KR20180105082A - 공진기 및 공진기를 제공하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

압전 재료(10) 상에 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극(11, 12)을 갖는 압전 재료(10)를 포함하는 공진기가 설명된다. 음향 메타재료(14)는 상기 공진기의 활성 영역(13)을 적어도 부분적으로 둘러싼다.

Description

공진기 및 공진기를 제공하기 위한 방법{RESONATOR AND METHOD FOR PROVIDING RESONATOR}
본 출원은 공진기 및 공진기를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.
다른 주파수 성분이 통과하게 하면서 신호의 특정 주파수 성분을 필터링하기 위해 다양한 전자 회로에서 필터가 사용된다. 예를 들어, 통신 회로에서 통신을 위해 사용되는 주파수 대역의 외부 또는 주파수 대역의 일부의 주파수 성분을 차단하고 추가 회로에 의해 프로세싱되도록 필터가 사용될 수 있다.
통신 회로 및 장치에서의 고도로 선택적인 대역통과 필터는 표면 음향파(surface acoustic wave, SAW) 또는 부피 음향파(bulk acoustic wave, BAW) 기술이 주로 사용된다. 이러한 유형의 통상적인 필터는 압전 재료 및 전극으로 구성된 음향 공진기를 사용한다. BAW 공진기에서, 압전 재료는 두 전극들(예를 들어, 상부 전극 및 하부 전극) 사이에 끼이고(sandwiched), 음향파는 (예를 들어, z-방향으로 지칭될 수 있는 수직 방향으로) 전극들 사이의 벌크의 압전 재료를 통해 전파된다. SAW 공진기는 압전 재료의 표면 상에서 서로 맞물린(interdigitated) 전극 구조를 활용하고, 음향파는 (예를 들어, x-y 평면 내에서) 압전기 표면을 따라 전파된다.
음향 공진기에서 음향파의 누설(leakage)은 공진기에 저장된 에너지 및 공진기 주기 동안의 에너지 손실의 비율로서 정의되는 공진기의 품질 팩터를 제한한다. 따라서, 음향 손실의 최소화는 음향 공진기 기술 및 설계에서 중요한 요소이다. BAW 공진기에서, 예를 들어, 음향 누설은 수직 성분 및 측면 성분을 가질 수 있다. 이들 손실 성분은 주변 기판에 대해 전극들 사이의 영역에서 국부화될 수 있다. 따라서, 이들 공진기로부터 만들어진 필터는 손실 메커니즘에 기초하여 이러한 누설을 경험할 것이다.
또한, 공진기의 일부 실시예에서, 공진기 엣지에서의 경계 조건은 BAW 공진기에서 소위 스퓨리어스 모드 파(spurious mode wave)의 출현을 야기하여 BAW 공진기를 사용하여 구현되는 필터의 대응하는 필터 커브에서의 통과 대역 리플(passband ripple)을 야기한다. 이러한 스퓨리어스 모드 파는 또한 에너지 누설을 야기할 수 있다.
에너지가 공진기로부터 누설되는 경우, 누설 음향 파는 또한 인접한 공진기에 영향을 줄 수 있고 이들과 원치않는 방식으로 상호작용할 수 있다. 이는 공진기들 사이의 통제되지 않은 음향 커플링을 야기할 수 있고 필터의 성능 감소로 이어질 수 있다. 일반적으로, 공진기로부터의 음향 에너지 누설은 공진기의 근처에 위치한 다른 음향 공진기 장치에 영향을 줄 수 있다.
청구항 제 1 항에서 정의된 공진기가 제공된다. 또한, 청구항 제 17 항에 정의된 공진기를 제공하는 방법이 제공된다. 종속항들은 추가 실시예들을 정의한다.
실시예에 따르면, 공진기가 제공되고, 공진기는,
압전 재료와,
압전 재료의 제 1 측 상에 제공되는 제 1 전극과,
제 1 측에 대향하는 압전 재료의 제 2 측 상에 배열되는 제 2 전극―제 1 전극 및 제 2 전극은 압전 재료에 활성 공진기 영역, 예를 들어, 두 전극이 전극에 수직인 방향으로부터 보면 중첩하는 영역을 정의함―과,
압전 재료에 제공되는 음향 메타재료를 포함하되, 음향 메타재료는 활성 공진기 영역을 적어도 부분적으로 둘러싼다.
다른 실시예에 따르면, 방법이 제공되고, 방법은,
압전 재료를 제공하는 단계와,
압전 재료의 대향 측 상에 제 1 전극 및 제 2 전극을 제공하는 단계―제 1 전극 및 제 2 전극은 활성 공진기 영역을 정의함―와,
활성 공진기 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 음향 메타재료를 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 요약은 단지 일부 실시예들의 일부 특징들에 대한 간략한 개요를 제공하기 위한 것이고 제한하는 것으로서 해석되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 공진기의 단면도이다.
도 2는 일부 실시예에서 사용가능한 메타재료의 유닛 셀을 도시하는 도면이다.
도 3은 일부 실시예에서 사용가능한 메타재료의 유닛 셀을 도시하는 도면이다.
도 4는 일부 실시예에서 사용가능한 메타재료의 포논 밴드 구조이다.
도 5a는 실시예에 따른 공진기의 개략도이다.
도 5b는 도 5a의 확대된 부분도를 도시한다.
도 5c는 도 5b의 기본적으로 라인 A-A'를 따라가는 단면도를 도시한다.
도 6은 일부 실시예에 따른 공진기의 대안의 구현예를 도시하는 단면도이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 공진기의 대안의 구현예를 도시하는 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 일부 실시예의 효과를 도시하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 11은 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하에서, 다양한 실시예가 첨부 도면을 참조하여 자세하게 설명될 것이다. 이들 실시예는 예시적인 목적으로만 역할을 하고 제한하는 것으로서 해석되지 않음에 유의해야 한다. 예를 들어, 실시예가 복수의 특징들, 구성요소 또는 상세들을 포함하는 것으로서 설명될 수 있지만, 다른 실시예에서, 이들 특징들, 구성요소 또는 상세 중 일부는 누락될 수 있고/거나 대안의 특징들, 구성요소 또는 상세들로 대체될 수 있다. 특징들 이외에, 구성요소 또는 상세들이 명시적으로 설명되고, 다른 특징들, 구성요소 또는 상세들은, 예를 들어, 필터 및 공진기에 기초하여 부피 음향파(BAW)에서 통상적으로 사용되는 성분이 제공될 수 있다.
상이한 실시예로부터의 특징들은 달리 언급되지 않는 한 추가 실시예를 형성하도록 조합될 수 있다. 실시예들 중 하나와 관련하여 설명된 변형 또는 변경은 또한 달리 언급되지 않는 한 다른 실시예에 적용가능할 수 있다.
이하에서 논의되는 실시예들은 BAW 기반 필터를 만들기 위해 사용될 수 있는 부피 음향파(BAW) 공진기에 관한 것이다. BAW 공진기를 형성하기 위해, 일반적으로 압전 재료가 두 전극들 사이에 제공된다. 두 전극들 사이의 전계의 적용은 음향파로서 구조체의 부피를 통해 추가로 전파되는 기계적 응력을 생성한다. 구조체의 음향 경로 및 두께 방향이 압전 재료 내부에 음향 파장의 절반의 정수배에 대응하는 경우 공진 조건이 수립된다. 이 공진 조건은, 전극의 음향 효과를 무시하면, 즉, 압전층만 고려되는 이상적인 공진기에 대해, 유지된다. 전극의 음향 효과를 고려하면, 공진 조건은 이 이상적인 경우로부터 벗어난다. 이 경우에, 전극에 인가되는 특정 주파수를 갖는 신호에 대한 필터 기능이 구현될 수 있다.
공진기의 활성 영역은 두 전극들 사이의 압전 재료의 영역에 대응할 수 있다. 예를 들어, 공진기의 활성 영역은 제 1 전극에 의해 정의되는 영역이 제 2 전극에 의해 정의되는 영역과 중첩하는 압전 재료의 영역이 될 수 있다. 실시예에서, 활성 영역은 또한 그 주변 영역에 일부 엣지 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어, 공진기의 공진 주파수를 포함하는, 공진기의 주파수 범위에 적어도 부분적으로 대응하는 음향 밴드갭을 갖는 음향 메타재료에 의해 둘러싸인다. 이러한 음향 메타재료는 둘 이상의 재료의 주기적 구조를 포함할 수 있는 포노닉 크리스탈로서 구현될 수 있다. 실시예에서, 재료들 중 하나는 압전 재료이다. 실시예에서, 메타재료는 압전 재료의 표면 상에 및/또는 부피에서 적어도 하나의 다른 재료에 의한 변경을 거친 압전 재료에 기초할 수 있다. 음향 메타재료는 일반적으로 이들이 기체, 액체 및 고체에서 발생함에 따라 음파를 제어, 지향 및 조정하도록 설계된 재료이고, 본 출원은 고체에서의 음파, 즉, 부피 음향파 또는 표면 음향파에 관한 것이다. 예시의 구조의 메타재료는 이후에 더 자세하게 설명될 것이다.
공진기 또는 필터의 음향적으로 활성 영역에서 음파의 조정, 제어 및 지향은 예를 들어, 공진기 또는 필터의 다른 활성 영역으로 음향파를 커플링시키기 위한 목적으로 사용되어, 필터 응답의 노치 특성(notch characteristics)을 생성할 수 있다. 예시의 목적을 위해, 공진기 및 필터로부터 나온 누설파의 감소 및 제거를 논의할 것이다. 그럼에도 불구하고, 다른 실시예에서 본원에 논의된 공진기의 활성 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 메타재료는 또한 상술된 음파를 조정, 지향 및 조정하는 것이 또한 가능할 수 있다.
위에서 언급된 포노닉 크리스탈은 통상적으로 조정될 음향파의 음향 파장의 거의 절반 크기의 구조를 사용한다. 다른 음향 메타재료는 더 작은 구조, 예를 들어, 조정될 음향파의 음향 파장 보다 거의 10배 더 작은 패턴을 사용할 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1a는 실시예에 다른 공진기의 개략적인 단면도이다.
도 1a의 실시예의 공진기는 압전 부피 재료(10), 예를 들어, 고주파수 적용예에 대한 박막에 기초하여 만들어질 수 있다. 적합한 압전 재료에 대한 예시는 질화 알루미늄(AlN), 니오브산 리튬(LiNbO3), 니오브산 포타슘(KNbO3), 스칸듐(Sc) 도핑된 질화 알루미늄 또는 질화 스칸듐 알루미늄(AlScN)을 포함한다. 그러나, 다른 압전 재료가 또한 사용될 수 있다.
압전 재료(10)의 대향 측 상에 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)이 제공된다. 도 1a에 나타난 바와 같이, 일부 실시예의 경우가 될 수 있지만, 제 1 전극 및 제 2 전극(11, 12)은 동일한 크기를 가질 필요가 없다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 실시예에서, 제 2 전극(12)은 제 1 전극(11) 보다 큰 영역을 커버한다. 다른 실시예에서, 전극은 동일한 영역을 커버할 수 있고, 즉, 동일한 크기를 가질 수 있거나, 제 1 전극(11)은 제 2 전극(12) 보다 큰 영역을 커버할 수 있다. 제 1 전극과 제 2 전극(11, 12) 사이의 압전 재료(10)의 영역(13)은 활성 공진기 영역을 형성한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 활성 공진기 영역(13)의 크기는 기본적으로 더 작은 전극, 도 1a의 경우에, 제 1 전극(11)에 의해 결정된다. 더 일반적으로, 활성 공진기 영역은 두 전극 및 압전 층의 중첩 영역으로서 정의된다.
제 1 전극 및 제 2 전극(11, 12)은 예를 들어, 하나 이상의 금속층 또는 고도로 도핑된 다결정 실리콘과 같은 고도로 도핑된 반도체 층을 포함하는, 임의의 전기 전도 재료로 만들어질 수 있다.
도 1a에 도시된 공진기 구조는 대역통과 필터의 일부로서 동작할 수 있고, 신호는 하나 또는 두 전극(11, 12)에 인가된다. 전극(11, 12) 사이의 거리에 대응하는 공진기의 두께에 따라, 대역통과 범위 외부의 주파수는 도 1에 도시된 공진기에 의해 감쇠된다. 공진기를 사용하는 임의의 통상적인 필터 구현이 사용될 수 있다.
공진기로부터의 에너지 누설을 피하거나 감소시키기 위해, 도 1a의 실시예에서, 음향 메타재료(14)는 활성 영역(13)을 적어도 부분적으로 둘러싸서 배열된다. 도 1a에서 음향 메타재료(14)는 활성 영역(13)에 직접 인접하게 제공되는 것으로서 도시되었지만, 다른 실시예에서, 이후에 더 자세하게 설명되는 바와 같이, 메타재료(14)는 활성 영역(13)으로부터 이격되어 배열될 수 있다. 도 1a는 일정 비율로 도시되지 않고, 예를 들어, 전극들(11, 12) 사이의 거리에 대해 수직 방향인 메타재료(14)의 폭(16)은 활성 영역(13)의 폭(17)보다 상당히 더 작을 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 사용되는 메타재료에 따라, 폭(16)은 대역통과 범위의 음향파의 파장의 대략 1 내지 10배가 될 수 있다.
메타재료(14)는 주기적인 방식으로 배열되는 둘 이상의 재료를 포함할 수 있다. 실시예에서, 둘 이상의 재료 중 하나는 압전 재료(10)의 재료이고, 이하에서 더 자세하게 설명되는 바와 같이, 메타재료는 이들 재료 중 적어도 하나를 압전 재료(10)에 주입함으로써 형성될 수 있다. 메타재료(14)는 상술된 대역통과 범위에 대응하는 음향 밴드갭을 갖도록 설계될 수 있어서, 이 범위 내의 주파수는 메타재료(14)를 통해 전파될 수 없다. 실시예에서, 메타재료(14)는 포노닉 크리스탈이 될수 있다. 메타재료는 활성 공진기 영역(13) 외부에 위치한다.
일부 실시예에서, 메타재료(14)는 활성 공진기 영역(13)을 완전하게 둘러쌀 수 있음에 유의해야한다. 다른 실시예에서는, 영역(13)을 부분적으로 둘러쌀 수도 있는데, 이는 예를 들어, 제조 상의 이유로 또는 예를 들어, 도 1a의 공진기의 근처에 제공된 추가 공진기에 일부 음향 커플링을 제공하기 위해 메타재료(14)에 일부러 갭을 남겨 제어된 에너지 누설을 가능하게 할 수 있도록 하기 위해서이다.
도 1b는 도 1a의 실시예의 변형을 도시하고 대응하는 구성요소는 동일한 참조 부호를 포함하며 다시 자세하게 설명되지 않을 것이다. 도 1a와 비교하여, 도 1b의 실시예는 영역(15)을 포함하고, 영역은 활성 영역(13)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 활성 영역(13)과 메타재료(14) 사이의 압전 재료(10)로 만들어질 수 있다.
또한, 도 1b의 실시예에서, 제 1 전극(11)은 전극(11), 즉, 주변 영역(11')으로부터 떨어진 전극(11)의 나머지 영역과 비교하여 그 둘레의 적어도 일부를 따라 이들의 주변 영역(11')에서 변경된다. 예를 들어, 주변 영역(11')에서, 전극(11)의 두께는 나머지 영역과 다를 수 있고, 즉, 더 크거나 작을 수 있고, 또는 추가적인 재료가 주변 영역(11')의 전극(11)에 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 재료는 전기 전도성, 예를 들어, 금속, 또는 비전도성, 예를 들어, 산화물이 될 수 있다. 부호(13')는 주변 영역(11') 아래의 활성 영역(13)의 대응하는 주변 영역을 표시한다. 주변 영역(13')은 여전히 활성 영역(13)의 일부이다. 그러나, 주변 영역(13')의 전극(11)의 변경에 기인하여, 분산 관계 및 정확한 공진 조건과 같은 음향 속성은 나머지 활성 영역(13)으로부터의 주변 영역(13')에서와 상이할 수 있다. 이 방식으로, 주변 영역(13')은 적절하게 설계된 확산 거동에 의해 스퓨리어스 모드를 억제하도록 사용될 수 있지만, 메타재료 영역(14)은 활성 영역(13)으로부터 활성 영역(13) 및 영역(15) 외부의 압전 재료(10)로의 측면 음향파의 전파를 방지함으로써 공진기 내부의 에너지를 한정한다.
다른 실시예에서, 주변 영역(13')은 주변 영역(11')에서 전극(11)을 변경하는 것 대신에 또는 추가로 변경된다. 예를 들어, 압전 재료(10)와 다른 재료로 선택적으로 채워지는, 트렌치가 영역(13')에 제공될 수 있다.
제 1 전극(11)은 이들의 주변 영역이 도 1b에서 변경되는 반면, 다른 실시예에서, 추가적으로 또는 대안으로 제 2 전극(12)이 변경될 수 있다. 또한, 도 1a와 비교하여 도 1b에 도시된 두 변형은, 즉, 한편으로는 영역(15) 및 다른 한편으로는 주변 영역(11', 13')으로, 서로 독립적으로 구현될 수 있다.
도 1에서 메타재료(14)는 z-방향으로 압전 재료를 통해 모든 또는 거의 모든 방식으로 확장되고, 다른 실시예에서, 메타재료는 예를 들어, 전극(11, 12)과 인접하거나 이격되어, 압전 재료(10)의 표면에서 또는 근처에서만 배열될 수 있다. 이는 공진기로부터의 표면파의 누설을 방지하기 위해 사용될 수 있고 공진기의 쉬운 제조를 가능하게 할 수 있다.
실시예에서, 메타재료(14)와 같은 메타재료 영역은 2D 또는 2.5D 또는 3D 구조로서/로부터 형성될 수 있다. 표면 또는 다른 재료로의 인터페이스에서 또는 근처에서 2D 구조는 단독으로 구조체와 동일한 레벨에서 표면 또는 인터페이스 파의 전파를 제거할 것이다. 이하에서 추가로 논의되는 도 2 및 도 3은 압전 재료의 임의의 깊이에서 측면 모드의 전파를 차단하기에 충분한 2.5D 구조를 도시한다. 이러한 2.5D 구조는, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 예를 들어, 압전 재료를 통해 확장되는 컬럼에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 일반적인 3D 메타재료 구조가 제공될 수 있다. 3D 메타재료 구조는, 예를 들어, 더 일반적인 방향에 대해 밴드갭을 생성하기 위해 압전 재료에 작은 볼 또는 큐브 또는 재료의 다른 영역을 임베딩함으로써 구현될 수 있다.
본 발명의 서브세트는 이러한 2D 메타재료에 의해 SAW 공진기/필터에 대한 소위 격자 구조를 구현하기 위한 것이다. 최신 격자 구조와 비교하여, 이러한 메타재료는 폭넓은 주파수 반사 평면을 제공하는 폭넓은 주파수 밴드갭을 생성할 수 있다.
압전 재료(10)에 메타재료(14)를 제공함으로써, 공진기는 완전하게 고체로 남아있고, 예를 들어, 테더(tether) 또는 다른 탄성 부분이 제공되지 않고, 이 실시예에서, 공진기의 기계적인 강건성을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 1a 또는 도 1b에서의 영역(14)과 같은 메타재료 구조의 사용은 압전 재료 또는 층, 예를 들어, 공진기 구조 외부의 압전 재료(10)를 유지하는 것을 가능하게 하고, 일부 실시예에서, 통합된 기술로 대응하는 장치의 프로세싱 중에 표면 토포그래피를 최소화한다. 이 특징은, 예를 들어, 둘 이상의 BAW 공진기가 서로의 상부에 만들어지고 음향으로 커플링되는 커플링된 공진기 기술에서 사용될 수 있다.
단일 공진기가 도 1에 도시되었지만, 하나 이상의 공진기가 압전 재료(10)에 제공될 수 있음에 유의해야한다. 메타재료(14)는 또한 공진기의 디커플링을 제공하여서 이들은 기본적으로 서로 독립적일 수 있다. 또한, 압전 재료(10)는 다른 구조, 예를 들어, 반도체 전자 구조와 통합될 수 있다. 예를 들어, 이 경우에, 질화 알루미늄이 압전 재료로서 사용되고, 이는 예를 들어, 실리콘 또는 III-V 반도체 구조 및 장치와 통합될 수 있다. 예를 들어, 공진기를 둘러싸는/임베딩하는 설명된 메타재료는 LNA(저잡음 증폭기), PA(전력 증폭기), 무선 주파수(RF) 스위치, 인덕터, 캐패시터, 커플러, 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 장치 등과 같은 다른 장치와 통합될 수 있다. 유사하게, 비 RF 회로를 포함하는 아날로그 및 디지털 신호 프로세싱 회로, 전력 관리 회로, 제어 및 인터페이스 회로 등과 같은 다른 회로가 제공될 수 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 실시예에서 메타재료로서 사용가능한 포노닉 크리스탈이 논의될 것이다. 도 2는 제 1 재료 m1 및 제 2 재료 m2로 만들어진 실시예에서 사용가능한 포노닉 크리스탈의 유닛 셀(20)의 평면도를 도시한다. 도 2는 예를 들어, 메타재료(14)의 도 1에서 x-y 평면에서의 뷰를 도시할 수 있다. 재료 m1은 일부 실시예에서 공진기를 형성하기 위해 또한 사용되는 압전 재료, 예를 들어, 도 1의 압전 재료(10)가 될 수 있다. 제 2 재료 m2는 예를 들어, 텅스텐과 같은 금속 또는 실리콘 산화물과 같은 산화물 재료가 될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료 m2는 제 1 전극(11) 및/또는 제 2 전극(12)에 대해 사용되는 것과 동일한 재료여서, 프로세싱될 필요가 있는 재료의 전체 수를 감소시킬 수 있다. 반지름 r을 갖는 유닛 셀(20)의 중심에 제 2 재료 m2가 제공된다. 예를 들어, 상술된 x-y 평면에서의 뷰의 경우에, 제 2 재료 m2는 영역(14) 내부의 압전 재료(10)에 원통형 컬럼으로서 제공될 수 있다. 이러한 컬럼은 예를 들어, 트렌치 에칭 또는 컬럼에 대응하는 압전 재료(10)를 제거함으로써 제조되어 트렌치를 형성할 수 있고 트렌치를 제 2 재료 m2로 채울 수 있다. 메타재료(14)를 형성하기 위해, 유닛 셀(20)이 공진기 주변에서 주기적으로 반복되고, 일례를 사용하여 이하에서 추가로 설명될 것이다.
도 3은 실시예에서 사용가능한 다른 포노닉 크리스탈의 유닛 셀(30)을 도시한다. 다시, 도 3의 뷰는 도 1의 x-y 평면에서의 뷰가 될 수 있고, 제 2 재료 m2는 제 1 재료 m1의 컬럼에 제공될 수 있다. 제 1 재료 m1은 도 1의 압전 재료에 대응할 수 있다. 도 3의 경우에, 상이한 치수를 갖는 컬럼은, 이 경우에, 도 3에 도시된, 두 상이한 반지름이 제공된다. 다시, 메타재료(14)는 또한 유닛 셀(30)의 반복에 의해 형성되어 주기적 구조를 제공한다.
도 2 및 도 3에서 원형 컬럼이 예시로서 도시되었지만, 다른 실시예에서, 다른 형상이 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 실시예에서, 특수하게 설계된 단면 영역을 갖는 원통형으로 대칭 형상이 사용될 수 있다. 도시된 예시에서, 단면 영역은 원형이고, 기둥으로서 또한 지칭될 수 있는, 컬럼은 원통형이다.
다른 실시예에서, 정사각형 형상 또는 원형 및 정사각형 형상의 혼합이 단면 영역으로서 사용될 수 있다. 다른 예시는 삼각형 형상의 단면 영역이다. 또한, 두 상이한 재료로 만들어진 포노닉 크리스탈이 도시되는 반면, 다른 실시예에서는, 둘 이상의 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 경우에, 반지름 r1을 갖는 컬럼은 반지름 r2를 갖는 컬럼과 상이한 재료로 만들어 질 수 있다. 또한, 둘 이상의 상이한 반지름이 가능하다. 따라서, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명되는 포노닉 크리스탈 구조는 비제한적인 예시로서만 역할을 한다. 또한, 표면파의 격리만이 필요한 경우에, 예를 들어, 제 2 재료 m2를 증착시킴으로써, 도 2 및 도 3에 도시된 구조가 압전 재료(10)의 표면 상에만 제공될 수 있다.
도 4는 도 3의 유닛 셀(30)을 사용하여 포노닉 크리스탈의 예시의 음향 대역 구조를 도시한다. 그래프(41)에서 도시된 일반적인 결정 지명(crystallographic designation) X, N, Γ을 사용하여, 대역 구조가 k-공간에서 상이한 방향에 대해 도시된다. 특히 도 4는 유닛 셀(30)의 제 1 고유진동수를 도시한다. 도시된 바와 같이, 측면 방향으로의 음향파 전파가 존재하지 않는 음향 밴드갭(40)이 제공된다. 유닛 셀(30)의 치수, 예를 들어, 폭 w, 반지름 r1, r2는, 음향 밴드갭(40)이 예를 들어, 공진기의 주파수 범위에 대응하는 원하는 범위에 있도록 설계될 수 있다. 또한, 재료 m1, m2의 선택에 기초하여, 음향 밴드갭(40)의 동조가 획득될 수 있다.
다음으로, 실시예에 따른 공진기는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 논의될 것이다. 도 5a는 공진기의 개략도를 도시하고, 도 5b는 도 5a의 확대된 부분도를 도시하고, 도 5c는 도 5b의 라인 A-A'을 따라가는 단면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c의 실시예에서, 상부 전극으로서 또한 지칭되는 제 1 전극(50)은 압전 재료(52)의 제 1 측 상에 제공된다. 하부 전극으로서 또한 지칭되는 제 2 전극(53)은 또한 제 1 측에 대향하는 압전 재료(52)의 제 2 측 상에 제공된다. 도 5a 내지 도 5c의 예시에서, 하부 전극(53)은 압전 재료(52)의 완전한 후면을 커버하는 반면, 제 1 전극(50)은 압전 재료(52)의 일부만을 커버하여, 활성 공진기 영역을 정의한다. 재료와 관련하여, 압전 재료(52) 및 제 1 전극 및 제 2 전극(50, 53)에 대한 재료로서, 도 1에 관련하여 이미 논의된 재료가 사용될 수 있다.
또한, 도 5b 및 도 5c에서 도시된 바와 같이, 음향 메타재료(51)는 압전 재료(52)의 활성 공진기 영역을 둘러싼다. 예시로서, 메타재료로서 도 3의 유닛 셀(30)에 기초한 구조를 갖는 포노닉 크리스탈이 사용된다. 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 메타재료는 y-방향으로 폭 w*을 갖는다. 예시로서, 도 5b 및 도 5c에서 폭 w*은 도 3의 폭 w의 두 배에 대응하고, 즉, 유닛 셀의 두번의 반복이 사용되어 제 1 전극(50)을 둘러싼다. 일반적으로, 임의의 수의 반복이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 두 반복이 사용된다. 일부 실시예에서, 다섯번 이하의 반복이 사용되고, 더 많은 반복을 사용하는 많은 구현예에서는, 메타재료를 제공함으로써 획득되는 효과를 기본적으로 변경하지 않을 것이다. 유닛 셀의 반복은 활성 공진기 영역 주변의 2차 매트릭스를 형성하는 것으로서 볼 수 있고, 즉, 매트릭스는 활성 공진기 영역에 대한 "갭"을 갖는다. 실시예에서 유닛 셀 치수는 통상적인 공진기 크기와 비교하여 작다. 메타재료 영역(51)에 대해 작은 수의 반복을 사용하는 경우(이하에서 도 8, 9 및 10의 논의를 참조), 메타재료에 대한 영역 필요조건은 비교적 작다. 도 3의 유닛 셀(30)이 도 5a 내지 도 5c의 실시예에서 메타재료를 만들도록 사용되지만, 다른 실시예에서는, 다른 유닛 셀, 예를 들어, 도 2와 관련하여 논의되는 유닛 셀(20)이 사용될 수 있다.
도 5c의 단면도에서 도시된 바와 같이, 메타재료(51)는 압전 재료(52)를 통해 확장되는 추가 재료의 컬럼을 제공함으로써 형성된다. 추가 재료는 상부 전극(50)의 전극과 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시예에서 동일한 재료를 사용하는 것은 프로세싱될 재료의 전체 수를 감소시키고, 공진기의 쉽고 비용 효율적인 제조를 가능하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 상술된 바와 같은 유닛 셀의 주기적인 반복 대신에, 소위 로그 주기적인 구조가 사용될 수 있고, 유닛 셀의 크기, 예를 들어, 폭 w은 각각의 반복에서 전자기파에 대한 로그 주기적인 안테나의 쌍극자와 유사하게 변한다. 이러한 로그 주기적인 구조에서, 결과적인 밴드갭을 확장시키기 위해 임베딩된 구조의 크기는 거리가 증가된다.
도 6은 도 5의 실시예의 변형, 도 5c의 단면도에 대응하는 도 6의 뷰를 도시한다. 도 6에서, 도 5의 제 1 전극(50)에 대응할 수 있는 제 1 전극(60)은 도 5의 압전 재료(52)에 대응할 수 있는 압전 재료(62)에 제공된다. 메타재료(61)는 활성 공진기 영역 근처에 제공된다. 도 6의 경우에, 메타재료(61)는 폭 w**을 갖고 메타재료의 3개의 유닛 셀을 포함한다. 도 6의 메타재료는 반지름 r1을 갖는 컬럼 및 반지름 r2를 갖는 컬럼에 대해 두 상이한 재료와 함께 도 3의 유닛 셀(30)에 기초할 수 있다. 또한, 두 상이한 재료는 제 1 전극(60)의 재료와 상이할 수 있다. 다른 실시예에서, 두 재료 중 하나는 제 1 전극(60)의 재료에 대응할 수 있다.
도 7은 도 5의 실시예의 추가 변형을 도시하고, 다시 도 5c의 뷰와 유사한 단면도를 도시한다. 도 7에서, 제 1 전극(70)은 압전 재료(72) 상에 위치한다. 제 1 전극(70) 및 압전 재료(72)는 도 1 또는 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이 구현될 수 있다. 도 7에서, 도 5 또는 도 6과 관련하여 설명된 바와 같이 구현될 수 있는 메타재료(71)가 상부 전극(70)으로부터의 거리 d만큼 이격되어 제공된다. 예를 들어, 거리 d는 20과 150μm, 예를 들어, 50과 120μm 사이, 예를 들어, 약 70μm가 될 수 있다. 이러한 이격은 도 1b에서 영역(15)의 제공과 유사하다.
다음으로, 실시예에 따른 공진기에 대한 일부 시뮬레이션 결과는 도 8 내지 도 10과 관련하여 설명되어 추가로 공진기 주변에서 메타재료를 제공하는 효과를 예시한다.
시뮬레이션에 대해, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 끼인 압전 재료와 함께 위에서 논의된 것과 유사한 구조를 갖는 공진기가 사용된다. 도 8은 상이한 공진기 두께, 즉, 도 1의 z-방향으로의 압전 재료의 두께를 갖는 두 상이한 공진기에 대한 주파수에 대한 어드미턴스를 도시하고, 이는 기본적으로 커브의 주파수 이동으로 이어진다. 특히, 도 8에서, 커브(80)는 상대적으로 더 두꺼운 공진기에 대한 주파수에 대한 어드미턴스를 도시하고, 커브(81)는 상대적으로 더 얇은 공진기에 대한 어드미턴스를 도시한다. 도시된 바와 같이, 피크(82, 83, 84, 및 85)에 의해 나타난 스퓨리어스 모드는, 예를 들어, 공진기로부터의 에너지 누설에 기인하여 적어도 부분적으로 발생한다.
도 9는 활성 공진기 영역을 둘러싼 두번 반복의 유닛 셀(도 5에 도시된 것과 유사함)을 갖는 포노닉 크리스탈과 함께 도 8의 공진기를 도시한다. 포노닉 크리스탈을 추가하는 것을 제외하고, 다른 변경(재료의 측면 치수의 변경)이 수행되지 않는다는 것에 유의해야한다. 커브(90)는 상대적으로 더 두꺼운 공진기(도 8의 커브(80)에 대응함)에 대한 거동을 도시하고, 커브(91)는 상대적으로 더 얇은 공진기(도 8의 커브(81)에 대응함)에 대한 거동을 도시한다. 도시된 바와 같이, (92, 93, 94)에서 일부 스퓨리어스 모드만이 남아있는데, 이들은 도 8에 도시된 것보다 상당히 덜 두드러진다.
도 10은 활성 공진기 영역을 둘러싸는 세번 반복의 유닛 셀(도 6에 도시된 것과 유사함)을 갖는 포노닉 크리스탈에 대한 추가 시뮬레이션을 도시한다. 다시, 다른 변경이 수행되지 않는다. 또한 이 경우에, 일부 작은 스퓨리어스 모드만이 남아있지만, 도 9와 비교하여, 결과는 약간의 향상만이 있다. 따라서, 실시예에서, 복수의 층 또는 포노닉 크리스탈 구조의 반복이 제공될 수 있고, 많은 경우에, 유닛 셀의 두번 반복 또는 최대 세번 반복이 충분하고, 추가 반복이 제공될 수 있음에도 불구하고, 추가 반복을 제공하는 것은 반드시 결과를 향상시키지 않는다.
도 11은 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 11의 방법이 일련의 동작 또는 이벤트로서 도시되었지만, 이들 동작 또는 이벤트가 제시되는 순서는 제한하는 것으로서 해석되지 않는다. 특히, 이제 도 11과 관련하여 설명될 공진기를 획득하기 위한 다양한 프로세싱 단계는 다양한 순서로 수행될 수 있다. 다양한 동작 및 이벤트가 또한 동시에 제공될 수 있음에 유의해야 한다.
도 11의 방법은 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명된 공진기를 제조하기 위해 사용될 수 있고, 예시를 쉽게 하기 위해, 방법은 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명될 것이다. 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명된 재료, 배열 등에 관한 상세는 또한 도 11의 방법에 적용가능하다.
(110)에서, 도 11의 방법은 압전 재료, 예를 들어, 상술된 실시예의 압전 재료(10, 52, 62 또는 72)를 제공하는 것을 포함한다.
(111)에서, 방법은 공진기를 형성하기 위해 압전 재료의 측면 상에 전극, 예를 들어, 도 1의 전극(11, 12) 또는 도 5의 전극(50, 53)을 제공하는 것을 포함한다.
(112)에서, 설명된 바와 같이, 방법은 예를 들어, 주기적인 방식으로 재료를 압전 재료에 통합시킴으로써 활성 공진기 영역을 둘러싸는 음향 메타재료를 형성하는 것을 포함한다. 전극에 대한 재료가 음향 메타재료를 형성하는 재료들 중 하나와 동일한 경우에, 예를 들어, 압전 재료에서 형성될 컬럼에 대응하는 극을 먼저 제공하고, 음향 메타재료를 형성하기 위해 전극을 홀 내부에 형성하도록 전기 재료 상에 전극에 대한 재료를 증착시킴으로써, (111 및 112)가 기본적으로 동시에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 개별 프로세싱이 이용될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이 음향 메타재료는 유닛 셀을 반복하는 것에 의해 포노닉 크리스탈로서 형성될 수 있다.
위에서 논의된 공진기는, 예를 들어, 모바일 네트워크 통신 장치와 같은 통신 장치에 대한 필터 구조에서 사용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상술된 많은 변형 및 변경을 고려하여, 상술된 실시예는 예시적인 목적으로만 역할을 하고 제한하는 것으로서 해석되지 않는다는 것이 명백하다.

Claims (19)

  1. 공진기로서,
    압전 재료(piezoelectric material)와,
    상기 압전 재료의 제 1 측 상에 제공되는 제 1 전극과,
    상기 제 1 측에 대향하는 상기 압전 재료의 제 2 측 상에 배열되는 제 2 전극―상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 상기 압전 재료에 활성 공진기 영역을 정의함―과,
    상기 활성 공진기 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 음향 메타재료(acoustic metamaterial)를 포함하는
    공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 복수의 포노닉 크리스탈 유닛 셀(phononic crystal unit cell)의 반복에 의해 형성되는 포노닉 크리스탈을 포함하는
    공진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유닛 셀은 제 1 재료 내에 제공되는 적어도 하나의 제 2 재료의 영역을 포함하는
    공진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 재료의 적어도 하나의 영역은 상기 제 1 재료에 제공되는 상기 제 2 재료의 컬럼(column)을 포함하는
    공진기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 재료의 적어도 하나의 영역은 상이한 치수 및/또는 형상을 갖는 적어도 두 컬럼을 포함하는
    공진기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 상기 압전 재료에 임베딩된 적어도 하나의 추가 재료의 구조를 포함하는
    공진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 재료는 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 적어도 하나에 포함되는 재료를 포함하는
    공진기.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 상기 활성 공진기 영역에 직접 인접하게 제공되는
    공진기.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 상기 활성 공진기 영역으로부터 이격되어 제공되는
    공진기.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 상기 공진기의 공진 주파수를 포함하는 주파수 범위에서 음향 밴드갭을 갖는
    공진기.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료는 상기 활성 공진기 영역을 완전하게 둘러싸는
    공진기.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 주변 영역은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 나머지 영역과 비교되는 변경을 포함하는
    공진기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 주변 영역의 변경은 상기 전극 상에 제공되는 추가 재료 또는 두께 변형 중 적어도 하나를 포함하는
    공진기.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 공진기 영역의 주변 영역은 상기 활성 공진기 영역의 나머지 영역과 비교되는 변경을 포함하는
    공진기.
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 공진기 영역의 주변 영역의 변경은 트렌치를 포함하는
    공진기.
  16. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 정의된 공진기를 포함하는 필터.
  17. 방법으로서,
    압전 재료를 제공하는 단계와,
    상기 압전 재료의 대향 측 상에 제 1 전극 및 제 2 전극을 제공하는 단계―상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 활성 공진기 영역을 정의함―와,
    상기 활성 공진기 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 음향 메타재료를 형성하는 단계를 포함하는
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 음향 메타재료를 형성하는 단계는 상기 압전 재료에서 적어도 하나의 추가 재료의 주기적 구조를 형성하는 단계를 포함하는
    방법.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 방법은 청구항 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 공진기를 제조하도록 구성되는
    방법.
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