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학위논문 상세정보

무선 통신 시스템을 위한 MEMS 음향센서의 설계 원문보기
(A) Design of MEMS Acoustic Sensors for The Wireless Communication System

  • 저자

    김현호

  • 학위수여기관

    고려대학교 대학원

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    전자공학과

  • 지도교수

  • 발행년도

    2004

  • 총페이지

    121p.

  • 키워드

    압전박막공진기 음향센서 무선통신;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T10070466&outLink=K  

  • 초록

    본 논문은 무선통신 시스템 산업에서 필수적인 부품인 음향 에너지를 전기 에너지로 변환하는 MEMS 음향 센서들에 대해서 연구되어졌다. 특히 가장 중점을 두고 있는 것은 이동통신 단말기와 같은 무선 통신 시스템의 집적화 및 소형화를 위해서 MEMS 기술을 이용한 초고주파대역에서 사용되어지는 suspended 압전 박막 공진기 및 가청 주파수대역에서 사용하는 실리콘 음향센서에 대해서 고찰하였다. 제작된 STFR은 실리콘 기판으로부터 탄성적으로 고립시키기 위해 SOI 기술을 이용하였으며, 두께방향으로의 진동을 가능하게 하는 c-axis 우선 배향된 저온의 AIN 박막 최적조건을 형성하여 특성을 연구하였다. 160㎛×160㎛ 면적을 가진 STFR의 경우 입력 반사계수가 가장 낮은 점은 1.65GHz에서 일어났으며 그 값은 -19.1dB를 나타내었다. 또한 필터링 특성을 나타내는 척도로 2.4%의 K_(eff)^(2), 16MHz의 대역폭, 91.7의 quality factor의 특성을 나타내었다. 200㎛×200㎛ 면적을 가진 STFR의 경우 반사계수가 가장 낮은 점은 1.637GHz에서 나타났으며, 그 값은 -26.1dB를 나타내었다. 또한 필터링 특성을 나타내는 척도로 1.2%의 K_(eff)^(2), 8MHz의 대역폭, 50.2의 quality factor의 특성을 나타내었다. 제작된 초소형 실리콘 음향센서는 일렉트렛 효과와 MEMS 공정을 이용하여 멤브레인 및 백플레이트를 자동 정렬 방식의 MEMS 전기 용량형 구조를 제작하였으며, 25dB의 이득을 가진 전치 증폭기를 이용한 PCB를 설계 제작하여 조립함으로써 형성되었다. 제작된 실리콘 음향센서의 크기는 4㎜×4㎜의 면적에 1.65㎜의 높이를 가진 초소형이며, 1kHz의 주파수에서의 감도는 -43.27dB, 노이즈 레벨은 -101.46dB, SNR은 55dB 이상의 우수한 결과를 나타내었다. 또한 모든 각도에서 주변음의 최대량을 수음할 수 있는 지향성 패턴을 갖고 있는 전지향성 특성을 보이고 있다. 본 논문에서 제작된 MEMS 음향센서들은 소형화, 초박막형화, 저 전력화 및 실리콘에 집적화가 가능한 공정을 사용함으로써 무선 통신 시스템의 집적화의 장점을 가지고 있어 이동 통신 단말기와 같은 무선 통신 시스템의 소형화 및 집적화 분야의 연구에 많이 기여할 것으로 기대된다.


    Wireless communication systems that include pager, cellular phone, navigation, satellite communication, and various forms of data communication are becoming a significant driving force within the microelectronics industry. This influence is increased by consumer demand for personal communication systems. Every portable product requires the use of a bandpass filter to selectively transmit signals within the passband and a silicon acoustic sensor to indicate person's intention. In this dissertation, for wireless communication systems characteristics of MEMS acoustic sensors such as the suspended thin film resonator(STFR) and the silicon acoustic sensor are studied. Characteristics of piezoelectric AlN thin films and STFRs for RF bandpass filter are investigated. Piezoelectric AlN thin films are deposited by RF magnetron sputter system. Deposition parameters such as N₂ contents, Ar and N₂ partial pressures, and the distance between metal target and substrate are found to affect the piezoelectric response. To fabricate STFR using the piezoelectric AlN thin film, the etch of AlN and the surface micromachining process are conducted. The thickness of AlN film and membrane for the suspended thin film resonator are fabricated by thickness of 2㎛ and 15㎛, respectively. In the process of membrane fabrication, SOI technology is used. STFR with the dimension of 160㎛×160㎛ has a resonant frequency of 1.653GHz, a K_(eff)^(2) of 2.4%, a bandwidth of 17MHz, and a quality factor of 91.7. STFR with the dimension of 200㎛×200㎛ has a resonant frequency of 1.641GHz, a K_(eff)^(2) of 1.2%, and a bandwidth of 8MHz, and a quality factor of 50.2. The miniature MEMS silicon acoustic sensor is fabricated and characterized by assembling the capacitive structure using MEMS technologies, the electret effect and the PCB using the preamplifier with the gain of 25dB. The membrane having the thickness of 1㎛ silicon nitride and 1㎛ polymer film is formed. The back plate having the thickness of 50㎛ and the acoustic hole of 50∼70㎛ is formed. The sensitivity of the fabricated membrane measured by using the doppler effect is measured by -56.5dB. The capacitance of the capacitive structure is measured by 24.7pF. Moreover, The potential voltage of the electret biased 30kV using the corona discharge technology is measured by -67~-85V. The varied potential voltage dependent on time at room temperature is shown the 23% degradation and the varied potential voltage dependent on humidity at the 95% humidity degree is shown the 38% degradation, which show that the degradation of the potential voltage is influenced by the environment factor such as temperature and humidity. The size of the silicon acoustic sensor with MEMS capacitive structure is the circular type having the dimension of 4㎜×4㎜ and the height of 1.65㎜. In the characteristic of the silicon acoustic sensor, the sensitivity and the noise level are measured by -43.27dB and -101.46dB, respectively and the signal to noise ratio of this device is measured by more than 55dB. The polar pattern of this device is omni-directional. MEMS acoustic sensors fabricated for wireless communication systems have application to the mobile telecommunication and have advantages of small size using MEMS technologies, on-chip possibility, and silicon compatible integrated devices.


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