[논문]IDT형의 전극 형태가 SFIT형 필터의 특성에 미치는 영향

유일현

doi:10.6109/jkiice.2009.13.12.2662

[국내논문] IDT형의 전극 형태가 SFIT형 필터의 특성에 미치는 영향
The effects of the shape of IDT electrode pair on the characteristics of SFIT filter 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.13 no.12, 2009년, pp.2662 - 2670

유일현 (세명대학교 정보통신학부)

초록
AI-Helper

반사기 형태에 따른 경사진 빗살무늬 변환기 SAW 필터 특성을 비교하기 위해 모의실험을 통해 Langasite 기판위에 전극을 형성시켰으며, 전극재료로는 Al-Cu를 사용하였다. 모의실험을 바탕으로 입력단에는 IDT를 직렬형태로 연결시킨 block 형태로 하중을 가하는 전극 방법을 쓰고 출력단은 withdrawal 형태로 하중을 가하는 방법을 써서 제작하였다. 이를 바탕으로 광대역의 SAW 필터 전극 설계 방식에 대한 적절한 위상조건도 얻고자 시도하였다. Langasite 기판위에 형성시킨 입 출력빗살무늬 변환기 전극수는 50쌍, 두께는$5000{\AA}$으로 하였으며, 반사기 폭과 간격은 각각 $3.6{\mu}m$ 및 $2.0{\mu}m$으로 하였다. 제작한필터의 주파수 특성은 중심주파수가 대략 190MHz정도, 대역폭은 8.0MHz 정도로 측정되었으며, matching 후 return-loss는 -16dB 이하이고, 리플 특성은 4dB 정도이며, 반사에 의한 잔향은 -20dB 이하로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of the reflector type for the SAW filter on the characteristics of the slanted finger IDT filter have been studied by computer simulation. The IDT was evaporated by Aluminum-Copper alloy. The design condition was optimized by the phase shift of the SAWfilter for WCDMA. We have employed that the number of pairs of the input and output IDT are 50 pairs and the thickness are $5,000{\AA}$, and the width and the space of reflector are $3.6{\mu}m$ and $2.0{\mu}m$, respectively. Frequency response of the fabricated SFIT filter has the property that the center frequency is about 190MHz and bandwidth at the 3dB is probably 8.2MHz. And we could obtain that the return loss is less then 16dB, the ripple characteristics is probably 4dB and the triple transit echo is less then 18dB after when we have matched impedance.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이를 보완하기 위하여 불연속적인 전극하중 (Withdrawal Weighting)기법을 사용하는 경사진 빗살무늬 변환기(Slanted Finger Interdigital Transducer : SFIT)를 연구하게 되었다. 그러나 SFIT는 불연속적인 전극하중 만으로 구현되는 까닭으로 UR특성이 좋지 않아 실용화를 시키지 못하였지만, SPUDT 구현도 가능하고 전극에 서의 회절 및 간섭효과가 적은 빗살무늬 변환기 (Interdigital Transducer : IDT)를 얻을 수 있다[5,6].
그러나 통과대역을 크게 하기 위해서는, 각각의 IDT는 옆 전극에 닿게 되어 공정이 매우 어렵고, 전극의 쌍(pairs)수가 많아질수록 많은 채널 수 필요하게 되어, 적절한 필터 제작이 용이하지 않은 결과를 낳기도 한다. 따라서 이러한 단점을 보완하고자 Quasi-slanted IDT 및 Channel slanted IDT 전극 형태가 제안되었으며, 본 연구에서는 후자의 경우를 응용하였다.
본 연구에서는 우수한 특성을 갖은 SAW 필터를 구현 하기 위해서 모의실험을 통하여 얻은 자료를 바탕으로 입력단에는 Block Weighted IDT를 출력단에는 Withdrawal weighted IDT 형태를 채택한 SAW 필터를 설계 및 제작하였다. 아울러 기지국용으로 IDT를 직렬로 연결시킨 Block weighted 타입의 전극 형태를 채택한 필터의 등가 회로를 그림 2에 나타내었다.
본 연구에서는 Langasite기판을 사용하여, 경사진 빗살무늬 변환기(Slanted Finger Inter digital Transducer : SFIT)전극 배열 형태를 응용한 SAW 필터제작 조건을 구하는 실험을 하였다. 즉, 반사기 의해 반사된 음파는 적절한 각도로 반사되도록 하기 위하여 반사기를 개방 (open) 및 단락(short)으로 구성하였으며, 반사기와 IDT 전극 사이의 간격에도 변화를 주었다.
단락형 시료는 반사기를 단락시킴으로서 반사파의 특성을 분석하고자 하였다. 그림에서 보여주듯이 좌우 IDT 전극형태를 동일하게 제작하였고, 반사기를 -전극과 단락시킴으로서 IDT전극은 단지 신호 전달 역할만 하도록 하였다.
마찬가지로 단락형 시료도 측정을 위하여 5 x 5 ㎟ 크기를 갖는 SMD패키지에 실장하였으며, 50 Ω 정합시킨후 측정하였다. 이와 같이 하므로써 반사기를 단락시켰을 경우 반사 특성을 보고자 하였다.

제안 방법

아울러 반사기의 개방과 단락형태의 SFIT 필터의조 건들을 얻기 위한 자료 및 이를 비교 분석하기 위한 목적으로 제작한 IDT-finer와 반사기 폭은 각각 1.8μm 및 3.6μ m이며, IDT-finer와 반사기 거리는 2.0μm 간격으로 동일하게 형성하였다.
본 연구에서는 반사기의 개방과 단락형태를 갖는 SFIT형 필터 제작하기 위하여 입력단 전극에는 Block weighting 방법을 쓰고 출력단은 Withdrawal weighting 방법을 도입하였으며, 정확한 필터 구현을 위해 자체 개발한 모의실험기(Simulator)를 이용하였다.[7] 또한, SFIT의 단점인 전극에서의 회절현상들을 최소화하기 위하여 다른 압전 기판에 비해 상대적으로 표면탄성파 속도가 느린 Langasite 기판[8]을 써서 그 위에 전극을 형성시켰으며, 전극 개수는 공히 50쌍으로 동일하게 하였다.
이때, 표면탄성파 필터 제작에 사용하기 위한 고정밀도의 사진식각용 포토마스크는 설계된 변환기 전극제원으로부터 CAD 설계에 의하여 전자주사선을 이용 하여 0.05µm이상의 정밀도로 제작하였다.
SAW 필터용 소자의 전극은 박막 전극재료형성기술을 사용하여 Langasite 기판 위에 전극을 형성시켜 제작 하였다. 습식세정 및 플라즈마 세척을 한 기판 위에 전극 재료로는 Al-Cu 합금을 사용하였으며, 150℃에서 DC Magnetron sputter를 이용하여 증착하였으며, 두께는 5000Å으로 하였다.
05µm이상의 정밀도로 제작하였다. 이와 같이 제작된 마스크를 사용하여 반도체 제조공정 중 하나인 사진식각 방식에 의해 Langasite 기판위에 전극을 형성하였다. 아울러 Langasite 기판에 적절한 IDT 구성 조건을 찾기 위하여 다량의 소자들을 제작하였고, 사용한 기판에서의 표면탄성파 속도는 광학적 실험장치를 통하여 얻을 수 있었다.
이와 같이 제작된 마스크를 사용하여 반도체 제조공정 중 하나인 사진식각 방식에 의해 Langasite 기판위에 전극을 형성하였다. 아울러 Langasite 기판에 적절한 IDT 구성 조건을 찾기 위하여 다량의 소자들을 제작하였고, 사용한 기판에서의 표면탄성파 속도는 광학적 실험장치를 통하여 얻을 수 있었다. 아울러 5000Å 두께의 Al 전극이 증착된 경우 탄성파 속도는 대략 2890m/s 정도였 다.
본 연구에서는 Langasite기판을 사용하여, 경사진 빗살무늬 변환기(Slanted Finger Inter digital Transducer : SFIT)전극 배열 형태를 응용한 SAW 필터제작 조건을 구하는 실험을 하였다. 즉, 반사기 의해 반사된 음파는 적절한 각도로 반사되도록 하기 위하여 반사기를 개방 (open) 및 단락(short)으로 구성하였으며, 반사기와 IDT 전극 사이의 간격에도 변화를 주었다.
적절한 자료를 얻기 위해 시료들의 반사기들을 개방및 단락형태로 마련하였고, IDT 전극재료는 동일한 재료로 증착하였으며, 전극(IDT-finger)폭 및 전극간격 (space) 등 이들 조건들을 변화시켰다.
제작된 필터는 측정을 위하여 (5 x 5)㎟ 크기의 표면 실장(Surface Mounted Device : SMD) 패키지에 실장하였 으며, 필터의 특성을 측정하기 위한 치구를 별도로 제작하고, 50 Ω으로 임피더스 매칭시켰다.
시료들로부터 적절한 조건을 얻기 위해서 Langasite 기판위에 IDT를 형성시켰으며, 전극 갯수는 50쌍으로 균일하게 구성하였다.
그림에서 보인 바와 같이 개방형태 전극을 형성함에 있어 반사기를 hot(+) 전극과 접지 전극으로부터 각각 일정한 간격을 유지하도록 하였다.
제작된 필터는 측정을 위하여 (5 x 5)㎟ 크기의 표면 실장(Surface Mounted Device : SMD) 패키지에 실장하였 으며, 필터의 특성을 측정하기 위한 치구를 별도로 제작하고, 50 Ω으로 임피더스 매칭시켰다. 또한, 제작된 필터의 입․출력단자에 맞게 측정 치구를 제작하였으며, 필터의 입출력 단자에서의 전자파를 차단시키기 위하여 동판으로 치구의 중앙을 차폐하였다. 이와 같은 방법 으로 개방과 단락형태의 반사기를 갖도록 제작하여 각각 회로망 분석기를 이용하여 시료를 측정하였으며, 비교적 근사적인 범위의 조건을 보였던 결과들을 그림 4a, 4b, 4c 및 4d에 각각 나타냈다.
또한, 제작된 필터의 입․출력단자에 맞게 측정 치구를 제작하였으며, 필터의 입출력 단자에서의 전자파를 차단시키기 위하여 동판으로 치구의 중앙을 차폐하였다. 이와 같은 방법 으로 개방과 단락형태의 반사기를 갖도록 제작하여 각각 회로망 분석기를 이용하여 시료를 측정하였으며, 비교적 근사적인 범위의 조건을 보였던 결과들을 그림 4a, 4b, 4c 및 4d에 각각 나타냈다.
또한 finer와 반사기 간격은 2.0μm로 동일하게 형성하였으며, 단락형의 경우에서도 반사기 위치는 +전극과 - 전극으로부터 각각 1.5μm 간격을 유지하도록 하였다.
마찬가지로 단락형 시료도 측정을 위하여 5 x 5 ㎟ 크기를 갖는 SMD패키지에 실장하였으며, 50 Ω 정합시킨후 측정하였다.
단락형 시료는 반사기를 단락시킴으로서 반사파의 특성을 분석하고자 하였다. 그림에서 보여주듯이 좌우 IDT 전극형태를 동일하게 제작하였고, 반사기를 -전극과 단락시킴으로서 IDT전극은 단지 신호 전달 역할만 하도록 하였다. 그리하여 -전극은 접지와 반사기 역할을 동시에 하도록 하였으며, finer와 반사기 폭은 각각 2.
또한, withdrawal 형태의 빗살무늬 변환기의 단점인 신호소멸 특성을 보완하기 위하여 finger와 반사기 폭은 각각 1.8μm 및 3.6μm로 하였으며, finer와 반사기 거리는 2.0μm 간격으로 동일하게 형성하였다.
본 연구에서는 광대역용 표면 탄성파 필터 제작하기 위하여 입력단에는 IDT를 직렬형태로 연결시킨 block 형태로 하중을 가하는 전극 방법을 쓰고 출력단은 withdrawal 형태로 하중을 가하는 방법을 채택하였 으며, 정확한 필터 구현을 위해 자체 개발한 시뮬레이터를 이용하였다. 그리고 시뮬레이터를 이용한 모의실험 결과를 바탕으로 적절한 광대역 표면탄성파 필터를 제작하였다.
본 연구에서는 광대역용 표면 탄성파 필터 제작하기 위하여 입력단에는 IDT를 직렬형태로 연결시킨 block 형태로 하중을 가하는 전극 방법을 쓰고 출력단은 withdrawal 형태로 하중을 가하는 방법을 채택하였 으며, 정확한 필터 구현을 위해 자체 개발한 시뮬레이터를 이용하였다. 그리고 시뮬레이터를 이용한 모의실험 결과를 바탕으로 적절한 광대역 표면탄성파 필터를 제작하였다. 또한, SFIT의 단점인 전극에서의 회절현상들을 최소화하기 위하여 다른 압전기판에 비해 상대적으로 표면탄성파 속도가 느린 Langasite 기판을 써서 그 위에 전극을 형성시킨 필터를 제작하였다.
그리고 시뮬레이터를 이용한 모의실험 결과를 바탕으로 적절한 광대역 표면탄성파 필터를 제작하였다. 또한, SFIT의 단점인 전극에서의 회절현상들을 최소화하기 위하여 다른 압전기판에 비해 상대적으로 표면탄성파 속도가 느린 Langasite 기판을 써서 그 위에 전극을 형성시킨 필터를 제작하였다.

대상 데이터

SAW 필터용 소자의 전극은 박막 전극재료형성기술을 사용하여 Langasite 기판 위에 전극을 형성시켜 제작 하였다. 습식세정 및 플라즈마 세척을 한 기판 위에 전극 재료로는 Al-Cu 합금을 사용하였으며, 150℃에서 DC Magnetron sputter를 이용하여 증착하였으며, 두께는 5000Å으로 하였다.

성능/효과

그림에서 n값은 각각의 단을 나타내며, 이러한 직렬 형태의 block은 중앙에 전압이 가장 크고 양끝에 전압이 약한 결과를 가져오게 된다. 따라서 입력단의 block weighted IDT에서는 감쇄는 좋지 않으나, 통과대역으 로부터 멀어질수록 UR특성이 좋은 결과를 가져오게 된다. 그리고 출력단의 Withdrawal에서는 통과대역 부근 저지대역에서 감쇄는 좋으나, 통과대역으로부터멀어진 지점에서는 UR특성이 좋지 않은 결과를 가져 오게 된다.
이상과 같이 그림에서 보인 바와 같은 대표적인 결과들과 다른 결과들을 종합 및 비교해 보면 30dB 대역폭은 증가하였으며, 3dB 대역폭은 상대적으로 낮은 결과를 얻었다. 이는 신호소멸 특성이 열화된 현상으로 인해 목표치로 했던 50dB에는 못 미치는 결과를 낳았다.
그 결과 Langasite 기판위에 IDT를 주기적으로 형성시킨 시료에서 제작한 필터의 주파수 특성은 중심주파 수가 대략 190MHz정도, 30dB 대역폭은 8.0MHz 정도로 측정됨으로써 광대역 필터로 사용할 수 있다고 판단된다. 아울러 정합 후 삽입손실은 -16dB 이하이고, 리플 특성 및 반사에 의한 잔향은 각각 4dB 및 -20dB 이하로 측정되었다.
아울러 정합 후 삽입손실은 -16dB 이하이고, 리플 특성 및 반사에 의한 잔향은 각각 4dB 및 -20dB 이하로 측정되었다. 제작한 필터의 형상인자는 대략 2.2정도로 계산할 수 있었으며, UR특성은 열화 현상으로 낮은 경향성을 보였다.
따라서 본 연구에 사용한 시료에서 측정된 data는다소 불안한 필터의 특성을 보이고 있고, 위상변화에 대한 적절한 조건은 얻지 못했지만, 이러한 전극 구성에 대한 시도를 통해 얻은 자료 등은 앞으로 있을 광대역통과용 SAW 필터 제작에 도움이 될 것으로 사료 된다. 특히, 반사기 폭을 1λ/4로 하여 실험 한 결과로미루어 짐작해보면 기존의 단상 단방향 변환기방식에서 사용했던 것보다 발전된 결과를 얻었다고 할 수 있겠다.
이상과 같이 앞서 기술한 자료를 종합해 보면 리플특성을 제외하고 전극구조가 개방형보다는 단락형인 경우에서 근소한 우위를 나타냈다고 하겠다. 지금까지 얻은 자료를 바탕으로 좀 더 만족스런 데이터를 얻기 위한 보완 연구는 계속 수행 중에 있다.

후속연구

따라서 본 연구에 사용한 시료에서 측정된 data는다소 불안한 필터의 특성을 보이고 있고, 위상변화에 대한 적절한 조건은 얻지 못했지만, 이러한 전극 구성에 대한 시도를 통해 얻은 자료 등은 앞으로 있을 광대역통과용 SAW 필터 제작에 도움이 될 것으로 사료 된다. 특히, 반사기 폭을 1λ/4로 하여 실험 한 결과로미루어 짐작해보면 기존의 단상 단방향 변환기방식에서 사용했던 것보다 발전된 결과를 얻었다고 할 수 있겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통과대역을 평탄하게 하기 위한 방법의 종류로는 무엇이 있습니까?	SFIT를 사용하고 있는 진폭 응답(Amplitude response) 은 변환기의 임피던스 변화에 의하여 통과 대역이 기울 어지는 결과를 가져오고 이는 기판의 재질, 전극 개수 및전극 구경(aperture)의 크기에 의존된다. 통과대역을 평탄(Flatten)하게 하기 위해서는 임피던스 매칭 방법, 채널의 전극 갯수 조정 및 채널의 전극구경을 변화시키는 방법 등이 있다.
	SFIT의 기본구조는 무엇입니까?	SFIT의 기본구조는 SAW의 전파 방향에서의 전극 (Finger)주기는 일정하고 주파수가 높은 쪽에서는 전극의 주기가 짧고, 낮은 쪽에서는 주기가 길다. 결과적으로 SFIT로 구성된 필터는 다른 중심주파수를 갖은 필터들이 병렬로 연결된 것과 같은 효과가 있다.
	단상 단방향 변환기(SPUDT)의 설계가 지니는 문제점은 무엇입니까?	이러한 단점을 보완하기 위하여 1980년도에 단상 단방향 변환기(Single Phase Unidirectional Transducer : SPUDT)를 개발하게 되었다[4]. 그러나 SPUDT의 설계는 Withdrawal weighting 방식으로 설계하게 되므로 기판 위에 형성된 전극에서 나타나게 되는 전극 단에서의 신호 소멸(Ultimate Rejection : UR)현상과 같은 문제점을 가지게 된다. 또한, 기지국용 필터는 -50dB이하의 UR특성을 요구하므로 일반적으로 전극 하중(Apodization Weighting)정도가 변하는 방식으로 필터를 설계한다.

참고문헌 (8)

C. S. Hartman, D. T. Bell, Jr., and R. C. Rosenfeld, Impulse Model Design of Acoustic Surface Wave Filters, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-21, No. 4, pp.162-175, 1973
G. L. Matthae, Acoustic Surface Wave Transversal Filters, IEEE Trans. Circuit and Theory, Vol. CT-20, No. 5, pp. 459-470, 1973
R. H. Tancrell, Analytic Design of Surface Wave Bandpass Filters, IEEE Trans. Sonics Ultrason., vol.SU-21,No.1, pp.12-22, 1974
T. Thorvaldsson, Analysis of The Natural Single Phase Unidirectional SAW Transducer, IEEE Trans. Ultrasonic Sym., pp.91-96, 1989
H. Yatsuda, K. Yamanouchi, Automatic CAD Design of SAW Filters Using Slanted Finger Interdigital Transducer, IEEE Trans. Sonics UFFC, Vol. 47, No.1, pp.140, 2000

상세보기
H. Yatsuda, Design techniques for SAW filters using slanted finger interdigital transducers, IEEE Trans. Sonics UFFC, Vol. 44, No.1, pp. 453, 1997

상세보기
유일현, 광대역 통과 필터제작을 위한 모의실험기, 한국해양정보통신학회지, pp685, 2004

원문보기 상세보기
C. B. Chvets, P.G. Ivanov, V. M. Maka, V. S. Orlov, Design of SAW Filters on Langasite, IEEE Ultrasonic Symposium, pp. 99. 1999

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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