KR101265420B1 - 음향 센서 및 마이크로폰 - Google Patents

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Abstract

백플레이트에 개구된 어쿠스틱 홀의 개구 직경을 크게 하더라도 고정 전극막에 파손이 생기기 어렵고, 기생 저항이 증대되기 어려운 음향 센서를 제공한다.
다이어프램(33)에 대향하여 다이어프램(33)을 덮는 백플레이트(34)는, 고정 전극막(40)과 플레이트부(39)로 구성된다. 고정 전극막(40)으로부터는 인출 배선(44)이 연장되고, 인출 배선(44)은 고정측 전극 패드(45)에 이어져 있다. 고정 전극막(40)의 대부분의 영역에는, 비교적 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)이 개구되어 있다. 고정 전극막(40) 중 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에는, 비교적 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)이 개구되어 있다.

Description

음향 센서 및 마이크로폰{ACOUSTIC SENSOR AND MICROPHONE}
본 발명은 음향 센서 및 마이크로폰에 관한 것으로, 구체적으로는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제조되는 MEMS 방식의 음향 센서와, 상기 음향 센서를 이용한 마이크로폰에 관한 것이다.
정전 용량 방식의 음향 센서로는, 특허문헌 1에 개시된 것이나 특허문헌 2에 개시된 것이 있다. 정전 용량 방식의 센서에서는, 실리콘 기판의 표면에 다이어프램(가동 전극막)을 형성하고, 다이어프램을 덮도록 하여 실리콘 기판의 표면에 백플레이트를 고정하여, 백플레이트의 고정 전극막과 다이어프램에 의해 커패시터를 구성하고 있다. 그리고, 음향 진동으로 다이어프램을 진동시켜, 그 때의 고정 전극막과 다이어프램 사이의 정전 용량의 변화를 출력하도록 되어 있다. 또, 음향 진동으로 다이어프램을 진동시키기 위해서는, 고정 전극막과 다이어프램 사이의 에어갭에 음향 진동을 도입시켜야 하기 때문에, 백플레이트에 다수의 어쿠스틱 홀을 개구하고 있다.
이러한 음향 센서에서 S/N비를 향상시키기 위해서는, 어쿠스틱 홀의 개구 직경을 크게 해야 한다. 그러나, 백플레이트에 개구되어 있는 어쿠스틱 홀은, 비교적 막이 두꺼운 플레이트부 뿐만 아니라, 두께가 얇은 고정 전극막에도 개구되어 있다. 그 때문에, 어쿠스틱 홀의 개구 직경을 크게 하면, 고정 전극막의 인출 배선 부분이 단선되기 쉬워지거나, 기생 저항이 증가하거나 하는 문제가 있다.
일본 특허 제4338395호 공보 일본 특허 공개 제2009-89097호 공보
본 발명은, 상기와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 백플레이트에 개구된 어쿠스틱 홀(음향 구멍)의 개구 직경을 크게 하더라도 고정 전극막에 파손이 생기기 어렵고, 기생 저항이 증대되기 어려운 음향 센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서는, 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상측에 형성된 도전성의 다이어프램과, 간극을 두고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 절연성의 고정막과, 상기 다이어프램과 대향하는 위치에 있어서 상기 고정막에 형성된 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막으로부터 인출된 인출 배선과, 상기 인출 배선이 접속된 전극 패드를 포함하고, 음향 진동을 상기 다이어프램과 상기 고정 전극막 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서, 상기 고정막과 상기 고정 전극막을 포함하는 백플레이트에는 복수의 음향 구멍이 개구되어 있고, 상기 인출 배선 및 그 근방 영역은, 각각 그 밖의 영역보다 음향 구멍의 개구율이 작은 것을 특징으로 하고 있다.
여기서 개구율이란, 복수개의 음향 구멍을 포함하는 넓이의 영역에서의, 상기 영역의 면적에 대한 음향 구멍의 개구 면적의 합계의 비율을 말한다. 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 음향 구멍의 개구율을 작게 하기 위해서는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에서, 각각 그 밖의 영역보다 음향 구멍 1개당 개구 면적을 작게 하면 된다. 또는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에서, 각각 그 밖의 영역보다 인접하는 음향 구멍끼리의 중심간 거리가 길어지도록 하면 된다.
또, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역이, 각각 그 밖의 영역에 있는 음향 구멍보다 개구율이 작은 음향 구멍을 갖고 있다는 것은, 상기 인출 배선 또는 상기 인출 배선의 근방 영역이 음향 구멍을 갖지 않는(즉, 개구율이 제로인) 경우를 포함한다.
또, 상기 인출 배선의 근방 영역이란, 백플레이트의 음향 구멍 형성 영역 중 (인출 배선이 통과하는 영역을 제외함), 인출 배선의 기단(基端)으로부터 측정하여, 음향 구멍의 평균적인 중심간 거리의 6배 이내의 영역, 바람직하게는 거의 3배 이내의 영역을 말한다.
본 발명의 제1 음향 센서에 있어서는, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있는 음향 구멍이 비교적 작은 개구율로 되어 있기 때문에, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있어서 음향 구멍간의 전극막의 폭이 좁아지기 어렵고, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 기생 저항을 작게 할 수 있다. 따라서, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 노이즈의 발생을 저감시킬 수 있고, 음향 센서의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또한, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있어서 음향 구멍간의 전극막의 폭을 넓게 할 수 있기 때문에, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 음향 구멍에 의한 고정 전극막의 강도 저하를 작게 할 수 있다. 따라서, 인출 배선이나 고정 전극막의 기계적 강도가 높아져 단선이나 파손이 생기기 어려워진다.
또, 본 발명의 제1 음향 센서에 있어서는, 인출 배선 및 그 근방을 제외한 그 밖의 영역에서는, 음향 구멍의 개구율이 비교적 커져 있기 때문에, 음향 진동이 음향 구멍을 통과하기 쉬워지고, 음향 센서의 S/N비를 크게 하여 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 한 실시양태는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 상기 음향 구멍과, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 상기 음향 구멍이, 동일한 규칙에 따라서 배열되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 여기서 말하는 동일한 규칙에 따라서 배열되어 있다는 것은, 배열의 형태(예를 들어, 직사각형 배치나 동심원형 배치, 허니컴형 배치, 지그재그형 배치 등)와 배열 피치(음향 구멍끼리의 중심간 거리)가 동일한 것을 말한다. 이러한 실시양태에 의하면, 제조 공정에 있어서 에어갭의 희생층 에칭을 균일하게 행할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 다른 실시양태는, 상기 인출 배선 또는 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍의 직경이, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리의 2배보다 작은 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 고정 전극막의 강도를 확보하고, 기생 저항을 경감시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 형성된 비교적 개구 면적이 큰 상기 음향 구멍의 직경이, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리보다 큰 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 인출 배선 및 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에서 음향 구멍의 개구율이 커지기 때문에, 음향 센서의 S/N비를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 비교적 개구 면적이 큰 상기 음향 구멍의 직경이, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리의 4배보다 작은 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 음향 구멍의 개구 면적을 지나치게 크게 하여 백플레이트의 강도가 부족해지거나, 고정 전극막의 전극 면적이 지나치게 작아지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에 있어서 배열되어 있는 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍은, 인접하는 상기 음향 구멍끼리의 중심간 거리가, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 비교적 개구 면적이 큰 음향 구멍의, 인접하는 상기 음향 구멍끼리의 중심간 거리와 같은 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 제조 공정에 있어서 에어갭의 희생층 에칭을 균일하게 행할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 인출 배선에 형성한 음향 구멍으로부터 세었을 때 상기 인출 배선의 음향 구멍을 포함해서 5구획 이하의 영역에 포함되는 음향 구멍을, 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍으로 한 것을 특징으로 하고 있다. 여기서 말하는 구획이란, 인출 배선으로부터 거의 같은 거리에 있는 복수개의 음향 구멍의 중심을 통과하는 가상선을 가리킨다. 이러한 실시양태에 의하면, 백플레이트의 강도를 확보하고, 기생 저항을 경감시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제2 음향 센서는, 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상측에 형성된 도전성의 다이어프램과, 간극을 두고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 절연성의 고정막과, 상기 다이어프램과 대향하는 위치에 있어서 상기 고정막에 형성된 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막으로부터 인출된 인출 배선과, 상기 인출 배선이 접속된 전극 패드를 포함하고, 음향 진동을 상기 다이어프램과 상기 고정 전극막 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서, 상기 고정막과 상기 고정 전극막을 포함하는 백플레이트에는 복수의 음향 구멍이 개구되어 있고, 상기 인출 배선 및 그 근방 영역 중 적어도 상기 인출 배선은, 상기 음향 구멍을 갖지 않거나, 또는 그 밖의 영역에 있는 음향 구멍보다 개구율이 작은 음향 구멍을 갖고 있는(단, 상기 인출 배선에 음향 구멍이 없고, 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 음향 구멍의 개구율과 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 음향 구멍의 개구율이 같은 경우를 제외함) 것을 특징으로 하고 있다.
여기서도 개구율이란, 복수개의 음향 구멍을 포함하는 넓이의 영역에서의, 상기 영역의 면적에 대한 음향 구멍의 개구 면적의 합계의 비율을 말한다. 상기 인출 배선 및 그 근방 영역 중 적어도 상기 인출 배선에 형성된 음향 구멍의 개구율을 작게 하기 위해서는, 상기 인출 배선 및 그 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 음향 구멍보다 1개당 개구 면적을 작게 하면 된다. 또는, 상기 인출 배선 및 그 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 음향 구멍보다 인접하는 음향 구멍끼리의 중심간 거리가 길어지도록 하면 된다.
또, 인출 배선의 근방 영역이란, 백플레이트의 음향 구멍 형성 영역 중(인출 배선이 통과하는 영역을 제외함), 인출 배선의 기단으로부터 측정하여, 음향 구멍의 평균적인 중심간 거리의 6배 이내의 영역, 바람직하게는 거의 3배 이내의 영역을 말한다.
본 발명의 제2 음향 센서에 있어서는, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있는 음향 구멍이 비교적 작은 개구율로 되어 있거나, 또는 음향 구멍이 없기 때문에, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있어서 음향 구멍간의 전극막의 폭이 좁아지기 어렵고, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 기생 저항을 작게 할 수 있다. 따라서, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 노이즈의 발생을 저감할 수 있고, 음향 센서의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또한, 인출 배선 및 그 근방 영역에 있어서 음향 구멍간의 전극막의 폭을 넓게 할 수 있기 때문에, 인출 배선 및 그 근방 영역에서의 음향 구멍에 의한 고정 전극막의 강도 저하를 작게 할 수 있다. 따라서, 인출 배선이나 고정 전극막의 기계적 강도가 높아져 단선이나 파손이 생기기 어려워진다.
또, 본 발명의 제2 음향 센서에서는, 인출 배선 및 그 근방을 제외한 그 밖의 영역에서는, 음향 구멍의 개구율이 비교적 커져 있기 때문에, 음향 진동이 음향 구멍을 통과하기 쉬워지고, 음향 센서의 S/N비를 크게 하여 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제1 마이크로폰은, 본 발명에 따른 제1 음향 센서와 상기 음향 센서로부터 출력된 전기 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 하우징 내에 넣은 것이다. 본 발명의 마이크로폰에 의하면, 본 발명의 음향 센서를 이용하고 있기 때문에, 노이즈의 발생을 저감시킬 수 있고, 마이크로폰의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또한, 음향 센서에서의 인출 배선이나 고정 전극막의 단선이나 파손이 생기기 어려워져, 마이크로폰의 고장이 발생하기 어려워진다.
본 발명에 따른 제2 마이크로폰은, 본 발명에 따른 제2 음향 센서와 상기 음향 센서로부터 출력된 전기 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 하우징 내에 넣은 것이다. 본 발명의 마이크로폰에 의하면, 본 발명의 음향 센서를 이용하고 있기 때문에, 노이즈의 발생을 저감할 수 있고, 마이크로폰의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 또한, 음향 센서에서의 인출 배선이나 고정 전극막의 단선이나 파손이 생기기 어려워져, 마이크로폰의 고장이 발생하기 어려워진다.
또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절하게 조합한 특징을 갖는 것이며, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변형을 가능하게 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 백플레이트에 개구된 어쿠스틱 홀의 개구 직경을 크게 하더라도 고정 전극막을 파손시키기 어렵고 기생 저항이 증대되기 어려운 음향 센서를 제공할 수 있고, 노이즈의 발생을 저감시킬 수 있고, S/N비를 향상시킬 수 있는 마이크로폰을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 음향 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 X-X선 단면도이다.
도 3은 실시형태 1의 음향 센서의 작용 설명도이다.
도 4는 실시형태 1의 음향 센서에서의 어쿠스틱 홀의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 따른 음향 센서의 평면도이다.
도 6은 실시형태 2의 음향 센서에 있어서, 백플레이트의 플레이트부를 제거한 상태의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 3에 따른 음향 센서의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 4에 따른 음향 센서의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 5에 따른 마이크로폰의 개략 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 설계 변경할 수 있다.
(제1 실시형태)
우선, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시형태 1에 의한 음향 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 1은 음향 센서(31)의 평면도이다. 도 2는 음향 센서(31)의 대각 방향에서의 단면도(도 1의 X-X선 단면)이다.
이 음향 센서(31)는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 정전 용량형 소자이고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(32)(반도체 기판)의 상면에 앵커(37)를 개재하여 다이어프램(33)을 형성하고, 그 위에 미세한 에어갭을 개재하여 백플레이트(34)를 고정한 것이다.
단결정 실리콘으로 이루어진 실리콘 기판(32)에는, 표면으로부터 이면으로 관통한 백챔버(35)가 형성되어 있다. 백챔버(35)는 내측 둘레면이 수직면이 되어 있어도 좋고, 테이퍼형으로 경사져 있어도 좋다.
실리콘 기판(32)의 상면에는, 다이어프램(33)의 외측 둘레부 하면을 지지하기 위한 복수개의 앵커(37)가 형성되어 있고, 또한 실리콘 기판(32)의 상면에는, 다이어프램(33)을 둘러싸도록 하여 막두께의 토대부(41)가 형성되어 있다. 또한, 실리콘 기판(32)의 상면의 토대부(41)보다 외측의 영역은 토대부(41)보다 얇은 밀착층(47)에 의해 덮여 있다. 앵커(37) 및 토대부(41)는 SiO2로 형성되어 있다. 밀착층(47)은 SiO2 또는 폴리실리콘으로 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(33)은, 대략 원판형의 폴리실리콘 박막으로 형성되어 있고, 도전성을 갖고 있다. 다이어프램(33)으로부터는 외측을 향해 띠판형의 인출 배선(43)이 연장되어 있다.
다이어프램(33)은, 백챔버(35)의 상면 개구를 덮도록 하여 실리콘 기판(32) 상에 배치되어 있다. 다이어프램(33)의 외측 둘레부 하면은, 그 전체 둘레가 앵커(37)에 의해 실리콘 기판(32)의 상면에 고정되어 있다. 따라서, 다이어프램(33)은, 백챔버(35)의 상측에서 공중에 떠 있어, 음향 진동(공기 진동)에 감응하여 막진동 가능하게 되어 있다.
백플레이트(34)는, 질화막(SiN)으로 이루어진 플레이트부(39)(고정막)의 하면에 폴리실리콘으로 이루어진 고정 전극막(40)을 형성한 것이다. 백플레이트(34)는 덮개형으로 되어 있고, 그 아래의 공동 부분으로 다이어프램(33)을 덮고 있다. 백플레이트(34) 아래의 공동 부분의 높이(실리콘 기판(32)의 상면으로부터 고정 전극막(40)의 하면까지의 높이)는, 제조상의 이유 때문에, 실리콘 기판(32)의 상면에 형성된 토대부(41)의 두께와 동일하게 되어 있다. 백플레이트(34)의 하면(즉, 고정 전극막(40)의 하면)과 다이어프램(33)의 상면 사이에는 미세한 에어갭이 형성되어 있다. 고정 전극막(40)은, 가동 전극막인 다이어프램(33)과 대향하여 커패시터를 구성하고 있다.
백플레이트(34)에는, 상면으로부터 하면으로 관통하도록 하여 음향 진동을 통과시키기 위한 어쿠스틱 홀(38a, 38b)(음향 구멍)이 다수 천공되어 있다. 백플레이트(34) 중 고정 전극막(40)의 인출 배선(44) 및 그 근방의 영역에 형성되어 있는 어쿠스틱 홀(38b)은, 그 이외의 영역(즉, 백플레이트(34)의 어쿠스틱 형성 영역 중 인출 배선(44)으로부터 떨어진 대부분의 영역)에 형성되어 있는 어쿠스틱 홀(38a)보다 개구 면적이 작아져 있다. 또한, 어쿠스틱 홀(38a, 38b)은 플레이트부(39)로부터 고정 전극막(40)을 관통하고 있지만, 플레이트부(39)의 어쿠스틱 홀과 고정 전극막(40)의 어쿠스틱 홀은 동일한 부호로 나타낸다.
또, 다이어프램(33)의 외측 둘레부 하면과 실리콘 기판(32)의 상면 사이에도, 작은 간극(음향 진동의 통로)이 있다. 따라서, 어쿠스틱 홀(38a, 38b)을 통과하여 백플레이트(34) 내에 들어간 음향 진동은, 다이어프램(33)을 진동시키고, 다이어프램(33)의 외측 둘레부와 실리콘 기판(32) 사이의 간극을 통과하여 백챔버(35)로 빠져 나간다.
또, 백플레이트(34)의 내면에는 미세한 스토퍼(42)가 다수 돌출되어 있고, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이에 과전압이 인가되었을 때의 정전 인력에 의해 다이어프램(33)이 백플레이트(34)의 하면에 흡착되어 되돌아가지 않게 되는 것을 방지하고 있다. 또, 다이어프램(33)과 백플레이트(34)의 사이에 침입한 수분에 의해 다이어프램(33)이 백플레이트(34)에 고착(고정)하여 되돌아가지 않게 되는 현상도 스토퍼(42)에 의해 방지된다.
덮개형의 플레이트부(39)의 외측 둘레 가장자리로부터는, 전체 둘레에 걸쳐 보호막(53)이 연속적으로 연장되어 있다. 따라서, 보호막(53)은 플레이트부(39)와 동일하게 질화막(SiN)으로 형성되어 있고, 플레이트부(39)와 거의 동일한 막두께를 갖고 있다. 보호막(53)의 내측 둘레부는 단면 역홈형상의 토대 피복부(51)가 되고, 보호막(53)의 외측 둘레부는 평탄부(52)가 된다.
백플레이트(34)는 실리콘 기판(32)의 상면에 고정되어 있고, 보호막(53)은 토대부(41) 및 밀착층(47)을 개재시켜 실리콘 기판(32)의 상면 외측 둘레부를 덮고 있다. 보호막(53)의 토대 피복부(51)는 토대부(41)를 덮고 있고, 평탄부(52)는 밀착층(47)의 상면을 덮고 있다.
다이어프램(33)의 인출 배선(43)은 토대부(41)에 고정되어 있고, 고정 전극막(40)으로부터 연장된 인출 배선(44)도 토대부(41)의 상면에 고정되어 있다. 한편, 토대 피복부(51)에는 개구가 열려져 있고, 상기 개구를 통과하여 인출 배선(43)의 상면에 가동측 전극 패드(46)(전극 단자)가 형성되고, 가동측 전극 패드(46)는 인출 배선(43)에(따라서, 다이어프램(33)에)도통하고 있다. 또, 플레이트부(39)의 상면에 형성된 고정측 전극 패드(45)(전극 단자)는, 관통 구멍 등을 통해 인출 배선(44)에(따라서, 고정 전극막(40)에)도통하고 있다.
인출 배선(44) 및 그 근방 영역에 형성되어 있는 어쿠스틱 홀(38b)은 비교적 개구 면적이 작고, 그 이외의 영역에 형성되어 있는 어쿠스틱 홀(38a)은 비교적 큰 개구 면적을 갖고 있다. 이들 어쿠스틱 홀(38a, 38b)은, 전체적으로 도 1에 나타낸 바와 같이 삼각형(또는 허니컴형)으로 배열되어 있어도 좋고, 사각형이나 원환형으로 배열되어 있어도 좋고, 랜덤으로 배열되어 있어도 좋다. 따라서, 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)이 형성되어 있는 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38a)간의 이격 거리(즉, 인접하는 어쿠스틱 홀의 외측 둘레간의 최단거리)가 비교적 작아져 있고, 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)이 형성되어 있는 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38b)간의 이격 거리는 비교적 커져 있다.
그리고, 이 음향 센서(31)에 있어서는, 음향 진동이 어쿠스틱 홀(38a, 38b)을 통과하여 백플레이트(34)와 다이어프램(33) 사이의 공간에 들어가면, 박막인 다이어프램(33)이 음향 진동에 공진하여 막진동한다. 다이어프램(33)이 진동하여 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 갭거리가 변화하면, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전 용량이 변화한다. 그 결과, 이 음향 센서(31)에 있어서는, 다이어프램(33)이 감지하고 있는 음향 진동(음압의 변화)이 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전 용량이 변화하여, 전극 패드(45, 46)로부터 전기적인 신호로서 출력된다.
또, 이 음향 센서(31)에서는, 인출 배선(44) 및 인출 배선(44)의 근방 영역을 제외한 영역, 즉 백플레이트(34)의 대부분에 있어서는, 개구 면적이 비교적 큰 어쿠스틱 홀(38a)을 형성하고 있기 때문에, 음향 진동이 어쿠스틱 홀(38a, 38b)을 통과하기 쉽고, 음향 센서(31)의 S/N비를 크게 하여 감도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40)의 정전 용량의 변화에 따라서 고정측 전극 패드(45)와 고정 전극막(40) 사이에는 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이 인출 배선(44)을 통하여 전류가 흐른다. 그 때문에, 인출 배선(44)이나 그 근방 영역에 있는 어쿠스틱 홀(38b)의 개구 면적이 크면, 전류 통로의 단면적이 좁아져 전류 통로의 기생 저항이 높아진다. 그리고, 기생 저항이 높아지면, 저항체로부터 발생하는 전기 노이즈가 증대되어 음향 센서의 특성을 악화시킬 우려가 있다.
이에 비해, 상기 음향 센서(31)에서는, 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에 형성한 어쿠스틱 홀(38b)의 개구 면적이 비교적 작아져 있기 때문에, 인출 배선(44) 및 고정 전극막(40)에서의 전류 통로의 단면적이 어쿠스틱 홀(38b)에 의해 좁아지기 어렵고, 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이 흐르는 전류의 기생 저항이 작아진다. 따라서, 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에서도 기생 저항을 작게 하여 노이즈를 저감시킬 수 있고, 센서의 S/N비를 향상시킬 수 있다. 그 결과, 개구 면적이 비교적 큰 어쿠스틱 홀(38a)과 개구 면적이 비교적 작은 어쿠스틱 홀(38b)의 조합에 의해, 음향 센서(31)의 S/N비를 효율적으로 향상시킬 수 있다.
또, 인출 배선(44)의 부분은 폭이 좁기 때문에 강도가 낮을 뿐만 아니라, 어쿠스틱 홀(38b)이 개구되어 있기 때문에 더욱 강도가 저하되기 쉽다. 또, 인출 배선(44)의 끝은 토대부(41)에 고정되어 있기 때문에, 고정 전극막(40) 중 인출 배선(44)과 이어져 있는 개소에 응력이 집중되기 쉽고, 또한 어쿠스틱 홀(38b)에 의해서도 강도가 저하되었다. 그 때문에, 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀을 형성하면, 인출 배선(44)이나 그 근방 영역에서 인출 배선(44)이나 고정 전극막(40)이 파손되거나 단선되어 음향 센서(31)의 기능이 정지될 우려가 있다.
이에 비해, 상기 음향 센서(31)에서는, 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38b)의 개구 면적을 작게 하고 있기 때문에, 인출 배선(44)이나 그 근방 영역에서의 어쿠스틱 홀(38b)에 기인하는 강도 저하를 작게 할 수 있다. 따라서, 음향 센서(31)에서는, 인출 배선(44)이나 고정 전극막(40)에 단선이나 파손이 생기기 어려워져, 음향 센서(31)의 기계적 강도가 향상된다.
이어서, 음향 센서(31)의 특성을 양호하게 하기 위한 어쿠스틱 홀(38a, 38b)의 크기와 피치의 관계에 관해 설명한다. 단, 어쿠스틱 홀(38a, 38b)은 거의 원형의 개구로서, 규칙적으로 배열되어 있는 것으로 한다.
인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역의 비교적 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)에 관해 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)의 직경을 Wa로 하고, 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리를 Da로 하면, 어쿠스틱 홀(38a)의 배열 피치(중심간 거리)는 Wa+Da가 된다. 또, 이격 거리 Da×고정 전극막(40)의 두께가, 어쿠스틱 홀(38a) 사이를 흐르는 전류에 대한 전류 통로의 단면적을 나타낸다.
우선 첫째로, 음향 센서(31)의 S/N비를 향상시키기 위해서는, 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역에서는 어쿠스틱 홀(38a)의 개구율을 크게 해 두는 것이 바람직하기 때문에,
직경 Wa > 이격 거리 Da
로 하는 것이 바람직하다.
또, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 에어갭에서 발생하는 열잡음을 효율적으로 제거하기 위해서는, 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리 Da는 가능한 한 좁은 것이 바람직하다. 그러나, 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리를 과도하게 좁히면, 백플레이트(34)의 강도가 부족해지거나, 고정 전극막(40)의 전극 면적이 작아져 버린다. 따라서,
Da > 0.25×Wa
인 것이 바람직하다. 따라서, 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리 Da는 가능한 한 좁은 것이 바람직하지만, 0.25 Wa를 하한치로 한다.
이들을 정리하여 나타내면,
0.25×Wa < Da < Wa
라는 조건을 얻을 수 있다.
한편, 어쿠스틱 홀(38a)의 직경 Wa가 지나치게 작으면, 제조 공정에 있어서 백플레이트(34) 내에 존재하고 있던 희생층을 에칭할 수 없거나, 어쿠스틱 홀(38a)의 내부에서 열잡음이 발생하거나 할 우려가 있기 때문에, 어쿠스틱 홀(38a)의 직경 Wa는 3 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 예를 들어, Wa=16 ㎛, Da=8 ㎛로 하면, 에어갭에서의 열잡음을 작게 할 수 있고, 또 높은 S/N비를 얻을 수 있다.
이어서, 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에서의 비교적 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)에 관해 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)의 직경을 Wb로 하고, 어쿠스틱 홀(38b)끼리의 이격 거리를 Db로 하면, 어쿠스틱 홀(38b)의 배열 피치는 Wb+Db가 된다. 또, 이격 거리 Db×고정 전극막(40)의 두께가, 어쿠스틱 홀(38b) 사이를 흐르는 전류에 대한 전류 통로의 단면적을 나타낸다.
인출 배선(44)의 근방에서는, 고정 전극막(40)의 강도 확보나 기생 저항 경감을 우선시 해야 하기 때문에, 어쿠스틱 홀(38b)끼리의 이격 거리 Db는 넓은 것이 바람직하다. 특히, 고정 전극막(40)에 충분한 강도를 부여하기 위해서는, 이격 거리 Db는 어쿠스틱 홀(38b)의 반경보다 크게 하면 된다(예를 들어, Db > 0.5×Wb로 하면 된다). 또, 에어갭의 희생층 에칭을 균일하게 하기 위해서는, 인출 배선(44) 및 그 근방 영역에서의 어쿠스틱 홀(38b)의 배열 피치 Wb+Db를, 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역에서의 어쿠스틱 홀(38a)의 배열 피치 Wa+Da와 동일하게 해 두는 것이 바람직하다. 즉, Wb+Db=Wa+Da에서 Wa>Wb이기 때문에, Da < Db가 된다. 따라서, 어쿠스틱 홀(38a)의 배치를 상기와 같이 Wa=16 ㎛, Da=8 ㎛로 하는 경우라면, 어쿠스틱 홀(38b)의 배치를 Wb=10 ㎛, Db=14 ㎛로 하면, 고정 전극막(40)에 충분한 강도를 부여할 수 있고, 또한 희생층 에칭도 균일하게 행할 수 있다.
또, 백플레이트(34)의 강도를 확보하고, 기생 저항을 경감시키는 관점에서 보면, 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)을 형성하는 영역은, 1구획 이상 5구획 이하가 바람직하다. 6구획 이상이 되면 에어갭의 열잡음을 작게 할 수 없고, 음향 센서(31)의 S/N비를 악화시켜 버릴 가능성이 있기 때문이다. 여기서, 어쿠스틱 홀(38b)의 구획이란, 연속적으로 배치된(특히, 짧은 간격으로 나열되어 있어 연속적이라고 간주된) 1 세트의 어쿠스틱 홀(38b)을 1구획으로 한 것이다. 예를 들어, 도 4의 예에서는, 3구획으로 이루어지며, 첫번째 구획(I)은 인출 배선(44)에 형성한 1개의 어쿠스틱 홀(38b)로 이루어지고, 두번째 구획(II)은 3개의 어쿠스틱 홀(38b)[예를 들어, 첫번째 구획(I)의 어쿠스틱 홀(38b)에서 모서리까지의 거리가 Wb+Db인 육각형 위에 위치하는 어쿠스틱 홀(38b)]로 이루어지고, 세번째의 구획(III)은 5개의 어쿠스틱 홀(38b)[예를 들어, 첫번째 구획(I)의 어쿠스틱 홀(38b)에서 모서리까지의 거리가 2Wb+2Db인 육각형 위에 위치하는 어쿠스틱 홀(38b)]로 이루어진다. 도 4의 예에서는, 모든 방향에서 어쿠스틱 홀(38b)의 간격이 같기 때문에, 가능한 한 많은 어쿠스틱 홀(38b)이 나열된 방향에서 1구획을 정하고 있다.
(제2 실시형태)
본 발명의 실시형태 2에 의한 음향 센서를 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시형태 2에 의한 음향 센서(61)의 평면도이다. 도 6은 음향 센서(61)의 플레이트부(39)를 생략하여 나타낸 평면도로서, 그 일부를 확대하여 함께 나타낸다.
실시형태 2의 음향 센서(61)도, 다이어프램(33) 및 백플레이트(34)가 거의 직사각형으로 형성되어 있는 점을 제외하면 실시형태 1의 음향 센서(31)와 거의 동일한 구조를 갖고 있기 때문에, 실시형태 1과 동일한 구조의 부분에 관해서는 도면에 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
음향 센서(61)에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 다이어프램(33)이 거의 직사각형으로 형성되어 있고, 그 4개의 코너로부터는 캔틸레버부(62)가 대각 방향으로 연장되어 있다. 다이어프램(33)은, SiO2에 의해 실리콘 기판(32)의 상면에 형성된 앵커(37)에 의해 각 캔틸레버부(62)의 하면이 지지되어 있다.
또, 음향 센서(61)에서도, 고정 전극막(40)으로부터 연장된 인출 배선(44)의 근방 영역에서는, 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)이 형성되어 있고, 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역에서는, 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)이 형성되어 있다. 어쿠스틱 홀(38b)은, 어쿠스틱 홀(38a)과 동일한 배열 피치로, 3구획이 되도록 형성되어 있다.
(제3 실시형태)
본 발명의 실시형태 3에 의한 음향 센서를 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시형태 3에 의한 음향 센서(71)의 평면도이다.
실시형태 3의 음향 센서(71)에서는, 인출 배선(44)에 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)을 1개 또는 복수개 형성하고, 인출 배선(44)에 있는 어쿠스틱 홀(38b)만을 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀로 하였다. 인출 배선(44)이 통과하고 있는 영역 이외의 영역에는, 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)을 규칙적으로 배열하고 있다. 단, 인출 배선(44)의 근방 영역에서는, 규칙적으로 배열된 어쿠스틱 홀(38a) 중에서 몇개의 어쿠스틱 홀(38a)을 줄임으로써, 어쿠스틱 홀(38a)의 수(數)밀도를 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역보다 작게 하여, 어쿠스틱 홀(38a)의 배열 피치를 작게 하고 있다.
이 실시형태에서, 인출 배선(44)에서는, 어쿠스틱 홀(38b)의 개구 면적을 작게 함으로써 어쿠스틱 홀의 개구율을 작게 하고 있다. 또, 인출 배선(44)의 근방 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38a)의 수밀도를 작게 함으로써 어쿠스틱 홀의 개구율을 작게 하고 있다.
도 7의 실시형태는, 인출 배선(44)에 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)을 형성하고, 인출 배선(44)의 근방 영역에는 어쿠스틱 홀을 형성하지 않았다고(즉, 개구율이 제로) 생각할 수도 잇다.
또, 다음과 같이, 인출 배선(44)이 통과하고 있는 영역에서만 개구율이 작아지도록 해도 좋다. 즉, 인출 배선(44)에는 개구 면적이 작은 어쿠스틱 홀(38b)을 형성하여 개구율을 작게 한다. 한편, 인출 배선(44)이 통과하고 있는 영역 이외의 영역에는 개구 면적이 큰 어쿠스틱 홀(38a)을 규칙적으로 배열하고, 인출 배선(44)의 근방 영역도 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역과 동일한 개구율이 되도록 한다.
(제4 실시형태)
본 발명의 실시형태 4에 의한 음향 센서를 설명한다. 도 8은 본 발명의 실시형태 4에 의한 음향 센서(81)의 평면도이다.
실시형태 4의 음향 센서(81)에서는, 인출 배선(44)이 통과하고 있는 영역 이외의 영역에 어쿠스틱 홀(38a)을 형성하고 있다. 어쿠스틱 홀(38a)은, 모두 같은 크기의 개구 면적(또는 개구 직경)을 갖고 있다. 그리고, 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역에 있는 어쿠스틱 홀(38a)에서는, 인접하는 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리가 비교적 작아지도록 어쿠스틱 홀(38a)을 규칙적으로 배열하고 있다. 인출 배선(44)의 근방 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38a)끼리의 이격 거리가 인출 배선(44)으로부터는 떨어진 영역보다 커지도록, 어쿠스틱 홀(38a)을 불규칙하게 또는 랜덤으로 배치하고 있다.
이 실시형태에서는, 인출 배선(44)에 어쿠스틱 홀이 형성되어 있지 않기 때문에 그 개구율은 제로이고, 인출 배선(44)의 근방 영역에서는, 어쿠스틱 홀(38a)의 수밀도가 작아, 그 개구율이 인출 배선(44)으로부터 떨어진 영역보다 작아졌다.
또한, 도 8의 실시형태에서, 인출 배선(44)에 작은 어쿠스틱 홀(38b)을 형성하더라도 좋다.
(제5 실시형태)
도 9는 본 발명의 실시형태 5에 의한 마이크로폰(91)을 나타내는 개략 단면도이다. 음향 센서(92)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, IC 회로(93)(신호 처리 회로)와 함께 패키지(94) 내에 실장되고, 음향 센서(92)의 전극 패드(95)와 IC 회로(93)를 본딩 와이어(96)로 결선하고, 또 IC 회로(93)를 본딩 와이어(97)로 패키지(94)의 전극부(98)에 결선하고 있다. 또, 패키지(94)의 상면에는, 음향 진동을 패키지(94) 내에 넣기 위한 음향 진동 도입 구멍(99)이 개구되어 있다.
그리고, 음향 진동 도입 구멍(99)으로부터 패키지(94) 내로 음향 진동이 들어오면, 그 음향 진동이 음향 센서(92)에서 검지된다. 음향 진동에 의해 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전 용량이 변화하고, 이 정전 용량 변화가 전기 신호로서 IC 회로(93)에 출력된다. IC 회로(93)는, 음향 센서(92)로부터 출력된 전기 신호에 정해진 신호 처리를 하여 전극부(98)로부터 외부로 출력시킬 수 있다.
31, 61 : 음향 센서 32 : 실리콘 기판
33 : 다이어프램 34 : 백플레이트
35 : 백챔버 38a, 38b : 어쿠스틱 홀
39 : 플레이트부 40 : 고정 전극막
44 : 인출 배선 45 : 고정측 전극 패드
46 : 가동측 전극 패드 62 : 캔틸레버부

Claims (12)

  1. 백챔버(back chamber)를 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상측에 형성된 도전성의 다이어프램과,
    간극을 두고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 절연성의 고정막과,
    상기 다이어프램과 대향하는 위치에 있어서 상기 고정막에 형성된 도전성의 고정 전극막과,
    상기 고정 전극막으로부터 인출된 인출 배선과,
    상기 인출 배선이 접속된 전극 패드를 포함하고,
    음향 진동을 상기 다이어프램과 상기 고정 전극막 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서,
    상기 고정막과 상기 고정 전극막을 포함하는 백플레이트에는 복수의 음향 구멍이 개구되어 있고,
    상기 인출 배선 및 그 근방 영역은, 각각 그 밖의 영역보다 음향 구멍의 개구율이 작은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역은, 각각 그 밖의 영역보다 음향 구멍 1개당 개구 면적이 작은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역은, 각각 그 밖의 영역보다 인접하는 음향 구멍끼리의 중심간 거리가 긴 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 상기 음향 구멍과, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 상기 음향 구멍은, 동일한 규칙에 따라서 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선 또는 상기 인출 배선의 근방 영역에 형성된 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍의 직경은, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리의 2배보다 작은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  6. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 형성된 비교적 개구 면적이 큰 상기 음향 구멍의 직경은, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  7. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 비교적 개구 면적이 큰 상기 음향 구멍의 직경은, 상기 음향 구멍끼리의 이격 거리의 4배보다 작은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  8. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역에 있어서 배열되어 있는 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍은, 인접하는 상기 음향 구멍끼리의 중심간 거리가, 상기 인출 배선 및 상기 인출 배선의 근방 영역을 제외한 그 밖의 영역에 있는 비교적 개구 면적이 큰 음향 구멍의, 인접하는 상기 음향 구멍끼리의 중심간 거리와 같은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  9. 제2항에 있어서, 상기 인출 배선에 형성된 음향 구멍으로부터 세었을 때 상기 인출 배선의 음향 구멍을 포함해서 5구획 이하의 영역에 포함되는 음향 구멍을, 비교적 개구 면적이 작은 상기 음향 구멍으로 한 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  10. 백챔버를 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상측에 형성된 도전성의 다이어프램과,
    간극을 두고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 절연성의 고정막과,
    상기 다이어프램과 대향하는 위치에 있어서 상기 고정막에 형성된 도전성의 고정 전극막과,
    상기 고정 전극막으로부터 인출된 인출 배선과,
    상기 인출 배선이 접속된 전극 패드를 포함하고,
    음향 진동을 상기 다이어프램과 상기 고정 전극막 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서,
    상기 고정막과 상기 고정 전극막을 포함하는 백플레이트에는 복수의 음향 구멍이 개구되어 있고,
    복수의 음향 구멍이 개구되어 있는 상기 백 플레이트의 음향 구멍 형성 영역은 상기 인출 배선의 기단 근방의 제1 영역과, 상기 제1 영역 이외의 제2 영역을 포함하고,
    상기 인출 배선 및 상기 제1 영역 중 적어도 상기 인출 배선은, 상기 음향 구멍을 갖지 않거나, 또는 상기 제2 영역에 있는 음향 구멍보다 개구율이 작은 음향 구멍을 갖고 있는(단, 상기 인출 배선에 음향 구멍이 없고, 상기 제1 영역에 형성된 음향 구멍의 개구율과 상기 제2 영역에 있는 음향 구멍의 개구율이 같은 경우를 제외함) 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  11. 제1항에 기재된 음향 센서와, 상기 음향 센서로부터 출력된 전기 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 하우징 내에 넣은 마이크로폰.
  12. 제10항에 기재된 음향 센서와, 상기 음향 센서로부터 출력된 전기 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 하우징 내에 넣은 마이크로폰.
KR1020110041609A 2010-05-13 2011-05-02 음향 센서 및 마이크로폰 KR101265420B1 (ko)

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