KR20020010511A - 탄성표면파 장치 - Google Patents

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KR20020010511A
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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명의 탄성표면파 장치는 스트립에서 반사된 파장과 전파하는 탄성표면파 사이의 부정합을 방지하고, 우수한 일방향성이 실현가능한 비대칭 더블 전극을 포함한다. 탄성표면파 장치는 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 포함하는 반파장 구간내의 비대칭 더블 전극을 포함한다. 반파장은 기본구간으로 정의되어 배열된다. 탄성표면파 장치는 압전 기판에 형성된 이들 기본 구간을 둘 이상 포함한다. 기본구간의 중심이 기준위치인 경우, 반사 중심의 벡터각의 절대값은 대략 45±10°이나 135±10°이다. 선택적으로, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차의 절대값은 대략 45±10°이나 135±10°이다.

Description

탄성표면파 장치{Surface acoustic wave device}
본 발명은 예를 들면, 공진기나 필터에 사용되는 탄성표면파 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 일방향성 인터디지탈(interdigital) 변환기나 분산반사형 반사기로 사용되는 비대칭 더블 전극을 갖는 탄성표면파 장치에 관한 것이다.
탄성표면파 필터와 같은 탄성 표면파 장치는 이동통신 기기나 방송기기와 같은 장치에 널리 사용된다. 특히 탄성 표면파 장치가 작고, 가볍고, 조율이 필요 없고(tuning-free), 제조가 용이하므로, 탄성표면파 장치는 휴대 통신 기기용 전자부품에 적당하다.
탄성표면파 장치는 구조에 따라 대략 트랜스버설(transversal)형 필터와 공진기형 필터로 나뉜다. 일반적으로, 트랜스버설형 필터는 (1)작은 그룹 지연 편차 (2)우수한 위상 선형성 (3)청감보정에 대해 대역설계의 자유도가 높은 이점을 갖는다. 그러나, 트랜스버설형 필터는 삽입손실(insertion loss)이 큰 불리함이 있다.
탄성표면파 필터에 사용되는 인터디지탈 변환기(이하 "IDT")는 IDT의 양면에 대해 탄성표면파를 송신 및 수신하는데 사용되는데, 즉, IDT는 같은 방법으로 탄성표면파를 대칭적으로 송신 및 수신한다. 예를 들면, 소정의 거리로 서로 간격을 둔 두개의 IDT를 갖는 트랜스버설형 필터에서, 하나의 IDT로부터 송신된 탄성표면파의절반은 다른 IDT에 의해 수신되나, 하나의 IDT로부터 다른 IDT의 반대면으로 전파된 탄성표면파는 손실된다. 이 손실은 "쌍방향성 손실(two-way loss)"라 불리고, 트랜스버설형 필터의 삽입손실의 증가에 주요인이 된다.
상기한 쌍방향성 손실을 감소시키기 위하여, 일방향성 ITD의 다양한 형태가 제안되었다. 이러한 일방향성 IDT에서, 탄성표면파는 IDT의 한면에만 송신되고 수신된다. 따라서, 이러한 일방향성 IDT를 이용하는 저손실 트랜스버설형 필터가 개발되었다.
예를 들면, Hanma et al., "A triple transit suppression technique" 1976 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings PP. 328-331 에서 비대칭 더블 전극을 제안하였다. 도 14 는 전술된 종래기술의 비대칭 더블 전극의 개략적 부분절단도이다.
비대칭 더블 전극(101)에서, 서로 다른 폭을 갖는 두개의 스트립(102,103)으로 구성된 반파장구간 Z는, 탄성표면파의 전파방향을 따라 반복적으로 여러번 배치된다. 이처럼 서로 다른 폭를 갖는 두개의 스트립으로 구성된 반파장구간 Z로 정의된 전극은, "불균형 더블 전극"이나 "비대칭 더블 전극"으로 불린다.
반파장구간의 폭은 0.5λ로 설정된다. 비교적 협폭을 갖는 스트립(102)의 폭은 λ/16으로 설정된다. 비교적 광폭을 갖는 스트립(103)의 폭은 3λ/16으로 설정된다. 스트립(102,103)의 간격의 폭은 2λ/16으로 설정된다. 반파장구간에서 스트립(102)의 외부 간격의 폭은 λ/16으로 설정된다. 반파장구간에서 탄성표면파의 전파방향에서 스트립(103)의 외부 간격의 폭은 λ/16으로 설정된다.
인근하는 기본구간 사이에, 전기적 극성은 서로 반대된다.
상기한 비대칭 더블 전극에서, 기본구간당 반사는 도 15 에 도시된 스트립(102,103)의 에지 X1에서 X4까지의 반사파의 합성에 의해 발생된 합성벡터로 표현될 수 있다. 도 16 은 기준위치가 기본구간의 중심으로 설정될 경우, 에지(X1~X4)에서의 반사 벡터와, 그 합성벡터를 도시한 것이다. 도 16 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 합성벡터(V)는 67.5°각도에 위치되고, 반사중심은 67.5°/2 = 33.75°각도에 위치된다.
또한, 본 비대칭 더블 전극에서, 스트립(102)의 외부 에지(X1)와 스트립(103)의 외부 에지(X4)는 반파장구간의 중심에 대하여 좌우대칭으로 위치된다. 그리하여, 기본구간의 중심과 기본구간에 인접한 최근접 스트립의 외부 에지 사이의 거리는, 또한 서로 같다. 그러므로, 비대칭 더블 전극에서, 여진 중심은 여진중심과 반사 중심사이에 발생된 약 33.75°의 위상차로, 기본구간Z의 중심에 위치된다. 그리하여, 비대칭 더블전극은 일방향성 전극으로 작동한다.
표 1 은, 상기한 비대칭 더블 전극의 예로써, ST-컷(cut) 수정기판상에 3% 막두께를 갖는 알루미늄막의 비대칭 더블 전극을 형성하는 경우, 인터-모드(inter-mode) 결합 계수(κ12/k0), 여진 중심(Ψ)과 반사 중심(Φ) 사이의 위상차, 반사중심(Φ)을 보인다.
항목 계산값
인터-모드 결합 계수(κ12/k0) 0.00257
여진중심(Ψ)과 반사중심(Φ) 사이의 위상차 31.3°
반사 중심(Φ) 33.8°
여기서, k0은 IDT를 통해 전파된 탄성표면파의 파장수(wave number)이다. κ12/k0비율과, 여진 중심(Ψ)과 반사 중심(Φ)사이의 위상차는 오부치(Obuchi) 외의 수법("Evaluation of Excitation Characeristics of Surface Acoustic Wave Interdigital Electrode Based on Mode Coupling Theory", Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, Technical Report MW90-62)을 사용한, 유한요소법(finite element method)에 의해 정해진 공진 주파수로부터 획득될 수 있다. 또한, 반사 중심(Φ)은 여진 중심(Ψ)과 반사중심(Φ) 사이의 위상차에 의해 정해지고, 여진 중심은 유한요소법에 의해 획득된 전극에서의 전하밀도분포의 퓨리에 변환(Fourier-transforming)에 의해 획득된 기본파 성분으로부터 획득된다.
일본 특허 공개 제61-6917호는 상기한 비대칭 더블 전극의 경우에서처럼, 반파장 구간에서 서로 다른 폭을 갖는 두 스트립의 배치에 의해 일방향성을 실현한 전극을 개시한다. 일본 특허 공개 제61-6917호에 개시된 전극은 또한 두 스트립의 비대칭으로 인해 일방향성 전극으로 작동하는 것이 예상된다. 그러나, 일본 특허 공개 제61-6917호에 개시된 방법에서, 반사 중심과 반사량의 제어수단이 기재되지 않았다. 또한, 실현가능한 반사 중심과 반사량이 기재되지 않았다.
논문 "Direct Numeral Analysis SAW Mode Coupling Equation and Applications Thereof", 27th EM symposium preprint, pp. 109-116, Takeuchi et al., 은 양반사 요소와 음반사 요소가 일방향성 IDT에 분산배치된 구조에서 광역에걸쳐 평면 지향성인 일방향성 IDT의 원리를 개시하였다. 그러나, 여기에서, 우수한 일방향성 IDT를 확실하게 형성하는 수단이 개시되지 않았다.
일반적으로, 탄성표면파가 더블 스트립으로만 구성된 IDT에 반사 없이 입사되는 경우, 반사는 재-여진에 의해 발생된다. 그 결과로써, 종래의 트랜스버설형 필터의 경우에, "트리플 트랜지트 에코(triple transit echo)"나 TTE로 불리는 파가 발생하고, 필터 특성에 역효과를 주는 리플(ripple) 또는 부적합한 파 특성이 발생된다. Hanma et al., 의 상기한 문헌은 비대칭 더블 전극의 음향적 반사파로 인한 재-여진을 일으키는 반사를 상쇄하는 방법을 기술하였다. 그러나, 이 방법은 음향적 반사가 재-여진에 의해 발생되는 반사보다 큰 경우 음향적 반사로 인한 새로운 리플이 발생하는 문제가 있다. 그러므로, 이와 같은 재-여진에 의해 반사를 상쇄하는 방법은, 음향적 반사량으로 표현되는 반사 벡터 길이가 음향적 더블 전극에 고정되므로, 압전 기판 재료나 전극 재료가 제한되는 전제가 있다.
또 한편으로는, 논문 "About One Weighting Method for SAW Reflector", 1999, General Convention of Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, p.279, Tajima et al., 은 반사기의 반사 계수에 대한 청감보정을 수행하는 방법을 개시하였다. 이 방법은 상호 다른 폭을 갖는 다수의 스트립을 사용하고, 스트립 폭에 기초한 스트립의 반사 계수의 변화의 사용한다. 그러나, 스트립 폭이 변화될 경우, 음속 또한 변화한다. 그 결과로써, 스트립폭에 기초한 청감보정을 수행하려 할 경우, 검사 방법과 장치는 정확한 음속측정과 정정된 음속에 따라 스트립의 배열 간격을 변화시키는 것이 요구된다. 이는 그설계에 있어서 극도로 고도의 기술이 필요로 하는 문제를 제기한다.
상기한 바와 같이, 다양한 IDT나 공진기는 제안된 두 스트립의 비대칭에 의해 일방향성 전극으로 각각 동작하나, 종래의 비대칭 더블 전극은 충분한 일방향성이 성취되지 않는다. 또한, 종래의 비대칭 더블전극의 반사 중심과 반사량은 제어하기가 극히 곤란하다.
상기한 문제를 극복하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예는, 탄성표면파 전파의 더 우수한 일방향성을 성취하고, 효과적이고 용이하게 기본 구간 당 반사량을 조절하는 비대칭 더블 전극을 사용한 탄성표면파 장치를 제공한다.
도 1a 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극의 평면도이다.
도 1b 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극의 부분 절단 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예의 비대칭 더블 전극의 여진 중심의 에지-위치 의존성을 도시한 도면이다.
도 3 은 합성 벡터 길이 Γ가 0.20λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지 위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 4 는 합성 벡터 길이 Γ가 0.50λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지 위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 5 는 합성 벡터 길이 Γ가 1.00λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지 위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 6 은 합성 벡터 길이 Γ가 1.25λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지 위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 7 은 합성 벡터 길이 Γ가 1.50λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지 위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 8 은 합성 벡터 길이 Γ가 1.70λ인 경우, 에지 위치 X1=-X4와 각 에지위치 X2와 X3 사이의 관계를 보인다.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에서, 에지 위치 X2가 등식(1)의 변화에 의해 획득된 경우, 반사 중심(Φ)의 변화를 보인다.
도 10 은 본 발명의 바람직한 실시예에서, 에지 위치 X3이 변화하는 경우, 반사 중심(Φ)의 변화를 보인다.
도 11 은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 IDT의 방향성을 평가하기 위한 전극 구조를 보인 평면도이다.
도 12 는 기본 구간의 수와 방향성 사이의 본 발명의 더 바람직한 실시예에서 획득된 관계와, 비교를 위해 준비된 종래의 비대칭 더블 전극을 사용한 경우 기본 구간의 수와 방향성 사이의 관계를 보인 것이다.
도 13 은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 반사기를 갖는 IDT의 전극 구조의 설명을 위한 평면도이다.
도 14 는 종래의 비대칭 더블 전극의 부분 절단 평면도이다.
도 15 는 도 14 에 도시된 비대칭 더블 전극에서 스트립의 에지 위치 설명을 위한 부분 절단 구간도이다.
도 16 은 도 15 에 도시된 에지 X1~X4에서의 반사 벡터와 이들의 결합 벡터사이의 관계를 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1:비대칭 더블 전극 2:스트립
3:스트립 21:반사기
22:IDT 101:비대칭 더블 전극
102:스트립 103:스트립
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성표면파 장치는, 압전기판을 포함하고, 비대칭 더블 전극을 포함하는 둘 이상의 기본 구간을 포함하며, 여기서 둘 이상의 기본 구간은 반파장 구간이 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 포함하고, 둘 이상의 기본 구간은 탄성표면파의 전파 방향을 따라 형성된다. 본 탄성표면파 장치에서, 둘 이상의 기본 구간의 각각의 중심이 기준위치(reference position)인 경우, 제1스트립과 제2스트립의 에지에서의 반사 벡터 합성에 의해 발생된 합성 벡터로부터 획득된 반사 중심의 백터각의 절대값은 바람직하게는 대략 45±10°나 135±10°이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 탄성표면파 장치는 압전 기판을 포함하고, 비대칭 더블 전극을 포함하는 둘 이상의 기본 구간을 포함하며, 여기서기본 구간은 반파장 구간이 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 포함하고, 둘 이상의 기본 구간은 탄성표면파의 전파방향을 따라 형성된다. 본 탄성표면파 장치에서, 비대칭 더블 전극의 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차의 절대값은 바람직하게는 대략 45±10°나 135±10°이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 탄성표면파 장치는 압전 기판을 포함하고, 비대칭 더블 전극을 포함하는 둘 이상의 기본 구간을 포함하며, 여기서 기본 구간은 반파장 구간이 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 포함하고, 둘 이상의 기본 구간은 탄성표면파의 전파방향을 따라 형성된다. 본 탄성표면파 장치에서, 제1스트립과 제2스트립의 에지 위치가 X1에서 X4까지인 경우, 각각은 자유표면과 금속표면사이의 음속차를 사용하여 값이 정정되고, 스트립 에지로부터 반사된 파형의 표준화된 반사파의 합성 벡터길이가 |Γ|이고, 기본구간의 중심위치가 0(λ)이고, X1-X4인 경우, X2와 X3의 위치 각각은 다음 등식 (1)과 (2)를 실질적으로 만족하는 값이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 탄성표면파 장치에서, 상기한 스트립의 에지 위치(X1~X4)에서의 탄성표면파의 반사량은 서로 대체적으로 동일한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 탄성표면파 장치에서, 상기한 비대칭 더블 전극은 인터디지털 변환기 또는, 반사기일 수도 있다.
더불어, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 바람직하게는, 수정이 상기한 압전 기판으로 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 선택적으로, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 압전기판은 LiTaO3과 같은 다른 압전 단결정으로 구성될 수 있고, 또는 티탄산 납 지르콘산염계 세라믹과 같은 압전 세라믹이 사용될 수 있다. 또한, 압전기판이나 알루미나 기판과 같은 절연기판에 산화 아연 박막과 같은 압전 박막을 형성하여 구성된 압전 기판이 사용될 수 있다.
본 발명의 상기한 다른 요소, 특성, 특징, 이점은 첨가된 도면과의 결합하여 다음의 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 기술로부터 명백해질 것이다.
비대칭 더블 전극을 사용한 일방향성을 실현하기 위하여, 본 출원의 발명자는, 기본구간당 탄성표면파의 반사량이 작은 경우, 일방향성 전극의 주파수 일방향성 특성은, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차가 대략 +45°(-135°)나 -45°(+135°)인 일방향성 전극을 사용한 반사 요소의 형성 및 이들 양 반사 요소와 음 반사 요소의 배치에 의해, 이들이 각각 양 임펄스(impulse)와 음 임펄스라고 가정하여, 예측될 수 있음을 광대한 연구를 실시하여 발견하였다. 더불어, 본 발명자는, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차가 양 요소와 음 요소에서 대략 ±45°(±135°)에서 크게 벗어날 경우, 탄성표면파의 위상 부정합으로 인해, 양 요소와 음 요소를 단순한 양 임펄스와 음 임펄스로 간주하기 어렵게 됨을 발견하였다.
더불어, 본 발명자는, 비대칭 더블 전극을 사용하는 일방향성 IDT에 청감보정 방법을 사용할 경우, 반사 계수를 고려한 청감보정을 수행할 수 있고, 반사 중심이 각각 반파장 구간의 중심에 대해 대략 +45°(-135°)와 -45°(+135°)의 각에 위치하는 양 반사 요소와 음 반사 요소가 반사기로 형성되고 사용될 수 있음을 발견하였다. 스트립 폭에 청감보정을 수행할 경우, 전극 피치(pitch)의 변화가 요구된다. 그러나, 반사 계수에 의한 청감보정 방법은, 양 요소와 음 요소의 음속이 서로 일치하기 때문에, 반사기가 쉽게 생산되도록 한다.
다음으로, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예의 원리가 도면을 기준으로 더 상세하기 기술될 것이다.
도 1a 와 1b 에 도시된 비대칭 더블 전극(1)이 예로 사용된다. 이 비대칭 더블 전극(1)에서, 서로 다른 폭을 갖는 스트립(2,3)으로 구성된 각각의 기본 구간 Z는 탄성표면파의 전파 방향으로 반복적으로 배열된다. 이제, 한 기본 구획이 -0.25λ에서 +0.25λ에 형성되게 한다. 여기서, λ는 탄성표면파의 파장을 표시한다.
제1스트립(2)과 제2스트립(3)의 에지의 위치를 기본구간, 즉 반파장 구간 X1'~X4'으로 하고, 자유표면을 따라 전파되는 탄성표면파의 음속을 Vf라 하고, 금속 표면을 따라 전파되는 탄성표면파의 음속을 Vm이라 하면, 자유표면과 금속표면의 음속을 기초로 정정된 에지 위치 X1~X4는 다음 등식으로 표현된다:
상기 등식(3)에서, Lm은 반파장 구간의 중심, 즉 0λ에서 탄성표면파의 전파 방향에서의 X1~X4까지의 금속표면의 거리의 합을 나타내고, Lf는 반파장 구간의 중심, 즉 0λ에서 X1~X4까지의 자유 표면의 거리의 합을 나타낸다. Lm0는 전체 반파장 구간의 금속 표면의 거리의 합을 나타내고, Lf0은 전체 반파장 구간의 자유 표면의 거리의 합을 나타낸다.
다음으로, 하나의 스트립만이 반파장 구간에 형성된 단일 전극에서의 반사가 논의될 것이다. 단일 스트립이 배열되어 그 중심이 반파장 구간(Z)의 기준 위치 0λ에 위치된다고 가정한다. 단일 스트립의 한 에지 위치(-Xs)에서의 반사 벡터를 Γs1으로, 다른 에지 위치(+Xs)에서의 반사 벡터를 Γs2로 하면, 기준 위치에서의 합성 반사 벡터(Γs)는 아래의 등식(4)로 표현된다. 여기서, 등식(4)에서 j는 허수단위이고, k는 파장 수를 나타낸다.
상기한 합성 벡터 Γs의 길이 |Γ|는 단일 스트립의 반사량을 나타낸다.
여기서, |Γs1|=|Γs2|=1로 규격화 처리할 경우, 자유 표면의 음향 임피던스 (impedance)가 금속 표면의 음향 임피던스보다 큰 상태에서 Γs1=-Γs2=-1로 표현할 수 있다. 그러므로, 반사 중심(Φs)을 단일 스트립의 중심으로 정의하면, 반사 중심 Φs는 결합 반사 벡터(Γ)의 각Γ를 사용하여, 다음 등식(5)로 결정될 수 있다.
다음으로, 단일 스트립의 경우로, 상호 다른 폭을 갖는 두 스트립이 반 파장 구간에 형성된 비대칭 더블 전극의 논의가 이루어진다. 도 1a와 1b의 에지 부분(X1~X4)에서의 탄성표면파의 합성 벡터를 Γ1~Γ4라 하면, 기준 위치 0λ에서의 합성 반사 벡터(Γ)는 아래의 등식(6)으로 표현된다.
상기 합성 벡터(Γ)의 길이 |Γ|는 일방향성 전극의 반사량을 나타낸다. 일방향성 전극의 반사 중심은 단일 스트립과 같은 방법으로 정의되고, 아래의등식(7)으로 표현된다.
이 경우에서, 비대칭 더블 전극에서, 일방향성 IDT는 기본 구간에 인접한 전기 극성이 선택적으로 반전되도록 구성되며, 탄성 표면파의 전파 방향에서 한 면의 기본 구간과 인접 기본 구간사이의 인터-스트립 간격의 폭과 탄성표면파의 전파 방향에서 다른 면의 기본 구간과 인접 기본 구간 사이의 인터-스트립 간격의 폭이 서로 같은 경우와, 이들 인터-스트립 간격이 중심 기본 구간의 중심과 대칭으로 형성되는 경우, 비대칭 더블 전극의 여진 중심은 대략 반파장 구간의 중심 부분에 위치된다.
도 2 는 상기한 비대칭 더블 전극에서 여진 중심의 에지 위치 의존성을 도시한 도면이다. 여기서, 예를 들면 대략 0.02λ의 두께를 갖는, 알루미늄 막으로 형성된 비대칭 더블 전극은 ST-컷 수정기판에 형성된다. 이 도면은, X1=-X4=-0.1875λ, X3-X2=0.125λ, 이고 X2가 변수로 사용되는 경우, 유한 요소법에 의해 획득된 전극의 전하 밀도 분포의 퓨리에 변환으로 획득된 기본파 요소로부터 획득된 여진 중심의 에지 위치 의존성이 도시된다.
이는 비대칭 더블 전극의 비대칭정도가 X2=0.172λ로 매우 높은 위치에서도, 여진 중심의 벡터 각이 약 +4.6° 즉, 대략 중심 부분에 위치하는 것이 확인된다. 탄성표면파 장치를 구성하는 IDT의 스트립 폭과 간격폭은 스트립 및/또는 패턴 프로세스의 전기적 저항에 의해 한정된다.
에지 위치(X,X3)는 X2-X1> 0.02λ, X3-X2>0.02λ, X4-X3>0.02λ로 하여, Γ1~Γ4의 벡터 길이가 서로 같다고 가정하여, 몬테 카를로 방법(Monte Carlo method)에 의해, Γ1=Γ4=-1, Γ2=Γ3=+1로 규격화를 수행하고, 등식(6)과 등식(7)과 같은 상태가 Φ=45°임을 발견함으로써, |Γ|와 에지 위치 X1와 관련하여 유일하게 결정될 수 있다. X2와 X3을 표현하는 근사식은, |Γ|와 X1을 변수로 사용하여, 다음 등식(8)과 등식(9)로 주어진다.
등식(8)과 등식(9)에서, A~F는 다음 등식으로 획득된다.
상기 결과로부터, 소망하는 반사량에 일치하고 약 45°의 각에서 반사 중심을 갖는 비대칭 더블 전극이 획득될 수 있음을 인식할 수 있다. 추가로 인식될 수 있는 바와 같이, 상기한 등식에 따라 구성된 비대칭 더블 전극에서, 여진 중심은 반파장 구간의 중심에 위치된다. 그 결과, 비대칭 더블 전극이 일방향성 전극으로 사용될 경우, 여진중심과 반사 중심 사이의 위상차는 대략 45°가 되고, 이 비대칭 더블 전극은 매우 우수한 특성을 갖는 일방향성 전극으로 작동을 허용한다.
예시한 것처럼, 도 3 내지 도 8 은 |Γ|=0.20λ, 0.50λ, 1.00λ, 1.25λ, 1.50λ, 1.70λ일 때, 등식(8)과 등식(9)에 의해 획득된 X2와 X3의 결과를 도시한다. 동시에, 상기에서, 반사계수는 금속표면의 음향 임피던스보다 큰 자유 표면의 음향 임피던스라는 전제에 기초하여 취급된다. 반대로, 자유 표면의 음향 임피던스가 금속 표면의 임피던스보다 작은 상황에서, |Γ|의 부호만 반전되거나, 다시 말하면, Φ가 90°이동된다.
상기한 바와 같이, 등식(8)과 등식(9)를 만족하기 위해 에지 위치(X2,X3)의 선택에 의해, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차는 대략 45°로 만들어질 수 있다. 그 결과, 매우 우수한 일방향성 전극이 성취될 수 있다. 그러나, 본 발명자는 X2와 X3가 등식(8)과 등식(9)를 만족하는 위치뿐만 아니라, 등식(8)과 등식(9)를 만족하는 위치로부터 소정의 위치에서도 비대칭 더블 전극이 매우 뛰어난 일방향성을 가짐을 확신한다.
도 9 와 도 10 은 -0.1λ~+0.1λ의 범위에서, |Γ|=1.5이고, X1=-0.2188λ를 등식(8)과 등식(9)를 대입하여 각각 획득된, 반사 중심이 X2와 X3인 경우의 변화를 보인다.
상기한 바와 같이, 반사 중심이 대략 45°의 각에 위치하거나, 반사 중심과 여진 중심 사이의 위상차가 대략 45°인 것이 요청되나, 본 발명자는 대략 45+10°의 범위에서 상기한 종래기술의 비대칭 더블 전극에 비교하여 매우 향상된 위상 부정합을 허용함을 확인하였다. 이는 도 9 와 도 10 으로부터, 반사 중심의 위치가 대략 45+10° 각의 범위가 X2의 위치에 대한 등식(8)에 의해 획득된 값에 대해 약 ±0.10λ의 범위에 일치하고, X3의 위치에 대한 등식(9)에 의해 획득된 값에 대해 약 ±0.05λ의 범위에 일치하여, 에 있음을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에서, X2와 X3의 위치는 상기한 등식(1)과 등식(2)에 나타난 범위내인 것이 바람직하다. 우수한 일방향성은 이런 유일한 배열의 결과로서 실현될 수 있음이 이해된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극을 사용한 탄성표면파 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 구성된다. IDT는 ST-컷 수정기판에 예를 들면, 대략 0.02λ두께를 갖는 알루미늄 필름의 형성에 의해 구성되고, 이후 패턴닝(patterning)을 수행한다.
비대칭 더블 전극이 되는 IDT는, 아래의 표 2 에 나타난 |Γ|와 X1의 값을 등식(8)과 등식(9)에 대입하여 구한 에지 위치 X2와 X3에 따라 구성된다. 표 2 는 인터-모드 결합 계수 κ12/k0과 이 경우 반사 중심(Φ)을 도시한다.
도 2 에 도시된 등식(8)과 등식(9)를 기초로 구성된 비대칭 더블 전극에서, 반사 중심의 각이 45°에 가깝기 때문에, 전파 파형에 대해 반사파의 위상 부정합은 종래의 비대칭 더블 전극보다 매우 적다. 그러므로, 등식(8)과 등식(9)를 기초로 구성된 비대칭 더블 전극의 사용은, 종래의 탄성표면파 장치보다 우수하게 수행하는 탄성표면파 장치의 성취를 허용하고, 특히 스트립 반사의 사용을 확실하게 하는 경우 효과적이다.
|Γ| X1[λ] κ12/k0 반사중심Φ[λ]
0.20 -0.19 0.0005 43.8
0.50 -0.20 0.0015 42.3
0.75 -0.20 0.0021 40.5
1.00 -0.21 0.0029 39.6
1.25 -0.21 0.0031 39.0
1.50 -0.22 0.0036 39.2
1.60 -0.22 0.0035 40.2
1.70 -0.23 0.0038 41.5
1.73 -0.23 0.0038 42.2
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 비대칭 더블 전극을 포함하는 IDT가 ST-컷 수정 기판에 형성될 경우, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방향성의 특정 실험예가 기술될 것이다.
도 11 에 도시된 바와 같이, IDT11, IDT12, IDT13이, 예를 들면 대략 0.02λ의 두께를 갖는 알루미늄 필름을 사용한 ST-컷 수정 기판(미도시)에 형성된다. 중간 IDT11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극으로 구성되고, IDT11의 반대면에 형성된 IDT12와 IDT13은 통상의 더블 전극형 IDT이다.
비대칭 더블 전극으로 구성된 IDT11에서, 다른 폭을 갖는 제1스트립(2)과 제2스트립(3)의 에지 부분이 비대칭으로 만들어질 경우, 여진 중심이 반파장구간의 중심으로부터 벗어나서 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차 또한 대략 45°로부터 벗어난다. 그러므로, |Γ|=1.5와 X1=-0.2188λ를 등식(8)과 등식(9)에 대입하여획득된 에지 위치(X2,X3)는 약 0.05λ로 조절되고 수정되어 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차는 대략 45°에 접근한다.
그 결과로써, X1=-0.2188λ, X2=-0.1185λ, X3=+0.0050λ, X4=+0.2188λ인 경우, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차는 약 41°가 된다.
도 12 는 도 11 에 도시된 전극구조를 사용하고 상기한 구조를 갖는 비대칭 더블 전극을 포함하는 IDT11의 방향성과, IDT11의 위치에 형성된 종래의 비대칭 더블 전극의 방향성의 비교를 도시한다. 도면에서 실선은 IDT11의 결과를 보이고, 점선은 종래예의 결과를 보인다. 방향성과 관계하여, 입력 전압이 IDT11에 인가되고, IDT11과 IDT12에 수신된 출력이 발견되고, 방향성은 이 출력(dB)의 값으로부터 구해진다.
비교를 위한 비대칭 더블 전극을 사용한 IDT에서, 전극의 막 두께는 바람직하게는 약 0.02λ로 설정되고, 에지 위치는 바람직하게는 X1=-0.1875, X2=-0.1250λ가 되도록 설정된다. 전극 핑거(finger)의 횡단폭은 바람직하게는 바람직한 실시예와 종래예 각각에서 약 20λ로 설정된다.
IDT11의 반대면의 IDT12와 IDT13에 대해, 전극 핑거의 횡단폭은 바람직하게는 약 20λ로 설정되고, 에지 위치는 바람직하게는 X1=-0.1875λ, X2=-0.0625λ, X3=+0.0625λ, X4=+0.1875λ가 되도록 설정된다.
도 12 로부터 바람직한 실시예의 비대칭 더블 전극은 종래의 비대칭 더블 전극보다 방향성이 우수함이 인식된다. 또한, 본 발명자는 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차는, 등식(8)과 등식(9)에 의해 획득된 에지 위치(X2,X3)가 약 ±0.1λ로 조절하거나, X4가 -X1으로부터 약간 떨어지도록 조절하는 것에 의해, 45°에 접근하도록 교정하는 것이 가능함을 확인하였다.
도 13 은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 반사기(21)를 갖는 IDT의 전극 구조를 보인 평면도이다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 반사기(21)는 바람직하게는 IDT22에 형성된다. 이 경우에서, 반사기(21)의 반사 계수에 청감보정을 수행하는 것에 의해, 반사기(21)를 갖는 전체 IDT(22)의 주파수 특성을 조절하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예에 한정되지 않고, 다양한 수정이 가능하다. 예를 들면, 상기한 바람직한 실시예에서, 종래예보다 방향성이 우수한 것이 성취됨이 인식된다. 그러나, 사용에 따라, 더 나은 방향성을 성취하는 것보다, 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차가 45°에 근접하거나 반파장 구간의 중심에서 X1=-X4인 경우 반사 중심이 45°인 것이 더 중요한 경우가 있다. 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차가 약 45°인 것이 요구될 지라도, 예를 들면, 반사기로 이용될 경우와 같이, 스트립에 의한 반사가 확실히 이용될 경우, 여진 중심이 멀어질 지라도, 여진 중심이 반파장구간의 중심에 위치되고, 반사 중심이 45°의 각도에 위치되는 것이 우선된다. 특히, 스트립이 반사기로 사용될 경우, 반사 중심만이 고려될 수 있다.
상술한 것으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예를 사용한 탄성표면파 장치에서, 상기한 기본 구간의 중심이 기준위치로 설정될 경우 제1스트립과 제2스트립의 에지(X1~X4)에서의 반사 벡터의 결합에 의해 형성된 결합벡터로부터 획득된 반사 중심의 벡터각의 절대값은 바람직하게는 대략 45±10° 또는 대략 135±10°이다. 이에 의해, 탄성표면파의 위상 부정합은 최소화되고, 상기한 비대칭 더블 전극의 일방향성은 매우 향상된다.
더욱이, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에서, 비대칭 더블 전극의 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차의 절대값이 대략 45±10°이나 135±10°내인 경우, 탄성표면파의 위상 부정합은 최소화되고, 우수한 일방향성이 실현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 기본 구간을 구성하고 서로 다른 폭을 갖는, 제1스트립과 제2스트립의 에지 위치(X1~X4)에서, 기본 구간의 중심 위치가 0(λ)이고 X1-X4인 경우, X2와 X3의 위치가 등식(1)과 등식(2)를 만족하면, 기본 구간의 중심이 기준위치이거나 여진 중심과 반사 중심 사이의 위상차의 절대값이 대략 45±10°이나 135±10°인 경우, 반사 중심의 벡터각의 절대값이 대략 45±10°이나 135±10°인 것이 확실하다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성표면파의 위상 부정합을 방지하고 우수한 일방향성을 갖는 비대칭 더블 전극이 쉽고 실현가능하게 제공될 수 있다.
에지 위치(X1~X4)에서의 탄성표면파의 반사량이 대략 서로 같은 경우, 반사된 탄성표면파와 전파하는 탄성표면파 사이의 위상 부정합은 매우 효과적으로 제거된다.
IDT가 본 발명의 다양한 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극을 포함하여 구성되는 경우, 반사된 탄성표면파와 전파하는 탄성표면파 사이의 위상 부정합은 방지되고, 이에 의해 예를 들면, 저손실 트랜스버설형 탄성표면파 장치로 구성된, 우수한 일방향성을 갖는 IDT가 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비대칭 더블 전극이 반사기로 사용될 경우, 청감보정이 반사 계수에 용이하게 수행되기 때문에, 반사기의 전체 반사 계수의 주파수 특성이 제어가능한 탄성표면파 장치를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명이 바람직한 실시예를 고려하여 참조와 함께 기술되었을지라도, 다양한 변화와 수정이 폭넓은 형태에서 본 발명으로부터 분리없이 만들어질 수 있고, 그러므로, 본 발명의 진정한 정신과 사상에서 이와 같은 변화와 수정을 첨부된 청구항이 포함한다.
상기한 본 발명에 의하면, 비대칭 더블 전극을 사용한 탄성표면파 장치는, 탄성표면파 전파의 더 우수한 일방향성을 성취하고, 효과적이고 용이하게 기본 구간 당 반사량을 조절할 수 있다.

Claims (15)

  1. 압전 기판; 및
    상기 압전 기판에 형성되고, 각각은 반파장 구간으로 정의되는 비대칭 더블 전극과 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 갖는 둘 이상의 기본 구간을 포함하고,
    제1스트립과 제2스트립의 에지에서 반사 벡터를 합성하여 발생된 합성 벡터로부터 획득된 반사 중심의 벡터각의 절대값은, 상기 둘 이상의 기본 구간의 각각의 하나의 중심이 각 범위를 위한 기본 위치인 경우, 대략 45±10°이나 135±10°인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 스트립의 에지 위치에서의 탄성표면파의 반사량은 실질적으로 서로 같은 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 인터디지탈 변환기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 반사기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    상기 압전 기판은 수정 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  6. 압전 기판; 및
    상기 기판에 형성되고, 각각은 반파장 구간으로 정의되는 비대칭 더블 전극과 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 갖는 둘 이상의 기본 구간을 포함하여 구성되고,
    상기 비대칭 더블 전극의 여진 중심과 반사 중심의 위상차의 절대값은 대략 45±10°이나 135±10°인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 스트립의 에지 위치에서의 탄성표면파의 반사량은 실질적으로 서로 같은 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  8. 청구항 6 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 인터디지탈 변환기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  9. 청구항 6 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 반사기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  10. 청구항 6 에 있어서,
    상기 압전 기판은 수정 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  11. 압전 기판; 및
    상기 기판에 형성되고, 각각은 반파장 구간으로 정의되는 비대칭 더블 전극과 서로 다른 폭을 갖는 제1스트립과 제2스트립을 갖는 둘 이상의 기본 구간을 포함하여 구성되고,
    상기 제1스트립과 제2스트립의 에지 위치가 X1, X2, X3, X4인 경우, 각각은 자유표면과 금속표면사이의 음속차를 이용하여 보정된 값이고,
    에지 위치로부터 반사된 파형의 규격화 합성 벡터의 길이가 |Γ|이고, 상기 둘 이상의 기본구간의 하나의 중심 위치가 0(λ)이고, X1-X4인 경우, X2와 X3 위치의 각각은 다음 등식(1)과 등식(2)를 만족하는 값과 실질적으로 같고,
    등식(1)과 등식(2)에서, A~F는 다음 등식
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  12. 청구항 11 에 있어서,
    상기 스트립의 에지 위치(X1~X4)에서의 탄성표면파의 반사량은 서로 실질적으로 같은 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  13. 청구항 11 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 인터디지탈 변환기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  14. 청구항 11 에 있어서,
    상기 비대칭 더블 전극은 반사기인 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  15. 청구항 11 에 있어서,
    상기 압전 기판은 수정 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
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