KR100430366B1 - 압전 공진기와 이를 이용한 압전 필터 - Google Patents

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Abstract

두께 세로 진동(thickness longitudinal vibration) 또는 두께 전단 진동(thickness-shear vibration)의 n차 모드를 사용하는 압전 공진기는, 압전층을 갖는 진동부, 한 쌍의 전극, 진동부를 지지하는 지지부를 포함한다. 한 쌍의 전극부는 유전층의 반대면에 각각 형성되고, 유전층을 경유하여 각각 부분적으로 겹쳐져서 대향전극부를 이룬다. 지지부는 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동의 n차 모드에서 진동부가 진동하는 것을 지지한다. 대향전극부는 반경 r을 갖는 실질적인 원형이거나 대체로 원형에 외접하는 다각형이 바람직하다. 반경 r은 부등식 20t/n ≤r 을 만족하는데, 여기서 t는 진동부의 두께이다.

Description

압전 공진기와 이를 이용한 압전 필터{Piezoelectric resonator and piezoelectric filter using the same}
본 발명은 압전 공진기와 이를 포함하는 압전 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 예를 들면, 두께 세로 진동(thickness longitudinal vibration) 또는 두께 전단 진동(thickness shear vibration)을 발생하는 압전 공진기와 다수의 압전 공진기를 포함하는 압전 필터에 관한 것이다.
두께 세로 진동 기본파를 사용하는 압전 공진기로써, 예를 들면, 도 1a 와 1b 에 나타난 압전 공진기가 보고되고 있다.(K.Nakamura, H.Sasaki, H.Shimizu : 토호쿠대학교 공학부 "실리콘 웨이퍼 위의 ZnO/SiO2-진동판 합성 공진기", 1981년 7월 9일, 17권, 14호) 이 압전 공진기 1에서, 2.5㎛의 두께를 갖는 SiO2층은 유전층 2를 형성하고, 4.5㎛의 두께를 갖는 ZnO 층은 압전층 3을 형성한다. 그 다음에, 압전층 3의 양 표면에, 한쌍의 대향전극층 4a와 4b가 형성된다. 전극층 4a와 4b가 서로 대향되는 부분은 350㎛ ×140㎛ 의 치수를 가지는 사각 판형을 가진다.
이런 압전 공진기 1의 공진 특성은 도 1a와 1b에 나타난다. 도 1a와 1b에서, 최대 공진은 세로 진동 기본파의 공진이고, 이는 S0모드로 불려지고 요청 공진이다.(주진동: main vibration) 작은 응답은 이 진동의 고주파측에서 발생되고, 주진동에 가까운 순서대로 S1, S2, S3, ㆍㆍㆍ모드로 불려진다. 이들 모드는 바람직하게는, 특성에서 존재하지 않아야 하는 공진이다.(스퓨리어스 진동: spurious vibration) 이들 스퓨리어스 진동의 특성은, 전극의 직경에 따라 상태가 변하며, 전극의 직경이 커짐에 따라 응답도 커지고, 응답은 진동에 가까와진다. 따라서, 일반적으로, 스퓨리어스 진동의 영향을 막기 위하여, 전극의 반경은 스퓨리어스 진동을 주 진동으로부터 분리하기에 충분하도록 감소되고, 스퓨리어스 진동의 응답은 감소된다.
그러나, 전극의 직경은 스퓨리어스 진동뿐만 아니라 주진동에도 영향을 준다. 전극의 직경이 작을 때, 전극의 영역이 감소되기 때문에, 공진기의 임피던스는 증가되고, 주진동의 응답은 감소된다. 상기한 것처럼, 공진기의 스퓨리어스 진동과 임피던스는 교환 관계가 있다. 그러므로, 스퓨리어스 진동과 임피던스의 중의 하나가 향상되면, 다른 것은 나빠지는 문제가 있다.
예를 들면, 전극의 직경이, 스퓨리어스 진동이 발진기용 공진기로 사용하기에 충분하도록 작아질 때까지 감소되면, 스퓨리어스 진동은 사라지고, 발진주파수가 몇몇 이유로 스퓨리어스 진동으로 이동하지는 않을지라도, 공진기의 임피던스가 증가하여 발진을 일으키지 않게된다. 한편으로는, 전극의 반경이 발진을 허용하는 임피던스를 산출할때까지 증가되면, 스퓨리어스 진동은 주 진동으로 더 가까이 이동하고, 스퓨리어스 진동의 응답이 커지기 때문에, 스퓨리어스 진동이 발진하고 발진 주파수는 일정하지 않게 되는 문제가 발생한다.
또한, 이러한 압전 공진기가 결합된 사다리형 필터에서, 임피던스와 스퓨리어스 진동의 교환되는 관계에서, 전극의 직경이 스퓨리어스 진동을 억제하도록 감소된다면, 공진기의 임피던스가 충분히 제거되지 않고 주진동의 응답은 증가될 수 없기 때문에, 사다리형 필터의 특성에 대하여 삽입 손실이 커지고 통과 대역(pass-band)은 확장될 수 없는 문제점이 있다. 다시 말하면, 전극의 직경이 증가되면, 스퓨리어스 진동은 주진동에 접근하고 그와 함께 간섭한다. 따라서, 이들 압전 공진기가 결합된 사다리형 필터에서, 통과 대역에서 큰 리플(ripple)이 발생하는 문제가 있다.
상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는 임피던스가 작고 스퓨리어스 진동에 의해 영향을 거의 받지 않는 압전 공진기를 제공한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 통과 대역에서 압전 공진기의 스퓨리어스 진동의 영향으로 인해 발생하는 리플이 최소화되어서, 통과대역이 광범위한 압전 필터를 제공한다.
도 1a 와 1b 는 종래 압전 공진기의 한 예를 나타낸 단면도이다.
도 2 는 도 1a 와 1b 에 보인 압전 공진기의 공진 특성을 나타낸 특성도이다.
도 3 은 본 발명의 첫번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 예를 보인 평면도이다.
도 4 는 도 3 에 보인 압전 공진기의 개략적인 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 첫번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다.
도 6 은 본 발명의 첫번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다.
도 7 은 본 발명의 첫번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다.
도 8 은 도 3 에 보인 압전 공진기의 공진 특성을 보인 특성도이다.
도 9 는 압전 공진기에서 진동과 스퓨리어스 진동의 관계를 보인 특성도이다.
도 10 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 공진 특성과 진동만을 사용한 압전 공진기의 특성을 보인 특성도이다.
도 11 은 기계적 특성 계수 Qm이 약 500 일 때의 압전 공진기의 특성을 보인 특성도이다.
도 12 는 ZnO 와 SiO2의 두 층을 포함하는 두께 세로 진동 공진기의 기본파와 2배파에서의 막 두께와 TCF 사이의 관계를 나타낸 특성도이다.
도 13 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기들이 결합된 사다리형 필터를 나타낸 등가 회로도이다.
도 14 는 도 13 에 보인 사다리형 필터의 통과 대역 특성을 나타낸 특성도이다.
도 15 는 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 한 예를 보인 개략적인 평면도이다.
도 16 은 도 15 에 보인 압전 공진기의 개략적인 측면도이다.
도 17 은 본 발명의 다양한 바람직한 실시예의 조건이 만족될 때, 상부 전극 주위의 진동 상태를, 유한요소법에 의해, 분석한 결과를 보인 도해도이다.
도 18 은 본 발명의 상황이 만족되지 않을 때, 상부 전극 주위의 진동 상태를, 유한요소법에 의해, 분석한 결과를 보인 도해도이다.
도 19 는 유한요소법에 의해, 진동판부에서 진동의 변위 분포의 분석 결과를 보인 그래프이다.
도 20 은 ZnO를 포함하는 압전층과 SiO2를 포함하는 유전층의 이중층 구조를갖는 압전 공진기의 두께 세로 진동의 기본파와 제 2 고조파에 대해서, 막 두께 ts/tp(유전층 (SiO2)의 막두께/압전층 (ZnO)의 막두께)의 비율과 공진 주파수의 온도계수 TCF 사이의 관계를 보인 그래프이다.
도 21 은 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 개략적인 평면도이다.
도 22 는 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 또 다른 예를 보인 개략적인 평면도이다.
도 23 은 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 또 다른 예를 보인 개략적인 평면도이다.
도 24 는 본 발명의 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 한 예를 보인 개략적인 평면도이다.
도 25 는 도 24 에 보인 압전 공진기의 개략적인 단면도이다.
도 26 은 한 변의 길이가 약 150㎛인 대략 사각형 전극을 갖는 단일 공진기의 임피던스 특성을 보인 그래프이다.
도 27 은 한변의 길이가 약 230㎛인 대략 사각형 전극을 갖는 단일 공진기의 임피던스 특성을 보인 그래프이다.
도 28 은 도 24 에 보인 압전 공진기의 임피던스 특성을 보인 그래프이다.
도 29 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 기판에 형성된 두 공진기 각각의 임피던스 특성을 함께 보인 그래프이다.
도 30 은 본 발명의 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다.
도 31 은 도 30 에 보인 압전 공진기의 단면도이다.
도 32 는 도 31 에 보인 압전 공진기의 임피던스 특성을 보인 그래프이다.
도 33 은 본 발명의 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다.
도 34 는 본 발명의 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 또 다른 예를 보인 평면도이다.
도 35 는 도 34 의 XII-XII을 따르는 단면도이다.
도 36 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 기본파에 대해서, ZnO의 막 두께와 TCF 사이의 관계를 보인 그래프이다.
도 37 은 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기들이 결합된 사다리형 필터를 보인 등가 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1:압전 공진기 2:유전층
3:압전층 4a,4b:대향전극층
10:압전 공진기 12:기판
14:유전박막 16:전극박막
18:압전박막 20:진동부
30:사다리형 필터 110:압전 공진기
111',111":압전 공진기 112:{100} Si 기판
114a:유전층 116:진동판부
118a:하부전극 118b:상부전극
120:압전층 210:압전 공진기
212:기판 213a,213b:공진기
214:유전박막 216:전극박막
218;압전박막 220:진동부
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동의 n차 모드를 사용하는 압전 공진기는, 압전층을 갖는 진동부, 한쌍의 전극, 진동부를 지지하기 위한 지지부를 포함한다. 전극의 쌍은 압전층의 반대면에 각각 형성되고, 전극의 쌍은 압전 층을 경유하여 서로 부분적으로 겹쳐져서 대향전극부를 형성한다. 지지부는, 진동부의 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동의 n차 모드에서 진동부를 지지한다. 대향전극부는 바람직하게는 반경 r을 갖는 대략 원형이거나, 대략 원형에 외접하는 다각형인 것이 바람직하고, 반경 r은 다음 부등식 20t/n ≤r 을 만족하며, 여기서 t는 진동부의 두께이다.
압전 공진기의 기계적 품질 계수는 바람직하게는 약 1000 이상이고, 대략 원형의 반경 r은 바람직하게는 부등식 40t/n ≤r 을 만족한다. 선택적으로, 압전 공진기의 기계적 품질 계수는 약 1000 이하로 될 수도 있고, 대략 원형의 반경 r은 부등식 20t/n ≤r < 40 을 만족할 수도 있다.
진동부는 유전층을 추가로 포함할 수도 있고, 압전층과 유전층의 탄성 상수의 온도 계수는 서로 다른 부호를 가질 수도 있다. 선택적으로 진동부는 다른 압전 층을 포함할 수도 있고, 두 압전층의 탄성 상수의 온도 계수는 서로 다른 극성을 가질 수도 있다.
압전체에 대향전극이 형성된 압전 공진기에서, r/t가 작아질수록, 진동이 스퓨리어스 진동으로부터 멀어지고, 비율 r/t가 커질수록, 스퓨리어스 진동이 진동에 더 가까워지는 것이 알려져 있다. 여기서 r은 대략 원형 전극의 반경이고, t는 대향전극부의 두께이다. 전통적으로, 스퓨리어스 진동은 전극의 직경의 감소에 의해 주진동으로부터 떨어진다. 본 발명에서, 스퓨리어스 진동은 진동 주파수에서 확실히 공진하기에 충분하도록 전극의 직경의 확장에 의해 주진동 주위에 집중된다.
임피던스는 전극의 직경의 확장에 의해 최소화 될 수 있고 매우 작아질 수 있다. 더불어, 주진동 주위에 스퓨리어스 진동이 집중되기 때문에, 공진기는 진동 주파수에서 확실히 공진될 수 있다. 이 효과를 얻기 위하여, 전극의 반경 r은 r ≥20t/n 의 범위 내인 것이 바람직하고, 여기서 t는 n차 모드가 사용될 때 대향전극부의 두께이다.
전극의 반경 r의 범위를 고려하면, 특히 기계적 품질 계수 Qm이 약 1000 이상 일때, r≥40t/n 이고, 기계적 품질 계수 Qm이 약 1000 미만일때, r ≥20t/n 이다.
진동부가 압전체와 유전체의 합성 구조를 포함하거나 다수의 유전체의 합성 구조를 포함할 때, 한 레이어와 다른 레이어 사이의 관계에서, 탄성 상수의 온도 계수의 부호가 반전되면, 적절한 결합에 의해, 온도변화에 따른 주파수의 변화는 0 이 될 수 있다. 그리하여, 온도변화에도 매우 안정적인 공진 주파수를 갖고, 스퓨리어스 진동에 의한 영향을 거의 받지 않는 압전 공진기가 획득될 수 있다.
다수의 압전 공진기들의 결합을 포함하는 압전 필터를 사용할 때, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 사용에 의해, 스퓨리어스 진동으로 인해 통과 대역에서 발생하는 리플은 억제될 수 있다. 또한, 주진동 주위의 압전 공진기의 스퓨리어스 진동의 집중에 의해, 이들은 서로 간섭하고, 공진 주파수와 반공진주파수 사이의 차이 Δf는 커지고, 광통과 대역을 갖는 압전 공진기가 획득될 수 있다.
본 발명의 다른 형태, 요소, 특성, 이점은 후술되는 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 설명을 목적으로, 바람직한 몇몇 형태의 도면이 보여지나, 본 발명은 나타난 배열과 수단에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들은 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 한 예를 보인 평면도이고, 도 4 는 도 3 의 단면도이다. 압전 공진기 10은 바람직하게는, 예를 들면, 약 100㎒ 이상의 주파수로 두께 세로 진동의 기본파(n=1)를 사용한다. 압전 공진기 10은 기판 12를 포함한다. 기판 12는 바람직하게는, Si, 파이렉스 글래스(Pyrex glass), 변형(quartz) 또는 다른 적당한 재료로 만들어진다. 기판(12)에는, 압전 박막(18)의 양측에 유전 박막(14)과 전극 박막(16)을 가진 압전 박막의 다층 구조를 가진 진동부(20)가 형성된다. 이경우, SiO2가 유전 박막 14를 형성하는데 사용되고, SiO2외에, 예를 들면, SiN 또는 Al2O3가 사용될 수도 있다. 게다가, Al이 전극 박막 16으로 사용되는 것이 바람직하고, Al 외에, 예를 들면, Au, Ag, Cu 가 사용될 수도 있다. 게다가, ZnO가 압전 박막 18에 사용되는 것이 바람직하고, ZnO 외에, AlN 도는 PZT 가 사용될 수도 있다. 한편, 전극 박막 18이 형성되고 진동부 20에 대응하는 부분에서, 에칭, 레이저 공정 또는 샌드블래스팅(sandblasting)에 의해 기판이 제거되어, 진동부 20이 진동할 수 있다.
전극 박막 16에 의해 형성되는 대향전극부의 형태는 바람직하게는, 예를 들면, 대략 원형이다. 이 경우, 진동부 20은 바람직하게는 약 2㎛의 두께를 갖도록 구성되고, 전극 박막 16은 바람직하게는 약 200㎛의 반경을 갖도록 구성된다. 이 경우, 막은 조건 r ≥20t/n 을 만족하도록 구성되는데, 여기서 t는 진동부 20의 두께이고, r은 전극(16)의 반경이다. 특히, 압전 공진기 10의 기계적 품질 계수 Qm이 약 1000 이상일 때, 전극 16의 반경은 r ≥40t/n 내의 범위인 것이 바람직하다. 한편, 전극박막의 형상은 대략 원형에 한정되지 않고, 도 5 에 나타난 것처럼 원의 외접 사각형, 도 6 에 나타난 것처럼 원의 외접 육각형, 도 7 에 나타난 것처럼 원의 외접 팔각형과 같이, 상기한 조건을 만족하는 원을 포함하는 다각형일 수도 있다. 두 대향전극 박막 16은 진동부 20의 대향하는 종단까지 연장되는 것이 바람직하다.
상기한 압전 공진기의 공진 특성은 도 8 에 도시된다. 도 8 로부터 알 수 있듯이, 압전 공진기 10에서, 주진동의 뒤에 스퓨리어스 진동이 없는 공진 특성을 얻을 수 있다. 압전 공진기 10의 특성을 기술하기 위해, 주진동(S0모드)과 스퓨리어스 진동(S1-S9모드) 사이의 관계가 도 9 에 보여질 것이다. 도 9 에서, 수평축은 공진 주파수를 나타내고, 수직축은 진동부 20의 두께 t에 대한 전극 박막 16의 반경 r의 비율 r/t를 나타낸다. 도 9 에서, 수평축에 대략 평행한 실선은 전극 반경으로부터 그려진 것이고, 대략적인 수직선은 각 모드의 곡선의 교선으로부터 그려진다. 이 경우, 수평축의 교선에서의 값은 각 모드에서 공진 주파수를 나타낸다.
도 9 에서, 전극의 반경 r이 감소된다면, 즉, 수직축으로부터 그려진 곧은선은 아래로 이동되고, 스퓨리어스 진동은 주진동으로부터 멀어진다. 전극의 반경이 충분히 작게 만들어지면, 곡선의 교선에서 스퓨리어스 진동이 사라질 것이다. 즉, 스퓨리어스 진동은 발생되지 않는다. 일반적으로, 이 특성은 스퓨리어스 진동을 분리하거나 억제하는데 사용된다.
한편, 전극의 반경 r이 증가된다면, 즉, 수직축으로부터 그려진 곧은 선은 위로 이동되고, 스퓨리어스 진동은 주진동에 접근한다. 이 특성의 이용에 의해, 전극의 반경은 스퓨리어스 진동이 주진동 주위에 모이기에 충분하도록 증가된다. 이 방법에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기 10가 만들어진다. 이경우, 전극의 반경 r이 충분히 크지 않을 때, 일반적인 압전 공진기처럼, 스퓨리어스 진동은 주진동 뒤에 발생되거나, 스퓨리어스 진동은 굴절된 공진 특성을 발생하도록 주진동에 겹쳐진다. 유한요소법에 의한 분석과 실험은 r/t 가 20/n 이상일 때 주진동 주위에 스퓨리어스 진동이 집중됨을 보여주고, 도 10 에 나타난 것처럼, 양호한 특성을 얻을 수 있다. 특히, r/t 가 40/n 이상일 때, 기계적 품질 계수가 약 1000 이상인 경우에, 우수한 특성이 얻어질 수 있다. 우수한 특성을 얻기 위하여, r/t는 큰 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기는, 전극의 반경이 커질수록, 압전 공진기 10의 임피던스를 감소시킬 수 있으므로, 임피던스의 증가는 스퓨리어스 진동의 영향의 감소와 양립될 수 있다.
또한, 주진동 근처에 스퓨리어스 진동을 집중시킴으로써, 이들은 서로 간섭하고, 도 10 에 나타난 것처럼, 공진 주파수와 반공진 주파수 사이의 차이가 주진동만을 사용하는 경우보다 크게 되는 효과가 발생한다. 이 특성에 따르면, 반경이 작은 전극을 사용한 주 진동만이 있는 압전 공진기를 사용한 사다리형 필터의 구조의 경우에 비교하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기 10의 사용에 의해 광범위한 통과 대역을 갖는 필터가 구성될 수 있다.
도 11 은 도 3 과 도 4 에 보인 것과 같은 구조를 갖는 압전 공진기 10의 공진 특성을 보여주는데, 이는 기계적 품질 계수 Qm이 약 500이고 전극의 반경 r이 약 115㎛로 변형되었을 때, 측정된 것이다. 한편, 압전 공진기의 Qm 값은 재료의 변경 또는 진동부 20d을 형성하는 박막의 결합 비율의 변경에 의해 조절될 수 있다. 이 압전 공진기 10은, Qm값이 약 1000 이상인 압전 공진기에 비교하여, 전극의 반경이 작을지라도, 스퓨리어스 진동의 영향은 감소될 수 있다.
전극의 반경 r이 감소함에 따라 진동으로부터 멀어지게 이동하는 경향이 있는 스퓨리어스 진동은 감소된다. 따라서, 전극의 반경이 작을 때, 리플은 공진부와 반 공진부 사이에서 쉽게 발생된다. 한편으로는, 공진기의 Qm 값이 작을 때, 기계적 진동 손실은 커지고, 응답은 작아진다. 그러므로, 공진기의 Qm 값을 감소시키고, 또한 스퓨리어스 진동의 응답을 감소시킴으로써, 리플의 영향은 감소되고, 전극의 작은 반경에서 스퓨리어스 진동의 영향을 줄이는 효과가 얻어질 수 있다. 유한요소법에 의한 분석과 실험은, r/t 가 약 20/n 이상일 때 주진동 주위의 스퓨리어스 진동이 집중되는 것을 보여주고, 도 11 에 도시된 것처럼, 우수한 특성이 얻어질 수 있다. 그리하여, Qm 값의 감소는 작은 압전 공진기가 필요한 경우에 특히 유용한다.
또한, 도 3 과 도 4 에 도시된 압전 공진기에서, SiO2로 구성된 유전체와 ZnO로 구성된 압전체를 포함하는 첫번째 층에 의해 진동부 20이 구성되고, 제 2 층 구조로서의 진동부의 두께가 약 2㎛이고, 또한 막 두께의 비율(SiO2막 두께/ZnO 막 두께)은 약 0.53일 때, 공진 주파수 온도 계수(TCF: Temperature Coefficient of Frequency)가 0 인 공진기를 얻을 수 있다. 그리하여, 온도변화에 따라 공진 주파수가 변하지 않는 압전 공진기가 제공된다.
도 12 는 두 ZnO 와 SiO2의 두 층을 포함하는 두께 세로 진동 공진기의 기본파와 두번째 고조파에서의 TCF와 막두께 사이의 관계를 보인다. SiO2의 탄성 상수의 온도 계수는 양의 값이고, ZnO의 탄성 상수의 온도 계수는 음의 값이다. 따라서, 적절한 비율로 양자를 결합함으로써, 도 12 에 나타난 것처럼, 0 의 TCF를 갖는 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
게다가, 도 13 에 나타난 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기 10의 사용에 의해, 사다리형 필터 30은 얻어질 수 있다. 이 경우, 약 150㎛와 약 200㎛의 반경을 갖는 전극 소자가 제공되고, 직렬측에는 반경이 약 150㎛ 인 전극을 갖는 압전 공진기 10a가 사용되고 병렬측에는 반경이 약 200㎛ 인 전극을 갖는 압전 공진기가 사용된다. 이때, 구성된 각 공진기의 두께는 정밀하게 조정되어, 직렬측의 공진기 10a의 공진 주파수는 병렬측의 공진기 10b의 반공진 주파수에 대응된다. 이 회로는 대역 통과 필터로 사용되고, 대역 통과 특성이 얻어진다.
이런 대역 통과 필터 30에서, 일반적인 압전 공진기를 사용할 때, 병렬측의 공진기의 주진동으로부터 고주파측에서 스퓨리어스 진동이 발생하기 때문에 필터의 통과 대역에서 큰 리플이 발생된다. 반대로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 사용에 의해, 통과 대역에서의 리플은 억제될 수 있다.
또한, 종래의 압전 공진기에 비교하여 공진기의 Δf가 넓어지기 때문에, 광범위한 통과 대역을 갖는 필터가 얻어질 수 있다.
위에서 설명한 것처럼, 본 발명의 첫번째 바람직한 실시예에 따라, 임피던스가 작고 스퓨리어스 진동에 거의 영향을 받지 않는 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
게다가, 공진기의 Qm 을 줄이는 것에 의해, 작은 전극 반경에서 현저한 스퓨리어스-억제-효과(spurious-suppressing-effect)를 갖는 압전 공진기를 얻을 수 있고, 또한 스퓨리어스 진동이 낮은 소형의 압전 공진기를 얻을 수 있다.
게다가, 압전체와 유전체를 탄성 상수의 온도 계수가 서로 반대 부호가 되게 하고, 또한 이들의 막두께를 적절한 비율로 결합함으로써, TCF는 0 이 될 수 있다. 그리하여, 온도변화에 대하여 안정한 공진 주파수를 갖고 주진동이 최소화된 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
도 15 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 한 예를 보인 평면도이고, 도 16 은 압전 공진기의 단면도이다. 이 압전 공진기 110은 {100} Si 기판 112를 포함한다. {100} Si 기판 112는, 진동부를 형성하는 진동판부 116을 주변에서 지지하는데 사용된다.
{100} Si 기판 112의 상면과 하면에는, 예를 들면, 바람직하게는 SiO2와 SiO2막 114b로 만들어진 유전층 114a가, 각각 스퍼터링 방법 또는 열산화 방법 등과 같은 적당한 방법에 의해 형성된다.
{100} Si 기판 112의 거의 중앙에는, 유전층 114a에 의해 진동판부(116)이 형성된다. 이 경우, 예를 들면, 먼저, {100} Si 기판 112의 바닥면의 SiO2막 114b의 거의 중앙에, 이방성(anisotropic) 에칭을 위한 창(window)이 RIE(반발이온에칭: Reactive Ion Etching) 또는 습식 에칭에 의해 패턴(pattern)이 만들어진다.
그런후에, 패턴화된 {100} Si 기판 112 등이 TMAH(테트라메틸암모늄 수산화물), KOH(칼륨 수소화물), EDP(에틸렌디아민 피로카테콜)과 같은 에칭용액에 침지되고, {100} Si 기판 112는 창을 통해 이방성 에칭이 실시된다. 즉, {100} Si 기판의 {100} 표면의 에칭율은 {111} 표면과 다르다. 그 결과, {100} 표면은 {111} 보다 빨리 에칭되고, 특히, 도 16 에 나타난 것처럼, {100} Si 기판 112의 거의 중앙은 에칭되고 그리하여 경사면이 형성되고, 진동판부 116은 유전층 114a로 형성된다.
유전층 114a에, 하부전극 118a, 압전층 120, 상부층 118b 가 이 순서대로 형성된다.
이 경우, 하부전극 118a는, 유전층 114a의 상면에서 거의 중앙을 포함하는 부분에, 예를 들면, Au, Ag, Al과 같은 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다. 또한 압전층 120은, 유전층 114a의 거의 중앙을 포함하는 부분에 대응하게, 하부 전극 118a와 유전층 114a의 상면에, 예를 들면, ZnO 또는 AlN과 같은 압전체로 형성되는 것이 바람직하다. 게다가, 상부 전극 118b는 유전층 114a의 거의 중앙을 포함하는 부분에 대응하게, 압전층 120의 상면에 예를 들면, Au, Ag, Al 과 같은 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다.
또한, 이 경우, 하부전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향하는 부분은, 예를 들면, 약 20/n(n은 진동 모드의 차수이다)의 반경을 갖거나 진동부의 두께 t(도 16 참조)의 배수인 원에 외접하는 사각형으로 구성된다.
또한, 이 경우, 대향전극부는 {100} Si 기판 112의 종단에 대향되는 부분의 종단으로부터의 최단거리 x(도 16 참조)가 2t/n ≤x ≤10t 를 만족하도록 제조된다.
압전층 120을 보호하기 위하여 또는 공진 주파수 온도 계수 TFC를 향상시키기 위하여, 다른 유전층은, 예를 들면, 상부 전극 118b에 SiO2가 형성되어 만들어진다.(도 15 와 도 16 에 도시되지 않음) 이 경우, 재료 또는 다른 유전층의 두께는 요구되는 특성에 따라 설정될 수도 있다.
이 압전 공진기 110에서, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향되는 부분이, 예를 들면, 진동부의 두께 t(도 16 참조)에 약 20/n 배의 반경을 갖는 원형이기 때문에, 매우 효과적인 에너지 트랩핑(energy-trapping)이 수행되고, 하부 전극 118a가 상부 전극 118b에 대향대지 않는 부분에 대향되는 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 부분으로부터의 진동 누설은 감소되고, 에너지의 손실량은 줄어들 수 있게 된다. 또한, 진동의 반사로 인한 진동 감소를 감소시키는 것에 의해, 원하지 않은 진동이 억제된다.
또한, 이 압전 공진기 110에서, {100} Si 기판 112의 종단에 대향하는 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 부분의 종단으로부터 최단거리 x가 약 2t/n 이상이기 때문에, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향되는 부분으로부터 누설 진동의 영향과, {100} Si 기판의 종단에서 반사되고 하부전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향되는 부분으로 돌아가는 진동과, 진동의 반사로 인한 원치않는 진동은 무시해도 된다.
더불어, 압전 공진기 110에서, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 {100} Si 기판의 종단에 대향되는 부분의 종단으로부터 최단 거리 x가 약 10t 이하이므로, 진동판부 116의 작용으로 인한 유전체 기판 114a의 변형은 최소화되고, 진동판부 116은 손상되지 않고 이득이 매우 향상된다.
도 17 은 유한 요소법에 의해, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예를 만족할 때 상부 전극의 종단의 주위의 진동의 상태를 분석한 결과를 보이고, 도 18 은 유한 요소법에 의해, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예의 상태가 만족되지 않을 때, 상부 전극의 종단 주위의 진동의 상태를 분석한 결과를 보인다.
도 18 에 나타난 것처럼, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예를 만족하지 않는 상태일 때, 하부 전극과 상부 전극이 서로 대향하지 않는 부분은 또한 변위되고 진동이 누설된다.
또 한편으로는, 도 17 에 나타난 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예를 만족하는 상태일 때, 하부 전극과 상부 전극이 서로 직접 집중되는 부분에서 진동 누설과 우수한 에너지 트랩핑이 수행된다. 이 방법에서, 누설 진동이 감소되기 때문에, 진동의 반사는 거의 발생하지 않고, 진동 반사로 인한 원치 않는 진동이 최소화된다.
도 19 는 유한 요소법에 의한 진동판부에서 진동의 변위 분포의 분석 결과를 보인다. 도 19 의 그래프에 의해 보이는 것처럼, 하부전극과 상부 전극이 서로 대향되지 않는 부분에서의 진동의 변위는, 상부 전극과 하부 전극이 서로 대향되는 부분이 증가하는 곳으로부터의 거리에 따라 작아지고, 약 2t/n의 거리에서 최대 진폭의 약 10%로 약해진다.
더불어, 실험이 보여주듯, {100} Si 기판의 종단에 하부 전극과 상부 전극이 서로 대향되는 부분의 종단으로부터의 최단 거리 x가 약 2t/n 이상으로 다르게 허용하는 것에 의해, 진동의 반사로 인한 원치 않는 진동은 무시해도 될 만큼 작아진다.
게다가, 거리 x가 커질수록, 원치 않는 진동에 대한 대책이 보다 효과적이 된다. 그러나, 거리 x가 약 10t를 초과할 때, 수율이 대폭 감소된다. 이 이유는 진동판부의 응력으로 인한 큰 변형을 야기하는 진동판부의 향상때문이고, 그러므로, 진동판은 쉽게 파괴된다.
그러므로, {100} Si의 종단에 서로 대향하는 하부 전극과 상부 전극의 부분의 종단으로부터 최단 거리 x를 약 2t/n ≤x ≤10t 로 설정하는 것에 의해, {100} Si 기판의 종단으로부터의 반사로 인한 원치 않는 진동은 무시해도 될 만큼 작아지고, 우수한 수율이 얻어진다.
상기한 압전 공진기에서, 유전층 114a와 압전층 120의 두께 비율의 조정에 의해 TCF가 0 이 되는 것이 가능하다.
도 20 은, ZnO를 포함하는 압전층과 SiO2를 포함하는 유전층의 이중층 구조를 갖는 압전 공진기의 두께 세로 진동의 기본파와 제 2 고조파에 대한, 막 두께 ts/tp(유전층(SiO2)의 막두께/압전층의 막두께)의 비율과 공진 주파수 TCF의 온도 계수 사이의 관계를 보여준다.
유전층(SiO2)의 탄성 상수의 온도 계수는 양의 값을 가지고, 압전층(ZnO)의 탄성 상수의 온도 계수는 음의 값을 가진다.
따라서, 압전층(ZnO)와 유전층(SiO2)를 적당한 막두께 비율 ts/tp 로 결합하는 것에 의해, 공진 주파수 온도 계수는 0이 될 수 있다.
이에 의해, 온도에 대해 공진 주파수가 안정한 압전 공진기가 제공된다.
도 21 은 도 15 에 보인 압전 공진기의 변형예를 도시하는 평면도이다. 도 15 에 보인 압전 공진기와 비교하여, 도 21 에 보인 압전 공진기 111에서는, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 대향하는 전극 부분은 각각 대체로 원형으로 구성된다. 대체로 원형의 반경 r은 약 진동부의 두께 t에 대해 약 20/n배 이상이다.
도 22 는 도 15 에 보인 압전 공진기의 또 다른 변형예의 평면도이다. 도 22 에 보인 압전 공진기 111'에서, 도 15 에 보인 압전 공진기 110과 비교하여, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 대향하는 부분은, 예를 들면, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향되는 부분의 두께 t의 약 20/n 배의 반경을 갖는 원을 포함하는 6각형으로 구성된다.
도 23 은 도 15 에 보인 압전 공진기의 또 다른 변형예를 보인 평면도이다. 도 23 에 보인 압전 공진기 111"에서, 도 15 에 도시된 압전 공진기(110)과 비교하여, 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 대향하는 전극 부분은, 각각 하부 전극 118a와 상부 전극 118b가 서로 대향되는 부분의 두께 t의 약 20/n의 반경을 갖는 원에 외접하는 육각형으로 구성된다.
또한, 도 21~23 에 보인 압전 공진기에서, {100} Si 기판의 종단에 각각 대향하는 하부 전극 118a와 상부 전극 118b의 부분으로부터의 최단 거리 x는 바람직하게는 약 2t/n ≤x ≤10t이다.
따라서, 도 15 에 보인 압전 공진기 110에 의해 얻어지는 같은 효과가 도 21~23 에 보인 압전 공진기에서도 얻어질 수 있다.
한편, 상기한 각각의 압전 공진기에서, 진동판부 116은 기판 112의 이방성 대신 RIE에 의한 수직 공정에 의해 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 압전 공진기 뿐만 아니라 압전 공진기를 포함하는 압전 필터에도 응용될 수 있다.
상술한 것처럼, 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따르면, 원치 않는 진동을 방지하고 상쇄할 수 있으며, 동시에 수율이 대폭 향상된 압전 공진기를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에 따르면, 원치 않는 진동을 방지하고 수율이 대폭 향상된 압전 공진기를 포함하는 압전 필터가 제공된다.
도 24 는 본 발명의 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 한 예를 보이는 평면도이고, 도 25 는 도 24 의 단면도이다. 압전 공진기 210은 약 2㎓ 의 공진 주파수를 갖는 두께 세로 진동의 기본파(n=1)를 사용하는 것이 바람직하다. 압전 공진기(210)는 기판을 포함한다. 기판 212는 {100} Si로 형성되는 것이 바람직하다. 두 공진기 213a와 213b는 기판 212에서 병렬로 전기적으로 연결된다. 각각의 공진기 213a와 213b는 진동부 220를 포함한다. 이 진동부 220은 기판 212에서 유전 박막 214, 전극 박막 216, 압전 박막 218, 전극 박막 216, 유전 박막 214를 이 순서대로 적층시킴으로써 구성되는 것이 바람직하다. 이 바람직한 실시예에서, 유전 박막 214는 SiO2로 형성되는 것이 바람직하고, 전극 박막 216은 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직하고, 압전 박막은 ZnO로 형성되는 것이 바람직하다. 각 막의 두께는 SiO2/Al/ZnO/Al/SiO2= 0.3/0.1/1.1/0.1/0.3 (단위:㎛)인 것이 바람직하다. 한편, 기판 212는 파이렉스 글래스, 변형, GaAs와 같은 적절한 재료로 형성될 수도 있다. 유전 박막 214는 SiN, Al2O3와 같은 적절한 재료로 형성될 수도 있다. 압전 박막 218은 AlN, PZT와 같은 적절한 재료로 형성될 수도 있다. 전극 박막 216은 Au, Ag와 같은 적절한 재료로 형성될 수도 있다.
전극 박막 216은 반경 r을 갖는 원에 외접하는 사각형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 사각형의 한측의 길이 2r은 약 150㎛인 것이 바람직하다. 또한, 대향부에서 전극 박막 216의 두께 t는 약 1.9㎛인 것이 바람직하다. 그리하여, 바람직한 실시예에서 진동은 r ≥20t/n의 조건을 만족한다. 전극 박막 216은 진동부 220의 외부로 확장된다. 전극 박막 216의 형태는 상기 상태를 만족하는 원을 포함하는 대체로 원형 또는 다각형이 될 수 있다.
이 바람직한 실시예의 압전 공진기 210은 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 이 바람직한 실시예에서, 한 공진기 213a와 다른 공진기 213b는 약 4㎒로 서로 이동된 공진 주파수를 갖도록 구성된다. 한 공진기 213a와 다른 공진기 213b에서 전극 박막 216의 두께의 변화를 포함하는 공진 주파수의 이동을 위한 방법은, 공진기 213의 후면으로부터 전극 박막 216의 반대부의 근처에서 은(Ag)과 같은 금속을 증발(증발 트리밍 : evaporation trimming)하거나, 금속 박막 216의 크기를 변경하는 등의 방법을 사용한다. 전극 박막 216의 크기(영역)의 변경에 의해 주파수가 이동되면, 이는 패턴의 단순한 변경에 의해 성취되는데, 스텝(step)이 형성된 전극의 수는 증가될 필요가 없다. 한편, 이동량이 거의 4㎒로 한정되지 않을 지라도, 본 발명의 바람직한 실시예의 이점을 이루기 위하여, 한 공진기의 공진 주파수에 대해서, 다른 공진기의 공진 주파수는 ±0.5% 이내의 값을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시예의 압전 공진기 210은 다음 단계를 따라 구성되는 것이 바람직하다. 먼저, 유전 박막 214로써, SiO2막은 열산화(thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), CVD 등의 방법으로 {100} Si 기판에 형성된다. 더불어, 압전 박막 218으로써, ZnO막은 SiO2막 위에 형성된다. 더불어, 상부 전극박막 216으로써, 알루미늄막은 하부 전극 박막 216에 대향되도록 그 위에 형성된다. ZnO막은 두께-전단 진동을 사용할 때 두께 방향에서 분극되고, 두께 세로 진동을 사용할 때 대체로 두께 방향으로 분극되는 압전 박막 218으로 된다. 이 바람직한 실시예에서, ZnO막은 두께 세로 진동을 사용하는 두께 방향에서 분극된다. 더불어, 유전 박막 214으로써, SiO2막은 스퍼터링이나 CVD 방법과 같은 적절한 방법에 의해 최상층에 형성되는 것이 바람직하다. 한편 전극 박막 216이 대향되는 부분과 진동부 220 밑부분 영역에서 기판 212은 이방성 에칭, RIE, 레이져 처리, 샌드블래스팅(sandblasting)과 같은 방법에 의해 제거된다.
도 26 은 한 변이 약 150㎛의 길이를 갖는 사각 전극 박막이 형성되고, 진동부의 적층체와 각 층의 두께가 상술한 공진기와 동일한 단일 공진기 213의 임피던스 특성의 그래프를 도시한다. 이 경우, 다수의 비고조파 모드(non-harmonic higher mode)에 의해 발생된 스퓨리어스 진동은 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에서 보이게 된다.
도 27 은 한 변이 약 230㎛의 길이를 갖는 사각 전극 박막이 형성되고, 진동부의 적층체와 각 층의 두께가 상기한 공진기와 동일하고, 단일 공진기 213의 임피던스 특성의 그래프를 도신한다. 이 경우, 공진과 반공진 사이의 스퓨리어스 진동의 영향은 작다. 그러나, 이 압전 공진기에서, 전극의 크기가 증가할수록, 진동부는 형성하기가 어려워지고, 수율은 이 바람직한 실시예보다 작다. 또한, 진동부는 쉽게 변형되거나 파괴될 수 있다.
또 한편으로는, 도 28 은 바람직한 실시예의 압전 공진기 210의 임피던스 특성을 보여주는 그래프이다. 도 28 에 나타난 것처럼, 이 바람직한 실시예의 압전 공진기에서, 공진과 반공진 사이의 스퓨리어스 진동의 영향은 도 26 에 나타난 장치와 비교하여 작다. 게다가, 병렬로 연결된 공진기 213a와 213b에서 각 진동부 220의 크기가 도 27 에 나타난 것보다 작기 때문에, 진동부 220은 쉽게 형성되고, 변형이나 파괴를 방지하게 된다.
도 29 는 본 바람직한 실시예의 압전 공진기 210을 구성하는 각 공진기 213a와 213b의 임피던스 특성을 함께 보인 것이다. 고조파가 아닌 더 높은 모드로 인한 다수의 스퓨리어스 진동이 공진 주파수와 반공진 주파수의 임피던스 특성 사이에 발생한다. 또한, 스퓨리어스 진동의 영향으로 인한 샤프한 부분이 존재하고, 이 부분은 공진 주파수와 반공진 주파수 사이의 임피던스 곡선(curve) 부분에서 부드럽게 변화한다. 한 공진기 213a의 공진 주파수를 다른 공진기 213b의 공진 주파수로부터 조금(약 ±0.5% 이내) 이동시키는 것에 의해, 한 공진기 213a의 임피던스 곡선에서 샤프한 부분은 다른 공진기 213b의 임피던스 곡선의 부드럽게 변하는 부분과 결합될 수 있다. 그리하여, 결합후에, 결합 전의 각각의 특성에 비교하여 샤프한 부분이 각각 감소하기 때문에, 스퓨리어스 진동에 거의 형향을 받지 않는 압전 공진기 210를 얻을 수 있다.
도 30 은 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 또다른 예를 보여주고, 도 31 은 도 30 의 단면도를 보인다. 도 32 는 도 31 에 보인 바람직한 실시예의 압전 공진기 211의 특성을 보인 그래프이다. 이 압전 공진기 211은 직렬로 전기적으로 연결된 기판 212위의 두 공진기 213과 214를 보인 도 24의 바람직한 실시예와 다르다. 도 32 에 나타난 것처럼, 도 30 에 보인 압전 공진기에 따라, 도 24 에 보인 공진기와 같은 효과를 얻게 된다.
도 33 과 도 34 는 세번째 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 각각 보인다. 도 35 는 도 33 또는 도 34 에 보인 실선 XII-XII을 따른 단면도이다. 도 33 에 보인 압전 공진기는 공통 진동판을 갖는 동일한 진동부 220 이 형성되고 공진 주파수가 약간 다르고 병렬로 전기적으로 연결된 다수의 공진기 213a와 213b인 특징을 갖는다. 또한, 도 34 는 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기의 다른 예를 보인 평면도이다. 이 압전 공진기는 공통 진동판을 갖는 동일한 진동부 220이 형성되고 공진 주파수가 약간 다르고 직렬로 전기적으로 연결된 다수의 공진기 213a와 213b인 특징을 갖는다.상기한 것과 같은 효과가 이들 압전 공진기에 의해 얻어진다.
게다가, 이 바람직한 실시예의 압전 공진기는 한 공진기 213a와 공진부 220 사이와 다른 공진기 213b와 진동부 220 사이의 거리 d가 공진 주파수의 파장의 약 1/2 이 되도록 제조된다. 이에 의해, 두 공진기 213a와 213b의 상호 영향으로 인한 스퓨리어스 진동의 발생과 같은 특성에서의 저하가 방지될 수 있다. 또한, 진동파의 약 1/2 인 거리 d의 설정에 의해, 공진기는 최소 공간으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있고, 장치는 매우 작은 크기를 갖는다. 진동파의 약 1/2 배 이상의 거리 d도 충분하다.
도 36 은 ZnO 막 두께의 비율(ZnO막 두께/진동부에서 ZnO와 SiO2전체 막의 두께)과 공진 주파수의 온도 계수(이후 TCF: Temperature Coefficient of Frequency 라 한다.) 사이의 관계를 보인 그래프이다. SiO2의 탄성 상수의 온도 계수는 양의 값이고 ZnO의 탄성 상수의 온도 계수는 음의 값이기 때문에, 적절한 비율로 이들을 결합하는 것에 의해, 온도의 변화에 따라 변하지 않는 공진 주파수가 0 의 값을 갖는 압전 공진기를 얻을 수 있다.
예를 들면, 압전 공진기에서, 진동부 220에서 각 층의 두께를 ZnO 막의 막 두께에 약 45%의 비율이 되도록 조절하는 것에 의해, 도 36 에 보인 것처럼, TCF는 0 이 될 수 있다. 세번째 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기를 갖는 필터 230의 등가 회로는 도 37 에 도시된다. 한편, 도 37 이 L형 필터의 예를 보일지라도, T형이나 π형 사다리 필터가 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에 따른 압전 공진기를 포함하여 만들어질 수 있다.
한편, 상기한 본 발명의 바람직한 실시예의 각각에서, 두 공진기 213a와 213b가 한 기판 212에 형성되는 것이 바람직할 지라도, 더 많은 공진기가 병렬 또는 직렬로 연결되어 형성될 수 있다. 또한, 한 기판 212에 형성된 공진기를 갖는 다수의 장치는 하나의 압전 공진기를 형성하기 위한 와이어 결합 방법 또는 다른 정당한 방법에 의해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 다수의 전극박막 216의 쌍은 두께 방향에서 같은 진동부 220에 적층 될 수도 있고, 전극 박막 216은 직렬 또는 병렬로 연결되어 압전 공진기를 구성할 수도 있다.
위에서 설명한 것처럼, 세번째 바람직한 실시예에 따르면, 용이하게 생산되고 좋은 내구력을 갖는 비교적 소형의 전극이 형성된 다수의 공진기를 직렬 또는 병렬로 연결하여 공진 주파수가 약간 이동되는 것에 의해, 대형 전극이 형성된 단일 공진기와 동일한 효과로 스퓨리어스 진동 억제 효과를 갖는 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
또한, 약간 이동된 공진 주파수를 갖는 공진기를 직렬 또는 병렬로 연결하는 것에 의해, 임피던스는 스퓨리어스 특성이 향상되는 동안 조절될 수 있다. 더 명확하게, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스퓨리어스 진동에 영향을 받지 않고 원하는 임피던스를 갖는 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
더불어, 진동부를 형성하는 압전체와 유전체의 탄성 상수의 온도 계수에 서로 반대 부호를 적용함으로써, 또한 이들을 막 두께의 적정한 비율로 결합하는 것에 의해, TCF는 0 이 될 수 있다. 이에 의해, 스퓨리어스 진동에서 그리고 온도 변화에 따른 일정한 공진 주파수를 갖는 압전 공진기가 얻어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 설명되는 동안, 이곳에 설명된 수행된 원리의 다양한 방법은 다음의 청구항의 관점에서 예상된다. 그러므로, 본 발명의 관점은 청구항에서 다르게 확장되는 것을 제외하고 한정되지 않는다.
상기한 본 발명에 따르면, 작은 임피던스를 갖고 스퓨리어스 진동에 의해 영향을 거의 받지 않는 압전 공진기가 제공된다.
또한, 필터가 넓은 통과 대역을 갖는 동안, 통과 대역에서 압전 공진기의 스퓨리어스 진동의 영향때문에 발생하는 리플이 최소화되는 압전 필터가 제공된다.

Claims (20)

  1. 두께 세로 진동(thickness longitudinal vibration) 또는 두께 전단 진동(thickness-shear vibration)의 n차 모드를 사용하는 압전 공진기는,
    압전층을 포함하는 진동부;
    상기 압전층의 양측에 각각 형성되고, 상기 압전층을 거쳐서 서로 부분적으로 겹쳐져서 대향전극부를 형성하루는 한 쌍의 전극; 및
    상기 진동부를 지지하도록 배열되어, 상기 진동부가 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동의 n차 모드에 따라 진동하는 지지부재를 포함하며,
    상기 대향 전극부는 반경 r을 갖는 실질적으로 원형과 반경 r을 갖는 실질적으로 원형에 외접하는 다각형 중의 한 형상이고, 상기 반경 r은, 다음의 부등식 20t/n ≤r (여기서 t는 진동부의 두께이다)을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 압전 공진기의 기계적 품질 계수가 약 1000 이상이고, 상기 실질적인 원형의 반경 r은 다음 부등식 40t/n ≤r을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 압전 공진기의 기계적 품질 계수가 약 1000 미만일 때, 상기 실질적인 원형의 반경 r은 다음 부등식 20t/n ≤r< 40 을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 진동부는 유전층을 더 포함하고, 상기 압전층과 상기 유전층의 탄성 상수의 온도 계수는 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    상기 진동부는 다른 압전층을 더 포함하고, 상기 두 압전층의 탄성 상수의 온도 계수는 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    상기 대향 전극부의 종단으로부터, 상기 진동부를 지지하는 상기 지지부재의 영역의 종단까지의 최단 거리 x는 다음 부등식 2t/n≤x ≤10t 를 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 지지부재가 상기 진동부를 지지하는 영역은 대향전극부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  8. 청구항 1 에 있어서,
    상기 대향전극부의 형상은 실질적인 원형에 외접하는 사각형, 실질적인 육각형, 실질적인 팔각형 중의 하나인 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  9. 청구항 1 에 있어서,
    상기 두 대향전극은 진동부의 양단에 연장되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  10. 청구항 1 에 있어서,
    상기 진동부는 ZnO로 만들어진 압전체와 SiO2로 만들어진 유전체를 포함하는 제 1 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  11. 청구항 10 에 있어서,
    상기 SiO2의 탄성 상수의 온도 계수는 양의 값이고, 상기 ZnO의 탄성 상수의 온도 계수는 음의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  12. 청구항 1 에 있어서,
    상기 압전 공진기는 0의 TCF를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  13. 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동의 n차 모드를 사용하는 제 1 압전 공진기 소자와 제 2 압전 공진기 소자로 구성되는 압전 공진기에서,
    상기 제 1 압전 공진기와 상기 제 2 압전 공진기 각각은,
    압전층을 포함하는 진동부;
    상기 압전층의 반대면에 각각 형성되고, 상기 압전층을 경유하여 서로 부분적으로 겹쳐져서 대향전극부를 이루는 한 쌍의 전극;및
    n차 모드의 두께 세로 진동 또는 두께 전단 진동에 따라 진동하는 상기 진동부를 고정하는 지지부;로 구성되고,
    반경 r을 갖는 대체로 원형이거나 반경 r을 갖는 대체로 원형에 외접하는 다각형의 하나를 갖는 상기 대향전극부에서, 반경 r은 t가 상기 진동부의 두께일 때, 다음의 부등식 20t/n ≤r < 40을 만족하며,
    상기 제 1 압전 공진기 소자와 상기 제 2 압전 공진기 소자는 병렬과 직렬 중의 하나로 전기적으로 연결되고, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  14. 청구항 13 에 있어서,
    상기 제 1 압전 공진기 소자와 상기 제 2 압전 공진기 소자의 각 압전층은 서로 일체화 되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  15. 청구항 13 에 있어서,
    상기 제 1 공진기 소자와 상기 제 2 공진기 소자의 공진 주파수는 서로 약 0.5% 만큼 다른 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  16. 청구항 13 에 있어서,
    상기 제 1 압전 공진기 소자의 진동부는 상기 제 2 압전 공진기 소자의 진동부와, 상기 제 1 압전 공진기 소자의 공진 주파수의 파장의 1/2과 실질적으로 같거나 그 이상의 간격을 두고 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  17. 청구항 13 에 있어서,
    상기 제 1 압전 공진기 소자의 대향전극부의 크기는 상기 제 2 압전 공진기 소자의 대향전극부의 크기와 다른 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  18. 청구항 13 에 있어서,
    압전 공진기는 0의 TCF를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  19. 청구항 1 에 기재된 압전 공진기를 복수개 포함하고 있으며, 상기 복수개의 압전 공진기들은 접속되어 필터 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 필터.
  20. 청구항 13 에 기재된 압전 공진기를 복수개 포함하고 있으며, 상기 복수개의 압전 공진기들은 접속되어 필터 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전 필터.
KR10-2001-0036047A 2000-06-23 2001-06-23 압전 공진기와 이를 이용한 압전 필터 KR100430366B1 (ko)

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