[논문]MEMS 구조 압전 마이크로폰의 최적구조 설계

권민형; 라용호; 전대우; 이영진

doi:10.5369/jsst.2018.27.4.269

MEMS 구조 압전 마이크로폰의 최적구조 설계
Optimal Design of a MEMS-type Piezoelectric Microphone 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.4, 2018년, pp.269 - 274

권민형 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 라용호 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 전대우 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터) , 이영진 (한국세라믹기술원 광.디스플레이소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

High-sensitivity signal-to-noise ratio (SNR) microphones are essentially required for a broad range of automatic speech recognition applications. Piezoelectric microphones have several advantages compared to conventional capacitor microphones including high stiffness and high SNR. In this study, we designed a new piezoelectric membrane structure by using the finite elements method (FEM) and an optimization technique to improve the sensitivity of the transducer, which has a high-quality AlN piezoelectric thin film. The simulation demonstrated that the sensitivity critically depends on the inner radius of the top electrode, the outer radius of the membrane, and the thickness of the piezoelectric film in the microphone. The optimized piezoelectric transducer structure showed a much higher sensitivity than that of the conventional piezoelectric transducer structure. This study provides a visible path to realize micro-scale high-sensitivity piezoelectric microphones that have a simple manufacturing process, wide range of frequency and low DC bias voltage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 마이크로폰 구조에서 back-plate와 압전체를 둘러싼 전극의 일부 영역을 제거한 새로운 형태의 MEMS 구조 압전 멤브레인(membrane)의 독자구조를 제안하고, 그 구조를 최적화하기 위하여 유한요소해석 및 반응표면법을 이용한 최적화를 통해 마이크로폰의 최적 구조를 도출하고자 하였으며, 실제 압전 방식 마이크로폰 모듈 제작을 통해 그 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 마이크로폰에 사용되는 압전 멤브레인의 최적 구조 설계를 위하여 음성주파수 범위인 100~ 10,000 Hz에서의 우수한 평균 감도 및 선형성을 확보하고자 하였다. 압전 마이크로폰의 기본구조를 설정하고 각 구성요소인 상부전극, 하부 전극, AlN 압전 박막의 최적구조를 도출하기 위하여, 유한요소해석 및 표면반응법을 이용한 최적화를 통해 마이크로폰의 최적 구조를 도출하였으며, 이를 기반으로 실제 압전 트랜스듀서를 제작하여, 성능을 검증하였다.

가설 설정

U0는 Bias 전압을 나타내며, h는 멤브레인과 Back Plate사이의 air gap을 나타내지만 본 모델은 back plate가 없기 때문에 이 값은 미소의 값인 1 µm로 가정하였다.

제안 방법

Fig. 3(a)와 3(b)는 멤브레인을 각각 윗면과 측면에서 바라본 도식도이며, 최적구조 설계를 위해 본 연구에서는 4가지의 구조 설계 변수를 도출하였다. 설계 변수는 벤트홀의 반지름(R1), 상부전극의 내부 반지름 (R2), 멤브레인의 외부 반지름(R3), 압전 박막의 두께 (T1)이며, 100~10,000 Hz 주파수 대역에서 감도와의 상관 관계를 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 분석하고, 각각의 인자 수준을 결정하였다.
Fig. 2는 반응표면법(Response Surface Methodo -logy)을 통한 압전 트랜스듀서 마이크로폰의 최적 설계 과정을 나타낸 순서도를 나타내고 있으며, 본 연구에서는 압전 마이크로폰의 멤브레인 형상을 최적화하여 100~10,000 Hz 주파수 대역에서 우수한 감도 (sensitivity) 및 넓은 대역특성(낮은 표준편차)을 확보 할 수 있도록 설계하였다.
상부 전극은 압전소자에서 발생한 전하를 취득하기 위해 필수적인 구조 요소이나, 그 두께 또는 면적이 과다할 경우 두께가 얇은 맴브레인의 진동을 오히려 방해하여 마이크로폰 성능이 감소될 수 있다. 또한 진동에 의한 멤브레인의 변형이 주로 외곽 부분에 집중되는 특성으로 인해 상부 전극의 중심부의 전극을 제거한 새로운 구조를 도입하였다.
멤브레인의 중앙 상부 전극의 일부 영역을 제거하여 압전 박막이 밖으로 노출시켜 효율적인 진동이 가능하도록 하였다. 또한 멤브레인의 중앙에 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있는 벤트홀(vent -hole)을 중앙에 배치하였다.
반응표면법의 목적변수는 가청주파수 범위인 100~10,000 Hz에서의 평균감도와 표준편차(Standard Deviation)로 설정하였다. 목적변수 중 감도는 가청 주파수 영역에서 높은 값을 가져야 하고, 양질의 소리를 출력 할 수 있도록 표준편차는 최소화해야 한다.
본 연구에 사용된 유한요소해석 프로그램은 Ansys APDL Ver. 16.1로 SOLID45 요소를 이용하고, 20 µm의 element 크기로 Brick Mesh를 적용 후, 멤브레인 전체에 1 Pa의 힘을 step 함수 형태로 인가하여 100~10,000 Hz 대역에서의 압전소자 출력을 계산 하였다.
3(a)와 3(b)는 멤브레인을 각각 윗면과 측면에서 바라본 도식도이며, 최적구조 설계를 위해 본 연구에서는 4가지의 구조 설계 변수를 도출하였다. 설계 변수는 벤트홀의 반지름(R1), 상부전극의 내부 반지름 (R2), 멤브레인의 외부 반지름(R3), 압전 박막의 두께 (T1)이며, 100~10,000 Hz 주파수 대역에서 감도와의 상관 관계를 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 분석하고, 각각의 인자 수준을 결정하였다.
본 연구에서는 마이크로폰에 사용되는 압전 멤브레인의 최적 구조 설계를 위하여 음성주파수 범위인 100~ 10,000 Hz에서의 우수한 평균 감도 및 선형성을 확보하고자 하였다. 압전 마이크로폰의 기본구조를 설정하고 각 구성요소인 상부전극, 하부 전극, AlN 압전 박막의 최적구조를 도출하기 위하여, 유한요소해석 및 표면반응법을 이용한 최적화를 통해 마이크로폰의 최적 구조를 도출하였으며, 이를 기반으로 실제 압전 트랜스듀서를 제작하여, 성능을 검증하였다. 그 결과 최적구조설계를 통해 도출된 멤브레인은 -82.
가장 영향력이 큰 변수는 상부전극의 내부 반지름이며, 멤 브레인의 외부 반지름과 압전 박막의 두께는 비교적 중간 정도의 영향력을 가진 것을 확인할 수 있다. 압전 멤브레인을 구성하고 있는 위 4가지 설계 변수 중 가장 영향력이 거의 없는 설계변수 R1은 최적구조 설계에서 제외하고 나머지 세 가지 설계 변수들로 최적화를 진행하였다.
이상의 과정을 통해 도출한 치수 및 형상을 기준으로 도면을 작성한 후, 실제 마이크로폰용 MEMS 센서 모듈를 제작하고, 기준 음압에서 출력되는 감도를 측정하였다.
제안한 본 구조의 마이크로폰용 멤브레인의 최적 진동구조를 설계하기 위해 우선 초기 구조를 선정하였으며, 공정 범계, 제품 사이즈 한계 등을 고려하여, structural layer는 2 µm, 하부전극 0.1 µm, AlN 10 µm, 상부전극 0.6 µm로, 멤브레인의 전체 반경은 375 µm로 설정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 반응표면법의 2차 회귀모형으로 중심합성계획법을 이용하여 최적구조설계를 진행하였다. Table 3에 MINITAB Ver.

성능/효과

위 4개의 그래프의 비교를 통해 벤트홀의 반지름은 다른 변수에 비해 특성 변화에 거의 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다. 가장 영향력이 큰 변수는 상부전극의 내부 반지름이며, 멤 브레인의 외부 반지름과 압전 박막의 두께는 비교적 중간 정도의 영향력을 가진 것을 확인할 수 있다. 압전 멤브레인을 구성하고 있는 위 4가지 설계 변수 중 가장 영향력이 거의 없는 설계변수 R1은 최적구조 설계에서 제외하고 나머지 세 가지 설계 변수들로 최적화를 진행하였다.
압전 마이크로폰의 기본구조를 설정하고 각 구성요소인 상부전극, 하부 전극, AlN 압전 박막의 최적구조를 도출하기 위하여, 유한요소해석 및 표면반응법을 이용한 최적화를 통해 마이크로폰의 최적 구조를 도출하였으며, 이를 기반으로 실제 압전 트랜스듀서를 제작하여, 성능을 검증하였다. 그 결과 최적구조설계를 통해 도출된 멤브레인은 -82.19 dBV의 평균 감도를 나타내는 것을 확인하였고, 이러한 구조의 멤브레인은 차세대 초소형 고효율 마이크로폰의 구현을 위해 매우 중요하게 응용될 수 있음을 보여주었다.
6은 최적화된 모델의 100~10,000 Hz의 주파수 범위에 서의 감도 변화이다. 기본 1차 공진주파수는 39,77k Hz로 사 용 주파수 범위인 100~10,000 Hz에서 영향이 없을 만큼 충 분히 높았으며, 해당 주파수 구간에서 일정한 감도 특성을 나타내었다.
도출된 설계변수의 최적값은 R2이 142.87 µm, R3가 357.1692 µm, T1은 1.0 µm 이고, 이 때 평균감도는 -82.19 dBV, 표준 편차는 0.17로 산출되었다.
5는 반응표면법을 통해 도출한 최적구조 설계 결과이다. 설계변수와 평균 감도의 상관관계를 보면 세 가지 설계 변수 중 상부전극의 내부 반지름 R2에 의한 평균 감도 기울기가 가장 가파른 것을 알 수 있다. 또한 멤브레인의 외부 반지름 R3에 변화에 표준편차의 그래프가 기울기가 가장 큰 것을 확인 할 수 있다.
[5] A는 단면적, d는 두께를 나타낸다. 수식 2를 적용하여 계산한 감도는 -85.1dBV 이며 최적구조설계를 통해 도출한 -82.2 dBV 값과 약 96.5% 일치하는 것을 확인 하였다.
위 4개의 그래프의 비교를 통해 벤트홀의 반지름은 다른 변수에 비해 특성 변화에 거의 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다. 가장 영향력이 큰 변수는 상부전극의 내부 반지름이며, 멤 브레인의 외부 반지름과 압전 박막의 두께는 비교적 중간 정도의 영향력을 가진 것을 확인할 수 있다.
Table 4는 최적 설계의 검증을 위해 도출 된 설계인자 변수로 유한요소해석을 재수행하여 반응 최적화를 통해 예측된 결과를 검증한 것이다. 평균 감도는 99.99% 일치하였고 표준편차는 99.35%일치 하는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 방식 마이크로폰은 무엇인가?	또한 두 전극 사이에 형성된 전압의 차이를 이용하기 때문에 직류 외부 DC 바이어스가 추가적으로 필요하며 이로 인해 SNR 특성의 한계를 가지는 단점이 있다[1]. 압전 방식 마이크로폰은 트랜스듀서의 진동막을 압전 소재를 적용하여 제작한 것으로, 외부에서 가해지는 음성 신호를 전기신호로 직접 전환하는 방식이다. 압전방식 마이크로폰의 경우 높은 강성도(stiffness), 높은 성능 지수, 낮은 유전 손실율 및 bias 전압원이 필요없어 상대적으로 우수한 SNR 특성을 가지고 있다 [2].
	MEMS 마이크로폰 기술이 주목받는 이유는?	최근 4차 산업혁명과 함께 음성인식 등의 통신 기술이 발달 하면서 고(高) SNR(Signal to Noise Ratio) 마이크로폰의 수요가 급증하고 있다. 초소형 마이크로폰의 경우 스마트폰, 태블릿 PC의 등장과 더불어 모바일 IT 제품들이 소형화, 저 전력화되고 있으며 최근 음성 인식을 사용한 사물인터넷 (IoT), 웨어러블 기기의 수요 증가와 함께 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로폰 제조기술이 각광을 받고 있다.
	압전방식 마이크로폰의 장점은?	압전방식 마이크로폰의 경우 높은 강성도(stiffness), 높은 성능 지수, 낮은 유전 손실율 및 bias 전압원이 필요없어 상대적으로 우수한 SNR 특성을 가지고 있다 [2]. 또한 간단한 구조로 단순한 제조공정, 넓은 주파수 대역의 부가적인 장점으로 인해 최근 많은 주목을 받고 있다[2-6].

참고문헌 (13)

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