KR101601214B1 - 마이크로폰의 바이어싱 회로 및 이를 포함하는 마이크로폰 - Google Patents

마이크로폰의 바이어싱 회로 및 이를 포함하는 마이크로폰 Download PDF

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본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은 감지체에 가변 바이어스 전압을 제공하는 바이어싱 회로를 포함한다. 바이어싱 회로는, 기준 전압 및 제어 전압을 입력받아 가변 전압을 출력하는 조절기; 디지털 제어 신호를 입력받아 상기 조절기에 상기 제어 전압을 제공하는 디지털 아날로그 컨버터; 및 상기 조절기로부터 출력된 상기 가변 전압을 입력 받아 그보다 높은 가변 전압을 출력하는 전하 펌프;를 포함한다..

Description

마이크로폰의 바이어싱 회로 및 이를 포함하는 마이크로폰{BIASING CIRCUIT FOR MICROPHONE AND MICROPHONE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로서, 특히 마이크로폰의 바이어싱 회로에 관련된다.
모바일 기기, 음향 기기 또는 자동차 등에 사용되는 마이크로폰은 소리 즉, 음파를 전기 신호로 변환시킨다. 마이크로폰은 점점 소형화되어 가는 추세에 있으며, 이에 따라 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용한 마이크로폰이 개발되고 있다.
MEMS 마이크로폰은 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(electret condenser microphone, ECM)이 비해 습기와 열에 대한 내성이 강하고, 소형화 및 신호 처리 회로와의 집적화가 가능한 장점이 있다.
MEMS 마이크로폰은 음파를 감지하여 전기 신호를 생성하는 감지체를 포함한다. 감지체는 반도체 공정을 통해 형성되는데, 공정 치수의 편차에 따라 감지체의 감도(sensitivity)에 있어서 편차가 나타난다. 마이크로폰의 감도는 감지체에 연결되어 감지체에 고정 바이어스 전압(fixed bias voltage)을 제공하는 바이어싱 회로, 그리고 이득 조정 앰프(variable gain amplifier, VGA)를 통해 결정된다. 통상적으로, 감지체의 공정 편차와 이득 조정 앰프를 이용하여 마이크로폰의 감도가 결정된다.
본 발명의 목적은 마이크로폰의 감지체의 공정 편차의 마진을 증가시킬 수 있는 바이어싱 회로 및 이를 포함하는 마이크로폰을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이어싱 회로는 마이크로폰의 감지체에 가변 바이어스 전압을 제공한다. 상기 바이어싱 회로는, 기준 전압 및 제어 전압을 입력받아 가변 전압을 출력하는 조절기; 디지털 제어 신호를 입력 받아 상기 조절기에 상기 제어 전압을 제공하는 디지털 아날로그 컨버터; 및 상기 조절기로부터 출력된 상기 가변 전압을 입력받아 그보다 높은 가변 전압을 출력하는 전하 펌프;를 포함한다.
상기 바이어싱 회로는, 펄스 신호를 발생시키는 발진기; 및 상기 발진기로부터 상기 펄스 신호 및 상기 조절기로부터 상기 가변 전압을 입력받으며, 상기 펄스 신호를 상기 가변 전압의 레벨로 조정하여 상기 전하 펌프로 제공하는 레벨 시프터;를 더 포함할 수 있다.
상기 디지털 제어 신호는 8비트 신호일 수 있다.
상기 조절기는 LDO 조절기일 수 있다.
상기 전하 펌프는 전압 삼배기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은 감지체 및 상기 감지체에 가변 바이어스 전압을 제공하는 바이어싱 회로를 포함한다. 상기 바이어싱 회로는, 기준 전압 및 제어 전압을 입력받아 가변 전압을 출력하는 LDO 조절기; 디지털 제어 신호를 입력받아 상기 조절기에 상기 제어 전압을 제공하는 디지털 아날로그 컨버터; 펄스 신호를 발생시키는 발진기; 상기 발진기로부터 상기 펄스 신호 및 상기 조절기로부터 상기 가변 전압을 입력받으며, 상기 펄스 신호를 상기 가변 전압의 레벨로 조정하여 출력하는 레벨 시프터; 및 상기 조절기로부터 출력된 상기 가변 전압 및 상기 레벨 시프터로부터 출력된 펄스 신호를 입력받으며, 상기 가변 전압보다 높은 가변 전압을 출력하는 전하 펌프;를 포함한다.
상기 감지체는 커패시터의 특성을 갖는 진동막 및 고정 전극을 포함할 수 있다. 제6항에서,
상기 디지털 제어 신호는 8비트 신호일 수 있다.
상기 가변 바이어스 전압은 약 4.5V 내지 약 13.5V 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 바이어싱 회로에 의해 이득 조정 앰프의 가변 범위를 축소할 수 있고, 감지체의 감도 편차에 대응할 수 있다. 특히, 감지체의 공정 편차에 대한 마진을 증가시킬 수 있다. 따라서 감지체의 공정 수율이 증가하고, 이에 따라 마이크로폰의 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어싱 회로의 블록도이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 바이어싱 회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 바이어싱 회로에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 마이크로폰의 바이어싱 회로는 바이어싱 회로로 간단하게 언급될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 마이크로폰은 기판(100), 진동막(120) 및 고정 전극(130)을 포함한다. 진동막(120)과 고정 전극(130)은 음파를 감지하여 음파에 따른 전기 신호를 생성하는 감지체를 형성한다.
기판(100)은 실리콘(silicon)으로 이루어질 수 있으며, 관통홀(110)이 형성되어 있다.
기판(100) 위에는 진동막(120)이 배치되어 있다. 진동막(120)은 관통홀(110)을 덮고 있다. 진동막(120)의 일부는 관통홀(110)에 의해 노출되어 있고, 관통홀(110)에 의해 노출된 진동막(120)의 일부는 외부로부터 전달되는 음향에 따라 진동하게 된다. 진동막(120)은 다결정 실리콘(poly-silicon)이나 전도성 물질로 형성될 수 있다. 진동막(120)은 원형 형상을 가질 수 있다. 진동막(120)은 그 가장자리에 형성되어 있는 스프링(121)을 통해 기판(100)에 진동 가능하게 고정될 수 있다.
진동막(120) 위에는 진동막(120)와 이격되어 있는 고정 전극(130)이 배치되어 있다. 고정 전극(130)은 복수의 공기 유입구(131)을 포함한다.
고정 전극(130)은 지지층(31)에 위에 배치되어 있다. 지지층(31)은 진동막(120)의 가장자리 부분에 배치되어 있고, 고정 전극(130)을 고정되게 지지한다. 고정 전극(130)은 다결정 실리콘 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
고정 전극(130)과 진동막(120) 사이에는 공기층(32)이 형성되어 있고, 고정 전극(130)과 진동막(120)은 소정의 간격(x)만큼 떨어져 배치되어 있다.
외부로부터의 음향은 고정 전극(130) 형성된 공기 유입구(131)를 통하여 유입되어 진동막(120)을 자극시키고, 이에 따라 진동막(120)이 진동하게 된다.
마이크로폰의 감지체를 형성하는 진동막(120)과 고정 전극(130)은 커패시터의 특성을 갖는다. 음파에 따른 음압이 외부로부터 진동막(120)에 가해지면 진동막(120)이 진동하면서 진동막(120)과 고정 전극(130) 사이의 간격이 변화하고, 이에 따라 커패시터의 정전 용량이 변화한다. 따라서 마이크로폰의 감지체에 의해 음파는 정전 용량 변화(capacitive variations)로 전환된다. 정전 용량 변화는 예컨대 고정 전극(130)에 연결된 제1 패드(140) 및 진동막(120)에 연결된 제2 패드(145)를 통하여 신호 처리 회로(도시되지 않음)로 입력되고, 신호 처리 회로에서 여러 목적을 위해서 처리될 수 있다.
감지체가 작동하기 위해서는 감지체의 진동막(120)과 고정 전극(130) 사이에 바이어스 전압(Vb)이 인가되어야 한다. 감지체에 이러한 바이어스 전압(Vb)을 가하는 회로를 바이어싱 회로(도시되지 않음)라고 한다. 바이어싱 회로는 신호 처리 회로 등과 함께 하나의 칩에 내장되어 ASIC(application specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다.
감지체의 감도(ΔV)는 다음 식에 의해 정의된다.
Figure 112014108612984-pat00001
Figure 112014108612984-pat00002
위 식에서, C0는 음압이 가해지지 않은 상태에서의 초기 정전 용량이고, Vb는 진동막과 고정 전극 간에 제공되는 바이어스 전압이고, ε0는 공기의 유전율이고, A 는 커패시터의 유효 면적이고, P는 음압이고, km은 스프링 상수이고, l은 스프링의 길이이고, w는 스프링의 폭이고, t는 스프링의 두께이다.
따라서 감지체의 감도(ΔV)는 고정막(120)과 진동막(130) 사이의 초기 간격 (x0)에 반비례하고, 음압에 대한 간격 변화량(Δx)에 비례한다. 다시 말해, 음압에 대해 일정한 감지체의 감도 ΔV/ΔP를 얻기 위해서는 스프링의 폭(w), 스프링의 길이(l), 스프링의 두께(t), 초기 간격(x0) 등이 일정해야 한다. 하지만, 공정 편차에 의해 이들 값에 변동이 발생한다.
마이크로폰의 일반적인 구조에서, 스프링의 두께(t)를 결정하는 공정(예컨대, 화학 기상 증착(CVD) 등의 증착)의 오차를 ±10%라고 가정하고, 스프링의 길이(l)와 폭(w)을 결정하는 공정(예컨대, 리소그래피)의 오차를 ±5%라고 가정하면, 위 식으로부터 감지체의 감도는 초기값의 약 0.56ΔV 내지 약 1.86ΔV의 편차 범위를 갖게 된다.
감지체의 감도가 약 0.56ΔV 내지 약 1.86ΔV의 범위를 갖게 되면, 이러한 감도 편차를 수용하기 위한 바이어스 전압(Vb)은 약 0.54Vb 내지 약 1.79Vb 범위에 해당할 수 있다. 다시 말해, 공정 편차에 대응하여 위 범위의 바이어스 전압(Vb)을 인가함으로써 동일한 감도를 얻을 수 있다. 일반적으로 바이어스 전압(Vb)은 약 8V 내외의 고정 전압으로 설계되므로, 이에 부합하게 예컨대 약 4.5V 내지 약 13.5V 범위의 출력을 내는 바이어싱 회로를 두게 되면, 감지체의 공정 편차를 바이어싱 회로에 의해 보완할 수 있다.
이하에서는 위와 같이 소정 범위에서 가변하는 전압을 출력할 수 있는 가변형 바이어싱 회로에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어싱 회로의 블록도이다.
바이어싱 회로는 LDO 조절기(210), 디지털 아날로그 변환기(DAC)(220), 발진기(230), 레벨 시프터(240) 및 전하 펌프(250)를 포함한다.
기본적으로, 바이어싱 회로는 디지털 제어 신호에 따라 가변하는 전압을 출력한다. 바이어싱 회로는 디지털 제어 신호를 통해 가변의 정도를 결정하고, 아날로그 회로를 통해 소정 범위의 전압을 출력하도록 구성되어 있는 가변형 전압 출력 회로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이어싱 회로는 약 5V의 기준 전압(VR)을 입력 받아서 디지털 제어 신호에 따라 약 4.5V 내지 약 13.5V 범위의 전압을 출력하도록 설계될 수 있다. 하지만 이러한 전압의 범위는 단지 예시적인 것이고, 입력 기준 전압(VR)의 크기나 바이어싱 회로의 특성에 따라서 출력 전압의 범위가 달라질 수 있음은 물론이다.
LDO 조절기(low-dropout regulator)(210)는 외부에서 기준 전압(VR)을 입력 받아 소정 범위의 전압을 출력한다. LDO 조절기(210)는 예컨대 약 5V 전압을 입력 받아 약 1.5V 내지 약 4.5V의 전압을 출력하도록 설계될 수 있다. LDO 조절기(210)의 출력 전압의 크기는 DAC(220)로부터 입력되는 제어 전압에 따라 조정될 수 있다. LDO 조절기를 예로 들어 설명할지라도, 고정 전압을 입력 받아 소정 범위의 가변 전압을 출력할 수 있는 조절기라면 본 발명의 실시예에 따른 바이어싱 회로에 사용될 수 있다.
DAC(220)는 외부로부터 입력되는 디지털 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하고, 출력된 아날로그 신호는 LOD 조절기(210)에 제어 전압으로 인가된다. DAC(220)는 예컨대 8비트 디지털 제어 신호를 약 0.5V 내지 약 1.5V의 전압으로 변환하도록 설계될 수 있다. 디지털 제어 신호는 예컨대 마이크로폰의 제어 회로(도시되지 않음)로부터 입력될 수 있다. 디지털 제어 신호로서 8비트 신호를 예로 들어 설명하고 있지만, 4비트 신호, 16비트 신호 등과 같이 그 이하 또는 이상의 단위를 가질 수도 있다.
8비트는 256 단계의 레벨(즉, 0 내지 255 레벨)을 가지므로, DAC(220)에서 출력되는 전압은 약 0.5V 내지 약 1.5V 범위에서 256 단계의 전압 레벨을 가질 수 있다. 예컨대 약 0.5V는 0 레벨에 해당하고, 약 1.5V는 255 레벨에 해당하며, 약 1.0V는 128 레벨에 해당한다. 따라서 예시된 수치 범위에서, DAC(220)에 0 레벨의 디지털 제어 신호가 입력되면 약 0.5V의 전압이 출력되어 LDO 조절기(210)에 제어 전압으로 인가되고, LDO 조절기(210)는 약 1.5V의 전압을 출력할 수 있다. DAC(220)에 255 레벨의 디지털 제어 신호가 입력되면 약 1.5V의 전압이 출력되어 LDO 조절기(210)에 제어 전압으로 인가되고, LDO 조절기(210)는 약 4.5V의 전압을 출력할 수 있다. 또한, DAC(220)에 255 레벨의 디지털 제어 신호가 입력되면 약 1.5V의 전압이 출력되어 LDO 조절기(210)에 제어 전압으로 인가되고, LDO 조절기(210)는 약 4.5V의 전압을 출력할 수 있다.
LDO 조절기(210)에서 출력된 전압은 레벨 시프터(level shifter)(240)와 전하 펌프(charge pump)(250)로 제공된다.
레벨 시프터(240)는 발진기(oscillator)(230)로부터 신호를 입력 받아 그 레벨을 조정한다. 레벨 시프터(240)는 예컨대 발진기(230)로부터 약 1MHz, 2.5V의 펄스인 신호를 입력 받을 수 있다. 레벨 시프터(240)는 발진기(230)로부터 입력 받는 신호의 레벨을 LDO 조절기(210)부터 입력 받는 전압 레벨로 조정하여 출력한다. 따라서 예시된 수치 범위에서, 레벨 시프터(240)는 약 1.5V 내지 약 4.5V 범위의 펄스를 출력할 수 있다. 레벨 시프터(240)의 출력 펄스는 고조파 같은 노이즈를 줄이기 위해 필터링될 수도 있다. 출력된 펄스는 전하 펌프(250)로 제공된다.
전하 펌프(250)는 레벨 시프터(240)로부터 제공되는 펄스에 의해 작동되고, LDO 조절기(210)로부터 제공되는 전압에 의해 구동된다. 입력 펄스에 응답하여 전하 펌프(250)는 입력 전압을 초과하는 펌핑된 전압을 출력한다. 전하 펌프(250)가 전압 삼배기(tripler)로 설계된 경우, 입력 전압이 약 1.5V 내지 약 4.5V이면 출력 전압은 약 4.5V 내지 약 13.5V이다.
전하 펌프(250)에서 출력된 전압은 바이어싱 회로의 최종 출력 전압일 수 있고, 이것은 마이크로폰의 감지체에 바이어스 전압(Vb)으로 인가될 수 있다.
전술한 바와 같이, 바이어싱 회로의 출력 전압은 디지털 제어 신호에 따라 감지체의 공정 편차에 대응하도록 조정될 수 있다. 따라서 감지체의 공정 편차에 따른 감지체의 감도에 편차가 있더라도 바이어싱 회로의 출력 전압을 적절하게 조정함으로써 마이크로폰은 소정의 감도를 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 바이어싱 회로의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
시뮬레이션은 전술한 바이어싱 회로에 5V의 기준 전압을 인가하면서 0 레벨의 제어 신호와 255 레벨의 제어 신호를 입력했을 때 각각 출력되는 전압을 보여준다. 출력 전압은 0 레벨 입력 시 약 4.47V로 나타났고 255 레벨 입력 시 약 13.47V로 나타났다. 따라서 8비트 입력을 통해 0 내지 255 레벨 범위로 출력을 가변할 수 있는 바이어싱 회로의 동작을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100: 기판
120: 진동막
130: 고정 전극
210: LDO 조절기
220: 디지털 아날로그 변환기
230: 발진기
240: 레벨 시프터
250: 전하 펌프

Claims (9)

  1. 마이크로폰의 감지체에 가변 바이어스 전압을 제공하는 바이어싱 회로로서,
    기준 전압 및 제어 전압을 입력받아 가변 전압을 출력하는 조절기;
    디지털 제어 신호를 입력받아 상기 조절기에 상기 제어 전압을 제공하는 디지털 아날로그 컨버터;
    상기 조절기로부터 출력된 상기 가변 전압을 입력받아 그보다 높은 가변 전압을 출력하는 전하 펌프;
    펄스 신호를 발생시키는 발진기; 및
    상기 발진기로부터 상기 펄스 신호 및 상기 조절기로부터 상기 가변 전압을 입력받으며, 상기 펄스 신호를 상기 가변 전압의 레벨로 조정하여 상기 전하 펌프로 제공하는 레벨 시프터;
    를 포함하는 바이어싱 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 디지털 제어 신호는 8비트 신호인 바이어싱 회로.
  4. 제1항에서,
    상기 조절기는 LDO 조절기인 바이어싱 회로.
  5. 제1항에서,
    상기 전하 펌프는 전압 삼배기인 바이어싱 회로.
  6. 감지체; 및
    상기 감지체에 가변 바이어스 전압을 제공하는 바이어싱 회로;
    를 포함하며, 상기 바이어싱 회로는,
    기준 전압 및 제어 전압을 입력받아 가변 전압을 출력하는 LDO 조절기;
    디지털 제어 신호를 입력받아 상기 조절기에 상기 제어 전압을 제공하는 디지털 아날로그 컨버터;
    펄스 신호를 발생시키는 발진기;
    상기 발진기로부터 상기 펄스 신호 및 상기 조절기로부터 상기 가변 전압을 입력받으며, 상기 펄스 신호를 상기 가변 전압의 레벨로 조정하여 출력하는 레벨 시프터; 및
    상기 조절기로부터 출력된 상기 가변 전압 및 상기 레벨 시프터로부터 출력된 펄스 신호를 입력받으며, 상기 가변 전압보다 높은 가변 전압을 출력하는 전하 펌프;
    를 포함하는 마이크로폰.
  7. 제6항에서,
    상기 감지체는 커패시터의 특성을 갖는 진동막 및 고정 전극을 포함하는 마이크로폰.
  8. 제6항에서,
    상기 디지털 제어 신호는 8비트 신호인 마이크로폰.
  9. 제6항에서,
    상기 가변 바이어스 전압은 4.5V 내지 13.5V 범위인 마이크로폰.
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