호형태의 스프링 구조물을 포함하는 압저항형 마이크로폰

Abstract

미세전자기계시스템 (microelectromechanical system; MEMS) 센서는 사물인터넷 (internet of things; IoT)의 급성장을 중심으로 다품종, 고성능 제품에 대한 수요가 크게 증가하여 새로운 호황을 맞이하고 있다. 특히, MEMS 마이크로폰의 경우 스마트폰 출시와 더불어 최근 스마트모빌리티, AI 기술 기반 음성인식으로의 적용으로 급격한 시장 성장세를 보인다. MEMS 마이크로폰은 감지방식에 따라 정전용량형, 압전형, 압저항형 3가지로 구분된다. 정전용량형 마이크로폰의 경우 면적이 크고 공정의 복잡성이 높은 단점이 있다. 압전형의 마이크로폰의 경우 압전층을 구성하는 물질 중 박막형태로 가공가능한 종류가 제한적이며 저주파의 신호 측정에는 특성이 불안정하다는 단점이 있다. 압저항 감지방식은 위 두가지 방식의 단점을 해결할 수 있으나 도핑 방법으로는 압저항 효과를 증가시키는데 한계가 있으며, 이로 인해 센서의 민감도 향상에 제한적이다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 수행한 스마트센서용 초소형 NEMS 공정플랫폼 개발 과제의 일한으로 관련 공정설계를 하였으며 최종적으로 마이크로폰을 제작하여 성능의 측정을 진행하였다. 과제에서 제안된 마이크로폰은, 멤브레인의 가장자리에 위치한 스프링 구조물을 호형태로 구부려 멤브레인을 둘러싸는 구조로 설계하여 면적을 최소화할 수 있으며, 우수한 압저항 특성을 가진 실리콘 나노와이어를 호형태 스프링 구조물의 최대응력이 발생하는 위치에 배치해 높은 민감도를 확보할 수 있도록 하였다. 공정은 본 연구진 고유의 실리콘 나노와이어 제조 공정 기술을 응용하여 2~300 nm 급 크기를 가지며 Si3N4 기반 스프링 구조물 및 멤브레인과 함께 부유된 실리콘 나노와이어 기반 MEMS 마이크로폰의 공정설계를 하고 제작하였다. 최종적으로, 제작한 마이크로폰에 대해 성능평가를 진행해 민감도 52.94 mV/Pa 및 SNR 52.89 를 확보하였고, 이는 타연구진의 실리콘 나노와이어 기반 MEMS 마이크로폰 연구결과보다 우수하며, 상용 마이크로폰에 준하는 특성을 보인다.

Microelectromechanical system (MEMS) sensors are receiving increased attention due to the rapid growth of the Internet of things (IoT), as the demand for multi-species and high-performance products has increased significantly. In particular, MEMS microphones are showing a rapid market growth with the launch of smartphones and the application of smart mobility and AI technology-based voice recognition. Depending on the sensing method MEMS microphones are classified into three types: capacitive, piezoelectric, and piezoresistive. The capacitive microphones require a large area for a large capacitance and also require high process complexity. In the case of the piezoelectric microphones, among the materials constituting the piezoelectric layer, there are limited types of materials that can be processed into a thin film form and the characteristic is unsuitable in measuring low-frequency signals. The piezoresistive microphones can solve the drawbacks of the above two methods, but there is a limit to increasing the piezoresistive effect with the doping method, which limits the improvement of the sensitivity of the sensor. To solve this problem a microphone was designed and fabricated to measure its performance in this paper ,which is a part of a research project named Development of bulk-Si SOLID NEMS fabrication platform for smart sensors performed in our laboratory. The microphone proposed in the project is possible to minimize the area by designing a structure surrounding the membrane by bending the spring structure located at the edge of the membrane in an arc shape. Silicon nanowires with excellent piezoresistance characteristics are designed to secure high sensitivity by placing them in the location where the maximum stress occurs in the arc-shaped spring structure. The process was designed and fabricated for a silicon nanowire-based MEMS microphone with a Si3N4 based spring structure and membrane with a size of 200-300 nm by applying the unique silicon nanowire fabricating process technology of our laboratory. Finally, performance evaluation of the manufactured microphone was conducted to obtain a sensitivity of 52.94 mV/Pa and SNR 52.89, which is superior to the results of research on silicon nanowire-based MEMS microphones by other researchers, and shows characteristics comparable to those of commercial microphones.