KR20060083761A - 복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치가 제공된다. 본 멤스 발진장치는, 기판, 기판상에 형성되며 구동시 각기 다른 발진주파수를 생성하여 출력하는 복수의 음향공진기, 및 기판상에 형성되며 복수의 음향공진기 중 어느 하나가 선택적으로 구동되도록 스위칭동작하는 멤스 스위칭부를 포함한다. 이에 의해, 가변커패시터의 커패시턴스를 조정하는 방식 대신, 각기 다른 주파수를 생성하는 복수의 음향공진기 중 원하는 어느 하나를 선택하는 방식에 의해 발진주파수를 생성할 수 있게 때문에, 보다 정확한 발진주파수를 생성하는 것이 가능해진다.
멤스, FBAR, 발진주파수, 스위칭

Description

복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치{MEMS Voltage Controlled Oscillator using a pluarity of FBAR}
도 1은 종래의 MEMS VCO의 설명에 제공되는 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치를 도시한 도면, 그리고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 스위칭 제어부
120 : SPNT 스위치
125-1∼125-n : 제1∼제n 스위치
130-1∼130-n : 제1∼제n FBAR
140 : 트랜지스터(TR)
본 발명은 멤스 발진장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 음향공진 기를 이용하여 각기 다른 복수의 발진주파수를 생성하여 출력하는 멤스 발진장치에 관한 것이다.
멤스(Micro Electro Mechanical System : MEMS) 기술은 반도체공정을 이용하여 기계부품과 전자부품을 하나의 기판에 집적시키는 기술로서, 이를 이용하면 수㎛ 이하의 초미세구조를 지닌 기계·장비를 설계할 수 있게 된다.
발진장치(Voltage Controlled Oscillator : VCO)란 공진현상에 의한 전기적 진동을 이용하여, 원하는 발진주파수를 생성하여 출력하는 장치이다. 발진장치는 여러개의 발진주파수들 중 어느 하나를 선택적으로 생성하여 출력할 수 있는 것이 일반적이다.
그리고, 멤스 발진장치는 멤스기술을 이용하여 구현한 발진장치를 지칭한다.
도 1에는 현재 구현되고 있는 MEMS VCO를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 멤스 발진장치는 하나의 기판에 가변커패시터(10), 인덕터(20), 및 트랜지스터(30)를 형성시킴으로서 구현된다. 이러한 멤스 발진장치는, 가변커패시터(10)의 커패시턴스를 변화시킴으로서 생성되는 발진주파수를 변화시킬 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 멤스 발진장치는 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다.
첫째, 상기한 멤스 발진장치에서 특정 발진주파수가 생성되도록 하기 위해, 가변커패시터(10)의 커패시턴스를 정확하게 조정하는 것은 어렵다. 이에 따라, 멤스 발진장치에서는 정확한 발진주파수가 출력되지 않을 여지가 있다.
둘째, 가변커패시터(10)의 커패시턴스의 변화는 전극간 거리를 조정하는 기 구적인 움직임에 의하게 되는데, 이와 같은 기구적인 움직임으로 인해 멤스 발진장치의 수명은 길지 않다.
셋째, 상기한 멤스 발진장치를 제작함에 있어, 원하는 인덕턴스를 갖도록 인덕터(20)를 형성하는 것은 어렵다. 와이어의 길이, 두께, 곡률, 기판과의 거리 등을 정확하게 맞추어 형성하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 따라서, 인턱턴스에 오차가 생기기 마련이다. 인턱턴스의 오차는 생성되는 발진주파수의 오차로 귀결되기 때문에 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보다 정확한 발진주파수가 생성되도록 하고, 수명이 길어지도록 하기 위해, 복수의 음향공진기를 이용하여 각기 다른 복수의 발진주파수를 생성하여 출력하는 멤스 발진장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 멤스 발진장치는, 기판; 상기 기판상에 형성되며, 구동시 각기 다른 발진주파수를 생성하여 출력하는 복수의 음향공진기; 및 상기 기판상에 형성되며, 상기 복수의 음향공진기 중 어느 하나가 선택적으로 구동되도록 스위칭동작하는 멤스 스위칭부;를 포함한다.
그리고, 상기 복수의 음향공진기는, 복수의 박막체적 음향공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 멤스 스위칭부는, 하나의 SPNT(Single Pole N Throw)타입의 멤스 스위치일 수 있다.
그리고, 상기 멤스 스위칭부는, 상기 복수의 음향공진기의 개수만큼 형성되며, 스위칭동작에 의해 대응되는 음향공진기가 구동되도록 하는 복수의 스위치;를 포함하며, 외부 스위칭제어신호에 의해 상기 복수의 스위치 중 어느 하나가 스위칭동작할 수 있다.
또한, 복수의 음향공진기가 생성하여 출력하는 상기 각기 다른 복수의 발진주파수들은 변조 및 복조 중 적어도 하나에 이용되는 국부 발진주파수들인 것이 바람직하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 멤스 발진장치는 SPNT 스위치(120), 복수의 FBAR(130-1∼130-n), 및 트랜지스터(TR)(140)를 구비한다.
복수의 FBAR(130-1∼130-n)는 구동시 각기 다른 발진주파수들을 생성하여 출력한다. 구체적으로, 제1 FBAR(130-1)는 제1 발진주파수(f1)를, 제2 FBAR(130-2)는 제2 발진주파수(f2)를, 제3 FBAR(130-3)는 제3 발진주파수(f3)를, ... , 제n FBAR(130-n)는 제n 발진주파수(fn)를 생성한다.
복수의 FBAR(130-1∼130-n)에서 각각 생성되어 출력되는 제1 발진주파수(f1), 제2 발진주파수(f2), 제3 발진주파수(f3), ... , 및 제n 발진주파수(f n)는 각기 다른 발진주파수이며, 이 발진주파수들은 변조 또는 복조과정에서 필요한 국부 발진주파수들일 수 있다. 구체적으로, 본 멤스 발진장치가 송신기에 장착되는 경우 상기한 발진주파수들은 변조과정에서 필요한 국부발진주파수들이며, 본 멤스 발진장치가 수신기에 장착되는 경우 상기한 발진주파수들은 복조과정에서 필요한 국부발진주파수들이다.
본 멤스 발진장치를 구현함에 있어, '하나의 가변 주파수생성기'가 아닌 '복수의 고정 주파수생성기'(즉, 복수의 FBAR(130-1∼130-n))가 구비되도록 한 것은, 생성되는 발진주파수들의 안정을 기하기 위함이다. 즉, 특정의 주파수생성기는 정해진 특정의 발진주파수만을 생성하도록 함으로서, 생성되는 발진주파수가 안정되도록 한 것이다.
여러 종류의 발진주파수들을 생성하는 주파수생성기에서 생성되는 발진주파수들 보다는, 한 종류의 발진주파수만을 생성하는 주파수생성기에서 생성되는 발진주파수가 훨씬 더 안정적이기 때문이다.
한편, 본 멤스 발진장치에 구비되어야 할 FBAR의 개수에는 제한이 없다. 즉, n은 필요에 따라 결정된다. 변조 또는 복조과정에서 필요한 국부발진주파수의 개수가 FBAR의 개수(n)가 된다.
한편, 본 멤스 발진장치는 주파수생성기들로서, FBAR들을 채용하였다. FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator : 박막체적 음향공진기)는 음향공진기의 일종으로, 다른 능동소자들과 함께 하나의 반도체 기판(Si, GaAs)에 집적될 수 있다.
FBAR은 저가격이고, 첨예도(Q)특성이 우수하며, 생성하는 발진주파수가 매우 안정적이고, 생성할 수 있는 발진주파수의 범위가 넓어, 무선통신이나, 군용 레이 더는 물론 다양한 분야에 사용가능하다. 특히, FBAR은 작은 크기로 구현할 수 있기 때문에 멤스 소자들에 매우 적합하다.
SPNT(Single Pole N Throw) 스위치(120)는 멤스 스위치의 일종으로, 매우 작은 크기로 구현 가능하며, 다른 소자들과 함께 하나의 반도체 기판에 집적될 수 있다.
SPNT 스위치(120)는 전술한 복수의 FBAR(130-1∼130-n) 중 어느 하나가 선택적으로 구동되도록 스위칭동작한다. SPNT 스위치(120)의 스위칭동작은 스위칭 제어부(110)의 제어에 따른다. 그 결과, 복수의 FBAR(130-1∼130-n) 중 구동될 어느 하나, 즉, 후술할 TR(140)로 출력될 발진주파수의 종류는 스위칭 제어부(110)에 의해 결정되는 것이다.
트랜지스터(TR)(140)는 증폭용 소자이다. TR(140)는 복수의 FBAR(130-1∼130-n) 중 선택적으로 구동되는 어느 하나에서 출력되는 발진주파수 신호의 진폭을 소정 이득(Gain)으로 증폭시킨다. TR(140) 역시 매우 작은 크기로 구현 가능하며, 다른 소자들과 함께 하나의 반도체 기판에 집적될 수 있음은 물론이다.
TR(140)에서 증폭된 발진주파수 신호는 믹서(Mixer)로 인가되어 정보신호 또는 피변조신호와 믹싱된다. 그 결과, 변조신호 또는 복조신호가 생성되게 된다.
지금까지, 본 멤스 발진장치에 구비되는 소자들인, SPNT 스위치(120), 복수의 FBAR(130-1∼130-n), 및 TR(140)에 대해 설명하였다. 이들은 하나의 반도체 기판에 형성가능하며, 그렇게 형성하는 것이 바람직하다.
이에 의하면, SPNT 스위치(120), 복수의 FBAR(130-1∼130-n), 및 TR(140)은 하나의 반도체 기판(웨이퍼)상에 집적할 수 있게 되며, 그 결과 크기, 부피를 줄일 수 있게 된다.
지금까지 설명한 제1 실시예에서는, 복수의 FBAR(130-1∼130-n)와 하나의 SPNT 스위치(120)를 이용하여, 복수의 발진주파수를 생성할 수 있는 멤스 발진장치를 구현하였다.
이하에서는, 이와는 다른 방식으로 구현한 멤스 발진장치에 대해, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 복수의 스위치와 복수의 음향공진기를 이용한 멤스 발진장치를 도시한 도면이다.
도 3과 도 2를 비교하여 보면, 도 3에 도시된 멤스 발진장치에는 복수의 스위치(125-1∼125-n)가 구비되어 있다는 점에서 차이가 있다. 멤스 발진장치에 구비되는 복수의 스위치(125-1∼125-n)의 개수(n)는, 구비되는 복수의 FBAR(130-1∼130-n)의 개수(n)와 동일하다.
복수의 스위치(125-1∼125-n) 역시 멤스 스위치의 일종으로, 매우 작은 크기로 구현 가능하며, 다른 소자들과 함께 반도체 기판(Si, GaAs)에 집적될 수 있다.
복수의 스위치(125-1∼125-n)는 스위칭동작에 의해, 대응되는 FBAR이 구동되도록 한다. 구체적으로, 제1 스위치(125-1)는 스위칭동작에 의해 제1 FBAR(130-1)의 구동을 담당하며, 제2 스위치(125-2)는 제2 FBAR(130-2)의 구동을, 제3 스위치(125-3)는 제3 FBAR(130-3)의 구동을, ... , 제n 스위치(125-n)는 제n FBAR(130-n)의 구동을, 각각 담당한다.
스위칭 제어부(110)는 스위칭 제어신호를 생성하고, 생성된 스위칭 제어신호 를 해당 스위치로 전송함으로서, 전술한 복수의 스위치(125-1∼125-n) 중 어느 하나가 선택적으로 스위칭동작하도록 한다. 그 결과, 선택된 스위치에 대응되는 FBAR이 발진주파수를 생성하여 출력하게 된다.
즉, 스위칭 제어부(110)가 복수의 스위치(125-1∼125-n) 중 스위칭동작할 어느 하나를 결정하는 것은, 생성되는 발진주파수의 종류를 결정하는 것으로 볼 수 있다.
도 3에 도시된 멤스 발진장치에 구비된 나머지 소자들인, 복수의 FBAR(130-1∼130-n)과 TR(140)은, 도 2에 도시된 멤스 발진장치에 구비된 것들과 동일하기에, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 멤스 발진장치에 구비되는 소자들인, 복수의 스위치(120-1∼120-n), 복수의 FBAR(130-1∼130-n), 및 TR(140) 역시 하나의 반도체 기판에 형성가능하며, 그렇게 형성하는 것이 바람직하다.
이에 의하면, 복수의 스위치(120-1∼120-n), 복수의 FBAR(130-1∼130-n), 및 TR(140)를 하나의 반도체 기판상에 집적할 수 있게 되며, 그 결과 크기, 부피를 줄일 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가변커패시터의 커패시턴스를 조정하는 방식 대신, 각기 다른 주파수를 생성하는 복수의 음향공진기 중 원하는 어느 하나를 선택하는 방식에 의해 발진주파수를 생성하는 것이 가능해 지기 때문에, 보다 정확한 발진주파수를 생성하는 것이 가능해진다.
또한, 가변커패시터의 전극간 거리를 조정하는 방식을 채택하지 않아, 기구적인 움직임을 줄일 수 있어, 멤스 발진장치의 수명이 길어지게 된다. 뿐만 아니라, 멤스 발진장치에 구비되는 소자들간의 거리를 짧게 하는 것이 가능하므로, 고주파로 인한 손실을 줄일 수 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되며, 구동시 각기 다른 발진주파수를 생성하여 출력하는 복수의 음향공진기; 및
    상기 기판상에 형성되며, 상기 복수의 음향공진기 중 어느 하나가 선택적으로 구동되도록 스위칭동작하는 멤스 스위칭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 발진장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 음향공진기는, 복수의 박막체적 음향공진기(Film Bulk Acoustic Resonator)인 것을 특징으로 하는 멤스 발진장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 멤스 스위칭부는,
    하나의 SPNT(Single Pole N Throw)타입의 멤스 스위치인 것을 특징으로 하는 멤스 발진장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 멤스 스위칭부는,
    상기 복수의 음향공진기의 개수만큼 형성되며, 스위칭동작에 의해 대응되는 음향공진기가 구동되도록 하는 복수의 스위치;를 포함하며,
    외부 스위칭제어신호에 의해 상기 복수의 스위치 중 어느 하나가 스위칭동작하는 것을 특징으로 하는 멤스 발진장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    복수의 음향공진기가 생성하여 출력하는 상기 각기 다른 복수의 발진주파수들은 변조 및 복조 중 적어도 하나에 이용되는 국부 발진주파수들인 것을 특징으로 하는 멤스 발진장치.
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