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WO2017200219A1 - 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 - Google Patents

피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2017200219A1
WO2017200219A1 PCT/KR2017/004346 KR2017004346W WO2017200219A1 WO 2017200219 A1 WO2017200219 A1 WO 2017200219A1 KR 2017004346 W KR2017004346 W KR 2017004346W WO 2017200219 A1 WO2017200219 A1 WO 2017200219A1
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WO
WIPO (PCT)
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film
diaphragm
piezoelectric element
center
lower electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2017/004346
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English (en)
French (fr)
Inventor
이제형
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sost Co ltd
Original Assignee
Sost Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sost Co ltd filed Critical Sost Co ltd
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
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    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • H04R1/2815—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements of the bass reflex type
    • H04R1/2823—Vents, i.e. ports, e.g. shape thereof or tuning thereof with damping material
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R2307/023—Diaphragms comprising ceramic-like materials, e.g. pure ceramic, glass, boride, nitride, carbide, mica and carbon materials

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS microphone and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a piezo MEMS microphone and a method of manufacturing the same having improved signal-to-noise ratio (SNR).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the microphone is a device that converts an acoustic signal into an electrical signal, and is used in a sound device, a communication device, or a medical device.
  • various devices incorporating microphones are miniaturized, microminiaturization of microphones is required.
  • MEMS microphones are being actively developed.
  • MEMS microphones are very popular in terms of performance and production efficiency because they can be miniaturized and the separate production process between parts can be combined.
  • MEMS microphone is manufactured by applying semiconductor processing technology using surface mount technology (SMT) and electromechanical system (MEMS) technology.
  • SMT surface mount technology
  • MEMS electromechanical system
  • SMT' surface mounting technology
  • 'SMT' refers to a technology for contacting a substrate and a lead of an electronic component included in MEMS microphones.
  • Korean Patent No. 10-1496192 discloses a MEMS microphone provided with a piezo diaphragm
  • FIG. 1 illustrates a structure of a MEMS microphone provided with a conventional piezo diaphragm.
  • a conventional patent includes a lid coupled to a substrate to form an inner space; A transducer coupled to an upper portion of the substrate and disposed in the inner space and converting external sound introduced through the acoustic through hole into an electrical signal; And a semiconductor chip coupled to an upper portion of the substrate and electrically connected to the transducer, the semiconductor chip amplifying the electrical signal to convert the converted electrical signal into an analog or digital electrical signal, the vibration plate being disposed inside the transducer.
  • the piezo piezoelectric element
  • the piezoelectric diaphragm is characterized in that the vent hole is formed.
  • the conventional patent relates to a MEMS microphone element for forming a vent hole in a piezoelectric element, and by forming the diaphragm itself as a piezoelectric element, the conversion efficiency of converting vibration generated by sound pressure into an electrical signal is reduced, There was a problem that the signal-to-noise ratio (SNR) falls by placing the vent hole.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • Piezo MEMS microphone and its manufacturing method according to the present invention has the following problems.
  • the present invention is to provide a piezo MEMS microphone and a method of manufacturing the piezoelectric element that can improve the signal-to-noise ratio (SNR) by placing a piezoelectric element around the outer periphery of the diaphragm, unlike the prior art.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the present invention is to provide a method for manufacturing a piezo MEMS microphone, which is easy to manufacture and can lower the unit cost, and has improved signal-to-noise ratio (SNR) and performance.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the first feature of the present invention to solve the above problems is a piezo memes microphone, the substrate having an acoustic chamber formed in the lower center; A vibration plate formed at an upper portion and having at least one vent hole formed at a central portion thereof; A ring-shaped lower electrode formed around an edge of the diaphragm; A ring-shaped piezoelectric element formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the piezoelectric element.
  • the vent hole is formed to be open in the upper direction, symmetrically arranged in the center.
  • the diaphragm may be at least one of a nitride film, an oxide film, and a polysilicon film including silicon (Si), and the piezoelectric element and the lower electrode have a ring shape having the same center, and the piezoelectric element. It is preferable that the ring-shaped diameter of is equal to or larger than the ring-shaped diameter of the lower electrode, and the acoustic chamber is preferably a structure in which the diameter becomes wider toward the lower side.
  • the second aspect of the present invention provides a method of manufacturing a piezomes microphone, comprising: (a) stacking an insulating film, a diaphragm, a lower electrode film, a piezoelectric element film, and an upper electrode film on a substrate in order; (b) removing circular films each having a predetermined diameter in order from the same center of the upper electrode film, the piezoelectric element film, and the lower electrode film; (c) forming at least one vent hole in the center of the diaphragm corresponding to the position where the circular membrane is removed; And (d) forming a sound chamber by etching a portion from the lower surface of the center of the substrate to the insulating layer so that the vent hole is included.
  • the step (b) may include removing and opening a circular film having a first diameter at a center of the upper electrode film; Removing and opening the same central circular film having a second diameter smaller than the first diameter in the piezoelectric element film; And removing and opening the same central circular film having a third diameter smaller than the second diameter in the lower electrode film.
  • the diaphragm may be formed of at least one of a nitride film including silicon (Si), an oxide film, and a polysilicon (Poly Si) film, and in the step (d), the diaphragm may be formed by removing the diaphragm.
  • the vent hole is formed at at least one symmetrical center.
  • Piezo MEMS microphone according to the present invention and its manufacturing method has the following effects.
  • the present invention forms a piezoelectric element or piezo element in a ring shape around the diaphragm, and forms a plurality of vent holes in the center of the diaphragm, thereby reducing the noise signal and improving the signal-to-noise ratio (SNR). And a method for producing the same.
  • the present invention is to place the piezoelectric element on the outer edge of the diaphragm to make the diaphragm to vibrate elastically, and to receive the most tensile force or stress on the outer edge of the edge to increase the sensitivity of the piezoelectric element converting vibration or pressure into an electrical signal. It provides a piezo MEMS microphone and a method of manufacturing the same.
  • the present invention by forming a plurality of vent holes in the center portion of the diaphragm, through the air between the acoustic chamber and the outside of the lower space and to increase the flexibility of the vibration to increase the sensitivity of the conversion of the electrical signal due to vibration MEMS microphone and its manufacturing method are provided.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of a MEMS microphone equipped with a conventional piezoelectric diaphragm.
  • FIG. 2 is a plan view and a front view showing the structure of a piezo MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a sound pressure structure of a piezoelectric element applied to a piezomes microphone according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the process of the piezo Memes microphone manufacturing method as another embodiment of the present invention.
  • the present invention is a piezo MEMS microphone, a substrate formed with an acoustic chamber in the lower center; A vibration plate formed at an upper portion and having at least one vent hole formed at a central portion thereof; A ring-shaped lower electrode formed around an edge of the diaphragm; A ring-shaped piezoelectric element formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the piezoelectric element.
  • FIG. 2 is a plan view and a front view showing the structure of a piezo MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.
  • the piezomes microphone includes a substrate 100 having an acoustic chamber formed at a lower center thereof; A diaphragm 120 formed at an upper portion thereof and having at least one vent hole 125 formed at a central portion thereof; A ring-shaped lower electrode 130 formed around an edge of the diaphragm 120; A ring-shaped piezoelectric element 140 formed on the lower electrode 130; And an upper electrode 150 formed on the piezoelectric element 140.
  • the piezoelectric element 140 or the piezoelectric element is formed in a ring shape around the diaphragm 120, and the diaphragm 120
  • the noise signal generated by the force applied to the center of the piezoelectric element 140 is reduced, and the performance is performed by the vent holes 125 formed in the piezoelectric element 140. This reduction can be prevented to improve the signal-to-noise ratio (SNR) performance of MEMS microphones.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the insulating film 110 is formed on the substrate 100 on which the acoustic chamber is formed at the bottom of the center, and the vent hole 125 is formed at the center of the insulating film 110. It illustrates a structure in which the diaphragm 120 is formed stacked. After forming a ring-shaped lower electrode 130 surrounding the periphery of the diaphragm 120, stacking the ring-shaped piezoelectric element 140 on the lower electrode 130 again, the ring on the piezoelectric element 140 A structure in which the upper electrode 150 is formed is illustrated.
  • the substrate 100 is preferably a silicon substrate 100
  • the lower electrode 130 and the upper electrode 150 is excellent in electrical conductivity, such as Mo, Al, Ti, Au, Cu, Pt and TiN or It is preferable to use a high material, and it is preferable to have thickness about tens of nm to several micrometers.
  • the acoustic chamber formed under the substrate 100 is a space in which air for sound vibrations communicates, may be a cylindrical shape, or may be a space having various hollow shapes, such as an elliptical column or a polygonal column, and has a diameter downward. It is preferable to widen this. This is because there is a structural advantage to more widely receive the sound coming in the downward direction of the substrate 100.
  • the lower electrode 130, the upper electrode 150, and the piezoelectric element 140 are preferably in the shape of a ring. This is because the propagation direction of the sound waves is symmetrical in the sound source to increase the sensing sensitivity and the external circuit of the substrate 100. This is because there is an advantage that can be easily connected to and electrically.
  • the piezoelectric element 140 stacked on the lower electrode 130 in a ring shape the piezoelectric element 140 is disposed on the outer edge of the diaphragm 120, thereby vibrating the diaphragm 120 more flexibly. Since the outer edge of the piezoelectric element is subjected to the most tensile force or stress, it is possible to increase the sensitivity of the piezoelectric element 140 for converting vibration or pressure into an electrical signal.
  • the diaphragm 120 is a driving device that detects and drives a sound source (sound pressure), and the diaphragm 120 is driven by the sound source.
  • the diaphragm 120 is preferably formed to have a thickness of several hundreds of micrometers to several micrometers, and the material is preferably at least one of a nitride film including silicon (Si), an oxide film, and a polysilicon film. This is because it is easy to manufacture, the flexibility and elasticity is higher than the generally used diaphragm 120 of the metal material to increase the sensitivity of the microphone, as well as excellent durability.
  • vent hole 125 in the center of the diaphragm 120 as a through hole.
  • piezoelectric or piezoelectric MEMS microphones do not require the vent hole 125 because there is no sacrificial layer. However, when there is no vent hole 125, the back volume is not formed. There was a problem falling.
  • a plurality of vent holes 125 in the central portion of the diaphragm 120 By forming the through, the air chamber and the outside air through the lower space and the vibration flexibility can be increased to increase the conversion sensitivity of the electrical signal due to vibration.
  • vent hole 125 when the vent hole 125 is not present, since the flow of sound is hardly generated, the sensitivity is lowered at the low range (20 to 50 Hz), and thus the diaphragm is opened upward to improve the low frequency characteristics. It is preferable to form at least one vent hole 125 in the central portion of the 120.
  • vent hole 125 formed in the diaphragm 120 is applied in the embodiment of the present invention is preferably disposed in a symmetrical position from the center. This is to increase the sensitivity by uniformly vibrating against the sound pressure and to reduce the noise generated by the uneven air flow.
  • the structure of the vent hole 125 may be a structure of the upper and lower narrow is formed in the upper portion is wide, the lower portion is narrow, the upper portion may have a narrow upper and lower light structure is formed narrowly, the upper portion of course, the inlet and outlet portion It is also possible to have a structure wider than the body to smooth air flow (not shown).
  • an oxide film or a nitride film as the insulating film 110 between the diaphragm 120 and the substrate 100. This is to block the insulation of the silicon substrate 100 and the leakage current of the diaphragm 120.
  • the oxide film may be made of SiO x
  • the nitride film may be made of SiN x
  • the oxide film may be formed on the substrate 100, and the nitride film may be formed again.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a sound pressure structure of the piezoelectric element 140 applied to the piezomes microphone according to the embodiment of the present invention.
  • the piezomes microphone according to the exemplary embodiment of the present invention exemplifies a structure in which the piezomes memes microphone is in surface contact with the diaphragm 120 in a ring shape around the edge of the diaphragm.
  • the diaphragm 120 receives the most stress or tensile force when vibrating up and down by sound pressure. This is the edge and the least stressed or tensioned portion is the central portion. Therefore, in the disk-shaped piezoelectric element 140, the voltage due to vibration is the smallest in the center and this part acts as a noise component, so there is a problem that the overall signal-to-noise ratio (SNR) performance is lowered.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the disk-shaped diaphragm 120 made of silicon or polysilicon having high elasticity and durability is formed on the acoustic chamber, and receives the most stress and tensile force.
  • a ring-shaped piezoelectric element 140 around the edge of the diaphragm 120, it is possible to obtain an effect of improving the overall signal-to-noise ratio (SNR) by taking only a high voltage signal.
  • the vibration elasticity and durability are increased while reducing noise to increase the sensitivity of the signal. It is possible to provide a piezo MEMS microphone structure with excellent performance.
  • Figure 4 is a schematic diagram showing the process of the piezo Memes microphone manufacturing method as another embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a piezomes microphone according to an exemplary embodiment of the present invention includes: (a) an insulating film 110, a diaphragm 120, a lower electrode 130 film, and a piezoelectric element on the substrate 100.
  • the insulating film 110, the diaphragm 120, the lower electrode 130 film, the piezoelectric element 140 film, and the upper electrode 150 film are sequentially stacked on the silicon substrate 100.
  • the lower electrode 130 film and the upper electrode 150 film are preferably formed by sputtering, LPCVD, or PECVD, and are preferably deposited at a thickness of several hundred micrometers to several micrometers.
  • the lamination of the diaphragm 120 made of silicon (Si) or polysilicon (Poly Si) may be easily performed by LPCVD or PECVD.
  • step (b) each step of removing the circular film having a predetermined diameter in the same center of the upper electrode 150 film, the piezoelectric element 140 film, and the lower electrode 130 film in order, respectively,
  • a circular film each having a predetermined diameter is removed by a method of patterning or etching.
  • a circular film having a first diameter at the center of the upper electrode 150 film is removed by etching or the like, and a second diameter smaller than the first diameter is opened in the piezoelectric element 140 film.
  • the upper portion of the vent hole 125 may be opened by removing and opening a circular film having the same center, and opening and removing the circular film having the same diameter having a third diameter smaller than the second diameter from the lower electrode 130 film. Can be.
  • each circular film to be removed is preferably enlarged in an upward direction, to smooth the flow of external air, to form vibration by sound pressure, and to improve the performance of the microphone converting into an electrical signal by vibration. to be.
  • the vent hole 125 formed in the diaphragm 120 forms a plurality of through-holes symmetrically with respect to the center point through the etching, to form a structure for opening the vent hole 125,
  • step (d) a portion of the lower surface of the substrate 100 is etched to form an acoustic chamber.
  • the piezoelectric element and the lower electrode formed through the above-described manufacturing method have a ring shape having the same center, and the ring shape diameter of the piezoelectric element is preferably equal to or larger than the ring shape diameter of the lower electrode.
  • a ring-shaped piezoelectric element 140 is formed around the edge of the diaphragm 120, between the upper portion of the diaphragm 120 and the acoustic chamber of the lower diaphragm 120
  • SNR signal-to-noise ratio

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Abstract

본 발명은 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판; 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판; 상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극; 하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및 압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함한다. 이와 같은 본 발명은, 종래의 기술과 달리 압전소자를 진동판의 외곽 둘레에 배치하여 신호대잡음비(SNR)를 향상시키고, 제조가 용이하고 단가를 낮출 수 있으며, 신호대잡음비(SNR) 및 성능이 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법
본 발명은 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호대잡음비(SNR)가 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마이크로폰은 음향 신호를 전기신호로 변환하는 장치로써, 음향기기, 통신기기 또는 의료기기 등에 내장되어 사용되고 있다. 마이크로폰이 내장되는 다양한 기기들이 소형화되어 감에 따라 마이크로폰의 초소형화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 멤스 마이크로폰의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
멤스 마이크로폰은 초소형화가 가능하고 부품 간의 분리된 생산공정을 일괄화할 수 있어 성능과 생산효율에 있어서 크게 각광을 받고 있다. 멤스 마이크로폰은 표면실장기술(SMT: Surface Mount Technology)과 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 이용한 반도체 가공기술 등을 적용하여 제작된다. 표면실장기술(이하, 'SMT' 라 함)은 기판과 멤스 마이크로폰에 포함되는 전자부품의 리드 간을 접하는 기술을 말한다. 이러한 SMT 공정을 거쳐 트랜스듀서, 반도체칩 등의 전자부품을 기판상에 실장함으로써, 멤스 마이크로폰의 제조 간소화 및 소형화를 이룰 수 있다.
종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1496192호에서 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰을 개시하고 있고, 도 1에서 종래의 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 특허는 기판과 결합되어 내부 공간을 형성하는 덮개; 기판의 상부에 결합되고 상기 내부 공간에 배치되며, 음향통과공을 통해 유입된 외부 음향을 전기신호로 변환하는 트랜스듀서; 및 기판의 상부에 결합되고 상기 트랜스듀서와 전기적으로 연결되어, 변환된 전기신호를 아날로그 또는 디지털 전기신호로 변환할 수 있도록 전기신호를 증폭하는 반도체칩을 포함하며, 상기 트랜스듀서 내부에 배치되는 진동판은 피에조(압전소자)로 이루어지며, 피에조 진동판에는 벤트홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
그러나 종래의 등록특허는 압전소자에 벤트홀을 형성하는 멤스 마이크로폰 소자에 관한 것으로, 진동판 자체를 압전소자로 형성함으로써, 음압에 의해 발생하는 진동을 전기신호로 변환하는 변환효율이 떨어지고, 압전소자에 벤트홀을 위치시켜 신호대잡음비(SNR)가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 종래의 기술과 달리 압전소자를 진동판의 외곽 둘레에 배치하여 신호대잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하고 함이다.
*둘째, 본 발명은 제조방법이 용이하고 단가를 낮출 수 있으며, 신호대잡음비(SNR) 및 성능이 향상된 피에조 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, 피에조 멤스 마이크로폰으로, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판; 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판; 상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극; 하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및 압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함한다.
여기서, 상기 기판 및 진동판 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 벤트홀은 상부 방향으로 개방되고, 중심에서 대칭으로 배치되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 진동판은, 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 상기 압전소자의 링 형상 직경이 상기 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하며, 상기 음향챔버는 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 구조인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 제2 특징은, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법을, (a) 기판 상부에 절연막, 진동판, 하부전극막, 압전소자막 및 상부전극막을 차례대로 적층하는 단계; (b) 상기 상부전극막, 압전소자막 및 하부전극막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계; (c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 벤트홀이 포함되도록 기판 중심 하부면에서 상기 절연막까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (b) 단계는, 상기 상부전극막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 상기 압전소자막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 및 상기 하부전극막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 진동판은, 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 (d) 단계는, 상기 원형막이 제거되어 개방된 진동판의 중심에서 대칭인 적어도 하나의 위치에 관통홀인 벤트홀을 형성하는 단계인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 압전소자 또는 피에조 소자를 진동판의 둘레에 링 형상으로 형성하고, 진동판의 중심부에 다수개의 벤트홀(venthole)을 형성시킴으로써, 잡음신호를 줄여 신호대잡음비(SNR)가 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
둘째, 본 발명은 진동판의 외곽 테두리에 압전소자를 배치시켜 진동판이 탄력적으로 진동되게 하고, 테두리 외곽에 가장 인장력 또는 스트레스를 많이 받게 되어 진동 또는 압력을 전기적 신호로 변환하는 압전소자의 감도를 높일 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
셋째, 본 발명은 진동판의 중심 부위에 다수개의 벤트홀을 형성시킴으로써, 하부 공간의 음향챔버와 외부와의 공기를 통공시키고 보다 진동의 유연성을 높여 진동에 의한 전기적 신호의 변환 감도를 높일 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방을 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1에서 종래의 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰에 적용되는 압전소자의 음압구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 피에조 멤스 마이크로폰으로, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판; 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판; 상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극; 하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및 압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰은, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판(100); 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(125)(venthole)이 형성된 진동판(120); 상기 진동판(120)의 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극(130); 하부전극(130) 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자(140); 및 압전소자(140) 상부에 형성되는 상부전극(150)을 포함하여 구성된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 종래의 피에조(piezo) 또는 압전형 멤스 마이크로폰과 달리, 압전소자(140) 또는 피에조 소자를 진동판(120)의 둘레에 링 형상으로 형성하고, 진동판(120)의 중심부에 다수개의 벤트홀(125)(venthole)을 형성시킴으로써, 압전소자(140)의 중심부에 받는 힘에 의해 발생시키는 잡음신호를 줄이고, 압전소자(140)에 형성된 벤트홀(125)에 의해 성능이 감소하는 것을 방지하여 멤스 마이크로폰의 신호대잡음비(SNR) 성능을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판(100)에 절연막(110)을 형성하고, 절연막(110) 상부에 중심 일부에 벤트홀(125)이 형성된 진동판(120)을 적층한 구조를 예시한다. 진동판(120) 상부에 둘레를 감싸는 링 형상의 하부전극(130)을 형성하고, 하부전극(130) 상부에 다시 링 형상의 압전소자(140)를 적층한 후, 압전소자(140) 상부에 링 형상의 상부전극(150)이 형성된 구조를 예시한다.
여기서, 기판(100)은 실리콘 기판(100)을 사용한 것이 바람직하고, 하부전극(130) 및 상부전극(150)은 Mo, Al, Ti, Au, Cu, Pt 및 TiN 등의 전기전도도가 우수하거나 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 두께는 수십 nm에서 수 ㎛ 정도를 갖는 것이 바람직하다.
기판(100) 하부에 형성되는 음향챔버는 소리 진동을 위한 공기가 소통하는 공간으로, 원기둥 형상일 수도 있고, 그 밖에 타원 기둥 또는 다각 기둥 등의 다양한 중공 형상의 공간일 수 있으며, 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 것이 바람직하다. 이는 기판(100) 하부방향으로 들어오는 음향을 보다 폭넓게 수용하기 위한 구조적 장점이 있기 때문이다.
그리고, 하부전극(130), 상부전극(150), 압전소자(140)는 링 형상인 것이 바람직한데, 이는 음파의 전파 방향이 음원에서 대칭이어서 센싱감도를 높일 수 있고 기판(100)의 외부 회로와 전기적으로 용이하게 연결할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 또한, 하부전극(130) 상부에 적층 되는 압전소자(140)를 링 형상으로 형성함으로써, 압전소자(140)를 진동판(120)의 외곽 테두리에 배치하게 하여, 진동판(120)을 보다 탄력적으로 진동시킬 수 있게 하고 압전소자의 외곽 테두리에 인장력 또는 스트레스를 가장 많이 받기 때문에, 진동 또는 압력을 전기적 신호로 변환하는 압전소자(140)의 감도를 높일 수 있게 된다.
여기서 진동판(120)은 음원(음압)을 감지하여 구동하는 구동장치로서, 진동판(120)은 음원에 의해 구동하게 된다. 진동판(120)은 수백 Å 내지 수 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 재질은 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 이는 제작이 용이하고, 일반적으로 사용하는 금속재질의 진동판(120)에 비해 유연성 및 탄력성이 높아 마이크로폰의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 내구성이 뛰어나다는 장점이 있기 때문이다.
또한 진동판(120)의 중심부에는 통공으로서, 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 것이 바람직하다. 일반적으로 피에조 또는 압전방식의 멤스 마이크로폰은 희생층이 존재하지 않기 때문에 벤트홀(125)을 필요로 하지 않으나, 벤트홀(125)이 없는 경우, 백볼륨(back volume)이 형성되지 않기 때문에 감도가 떨어지는 문제가 있었다.
이에 본 발명의 실시예에서는 종래의 기술 또는 특허와 달리, 압전소자(140) 또는 피에조 소자에 벤트홀(125)을 형성시키는 것이 아니라, 진동판(120)의 중심 부위에 다수개의 벤트홀(125)을 형성시켜, 하부 공간의 음향챔버와 외부와의 공기를 통공시키고 보다 진동의 유연성을 높여 진동에 의한 전기적 신호의 변환 감도를 높일 수 있게 된다.
그리고, 벤트홀(125)이 없는 경우 소리의 흐름이 발생되기 어렵기 때문에 저역(20 ~ 50Hz)에서 감도의 저하를 가져오게 된다는 점에서, 저역 특성의 개선을 위해 상부방향으로 개방되어 있는 진동판(120)의 중심 부위에 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 것이 바람직하다.
또한 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 적용되는 진동판(120)에 형성된 벤트홀(125)은 중심에서 대칭인 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 음압에 대하여 균일하게 진동시켜 감도를 높이고 불균일한 공기 흐름으로 발생하는 노이즈를 줄이기 위함이다.
또한, 벤트홀(125)의 구조는 상부는 넓게 하부는 좁게 형성되는 상광하협의 구조도 가능하고, 상부는 좁게 하부는 넓게 형성되는 상협하광 구조를 가질 수 있음은 물론이고, 입구 및 출구부분을 몸통보다 넓게 하여 공기 흐름을 원할하게 하는 구조로 형성되는 것도 가능하다.(도시하지 않음)
그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 진동판(120)과 기판(100) 사이에는 절연막(110)으로서, 산화막 또는 질화막을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 실리콘 기판(100)의 절연 및 진동판(120)의 누설전류를 차단하기 위함이다. 여기서 산화막은 SiOx를 재질로 할 수 있고, 질화막은 SiNx를 재질로 할 수 있으며, 또한 기판(100) 상부에 산화막을 형성하고, 다시 질화막을 형성하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰에 적용되는 압전소자(140)의 음압구조의 모식도이다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰은 진동판의 테두리 둘레 부분에 링 형상으로 진동판(120)과 면 접촉하는 구조를 예시한다.
도 3의 (a)와 같이, 종래의 음향챔버 상부에 위치하는 디스크 형상의 압전소자(140)의 경우에는, 음압에 의하여 상하로 진동할 때 진동판(120)이 가장 많이 스트레스 또는 인장력을 받는 부분이 가장자리 부분이고, 가장 적게 스트레스 또는 인장력을 받는 부분이 중심 부분이다. 그러므로, 디스크 형태의 압전소자(140)에서 진동으로 인한 전압이 중심에서 가장 작게 발생하고 이 부분은 노이즈 성분으로 작용하게 되므로, 전체적인 신호대잡음비(SNR) 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.
이에 본 발명의 실시예에서는 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 음향챔버 상부에 탄력성 및 내구성이 좋은 실리콘 또는 폴리 실리콘 재질의 디스크형 진동판(120)을 형성하고, 가장 많은 스트레스 및 인장력을 받는 진동판(120)의 테두리 둘레에 링 형상의 압전소자(140)를 형성함으로써 높은 전압신호만을 취하도록 하여 전체 신호대잡음비(SNR) 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.
이처럼 진동 및 전기적 신호의 변환 부분을 효과적으로 수행할 수 있도록 진동판(120)과 링 형상의 압전소자(140)를 적층하는 구조를 취함으로써, 진동 탄력성 및 내구성은 높이는 동시에 노이즈를 줄여 신호의 감도도 높일 수 있는 우수한 성능의 피에조 멤스 마이크로폰 구조를 제공할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법은, (a) 기판(100) 상부에 절연막(110), 진동판(120), 하부전극(130)막, 압전소자(140)막 및 상부전극(150)막을 차례대로 적층하는 단계; (b) 상기 상부전극(150)막, 압전소자(140)막 및 하부전극(130)막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계; (c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판(120)의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 벤트홀(125)이 포함되도록 기판(100) 중심 하부면에서 상기 절연막(110)까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(100)에 차례대로 절연막(110), 진동판(120), 하부전극(130)막, 압전소자(140)막 및 상부전극(150)막을 적층하는 (a) 단계에서, 하부전극(130)막 및 상부전극(150)막의 형성은 sputtering 방식이나, LPCVD, PECVD 방식으로 적층 하는 것이 바람직하고, 수백 Å에서 수 ㎛의 두께로 증착하는 것이 바람직하다. 그리고, 실리콘(Si) 또는 폴리 실리콘(Poly Si)을 재질로 하는 진동판(120)의 적층은 LPCVD나 PECVD 방식을 통해 용이하게 적층하는 것이 가능하다.
그리고, (b) 단계로서, 상부전극(150)막, 압전소자(140)막 및 하부전극(130)막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계는, 각각의 형상이 중심이 개방된 링 형상의 막을 형성하기 위해, 각각 소정의 직경을 갖는 원형막을 패터닝 또는 식각(etching)의 방법으로 제거하는 단계를 의미한다.
즉, (b) 단계는, 상부전극(150)막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 에칭등을 통하여 제거하여 개방하고, 압전소자(140)막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하고, 상기 하부전극(130)막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 공정으로 벤트홀(125) 상부를 개방할 수 있다.
이처럼 각각의 제거되어야 할 원형막은 상부방향으로 갈수록 커지는 것이 바람직한데, 이는 외부의 공기의 흐름을 원활하게 하여 음압에 의한 진동을 형성하고, 진동에 의한 전기신호로 변환하는 마이크로폰의 성능을 향상시키기 위함이다.
그리고, (c) 단계에서, 진동판(120)에 형성되는 벤트홀(125)은 식각을 통해 다수개의 통공을 중심점에 대하여 대칭으로 형성하고, 벤트홀(125) 상부를 개방시키는 구조를 형성하고, (d) 단계에서, 기판(100)의 하부면 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하게 된다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상술한 제조방법을 통해 형성된 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 압전소자의 링 형상 직경이 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 통해, 진동판(120)의 테두리 둘레에 링 형상의 압전소자(140)를 형성하고, 진동판(120)의 상부 및 진동판(120) 하부의 음향챔버 사이를 벤트홀(125)을 통해 통공시켜 공기의 흐름을 원할하게 함으로써, 진동판(120)의 탄력성을 높여 감도를 높이고 신호대잡음비(SNR)를 향상시켜 성능이 우수한 피에조 멤스 마이크로폰을 제조할 수 있는 용이한 방법을 제공한다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판;
    상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판;
    상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극;
    하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및
    압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 및 진동판 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤트홀은 상부 방향으로 개방되고, 중심에서 대칭으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동판은,
    실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 상기 압전소자의 링 형상 직경이 상기 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 음향챔버는 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 구조인 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
  7. (a) 기판 상부에 절연막, 진동판, 하부전극막, 압전소자막 및 상부전극막을 차례대로 적층하는 단계;
    (b) 상기 상부전극막, 압전소자막 및 하부전극막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계;
    (c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 벤트홀이 포함되도록 기판 중심 하부면에서 상기 절연막까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 상부전극막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 제거하여 개방하는 단계;
    상기 압전소자막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 및
    상기 하부전극막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 진동판은,
    실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 원형막이 제거되어 개방된 진동판의 중심에서 대칭인 적어도 하나의 위치에 관통홀인 벤트홀을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
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