KR20020032585A - 교번 분극영역들을 포함하는 탄성파 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강유전체 층 (C) 및 기판을 포함하는 탄성파 장치에 관한 것이다. 본 발명은 강유전체가 기판 표면에 놓여진, 또는 기판을 구성하는 제 1 전극 (E1) 과 제 2 전극 사이에 놓여지는 것에 특징이 있고, 강유전체 층은 제 1 양의 분극영역들 (D1) 및 제 2 음의 분극영역 (D2) 을 포함하는 것에 특징이 있다. 표면파 변환기에의 적용을 위해, 구조들은 (1기가헤르쯔급의) 고주파 응용들에 적용되는, 수 백 나노미터급의 피치 영역 전환과 함께 유리하게 생산된다.
Description
종래기술에서, 변환기들은 서로 맞물린 전극들에 기초한 빗살 구조들을 이용하여 현재 제조되고 있고, 의도하는 적용에 따라 변환기의 중심 작동 주파수에 대응하여 파장 λ당 2, 4, 또는 8개의 전극들로 이루어지는 구조를 이용한다. 이들 모든 변환기에서, 자유표면들의 영역에 대한 기판상의 금속피복된 표면들의 영역의 비는 통상 0.25 내지 0.75 이다.
그럼에도 불구하고, 새로운 유형의 변환기들이 나타났다. 이것들은, 2개의 연속 전극 사이에 가능한 아주 작은 거리를 얻기위해 자유 표면이 아주 작은, 소위 스몰갭 변환기 (small gap transducer) 이다. 이 유형의 변환기의 이점들은 크게 감소된 전극간의 반사현상를 갖는 가능한 가장 큰 주기당 전극 폭들을 얻을 수 있다는 사실에 기인한다.
이 구조들이의 단점은 기술적인 어려움에 기인한다. 예를 들면, 1.6㎓에서 작동하는 변환기에 대하여, 폭이 λ/2 , 예를 들면, 1.5㎛인 전극들은 수 백 Å급의 거리만큼 분리되어야 하며, 이것은 아주 정밀한 기술을 요한다.
또한, (Rayleigh파들의 경우에) 전력을 공간적으로 아주 가까이 분리되어 있는 전극들로 송전하는 경우, 상기 전극들의 구성 금속, 이 경우 (아주 자주 이용되는) 알루미늄이 에너지를 열로 변환하고, 변형하려는 경향을 갖고 있어, 다양한 전극들을 단락시킬 수 있다.
본 발명은 탄성파 장치에 관한 것으로, 특히, 몇 기가헤르쯔급의 아주 높은 고주파에서 작동할 수 있는 표면파 변환기에 관한 것이다.
이하에서, 본 발명은 더 분명히 이해될 것이고, 다른 유리한 이점들이 제한적 의미가 아닌 예들에 의해, 그리고, 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 표면파 장치에 대한 양의 분극들 및 음의 분극영역들을 생성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 표면파의 제 1 예를 나타내는 도면이다.
도 3 은 비분극영역들을 갖는 발명에 따른 장치를 나타내는 도면이다.
도 4 는 어포디제이션 함수 (어포디제이션 function) 를 생성하는 종래기술에 따른 서로 맞물린 전극들을 나타내는 도면이다.
도 5 는 어포디제이션 함수를 산출하도록 본 발명에 이용되는 전극들의 형태를 나타내는 도면이다.
도 6 은 강유전체 층과 접촉하지 않는 제 2 전극을 이용하는 표면파 장치의 제 2 예를 나타내는 도면이다.
이 다양한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 분극 전환 강유전체로 이루어지는 연속 전극을 갖는 탄성파 장치를 제공한다.
좀 더 자세히 설명하면, 본 발명의 요지는 기판과 강유전체 층을 구비하며, 강유전체 층이 기판의 표면상에 위치하거나, 또는 기판의 구성부분인 제 1 전극과 제 2 전극사이에 놓여지고, 강유전체 층이 양의 제 1 분극영역과 음의 제 2 분극영역을 포함하는 탄성파 장치이다.
제 1 실시예에 따르면, 제 2 전극은 강유전체 층상에 배치된다. 제 2 실시예에 따르면, 제 2 전극은 제 2 전극과 강유전체 층 사이에 공간을 구성하도록 커버에 의해 지지되고, 따라서, 표면파들의 전파특성을 증가시켜, 강유전체과 상부전극 사이에 접촉이 없음으로 인해 덜 속박된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 강유전체 층은 강유전체 층에서 전파하는 탄성파의 방향성에 영향을 미치도록 위상 소자들을 유발하는 비분극영역을 포함할 수 있고, 이것은 이하에서 설명될 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄성파 장치는 일련의 양, 음, 또는 0분극의 선형 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 영역들은 탄성파들 사이의 간섭의 결합을 일으키고, 특별한 변환기 구조를 생산하기 위해 추가적인 자유도를 허용하는 직교 방향으로 분포된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄성파 장치는 y=f(x) 유형의 방정식을 만족하는 2개의 변수들 y 및 x 에 의해 표면이 정의되는 하나 이상의 전극을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 강유전체 층의 평면에서, 공간 분극 분포는 야기되는 분극표면이 변수들 y 및 x 에 의해 정의되고, f가 실수함수인 기하학적인 법칙을 따른다.
통상, 본 발명은 교번 분극의 영역이 발생하는 강유전체 층을 이용하는 탄성파 장치를 제공한다.
특히, 국소적으로 분극된 영역들을 생성하고, 함수화하기 위해 이러한 종류의 국소 분극으로부터 이득을 얻거나 또는 금속 기판 또는 국소 전기 분극에 기인하여 금속피복된 표면의 어떤 유형상에서도 강유전체에 의해 압전적으로 여기된 탄성파를 제조하기 위해 야기되는 물질의 전자탄성적 특성들을 주기적으로 할 것이 제안된다.
이를 위해, 종래기술에서는 강유전체 층이 금속 기판의 표면상에 또는 금속피복된 기판의 표면상에 생성된다. 통상, 이것은 단결정, 다결정 또는 단결정 강유전체, 예를 들면 납티타늄지르코늄옥사이드 (PZT), LiNbO3, LiTaO3또는 KNbO3일 수 있다. 통상, 이 층은 약 10㎛보다 작은 두께를 가질 수 있다. 그 후, (분극되거나 또는 분극되지 않은) 물질은 특히, 팁 (tip), 에이펙스 (apex)또는 원하는 국소 분극 프로파일에 따라 형성되는 기하학적 형태의 전극에 의해 국소적으로 큰 전계내에 놓이게된다.
이 작업의 목적은 물질의 특정 최소 분극 시간보다 더 큰 충분한 시간 동안 물질의 항전계 (coersive field) 를 초과시키는 것이다. 이러한 방식으로, 강유전체의 분자 쌍극자들을 영속성 있게 배치함으로써, 제어된 압전성 분극을 얻는다. 이것은 이에 따라 인가된 전계의 극성이 강유전체의 분극의 방향이 국소적으로 놓여지는 것이 가능하도록 하기 때문이다. 경우에 따라, 전계의 인가 동안, 하부 전극 또는 기판 자체가 전기 레퍼런스에 장착된다. 도 1 은 양의 제 1 분극영역 (D1) 및 음의 제 2 분극영역 (D2) 을 생성하고, 비분극 제 3 영역을 제 1 전극 (E1) 으로 커버링된 기판 (S) 의 표면상의 강유전체 층 (C) 안에 유지시키는 이 과정을 예시한다. 팁 (P) 이 상기 층 (C) 상에 위치한다.
이하에서는 PZT산화층의 경우에 있어서 이 과정을 설명할 것이다. 통상, PZT 세라믹을 제조하는 온도 (약 500℃ 이상의 온도) 를 견딜수 있는 백금/티타늄 합금으로 제조되는 제 1 전극이 실리콘, 사파이어, 유리 등으로 구성되는 유형의 물질로 이루어진 기판상에 형성된다. PZT층은 수 마이크로미터급의 두께를 갖는 층을 얻도록 스퍼터링 또는 졸-겔 타입의 피착에 의해 제조된다. 그 후, 원자력 현미경형의, 또는 팁이 반데르발스 인력 (ATM) 에 민감하도록 시료에 충분히 가깝게 위치되어 전자들이 터널링 효과에 의해 (STM) 견본으로부터 팁으로 이동하도록 하는 터널 현미경 유형의 좁은 시야의 현미경에 대하여 이용되는 것과 같은 팁 (tip) 이 이용된다. 전압을 팁에 인가함으로써, 기대되는 강제 분극이 정확하고, 재현가능한 방식으로 얻어진다. 500㎚ 두께의 박막형 PZT층들에 대해, 5 내지 12V의 전압은 항전계보다 더 큰 계를 발생시키기에 충분하다. 실제로, 이에 따른 영역들의 사이즈는 130㎚ 보다 작을 수 있다.
이 과정을 팁의 뾰족한 부분에 따라 더 크거나 또는 더 작은 영역에 적용하는 것이 가능하다. PZT의 경우에, 영역 전환의 공간 해결은 물질 입자의 크기에 직접 의존한다. 통상, 졸-겔 과정에 의해 얻어지는 입자들의 경우에 있어서, 스퍼터링에 의해 위치되는 층들에 있어서, 압자의 크기는 수 백 나노미터급 또는 약 60㎚ 정도일 수 있다.
따라서, 표면파 변환기들의 분야에 적용하는데 있어서, 수 백 나노미터급의 피치 (pitch) 를 갖는 영역 전환으로 구조들을 제조할 수 있으며, 따라서, 고주파 적용들에 대해 아주 적당한 구조들을 생산하는 것이 가능하다. 본 발명에 따르면, 이것은 격자의 피치가 탄성파의 파장정도이기 때문이다. 주파수는 격자의 피치에 의해 파의 위상 속도를 나눔으로써 제 1 근사치까지 얻어진다. 종래의 표면파 장치들에 있어서, 이용되는 격자 피치는 통상 탄성파의 반파장과 같다.
강유전체의 내에서의 분극 전환을 이용하는 본 발명에 따른 탄성파 장치는 유리하게는 표면파 장치일 수 있다.
이것은 이에 따라 생산된 구조가 제 2 전극을 갖는 강유전체의 층을 피복함으로써, 동적으로 여기될 수 있기 때문이다.
양의 분극과 음의 분극의 영역들을 교번으로써, 강유전체의 층내의 물질은 체적내에서 보다는 오히려 층의 표면에서 전파하는 (그리고, 이에 따른 도파함수를 갖는) 구조적인 탄성파 간섭을 발생하도록 확장과 압축을 번갈아 경험하게 된다. 이것은 층내의 도파된 탄성파들의 전파속도가 기판에서의 탄성파들의 전파속도보다 작기 때문이다. 도 2 는 본 발명의 따른 장치의 예를 나타내는 도면이고, 기판(S), 제 1 영역 (D1) 및 제 2 영역 (D2) 를 갖는 강유전체 층 (C), 및 층 (C) 의 표면상에 위치된 제 2 전극 (E2) 을 구비하고, 전기적 여기가 전극들 (E1, E2) 에 의해 발생한다. 따라서, 격자 필터들 또는 사다리 필터들을 생산하도록, 또는 그 밖에 입력 변환기 또는 출력 변환기를 정의하도록 기판의 표면상에 잘 정의된 특성 어드미턴스를 갖고, 같은 유형의 (그러나, 중심주파수는 다른) 다른 변환기들과 함께 이용되는 단일의 변환기를 정의하는 것이 가능하다.
본 발명의 개념에 따르면, 변환 함수들을 아주 직접적으로 생성하여 변환기들이 주어진 명세서를 구성하도록 하는 것이 가능하다.
그 후, 영역들 (D1및 D2) 의 주기는 종래기술에서 서로 맞물린 구조내의 같은 극성의 전극들 사이의 주기와 동일하다.
특히, 분극 관점으로부터, 도 3 에 국소적으로 예시된 파들의 교번하는 영역들의 피치를 국소적으로 방해하는 위상을 변경하는 중성 소자들을 생성함으로써 표면 탄성파들의 방향에 영향을 미치는 것이 가능하다. 이것은 양의 분극영역 (D1) 및 음의 분극영역 (D2) 의 교번하는 분포에서 국소적으로 방해를 생성함으로써, 표면 탄성파들의 전파가 비체계적으로 방해를 받고, 다른 방향으로 보다는 오히려 한 방향으로 방향성을 갖게 한다.
또한, 종래기술보다 더 간단한, 파장에 아주 민감한 필터링 기능들을 갖는 표면파 장치를 생산하는 것이 가능하다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 이것은 높은 저지 (rejection) 를 갖는 표면파장치를 제조하기 위해서, 복잡하게 서로 맞물린 전극들의 중첩에 의해 어포디제이션 함수를 설립하는 것이 일반적인 방법이기 때문이다. 변수 y 는 두개의 인접 전극간의 중첩 길이를 나타낸다. Y=sin x/s 의 함수는 매우 선택성이 매우 높은 필터링 함수를 얻을 수 있게 한다.
일반적으로, 어포디제이션 함수는, 하나는 어포다이징되고, 다른 하나는 그렇지 않은 (그러나 어포다이징된 변환기의 최대구멍과 적어도 동일한 음성구멍을 갖음), 두개의 마주하는 변환기를 갖는 구조의 펄스 응답이 어포디제이션 함수와 동일한 형태를 갖도록 탄성파 전송의 증폭 변조를 가능하게 한다. 예를 들어, 공간 어포디제이션이 공간에 대하여 삼각형이면, 디랙 (Dirac) 함수로 시스템을 자극함으로써 시간에 대하여 삼각형인 신호가 수신된다.
또한, 자발적인 비분극 물질들 (예를 들면, 박막형의 PZT) 에 있어서, 원하는 함수를 재구성하기 위하여 더 길거나 또는 더 짧은 선형 영역을 생성함으로서, 국소 분극 작동 동안에 직접 어포디제이션 함수를 생성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 도 5 에 도시한 바와 같이, 탄성파 장치의 전극들중의 하나의 기하학적 구성에 의하여 이런 종류의 중첩을 시뮬레이션하는 것이 가능하다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예에서, 제 2 전극이 강유전체의 표면에 제조된다.
도 6 은 본 발명에 따른 상부 전극과 강유전체 층 사이에 접촉 없이 여기가 발생되는 표면파 장치의 제 2 예를 나타낸다. 이것을 위해, 전극 (E2) 은 기판(S) 상에 놓여있는 커버 (CL) 에 의해 지지된다. 통상, 이 갭의 두께는 약 20마이크로미보다 작을 수 있다. 전력선 (electric field line) 들은 두 개의 전극 사이에, 그리고, 이에 따른 강유전체내에서도 여전히 존재한다. 이러한 구조는 다음과 같은 이점을 같는다:
- 금속층들의 전력 내구성의 문제들 및 박막 금속들에 의해 유발된 탄성 손실들의 문제들과 같은 금속의 노후의 문제는 적어도 상부 전극에서 제한된다.
또한, 커버가 제거될 수 있는 구조로써, 양 또는 음의 분극영역들을 재구성하고, 이에 따라 탄성파 장치를 재프로그램하는 것이 가능하다.
Claims (18)
- 강유전체 층 (C) 및 기판 (S) 을 구비하는 탄성파 장치로서,강유전체 층이 기판 표면상에 피착되거나, 또는 기판의 구성부분인 제 1 전극 (E1) 과 제 2 전극 (E2) 사이에 놓여지고, 강유전체 층은 양의 제 1 분극영역들 (D1) 및 음의 제 2 분극영역 (D2) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항에 있어서,제 2 전극이 강유전체 층의 표면상에 피착되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 전극 및 강유전체 층 사이의 공간을 생성하도록 기판상에 놓여진, 제 2 전극을 갖는 커버 (CL) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 3 항에 있어서,커버는 강유전체 층으로부터 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서,탄성파들의 방향성에 영향을 미치도록 비분극 제 3 영역들 (D3) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서,제 1 영역 및 제 2 영역들을 갖는 일련의 선형 영역들을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 6 항에 있어서,일련의 선형 영역들은 비분극영역들을 더 포함하는 것을 특지으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서,제 1 영역들 및 제 2 영역들의 행렬식 배치를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 8 항에 있어서,비분극영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서,강유전체는 납티타늄지르코늄옥사이드인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 10 항에 있어서,제1 전극은 백금/티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 11 항중의 어느 한 항에 있어서,기판은 실리콘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 2 전극은 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 10 항 내지 13 항의 어느 한 항에 있어서,f가 실수 함수인 y=f(x) 유형의 방정식을 만족하는 2개의 변수들 y 및 x에 의해 표면이 정의되는 하나 이상의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 10 항 내지 13 항의 어느 한 항에 있어서,강유전체 층의 평면에서의 공간 분극 분포는, 형성되는 분극 표면이 f가 실수 함수인 y=f(x) 유형의 방정식을 만족하는 2개의 변수들 y 및 x에 의해 정의되도록 기하학적 법칙을 따르는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
- 제 1 항 내지 15 항의 어느 한 항에 의한 탄성파 장치의 제조방법에 있어서,- 제 1 전극을 갖는 기판의 표면상에 강유전체 층을 생성하는 단계;- 양 및 음의 분극영역들의 강유전체 층에서, 강유전체의 항전계보다 더 큰 전계를 인가함으로써, 상기 영역들의 분극의 방향을 결정하는 극성을 형성하는 단계; 및- 강유전체의 반대쪽에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,제 2 전극은 강유전체 층의 표면상에 생성되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,제 2 전극은 기판에 고정된 커버에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치의 제조방법.
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