KR20180053031A - 압전 미소 기계식 공진기 - Google Patents

압전 미소 기계식 공진기 Download PDF

Info

Publication number
KR20180053031A
KR20180053031A KR1020160150337A KR20160150337A KR20180053031A KR 20180053031 A KR20180053031 A KR 20180053031A KR 1020160150337 A KR1020160150337 A KR 1020160150337A KR 20160150337 A KR20160150337 A KR 20160150337A KR 20180053031 A KR20180053031 A KR 20180053031A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
support beam
piezoelectric
piezoelectric sensor
lower electrode
mass
Prior art date
Application number
KR1020160150337A
Other languages
English (en)
Inventor
윤용섭
강성찬
김재흥
박상하
이충호
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020160150337A priority Critical patent/KR20180053031A/ko
Priority to US15/477,203 priority patent/US10742190B2/en
Publication of KR20180053031A publication Critical patent/KR20180053031A/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02244Details of microelectro-mechanical resonators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/173Air-gaps
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/56Monolithic crystal filters
    • H03H9/562Monolithic crystal filters comprising a ceramic piezoelectric layer
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/56Monolithic crystal filters
    • H03H9/564Monolithic crystal filters implemented with thin-film techniques
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • H03H9/54Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/58Multiple crystal filters
    • H03H9/582Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
    • H03H9/583Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques comprising a plurality of piezoelectric layers acoustically coupled
    • H03H9/585Stacked Crystal Filters [SCF]
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304Beam type
    • H10N30/306Cantilevers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877Conductive materials
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H2009/155Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material using MEMS techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

개시된 압전 미소 기계식 공진기는, 지지부재에 일단이 고정되며 타단이 자유단인 지지빔과, 상기 지지빔의 제1면 상에서 그 일측이 상기 지지부재에 부착되며 순차적으로 배치된 하부전극, 압전부, 상부전극을 포함하는 압전 센서부와, 상기 지지빔의 제1면 상에서 상기 지지빔의 자유단 측 상에 배치된 집중 질량을 포함한다. 상기 상부전극의 영률이 상기 하부전극의 영률 보다 작다.

Description

압전 미소 기계식 공진기{Piezoelectric micromechanical resonator}
실시예는 센싱 감도가 개선된 압전 미소 기계식 공진기에 관한 것이다.
음향 특성 또는 진동 특성을 분석하기 위한 미소 기계식 공진기는 주로 캔티레버 구조의 빔을 이용한다. 상기 캔티레버 구조는 일 측이 고정된 상태에서 타측이 진동하게 된다.
이러한 미소 기계식 공진기는 모바일 전자소자, 자동차 등에서 음향 또는 음성 정보의 분석을 위해 사용될 수 있다.
또한, 인간의 피부 등에 부착되어서 심박 등의 생체 정보를 측정하거나, 자동차, 가전에 탑재되어 진동 정보를 측정할 수 있다.
정확한 정보를 취득하기 위해 음향 특성 또는 진동 특성을 분석하기 위한 미소 기계식 공진기의 센싱 감도를 향상시키는 방법이 계속적으로 요구된다
센싱 감도를 향상시킨 압전 미소 기계식 공진기를 제공한다.
실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기는:
지지부재에 일단이 고정되며 타단이 자유단인 지지빔;
상기 지지빔의 제1면 상에서 그 일측이 상기 지지부재에 부착되며 순차적으로 배치된 하부전극, 압전부, 상부전극을 포함하는 압전 센서부; 및
상기 지지빔의 제1면 상에서 상기 지지빔의 자유단 측 상에 배치된 집중 질량;을 포함하며,
상기 상부전극의 영률이 상기 하부전극의 영률 보다 작다.
상기 하부전극은 몰리브덴을 포함하며, 상기 상부전극은 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 상부전극의 두께는 상기 하부전극의 두께 보다 얇을 수 있다.
상기 압전 센서부 하부의 상기 지지빔의 센싱 영역의 두께는 나머지 비센싱 영역의 상기 지지빔의 두께 보다 얇을 수 있다.
상기 지지빔의 비센싱 영역에서 상기 지지빔 및 상기 집중 질량 사이에 배치된 질량부를 더 포함할 수 있다.
상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 조성을 가지는 층들의 스택일 수 있다.
상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극 층 또는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극층 및 압전부 층으로 이루어진 스택을 포함할 수 있다.
상기 압전부는 알루미늄 나이트라이드를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기는:
지지부재에 일단이 고정되며, 순차적으로 배치된 하부전극, 압전부, 상부전극을 포함하는 압전 센서부;
상기 압전 센서부의 일면에서 상기 지지부재로부터 이격된 상기 압전 센서부의 일측에 부착된 지지빔; 및
상기 지지빔 상에서 상기 압전 센서부와 마주보게 상기 지지빔의 일측 상에 배치된 집중 질량;을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기는 압전 센서부를 지지하는 지지빔의 구조 또는 상부전극의 영률 등을 변경하여 진동의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 도 1의 센싱 영역의 일부인 센싱 스택의 단면도다.
도 3은 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 4는 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 5는 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 1을 참조하면, 압전 미소 기계식 공진기(100)는 캔티레버 구조일 수 있다. 압전 미소 기계식 공진기(100)는 일단(고정단(121))이 지지부재(110)에 고정되며 타단이 자유단(122)인 지지빔(120)을 포함한다.
지지부재(110)는 모바일 전자소자, 예컨대 모바일 폰 또는 자동차 등에 형성된 부재일 수 있다.
지지빔(120)은 플레이트 타입일 수 있다. 예컨대, 그 폭이 높이 보다 크다. 지지빔(120)은 대략 1 ㎛ 두께로 이루어질 수 있다. 또한, 그 길이는 상기 높이 보다 클 수 있다. 지지빔(120)의 폭은 대략 수 십 ㎛ 내지 수 백 ㎛ 일 수 있다. 지지빔(120)은 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 지지빔(120)은 글래스, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등으로도 형성될 수 있다.
지지빔(120)의 제1면(120a) 상에서 일측에는 압전 센서부(130)가 설치되며 지지빔(120)의 제1면(120a) 상에서 타측에는 집중 질량(150)(lumped mass)(150)이 배치될 수 있다. 지지빔(120)은 압전 압전 센서부(130)가 배치된 센싱 영역(A1)과 나머지 영역의 비센싱 영역(A2)을 포함한다.
지지빔(120)의 제1면(120a) 상에서 압전 센서부(130)와 집중 질량(150)은 서로 마주보도록 이격되게 배치될 수 있다. 실시예에서는 압전 센서부(130)와 집중 질량(150)이 지지빔(120)의 제1면(120a) 상에 각각 배치되어 있으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 압전 센서부(130)는 지지빔(120)의 제1면(120a) 상에 배치되고, 집중 질량(150)은 지지빔(120)의 제2면(120b) 상에 배치될 수도 있다.
압전 센서부(130)는 지지빔(120) 상으로 순차적으로 배치된 하부전극(131), 압전부(132), 및 상부전극(133)을 포함할 수 있다. 압전 센서부(130)의 일측은 지지부재(110)에 고정될 수 있다. 하부전극(131) 및 상부전극(133), 압전부(132)는 각각 대략 0.1 ㎛ ~ 0.3 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
압전부(132)는 알루미늄 나이트라이드 또는 PZT로 이루어질 수 있다.
하부전극(131)은 그 위에 압전부(132), 예컨대 알루미늄 나이트라이드를 증착시 알루미늄 나이트라이드의 결정성을 양호하게 하도록 몰리브덴으로 이루어질 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 하부전극(131)은 백금으로 이루어질 수도 있다.
상부전극(133)은 몰리브덴 보다 영률(young's modulus)이 작은 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상부전극(133)은 알루미늄, 구리, 티타늄 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부전극(133)의 두께는 하부 전극의 두께 보다 얇게 형성될 수 있다.
집중 질량(150)은 캔티레버 구조의 동적 거동에서 소리, 진동 등의 외력이 작용할 때 집중 질량(150)의 관성력을 증가시킨다. 집중 질량(150)은 스틸 또는 텅스텐을 포함할 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 공진기(100)의 작용을 설명한다.
도 2는 도 1의 센싱 영역(A1)의 일부인 센싱 스택의 단면도다. 센싱 스택은 지지빔층(120'), 하부전극층(131'), 압전부층(132'), 상부전극층(133')을 포함한다. 두께 t1은 neutral axis로부터 하부전극(131) 상부면 까지의 높이, 두께 t2는 neutral axis로부터 상부전극(133) 상부면 까지의 높이를 가리킨다. Neutral axis는 지지빔(120)이 벤딩될 때 스트레인이 제로가 되는 영역이다. Neutral axis 에서는 스트레인 또는 스트레스가 없다. 도 1에서 고정단(121)이 고정되고 자유단(122)에 아래 방향으로 힘이 가해지면, neutral axis 위쪽에서는 인장 스트레인이 발생되며, neutral axis 아래쪽에서는 압축 스트레인이 발생된다. 한편, 도 1에서 고정단(121)이 고정되고 자유단(122)에 위 방향으로 힘이 가해지면, neutral axis 위쪽에서는 압축 스트레인이 발생되며, neutral axis 아래쪽에서는 인장 스트레인이 발생된다. 이때, neutal axis에서는 strain 이 발생되지 않는다.
도 1에서와 같이, 외팔보 형태의 집중 질량(150)을 갖는 빔 구조에서 외력(사운드 또는 진동 등 시간에 따라 변하는 힘)이 작용할 때 집중 질량(150)의 거동에 따라서 관성력(Mx")이 발생한다. 지지빔(120)의 공진주파수와 외력의 주파수가 같게 되면 공진이 일어나고, 이 때 관성력이 가장 크게 발생한다. 상기 관성력은 압전 센서부(130)와 집중 질량(150) 사이의 거리에 비례하여 압전 센서부(130)에 굽힘 모멘트를 발생시키고, 이 모멘트는 압전 센서부(130)를 구성하는 각각의 층(하부전극(131), 압전부(132), 상부전극(133))에 스트레스를 유발하게 된다. 센싱 스택의 neutral axis를 중심으로 하여 한 쪽은 인장 스트레스, 다른 쪽은 압축 스트레스를 받는다. 이 때, 압전부(132)에서 발생하는 스트레스는 그 크기에 따라 전하를 발생시키고, 아래 식 1에 따라, 압전부(132) 위/아래에 형성된 상부전극/하부전극 사이의 정전용량에 반비례하여 전압을 발생시킨다.
[식 1] V = Q/C
여기서 Q는 전하량, C는 정전용량, V는 생성된 전압을 나타낸다.
식 1을 압전 센서부(130)에 작용하는 집중 질량(150)의 관성력과 압전 센서부(130)의 각 층들의 mechanical property와 physical dimension의 함수로 표시하면 식 2와 같다.
[식 2]
Figure pat00001
여기서, M은 집중 질량의 무게, x"는 집중질량의 가속도, d31은 압전부의 압전 상수, ε는 유전율, Ei는 i번째 층의 영률, Ii는 i번째 층의 moment of inertia of area, t1은 압전 센서부의 스택의 neutral axis로부터 하부전극 까지의 높이, t2는 압전 센서부의 스택의 neutral axis로부터 압전부 까지의 높이를 가리킨다. V는 측정된 전압을 가리킨다. Lb는 집중질량부 및 압전 센서부 사이의 길이를 가리킨다.
E3는 압전부의 영률이며, (EI)overall= E1I1 + E2I2 + E3I3 + E4I4이다. 여기서, i번째 층은 지지빔(120), 하부전극(131), 압전부(132), 상부전극(133) 순으로 1~4 이다.
압전 센서부의 감도를 향상시키려면 발생되는 전압(V)을 증가시켜야 하며, 이를 위해서 식 2로부터 (EI)overall을 감소시키거나 집중 질량의 가속도를 증가시켜야 함을 알 수 있다.
(EI)overall을 감소시키기 위해 상부 전극을 하부 전극의 영률 보다 작은 도전물질을 사용하거나(E4가 E2 보다 작게 된다), 상부전극의 두께를 하부전극의 두께보다 작게 한다(I4가 I2보다 작아짐).
도 3은 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기(200)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 압전 미소 기계식 공진기(200)는 캔티레버 구조일 수 있다. 압전 미소 기계식 공진기(200)는 일단(고정단(221))이 지지부재(110)에 고정되며 타단이 자유단(222)인 지지빔(220)을 포함한다.
지지부재(110)는 모바일 전자소자, 예컨대 모바일 폰 또는 자동차 등의 부재일 수 있다.
지지빔(220)은 플레이트 타입일 수 있다. 예컨대, 그 폭이 높이 보다 크다. 지지빔(220)은 대략 1 ㎛ 두께로 이루어질 수 있다. 또한, 그 길이는 상기 높이 보다 클 수 있다. 지지빔(220)은 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 지지빔(220)은 글래스, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등으로도 형성될 수 있다.
지지빔(220)의 제1면(220a) 상에서 일측에는 압전 센서부(130)가 설치되며 지지빔(220)의 제1면(120a) 상에서 타측에는 집중 질량(150)(lumped mass)이 배치될 수 있다. 지지빔(220)은 압전 센서부(130)가 배치된 센싱 영역(A1)과 나머지 영역의 비센싱 영역(A2)을 포함한다.
센싱 영역(A1)의 지지빔(120)의 두께는 비센싱 영역(A2)의 지지빔(120) 두께 보다 얇게 형성될 수 있다. 예컨대, 비 센싱 영역(A2)의 지지빔(220) 두께가 1 ㎛ 이고, 센싱 영역(A1)의 지지빔(220) 두께는 0.1㎛ ~ 0.6㎛ 두께를 가질 수 있다. 센싱 영역(A1)의 지지빔(220) 두께가 상대적으로 얇으면, 식 2에서 E1I1 의 값이 감소하며, 따라서, 압전 센서부(130)의 검출 감도가 향상된다.
실시예에서는 지지빔(220)의 제2면(220b)으로부터 센싱 영역(A1)이 식각되어서 센싱 영역(A1)의 지지빔(220)의 두께가 얇으나, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 지지빔(220)의 제1면(220a)으로부터 센싱 영역(A1)이 식각되어서 센싱 영역(A1)의 지지빔(220)의 두께가 얇게 되거나, 지지빔(220)의 센싱영역의 제1면(220a) 및 제2면(220b)을 함께 식각하여 센싱 영역(A1)의 지지빔(220)의 두께를 얇게 할 수도 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기(300)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 압전 미소 기계식 공진기(300)는 캔티레버 구조일 수 있다. 압전 미소 기계식 공진기(300)는 일단이 지지부재(110)에 고정된 압전 센서부(130)를 포함한다. 압전 센서부(130)의 타단의 하부에는 지지빔(320)의 일단의 상부면(320a)이 고정된다. 지지빔(320)의 타단은 고정되어 있지 않다.
지지부재(110)는 모바일 전자소자, 예컨대 모바일 폰 또는 자동차 등의 부재일 수 있다.
지지빔(320)은 플레이트 타입일 수 있다. 예컨대, 그 폭이 높이 보다 크다. 지지빔(320)은 대략 1 ㎛ 두께로 이루어질 수 있다. 또한, 그 길이는 상기 높이 보다 클 수 있다. 지지빔(320)은 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 지지빔(320)은 글래스, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등으로도 형성될 수 있다.
지지빔(320)의 제1면(320a) 상에서 일측에는 압전 센서부(130)의 일부가 연결되며 지지빔(320)의 제1면(320a) 상에서 타측에는 집중 질량(150)(lumped mass)이 배치될 수 있다. 압전 미소 기계식 공진기(300)는 압전 센서부(130)가 배치된 센싱 영역(A1)과 나머지 영역의 비센싱 영역(A2)을 포함한다. 센싱 영역(A1)은 압전 센서부(130)의 영역과 같을 수 있다. 센싱 영역(A1)에서의 지지빔(320)의 길이(d1)는 센싱 영역(A1)에서의 지지빔(320)을 에칭하여 제거함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 센싱 영역(A1)에서의 지지빔(320)은 대부분이 제거되며, 센싱 영역(A1)에서의 지지빔(320)은 지지빔(320)을 압전 센서부(130)에 고정되게 한다. 센싱 영역(A1)의 지지빔(320)의 길이가 거의 존재하지 않으므로, 식 2에서 E1I1 의 값이 감소하며, 따라서, 압전 센서부(130)의 검출 감도가 향상될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기(400)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 1의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 압전 미소 기계식 공진기(400)는 캔티레버 구조로 형성된다. 압전 미소 기계식 공진기(400)는 일단(고정단(121))이 지지부재(110)에 고정되며 타단이 자유단(122)인 지지빔(120)을 포함한다.
지지부재(110)는 모바일 전자소자, 예컨대 모바일 폰 또는 자동차 등의 부재일 수 있다.
지지빔(120)은 플레이트 타입일 수 있다. 예컨대, 그 폭이 높이 보다 크다. 지지빔(120)은 대략 1 ㎛ 두께로 이루어질 수 있다. 또한, 그 길이는 상기 높이 보다 클 수 있다. 지지빔(120)은 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 지지빔(120)은 글래스, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등으로도 형성될 수 있다.
지지빔(120)의 제1면(120a) 상에서 일측에는 압전 센서부(130)가 설치되며, 지지빔(120)의 타측에는 질량부 및 집중 질량(450)(lumped mass)이 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 질량부는 하부전극층(431), 압전부층(432), 상부전극층(433)을 포함하는 압전 스택(460)일 수 있다. 압전 센서부(130)와 압전 스택(460)은 소정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 압전 스택(460)과 압전 센서부(130)는 함께 동일층으로 형성된 후, 압전 센서부(130)와 압전 스택(460) 사이를 식각하여 이격되게 형성될 수 있다.
지지빔(120)은 압전 센서부(130)가 배치된 센싱 영역(A1)과 나머지 영역의 비센싱 영역(A2)을 포함한다.
압전 스택(460)은 지지빔(120)의 제1면(120a) 상으로 압전 센서부(130)의 층들을 형성시 지지빔(120) 상으로 함께 형성될 수 있다. 압전 스택(460)의 하부전극층(431), 압전부층(432), 상부전극층(433) 각각은 압전 센서부(130)의 하부전극(131), 압전부(132), 상부전극(133)과 실질적으로 동일한 물질 및 높이로 형성될 수 있다.
집중 질량을 가지는 외팔보의 운동방정식은 식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[식 3]
Figure pat00002
여기서, c는 댐핑 계수, k는 지지빔의 강성, Feq는 외력을 가리킨다.
식 3에서 보면, 지지빔의 강성(k)이 증가함에 따라 집중 질량의 가속도(x")는 증가한다. 지지빔의 두께를 증가시키면 지지빔의 강성은 증가하므로, 지지빔의 비센싱부의 구조를 압전 센서부의 스택 구조와 동일하게 하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
압전 스택(460)은 비센싱부의 지지빔(120)의 강성을 증가시키며, 이에 따라 식 2의 가속도(x")를 증가시킨다. 결과적으로 검출 전압(V)이 증가하며 공진기(400)의 센싱 감도가 향상된다.
도 5에서는 압전 스택(460)이 압전 센서부(130)와 같은 구성으로 되어 있지만, 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 압전 스택(460)에서 상부전극층 (433) 또는 상부전극층(433) 및 압전부층(432)를 형성하지 않을 수도 있다. 또한, 압전 센서부(130)의 물질과 다른 물질로도 형성될 수 있다.
도 5에서는 집중 질량(150)이 압전 스택 상에 배치되나 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 집중 질량(150)이 지지빔(120)의 제2면(120b) 상에 배치될 수도 있다.
실시예에 따른 압전 미소 기계식 공진기는 압전 센서부를 지지하는 지지빔의 구조 또는 상부전극의 영률 등을 변경하여 진동의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 압전 미소 기계식 공진기 110: 지지부재
120: 지지빔 120a: 제1면
120b: 제2 면 121: 고정단
122: 자유단 130: 압전 센서부
131: 하부전극 132: 압전부
133: 상부전극 150: 집중 질량
A1: 센싱 영역 A2: 비센싱 영역

Claims (16)

  1. 지지부재에 일단이 고정되며 타단이 자유단인 지지빔;
    상기 지지빔의 제1면 상에서 그 일측이 상기 지지부재에 부착되며 순차적으로 배치된 하부전극, 압전부, 상부전극을 포함하는 압전 센서부; 및
    상기 지지빔의 제1면 상에서 상기 지지빔의 자유단 측 상에 배치된 집중 질량;을 포함하며,
    상기 상부전극의 영률이 상기 하부전극의 영률 보다 작은 압전 미소 기계식 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부전극은 몰리브덴을 포함하며, 상기 상부전극은 알루미늄을 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부전극의 두께는 상기 하부전극의 두께 보다 얇은 압전 미소 기계식 공진기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 센서부 하부의 상기 지지빔의 센싱 영역의 두께는 나머지 비센싱 영역의 상기 지지빔의 두께 보다 얇은 압전 미소 기계식 공진기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지빔의 비센싱 영역에서 상기 지지빔 및 상기 집중 질량 사이에 배치된 질량부를 더 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 조성을 가지는 층들의 스택인 압전 미소 기계식 공진기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극 층 또는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극층 및 압전부 층으로 이루어진 스택을 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전부는 알루미늄 나이트라이드를 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  9. 지지부재에 일단이 고정되며, 순차적으로 배치된 하부전극, 압전부, 상부전극을 포함하는 압전 센서부;
    상기 압전 센서부의 일면에서 상기 지지부재로부터 이격된 상기 압전 센서부의 일측에 부착된 지지빔; 및
    상기 지지빔 상에서 상기 압전 센서부와 마주보게 상기 지지빔의 일측 상에 배치된 집중 질량;을 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상부전극의 영률이 상기 하부전극의 영률 보다 작은 압전 미소 기계식 공진기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하부전극은 몰리브덴을 포함하며, 상기 상부전극은 알루미늄을 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 상부전극의 두께는 상기 하부전극의 두께 보다 얇은 압전 미소 기계식 공진기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지빔의 비센싱 영역에서 상기 지지빔 및 상기 집중 질량 사이에 배치된 질량부를 더 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 조성을 가지는 층들의 스택인 압전 미소 기계식 공진기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 질량부는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극 층 또는 상기 압전 센서부와 동일한 하부전극층 및 압전부 층으로 이루어진 스택을 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 압전부는 알루미늄 나이트라이드를 포함하는 압전 미소 기계식 공진기.
KR1020160150337A 2016-11-11 2016-11-11 압전 미소 기계식 공진기 KR20180053031A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150337A KR20180053031A (ko) 2016-11-11 2016-11-11 압전 미소 기계식 공진기
US15/477,203 US10742190B2 (en) 2016-11-11 2017-04-03 Piezoelectric micromechanical resonator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150337A KR20180053031A (ko) 2016-11-11 2016-11-11 압전 미소 기계식 공진기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180053031A true KR20180053031A (ko) 2018-05-21

Family

ID=62108132

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160150337A KR20180053031A (ko) 2016-11-11 2016-11-11 압전 미소 기계식 공진기

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10742190B2 (ko)
KR (1) KR20180053031A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10823814B2 (en) 2017-09-01 2020-11-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Sound direction detection sensor including multi-resonator array
US11973485B2 (en) 2020-11-03 2024-04-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Micromechanical resonator and resonator system including the same

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102452948B1 (ko) 2017-07-18 2022-10-11 삼성전자주식회사 미소 기계식 공진기 및 이를 포함하는 공진기 시스템
KR20200059379A (ko) 2018-11-20 2020-05-29 삼성전자주식회사 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법
JP2022532365A (ja) * 2019-05-15 2022-07-14 ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト 強誘電体センサ
KR102626924B1 (ko) 2019-06-20 2024-01-19 삼성전자주식회사 지향성 음향 센서와, 이를 이용한 지향 특성의 조절 방법 및 특정 방향의 음향 신호 감쇄 방법
KR20210050323A (ko) 2019-10-28 2021-05-07 삼성전자주식회사 미소 기계식 공진기 및 이를 포함하는 공진기 시스템
CN111337119B (zh) * 2020-01-10 2021-01-15 武汉敏声新技术有限公司 一种高灵敏度的振动传感器
US11152024B1 (en) * 2020-03-30 2021-10-19 Western Digital Technologies, Inc. Piezoelectric-based microactuator arrangement for mitigating out-of-plane force and phase variation of flexure vibration
US12000740B2 (en) * 2020-11-17 2024-06-04 Board Of Trustees Of Michigan State University Sensor apparatus
US20220190231A1 (en) * 2020-12-15 2022-06-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Self-adaptive flexural wave absorbing system and related method
KR20230086877A (ko) 2021-12-08 2023-06-16 삼성전자주식회사 지향성 음향 센서
KR20230095689A (ko) 2021-12-22 2023-06-29 삼성전자주식회사 마이크로폰 패키지 및 이를 포함하는 전자 장치

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4259458B2 (ja) * 2004-11-30 2009-04-30 パナソニック電工株式会社 圧電型発電機構
JP2007221189A (ja) * 2006-02-14 2007-08-30 Toshiba Corp 薄膜圧電共振器及び薄膜圧電共振器フィルタ
JP5123532B2 (ja) * 2007-01-30 2013-01-23 太陽誘電株式会社 マイクロカンチレバー
KR100975010B1 (ko) 2008-02-29 2010-08-09 성균관대학교산학협력단 다중 크기 압전 마이크로 칸티레버 공진자 어레이를 이용한 물리센서 및 그 제작방법
EP2109217A3 (en) * 2008-04-07 2013-05-15 Stichting IMEC Nederland System and method for resonance frequency tuning of resonant devices
JP5888486B2 (ja) * 2011-10-03 2016-03-22 セイコーエプソン株式会社 発電装置、発電装置の制御方法、電子機器、および移動手段
JP6059875B2 (ja) 2012-02-24 2017-01-11 株式会社アルバック 圧電素子の製造方法
JP2014050224A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Seiko Epson Corp 発電装置、2次電池、電子機器、及び移動手段
EP2922194B1 (en) * 2012-11-19 2017-12-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Power-generating device
SG10201408210UA (en) * 2013-11-22 2015-06-29 Agency Science Tech & Res Energy harvesting device and method for forming the same
US9455681B2 (en) 2014-02-27 2016-09-27 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Bulk acoustic wave resonator having doped piezoelectric layer
KR20160146008A (ko) * 2015-06-11 2016-12-21 (주)와이솔 압전 진동 모듈
KR102452948B1 (ko) * 2017-07-18 2022-10-11 삼성전자주식회사 미소 기계식 공진기 및 이를 포함하는 공진기 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10823814B2 (en) 2017-09-01 2020-11-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Sound direction detection sensor including multi-resonator array
US11973485B2 (en) 2020-11-03 2024-04-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Micromechanical resonator and resonator system including the same

Also Published As

Publication number Publication date
US20180138886A1 (en) 2018-05-17
US10742190B2 (en) 2020-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180053031A (ko) 압전 미소 기계식 공진기
JP5341807B2 (ja) 加速度センサ
KR102452948B1 (ko) 미소 기계식 공진기 및 이를 포함하는 공진기 시스템
JP5562517B2 (ja) 表面加工により形成される可変厚さの共振型マイクロ慣性センサ
JP5713737B2 (ja) ノイズを低減した力センサ
Devoe et al. Surface micromachined piezoelectric accelerometers (PiXLs)
JP4552883B2 (ja) 振動検出方法
US9279822B2 (en) Micromechanical structure and method for manufacturing a micromechanical structure
JP2002131331A (ja) 半導体力学量センサ
KR20090039750A (ko) 진동 센서 및 그 제조 방법
JP2011004129A (ja) マイクロフォン
CN109152568B (zh) 电容检测型超声波换能器及具备其的超声波拍摄装置
JP2002005955A (ja) 容量式力学量センサ
JP2003240798A (ja) 容量式力学量センサ
JPH02248865A (ja) 加速度検出装置
CN111065889B (zh) 振动陀螺仪
JP6627663B2 (ja) 物理量センサ
US11146240B2 (en) Micromechanical resonator and resonator system including the same
JP2004170145A (ja) 容量式力学量センサ
US20050204816A1 (en) Semiconductor dynamic quantity sensor
WO2015033522A1 (ja) 歪センサ
JP2009092396A (ja) 振動式センサ
KR20200059379A (ko) 공진기, 이를 포함하는 공진기 시스템 및 공진기 제조 방법
JP2006153481A (ja) 力学量センサ
JP4362739B2 (ja) 振動型角速度センサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal