KR101616639B1 - 표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서 - Google Patents

표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서 Download PDF

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KR101616639B1
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piezoelectric substrate
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오재근
김두회
김광명
정재연
강영구
이재찬
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삼성전기주식회사
주식회사 코아칩스
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Abstract

본 발명은 표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 압전 기판; 상기 압전 기판의 일면에 형성되는 인터 디지털 변환기; 상기 압전 기판의 일면에 형성되는 반사기; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 고접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제1 안테나; 및 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 제1 안테나와 반대칭되게 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하 응답 신호를 송신하는 제2 안테나;를 포함하는 표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서가 제공된다.

Description

표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서 {Surface acoustic device and apparatus having the suface acoustic device, and detection sensor using the apparatus}
본 발명은 표면 탄성파 소자 및 그 실장 장치, 이를 이용한 측정 센서에 관한 것이다.
표면 탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave)　센서는 표면 탄성파 소자의 특성을 이용한 센서로, 압전 기판(Piezoelectric Substrate) 위에 인터 디지털 변환기(IDT: Inter-Digital Transducer)의 전극을 지나면서 생성된 표면 탄성파의 지연선(Delay Line)이 물리적 전기적 변화에 따라 주파수 특성을 바뀌게 되는　원리를 이용한 것이다.
특히　고주파를 이용한 무선 통신 기술을 접목하면 표면 탄성파 센서는 전자기파와 탄성파의 상호 변환 원리를 이용하여,　접근이 곤란하거나 측정이 어려운 구조물이나 설비에 적용 가능한 무 전원,　무선 센서로 응용 가능하다.
무선 표면 탄성파 센서의 구동 원리를 간략히 살펴보면, 제어부에서 발생된 구동신호가 제어부의 안테나를 통하여　표면 탄성파 소자의 안테나에 송신되면 이 신호가 표면 탄성파 소자의 인터 디지털 변환기에 입력되고, 인터 디지털 변환기에 입력된 고주파 신호에 의해 압전　기판이 진동하게 되는데, 이에 따라 압전　기판의 표면을 따라 전파되는 표면 탄성파가 발생되어 지연선을 전파하여 반사기로 전파된다.
이렇게 전파된 표면 탄성파는 반사기에서 반사되어 지연선과 인터 디지털 변환기를 거쳐 안테나에　의해 다시 송신되며 이러한 신호를 제어부에서 수신하는 원리이다. 이때 압전　기판은 주위의 온도, 압력, 변형 등 주변 환경의 변화에 따라 지연선이 팽창하거나 수축할 뿐만 아니라 압전　기판의 물성에도 영향을 주어 표면탄성파가 전파시간이 변하거나 공진 주파수가 변하게 되는데 이러한 특성들의 변화를 검출함으로써 원하는 물리량을　측정할 수 있게 된다.
이와 같은 표면 탄성파 센서는 표면 탄성파 소자와 제어부로 구성될 수 있으며, 표면 탄성파 소자와 제어부 사이의 전송선로 유무에 따라 유선 표면 탄성파 센서와 무선 표면 탄성파 센서로 나눌 수 있다.
상기 유선 표면 탄성파 센서는 표면 탄성파 소자 및 제어부로 구성되며, 단순히 전송선로로 연결되어 있다. 이에 반해 상기 무선 표면 탄성파 센서는 표면 탄성파 소자와 제어부 사이에 전송 선로가 없으며, 대신 고주파 안테나를 이용해 전자기파로 신호가 전달된다.
고주파 안테나는 제어부에 연결되어 있으며, 표면 탄성파 소자에도 안테나가 포함되어 있다.
즉, 표면 탄성파 소자는 인터 디지털 변환기, 반사기(Reflectors), 압전 단결정(Piezoelectric single crystal)을 포함하며, 이에 더해 안테나를 포함하여 제어부로부터 신호를 무선으로 수신할 수 있다.　
이와 같은 무선 표면 탄성파 센서를 위한 표면 탄성파 소자는 인터 디지털 변환기와, 반사기의 물리적 손상, 먼지나 수분 등의 오염을 방지하고, 안테나와의 결합을 용이하게 하기 위해 패키징(Packaging) 되어 사용되고 있다.
대표적인 패키지 방법으로 표면 실장 장치(SMD:Surface-Mount Device) 하우징(Housing) 또는 인쇄회로기판 장착이 있다.
먼저 표면 탄성파 소자는 표면 실장 장치 또는 인쇄회로기판에 에폭시(Epoxy)로 부착되고, 표면 탄성파 소자의 인터 디지털 변환기와 전극 사이에 와이어 본딩(Wire-bonding)으로 연결된 후, 안테나를 땜납(Soldering), 금속납(Brazing), 또는 용접(Welding) 방식으로 전극에 붙여 외부 연결시킨다.
그런데 이러한 형태의 표면 탄성파 소자의 패키징에 사용되는 본드(Bond), 에폭시(Epoxy), 솔더(Solder) 등은 고온 등의 극한 환경에 취약하여 쉽게 탈락 될 수 있고, 인터 디지털 변환기에서 안테나까지 거치는 이종 결합 및 와이어 길이에 따른 임피던스 손실을 가져올 수 있다.
국내특허출원공개번호 2011-0084694호
본 발명은 인터 디지털 변환기에서 안테나에 걸치는 이종 결합 및 와이어 길이에 따른 임피던스 손실을 방지할 수 있도록 인터 디지털 변환기와 안테나가 압전 기판에 직접 집적된 표면 탄성파 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 땜납이나 금속납 또는 용접 공정 및 에폭시가 사용되지 않은 실장 방법을 구비한 표면 탄성파 소자의 실장 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 이와 같은 표면 탄성파 소자의 실장 장치를 이용한 측정 센서를 제공한다.
본 발명의 일측면은 압전 기판; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 구동 신호를 표면 탄성파로 변환하고 반사된 표면 탄성파를 응답 신호로 변환하는 인터 디지털 변환기; 상기 압전 기판의 일면에 상기 인터 디지털 변환기에 인접하게 배열되며, 인터 디지털 변환기로부터 입력되는 표면 탄성파를 반사하는 반사기; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제1 안테나; 및 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 제1 안테나와 반대칭되게 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제2 안테나;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 압전층은 아연 산화물, 알루미늄 질화물, 탄탈산 리튬, 니오브산 리튬, 니오브산 칼륨, 란타넘 갈륨 실리케이트, 석영으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 주성분으로 포함하는 물질로 형성된다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 제1 안테나는 말단부에 미엔더 형상의 제1 절곡부를 더 포함하며, 상기 제2 안테나는 말단부에 미엔더 형상의 제2 절곡부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 제1 절곡부와 제2 절곡부의 선로 간격이 선폭　보다 1.5배 이상은　유지한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 반사기는 제1 부반사기와 제2 부반사기를 포함하며, 제 1 부반사기와 제2 부반사기는 상기 압전 기판에 형성된 상기 인터 디지털 변환기의 양쪽에 배열된다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 제1 안테나와 제2 안테나의 길이는 안테나 파장의 1/4에 맞추어 형성된다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 일정 두께를 가지고 있는 판형으로 일측 표면에 실장홈이 형성되어 있는 하단부; 상기 실장홈에 실장되는 표면 탄성파 소자; 상기 표면 탄성파 소자가 실장된 하단부를 덮도록 형성된 상단부; 및 상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 상기 하단부의 타측에 결합되어 있는 금속판을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 상단부는 양측에 슬롯이 형성되어 있으며, 상기 하단부는 상기 슬롯에 슬라이딩되어 실장된다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 상단부에는 양측에 체결홈이 형성되어 있고, 상기 체결부는, 끼움홈이 있어 상기 하단부가 실장되며, 양측에 관통홀이 형성된 마감부재; 및 상기 마감부재의 관통홀을 경유하여 상기 상단부의 체결홈에 체결되어 상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 하단부에는 실장홈의 둘레에 다수의 체결홈이 형성되어 있으며, 상기 상단부에는 상기 하단부의 다수의 체결홈에 대응되어 다수의 관통홀이 형성되어 있으며, 상기 체결부는 다수의 고정 수단으로 상기 상단부의 해당하는 관통홀을 경유하여 상기 하단부의 체결홈에 결합되어 상기 상단부에 하단부를 결합시킨다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 표면 탄성파 소자는 압전 기판; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 구동 신호를 표면 탄성파로 변환하고 반사된 표면 탄성파를 응답 신호로 변환하는 인터 디지털 변환기; 상기 압전 기판의 일면에 상기 인터 디지털 변환기에 인접하게 배열되며, 인터 디지털 변환기로부터 입력되는 표면 탄성파를 반사하는 반사기; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제1 안테나; 및 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 제1 안테나와 반대칭되게 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제2 안테나;를 포함한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 일정 두께를 가지고 있는 판형으로 일측 표면에 실장홈이 형성되어 있는 하단부와, 상기 실장홈에 실장되는 표면 탄성파 소자와, 상기 표면 탄성파 소자가 실장된 하단부를 덮도록 형성된 상단부 및 상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결부를 포함하는 표면 탄성파 소자의 실장 장치;상기 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 표면 탄성파 소자로 구동신호를 송신하고, 상기 표면 탄성파 소자로부터 응답 신호를 수신하는 안테나 장치; 및 상기 안테나 장치를 이용하여 구동 신호를 상기 표면 탄성파 소자로 송신하고, 응답 신호를 상기 안테나 장치를 이용하여 수신하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 표면 탄성파 소자는 압전 기판; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 구동 신호를 표면 탄성파로 변환하고 반사된 표면 탄성파를 응답 신호로 변환하는 인터 디지털 변환기; 상기 압전 기판의 일면에 상기 인터 디지털 변환기에 인접하게 배열되며, 인터 디지털 변환기로부터 입력되는 표면 탄성파를 반사하는 반사기; 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제1 안테나; 및 상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 제1 안테나와 반대칭되게 방사형으로 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제2 안테나;를 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 구성도이다.
도 2는 도 1의 인더 디지털 변환기와 반사기의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 표면 탄성파 소자를 박스 오븐에 삽입한 후, 온도 변화에 따른 주파수를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 조립도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 조립도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치를 이용한 측정 센서의 구성도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자는 압전 기판(1), 제1 안테나(2), 제2 안테나(3), 인터 디지털 변환기(4) 및 반사기(5)를 구비하고 있다.
상기 압전 기판(1)은 박형의 판형으로 형성되어 있으며 고주파 신호가 인가되면 진동한다.
이와 같은 압전 기판(1)은 구성 물질로 아연 산화물, 알루미늄 질화물, 탄탈산 리튬, 니오브산 리튬, 니오브산 칼륨, 란타넘 갈륨 실리케이트, 석영 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 주요 성분으로 포함하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 물질로 압전기판(1)을 구성함으로써 높은 주파수를 갖고 좋은 온도 특성을 갖는 표면 탄성파 소자를 얻을 수 있다.
그리고, 상기 제1 안테나(2)는 상기 압전 소자(1)의 표면에 형성되어 있으며, 압전 기판(1)의 중심 부근에 놓여 있는 인터 디지털 변환기(4) 및 반사기(5)로부터 공진 주파수에 맞는 길이를 가지고 방사형으로 형성되어 있으며, 공간 효율적으로 꺾인 모양으로 배치되어 있다.
또한, 상기 제2 안테나(3) 또한 상기 압전 소자(1)의 표면에 형성되어 있으며, 압전 기판(1)의 중심 부근에 놓여 있는 인터 디지털 변환기(4) 및 반사기(5)로부터 공진 주파수에 맞는 길이를 가지고 방사형으로 형성되어 있으며, 공간 효율적으로 꺾인 모양으로 배치되어 있다.
상기 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)는 압전 기판(1) 위에 전체적으로 미엔더 형상이 되도록 반대칭적으로(Antisymmetric) 형성되어 있다.
상기 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)는 다이폴 안테나를 형성하며 공진 주파수에 맞는 길이를 가지고 형성되어 있다.
이때, 유전율이 큰 압전 기판(1)을 사용하면 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 길이를 줄일 수 있으며, 여러 번 꺾으면 차지하는 표면적을 줄일 수 있다.
즉, 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 말단부에 절곡된 제1 및 제2 절곡부(2-1,3-1)를 구비하게 되면, 차지하는 표면적을 줄이면서 원하는 성능을 구현할 수 있다.
이때, 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 제1 및 제2 절곡부(2-1, 3-2)를 지나치게 복잡하게　꼬아 놓으면 인접한 선로가 서로 다른 방향으로 전류를 흘리게 되면서 인덕턴스(Inductance)를　서로　상쇄하는 효과가 일어난다.
따라서 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 제1 및 제2 절곡부(2-1, 3-1)의 선로 간격이 선폭　보다 1.5배　이상은　유지되어야　상호 인덕턴스(Mutual-inductance)의 영향을 최소화할 수 있다.　
이와 같은 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)는 일예로 알루미늄으로 형성될 수 있으며, 리소그라피(Lithography) 기법으로 압전 기판(1)에 인쇄하여 형성할 수 있다.
상기 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 길이(L)는 안테나 파장(λant)의 1/4에 맞추어 형성된다.
[수학 식 1]
L = λant/4
상기 안테나 파장(λant)은 유효 유전율(εeff)로부터 구해질 수 있으며, 유효 유전율(εeff)은 압전 기판(1)의 비유전율(εr), 압전 기판(1)의 두께(h) 및 안테나 선폭(W)에 의해 결정된다.
[수학 식 2]
λant　= λair/εeff 1 /2, λair　= c/f 　
[수학 식 3]
εeff　= (εr　+1)/2 + (εr　-1)/2·1/(1+12h/W)1/2
여기에서, λair 은 공기의 유전율이다.
　수학식 1, 2, 3으로부터, 압전 기판(1)(εr>1) 위에 형성된 제1 안테나(2) 또는 제2 안테나(2)의 길이(λant/4)는 공기 중에 안테나 길이(λair/4)　보다 짧아질 수 있다.
이와 같은 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 길이는 주파수(f), 압전 기판 두께(h), 안테나 선폭(W), 비유전율(εr)을 통해 구해질 수 있으며, 표 1에 나타내었다. 　　
리오브산 리튬 석영
εr 4.39 4.5
h (mm) 0.5 0.5
W (mm) 1.3 1.3
εeff 3.3 3.4
f (MHz) 430 430
λair (mm) 698 698
λant (mm) 378 374
L (mm) 94 93
제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)의 각각의 길이는 리오브산 리듐인 압전 기판(1)의 경우 94mm이고, 석영인 압전 기판(1)의 경우에 93mm로 계산된다.
한편, 인터 디지털 변환기(4)는 상기 압전 기판(1)의 일면에 형성되며, 구동 신호를 표면 탄성파로 변환하고 반사된 표면 탄성파를 응답 신호로 변한다.
상기 인터 디지털 변환기(4)는 도 2를 보면 양의 단자(4-1)와 음의 단자(4-2)를 갖는다. 그리고 상기 양의 단자에 연결된 빗살 모양의 양의 전극(4-3)이 연결되며, 상기 음의 단자(4-2)에는 역시 빗살 모양의 음의 전극(4-4)이 연결된다.
상기 빗살 모양의 양의 전극(4-3) 및 음의 전극(4-4)는 서로 대향하며 맞물리는 구조로 형성된다.
상기 양의 단자(4-1)에 제1 안테나(2)가 접속되어 있으며, 음의 단자(4-2)에 제2 안테나(3)가 접속되어 있다.
그리고, 반사기(5)는 상기 압전 기판(1)의 일면에 상기 인터 디지털 변환기(4)에 인접하게 배열되며, 인터 디지털 변환기(4)로부터 입력되는 표면 탄성파를 반사한다.
이러한 반사기(5)는 도 2를 보면 제1 부반사기(5-1)와 제2 부반사기(5-2)를 구비하여 인터 디지털 변환기(4)의 양측에 위치하고 있다.
상기 제1 부반사기(5-1)와 제2 부반사기(5-2)는 각각 복수의 반사체를 포함하고, 소정의 간격으로 나란히 배열되며, 각각 전체적으로 빗 모양의 구조를 형성한다. 이러한 방식으로 각각의 부반사기(5-1,5-2)는 높은 주파수로 표면 탄성파를 반사할 수 있도록 구성한다.
상기 인터 디지털 변환기(4)의 전극과 반사기(5)의 반사체의 폭, 간격, 두께 등을 조절함으로써 표면 탄성파의 발진 주파수를 원하는 값으로 설정할 수 있다.
각각의 부반사기(5-1, 5-2)의 구성은 상호 동일할 수도 있고 다를 수도 있으며, 양 반사기에 실질적으로 동일한 구성을 취할 경우 부반사기(5-1, 5-2) 사이로 표면 탄성파를 더 확실하게 한정할 수 있다. 그 결과 표면 탄성파를 더 강하게 만들 수 있다.
상기 인터 디지털 변환기(4)와 반사기(5)의 구성 물질로서는 Al, Cu, W, Mo, Ti, Au, Ta, Ni, Cr, Ge, Pt 등 또는 언급된 물질을 포함하는 합금을 들 수 있으며, 이 물질들을 하나 또는 둘 이상 조합시켜 이용할 수 있다.
이렇게 제작된 표면 탄성파 소자는 제어부와 주파수 신호를 무선으로 송수신할 수 있다.
즉, 상기 표면 탄성파 소자는 제어부에서 발생된 구동신호를 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)가 수신하면, 이 신호가 표면 탄성파 소자의 인터 디지털 변환기(4)에 입력된다.
그리고, 인터 디지털 변환기(4)에 입력된 고주파 신호에 의해 압전　기판(1)이 진동하게 되는데, 이에 따라 압전　기판(1)의 표면을 따라 전파되는 표면 탄성파가 발생되어 전극을 전파하여 반사기(5)로 전파된다.
이렇게 전파된 표면 탄성파는 반사기(5)에서 반사되어 전극과 인터 디지털 변환기(4)를 거쳐 응답 신호로 변환되어 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)에　의해 다시 송신되며 이러한 신호를 제어부에서 수신한다.
이때 압전　기판(1)은 주위의 온도, 압력, 변형 등 주변 환경의 변화에 따라 전극이 팽창하거나 수축할 뿐만 아니라 압전　기판(1)의 물성에도 영향을 주어 표면탄성파가 전파 시간이 변하거나 공진 주파수가 변하게 되는데 제어부는 이러한 특성들의 변화를 검출함으로써 원하는 물리량을　측정할 수 있게 된다.
한편, 도3은 도 1의 표면 탄성파 소자를 박스 오븐에 삽입한 후, 온도 변화에 따른 주파수를 측정한 그래프이며 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)가 430MHz 대역에서 작동하는 것을 확인했다. 특히 온도 구간 250 ~ 310 ℃에서 주파수 변화가 선형성을 보인다.
일반적으로, 핫 플레이트(Hot Plate)나 박스 오븐처럼 대부분의 고온 가열 설비는 금속으로 이루어져 있으며, 표면 탄성파 소자를 올려놓는 곳도 금속 선반이나 금속 바닥면이 될 수 있다.
이때, 압전 기판(1) 위에 인쇄된 제1 안테나(2)와 제2 안테나(3)는 금속 선반 또는 금속 바닥면이 지나치게 가까우면 금속이 전자기파를 모두 흡수하므로 안테나 방사 효율(radiation efficiency)은 급격히 떨어지게 된다.
따라서 인터 디지털 변환기(4)와 반사기(5)의 물리적 손상, 먼지나 수분 등의 오염을 방지하고 금속 선반 또는 금속 바닥 면으로부터 일정 간격 띄우기 위한 실장 장치가 필요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 분해 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 금속판(11), 하단부(12), 표면 탄성파 소자(13), 상단부(14) 및 체결부(15)를 구비하고 있다.
상기 금속판(11)은 판형으로 일정 두께를 가지고 있으며 하단부(12)의 아래에 부착되어 표면 탄성파 소자(13)와 금속판(11) 표면이 일정한 거리를 확보할 수 있도록 한다. 이러한 금속판(11)은 하단부(12)에 체결 나사 등의 고정 수단에 의해 부착되거나 박막등으로 입혀질 수 있다.
그리고, 하단부(12)는 판형으로 표면 탄성파 소자(13)가 실장될 수 있는 실장홈(12-1)이 형성되어 있다.
상기 표면 탄성파 소자(13)는 위의 도 1 및 2를 참조하여 설명한 소자로서 상기 하단부(12)의 실장홈(12-1)에 실장되어 고정된다.
한편, 상단부(14)는 판형으로 형성되어 있고, 양 옆에 슬롯(14-1)이 형성되어 표면 탄성파 소자(13)를 실장한 하단부(12)가 슬라이딩 방식으로 결합되어 고정될 수 있다.
이와 같은 상단부(14)는 표면으로부터 아래를 향하여 돌출되어 있는 고정부(14-2)를 중앙 부위에 구비하여 표면 탄성파 소자(13)를 실장한 하단부(12)가 슬라딩 방식으로 결합되는 경우에 표면 탄성파 소자(13)의 인터 디지털 변환기와 반사기를 상단부(14)로부터 일정 정도 이격되도록 하여 접촉을 방지한다.
상기 상단부(14)는 양측의 슬롯(14-1)의 입구 측에 한쌍의 체결홈(14-3)이 형성되어 있으며, 체결부(15)에 구비된 체결 나사 등의 체결 수단(15-3)이 체결되어 하단부(12)가 고정될 수 있도록 한다.
다음으로, 체결부(15)는 하단부(12)가 끼워져 고정될 수 있는 끼움홈(15-2)이 일면에 형성되어 있어 하단부(12)가 끼워져 고정될 수 있는 마감부재(15-1)를 구비하고 있다.
그리고, 마감부재(15-1)는 양측에 체결 나사 등의 체결 수단(15-3)이 관통할 수 있는 관통홀(15-4)을 구비하고 있으며 체결 수단(15-3)이 관통홀(15-4)을 경유하여 체결홈(14-3)에 체결되어 하단부(12)가 상단부(14)에 단단히 고정되도록 한다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 금속판(11)을 선택적으로 구비할 수 있으며 생략 가능하다.
도 5는 위에서 설명한 상단부(14)에 하단부(12)가 체결된 형태가 도시되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 일정 두께를 가진 하단부(12)와 그에 더해 금속판(11)을 구비하여 표면 탄성파 소자가 올려지는 장치의 환경으로부터 표면 탄성파 소자가 영향을 적게 받을 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 분해 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 금속판(21), 하단부(22), 표면 탄성파 소자(23), 상단부(24) 및 체결부(25)를 구비하고 있다.
상기 금속판(21)은 판형으로 일정 두께를 가지고 있으며 하단부(22)의 아래에 부착되어 표면 탄성파 소자(23)와 하부 표면이 일정한 거리를 확보할 수 있도록 한다. 이와 같은 금속판(21)은 하단부(22)와 결합할 수 있도록 양측에 한쌍의 체결홈(21-1)이 형성되어 있다.
그리고, 하단부(22)는 판형으로 표면 탄성파 소자(23)가 실장될 수 있는 실장홈(22-1)이 형성되어 있다.
상기 표면 탄성파 소자(23)는 위의 도 1을 참조하여 설명한 소자로서 상기 하단부(22)의 실장홈(22-1)에 실장되어 고정된다.
이와 같은 하단부(22)는 체결 나사 등의 고정 수단(22-3)을 사용하여 하부에 금속판(21)을 고정할 수 있도록 관통홀(22-2)이 양측에 형성되어 있다.
상기 체결 나사 등의 고정 수단(22-3)은 하단부(22)의 관통홀(22-2)을 경유하여 금속판(21)의 체결홈(21-1)과 결합되어 하단부(22)에 금속판(21)을 단단하게 결합시킨다.
또한, 하단부(22)는 상단부(24)의 하면에 결합될 수 있도록 다수의 체결홈(22-4)이 둘레를 따라 형성되어 있다.
한편, 상단부(24)는 판형으로 형성되어 있고, 둘레에 다수의 관통홀(24-1)이 형성되어 있다.
상기 체결부(25)는 다수의 체결 나사등의 고정 수단으로 이루어져 있으며, 상기 고정 수단은 관통홀(24-1)을 경유하여 하단부(22)의 해당 체결홈(22-4)에 체결되어 상단부(24)에 하단부(22)를 단단히 고정시킨다.
이와 같은 상단부(24)는 표면으로부터 아래를 향하여 돌출되어 있는 고정부(24-2)를 구비하여 표면 탄성파 소자(23)를 실장한 하단부(22)가 결합되는 경우에 표면 탄성파 소자(23)의 인터 디지털 변환기와 반사기가 상단부(24)와 일정한 정도의 이격 공간을 확보할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 금속판(11)을 선택적으로 구비할 수 있으며 생략 가능하다.
도 7은 위에서 설명한 상단부(24)에 하단부(22)가 체결된 형태가 도시되어 있다.
그리고, 상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 탄성파 소자의 실장 장치는 일정 두께를 가진 하단부(22)와 그에 더해 금속판(21)을 구비하여 표면 탄성파 소자가 올려지는 장치의 환경으로부터 표면 탄성파 소자가 영향을 적게 받을 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 탄성파 소자를 이용한 측정 센서의 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 센서는 표면 탄성파 실장 장치(100), 안테나 장치(200) 및 제어부(300)를 포함한다.
상기 표면 탄성파 실장 장치(100)는 구비된 표면 탄성파 소자가 주위의 온도, 압력, 변형 등 주변 환경의 변화에 따라 영향을 받아 표면탄성파가 전파시간이 변하거나 공진 주파수가 변하게 되는데 이러한 특성들의 변화를 제어부(300)가 검출함으로써 원하는 물리량을　측정할 수 있게 된다.
이와 같은 표면 탄성파 실장 장치(100)는 제어부(300)로부터 안테나 장치(200)를 통해 구동 신호를 수신하면, 구비된 표면 탄성파 소자가 주변 온도, 압력, 토크, 진동, 기체 또는 질량을 감지하여 이에 대응되는 고주파 신호를 출력할 수 있다.
이러한 기능을 수행하는 표면 탄성파 실장 장치(100)는 위의 도 4 내지 7에 도시된 장치이며, 그에 사용되는 표면 탄성파 소자는 도 1에 도시된 소자이다.
그리고, 상기 안테나 장치(200)는 제어부(300)로부터 구동 신호를 수신하여 표면 탄성파 실장 장치(100)의 표면 탄성파 소자로 전달하고, 표면 탄성파 실장 장치(100)의 표면 탄성파 소자로부터 고주파 신호를 수신하여 제어부(300)로 전달할 수 있다. 여기서, 표면 탄성파 실장 장치(100)와 안테나 장치(200)는 온도를 검출하기 위한 대상물의 내부에 설치될 수 있으며, 상기 대상물은 반도체 큐어 오븐과 같은 고온의 장치일 수 있다.
한편, 제어부(300)는 안테나 장치(200)를 통해 표면 탄성파 실장 장치(100)의 표면 탄성파 소자로 구동 신호를 송신하고, 표면 탄성파 실장 장치(100)의 표면 탄성파 소자로부터 고주파 신호를 수신하며, 상기 고주파 신호에 대응되는 물리량 값을 산출할 수 있다. 여기서, 제어부(300)는 동축 케이블과 같은 유선을 통해 안테나 장치(200)와 연결될 수 있다.
전술한 실시예에 따른 측정 센서는 보다 고온(~1000℃)의 환경에 설치할 수 있다. 즉, 이러한 측정 센서는 구체적으로 극한의 환경에서 압력, 변형, 토크, 온도, 진동, 기체 및 질량 등의 물리량을 측정할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
1 : 압전 기판 2, 3 : 안테나
4 : 인터 디지털 변환기 5 : 반사기
11, 21 : 금속판 12, 22 : 하단부
13, 23 : 표면 탄성파 소자 14, 24 : 상단부
15 : 체결부

Claims (14)

  1. 압전 기판;
    상기 압전 기판의 일면에 형성되며, 구동 신호를 표면 탄성파로 변환하고 반사된 표면 탄성파를 응답 신호로 변환하는 인터 디지털 변환기;
    상기 압전 기판의 일면에 상기 인터 디지털 변환기에 인접하게 배열되며, 인터 디지털 변환기로부터 입력되는 표면 탄성파를 반사하는 반사기;
    상기 압전 기판의 일면에 인쇄되어 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제1 안테나; 및
    상기 압전 기판의 일면에 인쇄되어 형성되며, 상기 인터 디지털 변환기에 일단부가 접촉되어 있고, 상기 인터 디지털 변환기로부터 제1 안테나와 반대칭되게 형성되어 있으며, 구동신호를 수신하고 응답 신호를 송신하는 제2 안테나;를 포함하며,
    상기 인터 디지털 변환기와 상기 반사기는 상기 압전 기판의 중심에 배치되고, 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상기 인터 디지털 변환기와 상기 반사기로부터 방사형으로 형성되는 표면 탄성파 소자.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 압전 기판은 아연 산화물, 알루미늄 질화물, 탄탈산 리튬, 니오브산 리튬, 니오브산 칼륨, 란타넘 갈륨 실리케이트, 석영으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 물질로 형성되는 표면 탄성파 소자.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 안테나는 말단부에 미엔더 형상의 제1 절곡부를 더 포함하며,
    상기 제2 안테나는 말단부에 미엔더 형상의 제2 절곡부를 더 포함하는 표면 탄성파 소자.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    상기 제1 절곡부와 제2 절곡부의 선로 간격이 선폭　보다 1.5배 이상은　유지하는 표면 탄성파 소자.　
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 반사기는 제1 부반사기와 제2 부반사기를 포함하며, 제 1 부반사기와 제2 부반사기는 상기 압전 기판에 형성된 상기 인터 디지털 변환기의 양쪽에 배열되는 표면 탄성파 소자.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 안테나와 제2 안테나의 길이는 안테나 파장의 1/4에 맞추어 형성된표면 탄성파 소자.
  7. 제1항에 기재된 표면 탄성파 소자;
    일정 두께를 가지고 있는 판형으로 일측 표면에 상기 표면 탄성파 소자가 실장되는 실장홈이 형성되어 있는 하단부;
    상기 표면 탄성파 소자가 실장된 하단부를 덮도록 형성된 상단부; 및
    상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결부를 포함하는 표면 탄성파 소자의 실장 장치.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 하단부의 타측에 결합되어 있는 금속판을 더 포함하는 표면 탄성파 소자의 실장 장치.
  9. 청구항 7항에 있어서,
    상기 상단부는 양측에 슬롯이 형성되어 있으며,
    상기 하단부는 상기 슬롯에 슬라이딩되어 실장되는 표면 탄성파 소자의 실장 장치.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    상기 상단부에는 양측에 체결홈이 형성되어 있고,
    상기 체결부는,
    끼움홈이 있어 상기 하단부가 실장되며, 양측에 관통홀이 형성된 마감부재; 및
    상기 마감부재의 관통홀을 경유하여 상기 상단부의 체결홈에 체결되어 상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결 수단을 포함하는 표면 탄성파 소자의 실장 장치.
  11. 청구항 7항에 있어서,
    상기 하단부에는 실장홈의 둘레에 다수의 체결홈이 형성되어 있으며,
    상기 상단부에는 상기 하단부의 다수의 체결홈에 대응되어 다수의 관통홀이 형성되어 있으며,
    상기 체결부는 다수의 고정 수단으로 상기 상단부의 해당하는 관통홀을 경유하여 상기 하단부의 체결홈에 결합되어 상기 상단부에 하단부를 결합시키는 표면 탄성파 소자.
  12. 삭제
  13. 제1항에 기재된 표면 탄성파 소자가 실장되는 하단부와, 상기 표면 탄성파 소자가 실장된 하단부를 덮도록 형성된 상단부 및 상기 하단부를 상기 상단부에 결합시키는 체결부를 포함하는 표면 탄성파 소자의 실장 장치;
    상기 표면 탄성파 소자의 실장 장치의 표면 탄성파 소자로 구동신호를 송신하고, 상기 표면 탄성파 소자로부터 응답 신호를 수신하는 안테나 장치; 및
    상기 안테나 장치를 이용하여 구동 신호를 상기 표면 탄성파 소자로 송신하고, 응답 신호를 상기 안테나 장치를 이용하여 수신하는 제어부를 포함한 측정 센서.
  14. 삭제
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