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KR102527708B1 - 미세 먼지 농도 센서 - Google Patents

미세 먼지 농도 센서 Download PDF

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KR102527708B1
KR102527708B1 KR1020180061623A KR20180061623A KR102527708B1 KR 102527708 B1 KR102527708 B1 KR 102527708B1 KR 1020180061623 A KR1020180061623 A KR 1020180061623A KR 20180061623 A KR20180061623 A KR 20180061623A KR 102527708 B1 KR102527708 B1 KR 102527708B1
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신란희
이화선
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서는 적어도 하나의 체적 음향 공진기, 및 상부 및 상부와 연결되는 측부로 구성되어, 상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 수용하는 캡을 포함하고, 상기 캡의 상부의 상면은 소수성 물질로 코팅되고, 상기 캡의 상부에는 복수의 홀이 형성될 수 있다.

Description

미세 먼지 농도 센서{FINE DUST CONCENTRATION SENSOR}
본 발명은 미세 먼지 농도 센서에 관한 것이다.
최근 대기 오염이 심각해짐에 따라, 미세 먼지를 측정하는 센서에 대한 수요가 증대하고 있으며, 특히, 미세 먼지를 측정하는 수단으로 음향 공진 질량 센서(Acoustic Resonant Mass Sensor)에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 음향 공진 질량 센서를 구현하는 수단으로는 박막 체적 음향 공진기(FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator)가 알려져 있다. 박막 체적 음향 공진기는 최소한의 비용으로 대량 생산이 가능하며, 초소형으로 구현할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 필터의 주요한 특성인 높은 품질 계수(Quality Factor: Q)값을 구현하는 것이 가능하고, 마이크로주파수 대역에서도 사용이 가능하며, 특히 PCS(Personal Communication System)와 DCS(Digital Cordless System) 대역까지도 구현할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로, 박막 체적 음향 공진기는 기판상에 제1 전극, 압전층(Piezoelectric layer) 및 제2 전극을 차례로 적층하여 구현되는 공진부를 포함하는 구조로 이루어진다. 박막 체적 음향 공진기의 동작원리를 살펴보면, 먼저 제1 및 2 전극에 인가되는 전기에너지에 의해 압전층 내에 전계가 유기되고, 유기된 전계에 의해 압전층에서 압전 현상이 발생하여 공진부가 소정 방향으로 진동한다. 그 결과, 진동방향과 동일한 방향으로 음향파(Bulk Acoustic Wave)가 발생하여 공진을 일으키게 된다.
미국공개특허공보 제2008-0081398호
본 발명의 과제는 미세 먼지의 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 미세 먼지 농도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서는 적어도 하나의 체적 음향 공진기, 및 상부 및 상부와 연결되는 측부로 구성되어, 상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 수용하는 캡을 포함하고, 상기 캡의 상부의 상면은 소수성 물질로 코팅되고, 상기 캡의 상부에는 복수의 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 먼지를 미세 먼지의 사이즈 별로 감지하기 위해서, 감지하고자 하는 미세 먼지의 사이즈에 따라 캡의 홀의 사이즈를 결정할 수 있다. 사이즈 별로 캡의 홀을 통과한 미세 먼지가 공진기의 활성 영역에 도달하는 경우, 공진기의 공진 주파수 또는 반공진 주파수가 변화함에 따라 미세 먼지의 농도를 미세 먼지의 사이즈 별로 센싱할 수 있다.
또한, 캡의 상면 또는 캡의 홀 내부면에 소수성 물질을 형성하여, 감지하고자 하는 미세 먼지가 캡의 홀에 흡착되어 홀을 막거나 기타 오염 물질이 캡의 홀을 막을 경우, 미세 먼지의 센싱 감도가 현저히 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
나아가, 보호층의 상면 또는 에어 캐비티의 내부면 외에도 캡의 상부의 상면에 소수성 물질을 형성하여, 미세 먼지 또는 오염물질이 흡착되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있고, 이로써, 고품질의 공진기 성능이 구현되어 미세 먼지의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서를 나타낸 단면도이다.
도 4a은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 I-I′에 따른 단면도이다. 또한 도 4c은 도 4a의 II-II′에 따른 단면도이고, 도 4d는 도 4a의 III-III′에 따른 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 변형 실시예이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 상부의 일부 상면도이고, 도 7b은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 상부의 일부 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 변형 실시예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 변형 실시예이다.
도 9은 소수성 물질이 형성되지 않은 보호층 상에 히드록실기가 흡착된 것을 도시한 것이며, 도 10은 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 것을 도시한 것이다.
도 11은 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 음향 공진기(실시예)와 보호층 상에 소수성 물질이 형성되지 않은 음향 공진기(비교예)에 대한 습도 및 시간에 따른 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 소수성 물질의 접착층(adhesion layer)로 사용되는 프리커서(precursor)의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 소수성 물질의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2의 실시예에 따른 먼지 농도 센서는 유사하므로, 도 1의 실시예에 따른 먼지 농도 센서를 중심으로 설명하고, 도 2의 실시예에 따른 체적 음향 공진기에서는 도 1의 실시예에 따른 체적 음향 공진기와 동일하거나 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서(10)는 적어도 하나의 체적 음향 공진기(100) 및 캡(200)을 포함할 수 있다.
도 1에서, 미세 먼지 농도 센서(10)가 두 개의 체적 음향 공진기(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라 미세 먼지 농도 센서(10)는 하나의 체적 음향 공진기(100) 또는 세 개 이상의 체적 음향 공진기(100)을 포함할 수 있다. 체적 음향 공진기(100)는 박막 체적 음향파 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR)일 수 있다.
체적 음향 공진기(100)는 복수의 막으로 구성되는 적층 구조체에 의해 구성될 수 있다. 체적 음향 공진기(100)를 구성하는 적층 구조체는 기판(110), 절연층(115), 에어 캐비티(133), 지지부(134), 보조 지지부(135), 및 제1 전극(140), 압전층(150)과 제2 전극(160)으로 이루어진 공진부(155)를 포함할 수 있고, 추가적으로 보호층(170) 및 금속층(180)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)의 제조 공정에 대해 설명하면, 절연층(115) 상에 희생층을 형성하고, 희생층의 일부를 제거하여, 지지부(134)가 마련되는 패턴을 형성한다. 여기서, 보조 지지부(135)는 잔존하는 희생층에 의해 형성된다. 희생층에 형성되는 패턴의 상면의 폭은 하면의 폭 보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 패턴의 측면은 경사질 수 있다. 희생층에 패턴을 형성한 후에, 희생층 및 패턴에 의해 외부로 노출된 절연층(115) 상에 멤브레인(130)을 형성한다. 멤브레인(130)을 형성한 후에, 멤브레인(130)을 덮도록 지지부(133) 형성의 기초가 되는 식각 저지 물질을 형성한다.
식각 저지 물질을 형성한 후에, 희생층 상면에 형성된 멤브레인(130)이 외부로 노출되도록 식각 저지 물질의 일면은 평탄화 된다. 식각 저지 물질의 일면이 평탄화되는 공정에서 식각 저지 물질의 일부는 제거되고, 일부가 제거된 후에 패턴 내부에서 잔존하는 식각 저지 물질에 의해 지지부(133)가 형성될 수 있다. 식각 저지 물질(120)의 평탄화 과정의 결과 지지부(133) 및 희생층의 일면은 대략 평탄할 수 있다. 여기서, 멤브레인(130)은 식각 저지 물질의 평탄화 공정의 정지층(Stop layer)으로 기능할 수 있다.
이후, 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 등을 적층한 후에 희생층을 식각하여 제거하는 식각 공정에 의해 에어 캐비티(133)가 형성될 수 있다. 일 예로, 희생층은 다결정 실리콘(Poly-Si)을 포함할 수 있다. 에어 캐비티(133)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)으로 구성되는 공진부(135)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부의 하부에 위치할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판으로 구성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대하여 공진부(155)를 전기적으로 격리시키는 절연층(115)이 마련될 수 있다. 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN) 중 적어도 하나로 형성 될 수 있으며, 화학 기상 증착 (Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 또는 에바포레이션(Evaporation)하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
절연층(115)의 상에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(115)을 보호하는 역할을 하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.
절연층(115) 상에는 에어 캐비티(133), 및 지지부(134)가 형성될 수 있다. 에어 캐비티(133)는 절연층(115) 상에 희생층을 형성하고, 희생층에 지지부(134)가 마련되는 패턴을 형성한 후, 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160) 등을 적층한 후에 희생층을 에칭하여 제거하는 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 예로, 희생층은 다결정 실리콘(Poly-Si)을 포함할 수 있다.
에어 캐비티(133)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)으로 구성되는 공진부(155)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(155)의 하부에 위치할 수 있다. 에어 캐비티(133)의 일 측에는 지지부(134)가 마련될 수 있다.
지지부(134)의 두께는 에어 캐비티(133)의 두께와 동일할 수 있다. 따라서, 에어 캐비티(133)와 지지부(134)에 의해 제공되는 상면은 대략 평탄할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단차가 제거된 평탄한 면 상에 공진부(155)가 배치되어, 체적 음향 공진기의 삽입 손실 및 감쇄 특성을 개선할 수 있다.
지지부(134)의 단면은 대략 사다리꼴 형상일 수 있다. 구체적으로 지지부(134)의 상면의 폭은 하면의 폭보다 넓을 수 있고, 상면과 하면을 연결하는 측면은 경사질 수 있다. 지지부(134)는 희생층을 제거하기 위한 식각 공정에서 식각되지 않는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 지지부(134)는 절연층(115)과 동일한 물질로 형성될 수 있고, 구체적으로, 지지부(134)는 이산화규소(SiO2) 및 질화 실리콘(Si3N4) 중 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지부(134)의 측면을 경사지게 형성하여 지지부(134)와 희생층의 경계에서 가파른(Abrupt) 단차가 발생하는 것을 방지하고, 지지부(134)의 하면의 폭을 좁게 형성하여 디슁(Dishing) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 지지부(134)의 하면과 측면이 이루는 각도는 110°~ 160° 일 수 있고, 지지부(134)의 하면의 폭은 2㎛ ~ 30㎛일 수 있다.
지지부(134)의 외측으로 보조 지지부(135)가 마련될 수 있다. 보조 지지부(135)는 지지부(134)와 동일한 물질로 형성될 수 있고, 또한, 지지부(134)와 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 보조 지지부(135)가 지지부(134)와 서로 다른 물질로 형성되는 경우, 보조 지지부(135)는 절연층(115) 상에 형성되는 희생층 중 식각 공정 이후에 잔존하는 일 부분에 대응할 수 있다.
공진부(155)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(133)의 상부에 위치할 수 있다. 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)은 금(Au), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir) 및 니켈(Ni) 중 하나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 희토류 함량은 1~20at%를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
멤브레인(130)은 희생층 상에 형성되어 지지부(134)와 함께 캐비티(133)의 두께를 규정할 수 있다. 따라서 멤브레인(130)도 캐비티(133)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다. 예를 들어, 캐비티(133)를 형성하기 위하여, 희생층의 일부를 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인(130)은 상기 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인(130)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 멤브레인(130)은 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 멤브레인(130) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층이 형성될 수 있다. 구체적으로, 시드층은 멤브레인(130)과 제1 전극(140) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 질화 알루미늄(AlN) 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우 예를 들어, 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
보호층(170)은 제2 전극(160) 상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다. 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 상에는 금속층(180)이 형성될 수 있다.
공진부(155)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(155)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(133) 상부에서 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(155)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.
공진부(155)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력한다. 구체적으로 공진부(155)는 압전층(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.
도 2을 참조하면, 기판(110)의 하부면에는 기판(110)을 두께 방향으로 관통하는 비아 홀(113)이 적어도 하나 형성될 수 있고, 비아 홀(113)의 내부에는 접속 패턴(114)이 마련될 수 있다. 비아 홀(113)은 기판(110) 외에도, 절연층(115), 및 보조 지지부(135)를 두께 방향으로 관통할 수 있다.
접속 패턴(114)은 비아 홀(113)의 내부면, 즉 내벽 전체에 형성될 수 있다. 접속 패턴(114)은 비아 홀(113)의 내부면에 도전층을 형성함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 접속 패턴(114)은 비아 홀(113)의 내벽을 따라 금(Au), 구리(Cu), 티타늄(Ti)-구리(Cu) 합금 중 적어도 하나의 도전성 금속을 증착하거나 도포, 또는 충전하여 형성할 수 있다.
접속 패턴(114)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 일 예로, 접속 패턴(114)은 기판(110), 절연층(115), 및 보조 지지부(135)를 관통하여 제1 전극(140) 및 제2 전극(160) 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 비아 홀(113)의 내부면에 형성된 접속 패턴(114)은 기판(110)의 하부 면 측으로 연장되어, 기판(110)의 하부 면에 마련되는 기판용 접속 패드와 연결될 수 있다. 이로써, 접속 패턴(114)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 기판용 접속 패드와 전기적으로 연결할 수 있다.
기판용 접속 패드는 범프를 통하여 필터(10)의 하부에 배치될 수 있는 외부 기판과 전기적으로 연결될 수 있다. 기판용 접속 패드를 통해 제1, 2 전극(140, 160)에 인가되는 신호에 의해 체적 음향 공진기(100)는 무선 주파수 신호의 필터링 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 보조 지지부(135)를 관통하여 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)을 지지하는 형태로 접속되는 접속 패턴(114)을 통하여, 금속층(180) 등이 하부로 쳐지는 현상을 방지할 수 있다.
캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)를 형성하는 적층 구조체와 접합될 수 있다. 캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)가 수용되는 내부 공간을 구비하는 커버 형태로 형성될 수 있다. 캡(200)은 하면이 개방된 육면체 형상으로 형성될 수 있고, 따라서, 상부 및 상부와 연결되는 복수의 측부를 포함할 수 있다.
캡(200)은 복수의 체적 음향 공진기(100)의 공진부(135)를 수용할 수 있도록 중앙에 수용부가 형성될 수 있다, 적층 구조체는 접합 영역에서 복수의 측부와 접합할 수 있고, 적층 구조체의 접합 영역은 적층 구조체의 가장자리에 해당할 수 있다. 캡(200)은 기판(110) 상에 적층되는 기판(110)과 접합될 수 있다. 또한, 이외에도, 캡(200)은 보호층(170), 멤브레인(130), 및 절연층(115), 제1 전극(140), 압전층(150), 제2 전극(160), 금속층(180) 중 적어도 하나와 접합될 수 있다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서를 나타낸 단면도이다. 도 3의 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서는 도 1 및 2의 실시예에 따른 미세 먼지 농도 센서와 유사하므로 중복되는 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 3를 참조하면, 체적 음향 공진기(100)는 기판(110), 절연층(115), 에어 캐비티(133), 및 공진부(155)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있고, 기판(110)의 상면에는 기판(110)에 대해 공진부(155)를 전기적으로 격리시키는 절연층(115)이 마련될 수 있다. 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 질화 알루미늄(AlN), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 하나를 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 또는 에바포레이션(Evaporation)하여 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
절연층(115) 상에는 에어 캐비티(133)가 배치될 수 있다. 에어 캐비티(133)는 공진부(155)가 소정 방향으로 진동할 수 있도록 공진부(155)의 하부에 위치할 수 있다. 에어 캐비티(133)는 절연층(115) 상에 희생층을 형성한 다음, 희생층 상에 멤브레인(130)을 형성한 후 희생층을 식각하여 제거하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인(130)은 산화 보호막으로 기능하거나, 기판(110)을 보호하는 보호층으로 기능할 수 있다. 멤브레인(130)은 이산화규소(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 질화 알루미늄(AlN), 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
절연층(115)과 에어 캐비티(133) 사이에는 식각 저지층이 추가적으로 형성될 수 있다. 식각 저지층은 식각 공정으로부터 기판(110) 및 절연층(115)을 보호하는 역할을 하고, 식각 저지층 상에 다른 여러 층이 증착되는데 필요한 기단 역할을 할 수 있다.
공진부(155)는 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)을 포함할 수 있다. 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)은 순차적으로 적층될 수 있다.
제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)의 수직 방향으로 중첩된 공통 영역은 에어 캐비티(133)의 상부에 위치할 수 있다.
압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 희토류 함량은 1~20at%를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
제1 전극(140) 하부에는 압전층(150)의 결정 배향성을 향상시키기 위한 시드(Seed)층이 추가적으로 배치될 수 있다. 시드층은 질화 알루미늄(AlN), 도핑 질화 알루미늄(Doped AlN), 산화아연(ZnO), 납 지르코늄 티타늄 산화물(PZT; PbZrTiO) 중 하나로 형성될 수 있다. 또한, 육방밀집구조(HCP: Hexagonal Close-Packed) 구조를 가지는 유전 물질 또는 금속을 포함할 수 있다. 육방밀집 구조를 가지는 금속은 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금(Ti alloy)을 포함할 수 있다.
공진부(155)는 활성 영역과 비활성 영역으로 구획될 수 있다. 공진부(155)의 활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 무선 주파수 신호와 같은 전기 에너지가 인가되는 경우 압전층(150)에서 발생하는 압전 현상에 의해 소정 방향으로 진동하여 공진하는 영역으로, 에어 캐비티(133) 상부에서 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)이 수직 방향으로 중첩된 영역에 해당한다. 공진부(155)의 비활성 영역은 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에 전기 에너지가 인가되더라도 압전 현상에 의해 공진하지 않는 영역으로, 활성 영역 외측의 영역에 해당한다.
공진부(155)는 압전 현상을 이용하여 특정 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다. 구체적으로 공진부(155)는 압전층(150)의 압전 현상에 따른 진동에 대응하는 공진 주파수를 가지는 무선 주파수 신호를 출력할 수 있다.
보호층(170)은 공진부(155)의 제2 전극(160)상에 배치되어, 제2 전극(160)이 외부에 노출되어 산화되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 하나의 절연 물질로 형성될 수 있다. 외부로 노출된 제1 전극(140) 및 제2 전극(160)에는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패드(180)가 형성될 수 있다. 전극 패드(180)는 금(Au), 금 합금(Au alloy), 구리(Cu), 및 구리 합금(Cu alloy) 중 하나를 포함할 수 있다.
도 4a은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공진기의 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 I-I′에 따른 단면도이다. 또한 도 4c은 도 4a의 II-II′에 따른 단면도이고, 도 4d는 도 4a의 III-III′에 따른 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 체적 음향 공진기(100)는 박막 체적 음향 공진기(Film Bulk Acoustic Resonator: FBAR) 일 수 있으며, 기판(110), 절연층(115), 멤브레인(130), 에어 캐비티(133), 공진부(155), 보호층(170) 및 소수성층(195)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)으로는 실리콘 웨이퍼가 이용되거나, SOI(Silicon On Insulator) 타입의 기판이 이용될 수 있다.
기판(110)의 상면에는 절연층(115)이 마련되어 기판(110)과 공진부(155)를 전기적으로 격리시킬 수 있다. 또한, 절연층(115)은 음향 공진기 제조 과정에서 에어 캐비티(133)를 형성할 때, 에칭가스에 의해 기판(110)이 식각되는 것을 방지한다.
이 경우, 절연층(115)은 이산화규소(SiO2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 산화 알루미늄(Al2O2), 및 질화 알루미늄(AlN), 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), RF 마그네트론 스퍼터링(RF Magnetron Sputtering), 및 에바포레이션(Evaporation) 중 어느 하나의 공정을 통해 기판(110)에 형성될 수 있다.
보조 지지부(135)은 절연층(115) 상에 형성되며, 보조 지지부(135)의 내부에는 에어 캐비티(133)와 지지부(134)가 배치된다. 에어 캐비티(133)는 빈 공간으로 형성되며, 보조 지지부(135)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 에어 캐비티(133)가 보조 지지부(135)에 내에 형성됨에 따라, 보조 지지부(135)의 상부에 형성되는 공진부(155)는 전체적으로 편평하게 형성될 수 있다.
지지부(134)는 에어 캐비티(133)의 경계를 따라 배치된다. 지지부(134)는 에어 캐비티(133) 형성 과정에서 캐비티 영역 이상으로 식각이 진행되는 것을 방지하기 위해 구비된다. 따라서, 에어 캐비티(133)의 수평 면적은 지지부(134)에 의해 규정되고, 수직 면적은 보조 지지부(135)의 두께에 의해 규정된다.
멤브레인(130)은 보조 지지부(135) 상에 형성되어 기판(110)과 함께 에어 캐비티(133)의 두께를 규정한다. 따라서, 멤브레인(130)도 에어 캐비티(133)를 형성하는 과정에서 쉽게 제거되지 않는 재질로 형성된다.
예를 들어, 보조 지지부(135)의 일부(예컨대, 캐비티 영역)을 제거하기 위해 불소(F), 염소(Cl) 등의 할라이드계 에칭가스를 이용하는 경우, 멤브레인(130)은 상기한 에칭가스와 반응성이 낮은 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 멤브레인(130)은 이산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 멤브레인(130)은 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화알루미늄(AlN), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 유전체층(Dielectric layer)으로 이루어지거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf) 중 적어도 하나의 재질을 함유하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라, 멤브레인(130) 상에는 질화 알루미늄(AlN)으로 제조되는 시드층이 형성될 수 있다. 구체적으로, 시드층은 멤브레인(130)과 제1 전극(140) 사이에 배치될 수 있다. 시드층은 AlN 이외에도 HCP 구조를 가지는 유전체 또는 금속을 이용하여 형성될 수 있다. 금속일 경우 예를 들어, 시드층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다.
공진부(155)는 제1 전극(140), 압전층(150), 및 제2 전극(160)을 포함한다. 공진부(155)는 아래에서부터 제1 전극(140), 압전층(150), 및 제2 전극(160)이 순서대로 적층된다. 따라서 공진부(155)에서 압전층(150)은 제1 전극(140)과 제2 전극(160) 사이에 배치된다.
공진부(155)는 멤브레인(130) 상에 형성되므로, 결국 기판(110)의 상부에는 멤브레인(130), 제1 전극(140), 압전층(150) 및 제2 전극(160)이 차례로 적층되어 공진부(155)를 형성한다.
공진부(155)는 제1 전극(140)과 제2 전극(160)에 인가되는 신호에 따라 압전층(150)을 공진시켜 공진 주파수 및 반공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
후술되는 삽입층(175)이 형성될 경우, 공진부(155)는 제1 전극(140), 압전층(150), 및 제2 전극(160)이 대략 편평하게 적층된 중앙부(S), 그리고 제1 전극(140)과 압전층(150) 사이에 삽입층(175)이 개재되는 확장부(E)로 구분될 수 있다.
중앙부(S)는 공진부(155)의 중심에 배치되는 영역이고 확장부(E)는 중앙부(S)의 둘레를 따라 배치되는 영역이다. 따라서 확장부(E)는 중앙부(S)에서 외측으로 연장되는 영역을 의미한다.
삽입층(175)은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 경사면(L)을 구비한다. 확장부(E)에서 압전층(150)과 제2 전극(160)은 삽입층(175) 상에 배치된다. 따라서 확장부(E)에 위치한 압전층(150)과 제2 전극(160)은 삽입층(175)의 형상을 따라 경사면을 구비한다.한편, 본 실시예에서는 확장부(E)가 공진부(155)에 포함되는 것으로 정의하고 있으며, 이에 따라 확장부(E)에서도 공진이 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 확장부(E)의 구조에 따라 확장부(E)에서는 공진이 이루어지지 않고 중앙부(S)에서만 공진이 이루어질 수도 있다.
제1 전극(140) 및 제2 전극(160)은 도전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금, 몰리브덴, 루테늄, 이리듐, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 탄탈륨, 크롬, 니켈 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(140)은 제2 전극(160)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(140) 상에는 제1 전극(140)의 외곽을 따라 제1 금속층(180)이 배치된다. 따라서 제1 금속층(180)은 제2 전극(160)을 둘러 싸는 형태로 배치될 수 있다.
제1 전극(140)은 멤브레인층(130) 상에 배치되므로 전체적으로 편평하게 형성된다. 반면에 제2 전극(160)은 압전층(150) 상에 배치되므로, 압전층(150)의 형상에 대응하여 굴곡이 형성될 수 있다.
제2 전극(160)은 중앙부(S) 내에 전체적으로 배치되며, 확장부(E)에 부분적으로 배치된다. 이에, 제2 전극(160)은 후술되는 압전층(150)의 압전부(150a) 상에 배치되는 부분과, 압전층(150)의 굴곡부(150b) 상에 배치되는 부분으로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 제2 전극(160)은 압전부(150a) 전체와, 압전층(150)의 경사부(1501) 중 일부분을 덮는 형태로 배치된다. 따라서 확장부(E) 내에 배치되는 제2 전극(160a)은, 경사부(1501)의 경사면보다 작은 면적으로 형성되며, 공진부(155) 내에서 제2 전극(160)은 압전층(150)보다 작은 면적으로 형성된다.
압전층(150)은 제1 전극(140) 상에 형성된다. 후술되는 삽입층(175)이 형성될 경우, 제1 전극(140)과 삽입층(175) 상에 형성된다.
압전층(150)은 전기적 에너지를 탄성파 형태의 기계적 에너지로 변환하는 압전 효과를 일으키는 부분으로, 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride), 지르콘 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate), 쿼츠(Quartz) 등이 선택적으로 이용될 수 있다. 도핑 알루미늄 질화물(Doped Aluminum Nitride) 경우 희토류 금속(Rare earth metal) 전이 금속, 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 희토류 금속은 스칸듐(Sc), 에르븀(Er), 이트륨(Y), 및 란탄(La) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 희토류 함량은 1~20at%를 포함할 수 있다. 상기 전이 금속은 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈륨(Ta), 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 알칼리 토금속은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 압전층(150)은 중앙부(S)에 배치되는 압전부(150a), 그리고 확장부(E)에 배치되는 굴곡부(150b)를 포함한다.
압전부(150a)는 제1 전극(140)의 상부면에 직접 적층되는 부분이다. 따라서 압전부(150a)는 제1 전극(140)과 제2 전극(160) 사이에 개재되어 제1 전극(140), 제2 전극(160)과 함께 편평한 형태로 형성된다. 굴곡부(150b)는 압전부(150a)에서 외측으로 연장되어 확장부(E) 내에 위치하는 영역으로 정의될 수 있다. 굴곡부(150b)는 후술되는 삽입층(175) 상에 배치되며, 삽입층(175)의 형상을 따라 융기되는 형태로 형성된다. 이에 압전층(150)은 압전부(150a)와 굴곡부(150b)의 경계에서 굴곡되며, 굴곡부(150b)는 삽입층(175)의 두께와 형상에 대응하여 융기된다.
굴곡부(150b)는 경사부(1501)와 연장부(1502)로 구분될 수 있다.경사부(1501)는 후술되는 삽입층(175)의 경사면(L)을 따라 경사지게 형성되는 부분을 의미한다. 그리고 연장부(1502)는 경사부(1501)에서 외측으로 연장되는 부분을 의미한다.
경사부(1501)는 삽입층(175) 경사면(L)과 평행하게 형성되며, 경사부(1501)의 경사각은 삽입층(175) 경사면(L)의 경사각(도 4d의 *?*)과 동일하게 형성될 수 있다.
삽입층(175)은 멤브레인(130)과 제1 전극(140), 그리고 지지부(134)에 의해 형성되는 표면을 따라 배치될 수 있다. 삽입층(175)은 중앙부(S)의 주변에 배치되어 압전층(150)의 굴곡부(150b)를 지지한다. 따라서 압전층(150)의 굴곡부(150b)는 삽입층(175)의 형상을 따라 경사부(1501)와 연장부(1502)로 구분될 수 있다.
삽입층(175)은 중앙부(S)를 제외한 영역에 배치된다. 예를 들어 삽입층(175)은 중앙부(S)를 제외한 영역 전체에 배치되거나, 일부 영역에 배치될 수 있다. 또한 삽입층(175)은 적어도 일부가 압전층(150)과 제1 전극(140) 사이에 배치된다. 중앙부(S)의 경계를 따라 배치되는 삽입층(175)의 측면은 중앙부(S)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 형태로 형성된다. 이로 인해 삽입층(175)은 중앙부(S)와 인접하게 배치되는 측면이 일정한 경사각(θ)을 갖는 경사면(L)으로 형성된다.
삽입층(175) 측면의 경사각(θ)이 5°보다 작게 형성되면, 이를 제조하기 위해서는 삽입층(175)의 두께를 매우 얇게 형성하거나 경사면(L)의 면적을 과도하게 크게 형성해야 하므로, 실질적으로 구현이 어렵다.
또한 삽입층(175) 측면의 경사각(θ)이 70°보다 크게 형성되면, 삽입층(175) 상에 적층되는 압전층(150)의 경사부(1501) 경사각도 90°보다 크게 형성된다. 이 경우 압전층(150)이 과도하게 굴곡되므로, 압전층(150)의 굴곡 부분에서 크랙(crack)이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 상기 경사면(L)의 경사각(θ)은 5°이상, 70°이하의 범위로 형성된다.
삽입층(175)은 산화규소(SiO2), 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(SiN), 산화망간(MgO), 산화지르코늄(ZrO2), 티탄산 지르콘산 연(PZT), 갈륨비소(GaAs), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO)등의 유전체로 형성될 수 있으나, 압전층(150)과는 다른 재질로 형성된다. 또한, 필요에 따라 삽입층(175)이 구비되는 영역을 빈 공간(air)으로 형성하는 것도 가능하다. 이는 제조 과정에서 공진부(155)를 모두 형성한 후, 삽입층(175)을 제거함으로써 구현될 수 있다.
본 실시예에서 삽입층(175)의 두께는 제1 전극(140)의 두께와 동일하거나, 유사하게 형성될 수 있다. 또한 압전층(150)과 유사하거나 압전층(150) 보다 얇게 형성될 수 있다. 예를 들어 삽입층(175)은 100Å 이상의 두께로 형성되되 압전층(150)의 두께보다는 얇게 형성될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 공진부(155)는 빈 공간으로 형성되는 에어 캐비티(133)를 통해 기판(110)과 이격 배치된다.
에어 캐비티(133)는 음향 공진기 제조 과정에서 에칭 가스(또는 에칭 용액)을 유입 홀(도 4a, 도 4c의 H)로 공급하여 보조 지지부(135)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다.
보호층(170)은 체적 음향 공진기(100)의 표면을 따라 배치되어 체적 음향 공진기(100)를 외부로부터 보호한다. 보호층(170)은 제2 전극(160), 압전층(150)의 굴곡부(150b), 그리고 삽입층(175)이 형성하는 표면을 따라 배치될 수 있다.
보호층(170)은 실리콘 옥사이드 계열, 실리콘 나이트라이드 계열, 알루미늄 옥사이드 계열 및 알루미늄 나이트라이드 계열 중의 어느 하나의 절연 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(140)과 제2 전극(160)은 공진부(155)의 외측으로 연장 형성되며, 연장 형성된 부분의 상면에는 각각 제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)이 배치된다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 금(Au), 금-주석(Au-Sn) 합금, 구리(Cu), 구리-주석(Cu-Sn) 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다.
제1 금속층(180)과 제2 금속층(190)은 본 실시예에 따른 음향 공진기의 전극(121, 160)과 인접하게 배치된 다른 음향 공진기의 전극을 전기적으로 연결하는 연결 배선으로 기능하거나, 외부 접속 단자로 기능할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 4b에는 제 2 금속층(190)의 하부에 삽입층(175)이 배치되는 경우를 도시하고 있으나, 본 발명의 구성은 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 제 2 금속층(190) 하부에는 삽입층(175)이 제거된 구조로도 구현하는 것도 가능하다.
제1 금속층(180)은 삽입층(175)과 보호층(170)을 관통하여 제1 전극(140)에 접합된다. 또한 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1 전극(140)은 제2 전극(160)보다 넓은 면적으로 형성되며, 제1 전극(140)의 둘레 부분에는 제1 금속층(180)이 형성된다.
따라서, 제1 금속층(180)은 공진부(155)의 둘레를 따라 배치되며, 이에 제2 전극(160)을 둘러싸는 형태로 배치된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 제2 전극(160)은 압전층(150)의 압전부(150a)와 경사부(1501) 상에 적층 배치된다. 그리고, 제2 전극(160) 중 압전층(150)의 경사부(1501) 상에 배치되는 부분(도 4d의 160a), 즉 확장부(E)에 배치되는 제2 전극(160a)은 경사부(1501)의 경사면의 전체가 아닌, 경사면 일부분에만 배치된다.
소수성층(195)과 보호층(170)과의 접착력을 향상시키기 위하여, 프리커서(precursor)를 이용할 수 있다. 프리커서는 실리콘 헤드(head)를 가지는 하이드로 카본(hydrocarbon)이나, 실리콘 헤드를 가지는 실리옥세인(Silioxane) 일 수 있다.
또한, 소수성층(195)은 보호층 외에, 에어 캐비티(133)의 상면에도 소수성층이 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 에어 캐비티(133)의 상면뿐만 아니라, 에어 캐비티(133)의 하면 및 측면 중 적어도 일부에 형성될 수 있다.
에어 캐비티(133)의 상부에는 공진부(120)가 배치되므로, 에어 캐비티(133)의 상면도 음향 공진기의 주파수 변화에 영향을 미친다. 따라서, 에어 캐비티(133)의 상면에 소수성층이 형성되면 음향 공진기의 주파수가 변화되는 것을 최소화 할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 체적 음향 공진기의 변형 실시예이다.
도 5 및 도 6에 따른 체적 음향 공진기(100)는 도 3a의 실시예에 따른 체적 음향 공진기와 유사하므로 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 서술하도록 한다.
도 5를 참조하면, 에어 캐비티(133)는 기판(110)에 형성되고, 기판(110)에 공진부(155)가 마련될 수 있다. 또한, 도 6을 참조하면, 도 5의 에어 캐비티(133)가 형성된 영역에, 복수의 반사층(133a)이 마련될 수 있다.
반사층(133a)은 실리콘 옥사이드(Silicon Oxide)계열, 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride), 알루미늄 옥사이드(Aluminum Oxide) 계열 또는 알류미늄 나이트라이드(Aluminum Nitride) 계열의 물질로 형성될 수 있다. 또한, 반사층(133a)은 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 백금(Pt) 중 적어도 하나 또는 적어도 두 개의 화합물을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 반사층(130)은 공진부(155)에서 출력되는 무선 주파수 신호를 반사시킬 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 상부의 일부 상면도이고, 도 7b은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 상부의 일부 사시도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡의 변형 실시예이다.
도 7a, 및 도 7b를 참조하면, 캡(200)의 상부에는 복수의 홀(201)이 형성될 수 있다. 캡(200)에 형성되는 복수의 홀(201)을 통해 미세 먼지 농도 센서(10) 외부의 미세 먼지가 통과할 수 있다. 한편, 도 8을 참조하면, 본 발명의 복수의 홀(201)이 형성되는 영역의 캡(200)의 두께는 복수의 홀(201)이 형성되지 않는 영역의 캡(200)의 두께 보다 얇을 수 있다.
복수의 홀(201)은 원형, 타원형, 삼각형, 및 사각형 등의 다각형 형상으로 형성될 수 있고, 실시예에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 캡(200)의 상부는 실리콘(Si), SOI(silicon on insulator), 글래스, 유전체(dielectric), 폴리머 필름(polymer film), 및 메탈 플레이트(metal plate) 중 하나에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 캡(200)의 상부는 실리콘(Si) 및 SOI(silicon on insulator)으로 제조될 수 있다. 실리콘(Si) 기판 및 SOI(silicon on insulator) 기판은 딥 에칭(deep etching) 공정에 의해 식각되어 복수의 홀이 형성될 수 있다. 또한, 캡(200)의 상부는 양극산화 알루미늄(anodized aluminum oxide)으로 제조될 수 있다. 알루미늄(Al) 플레이트는 아노다이징(anodizing) 공정에 의해 복수의 홀이 형성되는 양극산화 알루미늄(anodized aluminum oxide)으로 변환될 수 있다.
캡(200)의 복수의 홀(201)은 체적 음향 공진기의 활성 영역에 대응하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 캡(200)의 복수의 홀(201)은 체적 음향 공진기의 활성 영역의 상부에 형성될 수 있다. 캡(200)의 복수의 홀(201)을 통해 유입되는 미세 먼지가 공진부(135)에 내려 앉으면, 미세 먼지의 질량에 의해 공진부(135)에서 출력되는 무선 주파수 신호의 진동수가 변동하게 된다. 따라서, 미세 먼지 농도 센서(10)는 진동수의 변화로부터 미세 먼지의 농도를 측정할 수 있다.
먼지란 대기 중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질을 말하는데, 석탄 및 석유 등의 화석연료를 태울 때나 공장 및 자동차 등의 배출가스에서 발생한다.
먼지는 입자의 사이즈에 따라 50㎛ 이하인 총 먼지(TSP, Total Suspended Particles)와 입자 사이즈가 매우 작은 미세 먼지(PM, Particulate Matter)로 구분된다. 미세 먼지는 다시 지름이 10μm보다 작은 미세 먼지(PM10)와 지름이 2.5μm보다 작은 미세 먼지(PM2.5)로 나뉜다. PM10는 머리카락의 지름(50~70㎛)의 약 1/5~1/7에 해당하나, PM2.5는 머리카락의 지름의 약 1/20~1/30에 불과할 정도로 매우 미세하다. 이처럼 미세 먼지는 육안으로 시인이 불가능할 정도로, 매우 작기 때문에 대기 중에 머물러 있다 호흡기를 거쳐 폐 등에 침투하거나 혈관을 따라 체내로 이동함으로써 건강에 악영향을 미칠 수 있다.
세계보건기구(WHO)는 미세 먼지(PM10, PM2.5)에 대한 대기질 가이드라인을 1987년부터 제시해 왔고, 2013년에는 세계보건기구 산하의 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세 먼지를 사람에게 발암이 확인된 1군 발암물질(Group 1)로 지정하였다.
캡(200)의 복수의 홀(201) 각각의 사이즈는 2㎛ ~ 20㎛ 일 수 있다. 2㎛ 보다 작을 경우 홀 가공이 용이하지 않고, 20㎛ 이상일 경우는 미세 먼지 PM10, PM2.5등 미세 먼지의 사이즈를 구분하기 어려운 문제가 있다. 여기서, 사이즈는 복수의 홀(201)이 원형으로 형성되는 경우, 원형 홀의 지름을 의미하고, 복수의 홀(201)이 사각형 또는 삼각형으로 형성되는 경우, 사각형 또는 삼각형 홀의 일변의 길이를 의미할 수 있다.
복수의 홀(201) 각각의 사이즈는 캡(200)의 상부의 두께의 1~1/50배 일 수 있다. 홀(201) 사이즈가 캡(200)의 상부의 두께의 1배 보다 클 경우는 캡의 상부의 두께가 너무 얇아짐에 따라 캡의 크랙(Crack)이 형성될 수 있다. 홀(201) 사이즈가 캡(200)의 상부의 두께의 1/50배 보다 작을 경우 캡의 상부의 두께 방향으로 홀 가공이 어려워지고 홀의 사이즈도 균일하게 구현하기 어렵다. 또한, 미세 먼지를 미세 먼지의 사이즈 별로 감지하기 위해서, 감지하고자 하는 미세 먼지의 사이즈에 따라 캡(200)의 홀(201)의 사이즈를 결정할 수 있다. 사이즈 별로 캡(200)의 홀(201)을 통과한 미세 먼지가 공진기의 활성 영역에 도달하는 경우, 공진기의 공진 주파수 또는 반공진 주파수가 변화함에 따라 미세 먼지의 농도를 미세 먼지의 사이즈 별로 센싱할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡(200)의 상부의 상면은 소수성 물질(196)로 코팅(hydrophobic coating) 될 수 있다. 또한, 일 예로, 캡(200)의 상부에 형성되는 복수의 홀(201)의 내부 면은 소수성 물질(196)로 코팅될 수 있다. 캡(200)의 복수의 홀(201)은 CVD(chemical　vapor　deposition) 공정 및 PVD(physical　vapor　deposition) 공정을 이용하여, 소수성 물질(196)로 코팅될 수 있다. 또한, 상술한 소수성층(195)의 형성 및 증착 방법을 이용하여, 소수성 물질(196)을 형성할 수 있다.
따라서, 캡(200)의 상부의 상면 또는 캡(200)의 홀(201)의 내부면에 소수성 물질(196)을 코팅하여, 복수의 홀(201)의 표면 에너지를 낮출 수 있고, 복수의 홀(201)에 미세 먼지가 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 감지하고자 하는 미세 먼지가 캡(200)의 홀에 흡착되어 홀(201)을 막거나 기타 오염 물질이 캡(200)의 홀(201)을 막을 경우, 미세 먼지의 센싱 감도가 현저히 저하되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 공진부(135)의 제2 전극(160) 상에 배치되는 보호층(170) 상에는 소수성층(195)이 형성될 수 있고, 또한, 에어 캐비티(133) 내부에도 소수성층(195)가 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보호층(170)의 상면 또는 에어 캐비티(133)의 내부면 외에도 캡(200)의 상부의 상면에 소수성 물질(196)을 형성하여, 미세 먼지 또는 오염물질이 흡착되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있고, 이로써, 고품질의 공진기 성능이 구현되어 미세 먼지의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
체적 음향 공진기가 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되는 경우에 체적 음향 공진기의 보호층에 히드록실기(hydroxy group, OH group)가 흡착되어 질량 부하(mass loading)에 의해 주파수 변동이 커지거나, 체적 음향 공진기의 성능을 열화시키는 문제점이 발생할 수 있다.
도 9은 소수성 물질이 형성되지 않은 보호층 상에 히드록실기가 흡착된 것을 도시한 것이며, 도 10은 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 것을 도시한 것이다.
도 9을 참조하면, 소수성 물질이 형성되지 않은 경우에는 습한 환경에서 사용되거나, 장기간 상온에서 방치되면 보호층에 히드록실기(hydroxy group, OH group)가 흡착되어 하이드로옥살레이트(hydroxylate)가 형성된다. 하이드로옥살레이트(hydroxylate)는 표면 에너지가 높고 불안정하기 때문에 물 등을 흡착하여 표면 에너지를 낮추려고 하기 때문에 질량 부하(mass loading)가 발생하게 된다.
반면에, 도 10을 참조하면, 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 경우에는 표면 에너지가 낮고 안정하기 때문에 물 및 히드록실기(hydroxy group, OH group) 등을 흡착하여 표면 에너지를 낮출 필요가 없다. 따라서, 소수성 물질이 물 및 히드록실기(hydroxy group, OH group) 등이 흡착되는 것을 방지하는 역할을 함으로써 주파수 변동을 최소화 할 수 있으며 공진기 성능을 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진부(135)의 제2 전극(160) 상에 배치되는 보호층(170)을 소수성 물질로 코팅하여, 공진부(135) 상에 미세 먼지가 잔존하는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 음향 공진기(실시예)와 보호층 상에 소수성 물질이 형성되지 않은 음향 공진기(비교예)에 대한 습도 및 시간에 따른 주파수 변화를 나타낸 그래프이다. 실험 방법은 상기 실시예 및 비교예를 흡습 챔버에 넣고 도 11에 도시한 바와 같이 습도를 변화해가며 주파수 변화를 측정하였다.
도 11을 참조하면, 보호층 상에 소수성 물질이 형성된 음향 공진기의 경우가 습도 및 시간 변화에 따른 주파수 변화량이 훨씬 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예의 경우 실험 종료시 주파수 변화량이 실험 시작시 주파수 변화량보다 적은 것을 확인할 수 있다.
한편, 소수성 물질과 보호층과의 접착력을 향상시키기 위하여, 프리커서(precursor)를 이용할 수 있다.
도 12는 소수성 물질의 접착층(adhesion layer)로 사용되는 프리커서(precursor)의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 12를 참조하면, 프리커서는 실리콘 헤드(head)를 가지는 하이드로 카본(hydrocarbon)이나, 실리콘 헤드를 가지는 실리옥세인(Silioxane) 일 수 있다.
도 13은 소수성 물질의 분자 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 13을 참조하면, 소수성 물질은 플로오르카본(fluorocarbon)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 증착 후 물에 의한 접촉각(contact angle)이 90˚ 이상이 되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 소수성 물질은 플루오린(fluorine, F) 성분을 함유할 수 있으며, 플루오린(fluorine, F) 및 실리콘(silicon, Si)을 포함할 수 있다.
이때, 소수성 물질은 폴리머(polymer)가 아니 모노 레이어(mono layer) 또는 SAM(self-assembled monolayer)로 형성될 수 있고 두께도 100A 이하로 형성 될 수 있다. 소수성 물질이 폴리머로 형성되면 공진부에 폴리머에 의한 질량이 영향을 미치게 된다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 공진기는 소수성 물질이 모노 레이어로 형성되기 때문에 음향 공진기의 주파수가 변화되는 것을 최소화 할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 체적 음향 공진기
110: 기판
113: 비아홀
114: 접속 패턴
115: 절연층
120: 식각 저지 물질
128: 멤브레인
130: 멤브레인
133: 에어 캐비티
134: 지지부
135: 보조 지지부
136: 프레임
140: 제1 전극
155: 공진부
150: 압전층
160: 제2 전극
165: 보조 전극
170: 보호층
200: 캡
201: 복수의 홀

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 체적 음향 공진기; 및
    상부 및 상부와 연결되는 측부로 구성되어, 상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 수용하는 캡; 을 포함하고,
    상기 캡의 상부의 상면은 소수성 물질로 코팅되고, 상기 캡의 상부에는 복수의 홀이 형성되는 미세 먼지 농도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀의 내부 면은 상기 소수성 물질로 코팅되는 미세 먼지 농도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 하나를 감지하여, 상기 복수의 홀을 통해 유입되는 미세 먼지의 농도를 측정하는 미세 먼지 농도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 체적 음향 공진기는 순차적으로 적층되는 제1 전극, 압전층, 및 제2 전극을 포함하는 미세 먼지 농도 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 홀은 상기 제1 전극, 상기 압전층, 및 상기 제2 전극의 적층 방향의 중첩 영역에 대응되어 형성되는 미세 먼지 농도 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 체적 음향 공진기는 상기 제2 전극 상에 적층되는 보호층, 및 상기 보호층 상에 형성되는 소수성층을 포함하는 미세 먼지 농도 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캡의 상부는 실리콘, SOI(silicon on insulator), 글래스, 유전체, 폴리머 필름, 및 메탈 플레이트 중 하나에 의해 형성되는 미세 먼지 농도 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀 각각의 사이즈는 2㎛ ~ 20㎛인 미세 먼지 농도 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀 각각의 사이즈는 상기 캡의 상부의 두께의 1~1/50배인 미세 먼지 농도 센서.
  10. 순차적으로 적층되는 제1 전극, 압전층, 및 제2 전극을 각각 포함하는 적어도 하나의 체적 음향 공진기; 및
    상부 및 상부와 연결되는 측부로 구성되어, 상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기를 수용하고, 상기 상부에 복수의 홀이 형성되는 캡; 을 포함하고,
    상기 복수의 홀은 상기 제1 전극, 상기 압전층, 및 상기 제2 전극의 적층 방향의 중첩 영역에 대응되어 형성되고,
    상기 체적 음향 공진기는 상기 제2 전극 상에 적층되는 보호층, 및 상기 보호층 상에 형성되는 소수성층을 포함하는 미세 먼지 농도 센서.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 홀의 내부 면은 소수성 물질로 코팅되는 미세 먼지 농도 센서.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 체적 음향 공진기의 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 하나를 감지하여, 상기 복수의 홀을 통해 유입되는 미세 먼지의 농도를 측정하는 미세 먼지 농도 센서.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 캡의 상부는 실리콘, SOI(silicon on insulator), 글래스, 유전체, 폴리머 필름, 및 메탈 플레이트 중 하나에 의해 형성되는 미세 먼지 농도 센서.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 홀 각각의 사이즈는 2㎛ ~ 20㎛인 미세 먼지 농도 센서.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 홀 각각의 사이즈는 상기 캡의 상부의 두께의 1~1/50배인 미세 먼지 농도 센서.
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