KR102218421B1 - 호형태의 스프링 구조물을 포함하는 압저항형 마이크로폰 - Google Patents

호형태의 스프링 구조물을 포함하는 압저항형 마이크로폰 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초소형화 및 고민감도를 위한 호형태 스프링 구조물을 포함하는 압저항형 감지 방식의 마이크로폰 설계 방법에 관한 것이다. 멤브레인에 스프링 구조를 추가하여, 종래방식처럼 고민감도를 위해 키웠던 멤브레인 면적을 소형화할 수 있으며, 나아가 호형태의 스프링 설계를 통해 직선형태 스프링 및 구불구불한 형태의 스프링 대비 같은 효과를 가지면서도 면적을 최소화할 수 있다. 스프링 구조물 내부에 감지소자로서 우수한 압저항 특성을 가진 실리콘 나노와이어 등의 압저항 소자를 포함하여 고민감도를 구현하고, 시뮬레이션을 통한 스프링 구조물 중 최대인장 및 압축 발생위치에 압저항 소자를 각각 배치해 차동모드 측정을 가능케하여 최대 저항변화량 확보 및 신호대잡음비를 확보할 수 있다.

Description

호형태의 스프링 구조물을 포함하는 압저항형 마이크로폰{Piezoresistive Microphone with arc-shaped Springs}
본 발명은 압저항형 마이크로폰에 관한 것으로서, 구체적으로는 멤브레인의 적어도 일부를 감싸도록 위치된 스프링 구조물을 포함하고, 스프링 구조물에 실리콘 나노와이어 등의 압저항 소자를 구현하여, 민감도를 향상시키고 센서를 더욱 소형화할 수 있는 마이크로폰에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 과학기술정보통신부, 나노 소재 기술 개발 사업(스마트 센서를 위한 벌크 실리콘 SOLID NEMS 공정 플랫폼 개발, 과제 고유번호: 1711105889, 세부과제번호: 2015M3A7B7046616)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
종래의 마이크로폰은 멤스(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 공정을 기반으로 하여, 정전용량형(capacitive type), 압전형(piezoelectric type) 및 압저향형(piezoresistive type) 등과 같은 감지 방식으로 개발되어 왔다.
전극 박막을 압력을 받는 구조로 이용하는 정전용량형 감지 방식의 마이크로폰은 이격된 전극박막을 구현하기 위해서 여러 장의 웨이퍼를 본딩하거나 여러 개의 마스크를 사용해야 하는 등의 공정의 복잡성이 높은 단점이 있으며, 상용센서를 기준으로 수 um 변형이 가능한 전극박막을 고려 시, 1 pF 기준용량(nominal capacitance) 변화를 위한 최소박막 크기는 약 700 um X 700 um 이므로 센서 소형화에 제한이 있었다.
또한, 압전형 감지 방식의 마이크로폰은, 실리콘 기판 상에 절연막을 형성하고, 순차적으로 하부 전극, 압전물질 기반 압전층 및 상부 전극으로 구성한 이후, 실리콘 기판의 후면을 식각하여 상기 구성들을 부유시키는 공정을 통해 생성될 수 있다. 압전층에 가해지는 음압에 비례해 발생하는 전압 변화량을 상, 하부 전극을 통해 외부 증폭기로 출력하게 된다. 이러한, 압전형 감지방식의 마이크로폰은 압전층을 포함하는 상기 구조 자체가 멤브레인으로 기능하기에, 높은 민감성을 제공하기 위해서는 상기 구조를 대면적으로 구성하여야 하며, 압전층을 구성하는 물질을 박막 형태로 가공하는 것이 제한적이어서 공정의 난이도가 높은 단점이 있고, 저주파 신호 측정에는 특성이 불안정한 단점이 있었다.
압저항형 감지 방식의 마이크로폰은 다결정 실리콘, 실리콘 질화막 등의 물질로 형성된 멤브레인 구조체에 가해진 압력에 따라 저항이 변하는 압저항 소자를 이용하는 방식이다. 압저항형 감지방식의 마이크로폰은 정전용량형, 압전형 감지 방식의 마이크로폰과 비교하여, 소형화에 유리하고, 높은 민감도를 제공할 수 있으며, 공정의 난이도가 낮고, 특정 주파수에 국한되지 않는 장점이 있다. 다만, 종래의 압저항형 감지 방식의 마이크로폰은 멤브레인에 압저항 소자를 배치한 방식이 주로 적용되었으며, 압저항 소자의 변형이 멤브레인의 진동에 국한되어 발생하였다. 즉, 압저항 소자의 변형을 극대화하여, 센싱 민감도를 높이기 위해서는 멤브레인의 크기를 더 크게 형성하여, 멤브레인의 변형이 크게 발생하도록 하여야 하였기에, 마이크로폰의 소형화에 제약이 존재하였다.
한국 특허 등록 공보 문헌 제10-1040090호
본 발명은 상기에 언급한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멤브레인의 적어도 일부를 감싸도록 위치된 스프링 구조물을 포함하고, 스프링 구조물에 실리콘 나노와이어 등의 압저항 소자를 구현하여, 민감도를 향상시키고 센서를 더욱 소형화할 수 있는 마이크로폰을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰은 멤브레인; 상기 멤브레인와 이격되어 위치하되, 상기 멤브레인의 적어도 일부를 감싸는 스프링 구조물; 상기 멤브레인과 상기 스프링 구조물을 연결하는 적어도 하나의 제1 연결부; 상기 스프링 구조물과 이격되어 위치하되, 상기 스프링 구조물의 적어도 일부를 감싸는 앵커 구조물; 상기 앵커 구조물과 상기 스프링 구조물을 연결하는 적어도 하나의 제2 연결부; 상기 스프링 구조물 상에 형성되는 적어도 하나의 압저항 소자; 상기 압저항 소자의 변화에 따른 전기적 신호를 감지하도록 상기 앵커 구조물 상부에 배치된 적어도 하나의 전극부를 포함하되, 상기 앵커 구조물의 하부에 형성된 공동에 의해 상기 멤브레인, 상기 스프링 구조물, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는 공중에 부유된 상태이다.
본 실시예에 따른 마이크로폰은 외부 음압에 의한 변형이 유연한 스프링 구조물로 발생하게 되고, 최대 응력 지점에 해당하는 스프링 구조물의 영역에 나노 와이어로 구성되는 압저항 소자가 위치한다. 즉, 압저항 특성 상 최대응력 발생 위치에 압저항 소자가 위치되어, 최대 게이지 변화 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로폰은 발생하는 응력 종류에 따라 저항 변화량의 극성이 바뀌는 특성을 활용하고 스프링 구조물 중 최대 인장 발생 지점 및 최대 압축 발생 지점에 압저항 소자가 각각 배치되어, 차동 모드(differential mode)신호 측정이 가능하여 우수한 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)도 확보할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로폰은 멤브레인의 크기를 확장하지 않더라도 스프링 구조물에 의해 더욱 민감한 센싱을 제공할 수 있으며, 이를 통해 종래의 스프링 구조물을 포함하지 않는 멤브레인 외곽 전체가 기판에 붙은 형태 대비 소형화에 유리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰의 사시도이다.
도 2는 도 1의 사시도를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰의 후면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압저향형 마이크로폰의 정면도이다.
도 5 및 도 6는 도 4의 정면도를 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 멤브레인에 진동에 따른 본-미세스 응력 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 멤브레인이 하부 방향으로 이동함에 따라 발생하는 본-미세스 응력 분포를 시뮬레이션 한 결과를 도시한다.
도 9은 50 dBspl 내지 120 dBspl 음압을 마이크로폰에 입력하고, 도 7의 A-A'에 대응하는 멤브레인 및 스프링 구조물에서 관측되는 본-미세스 응력변화를 나타낸 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 상세한 설명의 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시하기 위한 상세 설명을 개시하는 목적으로 제공된다.
본 발명의 각 실시 예들은 서로 상이한 경우를 설명할 수 있으나, 그것이 각 실시 예들이 상호 배타적임을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 상세한 설명의 일 실시 예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예에서도 동일하게 구현될 수 있다. 또한, 여기서 개시되는 실시 예들의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 첨부된 도면들에서 각 구성 요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 적용되는 크기와 같거나 유사할 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰의 사시도이다. 도 2는 도 1의 사시도를 확대하여 도시한 도면이다. 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰의 후면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압저향형 마이크로폰의 정면도이다. 도 5 및 도 6는 도 4의 정면도를 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압저항형 마이크로폰(10)은 멤브레인(100), 스프링 구조물(110), 압저항 소자(120), 센서 구조물 패턴(130), 전극부(140), 앵커 구조물(150), 절연 패턴(160) 및 산화막(170)을 포함한다.
멤브레인(100)은 외부로부터 인가되는 음압에 대응하여 진동하도록 구성될 수 있다. 멤브레인(100)은 스프링 구조물(110)을 통해 앵커 구조물(150)에 고정될 수 있으며, 멤브레인(100)은 음압에 대응하여 상, 하 방향으로 이동될 수 있다.
스프링 구조물(110)은 멤브레인(100)과 일정 거리 이격되어 위치하되, 멤브레인(100)의 적어도 일부를 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 스프링 구조물(110)은 멤브레인(100)의 형태와 대응되는 형태를 가질 수 있으며, 멤브레인(100)과 이격되어 위치하되, 멤브레인(100) 일부 또는 전체를 둘러싸도록 구성될 수 있다. 멤브레인(100)은 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 원형일 수 있으며, 스프링 구조물(110)은 멤브레인(100)의 전체를 둘러싸는 고리형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스프링 구조물(110)은 멤브레인(100)의 일부를 둘러싸는 호형일 수 있으며, 호형의 복수의 스프링 구조물(110)이 멤브레인(100)의 전체를 둘러싸도록 구성될 수도 있다.
스프링 구조물(110)과 멤브레인(100)은 제1 연결부(111)를 통해 연결될 수 있다. 스프링 구조물(110)은 멤브레인(100)의 둘레를 따라 일정 폭을 가지도록 연장될 수 있다. 제1 연결부(111)는 스프링 구조물(110)의 연장 방향과 상이한 방향에 따라 스프링 구조물(110)로부터 멤브레인(100)을 향해 돌출되며, 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)을 연결할 수 있다. 적어도 하나의 제1 연결부(111)가 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)을 연결할 수 있다. 도 4에 도시된 예시와 같이, 원형의 멤브레인(100)과 이를 감싸는 고리형의 스프링 구조물(110)는 3개의 제1 연결부(111a, 111b, 111c)를 통해 서로 연결될 수 있다. 3개의 제1 연결부(111a, 111b, 111c)는 이웃하는 제1 연결부들 사이의 각도가 120°가 되도록 위치될 수 있다. 스프링 구조물(110)은 제1 연결부(111)를 통해 멤브레인(100)의 진동이 전달될 수 있다. 즉, 멤브레인(100)의 이동에 따른 스트레스가 제1 연결부(111)를 통해 스프링 구조물(110)에 발생되게 된다.
스프링 구조물(110)은 앵커 구조물(150)과 연결되어 앵커 구조물(150)에 의해 지지될 수 있다. 앵커 구조물(150)은 스프링 구조물(110)과 이격되어 위치하되, 스프링 구조물(110)의 적어도 일부를 감싸도록 구성될 수 있다. 앵커 구조물(150)은 고리형의 스프링 구조물(110)를 감싸는 원형의 내부 공간이 정의될 수 있다. 앵커 구조물(150)과 스프링 구조물(110)은 제2 연결부(112)를 통해 연결될 수 있다. 제2 연결부(112)는 스프링 구조물(110)의 연장 방향과 상이한 방향에 따라 스프링 구조물(110)로부터 앵커 구조물(150)을 향해 돌출되며, 앵커 구조물(150)과 스프링 구조물(110)을 연결할 수 있다. 도 4에 도시된 예시와 같이, 앵커 구조물(150)과 고리형의 스프링 구조물(110)는 6개의 제2 연결부(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f)를 통해 서로 연결될 수 있다.
앵커 구조물(150)은 제2 연결부(112)를 통해 스프링 구조물(110)을 지지할 수 있으며, 스프링 구조물(110)은 제1 연결부(111)를 통해 멤브레인(100)을 지지할 수 있다. 앵커 구조물(150)은 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)을 지지하되, 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)을 공중에 부유시킬 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 앵커 구조물(150)의 하부에 공동(Cavity)이 형성될 수 있다. 앵커 구조물(150)의 하부에 형성된 공동에 의해 멤브레인(100), 스프링 구조물(110), 제1 연결부(111) 및 제2 연결부(112)는 공중에 부유될 수 있다. 공중에 부유된 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)은 외부의 음압에 의해 진동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰(10)에서, 압저항 소자(120)는 멤브레인(100)이 아닌 스프링 구조물(110)에 형성된다.
멤브레인(100) 하부에 위치한 공동을 통해 외부로부터 음압이 유입되면 멤브레인(100) 및 스프링 구조물(110)이 진동하게 되는데, 두 구조물의 강성(stiffness)차이로 인해 대부분의 변형은 유연한 스프링 구조물(100)로 분포하게 된다. 즉, 멤브레인(100)의 둘레를 따라 미세한 폭으로 형성된 스프링 구조물(100)이 멤브레인(100)보다 더 큰 변형이 발생하게 되며, 최대 응력 지점은 스프링 구조물(110)에 발생하게 된다. 이러한, 스프링 구조물(110)에 위치한 압저항 소자(120)는 멤브레인(100)에 위치하는 것에 비해 더 큰 응력을 받을 수 있다. 응력 발생에 따른 압저항 소자(120)의 압저항 효과에 따라 저항의 변화가 발생하게 되며, 음압은 저항 변화에 따른 전기적 신호로 센싱될 수 있다.
센서 구조물 패턴(130)은 압저항 소자(120)의 저항 변화를 전달하기 위해 압저항 소자(120)와 전기적으로 연결되도록 제2 연결부(112) 및 스프링 구조물(110)에 형성될 수 있으며, 전극부(140)와 연결되도록 앵커 구조물(150) 상에도 형성될 수 있다. 압저항 소자(120)는 일정 길이와 미세한 폭을 가진 실리콘 나노 와이어일 수 있으며, 센서 구조물 패턴(130)은 실리콘 나노 와이어보다 두꺼운 폭을 가진 실리콘 기반의 구조물일 수 있다.
멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 질화막과 다른 절연 박막(실리콘 산화막, 실리콘 리치 나이트라이드, 이산화규소, 폴리실리콘 등)으로 구성된 복합막으로 구성될 수 있다. 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이, 센서 구조물 패턴(130)과 압저항 소자(120)는 스프링 구조물(110) 상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 센서 구조물 패턴(130)과 압저항 소자(120)는 스프링 구조물(110) 내부에 내장되도록 형성될 수도 있다.
전극부(140)는 앵커 구조물(150) 상부에 형성되며, 센서 구조물 패턴(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전극부(140)를 통해 압저항 소자(120)의 변화에 따른 전기적 신호가 감지될 수 있다. 또한, 앵커 구조물(150)은 이웃하는 센서 구조물 패턴(130) 및 전극부(140) 사이의 절연을 위한 절연 패턴(160)을 더 포함할 수 있다. 절연 패턴(160)은 이웃하는 센서 구조물 패턴(130) 및 전극부(140)를 공간적으로 분리시킬 수 있다. 절연 패턴(160)은 이웃하는 센서 구조물 패턴(130) 및 전극부(140)가 공간적으로 충분히 분리될 수 있을 정도의 폭과 높이로 형성될 수 있다. 일 예시에서, 절연 패턴(160)은 일정 높이로 형성되고 절연 패턴의 하부에는 산화막(170)이 형성되어 전기적 절연 효과를 더 제공할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 절연 패턴(160)은 앵커 구조물(150)의 전체 두께에 대응하는 높이로 형성될 수도 있다.
산화막(170)은 앵커 구조물(150)의 사이에 매립된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 산화막(170)은 이러한 앵커 구조물(150)의 내부에 매립된 산화막(buried oxide, BOX)일 수 있다. 산화막(170)은 이웃하는 센서 구조물 패턴(130) 및 전극부(140)를 전기적으로 분리시킬 수 있으며, 센서 구조물 패턴(130) 및 전극부(140)의 사이의 절연이 구현될 수 있다. 또한, 산화막(170)을 기준으로 앵커 구조물(150) 상하부 영역 간의 절연이 구현될 수 있다.
여기서, 음압에 따른 대부분의 변형이 스프링 구조물(100)에 분포하되, 스프링 구조물(100)에는 음압에 대응하여 압축에 의한 변형과 인장에 의한 변형이 동시에 발생할 수 있다. 압축에 의한 변형은 압저항 소자(120)을 압축시키는 방향으로 발생하는 응력을 의미하며, 인장에 의한 변형은 압저항 소자(120)을 인장시키는 방향으로 발생하는 응력을 의미한다. 외부 음압에 대응하여 스프링 구조물(100)에 압축에 의한 변형과 인장에 의한 변형이 동시에 발생하도록 제1 연결부(111)는 스프링 구조물(110)과 멤브레인(100)과 연결되고, 제2 연결부(112)는 스프링 구조물(110)과 앵커 구조물(150)가 연결될 수 있다. 즉, 음압에 대응하여 멤브레인(100)이 일 방향으로 이동하는 경우, 스프링 구조물(100)의 일부가 멤브레인(100)과 함께 일 방향으로 이동하고, 스프링 구조물(100)의 나머지는 앵커 구조물(150)과 고정되어 상기 일 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 받을 수 있도록 제1 연결부(111)와 제2 연결부(112)가 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부(111)와 제2 연결부(112)는 멤브레인(100)의 중심을 지나는 가상의 선을 기준으로 대칭되도록 위치할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 연결부(111a)와 제2 연결부(112c, 112d)는 대칭되도록 위치할 수 있고, 제1 연결부(111b)와 제2 연결부(112e, 112f)는 대칭되도록 위치할 수 있으며, 제1 연결부(111c)와 제2 연결부(112a, 112b)는 대칭되도록 위치할 수 있다. 이러한, 제1 연결부와 제2 연결부의 대칭적인 배치에 따라, 스프링 구조물(110)에 압축에 의한 변형과 인장에 의한 변형이 외부 음압에 대응하여 동시에 발생될 수 있다.
예를 들어, 음압에따라 멤브레인(100)이 일 방향으로 이동하여 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110) 영역에서 압축에 의한 변형이 발생하는 경우, 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110) 영역에서는 인장에 의한 변형이 발생할 수 있다. 반대로 음압에 따라 멤브레인(100)이 상기 일 방향과 상이한 방향으로 이동하여 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110) 영역에서 인장에 의한 변형이 발생하는 경우, 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110) 영역에서는 압축에 의한 변형이 동시에 발생할 수도 있다. 즉, 스프링 구조물(110)을 다른 구성과 연결하는 제1 연결부(111)와 제2 연결부(112)가 대칭적으로 배치됨에 따라 스프링 구조물(110)에서는 이러한 연결 부위를 중심으로 다른 종류의 응력이 발생하게 된다.
이러한, 압축에 의한 변형과 인장에 의한 변형에 따라 압저항 소자(120)의 저항 변화량의 극성이 바뀌게 된다. 예시적으로, 압저항 소자(120)는 압축에 의한 변형에 대응하여 양극성 전기적 신호변화량을 출력하고, 인장에 의한 변형에 따라 음극성 전기적 신호변화량을 출력할 수 있다.
본 발명의 압저항 소자(120)는 스프링 구조물(110)의 변형에 대응하여 서로 다른 극성의 저항 변화량을 나타내는 제1 압저항 소자(121) 및 제2 압저항 소자(122)를 포함한다. 즉, 제1 압저항 소자(121) 및 제2 압저항 소자(122)에서 출력되는 저항 변화량을 감지한다면, 차동 모드(differential mode) 신호 측정이 가능해 우수한 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)도 확보할 수 있다. 전극부(140)는 제1 압저항 소자(121)의 변형을 감지하도록 구성된 제1 전극부(141) 및 제2 압저항 소자(122)의 변형을 감지하도록 구성된 제2 전극부(142)를 포함할 수 있다. 제1 전극부(141)와 제2 전극부(142)는 서로 상이한 극성을 가진 전압변화량을 출력할 수 있어, 차동 모드의 신호 측정이 가능할 수 있다.
제1 압저항 소자(121) 및 제2 압저항 소자(122)는 스프링 구조물(110)의 변형 시 상이한 응력이 발생하게 되는 스프링 구조물(110)의 위치에 각각 위치할 수 있다. 예를 들어, 음압에 대응하여 스프링 구조물(110)에 인장에 의한 변형과 압축에 의한 변형이 동시에 발생할 때, 제1 압저항 소자(121)는 인장에 의한 변형이 발생하는 영역에 위치하고, 제2 압저항 소자(122)는 압축에 의한 변형이 발생되는 영역에 위치할 수 있다. 제1 압저항 소자(121)는 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역에 위치하고, 제2 압저항 소자(122)는 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역에 위치할 수 있다. 다만, 제1 연결부(111)와 제2 연결부(112)가 복수개인 경우, 상술한 차동 모드의 신호 측정을 위해 제1 압저항 소자(121)와 제2 압저항 소자(122)는 선택적으로 제1, 제2 연결부(111, 112)와 연결되는 스프링 구조물(111)의 영역에 배치될 수 있다.
도 5는 제1 압저항 소자(121)와 제1 전극부(141)의 전기적 연결 관계를 확대하여 도시한 것이다. 도 6은 제2 압저항 소자(122)와 제2 전극부(142)의 전기적 관계를 확대하여 도시한 것이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 예시와 같이, 제1 압저항 소자(121)는 제1 전극부(141)에 전기적으로 연결되도록 제1 연결부(111a)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에 선택적으로 위치할 수 있다. 또한, 제2 압저항 소자(122)는 제2 전극부(142a)에 전기적으로 연결되도록 제2 연결부(112b, 112c)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에 위치할 수 있고, 제2 압저항 소자(122)는 제2 전극부(142b)에 전기적으로 연결되도록 제2 연결부(112d, 112e)에 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에 위치할 수도 있다. 즉, 나머지 제1 연결부(111b, 111c)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에는 제1 압저항 소자(121)가 위치하지 않고, 제2 연결부(112a, 112f)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에는 제2 압저항 소자(122)가 위치하지 않게 된다. 상술한 구조와 같이, 배치된 제1 압저항 소자(121)가 압축에 의한 변형에 따라 제1 전극(141)을 통해 양극성의 전압변화량이 출력되고, 제2 압저항 소자(122)가 인장에 의한 변형에 따라 제2 전극(142a, 142b)을 통해 음극성의 전압변화량이 출력될 수 있다. 여기서, 제2 전극(142a)과 제2 전극(142b)은 연결된 제2 압저항 소자(122)의 변형을 각각 출력할 수 있으며, 제2 전극(142a)과 제2 전극(142b)에서 출력된 전압 각각과 제1 전극(141)을 통해 출력된 전압을 비교하여 차동 모드(differential mode) 신호 측정이 가능할 수 있다.
이러한, 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역과 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역은 다른 스프링 구조물(110)의 영역 대비 외부 음압에 대한 변형이 크게 발생하는 영역에 해당한다. 즉, 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역과 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역은 최대 응력 발생 지점에 해당한다. 이하 도 7 내지 도 9를 참조하여 이에 대해 더욱 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 멤브레인에 진동에 따른 본-미세스 응력 분포를 시뮬레이션 한 결과를 도시한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 멤브레인이 하부 방향으로 이동함에 따라 발생하는 본-미세스 응력 분포를 시뮬레이션 한 결과를 도시한다. 도 9은 50 dBspl 내지 120 dBspl 음압을 마이크로폰에 입력하고, 도 7의 A-A'에 대응하는 멤브레인 및 스프링 구조물에서 관측되는 본-미세스 응력변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 도 7 및 도 8은 시뮬레이션 상에서 전극 및 절연패턴은 생략하고, 호형태(Arc-shaped) 스프링 구조물을 앵커구조물과 원형 멤브레인에 연결하여 마이크로폰 형상을 구현하고 94 dBspl 음압을 인가할 시 마이크로폰의 본-미세스(von-mises) 응력 분포와 변형정도를 나타낸다.
도 7은 음압 인가 시 멤브레인(100)과 스프링 구조물(110)에 발생하는 응력 분포를 도시한 것으로, 붉은 색으로 표시되는 영역이 응력의 크기가 강하게 나타나는 영역에 해당한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 최대 응력 지점이 스프링 구조물(100)과 제1 연결부(111)의 연결 부위 주변 영역, 스프링 구조물(110)과 제2 연결부(112)의 연결 부위 주변 영역에 대칭적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한, 스프링 구조물(110)의 영역은 멤브레인(100)의 피스톤 운동(piston motion)에 따라 인장(tension)과 압축(compression)이 교대로 발생하는 영역에 해당한다. 이는 멤브레인(100)을 상, 하 방향으로 이동하였을 때, 발생하는 응력 분포를 확인함에 따라 알 수 있다. 도 8은 멤브레인(100)이 기준 위치보다 하부로 이동한 상태이며, 제1 연결부(111)를 통해 멤브레인(100)과 연결된 스프링 구조물(110)의 일부는 멤브레인(100)과 함께 하부로 이동하나, 제2 연결부(112)를 통해 앵커 구조물(150)과 연결된 스프링 구조물(100)의 나머지는 이동되지 않고 고정된 상태임을 확인할 수 있다. 즉, 제1 연결부(111)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 영역에는 압축에 의한 응력이 다른 영역보다 크게 발생하고, 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(100)의 영역에는 인장에 의한 응력이 다른 영역보다 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이러한, 제1 연결부(111)와 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110)의 주변 영역에 압저항 소자(120)가 배치되어 최대로 발생하는 변형에 대응되고 다른 극성의 저항 변화량을 나타내게 된다.
도 9는 본 실시예에 따른 마이크로폰(10)에서, 스프링 구조물을 통해 멤브레인을 횡단하기까지의 컷-라인 상(A-A')에서 본-미세스 응력을 시뮬레이션한 결과이다. 본 시뮬레이션에서는 일상대화 수준의 음압인 50 dBspl부터 상용 마이크로폰의 AOP(acoustic overload point) 수준의 120 dBspl 음압이 인가되는 상황에서 스프링 구조물 및 멤브레인에서의 본-미세스 응력분포를 그래프로 시각화하였다. 상기 언급된 유연한 스프링 구조물로 인한 특성에 따라 외부음압에 변형가능한 모든 구조물 중 제1 연결부(111) 및 제2 연결부(112)와 연결되는 스프링 구조물(110) 영역이 최대응력발생 지점에 해당하고, 최대 변형률을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 마이크로폰(10)은 외부 음압에 의한 변형이 유연한 스프링 구조물(110)로 발생하게 되고, 최대 응력 지점에 해당하는 스프링 구조물(110)의 영역에 나노 와이어로 구성되는 압저항 소자(120)가 위치한다. 즉, 압저항 특성 상 최대응력 발생 위치에 압저항 소자(120)가 위치되어, 최대 게이지 변화 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로폰(10)은 발생하는 응력 종류에 따라 저항 변화량의 극성이 바뀌는 특성을 활용하고 스프링 구조물(110) 중 최대 인장 발생 지점 및 최대 압축 발생 지점에 압저항 소자(120)가 각각 배치되어, 차동 모드(differential mode)신호 측정이 가능하여 우수한 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)도 확보할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로폰(10)은 멤브레인(100)의 크기를 확장하지 않더라도 스프링 구조물(110)의 구성에 의해 더욱 민감한 센싱을 제공할 수 있으며, 이를 통해 종래의 스프링 구조물을 포함하지 않는, 멤브레인 외곽 전체가 기판에 붙은 형태 대비 소형화에 유리할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 압저항형 마이크로폰
100: 멤브레인
110: 스프링 구조물
120: 압저항 소자
130: 센서 구조물 패턴
140: 전극부
150: 앵커 구조물
160: 절연 패턴

Claims (8)

  1. 멤브레인;
    상기 멤브레인과 이격되어 위치하되, 상기 멤브레인의 적어도 일부를 감싸는 스프링 구조물;
    상기 멤브레인과 상기 스프링 구조물을 연결하는 복수의 제1 연결부;
    상기 스프링 구조물과 이격되어 위치하되, 상기 스프링 구조물의 적어도 일부를 감싸는 앵커 구조물;
    상기 앵커 구조물과 상기 스프링 구조물을 연결하는 복수의 제2 연결부;
    상기 스프링 구조물 상에 형성되는 복수의 압저항 소자;
    상기 압저항 소자의 변화에 따른 전기적 신호를 감지하도록 상기 앵커 구조물 상부에 배치된 적어도 하나의 전극부를 포함하되,
    상기 앵커 구조물의 하부에 형성된 공동에 의해 상기 멤브레인, 상기 스프링 구조물, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는 공중에 부유된 상태이며,
    상기 공동을 통해 외부로부터 유입되는 음압에 대응하여 상기 복수의 제1 연결부와 연결되는 스프링 구조물 영역에서 압축에 의한 변형이 발생하는 경우, 상기 복수의 제2 연결부와 연결되는 스프링 구조물 영역에서는 인장에 의한 변형이 동시에 발생하며,
    상기 압저항 소자는 상기 복수의 제1 연결부 중 일부의 제1 연결부와 연결되는 스프링 구조물 영역에 위치하는 제1 압저항 소자; 및 상기 복수의 제2 연결부 중 일부의 제2 연결부와 연결되는 스프링 구조물 영역에 위치하는 제2 압저항 소자를 포함하고,
    상기 제1 압저항 소자 및 상기 제2 압저항 소자는 스프링 구조물의 변형에 대응하여 서로 다른 극성의 저항 변화량을 나타내는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 음압에 대응하여 상기 멤브레인과 상기 스프링 구조물에 변형이 발생하되, 상기 멤브레인보다 상기 스프링 구조물에 더 큰 변형이 발생하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 제1 압저항 소자의 변형을 감지하도록 구성된 제1 전극부 및 상기 제2 압저항 소자의 변형을 감지하도록 구성된 제2 전극부를 포함하며,
    상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부는 서로 상이한 극성을 가진 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  7. 제1 항에 있어서
    상기 압저항 소자는 실리콘 나노와이어인 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 멤브레인 및 상기 스프링 구조물은 실리콘 질화막 또는 실리콘 질화막과 다른 절연 박막으로 구성된 복합막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
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