KR101798319B1 - 집적된 변환기 및 온도 센서를 위한 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
집적된 변환기 및 온도 센서를 위한 시스템 및 그 방법이 개시된다. 실시예에 따르면, 변환기는 단일의 다이 상에서 집적된 미세 가공된 요소 및 미세 가공된 요소에 연결된 인터페이스 IC를 포함한다. 미세 가공된 요소는 음향 변환기 및 온도 센서를 포함하고, 인터페이스 IC는 음향 변환기 및 온도 센서에 전기적으로 연결된다.
Description
본 발명은 일반적으로 변환기(transducer)용 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집적된 변환기 및 온도 센서를 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
변환기는 신호를 하나의 도메인으로부터 다른 도메인으로 변환하며 흔히 센서에서 사용된다. 일상생활에서 볼 수 있는 변환기를 가진 하나의 일반적인 센서는 음파를 전기 신호로 변환하는 마이크로폰이다. 일반적인 센서의 다른 예는 온도계이다. 온도 신호를 전기 신호로 변환함으로써 온도계로서 작용하는 다양한 변환기가 존재한다.
마이크로 전기기계 시스템(microelectromechanical system: MEMS)에 기반한 센서는 미세 기계가공 기술(micromachining technique)을 이용하여 생산된 변환기 패밀리를 포함한다. MEMS 마이크로폰과 같은 MEMS는 변환기에서 물리적 상태의 변동을 측정하고 변환된 신호를 MEMS 센서에 연결된 처리용 전자장치로 전달함으로써 환경으로부터 정보를 수집한다. MEMS 디바이스는 집적 회로에 사용된 기술과 유사한 미세 기계가공 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
MEMS 디바이스는 예를 들면, 발진기, 공진기, 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서, 마이크로폰, 및 마이크로 거울로서 기능하도록 설계될 수 있다. 많은 MEMS 디바이스는 용량성 감지 기술을 사용하여 물리적 현상을 전기 신호로 변환한다. 그러한 응용에서, 센서의 용량성 변동은 인터페이스 회로를 이용하여 전압 신호로 변환된다.
그러한 하나의 용량성 감지 디바이스는 MEMS 마이크로폰이다. MEMS 마이크로폰은 일반적으로 강성의 백플레이트로부터 짧은 거리만큼 떨어진 편향 가능한 멤브레인을 갖는다. 멤브레인에 입사하는 음압파에 대응하여, 멤브레인은 백플레이트를 향해 또는 백플레이트로부터 멀리 편향시키며, 그럼으로써 멤브레인과 백플레이트 사이에서 이격 거리를 변화시킨다. 일반적으로, 멤브레인과 백플레이트는 전도성 물질 이외의 물질로 만들어지며 캐패시터의 "플레이트"를 형성한다. 그래서, 멤브레인 및 백플레이트를 분리하는 거리는 입사하는 음파에 대응하여 변하므로, "플레이트" 사이에서 캐패시턴스가 변하고 전기 신호가 발생된다.
MEMS 마이크로폰은 보통 태블릿 컴퓨터나 이동 전화와 같은 이동 전자기기에서 사용된다. 일부 응용에서, 예를 들어 태블릿 컴퓨터 또는 이동 전화와 같이 MEMS 마이크로폰을 포함하는 전자 시스템에 부가적인 기능성 또는 향상된 기능성을 제공하기 위해서 그러한 MEMS 마이크로폰의 기능성을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.
실시예에 따르면, 변환기는 단일의 다이 상에서 집적된 미세 가공된 요소 및 미세 가공된 요소에 연결된 인터페이스 IC를 포함한다. 미세 가공된 요소는 음향 변환기 및 온도 센서를 포함하고, 인터페이스 IC는 음향 변환기 및 온도 센서에 전기적으로 연결된다.
본 발명과 본 발명의 장점을 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부 도면과 관련하여 설명되는 다음의 상세한 설명이 참조된다.
도 1은 센서의 실시예의 시스템 블록도를 예시한다.
도 2는 MEMS 다이의 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 3은 MEMS 다이의 실시예의 평면도를 예시한다.
도 4는 MEMS 다이의 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 5는 MEMS 다이의 다른 실시예의 평면도를 예시한다.
도 6은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 평면도를 예시한다.
도 7은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 8은 MEMS 다이의 제조 프로세스의 실시예의 블록도를 예시한다.
도 9는 센서 시스템의 실시예의 개요도를 예시한다.
도 10은 동작 방법의 실시예의 블록도를 예시한다.
도 11은 전자 시스템의 실시예의 시스템 블록도를 예시한다.
도 12는 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 13은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
일반적으로 여러 도면에서 대응하는 번호 및 부호는 달리 표시하지 않는 한 대응하는 부품을 지칭한다. 도면은 실시예의 관련한 양태를 분명하게 예시하기 위해 작성되며 반드시 축척대로 작성되지는 않는다.
도 1은 센서의 실시예의 시스템 블록도를 예시한다.
도 2는 MEMS 다이의 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 3은 MEMS 다이의 실시예의 평면도를 예시한다.
도 4는 MEMS 다이의 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 5는 MEMS 다이의 다른 실시예의 평면도를 예시한다.
도 6은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 평면도를 예시한다.
도 7은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 8은 MEMS 다이의 제조 프로세스의 실시예의 블록도를 예시한다.
도 9는 센서 시스템의 실시예의 개요도를 예시한다.
도 10은 동작 방법의 실시예의 블록도를 예시한다.
도 11은 전자 시스템의 실시예의 시스템 블록도를 예시한다.
도 12는 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
도 13은 MEMS 다이의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다.
일반적으로 여러 도면에서 대응하는 번호 및 부호는 달리 표시하지 않는 한 대응하는 부품을 지칭한다. 도면은 실시예의 관련한 양태를 분명하게 예시하기 위해 작성되며 반드시 축척대로 작성되지는 않는다.
아래에서 다양한 실시예의 구성과 사용에 대해 자세히 논의된다. 그러나 본 출원에서 설명되는 다양한 실시예는 각종의 특정한 맥락에서 적용 가능하다는 것을 인식하여야 한다. 논의되는 특정 실시예는 단지 다양한 실시예를 구성하고 사용하는 특정 방식의 예시일 뿐이며, 한정된 범위로 해석되지 않아야 한다.
다양한 실시예와 관련하여 특정한 맥락에서, 즉 변환기, 보다 구체적으로는 집적된 MEMS 마이크로폰 및 온도 센서에 관해 설명된다. 본 출원에서 설명되는 다양한 실시예 중 일부 실시예는 MEMS 변환기 시스템, MEMS 마이크로폰 시스템, 음향 변환기와 온도 센서를 모두 겸비한 MEMS 센서, 및 써미스터와 저항 온도 감지기(resistance temperature detector: RTD)를 구비하는 집적된 온도 센서를 포함한다. 다른 실시예에서, 양태는 또한 본 기술에서 공지된 임의의 유행 방식에 따른 임의의 형태의 센서 또는 변환기를 포함하는 다른 애플리케이션에도 적용될 수 있다.
최근, 모바일 전자기기는 부가적인 기능성을 더 작은 폼 팩터로 제공하는 데 있어서 장족의 발전을 이루었다. 센서가 포함되고 처리 능력이 증가하면서 예를 들면 태블릿 컴퓨터 및 이동 전화의 사용이 완전히 탈바꿈되었다. 예를 들어 가속도계, 자이로스코프, 고해상도 카메라, 광센서, 마이크로폰, 및 심지어 터치 기반 센서를 포함하는 센서는 보통 당연히 각종 모바일 전자기기 내에 포함된다. 동시에, 소비자 응용에서 경쟁은 이동 기기의 폼 팩터를 최소화하고 심미적인 매력을 증가시키면서 기능을 늘리려는 상당한 노력을 기울이게 되었다.
본 출원에서 설명되는 다양한 실시예에 따르면, 앞에서 설명된 일반적인 추세에 따라서, 마이크로폰 또는 마이크로스피커와 같은 음향 변환기와 온도 센서를 모두 단일의 다이 상에서 포함하는 집적된 MEMS 센서가 제시된다. 유용한 온도계를 각종 디바이스 내에 포함하려는 노력이 있어 왔다. 그러나 다양한 응용에서, 온도계는 보통 응용 디바이스 및 사용자와의 직접적인 접촉에 영향을 받는다. 예를 들면, 예전의 노력의 결과는 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB) 또는 디바이스 케이스 또는 하우징에 연결된 온도 센서를 포함할 수 있다. 그러한 사례에서, 온도 센서는 PCB를 통해 전달되는 열과 같이 디바이스 내 다른 컴포넌트에 의해 발생된 열에 의해 또는 신체 온도와 같이 사용자로부터 발생된 열에 의해 상당하게 영향을 받은 신호를 발생할 수 있다. 디바이스 및 사용자를 에워싸고 있는 외부 환경에 관한 정보 즉, 온도가 요구되는 응용에서, 예전의 응용은 그렇게 디바이스 또는 사용자로부터 발생한 열 잡음을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 온도 센서를 MEMS 마이크로폰 내에 통합하여 MEMS 마이크로폰의 사운드 포트와 접촉시키면 온도 센서가 외부 환경과 직접 접촉하게 되면서 동시에 센서가 케이스 또는 PCB에 부착된 프로세서와 같은 다른 전자 컴포넌트에 연결될 때와 같이, 사용자와 같은 열 잡음 발생원과의 접촉이 최소화된다. 다양한 실시예에서, 온도 센서는 MEMS 다이의 기판의 몸체 내에 집적되거나, MEMS 다이의 기판의 표면 상에서 집적되거나, 또는 MEMS 마이크로폰의 감지 플레이트(sensing plates) 중 임의의 플레이트 상에서 집적될 수 있다. 그러한 예시적인 실시예의 각종 세부 내용은 본 출원에서 도면을 참조하여 아래에서 추가 설명된다.
도 1은 MEMS 다이(102) 및 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit: ASIC)(104)를 포함하는 센서(100)의 실시예의 시스템 블록도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102)는 음향 변환기 및 온도 감지 요소를 포함하며, 이들은 모두 개구 또는 사운드 포트(106)를 통해 센서(100) 외부의 환경에 연결된다. 마이크로폰은 제 1 및 제 2 감지 플레이트를 포함한다. 일부 실시예에서, MEMS 다이(102) 내의 마이크로폰은 강성의 천공된 백플레이트 및 편향 가능한 멤브레인을 포함한다. 사운드 포트(106)를 통해 MEMS 다이(102)에 들어오는 음파는 편향 가능한 멤브레인을 진동하거나 움직이게 하여, 멤브레인과 백플레이트 사이의 이격 거리를 변하게 하고 변환된 음향 신호(ASIG)를 발생하여 ASIC(104)에 공급한다. 다른 실시예에서, 마이크로폰은 부가적인 강성의 천공된 백플레이트를 포함하는 이중 백플레이트 마이크로폰이다. 또 다른 실시예에서, 마이크로폰은 임의의 종류의 멤브레인 기반의 음향 변환기로서 구현된다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 마이크로폰은 광 마이크로폰 또는 압전 마이크로폰 용도와 같이 단일의 멤브레인으로 구현될 수 있다. 그러한 실시예에서, 감지 메커니즘은 예를 들면, 광 또는 압전과 같은 비용량성 메커니즘일 수 있다. 또 다른 실시예에서, MEMS 다이(102)는 MEMS 마이크로스피커와 같은 멤브레인 기반의 스피커를 포함한다.
다양한 실시예에서, MEMS 다이(102) 내의 온도 감지 요소는 온도에 비례하는 온도 신호(TSIG)를 발생하고 그 온도 신호(TSIG)를 ASIC(104)에 공급한다. MEMS 다이(102) 내의 온도 감지 요소는 마이크로폰과 같은 반도체 내에 집적되며 본 출원에서 아래에서 추가 설명되는 바와 같이 다양한 변형 감지 요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 온도 감지 요소는 반도체 기판에서 확산 저항, 기판 표면 상에서 또는 기판에서 형성된 다이오드, 기판 상에서 또는 마이크로폰의 감지 플레이트 중 어느 감지 플레이트 상에서 형성된 써미스터, 저항 온도 감지기(resistance temperature detector: RTD), 또는 마이크로폰 구조체 내에 집적된 열전대(thermocouple)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, MEMS 다이(102)는 마이크로폰 및 온도 감지 요소 둘 다를 인터페이스하는 부가적인 콘택 패드를 포함할 수 있다. 온도 감지 요소는 사운드 포트(106)를 통해 외부 환경에 열적으로 연결되기 위해 MEMS 다이(102) 내에 형성될 수 있다. 예를 들면, 열 감지 요소는 음향적으로 또는 유체적으로 사운드 포트(106)에 연결된 공동(cavity) 내에서 공기와 접촉하여 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, ASIC(104)은 공급 신호 또는 바이어스 전압(bias voltage, BIAS)을 MEMS 다이(102)에 공급할 수 있다. 일부 실시예에서 ASIC(104)은 임의의 형태의 집적 회로일 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 다이(102)는 단일의 반도체 다이로서 형성된다. 또한, ASIC(104)은 단일의 반도체 다이 상에서 단일의 집적 회로로서 형성될 수 있다. 패키지(108)는 MEMS 다이(102) 및 ASIC(104)이 부착된 PCB를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, ASIC(104) 및 MEMS 다이(102)는 같은 기판 또는 같은 반도체 다이 상에서 집적될 수 있다. 다양한 실시예에서, MEMS 다이(102) 및 ASIC(104)은 예를 들면 전도체 또는 절연체 및 더 특정한 예에서는 폴리머와 같이, 반도체와 다른 물질의 기판 상에서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, ASIC(104) 및 MEMS 다이(102)는 예를 들면 플립 칩 본딩 또는 웨이퍼 본딩에 의해 패키지(108) 내에서 함께 직접 부착된다.
본 출원에서 아래에서 설명한 바와 같이, 실시예의 MEMS 사운드 포트를 통해 외부 환경과 직접 접촉하는 멤브레인 및 백플레이트 또는 두 개의 백플레이트를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 감지 요소는 멤브레인 또는 백플레이트 상에 형성되고 또한 외부 환경으로부터의 공기와 직접 접촉한다. 또한, 온도 감지 요소가 형성되는 멤브레인 또는 백플레이트는 PCB로부터 열 전달을 감소하거나 제거하는 기판에 현가되어 있기 때문에 온도 감지 요소는 MEMS 다이(102)를 지지하는 PCB에 부착된 열 발생 요소로부터 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 다이(102)의 기판 상에서 또는 기판 내에 형성된 온도 감지 요소에 대해 유사한 이득이 이루어질 수 있다.
도 2는 도 1을 참조하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102)의 일 실시예를 구현한 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체를 포함하는 MEMS 다이(102a)의 실시예의 횡단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, 이중 백플레이트 마이크로폰은 공동(112) 위에서 기판(110) 상에 형성되며 하부 백플레이트(114), 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)를 포함한다. 상부 및 하부 백플레이트(114 및 118)는 다중 층으로 형성된 강성의 천공 구조체일 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 및 하부 백플레이트(114 및 118)는 각기 상부 및 하부 절연 층들 사이에서 형성된 전도성 층을 포함한다. 특정한 일 실시예에서, 전도성 층은 폴리실리콘으로 형성되며 상부 및 하부 절연 층은 실리콘 질화물(silicon nitride, SiN)로 형성된다. 다른 실시예에서는 다른 물질이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 멤브레인(116)은 전도성 물질 및 비전도성 물질을 포함하는 둘 이상의 층과 같은 다중 층으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 하부 백플레이트(114)는 온도 감지 요소로서 링 저항기(ring resistor)(120)를 포함한다. 특정 실시예에서, 링 저항기(120)는 SiN과 같은 절연 물질로 둘러싸인 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 써미스터(120)라고 지칭될 수 있는 링 저항기(120)는 폴리실리콘과 같은 반도체성 물질로서 형성될 수 있거나, 아니면 금속으로 형성될 수 있다. 링 저항기(120)는 공동(112)에 가로 놓인 활성 음향 감지 영역에서 또는 기판(110)에 가로 놓인 비활성 감지 영역에서 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 링 저항기(120)는 멤브레인(116) 상에서 또는 상부 백플레이트(118) 상에서 (도시되지 않음) 온도 감지 요소로서 형성될 수 있다.
특정 실시예에서, 하부 백플레이트(114), 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)를 포함하는 이중 백플레이트 마이크로폰은 구조 층(123 및 124)에서 형성된다. 구조 층(123 및 124)은 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate: TEOS) 또는 다른 패턴 가능한 물질일 수 있다. 콘택 패드(126, 128, 130, 및 132)는 각기 구조 층(123 및 124)을 통해 기판(110), 하부 백플레이트(114), 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(132)와의 전기적 접속을 제공한다. 콘택 패드(126, 128, 130, 및 132)는 반도체의 금속과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 격리 또는 절연 층(122)이 또한 콘택 패드(126, 128, 130, 및 132) 위에 형성될 수 있다. 도 2에서 도시되지 않지만, 링 저항기(120)는 도 3을 참조하여 추가 설명한 바와 같이 구조 층(124)에서 형성된 부가적인 콘택 패드(134 및 136)에 연결될 수 있다.
도 3은 도 2를 참조하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102a)의 실시예의 평면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, 상부 백플레이트(118), 멤브레인(116) 및 하부 백플레이트(114)(도시되지 않음)는 기판(110) 상에서 공동(112)(도시되지 않음) 위에 형성된다. 그러한 실시예에서, 써미스터(120)라고도 지칭될 수도 있는 링 저항기(120)는 콘택 패드(134)와 콘택 패드(136) 사이의 상부 백플레이트(118)에서 형성된 것으로 도시된다. 상부 백플레이트(118)는 개구(138)을 포함하며 콘택 패드(132)에 의해 전기적으로 접촉된다. 접촉 패드(126)는 기판(110)에 전기적으로 접속되고 접촉 패드(130)는 멤브레인(116)에 전기적으로 연결된다. 구조 층(123 및 124)은 간략한 예시를 위해 생략된다.
간략한 예시를 위해 도 3에서 상부 백플레이트(118)는 백플레이트의 일부분으로서 형성된, 예를 들면, 백플레이트 내에서 또는 백플레이트 상에서 형성된 링 저항기(120)와 함께 예시되는데 반해, 도 2에서 하부 백플레이트(114)는 링 저항기(120)와 함께 예시된다. 다양한 실시예에서, 링 저항기(120)는 상부 백플레이트(118) 또는 하부 백플레이트(114) 내에서 아니면 상부 백플레이트(118) 또는 하부 백플레이트(114) 상에서 형성될 수 있다. 따른 실시예에서, 링 저항기(120)는 두 개의 상부 및 하부 백플레이트(114 및 118) 상에서 모두 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 링 저항기(120)는 멤브레인(116) 상에서 또는 멤브레인(116) 내에서 형성될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 링 저항기(120)는 절연 물질(142)과 절연 물질(144) 사이의 전도성 물질(140)을 포함한다. 특정 실시예에서, 절연 물질(142 및 144)은 SiN이며 전도성 물질(140)은 폴리실리콘이다. 다른 실시예에서, 전도성 물질(140)은 예를 들어 다른 반도체성 물질 또는 금속으로 형성될 수 있으며, 절연 물질(142 및 144)은 예를 들어 다른 절연체로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 전도성 물질(140)은 백금이다. 다양한 실시예에 따르면, 방출 선(release line)(146)은 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)가 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)의 고정 부분으로부터 방출된 부분을 묘사한다. 일부 실시예에서, 방출 선(146)은 방출 선(146) 밖의 비활성 음향 감지 영역으로부터 방출 선(146) 내부의 활성 음향 감지 영역을 묘사한다.
다양한 실시예에서, 링 저항기(120)는 예시된 바와 같이 링 형상의 구조체일 수 있다. 다른 실시예에서, 써미스터(120)는 선 저항기(line resistor) 또는 곡형 저항기(meander type resistor)와 같이 임의의 형태로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 써미스터(120)는 백플레이트 또는 멤브레인 중 어느 하나를 가로지르는 원 또는 지그재그에서 이어지는 곡형 저항기로서 형성될 수 있다. 대안의 실시예에서, 써미스터(120)는 백플레이트 또는 멤브레인 중 어느 하나의 임의의 부분에 배치된 짧은 선 저항기일 수 있다.
도 2 및 도 3과 관련하여 설명한 바와 같은 다양한 실시예에서, 링 저항기(120)의 저항은 온도에 좌우될 수 있다. 콘택 패드(134 및 136)에서 전압 또는 전류를 링 저항기(120)에 제공함으로써 온도가 결정되며, 아니면 온도에 비례하는 온도 신호가 발생된다. 대응하는 전류 또는 전압이 측정되고 저항의 변동은 온도 변동에 기인하여 측정된 전류 또는 전압에 영향을 미친다. 이러한 정보를 이용하여, 온도가 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 링 저항기(120)로부터 측정된 신호와 온도와의 관계를 결정하거나 특징짓기 위해 교정 시퀀스가 수행된다. 그러한 실시예에서, 콘택 패드(134 및 136) 상의 신호는 링 저항기(120)로서 구현된 온도 감지 요소에 연결되는 외부 환경의 온도를 측정하는데 사용된다.
도 4는 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102)의 다른 실시예를 구현한 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체를 포함하는 MEMS 다이(102b)의 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102b)는 도 2 및 도 3을 참조하여 앞에서 설명한 바와 유사한 층 및 구조체를 포함한다. MEMS 다이(102a)와 관련한 설명은 일부 실시예에서 하부 백플레이트(114), 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)가 링 저항기(120)를 포함하지 않는 것을 제외하고는 MEMS 다이(102b)에서 동일한 번호를 가진 요소에도 또한 적용된다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102b)의 온도 감지 요소는 기판(110)에서 확산 저항기로서 구현된다. 그러한 실시예에서, 기판(110)의 저항 역시 온도에 좌우된다. 가변 전원공급장치(154)는 가변 전류 또는 전압을 공급하며 콘택 패드(126)와 배면 콘택(back contact)(150) 사이에서 대응하는 전압 또는 전류가 각기 측정된다. 배면 콘택(150)은 기판(110)의 배면 부분 상에서 형성되며 콘택(152)은 배면 콘택(152)에 연결되어 콘택 패드(126)와 배면 콘택(150) 사이의 전압 또는 전류를 측정할 수 있다.
도 5는 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102)의 다른 실시예를 구현한 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체를 포함하는 MEMS 다이(102c)의 다른 실시예의 평면도를 예시한다. 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체는 기판(110) 상에 형성된 상부 백플레이트(118), 멤브레인(116) 및 하부 백플레이트(114)(도시되지 않음)을 포함한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102c)는 기판(110) 상에서 형성되고 콘택 패드(162 및 164) 사이에 연결된 써미스터(160)를 포함한다. 그러한 실시예에서, 상부 백플레이트(118), 멤브레인(116) 및 하부 백플레이트(114)(도시되지 않음)는 도 2 및 도 3와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이 동작한다. 일부 실시예에서, 상부 백플레이트(118), 멤브레인(116) 및 하부 백플레이트(114)(도시되지 않음)는 링 저항기(120) 또는 링 저항기(120) 용도의 콘택 패드를 포함하지 않는다.
다양한 실시예에서, 써미스터(160)는 온도에 좌우되는 저항을 가진 물질로 형성된다. 일부 실시예에서, 써미스터(160)는 예를 들면 백금과 같은 금속으로서 형성된다. 다른 실시예에서, 써미스터(160)는 예를 들면 폴리실리콘과 같은 반도체로서 형성된다. 써미스터(160)는 또한 저항 온도 감지기(RTD)(160)라고도 지칭될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, RTD(160)는 예를 들면, 백금 또는 금과 같은 금속만으로 형성된다. 도 3 및 도 4와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이, 온도에 비례하는 신호를 발생하기 위해 전압 또는 전류가 콘택 패드(162)에서 써미스터(160)에 공급된다. 저항 변동으로 말미암은 온도 변동을 결정하기 위해 결과적인 전류 또는 전압이 측정된다. 다양한 실시예에서, 앞에서 설명한 바와 같이 교정 시퀀스가 수행될 수 있다.
도 6은 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102)의 또 다른 실시예를 구현한 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체를 포함하는 MEMS 다이(102d)의 평면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102d)의 온도 감지 요소는 감지 플레이트, 즉 상부 백플레이트(118), 멤브레인(116) 또는 하부 백플레이트(114)(도시되지 않음) 중 하나의 시트 저항이다. 콘택 패드(170, 172, 174, 및 176)는 시트 저항을 측정하기 위해 사용되는 감지 플레이트와 전기적으로 연결하여 형성된다. 콘택 패드(170, 172, 174, 및 176)는 감지 플레이트의 상이한 부분에 연결된다.
다양한 실시예에 따르면, 시트 저항은 본 기술에서 공지된 방법을 이용하여 결정된다. 마찬가지로 앞에서 설명한 바와 같이, 각 감지 플레이트의 저항은 온도에 좌우된다. 그래서 온도 변동을 결정하기 위해 저항 변동을 이용하는 측정이 수행된다.
일부 실시예에서, 상부 및 하부 백플레이트(118 및 114)는 도 2, 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같은 개구를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 및 하부 백플레이트(118 및 114)는 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같은 개구를 포함하지 않는다. 특정 실시예에서, 상부 및 하부 백플레이트(118 및 114)는 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 백플레이트(118 및 114)의 주연부의 둘레에 통풍 포트(148)를 포함할 수 있다.
도 7은 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 MEMS 다이(102)의 다른 실시예를 구현한 이중 백플레이트 마이크로폰 구조체를 포함하는 MEMS 다이(102e)의 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102e)는 도 2 및 도 3과 관련하여 앞에서 설명한 바와 유사한 층 및 구조체를 포함한다. MEMS 다이(102a)와 관련한 설명은 일부 실시예에서 하부 백플레이트(114), 멤브레인(116) 및 상부 백플레이트(118)가 링 저항기(120)를 포함하지 않는 것을 제외하고는 MEMS 다이(102e)에서 동일한 번호를 가진 요소에도 역시 적용된다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102e)의 온도 감지 요소는 기판(110) 위에 현가된 저항성 요소 또는 써미스터(157)로서 구현된다. 그러한 실시예에서, 써미스터(157)의 저항은 온도에 좌우된다. 써미스터(157)의 저항은 콘택 패드(156)와 배면 콘택(158) 사이에서 측정될 수 있다.
다양한 실시예에서, 써미스터(157)는 구조 층(124)의 갭(159)에서 기판(110) 위에 형성된다. 일부 실시예에서, 써미스터는 다른 도면과 관련하여 본 출원에서 설명한 바와 같이 상부 백플레이트(118)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 구조 층(123 및 124), 써미스터(157) 및 콘택 패드(156 및 158)는 기판(110) 상에서 표면 미세 기계가공 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 써미스터(157)는 온도에 좌우되는 저항을 가진 물질로 형성된다. 일부 실시예에서, 써미스터(157)는 예를 들면 백금과 같은 금속으로서 형성된다. 다른 실시예에서, 써미스터(157)는 예를 들면 폴리실리콘과 같은 반도체로서 형성된다. 써미스터(157)는 또한 특정 실시예에서 저항 온도 감지기(RDD)라고도 지칭될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, RTD(157)는 예를 들면 백금 또는 금과 같은 금속만으로 형성된다. 도 3 및 도 4와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이, 온도에 비례하는 신호를 발생하기 위해 전압 또는 전류가 콘택 패드(162)에서 써미스터(160)에 공급된다. 저항 변동으로 말미암은 온도 변동을 결정하기 위해 결과적인 전류 또는 전압이 측정된다. 다양한 실시예에서, 앞에서 설명한 바와 같이 교정 시퀀스가 수행될 수 있다.
도 8은 단계(202-222)를 포함하는 MEMS 다이의 제조 공정(200)의 실시예의 블록도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, 제조 공정(200)은 단계(202)에서 기판에서부터 시작한다. 기판은 실리콘과 같은 반도체 또는 다른 물질로서 예를 들어 폴리머와 같은 반도체로 형성될 수 있다. 단계(204)에서 에칭 정지 층이 기판 상에서 형성된다. 에칭 정지 층은 예를 들면 테트라에틸 오쏘실리케이트(TEOS)일 수 있다. 단계(206)에서, 제 1 백플레이트의 층을 형성하고 패터닝함으로써 제 1 백플레이트가 형성된다. 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 단계(206)는 또한 온도 감지 요소를 제 1 백플레이트 내에 또는 제 1 백플레이트 상에 형성하는 단계를 포함한다. 예로서, 단계(206)는 SiN과 같은 절연 층을 증착하고, 폴리실리콘과 같은 전도성 층을 증착하고, 전도성 층을 패터닝하고, SiN과 같은 다른 절연 층을 증착하고, 층의 결과적인 스택을 패터닝하는 단계를 포함한다. 패터닝은 예를 들면 도 2 및 도 3과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이, 천공을 가진 제 1 백플레이트 구조체 및 백플레이트에서 형성된 써미스터를 생성하는 포토리소그래픽 공정을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 구조체의 변형 및 대안의 물질이 구상된다. 예를 들면, 써미스터는 제 1 백플레이트 상에서 부가적인 요소로서 형성될 수 있으며 금속으로 형성될 수 있다. 일부 대안의 실시예에서, 제 1 백플레이트는 임의의 개수의 전도성 또는 절연 층으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 제 1 백플레이트는 금속, 반도체, 또는 유전체의 층을 포함할 수 있다. 유전체 층은 온도 감지 요소를 마이크로폰 센서로부터 분리하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 백플레이트의 상부 상에서 유전체 물질 및 전도성 물질의 층 스택에는 예를 들면 그러한 실시예에서 폴리실리콘 또는 금속 층으로 구성된 온도 감지 요소가 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 백플레이트는 실리콘 온 절연체(silicon on insulator: SOI) 또는 금속 및 유전체 층으로 형성될 수 있다. 제 1 백플레이트가 패터닝될 때, 패터닝은 여러 실시예에서 제 1백플레이트에서 또는 제 1백플레이트 상에서 형성된 링 저항기 또는 다른 구조체를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 단계(208)는 TEOS와 같은 구조용 물질을 형성하고 패터닝하는 단계를 포함한다. 단계(208)에서 형성 및 패터닝 단계는 멤브레인에 필요한 이격을 제공하기 위해 수행된다. 구조 층은 멤브레인에 필요한 부착 방지 범프(anti-stiction bump)를 형성하기 위해 패터닝될 수 있다. 또한, 단계(208)에서 형성된 구조 층은 복수의 증착 및 화학적 기계연마(chemical mechanical polish: CMP)와 같은 평탄화 단계를 포함할 수 있다. 단계(210)는 멤브레인 층을 형성하고 멤브레인을 패터닝하는 단계를 포함한다. 멤브레인 층은 예를 들면, 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 멤브레인 층은 예를 들면, 도핑된 반도체 또는 금속과 같은 다른 전도성 물질로 형성될 수 있다. 단계(210)에서 멤브레인 층을 패터닝하는 단계는 예를 들면 멤브레인 형상 또는 구조체를 정의하는 포토리소그래픽 공정을 포함할 수 있다. 멤브레인은 단계(208)에서 형성된 구조체에 기초하여 부착 방지 범프를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도시된 바와 같이, 단계(210)에서 형성된 멤브레인은 또한 멤브레인 층 또는 층들에서 또는 멤브레인 층 또는 층들 상에서 형성된 감지 요소를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 멤브레인은 다중 층으로 형성될 수 있으며 써미스터는 멤브레인 층에서 또는 멤브레인 층 상에서 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 멤브레인은 예를 들면 단계(206)에서 형성된 제 1 백플레이트와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 물질 층의 임의의 구성에 따라서 온도 감지 요소와 함께 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 단계(212)는 TEOS와 같은 부가적인 구조용 물질을 형성하고 패터닝하는 단계를 포함한다. 단계(208)와 유사하게, 단계(212)에서 제 2 백플레이트를 멤브레인으로부터 이격하고 제 1 백플레이트에서 부착방지 범프를 제공하기 위해 구조용 물질이 형성되고 패터닝될 수 있다. 단계(214)는 제 2 백플레이트의 층을 형성하고 패터닝하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계(214)의 형성 및 패터닝 단계는 예를 들면 층의 증착 및 포토리소그래픽 패터닝을 포함한다. 다양한 실시예에서, 단계(214)는 단계(206)에서 형성된 제 1 백플레이트와 관련하여 앞에서 설명한 바와 유사한 특징을 포함할 수 있으며 같은 설명이 적용된다. 그러므로, 다양한 실시예에서, 단계(214)는 도시된 바와 같이 제 2 백플레이트에서 또는 제 2 백플레이트 상에서 써미스터와 같은 온도 감지 요소를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 단계(214)는 또한 단계(212)의 구조용 물질 상에서 저항성 요소 또는 써미스터를 형성하는 단계를 포함한다. 써미스터는 예를 들면, 써미스터(157)와 관련하여 설명한 바와 같은 임의의 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 써미스터는 제 2 백플레이트와 같은 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어 도 7과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이, 써미스터와 단계(202)의 기판 사이의 구조용 물질에서 에칭함으로써 갭을 형성하는 추가의 단계가 제조 공정(200)에 추가될 수 있다(도시되지 않음).
단계(214)에 뒤이어, 단계(216)는 다양한 실시예에서 부가적인 구조용 물질을 형성하고 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 구조 물질은 TEOS일 수 있다. 일부 실시예에서, 구조용 물질은 후속의 에칭 또는 패터닝 단계에 필요한 희생 물질 또는 마스킹 물질로서 증착된다. 단계(218)는 콘택 패드를 형성하고 패터닝하는 단계를 포함한다. 단계(218)의 콘택 패드를 형성하고 패터닝하는 단계는 기존의 층에서 콘택 홀을 에칭하여 제 2 백플레이트, 멤브레인, 제 1 백플레이트, 기판, 및 온도 감지 요소에 개구를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 온도 감지 요소는 어느 구조체이든 써미스터가 그 위에서 또는 내부에서 형성된 구조체에 두 개의 콘택 패드에 맞는 두 개의 개구를 가질 수 있는 써미스터이다. 각각의 구조체 또는 층에 개구를 형성한 후, 별개의 콘택 패드를 형성하기 위해 금속과 같은 전도성 물질을 개구 내에 증착하고 전도성 물질을 패터닝함으로써 콘택 패드가 형성될 수 있다. 단계(218)는 또한 금속화 층에서 또는 콘택 패드들 사이에서 온도 감지 요소를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 온도에 좌우되는 저항을 가진 저항성 요소가 부가적인 콘택 패드들 사이에서 형성될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 단계(218)에서 백금 와이어가 콘택 패드들 사이에서 형성된다. 또 다른 실시예에서, 단계(218)는 또한 도 4와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이 기판의 확산 저항을 측정하기 위해 배면 콘택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 단계(220)는 보쉬 에칭(Bosch etch)과 같은 백사이드 에칭(backside etch)을 수행하는 단계를 포함한다. 백사이드 에칭은 사운드 포트를 제조된 마이크로폰 및 온도 센서에 형성하기 위해 또는 기준 공동을 형성하기 위해 기판에다 공동을 형성한다. 단계(222)는 릴리즈 에칭(release etch)을 수행하여 제 1 백플레이트, 멤브레인 및 제 2 백플레이트를 보호하고 고정하는 구조용 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 단계(222)에서 릴리즈 에칭에 뒤이어, 일부 실시예에서 멤브레인은 자유로이 움직일 수 있다.
일부 대안의 실시예에서, 다이오드가 제 1 백플레이트, 제 2 백플레이트, 또는 멤브레인 상에서 온도 감지 요소로서 형성될 수 있다. 제조 공정(200)은 특정 실시예에서 단일의 백플레이트 및 멤브레인만을 포함하는 것으로 수정될 수 있다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 각종 이득 및 수정을 제공하기 위해 본 발명의 다양한 실시예를 여전히 포함하면서 앞에서 설명된 일반적인 제조 시퀀스에 대한 많은 수정이 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 일부 실시예에서, 제조 시퀀스(200)는 예를 들면 유사한 구조체를 갖는 마이크로스피커를 단일의 백플레이트 MEMS 마이크로폰으로서 형성하기 위해 구현될 수 있다.
도 9는 패키지(108) 내에 MEMS 다이(102) 및 ASIC(104)을 포함하는 센서 시스템(101)의 실시예의 개요도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(102)는 앞에서 유사하게 설명한 바와 같이, 마이크로폰(180) 및 써미스터(182)를 포함하며, ASIC(104)은 마이크로폰(180)에 연결된 OP 앰프(184) 및 써미스터(182)에 연결된 OP 앰프(186)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 써미스터(182)는 앞에서 설명한 바와 같은 임의의 다른 형태의 온도 감지 요소로서 구현될 수 있다. OP 앰프(184)는 마이크로폰(180)으로부터 수신된 변환 신호에 기초하여 마이크로폰 출력 전압(VMIC)을 발생하며 OP 앰프(186)는 써미스터(182)로부터 수신된 온도 신호에 기초하여 온도 출력 전압(VTEMP)을 발생한다. 일부 실시예에서, OP 앰프(186)의 제 1 입력은 저항기(R1 및 R2)를 포함하는 저항 분할 회로를 통해 공급되며 OP 앰프(186)의 제 2 입력은 낮은 공급 전압(GND)을 기준 전압으로 하여 저항기(R3)를 통해 공급된다. OP 앰프(184)는 공급 전압(VDD)을 공급받을 수 있다. 각각의 공급 전압(VDD), 마이크로폰 출력 전압(VMIC), 온도 출력 전압(VTEMP) 및 낮은 공급 전압(GND)은 핀을 통해 오프 칩 구조체, 예를 들어 PCB에 연결될 수 있거나 아니면 ASIC(104)에 있는 다른 요소에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에서, ASIC(104)은 많은 인터페이스 회로를 포함할 수 있으며 OP 앰프(184 및 186)는 단지 일 예일뿐이다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면 ASIC(104)에 포함되는 마이크로폰(180) 및 써미스터(182)의 인터페이스 회로는 많은 변형 및 수정을 통해 구현될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 또한, ASIC(104)은 다른 기능성을 구현하기 위한 다양한 바이어싱 회로, 풀-인 또는 오류 검출, 또는 회로를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 마이크로폰(180) 및 써미스터(182)는 사운드 포트(106)를 통해 외부 환경에 연결된다.
도 10은 단계(302 및 304)를 포함하는 동작(300)의 방법의 실시예의 블록도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, 동작(300)의 방법은 센서를 동작하는 방법이다. 단계(302)는 외부 환경과의 인터페이스에 기초하여 변환된 음향 신호를 발생하는 단계를 포함하며 단계(304)는 외부 환경과의 인터페이스에 기초하여 온도 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 변환된 음향 신호 및 온도 신호는 둘 다 단일의 미세 가공된 같은 다이에서 발생된다. 특정 실시예에서, 변환된 음향 신호 및 온도 신호는 온도 감지 요소가 집적된 MEMS 마이크로폰에서 발생된다. 일부 실시예에서 동작(300)의 방법은 추가 단계를 포함할 수 있다.
도 11은 MEMS 다이(402), IC(404), 프로세서(408), 및 통신 회로(410)를 포함하는 전자 시스템(400) 실시예의 시스템 블록도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, 전자 시스템(400)은 태블릿 컴퓨터 또는 이동 전화와 같은 이동 전자 디바이스일 수 있다. MEMS 다이(402)는 MEMS 다이(102)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 유사하게 기능한다. MEMS 다이(402)는 단일의 다이 상에서 집적되고 사운드 포트(106)와 관련하여 언급된 바와 유사하게 사운드 포트(406)를 통해 연결된 MEMS 마이크로폰 및 온도 감지 요소를 포함한다. MEMS 다이(402)는 또한 ASIC(104)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이 기능할 수 있는 IC(404)에도 연결된다. 대안의 실시예에서, IC(404)는 또한 MEMS 다이(402) 상에서 집적될 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 다이(402)는 PCB(412)에 연결되고 케이스(416) 내부에 간직된다. 예를 들면, 케이스(416)는 태블릿 컴퓨터 또는 이동 전화의 몸체일 수 있다. 디스플레이(414)가 또한 PCB(412)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(408) 및 통신 회로(410)는 PCB(412)에 연결된다. 통신 회로(410)는 무선 통신 경로일 수 있는 통신 경로(418)를 통해 통신한다. 대안의 실시예에서, 통신 경로(418)는 유선 연결이다.
다양한 실시예에서, MEMS 다이(402)는 케이스(416) 외부의 외부 환경으로부터 변환된 음향 신호 및 온도 신호를 발생하고 발생된 신호를 IC(404) 및 PCB(412)를 통해 프로세서(408)에 제공한다. 대안의 실시예에서, 전자 시스템(400)은 예를 들어 산업, 의학, 항공 우주 응용과 같은 특정한 응용을 위한 워크스테이션, 퍼스널 컴퓨터 또는 컴퓨팅 시스템과 같은 유선 디바이스이다.
도 12는 MEMS 다이(500)의 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(500)는 기판(502), 구조용 물질(504), 맴브레인(506) 및 공동(512)을 포함하는 압전저항 또는 압전 변환기이다. 압전 변환기(510)는 멤브레인(506) 상에 배치되거나 멤브레인 내에 포함된다. 압전 변환기(510)는 압전 물질 또는 압전저항 물질로서 구현될 수 있다.
다양한 실시예에서, 주변 환경에서 압력 변화 또는 음향 신호는 멤브레인(506)의 편향을 일으킨다. 압전저항 물질의 경우, 편향은 압전 변환기(510)의 저항을 변화시키며 저항은 판독 전극(도시되지 않음)에 의해 측정된다. 압전 물질의 경우, 편향은 압전 변환기(510)가 판독 전극(도시되지 않음)에 공급되는 전압을 발생하게 한다.
다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(500)는 또한 온도 감지 요소를 포함한다. 온도 감지 요소는 멤브레인(506)의 임의의 부분 상에서 형성될 수 있는 저항성 요소(508)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 저항성 요소(508)는 도 2 및 도 3에서 링 저항기(120)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 온도 감지 요소를 구현할 수 있다. 다른 실시예에서, 저항성 요소(514)는 도 7에서 저항성 요소(157)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 온도 감지 요소를 구현하기 위해 갭(516) 위에서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 갭(516)은 생략될 수 있으며 저항성 요소(514)는 구조용 물질(504) 상에서 형성되거나 기판(502) 상에서 직접 형성될 수 있다. 압전 변환기를 이용하는 다른 다양한 수정 및 구성이 가능하다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원에서 설명한 바와 같은 집적된 온도 감지 요소를 이용하는 그러한 수정 및 구성은 다양한 실시예의 범주 내에 포함된다는 것을 인식할 것이다.
도 13은 MEMS 다이(520)의 또 다른 실시예의 횡단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(520)는 기판(522), 백플레이트(524), 구조 층(526), 멤브레인(528), 및 공동(536)을 포함하는 광 변환기이다. 레이저(532) 및 포토다이오드(534)는 에어 갭(544)에 의해 백플레이트(524)로부터 이격된 기판(522) 상에 배치된다. 백플레이트(524)는 회절 격자(538)를 포함하거나 이를 지지한다. 그러한 실시예에서, 레이저(532)는 회절 격자(538) 및 멤브레인(528)을 향해 광 빔을 방사한다. 백플레이트(524)는 백플레이트(524)에 필요한 구조를 제공하는 기판(522) 상의 스페이서 또는 기판(도시되지 않음)에 의해 지지가 될 수 있다.
다양한 실시예에서, 주변 환경에서 압력 변화 또는 음향 신호는 멤브레인(528)의 편향 또는 진동을 일으킨다. 멤브레인(528)의 진동은 회절 격자(538)와 멤브레인(528) 사이의 거리에 영향을 미치며, 그 결과 포토다이오드(534)를 향해 역으로 방사되는 광의 세기를 변조한다. 그래서 포토다이오드(534)는 멤브레인(528)의 편향과 관련한 전기 신호를 발생한다. 광학 MEMS 변환기의 다양한 수정 또는 대안의 구성은 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으며 그러한 수정은 다양한 실시예에서 포함된다.
다양한 실시예에 따르면, MEMS 다이(520)는 또한 온도 감지 요소를 포함한다. 온도 감지 요소는 멤브레인(528)의 임의의 부분 상에서 형성될 수 있는 저항성 요소(530)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 저항성 요소(530)는 도 2 및 도 3과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 온도 감지 요소를 구현할 수 있다. 다른 실시예에서, 저항성 요소(540)는 도 7에서 저항성 요소(157)와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같은 온도 감지 요소를 구현하기 위해서 갭(542) 위에서 형성될 수 있다. 갭(542)은 구조 층(526)에서 또는 백플레이트(524)의 물질 또는 구조체에서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 갭(542)은 생략될 수 있으며 저항성 요소(540)는 구조 층(526) 상에서 형성될 수 있거나 아니면 백플레이트(524)의 물질 또는 구조체 상에서 직접 형성될 수 있다. 광 변환기를 이용하는 다양한 다른 수정 및 구성이 가능하다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원에서 설명한 바와 같은 집적된 온도 감지 요소를 이용하는 그러한 수정 및 구성은 다양한 실시예의 범주 내에 포함된다는 것을 인식할 것이다.
본 출원에서 설명된 다양한 실시예에서, 기본적으로 이중 백플레이트 MEMS 마이크로폰이 언급된다. 추가 실시예에서, 단일의 백플레이트 MEMS 마이크로폰은 다양한 실시예의 집적된 온도 감지 요소를 포함한다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원에서 이중 백플레이트 MEMS 마이크로폰과 관련하여 설명된 구조체가 단일의 백플레이트 마이크로폰 구조체에 따라서 어떻게 수정될 수 있는지를 쉽게 인식할 것이다. 또한, 일부 실시예에서, 비용량성 기반의 음향 센서는 온도 감지 요소와 함께 집적될 수 있다. 예를 들면, 압전 또는 광 마이크로폰은 본 출원에서 설명한 바와 같이 집적된 온도 감지 요소와 함께 구현될 수 있다. 또한, 일렉트렛 마이크로폰(electret microphone) 또한 본 출원에서 설명된 실시예에 포함될 수 있다. 다른 대안의 실시예에서, 다른 MEMS 센서는 예를 들면 감지 구조체에 온도 감지 요소가 집적된 편향 가능한 감지 구조체를 갖는 MEMS와 같은 집적된 온도 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, MEMS 기반의 마이크로스피커는 기판에서 집적된 온도 감지 요소를 포함하거나 아니면 마이크로스피커 자체의 편향 가능한 멤브레인에서 집적된 온도 감지 요소를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 변환기는 단일의 다이 상에서 집적된 미세 가공된 요소를 포함하고, 미세 가공된 요소는 음향 변환기 및 온도 센서를 포함한다. 변환기는 또한 미세 가공된 요소에 연결되어 음향 변환기 및 온도 센서에 전기적으로 연결되는 인터페이스 IC를 포함한다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
구현예는 다음과 같은 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 음향 변환기는 마이크로폰을 포함하며 마이크로폰은 사운드 포트와, 사운드 포트에 음향적으로 연결된 제 1 활성 영역을 가진 멤브레인과, 멤브레인으로부터 이격되어 정렬된 제 1 백플레이트를 포함한다. 제 1 백플레이트 제 1 활성 영역으로부터 이격되어 정렬된 제 2 활성 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로폰은 또한 멤브레인으로부터 이격되어 정렬된 제 2 백플레이트를 포함하고, 제 2 백플레이트는 제 1 백플레이트와 마주하는 방향으로 멤브레인으로부터 이격되어 있다. 온도 센서는 제 2 활성 영역에서 백플레이트 상에서 형성되거나 제 1 활성 영역에서 멤브레인 상에서 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 온도 센서는 제 1 콘택과 제 2 콘택 사이에서 백플레이트 또는 멤브레인 상에서 형성된 저항성 물질을 포함한다. 저항성 물질은 길이와 폭으로 형성되며, 길이는 폭보다 적어도 다섯 배 크다. 실시예에서, 저항성 물질은 금속 또는 반도체를 포함한다. 온도 센서는 제 2 활성 영역 외부의 백플레이트 상에서 형성되거나 제 1 활성 영역 외부의 멤브레인 상에서 형성될 수 있다. 실시예에서, 미세 가공된 요소는 기판을 포함하며 온도 센서는 기판에서 형성된다. 다른 실시예에서, 미세 가공된 요소는 기판을 포함하며 온도 센서는 기판상에서 두 개의 콘택 패드들 사이에서 형성된 저항성 요소를 포함한다. 일 실시예에서, 저항성 요소는 금속 또는 반도체 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 미세 가공된 요소는 기판 및 기판 위에서 갭을 가진 구조 층을 포함하고, 온도 센서는 구조 층 상에서 그리고 구조 층 내 갭을 가로질러 두 개의 콘택 패드들 사이에서 형성된 저항성 요소를 포함한다.
다양한 실시예에서, 온도 센서는 써미스터, 저항 온도 감지기(resistance temperature detector: RTD), 열전대(thermocouple), 및 다이오드 중 하나를 포함한다. 온도 센서는 음향 변환기의 감지 플레이트를 포함할 수 있으며, 감지 플레이트는 감지 플레이트의 시트 저항을 측정하기 위한 콘택으로 구성된다. 실시예에서, 음향 변환기는 마이크로스피커를 포함한다. 일부 실시예에서, 인터페이스 IC는 단일의 다이 상에서 집적된다. 다양한 실시예에서, 음향 변환기는 압전 변환기, 압전저항 변환기, 또는 광 변환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 외부 환경과의 인터페이스는 단일의 미세 가공된 다이에 연결된 사운드 포트를 포함한다.
실시예에 따르면, 센서를 동작하는 방법은 단일의 미세 가공된 다이에서, 외부 환경과의 인터페이스에 기초하여 변환된 음향 신호를 발생하는 단계를 포함하며, 또한 단일의 미세 가공된 다이에서, 외부 환경과의 인터페이스에 기초하여 온도 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 각기 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
구현예는 다음과 같은 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 외부 환경과의 인터페이스는 단일의 미세 가공된 다이에 연결된 사운드 포트를 포함한다. 단일의 미세 가공된 다이는 기판과, 기판에 의해 지지되고 외부 환경과의 인터페이스에 음향적으로 연결된 멤브레인과, 멤브레인으로부터 이격되어 정렬된 감지 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 단일의 미세 가공된 다이는 멤브레인 또는 감지 플레이트 상에서 형성된 온도 센서를 포함한다.
다양한 실시예에서, 변환된 음향 신호를 발생하는 단계는 멤브레인에 입사하는 음향 신호에 기초하여 변하는 감지 플레이트와 멤브레인 사이의 전압 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 온도 신호를 발생하는 단계는 온도에 좌우되는 저항성 요소의 저항에 비례하는 신호를 발생하는 단계를 포함한다.
실시예에 따르면, 변환기는 외부 환경의 개구를 구비하는 지지 구조체와, 개구에 음향적으로 연결된 멤브레인과, 멤브레인으로부터 이격되어 정렬된 백플레이트와, 멤브레인 또는 백플레이트 상에서 형성된 온도 감지 요소를 포함한다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 각기 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
구현예는 다음과 같은 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 온도 감지 요소는 제 1 콘택과 제 2 콘택 사이에서 백플레이트 또는 멤브레인 상에서 형성된 저항성 물질을 포함한다. 그러한 실시예에서, 저항성 물질은 길이와 폭으로 형성되며, 길이는 상기 폭보다 적어도 다섯 배 크다. 일부 실시예에서, 저항성 물질은 금속 또는 반도체를 포함한다. 지지 구조체는 기판을 포함하며, 멤브레인 및 백플레이트는 기판 상에서 형성된다. 개구는 기판 내의 공동을 포함할 수 있으며, 멤브레인 및 백플레이트는 공동 위에서 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 백플레이트는 복수의 물질을 포함하고, 물질은 활성 음향 감지 영역을 비활성 음향 감지 영역으로부터 전기적으로 격리하도록 배열된다. 일부 실시예에서, 온도 감지 요소는 백플레이트의 활성 음향 감지 영역 상에서 형성된다. 실시예에서, 멤브레인은 복수의 물질을 포함하며 온도 감지 요소는 멤브레인 상에서 형성된다. 일 실시예에서, 변환기는 마이크로스피커를 포함하고, 마이크로스피커는 멤브레인 및 백플레이트를 포함한다.
실시예에 따르면, 전자 디바이스는 개구를 구비하고 개구를 통해 유체 통신을 가능하도록 구성된 케이스와, 케이스 내부에서 단일의 다이 상에서 집적된 미세 가공된 변환기와, 케이스 내부의 유선 또는 무선 통신 회로와, 케이스 내부의 프로세서를 포함한다. 미세 가공된 변환기는 음향 변환기 및 온도 센서를 포함하고, 미세 가공된 변환기는 개구에 유체적으로 연결된다. 또한, 프로세서는 미세 가공된 변환기 및 유선 또는 무선 통신 회로에 연결된다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 각기 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
실시예에 따르면, 집적된 디바이스는 단일의 다이 상에서 집적된 미세 가공된 요소를 포함한다. 미세 가공된 요소는 기판과, 기판 위에서 갭을 갖는 구조 층과, 두 개의 콘택 패드와, 구조 층 상에서 그리고 구조 층 내 갭을 가로질러 두 개의 콘택 패드들 사이에서 형성된 저항성 요소를 구비하는 온도 센서를 포함한다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 각기 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
구현예는 다음과 같은 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 미세 가공된 요소는 또한 단일의 다이 상에서 집적된 음향 변환기를 포함한다. 실시예에서, 집적된 디바이스는 또한 미세 가공된 요소에 연결되어 음향 변환기 및 온도 센서에 전기적으로 연결된 인터페이스 IC를 포함한다.
실시예에 따르면, 변환기를 제조하는 방법은 기판 위에 편향 가능한 멤브레인을 형성하는 단계와 기판에서 온도 감지 요소를 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 양태의 다른 실시예는 대응하는 방법의 행위 또는 단계를 각기 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 또는 장치를 포함한다.
구현예는 다음과 같은 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 감지 요소를 형성하는 단계는 두 개의 콘택 패드 사이에서 멤브레인 상에서 저항성 층을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 또한 기판 위에서 멤브레인으로부터 이격되어 정렬된 백플레이트를 형성하는 단계를 포함한다. 실시예에서, 온도 감지 요소를 형성하는 단계는 두 개의 콘택 패드 사이에서 백플레이트 상에 저항성 층을 형성하는 단계를 포함한다.
다양한 실시예에서, 온도 감지 요소를 형성하는 단계는 온도 감지 요소를 기판 내에 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 온도 감지 요소를 형성하는 단계는 온도 감지 요소를 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다. 온도 감지 요소를 형성하는 단계는 기판 위에서 갭을 갖는 구조 층을 형성하는 단계와, 구조 층 상에서 구조 층 내 갭을 가로질러 저항성 요소를 형성하는 단계를 포함한다.
본 출원에서 설명된 다양한 실시예에 따르면, 미세 가공된 음향 센서에 추가된 기능성과, 마이크로폰 및 온도 센서를 포함하는 시스템에 대해 축소된 폼 팩터와, 열 잡음이 줄어든 향상된 환경 온도 감지라는 장점을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나의 장점은 외부 환경과의 밀접한 연결으로 인한 외부 공기 온도의 빠르고 정확한 측정을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 온도 감지 요소를 응용 시스템 내 다른 어느 곳 대신 MEMS 마이크로폰 다이 내에 집적함으로써 어떠한 부가적인 실리콘 영역도 필요하지 않다는 장점을 포함한다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 한정하는 의미로 해석하는 것으로 의도되지 않는다. 본 기술에서 통상의 지식을 가진 자에게는 상세한 설명을 참조한다면 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 조합뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예가 명백할 것이다. 그러므로, 첨부의 청구범위는 그러한 임의의 수정 또는 실시예를 망라하는 것으로 의도하고자 한다.
Claims (29)
- 변환기로서,
모놀리식(monolithic) 반도체 기판을 포함하는 단일 다이의 부분으로서 집적된 미세 가공된 요소 - 상기 미세 가공된 요소는 음향 변환기 및 온도 센서를 포함하며, 상기 음향 변환기와 온도 센서는 상기 모놀리식 반도체 기판의 제 1 면에 배치되고, 상기 음향 변환기는 마이크로폰을 포함하며, 상기 마이크로폰은 상기 모놀리식 반도체 기판 위에 배치된 멤브레인과 제 1 백플레이트를 포함하며, 상기 온도 센서는 상기 멤브레인 또는 상기 제 1 백플레이트에 형성된 저항기를 포함함 - 와,
상기 미세 가공된 요소에 연결되어 상기 음향 변환기 및 상기 온도 센서에 전기적으로 연결되는 인터페이스 집적회로 (IC)를 포함하는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로폰은 사운드 포트를 더 포함하고,
상기 멤브레인은 상기 사운드 포트에 음향적으로 연결된 제 1 활성 영역을 구비하며,
상기 제 1 백플레이트는 상기 멤브레인으로부터 이격되어 상기 멤브레인과 제 1 방향으로 정렬되고, 상기 제 1 활성 영역으로부터 이격되어 상기 제 1 방향으로 정렬된 제 2 활성 영역을 구비하는
변환기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 마이크로폰은 상기 멤브레인으로부터 이격되어 상기 멤브레인과 상기 제 1 방향으로 정렬된 제 2 백플레이트를 더 포함하고, 상기 제 2 백플레이트는 상기 제 1 백플레이트에 대해 상기 멤브레인의 반대쪽에 형성되는
변환기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 제 1 백플레이트 상의 상기 제 2 활성 영역에 형성되는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 저항기는 제 1 콘택과 제 2 콘택 사이에서 상기 제 1 백플레이트 또는 상기 멤브레인 상에 형성되고, 상기 저항기는 길이와 폭을 가지며, 상기 길이는 상기 폭보다 적어도 다섯 배 큰
변환기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 저항기는 금속 또는 반도체를 포함하는
변환기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 제 1 백플레이트 상의 상기 제 2 활성 영역 외부에 형성되거나 상기 제 1 활성 영역 외부의 상기 멤브레인 상에 형성되는
변환기.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 저항기는 두 개의 콘택 패드들 사이 상기 모놀리식 반도체 기판 상에 형성되는
변환기.
- 제 9 항에 있어서,
상기 저항기는 금속 또는 반도체 물질을 포함하는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 미세 가공된 요소는 상기 모놀리식 반도체 기판 위에서 갭을 갖는 구조 층(structural layer)을 포함하며,
상기 저항기는 상기 구조 층 상에서 그리고 상기 구조 층 내 상기 갭을 가로질러 두 개의 콘택 패드들 사이에 형성되는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도 센서는 써미스터, 저항 온도 감지기(resistance temperature detector: RTD), 열전대(thermocouple), 및 다이오드 중 하나를 포함하는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 음향 변환기의 감지 플레이트를 포함하며, 상기 감지 플레이트는 상기 감지 플레이트의 시트 저항(sheet resistance)을 측정하기 위한 콘택으로 구성되는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음향 변환기는 마이크로스피커를 포함하는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 인터페이스 IC는 상기 단일의 다이 상에서 집적되는
변환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음향 변환기는 압전 변환기, 압전저항 변환기, 또는 광 변환기를 포함하는
변환기.
- 변환기로서,
모놀리식(monolithic) 반도체 기판을 포함하는 지지 구조체와 외부 환경으로의 개구(an opening) - 상기 개구는 상기 모놀리식 반도체 기판을 관통하여 형성됨 - 와,
상기 개구에 음향적으로 연결되고, 제 1 방향으로 상기 개구와 정렬된 멤브레인 - 상기 멤브레인은 상기 모놀리식 반도체 기판 위에 배치됨 - 과,
상기 멤브레인과 상기 개구로부터 이격되어 상기 제 1 방향으로 정렬된 백플레이트 - 상기 백플레이트는 상기 모놀리식 반도체 기판 위에 배치됨 - 와,
상기 멤브레인 또는 상기 백플레이트 상에 형성된 온도 감지 요소 - 상기 온도 감지 요소는 제 1 콘택과 제 2 콘택 사이에서 상기 백플레이트 또는 상기 멤브레인 상에 형성된 저항기를 포함함 - 를 포함하는
변환기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 저항기는 길이와 폭을 가지며, 상기 길이는 상기 폭보다 적어도 다섯 배 큰
변환기.
- 제 18 항에 있어서,
상기 저항기는 금속 또는 반도체를 포함하는
변환기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 멤브레인 및 상기 백플레이트는 상기 모놀리식 반도체 기판 상에 형성되는
변환기.
- 제 20 항에 있어서,
상기 개구는 상기 모놀리식 반도체 기판 내의 공동(a cavity)을 포함하고, 상기 멤브레인 및 상기 백플레이트는 상기 공동 위에 형성되는
변환기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 백플레이트는 복수의 물질을 포함하고, 상기 물질은 활성 음향 감지 영역을 비활성 음향 감지 영역으로부터 전기적으로 격리하도록 배열되는
변환기.
- 제 22 항에 있어서,
상기 온도 감지 요소는 상기 백플레이트의 상기 활성 음향 감지 영역 상에 형성되는
변환기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 멤브레인은 복수의 물질을 포함하며 상기 온도 감지 요소는 상기 멤브레인 상에 형성되는
변환기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 변환기는 마이크로스피커를 포함하고, 상기 마이크로스피커는 상기 멤브레인 및 상기 백플레이트를 포함하는
변환기.
- 전자 디바이스로서,
개구를 포함하고 상기 개구를 통해 유체 통신(fluid commuication)을 가능하게 하도록 구성된 케이스와,
상기 케이스 내부에서 단일의 다이 내 모놀리식 반도체 기판의 제 1 면 상에집적된 미세 가공된 변환기 - 상기 미세 가공된 변환기는 멤브레인과 백플레이트를 포함하는 음향 변환기 및 상기 음향 변환기와 같은 구조 층 위에 형성된 온도 센서를 포함하고, 상기 온도 센서는 상기 멤브레인 또는 상기 백플레이트 상에 형성된 저항기를 포함하며, 상기 미세 가공된 변환기는 상기 개구에 유체적으로(fluidically) 연결됨 - 와,
상기 케이스 내부의 유선 또는 무선 통신 회로와,
상기 케이스 내부의 프로세서 - 상기 프로세서는 상기 미세 가공된 변환기 및 상기 유선 또는 무선 통신 회로에 연결됨 - 를 포함하는
전자 디바이스.
- 집적 디바이스로서,
단일의 다이 내 모놀리식 반도체 기판 상에 집적된 미세 가공된 요소를 포함하며,
상기 미세 가공된 요소는,
상기 모놀리식 반도체 기판 위에서 갭을 갖는 구조 층과,
상기 모놀리식 반도체 기판 위에 배치된 두 개의 콘택 패드와,
상기 구조 층의 제 1 면, 멤브레인, 또는 백플레이트 상에서, 상기 구조 층 내 상기 갭을 가로질러 상기 두 개의 콘택 패드들 사이에 형성된 저항성 요소를 구비하는 온도 센서와,
상기 구조 층의 상기 제 1 면 상에서, 상기 구조 층 내 상기 갭을 가로질러 형성되는 음향 변환기를 포함하는
집적 디바이스.
- 삭제
- 제 27 항에 있어서,
상기 미세 가공된 요소에 연결되고 상기 음향 변환기 및 상기 온도 센서에 전기적으로 연결된 인터페이스 집적회로(IC)를 더 포함하는
집적 디바이스.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |