KR100326620B1 - 탄성표면파디바이스 - Google Patents

Abstract

탄성 표면파 공진기라든지 탄성 표면파 필터를 구성하는데 적합하고 동시에 내츄럴 단상형 일방향성 변환기(Natural Single-Phase Unidirectional Transducer) 특성을 실현할 수 있는 탄성 표면파 디바이스를 제공한다.

X 컷, 회전 Y 컷, 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어진 기판과, 이 기판 표면상에 형성된 전극을 가지는 탄성 표면파 디바이스로서, 컷을 적절히 선택함으로써 반사량을 크거나 작게 하여, 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 특성을 나타낼 수 있다. 어느 경우에도 전기 기계 결합 계수가 크고, 온도 특성도 양호하며, 파워 플로우링(power flowering)도 작게 할 수 있다. 음속이 낮기 때문에, 소형 경량으로 소비 전력이 작은 탄성 표면파 디바이스와 전파 손실과 분산이 작은 탄성 표면파 가이드를 얻을 수 있다.

Description

탄성 표면파 디바이스{ELASTIC SURFACE WAVE DEVICE}

본 발명은 탄성 표면파(SAW) 필터, 탄성 표면파 공진기라든지 탄성 표면파 가이드등과 같은 탄성 표면파 디바이스에 관한 것으로, 특히 내츄럴 단상형 일방향성 변환기(Natural Single-Phase Unidirectional Transducer를 생략하여 NSPUDT라고 불리고 있음) 특성을 이용한 저손실의 SAW 필터를 실현할 수 있는 탄성 표면파 디바이스에 관한 것이다.

종래, 예컨대 탄성 표면파 필터를 실현하기 위해서는, 전기 기계 결합 계수K²가 크고, 파워 플로우 앵글(Power Flow Angle: PFA)이 작으며, 전극의 탄성 표면파 디바이스에 의한 반사가 작고, 온도 특성(TCD)이 작다는 등의 특성이 요구되었다. 또한, 최근 전자기기의 경향으로서 소형 경량화, 절전화가 요망되고 있는데, 탄성 표면파 디바이스에 있어서도 그와 같은 요구가 이루어지게 되었다.

또한, 종래 탄성 표면파 디바이스의 하나로서, 압전성 기판 위에 단상 신호원의 위상이 180°다른 2단자에 각각 접속되는 전극인 정전극 및 부전극을 인터-디지탈형(발형)으로 조합한 송신측 변환기와, 같은 식으로 정전극 및 부전극을 인터-디지탈형으로 조합한 수신측 변환기를 배치하여, 특정한 주파수 대역의 신호만을 선택적으로 도출하는 횡형 탄성 표면파 필터가 널리 실용화되고 있다.

이러한 탄성 표면파 필터에 있어서는, 삽입 손실을 낮추는 동시에 대역 내에서의 리플을 작게 가하는 것이 요구되고 있다. 통상의 인터-디지탈형의 전극 구조를 사용하는 경우에는 양 방향성이 되기 때문에, 이론적인 최소 손실이 6dB가 되어, 삽입 손실을 낮출 수 없는 결점이 있다. 한편, 이러한 결점을 해소하기 위해서, 복수의 수신측 변환기를 복수의 송신측 변환기의 양측에 배치한 다전극 구조 방식(멀티 트랜스듀서 방식)이 제안되고 있다. 이러한 다전극 구조 방식의 탄성 표면파 필터에서는 삽입 손실을 1.5∼2dB 정도까지 낮출 수 있지만, 이들 변환기의 제어가 매우 어렵고 양호한 위상 특성이라든지 주파수 특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 제조도 매우 어렵다고 하는 결점이 있다. 탄성 표면파 디바이스의 성능을 향상시키기 위해서는 저손실화만이 아닌 위상 특성의 평탄화 및 통과 영역의 리플, 저지 영역의 억압이라고 할 주파수 특성의 개선도 중요한 문제이다.

상술한 요구를 충족시키기 위해서, 이상적으로는 1dB이하의 삽입 손실과 양호한 위상 및 주파수 특성이 가능해지는 일방향성 변환기가 사용되고 있다. 이 일방향성 변환기에서는, 여러가지 형식의 것이 제안되고 있지만, 크게 구별하여, (a) 다상형 일방향성 변환기와, (b) 단상형 일방향성 변환기가 있다. 또한, 후자의 단상형 일방향성 변환기로는, 전극 구조의 비대칭성, 질량 부하 효과에 의한 내부 반사를 이용한 단상형 일방향성 변환기, 여진(勵振) 전극 사이에 반사 뱅크를 배치한 반사 뱅크형 일방향성 변환기, 부유 전극에 의한 반사를 이용한 단상형 일방향성 변환기라든지 기판의 이방성을 이용하는 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 등이 제안되어 있다. 이것들의 일방향성 변환기를 이용한 탄성 표면파 디바이스에서는 여진파와 반사파와의 위상차가 전진 방향에서는 동상으로 되고, 그것과 반대의 방향에서는 역상이 되는 것에 따라 방향성을 갖게 하도록 하고 있다.

종래, 탄성 표면파의 기판으로는, 수정, 탄탈산 리튬(LiTaO₃), 니오브산 리튬(LiNbO₃) 등의 단결정이 널리 사용되고 있지만, 본 발명자 등은 일본 특허 공보 제8-97672호에 있어서 리튬 테트라 보레이트(Li₂B₄O₇)의 단결정을 이용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 이것들의 탄성 표면파 디바이스용의 단결정은, 어느 것도 가장 적합하지 않으며, 따라서 특성이 가장 적합한 탄성 표면파 디바이스를 얻는 것이 어려웠다.

예컨대, 탄성 표면파 공진기를 실현하기 위해서는, 우선 전기 기계 결합 계수 K²가 큰 것, 반사가 큰 것, 파워 플로우 앵글(PFA)이 작은 것, 온도 특성(TCD)이 작은 것 등이 요구된다. 예컨대, 수정은 전기 기계 결합 계수가 0.2 이하로 작고 반사도 작기 때문에, 수정 기판을 이용하고 특성이 양호한 탄성 표면파 공진기를 실현하는 것은 곤란하다.

또한, 탄성 표면파 필터용의 기판으로는 전기 기계 결합 계수가 큰 것, 반사가 작은 것, 파워 플로우 앵글이 작은 것, 온도 특성이 양호한 것 등이 요구되지만, 이들의 조건을 충족시키는 기판을 얻기란 매우 어렵다.

전술한 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 이외의 단상형 일방향성 변환기에 있어서는, 어느 것이나 전극 구조가 복잡하게 된다. 특히 전극 엣지 사이의 간격 및 전극 폭은 λ/4보다도 좁게 할 필요가 있고, 동작 주파수가 높아짐에 따라 치수는 대단히 작게 되어, 원하는 치수를 가지고 있는 전극을 정확히 제조하는 것을 곤란해지는 결점이 있다.

이러한 결점을 해소하는 수단의 하나로서, 압전성 기판 자체의 이방성에 의해서 전극 엣지 간격이라든지 전극폭이 λ/4인 통상의 전극을 사용함에도 불구하고 일방향 특성을 갖는 내츄럴 단상형 일방향성 변환기(NSPUDT)가 제안되어 있다. 이 NSPUDT 동작을 채용한 탄성 표면파 디바이스에 있어서는, 기판 자체의 이방성을 이용하고 있는데, 이러한 이방성에 의해 일방향성 특성(NSPUDT 특성)을 나타내는 압전성 기판으로는, 종래부터 수정 기판, LiNbO₃기판, LiTaO₃기판이 알려져 있다. 그러나, 이들 종래의 기판을 이용한 NSPUDT에서는, 전기 기계 결합 계수 K²가 작은 점, 제로 지연 시간 온도 계수가 없는 점, 파워 플로우링(power flowering)이 제로가 아닌 점, 방향성 반전 전극이 용이하게 실현되지 않은 점등의 이유 때문에, 이상적인 탄성 표면파 디바이스를 얻는 것이 어렵고 실용상의 제약을 받는 다는 결점이 있다.

또한, 전술한 바와 같이 탄성 표면파의 소형 경량화 및 절전화에 대해서는, 기판에 있어서의 탄성 표면파의 속도가 문제로 된다. 즉, 기판의 음속이 느린 편이 좋다. 그러나, 종래의 탄성 표면파 디바이스의 기판의 음속은 3000㎧ 이상이 되어 고속이기 때문에, 소형 경량화, 절전화가 곤란하다.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 결점을 해소 혹은 경감하여, 각각 뛰어난 특성을 가지고 있는 공진기 및 필터로서 구성할 수 있는 탄성 표면파 디바이스를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스의 X 컷의 랭거사이트 기판의 컷각을 설명하기 위한 선형도.

도 2의 (a)∼(c)는 도 1에 나타내는 기판을 이용할 때의 여러가지 특성의 컷각 θ에 대한 변화를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스의 회전 Y 컷의 랭거사이트 기판의 컷각을 나타내는 선형도.

도 4의 (a)∼(c)는 도 3에 나타내는 이용할 때의 여러가지의 특성의 컷각 α 에 대한 변화를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스의 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트기판의 컷각을 설명하기 위한 선형도.

도 6의 (a)∼(c)는 도 5에 나타내는 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 기판의 여러가지의 특성의 각도 θ에 대한 변화를 나타내는 그래프.

도 7은 같은 기판의 NSPUDT 동작이 얻어지는 각도 α 및 θ을 나타내는 그래프.

도 8은 같은 기판의 온도 특성을 나타내는 그래프.

도 9는 같은 기판의 여러가지 특성의 각도 α 에 대한 변화를 나타내는 그래프.

도 10은 같은 기판 및 종래의 기판의 반사율의 전극막 두께에 대한 변화를 대비하여 나타내는 그래프.

도 11은 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스에 사용하는 랭거사이트 단결정 기판의 NSPUDT 동작 특성을 나타내는 그래프.

도 12은 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스에 사용하는 랭거사이트 단결정 기판의 NSPUDT 동작 특성을 나타내는 그래프.

도 13은 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스에 사용하는 랭거사이트 단결정 기판의 NSPUDT 동작 특성을 나타내는 그래프.

도 14는 탄성 표면파 필터로서 구성된 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스의 일 실시예를 나타내는 평면도.

도 15는 탄성 표면파 필터로서 형성된 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스의 다른 실시예를 나타내는 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 기판

12 : 송신측 변환기

13 : 수신측 변환기

본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스는, X 컷(X-θY컷)의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어진 기판과, 이 기판 표면상에 형성된 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 탄성 표면파 디바이스는, 특히 큰 반사를 가지고 있기 때문에, 탄성 표면파 공진기로서 구성하는 것이 적합하다. 또한, 상기 기판을, X축을 중심으로 하는 Y축으로부터의 회전각 θ가 15∼35°가 되도록 컷한 랭거사이트 단결정으로 구성하는 것이 적합하다.

종래, 반사기를 구성하는 경우, 반사량을 많게 하기 위해서 반사기를 구성하는 전극의 갯수를 많게 할 필요가 있었지만, 이와 같이 갯수를 많게 하면 위상 특성등이 열화되는 결점이 있었다. 본 발명에 의하면 반사량을 많이 할 수 있기 때문에, 반사기를 구성하는 전극의 갯수를 적게 할 수 있고, 그 결과로서 위상 특성등을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스는 회전 Y 컷의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지는 기판과, 이 기판 표면상에 형성된 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 탄성 표면파 디바이스는, 특히 반사가 최소가 되기 때문에 탄성 표면파 필터로서 구성하는 것이 적합하다. 또한, 상기 기판을 Y 축으로부터의 회전각α가 -5∼10°가 되도록 컷한 랭거사이트 단결정으로 구성하는 것이 적합하다.

종래의 트랜스버설형의 탄성 표면파 필터에서는 전극의 반사에 의해 특성이흔들리는 결점이 있었지만, 본 발명에서는 반사에 의해 특성이 흔들리지 않는 이점이 있다.

더욱이 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스는, 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지는 기판과, 이 기판 표면상에 형성된 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 탄성 표면파는, 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 특성을 출현시키는 이방성을 가지고 있기 때문에, 전극으로는 이 기판의 이방성과 더불어 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 특성을 출현시키는 구조로서 탄성 표면파 필터를 구성하는 것이 적합하다. 이러한 구성에 의해서, 지극히 손실이 작은 탄성 표면파 필터를 얻을 수있다.

또한, 상기 기판을 Y축으로부터의 회전각 α가 0∼30°이고 X 축으로부터의 회전각 θ가 0∼20°가 되도록 컷한 랭거사이트 단결정으로 구성함으로써 NSPUDT 동작을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있으나, 그 외의 각도 범위에 있어서도 NSPUDT 동작이 실현될 가능성이 있다.

본 발명에 의한 랭거사이트 단결정 기판이 탄성 표면파 디바이스의 기판으로서 실제로 이용된 예는 없으나, 탄성 표면파 디바이스의 기판으로서 최근 주목되고있다. 이 랭거사이트 결정이 수정 결정과 같이 삼방 결정계(trigonal sysytem)에 속하며, 수정에 비하여 전기 기계 결합 계수가 크고, 상전이(相轉移) 온도가 높은 것이 보고되어 있다(「제17회 초음파 심포지움 예고집」, p.305(1996))). 또한, X 컷의 랭거사이트 단결정에 있어서, Y축으로부터의 회전각 θ가 10∼20°의 영역에서 온도 특성이 거의 제로(0)가 되는 것이 보고되어 있다(「제17회 초음파 심포지움 예고집」, p.307(1996)). 또한, 탄성 표면파 디바이스가 아니라 벌크 진동자의 기판으로서 랭거사이트를 사용하는 것이 「1996 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTR0L SYMPOS IUM, FILTER AND PESONATOR USING LANGASITE, PP.379∼382, 1996) 보고되어 있다. 이와 같이, 랭거사이트 단결정에 관해서는 탄성 표면파의 속도, 전기 기계 결합계수, 온도 특성에 관해서 몇개의 보고가 알려져 있지만, 전극 반사 특성에 관한 검토는 알려져 있지 않다. 특히, 랭거사이트 단결정이 이방성에 의한 일방향성 특성을 가지는 것, 즉 NSPUDT 동작을 나타낸 것은 알려져 있지 않다.

본 발명에 있어서는, 레일레이(Reyleigh)파 형태의 탄성 표면파에 관해서 이론적으로 해석하였다. 이를 위하여, 탄성 표면파의 위상 속도, 전위등의 계산에 잘 이용되는 Cambell & Johnes의 방법을 채용하였다. 또한, 스트립 전극의 반사 계수라든지 NSPUDT 컷의 탐색에는, 전극의 섭동(攝動) 효과를 1차 효과로서 발형 전극을 가지는 변환기(InterDigital Transducer:IDT)의 동작 해석시에 반영시킨 모드 결합 이론과, 모드 결합 파라미터의 탄성 표면파 입자 속도와 전위, 스트립 전극의 재료, 전극 구조 의존성을 폐쇄한 형태의 식으로 나타낼 수 있는 섭동론(攝動論)의 두가지 이론을 조합한 해석 방법을 이용하였다. 또한, 랭거사이트 단결정의 재료 정수에 관해서는 Kaminskii와 Silvestrova 등이 발표한 정수를 사용하여 행하였다. 그 결과, 랭거사이트 단결정이 탄성 표면파 디바이스용의 기판으로서 대단히 뛰어난 특성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이하의 설명에서는, 탄성 표면파의 전파 방향을 x₁축, 기판의 법선 방향을 x₃축으로 하여, 기판 컷 방위와 전파 방향을 우수계(right hand system)의 오일러 각 표시(λ,μ,θ)로 나타내기로 한다. 모드 결합 이론에서는, 모드 결합 방정식을 지배하는 4개의 파라미터, 즉 자기 결합 계수 κ₁₁, 모드간 결합 계수 κ₁₂, 변환 계수ζ, 단위 길이당 정전용량 C의 내부, 모드간 결합 계수 κ₁₂가 전극 반사에 직접 관계한다. 또한, 모드간 결합 계수 κ₁₂는 기판의 이방성과 스트립 전극의 반사를 적극적으로 이용하는 단상형 일방향성 변환기인 NSPUDT의 동작의 핵심을 이루는 파라미터이다. 통상의 양방향성 IDT에서는 모드간 결합 계수 κ₁₂는 실수이지만, NSPUST와 구조의 비대칭성을 이용하는 일방향성 IDT(SPUIDT)에서는 복소수가 된다.

1차 오더의 섭동론에 의하면, 전극 주기 λ로 규격화한 모드간 결합 계수 κ₁₂는 다음 수학식 1로 표시된다.

여기서, h는 전극막 두께, 우변의 제1항의 K_E는 전극의 전기적 섭동을 나타내고, 제2항은 탄성적 섭동을 나타내는 것이다. 또한, 모드간 결합 계수 κ₁₂와 스트립 전극의 1파장당의 반사 계수와는 다음의 수학식 2와 같은 관계가 있다.

{r }_{+ } = -j kappa _12^* lambda ~~~~~ {r }_{- } = -j kappa _12 lambda

여기서, *는 복소 공역 기호, r₊와 r_-은, 각각 +x₁방향과 -x_l방향에서 보았을 때의 반사 계수이고, NSPUDT의 경우 r_+≠r_-이다. 최적의 NSPUDT 동작을 얻을수 있는 위상 조건은, 다음 수학식 3으로 부여된다.

여기서, 복호는 순방향이 도 1의 +x_l방향인 경우 +부호, -x₁방향인 경우 -부호를 취한다. 전극의 막두께가 충분히 두껍고, 전기적 섭동항을 무시할 수 있는 경우에는, 모드간 결합 계수 κ₁₂의 위상각 2φ₀는 탄성적 섭동의 위상각 2φ_M으로 결정되고, φ_M=±45°일 때 가장 적합한 NSPUDT 동작을 얻을 수 있게 된다.

본 발명자 등은 몇개인가의 컷에 관해서 탄성 표면파 속도 V_R, 전기 기계 결합 계수 K², 스트립 전극의 폭을 λ/4로 한 경우의 수학식1의 K_E, K_M, φ_M를 계산한 결과를 이하에 나타낸다.

도 1은, 제로 온도 계수의 방위에 있는 X-θY 컷의 랭거사이트 단결정의 결정축 방위를 나타내는 것이다. 이 X-θY 컷에서는, 랭거사이트 단결정 기판의 평면을 Y-Z 평면으로 취하고, 이 평면에 수직인 X(=X3) 축을 중심으로 하여 탄성 표면파의 전파 방향 X_l을 Y 축으로부터 각도 θ만큼 회전시킨 것이다. 이러한 X-θY 컷의 랭거사이트 단결정에서의 탄성 표면파의 전달 결과 및 온도 특성 TCD를 도 2의 (a)~(c)에 나타낸다. 여기서, 전극 재료는 알루미늄으로 하였다. 도 2의 (a)는 음속 및 전기 기계 결합 계수 K²를 나타내고, 도 2의 (b)는 모드간 결합 계수를 나타내고, 도 2의 (c)는 온도 특성 TCD를 나타내는 것이다. 여기서, 도 2의 (b)에 나타내는 전기적 섭동항 K_E는 탄성적 섭동항 K_M에 대하여 10³배이기 때문에, 모드간 결합 계수, 즉 반사 계수는 주로 탄성적 섭동항 K_M에 의해서만 결정되는 것이 된다.

도 2의 (a)~(c)에서도 명백하듯이, X-θY 컷의 랭거사이트 단결정은, 비교적 온도 특성이 양호한 θ≒20∼30°의 부근에서 탄성적 섭동에 의한 반사 계수의 크기를 나타내는 K_M이 최대(K_M=1.64)가 되고, 그 값은 ST-X 컷 수정의 대략 1.5배이다. 또한, 이 θ≒20∼30°의 범위에서는 온도 특성도 비교적 양호함을 알 수 있다. 따라서, 이 X-θY 컷의 랭거사이트 단결정은 탄성 표면파 공진기로서 구성되는 탄성 표면파 디바이스의 기판으로서 특히 적합함을 알 수 있다. 또한, φ_M은 모든 전파 방향에서, φ_M=+90°로 일정하고, ST-X 컷의 수정이 φ_M=0°인 것과는 상이하다. 이것은 상술한 수학식 1 및 수학식 2로부터 탄성적 섭동 효과에 의한 반사 계수의 위상이 ST-X 컷의 수정과는 180°다른 것을 의미하며, 공진기라든지 SPUDT 등의 구성상 유의할 필요가 있다. 또한, φ_M가 +90°로 일정하므로 X 컷에서는 NSPUDT 동작은 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.

도 3은 α회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정을 나타내는 것이다. 즉, 이 α 회전 Y 컷에서는, 랭거사이트 단결정의 결정축 X를 탄성 표면파의 전파 방향 x₁와 평행하게 취하고, 결정축 X를 중심으로 하여 -Y 축과 x₃축이 각도 α를 이루도록 회전시킨 것이다. 이 α회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판의 전달 결과를 도 4의 (a)~(c)에 나타낸다. 이 경우도 도 4의 (a)는 음속과 전기 기계 결합 계수 K²를, 도 4의 (b)는 K_E, K_M및 φ_M을 각도 α를 파라미터로 표시하고, 도 4의 (c)는 온도 특성 TCD를 나타내는 것이다. 이 경우도 전극의 재료는 알루미늄이다. 이 α 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정에서는, K_M의 값은 전체적으로 작고, 특히 K²가 최대가 되는 α=5에서는 K_M은 거의 제로가 되어 있다. 즉, 이 α 회전 Y 컷에서는, 스트립 전극에 의한 탄성적 섭동에 의한 반사가 거의 생기지 않음을 알 수 있다. 또한, α 회전 Y 컷의 파워 플로우 앵글은 각도 α에 상관없이 제로이고, 온도 특성 TCD는 제로가 아니지만, 각도α에 상관없이 거의 일정하다. 따라서, 이 α 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정은, 탄성 표면파 필터의 기판으로서 대단히 유용한 것을 알 수 있다.

또한, φ_M의 값은 α≒120∼ 180°의 범위에서는 0°이고, ST- X 컷 수정과 같지만, 그 이외에서는 도 2의 (a)~(c)와 동일하게 90°이다. 이와 같이 α 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정에서는, φ_M=+90° 또는 0°이기 때문에, NSPUDT 동작은 얻을 수 없다.

도 5는 도 3에 나타내는 α 회전 Y 컷으로 K²이 최대로 되는 5° 회전 Y 컷에 관해서 탄성 표면파의 전파 방향 x₁를 결정축 X로부터 각도 θ만큼 비켜 놓은 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판을 나타내는 것이다. 이 때의 전파 특성을 도 6의 (a)~(c)에 나타낸다. 도 6의 (a)는 탄성 표면파의 음속 V SUB R 및 전기 기계 결합 계수 K²을, 도 6의 (b)는 전극 재료를 알루미늄으로 할 때의 K_E, K_M및 φ_M을, 도 6의 (c)는 전극 재료를 금(Au)으로 할 때의 K SUB E, K SUB M 및 φ_M을 각도θ를 파라미터로 하여 나타내는 것이다. 도 6의 (b)에 나타내는 알루미늄 전극을 이용한 경우에는 θ≒5°이고 φ_M=+45°가 되어 있고, 가장 적합한 NSPUDT 동작을 얻을 수 있는 위상 조건을 충족시킬 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 이 방위의 K_M의 값은 꽤 작고, 큰 방향성을 얻기 위해서는 알루미늄 전극의 막두께를 두텁게 하거나 스트립 전극의 갯수를 많게 할 필요가 있다.

한편, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 전극의 재료로서 금을 이용하는 경우에는, θ≒30∼40°의 넓은 범위로 취급하여 최적의 NSPUDT 동작을 얻을 수 있는 위상 조건이 충족되어 있고 K_M의 값도 크므로, 가장 적합한 NSPUDT 동작을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

도 7은 도 5에 나타내는 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판에 있어서,가장 적합한 NSPUDT 동작을 얻을 수 있는 위상 조건인 φ_M=+45°를 만족시키는 각도α와 θ와의 조합을 나타내는 것이다. 여기서, 주의하여야 할 점은, NSPUDT 동작에 기초한 기판은 반드시 이 곡선 위에 없더라도, 이 곡선으로부터 각도θ가, 예컨대 ±5° 변화하는 범위 내에서도 실현될 가능성이 있는 것이다.

도 8은 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판에 있어서의 온도 특성을 횡축에 각도 α, 종축에 각도 θ를 취하여 나타낸 것이고, 또한 전극을 알루미늄으로 했을 때에 가장 적합한 NSPUDT 동작이 얻어진 위상 조건이 충족된 점을 플롯으로 나타낸다. 각도 α 및 θ가 커짐에 따라서, 온도 특성 TCD는 양호하게 되지만, 각도 α 및 θ가 작은 영역이어도 실용적으로 만족할 수 있는 온도 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

도 9는, 도 5에 나타내는 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판에 있어서, 각도 θ를 NSPUDT 특성이 얻어지는 조건으로 할 때의 전기 기계 결합 계수 K², 탄성적 섭동 효과에 의한 반사 계수의 크기를 나타내는 K_M및 파워 플로우 앵글 PFA의 변화를, 각도 α를 파라미터로 하여 나타낸 것이다. 파워 플로우 앵글 PFA는 제로(0)가 되지 않고 각도 α의 증대에 수반하여 증대하게 되지만, 그 값은 실용적인 범위 내에 있다. 이 그래프에 있어서, 회전각 θ는 도 7에 도시된 바와 같이 NSPUDT 동작이 얻어지도록 각도 α의 변화에 따라서 변화시키고 있다.

도 10은, 본 발명에 의한 랭거사이트 단결정 기판 및 종래의 수정 기판 및 니오브산 리튬 기판 및 기판에서의 반사율 r₀가 알루미늄 전극의, 파장에 의해서 규격화된 막두께 h/λ의 변화에 따라서 어떻게 변화하는가를 나타내는 그래프이다. 직선 A는 종래의 ST-X 컷의 수정의 반사율을 나타내고, 직선 B는 종래의 128° 컷의 니오브산 리튬의 반사율을 나타내고, 직선 C는 본 발명에 의한 5°Y- x 컷의 랭거사이트 기판의 반사율을 나타내고, 직선 D는 본 발명에 의한 X-15°Y 컷의 랭거사이트 기판의 반사율을 나타내는 것이다. 상술한 바와 같이 직선 C에서 나타내는 본 발명에 의한 5°Y-X 컷의 랭거사이트 기판에서는 전극의 막두께에 거의 무관하게 반사율은 거의 제로(0)이고, 탄성 표면파 트랜스버설형 필터용의 기판으로서 뛰어난 특성을 보이고 있다. 또한, 직선 D로 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 X -15°Y 컷의 랭거사이트 기판에서는 큰 반사율이 얻어지기 때문에, 탄성 표면파 공진기 또는 필터의 기판으로서 양호한 특성을 보이고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전극에 의한 반사가 큰 X 컷의 랭거사이트 단결정을 기판으로서 사용함으로써 탄성 표면파 공진기로서 탄성 표면파 디바이스를 구성할 수 있고, 또한 전극에 의한 반사가 작은 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정을 기판으로서 사용함으로써 탄성 표면파 필터로서 탄성 표면파 디바이스를 구성할 수 있고, 또한 2중 회전컷의 랭거사이트 단결정을 기판으로서 이용함으로써NSPUDT 동작이 얻어지고, 따라서 삽입 손실이 적은 탄성 표면파 필터로서 탄성 표면파 디바이스를 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 탄성 표면파 디바이스에 있어서 이용되는 랭거사이트단결정에서의 탄성 표면파의 전기 기계 결합 계수 K²는 0.37∼0.46의 범위이고, ST-X 컷의 수정에 비하여 큰 값으로 되어 있다. 또한, 전파 속도 V_R은 2323∼2410㎧ 가 되어 있고, 종래의 것에 비하여 작은 값으로 되어 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 소형 경량으로 소비 전력이 작은 탄성 표면파 디바이스를 실현할 수 있다. 여기서, 탄성 표면파의 전파 속도는 알루미늄 전극을 이용하는 경우에는 전극 아래측에서의 전파 속도가 그 이외의 부분에서의 전파 속도보다도 현저히 낮게 되고, 또한 금 전극을 사용하는 경우에는, 전극 바로 밑에서나 그 이외의 부분에서나 전파속도는 거의 같게 된다. 이러한 특성을 이용하여, 예컨대 탄성 표면파를 도파하는 가이드를 구성할 수 있다. 즉, 탄성 표면파는 음속이 높은 부분에 집중하는 특성이 있기 때문에, 가이드의 주변부에 알루미늄 전극을 설치하여 음속을 빠르게 함으로써, 전파 손실과 분산이 작은 탄성 표면파 가이드를 실현할 수 있다.

다음에, 상술한 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판을 이용하여 NSPUDT 동작을 시키는 경우의 변환 특성에 관해서 설명한다.

도 11, 도 12 및 도 13은, 대수가 150, 개구 길이가 100λ의 정규형 전극을 설치한 NSPUDT의 변환 손실을 나타내는 것이고, 도 11은 α=5°, θ=5°인 2중 회전 컷(오일러 표시로는 (0°,95°,5°)컷)의 기판을 사용하며, 전극의 재료를 알루미늄으로 하고, 전극의 막두께와 탄성 표면파의 파장 λ와의 비 h/λ를 0.03로 한 경우, 도 12는 α=20°,θ=13.5°인 2중 회전 컷(오일러 표시로는 (0°,110°,13.5°)컷)의 기판을 사용하며, 전극의 재료를 알루미늄으로 하고, 전극의 막두께와 탄성 표면파의 파장λ와의 비 h/λ를 0.03으로 한 경우, 도 13은 α=5°,θ=30°의 2회전 컷(오일러 표시에서는 (0°,95°,30°)컷)의 기판을 이용하며, 전극의 재료를 금으로 하고, 전극의 막두께와 탄성 표면파의 파장λ와의 비 h/λ를 0.003으로 한 경우이다. 이들 도면에 있어서, 실선은 -x₁의 방향에서의 변환 손실을 나타내며, 파선은 +x₁의 방향에서의 변환 손실을 나타내고 있다. 중심 주파수에 있어서는 순방향과 역방향과의 변환 손실차가 커져 일방향성이 나타나고 있다. 특히, 도 12 및 13의 경우에는 큰 NSPUDT 동작이 행하여지고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이를 비교하면 알 수 있듯이, 알루미늄 전극을 이용하는 경우에는 중심 주파수가 높아지는 경향이 있고, 금 전극을 이용하는 경우에는 중심 주파수가 낮아지는 경향이 있지만, 그만큼 저하되는 것은 아니다. 이것도 본 발명에 의한 랭거사이트 단결정 기판의 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 기판은 뛰어난 일방향성을 나타내는 것이지만, 예턴대 이것을 탄성 표면파 필터로서 이용하는 경우에는 전극의 구성이 문제가 된다. 즉, NSPUDT 기판의 난점은 같은 전극 구조의 변환기에서는 송수(送受)의 순방향이 서로 마주 향하여 있는 필터(일방향성 변환기의 세트)가 얻어지지 않아 삽입 손실이 커지는 것이다. 이 점을 해결하는 방법은 한편의 변환기의 방향성을 역전시키든지 λ/8 더블 전극을 이용하여 반사를 부정하고 방향성을 없애는 것이다. EP 0704 967 A2에서 설명되는 방향성을 역전시키는 전극이 본 발명에 따른 탄성 표면파 디바이스에서 사용될 수 있다.

도 14는 표면파 필터로서 구성된 본 발명에 따른 표면파 디바이스의 일 실시예를 도시하는 평면도이다. 본 실시예에서, 기판(11)은 20°Y~13.5°X 컷된 랭커사이트 단결정으로 구성된다. 송신측 변환기(12)는 포지티브 및 네거티브 인터디지탈 전극 핑거(12a, 12b)를 갖는 정상 형태의 전극으로 형성되며, 각각의 핑거의 폭은 λ/4이고 엣지 간격은 λ/4이다. 랭거사이트 단결정 기판(11)을 갖는 이러한 정상 형태의 전극 구조 결합에서, NSPUDT 동작이 실현화되고 송신측 변환기(12)는 X₁의 방향성을 가진다. 전극 핑거쌍의 수는 50개이다. 개구 길이 A는 약 200마이크로미터이고, 상기 개구 길이는 포지티브 및 네거티브 전극이 상호 중첩되는 길이로서 규정된다. 수신측 변환기(13)는 이중 전극 구조로 구성되며, 두개의 포지티브 전극 핑거(13a) 및 두개의 네거티브 핑거(13b)는 λ/8의 엣지간의 거리 로 교호로 정렬되고, 각각의 전극 핑거(13a, 13b)는 λ/8의 폭을 가진다. 전극 핑거쌍의 수는 50개이다. 송신측 및 수신측 변환기(12, 13)의 전극은 알루미늄으로 구성되고 동일 두께를 가진다.

이러한 표면파 필터에서, 정상 형태의 전극 구조로 형성된 송신측 변환기(12)는 기판 고유의 X₁을 향하는 방향성을 가지며, 이중 전극 구조로 형성된 수신측 변환기(13)는 양 방향성을 나타낸다. 그러므로, 표면파 필터는 우수한 특성을 가지게 된다.

도 15는 본 발명에 따른 표면파 필터의 제2 실시예를 도시한 평면도이다. 또한, 제2 실시예에서, 기판(21)은 20°Y~13.5°X 컷된 랭거사이트 단결정으로 구성되고, 송신측 변환기(22)는 포지티브 및 네거티브 인터디지탈 전극 핑거(22a, 22b)를 갖는 정상 형태의 전극 구조로 형성되며, 각각의 핑거의 폭은 λ/4이고 엣지 간격은 λ/4이다. 수신측 변환기(23)는 포지티브 및 네거티브 인터디지탈 전극 핑거로 구성된 부유 형태의 전극으로 형성되며, 이 핑거들은 λ/8의 폭을 각각 가지며 부유 전극(23c)은 3λ/8의 폭을 가진다. 포지티브 및 네거티브 전극 핑거(23a, 23b) 및 부유 전극은 λ/8의 엣지 간격으로 정렬된다. 수신측 변환기(23)의 이런 부유 형태의 전극 구조는 방향 X₂와는 반대되는 반전된 방향성을 나타낸다. 모든 전극은 알루미늄으로 구성되고 동일 두께를 가진다. 전극 핑거쌍의 수는 50개이고 개구 길이 A는 약 200 마이크로미터이다.

본 실시예에서, 송신측 변환기(22)는 X₁의 방향성을 가지며 수신측 변환기(23)는 - X₁의 방향성을 가지므로, 특히 표면파 필터는 작은 삽입 손실을 가진다.

도 14 및 도 15에 기술된 표면파 필터에서, 기판은 20°Y ~ 13.5°X 컷한 랭거사이트 단결정으로 형성되고 모든 전극은 알루미늄으로 구성된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 기판이 5°Y ~ 30°X 컷한 랭거사이트 단결정으로 형성될 경우, 전극은 금으로 구성된다. 전극이 금으로 구성될 때 이중 회전 αY- θX 컷한 랭거사이트 단결정으로 기판을 형성하는 것이 바람직하며, 이때 α는 0°~ 30°의 범위에 있고 θ는 20°~ 50°의 범위에 있다. 특히, 회전각 α가 5°로 정해지고 회전각 θ가 30°~ 40°의 범위로 되도록 정하는 것이 바람직하다. 또한, 미국 특허 제5,698,927호에서 기술되는 공지된 전극 구조를 본 발명에 따른 랭거사이트 단결정 기판과 결합하여 이용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 탄성 표면파 디바이스에 의하면, X 컷의 랭거사이트 단결정, 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정 및 2중 회전 Y 컷의 랭거사이트 단결정을 기판으로서 사용함으로써, 전극에 의한 반사가 큰 탄성 표면파 디바이스, 전극에 의한 반사가 작고 전기 기계 결합 계수 K²가 크고, 파워 플로우 각도가 작은 탄성 표면파 디바이스 및 NSPUDT 동작, 즉 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 동작이 가능 하게 되어, 삽입 손실이 작고 위상 특성도 우수한 탄성 표면파 디바이스를 실현할 수 있다. 또한, 어느쪽의 경우에도 탄성 표면파의 전파 속도는 종래의 것에 비하여 현저히 낮게 되므로, 소형 경량으로 소비 전력이 적은 탄성 표면파 디바이스를 얻을 수 있는 것이 된다. 또한, 이와 같이 탄성 표면파의 전파 속도가 낮은 것으로부터, 알루미늄 전극을 이용한 경우에는, 중심 주파수의 저하가 없고 전파 손실과 분산이 적은 탄성 표면파 가이드를 실현할 수 있다.

Claims (14)

1. X 컷(X-θY컷)의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지고 표면을 갖는 기판과,

   상기 기판 표면상에 형성된 전극 구조를 포함하고,

   상기 랭거사이트 단결정은 X축을 중심으로 하여 Y축으로부터의 회전각 θ가 15∼35°의 범위로 되도록 컷된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전각 θ가 20°~ 30°의 범위로 되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극 구조는 탄성 표면파 공진기를 구성하도록 형성된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
4. 회전 Y 컷(αX-Y)의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지고 표면을 갖는 기판과,

   상기 기판 표면상에 형성된 전극 구조를 포함하고,

   상기 랭거사이트 단결정은 X축을 중심으로 하여 Y축으로부터의 회전각 α가 -5∼10°의 범위로 되도록 컷된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
5. 제4항에 있어서, 상기 전극 구조는 탄성 표면파 필터를 구성하도록 형성된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
6. 2중 회전 Y컷(αY-θX컷)의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지고 표면을 갖는 기판과,

   상기 기판 표면상에 형성된 전극 구조를 포함하고,

   상기 랭거사이트 단결정은 X축을 중심으로 하여 Y축으로부터의 회전각 α가 0∼30°의 범위로 되고 X축으로부터의 회전각 θ가 0∼20°의 범위로 되도록 컷된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
7. 제6항에 있어서, 상기 전극 구조는 알루미늄으로 구성되고 상기 기판의 이방성 및 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 특성을 구성하도록 형성된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
8. 제7항에 있어서, 상기 전극 구조는 상기 기판 고유의 방향성과 동일한 방향성을 갖는 제1 전극과, 양방향성을 갖는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
9. 제7항에 있어서, 상기 전극 구조는 상기 기판 고유의 방향성과 동일한 방향성을 갖는 제1 전극과, 상기 기판의 고유 방향성과 반대되는 방향성을 갖는 제2 방향성 반전 형태 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
10. 2중 회전 Y컷(αY-θX컷)의 랭거사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 단결정으로 이루어지고 표면을 갖는 기판과;

    상기 기판 표면상에 금으로 형성된 전극 구조를 포함하고,

    상기 랭거사이트 단결정은 X축을 중심으로 하는 Y축으로부터의 회전각 α가 0∼30°의 범위로 되고 X축으로부터의 회전각 θ가 20∼50°의 범위로 되도록 컷된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
11. 제10항에 있어서, 상기 회전각 α가 5°로 그리고 상기 회전각 θ가 30°~ 40°로 되도록 컷한 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
12. 제10항에 있어서, 상기 전극 구조는 상기 기판의 이방성 및 내츄럴 단상형 일방향성 변환기 특성을 구성하도록 형성된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
13. 제12항에 있어서, 상기 전극 구조는 상기 기판 고유의 방향성과 동일한 방향성을 갖는 제1 전극과, 양방향성을 갖는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.
14. 제12항에 있어서, 상기 전극 구조는 상기 기판 고유의 방향성과 동일한 방향성을 갖는 제1 전극과, 상기 기판 고유의 방향성과 반대의 방향성을 갖는 제2 방향성 반전 형태 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 디바이스.