KR100520335B1 - 전압 제어 발진기 - Google Patents

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KR100520335B1 KR10-2003-0019813A KR20030019813A KR100520335B1 KR 100520335 B1 KR100520335 B1 KR 100520335B1 KR 20030019813 A KR20030019813 A KR 20030019813A KR 100520335 B1 KR100520335 B1 KR 100520335B1
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

넓은 주파수 가변 범위를 갖고 주파수 안정도가 높으며 위상 잡음이 우수하고 경시 변화가 적으며 초소형으로 동시에 복수의 주파수를 발진 가능한. 전압 제어 발진기를 제공한다. 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정한 두께 10㎛ 이하의 단결정 강유전체를 압전체로서 이용한 박막 압전 공진자를 이용한다. 이 전극에 인가하는 전압을 변화시킴으로써 0.01%/V 이상의 큰 발진 주파수 변화율을 갖고 위상 잡음이 매우 작은 전압 제어 발진기를 제공한다.

Description

전압 제어 발진기{VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR}
본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
최근, 박막 압전 공진자를 사용한 전압 제어 발진기가 주목받고 있다. 박막 압전 공진자(FBAR: Film Bulk Acoustic Wave Resonator)는, 기판 상에 형성된 공동(空洞) 상에 하부 전극, 압전체막 및 상부 전극을 순차 형성한 소자이다.
이러한 박막 압전 공진자는 공기층에 접한 하부 전극 및 상부 전극과 압전체막을 합한 두께가 발진 파장의 반 파장이 되는 조건의 주파수로 공진을 발생시킨다. 1㎓ 내지 5㎓의 주파수에서는 그 두께는 0.5㎛ 내지 3㎛ 정도의 두께에 대응한다. 이와 같이 특히 ㎓ 이상의 고주파 영역의 공진에 유리하다.
도 27에 이러한 박막 압전 공진자에서의 공진 주파수 부근의 임피던스 변화를 도시한다.
도 27에 도시한 바와 같이, 임피던스는 반공진 주파수 fA에서 극대치를, 공진 주파수 fR에서 극소치를 도시한다.
또한, 도 28에 박막 압전 공진자에서의 공진 주파수 부근의 위상 변화를 도시한다.
도 28에 도시한 바와 같이, 반공진 주파수 fA 이상 및 공진 주파수 fR 이하의 주파수에서는 위상이 90° 뒤지고, 반공진 주파수 fA와 공진 주파수 fR 사이의 주파수에서는 위상이 90° 앞선다.
이러한 임피던스 특성과 위상 특성을 이용하여 공진 회로를 형성하는 것이 가능해진다.
반공진 주파수 fA 및 공진 주파수 fR은 압전막의 실효적 전기 기계 결합 계수 k2eff 간에, 다음의 관계가 있다.
따라서, 압전체막의 전기 기계 결합 계수 k2eff에 의해 공진 주파수 fR과 반공진 주파수 fA의 차가 결정된다.
이와 같은 박막 압전 공진자를 이용하여, 전압 제어 발진기를 형성하는 경우, 통상 박막 압전 공진자와, 전압에 의해 용량치가 변화하는 바랙터 등의 바리캡 소자를 직렬 혹은 병렬로 조합하여 사용한다.
이와 같이 용량 성분과 박막 압전 공진자를 조합한 경우에는, 발진 주파수는 박막 압전 공진자 단체의 공진 주파수와 반공진 주파수 사이로 된다. 이 발진 주파수 범위의 범위는 수학식 1에서 알 수 있듯이 실효적으로 전기 기계 결합 계수 k2eff에 의해 제한된다.
또한, 바랙터의 Q값은 박막 압전 공진자의 Q값보다 훨씬 작으므로, 전압 제어 발진기의 Q값이 저하되게 되어 위상 잡음이 커진다는 문제가 있다.
또한, 주파수 가변폭을 넓히기 위해 코일 등의 리액터 소자를 직렬 혹은 병렬로 조합하여 사용하는 경우가 있다. 그러나 리액터 소자의 Q값은 현저히 낮으므로, 전압 제어 발진기의 Q값이 더 저하되게 되어, 위상 잡음이 더 커진다는 문제가 있다. 또한 리액터 소자는 경시 변화가 크고 안정도가 결여된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 주파수 안정도가 높고, 위상 잡음이 우수하며, 경시 변화가 적고 넓은 주파수 가변 범위를 갖는 초소형의 새로운 전압 제어 발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 간의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고, 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와,분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 간의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고, 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와,상기 한쌍의 전극 사이에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하고,상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩하여 탄성적으로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
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상기 전압 제어 발진기는, 상기 박막 압전 공진자가 복수, 조합된 평형 회로인 전압 제어 발진기이다.
제1 박막 압전 공진자와 제1 증폭기로 구성되는 제1 발진 루프와, 상기 제2 박막 압전 공진자와 제2 증폭기로 구성되며 상기 제1 발진 루프로부터 전기적으로 절연된 제2 발진 루프를 포함하고, 상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자를 중첩시켜 탄성적으로 결합하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 있어서 공진점 부근의 주파수로 발진하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
상기 탄성적 결합은 역상 결합인 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자가 직렬 접속되어 직렬 회로를 구성하고, 증폭기가 상기 직렬 회로에 병렬 접속되며, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자의 반공진점 부근의 주파수로 발진하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자는 적어도 한쪽 전극에 소정 용량의 캐패시터가 접속되어 직렬 회로 또는 병렬 회로를 구성하고 상기 회로의 공진 주파수가 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자의 상기 한쌍의 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 가변으로 되는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 상기 박막 압전 공진자는 적어도 한쪽의 전극에 소정 용량의 캐패시터가 접속되어 직렬 회로 또는 병렬 회로를 구성하고 상기 회로의 공진 주파수가 상기 박막 압전 공진자의 상기 한쌍의 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 가변으로 되는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 상기 제어 전압 회로가 바람직하게는 직류 전압을 발생한다.
상기 제1 및 제2 강유전체 박막은 티탄산 바륨 혹은 티탄산 지르콘산연을 주성분으로 하는 에피텍셜 성장막인 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한 본 발명은, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 상기 제2 전극과 함께 협지하도록 형성된 박막 형상의 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 박막 압전 공진자에 막 두께 방향으로 적층되어 상기 제2 전극을 공통 전극으로 하는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와, 상기 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
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상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩하여 탄성적으로 결합되어 이루어지는 전압 제어 발진기를 제공한다.
상기 제1 및 제2 강유전체 박막, 상기 제1 전극 내지 제3 전극을 포함하는 두께가 발진 파장의 1/4 파장의 기본 공진 주파수를 갖고 있는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와, 상기 기판 상에 상기 제1 박막 압전 공진자에 인접하고, 상기 강유전체막을 상기 제1 박막 압전 공진자와 공유하여 형성되고, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제3 및 제4 전극으로 이루어진 제2 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와, 상기 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다. 또한, 상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩되어 탄성적으로 결합되어 이루어지는 전압 제어 발진기를 제공한다.
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또한, 본 발명은, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 사이의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와, 상기 한쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압 제어 회로와, 상기 제1 박막 압전 공진자에 접속되며 이 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 제1 전압 제어 발진기와, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 사이의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와, 상기 한쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압 제어 회로와, 상기 제2 박막 압전 공진자에 접속되며 이 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 제2 전압 제어 발진기와, 상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기를 다른 주파수로 발진하는 수단과, 상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기에 접속되어 상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기의 출력 주파수의 차를 출력하는 승산기를 포함하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 본 발명은, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 전극으로 구성되는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 박막 압전 공진자와,상기 박막 압전 공진자와 직렬 또는 병렬 회로를 구성하고, 상기 박막 압전 공진자에 선택 회로와 함께 접속된 복수의 캐패시터를 포함하고,상기 복수의 캐패시터 중의 어느 것을 상기 선택 회로로 전환하여 상기 캐패시터 중 적어도 적어도 1개와의 조합에 의해 공진 주파수가 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
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또한, 본 발명은, 고유의 용량을 갖는 캐패시터와,이 캐패시터와 직렬 또는 병렬 회로를 구성하고, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 전극으로 구성되는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 복수의 박막 압전 공진자를 포함하고,상기 캐패시터에 선택 회로와 함께 상기 복수의 박막 전압 공진자를 접속하고, 상기 복수의 박막 압전 공진자 중의 어느 것을 상기 선택 회로로 전환하여 상기 박막 압전 공진자의 적어도 1개와의 조합에 의해 공진 주파수가 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 박막 압전 공진자와, 상기 기판 상에 상기 박막 압전 공진자에 인접하고, 상기 강유전체 박막을 상기 박막 압전 공진자와 상기 기판을 공유하여 형성되며, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 전극으로 이루어지고 상기 강유전체 박막을 압전 액추에이터로 하는 스위칭 소자와, 상기 제1 및 제2 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와, 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기를 제공한다.
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이하, 도면을 이용하여, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또, 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 여러가지 변형하여 이용할 수 있다.
본 발명자 등은 강유전체를 박막 압전 공진자의 압전체로서 사용하는 것에 대하여, 이론 및 실험을 폭넓게 반복하여 검토를 행하였다. 그 결과, 강유전체 재료는 본질적으로 전계를 인가함으로써 음속이 크게 변화하는 성질을 갖고 있으며, 몇몇 조건을 충족시킴으로써, 강유전체에 제어 전압을 인가함으로써 발진 주파수를 가변으로 하는 것이 가능한 것을 발견하였다.
구체적으로는, 압전체로서 사용하는 강유전체 재료는 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정한 단결정막일 필요가 있다. 강유전체막의 압전성을 충분히 끌어내고, 또한 전압 인가에 의해 주파수 가변으로 하기 위해서는, 강유전체막의 분극 방향을 막 두께 방향으로 일정하게 하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 에피택셜 성장에 의해 단결정으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 강유전체막의 두께는 10㎛ 이하인 것이 필요하다. 바람직하게는 3㎛ 이하이다. 주파수 가변 범위를 크게 취하기 위해서는 강유전체에 가해지는 전계가 큰 것이 필요하며, 이동체 통신기에서 이용 가능한 전압이 3V 정도인 것을 생각하면, 막 두께는 10㎛ 이하일 필요가 있다.
이 강유전체막을 한쌍의 전극 사이에 협지하고, 전극 사이에 인가하는 전압을 변화함으로써, 발진 주파수를 변조하는 전압 제어 발진기를 제공할 수 있다.
이러한 전압 제어 발진기는, 강유전체막의 공진 주파수 그 자체를 변화시키기 때문에 전기 기계 결합 계수에 상관없이 주파수 가변폭을 결정할 수 있다. 또한, 집적화가 어려워 Q값이 낮은 바랙터를 필요로 하지 않는 회로 구성이 가능해진다.
또한, 제어 전압에 대하여 전압 제어 발진기의 공진 주파수 변화율을 어느 정도 크게 할 수 있다. 통상의 휴대 무선 기기의 동작 전압이 3V 정도 이하인 것을 고려하면, 적어도 0.01%/V 이상의 변화율, 바람직하게는 0.02%/V 이상의 변화율을 실현할 수 있다.
이 변화율을 실현하기 위해서는 에피택셜 성장시킨 티탄산 바륨이나 PZT 등의 강유전체를 이용하는 것이 바람직하다.
발명자 등은 티탄산 바륨의 경우, 약 2㎓의 발진 주파수에 대응하는 1㎛의 막 두께의 강유전체막에 3V의 바이어스 전압을 인가함으로써, 약 0.5%의 공진 주파수의 변화를 실현하는 것을 발견하였다.
따라서, 티탄산 바륨을 압전체로서 사용함으로써, Q값이 매우 높은 발진 회로를 구성할 수 있다. 이 때 발진 주파수의 가변 범위는(공진·반공진 주파수 사이가 아닌) 공진 주파수의 가변 폭으로 결정되기 때문에, 회로 상수나 잡음에 대하여 안정적인(저잡음의) 전압 제어 발진기를 구성하는 것이 가능해진다.
(실시예 1)
도 1에, 본 발명의 실시예 1에 따른 전압 제어 발진기에 이용하는 박막 압전 공진자의 단면도를 도시한다.
이 전압 제어 발진기는 실리콘 기판(1) 상에 에피택셜 성장한 티탄산 바륨 강유전체막(7)을 압전체 박막(4)으로서 이용하고 있다. 이 압전체 박막(4)을 협지하도록 형성된 한쌍의 전극(3, 5)으로서 이리듐(Ir) 전극을 이용하고 있다. 이 강유전체 박막(4)과, 이것을 협지하는 한쌍의 전극(3, 5)으로 박막 압전 공진자가 형성되어 있다.
이 박막 압전 공진자는 실리콘 기판(1) 상에 SrRuO3 희생층(8)을 에피택셜 성장하고, 이 위에 이리듐 하부 전극(3), 티탄산 바륨 강유전체막(7) 및 이리듐 상부 전극(5)을 에피택셜 성장한다. 그 후 공진부(6)가 되는 부분의 아래의 희생층(8)을 제거하고, 공동(2)을 형성함으로써 작성할 수 있다.
이 전압 제어 발진기에 있어서, 한쌍의 전극(3, 5) 간에 교류 전압을 인가하면 압전 역효과에 의해 교번 응력이 발생하고, 두께 세로 모드의 탄성 진동의 공진이 여기되도록 되어 있다.
또한 한쌍의 전극(3, 5) 사이를 제어 전압 회로(9)로부터 제어 전압 Vc에 상당하는 직류 바이어스 전압을 인가하면, 강유전체 내의 음속이 변화하기 때문에, 공진 주파수나 반공진 주파수를 가변으로 할 수 있다.
도 2에, 이 박막 압전 공진자에 있어서, 제어 전압에 대한 공진 주파수 및 반공진 주파수를 측정한 결과를 도시한다. 이 경우, 강유전체막(7)의 막 두께를 1100㎚, 하부 전극(3)의 막 두께를 100㎚, 상부 전극(5)의 막 두께를 150㎚로 하였다.
도 2에서 알 수 있듯이, 제어 전압 Vc로 하고, 직류 전압을 0.2V∼3.0V로 변화시키면, 공진 주파수는 1.995㎓∼2.0055㎓로 변화하고, 반공진 주파수는 2.85㎓∼2.0951㎓로 변화한다. 즉, 양 주파수 모두 약 0.20%/V의 변화율이 관측되었다. 또, Q값으로서 900으로 매우 높은 값이 얻어지며, 위상 잡음이 적은 발진이 가능하다.
다음에, 도 3에 박막 압전 공진자를 2개 이용한 평형형 전압 제어 발진기(110)의 기본 블록 회로도를 도시한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 2개의 반전형 증폭기(111, 112)가 직렬로 접속된 발진 루프 내에, 한쌍의 박막 압전 공진자(113, 114)의 직렬 회로(119)를 병렬로 접속하고 있다. 박막 압전 공진자(113)는 전극(115, 116)을 갖고, 박막 압전 공진자(114)는 전극(117, 118)을 갖는다.
전극(115, 117)에 제어 전압 Vcont을 인가함으로써 박막 압전 공진자(113, 114)의 반공진 주파수를 바꿀 수 있으며, 발진기(110)의 출력 주파수를 가변으로 할 수 있다. 이 때 전극(116, 118)은 역 위상의 관계에 있다.
이 평형형 전압 제어 발진기에서는, 박막 압전 공진자(113, 114)의 임피던스가 극대가 되는 반공진 주파수 부근에서 발진 회로의 루프 게인이 최대가 되어 발진을 일으킨다.
다음에, 도 4에, 도 3에 도시한 반전 증폭기(111, 112)를 CMOS 인버터로 형성했을 때의 등가 회로(120)를 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, P형 MOS 트랜지스터(121)와 N형 MOS 트랜지스터(122)에 의해 CMOS 인버터가 형성되고, 마찬가지로 N형 MOS 트랜지스터(123)와 P형 MOS 트랜지스터(124)에 의해 또 하나의 CMOS 인버터가 형성되어 있다. 한쪽의 CMOS 인버터의 출력이 직류 차단용 캐패시터(127)를 통하여 다른쪽의 CMOS 인버터의 입력에 접속되어 있다. 양 CMOS 인버터에 전원 전압 Vdd가 인가된다.
이 CMOS 인버터의 루프에, 직렬로 접속된 한쌍의 박막 압전 공진자(125, 126)의 직렬 회로(119)가 병렬로 접속되어 있다. 또한 출력 Vout에는 출력 버퍼 증폭기(128, 129)가 접속되어 있다.
이러한 CMOS 인버터를 이용한 평형형 전압 제어 발진기(120)에서는 2㎓대에서 10㎒ 이하의 주파수 가변 범위의 용도에 적합한, Q값이 매우 높은 것이다.
이 평형형 전압 제어 발진기는 한쌍의 박막 압전 공진자를 사용하고, 각각의 공진자의 역상 관계가 되는 전극이 평형형 발진 루프에 접속되어 있으며, 평형형 전압 제어 발진기에 적합한 동일 주파수로 또한 역상의 2 출력을 출력하는 것이 가능해진다.
(실시예 2)
도 5에, 본 발명의 실시예 2에 따른 한쌍의 박막 압전 공진자(130)의 단면도를 도시한다.
이 공진자는 평형형 전압 제어 발진기에 사용되는 데 적합하며, 한쌍의 박막 압전 공진자는 발진을 일정하게 하기 위해서, 서로 탄성적으로 결합하고 있다. 탄성적으로 결합하고 있는 박막 압전 공진자로서는, 막 두께 방향으로 적층된, 소위 적층 크리스탈 필터라고 불리는 구조나, 면내 방향으로 결합한, 소위 모노리식 크리스탈 필터라고 불리는 구조가 있다. 본 실시예는 적층 크리스탈 필터 구조이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 박막 압전 공진자는, 실리콘 기판(1) 상에 SrRuO3 희생층(8)을 에피택셜 성장하고, 그 위에 이리듐 하부 전극(133), 티탄산 바륨 강유전체막(134), 이리듐 중간 전극(135), 티탄산 바륨 강유전체막(136) 및 이리듐 상부 전극(137)을 에피택셜 성장한다. 그 후 공진부(138)가 되는 부분 아래의 희생층(8)을 제거하고, 공동(132)을 형성함으로써 작성할 수 있다.
이 평형형 박막 압전 공진자는 하부 전극(133), 강유전체 박막(134) 및 중간 전극(135)을 포함하는 제1 박막 압전 공진자(130b)와, 중간 전극(135), 강유전체 박막(136) 및 상부 전극(137)을 포함하는 제2 박막 압전 공진자(130a)가 적층되어 있으며, 중간 전극(135)을 공유하고 2개의 박막 압전 공진자가 매우 강하게 탄성적으로 연결되어 있다.
하부 전극(133)으로부터 공통된 중간 전극(135)까지의 두께가 발진 주파수의 1/4 파장에 상당하고, 마찬가지로 중간 전극(135)으로부터 상부 전극(137)까지의 두께가 발진 주파수의 1/4 파장에 상당한다. 따라서 하부 전극(133)으로부터 상부 전극 사이(137)에서의 두께가 발진 주파수의 반파장으로 되어 공진을 발생시킨다. 즉, 발진 주파수의 2배의 기본 공진 주파수를 갖는 2개의 박막 압전 공진자를 이용한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 두께 방향의 위상 분포 P1은 상부 전극(137)과 하부 전극(133)이 역 위상으로 된다. 이 한쌍의 박막 압전 공진자를, 예를 들면 도 4에 도시한 전압 제어 발진기(120)의 노드 N1 및 N2 사이에 설치함으로써, 적합한 평형형 전압 제어 발진기를 형성할 수 있다.
평형형 전압 제어 발진기에 사용되는 한쌍의 박막 압전 공진자는 Q값이 높은 발진을 실현하기 위해 가능한 한 공진 특성이 일정한 박막 압전 공진자가 요구되지만, 현실적으로는 성막 조건 등의 미묘한 편차에 의해 공진 주파수 등에 약간의 차이가 생기고, 이 차이가 발진 특성을 악화시킨다.
그래서 한쌍의 박막 압전 공진자를 탄성적으로 결합하여 실질적으로 동일한 공진자로서 공진시키기 위해, 상당히 순도가 높은 공진 특성이 얻어지며 평형형 전압 제어 발진기에서는 2출력의 특성을 완전히 균형있게 하는 것이 가능해진다.
또한 중간 전극(135)과 노드 N1, N2 사이에 인가하는 직류 바이어스 Vcont를 가변함으로써, 발진 주파수를 안정적으로 변화시킬 수 있다.
(실시예 3)
도 6 및 도 7에, 본 발명의 실시예 3에 따른 한쌍의 박막 압전 공진자의 단면도를 도시한다. 이 공진자는 평형형 전압 제어 발진기를 구성하는 데 적합하다.
공진자는 면내 방향으로 탄성적으로 결합한 모노리식 크리스탈 필터 구조를 갖고 있다.
압전막 면 내에 인접하여 설치된 박막 압전 공진자끼리의 연결 모드로서, 벌크 세로 진동에서는 인접한 공진자가 역위상(negative phase sequence)으로 되는 반대칭 모드(경사 대칭 모드 내지는 A 모드)와, 동 위상(common mode phase)으로 되는 대칭 모드(S 모드)가 있다. 어느 하나의 모드의 선택은 전극 간격이나 전극 치수, 압전체의 탄성 매트릭스, 주위의 구속 조건 등에 따른다.
이 평형형 전압 제어 발진기를 이용하여 2개의 공진자는 동일한 강유전체막을 사용하고, 탄성적으로 결합하도록 면 내에 인접하여 설치되어 있다.
이에 의해, 완전하게 탄성적으로 결합하여 동일 주파수로 진동하고, 또한 역위상의 출력을 구성하는 것이 가능해진다.
도 6은 대칭 모드를 사용한 경우의 모노리식 크리스탈 필터 구조 배치의 단면 모식도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(141) 상에 작성된 공동(142) 상에, 하부 전극(144), 하부 전극(145), 강유전체막(143), 상부 전극(146) 및 상부 전극(147)이 형성되어 있다. 이들이 박막 압전 공진자(140A, 140B)로 된다.
하부 전극(144), 강유전체막(143) 및 상부 전극(146)을 포함하는 제1 박막 압전 공진자(140A)와, 하부 전극(145), 강유전체막(143), 상부 전극(147)을 포함하는 제2 박막 압전 공진자(140B)가 인접하여 형성되어 있다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 면 내의 위상 분포 P2는 2개의 박막 압전 공진자가 동일 위상이 되도록, 박막 압전 공진자가 강하게 탄성적으로 연결되어 있다. 또 P1은 막 두께 방향의 위상 분포를 나타낸다.
따라서, 역 위상이 되는 상부 전극(146) 및 하부 전극(145)을, 도 4에 도시한 회로의 노드 N1 및 N2에 각각 접속하고, 상부 전극(147)과 하부 전극(144) 사이에 제어 전압 Vc를 인가함으로써, 적합한 평형형 전압 제어 발진기를 형성할 수 있다.
도 7은 반대칭 모드를 사용한 경우의 모노리식 크리스탈 필터 구조 배치의 한쌍의 박막 압전 공진자(150)의 단면 모식도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(151) 위에 작성한 공동(152) 위에, 하부 전극(153), 강유전체막(154), 상부 전극(155) 및 상부 전극(156)이 형성되어 있다. 이들에 의해 박막 압전 공진자가 형성되어 있다.
하부 전극(153), 강유전체막(154) 및 상부 전극(155)을 포함하는 제1 박막 압전 공진자(150A)와, 하부 전극(153), 강유전체막(154) 및 상부 전극(156)을 포함하는 제2 박막 압전 공진자(150B)가 인접하여 형성되어 있다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 면 내의 위상 분포 P2는, 2개의 박막 압전 공진자가 역 위상이 되도록, 박막 압전 공진자가 강하게 탄성적으로 결합되어 있다. 또 P1은 막 두께 방향의 위상 분포를 나타낸다.
따라서, 역 위상 관계에 있는 상부 전극(155) 및 상부 전극(157)을, 도 4에 도시한 발진 회로의 N1 및 N2의 노드에 각각 접속하고, 공통된 하부 전극(153)에 제어 전압 Vc를 인가함으로써, 적합한 평형형 전압 제어 발진기를 형성할 수 있다.
또, 박막 압전 공진자의 구조는, 도 5 내지 도 7에 도시한 구조에 한하지 않는다. 탄성적으로 결합하고 있는 적어도 한쌍의 박막 압전 공진자가 형성되어 있으며, 각각의 박막 압전 공진자의 역 위상이 되는 전극이 발진 루프의 상보적 접속점 N1 및 N2에 접속되어 있다는 조건을 충족시킨 후에, 다양한 변화가 가능하다.
예를 들면, 공진부 아래에 형성한 공동 대신에, 브래그 반사층을 형성한 소위 솔리디리·마운티드·리조네이터 등도 가능하다.
(실시예 4)
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 평형형 전압 제어 발진기(160)의 회로도이다.
이 평형형 전압 제어 발진기는 반전형 증폭기(161)와 박막 압전 공진자(163)로 이루어지는 제1 발진 루프(160A)와, 반전형 증폭기(162)와 박막 압전 공진자(164)로 이루어지는 제2 발진 루프(160B)가 형성되어 있으며, 박막 압전 공진자(163)와 박막 압전 공진자(164)는 탄성적으로 역상 관계로 결합되어 있다.
또한, 박막 압전 공진자의 양단은 캐패시터(165, 166, 167, 168)를 개재하여 접지되어 있지만, 이것은 수동 소자 전체로서 위상을 반전시키고, 반전 증폭기와 정합하여, 발진 조건인 루프 전체의 위상 회전각을 2π로 하기 위한 것이다.
이 기본 블록(160)의 회로 구성에서는, 증폭기(161, 162)와 박막 압전 공진자(163, 164)가 직렬로 접속되어 있기 때문에, 박막 압전 공진자(163, 164)의 임피던스가 극소가 되는 공진 주파수 부근에서 발진 회로의 루프 게인이 최대가 되어, 발진을 일으킨다.
다음에, 도 9에, 도 8의 기본 블록(160)의 반전 증폭기(161, 162)을 NPN 바이폴라 트랜지스터로 형성했을 때의 등가 회로(170)를 도시한다.
NPN 바이폴라 트랜지스터(171)와 박막 압전 공진자(173)로 이루어지는 제1 발진 루프와, NPN 바이폴라 트랜지스터(172)와 박막 압전 공진자(174)로 이루어지는 제2 발진 루프가 형성되어 있으며, 박막 압전 공진자(173)와 박막 압전 공진자(174)는 탄성적으로 역상 관계로 결합되어 있다.
또한, 박막 압전 공진자(173, 174) 중 한쪽의 전극(173a, 174a)에는 저항(173b, 174b)을 통하여 발진 주파수 가변용 제어 전압 Vcont가 인가되어 있으며, 각각의 다른쪽 전극은 서로 역상 관계에 있다.
이러한 전압 제어 발진기 및 발진 회로를 사용하여 2㎓대에서 10㎒ 이하의 주파수 가변 범위의 용도에 적합한, Q가 매우 높은 평형형 전압 제어 발진기를 구성할 수 있다.
(실시예 5)
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 평형형 전압 제어 발진기의 기본 블록 회로(180)를 나타낸다.
이 평형형 전압 제어 발진기는, 반전형 증폭기(181, 182, 183, 184)와 박막 압전 공진자(185, 186)가 전부 직렬로 접속되어 발진 루프를 형성하고 있다. 박막 압전 공진자(185, 186)는 탄성적으로 역상 관계로 결합되어 있다.
또한, 박막 압전 공진자(185, 186)의 양단은, 캐패시터(187, 189, 188, 190)를 통하여 접지되어 있다. 이것은 각 박막 압전 공진자로서 위상을 반전시키고, 반전 증폭기와 정합하여 발진 조건인 루프 전체의 위상 회전각을 2nπ(n은 정수)로 하기 위함이다.
이 기본 블록(180)의 회로에서는, 반전형 증폭기(181, 182, 183, 184)와 박막 압전 공진자(185, 186) 전부가 직렬로 접속되어 있기 때문에, 박막 압전 공진자의 임피던스가 극소가 되는 공진 주파수 부근에서 발진 회로의 루프 게인이 최대가 되어 발진을 일으킨다.
다음에, 도 11에, 도 10에 도시하는 기본 블록(180)의 반전 증폭기(181, 182, 183, 184)를 CMOS 인버터로 형성했을 때의 등가 회로를 도시한다.
CMOS 인버터(201, 202, 203, 204)와 박막 압전 공진자(205, 206)가 전부 직렬로 접속되어 발진 루프가 구성되어 있고, 박막 압전 공진자(205, 206)는 탄성적으로 역상 관계로 결합되어 있다.
또한, 박막 압전 공진자(205, 206)의 한쪽의 전극(205a, 206a)에는 저항(205b, 206b)을 통하여 제어 전압 회로(216)로부터 제어 전압 Vcont가 인가되어 있으며, 각각의 다른쪽 전극은 서로 역상 관계에 있다.
이러한 박막 압전 공진자 및 발진 회로를 사용하여 2㎓대에서 10㎒ 이하의 주파수 가변 범위의 용도에 적합한, Q가 매우 높은 평형형 전압 제어 발진기를 구성할 수 있다.
이 평형형 전압 제어 발진기는 전기적으로는 절연된 각각 독립된 2개의 발진 루프를 형성하고 있으며, 박막 압전 공진자의 공진점 부근의 주파수로 공진하는 것을 특징으로 한다.
이 때 2개의 발진 루프를 형성하는 한쌍의 박막 압전 공진자는 역 위상으로 탄성적으로 결합되어 있기 때문에, 동일 주파수로 역 위상의 2 출력을 갖는 평형형 전압 제어 발진기를 실현할 수 있다.
또한, 2개 이상의 증폭기와 한쌍의 박막 압전 공진자가 전부 직렬로 접속되어 1개의 발진 루프가 형성되어 있으며, 박막 압전 공진자의 임피던스가 극소가 되는 공진 주파수 부근에서 발진한다. 발진 루프 중에서 역 위상이 되는 2개의 노드 N1, N2를 출력점으로 함으로써, 동일 주파수로 역 위상의 2 출력을 갖는 평형형 전압 제어 발진기를 실현할 수 있다.
(실시예 6)
도 12는 실시예 6에 따른 전압 제어 발진기(210)의 블록도이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 이 전압 제어 발진기(210)는 입출력 단자로서, 접지를 위한 접지 단자 GND, 전원 전압 Vcc가 급전되는 전원 단자 Vcc, 박막 압전 공진자로의 제어 전압 Vc가 공급되는 제어 단자 Vc 및 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out을 포함하고 있다.
또한, 전압 제어 발진기(210)는 박막 압전 공진자(212)를 포함하여 제어 전압 Vc에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 제1 발진 회로(211)와, 박막 압전 공진자(215)를 포함하며 고정 주파수를 발진하는 제2 발진 회로(214)와, 제1 발진 회로의 주파수와 제2 발진 회로의 주파수의 차를 출력하기 위한 믹서로서의 승산기(217)와, 제1 발진 회로(211)와 승산기(217) 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(213)와, 제2 발진 회로(214)와 승산기(217) 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(216)를 포함하고 있다.
여기서, 발진 회로(211, 214)에는 실시예 2 내지 실시예 5에서 설명한 평형형 전압 제어 발진 회로를 사용할 수 있다.
도 13에 박막 압전 공진자(212)에서, 제어 전압에 대한 발진 주파수를 측정한 결과를 나타낸다. 공진자는 도 1에 도시하는 구조를 갖고, 강유전체 박막(4)의 막 두께를 230㎚, 하부 전극(3)의 막 두께를 25㎚, 상부 전극(5)의 막 두께를 50㎚로 하고, 제1 발진 회로(211)의 부하 용량을 9pF로 한다.
도 13에서 알 수 있듯이, 제어 전압 Vc가 0.2V∼3.0V에 대하여 6.00±0.045㎓의 공진 주파수 가변 범위가 얻어졌다.
또한, 박막 압전 공진자(215)에서는 도 1에 도시하는 구조에 있어서 강유전체 박막(4)의 막 두께를 310㎚, 하부 전극(3)의 막 두께를 35㎚, 상부 전극(5)의 막 두께를 72㎚로 한 결과, 제어 전압을 인가하지 않은 경우의 제2 발진 회로(214)의 발진 주파수로서 4㎓가 얻어졌다.
제1 발진 회로(211) 및 제2 발진 회로(214)의 출력을 각각 출력 버퍼(213, 216)를 통하여 승산기(217)에 입력하고, 양 발진 회로의 출력의 차를 출력함으로써, 발진 주파수에 대하여 상대적으로 큰 가변 주파수 범위를 확보할 수 있었다.
본 실시예에서는 2㎓±45㎒의 출력 주파수를 얻을 수 있었다. W-CDMA용 전압 제어 발진기에 요구되는 특성을 충족하는 것이 가능하였다.
도 14는 상기 발진 회로와 승산기(믹서 회로)를 동일 패키지에 실장한 패키지의 단면도이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 절연성의 Si 기판 위에는 박막 압전 공진자, 발진 회로에 사용하는 캐패시터, 저항 및 인덕터가 형성된다. 또한 출력 버퍼에 사용하는 캐패시터, 저항, 인덕터 등의 수동 소자가 전부 형성되어 수동 칩(220)을 구성하고 있다. 이 면에, 2개의 발진 회로와 출력 버퍼 회로를 탑재하는 고주파 반도체 IC(221)와, 믹서 회로를 탑재한 고주파 반도체 IC(222)가 탑재되고, 밀봉 수지(224)에 의해 몰드되어 있다.
발진 회로에 사용하는 트랜지스터나 출력 버퍼에 사용하는 트랜지스터를 주로 탑재하는 IC(221), 또한 믹서에 사용하는 트랜지스터를 주로 탑재하는 IC(222)가 베어 칩 그대로 범프를 통하여 접속되고, 일체로서 밀봉하여 모듈(223)로 하고 있다.
칩 온 칩의 형태로 모듈화함으로써, 매우 작게 고밀도로 실장된 전압 제어 발진기를 형성하는 것이 가능하게 되었다.
이와 같이 평형형 전압 제어 발진기를 복수개 포함하고, 복수의 전압 제어 발진기로부터의 출력 주파수의 차를 출력하기 위한 승산기를 갖고, 복수의 전압 제어 발진기와 승산기가 동일 기판 상에 밀봉 실장되어 있다.
(실시예 7)
도 15에, 본 발명의 실시예 7에 따른 전압 제어 발진기(230)의 블록도를 도시한다.
이 전압 제어 발진기(230)는 RF 주파수와 IF 주파수의 2 주파수를 출력 가능한 이중 모드의 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 전압 제어 발진기(230)는 입출력 단자로서 접지를 위한 접지 단자 GND와, 전원 전압 Vcc가 급전되는 전원 단자 Vcc와, 제1 제어 전압 Vc1이 공급되는 제어 단자 Vc1과, 제2 제어 전압 Vc2가 공급되는 제어 단자 Vc2와, 제1 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out1 및 제2 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out2를 포함하고 있다.
또한, 전압 제어 발진기(230)는 박막 압전 공진자(234)를 포함하고 제어 전압 Vc1에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 제1 발진 회로(231)와, 제1 발진 회로(231)와 승산기(241) 간의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(237)와, 박막 압전 공진자(235)를 포함하며 제어 전압 Vc2에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 제2 발진 회로(232)와, 제2 발진 회로(232)와 승산기 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(238)와, 박막 압전 공진자(236)를 포함하며 고정 주파수를 발진하는 제3 발진 회로(233)와, 제3 발진 회로(233)로부터의 출력을 2개의 승산기에 분배하는 분배기(240)와, 제3 발진 회로(233)와 분배기(240) 간의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(239)를 갖고 있다. 승산기(241)는 제1 발진 회로(231)의 주파수와 제3 발진 회로(233)의 주파수의 차를 출력하고, 승산기(242)는 제2 발진 회로(232)의 주파수와 제3 발진 회로(233)의 주파수의 차를 출력한다.
여기서, 제1, 제2, 제3 발진 회로(231, 232, 233)에는 실시예 2 내지 실시예 5에서 설명한 어느 하나의 평형형 전압 제어 발진기를 사용할 수 있다.
제1 박막 압전 공진자(234)에 있어서, 강유전체막의 막 두께를 230㎚, 하부 전극의 막 두께를 25㎚, 상부 전극의 막 두께를 50㎚로 한 경우, 제어 전압 Vc1이 0.2V∼3.0V에 대하여 6.00±0.045㎓의 공진 주파수 가변 범위가 얻어졌다.
제2 박막 압전 공진자(235)에 있어서, 강유전체막의 막 두께를 255㎚, 하부 전극의 막 두께를 25㎚, 상부 전극의 막 두께를 50㎚로 한 경우, 거의 4.25㎓의 공진 주파수가 얻어졌다.
제3 박막 압전 공진자(236)에 있어서 강유전체막의 막 두께를 330㎚, 하부 전극의 막 두께를 25㎚, 상부 전극의 막 두께를 50㎚로 한 경우, 제어 전압 인가없이 제3 발진 회로(233)의 발진 주파수로서 4㎓가 얻어졌다.
제1 발진 회로(231) 및 제3 발진 회로(233)의 출력을 각각 출력 버퍼나 분배기를 통하여 승산기에 입력하고, 양 발진 회로의 출력의 차를 출력함으로써, 발진 주파수에 대하여 상대적으로 큰 가변 주파수 범위를 확보할 수 있었다.
이와 같이 하여 2㎓±45㎒의 출력 주파수를 얻을 수 있었다. 이에 따라 W -CDMA용 전압 제어 발진기에 요구되는 특성을 거의 만족하는 것이 가능하였다.
또한, 제2 발진 회로(232) 및 제3 발진 회로(233)의 출력을 각각 출력 버퍼나 분배기를 통하여 승산기에 입력하고, 양 발진 회로의 출력의 차를 출력함으로써, 거의 240㎒의 발진 주파수를 얻을 수 있었다. 만일 단일의 발진 회로에서 이 주파수를 발진시키는 경우에는, 전압 제어 발진기의 압전체의 막 두께를 5000㎚ 이상으로 두껍게 할 필요가 있으며, 본 실시예에서는 2개의 발진 회로를 이용하는 것으로 훨씬 얇은 강유전체의 막 두께로 동일한 주파수를 얻을 수 있기 때문에, 전압 제어 발진기의 작성 시간을 단시간에 끝내는 것이 가능해짐과 함께, 기술적으로도 훨씬 용이하게 된다.
또한, 제1과 제2 발진 회로(231, 232)에서 독립적으로 2 종류의 주파수를 동시에 발진시켜도, 인덕터와 캐패시터를 사용했을 때와 같이 상호 작용을 야기시키지 않고, 안정된 발진이 가능하였다.
(실시예 8)
도 16에, 본 발명의 실시예 8에 따른 전압 제어 발진기(240)의 블록도를 도시한다.
도 16에서, 전압 제어 발진 회로(240)는 입출력 단자로서 접지를 위한 접지 단자 GND와 전원 전압 Vcc가 급전되는 전원 단자 Vcc와, 제어 전압 Vc가 공급되는 제어 단자 Vc와, 주파수 전환을 위한 스위치 제어 신호가 공급되는 제어 단자 Cont 및 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out을 포함하고 있다.
또한, 전압 제어 발진기(240)는 박막 압전 공진자(242)와 주파수 전환용의 용량 조정 회로(243)를 포함하고 제어 전압 Vc에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 발진 회로(241)과, 발진 회로(241)과 출력 단자 Out 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(244)를 포함하고 있다.
여기서, 발진 회로에서의 공진 소자로서 박막 압전 공진자(242) 및 용량 조정 회로(243)로부터 제어 신호에 따라 개폐되는 스위치 S1∼Sn에 의해 선택되는 캐패시터 C1∼Cn이 사용되고 있다.
박막 압전 공진자(242)의 전극 사이에 제어 전압 Vc에 상당하는 직류 바이어스 전압을 인가하는 수단과, 용량 조정 회로에서의 용량값을 선택하는 수단의 2 종류의 수단을 사용하여 발진 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
용량 조정 회로(243)에 포함되는 캐패시터 C1∼Cn의 용량으로서는, 예를 들면 배수 계열 등을 사용하여 소수의 캐패시터로 넓은 용량 변화 범위를 커버할 수 있는 것이 바람직하다.
도 17에 박막 압전 공진자(242)의 제어 전압과 공진 주파수의 관계를 도시한다. 이 때 강유전체막의 막 두께를 110㎚, 하부 전극의 막 두께를 15㎚, 상부 전극의 막 두께를 20㎚로 하고, 또한 용량 조정 회로의 C1∼C3을 각각 2pF, 4pF, 8pF로 하였다.
도 17에 도시한 바와 같이, 용량 조정 회로의 캐패시터를 C1 사용인 경우, C2 사용인 경우, C3 사용인 경우, C1+C2+C3 사용인 경우를 전환하고, 제어 전압 Vc를 0.2V∼3.0V에 대하여 공진 주파수를 측정한 바, 2.00±0.08㎓의 공진 주파수 가변 범위가 얻어졌다.
본 실시예에서는, 전압 제어 발진기의 공진 소자로서 박막 압전 공진자와 복수의 캐패시터를 갖고, 외부 제어 신호 Cont에 의해 상기 복수의 캐패시터로부터 특정한 캐패시터를 선택하여 전환하는 수단을 갖고 있다. 강유전체를 사용한 박막 압전 공진자와, 복수의 고정 용량을 갖는 캐패시터로부터 외부 신호에 의해 선택한 캐패시터를 사용하여 직렬 회로 또는 병렬 회로의 공진 회로를 구성하고, 채널 선택에 상당한 주파수 제어는 캐패시터의 선택에 의해 행하고, 주파수의 미세 조정은 전압 제어 발진기에 제어 전압을 인가함으로써, 넓은 가변 범위의 주파수를 갖고, 또한 바랙터를 사용하지 않기 때문에 매우 낮은 위상 잡음을 갖는 전압 제어 발진기를 실현할 수 있다.
(실시예 9)
도 18에, 본 발명의 실시예 9에 따른 전압 제어 발진기의 블록도를 도시한다.
도 18에서, 전압 제어 발진 회로(250)는 입출력 단자로서 접지를 위한 접지 단자 GND와, 전원 전압 Vcc가 급전되는 전원 단자 Vcc와, 제어 전압 Vc가 공급되는 제어 단자 Vc와, 주파수 전환을 위한 제어 신호가 공급되는 제어 단자 Cont 및 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out을 포함한다.
또한, 전압 제어 발진기(250)는 복수의 박막 압전 공진자 F1∼Fn을 갖는 박막 압전 공진자 선택 회로(252)와 고정 용량을 갖는 캐패시터(253)을 포함하고 제어 전압 Vc에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 발진 회로(251)와, 발진 회로(251)와 출력 단자 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(254)를 포함하고 있다.
여기서, 발진 회로에서의 공진 소자로서 캐패시터(253) 및 박막 압전 공진자 선택 회로(252)로부터 제어 신호에 따라 개폐되는 스위치 S1∼Sn에 의해 선택되는 박막 압전 공진자 F1∼Fn이 사용되고 있다. 박막 압전 공진자 선택 회로에 의해 다른 중심 공진 주파수를 갖는 박막 압전 공진자를 선택하는 수단과, 박막 압전 공진자의 전극 간에 제어 전압 Vc에 상당하는 직류 바이어스 전압을 인가하는 수단과의 2 종류의 수단을 사용하여 넓은 범위의 발진 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
박막 압전 공진자 선택 회로(252)에 포함되는 박막 압전 공진자 F1∼Fn의 중심 공진 주파수로서는, 예를 들면 등간격으로 일정하게 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 8개의 박막 압전 공진자 F1∼F8을 사용하고, 강유전체막의 막 두께 110㎚와 하부 전극의 막 두께 15㎚는 공통으로 하고, 상부 전극의 막 두께를 15㎚ 내지 45㎚의 범위에서 등간격으로 변화시켰다. 그 결과, 각각의 박막 압전 공진자의 중심 공진 주파수는, 8㎒의 간격으로 1.972㎓∼2.029㎓의 범위가 되고, 또한 상하 전극 간에 제어 전압을 인가함으로써 각각의 중심 공진 주파수를 8.5㎒ 변화시킬 수 있었기 때문에, 전체로서 1.968㎓∼2.033㎓의 연속된 공진 주파수 가변 범위가 얻어졌다.
이와 같이 전압 제어 발진기의 공진 소자로서 복수의 박막 압전 공진자를 갖고, 외부 제어 신호에 의해 상기 복수의 박막 압전 공진자로부터 특정한 박막 압전 공진자를 선택하는 수단을 갖고 있다. 복수의 중심 공진 주파수의 다른 강유전체를 사용한 박막 압전 공진자로부터 외부 신호에 의해 선택한 박막 압전 공진자와, 고정 용량을 갖는 캐패시터를 사용하여 공진 회로를 구성하고, 채널 선택에 상당하는 주파수 제어는 박막 압전 공진자의 선택에 의해 행하고, 주파수의 미세 조정은 박막 압전 공진자에 제어 전압을 인가함으로써, 넓은 가변 범위의 주파수를 갖고, 또한 바랙터를 사용하지 않기 때문에 매우 낮은 위상 잡음을 갖는 전압 제어 발진기를 실현할 수 있다.
(실시예 10)
도 19에, 본 발명의 실시예 10에 따른 전압 제어 발진 회로의 블록도를 도시한다.
도 19에서, 전압 제어 발진 회로(260)는 입출력 단자로서 접지를 위한 접지 단자 GND와, 전원 전압 Vcc가 급전되는 전원 단자 Vcc와, 제어 전압 Vc가 공급되는 제어 단자 Vc와, 주파수 전환을 위한 제어 신호가 공급되는 제어 단자 Cont 및 발진 신호를 출력하는 출력 단자 Out을 포함하고 있다.
또한, 전압 제어 발진기(260)는 박막 압전 공진자(262)와 주파수 전환용 용량 조정 회로(263)를 포함하고 제어 전압 Vc에 따라 가변하는 주파수를 발진하는 발진 회로(261)와, 발진 회로(261)의 리플 성분을 제거하기 위한 대역 통과 필터(265)와, 발진 회로(261)와 대역 통과 필터(265) 사이의 아이솔레이션을 확보하는 출력 버퍼(264)를 포함하고 있다.
여기서, 실시예 6과 마찬가지로, 발진 회로에서의 공진 소자로서 박막 압전 공진자(262) 및 용량 조정 회로(263)로부터 제어 신호에 따라 개폐되는 스위치 S1∼Sn에 의해 선택되는 캐패시터 C1∼Cn이 사용되고 있다. 박막 압전 공진자의 전극 간에 제어 전압 Vc에 상당하는 직류 바이어스 전압을 인가하는 수단과, 용량 조정 회로에서의 용량값을 선택하는 수단의 2 종류의 수단을 사용하여 발진 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
도 20에, 대칭 사다리형의 대역 통과 필터(265)를 도시한다. 이 대칭 사다리형의 대역 통과 필터(265)는 2개의 직렬 접속한 박막 압전 공진자(266) 2조와, 2개의 병렬 접속한 박막 압전 공진자(267)를 포함하는 플래더형이다.
도 21에 도시한 바와 같이, 병렬로 접속한 박막 압전 공진자(267)와 직렬로 접속한 박막 압전 공진자(266)는 중심 주파수를 약간 Δf분만큼 바꾸고 있다. 여기서는 직렬로 접속한 박막 압전 공진자(266)의 공진 주파수와, 병렬로 접속한 박막 압전 공진자(267)의 반공진 주파수가 일치하도록 하고 있다.
도 22에, 이 대칭 사다리형의 대역 필터(265)의 통과 특성을 도시한다. 도 22와 같이 대역 통과 필터(265)는 어떤 폭을 갖은 주파수를 필터한다.
본 실시예에 있어서, 발진 회로에 사용한 박막 압전 공진자(262)와, 대역 통과 필터에 사용한 직렬 접속 박막 압전 공진자(266)와, 병렬 접속 박막 압전 공진자(267) 모두를 동일한 절연성 실리콘 기판 상에, 거의 동일한 프로세스에 의해 작성하였다. 즉, 강유전체막의 막 두께를 110㎚, 하부 전극의 막 두께를 15㎚와 공통으로 하고, 상부 전극의 막 두께만을 각각 20㎚, 23㎚, 17㎚로 하고 중심 공진 주파수의 튜닝을 행하였다.
도 23에, 변형예로서 대칭 격자형 대역 통과 필터의 회로를 도시한다.
이 대칭 격자형 대역 통과 필터는 2개의 직렬 접속한 박막 압전 공진자(281)와 2개의 병렬 접속한 박막 압전 공진자(282)를 포함하는 격자형 필터(280)이다.
이 구조에 따르면, 거의 단일의 프로세스에 의해, 동일 기판 상에 발진 회로에 사용하는 공진자와, 발진 회로의 리플 성분을 제거하기 위한 대역 통과 필터를 구성하는 박막 압전 공진자를 작성하는 것이 가능하게 되며, 고성능의 전압 제어 발진기를 용이한 프로세스로 작성하는 것이 가능하게 되었다.
본 실시예는 복수의 박막 압전 공진자를 조합하여, 대역 통과 필터나 저역 통과 필터를 형성할 수 있는 것에 주목하고, 동일 기판 상에 전압 제어 발진기용과 필터를 동시에 작성한 것이다. 통상 전압 제어 발진기의 출력에는 고주파의 리플 성분이 포함되어 있고, RF 수신 회로나 송신 회로에 사용하기 위해서는, 저역 통과 필터 등을 사용하여 리플 성분을 제외할 수 있다.
본 실시예에서는, 전압 제어 발진기와, 필터를 동일 공정으로 형성하는 것이 가능해져서, 그 장점은 크다. 박막 압전 공진자를 사용하여 구성하는 필터로서는 상기한 사다리형 필터나 격자형 필터 등을 들 수 있다.
(실시예 11)
도 24에, 본 발명의 실시예 11에 따른 박막 압전 공진자(278)와 압전 스위칭 소자(279)를 동일 기판(271) 상에 거의 동일한 재료와 프로세스를 사용하여 형성한 전압 제어 발진기의 단면도를 도시한다.
박막 압전 공진자(278)는 실리콘 기판(271) 상에 공동(272)을 통하여 하부 전극(273), 압전막(274), 상부 전극(275)을 순차 형성하여 작성하였다. 또한, 압전 스위칭 소자(279)는 마찬가지로 실리콘 기판(271) 상에 개방 구조의 공동(272)을 통하여 하부 전극(273), 압전막(274), 상부 전극(275)을 순차 형성하여 작성하는 것은 공통이며, 또한 대향 전극(276) 및 캔틸레버(277)를 부가한 구조이다. 즉 압전 액추에이터로, 전극 간에 전압을 인가하면 캔틸레버가 굽어지고, 하부 전극(273)과 대향 전극(276)이 컨택트한다.
본 실시예에서는, 하부 전극(273) 및 상부 전극(275)으로서 기판에 대하여 에피택셜 성장시킨 단결정의 Pt를 사용하고, 또한 강유전체막(274)으로서는 기판에 대하여 에피택셜 성장시킨 단결정의 티탄산 바륨 강유전체를 사용하고, 전극·압전체 모두 동일한 프로세스로 동시에 작성하였다.
이와 같이 동일 기판 상에 박막 압전 공진자와, 낮은 온저항의 압전 스위칭 소자를 동시에 형성함으로써, 이미 도시된 도 17이나 도 19에 도시한 박막 압전 공진자와 스위칭 소자를 사용한 전압 제어 발진기를 용이하게 구성하는 것이 가능해진다.
박막 압전 공진자와 스위칭 소자를 조합함으로써 큰 주파수 가변 범위를 갖는 전압 제어 발진기를 구성할 수 있다. 압전 액추에이터를 사용한 스위칭 소자는 반도체를 사용한 스위칭 소자에 비교하여 낮은 온저항을 갖고, Q값이 높은 스위칭 소자를 포함하는 발진 회로를 작성할 수 있다는 장점이 있다.
(실시예 12)
도 25에, 본 발명의 실시예 12에 따른 전압 제어 발진기(290)의 회로도를 도시한다.
박막 압전 공진자(291)는 도 1에서 설명한 것을 이용할 수 있다.
이 발진 회로(290)는 제어 전압 Vc와 출력 Out 사이에, 병렬로 박막 압전 공진자(291)가 접속되어 있다. 박막 압전 공진자(291)의 한쪽은 접지되어 있다.
박막 압전 공진자(291)의 양 전극 사이에, 제어 전압 회로(292)에 의해 제어 전압 Vc에 상당하는 직류 바이어스 전압을 인가하면, 강유전체 내의 음속이 변화하기 때문에, 공진 주파수나 반공진 주파수를 가변으로 할 수 있다.
도 26에, 이 박막 압전 공진자에 있어서, 제어 전압에 대한 공진 및 반공진 주파수를 측정한 결과를 도시한다. 이 경우, 강유전체막의 막 두께를 1100㎚, 하부 전극의 막 두께를 100㎚, 상부 전극의 막 두께를 150㎚로 하였다. 또한, 발진 회로(110)의 고정 불가 용량을 9㎊로 하였다.
도 26에서 알 수 있듯이, 제어 전압 Vc를 0.2V∼3.0V로 변화시키면, 공진 주파수는 1.995㎓∼2.0055㎓로 변화된다. 약 0.20%/V의 변화율이 관측되었다. 또한, Q값으로서 900으로 매우 높은 값이 얻어지고, 위상 잡음이 적은 발진이 가능하다.
2㎓대에서 10㎒ 이하의 주파수 가변 범위의 용도에 양호하고, 매우 질이 좋은 전압 제어 발진기를 제공할 수 있다.
이상 설명한 실시예에 있어서, 박막 압전 공진자의 강유전체막으로서 사용되는 단결정 강유전체가 단결정 기판 상에 에피택셜 성장에 의해 작성된 페로브스카이트계의 강유전체이고, 페로브스카이트계의 강유전체로서 티탄산 바륨, 혹은 티탄산 지르콘산연을 주성분으로 하는 강유전체인 것이 바람직하다.
티탄산 바륨이나 티탄산 지르콘산연을 주성분으로 하는 강유전체는 단결정으로 작성된 경우에 매우 큰 전기 기계 결합 계수를 갖고, 또한 음속이 큰 전계 의존성을 갖기 때문이다.
또, 상기 실시예는 단독으로 이용하는 것도 가능하지만, 몇몇을 조합시키면 더 큰 효과를 발휘한다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 넓은 주파수 가변 범위를 갖고, 주파수 안정도가 높고, 위상 잡음이 우수하며, 경시 변화가 적고, 초소형으로 동시에 복수의 주파수를 발진 가능한 전압 제어 발진기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 박막 압전 공진자의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 박막 압전 공진자에서의 제어 전압과 공진 주파수의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 평형형 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 평형형 전압 제어 발진기의 등가 회로도.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 평형형 박막 압전 공진자의 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 평형형 박막 압전 공진자의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 평형형 박막 압전 공진자의 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예 4에 따른 평형형 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 평형형 전압 제어 발진기의 등가 회로도.
도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 전압 제어 발진기의 등가 회로도.
도 12는 본 발명의 실시예 6에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 13은 본 발명의 실시예 6에 따른 전압 제어 발진기의 제어 전압과 발진 주파수의 관계를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예 6에 따른 전압 제어 발진기의 실장 형태를 도시하는 모식 단면도.
도 15는 본 발명의 실시예 7에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 16은 본 발명의 실시예 8에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 17은 본 발명의 실시예 8에 따른 전압 제어 발진기의 제어 전압과 발진 주파수의 관계를 나타내는 그래프.
도 18은 본 발명의 실시예 9에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 19는 본 발명의 실시예 10에 따른 전압 제어 발진기의 블록 회로도.
도 20은 본 발명의 실시예 10에 이용하는 대칭 사다리형 대역 통과 필터의 회로도.
도 21은 본 발명의 실시예 10에 따른 대역 통과 필터에 사용하고 있는 박막 압전 공진자의 임피던스 특성을 도시하는 곡선도.
도 22는 본 발명의 실시예 10에 따른 대역 통과 필터의 통과 전력 특성을 도시하는 곡선도.
도 23은 본 발명의 실시예 10에 따른 대칭 격자형 대역 통과 필터의 회로도.
도 24는 본 발명의 실시예 11에 따른 전압 제어 발진기에서의 박막 압전 공진자와 압전 스위칭 소자의 모식 단면도.
도 25는 본 발명의 실시예 12에 따른 전압 제어 발진기의 등가 회로도.
도 26은 본 발명의 실시예 12에 따른 전압 제어 발진기의 제어 전압과 발진 주파수의 관계를 나타내는 곡선도.
도 27은 종래의 박막 압전 공진자의 임피던스 특성을 도시하는 곡선도.
도 28은 종래의 박막 압전 공진자의 위상 특성을 도시하는 곡선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 실리콘 기판
2 : 공동
3, 5, 115, 116, 117, 118 : 전극
4 : 압전체 박막
6 : 공진부
7 : 티탄산 바륨 강유전체막
8 : 희생층
110 : 평형형 전압 제어 발진기
111, 112 : 반전형 증폭기
113, 114, 125, 126 : 박막 압전 공진자
119 : 직렬 회로
120 : 등가 회로
121, 123 : P형 MOS 트랜지스터
122, 124 : N형 MOS 트랜지스터
127 : 직류 컷트용 캐패시터
128, 129 : 출력 버퍼 증폭기

Claims (19)

  1. 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 간의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고, 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와,
    분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 간의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고, 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와,
    상기 한쌍의 전극 사이에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기
    를 포함하고,
    상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩하여 탄성적으로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어 발진기는, 상기 박막 압전 공진자가 복수, 조합된 평형 회로인 전압 제어 발진기.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 박막 압전 공진자와 제1 증폭기로 구성되는 제1 발진 루프와, 상기 제2 박막 압전 공진자와 제2 증폭기로 구성되며 상기 제1 발진 루프로부터 전기적으로 절연된 제2 발진 루프를 포함하고, 상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자를 중첩시켜 탄성적으로 결합하는 전압 제어 발진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 있어서 공진점 부근의 주파수로 발진하는 전압 제어 발진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄성적 결합은 역상 결합인 전압 제어 발진기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자가 직렬 접속되어 직렬 회로를 구성하고, 증폭기가 상기 직렬 회로에 병렬 접속되며, 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자의 반공진점 부근의 주파수로 발진하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자는 적어도 한쪽 전극에 소정 용량의 캐패시터가 접속되어 직렬 회로 또는 병렬 회로를 구성하고 상기 회로의 공진 주파수가 상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자의 상기 한쌍의 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 가변으로 되는 전압 제어 발진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 전압 회로가 직류 전압을 발생하는 전압 제어 발진기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강유전체 박막은 티탄산 바륨 혹은 티탄산 지르콘산연을 주성분으로 하는 에피텍셜 성장막인 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  11. 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와,
    분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 상기 제2 전극과 함께 협지하도록 형성된 박막 형상의 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 박막 압전 공진자에 막 두께 방향으로 적층되어 상기 제2 전극을 공통 전극으로 하는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와,
    상기 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩하여 탄성적으로 결합되어 이루어지는 전압 제어 발진기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강유전체 박막, 상기 제1 전극 내지 제3 전극을 포함하는 두께가 발진 파장의 1/4 파장의 기본 공진 주파수를 갖고 있는 전압 제어 발진기.
  14. 기판과,
    상기 기판 상에 형성되며, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와,
    상기 기판 상에 상기 제1 박막 압전 공진자에 인접하고, 상기 강유전체막을 상기 제1 박막 압전 공진자와 공유하여 형성되고, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제3 및 제4 전극으로 이루어진 제2 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와,
    상기 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와,
    상기 제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 박막 압전 공진자와 상기 제2 박막 압전 공진자가 중첩되어 탄성적으로 결합되어 이루어지는 전압 제어 발진기.
  16. 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제1 강유전체 박막과, 상기 제1 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 사이의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제1 박막 압전 공진자와, 상기 한쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압 제어 회로와, 상기 제1 박막 압전 공진자에 접속되며 이 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 제1 전압 제어 발진기와,
    분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 제2 강유전체 박막과, 상기 제2 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 한쌍의 전극을 포함하고, 상기 한쌍의 전극 사이의 전압에 의해 공진 주파수를 변화시키고 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 제2 박막 압전 공진자와, 상기 한쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 전압 제어 회로와, 상기 제2 박막 압전 공진자에 접속되며 이 공진자와 함께 발진 회로를 구성하는 증폭기를 포함하는 제2 전압 제어 발진기와,
    상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기를 다른 주파수로 발진하는 수단과,
    상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기에 접속되어 상기 제1 및 제2 전압 제어 발진기의 출력 주파수의 차를 출력하는 승산기를 포함하는 전압 제어 발진기.
  17. 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 전극으로 구성되는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 박막 압전 공진자와,
    상기 박막 압전 공진자와 직렬 또는 병렬 회로를 구성하고, 상기 박막 압전 공진자에 선택 회로와 함께 접속된 복수의 캐패시터
    를 포함하고,
    상기 복수의 캐패시터 중의 어느 것을 상기 선택 회로로 전환하여 상기 캐패시터 중 적어도 적어도 1개와의 조합에 의해 공진 주파수가 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  18. 고유의 용량을 갖는 캐패시터와,
    이 캐패시터와 직렬 또는 병렬 회로를 구성하고, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 전극으로 구성되는 두께 세로 모드의 탄성 진동으로 공진하는 복수의 박막 압전 공진자
    를 포함하고,
    상기 캐패시터에 선택 회로와 함께 상기 복수의 박막 전압 공진자를 접속하고, 상기 복수의 박막 압전 공진자 중의 어느 것을 상기 선택 회로로 전환하여 상기 박막 압전 공진자의 적어도 1개와의 조합에 의해 공진 주파수가 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
  19. 기판과,
    상기 기판 상에 형성되며, 분극 방향이 막 두께 방향으로 일정하고, 또한 두께 10㎛ 이하의 페로브스카이트형 단결정의 강유전체 박막과, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 제1 및 제2 전극으로 이루어진 박막 압전 공진자와,
    상기 기판 상에 상기 박막 압전 공진자에 인접하고, 상기 강유전체 박막을 상기 박막 압전 공진자와 상기 기판을 공유하여 형성되며, 상기 강유전체 박막을 사이에 협지하도록 형성된 박막 형상의 전극으로 이루어지고 상기 강유전체 박막을 압전 액추에이터로 하는 스위칭 소자와,
    상기 제1 및 제2 전극 간에 전압을 인가하는 제어 전압 회로와,
    제1 및 제2 박막 압전 공진자에 접속되어 발진 회로를 구성하는 증폭기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 제어 발진기.
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