KR100242660B1

KR100242660B1 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: KR100242660B1
Application number: KR1019970055245A
Authority: KR
Inventors: 최형; 김승환; 강성우; 신형재
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 2000-02-01
Also published as: KR19990033811A

Abstract

본 발명은 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성한 초소형의 판형 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 형성된 차단층위에 구성되어 음의 바이어스전압이 인가되는 음전극들; 상기 음전극들에 각각 수직입설형성되어 있으며, 상단부에 파지편이 구비되어 있는 지지봉들; 상기 지지봉들의 상단에 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 이격되어 지지되어 있는 음파방사판; 상기 파지편과 음파방사판 사이에 연결되어 상기 음파방사판이 진동할 수 있도록 상기 음파방사판의 모서리를 파지고정하고 있는 탄성체들; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 음파방사판과의 정전력에 의해 상기 음파방사판을 진동시키는 양전극층을 포함하며, 이상과 같은 구조를 갖는 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하므로 판형구조로 초소형화할 수 있어 스피커의 박형소형화를 이룩할 수 있게 하는 첨단의 기술이다.The present invention relates to an ultra-sized plate-shaped ultrasonic transducer formed by forming a desired number of pixels on a silicon wafer at the same time in a lattice form using an ultra-precision precision processing technique. A layered silicon wafer; Negative electrodes formed on the blocking layer formed on the silicon wafer and to which a negative bias voltage is applied; Support rods each having a vertical standing shape on the negative electrodes and having a grip piece at an upper end thereof; Acoustic wave radiation plate is supported at a predetermined interval in parallel with the silicon wafer on the upper end of the support rods; Elastic bodies connected between the gripping piece and the sound wave radiation plate to hold and fix the edges of the sound wave radiation plate to vibrate the sound wave radiation plate; And a positive electrode which vibrates the sound wave radiation plate by electrostatic force with a sound wave radiation plate subjected to a negative bias voltage when the ultrasonic signal to be reproduced is applied on the blocking layer of the silicon wafer facing the sound wave radiation plate. The ultrasonic transducer of the present invention, which includes a layer and has the structure as described above, uses a microscopic precision processing technique that is already widely used and widely used in a semiconductor process, so that each pixel of the acoustic radiation plate in the form of a lattice is placed on a silicon wafer. Since it is formed all at once, it can be miniaturized into a plate-like structure, and thus it is an advanced technology that enables the miniaturization of speakers.

Description

Ultrasonic transducer

본 발명은 두 개의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 관한 것으로, 특히 초소형 정밀가공기기(MEMS; Micro Electro Mechanical System)기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성한 초소형의 판형 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic speaker for generating an audible sound using two ultrasonic waves, in particular, by using a micro electro mechanical system (MEMS) technology, each pixel of the acoustic radiation plate in the form of a lattice, silicon wafer It relates to an ultra-small plate ultrasonic transducer formed at once on the phase.

일반적으로, 널리 사용되고 있는 스피커는 마그넷트의 자기력을 이용하여 진동판을 진동시켜서 음파를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 보편적인 자기형 스피커와는 달리 최근 인간이 들을 수 없는 가청음밖의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 대한 연구가 점차 활발하게 이루어지고 있다.In general, speakers that are widely used have a structure that generates sound waves by vibrating the diaphragm using the magnetic force of the magnet. Unlike such general magnetic speakers, researches on ultrasonic speakers that generate audible sound using ultrasonic waves other than audible sound that humans cannot hear recently have been actively conducted.

이와 같이 최근 스피커 신기술로 주목받고 있는 초음파스피커는 그 개념만 입증되었을 뿐 아직 상업화되지 못하고 있는 실정이다. 그 주요한 원인 중의 하나는 소형이면서 효과적으로 초음파를 발생시킬 수 있는 트랜스듀서의 구조를 아직 개발하지 못한 데 있다고 할 수 있다.As such, the ultrasonic speaker, which is recently attracting attention as a new speaker technology, has only been proved and is not commercialized yet. One of the main reasons is that we have not yet developed a structure of a transducer that can generate an ultrasonic wave effectively and compactly.

보편적인 초음파 스피커의 구동원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 재생시키고자 하는 음악, 음성등의 신호를 신호원(10)으로 발생시킨다. 그리고, 기준이 되는 일정주파수의 초음파음을 기준초음파발생기(20)를 통하여 발생시켜 모듈레이터(30)로 보낸다. 그러면, 신호원(10)에서 나온 원신호를 기준초음파주파수만큼 주파수이동, 모듈레이션시켜 기준초음파와 함께 초음파파워앰프(40)로 입력시켜 그 파워를 증대시키게 된다. 그런다음, 이 초음파를 초음파 발생 트랜스듀서(50)에 보내 초음파를 발생시키게 된다. 이때, 발생된 초음파, 즉 기준초음파와 모듈레이션된 초음파는 공기를 투과하면서 공기의 비선형성에 의하여 두 초음파의 차이주파수성분이 발생되며, 이 음파는 가청주파수 대역에 존재하므로 인간이 들을 수 있는 원하는 가청음파가 되어 청취자에게 가청되게 된다. 도면에 도시된 초음파발생트랜스듀서(50)에서 발생되는 곡선형의 띠중 점선은 초음파를 그리고 실선의 띠는 가청음을 나타낸다.The driving principle of the universal ultrasonic speaker will be described with reference to FIG. 1. Signals such as music and voice to be reproduced are generated by the signal source 10. And, the ultrasonic sound of a constant frequency as a reference is generated through the reference ultrasonic generator 20 and sent to the modulator 30. Then, the original signal from the signal source 10 is shifted and modulated by the reference ultrasonic frequency to be input to the ultrasonic power amplifier 40 together with the reference ultrasonic wave to increase its power. Then, the ultrasonic wave is sent to the ultrasonic wave generating transducer 50 to generate the ultrasonic wave. In this case, the generated ultrasonic waves, that is, the reference ultrasonic waves and the modulated ultrasonic waves, generate the difference frequency components of the two ultrasonic waves by non-linearity of the air while passing through the air, and these sound waves exist in the audible frequency band, so that the desired audible sound waves can be heard by humans. Becomes audible to the listener. The dotted line in the curved band generated by the ultrasonic wave generating transducer 50 shown in the figure represents the ultrasonic wave and the band of the solid line represents an audible sound.

이상과 같은 원리를 갖는 초음파 스피커는 일반적인 자기형 스피커에서 반드시 필요로 하는 스피커 캐비넷이 불필요하므로 소형, 박형화가 용이하고, 지향성이 강한 초음파를 이용하므로 특정방향으로 음을 방사시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.Ultrasonic speaker having the above principle has the advantage that it is possible to radiate sound in a specific direction by using small size, easy to thin, easy to use thin directional ultrasound because the speaker cabinet which is necessary for the general magnetic speaker is unnecessary. .

이와 같은 초음파스피커에서 무엇보다도 중요한 구성요소는 초음파를 발생시키는 초음파트랜스듀서인데, 일반적으로 이 초음파트랜스듀서로는 여러 산업분야에서 널리 이용되고 있는 압전형 트랜스듀서를 사용하고 있으며, 충분한 파워를 내기 위하여 직경 1cm정도의 압전형 트랜스듀서를 다수 배열시켜 사용하고 있다. 이와 같은 방식에 있어서 충분한 음량을 얻기 위해서는 점점 더 많은 압전형 트랜스듀서 배열을 필요로 하기 때문에 초음파스피커의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 소형화가 어렵고, 다수의 트랜스듀서의 배열로 인한 제작비용이 상승하는 폐단을 낳고 있다.The most important component of the ultrasonic speaker is an ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves. In general, the ultrasonic transducer uses piezoelectric transducers that are widely used in various industries. A large number of piezoelectric transducers with a diameter of about 1 cm are used. In order to obtain sufficient volume in this manner, more and more piezoelectric transducer arrays are required, which is an obstacle to miniaturization of an ultrasonic speaker. Therefore, it is difficult to miniaturize, resulting in an increase in manufacturing cost due to the arrangement of a plurality of transducers.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 판형구조로 초소형화한 초음파 트랜스듀서를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional drawbacks, and by using the microscopic precision processing technology that is already widely used and widely used in the semiconductor process, each of the acoustic wave emitter pixels in a lattice form as many as desired. The present invention provides an ultrasonic transducer formed on a silicon wafer at once and miniaturized into a plate-like structure.

도 1은 일반적인 초음파 스피커의 전체구성도,1 is a general configuration diagram of a typical ultrasonic speaker,

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조를 나타낸 정면도 및 평면도.2 (a) and (b) is a front view and a plan view showing the structure of the ultrasonic transducer according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings

60 : 실린콘웨이퍼 61 : 차단층60: cylinder wafer 61: blocking layer

70 : 음전극 71 : 지지봉70 negative electrode 71 support rod

72 : 파지편 80 : 탄성체72: gripping piece 80: elastic body

90 : 음파방사판 100 : 양전극층90: sound wave radiation plate 100: positive electrode layer

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 형성된 차단층위에 구성되어 음의 바이어스전압이 인가되는 음전극들; 상기 음전극들에 각각 수직입설형성되어 있으며, 상단부에 파지편이 구비되어 있는 지지봉들; 상기 지지봉들의 상단에 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 이격되어 지지되어 있는 음파방사판; 상기 파지편과 음파방사판 사이에 연결되어 상기 음파방사판이 진동할 수 있도록 상기 음파방사판의 모서리를 파지고정하고 있는 탄성체들; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 음파방사판과의 정전력에 의해 상기 음파방사판을 진동시키는 양전극층을 포함한다.Ultrasonic transducer according to the present invention for achieving the above object is electrically grounded, the silicon wafer having a blocking layer formed on the upper surface; Negative electrodes formed on the blocking layer formed on the silicon wafer and to which a negative bias voltage is applied; Support rods each having a vertical standing shape on the negative electrodes and having a grip piece at an upper end thereof; Acoustic wave radiation plate is supported at a predetermined interval in parallel with the silicon wafer on the upper end of the support rods; Elastic bodies connected between the gripping piece and the sound wave radiation plate to hold and fix the edges of the sound wave radiation plate to vibrate the sound wave radiation plate; And a positive electrode which vibrates the sound wave radiation plate by electrostatic force with a sound wave radiation plate subjected to a negative bias voltage when the ultrasonic signal to be reproduced is applied on the blocking layer of the silicon wafer facing the sound wave radiation plate. Layer.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2은 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조를 나타낸 것으로, (a)는 초음파 트랜스듀서의 정면도이고, (b)는 초음파 트랜스듀서의 평면도이다.Figure 2 shows the structure of the ultrasonic transducer according to the present invention, (a) is a front view of the ultrasonic transducer, (b) is a plan view of the ultrasonic transducer.

실리콘웨이퍼(60)는 전기적으로 그라운드가 되어 있다. 이 실리콘웨이퍼(60)의 상면부에는 차단층(61)이 형성되어 있고, 그 위에 음전극(70)들이 구성되어 있다. 이 음전극(70)들에는 지지봉(71)들이 각각 수직입설형성되어 있으며, 그 지지봉(71)들의 상단부에 파지편(72)이 구성되어 탄성체(80)들로 음파방사판(90)들을 파지하고 있다. 이 탄성체(80)들은 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이 음파방사판(90)의 모서리들을 파지하고 있어 음파방사판(90)이 진동할 수 있게 하고 있다. 음파방사판(90)과 대향되는 하부에는 양전극층(100)이 실리콘웨이퍼(60)의 차단층(61)상에 형성되어 있다. 따라서, 음전극(70), 지지봉(71), 탄성체(80), 음파방사판(90)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 음파방사판(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 음파방사판(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다.The silicon wafer 60 is electrically grounded. A blocking layer 61 is formed on the upper surface of the silicon wafer 60, and negative electrodes 70 are formed thereon. Each of the negative electrodes 70 has support rods 71 vertically formed thereon, and a grip piece 72 is formed on the upper ends of the support rods 71 to hold the sound wave radiation plates 90 with the elastic bodies 80. have. The elastic bodies 80 hold the edges of the acoustic wave radiating plate 90 as shown in FIG. 2 (b) to allow the acoustic wave radiating plate 90 to vibrate. A positive electrode layer 100 is formed on the blocking layer 61 of the silicon wafer 60 at the lower portion facing the acoustic wave radiation plate 90. Therefore, a negative bias voltage is applied to the negative electrode 70, the support rod 71, the elastic body 80, and the acoustic wave radiation plate 90, and is regenerated by the positive electrode layer 100 facing away from the acoustic wave radiation plate 90. When the ultrasonic signal is applied, the positive electrode layer 100 and the acoustic wave radiating plate 90 are vibrated by attraction and repulsive force by electrostatic power according to the sign of the input AC ultrasonic signal.

위의 탄성체(80)와 음파방사판(90)은 예를 들어 알루미늄과 같은 동일재질로 제작할 수 있을 뿐아니라, 유전율이 큰 재질들로 구성하여 전하를 흐르게 하면서 음파방사판(90)보다 탄성체(80)의 탄성률을 보다 큰 재질로 하여 진동시키는 방식을 채택할 수 있다.The elastic body 80 and the acoustic wave radiation plate 90 can be made of the same material as, for example, aluminum, as well as made of a material having a high dielectric constant, while flowing electric charge, the elastic body (90) than the acoustic wave radiation plate 90 A method of vibrating may be adopted using a material having a higher elastic modulus of 80).

또한, 음파방사판(90)의 진동에 의해 생성된 초음파는 상부쪽인 외부로 뿐만아니라, 하부쪽인 내부측으로도 발생하게 되는 데, 이때 내부측으로 발생된 음파가 양전극층(100)에서 재반사되어 탄성체(80)들의 공백을 통하여 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 현상이 발생하게 된다. 본 발명은 이를 방지하기 위해서 음파방사판(90)과 탄성체(80)들의 전면적에 걸쳐 얇은 박막을 형성하고 있다. 이 박막으로는 폴리머(Polymer)계열이 적합하며, 이외에 소정의 목적을 달성할 수 있는 재질이면 무방하다.In addition, the ultrasonic wave generated by the vibration of the acoustic wave radiation plate 90 is generated not only to the outside of the upper side, but also to the inner side of the lower side. Therefore, the phenomenon of causing interference with external sound waves is caused to flow out to the outside through the space of the elastic bodies (80). In order to prevent this, the present invention forms a thin film over the entire area of the acoustic wave radiating plate 90 and the elastic body 80. As the thin film, a polymer series is suitable, and any material capable of achieving a predetermined purpose may be used.

이하부터는 본 발명의 작동에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described in detail.

음전극(70), 지지봉(71), 탄성체(80), 음파방사판(90)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 음파방사판(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 음파방사판(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다. 이때, 음파방사판(90)을 파지하는 있는 탄성체(80)들은 이점쇄선으로 도시한 바와 같이 변형을 일으키면서 음파방사판(90)이 상하로 진동하게 한다. 이 진동은 그 주변에 있는 공기입자들을 진동시켜 초음파를 발생시킨다. 본 초음파 트랜스듀서는 각 음파방사판(90) 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼(60)상에 초소형정밀가공기술을 이용하여 한꺼번에 제작하여 충분한 초음파 방사출력을 얻도록 하고 있다. 이와 같은 각 음파방사판(90) 픽셀의 크기는 마이크로미터단위로 제작되며, 하나의 칩내에 수십만개의 픽셀이 모두 동일한 위상으로 진동하도록 전극이 병렬로 연결된다. 위와 같이 하여 방사된 초음파는 대기중을 따라 전파하면서 비선형성에 의하여 가청음으로 변환되어 인간이 들을 수 있게 된다.A negative bias voltage is applied to the negative electrode 70, the support rod 71, the elastic body 80, and the acoustic wave radiation plate 90, and the negative electrode layer 100 facing the acoustic wave radiation plate 90 is to be regenerated. When the ultrasonic signal is applied, the positive electrode layer 100 and the acoustic radiation plate 90 are vibrated by the attraction force and repulsive force by electrostatic power according to the sign of the input AC ultrasonic signal. At this time, the elastic body 80 holding the sound wave radiation plate 90 causes the sound wave radiation plate 90 to vibrate up and down while causing deformation as shown by the double-dot chain line. This vibration vibrates the air particles around it to generate ultrasonic waves. The ultrasonic transducer is fabricated on the silicon wafer 60 at once by using the micro-machining technology on the silicon wafer 60 as many as the desired number of pixels of the acoustic radiation plate 90 in a lattice form to obtain sufficient ultrasonic radiation output. The size of each of the acoustic wave 90 pixels is micrometers, the electrodes are connected in parallel so that hundreds of thousands of pixels in one chip all vibrate in the same phase. Ultrasonic waves emitted as described above are propagated along the air and converted into audible sound by nonlinearity, so that humans can hear them.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 판형구조로 초소형화할 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 초소형의 박형전자제품에 적용이 가능하며, 제조공정이 간단용이하여 생산비를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.As described above, the ultrasonic transducer of the present invention is formed in a plate-like structure by forming the desired number of acoustic radiation plate pixels in a lattice form on a silicon wafer at a time by using a microscopic precision processing technique that is widely used in semiconductor processing. There is an advantage that can be miniaturized. Therefore, it can be applied to ultra-thin thin electronic products, and the manufacturing process is simple and has an effect of reducing the production cost.

Claims

A silicon wafer that is electrically grounded and has a blocking layer formed on an upper surface thereof;

Negative electrodes formed on the blocking layer formed on the silicon wafer and to which a negative bias voltage is applied;

Support rods each having a vertical standing shape on the negative electrodes and having a grip piece at an upper end thereof;

Acoustic wave radiation plate which is spaced apart by a predetermined interval in parallel with the silicon wafer on the top of the support rods;

Elastic bodies connected between the gripping piece and the sound wave radiation plate to hold and fix the edges of the sound wave radiation plate to vibrate the sound wave radiation plate; And

A positive electrode layer vibrating the sound wave radiation plate by electrostatic force with the sound wave radiation plate subjected to a negative bias voltage when the ultrasonic signal to be reproduced is applied on the blocking layer of the silicon wafer facing the sound wave radiation plate. Ultrasonic transducer comprising a.

The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the elastic body and the acoustic wave radiation plate are made of the same material as aluminum.

The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the elastic body and the acoustic wave radiation plate are made of materials having a high dielectric constant to allow electric charges to flow, and the ultrasonic transducer is configured to vibrate by making the elasticity of the elastic body larger than that of the acoustic wave radiation plate. .

According to claim 1, wherein the ultrasonic wave inside the radiation radiated by the vibration of the acoustic wave radiation plate is reflected back from the positive electrode layer to leak out to the outside through the voids of the elastic bodies to suppress the interference with the external sound waves Ultrasonic transducers, characterized in that and the elastic body to form a thin film over the entire area.

The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein a polymer series is used as the thin film.