KR100330500B1 - 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막전극의 전기저항이 낮아지며, 충격이 인가되어도 박막전극이 손상되는 것이 방지되는 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치에 관한 것으로서, 세라믹 기판 상의 서로 다른 면에서 서로 겹쳐지도록 구비되는 한 쌍의 박막전극부; 상기 각각의 박막전극부 일측에서 서로 다른 방향의 타측으로 점점 넓어지면서 연장되는 한 쌍의 연결부; 및 상기 한 쌍의 박막전극부에 전원을 인가시키기 위하여 연장된 상기 한 쌍의 연결부 단부에 각각 연결되는 한 쌍의 단자접속부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 따르면, 박막전극의 제조공정이 한번의 마스크에 의한 스퍼터링에 의하여 되기 때문에 진동자의 생산성이 향상되고, 전극부위의 공진영역에서 단자접속부로 연결되는 연결부가 넓게 형성되기 때문에 취급 중에 파손되는 위험성이 낮아지며, 전기저항도 낮아져서 공진자의 기계적 품질계수가 향상되어 회로에 응용할 때, 주파수 안정성이 향상되는 장점이 있다.

Description

에너지 포획형 압전세라믹 공진장치{Energy-trapped type piezoelectric ceramic resonator}

본 발명은 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치에 관한 것으로서, 특히 가전용의 통신장치에서 기준 주파수 발생용으로 사용되는 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치에 관한 것이다.

일반적으로, 최근 정보산업의 발전에 따라 컴퓨터, 전화기 등에 대한 수요가 증가하고 있으며 또한 산업기기의 전자화에 따라 마이크로프로세서가 대량으로 사용되고 있는데, 이와 같이 고주파 신호를 이용하는 기기들은 기준신호로 사용되는 클럭(clock)을 발생시키는 공진자와 특정 주파수를 선택적으로 여과시키는 필터가 필요하다.

이에 따라서 압전세라믹의 전기기계적 에너지변환 효과를 이용한 세라믹 공진자와 필터가 사용되는데, 이들은 가격이 비교적 저렴하고 신뢰성, 품질계수, 주파수 선택비 및 주파수 안정성이 우수하기 때문에 고주파 기기용 클럭 발생기와 필터로서 그 수요가 증가하고 있다.

또한, 압전세라믹 공진자는 세라믹 재료의 물성과 소자의 기하학적 모양에 따라 다양한 모드의 공진을 발생시키는데, 현재 전자부품으로 이용되는 세라믹 공진자의 공진모드는 크게 두 가지 종류가 주로 이용된다.

첫째는 두께종진동 모드로 적용되는 공진자로서 주파수 범위는 주로 1∼50 MHz범위이다. 둘째는 면진동 모드로 압전세라믹 판의 면에 수평한 방향으로 일어나는 진동을 이용하는 공진자로서 주파수범위는 주로 400∼1000 KHz범위이다.

도 1은 종래 기술에 따른 공진자의 구조를 나타낸 사시도이다.

도시된 종래 기술에 따른 공진자는, 증착에 의하여 형성되는 에너지포획형 고조파 두께모드형 공진자로서 압전세라믹 기판(10)의 양면에 각각 원판형으로 형성되는 박막전극인 공진부 전극(15)(15a)과 양단의 단자접속부(17)(17a) 및 이들을 서로 연결시키는 연결부(16)(16a)를 포함한다.

즉 도시되지 않은 전선이 연결되는 단자접속부(17)(17a)를 통하여 세라믹기판(10)의 양면에 구비되는 전극(15)(15a)에 전원을 인가하면 두께방향으로 압전체의 진동이 여기되고, 상기 진동에 의하여 발생되는 공진주파수는 압전체의 두께에 반비례하여 증가하게 된다.

그러나, 종래 기술의 공진자는, 전극(15)(15a)과 단자접속부(17)(17a)를 서로 연결하는 연결부(16)(16a)가 가늘게 형성되기 때문에 외부의 충격에 의하여 파손이 용이하고, 전극(15)(15a)에서 각각의 단자접속부(17)(17a)에 이르는 연결부(16)(16a) 도체의 전기저항이 증가하면서 공진자의 기계적 품질계수가 낮아지는 등의 여러 가지 문제점이 있었다.

도 2는 종래 기술에 따른 다른 실시예의 공진자 구조를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 다른 실시예의 공진자는 도 1의 공진자가 개선된 구조로서, 원판형으로 되는 전극(11)(11a)에서 단자접속부(12)(12a)에 이르는 연결부(13a)(13b)를 각각 형성함으로써 도 1에서 도시된 종래 기술의 연결부(16)(16a)에 비하여 연결부(13a)(13b)의 전기저항을 감소시킨 구조이다. 이때, 다른면의 연결부는 점선으로 도시되었다.

상기의 종래 기술에 따른 다른 실시예의 공진자는, 한 면에서 구비되는 연결부(13a)(13b)를 증착에 의하여 형성할 때, 금속 마스크를 사용하는 증착에 의한 두 번의 증착공정에 의하여 형성된다. 예컨대 일차의 증착에 의하여 하나의연결부(13a)를 형성하고, 그 다음의 증착에 의하여 다른 연결부(13b)를 형성하게 된다.

따라서 연결부를 형성하는 공정이 상기와 같이 두 번의 증착에 의하여 형성됨으로써 공정의 단계수가 늘어나기 때문에 공진자의 생산성이 낮아지며, 박막으로 형성되는 연결부의 전기저항이 크기 때문에 공진자의 기계적 품질계수가 낮아지는 문제점이 있었다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전극이 연결되는 연결부위의 면적이 크게 되어서 박막전극의 전기저항이 낮아지며, 외부로부터 충격이 인가되어도 박막전극이 손상되는 것이 방지되는 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치를 제공하고자 하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 공진자의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 다른 실시예의 공진자 구조를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치를 나타낸 사시도이다.

도 4는 공진자의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 5는 도 3의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.

도 6은 종래 기술의 전극구조와 도 3의 전극구조 특성을 비교한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 20, 30.. 세라믹기판 11, 11a, 15, 15a, 21, 21a, 31, 31a.. 전극

13a, 13b, 16, 16a, 22, 22a.. 연결부

12, 12a, 17, 17a, 23a, 33a.. 단자접속부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치는 세라믹 기판 상의 서로 다른 면에서 서로 겹쳐지도록 구비되는 한 쌍의 박막전극부; 상기 각각의 박막전극부 일측에서 서로 다른 방향의 타측으로 점점 넓어지면서 연장되는 한 쌍의 연결부; 및 상기 한 쌍의 박막전극부에 전원을 인가시키기 위하여 연장된 상기 한 쌍의 연결부 단부에 각각 연결되는 한 쌍의 단자접속부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성 및 동작을 도 3 내지 도 6에 의거 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치는, 사각형상의 세라믹기판(20), 박막전극부인 한 쌍의 전극부(21)(21a), 한 쌍의 연결부(22)(22a) 및 한 쌍의 단자접속부(23)(23a)를 포함한다.

상기 한 쌍으로 되는 전극부(21)(21a)는 세라믹기판(20)을 사이에 두고 서로 다른 면에서 겹쳐지도록 구비된다.

상기 연결부(22)(22a)는 전극부(21)(21a)의 일측에서 타측으로 연장되면서 넓어지는 구조를 가지며, 상기 세라믹기판(20)의 서로 다른 면에서 형성될 때 겹치지 않도록 서로 다른 방향으로 연장되면서 단자접속부(23)(23a)에 각각 연결된다. 이때 배면 즉 다른 면의 연결부는 점선으로 도시되었다.

예를 들면, 상기 단자접속부(23)(23a)는 연결부(22)(22a)를 통하여 전극부(21)(21a)에 전원을 공급할 수 있도록 외부로부터 전선이 납땜되는 부위이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치는, 실시예로서 장방형으로 형성되는 압전 세라믹기판(20)의 치수는 길이가 4∼6mm, 폭이 3∼5mm이고, 두께는 공진주파수에 따라 0.15∼0.5mm의 범위로 형성된다. 3배고조파 공진자의 발진주파수는 세라믹기판(20)의 두께가 0.5mm일 때 약 14MHz가 되고, 0.15mm일 때 약 48MHz가 된다.

또한, 공진자를 제조하는 공정 중, 전극을 증착하는 공정에서 금속마스크 1장으로 한쪽면을 1번 증착함으로써 각각의 전극부(21)(21a)를 형성할 수가 있다. 또 공진영역인 전극부(21)(21a)와 단자접속부(23)(23a)를 연결하는 선폭이 굵기 때문에 취급 중에도 끊어질 가능성이 줄어들고, 각 연결부(22)(22a)의 넓이가 단자접속부(23)(23a)에서 전극부(21)(21a) 방향으로 넓어지기 때문에 전기저항이 낮아지는 특징이 있다.

이때 발진소자의 기계적 품질계수가 증가할수록 신호발생시 주파수안정이 높아지고 전력손실이 낮아지게 되기 때문에 박막전극의 전기저항이 낮은 것이 바람직하다.

도 4는 공진자의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 압전세라믹 공진자의 전기적 등가회로에서, 공진자의 품질계수(Qm)는 수학식 1로 표현된다.

상기 수학식 1에서f _r (resonant frequency)는 공진주파수,f _a (anti-resonant frequency)는 반공진 주파수,R _s 는 전극의 저항이다. 따라서 전극의 저항(R _s )이 낮아질수록 공진자의 기계적 품질계수는 증대되게 된다.

한편, 세라믹에 전극부(21)(21a), 연결부(22)(22a) 및 단자접속부(23)(23a)를 은의 스퍼터링에 의하여 박막으로 형성하는데, 이때 박막의 두께는 개략0.5㎛두께로 되며, 세라믹기판(20)의 두께는 공진주파수와 관련되기 때문에 두께를 조절하여 세라믹 공진자의 공진주파수를 제어할 수 있다.

또한, 전극부(21)(21a)와 단자접속부(23)(23a)는 일실시예에 의하여 삼각형 형상을 가진 선폭이 굵은 연결부 (22)(22a)로 접속되는데, 다른 실시예로서 상기 삼각형상은 도 5에서 도시되는 사각형상의 연결부(33)(33a)로 구비될 수 있다.

이는 도면에서 연결부(33)가 세라믹기판(30)의 다른 면에서 다른 방향으로 연장됨으로써 서로 겹치지 않도록 구비되는 각각의 연결부(33)(33a)의 최대 범위를 나타내는 일실시예이다.

도 6은 종래 기술의 전극구조와 도 3의 전극구조 특성을 비교한 도면으로서, 임피던스(impedance)와 주파수(frequency)에 관련되는 압전세라믹 공진자의 압전특성을 임피던스 분석기(HP 4194A)를 이용하여 3배파 공진주파수 부근에서 측정하였다.

도시된 바와 같이 종래의 전극구조 즉 한 면에서 두 개의 연결부(13a)(13b)를 가진 공진자와 본 발명의 전극구조를 가진 공진자를 각각 소정량 제조하여 그들의 공진특성을 비교한 결과, 본 발명의 전극구조를 가진 공진자는 종래의 구조에 비하여 기계적 품질계수가 20%이상 향상되었다. 그들의 상세한 측정결과는 종래의 진동자에서 기계결합계수()의 평균값이 12.51%, 표준편차가 0.18%이였으며, 기계적 품질계수()의 평균값은 3823이고, 표준편차는 368을 나타내었다.

그러나 본 발명의 공진자의 경우 기계결합계수()의 평균값이 12.54%, 표준편차가 0.15%였으며, 기계적 품질계수()의 평균값은 5225이고, 표준편차는 342를 나타내었다.

도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 박막전극의 제조공정이 한번의 마스크에 의한 스퍼터링에 의하여 되기 때문에 진동자의 생산성이 향상되는 장점이 있다.

또한, 전극부위의 공진영역으로부터 단자접속부로 연결되는 연결부가 넓게 형성되기 때문에 취급 중에 파손되는 위험성이 낮아지는 장점이 있다.

또, 넓은 연결부에 의하여 전기저항도 낮아져서 공진자의 기계적 품질계수가 향상되어 회로에 응용할 때, 주파수 안정성이 향상되는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 세라믹 기판 상의 서로 다른 면에서 서로 겹쳐지도록 구비되는 한 쌍의 박막전극부;

   상기 각각의 박막전극부 일측에서 서로 다른 방향의 타측으로 점점 넓어지면서 연장되는 한 쌍의 연결부; 및

   상기 한 쌍의 박막전극부에 전원을 인가시키기 위하여 연장된 상기 한 쌍의연결부 단부에 각각 연결되는 한 쌍의 단자접속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 연결부는,

   일측에서 타측으로 넓어지는 형상에 있어서, 개략 삼각형상으로 되는 것을 특징으로 하는 에너지 포획형 압전세라믹 공진장치.