KR940006926B1 - 표면 음파 장치 및 그 형성 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

표면 음파 장치 및 그 형성 방법

제1도는 표면 음파 필터(surface acoustic wave ; SAW)의 기본 부품의 구성도.

제2도는 쌍방향 표면 음파 필터의 음성 및 전기 포트(port)를 도시하는 블럭 다이아그램.

제3도는 3상 단방향 표면 음파 필터의 구성도.

제4a도는 종래의 단상 단일방향 변환기(transducer)의 구성 블럭 다이아그램.

제4b도는 종래의 단상 단일방향 변환기의 단면도.

제5도는 비대칭 구성으로 이루어진 종래의 단상 단일방향 변환기의 구성도.

제6도는 변환 및 반사 중심이 본 발명의 고유 단상 단일방향 변환기에서 도시될 수 있는 표면 음파 장치의 기본 변환기를 개략적으로 도시한 다이아그램.

제7도는 수정에 대해 축 및 파 전파 방향을 규정하기 위해 사용되는 오일러(Euler) 각을 도시한 원리도.

제8도는 내부 전극 반사를 갖는 종래의 간단한 파장당 2개의 전극 변환기에 대한 이론적인 컨덕턴스(conductance) 대 주파수(frequency)의 그래프.

제9도는 본 발명의 간단한 파장당 2개의 전극 변환기에 대한 이론적인 컨덕던스 대 주파수의 그래프.

제10도는 본 발명의 실제 테스트로부터 얻어진 컨덕턴스 대 주파수의 그래프.

제11도는 단순한 2개 전극 대 파장 변환기보다 복잡하며, 그리고 본 발명과 함께 사용될 수 있는 국소 대칭인 다른 변환기의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 12, 14 : 변환기 16 : 압전결정기판

24, 26 : 전극 30, 31 : 음파단자

40, 42 : 변환기 60 : 결정표면

64 : 반사 격자

[발명의 배경]

본 발명은 표면 음파 변환기(surface acoustic wave transducer)에 관한 것으로, 일반적으로 파변환의 중심 위치를 변화시켜서 전기파 변환(electric wave transduction)의 중심과 음파 반사(acoustic wave reflection) 중심 사이의 위상각 분리(phase angle separation)가 조정될 수 있는 표면 음파 장치에 관한 것이다.

특히, 음파 반사의 중심에 대해 전기파 중심을 제어하는 현상(phenomenon)은 1/4 파장의 핑거와 갭(one-quater wave length fingers and gaps)을 가진 단상 단일방향 변환기 구조(single-phase unidiresctional transducer structure)를 만드는 것을 가능하게 하며, 종래 기술에서 상기와 같은 핑거와 갭의 사용으로 불가능했던 것을 가능하게 한다.

본원에 이용된 바와 같이, "단일 방향성"이란 말은 2개의 변환된 역전 전파 음파가 진폭(amplitude) 이 실질적으로 같지 않다는 것을 의미한다. 장치의 단일 방향성 또는 지향성 정도는 바람직하지 못한 방향의 전력에 대한 소망의 방향의 전력비를 말한다.

무선 주파수 스펙트럼(radio frequency specetrum) 은 끊임없이 증가하는 수요를 충적시키기 위한 노력으로 효율적으로 관리해야 하는 유한한 국가적 자원이다. 소정의 주파수 대역으로 할당될 수 있는 사용자 또는 서비스의 수를 증가시키기 의해 여러가지 방법이 강구되어야 할 것이다. 현재에는 5MHz에서 1GHz까지의 주파수 범위에서 고주파(RF) 스펙트럼이 가장 큰 압력을 받고 있다. 이러한 주파수 스펙트럼의 상당한 부분이 대부분의 수신기의 낮은 선택도 때문에 현재 낭비가 되고 있다. "보호 대역(guard bands)"은 인접 채널 방해를 피하기 위해 채널 사이에서 할당되지 않은채로 남아 있어야 한다. 이러한 상황을 개선하기 위해 높은 선택도와 저렴한 대량 생선으로 필터를 제조하는 기술이 시급히 필요한 것이다. 표면 음파(이하 SAW로 표기함) 필터는 상기와 같은 역할을 총족시킬 수 있는 가장 강력한 후보로 판명된다.

SAW장치는 소형이고, 경량이고, 튼튼하고, 평면 형태이기 때문에 값싸게 제조된다. 이들은 실리큰 집적 회로 (silicon integrated circuit)의 제조를 위해 성공적으로 개발된 방법을 이용하여 대량 생산될 수 있다. 다양한 아날로그 신호 처리 기능으로 SAW 장치가 만들어질 수 있다. 다른 여러 응용중에서, 이런 장치는 현재 수신기 대역 통과 필터로서 펄스 압축 레이다 시스템(pulse compression radar system)에 사용되고 있으며 또는 여러가지 응용분야에서 발진기(oscillators)를 안정화하기 위해 공진기(resonators)로서 사용된다. 이들 장치는 종래의 무선 주파수 시스템의 코일, 캐페시터 및 금속 공동으로 대체되었으며, 수동 배치(hand alignment)의 필요성을 제거하였고, 신뢰성과 성능을 상당히 개선하였다. 이들 장치는 동시에 크기와 비용을 상당히 감소시키게 하였다.

VHF와 UHF 범위에서 SAW 필터가 얻을 수 있는 정확한 차단 대역통과 필터링 특성은 인접한 채널 방해의 문제를 상당히 감소시킬 수 있으며, 이것에 의해 주파수 채널의 보다 근접 할당(allocation)을 가능하게 한다. 그러나 이러한 할당은 SAW 필터의 한가지 중요한 결점때문에 광범위한 대역에서 이루어질수 없다. 일반적으로, SAW 필터는 전형적으로 이루어질 수 없다. 일반적으로, SAW 필터는 전형적으로20dB이상으로 아주 높은 삽입 손실(insertion losses)을 갖는다. 그래서 수신기 전단 필터(front-end filter) 응용에 있어서, SAW 필터는 적당한 시스템 잡음 형태(noise figure)를 보장하기 위해 고이득 저잡음 증폭기 (high-gain low- noise amplifier)에 의해 처리해야 한다. 그러나, 상기와 같은 큰 필터 삽입 손실을 보상하기 위한 노력은 저잡음 증폭기와 관련된 다이나믹 레인지 문제(dynamic range problems)에 곤란한점을 가져온다.

SAW 필터의 높은 삽입 손실은 기술상에서 본질적인 것은 아니다. 즉, 재질 제한 및 전파 손실은 문제가 되지 않는다. 오히려 SAW 필터가 작동하게 되는 위상(topology)의 결과 때문이며, 보다 복잡한 형태의 저손실 SAW 필터는 개발이 되었다. 그러나 이들 필터는 제한된 주파수 범위 이상에서만 작동을 하며, 아주 낮은 대역이외의 응답성을 가지거나 또는 대형이며 복잡한 매칭 회로망(large and complex matching networks)을 필요로 한다. 본 발명의 주제는 저손실 SAW 필터 성능에서 상술한 여러가지 제한 요소를 극복한 신규의 단상 단일 방향 변환기(이하 SPUDT라 표기함)와 같이 많은 분야에서 SAW 장치의 사용을 할 수 있게 하는 것이다. 예를 들어, 저손실 SPUDT는 높은 선택도의 SAW 대역통과 필터가 모든 전단 수신기 응용에 대해 표준이 되게 한다.

종래 기술에서, SAW 변환기는 압력되는 음파 신호를 반사시키는 경향이 있다. 이러한 반사는 신호로 하여금, SAW 장치의 입력 및 출력 변환기 사이에서 전후방으로 반발을 계속하게 된다. 많은 시스템 응용에서, 이러한 다중 반사는 소망의 신호가 발생된 후, 몇 마이크로초(microseconds) 동안 필터로부터 발생된 본래 신호의 작은 복제 신호(smaller replica) 를 만들게 한다. 이런 현상은, 복제 신호둥 가장 강한 신호가 장치 사이를 3번 주행하기 때문에, 때로는 "3중 주향(triple transit)" 에코라 불린다. 텔레비젼 수신기와 같은 시스템에서, 상기 효과는 수신기의 성능을 아주 심하게 저하기킬 수 있다.

종래 SAW 변환기의 음성 포트(acoustic port)로부터의 반사는 2개의 성분을 갖는다. 제1성분은 단락 회로 상태(short circuit conditions)하에서 표면상의 전극 자체에 의해 나타나는 기계적 및 전기적 불연속성으로 인한 반사인 불연속(discontinuity reflection) 이다. 제2성분은 변환기 전극상의 전기적 풀력 전압으로 인해 변환기에 의한 입력파(incident wave) 의 재방사(re-radiation) 로 생기는 전기적 재발생 성분(electrical regeneration) 이다. 종래 기술에서, 불연속성 반사는 파장당 3개 또는 4개의 전극을 사용한 변환기 구조를 이용하여 일반적으로 제거함으로써, 한 전극으로부터의 반사는 인접한 재발생 반사를 억제하기 위한 유일한 방법은 필터를 고의적으로 매치시키지 않으므로서 변환기상의 전압의 레벨을 감소시키는 것이었으나, 높은 필터 삽입 손실을 초래한다. 전기적 매칭이 이루어지지 않은 결과로 인한 손실은 허용가능한 에코 억제가 이루어지기 전에는 일반적으로 20 내지 25dB 정도이다. 다상 및 단상 단일방향 SAW 필터는 이러한 삽입 손실 및 3중 주향 관계를 극복하는데 사용되었다.

3상 변환기는 파장당 3개 또는 4개의 전극을 이용하며, 다상 전기 구동에 의해 단일방향 특성을 만든다. 필요한 3상은 전기적 포트상에서 복잡한 매칭회로망을 사용하여 성취된다. 집중 소자 코일(lumped element coil) 및 캐페시터로 구성된 매칭 회로망은 필터에서 비용을 추가시킬 따음이며, 또한 부피도 크게 만들고 동조시키기도 어렵다. 상기와 같은 매칭 회로의 필요성으로 인해 많은 회로에서 SAW 장치를 사용하고자 하는 생각을 일소해 버린다. SAW 장치의 주된 매력은 장치가 작다는 것이며, 동조할 필요가 없고 신뢰도가 낮은 집중소자 부품이 필요없다는 것이다. 그래서 종래의 높은 손실 SAW 필커 형태는 이들의 보다 높은 삽입 손실에도 불구하고 많은 응용 분야에서 3상 형태 이상의 것이 자주 사용되었다. 또 다른 단점은 3상 변환기가 만들기 어렵고, 제조 비용이 많이 드는, 공기 갭 교차 부분(air-gap crossovers) 과 같이 다단계 제조 공정 (multi-level fabrication process) 을 필요로 한다는 것이다.

미합중국 특허 제3, 686, 518호에 기술된 바와 같이 적당한 다상 매칭 회로망에 의해 구동이 되었을때, 변환기의 한 단부로부터의 표면파 발생 또는 수신이 이루어진다. 그래서 반대편 음성 포트는 효과적으로 제거가 되며, 매칭 회로망을 가진 이러한 구조는 양 포트에서 매치가 되어 탄은 삽입 손실과 낮은 3중 주향 반사를 동시에 이룩할 수 있는 효과적인 2포트 장치가 된다. 그러나, 이런 구조는 적당한 작동을 위해 복잡한 3상 매칭 회로망을 구비해야 하는 단점을 갖는다. 또한 제조하기가 어렵고 비용이 많이 든다. 파장당 3개의 전극 구조에서 핑거 및 갭의 폭은 사진 석판술 제한 때문에 장치의 주파수 범위를 제한하는 작동 음파 파장의 1/6이 된다.

실제적인 최소의 기하학적 형태는 통상적으로 0.7미크론 정도이다. 1/4파장 길이 전극은 SAW 변환기의 최대 설계 주파수를 1.2GHz 정도로 제한한다. 1/6파장길이 전극을 가진 다상 변환기는 800MHz 정도로 대응 주파수가 제한된다. 또한 상기 주파수에서 다단계 구조와 공기 갭 교차점은 제조하기가 아주 어렵다.

마이크로 웨이크 이론 및 기술에 관한 IEEE 회보(IEEE Trans. on Microwave and Techniques)의 1969년 11월의 제11호 MTT-17권 856 내지 864페이지에서 스미스 등이 기교한 "등가 회로 모델을 사용한 손가락형 표면파 변환기의 분석(Analysis of Interigotal Surface Wave Transducers by use of an Equivalent Circuit Model)"등과 같이 종래 기술을 살펴보면 SAW 장치에서 변화의 중심은 일반적으로 갭의 중심 또는 핑거의 중심에 있는 것으로 생각될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명에서, 변환기내에서 변환의 중심과 반사의 중심의 공간적 분리(spatial separation)를 고려할 필요가 있다(상기 크기는 이하에서 한정한다). 이들 크기를 규정하는 것은 복잡한 일이다. 왜냐하면 표면 음파와 연관된 변위(displacement)는 기계적 변위의 3성분에 전위(electric potential)를 합한 복합 운동이기 때문이며, 이들 성분은 기판 표면으로부터 떨어진 거리의 함수로서 준독립 상태로 변하는 다른 크기와 위상을 가지고 있기 대문이다. 이들 성분의 상대적 크기 및 위상은 전파 방향, 결정축 방향, 결정 기판의 표면상에 예를 들어 금속화와 같은 도금의 함수로서 변한다. 본 발명의 목적은 변환과 반사에 대한 소망의 특성을 나타내는 기판의 축방향 및 변환기 금속성(metalization)을 선택할 수 있도록 하는 것이다.

변위 성분 또는 전위 또는 이들의 몇가지 선형 조합중 어느 하나를 표면파에 대한 기준 진폭 및 위상으로 선택할 수 있다. 정확한 선택은 변환의 중심 및 반사의 중심 위치에 영향을 미치지만, 이들 크기의 공간적 분리는 기준 변위의 선택에 의해 변화되지 않는다. 일반적으로 기준 변수의 선택에 관계없이, 결정 표면상의 무손실 불연속성에 있어서 전방 진행파에 대한 반사 계수는 후방 진행파에 대한 반사 계수의 음의 복소수 공액(negative complex conjugate)과 같다는 것을 상호성(reciprocity)으로부터 알 수 있다. 이것은 방정식

로 표시된다.

만약 중요한 결정이 원하는 전파 방향에 대해 수직 대칭인 반사 평면을 가지고 있고, 기준 변수로서 단일 물리 변수를 선택하고, 반사 소자가 대칭 중심을 갖고 있고(예를 들어 단일 변환기 전극), 반사에 대한 기준 평면이 소자의 대칭 중심에서(예를 들어 전극의 중심에서) 선택된다면, 전방향파에 대한 반사 계수는 대칭점에서 후방향파에 대한 반사 계수와 동일해야 한다. 따라서 방정식은

이다.

만약 반사 계수가 반사 소자의 중심에서(예를 들어 전극의 중심에서) 순 허수(pure imaginary)라면 상기 두 방정식은 동시에 만족될 수 있다. 반사는 소자의 모든 부분으로부터 시작될 수 있지만, 상기의 경우 반사는 단일점 반사가 생기도록 되어 있다는 것을 알 수 있다. 만약 기준파 진폭(amplitude) 및 위상(phase)이 표면이나 소자에 대해 대칭관계가 아닌 물리 변수의 선형 조합으로 선택된다면, 반사 수는 반사 소자의 중심에서 통상적으로 순 허수가 되지 않는다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 있어서, 결정축상(crystal orientaions)의 전파 방향은 전파 방향에 주식 대칭인 반사 평면을 갖지 않는 것이 활용된다. 따라서 반사 소자(본 경우는 전극)의 대칭 중심에서 반사 계수는 허수가 될 필요가 없다. 그리나, 상호성 조건

은 역시 만족되어야 한다.

SAW 전파와 연관된 변위의 상세한 계산이 문헌에서 논의되는 대부분의 경우에 있어서, 전파 방향에 평행한 재질 변위의 성분으로 이동이 된다. 그리고 일관성이 있기 때문에, 우리는 상기 동일한 기준 성분을 추측할 수 있을 것이다. 본원에 한정된 바와 같이 반사 소자에 대한 반사의 중심은 반사 계수가 순 허수인 것으로 간주된다. 반사 계수는 양(positive)이거나 음(negative)일 수 있다. 본원에서 규정한 바와 같이 변환의 중심은 변환기에서 전방향 및 후방향파의 국소적으로 변환된 성분은 서로 동상인 지짐으로 생각될 수있다.

만약 이러한 정의가 파장당 2개의 전극 변환기에 적용된다면, 그 결과는 파장당 4개의 반사 중심과 파장당 2개의 변환 중심을 가질 것이다. 인접한 반사 중심은 반대 부호를 가지며, 1/4 파장의 간격을 갖는다.

만약 파장당 2개 전극 변환기가 전파 방향에 수직 대칭인 반사면을 갖는 결정 기판 위에 배치된다면, 변환의 중심은 반사 중심중 2개와 일치가 될 것이다. 또한, 만약 변위 성분중 하나가 기준파 진폭 및 위상으로 사용된 경우, 반사의 중심은 각 전극위의 중심에 위치하고, 변환의 중심은 전극 아래서 중심이 위치하거나 또는 갭내에 중심이 위치될 것이다. 종래 기술에 있어서, 실제의 장치에 사용되었던 대부분의 SAW 기판 재질은 전파 방향에 수직 대칭인 반사면을 가진다. 상기와 같지 않은 경우(예를 들어 Y축 절단, Z축 전파 형태인 리튬 니오베이트)에서도, 반사와 변환 중심 사이의 변이(shift)는 이러한 반사 대칭을 추정할 수 있는 내부 반사를 하는 공지된 모델의 변환기는 실험치와 일치하도록 충분히 작다.

전극으로부터의 반사는 종래에 문헌에서 논의되었다. 예를 들어,1976년 6월에 발행된 제30차 연례 주파수 제어 심포지움(Proceedings of the 30th Annual Frequency Control Symposium)의 회보 346 내지 357페이지에 더불유. 에이취. 하이들 등이 기교한 "알루미늄 금속화를 이용한 수정 및 리튬 니오베이트 SAW 공전기의 형태(Design of Quartz and Lithium Niobate SAW Resonators using Aluminum Metalization)"라는 논문을 참고로 할 수 있다. 상기 논문에서, 모든 반사는 전극의 연부를 기준으로 하였을때 순수한 실수(pure real)이다. 그러나 l975년 음파 및 초음파에 대한 IEEE 회보(IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics) 제 SU-22권 189페이지에 알. 씨. 엠 리 및 제이. 멜런 게일리스 등이 기교한 "표면과 격자 작용에서 단계 불연속 및 축적된 에너지의 영향(Influence of Stored Energy and Step Discontinuities of Behavior or Suface-Wavw Gratings)"이란 논문에서 지적한 바와 같이, 연부를 기준으로 한 반사는 임피던스 불연속성으로 인한 실수 성분과, 축적된 에너지 항(stored energy term)으로 인한 허수 성분을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 반사의 중심은 여기에서 반사 위상이 순 허수인 점으로 규정된다. 이와 같은 정의로서 축적된 에너지 기여(stored energy contributions)와 임피던스 불연속 기여(impedance discontinuity contrbutions)는 전극의 중심 또는 갭의 중심에서 순 허수의 반사 계수가 된다. 따라서, 상기 모델은 파의 전파 방향에 수직 대칭인 반사면을 가진 표면파 기판으로 적당하다.

1973년도 죤 와일리 앤드 선 사(John Wily ＆Sons, Inc.,)에서 출간된 비. 에이취. 오올드 저서인"고체에서 음파 필드 및 음파(Acoustic Fields and WAves in Solids)"인 제2권 170 내지 171페이지에 임의 대칭성을 갖는 결정상에서 SAW 변환을 계산하는데 사용될 수 있는 식이 제공되어 있다. 상기 저서의 305 내지 309페이지의 한 부분은 임의 대칭성을 가진 기판상에서 단일 분리 전극으로부터 표면 음파의 반사에 대해 기술하고 있다. 그러나, 내부 반사가 있는 변환기를 위한 모든 종래 모델은 전파 방향에 대해 수직 대칭인 반사면을 갖는 기판의 경우에 대해서만 국한된다. 그래서, 반사의 중심에 대해 변환의 중심의 임의의 간격 유지의 가능성에 대해 종래에는 인식하거나 고려하지 않았다.

종래의 모든 SAW 변환기는 변환의 중심이 핑거의 중심에 또는 갭의 중심에 위치되며, 반사의 중심이 순 허수이며 전극의 중심에서 위치하는 것을 기초로 하여 해석이 되고 설명이 된다. 상기와 같은 반사와 변환의 중심의 위치 선택은 파의 전파 방향에 대해 수직 대칭인 반사를 하는 결정에 대해 잘 맞는다. 결과적으로, 파장당 2개의 전극을 갖는 가장 간단한 형태의 변환기는 아주 강한 내부 반사를 한다. 그러나 변환의 중심과 반사의 중심이 일치하거나 또는 λ/4만큼 변위되어 있기 때문에, 반사된 파는 변환기로부터 발생된 전방향 및 후방향파를 위해 변환된 파에 대해 항상 구상으로 된다. 그래서, 쌍방향 응답은 상술된 반사 중심과 변환 중심의 위치를 가진 변환기의 고유 특성이다. 그래서 단상 단방향 변환기는 상술된 바와 같은 SAW 변환기의 가장 간단한 형태를 이용한 종래 기술로는 만들어질 수 없었다.

가장 최근에는 이러한 단점중의 몇가지는 가장 간단한 형태의 SAW 변환기보다 더 복잡한 미합중국 특허 제4, 353, 046호에 공지된 바와 같은 단상 단방향 변환기를 이용함으로써 극복할 수 있었다. 상기 구조에서, 음파 반사는 재발생된 반사를 상쇄하는데 사용되며 단방향 작용의 결과로 이루어진다. 상기 변환기는 제조와 동조가 간편하여, 다상 장치의 많은 단점을 극복한다. 그러나, 단상 단방향 변환기(SPUDT)에서 핑거 및 갭의 폭은 분산된 핑거 구조이며 발생하는 음파 파장의 1/8 정도이며, 따라서, 상술된 가장 간단한 형태의 SAW 변환기와 비교할때 최대 작동 주파수가 600MHz 정도로 사진 석판 조건에 의한 장치의 주파수 범위를 제한한다. 또한 단지 낮은 반사 계수는 장치에서 얻을 수 있는 대역폭을 일반적으로 제한하는 1/8λ 핑거 또는 전극으로부터 데이타를 얻을 수 있다.

또한 미합중국 특허 제4, 353, 046호에 설명된 바와 같이 분산된 핑거 SAW 장치가 단방향으로 되는 이유는 분산된 핑거 전극의 교류 핑거에는 특별한 재료가 피복되기 때문이다. SAW 장치의 음파 반사의 중심은 종래 기술에서는 피복된 전극의 중심에 있는 것으로 생각되며, 반면 변환의 중심은 분산된 전극쌍의 중심에 또는 반대 극성의 핑거사이 갭의 중심에 있는 것으로 생각되었다. 그래서, 반사의 중심은 변환의 중심으로부터 소정 주파수의 1/8 파장 정도에서 동상으로 분리된다. 이러한 변환과 반사의 중심 분리는 전기적 변환으로 인해 한방향으로 변환기에 의해 발생된 표면파가 가중된 전극으로부터 음파 반사에 의해 상쇄가 되게 한다. 반대 방향으로는 상기 반사는 보강이 된다. 그래서, 상기 장치는 변환기 전극의 피복이 변환의 대응 중심으로부터 파장의 l/8 위치에 반사의 중심을 변이시키기 때문에 단방향이 된다. 상기 종래 기술의 단상 단방향 변환기 장치는 반사면이 전파 방향에 수직 대칭으로 존재한다는 것을 추측할 수 있다. 이 장치의 작동에 대한 이런 추측은 종래에는 이해하기 어려웠다.

상기 설명은 변환 모드에서 단상 단방향 변환기의 사용에 대해 언급하고 있다. 상기와 같은 구조가 표면음파를 수신하는데 사용되었을때 상기 구조의 음파 반사는 재발생되는 반사를 상쇄시키는 적당한 위상 형태로 되지 않는다. 결과적으로, 아주 낮은 반사율이 음성 포트에서 생기며 양호한 3중 주향 억제는 장치에서 전극 단자가 양호한 전기적 매칭이 될때 생긴다.

단상 단방향 변환기는 변환의 중심과 반사의 중심사이에서 1/8 파장 위상 분리에 의해 변환기내에서 단방향 작용을 행한다. 종래의 단상 단방향 변환기는 변환의 중심에 대해 반사의 중심을 변이시키는 변환기 구조(가중 전극)의 국소 비대칭(최소한 하나의 변환기 주기, 즉 통상적으로 한 파장내에서 비대칭인)에 의해 상기 위상 분리를 형성한다. 이에 의해 장치의 비대칭 응답이 발생한다. 1982년호 IEEE 초음파 심포지움 연보 40 내지 45페이지에 씨. 에스. 하트만 등이 기고한 "내부 반사를 갖는 SAW 핑거형 변환기의 해석 및 단상 단방향 변환기에 설계 응용(An Analysis of SAW Interdigital Transducers With Internal Reflections and Application to the Design of Single Unidirectional Transducers)"을 참고로 할 수 있다.

본 발명에서와 같이, 반사의 중심에 대해 변환의 중심을 변이시켜(종래 기술에서와 같이 변환의 중심에 대해 반사의 중심을 변이시키는 대신에) 국소 대칭성을 갖는 구조로부터 단방향 응답을 하도록 하기 위해 기판을 적당히 절단하고 기판위에 전극을 적당히 배치하도록 선택하여 이룩할 수 있는 또 다른 대칭성이 존재한다.

가장 간단한 형태인 본 발명의 양호한 실시예는 1/4 파장의 비가중 전극 핑거와 갭을 갖는 가장 간단한 표면 음파 변환기 구조를 제공하여 종래 기술의 단점을 극복하여, 이것에 의해 가장 큰 크기의 전극 핑거와 갭의 사용을 가능하게 하였으며, 한 방향으로는 파를 상쇄하며 다른 방향으로 파를 보강하여 어떤 주어진 주파수에 대해서도 단상 단방향 변환기를 제공하기 위해 서로에 대해 동상으로 간격을 두고 있는 변환과 반사의 중심을 제공한다. 이러한 것은 같은 간단한 변환기 구조로는 종래 기술에서 이루어질 수 없었다. 왜냐하면, 내부의 기계적 반사는 항상 두 방향으로 발생된 음파가 구형 상태로 되어 어떤 방향으로 도파를 상쇄할 수 없기 때문이다.

본 발명은 적어도 하나의 압전 결정층(a layer of piezoeltric crystal)을 가진 소정의 기판상에 변환기 수단을 선택적으로 위치시켜서 파장당 2개의 전극 변환기가 단방향으로 되는 것을 가능하게 하여 소정의 전기 부하에 있어서 반사 중심에 대해 변환 중심이 변이되는 방향으로 압전층에서 음파가 전파되도록 하며, 따라서, 상기 반사 중심이 소정의 위상 간격으로 분리되어 파의 한 전파 방향으로는 역학적인 파의 보강을 가능하게 하고, 다른 전파 방향으로는 역학적으로 파를 상쇄시켜서 단상 단방향 변환기를 얻는 것이 가능하게 된다.

종래의 SAW 장치는 대칭적으로 결정 방향에 구성이 된다. 상술된 바와 같이 종래 기술에서 상기와 같은 결정축상에서, 반사의 중심은 전극 아래서 위치되도록 하였으며, 반사 계수는 순 허수이다. 마찬가지로, 상기와 같은 방향에서 변환의 중심은 갭의 중심에 위치하거나 또는 전극의 중심에 위치한다. 그러나, 다른 결정축은 대칭성은 갖지 않으나 유용한 표면 음파 장치 특성을 갖는 것이 유용하다. 상기와 같은 다른 결정축의 경우 변환의 중심은 일반적으로 결정의 비등방성에 따라 임의의 위치에 존재한다. 반사의 중심은 점차 다른 위치로 옮겨갈 수 있지만, 그러나 음파 변수에 의해 좌우되고, 그래서 전극 아래에서 위치된다. 음파반사 위상에 불확정성이 존재하는데, 이는 음파 반사는 음파 및 전기적 변수를 포함하는 파운동의 어러가지 성분으로 인한 반사에 의해 발생이 되기 때문이다. 일반적으로, 음파 운동의 종축의 위상 성분에 대해 전위의 위상각을 고려해 봄으로써 변환 중심의 위치를 이론적으로 정확히 예측할 수 있다. 결정축 방향은 전위가 상기 파의 종축 성분에 대해 ±45°또는 ±135°인가에 따라 구별되며, 상기 방향은 본 발명에 따른 장치를 위해 가장 최적의 위치로 생각된다. 실제로, 장치는 가장 적당한 단상 단방향 작용이 발생하는 정확한 방향을 구별하기 위해 상기 방향의 부근에서 실험적으로 구성된다. 아주 유용한 단상 단방향 변환기 작용은 통상적으로 바람직한 반사와 변환 중심 사이의 분리 간격인 1/8 파장 정도 분리되는 위치에서 얻어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 압전 결정이 비등방성이기 때문에 결정 기판에서 파의 전파 방향에 따라 -180°에서+180°까지 위상이 변할 수 있는 SAW 장치의 전기적 표면 전위를 이용함으로써, 0°내지 360°까지의 연속적인 위상각을 통해 변환의 중심을(반사의 중심에 대해) 변이시키는 것이 가능하며, 그에 따라 반사의 중심과 변환의 중심사이의 거리를 파장의 -1/2과 +1/2 파장 사이에 있는 소망의 간격으로 설정시키는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 ±45°(λ가 중요한 주파수에서 한 파장인 경우에, 1/8λ 또는 -1/8λ) 또는 ±135°(3/8λ 또는 -3/8λ)와 같이 중요한 특정 위치에서 상기와 같은 현상을 이용한다. 상기 위치에서, 1/4λ 전극을 갖는 간단한 변환기에서 변환의 중심은 거의 전극의 중심에 위치하는 반사의 중심으로부터 1/8 파장 또는 전극 연부에서 위치한다. 이러한 것으로 1/4 파장 전극과 갭으로 국소 대칭성을 갖는 간단한 SAW 장치를 사용한 단방향 변환기를 만들 수 있다.

또한, 본 발명은 반사의 중심과 대응하는 변환의 중심 사이에서 변환의 중심을 변이시켜 위상 간격의 조절이 가능하며, 상기 변환에 의해 전기적 부하 또는 변환 장치의 변화없이 소망의 음성 포트상에서 낮은 음파 반사를 얻는데 유리한 특정의 경우에서 SAW 및 전기적 부하사이에 소정의 부정합이 발생될 수 있는 SAW 장치의 구성을 가능케 한다.

본 발명에서, 외부 부하에 의해 결정되는 전기적 재발생파 반사는 간단한 파장당 2개의 전극 변환기 또는 국소 대칭성을 갖는 변환기에서 역학적 반사에 의해 한 방향으로 상쇄가 된다. 전기적 재발생 반사는 부하의 함수이기 때문에 소망의 음성 포트상에서 반사는 결정에서 음파 반사가 오일러 각으로 반사되도록 절단한 소정의 압전 결정상에 변환기를 선택적으로 배치하여서 소정의 위상 간격으로 변환의 중심이 반사의 중심으로 분리되도록 만들어 특정 부하 조건에서 최소화된다.

단방향 작용을 위해 필요한 1/8λ의 동열한 변이인 특정 위치로 변환의 중심을 변이시켜서 SAW의 파형또는 입력 컨덕턴스의 형태는 대칭적인 입력 컨덕턴스를 얻을 수 있도록 변한다는 것을 알았다. 상기에서 인용된 자료의 42 내지 43페이지에서 씨. 에스. 하트만의 논문을 참고로 할 수 있다. 본 발명 이전에는 상기 컨덕턴스 파형은 가장 간단한 형태의 표면 음파 변환기로 이루어질 수 없었으며, 종래 기술에서 공지된바와 같이 상기 장치의 입력 컨덕턴스는 대칭이었다. 그래서, 본 발명의 가장 간단한 표면 음파 변환기의 입력 컨덕턴스의 대칭성은 기존의 종래 기술의 모델에 의해 설명될 수 없다. 본 발명의 SAW 변환기의 입력 컨덕턴스의 대칭 형태는 큰 노치 대역폭과 양호한 감도가 중요한 노치 필터와 같은 회로의 구조에서는 아주 중요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 파의 전파 방향이 결정축 방향으로 되도록 국소 대칭성을 가진 표면 음파 변환기를 소정의 기판상에 배치하여 주어진 어떤 주파수 및 전기적 부하에 대해서도 변환기의 위상 응답이 단방향으로 되도록 반사의 중심에 대해 변환의 중심은 변이시키는 것이다.

본 발명의 목적은 국소 대칭성을 가진 표면 음파 변환기와 주어진 어떤 주파수에 대해 1/4 파장 전극과 갭을 최소한 하나의 압전 재질층을 가진 소정의 기판에 선택적으로 배치하여 주어진 전기 부하에 대해 압전층에서 음파의 전달이 단방향이 되도록 반사의 중심에 대해 변환의 중심을 변이시키는 것이다.

본 발명의 목적은 주어진 하나의 압전층과, 기판상에서 파 반사의 소정 중심을 설정하기 위해 국소 대칭적으로 구성된 변환기를 구비하여 상기 기판에서 소정의 방향으로 파의 전파를 할 수 있도록 선택적으로 배치하여 변환의 중심이 0도 내지 360도의 가능한 범위의 위상 분리 범위내에서 반사 중심에 대해 소정의 위상 관계로 배치할 수 있는 기판을 가진 SAW 장치를 만드는 것이다.

[발명의 요약]

그래서 본 발명은 서로 연관된 변환 및 반사 중심을 갖는 단상 단방향 변환기 SAW 장치에 관한 것으로, 기판상에 적어도 하나의 압전 재질충을 가진 기판과 극소 대칭으로 구성된 표면 음파 변환기를 구비하여, 압전 재질충 상에서 음파 반사의 소정의 중심을 결정하고, 기판상에 선택적으로 배치하여 0도 내지 360도 사이의 연속적인 위상각 범위에서 상기 반사중심으로 부터 소정의 파 위상 분리된 점에서 변환된 중심을 설정하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 서로 연관된 변환 및 반사중심을 갖는 단상 단방향 표면 음파 변환기 장치를 만드는 방법을 제공하는 것으로서, 기판상에 적어도 하나의 압전층을 가진 기판을 제공하는 단계와, 상기 기판에서 선택된 방향으로 음파를 전파하여 표면층에서 단방향 음파의 전파가 생기도록 하기 위해 압전 재질층상에서 소정의 주파수에 대해 1/4 파장길이 전극과 갭을 배치하는 단계를 포함한다.

본 발명의 그외 목적은 첨부된 도면과 관련하여 설명하기로 한다.

[양호한 실시예의 상세한 설명]

필터용으로 사용된 표면 음파기의 기초 요소가 제1도에서 도면부호 l0으로 도시되어 있다. 가장 간단한 형태에 있어서, 국소적인 대칭성을 갖는 표면 음파(SAW) 변환기(surface acoustic wave trasducer)는 압전 결정 기판(piezoelectric crystal substrate ; 16)의 표면상에 배치된 주기적인 손가락형 전극 변환기(12, 14)로 구성되어 있다.

RF 신호가 발생기(18)에 의해 입력 암(20, 22)에 인가되었을때, 손가락형 전극(24, 26) 사이에서 전기장은 압전 결정 기판(16)의 표면상에서 표면 음파(파형 27로 표시된)를 발생한다. 전극(24, 26)의 각 쌍은 변환의 중심(상기에서 정의된 바와 같이)이라 불리는 점에서 파원(source of wave)의 역할을 한다. 가장 강한 파(waves)는 발생된 파의 파장이 손가락형 격자의 주기와 동일한 "동기 주파수(synchronous frequency)"에서 발생된다. 따라서, 상기와 같은 변환기(10)에서 전극(24,26)과 갭(28)의 폭은 각각 발생되는 음파파장의1/4이 된다. 이러한 손가락형 변환기(10)는 또한 입력된 음파를 동기 주파수에서 유사한 피킹 변환 효율(peaking of conversion efficiency)을 가진 출력 변환기(14)에서 전기 출력 신호로 변환시킨다. 변환 과정에서 본질적인 주파수 선택도(frequency selectivity)는 표면 음파 장치가 수행할 수 있는 일정한 필터링 기능에 대해 기본이 된다.

음파의 반사는 음파가 반사의 중심이라 불리는 시점에서 전극(24, 26)에 부딪힐때 발생한다. 상기 반사 중심은 변환기 전극의 구조에 의해 설정되며, 사용된 기판상에서 표면파의 특성은 이하에 보다 상세히 설명하기로 한다. 또한 상기 구조에서 특징인 재발생 반사는 입력 및 출력 변환기에 각각 부착된 전기 부하 R_s, R_L에 의해 영향을 받는다.

표면 음파 변환기(10)는 2개의 음성 포트와 적어도 하나의 전극 포트를 가지며, 제2도에 도시된 무손실 3포트 회로망(lossless three-port network)으로서 표현이 된다. 완전한 표면 음파 필터는 제2도에 도시된 바와 같이 음성 포트(30, 31)를 이용하여 2개의 변환기(40, 42)를 상호 접속하여 형성된다. SAW 장치에서 불필요한 에코 효과는, 상호 접속된 음성 포트에서 부정합(mismatch)이 존재하여 장치내에서 신호가 반사되고 이에 따라 상당한 시간 지연이 있을때 발생한다.

이런 문제를 해결하기 위한 가장 공통적인 방법은 허용가능한 에코 억제가 성취되기 전에 20 내지 25dB정도의 필터 손실 만드는 단락 회로(short circuit) 쪽으로 변환기를 전기적으로 부정합시키는 것이다.

상기 문제를 데이타로 해결하기 위한 보다 정교한 다른 방법은 파장당 3개 또는 4개 셋트의 전극을 가진 손가락형 구조를 사용하였다. 제3도는 파장당 3개의 전극 구조체를 도시한 것이다. 단자(44,46,48)에서 적당한 위상 전압으로 구동이 되었을때, 표면파는 변환기의 단지 한쪽 단부로 부터 발생이 된다.

그러나, 상기 구조는 실제 장치에서 결정 표면(60)위에 공기 갭 교차점(air gap crossovers ; 58)을 가진 다중 레벨 금속구조를 필요로 한다. 이는 제조하기가 어려우며 비용이 많이들고, 적당한 작동을 위해 단자(50, 52)에서 복잡한 3상 대칭회로를 필요로 한다. 또한, 파장당 3개의 전극 구조에서 접폭(56) 및 핑거(54)폭은 작동 음파 파장의 1/6이 해당한다. 아주 높은 주파수에서, 이것은 장치의 제조에서 제한 요소가 된다. 본 발명은 미합중국 특허 제4,353,046호와 관련하여 상술한 바와 같이 "종래의" SPUDTS로 공지된 보다 복잡한 구조의 공지된 기존의 단상 단방향 변환기 구조에 대응하는 "신규의" 단상 장치인 파장당 단일 2전극 변환기로 부터 저손실 단방향 변환기를 만드는데 사용될 수 있다. 본원에서 기재한 신규의 단상 단방향변환기의 작동 기본 원래는 종래의 SPUDT와 동일하지만, 구조는 근본적으로 다르다.

종래의 단상 단방향 변환기는 제4a도 및 제4b도에 나타난 바와 같이 구성된다. 제4a도에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 단상 단방향 변환기 구조는 반사 격자(reflective grating; 64)가 위에 놓여 있는 압전기판(63)상에 장치된 분사된 핑거 전극 변환기(62)를 구비한다. 반사 격자는 도시된 바와 같이 기판(66)상에 장치된 다른 전극(68)을 하나씩 건너서 그위에 피복된 두꺼운 금속과 같은 피복충을 사용하여 만들어질수 있다. 종래의 분산 핑거 변환기는 통상적으로 본 기술에서 잘 공지된 바와 같이 불연속성 반사를 갖지 않는 것으로 생각되었다. 왜냐하면, 한 전극과 그 인접 전극으로 부터 반사된 파는 180°의 위상차를 가져서 서로 상쇄되기 때문이다. 그래서, 상기 반사는 교변 전극(68)상에 있는 부가적인 금속에 의해 만들어진 반사의 중심으로 인한 것이다. 제4b도에서 알 수 있는 바와 같이 각 반사가 소자의 중심(반사 중심)과 중첩 분산된 전극쌍의 중심(변환의 중심) 사이에서 파장의 1/8의 오프셋이 있다. 후자의 오프셋은 종래의 단상단방향 변환기의 작동에 결정적인 것이 된다. 왜냐하면 상기 조건은 직접 발생된 파와 반사된 파가 한 방향으로는 상쇄가 되계 하고 반대방향으로는 서로 보강시키게 하기 때문이다.

단상 단방향 변환기의 단방향 특성은 다상 단방향 변환기의 단방향 특성과는 아주 다르다. 후자에 있어서, 변환기의 각각 작은 일부분은 단방향이다. 단상 단방향 변환기에서 작은 각 부분은 완전한 변환기 어레이라고 생각할때만 나타나는 전체 단방향 특성을 가진 아주 약한 단방향이다.

단성 단방향 변환기의 작동에 대한 종래 기술의 이해는 제5도를 참고로 하여 본 미시적인 관점에서 이루어질 수 있다. 제5도에서 손가락형 구조(70, 72)는 손가락형 구조의 한쪽암에 부착된 유사한 쌍이 손가락형 형태로 서로 끼워져 있고 분산된 핑거쌍(74, 76)을 갖는다. 압전 기판에 대해 0도, 90도, 180도, 및 270도의 전파 방향과 절단된 통상적인 결정에 대해 변환의 중심에 대한 종래 인식은 핑거쌍(82)의 중심(80)에 놓여있거나 또는 79에서 표시된 바와 같이 반대 극성의 전극 사이의 갭에 있는 것으로 생각하였다. 각 핑거쌍에 대한 반사의 중심은 상술된 바와 같이 1/8 파장 정도로 변위하는 것으로 인식된다. 왜냐하면, 반사는 교번전극의 부가적인 부하(피복) 때문이다. 그래서 번호 80으로 표시된 바와 같이 부하가 있는 전극의 중심에 위치되기 때문이다.

간략성을 위해 제5도에서 도시된 바와 같이 한 측면에 하나가 있는 변환의 단일 중심(78)과 2개의 반사중심(79, 80)에 대해 생각해 보기로 한다. 그리고, 제5도에서 소정의 전방향 음파인 오른쪽으로 전파하는 음파와 바람직하지 못한 역방향 음파인 좌측으로 진행하는 파에 대해서 생각해 보기로 한다. 분산 핑거쌍(82)에 있는 변환 중심(78)과 핑거쌍(74)의 물질이 피복된 전극에 있는 반사 중심 사이의 3/8 파장 변위는직접 변환된 전방향 음파와 동상인 역음파의 반사를 초래한다. 반대로, 반사 중심(79)으로 부터의 전방 음파의 반사는 직접 변환된 역음파와는 상이하다. 그래서, 역방향으로의 변환은 감쇄 간섭의 결과로 감쇄되는 반면, 전방향으로는 보강 간섭의 결과로 보강이 된다.

"종래의" SPUDT는 변환 및 반사의 중심사이에 1/8의 적당한 파장 차이를 만드는 반사의 중심을 변이시키는 변환기내에 전극의 물리적 변위와 피복에 의해 단방향 특성을 얻는다. 그래서 전극은 중심(80)으로 반사 중심을 변이시키는 교번 전극은 피복이 되어 있다. 그래서, 장치의 비대칭 또는 단방향 응답을 일으키는 교언 전극의 피복에 의해 비대칭 구조로 된다. 그러나 본 발명은 대칭 구조로 부터 단방항 응답을 얻는데 사용되는 또다른 비대칭을 제공한다.

제6도는 국소 대칭성인 간단한 2전극 변환기 구조를 도시하며, 여기서 2전극 및 2공간은 1파장을 나타내며, 그래서 전극 및 갭은 각각 1/4 파장을 나타낸다. 압전 기판(84)상에서 점파하는 표면 음파는 연관된 전기적 표면 전위를 갖는다. 본원에서 사용된 바와 같이 "기판"이란 말은 제7도와 연관하여 다음에서 설명되는 바와 같이 결정축에 대해 특정 방향 으로 절단된 소정의 결성 재질을 의미한다. 변환기 소자 양단의 전압사이에서 변환이 발생하는 연관된 전위에 의해 음파로 변환된다. 압전 결정은 그들의 특성이 이방체이다. 그래서 파의 역학적 또는 음파적 변위에 관계되는 표면 음파 장치의 전기적 전위의 위상은 결정에서 파의 전파 방향과 함께 변한다. 사용된 대부분의 결정 절단 및 방향은 고도의 대칭성을 가지며, 음파에 대해 전기적 전위의 위상은 약 0도, 90도, 180도 또는 270도이다. 이는 제6도에 도시된 바와 같이 간단한 파장당 2전극 변환기에서 변환의 중심이 전극 핑거 또는 갭의 중심에 있게 한다. 이 경우 반사 및 변환의 중심은1/4의 정수배로 분리된다. 그래서, 내부 반사는 SAW 장치의 작동에 불필요한 것이다.

보다 일반적으로 많은 설정에 있어서, SAW 전위 위상은 파의 전파 방향에 따라 -l80도에서 +180도 까지 변한다는 것은 본 기술에서 양호하게 공지되어 있다. 변환의 중심의 위치는 전위 위상에 관련되고, 전기파는 결정에서 파의 전파 방향에 따라 -180도에서 +l80도까지 전위가 변할 수 있기 때문에 변환의 중심은 0도 내지 360도의 가능한 범위내에서 연속적으로 변할 수 있는 반면, 반사 중심의 위치는 거의 일정하거나 또는 고정되어 있어서 이러한 반사는 역학적 불연속성에 의해 좌우된다고 생각할 수 있다. 이와 같이 현저한 신규 특징은 압전 재질, 압전 재질을 통한 절단 및 파의 전파 방향에 따라 0도 내지 360도의 가능한 범위를 연속적으로 파의 전파 방향을 변하도록 하는 위치에서 기판상에 변환기 전극을 선택적으로 배치하여 얻을 수 있다. 주어진 결정에 대해서 표면 음파의 전파 방향은 제7도에 도시된 바와 같이 오일러각,λ,μ,θ에 의해 완전히 정의된다. 첫번째 2각λ및μ는 결정 절단면을 규정하고, 제3각θ는 상기 절단면에서 음파의 전파 방향을 의미한다. 그래서, 결정에서 음파 전파 방향은 특정한 3계의 오일러 각 셋트에 의해 결정된다(1950년 뉴욕에서 에디슨-웨스레브사에 의해 출간된 에이취. 골드스타의 저서인 고전역학을 참조)여러가지 표면 음파 재질 및 관심있는 특정 결정면에 대해 여러가지 방향에 표면 음파 전파 특성의 이론적인 표를 만들 수 있다.

속도, 결합계수, 전자 역학적인 전력의 흐름 각 곡선 및 자유 표면의 역학적 변위의 크기 및 위상을 포함한 표 1973년 10월과 1974년 10월 공군 캠브리지 연구소 소속(Air Force Cambridge Research Labs)의 슬로보드닉(slobodnlk) 등이 출간한 마이크로 웨이브 어코스틱 핸드북(Microwave Acoustic Handbook IA and 2)에서 찾아볼 수 있다. 상기 핸드북에 기술된 바와 같이 상기 데이타는 소정의 변환 특성을 만드는데 필요한 결정에서 파의 전파를 위한 적당한 방향과 결정축을 선택하는데 안내서로 사용될 수 있다. 상기 열거된 데이타에 있어서, 관심있는 부분의 기본적인 특성은 효율적인 변환의 중심, 반사의 중심, 지연온도 계수, 유사 벌크 응답, 회절 특성(diffraction characteristics), 실효 유전 상수 등과 같은 것을 포함한다. 어떤 형태의 결정 재질도 유사한 방법으로 분석될 수 있으며, 상기 재질에 대해 발생된 파의 전파 방향의 표도 분석이 될 수 있다.

그래서, 어떤 입력 신호와 전기적 부하에 대해서도 "고유"의 단상 단방향 특성을 만들기 위해, 변환 중심의 위치와 반시 중심의 위치사이의 위치에서 1/8 파장 차이는 특정 결정 절단면상에서 2개의 전극 변환기를 선택적으로 위치시커(1/4λ전극) 간단히 얻을 수 있다. 예를 들어, 만약 반사의 중심이 전극의 중심에 위치하는 경우, 변환의 중심(86)은 기판 절단면과 전극 방향을 선택하여 전극(86 ; λ/8)의 연부에서 제6도에 도시된 바와 같이 일치되며, 따라서 변환 및 반사의 중심 사이에서 1/'8 파장의 소정 분리를 할 수 있다.

그래서, 주어진 기판에 대해, 전극 구조, 부하 및 입력 신호, 변환의 중심은 변환의 중심과 반사의 중심사이에서 위상각을 변화시키기 위해 변이될 수 있으며, 기판상에서 전극의 선택적인 배치 또는 방향에 의해 고유에 단상 단방향 변환기 또는 소정의 복사 특성을 가진 변환기를 얻을 수 있다.

본 발명의 단방향 SAW 장치는 오일러각(Euler angles),λ(lambda),μ(mu)에 의해 결정된 압전 결정의 특정 절단면을 선택하고, 국소 대칭성인 변환기(최소한 하나의 변환기 주기 즉 통상적으로 한 파장내에서 대칭인)를 형성하며 상기 변환기가 오일러각,θ(theta)에 의해 결정된 특정 방향의 결정 절단면상에서 변환기를 선택적으로 위치지켜서 구성될 수 있다. 결정 절단면상에서 변환기를 선택적으로 위치시키고, 방향을 정하여 결정을 통한 소정 방향으로의 음파 전파는 반사의 중심으로 부터 ±135도 위상 분리된 변환의 중심을 설정하게 하며, 따라서 변환기에 의해 음파의 단방향 전파를 만든다. 특정 전기 부하에 있어서, 반사의 중심에 대해 변환의 중심의 소정 위치는 계산이 될 수 있고, 소정의 특성을 갖는 특정 결정 절단면은 소정의 상기 위치를 얻기 위해 변환기를 선택적으로 배치할 수 있는 기판을 형성하여 선택될 수 있다.

제6도에 도시된 변환기에서, 일반적으로 파장당 2개의 핑거가 있는 변환기에서 각 전극(88)은 음타 반사를 발생시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 반사의 중심은 1/4 파장폭 전극(88)의 중심에 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 변환기의 응답은 전극의 패턴이 전체적으로 대칭이 되더라도 비대칭이 될 것이다. 종래의 단상 단방향 변환기와 비교하여 본 신규의 고유 단상 단방향 변환기의 큰 장점은 폭이 2배로 되어 장치가 2배의 주파수로 되도록 구성할 수 있다. 또한 낮은 삽입 손실 및 넓은 대역폭을 만드는λ/4 전극으로 큰 반사 계수가 얻어질 수 있다.

본 발명의 중요한 다른 장점은 상당히 광범위한 변환기의 입력 컨덕턴스를 얻기 위해 사용될 수 있다는 것이다. 종래 기술의 변환기에 있어서, 상당한 내부 전극 반사를 가진 변환기에 대한 입력 컨덕턴스대 주파수의 그래프는 제8도에 도시된 바와 같이, 이 그래프는 반사 대칭을 갖는 결정단면상에서 국소 대칭으로 배치된 간단한 파장당 2개의 전극 변환기에 대한 것이다. 볼 수 있는 바와 같이, 입력 컨덕턴스는 비대칭이다. 컨덕턴스의 비대칭에서 그 역은 변환 중심, 즉 전극 아래 또는 갭에서의 위치상에서 전극 반사 계수의부호에 따라 얻어질 수 있다.

제9도는 컨덕턴스가 중심 주파수에 대해 전부 비대칭이라는 것을 나타내는 이론적 모델의 고유 단상 단방향 변환기의 입력 컨덕턴스대 주파수의 그래프이다.

같은 간단한 파장당 2개의 전극 변환기를 사용하며, 결정측에서 결정을 통한 음파 전달이 변환의 중심을 반사의 중심으로 부터 전극 연부로 또는 1/8λ떨어진 곳으로 변이시키도록 기판상에 전극 구조의 선택적인 방향 설정에 의한 본 출원자의 신규 발명의 실제 테스트에 있어서, 제10도에 도시된 바와 같은 컨덕턴스내 주파수의 그래프가 얻어진다. 컨덕턴스는 비대칭이며, 이론적 모델에 의해 얻어진 제9도의 그래프와 일치하는 것을 알 수 있을 것이다. 결정에서 파의 전파 축방향을 변화시켜서, 제8도 및 제9도에 도시된 종속변수를 포함하는 가변 입력 컨덕턴스가 얻어질 수 있다. 주파수와 함께 입력 컨덕턴스에 따라 변환되는 것에 대한 상기 제어는 많은 회로에서 장점으로 사용될 수 있다. 물론 제10도에 도시된 X 및 Y축 범위는 단지 표시만을 위한 것이며 이것에 한정되는 것은 아니다.

간단한 SAW 필터는 서로 반대 방향으로 단방향인 2개의 단상 단방향 변환기를 필요로 한다. 종래 구조로는 이것을 2개의 변환기에서 비대칭을 역전시키는 것을 필요로 한다. 신규의 단상 단방향 변환기에서는 단방향성의 방향은 전극 반사 계수의 부호를 변화시켜서 역전될 수 있다. 예를 들어 이러한 것은 2개의 변환기에서 서로 다른 재질을 이용하여 얻어질 수 있다. 전극 반사의 크기는 전극의 금속 두께를 변화시켜서 고정될 수 있다.

본원의 발명은 간단한 파장당 2개의 전극 변환기에만 한정되지 않고, 예를 들어 제11도에 도시된 바와 같은 다른 형태와 함께 사용될 수 있다는 사실에 유의하여야 한다. 제11도에서 국소 대칭이 존재하지만, 가중된 부분이 없는 도면부호 94에서와 마찬가지로 도면부호 92에서 분리될 수 있으며, 제11도에서 도시된 전체 변환기의 구조에 의해 명백한 바와 같이 비대칭일 수도 있다는 것에 유의하여야 한다.

따라서, 신규 장치는 각각 서로 다른 금속화 또는 다층 금속 결압된 전극, 금속상에 유전체를 갖는 전극, 전극과 다양한 다른 금속 결합 사이 또는 아래에서 홈으로 된 균일한 금속화를 갖는 구조의 다중 변환기와 사용될 수 있다. 또한, 신규 표면 음파 장치는 콘발버(convolver), 공진기, 대역 통과, 저역 통과 고역 통과와 같는 모든 형태의 필터 및 노치 필터, 및 그와 유사한 회로와 함께 사용될 수 있다. 그러나 상기 예에만 국한되지 않는다. 그래서 변환의 중심이 180도의 가능한 범위내에서 변이되어 주어진 변환기 구조, 전기부하 및 주파수에 대해 반사의 중심으로 부터 소정을 분리를 가능하게 하는 SAW 장치를 형성하는 신규변환기를 기술하였다. 변환기가 1/4λ폭의 전극 및 갭을 가진 간단항 2개의 전극 형태인 신규의 단상 단방향 변환기의 경우, 변환기는 변환의 중심을 반사의 중심으로 부터 1/8λ로 변이시키기 위해 기판상에 배치되며, 따라서, 대칭 변환기로부터 단방향 파의 전하를 얻는다.

본 발명은 양호한 실시예에 연관하여 기술되어 있지만, 본 발명의 범위를 기술된 특정예에만 국한시키는것은 아니다. 본 청구범위에 규정된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위내에서 여러가지 변형 및 수정 형태의 장치를 만드는 것이 가능하다.

Claims (22)

1. (1) 적어도 하나의 압전층(piezoelectric layer)을 가진 기판을 형성하는 단계와, (2) 상기 기판상에 소정의 반사 중심 및 변환 중심(centers of reflection and transduction)을 설정하기 위한 변환기(transducer)를 구성하는 단계와, (3) 상기 기판상에 상기 변환기를 선택적으로 위치시켜 0도 내지 360도의 연속적인 위상각(phase angles) 범위내에서 상기 반사의 중심으로 부터 소정의 파위상 분리(wave phase separation)를 얻기 위해 상기 변환 중심의 위치를 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법(method of forming a surface acoustic wave device).
2. 제1항에 있어서, (1) 적어도 하나의 제1및 제2대향 전기 패드를 형성하는 단계와, (2) 변환기 구조를 한정하기 위해 손가락형 형태(interdigital relationship)인 상기 제1 및 제2패드의 각각에 적어도 하나의 전극(electrode)을 부착하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 소망의 위상 분리를 얻는 단계는, (1) 상기 반사의 중심에 대해 동상으로 소망의 변환중심의 위치를 결정하는 단계와, (2) 상기 기판에서 소망의 방향으로 음파 전달(acoustic wave propagation)이 일어나도록 하기 위해 상기 기판상에 상기 변환기를 선택적으로 위치시켜서 상기 소망의 위상 분리를 얻기 위해 소망의 위치에 변환의 중심을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 변환의 중심을 설정하는 단계는 소망의 오일러각으로 상기 기판에 상기 변환기를 부착하는 단계를 포함하며, 상기 변환의 중심이 0도 내지 360도 정도의 가능한 소정 위상 분리를 통해 상기 반사 중심에 대해 소정의 위상 관계로 위치되게 하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
5. 제4항에 있어서, 1/4 파장의 전극으로 상기 변환기를 대칭 형태로 구성하는 단계를 더 포함하여, 상기 반사 및 변환의 중심의 파 분리(wave separatlon)가 ±45도 또는 ±135도 일때 상기 변환기로 부터 음파의 단방향 전달(unidirectional transmission)이 발생되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
6. (1) 소정의 오일러각으로 절단된 소망의 압전 결정(piezoelectric crystal)상에 배치를 위해 파장당 2개의 전극을 가진 변환기를 구성하는 단계와, (2) 상기 기판 절단면상에서 상기 변환기를 선택적으로 위치시켜서 상기 기판에서 단방향 음파 전달이 생기도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 변환기를 구성하는 상기 단계는, (1) 적어도 하나의 제1및 제2대향 전기 패드를 형성하는 단계와, (2) 상기 변환기 구조를 규정하기 위히 손가락 형태로 상기 제1 및 제2패드의 각각으로 부터 적어도 하나의 전극을 연장시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
8. 제7항에 있어서, (1) 상기 변환기 전극 구조를 기본으로 한 상기 결정에서 소정의 파반사의 중심을 형성하는 단계와, (2) 상기 결정에서 반사의 중심에 대해 소망의 변환 중심의 위치를 결정하는 단계와, (3)상기 결정 단면상에서 상기 변환기를 선택적으로 위치시켜 상기 소망의 위치에서 변환의 중심을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
9. 제8항에 있어서, 소형의 오일러각으로 절단된 상기 결정상에서 상기 변환기를 선택적으로 위치시키는 단계를 구비하여, 0도 내지 360도의 위상 분리 가능한 범위내에서 상기 반사의 중심에 대해 상기 변환의 중심이 변하도록 할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
10. (1) 압전 결정을 선택하는 단계와, (2) 상기 결정의 특정 단면을 선택하는 단계와, (3) 기판에서 파의 반사 및 변환의 중심을 형성하기 위해 상부에 파장당 2개의 전극을 가진 적어도 하나의 변환기를 형성하는 단계와, (4) 상기 변환기에 전기적 부하(load)를 부착하는 단계와, (5) 상기결정에서 소정의 방향으로 파 전달이 일어나도록 상기 결정 절단면에 상기 변환기를 선택적으로 배치하여, 변환의 중심의 위상 위치를 반사의 중심에 대해 소정의 위상 위치로 변이시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 변환 중심의 위상 위치를 변이시키는 단계는 0도 내지 360도 내의 가능한 위상각 연속 범위에서 반사의 중심에 대해 상기 변환 중심의 위상 위치를 변이시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
12. 압전 기판과, 상기 기판위에 적어도 하나의 변환기 전극쌍을 가지며, 상기 변환기 전극쌍에 부착된 전극 부하와, 상기 기판에서 표면 음파를 발생하기 위해 상기 전극쌍에 접속되는 전기 입력부를 가지며, 상기 기판에서 파의 반사중심을 갖는 표면 음파 장치 구성 방법에 있어서, (1) 압전 결정의 특정 절단면을 선택하는 단계와, (2) 약 1/2 파장 정도로 분리된 상기 적어도 한쌍의 전극을 가진 상기 변환기를 형성하는 단계와, (3) 특정 방향으로 절단된 상기 결정상에서 상기 변환기를 선택적으로 배치하여 상기 변환기가 단방향이 되도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 변환기가 단방향으로 되게 하는 단계는 ±45도 위상 분리 또는 ±135도 위상분리 정도로 반사의 상기 중심으로 부터 분리된 변환의 중심을 설정하기 위해 상기 결정에서 소정의 방향으로 파가 전달되게 하는 단계를 구비하여, 상기 변환기에 의해 상기 음파의 단방향 전달이 되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 구성 방법.
14. 국소 대칭성을 가진 적어도 한쌍의 전극을 가지며 상기 전극에 대해 파반사의 중심이 설정되도록 상기 기판에 장치된 적어도 하나의 변환기와 압전기판을 가지며, 상기 변환기에 부착된 전기 부하를 가진 표면 음파(SAW) 장치를 형성하는 방법에 있어서, (1) 상기 반사의 중심에 대해 변환의 중심을 위한 소정의 소망 위상 위치를 선택하는 단계와, (2) 상기 압전 결정의 특정 절단면을 선택하는 단계와, (3) 상기 기판을 통한 파의 전달이 소정의 방향으로 이루어지는 상기 결정에서 상기 변환기를 선택적으로 배치하여 상기반사의 중심에 대해 상기 변환의 중심이 상기 소정의 위상 위치에 배치되도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치 형성 빙법.
15. 선택된 결정 절단면에서 표면을 구비한 압전 기판(16)과, 극소적으로 대칭이며, 상기 기판에서 반사 중심(90)과 변환 중심(86)을 설정하기 위해 표면과 관련하여 선택된 각도방향에서 상기 기판상에 고정된 변환기(12, 14)를 포함하며, 상기 선택된 각도 방향의 결과로서 단상 단방향 전달이 이루어지도록, 상기 선택된 각도 방향은 변환 중심(86)을 상기 반사 중심(90)으로 부터 ±45도 또는 ±135도 분리시키는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 변환기(12,14)는, (1) 적어도 하나의 제1 및 제2대향 전기기판(84)과, (2)변환기를 한정하도록 손가락형 관계에서 상기 제1 및 제2기판(84)의 각각으로 부터 연장한 적어도 하나의 전극(88)을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
17. 특정 절단면의 압진 결정 기판(16)과, 국소적으로 대칭으로 구성되며 그 일부분에 전극을 가진 적어도 하나의 변환기(40, 42)와, 상기 변환기에 부착된 전기 로드(34)를 포함하며, 상기 변환기는 변환 중심의 위상 위치를 상기반사 중심에 대해 ±45도 또는 ±134도의 소정의 위상 위치로 이동하도록 각도θ(theta)에서 상기 기판상에 선택적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
18. 표면 음파 필터에 적용된 신호의 3중 주향 왜곡을 최소화하기 위한 표면 음파 장치에 있어서, 압전기판(16)과,λ는 적용된 신호의 파장이며,λ/4의 갭에 의해 분리된 적어도 한쌍의 λ/4 전극(88)을 각각 가진 제1및 제2변환기(12,14)와, 상기 제1 및 제2변환기(12, 14)에 각각 결합된 전기 로드부(34)와, 각각 변환기 전극 아래에 있는 반사 중심(90)과, 상기 변환기의 방향과 상기 변환기 사이에서의 3중 왜곡 반사의 최소화에 의해 상기 반사 중심에 대해 위상에서 ±45도 또는 ±135도 분리뒤 변환 중심(86)을 구비하며, 상기 제1 및 제2변환기는 상기 기판에서 음파 전달을 발생하도록 상기 기판상에 위치되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 변환기중 적어도 하나가 다른 변환기의 방향에서 단방향인 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
20. 압전 기판(16)과 국소 대칭인 전극을 가지며, 상기 전극에 대해 파의 반사 및 변환의 중심을 만드는 적어도 하나의 변환기(12, 14)와, 상기 변환기에 부착된 전기 로드부(34)를 구비하며, 상기 변환기는 상기 반사 중심에 대해서 변환 중심이 ±45도 또는 ±135도에 위치되도록 하여 기판에 대한 선택된 각도 방향에서 상기 기판상에 고정되어, 선택된 각도 방향의 결과로서 단상 단방향 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
21. 선택된 결정 절단면에서 표면과 함께 그 위에 적어도 하나의 압전층을 가진 기판(16)과, 상기 기판상에서 음파 반사의 소정의 고정 중심을 설정하도록 국부 대칭인 변한기(12, 14)를 구비하고, 상기 변환기(12, 14)는 소정의 방향에서 상기 기판에서 음파 전달을 하도록 상기 기판에 대해 선택된 각도 방향에서 상기 기판 표면상에 선택적으로 위치되어, 변환의 중심을 상기 반사 중심으로 부터 ±45도 또는 ±135도 파 위상 분리시켜 설정함으로써 상기 기판에서 단방향 표면 음파 전달이 수행되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.
22. 선택된 결정 절단면에서 표면과 함께 압전 기판(16)과 국부적 대칭이며, 상기 기판상에 고정되고, 상기 기판에서 반사 중심(90) 및 변환 중심(88)을 설정하는 변환기(12, 14)를 구비하며, 상기 선택된 각도 방향은 변환 중심을 반사 중심으로 부터 ±45도 또는 ±135도 분리시켜서, 단상 단방향 전달이 선택된 각도 방향의 결과로서 제공되는 것을 특징으로 하는 표면 음파 장치.

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