KR940009397B1

KR940009397B1 - Ultra thin quartz crystal filter element of multiple mode

Info

Publication number: KR940009397B1
Application number: KR1019910700195A
Authority: KR
Inventors: 다카오 모리타; 오사무 이시이; 다케부미 구로사키
Original assignee: 도요츠신기 가부시키가이샤; 이토오 스케히로
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1994-10-07
Anticipated expiration: 2010-11-22

Abstract

내용 없음.No content.

Description

[발명의 명칭][Name of invention]

초박판 다중모드 수정필터소자Ultra-thin Multimode Crystal Filter Element

[도면의 간단한 설명][Brief Description of Drawings]

제1a도 및 1b도는 각각 본 발명에 따른 초박판 다중모드 수정필터 소자의 다른 실시예를 나타낸 평면도.1A and 1B are plan views showing another embodiment of an ultra-thin multimode crystal filter element according to the present invention, respectively.

제2a도 및 2b도는 각각 수정소판의 결정축과 분할전극의 배열방향과의 관계를 나타낸 도면 및 상기 양자의 관계를 변화시킨 경우의 음향 결합의 정도를 나타낸 실험결과의 도면.2A and 2B are diagrams showing the relationship between the crystal axis of quartz crystal plate and the arrangement direction of split electrodes, respectively, and a diagram of the experimental results showing the degree of acoustic coupling when the relationship between the two is changed.

제3a도 및 3b도는 각각 종래의 초박압전공진자의 구성을 나타낸 평면도 및 단면도이다.3A and 3B are a plan view and a sectional view showing the structure of a conventional ultra-thin piezoelectric resonator, respectively.

[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention

[기술분야][Technical Field]

본 발명은 기본파진동에 의해 수 10 내지 수 100MHz 정도의 고주파를 여진(勵振)가능한 초박판 AT커트수정소판을 이용한 다중모드 수정필터소자에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-mode crystal filter element using an ultra-thin AT cut quartz plate capable of exciting a high frequency of about 10 to several 100 MHz by fundamental wave vibration.

[종래의 기술][Prior art]

종래의 일반적은 AT커트수정공진자는 평판형상이기 때문에 제조기술 및 기계적 강도의 관점에서 실용가능한 공진자의 기본파주파수는 40MHz 정도가 한계였다.Since the conventional AT cut crystal resonator is in the form of a plate, the fundamental wave frequency of the resonator that is practical in view of manufacturing technology and mechanical strength is limited to about 40 MHz.

이 때문에 AT커트수정공진자의 고주파성분을 추출하여 기본파공진주파수의 기수배의 주파수를 얻는 소위 배진동발진수단(overtone 發振手段)이 폭넓게 이용되고 있으나, 발진회로에 LC동조회로와 같은 코일을 필요하기 때문에 발진회로를 집적화한 결과, 상태가 좋지 않고 용량비가 크며 임피턴스레벨이 높으므로 발진이 곤란한 경우가 발생하게 되는 결함이 있었다.For this reason, the so-called double tone oscillation means (overtone oscillation means) which extracts the high frequency component of the AT cut quartz crystal and obtains the frequency of the fundamental wave resonance frequency is widely used. Therefore, as a result of integrating the oscillation circuit, there is a defect that the oscillation is difficult because the state is not good, the capacity ratio is high, and the impedance level is high.

또, 인터디지탈ㆍ트랜스듀서전극(interdigital transducer 電極)의 전극다리피치에 의해 공진주파수가 결정되는 탄성표면파공진자는 포토리소그래피기술의 진보에 따라 1GHz 정도의 공진까지 가능하게 되었으나, 이것에 사용할 수 있는 압전기판의 온도-주파수특성이 AT커트수정에 비해 현저하게 뒤떨어진다고 하는 문제가 있는 바, 이것을 해결하기 위해서 AT커트수정블럭의 표면을 에칭 혹은 기계적 연마에 의해 함몰시키고, 그 함몰부를 초박진동부로 함과 더불어 그 주위에 형성되는 환형 위요부를 상기 초박진동부 주변의 기지틀로 함으로써 진동부의 기계적 강도를 유지하면서 기본파진동에 의해 수 10 내지 수 100MHz의 주파수를 얻고자 하는 초박판 압전공진자가 제안되어 연구되고 있다.In addition, the surface acoustic wave resonator whose resonance frequency is determined by the pitch of the electrode legs of an interdigital transducer electrode has been able to resonate up to about 1 GHz with advances in photolithography technology. There is a problem that the temperature-frequency characteristic of the substrate is significantly inferior to that of the AT cut crystal. To solve this problem, the surface of the AT cut crystal block is recessed by etching or mechanical polishing, and the depression is made into an ultra-thin vibration part. In addition, the ultra-thin piezoelectric resonator proposed to obtain a frequency of 10 to 100 MHz by fundamental wave vibration while maintaining the mechanical strength of the vibrating part by making the annular recess formed around the ultra thin vibration part as a base frame around the ultra thin vibration part. It has been studied.

이와 같은 초박압전소판을 이용하여 다중모드ㆍ필터소자를 제조하면 배진동기술을 이용하지 않고 수 10 내지 수 100MHz의 중심주파수를 갖는 필터를 용이하게 구성할 수가 있는 것이다.If a multi-mode filter element is manufactured using such an ultra-thin piezoelectric plate, it is possible to easily configure a filter having a center frequency of several 10 to several 100 MHz without using a double vibration technique.

그런데 종래부터 일반적으로 이용되어 온 다중모드 전압필터소자는, 예컨대 필터의 중심주파수가 10MHz라면, 진동에너지의 유폐정도를 적절한 수치로 설정함과 더불어 저항의 로스를 충분히 낮게 억제하기 위해 압전소판상에 증착형성하는 전극의 막두께는 대략 3000Å 정도가 바람직하다고 되어 있다.By the way, the multi-mode voltage filter element conventionally used has a piezoelectric platelet to set the degree of vibration energy leakage to an appropriate value and to suppress the loss of resistance sufficiently, for example, if the center frequency of the filter is 10 MHz. The film thickness of the electrode to be evaporated is preferably about 3000 kPa.

또, 초박 AT커트소판을 이용하여 필터의 중심주파수만을 100MHz로 하고, 진동에너지 유폐특성 등, 이외의 기본적 특성이 상기한 필터소자와 동등한 필터소자를 제조하고자 할 경우, “상사(相似)의 이론”에 준거하면 전극막두께는 1/10인 300Å로 해야 하지만, 이것으로는 전극막두께가 지나치게 얇기 때문에 저항의 로스가 증대하여 필터의 감쇠를 충분히 얻을 수 없다고 하는 것은 자명하다.In addition, if only the center frequency of the filter is set to 100 MHz by using an ultra-thin AT cut plate, and a basic filter other than the basic characteristics, such as vibration energy confining characteristics, is manufactured, the filter theory is similar. According to the above description, the electrode film thickness should be 300 kPa, which is 1/10. However, since the electrode film thickness is too thin, it is obvious that the loss of resistance increases and the attenuation of the filter cannot be sufficiently obtained.

그래서 저항의 로스를 충분히 낮은 수치로 고정시키기 위해서 전극막두께를 1000Å 정도로 설정하면, 전압소판의 판두께(약 17μm)에 비해 전극막두께가 과대하게 되기 때문에 진동에너지의 유폐량이 과잉으로 되며, 분할전극간의 갭(gap)을 극도로 감소시키지 않는 한 충분한 음향결합을 얻을 수 없기 때문에 필터의 통과대역폭은 극히 작은 것으로 될 수 밖에 없으며, 이를 회피하기 위해 원하는 음향결합이 발생될 정도로 전극간의 갭을 작게 설정하게 되면 전극을 증착형성할 때에 정밀도가 높은 마스크를 필요로 하게 될 뿐만 아니라 전극간의 단락이 발생될 가능성이 높아지게 되어 제조불능에 빠져들게 되므로 실용적으로 제공할 수 있는 정도로 통과대역이 넓은 필터를 구성하는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.Therefore, if the electrode film thickness is set to about 1000 kV in order to fix the loss of resistance to a sufficiently low value, the amount of vibration energy is excessively excessive since the electrode film thickness becomes excessive compared to the plate thickness of the voltage plate (about 17 μm). Since the sufficient acoustic coupling cannot be obtained unless the gap between the electrodes is extremely reduced, the passband of the filter must be extremely small, and in order to avoid this, the gap between the electrodes is small enough to generate a desired acoustic coupling. This setting not only requires a high-precision mask when depositing electrodes, but also increases the possibility of short circuits between the electrodes, which leads to manufacturing failure. Thus, a filter having a wide passband can be practically provided. There was a problem that it was difficult.

또한, 이러한 타입의 공진자는 지금까지 실험실에서의 연구에 그쳐 양산된 일이 없었던 적도 있어, 이 공진자를 다중모드필터로서 사용할 경우에 전극간의 갭을 단락시키지 않을 정도로 근접배치하면서도 원하는 음향결합을 얻으려면 어떠한 방법을 취해야 하는가에 대해 실험적으로 아무런 검토도 이루어져 있지 않았다.In addition, this type of resonator has not been mass produced until now in laboratory research. When using this resonator as a multi-mode filter, the resonator is placed close enough to not short the gaps between the electrodes, but to obtain the desired acoustic coupling. There was no experimental review of what to do.

본 발명은 상기한 바와 같은 타입의 초박판 AT커트수정소판상에 분할전극을 형성하여 다중모드ㆍ필터소자를 구성할 때, 그 배열방향의 선정여하에 따라 당해 필터소자의 통과대역특성에 상당한 차이가 발생한다는 점에 착목하여 이루어진 것으로, 전극간의 갭을 단락하지 않을 정도로 근접배치하면서도 원하는 음향결합을 얻을 수가 있는, 즉 충분히 실용성이 뛰어난 초박판 다중모드 수정필터소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, when a split electrode is formed on an ultra-thin AT cut quartz crystal plate of the type described above to construct a multi-mode filter element, a significant difference in the passband characteristics of the filter element is determined depending on the arrangement direction. The present invention has been made in view of the fact that it is possible to provide an ultra-thin multi-mode crystal filter element that is close enough to achieve a desired acoustic coupling while not causing a short circuit between the electrodes.

[발명의 개시][Initiation of invention]

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초박판 다중모드 수정필터소자는, 당해 소자를 구성하는 AT커트수정블럭의 X축 결정방향에 따라 분할전극을 배치하는 것이다.The ultra-thin multimode crystal filter element according to the present invention for achieving the above object is to arrange a split electrode along the X-axis crystal direction of the AT cut correction block constituting the element.

[발명의 실시하기 위한 최선실시형태]Best Mode for Carrying Out the Invention

이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시예를 바탕으로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings.

실시예에 대한 설명에 앞서 본 발명의 이해를 돕기 위해 종래부터 연구되어 온 초박판압전공진자에 대해 약간 해설한다.Prior to the description of the embodiment will be described a little about the ultra-thin piezoelectric resonator that has been studied in the prior art to help the understanding of the present invention.

제3a도 및 3b도는 각각 종래 일반적으로 연구되고 있던 초박판압전공진자의 구성을 나타낸 사시도 및 이것을 케이스에 수납고정시킨 상태를 나타낸 단면도이며, 수정과 같은 압전체블럭(1)의 일주평면의 거의 중앙에 기계적 연마 혹은 에칭에 의해 함몰부(2)를 형성하여 그 저면을 극히 얇은 진동부(3)로 함과 더불어, 그 결과 해당 진동부(3)의 주변에 이것과 일체로 형성되는 두꺼운 환형 위요부(4)에 의해 상기 초박진동부(3)를 지지하는 것이다.3A and 3B are cross-sectional views showing the structure of an ultra-thin piezoelectric resonator, which has been generally studied in the related art, and a state in which it is housed and fixed in a case. The depression 2 is formed by mechanical polishing or etching, and the bottom thereof is made into an extremely thin vibration part 3, and consequently a thick annular recess formed integrally with this around the vibration part 3. The ultra thin vibration unit 3 is supported by (4).

이와 같이 가공된 압전블럭(1)의 함몰부(2)를 형성한 측의 표면에는 상기 환형 위요부(4) 표면, 함몰부, 내벽면 및 진동부(3) 표면의 전체에 도체막을 증착시켜 전면전극(5)으로 하는 한편, 이것에 대향하는 평탄면(6)에는 한쌍의 분할전극(7a, 7b) 및 이들로부터 블럭단 가장자리로 확대되는 전극리드부(8a, 8b)를 설치하여 초박판 다중모드 압전필터소자(9)를 완성한다.The conductive film is deposited on the entire surface of the annular recess 4, the recess, the inner wall surface and the vibrating portion 3 on the surface of the formed recess 2 of the piezoelectric block 1 thus processed. On the flat surface 6 facing the front electrode 5, a pair of split electrodes 7a, 7b and electrode lead portions 8a, 8b extending from the edges of the block ends thereof are provided, thereby providing an ultra-thin plate. The multimode piezoelectric filter element 9 is completed.

이와 같은 타입의 공진자는 그 형태의 특징을 살리면서 동도(b)에 도시된 바와 같이 상기 함몰부(2)측이 절연체를 접시형상으로 형성한 소위 평탄형 케이스(10)의 밑바닥과 대면하도록 수납하는 것이 가장 좋은 방법이다. 즉, 상기 환형 위요부(4)의 전극을 부착시킨 표면의 일부와 상기 케이스(10)저면에 설치한 도체막(11)을 도전성 접착제(12)로 접착고정시킴과 더불어 상기 면과 대향하는 평탄면의 상기 분할전극(7a, 7b)으로 부터 확대되는 전극리드부(8a, 8b)는 케이스(10)내벽의 단차면에 설치한 도체막(13)과 본딩와이어(14)에 의해 접속시킴으로써 당해 공진자의 (9)의 케이스(10)로의 구속을 극히 작게 하며, 이들 양자간의 열팽창 계수의 차이에 기인하여 필터소자에 가해지는 에러를 극히 제한하도록 하는 것이 일반적이다.This type of resonator is accommodated so that the recessed part 2 side faces the bottom of the so-called flat case 10 in which an insulator is formed in a plate shape as shown in FIG. Is the best way. That is, a part of the surface to which the electrode of the annular recess 4 is attached and the conductive film 11 provided on the bottom of the case 10 are fixed with the conductive adhesive 12 and the flat surface facing the surface. The electrode lead portions 8a and 8b extending from the split electrodes 7a and 7b on the surface are connected by the bonding film 14 and the bonding wire 14 provided on the step surface of the inner wall of the case 10. It is common to make the restraint of the resonator (9) to the case 10 extremely small and to limit the error applied to the filter element due to the difference in thermal expansion coefficient between them.

또한, 상기 케이스 저면 및 케이스 내벽 단차부의 도체막(11, 13)은 각각 케이스벽속을 기밀관통하여 케이스외벽에 노출된 외부리드단자(15, 16)와 전기적으로 접속된다.In addition, the conductor films 11 and 13 of the case bottom and the case inner wall stepped portions are electrically connected to the outer lead terminals 15 and 16 exposed to the case outer wall through the case wall.

또, 케이스(10)의 개구는 상기한 공진자의 수납고정종료후 적당한(일반적으로 금속) 덮개(17)로 밀봉하여 압전소자로서 완성하는 것이다.In addition, the opening of the case 10 is sealed by a suitable (generally metal) cover 17 after completion of the fixing of the resonator and completed as a piezoelectric element.

상기한 바와 같은 타입의 필터소자에 있어서는 상기 한쌍의 분할전극(7a, 7b)의 수정소판 결정축에 대한 배열방향의 선장여하에 따라 분한 전극간의 음향결합의 정도에 상당한 차이가 생긴다는 것은 종래 일반적인 수정공진자와 아무런 차이는 없다.In the filter element of the type described above, it is conventionally known that a significant difference occurs in the degree of acoustic coupling between the divided electrodes according to the arrangement direction of the crystal platelets of the pair of split electrodes 7a and 7b. There is no difference from the resonator.

즉, 제2a도 및 2b도는 AT커트수정소판의 X축에 대한 분할전극의 배열방위와 음향결합의 정도, 즉 필터의 밴드폭과의 관계를 조사한 결과를 나타낸 도면이다.2A and 2B show the results of examining the relationship between the arrangement direction of the split electrodes on the X-axis of the AT cut quartz plate and the degree of acoustic coupling, that is, the bandwidth of the filter.

이와 같이 분할전극(7a, 7b)을 Z축 방향에 따라 배열한 Z방향결합과, X축 방향으로 배열한 X방향결합과의 사이에는 수정필터소자가 취할 수 있는 밴드폭의 비에서 대략 1.26배의 차가 있는 것이 분명하다.Thus, between the Z-direction coupling in which the split electrodes 7a and 7b are arranged in the Z-axis direction and the X-direction coupling in the X-axis direction is approximately 1.26 times the ratio of the bandwidths that the crystal filter element can take. It is clear that there is difference.

그러나 종래 일반적인 다중모드 압전필터소자로서는 30MHz, 높더라도 50MHz 정도의 기본파주파수의 수정소판을 이용하기로 정해져 있으므로, X방향에서 음향결합을 발생시키는 바와 같은 구성을 채용할 필요가 없었다.However, as a conventional multi-mode piezoelectric filter element, it is decided to use a crystal platelet having a fundamental wave frequency of about 30 MHz, even as high as 50 MHz, and thus it is not necessary to adopt a configuration such as generating acoustic coupling in the X direction.

그런데, 제1a, b도에 도시한 타입의 다중모드 수정필터소자는 100MHz 근방의 기본파주파수의 소판을 이용하기 때문에 종래와 같은 Z방향결합을 이용하여 충분한 밴드폭을 갖는 필터소자를 얻고자 한다면 분할 전극 형성상 극히 곤란한 문제가 발생한다고 하는 것은 상술한 바와 같다.By the way, since the multimode crystal filter element of the type shown in Figs. 1a and b uses a platelet with a fundamental wave frequency around 100 MHz, if a filter element having a sufficient bandwidth is obtained by using the conventional Z-direction coupling, The extremely difficult problem occurs in forming the split electrodes as described above.

그런 까닭으로 본 발명에 따른 초박판 다중모드 수정필터소자에 있어서는 분할전극을 X축방향으로 배열하여 본질적으로 넓은 밴드폭을 얻을 수가 있는 X방향결합을 이용하는 것이다.Therefore, in the ultra-thin multi-mode crystal filter element according to the present invention, the split electrodes are arranged in the X-axis direction to use the X-direction coupling that can obtain a substantially wide bandwidth.

즉, 제1a도에 도시된 다중모드 수정필터소자는 함몰부(2)측 전면을 도체막으로 피복함과 더불어 초박진동부(3)의 다른쪽 면상에 분할전극(7a, 7b)을 X축방향에 따라 배열한 구성을 갖는다.That is, in the multi-mode crystal filter element shown in FIG. 1A, the entire surface of the recessed part 2 is covered with a conductor film, and the split electrodes 7a and 7b are formed on the other side of the ultra-thin vibration part 3 on the X axis. It has a configuration arranged along the direction.

또, 제1b도에 도시된 원형의 다중모드 필터소자를 함몰부(2)의 저면에 분할전극(7a, 7b)을 X축방향에 따라 배열함과 더불어 함몰부(2)측의 이면에 전면전극을 형성한 것이다.In addition, the circular multimode filter elements shown in FIG. 1B are arranged on the bottom surface of the recess 2 and the split electrodes 7a and 7b are arranged along the X-axis direction, and the front surface is located on the rear surface of the recess 2 side. An electrode is formed.

이와 같이 함으로써 도전성을 확보하기에 충분한 전극막두께와 제조상 별다른 곤란을 수반하지 않는 전극간격을 갖게 되고, 게다가 충분한 밴드폭을 갖게 할 수 있는 중심주파수가 극히 높은 수정다중모드 필터소자를 이용하게 양산하는 것이 가능하게 되었다.In this way, the electrode film thickness sufficient to secure the conductivity and the electrode spacing without any difficulty in manufacturing are produced, and in addition, a mass production using a crystal multimode filter element having an extremely high center frequency that can have a sufficient bandwidth can be performed. It became possible.

이상, 직방체의 수정블럭을 기판으로하여 상기 함몰부측 진동부 표면에 분할전극을 설치한 경우에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예컨대 제1b도 도시된 바와 같이 수정블럭(1)이 원반형상이라도 좋고, 또 그 평탄면(6)상의 X축에 따라 분할전극(7a, 7b)을 증착형성하여도 좋다.In the above description, only the case where the split electrode is provided on the surface of the depression side vibration part using the quartz block of the rectangular parallelepiped as a substrate is described. However, the present invention is not limited thereto, and for example, as shown in FIG. A disk shape may be sufficient and the split electrodes 7a and 7b may be formed by vapor deposition along the X axis on the flat surface 6.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성하는 것이니까, 분할전극간의 갭을 단락하지 않을 정도로 넓게 설정해도 원하는 음향결합을 발생시키는 것이 가능하게 되므로 충분히 넓은 밴드폭을 갖는 필터소자를 얻을 수가 있으며, 기본파주파수가 50MHz를 초과하는 것과 같은 수정기판을 이용한 다중모드 수정필터의 재특성을 만족시키고, 게다가 제조수율을 향상시키는 점에서 현저하게 효과가 있다.Since the present invention is constructed as described above, it is possible to generate a desired acoustic coupling even if the gap between the split electrodes is set wide enough not to short-circuit, so that a filter element having a sufficiently wide bandwidth can be obtained. It is remarkably effective in satisfying the re-characteristics of the multi-mode crystal filter using a quartz substrate such as exceeding 50 MHz and further improving the production yield.

Claims

When the split electrodes are formed on the vibrating portion of the AT cut quartz crystal plate integrally configured with an ultra thin vibration portion and a thick annular recess supporting the vibrating portion, the split electrodes are arranged along the X-axis direction of the quartz platen. Ultra-thin multi-mode crystal filter element, characterized in that one.