KR20010076621A - Surface acoustic wave oscillator module on low temperature co-fired ceramic substrate - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A surface acoustic wave(SAW) oscillator module using low temperature co-fired ceramic substrate is provided to reduce stray capacitance component of the SAW oscillator and broaden a frequency trimming region as much as the frequency shift can be amended, thereby correctly synchronizing the output frequency of a temperature compensation oscillator or a reference frequency generator with a frequency requiring each kind of wireless communication machine. CONSTITUTION: A passive element array installed onto a low temperature co-fired ceramic substrate(17) and includes a selective switch, which is controlled by a digital signal, adjusting the entire inductance or capacitance. A SAW oscillator(10) installed onto a low temperature co-fired ceramic substrate(17) and provides stable oscillated frequency. An IC chip(16) includes a control circuit which controls the passive element array and circuit related to oscillation and temperature compensation, if it is necessary to compensate for them.

Description

저온소성 세라믹 기판을 이용한 표면 탄성파 발진기 모듈 {Surface acoustic wave oscillator module on low temperature co-fired ceramic substrate}Surface acoustic wave oscillator module on low temperature co-fired ceramic substrate

본 발명은 저온소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판에 내장되는 수동 소자와 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave : 이하 SAW라 함) 공진기를 이용하는 표면 탄성파 발진기에 관한 것이다.The present invention relates to a surface acoustic wave oscillator using a passive element and a surface acoustic wave (SAW) resonator embedded in a low temperature co-fired ceramic substrate.

최근 각종 휴대 단말기 및 무선 통신기기가 소형, 경량, 저가화 방향으로 발전하면서 이들을 구성하는 부품들의 소형화, 고집적화가 요구되고 있다. 휴대 단말기를 구성하는 수십 종에 이르는 부품 중에서 기지국과 단말기간의 시간, 주파수 동기(synchronization)를 맞추고, 정해진 주파수 신호만을 송수신하기 위해서는 정확하고 일정한 주파수 신호만 발생시키는 기준 신호원인 수정 결정 (Quartz Crystal) 발진기, 또는 온도보상 발진기(Temperature Compensated Crystal Oscillator: 이하 TCXO라 함)가 필수적이다. 특히 주파수 이용 효율을 극대화하기 위해 위상변조 방식을 사용하고 있는 CDMA(Code Division Multiple Access) 시스템에서는 온도, 부하, 진동등과 같은 환경 변화에 대해 주파수 변화가 1 ppm (part per million) 이내인 매우 안정되고 정확한 기준신호 발생원인 TCXO를 필요로 한다.In recent years, various portable terminals and wireless communication devices have been developed in the direction of small size, light weight, and low cost, and miniaturization and high integration of components constituting them are required. Of the dozens of components constituting a mobile terminal, a quartz crystal oscillator that is a reference signal source that matches time and frequency synchronization between a base station and a terminal and generates only accurate and constant frequency signals in order to transmit and receive only a fixed frequency signal. Or a temperature compensated oscillator (hereinafter referred to as TCXO) is essential. In particular, in the CDMA (Code Division Multiple Access) system, which uses a phase modulation method to maximize frequency utilization efficiency, the frequency change is very stable within 1 ppm (part per million) against environmental changes such as temperature, load, and vibration. And it needs TCXO which is accurate source of reference signal.

개별적인 인덕터와 커패시터 부품을 조합해서 공진기를 구성할 수 있지만, 이러한 공진기는 Q(Quality factor)가 높지 않아서 위상 잡음이 많을 뿐 아니라 각부품의 온도에 따른 특성 변화가 1000 ppm/℃ 에 이를 정도로 커서 높은 안정도를 요구하는 기준 주파수 공급원으로는 사용할 수 없다. 따라서 Q가 10,000 이상으로 매우 높고 온도에 따른 공진 주파수 변화가 최대 10 ppm 이내인 수정 결정 공진기가 주로 사용되어 왔다.Individual resonator and capacitor components can be combined to form a resonator. However, these resonators have a high quality factor (Q), which results in high phase noise, and the characteristics change with temperature of each component reaches 1000 ppm / ℃. It cannot be used as a reference frequency source that requires stability. Therefore, a crystal crystal resonator having a very high Q of 10,000 or more and a change in resonance frequency with temperature up to 10 ppm has been mainly used.

도 2는 종래의 TCXO의 구조를 나타낸 것으로, 공진기(30), 가변 커패시터(31), 발진기 및 출력 버퍼(oscillator and output buffer, 32), 다중 서미스터 저항 네트워크 (multiple thermistor resister network, 33) 및 정밀 전압 레귤레이터(precision voltage regulator, 34)로 구성된다.2 shows the structure of a conventional TCXO, including resonator 30, variable capacitor 31, oscillator and output buffer 32, multiple thermistor resister network 33, and precision. It consists of a precision voltage regulator (34).

발진기(32)는 소수의 트랜지스터로 구성된 콜피츠 (Colpittz) 또는 피어스(Pierce)형 발진회로이며, 수정 결정이 이 발진기의 동작에 필요한 LC 공진자 역할 하여 주파수가 매우 안정적이고 일정한 사인파(sinusoidal) 신호를 발생시킨다. 온도 변화의 영향으로 수정 결정의 공진 주파수가 약간 (약 20ppm 이내) 변하는 경우, 이를 다시 원래의 주파수에 맞추기 위해 가변 캐패시터(31) 또는 버랙터(varactor)의 전압을 제어해서 캐패시턴스를 미세하게 변화시키는데, 온도를 감지해서 버랙터 제어 전압을 발생시키는 부분이 서미스터-저항 네트워크 회로부(33)이다. 또한 발진기의 바이어스 전압의 변동에 의해서도 출력 신호의 주파수가 미세하게 변동될 수 있으므로 이를 방지하기 위해서 회로 전체에 인가되는 전원전압이 매우 안정되어야 하며, 이를 위해서 정밀한 레귤레이터(34)가 필요하다.The oscillator 32 is a Colpittz or Pierce type oscillator circuit composed of a few transistors, and a crystal crystal acts as an LC resonator necessary for the operation of the oscillator, so that the frequency is very stable and a sinusoidal signal. Generates. If the resonant frequency of the quartz crystal changes slightly (within about 20 ppm) under the influence of temperature change, the capacitance of the variable capacitor 31 or varactor is controlled to change the capacitance minutely in order to bring it back to the original frequency. The thermistor-resistance network circuit section 33 detects the temperature and generates the varactor control voltage. In addition, since the frequency of the output signal may be minutely changed by the variation of the bias voltage of the oscillator, the power supply voltage applied to the entire circuit must be very stable to prevent this, and a precise regulator 34 is required for this purpose.

이와 같은 종래의 TCXO의 핵심인 공진기(30)는 수정 결정을 정확한 두께로 깎고 금속 층의 두께를 미세하게 조절하여 만들었기 때문에 대량생산이 용이하지 않은 문제점이 있다.The resonator 30, which is the core of the conventional TCXO, has a problem that mass production is not easy because it is made by cutting the crystal to an accurate thickness and finely adjusting the thickness of the metal layer.

한편, SAW 공진기는 반도체 공정으로 제작되어 양산성이 우수한 반면, 제조 공정상의 변화에 따른 공진 주파수의 편이가 커서 높은 주파수 정확도를 요하는 통신 기기에는 사용되지 못하고, CATV나 원격 문 개폐기 등과 같이, 정확한 동기가 필요 없는 시스템에 주로 이용되어 왔다. 현재 상품화되어 나오는 SAW 공진기는 공진 주파수가 데이터 시트에 표기된 명목상 (nominal) 값으로부터 1000 ppm까지 벗어날 수 있다. 그러나, 향후 반도체 공정 기술이 지속적으로 발전하면 자동화가 가능한 SAW 공진기가 종래의 수정 결정 공진기에 비해 단가가 더 낮아질 가능성이 있으므로 저가형 기기 시장에서 수요가 늘 것이 예상된다.On the other hand, SAW resonators are manufactured in a semiconductor process and are excellent in mass production, but are not used in communication devices requiring high frequency accuracy due to the large variation in resonance frequency due to changes in the manufacturing process, such as CATV or remote door switch. It has been used mainly for systems that do not require synchronization. Current commercially available SAW resonators can have resonance frequencies up to 1000 ppm from the nominal value indicated in the data sheet. However, as semiconductor process technology continues to evolve in the future, automated SAW resonators may have lower costs than conventional quartz crystal resonators.

종래의 SAW 공진기의 구조 및 동작 원리를 후술할 본 발명의 표면 탄성파 발진기 모듈을 도시한 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1에서 부호 10이 SAW 공진기를 나타낸다.Referring to Figure 1 showing the surface acoustic wave oscillator module of the present invention to be described later the structure and operation principle of a conventional SAW resonator as follows. In Fig. 1, reference numeral 10 denotes a SAW resonator.

압전 물질인 리튬 니오베이트(lithium niobate, LiNbO3), 리튬 탄탈레이트(lithium tantalate, LiTaO3), 수정(Quartz), ZnO, AlN 등은 표면에 형성된 전극을 통해서 전기적 신호를 기계적 진동, 즉 탄성파 신호로 바꿀 수 있다. 특히 수정 단결정과 같은 압전 물질의 표면에 여러 전극간의 간격이 일정한 머리빗모양의 변환자(Inter-Digital Transducer: 이하 IDT라 함)(11,12)를 반도체 공정중의 사진 식각 공정으로 형성시키고 전기 신호를 인가하면, 인접한 두 전극 핑거(finger)간의 간격 (??IDT)과 일치하는 파장을 갖는 탄성파만이 수정 기판 표면에서 여기되어 기판 표면에서 전파되어 나가고 다시 동일한 구조의 IDT에서 전기적 신호로 바뀔 수 있다. 여기에다 표면에 형성된 탄성파를 반사시켜서 IDT가 있는 쪽으로 파동을 가두는 격자 반사기(reflection grating: 13)를 양 끝에 배치하면 음파의 손실을 막을 수 있어서 공진 주파수 근처에서 손실이 매우 낮은 공진기를 구현할 수 있다.Piezoelectric materials, lithium niobate (Lithium niobate, LiNbO 3 ), lithium tantalate (lithium tantalate, LiTaO 3 ), quartz, ZnO, AlN, etc. Can be changed to In particular, an inter-digital transducer (IDT) (11, 12) having a constant spacing between electrodes on a surface of a piezoelectric material such as a crystal single crystal is formed by a photolithography process during a semiconductor process. When a signal is applied, only acoustic waves with wavelengths matching the spacing between two adjacent electrode fingers (?? IDTs ) are excited at the crystal substrate surface, propagated out of the substrate surface, and then converted back into electrical signals in the IDT of the same structure. Can be. In addition, by placing a reflection grating (13) at both ends to reflect the acoustic wave formed on the surface to trap the wave toward the IDT, it is possible to prevent the loss of sound waves, thereby realizing a resonator having a very low loss near the resonance frequency.

SAW 공진기는 전극 패턴의 모양에 의해 주파수 특성이 결정되는 마이크로스트립라인 필터 등과 유사한 원리로 동작되는데, 단지 파동이 전자기파가 아닌 음파라서 파장이 매우 짧다는 특징을 갖는다.The SAW resonator operates on a principle similar to a microstripline filter in which frequency characteristics are determined by the shape of an electrode pattern. The SAW resonator has a feature that the wavelength is very short because the wave is not an electromagnetic wave but a sound wave.

입력 IDT(11)와 출력 IDT(12)가 분리되어 있는 전형적인 2단자 SAW 공진기에 대한 단순화된 등가회로는 도 3에 도시된 10a와 같다.A simplified equivalent circuit for a typical two-terminal SAW resonator with separate input IDT 11 and output IDT 12 is shown in FIG.

여기서 모셔널 임피던스(motional inductance Lm(36), 커패시턴스 Cm(37), 탄성파 손실성분 Rm(38), 스트레이 커패시턴스(stray capacitance) CT(35) 값들은 압전 물질 표면의 금속 패턴에 의해 주로 결정된다.Where the values of the motional inductance L m (36), capacitance C m (37), acoustic wave loss component R m (38) and stray capacitance C T (35) are determined by the metal pattern of the piezoelectric material surface. It is mainly decided.

SAW 공진기의 주파수 특성을 결정하는 표면의 금속 패턴은 마스크 제작, 노광, 금속층 식각 등의 표준적인 리소그래피 공정으로 제작되므로 마스크의 정확도, 수정 결정의 축 방향과 패턴의 방향간의 정렬 정확도 등에 따라 SAW 공진기의 공진주파수는 설계치에 비해 약간씩 변할 수 있다. 이 외에도 반사 격자를 구성하는 금속층의 두께 또는 식각된 결정 표면의 깊이에 따라 표면 탄성파의 전파 속도가 미세하게 달라지는데, 상기한 공정 변수들을 모두 고려했을 때 실제 제작된 SAW 공진기의 주파수와 설계치와는 대략 500 ~ 1000 ppm 정도 차이가 나는 것으로 알려져 있다 (참고문헌: E. Gerber and A. Ballato,Precision Frequency Control, Academic Press, 1985).The metal pattern on the surface that determines the frequency characteristics of the SAW resonator is manufactured by standard lithography processes such as mask fabrication, exposure, and metal layer etching. The resonant frequency may vary slightly from the design value. In addition, the propagation velocity of surface acoustic waves varies slightly depending on the thickness of the metal layer constituting the reflective grating or the depth of the etched crystal surface, and considering the above process variables, the frequency and design value of the actual SAW resonator are roughly different. It is known to vary by 500 to 1000 ppm (Ref. E. Gerber and A. Ballato, Precision Frequency Control , Academic Press, 1985).

이러한 차이를 보정하기 위해서 플라즈마 이온 식각으로 수정 표면의 두께를 변화시키면서 공진 주파수를 모니터링 하거나 [참고문헌: R. Subramanian, J. Welter and P.V.Wright, "Production Trimming of SAW Devices using CF4 Chemistry and its effects on SAW Characteristics," IEEE Ultrasonics Symp., pp. 255-260, 1996], 유전 물질을 증착하여 기판 표면 조건을 변화시키는 방법 [M. A. Taslakov and I. D. Avramov, "Frequency Trimming of Surface Transverse Wave Resonators using Resistive Evaporation of Thin SiO Dielectric Film," IEEE Freq. Contr. Symp., pp. 497-501, 1998] 등이 제시되었는데, 모두 추가적인 진공 공정을 필요로 한다.In order to compensate for these differences, plasma ion etching can be used to monitor the resonant frequency while varying the thickness of the crystal surface [Ref: R. Subramanian, J. Welter and PVWright, "Production Trimming of SAW Devices using CF4 Chemistry and its effects on SAW Characteristics, "IEEE Ultrasonics Symp., Pp. 255-260, 1996], a method of depositing dielectric material to change substrate surface conditions [M. A. Taslakov and I. D. Avramov, "Frequency Trimming of Surface Transverse Wave Resonators using Resistive Evaporation of Thin SiO Dielectric Film," IEEE Freq. Contr. Symp., Pp. 497-501, 1998, etc., all of which require an additional vacuum process.

또한 종래에는 수정 공진기 또는 SAW 공진기로부터 TCXO를 조립하는 과정 및 온도, 부하 등의 변화에 의해 나타나는 수십 ppm 정도의 미세한 주파수 변화를 보정 (trimming, adjustment) 하기 위해서 PCB 기판에 부착된 트리머 커패시터를 수동으로 일일이 조절하거나 커패시터 어레이와 스위치를 써서 디지털적으로 커패시턴스(31)를 변화시키는 방식이었다. [참고 문헌: Design and Fabrication of aCapacitance Switch Array Usable on a DTCXO, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., vol.43, no.6, pp.1195-1199, 1996]In addition, conventionally, the trimmer capacitor attached to the PCB substrate is manually adjusted to trim or adjust the frequency change of several tens of ppm caused by the process of assembling TCXO from the crystal resonator or the SAW resonator and changes in temperature and load. The capacitance 31 was digitally changed by adjusting one by one or by using a capacitor array and a switch. [Reference: Design and Fabrication of a Capacitance Switch Array Usable on a DTCXO, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., Vol. 43, no. 6, pp. 1195-1199, 1996].

그런데 이 방식으로는 공진기를 구성하는 양 전극판에 의해 형성되는 큰 스트레이 커패시턴스 CT(35) 성분 때문에 수십 ppm 범위 내에서만 공진 주파수의 조절이 가능할 뿐 공진기 전극 두께와 같은 공정 변수가 일정하지 않아서 발생하는 1000ppm 정도의 공정 변화(process variation)를 보정하기는 불가능하였다.However, due to the large stray capacitance C T (35) component formed by the positive electrode plate constituting the resonator, the resonance frequency can be adjusted only within the range of several tens of ppm, and is generated due to inconsistent process variables such as the resonator electrode thickness. It was impossible to correct the process variation of about 1000 ppm.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 저온소성 세라믹 기판에 내장된 인덕터 및 커패시터 스위치 어레이를 이용하여 SAW 공진기의 스트레이 커패시턴스 성분을 줄이고, 주파수 조정 영역을 1000 ppm에 이르는 공정 변수에 의한 주파수 편이까지 보정할 수 있을 정도로 넓혀서, SAW 공진기로 구성된 기준 주파수 발생기 또는 온도 보상 발진기의 출력 주파수가 각종 무선기기에서 요구되는 주파수에 정확히 일치되도록 하는 모듈을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to reduce the stray capacitance component of the SAW resonator using an inductor and capacitor switch array embedded in a low-temperature fired ceramic substrate, and to adjust the frequency adjustment region to a process variable of 1000 ppm. It is to provide a module that is wide enough to correct the frequency shift by, so that the output frequency of the reference frequency generator or the temperature compensated oscillator composed of the SAW resonator exactly matches the frequency required by various wireless devices.

도 1은 본 발명에 따른 표면 탄성파 발진기 모듈의 구성도1 is a block diagram of a surface acoustic wave oscillator module according to the present invention

도 2는 종래의 온도보상 발진기 구조도2 is a structural diagram of a conventional temperature compensation oscillator

도 3은 도 1의 표면 탄성파 발진기에 대한 등가 회로도3 is an equivalent circuit diagram of the surface acoustic wave oscillator of FIG.

도 4a 및 도 4b는 주파수 보정용 인덕터, 커패시터 값의 변화에 따른 공진 주파수의 변화에 대한 예상치4a and 4b are expected values for the change of the resonant frequency according to the change of the value of the inductor and the capacitor for the frequency correction

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : SAW 공진기 11 : 입력 IDT10: SAW resonator 11: input IDT

12 : 출력 IDT 13 : 격자 반사기12: output IDT 13: grid reflector

15 : 본딩 와이어 16 : IC 칩15: bonding wire 16: IC chip

17 : 저온소성 세라믹 기판 18 : 인덕터17 low temperature fired ceramic substrate 18 inductor

19 : 커패시터 20a, 20b : 금속 배선19: capacitor 20a, 20b: metal wiring

21a, 21b : 비아홀21a, 21b: via hole

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면 탄성파 발진기 모듈은 저온소성 세라믹 기판; 상기 저온소성 세라믹 기판에 내장되고, 디지털 신호에 의해 제어되는 선택 스위치가 구비되어 전체적인 인덕턴스 혹은 커패시턴스 조절이 가능한 인덕터, 커패시터 등의 수동소자 어레이; 상기 저온소성 세라믹 기판 위에 위치하며, 온도, 전원전압, 부하의 변동 등 주변 환경의 변화에 대해 안정적인 발진 주파수를 제공하는 SAW 공진기; 및 상기 수동소자 어레이를 제어하는 회로 및 발진 회로와 온도보상이 필요한 경우 이에 관련된 제어 회로를 포함하는 IC 칩으로 구성되며, 상기 각 구성요소들은 상기 저온소성 세라믹 기판상의 금속 배선, 비아홀(via hole) 및 본딩 와이어(bonding wire)로 전기적으로 상호연결되어 공정 변수의 변화에 따른 발진 주파수 변화를 자동으로 보정할 수 있는 것을 특징으로 한다.Surface acoustic wave oscillator module of the present invention for achieving the above object is a low-temperature fired ceramic substrate; A passive element array embedded in the low-temperature fired ceramic substrate and provided with a selection switch controlled by a digital signal, such as an inductor or a capacitor capable of adjusting overall inductance or capacitance; A SAW resonator positioned on the low-temperature fired ceramic substrate, the SAW resonator providing a stable oscillation frequency against changes in the surrounding environment such as temperature, power supply voltage, and load variation; And an IC chip including a circuit for controlling the passive element array, an oscillation circuit, and a control circuit associated with temperature compensation if necessary, wherein each of the components includes metal wiring and via holes on the low-temperature fired ceramic substrate. And it is electrically interconnected by a bonding wire (bonding wire) characterized in that it is possible to automatically correct the oscillation frequency change according to the change of the process variable.

또한 본 발명에서 사용하는 저온소성 세라믹 기판은 한 필름의 두께가 160㎛ 정도로 매우 얇고 배선 선폭과 비아홀(via hole)의 크기도 필름의 두께에 비례해서 작아지므로 종래의 PCB 상에서 구현된 TCXO에 비해서 그 크기를 상당히 줄일 수 있다. 또한 인덕터, 커패시터, 저항 등의 수동 소자를 내장할 수 있어서 더 많은 부품을 집적시킬 수 있고 복수의 커패시터와 스위치가 도 3와 같이 병렬로 연결된 구조를 구현할 수 있다. 그리고 본 발명에서 공진 주파수의 미세 조정을 위해 종래에 사용되어 온 가변 커패시터 또는 버랙터 대신에 커패시터 스위치 어레이(CSA: Capacitor Switch Array)를 사용하는 이유는, 버랙터의 경우에는 일반적으로 공진 Q가 높지 않고 온도에 따른 커패시턴스 값의 변화도 매우 커서 공진 주파수의 안정성을 저하시키기 때문이다.In addition, the low-temperature fired ceramic substrate used in the present invention has a thickness of about 160 μm, and the wire width and the size of the via hole are also reduced in proportion to the thickness of the film, compared to the TCXO implemented on a conventional PCB. The size can be reduced considerably. In addition, by incorporating passive elements such as inductors, capacitors, and resistors, more components can be integrated and a plurality of capacitors and switches can be connected in parallel as shown in FIG. 3. In the present invention, a capacitor switch array (CSA) is used instead of a variable capacitor or a varactor that has been conventionally used for fine adjustment of the resonant frequency. In the case of the varactor, the resonance Q is generally not high. This is because the change in capacitance value with temperature is very large, which lowers the stability of the resonance frequency.

특히, 본 발명에서는 커패시터 스위치 어레이(70)를 도 3에 도시된 것과 같이 SAW 공진기의 접지선과 연결되는 부분(39)에 놓아서 2단자 SAW 공진기의 스트레이 커패시턴스 CT(35) 효과를 줄이고 모셔널 커패시턴스 Cm(37)과 CT(35)의 비로 결정되는 주파수 미세 조정 영역을 넓혔다.In particular, in the present invention, the capacitor switch array 70 is placed in the portion 39 connected to the ground line of the SAW resonator as shown in FIG. 3, thereby reducing the effect of stray capacitance C T 35 of the two-terminal SAW resonator and reducing the general capacitance. The frequency fine tuning region determined by the ratio of Cm 37 and C T 35 was widened.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 정확한 기준 주파수 신호를 발생시키는 본 발명의 저온소성 세라믹 기판을 이용한 표면 탄성파 발진기의 구성도로서, 저온소성 세라믹 기판(17); 상기 저온소성 세라믹 기판(17)에 내장되고, 디지털 신호에 의해 제어되는 선택 스위치가 구비되어 전체적인 인덕턴스 혹은 커패시턴스 조절이 가능한 수동소자 어레이; 상기 저온소성 세라믹 기판(17) 위에 위치하며, 온도, 전원전압, 부하의 변동 등 주변 환경의 변화에 대해 안정적인 발진 주파수를 제공하는 SAW 공진기(10) 및 상기 수동소자 어레이를 제어하는 회로 및 발진 회로와 온도보상이 필요한 경우 이에 관련된 제어 회로를 포함하는 IC 칩(16)으로 구성된다. 그리고, 상기 각 구성요소들은 상기 저온소성 세라믹 기판(17)상의 금속 배선(20a, 20b), 비아 홀(21a, 21b) 및 본딩 와이어(15)로 전기적으로 상호연결된다.1 is a schematic diagram of a surface acoustic wave oscillator using a low-temperature fired ceramic substrate of the present invention for generating an accurate reference frequency signal, the low-temperature fired ceramic substrate 17; A passive element array embedded in the low-temperature fired ceramic substrate 17 and provided with a selection switch controlled by a digital signal, and capable of adjusting overall inductance or capacitance; Located on the low-temperature fired ceramic substrate 17, a circuit and oscillation circuit for controlling the SAW resonator 10 and the passive element array that provides a stable oscillation frequency against changes in the surrounding environment, such as temperature, power supply voltage, load variations, etc. And an IC chip 16 including a control circuit related thereto when temperature compensation is required. Each of the components is electrically interconnected with metal wires 20a and 20b, via holes 21a and 21b and bonding wires 15 on the low temperature fired ceramic substrate 17.

상기 저온소성 세라믹 기판(17)에 내장된 각종 수동 소자들(18, 19)의 형상은 미국 특허 제5,661,647호 "Low Temperature Co-fired Ceramic UHF/VHF Power Converters"를 참조한다.The shape of various passive elements 18 and 19 embedded in the low-temperature fired ceramic substrate 17 is referred to US Patent No. 5,661,647 "Low Temperature Co-fired Ceramic UHF / VHF Power Converters".

다이(die) 상태의 IC 칩(16)에는 콜피츠(Colpittz) 또는 피어스(Pierce) 형의 발진 회로와 수동소자 어레이(커패시터 스위치 어레이, 인덕터 스위치 어레이등)의 제어에 필요한 로직 회로들, 그리고 온도 보상이 필요한 경우에는 이와 관련된 제어 회로들이 포함된다.The IC chip 16 in a die state includes a Colpittz or Pierce type oscillation circuit, logic circuits for controlling a passive element array (capacitor switch array, inductor switch array, etc.), and temperature. If compensation is required, related control circuits are included.

이와 같은 구성에서, 상기 발진회로 및 제어회로를 포함하는 IC 칩(16)에 의해 SAW 공진기(10)는 소정 주파수로 공진하고, 주파수 보정은 IC 칩(16)이 저온소성 세라믹 기판(17)에 내장된 인덕터 및 커패시터 스위치 어레이(18, 19)를 제어함으로써 이루어진다. 따라서 SAW 공진기(10)는 온도, 전원전압, 부하의 변동 등 주변 환경의 변화에 대해 안정적인 발진 주파수를 제공한다.In such a configuration, the SAW resonator 10 resonates at a predetermined frequency by the IC chip 16 including the oscillation circuit and the control circuit, and the frequency correction is performed by the IC chip 16 on the low-temperature fired ceramic substrate 17. This is accomplished by controlling the embedded inductor and capacitor switch arrays 18 and 19. Therefore, the SAW resonator 10 provides a stable oscillation frequency against changes in the surrounding environment such as temperature, power supply voltage, and load variation.

외형을 중심으로 그린 도 1에 대한 회로도 및 SAW 공진기에 대한 등가 회로는 도 3와 같다.The circuit diagram of FIG. 1 and the equivalent circuit for the SAW resonator are shown in FIG. 3.

부호 10a는 SAW 공진기(10)의 등가회로이고 부호 70은 주파수 조정용 커패시터로서, 여러개의 커패시터(19) 각각에 스위치(72)를 구비하고 병렬연결하여 커패시터 스위치 어레이를 구성한다. 부호 80은 주파수 조정용 인덕터로서 여러개의 인덕터(18) 각각에 스위치(82)를 구비하고 병렬연결하여 인덕터 스위치 어레이를 구성한다. 그리고, 발진회로(90), 스위치 제어 로직(91) 및 PROM(92)은 IC 칩(16)의 구성요소이다.Reference numeral 10a denotes an equivalent circuit of the SAW resonator 10 and reference numeral 70 denotes a capacitor for adjusting frequency, and includes a switch 72 in each of the capacitors 19 and forms a capacitor switch array in parallel. Reference numeral 80 designates an inductor switch array as a frequency adjusting inductor, which includes a switch 82 in each of the inductors 18 and is connected in parallel. The oscillation circuit 90, the switch control logic 91, and the PROM 92 are components of the IC chip 16.

2단자 SAW 공진기의 등가회로(10a)에서 직렬 공진 주파수는 알려진 바와 같이 수학식 1과 같이 Cm(37)및 Lm(36)에 의해 결정된다.In the equivalent circuit 10a of the two-terminal SAW resonator, the series resonant frequency is determined by C m (37) and L m (36) as shown in equation (1).

또한 주파수 조정용 커패시터(70) 또는 인덕터(80)를 SAW 공진기의 출력 단자에 연결했을 때 이 커패시터 또는 인덕터 값을 변화시켜 얻을 수 있는 최대의 주파수 조정 영역과 공진 Q는 수학식 2, 3과 같이 주어진다.In addition, when the frequency adjusting capacitor 70 or the inductor 80 is connected to the output terminal of the SAW resonator, the maximum frequency adjusting region and resonance Q obtained by changing the value of the capacitor or inductor are given by Equations 2 and 3 .

앞서 언급한 바와 같이 SAW 공진기는 제작 과정에서 500 ~ 1000 ppm 까지 주파수 편이가 발생할 수 있는데, 만약 제작된 공진기 모델 값으로부터 수학식 2에 의해 추정된 최대 주파수 조정 영역이 이 값보다 작으면 주파수 조정용 커패시터를 아무리 조정해도 원하는 주파수에 맞출 수 없다.As mentioned above, the SAW resonator may have a frequency shift from 500 to 1000 ppm in the manufacturing process. If the maximum frequency adjusting region estimated by Equation 2 is smaller than this value from the manufactured resonator model value, the frequency adjusting capacitor No matter how much you adjust it, you cannot adjust it to the desired frequency.

주파수 조정 영역을 넓히는 방법은 수학식 2에서 보듯이 Cm을 키우거나 CT를 줄이도록 금속 패턴을 설계하는 것인데, 전자의 방법으로는 수학식 3에 의해 공진 Q가 낮아지는 문제가 있고, 후자의 경우는 IDT 전극의 핑거쌍(finger pair) 수를 줄여야 하는데 이렇게 되면 전기 신호와 탄성파 간의 변환 효율이 떨어져서 손실이증가하고 결과적으로 공진 Q가 급속히 낮아지는 문제가 생긴다. 즉, SAW 공진기의 금속 층 레이아웃(layout)을 수정하는 것으로는 주파수 조정 영역을 넓히기 어렵다.The method of widening the frequency adjustment range is to design a metal pattern to increase C m or reduce C T as shown in Equation 2. The former method has a problem that the resonance Q is lowered by Equation 3, the latter. In this case, the number of finger pairs of the IDT electrode needs to be reduced. In this case, the conversion efficiency between the electrical signal and the acoustic wave is reduced, resulting in an increase in loss, and consequently, a resonance Q is rapidly lowered. That is, it is difficult to widen the frequency adjustment region by modifying the metal layer layout of the SAW resonator.

본 발명에서는 SAW 공진기의 접지 단자와 모듈 전체의 접지점 사이에 직렬로 주파수 조정용 커패시터(70)를 추가하여 SAW 공진기의 신호 단자와 접지 사이의 분권(shunt) 용량이 줄어들도록 하였다. 예를 들어, 주파수 조정용 커패시터(70)의 용량이 CT와 같도록 조절하면 입력 신호원 또는 출력 부하 쪽에서 보이는 SAW 공진기의 분권 용량은 CT의 반으로 줄어드는 효과가 있다.In the present invention, the frequency adjusting capacitor 70 is added in series between the ground terminal of the SAW resonator and the ground point of the entire module to reduce the shunt capacity between the signal terminal of the SAW resonator and the ground. For example, if the capacitance of the frequency adjusting capacitor 70 is adjusted to be equal to C T , the decentralization capacity of the SAW resonator seen from the input signal source or output load side is reduced by half of C T.

이렇게 CT가 줄어들면 SAW 공진기의 출력단에 직렬로 연결된 주파수 조정용 인덕터 또는 커패시터값에 따라 공진 주파수가 1000 ppm 까지도 변하는 것을 회로 시뮬레이터로 간단히 확인할 수 있는데, 그 결과는 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같다. 이것은 제작된 288 MHz대 SAW 공진기로부터 도 3와 같은 등가회로 모델 파라메터들을 추출하고 여기에 주파수 조정용 수동 소자들을 부가하여 S-파라메터 주파수 특성을 계산한 것이다. 접지단 커패시터(70)을 넣지 않고 종래의 방법대로 SAW 공진기를 구동했을 때의 주파수 특성인 도 4b를 접지단 커패시터(70)을 넣어서 계산한 결과인 도 4a와 비교하면 조정용 인덕터(80)에 의한 공진 주파수 변화 범위가 매우 늘어났음을 알 수 있다.When the C T decreases, the circuit simulator can simply confirm that the resonance frequency changes up to 1000 ppm according to the frequency adjusting inductor or capacitor value connected in series with the output terminal of the SAW resonator. The results are shown in FIGS. 4A and 4B. . This is to calculate the S-parameter frequency characteristics by extracting the equivalent circuit model parameters as shown in Fig. 3 from the fabricated 288 MHz SAW resonator and adding passive components for frequency adjustment. The frequency characteristic of FIG. 4B when the SAW resonator is driven by the conventional method without the ground terminal capacitor 70 is compared with FIG. 4A which is the result of calculating the ground terminal capacitor 70 with the adjustment inductor 80. It can be seen that the resonance frequency variation range is greatly increased.

커패시터(70) 및 조정용 인덕터(80) 값의 선택은 작은 크기의 단위 커패시터를 병렬로 연결하고 각각에 대해 선택 스위치를 구비하여 커패시터 스위치 어레이, 인덕터 스위치 어레이를 구성하고 디지털 제어 신호에 의해 원하는 용량만을 선택하는 방식으로 수행할 수 있다.Selection of the values of the capacitor 70 and the adjusting inductor 80 constitutes a capacitor switch array, an inductor switch array by connecting small unit capacitors in parallel and having a selector switch for each of them. This can be done by way of choice.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only and not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

상술한 바와 같이 본 발명은 SAW 공진기의 접지단자 쪽에는 스트레이 커패시턴스 (CT) 감소용의 커패시터를 추가하고 신호단자 쪽에는 인덕터 또는 커패시터 어레이를 연결하는 방식으로 주파수 조정 영역을 넓힘으로써, SAW 발진기 양산에 주요 장애 요인이었던 공진 주파수 편이 문제를 해결하는 효과가 있다. 즉, SAW 소자 제작 공정에서 발생하는 주파수 특성 변화를 모듈 조립 과정에서 보정할 수 있고, 이 과정을 디지털적으로 자동으로 수행할 수 있기 때문에 발진기 모듈의 생산비용을 기존의 수정 발진기보다도 낮출 수 있다. 또한 저온소성 세라믹 기판에 내장된 수동소자를 활용하여 발진기 모듈의 크기를 줄일 수 있으므로 초소형, 저가의 부품이 요구되는 블루투스(Bluetooth)와 같은 단거리 무선 통신 시스템에의 활용도 기대된다.As described above, in the present invention, a SAW oscillator is mass-produced by adding a capacitor for reducing stray capacitance (C T ) to the ground terminal side of the SAW resonator and connecting an inductor or a capacitor array to the signal terminal side. Resonance frequency shifting, which was a major obstacle to the problem, is effective in solving the problem. That is, the frequency characteristic change generated in the SAW device fabrication process can be corrected during the module assembly process, and the process can be performed digitally and automatically, thereby lowering the production cost of the oscillator module than the existing crystal oscillator. In addition, since the size of the oscillator module can be reduced by using passive elements embedded in a low-temperature fired ceramic substrate, it is also expected to be used in short-range wireless communication systems such as Bluetooth, which require ultra-small and low cost components.

Claims (2)

정밀한 기준 주파수를 발생시키는 발진기 모듈에 있어서,In an oscillator module that generates a precise reference frequency, 저온소성 세라믹 기판;Low-temperature fired ceramic substrates; 상기 저온소성 세라믹 기판에 내장되고, 디지털 신호에 의해 제어되는 선택 스위치가 구비되어 전체적인 인덕턴스 혹은 커패시턴스 조절이 가능한 수동소자 어레이;A passive element array embedded in the low-temperature fired ceramic substrate and provided with a selection switch controlled by a digital signal and capable of adjusting overall inductance or capacitance; 상기 저온소성 세라믹 기판 위에 위치하며, 온도, 전원전압, 부하의 변동 등 주변 환경의 변화에 대해 안정적인 발진 주파수를 제공하는 SAW 공진기; 및A SAW resonator positioned on the low-temperature fired ceramic substrate, the SAW resonator providing a stable oscillation frequency against changes in the surrounding environment such as temperature, power supply voltage, and load variation; And 상기 수동소자 어레이를 제어하는 회로 및 발진 회로와 온도보상이 필요한 경우 이에 관련된 제어 회로를 포함하는 IC 칩으로 구성되며,And an IC chip including a circuit for controlling the passive element array, an oscillation circuit, and a control circuit related thereto when temperature compensation is required. 상기 각 구성요소들은 상기 저온소성 세라믹 기판상의 금속 배선, 비아홀 및 본딩 와이어로 전기적으로 상호연결되어 공정 변수의 변화에 따른 발진 주파수 변화를 자동으로 보정할 수 있는 것을 특징으로 하는 저온소성 세라믹 기판을 이용한 표면 탄성파 발진기 모듈.The components may be electrically interconnected with metal wires, via holes, and bonding wires on the low-temperature fired ceramic substrate to automatically correct oscillation frequency changes according to changes in process variables. Surface acoustic wave oscillator module. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 SAW 공진기의 공정 변수들에 의한 기준 주파수의 편이를 보정할 수 있는 주파수 조정 또는 트리밍을 위하여 상기 수동소자 어레이로서 하나 이상의 커패시터 스위치 어레이와 인덕터 스위치 어레이를 포함하고,And one or more capacitor switch arrays and inductor switch arrays as the passive element array for frequency adjustment or trimming that can correct the deviation of the reference frequency by the process variables of the SAW resonator, 상기 인덕터 스위치 어레이는 상기 SAW 공진기의 신호 출력 단자에 연결하고, 상기 커패시터 스위치 어레이는 상기 SAW 공진기의 접지 단자에 연결하여, SAW 공진기의 외부에서 공진기를 들여다 본 스트레이 커패시턴스 성분을 줄이고 탄성파 공진기의 주파수 조절 영역을 확장시키는 것을 특징으로 하는 저온소성 세라믹 기판을 이용한 표면 탄성파 발진기 모듈.The inductor switch array is connected to the signal output terminal of the SAW resonator, and the capacitor switch array is connected to the ground terminal of the SAW resonator to reduce stray capacitance components viewed from the outside of the SAW resonator and to adjust the frequency of the acoustic wave resonator. Surface acoustic wave oscillator module using a low-temperature fired ceramic substrate, characterized in that to extend the area.
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