KR101758017B1 - Piezo mems microphone and thereof manufacturing method - Google Patents

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KR101758017B1 KR1020160062134A KR20160062134A KR101758017B1 KR 101758017 B1 KR101758017 B1 KR 101758017B1 KR 1020160062134 A KR1020160062134 A KR 1020160062134A KR 20160062134 A KR20160062134 A KR 20160062134A KR 101758017 B1 KR101758017 B1 KR 101758017B1
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Abstract

본 발명은 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판; 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판; 상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극; 하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및 압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함한다.
이와 같은 본 발명은, 종래의 기술과 달리 압전소자를 진동판의 외곽 둘레에 배치하여 신호대잡음비(SNR)를 향상시키고, 제조가 용이하고 단가를 낮출 수 있으며, 신호대잡음비(SNR) 및 성능이 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
The present invention relates to a piezoelectric MEMS microphone and a method of manufacturing the same. A diaphragm formed at an upper portion thereof and having at least one venthole at a central portion thereof; A ring-shaped lower electrode formed around the diaphragm edge; A ring-shaped piezoelectric element formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the piezoelectric element.
According to the present invention as described above, unlike the prior art, a piezoelectric element is arranged around the periphery of a diaphragm to improve a signal-to-noise ratio (SNR), to facilitate manufacture and reduce the unit cost, and to improve the signal- A MEMS microphone and a method of manufacturing the same are provided.

Description

피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법{PIEZO MEMS MICROPHONE AND THEREOF MANUFACTURING METHOD}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a piezoelectric MEMS microphone,

본 발명은 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호대잡음비(SNR)가 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MEMS microphone and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a piezoelectric MEMS microphone having improved signal-to-noise ratio (SNR) and a method of manufacturing the same.

마이크로폰은 음향 신호를 전기신호로 변환하는 장치로써, 음향기기, 통신기기 또는 의료기기 등에 내장되어 사용되고 있다. 마이크로폰이 내장되는 다양한 기기들이 소형화되어 감에 따라 마이크로폰의 초소형화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 멤스 마이크로폰의 개발이 활발히 이루어지고 있다. A microphone is a device that converts an acoustic signal into an electric signal, and is used in an acoustic device, a communication device, a medical device, or the like. As the various devices with built-in microphones become smaller in size, miniaturization of microphones is required. In response to these demands, the development of MEMS microphones is being actively pursued.

멤스 마이크로폰은 초소형화가 가능하고 부품 간의 분리된 생산공정을 일괄화할 수 있어 성능과 생산효율에 있어서 크게 각광을 받고 있다. 멤스 마이크로폰은 표면실장기술(SMT: Surface Mount Technology)과 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 이용한 반도체 가공기술 등을 적용하여 제작된다. 표면실장기술(이하, 'SMT' 라 함)은 기판과 멤스 마이크로폰에 포함되는 전자부품의 리드 간을 접하는 기술을 말한다. 이러한 SMT 공정을 거쳐 트랜스듀서, 반도체칩 등의 전자부품을 기판상에 실장함으로써, 멤스 마이크로폰의 제조 간소화 및 소형화를 이룰 수 있다.MEMS microphones have become very popular for their performance and production efficiency because they can be miniaturized and can be separated into separate production processes. MEMS microphones are fabricated using surface mount technology (SMT) and semiconductor processing technology using electromechanical systems (MEMS) technology. Surface mount technology (hereinafter referred to as 'SMT') refers to a technique of contacting the leads of electronic components included in a substrate and a MEMS microphone. By mounting the electronic parts such as the transducer and the semiconductor chip on the substrate through the SMT process, the manufacturing of the MEMS microphones can be simplified and miniaturized.

종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1496192호에서 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰을 개시하고 있고, 도 1에서 종래의 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내고 있다.Korean Patent No. 10-1496192 discloses a MEMS microphone having a piezoelectric diaphragm, and FIG. 1 shows a structure of a MEMS microphone having a conventional piezoelectric diaphragm.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 특허는 기판과 결합되어 내부 공간을 형성하는 덮개; 기판의 상부에 결합되고 상기 내부 공간에 배치되며, 음향통과공을 통해 유입된 외부 음향을 전기신호로 변환하는 트랜스듀서; 및 기판의 상부에 결합되고 상기 트랜스듀서와 전기적으로 연결되어, 변환된 전기신호를 아날로그 또는 디지털 전기신호로 변환할 수 있도록 전기신호를 증폭하는 반도체칩을 포함하며, 상기 트랜스듀서 내부에 배치되는 진동판은 피에조(압전소자)로 이루어지며, 피에조 진동판에는 벤트홀이 형성된 것을 특징으로 한다.As shown in Fig. 1, the prior art patent discloses a cover which is combined with a substrate to form an inner space; A transducer coupled to an upper portion of the substrate and disposed in the inner space, the transducer converting external sound introduced through the acoustic passage hole into an electric signal; And a semiconductor chip coupled to an upper portion of the substrate and electrically connected to the transducer for amplifying an electric signal so as to convert the converted electric signal into an analog or digital electric signal, (Piezoelectric element), and a vent hole is formed in the piezoelectric diaphragm.

그러나, 종래의 등록특허는 압전소자에 벤트홀을 형성하는 멤스 마이크로폰 소자에 관한 것으로, 진동판 자체를 압전소자로 형성함으로써, 음압에 의해 발생하는 진동을 전기신호로 변환하는 변환효율이 떨어지고, 압전소자에 벤트홀을 위치시켜 신호대잡음비(SNR)가 떨어지는 문제점이 있었다.However, in the related art, a MEMS microphone element for forming a vent hole in a piezoelectric element is formed. Since the diaphragm itself is formed of a piezoelectric element, the conversion efficiency of converting the vibration generated by the negative pressure into an electrical signal is lowered, There is a problem that the signal-to-noise ratio (SNR) falls due to the placement of the vent hole.

대한민국 등록특허공보 제10-1496192호(등록일자: 2015년02월17일)Korean Registered Patent No. 10-1496192 (Registered Date: February 17, 2015) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0025697호(공개일자: 2011년03월10일)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0025697 (public date: March 10, 2011)

본 발명에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.The present invention provides a piezoelectric MEMS microphone and a method of manufacturing the same.

첫째, 본 발명은 종래의 기술과 달리 압전소자를 진동판의 외곽 둘레에 배치하여 신호대잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하고 함이다.First, the present invention provides a piezo-MEMS microphone capable of improving a signal-to-noise ratio (SNR) by disposing a piezoelectric element around the periphery of a diaphragm, and a method of manufacturing the same.

둘째, 본 발명은 제조방법이 용이하고 단가를 낮출 수 있으며, 신호대잡음비(SNR) 및 성능이 향상된 피에조 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공하고자 함이다.Second, the present invention is to provide a method of manufacturing a piezo-MEMS microphone in which a manufacturing method is easy, a unit price can be reduced, and a signal-to-noise ratio (SNR) and performance are improved.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for controlling the same.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, 피에조 멤스 마이크로폰으로, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판; 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성된 진동판; 상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극; 하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및 압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함한다.A first aspect of the present invention to solve the above-described problems is a piezoelectric MEMS microphone comprising: a substrate having an acoustic chamber formed at a lower center thereof; A diaphragm formed at an upper portion thereof and having at least one venthole at a central portion thereof; A ring-shaped lower electrode formed around the diaphragm edge; A ring-shaped piezoelectric element formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the piezoelectric element.

여기서, 상기 기판 및 진동판 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 벤트홀은 상부 방향으로 개방되고, 중심에서 대칭으로 배치되어 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable to further include an insulating layer formed between the substrate and the diaphragm, and the vent hole may be formed to be open in an upward direction and disposed symmetrically with respect to a center.

또한, 상기 진동판은, 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 상기 압전소자의 링 형상 직경이 상기 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하며, 상기 음향챔버는 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 구조인 것이 바람직하다.Preferably, the diaphragm is at least one of a nitride film, an oxide film, and a polysilicon film including silicon (Si), and the piezoelectric element and the lower electrode are formed in the same ring shape as the center, Is preferably equal to or larger than the ring-shaped diameter of the lower electrode, and the acoustic chamber is preferably structured such that its diameter increases toward the lower side.

그리고, 본 발명의 제2 특징은, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법을, (a) 기판 상부에 절연막, 진동판, 하부전극막, 압전소자막 및 상부전극막을 차례대로 적층하는 단계; (b) 상기 상부전극막, 압전소자막 및 하부전극막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계; (c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 벤트홀이 포함되도록 기판 중심 하부면에서 상기 절연막까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezo-MEMS microphone, comprising the steps of: (a) laminating an insulating film, a diaphragm, a lower electrode film, a piezoelectric film and an upper electrode film on a substrate in this order; (b) sequentially removing the circular film having a predetermined diameter at the same center of the upper electrode film, the piezoelectric film and the lower electrode film, respectively; (c) forming at least one vent hole in the center of the diaphragm corresponding to the position where the circular film is removed; And (d) forming an acoustic chamber by etching a part of the insulation film from a lower surface of the center of the substrate so that the vent hole is included.

여기서, 상기 (b) 단계는, 상기 상부전극막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 상기 압전소자막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 및 상기 하부전극막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The step (b) may include: removing a circular film having a first diameter at a center of the upper electrode film and opening the circular film; Removing the same center circular film having a second diameter smaller than the first diameter in the piezoelectric film, and opening the same; And removing the same central circular membrane having a third diameter smaller than the second diameter in the lower electrode film.

또한, 상기 진동판은, 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 (d) 단계는, 상기 원형막이 제거되어 개방된 진동판의 중심에서 대칭인 적어도 하나의 위치에 관통홀인 벤트홀을 형성하는 단계인 것이 바람직하다.Preferably, the diaphragm is formed of at least one of a nitride film, an oxide film, and a polysilicon film including silicon (Si), and the step (d) It is preferable to form a vent hole which is a through-hole at at least one position symmetrical in the center.

본 발명에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The piezoelectric MEMS microphone and the method of manufacturing the same according to the present invention have the following effects.

첫째, 본 발명은 압전소자 또는 피에조 소자를 진동판의 둘레에 링 형상으로 형성하고, 진동판의 중심부에 다수개의 벤트홀(venthole)을 형성시킴으로써, 잡음신호를 줄여 신호대잡음비(SNR)가 향상된 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a piezoelectric MEMS microphone having an improved signal-to-noise ratio (SNR) by reducing a noise signal by forming a piezoelectric element or a piezo element in a ring shape around a diaphragm and forming a plurality of ventholes in the center of the diaphragm And a method for producing the same.

둘째, 본 발명은 진동판의 외곽 테두리에 압전소자를 배치시켜 진동판이 탄력적으로 진동되게 하고, 테두리 외곽에 가장 인장력 또는 스트레스를 많이 받게 되어 진동 또는 압력을 전기적 신호로 변환하는 압전소자의 감도를 높일 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.Secondly, according to the present invention, a piezoelectric element is arranged on the outer rim of a diaphragm to allow the diaphragm to vibrate elastically, and the diaphragm is most likely to be subjected to tensile stress or stress at the periphery of the rim to increase sensitivity of a piezoelectric element that converts vibration or pressure to an electrical signal And a method of manufacturing the same.

셋째, 본 발명은 진동판의 중심 부위에 다수개의 벤트홀을 형성시킴으로써, 하부 공간의 음향챔버와 외부와의 공기를 통공시키고 보다 진동의 유연성을 높여 진동에 의한 전기적 신호의 변환 감도를 높일 수 있는 피에조 멤스 마이크로폰 및 그 제조방을 제공한다.Third, according to the present invention, a plurality of vent holes are formed in the central portion of the diaphragm, thereby allowing the air in the acoustic chamber and the outside of the lower space to pass therethrough and to increase the flexibility of vibration, A MEMS microphone and a manufacturing room thereof.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1에서 종래의 피에조 진동판이 구비된 멤스 마이크로폰의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰에 적용되는 압전소자의 음압구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다.
FIG. 1 is a view showing a structure of a conventional MEMS microphone having a piezoelectric diaphragm.
2 is a plan view and a front view showing a structure of a piezo-MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a sound pressure structure of a piezoelectric element applied to a piezo-MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing a process of a method of manufacturing a piezo-MEMS microphone according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Wherever possible, the same or similar parts are denoted using the same reference numerals in the drawings.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified and that other specific features, regions, integers, steps, operations, elements, components, and / It does not exclude the existence or addition of a group.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.All terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰의 구조를 나타내는 평면도 및 정면도이다.2 is a plan view and a front view showing a structure of a piezo-MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰은, 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판(100); 상부에 형성되는 것으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(125)(venthole)이 형성된 진동판(120); 상기 진동판(120)의 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극(130); 하부전극(130) 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자(140); 및 압전소자(140) 상부에 형성되는 상부전극(150)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the piezoelectric MEMS microphone according to the embodiment of the present invention includes a substrate 100 having an acoustic chamber formed at a lower center thereof; A diaphragm 120 having at least one venthole 125 formed at the center thereof; A ring-shaped lower electrode 130 formed around an edge of the diaphragm 120; A ring-shaped piezoelectric element 140 formed on the lower electrode 130; And an upper electrode 150 formed on the piezoelectric element 140.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 종래의 피에조(piezo) 또는 압전형 멤스 마이크로폰과 달리, 압전소자(140) 또는 피에조 소자를 진동판(120)의 둘레에 링 형상으로 형성하고, 진동판(120)의 중심부에 다수개의 벤트홀(125)(venthole)을 형성시킴으로써, 압전소자(140)의 중심부에 받는 힘에 의해 발생시키는 잡음신호를 줄이고, 압전소자(140)에 형성된 벤트홀(125)에 의해 성능이 감소하는 것을 방지하여 멤스 마이크로폰의 신호대잡음비(SNR) 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the piezoelectric element 140 or the piezoelectric element is formed in a ring shape around the diaphragm 120, unlike the conventional piezo or piezoelectric MEMS microphone, A plurality of ventholes 125 are formed at the center of the piezoelectric element 140 to reduce a noise signal generated by a force applied to the central portion of the piezoelectric element 140 and a vent hole 125 formed in the piezoelectric element 140 To-noise ratio (SNR) performance of the MEMS microphone can be improved.

보다 구체적으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판(100)에 절연막(110)을 형성하고, 절연막(110) 상부에 중심 일부에 벤트홀(125)이 형성된 진동판(120)을 적층한 구조를 예시한다. 진동판(120) 상부에 둘레를 감싸는 링 형상의 하부전극(130)을 형성하고, 하부전극(130) 상부에 다시 링 형상의 압전소자(140)를 적층한 후, 압전소자(140) 상부에 링 형상의 상부전극(150)이 형성된 구조를 예시한다.1, an insulating layer 110 is formed on a substrate 100 having an acoustic chamber formed at a lower center thereof, and a vent hole 125 (not shown) is formed in a central portion of the insulating layer 110, ) Is formed on the upper surface of the diaphragm 120. A ring-shaped lower electrode 130 surrounding the diaphragm 120 is formed and a ring-shaped piezoelectric element 140 is stacked on the lower electrode 130. Then, Shaped upper electrode 150 is formed.

여기서, 기판(100)은 실리콘 기판(100)을 사용한 것이 바람직하고, 하부전극(130) 및 상부전극(150)은 Mo, Al, Ti, Au, Cu, Pt 및 TiN 등의 전기전도도가 우수하거나 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 두께는 수십 nm에서 수 ㎛ 정도를 갖는 것이 바람직하다.The lower electrode 130 and the upper electrode 150 may be formed of a metal such as Mo, Al, Ti, Au, Cu, Pt, or TiN, It is preferable to use a high-quality material, and it is preferable that the thickness has a thickness of several tens nm to several micrometers.

기판(100) 하부에 형성되는 음향챔버는 소리 진동을 위한 공기가 소통하는 공간으로, 원기둥 형상일 수도 있고, 그 밖에 타원 기둥 또는 다각 기둥 등의 다양한 중공 형상의 공간일 수 있으며, 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 것이 바람직하다. 이는 기판(100) 하부방향으로 들어오는 음향을 보다 폭넓게 수용하기 위한 구조적 장점이 있기 때문이다.The acoustic chamber formed under the substrate 100 is a space through which air for sound vibration is communicated and may be a cylindrical shape or may be a hollow having various hollows such as an elliptical column or a polygonal column, Is widened. This is because there is a structural advantage to more widely accommodate the sound coming down the substrate 100.

그리고, 하부전극(130), 상부전극(150), 압전소자(140)는 링 형상인 것이 바람직한데, 이는 음파의 전파 방향이 음원에서 대칭이어서 센싱감도를 높일 수 있고 기판(100)의 외부 회로와 전기적으로 용이하게 연결할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 또한, 하부전극(130) 상부에 적층 되는 압전소자(140)를 링 형상으로 형성함으로써, 압전소자(140)를 진동판(120)의 외곽 테두리에 배치하게 하여, 진동판(120)을 보다 탄력적으로 진동시킬 수 있게 하고 압전소자의 외곽 테두리에 인장력 또는 스트레스를 가장 많이 받기 때문에, 진동 또는 압력을 전기적 신호로 변환하는 압전소자(140)의 감도를 높일 수 있게 된다.It is preferable that the lower electrode 130, the upper electrode 150 and the piezoelectric element 140 have a ring shape because the propagation direction of the sound wave is symmetrical in the sound source so that the sensing sensitivity can be increased, So that it can be easily connected electrically. It is also possible to arrange the piezoelectric element 140 laminated on the lower electrode 130 in a ring shape so that the piezoelectric element 140 is arranged on the outer rim of the diaphragm 120 to make the diaphragm 120 more elastic It is possible to increase the sensitivity of the piezoelectric element 140 that converts vibration or pressure to an electrical signal because it is most likely to be subjected to tensile force or stress on the outer rim of the piezoelectric element.

여기서 진동판(120)은 음원(음압)을 감지하여 구동하는 구동장치로서, 진동판(120)은 음원에 의해 구동하게 된다. 진동판(120)은 수백 Å 내지 수 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 재질은 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 이는 제작이 용이하고, 일반적으로 사용하는 금속재질의 진동판(120)에 비해 유연성 및 탄력성이 높아 마이크로폰의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 내구성이 뛰어나다는 장점이 있기 때문이다.Here, the diaphragm 120 is a driving device for sensing and driving a sound source (sound pressure), and the diaphragm 120 is driven by a sound source. The diaphragm 120 is preferably formed to have a thickness of several hundreds of angstroms to several micrometers, and the material is at least one of a nitride film, an oxide film, and a polysilicon film including silicon (Si). This is because it is easier to fabricate and has higher flexibility and elasticity than a metal diaphragm 120, which is generally used, thereby increasing the sensitivity of the microphone and providing excellent durability.

또한 진동판(120)의 중심부에는 통공으로서, 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 것이 바람직하다. 일반적으로 피에조 또는 압전방식의 멤스 마이크로폰은 희생층이 존재하지 않기 때문에 벤트홀(125)을 필요로 하지 않으나, 벤트홀(125)이 없는 경우, 백볼륨(back volume)이 형성되지 않기 때문에 감도가 떨어지는 문제가 있었다. At least one vent hole 125 is preferably formed in the central portion of the diaphragm 120 as a through hole. Generally, the piezoelectric or piezoelectric type MEMS microphone does not require the vent hole 125 because there is no sacrificial layer. However, since there is no back volume when the vent hole 125 is not formed, There was a falling problem.

이에 본 발명의 실시예에서는 종래의 기술 또는 특허와 달리, 압전소자(140) 또는 피에조 소자에 벤트홀(125)을 형성시키는 것이 아니라, 진동판(120)의 중심 부위에 다수개의 벤트홀(125)을 형성시켜, 하부 공간의 음향챔버와 외부와의 공기를 통공시키고 보다 진동의 유연성을 높여 진동에 의한 전기적 신호의 변환 감도를 높일 수 있게 된다.In the embodiment of the present invention, instead of forming the vent hole 125 in the piezoelectric element 140 or the piezoelectric element, a plurality of vent holes 125 may be formed in the central portion of the diaphragm 120, So that the air between the acoustic chamber and the outside of the lower space is allowed to pass therethrough and the flexibility of the vibration is increased to improve the conversion sensitivity of the electrical signal by the vibration.

그리고, 벤트홀(125)이 없는 경우 소리의 흐름이 발생되기 어렵기 때문에 저역(20 ~ 50Hz)에서 감도의 저하를 가져오게 된다는 점에서, 저역 특성의 개선을 위해 상부방향으로 개방되어 있는 진동판(120)의 중심 부위에 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 것이 바람직하다. In the absence of the vent hole 125, the flow of sound is less likely to occur, so that the sensitivity is lowered in the low frequency range (20 to 50 Hz). In order to improve the low frequency characteristics, At least one vent hole 125 is formed in the central region of the bottom plate 120.

또한 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 적용되는 진동판(120)에 형성된 벤트홀(125)은 중심에서 대칭인 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 음압에 대하여 균일하게 진동시켜 감도를 높이고 불균일한 공기 흐름으로 발생하는 노이즈를 줄이기 위함이다.Also, as shown in FIG. 2, the vent hole 125 formed in the diaphragm 120, which is applied in the embodiment of the present invention, is preferably disposed at a symmetrical position with respect to the center. This is to increase the sensitivity by uniformly vibrating against the negative pressure and to reduce the noise generated by the uneven air flow.

또한, 벤트홀(125)의 구조는 상부는 넓게 하부는 좁게 형성되는 상광하협의 구조도 가능하고, 상부는 좁게 하부는 넓게 형성되는 상협하광 구조를 가질 수 있음은 물론이고, 입구 및 출구부분을 몸통보다 넓게 하여 공기 흐름을 원할하게 하는 구조로 형성되는 것도 가능하다.(도시하지 않음)In addition, the structure of the vent hole 125 can have a structure of upper light-narrowing narrowly formed at the upper part and narrower at the lower part. The upper and lower portions of the vent hole 125 can have a narrow bottom light structure, And may be formed to have a structure that makes air flow more comfortable by making it wider than the body. (Not shown)

그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 진동판(120)과 기판(100) 사이에는 절연막(110)으로서, 산화막 또는 질화막을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 실리콘 기판(100)의 절연 및 진동판(120)의 누설전류를 차단하기 위함이다. 여기서 산화막은 SiOx를 재질로 할 수 있고, 질화막은 SiNx를 재질로 할 수 있으며, 또한 기판(100) 상부에 산화막을 형성하고, 다시 질화막을 형성하는 것도 가능하다.2, it is preferable to form an oxide film or a nitride film as the insulating film 110 between the diaphragm 120 and the substrate 100. [ This is to prevent the insulation of the silicon substrate 100 and the leakage current of the diaphragm 120. Here, the oxide film may be made of SiO x , the nitride film may be made of SiN x , the oxide film may be formed on the substrate 100, and a nitride film may be formed again.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰에 적용되는 압전소자(140)의 음압구조의 모식도이다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰은 진동판의 테두리 둘레 부분에 링 형상으로 진동판(120)과 면 접촉하는 구조를 예시한다.3 is a schematic diagram of a sound pressure structure of a piezoelectric element 140 applied to a piezo-MEMS microphone according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3 (b), the piezoelectric MEMS microphone according to the embodiment of the present invention illustrates a structure in which the diaphragm is in surface contact with the diaphragm 120 in the form of a ring at the periphery of the diaphragm.

도 3의 (a)와 같이, 종래의 음향챔버 상부에 위치하는 디스크 형상의 압전소자(140)의 경우에는, 음압에 의하여 상하로 진동할 때 진동판(120)이 가장 많이 스트레스 또는 인장력을 받는 부분이 가장자리 부분이고, 가장 적게 스트레스 또는 인장력을 받는 부분이 중심 부분이다. 그러므로, 디스크 형태의 압전소자(140)에서 진동으로 인한 전압이 중심에서 가장 작게 발생하고 이 부분은 노이즈 성분으로 작용하게 되므로, 전체적인 신호대잡음비(SNR) 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.3 (a), in the case of the disk-shaped piezoelectric element 140 located above the conventional acoustic chamber, when the vibrating plate 120 vibrates up and down due to the negative pressure, Is the edge portion, and the least stressed or tensioned portion is the central portion. Therefore, in the disk-shaped piezoelectric element 140, the voltage due to vibration is smallest at the center, and this portion acts as a noise component, so that the overall signal-to-noise ratio (SNR) performance deteriorates.

이에 본 발명의 실시예에서는 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 음향챔버 상부에 탄력성 및 내구성이 좋은 실리콘 또는 폴리 실리콘 재질의 디스크형 진동판(120)을 형성하고, 가장 많은 스트레스 및 인장력을 받는 진동판(120)의 테두리 둘레에 링 형상의 압전소자(140)를 형성함으로써 높은 전압신호만을 취하도록 하여 전체 신호대잡음비(SNR) 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3 (b), a disc-shaped diaphragm 120 made of silicon or polysilicon having good elasticity and durability is formed on the acoustic chamber, By forming the ring-shaped piezoelectric element 140 around the rim of the diaphragm 120, it is possible to obtain an effect of improving the overall signal-to-noise ratio (SNR) by taking only a high voltage signal.

이처럼 진동 및 전기적 신호의 변환 부분을 효과적으로 수행할 수 있도록 진동판(120)과 링 형상의 압전소자(140)를 적층하는 구조를 취함으로써, 진동 탄력성 및 내구성은 높이는 동시에 노이즈를 줄여 신호의 감도도 높일 수 있는 우수한 성능의 피에조 멤스 마이크로폰 구조를 제공할 수 있게 된다. By adopting a structure in which the diaphragm 120 and the ring-shaped piezoelectric element 140 are laminated so that the vibrating and electrical signal converting part can be effectively performed, the vibration resilience and durability can be enhanced and the noise can be reduced, It is possible to provide a piezo-MEMS microphone structure having excellent performance.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법은, (a) 기판(100) 상부에 절연막(110), 진동판(120), 하부전극(130)막, 압전소자(140)막 및 상부전극(150)막을 차례대로 적층하는 단계; (b) 상기 상부전극(150)막, 압전소자(140)막 및 하부전극(130)막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계; (c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판(120)의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(125)을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 벤트홀(125)이 포함되도록 기판(100) 중심 하부면에서 상기 절연막(110)까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.4 is a schematic view showing a process of a method of manufacturing a piezo-MEMS microphone according to another embodiment of the present invention. 4, a method of manufacturing a piezoelectric MEMS microphone according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) forming an insulating film 110, a diaphragm 120, a lower electrode 130 film, a piezoelectric element 140) and the upper electrode (150) in this order; (b) sequentially removing a circular film having a predetermined diameter at the same center of the film of the upper electrode 150, the piezoelectric film 140, and the lower electrode 130, respectively; (c) forming at least one vent hole 125 in the center of the vibration plate 120 corresponding to the position where the circular film is removed; And (d) forming an acoustic chamber by etching a part of the insulating film 110 from the lower center of the substrate 100 to include the vent hole 125.

보다 구체적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(100)에 차례대로 절연막(110), 진동판(120), 하부전극(130)막, 압전소자(140)막 및 상부전극(150)막을 적층하는 (a) 단계에서, 하부전극(130)막 및 상부전극(150)막의 형성은 sputtering 방식이나, LPCVD, PECVD 방식으로 적층 하는 것이 바람직하고, 수백 Å에서 수 ㎛의 두께로 증착하는 것이 바람직하다. 그리고, 실리콘(Si) 또는 폴리 실리콘(Poly Si)을 재질로 하는 진동판(120)의 적층은 LPCVD나 PECVD 방식을 통해 용이하게 적층하는 것이 가능하다.4, the insulating film 110, the vibration plate 120, the lower electrode 130 film, the piezoelectric element 140 film, and the upper electrode 150 are sequentially stacked on the silicon substrate 100, In the step (a), the lower electrode 130 and the upper electrode 150 are preferably formed by sputtering, LPCVD, or PECVD, and the deposition is preferably several hundreds of angstroms . The lamination of the diaphragm 120 made of silicon (Si) or polysilicon (Poly Si) can be easily laminated through LPCVD or PECVD.

그리고, (b) 단계로서, 상부전극(150)막, 압전소자(140)막 및 하부전극(130)막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계는, 각각의 형상이 중심이 개방된 링 형상의 막을 형성하기 위해, 각각 소정의 직경을 갖는 원형막을 패터닝 또는 식각(etching)의 방법으로 제거하는 단계를 의미한다.In the step (b), the step of sequentially removing the circular film having the predetermined diameter at the same center of the film of the upper electrode 150, the piezoelectric film 140, and the lower electrode 130, respectively, Refers to a step of removing a circular film having a predetermined diameter by patterning or etching in order to form a ring-shaped film having an open center.

즉, (b) 단계는, 상부전극(150)막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 에칭등을 통하여 제거하여 개방하고, 압전소자(140)막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하고, 상기 하부전극(130)막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 공정으로 벤트홀(125) 상부를 개방할 수 있다.That is, in the step (b), the circular film having a certain first diameter at the center of the film of the upper electrode 150 is removed by etching or the like to be opened, and a second diameter smaller than the first diameter And removing the same center circular film having a third diameter smaller than the second diameter in the lower electrode 130 film to open the upper portion of the vent hole 125 .

이처럼 각각의 제거되어야 할 원형막은 상부방향으로 갈수록 커지는 것이 바람직한데, 이는 외부의 공기의 흐름을 원활하게 하여 음압에 의한 진동을 형성하고, 진동에 의한 전기신호로 변환하는 마이크로폰의 성능을 향상시키기 위함이다. Each of the circular membranes to be removed is preferably increased in the upward direction. This is to improve the performance of a microphone that smoothes the flow of external air to form vibrations due to negative pressure and converts the vibrations into electrical signals. to be.

그리고, (c) 단계에서, 진동판(120)에 형성되는 벤트홀(125)은 식각을 통해 다수개의 통공을 중심점에 대하여 대칭으로 형성하고, 벤트홀(125) 상부를 개방시키는 구조를 형성하고, (d) 단계에서, 기판(100)의 하부면 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하게 된다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상술한 제조방법을 통해 형성된 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 압전소자의 링 형상 직경이 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
In step (c), the vent hole 125 formed in the diaphragm 120 is formed by etching a plurality of through holes symmetrically with respect to the center point, and the upper part of the vent hole 125 is opened. In step (d), a part of the lower surface of the substrate 100 is etched to form an acoustic chamber.
4, it is preferable that the piezoelectric element and the lower electrode formed through the above-described manufacturing method have the same ring-shaped center, and the ring-shaped diameter of the piezoelectric element is equal to or larger than the ring-shaped diameter of the lower electrode.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 통해, 진동판(120)의 테두리 둘레에 링 형상의 압전소자(140)를 형성하고, 진동판(120)의 상부 및 진동판(120) 하부의 음향챔버 사이를 벤트홀(125)을 통해 통공시켜 공기의 흐름을 원할하게 함으로써, 진동판(120)의 탄력성을 높여 감도를 높이고 신호대잡음비(SNR)를 향상시켜 성능이 우수한 피에조 멤스 마이크로폰을 제조할 수 있는 용이한 방법을 제공한다.A ring-shaped piezoelectric element 140 is formed around the rim of the diaphragm 120 and the upper part of the diaphragm 120 and the acoustic chamber beneath the diaphragm 120 are formed by the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. The ventilation hole 125 allows the air to flow smoothly, thereby enhancing the elasticity of the diaphragm 120 to increase the sensitivity and improve the signal-to-noise ratio (SNR), thereby making it easy to manufacture a piezo- ≪ / RTI >

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments and the accompanying drawings described in the present specification are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed herein are for the purpose of describing rather than limiting the technical spirit of the present invention, and it is apparent that the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 기판 110: 절연막
120: 진동판 125: 벤트홀
130: 하부전극 140: 압전소자
150: 상부전극
100: substrate 110: insulating film
120: diaphragm 125: vent hole
130: lower electrode 140: piezoelectric element
150: upper electrode

Claims (10)

중심 하부에 음향챔버가 형성된 기판;
기판 상부에 형성되는 디스크 형상으로, 중심부에 적어도 하나의 벤트홀(venthole)이 형성되고, 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나를 재질로 하는 진동판;
상기 진동판 가장자리 둘레에 형성되는 링 형상의 하부전극;
하부전극 상부에 형성되는 링 형상의 압전소자; 및
압전소자 상부에 형성되는 상부전극을 포함하되,
상기 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 상기 압전소자의 링 형상 직경이 상기 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
A substrate having an acoustic chamber formed at a lower center thereof;
A diaphragm having at least one venthole formed at the central portion thereof and at least one of a nitride film including silicon (Si), an oxide film and a polysilicon (Poly Si) ;
A ring-shaped lower electrode formed around the diaphragm edge;
A ring-shaped piezoelectric element formed on the lower electrode; And
And an upper electrode formed on the piezoelectric element,
Wherein the piezoelectric element and the lower electrode are ring-shaped with the same center, and the ring-shaped diameter of the piezoelectric element is greater than or equal to the ring-shaped diameter of the lower electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 기판 및 진동판 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
The method according to claim 1,
And an insulating layer formed between the substrate and the vibration plate.
청구항 1에 있어서,
상기 벤트홀은 상부 방향으로 개방되고, 중심에서 대칭으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
The method according to claim 1,
Wherein the vent holes are opened upward and symmetrically disposed at the center.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 음향챔버는 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 구조인 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰.
The method according to claim 1,
Wherein the acoustic chamber has a structure in which the diameter of the acoustic chamber is increased toward the lower side.
(a) 기판 상부에 절연막, 진동판, 하부전극막, 압전소자막 및 상부전극막을 차례대로 적층하는 단계;
(b) 상기 상부전극막, 압전소자막 및 하부전극막의 동일 중심으로 소정의 직경을 갖는 원형막을 차례대로 각각 제거하는 단계;
(c) 상기 원형막이 제거된 위치에 해당하는 진동판의 중심부에 적어도 하나의 벤트홀을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 벤트홀이 포함되도록 기판 중심 하부면에서 상기 절연막까지 일부를 식각하여 음향챔버를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 진동판은 실리콘(Si)을 포함하는 질화막, 산화막 및 폴리 실리콘(Poly Si)막 중 적어도 어느 하나를 재질로 하고,
형성되는 압전소자 및 하부전극은 중심이 동일한 링 형상으로, 압전소자의 링 형상 직경이 하부전극의 링 형상 직경보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
(a) stacking an insulating film, a diaphragm, a lower electrode film, a piezoelectric film and an upper electrode film on the substrate in this order;
(b) sequentially removing the circular film having a predetermined diameter at the same center of the upper electrode film, the piezoelectric film and the lower electrode film, respectively;
(c) forming at least one vent hole in the center of the diaphragm corresponding to the position where the circular film is removed; And
(d) forming an acoustic chamber by partially etching the insulating film to a lower surface of the center of the substrate so that the vent hole is included,
Wherein the diaphragm is made of at least one of a nitride film including silicon (Si), an oxide film, and a polysilicon (Poly Si)
Wherein the piezoelectric element and the lower electrode to be formed have the same ring-shaped center, and the ring-shaped diameter of the piezoelectric element is equal to or larger than the ring-shaped diameter of the lower electrode.
청구항 7에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 상부전극막의 중심에서 일정 제1 직경을 갖는 원형막을 제거하여 개방하는 단계;
상기 압전소자막에서 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계; 및
상기 하부전극막에서 상기 제2 직경보다 작은 제3 직경을 갖는 동일 중심의 원형막을 제거하여 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
The method of claim 7,
The step (b)
Removing a circular membrane having a first diameter at the center of the upper electrode film and opening the circular membrane;
Removing the same center circular film having a second diameter smaller than the first diameter in the piezoelectric film, and opening the same; And
And removing the circular film of the same center having the third diameter smaller than the second diameter from the lower electrode film to open the same.
삭제delete 청구항 7에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 원형막이 제거되어 개방된 진동판의 중심에서 대칭인 적어도 하나의 위치에 관통홀인 벤트홀을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 피에조 멤스 마이크로폰 제조방법.
The method of claim 7,
The step (d)
And forming a vent hole as a through hole at at least one position symmetrical to the center of the opened diaphragm with the circular film removed.
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