KR102066783B1 - Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CMOS 음저항회로를 기반으로 박막 체적 탄성파 공진기의 고유 기생저항을 상쇄함으로써, 최소 임피던스를 감소시켜 Q-인자 성능을 향상시킬 수 있는 박막 체적 탄성파 공진기에 관한 것이다. 본 발명은 CMOS음저항회로를 통해 FBAR 공진기의 고유 기생저항을 상쇄시켜 최소 임피던스를 감소시킴으로써, Q-인자 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기{FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR IMPROVING PERFORMANCE OF Q-FACTOR}

본 발명은 박막체적 탄성파 공진기의 Q-인자 성능을 향상시키기 위해 CMOS 음저항회로를 사용한 공진기로써, 보다 상세하게는 CMOS 음저항회로를 기반으로 박막 체적 탄성파 공진기의 고유 기생저항을 상쇄함으로써, 최소 임피던스를 감소시켜 Q-인자 성능을 향상시킬 수 있는 박막 체적 탄성파 공진기에 관한 것이다.

최근 정보통신 분야의 급격한 발달로 인하여 무선통신에 사용되는 주파수 영역 또한 계속 높아짐에 따라 대약통과 필터 소자의 삽입손실, 소비 전력, 크기, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 요구를 충족시키는 압전 현상을 이용한 박막형 공진기(Film Bulk Acoustic wave Resonator : FBAR)에 대한 연구가 활발이 진행되고 있다.

FDD(Frequency division duplex)방식을 지원하는 통신시스템에서는 송신전력 누수 및 혼변조 왜곡에 의한 수심감도의 열화가 발생된다. 듀플렉서의 유한한 송신부-수신부 격리도 특성으로 인해 전력증폭기로부터 큰 전력 송신신호가 수신부로 유입이 되고, 잼머 신호 주파수 대역의 혼변조 왜곡이 생성된다. 잼머 신호와 수신신호의 주파수 대역이 매우 가까이 위치하기 때문에 혼변조 왜곡 성분은 수신신호 주파수 대역의 신호-잡음비를 크게 저하시킨다. 저잡음 증폭기/주파수 혼합기와 같은 RF 능동 회로를 통과할수록 신호-잡음비의 저하는 더 심각해지며, 이를 극복하기 위해 저잡음 증폭기 뒤 단의 추가적인 FBAR 필터를 배치하여 송신부의 누설신호를 제거한다.

한편, 저잡음 증폭기 뒤 단의 추가적인 FBAR 필터를 제거하기 위해서는 듀플렉서에서 FBAR필터의 대역 외 제거 특성이 강화되어야 한다. 이를 위해 FBAR의 Q-인자 성능 향상을 필요로 하게 되고, 이동 통신 규격이 4G에서 5G로 넘어감에 따라서 이러한 문제는 더욱 심화될 것이다. 현재 FBAR 기술의 경우 주파수 정확도 및 Q-인자 사양을 만족시키기 위해서 복잡한 공정 과정을 도입하여 공정 개발 비용은 높아지고 개발 기간은 늘어나고 있다.

한국 등록특허 제10-1693269호(이하 '선행문헌'이라 칭함)는 회로 소자 들 각각에 대한 값을 선택하는 단계와, 필터부들의 수를 선택하는 단계와, 적어도 한 쌍의 바로 인접한 필터부들이 그들의 입력 또는 출력을 통해 서로 연결되도록 선택된 수의 필터부들을 캐스케이드하여 캐스케이드된 필터 회로 설계를 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 상기 캐스케이드된 필터 회로 설계에 기생 효과를 추가하여 사전-최적화된 필터 회로 설계를 생성하는 단계와, 사전 최적화된 필터 회로 설계를 최적화하여 최종 필터회로 설계를 생성하는 단계와, 최종 필터 회로 설계에 기초하여 음파 마이크로웨이브 필터를 구성하는 단계를 포함한다.

선행문헌은 최적화된 필터회로를 설계하기 위해 다수의 필터부들이 구비되어 있다. FBAR 필터의 대역 외 제거 특성을 강화하기 위해서는 필터의 차수를 증가시켜야 하지만, 이러한 방식은 필터의 삽입손실을 증가시킨다.

따라서 고정된 필터의 차수로 대역 외 제거 특성을 강화하기 위해서는 FBAR 필터 자체의 Q-인자 성능을 향상시켜야 한다.

한국 등록특허 제10-1693269호(발명의 명칭 : 마이크로웨이브 음파 필터들의 개선된 설계, 등록일 : 2016.12.30.)

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 CMOS음저항회로를 통해 FBAR 공진기의 고유 기생저항을 상쇄시켜 최소 임피던스를 감소시키는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 FBAR 공진기의 동작 주파수로부터 고유 기생 저항 값을 자동 검출하며, 고유 기생저항의 크기에 대응하는 최적의 음저항 값을 선택하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 외부 변화에 의한 전압/온도/습도 변동 시에도 박막체적탄성파 공진기의 일정한 Q-인자 성능을 유지키기 위해, 고유 기생저항의 크기에 대응하는 최적의 음저항 값을 자동 검출하고 선택하는 과정을 실시간으로 복제 박막체적탄성파 공진기 회로에서 진행하며, 그 결과 값을 실제 통신시스템과 연결되는 박막체적탄성파 공진기 회로에 적용하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기는 압전현상을 발생시켜, 특정 주파수대역에서 공진을 발생시키는 박막체적탄성파공진기와 인가 신호의 가변을 통해 음저항 값의 변경이 가능하며, 상기 박막체적탄성파공진기의 고유 기생저항을 상쇄시켜 최소 임피던스를 감소시키는 CMOS 음저항회로를 포함한다.

본 발명에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기는 상기 박막체적탄성파공진기의 동작 주파수로부터 상기 고유 기생저항의 크기를 검출하는 임피던스측정회로와 상기 CMOS 음저항회로의 활성/비활성화 동작에 따라 전기적 신호로 음저항회로 양단을 개방/단락 시키는 스위치부 및 상기 CMOS 음저항회로의 활성/비활성화 동작에 따라 스위치부를 개방/단락시키고, 상기 임피던스측정회로가 상기 박막체적탄성파공진기의 상기 고유 기생저항 값 및 상기 고유 기생저항 값과 상기 음저항 값이 합산된 값을 측정하도록 제어하는 음저항제어회로를 더 포함한다.

본 발명에 따른 상기 음저항제어회로는 상기 인가 신호를 소정의 수치만큼 가변하여 상기 음저항 값을 변동시키며, 상기 임피던스측정회로가 상기 박막체적탄성파공진기의 상기 고유 기생저항 값과 상기 변동된 음저항 값이 합산된 값을 반복적으로 측정하도록 제어하되, 상기 합산된 값이 기 설정된 목표값을 만족한 경우의 음저항 값을 선택한다.

본 발명에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기는 상기 박막체적탄성파공진기 및 상기 CMOS 음저항회로와 동일한 구성으로 이루어진 복제 공진기회로를 더 포함하되, 상기 복제 공진기회로는 상기 기 설정된 목표값을 만족하는 상기 음저항 값을 선택하며, 상기 선택된 음저항 값을 실제 통신이 이루어지고 있는 상기 박막체적탄성파공진기에 적용시킨다.

본 발명에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기는 복수의 직렬공진기와 병렬 공진기 조합으로 구성된 Ladder 필터, Lattice 필터, 및 Ladder/Lattice 필터에 적용된다.

본 발명은 CMOS음저항회로를 통해 FBAR 공진기의 고유 기생저항을 상쇄시켜 최소 임피던스를 감소시킴으로써, Q-인자 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 FBAR 공진기의 동작 주파수로부터 고유 기생 저항 값을 자동 검출하며, 고유 기생저항의 크기에 대응하는 최적의 음저항 값을 선택함으로써, 샘플 간 FBAR 공진기 Q-인자 성능 변동을 최소화 시킬 수 있고 회로의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 음저항값을 변경하면서 FBAR의 임피던스를 반복하여 측정하여 최적의 음저항 값을 선택하는 과정을 복제 공진기 회로에서 진행하며, 최적의 음저항 값을 실제 통신시스템과 전기적으로 연결되는 공진기 회로에 적용함으로써, 전압/온도/습도 등의 변화에 구애받지 않고 Q-인자 성능을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 박막체적탄성파공진기(FBAR)의 임피던스 특징을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막체적탄성파공진기(FBAR)의 MBVD(Modified Bntterworth-Van Dyke) 등가회로이다.
도 3은 본 발명에 따른 CMOS 음저항 회로가 적용된 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파공진기(FBAR) 회로이다.
도 4는 본 발명에 따른 임피던스 측정 장치 및 음저항제어회로부가 추가로 포함된 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시간적인 공진기 Q-인자 튜닝을 위한 복제 공진기가 구비된 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로이다.
도 6은 본 발명에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로가 적용된 FBAR Ladder 필터의 성능 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

먼저, 박막체적탄성파공진기(이하' FBAR'로 지칭함)의 Q-인자 성능을 향상시키기 위한 조건에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 박막체적탄성파공진기(FBAR)의 임피던스 특징을 나타내는 도면이다.

FBAR는 압전박막과 양단의 극소로 얇으며 저항이 없는 전극들과 탄성적 반사 표면으로 이루어져 있다. FBAR의 loss척도는 Q-인자 값으로 볼 수 있으며, FBAR의 loss는 전극에서의 ohmic resistance, 공진기 층 내에서의 acoustic loss 등으로부터 발생된다.

Q-인자 성능은 최소 임피던스(Z_min) 대비 최대 임피던스(Z_max)의 비로 결정된다. 따라서 최소 임피던스(Z_min)를 감소시킴으로써, Q-인자 성능을 높힐 수 있지만, FBAR 제작 시 발생하는 고유 기생저항으로 인해 최소 임피던스(Z_min)의 값은 제한된다.

도 2는 본 발명에 따른 박막체적탄성파공진기(FBAR)의 MBVD(Modified Bntterworth-Van Dyke) 등가회로이다.

FBAR의 MBVD를 살펴보면, R_s 는 전극에서의 ohm loss, R_o는 lateral mode loss를 나타낸다. 따라서 FBAR의 최소 임피던스(Z_min)를 감소시키기 위해서는 R_{s ,} R_o 와 같은 기생 저항성분을 줄여야 된다.

C_o는 공진 면적에 의해 결정되는 커페시턴스이며, R_m, L_m C_m은 전자기 커플링(coupling)에 의해 결정되는 값이다. R_m은 acoustic loss를 나타내는 양이며, L_m은 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환된 양이며, C_m은 압전효과로부터 발생되는 dielectric displacemment를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 CMOS 음저항 회로가 적용된 박막체적탄성파공진기(FBAR) 회로이다.

도 3을 살펴보면, FBAR 회로(100)는 박막체적탄성파공진기(110)와 CMOS 음저항 회로(120)를 포함할 수 있다. 박막체적탄성파공진기(100)는 압전현상을 발생시켜, 특정 주파수대역에서 공진을 발생시키는 장치이다. 박막체적탄성파공진기(Film BulkAcoustic wave Resonator : FBAR)는 Quartz 공진기를 소형화한 구조를 가지고 있으며, 압전물질을 증착하여 만듦으로써 높은 주파수에서도 공진이 가능한 장치이다. 박막체적탄성파공진기(110)는 앞서 설명함에 따라 자세한 기재는 생략한다.

CMOS 음저항 회로(120)는 인가전압(V_B)의 변경이 가능하며, 박막체적탄성파공진기(110)의 고유 기생저항(R_{s ,} R_o)을 상쇄시켜 최소 임피던스(Z_min)를 감소시키는 장치이다. 도 3의 CMOS 음저항 회로(120)는 인가전압(V_B)의 제어를 통해서 음저항의 값을 가변시킬 수 있는 구조이다. 한편 도 3의 CMOS 음저항 회로(120)는 하나의 실시 예로써, 사용자에 의해 변경 가능하다.

CMOS 음저항 회로(120)의 음저항의 절대값 크기가 고유 기생저항(R_{s ,} R_o)의 크기에 비해 매우 작으면 Q-인자 성능의 향상 효과가 미약하고, 크기가 너무 클 경우에는 회로의 발진을 초래한다. 이러한 문제점을 방지하기 위해서는 박막체적탄성파공진기(100)의 고유 기생저항(R_{s ,} R_o)의 크기에 대응되는 적절한 음저항 값을 선택해야 한다.

따라서 본 발명은 고유 기생저항(R_{s ,} R_o)의 크기를 검출하는 임피던스측정회로(300) 및 고유 기생저항의 크기에 대응하는 최적 음저항 값을 선택하는 음저항제어회로(400)를 포함한다. 임피던스측정회로(300) 및 음저항제어회로(400)는 도 4를 통해 자세히 후술한다.

도 4는 본 발명에 따른 임피던스 측정 장치 및 음저항제어회로부가 추가로 포함된 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로이다.

임피던스측정회로(300)는 박막체탄성파 공진기 내의 동작 주파수로부터 고유 기생저항의 크기를 검출하는 장치이다. 도 4를 참조하면, CMOS음저항 회로(120)는 활성/비활성화 동작에 따라 전기적 신호로 개폐 여부가 결정되는 스위치부(230)에 의해 양단이 개방/단락 된다.

본 발명에 따른 음저항제어회로(400)는 CMOS 음저항회로(120)가 시스템에서 요구하는 최적의 음저항 값을 가지도록 다음과 같은 순서로 작동된다.

음저항제어회로(400)는 CMOS 음저항회로(120)를 비활성화 시키고 스위치부(230)를 단락시킨 상태에서의 임피던스 측정을 통해 박막체적탄성파공진기(110)의 자체 고유 기생저항 크기를 검출한다. 음저항제어회로(400)는 CMOS 음저항회로를 활성화 시키고 스위치부(230)를 개방시킨 상태에서의 임피던스 측정을 통해 박막체적탄성파공진기(110)의 고유 기생저항 값과 음저항 값이 합산된 값을 검출한다. 음저항제어회로(400)는 CMOS 음저항회로(120)에 인가되는 인가전압을 소정의 수치만큼 가변하여 음저항 값을 변동시킨다. 변동된 음저항 값과 고유 기생저항 값을 합산하는 과정은 고유 기생저항 값과 음저항 값이 합산된 값이 기 설정된 목표값(예를 들면, 박막체적탄성파 공진기의 자체 고유 기생저항 크기의 반절 값)이 될때까지 반복된다. 음저항제어회로(400)는 기 설정된 목표값에 대응하는 CMOS 음저항 회로의 음저항 값을 설정한다.

한편, 본 발명의 FBAR 회로가 적용되는 FBAR 필터/듀플렉서의 경우, 전력 증폭기로부터의 큰 전력 신호 수신됨에 따라 칩 내부의 온도가 큰 폭으로 변할 수 있다. 즉, 전압/온도/습도 등의 외부 변화에 대해 박막체적탄성파 공진기의 Q-인자 성능을 일정하게 유지시 킬 필요가 있다. 따라서, 본 발명은 박막체적탄성파 공진기의 고유 기생저항 크기를 자동 검출하고 이에 상응하는 최적의 음저항 값을 설정하는 상기 일련의 과정을 실시간으로 행할 수 있는 장치를 더 포함한다.

도 5는 본 발명에 따른 실시간적인 공진기 Q-인자 튜닝을 위한 복제 공진기가 구비된 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로이다. 실제 통신이 이루어지고 있는 Q-인자 향상 박막체적탄성파 공진기의 경우 CMOS 음저항 회로의 인가전압을 가변시켜 음저항 값을 변동시킬 경우 수신 신호 변화로 인해 통신 에러를 발생 시킬 수 있어 실시간적인 Q-인자 보정이 불가능하다. 이를 극복하기 위해, 동일한 복제 Q-인자 향상 박막체적탄성파 공진기를 더 포함하여 실시간적인 최적 음저항 설정 과정을 진행하고, 그 결과 (실제 통신이 이루어지고 있는 Q-인자 향상 박막체적탄성파 공진기에 내장된 CMOS 음저항 회로의 인가전압)를 통신 에러가 최소화되는 시점에 주기적으로 업데이트 한다.

도 5를 살펴보면, 공진기회로(100), 임피던스측정회로(300), 음저항제어회로(400) 및, 또 다른 공진기회로(200)가 포함된다. 또 다른 공진기회로(200)는 공진기회로(100)와 동일하게 또 다른 박막체적탄성파공진기(210)와 또 다른 CMOS음저항 회로(220)를 포함하며, 실제 통신이 이루어지는 통신시스템과 연결된다.

도 5의 공진기회로(100), 임피던스측정회로(300), 음저항제어회로(400)는 복제 공진기회로가 되며, 복제 공진기회로에서 결정된 음저항 값이 또 다른 공진기회로(200)에 적용된다.

도 6은 본 발명에 따른 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기 회로가 적용된 FBAR Ladder 필터의 성능 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 6을 살펴보면, CMOS 음저항 회로가 적용되지 않은 필터(w/o Negative Resistance)에 비해 CMOS 음저항 회로가 적용된 필터(w/o Negative Resistance)가 대역 외 제거 특성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 통해 본 발명은 CMOS 음저항 회로를 통해 FBAR의 Q-인자 성능이 향상시킬 수 있는 것을 증명할 수 있다.

100 : 공진기회로 110 : 박막체적탄성파공진기
120 : CMOS 음저항 회로 200 : 또 다른 공진기회로
210 : 또 다른 박막체적탄성파공진기 220 : 또 다른 CMOS음저항 회로
230 : 스위치부 300 : 임피던스측정회로
400 : 음저항제어회로

Claims (5)

1. 압전현상을 발생시켜, 특정 주파수대역에서 공진을 발생시키는 박막체적탄성파공진기; 및
   음저항 값을 가변시키기 위한 전기적 신호가 입력되며, 상기 박막체적탄성파공진기의 고유 기생저항을 상쇄시켜 Q-인자 성능을 향상시키는 CMOS 음저항회로;
   상기 박막체적탄성파공진기의 동작 주파수로부터 상기 고유 기생저항의 크기를 검출하는 임피던스측정회로;
   상기 CMOS 음저항회로의 활성/비활성화 동작에 따라 또 다른 전기적 신호로 상기 CMOS 음저항회로 양단을 개방/단락 시키는 스위치부; 및
   상기 CMOS 음저항회로의 활성/비활성화 동작에 따라 스위치부를 개방/단락시키고, 상기 임피던스측정회로가 상기 박막체적탄성파공진기의 상기 고유 기생저항 값 및 상기 고유 기생저항 값과 상기 음저항 값이 합산된 값을 측정하도록 제어하는 음저항제어회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 음저항제어회로는
   상기 전기적 신호를 소정의 수치만큼 가변하여 상기 음저항 값을 변동시켜며, 상기 임피던스측정회로가 상기 박막체적탄성파공진기의 상기 고유 기생저항 값과 상기 변동된 음저항값이 합산된 값을 반복적으로 측정하도록 제어하되,
   상기 합산된 값이 기 설정된 목표값을 만족한 경우의 음저항 값을 선택하는 것을 특징으로 하는 Q-인자 성능이 향상된 박막 체적 탄성파 공진기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 박막체적탄성파공진기 및 상기 CMOS 음저항회로와 동일한 구성으로 이루어진 복제 공진기회로를 더 포함하되,
   상기 복제 공진기회로는 상기 기 설정된 목표값을 만족하는 상기 합산된 값의 음저항 값을 선택하며, 상기 선택된 음저항 값을 실제 통신이 이루어지고 있는 상기 박막체적탄성파공진기에 적용시키는 것을 특징으로 하는 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기
   
5. 제1항에 있어서.
   복수의 직렬공진기와 병렬 공진기 조합으로 구성된 Ladder 필터, Lattice 필터,,및 Ladder/Lattice 필터에 적용되는 것을 특징으로 하는 Q-인자 성능이 향상된 박막체적탄성파 공진기
   

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