KR101104142B1 - Acoustic sensor using nanotube and method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노튜브를 이용한 음향센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 감지를 원하는 음향의 고유진동수에 맞게 제작된 진동판; 상기 진동판 상에 형성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 도포되어 전기적인 신호가 양 전극 사이에 연결되도록 하는 나노튜브; 상기 진동판 하부의 기판에 형성되고, 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부; 및 상기 기판 하부에 결합되고, 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 포함하는 나노튜브를 이용한 음향 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an acoustic sensor using nanotubes and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a substrate; A diaphragm formed on the substrate and manufactured according to a natural frequency of a sound to be sensed; An electrode pattern formed on the diaphragm and including a first electrode and a second electrode; A nanotube applied between the first electrode and the second electrode to allow an electrical signal to be connected between both electrodes; A cavity formed in the substrate under the diaphragm and serving as a reference value for an external pressure change; And a plate coupled to a lower portion of the substrate and including a plate having a vent hole formed in the cavity to maintain a constant pressure.
나노튜브, 음향 센서 Nanotubes, Acoustic Sensors
Description
본 발명은 음향센서에 관한 것으로, 나노튜브를 이용하여 감도가 높으며 소형화가 가능한 음향센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic sensor, to a high-sensitivity and miniaturized acoustic sensor using nanotubes and to a method of manufacturing the same.
도 1은 기존의 압전세라믹을 이용한 음향센서를 나타내는 사시도이다. 상기 음향센서는 압전체의 양면에 전극을 형성하고 이것이 음향대역의 고유진동수를 갖도록 하여 초음파가 인가되었을 때 구조체의 기계적인 변형으로부터 압전체에 인가되는 응력에 비례하는 전하를 읽어들여 초음파를 감지하는 방식을 사용하는데, 압전체를 가공한 제품의 경우 크기가 큰 단점이 있으며 신호처리회로와의 집적화가 어려운 문제점이 있다.1 is a perspective view illustrating an acoustic sensor using a conventional piezoelectric ceramic. The acoustic sensor forms electrodes on both sides of the piezoelectric body and has a natural frequency of the acoustic band so that ultrasonic waves are detected by reading a charge proportional to the stress applied to the piezoelectric body from mechanical deformation of the structure when ultrasonic waves are applied. In the case of using a piezoelectric processed product, there is a disadvantage in that the size is large and it is difficult to integrate with a signal processing circuit.
도 2a는 기존의 MEMS 공정을 이용한 정전용량형 음향센서를 나타내는 단면도이고, 도 2b 내지 2g는 상기 음향센서를 제작하는 공정을 나타내는 공정도이다.2A is a cross-sectional view illustrating a capacitive acoustic sensor using a conventional MEMS process, and FIGS. 2B to 2G are process diagrams illustrating a process of manufacturing the acoustic sensor.
최근 정전용량 방식의 MEMS 마이크로폰과 유사한 구조로 도 2와 같이음향센 서가 제작되는데, 상기 음향센서(10)는 진동판(1)과 배극판(2)이 있고 여기에 고전압을 인가하여 초음파가 인가되었을 때 진동판의 떨림에 의해 진동판과 배극판 사이의 정전용량이 변화하고 여기서부터 일정한 전압이 인가되었을 때 정전용량이 변화하면 전하가 바뀌는 점을 이용하여 초음파를 감지하는 방식을 사용하는데, 상기 MEMS 방식의 정전용량형 음향센서의 경우 고전압을 인가하기 위한 승압회로가 필요하고 진동판과 배극판을 형성하기 위해서 상기 도 2b 내지 2g와 같이 복잡한 다단계 미세가공공정을 거쳐야 하기 때문에 생산 단가가 높은 문제점이 있다.Recently, a sound sensor is manufactured as shown in FIG. 2 with a structure similar to that of a capacitive MEMS microphone. The
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노튜브를 이용하여 높은 감도를 가지고, 간단한 공정으로 소형화할 수 있는 음향센서 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, to provide an acoustic sensor and a manufacturing method thereof having a high sensitivity using a nanotube, which can be miniaturized in a simple process.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
기판; 상기 기판 상에 형성되고, 감지를 원하는 음향의 고유진동수에 맞게 제작된 진동판; 상기 진동판 상에 형성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 도포되어 전기적인 신호가 양 전극 사이에 연결되도록 하는 나노튜브; 상기 진동판 하부의 기판에 형성되고, 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부; 및 상기 기판 하부에 결합되고, 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 포함하는 나노튜브를 이용한 음향 센서를 제공한다. Board; A diaphragm formed on the substrate and manufactured according to a natural frequency of a sound to be sensed; An electrode pattern formed on the diaphragm and including a first electrode and a second electrode; A nanotube applied between the first electrode and the second electrode to allow an electrical signal to be connected between both electrodes; A cavity formed in the substrate under the diaphragm and serving as a reference value for an external pressure change; And a plate coupled to a lower portion of the substrate and including a plate having a vent hole formed to maintain a constant pressure of the cavity.
본 발명에 따른 음향센서에 있어서, 상기 나노튜브는 게이지 상수가 높은 탄소나노튜브인 것이 바람직하고, 상기 나노튜브는 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 이미 형성된 전극 위에 잉크를 떨어뜨리고 건조시켜 전극패턴이 나노튜브로 연결되도록 형성한다. 또한, 상기 나노튜브의 저항패턴은 진동판의 경계면에 걸쳐 복수개로 형성할 수 있는데, 상기 나노튜브 저항 패턴을 응력이 반대로 걸리는 위치에도 형성시켜 디퍼런셜 타입으로 신호를 출력할 수 있도록 할 수 있다.In the acoustic sensor according to the present invention, the nanotubes are preferably carbon nanotubes having a high gauge constant, and the nanotubes are formed by dropping ink on an electrode already formed by using an inkjet printing process and drying the electrode pattern. To be connected. In addition, the resistance pattern of the nanotubes may be formed in plural across the boundary surface of the diaphragm. The nanotube resistance pattern may be formed at a position where stress is reversed so as to output a signal in a differential type.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 음향센서는 상기 진동판 상에 형성된 나노튜브 패턴과 별도의 동일한 크기의 나노튜브 패턴을 형성하여 레퍼런스 저항으로 사용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 음향센서에 사용되는 상기 진동판은 실리콘 질화막 또는 다결정 실리콘막으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, in another embodiment according to the present invention, the acoustic sensor may be used as a reference resistor by forming a nanotube pattern of the same size separate from the nanotube pattern formed on the diaphragm. In addition, the diaphragm used in the acoustic sensor of the present invention is preferably formed of a silicon nitride film or a polycrystalline silicon film.
또한, 본 발명은 기판 상에 음향대역의 고유진동수를 가지는 진동판을 형성하는 제 1 단계; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴을 상기 진동판 상에 형성하는 제 2 단계; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 도포되어 전기적인 신호가 양 전극 사이에 연결되도록 하는 나노튜브를 형성하는 제 3 단계; 상기 진동판 하부의 기판에 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부를 형성하는 제 4 단계; 및 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 상기 기판에 결합시키는 제 5 단계를 포함하는 나노튜브를 이용한 음향센서 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises a first step of forming a diaphragm having a natural frequency of the sound band on the substrate; A second step of forming an electrode pattern including the first electrode and the second electrode on the diaphragm; A third step of forming a nanotube applied between the first electrode and the second electrode to allow an electrical signal to be connected between both electrodes; A fourth step of forming a cavity in the substrate below the diaphragm serving as a reference value for an external pressure change; And a fifth step of coupling the plate having the vent hole to the substrate so that the cavity maintains a constant pressure.
상기 방법과는 다르게 기판 상에 음향대역의 고유진동수를 가지는 진동판을 형성하는 제 1 단계; 상기 진동판 상에 나노튜브를 형성시키는 제 2 단계; 상기 나노튜브 상에 새도우 마스크 공정 또는 사진식각 공정을 통하여 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴을 형성시키는 제 3 단계; 상기 진동판 하부의 기판에 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부를 형성하는 제 4 단계; 및 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 상기 기판에 결합 시키는 제 5 단계로 구성될 수 있다.A first step of forming a diaphragm having a natural frequency of an acoustic band on a substrate different from the above method; Forming a nanotube on the diaphragm; A third step of forming an electrode pattern including a first electrode and a second electrode on the nanotube through a shadow mask process or a photolithography process; A fourth step of forming a cavity in the substrate below the diaphragm serving as a reference value for an external pressure change; And a fifth step of coupling the plate having the vent hole to the substrate so that the cavity maintains a constant pressure.
또한, 상기의 음향센서 제조방법에 추가로 상기 진동판 상에 형성된 나노튜브 패턴과 별도의 동일한 크기의 나노튜브 패턴을 형성하여 레퍼런스 저항으로 사용하고, 추가로 제 3 전극을 더 형성시키는 단계를 포함하여 음향센서를 제조할 수 있다.In addition, in addition to the method of manufacturing the acoustic sensor, forming a nanotube pattern having the same size as the nanotube pattern formed on the diaphragm and used as a reference resistance, and further comprising the step of further forming a third electrode Acoustic sensors can be manufactured.
본 발명에 따른 음향센서 제조방법에 있어서, 상기 나노튜브는 게이지 상수가 높은 탄소나노튜브인 것이 바람직하고, 상기 나노튜브는 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 이미 형성된 전극 위에 잉크를 떨어뜨리고 건조시켜 전극패턴이 나노튜브로 연결되도록 형성한다. 또한, 상기 나노튜브의 저항패턴은 진동판의 경계면에 걸쳐 여러 곳에 분산되도록 형성하는데, 상기 나노튜브 저항 패턴을 응력이 반대로 걸리는 위치에도 형성시켜 디퍼런셜 타입으로 신호를 출력할 수 있도록 할 수 있다.In the method of manufacturing an acoustic sensor according to the present invention, the nanotubes are preferably carbon nanotubes having a high gauge constant, and the nanotubes are formed by dropping ink on an electrode already formed by using an inkjet printing process and drying the electrode pattern. It is formed to be connected by nanotubes. In addition, the resistance pattern of the nanotubes is formed to be dispersed in several places across the boundary surface of the diaphragm, the nanotube resistance pattern may be formed in a position where the stress is reversed to be able to output a signal in a differential type.
본 발명에 따른 음향센서는 나노튜브를 이용하여, 기존의 압전체를 이용한 음향 소자에 비해 보다 소형화가 가능하고, 나노튜브의 직경이 매우 작기 때문에 상대적인 강성을 고려할 때 매우 얇은 진동판을 쓸 수 있으므로 작은 직경의 진동판에서도 높은 감도를 얻을 수 있는 효과가 있다.The acoustic sensor according to the present invention can be further miniaturized compared to an acoustic device using a piezoelectric material by using nanotubes, and since the diameter of the nanotubes is very small, a very thin diaphragm can be used in consideration of relative stiffness. It is effective to obtain high sensitivity even in the diaphragm.
또한 기존 MEMS 공정으로 제작된 소자보다 훨씬 단순한 공정으로 소형화된 음향 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that can produce a miniaturized acoustic sensor in a much simpler process than the device manufactured by the conventional MEMS process.
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 감지를 원하는 음향의 고유진동수에 맞게 제작된 진동판; 상기 진동판 상에 형성되고, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 도포되어 전기적인 신호가 양 전극 사이에 연결되도록 하는 나노튜브; 상기 진동판 하부의 기판에 형성되고, 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부; 및 상기 기판 하부에 결합되고, 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 포함하는 나노튜브를 이용한 음향 센서를 제공한다. The present invention relates to a substrate; A diaphragm formed on the substrate and manufactured according to a natural frequency of a sound to be sensed; An electrode pattern formed on the diaphragm and including a first electrode and a second electrode; A nanotube applied between the first electrode and the second electrode to allow an electrical signal to be connected between both electrodes; A cavity formed in the substrate under the diaphragm and serving as a reference value for an external pressure change; And a plate coupled to a lower portion of the substrate and including a plate having a vent hole formed to maintain a constant pressure of the cavity.
본 발명에 따른 음향센서에 있어서, 상기 나노튜브는 게이지 상수가 높은 탄소나노튜브인 것이 바람직하고, 상기 나노튜브는 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 이미 형성된 전극 위에 잉크를 떨어뜨리고 건조시켜 전극패턴이 나노튜브로 연결되도록 형성한다. 또한, 상기 나노튜브의 저항패턴은 진동판의 경계면에 걸쳐 복수개로 형성하는데, 상기 나노튜브 저항 패턴을 공동부의 상측에 형성된 진동판의 상면에 위치에도 형성시켜 디퍼런셜 타입으로 신호를 출력할 수 있도록 할 수 있다.In the acoustic sensor according to the present invention, the nanotubes are preferably carbon nanotubes having a high gauge constant, and the nanotubes are formed by dropping ink on an electrode already formed by using an inkjet printing process and drying the electrode pattern. To be connected. In addition, a plurality of resistance patterns of the nanotubes are formed on the boundary surface of the diaphragm, and the nanotube resistance patterns may be formed on the upper surface of the diaphragm formed at the upper side of the cavity to output signals in a differential type. .
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 내지 3d은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노튜브를 이용한 음향센서를 나타내는 단면도이다. 상기 음향센서(100)는 기판(10), 진동판(20), 전극패턴(30), 나노튜브(40), 공동부(50) 및 플레이트(60)로 구성된다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating an acoustic sensor using nanotubes according to an embodiment of the present invention. The
본 발명에 따른 음향센서에 사용되는 나노튜브(40)는 압저항 특성을 가지는 여러 가지 나노튜브를 사용할 수 있는데, 특히 탄소나노튜브는 압저항 성능을 나타내는 게이지 상수가 크기 때문에 본 발명의 압저항체로 바람직하다.The
최근 신소재 소자로 각광받고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 상온에서 동작이 가능하고, 감도가 매우 좋으며 반응 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 탄소나노튜브가 갖는 물성에서 기인하는데, 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들로 이루어진 흑연 판상(sp2)을 둥글게 말아서 생긴 튜브 형태의 분자로 그 직경이 수내지 수십 nm에 이른다. 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않으며, 또한 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다. Carbon nanotubes, which have recently been spotlighted as new material devices, have the advantage of being capable of operating at room temperature, having good sensitivity and fast reaction speed. This advantage is due to the physical properties of carbon nanotubes. Carbon nanotubes are a tube-shaped molecule formed by rounding a graphite plate (sp2) made of carbons connected by hexagonal rings, ranging in diameter from several tens of nm. Carbon nanotubes are strong and well bent and do not damage or wear out even after repeated use, and the electrical properties vary according to the dried form, structure and diameter.
상기 나노튜브를 형성하는 방법은 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 기 형성된 전극 위에 잉크를 떨어뜨리고 건조시켜 전극 사이가 나노튜브로 연결되도록 하는데, 공정이 매우 단순하기 때문에 생산원가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 반면 상기의 방법과는 다르게, 나노튜브를 먼저 진동판 위에 형성시키고 그 위에 섀도우 마스크 방법이나 사진식각 공정 등 일반적인 전자회로 형성에 이용하는 방법을 통해 전극을 형성할 수 있는데, 이 경우에는 나노튜브와 전극 간의 접촉 저항이 줄어들어 보다 안정적인 회로 구성이 가능하므로 고정밀 센서에 적합한 경우이므로, 적절하게 선택하여 제조할 수 있다.In the method of forming the nanotubes, ink is dropped on a pre-formed electrode by using an inkjet printing process and dried to connect the electrodes to the nanotubes, and thus, the production cost is reduced because the process is very simple. On the other hand, unlike the above method, an electrode can be formed by forming a nanotube first on a diaphragm and using a method for forming a general electronic circuit such as a shadow mask method or a photolithography process. Since the contact resistance is reduced and more stable circuit configuration is possible, it is suitable for high-precision sensors, so it can be appropriately selected and manufactured.
또한, 본 발명에 따른 음향센서에 적용되는 나노튜브 저항 패턴은 도면에 나타난 것과 같이 하나로 놓을 수도 있고 진동판(20)의 경계면(A)에 걸쳐 복수개가 형성될 수도 있다. 또한, 진동판(20) 가운데 부분(B), 즉, 공동부(50)의 상측에 형성된 진동판(20)의 상측에 나노튜브 저항 패턴을 형성시켜 디퍼런셜 타입으로 신호를 출력할 수도 있다.In addition, the nanotube resistance pattern applied to the acoustic sensor according to the present invention may be placed as shown in the figure, or a plurality of nanotube resistance patterns may be formed over the boundary surface A of the
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장응력이 발생하는 나노튜브를 나타낸 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views illustrating nanotubes in which tensile stress is generated according to an embodiment of the present invention.
상기 도면을 참조하면, 음향이 진동판(20)에 입사되었을 때 아래 쪽으로 변위가 발생할 경우 진동판 가장자리 부근에 있는 나노튜브(40)에는 인장 응력(tensile stress)이 발생한다. 반면 진동판 가운데 부분(B)에 있는 나노튜브(40)에는 압축 응력(compressive stress)가 발생한다. 따라서, 저항이 한쪽은 늘어나고 한쪽은 줄어들기 때문에 그림과 같이 두 나노튜브 저항을 연결하면 가운데 부분의 신호가 그냥 하나의 나노튜브 저항만을 썼을 때보다 두배로 커져 신호대 잡음비 가 우수해지는 효과가 있다.Referring to the drawings, when the sound is incident on the
이와는 달리, 레퍼런스 저항을 별도로 구성하지 않고 단일 소자 위에 진동판에 걸쳐 있는 나노튜브 패턴과 별도로 동일한 크기의 나노튜브 패턴(C)을 형성하고 이를 레퍼런스 저항으로 사용할 수도 있다. (도 4b 참조)Alternatively, instead of separately configuring the reference resistor, a nanotube pattern C having the same size may be formed separately from the nanotube pattern across the diaphragm on a single device and used as a reference resistor. (See Figure 4b)
진동판은 미세가공 공정에서 많이 사용되는 실리콘 질화막이나 다결정실리콘막 등이 우수한 기계적인 성질을 가지고 있기 때문에 이를 사용하여 제조하는 것이 바람직하다.Since the diaphragm has excellent mechanical properties, such as a silicon nitride film or a polycrystalline silicon film, which are frequently used in a micromachining process, it is preferable to manufacture the diaphragm using this.
도 3a 및 3b를 참조하여 본 발명에 따른 음향센서의 작동원리에 대해서 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.The operation principle of the acoustic sensor according to the present invention with reference to Figures 3a and 3b in more detail as follows.
먼저, 나노튜브를 이용한 음향센서는 음향대역의 고유진동수를 가지는 진동판을 형성하고 그 위에 전극 패턴을 형성한 후, 그 위에 탄소나노튜브 등 압저항 특성을 가진 물질의 나노튜브를 전극 사이에 도포하여 전기적인 신호가 두 전극 사이에 연결될 수 있도록 한다.First, an acoustic sensor using nanotubes forms a diaphragm having a natural frequency of an acoustic band, and forms an electrode pattern thereon, and then applies nanotubes of a material having piezoresistive properties, such as carbon nanotubes, between the electrodes. Allow electrical signals to be connected between the two electrodes.
도 3c는 본 발명에 따른 나노튜브가 전극사이에 도포된 구조를 상부에서 바라본 평면도이고, 도 3d는 음향센서의 작동원리를 나타내는 회로도이다.3c is a plan view of the structure in which the nanotubes are applied between electrodes according to the present invention, and FIG. 3d is a circuit diagram showing an operation principle of an acoustic sensor.
상기 진동판(20) 아래쪽에는 적당한 부피의 공동(50)이 형성되어 있어 외부 압력 변화에 대한 기준값으로 작용하는데, 한쪽 전극 A에는 인가전압이 가해지고, 다른 전극 B는 기준 저항과 연결되어 기준저항의 다른 쪽 C는 접지가 된다. (도 3d 참조) 상기 공동부(50)를 형성함에 있어서 플레이트(60)가 부착되고, 상기 플레이트(60)에는 벤트홀(70)이 형성되어 외부공기와의 연결통로의 기능을 한다.The
초음파가 인가되면 진동판(20)이 떨리게 되고 이때 진동판(20) 위에 형성된 탄소 나노튜브(40)에도 기계적인 변형이 발생하게 되며 이는 탄소 나노튜브의 압저항 특성으로 인해 두 전극 A, B 사이의 저항이 변화하게 된다. 그러면, 기준 저항과의 전압 비율이 달라져 전극 B에는 인가되는 음향신호에 비례하는 전압 파형이 옵셋 전압을 갖고 나타나게 되므로 여기 뒤쪽에 커패시터를 연결하면 옵셋이 제거된 AC 신호만 감지하여 초음파를 감지하게 된다. 상기 두 전극 A 및 B의 위치는 진동판 변형시 최대 응력이 나타나는 진동판 가장자리가 적절하다. (도 3a의 A부분)When ultrasonic waves are applied, the
나노튜브 전체에 걸쳐 응력이 한쪽 방향으로만 나타나기 위해서는 진동판의 강성에 비해 나노튜브의 강성이 충분히 작아야 하며 그렇지 않을 경우 나노튜브 내에서도 압축 응력과 인장 응력이 동시에 나타나게 된다. 하지만, 나노튜브는 매우 작은 직경을 가지고 있어 진동판의 두께가 1 um 정도로 얇아도 충분히 한쪽 방향의 응력만 나타나게 된다. 또한, 진동판의 두께가 얇으면 감도가 좋아지므로 나노튜브의 이용에 의해 얇은 진동판 사용이 가능하고 얇은 진동판에서 동일한 고유진동수를 유지하기 위해서는 진동판의 직경이 작아져야 하므로 칩의 소형화가 가능하다.In order for the stress to appear only in one direction throughout the nanotube, the stiffness of the nanotubes must be sufficiently small compared to the stiffness of the diaphragm, otherwise the compressive and tensile stresses will appear simultaneously within the nanotubes. However, nanotubes have a very small diameter, so even if the diaphragm is as thin as 1 um, only one direction of stress appears. In addition, if the thickness of the diaphragm is thin, the sensitivity is improved, so that a thin diaphragm can be used by the use of nanotubes, and the diameter of the diaphragm must be small to maintain the same natural frequency in the thin diaphragm, thereby miniaturizing the chip.
또한, 본 발명은 기판 상에 음향대역의 고유진동수를 가지는 진동판을 형성하는 제 1 단계; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴을 상기 진동판 상에 형성하는 제 2 단계; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 도포되어 전기적인 신호가 양 전극 사이에 연결되도록 하는 나노튜브를 형성하는 제 3 단계; 상기 진동판 하부의 기판에 외부 압력변화에 대한 기준값으로 작용하는 공동부를 형성하는 제 4 단계; 및 상기 공동부가 일정한 압력을 유지하도록 벤트홀이 형성된 플레이트를 상기 기판에 결합시키는 제 5 단계를 포함하는 나노튜브를 이용한 음향센서 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises a first step of forming a diaphragm having a natural frequency of the sound band on the substrate; A second step of forming an electrode pattern including the first electrode and the second electrode on the diaphragm; A third step of forming a nanotube applied between the first electrode and the second electrode to allow an electrical signal to be connected between both electrodes; A fourth step of forming a cavity in the substrate below the diaphragm serving as a reference value for an external pressure change; And a fifth step of coupling the plate having the vent hole to the substrate so that the cavity maintains a constant pressure.
상기의 방법과 달리, 상기 진동판 상에 나노튜브를 형성시키는 제 2 단계; 상기 나노튜브 상에 새도우 마스크 공정 또는 사진식각 공정을 통하여 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 전극패턴을 형성시키는 제 3 단계로 실시하는 것도 가능하다.Unlike the above method, a second step of forming a nanotube on the diaphragm; It is also possible to perform the third step of forming an electrode pattern including the first electrode and the second electrode on the nanotube through a shadow mask process or a photolithography process.
상기 음향센서 제조시 나노튜브 저항 패턴은 하나로 놓을 수도 있고 진동판의 경계면에 걸쳐 여러 곳에 분산시킬 수도 있다. 또한, 진동판 가운데 부분, 즉, 공동부의 상측에 형성된 상기 진동판의 상면에 나노튜브 저항 패턴을 형성시켜 디퍼런셜 타입으로 신호를 출력할 수도 있다. When manufacturing the acoustic sensor, the nanotube resistance pattern may be placed in one or distributed in several places across the boundary surface of the diaphragm. In addition, a nanotube resistance pattern may be formed on the center portion of the diaphragm, that is, on the upper surface of the diaphragm to output a signal in a differential type.
이와는 달리, 레퍼런스 저항을 별도로 구성하지 않고 단일 소자 위에 진동판에 걸쳐 있는 나노튜브 패턴과 별도로 동일한 크기의 나노튜브 패턴을 형성하고 이를 레퍼런스 저항으로 사용하는 방법을 사용한다.On the other hand, instead of constructing a reference resistor separately, a method of forming a nanotube pattern having the same size as the nanotube pattern across the diaphragm on a single device and using it as a reference resistor is used.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다 양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible to those skilled in the art. I can understand. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
도 1은 기존의 압전세라믹을 이용한 음향센서를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view illustrating an acoustic sensor using a conventional piezoelectric ceramic.
도 2a는 기존의 MEMS 공정을 이용한 정전용량형 음향센서를 나타내는 단면도이고, 도 2b 내지 2g는 상기 음향센서를 제작하는 공정을 나타내는 공정도이다.2A is a cross-sectional view illustrating a capacitive acoustic sensor using a conventional MEMS process, and FIGS. 2B to 2G are process diagrams illustrating a process of manufacturing the acoustic sensor.
도 3a 내지 3d은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노튜브를 이용한 음향센서를 나타내는 단면도이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating an acoustic sensor using nanotubes according to an embodiment of the present invention.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장응력이 발생하는 나노튜브를 나타낸 단면도이다.4A and 4B are cross-sectional views illustrating nanotubes in which tensile stress is generated according to an embodiment of the present invention.
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Patent Citations (3)
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