KR101310717B1 - 튜너블 필터 - Google Patents

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

주파수 온도 특성이 뛰어나고, 나아가 전기기계 결합계수가 높아진 탄성 표면파 공진자를 이용해서 형성되어 있으며, 온도 특성 및 주파수 특성을 개선할 수 있는 튜너블 필터를 제공한다.
탄성 표면파 공진자(S1, S2, P1~P3)에 가변 콘덴서가 접속되어 있는 회로 구성을 구비하고, 상기 탄성 표면파 공진자가 LiTaO3 또는 LiNbO3로 이루어지는 압전기판(11)과, 상기 압전기판의 상면(11a)의 오목부(11b)에 충전된 전극재료로 이루어지는 IDT 전극(12)과, 상기 압전기판을 덮도록 마련된 SiO2막(15)을 가지는 튜너블 필터(1).

Description

튜너블 필터{TUNABLE FILTER}
본 발명은 통신 시스템에서의 대역 필터로서 이용되는 튜너블 필터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 탄성 표면파 공진자를 이용해서 구성되어 있는 튜너블 필터에 관한 것이다.
통신 시스템에 이용되는 대역 필터에 있어서, 통과대역을 조정할 수 있는 것이 요구되는 경우가 있다. 이러한 요구를 만족하는 대역 필터, 즉 튜너블 필터가 여러가지 제안되어 있다.
예를 들면 하기의 특허문헌 1에는 복수의 탄성 표면파 공진자와 가변 콘덴서를 이용한 튜너블 필터가 개시되어 있다. 도 52는 특허문헌 1에 기재된 튜너블 필터의 회로도이다.
튜너블 필터(101)에서는 입력단(102)과 출력단(103) 사이를 연결하는 직렬암(series arm)에, 복수의 직렬암 공진자(104, 105)가 서로 직렬로 접속되어 있다. 또한 직렬암과 그라운드 전위 사이의 복수의 병렬암(parallel arm)에 있어서, 각각 병렬암 공진자(106, 107)가 접속되어 있다. 직렬암 공진자(104, 105) 및 병렬암 공진자(106, 107)는 탄성 표면파 공진자에 의해 형성되어 있다.
상기 직렬암 공진자(104, 105) 및 병렬암 공진자(106, 107)를 가지는 래더(ladder)형 필터 회로가 구성되어 있다. 또한 통과대역을 조정하는 것을 가능하게 하기 위해 가변 콘덴서(108∼115)가 접속되어 있다. 즉, 직렬암 공진자(104)에 병렬로 가변 콘덴서(108)가 접속되어 있고, 상기 직렬암 공진자(104) 및 가변 콘덴서(108)에 직렬로 가변 콘덴서(110)가 접속되어 있다. 마찬가지로, 직렬암 공진자(105)에도 병렬로 가변 콘덴서(109)가 접속되어 있고, 직렬로 가변 콘덴서(111)가 접속되어 있다.
병렬암에 있어서도, 병렬암 공진자(106)에 병렬로 가변 콘덴서(112)가 접속되어 있고, 병렬암 공진자(106) 및 가변 콘덴서(112)에 직렬로 가변 콘덴서(114)가 접속되어 있다. 마찬가지로, 병렬암 공진자(107)에 병렬로 가변 콘덴서(113)가 접속되어 있고, 직렬로 가변 콘덴서(115)가 접속되어 있다.
일본국 공개특허공보 2005-217852호
튜너블 필터(101)에 있어서는, 직렬암의 회로 부분에 있어서의 공진 주파수(FrS)는 가변 콘덴서(110, 111)의 용량, 즉 직렬용량이 작아질수록 높일 수 있다. 또한 병렬용량, 즉 가변 콘덴서(108, 109)에 의한 정전용량이 커질수록 직렬암에 있어서의 반공진 주파수(FaS)를 낮출 수 있다.
마찬가지로, 병렬암의 회로 부분의 공진 주파수(FrP) 및 반공진 주파수(FaP)에 대해서도, 병렬로 접속되는 가변 콘덴서(112, 113) 및 직렬로 접속되는 가변 콘덴서(114, 115)의 용량을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다. 그 때문에, 튜너블 필터(101) 전체의 중심 주파수를, 상기 가변 콘덴서(108∼115)의 용량을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다.
그러나 특허문헌 1에 기재된 튜너블 필터(101)에서는 직렬암 공진자(104, 105)나 병렬암 공진자(106, 107)에 이용되고 있는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수가 작다는 문제가 있었다. 또한 주파수 온도계수(TCF)의 절대값이 크다는 문제가 있었다. 또한 직렬암 및 병렬암에 있어서의 탄성 표면파 공진자나 가변용량 콘덴서 등의 부품 점수가 많았다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 현상을 감안하여, 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 크게 할 수 있고, 그로 인해 탄성 표면파 공진자의 비대역폭을 확대할 수 있으며, 튜너블 필터의 가변 주파수 범위를 확대할 수 있고, 나아가 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 작게 하여 온도 변화에 따른 특성의 변화를 작게 할 수 있게 되어 있는 튜너블 필터를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따르면, LiNbO3 또는 LiTaO3로 이루어지며, 상면에 오목부가 형성된 압전기판과, 상기 오목부에 충전된 전극재료로 이루어지는 IDT 전극을 구비하는 탄성 표면파 공진자와, 상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 구비하는 튜너블 필터가 제공된다.
한편 이하에 있어서는 LiNbO3를, 경우에 따라서는 LN으로 줄여서 기재하기로 한다. 또한 LiTaO3를 경우에 따라서는 LT로 줄여서 기재하기로 한다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 어느 특정한 국면에서는 상기 탄성 표면파 공진자가, 상기 압전기판의 상면을 덮도록 마련된 SiO2막을 더 구비한다. 이 경우에는 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 작게 할 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 압전기판이 오일러각(Euler angle) (0°, 85°∼150°, 0°)의 LiTaO3 기판으로 이루어지고, 상기 IDT 전극을 형성하고 있는 전극재료가 Au이다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 한층 더 높일 수 있고, 나아가 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 한층 더 작게 할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 IDT 전극이 Au, Pt, Cu 및 Al 그리고 이들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 전극층을 주체로 한다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 한층 더 효과적으로 높일 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, 적어도 전극지가 위치해 있는 부분의 위쪽에 있어서, SiO2막의 표면에 전극지의 두께와 같은 높이의 볼록부가 형성되어 있다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 한층 더 작게 할 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며 상기 전극지의 위쪽에 있어서 상기 SiO2막의 표면이 거의 평탄화되어 있다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 한층 더 높일 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 압전기판에 채워넣어진 전극의 듀티(duty)가 0.5보다 크다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 압전기판이 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3 기판으로 이루어진다. 오일러각이 이 범위에 있는 LiNbO3 기판을 이용한 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 충분히 높게 할 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 IDT 전극이 Au, Pt, Cu, Ta, W, Mo, Ni, Ag 및 Al 그리고 이들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 전극층을 주체로 한다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 한층 더 높일 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에 따르면, 상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, SiO2막의 표면이 거의 평탄하다. 이 경우에는 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 한층 더 높일 수 있다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 LiNbO3 기판의 오일러각이 (0°, 80°∼130°, 0°)이고, IDT 전극이 Au, Pt, Cu, Ta, W, Mo, Ni, Ag 및 Al 그리고 이들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 금속으로 이루어지는 전극층을 주체로 하는 구성에 있어서, 상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, 적어도 전극지가 위치해 있는 부분의 위쪽에 있어서, SiO2막의 표면에 전극지의 두께와 같은 높이의 볼록부가 형성되어 있다. 이 경우에는 볼록부의 형성에 의해 IDT 전극에 있어서의 반사계수를 높일 수 있다.
제2발명에 따르면, 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고, 상면에 오목부가 형성된 압전기판과, Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께의 하한과 듀티와의 관계가 도 42∼49 및 하기의 표 1에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 1에 나타내는 각 값으로 되어 있으며, 듀티가 0.15∼0.85로 된 탄성 표면파 공진자와, 상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 구비하는 튜너블 필터가 제공된다.
Figure 112011035355197-pct00001
한편 듀티는 IDT 전극의 전극지형성 피치를 P, 동(同) 전극지폭을 M으로 했을 경우에, 전극지형성 피치(P)에 대한 전극지선폭(M)의 크기(M/P)이다.
제3발명에 따르면, 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고, 상면에 오목부가 형성된 압전기판과, Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께의 하한과 듀티와의 관계가 도 42∼49 및 하기의 표 2에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 2에 나타내는 각 값으로 되어 있으며, 듀티가 0.5보다 크게 된 탄성 표면파 공진자와, 상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 구비하는 튜너블 필터가 제공된다.
Figure 112011035355197-pct00002
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께와 듀티가, 하기의 표 3에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 3에 나타내는 각 값으로 되어 있다.
Figure 112011035355197-pct00003
막두께의 상한은 반사계수가 너무 큰 것에 기인하는 스퓨리어스(spurious)가 발생함에 따라 결정된다.
제4발명에 따르면, 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고, 상면에 오목부가 형성된 압전기판과, Al 또는 Al을 주체로 하는 합금이 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 0.036 이상, 0.4 이하이고, 바람직하게는 Al 규격화 막두께의 상한과 듀티와의 관계가 도 50 및 표 4에 기재된 대로이며, Al 규격화 막두께 하한이 하기의 표 4에 나타내는 값이면서, 듀티가 0.5 미만 또는 0.5보다 큰 탄성 표면파 공진자와, 상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 구비하는 튜너블 필터가 제공된다.
Figure 112011035355197-pct00004
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께 상한과 듀티와의 관계가 하기의 표 5에서 나타내는 대로이며, 전극막두께 하한이 하기의 표 5에 나타내는 값으로 되어 있다.
Figure 112011035355197-pct00005
본원의 제5발명에 따른 튜너블 필터는 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고, 상면에 오목부가 형성된 압전기판과, Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, Au, Pt, W 또는 Ta가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.006 이하, Ag가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.01 이하, Cu, Mo 또는 Ni가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.013 이하로 구성된 탄성 표면파 공진자와, 상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 구비한다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는, 상기 탄성 표면파 공진자로서 복수의 탄성 표면파 공진자를 가지며, 상기 복수의 탄성 표면파 공진자가 입력단자와 출력단자 사이에서 직렬로 접속되어 있고, 상기 가변 콘덴서로서 제1, 제2 가변 콘덴서를 가지며, 제1 가변 콘덴서가 상기 복수의 탄성 표면파 공진자 중 적어도 1개의 탄성 표면파 공진자에 직렬로 접속되어 있고, 상기 제2 가변 콘덴서가 상기 복수의 탄성 표면파 공진자 중 적어도 1개의 탄성 표면파 공진자에 병렬로 접속되어 있으며, 복수의 탄성 표면파 공진자의 접속점과 그라운드 사이에 접속된 인덕턴스와, 입력단자와 그라운드 사이 및 출력단자와 그라운드 사이에 접속된 정합 콘덴서를 더 구비한다.
본 발명에 따른 튜너블 필터의 또 다른 특정한 국면에서는 정합 콘덴서 및 인덕턴스의 임피던스가 20∼100Ω이다.
본 발명에 따른 튜너블 필터에 따르면, 탄성 표면파 공진자와 가변 콘덴서가 접속되어 있는 구성에 있어서, 탄성 표면파 공진자가, LiNbO3 또는 LiTaO3로 이루어지는 압전기판의 상면의 홈에 전극재료를 충전함으로써 IDT 전극이 형성되어 있는 구조를 구비하기 때문에, 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수를 높일 수 있다. 그 때문에, 비대역폭이 넓은 탄성 표면파 공진자가 얻어지고, 가변 주파수 범위가 넓은 튜너블 필터를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1(a)는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로 구성을 나타내는 도면이고, (b)는 실시형태에서 이용되는 탄성 표면파 공진자를 나타내는 모식적 평면도이며, (c)는 (b) 중의 I-I선을 따라 자른 부분의 정면 단면도이다. (d)는 (c) 중의 SiO2막이 존재하지 않는 구조의 정면 단면도이다.
도 2는 제1 실험예에서 측정된 탄성 표면파 공진자의 주파수 특성을 나타내는 도면이고, SiO2막이 형성되어 있는 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 참고예의 튜너블 필터의 회로도이다.
도 4는 제2 실험예에 있어서, 도 3의 참고예의 필터 회로에 있어서의 가변용량의 정전용량을 변화시켰을 경우의 필터 특성의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 제3 실험예에 있어서, 36° YX-LiTaO3에 있어서의 탄성 표면파 공진자의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 변화시켰을 경우의 반사계수의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 제3 실험예에 있어서, 36° YX-LiTaO3에 있어서의 탄성 표면파 공진자의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 변화시켰을 경우의 전기기계 결합계수(k2)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 제4 실험예에 있어서, 13° YX-LiTaO3에 있어서의 탄성 표면파 공진자에 있어서 형성되어 있는 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.2, 0.3 또는 0.4로 했을 경우에, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 제4 실험예에 있어서, 탄성 표면파 공진자에 있어서 형성되어 있는 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.2, 0.3 또는 0.4로 했을 경우에, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 전기기계 결합계수(k2)와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Pt로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Pt로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 전기기계 결합계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Au로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Au로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 전기기계 결합계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 전기기계 결합계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Al로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 제5 실험예에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Al로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 LiNbO3를 이용한 각종 구조의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 전기기계 결합계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은 제5 실험예에 있어서, LiTaO3를 이용하고, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Pt로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.02, 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 반사계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18은 제5 실험예에 있어서, LiTaO3를 이용하고, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.25로 하고, Pt로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.02, 0.04 또는 0.08로 했을 경우의 탄성 표면파 공진자의 오일러각 (0°, θ, 0°)의 θ와, 전기기계 결합계수와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19는 제6 실험예에 있어서, LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Cu가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 이 두께가 파장의 6% 또는 10%로 하고, 듀티를 0.5로 했을 경우의 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 20은 제6 실험예에 있어서, LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, 두께(H/λ)가 0.1인 Cu가 채워넣어진 전극을 이용하고, IDT 전극의 듀티를 0.4, 0.45, 0.5, 0.55 또는 0.6으로 했을 경우의 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 21은 제6 실험예에 있어서, LiNbO3 기판을 이용하고, 듀티가 0.6이며, 두께(H/λ)가 0.06 또는 0.1인 Cu가 채워넣어진 IDT 전극으로 이루어지는 경우의 탄성 표면파 장치의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 22는 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Au가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Pt가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24는 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, W가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 25는 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Ta가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 26은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Ag가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 27은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Cu가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 28은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Mo가 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 29는 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Al이 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.5인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 30은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Al이 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.45인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 fr에 상당하는 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 31은 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Al이 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.55인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 fr에 상당하는 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 32는 제6 실험예에 있어서, 오일러각 (0°, 100°, 0°) 즉, 10° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판을 이용하고, IDT 전극으로서, Al이 채워넣어진 구조로 이루어지며, 듀티가 0.85인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와 fr에 상당하는 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 33은 제1 실험예에서 측정된 탄성 표면파 공진자의 주파수 특성을 나타내는 도면이며, 실선이 SiO2막이 형성되어 있는 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내고, 파선이 SiO2막이 형성되어 있지 않은 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로도이다.
도 35는 제2 실시형태의 튜너블 필터에 있어서 가변 콘덴서(C2 및 C6)의 용량을 동일하게 하고, 가변 콘덴서(C2)의 용량을 0.25pF, 0.5pF, 0.75pF 또는 1.0pF로 했을 경우의 튜너블 필터의 필터 특성의 변화를 나타내는 도면이다.
도 36은 압전기판상에 마련된 홈에 금속을 충전하여 이루어지는 IDT 전극을 가지는 탄성 표면파 공진자 및 압전기판의 상면에 금속으로 이루어지는 IDT 전극을 형성한 탄성 표면파 공진자의 각 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 37은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로도이다.
도 38은 제3 실시형태의 튜너블 필터에 있어서, 가변 콘덴서(C2)의 정전용량과 가변 콘덴서(C3)의 정전용량을 동일하게 하고, 가변 콘덴서(CP1)와 가변 콘덴서(CP2)의 정전용량을 동일하게 하고, 가변 콘덴서(C2, C3)의 정전용량과 가변 콘덴서(CP1, CP2)의 정전용량을 변화시켰을 경우의 필터 특성의 변화를 나타내는 도면이다.
도 39는 Cu 전극이 오일러각 (0°, 94°, 0°)의 LiNbO3상에 형성된 구조의 탄성 표면파의 공진 및 반공진 음속과 Cu 막두께와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 40은 오일러각 (0°, 94°, 0°)의 LiNbO3상에 Cu 전극이 형성된 구조와 LiNbO3 기판상의 홈에 Cu 전극이 채워넣어진 구조의 전기기계 결합계수와 Cu 막두께와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 41은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Ni 전극이 채워넣어진 구조의 다양한 듀티에 있어서의 공진과 반공진 주파수 음속의 Ni 막두께 의존성을 나타내는 도면이다.
도 42는 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Au 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Au 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 43은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Pt 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Pt 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 44는 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 W 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 W 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 45는 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Ta 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Ta 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 46은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Ag 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Ag 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 47은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Cu 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Cu 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 48은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Mo 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Mo 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 49는 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Ni 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Ni 막두께의 하한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 50은 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3에 Al 전극이 채워넣어진 구조의 듀티와 Al 막두께의 상한값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 51(a)는 본 발명의 변형예에 따른 튜너블 필터의 회로도이고, (b)는 직렬암 공진자(S3)를 포함하는 직렬암과 인덕턴스(L5)를 포함하는 병렬암으로 이루어지는 회로가 또한 종속(縱續;cascade) 접속되어 있는 본 발명의 다른 변형예의 튜너블 필터의 회로도이다.
도 52는 종래의 튜너블 필터를 설명하기 위한 회로도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 명확히 한다.
도 1(a)는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로도이고, (b)는 상기 튜너블 필터에 이용되는 탄성 표면파 공진자의 모식적 평면도이며, (c)는 (b) 중의 I-I선을 따라 자른 부분의 정면 단면도이다. (d)는 (c) 중의 SiO2막이 존재하지 않는 구조의 정면 단면도이다.
도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 튜너블 필터(1)는 입력단자(2)와 출력단자(3)를 가진다. 입력단자(2)와 출력단자(3)를 연결하는 직렬암에 있어서, 복수의 직렬암 공진자(S1 및 S2)가 서로 직렬로 접속되어 있다. 여기서는 직렬암 공진자(S1)의 입력측에 있어서, 직렬암 공진자(S1)에 직렬로 가변 콘덴서(4)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S2)의 출력측에서는, 직렬암 공진자(S2)에 직렬로 가변 콘덴서(5)가 접속되어 있다.
직렬암 공진자(S1)의 입력측에서는 직렬암과 그라운드 전위를 연결하는 제1 병렬암이 형성되어 있다. 제1 병렬암에는 병렬암 공진자(P1)가 접속되어 있다. 제1 병렬암에 있어서는 병렬암 공진자(P1)에 직렬로 가변 콘덴서(6)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S1, S2)간의 접속점과 그라운드 전위 사이에 제2 병렬암이 형성되어 있다. 제2 병렬암에 제2 병렬암 공진자(P2)가 접속되어 있고, 병렬암 공진자(P2)에 직렬로 가변 콘덴서(7)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S2)의 출력측에서는, 제3 병렬암이, 직렬암과 그라운드 전위를 연결하도록 형성되어 있고, 제3 병렬암에 병렬암 공진자(P3) 및 가변 콘덴서(8)가 접속되어 있다. 가변 콘덴서(8)는 병렬암 공진자(P3)에 직렬로 접속되어 있다.
상기 직렬암 공진자(S1, S2) 및 병렬암 공진자(P1∼P3)는 모두 탄성 표면파 공진자에 의해 형성되어 있다. 주지와 같이, 래더형 필터에서는 직렬암 공진자의 공진 주파수와, 병렬암 공진자의 반공진 주파수에 의해 통과대역이 형성된다. 상기 가변 콘덴서(4∼8)를 직렬암 공진자 또는 병렬암 공진자에 직렬로 접속하고, 또한 상기 가변 콘덴서(4∼8)의 정전용량을 변화시킴으로써, 직렬암 및 병렬암에 있어서의 공진 특성을 변화시킬 수 있다. 따라서 특허문헌 1에 기재된 튜너블 필터와 마찬가지로, 튜너블 필터(1)의 중심 주파수를 변화시킬 수 있다.
상기 직렬암 공진자(S1, S2) 및 병렬암 공진자(P1∼P3)는 탄성 표면파 공진자로 이루어진다. 탄성 표면파 공진자의 구조를, 직렬암 공진자(S1)를 대표로 해서 설명한다. 도 1(b), (c) 및 (d)에 나타내는 바와 같이, 직렬암 공진자(S1)를 구성하고 있는 탄성 표면파 공진자는 압전기판(11)을 가진다. 압전기판(11)은 본 실시형태에서는 15° Y컷트 X전파의 LiNbO3로 이루어진다. 즉, 오일러각으로 (0°, 105°, 0°)의 LiNbO3 기판이 압전기판(11)으로서 이용되고 있다.
압전기판(11)의 상면(11a)에는 오목부로서 복수개의 홈(11b)이 형성되어 있다. 이 홈(11b) 안에 전극재료를 충전함으로써 IDT 전극(12)이 형성되어 있다. 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는 IDT 전극(12)의 탄성 표면파 전파방향 양측에 반사기(13, 14)가 형성되어 있다. 따라서 1포트형 탄성 표면파 공진자가 구성되어 있다.
반사기(13, 14)도 또한 압전기판(11)의 상면(11a)상에 마련된 오목부, 즉 복수개의 홈에 전극재료를 충전함으로써 형성되어 있다.
도 1(c), (d)에 나타내는 바와 같이, 상기 IDT 전극(12)의 상면 즉 전극지 부분의 상면은 압전기판(11)의 상면(11a)과 같은 면으로 되어 있다.
따라서 상기 IDT 전극(12) 및 반사기(13, 14)를 형성한 후에, 압전기판(11)의 상면(11a)은 평탄하게 되어 있다. 도 1(c)의 구조에서는 이 압전기판(11)의 상면(11a)을 덮도록 SiO2막(15)이 형성되어 있다. 도 1(d)의 구조에서는 SiO2막을 형성하지 않는다.
직렬암 공진자(S1)를 예로 들어 설명했지만, 직렬암 공진자(S2)도 마찬가지로 구성되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S1, S2)는 공진 주파수가 튜너블 필터(1)의 통과대역 내에, 반공진 주파수가 통과대역보다 고역측의 감쇠역에 설정되어 있다. 한편, 병렬암 공진자(P1∼P3)는 공진 주파수가 통과대역보다 저역측의 감쇠역에, 반공진 주파수가 통과대역 내에 형성된다.
본 실시형태의 튜너블 필터(1)에서는 직렬암 공진자(S1, S2) 및 병렬암 공진자(P1∼P3)가 상기와 같은 구조를 가지기 때문에, 탄성 표면파 공진자의 전기기계 결합계수(k2)를 높일 수 있고, 그로 인해 비대역폭을 넓히는 것이 가능하게 된다. 아울러 SiO2막이 성막되어 있기 때문에, 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 작게 하여, 온도 변화에 의한 특성의 변화를 작게 하는 것이 가능하게 된다. 이것을 도 2∼도 8을 참조하여 설명한다.
(제1 실험예)
도 2는 15° Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판, 즉 오일러각으로 (0°, 105°, 0°)의 LiNbO3 기판을 이용하고, 전극재료로서 Al을 이용하며, 탄성 표면파 공진자의 파장을 λ라고 했을 때에, IDT 전극(12)의 막두께(H/λ)를 0.17로 하고, SiO2막의 막두께(h/λ)를 0.22로 했을 때의 탄성 표면파 공진자의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다. 비교를 위해, SiO2막이 형성되어 있지 않은 것을 제외하고는 동일하게 형성된 탄성 표면파 공진자의 임피던스-주파수 특성 및 위상 특성을 도 33에 파선으로 나타낸다. 한편 도 33에 있어서, 대비를 명확히 하기 위해 도 2의 특성을 실선으로 재차 나타낸다.
도 33으로부터 명백한 바와 같이, 반공진점에서의 임피던스의 공진 주파수에서의 임피던스에 대한 비인 피크-밸리비(peak-to-valley ratio)는 SiO2막을 형성하지 않은 경우에는 57.5dB였던 데 반해, SiO2막을 형성한 구조에서는 60.2dB로 크게 하는 것이 가능하였다. 나아가 주파수 온도계수(TCF)에 대해서는 SiO2막을 가지지 않을 경우에는 -120ppm/℃였지만, SiO2막의 형성에 의해 -10∼-30ppm/℃로 그 절대값을 작게 하는 것이 가능하였다.
따라서 SiO2막의 형성에 의해 전기기계 결합계수(k2)는 다소 작아지지만, 피크-밸리비를 크게 할 수 있음을 알 수 있다. 아울러, 이 온도 특성을 개선할 수 있음을 알 수 있다.
(제2 실험예)
다음으로 도 3에 나타내는 튜너블 필터(21)를 형성하여, 가변 콘덴서의 정전용량의 변화에 의한 필터 특성의 변화를 조사하였다. 도 3에 나타내는 튜너블 필터(21)에서는 입력단자(22)와 출력단자(23)를 연결하는 직렬암에 있어서, 직렬암 공진자(S1, S2)가 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고 직렬암 공진자(S1)의 입력측에 있어서, 직렬암 공진자(S1)에 직렬로 가변 콘덴서(C2)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S1)의 입력측에서는 직렬암과 그라운드 전위를 연결하는 병렬암에 콘덴서(C1)가 접속되어 있다.
직렬암 공진자(S1 및 S2)간의 접속점과 그라운드 전위를 연결하는 제2 병렬암에 있어서 인덕턴스(L1)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S2)의 출력측에서는 가변 콘덴서(C3)가 직렬암 공진자(S2)에 접속되어 있다. 또한 출력단자(3)와 그라운드 전위 사이를 연결하는 제3 병렬암에 콘덴서(C4)가 접속되어 있다. 한편 인덕터(L1) 대신에 용량을 이용해도 되며 유사한 특성을 나타낸다.
여기서 직렬암 공진자(S1, S2)는 상기와 마찬가지로, 15° Y컷트 X전파, 오일러각으로 (0°, 105°, 0°)의 LiNbO3 기판을 이용하고, 상면의 홈에 전극재료로서 Al을 채워넣고, 규격화 막두께(H/λ)가 0.17인 IDT 전극 및 반사기를 형성하였다. 한편 SiO2막은 형성하지 않았다. 또한 가변 콘덴서(C2)와 가변 콘덴서(C3)의 정전용량을 동일하게 한 구조에 있어서, 정전용량을 도 4와 같이, 1pF, 2pF, 5pF, 10pF, 25pF, 50pF 또는 100pF로 변화시켜 필터 특성을 측정하였다.
직렬암 공진자(S1, S2)의 정전용량에 대해서는, IDT 전극의 전극지의 대수(對數) 혹은 교차폭을 변화시킴으로써 조정하였다. 상기 인덕턴스(L1)의 값은 12nH로 하였다.
도 4는 상기와 같이 하여, 콘덴서(C1∼C4) 및 직렬암 공진자(S1, S2)의 정전용량을 변화시켰을 경우의 필터 특성의 변화를 나타낸다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 용량이 1pF에서 100pF로 변화되어 감에 따라, 필터의 중심 주파수가 2.21GHz 부근에서 2.48GHz 부근 사이에서 변화되는 것, 즉 약 11% 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서 콘덴서(C1∼C4)의 정전용량을 변화시킴으로써, 이러한 회로 구성을 가지는 필터의 통과대역을 조정할 수 있음을 알 수 있다. 후술하는 바와 같이, 도 3의 입력단자(22)와 출력단자(23) 사이에 용량을 접속함으로써 2.53GHz 이상의 고주파의 감쇠량을 개선할 수 있다.
본 실험예에서는 오일러각 (0°, 105°, 0°)의 LiNbO3를 이용했지만, 본원 발명자의 실험에 따르면, (0°, 80°∼130°, 0°)의 범위의 LiNbO3 기판을 이용했을 경우, 본 실험예와 동일한 결과가 얻어지는 것이 확인되었다.
(제3 실험예)
오일러각이 (0°, 126°, 0°)의 LiTaO3 기판을 압전기판으로서 이용하고, 전극재료로서 Au를 이용하고, 압전기판을 덮도록 SiO2막을 성막하여 다양한 구조의 탄성 표면파 공진자를 제작하였다. 탄성 표면파 공진자의 IDT 전극의 전극지 피치로 정해지는 파장을 λ라고 했을 때에, SiO2막의 두께(h)를 파장(λ)으로 규격화하여 이루어지는 규격화 두께(h/λ)는 0.3으로 하였다. 준비한 탄성 표면파 공진자로서는 이하의 제1∼제4 탄성 표면파 공진자 A∼D를 준비하였다.
제1 탄성 표면파 공진자 A: 압전기판의 상면에 전극을 형성하고 SiO2막을 더 형성한 구조. SiO2막의 상면에는, 전극이 아래쪽에 위치해 있는 부분에 하지(下地;base)의 전극의 두께에 상당하는 높이의 볼록부가 형성되어 있다.
제2 탄성 표면파 공진자 B: SiO2막의 상면의 볼록부가 존재하지 않는 것을 제외하고는 제1 탄성 표면파 공진자 A와 같음. SiO2막의 상면은 평탄화되어 있다.
제3 탄성 표면파 공진자 C: 압전기판의 상면에 마련된 홈에 전극재료를 충전함으로써 IDT 전극 및 반사기가 형성되어 있는 구조. 전극의 상면과 압전기판의 상면이 같은 면으로 되어 있다. SiO2막의 상면에는 전극이 아래쪽에 존재하는 부분에 있어서, 전극의 두께와 거의 동일한 높이의 볼록부가 형성되어 있는 구조.
제4 탄성 표면파 공진자 D: SiO2막의 상면에 볼록부가 형성되어 있지 않고, SiO2막의 상면이 평탄하게 되어 있는 것을 제외하고는 제3 탄성 표면파 공진자 C와 동일한 구조.
도 5에, 상기 제1∼제4 탄성 표면파 공진자 A∼D에 있어서, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.3일 때의, 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 변화시켰을 경우의 반사계수의 변화를 나타낸다. 또한 도 6은 상기 제1∼제4 탄성 표면파 공진자에 있어서, 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 변화시켰을 경우의 전기기계 결합계수(k2)의 변화를 나타내는 도면이다. 주지와 같이, SiO2막의 주파수 온도계수(TCF)는 양의 값을 가지며, LiTaO3 기판의 주파수 온도계수(TCF)는 음의 값을 가진다. 따라서 모든 경우에 있어서 SiO2막의 성막에 의해 주파수 온도계수(TCF)의 절대값을 작게 할 수 있어, 온도 특성을 개선하는 것이 가능하다.
단, 도 5 및 도 6으로부터 명백한 바와 같이, SiO2막을 형성했을 경우, 제1 탄성 표면파 공진자 A, 제2 탄성 표면파 공진자 B 및 제3 탄성 표면파 공진자 C에서는 전기기계 결합계수(k2)가 작아지고, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 증가함에 따라 전기기계 결합계수(k2)가 작아지는 것을 알 수 있다.
이에 반해 제4 타입의 탄성 표면파 공진자 D에서는 IDT 전극의 규격화 막두께를 특정한 범위로 함으로써 전기기계 결합계수(k2)를 높일 수 있음을 알 수 있다. SiO2막의 상면이 평탄한 제4 타입의 탄성 표면파 공진자 D에서는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.01∼0.09로 함으로써 전기기계 결합계수(k2)를 효과적으로 높일 수 있음을 알 수 있다.
또한 도 5로부터 명백한 바와 같이, 제1∼제4 어느 타입의 탄성 표면파 공진자 A∼D에서도 IDT 전극의 막두께가 두꺼워짐에 따라 반사계수가 높아지는 것을 알 수 있다.
제3∼제4 탄성 표면파 공진자 C∼D의 결과를 비교하면, 상면에 볼록부가 마련되어 있는 제3 탄성 표면파 공진자 C에 있어서, 제4 탄성 표면파 공진자 D보다, IDT 전극의 규격화 막두께가 같으면, 반사계수를 높일 수 있음을 알 수 있다. 따라서 반사계수를 높이기 위해서는 SiO2막의 상면에 볼록부를 형성하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
단, 반사계수는 용도에 따라 어느 정도(예를 들면 0.02) 이상이면 되므로 IDT 전극의 막두께의 편차에 따른 반사계수의 편차를 낮추거나, 넓은 대역의 공진자를 구성하기 위해서는 SiO2막의 상면이 평탄화된 제4 타입의 탄성 표면파 공진자 D가 바람직하다는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 본 실험예에 따르면, 오일러각 (0°, 126°, 0°)의 LiTaO3의압전기판의 상면에 마련된 홈에 Au를 채워넣어 IDT 전극을 형성하고 SiO2막을 형성한 구조에서는, SiO2막의 표면이 평탄할 경우에는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.01∼0.09로 함으로써 전기기계 결합계수를 효과적으로 높일 수 있음을 알 수 있다. 따라서 비대역폭을 넓힐 수 있음을 알 수 있다. 따라서 튜너블 필터의 직렬암 공진자나 병렬암 공진자에 이용했을 경우, 한층 더 효과적으로 튜너블 필터의 주파수 특성을 조정할 수 있음을 알 수 있다. 또한 Au 이외의 전극으로도 같은 결과가 얻어지고 있다.
(제4 실험예)
다음으로 오일러각 (0°, 103°, 0°)의 LiNbO3 기판을 압전기판으로서 이용하고, 압전기판의 상면의 홈에 전극재료로서 Au를 충전함으로써 IDT 전극 및 반사기를 형성하였다. 또한 압전기판의 상면에 SiO2막을 형성하였다. 단, SiO2막의 상면에, IDT 전극의 두께와 동일한 높이의 볼록부를 형성하였다. 즉, 제3 실험예에서 제작한 제3 타입의 탄성 표면파 공진자 C를 형성하였다.
SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)와, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 변화시켜, 반사계수 및 전기기계 결합계수의 변화를 구하였다. 도 7은 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.2, 0.3 또는 0.4인 경우의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)의 변화에 따른 반사계수의 변화를 나타내는 도면이고, 도 8은 전기기계 결합계수(k2)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7로부터 명백한 바와 같이, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.2, 0.3 또는 0.4인 모든 경우에 있어서, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 커짐에 따라 반사계수가 높아지는 것을 알 수 있다.
한편, 도 8로부터 명백한 바와 같이, SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.2인 경우에는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 두꺼워짐에 따라 전기기계 결합계수(k2)가 저하되고 있음을 알 수 있다.
이에 반해 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.3이나 0.4인 경우에는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 증가함에 따라 전기기계 결합계수(k2)가 증가하고, H/λ가 더욱 증가하면 전기기계 결합계수(k2)가 저하되어 가는 경향이 있음을 알 수 있다. 즉, 도 8로부터 명백한 바와 같이, SiO2막의 상면에 볼록부가 마련되어 있는 제3 타입의 탄성 표면파 공진자 C에서는 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)를 0.3 이상으로 함으로써, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 선택함으로 인해 전기기계 결합계수(k2)를 높일 수 있다.
SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.2 미만인 경우에는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 높이면 반사계수는 높아지지만 전기기계 결합계수(k2)는 낮아져, 반사계수와 전기기계 결합계수(k2)는 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있다. 그러나 용도에 따라 반사계수는 어느 정도 이상의 값이면 되며 그다지 클 필요는 없다.
그러나 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)가 0.3 이상인 경우에는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 선택함으로써 반사계수와 전기기계 결합계수(k2) 쌍방을 적당히 크게 할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 LiNbO3의 상면에 홈을 형성하여 상기 홈에 전극을 형성하고 또 SiO2막을 형성한 구조에 있어서, SiO2막의 상면에 볼록부가 형성되어 있을 경우에는 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)는 0.2 이상이어도 된다.
본 실험예에서는 오일러각 (0°, 103°, 0°)의 LiNbO3의 압전기판의 상면에 마련된 홈에 Au를 충전하여, SiO2막을 성막하고, 또한 SiO2막의 상면에 볼록부가 형성되어 있는 구조를 채용함으로써 상술한 바와 같이 전기기계 결합계수(k2)와 반사계수 쌍방을 높일 수 있으므로, 전술한 튜너블 필터의 직렬암 공진자 또는 병렬암 공진자로서 이용했을 경우, 튜너블 필터의 온도 특성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 전기기계 결합계수의 향상에 의해 대역폭을 한층 더 효과적으로 조정할 수 있음을 알 수 있다.
(제5 실험예)
상기 제3, 제4 실험예에서는 각각 오일러각 (0°, 126°, 0°)의 LiTaO3 또는 (0°, 103°, 0°)의 LiNbO3를 이용했지만, 본원 발명자의 실험에 따르면 LiTaO3에 대해서는 (0°, 85°∼150°, 0°)의 LiTaO3를 이용한 경우에도 같은 결과가 얻어지는 것이 확인되었다.
또한 LiNbO3에 대해서는 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3를 이용한 경우에도 같은 결과가 얻어지는 것이 확인되었다.
이것을 도 9∼도 16을 참조하여 설명한다. 오일러각 (0°, θ, 0°)의 LiNbO3 기판의 상면에 홈을 형성하고 상기 홈 내에 금속을 충전하여 IDT 전극을 형성하고 또한 SiO2막을 형성하여, 제3 실험예에서의 제4 탄성 표면파 공진자 D와 동일한 구조를 얻었다. 또한 비교를 위해 (0°, θ, 0°)의 LiNbO3 기판상에 전극을 형성하고 SiO2막을 더 형성하여, SiO2막의 상면이 평탄해지도록 형성해서, 전술한 탄성 표면파 공진자 B와 동일 구조를 가지는 비교예의 탄성 표면파 공진자를 제작하였다. 또한 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)는 전극이 존재하지 않는 부근에서 0.25로 하였다.
상기 2종류의 탄성 표면파 공진자에 있어서, Pt를 전극재료로서 이용하고, 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.04 또는 0.08로 하여, 오일러각의 θ에 의한 반사계수 및 전기기계 결합계수의 변화를 측정하였다. 도 9 및 도 10에 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10으로부터 명백한 바와 같이, 전극재료로서 Pt를 이용했을 경우, 본 발명의 실시형태에 상당하는 탄성 표면파 공진자에서는 LiNbO3의 오일러각이 (0°, 80°∼130°, 0°)의 범위이면, 충분히 큰 전기기계 결합계수가 얻어지는 것을 알 수 있다. 다음으로 전극재료 Pt에서 Au, Cu 또는 Al로 변경하고, 마찬가지로 해서 오일러각의 θ와 반사계수 및 전기기계 결합계수와의 관계를 구하였다. 결과를 도 11∼도 16에 나타낸다. 도 11∼도 16으로부터 명백한 바와 같이, 전극재료로서 Au, Cu 또는 Al을 이용한 경우에도 마찬가지로 LiNbO3의 오일러각의 θ가 80°∼130°의 범위이면, 제4 실험예와 마찬가지로 큰 전기기계 결합계수가 얻어지는 것이 확인되었다. 또한 탄성 표면파 공진자 B와 동일 구조인 것보다 탄성 표면파 공진자 D와 동일 구조인 쪽이 어느 오일러각에서도 큰 전기기계 결합계수가 얻어지는 것을 알 수 있었다.
마찬가지로 오일러각 (0°, θ, 0°)의 LiTaO3 기판의 상면에 홈을 형성하고, 상기 홈 내에 금속을 충전하여 IDT 전극을 형성하고 또 SiO2막을 형성하여, 제3 실험예에서의 제4 타입의 탄성 표면파 공진자 D와 동일한 구조를 얻었다. 또한 비교를 위해 (0°, θ, 0°)의 LiTaO3 기판상에 전극을 형성하고, SiO2막을 SiO2막의 상면이 평탄해지도록 형성하여, 전술한 탄성 표면파 공진자 B와 동일 구조를 가지는 비교예의 탄성 표면파 공진자를 제작하였다. 또한 SiO2막의 규격화 막두께(h/λ)는 전극이 존재하지 않는 부근에서 0.25로 하였다.
상기 2종류의 탄성 표면파 공진자에 있어서, Pt를 전극재료로서 이용하고, 전극의 규격화 막두께(H/λ)를 0.02, 0.04 또는 0.08로 하여, 오일러각의 θ에 의한 반사계수 및 전기기계 결합계수의 변화를 측정하였다. 도 17 및 도 18에 결과를 나타낸다. 따라서 LiTaO3에 대해서는 오일러각이 (0°, 85°∼150°, 0°)인 LiTaO3를 이용한 경우에, 마찬가지로 전기기계 결합계수를 높이고, 대역폭을 효과적으로 조정할 수 있음이 확인되었다. 또한 본원 발명자의 실험에 따르면, 전극재료 Pt에서 Au, Cu 또는 Al로 변경한 경우라도, 동일한 오일러각의 θ의 범위에서 마찬가지로 전기기계 결합계수를 높일 수 있음이 확인되었다. 또한 홈에 전극이 채워넣어진 구조인 쪽이 큰 전기기계 결합계수를 나타내고 있다.
한편 LiTaO3 및 LiNbO3의 오일러각 표시에 있어서, (0°, θ, 0°)에 대하여 (0°±5°, θ, 0°±5°)의 범위이면, 즉 오일러각의 φ 및 ψ에 대해서는 0°±5°이면 오일러각 φ 및 ψ가 0°인 경우와 동일한 결과가 얻어지는 것이 확인되고 있다. 따라서 φ 및 ψ가 0°라는 것은 0°±5°의 범위를 허용하는 것임을 지적해 둔다.
(제6 실험예)
래더형 필터나 공진자형 필터에서 이용되는 탄성 표면파 공진자에서는, 탄성 표면파 공진자의 공진 주파수와 반공진 주파수에 상당하는 음속 사이에 압전기판의 느린 횡파 음속이 존재하지 않을 경우에는 양호한 반공진 특성이 얻어진다. 탄성 표면파 공진자의 공진 주파수와 반공진 주파수에 상당하는 음속 사이에 압전기판의 느린 횡파 음속이 존재할 경우에는 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 있어서 느린 횡파에 상당하는 주파수의 스퓨리어스가 발생한다. 그 때문에 양호한 반공진 특성이 얻어지지 않는다.
도 19는 Y컷트 X전파의 LiNbO3 기판의 상면에 홈을 형성하고, 상기 홈 내에 Cu를 충전하여 IDT 전극이 형성되어 있는 탄성 표면파 공진자의 임피던스 주파수 특성 및 위상 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 도 19에서는 홈의 깊이 즉 Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 파장(λ)의 6%=0.06 및 10%=0.1인 경우의 결과를 나타낸다. 한편 도 19의 가로축은 주파수가 아니라 탄성 표면파의 주파수와 파장(λ)의 곱인 음속으로 나타낸다.
도 19로부터 명백한 바와 같이, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.06인 경우, 반공진 주파수에 상당하는 음속은 약 4200m/초이고, LiNbO3의 느린 벌크파(bulk wave) 횡파 음속 4060m/초보다 빠르기 때문에 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 느린 횡파가 존재하여 반공진 주파수 부근에서의 임피던스 특성 곡선이 날카롭지 않고 둔해져 있다.
이에 반해, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.1인 경우에는 반공진 주파수에 상당하는 음속은 약 3900m/초이고, LiNbO3의 느린 벌크파 횡파 음속 4060m/초보다 느리기 때문에, 반공진 주파수 부근의 임피던스 특성이 급준하여 양호한 특성이 얻어지고 있다.
이것은 후술하는 도 27로부터도 설명할 수 있다. 도 27은 듀티 0.5의 Cu 전극이 (0°, 100°, 0°) LiNbO3상에 채워넣어진 구조의 음속의 Cu 막두께 의존성을 나타내고 있다. 도면 중 fa는 반공진 주파수에 상당하는 유한 요소법으로 해석된 전극 오픈시의 스탑 밴드(stop band) 상단의 주파수, fr은 공진 주파수에 상당하는 전극 단락시의 스탑 밴드의 하단의 주파수이다. 도면으로부터, Cu 전극 규격화 막두께(H/λ)가 0.01∼0.09의 범위에서는 느린 벌크 횡파 음속이 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 존재하여, 특성이 둔해지거나 혹은 스퓨리어스가 생겨 양호한 주파수 특성이 얻어지지 않는 것을 나타내고 있다. 한편 도 39, 40에는 Cu 전극이 (0°, 94°, 0°) LiNbO3상에 존재하는 구조의 음속 및 전기기계 결합계수의 Cu 전극두께 의존성을 나타내고 있다. 도 39에 나타내는 바와 같이 Cu 전극이 LiNbO3 기판상에 존재하는 구조에서는 Cu 전극두께(H/λ)가 0.04 이상이고 느린 횡파 음속이 공진과 반공진 음속의 범위 외가 되는데, 도 40에 나타내는 바와 같이 전기기계 결합계수가 Cu 전극이 채워넣어진 구조의 전기기계 결합계수보다 작다는 결점이 있다. 도 27과 도 39에 있어서, 오일러각의 θ가 다소 다르지만, 오일러각 θ=94°와 θ=100°에서는 거의 같은 값을 나타낸다.
공진 및 반공진 주파수에 있어서의 음속은 IDT 전극을 구성하는 재료 및 IDT 전극의 두께뿐만 아니라, IDT 전극의 듀티에 의해서도 컨트롤할 수 있다. 도 20은 도 19의 경우와 같은 구조에 있어서, 단 Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)는 0.1로 하고, 듀티를 0.4, 0.45, 0.5, 0.55 또는 0.6으로 했을 경우의 각 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 20으로부터 명백한 바와 같이, 듀티가 0.4인 경우에는 반공진 주파수에 있어서의 음속은 느린 벌크파 횡파 음속보다 빠르다. 한편, 듀티가 0.45, 0.50, 0.55 및 0.6인 경우에는 반공진 주파수에 있어서의 음속은 느린 벌크파 횡파 음속보다 느려지고, 반공진 주파수 부근의 임피던스 특성은 급준하게 된다.
도 21은 도 19와 같은 구조에 있어서, 단 Cu로 이루어지는 IDT 전극의 듀티를 0.6으로 했을 경우의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타내는 도면이다. 도 19에 나타낸 바와 같이, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.06인 경우, 듀티가 0.5이면 반공진 주파수의 음속은 상기 벌크파 횡파 음속보다 빨랐다. 이에 반해 도 21에 나타내는 바와 같이, Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 파장의 6% 즉 0.06이어도 듀티가 0.6이 되면 반공진 주파수의 음속은 벌크파 횡파 음속보다 느리게 할 수 있다. 이와 같이, IDT 전극을 구성하는 금속의 종류, 및 두께 이외에 듀티를 크게 함으로써 반공진 주파수의 음속을 벌크파 횡파 음속보다 느리게 할 수 있다. 따라서 Cu 두께(H/λ)가 0.1에서는 듀티를 0.45 이상, Cu 두께(H/λ)가 0.06에서는 듀티를 0.06 이상으로 하는 것이 바람직하다. 듀티는 0.87 이하인 것이 바람직하다. 듀티가 0.87보다 지나치게 크면 전극이 단락될 우려가 있다. 공진자 구조에서는 유한 요소법에 의해 전극 오픈시의 스탑 밴드의 상단, 하단, 전극 단락시의 스탑 밴드의 상단 및 하단의 각 주파수 혹은 음속을 계산할 수 있다. 이 4개의 음속 중 2개의 음속이 거의 일치하고, 나머지 2개의 음속 중 빠른 쪽의 음속이 반공진 주파수의 음속에 상당하고, 느린 쪽의 음속이 공진 주파수에 있어서의 음속에 상당한다. 그 때문에, 상술한 바와 같이 반공진 주파수에 있어서의 임피던스 특성이 급준하며 양호한 공진자를 얻기 위해서는 공진과 반공진 주파수에 상당하는 스탑 밴드의 단부에 상당하는 음속 사이에 벌크파 횡파 음속이 존재하지 않도록 하면 된다. 따라서 양호한 특성의 튜너블 필터를 얻기 위해서는 상기 조건을 만족하는 공진자를 이용하는 것이 바람직하다.
단, 튜너블 필터에서는 반공진 주파수보다 낮은 주파수를 이용하기 때문에, 실용상 반공진 주파수보다 주파수가 10% 정도 낮은 부분에서 공진 특성이 둔해져 있어도 된다. 즉, 반공진 주파수에 있어서의 음속은 벌크파 횡파 음속보다 10% 정도 빠르거나, 혹은 공진 주파수의 음속은 벌크파 횡파 음속보다 느려도 지장이 없다.
도 22∼도 28 및 도 41은 10° Y컷트 X전파 즉 오일러각으로 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3의 상면의 홈에 Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo 또는 Ni를 각각 채워넣어 IDT 전극을 형성한 도 1(d)의 구조의 탄성 표면파 장치에 있어서의 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)와, 전극 오픈시의 스탑 밴드의 상단 및 하단, 그리고 전극 단락시의 스탑 밴드의 상단 및 하단에 있어서의 각 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다. 또한 IDT 전극의 듀티는 모두 0.5이다. 도 22∼도 28에 있어서, 공진 주파수에 상당하는 음속을 fr, 반공진 주파수에 상당하는 음속을 fa의 기호를 부여해서 나타낸다. 또한 4060m/초의 파선은 벌크파 횡파 음속을 나타낸다.
도 22∼도 28 및 도 41로부터 명백한 바와 같이, Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo 또는 Ni로 이루어지는 전극의 규격화 두께(H/λ)는 바람직하게는 각각 0.022 이상, 0.027 이상, 0.037 이상, 0.04 이상, 0.06 이상, 0.09 이상, 0.10 이상 또는 0.14 이상일 때 양호한 공진 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 실용상 지장이 없는 범위는 그것보다 10% 얇은 범위이며, 따라서 각각 0.02 이상, 0.024 이상, 0.033 이상, 0.036 이상, 0.051 이상, 0.081 이상, 0.09 이상 및 0.126 이상일 때 실용상 지장이 없는 특성이 얻어진다.
한편 상기 IDT 전극의 규격화 두께(H/λ)의 상한에 대해서는, 도 22∼도 28, 도 41에서는 0.14 혹은 0.2까지의 범위의 결과가 나타나 있지만, 0.14를 넘어 0.3까지 거의 같은 값을 나타내며, 모두 반공진 주파수(fa)는 횡파 음속 이하이다. IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.30을 넘으면, 이들 고밀도 금속으로 이루어지는 전극으로는 가공하기 어려워질 우려가 있다.
한편 IDT 전극의 듀티가 커지면, 전술한 도 20, 21과 같이 IDT 전극의 막두께는 얇아도 된다. 예를 들어 도 41에서 Ni로 이루어지는 IDT 전극에 있어서, 듀티가 0.65인 경우, 바람직하게는 IDT 전극의 두께(H/λ)는 0.125 이상, 실용상은 0.112 이상이면 되고, 듀티 0.8의 경우 IDT 전극두께(H/λ)는 0.085 이상, 실용상은 0.077 이상이면 된다. 듀티에 대한 막두께의 하한값은 도 42∼49에 나타내는 바와 같이 된다. 듀티는 0.15∼0.85가 바람직하다. 듀티는 보다 바람직하게는 0.5보다 큰 것이 바람직하다. 듀티가 0.15∼0.85 또는 0.5보다 클 때의 듀티와, 전극막두께 하한은 도 42∼49 및 전술한 표 1에 나타내는 값이 바람직하고, 상한은 표 1에 나타내는 값이 바람직하며, 상한은 표 1에 나타내는 값이 바람직하다. 단, 막두께 상한은 실용상은 상술한 바와 같이 10% 얇은 막두께여도 된다. 또한 LiNbO3 기판의 컷트각이 변화되어도 음속 변화량은 같기 때문에, IDT 전극의 바람직한 두께는 거의 같다.
단, Al로 이루어지는 IDT 전극만은 예외적인 동작을 나타낸다. 도 22에서 도 28에 있어서 나타낸 각 재료로 이루어지는 IDT 전극에서는, 공진 주파수(fr)에 상당하는 음속 및 반공진 주파수(fa)에 상당하는 음속은 IDT 전극의 두께가 변화되면 벌크파 횡파 음속보다 빠른 영역에서 느린 영역으로 급격하게 변화된다. 이에 반해 도 29에 나타내는 바와 같이, Al로 이루어지는 IDT 전극을 이용한 경우, 공진 주파수에 상당하는 음속 및 반공진 주파수에 상당하는 음속은 전극의 두께 여하에 관계없이 벌크파 횡파 음속보다 빠르다. 따라서 공진과 반공진 음속 사이에 벌크 횡파 음속이 없기 때문에 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 특성의 열화가 발생하지 않는다고 생각된다. 도 33의 파선은 상기와 동일한 구조이며, 단 Al로 이루어지는 IDT 전극을 이용하고, 그 두께(H/λ)가 0.17인 경우의 임피던스 특성 및 위상 특성을 나타낸다. 도 33으로부터 명백한 바와 같이, 반공진 주파수에 있어서 임피던스 특성 곡선이 비교적 날카로워 양호한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 공진 주파수에서의 음속 및 반공진 주파수에서의 음속 사이에 벌크파 횡파 음속이 존재하지 않기 때문에 양호한 특성이 얻어짐을 알 수 있다.
Al로 이루어지는 IDT 전극을 이용한 경우의 전극의 바람직한 막두께(H/λ)의 범위는 0.04 이상, 0.33 이하이다. 0.04는 공진 주파수(fr)에 상당하는 음속이 전극 단락시의 스탑 밴드의 하단에 있어서의 음속에서 스톱밴드의 상단의 음속으로 변화되는 Al의 막두께(H/λ)이다. 0.33은 도시하지 않았지만, 공진 주파수(fr)에 상당하는 음속 및 반공진 주파수(fa)에 상당하는 음속의 쌍방이 벌크파 횡파 음속보다 빠른 Al 막두께이다. 듀티가 0.15∼0.85의 범위인 동시에 공진 주파수(fr)에 상당하는 음속 및 반공진 주파수(fa)에 상당하는 음속의 쌍방이 벌크파 횡파 음속보다 빠른 범위가 보다 바람직하다. 가공상, 듀티가 작고 깊은 홈보다 듀티가 크고 얕은 홈 쪽이 만들기 쉬우므로 듀티는 0.5를 넘는 편이 바람직하다.
Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo 또는 Ni의 경우에는 막두께에 따라 급격하게 음속이 저하되지만 fr과 fa의 음속 사이에 느린 횡파가 존재하지 않을 때에는 양호한 공진 특성을 나타낸다. 따라서 전극이 기판에 채워넣어진 구조에서는, Au, Pt, W 또는 Ta로 이루어지는 전극에서는 규격화 막두께(H/λ)는 0.006 이하, Ag 전극에서는 0.01 이하, Cu, Mo 또는 Ni에서는 0.013 이하가 바람직하고, 그로 인해 양호한 특성이 얻어진다.
따라서 도 22∼도 28의 결과로부터, 듀티가 0.5보다 큰 경우, 각 금속재료를 이용했을 경우의 IDT 전극의 바람직한 두께의 범위는 하기의 표 6에 나타내는 범위가 된다.
Figure 112011035355197-pct00006
또한 보다 바람직한 범위는 하기의 표 7에 나타내는 범위가 된다.
Figure 112011035355197-pct00007
도 30∼도 32는 오일러각 (0°, 100°, 0°)의 LiNbO3 기판상에 마련된 홈에 Al을 충전하여 이루어지는 탄성 표면파 장치에 있어서, Al로 이루어지는 IDT 전극의 듀티가 각각 0.45, 0.55 및 0.85인 경우의 IDT 전극을 형성하고 있는 Al로 이루어지는 금속막의 막두께(H/λ)와 탄성 표면파의 음속과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 30∼도 32에서는 전극 단락시의 스탑 밴드의 상단에 있어서의 공진 주파수에 상당하는 음속의 결과를 나타낸다. 반공진 주파수는 공진 주파수보다 높다. 따라서 도 30∼도 32는 공진 주파수가 벌크 횡파 음속보다 빠를 때, 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에 있어서 스퓨리어스가 생기지 않는 충분한 조건을 나타낸다.
일반적으로 공진 및 반공진 주파수에 상당하는 음속의 쌍방이 벌크 횡파 음속 이하가 아니면 그대로 누설 표면파이므로 양호한 특성이 얻어지지 않는다고 생각되었지만, 공진과 반공진 주파수 사이에 벌크 횡파 음속이 없다면 양호한 공진 특성을 나타낸다는 것을 처음으로 밝혔다.
도 30으로부터 명백한 바와 같이, 듀티가 0.45인 경우, Al로 이루어지는 IDT 전극의 막두께가 규격화 막두께 0.37 즉 0.37λ의 두께 부근에서 공진 주파수(fr)에 상당하는 음속이 약 4060m/초인 것을 알 수 있다. 마찬가지로 도 31에 나타내는 바와 같이, 듀티가 0.55인 경우에는 Al로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 0.25일 때에, 도 32에 나타내는 바와 같이 듀티가 0.85인 경우 Al로 이루어지는 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 0.065일 때, 탄성 표면파의 음속이 벌크 횡파 음속 4060m/초인 것을 알 수 있다.
도 30∼도 32로부터 명백한 바와 같이, Al로 이루어지는 IDT 전극을 이용한 경우, IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.04 이상, 0.37 이하인 경우, 듀티는 0.45 이하여도 됨을 알 수 있다. 또한 IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 0.04∼0.029인 경우, 듀티는 0.55이어도 되며, 즉 0.55 이상이어도 된다.
도 50에 듀티와 Al 전극막두께의 상한값을 나타낸다. 이 식은 듀티(X), Al 두께(Y)로 하면 Y=-0.9X+0.766의 식을 만족한다. 따라서 Al 전극막두께(H/λ)는 0.04 이상이고, 상한은 이 식을 만족하는 값 이하이다.
한편, 듀티의 상한은 0.85인 것이 바람직하다. 0.85를 넘으면 전극 형성이 곤란해진다.
따라서 도 29∼32, 도 50에서 LiNbO3 기판에 Al 또는 Al 합금이 채워넣어진 IDT 전극의 바람직한 막두께의 범위는 하기의 표 8에 나타내는 범위가 된다.
Figure 112011035355197-pct00008
또한 보다 바람직한 범위는 하기의 표 9에 나타내는 범위가 된다.
Figure 112011035355197-pct00009
Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo 또는 Ni로 이루어지는 전극을 LN 기판에 채워넣은 경우에도 공진 주파수 및 반공진 주파수에 상당하는 음속의 쌍방이 느린 횡파 음속보다 빠를 경우에는 느린 횡파에 의한 스퓨리어스가 없는 공진자가 얻어진다. 그 경우 Au, Pt, W 또는 Ta로 이루어지는 전극의 규격화 막두께(H/λ)는 0.006 이하, Ag로 이루어지는 전극에서는 0.01 이하, Cu, Mo 또는 Ni로 이루어지는 전극에서는 0.013 이하가 바람직하다. 그로 인해 스퓨리어스가 적은 양호한 특성이 얻어진다.
도 34는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로도이다. 도 34에 나타내는 튜너블 필터(31)에서는 입력단자(32)와 출력단자(33)를 연결하는 직렬암에 있어서, 직렬암 공진자(S1, S2)가 서로 직렬로 접속되어 있다. 직렬암 공진자(S1)의 입력측에 있어서, 직렬암 공진자(S1)에 직렬로 가변 콘덴서(C2)가 접속되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S1)의 입력측에서는 직렬암과 그라운드 전위를 연결하는 병렬암에 콘덴서(C1)가 마련되어 있다.
직렬암 공진자(S1 및 S2) 사이의 접속점과 그라운드 전위를 연결하는 제2 병렬암에 있어서 인덕턴스(L4)가 삽입되어 있다. 또한 직렬암 공진자(S2)의 출력측에서는 가변 콘덴서(C6)가 접속되어 있다. 또한 출력단자(3)와 그라운드 전위 사이를 연결하는 제3 병렬암에 콘덴서(C7)가 접속되어 있다.
아울러, 튜너블 필터(31)에서는 입력단자(32)와 출력단자(33) 사이를 연결하는 직렬암에 병렬로 콘덴서(Cf)가 삽입되어 있다.
이 콘덴서(Cf)가 삽입되어 있는 것을 제외하면, 도 34의 튜너블 필터(31)는 도 3의 튜너블 필터(21)와 동일하다.
도 36의 실선으로 나타낸 특성, 보다 구체적으로는 Cu로 이루어지는 IDT 전극의 두께(H/λ)가 0.1이고, 듀티가 0.6인 탄성 표면파 공진자를 상기 직렬암 공진자(S1, S2)로서 이용해서 튜너블 필터(31)를 구성하였다. 이 경우의 튜너블 필터(31)의 특성을 도 35에 나타낸다. 도 35로부터 명백한 바와 같이, 콘덴서(C2 및 C6)의 정전용량을 동일하게 하고, 이들 정전용량을 0.5pF, 0.75pF, 1.0pF로 높임으로써 중심 주파수를 1860MHz, 1813MHz, 1750MHz로 변화시킬 수 있음을 알 수 있다. 즉, 1813MHz를 기준으로 하면, ±3%의 범위 내에서 중심 주파수를 변화시킬 수 있음을 알 수 있다. 이 경우 콘덴서(C1), 인덕턴스(L1) 및 콘덴서(C4) 등의 그라운드 전위에 연결되는 소자에 대해서는 그 임피던스를 20∼100Ω의 범위 내로 하면 손실을 작게 할 수 있다.
즉, 그라운드 전위에 접속되는 병렬암에 삽입되어 있는 소자의 임피던스를 20Ω∼100Ω의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 이 범위 내의 임피던스값의 경우, 콘덴서(C1, C4) 또는 인덕턴스(L1)의 전후에 접속되는 회로와의 임피던스 정합이 양호해진다. 따라서 삽입 손실을 작게 할 수 있다.
도 37은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 튜너블 필터를 나타내는 회로도이다. 도 37의 튜너블 필터(41)는 도 35에 나타낸 튜너블 필터(21)와 거의 동일하다. 다른 부분은 직렬암 공진자(S1)에 병렬로 접속된 가변 콘덴서(CP1) 및 직렬암 공진자(S2)에 병렬로 접속된 가변 콘덴서(CP2)가 구비되어 있다는 점이다.
즉, 직렬암 공진자(S1, S2)에 직렬로 접속되어 있는 가변 콘덴서(C2, C3)가 본 발명의 제1 가변 콘덴서이다. 또한 직렬암 공진자(S1 및 S2)에 각각 병렬로 접속되어 있는 가변 콘덴서(CP1, CP2)가 본 발명에서의 제2 가변 콘덴서이다. 본 실시형태에서는 모든 직렬암 공진자(S1, S2)에 각각 제1 가변 콘덴서(C2, C3) 및 제2 가변 콘덴서(CP1, CP2)가 각각 접속되어 있다. 단, 본 발명에서는 직렬암에 마련되어 있는 직렬암 공진자로서의 복수의 탄성 표면파 공진자에 있어서, 적어도 1개의 탄성 표면파 공진자에 직렬로 제1 가변 콘덴서가 접속되어 있으면 된다. 마찬가지로, 적어도 1개의 상기 탄성 표면파 공진자에, 병렬로 제2 가변 콘덴서가 접속되어 있으면 된다. 또한 인덕턴스(L4) 대신에 콘덴서를 이용해도 된다.
이 튜너블 필터(41)에서는 통과대역폭을 변화시키지 않으면서 통과대역보다 고역측에서의 감쇠량을 열화시키지 않고 중심 주파수를 변화시킬 수 있다. 도 36 및 도 38을 참조하여 이것을 설명한다. 도 36의 실선은 LiNbO3 기판상의 홈에 금속을 충전한 본 발명의 탄성 표면파 장치의 일례의 임피던스-주파수 특성을 나타내고, 파선은 LiNbO3상에 전극이 형성되어 있는 비교를 위한 탄성 표면파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 파선으로 나타내는 특성에 비해 실선으로 나타내는 특성에서는 공진 반공진 주파수간의 대역이 넓다는 이점이 있음을 알 수 있다.
상기 튜너블 필터(41)에 있어서, 직렬암 공진자(S1, S2)로서 상기 공진 특성을 가지는 매입(埋入)형 IDT 전극을 가지는 탄성 표면파 장치를 이용했을 경우, 가변 콘덴서(C2)와 가변 콘덴서(C3)의 용량을 동일하게 하고, 가변 콘덴서(CP1)와 가변 콘덴서(CP2)의 용량을 동일하게 한 구조에 있어서, 정전용량을 도 38에 나타내는 것과 같이 변화시켰을 경우의 주파수 특성을 도 38에 나타낸다.
도 38로부터 명백한 바와 같이, C2=0.5pF 및 CP1=0(CP1을 접속하지 않음), C2=0.75pF이면서 CP1=1pF 그리고, C2=1.0pF이면서 CP1=3pF로 변화시켰을 경우, 중심 주파수를 1858MHz, 1798MHz 및 1733MHz로 주파수를 7% 변화시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한 콘덴서(C1, C4)의 정전용량이 2.5pF인 경우의 임피던스값은 1800MHz에서 35Ω이 되어, 외부로부터의 임피던스 50Ω과 거의 정합되므로 삽입 손실을 작게 할 수 있다. 또한 상기 인덕턴스(L4)(인덕턴스값 4.5nH)의 1800MHz 부근에서의 임피던스는 45Ω이다.
도 37은 전술한 본 발명의 제3 실시형태에 따른 튜너블 필터의 회로도인데, 가변 콘덴서(CP1)와 직렬암 공진자(S1)의 병렬 접속회로에 가변 콘덴서(C2)가 직렬 접속되어 있다. 마찬가지로 가변 콘덴서(CP2)와 직렬암 공진자(S2)의 병렬 접속회로에 가변 콘덴서(C3)가 직렬 접속되어 있다.
도 51(a)의 변형예에 나타내는 바와 같이, 직렬암 공진자(S1)와 가변 콘덴서(C2)의 직렬 접속회로에 가변 콘덴서(CP1)가 병렬 접속되어도 된다. 마찬가지로 직렬암 공진자(S2)와 가변 콘덴서(C3)의 직렬 접속회로에 가변 콘덴서(CP2)가 병렬 접속되어 있어도 된다.
도 37에서는 직렬암 공진자(S1, S2)를 직렬암에 가지는 튜너블 필터를 나타냈지만, 도 51(b)의 다른 변형예에 나타내는 바와 같이 직렬암 공진자(S3)를 포함하는 직렬암과 인덕턴스(L5)를 포함하는 병렬암으로 이루어지는 회로가 또한 종속 접속되어도 된다. S1, S2, S3에 병렬 혹은 직렬로 가변 콘덴서가 접속되어 있지만, 일부가 삭제되어도 된다. 또한 인덕턴스(L4)는 콘덴서여도 된다.
상술한 각 실험예에서는 탄성 표면파 공진자 및 탄성 표면파 공진자에 직렬로 가변 콘덴서가 접속되어 있는 튜너블 필터에 대하여 설명했지만, 본 발명은 튜너블 필터에 이용되는 탄성 표면파 공진자에 특징을 가지는 것이다. 따라서 튜너블 필터에서의 회로 구성은 특별히 한정되는 것은 아니다. 즉, 탄성 표면파 공진자에 직렬 및/또는 병렬로 가변 콘덴서가 접속되어 있는 튜너블 필터에 일반적으로 본 발명을 적용할 수 있다.
또한 가변 콘덴서의 구조에 대해서도 특별히 한정되지 않으며, 기계적 혹은 전기적으로 정전용량을 변화시킬 수 있는 적절한 가변 콘덴서를 이용할 수 있다.
1 튜너블 필터
2 입력단자
3 출력단자
4∼8 가변 콘덴서
11 압전기판
11a 상면
11b 홈
12 IDT 전극
12a, 12b 빗살 전극
13, 14 반사기
15 SiO2막
21 튜너블 필터
22 입력단자
23 출력단자
31 튜너블 필터
32 입력단자
33 출력단자
41 튜너블 필터
C1, C4, C7 콘덴서
C2, C3, C6 가변 콘덴서
Cf 제3 콘덴서
CP1, CP2 가변 콘덴서
L1, L4, L5 인덕턴스
P1∼P3 병렬암 공진자
S1∼S3 직렬암 공진자
S11, S12 직렬암 공진자 회로부

Claims (19)

  1. LiNbO3 또는 LiTaO3로 이루어지고 상면에 오목부가 형성된 압전기판과,
    상기 오목부에 충전된 전극재료로 이루어지는 IDT 전극을 포함하는 탄성 표면파 공진자와,
    상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 포함하고,
    상기 탄성 표면파 공진자가, 상기 압전기판의 상면을 덮도록 마련된 SiO2막을 더 포함하며,
    상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, 적어도 전극지가 위치해 있는 부분의 위쪽에 있어서, SiO2막의 표면에 전극지의 두께와 같은 높이의 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판이 오일러각 (0°, 85°∼150°, 0°)의 LiTaO3 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 IDT 전극이 Au, Pt, Cu 및 Al 그리고 이들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 전극층을 주체로 하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며 상기 전극지의 위쪽에 있어서 상기 SiO2막의 표면이 평탄화되어 있는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  7. 제1항, 제3항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전기판에 채워넣어진 전극의 듀티가 0.5보다 큰 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전기판이 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 IDT 전극이 Au, Pt, Cu, W, Ta, Ag, Mo, Ni 및 Al 그리고 이들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 전극층을 주체로 하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, SiO2막의 표면이 평탄한 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 IDT 전극이 복수개의 전극지를 가지며, 적어도 전극지가 위치해 있는 부분의 위쪽에 있어서, SiO2막의 표면에 전극지의 두께와 같은 높이의 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  12. 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고 상면에 오목부가 형성된 압전기판과,
    Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께의 하한과 듀티와의 관계가 하기의 표 1에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 1에 나타내는 각 값으로 되어 있으며, 듀티가 0.15∼0.85로 된 탄성 표면파 공진자와,
    상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
    [표 1]
    Figure 112012096310769-pct00010
  13. 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고 상면에 오목부가 형성된 압전기판과,
    Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께의 하한과 듀티와의 관계가 하기의 표 2에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 2에 나타내는 각 값으로 되어 있으며, 듀티가 0.5보다 크게 된 탄성 표면파 공진자와,
    상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
    [표 2]
    Figure 112012096310769-pct00011
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께와 듀티와의 관계가 하기의 표 3에서 나타내는 관계로 되어 있고, 전극막두께 상한이 하기의 표 3에 나타내는 각 값으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
    [표 3]
    Figure 112011035355197-pct00012
  15. 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고 상면에 오목부가 형성된 압전기판과,
    Al 또는 Al을 주체로 하는 합금이 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, IDT 전극의 규격화 막두께(H/λ)가 0.036 이상, 0.4 이하이고, Al 규격화 막두께의 상한과 듀티와의 관계가 표 4에 기재된 대로이며, Al 규격화 막두께 하한이 하기의 표 4에 나타내는 값이면서, 듀티가 0.5 미만 또는 0.5보다 큰 탄성 표면파 공진자와,
    상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
    [표 4]
    Figure 112013046500261-pct00013
  16. 제15항에 있어서,
    IDT 전극의 주체가 되는 금속과, 전극막두께 상한과 듀티와의 관계가 하기의 표 5에서 나타내는 대로이고, 전극막두께 하한이 하기의 표 5에 나타내는 값으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
    [표 5]
    Figure 112011035355197-pct00014
  17. 오일러각 (0°, 80°∼130°, 0°)의 LiNbO3로 이루어지고 상면에 오목부가 형성된 압전기판과,
    Au, Pt, W, Ta, Ag, Cu, Mo, 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 주체로 하는 금속재료가 상기 오목부에 채워넣어진 IDT 전극을 가지고 있으며, 탄성 표면파의 파장을 λ라고 했을 경우, Au, Pt, W 또는 Ta가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.006 이하, Ag가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.01 이하, Cu, Mo 또는 Ni가 주체가 되는 전극두께(H/λ)가 0.013 이하로 구성된 탄성 표면파 공진자와,
    상기 탄성 표면파 공진자에 접속된 가변 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  18. 제1항, 제3항, 제4항, 제6항, 제12항, 제13항, 제15항 또는 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성 표면파 공진자로서 복수의 탄성 표면파 공진자를 가지며, 상기 복수의 탄성 표면파 공진자가 입력단자와 출력단자 사이에서 직렬로 접속되어 있고,
    상기 가변 콘덴서로서 제1, 제2 가변 콘덴서를 가지며,
    제1 가변 콘덴서가 상기 복수의 탄성 표면파 공진자 중 적어도 1개의 탄성 표면파 공진자에 직렬로 접속되어 있고, 상기 제2 가변 콘덴서가 상기 복수의 탄성 표면파 공진자 중 적어도 1개의 탄성 표면파 공진자에 병렬로 접속되어 있으며,
    복수의 탄성 표면파 공진자의 접속점과 그라운드 사이에 접속된 인덕턴스와,
    입력단자와 그라운드 사이 및 출력단자와 그라운드 사이에 접속된 정합 콘덴서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
  19. 제18항에 있어서,
    정합 콘덴서 및 인덕턴스의 임피던스가 20∼100Ω인 것을 특징으로 하는 튜너블 필터.
KR1020117010880A 2008-11-18 2009-11-18 튜너블 필터 KR101310717B1 (ko)

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JPJP-P-2008-294695 2008-11-18
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