KR20220130720A - 향상된 성능을 갖는 mems 변환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직 방향으로 유체에서 압력파를 생성하거나 수신하기 위한 진동막을 포함하는 MEMS 변환기에 관한 것으로, 여기서 진동막은 캐리어에 의해 지지되고 진동막은 수직 방향에 평행하게 형성되고 작동기 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션을 나타낸다. 진동막의 단부는 바람직하게는 전극에 연결되고, 둘 이상의 수직 섹션은 적어도 하나의 전극을 구동하여 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있고, 2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 적어도 하나의 전극에서 전기 신호가 생성될 수 있다.
Description
본 발명은 수직 방향으로 유체에서 압력파를 생성하거나 수신하기 위한 진동막을 포함하는 MEMS 변환기에 관한 것으로, 여기서 진동 멤브레인은 캐리어에 의해 지지되고 진동 멤브레인은 수직 방향에 평행하게 형성되고 작동기 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션을 나타낸다. 진동막의 단부는 바람직하게는 전극에 연결되고, 둘 이상의 수직 섹션은 적어도 하나의 전극을 구동하여 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있고, 2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 적어도 하나의 전극에서 전기 신호가 생성될 수 있다.
오늘날 마이크로시스템 기술은 소형 기계 전자 장치의 제조를 위한 다양한 응용 분야에서 사용된다. 이러한 방식으로 제조할 수 있는 미세전자기계시스템(microelectromechanical systems, 줄여서 MEMS)은 뛰어난 기능과 훨씬 더 낮은 제조 비용을 가진 매우 컴팩트한(마이크로미터 범위)이다.
MEMS 라우드스피커 또는 MEMS 마이크로폰과 같은 MEMS 변환기는 또한 종래 기술로부터 알려져 있다. 현재의 MEMS 라우드스피커는 대부분 방출 방향으로 진동 가능한 멤브레인의 수직 드라이브가 있는 평면 멤브레인 시스템으로 설계되었다. 진동은 예를 들어 압전, 전자기 또는 정전기 액추에이터에 의해 유도된다.
모바일 장치용 전자기 MEMS 확성기는 Shahosseini et al. 2015에 설명되어 있다. MEMS 라우드스피커는 전자기 모터를 통해 평면 외 변위(out-of-plane displacement)를 크게 할 수 있도록 리콘 구동 스프링을 통해 캐리어에 매달려 있는 움직이는 부품과 함께 사운드 라디에이터로 강화된 실리콘 미세 구조가 특징이다.
Stoppel et al. 2017은 동심 압전 액추에이터를 기반으로 하는 개념의 양방향 확성기를 공개한다. 특별한 특징으로 진동막은 폐쇄형 설계가 아니라 8개의 압전 유니모프 액추에이터로 구성되어 있으며, 각각은 압전층과 수동층으로 구성되어 있다. 외부 우퍼는 사다리꼴 모양의 일방적으로 고정된 4개의 액추에이터로 구성되며 내부 트위터는 스프링으로 단단한 프레임에 연결된 4개의 삼각형 액추에이터로 구성된다. 멤브레인의 분리는 더 높은 출력에서 향상된 사운드를 허용해야 한다.
이러한 평면 MEMS 라우드스피커의 단점은 특히 저주파에서 사운드 파워 측면에서 한계가 있다는 것이다. 그 이유 중 하나는 생성될 수 있는 음압 레벨이 주어진 변위에 대한 주파수의 제곱에 비례하기 때문이다. 따라서 충분한 음향 출력을 위해서는 최소 100μm의 진동막 또는 제곱센티미터 범위의 대면적 막의 변위가 필요하다. 두 조건 모두 MEMS 기술로 실현하기 어렵다.
따라서 종래 기술에서는 수직 방출 방향의 진동에 대해 폐쇄된 멤브레인을 갖지 않지만 측면 또는 수평 진동을 생성하도록 구동될 수 있는 다수의 가동 요소를 갖는 MEMS 확성기를 설계하는 것이 제안되었다. 이것의 장점은 증가된 체적 흐름이 작은 표면에서 이동할 수 있으므로 증가된 음력이 제공될 수 있다는 것이다.
예를 들어, 이 원리에 기반한 MEMS 확성기는 US 2018/0179048 A1 또는 Kaiser et al. 2019에 개시되어 있다.
MEMS 확성기는 수직 라멜라로서 상부 웨이퍼와 하부 웨이퍼 사이에 배열되고 적절한 제어 수단에 의해 측면 진동을 생성하도록 구동될 수 있는 복수의 정전기적 굽힘 액추에이터를 포함한다. 여기에서 내부 라멜라는 두 개의 외부 라멜라 반대편에 액추에이터 전극을 형성한다. 전기적으로 분리되어 있는 전극의 연결 노드를 제외하고 3개의 구부러진 라멜라 사이에는 에어 갭이 있다. 내부에서 외부로 전위가 인가되면 앵커에 의해 미리 정해진 선호 방향으로 디자인의 곡률로 인해 양쪽에서 인력이 발생한다. 외부 라멜라의 돌출부는 이동성을 위해 사용된다. 복원력은 기계적 스프링력에 의해 제공된다. 따라서 풀-푸시 작동이 불가능하다.
또 다른 단점은 벤딩 액츄에이터와 덮개/하부 웨이퍼 사이의 이동에 필요한 간격으로 인해 두 챔버 사이에 환기가 발생한다는 것이다. 이것은 더 낮은 차단 주파수를 제한한다. 또한, 벤딩 액츄에이터의 측면 이동과 그에 따른 음향 출력은 당기는 효과와 음향 파괴를 피하기 위해 제한된다.
대안적인 MEMS 기반 공기 펄스 또는 사운드 생성 시스템은 US 2019/011 64 17 A1에 설명되어 있다. 상기 장치는 전방 챔버 뿐만 아니라 후방 챔버 및 다수의 밸브를 포함하며, 여기서 전방 및 후방 챔버는 접힌 멤브레인에 의해 서로 분리되어 있다. 한 실시 양태에서, 접힌 멤브레인은 수평 및 수직 섹션을 갖는 횡단면에서 직사각형 미앤더 구조를 갖는다. 피에조 액츄에이터는 수평 섹션의 동기화된 신축 또는 압축에 의해 수직 섹션의 측면 이동을 유발하기 위해 각 수평 섹션에 위치한다. 제안된 원리를 사용하면 작은 칩 표면에서도 체적 흐름이 증가하여 음파가 생성될 수 있다.
그러나 한 가지 단점은 피에조 액츄에이터의 동기화된 구동에 필요한 노력이 증가한다는 것이다. 일방적으로 구동되는 수평 섹션의 기하학적 배열에 의해 제한되는 측면 진동에 의해 변위되는 체적 측면에서도 개선 가능성이 있다.
US 2002/006208 A1 및 JP 3 919695 B2로부터 2개의 압전 필름이 아코디언 형태의 멤브레인으로 형성되는 압전 확성기가 공지되어 있다. 접힌 형태에서 멤브레인은 예를 들어 나사 연결을 통해 고정되고 복합 측면 프레임으로 진동 멤브레인을 안정화하는 한 쌍의 주름진 판에 의해 각각 측면으로 고정된다. 복수의 전극이 구조화된 형태로 멤브레인의 봉우리와 골에 적용되고 비전도성 물질 스트립에 의해 서로 절연된다. 전극 케이블은 전극을 구동하기 위해 한 쌍의 플레이트 또는 측면 프레임에 배열된다. 대안적으로, 한 쌍의 플레이트는 또한 적어도 부분적으로 전도성 재료로 형성될 수 있다.
거시적 압전 확성기 US 2002/006208 A1 및 JP 3 919695 B2는 MEMS 확성기를 얻기 위한 명백한 방법으로 소형화할 수 없는 조립 공정에서 입수된다. 특히, 두 부분으로 된 측면 프레임에서 멤브레인의 의도된 클램핑, 멤브레인의 파고와 골에 여러 전극의 구조화된 부착 또는 측면 프레임의 전극 케이블과 전극의 연결은 MEMS 프로세스로 이전할 수 없다.
따라서, 선행 기술의 단점에 비추어, MEMS 기반 확성기에 대한 대안적 또는 개선된 솔루션이 필요하다.
본 발명의 목적은 MEMS 변환기, 특히 MEMS 라우드스피커 또는 MEMS 마이크로폰, 뿐만 아니라 선행 기술의 단점을 나타내지 않는 MEMS 변환기의 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 하나의 목적은 단순하고 저렴하며 컴팩트한 디자인을 특징으로 하는 고음질 또는 오디오 품질을 갖는 고성능 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰을 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에 기재되어 있다.
본 발명은 바람직하게는 다음을 포함하는 유체의 체적 흐름(volumetric flow)과 상호작용하기 위한 MEMS 변환기에 관한 것이다.
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캐리어(carrier),
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수직 방향으로 상기 유체의 압력파장(pressure waves)을 발생 또는 수신하는 진동막(vibratable membrane), 상기 진동막은 캐리어에 의해 지지됨,
그리고 여기서 상기 진동막은 수직 방향에 실질적으로 평행하게 형성되고 액츄에이터 재료(actuator material)의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션을 포함하고,
따라서 적어도 하나의 전극을 구동함으로써 상기 2개 이상의 수직 섹션이 실질적으로 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있거나 또는 상기 2개 이상의 수직 섹션이 실질적으로 수평으로 진동하도록 유도될 때 전기 신호가 적어도 하나의 전극에서 생성될 수 있도록 한다.
특히 바람직하게는, MEMS 변환기는 MEMS 확성기일 수 있다. 특히 바람직한 구현예에서, 본 발명은 다음을 포함하는 MEMS 확성기에 관한 것이다.
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캐리어,
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수직 방출 방향으로 음파(sound wave)를 생성하기 위한 진동막, 상기 진동막은 캐리어에 의해 지지됨,
여기서 상기 진동막은 방출 방향에 실질적으로 평행하게 형성되고 액츄에이터 재료(actuator material)의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션을 포함하고, 상기 진동막의 적어도 하나의 단부는 바람직하게는 적어도 하나의 전극에 연결되고, 따라서 적어도 하나의 전극을 구동함으로써 2개 이상의 수직 섹션이 실질적으로 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있다.
상기 MEMS 확성기의 이러한 설계는 높은 사운드 파워와 단순화된 제어를 가진 MEMS 확성기를 달성할 수 있다.
알려진 평면 MEMS 확성기와 달리 진동막 자체는 충분한 음압을 생성하기 위해 수 평방 센티미터의 넓은 영역이나 100μm 이상의 변위로 작동할 필요가 없다. 대신, 진동막의 복수의 수직 섹션은 수 마이크로미터의 작은 수평 또는 측면 이동으로 수직 방출 방향으로 확대된 총 부피를 이동할 수 있다.
US 2018/0179048 A1 또는 Kaiser et al에 따른 솔루션과 비교하여, 2019년에 청구된 MEMS 라우드스피커는 단순화된 구조, 제어 및 제조 프로세스가 특징이다.
특히, Kaiser et al. 2019에 따라 MEMS 확성기에 대한 수직 라멜라 또는 벤딩 액추에이터를 제공하는 것은 복잡하다. 또한, 충분히 정밀한 수직 에칭은 제한된 라멜라 높이에서만 가능하므로 음력이 제한된다.
본 발명에 따른 솔루션에 의해, 상기 진동막의 수직 섹션은 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 간단한 제조 단계를 통해 MEMS 설계에서 대신 달성할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 액추에이터 원리는 수직 섹션의 인입(pull-in) 또는 고착(sticking)을 방지한다. Kaiser et al. 2019의 솔루션과 대조적으로, 상기 단면 전극(single-side electrodes)은 수직 섹션 사이의 간격에서 전위차를 얻지 못한다. 예를 들어 외부 전극을 접지 전위에 배치할 수 있기 때문에 과전압 또는 풀인을 방지하는 것 외에도 먼지 축적을 줄일 수 있다.
상기 설명된 MEMS 확성기의 또 다른 특별한 이점은 단순화된 드라이브이다. US 2019/011 64 17 A1에서 다수의 압전 액츄에이터가 수평 섹션에 연결되어야 하지만 제안된 MEMS 확성기는 적어도 하나의 단부 측 전극에 의해 구동될 수 있다. 이것은 제조 비용을 줄이고 오류의 원인을 최소화하며 본질적으로 수평 진동을 생성하기 위해 수직 섹션의 동기 제어로 이어진다.
이러한 방식으로 상기 수직 섹션 사이에 존재하는 공기 볼륨(air volumes)은 방출의 수직 방향을 따라 수평 진동에 의해 매우 정밀하게 이동할 수 있다. 그 결과 높은 사운드 파워 레벨에서도 향상된 사운드를 얻을 수 있다.
"MEMS 확성기"는 바람직하게는 MEMS 기술을 기반으로 하고 음향 생성 구조가 마이크로미터 범위(1㎛ 내지 1000㎛)의 치수를 적어도 부분적으로 갖는 확성기를 의미한다. 바람직하게는, 예를 들어 진동막의 수직 섹션은 폭, 높이 및/또는 두께에서 1000 ㎛ 미만 범위의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 예를 들어 수직 섹션의 높이만 마이크로미터 범위로 치수화되는 반면, 예를 들어 길이는 더 큰 치수 및/또는 두께는 더 작은 크기를 가질 수 있는 것이 바람직할 수도 있다.
유리하게는, 진동막의 디자인은 높은 사운드 파워와 단순화된 제어를 갖는 MEMS 확성기를 형성하는 데에만 사용될 수 있는 것이 아니다. 마찬가지로, 예를 들어 고품질의 특히 강력한 MEMS 마이크로폰을 제공하는 것이 가능하다.
따라서, 바람직한 실시예에서, 본 발명은 또한 다음을 포함하는 MEMS 마이크로폰에 관한 것이다.
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캐리어,
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수직 방향의 음파를 수신하는 진동막, 상기 진동막은 캐리어에 의해 지지됨,
여기서 상기 진동막은 상기 수직 방향에 평행하게 형성되고 액츄에이터 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션을 포함하고, 여기서 상기 진동막의 적어도 하나의 단부는 바람직하게 적어도 하나의 전극에 연결되고, 따라서 상기 2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 전기 신호가 적어도 하나의 전극에서 생성될 수 있다.
MEMS 마이크로폰의 디자인은 특히 진동막의 디자인과 관련하여 MEMS 확성기의 디자인과 구조적으로 유사하다. 상기 전극을 구동하여 수평 진동을 발생시켜 음압파를 생성하는 대신 MEMS 마이크로폰은 동일한 수직 방향으로 음압파를 수신하도록 설계되었다. 바람직하게는, 수직 섹션들 사이에는 음파가 수신될 때 수직 검출 방향을 따라 이동하는 공기 체적이 있다. 상기 음압파(sound pressure wave)는 액추에이터 재료가 상응하는 주기적 전기 신호를 생성하도록 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도한다.
"MEMS 마이크로폰"은 바람직하게는 MEMS 기술을 기반으로 하고 그의 음향 수신 구조가 마이크로미터 범위(1㎛ 내지 1000㎛)의 치수를 적어도 부분적으로 갖는 마이크로폰을 의미한다. 바람직하게는, 예를 들어 진동막의 수직 섹션은 폭, 높이 및/또는 두께에서 1000 ㎛ 미만 범위의 치수를 가질 수 있다. 여기서, 예를 들어 수직 섹션의 높이만 마이크로미터 범위로 치수화되는 반면, 예를 들어 길이는 더 큰 치수 및/또는 두께는 더 작은 크기를 가질 수 있는 것이 바람직할 수도 있다.
따라서 MEMS 변환기라는 용어는 MEMS 마이크와 MEMS 확성기를 모두 가리킨다. 일반적으로, MEMS 변환기는 유체의 체적 흐름과 상호 작용하기 위한 변환기를 말하며, 이는 MEMS 기술을 기반으로 하며 체적 흐름과 상호 작용하거나 유체의 압력파를 수신 또는 생성하기 위한 구조가 마이크로미터 범위(1 μm ~ 1000 μm)의 치수를 갖는다. 상기 유체는 기체 유체일 수도 있고 액체 유체일 수도 있다. MEMS 변환기의 구조, 특히 진동막은 유체의 압력파를 생성하거나 수신하도록 설계되었다.
예를 들어, MEMS 확성기나 MEMS 마이크로폰의 경우와 같이 음압파와 관련될 수 있다. 그러나 MEMS 변환기는 다른 압력파에 대한 액추에이터 또는 센서로 동등하게 적합할 수 있다. 따라서 MEMS 변환기는 바람직하게는 압력파(예를 들어, 음압파와 같은 음향 신호)를 전기 신호로 또는 그 반대로(전기 신호를 압력파, 예를 들어 음향 신호로 변환)로 변환하는 장치이다.
공압 또는 유압 교류 압력을 사용하여 에너지 수확기로 MEMS 변환기를 적용하는 것도 가능하다. 이러한 경우 전기 신호는 회수된 전기 에너지로 소산되거나 저장되거나 다른(소비자) 장치에 공급될 수 있다.
단부측은 바람직하게는 적어도 하나의 전극의 진동막의 한쪽 단부에 위치하는 것을 의미하고, 따라서 전자 시스템과의 연결이 설정될 수 있으며, 예를 들어 MEMS 확성기의 경우 전류 또는 전압 소스, 바람직하게는 멤브레인이 캐리어에서 매달린 끝에서 설정될 수 있다. 상기 전극은 바람직하게는 전자 시스템, 예를 들어 MEMS 확성기의 경우 전류 및/또는 전압원과의 연결 설정에 적합한 전도성 재료(바람직하게는 금속)로 만들어진 영역을 의미한다. 바람직하게는, 상기 재료은 전극 패드일 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 전극 패드는 전자 시스템과의 연결을 설정하는데 사용되며 진동막의 전체 표면에 걸쳐 확장될 수 있는 전도성 금속 층에 자체적으로 연결된다. 부분적으로, 전극 패드와 함께 전도층은 이하에서 전극, 예를 들어 상부 전극 또는 하부 전극으로 지칭된다.
특히 바람직하게는, 상부 또는 하부 전극의 의미에서 전도성 물질, 바람직하게는 금속의 층은 실질적으로 균질한 표면을 형성하고 특히 구조화되지 않은 진동막의 연속적 또는 전면적 또는 간섭성 층으로서 존재한다. 대신, 바람직하게는 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 구조화되지 않은 층에 의해 2개 이상의 수직 섹션이 단부측 전극 또는 전극 패드에 연결된다.
유리하게는, 특히 진동막의 서로 다른 수직 섹션에 대해 별도의 연결 영역을 생성할 필요가 없다. US 2002/006208 A1 및 JP 3 919695 B2에 따른 거시적 압전 확성기에 대한 접근법과 대조적으로, 구조화된 상부 또는 하부 전극의 부착은 필요하지 않다. 대신에, 상부 또는 하부 전극은 각각의 경우에 적어도 하나의 단부 측 전극 또는 전극 패드에 의해 연결된 전도성 물질의 연속 층으로서 적용될 수 있다. 따라서 제조 공정이 상당히 단순화되고 배치 공정을 통해 소형화된 MEMS 변환기를 대량으로 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, MEMS 변환기는 2개의 단부측 전극을 포함한다. 바람직하게는, 전자 시스템에 연결하여, 예를 들어, 전류 또는 전압 소스는 두 개 이상의 수직 섹션이 있는 진동막의 반대쪽 끝에 있는 전극으로 설정할 수 있으며, 따라서 상기 수직 섹션의 액츄에이터 층(들)은 말단 측 전극에 의해 구동될 수 있다.
따라서 전극의 단부측 제공은 바람직하게는 각각의 수직 섹션을 각각 별개의 전극으로 작동시키거나 MEMS 마이크로폰의 경우 생성된 전기 신호를 수신하는 연결 수단과 구별된다. 따라서 바람직하게는, MEMS 변환기는 단부측 연결을 위한 정확히 하나 또는 정확히 2개의 전극을 포함하고 중앙 수직 섹션을 연결하기 위한 추가 전극/전극 패드는 포함하지 않는다.
바람직하게는, 수직 섹션의 액추에이터 재료 층은 기계적 바이오모프(mechanical biomorph)의 구성 요소로 사용되며, 여기서 수직 섹션의 측면 곡률은 전극을 통해 액추에이터 층을 구동함으로써 유도되거나, 또는 여기서 상응하는 전기 신호는 유도된 측면 곡률에 의해 생성된다.
바람직한 실시예에서, 상기 2개 이상의 수직 섹션은 2개 이상의 층을 나타내며, 여기서 제1층은 액추에이터 재료를 포함하고 제2층은 기계적 지지 재료를 포함하고, 상기 액추에이터 재료를 포함하는 적어도 층이 단부측 전극에 연결되고, 따라서 상기 수평 진동은 기계적 지지 재료에 대한 액추에이터 재료의 모양 변화에 의해 생성될 수 있다. 실시예에서, 상기 기계적 바이모프는 액추에이터 재료(예를 들어, 압전 재료)의 층과 기계적 지지층으로서 작용하는 수동층에 의해 형성된다. 굽힘에는 가로 및 세로 압전 효과를 모두 사용할 수 있다.
상기 액츄에이터 층이 구동될 때, 예를 들어 횡방향 또는 종방향 스트레칭 또는 압축을 겪을 수 있다. 이는 기계적 지지층에 대한 응력 구배를 생성하여 측면 곡률 또는 진동을 유발한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전극에서 극성이 바뀌면 바람직하게 푸시-풀 작동이 발생할 수 있고, 이로써 수직 섹션 사이의 거의 전체 공기 체적이 교대로 방출의 수직 방향으로 이동할 수 있다.
따라서 액추에이터 원리의 장점은 수직 섹션의 수평 진동을 수직 볼륨 이동 또는 사운드 생성으로 매우 효율적으로 변환한다는 것이다.
상기 액츄에이터의 원리는 정전기적 인력이 아니라 지지층에 대한 액츄에이터 층의 상대적인 모양 변화(예: 압축, 신장, 전단)에 기반하기 때문에, 상기 멤브레인 섹션의 고착을 배제할 수 있다. 대신 수직 섹션은 서로 닿을 수 있으므로 변위가 제한되지 않는다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 2개 이상의 수직 섹션은 2개 이상의 층을 포함하고, 여기서 두 층은 액추에이터 재료를 포함하고 각각의 단부 측 전극에 연결되고, 수평 진동은 다른 층에 대한 한 층의 형상 변화에 의해 생성될 수 있다. 실시예에서, 따라서 수직 섹션의 수평 진동은 능동 액츄에이터 층과 수동 지지 층 사이의 응력 구배에 의해 생성되는 것이 아니라 2개의 능동 액츄에이터 층의 모양의 상대적 변화에 의해 생성된다.
상기 액츄에이터 층은 동일한 액츄에이터 재료로 만들 수 있으며 다르게 구동될 수 있다. 상기 액츄에이터 층은 또한 상이한 액츄에이터 재료, 예를 들어 상이한 변형 계수를 갖는 압전 재료로 제조될 수 있다.
본 발명의 의미 내에서, "액츄에이터 재료를 포함하는 층"은 바람직하게는 액츄에이터 층으로도 지칭된다. 상기 액추에이터 재료는 바람직하게는 전압이 인가되면 신축, 압축 또는 전단(shearing)과 같은 형태의 변화를 일으키거나 역으로 형태가 변화될 때 전압을 발생시키는 물질을 의미한다.
바람직한 물질은 전압이 인가될 때 형태의 변화를 겪는 전기 쌍극자를 갖는 물질이며, 여기서 쌍극자 및/또는 전기장의 방향은 형태 변화의 바람직한 방향을 결정할 수 있다.
바람직하게는, 액추에이터 재료는 압전 재료, 폴리머 압전 재료, 및/또는 전기 활성 폴리머(EAP)일 수 있다.
특히 바람직하게는, 상기 압전 재료는 티탄산지르콘산납(PZT, lead zirconate titanate), 질화알루미늄(AlN, aluminum nitride), 질화알루미늄 스칸듐(AlScN, aluminum scandium nitride) 및 산화아연(ZnO, zinc oxide)을 포함하는 군에서 선택된다.
중합체 압전 재료는 바람직하게는 내부 쌍극자를 나타내어 압전 특성을 부여하는 중합체를 포함한다. 이것은 외부 전압이 인가될 때 압전 폴리머 재료(앞서 언급한 고전적인 압전 재료와 유사한 방식으로)가 형태의 변화(예: 압축, 신장 또는 전단)를 겪는다는 것을 의미한다. 바람직한 압전 폴리머 재료의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)이다.
이에 의해 기계적 지지층 상에 고분자 압전재료층이 구비되어 상하 빗살에 감겨지는 거시적 해결책이 실현될 수 있다. 바람직하게는, 폴리머 압전 재료 층(전극을 포함함)이 먼저 지지 층(가능하게는 상대 전극을 포함함) 상에 제공된다. 후속적으로, 상부 및 하부 빗(바람직하게는 MEMS 구조)은 작동 가능한 수직 섹션을 갖는 접힌 멤브레인이 형성되는 방식으로 서로에 대해 이동된다.
본 발명의 의미 내에서, "기계적 지지체 재료를 포함하는 층"은 바람직하게는 지지체 층으로도 지칭된다. 기계적 지지 재료 또는 지지 층은 바람직하게는 작동기 층의 형태 변화에 저항할 수 있는 수동 층의 역할을 한다. 액추에이터 층과 달리 기계적 지지 재료는 바람직하게는 전압이 인가될 때 형태가 변하지 않는다. 바람직하게는, 기계적 지지 재료는 전기 전도성이어서 액추에이터 층과 직접 접촉하는 데에도 사용할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서 이것은 또한 비전도성일 수 있고, 예를 들어 전기 전도성 층으로 코팅될 수 있다.
특히 바람직하게는, 기계적 지지 재료는 단결정 실리콘, 폴리실리콘 또는 도핑된 폴리실리콘이다.
액추에이터 층은 전압이 인가될 때 모양이 변화하는 동안 기계적 지지 재료의 층은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 유지된다. 두 층(기계적 바이모프) 사이의 결과적인 응력 구배는 바람직하게는 수평 곡률을 유발한다. 이를 위해, 액추에이터 층의 두께와 비교하여 지지층의 두께는 바람직하게는 곡률에 대해 충분히 큰 응력 구배가 생성되도록 선택된다. 기계적 지지체 물질 및 PZT 또는 AlN과 같은 압전 물질로서 도핑된 폴리실리콘의 경우, 실질적으로 동일한 두께, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2㎛가 특히 적합한 것으로 입증되었다.
실질적으로, 대략적으로, 약 등과 같은 용어는 바람직하게는 ± 20% 미만, 바람직하게는 ± 10% 미만, 훨씬 더 바람직하게는 ± 5% 미만, 특히 ± 1% 미만의 허용 오차 범위를 설명한다. 실질적으로, 대략적으로, 약 등의 표시는 항상 언급된 정확한 값을 공개하고 포함한다.
상기 액츄에이터 레이어를 주기적으로 구동하는 경우, 예를 들어 따라서 AC 전압을 통해 수평 진동이 소리 방출을 위해 빠르고 정확하게 생성될 수 있다.
수평 진동을 보장하기 위해, 압전 재료는 바람직하게는 수직 섹션의 표면에 수직인 C-축 배향을 가질 수 있으므로 가로 압전 효과가 활용될 수 있다. 다른 방향 및 예를 들어 수평 곡률 또는 진동을 형성하기 위한 세로 압전 효과의 사용(도 1 참조)도 선호될 수 있다.
상기 액츄에이터 층 및/또는 기계적 지지 물질로 이루어진 층의 전기적 연결 및 이에 따른 전압 인가는 단부측 전극을 통해 직접 발생하거나 전도성 물질로 이루어진 층에 의해 보조될 수 있다.
따라서, 바람직한 실시예에서, 진동막은 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 전도성 재료는 백금, 텅스텐, (도핑된) 산화주석, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 티타늄-텅스텐 합금, 금속 실리사이드, 알루미늄, 흑연 및 구리(platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite, and copper)를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
수직 및 수평(또는 측면) 방향 표시는 바람직하게는 진동막이 유체의 압력파를 생성하거나 수신하기 위해 배향되는 바람직한 방향을 나타낸다. 바람직하게는, 진동막은 캐리어의 적어도 2개의 측면 영역 사이에서 수평으로 매달린 반면, 압력파를 생성하거나 수신하기 위한 수직 방향(유체와의 상호 작용 방향)은 이에 직교한다. MEMS 확성기의 경우, (상호작용의) 수직 방향은 MEMS 확성기의 소리 방출의 수직 방향에 대응한다. 이 경우 수직은 소리가 방출되는 방향을 의미하고 수평은 수직인 방향을 의미한다. MEMS 마이크의 경우 수직 방향(상호작용)은 MEMS 마이크의 소리 감지 수직 방향에 해당한다. 이 경우 수직은 소리가 감지되거나 녹음되는 방향을 의미하고 수평은 이에 직교하는 방향을 의미한다.
따라서, 진동막의 수직 섹션은 바람직하게는 실질적으로 MEMS 확성기의 방출 방향 또는 MEMS 마이크로폰의 검출 방향으로 배향되는 진동막의 섹션을 나타낸다. 당업자는 이것이 정확한 수직 정렬일 필요는 없지만 바람직하게는 진동막의 수직 섹션이 MEMS 확성기의 방출 방향 또는 MEMS 마이크로폰의 검출 방향으로 실질적으로 정렬된다는 것을 이해한다.
바람직한 실시예에서, 수직 섹션은 수직 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배향되고, 이에 의해 실질적으로 평행하다는 것은 수직 방향에 대해 ± 30°, 바람직하게는 ± 20°, 더 바람직하게는 ± 10°의 허용 오차 범위를 의미한다.
따라서, 진동막은 단면이 직사각형의 미앤더 형상뿐만 아니라 곡선 또는 물결 형상 또는 톱니 형상(지그재그 형상)을 나타낼 수 있는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 수직 및/또는 수평 섹션은 적어도 섹션에서 또는 그 전체 길이에 걸쳐 직선이지만, 수직 및/또는 수평 섹션은 또한 적어도 섹션에서 또는 전체 길이에 걸쳐 만곡될 수 있다. 단면에서 진동막의 곡선 또는 물결 모양의 경우, 정렬은 바람직하게는 각각의 중간점에서 곡선 수직 및/또는 수평 섹션에 대한 접선을 의미한다.
상기 진동막은 소리 방출 방향 또는 소리 감지 방향에 대해 수평인 것이 바람직하지만, 수직 단면을 구동하여 음파를 생성하거나 그 반대의 경우도 감지한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 캐리어는 진동막이 수평 방향으로 배치되는 2개의 측면 영역을 포함한다.
상기 캐리어는 바람직하게는 프레임 구조이고, 이는 실질적으로 자유로 유지되는 영역의 측벽 형태의 연속적인 외부 경계에 의해 형성된다. 상기 프레임 구조는 바람직하게는 안정적이고 굽힘에 강하다. 각진 프레임 형상(삼각형, 사각형, 육각형 또는 일반적으로 다각형 윤곽)의 경우, 바람직하게는 실질적으로 프레임 구조를 형성하는 개별 측면 영역을 특히 측벽이라고 한다.
상기 진동막은 바람직하게는 캐리어의 적어도 2개의 측벽에 의해 유지된다. 도 1-9의 예에서 두 개의 측벽을 단면으로 볼 수 있다.
그러나, 바람직하게는, 바람직한 캐리어는 4개의 측면 영역을 포함하며, 추가 단부면은 일반적으로 그려진 단면에 평행하다. 이러한 추가 2개의 측벽은 프레임 구조에 걸쳐 있다.
상기 진동막은 바람직하게는 자유 영역 내에서 평면 방식으로 유지된다(suspend). 진동막의 평면 확장은 수평 방향을 나타내며 수직 단면은 실질적으로 수직 방향을 나타낸다. 단면과 관련하여 멤브레인은 이러한 측벽에 부착되거나 더 큰 이동성을 위해 거기에 슬롯이 생길 수 있다. 유리하게는, 슬롯은 예를 들어 전면 볼륨과 후면 볼륨을 결합하는 동적 고역 통과 필터를 나타낼 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 캐리어는 바람직하게는 단결정질 실리콘, 폴리실리콘, 이산화규소, 탄화규소, 실리콘 게르마늄, 질화규소, 질화물, 게르마늄, 탄소, 비화갈륨, 질화갈륨, 인화인듐 및 유리(monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, and glass)로 이루어진 군으로부터 선택되는 기재로부터 형성된다.
이러한 재료는 반도체 및/또는 마이크로시스템 제조에서 가공하기 쉽고 저렴하며 대규모 제조에 적합하다. 캐리어 구조체는 재료 및/또는 제조 방법에 따라 유연하게 제조될 수 있다. 특히, 바람직하게는 하나의 (반도체) 공정, 바람직하게는 웨이퍼 상에서 캐리어와 함께 진동막을 포함하는 MEMS 변환기를 제조하는 것이 바람직하다. 이것은 소형의 견고한 MEMS 변환기가 저렴한 비용으로 제공될 수 있도록 제조 공정을 더욱 단순화하고 저렴하게 한다.
바람직한 실시예에서, 진동막은 라멜라 구조 또는 미앤더 구조에 의해 형성된다. 바람직하게는, 라멜라 또는 미앤더 구조의 사양은 단면에서 진동막의 모양을 나타낸다.
라멜라 구조는 바람직하게는 수직 섹션을 형성하는 유사한 평행 층의 배열을 지칭하는 것이 바람직하다. 개별 라멜라는 바람직하게는 수직 방향, 바람직하게는 방출 또는 검출 방향에 실질적으로 평행한 표면으로 배향된다. 바람직하게는, 라멜라는 다층화되고 기계적 생물형을 형성한다. 예를 들어, 라멜라는 지지 재료 및/또는 2개의 상이하게 제어 가능한 액추에이터 층으로 이루어진 수동 층 뿐만 아니라 액추에이터 층을 각각 포함할 수 있다.
당업자는 수직 방향에 대한 라멜라의 정확한 평행 정렬일 필요는 없지만, 오히려 라멜라가 실질적으로 MEMS 확성기의 방출 방향 또는 MEMS 마이크로폰의 검출 방향으로 정렬되는 것이 바람직하다는 것을 이해한다.
바람직한 실시양태에서, 수직 섹션 또는 라멜라는 수직 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배향되며, 이에 의해 실질적으로 평행하다는 것은 수직 방향에 대해 ± 30°, 바람직하게는 ± 20°, 특히 바람직하게는 ± 10°의 허용 오차 범위를 의미한다.
라멜라가 평면인 것이 바람직할 수 있으며, 이는 특히 평면의 2차원(높이, 폭) 각각에서의 확장이 그에 수직인 차원(두께)보다 크다는 것을 의미한다. 예를 들어, 적어도 2:1, 바람직하게는 적어도 5:1, 10:1 또는 그 이상의 크기 비율이 바람직할 수 있다.
바람직하게는, 진동막은 수직 섹션을 형성하는 복수의 라멜라를 갖는다. 예를 들어, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50개 이상의 라멜라가 바람직할 수 있다. 이것은 제한된 공간에서 원하는 소리 방출 또는 소리 감지에 대한 높은 수준의 효율성을 실현한다.
실시예에서, 상기 진동막은 바람직하게는 전도성 브리지 또는 수평 섹션을 통해 서로 연결된, 수직 섹션으로서 라멜라에 의해 형성된다. 적절한 브리지는 예를 들어 금속 브리지(도 10 참조) 또는 다른 전도성 재료로 만들어진 브리지이다. 상기 전도성 브리지는 한편으로는 진동막의 기계적 무결성을 보장한다. 다른 한편으로, 상기 전도성 브리지는 유리하게는 단부측 전극에 의한 모든 라멜라의 연결을 허용한다. 유리하게는, 따라서 라멜라는 수평 진동을 생성하거나 제어 및 제조에서 최소한의 복잡성으로 동일한 것을 검출하도록 동기적으로 구동될 수 있다.
미앤더 구조는 바람직하게는 단면이 실질적으로 직교하는 일련의 섹션에 의해 형성된 구조를 의미한다. 상호 직교하는 섹션은 바람직하게는 진동막의 수직 및 수평 섹션이다. 특히 바람직하게는, 미앤더 구조는 단면이 직사각형이다. 다만, 미앤더 구조는 단면이 톱니 형상(지그재그 형상)이거나 곡선 또는 파형인 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 수직 단면이 방출 또는 감지의 수직 방향과 정확히 평행하게 정렬되지 않고 예를 들어 수직 방향과 ± 30°, 바람직하게는 ± 20°, 특히 바람직하게는 ± 10°의 각도를 구성하는 경우에 특히 그렇다.
바람직한 실시예에서, 수평 섹션은 또한 방출 또는 감지의 수직 방향에 대해 정확히 90°의 직교 각도에 있지 않을 수 있지만, 예를 들어, 예를 들어 수직 방향과 60° 내지 120°, 바람직하게는 70° 내지 110°, 특히 바람직하게는 80° 내지 100°의 각도를 구성할 수 있다.
진동막의 수직 및/또는 수평 단면의 곡선 또는 물결 모양의 경우, 정렬은 바람직하게는 각각의 중간점에서 수직 및/또는 수평 섹션에 대한 접선을 나타낸다.
따라서 상기 미앤더 구조(meander structure)는 바람직하게는 그 폭을 따라 접힌 멤브레인에 해당한다. 따라서 본 발명의 의미 내에서 진동막은 바람직하게는 벨로우즈(bellows)로도 지칭될 수 있다. 벨로우즈의 평행 접힘은 바람직하게는 수직 섹션을 형성한다. 접힘부 사이의 연결 섹션은 바람직하게는 수평 섹션을 형성한다. 바람직하게는, 수직 섹션은 수평 섹션보다, 예를 들어 1.5, 2, 3, 4 또는 그 이상의 팩터(factor)만큼 더 길다.
음파를 생성하거나 수신하기 위한 구불구불한 형태의 진동막의 기능과 관련하여 수직 섹션은 위에서 설명한 라멜라와 유사한 방식으로 결정적이다. 바람직하게는, 상기 수직 섹션은 다층이고 기계적 바이오모프를 형성한다. 예를 들어, 수직 섹션은 각각 액츄에이터 층뿐만 아니라 지지 재료 및/또는 2개의 상이하게 제어 가능한 액츄에이터 층으로 만들어진 수동 층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 접힌 멤브레인의 수평 섹션은 수직 섹션과 동일하게 구성될 수 있다(특히 도 3-7 참조). 그러나, 수직 섹션과 대조적으로 수평 섹션이 액추에이터 층을 나타내지 않고 오히려 기계적 지지 층 및/또는 전기 전도성 층만을 나타내는 것이 동등하게 바람직할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 진동성 멤브레인의 작동기 재료의 적어도 하나의 층은 연속적인 층이다. 연속은 바람직하게는 단면 프로파일에 중단이 없음을 의미한다. 따라서, 상기 실시예에서 수직 및 수평 섹션 모두에 액추에이터 재료의 연속 층이 있는 것이 바람직하다. 유리하게는, 구조화가 필요하지 않다. 연속 레이어는 특히 제조하기 쉽고 MEMS 확성기 작동 중에 동기 구동을 보장합한.
MEMS 변환기, 특히 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크의 성능은 수직 섹션의 수 및/또는 치수에 의해 크게 결정될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 진동막은 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100개 이상의 수직 섹션을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 진동막은 10000, 5000, 2000, 또는 1000 이하의 수직 섹션을 포함한다.
선호하는 수직 섹션 수는 사운드 또는 오디오 품질을 희생하지 않고 가장 작은 칩 표면에서 높은 사운드 파워를 제공한다.
바람직하게는, 수직 섹션은 평면이며, 이는 특히 평면의 2개의 치수(높이, 너비) 각각에서 확장이 수직 섹션(두께)에서보다 더 크다는 것을 의미한다. 예를 들어, 적어도 2:1, 바람직하게는 적어도 5:1, 10:1 또는 그 이상의 크기 비율이 바람직할 수 있다.
본 발명의 의미 내에서, 수직 섹션의 높이는 바람직하게는 사운드 방출 또는 사운드 감지 방향을 따른 치수에 상응하는 반면, 수직 섹션의 두께는 바람직하게는 수직 섹션을 형성하는 하나 이상의 층의 층 두께의 합에 상응한다. 상기 수직 섹션의 길이는 바람직하게는 높이 또는 두께에 직교하는 치수에 해당한다. 아래 그림의 단면도에서 높이와 두께는 도식적으로 표시되며(반드시 축척과 일치할 필요는 없음), 길이 치수는 그림의 (보이지 않는) 드로잉 깊이에 해당한다.
바람직한 실시예에서, 수직 섹션의 높이는 1 ㎛ 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 500 ㎛이다. 상기 범위의 중간 범위가 또한 1㎛~10㎛, 10μm~50μm, 50μm~100μm, 100μm~200μm, 200μm~300μm, 300μm~400μm, 400μm~500μm, 600μm~700μm, 600μm~700μm, 700μm~800μm, 800μm~900μm, 또는 심지어 900 μm ~ 1000 μm와 같이 바람직할 수 있다. 당업자는 전술한 범위 제한을 조합하여 10 ㎛ 내지 200 ㎛, 50 ㎛ 내지 300 ㎛, 또는 심지어 100 ㎛ 내지 600 ㎛와 같은 다른 바람직한 범위를 얻을 수도 있음을 인식할 것이다.
바람직한 실시예에서, 수직 섹션의 두께는 100 nm 내지 10 ㎛, 바람직하게는 500 nm 내지 5 ㎛이다. 100 nm ~ 500 nm, 500 nm ~ 1 μm, 1 μm ~ 1.5 μm, 1.5 μm ~ 2 μm, 2 μm ~ 3 μm, 3 μm ~ 4 μm, 4 μm ~ 5 μm, 5 μm ~ 6 μm, 6 μm ~ 7 μm, 7 μm 8 μm, 8 μm ~ 9 μm, 심지어 9 μm ~ 10 μm와 같은 상기 범위의 중간 범위가 또한 바람직할 수 있다. 당업자는 전술한 범위 한계가 또한 500 nm 내지 3 ㎛, 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 또는 심지어 1500 nm 내지 6 ㎛와 같은 다른 바람직한 범위를 얻기 위해 조합될 수 있음을 인식할 것이다.
바람직한 실시예에서, 수직 섹션의 길이는 10 ㎛ 내지 10 mm, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 1 mm이다. 상기 언급된 범위로부터의 중간 범위, 예를 들어 10 ㎛ ~ 100 ㎛, 100μm ~ 200μm, 200μm ~ 300μm, 300μm ~ 400μm, 400μm ~ 500μm, 500μm ~ 1000μm, 1mm ~ 2mm, 3mm ~ 4mm, 4mm ~ 5mm, mm ~ 8mm, 또는 8mm ~ 10mm가 또한 바람직할 수 있다. 당업자는 전술한 범위 한계를 조합하여 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 500 ㎛ 내지 5 ㎛, 또는 심지어 1 mm 내지 5 mm와 같은 다른 바람직한 범위를 얻을 수도 있음을 인식할 것이다.
진동막 및 수직 섹션의 전술한 바람직한 치수로, 특히 소형 MEMS 변환기, 특히 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰이 제공될 수 있으며, 이는 동시에 고성능과 우수한 사운드 또는 오디오 품질을 결합한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 진동막은 수직 및 수평 섹션이 교대하는 구불구불한 구조에 의해 형성되고, 수평 섹션 중 적어도 2개에 부착된 유지 구조(retaining structures)와 함께, 상기 유지 구조는 캐리어에 직접 또는 간접적으로 연결된다. 예를 들어, 상기 유지 구조는 캐리어의 기판 재료에 의해 제공될 수 있으며, 즉 유지 구조는 하부 웨이퍼의 기판으로부터 직접 형성될 수 있다. 대안적으로, 유지 구조가 상부 웨이퍼의 개별 융기부 또는 융기부로서 수평 섹션에 연결되는 것도 가능하다.
상기 유지 구조는 바람직하게는 진동막의 한쪽 및/또는 양쪽 측면, 즉 바람직하게는 상부 및/또는 하부 수평 섹션에 존재할 수 있다.
특히, 캐리어의 측벽 사이에 더 큰 진동막을 유지(suspending)할 때, 유지 구조의 사용은 사운드 생성 또는 사운드 캡처에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 유리하게 안정화를 허용한다.
구불구불한 형태의 수평 섹션은 적어도 실질적으로 기계적으로 중립이기 때문에, 상기 유지 구조에 의해 수평 섹션을 잠그면 유리하게는 멤브레인과 유지 구조 또는 캐리어 사이에 임의의 바람직하지 않은 응력이 발생하지 않는다.
설명된 구동 및 수평 진동의 유도 또는 감지를 보장하기 위해 진동막의 구조에 대해 다른 층이 제공될 수 있다.
기계적 지지 재료의 하나 이상의 액추에이터 층(들) 및/또는 하나 이상의 층(들)을 연결하여 전압을 인가하거나 감지하는 것은 말단 측 전극을 통해 직접 달성되거나 전도성 물질 층에 의해 보조될 수 있다.
따라서, 바람직한 실시예에서, 진동막은 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 전도성 재료는 백금, 텅스텐, (도핑된) 산화주석, 단결정 실리콘, 폴리실리콘, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 티타늄-텅스텐 합금, 금속 실리사이드, 알루미늄, 흑연 및 구리(platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite, and copper)를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
바람직한 실시예에서, 상기 진동막은 3개의 층, 즉 전도성 물질로 형성되고 상부 전극에 연결된 상부층, 액추에이터 물질로 형성된 중간층, 및 전도성 물질로 형성된 하부층을 포함한다.
바람직하게는, 상부 및/또는 하부 층의 전도성 재료는 이 층이 이중 기능을 갖도록 기계적 지지 재료일 수 있다. 한편, 이 층은 말단 측 전극에 인가될 수 있는 전위에 대한 액추에이터 층의 연결을 보장한다. 다른 한편, 액추에이터 층이 그에 따라 구동될 때 수평 곡률 또는 진동을 생성하기 위해 설명된 방식으로 기계적 지지층으로 작용한다.
그러한 실시예는 도 2에 예로서 예시된 바와 같이 간단한 제조 단계에 의해 실현될 수 있다. 도 2g, 도 3 및 도 4에 도시된 바람직한 실시예에서, 진동막은 전도성 물질(금속)의 연속적인 상단 층, 작동기 물질의 연속적인 중간 층 및 전도성 기계적 지지 물질의 하단 층과 함께 구불구불한 구조를 가지고 있다. 개선된 연결을 위해 기계적 지지 층 및/또는 작동기 층과 접촉하는 층 또는 다른 추가 전도성 층의 역순이 또한 제공될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 상기 진동막은 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 중간 층에 의해 분리된 2개의 액추에이터 재료 층을 포함하고, 여기서 중간 층은 제1 전극에 연결되고 액추에이터 재료의 두 층 중 적어도 하나는 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 다른 층을 통해 제2 전극에 연결된다.
위에서 설명된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 예를 들어 상이한 드라이브에 의해 수평 진동으로 수직 섹션을 이동시키기 위해 2개의 액츄에이터 층이 또한 사용될 수 있다. 단부측 전극으로부터의 전위 변화를 각각의 액추에이터 층으로 전달하기 위해, 바람직하게는 전도성 재료의 2개 이상의 중간 층이 제공될 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어 금속과 같은 전도성 재료의 층은 이 경우 바람직하게는 기계적 지지 층이 아닌 연결을 위해서만 역할을 한다. MEMS 확성기에 대한 바이모프의 의미에서 곡률 또는 진동을 유도하는 데 필요한 응력은 액추에이터 레이어 자체의 제어를 다르게 함으로써 유도된다.
따라서 바람직하게는, 금속과 같은 전도성 물질의 층은 특히 얇게(500nm 미만, 바람직하게는 200nm 미만) 제조될 수 있다.
도 5는 그러한 바람직한 실시예의 예를 도시한다. 이것은 전도체 재료(금속)의 중간 층에 의해 분리된 액추에이터 재료의 두 층을 가진 구불구불한 구조로 진동막을 가지고 있다. 중간 층은 제1 단부측 전극 패드에 연결되는 반면, 상부 액추에이터 층은 도전성 재료의 추가 층을 통해 제2 단부측 전극에 연결된다. 전도성 물질의 하층은 전극에 연결되지 않는다. 전극과 접촉하지 않는 전도성 물질의 하부층의 생략 또는 층의 역순이 또한 제공될 수 있다.
상술한 실시예에서, 액츄에이터 층(들) 및 적용 가능한 경우 기계적 지지층은 연속적인 것이 바람직하다, 즉 횡단면에서 멤브레인의 한쪽 끝(첫 번째 전극이 있는 것이 바람직함)에서 여러 개의 교대 수평 및 수직 섹션에 걸쳐 멤브레인의 두 번째 끝 (여기서 제2 전극이 바람직하게 존재함)으로 이어지는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기의 작동 원리에 대해 수직 섹션에 기계적 바이오모프를 제공하는 것으로 충분하다는 것을 인식했다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 액추에이터 층(actuator layer)은 연속적이지 않고, 수직 섹션에만 존재하지만 수평 섹션에는 존재하지 않는다. 이 경우, 기계적 지지 층(mechanical support layer)이 존재하는 경우 연속적으로 실행되거나 연속적으로 실행되지 않고 예를 들어 수직 섹션에만 제공되는 것이 둘 다 바람직할 수 있다. 종단면 전극(end-side electrodes)에 의해 수직 섹션을 연결할 수 있도록 하기 위해, 전도성 물질(바람직하게는 금속)의 하나 이상의 연속적인 층을 적용하는 것이 바람직하다.
불연속 액추에이터 층(non-continuous actuator layer)을 갖는 실시예에 대한 바람직한 제조 공정이 도 7에 도시되어 있다. 여기서, 액추에이터 층의 선택적 스페이서 에칭은 수평 섹션에서 수행될 수 있으며, 따라서 멤브레인의 수직 섹션만이 액추에이터 재료의 층을 갖는다. 기계적 지지 재료의 연속 층은 상부 및 하부 전도층(상부 및 하부 전극이라고도 함) 사이의 단락을 피하기 위해 동시에 유전체일 수 있다.
이 실시예는 특히 효과적인 구동 및 고성능을 특징으로 하며, 상기 수직 섹션만이 교대로 곡선 또는 진동하도록 유도되고 수평 섹션은 기계적으로 중립을 유지한다. 유리하게, 변위된 체적은 구동의 단계마다 더욱 증가될 수 있다.
전술한 실시예에서, 미앤더 형태의 진동막은 바람직하게는 적절하게 기능층(functional layers)을 도포 또는 에칭함으로써 실현된다.
또는 수직 섹션을 제공하고 금속 브리지를 사용하여 연결하여 진동막을 제조할 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 진동막의 수직 섹션은 2개의 층을 포함하고, 여기서 제1 층은 액추에이터 재료로 구성되고, 제2 층은 가요성 지지 재료(flexible support material)로 구성되고, 수직 섹션은 수평 금속 브리지에 의해 연결된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 기계적 지지 재료 층 및 압전 재료 층 뿐만 아니라 희생 층(sacrificial layer)을 포함하는 몇몇 개별 압전 세라믹 요소가 바람직하게 이러한 목적을 위해 제공될 수 있다. 층간 연결 및 금속 필링뿐만 아니라 압전 세라믹 요소의 적층 및 다이싱을 포함하는 여러 공정 단계를 통해, 고효율 멤브레인은 강력하고 공정 효율적인 방식으로 유리하게 달성될 수 있다.
이 실시예에서, 연속적이고 균질한 전도층이 필요하지 않다. 대신, 수직 섹션에서 액추에이터 레이어의 연결은 금속 브리지와 전도성 기계적 지지 재료에 의해 보장된다.
바람직한 실시예에서, 진동막은 비점착성 물질의 층으로 코팅된다. 달라붙지 않는 재료(Non-stick material)는 특히 환경에 크게 비활성이어서 먼지 또는 기타 바람직하지 않은 입자의 침착을 방지하는 낮은 표면 에너지를 갖는 재료를 의미한다. 예로서, 비점착성 물질은 탄소 층, 예를 들어 다이아몬드형 탄소(DLC, diamond-like carbon) 층 또는 또한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFT, polytetrafluoroethylene)과 같은 퍼플루오로카본(PFC, perfluorocarbons)을 포함하는 층에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기는 둘 이상의 수직 섹션이 수평 진동을 생성이 유도되도록 적어도 하나의 전극을 구동하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 바람직하게는, 제어 유닛은 10Hz와 20kHz 사이의 수평 진동의 주파수를 보장하는 전극을 구동하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 마이크로폰은 적어도 하나의 전극에 의해 제공되는 전기 신호의 검출을 위해 구성된 제어 유닛을 포함하며, 상기 전기 신호는 2개 이상의 수직 섹션의 수평 진동에 의해 생성되었다. 바람직하게는, MEMS 마이크로폰의 제어 유닛은 10Hz와 20kHz 사이의 수평 진동의 주파수에 대응하는 전기 신호를 수신 및 처리하도록 구성되고 따라서 가청 범위의 소리 검출에 적합하다.
따라서 제어 유닛은 바람직하게 전기 신호에 의해 진동막(또는 수직 섹션의 액추에이터 층(들))을 구동하거나, 가청 주파수 범위에서 수평 진동 및 소리 방출을 생성하거나, 진동막이 구동될 때 대응하는 전기 신호를 처리하도록 구성되고 적응된다.
바람직하게는, MEMS 확성기의 경우, 멤브레인의 수직 섹션은 오디오 신호에 의해 직접 구동된다. US 2019/011 64 17 A1에 따른 개별 멤브레인 유닛 및 복수의 밸브를 결합하여 구동하는 것과 대조적으로, 사운드 생성을 위한 구동은 따라서 상당히 단순화된다.
전기 신호를 생성하거나 수신할 목적으로, 상기 제어 유닛은 바람직하게는 데이터 처리 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 의미 내에서, 데이터 처리 유닛은 바람직하게는 전극을 구동하거나 전극에 제공된 전기 신호의 수신과 관련하여 데이터를 수신, 전송, 저장 및/또는 처리하도록 구성되고 구성되는 유닛을 의미하는 것이 바람직하다. 데이터 처리 유닛은 바람직하게는 집적 회로, 예를 들어 애플리케이션 특정 집적 회로, 데이터를 처리하기 위한 프로세서, 프로세서 칩, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러, 및 선택적으로 데이터 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM) 또는 데이터를 저장하기 위한 플래시 메모리를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제어 유닛은 MEMS 변환기(캐리어, 진동막)의 다른 구성요소와 함께 인쇄 회로 기판 또는 회로 기판에 통합된다. 이는 MEMS 변환기와 구동 또는 감지에 필요한 전자 시스템과의 원활한 통합이 바람직함을 의미한다. 제어 장치 외에 통신 인터페이스(예: Bluetooth), 증폭기, 필터 또는 센서 시스템과 같은 기타 전자 부품도 동일한 인쇄 회로 기판에 설치할 수 있다.
유리하게는, MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰이 제한된 공간에 제공될 수 있고 바람직하게는 대량 생산에 적합한 저비용 CMOS 처리로 제공될 수 있는 컴팩트한 전체 솔루션이 달성된다.
추가의 바람직한 실시예에서, 캐리어에 의해 유지되는 진동막은 후방 공진 체적(rear resonant volume)을 둘러싸는 하우징의 전면에 배열된다. 따라서 이러한 MEMS 확성기의 사운드 방출은 개방된 전면(사운드 포트)을 향하는 것이 바람직하며, 이에 의해 사운드는 후방 공진 볼륨에 의해 특히 더 낮은 주파수에 대해 개선된다.
추가의 바람직한 실시예에서, 환기 개구는 음향 단락을 방지하고/하거나 사운드를 지원하기 위해 하우징에 존재한다. 통풍구는 바람직하게는 사운드 포트에 비해 작고, 예를 들어 최대 치수가 100㎛ 미만, 바람직하게는 50㎛ 미만일 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰을 위한 제조 방법에 관한 것이며, 이는 다음 단계를 포함한다:
- 구조, 바람직하게는 미앤더 구조를 형성하기 위해, 바람직하게는 전면으로부터 기판을 에칭하는 단계
- Etch stop의 선택적 적용 단계
- 적어도 2개의 층의 도포(application) 단계, 여기서 적어도 제1층은 엑츄에이터 재료를 포함하고 제2층은 기계적 지지 재료를 포함하거나, 또는 적어도 두 개의 층은 엑츄에이터 재료를 포함함
- 전극에 대한 제1 및/또는 제2 층의 연결 단계
- 바람직하게는 후면으로부터의 에칭 단계 및 에칭 스톱의 선택적 제거 단계,
따라서 바람직하게는 미앤더 구조의 형태인 진동막이 상기 기판(8)에 의해 형성된 캐리어(4)에 의해 유지되도록 하고, 상기 진동막(1)은 수직 방향으로 유체의 압력파를 생성하거나 수신하기 위하여 수직 방향에 평행하게 형성되는 적어도 2개 이상의 수직 섹션(2)을 포함하고, 따라서 상기 2개 이상의 수직 섹션은 적어도 하나의 전극을 구동하여 수평 진동을 생성하도록 유도할 수 있고 또는
2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 적어도 하나의 전극에서 전기 신호가 생성될 수 있다.
당업자는 설명된 MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰의 바람직한 실시예의 기술적 특징, 정의 및 이점이 설명된 제조 프로세스에도 적용되고 그 반대도 마찬가지임을 인식할 것이다. 바람직하게는, 설명된 제조 방법은 미앤더 구조를 갖는 접힌 진동막을 갖는 MEMS 변환기를 제공하는 역할을 한다. 바람직한 제조 단계의 예는 도 2A-G, 도 8A-J 또는 도 9에 설명되어 있다.
예를 들어, 위에서 언급한 바람직한 재료 중 하나를 기재로 사용할 수 있다. 에칭 동안, 예를 들어 웨이퍼와 같은 블랭크는 미앤더 구조의 원하는 기본 형상으로 형성될 수 있다. 다음 단계에서는 진동막용 층을 적용하는 것이 바람직하다.
전도성 재료의 적어도 하나의 층의 도포(application)는 바람직하게는 하나의 층의 적용에 더하여 여러 층의 적용, 특히 층 시스템의 적용을 포함한다. 레이어 시스템은 서로에 대해 계획된 방식으로 적용된 두 개 이상의 레이어를 포함gks다. 층 또는 층 시스템의 적용은 바람직하게는 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있는 수직 섹션을 포함하는 진동막을 정의하는 역할을 한다.
바람직하게는, 증착은 물리적 기상 증착(PVD), 특히 열 증발, 레이저 빔 증발, 아크 증발, 분자 빔 에피택시, 스퍼터링, 화학 기상 증착(CVD) 및/또는 원자층 증착(ALD)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 특히, 상기 증착은 예를 들어, 폴리실리콘으로 만들어진 기판의 경우에, 예를 들어 도금(plating)을 포함할 수 있다.
에칭 및/또는 구조화는 바람직하게는 건식 에칭, 습식 화학적 에칭 및/또는 플라즈마 에칭, 특히 반응성 이온 에칭, 반응성 이온 딥 에칭(Bosch 프로세스)을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 구조를 형성하기 위해 바람직하게 전면으로부터 기판을 에칭하는 것은 기판이 결정구조를 갖고 상기 결정구조의 격자 벡터를 따라 식각하여 복수의 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 트렌치(trench)는 기판의 전면으로부터 평행한 슬릿으로 정의된다. 기능층을 도포하고 적절한 후면 처리를 한 후 진동막이 단면이 미앤더 구조인 벨로우즈로 형성된다(특히 도 2 및 8 참조).
결정 기판의 방향을 따라 선호하는 에칭은 고정밀 방향 및 무시할 수 있는 거칠기로 200μm, 300μm, 400μm 500μm 이상의 큰 깊이를 갖는 매끄러운 준결정 트렌치를 유리하게 얻을 수 있다.
또한, 트렌치 측면의 표면 법선이 결정 구조, 바람직하게는 직교 격자 벡터와 정렬되는 것이 유리하다.
액추에이터 재료, 바람직하게는 압전 재료의 층을 이러한 구조화된 기판에 적용할 때, 액추에이터 재료의 배향은 또한 준결정성일 수 있다. 특히, AlN, AlScN 또는 PZT와 같은 압전 재료는 유리하게 이러한 방식으로 배향된 트렌치의 측벽에서 기둥형 성장을 나타내며, 이는 압전층이 생성된 멤브레인의 수직 섹션의 표면에 수직인 특히 정확한 c-축 배향을 갖도록 보장할 수 있다.
따라서 가로 압전 효과(transverse piezoelectric effect)에 의한 수평 진동의 형성은 특히 효과적이고 정확할 수 있으며 MEMS 확성기의 경우 향상된 사운드를 제공하거나 MEMS 마이크의 경우 감지 기능을 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 구조화, 바람직하게는 미앤더 구조를 형성하기 위해 바람직하게 전면으로부터 기판의 에칭은 기판은 결정 구조를 갖고 격자 벡터를 따른 복수의 트렌치 트렌치는 습식 화학적 에칭에 의해 적어도 부분적으로 달성되며, 바람직하게는 결정 배향 의존 이방성 에칭이 수행되는 것ㅎ을 특징으로 한다.
바람직하게는, 2개의 직교 결정 방위에서 기판의 결정 방위에 대해 상당히 상이한 에칭 속도(etch rate)를 갖는 에칭제가 이러한 목적을 위해 사용된다. 예를 들어, 에칭 속도(etch rate)는 선택된 기판에 대해 직교하는 제2 결정 배향에서보다 제1 결정 배향에서 선택된 기판에 대해 50, 10, 150, 200 또는 그 이상 더 높을 수 있다.
바람직하게는, 기판은 증가된 에칭 속도가 있는 제1 결정 배향이 기판 표면의 표면 법선과 정렬되는 방식으로 배향된다. 에칭 마스크는 에칭되지 않을 기판 표면의 영역을 정의하는 데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 에칭 마스크는 트렌치를 형성하기 위한 슬롯 또는 스트립이 자유로 유지되는 프레임을 정의할 수 있다. 형성될 평행 트렌치 사이에 남아 있는 영역은 멤브레인의 수평 섹션에 대한 기판 역할을 할 수 있다.
이방성 습식 화학 에칭(anisotropic wet chemical etching) 후 기판 표면에 수직인 우선적인 에칭으로 깊은 수직 트렌치를 형성한다. 따라서, 직교(수평) 방향의 에칭이 감소된다. 결정 방향 종속 에칭(crystal orientation-dependent etching)의 이방성 계수가 클수록 언더컷이 덜 두드러진다.
예를 들어, 실리콘 결정 기판의 에칭제로 수산화칼륨(KOH)을 사용하면 특히 좋은 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 수산화칼륨은 <111> 방향에 비해 실리콘 결정의 <110> 방향을 따른 에칭에 대한 명확한 방향성 선호도를 나타낸다. Sato et al. 1988에서 볼 수 있듯이, <110> 방향에서 실리콘 단결정의 KOH에 대한 에칭 속도는 1.455 μm/min이 될 수 있으며, 이는 직교 <111> 방향(에칭 속도 0.005 μm/min)보다 291배 더 높다.
도 9는 실리콘 결정의 적절한 정렬이 압전 재료의 c축 방향 성장을 보장하기 위해 측면이 결정 방향인 거의 완벽하게 매끄럽고 깊은 트렌치를 안정적으로 생성할 수 있는 방법을 보여준다.
당업자는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH)와 같은 대안적인 결정 배향 의존 에칭제가 동등하게 사용될 수 있음을 이해한다(예를 들어, Seidel et al 1990 참조).
유리하게는, 이 방법은 대량 생산을 위한 업스케일링에만 적합한 것은 아니다. 또한, 이러한 방식으로 생산할 수 있는 구불구불한 모양의 진동막은 수직 섹션의 특히 정밀한 정렬이 특징이며, 이는 진동 거동을 개선하여 소리 생성 또는 감지를 유도한다.
진동막의 추가 구조화가 필요한 경우, 이는 예를 들어 추가 에칭 공정에 의해 수행될 수 있다. 마찬가지로, 추가 재료가 증착되거나 도핑이 일반적인 프로세스에 의해 수행될 수 있다.
층을 연결하기 위해 구리, 금 및/또는 백금과 같은 적절한 재료가 일반적인 공정에 의해 추가로 증착될 수 있다. 바람직하게는, 물리적 기상 증착(PVD), 화학적 기상 증착(CVD) 또는 전기화학적 증착이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
이러한 공정 단계에 의해, 수직 및 수평 단면의 원하는 정의를 갖는 미세 구조의 진동막이 제공될 수 있으며, 이는 바람직하게는 안정한 캐리어의 2개의 측면 영역 사이에 매달려 있고 마이크로미터 범위의 치수를 갖는다. 제조 단계는 반도체 공정의 표준 공정 단계에 속하므로 검증을 거쳐 대량 생산에 적합하다.
또 다른 양태에서, 따라서 본 발명은 또한 전술한 바와 같은 제조 공정에 의해 제조가능한 MEMS 변환기에 관한 것이다.
당업자는 준결정질의 매끄러운 표면을 갖는 깊은 트렌치를 형성하기 위한 결정 방향 의존 에칭과 같은 제조 단계의 특별한 특징이 MEMS 변환기의 구조적 특징으로 직접 전달된다는 것을 인식한다. 트렌치 측면의 준결정질 평활면의 경우, 미앤더 형상의 수직 섹션이 다수인 진동막은 위에서 설명한 바와 같이 특히 정밀한 방식으로 형성될 수 있다. 또한 액추에이터 재료, 바람직하게는 압전 재료의 c-축 배향은 바람직한 제조 단계의 적용으로부터 직접 따를 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 전술한 바와 같은 MEMS 변환기의 제조 방법에 관한 것이다:
- 희생층(sacrificial layer), 전도성 물질층 및 압전 물질층을 포함하는 복수의 개별 압전세라믹 소자 제공 단계,
- 압전세라믹 소자(element)의 층간 연결 및 금속 충진을 위한 구멍 정의 단계,
- 금속 브리지로 연결된 압전 세라믹 소자의 스택을 얻을 수 있도록 상기 압전 세라믹 소자의 스택 및 선택적 다이싱 단계(Stacking of the piezoceramic elements and optional dicing)
- 상기 희생층을 제거하고 압전세라믹 소자 스택을 캐리어에 삽입하는 단계, 압전세라믹 소자가 각각 하나의 전극에 연결됨,
따라서 바람직하게는 라멜라 구조 형태의 진동막이 기판에 의해 형성된 캐리어에 의해 유지되도록 하고, 상기 진동막은 상기 수직방향과 평행하게 형성되고, 수직방향으로 유체의 압력파를 발생 또는 수신하기 위한 적어도 2개 이상의 수직 섹션을 포함하고, 따라서 적어도 하나의 전극을 구동함으로써 수평 진동을 생성하도록 둘 이상의 수직 섹션이 유도될 수 있고, 2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 적어도 하나의 전극에서 전기 신호가 생성될 수 있다.
당업자는 설명된 MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰의 바람직한 실시예의 기술적 특징, 정의 및 이점이 설명된 제조 프로세스에도 적용되며 그 반대도 마찬가지임을 인식할 것이다. 바람직하게는, 설명된 제조 방법은 라멜라 구조를 갖는 진동막을 갖는 MEMS 변환기를 제공하기 위한 것이며, 여기서 라멜라는 기계적 바이모프이고 금속 브리지에 의해 연결된다. 바람직한 제조 단계의 예는 도 10A-F 및 도 11에 예시되어 있다.
대안적인 제조 공정에서, 구멍, 금속 충전 및 적층 및 다이싱의 정의(definition)를 통해 금속 브리지로 연결된 수직 섹션으로서 라멜라가 있는 진동막을 얻기 위해 여러 개별 압전 세라믹 요소를 유리하게 사용할 수 있다.
압전 세라믹은 외력에 의한 변형의 영향으로 전하 분리를 나타내거나 전압이 인가될 때 형태가 변화하는 세라믹 재료가 바람직하다. 압전세라믹 소자는 바람직하게는 압전층 뿐만 아니라 전술한 바와 같이 기계적 지지 재료의 층, 및 추가로 희생층을 포함한다.
희생 층은 금속 브리지를 처리하고 제공하는 데 사용되며 그 자체는 진동막의 일부가 아니다.
바람직하게는, 희생층은 예를 들어 포토레지스트일 수 있다. 이러한 물질은 빛, 특히 UV 빛으로 조사될 때 용해도를 변경한다. 특히, UV 조사의 결과로 용해도가 증가하는 이른바 포지티브 레지스트일 수 있다. 이것은 금속 브리지를 제공하기 위해 금속 충전 후에 희생층이 목표 방식으로 제거될 수 있게 한다.
다른 양태에서, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 MEMS 변환기의 제조 방법에 관한 것이다:
- 전기 전도성인 기계적 지지 재료 층과 압전 재료 층을 포함하는 복수의 개별 압전 세라믹 소자의 제공 단계
- 상기 복수의 개별 압전 세라믹 요소를 위한 리세스를 포함하는 상부 및 하부 프레임 제공 단계
- 바람직하게는 접착제를 사용하여 상부 및 하부 프레임의 리세스에 압전 세라믹 소자 고정 단계
- 하나 이상의 전극에 의해 압전 세라믹 소자를 연결하기 위한 하나 이상의 연속 전기 전도성 층의 도포 단계,
바람직하게는 라멜라 구조 형태의 진동막이 상부 및 하부 프레임에 의해 형성된 캐리어에 의해 유지되고, 여기서 상기 수직 방향으로 유체의 압력파를 발생 또는 수신하는 진동막은 수직 방향과 평행하게 형성된 적어도 2개 이상의 수직 단면을 포함하고, 따라서 적어도 하나의 전극을 구동함으로써 2개 이상의 수직 섹션이 수평 진동을 생성하도록 유도되거나 또는 2개 이상의 수직 섹션이 수평으로 진동하도록 유도될 때 전기 신호가 적어도 하나의 전극에서 생성될 수 있도록 한다.
바람직한 실시예는 도 12에 도시되어 있다. 유리하게는, 실시예에서 구조화된 연결이 생략된다. 대신 MEMS 변환기의 전면 및/또는 후면에서 연속적인 전도성 표면을 사용하여 연결한다.
바람직한 실시예에서, 상부 및 하부 프레임은 전기 비전도성 재료, 예를 들어 중합체로 형성된다.바람직하게는, 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 프레임을 형성할 수 있다.
개별 라멜라 또는 압전세라믹 소자를 연결하기 위해 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 연속 층이 전면(전면 전극) 또는 후면(후면 전극)에서 적용되는 것이 바람직하다. 상기 도포는 예를 들어 스퍼터링 공정에 의해 수행될 수 있다.
당업자는 설명된 MEMS 변환기, 바람직하게는 MEMS 확성기 또는 MEMS 마이크로폰의 바람직한 실시예의 기술적 특징, 정의 및 이점이 설명된 제조 프로세스에도 적용되며 그 반대도 마찬가지임을 인식할 것이다.
바람직하게는, 기술된 제조 방법은 라멜라 구조를 갖는 진동막을 갖는 MEMS 변환기를 제공하는 역할을 하며, 여기서 라멜라는 기계적 바이모프이고 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 연속 층에 의해 연결된다.
본 발명은 추가 도면 및 실시예를 참조하여 하기에 설명될 것이다. 실시예 및 도면은 제한 없이 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 단면도 A: 유휴 및 B: 구동 중.
도 2 단면에서 구불구불한 모양을 나타내는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 3, 4는 구불구불한 형태의 진동막을 갖는 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 다이어그램, 그 수평 섹션은 유지 구조에 의해 지지됨.
도 5는 전도성 재료로 만들어진 중간 층에 의해 분리된 2개의 액추에이터 층을 갖는 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 다이어그램.
도 6 MEMS 라우드스피커를 작동하는 데 선호되는 드라이브 시스템의 다이어그램.
도 7 후면 공진 볼륨이 있는 하우징 전면에 MEMS 라우드스피커를 선호하는 통합 다이어그램.
도 8은 단면이 구불구불한 형태의 진동막이 있는 MEMS 확성기에 대한 바람직한 제조 방법의 다이어그램, 수직 섹션만 액추에이터 재료 층을 가지고 있음.
도 9는 결정 방향 의존적 에칭 공정을 통해 깊은 트렌치를 형성하기 위한 결정 형태의 기판의 바람직한 구조의 다이어그램.
도 10 개별 압전 세라믹 요소를 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 11 개별 압전 세라믹을 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 선호되는 전기 연결 다이어그램.
도 12 개별 압전 세라믹 요소를 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 단면도 A: 유휴 및 B: 구동 중.
도 2 단면에서 구불구불한 모양을 나타내는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 3, 4는 구불구불한 형태의 진동막을 갖는 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 다이어그램, 그 수평 섹션은 유지 구조에 의해 지지됨.
도 5는 전도성 재료로 만들어진 중간 층에 의해 분리된 2개의 액추에이터 층을 갖는 MEMS 확성기의 바람직한 실시예의 다이어그램.
도 6 MEMS 라우드스피커를 작동하는 데 선호되는 드라이브 시스템의 다이어그램.
도 7 후면 공진 볼륨이 있는 하우징 전면에 MEMS 라우드스피커를 선호하는 통합 다이어그램.
도 8은 단면이 구불구불한 형태의 진동막이 있는 MEMS 확성기에 대한 바람직한 제조 방법의 다이어그램, 수직 섹션만 액추에이터 재료 층을 가지고 있음.
도 9는 결정 방향 의존적 에칭 공정을 통해 깊은 트렌치를 형성하기 위한 결정 형태의 기판의 바람직한 구조의 다이어그램.
도 10 개별 압전 세라믹 요소를 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 11 개별 압전 세라믹을 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 선호되는 전기 연결 다이어그램.
도 12 개별 압전 세라믹 요소를 기반으로 하는 진동막이 있는 MEMS 확성기의 바람직한 제조 방법 다이어그램.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 확성기의 바람직한 실시예를 도시한다. 도 1A는 유휴 상태(idle state)를 나타내는 반면, 도 1B는 MEMS 라우드스피커를 구동(driving)하는 동안의 두 단계를 나타낸다.
MEMS 확성기는 수직 방출 방향으로 음파를 생성하기 위한 진동막(1)을 포함하며, 상기 진동막(1)은 캐리어(4)에 의해 수평 위치에 유지된다. 단면에서 상기 진동막(1)은 수평 섹션(3)과 수직 섹션(2)을 포함하는 미앤더 구조(meander structure)를 갖는다. 상기 수직 섹션은 방출 방향에 평행하게 형성되고 적어도 하나의 액추에이터 층, 예를 들어 압전 재료로 만들어진 층을 나타낸다. 진동막(1)과 액추에이터 층의 연결은 바람직하게는 단부에서 전극에 의해 달성된다. 이를 위해, 예를 들어, 전극 패드(미도시)가 캐리어(4) 상에 위치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 수직 섹션은 적절한 구동의 결과로서 수평 진동을 생성하도록 유도될 수 있는 기계적 바이모프(mechanical bimorphs)이다. 이를 위해, 상기 수직 섹션(2)은 예를 들어 액추에이터 재료의 제1 층 및 기계적 지지 재료의 제2 층을 포함할 수 있다. 액츄에이터 층을 구동함으로써 응력 구배 및 결과적으로 곡률 또는 진동이 생성될 수 있다. 마찬가지로, 수직 섹션(2)은 형상의 대응하는 상대적 변화의 결과로서 수직 섹션(2)의 만곡을 야기하기 위해 반대 방향으로 구동되는 2개의 액추에이터 층을 포함하는 것이 또한 바람직할 수 있다.
도 1B는 구동 중 2개의 단계를 예시적으로 도시한다. 유리하게는, 진동막(1)의 복수의 수직 섹션(2)으로 인해, 증가된 총 체적은 수 마이크로미터의 작은 수평 이동(곡률)으로 방출의 수직 방향으로 이동할 수 있고, 따라서 소리 생성에 사용될 수 있다. 한 단계 동안 수직 섹션 사이의 거의 전체 공기 부피가 방출 방향을 따라 위 또는 아래로 이동할 수 있기 때문에 구동은 여기에서 특히 효율적인 구현을 허용한다.
도 2는 단면이 미앤더(meander) 형상을 갖는 진동막(1)을 갖는 MEMS 확성기를 제공하기 위한 바람직한 제조 방법을 개략적으로 도시한다. 미앤더 형태의 진동막은 또한 바람직하게는 접힌 멤브레인 또는 벨로우즈(folded membrane or bellows)로 지칭될 수 있다.
도 2A는 구조를 형성하기 위해 상부 또는 전면으로부터 기판(8)의 에칭을 도시한다. 공정 단계에서 평행한 깊은 트렌치(trench)가 기판(8)으로 에칭된다. 형성된 구조는 벨로우즈 또는 단면에서 미앤더를 나타낸다.
이어서, 에칭 정지부(9)(도 2B) 층이 도포되며, 이는 예를 들어 TEOS 또는 PECVD일 수 있다. 기계적 지지 재료(10)의 층(도 2C) 및 액추에이터 재료(11)의 층은 에칭 정지부(9)에 도포된다. 기계적 지지 재료(10)는 예를 들어 도핑된 폴리실리콘일 수 있는 반면, 압전 재료는 액추에이터 재료(11)에 사용될 수 있다. 층 두께로서는, 예를 들어 1㎛가 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 압전 재료는 가로 압전 효과가 사용되도록 표면에 수직인 C축 배향을 가질 수 있다. 다른 방향 및 예를 들어 세로 효과(longitudinal effect)의 활용도 선호될 수 있다.
도 2E는 전도성 물질(12)의 층으로서 전면 상부 전극의 바람직한 도포를 도시한다. 단부측 연결(End-side connection)은 예를 들어 전극 패드(13)에 의해 달성될 수 있다(도 2F).
도 2F 및 2G는 각각 후면 및 바닥 측으로부터 기판(8)의 추가 에칭 및 에칭 정지부의 제거를 도시한다.
따라서 제조 단계 2A-G는 단면에서 미앤더 구조를 나타내는 진동막(1)을 생성한다.유리하게는, 연속 엑추에이터 층(11) 및 단부측 연결부(13)의 제공은 수평 진동을 생성하도록 수직 섹션(2)을 효율적으로 구동하는 것을 허용한다(도 1 참조). 도 2G에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 구동은 바람직하게는 2개의 전극에 의해 달성되며, 액추에이터 층(12)은 바람직하게 전면(상부 전극, 전도성 층(12)) 및 후면(하부 전극, 전도성 기계적 지지 재료(10)을 통해) 모두로부터 연결된다(도 6A 참조).
유지 구조(Retaining structure)(14)는 캐리어(4)의 측벽 사이에 매달린 멤브레인(1)을 안정화시키기 위해 제공될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 이들은 바람직하게 진동막(1)의 수평 섹션(3)을 지지할 수 있다. 유리하게는, 수평 섹션(3)은 기계적으로 중립이어서(도 1B 참조), 구동 중에 멤브레인(1)과 유지 구조(14) 또는 캐리어(4) 사이에 바람직하지 않은 응력이 유도되지 않는다.
도 5는 진동막(1)이 전도성 재료(12), 바람직하게는 금속의 중간 층에 의해 분리된 2개의 작동기 층을 포함하는 MEMS 확성기의 바람직한 대안적인 실시예를 도시한다. 중간층은 제1 단부측 전극 패드(13)에 연결되는 반면, 도시된 실시예에서 상부 액추에이터 층(11)은 도전성 재료(12)의 추가 층을 통해 제2 단부측 전극 패드(13)에 연결된다.
도 6은 설명된 MEMS 확성기를 작동시키기 위한 바람직한 구동 시스템을 도시한다.
도 6A는 액추에이터 층(11) 및 수동 기계적 지지 층(10)을 포함하는 MEMS 확성기에 대한 바람직한 구동 시스템을 도시한다. 바람직하게는, 상기 구동은 2개의 단부측 전극 패드(13)에 의해 수행되어, 따라서 수평 진동은 기계적 지지 재료에 대한 액추에이터 재료의 모양 변화에 의해 생성될 수 있다. 상기 액추에이터 층(11)은 바람직하게 전면(상부 전극(13), 전도성 층(10)) 및 후면(하부 전극(13), 전도성 기계적 지지 재료(10)) 모두로부터 연결된다. 예를 들어, 오디오 입력 신호로서의 AC 전압은 전면 전극 패드(13)(좌)에 인가될 수 있고, 후면 전극 패드(13)(우)는 접지된다.
도 6B는 전도성 재료(12), 바람직하게는 금속의 중간 층에 의해 분리된 2개의 액추에이터 층(11)을 갖는 MEMS 확성기에 대한 바람직한 구동 시스템을 도시한다.
상부 액추에이터 층(11)은 바람직하게 전면(상부 전극(13) 및 상부 도전층(12)) 및 중간 도전층(12)으로부터 구동된다. 하부 액추에이터 층(11)은 바람직하게 후면(하부 전극(13) 및 하부 도전층(12)) 및 중간 도전층(12)으로부터 구동된다. 예시된 실시예에서, AC 전압은 예를 들어 상부 및 하부에 사용되는 전극 패드(13)(좌측)에 오디오 입력 신호로서 인가될 수 있는 반면, 중간층(12)은 다른 전극 패드(13)(우측)를 통해 접지된다.
도 7은 하우징(15)에 본 발명에 따른 MEMS 확성기의 바람직한 통합의 예를 도시한다. 바람직하게는, 캐리어(4)에 의해 유지되는 진동막(1)은 하우징(음향 포트)의 전면에 배치된다. 상기 하우징은 또한 후면 공진 볼륨(후면 볼륨 16)을 둘러싼다. 음향 단락(acoustic short circuit)을 방지하거나 사운드를 지원하기 위해 환기 개구(17)가 제공될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 진동막(1)을 갖는 MEMS 확성기를 제공하기 위한 대안적인 제조 방법을 도시한다. 도 8A-D에 도시된 공정 단계는 도 2와 유사하다.
도 8A는 구조, 바람직하게는 미앤더 구조를 형성하기 위해 상부 또는 전면으로부터 기판(8)의 에칭을 도시한다. 이 공정 단계에서 평행한 깊은 트렌치가 기판(8)으로 에칭된다. 형성된 구조는 벨로우즈 또는 단면에서 미앤더를 나타낸다.
이어서, 에칭 정지부(9)(도 2B)의 층이 도포되며, 이는 예를 들어 TEOS 또는 PECVD일 수 있다. 기계적 지지 재료(10)(도 2C) 및 액추에이터 재료(11)의 층이 에칭 정지부(9)에 도포된다. 기계적 지지 재료(10)는 예를 들어 도핑된 폴리실리콘일 수 있는 반면, 압전 재료는 바람직하게는 액추에이터 재료(12)에 사용된다.
도 2에 도시된 실시예와 대조적으로, 액추에이터 층(11)은 상부 도전층에 연속적인 층으로서 연결되지 않는다. 대신에, 액추에이터 층(11)의 스페이서 에칭(도 8F)은 멤브레인의 수평 섹션에서 수행되고, 따라서 상기 멤브레인의 수직 섹션만 여전히 액추에이터 재료(11)의 층을 포함한다.
연속적인 유전층(18)은 이후에 적용될 상부 전극과 하부 전극 사이의 단락을 방지하기 위해 바람직하게 적용된다(도 8G). 상부 전극(12)으로서의 연속 전도층은 전면 연결을 허용한다(도 8H).
도 8I 및 도 8J는 후면 또는 하부로부터 기판(8)의 추가 에칭 및 선택적으로 후면 전극으로서 연속 전도층(12)을 적용하는 것을 예시한다.
도 9는 구조화된 기판(8)을 제공하는 바람직한 방법을 예시한다. 도 8A에 도시된 공정 단계와 유사한 방식으로, 평행한 깊은 트렌치가 기판(8) 내로 에칭된다. 형성된 구조는 벨로우즈(bellows) 또는 단면에서 미앤더(meander)를 나타내며, 그 위에 진동막이 미앤더 형태로 적용될 수 있다.
도 9의 구조화된 기판(8)의 바람직한 제공은 기판(8)의 결정 구조를 이용하는 것을 특징으로 하며, 여기서 트렌치는 결정 구조의 격자 벡터를 따라 형성된다.
이러한 방식으로 200μm 이상, 400μm 이상의 깊은 깊이를 가진 특히 매끄러운 준결정 트렌치(quasi-crystalline trench)를 고정밀 배향(high-precision orientation)으로 얻을 수 있다. 또한, 트렌치 측면의 표면 법선이 에칭 프로세스가 발생한 방향의 격자 벡터에 직교하는 격자 벡터와 정렬되는 것이 유리하다.
예를 들어, 실리콘이 기판으로 사용되는 경우, 상기 실리콘 기판(8)은 도 9에 도시된 바와 같이 존재할 수 있으며, 바람직하게는 밀러 지수 <110>의 표면 방향으로 정렬된다. 따라서 바람직하게는 결정 구조 <110>의 격자 벡터는 여전히 구조화되지 않은 기판의 표면에 수직이다. 에칭 마스크(24), 예를 들어 SiO2 하드 마스크에 의해, 에칭되지 않아야 하는 기판 표면 상의 수평 영역 또는 스트라이프가 정의될 수 있다.
매끄럽고 정밀하게 배향된 트렌치는 <111> 배향과 비교하여 실리콘 결정의 <110> 배향을 따라 선호하는 방향으로 이방성 에칭(anisotropic etching)에 의해 얻어진다. 이를 위해 습식 화학 공정이 유리하게 사용될 수 있으며, 이는 일괄 공정에서 대량 생산에 적합하다. 예를 들어, 수산화칼륨(potassium hydroxide)은 <111> 결정 방향에 비해 <110>을 따른 에칭에 대한 명확한 방향성 선호도를 나타낸다. Sato et al. 1988에서 볼 수 있듯이 <110>의 실리콘 단결정에서 KOH의 에칭 속도는 1.455μm/min인 반면 <111> 방향의 에칭 속도는 0.005μm/min에 불과하다. 이방성 에칭 속도로 인해 습식 화학 공정을 사용하여 언더 에칭이 낮은 깊은 트렌치를 얻을 수 있다.
예를 들어, 400μm 깊이의 트렌치를 형성하기 위해 KOH는 <110> 배향된 실리콘 기판에 275분 동안 적용될 수 있다. 식각 속도가 직교 <111> 방향에서 291배 감소하기 때문에 해당 기간 동안 1.37 μm의 언더에칭만 발생한다. 언더에칭 공정의 국부적 강도가 변하더라도 400μm의 큰 트렌치 깊이에 대해 1° 미만의 방향 변이가 발생한다. 대신, 높은 정확도로 공정은 부드럽고 준결정질 방향을 특징으로 하는 거의 완벽하게 수직의 깊은 트렌치를 얻을 수 있다.
또 다른 이점으로, 멤브레인의 수직 섹션이 형성되는 트렌치의 이렇게 얻어진 측벽은 결정 방향(여기서: <111>)에 있다. 이 상황은 AlN 또는 PZT와 같은 압전 재료의 기둥 성장을 촉진한다: 이것은 압전 재료가 수직 섹션의 표면에 수직인 c-축 배향을 갖는 것을 특히 정확한 방식으로 보장할 수 있어, 수평 진동의 형성에 가로 압전 효과가 사용될 수 있다.
도 10은 개별 압전세라믹에 기초한 진동막을 포함하는 MEMS 확성기를 제공하기 위한 바람직한 제조 방법을 예시한다.
먼저, 기계적 지지 재료(10)의 층(예를 들어, 도핑된 폴리실리콘) 및 압전 재료의 층(11) 및 희생 층(20)을 포함하는 복수의 개별 압전 세라믹 요소(19)가 제공된다(도 10A 및 10B 참조). 상기 희생층(20)은 예를 들어 포토레지스트일 수 있다. 바람직하게는, 기계적 지지 재료(10)의 층은 연결을 보장하기 위해 전기 전도성일 수 있다. 하나 또는 두 개의 전도성 재료(12) 층을 압전 재료(11)의 한 층에 적용하는 것도 가능하며, 이는 압전 재료와 전기 연결을 만드는 역할을 한다.
이어서, 층간 연결 및 금속 충전(21)을 위한 구멍이 정의된다(도 10C 참조). 압전 세라믹 요소(19)는 적층(도 10D) 및 절단(다이싱(22, 도 10E))되어 금속 브리지(21)에 의해 연결된 압전 세라믹 소자(19)의 2개 이상의 스택이 얻어진다(도 10E 참조).
상기 희생층(20)(도 10f)의 제거 후에, 상기 적층된 압전세라믹 소자(19)는 바람직하게는 전극(13)에 각각 연결된 첫 번째 및 마지막 압전세라믹 요소와 함께 캐리어(4)에 삽입된다(도 10e).
이러한 방식으로, 진동막(1)은 또한 수직 방출 방향으로 음파를 생성하기 위한 둘 이상의 수직 섹션(2)을 포함하는 캐리어(4) 사이에서 얻어지고, 이는 방출 방향과 평행하게 형성되고 수평으로 진동하도록 구동될 수 있다.
액츄에이터 원리는 바람직하게는 기계적 지지층(10)에 대한 액츄에이터 층(11)의 형상의 상대적인 변화에 기초한다. 이를 위해 연속 액추에이터 층이 필요하지 않다. 단부측 구동에 의한 모든 수직 섹션(2)의 연결은 도전층(12)과 결합된 금속 브리지(23)에 의해 보장된다.
도 11은 개별 압전세라믹에 기초한 진동막과 MEMS 확성기(loudspeaker)의 바람직한 전기적 연결을 예시한다.
도 11A는 MEMS 확성기의 평면도 및 도 11B는 측면도이다. 개별 라멜라 또는 수직 섹션은 전극 패드(13)를 통해 병렬로 구동되며, 여기서 U자형 스페이서는 라멜라의 각 측면에 존재하고 다음 라멜라에 기계적 및 전기적 연결을 생성한다.
도 12는 개별 압전세라믹에 기초한 진동막을 갖는 MEMS 확성기를 제공하기 위한 대안적인 제조 방법을 예시한다.
유리하게는, 도 10 또는 11에 따른 실시예와 대조적으로, 도시된 실시예에서 구조화된 연결이 생략될 수 있다. 대신 아래에 설명된 대로 전면(전면 전극) 또는 후면(후면 전극)에서 연속 전도성 표면을 사용하여 연결할 수 있다.
도 10에 따른 제조 방법과 유사한 방식으로, 기계적 지지 재료(10)의 층(예를 들어, 도핑된 폴리실리콘) 및 압전 재료(11)의 층을 포함하는 복수의 개별 압전 세라믹 요소(19)가 제공된다. 바람직하게는, 기계적 지지 재료(10)의 층은 전기 전도성이다.
또한, 상부 프레임(25) 및 하부 프레임(26)은 압전세라믹 요소(19)를 수용하기 위한 리세스 또는 홈(27)을 각각 구비하고 있다. 바람직하게는, 상부 및 하부 프레임은 전기적으로 비전도성인 재료, 예를 들어 폴리머로 만들어진다. 바람직하게는, 3D 프린팅 프로세스를 사용하여 프레임을 형성할 수 있다.
압전 세라믹 요소(19)를 고정하기 위해, 바람직하게는 먼저 오목부(27)에 적용되는 접착제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다(도 12a 참조). 하부 프레임(26)의 각각의 리세스(27)에 압전 세라믹 요소(19)를 고정한 후, 접착제는 상부 프레임이 상부 측면에서 압전 세라믹 요소(19)를 고정하도록 압전 세라믹 요소(19)에 도포될 수 있다(도 12B 참조).
개별 라멜라 또는 압전세라믹 요소(19)를 연결하기 위해, 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 연속 층이 전면(전면 전극) 또는 후면(후면 전극)으로부터 (눈에 보이지 않게) 적용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 스퍼터링 공정을 통해.
이러한 방식으로, 방출의 수직 방향으로 음파를 생성할 목적으로, 방출 방향에 평행하게 형성되고 수평으로 진동하도록 유도될 수 있는 적어도 2개 이상의 수직 섹션(2)을 포함하는 진동막(1)을 얻는 것도 가능하다. 합성 프레임(composite frame)(25, 26)은 수직 섹션(2)에 대한 캐리어 역할을 할 수 있다.
LITERATURE
F. Stoppel, C. Eisermann, S. Gu-Stoppel, D. Kaden, T. Giese and B. Wagner, NOVEL MEMBRANE-LESS TWO-WAY MEMS LOUDSPEAKER BASED ON PIEZOELECTRIC DUAL-CONCENTRIC ACTUATORS, Transducers 2017, Kaohsiung, TAIWAN, June 18-22, 2017.
Iman Shahosseini, Elie LEFEUVRE, Johan Moulin, Marion Woytasik, Emile Martincic, et al. Electromagnetic MEMS Microspeaker for Portable Electronic Devices. Microsystem Technologies, Springer Verlag (Germany), 2013, pp.10. <hal-01103612>.
Bert Kaiser, Sergiu Langa, Lutz Ehrig, Michael Stolz, Hermann Schenk, Holger Conrad, Harald Schenk, Klaus Schimmanz and David Schuffenhauer, Concept and proof for an all-silicon MEMS microspeaker utilizing air chambers Microsystems & Nanoengineering volume 5, Article number: 43 (2019).
Kazuo Sato, Mitsuhiro Shikida, Yoshihiro Matsushima, Takashi Yamashiro, Kazuo Asaumi, Yasuroh Iriye, and Masaharu Yamamoto, Characterization of orientation-dependent etching properties of single-crystal silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A 64 (1988) 87-93).
Seidel, H., Csepregi, L., Heuberger, A., and Baumgartel, H. (1990). Anisotropic etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions. Journal of The Electrochemical Society 137. 10.1149/1.2086277
1
진동막(Vibratable membrane)
2 진동막의 수직 단면(Vertical sections of the vibratable membrane)
3 진동막의 수평 단면(Horizontal sections of the vibratable membrane)
4 캐리어(Carrier)
5 수직 섹션 사이의 공기 체적(Air volumes between the vertical sections)
8 기판(Substrate)
9 에칭 정지부(Etch stop)
10 기계적 지지 재료 층, 바람직하게는 도핑된 폴리실리콘(Layer of mechanical support material, preferably doped polysilicon)
11 액추에이터 재료의 층(액추에이터 층), 바람직하게는 압전 재료(Layer of actuator material (actuator layer), preferably a piezoelectric material)
12 전도성 물질 층, 바람직하게는 금속(Layer of conductive material, preferably metal)
13 전극, 바람직하게는 전극 패드의 연결(Connection of the electrode, preferably electrode pad)
14 유지 구조(Retaining structures)
15 하우징(Housing)
16 후면 공진 볼륨(Rear resonant volume )
17 환기구(Ventilation opening)
18 유전체층(Layer of dielectric material)
19 압전 세라믹 소자Piezoceramic element(s))
20 희생층(Sacrificial layer)
21 금속 충진으로 층간 연결을 위한 정의된 구멍Defined holes for interlayer connection with metal filling)
22 절단(다이싱)(Cutting (Dicing)
23 금속 다리(Metal bridges)
24 에칭 마스크(Etching mask)
25 상부 프레임(Upper frame)
26 하부 프레임(Lower frame)
2 진동막의 수직 단면(Vertical sections of the vibratable membrane)
3 진동막의 수평 단면(Horizontal sections of the vibratable membrane)
4 캐리어(Carrier)
5 수직 섹션 사이의 공기 체적(Air volumes between the vertical sections)
8 기판(Substrate)
9 에칭 정지부(Etch stop)
10 기계적 지지 재료 층, 바람직하게는 도핑된 폴리실리콘(Layer of mechanical support material, preferably doped polysilicon)
11 액추에이터 재료의 층(액추에이터 층), 바람직하게는 압전 재료(Layer of actuator material (actuator layer), preferably a piezoelectric material)
12 전도성 물질 층, 바람직하게는 금속(Layer of conductive material, preferably metal)
13 전극, 바람직하게는 전극 패드의 연결(Connection of the electrode, preferably electrode pad)
14 유지 구조(Retaining structures)
15 하우징(Housing)
16 후면 공진 볼륨(Rear resonant volume )
17 환기구(Ventilation opening)
18 유전체층(Layer of dielectric material)
19 압전 세라믹 소자Piezoceramic element(s))
20 희생층(Sacrificial layer)
21 금속 충진으로 층간 연결을 위한 정의된 구멍Defined holes for interlayer connection with metal filling)
22 절단(다이싱)(Cutting (Dicing)
23 금속 다리(Metal bridges)
24 에칭 마스크(Etching mask)
25 상부 프레임(Upper frame)
26 하부 프레임(Lower frame)
Claims (15)
- - 캐리어(4);
- 수직 방향으로 유체의 압력파를 생성 또는 수신하기 위한 진동막(1), 상기 진동막(1)은 캐리어(4)에 의해 지지됨;을 포함하고,
상기 진동막(1)은 상기 수직 방향에 실질적으로 평행하게 형성되고 엑츄에이터 재료(11)의 적어도 하나의 층을 포함하는 2개 이상의 수직 섹션(2)을 나타내고, 여기서 상기 진동막(1)의 적어도 하나의 단부는 적어도 하나의 전극(13)에 연결되고,
따라서 상기 적어도 하나의 전극(13)을 구동함으로써 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도되고 또는 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도될 때 적어도 하나의 전극에서 전기 신호가 생성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 유체의 체적 흐름과 상호 작용하기 위한 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항에 있어서,
상기 MEMS 변환기는 MEMS 확성기이고, 여기서 공기 체적(5)은 수평 진동의 결과로 음파를 생성하기 위하여 방출의 수직 방향을 따라 이동하는 상기 수직 섹션(2) 사이에 존재하는 것이 바람직하고, 또는
상기 MEMS 변환기는 MEMS 마이크로폰이고, 여기서 공기 체적(5)은 음파가 수신될 때 검출의 수직 방향을 따라 이동하는 상기 수직 섹션(2) 사이에 존재하는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2개 이상의 수직 섹션(2)은 2개 이상의 층을 포함하고, 제1 층(11)은 엑츄에이터 재료를 포함하고 제2층(10)은 기계적 지지 재료를 포함하고, 여기서 상기 액추에이터 재료를 포함하는 적어도 상기 층(11)은 전극(13)에 연결되고,
따라서 상기 기계적 지지 재료에 대한 상기 액추에이터 재료의 모양 변화에 의해 수평 진동이 생성될 수 있고, 수평 진동이 기계적 지지 재료에 대한 액추에이터 재료의 모양 변화를 일으키고 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2개 이상의 수직 섹션(2)은 2개 이상의 층을 포함하고, 두 층(11)은 액추에이터 재료를 포함하고 각각은 전극(13)에 각각 연결되고, 그리고
상기 수평 진동은 다른 층에 비해 한 층의 모양 변화에 의해 생성될 수 있으며, 또는 상기 수평 진동은 다른 층에 비해 한 층의 모양을 변화시키고 전기 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐리어(4)는 진동막(1)이 수평 방향으로 배열되는 두 개의 측면 영역을 포함하고 및/또는 상기 캐리어(4)는 기판(8)으로 형성되고,
바람직하게 단결정 실리콘(monocrystalline silicon), 폴리실리콘(polysilicon), 이산화규소(silicon dioxide), 탄화규소(silicon carbide), 실리콘 게르마늄(silicon germanium), 질화규소(silicon nitride), 질화물(nitride), 게르마늄(germanium), 탄소(carbon), 비화갈륨(gallium arsenide), 질화갈륨(gallium nitride), 인화인듐(indium phosphide) 및 유리로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)은 라멜라 구조 또는 미앤더 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)은 수직 섹션(2)과 수평 섹션(3)이 교대로 있는 미앤더 구조로 형성되며, 상기 수평 섹션(3) 중 적어도 2개는 상기 캐리어(4)에 직접 또는 간접적으로 연결된 유지 구조(14)에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액추에이터 재료는 압전 재료, 폴리머 압전 재료 및/또는 전기활성 폴리머(EAP)를 포함하고, 여기서 상기 압전 재료는 바람직하게는 PZT(lead zirconate titanate ), AlN(aluminum nitride ), AlScN(aluminum scandium nitride ) 및 ZnO(zinc oxide)을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)은 3개의 층, 전도성 물질로 형성된 상부층(12), 액추에이터 재료로 형성된 중간층(11), 전도성 재료로 형성된 하부층(12)을 포함하며, 상기 상부 및/또는 하부 층의 전도성 재료는 바람직하게는 기계적 지지 재료인 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)은 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 중간 층(12)에 의해 분리된 액추에이터 재료의 두 층(11)을 포함하고, 여기서 상기 중간층(12)은 제1 전극(13)에 연결되고, 상기 액추에이터 재료의 두 층(11) 중 적어도 하나는 전도성 재료, 바람직하게는 금속의 추가 층(12)을 통해 제2 전극(13)에 연결되는
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)의 수직 섹션(2)은 두 개의 층을 포함하고, 여기서 제1층(11)은 액추에이터 재료로 구성되고, 제2층(10)은 전도성 지지 재료로 구성되며, 여기서 상기 수직 섹션(2)은 수평 금속 브리지(23)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동막(1)은 붙지 않는 재료(non-stick material)의 층으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐리어(4)에 의해 지지되는 진동막(1)은 후면 공진 볼륨(16)을 둘러싸는 하우징(15)의 전면에 배치되고, 여기서 환기 개구부(17)는 음향 단락(acoustic short circuit)을 방지하고/하거나 사운드를 지원하기 위해 하우징(15)에 존재하는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 MEMS 변환기.
- - 구조화, 바람직하게는 미앤더 구조를 형성하기 위해 바람직하게는 전면으로부터 기판(8)을 에칭하는 단계
- 에칭 정지부를 선택적으로 도포(application)하는 단계
- 적어도 2개의 층을 도포하는 단계, 여기서 적어도 제1 층(11)이 엑츄에이터 재료를 포함하고 제2 층(10)이 기계적 지지 재료를 포함하거나 적어도 두 개의 층(11)이 엑츄에이터 재료를 포함함,
- 상기 제1 및/또는 제2 층을 전극(13)에 연결하는 단계,
- 바람직하게는 후면으로부터 에칭하고 에칭 정지부를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하고,
바람직하게는 미앤더 구조의 형태인 진동막(1)이 상기 기판(8)에 의해 형성된 캐리어(4)에 의해 지지되고, 상기 진동막(1)은 수직 방향으로 유체의 압력파를 생성하거나 수신하기 위한 적어도 2개 이상의 수직 섹션(2)을 포함하며, 이 섹션은 수직 방향에 평행하게 형성되고, 적어도 하나의 전극(13)을 구동함으로써 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도될 수 있고, 또는 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도될 때, 전기 신호가 적어도 하나의 전극에서 생성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 MEMS 변환기 제조방법.
- - 희생층(20), 전도성 물질층(12) 및 압전 물질층(11)을 포함하는 복수의 개별 압전세라믹 소자(19)를 제공하는 단계,
- 상기 압전 세라믹 소자의 층간 연결 및 금속 충전을 위한 구멍(21)을 정의하는 단계,
- 금속 브리지(23)로 연결된 압전 세라믹 소자(19)의 스택을 얻기 위해 압전 세라믹 소자(19)를 적층하고 선택적으로 다이싱(22)하는 단계;
- 상기 희생층(29)을 제거하고 압전세라믹 소자 스택(19)을 캐리어(4)에 삽입하는 단계, 여기서 제1 및 마지막 압전 세라믹 소자(19)는 각각 전극(13)에 연결됨;을 포함하고,
바람직하게는 라멜라 구조의 형태인 진동막(1)은 기판(8)에 의해 형성된 캐리어(4)에 의해 지지되고, 상기 진동막(1)은 수직 방향으로 유체의 압력파를 생성하거나 수신하기 위한 적어도 2개 이상의 수직 섹션(2)을 포함하며, 이 섹션은 수직 방향에 평행하게 형성되고, 따라서 적어도 하나의 전극(13)을 구동함으로써 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도될 수 있고, 또는 2개 이상의 수직 섹션(2)이 수평으로 진동하도록 유도될 때, 전기 신호가 적어도 하나의 전극에서 생성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 선행하는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 MEMS 변환기 제조방법.
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