KR102208617B1 - 음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기 - Google Patents

음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캐리어 기판(2), 상기 캐리어 기판(2)에 형성되고 적어도 하나의 개구부(4)를 가지는 캐비티(3) 및 상기 캐비티(3)의 개구부(4)에 걸쳐지고, 음향 에너지를 발생 또는 감지하기 위하여 상기 캐리어 기판(2)에 대해 진동할 수 있도록, 그의 가장자리 부분이 상기 캐리어 기판(2)에 연결되는 다층 압전의 막 구조물(5)을 포함하여 구성되고, 상기 막 구조물(5)이 단면에서 적어도 몇 개의 영역에서 서로 이격 배치되는 제1 압전층(8) 및 제2 압전층(9)을 구비하며, 상기 두 개의 압전층(8, 9) 사이의 영역에 배치되고 음향 에너지가 자신에 의하여 상기 막 구조물(5)의 적어도 하나의 공기 인접 인터페이스(17, 18) 방향으로 반사될 수 있도록 형성되는 중간층(19)을 구비하여, 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 멤스 음향 변환기 및 이를 구비한 칩에 관한 것이다.

Description

음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기{MICRO­ELECTROMECHANICAL SOUND TRANSDUCER WITH SOUND ENERGY­REFLECTING INTERLAYER}
본 발명은 캐리어 기판, 적어도 하나의 개구부를 가지도록 상기 캐리어 기판에 생성되는 캐비티 및 상기 캐비티의 개구부에 걸쳐지고, 음향 에너지를 발생 또는 감지하기 위하여 상기 캐리어 기판에 대해 진동할 수 있도록, 그의 가장자리 부분이 상기 캐리어 기판에 연결되는 다층 압전의 막 구조물을 포함하여 구성되고, 상기 막 구조물이 단면에서 적어도 몇 개의 영역에서 제1 및 제2 압전층을 구비하여, 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 음향 변환기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 함께 어레이형(array-like) 방식으로 배치되고 서로 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 멤스(MEMS) 음향 변환기를 구비하여 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 칩(chip)에 관한 것이다.
언급한 바와 같이, 약어 "멤스(MEMS)"는 마이크로 전자 기계 시스템을 나타낸다. 멤스 음향 변환기는 마이크로폰 또는 확성기(스피커)로 활용될 수 있다. 소리는 진동할 수 있는 방식으로 장착된 멤스 음향 변환기 멤브레인에 의하여 발생 또는 감지된다.
압전 엑추에이팅 소자는 음파를 발생하기 위하여 상기 멤브레인을 진동시킬 수 있다. 일반적으로, 마이크로 스피커는 유효한 음압 레벨을 달성하기 위하여 상당한 공기량 변위를 발생시켜야 한다. 이러한 마이크로 스피커는 예를 들어 독일 선행특허 문헌(DE 10 2012 220819 A1)에 알려져 있다.
한편, 상기 멤스 음향 변환기는 또한 마이크로폰으로 활용될 수 있다. 이 경에 상기 멤브레인의 음향 자극은 압전 소자를 통해 전기 신호로 변환된다. 이러한 멤스 마이크로폰은 예를 들어 독일 선행특허 문헌(DE 10 2005 008511 A1)에 알려져 있다.
독일 선행특허 문헌 DE 10 2012 220819 A1 독일 선행특허 문헌 DE 10 2005 008511 A1
본 발명은 압전 효과를 향상시킬 수 있는 멤스 음향 변환기 및 이 멤스 음향 변환기를 구비하는 칩을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 본 발명의 목적은 아래에 개시된 기술적 특징을 가지는 멤스 음향 변환기 및 칩에 의하여 달성된다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 멤스(MEMS) 음향 변환기에 있어서, 캐리어 기판(2), 상기 캐리어 기판(2)에 형성되되, 적어도 하나의 개구부(4)를 구비하는 캐비티(3) 및 상기 캐리어 기판(2)에 대하여 음향 에너지를 발생 또는 감지하기 위한 진동 발생이 가능하도록 상기 캐비티(3)의 개구부(4)에 걸쳐지고, 상기 캐리어 기판(2)과 가장자리 영역에서 연결되는 다층 압전의 막 구조물(5)을 포함하여 구성되고, 상기 막 구조물(5)은 단면에서 적어도 몇 개의 영역에 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 압전층(8, 9)을 구비하고, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 사이의 영역에는 중간층(19)이 배치되며, 상기 중간층(19)은 음향 에너지가 공기에 인접하는 막 구조물(5)의 적어도 하나의 인터페이스(17, 18)의 방향으로 반사될 수 있도록, 산화 실리콘, 질화 실리콘 또는 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중간층(19)은 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나에 비해 더 낮은 밀도를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나는 티탄산지르콘산연(lead-zirconate-titanate) 또는 질화 알루미늄(aluminum nitride)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9)은 각각 하부 및 상부 전극층(10, 12; 11, 13) 사이에 형성되고, 상기 중간층(19)은 상기 제1 압전층(8)의 상부 전극층(11)과 상기 제2 압전층(9)의 하부 전극층(12)에 직접적으로 단단하게 접촉되고, 유전체 역할을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 막 구조물(5)은 상기 제1 압전층(8) 하부 또는 상기 제2 압전층(9) 상부 영역에 배치되고, 폴리실리콘으로 형성되는 멤브레인층(14)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 막 구조물(5)은 프레임 역할을 수행하는 상기 캐리어 기판(2)에서 멀리 떨어진 면으로부터 상기 캐리어 기판(2)의 내측으로, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9)이 제거되는 적어도 하나의 영역에 형성되는 적어도 하나의 리세스(24)를 구비하고, 상부에서 볼 때, 상기 막 구조물(5)은 상기 리세스(24)에 의하여 생성되어 서로 하나의 패턴(28)을 형성하는 적어도 하나의 압전 활성 영역(25)과 적어도 하나의 수동 영역(26)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 리세스(24)는 상기 압전 활성 영역(24)이 평면도에서 프레임에 부착되는 적어도 하나의 고정단(29, 30)과 상기 고정단에 대하여 Z 방향으로 진동할 수 있는 자유단(31)을 구비할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성 영역(25)은 평면도에서 적어도 하나의 빔 형상(beam-shaped)의 변위부(32, 33, 34)를 구비하고, 단면도에서, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나에 관련된 두개의 전극층(10, 11, 12, 13) 중 적어도 하나는 대응하는 압전층(8, 9)에 대하여 비대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성 영역(25)은 평면도에서 적어도 하나의 제1 변위부(32), 제2 변위부(33) 및 상기 제1 변위부와 제2 변위부 사이에 형성되는 리디렉션부(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 막 구조물(5)은 평면도에서 서로 다른 사이즈 또는 다른 패턴(28)을 가지도록 형성되고, 서로 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 변환기 영역(38, 39)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 캐리어 기판(2)은 평면도에서 프레임의 내부에 형성되어 상기 변환기 영역(38, 39)들 사이의 막 구조물(5)을 지지하기 위하여 배치되는 적어도 하나의 지지부(40)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 지지부(40)는 상기 막 구조물(5)을 향하는 지지단부(43)를 통해 상기 막 구조물(5)에 부착되고, 상기 막 구조물(5)은 상기 지지단부(43) 상에 느슨하게 안착되거나 또는 Z축 방향으로 상기 지지단부(43)로부터 분리되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지부(40)는 장벽으로서 역할을 수행하고, 상기 캐비티(3)를 적어도 두개의 캐비티 영역(41, 42)으로 분할하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 서로 어레이형(array-like) 방식으로 배치되고 서로 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 멤스(MEMS) 음향 변환기(1)를 구비하여 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 칩에 있어서, 상기 멤스(MEMS) 음향 변환기(1)들 중 적어도 하나는 상기 특징들 중 어느 하나에 따라 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 압전 효과를 향상시킬 수 있는 멤스 음향 변환기 및 이 멤스 음향 변환기를 구비하는 칩을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따라 멤스 음향 변환기의 기본적인 실시예에 대한 상세한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 멤브레인층으로 역할을 수행하는 패시베이션층을 구비하는 멤스 음향 변환기의 제2 실시예에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 하부 절연층으로부터 형성되고 캐리어 기판의 개구부에 걸쳐 수평 방향으로 단지 부분적으로 연장 형성되는 강화층을 구비하는 멤스 음향 변환기의 제3 실시예에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 상부 절연층으로부터 형성되고 캐비티의 개구부 전체에 걸쳐 수평 방향으로 연장 형성되는 강화층을 구비하는 멤스 음향 변환기의 제4 실시예에 대한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 상부 절연층으로부터 형성되고 캐비티의 개구부에 걸쳐 수평 방향으로 단지 부분적으로 연장 형성되는 강화층을 구비하는 멤스 음향 변환기의 제5 실시예에 대한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6f는 도 5에서 보여준 제5 실시예에 따른 멤스 음향 변환기를 제조하기 위한 각각의 공정 단계를 보여준다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따라 멤스 음향 변환기의 두개의 다른 구조에 대한 사시도이다.
도 9는 도 7 및 도 8에서 보여준 구조의 활성 영역에 대한 단면도이다.
도 10은 도 8에서 보여준 구조에 따라 서로에 관련하여 어레이형 방식으로 배열된 복수의 멤스 음향 변환기의 평면도이다.
도 11은 적어도 하나의 지지부에 의하여 Z축 방향으로 지지되는 복수의 변환기 영역을 가지는 하나로 된 막 구조물을 구비하는 멤스 음향 변환기의 다른 구조에 대한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 멤스 음향 변환기 및 이를 구비하는 칩에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
이하에서 설명되는 다양한 구성요소 사이의 관계가 명확해질 수 있도록, 상부, 하부, 위, 아래, 상측, 하측, 왼쪽, 오른쪽, 수직 및 수평과 같은 관련 용어는 각 도면이 참조하는 대상체의 위치를 위하여 사용된다.
도면에서 보여주는 소자 또는 구성요소의 위치가 변경되면 상기 용어들이 변경될 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 그래서 상기 도면들에 대해 보여주는 소자 또는 구성요소의 방향이 반전된다면, 상부로 명시된 특징은 다음에서 설명되는 도면에서 하부로 명시될 수 있다. 결국, 사용되는 관련 용어는 단지 이하에서 설명되는 각각의 소자 또는 구성요소 사이의 상대적인 관계의 설명을 용이하게 하는데 도움을 준다.
본 발명에 따르면, 멤스(MEMS) 음향 변환기는 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위하여 제안된다. 따라서 상기 멤스 음향 변환기는 멤스 확성기(스피커) 또는(및) 멤스 마이크로폰(확성기(스피커) 및 마이크로폰 중 적어도 하나)으로 활용되는 것이 바람직하다.
상기 멤스 음향 변환기는 캐비티를 구비하는 캐리어 기판을 포함한다. 상기 캐비티는 서로에 관하여, 특히 상기 캐리어 기판의 양 측면에 생성되는 적어도 하나의 개구부, 바람직하게는 두 개의 개구부를 구비한다. 상기 캐리어 기판은 특히 닫힌(밀폐된) 프레임으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 멤스 음향 변환기는 다층 압전의 막 구조물을 포함한다. 이 경우에, 상기 막 구조물은 서로 단단하게 결합되는 복수의 층을 가지고, 이들 중 적어도 하나의 층은 압전 특성을 가진다.
상기 막 구조물은 캐비티 개구부에 걸쳐있다. 덧붙여, 상기 막 구조물의 가장자리 영역이 상기 캐리어 기판에 결합된다. 그래서 상기 막 구조물은 음향 에너지를 발생 또는(및) 감지하기 위하여 상기 캐리어 기판, 특히 프레임에 대해 진동될 수 있다.
상기 막 구조물은 적어도 일부 영역에서(즉, 평면도에서, 반드시 모든 면에 걸칠 필요 없이) 단면에서 수직 방향으로 이격 배치되는 제1 및 제2 압전층을 포함한다. 측면에서 볼 때, 상기 제2 압전층이 상기 제1 압전층에 관련하여, 상기 캐리어 기판으로부터 멀리 떨어진 상기 제1 압전층의 일면(제1 압전층의 양면 중, 상기 캐리어 기판에 대향하는 면의 반대면)의 영역에 위치하도록, 상기 제2 압전층은 상기 제1 압전층 상측에 배치되는 것이 바람직하다.
중간층이 상기 두 개의 압전층 사이에 배치된다. 상기 두 개의 압전층 중 적어도 하나는 상기 증간층에 대해 단단하게 배치될 수 있고, 또는 선택적으로 복수개의 층에 의하여 상기 중간층으로부터 이격될 수 있도록 배치될 수도 있다. 상기 중간층은 음향 에너지(음향 임피던스 때문에 상기 막 구조물과 인접하는 공기 사이에 형성되는 막 구조물 인터페이스에 이전에 반사된 음향 에너지)가 상기 중간층을 통해 상기 인터페이스를 향하여 다시 반사될 수 있는 방식으로 형성된다. 이 결과, 상기 막 구조물의 압전 효과는 향상된다. 결국, 상기 중간층은 음향 에너지를 반사할 수 있고 상기 막 구조물의 압전 효과를 향상시킬 수 있는 역할을 수행한다.
음향 에너지가 제1 매개체, 특히 상기 막 구조물로부터 제2 매개체, 특히 상기 막 구조물에 인접한 공기로 전달될 때, 임피던스 문제가 발행하는데, 특히 상기 두 매개체 사이의 음향 임피던스가 큰 양으로 차이가 날 때 발생한다. 이것은 상기 막 구조물과 인접하는 공기에 관련된 경우이다.
이 때문에, 상기 음향 에너지의 일부는 상기 두 매개체의 인터페이스에서, 즉 상기 막 구조물과 이 막 구조물에 인접하는 공기 사이의 인터페이스(접점)에서 반사된다. 이 결과, 상기 막 구조물의 효과는 소리가 발생 및(또는) 감지될 때 감소된다.
예를 들어, 소리가 발생될 때, 상기 막 구조물로부터 상기 공기로 음향 에너지 전송을 개선하기 위하여, 상술한 바와 같이 상기 중간층이 상기 두 개의 압전층 사이에 배치된다. 이 경우에, 상기 두 개의 압전층 중 적어도 하나에 대하여 상기 중간층의 음향 임피던스 값은 상기 공기 인터페이스에서 반사된 음향 에너지가 상기 중간층에 의하여 반사되어 상기 인터페이스의 방향으로 되돌아갈 수 있도록 선택된다. 이 결과, 더 높은 음향 에너지가 상기 막 구조물로부터 상기 공기로 전송될 수 있다. 상기 중간층과 상기 압전층들 중 적어도 하나는 서로에 대하여 큰 임피던스 차이를 가지는 것이 바람직하다.
상기 중간층이 상기 압전층들 중 적어도 하나에 비해 더 낮은 밀도를 가지는 경우가 유리하다. 이 결과, 상기 중간층과 상기 두 개의 압전층 중 적어도 하나 사이의 임피던스 차이는 더 많은 음향 에너지가 상기 중간층으로부터 반사될 수 있도록 유리하게 확장될 수 있다.
상기 막 구조물의 압전 효과는 특히 상기 중간층이 산화 실리콘, 질화 실리콘 및/또는 폴리실리콘 재질로 형성될 때 향상될 수 있다. 알려진 압전 재질에 비해, 상기 재질들은 상기 중간층의 음향 에너지 반사 특성을 증가시키기 위하여 더 낮은 밀도를 가진다.
상기 중간층과 상기 두 개의 압전층 중 적어도 어느 하나 사이의 임피던스 차이를 가능한 크게 하는 것을 달성하기 위하여, 상기 두 개의 압전층 중 적어도 어느 하나가 티탄산지르콘산연(lead-zirconate-titanate) 또는 질화 알루미늄(aluminum nitride)의 재질로 형성되는 것이 유리하다.
바람직한 또 다른 형태에서, 상기 두 개의 압전층은 각각 하부 및 상부 전극층 사이에 내장 배치된다. 즉, 단면도에서, 상기 막 구조물은 상기 캐리어 기판으로부터 시작하여, 제1 하부 전극층, 제1 압전층, 제1 상부 전극층, 중간층, 제2 하부 전극층, 제2 압전층 및 제2 상부 전극층을 구비한다.
각각 대응하는 하부 및 상부 전극층을 구비하는 상기 두 개의 압전층을 서로 전기적으로 분리하기 위하여, 상기 중간층은 부가적인 전기적 절연층이 생략될 수 있기 때문에, 유전체로 형성되는 것이 유리하다.
상기 막 구조물을 외부의 영향으로부터 보호하기 위하여, 상기 캐리어 기판으로부터 멀리 떨어진 상기 막 구조물의 일면(막 구조물의 양면 중, 상기 캐리어 기판과 대향하는 면의 반대면)은 적어도 부분적으로 패시베이션층으로 코팅된다.
상기 캐리어 기판은 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하고 이로 인하여 전기가 통하기 때문에, 전기적 절연층이, 특히 산화 실리콘 재질로 형성되는 절연층이 상기 캐리어 기판과 상기 막 구조물의 가장 낮은 전극층 사이의 영역에 배치된다.
바람직하게, 상기 막 구조물은 폴리실리콘 재질로 형성되는 멤브레인층을 포함한다. 상기 막 구조물은 바람직하게 상기 캐리어 기판에 형성된 캐비티의 개구부 전체에 걸쳐 확장 배치된다. 멤스 음향 변환기가 마이크로폰으로 실행될 때, 상기 멤브레인층은 외부로부터 자신에게 도달하는 음향 에너지에 의하여 진동하게 된다. 멤스 음향 변환기가 확성기(스피커)로 실행될 때, 상기 멤브레인층은 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생시킬 수 있도록 적절하게 조절될 수 있는 상기 압전층에 의하여 진동하게 된다.
상기 중간층의 음향 에너지 반사 특성이 부정적인 영향을 받지 않기 위하여, 상기 멤브레인층은 상기 제1 압전층 하측의 영역(특히 상기 캐리어 기판과 상기 제1 하부 전극층 사이) 또는 상기 제2 압전층 상측의 영역(특히 상기 제2 압전층의 상부 전극층 상)에 배치되는 것이 유리하다.
상기 막 구조물은 복수의 접점 오목부를 구비하고, 이 접점 오목부들은 상기 캐리어 기판으로부터 멀리 떨어진 상기 막 구조물의 일면(상부면)에 다른 깊이로 형성되는 것이 유리하다. 단면도에서, 상기 접점 오목부들은 상기 막 구조물의 상부면으로부터 상기 다양한 전극층까지 연장 형성되는 것이 바람직하다. 이 결과, 상기 두 개의 압전층은 상기 각각의 하부 및 상부 전극층을 통해 자극받을 수 있고, 전기적 신호에 반응할 수 있다.
같은 이유로서, 전기적 접속부가 상기 접촉 오목부들 안에 배치되어 각각의 전극층에 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 부가적으로 또는 선택적으로, 상기 전기적 접속부들은 단면도에서 모두 같은 방식으로, 상기 막 구조물의 상부 영역으로부터 상기 접촉 오목부의 양 측벽 중 적어도 하나를 통해 상기 접촉 오목부의 바닥부까지 연장 형성된다.
상기 캐리어 기판은 평면도에서 프레임, 특히 닫힌(폐쇄된) 프레임을 형성하는 것이 유리하다. 이와 같이 상기 캐리어 기판의 캐비티는 양 측면 각각에 개구부를 구비한다. 결과적으로 상기 캐리어 기판의 프레임 형상이 생성된다.
부가적으로 또는 선택적으로, 상기 막 구조물은 상기 프레임의 내측으로 상기 캐리어 기판으로부터 멀리 떨어진 상기 막 구조물의 일면에 적어도 하나의 리세스(recess)를 구비하는 것이 유리하다. 상기 리세스의 영역에서, 적어도 상기 두 개의 압전층은 제거되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 평면도에서, 상기 막 구조물은 특히 상기 리세스에 의해 생성되는 적어도 하나의 압전 활성 영역과 적어도 하나의 수동 영역을 구비한다. 그래서, 상기 활성 영역만이 압전 자극을 받을 수 있다. 이와 반대로 상기 수동 영역은 단지 자신에게 연결된 상기 활성 영역과 함께 수동적으로 움직일 수 있다.
평면도에서, 상기 적어도 하나의 압전 활성 영역과 상기 적어도 하나의 수동 영역은 특히 민더링(mindering), 빔 형(beam-shaped), n-빔 형(n-beam-shaped), 나선형 패턴의 막 구조물의 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 이 결과, 상기 막 구조물은 상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 더 큰 스트로크(stroke)를 형성할 수 있고, 이로 인해 더 큰 음압을 발생시킬 수 있다.
상기 압전 활성 영역은 확성기(스피커)로서 역할을 수행하는 멤스 음향 변환기 내의 상기 막 구조물이 진동할 수 있도록, 상기 막 구조물을 자극할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 반면, 상기 수동 영역은(제거된 압전층이 더 이상 압전 자극을 할 수 없기 때문에) 단지 인접하는 압전 활성 영역을 따라 움직인다.
상기 리세스는 평면도에서, 상기 압전 활성 영역이 상기 프레임에 부착되는 적어도 하나의 고정단과 상기 고정단에 대해 Z축 방향으로 진동할 수 있는 적어도 하나의 자유단을 구비하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 상기 고정단에 대해, 상기 자유단은 특히 상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 크게 스트로크(stroke)를 수행할 수 있다.
상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 스트로크를 증대시키기 위하여, 상기 활성 영역은 평면도에서 특히 보 형상(beam-shaped)의 변위부를 구비하는 것이 바람직하다. 부가적으로 또는 선택적으로, 변위 영역(상기 두 개의 압전층 중 적어도 하나의 경우에)의 단면도에서, 상기 두 개의 전극층 중 적어도 하나는 대응하는 압전층에 대해 비대칭적으로 배치된다.
상기 대응하는 압전층에 대한 상기 전극층의 비대칭 배치 때문에, 상기 변위부 또는 활성 영역은 텐션이 인가될 때, 상기 활성 영역의 종축을 중심으로 비틀림 운동을 수행할 수 있다. 그 결과, 상기 활성 영역의 스트로크는 상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 증가될 수 있는 장점이 있다.
더욱더, 상기 활성 영역이 평면도에서 적어도 하나의 제1 변위부, 제2 변위부 및 상기 제1 변위부와 제2 변위부 사이에 형성되는 리디렉션부를 구비한다면 상기 막 구조물의 Z축 스트로크는 증가할 수 있다.
상기 고정단은 상기 리디렉션부로부터 멀리 떨어진 상기 제1 변위부의 일단(제1 변위부의 양단 중, 상기 리디렉션부에 연결되는 단부의 반대쪽 단부)에 형성되는 것이 바람직하고, 상기 제2 변위부의 일단에서 멀리 떨어진 상기 자유단에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 리디렉션부 때문에, 결과적으로 상기 활성 영역의 자유단은 상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 더 큰 길이로 유리하게 변위될 수 있다.
상기 활성 영역의 길이를 상기 고정단에서 상기 자유단까지 사이의 길이로 형성하기 위하여, 상기 리디렉션부는 평면도에서 상기 제1 변위부와 제2 변위부를 서로 1°에서 270° 사이의 범위를 가지도록 방향을 전환시키고, 바람직하게는 90° 또는 190°만큼 방향 전환을 시키는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 형태에서, 상기 막 구조물은 평면도에서 서로 개별적으로 제어될 수 있는 복수의 변환기 영역을 구비한다. 상기 하나로 된 막 구조물의 변환기 영역들은 서로에 관하여 다른 사이즈들 및/또는 다른 패턴들을 가지는 것이 바람직하다. 상기 다양한 사이즈들로 형성되는 변환기 영역들은 높은 음조 또는 낮은 음조를 만들 수 있다.
두 개의 인접하는 변환기 영역을 적어도 부분적으로 서로 분리하고, 복수의 변환기 영역을 구성하는 상기 하나로 된 막 구조물을 지지하기 위하여, 상기 캐리어 기판은 평면도에서, 특히 상기 프레임의 캐비티 내부에 적어도 하나의 지지부를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 지지부는 상기 두 개의 이웃하는 변환기 영역 사이의 상기 막 구조물을 지지하기 위하여 배치되는 것이 바람직하다.
상기 두 개의 변환기 영역 중 하나가 진동하기 위하여 자극을 받으면, 상기 이웃에 연결된 영역은 상기 두 개의 변환기 영역 사이의 지지부에 의하여 지지된다. 결과적으로 상기 두 개의 변환기 영역 중 하나에 인접한 상기 이웃한 변환기 영역은 진동하지 않거나 단지 부분적으로만 진동한다. 또한, 이것은 매우 큰 막 구조가 찢어지게 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 지지부가 상기 막 구조물에 대면하고 있는 자신의 단부를 통해 상기 막 구조물에 단단하게 부착된다면, 상기 서로 인접하는 두 개의 변환기 영역은 진동으로부터 매우 효과적으로 분리될 수 있다. 그러나, 상기 서로 인접하는 두 개의 변환기 영역이 서로 완전히 분리되지 않는 것이 선택적으로 유리한 경우가 있다. 결국, 상기 지지부는 상기 막 구조물에 대면하고 있는 자신의 단부를 통해 상기 막 구조물에 느슨하게 부착되거나 또는 상기 멤스 음향 변환기의 Z축 방향으로 상기 막 구조물로부터 분리되는 것이 유리해질 수 있다.
상기 두 개의 인접한 변환기 영역을 음향적으로 분리하기 위하여, 상기 지지부는 상기 캐비티를 바람직하게는 적어도 두개 이상의 캐비티 영역으로 세부화하기 위한 장벽으로서 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
다른 양상에 따르면, 칩, 특히 실리콘 칩이 가청 파장 스펙트럼 내의 파장을 발생 및/또는 감지하기 위하여 제안된다. 상기 칩은 서로 어레이형(array-like) 방식으로 배치되고 각자 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 멤스 음향 변환기를 구비한다. 상기 멤스 음향 변환기들 중 적어도 하나는 이전 설명에 따라 설계되고, 상술한 기술적 특징이 개별적으로 적용되거나 어떤 조합으로 적용될 수 있다.
상기 멤스 음향 변환기들 중 적어도 두 개는 서로 다른 사이즈, 다른 형태 및/또는 다른 패턴을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 핵심적 특징에 대한 부가적인 양상은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 실시예에 따라 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 멤스 음향 변환기(1)의 기본적인 실시예에 대한 상세한 단면도이다. 특히 상기 막 구조물(5)과 프레임으로서 역할을 수행하는 상기 멤스 음향 변환기의 캐리어 기판(2) 사이의 연결 영역에서의 상세한 단면도이다.
상기 멤스 음향 변환기는 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 및/또는 감지하기 위한 동작을 수행한다. 이와 같이, 상기 멤스 음향 변환기(1)는 멤스 확성기(스피커) 및/또는 멤스 마이크로폰으로서 동작할 수 있다(확성기(스피커) 및 마이크로폰 중 적어도 하나가 될 수 있음).
도 1에 의하면, 상기 멤스 음향 변환기(1)는 특히 실리콘 재질로 형성되는 캐리어 기판(2)을 포함한다. 상기 캐리어 기판(2)은 프레임, 특히 예를 들어 도 2에서 보여준 구조에서의 경우처럼 닫힌(폐쇄된) 형태의 프레임으로서의 역할을 수행한다. 그래서 상기 캐리어 기판(2)은 속이 빈 공간(동공) 또는 캐비티(3)(도 1에서는 단지 부분적으로만 보여주고 있음)를 포함한다.
상기 캐비티(3)는 막 구조물(5)에 의하여 걸쳐지는 제1 개구부(4)를 포함한다. 상기 막 구조물(5)로부터 멀리 떨어진 상기 캐리어 기판의 하부면(상부면에는 상기 제1 개구부가 형성되어 있음)에는, 상기 캐비티(3)는 제2 개구부(6)을 구비하고 있다. 상기 캐비티(3)는 상기 제1 개구부(4)로부터 시작하여 상기 제2 개구부(6) 방향으로 가면서 적어도 하나의 영역에서 확장한다.
도 1에 의하면, 상기 막 구조물(5)은 서로 견고하게 연결된 복수의 층들을 포함한다. 상기 막 구조물(5)의 가장자리 영역(7)은 상기 캐리어 기판(2)에 대향하는 면을 통해 상기 캐리어 기판(2)에 단단하게 연결된다. 이와 같이, 상기 고정의 캐리어 기판(2)에 대해서, 상기 막 구조물(5)은 음향 에너지를 발생 및/또는 감지하기 위하여 상기 멤스 음향 변환기(1)의 Z축 방향(도 1에서 수직 방향)으로 진동할 수 있다.
확성기(스피커) 적용의 경우에, 상기 막 구조물(5)을 대응하는 전기적 제어를 통해 진동하도록 자극하기 위하여 또는 마이크로폰 적용의 경우에, 외부적인 자극에 의한 상기 막 구조물(5) 진동을 전기적 신호로 변환하기 위하여, 상기 막 구조물(5)은 다층 압전의 막 구조물로서 동작을 수행한다.
따라서 도 1에 도시된 단면도에 의하면, 상기 막 구조물은 제1 압전층(8) 및 제2 압전층(9)을 포함한다. 상기 두 개의 압전층(8, 9)은 반드시 상기 막 구조물(5)의 모든 면에 걸쳐 연속적으로 형성될 필요는 없다. 선택적으로, 상기 두 개의 압전층(8, 9)은 끊김을 가질 수도 있다. 이는 다음의 실시예들에서 더 상세하게 설명된다.
상기 두 개의 압전층(8, 9)은 티탄산지르콘산연(PZT : lead-zirconate-titanate) 및/또는 질화 알루미늄(ALN: aluminum nitride)으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 두 개의 압전층(8, 9)이 전기적 신호를 검출할 수 있도록 하거나 전압을 적용함에 의하여 상기 두 개의 압전층(8, 9)을 능동적으로 변위시키기 위하여, 상기 두 개의 압전층(8, 9)은 각각 두 개의 전극층(10, 11, 12, 13) 사이에 내장 형성된다.
즉, 상기 제1 압전층(8)은 상기 캐리어 기판(2)에 대향하는 자신의 면(하부면)에 제1 하부 전극층(10)을 구비하고, 상기 캐리어 기판에서 멀리 떨어진 자신의 면(상부면)에 제1 상부 전극층(11)을 구비한다. 같은 방식으로, 제2 하부 전극층(12)은 상기 캐리어 기판(2)에 대향하는 상기 제2 압전층(9)의 면(하부면)에 접촉 배치되고, 제2 상부 전극층(13)은 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 떨어진 상기 제2 압전층(9)의 면(상부면)에 접촉 배치된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 막 구조물(5)은 멤브레인층(14)을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인층(14)은 상기 막 구조물(5)을 더 단단하게 하고, 더 안정되게 한다. 확성기(스피커) 적용의 경우에, 상기 멤브레인층(14)은 상기 두 개의 압전층(8, 9)에 의하여 진동하기 위한 자극을 받는다.
상기 멤브레인층(14)은 폴리실리콘으로 형성되는 것이 바람직하고, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1 압전층(8) 아래, 특히 상기 제1 하부 전극층(10)과 상기 캐리어 기판(2) 사이의 영역에 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 상기 멤브레인층(14)은 상기 캐리어 기판(2)과 상기 더 낮은 제1 압전층(8) 사이의 영역 내에 위치한다. 그러나, 여기에 도시되지 않은 대체 구조에서, 상기 멤브레인층(14)은 상기 제2 압전층(9) 상측에 배치될 수도 있다. 상술한 두개의 구조 외에, 상기 막 구조물(5)이 상기 멤브레인층(14)을 완전히 채택하지 않은 것도 가능하다.
도 1에 도시된 상기 캐리어 기판(2)은 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하고, 이로 인해 전기가 통한다. 상기 캐리어 기판(2)은 상기 막 구조물(5)에 대향하는 자신의 면(상부면)에 특히 산화 실리콘으로 형성되는 절연층(15)을 구비하는 것이 바람직하다. 이 결과, 상기 제1 하부 전극층(10)은 상기 캐리어 기판(2)과 전기적으로 절연될 수 있다.
상기 막 구조물(5)을 외부의 영향으로부터 보호하기 위하여, 상기 막 구조물은 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 있는 자신의 면(상부면)에 패비베이션층(16)을 구비한다.
위에서 설명한 상기 다층 압전의 막 구조물(5)은 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 있는 상기 막 구조물(5)의 면(상부면)에 위치하고 있는 주변의 공기에 인접한 제1 인터페이스(17)를 구비한다. 또한, 상기 막 구조물(5)은 상기 캐리어 기판(2)에 대향하는 자신의 면(하부면)에 제2 인터페이스(18)를 구비한다. 상기 막 구조물(5)은 ,특히 상기 두 개의 인터페이스(17, 18)의 영역에서, 인접하는 공기에 비해 매우 다른 임피던스를 가지기 때문에, 전송되는 음향 에너지의 대부분은 상기 인터페이스(17, 18)에 반사되고, 이것은 상기 멤스 음향 변환기(1)의 압전 효과를 감소시킨다.
이와 같이, 예를 들어 확성기(스피커) 적용에서, 상기 막 구조물(5)은 상기 두 개의 압전층(8, 9)의 전기적 자극을 통해 Z축 방향으로 우선 진동하게 된다. 이 경우에, 음파는 상기 가청 파장 스펙트럼 내에서 상기 제1 인터페이스(17) 표면에서 발생된다. 그러나, 상기 음파를 발생시키는 음향 에너지는 상기 공기로 완전히 전달되지 못한다.
대신에, 상기 막 구조물(5)과 상기 인접한 공기 사이의 큰 임피던스 차이 때문에, 상기 음향 에너지의 일부는 상기 제1 인터페이스(17)에 반사되어 상기 캐리어 기판(2) 방향하여 되돌아간다. 종래 기술에서 알려진 막 구조물(5)에서, 상기 음향 에너지는 손실되고, 이로 인하여 상기 막 구조물(5)의 압전 효과는 감소된다.
이를 방지하기 위하여, 도 1에 도시된 본 발명의 상기 막 구조물(5)은 음향 에너지를 반사시킬 수 있는 중간층(19)을 구비한다. 상기 중간층(19)은 도 1에서 보여준 단면도에 따라 상기 두 개의 압전층(8, 9) 사이에 배치된다. 여기서, 상기 중간층(19)은 상기 제1 상부 전극층(11)과 상기 제2 하부 전극층(12)에 대하여 직접 접촉하여 배치된다.
상기 두 개의 압전층(8, 9) 중 적어도 하나에 비하여, 상기 중간층(19)은 더 낮은 밀도를 가진다. 결국, 상기 중간층(19)과 상기 두 개의 압전층(8, 9) 중 적어도 하나는 서로 비교하여 다른 임피던스를 가진다. 상기 임피던스 차이 때문에, 상기 중간층(19)은 음향 에너지를 반사시키는 역할을 수행한다. 이 결과와 예로써 확성기(스피커)를 고려하면, 상기 제1 인터페이스(17)의 표면에서 부분적으로 반사되어 돌아오는 음향 에너지는 상기 중간층(19)에 의하여 다시 반사되어 상기 제1 인터페이스(17)를 향하여 되돌아간다.
결국, 상기 음향 에너지는 손실되는 것이 아니라 음파를 발생시키기 위하여 상기 제1 인터페이스(17)에서 다시 사용되고, 이것은 상기 막 구조물(5)의 압전 효과를 증대시킨다. 상기 중간층(19)의 음향 에너지 반사 특성은 상기 중간층(19)이 산화 실리콘, 질화 실리콘 및/또는 폴리실리콘의 재질로 형성된다면 더 향상된다. 유사하게, 상기 중간층(19)은 마이크로폰으로서 동작하는 멤스 음향 변환기(1)에도 영향을 미친다.
상기 중간층(19)은 음향 에너지를 반사시키는 역할을 수행할 뿐 아니라 유전체로서의 역할도 수행한다. 이 결과, 상기 제1 상부 전극층(11) 및 상기 제2 하부 전극층(12)은 서로 전기적으로 절연되고, 이것은 부가적인 절연층을 절감시킬 수 있는 장점으로 작용한다.
상기 멤스 음향 변환기(1)의 다른 실시예들이 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에서 보여주고 있다. 도 1에서 보여준 상기 막 구조물(5)에 대한 상세한 단면도에 따라, 상기 실시예들 각각은 Z축 방향으로 서로 분리된 두 개의 압전층(8, 9)을 구비한다. 상기 두 개의 압전층(8, 9)은 각각 상기 두 개의 전극층(10, 11, 12, 13) 사이에 샌드위치 형태로 배치된다. 또한, 동일하게 설계되고 동일하게 동작하는 중간층(19)은 상기 두 개의 압전층(8, 9) 사이에 배치된다.
상술한 층의 조합은 이하에서 설명되는 실시예들에 대한 기초를 구성한다. 상기 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 도 1에서 보여준 실시예와 비교하여, 동일한 참조 부호는 동일한 기술적 특징을 위하여 사용된다. 상기 기술적 특징들이 다시 상세하게 설명되지 않는 한, 그들의 형상 및 그들에 대응하는 동작은 이미 위에서 설명한 것과 동일하다.
도 2에서 보여준 실시예에 의하면, 상기 막 구조물(5)은 별도의 멤브레인층(14)을 구비하지 않는다. 대신에, 상기 패시베이션층(16)이 멤브레인층의 역할을 인수하여 멤브레인층(14)으로서 역할을 수행한다. 상기 패시베이션층(16)은 상기 제1 개구부(4) 전체에 걸쳐 수평 방향으로 연장 형성된다.
확성기(스피커) 적용의 경우에, 상기 두 개의 압전층(8, 9)을 각각 할당된 전극층(10, 11, 12, 13)을 통해 능동적으로 제어하기 위하여 및/또는 마이크로폰 적용의 경우에, 상기 두 개의 압전층(8, 9)에 의하여 발생된 전기적 신호를 태핑(tapping)하기 위하여, 상기 막 구조물(5)은 도 2에 따라 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 있는 막 구조물의 일면(상부면)에 복수의 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)를 구비한다.
상기 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)는 각각 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 위치하는 상기 막 구조물(5)의 일면(상부면)으로부터 모두 같은 방식으로 상기 전극층(10, 11, 12, 13)들 중 어느 하나까지 연장 형성된다. 상기 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d) 각각에는, 전기적 접속부(21), 특히 전기적 접점부가 배치된다. 명확성을 유지하기 위하여, 도 2에서 보여준 실시예에서 상기 접속부(21)는 상기 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)들 중 단지 하나에만 참조 부호가 제공된다.
상기 접속부(21)들은 각각 그들에게 할당된 전극층(10, 11, 12, 13)에 전기적으로 연결된다. 도 2에서 보여주는 단면도에 따라, 상기 접속부(21)들은 각각 상기 막 구조물(5)의 상부면으로부터 상기 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)의 바닥까지 대응하는 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)의 측벽(22)을 따라 연장 형성된다. 상기 각각의 접속부(21)들이 상기 전극층(10, 11, 12, 13)들 중 단 하나에만 배타적으로 전기적으로 연결되는 것을 보장하기 위하여, 부가적인 절연층(15b)이 상기 접속부(21)와 상기 측벽(22) 사이의 영역에 배치된다.
상기 막 구조물(5)의 Z축 방향으로 최대 스트로크를 개선하기 위하여, 상기 막 구조물(5)은 복수의 리세스들(24a, 24b, 24c, 24d)을 구비한다. 상기 리세스들(24a, 24b, 24c, 24d)은 상기 막 구조물(5)의 상부면으로부터 상기 캐리어 기판(2)을 향하여 확장 형성된다. 상기 리세스들(24a, 24b, 24c, 24d)의 영역에서, 상기 두 개의 압전층(8, 9)은 제거된다. 그래서 상기 막 구조물(5)은 압전 활성 영역(25)들(상기 두 개의 압전층(8, 9)이 여전히 존재하는 영역) 및 압전 수동 영역들(상기 두 개의 압전층(8, 9)이 제거된 영역)을 구비한다(도 7 및 도 8에서도 참조). 명확성을 유지하기 위하여, 상기 활성 영역(25)들 및 수동 영역(26)들 중 각각에 대하여 하나만이 도 2에서 보여준 실시예에서 도면 부호를 가지고 지시된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 두 개의 압전층(8, 9), 상기 중간층(19) 및 모든 전극층(10, 11, 12, 13)은 제거된다. 이와 같이, 상기 각각의 수동 영역(26)의 영역에서, 상기 막 구조물(5)은 단지 패시베이션층(16)만을 구비한다. 결국, 상기 패시베이션층(16)은 멤브레인층(14)으로서 역할을 수행한다.
도 3에서 보여주는 실시예는 상기 막 구조물(5)이 상기 제1 개구부(4)의 영역에 강화층(27)을 구비한다는 점에서 상술한 실시예와 다르다. 이를 위하여, 제1 절연층(15a)은 상기 제1 개구부(4)의 영역에서 완전히 제거되지 않는다. 도 3에서 보여준 단면도에 의하면, 제1 절연층(15a)은 복수의 활성 영역(25)(특히, 도 3에 도시된 모든 활성 영역) 및 복수의 수동 영역(26)(특히, 도 3에 도시된 두 개의 내측 수동 영역)에 걸쳐 수평으로 연장 형성된다.
그러나, 상기 캐리어 기판에 인접하는 상기 강화층(27)의 외곽 영역은 제거된다. 이와 같이, 상기 강화층(27)은 상기 캐리어 기판(2)을 향하여 수평 방향으로 분리부를 구비한다. 상기 분리부는 상기 수동 영역(26)들 중 적어도 하나가 외곽 영역에서 상기 강화층(27) 없이 형성되는 방식을 통해 적어도 하나 형성된다. 이와 같이, 프레임으로서 역할을 수행하는 상기 캐리어 기판(2)의 내측에 배치되는 절연층(15a)은 강화층(27)으로서 역할을 수행한다. 상기 강화층(27)의 영역에서, 상기 막 구조물(5)은 더 안정적이고 단단하다. 이와 반대로, 상기 막 구조물(5)은 상기 강화층(27) 없이 형성되는 외곽 영역에서 더 부드럽고 더 유연하다.
또한, 도 4에서 보여주는 실시예에 의하면, 상기 강화층(27)은 제2 절연층(15b)에 의하여 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 강화층(27) 또는 제2 절연층(15b)은 상기 제1 개구부(4)의 너비 전체에 걸쳐 수평 방향으로 연장 형성된다.
그러나, 도 5에서 보여주는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 강화층(27)으로서 역할을 수행하는 상기 제2 절연층(15b)은 도 3에서 보여준 실시예와 비슷하게 외곽 영역에서 분리될 수도 있다. 이 결과, 상기 막 구조물(5)은 상기 강화층(27)의 역할 때문에, 내부 영역만 단지 더 견고하고 더 안정하다. 이에 비하여, 상기 캐리어 기판(2)에 인접한 외곽 영역은 상기 강화층(27) 또는 제2 절연층(15b)이 없기 때문에, 더 유연하고 더 부드러운 형태로 형성된다.
도 6a 내지 도 6f는 도 5에서 보여준 실시예에서의 상기 멤스 음향 변환기(1)의 제조 공정을 보여준다. 이 경우 도 6a에 의하면, 제일 먼저 실리콘 재질로 형성되는 캐리어 기판(2)은 상부면에 절연층(15a)이 배치되어 준비된다. 그 후, 도 6b에 의하면, 상기 막 구조물(5)은 상기 절연층(15b)의 상부면에 배치된다. 이 경우에, 상기 제1 하부 전극층(10), 상기 제1 압전층(8), 상기 제1 상부 전극층(11), 중간층(19), 상기 제2 하부 전극층(12), 상기 제2 압전층(9) 및 상기 제2 상부 전극층(13)이 순차적으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 6c에 의하면, 다음의 공정 단계에서, 상기 접촉 오목부(20b, 20c, 20d)들 및 리세스(24a, 24b, 24c, 24d)들이 상기 캐리어 기판(2)으로부터 멀리 있는 상기 막 구조물(5)의 일면(상부면)으로부터 상기 막 구조물(5) 내측으로 안내되어 형성된다. 그 후, 도 6d에 의하면, 상기 제2 절연층(15b)은 상기 접촉 오목부(20b, 20c, 20d)들 및 두 개의 내측 리세스(24b, 24c)들 상에 형성된다.
상기 접촉 오목부(20a, 20b, 20c, 20d)들에 각각의 접속부(21)들이 형성된 후에, 상기 막 구조물(5)은 도 6e에 따라 패시베이션층(16)으로 덮혀진다. 도 6f에서 보여주는 공정의 마지막 단계에서, 상기 캐비티(3)가 하측으로부터 형성된다. 이를 통해 상기 캐리어 기판(2)은 프레임 형상이 되고, 상기 막 구조물(5)은 상기 프레임에 대해 Z축 방향으로 진동할 수 있다.
상술한 멤스 음향 변환기(1)에 대한 두 개의 다른 구조의 사시도가 도 7 및 도 8에서 보여주고 있다. 상기 비어 있는 공간(동공) 또는 캐비티(3)는 상기 멤스 음향 변환기(1)의 배면에 있고, 이로 인해 도 7 및 도 8에 도시된 사시도에서 보여질 수 없다.
도 7에서 보여주는 실시예에 의하면, 상기 막 구조물(5) 및/또는 여기서 보여질 수 없는 상기 캐비티(3)는 평면도에서 원형 형상을 가진다. 또한, 사시도에서 상기 리세스들(24)(명확성을 유지하기 위하여 단지 하나의 리세스에 대해서만 참조 부호가 제공됨)이 어떤 패턴(28)을 형성한다는 것이 인식될 수 있다. 상기 패턴(28)은 압전 활성 영역(25a, 25b, 25c, 25d)들과 압전 수동 영역(26a, 26b, 26c, 26d, 26e)들에 의하여 형성된다.
상기 활성 영역들 중 하나(25a)가 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다. 도 7에 의하면, 상기 활성 영역(25a)은 상기 프레임 또는 캐리어 기판(2)에 강하고 단단하게 고정된 제1 및 제2 고정단(29, 30)을 구비한다. 또한, 상기 활성 영역(25a)은 상기 두 개의 고정단(29, 30)에 대하여 Z축 방향으로 움직일 수 있는 자유단(31)을 포함한다. 상기 각각의 고정단(29, 30)과 자유단(31) 사이의 영역에서, 상기 활성 영역(25a)은 적어도 일부 영역에서 주로 구불구불한 형상을 가진다.
결국, 상기 활성 영역(25a)은 상기 각각의 고정단(29, 30)에서 시작하여 대응하는 제1 변위부(32)(두 개 중 하나에 대해서만 참조 부호 제공함), 대응하는 제2 변위부(33)(두 개 중 하나에 대해서만 참조 부호 제공함) 및 공통 변위부(34)를 구비한다. 상기 변위 영역(32, 33, 34)은 도 7 및 도 8에서 보여주는 두 개의 실시예에서 빔(beam, 보) 형상으로 형성된다. 상기 변위부(32, 33, 34)들 중, 서로 인접하는 두 개는 리디렉션부(35a, 35b)를 통해 각각 서로 연결된다.
상기 실시예에서, 각 리디렉션부(35a, 35b)는 서로 인접한 두 개의 변위부를 180°만큼 방향을 전환시킨다. 상기 각각의 변위부(32, 33, 34)들에 대한 상기와 같은 리디렉팅(redirecting)(방향 전환) 연결을 통하여, 즉 상기 리디렉션부(35a, 35b)의 도움을 통하여, 상기 멤스 음향 변환기(1)의 Z축 방향으로 상기 활성 영역(25a)의 최대 스트로크를 증가시킬 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상측에서 바라볼 때, 상기 활성 영역(25a, 25b, 25c, 25d)들의 자유단(31)은 서로 분리되고, 중심에 위치한 중심점(36)과도 분리된다.
도 8은 상기 멤스 음향 변환기(1)의 다른 실시예에 대한 사시도를 보여준다. 여기서 동일한 명칭은 위에서 설명한 도 7의 실시예와 비교하여 동일한 특징을 위하여 사용된다. 동일한 명칭들이 다시 상세하게 설명되지 않는 한, 그들의 디자인 및 동작 형태는 이미 설명한 기술적 특징을 따른다.
도 8에서 보여주는 실시예에 의하면, 상기 막 구조물(5)은 도 7에서 보여주는 실시예와 다르게, 원형 형상으로 형성되는 것이라 사각 형성으로 형성된다. 또한, 각각의 활성 영역(25a, 25b, 25c, 25d)의 자유단(31)들은 중심점(36)에서 상호간에 바로 옆에 위치하고 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 그러나, 상기 자유단(31)들은 서로 부착될 수도 있고, 하나로(일체화) 될 수도 있다.
도 9는 활성 영역(25)을 통한, 특히 도 7 및 도 8에서 보여준 실시예들 중 하나에 대한, 빔(beam) 형상을 가지는 변위부(32, 33, 34) 및/또는 리디렉션부(35a, 35b)를 통한 단면도를 보여준다. 여기서, 상기 제2 상부 전극층(13)은 상기 제2 압전층(9)에 대하여 비대칭적으로 배치된다. 그 결과, 상기 활성 영역(25)은 자신의 종축을 중심으로 비틀림 움직임을 수행할 수 있고, 이로 인하여 상기 멤스 음향 변환기의 최대 스트로크 높이는 Z축 방향으로 증가될 수 있다. 상기 비틀림은 도 9에서 화살표로 지시되고 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 더 많은 또는 모든 전극층(10, 11, 12, 13)들이 그들에게 각각 할당된 전극층(8, 9)에 대하여 비대칭적으로 배치될 수도 있다.
도 10에 의하면, 멤스 음향 변환기(1)는 어레이(37)로 배치될 수 있다. 도 10의 실시예에서 보여준 바와 같이, 모든 멤스 음향 변환기(1)들은 동일한 형태 및 사이즈를 가진다. 또한, 그들의 활성 영역(25)은 각각 동일한 패턴(28)을 가진다. 여기서 보여주지 않은 다른 실시예에서, 서로 어레이형 방식으로 배치되는 상기 멤스 음향 변환기(1)들은 서로 비교하여 다른 사이즈를 가질 수도 있다. 이 결과, 높고 낮은 음조가 생성될 수 있다. 또한, 상기 멤스 음향 변환기(1)들은 서로 비교하여 다른 패턴(28) 및 다른 막 구조물 형상을 가질 수 있다.
도 11에서 보여주는 실시예에 의하면, 상기 멤스 음향 변환기(1)는 서로 개별적으로 제어할 수 있는 적어도 두 개의 변환기 영역(38, 39)을 구비한다. 상기 하나로 된(one-piece) 막 구조물(5)의 변환기 영역(38, 39)들은 다른 사이즈 및/또는 다른 패턴을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 막 구조물(5)을 하중으로부터 보호하기 위하여, 상기 멤스 음향 변환기(1)는 상기 프레임 또는 캐리어 기판(2)의 내측에 적어도 하나의 지지부(40)를 구비한다. 상기 지지부(40)는 장벽으로서 역할을 수행하고 상기 캐비티(3)를 제1 및 제2 캐비티 영역(41, 42)으로 분할하는 역할을 수행한다. 본 구조에 의하면, 상기 지지부(40)는 상기 막 구조물에 대향하는 지지단부(43)를 구비하고 Z축 방향으로 상기 막 구조물(5)로부터 분리될 수 있다. 그러나, 상기 지지부(40)가 상기 지지단부(43)를 통해 상기 막 구조물(5)의 하부면에 단단하게 밀착되도록 하는 것도 마찬가지로 가능하고, 단단하게 부착되도록 하는 것도 마찬가지로 가능하다.
여기에서 보여주지 않은 실시예에서, 도 11에서 보여주는 상기 멤스 음향 변환기(1)(복수의 변환기 영역(38, 39)을 구비하는 멤스 음향 변환기)는 도 10에서 보여주는 실시예의 의미 내에서 동일하게 또는 다르게 형성된 많은 멤스 음향 변환기(1)를 가지고 어레이형 방식으로 배치될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 멤스(MEMS) 음향 변환기 2 : 캐리어 기판
3: 캐비티 4 : 제1 개구부
5 : 막 구조물 6 : 제2 개구부
7 : 가장자리 영역 8 : 제1 압전층
9 : 제2 압전층 10 : 제1 하부 전극층
11 : 제1 상부 전극층 12 : 제2 하부 전극층
13 : 제2 상부 전극층 14 : 멤브레인층
15 : 절연층 16 : 패시베이션층
17 : 제1 인터페이스 18 : 제2 인터페이스
19 : 중간층 20 : 접촉 오목부
21 : 접속부 22 : 측벽
23 : 바닥부 24 : 리세스(Recess)
25 : 활성 영역 26 : 수동 영역
27 : 강화층 28 : 패턴
29 : 제1 고정단 30 ; 제2 고정단
31 : 자유단 32 : 제1 변위부
33 : 제2 변위부 34 : 공통 변위부
35 : 리디렉션부 36 : 중심점
37 : 어레이 38 : 제1 변환기 영역
39 ; 제2 변환기 영역 40 : 지지부
41 : 제1 캐비티 영역 42 : 제2 캐비티 영역
43 : 지지단부

Claims (14)

  1. 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 멤스(MEMS) 음향 변환기에 있어서,
    캐리어 기판(2);
    상기 캐리어 기판(2)에 형성되되, 적어도 하나의 개구부(4)를 구비하는 캐비티(3); 및
    상기 캐리어 기판(2)에 대하여 음향 에너지를 발생 또는 감지하기 위한 진동 발생이 가능하도록 상기 캐비티(3)의 개구부(4)에 걸쳐지고, 상기 캐리어 기판(2)과 가장자리 영역에서 연결되는 다층 압전의 막 구조물(5)을 포함하여 구성되고,
    상기 막 구조물(5)은 단면에서 적어도 몇 개의 영역에 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 압전층(8, 9)을 구비하고, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 사이의 영역에는 중간층(19)이 배치되며, 상기 중간층(19)은 음향 에너지가 공기에 인접하는 막 구조물(5)의 적어도 하나의 인터페이스(17, 18)의 방향으로 반사될 수 있도록 하며,
    상기 막 구조물(5)은 평면도에서 서로 다른 사이즈 또는 다른 패턴(28)을 가지도록 형성되고, 서로 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 변환기 영역(38, 39)을 구비하고,
    상기 캐리어 기판(2)은 평면도에서 프레임의 내부에 형성되어 상기 변환기 영역(38, 39)들 사이의 막 구조물(5)을 지지하기 위하여 배치되는 적어도 하나의 지지부(40)를 구비하며,
    상기 지지부(40)는 상기 막 구조물(5)을 향하는 지지단부(43)를 통해 상기 막 구조물(5)에 부착되고, 상기 막 구조물(5)은 상기 지지단부(43) 상에 느슨하게 안착되거나 또는 Z축 방향으로 상기 지지단부(43)로부터 분리되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층(19)은 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나에 비해 더 낮은 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나는 티탄산지르콘산연(lead-zirconate-titanate) 또는 질화 알루미늄(aluminum nitride)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전층(8, 9)은 각각 하부 및 상부 전극층(10, 12; 11, 13) 사이에 형성되고, 상기 중간층(19)은 상기 제1 압전층(8)의 상부 전극층(11)과 상기 제2 압전층(9)의 하부 전극층(12)에 직접적으로 단단하게 접촉되고, 유전체 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 구조물(5)은 상기 제1 압전층(8) 하부 또는 상기 제2 압전층(9) 상부 영역에 배치되고, 폴리실리콘으로 형성되는 멤브레인층(14)을 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 구조물(5)은 프레임 역할을 수행하는 상기 캐리어 기판(2)에서 멀리 떨어진 일면으로부터 상기 캐리어 기판(2)의 내측으로, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9)이 제거되는 적어도 하나의 영역에 형성되는 적어도 하나의 리세스(24)를 구비하고, 상부에서 볼 때, 상기 막 구조물(5)은 상기 리세스(24)에 의하여 생성되어 서로 하나의 패턴(28)을 형성하는 적어도 하나의 압전 활성 영역(25)과 적어도 하나의 수동 영역(26)을 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 리세스(24)는 상기 압전 활성 영역(24)이 평면도에서 프레임에 부착되는 적어도 하나의 고정단(29, 30)과 상기 고정단에 대하여 Z 방향으로 진동할 수 있는 자유단(31)을 구비할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 활성 영역(25)은 평면도에서 적어도 하나의 빔 형상(beam-shaped)의 변위부(32, 33, 34)를 구비하고, 단면도에서, 상기 제1 및 제2 압전층(8, 9) 중 적어도 하나에 관련된 두 개의 전극층(10, 11, 12, 13) 중 적어도 하나는 대응하는 압전층(8, 9)에 대하여 비대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 활성 영역(25)은 평면도에서 적어도 하나의 제1 변위부(32), 제2 변위부(33) 및 상기 제1 변위부와 제2 변위부 사이에 형성되는 리디렉션부(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부(40)는 장벽으로서 역할을 수행하고, 상기 캐비티(3)를 적어도 두개의 캐비티 영역(41, 42)으로 분할하는 것을 특징으로 하는 멤스(MEMS) 음향 변환기.
  14. 서로 어레이형(array-like) 방식으로 배치되고 서로 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 멤스(MEMS) 음향 변환기(1)를 구비하여 가청 파장 스펙트럼 내의 음파를 발생 또는 감지하기 위한 칩에 있어서,
    상기 멤스(MEMS) 음향 변환기(1)들 중 적어도 하나는 상기 청구항 1 내지 청구항 9 및 청구항 13 중 중 어느 하나에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 칩.
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