KR102692565B1 - 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시에 따른 다양한 실시예는 외부 신호에 반응하여 진동하는 진동빔, 상기 진동빔의 움직임을 감지하는 센서부, 상기 진동빔과 접촉하는 기저부 및 상기 기저부 상에 상기 진동빔과 이격되게 배치된 날개부를 포함하는 집중 질량부를 포함하는 공진기를 제공한다.
Description
본 개시에 따른 다양한 실시예는 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법에 관한 것이다.
음향 특성 또는 진동 특성을 분석하기 위한 공진기는 주로 캔티레버 구조의 빔을 이용한다. 상기 캔티레버 구조는 일측이 지지부에 고정된 상태에서 타측이 진동하게 된다.
공진기는 모바일 전자소자, 자동차 등에서 음향 또는 음성 정보의 분석을 위해 사용될 수 있다. 또한, 인간의 피부 등에 부착되어서 심박 등의 생체 정보를 측정하거나, 자동차, 가전에 탑재되어 진동 정보를 측정할 수 있다.
공진기는 요구되는 주파수 특성에 따라 그 구조가 달라질 수 있다. 예를 들어, 공진기의 저주파 특성을 확보하기 위해 공진기의 길이를 증가시킬 수 있다. 그러나, 공진기의 길이가 증가할 경우, 전체 시스템의 크기가 커지게 될 뿐만 아니라, 공진기의 강성이 감소되어 신뢰성이 저하될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라 재료비를 절감하면서, 저주파 특성 및 민감한 센싱 감도를 가진 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면,
외부 신호에 반응하여 진동하는 것으로, 일단이 지지부재에 고정되고, 제1 방향으로 연장되는 진동빔, 상기 진동빔 상에 마련되어, 상기 진동빔의 움직임을 감지하는 센서부 및 상기 진동빔 상에 마련되며, 상기 진동빔과 접촉하는 기저부 및 상기 기저부 상에 상기 진동빔과 이격되게 배치된 날개부를 포함하는 집중 질량부를 포함하는 공진기를 제공한다.
상기 기저부가 상기 진동빔과 접촉하는 단면적과 상기 집중 질량부가 상기 진동빔에 접촉하는 단면적은 A로 동일할 수 있다.
상기 날개부와 상기 기저부의 두께는 t로 동일할 수 있다.
상기 날개부는 상기 집중 질량부 전체의 부피가 At 보다 크도록, 크기와 형상이 정해질 수 있다.
상기 집중 질량부는 상기 기저부와 상기 날개부를 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 날개부는 상기 기저부의 일단에서 상기 지지부재로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제1 날개를 포함할 수 있다.
상기 제1 날개의 상기 제1 방향으로의 길이는 상기 기저부의 상기 제1 방향으로의 길이보다 길 수 있다.
상기 날개부는 상기 기저부의 다른 일단에서 상기 지지부재에 가까워지는 방향으로 연장된 제2 날개를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 날개 및 제2 날개의 상기 제1 방향으로의 길이는 동일하고, 상기 제1 날개 및 제2 날개의, 상기 제1 방향과 상기 두께의 방향에 대해 수직인 제2 방향으로의 폭은 상기 기저부의 상기 제2 방향으로의 폭과 동일할 수 있다.
상기 제1 날개 및 제2 날개의, 상기 제1 방향과 상기 두께의 방향에 대해 수직인 제2 방향으로의 폭은 상기 기저부의 상기 제2 방향으로의 폭보다 클 수 있다.
상기 센서부는 압전 물질을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면,
제1 진동빔, 상기 제1 진동빔의 움직임을 감지하는 제1 센서부 및 상기 제1 진동빔과 접촉하는 제1 기저부와 상기 제1 기저부 상에 상기 제1 진동빔과 이격되게 배치된 제1 날개부를 포함하는 제1 집중 질량부를 포함하는 제1 공진기, 제2 진동빔, 상기 제2 진동빔의 움직임을 감지하는 제2 센서부 및 상기 제2 진동빔과 접촉하는 제2 기저부와 상기 제2 기저부 상에 상기 제2 진동빔과 이격되게 배치된 제2 날개부를 포함하는 제2 집중 질량부를 포함하며 상기 제1 공진기와 다른 공진 주파수를 갖는 제2 공진기 및 상기 제1 공진기 및 제2 공진기로부터 감지된 신호를 처리하는 프로세서를 포함하는 공진기 시스템을 제공한다.
상기 제1 진동빔의 길이와 상기 제2 진동빔의 길이는 상이할 수 있다.
상기 제1 집중 질량부의 질량은 제2 집중 질량부의 질량과 상이할 수 있다.
상기 제1 날개부는 상기 제1 기저부의 일단에서 상기 제1 기저부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 제1 날개 형상을 포함하고, 상기 제2 날개부는 상기 제2 기저부의 일단에서 상기 제2 기저부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 제2 날개 형상을 포함할 수 있다.
상기 제1 날개부와 상기 제1 기저부의 두께는 t1으로 동일하고, 상기 제2 날개부와 상기 제2 기저부의 두께는 t2로 동일할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면,
일단을 지지부재에 고정하고 상기 일단과 멀어지는 방향으로 타단이 연장되도록 진동빔을 형성하는 단계, 상기 진동빔 상에 상기 진동빔의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계 및 상기 진동빔과 접촉하는 기저부 및 상기 기저부 상에 마련되어 상기 진동빔과 이격되게 배치된 날개부를 포함하는 집중 질량부를 형성하는 단계를 포함하는 공진기 제조 방법.
상기 날개부와 상기 기저부의 두께는 동일할 수 있다.
상기 집중 질량부를 형성하는 단계는 상기 센서부 및 상기 진동빔을 덮는 제1 포토레지스트층을 형성하는 단계, 상기 제1 포토레지스트층을 패터닝하여 상기 진동빔의 일부 영역을 노출시키고, 상기 기저부와 상기 진동빔이 접촉하는 형상을 가지는 홀을 형성하는 단계, 상기 제1 포토레지스트층 및 상기 홀을 덮도록 금속층을 형성하는 단계 및 상기 제1 포토레지스트 층 상의 금속층을 상기 날개부의 형상으로 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 포토레지스트층의 두께는 상기 기저부의 두께 이상일 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라 재료비를 절감하면서, 저주파 특성 및 민감한 센싱 감도를 가진 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 2는 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 3은 다른 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 4는 또 다른 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 16 내지 도 23은 도 5에 도시된 공진기의 제조 과정을 간략하게 도시한 것이다.
도 24는 복수 개의 공진기를 포함하는 공진기 시스템을 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 3은 다른 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 4는 또 다른 비교예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 16 내지 도 23은 도 5에 도시된 공진기의 제조 과정을 간략하게 도시한 것이다.
도 24는 복수 개의 공진기를 포함하는 공진기 시스템을 간략하게 도시한 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 공진기(1000)를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 공진기(1000)는 지지부재(100)에 고정된 진동빔(200), 진동빔(200) 상에 마련된 센서부(300) 및 집중 질량부(400)를 포함할 수 있다. 진동빔(200)은 외부 신호에 반응하여 진동하는 것으로, 일단이 지지부재(100)에 고정되고 제1 방향(Y축방향)으로 연장될 수 있다. 센서부(300)는 진동빔(200) 상에 마련되며, 진동빔(200)의 움직임을 감지할 수 있다. 집중 질량부(400)는 진동빔(200)과 접촉하는 기저부(410) 및 기저부(410) 상에 진동빔(200)과 이격되게 배치된 날개부(420)를 포함할 수 있다. 공진기(1000)는 진동빔(200)의 움직임을 분석함으로써 진동빔(200)에 가해진 물리적 자극에 대한 정보를 얻을 수 있는 기계식 공진기일 수 있다.
지지부재(100)는 모바일 전자소자(예를 들어 모바일 폰) 또는 자동차 등에 형성된 부재일 수 있다.
진동빔(200)은 빔(beam) 형상을 가질 수 있으며, 캔틸레버(cantiler) 등의 명칭으로 지칭될 수 있다. 진동빔(200)은 외부로부터의 물리적 자극(예를 들어, 음향)에 의해서 진동할 수 있다. 이 경우, 진동빔(200)의 공진주파수(fn)는 다음과 같은 식으로 주어질 수 있다.
... 식 (1)
위 식에서 M은 집중 질량부(400)의 질량을 나타낸다. k는 진동빔(200)의 강성(beam stiffness)을 나타내는 상수이다. k는 진동빔(200)의 길이(L)의 세제곱에 반비례한다. 따라서, 진동빔(200)의 길이(L)가 증가하면 공진주파수(fn)가 감소하여 진동빔(200)은 저주파에 민감해질 수 있다. 그러나, 저주파에 대응하기 위해 진동빔(200)의 길이(L)를 증가하면 소자의 크기가 증가하게 되고 공진기(1000)의 강성이 감소되어 신뢰성이 저하될 수 있다.
진동빔(200)의 폭(b)은 대략 수 십 ㎛ 내지 수 백 ㎛일 수 있다. 진동빔(200)은 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 한정되지 않으며, 진동빔(200)은 글래스, 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SiN) 등을 포함할 수 있다.
센서부(300)는 하부전극층(310), 압전층(320) 및 상부전극층(330)이 순서대로 쌓인 구조를 포함할 수 있다. 센서부(300)는 진동빔(200)의 움직임을 감지할 수 있다. 예를 들어, 진동빔(200) 상에 마련된 집중 질량부(400)에 외부로부터 물리적 자극(예를 들어, 음향)이 가해질 경우, 관성력이 집중 질량부(400)에 작용하게 되고 이에 따라 관성 모멘트가 센서부에 발생하게 된다. 관성 모멘트의 크기에 비례하여 압전층(320)에 전하가 발생하고 이에 따라, 상부전극층(330)과 하부전극층(310) 사이의 정전용량에 반비례하여 전압이 발생하게 된다. 결과적으로 공진기(1000)는, 공진기(1000)의 외부로부터의 물리적 자극에 의하여 센서부(300)에서 발생된 전압을 검출하고 해석하여 물리적 자극에 관한 정보를 얻을 수 있다.
센서부(300)의 하부전극층(310) 및 상부전극층(330)은 몰리브덴(Mo) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 압전층(320)은 피에조 센서에 사용되는 압전 물질이면 제한 없이 이용될 수 있으며, 예를 들어 AlN, ZnO, SnO, PZT, ZnSnO3, Polyvinylidene fluoride(PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) 또는 PMN-PT를 포함할 수 있다. 하부전극층(310)과 진동빔(200) 사이에는 선택적으로 절연층(미도시)이 더 형성될 수 있다.
집중 질량부(400)의 형태는 두께를 가능한 줄이며 원하는 성능의 공진기를 구현할 수 있도록 제안된다. 이에 따라, 집중 질량부(400)는 기저부(410) 및 기저부(410) 상에 마련된 날개부(420)를 가진 복층구조를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 기저부(410)가 진동빔(200)과 접촉하는 단면적과 집중 질량부(400)가 진동빔(200)에 접촉하는 단면적은 A로 동일하다. 즉, 날개부(420)는 진동빔(200)에 접촉하지 않는다. 집중 질량부(400)는 두께가 t이고 진동빔(200)과의 접촉 면적이 A(Wt)인 기저부(410)를 채용하고, 또한, 집중 질량부(400)가 진동빔(200)에 접촉하는 단면적을 A로 하면서 전체 부피는 At보다 크도록, 진동빔(200)에 접촉되지 않는 형태의 날개부(420)를 구비하고 있다.
날개부(420)는 기저부(410) 상에 마련되며, 이로 인해 진동빔(200)과 이격되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 날개부(420)는 기저부(410)의 일단에서 지지부재(100)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제1 날개(421) 및 기저부(410)의 일단에서 지지부재(100)에 가까워지는 방향으로 연장된 제2 날개(422)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 제1 날개(421) 및 제2 날개(422)는, 각각 서로 다른 기저부(410)의 일단에서 서로 다른 방향으로 연장되므로, 이격되어 형성될 수 있다.
제1 날개(421) 및 제2 날개(422)는 기저부(410)의 형상과 같을 수 있다. 예를 들어, 제1 날개(421) 및 제2 날개(422)는 각각 제1 방향(Y축방향)으로의 길이(W1, W2)가 W이고, 두께는 t이며, 제1 방향(Y축방향)과 두께 방향(Z축방향)에 대해 수직인 제2 방향(X축방향)으로의 폭이 b인 직육면체 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 날개(421) 및 제2 날개(422) 각각의 부피는 At일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 날개(421) 및 제2 날개(422)의 형상은 기저부(410)의 형상과 상이할 수 있다.
또한, 제1 날개(421)의 제1 방향(Y축방향)으로의 길이(W1) 및 제2 날개(422)의 제1 방향(Y축방향)으로의 길이(W2)는 동일할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 방향(Y축방향)으로의 길이(W1) 및 제2 날개(422)의 제1 방향(Y축방향)으로의 길이(W2)는 상이할 수 있다.
도 2에 도시된 집중 질량부(401)의 부피는 도 1에 도시된 집중 질량부(400) 의 부피와 3At로 동일하다. 그러나, 도 1과 비교할 때, 도 2의 경우 제조 공정상 집중 질량부(401)의 증착 두께 상승에 의해 재료비가 증가할 수 있다. 도 3 및 도 4는 도 2의 공진기(1001)의 공진 주파수를 낮추기 위해 도 2의 집중 질량부(401)보다 큰 질량을 가지는 집중 질량부(402)(403)를 포함하는 공진기(1002)(1003)를 도시한 것이다. 그러나, 도 3의 경우 제조 공정상 집중 질량부(402)의 증착 두께 상승에 의해 재료비가 증가할 수 있다. 또한, 도 4의 경우 집중 질량부(403)에 작용하는 물리적 자극의 작용점이 지지부재(103)와 가까운 쪽으로 이동하여 관성 모멘트의 감소를 야기함으로써 공진기(1003)의 센싱 감도가 저하될 수 있다.
도 2는 비교예에 따른 공진기(1001)를 간략하게 도시한 사시도이다. 도 3은 다른 비교예에 따른 공진기(1002)를 간략하게 도시한 사시도이다. 도 4는 또 다른 비교예(1003)에 따른 공진기를 간략하게 도시한 사시도이다
도 2를 참조하면, 공진기(1001)는 집중 질량부(401)를 제외하고는 도 1의 공진기(1000)와 동일할 수 있다. 집중 질량부(401)는 복층 구조가 아닌, 밑면의 넓이가 A인 단일한 층의 직육면체 형상을 포함할 수 있다. 또한, 집중 질량부(401)의 두께는 3t이고, 이에 따라, 부피는 3At일 수 있다. 이와 같이, 집중 질량부(401)의 부피는 도 1의 집중 질량부(400)의 부피와 3At로 같을 수 있으나, 집중 질량부(401)의 두께는 3t로서 도 1의 기저부(410) 및 날개부(420)의 두께인 t보다 두꺼울 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 진동빔(201)의 공진주파수는 진동빔(201)의 길이(L)를 증가시킬 경우 감소할 수 있다. 다만, 공진기(1001)의 저주파 특성을 확보하기 위하여 진동빔(201)의 길이(L)를 증가시켜 공진주파수를 낮출 경우, 진동빔(201)의 강성이 저하될 수 있다. 진동빔(201)의 강성을 저하시키지 않으면서, 공진기(1001)의 저주파 특성을 확보하기 위한 방법으로서, 집중 질량부(401)의 질량을 증가시키는 방법이 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2의 집중 질량부(401)의 질량을 증가시키는 방법으로서 집중 질량부(401)의 증착 두께를 증가시키는 방법이 있다. 예를 들어, 도 3의 집중 질량부(402)의 두께는 5t이고, 부피는 5At 일 수 있다. 이와 같이, 도 3의 집중 질량부(402)의 두께가 도 2의 집중 질량부(401)의 두께에 비해 두껍기 때문에 도 3의 집중 질량부(402)의 질량은 도 2의 집중 질량부(401)의 질량보다 클 수 있다. 그러나, 진동빔(200)의 폭이 수십 ㎛ ~ 수백 ㎛인 마이크로 구조물에서 증착 두께를 증가시키는 데에는 기술적인 측면 및 비용적인 한계가 있다.
도 4를 참조하면, 도 2의 집중 질량부(402)의 질량을 증가시키는 방법으로서 집중 질량부(402)를 제1 방향(Y축방향)으로의 길이를 증가시키며 얇은 두께로 증착하는 방법이 있다. 예를 들어, 집중 질량부(403)의 두께는 t일 수 있으며, 제1 방향(Y축방향)으로의 길이는 W보다 긴 W3일 수 있다. 이에 따라 집중 질량부(403)의 부피는 At 보다 큰 B(W3*b)t 일 수 있으며, 도 4의 집중 질량부(403)의 질량은 도 2의 집중 질량부(401)의 질량보다 클 수 있다. 그러나, 집중 질량부(403)의 제1 방향으로의 길이가 증가함에 따라, 집중 질량부(403)에 작용하는 외력의 작용점이 지지부재(103)와 가까운 쪽으로 이동하여 관성 모멘트가 감소할 수 있다. 감소한 관성 모멘트는 공진기(1003)의 감도를 저하시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 공진기(1000)의 집중 질량부(400)는 두께가 t인 기저부(410)와, 제1 날개(421) 및 제2 날개(422)를 포함하는 날개부(420)를 포함할 수 있다. 이와 같은 복층 구조를 채택함으로써 집중 질량부(400)는 도 2의 집중 질량부(401)와 비교했을 때, 진동빔(200)과 접촉하는 부분의 제1 방향으로의 길이가 동일하여 관성 모멘트의 감소가 없고, 증작 두께도 두껍지 않으면서도 날개부(420)의 다양한 형상에 따라 질량이 더 클 수 있다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 공진기(1004)를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 공진기(1004)는 집중 질량부(404)를 제외하고는 도 1의 공진기(1000)와 동일할 수 있다. 집중 질량부(404)는 도 1의 집중 질량부(400)와 마찬가지로, 진동빔(204)과 접촉하는 기저부(414), 기저부(414) 상에 마련되어 진동빔(204)과 이격되게 배치된 날개부(430)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 날개부(430)는 기저부(414)의 일단에서 지지부재(104)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제1 날개(431) 및 기저부(414)의 일단에서 지지부재(104)에 가까워지는 방향으로 연장된 제2 날개(432)를 포함할 수 있다. 집중 질량부(404)는 도 1의 집중 질량부(400)와는 달리, 기저부(414)와 날개부(430)를 연결하는 연결부(433)를 더 포함할 수 있다. 연결부(433)의 두께(a)는 제조 공정에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기(1005)를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 공진기(1005)는 집중 질량부(405)를 제외하고는 도 1의 공진기(1000)와 동일할 수 있다. 집중 질량부(405)는 기저부(415) 및 기저부(415) 상에 마련된 날개부(440)를 가진 복층구조를 포함할 수 있다. 날개부(440)는 기저부(415) 상에 마련되며, 이로 인해 진동빔(205)과 이격되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 날개부(440)는 기저부(415)의 일단에서 지지부재(105)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 단일한 날개 형상을 가질 수 있다.
상기 날개 형상은 제1 방향(Y축방향)으로의 길이가 2W이고, 두께는 t이며, 제1 방향(Y축방향)과 두께 방향(Z축방향)에 대해 수직인 제2 방향(X축방향)으로의 폭이 b인 직육면체 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 날개부(440)의 부피는 2At일 수 있다. 또한, 기저부(415)의 부피는 도 1의 기저부(410)의 부피와 같은 At일 수 있고, 이에 따라, 집중 질량부(405)의 총 부피는 3At일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 날개 형상의 제1 방향(Y축방향)으로의 길이는 2W보다 길 수 있고, 이에 따라 집중 질량부(405)의 총 부피는 3At보다 클 수 있다.
이와 같이, 날개부(440)가 단일한 날개 형상을 포함하고, 도 1의 제1 날개(421)보다 제1 방향으로 더 길게 연장되는 경우에는, 집중 질량부(405)에 작용하는 외력의 작용점이 지지부재(105)로부터 멀어지는 방향으로 이동하여 관성 모멘트가 증가할 수 있다. 이에 따라, 공진기(1005)의 감도가 증가할 수 있다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 공진기(1006)를 간략하게 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 공진기(1006)는 집중 질량부(406)를 제외하고는 도 1의 공진기(1000)와 동일할 수 있다. 집중 질량부(406)는 기저부(416) 및 기저부(416) 상에 마련된 날개부(450)를 가진 복층구조를 포함할 수 있다. 날개부(450)는 기저부(416) 상에 마련되며, 이로 인해 진동빔(206)과 이격되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 날개부(450)는 기저부(416)의 일단에서 지지부재(106)로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제1 날개(451) 및 기저부(416)의 일단에서 지지부재(106)에 가까워지는 방향으로 연장된 제2 날개(452)를 포함할 수 있다. 또한, 날개부(450)와 기저부(416)는 연결부(453)에 의해 연결될 수 있다.
제1 날개(451) 및 제2 날개(452)는 제1 방향(Y축방향)으로의 길이가 W이고, 두께가 t인 직육면체 형상을 가질 수 있다. 제1 날개(451) 및 제2 날개(452)의, 제1 방향(Y축방향)과 두께 방향(Z축방향)에 대해 수직인 제2 방향(X축방향)으로의 폭(c)은 기저부(416)의 제2 방향(X축방향)으로의 폭(b)보다 클 수 있다.
이와 같이, 제1 날개(451) 및 제2 날개(452)의 제2 방향(X축방향)으로의 폭(c)을 도 1의 제1 날개(421) 및 제2 날개(422)의 제2 방향(X축방향)으로의 폭(b)보다 크게 형성함으로써, 증착 두께가 증가하지 않은 상태에서 집중 질량부(406)의 질량이 도 1의 집중 질량부(400)의 질량보다 크도록 할 수 있다. 결과적으로, 공진기(1006)는 도 1의 공진기(1000)에 비해 집중 질량부(406)의 증착 두께가 두껍지 않으면서도 보다 낮은 공진주파수를 가질 수 있다.
도 8 내지 도 15는 도 1에 도시된 공진기(1000)의 제조 과정을 간략하게 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 진동빔(200) 상에 센서부(300)를 형성할 수 있다. 센서부(300)는 통상의 반도체 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토레지스트층을 이용하여 금속 등을 패터닝하여 센서부(300)를 형성할 수 있다.
도 9을 참조하면, 센서부(300) 및 진동빔(200)을 덮는 제1 포토레지스트층(10)을 형성할 수 있다. 제1 포토레지스트층(10)의 두께는 t일 수 있다.
도 10을 참조하면, 제1 포토레지스트층(10)을 패터닝하여 진동빔(200)의 일부 영역을 노출시킬 수 있다. 또한, 홀(H)은 도 1의 기저부(410)와 진동빔(200)이 접촉하는 형상을 가질 수 있다. 기저부(410)와 진동빔(200)이 접촉하는 면(EA)의 면적은 A일 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 포토레지스트층(10) 및 홀(H)을 덮도록 금속층(ML)을 형성할 수 있다. 금속층(ML)의 두께는 t일 수 있다.
도 12를 참조하면, 금속층(ML) 상에 제2 포토레지스트층(20)을 형성할 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2 포토레지스트층(20)을 패터닝하여 금속층(ML)의 일부가 노출되도록 할 수 있다.
도 14를 참조하면, 노출된 금속층(ML)을 패터닝하여 날개부(420)의 형상을 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속층(ML)의 일부를 에칭함으로써 금속층(ML)을 패터닝할 수 있다.
도 15를 참조하면, 도 14의 제1 포토레지스트층(10) 및 제2 포토레지스트층(20)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토레지스트층(10) 및 제2 포토레지스트층(20)은 에싱(ashing)하여 제거할 수 있다. 제1 포토레지스트층(10) 및 제2 포토레지스트층(20)이 제거되고, 진동빔(200) 상에 남겨진 금속층(ML)의 형상은 집중 질량부(400)가 될 수 있다.
도 16 내지 도 23은 도 5의 공진기(1004)의 제조 과정을 순서에 따라 간략하게 나타낸 순서도이다.
도 16를 참조하면, 진동빔(204) 상에 센서부(304)를 형성할 수 있다. 센서부(304)는 통상의 반도체 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토레지스트층을 이용하여 금속 등을 패터닝하여 센서부(304)를 형성할 수 있다.
도 17를 참조하면, 센서부(304) 및 진동빔(204)을 덮는 제1 포토레지스트층(14)을 형성할 수 있다. 제1 포토레지스트층(14)의 두께는 t'일 수 있다. 제1 포토레지스트층(14)의 두께(t')는 도 9의 제1 포토레지스트층(10)의 두께(t)보다 두꺼울 수 있다.
도 18을 참조하면, 제1 포토레지스트층(14)을 패터닝하여 진동빔(204)의 일부 영역을 노출시키는 홀(H)을 형성할 수 있다. 또한, 홀(H)은 도 5의 기저부(414)와 진동빔(204)이 접촉하는 형상을 가질 수 있다. 기저부(414)와 진동빔(204)이 접촉하는 면(EA)의 면적은 A일 수 있다.
도 19을 참조하면, 제1 포토레지스트층(14) 및 홀(H)을 덮도록 금속층(ML)을 형성할 수 있다. 금속층(ML)의 두께(t)는 도 11의 금속층(ML)의 두께(t)와 동일할 수 있다.
도 20를 참조하면, 금속층(ML) 상에 제2 포토레지스트층(24)을 형성할 수 있다.
도 21를 참조하면, 제2 포토레지스트층(24)을 패터닝하여 금속층(ML)의 일부가 노출되도록 할 수 있다.
도 22을 참조하면, 노출된 금속층(ML)을 패터닝하여 날개부(430)의 형상을형성할 수 있다. 예를 들어, 금속층(ML)의 일부를 에칭함으로써 금속층(ML)을 패터닝할 수 있다.
도 23을 참조하면, 도 22의 제1 포토레지스트층(14) 및 제2 포토레지스트층(24)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토레지스트층(14) 및 제2 포토레지스트층(24)은 에싱(ashing)하여 제거할 수 있다. 제1 포토레지스트층(14) 및 제2 포토레지스트층(24)이 제거되고, 진동빔(204) 상에 남겨진 금속층(ML)의 형상은 집중 질량부(404)가 될 수 있다.
도 16 내지 도 23의 과정에서, 제1 포토레지스트층(14)의 두께(t')를 도 9의 제1 포토레지스트층(10)의 두께(t)보다 두껍게 형성함으로써, 집중 질량부(404)는 연결부(433)를 더 포함할 수 있다.
도 24는 복수 개의 공진기를 포함하는 공진기 시스템(2000)을 간략하게 도시한 것이다.
도 24를 참조하면, 공진기 시스템(2000)은 제1 공진기(2100), 제1 공진기(2100)와 다른 공진 주파수를 갖는 제2 공진기(2200)를 포함하는 복수 개의 공진기 및 제1 공진기(2100)와 제2 공진기(2200)를 포함하는 복수 개의 공진기로부터 감지된 신호를 처리하는 프로세서(2600)를 포함할 수 있다. 제1 공진기(2100) 및 제2 공진기(2200)를 포함하는 복수 개의 공진기의 각각의 일단은 모두 지지부재(2700)에 고정될 수 있다.
제1 공진기(2100)는 제1 진동빔(2110), 제1 진동빔(2110)의 움직임을 감지하는 제1 센서부(2120) 및 제1 진동빔(2110)과 접촉하는 제1 기저부(2131)와 제1 기저부(2131) 상에 제1 진동빔(2110)과 이격되게 배치된 제1 날개부(2132)를 포함하는 제1 집중 질량부(2130)를 포함할 수 있다.
제2 공진기(2200)는 제2 진동빔(2210), 제2 진동빔(2210)의 움직임을 감지하는 제2 센서부(2220) 및 제2 진동빔(2210)과 접촉하는 제2 기저부(2231)와 제2 기저부(2231) 상에 제2 진동빔(2210)과 이격되게 배치된 제2 날개부(2232)를 포함하는 제2 집중 질량부(2230)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 날개부(2132)는 제1 기저부(2131)의 일단에서 제1 기저부(2131)로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 날개 형상을 포함하고, 제2 날개부(2232)는 제2 기저부(2231)의 일단에서 제2 기저부(2231)로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 날개 형상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 날개부(2132)와 제1 기저부(2131)의 두께(t1)는 동일할 수 있다. 제2 날개부(2232)와 제2 기저부의(2131) 두께(t2)는 동일할 수 있다. 이 때, 제1 집중 질량부(2130) 및 제2 집중 질량부(2230)가 동일한 공정을 통해 제조될 경우, 제1 날개부(2132) 및 제1 기저부(2131)의 두께(t1)와 제2 날개부(2232) 및 제2 기저부의(2131)의 두께(t2)는 동일할 수 있다.
한편, 제1 날개부(2231)와 제2 날개부(2232)의 형상은 도 1, 5, 6 및 7에 도시된 날개부(400, 404, 405, 406)의 형상 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 제1 날개부(2231)와 제2 날개부(2232)의 형상은 다양할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 공진기(2100)와 제2 공진기(2200)의 공진 주파수는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 진동빔(2110)과 제2 진동빔(2210)의 길이가 상이함에 따라, 제1 공진기(2100)와 제2 공진기(2200)의 공진 주파수가 상이할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 집중 질량부(2130)와 제2 집중 질량부(2230)의 질량이 상이함에 따라, 제1 공진기(2100)와 제2 공진기(2200)의 공진 주파수가 상이할 수 있다.
상이한 공진 주파수를 갖는 복수 개의 공진기 각각에는 동일한 물리적 외력이 가해질 수 있다. 예를 들어, 여러 가지 주파수의 음파들의 조합인 사운드가 복수 개의 공진기에 가해질 경우, 각각의 공진기는 자신의 공진 주파수에 해당하는 음파를 감지할 수 있다. 프로세서(2700)는 복수 개의 공진기 각각이 감지한 음파에 의해 각각의 공진기에 발생한 전압의 세기를 종합적으로 처리하여 사운드의 특성을 분석할 수 있다.
상술한 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시에 따른 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 14: 제1 패시베이션층
20, 24: 제2 패시베이션층
100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 2700: 지지부재
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 2110, 2210: 진동빔
300, 301, 302, 303, 304, 305, 306: 센서부
400, 401, 402, 403, 404, 405, 406: 집중 질량부
420, 430, 440, 450: 날개부
410, 414, 415, 416: 기저부
421, 431, 451: 제1 날개
422, 432, 452: 제2 날개
433, 453: 연결부
1000, 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006: 공진기
2000: 공진기 시스템
2100: 제1 공진기
2200: 제2 공진기
2600: 프로세서
20, 24: 제2 패시베이션층
100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 2700: 지지부재
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 2110, 2210: 진동빔
300, 301, 302, 303, 304, 305, 306: 센서부
400, 401, 402, 403, 404, 405, 406: 집중 질량부
420, 430, 440, 450: 날개부
410, 414, 415, 416: 기저부
421, 431, 451: 제1 날개
422, 432, 452: 제2 날개
433, 453: 연결부
1000, 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006: 공진기
2000: 공진기 시스템
2100: 제1 공진기
2200: 제2 공진기
2600: 프로세서
Claims (20)
- 외부 신호에 반응하여 진동하는 것으로, 일단이 지지부재에 고정되고, 제1 방향으로 연장되는 진동빔;
상기 진동빔 상에 마련되어, 상기 진동빔의 움직임을 감지하는 센서부; 및
상기 진동빔 상에 마련되며, 상기 진동빔과 접촉하는 기저부 및 상기 기저부 상에 상기 진동빔과 이격되게 배치된 날개부를 포함하는 집중 질량부; 를 포함하고,
상기 날개부는 상기 집중 질량부가 복층 구조가 되도록 상기 기저부 상에 적층되는, 공진기. - 제1 항에 있어서,
상기 기저부가 상기 진동빔과 접촉하는 단면적과
상기 집중 질량부가 상기 진동빔에 접촉하는 단면적은 A로 동일한, 공진기. - 제2 항에 있어서,
상기 날개부와 상기 기저부의 두께는 t로 동일한, 공진기. - 제3 항에 있어서,
상기 날개부는
상기 집중 질량부 전체의 부피가 At 보다 크도록, 크기와 형상이 정해진, 공진기. - 제4 항에 있어서,
상기 집중 질량부는 상기 기저부와 상기 날개부를 연결하는 연결부를 더 포함하는, 공진기. - 제4 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 기저부의 일단에서 상기 지지부재로부터 멀어지는 방향으로 연장된 제1 날개를 포함하는, 공진기. - 제6 항에 있어서,
상기 제1 날개의 상기 제1 방향으로의 길이는 상기 기저부의 상기 제1 방향으로의 길이보다 긴 공진기. - 제6 항에 있어서,
상기 날개부는 상기 기저부의 다른 일단에서 상기 지지부재에 가까워지는 방향으로 연장된 제2 날개를 더 포함하는 공진기. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 날개 및 제2 날개의 상기 제1 방향으로의 길이는 동일하고,
상기 제1 날개 및 제2 날개의, 상기 제1 방향과 상기 두께의 방향에 대해 수직인 제2 방향으로의 폭은 상기 기저부의 상기 제2 방향으로의 폭과 동일한 공진기. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 날개 및 제2 날개의, 상기 제1 방향과 상기 두께의 방향에 대해 수직인 제2 방향으로의 폭은 상기 기저부의 상기 제2 방향으로의 폭보다 큰 공진기. - 제1 항에 있어서,
상기 센서부는 압전 물질을 포함하는, 공진기. - 제1 진동빔, 상기 제1 진동빔의 움직임을 감지하는 제1 센서부 및 상기 제1 진동빔과 접촉하는 제1 기저부와 상기 제1 기저부 상에 상기 제1 진동빔과 이격되게 배치된 제1 날개부를 포함하는 제1 집중 질량부를 포함하는 제1 공진기;
제2 진동빔, 상기 제2 진동빔의 움직임을 감지하는 제2 센서부 및 상기 제2 진동빔과 접촉하는 제2 기저부와 상기 제2 기저부 상에 상기 제2 진동빔과 이격되게 배치된 제2 날개부를 포함하는 제2 집중 질량부를 포함하며 상기 제1 공진기와 다른 공진 주파수를 갖는 제2 공진기; 및
상기 제1 공진기 및 제2 공진기로부터 감지된 신호를 처리하는 프로세서; 를 포함하는, 공진기 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 진동빔의 길이와 상기 제2 진동빔의 길이는 상이한 공진기 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 집중 질량부의 질량은 제2 집중 질량부의 질량과 상이한 공진기 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 날개부는 상기 제1 기저부의 일단에서 상기 제1 기저부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 제1 날개 형상을 포함하고,
상기 제2 날개부는 상기 제2 기저부의 일단에서 상기 제2 기저부로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 제2 날개 형상을 포함하는 공진기 시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 날개부와 상기 제1 기저부의 두께는 t1으로 동일하고,
상기 제2 날개부와 상기 제2 기저부의 두께는 t2로 동일한 공진기 시스템. - 일단을 지지부재에 고정하고 상기 일단과 멀어지는 방향으로 타단이 연장되도록 진동빔을 형성하는 단계;
상기 진동빔 상에 상기 진동빔의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계; 및
상기 진동빔과 접촉하는 기저부 및 상기 기저부 상에 마련되어 상기 진동빔과 이격되게 배치된 날개부를 포함하는 집중 질량부를 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 집중 질량부를 형성하는 단계에서,
상기 날개부는 상기 집중 질량부가 복층 구조가 되도록 상기 기저부 상에 적층되는, 공진기 제조 방법. - 제17 항에 있어서,
상기 날개부와 상기 기저부의 두께는 동일한, 공진기 제조 방법. - 제17 항에 있어서,
상기 집중 질량부를 형성하는 단계는
상기 센서부 및 상기 진동빔을 덮는 제1 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 제1 포토레지스트층을 패터닝하여 상기 진동빔의 일부 영역을 노출시키고, 상기 기저부와 상기 진동빔이 접촉하는 형상을 가지는 홀을 형성하는 단계;
상기 제1 포토레지스트층 및 상기 홀을 덮도록 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 제1 포토레지스트층 상의 금속층을 상기 날개부의 형상으로 패터닝하는 단계; 를 포함하는 공진기 제조 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 제1 포토레지스트층의 두께는 상기 기저부의 두께 이상인 공진기 제조 방법.
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