KR100431767B1 - 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서에 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력센서는, 상측은 얇은 박막을 형성하고, 하측은 기판을 형성하여 내부에 슬릿을 구비한 압전기판과; 상기 압전기판의 슬릿을 통과하는 슬릿탄성파와; 상기 압전기판 슬릿내의 외측에 형성되어, 전기적인 입력 신호를 슬릿탄성파로 변환하는 입력 IDT와; 상기 입력 IDT와 반대되는 외측에 형성하면서, 전파된 슬릿탄성파를 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 출력 IDT를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서는, SAW 소자의 공진기에서 발생되는 표면탄성파를 적용하는 것과 같이, 공진기에서 발생된 슬릿표면파의 변화되는 주파수와 속도의 상관 관계를 적용하여 외부 압력의 강도를 감지할 수 있다.

Description

슬릿탄성파를 이용한 압력 센서{PRESSURE SENSOR USING OF SAW}

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 특히 SAW 소자의 공진기에서 발생되는 표면탄성파를 적용하는 것과 같이, 공진기에서 발생된 슬릿표면파의 변화되는 주파수와 속도의 상관 관계를 적용하여 외부 압력의 강도를 감지할 수 있는 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서에 관한 것이다.

최근, 이동 통신 시스템의 발전에 따라, 휴대 전화, 휴대형의 정보 단말 등의 이동 통신 기기가 급속히 보급되어, 이들 기기의 소형화 및 고성능화의 요구로부터 이들에 사용되는 부품의 소형화 및 고성능화가 요구되고 있다. 또한, 휴대 전화에 있어서는 아날로그 방식과 디지털 방식의 2개의 종류의 무선 통신 시스템이 이용되고 있고, 무선 통신에 사용하는 주파수도 800㎒ ~ 1㎓ 대와, 1.5㎓ ~ 2.0㎓ 대로 다방면에 걸쳐 있다.

상기 이동 통신 시스템에 있어서, 일반적으로 사용되는 안테나 듀플렉서에는 대부분 저손실, 내전력성, 온도 안정성 등이 고려된 유전체 공진기 듀플렉서가 사용되어 왔다.

그러나, 최근 SAW 필터의 저손실 설계방법, 내전력성 재료 개발, 온도 특성이 안정된 기판 개발이 급속히 진행되면서, 상기 SAW 듀플렉서를 적용하는 움직임이 진행되고 있다.

상기 유전체 듀플렉서와 상기 SAW 듀플렉서의 장단점을 비교하면, 상기 SAW 듀플렉서는 내전력성을 제외하고는 모든 특성이 유전체보다 우수하거나 동등하다. 특히, 외형치수를 비교하면 상기 SAW 듀플렉서가 절대적으로 우수함을 알 수 있다. 다만, 현재 가격적으로는 유전체 공진기형 듀플렉서에 비해서 훨씬 비싸나 반도체 공정을 이용하는 SAW 제조공정의 특성상 양산화되면 가격은 안정화되어 유전체 공진기와 경쟁력을 가질 것이다.

도 1은 일반적인 표면탄성파(SAW) 필터를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 표면 탄성파 필터는 단결정 기판(101), 입력 변환기(102), 출력 변환기(103)로 이루어진다.

상기 단결정 기판(101)은 일반적으로 쿼츠(Quartz), 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃), 리튬 나이오베이트(LiNbO₃) 등의 압전 단결정 기판으로 형성되면, 상기 입력 변환기(102)와 상기 출력 변환기(103)는 금속 박막으로 형성된다.

상기 도 1에서, 입력 변환기(102)에 인가된 전기적 신호는 압전 단결정 기판(101)에 의해 기계적인 파동으로 변환되어, 매질인 단결정 기판(101)을 통해 출력 변환기(103)로 전파되어 나간다. 출력 변환기(103)에 도달된 파동을 압전 효과에 의해 다시 전기적인 신호로 변환되어 출력된다.

즉, 상기 SAW 필터는 이동 통신 단말기에서 고주파 신호를 필터링하기 위해 일반적으로 사용되는 필터로서, 압전 단결정 기판 위에 금속 박막으로 변환기를 패턴화하여 입출력 단자에 연결함으로써 원하는 주파수의 신호만을 선택적으로 통과시키는 수동소자이다.

상기 SAW 필터의 공진기에서 주파수 응답전체 전달함수는 압전체의 재료물성과 결정체의 순도, 금속박막의 재료특성 등의 재료적인 특성과 전극 설계시 고려되는 변수들을 포함하는 디바이스 변수의 복합적인 함수로 주어진다.

이 때, 상기 공진주파수 범위의 최소값의 한계는 디바이스의 크기에 의해 결정되며, 최대값의 한계는 전극의 선폭과 전파손실에 의해 제약받는 것으로 알려져 있다. 공진기는 특성상 대역폭이 매우 좁은 주파수응답과 긴 임펄스 응답을 가지므로 전극 설계에 따른 매우 정확한 전극의 제조에 의해서만이 원하는 특성을 구현할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, SAW에 적용되는 특성들을 고려하여 다른 응용분야에서도 적용되는 움직임들이 있다. 그 중에서도 압력 센서에 상기 SAW 필터 공진기를 적용하여 보다 정확한 압력 센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 SAW 소자의 공진기에서 발생되는 표면탄성파를 적용하는 것과 같이, 공진기에서 발생된 슬릿표면파의 변화되는 주파수와 속도의 상관 관계를 적용하여 외부 압력의 강도를 감지할 수 있는 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 표면탄성파 필터를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력센서의 구성의 단면을 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

201 --- 입력 IDT 202 --- 출력 IDT

203 --- 압전기판 204 --- 슬릿

205 --- 박막

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력센서는,

상측은 얇은 박막을 형성하고, 하측은 기판을 형성하여 내부에 슬릿을 구비한 압전기판과;

상기 압전기판의 슬릿을 통과하는 슬릿탄성파와;

상기 압전기판 슬릿내의 외측에 형성되어, 전기적인 입력 신호를 슬릿탄성파로 변환하는 입력 IDT와;

상기 입력 IDT와 반대되는 외측에 형성하면서, 전파된 슬릿탄성파를 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 출력 IDT를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 슬릿은 상기 얇은 박막으로 형성된 압전기판의 상측에 외부압력을 가하면 슬릿 폭이 변하여 슬릿내의 전파되는 슬릿탄성파의 속도가 달라지는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 압전 기판은 그 적용되는 성질에 따라 슬릿탄성파의 속도가 달라지는 점에 그 특징이 있다.

이와같은 본 발명에 의하면, SAW 소자의 공진기에서 발생되는 표면탄성파를 적용하는 것과 같이, 공진기에서 발생된 슬릿탄성파의 변화되는 주파수와 속도의 상관 관계를 적용하여 외부 압력의 강도를 감지할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력센서의 구성의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력센서는, 상측은 얇은 박막(205)을 형성하고, 하측은 기판을 형성하여 내부에 슬릿(204)을 구비한 압전기판(203)과; 상기 압전기판의 슬릿을 통과하는 슬릿탄성파와; 상기 압전기판 슬릿(204)내의 외측에 형성되어, 전기적인 입력 신호를 슬릿탄성파로 변환하는 입력 IDT(201)와; 상기 입력 IDT(201)와 반대되는 외측에 형성하면서, 전파된 슬릿탄성파를 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 출력 IDT(202)를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

먼저, 상기 압전기판(203)은 내부에 슬릿(204)을 갖는 형태이고, 그 슬릿(204) 내부의 상측 압전기판을 얇은 박막(205)으로 구성하고, 하측의 압전기판(203)상 외측면에 상기 입력 IDT(201)를 형성한다, 상기 입력 IDT(201)에서는 전기적인 신호를 슬릿탄성파인 진동형태 신호로 변환하게 되고, 상기 슬릿탄성파는 상기 압전기판(203)을 따라 전파되게 되는 것이다.

즉, 상기 SAW 소자는 절연성이 큰 기판에 금속 전극을 형성해 압전을 걸면 일시적으로 기판 표면이 뒤틀리는데, 이 작용을 이용해 물리적인 파를 일으키게 된다. 상기 SAW 소자 표면을 전달하는 물결 속도가 전자파보다 느리기 때문에 일시적으로 전기 신호를 지연시키거나 특정 주파수 신호만을 통과시키는 필터로 이용된다.

따라서, 상기 압전기판(203)을 따라 전파되는 특정 주파수 신호인 슬릿탄성파는 일반적인 SAW 소자의 표면탄성파와 같은 개념으로 기판의 표면을 따라 전달되는 파동의 상태를 나타내는 것이다. 여기서, 파동 형태는 상기 압전기판의 성질에 따라 진행되는 파의 종류가 횡파, 종파 등으로 달라질 수 있다. 또한, 상기 종류의 진행파들은 매질의 특성등 여러가지 조건들에 의해 감쇄되는 특징을 지닌다.

한편, 상기 압전기판(203)의 내부 슬릿(204)의 상측 박막(205)은 외부 압력을 가하면 기판의 형태에 변형될 정도의 얇은 압전기판으로 형성되어 있으며, 상기 슬릿(204)에서 상기 슬릿탄성파가 진행될 수 있도록 한다. 상기 압전기판(203)을 따라 전파되는 슬릿탄성파는 다시 상기 출력 IDT(202)에서 진동형태의 신호를 전기적인 신호로 변환하게 된다.

여기서, 상기 박막(205)에 외부 압력을 가하게 되면, 상기 슬릿(204)의 형태는 압력에 의해 변하게 되고, 상기 슬릿(204)내에 진행되는 상기 슬릿탄성파의 속도가 변하게 된다. 즉, 상기 슬릿(204)의 폭에 따라 슬릿탄성파의 속도가 달라지게 된다.

따라서, 상기 외부의 압력의 강도에 따라 상기 슬릿의 형태는 변하면, 상기슬릿탄성파의 속도가 다르게 되는 것을 적용하여, 그 속도와의 상관 관계를 구하여 상기 외부 압력의 강약을 감지할 수 있다.

먼저, 상기 박막(205)에 압력을 가하지 않은 상태의 슬릿내에서 상기 입력 IDT(201)의 전기적인 신호의 주파수 및 속도를 계산하고, 상기 출력 IDT(202)의 전기적인 신호의 주파수 및 속도를 비교하게 된다. 여기서, 상기 입력과 출력 신호의 주파수 및 속도의 변화는 거의 없게 된다.

그리고, 상기 박막(205)에 외부 압력을 가해지면, 상기 입력 IDT(201)의 전기적 신호의 주파수 및 속도를 계산하고, 상기 출력 IDT(202)의 전기적 신호의 주파수 및 속도를 계산하게 된다. 여기서는, 상기 입력과 출력 신호의 주파수 및 속도가 달라지게 된다. 또한, 이는 f = ν/λ 라는 식을 적용하여 상관 관계를 구할 수 있다.

즉, 상기 입력 IDT(201)의 신호와 상기 출력 IDT(202)신호의 주파수 및 속도가 달라지는 것은 상기 박막(205)에 외부적인 압력이 가해지면 상기 박막(205)은 압력을 받아 슬릿으로 휘게 되며, 슬릿내에서 진행되는 슬릿탄성파에 변화를 주게 되는 것이다.

따라서, 미리 압력의 강도에 따른 주파수 및 속도를 외부적인 장치에 셋팅하고, 상기 박막(205)에 가해지는 압력에 따른 변화된 속도 값과 비교하면 압력 강도를 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서는, SAW 소자의 공진기에서 발생되는 표면탄성파를 적용하는 것과 같이, 공진기에서 발생된 슬릿표면파의 변화되는 주파수와 속도의 상관 관계를 적용하여 외부 압력의 강도를 감지할 수 있다.

Claims (3)

1. 상측은 얇은 박막을 형성하고, 하측은 기판을 형성하여 내부에 슬릿을 구비한 압전기판과;

   상기 압전기판의 슬릿을 통과하는 슬릿탄성파와;

   상기 압전기판 슬릿내의 외측에 형성되어, 전기적인 입력 신호를 슬릿탄성파로 변환하는 입력 IDT와;

   상기 입력 IDT와 반대되는 외측에 형성하면서, 전파된 슬릿탄성파를 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 출력 IDT를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬릿은 상기 박막에 가하는 압력에 따라 폭이 변하게 되고, 상기 슬릿의 폭이 변함에 따라 슬릿내의 전파되는 슬릿탄성파의 속도가 달라지는 것을 특징으로 하는 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 기판은 적용되는 그 기판의 성질에 따라 슬릿탄성파의 속도가 달라지는 것을 특징으로 하는 슬릿탄성파를 이용한 압력 센서.