KR20010017855A - 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터에 관한 것으로, 종래 전기 신호처리용 필터의 경우 압전 후막을 사용함에 따라 삽입 손실이 증가하고 주변회로와의 일체화가 어려운 문제점을 해결하기 위하여, 필터의 구조체를 압전박막을 이용하여 구성하고, 압전박막 상하부의 전극에 서로 반대의 극성을 갖는 전압을 인가하여 대칭형의 플레이트파(plate wave)가 발생되도록 하므로써, 신호 처리 속도를 향상시키고 삽입 손실을 줄이며, 주변회로와의 일체화를 용이하게 할 수 있는 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터가 개시된다.
Description
본 발명은 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터에 관한 것이다.
진동의 고유주파수를 이용한 신호처리용 필터 구조에 있어서, 기존의 필터는 표면파(Surface Acoustic Wave; SAW)를 주로 이용하고 있다. 그러나 표면파를 이용하는 필터 구조는 기판쪽으로 음향 에너지가 유실되어 삽입 손실이 매우 커지게 된다. 또한 음향파 생성에 있어서 반도체 공정으로 제작되는 압전(piezoelectric) 박막이 아닌 소결과정으로 제작되는 압전 재료를 이용하기 때문에 무선통신의 송수신 신호를 처리하기 위한 주변회로와의 일체화(integration)가 어려워 부품의 소형화에 문제가 있다는 단점이 있다.
도 1a 및 1b는 표면파를 사용하는 종래의 전기 신호처리용 필터의 평면도 및 단면도이다.
도 1a는 종래의 전기 신호처리용 필터(10)의 평면도로서, 서로 마주보고 있는 빗살전극(11)이 압전 후막(12) 위에 놓여 있는 구조를 보이고 있다. 왼쪽의 제 1 및 제 2 입력전극 패드(13a, 13b)에 접기 신호가 입력되면 압전 후막(12) 표면에 전기장(electric field)이 가해지며, 이에 따라 2개 빗살전극(11) 사이를 한 파장(λ: wavelength)으로 하는 표면파가 발생하게 된다. 이 표면파는 오른쪽의 제 1 및 제 2 출력전극 패드(15a, 15b)에 해당 파장의 주파수만이 검출되어 최종적으로 필터 특성을 갖게 된다. 도 1b는 종래 전기 신호처리용 필터(10)의 수직 단면도를 보여주고 있다.
이와 같은 필터 분야에 있어서 특허로서 공개된 기존 기술의 현황을 먼저 분석해 본다.
미국 쏘텍(Sawtek)사의 특허(미국 5,818,310)에서는 수직단면 구조에 있어서는 기존 기술과 유사하나 전극의 배열에 있어서 표면파의 한 파장 길이에 대하여 3개의 전극을 배열하고 있다. 이와 같은 전극 구조는 광대역화 특성을 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 주변회로와의 일체화는 어렵다는 단점이 있다.
일본 무라타(Murata)의 특허(미국 5,625,329)도 수직 단면 구조에 있어서는 기존 기술과 유사하나 표면파가 진행하는 방향의 전후방에 Zn0로 만들어진 반사기(reflector)를 배열한 것을 특징으로 하고 있다. 이 특허의 장점은 반사기의 추가적인 배열을 통하여 삽입 손실을 줄이는 동시에 대역 특성을 개선하고자 하는데 있으나, 마찬가지로 주변 회로와의 일체화는 어렵다는 단점이 있다.
한편, 미국 캘리포니아 대학의 특허(미국 5,537,083)에서는 마이크로 진동 구조체를 다결정 실리콘으로 제작한 후, 이 구조를 병렬로 연결하므로써 전기신호의 필터 특성을 얻을 수 있다. 이 방법은 반도체 공정을 기반으로 하기 때문에 주변회로와의 일체화는 가능하나, 주파수 대역이 MHz 이하이므로 무선통신용으로서 사용 가능성이 작다는 단점이 있다.
이번에는 논문에 발표된 기술 현황을 분석한다. Hitachi(IEEE, MTT-S digest TU3C, pp.173∼176, 1997)에서는 세라믹 다층 기판위에 있는 LiNbO3에 표면파가 발생되는 필터를 발표하였다. 논문의 주요 내용은 제작 공정을 개선하고 표면파의 속도를 높이므로써 보다 높은 주파수의 필터 특성을 얻었다는 것이다.
Nuechatel대(J. MEMS, vol. 6, no. 4, pp.337∼346, Dec 1997)에서는 박막에서 발생하는 비대칭형의 플레이트파(plate wave)를 이용하여 미소입자를 이동하거나 또는 미소 입자의 검출 특성을 발표하였다. 주요 내용은 압전 박막으로서 Zn0나 AIN 대신 PZT 박막을 이용하여 성능을 개선하였다는 것이며, 좋은 검출 특성을 얻기 위하여 파동의 전달 속도가 낮은 비대칭형 플레이트파를 이용하였다.
다른 예로서는 코넬대(J. Micromech. Microeng, vol. 8, pp. 15∼23, Dec 1998)에서 발표한 것으로, 정전 액튜에이터 4개의 강성을 조절하여 진동체의 공진주파수를 변화시키므로써 가변형 필터를 제작하였다. 중심 주파수를 기준으로 -7.7%에서 146%까지 변화되는 가변형 필터의 실용화 가능성을 보였으나, 적용되는 주파수가 MHz 이하라는 한계를 가지고 있다.
이와 같이 종래의 필터 기술에 이용된 도 1의 필터 구조는 압전 후막을 이용하기 때문에 표면파가 발생하게 되어 압전 후막의 하부로 음향 손실이 발생하게 된다. 또한, 도 2a 및 2b는 플래이트파의 종류를 설명하기 위한 도면인데, 플레이트파 중에서 도 2a와 같은 비대칭형 파의 경우는 일반적으로 전파 속도가 낮아 MHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 사용되고 있다. 이에 따라 무선통신 부품의 소형화를 위한 부품의 일체화가 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 무선통신에서 필요한 고주파 대역에서의 신호 처리가 가능한 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터는 입력되는 전기 신호를 변환하여 압력파를 발생시키는 압전 박막과, 상기 압전 박막 상부에 형성된 상부 신호전극 패드 및 상부 접지전극 패드와 각각 연결된 상부 신호전극 및 상부 접지전극과, 상기 압전 박막 하부에 형성된 하부 신호전극 패드 및 하부 전지전극 패드와 각각 연결된 하부 신호전극 및 하부 접지전극과, 상기 압전 박막을 지지하고 있는 지지대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 1b는 종래의 전기 신호처리용 필터의 평면도 및 단면도.
도 2a 및 2b는 플래이트파의 종류를 설명하기 위한 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터의 평면도 및 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터에 적용되는 플래이트파를 설명하기 위한 도면.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터에 적용되는 기판 구조를 설명하기 위한 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
10: 필터 11: 빗살 전극
12: 압전 후막 13: 입력전극 패드
13a: 제1 입력 전극 패드 13b: 제2 입력 전극 패드
15a: 제1 출력 전극 패드 15b: 제2 출력 전극 패드
31 : 압전 박막 32 : 상부 신호전극
33 : 상부 접지전극 34 : 하부 신호전극
35 : 하부 접지전극 321 : 상부 신호전극 패드
331 : 상부 접지전극 패드 341 : 하부 신호전극 패드
351 : 하부 접지전극 패드 38 : 지지대
41: 압전 박막의 팽창상태 42: 압전 박막의 수축상태
51a: 상부 압전 박막 51b: 하부 압전 박막
52: 실리콘 질화막 52a: 상부 실리콘 질화막
52b: 하부 실리콘 질화막 53: 폴리 실리콘막
54: 상부전극 55: 하부전극
본 발명에서는 기존의 압전 후막 대신 압전 박막을 사용하므로써 플레이트파가 발생하도록 하였다. 도 2a 및 2b는 플래이트파의 종류를 설명하기 위한 도면이다. 플레이트파 중에서 도 2a와 같은 비대칭형파의 경우는 일반적으로 전파 속도가 낮아 MHz 이하의 주파수 대역에서 사용되고 있다. 그러나 도 2b와 같은 상하 대칭형의 파동은 전파속도가 높아 수십 내지 수백 MHz의 주파수 대역에서 사용이 가능한 특징이 있다. 본 발명에서는 이와 같은 대칭형 플레이트파를 이용하여 무선통신에서 특히 요구되는 수십 내지 수백 MHz의 주파수 대역에서 신호 처리가 가능한 필터를 제시하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터의 평면도 및 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터(30)의 평면도로서, 입력되는 전기 신호를 변환하여 압력파를 발생시키는 압전 박막(31) 상에 상부 신호전극(32)과 상부 접지전극(33)이 놓여 있는 구조를 보인다. 상부 신호전극(32)과 상부 접지전극(33)은 상부 신호전극 패드(321)와 상부 전지전극 패드(331)에 각각 연결되어 있다.
도 3b는 전기 신호처리용 필터(30)의 단면도로서, 압전 박막(31)의 아래쪽에도 같은 구조의 하부 신호전극(34)과 하부 접지전극(35)이 하부 신호전극 패드(341)와 하부 접지전극 패드(351)에 각각 연결되어 있다. 필터(30)의 구조체 전체는 지지대(38) 상에 형성된다.
도 4는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터에 적용되는 플래이트파를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 적용되는 플레이트파는 도 2b에 도시한 것과 같이 대칭형이다. 이와 같은 대칭형 플레이트파를 발생시키기 위하여 압전 박막(31)의 상부 신호전극 패드(321) 및 하부 신호전극 패드(341), 상부 접지전극 패드(331) 및 하부 접지전극 패드(351)에 각각 소정의 전압을 인가해야 한다. 인가되는 전압에 따라 발생하는 전기장의 방향에 따라 압전박막(31)은 팽창 상태(41) 또는 수축 상태(42)를 거치게 되며, 도 4에 도시된 것과 같은 전압 인가 상태에서는 대칭형 플레이트파가 발생하게 된다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 전기 신호처리용 필터에 적용되는 기판 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 하부 및 상부의 2중 구조 압전박막(51a, 51b) 사이에 실리콘 질화막(52)을 삽입한 구조를 나타내고, 도 5b는 하부 및 상부의 2중 구조 압전박막(51a, 51b) 사이에 하부 실리콘 질화막(52b), 폴리실리콘막(53) 및 상부 실리콘 질화막(52a)을 삽입한 구조를 나타낸다. 이와 같은 압전 박막의 상하부에는 상부전극(54) 및 하부전극(55)이 대칭형으로 형성되어 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 압전 박막의 상하부에 입력 및 출력 전극을 나누어 형성하고 상부 및 하부전극에 전압을 반대로 인가하므로써 형성되는 대칭형의 플레이트파를 이용하기 때문에 플레이트파의 전파속도가 높아 수십 내지 수백 MHz의 대역의 필터에 적합하며, 압전박막의 상하부는 음향 임피던스(acoustic impedence)의 차이가 매우 작은 공기층과 접촉하고 있으므로 공기층으로의 음향 손실은 거의 무시할 수 있다. 또한, 필터의 상부 및 하부 사이의 절연막의 절연 특성이 매우 우수하고, 제작 공정이 반도체 공정을 기반으로 한 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하므로, 주변회로와의 일체화에 있어서도 매우 유리하다. 이에 따라 전기신호 처리용 필터의 삽입 손실을 줄일 수 있고 부품 일체화 등의 성능을 개선할 수 있다.
Claims (4)
- 입력되는 전기 신호를 변환하여 압력파를 발생시키는 압전 박막과,상기 압전 박막 상부에 형성된 상부 신호전극 패드 및 상부 접지전극 패드와 각각 연결된 상부 신호전극 및 상부 접지전극과,상기 압전 박막 하부에 형성된 하부 신호전극 패드 및 하부 전지전극 패드와 각각 연결된 하부 신호전극 및 하부 접지전극과,상기 압전 박막을 지지하고 있는 지지대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전 박막은 하부 압전 박막, 실리콘 질화막 및 상부 압전 박막의 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전 박막은 하부 압전 박막, 하부 실리콘 질화막, 폴리실리콘막, 상기 실리콘 질화막 및 상부 압전 박막의 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터.
- 제 1 항에 있어서,상기 상부 신호전극 및 하부 신호전극, 상기 상부 접지전극 및 하부 접지전극에 각각 반대의 극성을 갖는 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 마이크로 구조체를 이용한 전기 신호처리용 필터.
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Cited By (4)
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