KR102505540B1 - Voice sensor using thin film polymer - Google Patents
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Abstract
음성센서로서, 무기물 기반의 압전물질층, 폴리머 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 일렬로 배치되어 분리되며, 상기 폴리머 두께는 상기 압전물질층 두께의 0.1 내지 30 범위인 것을 특징으로 하는 음성센서가 제공된다. A voice sensor, including an inorganic-based piezoelectric material layer, a polymer, and an electrode for detecting an electrical signal from the piezoelectric material layer, and a plurality of unit channels defined by a combination of the piezoelectric material layer and the electrode are arranged in a row. is separated, and the polymer thickness is provided with a voice sensor, characterized in that the range of 0.1 to 30 of the thickness of the piezoelectric material layer.
Description
본 발명은 박막형 폴리머를 이용한 음성센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 폴리머를 사용하여 공진 주파수 대역폭이 넓어지며, 민감도 또한 크게 향상된 박막형 폴리머를 이용한 음성센서에 관한 것이다.The present invention relates to a voice sensor using a thin-film polymer, and more particularly, to a voice sensor using a thin-film polymer, in which a resonant frequency bandwidth is widened and sensitivity is greatly improved by using a thin-film polymer.
음성인식 센서란 인간의 음성에 포함된 음향학적 정보로부터 언어적 정보를 추출하여 이를 인지하고 반응하게 만드는 센서를 의미한다. 쉽고 편리하게 사용할 수 있는 Natural UI(user interface)가 필요해진 오늘날에 음성으로 대화하는 것은 미래 IoT 시대의 수많은 인간과 기계의 정보 교환 매체 중 가장 자연스럽고 간편한 방법으로 여겨지고 있다. 하지만 기계와 음성으로 소통하기 위해서는 인간의 음성을 기계가 처리할 수 있는 형식으로 변환을 해줘야 하는데 이 과정이 바로 음성 인식이다.A voice recognition sensor refers to a sensor that extracts linguistic information from acoustic information included in human voice, recognizes and responds to the linguistic information. In today's world where a natural user interface (UI) that can be used easily and conveniently is needed, voice conversation is considered the most natural and convenient method among numerous information exchange media between humans and machines in the future IoT era. However, in order to communicate with a machine through voice, human voice must be converted into a format that can be processed by a machine, and this process is called speech recognition.
애플의 시리(Siri)로 대표되는 음성인식은 마이크로폰, ADC(Analog to Digital Converter), DSP (Digital Signal Processing)의 조합으로 구성되어 있으며, 모바일용 상시 대기로 활용하기에는 소모 전력이 높아 사용자가 시작과 종료 버튼을 누르며 조작하고 있다. 이는 진정한 의미의 음성인식 기반 IoT(internet of Things,사물 인터넷) 구현에 가장 큰 난관 중에 하나이며, 저전력 상시구동 음성인식시스템을 개발하는 경우에는 무궁무진한 IoT 응용처를 열 수 있을 것으로 예상된다.Voice recognition, represented by Apple's Siri, is composed of a combination of a microphone, analog to digital converter (ADC), and digital signal processing (DSP). It is operated by pressing the shutdown button. This is one of the biggest obstacles to the realization of voice recognition-based IoT (internet of things), and it is expected that infinite IoT applications can be opened in the case of developing a low-power always-on voice recognition system.
별도의 학습이나 훈련 없이도 쉽게 사용할 수 있는 음성인식 시스템은 혁신적인 차세대 IT 제품을 위한 UI 개발 및 구축에 대한 요구가 높아진 IoT 시대에 미래 산업을 선도할 유망 기술로서 손이 자유롭지 않은 상황이나 이동시에도 정보를 입력할 수 있으며 입력 속도가 타이핑보다 빠르기 때문에 고속 또는 실시간으로 정보처리가 가능하다는 장점이 있다.The voice recognition system, which can be easily used without separate learning or training, is a promising technology that will lead the future industry in the IoT era, where the demand for UI development and construction for innovative next-generation IT products has increased. It has the advantage of enabling high-speed or real-time information processing because the input speed is faster than typing.
근래 스마트폰 단말기 성능의 진화, 인공지능 및 지식 검색 기술의 발전, 클라우드 기반의 음성인식 시스템을 통한 대용량 데이터 처리는 지능형 에이전트로서 사용자가 원하는 답을 정확하고 신속하게 찾을 수 있게 해주지만, 이런 장점과 가능성에도 불구하고 아직 음성인식 기술은 다음과 같은 한계점을 가지고 있다.Recently, the evolution of smartphone terminal performance, the development of artificial intelligence and knowledge search technology, and the processing of large amounts of data through a cloud-based voice recognition system enable users to accurately and quickly find the answer they want as an intelligent agent. Despite its potential, voice recognition technology still has the following limitations.
먼저, 하드웨어적인 관점에서 볼 때 마이크로폰, ADC, DSP의 조합을 이용한 기존 음성인식 기술은 전력소비가 매우 높아 별도의 전원 없이는 상시 대기 상태에서 음성인식이 현실적으로 불가능하며, 더더구나 모바일용 음성인식 센서에 응용은 에너지 문제로 인하여 매우 제한적이다. 또한 음성 인식 시작 버튼을 누르는 등의 예비동작이 필요하고 그 정확성, 신뢰도, 속도 등이 떨어진다. 즉, IoT를 기반으로 하는 스마트폰, TV, 자동차, 기타 웨어러블 디바이스에 적용하기 위해서는 고감도는 필수이며, Sleep 상태에서도 큰 전력 소모 없이 상시 대기 상태를 유지하여 초전력으로 사용자의 음성을 인식할 수 있어야 한다. First, from a hardware point of view, the existing voice recognition technology using a combination of a microphone, ADC, and DSP consumes very high power, so voice recognition is practically impossible in a constant standby state without a separate power source, and moreover, it is applied to a mobile voice recognition sensor. is very limited due to energy problems. In addition, a preliminary operation such as pressing a voice recognition start button is required, and its accuracy, reliability, and speed are deteriorated. In other words, high sensitivity is essential to apply to IoT-based smartphones, TVs, automobiles, and other wearable devices, and it must be able to recognize the user's voice with super power by maintaining a standby state at all times without consuming large amounts of power even in a sleep state. do.
다음으로, 음향학과 언어학적 관점에서 바라볼 때 현재의 마이크로폰, ADC, DSP 조합의 음성인식은 복잡한 알고리즘을 기반으로 하고 있기에 자연스런 대화체를 인식하는 데에 한계가 있다.Next, from the viewpoint of acoustics and linguistics, the voice recognition of the current combination of microphone, ADC, and DSP has limitations in recognizing natural conversational speech because it is based on a complex algorithm.
가장 널리 사용되는 기존의 음성 인식 센서인 정전 용량형 마이크로폰 센서는 두 전도성 판으로 이루어진다. 소리가 공기를 통해 울려 퍼지면 판이 진동하며 축전기의 전기 용량이 변화하고, 이를 감지하여 소리를 전기 신호로 바꾸는 원리이다. 이러한 정전 용량형 마이크로폰 센서는 특정 주파수의 음성에서 판이 크게 진동하는 것을 방지하기 위해 소자의 공명 진동수가 가청 주파수 영역을 훨씬 벗어난 큰 값을 가지도록 함에 따라서 소리에 의한 판의 진동을 큰 폭으로 키울 수 없기 때문에 센서의 감도가 낮다. 또한, 센서에 항상 전력이 공급되어야 하므로 배터리가 낭비되는 단점도 있다.The most widely used conventional voice recognition sensor, the capacitive microphone sensor, consists of two conductive plates. When sound resonates through the air, the plate vibrates and the capacitance of the capacitor changes, detecting this and converting the sound into an electrical signal. These capacitive microphone sensors can greatly increase the vibration of the plate caused by sound by setting the resonant frequency of the device to have a large value far beyond the audible frequency range in order to prevent the plate from vibrating greatly in the sound of a specific frequency. Because of this, the sensitivity of the sensor is low. In addition, since power must always be supplied to the sensor, there is a disadvantage in that the battery is wasted.
이에 반해 인간의 달팽이관은 복잡한 언어를 주파수 분리 후 단순한 알고리즘을 통하여 효율적으로 신호처리하고 있다. 이런 달팽이관의 원리를 이용한 여러 장치에도 불구하고, 이를 모사하여 인공와우에 응용한 선례가 있는 상태이다.In contrast, the human cochlea effectively processes complex language through a simple algorithm after frequency separation. In spite of various devices using the principle of the cochlea, there is a precedent in which it is copied and applied to a cochlear implant.
유연한 압전박막 인공와우 응용사례는 H. Lee et. al의 Advanced Functional Materials 저널의 논문 Vol. 24, No. 44, pg 6914, 2014에서 참조할 수 있다. 사다리꼴 모양의 얇은 실리콘 멤브레인 위에 3개의 압전소자를 붙여 주파수에 따라서 가청주파수대의 음성 신호를 분리하였다. 상기 문헌에서는, 실리콘 멤브레인 위에 3개의 개별 압전소자를 붙여 주파수를 분리하여 인공와우에 적용하였지만, 이를 IoT용 저전력 음성센서로서 알고리듬, 회로 설계가 고려되지 않았다.Application examples of flexible piezoelectric thin-film cochlear implants are described by H. Lee et. Paper in the Journal of Advanced Functional Materials by al, Vol. 24, no. 44, pg 6914, 2014. Three piezoelectric elements were attached on a trapezoidal thin silicon membrane to separate audio signals in the audible frequency range according to frequency. In the above document, three individual piezoelectric elements were attached on a silicon membrane to separate the frequency and apply it to a cochlear implant, but the algorithm and circuit design were not considered as a low-power voice sensor for IoT.
복수의 공진 주파수를 이용하여 햅틱 피드백 효과를 출력하게 하는 압전 장치를 제시하는 종래의 문헌으로는 공개특허 제10-2012-0099036호(2012.09.06)를 참조할 수 있다. 한편 상기 문헌에서는 촉각, 힘, 운동감 등에 기반한 햅틱 피드백 기술을 제공하지만, 인식된 음성을 복수의 주파수로 분리한 상태에서 인식하는 방안에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.Reference may be made to Patent Publication No. 10-2012-0099036 (2012.09.06) as a conventional document presenting a piezoelectric device capable of outputting a haptic feedback effect using a plurality of resonance frequencies. On the other hand, the above document provides a haptic feedback technology based on tactile sensation, force, movement, etc., but there is a limitation in that a method for recognizing a recognized voice in a state in which a plurality of frequencies are separated is not separately disclosed.
한편, 본 출원인에 의한 선등록 특허 제10-1718214호의 경우에도 사다리꼴 형태로 이루어진 복수의 주파수 분리 채널을 이용하여 감지되는 음성을 주파수에 따라 복수의 채널을 통해 분리하는 것과 동시에 분리된 음성 신호를 압전소자를 통해 기계적 진동 신호에서 전기적 신호로 변환하게 하여 인식하는 기술적 내용을 개시하지만, 복수의 주파수 분리 채널로 이루어진 단위 채널은 35 mm 이상의 길이를 갖는 매우 큰 사이즈를 갖기 때문에 초박막폴리머를 활용하여 공진 주파수 밴드를 조절해야 하고 따라서 음성 센서의 소형화를 이루어야 한다는 현실적 필요성이 있다.On the other hand, even in the case of Prior Registration Patent No. 10-1718214 by the present applicant, the sensed voice is separated through a plurality of channels according to the frequency using a plurality of frequency separation channels formed in a trapezoidal shape, and at the same time, the separated voice signal is piezoelectric. Although the technical content of recognition by converting a mechanical vibration signal into an electrical signal through a device is disclosed, since a unit channel composed of a plurality of frequency separation channels has a very large size with a length of 35 mm or more, a resonance frequency There is a practical need to adjust the band and thus achieve miniaturization of the voice sensor.
(논문) H. Lee et. al, Advanced Functional Materials, 24(44), 6914, 2014(Thesis) H. Lee et. al, Advanced Functional Materials, 24(44), 6914, 2014
(특허문헌 1) KR10-1718214 B(Patent Document 1) KR10-1718214 B
(특허문헌 2) KR10-2012-0099036 A(Patent Document 2) KR10-2012-0099036 A
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 작은 사이즈에서도 높은 민감도를 갖는 초박막폴리머 기반 새로운 유연 압전 음성 센서와, 이를 활용한 음성 센싱 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a new flexible piezoelectric voice sensor based on an ultra-thin polymer having high sensitivity even in a small size and a voice sensing method using the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서는 무기물 기반의 압전물질층, 폴리머 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 배치되어 분리되며, 상기 폴리머의 두께는 상기 압전물질층 두께의 0.1 내지 30 범위인 것이 바람직하다.A voice sensor according to an embodiment of the present invention includes an inorganic-based piezoelectric material layer, a polymer, and an electrode for detecting an electrical signal from the piezoelectric material layer, and a unit defined by a combination of the piezoelectric material layer and the electrode. A plurality of channels are arranged and separated, and the thickness of the polymer is preferably in the range of 0.1 to 30 of the thickness of the piezoelectric material layer.
상기 폴리머의 모듈러스 범위는 0.1에서 100 GPa 인 것이 바람직하다.Preferably, the modulus of the polymer ranges from 0.1 to 100 GPa.
상기 단위 채널 또는 외부로 도출되어 있는 박막은 폭 또는 길이 중 적어도 하나 이상이 상이한 것이 바람직하다.It is preferable that at least one of the width or length of the unit channel or the thin film extending to the outside is different.
상기 단위 채널 또는 외부로 도출되어 있는 박막의 길이는 모두 상이하며, 연속적 또는 불연속적으로 일 방향으로 길이가 감소하는 것이 바람직하다.The lengths of the unit channels or thin films extending to the outside are all different, and it is preferable that the lengths continuously or discontinuously decrease in one direction.
상기 단위 채널에서 감지된 음향에 대한 전기적 신호는 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리되며, 상기 단위 채널을 통해 감지된 주파수 영역은 0.1 내지 10 kHz인 것이 바람직하다.The electrical signal for the sound detected in the unit channel is amplified through an analog circuit for each frequency, filtered, converted into a digital signal, and processed, and the frequency range detected through the unit channel is preferably 0.1 to 10 kHz. .
상기 단위 채널의 길이는 1.0 mm 내지 10.0 mm 의 범위인 것이 바람직하다.The length of the unit channel is preferably in the range of 1.0 mm to 10.0 mm.
본 발명에 따른 음성센서는 압전물질층 대비 일정 범위를 갖는 박막형의 폴리머를 사용한다. 그 결과 하나의 단위 채널에서 검출되는 공진 주파수 대역폭을 확대시켜 음성센서를 통한 주파수 대역폭이 넓으며 민감도 또한 향상된다. 또한 박막형 폴리머 사용에 따라 전체 음성센서의 면적 또한 감소되어 초소형 음성센서의 구현이 가능하다.The voice sensor according to the present invention uses a thin-film polymer having a certain range compared to the piezoelectric material layer. As a result, by expanding the resonance frequency bandwidth detected in one unit channel, the frequency bandwidth through the voice sensor is widened and sensitivity is also improved. In addition, the area of the entire voice sensor is also reduced according to the use of a thin film polymer, enabling the implementation of an ultra-small voice sensor.
도 1은 종래의 음성인식 시스템과 본 발명과의 차이점을 보이는 비교도이다.
도 2는 딱딱한 기판 상에 PZT 압전물질층을 사용한 경우(High Q)와 박막형 폴리머를 사용한 경우의 주파수 특성을 비교한 결과이다.
도 3은 센서들에 대한 민감도를 비교 실험한 결과이다.
도 4 내지 도 5는 압전층의 두께 대비 일정 수준 이하의 두께를 갖는 박막 폴리머를 사용하는 경우 민감도가 크게 향상되는 것을 보인다.
도 6을 참조하면, 박막 폴리머의 두께별 주파수 영역대를 보인다.
도 7은 본 발명에 따라 소형화된 음성센서 상에서 압전물질층 두께 대비 폴리머의 두께 비율에 따른 범위 설정 데이터를 보인다.
도 8은 본 발명에 따라 소형화된 음성센서를 이루는 폴리머 모듈러스의 범위 설정 데이터를 보인다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 채널 평면도이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명에 따른 음성센서의 단면도 및 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 음성센서와 종래의 음성센서 간의 민감도 차이를 보인다.
도 13은 본 발명에 따라 초박막형의 폴리머를 사용하여 소형화된 음성센서의 공진 특성을 보인다.
도 14는 본 발명에 따라 소형화된 음성센서의 주파수 응답 특성을 보인다.
도 15는 본 발명에 따라 소형화된 음성센서의 민감도 및 신호대 잡음비 특성을 보인다.
도 16은 음성 센서로써 음압 수치에 따라 민감도가 선형적으로 증가하는 것을 보인다. 1 is a comparison diagram showing differences between a conventional voice recognition system and the present invention.
Figure 2 is a result of comparing the frequency characteristics of the case of using a PZT piezoelectric material layer on a hard substrate (High Q) and the case of using a thin-film polymer.
3 is a result of a comparative experiment on the sensitivity of the sensors.
4 and 5 show that the sensitivity is greatly improved when a thin film polymer having a thickness of a certain level or less compared to the thickness of the piezoelectric layer is used.
Referring to FIG. 6, the frequency range for each thickness of the thin film polymer is shown.
7 shows range setting data according to the ratio of the thickness of the polymer to the thickness of the piezoelectric material layer on the miniaturized voice sensor according to the present invention.
8 shows range setting data of polymer modulus constituting a miniaturized voice sensor according to the present invention.
9 is a plan view of a channel of a voice sensor according to an embodiment of the present invention.
10 to 11 are cross-sectional and plan views of a voice sensor according to the present invention.
12 shows a difference in sensitivity between the voice sensor according to the present invention and the conventional voice sensor.
13 shows resonance characteristics of a miniaturized voice sensor using an ultra-thin polymer according to the present invention.
14 shows frequency response characteristics of a miniaturized voice sensor according to the present invention.
15 shows the sensitivity and signal-to-noise ratio characteristics of the miniaturized voice sensor according to the present invention.
16 shows that the sensitivity of a sound sensor increases linearly according to the sound pressure value.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided for complete information. Like reference numerals refer to like elements in the drawings.
도 1은 종래의 음성인식 시스템과 본 발명과의 차이점을 보이는 비교도이다. 도 1에서는, 기존의 음성인식 시스템은 마이크로 음성 신호를 아날로그 형태로 받아서 이를 ADC(Analog to digital converter)를 통해 디지털 신호로 변환한 후, DSP(digital signal processing)를 통해 디지털 신호를 처리하여 주파수를 분리해내는데 이 때 높은 전력이 소모된다는 단점이 있다.1 is a comparison diagram showing differences between a conventional voice recognition system and the present invention. In FIG. 1, the existing voice recognition system receives a microphone voice signal in analog form, converts it into a digital signal through an analog to digital converter (ADC), and then processes the digital signal through digital signal processing (DSP) to determine the frequency. The disadvantage is that high power is consumed at this time.
반면, 본 발명에서의 초저전력 음성인식 센서는 압전 센서로서 바로 음성인식이 가능하여 초저전력 구동이 가능하다는 장점을 가진다. 종래의 마이크, ADC, DSP를 거쳐 주파수 분리를 하는 과정을 압전 음성인식 센서 하나로 통합하여 가능하게 한 것이다. 즉, 먼저 음성 신호를 주파수에 따라 복수의 전극채널에서 분리가 되는데, 이와 동시에 압전소자로 이루어진 박막에서 기계적 움직임이 전기적 신호로 변환되어 각각의 주파수 대역에서 전기적 신호가 검출되게 된다.On the other hand, the ultra-low-power voice recognition sensor in the present invention is a piezoelectric sensor, and has the advantage of enabling ultra-low-power driving because voice recognition is possible immediately. It is possible by integrating the process of frequency separation through the conventional microphone, ADC, and DSP into one piezoelectric voice recognition sensor. That is, first, the voice signal is separated in a plurality of electrode channels according to the frequency, and at the same time, the mechanical motion is converted into an electrical signal in the thin film made of a piezoelectric element, and the electrical signal is detected in each frequency band.
즉, 종래의 마이크로폰의 경우에는 주파수 밴드필터, ADC, DSP가 사용되므로 고전력이 소모되나, 본 발명은 주파수별로 분리되어 전류를 생성하는 복수개의 압전소자를 사용하므로, 밴드필터나 ADC, DSP에 소요되는 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 주파수 추출에 소요되는 전력을 저감시킬 수 있다.That is, in the case of a conventional microphone, high power is consumed because a frequency band filter, ADC, and DSP are used, but the present invention uses a plurality of piezoelectric elements that are separated by frequency and generate current, so a band filter, ADC, and DSP are required. power can be reduced. In addition, power required for frequency extraction can be reduced.
본 발명에 따른 음성 센서는 도 1에서 설명한 바와 같이 압전물질층을 통하여 음향을 센싱하며, 상기 압전물질층은 각 주파수 별로 대응하는 별도의 전극(채널)과 연결되어 음향 주파수 영역에 따라 발생하는 전기적 신호를 검출하여, 이를 신호처리한다. The voice sensor according to the present invention senses sound through a piezoelectric material layer as described in FIG. A signal is detected and processed into a signal.
하지만, 종래의 기술로 이러한 넓은 공진 주파수 대역폭의 음향을 센싱하기 위해서는 압전물질의 넓이가 조건별로 커져야 하므로 결국 음성센서의 넓이가 매우 커지는 문제가 있다. However, in order to sense the sound of such a wide resonant frequency bandwidth with the prior art, since the area of the piezoelectric material must be increased for each condition, there is a problem in that the area of the voice sensor becomes very large.
본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 무기물 기반의 압전물질층의 두께를 높이고, 상대적으로 하기 탄성을 가지는 폴리머의 두께를 일정 수준으로 제한하여 민감도와 공진 주파수 대역폭을 넓혀 주파수 커버리지를 넓혔다. In order to solve this problem, the present invention increases the thickness of the inorganic-based piezoelectric material layer and expands the sensitivity and resonance frequency bandwidth by limiting the thickness of the polymer having elasticity to a certain level to widen the frequency coverage.
도 2는 딱딱한 기판(실리콘 기판) 상에 PZT 압전물질층을 사용한 경우(High Q, 모듈러스 300 GPa 이상)와 박막형 폴리머인 PET(Low Q, 모듈러스 1 ~ 2 GPa)를 사용한 경우의 주파수 특성을 비교한 결과이다. 여기에서 압전물질층과 전극의 치수(dimension)는 동일하였다.Figure 2 compares the frequency characteristics of the case of using a PZT piezoelectric material layer on a hard substrate (silicon substrate) (High Q, modulus of 300 GPa or more) and the case of using a thin-film polymer, PET (Low Q, modulus of 1 to 2 GPa). is a result Here, the dimensions of the piezoelectric material layer and the electrode were the same.
도 2를 참조하면, 폴리머를 사용하는 경우 주파수 밴드 범위(△f)가 매우 넓어지는 것을 알 수 있다. 이것은 결국 박막 폴리머를 사용하는 경우 하나의 채널에서 음향으로 센싱하는 주파수 영역은 넓어지게 되며, 얇은 두께로 인해 동일 주파수 대비 센서면적이 감소될 수 있다.Referring to Figure 2, it can be seen that the frequency band range (Δf) is very wide when using a polymer. After all, when a thin film polymer is used, a frequency range for acoustic sensing in one channel is widened, and a sensor area for the same frequency can be reduced due to a thin thickness.
도 3은 압전물질층 두께에 대한 민감도를 비교 실험한 결과이다. 3 is a result of a comparative experiment of sensitivity to the thickness of a piezoelectric material layer.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 압전층의 두께 대비 일정 수준 이하의 두께를 갖는 박막 폴리머를 사용하는 경우 민감도가 크게 향상되는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 5 , it can be seen that the sensitivity is greatly improved when a thin film polymer having a thickness of a certain level or less compared to the thickness of the piezoelectric layer is used.
구체적으로, 도 3은 압전층의 두께를 조건별로 1~6 um까지 나눈 상태에서 실험을 진행한 것을 보인 것으로서, 소형화에 따라 압전층의 면적이 감소되기 때문에 압전 음성 센서의 민감도는 감소된다. 따라서 압전층의 두께를 증가시켜 이를 보완해야 하고, 그래프에서 나타나있는 것처럼 3 um 압전층에서 saturation 되는 것을 보인다. Specifically, FIG. 3 shows that the experiment was conducted in a state where the thickness of the piezoelectric layer was divided from 1 to 6 um for each condition. Since the area of the piezoelectric layer is reduced according to miniaturization, the sensitivity of the piezoelectric voice sensor is reduced. Therefore, it is necessary to compensate for this by increasing the thickness of the piezoelectric layer, and as shown in the graph, it shows saturation in the 3 um piezoelectric layer.
한편, 도 4 내지 도 5는 기존 소자의 총 두께(~ 46 um) 에 대비하여 소형 소자 총 두께(~ 9 um)로 변경함으로써 소자의 크기가 약 70% 감소한 상태를 보인다. 즉, 공진 주파수 공식에 따라 소자 전체 두께를 줄임으로써 소형화된 센서의 공진 주파수를 음성 영역 내에 위치시킬 수 있다는 것을 보인다. Meanwhile, FIGS. 4 and 5 show a state in which the size of the device is reduced by about 70% by changing the total thickness of the small device (~ 9 um) compared to the total thickness (~ 46 um) of the existing device. That is, it is shown that the resonant frequency of the miniaturized sensor can be located within the audio range by reducing the overall thickness of the device according to the resonant frequency formula.
도 6을 참조하면, 박막 폴리머의 두께별 주파수 영역대를 보이는 것으로서, 동일한 면적에서 폴리머의 두께가 두껍다면 공식에 따라 공진 주파수가 음성 영역대를 벗어나게 되는바, 초박막폴리머가 사용되어야 한다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, it shows the frequency range for each thickness of the thin film polymer. If the thickness of the polymer is thick in the same area, the resonant frequency is out of the negative range according to the formula, so it can be seen that the ultra-thin polymer should be used. there is.
도 7은 본 발명에 따라 소형화된 음성센서 상에서 압전물질층 두께 대비 폴리머의 두께 비율에 따른 범위 설정 데이터를 보인다.7 shows range setting data according to the ratio of the thickness of the polymer to the thickness of the piezoelectric material layer on the miniaturized voice sensor according to the present invention.
압전물질층 대비 폴리머 층의 비율이 낮은 경우에 전기 퍼텐셜은 높지만 주파수 대역폭이 좁다는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that when the ratio of the polymer layer to the piezoelectric material layer is low, the electric potential is high but the frequency bandwidth is narrow.
한편, 폴리머 층의 비율이 높은 경우에 주파수 대역폭이 넓지만 소자가 두꺼워져서 박막의 진동이 낮아지고, 민감도와 퍼텐셜이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, it can be seen that when the ratio of the polymer layer is high, the frequency bandwidth is wide, but the device is thick, so the vibration of the thin film is lowered, and the sensitivity and potential are lowered.
이를 근거로, 본 발명 상에서 폴리머의 두께는 압전물질층 두께 대비 0.1 내지 30 범위인 것이 바람직하다.Based on this, the thickness of the polymer in the present invention is preferably in the range of 0.1 to 30 compared to the thickness of the piezoelectric material layer.
도 8은 본 발명에 따라 소형화된 음성센서를 이루는 폴리머 모듈러스의 범위 설정 데이터를 보인다.8 shows range setting data of polymer modulus constituting a miniaturized voice sensor according to the present invention.
모듈러스가 감소하는 경우에 폴리머의 감쇠가 일어나 주파수 대역폭이 넓지만, 민감도는 상대적으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다. 지정된 모듈러스 범위보다 작으면 딱딱한 기판 상에서의 PZT(모듈러스가 높음)의 결과가 나타나 sharp한 peak 형태의 공진이 발생하여 공진 주파수 대역폭이 좁고, 음성 영역 커버리지가 낮은 결과가 나타난다. 또한, 모듈러스가 0.1 GPa 이하로 작은 물질의 경우 박막으로 제작하기 힘들기 때문에 사용이 불가하게 된다.It can be seen that when the modulus decreases, the polymer attenuation occurs and the frequency bandwidth is wide, but the sensitivity is relatively low. If it is smaller than the specified modulus range, PZT (high modulus) results on a hard substrate, resulting in a sharp peak-type resonance, resulting in a narrow resonance frequency bandwidth and low voice area coverage. In addition, in the case of a material having a modulus as small as 0.1 GPa or less, it is difficult to fabricate into a thin film and thus cannot be used.
한편, 모듈러스가 증가하는 경우에 박막의 감쇠비 및 손실 계수가 작기 때문에 변위가 크고 그에 따라서 민감도가 커지게 되지만, 주파수 대역폭이 좁아지게 된다. On the other hand, when the modulus increases, since the damping ratio and loss coefficient of the thin film are small, the displacement is large and the sensitivity is increased accordingly, but the frequency bandwidth is narrowed.
이를 근거로, 폴리머의 모듈러스 범위는 0.1에서 100 GPa 인 것이 바람직하다. Based on this, it is preferable that the modulus of the polymer ranges from 0.1 to 100 GPa.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 채널 평면도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 음성센서는 센싱하고자 하는 목표 주파수 영역별로 상이한 길이를 갖는 복수 개의 단위 채널을 포함하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 복수의 단위 채널들의 길이는 1 mm 내지 10 mm 수준이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 9 is a plan view of a channel of a voice sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7 , it can be seen that the voice sensor according to an embodiment of the present invention includes a plurality of unit channels having different lengths for each target frequency region to be sensed. In one embodiment of the present invention, the length of the plurality of unit channels is 1 mm to 10 mm, but the scope of the present invention is not limited thereto.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 단면도 및 평면도이다. 10 to 11 are cross-sectional and plan views of a voice sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서는 압전물질층(400) 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극(500)을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널(a, b, c)이 복수개로 일렬로 배치되어 분리되어 있다.A voice sensor according to an embodiment of the present invention includes a
도 12는 본 발명에 따른 음성센서와 종래의 음성센서 간의 민감도 차이를 보인다. 본 발명에 따른 음성센서는 다른 공진형 유연 압전 음성 센서 대비 적은 면적에서 높은 민감도를 나타낸다. 특히, 이전 유연 압전 음성 센서보다 월등한 민감도 성능 지수를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.12 shows a difference in sensitivity between the voice sensor according to the present invention and the conventional voice sensor. The voice sensor according to the present invention exhibits high sensitivity in a small area compared to other resonant type flexible piezoelectric voice sensors. In particular, it can be confirmed that it has a superior sensitivity figure of merit compared to the previous flexible piezoelectric voice sensor.
도 13은 본 발명에 따라 초박막형의 폴리머를 사용하여 소형화된 음성센서의 공진 특성을 보인다.13 shows resonance characteristics of a miniaturized voice sensor using an ultra-thin polymer according to the present invention.
보편적인 스탠다드(Standard)한 소리를 가했을 때, 채널별로 주파수 분리가 생기고, 넓은 채널은 저주파수에서, 좁은 채널은 고주파수에서 공진이 일어난다.When a universal standard sound is applied, frequency separation occurs for each channel, and resonance occurs in a wide channel at a low frequency and a narrow channel at a high frequency.
상기 도 11의 데이터는 막이 어떻게 떨리는지 보이는 기계적(mechanical)인특성을 보인다.The data of FIG. 11 shows mechanical characteristics showing how the membrane vibrates.
도 14는 본 발명에 따라 소형화된 음성센서의 주파수 응답 특성을 보인다.14 shows the frequency response characteristics of a miniaturized voice sensor according to the present invention.
도 14의 왼쪽 그래프는 각 주파수마다 최대 값을 선택하여 플로팅(plotting)한 그래프이다. 즉, 멀티 채널의 장점을 보이며 높은 민감도 값을 갖는 상태로 음성 주파수 범위인 100~4000 Hz의 범위를 커버한다. 또한, 초박막 폴리머를 사용하였기 때문에 각각의 공진 주파수에서 bandwidth가 넓은 것을 보인다. 한편, 오른쪽 사진은 상용 배터리 크기와 유사할 정도로 소형화된 음성 센서이다.The graph on the left of FIG. 14 is a graph plotted by selecting the maximum value for each frequency. That is, it shows the advantage of multi-channel and covers the voice frequency range of 100 to 4000 Hz with a high sensitivity value. In addition, since ultra-thin polymer is used, the bandwidth at each resonance frequency is wide. On the other hand, the picture on the right is a voice sensor that has been miniaturized to a size similar to that of a commercial battery.
도 15는 본 발명에 따라 소형화된 음성센서의 민감도 및 신호대 잡음비 특성을 보인다. 왼쪽 그래프는 각 공진 주파수에서 나타나는 높은 민감도 값을 주파수 domain으로 나타낸다. 증폭 회로없이 자가발전으로 높은 민감도 수치인 -28 dB를 나타내는데, 상용 마이크로폰의 평균 -45dB 보다 훨씬 높은 수치이다.15 shows the sensitivity and signal-to-noise ratio characteristics of the miniaturized voice sensor according to the present invention. The graph on the left shows the high sensitivity values at each resonance frequency in the frequency domain. Self-powered without an amplification circuit, it shows a high sensitivity value of -28 dB, which is much higher than the average of commercial microphones -45 dB.
한편, 오른쪽 그래프는 신호대 잡음비를 보인다. 마찬가지로, 높은 신호대 잡음비 수치를 나타내는데, 상용 마이크로폰의 평균 -65 dB보다 높은 수치이다.Meanwhile, the graph on the right shows the signal-to-noise ratio. Likewise, it exhibits a high signal-to-noise ratio figure, which is higher than the average of -65 dB for commercial microphones.
도 16은 음성 센서로써 음압 수치(dB SPL 단위)에 따라 민감도가 선형적으로 증가하는 것을 보인다. 이는 음성 센서로써 다양한 범위의 소리 크기를 인식할 수 있는 특성을 나타낸다.16 shows that the sensitivity increases linearly according to the sound pressure value (dB SPL unit) as a voice sensor. As a voice sensor, this represents a characteristic capable of recognizing a wide range of sound levels.
본 발명은 인간의 청각기관인 달팽이관을 모사하여 음성인식을 구현하는 것에 착안한 것으로서, 주파수 분리를 위한 기존 마이크로폰, ADC, DSP 조합 방식이 아닌 유연 압전 음성 센서 기반의 간편한 회로로 전력 소비를 크게 줄일 수 있다. 또한, 이에 호환되는 효율적인 인식 알고리즘을 구현하게 된다면 인간의 자연스런 언어를 높은 선택성과, 민감도, 감지속도 및 안정성을 가지고 인식해낼 수 있다.The present invention focuses on realizing voice recognition by simulating the human auditory organ, the cochlea, and can significantly reduce power consumption with a simple circuit based on a flexible piezoelectric voice sensor rather than a conventional microphone, ADC, and DSP combination method for frequency separation. there is. In addition, if an efficient recognition algorithm compatible with this is implemented, human natural language can be recognized with high selectivity, sensitivity, detection speed and stability.
본 기술을 실생활에 적용할 수 있는데, 예를 들어 운전 중에 음성으로 안전하게 차량 정보 시스템 사용을 상시 대기 상태에서 음성으로만 가능하게 하며, 이를 통해 TV, 청소기, 세탁기, 에어컨 등을 원거리에서 사람의 목소리로만 초저전력 제어를 할 수 있게 된다. 특히, 손발이 불편한 장애인 및 환자들의 케어링(Caring)이나 음성을 등록함으로써 엘리베이터 등의 시설을 보다 편리하게 사용할 수 있다. This technology can be applied to real life. For example, it is possible to use the vehicle information system safely by voice while driving only by voice in the constant standby state, and through this, the TV, vacuum cleaner, washing machine, air conditioner, etc. can be remotely controlled by human voice. It is possible to perform ultra-low power control only with In particular, it is possible to more conveniently use facilities such as an elevator by registering the caring or voice of the handicapped and patients with disabilities.
본 기술은 IT-NT-BT-소재 전반을 아우르는 주제로서 자연으로부터 영감을 얻어 인간의 삶을 풍요롭게 하는 융합적 기술이다. 화자의 음성을 통해 적은 전력으로 상시 대기 상태에서 신원, 심리, 건강상태, 언어능력 등을 파악할 수 있어 개인 맞춤형 서비스 제공이 가능해지고, 보안, 금융, 의료 교육 등의 분야에 이르기까지 센서의 전 분야에 활용될 수 있게 한다. This technology is a convergence technology that enriches human life with inspiration from nature as a theme that encompasses the entire IT-NT-BT-material. Through the voice of the speaker, identity, psychology, health status, language ability, etc. can be identified in a constant standby state with little power, making it possible to provide personalized services, and all fields of sensors ranging from security, finance, medical education, etc. make it usable for
특히, 빅데이터에 음성 패턴을 검출후 분석 및 저장하여 정서 상태를 분석하고 피드백 시스템을 통해 심리적인 안정을 이끌어내는 등 모바일 헬스케어로의 응용이 가능하고, 음성인증 및 화자식별을 통한 보안 시스템이 강화되어져 개인정보 및 사생활 보호에 도움이 될 것으로 기대된다. In particular, it can be applied to mobile healthcare, such as detecting, analyzing and storing voice patterns in big data to analyze emotional states and eliciting psychological stability through a feedback system, and a security system through voice authentication and speaker identification. It is expected to be strengthened to help protect personal information and privacy.
본 발명은 상기의 특징들을 통해 음성인식 기반의 사물 인터넷(IoT,internet of Things) 및 모바일용 초소형 음성 센서 시스템을 구현할 수 있다.The present invention can implement a voice recognition-based Internet of Things (IoT) and a miniature voice sensor system for mobile through the above features.
본 발명은 유연한 기판 상에 고효율 무기 압전 소재로 만들어진 음성인식 센서가 인간 음성의 스펙트럼을 디지털 샘플링 및 음향신호 처리 이전에 압전 소재를 이용하여 음성으로 인한 기계적 진동에너지를 주파수 별로 각각 다른 위치에 분리한 뒤 전기적인 신호로 변환하여 각각 주파수 별로 평행하게 음성신호를 처리한다.In the present invention, a voice recognition sensor made of a high-efficiency inorganic piezoelectric material on a flexible substrate uses a piezoelectric material before digitally sampling the spectrum of human voice and processing the sound signal, and separating mechanical vibration energy due to voice into different locations for each frequency. Then, it is converted into an electrical signal, and the audio signal is processed in parallel for each frequency.
본 발명에서는 복수의 주파수 분리 채널을 실로폰 모양을 닮은 인공 달팽이 관의 형상을 이루게 하고, 상기 복수의 주파수 분리 채널의 크기가 달라짐에 따라 고주파음과 저주파음이 공명하는 위치가 달라져서 물리적으로 인간의 음성을 분리하게 한다. 여기에서, 분리되는 각각의 음향은 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리된다. 이 과정은 기존의 마이크로폰, ADC, DSP 조합을 이용한 방식보다 전력 소모가 크게 줄어들게 된다.In the present invention, a plurality of frequency separation channels are formed in the shape of an artificial cochlea resembling a xylophone, and as the size of the plurality of frequency separation channels is changed, the resonant position of high frequency sound and low frequency sound is changed, physically human voice. to separate Here, each separated sound is amplified by an analog circuit for each frequency, filtered, converted into a digital signal, and then processed. This process significantly reduces power consumption compared to the conventional method using a combination of a microphone, ADC, and DSP.
본 발명은 플렉서블한 박막 상에 결합된 압전 음성인식 센서를 제공하는 것으로서, 의복 등에 부착한 상태에서도 사용할 수 있다. 즉, 의복 상에 부착된 상태에서 주위에서 쉽게 발생되는 음파, 초음파 영역의 물리적인 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하는 기술로의 응용이 가능하다. The present invention provides a piezoelectric voice recognition sensor coupled on a flexible thin film, and can be used even when attached to clothes. That is, it can be applied to a technology that harvests physical energy in the area of sound waves and ultrasonic waves that are easily generated in the surroundings while attached to clothing and converts it into electrical energy.
일반적으로 '어디에나 존재하는' 유비쿼터스 네트워크의 실현을 위해서는 '어디에나 존재하며 작동하는' 유비쿼터스 전원의 존재가 필수 불가결하다. 한편, 도처에 존재하는 유비쿼터스 네트워크 구성요소의 전원은 충전을 필요로 하지 않는 자급자족 형태이어야 한다. 즉, 발전능력 및 축전능력이 공히 구비되어야 한다.In general, in order to realize a 'ubiquitous' ubiquitous network, the presence of a 'ubiquitous and operational' ubiquitous power supply is indispensable. On the other hand, the power source of the ubiquitous network elements must be self-sufficient and do not require recharging. That is, both power generation capability and power storage capability must be provided.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 음성인식 센서는 초박막폴리머를 이용하여 공진 주파수 밴드 및 대역폭 조절을 달성하고 음성 센서의 소형화를 이루어낸다.As described above, the piezoelectric voice recognition sensor according to the present invention uses an ultra-thin polymer to achieve resonant frequency band and bandwidth control and achieve miniaturization of the voice sensor.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. That is, those skilled in the art to which the present invention pertains can make many changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications Equivalents should also be considered as falling within the scope of this invention.
Claims (6)
상기 음성센서는 무기물 기반의 압전물질층, 폴리머 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며,
상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 배치되어 분리되며,
상기 폴리머의 두께는 상기 압전물질층 두께의 0.1 내지 30 범위이며, 상기 폴리머상에 상기 압전물질층이 적층되며, 상기 폴리머의 모듈러스 범위는 0.1에서 100 GPa이며,
상기 압전물질층의 두께는 3μm인 것을 특징으로 하는 음성센서.As a voice sensor,
The voice sensor includes an inorganic-based piezoelectric material layer, a polymer, and an electrode for detecting an electrical signal from the piezoelectric material layer,
The unit channel defined by the combination of the piezoelectric material layer and the electrode is arranged and separated into a plurality,
The thickness of the polymer is in the range of 0.1 to 30 of the thickness of the piezoelectric material layer, the piezoelectric material layer is laminated on the polymer, the modulus of the polymer is in the range of 0.1 to 100 GPa,
Voice sensor, characterized in that the thickness of the piezoelectric material layer is 3μm.
상기 단위 채널 또는 외부로 도출되어 있는 박막은 폭 또는 길이 중 적어도 하나 이상이 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서.According to claim 1,
Voice sensor, characterized in that at least one of the width or length of the unit channel or the thin film leading to the outside is different.
상기 단위 채널 또는 외부로 도출되어 있는 박막의 길이는 모두 상이하며, 연속적 또는 불연속적으로 일 방향으로 길이가 감소하는 것을 특징으로 하는 음성센서.According to claim 3,
Voice sensor, characterized in that the length of the unit channel or the thin film that is led out to the outside are all different, and the length continuously or discontinuously decreases in one direction.
상기 단위 채널에서 감지된 음향에 대한 전기적 신호는 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리되며,
상기 단위 채널을 통해 감지된 주파수 영역은 0.1 내지 10 kHz인 것을 특징으로 하는 음성센서.According to claim 1,
The electrical signal for the sound detected in the unit channel is amplified through an analog circuit for each frequency, filtered, converted into a digital signal, and processed.
Voice sensor, characterized in that the frequency range sensed through the unit channel is 0.1 to 10 kHz.
상기 단위 채널의 길이는 1.0 mm 내지 10.0 mm 의 범위인 것을 특징으로 하는 음성센서.According to claim 1,
The voice sensor, characterized in that the length of the unit channel is in the range of 1.0 mm to 10.0 mm.
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Citations (1)
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2020
- 2020-06-30 KR KR1020200080551A patent/KR102505540B1/en active IP Right Grant
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Also Published As
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| KR20220001975A (en) | 2022-01-06 |
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