KR200432371Y1 - 광 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 고안은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 진동판 구조와 광섬유를 사용하여 가볍고 내구성이 높을 뿐만 아니라 구조가 간단하고, 소형화 및 경제성을 갖는 광 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

이를 위해 본 고안은, 일면이 개방된 통체의 하우징을 가지며, 그 개방부에는 외부의 소리에 의해 진동하는 진동판이 결합되며, 하우징 내측의 진동판 근처에는 외부로부터 하우징 내부로 인입된 한 쌍의 광섬유 단부가 상기 진동판에 대하여 일정한 반사각을 가지고 설치됨과 아울러, 이 한 쌍의 광섬유를 하우징의 내부에서 고정하는 고정부가 설치되고, 상기 하우징의 외측에 위치하는 한 쌍의 광섬유 타단에는 각각 광원과 광 검출부가 결합되는 구조를 가지며, 진동판은 실리콘 기판의 양측에 실리콘 질화막층이 형성되고, 그 실리콘 기판의 일측이 에칭에 의하여 소정 영역의 공간부가 형성되며, 공간부가 형성된 실리콘 기판의 타측에는 은 또는 크롬으로 된 반사층이 형성된 구조를 가진다.

Description

광 마이크로폰{OPTIC MICROPHONE}

도 1 은 본 고안에 의한 광 마이크로폰의 구조를 보인 도.

도 2 는 광 마이크로폰의 원리를 설명하기 위한 도.

도 3 은 진동판의 제작 공정과 구조를 보인 도.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>

100 : 하우징 110 : 고정부

120,130 : 광섬유 121 : 광출사부

131 : 광인입부 140 : 진동판

141 : 기판 142,143 : 실리콘질화막층

144 : 공간부 145 : 반사층

본 고안은 광 마이크로폰에 관한 것으로, 구조가 간단함과 아울러 소형화되 고, 경제적이며, 또한 고품질의 광 마이크로폰에 관한 것이다.

소리는 현대인에게 있어 삶의 질과 관련된 중요한 물리현상으로 이를 측정하는 센서와 방법에 대한 연구가 매우 중요하다.

음향과 관련하여 마이크로폰은 가장 기본적이며 필수적인 변환 센서이며, 그 중요성은 매우 크다 하겠다.

마이크로폰에 관한 연구와 개발은 음향에 대한 연구가 시작된 후로 계속되어 왔으며 그 종류는 이루 헤아리기 어려울 정도로 많지만 현재 사용되고 있는 대표적인 종류로 다이나믹형 마이크로폰과 콘덴서형 등을 들 수 있다.

다이나믹형 마이크로폰은 기계적인 진동을 전자기적 변환에 의하여 전기 신호로 변환하는 변환기로서 그 역사가 오래되었으며 구조적으로 튼튼하고 외부의 충격 등에 강한 특성을 가지고 있다. 하지만 주변 전자기파로부터 큰 영향을 받으며 소형화하기가 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

콘덴서 마이크로폰은 현재까지 개발된 마이크로폰 중에서 성능이 가장 우수하다고 알려져 있으며 근접한 두 대전판 사이에 분극전압을 가하고 음압에 의하여 진동하는 대전판의 거리 변화에 따른 전하의 발생으로 음압 신호를 측정한다, 이 마이크로폰은 주파수 특성이 우수하고 신호 대 잡음비가 좋은 특성을 가지고 있어서 계측용 마이크로폰으로 널리 사용된다.

그러나 감도를 좋게 하기 위해서는 진동하는 대전판을 넓게 만들고 사이 거리를 작게 하여야 하며 분극전압을 크게 해야 한다. 이 때문에 습기등 외부환경의 변화에 매우 취약하며 취급에 어려움이 많다는 단점과 함께 제작도 쉽지 않다.

그러므로 이를 보완하여 일반 기기용 제품으로 사용할 수 있도록 분극전압 대신에 이미 대전되어 있는 풀리머 필름을 사용하여 전하를 발생시키는 일렉트렛(Electret) 마이크로폰이 개발되었다.

일렉트렛 마이크로폰은 제작이 비교적 간단하고 가격이 저렴하며 소형화하기 좋으면서 성능이 우수하기 때문에 오늘날 대부분의 일반 기기에서 사용되고 있다. 하지만 이 방식의 마이크로폰은 기본적으로 진동판이 고분자 재질로서 진동 특성이 금속보다 좋지 않으며 기존의 콘덴서 마이크로폰이 가지고 있는 면적과 습기 등의 단점을 여전히 가지고 있다.

본 고안은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 안출된 것으로, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 진동판 구조와 광섬유를 사용하여 가볍고 내구성이 높을 뿐만 아니라 구조가 간단하고, 소형화 및 경제성을 갖는 광 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 해결하고자 본 고안은,

일면이 개방된 통체의 하우징을 가지며, 그 개방부에는 외부의 소리에 의해 진동하는 진동판이 결합되며, 하우징 내측의 진동판 근처에는 외부로부터 하우징 내부로 인입된 한 쌍의 광섬유 단부가 상기 진동판에 대하여 일정한 반사각을 가지고 설치됨과 아울러, 이 한 쌍의 광섬유를 하우징의 내부에서 고정하는 고정부가 설치되고, 상기 하우징의 외측에 위치하는 한 쌍의 광섬유 타단에는 각각 광원과 광 검출부가 결합된다.

그리고, 진동판은 실리콘 기판의 양측에 실리콘 질화막층이 형성되고, 그 실리콘 기판의 일측이 에칭에 의하여 소정 영역의 공간부가 형성되며, 공간부가 형성된 실리콘 기판의 타측에는 은 또는 크롬으로 된 반사층이 형성된다.

이렇게 구성된 본 고안을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 고안의 광 마이크로폰의 구조를 보인 도로서, 일면이 개방된 통체의 하우징(100) 내부로 한 쌍의 광섬유(120,130)가 인입되는데, 이 광섬유(120,130)는 하우징(100)의 내부에 구비된 고정부(110)에 의하여 그 단부가 일정한 반사각을 가지고 설치된다.

하우징(100)의 외측에는 광원(150)과 광 검출부(160)가 광섬유(120,130)의 타단에 각각 결합되어 있는데, 이러한 광원(150)은 광 레이저 또는 발광다이오드로 구성될 수 있으며, 광 검출부(160)는 포토 다이오드를 사용할 수 있다.

따라서, 하우징(100)의 내부에서 고정부(110)에 의하여 고정된 광섬유(120의 단부 즉, 광출사부(121)는 광원(150)으로부터 발생된 광을 출사시켜 진동판(140)을 통해 반사시키고, 그 반사된 광을 광 인입부(131)를 통해 인입되어 광 검출부(160)가 이를 수광하게 된다.

광의 반사시키는 진동판(140)의 상하 변위에 따라 반사광의 광 경로가 변화되는데, 도 2에 도시한 바와 같이 두 광섬유(120,131)의 단부인 광출사부(121)와 광인입부(131)가 중심축으로부터 일정한 각도(θ)를 가지고, 각각 진동판(140)에 근접 설치되어 진동판(140)이 외부의 소리에 의하여 상하로 변위될 때 광의 반사각이 변화됨으로써 광검출부(160)로 인입되는 광의 세기가 변화된다.

이때, 광출사부(121)와 광인입부(130)에서 진동판(140)까지의 거리는 5 - 10㎛정도이다.

이로 인해, 광검출부(160)에서 변환되는 전기적인 신호인 전류의 흐름이 변화되어 외부의 소리에 따라 전기적인 신호의 크기가 변화되는 것이다.

광원(150)으로부터 발생된 광의 파장은 1550nm의 길이를 가지며, 진동판(140)의 진폭을 약 50㎛로 설정한다.

이러한 본 고안에서는 진동판(140)을 어떻게 설계하느냐가 전체적인 성능을 좌우하게 되는데, 이러한 진동판(140)을 MEMS 박막 진동판으로 설계한다.

이를 위해 도 3 에서와 박막 마스크를 이용하여 진동판(140)을 제조하게 된다.

먼저 (a)와 같이 325㎛의 두께를 갖는 실리콘 기판(141)의 양측면에 0.5㎛의 두께를 갖도록 실리콘 질화(Si3N4)막층(142,143)을 형성하게 되고, 이후 (b)와 같이 실리콘 질화막층(142)에 외부의 소리를 유입시키기 위한 공간부(144)를 형성하기 위하여 패턴을 형성한 다음 에칭 기법에 의하여 실리콘 기판(141)과 실리콘 질화막층(142)을 식각하게 된다. 이때 그 공간부(144)의 측벽은 사면을 가지게 되고, 바닥면은 실리콘 기판(141)이 완전히 제거되어 실리콘 질화막층(143)만이 존재하게 된다.

상기 실리콘 질화막층(143)의 외측으로는 (c)와 같이 은 또는 크롬으로 된 반사층을 형성하여, 외부의 소리가 공간부(144)를 통해 실리콘 질화막층(143)을 진동시키면, 이와 함께 반사층(145)이 진동하게 된다.

이의 반사층(145)에는 광출사부(121)와 광인입부(131)가 반사각을 가지고 근접 설치되어 있으며, 그 반사층(145)의 진동에 의하여 광의 반사각이 달라지게 되는 것이다.

이러한 실리콘 질화막층(143)은 미세한 외부의 소리에 의해서도 이를 반영하여 진동이 이루어지게 되어 센싱 감도가 뛰어나다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 MEMS 진동판 구조와 광섬유를 사용하여 광 마이크로폰을 제작함으로써 가볍고, 내구성이 높을 뿐만 아니라 구조가 간단하며, 특히 박막 기술을 이용하여 진동판을 소형화 및 집적화가 용이하여 경제성이 우수하다.

또한, 전기장이나 자기장의 영향을 크게 받지 않기 때문에 악조건하에서도 고품질의 음향 정보를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 일면이 개방된 통체의 하우징을 가지며, 그 개방부에는 외부의 소리에 의해 진동하는 진동판이 결합되며, 하우징 내측의 진동판 근처에는 외부로부터 하우징 내부로 인입된 한 쌍의 광섬유 단부가 상기 진동판에 대하여 일정한 반사각을 가지고 설치됨과 아울러, 이 한 쌍의 광섬유를 하우징의 내부에서 고정하는 고정부가 설치되고, 상기 하우징의 외측에 위치하는 한 쌍의 광섬유 타단에는 각각 광원과 광 검출부가 결합된 것을 특징으로 하는 광 마이크로폰.
2. 제 1 항에 있어서, 진동판은 실리콘 기판의 양측에 실리콘 질화막층이 형성되고, 그 실리콘 기판의 일측이 에칭에 의하여 소정 영역의 공간부가 형성되며, 공간부가 형성된 실리콘 기판의 타측에는 은 또는 크롬으로 된 반사층이 형성된 것을 특징으로 하는 광 마이크로폰.

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