Design and Fabrication of Piezoelectric Micro-machined Microphone Using PZT Thin Film

Abstract

본 논문에서는, 음압을 전하로 변환하는 성능이 압도적으로 큰 PZT thin film을 이용한 압전 MEMS 마이크로폰 (pMM)에 전하 증폭기를 연결하여 기존 마이크로폰 보다 높은 감도를 구현하고자 한다. 또한 압전 마이크로폰 박막 표면에 대칭적으로 존재하는 수축부와 팽창부를 나누어 각각 링, 디스크 패턴을 압전 물질로 증착한 후 상하부 전극을 반대로 연결한 링+디스크 패턴으로 감도와 선형성을 모두 향상시킨 마이크로폰이 제안되었다. 이 때 설계된 박막 두께 1 um인 링+디스크 패턴 마이크로폰 소자의 예상 전하 감도는, 직경 700 um에 대해 0.954 pC/Pa, 직경 800 um에 대해 1.63 pC/Pa이며, 0.1 V/pC의 증폭비를 가진 전하 증폭기를 연결해주면 95.4 mV/Pa, 163 mV/Pa의 감도를 예상할 수 있다. PZT 스퍼터링과 반응성 이온 식각를 포함한 MEMS 공정을 통해 PZT thin film이 증착된 압전 MEMS 마이크로폰을 제작하였고, 이 과정 중 링+디스크 패턴은 박막 깨짐과 낮은 수율 때문에 최종적인 마이크로폰 소자로 제작되지 못했다. 전치 증폭기 및 패키징을 구성하고, 전하 감도와 선형성 측면에서 성능 평가를 한 결과, 박막 직경 800 um인 디스크 패턴은 전하 감도 0.0345 pC/Pa 및 음압 92.7 Pa에서 전고조파왜율 1.73 %로 가장 높은 감도를 달성하였고, 박막 직경 800 um인 링 패턴은 전하 감도 0.00355 pC/Pa, 음압 92.7 Pa에서 전고조파왜율 0.165 %로 가장 높은 선형성을 달성하였다. 웨이퍼 뒷면 식각이 일직선으로 진행되지 않아 설계한 대로 박막을 형성하지 못했고, SiO2 박막에 잔류 응력이 생기고, 패키징이 생성하는 헬름홀쯔 공진주파수가 가청주파수 대역에서 발생하는 등의 문제로 인해 예상보다 낮은 성능을 보였다. 본 논문에서는 PZT thin film을 이용한 압전 MEMS 마이크로폰의 설계 및 실현 가능성을 보였으며, 소자 성능 저하의 원인인 MEMS 공정과 패키징을 개선시킨다면, 압전 MEMS 마이크로폰으로 높은 감도와 선형성을 달성할 수 있을 것이다.

In this paper, a charge amplifier is connected to a piezoelectric MEMS Microphone (pMM) using PZT thin film that has an outstanding performance in converting mechanical stress into electrical charge, in order to achieve higher sensitivity than conventional pMMs. In addition, a pMM with ring+disk piezoelectric material pattern that improves both sensitivity and linearity is suggested. In ring+disk pattern, ring and disk patterns are deposited separately on the shrinking and expanding area that are symmetrically present on the thin film surface, and top and bottom electrodes of ring pattern and disk pattern are connected to each other reversely. The expected charge sensitivity of the pMMs with diaphragm thickness of 1 um SiO2 layer and ring+disk pattern is 0.954 pC/Pa for a diameter of 700 um, 1.63 pC/Pa for a diameter of 800 um. With a charge amplifier with an amplification ratio of 0.1 V/pC, 95.4 mV/Pa, 163 mV/Pa sensitivity of pMMs are expected. pMMs using PZT thin film were fabricated through MEMS processes including PZT sputtering and deep reactive-ion etch (DRIE). During this process, the ring + disk pattern was not produced as the microphone device due to diaphragm breakage and yield problems. Comprising preamplifier and packaging, and evaluating performance in terms of charge sensitivity and linearity, the disk pattern achieved the highest charge sensitivity with 0.0345 pC / Pa and THD 1.73% at 92.7 Pa sound pressure, and the ring pattern achieved the highest linearity with THD 0.165% at 92.7 Pa sound pressure and charge sensitivity 0.00355 pC/Pa. The sensitivity was much lower than expected due to problems such as poor DRIE profile, residual stress in SiO2 layer, and Helmholtz resonance frequency generated by packaging. This paper shows the feasibility of pMMs using PZT thin films, and if the MEMS process and packaging are improved, the pMMs can achieve high sensitivity and linearity.