WO2000070740A1 - Oscillateur lc - Google Patents

Description

明 細 書

L C発振器

技術分野

本発明は、 半導体基板等の各種の基板上に形成される L C発振器に関する。 背景技術

半導体基板上に薄膜成形技術を利用して渦巻き形状のパターンを形成し、 この パターンをィンダクタ素子として利用する半導体回路が知られている。 このよう な半導体基板上に形成されたィンダクタ素子に電流が流れると、 渦巻き形状のパ ターンに垂直な方向に磁束が発生するが、 この磁束によって半導体基板表面に渦 電流が発生して有効磁束を打ち消すため、 ィンダクタ素子として有効に機能しな くなるという問題がある。 特に、 インダクタ素子に流れる信号の周波数が高くな るほどこの傾向が顕著であり、 ィンダク夕素子を共振素子として含む L C発振器 を半導体基板上に形成することは難しい。

発明の開示

本発明は、 このような点に鑑みて創作されたものであり、 その目的は、 基板上 に形成した場合であっても発振動作を行うことができる L C発振器を提供するこ とにある。

本発明の L C発振器は、 2つの導体を絶縁層を挟んで重ねて形成し、 それぞれ の一方端同士を接続するとともに上層の導体をィンダク夕導体として用いたィン ダクタ素子を含んで構成されている。 このような構造を有するインダクタ素子は、 基板上に形成しても渦電流等によってィンダク夕ンス成分が消失せずに所定のィ ンダク夕ンスを有することが実験により確かめられており、 このィンダクタ素子 を L C発振器の一部品として用いることにより、 L C発振器を基板上に形成した 場合であっても発振動作を行わせることができる。

また、 上述した基板としては半導体基板を用いることが好ましい。 特に、 有効 に機能するインダクタ素子を半導体基板上に形成することができれば、 ィンダク 夕素子を含む L C発振器の各構成部品を半導体基板上に形成できることになるた め、 外付け部品を用いることなく L C発振器の全体を半導体基板上に一体形成す ることが可能になる。

また、 上述した 2つの導体は、 ほぼ同一形状の長尺形状に形成することが好ま しい。 同一形状とすることにより、 上層の導体が基板表面と直接対向することが ないため、 直接対向させたときに基板上に生じる渦電流を低減することができる また、 2つの導体の形状を長尺形状とすることにより、 上層の導体に所定のイン ダク夕ンスを持たせることができる。 特に、 導体を 1周以上の渦巻き形状あるい は蛇行形状に形成した場合には、 大きなインダクタンスを持たせることができる ため、 比較的低い発振周波数の L C発振器に用いる場合に適している。 また、 導 体を 1周未満の周回形状あるいはほぼ直線形状に形成した場合には、 渦巻き形状 等に形成した場合に比べてインダク夕ンスを小さくすることができるため、 比較 的高い発振周波数の L C発振器に用いる場合に適している。

また、 2つの導体を渦巻き形状とした場合には、 一方の導体の内周端と他方の 導体の外周端とを接続することが好ましい。 このような接続を行うことにより、 基板上にインダクタ導体を形成した状態でさらに大きなインダクタンスを確保で きることが実験により確かめられており、 基板上で有効に機能するィンダクタ素 子を実現することができる。

また、 上述したインダク夕素子は、 インダク夕ンス成分とともにキャパシ夕ン ス成分を有する複合素子としての使用に適している。 このインダクタ素子は、 互 いに重なり合った 2つの導体を有しており、 その特性にはキャパシタンス成分も 含まれるため、 ィンダクタとキャパシ夕とを組み合わせて用いる L C発振器の一 部品とすることにより、 このィンダクタ素子の特性を有効に利用することができ る。 図面の簡単な説明

図 1は、 一実施形態の L C発振器の構成を示す回路図、

図 2は、 図 1に示す L C発振器に含まれるインダク夕素子の平面構造を示す図、 図 3は、 図 2に示した 2本の導体の接続状態を示す図、

図 4は、 図 2の I V— I V線拡大断面図、

図 5は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 6は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 7は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 8は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 9は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 1 0は、 L C発振器の出力特性の測定結果を示す図、

図 1 1は、 インダクタ素子に含まれる導体の変形例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明を適用した一実施形態の L C発振器について、 図面を参照しなが ら具体的に説明する。

図 1は、 一実施形態の L C発振器の構成を示す回路図である。 図 1に示す L C 発振器 1 0は、 トランジスタ 2 0と、 このトランジスタ 2 0のベース 'ェミッタ 間に接続されたキャパシ夕 2 2と、 エミッ夕 · コレクタ間に接続されたキャパシ 夕 2 4と、 ベース · コレクタ間に直列に接続されたキャパシタ 2 6およびィンダ クタ素子 3 0とを含んで構成されている。

この L C発振器においては、 2つのキャパシ夕 2 2、 2 4のキャパシタンスが トランジスタ 2 0の端子間容量の数十倍になるように設定されており、 キャパシ 夕 2 6を介してインダクタ素子 3 0が接続されている。

上述した構成を有する本実施例の L C発振器 1 0は、 コルピッツ回路を改良し たクラップ回路である。 L C発振器 1 0において、 発振周波数を決定する共振回 路のキャパシ夕は、 キャパシ夕 2 2、 2 4、 2 6の直列接続と等価になるため、 キャパシ夕 2 6に相当するキャパシ夕を有しないコルピッッ回路に比べて、 キヤ パシ夕 2 2および 2 4のキャパシタンスを大きくすることができる。 したがって、 トランジスタ 2 0の端子間容量が変化した場合であっても、 共振回路の共振周波 数に大きな影響を与えることがなく、 発振周波数の安定度を向上させることがで きる。 図 2は、 本実施形態の L C発振器 1 0に含まれるインダクタ素子 3 0の平面構 造を示す図である。 インダクタ素子 3 0は、 半導体基板 3の表面に形成された渦 巻き形状の 2本の導体 1、 2を有している。

これら 2本の導体 1、 2は、 ほぼ同一形状を有しており、 図 2に示すように、 半導体基板 3の表面側から見たときに、 上層となる一方の導体 1と下層となる他 方の導体 2とがほぼ重なるように形成されている。 各導体 1、 2は、 アルミニゥ ムゃ金等の金属薄膜、 あるいはポリシリコン等の半導体材料によって形成されて レ、る。

図 3は、 上述した 2本の導体 1、 2の接続状態を示す図である。 図 3に示すよ うに、 上層の導体 1の外周端 （外縁端） と内周端 （中心端） のそれぞれには、 引 出線 6 a、 6 bが接続されており、 上層の導体 1の内周端と下層の導体 2の外周 端とが接続線 6 cによって接続されている。

上層の導体 1は、 インダクタ導体として機能しており、 その両端に接続された 引出線 6 a、 6 bを介して、 半導体基板 3上に形成された L C発振器 1 0の他の 構成部品に接続される。

図 4は、 図 2の I V— I V線拡大断面図である。 図 4に示すように、 半導体基 板 3の表面に絶縁層 4が形成されており、 その上面の一部に渦巻き形状の導体 2 が形成されている。 また、 絶縁層 4と導体 2の上面に絶縁層 5が形成されており、 その上面には導体 1が形成されている。

本実施形態の L C発振器 1 0に含まれるインダクタ素子 3 0は上述した構造を 有しており、 上層の導体 1の両端のそれぞれに接続された 2本の引出線 6 a、 6 bの間に所定のィンダク夕ンスが現れるため、 この上層の導体 1をィンダク夕導 体として用いることができる。 また、 この上層の導体 1の下側に、 この導体 1と ほぼ同一形状を有する導体 2を形成し、 互いの一方端同士を接続線 6 cで接続す ることにより、 上層の導体 1をインダクタ導体として使用した際に半導体基板 3 の表面の渦電流の発生を抑えることができ、 上層の導体 1をインダクタ導体とし て有効に機能させることができる。 したがって、 インダクタ素子 3 0を含む L C 発振器 1 0の全体を半導体基板 3上に一体形成して集積化することが可能になる c 次に、 上述した本実施形態のィンダク夕素子 3 0の特性を類推するための比較 実験を行った結果について説明する。

図 5は、 ィンダクタ素子 3 0に含まれる導体 1と同じ形状の 1層の電極を有す るインダクタ素子を用いて L C発振器を構成した場合の出力特性の測定結果を示 す図である。 この出力特性の測定に用いたインダクタ素子は、 厚さが 0 . 1 3 m m、 比誘電率 3 . 1 7の絶縁部材の表面に、 パターン幅が l mm、 周回するパ夕 ーンの隣接間隔が 0 . 2 mm、 周回数が 5ターンの電極が形成されたものが用い られている。 また、 図 5 (後述する図 6〜図 1 0も同様） の縦軸は対数表示した 出力振幅を、 横軸は対数表示した出力信号の周波数をそれそれ示している。 図 5 に示すように、 このような 1層の電極からなるインダク夕素子を他の導体基板や 半導体基板から充分に隔離した状態で L C発振器を動作させることにより、 1 1 9 M H zの発振周波数が観察された。

図 6は、 図 5に示した出力特性の測定に使用したインダクタ素子用い、 これに 導体基板である銅板を次第に近づけていった場合の L C発振器の出力特性を示す 図である。 図 6に示すように、 1層の電極からなるインダク夕素子を用いて発振 させた状態において、 このインダク夕素子に銅板を次第に近づけていくと、 発振 周波数が 1 1 8 M H zから 1 3 9 M H z、 1 6 8 M H z , 1 9 8 M H zと高くな り、 厚さ 3 . 1 7 mmの絶縁部材を挟んで電極と銅板を密着させると、 発振が停 止することが観察された。

このように、 単に 1層の電極を渦巻き形状に形成したィンダクタ素子を用い、 これを銅板上に形成した場合には、 L C発振器の発振動作が停止してしまう。 こ れは、 1層の電極からなるィンダクタ素子が有するィンダクタンスが銅板を接近 させることにより小さくなるためである。 銅板を近づけたときにィンダクタンス が小さくなる原因としては、 電極に信号が入力されたときに発生する磁束によつ て銅板表面に渦電流が生じてこの磁束を打ち消すことが考えられる。

図 7は、 図 2に示したインダク夕素子 3 0に含まれる 2本の導体 1、 2と同じ 形状および配置の 2層の電極を有するインダクタ素子を用いて L C発振器を構成 した場合の出力特性の測定結果を示す図である。 また、 図 8はインダクタ素子 3 0に含まれる 2本の導体 1、 2と同じ形状および配置を有するインダクタ素子を 用い、 これに銅板を密着させた場合の L C発振器の出力特性を示す図である。 これらの測定に用いたィンダクタ素子は、 図 5および図 6に測定結果を示した ィンダクタ素子に対して、 図 2に示した導体 2に対応する電極を追加した構造を 有している。 なお、 このインダクタ素子に銅板を密着させる場合には、 充分に薄 い絶縁部材を介して下層の電極と銅板とが配置されている。

渦巻形状を有する 2層の電極を対向配置したィンダクタ素子を用いた L C発振 器は、 このインダクタ素子を他の導電性部材から充分離間した状態では、 図 7に 示す測定結果からわかるように、 7 O M H z近傍の発振周波数を有する。 この発 信周波数が、 図 5に示した 1層の電極からなるインダクタ素子を用いた場合の発 振周波数 （ 1 1 9 M H z ) よりも低くなるのは、 2層の電極からなるインダクタ 素子がィンダクタンス成分とキャパシタンス成分を有する複合素子として機能す るために、 このキャパシタンス成分がィンダクタ素子を含む共振回路の共振周波 数を下げるためである。

また、 上述した 2層の電極を有するインダクタ素子を銅板に密着させた状態で は、 図 8に示すように、 発振周波数 （ 1 2 7 M H z ) がずれるが、 同じような発 振現象が確認された。 これは、 上述した電極の 2重構造を有するインダクタ素子 を用いることにより、 銅板を密着させてもそのィンダクタンス成分が消失するこ とがなく、 ィンダク夕導体としての機能を維持していることを示している。 このように、 2層の電極を渦巻き形状に形成したインダク夕素子は、 その一方 (インダクタ導体として使用する電極と反対側） に銅板を密着させても、 そのィ ンダクタンス成分が消失せずにィンダクタ導体として機能し、 これを用いた L C 発振器の発振動作が維持される。 したがって、 基本的に同じ構造を有する本実施 形態のインダクタ素子 3 0を用いることにより、 このインダクタ導体 3 0をはじ めとする L C発振器 1 0の各構成部品を半導体基板 3上に形成した場合であって も、 L C発振器 1 0に発振動作を行わせることができる。

なお、 本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、 本発明の要旨の範囲 内で種々の変形実施が可能である。 例えば、 図 2および図 3に示したインダクタ 素子 1 0は、 上層の導体 1の内周端と下層の導体 2の外周端とを互いに接続線 6 cを介して接続するようにしたが、 反対に上層の導体 1の外周端と下層の導体 2 の内周端とを互いに接続するようにしてもよい。 また、 インダクタ素子のインダ クタンスがある程度小さくなることを許容する場合には、 導体 1、 2の各外周端 同士、 あるいは各内周端同士を接続するようにしてもよい。

図 9は、 図 2に示したインダク夕素子 3 0に含まれる 2本の導体 1、 2と同じ 形状および配置に 2層の電極を有し、 これらの各電極の外周端同士を接続したィ ンダク夕素子を用いて L C発振器を構成した場合の出力特性の測定結果を示す図 である。 また、 図 1 0は図 9に示した特性の測定に用いたインダクタ素子に銅板 を密着させた場合の L C発振器の出力特性の測定結果を示す図である。 これらの 図に示すように、 2つの電極の外周端同士が互いに接続されたィンダクタ素子を 用いた L C発振器では、 銅板を密着させることによってその発振周波数が 1 1 Ί M H zから 1 Ί 1 M H zに変化するが、 発振動作が停止することなく維持される _c また、 上述した実施形態では、 インダク夕素子 3 0に含まれる 2本の導体 1、 2を渦巻き形状に形成したため、 大きなィンダクタンスを有するインダクタ素子 3 0を実現することができるが、 2本の導体 1、 2を蛇行形状に形成するように してもよい （図 1 1 ( A ) ) 。 また、 高周波発振器の一部品としてこのインダク 夕素子 3 0を用いる場合には小さなィンダク夕ンスで充分であるため、 導体 1、 2のターン数を減らして 1ターン未満に形成したり （図 1 1 ( B ) ) 、 ほぼ直線 形状に形成するようにしてもよい （図 1 1 ( C ) ) 。

また、 上述した実施形態では、 2つの導体 1、 2の形状をほぼ同じに設定した 力 異なる形状に設定するようにしてもよい。 例えば、 下層の導体 2のターン数 を上層の導体 1のターン数よりも多く設定するようにしてもよい。 このように、 上層の導体 1の下側に下層の導体 2の全部あるいは一部が配置されると、 直接上 層の導体 1が半導体基板 3と対向しなくなるため、 上層の導体 1による渦電流の 発生を有効に防止することができる。

また、 上述した実施形態では、 半導体基板 3上に 2本の導体 1、 2を形成する ことによりインダクタ素子 3 0を形成したが、 金属等の導体基板上に 2本の導体 1、 2を形成したインダク夕素子 3 0を実現することもできる。 図 8等に示した 実験結果から、 この場合であってもインダク夕素子 3 0として有効に機能し、 L C発振器が発振動作を行うことが確かめられている。 導体基板上に密着させてィ ンダクタ素子 3 0を形成することができれば、 金属製のシールドケース等の表面 にィンダクタ素子 3 0を配置することも可能になり、 ィンダクタ素子の設置スぺ ースの確保が容易となる。

また、 上述した実施形態では、 L C発振器としてクラップ回路を用いた場合を 適用したが、 ィンダク夕とキャパシ夕の共振を利用した発振動作を行わせる他の L C発振器、 例えばコルピッツ回路等を用いるようにしてもよい。 この場合であ つても、 L C発振器に含まれるインダクタ素子として図 2等に示した構造を有す るインダクタ素子を用いることにより、 半導体基板上あるいは導体基板上で発振 動作を行う L C発振器を実現することができる。 産業上の利用可能性

上述したように、 本発明によれば、 基板上に 2つの導体を重ねて形成し、 それ それの一方端同士を接続することにより、 上層の導体を所定のィンダクタンスを 有するィンダクタ導体として用いることができるため、 このィンダク夕素子を L C発振器の一部品として用いることにより、 L C発振器を基板上に形成した場合 であっても発振動作を行わせることができる。 特に、 本発明によれば、 半導体基 板上で有効に機能するインダクタ素子が実現されるため、 従来不可能であったィ ンダクタを含む L C発振器全体の集積化が可能になる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 基板上に形成されたィンダクタ素子を用いる L C発振器であって、

前記ィンダクタ素子は、 互いに絶縁された状態で基板上に重ねて形成された 2 つの導体を有し、 それぞれの一方端同士を接続するとともに、 上層の前記導体を ィンダクタ導体として用いることを特徴とする L C発振器。

2 . 前記基板は半導体基板であり、 構成部品を前記インダク夕素子が形成されて いる前記基板上に形成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器 c

3 . 前記 2つの導体は、 ほぼ同一形状を有していることを特徴とする請求の範囲 第 1項記載の L C発振器。

4 . 前記 2つの導体は、 長尺形状を有しており、 それぞれの長手方向の一方端同 士を接続することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。

5 . 前記 2つの導体は、 周回数が 1周未満の周回形状を有しており、 それそれの 一方端同士を接続することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。

6 . 前記 2つの導体は、 周回数が 1周以上の渦巻き形状を有しており、 それそれ の一方端同士を接続することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。

7 . 前記 2つの導体は、 ほぼ直線形状に形成されており、 それそれの一方端同士 を接続することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。

8 . 前記 2つの導体は、 蛇行形状に形成されており、 それぞれの一方端同士を接 続することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。

9 . 一方の前記導体の内周側端部と他方の前記導体の外周側端部とを接続するこ とを特徴とする請求の範囲第 6項記載の L C発振器。

1 0 . 上層の前記導体のインダクタンス成分と、 前記 2つの導体間のキャパシ夕 ンス成分とを有することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の L C発振器。