KR101561660B1 - 환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 압전형 마이크로 스피커는, 캐비티를 가진 기판과, 캐비티를 덮도록 기판 상에 형성된 다이어프램을 포함한다. 캐비티의 중심부에 위치하는 다이어프램의 제1영역에는 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막이 형성된다. 캐비티의 가장자리부에 위치하는 다이어프램의 제2영역에는 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막이 형성될 수 있다. 다수의 제1진동막 상면과 사이에는 다수의 제1진동막을 진동시키는 압전 구동부가 형성된다.

Description

환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법{Piezoelectric micro speaker having annular ring-shape vibrating membrane and method of manufacturing the same}
압전형 마이크로 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
개인 음성 통신 및 데이터 통신을 위한 단말기의 급속한 발전에 따라 주고 받을 수 있는 데이터의 양은 지속적으로 증가하고 있는데도 불구하고 단말기는 소형화 및 다기능화가 기본적인 추세가 되고 있다.
이러한 추세에 부응하여, 최근 들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 음향 기기(acoustic device) 관련 연구가 진행되어 왔다. 특히, MEMS 기술 및 반도체 기술을 이용한 마이크로 스피커의 제작은 일괄 공정에 따라 소형화, 저가화 등을 가능하게 하고 주변 회로와의 집적이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
이와 같은 MEMS 기술을 이용한 마이크로 스피커는 정전형(electrostatic type)과, 전자기형(electromagnetic type)과, 압전형(piezoelectric type)이 주류 를 이루고 있다. 특히, 압전형 마이크로 스피커는 정전형에 비해 낮은 전압으로 구동이 가능하며 전자기형에 비해 구조가 단순하고 슬림화에 유리한 장점을 지니고 있다.
환형 고리 형상의 진동막을 가진 압전형 마이크로 스피커와 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 스피커는,
두께 방향으로 관통된 캐비티를 가진 기판; 상기 캐비티를 덮도록 상기 기판상에 형성되는 것으로, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성되며 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막을 포함하는 다이어프램; 및 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 형성되어 상기 다수의 제1진동막을 진동시키는 압전 구동부;를 포함한다.
상기 압전 구동부는 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 제1진동막 사이의 간격은 상기 압전 구동부의 두께의 2배 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 압전 구동부는 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 제1전극층과 제2전극층은 상기 다수의 제1진동막 사이에서 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으로 마주보는 부분을 가질 수 있다.
상기 다이어프램 상에는 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선이 형성되고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에는 전극패드가 마련될 수 있다. 이 때, 상기 제1리드선과 제2리드선은 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다.
상기 다이어프램은, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 다수의 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 더 포함할 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 다수의 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 측면에 따른 마이크로 스피커의 제조 방법은,
기판의 일측 표면 상에 다이어프램을 형성하는 단계; 상기 다이어프램을 패터닝하여 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막을 형성하는 단계; 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 상기 다수의 제1진동막을 진동시키는 압전 구동부를 형성하는 단계; 및 상기 기판의 타측 표면을 상기 다수의 제1진동막이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판을 두께 방향으로 관통하는 캐비티를 형성하되, 상기 다수의 제1진동막이 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 배치되도록 하는 단계;를 포함한다.
상기 압전 구동부는 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다.
상기 다수의 제1진동막 사이의 간격은 상기 압전 구동부의 두께의 2배 이상일 수 있다. 이 경우, 상기 압전 구동부는 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 제1전 극층과 제2전극층은 상기 다수의 제1진동막 사이에서 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으로 마주보는 부분을 가질 수 있게 된다.
상기 압전 구동부의 형성 단계에서, 상기 다이어프램 상에 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선을 형성하고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에 전극패드를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제1리드선과 제2리드선은 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다.
상기 다수의 제1진동막을 형성하는 단계에서, 상기 다이어프램을 식각하여 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 상기 다수의 제1진동막을 둘러싸는 트렌치를 형성하고, 상기 압전 구동부를 형성하는 단계 후에, 상기 트렌치 내에 상기 다수의 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 형성할 수 있다.
상기 제2진동막은 상기 다수의 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 제2진동막을 형성하는 단계에서, 상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성될 수 있다.
상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커에 의하면, 제1진동막이 서로 이격된 다수의 환형 고리 형상으로 형성되므로, 변형에 대해 저항하는 강성이 낮아지게 될 뿐만 아니라 압전 구동부의 압전층에 추가적인 구동력이 발생되어 그 변형량 이 커지게 된다. 따라서, 제1진동막의 변위가 커지게 되어 제1진동막의 진동에 의해 발생되는 음향 출력이 높아질 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 아래에 예시된 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제1진동막과 압전 구동부를 분리하여 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 표시된 S1-S1'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이며, 도 3은 도 2에 표시된 B 부분을 확대하여 도시한 제1진동막과 압전 구동부의 상세 단면도이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커는, 캐비티(112)를 가진 기판(110)과, 상기 캐비티(112)를 덮도록 상기 기판(110) 상에 형성되며 다수의 환형 고리 형상(annular ring-shape)의 제1진동막(121)을 가진 다이어프램(120)과, 상기 제1진동막(121) 상에 형성된 압전 구동부(piezoelectric actuator, 130)를 포함한다.
구체적으로, 상기 기판(110)으로는 미세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 상기 캐비티(112)는 상기 기판(110)의 소정 영역을 두께 방향으로 관통하도록 형성될 수 있으며, 여러가지 형상, 예컨대 원통 형상으로 형성될 수 있다.
상기 다이어프램(120)은 상기 기판(110)의 일측 표면에 소정 두께로 형성될 수 있다. 상기 다수의 제1진동막(121)은 상기 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 상기 다이어프램(120)의 제1영역(A1)에 형성되며 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상을 가질 수 있다. 상기 다수의 제1진동막(121)은 실리콘 질화물과 같은 절연 물질, 예컨대 Si3N4로 이루어질 수 있다.
상기 압전 구동부(130)는 상기 다수의 제1진동막(121)을 진동시키는 역할을 하는 것으로, 상기 다수의 제1진동막(121)의 상면과 사이에 순차 적층된 제1전극층(132), 압전층(134) 및 제2전극층(136)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극층(132)과 제2전극층(136)은 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전층(134)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO 또는 PZT로 이루어질 수 있다.
상기 다이어프램(120) 상에는 상기 압전 구동부(130)의 제1전극층(132)에 연결되는 제1리드선(132a)과 제2전극층(136)에 연결되는 제2리드선(136a)이 형성될 수 있다. 상기 제1리드선(132a)과 제2리드선(136a)은 상기 압전 구동부(130)의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제1리드선(132a)의 단부에는 제1전극패드(132b)가 마련되고, 제2리드선(136a)의 단부에는 제2전극패드(136b)가 마련될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 다수의 제1진동막(121)은 서로 소정 간격(D)만큼 이 격되도록 배치될 수 있으며, 다수의 제1진동막(121) 사이의 간격(D)은 상기 압전 구동부(130)의 두께(T)의 2배 이상일 수 있다. 상기 압전 구동부(130)는, 상기한 바와 같이, 다수의 제1진동막(121)의 상면과 사이에 형성되므로, 요철 형상의 단면을 가지게 된다. 따라서, 다수의 제1진동막(121) 사이에서, 상기 압전 구동부(130)의 제1전극층(132)과 제2전극층(136)은 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으로 마주보는 부분을 가질 수 있다.
도 4a는 도 3에 도시된 제1진동막과 압전 구동부의 구조에서, 폴링 방향과 전기장의 방향을 도시한 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 폴링 방향과 전기장의 방향에 따라 압전 구동부의 압전층에 유도되는 변형 모드들을 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 상기 제1리드선(132a)과 제2리드선(136a)를 통해 제1전극층(132)과 제2전극층(136) 사이에 소정의 전압을 인가하면, 압전층(134) 내부에 전기장이 형성된다. 이 때, 압전층(134)의 폴링 방향은 어느 위치에서나 수직 방향이지만, 전기장의 방향은 위치에 따라 달라지게 된다. 구체적으로, 상기한 바와 같이, 상기 압전 구동부(130)의 제1전극층(132)과 제2전극층(136)이 수직 방향으로 마주 보는 위치에서는 수직 방향의 전기장이 형성되지만, 다수의 제1진동막(121) 사이에서 제1전극층(132)과 제2전극층(136)이 수평 방향으로 마주 보는 위치에서는 수평 방향의 전기장이 형성될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 폴링 방향과 전기장의 방향이 모두 수직으로 평행한 위치에서는 상기 압전층(134)에 수평 방향의 d31 모드의 변형이 유도되지만, 폴링 방향과 전기장의 방향이 직교하는 위치에서는 상기 압전층(134)에 수직 방향 의 d15 모드의 변형이 유도될 수 있다.
한편, 평판 형상의 진동막을 가진 종래의 마이크로 스피커의 구조에서는, 압전층에 수평 방향의 d31 모드 변형만 유도된다. 그러나, 상기한 바와 같이, 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막(121)을 가진 마이크로 스피커에서는, 압전층(134)에 수평 방향의 d31 모드 변형과 함께 수직 방향의 d15 모드 변형도 추가적으로 유도되므로, 압전층(134)의 변형량이 커지게 된다. 이에 따라, 상기 압전층(134)의 변형에 의해 진동하는 다수의 제1진동막(121)의 변위도 커지게 되므로, 다수의 제1진동막(121)의 진동에 의해 발생되는 음향 출력도 높아질 수 있다.
그리고, 상기 제1진동막(121)이 서로 이격된 다수의 환형 고리 형상으로 형성되므로, 종래의 평판 형상의 진동막에 비해 변형에 대해 저항하는 강성이 낮아지게 되고, 이로 인한 제1진동막(121)의 변위 증가도 음향 출력의 향상에 기여할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 도시한 평면도이고, 도 6a는 도 5에 표시된 S2-S2'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이며, 도 6b는 도 5에 표시된 S3-S3'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 5 내지 도 6b를 함께 참조하면, 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에 있어서, 캐비티(212)를 덮도록 기판(210) 상에 형성된 다이어프램(220)은, 다수의 환형 고리 형상(annular ring-shape)의 제1진동막(221)과 함께 상기 다수의 제1진동막(221)과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막(222)을 포함한다. 그리고, 상 기 다수의 제1진동막(221) 상에는 압전 구동부(230)가 형성된다.
구체적으로, 상기 다이어프램(220)은 상기 기판(210)의 일측 표면에 소정 두께로 형성될 수 있다. 상기 다수의 제1진동막(221)은 상기 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 상기 다이어프램(220)의 제1영역(A1)에 형성되며 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제2진동막(222)은 상기 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 상기 다이어프램(220)의 제2영역(A2)에 형성된다. 즉, 상기 제2진동막(222)은 상기 제1진동막(221)의 바깥쪽에서 상기 제1진동막(221)을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 제2진동막(222)은 상기 다수의 제1진동막(221) 중에서 최외곽에 배치된 제1진동막(221)의 외주에 접촉된다. 또한, 상기 제2진동막(222)은 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221) 사이에 배치되어 이들을 서로 연결함으로써, 제1진동막(221)과 그 위에 형성되는 압전 구동부(230)를 기판(210)에 대해 지지하는 역할을 하게 된다. 한편, 상기 제2진동막(222)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(230) 상면과 제2영역(A2) 바깥쪽의 상기 다이어프램(220) 상면까지 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 후술하는 제1전극패드(232b)와 제2전극패드(236b)를 외부로 노출시키기 위해 상기 제2진동막(222)에는 개구(228)가 형성될 수 있다.
상기 다수의 제1진동막(221)과 제2진동막(2220은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제2진동막(222)은 다수의 제1진동막(221)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 다수의 제1진동막(221)은 대략 50GPa ~ 500GPa 정도의 탄성계수를 가진 물질, 예컨대 전술한 바와 같이 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 제2진동막(222)은 대략 100MPa ~ 5GPa 정도의 탄성계수를 가진 물질, 예컨대 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 압전 구동부(230)는 상기 다수의 제1진동막(221)의 상면과 사이에 순차 적층된 제1전극층(232), 압전층(234) 및 제2전극층(236)을 포함할 수 있다. 상기 제1전극층(232)과 제2전극층(236)은 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전층(234)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO 또는 PZT로 이루어질 수 있다.
상기 다이어프램(220) 상에는 상기 압전 구동부(230)의 제1전극층(232)에 연결되는 제1리드선(232a)과 제2전극층(236)에 연결되는 제2리드선(236a)이 형성될 수 있다. 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)은 상기 압전 구동부(230)의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치될 수 있다. 그리고, 상기 제1리드선(232a)의 단부에는 제1전극패드(232b)가 마련되고, 제2리드선(236a)의 단부에는 제2전극패드(236b)가 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제2영역(A2)에는 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)을 지지하는 지지부(226)가 형성될 수 있다. 상기 지지부(226)는 상기 제1진동막(221)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 제2영역(A2)을 가로질러 최외곽의 제1진동막(221)과 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)을 연결하도록 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제2진동막(222)이 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221)을 연결하게 되지만, 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)이 형성된 부분에 한해서는 상기 지지부(226)가 기판(210) 상에 위치한 다이어프램(220)과 제1진동막(221)을 연결하게 된다.
상기한 바와 같이, 도 5 내지 도 6b에 도시된 실시예에서도, 상기 제1진동 막(221)이 서로 이격된 다수의 환형 고리 형상으로 형성되고, 이에 따라 도 3 내지 도 4b에 도시된 것과 같은 구조를 가지게 되므로, 도 1에 도시된 실시예에서와 같은 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 다이어프램(220)의 제2영역(A2)에 상대적으로 낮은 탄성계수를 가진 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(222)이 배치됨으로써, 전체 다이어프램(200)의 구조적 강성이 낮아지고 그 변형량도 더 증가할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 대해 2차원 유한 요소 해석을 통한 주파수 응답 특성을 시뮬레이션 한 결과를 종래의 구조에 대한 주파수 응답 특성과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 종래의 구조, 즉 평판 형상의 진동막을 가진 마이크로 스피커에서의 1차 공진 주파수는 대략 1.75KHz이지만, 도 5에 도시된 실시예에서의 1차 공진 주파수는 대략 1.32KHz임을 알 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 실시예에서는 종래의 구조에 비해 1차 공진 주파수가 대략 430Hz 정도 낮아지게 됨으로써, 대역폭(bandwidth)이 확대되며 저주파 대역(0.1 ~ 1KHz)에서의 평균 음압도 대략 6dB 정도 상승하게 된다.
이하에서는, 상기한 구성을 가진 압전형 마이크로 스피커의 제조 방법을 단계별로 설명하기로 한다.
도 8a 내지 도 8d는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 8a를 참조하면, 기판(110)을 준비하는데, 상기 기판(110)으로는 미 세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다.
이어서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 일측 표면상에 다이어프램(120)을 소정 두께로 형성한다. 구체적으로, 상기 다이어프램(120)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 실리콘 질화물과 같은 절연물질, 예컨대 Si3N4를 기판(110)의 일측 표면상에 0.5 ~ 3㎛ 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 상기 다이어프램(120)을 패터닝하여 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막(121)을 형성한다. 이 때, 상기 다수의 제1진동막(121)은 도 8d에 도시된 단계에서 형성될 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 다이어프램(120)의 제1영역(A1)에 형성된다. 그리고, 상기 다수의 제1진동막(121) 사이의 간격은 도 8c에 도시된 단계에서 형성될 압전 구동부(130)의 두께의 2배 이상이 되도록 할 수 있다.
다음으로, 도 8c에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 제1진동막(121) 상면과 사이에 압전 구동부(130)를 형성한다. 상기 압전 구동부(130)는 상기 다수의 제1진동막(121) 상면과 사이에 제1전극층(132), 압전층(134) 및 제2전극층(136)을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1전극층(132)은 도전성 금속 물질, 예컨대 Au, Mo, Cu, Al, Pt, 또는 Ti 등을 스퍼터링(sputtering)이나 이배포레이션(evaporation)을 이용하여 다수의 제1진동막(121) 상에 0.1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께로 증착한 후, 식각에 의해 소정의 형상으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1전극층(132)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제1전극층(132)에 연결되는 제1리드선(132a)과 상기 제1리드선(132a)의 단부에 연결되는 제1전극패드(132b)를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 압전층(134)은 압전물질, 예컨대 AlN, ZnO, 또는 PZT 등을 스퍼터링 또는 스피닝(spinning) 방법을 사용하여 제1전극층(132) 위에 0.1㎛ ~ 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2전극층(136)은 상기한 제1전극층(132)의 형성 방법과 동일한 방법으로 상기 압전층(134) 위에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제2전극층(136)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(120) 상에 상기 제2전극층(136)에 연결되는 제2리드선(136a)과 상기 제2리드선(136a)의 단부에 연결되는 제2전극패드(136b)를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 제2리드선(136a)은 상기 압전 구동부(130)의 중심을 기준으로 상기 제1리드선(132a)의 반대쪽에 배치될 수 있다.
상기 단계가 완료되면, 상기 압전 구동부(130)는 요철 형상의 단면을 가지게 되고, 상기 제1전극층(132)과 제2전극층(136)은 상기 다수의 제1진동막(121) 사이에서 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으로 마주보는 부분을 가질 수 있게 된다.
다음으로, 도 8d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 타측 표면을 상기 다수의 제1진동막(121)이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판(110)을 두께 방향으로 관통하는 캐비티(112)를 형성한다. 이 때, 전술한 바와 같이, 상기 다수의 제1진동막(121)이 상기 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 배치되도록 한다.
이에 따라, 캐비티(112)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 다수의 환형 고 리 형상의 제1진동막(121)이 배치된 구조를 가진 압전형 마이크로 스피커가 완성된다.
도 9a 내지 도 9e는 도 5에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 9a를 참조하면, 기판(210)으로서 예컨대, 미세 가공성이 양호한 실리콘 웨이퍼를 준비한다.
이어서, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(210)의 일측 표면상에 다이어프램(220)을 소정 두께로 형성한 후에, 상기 다이어프램(220)을 패터닝하여 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막(221)을 형성한다. 상기 다이어프램(220)과 다수의 제1진동막(221)의 구체적 형성 방법은 도 8b에 도시된 다이어프램(120)과 다수의 제1진동막(121)의 형성 방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 반복을 피하기 위해 생략한다.
그리고, 상기 다수의 제1진동막(221)을 형성하면서, 상기 다이어프램(220)을 식각하여 상기 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 다이어프램(220)의 제2영역(A2)에 상기 다수의 제1진동막(221)을 둘러싸는 트렌치(224)를 형성한다. 이 때, 상기 제2영역(A2) 중 후술하는 도 9c의 단계에서 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)이 형성될 부위에는 트렌치(224)가 형성되지 않고 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)을 지지하는 지지부(226)가 잔존할 수 있다.
다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 제2진동막(221) 상면과 사이에 압전 구동부(230)를 형성한다. 상기 압전 구동부(230)는 상기 다수의 제1진 동막(221) 상면과 사이에 제1전극층(232), 압전층(234) 및 제2전극층(236)을 순차 적층함으로써 형성될 수 있다. 상기 압전 구동부(230)의 구체적 형성 방법은 도 8c에 도시된 압전 구동부(130)의 형성 방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 반복을 피하기 위해 생략한다.
그리고, 상기 제1전극층(232)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(220) 상에 상기 제1전극층(232)에 연결되는 제1리드선(232a)과 상기 제1리드선(232a)의 단부에 연결되는 제1전극패드(232b)를 형성할 수 있으며, 상기 제2전극층(236)의 형성과 동시에, 상기 다이어프램(220) 상에 상기 제2전극층(236)에 연결되는 제2리드선(236a)과 상기 제2리드선(236a)의 단부에 연결되는 제2전극패드(236b)를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제1리드선(232a)과 제2리드선(236a)은 상기한 바와 같이 지지부(226)의 표면상에 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9d를 참조하면, 상기 압전 구동부(230)를 형성한 후에, 상기 트렌치(224) 내에 상기 다수의 제1진동막(221)과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막(222)을 형성한다. 상기 제2진동막(222)은 다수의 제1진동막(221)에 비해 쉽게 변형될 수 있도록 탄성계수가 낮은 소프트한 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 다수의 제1진동막(221)은 예컨대 전술한 바와 같이 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 제2진동막(222)은 예컨대 0.5 ~ 10㎛ 두께로 증착된 폴리머 박막으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제2진동막(222)은 상기 제2영역(A2) 뿐만 아니라 제2영역(A2) 안쪽의 압전 구동부(230) 상면과 제2영역(A2) 바깥쪽의 상기 다이어프램(220) 상면 까지 연장 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1전극패드(232b)와 제2전극패드(236b)를 외부로 노출시키기 위해 상기 제2진동막(222)에는 개구(228)가 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9e에 도시된 바와 같이, 상기 기판(210)의 타측 표면을 상기 다수의 제1진동막(221)과 제2진동막(222)이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판(210)을 두께 방향으로 관통하는 캐비티(212)를 형성한다. 이 때, 전술한 바와 같이, 상기 다수의 제1진동막(221)이 상기 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 배치되도록 하고, 제2진동막(222)이 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 배치되도록 한다.
이에 따라, 캐비티(212)의 중심부에 위치하는 제1영역(A1)에 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막(221)이 배치되고, 캐비티(212)의 가장자리부에 위치하는 제2영역(A2)에 소프트한 물질로 이루어진 제2진동막(222)이 배치된 구조를 가진 압전형 마이크로 스피커가 완성된다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제1진동막과 압전 구동부를 분리하여 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 표시된 S1-S1'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 3은 도 2에 표시된 B 부분을 확대하여 도시한 제1진동막과 압전 구동부의 상세 단면도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 제1진동막과 압전 구동부의 구조에서, 폴링 방향과 전기장의 방향을 도시한 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 폴링 방향과 전기장의 방향에 따라 압전 구동부의 압전층에 유도되는 변형 모드들을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 마이크로 스피커에서 제2진동막을 제거한 상태를 도시한 평면도이다.
도 6a는 도 5에 표시된 S2-S2'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이고, 도 6b는 도 5에 표시된 S3-S3'선을 따른 압전형 마이크로 스피커의 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 압전형 마이크로 스피커에 대해 2차원 유한 요소 해석을 통한 주파수 응답 특성을 시뮬레이션 한 결과를 종래의 구조에 대한 주파수 응답 특성과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 도 1에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a 내지 도 9e는 도 5에 도시된 마이크로 스피커를 제조하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,210...기판 112,212...캐비티
120,220...다이어프램 121,221...제1진동막
222...제2진동막 130,230...압전 구동부
132,232...제1전극층 132a,232a...제1리드선
132b,232b...제1전극패드 132,234...압전층
136,236...제2전극층 136a,236a...제2리드선
136b,236b...제2전극패드

Claims (20)

  1. 두께 방향으로 관통된 캐비티를 가진 기판;
    상기 캐비티를 덮도록 상기 기판상에 형성되는 것으로, 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 형성되며 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막을 포함하는 다이어프램; 및
    상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 형성되어 상기 다수의 제1진동막을 진동시키는 압전 구동부;를 구비하는 마이크로 스피커.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 구동부는 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 순차 적층된 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 포함하는 마이크로 스피커.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다수의 제1진동막 사이의 간격은 상기 압전 구동부의 두께의 2배 이상인 마이크로 스피커.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 압전 구동부는 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 제1전극층과 제2전극층은 상기 다수의 제1진동막 사이에서 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으 로 마주보는 부분을 가지는 마이크로 스피커.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 다이어프램 상에는 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선이 형성되고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에는 전극패드가 마련된 마이크로 스피커.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1리드선과 제2리드선은 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치된 마이크로 스피커.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이어프램은, 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 형성되며 상기 다수의 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 더 포함하는 마이크로 스피커.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 다수의 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어진 마이크로 스피커.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제2진동막은 폴리머 박막으로 이루어진 마이크로 스피커.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성되는 마이크로 스피커.
  11. 기판의 일측 표면 상에 다이어프램을 형성하는 단계;
    상기 다이어프램을 패터닝하여 동심으로 배치된 다수의 환형 고리 형상의 제1진동막을 형성하는 단계;
    상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 상기 다수의 제1진동막을 진동시키는 압전 구동부를 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 타측 표면을 상기 다수의 제1진동막이 노출될 때까지 식각하여 상기 기판을 두께 방향으로 관통하는 캐비티를 형성하되, 상기 다수의 제1진동막이 상기 캐비티의 중심부에 위치하는 제1영역에 배치되도록 하는 단계;를 구비하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 압전 구동부는 상기 다수의 제1진동막 상면과 사이에 제1전극층, 압전층 및 제2전극층을 순차 적층함으로써 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 다수의 제1진동막 사이의 간격은 상기 압전 구동부의 두께의 2배 이상인 마이크로 스피커의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 압전 구동부는 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 제1전극층과 제2전극층은 상기 다수의 제1진동막 사이에서 수직 방향으로 마주보는 부분과 수평 방향으로 마주보는 부분을 가지는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 압전 구동부의 형성 단계에서,
    상기 다이어프램 상에 상기 제1전극층에 연결되는 제1리드선과 상기 제2전극층에 연결되는 제2리드선을 형성하고, 상기 제1리드선과 제2리드선 각각의 단부에 전극패드를 형성하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1리드선과 제2리드선은 상기 압전 구동부의 중심을 기준으로 서로 반대쪽에 배치되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  17. 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 제1진동막을 형성하는 단계에서, 상기 다이어프램을 식각하여 상기 캐비티의 가장자리부에 위치하는 제2영역에 상기 다수의 제1진동막을 둘러싸는 트렌치를 형성하고,
    상기 압전 구동부를 형성하는 단계 후에, 상기 트렌치 내에 상기 다수의 제1진동막과는 다른 물질로 이루어진 제2진동막을 형성하는 단계;를 더 구비하는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제2진동막은 상기 다수의 제1진동막에 비해 탄성 계수가 낮은 물질로 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제2진동막은 폴리머 박막으로 이루어지는 마이크로 스피커의 제조 방법.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 제2진동막을 형성하는 단계에서,
    상기 제2진동막은 상기 제2영역 및 상기 제2영역 안쪽의 상기 압전 구동부 상면과 상기 제2영역 바깥쪽의 상기 다이어프램 상면에 형성되는 마이크로 스피커의 제조 방법.
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