KR101492708B1 - Ｍｅｍｓ 구조물 내의 조절 가능한 통기구 - Google Patents

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Abstract

MEMS 구조물 및 MEMS 구조물을 동작시키기 위한 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, MEMS 구조물은 기판, 백플레이트 및 멤브레인을 포함하고, 멤브레인은 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하고, 제 1 영역은 신호를 감지하도록 구성되고, 제 2 영역은 문턱 주파수를 제 1 값으로부터 제 2 값으로 조절하도록 구성되며, 백플레이트 및 멤브레인은 기판에 기계적으로 접속된다.

Description

ＭＥＭＳ 구조물 내의 조절 가능한 통기구{ADJUSTABLE VENTILATION OPENINGS IN MEMS STRUCTURES}
본 발명은 일반적으로 MEMS 구조물 내의 조절 가능한 통기구 및 MEMS 구조물을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 많은 개수의 마이크가 적은 비용으로 제조된다. 이러한 요건으로 인해, 마이크는 종종 실리콘 기술로 생산된다. 마이크는 상이한 응용 분야를 위해 상이한 구성으로 생산된다. 하나의 예에서, 마이크는 상대 전극에 대한 멤브레인의 변형 또는 편향을 측정함으로써 용량(capacity)의 변화를 측정한다. 마이크는 전형적으로 바이어스 전압을 적절한 값으로 설정함으로써 동작된다.
마이크는 제조 공정에 의해 종종 설정되는 신호 대 잡음 비(SNR), 멤브레인 또는 상대 전극의 강성률(rigidity), 또는 멤브레인의 직경과 같은 동작 및 다른 매개 변수를 가질 수 있다. 추가로, 마이크는 제조 공정에서 사용된 상이한 재료에 기초하여 상이한 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, MEMS 구조물은 기판, 백플레이트(backplate), 및 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함한 멤브레인을 포함하며, 제 1 영역은 신호를 감지하도록 구성되고, 제 2 영역은 문턱 주파수(threshold frequency)를 제 1 값으로부터 제 2 값으로 조절하도록 구성되며, 백플레이트 및 멤브레인은 기판에 기계적으로 접속된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, MEMS 구조물은 기판, 백플레이트, 및 조절 가능한 통기구를 포함한 멤브레인을 포함한다. 백플레이트 및 멤브레인은 기판에 기계적으로 접속된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, MEMS 구조물을 동작시키기 위한 방법은 백플레이트에 대해 멤브레인의 감지 영역을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 단계, 및 고 에너지 신호가 검출되면 멤브레인 내의 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 방법은 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 단계, 및 MEMS 구조물의 응용 설정이 변화되면 멤브레인 내의 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄시키는 단계를 포함한다.
본 발명 및 본 발명의 장점을 더욱 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부 도면을 참조하여 해석되는 이하의 상세한 설명을 참조한다.
도 1a는 MEMS 구조물의 평면도를 도시한다.
도 1b는 MEMS 구조물의 접속 영역의 상세 사시도를 도시한다.
도 1c는 MEMS 구조물의 접속 영역의 단면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 조절 가능한 통기구의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 2d는 조절 가능한 통기구의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 2e는 코너 또는 문턱 주파수에 대한 다이어그램을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 조절 가능한 통기구의 실시예 및 구성을 도시한다.
도 4a는 멤브레인이 백플레이트 쪽으로 당겨져 있는 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 4b는 멤브레인이 기판 쪽으로 당겨져 있는 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 5a는 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 5b는 도 5a의 MEMS 구조물의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 6a는 작동되지 않은 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 6b는 작동된 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7a는 작동되지 않은 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7b는 작동된 MEMS 구조물의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 7c는 도 7a의 MEMS 구조물의 일 실시예의 평면도를 도시한다.
도 8a는 조절 가능한 통기구가 원래 폐쇄되어 있는 MEMS 구조물의 동작의 흐름도를 도시한다.
도 8b는 조절 가능한 통기구가 원래 개방되어 있는 MEMS 구조물의 동작의 흐름도를 도시한다.
도 8c는 조절 가능한 통기구가 제 1 응용 설정으로부터 제 2 응용 설정으로 스위칭하도록 개방되는 MEMS 구조물의 동작의 흐름도를 도시한다.
도 8d는 조절 가능한 통기구가 제 1 응용 설정으로부터 제 2 응용 설정으로 스위칭하도록 폐쇄되는 MEMS 구조물의 동작의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 현재의 바람직한 실시예의 제작 및 사용이 이하에서 상세하게 논의된다. 그러나, 본 발명은 매우 다양한 특정 상황에서 구현될 수 있는 많은 응용 가능한 발명 개념을 제공한다는 점이 이해되어야 한다. 논의된 특정 실시예는 단지 본 발명을 제작하며 사용하기 위한 특정 방식을 예시하며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명은 특정 상황에서의 실시예, 즉, 센서 또는 마이크에 대해 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 또한 압력 센서, RF MEMS, 가속도계, 및 액추에이터와 같은 다른 MEMS 구조물에 응용될 수 있다.
마이크는 칩 상에 평행 평판 커패시터(parallel plate capacitor)로서 실현된다. 칩은 주어진 백볼륨(back-volume)을 둘러싸면서 패키징(packaging)된다. 이동 가능한 멤브레인은 음향 신호와 같은 압력 차이로 인해 진동한다. 멤브레인 변위(membrane displacement)는 커패시턴스 감지(capacitive sensing)를 사용하여 전기 신호로 변환된다.
도 1a는 MEMS 소자(100)의 평면도를 도시한다. 백플레이트 또는 상대 전극(120) 및 이동 가능한 전극 또는 멤브레인(130)이 접속 영역(115)을 통해 기판(110)에 접속된다. 도 1b 및 도 1c는 MEMS 소자(100)의 하나의 접속 영역(115)의 상세 사시도를 도시한다. 백플레이트 또는 상대 전극(120)은 멤브레인 또는 이동 가능한 전극(130) 상에 배열된다. 백플레이트(120)는 감쇠(damping)를 방지하거나 완화시키기 위해 천공된다. 멤브레인(130)은 저 주파수 압력 균등화를 위한 통기 구멍(140)을 포함한다.
도 1a 내지 도 1c의 실시예에서, 멤브레인(130)은 접속 영역(115) 내에서 기판(110)에 기계적으로 접속된다. 이들 영역(115)에서, 멤브레인(130)은 이동할 수 없다. 백플레이트(120)도 또한 접속 영역(115) 내에서 기판(110)에 기계적으로 접속된다. 기판(110)은 백볼륨(back-volume)을 위한 공간을 제공하는 림(122)을 형성한다. 멤브레인(130) 및 백플레이트(120)는 림(122)에서 또는 림(122)에 인접하여 기판에 접속된다. 이러한 실시예에서, 림(122) 및 백플레이트(120)은 원을 형성한다. 대안적으로, 림(122) 및 백플레이트(120)은 정사각형을 포함할 수 있거나 모든 다른 적절한 기하 형상을 포함할 수 있다.
일반적으로, 센서를 설계하며 제작하는 것은 높은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio, SNR)를 요구한다. 무엇보다도, 측정되는 커패시턴스에서의 변화가 가능한 한 클 때 그리고 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)가 가능한 한 작을 때 이것이 달성될 수 있다. 전체 커패시턴스에 비해 커패시턴스의 기생 부분이 커질수록, SNR이 작아진다.
통기 구멍을 통한 통기 경로의 저항 및 백볼륨의 컴플라이언스(compliance)는 센서의 RC 상수(RC constant)를 정의한다. 통기 구멍이 크면 코너 주파수(corner frequency)가 비교적 높은 주파수이며, 통기 구멍이 작으면 코너 주파수가 비교적 더 낮은 주파수이다. 통기 구멍의 직경 및 백볼륨은 구성에 의해 주어지며, 따라서 코너 주파수는 구성에 의해 주어진다. 따라서, 코너 주파수는 동작 중에 변화될 수 없다.
고정된 크기의 통기 구멍을 이용하는 경우의 문제는 심지어 전기 필터를 적용하더라도 통기 구멍의 코너 주파수보다 높은 주파수를 갖는 고 에너지 신호가 센서를 왜곡하거나 오버드라이브(overdrive)한다는 것이다. 또한, 하나 초과의 응용을 위해 하나의 센서가 사용되면, 두 개의 센서가 하나의 센서 시스템 내로 통합되어야 하며, 이는 시스템 비용을 두 배로 한다.
본 발명의 일 실시예는 MEMS 구조물 내의 조정 가능한 통기구를 제공한다. 조정 가능한 통기구는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에 스위칭될 수 있다. 조정 가능한 통기구는 또한 중간 위치에 설정될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예는 가변적인 통기구 단면을 제공한다. 본 발명의 일 실시예는 기판의 림에 인접하여 감지 영역 내에 조정 가능한 통기구를 제공한다. 추가 실시예는 멤브레인의 감지 영역 외부의 조정 영역 내에 조정 가능한 통기구를 제공한다.
도 2a 내지 도 2c는 그들 사이에 공극(240)을 갖는 백플레이트 또는 상대 전극(250) 및 멤브레인 또는 이동 가능한 전극(230)의 단면도를 도시한다. 백플레이트(250)는 천공(252)되어 있으며, 멤브레인(230)은 조절 가능한 통기구(238)를 포함한다. 도 2d는 원은 천공된 백플레이트(250, 252)를 나타내며 짙은 면은 아래에 있는 멤브레인(230)인 배열의 평면도이다. 이러한 실시예에서, 조절 가능한 통기구(238)의 이동 가능부(237)는 U형 슬롯(239)으로서 형성된다. 조절 가능한 통기구(238)는 직사각형, 정사각형 또는 반원 형태로 구성될 수 있다. 대안적으로, 조절 가능한 통기구(238)는 그 형태가 통기 경로를 제공할 수 있는 한 모든 기하 형태를 포함할 수 있다. 조절 가능한 통기구(238)의 이동 가능부(237)는 캔틸레버(cantilever), 브리지(bridge) 또는 스프링 지지형 구조물일 수 있다.
도 2a는 작동 전압(바이어스 전압) V바이어스 = 0인 구성을 도시한다. 조절 가능한 통기구(238)는 멤브레인(230) 내에 작은 슬롯(239)을 형성하면서 폐쇄된다. 작동 전압이 0이면 최소 통기 경로 및 그에 따른 낮은 문턱 주파수가 제공된다. 조절 가능한 통기구(238)는 폐쇄 또는 OFF(비기동) 위치에 있다. 이러한 낮은 문턱 주파수의 일 예는 도 2e에서 주파수 "A"로서 도시될 수 있다.
도 2b는 작동 전압(V바이어스)이 증가된 구성, 즉 작동 전압(V바이어스)이 0은 아니지만 인입 전압(pull-in voltage, V인입)보다 작은 구성을 도시한다. 조절 가능한 통기구(238)는 개방되어 도 2a의 구성인 경우보다 큰 통기 경로를 제공한다. 문턱 주파수는 도 2e에서 주파수 "B"로서 도시될 수 있다. 조절 가능한 통기구(238)는 이동 가능부(237)의 변위가 멤브레인(230)의 두께보다 클 때 상당히 큰 통기 경로를 제공할 수 있다.
도 2c는 작동 전압(V바이어스)이 인입 전압(V인입)보다 큰 구성을 도시한다. 조절 가능한 통기구(238)는 완전히 개방되며, 큰 통기 경로가 생성된다. 문턱 주파수는 도 2e에서 주파수 "C"로서 도시될 수 있다. 작동 전압을 조절함으로써, RC 상수가 감소되거나 증가될 수 있고, 문턱 주파수가 요구된 값에 따라 설정될 수 있다. 인입 전압 미만의 작동 전압에 대해 조절 가능한 통기구가 이미 완전히 개방될 수 있다는 것이 주목된다.
이제 도 2e를 참조하면, 하나의 실시예에서, 문턱 주파수 "A"는 대략 10-15 Hz일 수 있고 문턱 주파수 "C"로서 대략 200-500 Hz로 이동될 수 있다. 대안적으로, "A"에서의 문턱 주파수는 대략 10-20 Hz이고 "C"에서의 대략 200-300 Hz로 이동될 수 있다.
위치 "A"에서의 문턱 주파수는 또한 조절 가능한 통기구의 개수 및 멤브레인 내에서 슬롯이 형성하는 갭 간격(gap distance)에 따라 달라질 수 있다. 더 조절 가능한 통기구(예를 들어, 32개의 조절 가능한 통기구)를 갖는 MEMS 구조물에 대한 위치 "A"에서의 문턱 주파수는 덜 조절 가능한 통기구(예를 들어, 2, 4 또는 8 개의 조절 가능한 통기구)를 갖는 MEMS 구조물에 대한 위치 "A"에서의 문턱 주파수보다 높다. 또한, 조절 가능한 통기구를 한정하는 더 큰 슬롯 갭(더 큰 슬롯 폭 및/또는 더 큰 슬롯 길이)을 갖는 MEMS 구조물에 대한 문턱 주파수는 더 작은 슬롯 갭을 갖는 MEMS 구조물에 대한 문턱 주파수보다 높다.
도 3a의 실시예는 작동 전압이 감지 바이어스와 같은 작동 전압(조정 또는 스위칭 전압)의 구성을 도시한다. MEMS 구조물은 백플레이트(350) 상의 단일 전극, 공극(340) 및 멤브레인(330)을 포함한다. 백플레이트(350)의 전극은 작동 전위로 설정되고, 멤브레인(330)은 접지로 설정된다. 조절 가능한 통기구(338)는 낮은 작동 전압(OFF 위치)에서 폐쇄되고 높은 작동 전압(ON 위치)에서 개방된다. 낮은 작동 전압은 MEMS 구조물의 낮은 코너 또는 문턱 주파수 및 낮은 감도를 야기하고, 높은 작동 전압은 높은 코너 또는 문턱 주파수 및 높은 감도를 야기한다.
도 3b의 실시예는 작동 전압(조정 또는 스위칭 전압)이 감지 바이어스와 무관한 구성을 도시한다. MEMS 구조물은 구조화된 백플레이트(350), 예를 들어 적어도 두 개의 전극을 갖는 백플레이트, 공극(340) 및 멤브레인(330)을 포함한다. 백플레이트(350)의 제 2 전극(352)은 작동 전위로 설정되며, 제 1 전극(351)은 감지 전위로 설정된다. 멤브레인(330)은 접지로 설정된다. 두 개의 전극은 서로 격리된다. 예를 들어, 백플레이트(350)는 구조화된 전극 및 격리 지지대(355)를 포함할 수 있다. 격리 지지대(355)는 멤브레인(330) 쪽으로 대면할 수 있거나 멤브레인(330)으로부터 떨어져 대면할 수 있다. 조정 또는 스위칭 전압은 MEMS 구조물의 감도에 영향을 미치지 않는다.
조절 가능한 통기구(338)는 낮은 작동 전압(OFF 위치)에서 폐쇄되고 높은 작동 전압(ON 위치)에서 개방된다. 낮은 작동 전압은 낮은 코너 또는 문턱 주파수를 야기하고, 높은 작동 전압은 낮은 코너 또는 문턱 주파수를 야기한다. 감지 바이어스는 작동 전압과 무관하며 일정하게 유지될 수 있거나 독립적으로 감소되거나 증가될 수 있다.
도 3c의 실시예는 작동 전압이 감지 바이어스와 같은 작동 전압(조정 또는 스위칭 전압)의 구성을 도시한다. MEMS 구조물은 백플레이트(350) 내의 단일 전극, 공극(340) 및 멤브레인(330)을 포함한다. 조절 가능한 통기구(338)는 높은 작동 전압(ON 위치)에서 폐쇄되고 낮은 작동 전압(OFF 위치)에서 개방된다. 조절 가능한 통기구(338)의 이동 가능부(337)는 기동될 때 백플레이트(350)에 접촉하며 기동되지 않을 때 멤브레인의 나머지와 같은 평면이다. 낮은 작동 전압은 MEMS 구조물의 높은 코너 또는 문턱 주파수 및 낮은 감도를 야기하며, 높은 작동 전압은 MEMS 구조물의 낮은 코너 또는 문턱 주파수 및 높은 감도를 야기한다. 백플레이트(350)는 통기구(357)를 포함하며, 조절 가능한 통기구(338)의 이동 가능부(337)는 통기구(336)를 포함한다. 조절 가능한 통기구(338)의 이동 가능부(337) 내의 통기구(336)는 ON(또는 기동) 위치에서 폐쇄된다. 조절 가능한 통기구가 ON(또는 기동) 위치에 있을 때 조절 가능한 통기구(338)를 통한 통기구가 존재하지 않는다.
도 3d의 실시예는 작동 전압이 감지 바이어스와 무관한 작동 전압(조정 또는 스위칭 전압)을 도시한다. 이러한 MEMS 구조물은 구조화된 백플레이트(350), 공극(340) 및 멤브레인(330)을 포함하며, 구조화된 백플레이트(350)는 예를 들어 제 1 전극(351) 및 제 2 전극(352)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 구조화된 백플레이트(350)는 두 개 초과의 전극을 포함할 수 있다. 백플레이트(350)의 제 2 전극(352)은 작동 전위로 설정되며, 제 1 전극(351)은 감지 전위도 설정된다. 멤브레인(330)은 접지로 설정된다. 제 1 전극(351) 및 제 2 전극(352)은 서로 격리된다. 예를 들어, 백플레이트(350)는 구조화된 전극 및 격리 지지대(355)를 포함할 수 있다. 격리 지지대(355)는 멤브레인(330) 쪽으로 대면할 수 있거나 멤브레인(330)으로부터 떨어져 대면할 수 있다. 조정 또는 스위칭 전압은 MEMS 구조물의 감도에 영향을 미치지 않는다.
조절 가능한 통기구는 높은 작동 전압(ON 위치)으로 폐쇄되며 낮은 작동 전압(OFF 위치)으로 개방된다. 낮은 작동 전압(OFF 위치)은 높은 코너 또는 문턱 주파수를 야기하며, 높은 작동 전압(ON 위치)은 낮은 코너 또는 문턱 주파수를 야기한다. 감지 바이어스는 작동 전압과 무관하며 일정하게 유지될 수 있거나 독립적으로 감소되거나 증가될 수 있다.
백플레이트(350)는 통기구(357)를 포함하며, 조절 가능한 통기구(338)의 이동 가능부(337)는 또한 통기구(336)를 포함한다. 조절 가능한 통기구(338) 내의 통기구(336)는 ON 위치에서 폐쇄된다. 조절 가능한 통기구(338)가 개방될 때 백플레이트(350)의 통기구(357) 및 조절 가능한 통기구(338)의 통기구(336)를 통한 통기 경로는 존재하지 않는다. 조절 가능한 통기구(338)가 폐쇄되거나 OFF 위치에 있을 때 백플레이트(350)의 통기구(357) 및 조절 가능한 통기구(338)의 통기구(336)를 통한 통기 경로는 존재하지 않는다.
도 4a의 실시예는 MEMS 구조물(400)의 단면도를 도시한다. MEMS 구조물은 기판(410)을 포함한다. 기판(410)은 실리콘 또는 다른 반도체 재료를 포함한다. 대안적으로, 기판(410)은 예를 들어 GaAs, InP, Si/Ge, 또는 SiC와 같은 화합물 반도체를 포함한다. 기판(410)은 단결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘(폴리실리콘)을 포함할 수 있다. 기판(410)은 트랜지스터, 다이오드, 커패시터, 증폭기, 필터 또는 다른 전기 소자, 또는 집적 회로와 같은 활성 컴포넌트(active component)를 포함할 수 있다. MEMS 구조물(400)은 독립형 소자일 수 있거나 단일 칩 내로 집적된 집적 회로(IC)일 수 있다.
MEMS 구조물(400)은 기판(410) 상에 배치된 제 1 절연층 또는 스페이서(420)를 더 포함한다. 절연층(420)은 이산화실리콘, 질화실리콘, 또는 이들의 조합과 같은 절연 재료를 포함할 수 있다.
MEMS 구조물(400)은 멤브레인(430)을 더 포함한다. 멤브레인(430)은 원형 멤브레인 또는 정사각형 멤브레인일 수 있다. 대안적으로, 멤브레인(430)은 다른 기하 형태를 포함할 수 있다. 멤브레인(430)은 폴리실리콘, 도핑된 폴리실리콘 또는 금속과 같은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 멤브레인(430)은 절연층(420) 상에 배치된다. 멤브레인(430)은 기판(410)의 림에 인접한 영역 내에서 기판(410)에 물리적으로 접속된다.
또한, MEMS 구조물(400)은 멤브레인(430)의 일부분 상에 배치된 제 2 절연층 또는 스페이서(440)을 포함한다. 제 2 절연층(440)은 이산화실리콘, 질화실리콘, 또는 이들의 조합과 같은 절연 재료를 포함할 수 있다.
제 2 절연층 또는 스페이서(440) 상에 백플레이트(450)가 배열된다. 백플레이트(450)는 폴리실리콘, 도핑된 폴리실리콘 또는 금속, 예를 들어 알루미늄과 같은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 또한, 백플레이트(450)는 절연 지지대 또는 절연층 영역을 포함할 수 있다. 절연 지지대는 멤브레인(430) 쪽으로 또는 멤브레인(430)으로부터 떨어져 배열될 수 있다. 절연층 재료는 산화실리콘, 질화실리콘, 또는 이들의 조합일 수 있다. 백플레이트(450)는 천공될 수 있다.
멤브레인(430)은 전술된 바와 같이 적어도 하나의 조절 가능한 통기구(460)를 포함할 수 있다. 조절 가능한 통기구(460)는 이동 가능부(465)를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 조절 가능한 통기구(460)는 기판(410)의 림에 인접한 영역 내에 위치된다. 예를 들어, 조절 가능한 통기구(460)는 멤브레인(430)의 반경의 외곽 20% 내에 또는 정사각형 또는 직사각형의 중앙 지점으로부터 멤브레인(430) 가장자리까지의 거리의 외곽 20% 내에 위치될 수 있다. 특히, 조절 가능한 통기구(460)는 멤브레인(430)의 중앙 영역 내에 위치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 조절 가능한 통기구(460)는 반경 또는 거리의 내곽 80% 내에 위치되지 않을 수 있다. 조절 가능한 통기구(460)는 멤브레인(430)의 주변을 따라 서로로부터 등거리에 위치될 수 있다.
도 4a의 실시예는 조절 가능한 통기구(460)가 백플레이트(450) 쪽으로 개방되도록 구성된다. 멤브레인(430) 및 백플레이트(450)는 도 2a 내지 도 2d 및 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 구성 중 임의의 구성을 가질 수 있다. 백플레이트(450)는 감지 전압(V감지) 및 작동 전압(Vp)(감지 전압 및 작동 전압은 전술된 바와 같이 동일하거나 또는 상이할 수 있음)으로 설정되며 멤브레인(430)은 접지로 설정되거나, 또는 그 반대이다.
도 4b의 실시예의 MEMS 구조물(400)은 도 4a의 실시예의 MEMS 구조물과 유사한 구조물을 도시한다. 그러나, 그 구성은 상이하되, 예를 들어 조절 가능한 통기구(460)의 이동 가능부(465)는 기판(410) 쪽으로 당겨진다. 백플레이트는 감지 전압(V감지)으로 설정되고, 기판은 작동 전압(Vp)으로 설정되며, 멤브레인은 접지로 설정된다. MEMS 구조물(400)의 이러한 구성에서, 작동 전압(조정 또는 스위칭 전압)은 감지 전압과 무관하다.
도 5a의 실시예는 기판(510)의 일부분 상으로 그리고 감지 영역(533) 외부로 연장된 멤브레인(530)을 갖는 MEMS 구조물(500)의 단면도를 도시하며, 도 5c는 그 평면도를 도시한다. MEMS 구조물(500)은 도 4a의 실시예에 관하여 설명된 바와 유사한 재료를 포함하는 기판(510), 접속 영역(520), 멤브레인(530) 및 백플레이트(540)를 포함한다. 멤브레인(530)은 감지 영역(533) 및 조정 영역(536)을 포함한다. 감지 영역(533)은 기판(510)의 대향하는 림들 사이에 또는 대향하는 접속 영역(520)들 사이에 위치된다. 조정 영역(536)은 기판(510)의 일부분 상으로 연장되고 감지 영역(533) 외부에 위치된다. 감지 영역(533)은 접속 영역(520)의 제 1 측부 상에 위치될 수 있고, 조정 영역(536)은 접속 영역(520)의 제 2 측부 상에 위치될 수 있다. 리세스(515)(언더 에칭(under etch))는 조정 영역(536) 내에서 기판(510)과 멤브레인(530) 사이에 형성된다. 백플레이트(540)는 단지 감지 영역(533) 위에만 놓이지만 멤브레인(530)의 조정 영역(536) 위에는 놓이지 않는다. 백플레이트(540)는 천공될 수 있다. 백플레이트(540)는 바이어스 전압(V감지)으로 설정되고, 기판(510)은 조정 전압(Vp)으로 설정되며, 멤브레인은 접지로 설정된다. MEMS 구조물(500)의 이러한 구성에서, 조정 전압은 감지 전압과 무관하다.
멤브레인(530)의 조정 영역(536)은 비작동 위치(OFF 위치)에서 통기 경로를 제공하고 작동 위치(ON 위치)에서 통기 경로를 제공하지 않는 적어도 하나의 조절 가능한 통기구(538)를 포함한다. 비작동 또는 개방 위치(OFF 위치)는 조절 가능한 통기구(538)가 그 휴지 위치(resting position)에서 감지 영역(533) 내의 멤브레인(530)과 동일한 평면에 있는 위치이다. 작동 또는 폐쇄 위치(ON 위치)는 조절 가능한 통기구(538)가 기판(510) 쪽으로 눌려지고 통기 경로가 차단되는 위치이다. 조절 가능한 통기구(538)를 기판(510) 쪽으로 당김으로써 중간 위치가 설정될 수 있지만, 중간 위치에서는 조절 가능한 통기구(538)가 기판(510) 쪽으로 눌려지지 않는다. 감지 영역(533)이 조절 가능한 통기구(538)를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다는 것이 주목된다.
도 6a 및 도 6b의 실시예는 기판(610)의 일부분 상으로 감지 영역(633) 외부로 연장된 멤브레인(630)을 갖는 MEMS 구조물(600)의 단면도를 도시한다. MEMS 구조물(600)은 도 4a의 실시예에 관하여 설명된 바와 유사한 재료를 포함하는 기판(610), 접속 영역(620), 멤브레인(630) 및 백플레이트(640)를 포함한다. 멤브레인(630)은 감지 영역(633) 및 조정 영역(636)을 포함한다. 감지 영역(633)은 기판(610)의 대향하는 림들 사이에 또는 대향하는 접속 영역(620)들 사이에 위치된다. 조정 영역(636)은 기판(610)의 일부분 상으로 연장되고 감지 영역(633) 외부에 위치된다. 감지 영역(633)은 접속 영역(620)의 제 1 측부 상에 위치될 수 있고, 조정 영역(636)은 접속 영역(620)의 제 2 측부 상에 위치될 수 있다. 리세스(615)는 조정 영역(636) 내에서 기판(610)과 멤브레인(630) 사이에 형성된다. 백플레이트(640)는 멤브레인(630)의 감지 영역(633) 및 조정 영역(636) 위에 놓인다. 백플레이트(640)는 감지 영역(633) 및 조정 영역 내에서 천공될 수 있다. 대안적으로, 백플레이트(640)는 감지 영역(633) 내에서 천공될 수 있지만 조정 영역(636) 내에서는 천공되지 않을 수 있다. 백플레이트(640)는 제 1 전극(641) 및 제 2 전극(642)을 포함한다. 대안적으로, 백플레이트(640)는 두 개 초과의 전극을 포함한다. 제 1 전극(641)은 제 2 전극(642)으로부터 격리된다. 제 1 전극(641)은 감지 영역(633) 내에 배치되고, 제 2 전극(642)은 조정 영역(636) 내에 배치된다. 제 1 전극(641)은 바이어스 전압(V감지)으로 설정되고, 제 2 전극(642)은 조정 전압(Vp)으로 설정된다. 멤브레인(630)은 접지로 설정된다. MEMS 구조물(600)의 이러한 구성에서, 조정 전압은 감지 전압과 무관하다.
멤브레인(630)의 조정 영역(636)은 도 6a에서의 비작동 위치(OFF 위치)에서 통기 경로를 제공하고 도 6b에서의 작동 위치(ON 위치)에서 통기 경로를 제공하지 않는 적어도 하나의 조절 가능한 통기구(638)를 포함한다. 개방 또는 비작동 위치(OFF 위치)는 조절 가능한 통기구(638)가 그 휴지 위치에서 감지 영역(633) 내의 멤브레인(630)과 동일한 평면에 있는 위치이다. 폐쇄 또는 작동 위치(ON 위치)는 조절 가능한 통기구(638)가 백플레이트(640) 쪽으로 눌려지고 통기 경로가 차단되는 위치이다. MEMS 구조물(600)은 그것이 비작동 위치(OFF 위치)에 있을 때 통기 경로 및 높은 코너 주파수를 제공한다. MEMS 구조물(600)은 그것이 작동 위치(ON 위치)에 있을 때 폐쇄된 통기 경로 및 낮은 코너 주파수를 제공한다. 조절 가능한 통기구(638)를 백플레이트(640) 쪽으로 당김으로써 중간 위치가 설정될 수 있지만, 중간 위치에서는 조절 가능한 통기구(638)가 백플레이트(640) 쪽으로 눌려지지 않는다. 감지 영역(633)이 조절 가능한 통기구(638)를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다는 것이 주목된다.
백플레이트(640)는 통기구(639)를 포함하고, 멤브레인(630)은 조정 영역(636) 내에 조절 가능한 통기구(638)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 통기구(639) 및 조절 가능한 통기구(638)는 서로 반대로 정렬된다.
도 7a 및 도 7b의 실시예는 기판(710)의 일부분 상으로 그리고 감지 영역(733) 외부로 연장된 멤브레인(730)을 갖는 MEMS 구조물(700)의 단면도를 도시하고, 도 7c는 그 평면도를 도시한다. MEMS 구조물(700)은 도 4a의 실시예에 관하여 설명된 바와 유사한 재료를 포함하는 기판(710), 접속 영역(720), 멤브레인(730) 및 백플레이트(740)를 포함한다. 백플레이트(740)는 (예를 들어, 원형 또는 직사각형) 감지 백플레이트(741) 및 백플레이트 브릿지(backplate bridge, 742)를 포함할 수 있다.
멤브레인(730)은 감지 영역(733) 및 조정 영역(736)을 포함한다. 감지 영역(733)은 기판(710)의 대향하는 림들 사이에 또는 대향하는 접속 영역(720)들 사이에 위치된다. 조정 영역(736)은 기판(710)의 일부분 상으로 연장되고 감지 영역(733) 외부에 위치된다. 감지 영역(733)은 접속 영역(720)의 제 1 측부 상에 위치될 수 있으며, 조정 영역(736)은 접속 영역(720)의 제 2 측부 상에 위치될 수 있다. 리세스(715)(언더 에칭)는 조정 영역(736) 내에서 기판(710)과 멤브레인(730) 사이에 형성된다. 멤브레인(730)은 슬롯(735)에 의해 형성된 조절 가능한 통기구(738)를 포함한다. 슬롯(735)은 조절 가능한 통기구(738)에 대한 도 2a 내지 도 2c에서 설명된 바와 같은 이동 가능부를 형성한다.
백플레이트(740)는 멤브레인(730)의 감지 영역(733) 및 조정 영역(736) 위에 놓인다. 예를 들어, 감지 백플레이트(741)(제 1 전극)는 감지 영역(733) 위에 놓이며, 백플레이트 브릿지(742)(제 2 전극)는 조정 영역(736) 위에 놓인다. 대안적으로, 백플레이트(740)는 두 개 초과의 전극을 포함한다. 제 1 전극(741)은 제 2 전극(742)으로부터 격리된다. 제 1 전극(741)은 바이어스 전압(V감지)으로 설정되고, 제 2 전극(742)은 조정 전압(Vp)으로 설정된다. 멤브레인(730)은 접지로 설정된다. MEMS 구조물(700)의 이러한 구성에서, 조정 전압은 감지 전압과 무관하다. 백플레이트(740)는 감지 영역(733) 및 조정 영역(736) 내에서 천공될 수 있다. 대안적으로, 백플레이트(740)는 감지 영역(733) 내에서 천공될 수 있지만 조정 영역(736) 내에서는 천공되지 않을 수 있다. 백플레이트 브릿지(742)는 통기구(749)를 포함한다.
멤브레인(730)의 조정 영역(736)은 도 7b에서의 작동 위치(ON 위치)에서 통기 경로를 제공하고 도 7a에서의 비작동 위치(OFF 위치)에서 통기 경로를 제공하지 않는 하나 이상의 조절 가능한 통기구(738)를 포함한다. 폐쇄 또는 비작동 위치(OFF 위치)는 조절 가능한 통기구(738)가 그 휴지 위치에서 감지 영역(733) 내의 멤브레인(730)과 동일한 평면에 있는 위치이다. 개방 또는 작동 위치(ON 위치)는 조절 가능한 통기구(738)가 백플레이트(740) 쪽으로 눌려지고 통기 경로가 개방되는 위치이다. MEMS 구조물(700)은 그것이 작동 위치(ON 위치)에 있을 때 통기 경로 및 높은 코너 주파수를 제공한다. MEMS 구조물(700)은 그것이 비작동 위치(OFF 위치)에 있을 때 폐쇄된 통기 경로 및 낮은 코너 주파수를 제공한다. 조절 가능한 통기구(738)를 백플레이트(740) 쪽으로 당김으로써 중간 위치가 설정될 수 있지만, 중간 위치에서는 조절 가능한 통기구(738)가 백플레이트(740) 쪽으로 눌려지지 않는다. 감지 영역(733)이 조절 가능한 통기구(738)를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다는 것이 주목된다.
도 8a는 MEMS 구조물을 동작시키는 실시예를 도시한다. 제 1 단계 810에서, 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호가 감지된다. 조절 가능한 통기구는 폐쇄 위치에 있다. 다음 단계 812에서, 고 에너지 신호가 검출된다. 단계 814에서, 조절 가능한 통기구는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동된다. 개방 위치는 완전히 개방된 위치이거나 부분적으로 개방된 위치일 수 있다.
도 8b는 MEMS 구조물을 동작시키는 실시예를 도시한다. 제 1 단계 820에서, 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호가 감지된다. 조절 가능한 통기구는 개방 위치에 있다. 다음 단계 822에서, 고 에너지 신호가 검출된다. 단계 824에서, 조절 가능한 통기구는 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동된다. 폐쇄 위치는 완전히 폐쇄된 위치이거나 부분적으로 폐쇄된 위치일 수 있다.
도 8c는 MEMS 구조물을 동작시키는 실시예를 도시한다. 제 1 단계 830에서, MEMS 구조물은 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 제 1 응용 설정에 있다. 조절 가능한 통기구는 폐쇄 위치에 있다. 제 2 단계 832에서, MEMS 구조물은 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 제 2 응용 설정에 있다. 조절 가능한 통기구는 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동된다. 개방 위치는 완전히 개방된 위치이거나 부분적으로 개방된 위치일 수 있다.
도 8d는 MEMS 구조물을 동작시키는 실시예를 도시한다. 제 1 단계 840에서, MEMS 구조물은 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 제 1 응용 설정에 있다. 조절 가능한 통기구는 개방 위치에 있다. 제 2 단계 842에서, MEMS 구조물은 백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 제 2 응용 설정에 있다. 조절 가능한 통기구는 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동된다. 폐쇄 위치는 완전히 폐쇄된 위치이거나 부분적으로 폐쇄된 위치일 수 있다.
비록 본 발명 및 본 발명의 장점이 상세히 설명되었지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화, 치환 및 변경이 본 명세서에서 이루어질 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조합, 수단, 방법 및 단계의 특별한 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다. 당업자는 본 발명의 개시 사항으로부터 본 명세서에 설명된 상응하는 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하며 기존에 존재하거나 나중에 개발되는 공정, 기계, 제조, 물질의 조합, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 그 범위 내에 그러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조합, 수단, 방법 또는 단계를 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 기판과,
    백플레이트와,
    제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하는 멤브레인을 포함하되,
    상기 제 1 영역은 신호를 감지하고 상기 제 2 영역은 문턱 주파수를 제 1 값으로부터 제 2 값으로 조절하도록 구성되고
    상기 백플레이트와 상기 맴브레인은 상기 기판에 기계적으로 접속되며,
    상기 백플레이트는 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 영역은 상기 제 1 전극에 상응하고 상기 제 2 영역은 상기 제 2 전극에 상응하는
    MEMS 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 멤브레인의 중앙 영역에 위치되며, 상기 제 2 영역은 상기 멤브레인의 주변 영역에 위치되는
    MEMS 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 림에 의해 둘러싸인 영역 위에 위치되며, 상기 제 2 영역은 상기 기판의 일부분 위에 놓이는
    MEMS 구조물.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 백플레이트는 감지 바이어스(V감지)에 전기적으로 접속되고, 상기 기판은 조정 전압(V조정)에 전기적으로 접속되며, 상기 멤브레인은 접지에 전기적으로 접속되는
    MEMS 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 백플레이트는 감지 바이어스(V감지) 및 조정 전압(V조정)에 전기적으로 접속되며, 상기 멤브레인은 접지에 전기적으로 접속되는
    MEMS 구조물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 백플레이트는 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하고, 상기 백플레이트의 제 1 영역은 상기 멤브레인의 제 1 영역에 상응하고, 상기 백플레이트의 제 2 영역은 상기 멤브레인의 제 2 영역에 상응하고, 상기 백플레이트의 제 1 영역은 감지 전압(V감지)에 전기적으로 접속되고, 상기 백플레이트의 제 2 영역은 조정 전압(V조정)에 전기적으로 접속되며, 상기 멤브레인은 접지에 접속되는
    MEMS 구조물.
  8. 기판과,
    백플레이트와,
    조절 가능한 통기구를 포함한 멤브레인을 포함하며,
    상기 백플레이트와 상기 멤브레인은 상기 기판에 기계적으로 접속되고,
    상기 조절 가능한 통기구는 이동 가능부(movable portion)를 포함하고, 상기 이동 가능부는 상기 멤브레인에 대하여 상기 기판 쪽으로 또는 상기 백플레이트 쪽으로 편향될 수 있는(deflectable)
    MEMS 구조물.

  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 중앙 영역 및 외곽 영역을 포함하되, 상기 외곽 영역은 상기 중앙 영역을 둘러싸며, 상기 조절 가능한 통기구는 상기 외곽 영역에 위치되는
    MEMS 구조물.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 백플레이트는 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖는 구조화된 백플레이트이며, 상기 조절 가능한 통기구는 상기 제 2 전극에는 상응하지만 상기 제 1 전극에는 상응하지 않는
    MEMS 구조물.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 작동되면 상기 기판 쪽으로 이동하도록 구성되는
    MEMS 구조물.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 작동되면 상기 백플레이트 쪽으로 이동하도록 구성되는
    MEMS 구조물.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 캔틸레버(cantilever)를 포함하며, 상기 캔틸레버는 통기구를 갖지 않는
    MEMS 구조물.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 캔틸레버를 포함하며, 상기 캔틸레버는 통기구를 포함하는
    MEMS 구조물.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 복수의 조절 가능한 통기구를 포함하며, 상기 조절 가능한 통기구는 등거리에 위치된 상기 멤브레인의 주변에 배치되는
    MEMS 구조물.
  16. MEMS 구조체를 작동시키기 위한 방법으로서,
    백플레이트에 대해 멤브레인의 감지 영역을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 단계와,
    저 주파수 고 에너지 신호가 검출되면 상기 멤브레인 내의 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄시키는 단계를 포함하되,
    상기 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄하는 단계는 상기 조절 가능한 통기구의 이동 가능부를 상기 멤브레인에 대하여 기판 쪽으로 또는 상기 백플레이트 쪽으로 편향시키는 단계를 포함하는
    방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 상기 멤브레인의 주변 영역에 위치되는
    방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 상기 멤브레인의 조정 영역에 위치되며, 상기 멤브레인의 상기 조정 영역은 상기 멤브레인의 상기 감지 영역 외부에 위치되는
    방법.
  19. MEMS 구조체를 작동시키기 위한 방법으로서,
    백플레이트에 대해 멤브레인을 이동시킴으로써 음향 신호를 감지하는 단계와,
    상기 MEMS 구조물의 응용 설정이 변화되면 상기 멤브레인 내의 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄시키는 단계를 포함하되,
    상기 조절 가능한 통기구를 개방하거나 폐쇄하는 단계는 상기 조절 가능한 통기구의 이동 가능부를 상기 멤브레인에 대하여 기판 쪽으로 또는 상기 백플레이트 쪽으로 편향시키는 단계를 포함하는
    방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 조절 가능한 통기구는 상기 멤브레인의 주변 영역에 위치되는
    방법.
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