KR101614330B1

KR101614330B1 - 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 mems 마이크로폰，이러한 mems 마이크로폰을 포함하는 시스템 및 패키지

Info

Publication number: KR101614330B1
Application number: KR1020147037003A
Authority: KR
Inventors: 저 왕
Original assignee: 고어텍 인크
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2016-04-21
Also published as: US20160212542A1; WO2015017979A1; US9462389B2; CN104541521B; KR20150031427A; CN104541521A

Abstract

본 발명은 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰, 이러한 MEMS 마이크로폰을 포함하는 시스템 및 패키지에 관한 것이다. 상기 마이크로폰은 백홀이 형성된 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판에 의해 지지되고 상기 실리콘 기판의 백홀 상측에 설치되는 컴플라이언스가 높은 진동막, 진동막 위에 에어갭을 사이에 두고 설치되며 또한 하나 이상의 제1 관통홀이 형성된 천공된 백 플레이트, 상기 하나 이상의 제1 관통홀과 대응되며 각각 대응되는 제1 관통홀을 관통하고 상기 진동막에 연결되는 하부와 상기 천공된 백 플레이트와 이격되게 설치되어 수직 이동 가능한 상부를 가진 하나 이상의 스토퍼를 포함하는 스토퍼 유닛을 포함하며, 그 중 상기 진동막과 상기 천공된 백 플레이트은 가변 콘덴서의 전극 역할을 한다. 상기의 내충격 마이크로폰에서, 상기 스토퍼 유닛은 취약하고 부서지기 쉬운 진동막이 낙하 테스트에서 발생되는 음압 충격으로 인해 큰 폭으로 움직이는 것을 제한하므로, 진동막이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰，이러한 MEMS 마이크로폰을 포함하는 시스템 및 패키지 {AN ANTI-IMPACT SILICON BASED MEMS MICROPHONE, A SYSTEM AND A PACKAGE WITH THE SAME}

본 발명은 마이크로폰 기술분야에 관한 것으로서, 구체적으로 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰, 이러한 MEMS 마이크로폰을 포함하는 시스템 및 패키지에 관한 것이다.

음향 트랜스듀서(변환기)로도 알려져 있는 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 이미 수년간 연구 개발되어 왔다. 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 소형화, 고성능, 신뢰성, 환경내구성, 비용, 대량생산 능력 등의 방면에서 잠재적인 장점으로 인해 휴대폰, 태블릿 PC, 카메라, 보청기, 스마트 토이, 감시장치 등을 비롯한 많은 분야에서 응용되고 있다.

일반적으로, 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 고정상태의 천공된 백 플레이트 및 컴플라이언스(순응도)가 높은 진동막을 포함하며 그 사이에 에어갭이 형성된다. 가변 에어갭 콘덴서를 구성하는 상기 천공된 백 플레이트와 상기 컴플라이언트 진동막은 통상적으로 단일 실리콘 기판 위에 형성되며, 그 중 하나가 실리콘 기판에 형성된 백홀을 통해 외부에 직접 노출되어 있다.

특허출원 No. WO 02/15636에서 백홀이 형성된 기판, 저응력 폴리실리콘으로 제조되고 상기 기판의 백홀 상측에 직접 위치하는 진동막, 진동막 상측에 설치되는 케이스부재(상기 백 플레이트에 해당)를 포함하는 음향 트랜스듀서가 개시되었다. 상기 진동막은 상기 케이스부재의 평탄 표면과 평행되는 자체의 평면에서 측면 이동이 가능하므로, 고유 응력을 발산시켜, 기계적 컴플라이언스를 일정하게 유지할 수 있다.

특허문서 PCT/DE97/02740에서 SOI기판으로 마이크로폰 및 관련 CMOS회로를 형성하는 소형 마이크로폰이 개시되었다. 구체적으로, 상기 SOI기판의 실리콘층으로 마이크로폰의 백 플레이트를 형성하되 상기 백 플레이트는 상기 SOI기판에 형성된 백홀 바로 상측에 위치하고, 그 다음 마이크로폰의 진동막으로 폴리실리콘 박막을 증착하되 상기 폴리실리콘 박막은 상기 백 플레이트의 상측에 에어갭을 사이에 두고 위치하여 상기 백 플레이트의 홀과 상기 SOI기판의 백홀을 통해 외부에 노출된다.

실리콘 마이크로폰을 패키징할 경우, 일반적으로 마이크로폰을 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 설치하되, 마이크로폰 기판에 형성되는 백홀과 PCB기판에 형성되는 음공을 일치시켜, 외부 음파가 마이크로폰의 진동막에 쉽게 도달하여 진동시킬 수 있게 한다. 일 예로, 도 1에 종래의 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지의 예시적인 구조의 단면도가 도시되었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 MEMS 마이크로폰 패키지에서, MEMS 마이크로폰(10’)과 기타 집적회로(20)는 PCB기판(30)상에 고정되고 케이스(40)에 의해 커버되어 있으며, MEMS 마이크로폰(10’)의 기판(100)에 형성된 백홀(140)과 상기 PCB 기판(30)에 형성되어 있는 음공(35)이 일치하도록 한다. 도 1에서 화살표로 표시된 외부 음파 또는 음압 충격파는 PCB 기판(30)의 음공(35)과 MEMS 마이크로폰(10’)의 기판(100)의 백홀(140)을 통과하여 MEMS 마이크로폰(10’)의 진동막(200)을 진동시킨다.

하지만, 종래의 단독 MEMS 마이크로폰이나 이러한 종래의 MEMS 마이크로폰을 포함하는 마이크로폰 패키지에 공존하는 문제점은, 종래의 MEMS 마이크로폰 진동막의 취약하고 부서지기 쉬운 특성상, 낙하 테스트 등 강한 음압 충격에 의해 쉽게 손상될 수 있다는 것이다.

전술한 기술적 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 취약하고 부서지기 쉬운 진동막이 낙하 테스트 등 음압 충격으로 인해 큰 폭으로 움직이는 것을 제한하여 진동막이 손상되는 것을 방지하는 스토퍼 유닛을 구비하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 백홀이 형성된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 의해 지지되고 상기 실리콘 기판의 상기 백홀 상측에 설치되는 컴플라이언트 진동막; 상기 진동막 상측에 에어갭을 사이에 두고 설치되며, 적어도 하나의 제1 관통홀이 형성된 천공된 백 플레이트; 상기 적어도 하나의 제1 관통홀과 대응하는 적어도 하나의 T형 스토퍼를 포함하되 각 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하여 상기 진동막에 연결되는 하부와 상기 천공된 백 플레이트와 이격되게 설치되어 수직 이동 가능한 상부를 구비하여 형성된 스토퍼 유닛;을 포함하며, 그 중 상기 진동막과 상기 천공된 백 플레이트는 가변 콘덴서의 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 마이크로폰을 제공한다.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 스토퍼는 각각 금속, 반도체와 절연체로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 재료를 적층하여 제조된다.

바람직하게는, 상기 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 상기 진동막과 대향하는 상기 천공된 백 플레이트의 하부 표면에서 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 컴플라이언트 진동막은 상기 실리콘 기판 위에 산화물층을 사이에 두고 적층된 실리콘 소자층의 일부분 또는 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 천공된 백 플레이트는 상기 백 플레이트의 전극 작용을 하는 금속층이 삽입된 CMOS 비활성화층으로 형성될 수 있고, 또는 폴리실리콘층 혹은 SiGe층으로 형성될 수도 있다.

일 예로, 상기 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 상기 진동막 엣지부와 상기 백 플레이트 엣지부 사이에 설치되어 상기 진동막을 외부와 전기적으로 연결시키는 연결부를 더 포함할 수 있으며, 상기 진동막의 주변부는 고정된다. 이런 경우, 바람직하게는, 상기 스토퍼 유닛은 하나의 스토퍼를 포함하되 상기 스토퍼의 하부는 상기 진동막의 중심부와 연결될수 있다. 또는 상기 스토퍼 유닛은 복수개의 스토퍼를 포함하되 상기 복수개의 스토퍼의 하부는 상기 진동막 엣지부 부근에서 상기 진동막과 동일 및/또는 대칭되게 연결될 수 있다.

또 다른 일 예로, 상기 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 상기 진동막 중심부와 상기 백 플레이트 중심부 사이에 설치되어 상기 진동막을 물리적으로 지지하고 전기적으로 외부와 연결시키는 연결부을 더 포함할 수 있으며, 상기 진동막의 엣지부는 자유롭게 진동할 수 있다. 이런 경우, 바람직하게는, 상기 스토퍼 유닛은 복수개의 스토퍼를 포함하되 상기 복수개의 스토퍼의 하부는 상기 진동막 엣지부 부근에서 상기 진동막과 동일 및/또는 대칭되게 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 백홀이 형성된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 의해 지지되고 상기 실리콘 기판의 상기 백홀 상측에 설치되는 천공된 백 플레이트; 상기 천공된 백 플레이트 상측에 에어갭을 사이에 두고 설치되며 적어도 하나의 제1 관통홀이 형성된 컴플라이언트 진동막; 상기 적어도 하나의 제1 관통홀과 대응되는 적어도 하나의 스토퍼를 포함하되 각 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하고 상기 천공된 백 플레이트에 연결되는 하부와 상기 진동막에 이격되게 설치된 상부를 구비하여 형성된 스토퍼 유닛;을 포함하며, 그 중 상기 진동막과 상기 천공된 백 플레이트는 가변 콘덴서의 전극을 형성하는 MEMS 마이크로폰을 제공한다.

바람직하게는, 상기 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 상기 천공된 백 플레이트와 대향하는 상기 진동막의 하부 표면에서 돌출된 돌출부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 천공된 백 플레이트는 상기 실리콘 기판 위에 산화물층을 사이에 두고 적층된 실리콘 소자층의 일부분 또는 폴리실리콘층으로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 컴플라이언트 진동막은 폴리실리콘층 또는 SiGe층으로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 단일 칩 상에 집적된 상기 임의의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰과 CMOS 회로를 포함하는 마이크로폰 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, PCB 기판; 상기 PCB 기판 상에 설치되는 전술한 임의의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰; 상기 MEMS 마이크로폰을 커버하는 케이스;를 포함하는 마이크로폰 패키지에 있어서, 상기 PCB 기판과 상기 케이스 중 어느 하나에 음공이 형성되어, 외부 음파가 상기 음공을 통과하거나, 상기 음공과 상기 실리콘 기판의 상기 백홀을 통과하여 상기 진동막을 진동시키는 마이크로폰 패키지를 제공한다.

전술한 설명에 의하면, 낙하 테스트 등으로 인한 음압 충격이 본 발명에 따른 단일 마이크로폰 혹은 마이크로폰 시스템의 기판의 백홀을 통과하거나, 본 발명에 따른 마이크로 패키지 중 PCB 기판의 음공과 마이크로폰 기판의 백홀을 통과하여 상기 마이크로폰의 진동막을 진동시킬 때, 상기 스토퍼 유닛은 진동막이 백 플레이트와 이격되는 방향으로 크게 이동하는 현상을 방지하고, 상기 백 플레이트는 진동막이 백 플레이트를 향한 방향으로 크게 이동하는 현상을 방지한다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 취약하고 부서지기 쉬운 진동막이 낙하 테스트 중 음압 충격에 의해 큰 폭으로 움직이는 것을 제한하여 진동막에 집중되는 응력을 감소시킴으로써, 진동막의 물리적 안정성을 제고하고 진동막이 낙하 테스트에서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 발명의 내용에서 복수의 실시예가 설명되었지만, 모든 실시예들이 반드시 상기 특징들을 포함해야 하는 것은 아니며, 일부 실시예에서, 전술한 일부 기능들은 바람직한 범위 내에서 사용가능하다. 이하 설명에서 많은 추가 특징, 실시예 및 유익한 효과들을 상세하게 설명하기로 한다.

하기의 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통해 본 발명의 목적 및 기능은 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지의 예시적인 구조의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로폰의 진동막을 위에서 관찰한 평면도이다.
도 4와 도 5는 각각 도 2에 도시된 마이크로폰의 진동막이 백 플레이트와 이격되는 방향과 백 플레이트에 접근하는 ?향으로 크게 이동한 것을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 마이크로폰의 진동막을 위에서 관찰한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지의 한 예시적인 구조의 단면도이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하기로 한다. 그 중 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 설명의 편의상 일부 과장되여 도시된것이며, 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타낸다. 이하 설명에서는 하나 이상의 실시예를 전면적인 이해를 돕기 위한 설명의 목적으로 특정 사항에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 하지만 이런 실시방식들은 상기 특정 사항이 없는 경우에도 구현 가능함은 당연한 것이다. 실시예에 있어서, 공지의 구조와 장치는 블록도의 형식으로 도시된다.

명세서와 첨부된 특허청구범위에서, 이해해야 할 것은, 어느 한 층, 영역, 부품이 다른 층, 다른 영역, 또는 다른 부품의 "상측" 혹은 "하측"에 설치되어 있다고 하는 기재는, 다른 층, 다른 영역, 또는 다른 부품의 "상측" 혹은 "하측"에 직접 또는 간접적으로 설치되어 있을 수도 있고, 하나 이상의 중간층이 존재할 수도 있음을 의미한다.

일반적으로, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 백홀이 형성된 실리콘 기판, 컴플라이언트 진동막, 천공된 백 플레이트 및 스토퍼 유닛을 포함하며, 그 중 상기 진동막과 상기 백 플레이트는 가변 콘덴서의 전극을 형성한다. 상기 컴플라이언트 진동막은 상기 실리콘 기판에 의해 지지되어 상기 실리콘 기판의 백홀 상측에 설치되며, 상기 백 플레이트는 상기 진동막 위에 에어갭을 사이에 두고 설치된다. 이런 경우, 상기 천공된 백 플레이트에는 하나 이상의 제1 관통홀이 더 설치되며, 상기 스토퍼 유닛은 상기 하나 이상의 제1 관통홀과 대응되는 하나 이상의 T형 스토퍼를 포함하되, 각 T형 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하고 상기 진동막에 연결되는 하부와 상기 천공된 백 플레이트와 이격되게 설치되어 수직 이동 가능한 상부를 구비한다. 또는, 상기 천공된 백 플레이트는 상기 실리콘 기판에 의해 지지되는 동시에 상기 실리콘 기판의 백홀 상측에 설치되고, 컴플라이언트 진동막은 상기 천공된 백 플레이트 위에 에어갭을 사이에 두고 설치되며, 상기 진동막은 하나 이상의 제1 관통홀을 더 포함하며, 상기 스토퍼 유닛은 상기 하나 이상의 제1 관통홀과 대응되는 하나 이상의 T형 스토퍼를 포함하되, 각 T형 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하여 상기 천공된 백 플레이트에 연결되는 하부와 상기 진동막과 이격되어 설치된 상부를 구비한다.

본 발명의 창조적 개념은 다음과 같다. 일 예로, 낙하 테스트에 의한 음압 충격이 본 발명에 따른 내충격 마이크로폰 기판의 백홀을 통과하여 상기 마이크로폰의 진동막을 진동시킨다. 상기 진동막이 상기 백 플레이트와 이격되는 방향으로 소정거리 이동할 경우, 상기 하나 이상의 스토퍼의 상부가 상기 진동막이 상기 백 플레이트와 진일보 이격되는 방향으로 이동하는 것을 제한하며, 상기 진동막이 상기 백 플레이트에 접근하는 방향으로 소정거리 이동할 경우, 상기 백 플레이트는 상기 진동막이 백 플레이트에 진일보 접근하는 방향으로 이동하는 것을 제한한다. 따라서, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 취약하고 부서지기 쉬운 진동막이 낙하 테스트에 의한 음압 충격으로 인해 큰 폭으로 움직이는 것을 제한함으로써 진동막의 손상을 방지할 수 있다.

상기 마이크로폰의 구체적인 형성과정에 따르면, 상기 하나 이상의 스토퍼는 각각 금속(예를 들어, 동, 알루미늄, 티타늄 등), 반도체(예를 들어, 폴리실리콘), 절연체(예를 들어, LPCVD 또는 PEVCD 산화물, PSG 또는 BPSG 산화물, 또는 상기 산화물들의 조합을 포함하는CMOS 유전체 규소산화물, 혹은 PECVD 질화규소를 포함하는 CMOS 비활성화물질 등)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 재료가 적층되어 제조된다.

또한, 상기 진동막이 상기 백 플레이트에 접착되는 현상을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 돌출부를 더 포함할 수 있는데, 상기 천공된 백 플레이트가 상기 진동막 상측에 설치되는 경우, 상기 돌출부는 상기 진동막과 대향하는 상기 천공된 백 플레이트의 하부 표면에서 돌출되고, 상기 진동막이 상기 천공된 백 플레이트 상측에 설치되는 경우, 상기 돌출부는 상기 천공된 백 플레이트와 대향하는 상기 진동막의 하부 표면에서 돌출된다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 서술함으로써 전술한 마이크로폰의 구조에 대해 설명하기로 한다.

(제1 실시예)

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 마이크로폰의 진동막을 위에서 내려다 볼 때의 예시적인 형상의 평면도이다. MEMS 마이크로폰은 음향 신호를 접수하고 접수된 음향 신호를 전기 신호로 변환시켜 후속되는 처리와 출력에 사용할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(10a)은 백홀(140)이 형성된 실리콘 기판(100), 전도성을 구비한 컴플라이언트 진동막(200), 천공된 백 플레이트(400) 및 에어갭(150)을 포함한다. 진동막(200)은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼 상의 상층 실리콘막 등을 비롯한 실리콘 소자층의 일부분, 또는 증착 과정을 통해 얻은 폴리실리콘 박막으로 형성되며, 진동막(200)은 실리콘 기판(100) 위에 산화물층(120)을 사이에 두고 적층되어 있다. 천공된 백 플레이트(400)는 진동막(200)의 상측에 위치하며 금속층(400b)이 삽입형성된 CMOS 비활성화층으로 형성된다. 상기 금속층(400b)은 백 플레이트(400)의 전극으로 사용된다. 또 다른 예에서, 천공된 백 플레이트(400)는 폴리실리콘층 또는 저온 SiGe층으로 형성된다. 에어갭(150)은 진동막(200)과 백 플레이트(400) 사이에 형성된다. 전도성을 구비한 컴플라이언트 진동막(200)은 전극 역할을 하며, 또한 백홀(140)을 통과하여 진동막(200)에 도달하는 외부 음파 또는 음압 충격에 응하여 진동하는 진동 박막 역할을 한다. 백 플레이트(400)는 마이크로폰(10a)의 다른 전극을 제공하며, 공기를 유통시켜 진동막(200)의 진동 초기 공기 저항력을 감소시키는 복수개의 제2 관통홀(430)이 형성되어 있다. 따라서, 진동막(200)과 백 플레이트(400)의 전극은 가변 콘덴서를 형성하며, 이 가변 콘덴서는 진동막(200)의 인출 전극(410)과 백 플레이트(400)의 인출 전극(420)을 구비한다.

내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10a)은 진동막(200)의 엣지부와 백 플레이트(400)의 엣지부 사이에 설치되어 진동막(200)을 전기적으로 외부와 연결시키는 연결부(600)를 더 포함할 수 있으며, 진동막(200)의 엣지부는 고정된다.

또한 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10a)은 진동막(200)과 대향하는 천공된 백 플레이트(400)의 하부 표면에서 돌출되어 진동막(200)이 백 플레이트(400)에 접착되는 것을 방지하기 위한 돌출부(500)를 더 포함할 수 있다.

국제출원 No. PCT/CN2010/075514에서 마이크로폰(10a)의 전술한 구조와 제조방법의 예에 대해 상세히 서술하였으며, 이 국제출원중의 관련 내용은 인용형식으로 본 명세서에 포함된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10a)에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 관통홀(450)이 백 플레이트(400)의 중심부에 형성되고, 스토퍼 유닛이 진동막(200)의 중심부에 형성되며, 상기 스토퍼 유닛은 제1 관통홀(450)과 대응되는 하나의 T형 스토퍼(700)를 포함하며, T형 스토퍼(700)는 도 3에 도시된 바와 같이 대응되는 제1 관통홀(450)을 관통하고 진동막(200)의 중심부에 연결되는 하부(710), 및 천공된 백 플레이트(400)와 이격되어 수직 이동 가능한 상부(720)를 가진다. 제1 실시예에서, 스토퍼(700)는 밑에서부터 위의 순서로, 한개층의CMOS 유전체 규소산화물층과 세개층의CMOS 비활성화층이 적층되어 형성되며, 상기 산화물층과 첫 두 층의 비활성화층이 스토퍼(700)의 하부(710)를 형성하고, 마지막 비활성화층이 스토퍼(700)의 상부(720)를 형성한다. 본 발명에서, 주의해야 할 점은, 상기 스토퍼의 형상이 정확히 T형일 필요는 없다는 것이다. 실제로, 하부가 제1 관통홀(450)을 관통하여 연결부 작용을 하고, 상부가 제1 관통홀(450)을 관통하지 못하여 제한부 작용을 할 수 있다면 임의의 T형에 가까운 스토퍼가 다 적용될 수 있다.

도 4와 도 5는 각각 도 2에 도시된 마이크로폰의 진동막이 백 플레이트와 이격되는 방향과 백 플레이트에 접근하는 ?향으로 크게 이동한 것을 도시한 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 진동막(200)이 음압 충격 하에 상기 백 플레이트와 이격되는 방향으로 소정거리 이동할 때, 스토퍼(700)의 상부(720)가 백 플레이트(400)의 상면과 접촉됨으로써, 진동막(200)이 백 플레이트(400)와 더욱 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 제한한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 진동막(200)이 음압 충격 하에서 상기 백 플레이트에 접근하는 방향으로 소정거리 이동할 때, 백 플레이트(400)가 진동막(200)이 백 플레이트(400)에 더욱 접근하는 방향으로 이동하는 것을 제한한다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10a)은 취약하고 부서지기 쉬운 진동막(200)이 낙하 테스트 등 음압 충격으로 인해, 큰 폭으로 움직이는 것을 제한하므로, 진동막이 낙하 테스트에서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

(제2 실시예)

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 마이크로폰의 진동막을 위에서 관찰할 경우의 예시적인 형상의 평면도이다.

도 6과 도 2를, 그리고 도 7과 도 3을 서로 비교해보면, 제2 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10b)과 제1 실시예의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰의 구별점은, 제2 실시예에서, 복수개의 제1 관통홀(450)이 백 플레이트(400) 엣지부 부근에 동일 및/또는 대칭되게 형성되고, 복수개의 제1 관통홀(450)과 각각 대응되는 복수개의 스토퍼(700)(스토퍼 유닛)가 진동막(200)의 엣지부 부근에 동일 및/또는 대칭되게 형성되며, 복수의 T형 스토퍼(700)는 각각 대응되는 제1 관통홀(450)을 관통하고 도 7에 도시된 바와 같이 진동막(200)의 엣지부 부근에서 진동막(200)에 연결되는 하부(710), 및 천공된 백 플레이트(400)와 이격되여 수직 이동 가능한 상부(720)를 구비하는 것이다.

(제3 실시예)

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다.

도 8과 도 6을 비교해보면, 제3 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10c)과 제2 실시예의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰의 구별점은, 제3 실시예에서, 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10c)은 진동막(200)의 중심부와 백 플레이트(400)의 중심부 사이에 설치되어 진동막(200)을 물리적으로 지지하고 전기적으로 외부와 연결시키기 위한 연결부(600)를 포함하며, 진동막(200)의 엣지부는 자유롭게 진동하도록 구성된 것이다. 국제출원 No. PCT/CN2010/075514에서 마이크로폰(10c)의 전술한 구조와 제조방법의 예를 상세하게 서술하였으며, 이 국제출원 중의 관련 내용은 인용 형식으로 본 명세서에 포함된다.

제3 실시예에서, 제2 실시예와 유사하게, 복수개의 제1 관통홀(450)이 백 플레이트(400) 엣지부 부근에 동일 및/또는 대칭되게 형성되고, 복수개의 제1 관통홀(450)과 각각 대응되는 복수개의 스토퍼(700)(스토퍼 유닛)가 진동막(200)의 엣지부 주위에 동일 및/또는 대칭되게 형성되며, 각 T형 스토퍼(700)는 각각 대응되는 제1 관통홀(450)을 관통하고 진동막(200)의 엣지부 주위에서 진동막(200)에 연결되는 하부(710) 및 천공된 백 플레이트(400)와 이격되여 수직 이동 가능한 상부(720)를 구비한다.

본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰의 세 실시예를 도 2~도 8을 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 대체 방안으로, 아래의 제4 실시예와 같이, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 천공된 백 플레이트가 상기 실리콘 기판의 백홀 상측에 위치하고, 컴플라이언트 진동막은 상기 천공된 백 플레이트 상측에 위치하며, 하나 이상의 T형 스토퍼는 진동막에 형성되는 하나 이상의 대응되는 제1 관통홀을 관통하고 천공된 백 플레이트에 고정되는 구조를 가질 수 있다.

(제4 실시예)

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 구조의 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(10d)은 백홀(140)이 형성된 실리콘 기판(100), 실리콘 기판(100)에 의해 지지되고 실리콘 기판(100)의 백홀 상측에 설치되는 천공된 백 플레이트(400), 천공된 백 플레이트(400) 위에 에어갭(150)을 사이에 두고 설치되는 컴플라이언트 진동막(200)을 포함한다. 천공된 백 플레이트(400)와 진동막(200)은 가변 콘덴서의 전극을 형성하며, 상기 가변 콘덴서는 백 플레이트(400)의 인출 전극(420)과 진동막(200)의 인출 전극(410)을 포함한다. 천공된 백 플레이트(400)는 후속 처리과정에서의 고온을 견딜 수 있는 실리콘 소자층의 일부분 또는 폴리실리콘층으로 형성되며, 상기 실리콘 기판 위에 산화물층을 사이에 두고 적층된다. 컴플라이언트 진동막(200)은 폴리실리콘층 또는 저온 SiGe층으로 형성될 수 있다.

또한, 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10d)은 천공된 백 플레이트(400)와 대향하는 진동막(200)의 하부 표면에서 돌출되어, 진동막(200)이 백 플레이트(400)에 접착되는것을 방지하기 위한 돌출부(500)를 더 포함할 수 있다.

그 외, 제1 관통홀(250)이 진동막(200)의 중심부에 형성되고, 제1 관통홀(250)과 대응되는 하나의 T형 스토퍼(700)를 포함하는 스토퍼 유닛이 천공된 백 플레이트(400)의 중심부에 형성되며, T형 스토퍼(700)는 대응되는 제1 관통홀(250)을 관통하고 천공된 백 플레이트(400)의 중심부에 연결되는 하부(710) 및 진동막(200)와 이격되여 수직 이동 가능한 상부(720)를 가진다. 본 실시예에서, 스토퍼(700)는 밑에서부터 위의 순서로, 한층의 CMOS 유전체 규소산화물층, 한층의 폴리실리콘층, 두개층의 금속 혹은 반도체 혹은 절연체 또는 그들의 조합(바람직하게는 두개층의 CMOS 비활성화층, 예하면 SiN)으로 구성된 기타 층이 적층되어 형성되며, 상기 산화물층, 상기 폴리실리콘층과 첫번째의 기타 층이 스토퍼(700)의 하부(710)를 형성하고, 두번째의 기타 층이 스토퍼(700)의 상부(720)를 형성한다.

또 다른 실시예로, 복수개의 제1 관통홀(250)이 진동막(200)의 엣지부 주위에 동일 및/또는 대칭되게 형성되고, 복수개의 제1 관통홀(250)과 각각 대응되는 복수 개의 스토퍼(700)(스토퍼 유닛)가 백 플레이트(400)의 엣지부 주위에 동일 및/또는 대칭되게 형성되며, 각 T형 스토퍼(700)는 각각 대응되는 제1 관통홀(250)을 관통하고 백 플레이트(400)의 엣지부 주위에서 백 플레이트(400)에 연결되는 하부(710), 및 진동막(200)과 이격되여 형성된 상부(720)를 포함한다.

또한, 상기 하나 이상의 스토퍼는 각각 금속(예를 들면, 동, 알루미늄, 티타늄 등), 반도체(예를 들면, 폴리실리콘), 절연체(예를 들면, LPCVD 또는 PEVCD 산화물, PSG 또는 BPSG 산화물, 또는 상기 산화물들의 조합을 포함하는CMOS 유전체 규소산화물, 또는 PECVD 질화규소를 포함하는 CMOS 비활성화물질 등)으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 재료가 적층되어 형성된다.

도 9를 참조하면, 진동막(200)이 음압 충격 하에서 백 플레이트(400)와 이격되는 방향으로 소정거리 이동할 경우, 진동막(200)이 스토퍼(700)의 상부(720)와 접촉되며, 스토퍼(700)의 상부(720)는 진동막(200)이 진일보로 백 플레이트(400)과 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 제한한다. 진동막(200)이 음압 충격 하에서 백 플레이트(400)에 접근하는 방향으로 소정거리 이동할 경우, 백 플레이트(400)는 진동막(200)이 진일보로 백 플레이트(400)에 접근하는 방향으로 이동하는 것을 제한한다. 따라서, 제4 실시예에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10d)은 취약하고 부서지기 쉬운 진동막(200)이 낙하 테스트 등 음압 충격에 의한 대폭 이동을 제한하므로, 진동막에 집중되는 응력을 감소시켜, 진동막의 물리적 안정성을 제고하고 진동막이 낙하 테스트에서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 임의의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰은 모두 CMOS 회로와 단일 칩상에 집적되여 마이크로폰 시스템을 형성할 수 있다.

아래에 본 발명에 따른 마이크로폰 패키지를 도 10을 참조하여 간단하게 서술하기로 한다.

도 10은 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지의 한 예시적인 구조의 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로폰 패키지는 음공이 형성된 PCB 기판, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰, 및 케이스를 포함한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰(10)과 기타 집적회로(20)는 PCB 기판(30) 상에 설치되고, 케이스(40)에 의해 커버되되, MEMS 마이크로폰(10)의 기판(100)에 형성되는 백홀(140)이 PCB 기판(30)에 형성되는 음공(35)과 일치하도록 한다. 도 10에서 화살표로 나타낸 외부 음파 또는 음압 충격이 PCB 기판(30) 상의 음공(35)과 마이크로폰(10)의 기판(100)의 백홀(140)을 통과하여 마이크로폰(10)의 진동막(200)을 진동시킨다.

외부 음파가 상기 음공(35)을 통과하여, 또는 상기 음공(35)과 상기 실리콘 기판(100) 상의 백홀(140)을 통과하여 진동막을 진동시킬 수 있는 구조이면 음공(35)은 PCB 기판(30) 또는 케이스(40) 중 임의의 하나에 형성 가능하다.

일 예로, 낙하 테스트로 인한 음압 충격이 본 발명에 따른 마이크로폰 패키지의 PCB 기판(30)의 음공(35)과 마이크로폰(10)의 기판(100)의 백홀(140)을 통과하여 마이크로폰(10)의 진동막(200)을 진동시킬 경우, 스토퍼 유닛은 진동막(200)이 백 플레이트(400)와 진일보 이격되는 방향으로의 대폭 이동을 제한하며, 백 플레이트(400)는 진동막(200)이 백 플레이트(400)에 진일보 접근하는 방향으로의 대폭 이동을 제한한다. 따라서, 본 발명에 따른 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 패키지는 취약하고 부서지기 쉬운 진동막(200)이 낙하 테스트에서 손상되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 본 개시에 대한 설명은 해당 분야의 모든 당업자가 본 개시를 제조하거나 사용하기 위한 것으로서, 해당 분야의 당업자에게 있어서 본 개시에 대한 다양한 수정이 가능함은 명백한 것이며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 상기 정의된 일반 원리를 다른 변형예에 응용할 수 있다. 따라서, 본 명세서의 개시는 여기에서 서술되는 실시예에 한정되는 것이 아니며, 개시된 원리와 신규 특징의 최대 범위에 의해 결정되어야 할 것이다.

10: MEMS 마이크로폰
20: 기타 집적회로
30: PCB 기판
35: 음공
40: 케이스
100: 실리콘 기판
120: 산화물층
140: 백홀
150: 에어갭
200: 진동막
400: 백 플레이트
410, 420: 인출전극
430: 제2 관통홀
250, 450: 제1 관통홀
500: 돌출부
600: 연결부
700: T형 스토퍼

Claims

백홀이 형성된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판에 의해 지지되고 상기 실리콘 기판의 상기 백홀 상측에 설치되는 컴플라이언트 진동막;
상기 진동막 상측에 에어갭을 사이에 두고 설치되며, 적어도 하나의 제1 관통홀이 형성된 천공된 백 플레이트;
상기 적어도 하나의 제1 관통홀과 대응하는 적어도 하나의 T형 스토퍼를 포함하되, 각 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하여 상기 진동막에 연결되는 하부와 상기 천공된 백 플레이트보다 상측으로 돌출되고 이격되게 설치되어 수직 이동 가능한 상부를 구비하여 형성된 스토퍼 유닛;을 포함하며,
상기 진동막과 상기 천공된 백 플레이트는 가변 콘덴서의 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스토퍼는 각각 금속, 반도체 및 절연체로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 재료가 적층되어 제조되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 진동막과 대향하는 상기 천공된 백 플레이트의 하부 표면에서 돌출된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 컴플라이언트 진동막은 상기 실리콘 기판 위에 산화물층을 사이에 두고 적층된 실리콘 소자층의 일부분 또는 폴리실리콘층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 천공된 백 플레이트는 상기 백 플레이트의 전극 작용을 하는 금속층이 삽입된 CMOS 비활성화층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 천공된 백 플레이트는 폴리실리콘층 또는 SiGe층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 진동막 엣지부와 상기 백 플레이트 엣지부 사이에 설치되어 상기 진동막을 외부와 전기적으로 연결시키는 연결부를 더 포함하며,
상기 진동막의 엣지부는 고정되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제7항에 있어서,
상기 스토퍼 유닛은 하나의 스토퍼를 포함하되, 상기 스토퍼의 하부는 상기 진동막의 중심부와 연결되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제7항에 있어서,
상기 스토퍼 유닛은 복수개의 스토퍼를 포함하되, 상기 복수개의 스토퍼의 하부는 상기 진동막의 엣지부 부근에서 상기 진동막과 동일 및/또는 대칭되게 연결되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 진동막 중심부와 상기 백 플레이트 중심부 사이에 설치되어 상기 진동막을 물리적으로 지지하고 전기적으로 외부와 연결시키는 연결부를 더 포함하며,
상기 진동막의 엣지부는 자유롭게 진동 가능한 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제10항에 있어서,
상기 스토퍼 유닛은 복수개의 스토퍼를 포함하되, 상기 복수개의 스토퍼의 하부는 상기 진동막의 엣지부 부근에서 상기 진동막과 동일 및/또는 대칭되게 연결되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
백홀이 형성된 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판에 의해 지지되고 상기 실리콘 기판의 상기 백홀 상측에 설치되는 천공된 백 플레이트;
상기 천공된 백 플레이트 위에 에어갭을 사이에 두고 설치되며, 적어도 하나의 제1 관통홀이 형성된 컴플라이언트 진동막;
상기 적어도 하나의 제1 관통홀과 대응되는 적어도 하나의 T형 스토퍼를 포함하되, 각 스토퍼는 대응되는 제1 관통홀을 관통하고 상기 천공된 백 플레이트에 연결되는 하부와 상기 진동막보다 상측으로 돌출되고 이격되게 설치된 상부를 구비하여 형성된 스토퍼 유닛;을 포함하며,
상기 천공된 백 플레이트와 상기 진동막은 가변 콘덴서의 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제12항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스토퍼는 각각 금속, 반도체 및 절연체로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 재료가 적층되어 제조되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제12항에 있어서,
상기 천공된 백 플레이트와 대향하는 상기 진동막의 하부 표면에서 돌출된 돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제12항에 있어서,
상기 천공된 백 플레이트는 상기 실리콘 기판 위에 산화물층을 사이에 두고 적층된 실리콘 소자층의 일부분 또는 폴리실리콘층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
제12항에 있어서,
상기 컴플라이언트 진동막은 폴리실리콘층 또는 SiGe층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰.
단일 칩 상에 집적된, 제1항 또는 제12항의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰, 및
CMOS 회로를 포함하는 마이크로폰 시스템.
PCB 기판, 상기 PCB 기판에 설치되는 제1항 또는 제12항의 내충격기능을 구비한 실리콘 기반의 MEMS 마이크로폰 및 상기 MEMS 마이크로폰을 커버하는 케이스를 포함하며,
상기 PCB 기판과 상기 케이스 중 어느 하나에 음공이 형성되어, 외부 음파가 상기 음공, 또는 상기 음공과 상기 실리콘 기판의 상기 백홀을 통과하여 상기 진동막을 진동시키는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 패키지.