KR102359913B1 - 마이크로폰 - Google Patents

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Abstract

마이크로폰이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰은 제1 내지 제3 음원통로가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에서 제1 음원통로와 대응되도록 배치되는 음향소자; 상기 하우징의 내부에서 상기 음향소자와 전기적으로 연결되는 반도체칩; 상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제2 음원통로와 연결되고, 저주파 음원을 지연시키는 저주파 지연필터; 및 상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제3 음원통로와 연결되고, 고주파 음원을 지연시키는 고주파 지연필터를 포함한다.

Description

마이크로폰{MICROPHONE}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로폰은 음성을 전기적인 신호로 변환하는 장치이다.
상기 마이크로폰은 스마트폰과 같은 이동 통신기기, 이어폰 또는 보청기 등 다양한 통신기기에 적용될 수 있다.
이러한 마이크로폰은 양호한 음향성능, 신뢰성 및 작동성이 요구된다.
MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 정전용량형 마이크로폰(Capacitive Microphone Based on MEMS, 이하에서는 간단히 'MEMS 마이크로폰‘이라함)은 종래의 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(Electret Condenser Microphone)에 비하여 음향성능, 신뢰성 및 작동성이 우수하다.
이러한 MEMS 마이크로폰은 지향특성에 따라 무지향성 마이크로폰과 지향성 마이크로폰으로 구분된다.
먼저, 상기 지향성 마이크로폰은 입사하는 음파의 방향에 따라서 감도가 다른 마이크로폰을 말하며, 그 지향 특성에 따라 단일 지향성, 양방향 지향성 등이 있다.
예를 들어, 상기 지향성 마이크로폰은 좁은 방에서 실시하는 녹음 작업이나, 잔향이 많은 방에서 원하는 소리만을 수음할 때 사용된다.
상기한 바와 같은 마이크로폰을 차량에 적용할 경우, 차량 환경에서는 음원의 거리가 멀고, 잡음이 가변적으로 발생되는 환경에 있기 때문에, 차량 내 잡음 환경 변화에 강건한 마이크로폰이 요구되며, 이를 구현하기 위해 원하는 방향에서만 음원을 받아들이는 지향성 MEMS 마이크로폰이 적용된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 지향성 마이크로폰은 주파수 대역별로 고른 지향차를 가지지 못하다는 단점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 다공성의 음향 지연 필터를 복수개 적용하여 지향 특성을 향상시킬 수 있는 마이크로폰을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 제1 내지 제3 음원통로가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에서 제1 음원통로와 대응되도록 배치되는 음향소자; 상기 하우징의 내부에서 상기 음향소자와 전기적으로 연결되는 반도체칩; 상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제2 음원통로와 연결되고, 저주파 음원을 지연시키는 저주파 지연필터; 및 상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제3 음원통로와 연결되고, 고주파 음원을 지연시키는 고주파 지연필터를 포함하는 마이크로폰을 제공할 수 있다.
또한, 상기 하우징은 하부면으로 구성된 상태로, 일측에 상기 제1 음원통로가 형성되는 메인기판; 및 상기 메인기판의 상부에 조립되어 내부에 수용공간을 형성하며, 상부면의 일측 및 타측에 상기 제2 음원통로 및 제3 음원통로가 각각 형성되는 커버로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 음원통로와 제3 음원통로는 둘레를 따라 일정구간 단차진 끼움홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 끼움홈은 상기 커버의 상부면 내측과 외측 중, 적어도 어느 하나의 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 저주파 지연필터와 고주파 지연필터는 상기 끼움홈을 통해 끼워져 상기 하우징 상에 고정될 수 있다.
또한, 상기 저주파 지연필터는 상기 저주파 음원이 통과하면서 지연되도록 복수개의 저주파 필터홀이 규칙적으로 관통 형성될 수 있다.
또한, 상기 저주파 필터홀은 반경이 70μm이상 80μm이하의 범위이고, 이웃하는 저주파 필터홀 사이의 중심간의 거리가 200μm이상 300μm이하의 범위이며, 홀 비율(HR저: Hole Ratio)이 20%이상 30%이하의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 상기 홀 비율은 상기 저주파 필터홀의 개수, 저주파 필터홀의 개당 면적, 제2 음원통로의 면적 중 적어도 하나를 이용하여 생성될 수 있다.
또한, 상기 홀 비율은 하기 수학식 1에 의해 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 수학식 1은 HR저=((A1저*A2 저)/B 저)*100 이고, 상기 HR저은 홀 비율이고, A1저는 저주파 필터홀의 개수이며, A2저는 저주파 필터홀 개당 면적이고, B저는 제2 음원통로의 면적으로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 고주파 지연필터는 상기 고주파 음원이 통과하면서 지연되도록 복수개의 고주파 필터홀이 규칙적으로 관통 형성되는 다공성일 수 있다.
또한, 상기 고주파 필터홀은 반경이 35μm이상 45μm이하의 범위이고, 이웃하는 고주파 필터홀 사이의 중심간 거리가 200μm이상 300μm이하의 범위이며, 홀 비율(HR고: Hole Ratio)이 6%이상 10%이하의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 상기 홀 비율은 상기 고주파 필터홀의 개수, 고주파 필터홀의 개당 면적, 제3 음원통로의 면적 중 적어도 하나를 이용하여 생성될 수 있다.
또한, 상기 홀 비율은 하기 수학식 2에 의해 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 수학식 2는 HR고=((A1고*A2고)/B고) *100이고, 상기 HR고은 홀 비율이고, A1고는 고주파 필터홀의 개수이며, A2고는 고주파 필터홀의 개당 면적이고, B고는 제3 음원통로의 면적일 수 있다.
본 발명의 실시 예는 필터홀의 설정 범위가 다른 2개의 지연필터를 적용함으로써, 주파수 대역별로 안정적인 지향차를 가지는 효과가 있다.
이 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 대략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 저주파 지연필터와 고주파 지연필터를 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 지향 특성을 나타낸 실험 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 실시 예들 중에서 바람직한 하나의 실시 예에 관한 것이다. 따라서 본 발명이 하기의 도면과 설명에만 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 대략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 저주파 지연필터와 고주파 지연필터를 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 지향 특성을 나타낸 실험 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰에 유입되는 음원은 20Hz이상 20kHz이하의 주파수를 가진 음원을 예로 하여 설명한다.
또한, 20Hz이상 3kHz이하의 주파수 범위를 가진 음원은 저주파로 구분하고, 3kHz초과 20kHz이하의 주파수 범위를 가진 음원은 고주파로 구분한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 기반으로 하여 제조될 수 있다.
이러한 마이크로폰(1)은 하우징(10), 음향소자(20), 반도체칩(30), 저주파 지연필터(40) 및 고주파 지연필터(50)를 포함한다.
상기 하우징(10)은 메인기판(11) 및 커버(13)로 이루어진다.
상기 메인기판(11)은 제1 음원통로(P1)를 포함하며, PCB 기판으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 음원통로(P1)는 외부에서의 음원이 하우징(10)의 내부로 유입되는 통로로 적용된다.
그리고 상기 커버(13)는 상기 메인기판(11) 상에 장착되어 소정의 수용공간이 형성되며, 금속재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 커버(13)는 상부면 일측에 제2 음원통로(P2)가 형성된다.
또한, 상기 커버(13)는 상부면 타측에 제3 음원통로(P3)가 형성된다.
상기 제2 음원통로(P2)와 제3 음원통로(P3)도 상기 제1 음원통로(P1)와 마찬가지로 외부에서의 음원이 하우징(10)의 내부로 유입되는 통로로 적용된다.
또한, 상기 제2 음원통로(P2)와 제3 음원통로(P3) 각각에는 둘레를 따라 단차진 끼움홈(15)이 형성된다.
이때, 상기 끼움홈(15)은 상기 커버(13)의 상부면 내측에 형성될 수 있다.
또한, 상기 끼움홈(15)은 상기 커버(13)의 상부면 외측에 형성될 수도 있다.
그리고 상기 음향소자(20)는 상기 메인기판(11) 상에 접합된다.
상기 음향소자(20)는 제1 음원통로(P1)와 대응되는 위치에 구성된다.
상기 음향소자(20)는 제1 음원통로(P1), 제2 음원통로(P2) 및 제3 음원통로(P3)로부터 유입되는 음원을 입력받는다.
이러한 음향소자(20)를 간단히 설명하면, 음향홀이 형성되는 음향기판(21), 상기 음향기판(21)의 상부에 형성된 진동막(23), 상기 진동막(23)의 상부에 형성된 고정막(25)으로 구성된다.
상기 진동막(23)은 상기 음향기판(21)의 음향홀에 의해 노출된 부분이 외부로부터 입력되는 음원에 의해 진동한다.
상기 진동막(23)이 진동함에 따라, 상기 진동막(23)과 고정막(25) 사이의 간격이 변하게 되고, 이에 따라, 상기 진동막(23)과 고정막(25) 사이의 정전용량 값이 변하게 된다.
이때, 상기 음향소자(20)는 가변되는 정전용량 값을 이하에서 설명할 반도체칩(30)으로 출력한다.
이러한 음향소자(20)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 기반으로 하는 정전용량형 MEMS 소자일 수 있다.
그리고 상기 반도체칩(30)은 음향소자(20)와 전기적으로 연결되어 있으며, 그 위치는 무관하다.
예를 들어, 상기 반도체칩(30)은 상기 하우징(10)의 수용공간 외부에서 음향소자(20)와 전기적으로 연결될 수도 있다.
이러한 반도체칩(30)은 음향소자(20)로부터 출력된 음향 출력신호를 입력받아 외부로 전송한다.
상기 반도체칩(30)은 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)일 수 있다.
한편, 상기 저주파 지연필터(40)는 음향소자(20)의 상부에 배치된다.
또한, 상기 저주파 지연필터(40)는 커버(13)에 형성된 제2 음원통로(P2)와 대응되는 위치에 배치되어, 상기 제2 음원통로(P2)로 유입되는 음원이 통과된다.
상기 저주파 지연필터(40)는 20Hz이상 3kHz이하의 주파수 범위를 가지는 저주파 음원이 통과하면서 지연 특성을 나타내도록 구성된다.
또한, 상기 저주파 지연필터(40)는 제2 음원통로(P2)의 둘레를 따라 형성된 끼움홈(15)을 통하여 고정된다.
이러한 저주파 지연필터(40)는, 도 2를 참조하면, 복수개의 저주파 필터홀(41)이 형성된 다공성이며, 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 저주파 필터홀(41)은 반경(r)이 70μm이상 80μm이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3의 실험 데이터에 의하면 75μm이다.
또한, 상기 저주파 필터홀(41)은 이웃하는 저주파 필터홀(41) 사이의 중심간 거리(l)가 200μm이상 300μm이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 실험 데이터에 의하면 250μm이다.
또한, 상기 저주파 필터홀(41)의 홀 비율(HR저)은 20%이상 30%이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 실험 데이터에 의하면 24.6%이다.
이때, 상기 저주파 필터홀(41)의 홀 비율(HR저)은 상기 저주파 필터홀(41)의 개수, 저주파 필터홀(41)의 개당 면적, 제2 음원통로(P2)의 면적 중, 적어도 어느 하나를 이용하여 생성된다.
이러한 저주파 필터홀(41)의 홀 비율(HR저: Hole Ratio)은 하기의 [수학식 1]에 의해 생성될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016122327682-pat00001
상기 HR저는 저주파 필터홀(41)의 홀 비율이며, A1저은 저주파 필터홀(41)의 개수이고, A2저는 저주파 필터홀(41)의 개당 면적이며, B저는 제2 음원통로(P2)의 면적을 나타낸다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 음원통로(P2)의 면적은 1.4 π(파이)로 한다.
그리고 고주파 지연필터(50)는 상기 음향소자(20)의 상부에서 상기 저주파 지연필터(40)와 인접하게 배치된다.
또한, 상기 고주파 지연필터(50)는 커버(13)에 형성된 제3 음원통로(P3)와 대응되는 위치에 배치되어, 상기 제3 음원통로(P3)로 유입되는 음원이 통과된다.
상기 고주파 지연필터(50)는 3kHz초과 20kHz이하의 주파수 범위를 가지는 고주파 음원이 통과하면서 지연 특성을 나타내도록 구성된다.
또한, 상기 고주파 지연필터(50)는 제3 음원통로(P3)의 둘레를 따라 형성된 끼움홈(15)을 통하여 고정된다.
이러한 고주파 지연필터(50)는, 도 2를 참조하면, 복수개의 고주파 필터홀(51)이 형성된 다공성이며, 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 고주파 필터홀(51)은 반경(r)이 35μm이상 45μm이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3의 실험 데이터에 의하면 40μm이다.
또한, 상기 고주파 필터홀(51)은 이웃하는 고주파 필터홀(51) 사이의 중심간 거리(l)가 200μm이상 300μm이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 실험 데이터에 의하면 250μm이다.
또한, 상기 고주파 필터홀(51)의 홀 비율(HR고)은 6%이상 10%이하의 범위인 것을 특징으로 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 실험 데이터에 의하면 8%이다.
이때, 상기 고주파 필터홀(51)의 홀 비율(HR고)은 상기 고주파 필터홀(51)의 개수, 고주파 필터홀(51)의 개당 면적, 제3 음원통로(P3)의 면적 중, 적어도 어느 하나를 이용하여 생성된다.
이러한 고주파 필터홀(51)의 홀 비율(HR고: Hole Ratio)은 하기의 [수학식 2]에 의해 생성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016122327682-pat00002
상기 HR고는 고주파 필터홀(51)의 홀 비율이며, A1고은 고주파 필터홀(51)의 개수이고, A2고는 고주파 필터홀(51)의 개당 면적이며, B고는 제3 음원통로(P3)의 면적을 나타낸다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 제3 음원통로(P3)의 면적은 1.4π(파이)로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 저주파 지연필터(40)의 저주파 필터홀(41)의 반경(r)이 75μm이며, 상기 저주파 필터홀(41) 사이의 중심간 거리(l)가 250μm이고, 상기 저주파 필터홀(41)의 홀 비율(HR저)은 24.6%이고, 고주파 지연필터(50)의 반경(r)이 40μm이며, 상기 고주파 필터홀(51) 사이의 중심간 거리(l)가 250μm이고, 상기 고주파 필터홀(51)의 홀 비율(HR고)이 8%일 때, 지향차의 변화(Directivity Variation)가 4dB을 나타낸다.
이때, 상기 지향차의 변화는 전방(0°)과 후방(180°)에서의 감도차이로 정의되며, 측정 주파수 대역별에서의 편차를 의미한다.
즉, 상기 지향차의 변화가 작다는 것은, 측정 주파수 대역별로 편차가 크지 않다는 것으로, 전 주파수 영역대에서 고른 지향차를 가지는 음원을 측정할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 20Hz이상 3kHz이하의 주파수 범위를 가진 저주파 음원이 저주파 지연필터(40)를 통과하면서 지연 특성을 가지도록 구성되지만, 고주파 지연필터(50)는 통과를 못하거나, 통과되어도 음원의 크기가 현저히 감소되는 특성을 가지도록 구성된다.
마찬가지로 상기 마이크로폰(1)은 3kHz초과 20kHz이하의 주파수 범위를 가진 고주파 음원이 고주파 지연필터(50)를 통과하면서 지연 특성을 가지도록 구성되지만, 저주파 지연필터(40)는 음원의 지연없이 그대로 통과하도록 구성된다.
이때, 음향소자(20)는 제1 음원통로(P1)를 통해 입력되는 음원과, 제2 음원통로(P2)의 저주파 지연필터(40)를 통해 입력되는 음원, 제3 음원통로(P3)의 고주파 지연필터(50)를 통해 입력되는 음원을 모두 조합하여 고른 지향특성을 가지도록 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 마이크로폰 10: 하우징
11: 메인기판 13: 커버
15: 끼움홈 P1: 제1 음원통로
P2: 제2 음원통로 P3: 제3 음원통로
20: 음향소자 21: 음향기판
23: 진동막 25: 고정막
30: 반도체칩 40: 저주파 지연필터
41: 저주파 필터홀 50: 고주파 지연필터
51: 고주파 필터홀

Claims (13)

  1. 제1 내지 제3 음원통로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에서 제1 음원통로와 대응되도록 배치되는 음향소자;
    상기 하우징의 내부에서 상기 음향소자와 전기적으로 연결되는 반도체칩;
    상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제2 음원통로와 연결되고, 저주파 음원이 통과하면서 지연되도록 복수개의 저주파 필터홀이 규칙적으로 관통 형성되는 저주파 지연필터; 및
    상기 하우징의 내부 또는 외부에서 제3 음원통로와 연결되고, 고주파 음원을 지연시키는 고주파 지연필터;
    를 포함하고,
    상기 저주파 필터홀은
    반경이 70μm이상 80μm이하의 범위이고, 이웃하는 저주파 필터홀 사이의 중심간의 거리가 200μm이상 300μm이하의 범위이며, 홀 비율(HR저: Hole Ratio)이 20%이상 30%이하의 범위로 설정되는 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은
    하부면으로 구성된 상태로, 일측에 상기 제1 음원통로가 형성되는 메인기판; 및
    상기 메인기판의 상부에 조립되어 내부에 수용공간을 형성하며, 상부면의 일측 및 타측에 상기 제2 음원통로 및 제3 음원통로가 각각 형성되는 커버;
    로 구성되는 마이크로폰.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 음원통로와 제3 음원통로는
    둘레를 따라 일정구간 단차진 끼움홈이 형성되는 마이크로폰.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 끼움홈은
    상기 커버의 상부면 내측과 외측 중, 적어도 어느 하나의 위치에 형성되는 마이크로폰.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저주파 지연필터와 고주파 지연필터는
    상기 끼움홈을 통해 끼워져 상기 하우징 상에 고정되는 마이크로폰.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 홀 비율은
    상기 저주파 필터홀의 개수, 저주파 필터홀의 개당 면적, 제2 음원통로의 면적 중 적어도 하나를 이용하여 생성되는 마이크로폰.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홀 비율은
    하기 수학식 1에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
    여기서, 상기 수학식 1은
    HR저=((A1저*A2 저)/B 저)*100
    이고,
    상기 HR저은 저주파 필터홀의 홀 비율이고, A1저는 저주파 필터홀의 개수이며, A2저는 저주파 필터홀 개당 면적이고, B저는 제2 음원통로의 면적임.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 지연필터는
    상기 고주파 음원이 통과하면서 지연되도록 복수개의 고주파 필터홀이 규칙적으로 관통 형성되는 다공성인 마이크로폰.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고주파 필터홀은
    반경이 35μm이상 45μm이하의 범위이고, 이웃하는 고주파 필터홀 사이의 중심간 거리가 200μm이상 300μm이하의 범위이며, 홀 비율(HR고: Hole Ratio)이 6%이상 10%이하의 범위로 설정되는 마이크로폰.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 홀 비율은
    상기 고주파 필터홀의 개수, 고주파 필터홀의 개당 면적, 제3 음원통로의 면적 중 적어도 하나를 이용하여 생성되는 마이크로폰.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 홀 비율은
    하기 수학식 2에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
    여기서, 상기 수학식 2는
    HR고=((A1고*A2고)/B고) *100
    이고,
    상기 HR고은 고주파 필터홀의 홀 비율이고, A1고는 고주파 필터홀의 개수이며, A2고는 고주파 필터홀의 개당 면적이고, B고는 제3 음원통로의 면적임.
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