KR20060121906A - 단상 단방향 표면 탄성파 변환기 및 개선된 반사기 - Google Patents

단상 단방향 표면 탄성파 변환기 및 개선된 반사기 Download PDF

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KR20060121906A
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클린튼 에스. 하트만
빅토르 피. 플레스키
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알에프 소 콤포넌츠 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 표면 탄성파(SAW) 소자를 위한 단방향 변환기에 관한 것이다. 일 실시예에서, 이 소자는 (1) SAW 전파 방향에 수직한 개방 회로 반사기가 위치되는 압전 기판상의 규정된 영역, 및 상기 규정된 영역 내에 위치되고 대향하는 버스 바들에 접속되는 한 쌍의 저 반사율 변환기 전극들을 포함하고, 상기 SAW 전파 방향에 수직하고 상기 전극들의 쌍의 여기 중심에 위치되는 전극들은 반사기로부터 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 7/8에 위치된다.
변환기, 반사기, 버스 바, 표면 탄성파, 압전 기판, 전극

Description

단상 단방향 표면 탄성파 변환기 및 개선된 반사기{A single phase unidirectional surface acoustic wave transducer and improved reflectors}
본 출원은 본 발명과 함께 양도되고 참조로 본원에 합체된 2003년 10월 8일자로 출원된 발명의 명칭이 "단상 단방향 표면 탄성파 변환기(A Single Phase Unidirectional SAW Transducer)"인 미국 가출원 제60/509,693호의 이익을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW) 소자에 관한 것이며, 특히 단상(single-phase) 단방향 표면 탄성파 변환기 및 SAW 소자를 위해 개선된 반사기에 관한 것이다.
소형 전자 소자들에 대한 지속적인 경향은 더 소형화되고 더 효율적인 부품들을 개발하도록 촉진한다. 예를 들어, 무선 통신 시스템들은 신호 처리에 사용되는 수동 부품들, 특히 1GHz 이상에서 작동하는 부품들의 획기적으로 향상된 성능을 요구하고 있다. SAW 필터들의 경우에, 통상적으로 요구되는 특징들은 저 삽입 손실, 저 통과대역 리플(ripple), 고도의 위상 선형성 및 고 선택성을 포함한다. 이들 요구에 부합하기 위해, 단상 단방향 변환기들(SPUDTs)이 빈번하게 사용된다. SPUDT 소자들은 또한 SAW 센서들 및 SAW 무선 주파수 식별 태그들을 위해 사용될 수 있다.
SPUDT 구조는 각각의 단위 셀 내에서 트랜스덕션의 중심이 반사의 중심에 대해서 시프트되는 방식으로 반사기들 및 변환기들의 배치할 것을 요구한다. 이상적으로, 이 위상 시프트는 pi(±Π/2)의 ±1/2 과 동일하게 되어야 한다. 대부분의 SPUDT 구조들에서, 레일리(Rayleigh) SAW 파장 폭의 1/8인 전극들 및 파장 폭의 1/4 내지 3/8 범위의 반사기들은 비반사 트랜스덕션을 얻기 위하여 사용된다. 대부분의 경우들에서, 이 전극들은 파장의 1/8 또는 이보다 좁다. 결국, GHz 범위에서, 전극들의 임계 치수들은 광학 리소그래피를 기반으로 한 대규모 제조 기술들을 위한 실행의 한계 밖에 있다.
2GHz 또는 더 높은 주파수들에서 작동하는 SAW 소자들을 위해서, 이 파장은 약 2㎛ 이다. 따라서, 파장 폭의 1/8인 전극은 약 0.25㎛의 절대 폭을 갖는다. 파장의 2% 내지 10% 범위의 두께로 인해, 전극의 절대 높이는 약 40-200nm이다. 전극을 위한 이 작은 알루미늄 단면은 수용할 수 없을 정도로 높은 전력 손실들 야기한다. 이 때문에, SPUDT 변환기들은 1GHz를 넘어선 좀처럼 사용되지 않는다.
따라서, 광학 기술을 기반으로 한 대규모 제조 기술들을 사용하여 제조될 수 있는 1GHz 보다 높은 주파수들에서 기판상에서 작동될 수 있는 저손실 단방향 변환기가 종래 기술에서 필요로 된다.
SAW 무선 주파수 식별 태그들과 함께 사용하기 위해 반사기 구성들을 더욱 개선하는 것이 종래 기술에서 또한 필요로 된다. SAW 식별 태그들의 경우에, 변환기 발생 인터로게이션 펄스(interrogation pulse)에 응답하여 반사된 많은 에너지 를 가능한 포착하는 것이 중요하다. 기판상에 위치된 알루미늄 반사기가 변환기와 동일한 크기이고 이 반사기가 직선이며 인터로게이션 펄스에 실질적으로 수직한 경우에, 변환기에 의해 발생된 상당량의 에너지는 반사된 펄스에 포함되지 않을 것이다. 이는, 변환기로부터 이격된 SAW 태그 표면 아래로 이동할 때에 크기가 신장됨으로, 변환기에 의해 발생된 펄스의 일부가 반사기에 영향을 미치지 않기 때문이다.
따라서, 더욱 활동적으로 반사된 신호를 변환기로 복귀시키기 위하여 더 많은 인터로게이션 펄스 에너지를 포착하는 성능을 갖는 SAW 태그들 상에 사용하기 위한 더욱 양호한 반사기가 종래 기술에 필요로 된다.
종래 기술의 상술된 결점들을 해소하기 위하여, 본 발명은 SAW 소자를 위한 단방향 변환기를 제공한다. 일 실시예에서, 이 소자는 (1) SAW 전파 방향에 수직하여 개방 회로 반사기가 위치되는 압전 기판상의 규정된 영역와, (2) 상기 규정된 영역 내에 위치되고 대향하는 버스 바들에 접속되는 한 쌍의 저 반사율 변환기 전극들을 포함하고, 상기 SAW 전파 방향에 수직하고 상기 전극들의 쌍의 여기 중심에 위치되는 전극들은 반사기로부터 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 7/8에 위치된다.
따라서, 본 발명은 SAW 기판 상의 일 방향에서 SAW의 에너지를 집증시키는 변환기를 제공한다. SAW 식별 태그들과 같은 SAW 소자들의 경우에, 이와 같은 소자는 유용하다. SAW RFID 태그들에 대해서, 반사된 신호들의 한 세트만을 취급하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 더욱 활동적인 인터로게이션 펄스를 제공하는데, 그 이유는 또한 상술된 변환기에 의해 발생되는 에너지가 SAW 인터로게이션 펄스의 에너지에 부가되기 때문이다.
일 실시예에서, 본 발명은 SAW의 중심 주파수의 레일리 파장 더하기 양의 정수에 1을 뺀 만큼 승산되는 상기 SAW의 중심 주파수의 상기 레일리 파장의 약 2배와 동일한 거리가 되는 규정된 영역을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 변환기 전극들은 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 1/2의 거리만큼 분리된다. 또 다른 실시예에서, 변환기 전극들 각각은 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 1/4의 폭을 갖는다.
제조 편리성을 위하여, 반사기 및 변환기 전극들 양자를 위한 알루미늄을 사용하는 것이 유용하다. 본 발명의 실시예는 낮은 총 반사율을 갖는 전극들을 제공한다. 본 발명의 실시예들 중 한 실시예에서, 전극들은 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 1/10과 거의 동일한 두께를 갖는다. 본 발명의 양호한 실시예는 기계적 반사율이 전극들 및 반사기의 쌍의 반사율의 전기부와 비교하여 대향 부호를 갖도록 압전 기판을 가는 소자를 제공하는 것이다. 이와 같은 압전 기판은 128° LiNb03이다.
또 다른 실시예에서, 전극들의 폭은 1/4 파장보다 작다. 또한 다른 실시예에서, 반사기의 폭은 0.3 파장 및 0.5 파장 사이이다.
본 발명의 양호한 실시예는 약 1/4 파장의 폭을 갖고 약 1/2 파장의 거리만큼 분리되는 적어도 2개의 개방 회로 반사기를 제공한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 반사기로부터 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 7/8에 위치되는 전극들의 쌍의 여기 중심은 레일리 파장의 7/8의 10%을 더하거나 뺀 것과 동일한 양만큼 변화된다.
본 발명의 양호한 실시예는 동일한 극성의 시퀀스에서 동일한 버스 바들에 접속되고 다수의 파장들과 동일한 거리에서 오프셋되는 쌍들 각각을 다수의 전극쌍들에 제공한다. 또 다른 실시예에서, 이 소자는 다수의 등가 반사기들로 이루어지는데, 각 반사기는 반사기들이 전극들과 중첩하지 않도록 서로로부터 다수의 파장과 동일한 거리에서 오프셋된다.
이 소자의 또 다른 양호한 실시예는 규정된 영역의 주기적인 세트로 또한 이루어지도록 하는 것이다. 이 실시예에서, 규정된 영역들의 주기적인 세트는 규정된 영역의 길이와 동일한 주기로 또는 이 길이보다 정수의 파장들 만큼 크게 준-주기적으로 위치되는데, 이 파장은 압전 기판의 길이를 따라서 천천히 변화한다(치프된다). 본원에 기술된 바와 같은 발명은 저 손실 적용을 위한 단방향 SAW 변환기로서 유용하게 구체화된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 파장의 전파 방향에 수직한 파장에 의해 분리되고 병렬로 전기적으로 접속되는 병렬 음향 서브 채널들에 배치되는 다수의 규정된 영역들을 제공한다.
물론, 본 발명의 특정 유용한 적용은 SAW 식별 태그들에서 사용된다. 따라서, 본원에 기술된 소자는 규정된 공간이 SAW 식별 태그상에 위치될 때 유용하게 사용된다.
본 발명의 매우 양호한 실시예는 (1) 그 위에 배치된 SAW 변환기를 갖는 압전 기판; (2) SAW 변환기에 의해 발생된 인터로게이션 펄스에 응답하여 반사하는 기판상의 반사기를 포함하고, 상기 반사기는 인터로게인션 펄스의 회절 필드와 실질적으로 정합하도록 기판 상에 배열된다. 일 실시예에서, 반사기는 인터로게이션 펄스의 먼 필드에 위치되는 반면에, 또 다른 실시예에서 가까운 필드에 위치된다.
물론, 이 소자는 기판 상에 배열된 다수의 반사기들을 부가로 포함할 수 있다. 이와 같은 경우에, 다수의 반사기들 중 적어도 하나는 가까운 필드에 위치되고 다수의 반사기들 중 적어도 하나는 인터로게이션 펄스의 먼 필드에 위치되며, 이는 본 발명의 범위 내에 여전히 있다.
본 발명은 또한 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 위상의 외형과 실질적으로 정합하도록 굴곡되는 반사기를 제공한다. 또 다른 실시예에서, 이 반사기는 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 진폭의 외형과 실질적으로 정합하기 위해 구부려진다. 또 다른 실시예에서, 반사기는 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 진폭의 외형 및 일정한 위상의 외형 양자와 실질적으로 정합하도록 구부려진다. 특정 양호한 실시예는 실질적으로 만곡 형상을 형성하고 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 진폭의 외형 또는 일정한 위상의 외형 중 어느 하나와 실질적으로 정합하기 위해 세그먼트되는 반사기를 제공한다.
본 발명은 반사된 신호가 인터로게이션 펄스의 진폭 및 위상 왜곡에 실질적으로 정합하도록 변환기에서 반사된 펄스를 포커스하기 위해 상기 반사기를 또한 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명은 반사기가 개방 회로 금속성 스트립 또는 단락 회로 중 어느 하나일 때에 유용하게 사용된다. 이는 또한 비금속성 반사기들의 경우일 때 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예는 그먼트되는 반사기를 제공한다. 세그먼트된 반사기의 경우에, 양호한 실시예는 파장의 1/4과 거의 동일한 세그먼트들 각각 간의 간격을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 반사기는 인터로게이션 펄스의 주 로브 및 제 1 사이드 로브들을 포함하도록 설계된다. 반사기가 인터로게이션 펄스의 주 로브 및 사이드 로브들을 둘러싸는 실시예에서, 8개의 세그먼트들은 주 로브를 위하여 사용되고, 4개의 세그먼트들은 총 16개의 세그먼트들을 위한 사이드로브들 각각을 위하여 사용된다.
본 발명의 실시예는 (1) 그 위에 위치된 SAW 변환기를 갖는 압전 기판; 및 (2) SAW 변환기에 의해 발생된 인터로게이션 펄스에 응답하여 반사하는 기판상의 반사기를 갖는 SAW 소자를 제공하고, 여기서 상기 반사기는 인터로게이션 펄스의 회절 필드의 진폭 및 위상과 실질적으로 정합하도록 실질적으로 만곡 형태의 기판상에 배치된다.
상기 설명은 당업자가 하기의 본 발명의 상세한 설명을 더욱 양호하게 이해할 수 있도록 본 발명의 바람직하고 대안적인 특징들을 개략적으로 설명한 것이다. 본 발명의 부가적인 특징들은 본 발명의 청구 요지를 형성하는 하기에 설명될 것이다. 당업자들은 본 발명의 동일한 목적들을 실행하는 다른 구조들을 설계 또는 수정하는 기반으로서 서술된 개념 및 특정 실시예를 손쉽게 사용할 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 당업자들은 이와 같은 등가의 구성들이 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않는다는 것을 인지하여야 한다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위하여, 첨부 도면들을 참조하여 하기에 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 단방향 변환기 소자를 도시한 도면.
도 2는 한 쌍 이상의 전극들을 이용하는 본 발명에 따라 구성된 단방향 변환기의 변형예를 도시한 도면.
도 3은 다수의 쌍의 변환기 전극들과 반사기들을 이용함으로써 SAW 소자의 변환 및 반사율의 조정을 도시한 도면.
도 4는 도 1에 도시된 형태의 주기적으로 분포된 SPUDT 셀들을 이용하는 본 발명에 따라 구성된 기본 단방향 SAW 변환기를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 구성된 적어도 하나의 단방향 변환기를 이용하는 SAW 필터를 도시한 도면.
도 6은 공통 음향 채널에서 표면 탄성파(surface acoustic wave)를 발생시키는 병렬 접속된 SAW 변환기들을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따라서 구성된 적어도 하나의 단방향 변환기를 사용하는 SAW 태그를 도시한 도면.
도 8a 내지 도 8f는 변환기로부터의 다양한 거리들에서 압전 기판 상에 인터로게이션 펄스(interrogation pulse)의 진폭 및 위상(phase)을 위한 회절된 파형들을 도시한 도면.
도 9는 인터로게이션 펄스의 회절 필드와 실질적으로 정합하도록 배열되는 본 발명에 따라서 구성된 압전 상의 반사기를 도시한 도면.
도 10은 도 9에 상세하게 도시된 유형의 반사기들을 사용하는 대표적인 SAW 태그를 도시한 도면.
도 11은 인터로게이션 펄스의 회절 피드(diffraction field)의 일정한 위상의 외형과 진폭 양자와 실질적으로 정합하는 본 발명에 따라서 구성된 세그먼트된 금속성 개방 회로 반사기의 대표적인 예를 도시한 도면.
우선 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 단방향 변환기 소자(100)가 도시된다. 도시된 것은 그 표면(155)상에 위치된 셀(110)을 갖는 압전 기판(150)의 평면도이다. 상기 셀(110)은 SAW 레일리(Rayleigh) 파장의 약 2배의 길이(120)를 갖는다(압전 기판(150)상에서 발생되는 SAW의 중심 주파수에서 결정됨). 셀(110)로 도시된 것은 강하게 반사하는 1/2 파장 폭 플로팅 또는 개방 회로 반사기(130)와 압전 기판 상에 SAWs를 여기시키기 위해 사용되는 약하게 반사하는 한 쌍의 1/4 파장 폭 전극들(140)이다. 전극들(140) 각각은 상기 전극들(140)이 반대 극성의 버스 바들(bus bars)(160)에 접속되도록 버스 바(160)에 접속된다. 한 쌍의 전극들(140)을 갖는 도시된 소자(100)는 반대 극성의 버스 바들(160)에 접속되고, 이에 의해 플로팅 반사기(130)의 내부 반사는 전극들(140)이 단방향 SAW 변환기가 되도록 하기 위해 사용된다.
본 발명은 SAW의 중심 주파수의 레일리 파장 더하기 양의 정수에 1을 뺀 만 큼 승산되는 상기 SAW의 중심 주파수에서 상기 레일리 파장의 약 2배의 길이(120)를 갖는 공간에서 압전 기판(150)상에 구성되는 단방향 SAW 변환기를 제공한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 양의 정수는 1로 추정되고, 이에 따라서 길이(120)는 레일리 파장의 2배와 동일하다. SAW의 전파 방향(170)은 좌에서 우로 향한다. 알루미늄일 수 있는 전극들(140)은 전파 방향(170)에 거의 수직하여 위치되고 레일리 파장의 약 1/2의 거리만큼 분리된다. 전극들(140) 각각은 약 1/4 레일리 파장 폭이고, 각각은 대향 극성의 버스 바(160)에 각각 접속된다.
셀(110) 내에는 전극들(140)의 쌍과 평행하게 지향되는 개방 회로의 반사기(130)(알루미늄일 수 있음)이다. 이 반사기(130)는 반사의 중심이 전극들(140) 간의 갭의 중심이 되는 전극들(140)의 쌍의 여기 중심으로부터 파장의 약 7/8의 거리에 배치되도록 위치 설정된다. SAW의 주 방향은 반사기(130)로부터 전극들(140)의 쌍을 향하도록 한다.
일부 압전 기판들(150)에서, 반사율의 기계적 파트(part)는 반사율의 전기적 파트의 부호와 비교하여 대향 부호를 갖는다. 이와 같은 압전 기판들(150)을 사용은 플로우팅되는 1/4 파장 폭 또는 단락된 반사기들(130) 및 전극들(140)의 저손실을 달성하는데, 그 이유는 전극들(140)의 총 반사율을 상당량 소거하기 때문이다. 이와 같은 기판 재료의 예는 128°LiNbO3 이며, 여기서 1/4 파장 폭 전극들(140)은 파장의 약 0.1% 내지 10%와 동일한 알루미늄 전극(140) 두께에 대해서 약하게 반사한다. 낮은 비율의 Cu를 갖는 AlCu와 같은 알루미늄 기반 합금들 및 다른 합금들 은 또한 반사기들 및 전극들을 위한 재료로서 사용될 수 있다. 최대 반사율을 달성하기 위해, 개방 회로 반사기(130)의 폭은 파장 0.3 및 파장 0.5 사이에 있다. 반사 중심은 넓게 단락된 또는 플로우팅 반사기(130)의 대략 중심에 있고, 여기 중심은 1/4 파장 넓은 전극들(140) 간의 갭의 중심에 있다. 반사 중심으로부터 여기 중심까지의 공칭 거리는 최적의 단방향을 발견하기 위해 대응하는 시프트에 의해 셀(110) 내에서 반사기(130)의 위치를 조정함으로써 파장의 ± 10% 내에서 가변될 수 있다. 도 1에서, SAW는 우측으로 주로 전파된다. 셀 내에서 발생되고 반사된 전진 전파 파들(전극들(140)에서 1/4 파장 폭 핑거들의 반사율 무시)을 비교하면, 위상 차가 4Π와 동일하다는 것을 보여주는데, 이에 따라서 전파된 파들은 구성적으로 간섭한다. 반사 계수의 위상은 128° LiNbO3 에 대한 개방 반사기의 중심에서 기준점을 갖는 +Π/2이다. 대향 방향에 대해서, 발생되고 반사된 신호들 간의 위상 차는 5Π이고, 이들은 서로를 소거하는 경향이 있다. 갭들을 포함한 이 구조 내의 모든 임계 치수들은 파장의 1/4 정도이다.
1/4 파장 폭 전극들(140)을 갖는 128°LiNb03이 사용되는 경우, 전극들(140)은 금속 두께들에 대하여 파장의 0.1 내지 10%로 약하게 반사한다. 실제로, 128°LiNbO3i의 경우에, 1%에서 8%까지의 범위의 알루미늄 두께는 본 발명의 목적을 위해서 가장 적합하다. 두께 범위는 낮은 두께의 경우에는 증가된 저항성에 의해 그리고 높은 두께들의 경우에는 높은-어스펙트-비 알루미늄 프로파일들을 발생하는데 있어서의 어려움들에 의해 제한된다. 더구나, 각 특정 두께의 경우에, 전극들 (140)의 손실 반사율에 대응하는 금속화 비(a/p)가 발견되거나 결정될 수 있다.
예를 들어, 단락된 긴 격자에서, a/p=0.5에 대한 반사 계수는 2.5%의 상대적인 알루미늄 두께에 대해 0에 가깝다. 더 높은 두께의 경우에, 금속화 비율은 낮은 반사율을 달성하기 위해 감소되어야 한다. 단일 1/2 파장 폭 플로우팅 또는 개방 회로 반사기(130)의 경우에, 반사 계수는 단락된 1/4 파장 폭 전극들(140)에 대한 반사 계수보다 상당히 높다는 것이 발견되었고, 최대값은 0.3 내지 0.5 사이의 금속화 비들(a/p)에 의해 발생한다.
유사한 방법들이 반대 부호의 기계적 및 전기적인 반사율의 특성들을 나타내는 반사기들 및 전극들을 위한 다른 기판들 및 금속들에 적용될 수 있다는 것이 명백하다. 이 기준을 충족시키는 다른 예는 YZ-LiNbO3이다. 본 발명의 중요한 특징은 약하게 반사하는 전극들(140) 및 강한 반사기들(130)로서 상술된 구조들을 사용하는 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 한 쌍의 반사기들(230)을 갖는 트랜스듀스를 사용한 단방향 드랜스듀서 소자(200)의 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 셀(210)은 한 쌍의 플로우팅 또는 개방 회로 반사기들(230)을 가지며, 상기 쌍에서 각 반사기(230)는 1/4 파장에 가까운 폭을 갖는다. 대략 1/2 파장의 상기 쌍의 각 반사기들(230) 사이에 간격이 존재한다. 반사의 중심은 두 반사기들(230) 간의 간격의 중앙에 존재하는 것으로 선택된다. 반사기 중심으로부터 전극들(240)의 여기 중심까지의 공칭 거리는 파장의 7/8이고, 최적의 단방향을 찾아내기 위하여 대응하는 시프트에 의한 유닛 셀(210) 내의 반사기들(230)의 위치를 조정함으로써 변환기 전극 들(240)의 주기의 ±10% 내에서 변화될 수 있다. 반사기들(230)의 쌍은 버스 바들(260)에 순차적으로 접속되는 두 쌍들의 변환기 전극들(240) 사이에 위치된다. 이 구조의 임계 치수는 파장의 1/8 정도이고, 이것은 이 구조가 도1과 관련하여 상술된 구조보다 높은-주파수 적용을 위해 바람직하지 않도록 한다.
도 3을 참조하면, SAW 소자(300)가 제 1 쌍의 전극들(340)에 본질적으로 등가인 적어도 하나 이상의 쌍의 전극들(345)을 포함하는 실시예가 도시되며, 부가적인 전극(345) 쌍들 각각은 제 1 쌍의 전극들로부터 다수의 파장들에서 일정 거리를 두고 오프셋되고 제 1 쌍의 전극들(340)과 동일한 순서의 극성으로 동일한 버스 바들(360)에 접속된다.
다른 실시예에서, SAW 소자는 제 1 반사기(340)에 본질적으로 등가인 적어도 하나 이상의 반사기(345)를 포함하며, 부가적인 반사기들(335) 각각은 제 1 반사기(330)로부터 다수의 파장들에서 일정 거리를 두고 오프셋되며, 부가적인 쌍들의 전극들(345)이 존재하는 경우, 파장들의 수(m)는 반사기가 변환기 전극들(340, 345)을 갖는 반사기들(330, 335)과 중첩하는 것을 피하기 위하여 m≠n+1이 될 것이다. 여기서, 양수 n, m은 우측을 향한 시프트에 대응한다. 이 절차는 상기 구조를 따른 반사기(330, 335) 및 전극들(340, 345)의 변환기 쌍들의 수를 변화시키며, 개선된 성능들을 갖는 가중된 단방향 구조들을 생성한다.
도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 동일한 섹션들의 주기적인 세트를 포함하는 SAW 소자(400)가 도시되어 있고, 여기서 변환기 전극들(440)은 반대 극성의 버스 바들(460)에 주기적으로 접속되며, 상기 주기는 두 파장들과 동일하다. 여기서, 각 섹션에서, 단지 한 쌍의 전극들(440)만이 사용되며, 반사기(430)는 단지 하나의 1/2 폭 파장을 포함하며, 플로우팅하거나 개방된다. 이 실시예는 가중되지 않은 단방향 SAW 변환기에 대응한다. 싱글-엔디드 회로에서, 신호가 버스 바들(460) 중 하나에 접속되고, 다른 버스 바(460)는 접지된다는 것이 명백하다. 이러한 단방향 변환기는 저손실을 갖는 SAW들의 발생을 위해 사용될 수 있고, 예를 들어, SAW 센서들, 액추에이터들 등과 같은 다수의 적용들을 갖는다.
이제 도 5를 참조하면, 필터 적용을 위한 본 발명의 실시예가 도시되어 있고, 여기서 적어도 하나의 단방향 SAW 변환기(500)는 입력 변환기로서 작동하고 어떤 음향 채널(570)에서 SAW들을 발생시키는 입력 버스 바들(560)에 접속되고, 개략적으로 도시된 수신 변환기(590)는 동일한 음향 채널(570)에 위치된 출력 버스 바들(565)에 접속된다. 수신 변환기(590)가 하나 이상의 전극들(545)을 갖는 것에 주목해야 한다. 변환기가 본 발명의 실시예들 중 어느 하나에서 임의의 수의 전극들을 가질 수 있고, 여전히 본 발명의 의도된 범위 내에 있다는 것을 또한 주목해야 한다.
이제 도 6을 참조하면, 적어도 2개의 단방향 SWA 변환기들(600)이 개구(W)의 병렬 음향 서브채널에 위치되고, 파(wave)의 전파 방향에 수직 방향으로 파장과 비교할 수 있는 거리에 의해 분리되며, 전기적으로 병렬로 접속되는 본 발명의 실시예가 도시된다. 도시된 특정한 경우에, 4개의 단방향 변환기들은 병렬로 접속된다. 변환기들은 한 파장 정도의 폭들을 갖는 좁은 버스 바들(682, 683)에 의해 분리된다. 순방향(우측)을 향하여 모든 변환기들에 의해 발생된 SAW들은 4W에 가까 운 전체 개구를 갖는 단일 음향 빔을 생성한다. 상기 변환기들의 병렬 접속은 저항성 및 회절성 손실들을 감소시킨다.
하나의 단방향 변환기(700) 및 SAW 식별 태그들(720)이 음향 채널(710)에 인가되어 이와 같은 SAW 식별 태그들(720)을 지닌 소자의 식별 코드에 대응하는 응답 신호들을 발생시키는 SAW 태그 적용을 위해 사용된 SAW 소자가 도7에 도시된다.
SAW에서 사용된 몇 가지 공지된 해결책들이 본 발명에 적용될 수 있다는 것이 명백하다. 예를 들어, 상기 단방향 변환기는 치핑될 수 있고, 즉 이것은 준주기적으로 주기가 섹션의 길이와 동일하거나 섹션의 길이보다 파장들의 정수 만큼 더 크게 되고, 파장이 상기 구조의 길이에 따라 저속으로 변화하는 상황이 되는 다수의 상기 섹션을 포함한다.
다른 가능성은 팬형(fan-shaped) 구조를 사용하는 것이다. 이와 같은 표준 변형들이 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것이 당업자들에게는 명백하다.
본 발명에서 1/4 파장 및 더 넓은 전극들의 사용은 2-3 GHz의 주파수 범위까지 표준 리소그래피 기술들에 의한 소자들의 제조가 허용된다. 반사기들로서 넓고 플로우팅하는 전극들의 사용은 특히 SAW 태그들과 같이 넓은 개구가 중요한 적용에서 저항성 손실들이 개략적으로 감소된다.
이제 도 8a 내지 도 8f를 참조하면, 변환기로부터 다양한 거리들을 두고 압전 기판상에 인터로게이션 펄스의 진폭(810) 및 위상(820)에 대한 회절 파형들이 도시되어 있다. 두 극단들의 처리시에, 가까운 필드 파형은 8a에 도시되며, 먼 필드 파형은 도 8f에 도시된다. 도 8f에서 알 수 있는 바와 같이, 인터로게이션 펄 스가 또한 변환기로부터 얻어질 때에, 이 펄스는 확산되어 발산한다. 도 8f는 펄스의 진폭(810) 및 위상(820) 양자가 메인 로브(main lobe)(830) 및 상기 메인 로브(830)에 대한 쇼울더들로서 나타나는 사이드로브들(sidelobe)(835)을 갖는 것을 나타낸다. 이러한 로브들(830, 835)은 반사될 에너지의 대부분을 구성한다. 이러한 반사된 에너지를 가능한 한 많이 포획하는 것이 유용하다.
이제 도 9를 참조하면, 인터로게이션 펄스의 회절 필드에 실질적으로 정합하도록 배열되는 본 발명을 따라 구성된 압전기 상에 반사기가 도시된다. 도 9에 상세히 도시된 유형의 반사기(1010)를 사용하는 대표적인 SAW 태그(1000)가 도 10에 도시된다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 반사기(1010)는 도 8a에 도시된 에너지를 포획하기 위하여 인터로게이션 펄스의 가까운 필드(1020), 또는 도 8f에 도시된 에너지를 포획하기 위하여 먼 필드(1030) 중 하나에서 사용될 수 있다. 물론, 다수의 이와 같은 반사기들(1010)은 일반적으로 SAW RFID 태그(1000)의 경우에서 사용될 것이며, 이것은 본원에 서술된 유형의 반사기(1010), 또는 반사기들(1010)이 동일 기판상의 가까운 필드(1020)에서 사용될 수 있고, 다른 반사기가 동일한 기판상의 먼 필드(1030)에서 사용될 수 있다는 것을 의미하며, 이들 모두는 본 발명의 의도된 범위 내에 존재한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 반사기는 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 위상의 외형 또는 일정한 진폭의 외형, 또는 이들 양자 모두에 실질적으로 정합하는 형태이거나 구부러질 것이다. 물론, 비금속 반사기들이 사용되거나, 또는 금속 반사기들의 경우에 반사기들이 전기적으로 절연되지 않는다면, 인터로게이션 펄스의 일정한 위상의 외형에 정합하는 것만이 필요로 된다.
인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 위상의 외형 또는 일정한 진폭의 외형에 정합하는 기본적으로 만곡 형상을 형성하기 위해 반사기를 분할하는 것이 실질적으로 장점이 존재한다. 이것을 근사화하기 위하여 작은 직선들을 사용하는 것보다 신호 외형들에 정합하는 곡선들을 형성하는 것이 더 어렵기 때문에, 이것은 제조 관점에서 유용하다. 분할의 다른 장점은 금속화 반사기들의 경우에, 반사기의 전압이 더 용이하게 제어될 수 있다는 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 반사기를 변환기에 의해 전파되는 SAW의 중심 주파수의 1/4에 가까운 공간들에 의해 분리된 세그먼트들로 분할하는 것이 유용하다는 것얼 발견하였다.
반사기를 구부리는 다른 장점은 응답 펄스가 변환기에 의해 검출될 때, 인터로게이션 펄스와 대략 동일한 형상을 갖도록 하는 방식으로 반사된 신호가 포커싱되도록 하는 것이다. 따라서, 응답 펄스는 반사기에 도달하는 인터로게이션 펄스 부분과 실질적으로 동일한 위상 및 진폭을 가질 것이다.
본원에 서술된 디자인은 개방 회로 반사기들 및 단락된 반사기들 양자 모두에 사용될 수 있다. 이것은 또한 비금속 반사기들에 사용될 수 있다. 비금속 및 단락된 금속 반사기들의 경우에, 인터로게이션 신호의 일정한 위상의 외형에 정합하는 것만이 필요로 된다.
도 8f로부터 알 수 있는 바와 같이, 반사기가 인터로게이션 펄스의 메인 로브(830) 및 제 1 사이드로브들(835)을 둘러싸는 것이 유용하다. 물론, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 가까운 필드 반사기의 경우에, 사이드로브들(835)이 거의 구별하기 어렵기 때문에 반사기가 메인 로브(830)를 둘러싸는 것만이 필요로 된다. 분할된 반사기가 사용되는 가까운 필드의 경우에, 반사기에서 총 16개의 세그먼트들에 대해 각 사이트로브(835)를 위한 4개의 세그먼트들 및 메인 로브(830)를 위한 8개의 세그먼트들을 사용하는 것이 유용하다는 것을 발견하였다.
도 11을 참조하면, 인터로게이션 펄스의 회절 필드의 일정한 위상의 외형 및 진폭 양자 모두에 실질적으로 정합하는 본 발명을 따라 구성된 분할된 금속 개방-회로 반사기의 대표적인 예가 도시된다.
본 발명이 상세하게 설명되었을지라도, 당업자는 본 발명의 정신과 범주를 벗어남 없이 본 발명의 가장 광범위한 형태로 다양한 변화들, 대체들 및 변경들을 행할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (39)

  1. SAW 전파 방향에 수직한 개방 회로 반사기가 위치된 압전 기판상의 규정된 영역, 및
    상기 규정된 영역 내에 위치되고 대향하는 버스 바들에 접속되는 한 쌍의 저 반사율 변환기 전극들로서, 상기 SAW 전파 방향에 수직하고 상기 전극들의 쌍의 여기 중심에 위치 설정되는 상기 전극들이 상기 반사기로부터 SAW의 중심 주파수에서 레일리(Rayleigh) 파장의 약 7/8에 위치되는, 한 쌍의 저 반사율 변환기 전극들을 포함하는 표면 탄성파(SAW) 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 규정된 영역은 상기 SAW의 중심 주파수에서 상기 레일리 파장 더하기 상기 양의 정수에 1을 뺀 만큼 승산되는 상기 SAW의 중심 주파수의 상기 레일리 파장의 약 2배와 동일한 거리인 표면 탄성파 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들은 상기 SAW의 중심 주파수에서 상기 레일리 파장의 약 1/2 거리 만큼 분리되는 표면 탄성파 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들 각각은 상기 SAW의 중심 주파수에서 상기 레일리 파장의 약 1/4의 폭을 갖는 표면 탄성파 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 개방 회로 반사기는 알루미늄인 표면 탄성파 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들은 알루미늄인 표면 탄성파 소자.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전극들은 낮은 총 반사율을 갖는 표면 탄성파 소자.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전극들은 상기 SAW의 중심 주파수에서 상기 레일리 파장의 1/10과 거의 동일한 두께를 갖는 표면 탄성파 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 기계적 반사율이 상기 전극들의 쌍과 상기 반사기의 반사율의 전기적 파트와 비교하여 대향하는 부호를 갖도록 압전 기판을 사용하는 것을 부가로 포함하는 표면 탄성파 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 기판은 128°LiNb03인 표면 탄성파 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전극들의 폭은 1/4 파장 보다 작은 표면 탄성파 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 반사기의 폭은 0.3 파장과 0.5 파장 사이인 표면 탄성파 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 약 1/4 파장의 폭을 갖고 약 1/2 파장의 거리 만큼 분리되는 적어도 2개의 개방 회로 반사기들을 부가로 포함하는 표면 탄성파 소자.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 반사기로부터 상기 SAW의 중심 주파수에서 레일리 파장의 약 7/8에 위치되는 상기 전극들의 쌍의 여기 중심은 레일리 파장의 상기 7/8의 ±10%와 동일한 양만큼 가변되는 표면 탄성파 소자.
  15. 제 1 항에 있어서, 다수의 전극들의 쌍들을 부가로 포함하고, 상기 전극들의 쌍들 각각은 다수의 파장들과 동일한 거리에서 오프셋되고 동일한 극성 시퀀스에서 동일한 버스 바들에 접속되는 표면 탄성파 소자.
  16. 제 1 항에 있어서, 다수의 등가 반사기들을 부가로 포함하고, 각 반사기는 상기 반사기들이 상기 전극들과 중첩하지 않도록 서로로부터 다수의 파장들과 동일한 거리에서 오프셋되는 표면 탄성파 소자.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 규정된 영역들의 규정된 세트를 부가로 포함하는 표면 탄성파 소자.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 규정된 영역들의 주기적인 세트는 상기 규정된 영 역의 길이와 동일한 주기로 또는 이 길이보다 정수의 파장들 만큼 큰 준-주기적으로 위치되고, 상기 파장은 상기 압전 기판의 길이를 따라서 천천히 변화하는(치프되는) 표면 탄성파 소자.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 소자는 저손실의 적용을 위한 단방향의 SAW 변환기로서 사용되는 표면 탄성파 소자.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 파의 전파 방향에 수직한 방향으로 상기 파장과 비교가능한 거리만큼 분리되고 전기적으로 음향 서브 채널들과 병렬로 배치되는 다수의 상기 규정된 영역들을 부가로 포함하는 표면 탄성파 소자.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 규정된 영역은 SAW 식별 태그상에 위치되는 표면 탄성파 소자.
  22. 그 위에 위치되는 표면 탄성파(SAW) 트랜스 듀서를 갖는 압전 기판; 및,
    상기 SAW 변환기에 의해 발생된 인터로게이션 펄스(interrogation pulse)에 응답하여 반사하는 상기 기판 상의 반사기로서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드에 실질적으로 정합하도록 상기 기판상에 배치되는, 반사기를 포함하는 표면 탄성파(SAW) 소자.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 먼 필드에 위치되는 SAW 소자.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 가까운 필드에 위치되는 SAW 소자.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 기판 상에 배열되는 다수의 반사기들을 부가로 포함하는 SAW 소자.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 다수의 반사기들 중 적어도 하나는 가까운 필드에 위치되고 상기 다수의 반사기들 중 적어도 하나는 상기 인터로게이션 펄스의 가까운 필드에 위치되는 SAW 소자.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 위상의 외형과 실질적으로 정합하도록 구부려지는 SAW 소자.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드의 일정한 진폭의 외형에 실질적으로 정합하도록 구부려지는 SAW 소자.
  29. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 진폭의 외형 및 일정한 위상의 외형에 실질적으로 정합하도록 구부려지는 SAW 소자.
  30. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드에서 일정한 진폭의 외형 또는 일정한 위상의 외형 중 어느 하나에 실질적으로 정합하도록 실질적인 곡률 형상을 형성하기 위해 세그먼트되는 SAW 소자.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 변환기에 의해 발생된 상기 인터로게이션 펄스의 진폭 및 위상 분포에 실질적으로 정합하는 상기 변환기에서 반사된 펄스를 포커스하는 SAW 소자.
  32. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 개방 회로 금속 스트립인 SAW 소자.
  33. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 단락 회로 금속 스트립인 SAW 소자.
  34. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 비금속인 SAW 소자.
  35. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 세그먼트되는 SAW 소자.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 세그먼트들 각각 간의 간격은 파장의 1/4과 거의 동일한 SAW 소자.
  37. 제 22 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 주 로브 및 제 1 사이드로브들을 포함하는 SAW 소자.
  38. 제 27 항에 있어서, 상기 반사기는 상기 인터로게이션 펄스의 주 로브 및 제 1 사이드로브들을 포함하고, 8개의 세그먼트들은 상기 주 로브를 위하여 사용되며, 4개의 세그먼트들은 상기 사이드로브들 각각을 위해 사용되는 SAW 소자.
  39. 그 위에 위치되는 SAW 변환기를 갖는 압전 기판; 및
    상기 SAW 변환기에 의해 발생된 인터로게이션 펄스에 응답하여 반사하는 상기 기판 상의 반사기로서, 상기 반사기가 상기 인터로게이션 펄스의 회절 필드의 진폭 및 위상에 실질적으로 정합하도록 실질적으로 곡률 형태로 상기 기판 상에 배열되는, 반사기를 포함하는 SAW 소자.
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