KR19990016377U - 박막형 초음파발생트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사박막들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 스피커의 크기를 소형화하고 제작성을 향상한 박막형 초음파발생트랜스듀서에 관한 것으로, 전기적으로 그라운드되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 수직입설형성되는 간격유지부재들; 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 상향이격되어 상기 간격유지부재들에 의해 지지고정되며, 음의 바이어스전압이 걸리는 방사박막; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 방사박막과 정전력을 유발시켜 상기 방사박막을 진동시키는 양전극층을 포함하며, 이러한 본 고안의 박막형 초음파 발생 트랜스듀서는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사박막들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하므로 스피커의 크기를 소형화하고 제작성을 향상할 수 있다.

Description

박막형 초음파발생트랜스듀서
본 고안은 두개의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 관한 것으로, 특히 초소형 정밀가공기기(MEMS; Micro Electro Mechanical System)기술을 이용하여 각 음파방사박막들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 스피커의 크기를 소형화하고 제작성을 향상한 박막형 초음파발생트랜스듀서에 관한 것이다.
일반적으로, 널리 사용되고 있는 스피커는 마그넷트의 자기력을 이용하여 진동판을 진동시켜서 음파를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 보편적인 자기형 스피커와는 달리 최근 인간이 들을 수 없는 가청음 밖의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 대한 연구가 점차 활발하게 이루어지고 있다.
이와 같이 최근 스피커 신기술로 주목받고 있는 초음파 스피커는 그 개념만 입증되었을 뿐 아직 상업화되지 못하고 있는 실정이다. 그 주요한 원인 중의 하나는 소형이면서 효과적으로 초음파를 발생시킬 수 있는 트랜스듀서의 구조를 아직 개발하지 못한 데 있다고 할 수 있다.
보편적인 초음파 스피커의 구동원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 재생시키고자 하는 음악, 음성등의 신호를 신호원(10)으로 발생시킨다. 그리고, 기준이 되는 일정주파수의 초음파음을 기준초음파발생기(20)를 통하여 발생시켜 모듈레이터(30)로 보낸다. 그러면, 신호원(10)에서 나온 원신호를 기준초음파주파수만큼 주파수이동, 모듈레이션시켜 기준초음파와 함께 초음파파워앰프(40)로 입력시켜 그 파워를 증대시키게 된다. 그런다음, 이 초음파를 초음파 발생 트랜스듀서(50)에 보내 초음파를 발생시키게 된다. 이때, 발생된 초음파, 즉 기준초음파와 모듈레이션된 초음파는 공기를 투과하면서 공기의 비선형성에 의하여 두 초음파의 차이주파수성분이 발생되며, 이 음파는 가청주파수 대역에 존재하므로 인간이 들을 수 있는 원하는 가청음파가 되어 청취자에게 가청되게 된다. 도면에서 초음파발생트랜스듀서(50)에서 발생되는 곡선형의 띠중 점선은 초음파를 그리고 실선의 띠는 가청음을 나타낸다.
이상과 같은 원리를 갖는 초음파 스피커는 일반적인 자기형 스피커에서 반드시 필요로 하는 스피커 캐비넷이 불필요하므로 소형, 박형화가 용이하며, 지향성이 강한 초음파를 이용하므로 특정방향으로 음을 방사시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.
이와 같은 초음파스피커에서 무엇보다도 중요한 구성요소는 초음파를 발생시키는 초음파트랜스듀서인데, 일반적으로 이 초음파트랜스듀서로는 여러 산업분야에서 널리 이용되고 있는 압전형 트랜스듀서를 사용하고 있으며, 충분한 파워를 내기 위하여 직경 1cm정도의 압전형 트랜스듀서를 다수 배열시켜 사용하고 있다. 이와 같은 방식에 있어서 충분한 음량을 얻기 위해서는 점점 더 많은 압전형 트랜스듀서 배열을 필요로 하기 때문에 초음파스피커의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 소형화가 어렵고, 다수의 트랜스듀서의 배열로 인한 제작비용이 상승하는 폐단을 낳고 있다.
따라서, 본 고안의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사박막들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 스피커의 크기를 소형화하고 제작성을 향상할 수 있게 한 박막형 초음파발생트랜스듀서를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 초음파 스피커의 전체구성도,
도 2의 (a) 및 (b)는 본 고안에 따른 박막형 초음파발생트랜스듀서의 일실시예를 나타낸 정면도 및 평면도,
도 3의 (a) 및 (b)는 본 고안에 따른 박막형 초음파발생트랜스듀서의 다른 실시예를 나타낸 정면도 및 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명
60 : 실리콘웨이퍼 61 : 차단층
70 : 간격유지부재 80 : 탄성지지박막
90,110 : 방사박막 100 : 양전극층
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 박막형 초음파발생트랜스듀서는 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 수직입설형성되는 간격유지부재들; 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 상향이격되어 상기 간격유지부재들에 의해 지지고정되며, 음의 바이어스전압이 걸리는 방사박막; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 방사박막과 정전력을 유발시켜 상기 방사박막을 진동시키는 양전극층을 포함한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.
도 2는 본 고안의 일실시예를 나타낸 것으로, 이중박막형 초음파발생트랜스듀서를 보여주고 있다. 특히, 도 2의 (a)는 그 정면도를, 도 2의 (b)는 그 평면도를 나타내고 있다.
실리콘웨이퍼(60)는 전기적으로 그라운드가 되어 있다. 이 실리콘웨이퍼(61)의 상면부에는 차단층(61)이 형성되어 있고, 그 위에는 간격유지부재(70)들이 수직입설되어 있다. 또한, 간격유지부재(70)들의 상단부에는 탄성지지박막(80)이 수평으로 부착지지되어 있다. 이 사각판형의 탄성지지박막(80)의 중심부에는 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이 방사박막(90)이 고정되어 진동할 수 있게 되어 있다. 물론, 이 방사박막(90)은 강체로 구성된다. 방사박막(90)과 대향되는 하부에는 양전극층(100)이 실리콘웨이퍼(60)의 차단층(61)상에 형성되어 있다. 따라서, 간격유지부재(70), 탄성지지박막(80), 방사박막(90)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 방사박막(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 방사박막(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다.
위의 탄성지지박막(80)과 방사박막(90)은 예를 들어 알루미늄과 같은 동일재질로 구성할 수 있다. 또한, 유전율이 큰 재질들로 구성하여 전하를 흐르게 하면서 방사박막(90)보다 탄성지지박막(80)의 탄성률을 보다 큰 재질로 구성하여 진동시키는 방식을 채택할 수도 있다.
또한, 방사박막(90)의 진동에 의해 생성된 초음파는 상부쪽인 외부로 뿐만 아니라, 하부쪽인 내부측으로도 발생하게 되는데, 이때 내부측으로 발생된 음파가 양전극층(100)에서 재반사되어 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 현상이 발생하게 된다. 본 고안에서는 이를 방지하기 위해서 차단층(61), 간격유지부재(70), 방사박막(90), 탄성지지박막(80)으로 형성되는 내부공간을 밀폐시켜 내부로 방사된 음파가 외부로 유출되는 것을 원천봉쇄하여 두 방향으로 방사되는 음파사이의 간섭을 방지한다.
이하부터는 위와 같은 구조를 갖는 상기 실시예의 작동에 대해 상세히 설명한다.
실리콘웨이퍼(60)를 전기적으로 그라운드한 상태에서 탄성지지박막(80)의 X지점에 음전압을 인가하여 탄성지지박막(80)과 방사박막(90)에 음의 바이어스전압을 걸어준다. 그와 동시에, 방사박막(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 방사박막(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다. 이때, 방사박막(90)들을 파지하는 있는 탄성지지박막(80)들이 이점쇄선으로 도시한 바와 같이 변형을 일으키면서 방사박막(90)들이 상하로 진동하게 한다. 이 진동은 그 주변에 있는 공기입자들을 진동시켜 초음파를 발생시키게 한다. 본 초음파트랜스듀서는 각 방사박막(90)들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼(60)상에 초소형정밀가공기술을 이용하여 한꺼번에 형성하여 충분한 초음파 방사출력을 얻도록 하고 있다. 이와 같은 각 방사박막(90) 픽셀의 크기는 마이크로미터단위로 제작되며, 하나의 칩내에 수십만개의 픽셀이 모두 동일한 위상으로 진동하도록 전극이 병렬로 연결되어 있다. 위와 같이 하여 방사된 초음파는 대기 중을 따라 전파하면서 비선형성에 의하여 가청음으로 변환되어 인간이 들을 수 있게 된다.
도 3은 본 고안에 따른 박막형 초음파발생트랜스듀서의 다른 실시예를 나타낸 것으로서, (a)는 그 정면도이고, (b)는 그 평면도이다.
실리콘웨이퍼(60)는 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 이 실리콘웨이퍼(60)상면에는 차단층(61)이 형성되어 있으며, 다시 그 위에는 간격유지부재(70)들이 수직입설되어 있다. 또한, 간격유지부재(70)들의 상단부에는 방사박막(110)들이 수평으로 부착되어 있다. 즉, 이 사각판형의 방사박막(110)들은 탄성을 갖는 알루미늄으로 제작되어 도 3(a)의 이점쇄선으로 도시한 바와 같이 간격유지부재(70)들의 상부에서 곡선변형되며 진동하게 된다. 방사박막(110)과 대향되는 하부에는 양전극층(100)이 실리콘웨이퍼(60)의 차단층(61)상에 형성되어 있다. 따라서, 간격유지부재(70), 방사박막(110)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 방사박막(110)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 방사박막(110)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다.
이와 같이 방사박막(110)의 진동에 의해 생성된 초음파는 상부쪽인 외부로 뿐만아니라, 하부쪽인 내측으로도 방사된다. 이 내측으로 방사된 음파는 양전극층(100)에서 재반사되어 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 현상이 발생하게 되는데, 본 고안에서는 이를 방지하기 위해서 차단층(100), 간격유지부재(70), 방사박막(110)으로 형성되는 내부공간을 밀폐공간으로 하여 내부로 방사된 음파가 외부로 유출되는 것을 봉쇄하여 두 방향으로 방사되는 음파사이의 간섭을 방지한다.
이하부터는 이상의 구조를 갖는 상기 실시예의 작동에 대해 상세히 설명한다.
실리콘웨이퍼(60)를 전기적으로 그라운드한 상태에서 방사박막(110)의 Y지점에 음의 바이어스전압을 걸어준다. 그와 동시에, 방사박막(110)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 방사박막(110)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 방사박막(110)들이 곡선변형을 일으키면서 상하로 진동하게 된다. 이 진동은 그 주변에 있는 공기입자들을 진동시켜 초음파를 발생시키게 한다. 본 초음파트랜스듀서는 각 방사박막(110)들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼(60)상에 초소형정밀가공기술을 이용하여 한꺼번에 형성하여 충분한 초음파 방사출력을 얻도록 하고 있다. 이와 같은 각 방사박막(110) 픽셀의 크기는 마이크로미터단위로 제작되며, 하나의 칩내에 수십만개의 픽셀이 모두 동일한 위상으로 진동하도록 전극이 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 위와 같이 하여 방사된 초음파는 대기중을 따라 전파하면서 비선형성에 의하여 가청음으로 변환되어 인간이 들을 수 있게 된다.
이상 서술한 바와 같이, 본 고안의 박막형 초음파발생트랜스듀서는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사박막들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 스피커의 크기를 소형화하고 생산성을 향상한 효과를 가지고 있다. 따라서, 초소형의 박형전자제품에 적용이 가능하며, 제조공정이 간단용이하여 생산비를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

  1. 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼;
    상기 실리콘웨이퍼상에 수직입설형성되는 간격유지부재들;
    상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 상향이격되어 상기 간격유지부재들에 의해 지지고정되며, 음의 바이어스전압이 걸리는 방사박막; 및
    상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 방사박막과 정전력을 유발시켜 상기 방사박막을 진동시키는 양전극층을 포함하는 박막형 초음파발생트랜스듀서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방사박막의 진동에 의해 방사된 내측의 초음파가 상기 양전극층에서 재반사되어 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 것을 억제하기 위해서 상기 방사박막, 차단층, 간격유지부재들로 형성되는 내부공간은 외부와 밀폐되어 있는 것을 특징으로 하는 박막형 초음파 발생 트랜스듀서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 방사박막을 강체방사박막으로 구성하고, 상기 간격유지부재들에 탄성지지박막으로 지지고정하여 탄성진동케 한 것을 특징으로 하는 박막형 초음파 발생 트랜스듀서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 방사박막을 알루미늄박막으로 구성하여 상기 간격유지부재들에 직접고정하여 자체탄성변형진동케 한 것을 특징으로 하는 박막형 초음파 발생 트랜스듀서.
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