In this thesis, I present a piezoelectric microphone built on a circular diaphragm which is fabricated using boron etching stop method. It is well known that circular diaphragm (CD) has uniform stress distribution, which contributes to increased displacement of diaphragm. The effect of sensitivity increment by a concentrated mass on the circular diaphragm has also been elucidated in this thesis.
First, a systematic study was performed to examine the effects of deposition conditions on the quality of piezoelectric ZnO thin films deposited by RF sputtering because the ZnO film is the key material for piezoelectric microphone. The results obtained from these systematic tests are described with some discussions. The deposition parameters that produced the highest quality ZnO film were used in the fabrication of the piezoelectric microphone. Then circular diaphragms with or without a concentrated mass (CDCM) were fabricated using boron etch stop method. The numerical simulation was performed to define the thickness of the boron-doped layer which is a support layer for the CD and CDCM, and the simulation results were compared with fabricated ones. In addition, the new fabrication method which is suitable to utilize the ZnO film was introduced. The sensitivity increased 6 times with the new fabrication method.
The sensitivity increment of the CD microphone was comparable to that of square diaphragm (SD) microphone experimentally and numerically. The sensitivity of the CD microphone increased to 197 % of that of a SD microphone, as expected from simulation results. It was confirmed that the uniform stress distribution of the CD contributed to increased sensitivity when applied to a piezoelectric microphone. The resonance frequency and magnitude of the microphones was analyzed with laser doppler vibrometer (LDV).
The concentrated mass was introduced to increase the sensitivity of the CD microphone. A microphone with higher sensitivity was fabricated with the CDCM because the concentrated mass decreased resonance frequency of diaphragm and increased magnitude of diaphragm at the resonance frequency. The characteristics of the CDCM microphone were analyzed with LDV. In addition, an amplifier circuit was designed for testing the response characteristics to human voice.
본 논문을 통해, 붕소 식각 정지 기술을 이용하여 제조된 원형 진동판을 기반으로 제작된 압전 마이크로폰을 보고한다. 원형 진동판의 균일한 스트레스 분포는 잘 알려진 사실이다. 이와 같은 균일한 스트레스 분포는 압전 마이크폰의 감도 증가에 기여한다. 또한 집중질량을 가지는 원형 진동판에 의한 감도 증가 효과를 연구하였다.
먼저, 압전 마이크로폰의 핵심 물질인 압전 재료를 스퍼터를 이용하여 증착하였다. 증착된 압전 재료는 ZnO 이며, 이 ZnO의 증착 조건을 XRD와 SEM을 통해 특성 평가하여 확립하였다. 이와 같은 연구를 통해 압전 마이크로폰에 사용하기에 적합한 ZnO의 증착 조건을 얻을 수 있었다. 다음으로 집중 질량을 가지지 않는 원형 진동판(CD : circular diaphragm)과 집중질량을 가지는 원형 진동판(CDCM : circular diaphragm carrying a concentrated mass)을 붕소 식각 정지 기술을 이용하여 제조하였다. 여기서 식각 되지 않은 붕소 도핑층은 CD와 CDCM의 지지대로 사용된다. 지지대로 사용하기에 적합한 붕소 도핑층의 두께를 결정하기 위해 수치해석을 수행하였으며, 그 결과 붕소 도핑층의 두께가 6 μm 이상일 때 붕소 도핑층의 변위가 거의 없을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 붕소 도핑층의 두께를 7 μm 이상 되도록 제조 하였다. 또한 사각형 진동판과 원형 진동판의 감도 차이를 수치해석을 통해 확인하였다. 마지막으로 ZnO의 특성을 최대한 활용할 수 있는 새로운 공정 방법을 소개한다.
수치해석과 실험을 통해 사각형 진동판(SD : square diaphragm)을 기반으로 제작된 마이크로폰의 감도와 CD 마이크로폰의 감도를 비교하였다. 실험결과 CD 마이크로폰의 감도는 SD 마이크로폰의 감도에 비해 197 % 증가함을 할 수 있었다. 이는 앞에서 언급하였듯이 원형 진동판의 균일한 스트레스 분포에 기인한 것이다. CD는 원주를 따라 균일한 스트레스 분포를 가지기 때문에 같은 크기의 전극을 배치하였을 때 스트레스가 변의 중심부에 집중되는 SD 마이크로폰에 비해 더 큰 감도를 가지게 된다. 제작된 마이크로폰의 공진 주파수 및 변위를 LDV(laser doppler vibrometer)를 통해 분석되었다. CD 마이크로폰의 감도를 더욱 향상시키기 위해 집중 질량을 도입하였다. CDCM 마이크로폰의 감도는 CD 마이크로폰에 비해 크게 증가하였다. CDCM 마이크로폰의 감도 증가는 집중 질량이 공진 주파수를 감소시키고 변위를 증가시키기 때문이다. 이와 같은 영향을 LDV를 통해 확인할 수 있었다. 더해서 증폭 회로를 통해 제작된 마이크로폰의 음성 제현 특성을 확인하였다.
