KR20120056020A - 마이크로 음향 변환기 - Google Patents

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KR20120056020A
KR20120056020A KR1020100117523A KR20100117523A KR20120056020A KR 20120056020 A KR20120056020 A KR 20120056020A KR 1020100117523 A KR1020100117523 A KR 1020100117523A KR 20100117523 A KR20100117523 A KR 20100117523A KR 20120056020 A KR20120056020 A KR 20120056020A
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piezoelectric
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김동균
정석환
정병길
신형재
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삼성전자주식회사
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Abstract

마이크로 음향 변환기가 개시된다. 개시된 마이크로 음향 변환기는 제1 음역대를 재생하기 위한 제1 압전구동 음향변환 유닛과, 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛과 동일 평면 상에 마련되어 상기 제1 음역대보다 높은 제2 음역대를 재생하기 위한 제2 압전구동 음향변환 유닛을 포함한다.

Description

마이크로 음향 변환기{Micro acoustic transducer}
마이크로 스피커나 마이크로 리시버 등과 같은 마이크로 음향 변환기에 관한 것이다.
개인 휴대통신이 비약적으로 발전함에 따라 마이크로 스피커나 마이크로 리시버 등과 같은 마이크로 음향 변환기가 지속적으로 개발되어 왔다. 특히 지난 수 십년간 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용한 압전형 마이크로 음향 변환기(acoustic transducer)에 대한 관련 연구들이 진행되어 왔다. 이러한 압전형 마이크로 음향 변환기는 그 구조의 단순함으로 인해 개인 음성 통신 및 데이터 통신을 위한 단말기에 다양하게 활용될 수 있다.
MEMS 기술을 이용한 압전형 마이크로 음향 변환기는 정전형(electrostatic) 마이크로 음향 변환기에 비해 낮은 전압으로 구동이 가능하고, 전자기형(electromagnetic) 마이크로 음향 변환기에 비해 구조가 단순하고 박형화에 유리한 장점을 가지고 있다. 이러한 MEMS 기술을 이용한 압전형 마이크로 음향 변환기는 일반적으로 기계적인 변형을 통하여 음압을 발생시키는 다이아프램(diaphragm)을 포함하며, 이 다이아프램은 멤브레인과 압전층의 양면에 전극층들이 형성된 압전소자로 구성된다. 상기 압전소자에 교류 전압을 인가하게 되면 압전층의 형상 변형이 발생하게 되고, 이에 따라 멤브레인이 진동함으로써 소리를 발생시키게 된다.
한편, 대략 315Hz ~ 2500Hz 정도의 중음역대는 인간의 청각에서 비교적 예민한 대역으로, 통화 음성과 같이 음질이 나쁜 경우라도 이 중음역대에서는 비교적 음을 잘 들을 수 있다. 따라서, 휴대폰 등에 일반적으로 사용되는 다이나믹(dynamic) 마이크로 스피커나 마이크로 리시버는 이 중음역대에 맞추어진 주파수 응답 특성을 가지고 있다. 하지만, 최근에는 휴대폰에 전화 통화 이외에도 멀티미디어 기능이 추가됨에 따라 보다 선명한 음의 재생이 요구되는 바, 2500Hz ~ 7000Hz 정도의 중고음역대에서도 음을 선명하게 재생할 수 있는 마이크로 음향 변환기의 개발이 필요하다.
본 발명의 실시예는 광대역 재생이 가능한 마이크로 음향 변환기를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
제1 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 제1 압전구동 다이아프램을 구비하는 제1 압전구동 음향변환 유닛; 및
상기 제1 압전구동 음향변환 유닛과 동일 평면 상에 마련되어 상기 제1 음역대보다 높은 제2 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 제2 압전구동 다이아프램을 구비하는 제2 압전구동 음향변환 유닛;을 포함하는 마이크로 음향 변환기가 제공된다.
상기 제1 음역대는 대략 100Hz ~ 3400Hz를 포함하며, 상기 제2 음역대는 대략 2500Hz ~ 7000Hz를 포함할 수 있다.
상기 마이크로 음향 변환기는 입력신호를 제1 음역대와 제2 음역대로 분할하는 크로스오버 네트워크(cross-over network) 및 상기 크로스오버 네트워크로부터 나오는 제1 및 제2 음역대 신호들을 증폭하는 증폭기들을 더 구비할 수 있다. 여기서, 상기 크로스오버 네트워크는 제1 음역통과 필터 및 제2 음역통과 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛은 동일 기판 상에 마련될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛은 별개의 기판 상에 각각 마련될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램 각각은 기판 상에 마련되는 멤브레인과 상기 멤브레인 상에 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램은 크기 또는 형상이 서로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
제1 음역대를 재생하기 위한 다이나믹 음향변환 유닛; 및
상기 다이나믹 음향변환 유닛과 동일 평면 상에 마련되어 상기 제1 음역대보다 높은 제2 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 압전구동 다이아프램을 구비하는 압전구동 음향변환 유닛;을 포함하는 마이크로 음향 변환기가 제공된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 마이크로 음향 변환기가 100Hz ~ 3400Hz 정도의 중음역대를 재생하는 음향 변환 유닛과, 2500Hz ~ 7000Hz의 중고음역대를 재생할 수 있는 압전구동 음향변환 유닛을 구비함으로써 100Hz ~ 7000Hz의 광대역 재생이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기의 구동회로를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기의 구동회로를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기는 동일 평면 상에 마련되는 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)과 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)은 중음역대인 제1 음역대를 재생하기 위한 것이다. 상기 제1 음역대는 예를 들면 대략 100Hz ~ 3400Hz 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)은 적어도 하나의 제1 압전구동 다이아프램(diaphram,150)을 구비할 수 있다. 도면에는 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)이 하나의 제1 압전구동 다이아프램(150)을 구비하는 경우가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)은 2개 이상의 제1 압전구동 다이아프램(150)을 구비할 수도 있다. 그리고, 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)은 중고음역대인 제2 음역대를 재생하기 위한 것이다. 상기 제2 음역대는 예를 들면 대략 2500Hz ~ 7000Hz 정도가 될 수 있다. 이러한 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)은 적어도 하나의 제2 압전구동 다이아프램(160)을 구비할 수 있다. 도면에는 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)이 2개의 제2 압전구동 다이아프램(160)을 구비하는 경우가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)은 하나 또는 3개 이상의 제2 압전구동 다이아프램(160)을 구비할 수도 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(110,120)은 동일한 기판(100) 상에 마련될 수 있다. 즉, 동일한 기판(100)의 동일 평면 상에서 상기 제1 압전구동 다이아프램(150)과 압전구동 다이아프램들(160)이 마련될 수 있다. 여기서, 상기 기판(100)으로는 예를 들면 실리콘 기판 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 이외에도 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있다. 상기 제1 압전구동 다이아프램(150)은 상기 기판(100) 상의 가운데에 배치될 수 있으며, 상기 제2 압전구동 다이아프램들(160)은 상기 제1 압전구동 다이아프램(150)의 양측 기판(100) 상에 각각 마련될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램(150,160)의 개수 및 그 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 압전구동 다이아프램(150)은 기판(100) 상에 형성되는 멤브레인(membrane,130)과 이 멤브레인(130) 상에 마련되는 제1 압전소자를 포함한다. 여기서, 상기 제1 압전소자는 상기 멤브레인(130) 상에 순차적으로 적층되는 제1 하부전극(151), 제1 압전층(152) 및 제1 상부전극(153)으로 구성된다. 그리고, 상기 제2 압전구동 다이아프램들(160) 각각은 상기 멤브레인(130)과 이 멤브레인(130) 상에 마련되는 제2 압전소자를 포함한다. 여기서, 상기 제2 압전소자는 상기 멤브레인(130) 상에 순차적으로 적층되는 제2 하부전극(161), 제2 압전층(162) 및 제2 상부전극(163)으로 구성된다.
일반적으로, 다이아프램의 크기가 작을수록 높은 음역대를 재생할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 압전구동 다이아프램(150)는 제2 음역대보다 낮은 제1 음역대를 재생하는 것이므로, 제2 압전구동 다이아프램(160)보다 그 크기가 작을 수 있다. 한편, 이상에서는 압전구동 다이아프램들(150,160)의 크기를 변화시킴에 따라 재생 음역대를 조절하는 경우가 설명되었으나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 방법으로 재생 음역대를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전구동 다이아프램들(150,160)의 크기는 동일하지만 그 형상을 변화시킴으로써 재생 음역대를 변화시킬 수 도 있다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기의 구동회로를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 입력 신호가 크로스오버 네트워크(cross-over network,170)를 거치면서 중음역대인 제1 음역대와 중고음역대인 제2 음역대로 분할된다. 여기서, 상기 크로스오버 네트워크(170)는 입력신호 중 제1 음역대만을 통과시키는 제1 음역통과 필터(171)와, 입력신호 중 제2 음역대만을 통과시키는 제2 음역통과 필터(172)를 포함할 수 있다. 그리고, 이렇게 제1 및 제2 음역통과 필터(171,172)로부터 나오는 제1 및 제2 음역대 신호들을 각각 제1 및 제2 증폭기(181,182)를 통하여 증폭시킨다. 이는 입력 신호가 예를 들면 대략 1 ~ 1.5V의 낮은 전압을 가지는데 반하여, 후술하는 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(110,120)을 구동하기 위해서는 대략 30V 정도의 높은 전압을 필요로 하기 때문이다. 그리고, 이렇게 증폭된 제1 및 제2 음역대 신호들이 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(110,120)에 입력되어 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(110,120)을 구동하게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 비교적 중음역대인 100Hz ~ 3400Hz의 음역을 제1 압전구동 음향변환 유닛(110)이 재생하고, 중고음역대인 2500Hz ~ 7000Hz의 음역을 제2 압전구동 음향변환 유닛(120)이 재생함으로써 100Hz ~ 7000Hz에 걸친 광대역을 재생할 수 있는 마이크로 음향 변환기를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기는 동일 평면 상에 마련되는 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(210,220)을 포함한다. 한편, 본 실시예에서는 전술한 실시예와는 달리 상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛(210,220)이 각각 별개의 기판, 즉 제1 및 제2 기판(201,202) 상에 마련되어 있다. 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(210)은 대략 100Hz ~ 3400Hz 정도의 중음역대인 제1 음역대를 재생하기 위한 것이며, 이러한 제1 압전구동 음향변환 유닛(210)은 적어도 하나의 제1 압전구동 다이아프램(250)을 구비할 수 있다. 도면에는 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(210)이 하나의 제1 압전구동 다이아프램(250)을 구비하는 경우가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 상기 제1 압전구동 음향변환 유닛(210)은 2개 이상의 제1 압전구동 다이아프램(250)을 구비할 수도 있다. 그리고, 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(220)은 대략 2500Hz ~ 7000Hz 정도의 중고음역대인 제2 음역대를 재생하기 위한 것이며, 이러한 제2 압전구동 음향변환 유닛(220)은 적어도 하나의 제2 압전구동 다이아프램(260)을 구비할 수 있다. 도면에는 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(220)이 4개의 제2 압전구동 다이아프램(260)을 구비하는 경우가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 상기 제2 압전구동 음향변환 유닛(220)은 이외에도 다양한 개수의 제2 압전구동 다이아프램(260)을 구비할 수 있으며, 그 배치형태도 다양하게 할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램(250,260)이 멤브레인을 별도로 구비하고 있다는 점 외에는 그 구성이 도 2에 도시된 것과 동일하다. 또한, 이러한 본 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기의 구동회로도 도 3에 도시된 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 한편, 이상에서는 제1 압전구동 다이아프램(250)이 제2 압전구동 다이아프램(260)보다 작은 크기를 가짐으로써 더 높은 음역대를 재생하는 경우가 설명되었으나, 이는 단지 예시적인 것으로 이외에도 다양한 방법으로 재생 음역대를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전구동 다이아프램들(250,260)의 크기는 동일하지만 그 형상을 변화시킴으로써 재생 음역대를 변화시킬 수 도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 음향 변환기는 동일 평면 상에 마련되는 다이나믹(dynamic) 음향변환 유닛(310)과 압전구동 음향변환 유닛(320)을 포함한다. 상기 다이나믹 음향변환 유닛(310)은 대략 100Hz ~ 3400Hz 정도의 중음역대인 제1 음역대를 재생하기 위한 것이다. 상기 다이나믹 음향변환 유닛(310)은 개인용 휴대 통신장비에서 마이크로 스피커나 마이크로 리시버 등으로 일반적으로 사용되는 것으로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 변환할 수 있는 원리로 만든 장치이다. 구체적으로, 다이나믹 음향변환 유닛(310)에서는 자기회로의 공극 속에 마련된 도체에 신호 전류가 흐르게 되면, 도체가 자력선에 직각방향으로 움직이게 되므로, 이 도체에 진동판을 연결하게 되면 전기에너지는 기계적인 진동에너지로 변환할 수 있게 된다. 그리고, 상기 압전구동 음향변환 유닛(320)은 대략 2500Hz ~ 7000Hz 정도의 중고음역대인 제2 음역대를 재생하기 위한 것이다. 이러한 압전구동 음향변환 유닛(320)은 기판(300) 상에 마련된 적어도 하나의 압전구동 다이아프램(360)을 구비할 수 있다. 도면에서는 상기 압전구동 음향변환 유닛(320)이 기판 상에 마련된 4개의 압전구동 다이아프램(360)을 포함하는 경우가 예시적으로 도시되어 있지만, 이외에도 상기 압전구동 음향변환 유닛(320)은 다양한 개수의 압전구동 다이아프램(360)을 구비할 수 있으며, 그 배치 형태도 다양하게 할 수 있다. 상기 압전구동 다이아프램(360)의 구조는 도 2에 도시된 것과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 도 5에 도시된 마이크로 음향 변환기의 구동회로를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 입력 신호가 크로스오버 네트워크(cross-over network,370)를 거치면서 중음역대인 제1 음역대와 중고음역대인 제2 음역대로 분할된다. 여기서, 상기 크로스오버 네트워크(370)는 입력신호 중 제1 음역대만을 통과시키는 제1 음역통과 필터(371)와, 입력신호 중 제2 음역대만을 통과시키는 제2 음역통과 필터(372)를 포함할 수 있다. 그리고, 이렇게 제1 음역통과 필터(371)를 통하여 나오는 제1 음역대 신호는 다이나믹 음향변환 유닛(310)에 입력되어 상기 다이나믹 음향변환 유닛(310)을 구동하게 된다. 이 경우 상기 다이나믹 음향변환 유닛(310)은 대략 3V 정도의 낮은 전압에서 전류 구동되게 되므로, 별도의 증폭기가 마련되지 않을 수 있다. 그리고, 상기 제2 음역통과 필터(372)로부터 나오는 제2 음역대 신호는 증폭기(382)를 통하여 증폭된 다음, 압전구동 음향변환 유닛(320)에 입력된다. 이상과 같이, 본 실시예에서는 비교적 중음역대인 100Hz ~ 3400Hz의 음역을 다이나믹 음향변환 유닛(310)이 재생하고, 중고음역대인 2500Hz ~ 7000Hz의 음역을 압전구동 음향변환 유닛(320)이 재생함으로써 100Hz ~ 7000Hz에 걸친 광대역을 재생할 수 있는 마이크로 음향 변환기를 구현할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,300... 기판
110,210... 제1 압전구동 음향변환 유닛
120,220... 제2 압전구동 음향변환 유닛
130... 멤브레인 150,250... 제1 압전구동 다이아프램
151... 제1 하부전극 152... 제1 압전층
153... 제1 상부전극 160,260... 제2 압전구동 다이아프램
161... 제2 하부전극 162... 제2 압전층
163... 제2 상부전극
170,370... 크로스오버 네트워크 171,371... 제1 필터
172,372... 제2 필터 181... 제1 증폭기
182... 제2 증폭기 381... 증폭기
201... 제1 기판 202... 제2 기판
310... 다이나믹 음향변환 유닛 320... 압전구동 음향변환 유닛
360... 압전구동 다이아프램

Claims (14)

  1. 제1 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 제1 압전구동 다이아프램을 구비하는 제1 압전구동 음향변환 유닛; 및
    상기 제1 압전구동 음향변환 유닛과 동일 평면 상에 마련되어 상기 제1 음역대보다 높은 제2 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 제2 압전구동 다이아프램을 구비하는 제2 압전구동 음향변환 유닛;을 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 음역대는 100Hz ~ 3400Hz를 포함하며, 상기 제2 음역대는 2500Hz ~ 7000Hz를 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    입력신호를 제1 음역대와 제2 음역대로 분할하는 크로스오버 네트워크(cross-over network) 및 상기 크로스오버 네트워크로부터 나오는 제1 및 제2 음역대 신호들을 증폭하는 증폭기들을 더 구비하는 마이크로 음향 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 크로스오버 네트워크는 제1 음역통과 필터 및 제2 음역통과 필터를 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛은 동일 기판 상에 마련되는 마이크로 음향 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전구동 음향변환 유닛은 별개의 기판 상에 각각 마련되는 마이크로 음향 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램 각각은 기판 상에 마련되는 멤브레인과 상기 멤브레인 상에 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극을 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압전구동 다이아프램은 크기 또는 형상이 서로 다른 마이크로 음향 변환기.
  9. 제1 음역대를 재생하기 위한 다이나믹 음향변환 유닛; 및
    상기 다이나믹 음향변환 유닛과 동일 평면 상에 마련되어 상기 제1 음역대보다 높은 제2 음역대를 재생하기 위한 것으로, 적어도 하나의 압전구동 다이아프램을 구비하는 압전구동 음향변환 유닛;을 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 음역대는 100Hz ~ 3400Hz를 포함하며, 상기 제2 음역대는 2500Hz ~ 7000Hz를 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    입력신호를 제1 음역대와 제2 음역대로 분할하는 크로스오버 네트워크 및 상기 크로스오버 네트워크로부터 나오는 제2 음역대 신호를 증폭하는 증폭기를 더 구비하는 마이크로 음향 변환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 크로스오버 네트워크는 제1 음역통과 필터 및 제2 음역통과 필터를 포함하는 마이크로 음향 변환기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 압전구동 다이아프램은 동일 기판 상에 마련되는 마이크로 음향 변환기.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전구동 다이아프램은 기판 상에 마련되는 멤브레인과 상기 멤브레인 상에 순차적으로 적층되는 하부전극, 압전층 및 상부전극을 포함하는 마이크로 음향 변환기.
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