KR101561661B1 - 진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 압전형 마이크로 스피커는, 캐비티를 가진 기판과, 캐비티를 덮도록 기판 상에 형성되며 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 진동막을 가진 다이어프램을 포함한다. 다이어프램의 진동막 상에는 진동막을 진동시키는 압전 구동부가 형성되고, 캐비티 내에는 진동막의 중심부에 부착된 질량체가 배치된다. 질량체는 기둥 형상을 가질 수 있으며, 그 무게 중심은 캐비티의 중심선 상에 위치할 수 있다.

Description

진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법{Piezoelectric micro speaker having weight attached to vibrating membrane and method of manufacturing the same}
압전형 마이크로 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
개인 음성 통신 및 데이터 통신을 위한 단말기의 급속한 발전에 따라 주고 받을 수 있는 데이터의 양은 지속적으로 증가하고 있는데도 불구하고 단말기는 소형화 및 다기능화가 기본적인 추세가 되고 있다.
이러한 추세에 부응하여, 최근 들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 음향 기기(acoustic device) 관련 연구가 진행되어 왔다. 특히, MEMS 기술 및 반도체 기술을 이용한 마이크로 스피커의 제작은 일괄 공정에 따라 소형화, 저가화 등을 가능하게 하고 주변 회로와의 집적이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
이와 같은 MEMS 기술을 이용한 마이크로 스피커는 정전형(electrostatic type)과, 전자기형(electromagnetic type)과, 압전형(piezoelectric type)이 주류 를 이루고 있다. 특히, 압전형 마이크로 스피커는 정전형에 비해 낮은 전압으로 구동이 가능하며 전자기형에 비해 구조가 단순하고 슬림화에 유리한 장점을 지니고 있다.
진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커와 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 스피커는,
두께 방향으로 관통된 캐비티를 가진 기판; 상기 캐비티를 덮도록 상기 기판상에 형성되는 것으로, 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 진동막을 포함하는 다이어프램; 상기 진동막 상에 형성되어 상기 진동막을 진동시키는 압전 구동부; 및 상기 캐비티 내에 배치되며 상기 진동막의 중심부에 부착된 질량체;를 포함한다.
상기 질량체는 기둥 형상을 가지며, 그 무게 중심은 상기 캐비티의 중심선 상에 위치할 수 있다. 그리고, 상기 질량체는 상기 기판과 동일한 물질로 이루어지며, 그 길이는 상기 기판의 두께와 같거나 보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 질량체는 원기둥 형상을 가지며, 그 직경은 50㎛ ~ 1000㎛일 수 있다.
상기 압전 구동부는 상기 진동막 상에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 다이어프램 상에는 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선이 형성되고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에는 전극패드가 마련될 수 있다.
상기 다이어프램의 진동막은, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성된 제1진동막과, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 압전 구동부는 상기 제1진동막 상에 형성되고, 상기 질량체는 상기 제1진동막의 중심부에 부착될 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질. 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 따른 마이크로 스피커의 제조 방법은,
기판의 일측 표면 상에 진동막을 포함하는 다이어프램을 형성하는 단계; 상기 진동막의 상면에 상기 진동막을 진동시키는 압전 구동부를 형성하는 단계; 상기 기판의 타측 표면을 상기 진동막이 노출될 때까지 식각하여, 상기 기판을 두께 방향으로 관통하는 캐비티와, 상기 캐비티 내에 배치되며 상기 진동막의 중심부에 부착된 질량체를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 질량체는 무게 중심이 상기 캐비티의 중심선 상에 위치하는 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 질량체는 상기 기판과 동일한 물질로 형성되며, 그 길이는 상기 기판의 두께와 같거나 보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 질량체는 원기둥 형상으로 형성되며, 그 직경은 50㎛ ~ 1000㎛일 수 있다.
상기 압전 구동부는 상기 진동막 상에 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다.
상기 압전 구동부의 형성 단계에서, 상기 다이어프램 상에 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선을 형성하고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에 전극패드를 형성할 수 있다.
상기 다이어프램을 형성하는 단계에서, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 제1진동막을 형성하면서, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 상기 제1진동막을 둘러싸는 트렌치를 형성하고, 상기 압전 구동부를 형성하는 단계 후에, 상기 트렌치 내에 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 형성할 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커에 의하면, 진동막의 중심부에 질량체가 부착되므로, 진동막의 전체 질량이 증가하게 된다. 이에 따라, 진동막의 공진 주파수가 낮아지게 되며 저주파 대역에서의 음압이 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 아래에 예시된 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충 분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커를 도시한 평면도이고, 도 2a는 도 1에 표시된 S1-S2선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이며, 도 2b는 도 1에 표시된 S3-S4선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 함께 참조하면, 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커는, 캐비티(112)를 가진 기판(110)과, 상기 캐비티(112)를 덮도록 상기 기판(110) 상에 형성된 다이어프램(120)과, 상기 다이어프램(120) 상에 형성된 압전 구동부(piezoelectric actuator, 130)와, 상기 캐비티(112) 내에 배치된 질량체(weight, 140)를 포함한다.
구체적으로, 상기 기판(110)으로는 미세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 상기 캐비티(112)는 상기 기판(110)의 소정 영역을 두께 방향으로 관통하도록 형성될 수 있으며, 예컨대 원통 형상으로 형성될 수 있다.
상기 다이어프램(120)은 상기 기판(110)의 일측 표면에 소정 두께로 형성될 수 있다. 상기 다이어프램(120)은 상기 캐비티(112)에 대응하는 영역에 형성된 진동막(121)을 포함한다. 즉, 상기 다이어프램(120) 중 상기 캐비티(112)를 덮는 부분은 진동막(121)으로서의 역할을 하게 되는 것이다. 상기 다이어프램(120)은 실리 콘 질화물과 같은 절연 물질, 예컨대 Si3N4로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 상기 진동막(121)도 이와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 압전 구동부(130)는 상기 진동막(121)을 진동시키는 역할을 하는 것으로, 상기 진동막(121) 상에 순차 적층된 제1전극층(132), 압전층(134) 및 제2전극층(136)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극층(132)과 제2전극층(136)은 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전층(134)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO 또는 PZT로 이루어질 수 있다.
상기 다이어프램(120) 상에는 상기 압전 구동부(130)의 제1전극층(132)에 연결되는 제1리드선(132a)과 제2전극층(136)에 연결되는 제2리드선(136a)이 형성될 수 있다. 상기 제1리드선(132a)과 제2리드선(136a)은 상기 압전 구동부(130)의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제1리드선(132a)의 단부에는 제1전극패드(132b)가 마련되고, 제2리드선(136a)의 단부에는 제2전극패드(136b)가 마련될 수 있다.
상기 질량체(140)는 상기 캐비티(112) 내에 배치되며, 상기 진동막(121)의 저면 중심부에 부착된다. 상기 질량체(140)는 다양한 형상, 예컨대 기둥 형상을 가질 수 있으며, 그 무게 중심이 상기 캐비티(112)의 중심선(C) 상에 위치할 수 있다. 예컨대, 상기 질량체(140)는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 상기 질량체(140)는 상기 기판(110)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 그 길이는 상기 기판(110)의 두께와 같거나 보다 짧을 수 있다. 예컨대, 상기 기판(110)의 두께는 대략 500㎛일 수 있으며, 이 경우 상기 질량체(140)의 길이는 대략 250㎛ ~ 500㎛ 정도일 수 있다.
상기 질량체(140)는 압전 구동부(130)의 변형에 의한 진동 변위가 가장 큰 진동막(121)의 중심부에 부착되어, 진동막(121)의 전체 질량을 증가시키는 역할을 하게 된다. 이에 따라, 진동막(121)의 공진 주파수가 낮아지게 되며 저주파 대역에서의 음압이 향상될 수 있다. 그리고, 상기 질량체(140)의 직경을 작게 하면, 예컨대 직경을 50㎛ ~ 1000㎛ 정도로 하면, 질량체(140)와 진동막(121)의 접촉 면적이 작아지게 된다. 따라서, 상기 질량체(140)가 압전 구동부(130)의 변형에 거의 영향을 끼치지 않아 진동막(121)의 진동이 방해 받지 않게 된다. 따라서, 상기 질량체(140)로 인한 음향 출력 감소를 최소화할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 도 5a와 도 5b를 참조하면서 다시 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 도시한 평면도이고, 도 4a는 도 3에 표시된 S1-S2선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이며, 도 4b는 도 3에 표시된 S3-S4선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 함께 참조하면, 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 캐비티(212)를 덮도록 기판(210) 상에 형성된 다이어프램(220)은 상기 캐비티(212)에 대응하는 영역에 형성된 진동막(221, 222)을 가지는데, 상기 진동막(221, 222)은 서로 다른 물질로 이루어진 제1진동막(221)과 제2진동막(222)을 포함한다. 그리고, 상기 제1진동막(221) 상에 압전 구동부(230)가 형 성되고, 상기 제1진동막(221)의 중심부 저면에 질량체(240)가 부착된다.
구체적으로, 상기 다이어프램(220)은 상기 기판(210)의 일측 표면에 소정 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1진동막(221)은 상기 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 상기 다이어프램(220)의 제1영역(A1)에 형성되고, 상기 제2진동막(222)은 상기 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 상기 다이어프램(220)의 제2영역(A2)에 형성된다. 즉, 상기 제2진동막(222)은 상기 제1진동막(221)의 바깥쪽에서 상기 제1진동막(221)을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 제2진동막(222)은 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221) 사이에 배치되어 이들을 서로 연결함으로써, 제1진동막(221)과 그 위에 형성되는 압전 구동부(230)를 기판(210)에 대해 지지하는 역할을 하게 된다. 한편, 상기 제2진동막(222)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(230) 상면과 제2영역(A2) 바깥쪽의 다이어프램(220) 상면까지 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 후술하는 제1전극패드(232b)와 제2전극패드(236b)를 외부로 노출시키기 위해 상기 제2진동막(222)에는 개구(228)가 형성될 수 있다.
상기 제1진동막(221)과 제2진동막(2220은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2진동막(222)은 제1진동막(221)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1진동막(221)은 대략 50GPa ~ 500GPa 정도의 탄성계수를 가진 물질, 예컨대 전술한 바와 같이 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 제2진동막(222)은 대략 100MPa ~ 5GPa 정도의 탄성계수를 가진 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 압전 구동부(230)는 상기 제1진동막(221) 상에 순차 적층된 제1전극층(232), 압전층(234) 및 제2전극층(236)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극층(232)과 제2전극층(236)은 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전층(234)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO 또는 PZT로 이루어질 수 있다.
상기 다이어프램(220) 상에는 상기 압전 구동부(230)의 제1전극층(232)에 연결되는 제1리드선(232a)과 제2전극층(236)에 연결되는 제2리드선(236a)이 형성될 수 있다. 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)은 상기 압전 구동부(230)의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제1리드선(232a)의 단부에는 제1전극패드(232b)가 마련되고, 제2리드선(236a)의 단부에는 제2전극패드(236b)가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제2영역(A2)에는 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)을 지지하는 지지부(226)가 형성될 수 있다. 상기 지지부(226)는 상기 제1진동막(221)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제2영역(A2)을 가로질러 제1진동막(221)과 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)을 연결하도록 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제2진동막(222)이 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221)을 연결하게 되지만, 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)이 형성된 부분에 한해서는 상기 지지부(226)가 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221)을 연결하게 된다.
상기 질량체(240)는 상기 캐비티(212) 내에 배치되며, 상기 제1진동막(221)의 저면 중심부에 부착된다. 상기 질량체(240)는 도 1 내지 도 2b에 도시된 질량체(140)와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다.
상기한 바와 같이, 도 3 내지 도 4b에 도시된 실시예에서도, 제1진동막(221)의 중심부 저면에 질량체(240)가 부착되므로, 도 1 내지 도 2b에 도시된 실시예에서와 같은 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 다이어프램(220)의 제2영역(A2)에 상대적으로 낮은 탄성계수를 가진 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(222)이 배치됨으로써, 전체 다이어프램(220)의 구조적 강성이 낮아지고 그 변형량도 증가할 수 있어서, 음향 출력이 향상될 수 있다.
도 5a는 도 3에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서 질량체의 질량 증가에 따른 공진 주파수의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 3에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서 질량체의 직경에 따른 주파수 1KHz에서의 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 질량체의 질량이 증가하게 되면 공진 주파수가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 공진 주파수가 낮아지면 공진 주파수보다 낮은 저주파 대역에서의 음압이 증가하게 된다. 그리고, 도 5b를 참조하면, 공진 주파수가 1KHz 이상일 때, 질량체의 직경이 대략 1000㎛ 이상일 경우에는, 질량체의 직경이 증가할수록 1KHz에서의 음압이 점차 감소함을 알 수 있다. 그러나, 질량체의 직경이 대략 1000㎛ 이하일 경우에는, 질량체가 없는 경우에 비해 1KHz에서의 음압이 높다는 것을 알 수 있다. 한편, 질량체의 직경이 너무 작아지게 되면, 예컨대 50㎛ 보다 작아지게 되면, 질량체의 질량도 너무 작아지게 되므로, 공진 주파수의 감소 효과도 낮아질 수 있다. 따라서, 위 시뮬레이션 결과로 볼 때, 질량체의 직경은 대 략 50㎛ ~ 1000㎛가 적당하다는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커의 제조 방법을 단계별로 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6c는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다. 이하의 도면들은 도 1에 표시된 S3-S4선을 따른 단면도들이다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 기판(110)을 준비하는데, 상기 기판(110)으로는 미세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 이어서, 상기 기판(110)의 일측 표면상에 다이어프램(120)을 소정 두께로 형성한다. 구체적으로, 상기 다이어프램(120)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 실리콘 질화물(SixNy)과 같은 절연물질, 예컨대 Si3N4를 기판(110)의 일측 표면상에 0.5 ~ 3㎛ 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 상기 다이어프램(120) 중 후술하는 도 6c에 도시된 단계에서 형성될 캐비티(112)를 덮는 부분은 진동막(121)으로서의 역할을 하게 된다.
다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 다이어프램(120)의 진동막(121) 상에 압전 구동부(130)를 형성한다. 상기 압전 구동부(130)는 상기 진동막(121) 상에 제1전극층(132), 압전층(134) 및 제2전극층(136)을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1전극층(132)은 도전성 금속 물질, 예컨대 Cr, Au, Mo, Cu, Al, Ti 또는 Pt 등을 스퍼터링(sputtering)이나 이배포레이 션(evaporation)을 이용하여 상기 진동막(121) 상에 0.1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께로 증착한 후, 식각에 의해 소정의 형상으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1전극층(132)은 단층 또는 다층의 금속막으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1전극층(132)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제1전극층(132)에 연결되는 제1리드선(132a)과 상기 제1리드선(132a)의 단부에 연결되는 제1전극패드(132b)를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 압전층(134)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO, PZT, PbTiO3 또는 PLT 등을 스퍼터링 또는 스핀 코팅 방법을 사용하여 제1전극층(132) 위에 0.1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 압전층(134)은 상기 제1전극층(132)과 후술하는 제2전극층(136) 사이의 절연을 위하여 상기 제1전극층(132)을 덮도록 제1전극층(132)보다 약간 넓게 형성될 수 있다. 상기 제2전극층(136)은 상기한 제1전극층(132)의 형성 방법과 동일한 방법으로 상기 압전층(134) 위에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2전극층(136)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제2전극층(136)에 연결되는 제2리드선(136a)과 상기 제2리드선(136a)의 단부에 연결되는 제2전극패드(136b)를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 제2리드선(136a)은 상기 압전 구동부(130)의 중심을 기준으로 상기 제1리드선(132a)의 반대쪽에 배치될 수 있다.
다음으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 타측 표면을 상기 진동막(121)이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판(110)을 두께 방향으로 관통하는 캐비티(112)를 형성한다. 이 때, 상기 캐비티(112)의 중심부에 해당하는 부분은 식각 마스크를 사용하여 식각되지 않도록 한다. 그러면, 상기 진동막(121)의 저면 중심부에 부착된 기둥 형상의 질량체(140)가 상기 캐비티(112) 내에 잔존된다. 이와 같이 형성되는 질량체(140)는 기판(110)과 동일한 물질로 이루어지게 되고, 상기 기판(110)의 두께와 동일한 길이, 예컨대 대략 500㎛ 정도의 길이를 가지게 된다. 그리고, 상기 질량체(140)는 원기둥 형상을 가질 수 있으며, 그 무게 중심이 캐비티(112)의 중심선(C) 상에 위치할 수 있다.
한편, 상기 질량체(140)는 상기 기판(110)의 두께보다 작은 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 도 7a 및 7b에는 도 6c에 도시된 질량체(140)의 길이를 기판(110)의 두께보다 짧게 형성하는 방법이 도시되어 있다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 저면 중 캐비티(112)가 형성될 부분을 제외한 부분에 제1 식각 마스크(M1)를 형성한 다음, 기판(110)을 식각하여 캐비티(112)를 소정 깊이만큼 형성한다.
이어서, 상기 캐비티(112)의 저면 중 질량체(140)가 형성될 부분에 제2 식각 마스크(M2)를 형성한 다음, 진동막(121)이 노출될 때까지 기판(110)을 다시 식각한다. 그러면, 캐비티(112)의 내부에 기판(110)의 두께보다 작은 길이, 예컨대 대략 250㎛ 정도의 길이를 가진 질량체(140)가 형성될 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 도 3에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다. 이하의 도면들은 도 3에 표시된 S1-S4선을 따른 단면도들이다.
먼저, 도 8a를 참조하면, 기판(210)으로서 예컨대, 미세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼를 준비한다. 이어서, 상기 기판(210)의 일측 표면상에 다이어프 램(220)을 소정 두께로 형성한다. 상기 다이어프램(220)의 구체적 형성 방법은 도 6a에 도시된 다이어프램(120)의 형성 방법과 동일하다.
다음으로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 다이어프램(220)을 식각하여 후술하는 도 8e의 단계에서 형성될 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 트렌치(224)를 형성한다. 그러면, 상기 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에는 상기 트렌치(224)에 의해 둘러싸인 제1진동막(221)이 정의된다. 이 때, 상기 제2영역(A2) 중 후술하는 도 8c의 단계에서 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)이 형성될 부위에는 트렌치(224)가 형성되지 않고 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)을 지지하는 지지부(226)가 잔존할 수 있다.
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 상기 제1진동막(221) 상에 압전 구동부(230)를 형성한다. 상기 압전 구동부(230)는 상기 제1진동막(221) 상에 제1전극층(232), 압전층(234) 및 제2전극층(236)을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다. 상기 압전 구동부(230)의 구체적 형성 방법은 도 6b에 도시된 압전 구동부(130)의 형성 방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 반복을 피하기 위해 생략한다.
그리고, 상기 제1전극층(232)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(220) 상에 상기 제1전극층(232)에 연결되는 제1리드선(232a)과 상기 제1리드선(232a)의 단부에 연결되는 제1전극패드(232b)를 형성할 수 있으며, 상기 제2전극층(236)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(220) 상에 상기 제2전극층(236)에 연결되는 제2리드선(236a)과 상기 제2리드선(236a)의 단부에 연결되는 제2전극패드(236b)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)은 상기한 바와 같이 지 지부(226)의 표면상에 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8d를 참조하면, 상기 압전 구동부(230)를 형성한 후에, 상기 트렌치(224) 내에 상기 제1진동막(221)과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막(222)을 형성한다. 상기 제2진동막(222)은 제1진동막(221)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1진동막(221)은 예컨대 전술한 바와 같이 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 제2진동막(222)은 예컨대 0.5 ~ 10㎛ 두께로 증착된 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제2진동막(222)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(230) 상면과 제2영역(A2) 바깥쪽의 상기 다이어프램(220) 상면까지 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1전극패드(232b)와 제2전극패드(236b)를 외부로 노출시키기 위해 상기 제2진동막(222)에는 개구(228)가 형성될 수 있다.
다음으로, 도 8e에 도시된 바와 같이, 상기 기판(210)의 타측 표면을 상기 제1진동막(221)과 제2진동막(222)이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판(210)을 두께 방향으로 관통하는 캐비티(212)를 형성한다. 이 때, 상기 캐비티(212)의 중심부에 해당하는 부분은 식각 마스크를 사용하여 식각되지 않도록 한다. 그러면, 상기 제1진동막(221)의 저면 중심부에 부착된 기둥 형상의 질량체(240)가 상기 캐비티(212) 내에 잔존된다.
상기 질량체(240)는 도 6c에 도시된 질량체(140)와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다. 또한, 상기 질량체(240)는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 기판(210)의 두께보다 작은 길이를 가지도록 형성될 수도 있다.
이에 따라, 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 제1진동막(221)이 배치되고, 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(222)이 배치되며, 상기 제1진동막(221)의 저면 중심부에 질량체(240)가 부착된 구조를 가진 압전형 마이크로 스피커가 완성된다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커를 도시한 평면도이다.
도 2a는 도 1에 표시된 S1-S2선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이고, 도 2b는 도 1에 표시된 S3-S4선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 도시한 평면도이다.
도 4a는 도 3에 표시된 S1-S2선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이고, 도 4b는 도 3에 표시된 S3-S4선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 5a는 도 3에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서 질량체의 질량 증가에 따른 공진 주파수의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5b는 도 3에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서 질량체의 직경에 따른 주파수 1KHz에서의 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 및 7b는 도 6c에 도시된 질량체의 길이를 기판의 두께보다 짧게 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 3에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,210...기판 112,212...캐비티
120,220...다이어프램 121...진동막
221...제1진동막 222...제2진동막
130,230...압전 구동부 132,232...제1전극층
132a,232a...제1리드선 132b,232b...제1전극패드
132,234...압전층 136,236...제2전극층
136a,236a...제2리드선 136b,236b...제2전극패드
140,240...질량체

Claims (20)

  1. 두께 방향으로 관통된 캐비티를 가진 기판;
    상기 캐비티를 덮도록 상기 기판상에 형성되는 것으로, 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 진동막을 포함하는 다이어프램;
    상기 진동막 상에 형성되어 상기 진동막을 진동시키는 압전 구동부; 및
    상기 캐비티 내에 배치되며 상기 진동막의 중심부에 부착된 질량체;를 구비하며,
    상기 다이어프램의 상기 진동막은, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성된 제1진동막과, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 포함하며,
    상기 압전 구동부는 상기 제1진동막 상에 형성되고, 상기 질량체는 상기 제1진동막의 중심부에 부착된 마이크로 스피커.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질량체는 기둥 형상을 가지며, 그 무게 중심은 상기 캐비티의 중심선 상에 위치하는 마이크로 스피커.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 질량체는 상기 기판과 동일한 물질로 이루어지며, 그 길이는 상기 기판의 두께와 같거나 보다 짧은 마이크로 스피커.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 질량체는 원기둥 형상을 가지며, 그 직경은 50㎛ ~ 1000㎛인 마이크로 스피커.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 구동부는 상기 진동막 상에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함하는 마이크로 스피커.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 다이어프램 상에는 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선이 형성되고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에는 전극패드가 마련된 마이크로 스피커.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어진 마이크로 스피커.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2진동막은 폴리머 박막으로 이루어진 마이크로 스피커.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성되는 마이크로 스피커.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101520070B1 (ko) 2008-09-22 2015-05-14 삼성전자 주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
US8363864B2 (en) 2008-09-25 2013-01-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Piezoelectric micro-acoustic transducer and method of fabricating the same
KR101562339B1 (ko) 2008-09-25 2015-10-22 삼성전자 주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR101561661B1 (ko) * 2009-09-25 2015-10-21 삼성전자주식회사 진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
US9031266B2 (en) * 2011-10-11 2015-05-12 Infineon Technologies Ag Electrostatic loudspeaker with membrane performing out-of-plane displacement
US9445200B2 (en) 2012-05-14 2016-09-13 Electronics And Telecommunications Research Institute Piezoelectric speaker having weight and method of producing the same
KR102061748B1 (ko) * 2013-05-07 2020-01-03 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치
US9728653B2 (en) 2013-07-22 2017-08-08 Infineon Technologies Ag MEMS device
FR3010272B1 (fr) * 2013-09-04 2017-01-13 Commissariat Energie Atomique Dispositif acoustique digital a puissance sonore augmentee
DE102013114826A1 (de) 2013-12-23 2015-06-25 USound GmbH Mikro-elektromechanischer Schallwandler mit schallenergiereflektierender Zwischenschicht
DE102014106753B4 (de) 2014-05-14 2022-08-11 USound GmbH MEMS-Lautsprecher mit Aktuatorstruktur und davon beabstandeter Membran
DE102015209238A1 (de) 2015-05-20 2016-11-24 Robert Bosch Gmbh Akustischer Sensor zum Senden und Empfangen akustischer Signale
DE102015114245A1 (de) * 2015-08-27 2017-03-02 USound GmbH MEMS-Schallwandler mit geschlossenem Regelsystem
US10405101B2 (en) 2016-11-14 2019-09-03 USound GmbH MEMS loudspeaker having an actuator structure and a diaphragm spaced apart therefrom
CN110085735A (zh) * 2018-01-26 2019-08-02 安徽奥飞声学科技有限公司 Mems压电扬声器及其制备方法
JP7055950B2 (ja) * 2018-02-28 2022-04-19 太陽誘電株式会社 振動発生装置及び電子機器
JP7415488B2 (ja) * 2019-11-29 2024-01-17 セイコーエプソン株式会社 圧電デバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
CN112019954B (zh) * 2020-07-10 2021-06-15 瑞声科技（南京）有限公司 扬声器及其制备方法
KR200494893Y1 (ko) * 2021-06-08 2022-01-19 김남수 Led 안전 의류용 패치
CN113630703B (zh) * 2021-08-27 2023-07-04 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 Mems扬声器

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5819099A (ja) 1981-07-27 1983-02-03 Murata Mfg Co Ltd 圧電型スピ−カ
JPH047999A (ja) * 1990-04-25 1992-01-13 Kawai Musical Instr Mfg Co Ltd 薄形スピーカ装置
JP4429417B2 (ja) * 1999-06-30 2010-03-10 太陽誘電株式会社 圧電発音体
US6795561B1 (en) 1999-07-08 2004-09-21 New Transducers Limited Panel drive
JP2003219499A (ja) * 2002-01-24 2003-07-31 Megasera:Kk 圧電スピーカ
JP2005142623A (ja) * 2003-11-04 2005-06-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電発音体およびその製造方法
JP2006100954A (ja) * 2004-09-28 2006-04-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電型音響変換装置およびその製造方法
JP4215788B2 (ja) * 2006-08-25 2009-01-28 ホシデン株式会社 圧電型電気音響変換器
KR101562339B1 (ko) * 2008-09-25 2015-10-22 삼성전자 주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR101545271B1 (ko) * 2008-12-19 2015-08-19 삼성전자주식회사 압전형 음향 변환기 및 이의 제조방법
KR101561663B1 (ko) * 2009-08-31 2015-10-21 삼성전자주식회사 피스톤 다이어프램을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR101561660B1 (ko) * 2009-09-16 2015-10-21 삼성전자주식회사 환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR101561661B1 (ko) * 2009-09-25 2015-10-21 삼성전자주식회사 진동막에 부착된 질량체를 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR101561662B1 (ko) * 2009-09-29 2015-10-21 삼성전자주식회사 곡선형 리드선들을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
KR20120080882A (ko) * 2011-01-10 2012-07-18 삼성전자주식회사 음향 변환기 및 그 구동방법

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