KR0168437B1 - 이중결합된 공진자 크리스탈에 대한 4개의 주파수 측정 공정 - Google Patents

Abstract

이중 결합 공진자 크리스탈을 정확히 측정하는데 유용한 4개의 임계 주파수를 얻는 제3케이스 또는 방식으로써, 이전에 공지된 케이스에서의 단일 포트가 아닌 크리스탈 구조체의 두 포트가 모니터된다. 여기서, 예컨대 B 포트는 A-측을 개방 회로로 한 상태 또는 자체에 캐패시터를 병렬로 연결한 상태에서 모니터되며, A포트는 B-측을 단락 회로로 한 상태에서 모니터된다.

Description

이중 결합된 공진자 크리스탈에 대한 4개의 주파수 측정 공정

제1도는 이중 결합된 공진자 크리스탈의 사시도.

제2a도 및 2b도는 장착된 크리스탈의 활성측 및 접지측을 보인도면.

제3도는 이중 결합된 크리스탈의 등가 회로도.

제4도는 임계 주파수의 측정전에 크리스탈이 삽입된 회로 구성을 보인 도면.

제5a,5b 및 6도는 본 공정의 이해를 돕기 위해 예시된 파형도.

제7도는 임계 주파수의 측정 및 크리스탈 특성의 결정을 위해 이중 결합된 공진자 크리스탈에 연결되는 컴퓨터로 제어되는 네트워크 분석기의 블럭선도.

제8도는 임계 주파수 및 크리스탈 특성을 결정하는데 있어서 컴퓨터로 제어되는 네트워크 분석기에 의해 수행되는 단계의 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 압전 웨이퍼 14,22,16,24 : 박막 전극

본 발명은 일반적으로 모놀로딕의 이중 결합된 공진자 크리스탈(resonator crystals)에 관한 것으로, 특히 공진자가 형성된후부터 최종 테스트 동작에 이르기까지의 크리스탈 제조 공정에 있어서의 어떤 단계에서도 두개의 공진 주파수 및 동기 피크 분리 주파수와 같은 3개의 중요한 크리스탈 파라메터를 정확히 결정하는데 이용되는 개선된 4개의 주파수 측정 공정에 관한 것이다.

전형적인 이중 결합된 공진자 크리스탈은 플레이트의 한 표면상에 입력 전극과 출력 전극을 갖고, 플레이트의 또다른 표면상에 공통 전극을 갖는 압전형 재료로된 플레이트를 포함하며, 상기 입력 전극과 공통 전극으로 제1공진자가 형성되고 상기 출력 전극과 공통 전극으로 제2공진자가 형성된다.

상기와 같은 이중 결합된 공진자 크리스탈 필터는 예컨대 모빌 및 셀룰러 무전기용 IF필터를 비롯한 여러가지 전자적인 응용에 광범위하게 활용되고 있다. 상기 장치들이 자동화 기술을 통해 대량 생산되고 있지만은, 전극위치, 두께 및 공간 등과 같은 파라메터들에 대한 조정이 중요시되는바, 특히 높은 중앙 주파수가 필요로 되는 경우에 더욱 그러하다. 상기와 같은 제조 기술들은 제조 과정에서 뿐만 아니라 최종 테스트 공정시에 중요한 이중 결합 크리스탈 필터 특성에 대한 실시간의 정확한 측정을 필요로 한다.

Peppiatt와 Roberts에게 공동으로 양도된 미합중국 특허 제4,093,914호에 기술된 바와 같이, 이중 공진자 각각의 공진 주파수와 같은 중요한 특성들에 대한 정확한 결정이 바람직하다. 더욱이, 동기 피크 분리 주파수(SPSF)의 결정은 특히 중요한 사항으로 여겨지는데, 그 이유는 상기 분리 주파수가 특정 크리스탈을 디자인 하는 공정에서 특정 포인트에 공통적인 기준값을 제공하여, 군을 이루는 각각의 크리스탈을 수학적으로 표준 조건에 상관시킴으로써 알맞게 평가될 수 있도록 하기 때문이다. 동기 피크 분리 주파수를 비롯한 상기와 같은 중요한 크리스탈 파라메터들은 두가지 방법중 어느 한 방법에 의해 결정되는 4개의 임계 주파수를 토대로 계산된다. 상기 두가지 방법 모두는 두개의 크리스탈 포트중 제1포트를 모니터함과 동시에 제2포트를 단락 또는 효과적으로 개방시킴으로써 4개의 임계 주파수를 얻는 과정을 포함하고 있다.

비록 상기 특허에 기술된 공정이 단지 단일 포트에 대한 모니터만을 필요로 하는 장점을 제공하고 있지만은, 상기 중요한 크리스탈 파라메터들의 계산에 이용될 수 있는 새로운 4개의 임계 주파수를 얻는(이경우 두개의 포트가 모두 모니터되어야 함)동시에 정확하고도 지속적인 결과가 생성되도록 하기 위해서는 추가의 공정이 필요로되는 것으로 밝혀졌다.

간단히 말해서, 상기 4개의 임계 주파수들중 첫번째 두개의 주파수는 제2포트를 개방 회로 상태로 하거나 또는 한 캐패시터를 병렬로 연결한 상태에서 고주파 모놀리딕 크리스탈 필터의 제1포트를 모니터하므로써 얻어지는 반면, 두번째 두개의 주파수는 제1포트를 단락 회로로 한 상태에서 제2포트를 모니터하므로써 얻어지는 것으로 밝혀졌다. 상기 두번째 두개의 주파수는 기본적으로 상기 특허에 기술된 바와 같은 방식으로 얻어지지만은, 첫번째 두개의 주파수는 다소 차이가 있다. 그럼에도 불구하고, 상기와 같이해서 얻어지는 주파수는 동기 측정 표준에 따라서 상기 중요한 크리스탈 파라메터에 대한 정확한 계산 결과를 나타낼 수 있다. 이러한 동기 측정 표준에 대해서는 G.E.Roberts 가 쓴 The four-freguency process for coupled duals using error-corrected S-parameter measurements(1988년 5월호, 책 35권 번호 3의 IEEE Trans.on Ultrasonics, Ferroelectrics, Freguency Control. 페이지 306-314에 수록됨)에 기술되어 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 공정은 예시된 구조체 또는 공지된 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 편리하고도 실용적인 방식으로 실시될 수 있는 한편 상기와 같은 장점들을 나타낼 수 있으므로, 전반적인 크리스탈 제조 공정을 통해서 크리스탈 측정의 실질적인 개선이 가능하다.

본 발명의 상기 및 기타 목적 및 장점들이 첨부한 도면에 의거한 다음의 상세한 설명 및 양호한 실시예를 통해서 보다 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.

상기한 Peppiatt 및 Roberts 의 특허 뿐만 아니라, G.E Roberts 가 쓴 논문 A four-freguency process for accurately measuring coupled-dual resonator crystals(1979년 5월호 Proc.33rd Ann.Symp.on Freg. Contr.의 페이지 159-165에 수록됨)에 따르면, 전형적인 이중 결합된 공진기 크리스탈은 제1,2a 및 2b도에 보인 방식으로 구성된다. 이것의 간단한 형태로써, 상기 크리스탈의 구조체는 압전 웨이퍼(12)의 양측에 증착된 한쌍의 박막 전극(14와 22, 16과 24)으로 각각 형성되어 입력(A-측) 공진기와 출력(B-측) 공진기를 포함하고 있다. 상기 전극은 전형적으로 직사각형, 원형 또는 반원형으로 되어있다. 이러한 크리스탈 구조체는 제3도에 보인 회로와 등가인 회로를 가짐과 아울러 전술한 바와 같이 공진기 주파수 및 동기 피크 분리 주파수와 같은 중요한 파라메터를 갖는다. 정밀한 방식으로 상기 크리스탈 구조체를 제조하기 위해서는 이러한 중요한 파라메터의 측정이 필요로된다. Peppiatt 및 Roberts 특허에 기술된 공정은 단일 공정으로 되어서 임계 주파수가 크리스탈 구조체의 제조 공정시 어떤 단계에서 상기 중요한 크리스탈 파라메터의 계산을 통해 얻어질 수 있다.

Peppiatt 및 Roberts 특허에는 상기 중요한 크리스탈 파라메터들에 대한 계산에서 4개의 임계 주파수가 이용될 수 있도록 하는 두가지 방식 또는 케이스를 기술하고 있다. 첫번째 경우로써, 앞서 인용한 G.E. Roberts에게 허여된 특허 공보에 기슬된 바와 같이, 본 발명의 제5a도에 예시된 두개의 주파수는 B-측을 단락 회로로 한 상태에서 A-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 포지티브 비-제로 제로(positive non-zero zeros)로부터 얻어지는데 반해, 나머지 두개의 주파수(제5b도)는 B-측을 개방 회로로 하거나 또는 한 캐패시터를 캐패시터 C₂와 병렬로 한 상태에서 A-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 두개의 포지티브 비-제로 제로로부터 얻어진다.

두번째 경우로써, 제6도에 예시된 바와 같이 첫 두개의 주파수는 B-측을 단락 회로로 한 상태에서 A-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 두개의 포지티브 비-제로 제로로부터 얻어지며, 나머지 두개의 주파수는 B-측을 단락 회로로 한 상태에서 A-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 두개의 포지티브 비-제로 제로로부터 얻어진다.

실질적인 방식에서, 상기 주파수들은 제4도에 예시된 구조를 이용하므로써 측정될 수 있는데, 여기서 주파수 합성기는 J1에 연결되고 그리고 벡터 전압계의 A 및 B 프로브는 J2 및 J3 에 각각 연결될 수 있다. 제5a도에 예시된 첫번째 케이스에서, 주파수 F1 및 F3는 스위치 S1이 단락되게 되는 전범위에 걸쳐서 주파수 합성기를 스위핑(sweeping)하므로써 결정된다. 주파수 F1 및 F3는 전압 크기가 예시된 두개의 특정 최대 크기 또는 그 부근의 제로 위상에 있을 때 결정된다. 마찬가지로, 제5b도에 예시한 바와 같이 주파수 F2 및 F4도 주파수 합성기가 스위치 S1이 개방되게 되는 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑 되며, 예시된 두개의 특정 최대 전압 크기 부근의 제로 위상에서 결정된다.

상기 인용된 특허에 기술된 두번째 케이스에 따른 임계 주파수 측정에 있어서, 제6도에 예시된 4개의 주파수는 주파수 합성기와 벡터 전압계를 전과 같이 연결하므로써 결정될 수 있으며, 합성기는 스위치 S1에 단락되는 경우 주파수 범위에 걸쳐서 스위핑을 야기한다. 주파수 F1 및 F3는 두개의 상대 최대 전압 크기로 결정되는데 반해, 주파수 F2 및 F4는 두개의 특정 최소 전압 크기에서 발생한다.

제1측정의 경우, 주파수 F2 및 F4의 값이 Peppiatt 및 Roberts 특허에 기술된 바와 같이 제2측정의 경우에서 얻어지는 F2 및 F4의 값과 동일하거나 또는 동일하지 않다 하더라도, 결과적인 파라메터 크리스탈은 동일하게 된다. 즉, 제4도에 예시한 바와 같이, A-측은 B-측이 단락 회로로 된 상태 또는 개방 회로상태가 되어 C₃가 C₂와 병렬을 이루는 상태에서 모니터된다. 4개의 주파수에 대한 결정에 이어서, 상기한 Peppiatt 및 Roberts 특허에 기술된 방식으로 중요한 크리스탈 파라메터가 계산될 수 있다.

전술한 바와 같이, 중요한 크리스탈 파라메터를 계산하는데 있어서 주파수 F1 내지 F4를 얻는 두가지 방법은 제4도에 예시한 바와 같이 A-측의 두개의 크리스탈 포트중 단지 하나만을 모니터한다. 이러한 공정은 테스트 설비가 간단하고도 쉽게 조정될 수 있는 장점을 제공하는바, 여기서는 단지 하나만의 포트가 모니터 됨을 필요로하므로 테스트 절차가 쉽게 자동화된다.

그러나, 주파수 F1 내지 F4를 얻는 제3케이스는 비록 두개의 포트가 모니터 되어야함을 필요로 한다하더라고 Peppiatt 및 Roberts 특허와 유사한 정확하고도 지속적인 결과를 낳는 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 후자의 방법에서, 두개의 주파수는 A-측이 개방 회로이거나 또는 캐패시터가 C₁과 병렬로 연결된 상태에서, B-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 두개의 포지티브 비-제로 제로로부터 얻어진다. 또다른 두개의 주파수는 B-측이 단락 회로인 상태에서, A-측 구동 포인트 임피던스에 대한 분자 다항식의 두개의 포지티브 비-제로 제로로부터 얻어진다.

첫번째 두개의 주파수, 즉 F2 및 F4는 상기에 예시된 것과 반대(즉, A포트를 스위치 S1에 연결함)로 크리스탈이 삽입된 것을 제외하고도 제4도에 예시된 바와 같은 방식으로 얻어진다. 다시, 주파수 합성기는 해당 주파수의 전범위에 걸쳐 스위핑되며, F2 및 F4에 대응하는 주파수는 벡터 전압계의 B 프로브가 제5b도에 예시된 바와 같이 두개의 특정 최대 전압 크기 부근에서 제로 위상을 나타낼 때 발생한다. 비록 F2 및 F4의 특정값이 제1 및 제2테스트 방법을 통해서 사전에 얻어진것과 다르거나 또는 다르지 않다하더라도, 이들 값은 정확한 중요 크리스탈 파라메터를 생성한다. F2 및 F4의 값을 측정한후, 크리스탈이 제거되어 제4도에 예시된 바와 같이 삽입되는바, 여기서 주파수 F1 및 F3는 제5a도에 예시된 바와 같은 제1측정 기술을 사용하므로써 얻어진다.

비록 주파수 F1 내지 F4를 얻는 제3방식에 있어서 크리스탈 구조의 두 포트에 대한 모니터가 요구되지만은 이것은 Hewlett-Packard 3577A와 같은 컴퓨터 제어 벡터 네트워크 분석기를 이용하므로써 간편하게 실시될 수 있는바, 이 분석기에서 12 개항의 벡터 에러 보정이 전기한 Roberts는 논문에 따라 이용되어 본 논문상에 제시된 시스템상의 에러가 조정될 수 있다. 상기 Roberts의 1988년 논문에 기술된 바와 같이 상기 분석기는 크리스탈 파라메터들에 대한 측정 목적으로 적용됨과 아울러 Peppiatt 및 Roberts 특허에 기술된 제1케이스 측정 공정에 적용된다. 그러나, 이들 분석기는 2포트 측정 장치이므로, 본 발명의 제3케이스 2포트 측정 공정이 보다더 쉽고도 편리하게 실시될 수 있어 크리스탈 구조체 파라메터들을 평가하는데 있어 향상된 정확성을 산출한다.

예컨대, 제7도에 개략적으로 보인 바와 같이 입/출력 포트 A 및 B를 갖는 이중 결합된 공진자는 상기한 HP-3577A형과 같은 컴퓨터 제어 벡터 네트워크 분석기에 결합될 수 있는바, 여기서 2포트 측정 장치는 4개의 S-파라메터 모두를 측정한다. 제8도의 플로우챠트에 보인 바와 같이, 본 장치는 소정의 주파수 범위에 걸쳐서 에러 보정 S-파라메터들을 생성하도록 제어된다. 에러 보정 S-파라메터들은 Y파라메터로 변환되고 그리고 Y₁₁은 예컨대, 제로 위상 포인트로 결정될 때 F1 및 F3를 산출하는 B포트(제7도에 예시됨) 단락 회로 구동 포인트 임피던스인 1/Y₁₁으로 변환된다. 그러나, 본 발명에 사용되는 분석기는 상기한 종래의 분석기 장치와는 구별되는 것으로써 한 포트로부터 4개의 주파수 모두를 결정하기 보다는 제로 위상 포인트의 검출을 통하여 상반 또는 A포트(제7도에 예시됨) 개방 회로 구동 포인트 임피던스로부터 임계 주파수 F2 및 F4를 결정하도록 되어 있다.

일단 주파수 F1 내지 F4가 결정되면, 크리스탈 구조체의 중요한 파라메터 특성들이 결정된다. 이러한 방식으로 해서, 공진자 전극이 형성된후 어떤 제조 단계에서도 중요한 크리스탈 파라메터를 정확히 측정할 수 있는 제3케이스를 제시하였다.

지금까지 본 발명은 가장 실용적이고도 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관계하여 설명되었지만은 이것이 상기한 실시예로만 국한되는 것은 아니며, 첨부한 특허청구의 범위의 정신 및 범주내에서 다양한 변형 및 등가의 배열이 가능하다.

Claims (15)

1. 압전형 플레이트와, 그리고 이 플레이트상에 제1 입/출력 전극, 공통 전극 및 제2 입/출력 전극을 갖는 이중 결합된 공진자 크리스탈의 선택된 파라메터를 측정하는 방법에 있어서, 상기 제2 입/출력 전극 및 공통 전극이 개방 회로 상태이거나 또는 캐패시터와 연결된 상태에서 기준 포인트와 관계하여 상기 제1 입/출력 전극에 여러개의 주파수를 인가하는 단계; 상기 기준 포인트와 관계하여 공통 전극에 최대 전압이 나타나도록 하는 주파수를 결정하는 단계; 상기 제1 입/출력 전극 및 공통 전극이 단락 회로인 상태에서 상기 기준 포인트와 관계하여 상기 제2 입/출력 전극에 여러개의 주파수를 인가하는 단계; 및 상기 기준 포인트와 관계하여 공통 전극에 최대 전압이 나타나도록 하는 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준 포인트와 관계하여 공통 전극에 최대 전압이 나타나도록 하는 상기 주파수로부터 각 공진자의 공진 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 측정 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 공진 주파수와 상기 기준점에 관계하여 공통 전극에 최대 전압이 나타나도록 하는 주파수로부터 동기 피크 분리 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 측정 방법.
4. 이중 결합된 공진자 크리스탈의 선택된 파라메터를 결정하는 방법에 있어서, 다른 공진자의 출력이 효과적으로 개방 회로가된 상태에서 공진자들중 한 공진자의 입력에 다수의 스위프 주파수(swept frequencies)를 인가하는 단계; 제로 위상 출력 신호를 얻기 위해서 상기 다른 공진자의 출력을 모니터하는 단계; 상기 제로 위상 출력 신호에서 또는 그 부근에서 최대 출력 전압이 발생되도록 하는 주파수를 결정하는 단계; 상기 한 공진자의 출력이 단락 회로인 상태에서 상기 다른 공진자의 입력에 다수의 스위프 주파수를 인가하는 단계; 제로 위상 출력 신호를 얻기 위해서 상기 한 공진자의 출력을 모니터하는 단계; 및 제로 위상 출력 신호에서 또는 그 부근에서 최대 출력 전압이 발생되도록 하는 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 결정 방법.
5. 제4항에 있어서, 최대 출력 전압을 발생시키는 상기 주파수로부터, 공진자 각각의 공진 주파수 및 동기 피크 분리 주파수를 포함하는 중요한 크리스탈 파라메터들을 결정하는 단계로, 상기 공진자의 형성후 크리스탈 제조 공정에서 임의의 시간에 발생하는 결정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 결정 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 최대 출력 전압을 발생시키는 주파수로부터 각 공진자의 공진 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 결정 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 공진 주파수 및 상기 최대 출력 전압을 발생시키는 주파수로부터 상기 동기 피크 분리 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 결정 방법.
8. 압전형 플레이트와, 그리고 이 플레이트상에 제1전극, 공통 전극 및 제2전극을 갖는 이중 결합된 공진자 크리스탈의 선택된 파라메터를 측정하는 방법에 있어서, 상기 제2전극과 공통 전극 사이에 캐패시터를 연결하는 단계; 기준 포인트와 관계하여 제1전극에 가변 주파수 신호를 인가하는 단계; 제로 위상 출력 신호를 얻기 위해서 상기 기준 포인트와 관계하는 상기 공통 전극을 모니터하는 단계; 제로 위상 출력 신호에서 또는 그 부근에서 최대 출력 전압을 발생시키는 주파수를 결정하는 단계; 상기 캐패시터를 비연결상태로 함과 아울러, 상기 제1 및 공통 전극이 단락 회로인 상태에서 상기 기준 포인트와 관계하여 상기 제2 전극에 가변 주파수 신호를 인가하는 단계; 제로 위상 출력 신호를 얻기 위해서 상기 기준 포인트와 관계하여 상기 공통 전극을 모니터하는 단계; 및 제로 위상 출력 신호에서 또는 그 부근에서 최대 출력 전압을 발생시키는 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 측정 방법.
9. 제8항에 있어서, 최대 출력 전압을 발생시키는 주파수로부터, 각 공진자의 공진 주파수 및 동기 피크 분리 주파수를 포함하는 중요한 크리스탈 파라메터를 결정하는 단계로서, 상기 공진자의 형성후 크리스탈 제조 공정에서 임의의 시간에 발생하는 결정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파라메터 측정 방법.
10. 입력/출력 포트 A 및 B를 가진 이중 결합된 공진자 크리스탈의 최소한 하나의 소정 특성값을, 이 특성값 결정시 이용되는 주파수 파라미터 F1,F2',F3 및 F4'를 측정하므로써 결정하는 방법에 있어서, 상기 이중 결합된 크리스탈의 포트 A 의 구동 포인트 임피던스로부터 주파수 파라메터 F2' 및 F4' 를 측정하는 단계 상기 이중 결합된 크리스탈의 포트 B의 구동 포인트 임피던스로부터 주파수 파라메터 F1 및 F3를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 주파수 파라메터를 토대로 상기 특성값을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 결정 단계가 이중 공진자의 공진 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 결정 단계가 상기 이중 결합된 공진자 크리스탈의 동기 피크 분리 주파수(SPSF)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 방법.
13. 입/출력 포트 A 및 B 를 가진 이중 결합된 공진자 크리스탈의 최소한 하나의 소정 특성을, 이 특성값 결정시 이용된 주파수 파라메터 F1,F2',F3 및 F4'를 측정하므로써, 결정하는 장치에 있어서, 상기 이중 결합된 크리스탈의 포트 A의 구동 포인트 임피던스로부터 주파수 파라메터 F2' 및 F4'를 측정하는 수단과; 상기 이중 결합된 크리스탈의 포트 B의 구동 포인트 임피던스로부터 주파수 파라메터 F1 및 F3를 측정하는 수단; 및 상기 측정된 주파수 파라메터를 토대로 상기 특성값을 결정하는 수단을 포함하는 컴퓨터 제어형 분석기를 구비하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 결정 수단이 상기 이중 결합된 공진 크리스탈의 SPSF 특성을 결정하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 장치.
15. 제13항에 있어서, 상기 결정 수단이 상기 이중 공진자의 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 특성값 결정 장치.

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