KR100920398B1 - 항온조 수정 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 항온조 수정 발진기를 구성하는 세라믹 패키지 내에 정온 발열체를 실장하여 수정 소자에 일정한 온도를 공급함으로써 외부 온도에 따른 주파수 편차를 줄일 수 있는 항온조 수정 발진기에 관한 것으로서, 진동을 발생하는 수정 소자; 상기 수정 소자가 수용되는 세라믹 패키지; 상기 세라믹 패키지 내에서 상기 수정 소자의 하면과 이격하여 배치되며 상기 수정 소자가 일정 온도를 유지하도록 열을 공급하는 PTC를 포함하여 수정 소자에 일정한 온도를 공급함으로써 외부 온도 변화에 관계없이 일정한 주파수를 발진시킬 수 있을 뿐 아니라 정온 발열체로서 패널 형상의 PTC 물질을 사용함으로써 수정 발진기의 크기를 현저히 줄일 수 있다.
또한, 수정 소자로서 기존의 AT-cut 수정 진동자가 아니라 SC-cut 수정 진동자를 사용함으로써 온도에 따른 주파수 편차를 최소화하고 일정 주파수를 발진하기까지 걸리는 기동 시간을 크게 단축시킬 수 있는 항온조 수정 발진기를 제공하는 데 있다.
정온 발열체, PTC, 수정, 항온조 수정 발진기

Description

항온조 수정 발진기{Oven controlled crystal oscillator}
본 발명은 항온조 수정 발진기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발진기 내부의 온도를 일정하게 유지함으로써 외부 온도의 변화에도 일정 주파수가 안정하게 발진할 수 있도록 하는 항온조 수정 발진기에 관한 것이다.
일반적인 항온조 수정 발진기는 온도를 제어할 수 있는 오븐으로 수정 주변의 온도를 일정하게 유지시켜 발진 주파수의 오차가 발생하지 않도록 하는 수정 발진기로서, 다른 종류의 수정 발진기에 비해 온도에 따른 발진 주파수의 편차가 약 0.033ppm으로 매우 작아 장점이 있다.
도 1 은 일반적인 항온조 수정 발진기의 구성이 도시된 도이다.
이러한 항온조 수정 발진기는 도 1에 도시된 바와 같이 수정편, 상기 수정편의 주파수 발진회로, 상기 수정편이 수용되는 오븐, 상기 오븐 내 고온이 유지되도록 열을 공급하는 히터, 및 상기 오븐 주위를 둘러싸 외부 공기와의 접촉을 차단하는 절연체를 포함하여 구성된다.
그러나, 상기와 같이 구성되는 일반적인 항온조 수정 발진기는 히터로서 코일 히터를 사용하여 고온을 공급하므로 주변 소자의 크기에 비해 매우 크다. 또한, 오븐을 가열하여 초기 온도에서 설정된 고온에 도달하기까지 상당한 시간이 소요되며 전력소모가 많다.
특히, 수정 발진기는 최근 들어 통신기기에서는 반드시 필요한 핵심 부품으로 전원을 끄지 않은 상태에서 장시간 사용해도 그에 대한 영향을 받지 않고 일정한 주파수를 발진시키는 것이 중요하며, 휴대용 통신기기의 소형화에 따라 상기 항온조 수정 발진기의 크기도 소형화되는 것이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 오븐 또는 절연체와 연결되지 않더라도 외부 온도에 따른 주파수 편차를 줄일 수 있으며 그 크기를 현저히 줄일 수 있는 항온조 수정 발진기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 온도에 따른 주파수 편차를 크게 줄이고 일정 주파수를 발진하기까지 걸리는 기동시간을 크게 단축시킬 수 있는 항온조 수정 발진기를 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 항온조 수정 발진기는 진동을 발생하는 수정 소자; 상기 수정 소자가 수용되는 세라믹 패키지; 상기 세라믹 패키지 내에서 상기 수정 소자의 하면과 이격하여 배치되며 상기 수정 소자가 일정 온도를 유지하도록 열을 공급하는 PTC를 포함한다.
또한, 상기 수정 소자는 SC-cut 수정진동자를 사용하여 일정 주파수를 발진하기까지의 기동시간을 크게 단축하고 온도 변화에 관계없이 필요한 주파수를 발진시킬 수 있다.
또한, 상기 PTC는 패널 형상으로 형성되어 수정 소자의 하부에 위치함으로써 세라믹 패키지의 크기를 줄이면서도 일정한 온도를 공급하여 주파수를 발진시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 항온조 수정 발진기는 상기 항온조 수정 발진기를 구성하는 세라믹 패키지 내에 정온 발열체를 실장하여 수정 소자에 일정한 온도를 공급함으로써 외부 온도 변화에 관계없이 일정한 주파수를 발진시킬 수 있을 뿐 아니라 정온 발열체로서 패널 형상의 PTC 물질을 사용함으로써 수정 발진기의 크기를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 수정 소자로서 기존의 AT-cut 수정 진동자가 아니라 SC-cut 수정 진동자를 사용함으로써 온도에 따른 주파수 편차를 최소화하고 일정 주파수를 발진하기까지 걸리는 기동 시간을 크게 단축시킬 수 있는 항온조 수정 발진기를 제공하는 데 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정 발진기의 구조가 도시된 도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정 발진기는 수정소자(20), 상기 수정소자(20)가 수용되도록 캐비티(cavity)를 형성하는 세라믹 패키지(10), 및 상기 패키지(10) 내부 공간의 온도를 주위보다 높은 온도로 일정하게 유지시키는 정온 발열체(25)를 포함하여 구성된다.
수정 소자(20)는 세라믹 패키지(10)를 구성하는 다수 세라믹 레이어 중 하나 의 세라믹 레이어에 접착 고정하여 진동을 발생하는 발진수단으로 주파수 발진을 위해 상하면에 각각 전극이 형성되며, 상기 전극은 도전성이 좋은 금 또는 은 물질이 증착하여 형성될 수 있다.
세라믹 패키지(10)는 다수의 세라믹 레이어가 차례로 적층되어 일체를 구성하며 상기 세라믹 레이어를 구성하는 세라믹 물질로는 Al2O3, 2MgO.SiO2, ZrO2, AIN(질화 알루미늄) 등이 사용될 수 있다.
상기 세라믹 패키지(10)는 적층 형태에 따라 바닥층을 기준으로 제 1 내지 제 3 세라믹 레이어(12, 14, 16) 및 지지층(18)으로 구분할 수 있다.
제 1 세라믹 레이어(12)는 도 2에 도시된 바와 같이 세라믹 패키지(10)의 베이스를 구성하며, 구동전압 및 발진 주파수 출력을 위한 다수의 전극패드(5)가 형성된다. 제 3 세라믹 레이어(16)는 제 2 세라믹 레이어(14)의 상면에 적층되고, 일단의 양측에는 수정 소자(20)가 전기적으로 접속하기 위한 전극패드가 형성된다. 또한 중앙부에는 상기 전극패드에 접속된 수정 소자(20)의 하면 및 제 1 세라믹 레이어(12) 사이가 일정 거리로 이격되도록 캐비티를 형성한다.
제 2 세라믹 레이어(14)는 제 1 세라믹 레이어(12)의 상면에 적층되며, 중앙부에는 정온 발열체(25)가 배치되도록 캐비티를 형성하고 제 2 및 제 3 세라믹 레이어(14, 16)를 관통하여 형성되는 소정 공간 내에 열을 공급한다. 이때 정온 발열체(25)는 제 1 세라믹 레이어(12)의 중앙부에 도포된 도전성 접착제(40)를 통해 고정되어 제 2 세라믹 레이어(14)의 중앙부에 배치된다.
지지층(18)은 제 3 세라믹 레이어(16)의 상면에 적층되며, 제 3 세라믹 레이어(16)의 전극패드에 수정소자(20)를 고정시킬 때 상기 수정 소자(20)의 파손을 방지하기 위하여 수정 소자의 타단과 일정 거리만큼 이격되도록 내벽이 형성되며, 상부에는 리드(lid, 50)가 덮어져 접착 밀봉된다. 이때, 상기 지지층(18)은 수정 소자(20)의 상면에 형성된 전극과 리드(50)가 접속하지 않고 수정 소자(20)가 정상적으로 진동할 수 있도록 높게 형성되는 것이 바람직하다.
수정 소자(20)의 상면 및 하면에는 세라믹 패키지(10)와 각각 전기적으로 도통하기 위한 전극이 형성되어 있으며, 형성된 전극은 제 3 세라믹 레이어(16)에 형성된 전극패드에 도포된 도전성 접착제(45)에 의해 접합되어 수정 소자(20)의 일단이 고정 지지되도록 한다.
도전성 접착제(45)는 제 3 세라믹 레이어(16)의 상면에 형성된 전극패드에 도포되어 수정 소자(20)와 접합하는 물질로, 실리콘계 도전성 접착제와 에폭시계 도전성 접착제가 사용될 수 있다. 이때 에폭시계 도전성 접착제는 에폭시계 또는 폴리아미드계의 수지에 도전 재료로서 은 필러가 포함되어 있어 전기적 도통이 가능하며 비교적 단단한 성질을 가지고 있어 수정소자(20)의 접착단이 견고하게 고정될 수 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 도전성 접착제로서 에폭시계 도전성 접착제가 사용되는 것이 바람직하다.
전극 패드의 표면은 도전성 접착제(45)와의 접합성 및 도전성을 향상시키기 위하여 금도금 또는 금의 합금으로 도금이 실시될 수 있으며, 도금은 금 도금에 한정되지 않고 은 도금 또는 은의 합금으로 도금이 실시될 수도 있다.
이때, 리드(50)는 지지층(18)의 상면에 덮여 세라믹 패키지(10)를 밀봉하기 위한 수단으로 노이즈에 대한 실드 효과를 얻을 수 있다.
지지층(18)의 상면은 리드(50)와의 접합시 리드(50)가 지지층(18)에 용이하게 접합되도록 동일한 물질이 얇게 형성될 수 있는데, 구체적으로는 Fe-Ni 합금이나 Fe-Ni-Co 성분이 포함된 코바(KOVAR) 소재의 금속 실(seal)층이 형성될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 항온조 수정 발진기는 일정 온도를 유지하기 위한 수단으로서 기존에 사용되던 오븐 대신 정온 발열체(25)를 포함하여 패키지(10) 내부 온도를 관리한다.
정온 발열체(25)는 발열체의 내부저항이 변하는 소자로서 온도가 낮으면 저항값이 줄어들어 전류가 많이 흐르고 이에 따라 열이 다량으로 방출되며, 소자 자체의 온도가 높아지면 저항이 커져 전류가 적게 흐르고 이에 따라 열이 소량으로 방출된다. 또한 적정 온도가 되면 유지 전류가 흘러 일정 온도가 지속적으로 유지된다.
이러한 정온 발열체로서 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 PTC(25)를 사용한다. PTC는 Positive Thermal Coefficient의 약자로서 정온도계수 특성을 가진 소자를 말하며 상술한 바와 같이 온도가 낮으면 저항값이 낮아져 많은 열이 방출되고, 온도가 증가하면 저항값이 높아져 소량의 열이 방출됨으로써 정온을 유지시킨다.
이러한 PTC는 세라믹스를 이용한 PTC와 폴리머를 이용한 PTC가 있다. 세라믹스를 이용한 PTC는 BaTiO3, ZrO2, AIN 등 세라믹스 물질을 이용하여 형성된다. 폴리머 PTC는 탄소(carbon)과 폴리머를 적당량 혼합하여 성향하여 적절한 전도성과 함께 정온도 특성을 갖는 물질로서 평상시에는 폴리머 중 분산된 탄소가 무수히 많은 전도성 경로를 형성하고 낮은 고유 저항치를 나타낸다. 또한, PTC 양단에 전류를 상승시키면 온도가 상승하면서 탄소보다 폴리머의 열 팽창률이 높으므로 탄소의 전도성 경로가 점차 절단되며 완만한 PTC 특성을 갖는다.
폴리머 PTC는 전류의 유입에 의한 온도의 상승과 함께 폴리머의 융점에 의한 체적변화가 탄소의 전도성 경로를 차단하는 정온도 특성을 이용한 소자인 반면, 세라믹 PTC는 큐리 온도에 의존한다. 세라믹 PTC는 BaTiO3에 소량의 희토류 원소를 첨가하여 전도성을 가지며, 양이온인 Ba의 일부를 Sr, Pd로 치환한 일종의 n형 산화물 반도체로서 특정한 온도에서 상 전이(phase transition) 현상으로 저항값이 급격히 증가하는 성질을 갖는다. 이때 이 온도를 큐리 온도라 한다.
이러한 세라믹 PTC와 폴리머 PTC의 차이점을 표로 나타내면 다음과 같다.
항목 세라믹 PTC 폴리머 PTC
저항 범위 300밀리오옴 이하 불가 5밀리오옴까지 가능
사용온도 범위 300도씨에서 사용가능 90도씨 이상 불가
열전달 속도 빠르다 느리다
사용전류 범위 약 2A 내 약 10A 내
전기적 신뢰성 양호 보통
따라서, 본 발명에 따른 PTC 물질은 구현 스펙 등에 따라 선택하여 적용될 수 있으며, 사용온도 범위가 넓은 세라믹 PTC를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 표 1에서 나타난 차이점들은 현 기술에서의 일반적인 성질을 비교하기 위한 것이므로 기술 발전에 따라 달라질 수 있으며 PTC로서 사용되는 물질도 당업자에 의해 용이하게 변용될 수 있음은 물론이다.
이러한 PTC 물질(25)은 세라믹 패키지를 구성하는 각 세라믹 층의 형상에 대응하여 패널 형상 또는 막(필름) 형상으로 형성될 수 있으며 제 2 세라믹 레이어(14)의 중앙부에 배치되어 수정 소자(20)가 수용된 캐비티에 일정 온도를 유지하기 위한 열을 방출한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정발진기가 도시된 평면도로서, 도 3(a)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서 PTC 패널이 나타난 평면도이며, 도 3(b)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정발진기의 바닥면이 도시된 평면도이다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정 발진기는 에폭시계 도전성 접착제(45)가 도포된 제 3레이어(16), 상기 제 3 레이어(16) 하단에 적층되어 PTC 패널(25)이 배치되는 제 2 레이어(14) 및 상기 제 3레이어(16) 주변을 둘러싸는 세라믹 패키지(10)의 지지층을 포함한다. 상기 PTC 패널(25)은 각 세라믹 레이어의 형상에 따라 사각형의 형태를 가지며 수정 소자(20)의 면적보다 적은 면적으로 이루어질 수 있다. 상기 PTC 패널(25)이 정온 동작을 수행하기 위해서는 동작 전원이 인가되어야 하므로 상기 제 2 세라믹 레이어(14)의 일단에는 PTC 패널(25)과 연결되어 전원을 인가하기 위한 전극 패턴(30)이 형성된다. 이때 제 2 세라믹 레이어(14)에 형성된 전극 패턴(30)과 PTC 패널(25)은 도 2 및 도 3(a)에 도시된 바와 같이 소정 거리만큼 이격되므로 와이어(35)를 통해 연결되며, 상기 와이어(35)는 금 세사인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 항온조 수정 발진기에 있어서, 수정소자(20), PTC 패널(25) 및 제 1 세라믹 레이어(12) 바닥면의 전극 패드(15)는 비아 홀(55)을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이 제 1 세라믹 레이어(12)의 바닥면에 형성된 다수의 전극 패드(5)는 제 1 세라믹 레이어(12)의 각 모서리 부분에 배치될 수 있으며 수정 소자(20)의 양 단과 연결되는 출력단자(5c)가 서로 대각방향으로 배치되며, 동작전원을 위한 기준전압 단자(5a)와 접지단자(5b)가 서로 대각방향으로 배치될 수 있다. 상기 비아 홀(55)은 제 3 세라믹 레이어(16)에서 제 1 세라믹 레이어(12)의 전극패드(15)까지 관통하도록 형성되어 제 3 세라믹 레이어(16)에 접합 고정된 수정 소자의 전극이 바닥면의 동작전원(5a) 및 출력단자(5c)와 연결되도록 한다. 또한, 제 2 세라믹 레이어(14)에 형성된 전극 패턴은 제 2 세라믹 레이어(14) 및 제 1 세라믹 레이어(12)를 관통하도록 형성된 비아 홀을 통해 바닥면의 동작전원(5a) 및 접지단자(5b)와 연결되어 정온 동작이 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정 발진기에 있어서 수정 소자는 SC-cut 수정 진동자가 사용될 수 있다. 수정 발진기에 사용되는 수정소자는 고압의 오토클레이브에서 인공적으로 결정 성장되고, 상기 수정의 결정축을 중심으로 절단하여 원하는 특성을 갖도록 크기와 모양을 가공하여 웨이퍼의 형태로 제작한다. 다음, 상기 수정 웨이퍼를 절단 가공한 수정 소자를 패키지 내부에 고정하는데, 이때 수정 웨이퍼의 중심을 기준으로 3차원의 좌표축을 설정할 때 하나의 좌표축에 대한 절단 각도에 따라 AT-cut, BT-cut, 및 IT-cut 등으로 나뉘어진다. AT-cut, BT-cut, 및 IT-cut 수정 진동자는 각각 고유 진동수 또는 발진 특성이 달라지는데, 일반적으로 수정 발진기에서는 AT-cut 수정진동자를 수정 소자로서 사용한다.
SC-cut은 상술한 AT-cut, BT-cut 수정진동자가 z축에 대해 일정 각도를 가지고 절단되는 데 반해, 적어도 2개 이상의 축에 대한 일정 각도에 따라 절단되어 진동한다. 이러한 SC-cut 수정진동자는 AT-cut 수정진동자와 유사하게 약 1Mhz 내지 250MHz 또는 그 이상의 주파수를 발진시킬 수 있다. 그러나, AT-cut 수정진동자가 외부 온도 변화에 민감하여 주파수 편차가 많이 생기는 데 반해, SC-cut 수정진동자는 그에 비해 훨씬 더 온도 변화에 관계없이 일정한 주파수를 발진시킬 수 있다.
도 4는 일반적인 SC-cut 수정진동자와 AT-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성이 도시된 그래프로서, 도 4(a)는 AT-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성이 도시된 그래프이며, 도 4(b)는 SC-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성이 도시된 그래프이다.
도 4에 비교 도시된 바와 같이 SC-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성은 AT-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성에 비해 넓은 범위에서 훨씬 완만하게 변화하고 있다. 따라서, 갑작스런 온도변화가 있는 경우 AT-cut 수정진동자는 이에 따라 매우 큰 주파수 편차를 보이게 되지만, SC-cut 수정진동자는 그러한 경우에도 완만하게 변화하므로 안정적으로 주파수 발진 동작을 수행할 수 있다. 또한, 신속하게 캐비티를 주위보다 높은 온도로 하고자 하는 경우에도 AT-cut 수정진동자에 비해 SC-cut 수정진동자가 보다 안정적인 주파수 발진 동작을 수행할 수 있으므로 일정 주파수 발진 동작을 위한 기동시간을 크게 단축할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 항온조 수정발진기를 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 정온 발열체로서 PTC 소자를 패키지 내에 포함하여 제품의 소형화에 크게 기여할 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 특허 청구범위의 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.
도 1 은 일반적인 항온조 수정발진기의 구조가 도시된 도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정발진기의 구조가 도시된 단면도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항온조 수정발진기가 도시된 평면도, 및
도 4 는 일반적인 AT-cut 수정진동자 및 SC-cut 수정진동자의 주파수-온도 특성이 도시된 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5: 바닥면의 전극패드 10: 세라믹 패키지
20: 수정 소자 25: 정온 발열체
30: 전극패턴 35: 와이어

Claims (4)

  1. 진동을 발생하는 수정 소자;
    상기 수정 소자가 수용되는 세라믹 패키지;
    상기 세라믹 패키지 내에서 상기 수정 소자의 하면과 이격하여 배치되며 상기 수정 소자가 일정 온도를 유지하도록 열을 공급하는 PTC를 포함하고,
    상기 세라믹 패키지는,
    도전성 접착제를 이용하여 중앙부에서 상기 PTC를 고정하는 제1 세라믹 레이어;
    상기 PTC가 배치되는 중앙부에 캐비티를 갖도록 상기 제1 세라믹 레이어 위에 형성되고, 상기 PTC에 전원을 인가하기 위한 제2 세라믹 레이어; 및
    상기 수정 소자가 배치되는 중앙부에 캐비티를 갖도록 상기 제2 세라믹 레이어 위에 형성되고, 상기 수정 소자에 전원을 인가하기 위한 제3 세라믹 레이어를 포함하며,
    상기 제2 세라믹 레이어를 관통하는 비아홀을 통하여 상기 제1 세라믹 레이어의 하면의 단자와 전기적으로 연결되는 상기 제2 세라믹 레이어 상의 전극패턴을 와이어를 통하여 상기 PTC와 연결하고,
    상기 제3 세라믹 레이어 및 상기 제2 세라믹 레이어를 관통하는 비아홀을 통하여 상기 제1 세라믹 레이어의 하면의 다른 단자와 전기적으로 연결되는 상기 제3 세라믹 레이어 상의 전극패턴에 도전성 접착제에 의하여 상기 수정 소자를 접합하고 고정시키며,
    상기 수정 소자의 진동을 이용하여 일정 주파수의 발진 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 항온조 수정 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PTC는 상기 수정 소자의 형상에 대응하는 패널 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 항온조 수정 발진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PTC는 세라믹 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 항온조 수정 발진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수정소자는 SC-cut 수정 진동자인 것을 특징으로 하는 항온조 수정 발진기.
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