KR20000035369A - 탄성 표면파 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 탄성 표면파 소자는 압전 기판; 및 상기 압전 기판상에 형성되는 인터디지탈 트랜스듀서를 포함하며, 상기 압전 기판은 다결정 재료로 이루어지는 적어도 2개의 압전 세라믹층을 포함한다. 상기 적어도 2개의 압전 세라믹층은, 그 전기적 특성 및 기계적 특성이, 적어도 2개의 압전 세라믹층이 적층된 압전 기판의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 다르도록 적층되는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성 표면파 소자{Surface Acoustic Wave Device}
본 발명은 탄성 표면파 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BGS파를 여진시키며 고주파 공진자 및 고주파 필터에 사용되는 탄성 표면파 소자에 관한 것이다.
일반적으로 탄성 표면파 소자는, 압전성을 갖는 기판(압전 기판) 및, 전극지가 서로 교차하도록 상기 기판상에 배치되는 복수의 전극지를 갖는 한 쌍의 빗형상 전극으로 이루어진다. 이러한 탄성 표면파 소자는 전기 신호가 상기 인터디지탈 트랜스듀서에 인가되는 경우 탄성 표면파를 여진한다.
탄성 표면파로서는, 레일리파가 잘 알려져 있는데, BGS파(Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave 또는 압전 표면 쉐어파) 및 러브파도 사용되고 있다.
이들 탄성 표면파 소자에 있어서는, 그 공진 주파수 및 전기적 또는 기계적 품질 계수 "Q", 전기기계 결합 계수 "k"등의 전기적 및 기계적 특성이, 압전 기판의 재질과 인터디지탈 트랜스듀서의 구조에 의하여 대략 결정된다. 이러한 탄성 표면파 소자는 고주파 공진자 및 고주파 필터로서 이용되는 것이 가능하다.
그런데, 탄성 표면파는 문자 그대로, 에너지가 기판의 표면 부근에 집중되어 전파되는 탄성 표면파를 말한다. 등방성의 기판의 표면을 따라서 전파되는 탄성 표면파는, 그 변위 부분이 파의 진행 방향과 기판의 두께 방향뿐이다. 횡파에 상당하며 파의 진행 방향에 수직인 방향이고 또한 등방성 기판에서 기판 표면에 평행한 방향의 성분만을 갖는 탄성 표면파(SH파 또는 horizontally-polarized shear wave)는 존재하지 않는다.
그런데, 압전 기판은 이방성이기 때문에, SH파(의사적인 SH파를 포함)를 그 표면 부근에 에너지를 집중시켜서 전파시키는 것이 가능하다. 이 탄성 표면파를 BGS파라고 부른다. BGS파는 압전 기판의 파의 전파 방향의 단면에 의해 완전히 반사되기 때문에, 레일리파를 전파하는 탄성 표면파 소자에서와 같이 기판상에 반사기(리플렉터)를 형성할 필요는 없다. 따라서 BGS파는 탄성 표면파 소자의 소형화의 점에서 레일리파보다 유리하다.
그러나, 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 기판을 이용한 BGS파는, 반공진 주파수에서의 임피던스 Za와 공진 주파수에서의 임피던스 Zr의 비인 임피던스 비 Za/Zr이 비교적 작기 때문에, 좁은 대역의 필터를 형성한 경우, 충분한 필터 특성을 얻을 수 없다. 한편, 전기기계 결합 계수 "k"가 큰 기판을 이용한 BGS파는, 임피던스 비 Za/Zr이 커서 넓은 대역의 필터를 형성하는 것이 가능하지만, 내후성이 매우 불량이다.
또한, 탄성 표면파 소자의 형성과 관련한 설계 선택도를 높이도록, 압전 기판을 형성하는데 사용되는 여러가지 압전 재료를 선택할 수 있는 것이 바람직하다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 임피던스비가 크고, 내후성이 좋으며, 압전 기판을 형성하는데 사용되는 재료의선택의 자유도가 높은 탄성 표면파 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 예의 시료의 제작 공정 및 평가 공정을 나타낸 도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 시료의 압전 기판의 구조를 나타낸 압전 기판의 모식적 단면도이다.
도 3a는 도 2a에 나타낸 바와 같이 층을 적층함으로써 형성되는 압전 기판의 구조를 나타낸 모식적 단면도이고, 도 3b는 도 3a에 나타낸 기판에 있어서 전기기계 결합 계수 k의 깊이 프로파일을 나타낸 도이다.
도 4a는 도 2e에 나타낸 바와 같이 층을 적층함으로써 형성되는 압전 기판의 구조를 나타낸 모식적 단면도이고, 도 4b는 도 4a에 나타낸 기판에 있어서 전기기계 결합 계수 k의 깊이 프로파일을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 형태의 예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 형태의 예의 시료에 대하여 BGS파의 에너지의 기판 표면 부근의 분포를 유한 요소법(FEM)을 이용한 시뮬레이션에 의하여 구한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 형태의 예의 다른 시료에 대하여 BGS파의 에너지의 기판 표면 부근의 분포를 유한 요소법(FEM)을 이용한 시뮬레이션에 의하여 구한 결과를 나타낸 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명)
A: 압전 세라믹 조성물 A로 이루어지는 시트
B: 압전 세라믹 조성물 B로 이루어지는 시트
C: 압전 세라믹 조성물 C로 이루어지는 시트
1: 탄성 표면파 소자
2: 압전 기판
3: 인터디지탈 트랜스듀서
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, BGS파를 여진하는 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 다결정체로 이루어지는 압전 기판과, 상기 압전 기판의 표면에 배치되는 인터디지탈 트랜스듀서를 포함하며, 상기 탄성 표면파 소자는, 상기 압전 기판상에 배치되는 적어도 2개의 층을 포함하며, 상기 적어도 2개의 층은 인터디지탈 트랜스듀서가 배치되는 압전 기판의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 다른 전기적 특성 및 기계적 특성을 가지며, 이에 따라서 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
이러한 신규한 배치 및 구조에 의하여, 파의 기판 표면 집중도에 기인하는 문제가 해결된다.
예를 들면, 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 압전 기판을 사용하는 경우의 한 문제, 즉 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도가 감소되어, 임피던스 비를 저하시킨다고 하는 문제가 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하여 해결된다. 또한 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 기판을 사용하는 경우의 다른 문제, 즉 기판 표면에서의 과도한 탄성 표면파의 집중에 의하여 내습성이 악화된다고 하는 문제가 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하여 해결된다.
게다가, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 바람직하게는 세라믹으로 형성되는 압전 기판을 사용하여 다층 구조 또는 경사 구조를 형성함으로써, 소망의 탄성 표면파 소자를 저가로 비교적 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명을 도시하기 위하여, 바람직한 몇가지 도면 및 실시 형태를 나타내었으나, 본 발명은 이러한 배치 및 수단에 한정되는 것은 아니라는 것을 알 것이다.
(바람직한 실시 형태의 상세한 설명)
본 발명의 발명자들은 BGS파를 이용한 종래의 탄성 표면파 소자와 관련된 상술한 문제를 연구하였다. 본 발명자들은 파의 에너지의 표면 집중도가 상술한 문제에 관여하고 있다는 것을 발견하였다. BGS파는 레일리파에 비하여 파의 에너지의 기판 표면 집중도가 작다고 알려져 있다. BGS파의 에너지의 기판 표면 집중도는 압전 기판의 전기기계 결합 계수 "k" 및 유전율 "ε"에 의하여 대략 결정된다. 압전 기판의 표면에 전극이 배치되는 경우, 전기기계 결합 계수 "k"가 지배적이며, 전기기계 결합 계수 "k"가 증가할 수록, BGS파의 에너지의 표면 집중도가 증가하는 것이 분명해졌다.
따라서, 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 압전 기판을 사용하는 경우, BGS파의 에너지의 표면 집중도가 저하하며, 파의 에너지는 압전 기판의 두께 방향으로 소정의 범위내에서 분포하게 된다. 표면 집중도의 저하는, 압전 기판내에서의 파의 손실을 초래하는 요인이다. 따라서, 이 파의 손실이 상술한 임피던스 비의 저하의 주요 요인이 된다고 생각된다.
이 문제에 대하여, 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 압전 기판이더라도, BGS파의 에너지를 그 표면 부근에 집중시킬 수가 있으면, 임피던스 비의 저하를 방지할 수 있다. 본 발명의 발명자들은 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 기판의 두께 방향으로, 전기기계 결합 계수 "k"가 다른 압전 매체를 다층 구조 또는 경사 구조로 배치시키면서, 표면 부근의 전기기계 결합 계수 "k"만을 낮게 하고, 그 두께 방향으로는 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 매체를 배치함으로써, BGS파의 에너지를 기판 표면 부근에 집중시켜서, 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 탄성 표면파 소자라도, 임피던스 비가 비교적 높은 탄성 표면파 소자를 구성할 수 있다는 것을 발견하였다.
한편, 전기기계 결합 계수 "k"가 큰 압전 기판을 사용한 경우, 내후성, 특히 내습성이 악화되고, 내습 시험에 의한 주파수의 변화가 커진다고 하는 문제가 있다. 이 문제는, 상술한 바와 같이 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 기판에서는 BGS파의 에너지의 표면 집중도가 크고, 따라서 습도 및 기온에 의한 열화의 영향을 가장 받기 쉬운 기판 표면 부근만을 탄성 표면파가 전파하는 것에 기인한다. 따라서, 상술한 경우와는 반대로, 기판 표면 부근에서만 전기기계 결합 계수 "k"가 큰 압전 매체를 배치하고, 상기 표면으로부터 두께 방향으로 이격된 부분에 전기기계 결합 계수 "k"가 작은 압전 매체를 배치함으로써, BGS파의 에너지의 과도한 표면 집중을 억제하고, 내습성이 우수하고 전기기계 결합 계수 "k"가 큰 탄성 표면파 소자를 구성할 수 있다는 것을 발견하였다.
이들 구조에 있어서, 전기기계 결합 계수 k가 압전 기판의 두께 방향으로 단차 방식으로 또는 연속적으로 점차적인 방식으로 변화하는 것이 바람직하다. 이것은 전기기계 결합 계수 k의 갑작스런 변화는 BGS파의 반사 또는 감쇠를 일으키며, 그 결과 BGS파의 전파에 역효과를 가져온다.
본 발명자들은 다른 조성을 갖는 복수의 압전 세라믹 시트를 적층하여 이 시트 적층체를 소성함으로써 준비된 압전 기판을 적절하게 사용할 수 있다는 것을 발견하였다. 다른 조성을 갖는 한 쌍의 압전 세라믹 시트를 적층하여 소성하는 경우, 열 확산에 기인하여 압전 세라믹 시트 쌍 사이의 경계에 중간층이 형성된다. 중간층은 압전 세라믹 시트 쌍 사이의 중간적인 조성 및 물리적인 특성을 갖는다. 따라서, 압전 세라믹 시트 쌍 사이의 경계에서 전기기계 결합 계수가 단차 방식으로 변화하도록 하는 것이 가능하다. 또한, 상기 조성은 중간층내에서 두께 방향으로 점차적으로 변화될 수 있는 것도 가능하다. 게다가, 이것은 전기기계 결합 계수의 스무스한 또는 연속적인 변화를 확보한다. 이러한 견지에서, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 탄성 표면파에 사용되는 압전 기판은, 중간층을 포함하는 적어도 3개의 압전 세라믹층을 포함하는 것이 바람직하다.
탄성 표면파의 에너지의 기판 표면 집중도를 조정함으로써 특성을 매우 향상시킬 수 있다는 발견은 아주 새로운 것이다. 복수의 압전 단결정 플레이트를 접합하여 복합 기판을 형성하는 구조가 알려져 있는데, 예를 들면 일본국 특허공개 평9-208399호 공보에 개시되어 있다. 이러한 종래 기술은 결정성 및 접합성을 양호하게 유지함으로써, 탄성 표면파 장치의 특성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 이들 종래의 기술은 탄성 표면파의 에너지의 집중도를 조정하는 것을 제시하고 있지 않다. 게다가, 종래의 기술에 있어서, 복합 기판을 구성하는 각 층이 높은 결정성을 갖도록 요구되기 때문에, 각 경계에서의 물리적 특성의 변화는 필연적으로 갑작스럽다. 이들 종래의 특징은 본 발명의 바람직한 실시 형태의 특징과 아주 다르다.
본 발명의 바람직한 실시 형태는 본 발명의 바람직한 실시 형태의 주요 효과인 탄성 표면파의 기판 표면 집중도를 조절하여, 개선된 특성을 달성하는 것을 목적으로 하는 것이다. 이들 효과는 다층 구조 또는 경사 구조로 배치되는 재료의 종류의 자유도가 크고 또한 가공성이 우수한 압전 다결정 재료를 사용하여, 다층 구조 또는 경사 구조를 갖도록 압전 다결정 재료를 형성함으로써 달성된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 압전 기판의 표면에 교차 인터디지탈 전극이 배치되고, 이 인터디지탈 트랜스듀서에 전기 신호를 공급함으로써 탄성 표면파가 여진되는 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 기판은 압전 다결정체를 포함하며, 압전 다결정체는, 교차 인터디지탈 전극이 배치되는 면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 다른 전기적 특성 및 기계적 특성을 갖는 적어도 2개의 층을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파 소자에서는, 압전 기판은 전기적 특성 및 기계적 특성이 경사지도록 재료를 증착함으로써 형성하여도 된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파 소자에서는, 탄성 표면파로서 BGS파가 사용되어도 된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파 소자에서는, 조성이 다른 압전 세라믹 재료로 이루어지는 적어도 2장의 시트를 적층함으로써 바람직하게 형성되는 적층체를 소결함으로써, 압전 기판을 형성하여도 된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파 소자에서는, 시트의 일부를 인접하는 시트 사이에서 열 확산함으로써, 전기적 특성 및 기계적 특성이 경사지도록 압전 기판을 형성하여도 된다.
(발명의 실시 형태)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 더욱 상세하게 설명하겠다.
본 발명의 바람직한 실시 형태의 예에 있어서의 시료의 제작 공정 및 평가 공정을 도 1에 나타낸다. 이하에 더욱 상세하게 설명하겠다.
원료로서 Pb3O4, ZrO2, TiO2, MnCO3, NiO 및 Nb2O5를 표 1의 조성식의 압전 세라믹 조성물 A, B, C가 얻어지도록 각각 칭량하고, 각각의 혼합물을 4∼32시간동안 볼 밀로 혼합하고, 분쇄하였다.
조성물명 조성식
압전 세라믹 조성물 A Pb1.0(Mn1/2Nb2/3)0.06Zr0.43Ti0.51O3
압전 세라믹 조성물 B Pb1.0(Mn1/3Nb2/3)0.10Zr0.41Ti0.49O3
압전 세라믹 조성물 C Pb1.0(Ni1/6Mn1/6Nb2/3)0.10Zr0.43Ti0.47O3
그리고, 각각의 혼합물을 탈수, 건조하여, 약 800℃∼900℃의 온도에서 2시간동안 하소한 후, 여기에 바인더, 분산제 및 소포제를 약 3∼10중량% 혼합 또는 첨가하고, 얻어진 분말을 약 8∼16시간 분쇄하여 슬러리를 준비하고, 독터 블레이드법에 의하여 약 50∼150㎛의 두께의 세라믹 시트를 성형 또는 제작하였다.
압전 세라믹 조성물 A, B 및 C로 이루어지는 시트 A, B 및 C를 도 2a∼도 2f에 나타낸 각각의 조건에 따라서 포개어 압착하고, 각각의 성형체를 약 1100℃∼약 1250℃에서 약 1시간∼약 3시간동안 소성하였다. 얻어진 소성체의 한쪽 주면에 #800∼#8000의 연마를 차례로 실시하여 경면(鏡面) 연마하고, 제 1표면층의 두께가 약 10㎛∼약 100㎛이고, 소자의 총 두께가 약 300㎛∼약 700㎛인 압전 기판을 형성하였다.
그리고 각각의 압전 기판의 양 주면에 Ag 기상 증착 전극에 의해 빗형상 분극 전극을 형성하고, 분극 방향이 압전 기판의 표면과 평행한 방향이 되도록 압전 기판에 분극 처리를 실시하였다. 분극은 약 60℃∼약 120℃의 오일 중에서 약 2.0kV/㎜∼4.0kV/㎜의 전계를 약 30∼약 60분동안 인가하여 행하였다. 그 후, Ag 기상 증착 전극을 에칭액으로 제거하여, 분극된 압전 기판을 얻었다.
도 3a 및 도 4a는 도 2a 및 도 2e에 나타낸 바와 같이 층을 적층하고 이 적층층을 소성하여 형성된 압전 기판의 구조를 나타낸다. 이들 도면에 있어서, 중간층 AB 및 중간층 BC는 각각 압전 세라믹층 A과 B의 사이 및 압전 세라믹층 B와 C의 사이에 형성된다. 도 3b 및 도 4b는 이들 기판에 있어서 전기기계 결합 계수 k의 깊이 프로파일을 모식적으로 나타낸다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 중간층 AB 및/또는 BC의 형성은 전기기계 결합 계수 k를 단차 방식으로 변화시킨다. 또한, 전기기계 결합 계수 k는 중간층 AB 또는 BC내에서 그 대략 중심으로부터 압전 세라믹층 A, B 또는 C를 향하는 측을 향하여 점차적이 되도록 변화한다. 중간층의 두께는 소성 조건을 조정함으로써 변화될 수 있다. 이러한 특징의 결과, 전기기계 결합 계수 k는 다층 단차 방식으로 변화될 수 있으며, 이에 따라서 변화를 두께 방향으로 스무스하게 할 수 있다.
그리고 나서, 종래와 동일한 공정으로, 상술한 압전 기판(2)의 한쪽 주면에 스퍼터링 기상 증착법에 의하여 Al전극막을 형성하고, 그 후 포토리소그래피 기술을 이용하여 Al막을 패터닝함으로써, 한 쌍의 빗형상 전극을 포함하는 인터디지탈 트랜스듀서(3)를 형성하였다. 이 경우, 인터디지탈 트랜스듀서(3)는 상술한 빗형상 분극 전극을 형성한 방향에 대하여 실질적으로 수직 방향으로 배치하였다. 그리고, 압전 기판을 칩 단위로 절단함으로써, 도 2a∼도 2f에 나타낸 바와 같이 형성되는 각 압전 기판에 대하여, 도 5에 나타낸 탄성 표면파 소자(1)(시료)를 준비하였다.
각각의 탄성 표면파 소자를 단자가 달린 지그에 고정하여, 탄성 표면파 소자와 단자를 와이어로 결합하고, 임피던스 애널라이저로 그 특성을 평가하였다. 평가한 항목은 반공진점과 공진점에서의 임피던스 비 Za/Zr, BGS파의 전기기계 결합 계수 kBGS, 기계적 품질 계수 QmBGS, 및 습기에 시료를 방치하기 전후의 공진 주파수의 시프트 fr/fr이다. 그 결과를 표 2에 정리하였다.
시료 구조 kBGS(%) Za/Zr(dB) QmBGS fr/fr(%)
A-1 도 2a 22.5 46 940 0.12
A-2 도 2b 22.0 45 910 0.12
A-3* 도 2c 21.0 35 650 0.11
C-1 도 2d 47.0 50 870 0.25
C-2 도 2e 46.5 50 850 0.22
C-3* 도 2f 48.5 53 870 0.52
표 2에 있어서, 시료 A-1은 도 2a에 나타낸 다층 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, 시료 A-2는 도 2b에 나타낸 경사 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, 시료 A-3은 도 2c에 나타낸 단층 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, 시료 C-1은 도 2d에 나타낸 다층 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, 시료 C-2는 도 2e에 나타낸 경사 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, 시료 C-3은 도 2f에 나타낸 단층 구조를 갖는 압전 기판을 포함하는 시료이며, *표시를 붙인 시료 A-3, C-3은 본 발명의 범위외의 비교예이다. 게다가, 이것은 도 6 및 도 7에 나타낸 그래프에 있어서도 마찬가지이다.
또한, 표 2에 있어서, fr/fr(%)는 분위기 온도 60℃, 습도 95% R.H.의 항온 항습조에 시료를 방치한 내습 시험 1000시간후의 공진 주파수 fr의 변화율을 나타낸다.
게다가, 각각의 탄성 표면파 소자(시료)에 대하여 BGS파의 에너지의 표면 부근의 분포를 유한 요소법(FEM)에 의한 시뮬레이션에 의하여 구하였다. 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타낸다.
표 2에 있어서, 시료 A-1, A-2 및 A-3을 서로 비교한 경우, 각 시료의 전기기계 결합 계수 kBGS는 약 20%정도로 매우 작음에도 불구하고, 비교예의 시료 A-3과 비교하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 시료 A-1 및 A-2에서는, 임피던스 비 Za/Zr이 약 45dB이상이며, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서 양호한 필터를 형성하는 것이 가능한 임피던스 비 Za/Zr을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 6에 나타낸 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 시료 A-1 및 A-2에서는, 비교예의 시료 A-3과 비교하여, BGS파의 에너지가 기판 표면 부근에 집중하고 있음을 알 수 있다. 이것은 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 기판의 두께 방향으로, 전기기계 결합 계수 k가 다른 압전 매체를 다층 구조로 또는 경사 구조로 배치시킴으로써, 표면 부근의 전기기계 결합 계수 k만을 낮게 하고, 이로부터 두께 방향으로는 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 매체를 배치함으로써, BGS파의 에너지를 표면 부근에 집중시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다. 따라서, 전기기계 결합 계수 k가 작은 탄성 표면파 소자라도, 파의 표면 집중도의 저하에 따른 압전 기판내에서의 파의 손실을 억제할 수 있으며, 이에 따라서 임피던스 비의 저하가 작은 탄성 표면파 소자를 구성할 수 있다.
다음으로, 표 2에 있어서 시료 C-1, C-2 및 C-3을 서로 비교한 경우, 모든 시료의 전기기계 결합 계수 kBGS는 45%이상으로 매우 큰데도 불구하고, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 시료 C-1 및 C-2에서는, 내습 시험 1000시간 후의 공진 주파수의 시프트를 비교예의 시료 C-3의 절반 이하로 저하시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 7의 시뮬레이션 결과로부터, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 시료 C-1 및 C-2에서는, 비교예의 시료 C-3과 비교하여, BGS파의 에너지의 과도한 표면 집중을 억제할 수 있음을 알 수 있다.
전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 기판을 사용한 경우, 내후성, 특히 내습성이 나빠지고, 내습 시험에 의한 주파수의 변화가 커진다고 하는 문제는, 상술한 바와 같이 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 기판에서는 BGS파의 에너지의 표면 집중도가 크고, 따라서 습도 및 기온에 의한 열화의 영향을 가장 받기 쉬운 표면 부근만을 파가 전파하는 것에 기인한다. 따라서, 상술한 바와 같이, 기판 표면 부근에서만 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 매체를 배치하고, 이로부터 두께 방향으로는 전기기계 결합 계수 k가 작은 압전 매체를 배치함으로써, BGS파의 에너지의 과도한 기판 표면 집중을 방지하여, 우수한 내습성을 가지며 전기기계 결합 계수 k가 큰 탄성 표면파 소자를 구성할 수 있다.
상기 실시예에 있어서는, 압전 기판은 열 확산에 의하여 형성되는 중간층을 포함하는 것이 바람직하며, 압전 기판은 기계적 또는 전기적 특성이 점차적인 방식으로 또는 단차 방식으로 다르도록 적어도 3개의 압전층이 적층된 구조를 가질 수가 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시 형태는, 조성 또는 전기적 및 기계적 특성이 다른 압전 매체를 포함하는 다층 구조 또는 경사 구조의 압전 기판을 포함하는 탄성 표면파 소자를 형성함으로써, 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도를 조정하는 기술을 제공하며, 탄성 표면파 소자의 특성을 개선하는 것이다. 따라서, 층사이에서 상호 확산이 거의 없는 다층 구조의 탄성 표면파 소자, 예를 들면 압전 세라믹 조성물의 저온 소결화에 의하여 상호 확산을 억제시킨 탄성 표면파 소자, 또는 CVD법 등의 박막 형성 방법에 의하여 형성된 탄성 표면파 소자에 있어서도, 층 두께와 층수를 변화시킴으로써 동일한 효과가 얻어질 수 있다는 것은 명백하다.
게다가, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 예에서는, BGS파가 사용되고 있다. 레일리파 등의 다른 탄성 표면파에 있어서도, 파의 표면 집중도는 탄성 표면파 소자의 전기적 또는 기계적 특성에 의하여 영향을 받기 때문에, 다른 탄성 표면파 에 있어서도 동일한 효과가 얻어지는 것을 기대할 수 있다.
게다가, 본 발명과 유사한 적층 구조를 갖는 탄성 표면파 소자가, 일본국 특허공개 평9-208399호 이외에, 특허공개 평9-312546호, 특허공개 평10-107581호, 특허공개 평10-135773호 등에 개시되어 있다. 특허공개 평9-208399호, 특허공개 평9-312546호, 특허공개 평10-107581호에서는, 단결정 기판이 사용되며, 이들 발명의 목적은 단결정의 결정성(격자 결함, 크랙)을 개선하는 효과를 노린 것이다. 이들의 구성 및 효과는 본 발명의 바람직한 실시 형태와는 전혀 다르다는 것이 명백하다.
또한 일본국 특허공개 평10-135773호에서는, 인터디지탈 트랜스듀서의 스트레스 마이그레이션 내성을 향상시킨 것이며, 그 구성도 비압전성 단결정을 포함하며 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파 소자와는 전혀 다르며, 효과도 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도의 제어와는 전혀 다르다는 것이 명백하다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 정신과 특허청구의 범위내에서 여러가지로 변경하여 실시할 수 있다.
본 발명에 의하면, BGS파를 여진시키는 탄성 표면파 소자에 있어서, 압전 기판이 압전 다결정체로 이루어지며, 게다가 인터디지탈 트랜스듀서가 형성되는 면에 대하여 수직인 방향으로, 전기적 특성 및 기계적 특성이 다르도록 예를 들면 경사지도록 2층 이상 적층된 탄성 표면파 소자를 구성하고, 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도를 제어함으로써, 파의 표면 집중도에 기인하는 문제, 즉 전기기계 결합 계수 k가 작은 압전 기판을 사용한 경우, 탄성 표면파의 에너지의 표면 집중도가 낮아지며 임피던스비가 저하된다고 하는 문제, 및 전기기계 결합 계수 k가 큰 압전 기판을 사용한 경우, 탄성 표면파의 에너지가 과도하게 표면 집중함으로써, 내습성이 악화된다고 하는 문제를 해결할 수가 있다. 게다가, 본 발명과 같이 상기의 다층 구조 및 경사 구조를 특히 세라믹으로 이루어지는 압전 기판을 사용하여 구성함으로써, 비교적 용이하고 저가로 소망하는 탄성 표면파 소자를 구성할 수 있다.

Claims (11)

  1. 압전 기판; 및
    상기 압전 기판상에 형성되는 인터디지탈 트랜스듀서를 포함하는 탄성 표면파 소자로서,
    상기 압전 기판은, 다결정 재료로 이루어지며 또한 상기 압전 기판의 표면에 대하여 실질적으로 수직인 방향으로 전기적 특성 및 기계적 특성이 다르도록 적층되는 적어도 2개의 압전 세라믹층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판은 전기적 특성 및 기계적 특성이 경사지도록 배치되는 압전 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판 및 상기 인터디지탈 트랜스듀서는 탄성 표면파로서 BGS파를 여진하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판은 조성이 다른 압전 세라믹 재료로 이루어지는 적어도 2장의 시트를 적층하여 소결함으로써 형성되는 적층 소결체를 포함하며, 상기 적어도 2개의 압전 세라믹층이 상기 적어도 2장의 시트에 상응하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 압전 기판은 상기 적어도 2장의 시트의 상호 확산에 의하여 형성되는 중간층에 상응하는 다른 압전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  6. 제 1항에 있어서, 전기기계 결합 계수 k가 상기 압전 기판의 두께 방향을 따라서 단차 방식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  7. 제 1항에 있어서, 전기기계 결합 계수 k가 상기 압전 기판의 두께 방향을 따라서 연속적으로 점차적인 방식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 2개의 압전 세라믹층은 서로 다른 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판은 3개의 압전 세라믹층을 포함하며, 그들 사이에 중간층이 없는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판은 3개의 압전 세라믹층 및 상기 3개의 압전 세라믹층 사이에 각각의 인터페이스가 형성된 2개의 중간층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 압전 기판 및 상기 인터디지탈 트랜스듀서는 BGS파를 여진하도록 배치되며, 상기 BGS파 에너지가 상기 인터디지탈 트랜스듀서가 배치되는 상기 기판의 표면 부근에 집중하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자.
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