围的频率。
本发明的进一步目标是提供一种采用多个超导谐振器单元的滤波器，适于MHZ范围包含的所有频率。
按照一个实施例，电磁谐振器包括具有第一面和与第一面相对的第二面的衬底。超导螺线管谐振器结构被安置在所述衬底的第一面上。输入耦合结构和输出耦合结构被安置在衬底的第二面上并且放置为与螺线管谐振器耦合。
比较好的，超导螺线管谐振器结构由诸如钇钡铜氧化物和铊钡钙铜氧化物之类的高温超导材料组成。同样，输入耦合结构和输出耦合结构也可以由类似的高温超导材料制成。
在另一实施例中，电磁滤波器包括具有第一面和与第一面相对的第二面的衬底。多个超导螺线管谐振器结构被安置在所述衬底的第一面上。输入耦合结构和输出耦合结构被安置在衬底的第二面上并且与多个超导谐振器中的至少一个耦合。
在较佳实施例中，多个超导螺线管谐振器结构具有带第一端和第二端的伸长的几何结构并且多个超导螺线管谐振器结构基本上以边对边并排的关系形式安置。
在进一步的实施例中，输入耦合结构与多个超导螺线管谐振器结构的其中一个的第一端对齐。同样，输出耦合结构与多个超导螺线管谐振器结构的其中一个的第二端对齐。
多个超导螺线管谐振器结构可以具有基本相等的谐振频率并且作为多极点滤波器协同工作。另外，多个超导螺线管谐振器结构可以工作在对应多个输出的多个谐振频率下，从而构成信道化滤波器。
附图简述

图1A为示意性谐振器螺线管结构的顶面放大图。
图1B为图1A螺线管结构细节部分的放大示意图。
图1C为图1A的示意性谐振器螺线管结构的物理模型。
图1D为对应图1C物理模型的电学模型。
图2为图1A的谐振器结构的剖面图，但未按比例示出。
图3为实验确定的反射率作为图1谐振器螺线管结构频率的函数的关系。
图4A-4C为本发明较佳实施例的较佳三极点滤波器的示意图。
图5作为图4C的滤波器频率的函数的反射率(S11)和插入损耗(S12)的实验确定关系的示意图。
图6为按照本发明进一步实施例的替换谐振器结构示意图，包括电感环路部分和内部数字电容器部分。
图7为带三个输出的示意性RF信道化滤波器的衬底侧面上谐振器螺线管布局的示意图。
图8为图7滤波器内所包含的谐振器螺线管的示意图。
图9为在滤波器衬底的相对侧上形成有一个输入和三个输出的图7滤波器的示意性耦合电路示意图。
图10为图7-9滤波器的等价电路示意图。
图11-13为图7-9滤波器的三个输出环路的每一个的反射率与透射率的曲线图。
附图中，除非另有指明，相同的标号和字符用来表示所示实施例相同的特征、单元、单位或部分。而且虽然借助附图对本发明作了描述，但是与所示实施例相关。在不偏离所附权利要求的前提下可以对本发明作出各种修改和改动。
实施发明的较佳方式图1A示出了示意性谐振器螺线管几何结构和谐振频率为24.5MHZ左右的谐振器实施例的尺寸。图1B为图1A的放大图，进一步示出了示意性的螺线管谐振器结构，它以超导材料组成的均匀间隔的20匝形成，比较好的是高温超导体(HTS)。螺线管谐振器结构一般设计为在所需频率下自谐振。螺线管超导体结构提供的电感位于结构内部固有电容的谐振下。这种螺线管谐振器结构当由超导材料制成时具有超过40000无负载Q值。图1C和1D分别示出了图1A的谐振器结构的等价物理和电学模型。在图1C的简单圆形螺线管电感中，电感可以计算为L(nH)=0.03937a2n28a+11c-----(1)]]>这里a=D0+Di4,c=D0-Di2-----(2)]]>并且n为螺线管内的匝数，D0为螺线管结构的外径而Di为螺线管结构的内径，单位为微米。螺线管的电阻可以由下式确定R(Ω)=K11anRsW----(3)]]>这里K为常数(对于没有接地平面的结构假定为1)，Rs为构成螺线管的材料的表面电阻并且W为构成螺线管的轨迹的宽度。对于超导材料，Rs的数值为微欧姆量级，这使得以低电阻形成较大的电感。螺线管谐振器结构固有电容为C(pf)=3.5×10-5D0+0.06(4)方程1-4可以通过用面积表示项D0和Di而推广到各种几何结构D0=4a0Π]]>和Di=4aiΠ----(5)]]>这里a0为谐振器结构的外部面积而ai为谐振器结构的内部面积。
图2为图1A的谐振器剖面图。谐振器形成于衬底200之上并且包括形成于衬底200一个侧面210上的超导螺线管结构202以及衬底200相对侧面208上形成的输入结构204和输出结构206。输入和输出结构可以利用普通的导体材料形成，例如铜或铝。但是，由超导材料制成的输入和/或输出结构(例如用来构成超导螺线管结构202的材料)具有维持高电路Q值和低损耗的优点。在一个实施例，超导螺线管结构202为图1A的螺线管谐振器结构。在另一实施例中，超导层结构202可以如图8所示。在图1A和8中，螺线管结构为伸长的而非圆形的。螺线管结构的该特征使得当多个螺线管结构面对面放置时更加紧凑，例如如以下多极点滤波器实施例那样。在按照图lA的螺线管谐振器示意性实施例中，衬底200为2英寸铝酸盐镧(LAO)晶片衬底，厚度为20密尔(mils)左右。超导螺线管结构202合适的材料是钇钡铜氧化物(YBCO)，它作为200nm厚的一层淀积在衬底200上。YBCO薄膜可以在700-800℃下，利用激光刻蚀或溅射淀积方法淀积在衬底上。LAO衬底和YBCO材料由几个商业供应商提供，包括Dupont。YBCO材料在直到770K时仍然具有超导性。
当采用YBCO构成超导层结构202时，由于LAO与这些材料相关晶线结构之间晶格匹配的高度兼容性，所以LAO是较佳的衬底材料。其他合适的衬底材料包括氧化锰(MgO)和钛酸锶(STO)。
通常情况下，构成超导螺线管结构202的材料厚度应该超过材料的渗透厚度。在YBCO情况下，渗透厚度为270纳米左右，薄膜厚度比较好的是270-450纳米。其他合适的超导材料是铊钡钙氧化物(TBCCO)，其渗透厚度为450纳米左右。在这种情况下，TBCCO薄膜的厚度比较好的是在450-750纳米范围内。
图1A所示的示意性谐振器可以通过按照下列程序的光刻图案工艺利用清洁LAO衬底上的YBCO薄膜制成。首先，光敏抗蚀剂(例如Massachusetts州的Marlborough的Shepley制造的Microposit S1813)被涂敷在衬底200的一个侧面208上，随后以1500rpm旋转40秒以建立基本均匀的薄膜。衬底随后在120℃下加热3分钟以干燥薄膜。随后去除衬底200背面210的光敏抗蚀剂，例如利用带丙酮的棉花药签。衬底未经曝光被放置在显影剂溶液(例如Massachusetts州的Marlborough的Shepley制造的MF319)内1分钟。这在侧面208上建立了保护薄膜。
光敏抗蚀剂被涂敷在侧面210上并且随后以4500rpm旋转40秒以建立基本均匀的薄膜。衬底200随后在120℃下被加热2分钟。在衬底冷却之后，谐振器结构的正片光掩膜被涂敷在衬底200上。光掩膜随后在5.6mW/cm2功率的UV光下经过例如25秒的曝光。衬底再次放置显影剂(例如Microposit MF319)中1分钟。一旦显影后，通过在稀释的磷酸溶液(从Connecticut州的Norwalk的Olin微电子材料股份有限公司获得)用40秒腐蚀掉曝光的光敏抗蚀剂下的区域200纳米的YBCD层来实现结构。对于300nm的YBCO层，腐蚀时间为80秒左右，薄膜越厚腐蚀时间越长。
随后应该清除衬底以去除剩余的光敏抗蚀剂。将衬底200放置在溶剂(丙酮)内2分钟左右即可实现。
为了保护侧面210上的超导螺线管结构免遭腐蚀而与此同时在侧面208上形成输入和输出结构，如上所述涂敷、干燥、曝光和显影光敏抗蚀剂的保护层。
采用下列步骤在衬底背面208上形成接触焊盘。清洁衬底侧面208以去除污物和任何光敏抗蚀剂。接着，除了负片掩膜用于接触焊盘外按照与上述相同的方式涂敷、旋转、干燥和曝光光敏抗蚀剂。随后将衬底浸入氯苯5分钟并且如上所述显影。通过淀积50纳米Ag/100纳米Au/150纳米Ag或50纳米Ag/50纳米Au/200纳米Ag，在通过显影曝光光敏抗蚀剂清除的接触区域上形成金属涂层。随后可以采用提去工艺，利用丙酮去除未曝光的超导体。如果需要后退火，则可以在纯氧气氛中，在550℃下退火最终的结构10-20分钟。
图3示出了图1A谐振器实验确定的反射率特性，谐振器工作在77°K温度下。如图3所示，示意性的谐振器的谐振频率24.5455MHZ，无负载Q值超过40000。谐振器的输入结构204在衬底200背面208上的单个铜耦合环路下形成，耦合环路基本上对准谐振器结构200的其中一个圆形部分102、104。衬底210背面208上的第二铜耦合环路也基本上对准构成输出结构206的图案的另一圆形部分102、104。显而易见的是，可以采用另一耦合结构代替单个环路图案用于输入和输出耦合结构，例如多匝螺线管结构等。
图4A-4C示出了采用图1A的谐振器结构的三极点滤波器的另一实施例。仅仅是示意性质的滤波器结构包括如上所述的三个谐振器结构402、404、406，工作在基本相等的谐振频率下并且以靠近的方式放置在衬底200第一侧面上。虽然利用图1A所示的几何结构示出了谐振器，也可以采用其他螺线管几何结构。通过利用伸长的几何结构(如图1A或图7所示)而不是圆形几何结构，采用几个螺线管谐振器的滤波器的尺寸减小了。图4A-4C各个实施例的差别是输入结构204和输出结构206的布局。
例如，在图4A中，输入结构204采用大环路408，它与每个螺线管谐振器结构402、404、406的输入侧耦合。同样，图4A的输出结构也采用大环路，它与每个螺线管谐振器结构402、404、406的输出侧耦合。在图4B中，相对中央谐振器404的输入部分放置第一小环路，其直径大约是螺线管谐振器结构404、406、408的输入部分直径。同样的小环路414被相对于谐振器404的输出部分放置。图4C采用与图4B类似的输入和输出结构，除了输入环路416相对谐振器406的输入部分放置而输入环路418相对谐振器402的输出部分放置以外，因此使输入和输出耦合结构之间的间隔最大。
按照图4A-4C的示意性的3极点滤波器实施例在77°K下进行了测试。用HP-8712B RF网络分析仪，对于每个滤波器的三个峰值测量了反射损耗(S11)和插入损耗(S12)。表1示出了图4A-4C所示的每个结构的测量数据。
表1．峰值#1峰值#2峰值#3S11 S12 S11 S12 S11 S12(a)f[MHZ] 23.65 23.92 24.27损耗[db] -3.5 -8.0-3.5 -7.0 21.0 -5.5(b)f[MHZ] 22.55 63.33 24.27损耗[db] -3.03 -29.56 -5.48 -12.88 2.70 -37.28(c)f[MHZ] 24.07 24.28 24.50损耗[db] -6.37 -2.02 -4.62 -2.55 -6.56 -2.05对于按照图4C的滤波器，耦合后的单个峰值Q值为600左右。峰值Nos.1与3之间的最大插入损耗为-6.91dB。在带通以外的频率处，例如小于23.77MHZ或大于25.03MHZ范围内，如图5所示，插入损耗超过40dB(动态范围)。
虽然图4的实施例示出了3极点滤波器结构，但是显而易见的是也可以用n极点结构，这里n为所用谐振器结构的数量。
图6示出了适于作为输入结构204和/或输出结构206的另一结构，它包括借助多个导体或超导体材料匝形成的电感部分602和由内部数字耦合导体或超导体段形成的电容器部分604。在谐振器部分下，图6的耦合结构的电感和电容值被选定实现所需工作频率下的谐振。因此可以在衬底侧面上形成更多频率选择的耦合结构，其谐振频率基本上匹配与输入/输出耦合结构相对的衬底其他侧面上的多个极点谐振器单元的谐振频率。
图7-9示出了示意性的多输出信道化RF滤波器，它可以利用上述光刻工艺形成。滤波器可以形成于单个上面淀积300纳米厚的YBCO层的LAO衬底上。三个螺线管谐振器702、704、706可以形成，合适地在衬底200的第一侧面210上间隔放置。一般情况下，信道化滤波器应用不是工作在同一谐振频率下，而是工作在对应感兴趣的特定信道或频率的谐振频率上。在信道化滤波器应用中，需要使相邻谐振器之间的互相耦合最小，因此谐振器702、704、706之间的间隔应该较大。然而物理空间非常昂贵，如图7所示，可以通过在相邻谐振器之间提供端一端偏移减少耦合。在衬底200的相对侧208，输入耦合结构902相对谐振器704的第一端放置并且三个耦合结构904、906、908放置为每个环路基本上对准谐振器702、704、706其中一个的输出端。耦合结构902用作RF输入耦合结构，并且耦合结构904、906、908用作信道化输出的输出耦合结构，因此每个输出将只允许所选频带中的频率出现在终端。如图6所示，耦合结构可以是简单的环路、多匝螺线管或更多的频率选择结构。
图10示出了图7-9的滤波器的等价电路。图7-9的滤波器可以用第一变压器1002建模，变压器由包含理想电压源和串联电阻(等于系统特征阻抗，一般为50欧姆)的电源驱动。变压器1002的初级表示输入结构902，而变压器1002的次级代表谐振器704部分。变压器1004、1006、1008分别表示谐振器702、704、706与输出结构906、906、908之间的耦合。变压器1010、1012分别表示谐振器702、704与704、706之间的耦合。谐振器702的总阻抗分布在变压器1002的次级、变压器1004的初级和变压器1010的初级。同样，谐振器704、706的总阻抗分布在表示各结构的串联变压器单元。电容1014、1016和1018分别表示谐振器702、704和706的电容。电阻器1020、1022、1024分别表示谐振器702、704和706的固有电阻。图10的电路模型的电感、电容和电阻值可以利用借助图1C和1D相关的方程1-5确定。电阻器RL1、RL2和RL3表示与每个输出耦合结构耦合的输出负载。电阻器1026、1028和1030是高值电阻器(即1兆欧姆)，是模拟软件需要。
可以根据特定应用需要选择合适的反射系数(S11)、透射系数(S12,S21)、每个频带内相邻峰之间距离、两个通带之间的间隔以及器件的Q值。器件应用包括单输入、多输出RF和微波滤波器/接收机，可以用于卫星(几个GHz频率范围内)、蜂窝基站(几百MHZ)、TV、无线和低频通信系统。
类似的滤波器结构可以用作磁共振成像(MRI)的采集线圈，在衬底一侧上带多个谐振结构，而其他侧上带输出线圈。多个谐振结构随后用于无线输入，而输出可以用作被检测的每个不同频率，例如每个对应医学诊断中标本或组织中不同的化学元素。
虽然借助特定实施例描述了本发明，但是可以在不偏离本发明精神和范围的前提下对本发明作出各种修改和变化。
权利要求
1．一种电磁谐振器，其特征在于包括具有第一面和与第一面相对的第二面的衬底；形成于所述衬底第一面上的超导螺线管谐振器结构；至少一个放置在所述衬底的所述第二面上的输入耦合结构；以及至少一个放置在所述衬底的所述第二面上的输出耦合结构。
2．如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于超导螺线管谐振器结构由选自包括钇钡铜氧化物和铊钡钙氧化物的一组材料组成。
3．如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于所述至少一个输入耦合结构和所述至少一个输出耦合结构由超导材料制成。
4．如权利要求3所述的电磁谐振器，其特征在于超导材料由选自包括钇钡铜氧化物和铊钡钙氧化物的一组材料。
5．如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于所述至少一个输入结构和至少一个所述输出结构包括金属电感单元。
6．如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于超导螺线管谐振器结构具有伸长的几何结构。
7．一种电磁滤波器，其特征在于包括具有第一面和与第一面相对的第二面的衬底；被安置在所述第一面上的多个超导螺线管谐振器结构；至少一个放置在所述衬底的所述第二面上的输入耦合结构，所述至少一个输入耦合结构与至少一个所述超导谐振器结构工作上耦合；以及至少一个放置在所述衬底的所述第二面上的输出耦合结构，所述至少一个输出耦合结构与至少一个所述超导谐振器结构耦合。
8．如权利要求7所述的电磁滤波器，其特征在于所述多个超导螺线管谐振器结构具有带第一端和第二端的伸长的几何结构，并且所述多个超导螺线管谐振器结构基本上以边对边并排的关系形式安置。
9．如权利要求8所述的电磁滤波器，其特征在于所述至少一个输入耦合结构与所述多个超导螺线管谐振器结构的至少一个的所述第一端对齐。
10．如权利要求9所述的电磁滤波器，其特征在于所述至少一个输出耦合结构与所述多个超导螺线管谐振器结构的至少一个的所述第二端对齐。
11．如权利要求8所述的电磁滤波器，其特征在于至少一个所述第一端部偏离邻近的超导螺线管谐振器结构的第一端。
12．如权利要求7所述的电磁滤波器，其特征在于所述至少一个输入耦合结构和所述至少一个输出耦合结构包括分立的电感部分和电容器部分。
13．如权利要求8所述的电磁滤波器，其特征在于所述多个超导螺线管谐振器结构由选自包括钇钡铜氧化物和铊钡钙氧化物的一组材料组成。
14．如权利要求7所述的电磁滤波器，其特征在于所述至少一个输入耦合结构和所述至少一个输出结构包括金属电感单元。
15．如权利要求7所述的电磁谐振器，其特征在于所述至少一个输入耦合结构和所述至少一个输出耦合结构由高温超导材料制成。
16．如权利要求7所述的电磁滤波器，其特征在于所述多个超导螺线管谐振器结构的每一个以基本相等的频率谐振。
17．如权利要求7所述的电磁滤波器，其特征在于所述多个超导螺线管谐振器结构以多个频率谐振，所述多个频率的每一个对应所述至少一个输出耦合结构的其中一个。
全文摘要
形成于具有相对侧面的衬底上的电磁谐振器和滤波器器件。第一面上的超导层的图案为至少一个自谐振螺线管。诸如电感回路或螺线管之类的输入和输出耦合结构形成于衬底的相对侧面。多极点滤波器器件以几个放置在公共支持的衬底第一侧面上的有协同工作关系的谐振器单元形成。多个谐振器单元也可以用来形成多输出信道化滤波器。
文档编号H03H2/00GK1325561SQ99813031
公开日2001年12月5日 申请日期1999年9月14日 优先权日1998年9月14日
发明者S·萨巴, E·高, Q·Y·马, 许辉 申请人:纽约市哥伦比亚大学托管会