KR101561662B1 - 곡선형 리드선들을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

곡선형 리드선들을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 압전형 마이크로 스피커는, 캐비티를 가진 기판과, 캐비티를 덮도록 기판 상에 형성되는 다이어프램을 포함한다. 다이어프램은 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성된 제1진동막과, 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 포함한다. 제1진동막 상에는 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함하는 압전 구동부가 형성된다. 제1전극층과 제2전극층에는 제2영역을 가로지르는 제1리드선과 제2리드선이 각각 연결되며, 제1리드선과 제2리드선은 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 곡선 형태로 형성된다.

Description

곡선형 리드선들을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법{Piezoelectric micro speaker with curved lead-lines and method of manufacturing the same}
압전형 마이크로 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는 곡선형 리드선들을 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.
곡선형 리드선들을 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 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성된 제1진동막과, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 포함하는 다이어프램; 상기 제1진동막 상에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함하는 압전 구동부; 및 상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극층과 제2전극층 각각에 연결되는 것으로, 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 곡선 형태로 형성된 제1리드선과 제2리드선;을 포함한다.
상기 기판 상에 위치한 상기 다이어프램 상면에는 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제1전극패드와 제2전극패드가 마련되며, 상기 제1전극패드와 제2전극패드는 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 대칭되도록 배치되고, 상기 제1리드선은 상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극패드와 상기 제1전극층을 연결하며, 상기 제2리드선은 상기 제2영역을 가로질러 상기 제2전극패드와 상기 제2전극층을 연결할 수 있다.
상기 제1리드선과 제2리드선은 각각 상기 제1전극패드 또는 제2전극패드에 연결된 제1단부와, 상기 제1전극층 또는 제2전극층에 연결된 제2단부와, 상기 제1단부와 제2단부를 연결하는 곡선부를 포함할 수 있다.
상기 제1단부와 제2단부는 상기 압전 구동부의 중심에 대해 각도 θ1 만큼 벌어진 위치에 각각 배치될 수 있으며, 상기 곡선부는 원주 방향으로 상기 각도 θ1 만큼 곡선 형태로 연장될 수 있다.
상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 90%이고, 상기 각도 θ1은 대략 5°~ 50°의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 80%이고, 상기 각도 θ1은 대략 20°~ 50°의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
상기 제1단부는 상기 캐비티의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성되고, 상기 제2단부는 상기 제1진동막의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1단부와 제2단부는 상기 제2영역의 안쪽으로 상기 제1리드선과 제2리드선의 폭의 1 ~ 1.5배만큼 돌출될 수 있다.
상기 제2영역에는 상기 제1리드선과 제2리드선을 지지하는 지지부가 형성될 수 있으며, 상기 지지부는 상기 제1리드선 및 제2리드선과 동일한 형상으로 형성될 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 상면 중 적어도 가장자리부와 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 따른 마이크로 스피커의 제조 방법은,
기판의 일측 표면 상에 제1진동막을 포함하는 다이어프램을 형성하는 단계; 상기 제1진동막 상에 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 순차 적층함으로써 압전 구동부를 형성하는 단계; 상기 다이어프램을 식각하여 상기 제1진동막을 둘러싸는 트렌치를 형성하는 단계; 상기 트렌치 내에 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 타측 표면을 상기 제1진동막과 제2진동막이 노출될 때까지 식각하여, 상기 기판을 두께 방향으로 관통하는 캐비티를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 제1진동막은 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성되고, 상기 제2진동막은 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며,
상기 압전 구동부의 형성 단계에서, 상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2영역을 가로질러 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선을 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 곡선 형태로 형성한다.
상기 압전 구동부의 형성 단계에서, 상기 제1리드선과 제2리드선에 각각 연결되는 제1전극패드와 제2전극패드를 상기 기판 상에 위치한 상기 다이어프램 상면에 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 대칭되도록 형성할 수 있다.
상기 제1리드선과 제2리드선은 각각 상기 제1전극패드 또는 제2전극패드에 연결된 제1단부와, 상기 제1전극층 또는 제2전극층에 연결된 제2단부와, 상기 제1단부와 제2단부를 연결하는 곡선부를 포함할 수 있다.
상기 제1단부와 제2단부는 상기 압전 구동부의 중심에 대해 각도 θ1 만큼 벌어진 위치에 각각 형성되며, 상기 곡선부는 원주 방향으로 상기 각도 θ1 만큼 연장된 곡선 형태로 형성될 수 있다.
상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 80%이고, 상기 각도 θ1은 대략 20°~ 50°의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
상기 제1단부는 상기 캐비티의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성되고, 상기 제2단부는 상기 제1진동막의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성될 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 폴리머 박막으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면 중 적어도 가장자리부와 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커에 의하면, 압전 구동부에 연결되는 리드선들이 곡선 형태를 가짐으로써 진동막의 진동을 방해하는 구조적 강성이 낮아지게 되므로, 공진 주파수가 낮아지게 되며 출력 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 충분히 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 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 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)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, 122)을 포함한다. 상기 다이어프램(120)의 상기 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에는 제1진동막(121)이 형성되고, 상기 캐비티(112)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에는 제2진동막(122)이 형성된다. 즉, 상기 제2진동막(122)은 상기 제1진동막(121)의 바깥쪽에서 제1진동막(121)을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 제2진동막(122)은 기판(110) 상에 위치한 다이어프램(120)과 제1진동막(121) 사이에 배치되어 이들을 서로 연결함으로써, 제1진동막(121)과 그 위에 형성되는 압전 구동부(130)를 기판(110)에 대해 지지하는 역할을 하게 된다. 한편, 상기 제2진동막(122)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(130) 상면과 제2영역(A2) 바깥쪽의 다이어프램(120) 상면까지 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제2진동막(122)에는 후술하는 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)를 외부로 노출시키기 위한 제1개구(128)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2진동막(122)은 압전 구동부(130)의 상면, 구체적으로 제2전극층(136)의 상면 중 가장자리부만 덮도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제2진동막(122)에는 압전 구동부(130)의 상면을 노출시키는 제2개구(129)가 형성될 수 있다. 한편, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 제2진동막(122)은 압전 구동부(130)의 상면, 구체적으로 제2전극층(136)의 상면 전부를 덮도록 형성될 수도 있다.
상기 제1진동막(121)과 제2진동막(122)은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2진동막(122)은 제1진동막(121)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1진동막(121)은 대략 50GPa ~ 500GPa 정도의 탄성계수를 가진 물질, 예컨대 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 다이어프램(120)의 제1진동막(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 기판(110) 상에 위치한 다이어프램(120) 상면에는 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)가 마련된다. 상기 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)는 상기 압전 구동부(130)와 제1진동막(121)의 중심을 기준으로 대칭되도록 배치된다. 그리고, 상기 압전 구동부(130)의 제1전극층(132)에는 제1리드선(142)이 연결되고, 상기 제2전극층(136)에는 제2리드선(146)이 연결된다. 즉, 상기 제1리드선(142)은 제2영역(A2)을 가로질러 제1전극패드(143)와 제1전극층(132)을 연결하며, 제2리드선(146)은 제2영역(A2)을 가로질러 제2전극패드(147)와 제2전극층(136)을 연결하게 된다. 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)은 상기 압전 구동부(130)와 제1진동막(121)의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 대칭적으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)은 곡선 형태로 형성된다. 이에 대해서는 뒤에서 도 3을 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다.
상기 제2영역(A2)에는 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)을 지지하는 지지부(126)가 형성될 수 있다. 상기 지지부(126)는 상기 제1진동막(121)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제2영역(A2)을 가로질러 제1진동막(121)과 기 판(110) 상에 위치한 다이어프램(120)을 연결하도록 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제2진동막(122)이 기판(110) 상에 위치한 다이어프램(120)과 제1진동막(121)을 연결하게 되지만, 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)이 형성된 부분에 한해서는 상기 지지부(126)가 기판(110) 상에 위치한 다이어프램(120)과 제1진동막(121)을 연결하게 된다. 상기 지지부(126)는 상기한 제1리드선(142) 및 제2리드선(146)과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 리드선들의 형상을 확대하여 상세하게 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)은 곡선 형태로 형성되며, 상기 압전 구동부(130)의 중심(O)을 기준으로 서로 반대쪽에 대칭적으로 형성된다. 구체적으로, 상기 제1리드선(142)은 제1전극패드(143)에 연결된 제1단부(142a)와, 제1전극층(132)에 연결된 제2단부(142c)와, 상기 제1단부(142a)와 제2단부(142c)를 연결하는 곡선부(142b)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2리드선(146)은 제2전극패드(147)에 연결된 제1단부(146a)와, 제2전극층(136)에 연결된 제2단부(146c)와, 상기 제1단부(146a)와 제2단부(146c)를 연결하는 곡선부(146b)를 포함할 수 있다. 상기 곡선부들(142b, 146b)은 상기 제2영역(A2)에 배치되며, 소정의 반경(R)을 가진다.
상기 제1단부들(142a, 146a)은 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)에 각각 연결되므로, 상기 중심(O)과 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)를 통과하는 직 선(C1)상에 배치될 수 있다. 상기 제2단부들(142c, 146c)은 제1전극층(132)의 외주에 연결되며, 상기 중심(O)을 통과하며 상기 직선(C1)에 대해 소정 각도(θ1) 경사진 직선(C2) 상에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)의 제1단부들(142a, 146a)과 제2단부들(142c, 146c)은 압전 구동부(130)와 제1진동막(121)의 중심(O)에 대해 상기 각도 θ1 만큼 벌어진 위치에 배치된다. 이에 따라 제1단부들(142a, 146a)과 제2단부들(142c, 146c)을 연결하는 곡선부들(142b, 146b)은 원주 방향으로 상기 각도 θ1 만큼 연장된 길이를 가지게 된다. 상기 곡선부들(142b, 146b)의 반경(R)은 상기 제1진동막(121)의 반경보다 큰 크기를 가질 수 있으며, 상기 각도 θ1의 크기에 따라 변할 수 있다. 상기 직선 C1에 대한 곡선부들(142b, 146b)의 접선 각도(θ2)도 상기 각도 θ1의 크기에 따라 변할 수 있다. 즉, 상기 각도 θ1이 커질수록 접선 각도 θ2도 커지게 된다.
상기 제1단부들(142a, 146a)과 제2단부들(142c, 146c)은 직선 형태로 형성될 수 있다. 이는 상기 제1단부들(142a, 146a)과 제1 및 제2전극패드(143, 147)의 접촉 면적과 상기 제2단부들(142c, 146c)과 제1진동막(121)의 접촉 면적을 줄여 구조적 강성을 낮추기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 제1단부들(142a, 146a)은 상기 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147) 각각으로부터 제2영역(A2)까지 상기 직선 C1을 따라 직선 형태로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제1단부들(142a, 146a)은 상기 캐 비티(112)의 외주의 접선과 직교하도록 형성된다. 그리고, 상기 제2단부들(142c, 146c)은 상기 제1전극층(132)과 제2전극층(136) 각각으로부터 제2영역(A2)까지 상기 직선 C2를 따라 직선 형태로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제2단부들(142c, 146c)은 상기 제1진동막(121)의 외주의 접선과 직교하도록 형성된다. 이 때, 상기 제1단부들(142a, 146a)은 제2영역(A2)의 안쪽으로 소정 길이(Lb)만큼 돌출될 수 있으며, 상기 제2단부들(142c, 146c)도 제2영역(A2)의 안쪽으로 소정 길이(La)만큼 돌출될 수 있다. 상기 리드선들(142, 146)의 폭(W)은 대략 30㎛ ~ 70㎛일 수 있으며, 상기 제1단부들(142a, 146a)과 제2단부들(142c, 146c)의 제2영역(A2)의 안쪽으로 돌출된 부분의 길이(Lb, La)는 상기 폭(W)의 1 ~ 1.5배일 수 있다.
만약, 제1리드선과 제2리드선이 상기 직선 C1 상에 직선 형태로 형성된 경우에는, 구조적 강성이 비교적 커서 제1진동막(121)과 제2진동막(122)의 진동을 방해할 수 있다. 즉, 제2영역(A2)에 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(122)이 형성된 경우에도, 제2영역(A2)을 가로 지르는 직선 형태의 제1리드선과 제2리드선이 제1진동막(121)과 제2진동막(122)의 진동을 방해하게 된다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1리드선(142)과 제2리드선(146)이 상기한 바와 같이 제2영역(A2)에서 상기 각도 θ1 만큼 연장된 곡선 형태로 형성되면, 구조적 강성이 리드선들이 없는 이상적인 경우와 유사한 정도로 낮아질 수 있다.
도 4a는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 최소 음향 공진 주파수(f1)의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 리드선들이 직선으로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°인 경우에 비해, 리드선들(142, 146)이 곡선 형태로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°보다 큰 경우에 최소 공진 주파수(f1)가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 캐비티(112)의 직경(Dc) 대비 제1진동막(121)의 직경(Dv)의 비율 Dv/Dc가 70%일 때, 각도 θ1이 대략 25°~ 50°인 범위에서 최소 공진 주파수(f1)가 가장 낮게 나타났고, Dv/Dc가 80%일 때에는, 각도 θ1이 대략 20°~ 40°인 범위에서 최소 공진 주파수(f1)가 가장 낮게 나타났으며, Dv/Dc가 90%일 때에는, 각도 θ1이 대략 5°~ 20°인 범위에서 최소 공진 주파수(f1)가 가장 낮게 나타났음을 알 수 있다.
도 4b는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 주파수 1KHz에서의 출력 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4b를 참조하면, 리드선들이 직선으로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°인 경우에 비해, 리드선들(142, 146)이 곡선 형태로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°보다 큰 경우에 주파수 1KHz에서의 출력 음압이 높아진다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 캐비티(112)의 직경 대비 제1진동막(121)의 직경의 비율 Dv/Dc가 70%일 때, 각도 θ1이 대략 30°~ 60°인 범위에서 주파수 1KHz에서의 출력 음압이 가장 높게 나타났고, Dv/Dc가 80%일 때에는, 각도 θ1이 대략 20°~ 50°인 범위에서 주파수 1KHz에서의 출력 음압이 가장 높게 나타났으며, Dv/Dc가 90%일 때에는, 각도 θ1이 대략 5°~ 20°인 범위에서 주파수 1KHz에서의 출력 음압이 가장 높게 나타 났음을 알 수 있다.
그리고, Dv/Dc가 80%일 때 주파수 1KHz에서의 평균 출력 음압이 상대적으로 높고, Dv/Dc가 90%일 때 주파수 1KHz에서의 평균 출력 음압이 상대적으로 낮다는 것도 알 수 있다.
도 4c는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4c를 참조하면, 리드선들이 직선으로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°인 경우에 비해, 리드선들(142, 146)이 곡선 형태로 형성된 경우, 즉 각도 θ1이 0°보다 큰 경우에 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 증가함을 알 수 있다. 구체적으로, 캐비티(112)의 직경 대비 제1진동막(121)의 직경의 비율 Dv/Dc가 70%일 때, 각도 θ1이 대략 30°~ 50°인 범위에서 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 가장 높게 나타났고, Dv/Dc가 80%일 경우에는, 각도 θ1이 대략 10°이상일 때 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 가장 높게 나타났으며, Dv/Dc가 90%일 경우에는, 각도 θ1이 대략 5°이상일 때 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 가장 높게 나타났을을 알 수 있다.
그리고, Dv/Dc가 80%일 때 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 상대적으로 높고, Dv/Dc가 90%일 때 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압이 상대적으로 낮다는 것도 알 수 있다.
상기한 시뮬레이션 결과들로 비추어 볼 때, Dv/Dc가 70% ~ 90%인 경우, 각도 θ1이 대략 5°~ 50°인 범위에서, 최소 공진 주파수(f1)가 낮아지고, 주파수 1KHz에서의 출력 음압도 높아지며, 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압도 증가한다는 것을 알 수 있다. 그리고, Dv/Dc가 90%인 경우에 비해 Dv/Dc가 70% ~ 80%인 경우에 출력 음압이 상대적으로 높다는 것도 알 수 있다.
따라서, Dv/Dc가 대략 70% ~ 80% 범위이고 각도 θ1이 대략 20°~ 50°범위일 때, 최소 공진 주파수(f1)와 출력 음압의 측면에서 더욱 효과적이라고 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 캐비티(112)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 상대적으로 낮은 탄성계수를 가진 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(122)이 배치됨으로써, 전체 다이어프램(120)의 구조적 강성이 낮아지고 그 변형량도 증가할 수 있어서, 음향 출력이 향상될 수 있다.
그리고, 제2영역(A2)에 형성되는 리드선들(142, 146)이 곡선 형태로 형성됨으로써, 구조적 강성이 더욱 낮아져서 공진 주파수가 낮아지고 저주파 대역에서의 출력 음압이 향상될 뿐만 아니라 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압도 향 상될 수 있다.
이하에서는, 상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커의 제조 방법을 단계별로 설명하기로 한다.
도 5a 내지 도 5e는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 5a를 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 5e에 도시된 단계에서 형성될 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 형성된 부분은 제1진동막(121)으로서의 역할을 하게 된다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 다이어프램(120)의 제1진동막(121) 상에 압전 구동부(130)를 형성한다. 상기 압전 구동부(130)는 상기 제1진동막(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 이배포레이션(evaporation)을 이용하여 상기 제1진동막(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 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.
그리고, 상기 제1전극층(132)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제1전극층(132)에 연결되는 제1리드선(142)과 상기 제1리드선(142)의 단부에 연결되는 제1전극패드(143)를 형성할 수 있으며, 상기 제2전극층(136)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제2전극층(136)에 연결되는 제2리드선(146)과 상기 제2리드선(146)의 단부에 연결되는 제2전극패드(147)를 형성할 수 있다. 상기 리드선들(142, 146)과 전극패드들(143, 147)은 상기 전극층들(132, 136)과 동일한 물질 및 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1리드선(142)과 제2 리드선(146)은 도 3에 도시된 바와 같은 형상을 가지도록 패터닝된다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 다이어프램(120)을 식각하여 후술하는 도 5e의 단계에서 형성될 캐비티(112)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 트렌치(124)를 형성한다. 그러면, 상기 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에는 상기 트렌치(124)에 의해 둘러싸인 제1진동막(121)이 정의된다. 이 때, 상기 제2영역(A2) 중 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)이 형성된 부분에는 상기 트렌치(124)가 형성되지 않고 상기 제1리드선(142)과 제2리드선(146)을 지지하는 지지부(126)가 잔존할 수 있다. 상기 지지부(126)는 상기 제1리드선(142) 및 제2리드선(146)의 직하부에 잔존하며 상기 제1리드선(142) 및 제2리드선(146)과 동일한 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 도 5d를 참조하면, 상기 트렌치(124) 내에 상기 제1진동막(121)과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막(122)을 형성한다. 상기 제2진동막(122)은 제1진동막(121)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1진동막(121)은 예컨대 전술한 바와 같이 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 제2진동막(122)은 예컨대 0.5 ~ 10㎛ 두께로 증착된 페릴린(parylene)으로 이루어질 수 있다.
상기 제2진동막(122)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(130) 상면 전부와 제2영역(A2) 바깥쪽의 기판(110) 상의 다이어프램(120) 상면까지 연장 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2진동막(122)을 O2 플라즈마를 이용하여 부분적으로 식각함으로써 상기 제2진동막(122)에 상기 제1전극패드(143)와 제2전극패드(147)를 외부로 노출시키기 위한 제1개구(128)를 형성할 수 있다. 한편, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제2진동막(122)은 압전 구동부(130)의 상면 중 가장자리부만 덮도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1개구(128)의 형성과 동시에, 상기 제2진동막(122)에 압전 구동부(130)의 가장자리부를 제외한 상면을 노출시키는 제2개구(129)를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 타측 표면을 상기 제1진동막(121)과 제2진동막(122)이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판(110)을 두께 방향으로 관통하는 캐비티(112)를 형성한다.
이에 따라, 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 제1진동막(121)이 형성되고, 캐비티(112)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(122)과 곡선 형태의 리드선들(142, 146)이 형성된 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 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 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 도 1에 도시된 리드선들의 형상을 확대하여 상세하게 도시한 평면도이다.
도 4a는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 최소 음향 공진 주파수(f1)의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4b는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 주파수 1KHz에서의 출력 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 4c는 도 1에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 도 3에 표시된 각도 θ1에 따른 주파수 1KHz ~ 5KHz 사이의 평균 출력 음압의 변화를 시뮬레이션 한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5e는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...기판 112...캐비티
120...다이어프램 121...진동막
122...제2진동막 130...압전 구동부
132...제1전극층 134...압전층
136...제2전극층 142...제1리드선
142a...제1단부 142b...곡선부
142c...제2단부 143...제1전극패드
146...제2리드선 146a...제1단부
146b...곡선부 146c...제2단부
147...제2전극패드

Claims (20)

  1. 두께 방향으로 관통된 캐비티를 가진 기판;
    상기 캐비티를 덮도록 상기 기판상에 형성되는 것으로, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성된 제1진동막과, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 포함하는 다이어프램;
    상기 제1진동막 상에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함하는 압전 구동부; 및
    상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극층과 제2전극층 각각에 연결되는 것으로, 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 곡선 형태로 형성된 제1리드선과 제2리드선;을 구비하는 마이크로 스피커.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 상에 위치한 상기 다이어프램 상면에는 외부 전원과 전기적으로 연결되는 제1전극패드와 제2전극패드가 마련되며, 상기 제1전극패드와 제2전극패드는 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 대칭되도록 배치되고,
    상기 제1리드선은 상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극패드와 상기 제1전극층을 연결하며, 상기 제2리드선은 상기 제2영역을 가로질러 상기 제2전극패드와 상기 제2전극층을 연결하는 마이크로 스피커.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1리드선과 제2리드선은 각각 상기 제1전극패드 또는 제2전극패드에 연결된 제1단부와, 상기 제1전극층 또는 제2전극층에 연결된 제2단부와, 상기 제1단부와 제2단부를 연결하는 곡선부를 포함하는 마이크로 스피커.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1단부와 제2단부는 상기 압전 구동부의 중심에 대해 각도 θ1 만큼 벌어진 위치에 각각 배치되며, 상기 곡선부는 원주 방향으로 상기 각도 θ1 만큼 곡선 형태로 연장된 마이크로 스피커.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 90%이고, 상기 각도 θ1은 5°~ 50°의 범위 내의 값을 가지는 마이크로 스피커.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 80%이고, 상기 각도 θ1은 20°~ 50°의 범위 내의 값을 가지는 마이크로 스피커.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제1단부는 상기 캐비티의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성되고, 상기 제2단부는 상기 제1진동막의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성된 마이크로 스피커.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1단부와 제2단부는 상기 제2영역의 안쪽으로 상기 제1리드선과 제2리드선의 폭의 1 ~ 1.5배만큼 돌출된 마이크로 스피커.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2영역에는 상기 제1리드선과 제2리드선을 지지하는 지지부가 형성되며, 상기 지지부는 상기 제1리드선 및 제2리드선과 동일한 형상으로 형성된 마이크로 스피커.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어진 마이크로 스피커.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제2진동막은 폴리머 박막으로 이루어진 마이크로 스피커.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면 중 적어도 가장자리부와 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성되는 마이크로 스피커.
  13. 기판의 일측 표면 상에 제1진동막을 포함하는 다이어프램을 형성하는 단계;
    상기 제1진동막 상에 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 순차 적층함으로써 압전 구동부를 형성하는 단계;
    상기 다이어프램을 식각하여 상기 제1진동막을 둘러싸는 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치 내에 상기 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 타측 표면을 상기 제1진동막과 제2진동막이 노출될 때까지 식각하여, 상기 기판을 두께 방향으로 관통하는 캐비티를 형성하는 단계;를 구비하며,
    상기 제1진동막은 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성되고, 상기 제2진동막은 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며,
    상기 압전 구동부의 형성 단계에서, 상기 제2영역을 가로질러 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2영역을 가로질러 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선을 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 곡선 형태로 형성 하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 압전 구동부의 형성 단계에서,
    상기 제1리드선과 제2리드선에 각각 연결되는 제1전극패드와 제2전극패드를 상기 기판 상에 위치한 상기 다이어프램 상면에 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 대칭되도록 형성하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1리드선과 제2리드선은 각각 상기 제1전극패드 또는 제2전극패드에 연결된 제1단부와, 상기 제1전극층 또는 제2전극층에 연결된 제2단부와, 상기 제1단부와 제2단부를 연결하는 곡선부를 포함하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1단부와 제2단부는 상기 압전 구동부의 중심에 대해 각도 θ1 만큼 벌어진 위치에 각각 형성되며, 상기 곡선부는 원주 방향으로 상기 각도 θ1 만큼 연장된 곡선 형태로 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 캐비티의 직경 대비 상기 제1진동막의 직경의 비율은 70% ~ 80%이고, 상기 각도 θ1은 20°~ 50°의 범위 내의 값을 가지는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 제1단부는 상기 캐비티의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성되고, 상기 제2단부는 상기 제1진동막의 외주의 접선과 직교하는 직선 형태로 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 폴리머 박막으로 이루어지는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면 중 적어도 가장자리부와 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
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