KR101868988B1 - 체적 음향 공진기 - Google Patents
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Abstract
체적 음향 공진기에 관한 것으로서, 체적 음향 공진기는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압전층을 포함하는 체적 음향 공진부 및 상기 체적 음향 공진부와 소정 거리만큼 간격을 유지하여, 형성된 접지면을 이용하여 상기 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경하는 반공진 주파수 변경부를 포함한다.
Description
기술분야는 체적 음향 공진기에 관한 것이다.
체적 음향 공진기(Bulk Acoustic Wave Resonator, BAWR)는 압전층의 상하에 위치한 전극을 통해 동작된다. 체적 음향 공진기는 상하 전극에 고주파 전위가 인가되면 압전층이 진동하면서 필터로서 동작한다.
체적 음향 공진기가 필터로 동작하는 경우에, 체적 음향 공진기의 대역폭은 전기음향 결합계수(Acousto-Electric Coupling Coefficient)와 비례하고, 전기음향 결합계수는 전극 및 압전층의 막 특성에 영향을 받는다. 대역폭을 증가시키기 위해서는 전기음향 결합계수의 값을 증가시켜야 하는데, 전극 및 압전층의 막 구성 및 결정성의 공정 개선을 통하여 결합계수의 값을 증가시키는 것에는 한계가 있다.
따라서, 전극 및 압전층의 막 구성 및 결정성에 대한 접근이 아닌 다른 방식의 접근을 통하여 대역폭을 개선할 수 있는 기술이 필요하다.
일 측면에 있어서, 체적 음향 공진기는 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압전층을 포함하는 체적 음향 공진부 및 상기 체적 음향 공진부와 소정 거리만큼 간격을 유지하여, 형성된 접지면을 이용하여 상기 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경하는 반공진 주파수 변경부를 포함한다.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 접지면 사이의 거리 및 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극의 가장자리에서 발생하는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 상기 접지면의 방향으로 생성되도록, 상기 제1 전극의 형태와 대칭되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극의 측면으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치 및 상기 제1 전극의 상부로부터 제2 거리만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다.
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 상기 제1 전극의 두께, 상기 압전층의 두께 및 상기 제2 전극의 두께를 고려하여 결정될 수 있다.
상기 반공진 주파수 변경부는 상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이에 생성된 캐패시터 성분에 기초하여 상기 반공진 주파수를 변경할 수 있다.
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이의 거리는 상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이에 캐패시터 성분이 생성되는 지점을 기준으로 결정될 수 있다.
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이의 공간은 유전 물질(dielectric material)로 채워질 수 있다.
일 측면에 있어서, 체적 음향 공진기는 기판, 상기 기판의 상부 중 소정 영역에 위치한 공기 공동, 상기 공기 공동의 상부에 위치한 제1 전극-압전층-제2 전극을 포함하는 체적 음향 공진부 및 상기 체적 음향 공진부와 소정 거리만큼 간격을 유지하여, 형성된 접지면 사이에 발생하는 캐패시터 성분에 기초하여 상기 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경하는 반공진 주파수 변경부를 포함한다.
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 접지면 사이의 거리 및 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가질 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극의 가장자리에서 발생하는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 상기 접지면의 방향으로 생성되도록, 상기 제1 전극의 형태와 대칭되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 접지면은 상기 제1 전극의 측면으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치 및 상기 제1 전극의 상부로부터 제2 거리만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다.
상기 체적 음향 공진부는 일면이 오픈된 도넛 모양을 가지고, 상기 접지면은 상기 일면이 오픈된 도넛 모양의 체적 음향 공진부와 캐패시터 성분을 발생시키는 거리에 위치할 수 있다.
일 측면에 있어서, 체적 음향 공진기는 기판, 상기 기판의 상부 중 소정영역에 위치한 공기공동, 상기 공기공동의 상부에 위치한 하부 전극, 상기 공기공동의 상부 및 상기 하부 전극과 동일 평면 상에서 제1 거리만큼 간격을 유지하여 형성된 제1 접지면, 상기 하부 전극 및 상기 제1 접지면의 상부에 위치한 압전층, 상기 압전층의 상부에 위치한 상부 전극 및 상기 압전층의 상부 및 상기 상부 전극과 동일 평면 상에서 제2 거리만큼 간격을 유지하여 형성된 제2 접지면을 포함한다.
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 상기 상부 전극의 두께, 상기 압전층의 두께 및 상기 하부 전극의 두께를 고려하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 체적 음향 공진기는 기존과 동일한 공정 조건 하에서 체적 음향 공진부와 접지면 사이에서 발생하는 캐패시턴스를 이용함으로써, 전기음향 결합계수를 조절할 수 있다.
또한, 반공진 주파수의 변경을 통해 전기음향 결합계수를 조절함으로써, 대역폭을 증가시킬 수 있다.
또한, 공정 단계의 추가 없이 현재 공진기의 제작과 동일한 과정 및 비용으로 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 3은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 5는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 9는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 등가회로이다.
도 10은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기에서 반공진 주파수가 변경되는 경우를 나타낸 그래프이다.
도 11은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 12는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 13은 또 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 2는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 3은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 5는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 9는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 등가회로이다.
도 10은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기에서 반공진 주파수가 변경되는 경우를 나타낸 그래프이다.
도 11은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 12는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 13은 또 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일실시예에 따른 체적 음향 공진기(Bulk Acoustic Wave Resonator, BAWR)는 무선통신기기에 사용되는 필터, 송신기, 수신기 또는 듀플렉서로써 무선데이터의 입출력에 이용될 수 있다. 무선 통신기기의 종류와 용도가 다양해지고 있으며, 유선기기의 무선화도 빠른 속도로 진행되고 있으므로 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 이용분야가 확대되고 있다.
체적 음향 공진기는 공진 현상을 이용하여 특정 주파수의 파(Wave) 또는 진동을 끌어내기 위한 장치로써, 필터 및 발진기(Oscillator)와 같은 RF 장치의 부품으로 이용된다.
일실시예에 따른 체적 음향 공진기는 음향파(Acoustic Wave) 반사 특성을 향상시키기 위해 공기 공동(Air Cavity)을 통해 기판으로부터 공중 부양된다. 주파수 대역 통과 특성을 가지는 체적 음향 공진기는 주파수 대역 범위에서 반사특성 또는 전송특성을 향상시키기 위해 다수의 공진기가 평면상에 배열되고 공통의 전극으로 공진기가 연결된다.
체적 음향 공진기를 구성하는 압전층과 전극의 두께에 의해 공진 주파수와 반공진 주파수가 결정된다. 따라서, 압전층과 전극의 두께가 고정되면 공진 주파수와 반공진 주파수도 고정된다. 그런데, 전기음향 결합계수(Acousto-Electric Coupling Coefficient)는 공진 주파수와 반공진 주파수 사이의 간격에 비례한다. 따라서, 공진 주파수 또는 반공진 주파수의 변경시킴으로써 전기음향 결합계수의 값을 증가시키는 것이 가능하다. 일실시예에 따른 체적 음향 공진기는 접지면을 이용하여 반공진 주파수를 변경함으로써, 전기음향 결합계수의 값을 증가시키고, 더 나아가 대역폭을 증가시킬 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 체적 음향 공진기는 체적 음향 공진부(110) 및 반공진 주파수 변경부(120)를 포함한다.
체적 음향 공진부(110)는 상부 전극, 압전층 및 하부 전극을 포함한다. 압전층은 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치할 수 있다. 체적 음향 공진부(110)는 상부 전극과 하부 전극에 인가되는 전위에 따라 압전층을 통한 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킨다.
체적 음향 공진부(110)는 압전 물질의 탄성파를 이용한다. 압전 물질(예를 들면, 질화알루미늄, AIN)에 RF 신호가 인가되면, 기계적 진동이 압전막 두께 방향으로 일어나 음향파가 생성된다. 공진 현상은 인가된 RF 신호 파장의 1/2이 압전막 두께와 일치할 때 발생한다. 공진 현상이 발생할 때, 전기적 임피던스가 급격(sharp)하게 변하므로 주파수를 선택할 수 있는 필터로 사용될 수 있다. 공진 주파수는 압전막의 두께, 압전막을 감싸고 있는 전극 및 압전막의 고유 탄성파 속도 등에 의해 결정된다. 일 예로 압전막의 두께가 얇으면 얇을수록 공진 주파수는 커진다. 공진 주파수는 인가되는 전위에 대한 응답이 가장 큰 경우의 주파수를 의미하며, 임피던스는 최소값을 가진다. 반공진 주파수는 인가되는 전위에 대한 응답이 가장 작은 경우의 주파수를 의미하며, 이때, 임피던스는 최대값을 가지게 된다.
체적 음향 공진부(110)는 공기 공동의 상부에 위치할 수 있다. 공기공동을 통하여 체적 음향 공진부(110)에서 발생하는 음향파의 반사특성은 향상될 수 있다. 공기 공동은 기판 내부에 식각(etching)을 통해 생성될 수도 있고, 기판의 상부에 공기 공동의 형상에 맞게 패터닝 된 희생층을 이용하여 생성될 수도 있다.
반공진 주파수 변경부(120)는 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리에 위치한 접지면(ground plane)을 이용하여 체적 음향 공진부(110)에서 발생하는 반공진 주파수를 변경할 수 있다. 반공진 주파수 변경부(120)는 접지면 및 압전층을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 접지면은 체적 음향 공진부(110)를 구성하는 상부 전극 또는 하부 전극으로부터 소정 거리에 위치할 수 있다. 또한, 접지면은 상부 전극 및 하부 전극 모두로부터 소정 거리에 위치할 수 있다. 상부 전극 또는 하부 전극으로부터 소정거리에 위치한 접지면은 체적 음향 공진부(110)에 캐패시터 성분을 추가적으로 발생시킨다. 반공진 주파수(fa)는 다음의 식을 통해 계산될 수 있다.
여기서, Co는 정전 캐패시터로 공진기의 캐패시터 값을 나타낸다. Lm, Cm은 주변 환경에 의해 변화하는 인덕턴스 값을 의미한다. 그런데, 접지면이 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리에 위치하게 되면, 접지면과 체적 음향 공진부(110) 사이에 정전 캐패시터 성분이 추가적으로 생성될 수 있다. 즉, 체적 음향 공진기의 Co 값이 변경될 수 있다. 소정 거리는 체적 음향 공진부(110)와 접지면 사이에 캐패시터 성분이 생성되는 거리를 의미하며, 일 예로써, 소정 거리는 압전층의 두께 이하의 값일 수 있다.
전기음향 결합계수(Acousto-Electric Coupling Coefficient)는 다음의 식을 통해 계산될 수 있다.
여기서, Fr은 공진 주파수를 나타내고, Fa는 반공진 주파수를 나타낸다. 전기음향 결합계수는 공진 주파수와 반공진 주파수 간의 주파수 간격이 커질수록 큰 값을 갖는다. 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리에 위치한 접지면으로 인하여, 반공진 주파수가 변경되면, 전기음향 결합계수도 변경된다. 접지면으로 인하여 공진 주파수는 영향을 받지 않는다. 체적 음향 공진기가 필터로 동작하는 경우, 대역폭은 전기음향 결합계수의 값에 비례하므로, 필터의 대역폭도 변경될 수 있다.
접지면의 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리에 위치한 경우에 생성되는 캐패시터 성분은 Co 값을 작아지게 함으로써, 반공진 주파수를 증가시킬 수 있다. 반공진 주파수 주파수가 증가하여, 공진 주파수와 반공진 주파수 간의 주파수 간격이 커지게 되면, 전기음향 결합계수가 커지므로, 필터의 대역폭도 커질 수 있다.
접지면은 상부 전극 또는 하부 전극을 구성하는 물질과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 상부 전극 또는 하부 전극은 금, 몰리데늄, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등을 포함할 수 있다. 따라서, 접지면도 위와 같은 물질로 구성될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 2를 참조하면, 반공진 주파수 변경부(120)는 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리(S)에 위치한다.
체적 음향 공진부(110)는 제1 전극(210), 압전층(220) 및 제2 전극(230)을 포함한다. 반공진 주파수 변경부(120)는 접지면(241, 251), 압전층(220) 및 접지면(243, 253)을 포함한다. 정면도이기 때문에 접지면(241)과 접지면(251)이 분리되어 표시되었지만, 접지면(241)과 접지면(251)은 연결된 구조이다. 접지면(243) 및 접지면(253)의 경우에도 마찬가지이다. 도 3에서 좀 더 상세하게 설명한다.
제1 전극(210)에 RF 신호가 인가되면, 압전층(220)을 통해 화살표의 방향과 같이 제2 전극(230)의 방향으로 진동이 발생할 수 있다. 즉, 음향파가 발생할 수 있다. 이때, 제1 전극(210)의 가장자리 부분과 제2 전극(230)의 가장자리 부분 사이에서 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 발생할 수 있다. 그런데, 이러한 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주는 노이즈 성분일 수 있다.
접지면(241, 251)이 제1 전극(210)의 양 옆에 소정 거리(S)만큼 떨어져 위치함으로써, 제1 전극(210)과 제2 전극(230) 사이에 발생할 수 있는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 접지면(241, 251)의 방향으로 변경될 수 있다. 이렇게 변경된 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주지 않고, 반공진 주파수를 결정하는데 필요한 캐패시터 성분이 될 수 있다. 접지면(241, 251)은 제1 전극(210)의 형태와 대칭되는 형태로 생성될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(210)의 측면이 돌출된 경우에, 접지면(241, 251)의 측면도 돌출될 수 있다.
접지면(243, 253)은 제2 전극(230)의 양 옆에 소정 거리(S)만큼 떨어져 위치함으로써, 제1 전극(210)과 제2 전극(230) 사이에 발생할 수 있는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 접지면(243, 253)의 방향으로 변경될 수 있다. 이렇게 변경된 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주지 않고, 반공진 주파수를 결정하는데 필요한 캐패시터 성분이 될 수 있다.
체적 음향 공진부(110)의 압전층(220)과 반공진 주파수 변경부(120)의 압전층(230)은 동일한 공정 단계에서 생성될 수 있다. 체적 음향 공진부(110)와 반공진 주파수 변경부(120)는 압전층(230)을 통하여 연결된다.
도 3은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 3은 도 2에 도시된 체적 음향 공진기를 위에서 바라본 평면도이다. 도 3을 참조하면, 제1 전극(310)과 접지면(320) 사이에 소정 거리 S(330)의 간격이 있다. 제1 전극(310)의 아래 부분에는 압전층 및 제2 전극이 위치하고, 접지면(320)의 아래 부분에는 압전층 및 다른 접지면이 위치할 수 있다.
접지면(320)은 제1 전극(310)을 둘러 싼 형태이므로, 도 2에서 설명한 것과 같이 제1 접지면(241, 251)은 제1 전극(210)의 양 옆에 별도로 위치하는 것이 아니고, 서로 연결되어 하나의 접지면으로 구성되는 것이다.
소정 거리 S(330)의 값에 따라 제1 전극(310)과 접지면(320) 사이에 생성되는 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 또한, 제1 전극(310)과 접지면(320)의 서로 바라보는 부분의 면적에 따라 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 소정 거리 S(330)는 필터의 대역폭이 확정되면, 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다. 또한, 제1 전극(310)과 접지면(320)의 적층 두께도 위와 같이 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 4에 도시된 예는, 접지면(440, 450)이 제1 전극(410)으로부터 소정 거리S 만큼 떨어진 위치에 있는 경우를 나타낸다. 제2 전극(430) 및 압전층(420)이 적층되고, 제1 전극(410)이 적층된 후, 접지면(440, 450)은 생성될 수 있다. 비록, 도 2의 경우에 비해 제2 전극(430)에서는 접지면이 형성되지 않지만, 제1 전극(410)의 양 옆에 위치한 접지면(440, 450)과의 거리에 따라, 체적 음향 공진부의 반공진 주파수가 변경될 수 있다. 또한, 도 2의 경우에 비해, 제2 전극(430)에서 접지면을 생성하기 위한 공정이 이루어지지 않음으로써, 공정을 보다 단순하게 하면서도 반공진 주파수를 변경할 수 있다.
도 5는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 5에 도시된 예는, 접지면(540, 550)이 제2 전극(530)으로부터 소정 거리S 만큼 떨어진 위치에 있는 경우를 나타낸다. 제2 전극(530)이 적층된 후, 접지면(540, 550)은 생성될 수 있다. 압전층(520) 및 제1 전극(510)은 제2 전극(530) 및 접지면(540, 550)의 상부에 위치할 수 있다. 비록, 도 2의 경우에 비해 제1 전극(510)에서는 접지면이 형성되지 않지만, 제2 전극(530)의 양 옆에 위치한 접지면(540, 550)과의 거리에 따라, 체적 음향 공진부의 반공진 주파수가 변경될 수 있다. 또한, 도 2의 경우에 비해, 제1 전극(510)에서 접지면을 생성하기 위한 공정이 이루어지지 않음으로써, 공정을 보다 단순하게 하면서도 반공진 주파수를 변경할 수 있는 이점이 있다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 6을 참조하면, 반공진 주파수 변경부(120)는 체적 음향 공진부(110)로부터 소정 거리(S)에 위치한다. 다만, 반공진 주파수 변경부(120)는 제1 전극(610)의 상부로부터 소정 거리(S1)만큼 떨어진 위치에도 형성된다. 제1 전극(610)의 상부로부터 소정 거리(S1)만큼 떨어진 위치에 형성된 접지면(641, 651)은 제1 전극(610)과 접지면(641, 651) 사이에 캐패시터 성분을 발생시킬 수 있다. 접지면(641, 651)은 제1 전극(610)의 상부를 소정 영역만큼 커버하도록 형성될 수 있다. 이때, 커버되는 소정 영역의 면적에 따라 제1 전극(610)과 접지면(641, 651) 사이에 발생하는 캐패시터 성분이 결정될 수 있다. 반대로 생각해보면, 필터의 대역폭이 결정되면, 커버되는 소정 영역의 면적도 결정될 수 있다.
체적 음향 공진부(110)는 제1 전극(610), 압전층(620) 및 제2 전극(630)을 포함한다. 반공진 주파수 변경부(120)는 접지면(641, 651), 압전층(620) 및 접지면(643, 653)을 포함한다. 정면도이기 때문에 접지면(641)과 접지면(651)이 분리되어 표시되었지만, 접지면(641)과 접지면(651)은 연결된 구조이다. 접지면(643) 및 접지면(653)의 경우에도 마찬가지이다. 도 7에서 좀 더 상세하게 설명한다.
제1 전극(610)에 RF 신호가 인가되면, 압전층(620)을 통해 화살표의 방향과 같이 제2 전극(630)의 방향으로 진동이 발생할 수 있다. 즉, 음향파가 발생할 수 있다. 이때, 제1 전극(610)의 가장자리 부분과 제2 전극(630)의 가장자리 부분 사이에서 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 발생할 수 있다. 그런데, 이러한 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주는 노이즈 성분일 수 있다.
접지면(641, 651)이 제1 전극(610)의 양 옆에 소정 거리(S)만큼 떨어져 위치함으로써, 제1 전극(610)과 제2 전극(630) 사이에 발생할 수 있는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 접지면(641, 651)의 방향으로 변경될 수 있다. 이렇게 변경된 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주지 않고, 반공진 주파수를 결정하는데 필요한 캐패시터 성분이 될 수 있다. 반공진 주파수의 결정을 통해 필터로 동작하는 체적 음향 공진기의 대역폭이 결정될 수 있다.
접지면(643, 653)은 제2 전극(631)의 양 옆에 소정 거리(S)만큼 떨어져 위치함으로써, 제1 전극(610)과 제2 전극(630) 사이에 발생할 수 있는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 접지면(643, 653)의 방향으로 변경될 수 있다. 이렇게 변경된 가장자리 캐패시터 성분은 체적 음향 공진부(110)의 성능에 영향을 주지 않고, 반공진 주파수를 결정하는데 필요한 캐패시터 성분이 될 수 있다.
체적 음향 공진부(110)의 압전층(620)과 반공진 주파수 변경부(120)의 압전층(630)은 동일한 공정 단계에서 생성될 수 있다. 체적 음향 공진부(110)와 반공진 주파수 변경부(120)는 압전층(630)을 통하여 연결된다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 7은 도 6에 도시된 체적 음향 공진기를 위에서 바라본 평면도이다. 도 7을 참조하면, 제1 전극(710)과 접지면(720) 사이에 소정 거리 S(730)의 간격이 있다. 제1 전극(710)의 아래 부분에는 압전층 및 제2 전극이 위치하고, 접지면(720)의 아래 부분에는 압전층 및 다른 접지면이 위치할 수 있다.
접지면(720)은 제1 전극(710)을 둘러 싼 형태이므로, 도 6에서 설명한 것과 같이 제1 접지면(641, 651)은 제1 전극(610)의 양 옆에 별도로 위치하는 것이 아니고, 서로 연결되어 하나의 접지면으로 구성되는 것이다.
소정 거리 S(730)의 값에 따라 제1 전극(710)과 접지면(720) 사이에 생성되는 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 또한, 제1 전극(710)과 접지면(720)의 서로 바라보는 부분의 면적에 따라 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 소정 거리 S(730)는 필터의 대역폭이 확정되면, 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다. 또한, 제1 전극(710)과 접지면(720)의 적층 두께도 위와 같이 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다.
접지면(720)의 소정 부분의 길이 W(740)는 제1 전극(710)의 상부를 커버하는 소정 영역(750) 및 제1 전극(710)과 접지면(720) 사이의 거리 S를 포함한다. 제1 전극(710)의 상부를 커버하는 소정 영역에 의해 제1 전극(710)과 접지면(720) 사이에 캐패시터 성분이 발생할 수 있다. 따라서, 구조적으로 제1 전극(710)의 양 옆뿐만 아니라, 제1 전극(710)의 상부에도 접지면(720)을 소정 거리만큼 떨어진 위치에 형성함으로써, 반공진 주파수가 변경될 수 있다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 8에 도시된 예는, 접지면(840, 850)이 제1 전극(810)으로부터 소정 거리 S 만큼 떨어진 위치에 있는 경우를 나타낸다. 보다 구체적으로 접지면(840, 850)은 제1 전극(810)의 양 옆뿐만 아니라 제1 전극(810)의 상부로부터 소정 거리 S1만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다. 제1 전극(810)의 상부로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치에 있는 접지면(840, 850)을 통하여 캐패시터 성분이 발생할 수 있고, 캐패시터 성분의 발생을 통해 반공진 주파수가 변경될 수 있다.
제2 전극(830) 및 압전층(820)이 적층되고, 제1 전극(810)이 적층된 후, 접지면(840, 850)은 생성될 수 있다. 비록, 도 6의 경우에 비해 제2 전극(830)에서는 접지면이 형성되지 않지만, 제1 전극(810)의 양 옆에 위치한 접지면(840, 850)과의 거리에 따라, 체적 음향 공진부의 반공진 주파수가 변경될 수 있다. 또한, 도 6의 경우에 비해, 제2 전극(830)에서 접지면을 생성하기 위한 공정이 이루어지지 않음으로써, 공정을 보다 단순하게 하면서도 반공진 주파수를 변경할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 등가회로이다.
도 9를 참조하면, Rs는 전극 등에 의한 저항 성분(ohmic loss)이고, Ro는 전극을 포함한 재료의 기본적 저항 값, Co(910)는 정전 캐패시터로 공진기의 기본 캐패시터 값을 나타낸다. Lm, Cm, Rm은 주변 환경에 의해 변화하는 인덕턴스 값을 의미한다. 공진 주파수는 Lm 과 Cm의 곱에 의해 변동되는 값으로 전극을 포함한 재료의 물리적 두께, 물성, 질량, 온도 등에 의해 변할 수 있다. 반공진 주파수는 Lm, Cm 및 Co(910)에 의해 결정되는 값으로, Co(910)는 접지면이 전극으로부터 소정 거리에 위치하면, 접지면과 전극 사이의 캐패시터 성분에 의해 변경될 수 있는 값이다. 다양한 형태의 접지면은 전극의 양 옆 또는 전극의 상부로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치에 형성됨으로써, 반공진 주파수가 변경되도록 할 수 있다. 접지면과 전극의 위치 관계에 따라 Co(910)이 커질 수도 있고 작아질 수도 있다.
도 10은 일실시예에 따른 체적 음향 공진기에서 반공진 주파수가 변경되는 경우를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 체적 음향 공진기에서의 공진 주파수(1010)는 체적 음향 공진기의 임피던스가 최소인 경우의 주파수이다. 반공진 주파수(1020)는 체적 음향 공진기의 임피던스가 최대인 경우의 주파수이다. 반공진 주파수(1020)는 전극의 주변에 접지면이 위치하지 않은 경우의 주파수를 나타낸다. 반공진 주파수(1030)는 전극으로부터 소정 거리에 접지면이 위치한 경우의 주파수를 나타낸다. 전극으로부터 소정 거리에 접지면이 위치한 경우, 전극과 접지면 사이에 캐패시터 성분이 발생하고, 캐패시터 성분은 체적 음향 공진기의 정전 캐패시터 값에 영향을 미쳐, 체적 음향공진기의 반공진 주파수(1020)가 반공진 주파수(1030)으로 변경될 수 있다. 반공진 주파수(1030)가 변경됨으로써, 공진 주파수(1010)와 반공진 주파수(1030) 간의 주파수 간격에 비례하여 결정되는 전기음향 결합계수도 변경된다. 대역폭은 전기음향 결합계수에 비례하므로, 반공진 주파수(1030)가 증가하면, 대역폭도 증가하게 된다. 도 2 내지 도 8에 도시된 구조에서, 반공진 주파수(1030)는 증가하므로, 체적 음향 공진기의 대역폭은 증가한다.
도 11은 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 평면도(Top view)이다.
도 11을 참조하면, 제1 전극(1110)은 일면이 오픈(open)된 도넛 형태의 모양을 가진다. 도넛 형태의 제1 전극(1110)과 접지면(1120) 사이에 소정 거리 S(1130)의 간격이 있다. 제1 전극(1110)은 도넛 형태를 가지고 있으므로, 제1 전극(1110)의 중심에 접지면(1120)이 위치할 수 있다.
제1 전극(1110)의 아래 부분에는 압전층 및 제2 전극이 위치하고, 접지면(1120)의 아래 부분에는 압전층 및 다른 접지면이 위치할 수 있다. 제2 전극은 제1 전극(1110)과 동일한 형태를 가질 수 있다.
소정 거리 S(1130)의 값에 따라 제1 전극(1110)과 접지면(1120) 사이에 생성되는 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 또한, 제1 전극(1110)과 접지면(1120)의 서로 바라보는 부분의 면적에 따라 캐패시턴스 값이 달라질 수 있다. 소정 거리 S(1130)는 필터의 대역폭이 확정되면, 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다. 또한, 제1 전극(110)과 접지면(1120)의 적층 두께도 위와 같이 반공진 주파수가 변경되어야 할 값에 따라 결정될 수 있다.
도 12는 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 12를 참조하면, 체적 음향 공진기는 체적 음향 공진부(1220) 및 반공진 주파수 변경부(1230, 1240)를 포함할 수 있다. 체적 음향 공진기는 기판(1210)을 포함할 수 있다. 기판(1210) 상부에는 공기 공동(1250)이 위치할 수 있다. 공기 공동(1250)은 희생층의 적층 후에 패터닝 및 희생층의 제거를 통해 생성될 수 있다. 체적 음향 공진부(1220) 및 반공진 주파수 변경부(1230, 1240)는 공기 공동(1250)의 상부에 위치할 수 있다. 공기 공동(1250)에는 유전 물질이 충진될 수 있다. 유전 물질에는 공기, 불활성 가스, 실리콘(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 폴리실리콘, 폴리머 등이 포함될 수 있다.
체적 음향 공진부(1220)는 하부 전극(1225), 압전층(1223) 및 상부 전극(1221)을 포함할 수 있다. 하부 전극(1225)은 공기 공동(1250)의 상부에 위치하고, 압전층(1223)은 하부 전극(1225)의 상부에 위치한다. 상부 전극(1221)은 압전층(1223)의 상부에 위치한다. 하부 전극(1225) 및 상부 전극(1221)을 구성하는 도전 물질에는 금, 몰리데늄, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈들 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 압전층(1223)에 사용되는 압전물질에는 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), 쿼츠(Quartz) 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
반공진 주파수 변경부(1230)는 제1 접지면(1235), 압전층(1233) 및 제2 접지면(1231)을 포함할 수 있다. 제1 접지면(1235)은 하부 전극(1225)과 소정 거리 S2만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다. 제1 접지면(1235)과 하부 전극(1225) 사이에는 캐패시터 성분이 생성될 수 있다. 소정 거리 S2, 제1 접지면(1235)의 두께 및 하부 전극(1225)의 두께에 따라 상기 캐패시터의 용량의 결정될 수 있다. 제1 접지면(1235)는 하부 전극(1225)을 구성하는 물질과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 따라서, 하부 전극(1225) 형성 시, 제1 접지면(1235)도 동일한 공정과정에서 형성될 수 있다. 압전층(1233)은 압전층(1223)과 동일한 과정에서 형성된다. 제2 접지면(1231)은 상부 전극(1221)과 소정 거리 S1만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다. 제2 접지면(1231)과 상부 전극(1221) 사이에 캐패시터 성분이 생성될 수 있다. 제2 접지면(1231) 또한 상부 전극(1221)을 구성하는 물질과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 따라서, 상부 전극(1221) 형성 시, 제2 접지면(1231)도 동일한 공정과정에서 형성될 수 있다.
소정 거리 S1 및 소정 거리 S2는 체적 음향 공진기의 대역폭을 고려하여 결정될 수 있다. 소정 거리 S1 는 소정 거리 S2와 동일한 값을 가질 수도 있고, 상이한 값을 가질 수도 있다.
반공진 주파수 변경부(1240)는 제1 접지면(1245), 압전층(1243) 및 제2 접지면(1241)을 포함할 수 있다. 제1 접지면(1235, 1245)은 하부 전극(1225)의 양 옆에 별도로 위치하는 것이 아니고, 서로 연결되어 하나의 접지면으로 구성된다. . 제2 접지면(1231, 1241)은 상부 전극(1221)의 양 옆에 별도로 위치하는 것이 아니고, 서로 연결되어 하나의 접지면으로 구성된다. 제1 접지면(1235, 1245)과 하부 전극(1225) 사이에 생성된 캐패시터 성분 및 제2 접지면(1231, 1241)과 상부 전극(1221) 사이에 생성된 캐패시터 성분에 의하여 반공진 주파수가 변경될 수 있다. 반공진 주파수의 변경에 의해 대역폭이 변경될 수 있다.
제1 접지면(1235, 1245)과 하부 전극(1225)사이의 공간 및 제2 접지면(1231, 1241)과 상부 전극(1221) 사이의 공간에는 유전 물질이 채워질 수 있다.
도 13은 또 다른 일실시예에 따른 체적 음향 공진기의 정면도(Cross view)이다.
도 13을 참조하면, 체적 음향 공진기는 기판(1310), 공기 공동(1320), 하부 전극(1330), 제1 접지면(1341, 1343), 압전층(1350), 상부 전극(1360) 및 제2 접지면(1371, 1373)을 포함할 수 있다.
기판(1310) 상부에는 공기 공동(1320)이 위치할 수 있다. 공기 공동(1320)은 희생층의 적층 후에 패터닝 및 희생층의 제거를 통해 생성될 수 있다. 공기 공동(1320)에는 유전 물질이 충진될 수 있다. 유전 물질에는 공기, 불활성 가스, 실리콘(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 폴리실리콘, 폴리머 등이 포함될 수 있다.
공기 공동(1320)의 상부에는 하부 전극(1330) 및 제1 접지면(1341, 1343)이 위치할 수 있다. 제1 접지면(1341, 1343)은 하부 전극(1330)으로부터 소정 거리 S2만큼 떨어져 있다. 제1 접지면(1341, 1343)은 하부 전극(1330)과 동일한 물질로 구성될 수 있으며, 하부 전극(1330)의 형성 시 동일한 공정 과정에서 형성될 수 있다. 압전층(1350)은 하부 전극(1330) 및 제1 접지면(1341, 1343)의 상부에 위치할 수 있다. 상부 전극(1360) 및 제2 접지면(1371, 1373)은 압전층(1350)의 상부에 위치할 수 있다. 제2 접지면(1371, 1373)은 상부 전극(1360)과 동일한 물질로 구성될 수 있다.
제1 접지면(1341, 1343)과 하부 전극(1330) 사이 및 제2 접지면(1371, 1373)과 상부 전극(1360) 사이에는 캐패시터 성분이 생성될 수 있다. 상기 캐패시터 성분에 의하여 체적 음향 공진기의 반공진 주파수가 증가할 수 있고, 그로 인하여, 체적 음향 공진기의 대역폭이 증가할 수 있다.
제2 접지면(1371, 1373)은 상부 전극(1360)으로부터 소정 거리 S1만큼 떨어져 있다. 또한, 제2 접지면(1371, 1373)은 일 부분이 굽은 형태로 상부 전극(1360)의 상부로부터 일정 거리 S3만큼 떨어진 위치에 형성될 수 있다. 이때, 굽은 형태의 길이는 W일 수 있다. 소정 거리 S1, 소정 거리 S2 및 소정 거리 S3은 압전층(1350)의 두께보다 작은 값일 수 있다. 또한, 소정 거리 S1, 소정 거리 S2 및 소정 거리 S3는 서로 동일한 값일 수도 있고, 서로 다른 값일 수도 있다.
제1 접지면(1341, 1343)과 하부 전극(1330)사이의 공간 및 제2 접지면(1371, 1373)과 상부 전극(1360) 사이의 공간에는 유전 물질이 채워질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (19)
- 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 압전층을 포함하는 체적 음향 공진부; 및
상기 체적 음향 공진부와 소정 거리만큼 간격을 유지하여, 형성된 접지면을 이용하여 상기 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경하는 반공진 주파수 변경부
를 포함하고,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 접지면 사이의 거리 및 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극의 가장자리에서 발생하는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 상기 접지면의 방향으로 생성되도록, 상기 제1 전극의 형태와 대칭되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극의 측면으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치 및 상기 제1 전극의 상부로부터 제2 거리만큼 떨어진 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제6항에 있어서,
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는
상기 제1 전극의 두께, 상기 압전층의 두께 및 상기 제2 전극의 두께를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 반공진 주파수 변경부는
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이에 생성된 캐패시터 성분에 기초하여 상기 반공진 주파수를 변경하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이의 거리는
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이에 캐패시터 성분이 생성되는 지점을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 체적 음향 공진부와 상기 접지면 사이의 공간은 유전 물질(dielectric material)로 채워지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 기판;
상기 기판의 상부 중 소정 영역에 위치한 공기 공동;
상기 공기 공동의 상부에 위치한 제1 전극-압전층-제2 전극을 포함하는 체적 음향 공진부; 및
상기 체적 음향 공진부와 소정 거리만큼 간격을 유지하여, 형성된 접지면 사이에 발생하는 캐패시터 성분에 기초하여 상기 체적 음향 공진부에서 발생하는 반공진 주파수를 변경하는 반공진 주파수 변경부
를 포함하고,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 접지면 사이의 거리 및 상기 제2 전극과 상기 접지면 사이의 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제11항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 구성하는 물질과 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제11항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극의 가장자리에서 발생하는 가장자리(fringe) 캐패시터 성분이 상기 접지면의 방향으로 생성되도록, 상기 제1 전극의 형태와 대칭되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제11항에 있어서,
상기 접지면은
상기 제1 전극의 측면으로부터 제1 거리만큼 떨어진 위치 및 상기 제1 전극의 상부로부터 제2 거리만큼 떨어진 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제11항에 있어서,
상기 체적 음향 공진부는 일 부분이 끊어진 도넛 모양을 가지고,
상기 접지면은 상기 일 부분이 끊어진 도넛 모양의 체적 음향 공진부와 캐패시터 성분을 발생시키는 거리에 위치하는
체적 음향 공진기. - 기판;
상기 기판의 상부 중 소정영역에 위치한 공기공동;
상기 공기공동의 상부에 위치한 하부 전극;
상기 공기공동의 상부 및 상기 하부 전극과 동일 평면 상에서 제1 거리만큼 간격을 유지하여 형성된 제1 접지면;
상기 하부 전극 및 상기 제1 접지면의 상부에 위치한 압전층;
상기 압전층의 상부에 위치한 상부 전극; 및
상기 압전층의 상부 및 상기 상부 전극과 동일 평면 상에서 제2 거리만큼 간격을 유지하여 형성된 제2 접지면
을 포함하고,
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 상기 압전층의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기. - 제18항에 있어서,
상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는
상기 상부 전극의 두께, 상기 압전층의 두께 및 상기 하부 전극의 두께를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 체적 음향 공진기.
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