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KR20000077037A - 압전 공진기 - Google Patents

압전 공진기 Download PDF

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KR20000077037A
KR20000077037A KR1020000020336A KR20000020336A KR20000077037A KR 20000077037 A KR20000077037 A KR 20000077037A KR 1020000020336 A KR1020000020336 A KR 1020000020336A KR 20000020336 A KR20000020336 A KR 20000020336A KR 20000077037 A KR20000077037 A KR 20000077037A
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시바타아키히코
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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은, 두께 확장 진동 모드를 사용하며, 2층 이상의 압전 박막(thin-film)으로 이루어진 진동부를 포함하고, 상기 압전 박막 및 복수의 절연 박막이 교대로 적층되는 압전 공진기를 제공한다. 교류 전압이 상기 압전 박막의 각 층에 독립적으로 인가되어 고차(higher-order) 진동 모드가 주로 여진된다.

Description

압전 공진기{Piezoelectric Resonator}
본 발명은, 예를 들면, 발진기, 필터 등에 사용되는 고차(higher-order) 진동 모드를 사용한 다층 구조 압전 공진기에 관한 것이다.
두께 확장 진동 모드를 사용하는 종래의 압전 공진기 40이 도 1에 도시된다. 이러한 압전 공진기에 있어서, 진동부 40a는 압전 박막(thin-film)층 21(압전 박막 21a의 대향면에 적층되는 박막 전극 e1,e2를 포함하는) 및 절연 박막층 22로 형성된다. 종래의 다른 압전 공진기가 도 2에 도시된다. 공진기 50에 있어서, 진동부 50a는 절연 박막층 22, 압전 박막층 21 및 절연 박막층 22를 적층함으로써 형성된다. 여기서 사용된 바와 같은 "박막"은 실질적으로 0.01 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는 막을 의미한다.
종래의 압전 공진기 40,50에 있어서, 큰 전기-기계 결합 계수는, 두께 확장 진동 모드의 기본 모드, 제 2모드(제 2조화(harmonic) 모드) 등과 같은 비교적 저차(lower-order) 진동 모드에서만 얻어진다. 따라서, 높은 공진 주파수를 요구하는 경우, 공진 주파수가 진동부 40a,50a의 두께에 반비례하기 때문에, 진동부 40a,50a의 두께는 감소되야만 한다. 예를 들면, 도 1의 압전 공진기 40에 있어서, 산화 아연(ZnO)이 압전 박막 21a로 사용되는 경우, 650MHz의 공진 주파수를 얻기 위하여, 진동부 40a의 두께는 실질적으로 4.7㎛정도로 얇게 만들어야 한다. 그 결과, 진동부 40a의 기계적 강도는 감소하여 진동부 40a가 쉽게 손상된다. 또한, 종래의 압전 공진기 40,50에 있어서, 진동부 40a,50a의 두께에 대한 박막 전극 e1,e2의 비가 증가하기 때문에, 댐핑(damping)이 증가하고 공진의 기계적 Q가 감소되는 문제가 있다.
도 1은 종래의 압전 공진기의 구조를 도시한다.
도 2는 종래의 다른 압전 공진기의 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 공진기 구조의 종단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 압전 공진기의 진동부의 확대 종단면도이다.
도 5는 다층 구조 압전 공진기의 절의 위치(nodal point)와 압전 박막의 배열 사이의 관계를 도시한다.
도 6은 동일 방향의 전계가 2층 구조의 압전 박막층에 인가되는 비교예에 따른 압전 공진기의 진동부 구조의 종단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 압전 공진기의 압전 박막층에 동위상의 전압이 인가되는 경우, 변위(displacement)의 상태를 도시한다.
도 8은 도 6에 도시된 압전 공진기의 위상 특성을 도시한다.
도 9는 반대 방향의 전계가 2층의 압전 박막층에 인가되는 본 발명의 제 1특정예에 따른 압전 공진기의 진동부 구조의 종단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 압전 공진기의 압전 박막에 역위상의 전압이 인가되는 경우, 변위의 상태를 도시한다.
도 11은 도 9에 도시된 압전 공진기의 위상 특성을 도시한다.
도 12는 반대 방향의 전계가 3층 구조를 갖는 공진기의 인접한 압전 박막층에 인가되는 본 발명의 제 2특정예에 따른 압전 공진기의 진동부 구조의 종단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 압전 공진기의 위상 특성을 도시한다.
〈도면의 주요 부호에 대한 설명〉
1~n,1a,2a,1b~3b ... 압전 박막층 e1,e2 ... 박막 전극
10,,20,30 ... 압전 공진기 10a,20a,30a ... 진동부
11 ... 지지 기판 11a ... 홀
12~14 ... 절연 박막
본 발명은, 진동부의 기계적 강도를 유지하면서 높은 공진 주파수를 갖고 고차 진동 모드에서 효율적으로 동작할 수 있는 압전 공진기를 제공한다.
본 발명의 제 1양태에 따르면, 두께 확장 진동 모드를 사용한 압전 공진기는 n층의 압전 박막으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되고, 상기 진동부의 제 1면으로부터 n번째 압전 박막층의 거리 d는 다음 공식으로 정의되는 것을 특징으로 한다.
d = t(2m-1)/2n
(여진서, t는 상기 진동부의 두께이고, m은 n이하의 정수이다).
본 발명의 제 2양태에 따르면, 상기 압전 공진기는 전압원과 결합하여 사용되고, 상기 결합체는 a)두께 확장 진동 모드를 사용하며, n층의 압전 박막으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되는 압전 공진기; 및 b)상기 압전 공진기에서 여진되는 주요 진동 모드를 고차 진동 모드가 되도록, 상기 압전 공진기에 교류 전압을 인가하는 전압원;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3양태에 따르면, 본 발명은, n층의 압전 박막으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되는 압전 공진기;를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법을 포함하며; 상기 방법은, 상기 압전 공진기에서 여진되는 주요 진동 모드를 고차 진동 모드가 되도록, 상기 압전 박막층에 교류 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세 양태 모두에 있어서, 상기 진동부는, 바람직하게는, 상기 공진기의 두께 확장 진동 모드의 제 1(기본)공진 파장의 반파장과 동일한 두께 t를 갖는다. 교류 전압을 상기 압전 박막층에 적절히 인가함으로써, 상기 공진기는 n차(제 2차 또는 고차)의 고차 진동 모드에서 여진된다. 특히, 상기 교류 전압은, 인접한 압전 박막층에서 유도된 진동의 위상이 반대가 되도록 인가된다. 예를 들면, 상기 인접한 박막층의 분극 방향이 동일한 경우, 역위상의 교류 전압을 상기 인접한 압전 박막층에 인가함으로써, 상기 층들에서 유도된 진동의 위상이 반대가 되도록 할 수 있다. 택일적으로, 인접한 압전 박막층의 분극 방향이 서로 반대가 되는 경우, 동위상의 교류 전압을 인접한 압전 박막층에 인가할 수 있다.
상기 각 압전 박막층은, 바람직하게는, n차의 고차 진동 모드의 각 절의 위치(nodal point)에 형성된다. 그 결과, 제 1(기본)진동 모드, 또는 n차 모드보다 낮은 저차 진동 모드가, 상기 압전 박막층의 역위상의 기계적 진동의 간섭에 의해 서로 상쇄됨으로써, 사라지거나 또는 감쇠되고, 단지 n차의 고차 진동 모드만이 주로 여진된다. 그 결과, 상기 압전 공진기의 전기-기계 결합 계수가 크고 샤프한 공진 커브를 얻을 수 있다.
또한, 진동부의 두께 t가 기본 진동 모드의 공진 파장의 반파장과 동일하기 때문에, 상기 진동부의 주어진 두께에 대하여 짧은 파장의 높은 공진 주파수를 얻을 수 있다. 이것은, 진동부의 강도를 감소시키지 않고, 높은 주파수를 갖는 진동을 발생할 수 있다.
상기 압전 박막층 및 절연 박막층은, 바람직하게는, 탄성 정수의 온도 계수가 반대 부호인 재료로 구성된다. 그 결과, 상기 압전 박막층 및 절연 박막층의 탄성 정수의 온도 계수는 서로 상쇄되므로, 압전부의 주파수-온도 특성을 안정화시킨다.
본 발명을 설명할 목적으로, 여러가지 형태의 도면이 도시되지만, 본 발명이 도시된 배열 및 수단에 제한되지 않음을 이해할 수 있다.
본 발명의 실시예의 압전 공진기 10을 도 3을 참조하여 설명한다. 이러한 실시예에 있어서, 실리콘 지지 기판 11은 n+1층(n은 2이상 정수)의 산화 실리콘(SiO2)막 12 및 그위에 형성된 n층의 압전 박막 1 내지 n을 갖는다. 박막 전극 e1,e2는 각 압전 박막층의 대향면에 각각 형성된다. 상기 박막층이 기판 11에 일단 형성되면, 홀 11a가 상기 기판에 형성된다.
스퍼터링, 화학 기상(vapor) 디포지션, 진공 증착 등의 박막 디포지션 기술 및 포토 에칭 기술을 적절히 사용함으로써, 이러한 다층 구조의 압전 공진기 10은 바람직하게 형성된다. 상기 공정은 실리콘 기판(지지 부재 11로 형성된 주 기판)을 준비함으로써 시작된다. 절연 박막 12가 기판 11의 상면에 디포지션된다. 그 다음, 구리, 알루미늄, 금/크롬 등과 같은 전극 박막이 상기 층에 디포지션되어 적당한 모양의 박막 전극 e1을 형성한다. 산화 아연(ZnO), 티탄산 지르콘산 연(lead tita-nate zirconate) 등과 같은 압전 재료로 구성되는 압전 박막이 전극 e1 및 아래의 절연 박막 12의 노출부에 디포지션된다. 전극 박막이 상기 압전 박막에 디포지션되어 적당한 패턴으로 박막 전극 e2를 형성한다. 상기 압전 박막의 중앙부에서, 박막 전극 e1(하층으로서의) 및 박막 전극 e2(상층으로서의)가 상기 압전 박막을 통하여 서로 겹쳐져서 압전 박막층 1을 형성한다. 이러한 공정은 n층의 압전 박막의 각각에 대하여 반복되어, (n+1)층의 절연 박막 12 및 n층의 압전 박막 12로 구성된 다층 구조가 형성된다. 상기 압전 막박층의 각 층은 그 사이에 위치된 절연 박막층 12에 의하여 이웃하는 압전 박막층으로부터 절연된다. 지지 기판 11의 실리콘의 중앙부를 관통-에칭(through-etching)함으로써, 홀 11a가 형성된다. 이 홀 11a의 존재때문에, 박막 전극 e1,e2의 각 층이 서로 겹쳐 놓여진 부분은 진동부 10a를 구성한다. 또한, 도시되지는 않았지만, 각 층의 박막 전극 e1,e2는 압전 공진기 10의 외부로 연장된다.
압전 박막 1 내지 n의 바람직한 배열은 도 4에 도시된 바와 같이 결정된다. 진동부 10a는 n차의 고차 모드에서 진동되고, 압전 박막 1 내지 n은 n층으로 구성된다. 각 압전 박막층은, 진동부 10a의 두께 방향으로 측정하여 진동부 10a의 한면 (도 1의 하부면)으로부터 거리 d에 각각 위치된다. 거리 d는, 아래 식으로 주어지고, 상기 압전 공진기의 n차 진동의 절의 위치, 또는 그 주변에 대응한다.
d = t(2m-1)/2n
여진서, t는 진동부 10a의 두께를 나타내고, m은 상기 압전 박막의 일련 번호를 지시하는 정수이며, 이 경우, m≤n(즉, m=1,2,3, …, n), 및 n≥ 2이다.
상기 공식에 따르면, 첫번째 압전 박막층 1의 중앙은 진동부 10a의 바닥으로부터 거리 d=t/2n (m=1)에 위치된다. 두번째 압전 박막층 2는 진동부 10a의 바닥으로부터 거리 d=3t/2n (m=2)에 위치된다. n번째 압전 박막층 n은 거리 d=t(2n-1)/2n (m=n)에 위치된다.
인접하는 압전 박막층 1 내지 n은, 바람직하게는, 압전 재료가 산화 아연인 경우, 배향 축(orientation axis; C축)이 진동부 10a의 두께 방향이 되도록 배열된다. 티탄산 지르콘산 연 등의 경우에 있어서, 분극 방향은 두께 방향이 된다.
인접한 압전 박막층 1 내지 n의 분극 방향은, 상기 인접한 압전 박막층이 서로 동일 방향 또는 반대 방향으로 분극되도록 선택된다. 인접한 압전 박막층 1 내지 n이 동일 방향으로 분극되는 경우, 전압은 인접한 압전 박막 1 내지 n에 서로 역위상으로 인가된다. 인접한 압전 박막층 1 내지 n이 반대 방향으로 분극되는 경우, 전압은 인접한 압전 박막 1 내지 n에 서로 동위상으로 분극된다. 두 경우 모두에 있어서, 인접한 박막층 1 내지 n은 역위상으로 여진된다.
상기 압전 박막의 재료로서, 서로 반대인 탄성 정수의 온도 계수를 갖는 압전 박막을 사용하는 것이 바람직하다. 정 온도 계수 및 부 온도 계수가 다른 재료는, 예를 들면, ZnO(-161 ppm/℃), LiNbO3(-153 ppm/℃) 및 수정(-188 ppm/℃)의 그룹, 및 SiO2(+239 ppm/℃) 및 AlN(+100 ppm/℃)의 그룹이다. 이렇게 함으로써, 상기 압전 공진기 주파수의 온도 특성은 안정화된다.
상기 압전 공진기가 도 4에 도시된 바와 같이 형성되면, 위에서 설명한 바와 같이, 전압을 압전 박막 1 내지 n에 인가함으로써, 상기 공진기는 n차 모드에서 여진된다. 따라서, 압전 박막층 1 내지 n을 상기 진동의 절의 위치에 배치하고, 인접하는 압전 박막층 1 내지 n을 역위상으로 여진함으로써, 상기 n차의 고차 진동 모드에서 전기-기계 결합 계수를 증가시킬 수 있고, n차의 고차 진동 모드를 강하게 여진할 수 있다.
도 5는, 상기 다층 구조 압전 박막이 상기 공식[d=t(2m-1)/2n]에 따라 배치된 경우, 상기 압전 공진기의 시뮬레이션 파형(기본 압전 공식에 의해 결정된)을 도시한다. 이러한 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 각 압전 박막층의 위치는 시뮬레이션 파형의 절의 위치에 근접하다. 파형 A는 한층의 압전 박막 1로 구성된 종래의 압전 공진기의 제 1(기본) 진동 모드를 도시한다. 파형 B 내지 E는 본 발명에 따른 압전 공진기에서 제 2차 내지 5차의 고차 진동 모드를 도시하며, 여기서, 역위상 전압이 인접하는 압전 박막 1 내지 n에 인가된다. 이러한 경우, 상기 진동부의 두께는 상기 제 1(기본) 진동 모드의 공진 파장 2의 반파장의 크기로 설정된다.
다음 표는, 상기 공식에 따라 배열된 압전 박막층 1 내지 5위 위치, 도 5에 도시된 시뮬레이션으로 주어진 절의 위치, 및 상기 위치들 사이의 절대 차(sbsolu-te difference)를 도시하고, 상기 공식에 의해 주어진 압전 박막 1 내지 5의 위치는 상기 절의 위치에 미소한 차이로 일치한다는것을 알 수 있다.
공식 계산 절대 차이
제 1차 5 5.4 0.4
제 2차 2.5 7.5 2.43 7.15 0.07 0.35
제 3차 1.7 5 8.3 1.6 4.52 7.86 0.1 0.48 0.44
제 4차 1.25 3.75 6.25 8.75 1.25 3.54 5.94 8.4 0 0.21 0.34 0.35
제 5차 1 3 5 7 9 0.97 3 5.02 7.02 9.03 0.03 0 0.02 0.02 0.03
이하, 본 발명의 다른 특정예를 설명하고자 한다.
도 6 내지 도 9는 동일한 구조를 갖는 두개의 압전 공진기 20을 도시한다. 그러나, 도 6에 도시된 압전 공진기 20은, 인접한 박막층이 동위상으로 여진되도록 구동되므로, 비교예를 구성한다. 도 9에 도시된 압전 공진기 20은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 인접한 박막층이 역위상으로 여진되도록 구동된다.
두 경우 모두에 있어서, 압전 공진기 20의 진동부 20a는 서로 번갈아 적층된 2층의 압전 박막층 1a,2a 및 3층의 절연 박막 13으로 구성된다. ZnO는 압전 박막 1a,2a로 사용되고, SiO2는 절연 박막 12로 사용된다. 상기 ZnO층 모두는 상기 압전 진동부의 두께 방향의 배향 축을 갖는다.
상기 진동부의 두께는 10㎛이다. 압전 박막층 1a,2a 각각의 두께는 3㎛이다. 절연 박막층 13의 각각의 두께는 4/3㎛이다. 첫번째 압전 박막층 1a는 공식 d=t(2m -1)/2n에 따라 하부면으로부터 거리 d=10/4(=2.5)㎛에 위치되고, 두번째 압전 박막층 2a는 상기 하부면으로부터 거리 d=30/4(=7.5)㎛에 위치된다.
이러한 구조를 갖는 압전 공진기 20에 있어서, 화살표로 도시된 바와 같이, 동일 방향(동위상)의 전계가 압전 박막층 1a,2a에 인가되는 경우, 압전 박막층 1a에서 발생된 진동은 실선으로 도시된 여진 코사인 커브를 따라 압전 박막층 2a를 향하여 실선 화살표의 방향으로 전파된다. 또한, 압전 박막층 2a에서 발생된 진동은 점선으로 도시된 여진 코사인 커브를 따라 압전 박막층 1a를 향하여 점선 화살표의 방향으로 전파된다. 상기 여진 코사인 커브에서 전파되는 역위상의 이러한 두 진동은 전파의 행선지에서 서로 간섭하여, 진동부 20a의 두께 방향의 임의의 위치에서, 직선 b로 도시된 바와 같이, 더해진 여진 진폭은 영이 된다. 이러한 방법에 있어서, 압전 박막층 1a,2a의 제 2 진동 모드가 상쇄된다. 이러한 경우, 상기 압전 공진기는 기본 진동 모드에서 진동하는 것을 알 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기본(제 1) 진동 모드의 공진은 250MHz 부근에서 발생한다. 역위상의 기계 진동이 압전 박막층 1a,2a에 의하여 제 2 진동 모드로 발생되기 때문에, 이러한 진동은 서로 상쇄되어, 그 결과, 제 2진동 모드의 주파수 부근에서 아무런 응답이 없다.
다음으로, 도 6에 도시된 압전 공진기와 같은 구조를 갖는 압전 공진기 20에 있어서, 서로 반대 방향의 전계가, 도 9의 화살표로 도시된 바와 같이, 인접한 압전 박막층 1a,2a에 인가된다. 이러한 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 압전 박막층 2a에 의하여 발생된 진동은 실선의 화살표로 도시된 여진 코사인 커브에서 압전 박막층 2a의 방향으로 전파되는 한편, 압전 박막층 2a에서 발생된 진동은 점선의 화살표로 도시된 여진 코사인 커브에서 압전 박막층 1a의 방향으로 전파된다. 상기 여진 코사인 커브에서 전파되는 동위상의 이러한 두 진동은 전파의 목적지에서 서로 간섭하여, 상기 압전 공진기의 두께 방향의 임의의 위치에서, 상기 진동의 진폭이 더해져 코사인 커브 c로 도시된 바와 같이 두배가 된다. 따라서, 역위상의 전압이 압전 박막층 1a,2a에 인가되는 경우, 제 2진동 모드가 강하게 여진된다. 그러나, 제 1진동 모드는 서로 상쇄되어 감쇠된다.
그 결과, 도 11에 도시된 바와 같은 공진 특성을 얻을 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제 2진동 모드에 기초한 공진은 580MHz 부근에서 발생한다. 압전 박막층 1a,2a의 기계 진동은 동위상이 되고 제 2진동 모드에서 서로 강화되기 때문에, 이러한 공진이 발생한다. 반대로, 제 1진동 모드에 기인한 응답은 서로 상쇄되어 사라지거나 감쇠된다.
580MHz 부근의 제 2진동 모드가 250MHz 부근의 기본(제 1) 진동 모드의 두배로 일치하지 않는 이유는, ZnO(6400 m/s)과 SiO2(6000 m/s)의 음속의 작은 차이 및 상기 다층 구조 때문이라고 생각된다.
다음으로, 본 발명의 제 3실시예에 따른 압전 공진기 30을 도 12를 참조하여 설명한다. 압전 공진기 30의 진동부 30a는, 서로 번갈아 적층되는 3층의 압전 박막층 1b 내지 3b 및 4층의 절연 절연 박막층 14으로 구성된다. ZnO는 압전 박막층 1b 내지 3b의 압전 박막으로 사용되고, SiO2는 절연 박막층 14로 사용된다. 1b 내지 3b의 압전 박막층(ZnO)은 두께 방향으로 배향 축을 갖는다.
진동부 30a의 두께는 10㎛이다. 압전 박막층 1b 내지 3b의 두께는 각각 2㎛이다. 각 절연 박막층 14는 1㎛이다. 첫번째 압전 박막층 1b는 공식[d=t(2m-1)/2n]에 따라 상기 진동부의 하부면으로부터 10/6㎛의 거리에 위치되고, 두번째 압전 박막층 2b는 상기 진동부의 하부면으로부터 30/6㎛의 거리에 위치되며, 세번째 압전 박막층 3b는 상기 진동부의 하부면으로부터 50/6㎛의 거리에 위치된다.
이러한 압전 공진기에 있어서, 역위상의 전계가, 화살표로 도시된 바와 같이, 인접한 압전 박막층 1b 내지 3b에 인가되고 제 3진동 모드의 공진이 도 13에 도시된 바와 같이 650MHz 부근에서 발생한다. 강한 공진이 제 3모드에서 발생하는 이유는, 압전 박막층 1b 내지 3b가 제 3모드의 두께 방향에서 진동의 절의 위치에 배치되고, 압전 박막층 1b 내지 3b의 기계 진동 모두가 서로 강화시키기 위하여 제 3모드에서 동위상이기 때문이다. 이러한 제 3모드에 있어서, 전기-기계 결합 계수가 증가하고, 전기적 에너지는 가장 효율적으로 기계적 에너지로 전환된다. 이러한 경우, 제 1진동 모드 및 제 2진동 모드는 서로 상쇄되어 사라지거나 감쇠된다.
또한, 우수 또는 기수의 배수 관계가 상기 제 1진동 모드의 주파수와 제 2진동 모드 또는 제 3진동 모드의 주파수의 사이에서 성립되지 않는 이유는, ZnO 및 SiO2의 복합 구조 및 박막 두께의 비율 및 음속이 다르기 때문이라고 생각된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 개시되었으나, 여기서 개시된 원리를 수행하는 다양한 모드가 다음의 청구 범위내에서 고려될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 단지 청구 범위에 의해서만 제한되는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은, 진동부의 두께를 얇게 하지 않고, 진동부의 기계적 강도를 유지하며, 고차의 진동 모드인 높은 공진 주파수를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, n층으로 이루어진 압전 박막층의 n차 여진 진동이 가산되기 때문에, n차 여진 진폭이 크게 되고, 전기-기계 결합 계수도 크게 되며, 샤프한 공진 곡선을 얻는다.
또한, 본 발명은, 진동부를 구성하는 압전 박막층 및 절연 박막층의 탄성 정수의 온도 계수가 서로 상쇄되기 때문에, 주파수 온도 특성이 안정하다.
또한, 본 발명은, 동일 방향으로 분극(배향)된 인접한 압전 박막층에 서로 역위상의 교류 전압을 인가하여, 고차 진동 모드를 여진할 수 있기 때문에, 기본 진동 모드를 이용한 경우에 비하여, 진동부의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 서로 역 분극(배향)된 인접한 압전 박막층에 동위상의 교류 전압을 인가하여, 고차 진동 모드를 여진할 수 있기 때문에, 기본 진동 모드를 이용한 경우에 비하여, 진동부의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

Claims (38)

  1. 두께 확장 진동 모드를 사용한 압전 공진기로서,
    n층의 압전 박막(thin-film)으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되고, 상기 진동부의 제 1면으로부터 n번째 압전 박막층의 거리 d는 다음 공식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
    d = t(2m-1)/2n
    (여진서, t는 상기 진동부의 두께이고, m은 n이하의 정수이다)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 압전 박막층은, 일반적으로, 대향면에 형성된 전극을 갖는 평면 압전 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 각 압전 박막층 및 상기 각 절연 박막층은, 일반적으로, 평면형이고 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 압전 박막층 및 상기 절연 박막층은, 탄성 정수의 온도 계수가 서로 역부호인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  5. 제 1항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 동일 방향으로 분극되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  6. 제 1항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막은 반대 방향으로 분극되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 두께 t가 상기 두께 확장 진동 모드의 제 1공진 파장의 반파장과 동일한 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  8. a)두께 확장 진동 모드를 사용하며, n층의 압전 박막으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되는 압전 공진기; 및
    b)상기 압전 공진기에서 여진되는 주요 진동 모드를 고차(higher-order) 진동 모드가 되도록, 상기 압전 공진기에 교류 전압을 인가하는 전압원;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체(combination).
  9. 제 8항에 있어서, 상기 교류 전압은 상기 각 압전 박막층에 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 고차 진동 모드는 n차 진동 모드인 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 진동부의 제 1면으로부터 n번째 압전 박막층의 거리 d는 다음 공식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
    d = t(2m-1)/2n
    (여진서, t는 상기 진동부의 두께이고, m은 n이하의 정수이다)
  12. 제 11항에 있어서, 상기 각 압전 박막층은, 일반적으로, 대향면에 형성된 전극을 갖는 평면 압전 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 각 압전 박막층 및 상기 각 절연 박막층은, 일반적으로, 평면형이고 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 압전 박막층 및 상기 절연 박막층은, 탄성 정수의 온도 계수가 서로 역부호인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  15. 제 14항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 동일 방향으로 분극되고, 상기 전압원은 역위상의 교류 전압을 인접한 상기 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  16. 제 14항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 반대 방향으로 분극되고, 상기 전압원은 동위상의 교류 전압을 상기 각 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 전압원은 교류 전압을, 역위상의 진동이 인접한 상기 압전 박막층에서 유도되도록, 상기 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  18. 제 8항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 동일 방향으로 분극되고, 상기 전압원은 역위상의 교류 전압을 인접한 상기 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  19. 제 8항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 반대 방향으로 분극되고, 상기 전압원은 동위상의 교류 전압을 상기 각 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  20. 제 8항에 있어서, 상기 전압원은 교류 전압을, 역위상의 진동이 인접한 상기 압전 박막층에서 유도되도록, 상기 압전 박막층에 인가하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  21. 제 11항에 있어서, 상기 두께 t가 상기 두께 확장 진동 모드의 제 1공진 파장의 반파장과 동일한 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  22. n층의 압전 박막으로 이루어진 진동부를 포함하고, n은 2이상 정수이며, 상기 각 압전 박막층은 각각의 절연 박막층에 의해 분리되는 압전 공진기;를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법으로서,
    상기 압전 공진기에서 여진되는 주요 진동 모드를 고차 진동 모드가 되도록, 상기 압전 박막층에 교류 전압을 인가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 교류 전압은 상기 각 압전 박막층에 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 고차 진동 모드는 n차 진동 모드인 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 진동부의 제 1면으로부터 n번째 압전 박막층의 거리 d는 다음 공식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
    d = t(2m-1)/2n
    (여진서, t는 상기 진동부의 두께이고, m은 n이하의 정수이다)
  26. 제 25항에 있어서, 상기 각 압전 박막층은, 일반적으로, 대향면에 형성된 전극을 갖는 평면 압전 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 각 압전 박막층 및 상기 각 절연 박막층은, 일반적으로, 평면형이고 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 압전 박막층 및 상기 절연 박막층은, 탄성 정수의 온도 계수가 서로 역부호인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  29. 제 28항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 동일 방향으로 분극되고, 역위상의 교류 전압은 인접한 상기 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  30. 제 28항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 반대 방향으로 분극되고, 동위상의 교류 전압은 상기 각 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  31. 제 28항에 있어서, 교류 전압은, 역위상의 진동이 인접한 상기 압전 박막층에서 유도되도록, 상기 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  32. 제 22항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 동일 방향으로 분극되고, 역위상의 교류 전압은 인접한 상기 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  33. 제 22항에 있어서, 인접한 상기 압전 박막층은 반대 방향으로 분극되고, 동위상의 교류 전압은 상기 각 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  34. 제 22항에 있어서, 교류 전압은, 역위상의 진동이 인접한 상기 압전 박막층에서 유도되도록, 상기 압전 박막층에 인가되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  35. 제 25항에 있어서, 상기 두께 t가 상기 두께 확장 진동 모드의 제 1공진 파장의 반파장과 동일한 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
  36. 제 1항에 있어서, 상기 진동부의 제 1면으로부터 상기 각 압전 박막층의 거리 d는, 상기 압전 박막층의 중앙에서 두께 방향으로 측정되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
  37. 제 11항에 있어서, 상기 진동부의 제 1면으로부터 상기 각 압전 박막층의 거리 d는, 상기 압전 박막층의 중앙에서 두께 방향으로 측정하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기와 전압원의 결합체.
  38. 제 25항에 있어서, 상기 진동부의 제 1면으로부터 상기 각 압전 박막층의 거리 d는, 상기 압전 박막층의 중앙에서 두께 방향으로 측정하는 것을 특징으로 하는 압전 공진기를 두께 확장 진동 모드에서 여진하는 방법.
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