KR19980071551A - 탄성 표면파 장치 - Google Patents

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무라따 미치히로
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Abstract

본 발명은, 수정 회전 Y-컷판 및 상기한 수정 회전 Y-컷판 상에 배치되며 텅스턴으로 구성된 적어도 하나의 인터디지탈 트랜스듀서를 포함하는 탄성 표면파 장치를 제공한다. 이 수정 회전 Y-컷판은 (0, θ, ψ)로 표현된 오일러(Euler) 각을 갖고 있다. 오일러 각의 각도 θ는 약 125。＜θ＜130。 또는 이와 동일한 범위 내에 있는 각도이며, ψ는 약 90。의 각도이다.

Description

탄성 표면파 장치
본 발명은 예를 들면 공진자, 대역필터 또는 이와 유사한 다른 전자부품에 사용되는 탄성 표면파 장치에 관한 것으로, 보다 상세히하면 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치에 관한 것이다.
탄성 표면파 장치는 대역필터 또는 공진자에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 탄성 표면파 장치는 전기기계 결합계수가 큰 압전기판을 필요로 한다. 또한, 어떤 다른 용도로는, 가능한 모든 온도변화에 대한 내성이 큰 탄성 표면파 장치를 필요로 한다.
종래에는, 온도특성이 상당히 안정한 압전기판으로 ST-컷(cut)-수정기판, LST-컷-수정기판 등이 알려져 있다.
일본 공개공보 61-45892호 공보에는, 회전 Y-컷-수정기판 상에서, 기판의 X축과 탄성 표면파의 전파 방향과의 사이가 약 90。의 각도를 이루도록 Au로 구성된 인터디지탈(interdigital) 전극을 배치함으로써, 온도특성이 개선된 탄성 표면파 장치가 개시되어 있다.
그러나, 종래의 ST-컷-수정기판과 LST-컷-수정기판이 이들 장치에 양호한 온도특성을 제공하더라도, 전기기계 결합계수가 작다는 문제점이 있다.
또한, 일본 공개공보 61-45892호 공보에 개시된 종래의 탄성 표면파 장치는, 인터디지탈 전극이 Au로 구성되기 때문에 가격이 상승한다는 또 다른 문제점이 있다. 또한. Au는 사용되는 기판에 대한 밀착강도가 낮기 때문에, Cr 등의 밑칠층(undercoat layer)이 필요하게 되어, 제조 공정이 보다 복잡하게 된다는 문제점이 있다.
상술한 이유로 인하여, 본 발명의 발명자는, 온도특성이 상당히 안정하며, 전기기계 결합계수가 크고, 제조가가 저렴한 탄성 표면파 장치의 필요를 인식하게 되었다.
본 발명의 바람직한 구현예를 통해, 온도특성이 상당히 안정하며, 전기기계 결합계수가 큰 탄성 표면파 장치를 저가로 제공하여, 상술한 문제점들을 해결한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 탄성 표면파 장치는, 수정 회전 Y-컷판 및 상기한 수정 회전 Y-컷판 상에 배치되며 텅스턴으로 구성된 적어도 하나의 인터디지탈 트랜스듀서로 구성되어 있다. 상기한 수정 회전 Y-컷판은 (0, θ, ψ) (여기에서, θ는 약 125。＜θ＜130。 또는 이와 동일한 범위 내에 있는 각도이며, ψ는 약 90。의 각도이다)로 표현된 오일러(Euler) 각을 갖는다.
상기한 인터디지탈 트랜스듀서에서는, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.0075＜h/λ≤0.027(여기에서, h는 인터디지탈 트랜스듀서의 막 두께이며, λ는 수정 회전 Y-컷판 상에서 여진되는 탄성 표면파의 파장이다)의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 또한, 각도 θ와 규격화막 두께 h/λ는 하기의 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예의 한 특징에 따르면, 탄성 표면파 장치는 수정 회전 Y-컷판 및 상기한 수정 회전 Y-컷판 상에 배치되며 탄탈로 구성된 적어도 하나의 인터디지탈 트랜스듀서로 구성되어 있다. 상기한 수정 회전 Y-컷판은 (0, θ, ψ) (여기에서, θ는 약 125。＜θ＜132。 또는 이와 동일한 범위 내에 있는 각도이며, ψ는 약 90。의 각도이다)로 표현된 오일러 각을 갖는다.
상기한 인터디지탈 트랜스듀서에서는, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.006＜h/λ≤0.031(여기에서, h는 인터디지탈 트랜스듀서의 막 두께이며, λ는 수정 회전 Y-컷판 상에서 여진되는 탄성 표면파의 파장이다)의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 또한, 각도 θ와 규격화막 두께 h/λ는 하기의 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기한 인터디지탈 트랜스듀서의 재료로 비교적 저가의 텅스턴 또는 탄탈을 사용하므로, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 저가로 얻는 것이 가능하다. 또한, 인터디지탈 트랜스듀서의 규격화막 두께가 원하는 특정 범위 내로 설정되므로, 전기기계 결합계수가 크며, 또한 온도특성이 상당히 개선된 탄성 표면파 장치를 제공하는 것이 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 제 1 구현예에 따른 탄성 표면파 장치의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 오일러(Euler) 각이 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에서 텅스턴 규격화막 두께 h/λ와 여기에서 발생된 탄성 표면파의 위상 속도와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3은 오일러 각이 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에 배치된 텅스턴 박막을 갖은 구조에서 규격화막 두께 h/λ와 전기기계 결합계수 k2과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 오일러 각이 (0, θ, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에 배치된 텅스턴 박막을 갖은 구조에서 공진 주파수의 온도계수와 각도 θ와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 5는 오일러 각이 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에서 탄탈 규격화막 두께 h/λ와 탄성 표면파의 위상 속도와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 오일러 각이 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에 배치된 탄탈박막을 갖은 구조에서 규격화막 두께 h/λ와 전기기계 결합계수 k2과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 오일러 각이 (0, θ, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 상에 배치된 탄탈 박막을 갖은 구조에서 공진 주파수의 온도계수와 각도 θ와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도면의 주요 부호에 대한 설명
1 : 탄성 표면파 장치 2 : 수정 회전 Y-컷판
3, 4 : 빗형상 전극 5 : 인터디지탈 트랜스듀서
이하, 첨부된 여러 형태의 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예를 기술하지만, 본 발명이 첨부된 여러 형태의 도면으로만 제한되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 제 1 구현예에 따른 탄성 표면파 장치 1의 사시도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 탄성 표면파 장치의 단면도이다.
탄성 표면파 장치 1은, 러브파(Love waves) 등의 전단 수평(shear horizontal: SH)형 표면파를 이용하는 기판 모서리 반사형의 탄성 표면파 공진자이다. 여기에서 사용된 SH형 표면파라는 용어는, 주성분으로, 탄성 표면파 전파 방향과 실질적으로 수직이며, 기판 표면과 실질적으로 평행한 배치(displacement)를 갖은 탄성 표면파들을 광범위하게 포함하는 표면파의 의미로 사용된다. 예를 들면, 리키(leaky) 탄성 표면파, BGS(Bleustein-Gulyaev-Shimizu)파, 러브파, 이와 동일한 파 등이 포함될 수 있다.
탄성 표면파 장치 1은 오일러 각이 (0, θ, ψ)로 표현된 수정 회전 Y-컷판 2 및 그 위에 배치된 인터디지탈 트랜스듀서 5로 구성되어 있다.
인터디지탈 트랜스듀서 5는 한 쌍의 빗형상의 전극(comb-shaped electrode) 3, 4로 구성되어 있으며, 이들 빗전극 3, 4는 복수개의 전극지(electrode finger) 3a∼3c, 4a∼4c로 각각 구성되어 있다. 이들 전극지 3a∼3c, 4a∼4c는 제 1 방향 P로 뻗어 있으며, 서로 맞물려 있다.
수정 회전 Y-컷판 2의 표면 2a에서 여진된 탄성 표면파는 제 1 방향 P에 실질적으로 수직인 방향으로 전파한다. 즉, 수정 회전 Y-컷판 2의 X축과 수정 회전 Y-컷판 2에서 여진된 탄성 표면파가 전파하는 방향 사이의 각으로 정의된 ψ는 약 90。이다. 전극지 4a, 3c는 수정 회전 Y-컷판 2의 대향하는 두 개의 기판 모서리 2b, 2c와 동일한 높이로 배열된다. 전극지 4a, 3c의 폭은 약 λ/8(여기에서, λ는 수정 회전 Y-컷판 2에서 여진된 탄성 표면파의 파장이다)가 바람직하다. 전극지 3a, 3b, 4b, 4c의 폭은 약 λ/4, 인접한 전극지들 사이의 거리도 또한 약 λ/4인 것이 바람직하다.
탄성 표면파 장치 1에서, 여진된 탄성 표면파는 대향하는 기판 모서리 2b, 2c에 의해 반사되어, 수정 회전 Y-컷판 2에서 정상파를 발생시키며, 소정의 주파수에서 공진한다.
본 발명의 바람직한 제 1 구현예에 따른 탄성 표면파 장치 1의 중요한 특징은, 인터디지탈 트랜스듀서 5가 텅스텐으로 구성되며, 오일러 각이 (0, θ, ψ)로 표현되는 수정 회전 Y-컷판 2의 각도 θ는 약 125。＜θ＜130。의 범위 내에 있는 각도로 설정됨에 따라, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치 1를 얻게 된다. 이것은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 구현예의 한 예로 사용되는, 오일러 각이 약 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 2의 탄성 표면파의 위상 속도를 유한 요소법(finite element method)으로 해석한 실험 결과를 보여주는 그래프이다. 도 2의 결과는, 상기한 수정 회전 Y-컷판 2 상에 다양한 막 두께의 텅스텐 박막을 형성한 다음에, 수정의 탄성상수, 압전상수, 유전율, 밀도 및 선팽창 계수와, 텅스텐의 탄성상수, 밀도, 선팽창 계수 및 막두께를 고려하여, 유한 요소법을 사용하여 해석한 결과이다. 텅스텐 박막의 막 두께는 수정 회전 Y-컷판 2에서 여진된 탄성 표면파의 파장으로 텅스텐 박막의 막 두께를 분할하여 규격화한 막 두께이다.
도 2로 알 수 있는 바와 같이, 텅스텐 박막의 규격화막 두께 h/λ를 두껍게 함에 따라, 탄성 표면파의 위상 속도가 지연된다는 것을 알 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 위상 속도를 기초로하여 얻은, 텅스텐 박막의 규격화막 두께와 전기기계 결합계수 k2(%)과의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 3의 전기기계 결합계수 k2은 하기의 수학식 3을 이용하여 계산된 값이다:
여기에서, V0는 텅스텐의 유전율을 1로 가정하는 경우의 탄성 표면파의 위상 속도이며, Vs는 텅스텐의 유전율을 0으로 가정하는 경우의 표면파의 위상 속도를 나타낸다.
도 3으로 알 수 있는 바와 같이, 텅스텐 박막의 규격화막 두께 h/λ가 약 0.0075 보다 크며, 약 0.027 이하인 범위에서, 전기기계 결합계수 k2은 0.3% 이상이 된다. 따라서, 텅스텐으로 구성된 인터디지탈 트랜스듀서의 규격화막 두께 h/λ를 약 0.0075 보다 크며, 약 0.027 이하의 값으로 설정함에 따라, 전기기계 결합계수 k2이 큰 탄성 표면파 장치를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 4는 각종 두께의 규격화막 두께 h/λ에서 공진 주파수의 온도계수(temperature coefficient of resonance frequency: TCF)와 오일러 각이 (0, θ, ψ)인 수정 회전 Y-컷판 2의 각도 θ와의 관계를 보여주는 그래프이다. 상기한 TCF는 -20∼80℃의 범위에서 측정되며, 각도 ψ는 90。로 설정한다.
도 4는, 텅스텐 박막의 규격화막 두께 h/λ를 약 0.0010, 0.0050, 0.0075, 0.0100, 0.0150, 0.0200 및 0.0300으로 설정한 각 경우에 대한 결과를 보여준다.
도 4로 알 수 있는 바와 같이, 각도 θ가 부등식 125。＜θ＜130。 또는 이와 동일한 범위 내에서 선택될 때, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.0075＜h/λ＜0.027의 범위에서, TCF가 약 0이 될 수 있다. 그러므로, 오일러 각이 (0, θ, 90。)인 수정 회전 Y-컷판을 사용하는 경우에, θ를 약 125。부터 약 130。까지의 범위 내의 각도로 설정함으로써, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 구성할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4의 결과로부터, θ와 h/λ의 관계를 상기한 수학식 1: θ = 122.15＋376.93×(h/λ)＋978.89×(h/λ)2±0.5를 만족하도록 구성함으로써, 전기기계 결합계수 k2이 약 0.3% 이상이며, TCF가 양호한 탄성 표면파 장치를 구성하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명자들의 연구에 따르면, 각도 ψ가 약 90。±10。의 범위 내에 있기만 하면, 유사하게, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 제공하는 것이 가능하다는 것이, 확실하게 확인되었다.
본 발명의 바람직한 제 2 구현예에 따른 탄성 표면파 장치는, 바람직하게, 인터디지탈 트랜스듀서 5가 탄탈로 구성된다는 것을 제외하고는 바람직한 제 1 구현예에 따른 탄성 표면파 장치와 동일한 구조를 갖는다. 그러므로, 도 1a 및 도 1b에 도시된 탄성 표면파 장치의 설명을 인용하여 설명하며, 바람직한 제 2 구현예의 탄성 표면파 장치의 구조의 설명은 생략한다.
본 발명의 바람직한 제 2 구현예에 따른 탄성 표면파 장치 1의 중요한 특징은, 인터디지탈 트랜스듀서 5가 탄탈로 구성되며, 오일러 각이 (0, θ, ψ)로 표현되는 수정 회전 Y-컷판 2의 각도 θ가 약 125。＜θ＜132。의 범위 내에 있는 각도로 설정됨에 따라, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치 1를 얻게 된다. 이것은 도 5 내지 도 7를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 구현예에 사용되는, 오일러 각이 약 (0, 127。, 90。)인 수정 회전 Y-컷판 2의 탄성 표면파의 위상 속도를 유한 요소법으로 해석한 실험 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5의 결과는, 상기한 수정 회전 Y-컷판 2 상에 다양한 막 두께의 탄탈 박막을 형성한 다음에, 수정의 탄성상수, 압전상수, 유전율, 밀도 및 선팽창 계수와, 탄탈의 탄성상수, 밀도, 선팽창 계수 및 막두께를 고려하여, 유한 요소법을 사용하여 해석한 결과이다. 탄탈 박막의 막 두께는 수정 회전 Y-컷판 2에서 여진된 탄성 표면파의 파장으로 탄탈 박막의 막 두께를 분할하여 규격화한 막 두께이다.
도 5로 알 수 있는 바와 같이, 탄탈 박막의 규격화막 두께 h/λ를 두껍게 함에 따라, 탄성 표면파의 위상 속도는 지연된다는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 위상 속도를 기초로하여 얻은, 탄탈 박막의 규격화막 두께와 전기기계 결합계수 k2(%)과의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 6의 전기기계 결합계수 k2은 하기의 수학식 4를 이용하여 계산된 값이다:
여기에서, V0는 탄탈의 유전율을 1로 가정하는 경우의 탄성 표면파의 위상 속도이며, Vs는 탄탈의 유전율을 0으로 가정하는 경우의 표면파의 위상 속도를 나타낸다.
도 6으로 알 수 있는 바와 같이, 탄탈 박막의 규격화막 두께 h/λ가 약 0.006 보다 크며, 약 0.031 이하인 범위에서, 전기기계 결합계수 k2이 0.3% 이상이 된다. 따라서, 탄탈로 구성된 인터디지탈 트랜스듀서의 규격화막 두께 h/λ를 약 0.006 보다 크며, 약 0.031 이하의 값으로 설정함에 따라, 전기기계 결합계수 k2이 큰 탄성 표면파 장치를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 각종 두께의 규격화막 두께 h/λ에서 공진 주파수의 온도계수(TCF)와 오일러 각이 (0, θ, ψ)인 수정 회전 Y-컷판 2의 각도 θ와의 관계를 보여주는 그래프이다. 상기한 TCF는 -20∼80℃의 범위에서 측정되며, 각도 ψ는 90。로 설정한다.
도 7은, 탄탈 박막의 규격화막 두께 h/λ를 약 0.0100, 0.0200 및 0.0300으로 설정한 각 경우에 대한 결과를 보여준다.
도 7로 알 수 있는 바와 같이, 각도 θ가 부등식 125。＜θ＜132。 와 이와 동일한 범위 내에서 선택될 때, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.006＜h/λ＜0.031인 범위에서, TCF가 약 0이 될 수 있다. 그러므로, 오일러 각이 (0, θ, 90。)인 수정 회전 Y-컷판을 사용하는 경우에, θ를 약 125。부터 약 132。까지의 범위 내의 각도로 설정함으로써, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 구성할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7의 결과로부터, θ와 h/λ의 관계를 상기한 수학식 2: θ = 122.4971＋2921.45×(h/λ)를 만족하도록 구성함으로써, 전기기계 결합계수 k2이 약 0.3% 이상이며, TCF가 양호한 탄성 표면파 장치를 구성하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명자들의 연구에 따르면, 각도 ψ가 약 90。±10。의 범위 내에 있기만 하면, 유사하게, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 제공하는 것이 가능하다는 것이, 확실하게 확인되었다.
본 발명의 바람직한 제 1 및 제 2 구현예에서는, 각도 θ와 ψ의 바람직한 범위를 상세히 설명하였지만, 바람직한 제 1 및 제 2 구현예에서 상술된 특정한 범위와 동일하거나 또는 다른 범위의 각도 θ, ψ도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
또한, 바람직한 제 1 및 제 2 구현예에서는 기판 모서리 반사형의 표면파 공진자에 대한 몇 가지 예를 설명하였지만, 본 발명의 따른 탄성 표면파 장치는 기판 모서리 반사형의 표면파 장치에만 한정되는 것이 아니며, 반사형의 표면파 공진자에도 적용될 수 있다. 또한, 인터디지탈 트랜스듀서 5는 실질적으로 텅스텐 또는 탄탈, 또는 텅스텐 또는 탄탈을 주성분으로 함유한 합금으로 구성될 수 있다. 인터디지탈 트랜스듀서 5는 적어도 하나의 텅스텐 또는 탄탈층 및 알루미늄 등의 다른 금속 재료로 구성된 층으로 이루어진 다층 구조로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은 탄성 표면파 공진자 이외의 탄성 표면파 필터와 탄성 표면파 지연선에 적용할 수 있다는 것을 지적하고 있다.
본 발명은, 인터디지탈 트랜스듀서의 재료로 비교적 저가의 텅스턴 또는 탄탈을 사용하여, 온도특성이 상당히 안정한 탄성 표면파 장치를 저가로 제공한다. 또한, 인터디지탈 트랜스듀서의 규격화막 두께가 원하는 특정 범위 내로 설정되므로, 전기기계 결합계수가 크며, 또한 온도특성이 상당히 개선된 탄성 표면파 장치를 제공하게 된다.
이제까지, 본 발명의 바람직한 구현예를 기술하였지만, 본 발명은 상술한 구현예들로만 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 본 발명은 하기에서 설정한 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변화, 변형될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 오일러(Euler) 각이 (0, θ, ψ) (여기에서, θ는 약 125。＜θ＜130。 범위 내에 있는 각도이며, ψ는 약 90。의 각도이다)로 표현된 수정 회전 Y-컷(cut)판; 및
    상기한 수정 회전 Y-컷판 상에 배치되며 텅스턴으로 구성된 적어도 하나의 인터디지탈 트랜스듀서(interdigital transducer)를 포함함을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 인터디지탈 트랜스듀서는, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.0075＜h/λ≤0.027(여기에서, h는 인터디지탈 트랜스듀서의 막 두께이며, λ는 수정 회전 Y-컷판 상에서 여진되는 탄성 표면파의 파장이다)의 범위 내에 있음을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기한 각도 θ와 상기한 규격화막 두께 h/λ가 하기의 수학식 5;
    을 만족함을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기한 탄성 표면파 장치가 전단 수평(shear horizontal: SH)형 표면파를 이용한 기판 모서리 반사형의 탄성 표면파 장치임을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  5. 오일러 각이 (0, θ, ψ) (여기에서, θ는 약 125。＜θ＜130。 범위 내에 있는 각도이며, ψ는 약 90。의 각도이다)로 표현된 수정 회전 Y-컷판; 및
    상기한 수정 회전 Y-컷판 상에 배치되며 탄탈로 구성된 적어도 하나의 인터디지탈 트랜스듀서를 포함함을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기한 인터디지탈 트랜스듀서는, 규격화막 두께 h/λ가 약 0.006＜h/λ≤0.031(여기에서, h는 인터디지탈 트랜스듀서의 막 두께이며, λ는 수정 회전 Y-컷판 상에서 여진되는 탄성 표면파의 파장이다)의 범위 내에 있음을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기한 각도 θ와 상기한 규격화막 두께 h/λ가 하기의 수학식 6;
    을 만족함을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기한 탄성 표면파 장치가 SH형 표면파를 이용한 기판 모서리 반사형의 탄성 표면파 장치임을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
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