KR100242660B1

KR100242660B1 - 초음파 트랜스듀서

Info

Publication number: KR100242660B1
Application number: KR1019970055245A
Authority: KR
Inventors: 최형; 김승환; 강성우; 신형재
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 2000-02-01
Also published as: KR19990033811A

Abstract

본 발명은 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성한 초소형의 판형 초음파 트랜스듀서에 관한 것으로, 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 형성된 차단층위에 구성되어 음의 바이어스전압이 인가되는 음전극들; 상기 음전극들에 각각 수직입설형성되어 있으며, 상단부에 파지편이 구비되어 있는 지지봉들; 상기 지지봉들의 상단에 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 이격되어 지지되어 있는 음파방사판; 상기 파지편과 음파방사판 사이에 연결되어 상기 음파방사판이 진동할 수 있도록 상기 음파방사판의 모서리를 파지고정하고 있는 탄성체들; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 음파방사판과의 정전력에 의해 상기 음파방사판을 진동시키는 양전극층을 포함하며, 이상과 같은 구조를 갖는 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하므로 판형구조로 초소형화할 수 있어 스피커의 박형소형화를 이룩할 수 있게 하는 첨단의 기술이다.

Description

초음파 트랜스듀서

본 발명은 두 개의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 관한 것으로, 특히 초소형 정밀가공기기(MEMS; Micro Electro Mechanical System)기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성한 초소형의 판형 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.

일반적으로, 널리 사용되고 있는 스피커는 마그넷트의 자기력을 이용하여 진동판을 진동시켜서 음파를 발생시키는 구조를 갖는다. 이러한 보편적인 자기형 스피커와는 달리 최근 인간이 들을 수 없는 가청음밖의 초음파를 이용하여 가청음을 발생시키는 초음파 스피커에 대한 연구가 점차 활발하게 이루어지고 있다.

이와 같이 최근 스피커 신기술로 주목받고 있는 초음파스피커는 그 개념만 입증되었을 뿐 아직 상업화되지 못하고 있는 실정이다. 그 주요한 원인 중의 하나는 소형이면서 효과적으로 초음파를 발생시킬 수 있는 트랜스듀서의 구조를 아직 개발하지 못한 데 있다고 할 수 있다.

보편적인 초음파 스피커의 구동원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 재생시키고자 하는 음악, 음성등의 신호를 신호원(10)으로 발생시킨다. 그리고, 기준이 되는 일정주파수의 초음파음을 기준초음파발생기(20)를 통하여 발생시켜 모듈레이터(30)로 보낸다. 그러면, 신호원(10)에서 나온 원신호를 기준초음파주파수만큼 주파수이동, 모듈레이션시켜 기준초음파와 함께 초음파파워앰프(40)로 입력시켜 그 파워를 증대시키게 된다. 그런다음, 이 초음파를 초음파 발생 트랜스듀서(50)에 보내 초음파를 발생시키게 된다. 이때, 발생된 초음파, 즉 기준초음파와 모듈레이션된 초음파는 공기를 투과하면서 공기의 비선형성에 의하여 두 초음파의 차이주파수성분이 발생되며, 이 음파는 가청주파수 대역에 존재하므로 인간이 들을 수 있는 원하는 가청음파가 되어 청취자에게 가청되게 된다. 도면에 도시된 초음파발생트랜스듀서(50)에서 발생되는 곡선형의 띠중 점선은 초음파를 그리고 실선의 띠는 가청음을 나타낸다.

이상과 같은 원리를 갖는 초음파 스피커는 일반적인 자기형 스피커에서 반드시 필요로 하는 스피커 캐비넷이 불필요하므로 소형, 박형화가 용이하고, 지향성이 강한 초음파를 이용하므로 특정방향으로 음을 방사시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.

이와 같은 초음파스피커에서 무엇보다도 중요한 구성요소는 초음파를 발생시키는 초음파트랜스듀서인데, 일반적으로 이 초음파트랜스듀서로는 여러 산업분야에서 널리 이용되고 있는 압전형 트랜스듀서를 사용하고 있으며, 충분한 파워를 내기 위하여 직경 1cm정도의 압전형 트랜스듀서를 다수 배열시켜 사용하고 있다. 이와 같은 방식에 있어서 충분한 음량을 얻기 위해서는 점점 더 많은 압전형 트랜스듀서 배열을 필요로 하기 때문에 초음파스피커의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서, 소형화가 어렵고, 다수의 트랜스듀서의 배열로 인한 제작비용이 상승하는 폐단을 낳고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 판형구조로 초소형화한 초음파 트랜스듀서를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 초음파 스피커의 전체구성도,

도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조를 나타낸 정면도 및 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명

60 : 실린콘웨이퍼 61 : 차단층

70 : 음전극 71 : 지지봉

72 : 파지편 80 : 탄성체

90 : 음파방사판 100 : 양전극층

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서는 전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼; 상기 실리콘웨이퍼상에 형성된 차단층위에 구성되어 음의 바이어스전압이 인가되는 음전극들; 상기 음전극들에 각각 수직입설형성되어 있으며, 상단부에 파지편이 구비되어 있는 지지봉들; 상기 지지봉들의 상단에 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 이격되어 지지되어 있는 음파방사판; 상기 파지편과 음파방사판 사이에 연결되어 상기 음파방사판이 진동할 수 있도록 상기 음파방사판의 모서리를 파지고정하고 있는 탄성체들; 및 상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 음파방사판과의 정전력에 의해 상기 음파방사판을 진동시키는 양전극층을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.

도 2은 본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 구조를 나타낸 것으로, (a)는 초음파 트랜스듀서의 정면도이고, (b)는 초음파 트랜스듀서의 평면도이다.

실리콘웨이퍼(60)는 전기적으로 그라운드가 되어 있다. 이 실리콘웨이퍼(60)의 상면부에는 차단층(61)이 형성되어 있고, 그 위에 음전극(70)들이 구성되어 있다. 이 음전극(70)들에는 지지봉(71)들이 각각 수직입설형성되어 있으며, 그 지지봉(71)들의 상단부에 파지편(72)이 구성되어 탄성체(80)들로 음파방사판(90)들을 파지하고 있다. 이 탄성체(80)들은 도 2의 (b)에서 보는 바와 같이 음파방사판(90)의 모서리들을 파지하고 있어 음파방사판(90)이 진동할 수 있게 하고 있다. 음파방사판(90)과 대향되는 하부에는 양전극층(100)이 실리콘웨이퍼(60)의 차단층(61)상에 형성되어 있다. 따라서, 음전극(70), 지지봉(71), 탄성체(80), 음파방사판(90)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 음파방사판(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 음파방사판(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다.

위의 탄성체(80)와 음파방사판(90)은 예를 들어 알루미늄과 같은 동일재질로 제작할 수 있을 뿐아니라, 유전율이 큰 재질들로 구성하여 전하를 흐르게 하면서 음파방사판(90)보다 탄성체(80)의 탄성률을 보다 큰 재질로 하여 진동시키는 방식을 채택할 수 있다.

또한, 음파방사판(90)의 진동에 의해 생성된 초음파는 상부쪽인 외부로 뿐만아니라, 하부쪽인 내부측으로도 발생하게 되는 데, 이때 내부측으로 발생된 음파가 양전극층(100)에서 재반사되어 탄성체(80)들의 공백을 통하여 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 현상이 발생하게 된다. 본 발명은 이를 방지하기 위해서 음파방사판(90)과 탄성체(80)들의 전면적에 걸쳐 얇은 박막을 형성하고 있다. 이 박막으로는 폴리머(Polymer)계열이 적합하며, 이외에 소정의 목적을 달성할 수 있는 재질이면 무방하다.

이하부터는 본 발명의 작동에 대해 상세히 설명한다.

음전극(70), 지지봉(71), 탄성체(80), 음파방사판(90)에 음의 바이어스전압을 걸어주고, 음파방사판(90)하방에 대면위치한 양전극층(100)에 재생시키고자 하는 초음파신호를 걸어주면 입력 AC 초음파신호의 부호에 따라 양전극층(100)과 음파방사판(90)은 정전력에 의해 인력과 척력이 발생되어 진동하게 된다. 이때, 음파방사판(90)을 파지하는 있는 탄성체(80)들은 이점쇄선으로 도시한 바와 같이 변형을 일으키면서 음파방사판(90)이 상하로 진동하게 한다. 이 진동은 그 주변에 있는 공기입자들을 진동시켜 초음파를 발생시킨다. 본 초음파 트랜스듀서는 각 음파방사판(90) 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼(60)상에 초소형정밀가공기술을 이용하여 한꺼번에 제작하여 충분한 초음파 방사출력을 얻도록 하고 있다. 이와 같은 각 음파방사판(90) 픽셀의 크기는 마이크로미터단위로 제작되며, 하나의 칩내에 수십만개의 픽셀이 모두 동일한 위상으로 진동하도록 전극이 병렬로 연결된다. 위와 같이 하여 방사된 초음파는 대기중을 따라 전파하면서 비선형성에 의하여 가청음으로 변환되어 인간이 들을 수 있게 된다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 초음파 트랜스듀서는 반도체공정에서 이미 보편화돼 널리 사용되고 있는 초소형 정밀가공기술을 이용하여 각 음파방사판 픽셀들을 격자형태로 원하는 갯수만큼 실리콘웨이퍼상에 한꺼번에 형성하여 판형구조로 초소형화할 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 초소형의 박형전자제품에 적용이 가능하며, 제조공정이 간단용이하여 생산비를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

전기적으로 그라운드가 되어 있고, 상면부에 차단층이 형성된 실리콘웨이퍼;

상기 실리콘웨이퍼상에 형성된 차단층위에 구성되어 음의 바이어스전압이 인가되는 음전극들;

상기 음전극들에 각각 수직입설형성되어 있으며, 상단부에 파지편이 구비되어 있는 지지봉들;

상기 지지봉들의 상부에 상기 실리콘웨이퍼와 평행하게 소정간격 이격되어 지지되어 있는 음파방사판;

상기 파지편과 음파방사판 사이에 연결되어 상기 음파방사판이 진동할 수 있도록 상기 음파방사판의 모서리를 파지고정하고 있는 탄성체들; 및

상기 음파방사판과 대향하는 상기 실리콘웨이퍼의 차단층상에 형성돼 재생시키고자 하는 초음파신호가 인가되면, 음의 바이어스전압이 걸린 음파방사판과의 정전력에 의해 상기 음파방사판을 진동시키는 양전극층을 포함하는 초음파 트랜스듀서.
제 1항에 있어서, 상기 탄성체와 상기 음파방사판은 알루미늄과 같은 동일재질로 구성됨을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
제 1항에 있어서, 상기 탄성체와 상기 음파방사판은 유전율이 큰 재질들로 구성하여 전하를 흐르게 하면서 상기 음파방사판보다 탄성체의 탄성률을 보다 큰 재질로 구성하여 진동시키는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
제 1항에 있어서, 상기 음파방사판의 진동에 의해 방사된 내측의 초음파가 상기 양전극층에서 재반사되어 탄성체들의 공백을 통하여 외부로 유출돼 외부음파와 간섭을 일으키는 것을 억제하기 위해서 상기 음파방사판과 탄성체들은 전면적에 걸쳐 얇은 박막을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
제 4항에 있어서, 상기 박막으로는 폴리머(Polymer)계열이 이용됨을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.