KR100885668B1 - 전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자 - Google Patents

전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자 Download PDF

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    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]

Abstract

본 발명은 중심으로부터 방사상으로 형성되며, 상호 전기적으로 절연되며 교대로 형성되어 상호 맞물림 구조를 갖는 복수의 (+) 전극 및 복수의 (-) 전극을 포함하는 전자소자용 전극 구조물 및 이를 이용한 전자 소자에 관한 것이다. 이에 따라, (+)전극과 (-)전극이 방사상으로 교대로 형성된 맞물림 전극 구조물을 형성하여 전자 소자에 채용함으로써, 상부 및 하부에 각각 다른 전극을 갖는 일반적인 전자 소자에 비해 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 원형 또는 다각형 맞물림 전극 구조물을 중심을 기준으로 구동되거나 측정되는 장치에 채용함으로써, 성능 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 원형 또는 다각형 맞물림 전극 구조물을 음향센서, 압력센서, 마이크로 스피커, 바이오센서, 가속도 센서 등에 사용함으로써, 구조 및 동작을 단순화시킬 수 있다.
맞물림 전극(Inter digitate electrode), 원형, 다각형, 압전, 멤스(MEMS), 센서, 엑츄에이터

Description

전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자{Inter digitate electrode for electronic device and Electronic device using inter digitate electrode}
도 1은 종래 기술에 따른 전자 소자의 개략적 구조를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 종래 전자 소자에 사용되는 맞물림 전극(IDE: Inter digitated Electrode)의 평면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 Ⅲ-Ⅲ'선에 다른 측단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물에 따른 전기장 분포를 나타내는 도면이다.
도 5a는 본 실시 예에 따른 원형 맞물림 전극 구조물에 의해 기판에 미치는 압축과 팽창 압력을 나타내는 단면도이며, 도 5b는 도 5a에 따른 압축과 팽창 압력의 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원형 맞물림 전극 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 Ⅵ-Ⅵ'선에 따른 측단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물의 다른 실시 예들을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 실시 예에 따른 맞물림 전극 구조물을 이용한 센서/구동기(액츄에이터)가 모두 채용된 일체형 전자소자를 나타내는 측단면도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**
30, 60: 맞물림 전극 32, 62: (+) 전극
33, 63: (-)전극 64: 접지
80: 기판 81: 압전 물질층
82, 84: (+) 전극 83, 85: (-) 전극
본 발명은 전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 대칭적인 구조인 원형 또는 다각형의 맞물림 전극 중 하나를 이용하는전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자에 관한 것이다.
일반적으로 전자 소자는 센서, 엑츄에이터, 및 MEMS용 소자 등을 포함한다. 센서는 다양한 물리량을 검출하고 계측하는 기능을 갖는 소자로, 압전 물질을 포함하는 압전형 센서 등을 포함하며, 예를 들면, 음향 센서, 압전형 음향센서, 압력 센서 등이 있다. 엑츄에이터는 에너지를 이용하여 기계적인 일을 수행하는 소자로, 압전형 엑츄에이터 등을 포함한다. MEMS(micro electro mechanical system) 소자는 마이크로 전자 시스템에 이용되는 소자로, MEMS형 음향센서, MEMS형 엑츄에이터, MEMS형 스피커 등을 포함한다. 이들 전자 소자에는 정전 용량 또는 에너지 등을 변환하기 위한 전극이 형성된다.
이하에서는 종래의 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 전자 소자용 전극 구조를 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전자 소자의 개략적 구조를 나타내는 측단면도이다. 일반적으로, 종래 기술에 따른 전자 소자(1)는 압전층(13) 상부 및 하부에 각각 장착된 전극(12, 14)을 포함한다. 도 1은 일반적인 전자 소자의 측단면도로, 기판(10) 상에는 산화막(11), 하부 전극(12), 압전층(PZT; 13), 상부 전극(14) 및 산화막(15)이 형성된다. 하부 전극(12) 및 상부 전극(14)의 일단부에는 이들 전극과 각각 연결된 금속(16)이 형성된다. 상기 전자 소자에서 기판(11)은 벌크 실리콘(bulk Si)을 이용하고, 산화막(11, 15)은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘, 또는 산화 아연 등으로 형성된다. 하부 전극 및 상부 전극(12, 14)은 Ti/Pt, 알루미늄, 백금, 텅스텐, 탄탈륨 등으로 형성하며, 본 실시 예에서 상기 금속(16)은 알루미늄 으로 형성한다.
그러나, 전술한 구조를 갖는 전자 소자(1)의 경우, 압전층(13)의 상부 및 하부에 각각 전극(12, 14)을 형성해야 하므로, 공정이 복잡하다는 단점이 있으며, 특히, 압전층(13)을 이용한 센서 또는 엑츄에이터에서는 탄성 방향과 전극방향이 90도 틀어져 있는 형태이기 때문에, 압전 계수가 더 적은 값을 갖게 되므로, 상기 구조를 센서에 이용하는 경우에는 민감도가 떨어지고, 엑츄에이터에 이용하는 경우에는 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 보완하고자 제안된 방법으로는 맞물림 전극을 이용하는 기술이 사용되고 있다. 도 2는 종래 전자 소자에 사용되는 맞물림 전극(IDE: Inter digitated Electrode)의 평면도이다. 설명의 편의상 MEMS 소자를 이루는 다른 구성 요소들에 대한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 맞물림 전극(20)은 (+) 전극(21)/(-) 전극(22)이 반복적으로 상호 맞물려 있는 직선형 맞물림 전극 구조이다. 직선형 맞물림 전극은 MEMS 소자 중 캔틸레버형 센서 또는 액츄에이터에 사용되어 캔틸레버를 구동하거나 압력에 의해서 변형이 된 캔틸레버에서 전압을 발생시켜 센서에 이용하는 전극 구조로, 당업자에게 널리 알려져 있는 기술이다. 이와 같은 직선형 맞물린 전극은 전자 소자에서 전극으로 다양하게 사용되는 것으로, 예를 들면, 콤브 드라이버(Comb driver) 또는 평면형 어쿼스틱 센서(Acoustic sensor)에서 맞물림 전극으로 사용하거나, 직선형 압전 구조체에서 전극의 표면을 높여 민감도나 구동력을 높이기 위해 센서나 엑츄에이터에 사용하거나, 바이오 센서나 가스센서에서 전극 접촉 면적을 증가시키기 위해 사용된다. 상기 맞물림 전극 구조는 한 면에 양쪽 전극을 모두 가지므로, 제작이 용이하다.
그러나 상기 맞물림 전극 구조는 사각형이나 캔틸레버형 등 직선형 및 빗살 모양의 소자에는 효과적이지만, 중심을 가지는 대칭형 구조(예를 들면, 대칭적인 진동판, 구동판 등)에는 설치가 용이하지 않아 적합하지 않으며 효율 역시 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 방사상으로 형성되며 상호 교대로 형성된 (+)전극 및 (-)전극을 포함하는 전자소자용 맞물림 전극 구조물 및 이를 이용한 전자소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 (+) 및 (-) 전극을 포함하는 원형 또는 다각형 맞물림 전극(circular and polygonal type inter digitated electrode) 구조물 및 이를 이용한 전자 소자를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 전자소자용 전극 구조물은 중심으로부터 방사상으로 형성되며, 상호 전기적으로 절연되며 교대로 형성되어 상호 맞물림 구조를 갖는 복수의 (+) 전극 및 복수의 (-) 전극을 포함한다.
바람직하게, 상기 (+) 전극 및 상기 (-) 전극은 대칭을 이루는 원형 또 다각형 맞물림 구조이다. 본 전자 소자용 전극 구조물은 상기 (+) 전극 및 상기 (-) 전극과 전기적으로 절연되며 상기 (+) 전극 및 (-) 전극 중 어느 하나와 교대로 형성되는 접지(ground: G)를 더 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 본 센서는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 전자 소자용 전극 구조물과 압전 물질을 이용하여 제작된다. 바람직하게, 상기 압전 물질은 PMN-PT, PZT 및 ZnO를 포함한다. 상기 전자소자는 압력센서, 음향 센서 및 초음파 센서를 포함하는 센서소자; MEMS 엑츄에이터, MEMS 센서를 포함하는 MEMS 소자; 전원을 발생시키는 전원 발생 소자; 및 구동 소자를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 첨부된 도면은 상호 맞물림 전극 구조물을 위주로 개시하고 있으므로 전자 소자의 다른 구성요소들에 대한 설명은 생략한다.
도 3a는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 Ⅲ-Ⅲ'선에 다른 측단면도이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 대칭형 맞물림 전극 구조물(30)은 중심을 기준으로 방사상으로 대칭 구조를 갖는 원형 맞물림 전극(circular inter digitated electrode)으로, 전자 소자를 구성하는 기판의 적어도 일면에 형성되며 (+) 전극(32)과 (-) 전극(33)이 맞물려 교차하는 구조이다. 본 실시 예에서는 원형 맞물림 전극 구조물(circular inter digitated electrode)을 개시하고 있지만, 중심을 기준으로 다양한 형태의 맞물림 전극 구조물, 예를 들면, 사각형, 육각형, 팔각형 등 방사상으로 형성되며, 중심에서 대칭을 이루는 다각형 맞물림 전극 구조물(polygonal inter digitated electrode)을 제조할 수 있다.
전자 소자의 일면에 (+), (-) 전극(32, 33)이 상호 교대로 형성된 상기 전극 구조물(30)을 채용하면, 전자(전기) 소자의 역할을 충분히 수행할 수 있다. 일반적으로 전자 소자는 센서, 엑츄에이터, MEMS용 소자, 구동소자, 및 전원 발생 소자 등을 포함한다. 센서는 다양한 물리량을 검출하고 계측하는 기능을 갖는 소자로, 압전 물질(예를 들면, PMN-PT(Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3-PbTiO3), PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3), ZnO)을 포함하는 압전형 센서 등을 포함하며, 예를 들면, 음향 센서, 압전형 음향센서, 압력 센서 등이 있다. 엑츄에이터는 에너지를 이용하여 기계적인 일을 수행하는 소자로, 압전형 엑츄에이터 등을 포함한다. MEMS(micro electro mechanical system) 소자는 마이크로 전자 시스템에 이용되는 소자로, MEMS형 음향센서, MEMS형 엑츄에이터, MEMS형 스피커 등을 포함한다.
예를 들어, 상기 대칭형 맞물림 전극 구조물(30)을 음향센서에 장착하는 경우에는, 직선형 맞물림 전극 구조물에 비해 민감도가 향상된다. 즉, 음향센서는 음압에 의해 진동판 중심부를 기준으로 변형이 일어나며, 이를 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 수행하기 때문에 중심부를 기준으로 대칭적인 구조를 갖는 원형 및 다각형 맞물림 전극 구조물(30)을 장착하는 것이 더욱 효율적이다. 또한, 전술한 원 형 맞물림 전극 구조물(30)의 (+), (-)전극(32, 33) 부분에 각각 전압(+,-)을 인가하면서 음향센서를 구동시키는 경우에는, 원형 맞물림 전극 구조물(30) 자체가 스피커 역할을 수행할 수 있어, 동일 전압에 대해 상대적으로 음압의 크기가 큰 스피커를 제작할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물에 따른 전기장 분포를 나타내는 도면으로, 구체적으로, 도 3b에 개시된 원형 맞물림 전극 구조물의 단면에서의 전기장 분포를 나타낸 것이다. 도면에 개시된 바에 따르면, (+)전극(32) 및 (-)전극(33)에 (+,-) 전압이 인가되면 각 전극(32, 33)의 하부 영역에 전기장이 분포되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 압력 센서 또는 음향 센서에 원형 맞물림 전극 구조물을 장착하는 경우에는, 상면에서 진동으로 인한 압력이 가해지면 대칭형(원형) 맞물림 전극 구조물에서 전압이 유도되어 민감도가 향상되는 센서로 이용할 수 있다.
도 5a는 본 실시 예에 따른 원형 맞물림 전극 구조물에 의해 기판에 미치는 압축과 팽창 압력을 나타내는 단면도이며, 도 5b는 도 5a에 따른 압축과 팽창 압력의 평면도이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 원형 맞물림 전극 구조물이 장착된 기판, 예를 들면, 원형 판 상에서 균일한 압력(uniform load)을 받는다면 원형 판의 상부 영역의 중심 영역에서는 압축(C)이 일어나고 둘레 영역에서는 팽창(T)이 일어난다. 반면, 원형 판의 하부 영역의 중심 영역에서는 팽창(T)이 일어나고 둘 레 영역에서는 압축(C)이 일어난다. 이에 따라, 도 3에 개시된 바와 같이, (+) 전극 및 (-) 전극이 교대로 형성된 원형 맞물림 전극 구조물을 제조하는 경우에는, 원판의 둘레 영역에서는 압축, 즉, (+) 전압이 형성되지만, 내부 영역에서는 팽창, 즉, (-) 전압이 유도되어 상쇄 현상이 일어날 수 있다. 이에 따라, 최근에는 원형 또는 다각형 맞물림 전극 구조물을 이용하면서, (+) 전압 및 (-) 전압이 상쇄되지 않는 맞물림 전극 구조물 역시 개발되고 있다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원형 맞물림 전극 구조물을 나타내는 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 Ⅵ-Ⅵ'선에 따른 측단면도이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 원형 맞물림 전극 구조물(60)은 중심을 기준으로 대칭적인 구조를 갖는 원형 맞물림 전극(circular inter digitated electrode) 구조물로, (+) 전극(62), (-) 전극(63) 및 접지(ground)(64)가 상호 교대로 형성되어 있는 구조이다. 구체적으로, 본 실시 예에서의 맞물림 전극 구조물(60)은 중심 내부는 접지(64)와 (-) 전극(63)이 교대로 형성되어 있으며, 외부는 접지(64)와 (+) 전극(62)이 상호 교대로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 맞물림 원형 전극 구조물(60)을 (+)전극(62), (-) 전극(63), 접지(64)로 구성하는 경우에는, 압축과 팽창의 경계를 기준으로 내부에서는 접지와 (-)전압이, 외부에서는 접지와 (+)전압이 유도되기 때문에, 이들(+, -) 전압 차를 이용하여 민감도 및 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물의 다른 실시 예들을 나타내는 도면이다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 본 발명에 따른 대칭형 맞물림 전극 구조물은 그 형태가 원형에 국한되지 않고, 8각형, 4각형, 6각형 등 중심을 기준으로 방사상으로 형성된 대칭 가능한 일반 다각형 형태에 모두 적용될 수 있다.
이상, 전술한 원형 및 다각형 맞물림 전극 구조물은 중심을 기준으로 진동하거나 구동되는 구조체에 더욱 효율적으로 사용할 수 있으므로, 상기 전극 구조물은 어떠한 전자소자(센서, 엑츄에이터, MEMS 소자 등)에도 용이하게 사용될 수 있다. 특히 본 발명에서는 압전 재료를 이용한 센서에 대한 예를 통하여 본 특허에서 제안한 전극구조가 더욱 효과적임을 나타내고 있으며, 이와 함께, 바이오센서 또는 어쿼스틱 센서(Acoustic sensor), 빗살무늬 구동기 등에서도 중심을 기준으로 구동되거나 측정되는 시스템에서는 적용할 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 실시 예에 따른 맞물림 전극 구조물을 이용한 센서/구동기(액츄에이터)가 모두 채용된 일체형 전자소자를 나타내는 측단면도이다. 도 8을 참조하면, 기판(80) 상에 형성된 압전 물질층(81)의 하부 및 상부에 각각 (+)전극(82, 84) 및 (-) 전극(83, 85)이 쌍을 이루는 맞물림 전극 구조물이 형성되어 있다. 도면에 개시된 바와 같이, 압전 물질층(81)의 상면 및 하면에 각각 맞물림 전극 구조물을 위치시키는 경우에는 집적도가 높은 일체형 구동기/센서로 사용할 수 있다. 이때, 압전 물질층(81)의 일면에 형성된 맞물림 전극 구조물은 구동기로 사용할 수 있고, 다른 일면에 형성된 맞물림 전극 구조물은 센서로 사용할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상적인 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상 전술에 따르면, (+)전극과 (-)전극이 방사상으로 교대로 형성된 맞물림 전극 구조물을 형성하여 전자 소자에 채용함으로써, 상부 및 하부에 각각 다른 전극을 갖는 일반적인 전자 소자에 비해 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 원형 또는 다각형 맞물림 전극 구조물을 중심을 기준으로 구동되거나 측정되는 장치에 채용함으로써, 성능 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 원형 또는 다각형 맞물림 전극 구조물을 음향센서, 압력센서, 마이크로 스피커, 바이오센서, 가속도 센서 등에 사용함으로써, 구조 및 동작을 단순화시킬 수 있다. 또한, 상기 맞물림 전극 구조물을 압전 물질층의 상부 및 하부에 각각 배치하여, 일측은 센서로 다른 일측은 구동기(엑츄에이터)로 사용할 수 있어, 장치의 집적도를 높일 수 있다.

Claims (6)

  1. 중심으로부터 대칭을 이루며 원형 또는 다각형으로 형성되고, 상호 전기적으로 절연되도록 교대로 형성되는 상호 맞물림 구조를 갖는 복수의 (+) 전극 및 복수의 (-) 전극과,
    상기 복수의 (+)전극 및 상기 복수의 (-)전극 중 어느 하나와 교대로 형성되는 접지(ground:G)를 포함하는 전자소자용 전극 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항의 전자 소자용 전극 구조물과 압전물질을 이용하여 제작된 전자 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전물질은 PMN-PT, PZT 및 ZnO를 포함하는 전자 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전자소자는 압력센서, 음향 센서 및 초음파 센서를 포함하는 센서소자; MEMS 엑츄에이터, MEMS 센서를 포함하는 MEMS 소자; 전원을 발생시키는 전원 발생 소자; 및 구동 소자를 포함하는 전자 소자.
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