KR100476913B1 - 탄성표면파 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사붕산리튬 단결정에 의한 압전기판(11) 상에 메인 탄성표면파 필터(F1)를 형성하고 있고, 메인 탄성표면파 필터(F1)의 출력에 포함되는 벌크파에 기인하는 고역측 불필요 성분을 취소하기 위해 메인 탄성표면파 필터(F1)와 병렬로 서브 탄성표면파 필터(F2)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성표면파 소자{SURFACE ACOUSTIC WAVE DEVICE}
본 발명은 특히 트랜스버설(transversal) 필터형의 탄성표면파 소자의 개량에 관한 것이다.
트랜스버설형의 탄성표면파 소자는 다음과 같이 제조되고 있다. 사붕산리튬(LBO) 등의 압전기판의 표면에 알루미늄(Al) 등의 금속막을 형성하고, 이 금속막을 리소그래피 기술에 의해 가공하여 빗(櫛)형 전극, 실드 전극 등을 형성하고 있다.
빗형 전극은 입력측 빗형 전극과 출력측 빗형 전극으로 이루어지고, 이 입력측 빗형 전극과 출력측 빗형 전극과의 사이에 실드 전극을 형성하고 있다.
트랜스버설형의 탄성표면파 소자에서는 입력측 빗형 전극에서 여진(勵振)된 탄성표면파가 출력측 빗형 전극에 전달된다. 이 때 벌크파가 발생하고, 출력측 빗형 전극에 전파된다. 벌크파는 압전기판의 내부로 전파되기 때문에 압전기판의 표면에서 전파되는 표면파보다도 늦게 출력측 전극에 도달한다.
이 결과, 출력측 빗형 전극의 출력신호를 해석하면, 본래의 탄성표면파의 통과대역 특성보다도 고역측에 벌크파에 의한 고주파 성분이 생기고 있다. 따라서, 탄성표면파 소자의 필터 특성은 고주파측의 감쇠특성이 떨어지는 것으로서 관찰된다.
상기한 바와 같은 벌크파를 억제하기 위해 압전기판의 전극이 형성되어 있는 면과 반대측 면에 홈을 형성하고, 거친 가공을 실시, 흡음재(吸音材)를 도포하는 등의 대책이 고안되고 있다. 그러나, 사붕산리튬 기판을 이용하는 탄성표면파 소자에서는 그 이외의 예를 들면 수정기판을 이용한 소자에 비해 벌크파 응답이 크다. 이 때문에 상기한 벌크파 억제대책으로는 불충분하다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 의한 탄성표면파 소자의 표면(필터 소자면)을 모식적(模式的)으로 나타낸 평면도,
도 2는 도 1의 메인 탄성표면파 필터의 주파수 특성을 나타낸 도면,
도 3은 도 1의 서브 탄성표면파 필터의 주파수 특성을 나타낸 도면, 및
도 4는 도 2와 도 3의 필터의 주파수 특성이 맞춰진 상태로서, 도 1의 탄성표면파 소자의 전체 주파수 특성을 나타낸 도면이다.
그래서 본 발명은 벌크파 등의 불필요한 파가 작용하여 생기는 고주파 성분을 실용 레벨까지 억제할 수 있고, 대역통과특성이 뛰어난 탄성표면파 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은 벌크파 등의 불필요한 파에 의해 생기는 고주파 성분을 실용 레벨까지 억제할 수 있고, 사붕산리튬 기판을 이용할 수 있는 탄성표면파 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 압전기판 상에 형성된 입력측 빗형 전극, 실드전극, 출력측 빗형 전극으로 이루어지는 메인 탄성표면파 필터와,
상기 메인 탄성표면파 필터에 병렬로 접속되고, 상기 압전기판 상에 형성된 입력측 빗형 전극, 실드 전극, 출력측 빗형 전극을 갖는 서브 탄성표면파 필터를 갖고,
상기 서브 탄성표면파 필터는 주파수축 상에서 상기 메인 탄성표면파 필터의 통과대역보다도 고역측에 벌크파에 의해 생기는 고역성분을 저감하기 위한 상쇄(cancel)용 고역통과대역을 가진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태이다. 도 1에 있어서, '11'은 사붕산리튬 단결정으로 이루어진 압전기판이다.
이 압전기판(11) 상에는 메인 탄성표면파 필터(F1)와, 서브 탄성표면파 필터(F2)가 형성되어 있다. 메인 탄성표면파 필터(F1)는 본래의 입력신호를 필터 처리하여 출력하는 기능을 가진다. 이것에 대해 서브 탄성표면파 필터(F2)는 벌크 파에 의해 생기는 고역성분을 저감하기 위한 불필요한 성분 상쇄용 필터로서 기능한다.
또, 본 실시형태에 있어서 벌크파란 압전기판표면에 전파되는 표면파를 제외한 다른 전파형태의 파를 가리킨다.
메인 탄성표면파 필터(F1)의 구성에 대해 설명한다.
압전기판(11) 상에는 입력측 빗형 전극(입력 인터디지털 트랜스듀서(IDT)라고도 한다)(100)과 출력측 빗형 전극(출력 인터디지털 트랜스듀서(IDT)라고도 한다)(200)으로 이루어지고, 이 입력측 빗형 전극(200)과 출력측 빗형 전극(200) 사이에 실드 전극(300)을 형성하고 있다.
입력측 빗형 전극(100)은 병렬로 대향하고, 빗살형상의 전극지(電極指; electrode finger)를 갖는 제 1, 제 2 공통전극(101, 102)으로 이루어진다. 제 1, 제 2 공통전극(101, 102)의 빗살형상의 전극지는 서로 교대로 배열되어 있는, 즉 인터리브(interleave)되어 있다. 출력측 빗형 전극(200)도 같은 구성이고, 제 1, 제 2 공통전극(201, 202)을 갖는다.
상기 입력측 빗형 전극(100), 출력측 빗형 전극(200), 실드 전극은 사붕산리튬 단결정으로 이루어지는 압전기판(11) 상에 알루미늄(Al) 등의 금속막을 형성하고, 이 금속막을 리소그래피 기술에 의해 가공하여 형성되어 있다. 실제로는 사붕산리튬 단결정으로 이루어지는 웨이퍼(압전기판) 상에 다수의 소자(입력측 IDT, 출력측 IDT, 실드 전극)가 형성된다.
이 메인 필터(F1)의 입출력 IDT 개구장(開口長)(L1)(전극지의 교차장)은 약 0.5mm, 전극지 피치(서로 인접하는 전극지 끼리의 중심간 거리)는 약 4.25㎛이다.
다음에 서브 탄성표면파 필터(F2)에 대해 설명한다.
이 서브 탄성표면파 필터(F2)도 압전기판(11) 상에 형성된 입력측 빗형 전극(400)과 출력측 빗형 전극(500)으로 이루어지고, 이 입력측 빗형 전극(400)과 출력측 빗형 전극(500) 사이에 실드 전극(600)을 형성하고 있다.
입력측 빗형 전극(400)은 병렬로 대향하고, 빗살형상의 전극지를 갖는 제 1, 제 2 공통전극(401, 402)으로 이루어진다. 제 1, 제 2 공통전극(401, 402)의 빗살형상의 전극지는 서로 교대로 배열되고 있는, 즉 인터리브되어 있다. 출력측 빗형 전극(500)도 같은 구성으로, 제 1, 제 2 공통전극(501, 502)을 갖는다. 여기에서, 입력측 빗형 전극(400)의 제 1 공통전극(401)과 메인 탄성표면파 필터(F1)의 제 2 공통전극(201)과는 연속되어 있다. 또 출력측 빗형 전극(500)의 제 1 공통전극(501)과 메인 탄성표면파 필터(F2)의 제 2 공통전극(202)과는 연속되어 있다. 또, 각각의 필터(F1, F2)의 실드 전극(300, 600)은 연속되어 있다. 이 탄성표면파 장치는 예를 들면, 공통전극(102, 401)이 접지 단자에 접속되고, 공통전극(101, 402)이 입력신호 라인에 접속된다. 또 공통전극(202, 501)이 접지선에 접속되고, 공통전극(201, 502)이 출력신호 라인에 접속된다. 또, 공통전극(102, 401)이 입력신호 라인에 접속되고, 공통전극(101, 402)이 접지선에 접속되고, 공통전극(202, 501)이 출력신호 라인에 접속되고, 공통전극(201, 502)이 접지선에 접속되어도 좋다.
이 서브 필터(F2)의 입출력 IDT의 개구장(L2)(전극지의 교차장)은 약 0.1~0.2mm, 전극지 피치(서로 인접하는 전극지 끼리의 중심간 거리)는 약 4㎛이다.
다음에 도 2~도 4를 이용하여 본 실시예의 탄성표면파 소자의 동작을 설명한다. 또 도 2~도 4의 횡축은 주파수(㎒), 종축은 감쇠량(dB)으로 나타낸다.
도 2는 메인 탄성표면파 필터(F1)만의 주파수 특성을 나타내고 있다. 메인 탄성표면파 필터(F1)는 대역(W1)에 통과대역을 갖도록 설계되어 있다. 그러나, 이 주파수 응답대역(W1)보다도 고역측에 대역(W2)의 주파수 응답이 존재한다. 이 고역측 주파수 응답은 압전기판(11)의 내부에 향하여 전파된 벌크파의 영향이다. 또, 벌크파의 전파속도는 표면파(SAW)의 전파속도보다도 빠른 것으로 알려져 있고, 본 실시예의 압전기판에 있어서는 벌크파의 전파속도가 약 4000m/sec, SAW의 전파속도가 약 3500m/sec이다.
한편, 서브 탄성표면파 필터(F2)는 메인 탄성표면파 필터(F1)의 벌크파와 역위상의 여진파를 발생시킨다. 그 결과 서브 탄성표면파 필터(F2)의 주파수 응답특성은 도 3에 나타내고 있는 바와 같이 된다. 이 서브 탄성표면파 필터(F2)의 주파수 응답특성 상의 주요통과대역(W3)은 그 대역이 앞의 메인 탄성표면파 필터(F1)의 벌크파 응답에 의한 반응인 고역측 주파수 응답대역(W2)에 거의 일치하도록 설계되어 있다.
또, 대역(W2)에 있어서 필터(F1)의 감쇠량과, 대역(W3)에 있어서 필터(F2)의 감쇠량은 바람직하게는 거의 같은 레벨이 되도록 설계되어 있다.
또, 주파수 응답대역(W2)에 나타나는 고주파성분의 위상에 대해 대역(W3)에 나타나는 신호성분이 역위상이 되도록 설계되어 있다. 위상을 반대로 하기 위해서는 필터(F2)의 전파경로길이(입출력 IDT 간격)를 nλ에서 (n+1)λ(단 λ는 탄성표면파 파장) 단위에서 벗어나는 것에 의해 용이하게 조정할 수 있다.
즉, 반파장(또는 그 홀수배) 전파경로길이를 벗어나면, 출력 IDT에 의해 검출되는 표면파의 위상이 딱 반전되기 때문이다. 또, 벌크파의 전파경로는 복잡하기 때문에(예를 들면 기판표면에서의 산란 등이 있다), 현실적으로는 필터(F2)의 전파경로길이를 반파장분을 기준으로 하여 약간 조정할 필요가 생기는 경우도 생각되는데, 당업자에 있어서는 실험적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 출력측 빗형 전극(500)의 전극지의 배치위치를 선정하는 것에 의해 대역(W2)에 나타나는 불필요한 성분이 대역(W3)에 나타나는 추가성분에 의해 상쇄되게 된다.
또, 본 실시예의 탄성표면파 소자에 있어서, 필터(F2)의 개구장은 필터(F1)의 개구장보다도 작고, 또 필터(F2)의 전극지 피치는 필터(F1)의 전극지 피치보다도 작다. 이 이유는 이하와 같다.
우선 전극지 피치의 관계에 대해 설명하면, 필터(F1)의 벌크파 응답대역(W2)은 그 메인 통과대역(W1)보다도 고역측에 나타난다. 본 실시예에 있어서는 이 벌크파 응답을 필터(F2)의 탄성표면파의 응답으로 상쇄하기 위해, 필터(F2)의 탄성표면파에 의한 주요통과대역(W3)은 필터(F1)의 탄성표면파에 의한 주요통과대역(W1)보다도 고역측에 있다. 이와 같이 필터(F1)보다도 고주파역에 통과대역을 설치하기 위해 필터(F2)의 전극지 피치를 필터(F1)의 전극지 피치보다도 좁힐 필요가 있다. 따라서 본 실시예에 있어서는 필터(F1)의 전극지 피치를 약 4.25㎛, 필터(F2)의 전극지 피치를 약 4㎛로 하고 있다.
다음에 개구장의 관계에 대해 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 필터(F1)의 벌크파 응답에 의한 반응은 그 탄성표면파 응답에 의한 반응보다도 작다. 따라서, 필터(F1)의 벌크파 응답을 상쇄하기 위한 필터(F2)의 반응도 상응하여 작아지면 좋다.
반응의 크기를 정하는 하나의 요인은 IDT의 개구장이고, 개구장이 크면 반응은 커지고, 개구장이 작으면 반응은 작아진다. 즉, 본 실시예에서는 필터(F2)의 개구장을 필터(F1)의 개구장보다도 작게 하는 것에 의해 필터(F1)의 벌크파 응답을 상쇄할 수 있을 정도로 정확하게 맞춘 크기의 응답(W3)을 얻고 있다. 이것을 삽입손실의 관점에서 표현하면, 필터(F2)의 삽입손실이 필터(F1)의 삽입손실보다 10dB 이상 크다.
또, 필터(F2)의 개구장을 작게 하는 것에 의해 필터(F2)에서 발생할 수 있는 벌크파의 영향은 무시할 수 있는 정도가 된다. 필터(F2)의 개구장(L2)과 필터(F1)의 개구장(L1)과의 비(L2/L1)는 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/5~2/5가 되도록 설정된다.
또, 필터(F1)와 필터(F2)와의 전파경로길이를 결정하는데 있어서는 앞에 서술한 위상관계에 더하여 벌크파와 표면파의 전파속도차를 고려할 필요가 있다. 즉, 필터(F1)의 벌크파 응답과, 필터(F2)의 표면파 응답은 시간적으로 일치하고, 또한 위상이 반대일 필요가 있다. 그런데 앞에 서술한 바와 같이, 벌크파의 전파속도는 4000m/sec, 표면파의 전파속도는 3500m/sec이고, 표면파의 전파속도쪽이 느리다. 이 속도차를 보정하기 위해 필터(F1)의 입출력 IDT 중심간 거리(S1)와, 필터(F2)의 입출력 IDT 중심간거리(S2)를 비교하면, S2쪽이 작다. 즉, 필터(F2)의 표면파의 도달거리를 짧게 하는 것에 의해 필터(F1)의 벌크파 응답과 시간적으로 같아지도록 보정하고 있다.
도 4는 상기한 도 3과 도 2의 주파수 응답특성을 합성한 경우의 주파수 응답특성을 나타내고 있다. 본 발명의 탄성표면파 소자는 도 4의 주파수 응답특성(대역(W2)에 나타나는 불필요한 성분이 대역(W3)에 나타나는 추가성분에 의해 상쇄된 특성)을 얻을 수 있다.
상기한 탄성표면파 소자의 크기는 예를 들면 단변 1.5mm에서 2.1mm정도, 장변 8mm에서 12mm정도, 두께는 0.5mm정도이다.
또, 전극지의 폭, 길이, 두께는 탄성표면파(SAW)의 전파효율 및 전파방향에 영향을 준다. 따라서, 메인 탄성표면파 필터(F1)는 적용대상이 되는 주파수 특성에 따라 설계된다. 메인 탄성표면파 필터(F1)의 주파수 특성이 설정되면, 벌크파에 의한 고주파성분의 대역 및 그 주파수 특성을 판정할 수 있다. 이는 실험데이터로부터 구할 수 있다. 다음에 서브 탄성표면파 필터(F2)의 주파수 응답특성을 상기 벌크파에 의한 불필요한 성분의 주파수 특성에 맞추어지도록 상기 서브 탄성표면파 필터(F2)를 설계할 수 있다. 다음에 불필요한 성분과 서브 탄성표면파 필터(F2)의 출력신호와의 위상관계를 역위상이 되도록 설정한다. 위상조정은 서브 탄성표면파 필터(F2)의 전극지의 위치를 탄성표면파 필터의 전파방향으로 λ/2 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다. 따라서, 설계단계에서는 소정의 신호를 메인 탄성표면파 필터(F1)에 입력하고, 불필요한 성분의 위상을 측정한다. 다음에 서브 탄성표면파 필터(F2)에 소정의 신호를 입력하고, 그 상쇄용 출력신호의 위상을 측정한다. 그리고 불필요한 성분의 위상과 상쇄용 출력신호와의 위상차를 구한다. 다음에 상기 위상차에 기초하여 서브 탄성표면파 필터(F2)의 위치결정을 실행한다. 주파수 응답의 수식이 구해지면, 이를 푸리에 변환하여 시간축 상의 응답특성으로 변환할 수 있다. 시간축 상의 응답특성은 탄성표면파가 전파되는 전극지의 위치에 대응한다.
상기한 탄성표면파 소자의 대역폭으로서는 예를 들면 CDMA방식의 휴대전화에서 이용되는 중심주파수인 210.38㎒를 중심주파수로 하며 약 ±1㎒의 폭을 갖는다. 또, 상기 벌크파의 대역으로서는 213㎒에서 215㎒ 정도를 대상으로 했다.
또 압전소자로서는 수정(水晶)을 이용해도 좋다. 이 경우는 기판뒷면 가공 등의 공정을 간략화하는 것도 가능하다. 또, 전극지의 폭 및 수는 도면 상에서는 간략화하여 나타낸 것이고, 도면에 나타낸 수 및 폭에 한정되는 것은 아니다. 전극지의 폭의 선택의 종류로서는 λ/8, λ/16의 조합이 가능하다.
본원의 발명에 의한 탄성표면파 소자는 휴대전화기 등의 전자장치에 사용되는 중간주파수 필터 및 범용목적의 필터로서 이용하는 것이 가능하다.

Claims (5)

  1. 탄성표면파 소자에 있어서,
    (1) 압전기판,
    (2) 상기 압전기판 상에 형성된 입력측 빗(櫛)형 전극 및 출력측 빗형 전극을 갖는 메인 탄성표면파 필터, 및
    (3) 상기 압전기판 상에 형성된 입력측 빗형 전극 및 출력측 빗형 전극을 가지고, 상기 메인 탄성표면파 필터와 전기적으로 병렬로 접속하여 형성되는 서브 탄성표면파 필터를
    구비하고,
    상기 서브 탄성표면파 필터의 입력측 빗형 전극 및 출력측 빗형 전극은 상기 메인 탄성표면파 필터의 통과대역중 높은 주파수측에 생성되는 불필요한 파에 대해 역위상을 갖는 탄성표면파를 여진(勵振)하고, 또한 상기 불필요한 파에 의해 주파수축 상에 나타나는 응답과 겹치는 위치에 주요 통과대역을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전기판은 사붕산리튬 단결정 기판인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 탄성표면파 필터의 빗형 전극의 개구장(L1)과, 상기 서브 탄성표면파 필터의 빗형 전극의 개구장(L2)의 관계는 L1 > L2인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 탄성표면파 필터의 단독 손실은 메인 탄성표면파 필터의 단독 삽입손실에 비해 거의 10dB 큰 것을 특징으로 하는 탄성표면파 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    메인 탄성표면파 필터의 입력측 빗형 전극과, 출력측 빗형 전극의 중심간격(S1), 서브 탄성표면파 필터의 입력측 빗형 전극과 출력측 빗형 전극과의 중심간격(S2)과의 관계는 S1 > S2인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 소자.
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