KR20160068297A - 벌크 탄성파 공진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 벌크 탄성파 공진기에 관한 것으로서, 압전성 물질(piezoelectric)을 포함하는 압전층; 압전층의 일면에 배치되는 제1전극; 압전층의 일면의 반대면인 타면에 배치되는 제2전극; 및 압전층의 일면에 배치되고 제1전극을 포위하는 프레임; 을 포함하고, 프레임과 제2전극의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스를 줄임으로써, QF(Quality Factor) 또는 kt2(electro-mechanical coupling coefficient)값을 높일 수 있다.

Description

벌크 탄성파 공진기{Bluk acoustic wave resonator}
본 발명은 벌크 탄성파 공진기에 관한 것이다.
최근 한정된 주파수 대역의 효율적인 사용을 위해, 사용 주파수 대역간의 주파수 간격(band gap)은 줄어들고 있다. 주파수 간격이 줄어듦에 따른 주파수 대역간 간섭을 줄이기 위하여, QF(Quality Factor)가 증가된 벌크 탄성파 공진기가 많이 이용되고 있다.
또한 데이터 전송 량과 데이터 전송 속도를 증가시키기 위해, 벌크 탄성파 공진기의 대역폭은 넓을 필요가 있다. 넓은 대역폭을 위해, 벌크 탄성파 공진기의 kt2(electro-mechanical coupling coefficient)값은 증가될 필요가 있다.
일반적으로 벌크 탄성파 공진기의 QF와 kt2값은 서로 상충관계가 있을 수 있다. 따라서 벌크 탄성파 공진기의 QF 또는 kt2값을 높일 수 있는 기술이 요구된다.
하기의 특허문헌 1은 박막형 압전체 필터에 관한 것으로서, 벌크 탄성파 공진기에 관한 내용을 개시하지 못하고 있다.
미국 공개특허공보 2010-0013573호
본 발명의 일 실시예는 벌크 탄성파 공진기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기는, 압전성 물질(piezoelectric)을 포함하는 압전층; 압전층의 일면에 배치되는 제1전극; 압전층의 일면의 반대면인 타면에 배치되는 제2전극; 및 압전층의 일면에 배치되고 제1전극을 포위하는 프레임; 을 포함하고, 프레임과 제2전극의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스를 줄일 수 있다.
또한, 상기 프레임은 상기 제1전극과 일정 간격만큼 이격될 수 있다.
또한, 상기 프레임은 비전도성(non-conductive) 물질일 수 있다.
또한, 상기 프레임은 상기 일면에서 상기 타면으로 향하는 방향으로 상기 제2전극을 마주보지 않는 영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 벌크 탄성파 공진기는 상기 제1전극과 상기 프레임 사이에 배치되는 비전도성(non-conductive) 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 벌크 탄성파 공진기의 QF(Quality Factor) 또는 kt2(electro-mechanical coupling coefficient)값을 높일 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벌크 탄성파 공진기의 측면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기의 상면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 벌크 탄성파 공진기를 모델링한 회로도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벌크 탄성파 공진기의 측면을 나타낸 도면이다.
도 1, 도3 및 도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기(100)는, 압전층(110), 제1전극(120), 제2전극(130) 및 프레임(140)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 벌크 탄성파 공진기(100)는, 비전도성 부재(150)를 더 포함할 수 있다.
벌크 탄성파 공진기(Bulk acoustic wave resonator)는, 압전층(110)의 상하에 위치한 제1전극(120) 및 제2전극(130)을 통해 동작할 수 있다. 상기 벌크 탄성파 공진기(100)는 제1전극(120) 및 제2전극(130)에 고주파 전위가 인가될 때 압전층(110)이 진동하면서 필터로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 상기 벌크 탄성파 공진기(100)는 탄성파(Acoustic Wave)의 반사 특성을 향상시키기 위해 공기 공동(Air Cavity)통해 기판으로부터 공중 부양될 수 있다.
또한, 벌크 탄성파 공진기(100)는 공진 현상을 이용하여 특정 주파수의 파(Wave) 또는 진동을 끌어내기 위한 장치로서, 필터 및 발진기(Oscillator)와 같은 RF 장치의 부품으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 벌크 탄성파 공진기(100)는 무선통신기기에 사용되는 필터, 송신기, 수신기 또는 듀플렉서로서 무선데이터의 입출력에 이용될 수 있다.
이하 벌크 탄성파 공진기(100)의 구조에 대해 설명한다.
압전층(110)은, 압전성 물질(piezoelectric)을 포함할 수 있다. 여기서, 압전성 물질은 역학적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환시킬 수 있는 물질을 의미한다. 예를 들어, 상기 압전층(110)은 x축 방향 및 y축 방향으로 넓게 형성될 수 있다.
제1전극(120)은, 상기 압전층(110)의 일면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(120)은 z축 방향으로 상기 압전층(110)보다 위에 배치될 수 있다.
제2전극(130)은, 상기 압전층(110)의 일면의 반대면인 타면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2전극(130)은 z축 방향으로 상기 압전층(110)보다 아래에 배치될 수 있다. 여기서, 제2전극(130)의 크기는 제1전극(120)의 크기와 다를 수 있다.
또한, 상기 제1전극(120) 또는 제2전극(130)은 상기 압전층(110)에 접촉될 수 있고, 상기 압전층(110)으로부터 이격될 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1전극(120) 또는 제2전극(130)과 압전층(110)과의 사이에는 공기층 등이 배치될 수 있다.
프레임(140)은, 압전층(110)의 일면에 배치되고 제1전극(120)을 포위할 수 있다. 예를 들어, 상기 프레임(140)은 z축 방향으로 압전층(110)보다 위에 배치되고, x축 방향 및 y축 방향으로 제1전극(120)을 포위할 수 있다.
여기서, 상기 프레임(140)은 벌크 탄성파 공진기(100)에서 발생된 횡탄성파(lateral acoustic wave)를 내부로 반사시킴으로써, 공진기 내부의 탄성에너지(acoustic energy)를 잘 가둘(confine) 수 있다. 이에 따라, 벌크 탄성파 공진기(100)의 QF(Quality Factor)는 증가될 수 있다.
또한, 상기 프레임(140)은 너비(width)가 증가될수록 공진기 내부의 탄성에너지를 효과적으로 가둘 수 있다. 이에 따라, 벌크 탄성파 공진기(100)의 QF는 효과적으로 증가될 수 있다.
그러나, 상기 프레임(140)과 제2전극(130)의 사이에는 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 존재할 수 있다. 상기 기생 캐패시턴스는 벌크 탄성파 공진기(100)의 kt2(electro-mechanical coupling coefficient)값을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 프레임(140)은 너비(width)가 증가될수록 발생되는 기생 캐패시턴스는 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기(100)는 상기 프레임(140)을 포함하면서 상기 기생 캐패시턴스를 줄임으로써, QF 또는 kt2값을 높일 수 있다.
도 1을 참조하면, 프레임(140)은 제1전극(120)과 일정 간격만큼 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 프레임(140)과 제2전극(130)의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스로 인해 벌크 탄성파 공진기(100)가 받는 영향은 줄어들 수 있다.
도 2를 참조하면, 프레임(140)과 제1전극(120)의 사이에는 비전도성 부재(150)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 프레임(140)과 제2전극(130)의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스로 인해 벌크 탄성파 공진기(100)가 받는 영향은 줄어들 수 있다.
예를 들어, 상기 비전도성 부재(150)는 압전층(110), 제1전극(120) 및 프레임(140)과 접할 수 있다. 예를 들어, 상기 비전도성 부재(150)의 높이는 제1전극(120)의 높이보다 높을 수 있다. 여기서, 상기 높이는 압전층(110)의 일면을 기준으로 z방향으로 향하는 길이이다.
도 3을 참조하면, 프레임(140)은 비전도성(non-conductive) 물질일 수 있다. 이에 따라, 상기 프레임(140)과 제2전극(130)의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스는 줄어들 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2전극(130)은 도 1 내지 도 3에 포함된 제2전극(130)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 프레임(140)은 z축 방향의 반대 방향으로 제2전극(130)을 마주보지 않는 영역을 포함할 수 있다. 상기 마주보지 않는 영역에서 발생되는 기생 캐패시턴스는 줄어들 수 있다. 이에 따라, 프레임(140)과 제2전극(130)의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스는 줄어들 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기의 상면을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1전극(120)은 원형일 수 있다. 프레임(140)은 상기 제1전극(120)을 원형으로 포위할 수 있다. 한편, 상기 제1전극(120) 및 프레임(140)의 하단에는 압전층(110) 및 제2전극(130)을 포함할 수 있다. 여기서, 압전층(110) 및 제2전극(130)은 원형일 수 있다. 한편, 도 5에 도시된 벌크 탄성파 공진기(100)는 도 3에 도시된 벌크 탄성파 공진기(100)와 유사한 구조일 수 있다.
예를 들어, 제1전극(120)과 프레임(140)의 사이에는 빈 공간이 원형으로 형성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 벌크 탄성파 공진기(100)와 유사한 구조일 수 있다.
예를 들어, 제1전극(120)과 프레임(140)의 사이에는 비전도성 부재(150)가 원형으로 배치될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 벌크 탄성파 공진기(100)와 유사한 구조일 수 있다.
예를 들어, 제2전극(130)의 반지름(radius)은 제1전극(120)의 반지름 이상이고, 프레임(140)의 포위 반지름 미만일 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 벌크 탄성파 공진기(100)와 유사한 구조일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 벌크 탄성파 공진기를 모델링한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 벌크 탄성파 공진기는 저항(Rm, Ro, Rs), 캐패시턴스(Cm, Co) 및 인턱턴스(Lm)가 연결된 회로로 모델링될 수 있다. 여기서, 모델링된 벌크 탄성파 공진기는 프레임(140)과 제2전극(130)에 의해 발생되는 기생 캐패시턴스(C parasitic)를 포함할 수 있다.
상기 프레임(140)의 너비(Width)가 넓어질수록, 반공진주파수(anti-resonance frequency)에서의 입력 임피던스의 저항은 증가될 수 있다. 이에 따라, QF는 증가될 수 있다. 예를 들어, 프레임(140)의 너비가 매우 좁을 경우, 반공진주파수에서의 입력 임피던스의 저항이 1kOhm 내지 2kOhm일 수 있다. 예를 들어, 프레임(140)의 너비가 3um일 경우, 반공진주파수에서의 입력 임피던스의 저항이 5kOhm 내지 6kOhm일 수 있다.
상기 프레임(140)의 너비(Width)가 넓어질수록, kt2값은 줄어들 수 있다. 예를 들어, 프레임(140)의 너비가 매우 좁을 경우, kt2값이 약 7%일 수 있다. 예를 들어, 프레임(140)의 너비가 3um일 경우, kt2값은 약 6%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 탄성파 공진기(100)는 제2전극(130)과 프레임(140)의 사이에 발생되는 기생 캐패시턴스를 줄일 수 있다. 이에 따라, 벌크 탄성파 공진기(100)는 프레임(140)의 두께를 줄이지 않고도 kt2값을 증가시킬 수 있다. 따라서, 벌크 탄성파 공진기(100)는 QF의 희생 없이 kt2값을 증가시킬 수 있고, kt2값의 희생 없이 QF를 증가시킬 수 있다. 또한, 벌크 탄성파 공진기(100)는 QF 및 kt2값을 모두 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
100: 벌크 탄성파 공진기 110: 압전층
120: 제1전극 130: 제2전극
140: 프레임 150: 비전도성 부재

Claims (10)

  1. 압전성 물질(piezoelectric)을 포함하는 압전층;
    상기 압전층의 일면에 배치되는 제1전극;
    상기 압전층의 일면의 반대면인 타면에 배치되는 제2전극; 및
    상기 압전층의 일면에 배치되고 상기 제1전극을 포위하는 프레임; 을 포함하고,
    상기 프레임은 상기 제1전극과 일정 간격만큼 이격되는 벌크 탄성파 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 프레임 사이에 배치되는 비전도성(non-conductive) 부재를 더 포함하는 벌크 탄성파 공진기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비전도성 부재는 상기 압전층, 제1전극 및 프레임과 접하고,
    상기 비전도성 부재의 높이는 상기 제1전극의 높이보다 높으며,
    상기 높이는 상기 압전층의 일면을 기준으로 하는 벌크 탄성파 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 비전도성(non-conductive) 물질인 벌크 탄성파 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 일면에서 상기 타면으로 향하는 방향으로 상기 제2전극을 마주보지 않도록 배치되는 벌크 탄성파 공진기.
  6. 압전성 물질(piezoelectric)을 포함하는 압전층;
    상기 압전층의 일면에 배치되는 제1전극;
    상기 압전층의 일면의 반대면인 타면에 배치되는 제2전극; 및
    상기 압전층의 일면에 배치되고 상기 제1전극을 포위하는 프레임; 을 포함하고,
    상기 프레임은 비전도성(non-conductive) 물질인 벌크 탄성파 공진기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 일면에서 상기 타면으로 향하는 방향으로 상기 제2전극을 마주보지 않도록 배치되는 벌크 탄성파 공진기.
  8. 압전성 물질(piezoelectric)을 포함하는 압전층;
    상기 압전층의 일면에 배치되는 제1전극;
    상기 압전층의 일면의 반대면인 타면에 배치되는 제2전극; 및
    상기 압전층의 일면에 배치되고 상기 제1전극을 포위하는 프레임; 을 포함하고,
    상기 프레임은 상기 일면에서 상기 타면으로 향하는 방향으로 상기 제2전극을 마주보지 않는 영역을 포함하는 벌크 탄성파 공진기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1전극 및 제2전극은 원형이고,
    상기 프레임은 상기 제1전극을 원형으로 포위하고,
    상기 제2전극의 반지름은 상기 제1전극의 반지름 이상이고, 상기 프레임의 포위 반지름 미만인 벌크 탄성파 공진기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 일면에서 상기 타면으로 향하는 방향으로 상기 제2전극을 마주보지 않도록 배치되고, 상기 제1전극과 일정 간격만큼 이격되고, 비전도성(non-conductive) 물질인 벌크 탄성파 공진기.
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