KR102506301B1 - 음향 변환기와 관련 제작 및 패키징 기술 - Google Patents
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Abstract
음향 변환기는 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 제 1 가요성 구조물을 포함한다. 변환기는 제 1 가요성 구조물의 상부 표면에 부착되고, 변환기는 입력 전기 신호가 변환기에 인가될 때 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기한다. 제 2 가요성 구조물은 볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 가진다. 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 제 1 가요성 구조물의 바닥 표면과 접촉한다. 제 1 가요성 구조물의 변형은 제 2 가요성 구조물의 변형을 야기한다.
Description
본 출원은 2018년 9월 4일자로 출원된 미국 가 출원 번호 62/726,786 호의 이득을 주장하는 2019년 9월 4일자로 출원된 미국 출원 번호 16/560,510 호를 우선권으로 주장하며, 이들 내용은 그 전체가 본 출원에 원용에 의해 포함된다.
본 개시는 일반적으로 음향 변환기를 위한 설계, 제작 및 패키징 기술(packaging techniques)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 고품질의 사운드를 생성하는 공기의 양을 밀도록 구성된 마이크로 전자 기계식 시스템(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 사운드 전송기에 관한 것이다.
본 명세서에 제공된 배경 설명은 일반적으로 본 개시의 내용을 제시하기 위한 것이다. 이러한 배경 섹션에 설명된 한도 내에서 본 발명의 지명된 발명자의 저작물뿐만 아니라 출원시 종래 기술로 인정되지 않을 수 있는 설명의 양태는 명시적이거나 묵시적으로 본 개시의 종래 기술로서 인정되지 않는다.
반도체 기술이 시작된 이래로, 휴대용 통신 장치가 여전히 선두 주자인 장치의 소형화가 빠르게 진행되었다. 현재 반도체 기술은 표면 실장 어셈블리 패키징 기술(surface mount assembly packaging technology)의 사용을 허용한다. 따라서 다양한 전자 부품이 자동화된 조립 공정을 통해 대량으로 조립될 수 있다. 그러나 상대적으로 크고 수동 조립을 요구하는 이들 장치 내부에는 여전히 전자 부품이 있다. 수동 조립된 부품은 일반적으로 반도체 기술 대신에 종래 기술로 만들어진다. 이들 부품 중에는 음향 변환기(예를 들어, 스피커 또는 마이크로폰(microphone))가 있다.
이동 통신 장치의 중요한 가치 중 하나는 음질에 있다. 음질은 두 가지 요소, 즉 "청취"를 위한 음향 변환기 및 "전송"을 위한 음향 변환기에 의해 지배된다. 청취 음향 변환기는 일반적으로 마이크로폰으로 지칭되며 전송 음향 변환기는 일반적으로 스피커로 지칭된다. 특히, 스피커 부품은 여전히 종래 기술을 사용하여 제작되고 있으므로 자동 조립에 내재된 한계가 있다. 그러한 수동 조립된 스피커의 신뢰성은 인적 오류로 인해 감소될 수 있다. 현재까지, 출원인은 반도체 스피커 또는 마이크로 전자 기계식 시스템(MEMS) 스피커의 상용화된 임의의 제품에 대해 알지 못한다.
본 명세서에 개시된 실시예는 고품질의 사운드를 제공하고 표준 반도체 제작 공정으로 만들어질 수 있는 반도체 스피커 및/또는 마이크로 전자 기계식 시스템(MEMS) 스피커의 설계, 제작 및 패키징 기술을 제공한다.
현재까지 출원인은 상용화된 임의의 반도체 스피커나 마이크로 전자 기계식 시스템(MEMS) 스피커에 대해 알지 못한다. 스피커의 작동에는 많은 공기의 이동을 요구한다. 더 많은 양의 공기를 이동시키는 능력은 더 높은 음질로 이어진다. 본 명세서에 개시된 실시예는 고품질 사운드를 제공하고 표준 반도체 제작 공정으로 만들어질 수 있는 반도체 스피커 및/또는 마이크로 전자 기계식 시스템(MEMS) 스피커의 설계, 제작 및 패키징 기술을 제공한다.
본 개시의 양태는 음향 변환기를 제공한다. 음향 변환기는 스피커로서 기능을 할 수 있다. 일 실시예에서, 음향 변환기는 전기-기계식 변환기에 부착된 제 1 가요성 구조물, 및 제 1 가요성 구조물에 인접하게 배치된 제 2 가요성 구조물을 포함한다. 제 2 가요성 구조물은 볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 가지며, 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 제 1 가요성 구조물의 바닥 표면과 접촉한다.
제 2 가요성 구조물은 곡률을 형성한다. 일 실시예에서, 곡률은 제 1 가요성 구조물을 향해 구부러져 제 1 가요성 구조물과 제 2 가요성 구조물 사이에 결합 또는 비-결합 접점을 형성한다. 전기-기계식 변환기는 입력 전기 신호가 인가될 때 진동한다. 전기-기계식 변환기는 제 1 가요성 구조물을 통해 제 2 가요성 구조물로 진동을 전달한다.
일 실시예에서, 음향 변환기는 제 1 가요성 구조물을 고정하는 제 1 기판, 및 제 2 가요성 구조물을 고정하는 제 2 기판을 포함할 수 있다. 제 1 기판은 제 2 기판에 결합된다.
다양한 예에서, 제 1 가요성 구조물은 완전 클램핑된 다이어프램, 부분적으로 클램핑된 다이어프램, 또는 빔 또는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 포함하는 구조물일 수 있다.
일 실시예에서, 제 2 가요성 구조물은 복수의 층, 예를 들어 제 1 층 및 제 2 층을 포함한다. 각각의 층은 각각의 열팽창 계수를 가질 수 있으며, 둘 이상의 층의 열팽창 계수는 서로 상이하다. 제 2 가요성 구조물의 복수의 층은 함께 결합된다. 일 예에서, 제 2 가요성 구조물은 단일 오목한 표면을 갖는 곡률을 형성한다. 다른 예에서, 제 2 가요성 구조물은 복수의 오목한 표면, 예를 들어 파형 또는 구불구불한 형상을 가지는 곡률을 형성한다.
본 명세서에 개시된 실시예는 다수의 장점을 제공한다. 일 실시예에서, 제 2 가요성 구조물은 구부러진 다이어프램이다. 구부러진 다이어프램은 구부러진 다이어프램이 원하는 음질의 사운드를 생성하는데 충분한 양의 공기를 밀어내기 때문에 스피커를 소형화하고 고감도를 달성할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물과 제 2 가요성 구조물 사이의 접점은 비-결합이다. 두 구조물을 함께 결합하지 않으면 응력의 도입을 피하고 스피커가 온도 변화에 따라 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 구조물 및 제작 공정은 양호하게 확립된 반도체 제작 기술을 기반으로 하므로 본 명세서에 공개된 스피커는 반도체 웨이퍼 제작 설비에서 대량 생산될 수 있다. 또한, 상이한 애플리케이션 시나리오(application scenarios)에 대해서, 유사한 구조물 또는 제작 공정으로 상이한 감도 요건을 충족하기 위해서 스피커가 축소 또는 확대될 수 있다.
일 실시예에서, 음향 변환기는 전기-기계식 변환기를 포함한다. 전기-기계식 변환기는 전기 신호를 기계 진동으로 변환하여 가청 사운드를 생성한다. 전기-기계식 변환기는 압전 재료, 예를 들어 질화 알루미늄, 석영, 세라믹 등을 포함한다. 전기-기계식 변환기는 전기 접점, 예를 들어 전극, 전선 등을 더 포함하며, 전기 신호는 전기 접점을 통해 압전 재료에 인가될 수 있다. 일 실시예에서, 전기 접점은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등을 포함할 수 있다. 전기 신호는 전기 형태로부터 가청 사운드를 생성하는 기계 진동 형태로 변환될 원하는 사운드 트랙(sound track)을 나타낼 수 있다.
전술한 내용은 다음의 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 장점의 개요를 다소 넓게 설명하였다. 본 발명의 청구범위의 요지를 형성하는 본 발명의 추가 특징 및 장점은 이후에 설명될 것이다. 본 명세서에 개시된 개념 및 특정 실시예는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조물을 수정하거나 설계하기 위한 기반으로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 당업자가 인식해야 한다. 또한, 그러한 등가 구성이 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는다는 것을 당업자가 인식해야 한다. 추가 목적 및 장점과 함께 본 발명의 구성 및 작동 방법에 관한 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 예시 및 설명의 목적으로만 제공되며 본 발명의 한계를 정의하기 위한 것이 아님을 명백히 이해해야 한다.
개시된 시스템 및 방법의 더욱 완전한 이해를 위해서, 첨부 도면과 함께 취해진 다음 설명이 참조된다.
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따른 평탄한 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따른 접힌 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 1c는 본 개시의 일 실시예에 따른 구부러진 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 2a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 정적 모드의 음향 변환기의 횡단면도이다.
도 2b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 변형 모드의 음향 변환기의 횡단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기의 예시적인 제 1 가요성 구조물의 개략도이다.
도 4a는 본 개시의 실시예에 따른 (실온보다 더 높은)상승 온도에서 음향 변환기의 예시적인 제 2 가요성 구조물의 개략도이다.
도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 실온에서 음향 변환기의 예시적인 제 2 가요성 구조물의 개략도이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 제 1 가요성 구조물과 제 2 가요성 구조물이 서로 어떻게 인터페이스되는 지를 예시하기 위한 개략도이다.
도 6a는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기를 제작하기 위한 예시적인 제작 공정의 일부분을 도시하는 흐름도이다.
도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기를 제작하기 위한 예시적인 제작 공정의 일부분을 도시하는 흐름도이다.
도 6c는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 6a 및 도 6b에 예시된 제작 공정에 의해 만들어진 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 제작 공정의 일부분을 사용하여 만들어진 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 8a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 단일 원호를 형성하는 다이어프램의 개략적인 측단면도이다.
도 8b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 다중 원호를 형성하는 다이어프램의 개략적인 측단면도이다.
도 9는 본 개시에 따른 압전 재료를 지지하는 평면도로부터 제 1 가요성 구조물의 다양한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 중앙 패드를 갖는 대각선 캔틸레버, 중앙 패드를 갖는 크로스 캔틸레버, 크로스 캔틸레버, 및 완전 클램핑된 다이어프램에 압전 재료가 어떻게 배치될 수 있는 지를 보여주는 개략도이다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 자체-조립된 단일 층(SAM) 코팅을 갖는 예시적인 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 패키징된 스피커 조립체를 도시하는 측정면도이다.
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따른 평탄한 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따른 접힌 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 1c는 본 개시의 일 실시예에 따른 구부러진 다이어프램을 갖는 예시적인 음향 변환기의 개략도이다.
도 2a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 정적 모드의 음향 변환기의 횡단면도이다.
도 2b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 변형 모드의 음향 변환기의 횡단면도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기의 예시적인 제 1 가요성 구조물의 개략도이다.
도 4a는 본 개시의 실시예에 따른 (실온보다 더 높은)상승 온도에서 음향 변환기의 예시적인 제 2 가요성 구조물의 개략도이다.
도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 실온에서 음향 변환기의 예시적인 제 2 가요성 구조물의 개략도이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 제 1 가요성 구조물과 제 2 가요성 구조물이 서로 어떻게 인터페이스되는 지를 예시하기 위한 개략도이다.
도 6a는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기를 제작하기 위한 예시적인 제작 공정의 일부분을 도시하는 흐름도이다.
도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기를 제작하기 위한 예시적인 제작 공정의 일부분을 도시하는 흐름도이다.
도 6c는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 6a 및 도 6b에 예시된 제작 공정에 의해 만들어진 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 제작 공정의 일부분을 사용하여 만들어진 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 8a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 단일 원호를 형성하는 다이어프램의 개략적인 측단면도이다.
도 8b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 다중 원호를 형성하는 다이어프램의 개략적인 측단면도이다.
도 9는 본 개시에 따른 압전 재료를 지지하는 평면도로부터 제 1 가요성 구조물의 다양한 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 중앙 패드를 갖는 대각선 캔틸레버, 중앙 패드를 갖는 크로스 캔틸레버, 크로스 캔틸레버, 및 완전 클램핑된 다이어프램에 압전 재료가 어떻게 배치될 수 있는 지를 보여주는 개략도이다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 자체-조립된 단일 층(SAM) 코팅을 갖는 예시적인 음향 변환기를 도시하는 측정면도이다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 패키징된 스피커 조립체를 도시하는 측정면도이다.
개시된 시스템 및 방법의 더욱 완전한 이해를 위해서, 이제 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 설명이 참조된다. 예로서 제안된 본 개시의 다양한 실시예는 동일한 부호가 동일한 요소를 지칭하는 다음 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따른 평탄한 다이어프램(112)을 갖는 예시적인 음향 변환기(110)를 도시한다. 평탄한 다이어프램(112)은 기판(114)에 고정될 수 있다. 평탄한 다이어프램(112)은 전기 신호가 변환기에 인가될 때 진동하는 전기-기계식 변환기, 예를 들어 압전 변환기에 부착될 수 있다. 평탄한 다이어프램(112)이 진동할 때, 도 1a에 나타낸 바와 같이 공기를 밀어낸다.
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따른 접힌 다이어프램(122)을 갖는 예시적인 음향 변환기(120)를 도시한다. 접힌 다이어프램(122)은 기판(124)에 고정될 수 있다. 접힌 다이어프램(122)은 낮은 전환점(126) 및 높은 전환점(128)을 가진다. 일 실시예에서, 기판(124)과 낮은 전환점(126) 사이의 다이어프램(122)의 일부분은 평탄하거나 상대적으로 평탄하다. 낮은 전환점(126)과 높은 전환점(128) 사이의 다이어프램(122)의 부분은 측 단면도에서 볼 때 상승하고 있다. 2 개의 높은 전환점(128) 사이의 부분은 평탄하거나 비교적 평탄하다. 접힌 다이어프램(122)은 전기 신호가 변환기에 인가될 때 진동하는 압전 변환기에 부착될 수 있다. 접힌 다이어프램(122)이 진동할 때, 도 1b에 나타낸 바와 같이 공기를 밀어낸다.
도 1c는 본 개시의 일 실시예에 따른 구부러진 다이어프램(132)을 갖는 예시적인 음향 변환기(130)를 도시한다. 구부러진 다이어프램(132)은 기판(134)에 고정될 수 있다. 구부러진 다이어프램(132)은 볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 포함한다. 볼록한 상부 표면은 상향으로 지향된 피크를 가진다. 구부러진 다이어프램(132)은 전기 신호가 변환기에 인가될 때 진동하는 압전 변환기에 부착될 수 있다. 구부러진 다이어프램(132)이 진동할 때, 도 1c에 나타낸 바와 같이 공기를 밀어낸다.
도 2a는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 정적 모드에서 구조물을 예시하는 음향 변환기(200)를 도시하는 횡단면도이다. 일 실시예에서, 음향 변환기(200)는 MEMS 스피커일 수 있다. 음향 변환기(200)는 제 1 가요성 구조물(202)을 포함한다. 제 1 가요성 구조물(202)은 상부 표면 및 바닥 표면을 포함한다. 압전 재료(216)는 제 1 가요성 구조물(202)의 상부 표면에 부착된다. 제 1 가요성 구조물(202)의 바닥 표면은 제 2 가요성 구조물(206)의 상부 표면과 접촉한다. 몇몇 실시예에서, 도 1a의 다이어프램(112), 도 1b의 다이어프램(122), 및/또는 도 1c의 다이어프램(132)은 제 2 가요성 구조물(206)일 수 있다.
압전 재료(216)는 입력 전기 신호(210)가 압전 재료(216)에 인가될 때 수직 진동(214)을 생성한다. 압전 재료(216)는 입력 전기 신호(210)를 수신하기 위해서 전기 접점(212), 예를 들어 전극과 전기적으로 접촉한다. 일 실시예에서, 전기 접점(212)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 입력 전기 신호(210)는 음향 변환기(200)에 의해 음파로 변환될 사운드 트랙을 나타낸다.
일 실시예에서, 음향 변환기(200)는 전기-기계식 변환기를 포함한다. 도 3의 전기-기계식 변환기(315)를 참조한다. 전기-기계식 변환기는 압전 재료(216), 예를 들어 질화 알루미늄, 석영, 세라믹 등을 포함한다. 전기-기계식 변환기는 또한, 전기 접점(212), 예를 들어 전극, 전선 등을 포함하며, 전기 신호(210)는 전기 접점(212)을 통해 압전 재료(216)에 인가될 수 있다. 전기 신호(210)는 전기 신호 형태로부터 사운드를 생성하는 기계적 진동(214) 형태로 변환될 사운드 트랙을 나타낼 수 있다.
제 1 가요성 구조물(202)은 하나 이상의 빔, 하나 이상의 캔틸레버 빔, 하나 이상의 박막 및 하나 이상의 다이어프램(diaphragm)일 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)은 기판(204)에 고정 및/또는 장착된다. 기판(204)은 임의의 적합한 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘, 실리콘 산화물 등일 수 있다.
제 2 가요성 구조물(206)은 볼록한 상부 표면(220) 및 오목한 바닥 표면(222)을 가진다. 볼록한 상부 표면(220)은 제 1 가요성 구조물(202)의 바닥 표면과 접촉한다. 제 1 가요성 구조물(202)과 제 2 가요성 구조물(206) 사이의 접점은 결합되거나 결합되지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)과 제 2 가요성 구조물(206) 사이의 접점은 결합되지 않는다. 비-결합 접점은 제 1 가요성 구조물(202) 및 제 2 가요성 구조물(206)이 상대 운동을 가능하게 하여 진동 동안 구조물을 손상시킬 수 있는 기계적 응력을 감소시킨다. 다른 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)과 제 2 가요성 구조물(206) 사이의 접점이 결합된다. 결합된 접점은 제 1 가요성 구조물(202)로부터 제 2 가요성 구조물(206)로 진동의 더욱 민감한 전달을 허용한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제 2 가요성 구조물(206)은 제 1 층(221) 및 제 2 층(223)의 2 개의 상이한 층을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 층(221) 및 제 2 층(223)은 함께 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 층(221) 및 제 2 층(223)은 서로 접촉할 수 있지만 결합되지 않을 수 있다.
제 1 층(221)은 제 1 재료로 만들어질 수 있다. 제 2 층(223)은 제 2 재료로 만들어질 수 있다. 제 1 재료와 제 2 재료는 상이한 열팽창 계수를 가진다. 만곡된 제 2 가요성 구조물(206)의 제작 공정에서, 제 1 층(221)은 실온보다 높은 온도에서 제 2 층(223)의 상부에 침착된다. 온도가 실온으로 내려가면 제 1 층(221)과 제 2 층(223)은 자연스럽게 굽혀져 곡률을 형성한다. 제 2 가요성 구조물(206)의 자연적인 굽힘은 냉각되는 동안 발생한다. 제 2 가요성 구조물(206)의 자연적인 굽힘은 냉각되는 동안 상이한 열팽창 계수의 상이한 수축률이 제 2 가요성 구조물(206)을 구부리는 기계적 응력을 야기하기 때문에 발생한다. 일 실시예에서, 제 2 가요성 구조물(206)의 곡률은 단일 원호를 형성한다. 도 8a를 참조한다. 다른 실시예에서, 제 2 가요성 구조물(206)의 곡률이 다수의 원호를 형성하도록 상이한 열 팽창 계수를 갖는 상이한 재료가 다양한 패턴으로 침착될 수 있다. 도 8b를 참조한다.
제 2 가요성 구조물(206)은 하나 이상의 빔, 하나 이상의 캔틸레버 빔, 하나 이상의 박막, 및 하나 이상의 다이어프램일 수 있다.
도 2b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 변형 모드에서 그의 구조물을 예시하는 음향 변환기(200)를 도시하는 횡단면도이다. 압전 재료(216)가 전기 접점(212)을 통해 전기 신호(210)를 수신할 때, 압전 재료(216)는 진동하여 수직 진동(214)을 야기한다. 수직 진동(214)은 제 1 가요성 구조물(202)의 변형을 야기한다. 제 1 가요성 구조물(202)의 변형은 제 2 가요성 구조물(206)의 변형을 추가로 야기한다. 제 2 가요성 구조물(206)이 변형될 때, 오목한 바닥 표면(222)의 측면에 있는 공기는 제 2 가요성 구조물(206)로부터 밀려나간다.
압전 재료(216)에 의해 생성된 진동은 제 1 가요성 구조물(202)을 통해 제 2가요성 구조물(206)로 전달된다. 이는 또한, 압전 재료(216)에 의해 생성된 진동의 기계적 에너지가 제 1 가요성 구조물(202) 및 제 2 가요성 구조물(206)로 전달됨을 의미한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기(300)의 예시적인 제 1 가요성 구조물(302)을 도시한다. 음향 변환기(300)는 제 1 가요성 구조물(302)을 포함한다. 제 1 가요성 구조물(302)은 상부 표면(322) 및 바닥 표면(324)을 포함한다. 제 1 가요성 구조물(302)은 빔, 캔틸레버 빔, 필름 및/또는 다이어프램일 수 있다.
전기-기계식 변환기(315)는 제 1 가요성 구조물(302)의 상부 표면(322)에 부착된다. 전기-기계식 변환기(315)는 압전 재료 및 전기 접점(312)을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(302)의 바닥 표면(324)은 제 2 가요성 구조물과 접촉할 수 있다. 일 실시예에서, 전기 접점(312)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등을 포함할 수 있다.
전기-기계식 변환기(315)의 압전 재료(316)는 입력 전기 신호(310)가 전기 접점(312)을 통해 압전 재료(316)에 인가될 때 수직 진동(314)을 생성한다. 전기-기계식 변환기(315)는 입력 전기 신호(310)를 수신하기 위한 전기 접점(312), 예를 들어 전극을 포함한다. 압전 재료(316)는 전기 신호를 기계적 진동으로 변환한 다음에 음파를 생성한다. 일 실시예에서, 입력 전기 신호(310)는 음향 변환기(300)에 의해 전기 신호로부터 음파로 변환될 사운드 트랙을 나타낸다. 제 1 가요성 구조물(302)은 하나 이상의 빔, 하나 이상의 캔틸레버 빔, 하나 이상의 박막, 및 하나 이상의 다이어프램일 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(302)은 기판(304)에 고정 및/또는 장착된다. 기판(304)은 임의의 적합한 반도체 기판, 예를 들어 실리콘, 실리콘 산화물 등일 수 있다.
도 4a는 본 개시의 실시예에 따른 (실온보다 더 높은)상승 온도에서 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)의 예를 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제 2 가요성 구조물(400)은 제 1 재료(402) 및 제 2 재료(404)를 포함한다. 제 1 재료(402)는 제 1 열팽창 계수(TEC-1)(403)를 가진다. 제 2 재료(404)는 제 2 열팽창 계수(TEC-2)(405)를 가진다. TEC-1(403)은 TEC-2(405)와 상이하다.
제 1 재료(402)는 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)의 제 1 층(408)을 형성한다. 제 1 층(408)은 상부 표면(406) 및 바닥 표면(410)을 가진다. 제 2 재료(404)는 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)의 제 2 층(414)을 형성한다. 제 2 층(414)은 상부 표면(412) 및 바닥 표면(416)을 가진다.
일 실시예에서, 반도체 제작 공정 동안, 음향 변환기는 실온보다 높은 온도로 가열된다. 제 1 재료(402) 및 제 2 재료(404)는 상승 온도하에서 음향 변환기의 일부로서 침착된다. 상승 온도하에서, 제 1 층(408) 및 제 2 층(414)은 도 4a에서와 같이 단면도로부터 직선으로 유지된다. 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)은 도 4b에 도시된 바와 같이 온도가 실온으로 냉각될 때 자연스럽게 구부러지는데, 이는 제 1 재료(402)의 TEC-1(403)이 제 2 재료(404)의 TEC-2(405)와 상이하기 때문이다.
도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 실온에서 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)의 예를 도시한다. 본 개시의 목적을 위해서, 열팽창 계수(TEC) 값이 크다는 것은 재료의 가열시 선형 팽창률 또는 재료의 냉각시 수축률이 더 크다는 것을 의미한다. 반대로, TEC 값이 더 작다는 것은 재료의 가열시 선형 팽창률 또는 재료의 냉각시 수축률이 더 작다는 것을 의미한다.
도 4b는 볼록한 상부 표면(406) 및 오목한 바닥 표면(416)을 갖는 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)을 도시한다. 음향 변환기의 제 2 가요성 구조물(400)에 의해 형성된 원호의 피크는 상부 방향(위쪽)을 지향한다. 도 4b는 또한, 오목한 상부 표면(406') 및 볼록한 바닥 표면(416')을 갖는 음향 변환기의 상이한 제 2 가요성 구조물(400')을 도시한다. 음향 변환기(400')의 제 2 가요성 구조물에 의해 형성된 원호의 피크는 바닥 방향(아래쪽)을 지향한다.
음향 변환기(400)의 제 2 가요성 구조물은 볼록한 상부 표면(406) 및 오목한 바닥 표면(416)을 갖는 원호를 형성한다. 볼록한 상부 표면(406)은 제 1 층(408)의 상부 표면이다. 제 1 층(408)은 바닥 표면(410)을 가진다. 오목한 바닥 표면(416)은 제 2 층(414)의 바닥 표면이다. 제 2 층(414)은 상부 표면(412)을 가진다. 제 1 층(408)의 바닥 표면(410)은 제 2 층(414)의 상부 표면(412)과 접촉한다. 접점은 결합되거나 결합되지 않을 수 있다.
음향 변환기(400')의 제 2 가요성 구조물은 오목한 상부 표면(406') 및 볼록한 바닥 표면(416')을 갖는 원호를 형성한다. 오목한 상부 표면(406')은 제 1 층(408')의 상부 표면이다. 제 1 층(408')은 바닥 표면(410')을 가진다. 볼록한 바닥 표면(416')은 제 2 층(414')의 바닥 표면이다. 제 2 층(414')은 상부 표면(412')을 가진다. 제 1 층(408')의 바닥 표면(410')은 제 2 층(414')의 상부 표면(412')과 접촉한다. 접점은 결합되거나 결합되지 않을 수 있다.
음향 변환기(400)의 제 2 가요성 구조물에서, 제 1 재료(402)의 TEC-1은 제 2 재료(404)의 TEC-2보다 작다. 음향 변환기가 상승 온도에서 냉각될 때, 제 2 재료(404)는 제 1 재료(402)보다 더 많이 수축하여 상향 지향 원호를 형성한다.
음향 변환기(400')의 제 2 가요성 구조물에서, 제 1 재료(402')의 TEC-1은 제 2 재료(404')의 TEC-2보다 크다. 음향 변환기가 상승 온도로부터 냉각될 때, 제 2 재료(404')는 제 1 재료(402')보다 덜 수축하여 하향 지향 원호를 형성한다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따라 제 1 가요성 구조물(202) 및 제 2 가요성 구조물(206)이 서로 인터페이스되는 방법의 예를 도시한다. 제 1 가요성 구조물(202)은 상부 표면(201) 및 바닥 표면(203)을 포함한다. 제 2 가요성 구조물(206)은 볼록한 상부 표면(220) 및 오목한 바닥 표면(222)을 포함한다.
접점(250)은 제 1 가요성 구조물(202)의 바닥 표면(203)과 제 2 가요성 구조물(206)의 볼록한 상부 표면(220) 사이에 형성된다. 접점(250)은 결합되거나 결합되지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 접점(250)은 결합되지 않는다. 비-결합 접점은 제 1 가요성 구조물(202) 및 제 2 가요성 구조물(206)이 상대 운동을 가능하게 하여 진동 동안 장치(200)의 구조물을 손상시킬 수 있는 기계적 응력을 감소시킨다. 다른 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)과 제 2 가요성 구조물(206) 사이의 접점(250)은 결합된다. 결합된 접점은 제 1 가요성 구조물(202)로부터 제 2 가요성 구조물(206)로 진동의 더욱 민감한 전달을 허용한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 음향 변환기(650)를 제작하기 위한 예시적인 제작 공정(600)을 도시한다. 도 6c는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 6a 및 도 6b에 예시된 제작 공정(600)에 의해 만들어진 음향 변환기(650)를 도시한다. 제작 공정(600)은 음향 변환기(650)를 제작하기 위한 예일 뿐이라는 점에 유의한다. 다양한 예에서, 다양한 제작 공정은 도 6c에 도시된 것과 유사한 구조물을 갖는 음향 변환기를 얻는데 사용될 수 있다. 도 6a 및 도 6b 공정에 대응하는 몇몇 예에서, 상이한 재료 및/또는 처리 기술이 도 6c의 예에 도시된 것과 유사한 구조물을 갖는 스피커를 제작하는데 채택될 수 있다. 몇몇 다른 예에서, 채택된 제작 공정은 도 6a 및 도 6b의 예와 상이한 행위를 포함할 수 있거나 도 6a 및 도 6b의 행위를 포함할 수 있지만 상이한 순서로 수행된다.
제작 공정(600)은 제 1 기판에 제 1 층을 침착하고 제 1 층 상부에 제 2 층을 침착하는 단계(601)를 포함한다. 제 1 기판은 임의의 적합한 반도체 기판, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)일 수 있다. 제 1 기판은 임의의 적합한 원자, 예를 들어 인(P), 비소(As), 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등으로 도핑될(doped) 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제 1 층은 유전체 층, 예를 들어 이산화 실리콘(SiO2) 층일 수 있다. 제 2 층은 임의의 적합한 반도체 재료, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등일 수 있다. 제 2 층은 임의의 적합한 원자, 예를 들어 인(P), 비소(As), 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등으로 도핑될 수 있다.
제작 공정(600)은 제 2 층 상부에 제 3 층을 침착하는 단계(602)를 포함한다. 제 3 층은 유전체 층, 예를 들어 이산화 규소(SiO2) 층일 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 층 및 제 3 층은 도 2a에 도시된 바와 같이 제 2 가요성 구조물(206)일 수 있다.
제작 공정(600)은 제 2 기판 상의 제 1 공동을 에칭하는 단계(604)를 포함한다. 제 2 기판은 임의의 적합한 반도체 기판, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등일 수 있다. 제 2 기판은 임의의 적합한 원자, 예를 들어 인(P), 비소(As), 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등으로 도핑될 수 있다.
제작 공정(600)은 제 1 공동이 제 2 기판 및 제 3 층에 의해 둘러싸이거나 규정되도록 처리된 제 1 기판을 제 2 기판과 결합하는 단계(606)를 포함한다. 제 1 공동은 부분적으로 제 2 기판에 의해 그리고 부분적으로 제 3 층에 의해 규정된 둘레를 가진다.
제작 공정(600)은 제 1 공동 위의 부분을 박층으로 만들기 위해서 제 2 기판을 연마하는 단계(608)를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 공동 위의 이러한 박층은 도 2a에 도시된 바와 같은 제 1 가요성 구조물(202)일 수 있다.
제작 공정(600)은 얇은 유전체 층, 예를 들어 이산화 실리콘(SiO2) 층을 제 2 기판 위에 침착하는 단계(610)(도 6b에 계속됨)를 포함한다.
제작 공정(600)은 금속 층을 침착하는 단계(612)를 포함한다. 단계(612)에서, 이러한 금속 층은 공동 부분을 덮는다. 일 실시예에서, 단계(612)에서의 이러한 금속 층은 전기-기계식 변환기의 하나의 전기 접점이다. 일 실시예에서, 금속 층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등일 수 있다.
제작 공정(600)은 단계(612)의 금속 층 위에 압전 재료를 침착하는 단계(614)를 포함한다. 단계(614)에서, 압전 재료는 공동 위에 침착된다. 일 실시예에서, 압전 재료는 전기 신호를 기계적 진동으로 변환하는 재료이다.
제작 공정(600)은 압전 재료의 상부 표면을 부분적으로 덮는 유전체 층을 침착하는 단계(616)를 포함한다. 단계(616)에서, 유전체 층은 압전 재료의 전체 상부 표면을 덮지 않는다. 유전체 층은 압전 재료의 상부 표면 위에 갭(gap)을 남긴다. 이러한 갭은 다른 금속 층이 침착되는 경우에 압전 재료와 전기 접점의 형성을 허용한다.
제작 공정(600)은 부분적으로 단계(616)의 유전체 층의 상부 및 부분적으로 단계(614)의 압전 재료의 상부에 금속 층을 침착하는 단계(618)를 포함한다. 단계(618)에서, 이러한 금속 층은 단계(614)의 압전 재료 위에 있는 단계(616)의 유전체 층의 갭을 충전하여, 압전 재료와의 제 2 전기 접점을 형성한다. 일 실시예에서, 금속 층은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등일 수 있다.
제작 공정(600)은 제 2 공동을 생성하기 위해서 제 1 기판을 에칭하는 단계(620)를 포함한다. 단계(620)에서 생성된 제 2 공동은 단계(604 및 606)에서 생성된 제 1 공동 아래에 위치된다.
제작 공정(600)은 제 1 공동 아래에서 멀리 떨어진 단계(601)의 제 1 층을 에칭하는 단계(622)를 포함한다. 제 1 층의 에칭된 부분은 제 2 공동의 일부가 된다. 단계(622)에서, 제작 공정(600)은 또한, 상승 온도로부터 실온으로 음향 변환기를 냉각시키는 단계를 포함한다. 제 2 층 및 제 3 층이 각각 상이한 열팽창 계수를 갖기 때문에, 제 1 공동과 제 2 공동 사이에 위치된 제 2 층 및 제 3 층은 자연스럽게 굽혀져서 곡률을 형성한다. 도 6b의 단계(622)에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 공동 사이에 배치된 제 2 층 및 제 3 층은 도 2a에 도시된 바와 같은 제 2 가요성 구조물(206)일 수 있다.
제작 공정(600)에서, 제 1 기판의 제 2 공동 내부에 있는 제 1 층(이산화 규소)을 단계(622)에서 에칭한 후에, 제 2 층과 제 3 층에 의해 형성된 다이어프램은 제 2 및 제 3 층 사이의 열팽창 계수 불일치에 의해 야기된 응력으로 인해 위로 휘어진다. 다이어프램(층(2) 및 층(3))은 위쪽으로 이동하여 제 2 기판의 박막 부분에 대해 떠밀려 비-결합 접점을 형성한다. 따라서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 다이어프램(예를 들어, 제 2 가요성 구조물(206))과 제 2 기판(예를 들어, 제 1 가요성 구조물(202))의 박막 부분 사이에는 영구적인 부착이 없으며, 여기서 그들은 서로 자연스럽게 접촉한다. 이러한 비-결합 접촉은 진동으로 인한 잠재적인 기계적 응력을 감소시킨다. 반대로, 다이어프램과 제 2 기판이 서로 결합될 때, 기계적 응력이 유발되어 스피커의 성능 열화를 야기한다.
그러나, 대안적인 예에서, 다이어프램(제 1 및 제 2 공동 사이의 제 2 및 제 3 층)과 제 2 기판이 접촉할 때 다이어프램 및 제 2 기판은 이산화 규소 박층을 성장시킴으로써 영구적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 단계(610, 612, 614, 616, 618)는 다이어프램(제 1 및 제 2 공동 사이의 제 2 및 제 3 층)과 제 2 기판 장소 사이의 접점이 형성되는 단계(620 및 622) 후에 수행될 것이다. 단계(601, 602, 604, 606, 608, 620, 622) 이후에 만들어진 장치(부분적으로 완성된 음향 변환기)가 도 7에 도시된다.
도 6c는 제작 공정(600)으로 만들어진 최종 음향 변환기(650)를 도시한다. 변환기(650)는 바닥으로부터 위로: 제 1 기판(652), 제 1 층(654), 제 2 층(656), 제 3 층(658), 제 2 기판(660), 제 4 층(662), 제 5 층(664), 제 6 층(668), 제 7 층(670), 제 8 층(672)을 포함한다.
제 1 기판(652)은 임의의 도핑이 있거나 없는 임의의 적합한 반도체 기판일 수 있다. 제 1 층(654)은 유전체 층, 예를 들어 SiO2일 수 있다. 제 2 층(656)은 임의의 도핑이 있거나 없는 임의의 반도체 재료일 수 있다. 제 3 층(658)은 유전체 층, 예를 들어 SiO2일 수 있다. 제 2 기판(660)은 임의의 도핑이 있거나 없는 임의의 적합한 반도체 기판일 수 있다. 제 4 층(662)은 유전체 층, 예를 들어 SiO2일 수 있다. 제 5 층(664)은 금속 층, 예를 들어 알루미늄(Al)일 수 있다. 제 6 층(668)은 유전체 층, 예를 들어 SiO2일 수 있다. 제 7 층(670)은 압전 재료, 예를 들어 질화 알루미늄(AlN), 결정질, 석영, 세라믹 등일 수 있다. 제 8 층(672)은 금속 층, 예를 들어 알루미늄(Al)일 수 있다.
다이어프램(제 1 및 제 2 공동 사이의 제 2 및 제 3 층)의 구성 및 강성은 다이어프램의 진동 동안 이동 거리를 증가 또는 감소시키기 위해서 조정될 수 있다. 예를 들어, 다이어프램은 조정을 실현하도록 형상화될 수 있다.
도 7은 601, 602, 604, 606, 608, 620 및 622의 순서로 제작 공정(600)의 일부분을 사용하여 다음 단계에서 만들어진 음향 변환기(700)를 도시한다. 이전에 논의된 바와 같이, 음향 변환기(700) 및 추가의 도포 단계[(610)(제 4 층 형성용), (612)(제 5 층 형성용), (614)(제 6 층 형성용), (616)(제 7 층 형성용) 및 (618)(제 8 층 형성용)]를 사용하여, 다이어프램(제 1 및 제 2 공동 사이의 제 2 및 제 3 층)과 제 2 기판 사이의 접점은 결합된 점점을 형성한다. 그러한 결합된 접점은 제 1 가요성 구조물을 통해 압전 재료로부터 제 2 가요성 구조물로 기계적 진동의 양호한 전달을 제공할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 다이어프램(800, 850)의 2 개의 대안 실시예를 각각 도시한다. 다이어프램(800, 850)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 제 2 가요성 구조물(206)로서 적용될 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 다이어프램(800)은 상향으로 지향되는 단일 피크(804)를 갖는 단일 원호(802)를 포함한다. 다이어프램(800)은 볼록한 상부 표면(806) 및 오목한 바닥 표면(808)을 포함한다. 도 6a 및 도 6b에 이전에 도시된 바와 같이, 단일 원호 다이어프램(800)은 단일 실리콘 층인 제 2 층(656)을 포함할 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 폴리 원호 다이어프램(850)은 제 2 층(656)을 위한 단일 실리콘 층 대신에 폴리 실리콘 층을 포함한다. 그러한 폴리실리콘 층은 불균일한 열 팽창 계수로 인해 상승 온도로부터 폴리실리콘 층이 냉각되면 파형 다이어프램을 유도한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 폴리 원호 다이어프램(850)은 단면도에서 볼 때 다중 원호 곡률(852)이다. 다중 원호 곡률(852)은 다중 피크(854)를 포함한다. 폴리 원호 다이어프램(850)은 상부 표면(856) 및 바닥 표면(858)을 포함한다. 일 실시예에서, 상부 표면(856)의 적어도 일부분은 압전 재료(216)에 추가로 부착되는 제 1 가요성 구조물(202)과 접촉한다. 압전 재료(216)에 의해 생성된 기계적 진동(214)은 폴리 원호 다이어프램(850)으로 전달될 수 있다. 이러한 폴리 원호 다이어프램은 다이어프램이 가해진 더 적은 힘으로 더 긴 거리를 이동할 수 있게 한다. 이는 폴리 원호 다이어프램(850)을 사용하는 음향 변환기가 더 많은 공기를 밀어내고 고품질의 사운드를 생성할 수 있음을 의미한다.
도 9는 본 개시에 따른 압전 재료를 지지하는 평면도로부터 제 1 가요성 구조물(202)의 다양한 실시예를 도시한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 제 1 가요성 구조물(202)은 다중 옵션으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)은 중앙 패드(900)를 갖는 대각선 캔틸레버일 수 있다. 중앙 패드(900)의 이러한 구조물은 대각선으로 서로 교차하는 제 1 빔(904) 및 제 2 빔(906)을 포함한다. 중앙 패드(900)의 구조물은 제 1 빔(904) 및 제 2 빔(906)의 횡단면에 배치된 지지 패드(908)를 더 포함하며, 지지 패드(908)의 대각선은 제 1 빔(904) 및 제 2 빔(906)에 평행하다. 일 실시예에서,지지 패드(908)는 전기-기계식 변환기를 지지한다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)은 중앙 패드(920)를 갖는 크로스 캔틸레버일 수 있다. 중앙 패드(920)의 구조물은 서로 직교하게 교차하는 제 1 빔(922) 및 제 2 빔(924)을 포함한다. 중앙 패드(920)의 구조물은 제 1 빔(922) 및 제 2 빔(924)의 횡단면에 배치된 지지 패드(926)를 포함한다. 일 실시예에서,지지 패드(926)는 압전 재료를 지지한다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)은 크로스 캔틸레버(940)일 수 있다. 크로스 캔틸레버(940)의 구조물은 직교하게 서로 교차하는 제 1 빔(942) 및 제 2 빔(944)을 포함한다.
일 실시예에서, 제 1 가요성 구조물(202)은 완전 클램핑된 다이어프램(960)일 수 있다. 일 실시예에서, 완전 클램핑된 다이어프램(960)의 둘레는 하나 이상의 지지 기판에 전체적으로 부착된다.
도 10은 본 개시의 몇몇 실시예에 따라 중앙 패드를 갖는 대각선 캔틸레버(900), 중앙 패드를 갖는 크로스 캔틸레버(920), 크로스 캔틸레버(940), 및 완전 클램핑된 다이어프램(960)에 하나 이상의 전기-기계식 변환기가 어떻게 배치될 수 있는 지를 도시한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 중앙 패드(900)를 갖는 대각선 캔틸레버의 경우에, 제 1 전기-기계식 변환기(1002)가 지지 패드(908)에 배치될 수 있다. 제 2 전기-기계식 변환기(1004)가 제 2 빔(906)에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 전기-기계식 변환기는 지지 패드(908), 제 1 빔(904) 및 제 2 빔(906)에 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 중앙 패드(920)를 갖는 크로스 캔틸레버의 경우에, 제 1 전기-기계식 변환기(1022)가 지지 패드(926)에 배치될 수 있다. 제 2 전기-기계식 변환기(1024)가 제 1 빔(924)에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 전기-기계식 변환기는 지지 패드(926), 제 1 빔(922) 및 제 2 빔(924)에 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 크로스 캔틸레버(940)의 경우에, 제 1 전기-기계식 변환기(1044)가 횡단면에 근접한 제 1 빔(944)에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 전기-기계식 변환기가 제 1 빔(942) 및 제 2 빔(944)에 배치될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 완전 클램핑된 다이어프램(960)의 경우에, 전기-기계식 변환기(1062)가 다이어프램(960)의 중심 근처에 배치될 수 있다. 다이어프램(960)에 배치된 하나 이상의 전기-기계식 변환기가 있을 수 있다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른 자체-조립된 단층(SAM) 코팅(1116)을 갖는 예시적인 음향 변환기(1100)를 도시한다. 음향 변환기(1100)는 (바닥으로부터 상부로): 제 1 기판(1102), 제 1 층(1104), 제 2 층(1106), 제 3 층(1108) 및 제 2 기판(1110)을 포함한다.
제 1 공동(1112)은 단면도에서 제 2 기판(1110) 및 제 3 층(1108)에 의해 규정된다. 제 2 공동(1114)은 제 1 기판(1102)에 배치된다. 제 2 공동(1114)은 상부 측벽(1118), 좌측 측벽(1120) 및 우측 측벽(1122)을 포함한다. 제 2 공동(1114)은 바닥 측에서 주변(ambient)에 유체적으로 연결된다. 제 2 가요성 구조물(1132)이 진동할 때, 공기는 제 2 공동(1114)의 바닥 측으로부터 밀려나온다.
자체-조립된 단층(SAM) 코팅(1116)은 제 2 공동(1114)의 상부 측벽(1118), 좌측 측벽(1120) 및/또는 우측 측벽(1122)에 도포될 수 있다. SAM 코팅(1116)은 또한, 제 1 기판(1102)의 바닥 표면(1124)에 도포될 수 있다. 일 실시예에서, SAM 코팅(1116)은 물을 튕겨내는 소수성이므로 음향 변환기(1100)를 방수성으로 만든다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 패키징된 음향 변환기 조립체(1200)를 도시한다. 음향 변환기 조립체(1200)는 하우징(1201)을 포함한다. 하우징은 커버(1202) 및 패키징 기판(1203)을 포함한다. 커버(1202) 및 기판(1203)은 단일 드라이버(1252) 및 음향 변환기(1230)를 호스팅(hosting)하기 위한 내부 공동(1203)을 규정한다. 기판(1203)은 애퍼처 개구(aperture opening)(1208)를 포함한다. 일 실시예에서, 내부 공동(1203)은 개구(1208)를 통해 주변에 유체적으로 연결된다. 다른 실시예에서, 내부 공동(1203)은 주변 환경에 유체 연결되는 제 2 공동(1238)과 겹치는 내부 공동(1203)의 일부분을 제외하고 주변으로부터 밀봉된다.
드라이버 장치(1252)는 다이 부착 수단(1206), 예를 들어 접착제를 통해 패키징 기판(1203)에 고정된다. 음향 변환기(1230)는 다이 부착 수단(1206)을 통해 패키징 기판(1203)에 고정된다.
드라이버 장치(1252)는 생성될 사운드를 나타내는 전기 신호를 송신하는 전기 신호 발생기이다. 드라이버 장치(1252)는 전기적 연결(1254)을 통해 음향 변환기(1230)에 전기 신호를 송신한다.
음향 변환기(1230)는 전기-기계식 변환기(1236)를 포함한다. 전기-기계식 변환기(1236)는 제 1 가요성 구조물(1234)의 상부 표면에 부착된다. 제 2 가요성 구조물(1232)은 제 1 가요성 구조물(1234)의 바닥 표면과 접촉하는 상향 만곡 원호를 포함한다. 전기-기계식 변환기(1236)는 전기 신호가 변환기에 인가될 때 수직 진동을 생성한다.
전기-기계식 변환기(1236)의 수직 진동은 제 1 가요성 구조물(1234)로 전달된 다음에 제 2 가요성 구조물(1232)로 전달된다. 제 2 가요성 구조물(1232)의 진동은 공기를 그로부터 외부로 밀어낸다. 제 2 가요성 구조물(1232)의 진동은 공기를 제 2 공동(1238)으로부터 주변에 유체 연결된 바닥 방향 쪽으로 밀어낸다. 개구(1208)는 수직 방향으로 제 2 공동(1238)과 겹친다. 제 2 가요성 구조물(1232)에 의해 밀려나가는 공기는 개구(1208)를 통해 주변으로 배기될 수 있다.
SAM(1205)은 패키징 기판(1204)의 외부 표면에 코팅된다. SAM(1209)은 개구(1208)의 내부 표면에 코팅된다. SAM(1240)은 제 2 공동(1238)의 측면 및 상부 벽을 포함한, 제 2 공동(1238)의 내부 표면에 코팅된다.
일 실시예에서, 다이 부착 수단(1206)은 공기 통로를 생성하는 개구(1208)뿐만 아니라 제 2 공동(1238) 주위를 밀봉할 수 있다. 이러한 공기 경로는 음파가 내부 공동(1203)으로 소산되는 것을 허용하지 않고 제 2 공동(1238 내지 1208)으로부터 밀려난 공기를 안내한다. 그러한 구성에서, 내부 공동(1203)은 주변 환경에 유체 연결된 제 2 공동(1238)과 겹치는 내부 공동(1203)의 부분을 제외하고 제 2 공동(1238) 및 주변으로부터 밀봉된다. 이는 양호한 음질을 생성한다.
음향 변환기 조립체(1200)는 여러 장점을 제공한다. 제 2 가요성 구조물(1232)의 구부러진 다이어프램 구조물은 변환기(예를 들어, MEMS 스피커)를 소형화할 수 있고 다량의 공기를 밀어내기 위한 구부러진 다이어프램 구조물의 큰 움직임으로 인해 고감도를 달성한다. 반도체 공정으로 제작하면 스피커(1230)가 표면 실장 장치(SMD)에 조립될 수 있으며, 이는 최종 사용자에게 커다란 장점이다. 일 실시예에서와 같이, 사용자의 귀는 SAM(1205)으로 코팅된 패키징 기판(1204)의 외부 표면과 접촉한다.
또한, 상이한 애플리케이션 시나리오에 대해서, 본 명세서에 개시된 음향 변환기(1230)는 유사한 구조물 또는 제작 공정으로 상이한 감도 요건을 만족시키기 위해서 축소 또는 확대될 수 있다. 몇몇 애플리케이션에서, 다중 스피커(1230)는 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 음향 변환기(1230)의 어레이는 더 큰 음량을 생성할 수 있다. 본 명세서에 개시된 음향 변환기(1230)는 방수성일 수 있고 실외 환경에서 사용될 수 있다.
두 부분을 함께 결합하지 않고 두 개의 다이어프램(제 1 가요성 구조물(1234) 및 제 2 가요성 구조물(1232))을 커플링하는 것은 응력의 도입을 피하고 온도 변화에 따른 안정한 성능을 유지할 수 있다. 폴리실리콘 필름(850)이 제 2 가요성 구조물(1232)로서 사용되어 더 적은 미는 힘으로 더 긴 이동 거리를 허용하는 파형 다이어프램을 생성할 수 있다.
구조물의 제작 및 제작 공정은 양호하게 확립된 반도체 제작 기술을 기반으로 하므로 본 명세서에 개시된 스피커는 일반 반도체 웨이퍼 제조 시설에서 대량 생산될 수 있다.
본 개시의 실시예는 다음의 양태를 포함한다.
양태 1. 음향 변환기로서, 상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 제 1 가요성 구조물; 제 1 가요성 구조물의 상부 표면에 부착되고, 입력 전기 신호가 변환기에 인가될 때 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기하는 변환기; 및 볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 갖는 제 2 가요성 구조물을 포함하며, 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 제 1 가요성 구조물의 바닥 표면과 접촉하며; 제 1 가요성 구조물의 변형은 제 2 가요성 구조물의 변형을 야기한다.
양태 2. 양태 1에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 주변 환경에 유동적으로 연결된다.
양태 3. 양태 1 또는 양태 2에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 제 2 가요성 구조물의 변형 동안 공기를 밀어낸다.
양태 4. 양태 1 내지 양태 3에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 2 가요성 구조물은 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 재료를 포함하는 제 1 층; 및 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료를 포함하는 제 2 층을 포함하며; 제 1 열팽창 계수와 제 2 열팽창 계수는 상이하다.
양태 5. 양태 1 내지 양태 4에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 1 층 및 제 2 층은 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합된다.
양태 6. 양태 1 내지 양태 5에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 1 가요성 구조물은 빔, 필름 또는 다이어프램이다.
양태 7. 양태 1 내지 양태 6에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 2 가요성 구조물은 빔, 필름 또는 다이어프램이다.
양태 8. 양태 1 내지 양태 7에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 1 가요성 구조물을 고정하는 제 1 기판; 및 제 2 가요성 구조물을 고정하는 제 2 기판을 더 포함하며, 제 1 기판은 제 2 기판에 직접적으로 또는 간접적으로 결합된다.
양태 9. 양태 1 내지 양태 8에 따른 음향 변환기에 있어서, 변환기는 압전 재료로 만들어진다.
양태 10. 양태 1 내지 양태 9에 따른 음향 변환기에 있어서, 압전 재료는 입력 전기 신호를 수신할 때 진동하여 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기한다.
양태 11. 양태 1 내지 양태 10에 따른 음향 변환기에 있어서, 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 복수의 볼록한 원호를 포함하며, 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 복수의 오목한 원호를 포함한다.
양태 12. 음향 변환기의 제작 방법으로서, 유전체 재료를 포함하는 제 1 층을 제 1 반도체 기판에 침착하는 단계; 반도체 재료를 포함하는 제 2 층을 제 1 층의 상부에 침착하는 단계; 유전체 재료를 포함하는 제 3 층을 제 2 층의 상부에 침착하는 단계; 제 2 반도체 기판으로부터 제 1 공동을 에칭하는 단계; 및 제 2 기판을 제 3 층과 결합하는 단계를 포함하며, 결합하는 단계는 제 1 공동 둘레가 제 2 기판 및 제 3 층에 의해 규정되도록 수행된다.
양태 13. 양태 12에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 수직 방향으로 제 1 공동 위에 제 1 가요성 구조물을 형성하도록 제 2 기판을 연마하는 단계를 포함한다.
양태 14. 양태 12 또는 양태 13에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 유전체 재료를 포함하는 제 4 층을 제 2 기판의 상부에 침착하는 단계를 포함한다.
양태 15. 양태 12 내지 양태 14에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 제 5 층을 제 4 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 제 5 층은 금속 재료를 포함하며, 제 5 층은 수직 방향으로 제 1 공동을 덮는다.
양태 16. 양태 12 내지 양태 15에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 압전 재료를 포함하는 제 6 층을 제 5 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 제 6 층은 수직 방향으로 제 1 공동 위에 배치된다.
양태 17. 양태 12 내지 양태 16에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 유전체 재료를 포함하는 제 7 층을 제 6 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 제 7 층은 제 6 층의 상부 표면을 적어도 부분적으로 노출시키도록 구성된 개구를 가진다.
양태 18. 양태 12 내지 양태 17에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 금속 재료를 포함하는 제 8 층을 제 7 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 제 8 층은 제 7 층의 개구를 통해 제 6 층과 전기 접점을 형성한다.
양태 19. 양태 12 내지 양태 18에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 제 1 기판으로부터 제 2 공동을 에칭하는 단계를 포함하며, 제 2 공동은 제 1 유전체 층의 바닥 표면과 접촉하는 상부 단부를 가지며, 제 2 공동은 주변 환경에 유체적으로 연결된다.
양태 20. 양태 12 내지 양태 19에 따른 음향 변환기의 제작 방법에 있어서, 제 1 층의 일부분을 에칭하는 단계를 포함하며, 에칭되는 제 1 층의 일부분은 제 2 공동과 접촉한다.
본 개시의 양태가 예로서 제안된 본 개시의 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 예에 대한 대안, 수정 및 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 아래에 기재된 청구범위의 범주를 벗어나지 않고 변경이 이루어질 수 있다.
본 개시 및 그의 장점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 개시의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변경, 대체 및 개조가 본 개시에서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 출원의 범주는 명세서에 설명된 공정, 기계, 제작물, 물질의 조성, 수단, 방법 및 행위의 특정 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다. 당업자는 본 발명으로부터, 본 명세서에 설명된 대응하는 것과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 이후에 개발될 개시, 기계, 제작물, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 행위가 본 개시에 따라 활용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그러한 공정, 기계, 제작물, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 행위를 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함하도록 의도된다.
Claims (22)
- 음향 변환기로서,
평탄한 상부 표면 및 평탄한 바닥 표면을 갖는 제 1 가요성 구조물;
상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 상부 표면에 부착되고, 입력 전기 신호가 변환기에 인가될 때 상기 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기하는 변환기; 및
볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 갖는 제 2 가요성 구조물을 포함하며, 상기 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 바닥 표면과 접촉하며;
상기 제 1 가요성 구조물의 변형은 상기 제 2 가요성 구조물의 변형을 야기하고, 상기 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 복수의 볼록한 원호를 포함하며, 상기 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 복수의 오목한 원호를 포함하는,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 주변(ambient) 환경에 유체적으로 연결되는,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가요성 구조물의 오목한 바닥 표면은 상기 제 2 가요성 구조물의 변형 동안 공기를 밀어내는,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가요성 구조물은
제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 재료를 포함하는 제 1 층; 및
제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 재료를 포함하는 제 2 층을 포함하며;
상기 제 1 열팽창 계수와 상기 제 2 열팽창 계수는 상이한,
음향 변환기. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은 직접적으로 또는 간접적으로 서로 결합되는,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가요성 구조물은 빔, 필름 또는 다이어프램인,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가요성 구조물은 빔, 필름 또는 다이어프램인,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가요성 구조물을 고정하는 제 1 기판; 및
상기 제 2 가요성 구조물을 고정하는 제 2 기판을 더 포함하며,
상기 제 1 기판은 상기 제 2 기판에 직접적으로 또는 간접적으로 결합되는,
음향 변환기. - 제 1 항에 있어서,
상기 변환기는 압전 재료로 만들어지는,
음향 변환기. - 제 9 항에 있어서,
상기 압전 재료는 상기 입력 전기 신호를 수신할 때 진동하여 상기 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기하는,
음향 변환기. - 삭제
- 음향 변환기의 제작 방법으로서,
유전체 재료를 포함하는 제 1 층을 제 1 반도체 기판에 침착하는 단계;
반도체 재료를 포함하는 제 2 층을 상기 제 1 층의 상부에 침착하는 단계;
유전체 재료를 포함하는 제 3 층을 상기 제 2 층의 상부에 침착하는 단계;
제 2 반도체 기판으로부터 제 1 공동을 에칭하는 단계; 및
상기 제 2 기판을 상기 제 3 층과 결합하는 단계로서, 상기 결합하는 단계는 상기 제 1 공동의 둘레가 상기 제 2 기판 및 상기 제 3 층에 의해 규정되도록 수행되는 단계;
수직 방향으로 상기 제 1 공동 위에 제 1 가요성 구조물을 형성하는 단계;
상기 제 1 가요성 구조물의 상부 표면에 변환기를 부착하는 단계; 및
제 2 가요성 구조물을 형성하기 위해 상기 음향 변환기를 냉각하는 단계로서, 상기 제 2 가요성 구조물은 상기 제 1 가요성 층의 평탄한 바닥 표면에 접촉하는 볼록한 상부 표면을 가지고, 상기 볼록한 상부 표면은 상기 제 3 층에 의해 형성되고, 그리고 상기 제 2 가요성 구조물은 상기 제 2 층에 의해 형성된 오목한 바닥 표면을 갖는 단계를 포함하는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 가요성 구조물을 형성하기 위해 상기 제 2 기판을 연마하는 단계를 포함하는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 13 항에 있어서,
유전체 재료를 포함하는 제 4 층을 제 2 기판의 상부에 침착하는 단계를 포함하는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 14 항에 있어서,
제 5 층을 상기 제 4 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 상기 제 5 층은 금속 재료를 포함하며, 상기 제 5 층은 수직 방향으로 상기 제 1 공동을 덮는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 15 항에 있어서,
압전 재료를 포함하는 제 6 층을 상기 제 5 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 상기 제 6 층은 수직 방향으로 상기 제 1 공동 위에 배치되는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 16 항에 있어서,
유전체 재료를 포함하는 제 7 층을 상기 제 6 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 상기 제 7 층은 상기 제 6 층의 상부 표면을 적어도 부분적으로 노출시키도록 구성된 개구를 가지는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 17 항에 있어서,
금속 재료를 포함하는 제 8 층을 상기 제 7 층의 상부에 침착하는 단계를 포함하며, 상기 제 8 층은 상기 제 7 층의 개구를 통해 상기 제 6 층과 전기 접점을 형성하는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 기판으로부터 제 2 공동을 에칭하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 공동은 상기 제 1 유전체 층의 바닥 표면과 접촉하는 상부 단부를 가지며, 상기 제 2 공동은 주변 환경에 유체적으로 연결되는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 층의 일부분을 에칭하는 단계를 포함하며, 에칭되는 상기 제 1 층의 일부분은 상기 제 2 공동과 접촉하는,
음향 변환기의 제작 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 바닥 표면과 결합되어 접촉하는,
음향 변환기. - 음향 변환기로서,
평탄한 상부 표면 및 평탄한 바닥 표면을 갖는 제 1 가요성 구조물;
상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 상부 표면에 부착되고, 입력 전기 신호가 변환기에 인가될 때 상기 제 1 가요성 구조물의 변형을 야기하는 변환기; 및
볼록한 상부 표면 및 오목한 바닥 표면을 갖는 제 2 가요성 구조물을 포함하며, 상기 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 바닥 표면과 접촉하며;
상기 제 1 가요성 구조물의 변형은 상기 제 2 가요성 구조물의 변형을 야기하고, 상기 제 2 가요성 구조물의 볼록한 상부 표면은 상기 제 1 가요성 구조물의 평탄한 바닥 표면과 비-결합되어 접촉하는,
음향 변환기.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |