KR102011804B1 - MEMS piezoelectric sensor, Energy storage device using MEMS piezoelectric sensor, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤스 압전센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자가 발전 가능한 멤스 압전센서와, 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멤스 압전센서는 제조 공정이 수월한 동시에 에너지 수확 효율이 높이기 위해 압전 박막층을 비롯한 상부 전극층 및 하부 전극층 등의 형성 방법을 개선하여 종래에 비해 간단한 공정과 저렴한 비용으로 제작 가능한 장점이 있다. 또한, 압전 박막층 및 전극층을 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing) 기법으로 제조함으로써 제조공정이 간단하고, 고가의 증착 장비를 필요로 하지 않으므로 저렴한 제조비용으로 제조 가능한 장점이 있다.
또한, 전극층의 재료로서 은(Ag), 금(Au), 티타늄(Ti), 플래티넘(Pt), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 레늄(Re), 텡스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd) 등의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법으로 박막화하여 목적에 맞게 단일층 내지 복합층으로 전극을 형성 및 제조할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a MEMS piezoelectric sensor, and more particularly, to an MEMS piezoelectric sensor, an energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor, and a manufacturing method thereof.
MEMS piezoelectric sensor according to the present invention has an advantage that can be manufactured in a simple process and low cost compared to the conventional by improving the formation method of the upper electrode layer and the lower electrode layer, including the piezoelectric thin film layer to facilitate the manufacturing process and increase the energy harvesting efficiency. In addition, by manufacturing the piezoelectric thin film layer and the electrode layer by ink-jet printing (Ink-Jet Printing) technique, the manufacturing process is simple, and does not require expensive deposition equipment, there is an advantage that can be manufactured at a low manufacturing cost.
In addition, the material of the electrode layer is silver (Ag), gold (Au), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), rhenium (Re). , Nano-inks containing nanoparticles such as tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and palladium (Pd) are thinned by inkjet printing to form electrodes in a single layer or a composite layer according to the purpose. There is an advantage to manufacture.

Description

멤스 압전센서, 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치, 그리고 그 제조 방법{MEMS piezoelectric sensor, Energy storage device using MEMS piezoelectric sensor, and manufacturing method thereof}MEMS piezoelectric sensor, Energy storage device using MEMS piezoelectric sensor, and manufacturing method

본 발명은 멤스 압전센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자가 발전 가능한 멤스 압전센서와, 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS piezoelectric sensor, and more particularly, to an MEMS piezoelectric sensor, an energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor, and a manufacturing method thereof.

일반적으로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술은 진동, 음파, 운동, 열, 빛, 주파수 에너지 등 주위의 버려지는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 일컫는다. 다양한 에너지 하베스팅 기술을 사용하여 소비되는 에너지를 전기 에너지로 변환하고자 하는 기술이 개발되고 있다. 진동 및 음파 에너지는 압전 소자로, 열 에너지는 열전 소자로, 그리고 빛 에너지는 태양 전지 등의 소자를 사용하여 전기 에너지로 변환된다.In general, energy harvesting technology refers to a technology for converting energy, such as vibration, sound waves, motion, heat, light, and frequency energy, into electrical energy. Various energy harvesting techniques have been developed to convert energy consumed into electrical energy. Vibration and sound wave energy are converted to piezoelectric elements, thermal energy to thermoelectric elements, and light energy to electrical energy using devices such as solar cells.

특히, 진동 및 음파 에너지 하베스팅에는 퀴리 온도(Curie temperature) 이하에서 자발적 분극(polarization)을 지니고, 전기 쌍극자(electric dipole)가 영역(domain)이라 부르는 곳에서 스스로 배열되는 특성을 가진 강유전성 물질을 사용한 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용한 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지의 상호 변환 기술이 주로 사용된다.In particular, vibration and sound energy harvesting uses ferroelectric materials with spontaneous polarization below the Curie temperature and self-aligning in the place where the electric dipoles are called domains. A technique for converting mechanical energy and electrical energy through a piezoelectric material using a piezoelectric effect is mainly used.

상기의 압전체를 사용한 에너지 하베스팅 기술은 작은 진동, 음파 등을 전기 에너지로 변환하는데 용이하며, 주위 환경에 따라 빛, 자기/전기, 열 등이 없는 장소나 시간 등에 구애받지 않고, 진동, 압력, 바람 등이 부는 곳이라면 전기 에너지를 수확할 수 있는 이점이 있다. The energy harvesting technology using the piezoelectric element is easy to convert small vibrations, sound waves, etc. into electrical energy, and is free from vibration, pressure, Where wind is blowing, there is an advantage to harvest electrical energy.

한편, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 센서(sensor) 제작 기술은 적용하고자 하는 곳에 따라 매크로 타입(macro type)과 마이크로 타입(micro type)으로 구분하여 제작 및 사용하고 있다. 미소 전기 에너지를 수확하기 위해서는 마이크로 타입의 미세 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS, 이하 멤스로 기재함) 기술을 이용한 압전체 센서가 적용되고 있다.On the other hand, the energy harvesting sensor (sensor) manufacturing technology using a piezoelectric material is divided into a macro type (micro type) and a micro type (micro type) according to where it is to be applied and manufactured and used. In order to harvest micro electric energy, a piezoelectric sensor using a micro type micro electro mechanical system (MEMS, hereinafter referred to as MEMS) technology is applied.

압전체를 사용하여 수확된 전기 에너지는 축전 소자인 2차 전지에 축전되어 전력이 필요한 센서 등의 감시 장치, 무선 인터페이스(interface)를 가진 스마트(smart) 기기, 제어 장치 등의 전원으로서 공급될 수 있다.The electrical energy harvested using the piezoelectric element may be stored in a secondary battery, which is a power storage element, and supplied as a power source for a monitoring device such as a sensor that requires power, a smart device having a wireless interface, and a control device. .

종래의 캔틸레버 등의 마이크로 타입의 멤스 에너지 하베스터의 경우, 납을 함유하는 압전 박막층을 사용하고 있고, 제조 공정에서 고비용의 장비를 사용하여 전극 및 압전 박막층을 증착하므로 제작 공정이 복잡하여 단가가 높아지는 문제점이 있다.Conventional micro type MEMS energy harvesters, such as cantilevers, use a piezoelectric thin film layer containing lead and deposit electrodes and piezoelectric thin film layers using expensive equipment in the manufacturing process, resulting in a complicated manufacturing process and high unit cost. There is this.

KRKR 10-2010-007397210-2010-0073972 AA KRKR 10-2012-002332910-2012-0023329 AA KRKR 10-130890810-1308908 B1B1

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 제조 공정이 수월한 동시에 에너지 수확 효율을 높이기 위해 압전 박막층을 비롯한 상부 전극층 및 하부 전극층 등의 형성 방법을 개선하여 종래에 비해 간단한 공정과 저렴한 비용으로 제작 가능한 멤스 압전센서 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, in order to improve the energy harvesting efficiency at the same time the manufacturing process is easy to improve the formation method of the upper electrode layer and lower electrode layer, including the piezoelectric thin film layer, and a simple process and low cost compared to the conventional It provides a MEMS piezoelectric sensor and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명은 압전에너지 발생 및 수확을 위해 사용하는 압전체 및 전극박막의 제조공정이 간단하고, 고가의 증착 장비를 필요로 하지 않으므로 저렴한 제조비용으로 제조 가능한 멤스 압전센서 및 그 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a MEMS piezoelectric sensor and its manufacturing method which can be manufactured at low manufacturing cost since the manufacturing process of the piezoelectric and electrode thin films used for generating and harvesting piezoelectric energy is simple and does not require expensive deposition equipment. .

또한, 본 발명은 종래의 압전체 및 전극 재료를 간단한 수열합성법 및 졸/겔 법으로 제조된 나노입자를 사용하여 압전체 및 전극을 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing) 기법을 통해 제조 가능한 멤스 압전센서 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a MEMS piezoelectric sensor capable of manufacturing a piezoelectric body and an electrode through ink-jet printing using nanoparticles prepared by using a simple hydrothermal synthesis method and a sol / gel method. It provides a manufacturing method.

또한, 본 발명은 압전 박막층의 재료로서, 티탄산 바륨(BTO), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 및 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 인듐(In) 등이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함하는 압전 특성을 갖는 재료로부터 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 재료를 이용하며, 재료에 용매와 점도 개선제 및 분산성 개선제 등을 혼합하여 화학적인 합성법인 졸/겔 법 또는 마이크로 오븐 등을 사용한 제조 방법 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition), 전기로(Furnace)를 이용하여 제조된 압전 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법으로 압전박막 및 전극 일체를 형성 및 제조할 수 있는 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a material of the piezoelectric thin film layer, barium titanate (BTO), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), and lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), beryllium (Be) One or more materials selected from materials having piezoelectric properties, including zinc oxide (ZnO) doped with magnesium (Mg), aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), indium (In), and the like. By mixing a solvent, a viscosity improver, and a dispersibility improver in a material, using a chemical synthesis method such as sol / gel method or micro oven, or CVD (Chemical Vapor Deposition) or Furnace. The piezoelectric nano ink thus prepared is provided with a method of forming and manufacturing a piezoelectric thin film and an electrode unit by inkjet printing.

또한, 본 발명은 전극 제조 재료로서 은(Ag), 금(Au), 티타늄(Ti), 플래티넘(Pt), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 레늄(Re), 텡스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd) 등의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법으로 박막화하여 목적에 맞게 단일층 내지 복합층으로 전극을 형성 및 제조할 수 있는 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is an electrode manufacturing material silver (Ag), gold (Au), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), rhenium Nano-inks containing nanoparticles such as (Re), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and palladium (Pd) are thinned by the inkjet printing technique to form electrodes according to the purpose. It provides a manufacturing method that can form and manufacture.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤스 압전센서는 기판부와; 상기 기판부에 일 측 지지되고, 타 단은 소정길이 연장된 지지층과; 상기 지지층 상에 형성되는 하부 전극층과; 상기 하부 전극층 상에 형성되는 압전 박막층과; 상기 압전 박막층 상에 형성되는 상부 전극층;을 구비하고, 상기 하부 전극층 및 상부 전극층은 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 분사하여 형성되고, 상기 압전 박막층은 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 분사하여 형성된다.MEMS piezoelectric sensor according to the present invention for achieving the above object is a substrate; A support layer which is supported on one side of the substrate portion and the other end thereof extends a predetermined length; A lower electrode layer formed on the support layer; A piezoelectric thin film layer formed on the lower electrode layer; And an upper electrode layer formed on the piezoelectric thin film layer, wherein the lower electrode layer and the upper electrode layer are formed by spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or schottky contact characteristics, and the piezoelectric thin film layer has piezoelectric characteristics. It is formed by spraying a nano ink containing nanoparticles.

상기 압전 박막층은 적어도 상기 하부 전극층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 하부 전극층의 측면 일부가 노출되게 형성되며, 상기 상부 전극층은 적어도 상기 압전 박막층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 압전 박막층의 측면이 노출되게 형성되는 것이 바람직하다.The piezoelectric thin film layer is formed to occupy at least a portion of the upper surface of the lower electrode layer, at least a portion of the side surface of the lower electrode layer is formed to expose, the upper electrode layer is formed to occupy at least a portion of the upper surface of the piezoelectric thin film layer, at least the piezoelectric It is preferable that the side surface of the thin film layer is formed to be exposed.

또한, 상기 기판부는 실리콘으로 이루어진다.In addition, the substrate portion is made of silicon.

상기 지지층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The support layer may be formed of any one of silicon oxide or silicon nitride.

상기 지지층은 상기 기판부와 일체로 형성된 기판층과, 상기 기판층 상에 형성되는 표면층을 포함한다.The support layer includes a substrate layer formed integrally with the substrate portion, and a surface layer formed on the substrate layer.

상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 중 어느 하나는 쇼트키(Schottky) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속된다.One of the upper electrode layer and the lower electrode layer is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer through a Schottky contact electrode, and the other is generated in the piezoelectric thin film layer through an ohmic contact electrode. Connected to transmit the electrical signal.

상기 쇼트키 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자를 함유하는 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 형성된 단일층 내지 복합층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된다.The Schottky contact electrode is a single layer or multiple layer structure formed by inkjet printing a nano ink containing at least one or more nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag It is formed of an electrode thin film having a.

상기 오믹 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 형성된 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된다.The ohmic contact electrode is a Ti-Au, Ti-Pt formed by inkjet printing a nano-ink containing at least one type of nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag , Formed of an electrode thin film having any two-layer structure selected from Pt-Ga, In-Au or any three-layer structure selected from Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, and Re-Ti-Au do.

상기 압전 박막층은 지르콘산(ZO), 바륨이 도핑된 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나 이상으로 형성된다.The piezoelectric thin film layer includes zirconic acid (ZO), barium-doped zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), and lithium sulfate (Li2SO4). ) And iron trioxide trioxide (FeO 3 ZnO).

한편, 상기 압전 박막층은 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(STO), 중 어느 하나로 형성되는 하부막과, 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.On the other hand, the piezoelectric thin film layer is a lower layer formed of any one of barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (STO), zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (FeO3ZnO).

그리고, 상기 상부 전극층에 접속되는 접속용 배선과, 상기 접속용 배선에 접속되는 연결용 배선을 더 구비하고, 상기 상부 전극층과 상기 접속용 배선 및 상기 연결용 배선은 Au, Al, In 중 어느 하나 이상으로 형성된다.And a connection wiring connected to the upper electrode layer and a connection wiring connected to the connection wiring, wherein the upper electrode layer, the connection wiring and the connection wiring are any one of Au, Al, and In. It is formed as above.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치는 멤스 압전센서와; 상기 멤스 압전센서에서 발생하는 전기에너지를 에너지 저장부에 저장하기 위한 충전 회로부와; 상기 에너지 저장부에 저장된 전기에너지를 타 전기장치로 공급하기 위한 방전 회로부;를 구비한다.Energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention for achieving the above object; A charging circuit unit for storing electrical energy generated by the MEMS piezoelectric sensor in an energy storage unit; And a discharge circuit unit for supplying electric energy stored in the energy storage unit to another electric device.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤스 압전센서 제조방법은 서로 대향되는 상부와 하부에 각각 제1면과 제2면이 마련된 기판부를 준비하는 단계와; 상기 기판부의 제1면과 제2면에 각각 설정된 패턴의 지지층과 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 지지층 상에 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 하부 전극층을 형성하는 단계와; 상기 하부 전극층 상에 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 압전 박막층을 형성하는 단계와; 상기 압전 박막층 상에 쇼트키 또는 오믹 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 상부 전극층을 형성하는 단계;를 포함한다.MEMS piezoelectric sensor manufacturing method according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a substrate portion provided with a first surface and a second surface on the top and bottom facing each other; Forming a support layer and a buffer layer having patterns respectively set on the first and second surfaces of the substrate; Forming a lower electrode layer by spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or schottky contact characteristics on the support layer by an inkjet method; Forming a piezoelectric thin film layer by spraying a nano ink containing nanoparticles having piezoelectric properties on the lower electrode layer by an inkjet method; And forming an upper electrode layer by spraying a nano-ink containing Schottky or nanoparticles having ohmic contact properties on the piezoelectric thin film layer by an inkjet method.

상기 압전 박막층은 적어도 상기 하부 전극층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 하부 전극층의 측면 일부가 노출되게 형성되며, 상기 상부 전극층은 적어도 상기 압전 박막층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 압전 박막층의 측면이 노출되게 형성된다.The piezoelectric thin film layer is formed to occupy at least a portion of the upper surface of the lower electrode layer, at least a portion of the side surface of the lower electrode layer is formed to expose, the upper electrode layer is formed to occupy at least a portion of the upper surface of the piezoelectric thin film layer, at least the piezoelectric The side surface of the thin film layer is formed to be exposed.

상기 기판부는 실리콘으로 이루어진다.The substrate portion is made of silicon.

상기 지지층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나로 형성된다.The support layer is formed of any one of silicon oxide or silicon nitride.

상기 지지층은 상기 기판부와 일체로 형성된 기판층과, 상기 기판층 상에 형성되는 표면층을 포함한다.The support layer includes a substrate layer formed integrally with the substrate portion, and a surface layer formed on the substrate layer.

상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 중 어느 하나는 쇼트키(Schottky) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속된다.One of the upper electrode layer and the lower electrode layer is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer through a Schottky contact electrode, and the other is generated in the piezoelectric thin film layer through an ohmic contact electrode. Connected to transmit the electrical signal.

상기 쇼트키 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 단일층 내지 복합층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된다.The Schottky contact electrode is a single layer to a multi-layer structure of a nano ink containing at least one type of nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag by inkjet printing. It is formed of an electrode thin film having.

상기 오믹 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 형성된 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된다.The ohmic contact electrode is a Ti-Au, Ti-Pt formed by inkjet printing a nano-ink containing at least one type of nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag , Formed of an electrode thin film having any two-layer structure selected from Pt-Ga, In-Au or any three-layer structure selected from Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, and Re-Ti-Au do.

상기 압전 박막층은 지르콘산(ZO), 바륨이 도핑된 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나로 형성된다.The piezoelectric thin film layer includes zirconic acid (ZO), barium-doped zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), and lithium sulfate (Li2SO4). ) And iron trioxide trioxide (FeO 3 ZnO).

상기 압전 박막층은 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(STO), 중 어느 하나로 형성되는 하부막과, 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나로 형성되는 상부막을 포함하는 2중층 구조로 형성될 수 있다.The piezoelectric thin film layer includes a lower layer formed of any one of barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (STO), zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), and barium strontium titanate (BSTO). ), Strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (FeO3ZnO).

상기 상부 전극층에 접속되는 접속용 배선과, 상기 접속용 배선에 접속되는 연결용 배선을 더 구비하고, 상기 상부 전극층과 상기 접속용 배선 및 상기 연결용 배선은 Au, Al, In 중 어느 하나 이상으로 형성된다.And a connection wiring connected to the upper electrode layer, and a connection wiring connected to the connection wiring, wherein the upper electrode layer, the connection wiring, and the connection wiring are any one or more of Au, Al, and In. Is formed.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 저장장치 제조방법은 제13항에 따른 멤스 압전센서의 상기 지지층 상에 상기 하부 전극층에 접속되는 하부 전극층 접속용 배선과, 상기 지지층 상에 상기 하부 전극층 접속용 배선들을 연결하는 하부 전극층 연결용 배선이 일체화되게 하부 전극층 패턴을 형성하는 단계와; 상기 지지층 상에 상기 상부 전극층에 접속되는 상부 전극층 접속용 배선과, 상기 지지층 상에 상기 상부 전극층 접속용 배선을 연결하는 상부 전극층 연결용 배선이 일체화되게 상부 전극층 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함한다.Energy storage device manufacturing method according to the present invention for achieving the above object is a lower electrode layer connection wiring connected to the lower electrode layer on the support layer of the MEMS piezoelectric sensor according to claim 13, and the lower portion on the support layer Forming a lower electrode layer pattern such that the lower electrode layer connection wires connecting the electrode layer connection wires are integrated; Forming an upper electrode layer pattern on the support layer such that an upper electrode layer connection wire connected to the upper electrode layer and an upper electrode layer connection wire connecting the upper electrode layer connection wire are integrated on the support layer; .

본 발명에 따른 멤스 압전센서는 제조 공정이 수월한 동시에 에너지 수확 효율을 높이기 위해 압전 박막층을 비롯한 상부 전극층 및 하부 전극층 등의 형성 방법을 개선하여 종래에 비해 간단한 공정과 저렴한 비용으로 제작 가능한 장점이 있다.MEMS piezoelectric sensor according to the present invention has an advantage that can be manufactured at a simple process and low cost compared to the conventional by improving the formation method of the upper electrode layer and the lower electrode layer, including the piezoelectric thin film layer to facilitate the manufacturing process and at the same time increase the energy harvesting efficiency.

또한, 본 발명에 따른 멤스 압전센서는 압전 박막층 및 전극층을 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing) 기법으로 제조함으로써 제조공정이 간단하고, 고가의 증착 장비를 필요로 하지 않으므로 저렴한 제조비용으로 제조 가능한 장점이 있다.In addition, the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention has an advantage that the manufacturing process is simple by manufacturing the piezoelectric thin film layer and the electrode layer by ink-jet printing, and does not require expensive deposition equipment, and thus can be manufactured at low manufacturing cost. have.

또한, 본 발명에 따른 멤스 압전센서는 전극층의 재료로서 은(Ag), 금(Au), 티타늄(Ti), 플래티넘(Pt), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 레늄(Re), 텡스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd) 등의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법으로 박막화하여 목적에 맞게 단일층 내지 복합층으로 전극을 형성 및 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention includes silver (Ag), gold (Au), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and tin as the material of the electrode layer. Nano ink containing nanoparticles such as (Sn), rhenium (Re), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and palladium (Pd) is thinned by inkjet printing to obtain a single layer according to the purpose. There is an advantage to form and manufacture the electrode to the composite layer.

도 1은 본 발명에 따른 멤스 압전센서의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 멤스 압전센서의 동작을 나타낸 단면도.
도 3은 도 1에도시된 멤스 압전센서의 동작을 나타낸 단면도.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치를 나타낸 평면도.
도 5는 도 4에 도시된 에너지 저장장치에 포함된 멤스 압전센서를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 제조하기 위한 기판부 준비단계 및 패턴층 형성단계를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 제조하기 위한 하부 전극층 형성단계를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 제조하기 위한 압전 박막층 형성단계를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 제조하기 위한 상부 전극층 형성단계를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 제조하기 위한 지지층의 단부에 무게추를 형성하는 단계를 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 멤스 압전센서에서 수확되는 에너지의 일 예를 설명하기 위한 그래프.
도 12은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치에서 수확되는 에너지의 일 예를 설명하기 위한 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치에서 수확되는 에너지의 일 예를 설명하기 위한 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 포함하는 에너지 저장 장치 및 수집된 에너지의 흐름 및 작동 과정을 설명하기 위한 블록도. 1 is a cross-sectional view of a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the operation of the MEMS piezoelectric sensor shown in FIG.
3 is a cross-sectional view showing the operation of the MEMS piezoelectric sensor shown in FIG.
4 is a plan view showing an energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor shown in FIGS.
5 is a plan view showing a MEMS piezoelectric sensor included in the energy storage device shown in FIG.
6 is a cross-sectional view showing a substrate portion preparing step and a pattern layer forming step for manufacturing a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
Figure 7 is a cross-sectional view showing a lower electrode layer forming step for manufacturing a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
8 is a cross-sectional view showing a piezoelectric thin film layer forming step for manufacturing a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
9 is a cross-sectional view showing an upper electrode layer forming step for manufacturing a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
10 is a cross-sectional view showing the step of forming a weight on the end of the support layer for manufacturing a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
11 is a graph for explaining an example of the energy harvested from the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
12 is a graph illustrating an example of energy harvested in an energy storage device using a MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
Figure 13 is a graph for explaining an example of the energy harvested in the energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.
Figure 14 is a block diagram illustrating the flow and operation of the energy storage device and the collected energy and the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 멤스 압전센서(100)와 이를 이용한 에너지 저장장치(10) 및 이의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the MEMS piezoelectric sensor 100, the energy storage device 10 using the same and a manufacturing method thereof.

먼저, 도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤스 압전센서(100)가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)는 기판부(110)와, 지지층(120)과, 하부 전극층(130)과, 압전 박막층(140)과, 상부 전극층(150)과, 하부 전극층 패턴부와, 상부 전극층 패턴부를 구비한다.First, FIGS. 1 to 3 illustrate a MEMS piezoelectric sensor 100 according to an embodiment of the present invention. 1 to 3, the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention includes a substrate unit 110, a support layer 120, a lower electrode layer 130, a piezoelectric thin film layer 140, and an upper electrode layer ( 150), a lower electrode layer pattern portion, and an upper electrode layer pattern portion.

기판부(110)는 실리콘(silicon)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 단결정 실리콘으로 이루어진 베어 웨이퍼(bare wafer)일 수 있다. 또한, 기판부(110)는 100 mm의 두께를 갖는 베어 웨이퍼를 후면 연마로 연마하여 400 내지 700μm의 두께를 가질 수 있다. The substrate unit 110 may include silicon and may be a bare wafer made of single crystal silicon. In addition, the substrate 110 may have a thickness of 400 to 700 μm by polishing a bare wafer having a thickness of 100 mm by backside polishing.

기판부(110)의 상면에는 지지층(120)이 형성된다. 지지층(120)은 실리콘 산화물(SiO2)또는 실리콘 질화물(SiNx)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 그 두께는 3μm 이하로 형성될 수 있다. 그리고, 지지층(120)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 도시된 바와 같이 기판부(110)와 일체로 형성된 제1지지층(121)과, 제1지지층(121) 상에 형성되는 제2지지층(122)을 포함하여 구성될 수 있다. The support layer 120 is formed on the upper surface of the substrate unit 110. The support layer 120 may include silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN x ), and the thickness of the support layer 120 may be 3 μm or less. In addition, the support layer 120 may be formed of any one of silicon oxide or silicon nitride, and as shown in the drawing, is formed on the first support layer 121 and the first support layer 121 integrally formed with the substrate unit 110. It may be configured to include a second support layer 122.

지지층(120)의 상면에는 하부 전극층(130)이 형성된다.The lower electrode layer 130 is formed on the upper surface of the support layer 120.

하부 전극층(130)에는 하부 전극층 패턴부가 접속되는데, 이 하부 전극층 패턴부는 하부 전극층 접속용 배선(132c)과, 하부 전극층 연결용 배선을 포함한다.The lower electrode layer pattern portion is connected to the lower electrode layer 130, and the lower electrode layer pattern portion includes a lower electrode layer connection wiring 132c and a lower electrode layer connection wiring.

하부 전극층 접속용 배선(132c)은 하부 전극층(130)에 접속되며, 하부 전극층 연결용 배선은 서로 다른 하부 전극층 접속용 배선(132c)들을 연결한다.The lower electrode layer connection wire 132c is connected to the lower electrode layer 130, and the lower electrode layer connection wire connects different lower electrode layer connection wires 132c.

하부 전극층 접속용 배선(132c) 및 하부 전극층 연결용 배선은 티타늄-금(Ti-Au), 티타늄-알루미늄(Ti-Al), 티타늄-알루미늄-백금-금(Ti-Al-Pt-Au), 알루미늄-백금(Al-Pt), 알루미늄-백금-금(Al-Pt-Au), 백금-갈륨(Pt-Ga), 인듐-금(In-Au), 레늄-티타늄-금(Re-Ti-Au), 주석(Sn) 또는 몰리브덴(Mo) 중에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.The lower electrode layer connection wiring 132c and the lower electrode layer connection wiring include titanium-gold (Ti-Au), titanium-aluminum (Ti-Al), titanium-aluminum-platinum-gold (Ti-Al-Pt-Au), Aluminum-Platinum (Al-Pt), Aluminum-Platinum-Gold (Al-Pt-Au), Platinum-Gallium (Pt-Ga), Indium-Gold (In-Au), Rhenium-Titanium-Gold (Re-Ti- Au), tin (Sn) or molybdenum (Mo).

하부 전극층(130)의 상면에는 압전 박막층(140)이 형성된다.The piezoelectric thin film layer 140 is formed on the upper surface of the lower electrode layer 130.

압전 박막층(140)은 하부 전극층(130)의 상면 일부분 내지 전 영역을 점유하도록 형성되고, 하부 전극층(130)의 측면 일부분 내지 전 영역이 노출되게 형성된다.The piezoelectric thin film layer 140 is formed to occupy a portion of the upper surface of the lower electrode layer 130 to the entire region, and is formed to expose a portion of the lower surface of the lower electrode layer 130 to the entire region.

압전 박막층(140)은 티탄산 바륨(BTO), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 납 지르코늄 티타늄(PZT), 및 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 인듐(In) 등이 도핑된 산화아연(ZnO)들 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상으로 형성될 수 있다.The piezoelectric thin film layer 140 includes barium titanate (BTO), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), lead zirconium titanium (PZT), and lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), and beryllium ( Be), magnesium (Mg), aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), indium (In) and the like may be formed of any one or more selected from doped zinc oxide (ZnO).

또한 압전 박막층(140)은 상술한 바와 달리 하부막과 상부막을 포함하는 2중층 구조를 적용할 수도 있다.In addition, the piezoelectric thin film layer 140 may have a double layer structure including a lower layer and an upper layer, as described above.

이 경우, 하부막은 티탄산 바륨(BTO), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 및 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 인듐(In) 등이 도핑된 산화아연(ZnO)들 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 그리고, 상부막은 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(ZnFeO3) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In this case, the bottom film is barium titanate (BTO), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), and lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), beryllium (Be), magnesium (Mg), Aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), indium (In) and the like may be made of at least one of zinc oxide (ZnO) doped. The top layer is made of zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (ZnFeO3). It may consist of at least one.

또한, 압전 박막층(140)은 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO) 중 적어도 하나로 이루어진 하부막과, 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(ZnOFeO3) 중 적어도 하나로 이루어지는 상부막을 포함하는 2중층 구조를 가질 수도 있다.In addition, the piezoelectric thin film layer 140 includes a lower film made of at least one of barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), and barium titanate (BTO), zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), and barium strontium titanate. (BTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (ZnOFeO3).

압전 박막층(140)의 상면에는 상부 전극층(150)이 구비된다.An upper electrode layer 150 is provided on an upper surface of the piezoelectric thin film layer 140.

상부 전극층(150)은 압전 박막층(140)의 상면 일부분 내지 전 영역을 점유하도록 형성되고, 압전 박막층(140)의 측면 일부분 내지 전 영역이 노출되게 형성된다. 상부 전극층(150)에는 상부 전극층 패턴부가 접속되는데, 이 상부 전극층 패턴부는 상부 전극층 접속용 배선(154c) 및 상부 전극층 연결용 배선을 포함한다. 그리고, 상부 전극층 접속용 배선(154c)은 상부 전극층(150)에 접속되며, 상부 전극층 연결용 배선은 서로 다른 상부 전극층 접속용 배선(154c)들을 연결한다.The upper electrode layer 150 is formed to occupy a portion of the top surface of the piezoelectric thin film layer 140 to the entire region, and is formed to expose a portion of the side surface of the piezoelectric thin film layer 140 to the entire region. An upper electrode layer pattern portion is connected to the upper electrode layer 150, and the upper electrode layer pattern portion includes an upper electrode layer connection wiring 154c and an upper electrode layer connection wiring. The upper electrode layer connection wiring 154c is connected to the upper electrode layer 150, and the upper electrode layer connection wiring connects the different upper electrode layer connection wiring 154c.

한편, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)는 하부 전극층(130)과 상부 전극층(150) 중 어느 하나가 쇼트키(Schottky) 접촉을 통해 압전 박막층(140)에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉을 통해 압전 박막층(140)에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속된다.Meanwhile, the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention is connected such that any one of the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 transmits an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer 140 through Schottky contact. And the other is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer 140 through ohmic contact.

쇼트키 접촉을 위한 전극은 티타늄(Ti), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 인듐(In), 레늄(Re), 주석(Sn) 또는 몰리브덴(Mo), 은(Ag) 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 기법에 의해 단일층 내지 복합층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된다.Electrodes for Schottky contact are titanium (Ti), gold (Au), aluminum (Al), platinum (Pt), gallium (Ga), indium (In), rhenium (Re), tin (Sn) or molybdenum (Mo) ), A nano-ink containing at least one type of nanoparticles of silver (Ag) is formed into an electrode thin film having a single layer or a composite layer structure by ink-jet printing.

오믹 접촉을 위한 전극은 티타늄(Ti), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 인듐(In), 레늄(Re), 주석(Sn) 또는 몰리브덴(Mo), 은(Ag) 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 형성된 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성될 수 있다.Electrodes for ohmic contact are titanium (Ti), gold (Au), aluminum (Al), platinum (Pt), gallium (Ga), indium (In), rhenium (Re), tin (Sn), or molybdenum (Mo) , A double layer structure of any one selected from Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, and In-Au formed by inkjet printing of a nano-ink containing at least one type of nanoparticles of silver (Ag) or Ti- Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au may be formed of an electrode thin film having any one of the three-layer structure selected.

그리고, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)의 단부에는 진동 발생 즉, 하중을 제공하기 위한 무게추(160)가 더 구비된다.And, the end of the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention is further provided with a weight (160) for generating vibration, that is, a load.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하면서 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)의 작동을 설명한다.Hereinafter, the operation of the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2를 참조하면, 무게추(160)의 진동에 의해 압전 박막층(140)이 도시된 바와 같이 하방으로 구부러지면, 압전 박막층(140)의 위쪽 표면은 인장 응력(Tensile stress)을 받아 양(+) 전하가 형성되고, 압전 박막층(140)의 아래쪽 표면은 압축 응력(Compressive stress)에 의해 음(-) 전하가 형성된다. Referring to FIG. 2, when the piezoelectric thin film layer 140 is bent downward as shown by the vibration of the weight 160, the upper surface of the piezoelectric thin film layer 140 receives a positive stress (+). ) Charges are formed, and a negative (-) charge is formed on the lower surface of the piezoelectric thin film layer 140 by compressive stress.

이때, 압전 박막층(140)의 위쪽 표면 및 아래쪽 표면에 각각 형성되는 양전하 및 음전하는 각각 상부 전극층(150)과의 쇼트키(schottky) 접촉 및 하부 전극층(130)과의 오믹(ohmic) 접촉을 통해 순방향 바이어스 다이오드(bias diode)로 작용하여 전력을 생성하게 된다.In this case, positive and negative charges respectively formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric thin film layer 140 may be formed through schottky contact with the upper electrode layer 150 and ohmic contact with the lower electrode layer 130, respectively. It acts as a forward bias diode, producing power.

또한, 압전 박막층(140)이 무게추(160)의 진동에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 상방으로 구부러지면, 압전 박막층(140)의 아래쪽 표면은 인장응력을 받아 양(+) 전하가 형성되고, 압전 박막층(140)의 위쪽 표면은 압축응력에 의해 음(-) 전하가 형성된다.In addition, when the piezoelectric thin film layer 140 is bent upward as shown in FIG. 3 by the vibration of the weight 160, the lower surface of the piezoelectric thin film layer 140 is subjected to tensile stress to form positive (+) charges. , The upper surface of the piezoelectric thin film layer 140 is negative (-) charge is formed by the compressive stress.

이때, 압전 박막층(140)의 위쪽 표면 및 아래쪽 표면에 형성되는 음전하 및 음전하는 각각 하부 전극층(130)과의 오믹 접촉 및 상부 전극층(150)과의 쇼트키 접촉을 통해 역방향 바이어스 다이오드로 작용하여 전력을 생성하게 된다.At this time, negative charges and negative charges formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric thin film layer 140 act as reverse bias diodes through ohmic contact with the lower electrode layer 130 and Schottky contact with the upper electrode layer 150, respectively. Will generate

이상에서 설명한 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)는 제조 공정이 수월한 동시에 에너지 수확 효율이 높이기 위해 압전 박막층(140)을 비롯한 하부 전극층(130) 및 상부 전극층(150) 등의 형성 방법을 잉크젯 방식으로 개선하여 종래에 비해 간단한 공정과 저렴한 비용으로 제작 가능한 장점이 있다.MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention described above is an inkjet method of forming the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150, including the piezoelectric thin film layer 140, in order to facilitate the manufacturing process and increase the energy harvesting efficiency. By improving it, there is an advantage that can be manufactured in a simple process and low cost than the conventional.

그리고, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)는 압전 박막층(140) 및 전극층을 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing) 기법으로 제조함으로써 제조공정이 간단하고, 고가의 증착 장비를 필요로 하지 않으므로 저렴한 제조비용으로 제조 가능한 장점이 있다.In addition, the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention is manufactured by manufacturing the piezoelectric thin film layer 140 and the electrode layer by ink-jet printing, which makes the manufacturing process simple and does not require expensive deposition equipment. There is an advantage that can be manufactured at cost.

또한, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)는 전극층의 재료로서 은(Ag), 금(Au), 티타늄(Ti), 플래티넘(Pt), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 레늄(Re), 텡스텐(W), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd) 등의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법으로 박막화하여 목적에 맞게 단일층 내지 복합층으로 전극을 형성 및 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention is a material of the electrode layer (Ag), gold (Au), titanium (Ti), platinum (Pt), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In ), Tin (Sn), rhenium (Re), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo), palladium (Pd) and other nanoparticles containing nano-ink thin film by inkjet printing There is an advantage in that the electrode can be formed and manufactured in a single layer to a composite layer to suit.

한편, 도 4 및 도 5에는 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치(10)가 도시되어 있다.Meanwhile, FIGS. 4 and 5 show an energy storage device 10 using MEMS piezoelectric sensors according to the present invention.

본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치(10)는 멤스 압전센서(100)와; 멤스 압전센서(100)에서 발생하는 전기에너지를 에너지 저장부(250)에 저장하기 위한 충전 회로부(200)와; 에너지 저장부(250)에 저장된 전기에너지를 타 전기장치(350)로 공급하기 위한 방전 회로부(300);를 구비한다.Energy storage device 10 using the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention and the MEMS piezoelectric sensor 100; A charging circuit unit 200 for storing electrical energy generated by the MEMS piezoelectric sensor 100 in the energy storage unit 250; And a discharge circuit unit 300 for supplying the electric energy stored in the energy storage unit 250 to the other electric apparatus 350.

상기 멤스 압전센서(100)는 기판부(110)의 중앙 부분에 상하를 관통하도록 형성된 원형의 공동부(101)와 인접하는 기판부(110)의 상면 또는 공동부(101)의 내주면에 일 단이 지지 및 고정되고, 타 단은 공동부(101)의 중심을 향하도록 형성 또는 배치된다. The MEMS piezoelectric sensor 100 has one end on the inner surface of the upper surface of the substrate portion 110 or the inner peripheral surface of the cavity portion 101 adjacent to the circular cavity portion 101 formed to penetrate up and down in the center portion of the substrate portion 110. It is supported and fixed, and the other end is formed or arranged to face the center of the cavity 101.

멤스 압전센서(100)는 복수가 공동부(101)의 가장자리를 따라 서로 이격되게 배치 즉, 공동부(101)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치된다. 이때, 멤스 압전센서(100)는 지지층(120)이 기판부(110)에 일체로 형성될 수도 있고, 지지층(120)이 기판부(110)상에 지지 또는 고정될 수 있다.The MEMS piezoelectric sensor 100 is disposed to be spaced apart from each other along the edge of the cavity 101, that is, radially with respect to the center of the cavity 101. In this case, the MEMS piezoelectric sensor 100 may be integrally formed with the support layer 120 on the substrate unit 110, or the support layer 120 may be supported or fixed on the substrate unit 110.

상기 멤스 압전센서(100)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)에서 상세하게 설명하고 있는 바와 동일한 구조를 적용하였으므로 구체적인 구조에 대한 설명은 생략한다.Since the MEMS piezoelectric sensor 100 applies the same structure as that described in detail in the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention described with reference to FIGS. 1 to 3, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치(10)는 도 14에 도시된 바와 같이 멤스 압전센서(100)에서 수확된 에너지(201) 중 기준 전력 이상 또는 이하의 전력에 해당하는 잡음을 제거한 에너지를 충전 회로부(200)로 전송하기 위한 필터 소자(400)를 더 구비한다.On the other hand, the energy storage device 10 using the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention, the noise corresponding to the power above or below the reference power of the energy 201 harvested from the MEMS piezoelectric sensor 100 as shown in FIG. The filter device 400 for transmitting the removed energy to the charging circuit unit 200 is further provided.

상기와 같은 에너지 저장 장치(10)는 멤스 압전센서(100)에 진동이 가해지면 멤스 압전센서(100)가 진동에 의해 발생하는 에너지를 수확하고, 수확된 에너지는 필터소자(400)에 의해 잡음이 제거된 상태로 충전 회로부(200)로 전달되며, 충전 회로부(200)는 잡음이 제거된 상태의 에너지를 에너지 저장부(250)로 저장되게 하고, 에너지 저장부(240)에 저장된 에너지는 방전 회로부(300)를 통해 타 전기5장치(350)(260)로 공급되는 방식으로 작동한다.In the energy storage device 10 as described above, when the MEMS piezoelectric sensor 100 is subjected to vibration, the MEMS piezoelectric sensor 100 harvests energy generated by the vibration, and the harvested energy is noise by the filter element 400. The removed circuit is delivered to the charging circuit unit 200, the charging circuit unit 200 to store the energy of the noise-free state to the energy storage unit 250, the energy stored in the energy storage unit 240 is discharged It operates in a manner that is supplied to the other five electric devices (350, 260) through the circuit unit 300.

한편, 도 12 및 도 13에는 멤스 압전센서(100)에 수확되는 특정 주파수 대역의 에너지를 통해 발생하는 전력이 나타나 있다. 수확되는 주파수(1, …, n)는 일상적으로 수백 Hz 이하의 저주파수이며, 멤스 압전센서(100) 내에서의 위치, 지지층(120)과 압전 박막층(140) 등에 따라 상이한 위상 차를 가지고 진입되는 것이 나타나 있다.12 and 13 illustrate power generated through energy of a specific frequency band harvested by the MEMS piezoelectric sensor 100. The harvested frequencies (1, ..., n) are routinely low frequencies of several hundred Hz or less and are entered with different phase differences depending on the position in the MEMS piezoelectric sensor 100, the support layer 120 and the piezoelectric thin film layer 140, and the like. Is shown.

도 12를 참조하면, 특정 주파수 대역 안에서 중첩되게 수확되는 에너지가 나타나며, 수확된 중첩 에너지는 특정 대역 안에서 많은 잡음(noise)이 내재된다. 따라서, 중첩된 에너지에서 불필요한 잡음은 제거되고, 동시에 특정 전력 이하 내지 이상의 전력 또한 필터소자(400)에 의해 제거되어야 한다.Referring to FIG. 12, the energy harvested overlapping within a specific frequency band appears, and the harvested overlapping energy has a lot of noise in the specific band. Therefore, unnecessary noise in the superimposed energy is removed, and at the same time power below or above a certain power must also be removed by the filter element 400.

본 실시 예에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치(10)는 멤스 압전센서(100)를 기판부(110)에 중앙 부분에 형성된 원형의 공동부(101)를 형성하고, 일 단을 그 공동부(101)의 가장자리에 지지시키며, 타 단을 공동부(101)의 중심을 향하도록 배치한 캔틸레버(cantilever) 구조를 적용 및 복수의 멤스 압전센서(100)를 공동부(101)의 가장자리를 따라 이격되게 배치한 구조를 적용하였으나, 도시된 바와 다르게 기판부(110)에 형성되는 공동부(101)의 형상은 다각형일 수도 있고, 멤스 압전센서(100)들을 기판부(110)의 외측 가장자리를 따라 배치할 수 있음은 물론이다.Energy storage device 10 using the MEMS piezoelectric sensor according to this embodiment forms a circular cavity 101 formed in the center portion of the MEMS piezoelectric sensor 100 on the substrate portion 110, one end of the cavity Supporting the edge of the portion 101, applying a cantilever (cantilever) structure having the other end facing the center of the cavity 101 and a plurality of MEMS piezoelectric sensor 100 to the edge of the cavity 101 A spaced apart structure is applied, but unlike the illustrated figure, the shape of the cavity 101 formed in the substrate 110 may be a polygon, and the MEMS piezoelectric sensors 100 may have an outer edge of the substrate 110. Of course, it can be arranged along.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치(10)는 복수의 멤스 압전센서(100)들을 포함하고, 각 멤스 압전센서(100)의 하부 전극층(130) 및 상부 전극층(150)이 서로 분리된 배선 구조를 가짐으로써, 서로 다른 진동주파수를 회수하여 서로 동기된 주파수일 경우는 보상 간섭을 통해 에너지를 증폭시키고, 주파수가 비동기 상태일 때는 동기화시켜 신호를 증폭시키는 기법을 적용하여 수확되는 에너지 밀도를 높임으로써 에너지 수확 효율이 높은 장점이 있다.The energy storage device 10 using the MEMS piezoelectric sensor according to the present invention as described above includes a plurality of MEMS piezoelectric sensors 100, and the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 of each MEMS piezoelectric sensor 100. ) Has a separate wiring structure to recover the different vibration frequencies and to amplify the energy through compensation interference when the frequencies are synchronized with each other, and to amplify the signals by synchronizing when the frequencies are asynchronous. By increasing the energy density to be harvested has the advantage of high energy harvesting efficiency.

이하에서는 도 6 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)의 제조방법에 대해 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing the MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 11.

도 6내지 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)의 제조방법은 서로 대향되는 상부와 하부에 각각 제1면과 제2면이 마련된 기판부(110)를 준비하는 단계(기판부(110) 준비단계)와; 기판부(110)의 제1면과 제2면에 각각 설정된 패턴의 지지층(120)과 버퍼층(115)을 형성하는 단계(패턴층 형성단계)와; 지지층(120) 상에 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 하부 전극층(130)을 형성하는 단계(하부 전극층(130) 형성단계)와; 하부 전극층(130) 상에 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 압전 박막층(140)을 형성하는 단계(압전 박막층(140) 형성단계)와; 압전 박막층(140) 상에 쇼트키 또는 오믹 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 상부 전극층(150)을 형성하는 단계(상부 전극층(150) 형성단계);를 포함한다.6 to 11, the method of manufacturing a MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention includes preparing a substrate unit 110 having first and second surfaces respectively provided on upper and lower surfaces thereof facing each other ( Preparing the substrate unit 110); Forming a support layer 120 and a buffer layer 115 having patterns set on the first and second surfaces of the substrate unit 110 (pattern layer forming step); Spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or schottky contact characteristics on the support layer 120 by an inkjet method to form a lower electrode layer 130 (lower electrode layer 130 forming step); Forming a piezoelectric thin film layer 140 by forming a piezoelectric thin film layer 140 by spraying a nano-ink containing nanoparticles having piezoelectric properties on the lower electrode layer 130 by an inkjet method; And spraying a nano ink containing Schottky or nanoparticles having ohmic contact characteristics on the piezoelectric thin film layer 140 by an inkjet method to form the upper electrode layer 150 (the upper electrode layer 150 forming step). .

기판부(110) 준비단계에서는 마련되는 기판부(110)는 단결정 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나로 형성되며, 400 ~ 700μm의 두께를 가진다.In the preparing of the substrate unit 110, the substrate unit 110 is formed of at least one of single crystal silicon, silicon oxide, and silicon nitride, and has a thickness of 400 μm to 700 μm.

패턴층 형성단계는 도 6에 도시된 바와 같이 기판부(110)의 상면에 지지층(120) 상세하게는 제2지지층(122)을 형성한다. 그리고, 패턴층 형성단계는 기판부(110)의 저면에 버퍼층(115)을 형성한다. 이때 버퍼층(115)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중에서 적어도 하나로 형성되고 3μm 이내의 두께를 갖도록 한다.In the pattern layer forming step, as shown in FIG. 6, the support layer 120 is formed on the upper surface of the substrate 110 in detail, and the second support layer 122 is formed. In the pattern layer forming step, the buffer layer 115 is formed on the bottom surface of the substrate unit 110. In this case, the buffer layer 115 is formed of at least one of silicon oxide or silicon nitride and has a thickness within 3 μm.

하부 전극층(130) 형성단계는 도 7에 도시된 바와 같이 제2지지층(122) 상에 하부 전극층(130)을 형성한다. 제2지지층(122) 상에 하부 전극층(130)이 형성된 후에는 하부 전극층(130) 접속용 배선과, 하부 전극층(130) 접속용 배선들을 서로 연결하는 하부 전극층(130) 연결용 배선을 포함하는 하부 전극층 패턴을 제2지지층(122)상에 형성하는 공정이 더 수행된다.In the forming of the lower electrode layer 130, the lower electrode layer 130 is formed on the second support layer 122 as shown in FIG. 7. After the lower electrode layer 130 is formed on the second support layer 122, the lower electrode layer 130 may include a wiring for connecting the lower electrode layer 130 and a lower electrode layer 130 for connecting the lower electrode layer 130. A process of forming the lower electrode layer pattern on the second support layer 122 is further performed.

압전 박막층(140) 형성단계는 도 8에 도시된 바와 같이 하부 전극층(130)상에 압전 박막층(140)을 형성한다.In the forming of the piezoelectric thin film layer 140, the piezoelectric thin film layer 140 is formed on the lower electrode layer 130 as shown in FIG. 8.

이 단계에서 형성되는 압전 박막층(140)은 하부 전극층(130) 및 후술하는 상부 전극층(150)과 동일한 크기로 형성될 수도 있고, 이와 다르게 하부 전극층(130)과 압전 박막층(140)이 중첩하는 영역에서 압전 박막층(140)이 하부 전극층(130) 및 상부 전극층(150)보다 약간 크게 형성할 수 있다. 이는 압전 박막층(140)을 비롯한 하부 전극층(130) 및 상부 전극층(150)의 두께가 매우 얇아 제조공정에서 잉크젯 프린팅 방식에 의해 각각의 층을 형성하는 과정에서 하부 전극층(130)과 후술하는 상부 전극층(150)이 단락 즉, 접촉될 수 있으므로 하부 전극층(130)과 상부 전극층(150)의 단락을 방지하기 위해 하부 전극층(130) 및 상부 전극층(150)보다 다소 크게 형성하는 것이다.The piezoelectric thin film layer 140 formed in this step may be formed in the same size as the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 to be described later. Alternatively, the region where the lower electrode layer 130 and the piezoelectric thin film layer 140 overlap each other. The piezoelectric thin film layer 140 may be slightly larger than the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150. Since the thickness of the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 including the piezoelectric thin film layer 140 is very thin, the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer to be described later are formed in the process of forming each layer by an inkjet printing method in a manufacturing process. Since the 150 may be shorted, that is, the upper electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 may be formed to be slightly larger than the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150 in order to prevent a short circuit between the lower electrode layer 130 and the upper electrode layer 150.

그리고, 압전 박막층(140) 형성단계에서 형성되는 압전 박막층(140)은 나노입자를 제조하여 사용한 티탄산 바륨(BTO), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 및 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 인듐(In) 등이 도핑된 ZnO 계열의 나노입자를 포함하는 나노잉크를 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 방식으로 형성할 수 있다. 나노 입자 제조 방법은 핫 인젝션(hot-injection) 등의 반응 기법을 사용하여 제조한 후, 열 처리를 통해 결정화를 진행하는 것일 수 있다. The piezoelectric thin film layer 140 formed in the piezoelectric thin film layer 140 is formed of barium titanate (BTO), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), and lithium (Li), sodium Containing ZnO-based nanoparticles doped with (Na), potassium (K), beryllium (Be), magnesium (Mg), aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), indium (In), etc. Nano-inks may be formed by ink-jet printing. Nanoparticle manufacturing method may be prepared by using a reaction technique such as hot injection (hot-injection), and then proceed to crystallization through heat treatment.

또한, 압전 특성을 갖는 나노입자는 압전 특성을 증가시키기 위한 다양한 물질이 혼합될 수 있다. 제조된 압전 나노입자는 볼 밀링(ball milling) 등의 방법을 사용하여 수십 나노 미터 이하의 사이즈를 갖는 나노입자로 제조되어 잉크젯 프린팅용으로 사용될 수 있다. 제조된 나노 입자들은 적절한 물리화학적 특성이 있도록 분산성과 점도 특성을 제어하여, 안정적인 압전 박막층(140)을 제조할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, nanoparticles having piezoelectric properties may be mixed with various materials for increasing piezoelectric properties. The piezoelectric nanoparticles prepared may be made into nanoparticles having a size of several tens of nanometers or less by using a method such as ball milling, and may be used for inkjet printing. The manufactured nanoparticles are preferably controlled to have a stable piezoelectric thin film layer 140 by controlling dispersibility and viscosity characteristics so as to have appropriate physicochemical properties.

상부 전극층(150) 형성단계는 도 9에 도시된 바와 같이 압전 박막층(140)상에 상부 전극층(150)을 형성한다.In the forming of the upper electrode layer 150, the upper electrode layer 150 is formed on the piezoelectric thin film layer 140 as shown in FIG. 9.

상부 전극층(150)은 적어도 압전 박막층(140)의 상면 일부분을 덮게 형성되고, 압전 박막층(140)의 측면이 노출되게 형성된다. The upper electrode layer 150 is formed to cover at least a portion of the upper surface of the piezoelectric thin film layer 140, and is formed to expose the side surface of the piezoelectric thin film layer 140.

상부 전극층(150) 형성단계에서는 상부 전극층(150)에 접속되는 상부 전극층(150) 접속용 배선과, 상부 전극층(150) 접속용 배선들을 서로 연결하는 상부 전극층(150) 연결용 배선을 포함하는 상부 전극층 패턴을 기판상에 형성하는 공정이 수행된다.In the forming of the upper electrode layer 150, an upper part including an upper electrode layer 150 connection wire connected to the upper electrode layer 150 and an upper electrode layer 150 connection wire connecting the upper electrode layer 150 connection wires to each other. A process of forming an electrode layer pattern on a substrate is performed.

상부 전극층(150) 형성단계 이후에는 도 10에 도시된 바와 같이 진동을 발생시키기 위한 무게추(160)를 단부측에 형성한다.After forming the upper electrode layer 150, as shown in FIG. 10, a weight 160 for generating vibration is formed at the end side.

본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)가 외팔보 즉 캔틸레버 구조를 갖기 위해 도 11에 도시된 바와 같이 기판부(110)의 하면으로부터 상면을 관통하는 공동부(101)를 형성하는 단계(공동부(101) 형성단계)가 더 포함된다.The MEMS piezoelectric sensor 100 according to the present invention forms a cavity 101 penetrating the upper surface from the lower surface of the substrate unit 110 as shown in FIG. 11 to have a cantilever structure, that is, a cantilever structure. 101) forming step) is further included.

공동부(101) 형성단계에서는 기판부(110)의 하면에 형성된 버퍼층(115)에 포토레지스트(photoresist)를 사용하여 마스크 패턴을 형성하고, 기판부(110)을 버퍼 산화 식각(Buffered Oxide Etch) 용액 등에 담가 일부를 제거하여 공동부(101)의 형성을 위한 전처리 공정을 진행한다. 상기의 마스크 패턴은 본 발명에 따른 멤스 압전센서(100)가 배치된 패턴과 대응되는 패턴을 가진다. 공동부(101) 형성단계에서는 기판부(110)의 저면을 식각하여 공동부(101)를 형성하되, 멤스 압전센서(100)가 배치되는 부분에는 기판부(110)가 일정 두께 이상 남도록 식각함으로써, 이 기판부(110)와 지지층(120)에 의해 진동할 수 있는 구조가 되게 한다.In the cavity 101 forming step, a mask pattern is formed on the buffer layer 115 formed on the bottom surface of the substrate 110 by using a photoresist, and the substrate 110 is buffered etched. The pretreatment process for forming the cavity 101 is performed by removing a part of the solution by soaking. The mask pattern has a pattern corresponding to a pattern in which the MEMS piezoelectric sensor 100 is disposed. In the cavity 101 forming step, the bottom surface of the substrate 110 is etched to form the cavity 101, and the substrate 110 is etched to a predetermined thickness or more in a portion where the MEMS piezoelectric sensor 100 is disposed. The substrate unit 110 and the support layer 120 allow the structure to vibrate.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 멤스 압전센서, 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치, 그리고 그 제조 방법은 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.The MEMS piezoelectric sensor, the energy storage device using the MEMS piezoelectric sensor, and a method of manufacturing the same according to the present invention described above are described with reference to the accompanying drawings, which are merely exemplary, and have ordinary skill in the art. It will be appreciated that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined only by the technical spirit of the appended claims.

10 : 에너지 저장장치
100 : 멤스 압전센서
110 : 기판부
120 : 지지층
121 : 제1지지층
122 : 제2지지층
130 : 하부 전극층
140 : 압전 박막층
150 : 상부 전극층
160 : 무게추10: energy storage device
100: MEMS piezoelectric sensor
110: substrate portion
120: support layer
121: first support layer
122: second support layer
130: lower electrode layer
140: piezoelectric thin film layer
150: upper electrode layer
160: weight

Claims (24)

기판부와;
상기 기판부에 일 측 지지되고, 타 단은 소정길이 연장된 지지층과;
상기 지지층의 단부에 형성되어 진동을 발생시키기 위한 무게추와;
상기 지지층 상에 형성되는 하부 전극층과;
상기 하부 전극층 상에 형성되는 압전 박막층과;
상기 압전 박막층 상에 형성되는 상부 전극층;을 구비하고,
상기 하부 전극층 및 상부 전극층은 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 분사하여 형성되고,
상기 압전 박막층은 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 분사하여 형성되고,
상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 중 어느 하나는 쇼트키(Schottky) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되며,
상기 오믹 접촉 전극은 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성되고,
상기 압전 박막층은 지르콘산(ZO), 바륨이 도핑된 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
A substrate portion;
A support layer which is supported on one side of the substrate portion and the other end thereof extends a predetermined length;
A weight formed at an end of the support layer to generate vibration;
A lower electrode layer formed on the support layer;
A piezoelectric thin film layer formed on the lower electrode layer;
An upper electrode layer formed on the piezoelectric thin film layer;
The lower electrode layer and the upper electrode layer is formed by spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or Schottky contact characteristics,
The piezoelectric thin film layer is formed by spraying a nano ink containing nanoparticles having piezoelectric properties,
One of the upper electrode layer and the lower electrode layer is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer through a Schottky contact electrode, and the other is generated in the piezoelectric thin film layer through an ohmic contact electrode. Connected to transmit the electrical signal,
The ohmic contact electrode may be any one of a two-layer structure selected from Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au, or Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, or Re-Ti-Au. Formed of an electrode thin film having any one triple layer structure,
The piezoelectric thin film layer includes zirconic acid (ZO), barium-doped zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), lithium sulfate (Li2SO4), zinc trioxide oxide MEMS piezoelectric sensor, characterized in that formed of any one or more of (FeO3ZnO).
제1항에 있어서,
상기 압전 박막층은 적어도 상기 하부 전극층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 하부 전극층의 측면 일부가 노출되게 형성되며,
상기 상부 전극층은 적어도 상기 압전 박막층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 압전 박막층의 측면이 노출되게 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
The piezoelectric thin film layer is formed to occupy at least a portion of an upper surface of the lower electrode layer, and is formed to expose at least a portion of the side surface of the lower electrode layer,
The upper electrode layer is formed so as to occupy at least a portion of the upper surface of the piezoelectric thin film layer, at least the side surface of the piezoelectric thin film layer MEMS piezoelectric sensor, characterized in that formed.
제1항에 있어서,
상기 기판부는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
MEMS piezoelectric sensor, characterized in that the substrate portion made of silicon.
제1항에 있어서,
상기 지지층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
MEMS piezoelectric sensor, characterized in that the support layer is formed of any one of silicon oxide or silicon nitride.
제1항에 있어서,
상기 지지층은 상기 기판부와 일체로 형성된 기판층과, 상기 기판층 상에 형성되는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
The support layer is a MEMS piezoelectric sensor, characterized in that it comprises a substrate layer formed integrally with the substrate portion, and a surface layer formed on the substrate layer.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 쇼트키 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자를 함유하는 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 형성된 단일층 내지 복합층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
The Schottky contact electrode is a single layer or multiple layer structure formed by inkjet printing a nano ink containing at least one or more nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag MEMS piezoelectric sensor, characterized in that formed into an electrode thin film having.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 압전 박막층은
티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(STO), 중 어느 하나로 형성되는 하부막과,
지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나로 형성되는 상부막을 포함하는 2중층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
The piezoelectric thin film layer
A lower film formed of any one of barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO) and barium titanate (STO);
Formed from any one of zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (FeO3ZnO) MEMS piezoelectric sensor, characterized in that formed in a double layer structure including an upper film.
제1항에 있어서,
상기 상부 전극층에 접속되는 접속용 배선과, 상기 접속용 배선에 접속되는 연결용 배선을 더 구비하고,
상기 상부 전극층과 상기 접속용 배선 및 상기 연결용 배선은 Au, Al, In 중 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서.
The method of claim 1,
And a connection wiring connected to the upper electrode layer, and a connection wiring connected to the connection wiring.
MEMS piezoelectric sensor, characterized in that the upper electrode layer, the connection wiring and the connection wiring is formed of any one or more of Au, Al, In.
청구항 제1항에 따른 멤스 압전센서와;
상기 멤스 압전센서에서 발생하는 전기에너지를 에너지 저장부에 저장하기 위한 충전 회로부와;
상기 에너지 저장부에 저장된 전기에너지를 타 전기장치로 공급하기 위한 방전 회로부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서를 이용한 에너지 저장장치.
MEMS piezoelectric sensor according to claim 1;
A charging circuit unit for storing electrical energy generated by the MEMS piezoelectric sensor in an energy storage unit;
And a discharge circuit unit for supplying the electric energy stored in the energy storage unit to another electric apparatus.
서로 대향되는 상부와 하부에 각각 제1면과 제2면이 마련된 기판부를 준비하는 단계와;
상기 기판부의 제1면과 제2면에 각각 설정된 패턴의 지지층과 버퍼층을 형성하는 단계와;
상기 지지층의 단부에 진동을 발생시키기 위한 무게추를 설치하는 단계와;
상기 지지층 상에 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 하부 전극층을 형성하는 단계와;
상기 하부 전극층 상에 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 압전 박막층을 형성하는 단계와;
상기 압전 박막층 상에 쇼트키 또는 오믹 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 상부 전극층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 중 어느 하나는 쇼트키(Schottky) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되며,
상기 오믹 접촉 전극은 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성되고,
상기 압전 박막층은 지르콘산(ZO), 바륨이 도핑된 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
Preparing a substrate portion having a first surface and a second surface on upper and lower surfaces facing each other;
Forming a support layer and a buffer layer having patterns respectively set on the first and second surfaces of the substrate;
Installing a weight at the end of the support layer to generate vibration;
Forming a lower electrode layer by spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or schottky contact characteristics on the support layer by an inkjet method;
Forming a piezoelectric thin film layer by spraying a nano ink containing nanoparticles having piezoelectric properties on the lower electrode layer by an inkjet method;
And forming an upper electrode layer by spraying a nano-ink containing Schottky or nanoparticles having ohmic contact properties on the piezoelectric thin film layer by an inkjet method.
One of the upper electrode layer and the lower electrode layer is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer through a Schottky contact electrode, and the other is generated in the piezoelectric thin film layer through an ohmic contact electrode. Connected to transmit the electrical signal,
The ohmic contact electrode may be any one of a two-layer structure selected from Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au, or Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, or Re-Ti-Au. Formed of an electrode thin film having any one triple layer structure,
The piezoelectric thin film layer includes zirconic acid (ZO), barium-doped zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), lithium sulfate (Li2SO4), zinc trioxide oxide MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized in that formed by any one or more of (FeO3ZnO).
제13항에 있어서,
상기 압전 박막층은 적어도 상기 하부 전극층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 하부 전극층의 측면 일부가 노출되게 형성되며,
상기 상부 전극층은 적어도 상기 압전 박막층의 상면 일부를 점유하도록 형성되고, 적어도 상기 압전 박막층의 측면이 노출되게 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
The piezoelectric thin film layer is formed to occupy at least a portion of an upper surface of the lower electrode layer, and is formed to expose at least a portion of the side surface of the lower electrode layer,
The upper electrode layer is formed so as to occupy at least a portion of the upper surface of the piezoelectric thin film layer, at least the side surface of the piezoelectric thin film layer is characterized in that the manufacturing method of the MEMS piezoelectric sensor.
제13항에 있어서,
상기 기판부는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized in that the substrate portion made of silicon.
제13항에 있어서,
상기 지지층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized in that the support layer is formed of any one of silicon oxide or silicon nitride.
제13항에 있어서,
상기 지지층은 상기 기판부와 일체로 형성된 기판층과, 상기 기판층 상에 형성되는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
The support layer is a MEMS piezoelectric sensor manufacturing method comprising a substrate layer formed integrally with the substrate portion, and a surface layer formed on the substrate layer.
삭제delete 제13항에 있어서,
상기 쇼트키 접촉 전극은 Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn 또는 Mo, Ag 중 적어도 한 종류 이상의 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 프린팅 기법에 의해 단일층 내지 복합층 구조를 갖는 전극박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
The Schottky contact electrode is a single layer to a multi-layer structure of a nano ink containing at least one type of nanoparticles of Ti, Au, Al, Pt, Ga, In, Re, Sn, Mo, Ag by inkjet printing. MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized by having an electrode thin film having.
삭제delete 삭제delete 제13항에 있어서,
상기 압전 박막층은
티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(STO), 중 어느 하나로 형성되는 하부막과,
지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 티탄산 바륨(BTO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나로 형성되는 상부막을 포함하는 2중층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
The piezoelectric thin film layer
A lower film formed of any one of barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO) and barium titanate (STO);
Formed from any one of zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), barium titanate (BTO), lithium sulfate (Li2SO4), and zinc trioxide (FeO3ZnO) MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized in that formed in a double layer structure including an upper film.
제13항에 있어서,
상기 상부 전극층에 접속되는 접속용 배선과, 상기 접속용 배선에 접속되는 연결용 배선을 더 구비하고,
상기 상부 전극층과 상기 접속용 배선 및 상기 연결용 배선은 Au, Al, In 중 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 멤스 압전센서 제조방법.
The method of claim 13,
And a connection wiring connected to the upper electrode layer, and a connection wiring connected to the connection wiring.
MEMS piezoelectric sensor manufacturing method characterized in that the upper electrode layer, the connection wiring and the connection wiring is formed of any one or more of Au, Al, In.
서로 대향되는 상부와 하부에 각각 제1면과 제2면이 마련된 기판부를 준비하는 단계와, 상기 기판부의 제1면과 제2면에 각각 설정된 패턴의 지지층과 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 지지층의 단부에 진동을 발생시키기 위한 무게추를 설치하는 단계와, 상기 지지층 상에 오믹 또는 쇼트키 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 하부 전극층을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극층 상에 압전 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 압전 박막층을 형성하는 단계와, 상기 압전 박막층 상에 쇼트키 또는 오믹 접촉 특성을 갖는 나노입자가 함유된 나노잉크를 잉크젯 방식으로 분사하여 상부 전극층을 형성하는 단계를 포함하여 멤스 압전센서를 제조하는 멤스 압전센서 제조단계와;
상기 멤스 압전센서의 상기 지지층 상에 상기 하부 전극층에 접속되는 하부 전극층 접속용 배선과, 상기 지지층 상에 상기 하부 전극층 접속용 배선들을 연결하는 하부 전극층 연결용 배선이 일체화되게 하부 전극층 패턴을 형성하는 단계와;
상기 지지층 상에 상기 상부 전극층에 접속되는 상부 전극층 접속용 배선과, 상기 지지층 상에 상기 상부 전극층 접속용 배선을 연결하는 상부 전극층 연결용 배선이 일체화되게 상부 전극층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 중 어느 하나는 쇼트키(Schottky) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되고, 나머지 하나는 오믹(Ohmic) 접촉 전극을 통해 상기 압전 박막층에서 생성된 전기신호를 전달하도록 접속되며,
상기 오믹 접촉 전극은 Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au 중 선택된 어느 하나의 2중층 구조 또는 Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, Re-Ti-Au 중 선택된 어느 하나의 3중층 구조를 갖는 전극박막으로 형성되고,
상기 압전 박막층은 지르콘산(ZO), 바륨이 도핑된 지르콘산(ZO), 산화 아연 마그네슘(ZnOMg), 티탄산 바륨 스트론튬(BSTO), 티탄산 스트론튬(STO), 황산리튬(Li2SO4), 삼산화 철 산화 아연(FeO3ZnO) 중 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치 제조방법.
Preparing a substrate having a first surface and a second surface on upper and lower surfaces opposing each other, forming a support layer and a buffer layer having patterns set on the first and second surfaces of the substrate, respectively, Installing a weight to generate vibration at an end of the ink; spraying a nano ink containing nanoparticles having ohmic or schottky contact characteristics on the support layer by an inkjet method to form a lower electrode layer; Forming a piezoelectric thin film layer by spraying a nano ink containing piezoelectric nanoparticles having a piezoelectric property on the lower electrode layer, and forming a piezoelectric thin film layer, and nanoparticles containing nanoparticles having Schottky or ohmic contact properties on the piezoelectric thin film layer. A MEMS piezoelectric sensor manufacturing step of manufacturing a MEMS piezoelectric sensor, including forming an upper electrode layer by spraying the inkjet method;
Forming a lower electrode layer pattern on the support layer of the MEMS piezoelectric sensor such that lower electrode layer connection wires connected to the lower electrode layer and lower electrode layer connection wires connecting the lower electrode layer connection wires to the support layer are integrated; Wow;
And forming an upper electrode layer pattern on the support layer such that an upper electrode layer connection wire connected to the upper electrode layer and an upper electrode layer connection wire connecting the upper electrode layer connection wire are integrated on the support layer.
One of the upper electrode layer and the lower electrode layer is connected to transmit an electrical signal generated in the piezoelectric thin film layer through a Schottky contact electrode, and the other is generated in the piezoelectric thin film layer through an ohmic contact electrode. Connected to transmit the electrical signal,
The ohmic contact electrode may be any one of a two-layer structure selected from Ti-Au, Ti-Pt, Pt-Ga, In-Au, or Ti-Al-Pt-Au, Al-Pt-Au, or Re-Ti-Au. Formed of an electrode thin film having any one triple layer structure,
The piezoelectric thin film layer includes zirconic acid (ZO), barium-doped zirconic acid (ZO), zinc magnesium oxide (ZnOMg), barium strontium titanate (BSTO), strontium titanate (STO), lithium sulfate (Li2SO4), zinc trioxide oxide Energy storage device manufacturing method characterized in that formed of any one or more of (FeO3ZnO).
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