KR20010013453A - 압전 공진기용 전극 에지파 패턴 - Google Patents

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KR20010013453A
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비버리 에이. 캐롤
웨이핑 쨩
김상
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제닌 엠. 데이비스
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Abstract

압전 공진기(10)는 전극(26)들 중 적어도 한 전극의 에지(30)의 일부를 따르는 주기 패턴(28)을 갖는 전극(14)들을 구비한다. 주기 패턴(28)은 바람직하지 않은 진단 모드와의 파괴적으로 간섭하는 주기성을 갖는다. 예를 들면, 두께-전단 모드에서 진동하는 정사각형 AT-컷 수정 공진기는 또한 바람직하지 않은 플렉서 및 전면-전단 모드도 가질 수 있다. 이러한 모드들은 바람직하지 않은 의사 주파수들을 나타낼 뿐만 아니라, 온도에 대해 변화를 일으켜서 수정 공진기의 주파수-온도 반응(16)을 방해한다. 주기 패턴(28)은 실질적으로 이러한 바람직하지 않은 모드들을 실질적으로 감소시켜서, 온도 보정된 수정 발진기 응용에서 유리하고 보다 일정한 주파수-온도 반응을 제공한다.

Description

압전 공진기용 전극 에지파 패턴{ELECTRODE EDGE WAVE PATTERNS FOR PIEZOELECTRIC RESONATOR}
압전 결정은 동작 시 이들이 안정된 공진 주파수 신호를 발생하기 때문에 무선 통신 장치에서의 주파수 제어 소자로서 수십년 동안 사용되었다. 특정 압전 결정의 공진 주파수는 동작의 진동 모드, 그 두께, 밀도, 및 물질의 탄성 계수에 의존한다. 이들 변수 각각은 온도의 변화에 따라 변한다. 따라서, 압전 결정의 공진 주파수는 온도에 따라 변하게 된다.
완전히 균일한 주파수-온도 곡선(즉, 관련된 특정 온도 범위에 걸쳐서 주파수 변동이 없는 것을 나타내는 곡선)을 제공하는 압전각 컷(piezoelectric angle cut)은 없다. 그러나, 온도 성능이 비교적 안정하도록 결정 블랭크(blank)를 열적으로 보상하는 몇몇 공지된 결정 컷이 있다. 이들은 다른 것들 중에서 AT, BT, GT 및 SC 컷을 포함한다. 이들 중에서, AT 컷이 널리 사용되는 것으로서, 당업자에게 바흐만(Bechmann) 곡선으로서 인식된 두께-전단(thickness-shear) 진동 모드에 대한 주파수-온도 곡선을 이상적으로 나타낸다. AT 컷은 또한 실질적으로 균일한 저항-온도 곡선을 이상적으로 나타낸다.
실제적으로, AT 컷 수정과 같은 압전 결정에서는, 예를 들어 결정의 주파수-온도 및/또는 저항-온도 성능에 장애를 일으키는 바람직하지 않은 진동 모드가 발생하게 된다. 이들 바람직하지 않은 진동 모드는 결정의 주파수-온도 및/또는 저항-온도 곡선에 장애 또는 "활동 저하(activity dips)"를 야기한다. 이는 결정이 온도를 변화시킴에 따라 주파수 및/또는 저항에서 급작스럽고 바람직하지 않은 시프트를 초래한다. 이런 문제는 AT 컷 수정 결정 중에서 약 2 ~ 7% 일어나며, 예를 들면 온도 보상 수정 발진기(TCXO) 어플리케이션에서 수정 결정의 온도 변동을 정규화하는 데 요구되는 온도 보상 방안 및 회로에 중대한 어려움을 일으킨다.
바람직하지 않은 진동 모드의 일례는 바람직한 두께-전단 진동 모드의 주파수 근처의 주파수를 갖는 전면-전단(face-shear) 및 플렉서(flexure) 모드이다. 이들 바람직하지 않은 모드는 바흐만 곡선보다 전형적으로 더욱 경사진 주파수-온도 및/또는 저항-온도 곡선을 나타낸다. 이들 곡선이 바흐만 곡선과 교차하는 곳에서 바흐만 반응에 장애를 일으키는 진동 커플링이 발생한다. 이들 장애 또는 활동 저하는 주파수-온도 및/또는 저항-온도 곡선을 왜곡시켜서, 전형적인 온도 보상 방안으로는 활동 저하에 의해 야기된 고차수 섭동(perturbation)을 보상할 수 없게 된다.
주파수-온도 및/또는 저항-온도 곡선에서 활동 저하가 감소되며, 저비용 고수율로서 용이하게 제조가능한 형태로 간단히 구현할 수 있는 압전 공진기가 요구된다.
본 발명은 일반적으로 압전 장치에 관한 것으로, 특히 온도 성능이 개선된 신호를 제공하기 위한 압전 공진기의 전극 패턴에 관한 것이다.
도 1은 종래의 압전 공진기를 도시한 상부 평면도.
도 2는 도 1의 압전 공진기에 반응하여 활동 저하를 나타낸 그래픽 표현.
도 3은 본 발명에 따른 압전 공진기의 제1 실시예를 도시한 상면도.
도 4는 본 발명에 따른 압전 공진기의 제2 실시예를 도시한 상면도.
도 5는 본 발명에 따른 압전 공진기의 제3 실시예를 도시한 상면도.
도 6은 본 발명에 따른 압전 공진기를 일체로 한 통신 장치를 도시한 도면.
본 발명은 바람직한 동작 주파수에 근사한 주파수를 갖는 바람직하지 않은 진동 모드와 파괴적으로 간섭하는 압전 공진기용 특수 전극 설계를 제공한다. 압전판 상에 배치된 전극은 바람직하지 않은 진동 모드를 지지하지 않는 주기성을 갖는 에지파 패턴을 갖는다.
도 1은 배치된 직사각형 전극(14)을 가진 압전 기판(12)을 포함하는 종래의 압전 공진기(10)의 상부 조망도를 도시한다. 전형적으로, 공진기(10)는 약 188mil(4.8mm)의 길이, 약 95mil(2.4mm)의 폭, 및 약 5mil(0.13mm) 두께의 크기를 갖는 AT-컷 스트립 수정 블랭크이고, 전극(14)은 약 95mil(2.4mm)의 길이, 및 약 65mil(1.65mm)의 폭의 크기를 갖는다. 저부 전극 (도시되지 않음)은 배치된 전극(14)과 같은 크기이며, 배치된 전극(14)에 의해 중첩된다.
결정학상 X 방향에서의 폭과 결정학상 Z 방향에서의 길이를 갖는 AT-컷 수정 예의 경우, 전극은 소정 주파수에서 진동의 두께-전단 모드를 구동하는데 사용된다. 주파수는 바흐만 곡선으로서 널리 공지된 실질적인 3차 주파수-온도 반응을 나타낸다. 공진기의 기본적인 두께-전단 주파수는 약 13.0MHz이다. 그러나, 전면-전단 모드 및 플렉서 모드와 같은 - 그러나, 이에 한정되는 것은 아닌 - 바람직하지 않은 진동 모드는 예를 들어 13.0MHz 근처에 존재한다. 근처 주파수 모드만이 온도에 대해 두께-전단 모드에 역 효과를 일으킬 것이므로 이들이 고려되는 모드이다.
상기 바람직하지 않은 모드는, 주파수-온도 반응에서 장애 또는 "활동 저하"를 일으키는 미리 결정된 온도 범위에 걸쳐, 소정의 두께-전단과 커플링된다. 이들 바람직하지 않은 모드가 생성될 특정 주파수 모델 타입에 따라서 공진기 수 중 약 2 ~ 7%에 영향을 미치는 것으로 관찰된다. 이는 안정된 성능을 요구하는 무선 통신 장치에서 주요한 문제이다.
일반적으로, 무선 통신 장치에 사용되는 공진기는, 미리 결정된 온도 범위, 전형적으로는 -30℃ 내지 85℃ 또는 그 이상에 걸쳐 ±5ppm 이하의 범위에서 주파수 안정성을 유지하도록, 온도 보상의 몇몇 유형을 요구한다. 또한, 공진기는 무선의 최소 전류 드레인 요건에 기인한 안정된 저항을 유지하도록 요구된다. 공진기의 저항이 임의의 레벨 이상으로 상승하면, 무선은 동작을 멈출 것이다.
크기, 비용 및 전류를 절감하기 위하여, 발진기 제조업자들은 온도 보상 공진기에 가장 간단한 가능 방안을 사용한다. 대다수의 이런 방안은 공진기의 바흐만 곡선을 보상하기 위하여 역 바흐만 (3차수) 함수를 회로에 제공하는 아날로그 유형, 또는 바흐만 곡선을 온도 세그먼트로 분할하고 각 세그먼트를 명목상 주파수로 정규화하는 디지탈 유형 중 어느 하나를 포함한다. 아날로그 유형은 고차수 (3차수 이상) 섭동이 바흐만 곡선에 존재하는 경우에 곤란을 당한다. 이 경우, 섭동은 임의의 방식으로 보상되지 않는다. 디지탈 유형은 큰 주파수 변동이 선택된 온도 세그먼트 내에 존재하는 경우 곤란을 당한다. 이 경우, 온도 세그먼트 내의 변동이 요구된 제한 (예를 들면, ±5ppm)보다 크면, 발진기는 사양을 충족시키지 않을 것이다.
종래의 보상 방안 중 하나는 무선 사양을 충족하도록 주파수 섭동을 충분히 수정하는 것이 가능하지만, 아날로그 또는 디지탈 방안 중 어느 것도 저항 섭동을 처리하지 못한다. 이는 저항 활동 저하가 무선 동작을 완전히 정지하게 할 수 있으므로 주요한 단점이 되며, 반면에 주파수 시프트는 감소된 수용능력에도 불구하고 무선이 동작할 수 있게 할 수 있다.
도 2는 주파수-온도 (바흐만) 곡선(16), 저항-온도 곡선(17), 및 활동 저하(18)에 의해 장애가 된 종래의 AT-컷 수정 공진기의 델타 편차 곡선(19)의 그래프를 도시한다. 델타 편차 곡선(19)은 이상적인 3차 바흐만 반응으로부터 주파수-온도 곡선의 편차를 설명한다. 이 변수는 3차항으로 제한된 온도 보상 알고리즘을 갖는 주문형(customer) 어플리케이션에 중요하다.
도시된 바와 같이, 활동 저하(18)는 저항-온도 곡선(17)에서 스파이크를 야기하여 공진기의 저항이 27℃에서의 33옴에서 89℃에서의 약 49옴까지 증가하게 된다. 무선 설계자가 이 저항을 보상할 수 있는 것은 아무 것도 없다. 따라서, 저항이 임의의 레벨 이상으로 가면, 공진기는 더 이상 사용될 수 없다. 활동 저하 없는 공진기에서, 저항은 전체 온도 범위에 걸쳐서 수 옴내로 안정하게 유지된다고 기대될 수 있다.
또한, 85℃ 근처에서 약 ±0.9ppm 만큼 이상적인 바흐만 반응으로부터 편차를 나타내는 델타 편차 곡선(19)에 나타난 바와 같이, 활동 저하(18)는 이상적인 바흐만 반응으로부터 공진기의 주파수-온도 성능에 장애를 일으킬 수 있다. 이 델타 편차를 보상할 수 없는 3차 온도 보상 알고리즘을 사용하는 ±5ppm 무선 어플리케이션의 경우, ±5ppm 사양을 충족시키도록 ±4.1ppm의 온도 보상 실제로 제공하는 것이 필요하다. 실제로, 이런 상황은 무선 설계자가 가능한 측정 에러를 조정하기 위해 그 사양들을 억지로 밀어 넣는(wedge) 경우 더욱 악화된다. 활동 저하의 존재는 무선 어플리케이션을 심각하게 구속하고, 직접적으로는 수율을 감소하게 된다. 활동 저하가 없는 공진기에 있어서, 델타 편차는 전체 온도 범위에 걸쳐서 약 ±0.2ppm 이하로 유지되도록 기대될 수 있다.
예를 들어, AT-컷 수정 결정과 같은 압전 블랭크에 있어서, 진동 모드는 두께-전단 진동이다. 이는 판 두께에 수직으로 이동하는 판의 주요 2면에 대하여 블랭크의 두께 방향으로 연장되는 파로서 가시화될 수 있다. 주요 면 중 하나는 판의 다른 주요 면으로부터 반대 수직 방향으로 이동한다. 바람직하지 않은 진동 모드 중에서, 전면 전단 모드는 블랭크의 길이 방향을 따라 연장된 블랭크의 폭-길이 면에서의 파로서 가시화될 수 있다. 플렉서 모드는 블랭크의 폭 방향을 따라 연장된 블랭크의 두께-폭 면에서의 파로서 가시화될 수 있다. 그러나, 플렉서 모드는 블랭크의 길이 방향에서 진동 성분을 가진다. 본 발명은 전면-전단 및 플렉서 모드를 완충(dampening)하는 것을 제공한다.
도 3은 상면(24) 및 하면을 갖는 압전판(22)을 구비한 압전 공진기(20)를 포함하는 본 발명의 제1 실시예를 도시한다. 판(22)은 도 1의 종래 공진기에서 사용된 것과 동일한 것이다. 제1 실시예에서, 상부 전극(26)은 판(22)의 상면(24) 상에 배치되고, 하부 전극 (도시되지 않음)은 판의 하면 상에 배치된다. 바람직하게는, 상부 전극(26) 및 하부 전극이 서로 대향해서 실질적으로 정렬되게 판 상의 중심에 위치한다. 그러나, 이들은 발명의 요건은 아니다. 전극은 판 에지로 실질적으로 연장될 수 있으며, 또는 서로 연관되게 또는 서로 무관하게 중심으로부터 벗어나 위치될 수 있다.
상부 및 하부 전극들 중 적어도 하나는 상부 및 하부 전극들 중 적어도 하나의 제1 에지(30)의 일부를 따라 제1 주기 패턴을 갖는다. 전극이 AC 신호에 의해 바이어스 또는 통전되면, 제1 주기 패턴(28)은 압전판(22)의 바람직하지 않은 진동 모드와의 파괴적인 간섭을 야기한다. 예를 들면, 두께-전단 모드와 같은 소정의 모드는 판의 폭의 중간에서 우선적으로 트랩핑(trapping)되기 때문에 영향을 받지 않는다. 바람직하지 않은 진동 모드는, 플렉서 모드 및 전면 전단 모드로 이루어지는 그룹 중 적어도 하나를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 파괴적인 간섭이 제공되어 플렉서 또는 전면-전단 모드의 파장과는 다른 파장의 주기 패턴(28)을 갖게 된다.
바람직하게는, 상부 및 하부 전극이 실질적으로 대향하며 실질적으로 동일한 주기 패턴을 갖는다. 주기 패턴(28)은 전극(26)의 길이 방향(32)을 따라 도시된다. 그러나, 주기 패턴(28)은 전극(26)의 폭 방향(38)을 따라 위치될 수 있으며, 또는 전극의 길이 및 폭 둘다의 일부 상에 위치될 수 있다. 또한, 본 발명에서 전극 에지파 패턴을 사용하는 원리가 직사각형으로부터 약간 벗어난 형상, 또는 실질적으로 비직사각형 (예를 들면, 원형, 타원형, 정사각형, 다각형, 하이브리드 또는 불규칙 형상) 면 및 전극인 형상으로 연장될 수 있다. 게다가, 주기 패턴은 전극 플레이팅(plating)의 에지 경계 내에서 보이드(void)의 에지 상에 나타날 수 있다. 그러나, 전극 플레이팅에 개구를 갖는 것은 소정의 동작 모드를 저하시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 압전판은 수정 결정판이고, 특히 AT-컷 수정 판이다. AT-컷 공진기는 AC 신호에 의해 통전되면 수정판 내 진동의 소정 두께-전단 모드를 구동한다.
주기 패턴은 정사각형, 삼각형, 톱니형, 교호 반원, 정현파형 등과 같은 임의의 파형을 취할 수 있다. 또한, 패턴은 다른 파장, 진폭 또는 파형의 조합을 포함할 수 있으며, 패턴이 벗는 갭을 포함할 수도 있다. 에너지 소비 고조파를 발생시키지 않으며 본래의 정현파 진동 모드에 가장 가깝게 부합될 수 있기 때문에 제1 주기 패턴은 정현파형이 바람직하다. 또한, 파 패턴 내의 파장의 감소 또는 증가가 파장 및 주파수의 특정 범위를 커버하는 데 사용될 수 있다는 것도 생각해 볼 수 있다. 특정한 소정의 반응 세트를 발생시키기 위하여 전극의 에지의 일부를 따라서 다른 파장의 여러 파형을 중첩하는 것도 또한 가능하다.
본 발명의 신규한 특성들 중 하나는 소정의 진동 모드의 주파수 근처의 주파수를 갖는 바람직하지 않은 진동 모드의 파장과는 다른 파장을 갖는 파 패턴을 사용한다는 데 있다. 바람직하지 않은 진동 모드들 중 하나와 동일한 파장을 갖는 파 패턴을 사용하여, 바람직하지 않은 모드를 긍정적으로 지지할 수 있다. 본 발명은 바람직하지 않은 진동 모드 근처의 파장과는 다른 파장을 갖는 파 패턴을 유리하게 사용하여, 소정 모드 (예를 들면, AT 컷 수정 공진기에서의 두께 전단 모드) 상의 충격을 감소시키는 이들 모드 (예를 들면, 전면 전단 또는 플렉서 모드)와 파괴적으로 간섭하게 된다.
바람직하게는, 제1 주기 패턴은 예를 들어 전면 전단 또는 플렉서 모드와 같은 바람직하지 않은 진동 모드의 그룹의 파장들 사이에 있는 제1 파장이다. 제1 주기 패턴의 파장은 그 근처의 바람직하지 않은 진동 모드의 모든 파장의 평균이 될 수 있고, 또는 근처의 바람직하지 않은 진동 모드 모두의 가중된 평균이 될 수 있으며, 또는 가장 실용적으로는 가장 우세한 근처의 바람직하지 않은 진동 모드, 특히 공진기의 주파수-온도 또는 저항-온도 반응에 장애를 일으키는 모드의 가중된 평균이 될 수 있다.
비록 제1 주기 패턴의 파장이 다른 진동 모드의 파장과 매칭될 수 있어서 유지될 수 있다 할지라도, 이들 진동 모드의 주파수는 소정의 주파수-온도 또는 저항-온도 반응에 커플링되어 역으로 장애를 일으키기 위해, 소정의 진동 모드 (예를 들면, 두께-전단)의 주파수에 가깝게 되지 않는다.
도 4는 판(22)의 길이 방향(32)에서의 제1 에지(30)에 실질적으로 따르는 제1 주기 패턴(28), 및 판(22)의 길이 방향(32)에서의 대향하는 제2 에지(36)에 실질적으로 따르는 제2 주기 패턴(34)을 갖고 일반적으로 직사각형인 하나의 전극을 적어도 하나 포함하는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 바람직하게는, 제1 주기 패턴(28)은 판(22)의 길이 방향(32)에 따르는 제2 주기 패턴(34)으로부터 약 1/4 파장 오프셋된다. 1/4 파장 오프셋은 제1 주기 패턴의 파장 근처의 파장을 갖는 바람직하지 않은 임의의 오프 주파수 모드 (예를 들면, 전면-전단 및 플렉서)를 중지시키는 역할을 한다. 이러한 모드들은, 이들 모드가 소정 모드 및 주파수 (예를 들어, 두께-전단)로부터 벗어나며 바흐만 곡선에 영향을 미치지 않는다 할지라도, 잠재적인 주문형 어플리케이션에 역 효과를 미칠 수 있는 의사 주파수 모드의 원인이 된다.
선택적으로, 제1 및 제2 주기 패턴은 다른 바람직하지 않은 진동 모드를 처리하기 위해 다른 파장을 가질 수 있다. 더욱이, 제1 및 제2 주기 패턴은 바람직하지 않은 모드를 감쇠시키는 데 필요한 다른 진폭을 가질 수 있다.
보다 바람직한 실시예에서는, 상부 및 하부 전극이 각각 제1 및 제2 주기 패턴과 대응하여 정렬된다. 보다 특히, 전극 패턴은 동일하며 정렬된다.
도 5는, 참고로서 포함된 도 4의 모든 제한을 포함한 본 발명의 제3 실시예를 도시한다. 제3 실시예에서, 적어도 하나의 전극(26)은 판(22)의 폭 방향(38)으로 제3 에지(42)의 일부를 따르는 제3 주기 패턴, 판(22)의 폭 방향(38)으로 대향하는 제4 에지(46)의 일부에 따르는 제4 주기 패턴(44)을 포함한다. 이는 특정 바람직하지 않은 진동 모드가 판(22)의 폭 방향(38)에서의 우세한 효과를 가지는 경우에 유용하다. 이들 경우는, 제1 및 제2 주기 패턴들(28, 34)에 의해 처리되는 판(22)의 길이 방향(32)에서 우세한 효과를 갖는 바람직하지 않은 진동 모드와 무관하게, 제3 및 제4 주기 패턴들(40, 44)에 의해서 처리될 수 있다.
특히, 이 실시예는 제1 주기성을 갖는 제1 및 제2 주기 패턴, 및 제2 주기성을 갖는 제3 및 제4 주기 패턴을 포함하여, 전극이 AC 신호에 의해 통전되면 제1 및 제2 주기 패턴은 제1 바람직하지 않은 진동 모드와의 파괴적인 간섭을 야기하며, 제3 및 제4 주기 패턴은 제2 바람직하지 않은 진동 모드와의 파괴적인 간섭을 야기한다. 더욱이, 제1 및 제2 주기 패턴 또는 제3 및 제4 주기 패턴 중 적어도 하나는 상술한 이유로 1/4 파장 만큼 오프셋될 수 있다.
예를 들면, X 방향의 폭 및 Z 방향의 길이, 또는 Z 방향의 폭 및 X 방향의 길이를 갖는 직사각형 AT-컷 수정 공진기에서, 제1 및/또는 제2 주기성은 소정의 두께 전단 진동 모드 근처에 있는 바람직하지 않은 전면 전단 진동 모드의 주기성으로부터 벗어난 파장에서 선택된다. 반면에, 제2 주기성도 또한 소정의 두께 전단 진동 모드 근처에 있는 바람직하지 않은 플렉서 진동 모드의 주기성으로부터 벗어난 파장에서 선택된다.
다른 실시예에 있어서, 주기 패턴은 판의 대응 길이 또는 폭 방향으로 바람직하지 않은 진동 모드들을 처리하기 위해, 다른 주기성들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 이는 상부 및 하부 전극들의 대응하는 에지들 간의 파장 차이를 포함할 수 있다. 더욱이, 주기 패턴은 정사각형, 삼각형, 톱니형, 교호 반원형, 정현파형 등과 같은 임의의 파형을 취할 수 있다. 주기 패턴은 정현파형이 바람직한데, 이는 에너지 소비적인 고조파를 발생시키지 않으면서 본래의 정현파형 진동 모드와 가장 근접하게 부합하기 때문이다. 또한, 이 패턴은 특정 범위에 있는 파장 및 주파수를 커퍼하는 데 사용될 수 있는 파 패턴 내에서 증가 또는 감소하는 파장을 가질 수 있다. 또한, 반응들의 특정한 소정의 셋트를 생성하기 위해, 주기 패턴 중 임의의 일부를 따르는 다른 파장들의 여러 파형을 중첩할 수 있다.
게다가, 이 주기 패턴은 다른 크기의 임의의 진동 모드들을 처리하도록 다른 진폭의 임의의 조합을 가질 수 있다. 이는 상부 및 하부 전극들의 대응하는 에지들 사이에서 파 패턴의 진폭 차를 포함할 수 있다. 또한, 이 패턴은 특정 범위의 크기를 커버하도록 파 패턴 내에서 증가 또는 감소하는 진폭을 가질 수 있다.
도 6은 기준 발진기(300)로서 온도 보상 수정 발진기(TCXO)를 포함하는 통신 장치(200)의 블럭도를 도시한다. TCXO 회로는 본 발명에 따른 수정 공진기를 이용한다. 일 실시예에 있어서, 통신 장치(200)는 제어기(210)의 제어 하에서 동작하는 공지된 주파수 합성 2방향 송신기이다. 이 통신 장치(200)는 안테나(240)를 통해 RF를 수신하고 송신하는 수신기(220) 및 송신기(230)를 포함한다. 안테나(240)는 2배기(duplexer) 또는 안테나 스위치(250)에 의해 수신기(220)와 송신기(230) 사이에 적절하게 접속된다. 또한, 통신 장치(200)는, 제어기(210)의 제어 하에서 수신기 국부 발진기 신호(262) 및 송신기 국부 발진기 신호(264)를 제공하는 공지된 위상 고정 루프 합성기(260)를 포함한다. 기준 발진기(300)는 본 발명의 수정 공진기를 포함하고, 합성기(260)용 기준 신호(272)를 제공한다. 기준 신호(272)는 본 발명의 원리를 이용하여 생성된다.
비교예
다음 실험 결과는 본 발명의 실시에 대한 예시로서 제공하는 것으로, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 방법으로서 의도한 것이 아니다.
여러 가지 실험들이 수행되어, 본 발명의 원리를 이용한 AT-컷 직사각형 수정 공진기의 그룹의 주파수-온도 반응을 경험에 입각하여 결정한 것이다. 공진기들의 그룹은 AT-컷 스트립 수정 블랭크 상에 길이가 약 188mil(4.8mm), 폭이 약 95mil(2.4mm), 두께가 약 5mil(0.13mm)의 크기로 구성하였다. 이 블랭크는, 전부 본 기술 분야에서 공지된 공정을 이용하여 표준면 장착 패키지의 도전 에폭시(epoxy)를 전극으로 하여 장착한 다음, 온도에 대해 공진기를 검사한다. 이 전극들은 길이가 약 95mil(2.4mm), 평균 폭이 약 65mil(1.65mm)인 크기를 갖는다. 공진기들은 약 13MHz의 주파수를 갖는다.
본 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 압전체는, 각 개별적인 에지에서 1/4 파장이고 그 후에는 모두 1/2 파장인 노드로, 1/2 파장의 정수를 갖는 에지를 따르는 진동 모드들을 유지할 것이다. 예를 들어, 소정의 두께-전단 진동의 파장은:
λTS= 2t/n (n = 1, 3, 5, ...)
여기서, t는 (1/2 파장에서) 블랭크의 두께이고, n은 동작의 상음(overtone) 모드임. AT-컷 수정에 있어서, 이러한 관계는 또한 수정의 음파 속도로서 정의될 수 있다. 수정의 두께-전단파의 음파 속도는 약 3300m/sec인 것으로 공지되어 있다. 그러므로, 소정의 두께-전단 진동의 파장은:
λTS= (3300m/sec)/nf (n = 1, 3, 5, ...)
여기서, f는 블랭크의 기본 주파수이고, n은 동작의 상음 모드임. 그러므로, 예를 들어 13MHz의 AT-컷 수정 블랭크의 경우, 약 0.254mm의 두께-전단 파장, 또는 약 0.127mm의 블랭크 두께 (1/2 파장)가 확인되었다. 그러나, 수정이 이방성이므로, 수정의 음파 속도는 다른 방향에서는 다르게 된다. 다행스럽게도, 우리는 소정의 주파수 모드에 근사한 바람직하지 않은 주파수 모드에만 주목하면 된다. 그러므로, 바람직하지 않은 모드의 주파수는 거의 알고 있는 것이다.
주파수에 있어서 두께-전단 모드에 근사한 전면-전단 및 플렉서 모드의 파장은 이들의 연관된 음파 속도로 정의된다. 전면-전단 모드의 음파 속도는 약 4808m/sec이고, 플렉서 모드의 음파 속도는 약 2702m/sec로 계산된다. 본 발명은 이들 주파수를 회피하도록 제공되므로, 이들 모드에 대한 정확한 관계를 얻을 필요성은 없고, 임의의 모드들의 정확한 주파수는 블랭크의 길이 또는 폭에 의해 유지되는 가장 가까운 1/2 파장으로 반올림될 것이다. 그러므로, 소정의 두께-전단 모드와 동일한 주파수에서의 전면-전단 모드의 파장은 두께-전단 모드의 약 145% (4808/3300)가 될 것이고, 소정의 두께-전단 모드와 동일한 주파수에서의 플렉서 모드의 파장은 두께-전단 파장의 약 82% (2702/3300) 즉,
λFS= 1.45λTS, 및
λF= 0.82λTS
일 것이다.
예를 들어, AT-컷 수정 블랭크에 있어서, 상기 크기는:
λTS= 0.254mm
λFS= 0.370mm
λF= 0.208mm
이다. 그러나, 이 블랭크는 1/2 파장의 정수배를 유지할 뿐이다. 이 블랭크의 길이를 4.8mm 따른 전면-전단 모드의 경우:
4.8mm/λFS= 12.97파장
이다. 그러므로, 이 블랭크의 길이는 13 또는 12.5 파장을 갖는 전면-전단 주파수를 유지하는 것이 가장 좋은 경향이 있는데, 이는 온도에 대해 다른 비율로 2개의 주파수 시프트로서 활동 저하를 유발하기 위한 소정의 두께-전단 주파수에 충분하게 근접한다. 블랭크의 길이 4.8mm를 따라 정확한 13파장 전면-전단 모드의 주파수는 약
(4808m/sec)/(4.8mm/13) = 13.022MHz
이다. 공간의 폭 2.4mm를 따르는 플렉서 모드의 경우,
2.4mm/λF= 11.54파장
이다. 그러므로, 블랭크의 폭은 11.5 또는 12파장인 플렉서 주파수를 유지하는 것이 가장 좋은 경향이 있는데, 이는 온도에 대해 다른 비율로 2개의 주파수 시프트로서 활동 저하를 유발하기 위한 소정의 두께-전단 주파수에 충분히 근사하다. 블랭크의 폭 2.4mm를 따르는 정확히 11.5 파장 플렉서 모드의 주파수는 약
(2702m/sec)/(2.4mm/11.5) = 12.947MHz
이다. 그러나, 플렉서 모드는 또한 블랭크의 길이 방향의 제2 진동 성분을 갖는다. 이 플렉서 길이 모드는:
λFL= l/k (k = 1, 2, 3, 4, ...)
로서 나타낼 수 있다. 여기서 l은 블랭크의 길이이고, k는 플렉서-길이 성분의 고조파 상음임. 플렉서-길이 성분은 두께-전단 모드의 온도 성능에 관계되는 중요한 요소로, 성능을 저해하는 성분이며, 특히 전면-전단 모드보다 훨씬 큰 파장을 가진 플렉서-길이 성분의 제2 및 제3 고조파임이 확인된다.
k = 2인 경우, 플렉서-길이 성분의 파장은 4.8mm/2 = 2.4mm이고, l = 3인 경우, 플렉서-길이 성분의 파장은 4.8mm/3 = 1.6mm이다. 이는 폭 방향으로 연장되는 플렉서 모드에 부가되는 것이다. 전극 에지파 패턴은 폭 방향으로 연장되는 플렉서 파장을 중단시키고, 플렉서-길이 성분의 제2 및 제3 고조파와 파괴적으로 간섭하는 역할을 한다는 것이 확인된다.
전면-전단 및 플렉서 모드의 파장, 또는 그 국부 고조파 또는 하위 고조파 모드 중 어느 하나와 동일하지 않은 전극의 에지파 주기 패턴의 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 이는 상기의 임의의 모드와의 긍정적 간섭을 방지하고, 파괴적인 간섭을 제공하여 상기 임의의 모드를 감소시킨다.
전면-전단 모드 및 플렉서 모드의 경우, 바람직하지 않은 하위 고조파 모드 파장은:
λFS= 0.37mm, 0.74mm, 1.11mm, ...
λF= 0.21mm, 0.42mm, 0.84mm, ...
이고, 플렉서-길이 성분의 경우 바람직하지 않은 제2 및 제3 고조파 모드 파장은:
λFS= 2.4mm, 1.2mm, 0.8mm, 0.6mm, ... 및
λFL= 1.6mm, 0.8mm, 0.53mm, 0.4mm, ...
이다. 실제적인 이유로서, 두 가지 임의의 모드와 파괴적인 간섭을 하여 유용하게 될 전극의 에지를 따라 용이하게 패터닝된 파장의 수를 충분하게 제공하기 위해, 전극의 에지파 패턴의 파동은 임의의 파장의 최대값(2.4mm) 및 최소값(0.26mm) 사이에서 선택되었다. 파괴적인 간섭을 제공하기 위해, 에지파 패턴의 파장은 바람직하지 않은 모드의 상위 고조파들 중 어떤 것으로부터도 떨어져 있도록 선택되었다. 고조파 모드의 상기 모음은 0.37mm 내지 0.6mm로부터 5가지 모드로 집중시킨 것과 0.74mm 내지 0.84mm로부터 4가지 모드로 집중시킨 것을 나타낸다. 전극 에지파 패턴에 대한 파장은 이러한 2가지 집중된 모드 중에서 선택되는데, 약 0.69mm (전극의 에지에 따른 3-1/2 파장)가 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 전극은 각 전극의 각 중첩된 길이 에지를 따라 0.69mm의 동일한 파장 에지파 패턴으로, 1/4 파장만큼 대향하는 에지에 대한 파 패턴으로부터 오프셋된 한 에지를 따르는 파 패턴으로 구성된다. 이러한 구성에서는, 상부 및 하부 전극이 동일하게 구성된다. 또한, 에지파 패턴의 증폭은 0.09mm로 선택되거나, 에지파 파장의 1/4로 선택된다.
상기 파 에지 패턴을 갖는 약 40개의 공진기를 구성하여, 도 1에 대하여 상술한 크기의 직선 에지의 직사각형 전극을 갖는 제어 그룹과 비교하였다. 공진기는 일정 주파수에서 5℃ 간격으로 -35℃ 내지 105℃의 범위로 온도가 검사하였다. 공진기는 3가지 변수 즉, 최대 저항, 최대 델타 편차 (주파수-온도 반응이 이상 3차 바흐만 곡선에서 변화하는 최대값), 및 평균 델타 편차 (각 온도 간격에서 이상 3차 바흐만 곡선으로부터의 주파수-온도 반응 평균의 편차)에 대해 측정되었다.
표 1은 실험 및 제어 그룹 간의 결과의 비교를 나타낸다.
알 수 있듯이, 실험 그룹은 보다 조밀한 분포값 (즉, 최대값과 최소값 간의 범위)을 보인다. 또한, 모든 실험 분류에서 실험 그룹의 가장 높은 수는 제어 그룹의 가장 높은 수보다 낮다. 유리하게도, 이는 불량 제품을 보다 적게 한다.
또한, 파 패턴의 진폭이 용인할 수 있는 결과에서 약 ±50% 변화시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이보다 크거나 작은 진폭은 본 발명의 효과를 저하시킨다.
이러한 결과는 13MHz에서 AT-컷 수정으로 얻을 수 있지만, 이러한 방법은 다른 주파수에서 또는 바람직한 진동 모드에 근사한 바람직하지 않은 진동 모드를 갖는 여러 가지 다른 압전 장치들을 가지고 성공적으로 사용될 수 있다는 것이 생각될 수 있다. 게다가, 본 발명은, 온도를 고려한다 할지라도 소정의 모드에 가까운 의사 주파수 모드를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 특히 패턴과 같은 것을 제공하기 위한 기술이 실제로 응용되는 경우, 본 발명은 압전판 그 자체의 에지 또는 표면의 일부에 직접적으로 파괴적인 간섭을 하는 파 패턴을 가하도록 발전될 수 있다는 것이 의도되었다.
본 발명에서는, 공지된 장치 및 기법을 이용하여 수정 AT-컷 공진기의 주파수-온도 성능을 현저하게 향상할 수 있다. 또한, 본 발명은 유리하게도 공지된 공진기보다 개선된 저항-온도 공진기를 제공한다. 요약하면, 본 발명은 일정한 저항으로 광범위한 온도 범위에 걸쳐 양호한 주파수 안정성을 나타내는 압전 공진기를 제공하여, 본 발명을 일체화한 무선 통신 장치의 성능을 향상시킨다.
본 발명의 여러 가지 실시예를 보이고 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자에 의하면 본 발명의 신규하고 주요한 사상을 벗어나지 않으면서 상기 실시예들의 재구성 및 조합과 같은 다양한 변경 및 대체가 가능하다는 것을 알아야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 압전 공진기에 있어서,
    상면 및 하면을 갖는 압전판;
    상기 판의 상기 상면 상에 배치된 상부 전극; 및
    상기 판의 상기 하면 상에 배치된 하부 전극
    을 포함하되,
    상기 상부 및 하부 전극 중 적어도 한 전극이 상기 적어도 한 전극의 제1 에지의 일부를 따라 제1 패턴을 가져 AC 신호에 의해 통전되면 상기 전극의 상기 제1 주기 패턴이 상기 압전판의 바람직하지 않은 진동 모드와 파괴적인 간섭을 유발시키는 압전 공진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전판은 AT-컷 수정판이고, 상기 전극들은 AC 신호에 의해 통전되면 상기 수정판 내부에서 소정의 두께-전단 진동 모드를 발생시키는 압전 공진기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 전극들은 실질적으로 대향하고, 실질적으로 동일한 주기 패턴을 갖는 압전 공진기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 패턴은 주기적 정현파형인 압전 공진기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 주기 패턴은 바람직하지 않은 진동 모드들과 그 국부 고조파 또는 하위 고조파 주파수들의 주기성 간의 제1 주기성을 갖는 압전 공진기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바람직하지 않은 진동 모드는 플렉서 모드 및 전면-전단 모드로 구성되는 그룹 중 적어도 하나인 압전 공진기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 전극은, 상기 판의 길이 방향으로 상기 제1 에지의 일부를 따르는 상기 제1 패턴, 및 상기 판의 길이 방향으로 대향하는 제2 에지의 일부를 따르는 제2 패턴을 가져 전체적으로 정사각형인 압전 공진기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 패턴은 실질적으로 주기적이며, 상기 제1 주기 패턴은 상기 판의 길이 방향을 따라 상기 제2 주기 패턴으로부터 약 1/4 파장만큼 오프셋된 압전 공진기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 한 전극은, 상기 판의 폭 방향으로 제3 에지의 일부를 따르는 제3 주기 패턴, 및 상기 판의 폭 방향으로 대향하는 제4 에지의 일부를 따르는 제4 주기 패턴을 포함하는 압전 공진기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주기 패턴은 제1 주기성을 갖고, 제3 및 제4 주기 패턴은 제2 주기성을 가져, 상기 전극들이 AC 신호에 의해 통전되면, 상기 제1 및 제2 주기 패턴은 제1 바람직하지 않은 진단 모드와의 파괴적인 간섭을 유발하고, 상기 제3 및 제4 주기 패턴은 제2 바람직하지 않은 진단 모드와의 파괴적인 간섭을 유발하며, 상기 바람직하지 않은 진동 모드들은 전면-전단 진동 모드 및 플렉서 진동 모드로 구성되는 압전 공진기.
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