KR20080079228A - 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 고감도의 실리콘 마이크로폰 - Google Patents

넓은 다이나믹 레인지를 갖는 고감도의 실리콘 마이크로폰 Download PDF

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KR20080079228A
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준지 도리이
세이지 히라데
가쯔지 요시무라
마사요시 오무라
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야마하 가부시키가이샤
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Abstract

실리콘 마이크로폰은 4개의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C)가 집적되는 실리콘 마이크로폰 장치, 집적 회로 장치(20a) 및 내부에 형성된 내부 공간에 장치들(10, 20a)을 하우징하기 위한 패키지(30a)를 포함하며, 4개의 음향 트랜스듀서들은 상이한 감도 값들 및 이에 따른 상이한 다이나믹 레인지 값들을 가지며; 4개의 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C, 11D)로부터 집적 회로 장치(20a)로 아날로그 음향 신호들(S1, S2, S3, S4)이 공급되어 디지털 음향 신호들(DS1, DS2, DS3, DS4)로 변환되고; 비교적 고감도의 음향 트랜스듀서들을 갖는 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C)로부터 출력되는 디지털 음향 신호들(S1, S2, S3)은 최저 감도를 갖는 음향 트랜스듀서(11D)로부터 출력되는 디지털 음향 신호(S4)에 대하여 정규화되고, 정규화된 디지털 음향 신호들은 음파의 음압에 의존하는 합성 음향 신호(S5) 내부에 선택적으로 형성되어 낮은 음압 레인지에서 고감도를 희생하지 않고 다이나믹 레인지가 확장된다.
음향 트랜스듀서, 정규화, 다이나믹 레인지, 하우징, 감도

Description

넓은 다이나믹 레인지를 갖는 고감도의 실리콘 마이크로폰{SENSITIVE SILICON MICROPHONE WITH WIDE DYNAMIC RANGE}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로, 구체적으로는, 반도체 기판 상에 제조된 정전형 마이크로폰에 관한 것이다.
미니어쳐 마이크로폰에 대한 연구 및 개발 노력이 증가하고 있다. 다양한 접근범들이 제안되어 있다. 그 접근법들 중 하나는 일본 특개 제2001-169395호에 개시되어 있다. 상기 일본 특개에 개시되어 있는 종래 미니어쳐 마이크로폰은 매우 얇은 진동판의 진동을 전기 신호로 광변환하는 유형이고, 따라서 "광 마이크로폰"이라 칭해진다.
종래의 광 마이크로폰이 이후에 기술된다. 패키지 내부에 내부 공간이 형성되고 광 차단 벽에 의해 복수의 챔버로 분할된다. 챔버들은 각각 음향 트랜스듀서, 즉 탄성파 - 전기 신호 변환기에 할당되고, 음향 트랜스듀서 각각은 비소화 갈륨 기판과 매우 얇은 진동판으로 구성된다. 레이저 다이오드 및 포토 다이오드들이 비소화 갈륨 기판 상에 집적되고, 매우 얇은 진동 판에 대향한다. 레이저 다이오드는 매우 얇은 진동판에 광을 방출하고 광은 거기에서 반사된다. 반사광은 포 토 다이오드에 입사하여 광전류로 변환된다. 탄성파는 매우 얇은 진동판의 진동을 발생시켜 입사광량이 챔버들 내에서 가변되게 한다. 따라서, 광전류량은 진동판들의 진동과 함께 가변된다. 종래의 광 마이크로폰은 폭넓은 주파수 범위에서 음파들에 응답하는 것을 목표로 한다. 음향 변환기는 인접 주파수 범위들과 부분적으로 중첩되는 주파수 범위가 다르므로 종래의 광 마이크로폰이 넓은 주파수 범위에 응답하게 한다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 최근 개발로 인해 실리콘 칩 상에 정전형 마이크로폰을 제조할 수 있다. 미니어쳐 정전형 마이크로폰은 "실리콘 마이크로폰"으로 칭해진다. 실리콘 마이크로폰의 전형적인 예는 다이어프램과 고정판을 가지는데, 이 모두는 마이크로 제조 기술을 통해 실리콘 칩 상에 형성된다. 다이어프램은 고정판과 함께 컨덴서를 형성하도록 고정판으로부터 에어 갭만큼 이격되어 있다. 음파가 다이어프램에 힘을 가하는 동안 다이어프램은 변형되고, 이에 따라 컨덴서는 음압에 의해 커패시턴스를 가변시킨다. 커패시턴스를 나타내는 전기 신호가 컨덴서로부터 얻어진다. 이에 따라, 실리콘 마이크로폰은 음파를 전기 신호로 변환한다.
실리콘 마이크로폰은 음압이 임계값을 초과하지 않는 한 전기 신호의 진폭을 음압에 잘 비례하게 한다. 그러나, 실리콘 마이크로폰은 음압이 임계값을 초과한 후에는 전기 신호의 진폭을 확대시키지 않는다. 즉, 전기 신호는 포화된다.
임계값에서의 음압은 "포화 음압"이라 칭해진다. "불포화 음압 레인지"라는 용어는 포화 음압보다 작은 음압의 범위를 의미하고, "다이나믹 레인지"의 동의어 이다. 음압이 포화 음압과 같거나 그보다 큰 음압이 되려고 하면, 실리콘 마이크로폰은 "포화 상태"로 들어간다.
이하의 설명에서, "음압"이라는 용어는 압력의 진폭, 즉 최고 압력값과 다음 최저 압력값 사이의 차이를 의미하고, 이상적인 마이크로폰으로부터 얻어지는 전기 신호의 진폭에 대응하는데, 이상적인 마이크로폰은 포화 상태 없이 전기 신호의 진폭이 음압에 비례하게 한다. 한편, "진폭"이라는 용어는 실제 실리콘 마이크로폰으로부터 출력되는 전기 신호의 최저 피크값과 최고 피크값 사이의 차이다.
"감도"라는 용어는 실리콘 마이크로폰의 능력을 나타내는 또 다른 지표로서, 소리 전파 매체의 단위 압력의 관점에서 전기 신호의 진폭 변화율"로 정의된다. 고감도의 실리콘 마이크로폰은 희미한 소리를 전기 신호로 변환할 수 있다. 그러나, 실리콘 마이크로폰은 포화 음압의 비교적 작은 값에서 포화 상태로 들어간다. 한편, 낮은 감소를 갖는 실리콘 마이크로폰은 넓은 다이나믹 레인지를 갖는다. 그러나, 희미한 소리를 전기 신호로 변환하는 것은 어렵다. 따라서, 다이나믹 레인지와 감도 사이에는 트레이드-오프가 있다.
응용 설계자들이 그들의 동작 환경들에서 행해지는 그들의 응용에서 실리콘 마이크로폰들을 불포화 상태로 유지하는 것은 중요하다. 그러나, 범용 실리콘 마이크로폰의 설계자들이 모든 동작 환경들을 정확하게 예상하는 것은 어렵다.
종래의 마이크로폰 장치에 지향성을 제공하기 위해 복수의 음향 트랜스듀서는 종래의 마이크로폰 장치를 형성하는 것을 알았지만, 복수의 음향 트랜스듀서는 종래의 지향성 마이크로폰 장치의 부피를 크게 한다. 즉, 복수의 음향 트랜스듀서 들로부터 소형의 지향성 마이크로폰 장치를 제조하기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 비교적 낮은 음압 레인지에서 다이나믹 레인지가 넓고 감도가 높은 반도체 마이크로폰을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 반도체 마이크로폰의 일부를 형성하는 신호 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 소형의 지향성 반도체 마이크로폰을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 감도 및 포화 음압이 상이한 복수의 음향 트랜스듀서로부터 출력되는 중간 음향 신호들로부터 음파를 나타내는 합성 음향 신호를 생성하는 것을 제안한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 신호 처리기에 접속되어 음파를 복수의 중간 음향 신호로 변환하기 위한 반도체 마이크로폰이 제공되는데, 신호 처리기는 합성 음향 신호를 제공하도록 상기 중간 음향 신호들에 대해 신호 처리를 수행하며, 반도체 마이크로폰은 내부 공간을 갖고 내부 공간에 음파가 들어가게 하는 사운드 홀로 형성된 하우징, 및 내부 공간에 수용되고, 각각의 감도 값들이 서로 다르며 음파의 각 포화 음압 값들이 서로 다르며, 음파들을 복수의 중간 음향 신호들로 각각 변환하고 복수의 중간 음향 신호들을 신호 처리기에 제공하는 복수의 음향 트랜스 듀서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 음파를 합성 음향 신호로 변환하기 위한 반도체 마이크로폰이 제공되는데, 반도체 마이크로폰은 내부 공간을 갖고 내부 공간에 음파가 들어가게 하는 복수의 사운드 홀로 형성되는 하우징, 복수의 사운드 홀을 통해 선택적으로 하우징의 외부에 개방되는 복수의 구획들로 내부 공간을 분할하도록 내부 공간에 제공된 분리벽 구조, 복수의 구획에 각각 제공되고 음파를 복수의 중간 음향 신호로 변환하는 복수의 음향 트랜스듀서, 및 복수의 음향 트랜스듀서에 접속되고 복수의 중간 음향 신호들 중 선택된 신호들에 지연을 도입하여 지연된 음향 신호를 생성하고 지연된 음향 신호들로부터 합성 음향 신호를 형성함으로써, 반도체 마이크로폰에 지향성을 제공하는 신호 처리기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 비교적 낮은 음압 레인지에서 다이나믹 레인지가 넓고 감도가 높은 반도체 마이크로폰이 제공된다.
실리콘 마이크로폰의 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
본 발명을 구체화하는 반도체 마이크로폰은 음파를 중간 음향 신호들로 변환하기 위해 사용된다. 신호 처리기는 중간 음향 신호들에 대해 신호 처리를 수행하여 합성 음향 신호를 생성한다.
반도체 마이크로폰은 하우징 및 복수의 음향 트랜스듀서를 포함한다. 하우 징은 내부 공간을 갖고, 사운드 홀로 형성된다. 복수의 음향 트랜스듀서는 내부 공간에 수용된다. 사운드 홀은 음파가 내부 공간으로 들어오게 하므로, 음파는 복수의 음향 트랜스듀서에 도달하고 복수의 음향 트랜스듀서에 의해 복수의 중간 음향 신호로 변환된다.
복수의 음향 트랜스듀서는 서로 다른 각각의 감도 값들 및 서로 다른 각각의 포화 음압 값들을 가진다. 즉, 복수의 음향 트랜스듀서는 감도 및 포화 음압이 서로 다르다. 복수의 중간 음향 신호의 특정 잠재 레벨은 상이한 음압 값들을 나타낸다. 복수의 중간 음향 신호는 복수의 음향 트랜스듀서로부터 신호 처리기로 제공되고, 데이터 처리를 통해 복수의 중간 음향 신호들로부터 합성 음향 신호가 생성된다.
복수의 중간 음향 트랜스듀서들은 포화 음압이 서로 다르기 때문에, 복합 음향 신호는 복수의 중간 음향 신호 각각보다 불포화 영역이 넓다. 따라서, 본 발명을 구체화하는 반도체 마이크로폰은 넓은 불포화 영역을 가지고 합성 음향 신호를 생성할 수 있게 한다. 또한, 복수의 음향 트랜스듀서들은 하우징 내부에 집적되어 반도체 마이크로폰이 소형이다.
본 발명을 구체화하는 다른 반도체 마이크로폰은 주로 하우징, 분리벽 구조, 복수의 음향 트랜스듀서 및 신호 처리기를 포함하고, 음파를 복합 음향 신호로 변환한다. 하우징은 내부 공간을 갖고, 복수의 사운드 홀로 형성된다. 분리벽 구조는 하우징 내부에 제공되어 내부 공간이 복수의 구획으로 분할된다. 복수의 사운드 홀은 음파가 내부 공간, 즉 복수의 구획으로 들어가게 한다. 즉, 복수의 구획 은 복수의 사운드 홀을 통해 하우징의 외부에 음향적으로 개방된다.
복수의 음향 트랜스듀서는 복수의 구획에 각각 제공되고, 음파를 복수의 중간 음향 신호로 변환한다. 신호 처리기는 복수의 음향 트랜스듀서에 접속되어 복수의 중간 음향 신호가 신호 처리를 위해 복수의 음향 트랜스듀서로부터 신호 처리기로 공급된다. 신호 처리기는 복수의 중간 음향 신호 중 선택된 신호들에 지연을 도입하여 지연된 음향 신호들을 생성한다. 신호 처리기는 지연된 음향 신호들로부터 합성 음향 신호를 생성한다. 복수의 사운드 홀은 원래 음파와 다르게 이격되어 있기 때문에, 사운드 홀은 반도체 마이크로폰에 지향성을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 대한 이하의 설명에서, "음압"이라는 용어는 최고 압력값과 다음 최저 압력값 사이의 차이고, 전기 신호의 진폭을 포화 상태 없이 음압에 비례시키는 이상적인 마이크로폰으로부터 취해진 전기 신호의 진폭에 대응한다. 한편, "진폭"이라는 용어는 실제 실리콘 마이크로폰으로부터 출력되는 전기 신호의 최저 피크값과 최고 피크값 사이의 차이다.
"감도"라는 용어는 실리콘 마이크로폰의 능력을 나타내는 다른 지표이고, "소리 전파 매체의 단위 압력의 관점에서 전기 신호의 진폭의 변화율"로 정의된다.
제1 실시예
먼저, 도면 중 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명을 구현하는 실리콘 마이크로폰(1a)은 크게 실리콘 마이크로폰 장치(10), 집적 회로 장치(20a) 및 단일 패키지(30a)를 포함한다. 실리콘 마이크로폰(1a)은, 예로서, 이동 전화 및 PDA(Personal Digital Assistant)에 제공된다.
내부 공간이 패키지(30a) 내부에 정의되고, 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20a)는 패키지(30a)에 수용된다. 패키지(30a)는 사운드 홀(sound hole)(34a)과 함께 형성된다. 덮개(32a)가 도 1a에서 도시된 패키지(30a)로부터 제거되기 때문에, 이점 쇄선이 사운드 홀(34a)의 위치를 나타낸다. 음파들은 사운드 홀(34a)을 통해 내부 공간으로 들어와서 실리콘 마이크로폰 장치(10)에 도달한다.
실리콘 마이크로폰 장치(10)는 집적 회로 장치(20a)에 전기적으로 접속된다. 음파들은 실리콘 마이크로폰 장치(10)를 통해 네 개의 중간 음향 신호(S1, S2, S3 및 S4)로 변환되고, 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)은 실리콘 마이크로폰 장치(10)로부터 집적 회로 장치(20a)로 공급된다. 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)은, 실리콘 마이크로폰 장치(10)가 상이한 네 개의 값 사이에서 감도를 변화시키는 조건하에서 실리콘 마이크로폰 장치(10)에서 생성된다. 집적 회로 장치(20a)는 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)에 기초하여 합성 음향 신호(S5)를 생성한다. 음파가 상대적으로 낮은 음압값(value of sound pressure)을 나타내는 동안, 합성 음향 신호(S5)는 실리콘 마이크로폰을 통해 높은 감도(sensitivity)로 생성된 음향 신호와 동등하다. 한편, 음파가 상대적으로 높은 음압값을 갖는 동안, 합성 음향 신호(S5)는, 실리콘 마이크로폰을 통해 낮은 감도로 생성된 음향 신호와 동등하다. 그리하여, 실리콘 마이크로폰(1a)은 가변 감도를 나타낸다. 그리하여, 실리콘 마이크로폰(1a)은 가변 감도 때문에 넓은 다이나믹 레인지를 달성한다.
도 2는 실리콘 마이크로폰(1a)의 구조를 도시한다. 패키지(30a)는 회로 기 판(31)과 덮개(lid)(32a)로 분류된다. 평판부(31a), 벽부(31b) 및 도전성 리드들(도시 안 됨)이 결합하여 패키지(30a)를 형성한다. 도전성 패턴(31c)이 평판부에 인쇄되고, 도전성 리드들에 접속된다. 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20a)는 평판부(31a)의 내부면 상에 실장되고, 벽부(31b)는 평판부(31a)의 주변으로부터 상부면에 대해 수직 방향으로 돌출된다. 그리하여, 벽부(31b)는 개구를 형성한다. 개구는 덮개(32a)로 닫혀져 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20a)가 내측 공간에 수용되게 한다. 덮개(32a)는 실리콘 마이크로폰 장치(10)의 상부면 및 집적 회로 장치(20a)의 상부면으로부터 이격된다.
사운드 홀(34a)이 집적 회로 장치(20a) 위에 위치되고, 실리콘 마이크로폰 장치(10)는 사운드 홀(34a)로부터 오프셋 된다. 이것은 호흡 내의 습기 및 침이 사운드 홀(34a) 아래의 공간에 침투하기 쉽기 때문이다. 오프셋 구성은 실리콘 마이크로폰 장치(10)를 습기 및 침으로부터 막는다.
도전성 패드들(도시 안 됨)이 실리콘 마이크로폰 장치(10)의 상부 표면 및 집적 회로 장치(20a)의 상부 표면상에 형성된다. 실리콘 마이크로폰 장치(10) 상의 몇몇 도전성 패드들은 도선(33) 조각들을 통해 집적 회로 장치(20a)의 신호 입력 노드들로 기능하는 도전성 패드들에 접속되고, 신호 출력 노드들로 기능하는 다른 도전성 패드들은 도전성 패턴(31c)을 통해 도전성 리드들에 접속된다. 다른 도전성 리드들을 통하여 전력 및 접지 전위가 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20a)에 공급된다.
그리하여, 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20)가 기판(31) 상에 일체로 형성되고, 음파들이 실리콘 마이크로폰 장치(10)와 집적 회로 장치(20) 사이의 협력을 통하여 패키지(30a) 외부에 대하여 합성 음향 신호(S5)로 변환된다.
실리콘 마이크로폰 장치의 구조
실리콘 마이크로폰 장치(10)는 MEMS 기술들을 통하여 실리콘 기판 상에 제조된다. 실리콘 마이크로폰 장치(10)는 크게 프레임 구조물(10a) 및 음향 트랜스듀서들(transducers)(11A, 11B, 11C 및 11D)을 포함한다. 이 경우, 네 개의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C 및 11D)는 실리콘 마이크로폰 장치(10)에 일체로 형성된다. 네 개의 원통형 빈 공간(14A, 14B, 14C 및 14D)이 프레임 구조물(10a)의 1/4 부분들(quarter portion)에 형성되고, 프레임 구조물(10a)의 수직 방향으로 평행하게 확장된다. 네 개의 원통형 빈 공간(14A 내지 14D)은 네 개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)로 각각 할당되고, 네 개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)는 프레임 구조물(10a)에 의해 지지된다.
네 개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)는 서로 독립적이고, 음파들을 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)로 각각 변환한다. 환언하면, 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)를 생성하는 4개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)는 서로 병렬로 동작한다. 음향 변환기들(11A 내지 11D)는 커패시턴스의 변화를 통해 음파들을 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)로 변환하는 유형이다. 음향 변환기들(11A 내지 11D)은 서로 감도가 상이하여, 네 개의 음향 변환기(11A 내지 11D)로 전파되는 음파들은 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)의 진폭을 서로 다르게 한다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 프레임 구조물(10a)은 반도체 기판(12) 및 반도체 기판(12) 상에 성장된 지지층(13)을 포함한다. 이 경우, 반도체 기판(12)은 단결정 실리콘으로 만들어지고, 지지층(13)은 산화 실리콘으로 이루어진다. 전술된 바와 같이, 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)은 지지층(13) 및 실리콘 기판(12)을 관통하도록 프레임 구조물(10a) 내에 형성되고, 직경이 서로 상이하다.
음향 변환기들(14A 내지 14D) 각각은 다이어프램(diaphragm)(15) 및 고정판(back plate)(16)을 포함한다. 다이어프램(15) 및 고정판(16)은 실리콘으로 만들어진다. 복수의 작은 스루홀(17)이 고정판(16)에 형성되고, 다이어프램(15) 및 고정판(16)은 지지층(13)에 의해 서로 병렬로 지지된다. 다이어프램(15)은 고정판(16)으로부터 극히 좁은 갭(18)만큼 이격되고, 다이어프램(15) 및 고정판(16)은 캐패시터의 전극들로서 기능한다. 다이어프램(15)은 지지층(13)에 관계없이 진동하고, 고정판(16)은 지지층(13)에 대해 움직이지 않는다. 음향 변환기들(11A 내지 11D)의 감도는 음파에 노출되는 다이어프램(15)의 면적에 의존한다. 다이어프램들(15)의 주변부가 지지층(13)에 매립되기 때문에, 다이어프램들(15)의 진동부들은 원통형 빈 공간들(14A, 14B, 14C 및 14D)의 단면들과 면적이 동일하고, 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)는 단면적이 상이하다. 그리하여, 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)는 음향 변환기들(11A 내지 11D)의 감도를 서로 다르게 한다.
실리콘 마이크로폰(1a)에 전압을 가하면, 다이어프램들(15)은 관련된 고정판(16)에 대해 바이어스되고, 다이어프램들(15)과 관련된 고정판들(16)과의 사이에서 전위차가 발생한다. 음향 변환기들(11A 내지 11D)에 음파가 도달하는 것으로 가정된다. 음파가 다이어프램들(15) 상에 음압을 가하는 동안, 음압은 다이어프램들(15)의 진동을 발생시킨다. 진동하는 다이어프램들(15)은 관련된 고정판들(16)으로부터의 갭들(18)을 반복적으로 변화시키고, 따라서, 음향 변환기들(11A 내지 11D)의 커패시턴스은, 관련된 고정판들(16)로부터의 갭들(18)에 의존하여 변화한다. 변화된 커패시턴스은 음향 변환기들(11A 내지 11D)로부터 중간 음향 신호들 S1 내지 S4로서 꺼내진다.
전술된 바와 같이, 진동 부분들의 직경은 서로 상이하다. 휨 강성률(flexural rigidity)이 서로 동일한 것으로 가정되는 다이어프램들(15)의 모든 진동부분 상에 음파들이 음압을 균일하게 가함에도 불구하고, 진동들의 진폭은 직경의 차이로 인해 다이어프램들(15) 사이에서 상이하다. 커패시턴스는 갭들(18)에 따라, 그리고 진동들의 진폭에 따라 변한다. 그리하여 중간 음향 신호들 S1 내지 S4는 동일한 음파가 존재할 때 상이한 진폭값을 갖는다. 환언하면, 네 개의 음향 변환기(14A 내지 14D)는 서로 상이한 감도를 나타낸다.
음향 트랜스듀서들의 제조 공정
실리콘 마이크로폰 장치(10)는 이하와 같이 제조된다. 도 5a 내지 도 5c는 실리콘 마이크로폰 장치(10)의 제조 공정를 도시한다.
공정은 단결정 실리콘 기판(111)의 준비와 함께 시작한다. 이산화 실리콘(SiO2)가 기판(111)의 주면의 전체 표면 위에 퇴적되어 산화 실리콘층(112)을 형성하고, 그 후, 다결정 실리콘이 산화 실리콘층(112)의 전체 표면 위에 퇴적되어 폴리실리콘층(113)이 산화 실리콘층(112) 상에 형성된다.
산화 실리콘층(112)은 희생층으로서 기능한다. 이 경우에, 산화 실리콘 및 다결정 실리콘은 CVD(chemical vapor deposition) 기술들을 통해 성장된다. 다결정 실리콘이 퇴적되는 동안, 예를 들면, 인과 같은 n형 불순물이 인 시추(in situ) 도핑 기술을 이용하여 다결정 실리콘 내로 도핑된다. 다결정 실리콘의 퇴적 후에, P2O5가 열적으로 확산되어 다결정 실리콘이 n형 불순물로 강하게 도핑된다. 이온 주입(ion-implantation)이 n형 불순물의 도입에 사용될 수 있다.
포토-레지스트 용액이 폴리 실리콘층(113) 위로 스피닝되고 소성되어 포토 레지스트층을 형성한다. 에칭 마스크(114)의 잠상(latent image)이 포토 마스크(도시 안됨)에서 포토-레지스트층으로 광학적으로 전사되고, 잠상은 현상되어 에칭 마스크(114)가 도 5a에서 도시된 바와 같이 폴리 실리콘층(113) 상에 남겨진다.
에칭 마스크(114)는 다이어프램들(15)애 대응하는 네 개의 원형 디스크 부분들을 갖는다. 폴리 실리콘층(113)은 에칭액(etchent)이 존재하면 부분적으로 에칭되고, 에칭 마스크(114)는 다이어프램들(15)을 에칭액으로부터 보호한다. 결국, 다이어프램들(15)은 산화 실리콘층(112) 상에 남겨진다. 에칭 마스크(114)는 벗겨진다.
이어서, 산출된 구조의 전체 표면 상에 이산화 실리콘이 퇴적되어 산화 실리콘층(115)을 형성하고, 그 후, 다결정 실리콘이 산화 실리콘층(115) 위에 퇴적된다. 인 시추 도핑 기술을 통하여 다결정 실리콘으로 붕소도 도핑된다. 다이어프 램들(15)은 산화 실리콘층(115)으로 피복되고, 그 후 폴리 실리콘층(116)으로 피복된다.
포토-레지스트 용액이 폴리 실리콘층(116)의 전체 표면 위로 스피닝되고 포토-레지스트층을 형성하기 위해 소성된다. 에칭 마스크(117)의 잠상이 포토-마스크로부터 포토-레지스트층으로 광학적으로 전사되고, 현상되어 에칭 마스크(117)가 도 5b에서 도시된 바와 같이 폴리 실리콘층(116) 상에 남겨진다. 에칭 마스크(117)는 작은 스루홀들(17)이 형성될 영역들 위에 스루홀들과 함께 형성된다.
에칭 마스크(117)는 고정판들(16)에 대응하는 원형 디스크 부분들을 갖는다. 산출된 구조는 에칭액에 노출된다. 에칭액이 존재할 때 폴리 실리콘층(116)이 부분적으로 제거됨에도 불구하고, 에칭 마스크(117)는 고정판들(16)을 에칭액으로부터 보호하고 고정판들(16)은 산화 실리콘층(115) 상에 남겨진다. 에칭 마스크(117)는 벗겨진다.
이어서, 포토-레지스트 에칭 마스크(도시 안됨)가 기판(111)의 반대쪽 표면 상에 패터닝되고, 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)가 형성될 영역들은 포토-레지스트 에칭 마스크로 피복되지 않는다. 기판(111)은 딥 RIE(Reactive Ion Etching), 즉 큰 어스팩트 비(aspect ration)를 달성하기 위해 이방성(anisotropic) 건식 에칭처리 된다. 기판(111)은 산화 실리콘층(112)이 노출될 때까지 부분적으로 에칭된다. 그리하여, 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)이 기판(111)에 형성된다. 에칭 마스크는 벗겨진다. 패터닝된 기판(111)은 기판(12)으로서 기능한다.
이어서, 포토-레지스트 에칭 마스크(118)가 고정판들(16) 상에 패터닝된다. 고정판들(16)의 주변 영역들 및 고정판들(16) 주위의 산화 실리콘층(115)의 주변 영역들이 포토-레지스트 에칭 마스크(118)로 피복되어 있지만, 고정판들(16)의 중앙부들은 포토-레지스트 에칭 마스크(118)로 피복되지 않는다. 작은 스루홀들(17)이 고정판들(16)의 중앙 영역들에 형성된다. 산출된 구조는 예를 들면 불산 용액과 같은 웨트 에칭액에 담가진다. 불산 용액은 작은 스루홀들(17)로 스며들어, 고정판들(16) 아래의 산화 실리콘이 산출된 구조로부터 제거된다. 결국, 다이어프램들(15)이 갭들(18) 만큼 고정판들(16)로부터 이격된다. 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)에 노출된 산화 실리콘이 산출된 구조로부터 제거되기도 하고, 다이어프램들(15)은 원통형 빈 공간들(14A 내지 14D)에 노출된다. 포토-레지스트 에칭 마스크(118)는 벗겨지고, 프레임 구조(10a)에 의해 지지되는 음향 변환기들(11A 내지 11D)이 완성된다. 패터닝된 산화 실리콘층들(112 및 115)는 결합하여 지지층(13)을 형성한다.
음향 변환기들(11A 내지 11D)이 상술된 실시예의 기판(12) 상에 일체로 형성되지만, 도 6에 도시된 바와 같이 다른 실리콘 마이크로폰(1Aa)의, 감도가 상이한 음향 변환기들(11A', ..., 11C', ...)이 개별적인 지지 구조들(10A, ..., 10C, ...)의 기판들 상에 각각 형성될 수 있다. 실리콘 마이크로폰(1Aa)은 집적 회로 장치(20Aa) 및 패키지(30Aa)를 더 포함한다. 사운드 홀(34Aa)이 음향 트랜스듀서들(11A', ..., 11C', ...) 위에 형성되고, 물리적으로 독립적인 음향 트랜스듀서들(11A', ...11C', ...) 때문에 도전성 패턴(31Ac)은 도전성 패턴(31c)과 상이하다. 음향 트랜스듀서(11C')는 집적 회로 장치(20Aa)에 직접 접속지만, 다른 음향 트랜스듀서들(11A', ...)은 도선(33) 및 도전성 패턴(31Ac)의 일부들을 통해 집적 회로 장치(20Aa)에 접속된다. 그러나 패키지(30Aa)의 다른 특징들은 패키지(30a)의 특징들과 유사하다. 패키지(30Aa)의 다른 컴포넌트 부분들은 상세한 설명 없이 패키지(30a)의 대응하는 컴포넌트 부분들을 나타내는 참조부호들을 이용하여 표시된다. 집적 회로 장치(20Aa)는 집적 회로 장치(20a)와 동일하다.
집적 회로 장치
전술된 바와 같이, 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 감도가 서로 상이하다. 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)은 다이어프램들(15)의 진동들의 진폭, 및 따라서 음압에 비례해서 사실상 스윙된다. 모든 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)는 특정 값에서 포화된다. 환언하면, 공통 다이나믹 레인지가 모든 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)에서 발견된다. 상이한 감도값들은 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)가 단위 음압값의 관점에서 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)의 진폭의 변화율에 대한 각각의 값을 가짐을 의미한다. 이러한 이유로, 중간 음향 신호들의 포화 진폭은 상이한 음압값, 즉 상이한 값의 포화 음압(PA, PB, PC 및 PD)을 표현한다.
포화 음압(PA, PB, PC 및 PD)은 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)에 의해 검출될 수 있는 음압의 최대값들에 각각 대응하고 있다. 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)의 감도는 각각 "SA", "SB", "SC" 및 "SD"를 수반한다. 음향 트랜스듀서(11A)는 최고 감도를 나타내고, 음향 트랜스듀서(11D)는 최저 감도를 나타낸다. 감도 SA를 SB가 따르고, 차례로 감도 SC가 따른다. 즉, SA>SB>SC>SD이다. 환언하면, 다이어프램이 더 넓을수록, 감도가 더 높다.
집적 회로 장치(20a)는 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)로부터 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)을 수신하고, 합성 음향 신호(S5)를 생성하기 위한 음압 데이터의 일부들에 대해 데이터 처리를 수행한다. 음압이 작으면, 합성 음향 신호(S5)는 최고 감도(SA)로 음향 트랜스듀서(11A)로부터의 음압 데이터 출력의 일부들로부터 생성된다. 음압이 소형 음압 영역으로부터 증가되는 동안, 음향 트랜스듀서는 11A로부터 11B 및 11C를 통해 11D로 변화되고, 합성 음향 신호(S5)가 음향 트랜스듀서들(11B, 11C 및 11D) 중 선택된 하나로부터의 음압 데이터 출력의 일부들로부터 생성된다. 그리하여, 합성 음향 신호(S5)의 다이나믹 레인지는 작은 음압 영역에서 높은 감도의 희생 없이 넓어진다.
집적 회로 장치(20a)는 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)를 기초로 합성 음향 신호(S5)를 생성한다. 도 1b에 도시된 바와 같이 아날로그-디지털 변환기들(21) 및 정보 프로세싱 시스템(22a)은 집적 회로 장치(20a)에 일체로 형성된다. 음향 변환기들(11A 내지 11D)는 아날로그-디지털 변환기들(21)에 접속되어 중간 음향 신호들 S1 내지 S4의 파형들 상의 이산값들이 샘플링 간격들에서 주기적으로 샘플링되고 디지털 음향 신호들(DS1, DS2, DS3 및 DS4)로 변환되도록 한다.
도면에 도시되지는 않았지만, 정보 프로세싱 시스템(22a)은 마이크로 프로세서, 신호 입력 회로들, 프로그램 메모리, 불휘발성 데이터 저장소, 작업중인 메모리(working memory), 주변 장치 처리기(peripheral processor)들, 신호 출력 회로들 및 공유 버스 시스템을 포함한다. 마이크로 프로세서, 입력 회로들, 프로그램 메모리, 작업중인 메모리, 주변 장치 처리기들 및 신호 출력 회로들은 공유 버스 시스템에 접속되어 마이크로 프로세서가 공유 버스 시스템을 통하여 주변 장치 처리기들, 신호 입력 회로들, 프로그램 메모리, 작업중인 메모리 및 신호 출력 회로들과 통신하도록 한다. 그리하여, 마이크로 프로세서는 중앙 처리 장치로서 기능하여 다른 시스템 컴포넌트들을 통제한다.
포화 음압에 대응하는 진폭 임계값들은 음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)을 위한 불휘발성 데이터 저장소에 저장된다. 음향 트랜스듀서(11A)는 포화 음압의 최소값을 갖는다. 음향 트랜스듀서(11B)의 포화 음압값은 음향 트랜스듀서(11A)의 포화 음압 값보다 크고, 음향 트랜스듀서(11C)의 포화 음압 값보다 작다. 따라서, 음향 트랜스듀서(11A)에 대한 임계값이 가장 작고, 음향 트랜스듀서(11B)에 대한 임계값은 음향 트랜스듀서(11A)에 대한 임계값보다 크고 음향 트랜스듀서(11C)의 임계값보다 작다. 음향 트랜스듀서(11D)는 음향 신호(S4)의 다이나믹 레인지의 포화 상태에 들어가지 않는다.
크로스 페이딩 계수들(cross fading coefficients)과 시간 사이의 관계들은 네 개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)에 대한 불휘발성 메모리에 또한 저장된다. 크로스 페이딩 계수들은 나중에 자세히 기술될 것이다.
정보 처리 시스템의 기능
컴퓨터 프로그램이 프로그램 메모리에 저장되고, 마이크로 프로세서 상에서 실행되어 도 7에 도시된 기능을 실현한다. 컴퓨터 프로그램의 실행을 통해 달성되는 기능이 도 7을 참조하여 이하에서 기술된다.
아날로그-디지털 변환기들(21)은 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)를 신호 입력 회로들에 공급한다. 마이크로 프로세서는 신호 입력 회로들로부터 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)에 의해 표현된 이산값들을 주기적으로 인출하고, 이산값들은 작업중인 메모리에 임시로 저장된다.
기능부는 "합성 제어부(221a)", "정규화부(226aA, 226aB, 및 226aC)" 및 "합성(227a)"로 불리는 복수의 부-기능부들로 분류된다. 합성 제어부(221a)는 "음압 데이터 취득부(222)", "음향 트랜스듀서 선택부(223a)", "포화 음압 데이터 취득부(224)" 및 "크로스 페이딩 계수 결정부"로 불리는 부-기능부들로 더 분류된다. 부-기능부들은 이하에서 자세히 기술된다.
음향 디지털 신호들(DS1, DS2 및 DS3)은 정규화부(226aA, 226aB 및 226aC)를 통하여 정규화된다. 전술된 것과 같이, 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 상이한 감도값들(SA, SB, SC 및 SD)을 갖는다. 도 8은 음향 신호들(S1 내지 S4)의 진폭을 음압의 관점에서 도시한다. 플롯들(plots)(11A', 11B', 11C' 및 11D')은 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)로부터 출력되는 소리 신호들(S1 내지 S4)의 진폭과 음압 사이의 관계들을 의미한다. 플롯들(11A' 내지 11D')로부터 이해되는 바와 같이, 음압이 특정 값에서 발견되더라도, 음향 신호들(S1 내지 S4)는 상이한 진폭값을 가진다. 플롯들(11A', 11B', 11C' 및 11D') 상의 비례 관계는 값들(PA, PB 및 PC)에서 무너지고, 포화 음압도 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 사이에서 상이하다. "PA", "PB" 및 "PC"는 각각 음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)의 포화 음압을 지시하고, 음향 신호들(S1 내지 S3)의 진폭의 임계값들(THA, THB 및 THC)에 대응하고 있다. 포화된 음압 데이터의 일부들은 임계값들(THA, THB 및 THC)를 표현 한다.
도 7로 돌아가면, 정규화부(226aA, 226aB 및 226aC)는 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)의 이산값들을, 음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)이 음향 트랜스듀서(11D)와 감도가 동일하다는 가정하에 정규화된 이산값들로 변하게 한다. 정규화는 합성부(227a) 전의 예비 데이터 처리이다. 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)의 이산값들은 감도의 비율(ratio)로 증폭 또는 승산(multiplication)을 통해서 정규화된다. 디지털 음향 신호(DS1)의 이산값들은, 예로서, SD/SA 비율로 증폭되거나 곱해진다. 다른 디지털 음향 신호의 이산값들은 마찬가지로 SD/SB 및 SD/SC로 증폭될 수 있다. 그리하여, 음향 트랜스듀서(11D)는 기준으로서 기능한다. 이러한 이유 때문에, 디지털 음향 신호(DS4)에 대해서는 정규화가 실행되지 않는다.
합성 음향 신호(S5)가 합성부(227a)를 통하여 생성된다. 음향 트랜스듀서(223a)의 선택과 관련하여 이하에서 기술되는 바와 같이, 합성 음향 신호(S5)는 합성 제어부(221a)의 통제하에서 각각의 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)로부터 부분적으로 생성되고 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4) 중 선택된 두개로부터 부분적으로 생성된다.
합성을 제어하기 위해서, 우선 음파들의 음압이 음압 데이터 취득부(222)를 통해 결정된다. 음향 트랜스듀서(11D)는 가장 넓은 검출 가능한 범위의 음압을 가지기 때문에, 음압을 나타내는 전류 이산값(A), 즉 진폭(A)은 디지털 음향 신호(DS4)의 이산값의 포락선에 기초하여 결정된다.
전술된 바와 같이, 임계값들(THA, THB 및 THC)가 불휘발성 데이터 저장소에 저장된다. 임계값들(THA, THB 및 THC)는 포화 음압 데이터 취득부(224)를 통해 불휘발성 데이터 저장소로부터 판독된다. 음압의 전류값(A)은 어떤 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C)가 선택되어야 할지를 알기 위해서 포화 음압(PA, PB 및 PC)을 지시하는 임계값(THA, THB 및 THC)과 비교된다. 디지털 음향 신호(DS4)의 전류값(A)이 포화 음압(PA)에 대응하는 임계값(THA) 미만일 때, 즉, A<THA일 때, 음향 트랜스듀서(11A)가 선택된다. 전류값(A)이 임계값(THA) 이상이고 임계값(THB_ 미만인 범위, 즉, THA≤A<THB인 범위 내에 속할 때, 음향 트랜스듀서(11B)가 4개 중에서 선택된다. 만약 전류값(A)이 임계값(THB) 이상이고 임계값(THC) 미만인 범위, 즉, THB≤A<THC인 범위 내에 속할 경우, 음향 트랜스듀서(11C)가 4개 중에서 선택된다. 전류값(A)이 임계값(THC) 이상일 때, 즉, THC≤A일 때, 음향 트랜스듀서(11D)가 넷 중에서 선택된다.
전류값(A)이 임계값들(THA, THB 및 THC) 근처에서 발견되지 않을 때, 디지털 음향 신호(DS1, DS2, DS3 또는 DS4)의 정규화된 값(normalized value)이 합성 음향 신호(S5)로서 정보 처리 시스템(22a)으로부터 출력된다. 그러나 만약 전류값(A)이 임계값들 THA, THB 및 THC 중 하나의 근처에서 발견되는 경우, 합성 음향 신호(S5)의 대응하는 부분은 크로스 페이딩 기술을 통해 생성된다. 환언하면, 전류값(A)이 임계값(THA, THB 또는 THC)의 근처에서 발견된다면, 이산적인 음향 신호(DS1, DS2 또는 DS3)의 정규화된 값은 페이드 아웃(fade out)되고, 이산적인 음향 신호(DS2, DS3 또는 DS4)의 정규화된 값이 페이드 인(fade in) 된다. 계수들이 크로스 페이 딩을 위해 요구되고 부-기능부인 "크로스 페이딩 계수 결정부"를 통해 결정된다.
도 9는 크로스 페이딩 계수들을 시간에 관해 도시한다. 플롯 S1은 현재 사용된 음향 트랜스듀서(11A, 11B 또는 11C)의 정규화 값들에 적용되는 계수를 의미하고 플롯 S2는 현재 사용되는 음향 트랜스듀서(11A, 11B 또는 11C)로부터 변경될 음향 트랜스듀서(11B, 11C 또는 11D)의 정규화된 값들에 적용될 계수들을 의미한다. 플롯 S1 상의 계수는 시간에 따라 감소되고, 플롯 S2 상의 계수는 시간에 따라 증가된다.
도 10a 내지 도 10c는 컴퓨터 프로그램의 작업 순서(job sequence)를 도시한다. 컴퓨터 프로그램은 메인 루틴 및 서브루틴을 갖는다. 메인 루틴은 타이머 인터럽션(timer interruption)들을 통해 주기적으로 서브루틴으로 분기한다. 각각의 타이머 인터럽션은 소정의 기간의 종료시에 발생한다. 타이머 인터럽션은 아날로그-디지털 변환기들(21)을 통한 아날로그-디지털 변환을 위한 샘플링 간격과 대략 같은 소정의 시간 간격들에서 발생한다.
실리콘 마이크로폰에 전력이 공급되면, 컴퓨터 프로그램은 마이크로 프로세서 상에서 실행되기 시작한다. 마이크로 프로세서는 우선 도 10a의 스텝 S1에 의해서와 같이 시스템 초기화를 실행한다. 마이크로 프로세서가 시스템을 초기화하는 동안, 작업중인 메모리의 소정의 메모리 위치들이 새로운 이산값들에 할당되고, 어드레스 포인터들이 작업중인 메모리의 다른 메모리 위치에 정의된다. 어드레스 포인터들은 계수들의 값들이 저장된 어드레스들을 지시한다. 플롯 S1 상의 계수의 값은 어드레스 포인터들 중 하나에 의해 지시된 어드레스로부터 판독되고, 플롯들 S2 상 계수의 값은 다른 어드레스 포인터에 의해 지시된 어드레스로부터 판독된다. (도 9 참조). 어드레스 포인터들은 플롯 S1 상의 값 및 플롯 S2 상의 값이 함께 시간에 따라 각각 감소하고 증가하도록 증분된다(incremented). 어드레스 포인터들이 "1"로 증분되었을 때, 어드레스 카운터들은 t1에서의 계수들의 값들이 저장되는 어드레스들을 지시한다.
시스템 초기화가 완료되면, 마이크로 프로세서는, 스텝 S11에 의해서와 같이 소정의 메모리 위치들에 새로운 이산값들이 저장되었는지의 여부를 알기 위해 작업중인 메모리를 검사한다.
스텝 S11에서 답이 부정적인 "아니오"로 주어지는 동안, 마이크로 프로세서는 스텝 S11에서 그 작업을 반복하고, 스텝 S11에서 답이 변하기를 대기한다. 새로운 이산값들이 소정의 메모리 위치들에 저장된 경우, 스텝 S11에서의 답은 긍정적인 "예"로 변한다.
스텝 S11에서 답이 긍정적인 "예"인 경우, 마이크로 프로세서는 스텝 S12에 의해서와 같이 작업중인 메모리에서 새로운 이산값들을 판독하고, 스텝 S13에 의해서와 같이 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS3)의 새로운 이산값들을 정규화한다. 정규화(normalization)는 기능부인 "정규화부(Normalization)"와 관련하여 도 7의 박스들(226aA, 226aB 및 226aC)에서 이미 기술되었다. 마이크로 프로세서는 스텝 S14에 의해서와 같이 정규화된 값들을 작업중인 메모리에 저장한다.
이어서, 마이크로 프로세서는 스텝 S15에 의해서와 같이 작업중인 메모리로부터 디지털 음향 신호(DS4) 상의 새로운 이산값(A)을 판독하고, 스텝 S16에 의해 서와 같이 새로운 이산값이 어떤 범위에 속하는지 알기 위해 그 새로운 이산값(A)을 임계값들(THA, THB 및 THC)과 비교한다. 임계값들(THA, THB 및 THC) 및 비교는 이미 박스들(223a 및 224)와 관련하여 기술되었다.
새로운 이산값(A)이 임계값(THA) 미만의 범위에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 스텝 S17에 의해서와 같이 넷 중에서 음향 트랜스듀서들(11A 및 11B)을 임시로 선택한다. 새로운 이산값(A)이 임계값(THA)와 같고 임계값(THB) 미만인 범위에서 발견될 경우 마이크로 프로세서는 스텝 S18에 의해서와 같이 넷 중에서 음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)를 임시로 선택한다.
새로운 이산값(A)이 임계값(THB)와 같고 임계값(THC) 미만인 범위에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 스텝 S19에 의해서와 같이 넷 중에서 음향 트랜스듀서들(11B, 11C 및 11D)를 임시로 선택한다. 새로운 이산값(A)이 임계값(THC) 이상인 범위에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 스텝 S20에 의해서와 같이 4개 중에서 음향 트랜스듀서들(11C 및 11D)을 임시로 선택한다.
음향 트랜스듀서들(11A 및 11B)은 스텝 S17에서 선택된다고 가정된다. 마이크로 프로세서는 스텝 21에 의해서와 같이 새로운 이산값(A)이 임계값(THA)의 근처에 속하는지의 여부를 알기 위해 새로운 이산값(A)을 검사한다. 새로운 이산값(A)이 임계값(THA)의 근처에 속한다면, 스텝 S21에서 답은 긍정적인 "예"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S32로 진행한다. 한편, 이산값(A)이 임계값(THA)의 근처 외부에서 발견되는 경우, 스텝 S21에서의 답은 부정적인 "아니오"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S31로 진행한다.
음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)는 스텝 S18에서 선택된다고 가정된다. 마이크로 프로세서는 스텝 S23에 의해서와 같이 새로운 이산값(A)이 임계값(THA 또는 THB) 근처에 속하는지의 여부를 알기 위해 새로운 이산값(A)을 검사한다. 새로운 이산값(A)이 임계값(THA 또는 THB)의 근처에 속할 경우, 스텝 S23에서의 답은 긍정적인 "예"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S25에 의해서와 같이 음향 트랜스듀서(11A) 및 음향 트랜스듀서(11C) 중 하나를 폐기한다. 자세하게는, 새로운 이산값(A)이 임계값(THA)의 근처에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 음향 트랜스듀서(11C)를 폐기한다. 한편, 새로운 이산값(A)이 임계값(THC) 근처에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 음향 트랜스듀서(11A)를 폐기한다. 그러나 만약 새로운 이산값(A)이 임계값들 THA 및 THB 근처 외부에서 발견되는 경우, 스텝 S23에서의 답은 부정적인 "아니오"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S24에 의해서와 같이 두 음향 트랜스듀서들(11A 및 11C) 모두를 폐기한다. 스텝 S24에서 작업이 완료되면, 마이크로 프로세서는 스텝 S31로 진행한다. 한편, 마이크로 프로세서가 스텝 S25에서 작업을 완료한 때, 마이크로 프로세서는 스텝 S32로 진행한다.
음향 트랜스듀서들(11B, 11C 및 11D)는 스텝 S19에서 선택되는 것으로 가정된다. 마이크로 프로세서는 스텝 S26에 의해서와 같이 새로운 이산값(A)이 임계값(THB 또는 THC) 근처에 속하는지의 여부를 알기 위해 새로운 이산값(A)을 검사한다. 만약 새로운 이산값(A)이 임계값(THB 또는 THC)의 근처에 속할 경우, 스텝 S26에서의 답은 긍정적인 "예"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S28에 의해 서와 같이 음향 트랜스듀서(11B) 또는 음향 트랜스듀서(11D) 중 하나를 폐기한다. 자세하게는, 새로운 이산값(A)이 임계값(THB)의 근처에서 발견될 경우, 마이크로 프로세서는 음향 트랜스듀서(11D)를 폐기한다. 한편, 새로운 이산값(A)이 임계값(THC) 근처에서 발견될 경우, 마이크로프로세서는 음향 트랜스듀서(11B)를 폐기한다. 그러나 새로운 이산값(A)이 임계값들(THB 및 THC)의 근처 외부에서 발견되는 경우, 스텝 S26에서의 답은 부정적인 "아니오"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S27에 의해서와 같이 음향 트랜스듀서들(11B 및 11D) 모두를 폐기한다. 텝 S24에서 작업이 완료된 때, 마이크로 프로세서는 스텝 S31로 진행한다. 한편, 마이크로 프로세서가 스텝 S28에서 작업을 완료하면, 마이크로 프로세서는 스텝 S32로 진행한다.
마이크로 프로세서는 스텝 S20에서 음향 트랜스듀서들(11C 및 11D)를 선택한다고 가정된다. 마이크로 프로세서는 스텝 S29에 의해서와 같이 새로운 이산값(A)이 임계값(THC) 근처에서 발견되는지의 여부를 알기 위해 새로운 이산값(A)을 검사한다. 새로운 이산값(A)이 THC 근처에서 발견되면, 스텝 S29에서의 답은 긍정적인 "예"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S32로 진행한다. 한편, 만약 새로운 이산값이 임계값(THC)의 근처 외부에서 발견되는 경우, 스텝 S29에서의 답은 부정적인 "아니오"로 주어지고, 마이크로 프로세서는 스텝 S30에 의해서와 같이 음향 트랜스듀서(11C)를 폐기한다. 스텝 S30에서 작업이 완료된 때, 마이크로 프로세서는 스텝 S31로 진행한다. 그리하여, 마이크로 프로세서는 새로운 이산값(A)이 임계값들(THA, THB 및 THC)의 근처들 외부에서 발견된다는 조건하에서 스텝 S31로 진 행하고, 새로운 이산값(A)이 임계값(THA, THB 또는 THC) 중 하나의 근처에서 발견된다는 조건 하에서 스텝 S32로 진행한다.
새로운 이산값(A)이 임계값들(THA, THB 및 THC)의 근처의 외부에서 발견되는 경우, 크로스 페이딩은 필요하지 않다. 이러한 이유 때문에, 스텝 S31에서 마이크로 프로세서는 새로운 이산값을 작업중인 메모리에서 신호 출력 회로로 전송한다.
한편, 만약 새로운 이산값(A)이 임계값 THA, THB 또는 THC 중 하나의 근처에서 발견되는 경우, 마이크로 프로세서는 이하와 같이 크로스 페이딩을 실시한다.
먼저, 마이크로 프로세서는 스텝 S32에 의해서와 같이 이전의 이산값이 근처에 속하는지의 여부를 알기 위해 작업중인 메모리를 검사한다. 스텝 S32에서의 답이 부정적인 "아니오"로 주어지는 경우, 마이크로 프로세서는 스텝 S33에 의해서와 같이 어드레스 포인터들을 0으로 재설정하고 어드레스 포인터들을 증분한다. 어드레스 포인터들이 0에서 "1"로 증분되면, 어드레스 포인터들은 t1에서의 계수들의 값들이 저장된 어드레스들을 지시한다.
한편, 이전의 이산값이 근처에서 발견되면, 어드레스들은 시간의 경과와 함께 t1으로부터 증분되어야 한다. 이러한 이유 때문에, 마이크로 프로세서는 스텝 S34로 진행하여, 어드레스 포인터들을 증분한다.
그리하여, 계수들의 값들은 스텝 S35에 의해서와 같이 불휘발성 메모리의 어드레스들로부터 연속적으로 판독된다. 마이크로 프로세서는 스텝 S36에 의해서와 같이 작업중인 메모리로부터 새로운 이산값들을 판독하고, 스텝 S37에 의해서와 같이 새로운 이산값들 및 계수들에 기초하여 합성 음향 신호(S5)의 값을 계산한다. 계산이 완료된 때, 마이크로 프로세서는 S38에 의해서와 같이, 합성 음향 신호의 값을 신호 출력 회로로 전송한다. 마이크로 프로세서는 스텝 S31 또는 S38로부터 스텝 S11로 복귀한다. 그리하여, 마이크로 프로세서는 스텝들 S11 내지 S38로 이루어지는 루프를 반복한다. 음향 트랜스듀서들이 변경되는 경우, 음향 트랜스듀서들은 근처에 있는 다른 음향 트랜스듀서와 중첩되고, 합성 음향 신호들의 값들이 크로스 페이딩을 통하여 생성된다.
도 10a 내지 도 10c에 도시된 흐름도로부터 이해되는 것과 같이, "정규화부", "합성 제어부" 및 "합성부"의 기능부들은 컴퓨터 프로그램의 실행을 통해 실현된다.
본 발명의 실리콘 마이크로폰(1a)은 감도가 상이한 복수의 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)을 갖고, 합성부를 통하여 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)로부터 합성 음향 신호(S5)를 생성한다. 음압이 상대적으로 낮을 동안, 합성 음향 신호 S5는 음향 트랜스듀서(11A, 11B 또는 11C)로부터 출력되는 음향 신호(S1, S2 또는 S3)로부터 상대적으로 높은 감도로 생성된다. 음압을 나타내는 이산값이 음향 신호(S3)의 임계값(THC) 이상이면, 합성 음향 신호(S5)는 음향 트랜스듀서(11D)로부터 출력되는 음향 신호(S4)로부터 최저 감도로 생성된다. 그러나 음향 트랜스듀서는 음압의 가장 넓은 범위에 응답한다. 결국, 본 발명의 실리콘 마이크로폰(1a)은 상대적으로 낮은 음압에서 감도의 희생 없이 넓은 음압 범위에서 선형의 소리-신호 변환 특성들을 달성한다.
음향 트랜스듀서가 변경되면, 제1 실시예의 실리콘 마이크로폰(1a)은 임계값 THA, THB 또는 THC 의 양쪽 상의 음향 트랜스듀서들로부터 출력되는 음압 데이터 일부들에 대해 크로스 페이딩을 실시하기 때문에 합성 음향 신호(S5)는 바람직하지 않은 잡음이 없다. 음압-전기 신호 특성들이 부분적으로 서로 중첩되기 때문에, 실리콘 마이크로폰(1a)은 크로스 페이딩을 실시하는 것을 가능하게 한다.
음향 트랜스듀서들(11A, 11B 및 11C)로부터의 음압 데이터의 일부들은 음향 트랜스듀서들(11D)로부터 최저 감도로 출력되는 음압 데이터의 일부들에 대해 정규화된다. 음향 트랜스듀서는 넓은 다이나믹 레인지를 나타내기 때문에 최적의 음향 트랜스듀서 또는 트랜스듀서들이 복수의 음향 트랜스듀서로부터 선택된다.
음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 제조 공정이 단순하게 되도록 단일 기판 상에 일체로 형성된다.
제2 실시예
도 11을 참조하면, 본 발명을 포함하는 다른 실리콘 마이크로폰(1b)은 주로 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C 및 11D) 및 집적 회로 장치(22b)를 포함한다. 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 제1 실시예의 것과 동일하고, 간략함을 위해 이하에서는 추가로 설명되지 않는다.
집적 회로 장치(22b)는 기능부, 즉, "합성부(227b)"를 실현하도록 구성되며, 합성부(227b)를 통해 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)이 합성 음향 신호(DS5a)를 구성한다. 합성부(227b)에 대하여, 집적 회로 장치(22b)는 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)의 진폭을 표현하는 값들의 합 또는 제곱값들의 합의 제곱근을 계산한다. 이 예에서, 아날로그-디지털 변환기들 및 마이크로컴퓨터가 단일 반도체 칩 상에 집적되고, 다음의 기능부가 컴퓨터 프로그램의 실행을 통해 실현된다.
도 12는 집적 회로 장치(22b)의 기능부를 도시한다. PL11, PL12, PL13 및 PL14는 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)의 진폭과 음압 간 관계를 나타낸다. 실제 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)은 도 8에 도시된 바와 같이 비례 영역들 및 비-비례(non-proportional) 영역들을 갖지만, 도 12에 도시된 중간 음향 신호들의 진폭은 간략함을 위해 포화 상태까지 선형적으로 증가한다.
아날로그-디지털 변환기들이 플롯들(PL11 내지 PL14) 상의 이산값들을 주기적으로 마이크로컴퓨터에 출력하는 동안, 마이크로컴퓨터는 그 이산값들을 아날로그-디지털 변환들과 동기하여 인출하고, 내부의 작업중인 메모리에 그 이산값들을 임시로 저장한다. 이산값들은 내부의 작업중인 메모리로부터 순차적으로 판독되어 서로 가산된다. 결과로서, 이산값들의 합이 내부 레지스터에 남는다. 그 합은 플롯(PL15a)으로 표시된 바와 같이 마이크로컴퓨터로부터 출력된다.
그렇지 않으면, 이산값들은 제곱되고, 제곱값들은 서로 가산된다. 제곱근의 값이 제곱값들의 합으로부터 얻어진다. 제곱값들의 합의 제곱근은 플롯(PL15b)으로 표시된 바와 같이 마이크로컴퓨터로부터 출력된다.
플롯들(PL11 내지 PL14)을 서로 비교해 보면, 특정 음압에서의 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)의 진폭은 감도와 함께 증가한다는 것이 이해된다. 감도가 커질수록, 진폭은 높아진다. 플롯(PL11) 상의 이산값들은, 플롯(PL11)이 포화될 때까지 플롯(PL15a) 상의 합의 상당 부분 및 플롯(PL15b) 상의 제곱값들의 합의 제곱근의 상당 부분을 차지한다. 플롯(PL11)의 포화 후에, 플롯(PL12)이 포화될 때까지 플롯(PL12) 상의 이산값들은 다른 플롯들(PL11, PL13 및 PL14) 상의 이산값들보다 합 및 제곱값들의 합의 제곱근에 대해 더 영향력이 있다. 그러나, 합 및 제곱값들의 합의 제곱근은 플롯(PL13)의 포화 후에 플롯(PL14) 상의 이산값들과 함께 증가한다. 그러므로, 비교적 낮은 음압이 실리콘 마이크로폰 내로 입력되고 있는 동안, 감도가 비교적 큰 음향 트랜스듀서는 감도가 비교적 낮은 음향 트랜스듀서보다 합 및 제곱값들의 합의 제곱근에 대해 더 영향력이 있어 합성 음향 신호(DS5a)는 비교적 큰 감도의 상태 하에서 생성된다. 감도가 비교적 큰 음향 트랜스듀서들의 영향이 음압의 증가와 함께 감소되지만, 합 및 제곱값들의 합의 제곱근은 플롯(PL14)이 포화될 때까지 증가한다. 다시 말해, 플롯(PL15a 및 PL15b)은 플롯(PL14)이 포화되기 전에 포화되지 않는다. 그러므로, 실리콘 마이크로폰은 비교적 낮은 음압 영역에서 감도의 희생 없이 넓은 음압 범위에 응답한다.
이산값들의 가산 또는 제곱값들의 합의 제곱근의 계산은 바람직한데, 그 이유는 랜덤 노이즈로 인한 값이 합 또는 제곱값들의 합의 제곱근에서 덜 가중되기 때문이다.
제3 실시예
도 13을 참조하면, 본 발명을 포함하는 또 다른 실리콘 마이크로폰(1c)은 주로 복수의 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 및 집적 회로 장치(22c)를 포함한다. 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 제1 실시예의 것과 동일하고, 이러한 이유로 이하에서 설명되지 않는다. 박스들(221b, 222, 223b, 224, 225, 226aA 내지 226aC, 227c, 229A 내지 229C 및 230) 및 원들(228A 내지 228C)은 집적 회로 장 치(22c)의 기능부들을 나타낸다.
정규화부(226aA, 226aB 및 226aC)는 제1 실시예의 것과 동일하고, 합성부(227a) 및 합성 제어부(221a)가 각각 합성부(227c) 및 합성 제어부(221b)로 치환되어 있다. 이러한 이유로, 합성부(227c) 및 합성 제어부(221b)에 초점을 두어 설명한다.
합성 제어부(221b)는 "음압 데이터 취득부(222)", "음향 트랜스듀서 선택부(223b)", "포화 음압 데이터 취득부(224)" 및 "크로스 페이딩 계수 결정부(225)"의 부-기능부들로 나뉜다. "음압 데이터 취득부(222)", "포화 음압 데이터 취득부(224)" 및"크로스 페이딩 계수 결정부(225)"는 제1 실시예의 것과 동일하고, 반복을 피하기 위해 이하에서는 추가로 설명되지 않는다.
전류 이산값(A)이 음압 데이터 취득부를 통해 결정되면, 도 8에 도시된 임계 값들(THA, THB 및 THC)은 포화 음압 데이터 취득부(224)를 통해 음향 트랜스듀서 선택부(223b)로 전송되고, 전류 이산값은 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 중 하나 또는 하나보다 많은 음향 트랜스듀서를 선택하기 위해 임계 값들(THA, THB 및 THC)과 비교된다. 전류 이산값(A)이 임계 값(THA)보다 작으면, 즉, A<THA이면, 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 중 전부가 음향 트랜스듀서 선택부(223b)를 통해 선택된다. 전류 이산값(A)이 임계 값(THA)보다 크거나 같고, 임계 값(THB)보다 작으면, 즉, THA≤A<THB이면, 음향 트랜스듀서들(11B, 11C 및 11D)이 4개의 음향 트랜스듀서로부터 선택된다. 전류 이산값(A)이 임계 값(THB)보다 크거나 같고, 임계 값(THC)보다 작으면, 즉, THB≤A<THC이면, 음향 트랜스듀서들(11C 및 11D)이 4개의 음향 트랜스듀서로부터 선택된다. 전류 이산값(A)이 임계 값(THC)보다 크면, 즉, THC≤A이면, 4개의 음향 트랜스듀서로부터 음향 트랜스듀서(11D)만이 선택된다.
기능부인 "합성부"는 "가산부(228A, 228B 및 228C)", "제산부(229A, 229B 및 229C)" 및 "크로스 페이딩부(230)"의 부-기능부들로 나뉜다. 디지털 음향 신호(DS4) 상의 이산값은 부-기능부(228C)를 통해 디지털 음향 신호(DS3) 상의 이산값에 가산되고, 디지털 음향 신호(DS2) 상의 이산값은 부-기능부(228B)를 통해 디지털 음향 신호들(DS4 및 DS3) 상의 이산값들의 합에 가산된다. 디지털 음향 신호(DS1) 상의 이산값은 부-기능부(228A)를 통해 디지털 음향 신호들(DS4, DS3 및 DS2) 상의 이산값들의 합에 가산된다. 부-기능부들(228A, 228B 및 228C)은 부-기능부(223b)를 통해 선택된 음향 트랜스듀서들에 따라 선택적으로 실현된다.
이산값들의 합은 부-기능부(229A, 229B 또는 229C)를 통해 서로 가산되는 이산값들의 수로 나누어진다. 몫은 그 자체로 집적 회로 장치(22d)로부터 출력되지만, 몫들은 전류 이산값(A)이 임계 값들(THA, THB 및 THC) 근처에 있는 상태에서 크로스 페이딩부(230)를 거친다. 크로스 페이딩부(230)는 합성부(227a)와 관련하여 설명된 것과 유사하며, 반복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략한다.
작은 음압 영역에서 음파가 발견되는 동안, 합성 음향 신호(S5b)는 감도가 높은 음향 트랜스듀서의 중간 음향 신호(S1)로부터 생성된다. 이것은, 음향 신호(S1)가, 음향 신호들(S1 내지 S4)로부터 생성되는 합성 음향 신호(S5b)에 바람직한 영향을 미친다는 사실 때문이다. 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 PA와 PC 사이의 음압 영역에서 합성 음향 신호(S5b)를 생성하기 위해 선택적으로 이용된다. 그러나, 음파들이 포화 값(PC)보다 큰 음압 값을 가질 때, 합성 음향 신호는 가장 다이나믹 레인지가 가장 넓은 음향 트랜스듀서(11D)의 중간 음향 신호(S4)로부터 생성된다.
전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제3 실시예의 실리콘 마이크로폰은 작은 음압 영역에서 고감도의 희생 없이 넓은 음압 범위에 응답한다.
가산부(228A, 228B 및 228C) 다음에 제산부(229A, 229B 또는 229C)가 오기 때문에, 합성 음향 신호(S5b)는 비교적 좁은 수치 범위에서 변하여, 합성 음향 신호(S5b)는 응용 디바이스에서 처리되기에 용이하다.
랜덤 노이즈는 복수의 이산값들의 가산을 통해 감소한다.
크로스 페이딩부는 합성 음향 신호(S5b)로부터 노이즈가 제거되게 한다.
제4 실시예
도 14는 본 발명을 포함하는 또 다른 실리콘 마이크로폰(1d)의 기능부를 도시한다. 본 발명을 포함하는 또 다른 실리콘 마이크로폰(1d)은 주로 복수의 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 및 집적 회로 장치(22d)를 포함한다. 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 제1 실시예의 것과 유사하고, 이러한 이유로 이하에서는 상세하게 설명하지 않는다. 박스들(221b, 222, 223b, 224, 225, 226bA 내지 226bC, 227c, 229A 내지 229C 및 230) 및 원들(228A 내지 228C)은 집적 회로 장치(22d)의 기능부들을 나타낸다.
합성부(227c) 및 합성 제어부(221b)는 제3 실시예의 것과 유사하고, 정규화부(226aA, 226aB 및 226aC)는 정규화부(226bA, 226bB 및 226bC)로 치환되어 있다. 이러한 이유로, 정규화부(226bA 내지 226bC)에 초점을 두어 설명한다.
디지털 음향 신호들(DS1, DS2 및 DS3)의 이산값들은 정규화부(226aA, 226aB 및 226aC)에서 고정 비율 값(SD/SA, SD/SB, 및 SD/SC)에 의해 증폭되지만, 비율(SD/SA, SD/SB, 및 SD/SC)은 정규화부(226bA, 226bB 및 226bC)에서 가변가능하다.
상세하게, 도 15는 정규화부(226bA)의 기능부를 도시한다. 다른 정규화부(226bB 및 226bC)는 정규화부(226bA)와 기능부가 동일하다. 정규화부(226bA)의 기능부는 증폭부(2261A), 디지털 음향 신호의 이산값 결정부(2262A) 및 증폭 계수 결정부(2263A)로 나뉜다.
증폭 계수는 다음과 같이 결정된다. 디지털 음향 신호(DS4)의 전류 이산값은 "음압 데이터 취득부(222)"의 부-기능부로부터 "증폭 계수 결정부(2263A)로 중계되고, 디지털 신호(DS1)의 정규화 이산값이 "이산값 판독부(2262A)"의 부-기능부로부터 "증폭 계수 결정부(2263A)"의 부-기능부로 중계된다. 비율(SD/SA)은 "증폭 계수 결정부(2263A)"의 부-기능부를 통해 이득, 즉, 비율(DDS4/DDS1)에 의해 증폭되고, DDS4 및 DDS1은 디지털 음향 신호(DS4)의 전류 이산값 및 디지털 음향 신호(DS1)의 정규화 이산값을 나타낸다. 곱(SD/SA×DDS4/DDS1)이 증폭 계수로서 "증폭 계수 결정부(2263A)"의 부-기능부로부터 "증폭부(2261A)"의 부-기능부로 공급된다. 디지털 음향 신호(DS1)의 이산값은 "증폭부(2261A)"의 부-기능부를 통해 증폭 계수(SD/SA×DDS4/DDS1)에 의해 증폭되고, 곱(DDS1×(SD/SA×DDS4/DDS1))이 "증폭부(2261A)"의 부-기능부로부터 "가산부(228A)"의 부-기능부로 공급된다.
전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예와 유사하게 실리콘 마이크로폰(1d)은 작은 음압 영역에서 고감도의 희생 없이 넓은 음압 범위에서 음파들에 응답한다.
또한, 증폭 계수는 비율(SD/SA)과 비율(DDS4/DDS1) 사이의 증폭을 통해 보정된다. 비율(SD/SA)은 음향 트랜스듀서(11D)와 음향 트랜스듀서(11A) 사이의 감도 차이로 인한 보정 계수이고, 비율(DDS4/DDS1)은 디지털 음향 신호들(DS4 및 DS1)에 의해 표시되는 전류 음압의 차이로 인한 다른 보정 계수이다. 그러므로, 디지털 음향 신호들(DS1, DS2 및 DS3)의 이산값들은 디지털 음향 신호(DS4)의 이산값에 대하여 정확하게 정규화된다.
제5 실시예
도 16A 및 도 16B를 참조하면, 또 다른 실리콘 마이크로폰(1e)은 주로 실리콘 마이크로폰 장치(10b), 집적 회로 장치(20b) 및 패키지(30b)를 포함한다. 실리콘 마이크로폰 장치(10b)는 제1 실시예의 실리콘 마이크로폰 장치(10a)와 유사한 복수의 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)을 가지며, 음파들이 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)에 의해 중간 음향 신호들(S1, S2, S3 및 S4)로 동시에 변환된다. 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)은 실리콘 마이크로폰 장치(10b)로부터 집적 회로 장치(20b)로 공급되고, 집적 회로 장치(20b)에서 소정의 신호 처리를 거친다. 합성 음향 신호가 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)에 기초하여 소정 신호 처리를 통해 생성되어, 실리콘 마이크로폰(1e)으로부터 출력된다.
모든 음향 변환기들(11A 내지 11D)을 위해 패키지(30a)에 단일 사운드 홀(34a)이 형성되어 있지만, 패키지(30b)의 내부 공간은 도 17에 도시된 바와 같이 분리벽(36, 37 및 38)에 의해 복수의 부-공간들로 분리된다. 패키지(30b)는 회로 기판(31) 및 덮개(32b)로 나뉜다. 분리벽(36)은 회로 기판(31)으로부터 위쪽으로 돌출하고, 도 16A에서 일점쇄선(dots-and-dash line)으로 표시된 바와 같이 측방향으로 연장된다. 분리벽(37)은 덮개(32b)의 내부면으로부터 아래쪽으로 돌출하고, 분리벽(36)의 상부면과 접촉하여 유지된다. 그러므로, 패키지(30b)의 내부 공간은 2개의 부-공간으로 분리되고, 실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20b)는 각각 부-공간에 할당된다. 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)는 본딩 와이어(33)를 통해 회로 기판(31) 상의 도전성 패턴(31ec)에 접속되고, 도전성 패턴(31ec)은 다른 본딩 와이어(33)를 통해 집적 회로 장치(20b) 상의 패드들에 더 접속된다.
분리벽(38)은 실리콘 마이크로폰 장치(10) 위로 덮개(32b)의 내측면으로부터 아래쪽으로 돌출하고, 서로 직각으로 교차한다. 분리벽(38)의 하부면은 실리콘 마이크로폰 장치(10)의 상부면과 접촉하여 유지된다. 그 결과, 실리콘 마이크로폰 장치(10)에 할당되는 부-공간이 4개의 구획으로 더 분리된다. 그러므로, 구획들 각각은 분리벽(38)에 의해 다른 구획들로부터 격리된다. 4개의 구획은 각각 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)에 할당된다. 4개의 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 단일 실리콘 기판 상에 집적되지만, 하나보다 많은 실리콘 기판이 실리콘 마이크로폰 장치(10b)에 이용될 수 있다.
사운드 홀들(sound holes)(34bA, 34bB, 34bC 및 34bD)이 덮개(32b)에 형성되어 있고, 4개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)와 각각 분리벽(38)의 중심으로부터 이격되는 방향으로 약간 오프셋되어 있다. 오프셋 구성으로 하는 이유는, 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)에의 음파들의 도착들 사이에 시간 지연이 도입되기 때문이다. 4개의 구획은 각각 4개의 사운드 홀(34bA 내지 34bD)을 통해 공기(atmosphere)에 개방되어 있다. 음파들은 4개의 사운드 홀(34bA 내지 34bD)을 통과하여, 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)에 도달한다. 패키지(30b)의 다른 특징들은 패키지(30a)의 대응하는 특징들과 유사하며, 이하에서는 간략함을 위해 추가로 설명하지 않는다.
집적 회로 장치(20b)는 도 16B에 도시된 바와 같이 아날로그-디지털 변환기들(21) 및 정보 처리 시스템(22E)을 포함한다. 컴퓨터 프로그램이 정보 처리 시스템(22E)의 마이크로프로세서에서 실행되고, "다이나믹 레인지의 확장부(22a)"의 기능부 및 "지향성 부여부(23)"의 다른 기능부를 실현한다. "다이나믹 레인지의 확장부(22a)"의 기능부는 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예, 또는 제4 실시예와 관련하여 설명된 집적 회로 장치의 기능부와 유사하다. "지향성 부여부(23)"의 기능부에 대해서는 이하에서 상세하게 설명된다.
"지향성 부여부(23)"의 기능부는 도 18에 도시된 바와 같이 "정규화부(231)", "지향성 제어부(232)", "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)", 및 "지연 신호 선택 및 합성부(234)"의 부-기능부들로 나뉜다. 기능부(23)는 실리콘 마이크로폰(1e)에 지향성을 부여하여, 합성 음향 신호(S5)의 진폭이 음파원의 방향에 따라 변화된다. 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)의 물리적으로 분리된 구성에 의해, 실리콘 마이크로폰(1e)에 지향성을 부여하는 것이 가능해진다.
지향성의 부여는 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4) 내로 지연들을 도입하는 것에 의해 실현된다. 구체적으로, 마치 음향 트랜스듀서(11A, 11B 및 11C)가 음향 트랜스듀서(11D)의 감도와 동일한 감도를 갖는 것처럼 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS3)은 먼저 디지털 음향 신호(DS4)에 대해 정규화된다. "정규화부(231)"의 부-기능부는 부-기능부(226aA/226aB/226aC 또는 226bA/226bB/226bC)와 유사하고, 이러한 이유로 이하에서는 반복을 피하기 위해 추가로 설명하지 않는다.
지향성 부여부에 참여할 음향 트랜스듀서들은 "지향성 제어부(232)"의 부-기능부를 통해 4개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)로부터 선택되고, 지향성의 방향은 또한 "지향성 제어부(232)"의 부-기능부를 통해 결정된다. 그 후, 선택된 음향 트랜스듀서들 내로 도입될 지연의 양은 "지향성 제어부(232)"의 부-기능부를 통해 지향성의 방향에 기초하여 결정된다.
지연의 양은 "지향성 제어부(232)"의 부-기능부로부터 "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)"의 부-기능부로 중계된다. 정규화된 이산값들은 "정규화부(231)"의 부-기능부로부터 "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)"의 선택된 부-기능부들로 중계되고, 지연의 양은 정규화된 이산값들의 각각의 전파에 도입된다. 그러므로, 디지털 지연 음향 신호들(DS1', DS2', DS3' 및 DS4')은 "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)"의 부-기능부로부터 "지연 신호 선택 및 합성부(234)"의 부-기능부로 중계된다.
"지향성 제어부"의 부-기능부는 선택된 음향 트랜스듀서들의 "지연 신호 선택 및 합성부(234)"의 부-기능부를 형성하기 때문에, "지연 신호 선택 및 합성 부(234)"의 부-기능부를 통해 디지털 지연 음향 신호들(DS1' 내지 DS4') 중 선택된 것들로부터 합성 음향 신호(S5e)가 생성된다. 합성 음향 신호(S5e)에는 빔 스티어링 또는 널 스티어링(null steering)을 통해 지향성이 부여된다. 빔 스티어링은 특정 방향의 음파들을 강조하고, 널 스티어링은 특정 방향의 음파들을 감소시킨다.
구체적으로, 도 19는 음향 트랜스듀서들(11A 및 11B)이 4개의 음향 트랜스듀서(11A 내지 11D)로부터 선택된다는 가정하에 지향성 부여의 개념을 도시한다. 음향 트랜스듀서(11A)의 다이어프램(diaphragm)(15)의 중심은 다른 음향 트랜스듀서(11B)의 다이어프램(15)의 중심으로부터 거리 "d"만큼 이격되어 있다. 음파들은 평면(plane) 상에서 전파되는 것으로 상정하는데, 즉, 간략함을 위해 평면파들이라고 상정한다. 평면파들은 음원으로부터 음향 트랜스듀서들(11A 및 11B)로 방향 DR로 전파된다. 평면파들이 음향 트랜스듀서(11A)의 다이어프램(15)에 도달할 때, 음향 트랜스듀서(11B)의 다이어프램(15)까지의 거리(d sinθ)가 유지되어 있다. 지연 시간은 (d sinθ)/c로서 표현되며, 여기서 c는 음속이다. 그러므로, 음향 트랜스듀서(11B)의 다이어프램(15)의 여기(excitation)는 음향 트랜스듀서(11A)의 다이어프램(15)의 여기로부터 (d sinθ)/c만큼 지연된다.
"지연 도입부(233A)"의 부-기능부에 대해 지연의 양이 (d sinθ)/c로 조정될 때, 음향 트랜스듀서(11A)와 음향 트랜스듀서(11B) 사이의 지연 시간은 캔슬된다. 그 결과, 지연 (d sinθ)/c의 도입은, 디지털 지연 음향 신호들(DS1' 및 DS2')이 마치 평면파들이 음향 트랜스듀서들(11A 및 11B) 둘다에 동시에 도달하는 것처럼 방향 DR로 전파된 평면파들을 표현하게 한다. 물론, 지연 (d sinθ)/c의 도입은 방향 DR의 평면파들에만 적절하다. 방향 DR과 상이한 방향으로의 평면파들의 전파에 지연 시간이 남아 있거나, 또는 θ가 약 90도일 때 다른 방향들로 전파된 평면파들에 대해 지연 시간이 증가된다.
부-기능부인 "지연 신호 선택 및 합성부"는 부-기능부인 "가산부" 및/또는 "감산부"와 동일하다. 합성 음향 신호(S5e)에 빔 스티어링을 통해 방향 DR로 지향성이 부여될 때, 디지털 지연 음향 신호(DS2')가 디지털 지연 음향 신호(DS1')에 가산된다. 그 결과, 합성 음향 신호(S5e)의 이산값이 디지털 음향 신호(DS1)의 이산값의 2배이다. 한편, 방향 DR과 상이한 방향들로부터 전파된 음파들을 표현하는 합성 음향 신호(S5e)의 이산값은, 지연 시간 (d sinθ)/c과 상이한 실제 지연 시간으로 인해 방향 DR으로 전파된 음파들을 표현하는 합성 음향 신호(S5e)의 이산값보다 작다. 그러므로, 방향 DR로 전파된 음파들은 빔 스티어링을 통해 강조된다.
한편, 합성 음향 신호(S5e)에 널 스티어링을 통해 지향성이 부여될 때, 부-기능부인 "감산부"가 지향성 부여를 위해 이용된다. 디지털 지연 음향 신호(DS2')의 이산값은 디지털 지연 음향 신호(DS1')의 이산값으로부터 감산되어, 합성 음향 신호(S5e)의 이산값이 0으로 최소화된다. 한편, 합성 음향 신호(S5e)의 이산값은 남아있는 지연 시간으로 인해 0보다 크다. 극단적인 경우에, 합성 음향 신호(S5e)의 이산값은 디지털 지연 음향 신호(DS1')의 이산값보다 크다. 그러므로, 방향 DR의 음파들은 널 스티어링을 통해 강조된다.
예를 들어, 음향 트랜스듀서들(11C 및 11D)과 같은 음향 트랜스듀서들의 다른 세트가 부-기능부인 "지향성 제어부(232)"를 통해 4개의 음향 트랜스듀서로부터 선택될 수 있다.
전술한 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 실리콘 마이크로폰은 제1 내지 제4 실시예들과 유사하게 작은 음압 영역에서 고감도의 희생 없이 넓은 음압 범위에서 음파들에 응답하는 것을 가능하게 한다.
또한, 음향 변환기들(11A 내지 11D)은 서로 물리적으로 분리된 구획들에 수용되며, 구획들은 각각 개별 사운드 홀(34bA, 34bB, 34bC 및 34bD)을 통해 공기에 개방되어 있다. 이러한 이유로, 음파들은 상이한 시간에 다이어프램(15)의 여기를 발생시키며, 부-기능부인 "지향성 도입부"는 특정 방향으로부터 전파된 음파들을 강조하는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 실리콘 마이크로폰(1e)은 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)로부터 지향성이 있는 합성 음향 신호(S5e)를 생성한다.
또한, 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)은 실리콘 마이크로폰을 소형으로 만든다. 종래 기술의 거대한 지향성 마이크로폰을 본 발명의 소형의 지향성 마이크로폰으로 대체할 것으로 기대된다.
음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)은 서로 감도가 상이하지만, 서로 감도가 거의 동일한 복수의 음향 트랜스듀서로부터 반도체 지향성 마이크로폰을 형성하는 것이 가능하다.
제6 실시예
도 20을 참조하면, 본 발명을 포함하는 또 다른 실리콘 마이크로폰(1f)은 주로 실리콘 마이크로폰 장치(10F), 집적 회로 장치(20f) 및 패키지(도시되지 않음)를 포함한다. 실리콘 마이크로폰 장치(10F)는 복수의 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)을 포함하며, 이것은 실리콘 마이크로폰 장치(10)의 것과 구조가 유사하다. 이러한 이유로, 간략함을 위해 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D)에 대해 상세하게 설명하지 않는다.
집적 회로 장치(20f)는 아날로그-디지털 변환기들(도시되지 않음) 및 정보 처리 시스템(22f)을 포함한다. 정보 처리 시스템(22f)은 이퀄라이저들(250a, 250b, 250c 및 250d)을 제외하고 정보 처리 시스템(22a)과 시스템 구성이 유사하다. 이러한 이유로, 반복을 피하기 위해 이퀄라이저들(250a 내지 250d)에 초점을 맞춰 설명한다.
일반적으로, 감도가 낮은 음향 트랜스듀서는 소리가 큰 음(loud sound)으로부터 전기 신호로의 변환에 적합하고, 고주파음 성분들보다는 저주파음 성분들에 대해 양호한 소리-신호(sound-to-signal) 변환 특성들을 나타낸다. 한편, 소리가 소형 라우드니스(loudness)로 생성될 때, 감도가 높은 음향 트랜스듀서가 그 소리에 잘 응답하고, 저주파음 성분들보다는 고주파음 성분들에 대해 양호한 감도를 나타낸다. 이러한 현상은 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C 및 11D) 사이에서 관측된다.
실리콘 마이크로폰(1a)과 관련하여 설명된 바와 같이, 합성 음향 신호(S5)는 소리의 라우드니스에 따라 중간 음향 신호들(S1 내지 S4) 중 선택된 하나 또는 둘로부터 생성된다. 희미한 음이 실리콘 마이크로폰(1a)에 도달할 때, 정보 처리 시스템(22a)은 음향 트랜스듀서(11A 또는 11B)를 선택한다. 선택된 음향 트랜스듀서(11A 또는 11B)는 희미한 음의 고주파 성분들을 강조하는 경향이 있다. 한편, 큰 소리가 실리콘 마이크로폰(1a)에 입력될 때, 정보 처리 시스템(22a)은 음향 트랜스듀서(11D 또는 11C)를 선택한다. 선택된 음향 트랜스듀서(11D 또는 11C)는 큰 소리가 저주파 성분들을 강조하는 경향이 있다. 합성 음향 신호(S5)가 음으로 변환될 때, 사용자들은 재생된 소리를 원음과 약간 상이하게 느낀다.
재생된 소리의 품질을 개선하기 위해, 이퀄라이저들(250a 내지 250c)은 정규화부들(226aA 내지 226aC)과 합성부(227a) 사이에 접속되며, 이퀄라이저(250d)는 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)와 합성부(227a) 사이에 접속된다. 이퀄라이저들(250a 내지 250d) 각각은 중간 음향 신호(DS1, DS2, DS3 또는 DS4)의 복수의 주파수 대역에 응답하며, 중간 음향 신호의 신호 성분들은 상이한 이득값들로 증폭된다. 상이한 이득값들은 디폴트 값들로서 예를 들어 이동 전화기와 같은 응용 제품들에 기억된다. 사용자들은 응용 제품들의 인간-기계 인터페이스를 통해 이득을 디폴트 값들로부터 그 자신의 값들로 변경할 수 있다.
이 경우, 이퀄라이저(250a)는 고주파수 대역 성분들에 대한 이득값보다도 100Hz 내지 500Hz 등의 저주파수 대역 성분들에 대해 더 큰 이득값을 가지며, 이퀄라이저(250d)는 저주파수 대역 성분들에 대한 이득값보다도 음성의 1.5kHz 내지 2kHz와 악기음의 2kHz 내지 10kHz와 같은 고주파수 대역 성분들에 대해 더 큰 이득값을 가진다. 그러므로, 이퀄라이저들(250a 내지 250d)은 음향 트랜스듀서들(250a 내지 250d)의 소리-신호 변환 특성들로 인한 왜곡을 보상한다.
이퀄라이저들(250a 내지 250d)의 다른 기능은, 주파수 대역 성분들의 조정을 통해 합성부(227a)에서 등화된 또는 균형을 맞춘 오디오 트랜스듀서들(11A 내지 11D)로부터 복수의 주파수 대역 성분들이 출력되게 하는 것이다. 조정시에, 음압의 특정 값이 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)에 공통인 "기준"으로서 역할을 한다. 음성의 소정 주파수 대역에서의 음압의 평균값이 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)에 대한 기준으로서 역할을 할 수도 있다. 음성을 위한 소정 주파수 대역은 500Hz 내지 10kHz일 수 있다. 그렇지 않으면, 1kHz에서의 음압의 값이 기준으로서 역할을 할 수도 있다.
조정 후에, 중간 음향 신호들(DS1 내지 DS4)은 이퀄라이저들(250a 내지 250d)로부터 합성부(227a)로 공급되고, 합성부(227a)는 조정된 중간 음향 신호들(DS1 내지 DS4)로부터 합성 음향 신호(S5)를 생성한다. 주파수 대역 성분들의 조정은 바람직한데, 그 이유는, 합성부(227a)는 중간 음향 신호들(DS1 내지 DS4) 중 하나로부터 다른 중간 음향 신호로의 변화에서 합성 음향 신호(S5)를 안정되게 유지하기 때문이다. 그러므로, 사용자들은 중간 음향 신호들(DS1 내지 DS4) 사이에서 주파수 대역 성분들을 조정하는 덕분에 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)의 변화에서도 재생된 음을 자연스럽게 느낀다.
본 발명의 특정 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다.
실리콘 마이크로폰 장치(10) 및 집적 회로 장치(20a)는 다층 기판 상에 장착될 수 있다. 이 경우, 도전성 패드들은 다층 기판의 다층 상호접속부에 접속된다. 다층 기판의 도전층 및 덮개가 실드(shield) 구조로서 역할을 한다.
전술한 실시예에서 다이어프램(15)의 면적은 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C, 11D)의 순서로 좁아져서, 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)의 감도(SA 내지 SD)를 상이하게 한다. 그러나, 진동의 진폭에 영향을 미치는 다른 설계 인자들이 감도(SA 내지 SD)를 상이하게 한다. 이러한 이유로, 다이어프램(15)은 휨 강성률(flexural rigidity), 즉, 기하학적 관성 모멘트 및/또는 재료가 상이할 수 있다. 다이어프램(15)이 두꺼울수록, 감도는 낮아진다. 다이어프램의 응력이 클수록, 감도는 낮아진다.
집적 회로 장치(22b)는 컴퓨터 프로그램을 통해 합성을 실현하지만, 마이크로컴퓨터 및 컴퓨터 프로그램은 와이어드-로직 회로(wired-logic circuit)로 대체될 수 있다. 예를 들어, 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)은 주파수 승산기로부터의 타이밍 제어 신호에 의해 서로 동기화된 가산부들에 공급될 수 있다. 정보 처리 시스템으로 DSP(Digital Signal Processor)가 이용가능하다.
정규화부(226aA 내지 226aC)는 기능부(227b) 전에 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)에 대해 실행될 수 있다. 이 경우, 정규화부는 합성 음향 신호(S5a)의 충실도를 개선할 수 있게 한다.
합 및 제곱값들의 합의 제곱근은 본 발명의 기술 범위로의 임의의 제한을 설정하지 않는다. 집적 회로가 제곱값들의 합의 제곱근을 계산하는 경우, 중간 음향 신호들(S1 내지 S4)의 극성은 제곱값들로부터 제거된다. 합성 음향 신호(PL15b)에 극성 데이터를 유지하기 위해서, 집적 회로 장치는 다음의 단계들을 통해 합성 음향 신호를 결정할 수 있다.
1. 작업중인 메모리의 메모리 위치들에서 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4)의 이산값들에 가산된 포지티브 부호 또는 네거티브 부호를 표시하는 극성 데이터를 유지한다.
2. 포지티브 이산값들 및/또는 네거티브 이산값들을 제곱한다.
3. 제곱값들에 극성 데이터를 가산한다.
4. 포지티브 제곱값들 및/또는 네거티브 제곱값들을 서로 가산한다.
5. 작업중인 메모리의 메모리 위치에 제곱값들의 합의 극성 데이터를 유지한다.
6. 그 합의 절대값의 제곱근을 구한다.
7. 제곱근에 극성 데이터를 가산한다.
실리콘은 본 발명의 기술 범위에의 임의의 제한을 설정하지 않는다. "실리콘"이라는 용어는 반도체 재료의 전형적인 예이다. 다른 종류의 반도체 마이크로폰 장치는 본 발명의 반도체 마이크로폰의 일부를 형성할 수 있다.
일본 공개 특허 출원 번호 제2001-169395호에 개시되어 있는 비소화 갈륨 기판들 상의 광 음파들-전기 신호 변환기들(optical sound waves-to-electric signal converters)은 집적 회로 장치(20a 또는 20b)와 함께 반도체 마이크로폰을 형성할 수 있다. 광 음파들-전기 신호 변환기들은 대역폭의 확장을 위해 사용되지만, 상이한 감도값의 진동판들을 재설계하는 것이 가능하다. 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D)은 재설계된 진동판들을 갖는 광 음파들-전기 신호 변환기들로 대체된다.
2개의 음향 트랜스듀서, 3개의 음향 트랜스듀서 또는 4개보다 많은 음향 트 랜스듀서가 집적 회로 장치에 병렬로 접속될 수 있다.
실리콘 마이크로폰 장치들(10 및 10A/10C)은 집적 회로 장치(20a/20b)를 위한 패키지와 상이한 패키지에 수용될 수 있다.
"크로스 페이딩부"의 부-기능부는 본 발명의 필요 불가결한 특징이 아니다. 디지털 음향 신호의 이산값들은 크로스 페이딩 없이 합성 음향 신호에 간단하게 형성될 수 있다. 임계값들(THA, THB, 및 THC)의 부근에 보간법이 이용될 수 있다.
2개 이상의 음향 트랜스듀서들(11A 내지 11D) 사이에 단일 이퀄라이저가 공유될 수 있다. 이 경우, 단일 이퀄라이저에는 선택기가 수반되며, 음향 트랜스듀서 선택부(223a)로부터 선택기로 제어 신호가 공급된다. 음향 트랜스듀서 선택부(223a)가 선택기를 중간 음향 신호들 중 하나로부터 다른 하나로 스티어링할 때, 단일 이퀄라이저는 새롭게 선택된 중간 음향 신호에 대한 조정의 보상을 실행한다. 단일 이퀄라이저는 시스템 구성이 간단하게 되게 하고, 제조자가 제조 비용을 절감할 수 있게 한다.
전술한 실시예들에서 설명된 컴포넌트 부분들 및 역할들은 다음의 청구항들과 서로 관련되어 있다.
패키지들(30a; 30Aa; 30b)은 "하우징(housing)"으로서 역할을 한다. 실리콘 마이크로폰들(1a, 1Aa, 1b, 1c, 1d 및 1e)은 "반도체 마이크로폰"으로서 역할을 하며, 집적 회로 장치들(20a, 20Aa 및 20b) 및 상기 집적 회로 장치들(20a 및 20b)의 마이크로프로세서들에서 실행되는 컴퓨터 프로그램들은 총괄적으로 "단일 프로세서"를 구성한다. 중간 신호들(S1, S2, S3 및 S4) 및 디지털 중간 음향 신호 들(DS1, DS2, DS3 및 DS4)은 "중간 음향 신호들"로서 역할을 하며, 합성 음향 신호들(S5, S5a, S5b 및 S5e)은 "합성 음향 신호"에 대응하고 있다. "음향 트랜스듀서 선택부(223a/223b)"의 부-기능부를 통해 선택되는 디지털 음향 신호들(DS1 내지 DS4) 중 하나 또는 둘은 "최적 음향 신호들"이다. "상기 음파들의 음압의 전류값"은 "음압 데이터 취득부(222)"의 부-기능부를 통해 취득된다.
정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "음압 데이터 취득부(222)", "음향 트랜스듀서 선택부(223a/223b)", "포화 음압 데이터 취득부(224)" 및 "크로스 페이딩 계수 결정부(225)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총괄적으로 "합성 제어기"를 구성하며, 정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "정규화부(226aA/226aB/226aC 또는 226bA/226bB/226bC)" 및 "합성부/크로스 페이딩부(227a/227b/230)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 다른 일부분은 총괄적으로 "합성기(composer)"를 구성한다.
정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "음압 데이터 취득부(222)", "음향 트랜스듀서 선택부(223a/223b)" 및 "포화 음압 데이터 취득부(224)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총괄적으로 "선택기"를 구성하며, 정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "크로스 페이딩 계수 결정부(225)"의 부-기능부를 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총괄적으로 "결정기(determiner)"를 구성한다. 크로스 페이딩 계수들은 "파라미터들"이다.
정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "정규화부(226aA/226aB/226aC 또는 226bA/226bB/226bC)"의 부-기능부를 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총 괄적으로 "정규화 유닛"을 구성하며, 정보 처리 시스템(22a/22b/22c/22d/22E), 및 "합성부/크로스 페이딩부(227a/227b/230)"의 부-기능부를 실현하는 컴퓨터 프로그램의 다른 일부분은 총괄적으로 "병합 유닛"을 구성한다.
정보 처리 시스템(22E), 및 "지향성 제어부(232)", "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)" 및 "지연 신호 선택 및 합성부(234)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총괄적으로 "부여기(endower)"를 구성한다. 정보 처리 시스템(22E), 및 "지향성 제어부(232)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 일부분은 총괄적으로 "지향성 제어 유닛"을 구성하며, 정보 처리 시스템(22E), 및 "지연 도입부(233A, 233B, 233C 및 233D)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 다른 일부분은 총괄적으로 "지연 유닛"을 구성한다. 정보 처리 시스템(22E), 및 "지연 신호 선택 및 합성부(234)"의 부-기능부들을 실현하는 컴퓨터 프로그램의 또 다른 일부분은 총괄적으로 "강조 유닛"을 구성한다. 방향 "DR"은 "특정 방향"에 대응하고 있다.
고정판(16)은 "고정 전극"으로서 역할을 하고, 다이어프램(15)은 "진동 전극"으로서 역할을 한다.
도 1a는 본 발명의 실리콘 마이크로폰의 컴포넌트들의 구성을 도시하는 평면도.
도 1b는 실리콘 마이크로폰의 시스템 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 도 1a의 III-III선을 취한 단면도로서, 실리콘 마이크로폰의 구조를 도시하는 도면.
도 3은 실리콘 마이크로폰에 포함된 음향 트랜스듀서들의 구조를 도시하는 단면도.
도 4는 음향 트랜스듀서의 다이어프램을 도시하는 평면도.
도 5a 내지 도 5c는 실리콘 마이크로폰 장치를 제조하는 공정을 도시하는 단면도.
도 6은 다른 실리콘 마이크로폰에 포함된 음향 트랜스듀서의 구조를 도시하는 단면도.
도 7은 실리콘 마이크로폰에 포함된 정보 처리 시스템의 기능을 도시하는 블록도
도 8은 음향 신호와 음압 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도 9는 시간의 관점에서의 크로스 페이딩 계수들을 도시하는 그래프.
도 10a 내지 도 10c는 컴퓨터 프로그램의 실행을 통해 실현되는 작업 시퀀스를 도시하는 흐름도.
도 11은 본 발명의 다른 실리콘 마이크로폰의 기능으로 도시하는 블록도.
도 12는 실리콘 마이크로폰의 중간 음향 신호 및 중간 음향 신호로부터 생성되는 합성 음향 신호를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 또 다른 실리콘 마이크로폰의 기능을 도시하는 블록도.
도 14는 본 발명의 또 다른 실리콘 마이크로폰의 기능을 도시하는 블록도.
도 15는 실리콘 마이크로폰에서의 정규화 기능을 도시하는 블록도.
도 16a는 본 발명의 또 다른 실리콘 마이크로폰의 구성을 도시하는 평면도.
도 16b는 실리콘 마이크로폰의 집적 회로 장치의 시스템 구성을 도시하는 블록도.
도 17은 도 16a의 V-V선을 취한 단면도로서, 실리콘 마이크로폰의 구성을 도시하는 도면.
도 18은 실리콘 마이크로폰의 집적 회로 장치의 기능을 도시하는 블록도.
도 19는 지향성 부여 개념을 도시하는 도면.
도 20은 본 발명의 또 다른 실리콘 마이크로폰에 포함된 정보 처리 시스템의 기능을 도시하는 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
222: 음압 데이터 취득부
223a: 음향 트랜스듀서 선택부
225: 크로스 페이딩 계수 결정부
224: 포화 음압 데이터 취득부
227a: 합성부

Claims (16)

  1. 신호 처리기(20a; 20Aa; 20b)에 접속되어 음파를 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)로 변환하기 위한 반도체 마이크로폰(1a; 1Aa; 1b; 1c; 1d; 1e; 1f)으로서,
    상기 신호 처리기(20a; 20Aa, 20b; 20f)는 상기 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)에 대해 신호 처리를 수행하여 합성 음향 신호(S5; S5a; S5b; S5e)를 생성하고, 상기 반도체 마이크로폰(1a; 1Aa; 1b; 1c; 1d; 1e)은 상기 음파를 상기 중간 음향 신호들(S5; S5a; S5b; S5e)로 변환하기 위한 음향 트랜스듀서 유닛(10; 10A/ 10C)을 포함하며,
    상기 반도체 마이크로폰은, 내부 공간을 갖고, 상기 음파를 상기 내부 공간에 들어가게 하는 사운드 홀(34a; 34Aa; 34bA, 34bB, 34bC, 34bD)로 형성되는 하우징(30a; 30Aa; 30b)을 더 포함하고,
    상기 음향 트랜스듀서 유닛(10; 10A/ 10C)은, 상기 내부 공간 내에 수용되고, 감도값이 각각 서로 다르고 상기 음파의 포화 음압 값이 각각 서로 다르고, 상기 음파를 상기 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)로 각각 변환하며, 상기 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)를 상기 신호 처리기(20a;, 20Aa; 20b)에 제공하는 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D; 11A', 11C')를 포함하는 반도체 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리기(20a;, 20Aa; 20b)는 상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D; 11A', 11C')와 함께 상기 내부 공간에 수용되는 반도체 마이크로폰.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리기(20a;, 20Aa; 20b)는,
    상기 음파의 음압의 전류값에 기초하여 상기 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)로부터 적어도 하나의 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)를 선택하고 상기 음압의 상기 전류값에 의존하는 상기 적어도 하나의 최적 음향 신호(DS1, DS2, DS3, DS4)를 변경하는 합성 제어기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 222, 223a/ 223b, 224, 225); 및
    상기 합성 제어기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 222, 223a/ 223b, 224, 225)에 접속되어 상기 적어도 하나의 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)로부터 상기 합성 음향 신호(S5; S5a; S5b; S5e)를 생성하는 합성기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 226aA, 226aB, 226aC/ 226bA, 226bB, 226bC)
    를 포함하는 반도체 마이크로폰.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 합성 제어기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 222, 223a/ 223b, 224, 225)는,
    상기 포화 음압 값들(THA(PA), THB(PB), THC(PC))의 근방을 제외한 음압 범위에서 상기 적어도 하나의 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)로서 상기 복수의 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4) 중 하나를 선택하고, 상기 포화 음압 값들(THA(PA), THB(PB), THC(PC))의 상기 근방에서 상기 적어도 하나의 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)로서 하나보다 많은 중간 음향 신호(S1, S2, S3, S4, DS1, DS2, DS3, DS4)를 선택하는 선택기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 222, 223a/223b, 224); 및
    상기 선택기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 222, 223a/223b, 224)에 접속되어 상기 하나보다 많은 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)를 상기 합성 음향 신호(S5; S5a; S5b; S5e)로 병합하기 위한 상기 합성기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/22f, 226aA, 226aB, 226aC/ 226bA, 226bB, 226bC) 파라미터들을 공급하는 결정부(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 225)
    를 포함하는 반도체 마이크로폰.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 음압의 상기 전류값이 상기 포화 음압 값(THA(PA), THB(PB), THC(PC))의 상기 근방에서 발견되는 동안 상기 파라미터들은 상기 합성기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/22f, 226aA, 226aB, 226aC/ 226bA, 226bB, 226bC)가 페이딩 기술을 통해 상기 하나보다 많은 최적 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)를 상기 합성 음향 신 호(S5; S5a; S5b;S5e)로 병합하게 하는 반도체 마이크로폰.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 합성기(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 226aA, 226aB, 226aC/ 226bA, 226bB, 226bC)는,
    상기 감도값에 기초하여 참조 신호로서 작용하는 상기 복수의 중간 음향 신호 중 하나(DS4)에 대하여 상기 중간 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)를 정규화하는 정규화 유닛(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 226aA/ 226aB/ 226aC; 226bA/ 226bB/ 226bC); 및
    상기 포화 음압 값들(THA(PA), THB(PB), THC(PC))의 근방을 제외한 음압 범위에서 상기 정규화된 중간 음향 신호들 중 하나로부터 상기 합성 음향 신호(S5; S5a; S5b; S5e)를 생성하고, 상기 포화 음압 값들(THA(PA), THB(PB), THC(PC))의 상기 근방에서 하나보다 많은 정규화된 중간 음향 신호를 생성하는 병합 유닛(22a/ 22b/ 22c/ 22d/ 22E/ 22f, 227a/ 227b/ 230)
    을 포함하는 반도체 마이크로폰.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 병합 유닛(22b/ 22c, 227b/ 227c)은 상기 정규화된 중간 음향 신호들(DS1/ DS2/ DS3)의 값들을 상기 참조 신호값(DS4)에 더하여 합을 결정하고, 상기 중간 음향 신호들(DS1/ DS2/ DS3/ DS4)의 수로 상기 합을 나누어 상기 합성 음향 신호(S5a, S5b)의 전류값을 결정하는 반도체 마이크로폰.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 정규화 유닛(22d, 226bA/ 226bB/ 226bC)은 상기 참조 신호(DS4)의 값과 상기 참조 신호(DS4)를 제외한 정규화된 중간 음향 신호(DS1/ DS2/ DS3) 값들에 기초하여 정규화를 더 수행하는 반도체 마이크로폰.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 합성 음향 신호(S5e)에 지향성을 부여하는 부여기(22E, 232, 233A/ 233B/ 233C/ 233D, 234)를 더 포함하는 반도체 마이크로폰.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부여기는,
    특정 방향(DR)으로부터 전파된 음파에 대한 상기 지향성의 부여에 참여하고, 참조 트랜스듀서로서 기능하는 상기 복수의 음향 트랜스듀서 중 하나를 제외한 하나보다 많은 상기 복수의 음향 트랜스듀서들(11A, 11B, 11C, 11D)에 상기 음파가 도착할 때까지 과도하게 소비된 지연 시간의 양을 계산하는 하나보다 많은 상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D)를 결정하는 지향성 제어 유닛(22E, 232);
    상기 지향성 제어 유닛(22E, 232)에 접속되고 상기 지연 시간의 양을 상기 중간 음향 신호들(DS1, DS2, DS3, DS4)의 전파에 도입함으로써 상기 음파가 상기 하나보다 많은 상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D)에 동시에 도착하게 하는 지연 유닛(22E, 233A/ 233B/ 233C/ 233D); 및
    상기 지향성 제어 유닛(22E, 232)과 상기 지연 유닛(22E, 233A/ 233B/ 233C/ 233D)에 접속되고 상기 특정 방향(DR)으로 전파하는 음파를 강조하기 위해 상기 지연된 중간 음향 신호들에 대해 계산을 수행하는 강조 유닛(22E, 234)
    을 포함하는 반도체 마이크로폰.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D; 11A', 11C')는 고정 전극(16) 및 상기 고정 전극(16)과 이격되어 있는 진동 전극(15)을 갖는 유형이고, 상기 고정 전극(16)과 상기 진동 전극(15) 사이의 커패시턴스의 변화를 통해 상기 음파가 상기 중간 음향 신호들(S1, S2, S3, S4)로 변환되게 하는 반도체 마이크로폰.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D)는 단일 반도체칩(10) 상에 제조되는 반도체 마이크로폰.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단일 반도체 칩(10)은 상기 신호 처리기(22a, S1 내지 S37)가 제조되는 또 다른 반도체칩과 함께 패키징되는 반도체 마이크로폰.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D; 11A', 11C')의 진동 전극들(15)은 상기 감도 값들이 서로 상이해지도록 서로 치수가 상이한 반도체 마이크로폰.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 음향 트랜스듀서의 특성들을 변환하는 소리 대 신호의 왜곡을 보상하기 위해 상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D)와 연결되어 제공되는 적어도 하나의 이퀄라이저(250a, 250b, 250c, 250d)를 더 포함하는 반도체 마이크로폰.
  16. 음파를 합성 음향 신호로 변환하는 반도체 마이크로폰(1e)으로서,
    내부 공간을 갖는 하우징(30b);
    상기 내부 공간에 제공되고, 상기 음파를 복수의 중간 음향 신호로 변환하는 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D); 및
    상기 복수의 음향 트랜스듀서(11A, 11B, 11C, 11D)에 접속되어 합성 음향 신호를 생성하는 신호 처리기(20b)
    를 포함하고,
    상기 내부 공간에 제공되어 상기 하우징(30b) 내에 형성된 복수의 사운드 홀(34bA, 34bB, 34bC, 34bD)을 통해 상기 하우징(30b) 외부에 선택적으로 개방되는 복수의 구획으로 상기 내부 공간을 분할하는 분리벽 구조(36, 37, 38)를 더 포함하고,
    상기 신호 처리기는 상기 복수의 중간 음향 신호 중 선택된 신호들에 지연을 도입하여 지연된 음향 신호들을 생성하고 상기 지연된 음향 신호들로부터 상기 합성 음향 신호를 형성함으로써 상기 반도체 마이크로폰에 지향성을 제공하는 부여기(23)를 갖는 반도체 마이크로폰.
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