KR101606780B1 - 압전 ｍｅｍｓ 마이크로폰 - Google Patents

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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시건
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Abstract

압전 MEMS 마이크로폰은 2개의 전극층사이에 적어도 하나의 압전 층을 포함하는 다층 센서를 구비하고, 상기 센서는 입력 압력, 대역폭과, 압전 및 전극 재료의 특성을 고려하는 최적화 파라미터에 의해 판정된, 센서 면적 대 출력 에너지의 거의 최대화된 비율을 제공하도록 크기조정된다. 센서는 단일 캔틸레버 빔 또는 작은 갭만큼 서로 분리된 적층된 캔틸레버 빔으로부터 형성되거나, 또는 실리콘 기판으로의 증착에 의해 형성된 스트레스 해제된 다이어프램이 될 수 있고, 상기 다이어프램은 그런다음 기판으로부터 실질적인 분리에 의해 스트레스 해제되고, 현재 스트레스 해제된 다이어프램의 재부착이 후속된다.

Description

압전 ＭＥＭＳ 마이크로폰{PIEZOELECTRIC MEMES MICROPHONE}
본 발명은 일반적으로 압전 마이크로폰에 관한 것이고, 특히, 압전 MEMS 마이크로폰 및 특정한 엔드 유저 애플리케이션의 요구조건을 만족시키기 위한 마이크로폰을 구축하는 설계 기술에 관한 것이다.
마이크로전자기계 시스템(MEMS) 기술의 증가는 실리콘-웨이퍼 증착 기술을 이용한 마이크로폰과 같은 음향 트랜스듀서의 개발을 가능하게 했다. 이러한 방식으로 제조된 마이크로폰을 일반적으로 MEMS 마이크로폰이라고 하고, PZT, ZnO, PVDF, PMN-PT, 또는 AIN과 같은 재료를 이용하는 용량성 마이크로폰 또는 압전 마이크로폰과 같은 다양한 형태로 만들어질 수 있다. MEMS 용량성 마이크로폰 및 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECMs)은 소비자 전자기기에서 사용되고 더 큰 감도와 저 노이즈 플로어를 가진다는 점에서 일반적인 압전 MEMS 마이크로폰에 비해 이점을 가진다.
그러나, 이러한 보다 유비쿼터스적인 기술 각각은 저마다 단점을 가진다. 표준 ECMs에 대해, 그것들은 일반적으로, 보드에 부착된 모든 다른 마이크로칩에 공통으로 사용되는 일반적인 무연 납땜 처리를 이용하여 인쇄회로 기판에 장착될 수 없다. 대개 휴대 전화기에서 사용되는 MEMS 용량성 마이크로폰은 마이크로폰에 대해 판독 회로를 제공하는 응용 주문형 집적회로(ASIC)의 사용에 적어도 부분적으로 기인하여 상대적으로 고가이다. MEMS 용량성 마이크로폰은 또한 일반적인 압전 MEMS 마이크로폰에 비해 더 작은 동적 범위를 가진다.
다양한 공지된 압전 및 용량성 MEMS 마이크로폰의 노이즈 플로어가 도 1에 도시된다. 2개의 원으로 둘러싼 마이크로폰의 그룹에 의해 지시된 바와 같이, 용량성 MEMS 마이크로폰(하부 그룹)은 일반적으로 유사한 크기의 압전 MEMS 마이크로폰 보다 약 20dB 낮은 노이즈 플로어를 가진다.
공지된 압전 MEMS 마이크로폰은 캔틸레버된 빔 또는 다이어프램 중 어느 하나로서 이루어지고, 이들 마이크로폰은 다이어프램 또는 빔 기판 재료로서 사용되는 파릴렌 또는 실리콘과 같은 구조적 재료와 함께 양 전극 및 압전 재료를 포함한다. 캔틸레버 설계에 대한 파릴렌의 이점은 빔의 대역폭(고정된 길이에 대해), 및 겉으로는 감도를 증가시키는 압전 재료의 중립축으로부터의 거리를 모두 증가시키는 빔의 두께를 증가시키기 위해 그것이 사용될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 약 20㎛의 빔 기판이 공지되어 있다(예를 들면, Ledermann[15]를 참조하라). 파릴렌 다이어프램을 활용하는 압전 MEMS 마이크로폰에 대해, 보다 얇은 층이 사용된다. 예를 들면, 미국 특허 제 6,857,501 및 Niu[10]를 참조하라. 본문에서 다른 저자에 대해 이루어진 다양한 참조는 본 설명의 말미에서 식별되는 문헌 및 저널의 논문에 대한 참조이며, 본문에서 교안의 일부에 대한 배경으로서 또는 그 배경의 뒷받침하는 필수적이지 않은 제재에 대해서만 제공된다는 것에 주의하라. 참조된 작업물의 각각은 참조에 의해 통합된다.
본 발명의 하나의 측면에 따라, 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 위에 증착된 압전 재료의 중간층, 상기 압전 재료 위에 증착된 제 2 전극층을 포함하는 적어도 3개의 층을 구비하는 다층 음향 센서 및 기판을 포함하는, 압전 MEMS 마이크로폰이 제공된다. 상기 센서는 다층 센서에 대해 출력 에너지 대 센서 면적의 비율이 주어진 입력 압력, 대역폭, 및 압전 재료에 대해 획득가능한 최대비율의 적어도 10%가 되도록 크기가 조정된다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 위에 증착된 압전 재료의 중간층, 상기 압전 재료 위에 증착된 제 2 전극층을 포함하는 적어도 3개의 층을 구비하는 다층 음향 센서 및 기판을 포함하는, 압전 MEMS 마이크로폰이 제공된다. 상기 센서는 수학식,
Figure 112011006728188-pct00001
에 따라 연산된 최적 파라미터가 센서에 대해 최대 획득가능한 최적화 파라미터의 적어도 10%가 되도록 크기가 조정되고, 여기서 Vout은 센서의 출력 전압이고, C는 센서의 커패시턴스이고, P는 입력 압력이고, A는 센서 면적이고,
Figure 112011006728188-pct00002
는 센서의 제 1 공진 주파수에서의 센서의 유전 손실 각(dielectric loss angle)이고, fres는 제 1 공진 주파수이다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 각각의 빔이 캔틸레버되고 고정단과 자유단 사이를 뻗어나가도록 기판에 의해 하나의 단부에서 각각 지지되는 복수의 빔과 실리콘 기판을 구비하는, 압전 MEMS 마이크로폰이 제공된다. 각각의 빔은 전극 재료의 증착된 층과 전극 재료위에 놓인 압전 재료의 증착된 층을 포함한다. 상기 빔들 중 적어도 일부는 적층되어 적층된 빔들이 증착된 전극 재료와 증착된 압전 재료의 교차층을 포함하고 그들 사이에 추가적인 층들이 없도록 한다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 기판과 상기 기판 위에 매달린 스트레스 해제된 다이어프램 및 기판을 구비하는 압전 MEMS 마이크로폰이 제공된다. 다이어프램은 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 위에 증착된 압전 재료의 중간층, 및 상기 압전 재료 위에 증착된 제 2 전극층을 포함하는 적어도 3개 층을 구비하는 다층 음향 센서를 구비한다. 스트레스 해제된 다이어프램은 예를 들면, 그것을 자신의 주변 거의 전부에 관해 기판으로부터 분리하고 잔류 응력을 해제하기 위해 필요한 만큼 그것을 확장 또는 수축시키는 것과 같은 임의의 적절한 방식으로 획득될 수 있다. 상기 다이어프램은 임의의 적절한 기술에 의해 자신의 주변에 관한 상기 기판에 재부착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 감도를 최적화시키고, 용량성 MEMS 마이크로폰 이상의 단위 면적당 노이즈 플로어를 가진 양질의 감도를 제공하는 압전 MEMS 마이크로폰을 제공할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 바람직한 예시적인 실시예는 첨부된 도면과 함께 이하에서 기술되고, 유사한 명칭은 유사한 엘리먼트를 지정한다.
도 1은 다양한 공지된 MEMS 마이크로폰에 대한 노이즈 레벨 대 센서 면저의 플롯이다.
도 2는 압전 MEMS 마이크로폰의 출력 에너지에 대한 다이어프램 잔류 응력의 영향을 나타내는 플롯이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 측면에 따라 구축된 빔 캔틸레버 압전 MEMS 마이크로폰 센서의 탑뷰이다.
도 3b는 도 3a의 마이크로폰 센서로부터의 2쌍의 마주하는 빔의 단면도를 도시한다.
도 3c는 도 3b에 도시된 적층된 빔의 행동을 모델링하는 데에 사용하기 위해 교차하는 빔층들과 그의 디멘션을 도시한다.
도 4는 회로에 대한 임피던스 모델링을 도시하며, 증폭 회로에 연결된 도 3a의 마이크로폰의 개략도를 도시한다.
도 5는 압전 음향 센서에 대한 일반적인 노이즈 곡선의 플롯이다.
도 6은 도 3a의 센서의 출력 에너지에 대한 빔 테이퍼의 영향을 도시한다.
도 7은 압전 MEMS 마이크로폰 센서의 출력 에너지에 대한 층 두께의 영향을 나타내는 하나 이상의 파릴렌 층을 포함하는 영향을 도시한다.
도 8은 상이한 전극 재료가 압전 MEMS 마이크로폰 센서의 에너지 출력에 어떻게 영향을 주는지를 도시하는 플롯이다.
도 9a-9d는 도 3b의 센서를 만드는데 사용되는 처리 단계들을 도시한다.
도 10은 도 3a의 제조된 센서의 마이크로스코프 도면이다.
도 11은 도 3a의 센서를 이용하는 압전 MEMS 마이크로폰의 도면이다.
도 12는 도 11의 마이크로폰의 주파수 응답의 플롯을 도시한다.
도 13은 도 11의 마이크로폰의 빔 편향 프로파일의 플롯이다.
도 14는 도 11의 마이크로폰에 대한 측정되고 예측된 감도와 노이즈 플로어의 플롯이다.
도 15는 도 3a에 도시된 유형의 캔틸레버 빔에 대한 전극 길이의 함수로서의 정규화된 출력 에너지의 플롯이다.
도 16은 AIN 압전 재료에 대한 압전 커플링 계수 매트릭스로부터 d33의 계수의 감손(degradation)을 도시하는 플롯이다.
도 17은 유전 손실각
Figure 112014045115982-pct00003
의 감손을 도시하는 플롯이다.
도 18은 전극층 두께의 함수로서 Mo 저항을 도시하는 플롯이다.
도 19는 AIN 압전 재료에 대한 압전 커플링 계수 매트릭스로부터 압전층 두께와 d31 계수 사이의 관계의 플롯이다.
도 20은 AIN 층 두께의 함수로서 유전 손실각을 나타내는 플롯이다.
도 21은 단일(적층되지 않은) 캔틸레버 빔에 대한 Mo 바닥 전극층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 22는 단일(적층되지 않은) 캔틸레버 빔에 대한 AIN 중간 층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 23은 단일(적층되지 않은) 캔틸레버 빔에 대한 Mo 상부 전극층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 24는 5개 층의(적층된) 캔틸레버 빔에 대한 Mo 바닥 및 탑 전극층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 25는 5개 층의(적층된) 캔틸레버 빔에 대한 AIN 중간 층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 26은 5개의(적층된) 캔틸레버 빔에 대한 Mo 중간 전극층 두께의 함수로서 연산된 최적화 파라미터를 도시한다.
도 27a는 본 발명의 하나의 측면에 따라 구축된 다이어프램 압전 MEMS 마이크로폰 센서의 탑뷰이다.
도 27b는 도 27a의 B-B 라인을 따라서 취해진 부분 단면도이다.
도 28은 공지된 압전 및 용량성 MEMS 마이크로폰을 그것들이 어떻게 비교하는지를 도시하는 본 발명에 따라 구축된 압전 MEMS 마이크로폰에 대해 예측된 노이즈 플로어의 플롯이다.
하기의 설명은 하기에 기술된 하나 이상의 상이한 방식으로 결정될 수 있는 최적의 기준을 만족시키는 압전 MEMS 마이크로폰의 다양한 실시예에 관한 것이다.
일반적인 압전 MEMS 마이크로폰은 마이크로폰의 감도를 최적화시키기 위해 설계되고, 이는 이들 디바이스에 대해 상술한 노이즈 플로어 증가에 대해 적어도 부분적으로 책임이 있다. 하기에 기술되는 바와 같이, 주어진 입력 압력, 대역폭 및 압전 재료에 대하여 출력 에너지 대 센서 면적의 비를 최적화함으로써, 용량성 MEMS 마이크로폰의 노이즈 플로어와 유사한 노이즈 플로어와 함께 일반적인 애플리케이션에 대해 충분한 감도를 가지는 압전 MEMS 마이크로폰이 구축될 수 있다. 이러한 접근 방식은 양질의 필름에 유효하다. 그러나, 필름의 두께가 감소될 때, 필름의 질은 열화된다. 이러한 요인은 센서 에너지 대 면적의 비인 연산된 최적화 파라미터를 활용하는 본문에 기술된 대안의 접근방식으로 설명될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 압력, 고유 주파수(대역폭을 제한하는), 및 디바이스의 손실각을 포함한다. 이러한 파라미터들을 연산된 비율에 추가함으로써, 이러한 대안의 접근 방식은 상수로서 이들 파라미터들을 고려하는 대신에 이들 파라미터의 효과를 설명한다. 따라서, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 하기의 실시예들은 최적 또는 거의 최적의 센서 설계를 판정하기 위해 2개의 상이한 사용가능한 접근 방식 1) 주어진(일정한) 입력 압력, 대역폭 및 압전 재료에 대한 출력 에너지 대 센서 면적 비율의 직접 연산 및 2) 압력, 고유 주파수(대역폭을 제한하는), 및 디바이스의 손실각을 설명하는 최적화 파라미터의 연산,과 함께 기술된다. 이러한 최적화 파라미터는 하기의 수학식을 이용하여 판정될 수 있다:
Figure 112011006728188-pct00004
여기서 Vout은 출력 전압이고, C는 디바이스의 커패시턴스이고, P는 입력 압력이고, A는 센서 면적이고,
Figure 112014045115982-pct00005
는 센서의 제 1 공진 주파수에서의 마이크로폰의 유전 손실 각(dielectric loss angle) 또는 소산 팩터(dissipation factor)이고, fres는 디바이스의 제 1 공진 주파수이다. 이러한 최적화 파라미터 및 재료 특성과 이러한 파라미터 연산에 사용된 디바이스의 지오메트리의 이용은 하기에 더 기술될 것이다. 최적의 필름 두께를 하기에 더 기술되는 도 18, 19, 및 20에 플로팅된 필름 특성에 비교할 때, 가장 최적의 필름 두께는 그것들이 두꺼운 필름의 특성을 거의 가지고 있도록 하기 위한 값을 가지는 것이 명확하다. 이들 필름에 대해, 센서 면적대 연산된 에너지의 최적화 만이 전극 및/또는 압전 특성에서의 변화를 설명할 필요없이 적절하다. 그러나, 최적의 두께 보다 실질적으로 더 얇은 필름을 만드는 것은 재료 특성에서의 상대적으로 큰 변화를 야기할 수 있고, 여기서 최적화 파라미터의 이용은 센서 최적화 판정시에 보다 적합하게 될 수 있다.
이러한 종래기술의 설계가 상기의 최적화를 달성하지 못하도록 하는 적어도 2가지 측면의 보다 일반적인 압전 MEMS 마이크로폰 설계가 있다. 먼저 장력을 받는 자신의 강도를 가지는 다이어프램과 같은 센서 구조를 사용하는 것이다. 실리콘 웨이퍼 기판상에 제조된 압전 MEMS 마이크로폰에 대해, 이러한 장력은 증착후 각각의 층에 남은 잔여 응력의 결과이다. 이러한 효과는 도 2에서 볼수 있는 바와 같이, 최적 파라미터의 엘리먼트 중 하나인, 정규화된 출력 에너지에서의 감소를 가져온다. 상기 도면은 잔여 응력이 2개의 1㎛ 알루미늄 질화물(AIN) 층과 20kHz 공진 주파수를 가진 3개의 100nm 몰리브덴(Mo)층을 구비한 다이어프램의 정규화된 출력 에너지를 어떻게 감소시키는지를 도시한다. 달성하기 어려운 스트레스 레벨인, 1MPa만큼 낮은 스트레스는 이러한 다이어프램의 정규화된 출력 에너지를 20%까지 감소시키고, 최적 파라미터 또한 20%까지 감소시킨다. 종래 설계가 상술한 관계식의 최적에 도달하지 못하는 제 2 문제는 이들 설계가 최적 또는 최적에 근접한 디바이스 지오메트리를 활용하지 못한다는 것이다. 따라서, 예를 들면, 디바이스 잔여 응력이 현저한 팩터(캔틸레버(cantilever) 형성시 디바이스가 자신의 기판으로부터 해제된 것에 기인한)가 아닌 캔틸레버된(cantilevered) 설계로, 층의 두께, 층의 순서, 빔 형상, 및 인접한 빔에 대한 빔의 공간의 조합이 최적화가 요구되는 전체 디바이스 지오메트리를 보충한다.
개시된 실시예에 따라, 이러한 문제들은 하나 이상의 방식으로 처리될 수 있다. 디바이스 잔여 응력이 문제가 되지 않는 캔틸레버에 대해, 이는 주어진 입력 압력, 대역폭, 및 압전 재료에 대해 출력 에너지 대 센서 면적의 획득가능한 최대 비율의 적어도 10%를 달성하는 마이크로폰 설계를 활용함으로써 수행될 수 있다. 본문에서 사용되는 바와 같이, 주어진 센서 설계에 대해 "획득가능한 최대 비율"은 센서 면적과 함께 출력 에너지 연산을 이용하여 판정되거나, 또는 가용한(비록 때때로 가변적이기는 하나) 값과 최적화 수학식에서 사용되는 다양한 파라미터에 대한 수학식과 함께 위에서 주어진 최적 파라미터 수학식을 이용하여 판정될 수 있다. 이러한 후자의 접근방식에서, 연산된 최적 파라미터가 센서에 대해 최대의 획득가능한 최적 파라미터의 적어도 10%인 적절한 센서 설계가 획득될 수 있다. 반복된 실험 판정에 의해서 또는 현재 공지되거나 추후에 개발되는 다른 최적 수학식이나 기술을 이용함으로써 최대 비율이 획득가능한지를 판정하는 기타 방식이 가능하다. 획득가능한 최대 최적화의 10% 이상의 원하는 레벨을 달성하기 위해, 모델링과 센서를 가능한 얇게 만드는 것이 효익을 가져다주는 후속하는 프로토타입 테스트와, 다중의 빔이 출력을 증가시키기 위해 적층되거나 또는 전극과 결정층 사이에 중심이 배치된 얇은(~1㎛) 파릴렌 층을 가진 개별 빔으로서 구축된 토폴로지로 그것을 사용하는 것을 통해 결정된다. 어느 하나의 접근 방식에서, 주어진 애플리케이션에 대해 디바이스 커패시턴스와 감도의 원하는 조합을 얻기위해 직렬 및 병렬 연결의 조합으로 배선된 복수의 빔들이 산출될 수 있다. 다이어프램에 대해, 스트레스 해제된 다이어프램을 이용하는 개선된 압전 MEMS 마이크로폰이 구축될 수 있고, 여기서, 압전 센서는 실리콘계 기판상에 증착함으로써 만들어지고, 잔여 응력을 해제시키기 위해 해제된 멤브레인의 확장 및 수축을 허용하도록 기판으로부터 분리되어, 임의의 적절한 방식으로 다시 부착된다. 이러한 기술은 클램핑되고, 핀으로 고정되거나 또는 자유 주변 조건의 임의의 조합으로 다이어프램에 대해 작용할 수 있다. 상기 최적 연산의 사용은 또한 확장된 마이크로폰 감도 및 노이즈 성능을 제공하기 위해 다이어프램 압전 MEMS 마이크로폰을 제조하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 캔틸레버와 다이어프램 설계는 다수의 애플리케이션에 대해 디바이스의 유용한 동작을 제공하고, 연산된 최적 파라미터가 최적의 10% 이상인 설계는 용량성 MEMS 마이크로폰 이상의 단위 면적당 노이즈 플로어를 가진 양질의 감도를 제공하는 확장된 동작을 제공할 수 있다.
하기의 실시예는 상술한 기술을 이용하는 예시적인 설계를 제공하고, 하기의 논의는 다양한 실시예들이 상술한 최적의 비율에 대해 어떻게 설계되고, 구현되고, 체크될 수 있는지에 관한 추가적인 수학적, 제조 상세를 제공한다. 센서 면적 대 에너지의 최적의 비율, 특히, 최적 파라미터의 사용이 센서 지오메트리의 일부 또는 전부를 판정하는데에 있어서 도움이 될지라도, 그러나 설계된 결과인 마이크로폰이 본문에 기술된 최적 조건을 만족시킨다면 충분하기 때문에, 그렇게 하는 것이 필수적인 것은 아니다.
단일 빔 캔틸레버 및 적층된 빔 캔틸레버
도 3a는 각각 마주하는 쌍의 빔(32)의 자유단이 공지된 MEMS 제조 기술을 이용하여 형성될 수 있는 작은 갭(38) 만큼 분리되도록 마이크로폰의 2개의 좌우측면(34, 36) 중 하나에서 각각 캔틸레버되는, 복수의 손가락 모양의 빔(32)을 구비한 다층 음향 센서를 포함하는 빔 캔틸레버된 압전 MEMS 마이크로폰(30)을 도시한다. 바람직하게는, 이러한 갭은 3㎛ 이하이지만, 설계에 따라서는 더 클 수 있다. 대부분의 애플리케이션에 대해, 10㎛ 이하의 갭이 사용될 수 있다. 유사한 갭(40)이 인접한(나란히 있는) 빔 사이에서 사용될 수 있다. 빔(32)을 캔틸레버하는 것은 디바이스 대역폭에 대한 재료의 잔여 응력의 영향을 감소시킨다. 도 3a에 도시된 각각의 빔(32)은 원하는 커패시턴스와 감도 특성을 가진 전체 마이크로폰(30)을 생산하기 위해 다른 빔들과 상호연결된 단일한, 절연된 빔이 될 수 있다. 대안으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 도시된 각각의 빔(32)은 전극 및 압전 재료의 층을 교차함으로써 형성된 2개 이상의 빔의 적층된 세트의 상부 빔이 될 수 있다. 도 3b에서, 적층된 빔 구성에 대해 추가적인 층들이 사용될 수 있다는 것이 이해될지라도 5개의 교차하는 층들이 있다. 이들 빔들은 다른 층이나 재료 없이 구축되어, 빔들이 전극 및 압전 층들만을 구비하도록 한다. 도시된 예시에서, 전극 재료는 몰리브덴이고 압전 재료는 알루미늄 질화물이지만; 임의의 적절한 도전성 재료가 전극에 사용될 수 있고(예를 들면, 티타늄), PZT, ZnO 등과 같은 임의의 적절한 압전 재료가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
빔(32)은 원하는 세트의 특성을 제공하기 위해 하기에 기술된 설계 방법에 따라 결정된 크기를 가질수 있다. 일부 실시예에 대해, 다른 빔 크기, 재료 등을 포함하는 다수의 팩터에 기초하여 압전층이 가변적일지라도, 압전층은 1㎛ 미만이고, 보다 바람직하게는, 약 0.5㎛ 미만이 될 수 있다. 대부분의 애플리케이션에 대해, 빔 두께, 그리고 그에 따른 압전 두께는 2㎛미만이지만 포함된 특정한 애플리케이션에 따라 8㎛까지 높아질 수 있다. 바람직하게는, 압전층 두께는 양질의 압전 필름의 질을 유지하면서 가능한 얇게 만들어진다. 예를 들면, 포함된 특정한 애플리케이션에 대해 충분한 압전 효과를 나타내기에 충분한 두께를 가지는한 가용한 제조 기술이 할 수 있는 얇은 층이 만들어질 수 있다. 빔 길이는 하기의 설계 설명에서 지시된 바와 같이 두께에 연관되어야 한다. 전극 층은 또한 가변적일 수 있지만, 바람직하게는, 약 0.2㎛ 이하이다. 바람직하게는, 빔의 베이스 단부는 결과적인 커패시턴스를 최소화도록 돕기 위해 최소 크기의 면적으로 지지된다.
MEMS 마이크로폰(30)은 다수의 이로운 특징을 가지고, 이들 중 하나 이상은 본문에 기술된 설계 방법을 이용하여 달성될 수 있다. 이들 특징은 하기를 포함한다:
1. 주어진 대역폭, 압력, 및 압전 재료에 대해 출력 에너지 대 센서 면적의 최대 또는 최대에 근접한 비율.
2. 개별 빔들 사이의 직렬 및 병렬 연결의 조합에 의해 달성되는 센서 커패시턴스 및 감도의 원하는 조합으로의 설계 기능. 이는 마이크로폰의 전체 출력 에너지에 영향을 주지않고 입력 기준 압전 노이즈에 영향을 주지않고 수행될 수 있다.
3. 고주파 사운드에 대해 고 임피던스를 제공하여, 저주파 컷오프로 디바이스가 설계될 수 있도록 하는 작은 에어 갭에 의해 분리되는 인접한 빔들의 사용. 상술한 바와 같이, 이는 인접한 빔들 사이의 공간(즉, 빔의 마주하는 끝단 사이의 갭 및/또는 빔들의 인접한 측면 사이의 갭)을 10㎛ 이내 바람직하게는 3㎛ 이내로 유지함으로써 수행될 수 있다. 이들 갭은 Ledermann[15]에서 논의된 바와 같이 설계될 수 있다.
4. 전극 및 압전 재료의 층의 교차만으로 형성된 적층된 빔들의 이용.
임의의 특정 애플리케이션에 대한 캔틸레버 마이크로폰(30)의 설계는 하기에 기술된 설계 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 방법은 주로 분석적으로 수행되고 실험적으로 입증되는 빔의 수학적 모델링에 기초하여 전개된다. 단일 빔의 감도는 Krommer[1]의 수학식(20)으로 시작하여 빔 수학식이 하기의 수학식이 되도록 판정함으로써 판정된다:
Figure 112011006728188-pct00006
여기서,
Figure 112011006728188-pct00007
Figure 112014045115982-pct00008
는 전체 두께의 평균화된 밀도이고, A는 단면적,
Figure 112014045115982-pct00009
는 빔 디플렉션이고, t는 시간, x는 빔을 따라서 있는 거리, M은 빔의 휨 모멘트, f는 단위 폭 당 힘, b는 빔 폭, N은 층 l의 수, s는 탄성 재료 컴플라이언스, d는 압전 커플링 계수,
Figure 112014045115982-pct00010
는 전기 유전율, z는 도 3c에 도시된 바와 같은 빔의 바닥으로부터의 높이, 및 V는 층 전체의 전압이다. z0는 빔이 압전 재료를 갖지 않을 때의 중립축이고, 하기와 같이 연산될 수 있다:
Figure 112011006728188-pct00011
빔 수학식에 대한 경계 조건은 하기와 같다:
Figure 112011006728188-pct00012
Figure 112011006728188-pct00013
Figure 112011006728188-pct00014
, 및
Figure 112011006728188-pct00015
.
모멘트 수학식에서, 전압, V는 Irschik[2]의 방법을 다층으로 확장하여 다음을 가져옴으로써 판정될 수 있다:
Figure 112011006728188-pct00016
층의 커패시턴스는 하기와 같이 주어진다:
Figure 112011006728188-pct00017
.
층의 출력 에너지는 층의 커패시턴스를 층의 전압의 제곱에 곱함으로써 연산된다:
Figure 112011006728188-pct00018
.
디바이스 출력 에너지(출력 에너지라고 함)는 본 제품을 보호하는 빔(32)이 직렬 또는 병렬의 임의의 조합으로 배선된 각각의 층의 출력 에너지의 합이 될 것이다. 마이크로폰(30) 설계 및 구축시, 빔의 레이업의 파라미터(예를 들면, 층 높이 및 길이)는 이러한 출력 에너지 대 센서 면적의 비율이 주어진 입력 압력, 대역폭, 및 압전 재료에 대해 최대화되도록 선택될 수 있다. 상기 비율은:
Figure 112011006728188-pct00019
이다.
여기서, 센서 면적은 압전 빔을 구비하는 토털 칩 표면적을 가리킨다. 바람직하게는, 마이크로폰(30)은 가능한 최대의 달성가능한 값에 근접하도록 하도록 설계 및 구축된다. 그러나, 다양한 이유에 의해(예를 들면, 구축 비용), 센서 면적 대 최적 에너지 비율의 10% 만큼의 낮은 정도의 설계조차 특정한 애플리케이션에 대해 수용가능하게 될 수 있다.
2가지 이유로 이러한 비율의 항을 최대화하는 것이 이점을 가진다. 먼저, 출력 에너지는 빔(32)을 직렬 또는 병렬(마이크로폰으로 하여금 특정 회로에 매칭되도록 하는)로 배선할 때 일정하게 유지된다. 이는, Ried[9]의 논문에서 지적되었다. 2번째로, 압전 노이즈라고 하는 입력은 빔을 직렬 또는 병렬로 배선할 때 일정하게 유지된다. 이들 특성 모두가 일정하게 유지되기 때문에, 이들 비율을 최대화하는 것은 설계를 최적화하는 방식으로서 사용될 수 있다.
상기 수학식은 임의의 폭의 빔으로 사용되고 빔의 감도를 판정하기 위해 수치해석적으로 풀수 있다. 보다 넓은 빔(플레이트)에 대해, 간단한 치환이 DeVoe[3]에 의해 제시되어 상기에서 사용된 비축방향 스트레스 조건(unaxial stress assumption)을 평면 스트레스 조건으로 전환한다. 이러한 치환은 하기와 같다:
Figure 112011006728188-pct00020
, 및
.
그러나, Elka[4]는 3D 분석 모델 또는 3D 정수 엘리먼트 모델에 비교될 때 최초의 비축방향 스트레인 조건이 더 나은 결과를 가져온다는 것을 보여준다. 빔이 일정한 폭이라고 가정하면, 수학식은 현저하게 간략화되고 분석적으로 풀이될 수 있다. Tiersten[5]으로부터의 작은 압전 커플링의 조건은 추가적인 간략화를 야기한다. 이들 수학식은 특정한 빔에 의해 전개된 전압을 판정하기 위해 사용되고 다수의 빔에 의해 전개된 전압을 판정하기 위해 확장되어, 압전 마이크로폰에 감도를 제공할 수 있다. 빔 밀도가 이들 수학식에 포함되어있지만, 이들은 또한 마이크로폰의 대역폭을 추정하기 위해 사용될 수 있다. 이들 수학식은 전압 검지가 사용되고 빔의 출력이 고 임피던스 입력이 되는 것을 가정한다. 전하 검지가 가정되면, 유사한 수학식이 도출될 수 있다. 이들 수학식은 또한 Krommer[1] 및 Irschik[2]의 논문에 포함된다. 당업자에 대해, 이들 수학식은 전하 증폭 전자기기를 활용하는 최적화된 디바이스를 판정하기 위해 상기에서 주어진 것과 동일한 방식으로 사용될 수 있다.
압전 마이크로폰(30)의 노이즈 플로어(최소 검출가능한 신호)는 기본적으로 Levinzon[6]에 의해 기술된 바와 같은 재료의 유전 손실각에 의해 제한된다. 이러한 압전 노이즈는 하기와 같이 표시된 필름의 저항에 의해 야기되는 열 노이즈이다:
Figure 112011006728188-pct00022
여기서,
Figure 112011006728188-pct00023
은 노이즈 공간 밀도이고,
Figure 112011006728188-pct00024
는 대역폭이고, k는 볼츠만 상수이고, T는 온도이고,
Figure 112011006728188-pct00025
는 각주파수이고, C는 센서 커패시턴스이고,
Figure 112011006728188-pct00026
는 재료의 유전 손실각의 탄젠트이다. 이는 주어진 빔(32) 또는 빔의 조합의 출력 전압 노이즈를 판정한다. 빔으로부터의 기계적 열 노이즈, 빔의 복사 임피던스, 및 l/f 노이즈와 같은 기타 노이즈 소스는 마이크로폰의 노이즈의 주요 원인이 되지 못한다.
노이즈의 또다른 주요한 소스는 수반하는 전자기기의 노이즈이다. 증폭 전자기기는 전하 증폭기에서 전압 증폭을 위한 집적 회로까지의 임의의 범위에 있는 것이 될 수 있다. 예시로 든 디바이스는 증폭을 위해 2.2㏀의 로드 저항을 가진 공통 소스 증폭기에서 접합형 전계 효과 트랜지스터(JFET)를 이용하는데, 이들 트랜지스터가 상대적으로 저 노이즈이고, 작고, 저렴하고, 상대적으로 모델링하기에 간단하기 때문이다. JFET 노이즈는 Levinzon[7]에 의해 도시된 바와 같이 모델링 될 수 있다. 저주파수에서, 도 4에 도시된 레지스터(Rb)의 열 노이즈가 회로에 상당수 영향을 끼친다. 극성이 주파수
Figure 112011006728188-pct00027
에서 형성되고, 여기서, Rp는
Figure 112011006728188-pct00028
로부터 획득된 압전층의 저항이다. Rb가 저항에 주로 영향을 끼칠때, 더 큰 커패시턴스, C는 극성을 더 낮은 주파수로 이동시켜 열 노이즈를 더 감쇠시킨다. JFET에 연결된 압전 센서에 대한 일반적인 노이즈 곡선이 도 5에 도시된다.
마이크로폰(30)의 동적 영역은 대부분의 애플리케이션에 대한 요구조건을 초과하며, 일반적으로 그것이 연결된 전자기기에 의해 제한된다. 마이크로폰(30) 자체는 전력을 소비하지 않아서, 총 전력 소비가 증폭 회로의 소비에 따르도록 한다. 마이크로폰의 면적은 사용된 빔의 크기와 수에 의해 결정되고 노이즈 플로어, 감도 및 대역폭과는 상충될 수 있다.
진동 및 온도와 같은 기타 파라미터에 대한 이러한 마이크로폰(30)의 감도 또한 조사된다. 진동에 대한 감도는 하기와 같이 주어진 재료 밀도와 두께에 연관된다:
Figure 112011006728188-pct00029
.
이러한 모델은 Matlab™에 대입되고 최적화가 수행된다. 최적화는 가청 영역에서의 대역폭, 저노이즈 플로어, 및 상용 MEMS 마이크로폰의 것과 유사한 면적을 제공하는 것을 의도한다.
이러한 마이크로폰(30)은 다중 빔(32)을 이용하기 때문에, 그것들은 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 연결될 수 있지만, 출력 에너지, 연산자 V2C는 Ried[9]에 의해 기술된 바와 같은 주어진 음향 압력에 대해 일정하게 유지된다. 이들 빔이 연결된 방법은 감도와 노이즈 사이의 상충관계를 나타낸다. 이들 빔이 모두 직렬로 연결된다면, 이는 감도를 최대화시키지만 센서 커패시턴스, C는 매우 작게될 것이다. JFET가 증폭에 사용된다면, 이는 노이즈를 필터링하는 극성의 주파수를 증가시키고 결과인 노이즈가 증가할 것이다. 일반적으로, 작은 커패시턴스는, 전자기기로의 입력 커패시턴스가 용량성 디바이더로서 기능하고 신호를 감소시키기 때문에 불리하다. 모든 빔이 병렬로 연결되는 경우, 이는 최소의 감도를 가져오지만 최대의 센서 커패시턴스를 가져온다. JFET를 이용할 때 시스템의 입력 기준 노이즈를 최소화하기 위해 상술한 2개의 제한적인 경우(모두 병렬 대 모두 직렬) 사이에서 대개 최적의 커패시턴스가 식별될 수 있다.
따라서, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 면적은 감도 및 노이즈 플로어와 상충될 수 있다. 빔이 더 많을수록 면적을 더 많이 소비하지만, 더 큰 V2C 프로덕트를 가져온다. 대역폭이 또한 노이즈 플로어, 감도 및 면적과 상충될 수 있다. 빔이 더 길수록 더 많은 면적을 소비하지만, 이는 보다 유연하기(compliant) 때문에, 주어진 면적에 대해 더 큰 V2C 프로덕트를 가져온다. 이러한 더 긴 빔들은 더 낮은 고유 주파수를 가지고, 따라서, 더 낮은 대역폭을 가진다.
마이크로폰 출력에 영향을 주는 다른 설계/구축 팩터가 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 자신의 자유단을 향해 테이퍼된 폭을 가진 빔은 더 큰 V2C 출력 에너지를 제공할 수 있다. 이의 피크 값은 빔 베이스에서 팁에 대해 약 0.33의 비율이다. 또한, 적어도 단일(적층되지 않은) 빔에 대해, 전극과 압전체 사이에 개재된 파릴렌의 층은 더 양질의 V2C 출력을 제공할 수 있다. 특히, 빔의 모델링 후에, 파릴렌의 중간 층의 이점/단점을 판정하기 위해 도 7이 생성되었다. 이 도면은 파릴렌의 얇은 층이 빔의 일정한 면적/일정한 대역폭 그룹의 V2C 프로덕트를 조금 개선하는 것을 표시한다. 이러한 얇은 층은, 파릴렌이 탑 AIN 층의 필름 품질에서의 감소를 야기하는 더 높은 표면 거칠기를 가질수 있기 때문에, 테스트 디바이스에서 사용되지 않는다. AIN의 탑층은 무용한 경향이 있기 때문에, 파릴렌은 V2C 프로덕트가 효익이 있도록 하기 위해 2배로 할 필요가 있는것 같지만, 이는 효익이 없다. 따라서, 파릴렌의 사용을 단일(적층되지 않은) 빔에 대해 사용하는 마이크로폰 구조에 한정하는 것이 바람직하다. 저 탄성률 및 저밀도를 가진 파릴렌이 아닌 적절한 재료가 또한 사용될 수 있다.
Matlab™에서의 디바이스 모델링 및 최적화 후에, 디바이스가 제조된다. 장방형 빔(테이퍼된 빔에 대향하는)은 보다 단순한 제조 및 테스트의 목적으로 구축된다. 빔들은 200nm Mo, 500nm AIN, 200nm Mo, 500nm AIN, 200nm Mo 재료 스택으로 구축되는데, 이러한 조합이 상대적으로 고감도와 저 노이즈를 제공하기 때문이다.
AIN은 ZnO와 PZT와 같은 다른 일반적인 MEMS 압전 재료에 비해 동일한 또는 더 우수한 성능을 제공하고 상기 2개의 재료보다 더 우수한 CMOS 호환성을 가지기 때문에, AIN이 압전 재료로서 선택되었다. 디바이스 성능은 d31,
Figure 112011006728188-pct00030
, 전기 유전율, s 및
Figure 112011006728188-pct00031
와 같은 다수의 파라미터에 따르기 때문에 최적의 압전 재료를 식별하는 것은 어려울 수 있다. 이들 특성은 재료 조성, 증착력/압력/온도, 기판 거칠기 및 결정 구조, 재료 두께 등에 따른다. 재료 증착 가변성에 추가하여, 이들 파라미터들에 대해 인용된 값들은, PZT가 조성과 방향성에 대해 보다 변화가 많기 때문에, AIN 보다 PZT에 대해 보다 더 실질적으로 변화할 수 있으므로, 완벽한 재료 비교를 위한 모든 필요한 정보를 제공하는 소스를 찾는 것은 어려울 수 있다. AIN과 PZT 모두를 평가하기 위해 문헌 [11]-[14]로부터의 최상의 값들을 이용하면, PZT가 일반적으로 마이크로폰 애플리케이션에 따라 효익을 가질수 있는 더 고감도를 가져올지라도, 그것들은 성공적인 디바이스에 대해 거의 동일한 포텐셜을 가지는 것으로 보인다. 문헌에서의 AIN 파라미터는 보다 견고한 것으로 보이고, AIN과 Mo는 이미 상용 FBAR 공정에서 사용되어 이들 재료를 가지고 한 제조는 보다 용이하게 상용 디바이스로 전환될 수 있다. 고 품질의 AIN은 Mo 상에 증착되고, 그것은 나머지 처리 단계를 가지고 작업되기 때문에 Mo가 선택된다. 도 8은 상이한 전극 재료가 어떻게 V2C 프로덕트에 영향을 주는지를 도시한다. 본 애플리케이션에 대한 최상의 재료는 저 밀도와 저 강성을 가진 재료이다. 티타늄(Ti)은 따라서, Mo보다 더 잘 작용하지만, 다른 처리 단계들과의 호환성 때문에 사용되지 않는다. 층들의 두께는, 이들이 양질로 무리없이 증착될 수 있는 가장 얇은 두께이기 때문에, 선택된다. 모델은 더 얇은 층들이 효익이 있지만 제조시 시도되지 않는다는 것을 지시한다.
디바이스의 처리가 도 9a-9d에 도시된다. 먼저, 200nm층의 SiO2가 DRIE 에칭을 위해 에칭 스톱으로서 증착된다. 그런다음 200nm층의 Mo가 증착되고, 패터닝되고, 희석 왕수(dilute Aqua Regia)(9H2O:1HNO3:3HCL)로 에칭된다. 다음으로, 200nm층의 Mo에 의해 후속되는 500nm층의 AIN이 증착되고, 패터닝되고, 희석 왕수로 Mo에 대해, AIN에 대해 뜨거운 (85C) H3PO4로 에칭된다. 그런다음 또다른 500nm AIN과 200nm Mo가 증착되고, 패터닝되고, 에칭된다. 모든 AIN 증착은 UC Berkeley에서 Harmonic Devices로 수행되었다. AIN 증착동안, 잔류 응력은 빔 만곡을 제한하려는 시도에서 모니터링된다. 이러한 에칭에 후속하여, 웨이퍼의 양측면은 6㎛의 SiO2로 덮이고, 배면은 패터닝되고 빔들을 해제하기 위한 DRIE 에칭을 위해 에칭된다. 다음으로, 웨이퍼는 STS DRIE 툴에서 배면으로부터 에칭된다. 개별 다이는 그런다음 편도절단(dicing) 톱으로 다이싱되고, SiO2가 5:1 BHF에서 제거된다. 다수의 단계들이 대부분 눈에 띄게 개선될 수 있고, 빔의 길이는, 이방성 실리콘 에칭이 백 캐비티를 에칭하기 위해 사용되고 에칭 스톱이 빔 아래에서 실리콘으로 삽입된다면, 보다 잘 제어될 수 있다. 일부 설계는 직렬 또는 병렬의 상이한 조합으로 빔들을 연결하고 스트레이 커패시턴스를 감소시키기 위해 DRIE 이전에 추가적인 금속피복 단계를 활용하지만, 이들 디바이스는 이러한 개념의 최초의 증명에 사용되지 않는다. 디바이스의 현미경 화면은 도 10에서 볼 수 있다.
디바이스 제조후에, 디바이스들은 도 11에서 볼수 있듯이 트랜지스터 아웃라인(TO) 캔에서 패키징되고 신호를 버퍼링하기 위해 JFET로 와이어 본딩된다. 이는 도 4에 지시된 바와 같이, 센서 전극에 연결된 JFET의 게이트 입력부로 수행되어, 전극으로부터 수신된 신호가 트랜지스터에 의해 증폭되도록 한다. 빔에 대한 광학 액세스를 제공하고 그의 편향을 측정하기 위해 마이크로폰 아래의 TO 캔에 홀이 드릴링된다. 백 캐비티의 크기는 마이크로폰 대역폭의 저단부를 판정하기 때문에, 이러한 홀은 백 캐비티의 크기가 조정될 수 있도록 한다. 마이크로폰은 그런다음 기준 마이크로폰(Larsen Davis 모델 2520) 다음의 평면파 튜브에 배치되고, 주파수 응답은 LabView A/D 카드와 소프트웨어를 이용하여 측정된다. 이는 도 12에서 볼 수 있다. d3l 계수는 빔을 작동시키고 레이저 진동계로 빔 만곡을 측정함으로써 측정된다. 빔 편향 프로파일은 도 13에서 볼 수 있다.
빔의 고유 주파수는 구동에 대한 빔의 주파수 응답을 측정함으로써 판정된다. 마이크로폰 성능에 영향을 주는 또다른 파라미터는 마이크로폰의 유전 손실각
Figure 112014045115982-pct00032
이다. 이는 LabView™ 소프트웨어 및 Agilent Model 4284A Precision LCR 미터와 함께 양측 커스텀 회로로 측정된다.
이러한 최초 테스트에 대해, AIN의 탑층 만이 JFET에, 빔의 하나의 측면 상에서만 연결되고, 그에 의해 전체 마이크로폰이 JFET에 연결되는 경우 예측되는 것 보다 더 높은 노이즈 플로어 3dB를 가져온다. 빔은 356㎛이 되도록 하였지만 예측된 것 보다 더 DRIE 에칭되어, 약 11kHz의 고유 주파수를 가져온다. 이는 빔의 길이가 실제로는 약 400㎛가 되도록 제시한다. d3l 계수는 1.68x 10-12 N/C로 측정된다. 이러한 값은 문헌에서 인용된 최상의 값의 약 65%이다. d3l 계수는, 본 층에 대해, 보고된 최상의 값이 약 1°인데 반해 약 2.6°인 X-선 회절 로킹 커브(rocking curve)와 FWHM을 상호연관시키는 것으로 표시된다. 이러한 값은 그 층이 0.5㎛의 두께이고 다른 층들의 최상부에 있기 때문에 다른 것들 보다 더 높은 경향이 있다.
Figure 112011006728188-pct00033
는 1kHz에서 0.04로 측정되었다. 문헌들은 일반적으로 0.001 내지 0.002 사이의 범위로
Figure 112011006728188-pct00034
를 주어서, 이러한 값이 일반적으로 인용되는 것보다 더 큰 차수의 크기가 되도록 한다. 예측된
Figure 112011006728188-pct00035
보다 더 높은 값은 H3PO4로 AIN을 에칭한 후에 남은 일부 잔류 재료에 기인한 것으로 판정된다. 일부 검사후에,
Figure 112011006728188-pct00036
는 초음파 욕조에 놓이고 핫 플레이트로 가열하는 동안 아세톤으로 세정함으로써 감소될 수 있다는 것이 알려졌다. 더 낮은
Figure 112011006728188-pct00037
를 가진 디바이스는 더 낮은 노이즈 플로어를 가진 마이크로폰을 가져온다.
측정된 d3l 계수와
Figure 112014045115982-pct00038
를 가지고, 고유 주파수 측정치로부터 도출된 길이를 이용하여, 마이크로폰 모델은 측정된 성능을 매우 잘 매칭시킨다. 도 14에 도시된 감도는 2.2㏀ 로드 저항을 가진 JFET 공통 소스 증폭기로부터 0.52mV/Pa로 측정된다. 이는 압전 마이크로폰에 대한 0.17mV/Pa의 로(raw) 출력 감도와 동등하다. 모델은 0.18mV/Pa의 출력 감도를 예측한다. 디바이스에 대해 측정된 출력 입력 기준 노이즈 플로어는 58.2dBA이며, 반면에 모델은 57.3dBA의 입력 기준 노이즈 플로어를 예측한다. 도 14는 측정되고 예측된 감도 및 노이즈 플로어를 도시한다. 측정된 주파수 응답에서의 제 1 피크는 측정에 사용된 것들 중에서 빔의 고유 주파수에 의해 발생된다. 이것들은 DRIE 에칭에서의 비균일도에 기인하여 정확하게 동일한 길이가 되지는 않는다.
상술한 캔틸레버 빔 설계에서, 센서 면적 대 출력 에너지 비율의 최적화는 주어진 입력 압력, 대역폭, 압전 재료에 기초하여 결정된다. 그러나, 이들 조건은 압전 MEMS 마이크로폰의 설계 또는 분석에서 고려될 수 있다. 특히, 하기의 최적화 파라미터 수학식:
Figure 112011006728188-pct00039
을 이용하면,
입력 압력은 압력 P항에 의해 설명될 수 있고, fres항에 의해 대역폭이 설명되고, 압전 재료와 전극의 특성은 유전 손실각
Figure 112011006728188-pct00040
에 의해 설명된다. 따라서, 여기서 이들 입력 조건의 주어진 세트가 사용되지 않는 경우, 센서 면적 대 출력 에너지 비율은 기타 다른 팩터들을 고려하기 위해 주어진 상기 최적화 파라미터 수학식을 최대화함으로써 최적화될 수 있다.
하나의 예시로서, 하나의 AIN 압전 층과 2개의 Mo 전극층을 가진 장방형의 캔틸레버된 빔을 활용하는 압전 MEMS 마이크로폰을 다시 고려해보자. 캔틸레버에 대해, 정규화된 출력 에너지는 도 15에 도시된 바와 같이 전극 길이의 함수로써 플로팅될 수 있다. 단위 면적당 정규화된 출력 에너지가 증가할 때, 최적화 파라미터도 증가하고, 전극 역시 빔의 베이스로부터 빔의 약 50%의 길이까지가 된다.
압전 재료로서 알루미늄 질화물을 이용할 때, 작은 압전 커플링이 가정될 수 있다. 이러한 조건은, V1에 대해 상술한 바로부터 하기의 출력 전압까지 출력 전압에 대한 표현을 간략화한다:
Figure 112011006728188-pct00041
여기서, P는 압력 크기이고, b는 캔틸레버 폭, L은 켄틸레버 길이, d3l은 압전 커플링 계수 매트릭스의 31항,
Figure 112011006728188-pct00042
은 압전 재료의 전기 유전율, s11은 컴플라이언스 매트릭스의 11번째 항,
Figure 112011006728188-pct00043
이고, 여기서 zn은 빔 중립축이고, 아래첨자 k는 층을 나타내고, 이 경우, 압전 층을 나타내며, EI는 하기와 같이 주어진 빔 만곡 강성이다:
Figure 112011006728188-pct00044
여기서,
Figure 112011006728188-pct00045
이고, zn은 하기와 같이 주어진다:
Figure 112011006728188-pct00046
커패시턴스는 약 하기와 같다:
Figure 112011006728188-pct00047
여기서, Ae는 전극에 의해 덮어지는 면적이고, hp는 압전층의 높이이다. 제 1 공진 주파수는 약 하기와 같다:
Figure 112011006728188-pct00048
마이크로폰의 유전 손실각은 전극에서의 손실 뿐 아니라 압전 재료 자체에서의 손실의 함수이다. 이는 하기와 같이 근사치가 구해질 수 있다:
Figure 112011006728188-pct00049
여기서, 첨자 p와 e는 각각 압전 재료와 전극 재료를 가리키고,
Figure 112011006728188-pct00050
는 재료의 전도성,
Figure 112011006728188-pct00051
는 각주파수이고, L은 전극의 길이이다.
이들 수학식을 조합하여, 전극의 길이가 캔틸레버 빔의 길이와 동일하다고 가정하면, 최적화 파라미터는 하기와 같이 연산될 수 있다:
Figure 112011006728188-pct00052
재료 특성에 독립적인 이러한 수학식과 두께를 이용하여, 최적화는 제로 두께의 층과 무한한 최적화 파라미터를 가져온다. 몰리브덴 층이 박막이 되지만, 그의 도전성은 감소된다. 또한 초박막 AIN은 압전 커플링 계수가 감소되고 손실각이 커지는 경향을 가진다. 이러한 이유로, 이들 관계식은 최적화에 포함되어야 한다.
d3l 데이터는 d33 계수와 동일한 속도로 d31 계수가 열화한다고 가정함으로써 구해질 수 있다. d33과
Figure 112011006728188-pct00053
열화의 플롯은 Martin[16]에 의해 주어지고, 도 16 및 17에 각각 도시된다. 대안으로, 두께에 대한 d31의 종속성은 실험적으로 판정될 수 있다.
Mo 도전성은 또한 두께가 감소할때 변화한다. 저항을 가진 Mo 두께의 종속성은 모델링 목적에 대해 이러한 관계식을 판정하기 위해 Namba[17]의 모델을 이용하여 획득될 수 있다. 이러한 모델을 이용하여, 140nm의 평균 자유 경로, P=Q=0, 및 0.5nm의 RMS 표면 거칠기, Mo 두께와 저항 사이의 관계식이 판정될 수 있다. Mo 저항과 Mo 두께사이, d31과 AIN 두께 사이, 손실각과 AIN 두께 사이의 가정된 관계식이 각각 도 18-20에 도시된다. 최적화 파라미터 수학식과 상기의 플롯으로부터의 데이터를 이용하여, 3개층의 디바이스에 대한 이상적인 두께가 하기의 표 1에 표시된다.
층 두께
몰리브덴 #1 9nm
알루미늄 질화물 1.5㎛
몰리브덴 #2 1.1㎛
추가적인 정확성을 위해, 1mm x 1mm 다이어프램 위아래의 공기 유체의 부하가 밀도의 합에 추가된다. 고유 주파수 방정식은 그런다음 빔의 길이를 연산하기 위해 사용될 수 있다. 20kHz의 고유 주파수에 대해, 빔은 374㎛ 길이이다. 도 21-23의 플롯은 최적화 파라미터에 대한 임의의 층 두께 변화의 효과를 도시한다. 작은 상대적 변화는 바닥의 Mo 두께의 경우를 제외하고는 최적화 파라미터의 값에 크게 영향을 주지 못한다. 이러한 이유로, 20nm과 같은 보다 보수적인(conservative) 바닥의 Mo 두께를 이용하는 것이 바람직하다. 물론, 최적화 파라미터를 자신의 최대 획득가능한 값의 10% 이상으로 유지관리하는 보다 보수적인 값이 사용될수 있고; 따라서, 도 18-20에 도시된바와 같이, 특히 바닥의 전극의 최적화 파라미터가 이러한 범위에서 두께와 함께 그렇게 충분히 감소하지 않았기 때문에 50nm, 100nm 이상의 전극 두께가 사용될 수 있다. 원하는 센서 면적이 대략 1mm x 1mm이라면, 이러한 빔은 1mm 폭이 될 수 있고, 그것들 중 3개는 끝에서 끝으로 이어서 배치될 수 있다.
이러한 동일한 접근 방식은 전극과 압전 재료를 교차시키는 5개의 층의, 도 3b에 도시된 적층된 빔 구성에 대해 사용될 수 있다. 최적화 파라미터를 최대화시키는 연산된 최적 값은 하기의 표 2에 주어진다.
층 두께
몰리브덴 #1 10nm
알루미늄 질화물 #1 1.5㎛
몰리브덴 #2 10nm
알루미늄 질화물 #2 1.5㎛
몰리브덴 #3 10nm
그런다음 고유 주파수 방정식이 빔의 길이를 연산하는데에 사용될 수 있다. 20kHz의 고유 주파수에 대해, 빔은 461㎛이다. 도 24-26의 플롯은 최적화 파라미터에 대한 층 두께 변화의 효과를 나타낸다. 다시, 이러한 플롯들은 전극층이 센서 면적 대 연산된 출력 전압 비율에서의 너무 큰 감소없이 예를 들면, 20, 50, 100nm 이상으로 현저하게 증가될 수 있고, 중간의 전극은 자신의 최대획득가능한 값의 10% 미만으로 비율을 감소시키지 않으면서 5nm 내지 1㎛ 사이에서 변화될 수 있다는 것을 도시한다.
다이어프램 설계
상술한 바와 같이, 캔틸레버 빔 구조가 아니라, 스트레스 해제된 다이어프램 설계가 또한 감도와 저 노이즈 플로어의 양질의 조합을 제공할 수 있다. 도 27a 및 27b를 참조하면, 실리콘 기판(54) 위에 걸린 스트레스 해제된 다이어프램(52)의 형태로 다층 음향 센서를 구비하는 압전 MEMS 마이크로폰(50)이 도시된다. 본 실시예에서, 상하부 Mo 전극층, 및 AIN 압전 재료의 중간층으로 된, 3개의 층만이 사용된다. 그러나, 파릴렌과 기타 재료의 층이 또한 사용될 수 있고, 다이어프램은 적층된 빔 캔틸레버 구성과 연결하여 상술한 바와 같은 다중 압전 층을 가질수 있다는 것이 이해될 것이다. 예시한 실시예가 3개의 층만을 포함하지만, 상하부 전극층은 각각 2개의 독립적인 전극을 형성하기 위해 패터닝된다. 특히, 제 1(하부) 전극층은 중심 전극(56)과 상기 중심 전극(56)을 둘러싸는 외부 링형 전극(58)을 포함한다. 도 27a에 도시된 제 2(상부) 전극층은 중심 전극(57)과 상기 중심 전극(57)을 둘러싸는 외부 링형 전극(59)을 포함한다. 도 27a에 도시된 탑뷰의 투시도로부터, 중심 전극(57)과 외부 링형 전극(59) 모두는 자신의 연관된 하부 중심 전극(56)과 링형 전극(58) 각각과 동일한 연장선 상에 있다. 이해하다시피, 중심 전극(56, 57)은 제 1 압전 감지 엘리먼트를 형성하고, 외부 링형 전극(58, 59)은 제 2 압전 감지 엘리먼트를 형성한다. 전극을 서로 절연되도록 유지관리함으로써, 그것들은 원하는 대로 함께 배선될 수 있다. 외부 링형 압전 감지 엘리먼트가 중심 감지 엘리먼트로서 대향하는 방향으로 잡아당겨지기 때문에, 압전 효과에 의해 이들 전극 상에 생성된 전하는 반대의 극성이 되어, 그것들은 중심 전극(56)을 외부 링형 전극(59)에 연결시키고 중심 전극(57)을 외부 링형 전극(58)에 연결시킴으로써 함께 부가될 수 있다. 센서로부터의 신호는 캔틸레버 실시예와 연결하여 상술된 바와 유사한 방식으로, 트랜지스터, 연산 증폭기 또는 기타 적절한 회로에 연결함으로써 증폭될 수 있다.
스트레스 해제된 다이어프램(52)을 획득하기 위해, 실리콘 웨이퍼 또는 기타 적절한 기판(54) 상으로 증착함으로써 층들이 형성될 수 있고, 다이어프램은 그런다음 그것을 실질적으로 기판으로부터 분리시키기 위해 미세가공되거나 처리되어 층들이 임의의 잔류 응력을 해제시키기 위해 필요한 만큼 확장 또는 수축할 수 있다. 도 27a에 도시된 바와 같이, 이를 달성하는 한가지 방식은 적절한 위치에 다이어프램(52)을 유지하도록 스프링(60)을 이용하는 것인 반면, 그렇지 않으면 그는 기판(54)으로부터 해제된다. 스트레스 해제되면, 다이어프램(52)은 그런다음 정전기 클램핑과 같은 적절한 기술에 의해 자신의 주변에 관해 기판(54)으로 다시 부착될 수 있다. 스프링(60)은 경계를 형성하기 위해 AIN을 통한 에칭에 의해 생성되고, 그런다음 그것들 아래의 재료를 제거하여 스프링의 아래부분을 잘라낸다. 다이어프램(52)은 전극 리드에 사용되는 면적에서 바닥의 우측 모서리에서 기판(54)에 연결된다. 나머지 3개의 모서리에서의 스프링이 그런다음 하나의 단부에서 기판(54)에 고정되고 다른 단부에서 다이어프램(52)에 고정된다. 스프링의 언더커팅 후에, 다이어프램(52)이 접지부분에서 바닥의 외부 전극(58)을 유지하고 전압 바이어스를 기판으로 인가함으로써 기판(54)에 재부착된다. 따라서, 다이어프램(52)은 기판으로의 상기 층들 중 적어도 하나의 직접 증착으로서 기판(54)에 부착되는 자신의 주변부(바닥 우측)의 제 1 부분, 및 기판으로의 제 2 부분의 개별 부착에 의해 상기 기판에 부착되는 주변의 제 2 부분을 가진다. 또한 그것은 스프링(60)으로서 작용하는 하나 이상의 층의 얇은 인터커넥션에 의해 다른 모서리에서 기판(54)에 연결된다. 중심 및 외부 링형 전극의 전기 연결은 다이어프램(52)이 기판(54)에 연결된 상태를 유지하는 바닥 우측 모서리에서 압전층을 가로질러 뻗어있는 도전성 트레이스에 의해 이루어진다. 최적의 층 두께와 크기는 캔틸레버 설계에 대해 상술한 바와 동일한 프로시저를 따름으로써 획득될 수 있다. 적절한 추정치의 층 두께는 상기에서 주어진 것과 동일한 파라미터를 이용하여 발견될 수 있고; 대안으로, 다이어프램 모델이 보다 완벽하고 정확한 최적화에 사용될 수 있다.
추가적인 관찰
제조된 디바이스는 모델이 정확하고 재료와 처리만이 개선될 필요가 있다는 것을 보여준다. 처리 및 증착 기술이 더 양질의 재료 특성이 달성되는 것으로 허용할 때, 성능은 도 28에 도시된 것과 매칭한다. 이러한 도면은 고품질 재료 파라미터를 가진 JFET 공통 소스 증폭기를 이용하여 설계 및 제조된 디바이스에 대해 예측할 수 있는 성능을 지시한다. 이는 압전 마이크로폰에 대한 상기 설계가 잘 최적화된 용량성 마이크로폰과 동일한 노이즈 플로어를 달성할 수 있다는 것을 도시한다. 감도 및 전력 소비와 같은 일부 파라미터들은, 이들 파라미터가 도 28에 주어진 것처럼 현저하게 상호관계가 있는 것은 아니기 때문에 도 28의 플롯에 포함되지 않는다. 도면에서의 플러스 사인은 압전 마이크로폰을 지시하며, 원은 용량성 마이크로폰을 지시한다. 압전 마이크로폰은 일반적으로 용량성 마이크로폰 보다 낮은 감도를 가지지만, 이는 용량성 마이크로폰에서 자주 사용되는 것처럼, 신호를 증폭시키기 위해 응용 주문형 집적회로(ASIC)를 이용하여 보정될 수 있다. 이러한 도면이 고품질의 압전 재료를 가정하지만, 더 양질의 전극 재료, 태이퍼된 빔, 또는 빔의 중간에서의 얇은 컴플라이언트 층의 사용으로 가능한 개선안은 고려되지 않는다. 이는 또한 JFET가 증폭에 사용되고, 따라서 노이즈 플로어를 제한한다고 가정한다. ASIC은 저 노이즈 플로어를 가지고, 마이크로폰의 성능을 한층 더 개선시킬 수 있다. 이는 또한 0.001의
Figure 112011006728188-pct00054
를 가정하지만, 적절한 어닐링으로 이러한 값 미만으로
Figure 112011006728188-pct00055
가 감소될 수 있다는 것이 보여진다.
상술한 바와 같이 구축된 압전 MEMS 마이크로폰은 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECM:electret condenser microphone) 및 소비자 전자기기에서 사용되는 MEMS 용량성 마이크로폰과 경쟁하는 상용가능성을 가질수 있다. 상기 설계는 ECMs 및 MEMS 용량성 마이크로폰과 동등한 성능을 제공하지만, 각각에 대해 이점을 제공한다. 먼저, 표준 ECMs은 모든 다른 마이크로폰에 대해 사용되는 일반적인 무연 납땜(lead-free solder) 처리를 이용하여 인쇄 회로 기판에 장착될 수 없다. 이는, 그것들이 수작업으로 또는 보다 고비용이고 덜 신뢰할만한 소켓으로 특수하게 부착되어야 한다는 것을 의미한다. 상술한 압전 마이크로폰은 고온에 견디며 따라서 표준 기술을 이용하여 장착될 수 있다. 이러한 압전 마이크로폰은 또한 ECMs보다 더 작아서, 더 작은 전체 전자 디바이스를 허용한다. MEMS 용량성 마이크로폰은 또한 이러한 이점들을 가지며 그것들은 따라서 2003년 이래 휴대 전화기에서 사용되어왔다. 그러나, MEMS 용량성 마이크로폰은 많은 부분에 있어서 이들 마이크로폰에 판독 회로를 제공하기 위해 사용되는 ASIC에 기인하여 ECMs 보다 더 고비용이다. 이는 ECMs에서 사용되는 JFET 보다 매우 비싼 부품이다. 본문에 기술된 압전 MEMS 마이크로폰은 단일한 JFET로 증폭될 수 있어서, MEMS 용량성 마이크로폰의 모든 이점을 가진 보다 저비용의 마이크로폰을 만들 수 있다.
오디오 마이크로폰으로 사용하는 것과 달리, 상기 디바이스는 초음파 검출과 같은 다른 응용에 사용될 수 있고, 마이크로폰 구조의 설계에서의 적절한 변경이 그 애플리케이션에 대해 상기 설계를 최적화하기 위해 사용된다. 또한, 파릴렌과 같은 절연 물질을 가지고 빔을 덮음으로써(예를 들면, 약 1-2㎛), 마이크로폰이 수면아래의 응용에 대해 하이드로폰으로서 사용될 수 있다. 유사하게, 파릴렌 또는 기타 적절한 절연 커버링이 하이드로폰을 구축하기 위해 상술한 다이어프램 설계로 사용될 수 있고, 이 경우, 디바이스는 당업자에 공지된 것과 같은, 압력 등화 포트 또는 기타 외부 환경과의 적절한 압력 등화를 위한 수단을 포함한다.
상기는 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시예의 설명이라는 것이 이해될 것이다. 본 발명은 본문에 개시된 특정한 실시예(들)에 한정되지 않고, 하기의 청구범위에 의해서만 정의된다. 또한, 상기 설명에 포함된 내용은 특정한 실시예에 관한 것이고 용어 또는 어구가 명시적으로 정의되는 것을 제외하고는 청구범위에서 사용되는 용어의 정의에 대해 또는 본 발명의 범위에 대한 제한으로서 해석되어서는 안된다. 개시된 실시예(들)에 대한 다양한 기타 실시예와 다양한 변경 및 변형이 당업자에게는 명확할 것이다. 예를 들면, 획득가능한 최대 비율의 적어도 10%(또는 최대 획득가능한 최적화 파라미터)를 제공하는 센서 설계가 다수의 애플리케이션에 적합할지라도, 보다 바람직한 설계는 획득가능한 최대값의 적어도 25%를 제공하고, 보다 바람직한 설계는 획득가능한 최대값의 적어도 50%를 제공한다. 매우 바람직한 실시예에서, 최대 획득가능한 최적화 파라미터를 이용하는 설계가 활용될 수 있다. 모든 이러한 기타 실시예, 변형, 및 변경은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.
본 명세서와 청구범위에서 사용된 바와 같이, "for exampe", "for instance", "such as", "like" 등의 용어와, "comprising", "having", "including"과 같은 동사, 및 그의 기타 동사의 형태는, 하나 이상의 컴포넌트 또는 기타 아이템의 리스트와 함께 사용될 때, 각각 개방된 형태로 간주될 수 있으며, 상기 리스트는 기타, 추가적인 컴포넌트 또는 아이템을 배제하는 것을 고려하지 않는다. 다른 용어들은 그것들이 상이한 해석을 요구하는 의미로 사용되지 않는다면 자신들의 가장 광의의 적절한 의미를 이용하여 간주된다.
(참조문헌)
[1] Krommer, M., (2001). "On the correction of the Bernoulli-Euler beam theory for smart piezoelectric beams." Smart Materials and Structures, (10), 668-680.
[2] Irschik, H., Krommer, M., Belyaev, A.K., Schlacher, K., (1998). "Shaping of Piezoelectric Sensors/Actuators for Vibrations of Slender Beams: Coupled Theory and Inappropriate Shape Functions." Journal of Intelligent Material Systems and Structures, (9), 546-554.
[3] DeVoe, D.L., Pisano, A.P., (1997). "Modeling and Optimal Design of Piezoelectric Cantilever Microactuators." Journal of Microelectromechanical Systems, (6), 266-270.
[4] Elka, E., Elata, D., Abramovich, H., (2004). "The Electromechanical Response of Multilayered Piezoelectric Structures." Journal of Microelectromechanical Systems, (13), 332-341.
[5] Tiersten, H.F. (1969). "Linear Piezoelectric Plate Vibrations." (New York:Plenum).
[6] Levinzon, F.A., (2004). "Fundamental Noise Limit of Piezoelectric Accelerometer." IEEE Sensors Journal, (4), 108-111.
[7] Levinzon, F.A., (2000). "Noise of the JFET Amplifier." IEEE Transactions on Circuits and Systems-Ⅰ: Fundamental Theory and Applications, (47), 981-985.
[8] Perkins, N.C. (2001), in: S.G. Braun (Ed.), Nonlinear Systems, Overview, "Encyclopedia of Vibrations." Academic Press, 944-951.
[9] Ried, R.P., Kim, E.S., Hong, D.M., Muller, R.S., (1993). "Piezoelectric Microphone with On-Chip CMOS Circuits." Journal of Microelectromechanical Systems, (2), 111-120.
[10] Niu, M.N., Kim, E.S., (2003). "Piezoelectric Bimorph Microphone Built on Micromachined Parylene Diaphragm." Journal of Microelectromechanical Systems, (12), 892-898.
[11] Trolier-McKinstry, S., Muralt, P., (2004). "Thin Film Piezoelectrics for MEMS." Journal of Electroceramics , (12), 7-17.
[12] Tsubouchi, K., Mikoshiba, N., (1985). "Zero-Temperature-Coefficient SAW Devices on AlN Epitaxial Thin Films." IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, (SU-32), 634-644.
[13] Dubois, M.A., Muralt, P., (1999). "Properties of aluminum nitride thin flims for piezoelectric transducers and microwave filter applications." Applied Physics Letters, (74), 3032-3034.
[14] Hooker, M.W., (1998). "Properties of PZT-Based Piezoelectric Ceramics Between -150 and 250℃." NASA Report: NASA/CR- 1998-208708.
[15] Ledermann, N., Muralt, P., Baborowski, J., Forster, M., Pellaux, J.-P., "Piezoelectric Pb(Zrx, Til-χ)O3 thin film cantilever and bridge acoustic sensors for miniaturized photoacoustic gas detectors." J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1650- 1658.
[16] Martin, F., Muralt, P., Dubois, M.A., Pezous, A., (2004). "Thickness dependence of the properties of highly c-axis textured AlN thin films." J. Vac. Sci. Technol A, Vol. 22, No. 2, 361-365.
[17] Namba, Y., (1970). Japan J. Appl Phys. (9), 1326-1329.

Claims (23)

  1. 기판; 및
    복수의 캔틸레버 빔을 포함하는 다층 음향 센서;를 포함하고,
    각각의 빔은 제 1 전극층, 압전층 및 제 2 전극층을 포함하고, 각각의 빔은 상기 기판에 의해 지지되는 고정단과 상기 기판으로부터 자유로운 자유단 사이로 뻗어있고, 복수의 캔틸레버 빔 중 적어도 2개의 빔의 자유단은 서로 마주하고, 갭에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다층 음향 센서는 8㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전극층과 상기 압전층은 합쳐서 2㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 압전층은 상기 제 1 전극층의 표면상에 직접 증착된 압전 재료의 층을 구비하고, 상기 제 2 전극층은 상기 압전 재료의 표면상에 직접 증착된 전극 재료의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  5. 제 1 항에 있어서, 트랜지스터를 더 포함하고,
    상기 트랜지스터는 상기 제 1 및 제 2 전극층에 연결된 제어 입력부를 구비하여 상기 다층 음향 센서로부터 상기 제어 입력부 상에 수신된 신호가 상기 트랜지스터에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 갭은 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  7. 제 1 항에 있어서, 10㎛ 이하의 갭만큼 인접하는 빔들이 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 캔틸레버 빔은 복수의 적층된 빔 세트를 포함하고, 각각의 적층된 빔 세트는 전극 재료와 압전 재료가 교대로 있는 적어도 5개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 캔틸레버 빔의 폭은 캔틸레버된 끝단으로부터 자유단을 향해 테이퍼링되어 자유단에서의 각각의 빔의 폭이 캔틸레버된 끝단에서의 상기 복수의 캔틸레버 빔의 폭보다 더 협소한 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 캔틸레버 빔은 절연층으로 덮여 있고, 이에 의해 마이크로폰은 하이드로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  11. 실리콘 기판; 및
    제1 및 제2 캔틸레버 빔;을 포함하고,
    각각의 빔은 상기 기판에 의해 지지되는 고정단과 상기 기판으로부터 자유로운 자유단 사이로 뻗어있고, 상기 제1 및 제2 캔틸레버 빔은 자신의 각각의 세로축을 따라 동일선상으로 배열되어 있고, 상기 제1 및 제2 캔틸레버 빔의 자유단은 서로 인접하고, 갭에 의해 분리되어 있고, 각각의 빔은 전극 재료의 증착층 및 상기 전극 재료 위에 놓인 압전 재료의 증착층을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 캔틸레버 빔 중 적어도 일부는 적층되어, 적층된 빔들이 증착된 전극 재료와 증착된 압전 재료의 교대층들을 포함하고, 상기 교대층들 사이에는 추가의 층이 없는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
  12. 제 11 항에 있어서, 압전 재료의 증착층 각각은 2㎛ 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 MEMS 마이크로폰.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11747192B2 (en) 2021-01-05 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Acoustic sensor assembly and method of sensing sound using the same

Families Citing this family (122)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010002887A2 (en) 2008-06-30 2010-01-07 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric memes microphone
US10170685B2 (en) 2008-06-30 2019-01-01 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric MEMS microphone
FR2959597B1 (fr) * 2010-04-30 2012-10-12 Commissariat Energie Atomique Procede pour obtenir une couche d'aln a flancs sensiblement verticaux
CN102185097B (zh) * 2011-03-08 2013-07-03 上海交通大学 压电叠堆式mems振动能量采集器及其制备方法
KR102096086B1 (ko) 2011-03-31 2020-04-02 베스퍼 테크놀로지스 인코포레이티드 간극 제어 구조를 구비한 음향 변환기 및 음향 변환기를 제조하는 방법
US8614724B2 (en) * 2011-08-17 2013-12-24 The Boeing Company Method and system of fabricating PZT nanoparticle ink based piezoelectric sensor
US8724832B2 (en) 2011-08-30 2014-05-13 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Piezoelectric microphone fabricated on glass
US8824706B2 (en) 2011-08-30 2014-09-02 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Piezoelectric microphone fabricated on glass
JP5982793B2 (ja) * 2011-11-28 2016-08-31 株式会社村田製作所 音響素子
US9225311B2 (en) 2012-02-21 2015-12-29 International Business Machines Corporation Method of manufacturing switchable filters
JP2014050224A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Seiko Epson Corp 発電装置、２次電池、電子機器、及び移動手段
US9181086B1 (en) 2012-10-01 2015-11-10 The Research Foundation For The State University Of New York Hinged MEMS diaphragm and method of manufacture therof
US9321630B2 (en) 2013-02-20 2016-04-26 Pgs Geophysical As Sensor with vacuum-sealed cavity
KR102061529B1 (ko) 2013-02-28 2020-01-03 삼성디스플레이 주식회사 유기 발광 표시 장치 및 유기 발광 표시 장치의 제조 방법
KR101496192B1 (ko) * 2013-04-11 2015-02-27 싸니코전자 주식회사 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰
JP6180211B2 (ja) * 2013-07-12 2017-08-16 富士フイルム株式会社 ダイアフラム型共振ｍｅｍｓデバイス用基板、ダイアフラム型共振ｍｅｍｓデバイス及びその製造方法
CN103479382B (zh) * 2013-08-29 2015-09-30 无锡慧思顿科技有限公司 一种声音传感器、基于声音传感器的肠电图检测系统及检测方法
US20150162523A1 (en) * 2013-12-06 2015-06-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric device
DE102013114826A1 (de) 2013-12-23 2015-06-25 USound GmbH Mikro-elektromechanischer Schallwandler mit schallenergiereflektierender Zwischenschicht
WO2015112498A1 (en) * 2014-01-21 2015-07-30 Knowles Electronics, Llc Microphone apparatus and method to provide extremely high acoustic overload points
NL2012419B1 (en) * 2014-03-13 2016-01-06 Novioscan B V High voltage MEMS, and a portable ultrasound device comprising such a MEMS.
US10825982B1 (en) * 2014-09-11 2020-11-03 Vesper Technologies Inc. Piezoelectric micro-electro-mechanical systems (MEMS) device with a beam strengthening physical element
KR101550633B1 (ko) 2014-09-23 2015-09-07 현대자동차 주식회사 마이크로폰 및 그 제조 방법
KR101550636B1 (ko) 2014-09-23 2015-09-07 현대자동차 주식회사 마이크로폰 및 그 제조 방법
US10182296B2 (en) 2014-11-11 2019-01-15 Invensense, Inc. Secure audio sensor
KR101601229B1 (ko) 2014-11-17 2016-03-08 현대자동차주식회사 마이크로폰
GB2549876A (en) * 2014-12-23 2017-11-01 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Mems transducer package
US9503820B2 (en) 2015-01-23 2016-11-22 Silicon Audio Directional, Llc Multi-mode microphones
US9479875B2 (en) 2015-01-23 2016-10-25 Silicon Audio Directional, Llc Multi-mode microphones
EP3286835B1 (en) * 2015-04-24 2020-06-03 Vesper Technologies Inc. Mems process power
US10345162B2 (en) 2015-08-28 2019-07-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Sensor and electronic device
US9668047B2 (en) 2015-08-28 2017-05-30 Hyundai Motor Company Microphone
US20190110132A1 (en) * 2015-09-18 2019-04-11 Vesper Technologies Inc. Plate Spring
DE102015116707A1 (de) * 2015-10-01 2017-04-06 USound GmbH Flexible MEMS-Leiterplatteneinheit sowie Schallwandleranordnung
US10642027B2 (en) * 2015-12-08 2020-05-05 The Regents Of The University Of Michigan 3D MEMS scanner for real-time cross-sectional endomicroscopy
US9648433B1 (en) * 2015-12-15 2017-05-09 Robert Bosch Gmbh Absolute sensitivity of a MEMS microphone with capacitive and piezoelectric electrodes
US9900677B2 (en) 2015-12-18 2018-02-20 International Business Machines Corporation System for continuous monitoring of body sounds
US9516421B1 (en) 2015-12-18 2016-12-06 Knowles Electronics, Llc Acoustic sensing apparatus and method of manufacturing the same
CN109069033B (zh) * 2016-02-03 2023-08-29 哈钦森技术股份有限公司 具有集成引线的微型压力/力传感器
TWI595788B (zh) * 2016-02-16 2017-08-11 智動全球股份有限公司 電聲轉換器
JP6583526B2 (ja) * 2016-02-22 2019-10-02 株式会社村田製作所 圧電デバイス
CN107105376B (zh) * 2016-02-23 2019-08-13 英属开曼群岛商智动全球股份有限公司 电声转换器
US9856134B2 (en) * 2016-02-26 2018-01-02 Infineon Technologies Ag Microelectromechanical system and a method of manufacturing a microelectromechanical system
US10277988B2 (en) * 2016-03-09 2019-04-30 Robert Bosch Gmbh Controlling mechanical properties of a MEMS microphone with capacitive and piezoelectric electrodes
JP6132047B1 (ja) 2016-03-28 2017-05-24 国立大学法人東北大学 圧力センサとその製造方法
DE102016206566A1 (de) 2016-04-19 2017-10-19 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil
CN105841798B (zh) * 2016-05-12 2019-05-14 重庆医科大学 用于声波检测的高灵敏度水听器
DE102016208325A1 (de) 2016-05-13 2017-05-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Verpacken eines Substrats mit einer mindestens eine piezoelektrische Schicht umfassenden mikroelektromechanischen Mikrofonstruktur
DE102016210008A1 (de) 2016-06-07 2017-12-07 Robert Bosch Gmbh Sensor- und/oder Wandlervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Sensor- und/oder Wandlervorrichtung mit zumindest einer mindestens eine piezoelektrische Schicht umfassenden Biegestruktur
DE102016210444A1 (de) * 2016-06-13 2017-12-14 Robert Bosch Gmbh Mikroelektromechanisches Mikrofon
US10554153B2 (en) 2016-06-17 2020-02-04 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. MEMS device for harvesting sound energy and methods for fabricating same
DE102016212717A1 (de) * 2016-07-13 2018-01-18 Robert Bosch Gmbh Detektionseinrichtung für piezoelektrisches Mikrofon
TWI708511B (zh) 2016-07-21 2020-10-21 聯華電子股份有限公司 壓阻式麥克風的結構及其製作方法
GB2552555B (en) * 2016-07-28 2019-11-20 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS device and process
WO2018035486A1 (en) * 2016-08-18 2018-02-22 Vesper Technologies Inc. Plate coupling structure
DE102016216215A1 (de) 2016-08-29 2018-03-01 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil
JP6908322B2 (ja) * 2016-09-06 2021-07-21 新日本無線株式会社 圧電素子
US10063978B2 (en) * 2016-09-13 2018-08-28 Akustica, Inc. Cantilevered shear resonance microphone
US11228843B2 (en) 2016-10-07 2022-01-18 Vesper Technologies Inc. Electrically isolated device for providing a sub-threshold conduction path for leakage current across a piezoelectric transducer
IT201600109764A1 (it) 2016-10-31 2018-05-01 St Microelectronics Srl Sensore mems di tipo piezoelettrico, quale sensore di forza, sensore di pressione, sensore di deformazione o microfono, a sensibilita' migliorata
JP6844911B2 (ja) * 2016-12-01 2021-03-17 新日本無線株式会社 圧電素子
JP6867790B2 (ja) * 2016-12-08 2021-05-12 新日本無線株式会社 圧電型ｍｅｍｓマイクロフォン
DE102017200055A1 (de) 2017-01-04 2018-07-05 Robert Bosch Gmbh MEMS-Sensorvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer MEMS-Sensorvorrichtung
DE102017200111B3 (de) 2017-01-05 2018-03-15 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Schallwandleranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren
DE102017200108A1 (de) 2017-01-05 2018-07-05 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren
US10481025B2 (en) 2017-01-26 2019-11-19 Rosemount Aerospace Inc. Piezoresistive sensor with spring flexures for stress isolation
JP6787553B2 (ja) * 2017-02-14 2020-11-18 新日本無線株式会社 圧電素子
WO2018178772A2 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Nanofone Ltd. High performance sealed-gap capacitive microphone
DE102017109226A1 (de) * 2017-04-28 2018-10-31 Testo SE & Co. KGaA Frittieröl- und/oder Frittierfettsensor zur Bestimmung einer Frittieröl- und/oder Frittierfettqualität
CN107071672B (zh) * 2017-05-22 2020-08-21 潍坊歌尔微电子有限公司 一种压电式麦克风
DE102017208911A1 (de) 2017-05-26 2018-11-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanischer Schallwandler
TW201906312A (zh) * 2017-06-20 2019-02-01 美商蝴蝶網路公司 用於超音波裝置之多級跨阻抗放大器
AU2018289337A1 (en) 2017-06-20 2019-12-19 Butterfly Network, Inc. Amplifier with built in time gain compensation for ultrasound applications
US10886455B2 (en) 2017-07-31 2021-01-05 Vanguard International Semiconductor Singapore Pte. Ltd. Piezoelectric microphone with deflection control and method of making the same
EP3444605B1 (de) * 2017-08-17 2020-03-18 Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH Ultraschallmikrofon mit selbsttest
US11239825B1 (en) * 2017-08-22 2022-02-01 Femtodx, Inc. Micromechanical device and related methods
KR102359922B1 (ko) 2017-09-13 2022-02-07 현대자동차 주식회사 마이크로폰 및 이의 제조방법
JP6745774B2 (ja) 2017-09-20 2020-08-26 株式会社東芝 センサ及び電子機器
DE102017216907B4 (de) 2017-09-25 2021-03-25 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben
KR101937149B1 (ko) * 2017-11-20 2019-01-10 한국세라믹기술원 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 mems 마이크로폰 제조 방법
WO2019135204A1 (en) 2018-01-08 2019-07-11 Nanofone Limited High performance sealed-gap capacitive microphone with various gap geometries
KR101994583B1 (ko) 2018-01-30 2019-06-28 김경원 Mems 압전형 마이크로폰
JP2019161030A (ja) * 2018-03-14 2019-09-19 新日本無線株式会社 圧電素子
IT201800004758A1 (it) 2018-04-20 2019-10-20 Trasduttore acustico mems piezoelettrico e relativo procedimento di fabbricazione
CN112334867A (zh) * 2018-05-24 2021-02-05 纽约州立大学研究基金会 电容传感器
US11482659B2 (en) 2018-09-26 2022-10-25 Apple Inc. Composite piezoelectric actuator
KR102117325B1 (ko) 2018-10-10 2020-06-02 싸니코전자 주식회사 지향성 멤스 마이크로폰 및 이를 포함하는 멤스 마이크로폰 모듈
WO2020121609A1 (ja) * 2018-12-10 2020-06-18 株式会社村田製作所 圧電トランスデューサ
CN109803217B (zh) * 2018-12-31 2021-06-15 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式麦克风
CN109587613B (zh) * 2018-12-31 2020-11-10 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式麦克风
CN109587612A (zh) * 2018-12-31 2019-04-05 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式麦克风
IT201900002481A1 (it) * 2019-02-20 2020-08-20 Ask Ind Spa Metodo di realizzazione di un sensore microfonico piezoelettrico con struttura a pilastri.
EP3939036A4 (en) 2019-03-14 2022-12-28 Vesper Technologies Inc. MICROPHONE WITH DETERMINED DIGITAL OUTPUT AT DIFFERENT LEVELS OF POWER CONSUMPTION
CN110290449A (zh) * 2019-05-09 2019-09-27 安徽奥飞声学科技有限公司 一种音频装置及电子设备
CN110113699B (zh) * 2019-05-18 2021-06-29 安徽奥飞声学科技有限公司 一种mems结构的制备方法
IT201900007317A1 (it) 2019-05-27 2020-11-27 St Microelectronics Srl Trasduttore acustico microelettromeccanico piezoelettrico avente caratteristiche migliorate e relativo procedimento di fabbricazione
US11553280B2 (en) 2019-06-05 2023-01-10 Skyworks Global Pte. Ltd. Piezoelectric MEMS diaphragm microphone
US11726105B2 (en) 2019-06-26 2023-08-15 Qualcomm Incorporated Piezoelectric accelerometer with wake function
US20220326188A1 (en) * 2019-07-23 2022-10-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Multi frequency acoustic emission micromachined transducers for non-destructive evaluation of structural health
DE112020003726T5 (de) 2019-08-06 2022-04-21 Denso Corporation Piezoelektrisches Element
US11350219B2 (en) 2019-08-13 2022-05-31 Skyworks Solutions, Inc. Piezoelectric MEMS microphone
CN110545514B (zh) * 2019-08-16 2021-01-08 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式mems麦克风
US11631800B2 (en) 2019-08-16 2023-04-18 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Piezoelectric MEMS devices and methods of forming thereof
CN110407153A (zh) * 2019-08-20 2019-11-05 安徽奥飞声学科技有限公司 一种mems结构及其制造方法
CN110475191A (zh) * 2019-08-29 2019-11-19 武汉大学 一种低空气阻尼mems压电式麦克风
CN110798787B (zh) * 2019-09-27 2021-10-08 北京航空航天大学青岛研究院 一种用于微型麦克风的悬臂梁振膜和微型麦克风
IT201900019058A1 (it) 2019-10-16 2021-04-16 St Microelectronics Srl Trasduttore con disposizione piezoelettrica migliorata, dispositivo mems comprendente il trasduttore, e metodi di fabbricazione del trasduttore
US11527700B2 (en) 2019-12-20 2022-12-13 Vanguard International Semiconductor Singapore Pte. Ltd. Microphone device with single crystal piezoelectric film and method of forming the same
EP4082961A4 (en) * 2019-12-25 2023-10-25 Denso Corporation PIEZOELECTRIC ELEMENT, PIEZOELECTRIC DEVICE AND PRODUCTION METHOD OF A PIEZOELECTRIC ELEMENT
CN111146327A (zh) * 2019-12-25 2020-05-12 诺思(天津)微系统有限责任公司 单晶压电结构及其制造方法、单晶压电层叠结构的电子设备
CN111146328A (zh) * 2019-12-31 2020-05-12 诺思(天津)微系统有限责任公司 单晶压电结构及具有其的电子设备
CN113163312A (zh) * 2020-01-23 2021-07-23 华为技术有限公司 一种压电式mems传感器以及相关设备
US11783627B2 (en) * 2020-02-10 2023-10-10 Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus for detecting and classifying facial motions
CN111328005B (zh) * 2020-03-10 2021-09-10 瑞声声学科技(深圳)有限公司 压电式mems麦克风
CN111063790B (zh) * 2020-03-12 2020-07-28 共达电声股份有限公司 压电换能器、制备压电换能器的方法及电子设备
IT202000015073A1 (it) 2020-06-23 2021-12-23 St Microelectronics Srl Trasduttore microelettromeccanico a membrana con smorzatore attivo
KR20220037551A (ko) 2020-09-17 2022-03-25 삼성전자주식회사 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스
CN112492472B (zh) * 2020-11-25 2022-01-11 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 压电式麦克风及压电式麦克风装置
US11818540B1 (en) 2021-01-07 2023-11-14 Skyworks Global Pte. Ltd. Acoustic devices with edge corrugation
US11671763B2 (en) 2021-02-24 2023-06-06 Shure Acquisition Holdings, Inc. Parylene electret condenser microphone backplate
US20220344571A1 (en) * 2021-04-21 2022-10-27 Vesper Technologies Inc. Piezoelectric Accelerometer with Wake Function
KR20230086877A (ko) 2021-12-08 2023-06-16 삼성전자주식회사 지향성 음향 센서

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060131997A1 (en) * 2004-12-16 2006-06-22 Kim Ki C Microelectromechanical system actuator
US20070287233A1 (en) * 2002-04-23 2007-12-13 Sharp Laboratories Of America, Inc. Piezo-TFT cantilever MEMS fabrication

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4445384A (en) 1982-03-30 1984-05-01 Honeywell Inc. Piezoelectric pressure sensor
US4531267A (en) 1982-03-30 1985-07-30 Honeywell Inc. Method for forming a pressure sensor
US4783821A (en) 1987-11-25 1988-11-08 The Regents Of The University Of California IC processed piezoelectric microphone
US5162691A (en) 1991-01-22 1992-11-10 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Cantilevered air-gap type thin film piezoelectric resonator
FR2695787B1 (fr) * 1992-09-11 1994-11-10 Suisse Electro Microtech Centr Transducteur capacitif intégré.
US5633552A (en) 1993-06-04 1997-05-27 The Regents Of The University Of California Cantilever pressure transducer
US5452268A (en) * 1994-08-12 1995-09-19 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Acoustic transducer with improved low frequency response
US5828394A (en) * 1995-09-20 1998-10-27 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fluid drop ejector and method
MY138222A (en) * 1999-07-19 2009-05-29 Thomson Licensing Sa Tuning system for achieving rapid signal acquisition for a digital satellite receiver
WO2001022776A1 (en) 1999-09-21 2001-03-29 University Of Hawaii Method of forming parylene-diaphragm piezoelectric acoustic transducers
US6359374B1 (en) * 1999-11-23 2002-03-19 Mcnc Miniature electrical relays using a piezoelectric thin film as an actuating element
CN1119917C (zh) * 2000-03-31 2003-08-27 清华大学 用于微麦克风和扬声器的悬臂式振膜结构及其制备方法
US6535460B2 (en) * 2000-08-11 2003-03-18 Knowles Electronics, Llc Miniature broadband acoustic transducer
KR100923296B1 (ko) 2002-03-21 2009-10-23 삼성전자주식회사 마이크로 폰 및 스피커로 사용되는 멤스(ｍｅｍｓ) 소자및 그 제조 방법
US7425749B2 (en) * 2002-04-23 2008-09-16 Sharp Laboratories Of America, Inc. MEMS pixel sensor
US7312674B2 (en) * 2002-08-06 2007-12-25 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Resonator system with a plurality of individual mechanically coupled resonators and method of making same
US6965189B2 (en) 2002-09-20 2005-11-15 Monodrive Inc. Bending actuators and sensors constructed from shaped active materials and methods for making the same
KR100512960B1 (ko) * 2002-09-26 2005-09-07 삼성전자주식회사 플렉서블 ｍｅｍｓ 트랜스듀서와 그 제조방법 및 이를채용한 플렉서블 ｍｅｍｓ 무선 마이크로폰
US6884458B2 (en) 2002-12-04 2005-04-26 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Sensor for monitoring material deposition and method of monitoring material deposition
US6895645B2 (en) * 2003-02-25 2005-05-24 Palo Alto Research Center Incorporated Methods to make bimorph MEMS devices
US7284730B2 (en) * 2003-04-09 2007-10-23 Dale Medical Products, Inc. Transducer holder
WO2005084267A2 (en) * 2004-02-27 2005-09-15 Georgia Tech Research Corporation Harmonic cmut devices and fabrication methods
US7104134B2 (en) * 2004-03-05 2006-09-12 Agilent Technologies, Inc. Piezoelectric cantilever pressure sensor
JP4911902B2 (ja) * 2005-02-01 2012-04-04 株式会社リコー 圧電発電素子
JP4622574B2 (ja) * 2005-02-21 2011-02-02 株式会社デンソー 超音波素子
US7305883B2 (en) * 2005-10-05 2007-12-11 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Chemical micromachined microsensors
US7345407B2 (en) * 2005-11-18 2008-03-18 Adaptivenergy, Llc. Human powered piezoelectric power generating device
JP2007181087A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Toshiba Corp 薄膜圧電共振器およびフィルタ回路
TW200738028A (en) * 2006-02-24 2007-10-01 Yamaha Corp Condenser microphone
JP4834443B2 (ja) * 2006-03-31 2011-12-14 株式会社東芝 圧電駆動型ｍｅｍｓアクチュエータ
JP2007335977A (ja) * 2006-06-12 2007-12-27 Toshiba Corp 電子素子
US7646670B2 (en) * 2006-09-28 2010-01-12 CGGVeritas Services (U.S.) Inc. Autonomous ocean bottom seismic node recording device
WO2010002887A2 (en) 2008-06-30 2010-01-07 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric memes microphone
KR20120036631A (ko) * 2010-10-08 2012-04-18 삼성전자주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조방법
US9910015B2 (en) * 2014-04-14 2018-03-06 Texas Instruments Incorporated Sensor array chip with piezoelectric transducer including inkjet forming method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070287233A1 (en) * 2002-04-23 2007-12-13 Sharp Laboratories Of America, Inc. Piezo-TFT cantilever MEMS fabrication
US20060131997A1 (en) * 2004-12-16 2006-06-22 Kim Ki C Microelectromechanical system actuator

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11747192B2 (en) 2021-01-05 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Acoustic sensor assembly and method of sensing sound using the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010002887A3 (en) 2010-04-08
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JP2011527152A (ja) 2011-10-20
US20140339657A1 (en) 2014-11-20
EP2297976A2 (en) 2011-03-23
EP2297976B1 (en) 2020-09-30
CN104602170A (zh) 2015-05-06
US20130329920A1 (en) 2013-12-12

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