KR20130091658A - 광대역 음향 결합 박막 ｂａｗ 필터 - Google Patents

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Abstract

압전 박막 상의 측면 음향 결합 공진기에 기초한 벌크 탄성파(BAW) 필터에 있어서, 상이한 특성을 갖는 2개의 서로 다른 음향 판파 모드, 예컨대 두께 확장(종축)(TE1) 및 제 2 조파 두께 전단(TS2) 모드를 이용하여 통과 대역 응답을 형성할 수 있다. 본 발명은, 신호의 전달을 용이하게 하는 상이한 판파 모드에 속하는 적어도 2개의 측면 정상파 공진의 여기에 기초한 것이다. 통과 대역은 장치의 파동 전파 특성을 조정함으로써 설계되어, 적절한 주파수에서 공진이 여기되며, 원하는 형상의 통과 대역을 형성하게 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 필터의 대역폭은 종래의 마이크로 음향 필터의 2배 이상이 될 수도 있다. 그 결과, 상당한 상업성 및 기술적 가치를 갖게 된다.

Description

광대역 음향 결합 박막 ＢＡＷ 필터{WIDE-BAND ACOUSTICALLY COUPLED THIN-FILM BAW FILTER}
본 발명은 일반적으로 벌크 탄성파(BAW) 필터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광대역 음향 결합 벌크 탄성파 필터에 관한 것이다. 특히, GHz 주파수에서 작동하며, 박막 기술 및 압전 박막에 기초한 광대역 음향 결합 벌크 탄성파 필터에 관한 것이다.
본 명세서에 사용된 일부 주요 개념에 대해 이하에 간단하게 정의한다.
측면 전파 판파 모드
압전판(웨이퍼 또는 박막층)에서 발생하는 벌크 음향 두께 진동은 판 내에서 측면으로(수평 방향으로) 전파할 수 있다. 이러한 측면 전파 파동 모드를 판파 모드 또는 램(Lamb)파 모드라고 한다[1]. '판파 모드'라는 용어를 본 명세서에서 사용한다. 파동은 측면 파장(λx)으로 전파하며, 측면 파동수(kx)를 갖는다.
상이한 타입의 두께 진동이 판파로서 전파할 수 있다. 이러한 진동 타입의 예는 두께-확장(TE) 및 두께-전단(TS) 진동이다(도 1). 전자에 있어서는, 입자 전이가 피에조판의 두께(도 1에서 z축) 방향이며, 후자에 있어서는, 두께 방향에 수직한 방향이다. 두께 공진은 판 두께(t)가 반파장(λz)의 정수와 동일해질 때(t=Nλz/2, λz=v/f, 여기서 N은 정수, v는 압전 재료에서의 음향파의 속도, f는 작동 주파수), 압전판 내에서 발생한다. 1차 모드에서, N=1이며, 1/2 파장이 두께(t) 내에 수용된다.
도 1에, 판파 타입의 일부가 도시되어 있다. 위에서부터 아래로: 1차 두께-확장 모드(TE1), 2차 두께-전단 모드(TS2), 1차 두께 전단 모드(TS1), 굴곡 모드이다. 측면 방향에서 측면 파장(λx)으로 전파된다.
측면 정상파 공진
측면 전파 판파는 전극 가장자리와 같은 불연속점으로부터 반사될 수 있다. 따라서, 측면 한정 구조에서, 측면 정상파 공진이 발생할 수 있다. 측면 정상파 공진은 한정 구조의 측면 치수(W)가 측면 전파의 반파장(λx)의 정수와 동일해질 때(W=Nλx/2) 발생한다. 정수(N)는 공진 차수를 증폭한다. 1차 공진에서는, 1/2 파장이 구조의 측면 길이 이내이다.
측면 정상파 공진은 임의의 두께 진동 모드(예컨대, TE 모드 또는 TS 모드)에 대해 발생할 수 있다.
도 2에서, 폭(W) 및 두께(t)를 갖는 측면 한정 플레이트에서 처음 2개의 측면 정상파 공진은 TE1 및 TS2 두께 진공 모드(판파 모드)에 대해 도시되어 있다. λx=2W의 측면 파장을 갖는 제 1 공진(2a 및 2c)은 플레이트의 폭에서 대칭이며, λx=W의 측면 파장을 갖는 제 2 공진(2b 및 2d)은 플레이트의 폭에서 비대칭이다.
분산도
측면 전파 판파의 측면 파동수(kx)와 주파수(f) 사이의 관계를 판파의 분산이라고 하며, 분산도로서 나타낸다. 분산도에서, 음의 x-축은 주로 가상 파동수(소멸 파동)에 해당하며, 양의 x-축은 실제 파동수(전파 파동)에 해당한다.
도 3에, 연산된 분산도를 도시한다. 2차 두께 전단(TS2) 및 1차 두께 확장(TE1) 판파 모드가 도시되어 있다.
공진 모드의 전기적 결합
압전막에서 기계적 진동은 전기장을 생성한다. 이 전기장에 있어서, 공진기의 전극 사이에 전압을 생성하기 위해서는, 전극에 대한 총 전하가 0이 아닐 필요가 있다.
음향 결합
기계적 진동은 하나의 공진기 구조로부터 다른 하나에 기계적으로 결합할 수 있다. 기계적 결합은 소멸 파동 또는 전파 파동을 통해 발생할 수 있다.
(종래 기술에 대한 일반적인 설명)
마이크로 음향 및 박막 기술에 기초한, 공진기 및 필터와 같은 무선-주파수(RF) 컴포넌트는 현재, 이동전화, 무선 네트워크, 위성 위치결정 등과 같은 무선 애플리케이션에 광범위하게 이용되고 있다. 그 집중 소자 대응물(lumped-element counterparts)에 대한 이점은 소형 및 대량 생산성을 포함한다. RF 장치에 이용되는 2개의 기본적인 마이크로 음향 기술은 표면 탄성파(SAW) 및 벌크 탄성파(BAW) 기술이다.
본 단락에서는, 본 발명에 대한 배경 기술을 설명하고, 본 발명과 종래 기술을 구분하기 위해 기존 필터 기술을 간략하게 설명한다.
표면 탄성파 장치
콤(comb) 형상 구조의 박막 금속 스트립의 인터디지털 변환기(IDTs)(도 4 참조)는 압전 기판(예컨대, 석영, LiNbO3 또는 LiTaO3) 상에 패터닝되어 있다. IDT는 전기 입력 신호(Vin)를 압전 효과를 통해 표면 전파 음향파로 변환하는데 사용될 뿐만 아니라, 출력 포트에서 음향 신호를 포착하여 다시 전기적 형태로 변환하는데에도 사용된다. 장치의 작동 주파수는 f=2p/v(여기서, f는 주파수, p는 IDT의 간격, v는 표면파의 속도)를 통해 음향파의 속도 및 IDT 전극의 치수에 의존한다. 따라서, 속도가 일정한 경우, 작동 주파수가 높을수록 p는 작아야 한다.
벌크 탄성파 장치
BAW 장치에서, 압전 웨이퍼 또는 박막 내측의 음향 진동은 전기 입력 신호를 처리하는데 사용된다. 고정 실장형 BAW 공진기(SMR)에서, 교호의 고저(高低) 음향 임피던스(Z) 재료층으로 구성된 음향 반사기는 압전 박막 내 진동을 기판으로부터 분리하여 음향 누설을 방지하는 기능을 한다. 멤브레인 장치에서, 압전 공진기와 기판 사이에 공기 틈새를 형성함으로써 동일한 기능이 수행된다.
두께 진동 및 판파 분산
상술한 바와 같이, 압전층에서, 종축(두께-확장이라고도 하며, 진동이 z-축에 평행한 두께 방향) 및 전단(진동이 z-축에 수직) 진동과 같은 상이한 두께 진동 모드는 여기(excitation) 주파수(f)가 스위핑됨에 따라 발생한다. 이러한 두께 진동은 판파로서 측면 방향으로 전파할 수 있다. 판파의 음향 특성은 분산 곡선으로 설명할 수 있으며, 분산 곡선에서 판파의 측면(z-축에 수직) 파동수(kx)는 주파수(f)의 함수로서 나타낸다.
도 3은 표 1에 나타낸 박막층 스택에 대한 연산된 분산도를 도시한다. 압전층의 두께가 두께 진동 파장(λz)의 대략 절반을 포함하는 1차 종축(두께 확장, TE1) 진동 모드, 및 입자 전이가 두께 방향에 수직하며 하나의 음향 파장(λz)이 압전층 두께에 포함되는 2차 두께 전단(TS2) 모드에 대한 측면-전파 판파의 분산 곡선이 도면에 도시되어 있다. TE1 플레이트 모드의 개시 주파수가 TS2 플레이트 모드의 개시 주파수보다 높은 이러한 타입의 분산을 '타입 1'이라고 한다[2]. 개시는 플레이트 모드의 분산 곡선이 kx=0 축(즉, 주파수 축)을 가로지르는 지점을 의미한다. 타입 1의 재료는, 예를 들어 ZnO를 포함한다. 질화 알루미늄은 본질적으로 타입 2이다(TS2는 TE1보다 주파수가 높음).
박막 스택을 정확하게 설계함으로써, 분산 특성이 조정되며 분산 타입이 변경될 수 있다.
표 1은 도 2의 분산 곡선의 연산에 이용된 막 두께이다.
재료 SiO2 W SiO2 W SiO2 Ti Mo AlN Al
두께
(㎚)		 790 505 620 510 950 10 360 1750 220
도 3에서, kx의 양의 값은 실제 파동수(전파 파동)를 의미하며, 음의 값은 가상 파동수(소멸 파동)에 해당한다.
측면 정상파 공진기에서 측면 한정 구조를 발생하기 위해, 음향 에너지는 공진기 구조 내측의 두께 방향 및 측면 방향 모두에서 포착되어야만 한다. 두께 방향에서, 기판으로부터의 분리(반사기 또는 공기 틈새)에 의해 에너지가 확실하게 포착된다. 측면 방향에서, 에너지 포착용 공진기 영역 외측이 소멸 파동이어야한다. 에너지 포착은 타입 1 분산에서 보다 용이하게 실현된다. 따라서, AlN을 압전 재료로서 이용하는 경우, 반사기는 일반적으로 타입 1으로 분산을 전환하도록 설계된다.
측면 한정 플레이트 공진기에서, 전파 판파는 공진기의 폭(W)이 반파장의 정수배, 예컨대 W=Nλx/2를 수용하는 경우, 측면 정상파 공진을 형성할 수 있다.
BAW 장치에서의 음향 결합
필터는 1-포트 공진기를 전기적으로 접속함으로써 사다리(ladder) 또는 격자(lattice) 필터를 형성하도록 구성될 수 있다. 또 다른 가능성은 음향파가 하나의 공진기로부터 다른 공진기에 결합하기에 충분하도록 공간적으로 서로 근접 배치함으로써 공진기 사이에 기계적 (음향) 결합을 배열하는 것이다. 이러한 장치를 결합 공진기 필터(CRF)라고 한다.
BAW 장치에서, 적층된 압전층 사이의 수직 음향 결합은 적층된 결정 필터(SCF) 및 수직 결합된 CRF에 사용된다. SCF에서, 2개의 압전층은 중간 전극에 의해 분리되어 있다. 수직 결합된 CRF에서, 결합층은 압전층 사이의 결합력을 변경하는데 사용된다. CRF는 SMR 또는 멤브레인 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
박막 수직 결합된 CRF는 상대적으로 광대역 주파수 응답(1850MHz의 중심 주파수에서 80MHz, 또는 중심 주파수의 4.3%)을 제공하는 것으로 나타났다. 평형-불평형 (발룬(balun)) 전환도 가능하다. 수직 결합 CRF의 단점은 다수의 층 및 피에조층의 두께에 따른 감도가 필요하다는 것이다. 이로 인해 제조 프로세스가 복잡해지며, 그에 따라 비용이 고가가 된다.
BAW 장치에서 측면 음향 결합(LCRF)은, 압전층 상에 서로 인접하게 배치된 2개 이상의 좁은 전극에 의해 실현될 수 있다. 하나 이상의 전극에 의해 형성된 제 1 포트로의 전기 입력 신호는 압전 효과를 통해 기계적 진동으로 변환된다. 이러한 진동 결합은 하나 이상의 전극에 의해 형성된 제 2 포트에 대한 틈새를 기계적으로 가로질러 출력 전기 신호를 생성한다. 본 예에서의 전극은 인터디지털(콤 형상)이지만, 다른 형상도 가능하다. 결합력은 구조의 음향 특성 및 전극 사이의 틈새에 의해 결정된다.
LCRF에서 통과 대역 주파수 응답은 전형적으로 구조 내에서 발생하는 2개의 측면 정상파 공진에 의해 형성된다. 전형적으로 통과 대역을 형성하는 공진의 하나는, N=1이며 모든 전극이 동일 위상으로 공진하는 최저 차수(대칭) 측면 정상파 공진이다(도 7 참조). 바람직하게는, 제 2 공진은 모든 전극이 이웃하는 전극과 역위상인 것(홀수 공진 모드)이다(도 7 참조). 측면 정상파 공진 사이의 주파수 차이는 필터의 달성 가능한 대역폭을 결정하며, 구조의 음향 특성 및 전극 치수 및 전극 사이의 음향 결합력에 의존한다.
종래 기술은 하나의 판파 모드, 예컨대 TE1에 대해 발생하는 2개의 측면 정상파 공진을 이용하여 통과 대역 응답을 형성하는 LCRF 구조를 설명한다. 또한, 종래 기술에서, 구조 내에 존재하는 다른 판파 모드, 예컨대 TS2 모드의 주파수에서의 원치 않는 불요 공진 및 통과 대역이 확인되었다[3].
수직 CRF에 대한 LCRF의 주요 이점은, 수직 CRF와는 반대로, 단 하나의 압전층만 필요로 하며, 결합층은 필요로 하지 않는 간단한 제조 기술이라는 점이다. 작동 주파수가 전극 치수가 아닌 층 두께에 의해 주로 결정되어, 매우 좁은 치수에 대한 요건이 완화되기 때문에, 고주파수에서의 작동이 SAW 컴포넌트보다 용이하다.
[1] B. A. Auld, 고체에서의 파동 및 음장, 제 2판, 2호, Krieger 출판사, 말라바, 플로리다 (1990). [2] G. G. Fattinger, S. Marksteiner, J. Kaitila, 및 R. Aigner, "고기능 박막 BAW 공진기에 대한 음향 분산의 최적화", 2005 IEEE 초음파 심포지움 발표에서, 1175-1178페이지 (2005). [3] Meltaus, J.; Pensala, T.; Kokkonen, K.; Jansman, A.; "1.9GHz에서의 측면 결합 고정 실장형 BAW 공진기", 2009 IEEE 초음파 심포지움 발표에서, 847-850페이지, 2009.
본 발명은 박막 기술 및 압전 박막에 기초한, GHz 주파수에서의 광대역 음향 결합 벌크 탄성파(BAW) 필터에 관한 것이다.
종래 기술과 비교하여, 본 발명에서는, 단 하나의 판파 모드 대신에, 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드가 이용되어, 필터 통과 대역을 형성하는 2개 이상의 측면 정상파 공진을 생성한다. 각 판파 모드는 적어도 하나의 측면 정상파 공진을 제공한다.
본 발명의 양태는, 2개의 상이한 측면 전파 두께 진동 모드(판파 모드), 예컨대 전단 및 종축 진동을 모두 사용하여, 통과 대역 응답을 생성하는 것이다. 구조의 음향 특성은 2개의 플레이트 모드가 서로에 대해 바람직한 주파수 간격이 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 양자에 대한 전기적 결합이 제공될 수 있는 것도 바람직하다.
보다 상세하게는, 본 발명은 독립항에 기재된 바를 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 음향 필터는,
적어도 하나의 압전층(piezoelectric layer)을 포함하는, 음향 필터에 적합한 재료의 스택(stack),
사이에 폭과 틈새를 갖는 적어도 2개의 공진기로서, 상기 압전층의 서로 다른측에 전극을 가지며, 상기 압전층의 일측 상의 전극은 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하도록 분리되어 있고, 상기 압전층의 타측 상의 전극은 연속되어 있는 공진기를 포함하며,
상기 재료의 스택, 분리된 전극 사이의 폭 및 틈새는, 상기 음향 필터에서 총 적어도 2개의 측면 정상파 공진(lateral standing wave resonance)을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드(plate wave mode)를 생성하도록 조정된다.
특히, 재료의 스택, 분리된 전극 사이의 폭 및 틈새는, 음향 필터에서 각각 적어도 하나의 측면 정상파 공진을 제공하는 적어도 2개의 서로 다른 음향 판파 모드를 생성하도록 조정될 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 압전층의 일측 상의 전극만 분리되어 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하며, 압전층의 타측 상에는 연속 전극이 설치되어 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 음향 필터는,
적어도 하나의 압전층을 포함하는, 음향 필터에 적합한 재료의 스택,
사이에 폭과 틈새를 갖는 적어도 2개의 공진기로서, 상기 압전층의 서로 다른측에 전극을 가지며, 상기 압전층의 양측 상의 전극이 분리되어 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하는 공진기를 포함하고,
상기 재료의 스택, 상기 압전층의 일측 상의 전극 사이의 폭 및 틈새, 및 상기 압전층의 타측 상의 전극 사이의 폭 및 틈새는, 상기 음향 필터에서 총 적어도 2개의 측면 정상파 공진을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드를 생성하도록 조정된다.
일 양태에 따르면, 적어도 2개의 전극은 전기적으로 접속되어 안정된 전기 포트를 제공한다.
바람직하게는, 적어도 2개의 서로 다른 음향 판파 모드는 적어도 하나의 종축 모드(longitudinal mode) 및 적어도 하나의 전단 모드(shear mode)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 필터 구조에서, 적어도 하나의 측면 정상파 공진은 상기 판파 모드 모두에 대해 발생한다. 따라서, 가장 간단한 경우에 있어서, 2개의 측면 정상파 공진은 통과 대역 응답을 제공한다. 또 다른 가능성은 적어도 2개의 측면 공진 모드가 2개의 서로 다른 음향 판파 모드 중 하나에 대해 발생하며, 적어도 하나의 측면 정상파 공진이 2개의 서로 다른 음향 판파 모드 중 다른 하나에 대해 발생하여, 적어도 3개의 측면 정상파 공진을 생산한다는 것이다. 바람직하게는, 적어도 2개의 정상파 공진이 상기 판파 모드 모두에 대해 발생하여, 적어도 4개의 측면 공진을 생산한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 구조는 이들 측면 정상파 공진의 전기적 결합 및 주파수 차이가 최적이 되도록 설계될 때, (4-극) 통과 대역 응답이 얻어진다.
일 실시형태에 따르면, TS2 판파 분기(branch)의 주파수가 TE1 분기에 충분히 근접하여, 필터 통과 대역의 분기 내에서 발생하는 공진 모드가 TE1 모드와 함께 사용될 수 있다. BAW 공진기에 있어서, 전단파 모드에 대해 수직 결합되지 않음에 주의해야 한다. LBAW 장치에 있어서, 이 결합은 좁은 전극 사이에 발생하는 측면 전기장 때문에 존재한다. 종래의 LBAW 필터에서는, 전단 모드가 불요 대역(spurious band)으로서 전기 응답에 나타날 수도 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 응답은 TE1 모드 응답과 함께 사용되어 매우 넓은 통과 대역을 제공하며, 이하에 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 2개의 공진 모드 대신에, 4개의 공진 모드(TS2 분기의 짝수 및 홀수 모드 및 TE1 분기의 짝수 및 홀수 모드)로 이루어진다.
일 양태에 따르면, 본 발명에 따른 음향 광대역 필터를 제조하는 방법은,
필터용 구조 설계 및 재료를 선택하는 단계,
원하는 중심 주파수 및 대역폭을 설계하는 단계를 포함하며,
사이에 폭 및 틈새를 갖는 한 쌍의 공진기에 따라 선택된 구조 설계 및 재료를 이용하여 스택을 설계함으로써, 총 적어도 2개의 공진을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 측면 전파 두께 진동 판파 모드에 대한 결합이 달성되는 단계, 및
설계된 필터 스택을 제조함으로써, 총 적어도 2개의 공진을 갖는 상기 적어도 2개의 서로 다른 측면 전파 두께 진동 판파 모드를 결합하며, 상기 판파 모드 각각은 음향 필터에서 전형적으로 적어도 하나의 측면 정상파 공진을 제공하는 단계를 포함한다.
종래 기술에 대해 본 발명을 이용하는 이점은, 본 발명을 이용함으로써, 가장 간단한 경우, 즉 단 2개 대신에 3개 또는 4개의 측면 정상파 공진인 경우에도, 전기 주파수 대역폭(BW)이 상당히 넓다는 것이다. 본 발명의 설계를 이용하는데에 따른 또 다른 이점은, 음향, 전기기계적 결합 및 층 두께에 대한 요건이 수직 BAW CRF에 비해 덜 엄격하며, 측면 치수에 대한 요건이 SAW에 비해 덜 엄격하여, 완화된 제조 허용 오차 및 비용으로 이어진다는 것이다. 3번째 이점은 원치 않는 불요 응답(spurious response)을 제거할 수 있다는 것이다. 2개의 판파 모드의 주파수가 서로 근접하고, 단 하나만 통과 대역 응답을 형성하는 측면 정상파 공진에 이용되는 경우, 다른 판파 모드는 계속해서 원치 않는 불요 응답으로서 나타나는 측면 정상파 공진을 생성할 수도 있다. 본 발명에 있어서, 이와 같이 사전에 원치 않는 것으로 간주된 공진이 넓은 통과 대역을 생성하는데 이용된다.
유한 요소법(FEM) 시뮬레이션에 따르면, 2GHz에서 BW에 대해 대략 10%가, SMR 기술에 기초한 AlN을 이용하는 본 발명의 설계에 의해 얻어질 수 있다. 비교하면, 상업적 컴포넌트 제조자들이 갖고 있는 표면 탄성파(SAW) 및 BAW 제품은 2GHz에서 대략 80MHz(4%)만 제공한다. 따라서, 본 발명에 제안된 필터는 마이크로 음향 필터 분야의 상업적 상태에서 사용 가능한 주파수 대역폭의 대략 2배를 갖는다.
추가적인 이점은; 극히 넓은 주파수(BW), 높은 주파수에서의 작동 가능성(주파수는 주로 전극 치수가 아닌 막 두께에 의해 결정되며, 이는 SAW 컴포넌트에서와 같이 리소그래피(lithography)가 주요 제한 요인이 아님을 의미함), 완화된 제조 요건(예를 들어, 전극 사이의 틈새의 폭), 상대적으로 간단한 제조 프로세스(경쟁하는 결합 공진기 BAW 기술과 비교하여, 압전층이 단 하나), 작은 컴포넌트 크기(예를 들어, SAW 컴포넌트와 비교하여), 높은 대역 외 억제(예를 들어, 사다리 BAW 필터와 비교하여), 및 보다 자유로운 음향 설계(단 하나의 진동 모드만 이용하는 경우에 비해)이다.
본 발명의 설계에 대해 예시적인 실시형태에 대한 설명을 참조하여 이하에 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 4개의 상이한 측면 전파 두께 파동을 도시한다.
도 2a-2b는 한정 폭(W)을 갖는 플레이트에서의 1차 두께 확장 진동 모드(TE1 판파 모드)에 대한 2개의 측면 정상파 공진을 도시한다.
도 2c-2d는 한정 폭(W)을 갖는 플레이트에서의 2차 두께 전단 진동 모드(TS2 판파 모드)에 대한 2개의 측면 정상파 공진을 도시한다.
도 3은 종축 TE1 및 전단 TS2 모드에 대한 시뮬레이션된 분산도를 도시한다.
도 4는 2-전극 SMR LCRF 구조의 개략 단면도를 도시한다.
도 5는 인터디지털 변환기를 도시한다.
도 6은 멤브레인 타입의 LCRF 공진기의 개략 단면도를 도시한다.
도 7a는 박막 스택의 시뮬레이션된 분산 특성을 도시하며, TE1 및 TS2 판파 모드 및 2-전극 구조에 대한 각각 짝수 및 홀수 측면 공진을 개략적으로 도시한다.
도 7b는 도 7a의 짝수 및 홀수 모드를 더 도시한다.
도 8은 2개의 서로 다른 TE1 및 TS2 판파 모드에 대해 발생하는 4개의 측면 정상파 공진의 조합으로서의 통과 대역 응답을 도시한다.
도 9는 시뮬레이션된 분산도를 도시한다.
본 명세서에 기재된 필터는 도 4에 도시된 SMR LCRF 구조에 기초한 것이다. 본 실시예에서의 전극은 도 5에 도시된 바와 같이 인터디지털(콤 형상)이지만, 다른 기하학적 구조(예컨대 원형)도 가능하다.
도 4는 Z 치수로 적층된 2-전극 SMR LCRF 구조(40)의 개략도이다. 구조의 상부에, 2개의 포트(41 및 42)가 있다. 이 포트는 피에조(43; piezo)에 고정되어 있다. 피에조 하부에는 전극(44), 음향 반사기(45) 및 기판(46)이 있다. 인터디지털(interdigital) 실시형태에서 전극은 도 5에서, "50"으로 나타내며, 간격(p)은 "52"로 나타낸다.
도 4 및 도 5는 전체적인 구조를 도시하지만, 본 발명을 이에 한정하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 있어서 전극은 입력 및 출력에 교류 접속되어 있을 필요가 없으며, 예를 들어 하나가 접지되거나 그 사이에 플로팅 핑거(floating fingers)를 가질 수 있다. 또한, 전극 접속은 제한될 필요가 없으며, 즉 전극은 필요에 따라 포트에 접속될 수 있다. 2개 이상의 포트를 구비할 수도 있다; 예컨대, 하나의 입력 및 2개의 출력(안정된 출력), 2개의 입력 및 하나의 출력(안정된 입력), 또는 2개의 입력 및 2개의 출력(안정된 입력 및 안정된 출력). 전극 폭 및 틈새 폭은 전극 구조 내에서 변경될 수 있으며, 재료(들)는 AlN 및 W/SiO2로 한정되는 것이 아니다. 예컨대; 일부 다른 적절한 압전기의 ZnO, PZT가 압전 재료로서 사용될 수 있으며, 반사기 및 전극 재료도 본 명세서에서 언급한 것으로 한정되지 않는다.
바닥 전극(44)은 전극(41 및 42)에 대응하는 분리 전극(44a 및 44b; 도 4에 미도시)으로 분할될 수 있다. 상기 분리 전극의 폭은 그 대응 전극과 동일할 필요는 없으며, 그 사이의 틈새가 대응 전극 사이의 틈새와 동일할 필요도 없다.
음향 특성이 적절하다면, 도 4에 도시된 바와 같은 SMR 타입 구조에 더하여, 다른 타입의 구조, 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같은 멤브레인 구조(60)도 사용될 수 있다. 도 6은 전극(64) 상부의 피에조(63)에 고정된 2개의 포트(61 및 62)를 구비한 멤브레인 구조를 도시한다. SMR과는 달리, 전극(64) 하부에는 공기 틈새(65)가 있다. 바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기 틈새의 폭은 적어도 공진기(61, 62)의 일반적인 폭만큼 크다.
현 LCRF 필터는 다수의 압전 박막 재료가 두께 방향으로 보다 강한 전기기계적 결합력을 가져, 즉 종축 진동이 압전층의 두께를 초과하는 전기적 여기에 효율적으로 결합하기 때문에, TE 모드에서, 및 상세하게는 TE1 모드로 작동하도록 설계되었다. 그러나, LCRF 구조의 측면 토폴로지(topology)로 인해, TS2 모드에 의한 강한 불요 통과 대역(spurious passband)으로 나타낸 바와 같이 전단 진동 모드에도 강력하게 결합된다([3] 참조). 따라서, 수직 CRF와 같은 순수 수직 토폴로지에서는 불가능했던 전기적 주파수 응답을 생성하도록 TS2 모드를 이용하는 것도 가능해진다.
본 실시형태에 따르면, TE1 및 TS2 벌크 진동 모드 모두 통과 대역 응답을 형성하는데 사용된다. 이는 구조의 측면 토폴로지로 인해 가능해진다. 이전에 불요 응답으로서 간주된 TS2 통과 대역이 TE1 통과 대역으로 융합되어, TE1 모드만으로 얻어지는 통과 대역의 적어도 2배 넓은 통과 대역이 얻어진다. 이제, 2개의 측면 정상파 공진(TE1 플레이트 모드의 짝수 및 홀수 공진) 대신에, 4개의 측면 정상파 공진(TE1 및 TS2 플레이트 모드 모두의 짝수 및 홀수 공진)이 통과 대역(4-극 필터 응답)을 형성하는데 사용될 수 있다.
2개의 인접한 (주파수) 음향 판파 모드를 단 하나의 판파 모드 대신에 이용하여, 단 2개의 측면 정상파 공진 대신에 4개의 측면 정상파 공진이 통과 대역(음향 플레이트 모드 분기 모두에서 짝수 및 홀수 공진)을 형성한다. 이로 인해, 대역이 넓어지고, 제조 허용 오차가 완화된다. 이는 판파 모드가 적절한 주파수에서 원하는 측면 정상파 공진을 지지하여 단일 광대역 응답을 형성하는 분산 특성을 획득하는 바와 같이, 전체적으로 공진기의 치수를 설계하고 장치 재료를 선택함으로써 가능해진다. 또한, 장치 기하학적 구조는, 예컨대 좁게 반복되는 핑거 형상 피쳐(feature)를 사용하도록 설계되어, 바람직한 측면 정상파 응답 모두에 대한 전기기계적 결합이 높다.
전단 진동에 대한 전기적 결합은 상이한 압전 대칭 재료로 달성될 수 있다. 그러나, 원하는 결과를 얻기 위해 본 발명에서는, 전기장이 전단 및 종축 진동 모두에 결합해야 한다. 여기서, 강한 두께 방향 전기기계적 결합을 갖는 재료는 측면 장치 기하학적 구조와 함께 사용된다.
또 다른 가능성은, 측면 및 두께 방향 모두에서 강한 결합을 갖는 재료, 또는 측면 방향 및 수직 여기 기하학적 구조에 대해 강한 결합을 갖는 재료이다.
도 7은 본 발명의 작동 원리를 도시한다. 도 3에는 시뮬레이션된 분산 곡선이 파동 체제(wave regime)를 전파하는 TE1 및 TS2 판파 모드에 대해 도시되어 있다. 분산 곡선을 따라 이동하면, 측면 정상파 공진이 상술한 바와 같이 발생한다. 도 7의 실시예에서 전극 구조는 2개의 전극에 대한 짝수 및 홀수 측면 정상파 공진이 판파 모드 모두에서 포착되어 통과 대역 응답을 형성하는데 이용되도록 설계되어 있다.
TS2 판파 모드에 있어서, 파장은 주파수가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 홀수 공진은 짝수 공진보다 낮은 주파수에서 발생한다. TE1 판파 모드에 있어서, 주파수의 증가에 따라 파장이 감소함으로써, 짝수 및 홀수 공진의 차수가 도치된다. 전극 사이의 음향 결합 및 측면 정상파 공진 사이의 주파수 차이가 정확하게 설계된 경우, 광대역 주파수 응답이 얻어질 수 있다. 획득 가능한 대역폭은 스택 및 전극 구조의 음향 특성에 의존한다. 대략적으로 TE1 판파 모드만을 이용하여 이용 가능한 것이 비해 3배 넓은 통과 대역을 얻을 수 있는 것으로 추정된다(도 8 참조).
도 9는 전극 영역(청색, 실선 곡선) 및 전극 외측(적색, 점선 곡선)에 의한 판파 분산의 실시예이다. k=0의 좌측값은 가상 파동 벡터값을 나타내고 k=0의 우측값은 실제 파동 벡터값을 나타낸다. 전극 내 음향파는, 도면에서 녹색/회색으로 표시된, 외측 영역이 가상 파동 벡터(소멸 파동)를 갖는 주파수에서의 전극 영역 내에서 포착된다. TE1 및 TS2 판파 모드는 전극 영역 및 외측 영역 모두에 대해 도시되어 있다.
예컨대 층 두께 등의 수치에 대한 장치의 근본적인 설계 규칙은, 예컨대 재료, 스택 및 궁극적으로 그 분산에 의존한다. 그러나, 하기에서, 일련의 바람직한 설계 요건은 바람직한 효과를 얻을 수 있는지에 따라 별개로 또는 조합하여 고려될 수 있다.
상부 전극에 의해 유발된 중량 하중은 사용되는 공진 모드가 측면 전파 판파의 주파수 포착 범위 내에 포함되거나, 또는 분산 곡선 외측 영역의 소멸 부분에 의해 정해진 주파수 포착 영역이 사용된 공진 모드를 포함하도록 충분히 작아야 한다. 따라서, 상부 전극은, 예를 들면 Al과 같은 저밀도 금속, 및/또는 <λz/4(여기서 λz는 두께(z) 방향에서의 종축 음향파의 파장)의 얇은 두께로 이루어져야 한다.
TS2 및 TE1 플레이트 모드의 kx=0의 주파수(도 9에서 각각 fb 및 fa) 사이의 주파수 차이는 원하는 통과 대역 형상 및 폭이 얻어지는 것이어야 한다.
바닥 전극도 상술한 주파수 차이에 영향을 미친다. 바닥 전극은 주파수 차이(│fa-fb│)가 바람직한 동시에, 스택의 1-D 전기기계적 결합 계수(keff)(단일 광범위 공진기로부터 측정됨)가 손실을 확실하게 줄이도록 충분히 크게 설계되어야 한다.
미러 스택에서의 층 두께는 일반적으로 <λz/4(여기서, λz는 두께 방향에서의 종축 음향파의 파장으로, 전단파도 반사될 것이 요구됨)여야 한다.
전극 폭은 측면 음향 판파의 반파장(λx)이 홀수 공진 주파수에서 전극에 들어맞는 것이 바람직하다.
틈새 폭은 TE1 및 TS2 판파 모드 모두에 의한 짝수 측면 공진의 측면 파장(λx)이 최대화되는 것이 바람직하다.
전극의 수는 원하는 주파수 대역폭에 도달하도록, 또한 구조가 시스템 임피던스와 매칭되도록, 즉 그 정적 정전 용량이 매칭될 필요가 있는 만큼 선택되며, 전극의 길이는 저항 손실이 최소화되도록 유지될 수 있다.
TE1 및 TS2 이외에 다른 두께 진동 모드가 이용될 수 있다. 모드가 적절하게 주파수 간격을 이루며, 적절한 측면 정상파 공진이 생성될 수 있는 것이 요건이다. 또한, TE1 및 TS2 모드는 다른 차수의 주파수일 수 있다.
상세하고, 비제한적인 실시예 중 하나는 하기와 같다. 11개의 핑거를 갖는 인터디지털 전극 구조가 사용되었다. 전극의 폭은 10㎛, 전극 사이의 틈새는 2㎛였다. 전극은 제 1 및 제 2 포트에 교류 접속되었다. 박막층의 두께는 표 2에 나타내었다.
층 SiO2 W SiO2 W SiO2 Mo AlN Al
두께
(㎚)		 790 505 621 507 950 360 1750 220
TE1 및 TS2 판파 모드 모두를 이용하여 얻어진 10dB의 대역폭은, 1850MHz의 중심 주파수의 12%인 대략 220MHz로, 현 기술에 비해 상당히 개선되었다.
본 발명의 바람직한 성능을 달성하기 위하여, 종축 및 전단 운동 모두에 대해 전기적으로 결합되어야 한다. 이는 적절한 압전 재료 및 장치 기하학적 구조의 선택을 통해 주로 성취된다. 추가적으로, 임의의 SMR 애플리케이션에서 반사기는 종축 및 전단파 모두를 반사하는 것이 바람직하다.
정확한 음향 특성(분산)을 선택하는 것도 중요하다. 바람직한 중심 주파수는 TE1 및 TS2 모드의 개시(onset) 주파수 사이여야 한다.
또한, TE1 및 TS2 모드 사이의 주파수 차이는 동일한 구조 내에 포착되도록 적절해야 한다. Q값도 TE1 및 TS2 모드 모두에 대한 손실이 적도록 충분히 높아야 한다.
적절한 전극 설계를 선택하는데 있어서, 짝수 및 홀수 정상파 공진 사이의 주파수 차이는 바람직한 대역폭을 제공하도록 적절해야 한다. 고려해야 할 다른 요인은 제조 허용 오차가 엄격하지 않아, 틈새가 충분히 넓으며, 전극 길이로 인한 저항이 많지 않고, 컴포넌트 크기가 사용 목적에 맞게 충분히 작다는 것이다. 통과 대역에 노치(notch)를 형성하는 중간 측면 정상파 공진이 없어야 한다는 것도 중요하다.
본 발명의 필터는 그 설계 및 제조 방법을 통해 이해될 수도 있다. 또한, 새로운 방법이 본 명세서에 제공되어 있다.
적어도 4개의 측면 정상파 공진을 포착하는 광대역 음향 결합 BAW 필터를 설계하기 위해, 2개의 상이한 두께 진동 모드(판파 모드)의 전기기계적 결합이 달성되도록 구조 및 관련 재료가 선택된다. 본 실시형태에 있어서, 2개의 두께 진동 모드(판파 모드)는 TE1 및 TS2이지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 진동 모드가 선택될 수 있다.
그런 다음, 스택은; 바람직한 중심 주파수가 2개의 두께 진동 모드의 판파 분산 곡선의 개시(kx=0) 주파수 사이이고, 2개의 진동 모드의 개시(kx=0) 주파수 사이의 주파수 차이가 바람직한 대역폭의 대략 1/3이며, Q 및 keff가 모드 모두에 대해 최대화되고, 종축 및 전단파 모두는 반사층에 의해 반사되도록 설계된다.
분산 곡선으로부터, 2개의 판파 모드의 분산 곡선 사이의 주파수 차이가 대략 바람직한 대역폭인 측면 파동수(kx)를 확인할 수 있다. 그런 다음, 이와 같이 선택된 kx값은 홀수 측면 정상파 공진 모드에서 파장을 결정한다. 파장을 알면, 전극 폭 및 틈새를 선택하는 것이 가능하다. 적절한 폭 및 틈새가 아직 명확하지 않은 경우, 작은 틈새로 설계를 시작하고, 그로부터 결합이 약해진 경우에 결정하는 것이 바람직할 수도 있다.
바람직한 컴포넌트 크기 및 매칭 요건을 알면, 전극의 수를 선택하는 것이 가능하다. 다수의 전극에 의해 50Ohms으로의 매칭이 용이해진다. 다수의 전극은 약하게 결합된 측면 공진으로부터 발생하는 노치의 깊이를 감소시킬 수도 있다. 본 단계에서, 바람직한 설계 요건이 선택되어, 관련된 설계 파라미터가 획득되었다.
필요에 따라, 스커트(skirt)를 더욱 급격하게 하도록 병렬 또는 직렬 공진기가 설계될 수 있으며, 이 설계는 매칭이 필요한 경우 확인될 수 있다. 통과 대역의 형상은 필요에 따라, 예컨대 변조 인덕터를 추가함으로써 변경될 수 있다. 다음으로, 광대역 음향 결합 BAW 필터의 제조가 준비된다.
상기 상세한 실시예에 의해 본 발명을 설명하였지만, 이는 본 발명의 범위를 이러한 실시형태로 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 넓은 통과 대역 응답을 생성하기 위해, 종축 모드에 더하여 전단 모드의 사용으로 확장된다.
두께 판파 모드 모두에 대한 전기적 결합은 일반적으로 상이한 재료의 조합 및 상기 명확하게 열거되지 않은 여기 기하학적 구조에 의해 달성될 수 있다. 측면 장치 기하학적 구조에 대한 강한 두께 방향/약한 측면 전기기계적 결합이 사용되는데, 이는 단지 하나의 별개의 예이다. 또 다른 가능성은 두께 및 측면 방향 모두에 대한 강한 전기기계적 결합 또는 수직 장치 기하학적 구조에 대한 강한 측면/약한 두께 방향 전기기계적 결합이다.
중요하게는, 2개의 측면 정상파 공진 대신에 (적어도) 3개, 특히 적어도 4개의 측면 정상파 공진을 새롭게 사용함으로써, 단순한 제조 프로세스로 극히 넓은 통과 대역이 가능해진다. 획득 가능한 넓은 대역에 의해, 보다 넓은 전극을 이용하는 것과 같은 설계의 자유도가 향상되어, 전극이 많을수록 50Ohms으로의 매칭이 용이해진다. 추가적으로, 매칭 인덕턴스 또는 다른 매칭 엘리먼트를 사용할 필요가 있는 경우, 그 필요성이 보다 작아진다. 틈새 폭에 대한 요건이 완화되어, 제조가 용이해지며, 충분한 밴드폭이 있는 경우, 보다 나은 성능(보다 적은 손실 등)이 달성되어, 그 손해가 저감될 수 있다.
3개의 공진 시스템에서, 2개의 공진은 하나의 판파 모드에 대해 발생하고, 하나의 공진은 또 다른 판파 모드에 대해 발생할 수도 있다.
일 실시형태에 따르면, 압전층은 수직 방향으로 c-축을 갖는 6㎜의 대칭 그룹으로부터 선택된다.
일 실시형태에 따르면, 압전층은 수직 방향에 대해 경사 배향된 c-축을 갖는 6㎜의 대칭 그룹으로부터 선택된다. 이 경우, 수직 전기장이 종축 음향파(예컨대, TE1) 및 전단파(예컨대, TS2) 모두에 결합된다.
일반적으로, 압전층의 대칭 그룹 및 결정 배향은 종축(예컨대, TE1) 및 횡축 음향 모드(예컨대, TS2) 모두에서 수직 전기장과 고유 결합을 형성하도록 선택될 수도 있다.
음향 필터는 적층 배치된 2개 이상의 피에조활성(piezoactive)층을 포함할 수도 있다. 이 경우, 정상파 모드는 스택을 따라, 즉 수직 방향으로 발생한다.
전단 진동에 결합하도록 재료에 대한 대안적인 방안이 이용될 수 있다. 일 실시예는, c-축이 수직 방향으로부터 경사지게 증착된 AlN 또는 ZnO와 같은 6㎜의 재료를 이용하며, 수직 전기장이 수직 전파 전단 음향 진동에 결합된다. 또 다른 실시예는 LiNbO3, LiTaO3와 같은 압전 재료의 박막 형태를 이용한다. 또 다른 실시예는 본질적으로 수직 전파 전단 음향 진동에 대해 수직 전기장을 결합시키는 재료를 이용한다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 압전층(piezoelectric layer)을 포함하는, 음향 필터에 적합한 재료의 스택(stack),
    사이에 폭과 틈새를 갖는 적어도 2개의 공진기로서, 상기 압전층의 서로 다른측에 전극을 가지며, 상기 압전층의 적어도 일측 상의 전극이 분리되어 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하는 공진기를 포함하는 음향 필터로서,
    상기 재료의 스택, 분리된 전극 사이의 폭 및 틈새는, 상기 음향 필터에서 각각 적어도 하나의 측면 정상파 공진(lateral standing wave resonance)을 제공하는 적어도 2개의 서로 다른 음향 판파 모드(plate wave mode)를 생성하도록 조정되는 것을 특징으로 하는, 음향 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층의 일측 상의 전극만 분리되어 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하며, 상기 압전층의 타측 상에는 연속 전극이 설치되어 있는, 음향 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전층의 양측 상의 전극이 분리되어 적어도 2개의 공진기 영역을 형성하는, 음향 필터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 2개의 전극은 전기적으로 접속되어 안정된 전기 포트를 제공하는, 음향 필터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 필터에서 총 적어도 3개의 측면 정상파 공진을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드를 포착하도록 구조가 조정되는, 음향 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 측면 정상파 공진 중 적어도 2개는 하나의 판파 모드에 대해 발생하며, 상기 적어도 3개의 측면 정상파 공진 중 적어도 하나는 또 다른 판파 모드에 대해 발생하는, 음향 필터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 필터에서 총 적어도 4개의 측면 정상파 공진을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드를 포착하도록 구조가 조정되는, 음향 필터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 서로 다른 음향 판파 모드는 적어도 하나의 종축 모드(longitudinal mode) 및 적어도 하나의 전단 모드(shear mode)를 포함하는, 음향 필터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 배치된 적어도 2개의 압전층을 포함하는, 음향 필터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전층(들)은 수직 방향으로 c-축을 갖는 6㎜의 대칭 그룹으로부터 선택되는, 음향 필터.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전층(들)은 c-축이 경사 배향된 6㎜의 대칭 그룹으로부터 선택되는, 음향 필터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    수직 전기장이 종축 음향파 및 전단파 모두에 결합되어 있는, 음향 필터.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압전층의 대칭 그룹 및 결정 배향은, 종축 및 전단 음향 두께 모드 모두에서 수직 전기장과 고유 결합을 형성하도록 선택되는, 음향 필터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전층은 AlN 또는 ZnO로 형성되는, 음향 필터.
  15. 필터용 구조 설계 및 재료를 선택하는 단계,
    원하는 중심 주파수 및 대역폭을 설계하는 단계를 포함하는, 음향 광대역 필터를 제조하는 방법으로서,
    사이에 폭 및 틈새를 갖는 한 쌍의 공진기에 따라 선택된 구조 설계 및 재료를 이용하여 스택을 설계함으로써, 총 적어도 2개의 공진을 갖는 적어도 2개의 서로 다른 측면 전파 두께 진동 판파 모드에 대한 결합이 달성되는 단계, 및
    설계된 필터 스택을 제조함으로써, 총 적어도 2개의 공진을 갖는 상기 적어도 2개의 서로 다른 측면 전파 두께 진동 판파 모드를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 광대역 필터를 제조하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 설계된 중심 주파수가 상기 적어도 2개의 서로 다른 판파 모드의 개시(onset) 주파수 사이이며, 상기 2개의 서로 다른 플레이트 모드의 개시 주파수 사이의 주파수 차이가 바람직한 대역폭의 대략 1/3이 되도록 상기 스택을 설계하는 단계를 포함하는, 음향 광대역 필터를 제조하는 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 기재된 방법으로 제조된, 필터.
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