KR101753862B1 - 횡방향 방출로 인한 손실 감소 및 횡방향 모드의 억제로 인해 개선된 성능을 갖는 전기 음향적 변환기 - Google Patents

횡방향 방출로 인한 손실 감소 및 횡방향 모드의 억제로 인해 개선된 성능을 갖는 전기 음향적 변환기 Download PDF

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Abstract

횡방향으로 방출되는 음향파로 인한 손실이 감소되는 전기 음향적 변환기가 제공된다. 이를 위해, 변환기는 중앙 여기 영역(ZAB), 중앙 여기 영역에 인접하는 내부 가장자리 영역(IRB), 내부 가장 자리 영역에 인접하는 외부 가장자리 영역(ARB) 그리고 외부 가장 자리 영역에 인접하는 버스바의 영역(SB)을 포함한다. 이러한 영역들의 종방향 속도는, 피스톤 모드의 여기 프로파일이 얻어지도록 조절된다.

Description

횡방향 방출로 인한 손실 감소 및 횡방향 모드의 억제로 인해 개선된 성능을 갖는 전기 음향적 변환기{ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER HAVING REDUCED LOSSES DUE TO TRANSVERSE EMISSION AND IMPROVED PERFORMANCE DUE TO SUPPRESSION OF TRANSVERSE MODES}
본 발명은 예컨대 SAW 필터 또는 GBAW-HF 필터에 사용되는 전기 음향적 변환기 및 이러한 변환기의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 변환기는 음향파의 횡방향 방출 감소로 인하여 더 낮은 손실을 가지며, 횡방향 모드의 억제로 인하여 개선된 성능을 갖는다.
음향파, 예컨대 음향 표면파(SAW = surface acoustic wave) 또는 안내된 벌크파(GBAW = guided bulk acoustic wave)로 작동하는 소자는 HF 신호를 음향파로 변환하고, 반대로 음향파를 HF 신호로 변환한다. 이를 위해 SAW 소자 또는 GBAW 소자는 전극 핑거를 포함하고, 전극 핑거는 압전 기판상에 또는 압전층상에 배치되어 있다. 종방향, 즉 음향파가 퍼지는 방향에서 전극 핑거들은 나란히 배치되고, 일반적으로, 전극 핑거들은 교번적으로 제1 및 제2 버스(busbar)와 연결되어 있다. 음향 궤적(acoustic track)은 기판의 영역 또는 압전층의 영역으로, 이러한 영역내에서 음향 표면파는 소자의 구동 동안 확산된다. 전극 핑거들은 음향 궤적내에 위치하고 따라서 음향 영역내에 있다. 버스바는 음향 궤적의 측방향(lateral) 가장자리 영역 내에 위치한다. 종 방향에서, 음향 궤적은 일반적으로 반사체에 의해 한정됨으로써, 종 방향에서 음향파의 방출에 의한 에너지 손실이 줄어든다.
음향파로 작동하는 소자에서 손실 메카니즘은, 음향파가 종방향 또는 횡방향(transverse direction)에서 음향 궤적을 남기는 것이다.
특히 음향 궤적의 한정적 구경(aperture)에 의해, 회절 효과로 인하여 횡방향 음향 모드가 발생할 수 있다. 이러한 모드는 전송 특성을 방해하고, 손실 메카니즘을 나타낸다. 음향파로 작동하는 소자, 특히 이동 통신 응용물을 위한 표면파 필터의 개발에 있어서 중요한 것은, 양호한 전송 특성을 보이면서, 낮은 손실 메커니즘을 가지는 - 예컨대 장애적인 횡방향 모드가 없거나 장애적 횡방향 모드가 감소한 - 소자를 얻는 것이다.
공개 문헌 DE 103 31 323 A1으로부터 SAW로 작동하는 변환기가 공지되어 있으며, 이러한 변환기에서 횡방향 진동으로 인한 손실은, 버스바내에 리세스가 배치됨으로써 줄어든다.특허문헌 US 7,576,471 B1으로부터 SAW로 작동하는 소자가 공지되어 있으며, 이러한 소자에서 전극 핑거의 두께는 중앙 여기 영역("center region")과 버스바의 영역("busbar region") 사이의 영역내에서 증대된다. 이 때, 물론 소위 "약한 결합성의" 기판에 적용되는 것에 한정된다. 전기 음향적 결합 상수(k2)는 음향파와 HF 신호 사이의 결합의 강도를 위한 척도이다.
따라서, 본 발명의 과제는, 낮은 횡방향 손실을 가지면서 강한 결합성 압전 기판과 호환성을 가지는 전기 음향 변환기를 제공하는 것이다. 이러한 과제는 본 발명에 따르면 독립항 제1항에 따른 전기 음향적 변환기에 의하여 해결된다. 유리한 형성방식은 종속 청구항들로부터 도출된다.
본 발명은 제1변형예에서 음향 궤적내에 배치되는 전기 음향적 변환기를 제공한다. 변환기는 압전 기판 및 그 위에 배치된 2개의 전극을 포함하고, 전극은, 음향파의 여기를 위해, 각각 버스바와 연결되며 서로 맞물리는 전극 핑거를 포함한다. 변환기는 음향파가 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들에서 서로 다른 종방향 확산 속도를 가지도록 형성된다. 종방향 확산 속도는 종방향에서 음향파의 속도이다.
변환기는 제1종방향 속도를 가진 중앙 여기 영역을 포함한다. 중앙 여기 영역은 양 측에서 내부 가장자리 영역들에 인접하며(flanking), 이러한 내부 가장자리 영역들 내에서 종방향 속도는 중앙 여기 영역에서의 종방향 속도와 편차가 있다. 외부 가장자리 영역은 내부 가장자리 영역에 인접한다. 외부 가장자리 영역들에서 종방향 속도는 내부 가장자리 영역들에서보다 더 크다. 외부 가장자리 영역들은 파동 가이드 기능을 할 수 있다. 이 영역들의 폭은 파동 가이드 - 예컨대 결합된 모드가 0으로 감쇠하는 것 -를 달성하기 위해 충분히 크다. 버스바의 영역들은 전기 음향 변환기의 외부 가장자리 영역에 인접한다. 전기 음향 변환기의 버스바의 영역들에서 종방향 속도는 외부 가장자리 영역들에서보다 더 낮다. 기판은 볼록한 느림(slowness)(독일어: Langsamkeit)을 포함한다. 느림은 속도의 역수이다. 느림은 기판내에서 전파하는 음향파의 파동 벡터(k)에 비례한다. 볼록한 느림의 존재는 기판의 이방성 계수(anisotropy factor)(Γ)가 -1보다 크다는 것과 같은 의미이다: Γ＞ -1. 이 때 이방성 계수는 다음의 식에 의해 정의된다.
Figure 112016092402121-pat00001
여기에서, kx는 종방향에서 파동 벡터의 요소를, ky는 횡 방향에서 파동 벡터의 요소를, k0은 음향파의 주 확산 방향에서 파동수를 나타낸다. 종방향(x)에서 주 확산 방향은 전극 핑거의 배치에 의해 주어진다. 주 확산 방향은 전극 핑거에 대해 수직이다. 앞서 언급한 식은
Figure 112016092402121-pat00002
에 대해 근사치적으로 적용된다.
제1변형예의 실시 형태에서, 내부 가장자리 영역 내의 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서보다 더 낮다.
일 실시예에서, 버스바 영역 내의 종방향 속도는 내부 가장자리 영역내의 종방향 속도보다 더 낮다.
일 실시예에서, 외부 가장자리 영역들 내의 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서의 종방향 속도보다 더 높다.
본 발명은 제2변형예에서, 음향 궤적내에 배치된 전기 음향적 변환기를 제공한다. 변환기는 압전 기판 및 그 위에 배치된 2개의 전극들을 포함하고, 전극들은, 음향 궤적의 여기를 위해 버스바와 각각 연결되며 서로 맞물리는 전극 핑거를 포함한다. 변환기는, 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들에서 음향파가 서로 다른 종방향 확산 속도를 가지도록 형성된다.
변환기는 제1종방향 속도를 가진 중앙 여기 영역을 포함한다. 중앙 여기 영역은 양 측에서 내부의 가장자리 영역들에 인접하고, 이러한 영역들에서 종방향 속도는 중앙 여기 영역에서의 종방향 속도와 상이하다. 외부 가장자리 영역들은 내부 가장자리 영역들에 인접한다. 외부 가장자리 영역들에서, 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서보다 더 높다. 버스바 영역들은 전기음향 변환기의 외부 가장자리 영역들에 인접한다. 전기음향 변환기의 버스바 영역들에서 종방향 속도는 외부 가장자리 영역들 내에서보다 더 낮다.
버스바의 영역들은 이러한 영역들에서 파동 가이드가 가능할만큼 크다. 제1변형예와 달리, 버스바의 영역은 파동 가이드 역할을 한다.
기판은 오목한 느림을 포함한다. 볼록한 느림의 존재는 기판의 이방성 계수(Γ)가 -1보다 작다는 것과 같은 의미이다: Γ < -1.
제2변형예의 실시 형태에서, 내부 가장자리 영역 내의 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서보다 더 높다.
일 실시예에서, 외부 가장자리 영역들 내의 종방향 속도는 내부 가장자리 영역들에서의 종방향 속도보다 더 높다.
일 실시예에서, 버스바 영역들 내의 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서의 종방향 속도보다 더 낮다.
횡방향에서 종방향 속도가 가변적인 이와 같은 전기음향 변환기 형성방식은, 종방향 속도의 횡 프로파일(transversal profile)을 제공하고, 이러한 횡 프로파일 내에서 소위 "피스톤 모드(piston mode)"가 확산 가능하다. 피스톤 모드는 진동 모드로, 이러한 진동 모드는 압전 물질의 원자들의 최대 편향 프로파일이 여기 영역 내에서 실질적으로 일정하며 바람직하게는 음향 궤적 밖의 영역에서 0이라는 특징이 있다. 그 사이에 최대 편향은 가능한 한 높은 구배(gradient)로 감소한다. 정량적으로 "양호한" 피스톤 모드는, 횡 여기 프로파일(Φ(y))과 횡 편향 프로파일(Ψ(y))로 이루어진 기본 모드의 겹침 적분(overlap integral):
Figure 112016092402121-pat00003
이 가능한 한 크다는 특징이 있다. 이러한 적분의 다른 쓰기 방식은: < Φ│Ψ > 이다.
또한, 피스톤 모드는, 횡 방향에서 확산되는 음향파가 발생하지 않거나 기껏해야 최소로 발생한다는 특징이 있다. 피스톤 모드의 달성은, 음향 궤적으로부터 음향파의 횡방향 방출에 의한 에너지 손실을 줄이고, 이와 동시에 횡방향 모드 억제로 인하여 개선된 성능을 얻기 위해 효과적인 수단이다.
앞에 설명한 변환기는 공지된 변환기 구조물에 비해 개선된 피스톤 모드를 구현하며, 즉 기본 모드의 증대된 겹침 적분을 구현한다. 또한, 본 발명에 따른 변환기는 높은 결합성의 기판과 호환적이다.
중앙 여기 영역 옆에 횡으로(transversal) 배치된 음향 궤적 영역들에서 종방향 속도의 조절은 겹침 적분의 큰 값을 얻기 위해 중요하다.
중앙 여기 영역과 버스바의 영역 사이에서 음향 궤적의 영역을 서로 다른 종방향 속도의 영역들로 분할함으로써, 더욱 양호하게 조절 가능한 플랭크 영역을 가지는 피스톤 모드를 얻을 수 있다. 특히, 편향 함수의 구배는 증대된다.
일 실시예에서, 버스바 및 전극 핑거는 압전 기판상에 배치되고, 압전 기판은 석영보다 더 큰 전기음향 결합 계수를 가진다. 이러한 압전 기판으로서 예컨대 리튬탄탈레이트 또는 리튬니오베이트가 고려된다.
"오목한" 느림 또는 Langsamkeit라는 명칭은 횡방향에서의 파동수인 ky 대 종방향에서의 파동수인 kx의 비율에 관련한다. 오목한 느림이란, ky에 비례하는 횡방향에서의 느림이 kx에 비례하는 종방향에서의 느림의 함수로서 오목한 함수임을 의미한다: 종방향에서 느림을 횡 방향에서의 느림으로 2배 도함수(derivative)한 것은 양수(positive)이다. 또는 동일하게 적용되기로는: kx를 ky로 2배 도함수한 것은 양수이다:
Figure 112016092402121-pat00004
오목한 느림을 포함한 압전 기판은 음향파에 집중적으로 작용하며, 횡 방향에서 음향파 방출이 줄어들도록 보조한다.
일 실시예에서, 전극 핑거는 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서, 중앙 여기 영역에서보다 내부 가장자리 영역내에서 더 넓다.
일 실시예에서, 전극 핑거는 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서, 중앙 여기 영역에서보다 내부 가장자리 영역내에서 더 좁다.
압전 기판의 표면에서 음향파의 속도는 기판의 면적 밀도(area density)에 의존하며, 즉 기판상에 배치된 층들의 질량에 의존한다. 전극 핑거의 물질들은 이러한 층들을 나타낸다. 이 때, 음향파가 느릴수록, 면적 밀도는 더 크고, 음향파가 빠를수록 면적 밀도의 물질의 탄성 상수(elastic constants)가 더 크다. 넓어진 전극 핑거는 일반적으로 증대된 면적 밀도를 나타낸다. 내부 가장자리 영역에 한정된 핑거 넓힘(broadening)은 내부 가장자리 영역에서의 종방향 속도를 줄이기 위해 간단하면서도 효과적인 수단이다. 물질에 따라, 면적 밀도(예컨대 Al2O3을 포함하거나 다이아몬드를 포함함, 두 물질들은 상대적으로 가벼우면서도 높은 강성도 값(stiffness value)을 가진다)는 속도를 증대시킬 수 있다.
마찬가지로, 전극 핑거가 협소해지거나 넓어지는 것은 속도의 감소 또는 증대를 야기할 수 있다.
일 실시예에서, 전극 핑거의 폭은 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서, 내부 가장자리 영역들 내에서 선형으로 변경된다. 핑거폭이 선형으로 변경되면서, 즉 비 단계적으로 변경되면서, 편향 프로파일의 형성 및 피스톤 모드의 형성 시 더 큰 자유도가 제공된다. 폭은 내측으로부터 외측으로 가면서 증가하거나 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 전극 핑거는 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서, 중앙 여기 영역에서보다 내부 가장자리 영역내에서 더 높거나 더 낮다. 핑거가 두꺼워지거나 얇아지는 것은 마찬가지로, 개선된 피스톤 모드를 얻기 위해 면적 밀도를 변경하는 가능성을 나타낸다.
일 실시예에서, 중앙 여기 영역에서 전극 핑거는 내부 가장자리 영역, 외부 가장자리 영역 또는 버스바의 영역에서보다 더 높으며, 특히 더 두꺼운 금속배선을 포함한다. 물질 파라미터에 따라 핑거가 두꺼워지고 얇아지는 것은, 마찬가지로, 면적 밀도를 변경하는 가능성을 나타낸다. 핑거의 두께를 조절함으로써, 개선된 피스톤 모드를 얻기 위해 음향 속도가 용이하게 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 전극 핑거의 높이, 즉 기판상의 전극층의 두께는, 내부 가장자리 영역들 내에서, 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서 단계적으로 변경된다.
일반적으로, 전극 핑거 및 버스바는 증착 공정(예컨대 리프트 오프 기술 또는 식각 기술)에서 압전 기판상에 올려진다. 두께의 선형 변화는 통상적인 방식으로 구현될 수 없다. 단계폭이 충분히 작게 선택될 때 단계적인 변화에서는, 선형 흐름에 양호한 근사치가 선택될 수 있고 얻어질 수 있다.
일 형성방식에서, 전극 핑거의 높이는 내부 가장자리 영역 내에서, 적어도 횡 방향을 따르는 부분들에서, 즉 외부를 향하거나 내부를 향하여 선형으로 증가한다. 단계적으로 변경된 두께에 의한 근사법(approximation)이 충분하지 않으면, 층 두께의 선형 함수 또는 그 외 연속적 함수는, 물질 제트(material jet)의 증착 공정 시 공간적으로 비균일한 유동을 포함하고 기판의 다양한 영역들에서 증착 비율이 상이함으로써 얻어질 수 있다. 증착비의 구배는 공간적으로 연속적인 함수이다.
일 실시예에서, 전극 핑거상에서 내부 가장자리 영역들에서는 적어도 측방향 부분에, 전극 물질과 상이한 도전 물질 또는 유전성(dielectric) 물질이 배치되어 있다. 전극 핑거상에 배치된 이러한 물질은 또한, 서로 다른 면적 밀도로 인하여 음향파의 속도가 조절되도록 할 수 있다.
변환기의 실시형태에서, 유전성 물질은 내부 가장자리 영역들에서, 전극 핑거들상에 그리고 전극 핑거들 사이에 배치되어 있다. 예컨대 리프트 오프 기술 또는 식각 기술을 이용하여 구조화된 상태로 거의 레일에 가까운 것이 전극 핑거에 걸쳐 종방향으로 놓일 수 있다. 이를 통해 면적 밀도 및 이로 인하여 종방향 속도는 용이하게 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 전극 핑거들 상에 또는 전극 핑거들 사이에는 하프늄옥사이드(hafnium oxide) 또는 탄탈륨옥사이드(tantalum oxide)가 배치되어 있다.
하프늄 옥사이드 및 탄탈륨 옥사이드는 상대 밀도(specific density)가 높은 화합물이며, 따라서 음향파 속도 변화에 큰 영향을 미친다. 부가적으로, 이들은 전기 절연체이어서, 서로 다른 극성을 가진 서로 다른 핑거들은 단락되지 않는다.
하프늄 또는 탄탈륨, 즉 금속 자체가 속도 감소를 위한 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 금속은 전극상에, 버스바상에, 스터브 핑거(stub finger)상에 또는 전극 핑거상에 배치된다.
확산 속도는, 이방성으로 인하여 확산 방향에서 포커싱(focusing)이 발생하도록 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 외부 가장자리 영역들 내의 종방향 속도는 중앙의 여기 영역에서보다 더 높다.
전기음향 변환기의 실시 형태에서, 내부 가장자리 영역들 내의 종방향 속도는 버스바 영역들에서보다 더 높다.
일 실시예에서, 양쪽의 내부 가장자리 영역들 내의 종방향 속도는 동일하다. 이 때, 양쪽의 외부 가장자리 영역들에서 종방향 속도는 각각 동일하다. 종방향 속도는 양쪽의 버스바의 영역들에서 동일하다.
일 실시예에서, 횡 방향에서 음향파의 기본 모드의 여기 프로파일 또는 변환기의 여기 프로파일과 횡 방향에서 음향파의 편향 프로파일의 일치 - 겹침 적분 -은 가능한 한 크다. 바람직하게는, 정규화된 겹침 적분은 0.9 보다 더 크거나, 0.95 보다 더 크거나, 0.99 보다 더 크다. 이 때 정규화된 겹침 적분은 다음과 같다:
Figure 112016092402121-pat00005
일 실시예에서, 음향파의 기본 모드의 횡방향 여기 프로파일은 내부 가장자리 영역에서의 위상 가중(phase weighting)에 의해 횡방향 편향 프로파일에 정합된다. 위상 가중은, 전극 핑거의 개별 영역들, 예컨대 횡 방향으로 배치된 영역들이 여기 중심 - 일반적으로 전극 핑거의 중심 - 을 가지고, 이러한 중심이 다른 영역들에서의 여기 중심에 비해 종방향으로 이동되어 있음으로써 얻어진다. 이러한 이동은, 전극 핑거가 넓어지거나 좁아지는 것이 종방향에서 핑거 중심과 관련하여 비대칭으로 이루어짐으로써, 달성될 수 있다.
전극 핑거의 부분들의 여기 중심이 이동함에 따라, 잘못된 정합으로 인하여, 그렇지 않았으면 세밀하게 정의되는 음향파, 그 파장 및 여기 중심의 정렬을 위해, 이러한 측방향 영역들에서 여기 세기가 감소한다. 따라서, 전기음향 변환기의 개발자에게는 여기 프로파일의 조절 및 피스톤 모드의 조절을 위한 부가적 자유도가 제공된다.
일 실시형태에서, 전극 핑거 또는 버스바는 유전체층으로 덮여있다. 이러한 전기음향적 변환기의 형성방식에서, 층은 SiO2 로 구성된다. 규소 이산화물은, 기판의 탄성 요소의 온도 드리프트(temperature drift)를 보상하기 위해 양호하게 적합하다.
일 실시예에서, 전기 음향적 변환기는 GBAW 소자이다. GBAW 소자에서, 음향파는 압전층과 그 위에 배치된 유전층 사이의 경계층에서 확산된다.
일 실시예에서, 외부 가장자리 영역들의 폭은 일 전극 및 다른 전극, 즉 버스바의, 전극 핑거의 말단들 사이의 측방향 간격에 의해 정해진다. 이러한 실시 형태에서, 전기 음향적 변환기는 스터브 핑거를 포함하지 않는다. 또는, 스터브 핑거는 버스바 영역들에서, 면적 밀도를 적합하게 조절하기 위해 가능하다. 스터브 핑거는, 대향된 전극의 전극 핑거들과 겹치지 않으면서 실질적으로 어떠한 종방향 음향파도 여기하지 않는 전극 핑거이다.
볼록한 느림일 때 외부의 가장자리 영역으로부터 가지는 중앙 여기 영역의 간격에 상응하고 오목한 느림일 때 버스바로부터 가지는 중앙 여기 영역의 간격에 상응하는 간격(W)은
Figure 112016092402121-pat00006
일 수 있다.
여기에서, f는 구동 주파수를 나타내고,
Figure 112016092402121-pat00007
,
Figure 112016092402121-pat00008
및
Figure 112016092402121-pat00009
는 중앙 여기 영역에서의 속도를 나타낸다.
볼록한 느림(독일어: Langsamkeit)의 경우, VRB는 내부 가장자리 영역의 종방향 속도이며, VAB는 외부 가장자리 영역의 종방향 속도이다.
오목한 느림의 경우, VRB는 내부 가장자리 영역 및 외부 가장자리 영역에 대해 평균을 낸 속도이다. VAB는 버스바의 영역에서의 속도이다.
일 실시예에서, 내부 가장자리 영역은 외부 가장자리 영역보다 현저히 더 넓다(예컨대 2배, 5배 또는 10배 더 넓다).
전류바의 영역들의 폭은 오목한 느림의 경우,
Figure 112016092402121-pat00010
이상일 수 있다. 여기에서, kyAB 는 다음과 같다.
Figure 112016092402121-pat00011
볼록한 느림의 경우에 외부 가장자리 영역들의 폭은
Figure 112016092402121-pat00012
이상일 수 있다. 여기에서, kyAB 는 다음과 같다.
Figure 112016092402121-pat00013
일 실시예에서, 외부 가장자리 영역들의 폭은 일 전극의 전극 핑거의 말단들과, 다른 전극의 버스바와 연결된 스터브 핑거의 말단들 사이의 측방향 간격에 의해 결정된다.
일 실시예에서, 전기 음향적 변환기는, 종방향에서 음향 궤적을 한정하는 반사체들을 포함하면서 음향파로 작동하는 공진기의 일부분이다.
종방향에서, 음향 궤적을 한정하는 반사체들 사이에 또 다른 전기음향 변환기가 배치될 수 있다. 하나 이상의 변환기는 HF 신호를 음향파로 변환하는 입력변환기일 수 있는 반면, 하나 이상의 다른 변환기는 음향파를 HF 신호로 변환하는 출력 변환기이다.
일 실시예에서, 음향파로 작동하는 공진기는 음향 궤적을 종방향에서 한정하는 반사체들을 포함한다. 이 때 공진기들 중 적어도 하나의 공진기는 변환기와 동일한, 음향파의 횡방향 속도 프로파일을 가진다.
일 실시예에서, 변환기는 반사체와 함께 압전 기판상에 배치되어 있고, 이 때 반사체는 반사체 핑거를 포함하며, 반사체 핑거는 횡 방향에서 변환기의 전극 핑거와 동일한 구성을 가진다.
본 발명은 제3변형예에서 음향 궤적내에 배치된 전기 음향 변환기를 제공한다. 변환기는 압전 기판 및 그 위에 배치된 2개의 전극들을 포함하고, 전극들은 음향파의 여기를 위해, 각각 버스바와 연결되며 서로 맞물리는 전극 핑거들을 포함한다. 변환기는, 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들에서 음향파가 서로 다른 종방향 확산 속도를 가지도록 형성된다. 종방향 확산 속도는 종방향에서 음향파의 속도이다.
변환기는 제1종방향 속도를 가진 중앙 여기 영역을 포함한다. 중앙 여기 영역은 외부 가장자리 영역들에 인접한다. 외부 가장자리 영역들에서 음향파의 속도는 일반적으로, 중앙 여기 영역에서의 종방향 속도와 상이하다. 버스바의 영역들은 전기 음향 변환기의 외부 가장자리 영역들에 인접한다. 전기음향 변환기의 버스바 영역들에서, 종방향 속도는 외부 가장자리 영역에서보다 더 낮다. 전극 구조물을 포함한 기판은 자가 포커싱 느림을 포함한다. 자가 포커싱 느림의 존재는 기판의 이방성 계수(Γ)가 실질적으로 -1이라는 의미이다: Γ = -1.
이하, 음향파로 작동하며 모드 생성이 개선된 변환기를 얻을 수 있는 부가적 특징들이 제공된다.
이에 상응하는 변환기는 중앙 여기 영역을 포함하고, 경우에 따라서 중앙 여기 영역에 인접하는 내부 가장자리 영역을 포함하고, 경우에 따라서 내부 가장자리 영역에 인접하는 틈새 영역을 포함하고, 경우에 따라서 틈새 영역에 인접하는 외부 가장자리 영역을 포함하며, 그리고 틈새 영역 또는 외부 가장자리 영역이 있는 경우 이러한 영역에 인접하는 버스바의 영역을 포함한다. 틈새 영역들은, 이러한 영역내에서 적어도 하나의 전극의 전극 핑거들이 중단되어 있다는 특징을 가질 수 있다.
변환기에서 전파하는 음향파의 종방향 확산 속도는, 특히 피스톤 모드를 얻을 수 있기 위해 다양한 영역들에서 적합하게 조절된다. 이를 위해, 예컨대 파장(λ)마다의 면적 밀도가 내부 가장자리 영역, 틈새 영역, 외부 가장자리 영역 또는 버스바의 영역에서 최적으로 조절될 수 있다. 면적 밀도의 조절은, 볼록한 느림(Γ>-1), 오목한 느림(Γ<-1)을 가진 기판에서 또는 이방성 계수가 Γ= 1일 때 가능하다. 이를 통해, 가급적 전체의 음향 에너지는, 원하는 기본 모드만 여기하기 위해, 예컨대 피스톤 모드만을 여기하기 위해 활용된다. 그 결과, 필터 전송 함수에 상응하는 필터 소자에서의 함입부가 감소하고, 더 높은 모드에 의한 전극 핑거의 전단 부하가 감소함으로써, 부품의 성능 안정성이 개선된다.
특히, 볼록한 느림을 가진 기판에서 면적 밀도는 내부 가장자리 영역들에서 증대될 수 있고, 오목한 느림을 가진 기판에서 면적 밀도는 이하에 더 상세히 설명되는 틈새 영역들에서 증대될 수 있다.
오목한 느림을 가진 기판에서, 면적 밀도는 외부 가장자리 영역들 및 중앙 여기 영역들에서 증대될 수 있다.
오목한 느림을 가진 기판에서, 면적 밀도는 내부 가장자리 영역들에서, 적어도 상대적 관점에서 감소할 수 있다.
면적 밀도의 증대는 이하의 조처들 중 어느 하나에 의해 달성될 수 있다:
- 핑거의 폭 넓히기, 즉 금속배선 비율(η)의 국부적 증대,
- 바람직하게는 더 무거운 요소, 예컨대 금속 또는 유전체를, 전극층 상부 또는 전극층 하부 또는 다층으로 형성된 전극층들의 층 사이에 가중층의 형태로 올림으로써 핑거 두께를 증대시킴,
- 여기서 파동 확산 방향에 대해 평행하게 배치된 유전성 연속 스트립을 가중층으로서 올림,
- 유전성 덮개층상에 가중층으로서 금속 또는 유전체로 이루어진 연속 스트립을 올림,
- 예컨대 유전성 덮개층 또는 가중층을 선택적으로 제거하여 음향 궤적의 나머지 부분에 면적 밀도를 감소시킴. 이 때, 선택적 제거로 인하여, 제거되지 않은 영역들에서의 질량 부하가 상대적으로 증대된다.
예컨대 면적 밀도의 상대적인 감소는 이하의 조처에 의해 달성될 수 있다:
- 예컨대 핑거폭을 줄여서 η을 줄임,
- 앞에 설명한 조처들 중 하나에 의하여 음향 궤적의 나머지에서 면적 밀도를 증대시킴.
볼록한 느림을 가진 기판의 경우에, 내부 가장자리 영역들에서 면적 밀도가 증대될 수 있다. 내부 가장자리 영역들의 폭은 종방향 파동의 파장(λ)의 단위로 0.1 내지 3.0의 폭을 가질 수 있다. 내부 가장자리 영역들의 폭은 특히 0.25와 1.0 λ 일 수 있다. 내부 가장자리 영역에서 금속배선 비율(η)은 0.9 이하일 수 있다. η은 내부 가장자리 영역들에 걸쳐 가변적일 수 있다.
예컨대 구리, 금, 은, 백금, 텅스텐, 탄탈륨, 팔라듐 또는 몰리브댄과 같은 중금속, 또는 예컨대 탄탈륨옥사이드, 예컨대 Ta2O5와 같은 무거운 유전체는 내부 가장자리 영역의 가중층 내에서 예컨대 전극 핑거들상에 배치될 수 있다. 이러한 가중층의 층 두께는 전극 핑거의 두께의 5%와 200% 사이일 수 있다. 이러한 가중층은 개별 요소들 또는 합금물로 이루어진 하나 이상의 층겹을 포함할 수 있다. 소자와 가중층 사이의 더욱 양호한 기계적 결합을 위해 하나 이상의 부착층은 티타늄을 함유할 수 있다. 이러한 가중층은 전극 핑거의 하부에도 배치될 수 있다.
이러한 가중층은 특히 전극 핑거의 상부에 배치될 수 있으며 전극 핑거와 동일한 물질로 구성될 수 있다. 이러한 가중층의 두께는 특히 핑거 두께의 10 %와 50 % 사이일 수 있다.
가중층은 유전체를 포함할 수 있고, 전체의 내부 가장자리 영역을 덮을 수 있다. 유전체에 의해 전극 핑거는 단락되지 않는다. Ta2O5로 이루어진 이러한 가중층의 층 두께는 예컨대 전극 핑거 두께의 5% 내지 200%일 수 있다.
전극핑거의 상부에서 내부 가장자리 영역에서는 유전성 절연층이 배치될 수 있다. 그 위에, 전체 내부 가장자리 영역에서는 두께가 10 nm 내지 1 ㎛인 가중층이 배치될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적인 조처로서, 내부 가장자리 영역 밖의 모든 다른 영역들에서는, 유전성층, 예컨대 SiO2로 이루어진 보상층이 얇아질 수 있으나, 단 최대 그 두께가 내부 가장자리 영역에서의 두께의 10%가 될 때까지 그러하다.
변환기의 틈새 영역의 폭은 0.5와 5.0 λ 사이일 수 있다. 틈새 영역들에 인접하는 외부 가장자리 영역들은 스터브 핑거를 포함할 수 있고, 스터브 핑거는 이에 상응하는 버스바와 연결되어 있다. 이러한 외부 가장자리 영역은 각각 1.0 내지 5.0 λ 의 폭을 가질 수 있다.
틈새 영역들의 폭은 특히 0.5 내지 5.0 λ 일 수 있다. 외부 가장자리 영역들은 스터브 핑거를 포함하지 않을 수 있다.
금속배선 비율(η)은 외부 가장자리 영역에서 0.9 이하일 수 있다. 이와 같이 높은 금속배선 비율(η)일 때 전극 핑거의 오믹(ohmic) 손실이 줄어든다.
외부 가장자리 영역들에서의 전극 핑거는 가중층에 의해 두꺼워질 수 있고, 가중층은 층 두께가 예컨대 핑거 두께의 단위로 5% 내지 200%이다.
내부 가장자리 영역들에서 전기 음향적 여기는 예컨대 위상 가중에 의해 감소할 수 있다. 이를 위해, 인접한 핑거들의 핑거 에지 사이의 중심인 여기 중심은 종방향으로 이동할 수 있다. 이동은 주기적으로 또는 임의적일 수 있다. 핑거 중심의 이동은 λ 단위로 0.25 이하일 수 있다.
전기 음향적 여기를 적합하게 조절함으로써 피스톤 모드의 진행이 개선될 수 있다. 이를 위해, 금속배선 비율(η)은 주기적으로 또는 임의적으로 분포하면서 맞춰질 수 있다. η은 예컨대 0.1 내지 0.9의 범위에서 가변적일 수 있다.
또한, 외부 가장자리 영역에서 면적 밀도를 적합하게 조절할 수 있다. 이를 위해 예컨대 외부 가장자리 영역들은, 종방향 또는 횡방향에서 볼 때 나란히 배치된 부분 영역들을 포함할 수 있다. 외부 가장자리 영역들의 외부 부분 영역내에서 스터브 핑거가 배치될 수 있다. 외부 가장자리 영역들의 외부 부분 영역들 사이에 외부 가장자리 영역들의 내부 부분영역들이 배치될 수 있고, 내부 부분 영역들은 스터브 핑거를 포함하지 않는다. 틈새 영역들의 폭은 특히 0.1 내지 1 λ 일 수 있다. 외부 여기 영역들의 내부 부분 영역의 폭은 0.1과 3.0 λ사이일 수 있고, 외부 가장자리 영역들의 외부 부분 영역들의 폭은 1.0 λ과 5.0 λ 사이일 수 있다. 외부 가장자리 영역들에서 면적 밀도의 증대를 위해 η은 0.9까지 증대될 수 있다.
일반적으로, 이러한 조처는 조절된 속도를 가진 일 영역에서 속도의 증대 또는 감소를 위해, 그리고 조절된 속도를 가진 다른 영역에서 속도의 증대 또는 감소를 위해 기여할 수 있다.
나란히 배치된 내부 가장자리 영역, 틈새 영역 및 외부 가장자리 영역은 전체폭이 0.1 내지 3.0 λ 일 수 있다.
틈새 영역에서의 면적 밀도만이 증대될 수 있다. 틈새 영역에서 면적 밀도를 증대시키기 위한 조처로서, 내부 가장자리 영역 또는 외부 가장자리 영역에서 면적 밀도를 증대시키기 위한 이제까지의 조처가 활용될 수 있다.
음향파로 작동하며 개선된 피스톤 모드를 가지는 소자를 위한 기판으로서, 리튬니오베이트 LiNbO3, 줄여서 LN 또는 리튬탄탈레이트 LiTaO3, 줄여서 LT와 같은 압전 기판이 사용될 수 있다.
구체적으로 특히 이하의 표에 제시된 기판이 가능하다:
약어 물질 오일러각
LN 128 Y-X LiNbO3 (0°, 37.85°, 0°)
LN Y-X LiNbO3 (0°, -90.0°, 0°)
LN 10 RY LiNbO3 (0°, -80.0°, 0°)
LN 15 RY LiNbO3 (0°, -75.0°, 0°)
LN Y-Z LiNbO3 (0°, -90.0°, -90.0°)
LT 36 Y-X LiTaO3 (0°, -54.0°, 0°)
LT 39 Y-X LiTaO3 (0°, -51.0°, 0°)
LT 42 Y-X LiTaO3 (0°, -48.0°, 0°)
석영 32 SiO2 (α-석영) (0°, 122.0°, 0°)
석영 36 SiO2 (α-석영) (0°, 126.0°, 0°)
석영 37.5 SiO2 (α-석영) (0°, 127.5°, 0°)
석영 39.5 SiO2 (α-석영) (0°, 129.5°, 0°)
제공된 각도와 수 1/10도 만큼의 오차를 가진 기판도 적합하다.
이 때, 오일러각은 이하와 같이 정의된다: 우선 어떤 명제로부터 축 x, y, z가 시작하고, 이러한 축들은 기판의 결정학적 축들이다.
제1각도, λ는, x축 및 y축이 z축을 중심으로 얼마의 값만큼 회전하였는가를 제공하며, 이 때 x축은 y축 방향으로 회전된다. 이에 상응하여 축들 x', y', z'에 대한 새로운 명제가 생성되는데, 이 때 z = z' 이다.
이후의 회전 시, z'축 및 y'축은 x'축을 중심으로 각도 μ 만큼 회전된다. 이 때 y'축은 z'축 방향으로 회전된다. 이에 상응하여 축들 x'', y'', z''에 대한 새로운 명제가 생성되며, 이 때 x' = x'' 이다.
제3 회전 시, x''축 및 y''축은 z''축을 중심으로 각도 θ 만큼 회전된다. 이 때 x''축은 y''축 방향으로 회전된다. 따라서, 축들 x''', y''', z'''에 대한 제3명제가 생성되며, 이 때 z'' = z''' 이다.
x''' 축 및 y''' 축은 기판의 표면에 대해 평행하다. z'''축은 기판의 표면 법선이다. x'''축은 음향파의 확산 방향을 나타낸다.
이러한 정의는 국제 표준 IEC 62276, 2005-05, 부록 A1 과 일치한다.
GBAW 또는 경계파 소자로서 예컨대 오일러각(λ=0°, μ= -75±15°, θ=0°)을 가지는 LiNbO3이 고려된다.
변환기는 알루미늄보다 더 큰 밀도를 가진 금속, 예컨대 구리, 금, 텅스텐 또는 이러한 금속들의 합금물을 주 성분으로서 포함할 수 있다.
변환기의 전극 또는 전극 핑거는 알루미늄보다 더 큰 밀도를 가진 금속, 예컨대 구리, 금, 텅스텐 또는 이러한 금속들의 합금물을 주 성분으로서 포함할 수 있다.
변환기 상에 보상층이 배치될 수 있다. 보상층은 소자의 주파수층의 온도 드리프트를 줄이거나 제거할 수 있다. 이러한 보상층은 SiO2, SiN, Al2O3 또는 SiOxNy를 포함할 수 있다. 이러한 보상층의 두께는 λ단위로 50%이상일 수 있다.
SAW 기판으로서, 예컨대 (λ=0°, μ= -90±3°, θ=0°)이라는 오일러각 명제를 가진 리튬니오베이트가 고려된다.
전극은 개별 요소들 또는 다양한 합금물로 이루어진 복수 개의 층들을 포함할 수 있다. 특히, 어쿠스토미그래이션(acoustomigration)을 줄일 수 있는 장벽층 또는 부착층은 티타늄, 티타늄옥사이드(titanium oxide) 또는 티타늄나이트라이드(titanium nitride)을 포함할 수 있다.
전극의 총 높이는 λ단위로 4% 내지 7%일 수 있다. 모든 가장자리 영역 및 중앙 여기 영역에 대해 평균을 낸 금속배선 비율은 0.55 와 0.7 사이일 수 있다; 실질적으로 소자의 주파수 응답을 결정하는 핑거 주기는 0.8 과 1.1 ㎛ 사이의 범위에 있을 수 있다.
평탄화된 SiO2를 포함하는 보상층은 λ단위로 25%와 33% 사이의 두께를 가질 수 있다.
유전성 패시베이션층 또는 트리밍층은 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)을 포함할 수 있다. 이러한 패시베이션층 또는 트리밍층은 파장의 7%보다 작은 두께를 가질 수 있다.
압전 리튬니오베이트 기판을 위한 오일러각으로서 각도(0°, 37.85±3°, 0°)가 고려된다.
전극의 총 높이는 λ단위로 6%와 8% 사이일 수 있다. 금속배선 비율은 0.5 와 0.65 사이에서 조절될 수 있다. 핑거 주기는 1.8과 2.1 ㎛ 사이일 수 있다.
전극은 예컨대 SiO2를 함유한 평면 유전층으로 덮일 수 있다. 유전층의 두께는 음향파(λ)의 29%와 33% 사이일 수 있다.
전극 또는 그 위에 배치된 유전성 층은, 예컨대 Si3N4 또는 SiO2를 함유하는 부가적인 유전성 패시베이션층 또는 트리밍층에 의해 덮일 수 있다. 이러한 층의 두께는 음향파(λ)의 5%까지 이를 수 있다.
일 실시예에 있어서 오일러각(0°, 37.85±3°, 0°)을 가진 리튬니오베이트 기판이 고려된다.
전극의 총 높이는 파장의 6%와 12% 사이일 수 있다. 금속배선 비율은 0.5 와 0.58 사이일 수 있다.
이에 상응하는 변환기는 WCDMA 대역 II (1850 - 1990 MHz), 대역 III (1710 - 1880 MHz) 을 위한 듀플렉서(duplexer)의 일부분일 수 있다. 이를 위해, 작업 주파수를 정의하는 핑거 주기는 0.8 과 1.1 ㎛ 사이일 수 있다.
실리콘 디옥사이드(silicon dioxide)을 함유하는 보상층은 30 과 50% λ 두께일 수 있다.
유전성 패시베이션층 또는 트리밍층은 실리콘 나이트라이드를 포함할 수 있고, λ 단위로 7% 미만의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서 내부 가장자리 영역은 생략할 수 있고, 그럼에도 불구하고 양호한 피스톤 모드가 얻어질 수 있다. 이를 위해, 변환기는 외부 가장자리 영역 및 틈새 영역을 내부 가장자리 영역에 대한 대안물로서 포함할 수 있다. 즉 조절된 속도를 포함하는 영역의 수는 줄어들지 않는다. 틈새 영역은 0.1 과 3.0 λ 사이의 폭일 수 있다. 외부 가장자리 영역은 1.0 과 5.0 λ 사이의 폭일 수 있다.
금속배선 비율의 증대를 위해 파장 당 핑거 수가 증대될 수 있다.
*유전성 가중충 또는 금속 소재의 가중층은 10 nm 내지 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
변환기의 일 실시예에서, 내부 가장자리 영역에서의 면적 밀도는 외부 가장자리 영역 또는 틈새 영역에 비해 줄어든다. 내부 가장자리 영역 및 틈새 영역의 전체 폭은 0.1 과 3.0 λ사이일 수 있다.
면적 밀도의 감소는 η의 감소에 의해 달성되며, 예컨대 0.1이상의 값으로 감소함에 따라 달성될 수 있다. 면적 밀도의 감소는 유전성 덮개층이 제거됨에 따라 1 ㎛미만의 두께가 될 수 있다.
기판으로서 오일러각 (0°, -48±7°, 0°)을 가진 리튬탄탈레이트가 고려된다. (0°, 52 ＜＝μ＜＝-35°, 0°)이라는 오일러각도 가능하다.
전극 핑거의 전체 높이는 λ단위로 2.5 와 12 %일 수 있다. 금속배선 비율(η)은 0.4 와 0.8 사이일 수 있다. 핑거 주기는 0.7 과 3.0 ㎛사이일 수 있다.
변환기는 파장의 2% 미만의 두께를 가진 유전성 패시베이션층을 포함할 수 있고, 패시베이션층은 예컨대 실리콘 나이트라이드를 포함한다.
음향궤적의 구경은 10 λ와 50 λ사이의 폭일 수 있다. 특히, 구경은 20 λ미만일 수 있다.
구경의 폭, 및 중앙 여기 영역, 내부 가장자리 영역, 틈새 영역, 외부 가장자리 영역 또는 버스바의 영역의 폭은 직렬 공진기 및 병렬 공진기에 있어서 상이할 수 있으며, 공진 주파수 및 구경에 의존할 수 있다. 특히, 서로 다른 공진기들의 면적 밀도는 상이하게 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 전기음향 변환기의 제조 방법은,
- 압전 기판의 준비 단계;
- 버스바 및 전극 핑거를 기판상에 구조화하는 단계; 및
- 중앙 여기 영역내에서 전극 핑거 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 방법의 일 실시예는
- 압전 기판의 준비 단계;
- 버스바 및 전극 핑거를 기판상에 구조화하는 단계; 및
- 내부 가장자리 영역내에 전극 핑거 물질을 산화시키는 단계를 포함한다.
횡방향 영역들에서 종방향 속도를 조절하는 것은 이러한 횡방향 영역들에서 적합한 물질 덮임에 의해 달성될 수 있다. 음향파의 속도는 일반적으로 기판상에서 질량의 증대로 인하여 감소한다. 일반적으로, 이러한 속도는 높은 강성도를 가진 물질(예컨대 Al2O3 또는 다이아몬드)로 덮임에 따라 증대된다. 면적 밀도의 적합한 물질 선택에 의해, 음향파의 속도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 감소시킬 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 전기음향 변환기는 실시예들 및 그에 속한 개략도들에 의거하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 중앙 여기 영역에서보다 내부 가장자리 영역에서 더 낮은 종방향 속도를 포함하는 횡방향 속도 프로파일을 도시한다.
도 2는 중앙 여기 영역에서보다 내부 가장자리 영역에서 더 높은 종방향 속도를 포함하는 횡방향 속도 프로파일을 도시한다.
도 3은 종래 전기음향 변환기의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 변환기의 개략도를 도시한다.
도 5는 대안적 실시 형태에 대한 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 전극 핑거 형성 형태를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 전극 핑거의 또 다른 개략도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b은 전극 핑거의 또 다른 개략도를 도시한다.
도 8c는 국부적 비대화를 포함하는 전극 핑거의 횡단면을 도시한다.
도 9는 내부 가장자리 영역상에 레일형으로 증착된 물질을 포함하는, 본 발명에 따른 변환기의 형성방식을 도시한다.
도 10은 오목한 느림을 포함하는 기판에서 kx에 따르는 ky의 종속성을 보여주는 도면을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 전기음향 공진기의 어드미턴스를 도시한다.
도 12는 위상 가중의 원리를 도시한다.
도 13은 외부 여기 영역들의 다양한 부분 영역들을 포함한 변환기를 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기 및 내부 가장자리 영역의 다양한 기하학적 실시 형태들을 도시한다.
도 15a, 도 15b, 도 15c 및 도 15d는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기 및 내부 가장자리 영역의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 17a, 도 17b, 도 17c, 도 17d 및 도 17e는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d 및 도 18e는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 19a, 도 19b, 도 19c, 도 19d, 도 19e 및 도 19f는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 20a, 도 20b, 도 20c, 도 20d 및 도 20e는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 21a, 도 21b, 도 21c, 도 21d 및 도 21e는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 22a, 도 22b 및 도 22c는 다양한 종방향 영역들을 포함한 변환기의 다양한 실시 형태들을 도시한다.
도 23은 다양한 형태의 변환기를 위한 주파수 종속적 삽입 손실을 도시한다.
도 24는 볼록한 느림일 때 피스톤 모드 소자의 작동 방식을 도시한다.
도 25는 오목한 느림일 때 피스톤 모드 소자의 작동 방식을 도시한다.
도 1은 횡방향으로 나란히 배치된 음향 궤적 영역들의 종방향 속도에 대한 속도 프로파일을 도시한다. 음향 궤적 내에서 중앙 여기 영역(ZAB)이 배치되어 있다. 중앙 여기 영역(ZAB)은 내부 가장자리 영역(IRB)을 에 인접하고, 이러한 내부 가장자리 영역은 중앙 여기 영역(ZAB)의 바로 옆에 배치되어 있다. 내부 가장자리 영역(IRB)의 종방향 속도는 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도보다 더 낮다. 내부 가장자리 영역(IRB)은 다시 외부 가장자리 영역(ARB)에 의해 인접된다. 외부 가장자리 영역(ARB)의 종방향 속도는 내부 가장자리 영역(IRB)의 종방향 속도보다 더 높다: 상기 속도는 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도보다 더 높을 수 있다. 외부 가장자리 영역(ARB)은 다시, 버스바 영역(SB)에 의해 인접되고, 이러한 버스바 영역에서 음향파의 종방향 속도는 외부 가장자리 영역(ARB)에서보다 더 낮다.
도 2는 횡방향을 따르는 프로파일을 도시하는데, 이러한 프로파일에서 서로 상이한 영역들의 종방향 확산 속도가 나타난다. 도 1에 도시된 형성방식과의 상이점은, 내부 가장자리 영역(IRB)의 종방향 속도가 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도보다 더 높다는 것이다. 중앙 여기 영역(ZAB) 및 내부 가장자리 영역(IRB)의 종방향 속도는 내부 가장자리 영역에 인접하는 외부 가장자리 영역(ARB)에서보다 더 낮다.
도 3은 종래 전기 음향 변환기를 도시하는데, 이 때 2개의 서로 다른 전극들의 전극 핑거가 겹치는 여기 영역(AB) 내에서 한편으로 HF 신호들과 다른 한편의 음항파들 사이의 변환이 이루어진다. 전극의 전극 핑거는 다른 극성의 버스바에 닿지 않아야 하는데, 그렇지 않으면 변환기 구조물이 단락될 것이다. 핑거 말단,과 대향된 버스바 사이에는 가장자리 영역(RB)이 존재하고, 이러한 가장자리 영역내에서 어떠한 전기음향 변환도 일어나지 않는다. 종래 변환기는 버스바의 영역(SB)과 중앙 여기 영역(AB) 사이에서 일반적으로 측면마다 하나의 가장자리 영역(RB)만을 포함한다.
이와 달리, 도 4에는 본 발명에 따른 실시 형태가 도시되어 있다. 중앙 여기 영역(ZAB)에서 빗형으로 배치된 전극 핑거는 한편의 HF 신호들과 다른 한편의 음향파들 사이에서 변환된다. 내부 가장자리 영역(IRB)은 중앙 여기 영역(ZAB)에 인접한다. 전극 핑거는 내부 가장자리 영역(IRB)에서, 중앙 여기 영역(ZAB)에 비해 더 폭 넓게 형성된다. 내부 가장자리 영역(IRB)에서도 HF 신호들과 음향 진동간의 변환이 일어난다. 예컨대 증대된 핑거 두께로 인하여 면적 밀도가 증대됨으로써, 중앙 여기 영역(ZAB)에 비해 내부 가장자리 영역(IRB)에서 종방향 속도가 감소한다.
외부 가장자리 영역들(ARB)은 내부 가장자리 영역들(IRB)에 인접한다. 외부 가장자리 영역(ARB)은 HF 신호들과 음향파 사이의 변환에 능동적으로 참여하지 않는다. 외부 가장자리 영역(ARB)에서 음향파는 전적으로 확산성을 가진다. 외부 가장자리 영역(ARB)에서 면적 밀도가 감소함으로써, 외부 가장자리 영역(ARB)에서의 종방향 속도는 내부 가장자리 영역, 반사체(IRB) 및 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도에 비해 증대된다.
버스바 영역(SB)은 다시 외부 여기 영역에 인접한다. 여기서 면적 밀도는 나머지 횡방향 영역에 비해 최대이다; 종방향 속도는 최소이다.
횡방향 진동 모드의 발생은 한정적 폭을 가진 음향 궤적 내의 회절 효과의 결과이다. 본 발명에 따른, 종방향 속도의 횡방향 프로파일의 형성(피스톤 모드)은, 횡방향 속도를 가진 진동 모드의 발생을 줄이는 데 도움을 준다.
도 5는 대안적 실시 형태를 도시하는데, 이러한 대안적 실시 형태는 도 4의 실시 형태에 비해, 내부 가장자리 영역(IRB)에서의 전극 핑거의 폭이 중앙 여기 영역(ZAB)의 핑거 폭보다 줄어든다는 점에 있어서 상이하다. 이를 통해, 내부 가장자리 영역(IRB)의 종방향 속도는 중앙 여기 영역(ZAB)의 속도보다 증대된다. 내부 가장자리 영역(IRB)은 여기 영역으로 간주하는데, 이 영역에서 서로 다른 극성의 전극 핑거들이 겹치기 때문이다.
도 6, 도 7, 도 8a 및 도 8b는 전극 핑거의 형성 가능성을 도시하며, 여기서 핑거의 폭은 부분적으로 줄어들거나(도 6) 증대되거나(도 7) 또는 전극 핑거의 폭이 핑거 말단으로 가면서 선형으로 줄어들거나 증가한다(도 8a, 8b).
도 8c는 국부적인 비대화(LA)를 포함한 전극 핑거(EF)를 횡방향에 대해 평행하게 절단한 횡단면을 도시한다. 적합한 비대화에 의해, 면적 밀도 및 경우에 따라서 전극 핑거의 탄성 파라미터는 원하는 속도 프로파일을 얻도록 조절될 수 있다.
도 9는 중앙 여기 영역(ZAB)에 인접하는 내부 가장자리 영역(IRB)에서 유전성 물질이 전극상에, 그리고 핑거 전극들 사이에 위치한 기판의 영역 상에 배치되는 형성방식을 도시한다. 이를 통해, 내부 가장자리 영역(IRB)에서 종방향 속도가 감소한다.
도 10은 오목한 느림에 있어서 가상 분기(파선) 및 실제 분기(실선)의 횡방향 및 종방향 파동수 사이의 관계를 도시한다. βmin은 안내된 진동 모드가 존재할 수 있을 때의 kx의 값들 중 가능한 최저값을 나타낸다. βmax는 안내된 진동 모드가 존재할 수 있을 때의 kx의 값들 중 가능한 최대값을 나타낸다. 곡선(A)은 음향 궤적의 여기 영역에서 파동 벡터를 가리키다; 곡선(B)은 외부 영역, 즉 음향 궤적 밖에서, 예컨대 버스바의 영역에서 파동 벡터를 가리킨다.
도 11은 볼록한 느림일 때 3개의 주파수 종속적인 어드미턴스 흐름(C, D, E)의 실제 부분을 도시한다. 곡선 C는 기본 모드의 공진 주파수보다 높은 주파수일 때 공진을 가지는 종래 변환기의 어드미턴스를 도시한다.
곡선 D는 전기음향 변환기의 어드미턴스 흐름을 도시하며, 이 때 중앙 여기 영역, 내부 가장자리 영역, 외부 가장자리 영역 및 버스바의 영역에서의 종방향 속도는 피스톤 모드를 얻기 위해 맞춰진다. 곡선 C와 동일한 주파수일 때 공진이 발생한다; 물론, 이러한 공진의 진폭은 공진 주파수를 초과하여 약 25 MHz일 때부터 비로소 상당히 증가한다.
곡선 E는 전기음향 변환기의 산정된 주파수 종속적 어드미턴스를 도시하며, 중앙 여기 영역, 내부 및 외부 가장자리 영역, 버스바의 영역에서 이러한 변환기의 종방향 속도는 피스톤 모드에 맞춰지며, 분산(dispersion)은 Γ = -1 이라는 이방성에 의해 차단된다.
도 12는 전극 핑거의 폭이 넓어짐에 따른 위상 가중의 원리를 도시한다. 핑거 말단에 배치되지 않은 내부 가장자리 영역(IRB)에서 폭이 넓어지는 부분은 횡 방향으로 핑거 중심을 관통하는 축에 대해 대칭으로 배치되지 않는다. 오히려, 종방향에서 이러한 폭 넓힘은 핑거의 각 중심에 대해 상대적으로 이동한다. 중심이 이동함으로써, 핑거 에지들 사이의 중심은 음향파와 정확히 "동위상(in phase)"이 더이상 아님으로써, 여기 세기(Ф)가 감소하고, 피스톤 모드의 편향(ψ)의 이상적 플랭크에 맞춰진다.
음향파의 정합을 위한 또 다른 선택은 소위 스터브 핑거 또는 더미 핑거(dummy finger)이며, 이러한 핑거는 버스바의 영역에 배치되고, 실질적으로, 각각 다른 극성을 가진 전극 핑거의 말단에 대향된다.
도 13은 변환기의 일 실시형태를 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG)(영문 TG = Transversal Gap)은 내부 가장자리 영역(IRB)에 인접한다. 외부 가장자리 영역들은 틈새 영역들(TG)에 인접한다. 외부 가장자리 영역은 자체적으로 다양한 부분 영역들(ARB1, ARB2, ARB3)으로 나눠진다. 외부 가장자리 영역의 부분 영역 자체는 다시, 버스바 영역(SB)에 의해 인접된다. 원하는 모드의 종방향 확산 속도는, 양호하게 정의된 피스톤 모드를 얻기 위해, 다양한 종방향 영역들에서 조절될 수 있다.
도 14a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역과 외부 가장자리 영역 사이에 각각 틈새 영역(TG)이 배치된다. 이러한 실시예에서 틈새 영역(TG)의 폭은, 대향된 버스바와 연결된 스터브 핑거로부터 전극 핑거가 가지는 간격에 의해 정해진다. 전극 핑거는 내부 가장자리 영역(IRB)에서 증대된 금속배선 비율(η)을 가진다.
도 14b는 내부 가장자리 영역을 위해 가능한 핑거 폭넓힘의 서로 다른 실시 형태들을 도시한다. 내부 가장자리 영역내에서 핑거 폭은 선형으로 증가 또는 감소할 수 있다. 폭이 넓어진 복수 개의 섹션들이 가능하고, 이러한 섹션들 사이에서 핑거 폭이 감소한다. 또한, 타원형으로 형성되는, 핑거 폭이 넓어진 부분이 배치될 수 있다.
도 15a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역에서 핑거 전극은 폭이 넓어지고, 가중층의 영역에 의해 덮인다.
도 15b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역의 핑거 전극에 대해 부가적으로, 직사각형으로 형성된 가중 요소들이 전극 핑거 옆에 배치된다.
도 15c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역은 유전성 가중층에 의해 완전히 덮여 있다.
도 15d는 내부 가장자리 영역에서의 면적 밀도를 증대시키기 위한 또 다른 형성 가능성을 도시한다. 가중층에서 직사각형으로 형성된 부분은 내부 가장자리 영역 내의 전극 핑거들상에 배치될 수 있다. 이러한 직사각형의 폭은 전극 핑거의 폭과 정확히 동일하거나 그보다 크거나 그보다 작을 수 있다. 또한, 내부 가장자리 영역에는 전극 핑거 에지들과 겹치는 직사각형 요소들이 배치될 수 있다. 또한, 타원형으로 형성된 가중 부분은 내부 가장자리 영역에서 전극 핑거상에 배치될 수 있다.
도 16a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역(ARB)은 스터브 핑거를 포함한다. 부가적으로, 외부 가장자리 영역(ARB)에서 전극 핑거는 틈새 영역(TG) 및 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 더 폭 넓다. 내부 가장자리 영역은 가중층의 직사각형 또는 정사각형 부분을 포함하고, 이러한 부분은 전극 핑거 상에 배치될 수 있다.
도 16b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 부분은 외부 가장자리 영역에서 전극 핑거상에 배치된다.
도 16c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 부분은 내부 가장자리 영역뿐만 아니라 외부 가장자리 영역에서도 전극 핑거상에 배치된다. 가중층의 부분의 폭은 전극 핑거의 폭보다 더 작다.
도 17a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 부분은 내부 가장자리 영역에서 전극 핑거상에 배치된다. 부분의 폭은 일 전극의 모든 전극 핑거를 위해 일정하며, 각각 다른 전극의 폭과는 상이하다.
도 17b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 요소는 내부 가장자리 영역 및 외부 가장자리 영역에서도 전극 핑거상에 배치된다. 이 때 가중층의 요소의 폭은 외부 가장자리 영역 및 내부 가장자리 영역에서 상이하다. 내부 가장자리 영역에 배치된 가중층 요소는 위상 가중을 야기한다.
도 17c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역에서 전극 핑거는 중앙 여기 영역에서보다 더 작은 폭을 가진다. 부가적으로, 내부 가장자리 영역은 유전성 가중층에 의해 덮여 있다.
도 17d는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역에 배치된 가중층의 부분은 전극 핑거상에서의 비대칭 배치로 인하여 위상 가중을 야기한다.
도 17e는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 사다리꼴 부분은 내부 가장자리 영역에서 전극 핑거상에 배치된다. 내부 가장자리 영역 내에서 면적 밀도는 일 전극을 위해 선형으로 증가하는 반면, 면적 밀도는 내부 가장자리 영역에서 각각 다른 전극을 위해 내부에서부터 외부로 가면서 감소한다.
도 18a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역은 2개의 부분 영역들로 나눠진다. 외부 가장자리 영역의 가장 내부에 있는 부분에서 전극 핑거의 두께는 중앙 여기 영역에서 전극 핑거의 두께에 상응한다. 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역에서 전극 핑거는 폭이 넓어진다. 외부 가장자리 영역의 외부 부분 영역에서 전극 핑거의 두께는 중앙 여기 영역에서 전극 핑거의 두께와 동일하다.
도 18b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역들에서 일 전극의 모든 전극 핑거는 도전 물질 또는 절연 물질과 연결된다.
도 18c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역들에서 가중층은 전극 핑거상에 배치된다.
도 18d는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 전극과 연결되지 않은(부유함(floating)) 직사각형 전극 물질 부분은 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역들 내에 배치된다.
도 18e는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 요소는 주기적으로, 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역을 따라 배치된다. 이러한 요소들의 주기는 핑거 주기에 비해 2배 이상만큼 편차가 있다.
도 19a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역(IRB)과 외부 가장자리 영역(ARB) 사이에 각각 틈새 영역(TG)이 배치된다. 틈새 영역에서 전극 핑거는 폭이 넓어진다. 외부 가장자리 영역은 각각 내부 부분 영역(ARB1) 및 외부 부분 영역(ARB2)을 포함한다. 외부 가장자리 영역(ARB)의 내부 부분 영역(ARB1)은 전극 물질에 의해 완전히 덮여있다. 외부 가장자리 영역(ARB)의 외부 부분 영역들(ARB2)에서 핑거 전극은 중앙 여기 영역(ZAB)과 동일한 폭을 가진다.
도 19b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 내부 가장자리 영역(IRB)과 외부 가장자리 영역 사이(ARB)에 틈새 영역(TG)이 배치된다. 틈새 영역 내에서 핑거 폭은 틈새 영역의 부분 영역에 걸쳐 일정하게 유지된다. 이러한 부분 영역과 내부 가장자리 영역 사이에서 전극 핑거의 폭은 틈새 영역 내에서 선형으로 감소한다. 전극 핑거의 말단에서 전극 핑거의 폭은 틈새 영역에서 선형으로 0이 되도록 감소한다.
도 19c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역 사이(ARB)은 내부 부분 영역(ARB1) 및 외부 부분 영역(ARB2)으로 나눠진다. 내부 부분 영역(ARB1)은 가중층으로 덮여 있다. 외부 가장자리 영역과 내부 가장자리 영역 사이에서 전극 핑거의 폭은 외부로부터 내부를 향하여 실질적으로 사인형(sin)으로 감소한다. 전극 핑거의 핑거 말단은 틈새 영역에서 실질적으로 원형으로 형성된다.
도 19d는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG)내에서 외부 가장자리 영역과 내부 가장자리 영역 사이에서, 버스바로부터 멀어지는 전극 핑거 말단에는 유전성 물질의 직사각형 부분이 전극 핑거상에 배치된다.
도 19e는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG)은 유전성 층에 의해 덮여 있다. 또한, 외부 가장자리 영역의 내부 부분 영역은, 가중층의 주기적으로 배치된 직사각형 섹션들로 덮여 있다. 이러한 섹션의 주기는 파장(λ)의 1/2보다 더 작다.
도 19f는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역의 전극 핑거의 부분은 가중층에 의해 덮여 있다.
도 20a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG)은 내부 가장자리 영역 대신, 외부 가장 자리 영역(ARB)과 중앙 여기 영역(ZAB) 사이에 배치된다. 틈새 영역(TG) 내에서 전극 핑거는 폭이 넓어진다.
도 20b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 전극 핑거는 틈새 영역(TG)의 외부 부분 영역에서 일정하게 폭이 넓어지고, 틈새 영역의 내부 부분 영역에서 핑거 전극의 두께는 버스바 측으로부터 핑거 말단 측으로 가면서 선형으로 감소한다.
도 20c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 가중층의 직사각형 부분은 틈새 영역(TG) 내에서 전극 핑거상에 배치된다.
도 20d는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG) 내에서 유전성 물질의 직사각형 부분은 주기적으로 배치된다(종방향에서). 이러한 구조의 주기 길이는 음향파의 파장(λ)의 1/6보다 더 작다.
도 20e는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 틈새 영역(TG)은 외부 가장자리 영역(ARB)과 중앙 여기 영역(ZAB) 사이에서 유전성 물질에 의해 완전히 덮여있다.
도 21a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역(ARB)은 전극 핑거들 사이에서 스터브 핑거를 포함한다. 또한, 전극 핑거는 외부 가장자리 영역에서 폭이 넓어진다. 스터브 핑거의 폭 및 넓어진 전극 핑거의 폭은 실질적으로 동일하다.
도 21b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 파장(λ)의 단위로 길이 단위마다 각각 3개의 스터브 핑거는 외부 가장자리 영역(ARB) 내에 배치된다.
도 21c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역은 가중층에 의해 완전히 덮여 있다.
도 21d는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역(ARB)에서 전극 핑거는 가중층의 직사각형 부분에 의해 덮여 있다. 이 때 가중층의 부분은 전극 핑거보다 더 넓다.
도 21e는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역 내에 가중층의 직사각형 부분이 배치된다. 이러한 부분은 전극 핑거 및 전극 핑거들 사이의 영역을 주기적으로 덮는다. 이 때 상기 부분은 전극 핑거보다 더 넓다. 상기 부분의 주기 길이는 음향파(λ)의 주기 길이의 1/4 미만이다.
도 22a는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 외부 가장자리 영역(ARB)은 스터브 핑거를 포함한다. 외부 가장자리 영역 및 중앙 여기 영역에서 금속배선 비율(η)은 동일하다. 틈새 영역(TG)에서 금속배선 비율은 외부 가장자리 영역에서보다 더 낮다.
도 22b는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 중앙 여기 영역에서의 전극 핑거는 가중층의 직사각형 부분에 의해 덮여 있다.
도 22c는 변환기의 일 형성방식을 도시하며, 이 때 중앙 여기 영역은 유전성 층에 의해 덮여 있다. 또한, 외부 가장자리 영역(ARB)은 가중층에 의해 덮여 있다.
도 23은 3개의 변환기의 주파수 종속적 삽입 손실 곡선을 도시한다. 곡선 1은 종래 변환기의 삽입 손실을 도시한다. 곡선 2는 코사인형 가중을 포함하는 변환기의 삽입 손실을 도시한다. 곡선 3은 본 발명에 따른 변환기의 삽입 손실을 도시한다. 곡선 1은 통과 대역의 상부 및 하부에서 현저히 인식 가능한 공진을 도시한다. 곡선 2의 삽입 손실에서 이러한 공진은 현저히 줄어든다. 그러나, 곡선의 레벨은 곡선 1의 최소값보다 더 크다. 본 발명에 따른 공진기의 곡선 3에 상응하는 삽입 손실에서, 공진 형성은 현저히 감소하며, 곡선은 곡선 1의 최소값의 레벨이다.
도 24는 볼록한 느림일 때 피스톤 모드 소자의 작동 방식을 도시한다. 하부의 절반 도면에서, 복수 개의 횡방향 부분들을 가진 소자 구조물의 일부가 도시되어 있다. 이 때, 폭이 넓어진 핑거를 포함한 내부 가장자리 영역(IRB), 틈새 영역에 상응하는 외부 가장자리 영역(ARB), 및 버스바의 영역(SB)이 있다. 상부의 도면 절반에는, 부속한 횡방향 속도 프로파일 v(y) 및 피스톤 모드의 편향 프로파일 Ψ(y)의 진폭이 도시되어 있다.
내부 가장자리 영역(IRB) 내에서, 중앙 여기 영역(ZAB)에 비해 감소한 속도가 존재하고, 외부 가장자리 영역(ARB) 내에서 증대된 속도가 존재한다. 외부 가장자리 영역(ARB)은 감쇠 영역으로 역할하며, 이 영역에서 모드는 외부쪽으로 가면서 지수적으로 감소한다. 무거운 전극을 포함하거나 높은 결합성을 가진 기판 상에, 외부 가장자리 영역(ARB)이 틈새 영역(TG)으로서 형성되는 것이 매우 유리한데, 여기서 각각의 제2핑거가 생략됨으로써 중앙 여기 영역(ZAB)과의 큰 속도차가 달성되기 때문이다. 틈새 영역을 감쇠 영역으로 활용하는 것은 신규하다. 외부 가장자리 영역(ARB)은 적어도, 외부 가장자리에서 모드의 진폭이 중앙 여기 영역(ZAB)의 값의 10%로 감소할만큼의 폭을 가져야 한다. 여기서 내부 가장자리 영역(IRB)은 중앙 여기 영역(ZAB)에서 Ψ(y)의 준 선형 흐름을 외부 가장자리 영역(ARB)의 지수적 흐름에 맞추기 위해 역할한다. 이를 위해 폭(W)은 적합하게 선택된다.
도 25는 오목한 느림일 때 피스톤 모드 소자의 작동 방식을 도시한다. 하부의 절반 도면에서, 복수 개의 횡방향 부분들을 가진 소자 구조의 일부가 도시되어 있다. 이 때, 폭이 좁아진 핑거를 포함한 내부 가장자리 영역(IRB), 틈새 영역에 상응하는 외부 가장자리 영역(ARB), 및 버스바의 영역(SB)이 있다. 상부의 도면 절반에는, 부속한 횡방향 속도 프로파일 v(y), 및 피스톤 모드의 편향 프로파일 Ψ(y)의 진폭이 도시되어 있다. 내부 가장자리 영역(IRB) 내에서, 중앙 여기 영역(ZAB)에 비해 증대된 속도가 존재하고, 외부 가장자리 영역(ARB) 내에서 더욱 증대된 속도가 존재한다. 버스바의 영역(SB)은 감쇠 영역으로서 역할하며, 이 영역에서 모드는 외부쪽으로 가면서 지수적으로 감쇠한다. SB에서 연속적인 금속배선으로 인하여, 무엇보다도 층 두께가 두껍고 결합성이 높을 때, 증대된 면적 밀도로 인하여, 중앙 여기 영역(ZAB)에 비해 현저한 속도 감소가 달성된다. 버스바의 영역(SB)의 폭은 적어도, 외부 가장자리에서 모드의 진폭이 중앙 여기 영역(ZAB)의 값의 10%로 감소할만큼이어야 한다. 여기서 내부 가장자리 영역(IRB)은 외부 가장자리 영역(ARB)은 공통적으로, 중앙 여기 영역(ZAB)의 준 선형 흐름을 버스바 영역(SB)의 지수적 흐름에 맞추기 위해 역할한다. 이를 위해, 내부 가장자리 영역(IRB)의 폭과 외부 가장자리 영역(ARB)의 폭의 합에 상응하는 폭(W)은 적합하게 선택되어야 한다.
전기음향 변환기는 설명한 실시예들 중 어느 하나에 한정되지 않는다. 예컨대 측방향 영역들에 배치된 부가적 속도 영역을 포함하거나, 또는 이에 상응하여 형성된 전극 핑거를 포함하는 변형예 또는 다양한 실시형태들의 조합도 마찬가지로 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.
ARB: 외부 가장자리 영역
ARB 1-3: 외부 가장자리 영역의 부분 영역들
A: 여기 영역에서의 파동 벡터
B: 외부 영역에서의 파동 벡터
C, D, E: 다양한 어드미턴스(admittance) 흐름의 실제 부분
1, 2, 3: 다양한 어드미턴스 흐름의 실제 부분
EF: 전극 핑거
IRB: 내부 가장자리 영역
LA: 국부적 비대화
SB: 버스바의 영역
TG: 리키지 영역
ZAB: 중앙 여기 영역

Claims (34)

  1. 전기음향 변환기에 있어서,
    음향 궤적 내에 배치되고,
    압전 기판을 포함하고,
    상기 압전 기판 상에 배치되며 음향파의 여기를 위해 각각 버스바와 연결되며 서로 맞물린 전극 핑거(EF)를 구비하는 2개의 전극들을 포함하고,
    가중층을 포함하고,
    덮개층을 포함하고,
    상기 변환기는, 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들(ZAB, IRB, ARB, SB)에서 상기 음향파가 서로 다른 종방향 확산 속도를 경험하도록 형성되고,
    상기 변환기는 제1종방향 속도를 가진 중앙 여기 영역(ZAB)을 포함하고,
    상기 중앙 여기 영역의 양 측에 인접하며 상기 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도와 상이한 종방향 속도를 가진 내부 가장자리 영역들(IRB)을 포함하고,
    상기 내부 가장자리 영역들(IRB)에 인접하며 상기 내부 가장자리 영역들(IRB)보다 더 높은 종방향 속도를 가진 외부 가장자리 영역들(ARB)을 포함하고,
    상기 외부 가장자리 영역들(ARB)에 인접하며 상기 외부 가장자리 영역들(ARB)보다 더 낮은 종방향 속도를 가진 버스바의 영역들(SB)을 포함하며,
    Figure 112016115953195-pat00014
    , Γ> -1 이며,
    여기에서, kx는 종방향에서 파동 벡터의 요소이고, ky는 횡방향에서 파동 벡터의 요소이며, k0은 주 확산 방향에서 파동 벡터이고, Γ는 이방성 계수(anisotropy factor)인 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  2. 전기음향 변환기에 있어서,
    음향 궤적 내에 배치되고,
    압전 기판을 포함하고,
    상기 압전 기판 상에 배치되며 음향파의 여기를 위해 각각 버스바와 연결되며 서로 맞물린 전극 핑거(EF)를 구비하는 2개의 전극들을 포함하고,
    가중층을 포함하고,
    덮개층을 포함하고,
    상기 변환기는, 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들(ZAB, IRB, ARB, SB)에서 상기 음향파가 서로 다른 종방향 확산 속도를 경험하도록 형성되고,
    상기 변환기는 제1종방향 속도를 가진 중앙 여기 영역(ZAB)을 포함하고,
    상기 중앙 여기 영역의 양 측에 인접하며 상기 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도와 상이한 종방향 속도를 가진 내부 가장자리 영역들(IRB)을 포함하고,
    상기 내부 가장자리 영역들(IRB)에 인접하며 상기 중앙 여기 영역(ZAB)보다 더 높은 종방향 속도를 가진 외부 가장자리 영역들(ARB)을 포함하고,
    상기 외부 가장자리 영역들(ARB)에 인접하며 상기 외부 가장자리 영역들(ARB)보다 더 낮은 종방향 속도를 가진 버스바의 영역들(SB)을 포함하며,
    Figure 112016115953195-pat00015
    , Γ< -1 이며,
    여기에서, kx는 종방향에서 파동 벡터의 요소이고, ky는 횡방향에서 파동 벡터의 요소이며, k0은 주 확산 방향에서 파동 벡터이며, Γ는 이방성 계수(anisotropy factor)인 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB)에서의 종방향 속도는 상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 느린 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB)에서의 종방향 속도는 상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 빠른 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 버스바 및 전극 핑거(EF)는 상기 압전 기판상에 배치되고,
    상기 압전 기판은 석영보다 더 높은 전기음향 결합 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF)는, 상기 내부 가장자리 영역들(IRB) 내의 적어도 횡방향을 따르는 부분에서, 상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 넓은 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF)는, 상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 적어도 횡방향을 따르는 부분에서, 상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 좁은 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF)의 폭은, 상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 적어도 횡방향을 따르는 부분에서, 선형으로 변경되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF)는, 상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 적어도 횡방향을 따르는 부분에서, 상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 높은 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중앙 여기 영역(ZAB)에서의 전극 핑거(EF)는, 상기 내부 가장자리 영역(IRB), 외부 가장자리 영역(ARB) 또는 상기 버스바의 영역(SB)에서보다 높은 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 상기 전극 핑거(EF)의 높이는, 적어도 횡방향을 따르는 부분에서 단계적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 전극 핑거(EF)의 높이는, 적어도 상기 횡방향을 따르는 부분에서 선형으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB) 내의 전극 핑거(EF) 상에서 적어도 측방향 부분에는, 전극 물질과 상이한 도전성 또는 유전성의 가중층 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유전성의 가중층 물질은, 상기 내부 가장자리 영역(IRB)에서, 상기 전극 핑거들(EF) 상에 그리고 상기 전극 핑거들(EF) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거들(EF) 상에 또는 상기 전극 핑거들(EF) 사이에, 상기 가중층의 물질로서 하프늄옥사이드 또는 탄탈륨옥사이드가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 외부 가장자리 영역(ARB)에서 종방향 속도는 중앙 여기 영역(ZAB)에서보다 빠른 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부 가장자리 영역(IRB)에서 종방향 속도는 상기 버스바의 영역(SB)에서보다 빠른 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 두 내부 가장자리 영역(IRB)에서 종방향 속도는 동일하고,
    상기 두 외부 가장자리 영역(ARB)에서 종방향 속도는 동일하며,
    상기 두 버스바 영역(SB)에서 종방향 속도는 동일한 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    정규화된 겹침 적분은 0.9 보다 크고, 상기 정규화된 겹침 적분은 다음과 같고:
    Figure 112016092402121-pat00016

    여기서, Φ는 횡방향 여기 프로파일이고, Ψ는 횡방향 편향 프로파일인 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 음향파의 기본 모드의 횡방향 여기 프로파일은, 상기 내부 가장자리 영역(IRB)에서의 위상 가중에 의해 상기 횡방향 편향 프로파일에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF) 또는 상기 버스바는 상기 덮개층의 유전성 층에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 속도의 감소는 상기 압전 기판 상의 일 영역 내에서 면적 밀도 확대에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 속도의 감소는 상기 압전 기판 상의 일 영역 내에서 강성도가 낮은 물질을 포함한 면적 밀도에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전기 음향 변환기.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 속도의 증대는 상기 압전 기판 상의 일 영역 내에서 물질 제거에 의해 달성된 면적 밀도에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는 전기 음향 변환기.
  25. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극 핑거(EF) 또는 상기 버스바는 상기 덮개층의 SiO2에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 전기 음향 변환기.
  26. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기음향 변환기는 GBAW 소자인 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  27. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부 가장자리 영역(ARB)의 폭은, 일 전극의 전극 핑거(EF)의 말단과 다른 버스바의 말단 사이의 횡방향 간격에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  28. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부 가장자리 영역(ARB)의 폭은, 상기 2개의 전극들 중 일 전극의 전극 핑거(EF)의 말단과 상기 2개의 전극들 중 다른 전극의 버스바와 연결된 스터브 핑거의 말단 사이의 횡방향 간격에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  29. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 음향파로 작동하는 공진기의 일부는 종방향에서 음향궤적을 정의하는 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 반사체는 상기 변환기와 동일한 음향파의 횡방향 속도 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 반사체는 반사체 핑거를 포함하고,
    반사체 핑거는 횡방향에서 상기 변환기의 전극 핑거(EF)와 동일한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  32. 전기 음향 변환기에 있어서,
    음향 궤적 내에 배치되며,
    압전 기판을 포함하고,
    상기 압전 기판상에 배치되면서 음향파의 여기를 위해 각각 버스바와 연결되며 서로 맞물린 전극 핑거(EF)를 구비하는 2개의 전극들을 포함하고,
    가중층을 포함하고,
    덮개층을 포함하고,
    상기 변환기는, 음향 궤적에 대해 평행한 복수 개의 영역들(ZAB, ARB, SB)에서 상기 음향파가 서로 다른 종방향 확산 속도를 경험하도록 형성되고,
    상기 변환기는 제1종방향 속도를 갖는 중앙 여기 영역(ZAB)을 포함하고,
    상기 중앙 여기 영역의 양 측에 인접하며 상기 중앙 여기 영역(ZAB)의 종방향 속도와 상이한 종방향 속도를 가진 외부 가장자리 영역들(ARB)을 포함하고,
    상기 외부 가장자리 영역들(ARB)에 인접하며 상기 외부 가장자리 영역들(ARB)보다 더 낮은 종방향 속도를 가진 버스바의 영역들(SB)을 포함하며,
    Figure 112016115953195-pat00017
    , Γ= -1 이며,
    여기에서, kx는 종방향에서 파동 벡터의 요소이고, ky는 횡방향에서 파동 벡터의 요소이며, k0은 주 확산 방향에서 파동 벡터이고, Γ는 이방성 계수(anisotropy factor)인 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기.
  33. 제1항, 제2항 및 제32항 중 어느 한 항에 따른 전기음향 변환기를 제조하는 방법에 있어서,
    압전 기판을 제공하는 단계;
    상기 압전 기판 상에서 버스바 및 전극 핑거(EF)를 구조화하는 단계; 및
    중앙 여기 영역(ZAB)에서 전극 핑거 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기 제조 방법.
  34. 제1항, 제2항 및 제32항 중 어느 한 항에 따른 전기음향 변환기를 제조하는 방법에 있어서,
    압전 기판을 제공하는 단계;
    상기 압전 기판 상에서 버스바 및 전극핑거(EF)를 구조화하는 단계; 및
    내부 가장자리 영역에서 전극 핑거 물질을 산화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기음향 변환기 제조 방법.
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