KR20220059848A - 미소 기계식 공진기 및 이를 채용한 공진기 시스템 - Google Patents

미소 기계식 공진기 및 이를 채용한 공진기 시스템 Download PDF

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KR20220059848A
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piezoelectric
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sensor unit
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윤용섭
강성찬
김재흥
이충호
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삼성전자주식회사
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Abstract

개시된 미소 기계식 공진기는, 지지 부재에 지지된 제1부분과 상기 제1부분으로부터 길이 방향으로 이격된 제2부분을 포함하는 지지 빔과, 상기 제1부분과 상기 제2부분 사이에 개재되어 상기 제1부분과 상기 제2부분을 연결하는 압전 센서부를 포함한다.

Description

미소 기계식 공진기 및 이를 채용한 공진기 시스템{Micromechanical resonator and resonator system including the same}
미소 기계식 공진기 및 이를 채용한 공진기 시스템이 개시된다.
미소 기계식 공진기는 일 측이 고정된 상태에서 타측이 진동하는 캔틸레버 빔(cantilever beam) 구조를 가진다. 미소 기계식 공진기는 캔틸레버 빔 구조의 진동을 통해, 음향 특성 또는 진동 특성을 분석할 수 있다. 미소 기계식 공진기는 모바일 전자소자, 자동차 등에서 음향 또는 음성 정보의 분석을 위해 사용될 수 있다. 또한, 미소 기계식 공진기는 인간의 피부 등에 부착되어서 심박수 등의 생체 정보를 측정하거나, 자동차, 가전 기기에 탑재되어 진동 정보를 측정할 수 있다. 또한, 미소 기계식 공진기는 음향이나 진동을 이용하여 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 장치로 활용될 수도 있다.
크기를 줄일 수 있는 미소 기계식 공진기를 제공한다.
센싱 감도가 향상된 미소 기계식 공진기를 제공한다.
실시예에 따른 미소 기계식 공진기는, 지지 부재; 상기 지지 부재에 지지된 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 길이 방향으로 이격된 제2부분을 포함하는 지지 빔; 상기 제1부분과 상기 제2부분 사이에 개재되어 상기 제1부분과 상기 제2부분을 연결하는 압전 센서부;를 포함한다.
상기 압전 센서부의 단면 2차 관성 모멘트는 상기 지지 빔의 단면 2차 관성 모멘트와 동일할 수 있다.
상기 압전 센서부는 압전층과, 상기 압전층의 상부와 하부에 각각 위치되는 상부 전극층과 하부 전극층을 포함하며, 상기 압전 센서부의 중립면은 상기 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나에 위치될 수 있다. 상기 압전 센서부는 상기 압전층을 기준으로 하여 두께 방향으로 비대칭일 수 있다.
상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부 영역은 상기 지지 부재에 지지될 수 있다. 상기 미소 기계식 공진기는, 상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다. 상기 연결부의 조성은 상기 압전 센서부의 조성과 동일할 수 있다.
상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부는 상기 지지 부재로부터 이격될 수 있다. 상기 압전 센서부는 상기 제1부분의 표면으로 연장될 수 있다. 상기 미소 기계식 공진기는, 상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 미소 기계식 공진기는, 지지 부재; 상기 지지 부재에 지지되는 제1부분과, 압전층과 상기 압전층의 상부와 하부에 각각 위치되는 상부 전극층과 하부 전극층을 포함하며 상기 제1부분으로부터 길이 방향으로 연장된 압전 센서부와, 상기 압전 센서부로부터 상기 길이 방향으로 연장된 제2부분을 구비하는 캔틸레버;를 포함할 수 있다.
상기 압전 센서부의 단면 2차 관성 모멘트는 상기 제1부분과 상기 제2부분의 단면 2차 관성 모멘트와 동일할 수 있다.
상기 압전 센서부의 중립면은 상기 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나에 위치될 수 있다.
상기 압전 센서부는 상기 압전층을 기준으로 하여 두께 방향으로 비대칭일 수 있다.
상기 상부 전극층의 두께는 상기 하부 전극층의 두께와 다를 수 있다.
상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부 영역은 상기 지지 부재에 지지될 수 있다. 상기 미소 기계식 공진기는, 상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하며 상기 압전 센서부와 동일한 조성을 갖는 연결부를 포함할 수 있다.
상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부는 상기 지지 부재로부터 이격되며, 상기 압전 센서부는 상기 제1부분의 표면으로 연장될 수 있다. 상기 미소 기계식 공진기는, 상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
실시예의 공진기 시스템은, 프레임; 상기 프레임에 지지되는 하나 이상의 전술한 미소 기계식 공진기;를 구비한다.
지지 빔의 길이를 줄여 크기가 감소된 미소 기계식 공진기의 구현이 가능하다. 또한, 압전 센서부의 출력 전압을 상승시켜 센싱 감도가 향상된 미소 기계식 공진기의 구현이 가능하다.
도 1은 실시예에 따른 미소 기계식 공진기의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 2는 압전 센서부의 일 실시예의 단면도이다.
도 3은 압전 센서부의 일 실시예의 단면도이다.
도 4는 비교예에 따른 미소 기계식 공진기의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 비교예의 미소 기계식 공진기와 도 1에 도시된 실시예의 미소 기계식 공진기의 출력 증가비와 노이즈 증가비를 보여주는 그래프이다.
도 6은 미소 기계식 공진기의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 7은 미소 기계식 공진기의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 8은 미소 기계식 공진기의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 공진기 시스템을 나타낸 사시도이다.
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 미소 기계식 공진기(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 도 2는 압전 센서부(30)의 일 실시예의 단면도이다. 도 3은 압전 센서부(30)의 일 실시예의 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 미소 기계식 공진기(100)는, 지지 부재(10), 지지 부재(10)에 지지된 제1부분(21)과 제1부분(21)으로부터 길이 방향(L)으로 이격된 제2부분(22)을 포함하는 지지 빔(20)과, 제1부분(21)과 제2부분(22) 사이에 개재되어 제1부분(21)과 제2부분(22)을 연결하는 압전 센서부(30)를 포함할 수 있다.
지지 부재(10)는 예를 들어 실리콘 기판, 글래스 기판 등일 수 있다. 지지 부재(10)의 상면에는 필요에 따라서 절연층(11)이 개재될 수 있다.
지지 빔(20)은 플레이트 타입일 수 있다. 예를 들어, 지지 빔(20)의 폭은 대략 수 십 ㎛ 내지 수 백 ㎛ 일 수 있으며, 지지 빔(20)의 두께는 폭보다 작을 수 있다. 예를 들어 지지 빔(20)의 두께는 대략 수 ㎛ 정도, 예를 들어 1㎛ 정도일 수 있다. 지지 빔(20)은 예를 들어, 반도체 공정에서 주로 사용되는 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 지지 빔(20)은, 글래스, 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드 등으로도 형성될 수 있다. 제1부분(21)은 지지 부재(10)에 지지된다. 제2부분(22)은 제1부분(21)으로부터 길이 방향(L)으로 이격된다. 제1부분(21)의 폭과 두께는 제2부분(22)의 폭과 두께와 동일할 수 있다. 제1부분(21)과 제2부분(22)은 압전 센서부(30)에 의하여 서로 연결된다.
압전 센서부(30)는 압전층(31)과, 압전층(31)의 하부와 상부에 각각 배치되는 하부 전극층(32)과 상부 전극층(33)을 포함할 수 있다. 압전층(31)은 압전 물질을 포함할 수 있다. 압전층(31)은 예를 들어, AlN, ZnO, SnO, PZT, ZnSnO3, Polyvinylidene fluoride(PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) 또는 PMN-PT를 포함할 수 있다. 하부 전극층(32)과 상부 전극층(33)은 알루미늄, 구리, 티타늄, 몰리브텐, 등의 도전성 금속 물질로 형성될 수 있다. 일 예로서, 압전층(31)은 알루미늄 나이트라이드로 형성될 수 있다. 압전층(31)은 하부 전극층(32) 상에 알루미늄 나이트라이드를 증착하여 형성될 수 있다. 이 경우, 알루미늄 나이트라이드의 결정성을 향상시키기 위하여, 하부 전극층(32)은 몰리브덴으로 형성될 수 있다. 상부 전극층(33)은 알루미늄으로 형성될 수 있다.
실시예에서, 압전 센서부(30)는 제1부분(21)와 제2부분(22) 사이에 개재되며, 제1부분(21)과 제2부분(22)을 연결한다. 지지 빔(20)의 제1부분(21)에 인접한 압전 센서부(30)의 단부 영역(30a)이 지지 부재(10)에 지지된다. 지지 빔(20)과 압전 센서부(30)는 전체적으로 일단부가 지지 부재(10)에 지지된 고정단이고 타단부가 외력에 의하여 진동되는 자유단인 캔틸레버(90)를 형성한다. 다시 말하면, 캔틸레버(90)는 지지 부재(10)에 지지되는 제1부분(21)과, 압전층(31)과 압전층(31)의 상부와 하부에 각각 위치되는 상부 전극층(33)과 하부 전극층(32)을 포함하며 제1부분(21)으로부터 길이 방향(L)으로 연장된 압전 센서부(30)와, 압전 센서부(30)로부터 길이 방향(L)으로 연장된 제2부분(22)을 포함할 수 있다.
압전 센서부(30)의 유효 센싱 영역은 압전 센서부(30) 중에서 단부 영역(30a)을 제외한 부분(30b), 즉 지지 부재(10)에 지지되지 않은 부분(30b)이다. 캔틸레버(90)의 관점에서, 압전 센서부(30)의 부분(30b)이 외력을 센싱하는 센싱부(91)이며, 제2부분(22)이 외력의 센싱에 관여하지 않는 비센싱부(92)이다.
캔틸레버(90)에 외력, 예를 들어, 진동, 음향 또는 압력 등이 작용하면, 캔틸레버(90)에 굽힘 모멘트(bending moment)가 작용된다. 캔틸레버(90)의 공진 주파수와 외력의 주파수가 일치하게 되면 공진 현상이 발생할 수 있으며, 이 경우 굽힘 모멘트가 증가할 수 있다. 굽힘 모멘트는 캔틸레버(90)를 형성하는 압전 센서부(30)의 각 층에 스트레스를 유발하게 된다. 압전층(31)에서는 스트레스에 비례하는 크기의 전하(charge)가 발생된다. 스트레스는 인장 스트레스일 수 있으며, 압축 스트레스일 수도 있다. 압전층(31)에서 발생되는 전하량(Q)는 아래 식(1)로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
...식(1)
여기서, d31은 압전층(31)의 압전 상수, P는 외부 압력, W는 압전층(31)의 폭, E31은 압전층(31)의 영률(young's modulus)이다. ta는 중립면(34)으로부터 압전층(31)의 중립면(34)과 가까운 면(도 2에서는 압전층(31)의 하면이며, 도 3에서는 압전층(31)의 상면)까지의 거리, tb는 중립면(34)으로부터 압전층(31)의 중립면(34)으로부터 먼 면(도 2에서는 압전층(31)의 상면이며, 도 3에서는 압전층(31)의 하면)까지의 거리이다. 중립면(34)은 압전 센서부(30)에 굽힘 모멘트가 작용될 때에 스트레스가 '0'이 되는 면이다. La는 센싱부(91)의 길이이다. Lc는 지지 부재(10)로부터 캔틸레버(90)의 자유단까지의 길이이다. t31은 압전층(31)의 유전율이다. (EIzz)overall은 센싱부(91)의 굽힘 강성(flexural stiffness)이다. 예를 들어, 압전층(31)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트(geometrical moment of inertia)를 각각 E31, I31, 하부 전극층(32)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E32, I32, 상부 전극층(33)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E33, I33 이라 하면, 도 1에 도시된 예에서 (EIzz)overall = E31I31 + E32I32 + E33I33 이다.
압전층(31)에서 발생되는 전하에 의하여, 압전층(31) 위/아래에 형성된 상부 전극층(33)과 하부 전극층(32)에는 전하량(Q)에 비례하고 압전층(31)의 정전 용량(C)에 반비례하여 전압(V)이 발생된다. 압전층(31)의 정전 용량(C)은 압전층(31)의 유전률을ε라 하면, 아래의 식(2)로 표시될 수 있다.
Figure pat00002
...식(2)
식(1)과 식(2)로부터, 전압(V)는 아래 식(3)으로 표시될 수 있다.
Figure pat00003
...식(3)
결과적으로 본 개시에 따른 미소 기계식 공진기(100)에서는, 미소 기계식 공진기(100)의 외부로부터 진동, 음향, 또는 압력 등의 외력에 의하여 압전 센서부(30)에서 발생된 전압(V)을 검출하고 해석하여 진동, 음향 또는 압력 등의 외력에 관한 정보를 얻을 수 있다.
도 4는 비교예에 따른 미소 기계식 공진기(100')의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 비교예에 따른 미소 기계식 공진기(100')는 지지 부재(10')에 지지된 지지 빔(20')과, 지지 빔(20')의 상부 표면에 형성된 압전 센서부(30')를 포함한다. 압전 센서부(30')는 지지 빔(20')의 상부 표면으로부터 차례로 적층된 하부 전극층(32'), 압전층(31'), 및 상부 전극층(33')을 포함한다. La'는 센싱부(91')의 길이이며, Lc'는 지지 부재(10')로부터 지지 빔(20')의 자유단까지의 길이이다. Lb'는 지지 빔(20') 중에서 압전 센서부(30')가 형성되지 않은 부분, 즉 비센싱부(92')의 길이이다.
이하에서, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 효과를 도 4에 도시된 비교예의 미소 기계식 공진기(100')와 비교하여 설명한다.
식(1)과 식(3)을 참조하면, 센싱부의 굽힘 강성((EIzz)overall)이 작을수록 전하량(Q)과 전압(V)이 커진다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 센싱부(91)에는 압전 센서부(30)만이 존재하며, 지지 빔(20)은 존재하지 않는다. 따라서, 압전층(31)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E31, I31, 하부 전극층(32)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E32, I32, 상부 전극층(33)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E33, I33 이라 하면, 센싱부(91)의 굽힘 강성((EIzz)overall)은 E31I31 + E32I32 + E33I33 이다. 이에 대하여, 도 4에 도시된 비교예에 따르면, 센싱부(91')는 지지 빔(20')의 상면에 압전 센서부(30')가 적층된 형태이다. 압전 센서부(30')의 굽힘 강성이 압전 센서부(30)의 굽힘 강성과 동일하다면, 센싱부(91')의 굽힘 강성((EIzz)overall')는 E31I31 + E32I32 + E33I33 + E44I44 이다. 여기서, E44I44 는 지지 빔(20')의 굽힘 강성이다. (EIzz)overall' = (EIzz)overall + E44I44 이므로, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)에 따르면, 센싱부(91)의 굽힘 강성((EIzz)overall)을 작게 할 수 있어, 비교예의 미소 기계식 공진기(100')에 비하여 높은 출력, 즉 높은 전압(V)을 얻을 수 있다.
다음으로, 다시 식(1)과 식(3)을 참조하면, (tb 2-ta 2)이 클수록 압전 센서부(30)에서 발생되는 전하량(Q)과 전압(V)이 커진다. 이를 위하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 중립면(34)은 압전층(31) 이외의 층에 위치되도록 한다. 예를 들어, 중립면(34)은 하부 전극층(32) 또는 상부 전극층(33)에 위치되도록 할 수 있다. 일 예로서, 압전 센서부(30)는 압전층(31)을 기준으로 하여 두께 방향으로 비대칭일 수 있다. 일 예로서, 하부 전극층(32)의 두께와 상부 전극층(33)의 두께가 서로 다를 수 있다. 하부 전극층(32)의 재료와 두께 및 상부 전극층(33)의 재료와 두께는 중립면(34)이 하부 전극층(32) 또는 상부 전극층(33)에 위치되도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 실시예에서, 상부 전극층(33)은 하부 전극층(32)보다 굽힘 강성이 작은 물질로 형성될 수 있으며, 상부 전극층(33)의 두께는 하부 전극층(32)의 두께보다 작을 수 있다. 예를 들어, 하부 전극층(32)은 몰리브덴으로 형성될 수 있으며, 상부 전극층(33)은 굽힘 강성이 작은 알루미늄, 구리, 티타늄 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 실시예에서, 하부 전극층(32)은 상부 전극층(33)보다 굽힘 강성이 작은 물질로 형성될 수 있으며, 하부 전극층(32)의 두께는 상부 전극층(33)의 두께보다 작을 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 비교예의 미소 기계식 공진기(100')에 비하여 더욱 높은 출력, 즉 더욱 높은 전압(V)을 얻을 수 있다.
다음으로, 캔틸레버의 공진 주파수는 공진 가능한 캔틸레버의 길이에 비례한다. 비교예의 미소 기계식 공진기(100')에 따르면, 압전 센서부(30')가 지지 빔(20')의 상면에 지지되어 있으므로, 센싱부(91')의 굽힘 강성((EIzz)all')이 커서 센싱부(91')의 길이(La')에 해당되는 부분은 유효한 공진부로서 기능하기 어렵다. 즉, 비교예의 미소 기계식 공진기(100')에 따르면, 비센싱부(92')가 실질적인 유효 공진부이며, 따라서, 공진 가능한 캔틸레버(90')의 길이는 Lb'이 된다. 이에 대하여, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)에 따르면, 센싱부(91)와 지지 빔(20)의 제2부분(22), 즉 비센싱부(92)가 모두 유효 공진부가 되며, 유효 공진부의 길이는 캔틸레버(90)의 전체 길이(Lc)가 된다. 즉, 동일한 공진 주파수의 경우, 본 실시예의 캔틸레버(90)의 전체 길이(Lc)는 비교예의 캔틸레버(90')의 전체 길이(Lc')보다 작다. 따라서, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)에 따르면, 비교예의 미소 기계식 공진기(100')에 비하여 소형화가 가능하다.
압전 센서부(30)의 단면 2차 관성 모멘트는 지지 빔(20)의 단면 2차 관성 모멘트와 동일할 수 있다. 압전층(31)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트(geometrical moment of inertia)를 각각 E31, I31, 하부 전극층(32)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E32, I32, 상부 전극층(33)의 영률과 단면 2차 관성 모멘트를 각각 E33, I33 이라 하면, 도 1에 도시된 예에서 압전 센서부(30)의 단면 2차 관성 모멘트 (EI)30는 E31I31 + E32I32 + E33I33 이다. 지지 빔(20)의 단면 2차 관성 모멘트를 (EI)20라 하면 (EI)30 = (EI)20가 되도록 압전층(31), 하부 전극층(32), 상부 전극층(33)의 재료와 두께를 결정할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 캔틸레버(90)의 단면 2차 관성 모멘트가 길이 방향(L)으로 균일하므로, 캔틸레버(90)의 안정적인 공진 거동이 가능하다. 이 때, 압전층(31), 하부 전극층(32), 상부 전극층(33)의 재료와 두께를 중립면(34)이 하부 전극층(32)또는 상부 전극층(33) 위치되도록 할 수 있다.
비교예의 미소 기계식 공진기(100')와 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100) 각각에 대하여, 캔틸레버의 길이, 센싱부의 굽힘 강성비, (tb 2 - ta 2)의 비, 전압의 비를 계산한 결과가 표 1에 개시되어 있다. 각각의 값은 공진 주파수 2kHz, 1kHz, 300Hz에 대하여 각각 계산된다. 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 센싱부(91)의 굽힘 강성비, (tb 2 - ta 2)의 비, 및 전압비는 각각 미소 기계식 공진기(100')의 센싱부(91')의 굽힘 강성((EIzz)all'), (tb 2 - ta 2), 및 전압에 대한 비율이다. 계산의 기초 데이터는 아래와 같다.
[비교예의 미소 기계식 공진기(100')의 기초 테이터]
지지 빔(20'): Si(두께 1.5㎛)
압전층(31'): 알루미늄 나이트라이드(AlN, 두께 0.2㎛)
하부 전극층(32'): 몰리브텐(두께 0.15㎛)
상부 전극층(33'): 몰리브텐(두께 0.1㎛)
센싱부(91')의 길이: 300㎛
중립면의 위치: 지지 빔(20')
[본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 기초 테이터]
지지 빔(20): Si(두께 1.5㎛)
압전층(31): 알루미늄 나이트라이드(AlN, 두께 0.5㎛)
하부 전극층(32): 몰리브텐(두께 0.59㎛)
상부 전극층(33): 알루미늄(두께 0.1㎛)
센싱부(91)의 길이: 300㎛
중립면의 위치: 하부 전극층(32)
비교예 실시예
공진 주파수(kHz) 2.0 /1.0 /0.30 2.03 / 1.02 / 0.30
캔틸레버의 전체 길이 1160/1579/2690 870/1250/2380
센싱부의 굽힘 강성의 비 1 0.3
(tb 2 - ta 2)의 비 1 1.2
전압 비 1/1/1 2.0/2.3/3.0
표 1을 참조하면, 비교예의 미소 기계식 공진기(100')와 비교하여 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 출력 전압은 공진 주파수 2kHz, 1kHz, 300Hz에서 각각 약 2배, 2.3배, 3배가 된다. 도 5는 비교예의 미소 기계식 공진기(100')와 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 출력 증가비와 노이즈 증가비를 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 노이즈 증가비가 약 1.6이다. 이는 압전층(31)의 두께가 압전층(31')의 두께보다 2.5배 커졌기 때문이다. 자세히 설명하면, 정전 용량은 압전층의 두께에 반비례한다. 따라서, 압전층의 두께가 2.5배가 되면 정전 용량은 1/2.5배가 된다. 열 노이즈(Thermal niose)는 아래의 식(4)에서 알 수 있는 바와 같이 정전 용량(C)의 제곱근에 반비례한다. 식(4)에서, T는 온도, κ는 볼츠만 상수이다. 결과적으로, 열 노이즈는 압전층의 두께의 제곱근에 비례한다. 따라서, 압전층의 두께가 2.5배가 되면 열 노이즈는 약 1.6배가 된다.
Figure pat00004
...식(4)
열 노이즈의 증가를 감안하더라도, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 신호대출력비(SNR: signal to noise = 출력 증가비/노이즈 증가비)는 2kHz에서 2/1.6 = 1.25가 되며, 300Hz에서는 3/1.6 = 약 1.9가 되어 높은 센싱 감도를 갖는 미소 기계식 공진기(100)의 구현이 가능하다. 동시에 비교예의 미소 기계식 공진기(100')와 비교하여 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100)의 캔틸레버(90)의 길이는 비교예의 미소 기계식 공진기(100')의 캔틸레버(90')에 비하여 2kHz, 1kHz, 300Hz에서 각각 약 25%, 21%, 12% 감소된다. 따라서, 높은 출력 및 센싱 감도를 얻을 수 있는 소형화된 미소 기계식 공진기(100)의 구현이 가능하다. 신호대출력비가 증가되면 예를 들어 아주 작은 소리를 감지할 수 있어 원거리 음성인식 성능 향상에 기여할 수 있다. 또한, 캔틸레버(90)의 길이의 감소는 미소 기계식 공진기(100)의 크기의 감소로 이어져서 미소 기계식 공진기(100)의 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 6은 미소 기계식 공진기(100a)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100a)는, 도 1에 도시된 미소 기계식 공진기(100)와 비교하여, 압전 센서부(30)와 지지 빔(20)의 제2부분(22)을 연결하는 연결부(41)를 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하에서, 차이점을 위주로 설명한다. 연결부(41)는 압전 센서부(30)의 제2부분(22)과 인접한 단부로부터 제2부분(22)의 표면, 예를 들어 제2부분(22)의 상면으로 연장된다. 이에 의하여, 압전 센서부(30)와 제2부분(22)이 연결부(41)에 의하여 서로 견고하게 연결된다. 따라서, 압전 센서부(30)와 제2부분(22)을 포함하는 캔틸레버(90)의 안정적인 공진 거동이 가능하며, 미소 기계식 공진기(100a)의 작동 신뢰성이 향상될 수 있다. 연결부(41)의 제2부분(22)의 표면으로 연장된 길이(Ld)는 압전 센서부(30)와 제2부분(22)을 견고하게 연결할 수 있는 한도 내에서 최소화할 수 있다.
연결부(41)의 재료는 압전 센서부(30)와 지지 빔(20)의 제2부분(22)을 서로 연결할 수 있는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 일 예로서, 연결부(41)의 조성은 압전 센서부(30)의 조성과 동일할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 압전 센서부(30)를 형성할 때에 연결부(41)를 동시에 형성할 수 있으므로, 미소 기계식 공진기(100a)의 제조 공정 비용을 줄일 수 있다.
도 7은 미소 기계식 공진기(100b)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100b)는 압전 센서부(30)의 제1부분(21)에 인접한 단부(35)가 지지 부재(10)로부터 이격된 점에서 도 1에 도시된 미소 기계식 공진기(100)와 차이가 있다. 즉, 지지 빔(20)의 제1부분(21)은 지지 부재(10)의 길이 방향(L)의 단부(10a)를 넘어서 연장된다. 따라서, 압전 센서부(30)의 제1부분(21)에 인접한 단부(35)는 지지 부재(10)로부터 이격된다. 압전 센서부(30)는 제1부분(21)의 표면, 예를 들어 상면으로 연장된다. 압전 센서부(30)의 연장된 부분, 즉 연장부(50)에 의하여 압전 센서부(30)와 지지 빔(20)의 제1부분(21)이 견고하게 연결될 수 있다. 따라서, 캔틸레버(90b)의 안정적인 공진 거동이 가능하며, 미소 기계식 공진기(100c)의 작동 신뢰성이 향상될 수 있다.
연장부(50)의 조성은 압전 센서부(30)의 조성과 동일할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100b)는 미소 기계식 공진기(100)와 비교하여 센싱부(91b)의 길이가 Le만큼 증가된 형태가 된다. 즉 센싱부(91b)의 길이가 La+Le가 된다. 센싱부(91b)의 정전 용량(C)은 센싱부(91b)의 길이에 비례한다. 식(4)에서 알 수 있는 바와 같이 열 노이즈는 정전 용량(C)이 제곱근에 반비례한다. 그러므로, 센싱부(91b)의 길이를 증가시킴으로써 열 노이즈를 감소시킬 수 있으며, 센싱 감도가 향상된 미소 기계식 공진기(100b)가 구현될 수 있다. 또한, 연장부(50)는 압전 센서부(30)의 제조 공정에서 동시에 형성될 수 있으므로, 제조 공정 비용의 증가 없이 연장부(50)의 형성이 가능하다.
도 8은 미소 기계식 공진기(100c)의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 미소 기계식 공진기(100c)는, 도 7에 도시된 미소 기계식 공진기(100b)와 비교하여, 압전 센서부(30)와 지지 빔(20)의 제2부분(22)을 연결하는 연결부(41)를 포함하는 점에서 차이가 있다. 연결부(41)는 압전 센서부(30)의 제2부분(22)과 인접한 단부로부터 제2부분(22)의 표면, 예를 들어 제2부분(22)의 상면으로 연장된다. 이에 의하여, 압전 센서부(30)와 제2부분(22)이 연결부(41)에 의하여 서로 견고하게 연결된다. 따라서, 캔틸레버(90c)의 안정적인 공진 거동이 가능하며, 미소 기계식 공진기(100c)의 작동 신뢰성이 향상될 수 있다. 연결부(41)의 제2부분(22)의 표면으로 연장된 길이(Ld)는 압전 센서부(30)와 제2부분(22)을 견고하게 연결할 수 있는 한도 내에서 최소화할 수 있다. 이에 의하여, 캔틸레버의 굽힘 강성의 증가를 최소화할 수 있다. 연결부(41)의 재료는 압전 센서부(30)와 지지 빔(20)의 제2부분(22)을 서로 연결할 수 있는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 일 예로서, 연결부(41)의 조성은 압전 센서부(30)의 조성과 동일할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 압전 센서부(30)를 형성할 때에 연결부(41)를 동시에 형성할 수 있으므로, 미소 기계식 공진기(100c)의 제조 공정 비용을 줄일 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 공진기 시스템(1000)을 나타낸 사시도이다. 도 9를 참조하면, 공진기 시스템(1000)은 프레임(1001)과, 프레임(1001)에 지지되는 복수의 미소 기계식 공진기(1002)를 포함할 수 있다. 복수의 미소 기계식 공진기(1002) 중 적어도 하나는 도 1 내지 도 3 및 도 6 내지 도 8에 도시된 구조를 가질 수 있다. 지지 부재(10)는 프레임(1001)에 의하여 구현될 수 있다. 복수의 미소 기계식 공진기(1002)는 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 이를 위하여, 복수의 미소 기계식 공진기(1002)의 길이는 서로 다를 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 복수의 미소 기계식 공진기(1002)는 서로 다른 주파수의 외력에 의하여 공진되며, 공진기 시스템(1000)은 예를 들어 음향 스펙트럼 분석기(sound spectrum analizer)로서 기능할 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, 100': 미소 기계식 공진기 10: 지지 부재
11...절연층 20, 20': 지지 빔
21...제1부분 22: 제2부분
30, 30': 압전 센서부 31, 31': 압전층
32, 32': 하부 전극층 33, 33': 상부 전극층
34...중립면 41: 연결부
50: 연장부 90, 90', 90b, 90c...캔틸레버
91, 91', 91b...센싱부 92, 92'...비센싱부
1000...공진기 시스템 1001...프레임
1002...미소 기계식 공진기

Claims (20)

  1. 지지 부재;
    상기 지지 부재에 지지된 제1부분과, 상기 제1부분으로부터 길이 방향으로 이격된 제2부분을 포함하는 지지 빔;
    상기 제1부분과 상기 제2부분 사이에 개재되어 상기 제1부분과 상기 제2부분을 연결하는 압전 센서부;를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 단면 2차 관성 모멘트는 상기 지지 빔의 단면 2차 관성 모멘트와 동일한 미소 기계식 공진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압전 센서부는 압전층과, 상기 압전층의 상부와 하부에 각각 위치되는 상부 전극층과 하부 전극층을 포함하며,
    상기 압전 센서부의 중립면은 상기 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나에 위치되는 미소 기계식 공진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전 센서부는 상기 압전층을 기준으로 하여 두께 방향으로 비대칭인 미소 기계식 공진기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부 영역은 상기 지지 부재에 지지된 미소 기계식 공진기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연결부의 조성은 상기 압전 센서부의 조성과 동일한 미소 기계식 공진기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부는 상기 지지 부재로부터 이격된 미소 기계식 공진기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 센서부는 상기 제1부분의 표면으로 연장된 미소 기계식 공진기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  11. 지지 부재;
    상기 지지 부재에 지지되는 제1부분과, 압전층과 상기 압전층의 상부와 하부에 각각 위치되는 상부 전극층과 하부 전극층을 포함하며 상기 제1부분으로부터 길이 방향으로 연장된 압전 센서부와, 상기 압전 센서부로부터 상기 길이 방향으로 연장된 제2부분을 구비하는 캔틸레버;를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 단면 2차 관성 모멘트는 상기 제1부분과 상기 제2부분의 단면 2차 관성 모멘트와 동일한 미소 기계식 공진기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 중립면은 상기 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나에 위치되는 미소 기계식 공진기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전 센서부는 상기 압전층을 기준으로 하여 두께 방향으로 비대칭인 미소 기계식 공진기.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 상부 전극층의 두께는 상기 하부 전극층의 두께와 다른 미소 기계식 공진기.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부 영역은 상기 지지 부재에 지지된 미소 기계식 공진기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하며, 상기 압전 센서부와 동일한 조성을 갖는 연결부를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전 센서부의 상기 제1부분에 인접한 단부는 상기 지지 부재로부터 이격되며, 상기 압전 센서부는 상기 제1부분의 표면으로 연장된 미소 기계식 공진기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 센서부로부터 상기 제2부분의 표면으로 연장되어 상기 압전 센서부와 상기 제2부분을 연결하는 연결부를 포함하는 미소 기계식 공진기.
  20. 프레임;
    상기 프레임에 지지되는 하나 이상의 전술한 미소 기계식 공진기;를 구비하는 공진기 시스템.
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