Optimal Design of a MEMS-type Piezoelectric Microphone

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.4.269 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

MEMS 구조 압전 마이크로폰의 최적구조 설계

권민형 · 라용호 · 전대우 · 이영진⁺

Optimal Design of a MEMS-type Piezoelectric Microphone

Min-Hyeong Kwon, Yong-Ho Ra, Dae-Woo Jeon,andYoung-Jin Lee⁺

Abstract

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 micro- phones 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.

Keywords: Piezoelectric transducer, microphone, Response surface methodology, Microphone sensitivity, AlN piezoelectric film

1. 서 론

최근 4차 산업혁명과 함께 음성인식 등의 통신 기술이 발달 하면서 고(高) SNR(Signal to Noise Ratio) 마이크로폰의 수요 가 급증하고 있다. 초소형 마이크로폰의 경우 스마트폰, 태블릿 PC의 등장과 더불어 모바일 IT 제품들이 소형화, 저 전력화되 고 있으며 최근 음성 인식을 사용한 사물인터넷 (IoT), 웨어러 블 기기의 수요 증가와 함께 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로폰 제조기술이 각광을 받고 있다.

마이크로폰은 전기용량 변화에 따라 전기 신호를 발생시키는 정전용량 방식과 압전 물질을 멤브레인 (membrane) 구조로 사용 하는 압전 방식으로 구분 할 수 있다. 정전용량 방식은 한쪽 면

에 고정된 전극판과 음압에 따라 반응하는 진동판으로 구성되며 마이크로폰에 음압이 가해질 경우 진동막이 떨리게 되면서 정전 용량이 변하게 되고 교류 전압을 출력하는 원리이다. 정전용량 방 식 마이크로폰은 상대적으로 고음 특성이 좋고 음색도 섬세한 반 면 전극 사이가 가까울 경우 온도와 습도에 취약하고 충격에 약 하며 가격이 비싼 단점이 있다. 또한 두 전극 사이에 형성된 전 압의 차이를 이용하기 때문에 직류 외부 DC 바이어스가 추가적 으로 필요하며 이로 인해 SNR 특성의 한계를 가지는 단점이 있다[1].

압전 방식 마이크로폰은 트랜스듀서의 진동막을 압전 소재를 적용하여 제작한 것으로, 외부에서 가해지는 음성 신호를 전기신 호로 직접 전환하는 방식이다. 압전방식 마이크로폰의 경우 높은 강성도(stiffness), 높은 성능 지수, 낮은 유전 손실율 및 bias 전 압원이 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].

본 연구에서는 마이크로폰 구조에서 back-plate와 압전체를 둘러싼 전극의 일부 영역을 제거한 새로운 형태의 MEMS 구 조 압전 멤브레인(membrane)의 독자구조를 제안하고, 그 구 조를 최적화하기 위하여 유한요소해석 및 반응표면법을 이용 한 최적화를 통해 마이크로폰의 최적 구조를 도출하고자 하였 으며, 실제 압전 방식 마이크로폰 모듈 제작을 통해 그 성능 을 검증하였다.

한국세라믹기술원 광·디스플레이소재센터(Optic & Display Material Center, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology)

Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology, Jinju, Republic of Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Jul. 20, 2018, Revised: Jul. 26, 2018, Accepted: Jul. 27, 2018)

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극(Pt), AlN 압전 박막, 상부전극(Pt) 그리고 절연막 순으로 구 성되어 있다.

AlN 압전 재료는 압전 특성이 다른 압전 재료에 비해 낮아 일반적인 압전 트랜스듀서에 크게 적용하고 있지 않으나, 높은 절연 특성과 전기적 저항, 고온 사용이 가능한 장점 및 낮은 증 착온도 특성으로 비교적 간단하고 쉽게 구현이 가능한 장점을 가진다.[7,8] 백금(Pt) 박막은 압전 트랜스듀서에서 전극으로 사 용되며 AlN/Si박막에 증착할 경우 Pt/AlN/Si(100)구조를 형성하 여 누설전류 밀도를 크게 낮출 수 있는 이점이 있다.

멤브레인의 중앙 상부 전극의 일부 영역을 제거하여 압전 박 막이 밖으로 노출시켜 효율적인 진동이 가능하도록 하였다. 또 한 멤브레인의 중앙에 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있는 벤 트홀(vent -hole)을 중앙에 배치하였다.

제안한 본 구조의 마이크로폰용 멤브레인의 최적 진동구조를 설계하기 위해 우선 초기 구조를 선정하였으며, 공정 범계, 제 품 사이즈 한계 등을 고려하여, structural layer는 2 µm, 하부전 극 0.1 µm, AlN 10 µm, 상부전극 0.6 µm로, 멤브레인의 전체 반경은 375 µm로 설정하였다.

2.2 압전 트랜스듀서 최적 설계 Flow Chart

Fig. 2 는 반응표면법(Response Surface Methodo -logy)을 통 한 압전 트랜스듀서 마이크로폰의 최적 설계 과정을 나타낸 순 서도를 나타내고 있으며, 본 연구에서는 압전 마이크로폰의 멤

브레인 형상을 최적화하여 100~10,000 Hz 주파수 대역에서 우 수한 감도 (sensitivity) 및 넓은 대역특성(낮은 표준편차)을 확보 할 수 있도록 설계하였다.

2.2.1 형상 설계변수 및 인자수준 결정

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), 상 부전극의 내부 반지름 (R2), 멤브레인의 외부 반지름(R3), 압전 박막의 두께 (T1)이며, 100~10,000 Hz 주파수 대역에서 감도와 의 상관 관계를 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 분석하고, 각각의 인자 수준을 결정하였다.

상부 전극은 압전소자에서 발생한 전하를 취득하기 위해 필 수적인 구조 요소이나, 그 두께 또는 면적이 과다할 경우 두께 가 얇은 맴브레인의 진동을 오히려 방해하여 마이크로폰 성능 이 감소될 수 있다. 또한 진동에 의한 멤브레인의 변형이 주로 외곽 부분에 집중되는 특성으로 인해 상부 전극의 중심부의 전 극을 제거한 새로운 구조를 도입하였다.

압전 박막의 체적은 마이크로폰 출력 특성과 가장 연관 있는 변수이며, 일반적으로 압전 박막의 두께가 얇고 면적이 증가할 수록 마이크로폰의 감도는 증가하는 것으로 알려져 있다.[9-11]

본 연구에 사용된 유한요소해석 프로그램은 Ansys APDL Ver.

16.1 로 SOLID45 요소를 이용하고, 20 µm의 element 크기로 Brick Mesh 를 적용 후, 멤브레인 전체에 1 Pa의 힘을 step 함수 형태 Fig. 1. 3D model of MEMS-type piezoelectric microphone trans-

ducer.

Fig. 2. Flow chart for the optimization of the AlN based MEMS

piezoelectric membrane.

로 인가하여 100~10,000 Hz 대역에서의 압전소자 출력을 계산 하였다.

Table 1 은 설계변수 R1, R2, R3, T1의 범위로서, 각각의 변수 영향도를 분석하기 위해 4개 중 1개의 변수만 변화시켜 분석하 고, 나머지 3개의 변수는 고정하였다.

Fig. 4(a) 는 벤트홀의 반지름 변화에 따른 감도를 나타낸 그래 프로서, 10 µm에서 50µm으로 증가함에 따라 평균감도(해석 주 파수 대역의 감도 평균)가 -83.17에서 -85.35 dBV로 미세하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 벤트홀의 반지름이 250% 증가 했을 때 마이크로폰의 감도가 감소했던 기존의 연구와 일치하 는 것을 확인 할 수 있다[6,9].

Fig. 4(b) 는 상부전극의 내부 반지름 R2의 증가에 따른 감도를 나타낸 그래프이며, R2가 R3*0.25 µm에서 R3*0.45 µm로 증가함 에 따라 평균 감도는 -84에서 -80.6 dBV로 증가하였다. Fig. 4(c) 은 멤브레인의 외부 반지름 R3의 증가에 따른 감도를 나타낸 그 래프이며, R3가 353 µm에서 393 µm로 증가함에 따라 선형적으 로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. Fig. 4(d)은 압전 박막의 두

께 T1 변수의 증가에 따른 특성으로, T1이 0.5 µm에서 1.0 µm로 증가함에 따라 감도가 증가하였다. 그래프를 보면 T1 변수가 증 가하면서 각 그래프의 증가폭은 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

위 4개의 그래프의 비교를 통해 벤트홀의 반지름은 다른 변 수에 비해 특성 변화에 거의 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있 었다. 가장 영향력이 큰 변수는 상부전극의 내부 반지름이며, 멤 브레인의 외부 반지름과 압전 박막의 두께는 비교적 중간 정도 의 영향력을 가진 것을 확인할 수 있다. 압전 멤브레인을 구성 하고 있는 위 4가지 설계 변수 중 가장 영향력이 거의 없는 설 계변수 R1은 최적구조 설계에서 제외하고 나머지 세 가지 설계 변수들로 최적화를 진행하였다.

2.2.2 AlN 압전 트랜스듀서 실험계획법 수립

반응표면법에 사용할 실험 변수의 범위는 실험계획법에 따라 생성한 회귀 모델의 차수에 따라 달라지기 때문에 적절한 수준 의 수와 실험 횟수를 결정하는 것이 중요하다. 실험계획을 할 때 가장 크게 고려해야 할 점은 최소의 실험 횟수로 최적화된 조건에 가장 근접한 값을 도출할 수 있는 실험 계획법을 찾는 것이다.[10-13] Table 2는 최적구조 설계에 사용할 설계 인자 R2, R3, T1 의 수준을 나타내고 있다.

Table 1. Different parameters of R1, R2, R3, and T1 in the MEMS piezoelectric membrane.

R1(µm) R2(µm) R3(µm) T1(µm)

(a) 10~50 R3*0.30 375 1.0

(b) 10 R3*0.25~R3*0.45 375 1.0

(c) 10 R3*0.30 355~395 1.0

(d) 10 R3*0.30 375 0.6~1.0

Fig. 3. Schematic illumination of MEMS piezoelectric membrane structure. (a) Top view (b) Side View

Fig. 4. Variation of sensitivity versus frequency at different (a) R1,

(b) R2, (c) R3, (d)T1.

반응표면 추정식의 2차 회귀모형으로 가장 많이 쓰이는 방법 에는 Box-Behnken 계획법과 중심 합성 계획법이 있다. 중심합 성계획법(CCD, Central Composite Design)은 인자 변화에 대한 최적화에 적합한 실험 계획법으로, 2차 모형의 제곱 항들의 효 율적인 추정이 가능하고 실험 계획의 바람직한 특성인 직교 블 록화 및 회전성의 구현이 용이하다[13].

본 연구에서는 반응표면법의 2차 회귀모형으로 중심합성계획 법을 이용하여 최적구조설계를 진행하였다. Table 3에 MINITAB Ver.14 를 이용하여 앞서 결정한 설계 변수 3가지에 대한 중심합 성계획법의 실험배치(Design Matrix)를 나타내었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 반응표면법을 이용한 최적구조설계

반응표면법의 목적변수는 가청주파수 범위인 100~10,000 Hz 에서의 평균감도와 표준편차(Standard Deviation)로 설정하였 다. 목적변수 중 감도는 가청 주파수 영역에서 높은 값을 가 져야 하고, 양질의 소리를 출력 할 수 있도록 표준편차는 최 소화해야 한다.

Fig. 5는 반응표면법을 통해 도출한 최적구조 설계 결과이 다. 설계변수와 평균 감도의 상관관계를 보면 세 가지 설계 변 수 중 상부전극의 내부 반지름 R2에 의한 평균 감도 기울기 가 가장 가파른 것을 알 수 있다. 또한 멤브레인의 외부 반지 름 R3에 변화에 표준편차의 그래프가 기울기가 가장 큰 것을 확인 할 수 있다.

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. Table 4는 최적 설계의 검증을 위 해 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.

Fig. 6 은 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 나 타내었다.

압전 트랜스듀서의 평균 감도는 일반적으로 알려져 있는 다 음 식을 통해 계산할 수 있다.[3]

(1)

는 Bias 전압을 나타내며, h는 멤브레인과 Back Plate사이

R2(µm) R3(µm) T1(µm)

R3*0.2 ~ R3*0.4 353 ~ 393 0.6 ~ 1.0

Table 3. Design matrix of central composite design for the opti- mization.

No. R2(mm) R3(mm) T1(µm)

1 R3*0.2 353 0.6

2 R3*0.2 353 1

3 R3*0.2 393 0.6

4 R3*0.2 393 1

5 R3*0.3 373 0.6

6 R3*0.3 373 0.8

7 R3*0.4 353 0.6

8 R3*0.4 353 1

9 R3*0.4 393 0.6

10 R3*0.4 393 1

Table 4. Average frequency and standard deviation of the optimized AlN piezoelectric membrane.

Average of Sensitivity Standard Deviation

RSM Data -82.19 0.169

FEM Data -82.20 0.168

Matching Rate(%) 99.99 99.35

S U

--- h Δ h

Δ P --- 1

1 C +

⁄ C

( )

--- V p [ ⁄

]

=

U

Fig. 5. Optimized parameters of AlN piezoelectric membrane struc-

ture through the response surface methodology.

의 air gap을 나타내지만 본 모델은 back plate가 없기 때문에 이 값은 미소의 값인 1 µm로 가정하였다. 는 Sound Pressure, 는 부유 커패시턴스(Spray Capacitance)이다. 개방회로에서 감도를 계산할 때 값은 0으로 간주하며[3], 는 -4.73 nm 로 sound pressure 0 Pa를 기준으로 1 Pa에서의 멤브레인의 수 직방향 변위 변화량을 나타내었다. 은 마이크로폰의 커패시 턴스를 나타내며 수식 2로 나타낼 수 있다.

(2) 는 진공의 유전율(Permittivity of Vacuum)으로 이며, 은 유전 상수(Relative Permittivity)로 AlN의 경우 25

C에서 9.0의 값을 가진다.[5] A는 단면적, d는 두께를 나타낸다. 수식 2를 적용하여 계산한 감도는 -85.1dBV 이며 최적구조설계를 통해 도출한 -82.2 dBV 값과 약 96.5% 일 치하는 것을 확인 하였다.

3.2 최적구조설계 제작 및 검증

이상의 과정을 통해 도출한 치수 및 형상을 기준으로 도면을 작성한 후, 실제 마이크로폰용 MEMS 센서 모듈를 제작하고, 기준 음압에서 출력되는 감도를 측정하였다.

마이크로폰은 설계된 멤브레인 이외에 발생된 신호를 외부 장 치들이 사용할 수 있도록 신호를 전처리(Pre-Processing)해 주는 ASIC으로 구성된다.

Fig. 7(a) 는 제작된 트랜스듀서의 상부 사진이며, Fig. 7(b) 는 PCB 상에 ASIC과 함께 조립된 전체 모듈을 나타내고 있 다. Fig. 8은 MEMS 마이크로폰 모듈의 감도를 측정하기 위 한 장치를 도식화한 그림으로서, 밀폐된 박스 내에 스피커와 기준 마이크의 간격이 10 cm가 되도록 배치하고 기준 마이크 에서 40 dB이 출력되도록 기준 스피커의 음압을 조절 한 뒤 기준 마이크를 제거하고 샘플을 장착하여 샘플에서 흘러나오

는 전류를 측정하였다. 기준 음압의 주파수는 1k Hz를 입력 신호로 사용하였다.

Table 5 는 마이크로폰용 MEMS 센서 모듈의 감도를 나타낸 것으로 5개 샘플의 평균 –37.88 dBV의 감도를 나타내었으며, 유한요소해석을 수행하여 최적구조설계를 통해 예측된 결과는 -82.2 로 다소 큰 차이를 보였다. 이는 마이크로폰용 MEMS 센 서 모듈의 ASIC 집적회로에 설계된 프로그램 가능 가변이득 증 폭회로를 통해 트랜스듀서 자체의 감도보다 높은 신호를 얻은 것에 기인한다.

4. 결 론

본 연구에서는 마이크로폰에 사용되는 압전 멤브레인의 최적 구조 설계를 위하여 음성주파수 범위인 100~ 10,000 Hz에서의 Δ P

C

C

Δ h

C

C

= ε

ε

A d ⁄ C

8.85 10 ×

F m ⁄ C

Table 5. variation of output voltage and sensitivity measured on dif- ferent AlN MEMS microphone modules.

Output voltage (mV) Sensitivity [dBV]

Sample1 12.98 -37.74

Sample 2 12.24 -38.25

Sample 3 12.99 -37.73

Sample 4 12.94 -37.76

Sample 5 12.71 -37.92

Average 12.79 -37.88

Fig. 6. Variation of sensitivity versus frequency of the optimized AlN piezoelectric membrane.

Fig. 7. Optical microscope images of (a) MEMS transducer and (b) module of the fabricated AlN piezoelectric microphone.

Fig. 8. Setup schematic for sensitivity measurement of MEMS

microphone.

인하였고, 이러한 구조의 멤브레인은 차세대 초소형 고효율 마 이크로폰의 구현을 위해 매우 중요하게 응용될 수 있음을 보여주었다.

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