Общие принципы конструирования тонкопленочных конденсаторов. Конструктивный расчет гребенчатых и подгоняемых конденсаторов

Конденсаторы

Общие   принципы   конструирования   тонкопленочных    конденсаторов.

В тонкопленочных микросхемах различают преимущественно три варианта конструкции конденсаторов: конденсаторы с трехслойной структурой (две проводящие обкладки, разделенные диэлектриком); многослойные конденсаторы, отличающиеся от предыдущего варианта повторяющимся нанесением проводящих и диэлектрических пленок; гребенчатые конденсаторы, у которых емкость образуется за счет краевого эффекта. В общем случае емкость конденсатора определяется по формуле

С = 0,0885  εS (N-1) / d

где   ε - диэлектрическая   проницаемость          материала   диэлектрика;   S - активная площадь перекрытия обкладок           конденсатора,   см²;   N — число обкладок; d— толщина диэлектрика, см. Для трехслойной структуры

С = 0,0885 εS / d

Конструкция конденсатора определяется в первую очередь величиной активной площади перекрытия его обкладок. Некоторые разновидности конструкций конденсаторов с трехслойной структурой и гребенчатых конденсаторов приведены на рис. 3.9. Гребенчатые конденсаторы (рис. 3.9, д) и конденсаторы в виде двух параллельно расположенных проводящих пленок (рис. 3.9, е) используются тогда, когда необходимо получить емкость единицы или доли пикофарад.

Конструктивный расчет тонкопленочного конденсатора сводится к определению его геометрических размеров Sи dи удельной емкости С₀. Спроектированный конденсатор должен удовлетворять предъявляемым требованиям к электрической прочности и заданной точности.

Конструкция конденсатора определяется в первую очередь величиной активной площади перекрытия его обкладок. Некоторые разновидности конструкций конденсаторов с трехслойной структурой и гребенчатых конденсаторов приведены на рис. 3.9. Гребенчатые конденсаторы (рис. 3.9, д) и конденсаторы в виде двух параллельно расположенных проводящих пленок (рис. 3.9, е) используются тогда, когда необходимо получить емкость единицы или доли пикофарад.

Конструктивный расчет тонкопленочного конденсатора сводится к определению его геометрических размеров Sи dи удельной емкости С₀. Спроектированный конденсатор должен удовлетворять предъявляемым требованиям к электрической прочности и заданной точности.

Исходными данными для конструктивного расчета тонкопленочных конденсаторов являются   следующие:   номинальная   емкость С, пФ; относительное отклонение номинального значения  емкости   γ_с, %; рабочее   напряжение U_p, В; рабочая частота f, МГц.

Конструктивный расчет тонкопленочных конденсаторов с площадью перекрытия обкладок 5 мм² и более (рис. 3.9, а). Расчет ведут в следующем порядке. Вначале определяют толщину диэлектрика

где Е_пр — пробивное напряжение для выбранного материала диэлектрика, В/см; k₃— коэффициент запаса [k₃=2-4 и зависит от условий эксплуатации конденсаторов (чем более жесткие условия, тем большее значение принимает коэффициент)].

α_с - температурный коэффициент емкости (ТКЕ) материала диэлектрика, 1/°С; Т -максимальная рабочая температура конденсатора, °С;

γ_ст- погрешность емкости, обусловленная старением тонкопленочных конденсаторов (не превышает 2—3 %).

Впоследствии оценивают удельную емкость материала   диэлектрика по формулам:

Конструктивный расчет тонкопленочных конденсаторов с площадью перекрытия обкладок 1—5 мм² (рис. 3.9, б). При расчете таких конденсаторов необходимо учитывать краевой эффект. Емкость конденсатора в данном случае вычисляется по формуле

где k- поправочный коэффициент, который определяется из графика, представленного на рис. 3.10, а.

Таким образом, с учетом краевого эффекта для получения заданной емкости конденсатора необходимо уменьшить его площадь в kраз. В остальном конструктивный расчет подобных конденсаторов не отличается от изложенного выше.

Конструктивный расчет гребенчатых конденсаторов (рис. 3.9, д,е). Емкость гребенчатого конденсатора определяют по формуле

где β - коэффициент, значение которого определяется из графика, представленного на рис. 3.10, б; г, ε₁ и ε₂ - диэлектрическая проницаемость   соответственно