KR102371228B1 - 마이크로폰 및 이의 제조방법 - Google Patents

마이크로폰 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

마이크로폰이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰은 음향홀이 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 진동전극; 및 상기 진동전극의 상부에 배치되고, 상기 기판의 음향홀에 대응하는 중앙부가 상측으로 볼록하게 형성되는 고정막을 포함한다.

Description

마이크로폰 및 이의 제조방법{MICROPHONE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 마이크로폰 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로폰은 음성을 전기적인 신호로 변환하는 장치로, 단말기와 같은 이동 통신기기, 이어폰 또는 보청기 등 다양한 통신기기에 적용될 수 있다.
상기 마이크로폰은 최근 들어 점점 소형화를 이루며, 이에 따라, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 MEMS 마이크로폰이 개발되고 있다.
상기 MEMS 마이크로폰은 반도체 일괄 공정을 이용하여 제조되며, 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(ECM: Electret Condenser Microphone)에 비해 습기와 열에 대한 내성이 강하고, 소형화 및 신호처리 회로와의 집적화가 가능한 장점이 있다.
이러한 MEMS 마이크로폰은 압전형 방식과 정전용량형 방식으로 구분된다.
상기 압전형 방식의 MEMS 마이크로폰은 진동막만으로 구성되며, 외부 음압에 의해 진동막이 변형될 때, 압전(Piezoelectric)효과로 전기적 신호가 발생되어 음압을 측정하게 된다.
또한, 상기 정전용량형 방식의 MEMS 마이크로폰은 고정막과 진동막으로 구성되며, 외부로부터 음압이 유입되어 진동막에 가해지면, 상기 진동막이 진동하면서 고정막과의 사이의 간격이 변하면서 정전용량 값이 변하게 된다.
이때, 가변되는 정전용량 값은 전압신호로 출력되며, 주요 성능 지표 중 하나인 감도로 표현된다.
이러한 감도를 향상시키기 위해서는 진동막의 강성을 낮추는 기술의 연구개발이 필요하다.
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 감도를 향상시키는 마이크로폰 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 음향홀이 형성된 기판; 상기 기판의 상부에 배치되는 진동전극; 및 상기 진동전극의 상부에 배치되고, 상기 기판의 음향홀에 대응하는 중앙부가 상측으로 볼록하게 형성되는 고정막을 포함하는 마이크로폰을 제공할 수 있다.
또한, 상기 진동전극은 상기 기판의 상부에서 산화막을 매개로하여 가장자리를 따라 접합될 수 있다.
또한, 상기 고정막은 상기 진동전극의 상부에 형성되는 백 플레이트; 및 상기 백 플레이트의 상부에서 상기 백 플레이이트에 의해 지지되는 고정전극으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 고정막은 가장자리가 평평하고, 중앙부가 만곡진 돔형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정막에는 상기 음향홀에 대응하는 부분에 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다.
또한, 상기 고정막에는 가장자리 일측에 상기 진동막이 노출되는 전극홀이 관통 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 고정전극을 중앙부가 상측으로 볼록한 돔형상으로 형성함으로써, 진동전극의 진동 시, 상기 진동전극과 고정전극 사이의 거리를 전체적으로 고르게 유지함으로써, 감도를 향상시킬 수 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 개략적인 구성도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제조방법을 순차대로 나타낸 공정도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 감도를 해석한 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 개략적인 구성도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 MEMS((Micro Electro Mechanical System) 기술을 기반으로 하는 정전용량형 MEMS 소자를 예로 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 상기 마이크로폰(1)은 기판(10), 진동전극(20) 및 고정막(30)을 포함한다.
상기 기판(10)은 중앙부에 음향홀(11)이 형성되며, 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있다.
상기 음향홀(11)은 외부의 음성 처리 장치(미도시)로부터 발생하는 음원이 유입되는 통로이다.
이때, 상기 음성 처리 장치는 사용자의 음성을 처리하는 것으로, 음성 인식 장치, 핸즈 프리, 휴대 통신 단말 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 음성 인식 장치는 사용자가 음성으로 명령을 내리면, 이를 인식하여 사용자가 내린 명령을 수행하는 기능을 한다.
또한, 상기 핸즈 프리는 휴대 통신 단말과 근거리 무선 통신을 통해 연결되어 사용자가 휴대 통신 단말을 손으로 들지 않고 자유롭게 통화할 수 있다.
또한, 상기 휴대 통신 단말은 무선으로 통화할 수 있는 장치이며, 스마트폰, 개인 휴대 정보 단말기(Personal Digital Assistant: PDA)등 일 수 있다.
그리고 상기 진동전극(20)은 상기 기판(10)의 상부에 형성된다.
상기 진동전극(20)은 상기 기판(10)과의 사이에 산화막(21)을 매개로 하여 가장자리를 따라 접합된다.
상기 진동전극(20)은 상기 기판(10)의 음향홀(11)을 덮고 있다.
다시 말해, 상기 진동전극(20)은 상기 음향홀(11)에 의해 일부 노출된다.
상기 음향홀(11)에 의해 노출된 진동전극(20)의 일부는 음향 처리 장치로부터 전달되는 음원에 따라 진동한다.
또한, 상기 진동전극(20)은 평면의 형상이 원형으로 이루어질 수 있다.
이러한 진동전극(20)은 폴리 실리콘(Poly-Silicon) 소재로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전도성을 가지는 물질이면 변경하여 적용 가능하다.
한편, 상기 고정막(30)은 상기 진동전극(20)의 상부에 배치된다.
상기 고정막(30)은 백 플레이트(31)와 고정전극(33)으로 구성된다.
이때, 백 플레이트(31)는 실리콘 나이트라이드(Silicon Nitride) 소재로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 변경하여 적용 가능하다.
이러한 백 플레이트(31)는 상기 진동전극(10)과 고정전극(33)의 사이에 배치되어 상기 진동전극(10)과 고정전극(33)을 절연하는 역할을 한다.
또한, 상기 백 플레이트(31)는 고정전극(33)의 하부에 배치되어 상기 고정전극(33)을 지지해주는 역할도 한다.
그리고 상기 고정전극(33)은 상기 진동전극(20)과 동일하게 폴리 실리콘 소재로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전도성을 가진 물질이면 변경하여 적용 가능하다.
이러한 백 플레이트(31)와 고정전극(33)으로 구성되는 고정막(30)은 상기 기판(10)의 음향홀(11)에 대응하는 중앙부가 상측으로 볼록하게 형성된다.
다시 말해, 상기 고정막(30)은 가장자리가 상기 진동전극(20)에 접합되어 평평하게 형성되고, 중앙부가 만곡진 돔형상으로 형성된다.
상기 고정막(30)은 돔형상으로 형성되어 상기 진동전극(20)과의 사이에 소정 간격만큼 이격되도록 구성된다.
이러한 소정 간격만큼 이격된 공간은 공기층(39)으로 형성된다.
상기 공기층(39)은 음원이 유입되어 진동전극(20)이 진동할 경우, 상기 백 플레이트(31)와 접촉되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 상기 고정막(30)에는 상기 음향홀(11)에 대응하는 부분에 복수개의 관통홀(35)이 형성된다.
상기 관통홀(35)은 음성 처리 장치로부터 음원이 유입되는 통로이다.
상기와 같은 구조로 이루어지는 마이크로폰(1)은 음성 처리 장치로부터 음원이 음향홀(11) 및 관통홀(35)을 통하여 유입되어 진동전극(20)을 자극시키고, 이에 따라, 상기 진동전극(20)이 진동한다.
상기 진동전극(20)이 진동함에 따라, 상기 진동전극(20)과 고정막(30) 사이의 간격이 변하게 된다.
다시 말해, 상기 진동전극(20)이 진동함에 따라, 상기 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 간격이 변하게 된다.
이에 따라, 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 정전용량 값이 변하게 되고, 이렇게 변화된 정전용량 값을 상기 진동전극(20)에 연결된 제1전극패드(P1) 및 고정전극(33)에 연결된 제2전극패드(P2) 를 통하여 외부의 신호처리회로(C)에서 전기 신호로 바꾸어 감도를 감지할 수 있다.
이때, 상기 제1전극패드(P1)과 제2전극패드(P2)는 메탈 소재로 이루어질 수 있다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제조방법을 순차대로 나타낸 공정도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 기판(10)을 마련한다.
상기 기판(10)은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
상기 기판(10)의 상부에 산화막(21)을 형성한다.
이때, 상기 산화막(21)은 기판(10)이 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다.
다음으로 상기 산화막(21)의 상부에 진동전극(20)을 형성한다.
상기 진동전극(20)을 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 진동전극(20)의 상부 전체에 지지막(40)을 형성한다.
이때, 상기 지지막(40)은 알루미늄(Aluminum) 소재로 이루어질 수 있다.
이어서 상기 지지막(40)을 패터닝하여 중앙부 일정영역을 제외한 가장자리를 식각한다.
도 4를 참조하면, 상기 중앙부 일정영역에 남아있는 지지막(40)은 가열공정을 통해 표면이 만곡되어 볼록한 돔형상으로 형성된다.
이때, 상기 가열공정은 열을 가해 메탈을 녹이는 일반적인 공정으로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5와 도 6을 참조하면, 상기 진동전극(20)과 지지막(40)의 상부에 고정막(30)을 형성한다.
이때, 백 플레이트(31)와 고정전극(33)을 포함하는 상기 고정막(30)이 형성되는 과정을 좀더 자세히 설명하면, 상기 진동전극(20)과 지지막(40)의 상부에 백 플레이트(31)를 형성한다.
상기 백 플레이트(31)는 상기 진동전극(20)과 지지막(40)의 상부 전체 영역에 형성되기 때문에, 상기 지지막(40)이 없는 가장자리에서 진동전극(20)과 접촉되어 평평한 형상을 가지고, 상기 지지막(40)에 대응되는 부분에서는 상기 지지막(40)의 형상을 따라 중앙부가 상측으로 볼록한 돔형상을 가진다.
이러한 백 플레이트(31)는 실리콘 나이트라이드 소재로 이루어질 수 있다.
이어서 상기 백 플레이트(31)의 상부에 고정전극(33)을 형성한다.
상기 고정전극(33)은 백 플레이트(31)의 형상과 동일하게 가장자리가 평평하고 중앙부가 만곡된 돔형상으로 형성된다.
이러한 고정전극(33)은 폴리 실리콘 소재로 이루어질 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 지지막(40)에 대응하는 고정막(30) 상에 복수개의 관통홀(35)을 형성한다.
상기 관통홀(35)은 음성 처리 장치로부터 음원이 유입되는 통로이다.
이어서, 고정막(35)의 가장자리 일측에 상기 진동전극(20)이 노출될 수 있도록 전극홀(37)을 형성한다.
상기 전극홀(37)은 진동전극(20)이 외부의 신호처리회로(C)와 전기적으로 연결될 수 있기 위함이다.
이때, 상기 노출된 진동전극(20)과 고정전극(33)의 일측에 각각 제1전극패드(P1)와 제2전극패드(P2)를 형성한다.
상기 제1전극패드(P1)와 제2전극패드(P2)는 메탈 소재로 이루어져 상기 진동전극(20)과 고정전극(33)을 외부의 신호처리회로(C)와 전기적으로 연결시키기 위하여 적용된다.
도 8을 참조하면, 상기 기판(10)의 배면을 식각하여 음향홀(11)을 형성한다.
상기 음향홀(11)은 음성 처리 장치로부터 발생하는 음원이 유입되는 통로이다.
도 9를 참조하면, 상기 기판(10)의 음향홀(11)에 대응하는 부분의 산화막(21)을 식각한다.
다음으로 상기 지지막(40)을 제거한다.
이때, 상기 지지막은 알루미늄 제거제를 이용하여 제거될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 마이크로폰(1)의 감도는 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016115250982-pat00001
여기서, V0는 바이어스 전압으로 고정된 값이며, hg는 진동전극(20)과 고정전극(33)과의 거리를 나타내고, d은 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리 변화를 나타내며, P는 압력의 변화로 1Pa 로 고정된 값이고, Cp는 기생정전용량 값으로 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이를 제외한 부분의 정전용량 값을 나타내며, C0는 초기상태의 초기정전용량 값일 수 있다.
이에 따라 상기 마이크로폰(1)의 감도는 초기정전용량 값, 즉, C0이 커짐에 따라 감도가 향상될 수 있다.
또한, 상기 마이크로폰(1)의 감도는 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리 변화, 즉, d가 커짐에 따라 감도가 향상된다.
여기서 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리 변화는 [수학식 2]에 의해 설명될 수 있다.
[수학식 2]는 마이크로폰(1)에서 발생하는 정전기력에 의한 인력을 나타내는 식이다.
[수학식 2]
Figure 112016115250982-pat00002
여기서, ε는 유전율을 나타내고, A는 유효면적을 나타내며, V는 바이어스 전압을 나타내고, g는 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리를 나타낼 수 있다.
일반적으로 마이크로폰(1)에서 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이에는 바이어스 전압이 인가되어 정전기력에 의한 인력이 발생된다.
[수학식 2]를 살펴보면, 인력은 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이 거리의 제곱에 반비례 하기 때문에, 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리가 가까울수록 인력이 더 크게 작용한다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 돔형상으로 구성되는 고정전극(33)에 의해 진동전극(20)의 진동 시, 전체적으로 상기 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이에서 발생하는 인력이 고르고, 크게 작용하여 진동전극(20)의 진동변위가 커지게 된다.
이에 따라, 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리 변화, 즉, d가 증가하게 되고, [수학식 1]에 따라 감도가 향상되는 것이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 감도를 해석한 결과이다.
도 10을 참조하면, 1KHz일 때 1Pa 압력을 가하여 감도를 해석한 결과로서, 종래 기술에 따른 마이크로폰(1)은 초기 상태의 진동전극(20)과 고정전극(33)이 평행을 이루는 것을 예로 들어 비교한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)과 종래 기술에 따른 마이크로폰을 비교했을 때, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)의 감도가 3.1dB, 약 1.4배가 향상된 것을 볼 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 고정전극(33)을 중앙부가 상측으로 볼록한 돔형상으로 형성함으로써, 진동전극(20)의 진동 시, 상기 진동전극(20)과 고정전극(33) 사이의 거리를 전체적으로 고르게 유지함으로써, 감도를 향상시킬 수 있다.
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 기판
11 음향홀
20 진동전극
21 산화막
30 고정막
31 백 플레이트
33 고정전극
35 관통홀
37 전극홀
39 공기층
40 지지막

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 기판의 상면에 진동전극을 형성하는 단계;
    상기 진동전극의 상부 전체에 형성된 지지막의 중앙부 일정영역을 제외한 가장자리를 식각하는 단계;
    상기 중앙부 일정영역에 남아있는 지지막에, 가열공정을 통해 표면을 만곡진 형상으로 하여 그 중앙부가 상측으로 볼록한 지지막을 형성하는 단계;
    상기 진동전극과 지지막의 상부에 중앙부가 상측으로 볼록한 고정막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 배면을 식각하여 음향홀을 형성하는 단계;
    를 포함하는 마이크로폰의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진동전극을 형성하는 단계는
    상기 기판의 상부에 산화막을 형성하는 단계; 및
    상기 산화막의 상부에 진동전극을 형성하는 단계;
    로 이루어지는 마이크로폰의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 지지막을 형성하는 단계는
    알루미늄 소재로 이루어진 지지막을 형성하는 단계인 마이크로폰의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 고정막을 형성하는 단계는
    상기 진동전극과 지지막의 상부 전체에 백 플레이트를 형성하는 단계; 및
    상기 백 플레이트의 상부에 고정전극을 형성하는 단계;
    로 이루어지는 마이크로폰의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고정막을 형성하는 단계는
    가장자리가 평평하고, 중앙부가 만곡진 돔형상으로 이루어진 백 플레이트와 고정전극을 형성하는 단계인 마이크로폰의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 고정막을 형성하는 단계 이후에,
    상기 지지막에 대응하는 고정막을 관통하는 복수개의 관통홀을 형성하는 단계; 및
    상기 고정막의 가장자리 일측을 관통하는 하나의 전극홀을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 마이크로폰의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 음향홀을 형성하는 단계 이후에,
    상기 음향홀에 대응하는 산화막을 식각하는 단계; 및
    상기 지지막을 제거하는 단계;
    를 더 포함하는 마이크로폰의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지막을 제거하는 단계는
    메탈 제거제를 이용하는 제거하는 단계인 마이크로폰의 제조방법.
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