KR20080098624A - 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 - Google Patents

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KR20080098624A
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로날드 엔. 마일스
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Abstract

종래의 실리콘, 미세가공된 마이크로폰에서 이전에 요구되던 배면 홀을 교체하는 마이크로폰 다이아프램 부근에 시야계 슬릿을 갖는 차동 마이크로폰이 형성된다. 차동 마이크로폰은 단지 실리콘 웨이퍼의 단일의 정면에만 적용되는 실리콘 제조 기술을 이용하여 형성된다. 종래 기술의 마이크로폰의 배면 홀들은 통상적으로 제조 동안 실리콘 웨이퍼의 후면에서 제 2차 가공 작업이 수행될 것을 요구했다. 이러한 제 2 차 작업은 제조되는 미세가공된 마이크로폰에 대한 복잡성 및 비용을 가중시킨다. 용량성 장치의 일부를 형성하는 콤브 핑거들은 차동 마이크로폰 다이아프램의 일부로 제조될 수 있다.

Description

표면 미세가공된 차동 마이크로폰{SURFACE MICROMACHINED DIFFERENTIAL MICROPHONE}
본 발명은 미국립보건원(National Institutes of Health)으로부터 하기의 증서에 의해 부분적으로 지지된다:
Figure 112008061117323-PCT00001
. 정부는 본 발명에 대한 소정 권리를 가질 수 있다.
본 출원은 2004년 9월 7일자로 발행된 "차동 마이크로폰"에 대한 미국 특허 No.6,788,796호; 및 2003년 10월 20일자로 출원된 "음향 장치를 위한 강력한 다이아프램"에 대한 공동계류중인 미국 특허 출원 No. 10/689,189호 및 2005년 8월 5일자로 출원된 "콤브(comb) 감지 마이크로폰"에 대한 미국 특허 출원 No. 11/198,370호와 관련되며, 상기 모든 문헌은 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 차동 마이크로폰(differential microphone)에 관한 것으로, 특히 표면 미세가공 기술들을 이용하여 제조될 수 있는 배면(backside) 공기압 완화 오리피스가 없는 미세가공된 차동 마이크로폰에 관한 것이다.
종래 기술의 전형적인 기계가공된 마이크로폰에서는 통상적으로 후방 볼륨 공기(back volume air)가 다이아프램(diaphragm)의 모션을 방해하는 것을 방지하기 위해 마이크로폰 다이아프램 뒤에서 공기의 상당한 볼륨을 유지하는 것이 요구된 다. 다이아프램 뒤의 공기는 공기의 공칭 볼륨과 강도가 반비례하는 선형 스프링으로서 작용한다. 가능한 크게 이러한 공기 볼륨을 만들어, 유효 강도를 감소시키기 위해, 일반적으로 실리콘 칩의 배면으로부터 쓰루-홀(through-hole)이 절단된다. 이러한 배면 홀의 요구조건은 해당 기술의 미세가공된 마이크로폰들에 대해 상당한 복잡성 및 비용을 가중시킨다. 본 발명은 배면 홀을 요구하지 않는 마이크로폰을 생성할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 마이크로폰은 단지 표면 미세가공 기술들만을 이용하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따라, 마이크로폰 다이아프램 부근에 형성된 시야계(perimeter) 슬릿을 가지는 차동 마이크로폰이 제공된다. 소리에 응답하는 다이아프램의 모션은 다이아프램 뒤의 공간에서 공기의 순수 압축(net compression)을 야기시키지 않기 때문에, 매우 작은 후방 캐비티의 사용이 가능해져, 배면 홀을 생성할 필요가 없게 된다. 종래 기술의 마이크로폰의 배면 홀은 통상적으로 제조 동안 실리콘 칩 상에서 제 2차 가공 작업이 수행될 것을 요구한다. 이러한 제 2 차 작업은 복잡성 및 비용을 부가시켜, 제조되는 마이크로폰의 수율을 낮추게 된다. 결과적으로, 본 발명의 마이크로폰은 실리콘 칩의 한쪽면 만의 표면 가공을 요구한다.
본 발명의 완벽한 이해는 하기 상세한 설명을 참조할 때 첨부되는 도면들을 참조로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 미세가공된 마이크로폰 다이아프램의 상부도;
도 2는 본 발명의 차동 마이크로폰의 측단면 개략도;
도 3 및 도 4는 각각, 모션의 표시가 없는 그리고 모션의 표시가 있는 일련의 다이아프램으로서 도 2의 차동 마이크로폰의 개략적 대표도들;
도 5는 도 1의 다이아프램 상의 입사 소리파의 배향을 나타내는 다이어그램;
도 6a-6d는 본 발명의 표면 미세가공된 마이크로폰을 본 발명의 제조 단계들로 개략적으로 나타내는 도면;
도 7은 도 6d의 희생층의 일부를 제거함으로써 형성된 차동 마이크로폰의 측단면 개략도;
도 8은 도 2의 마이크로폰의 선택적 실시예의 측단면 개략도.
본 발명은 실리콘 칩의 단일 표면을 표면 미세가공함으로써 형성된 미세가공된 차동 마이크로폰에 관한 것이다.
전형적인 마이크로폰 다이아프램의 모션은 다이아프램의 뒤쪽 영역(즉, 후방 볼륨)에서 공기의 알짜 볼륨의 변동(fluctuation)을 야기시킨다. 본 발명은 음압(acoustic pressure)으로 인해 진동되도록 설계된 마이크로폰 다이아프램을 제공하여, 후방 볼륨 공기가 크게 압축되지 않는다.
다이아프램 뒤쪽의 후방 볼륨에서의 공기 및 시야계 부근의 슬릿의 작용을 포함하는 마이크로폰 다이아프램의 음향 응답을 위한 분석학 모델이 전개된다. 다이아프램이 중심 피봇 부근에서 진동하도록(rock) 설계되면, 후방 볼륨 및 슬릿은 소리-유도 응답에 대한 효과는 무시할 수 있다.
먼저 각각, 다이아프램의 시야계 주변에 슬릿을 포함하는 미세가공된 마이크로폰 다이아프램의 상부도 및 전반적으로 참조번호 100으로 표시되는 본 발명에 따른 차동 마이크로폰의 측단면 개략도를 나타내는 도 1 및 도 2를 참조한다. 강성의 다이아프램(102)은 다이아프램(102)이 그 부근을 "진동(rock)"(즉, 상호적으로 회전)할 수 있는 피봇 포인트(106)를 형성하는 힌지들(104)에 의해 지지된다. 공기의 후방 볼륨(108)은 칩 기판(112)에 형성된 캐비티(110)에 형성된다. 슬릿(114)은 다이아프램(102)의 시야계(103)와 칩 기판(112) 사이에 형성된다.
다이아프램(102)은 중심 피봇 포인트(106)에 의해 분리되는 상부 표면 부분들(116, 118) 상에 입사하는 음압(acoustic pressure)의 차로 인해 야기되는 알짜 모멘트(net moment)로 인해 피봇 포인트(106) 부근에서 회전한다.
다이아프램(102) 부근의 슬릿(114) 및 후방 볼륨(108)의 작용들을 보다 쉽게 시험하기 위해, 몇 가지 가정들이 구성된다. 피봇 포인트(10)가 중심적으로 위치되며 다이아프램(102)이 진동, 또는 다이아프램(102)의 위상차(out-of-phase) 모션이 다이아프램의 외부 표면의 2개 부분(116, 118) 상의 압력차를 야기시킨다고 가정된다. 통상적으로 다이아프램(102)은 2개 부분(116, 118) 상의 압력 차에 반응하도록 설계되기 때문에, 마이크로폰(100)은 차동 마이크로폰으로서 간주된다. 그러나, 압력 차에 의해 유도되는 모션 이외에, 다이아프램(102)은 그의 외부 표면 상에서의 평균 압력으로 인해 편향될 것이다. 이러한 압력은 피봇 포인트(106)에 의해 분리되는 다이아프램(102)의 2개 부분(116,118)이 동위상(in-phase) 응답하는 모션을 다이아프램(102)이 하게끔 한다.
각각의 부분(116, 118) 상에서 다이아프램(102) 부근의 슬릿(114)에 있는 공기(108a)는 매스 마(mass ma)를 갖는 것으로 가정된다. 결과적으로, 다이아프램(102)은 진동기처럼 응답한다. 따라서, 공기(108, 108a)의 2개 질량과 함께 차동 마이크로폰(100)의 2개 부분(116, 118)은 도 3에 도시된 것처럼 다이아프램들(120, 122, 124, 126)의 시스템에 의해 표시될 수 있다. 각각의 다이아프램은 공기(108)(참조 번호 120), 마이크로폰부(116)(참조 번호 122), 마이크로폰부(118)(참조번호 124), 및 공기(108a)(참조 번호 126)로 식별된다. 각각의 다이아프램의 응답은 하기 식에 의해 제어된다:
Figure 112008061117323-PCT00002
여기서, Fi는 각각의 다이아프램(120, 1222, 124, 126)상에서 작용하는 알짜힘이며,
Figure 112008061117323-PCT00003
및
Figure 112008061117323-PCT00004
는 다이아프램(120, 1222, 124, 126) 각각의 모션을 나타낸다. 도 4에서 볼 수 있듯이,
Figure 112008061117323-PCT00005
및
Figure 112008061117323-PCT00006
는 다이아프램의 각각의 부분(116, 118)의 평균 모션을 나타내며,
Figure 112008061117323-PCT00007
및
Figure 112008061117323-PCT00008
는 슬릿(114)에 있는 공기(108a)의 모션을 나타낸다.
슬릿(114)이 없는 차동 마이크로폰(즉, 종래 기술의 차동 마이크로폰)은 회전 응답(
Figure 112008061117323-PCT00009
) 및 병진(translatinal) 응답(x)을 갖는 자유도계(freedom system)의 2개 각도에 의해 표시될 수 있다:
Figure 112008061117323-PCT00010
여기서, F는 적용되는 알짜힘이며, M은 피봇 포인트 부근에서 형성되는 모멘트이다.
Figure 112008061117323-PCT00011
및
Figure 112008061117323-PCT00012
는 각각 다이아프램(102) 및 피봇(106)의 유효 병진 기계적 강도 및 비틀림(torsional) 강도를 나타낸다.
d가 다이아프램(102)의 각각의 부분(116, 118)의 중심점들 사이의 거리라면, X1 및 X2는 일반화된 공동-세로좌표들(x 및
Figure 112008061117323-PCT00013
)과 관련하여 표현될 수 있다.
Figure 112008061117323-PCT00014
및
Figure 112008061117323-PCT00015
및
Figure 112008061117323-PCT00016
이러한 관계식들은 매트릭스 형태로 기록될 수 있다:
Figure 112008061117323-PCT00017
다이아프램(102) 뒤의 공기 캐비티(110)(도2)의 치수가 소리의 파장 보다 상당히 작다면, 후방 볼륨(108)에서의 공기압이 공기 캐비티 내에서 공간적으로 균일하다고 가정할 수 있다. 다음 이러한 후방 볼륨(즉, 캐비티(110))에서의 공기(108)는 선형 스프링으로서 작용한다. 이러한 스프링의 강도를 추정하기 위해 다이아프램(102)의 변위와 후방 볼륨 공기(108)에서의 압력을 관련시키는 것이 요구된다. 후방 볼륨(108)에서의 공기의 질량이 일정하다고 가정된다면, 다이아프 램(102)의 모션은 캐비티(110)에서 공기(108)의 밀도 변화를 야기시킨다. 음향, 또는 변동 밀도(
Figure 112008061117323-PCT00018
) 및 음압(p)의 식은
Figure 112008061117323-PCT00019
이다.
여기서, c는 음속이다.
공기의 전체 밀도는 볼륨으로 나뉜 질량,
Figure 112008061117323-PCT00020
이다. 다이아프램(102)의 모션으로 인한
Figure 112008061117323-PCT00021
의 양에 의해 볼륨이 변동되면, 밀도는
Figure 112008061117323-PCT00022
)가 된다. 볼륨에서의 작은 변화에 대해, 이는 테일러 급수
Figure 112008061117323-PCT00023
에서 전개될 수 있다. 음향 변동 밀도는
Figure 112008061117323-PCT00024
이며, 여기서 공칭 밀도는
Figure 112008061117323-PCT00025
이다. 다이아프램(102)의 바깥방향 운동(x)으로부터 야기되는 변동(
Figure 112008061117323-PCT00026
)으로 인한 볼륨(V)에서의 변동 압력은
Figure 112008061117323-PCT00027
로 제공되며,
여기서, A는 다이아프램 면적의 절반이다.
후방 볼륨(108)에서의 이러한 압력은 하기 식에 의해 제공되는 함을 다이아프램(102) 상에 가한다:
Figure 112008061117323-PCT00028
여기서,
Figure 112008061117323-PCT00029
는
Figure 112008061117323-PCT00030
의 유니트들로 공기(108)의 등가 스프링 상수이다.
공기(108)의 후방 볼륨으로 인한 힘은 다이아프램(102)의 기계적 강도로부터의 복원력에 가해진다. 후방 볼륨(108)에서 공기를 포함함으로써, 식(2)는
Figure 112008061117323-PCT00031
가 된다.
식 (8)의 우측의 음의 부호는 다이아프램의 외측의 양의 압력이 음의 방향으로 힘이 야기시킨다는 규칙에 따른 것이다. 식(8)로부터, 공명 주파수 아래의 주파수들에서 기계적 감도는
Figure 112008061117323-PCT00032
로 제공된다.
슬릿 또는 벤트(114)에서 공기(108a)는 도시되지 않은 외부 음장(sound field)에서 그리고 다이아프램(102) 뒤의 공간(110) 내에서의 압력 변동으로 인해 이동하게 된다. 다시, 슬릿(114)에서 이동하는 공기의 볼륨의 치수가 소리의 파장 보다 상당히 작다고 가정할 수 있고 따라서 이는 집중 질량 마(lumped mas ma)로 근사적으로 표현될 수 있다. 슬릿(114)에서 공기(108a)의 바깥방향 변위(
Figure 112008061117323-PCT00033
)는 후방 볼륨(108)에서 공기 볼륨의 변화를 야기시킬 수 있다. 식(6)과 유사한 해당 압력은
Figure 112008061117323-PCT00034
로 제공된다.
여기서,
Figure 112008061117323-PCT00035
는 압력이 작용하는 슬릿(114)의 면적이다.
다시, 슬릿(114)에서 공기(108a)의 모션으로 인한 압력은 질량에 대해
Figure 112008061117323-PCT00036
로 제공되는 복원력을 인가한다.
후방 볼륨(108)에서의 압력은 후방 볼륨 내의 위치와 거의 무관하기 때문에, 슬릿(114)에서 공기(108a)의 모션으로 인한 압력의 변화는 다이아프램(102) 상에
Figure 112008061117323-PCT00037
로 제공되는 힘을 가한다.
유사하게, 다이아프램의 모션은 공기(108)의 질량에 대해
Figure 112008061117323-PCT00038
로 제공되는 힘을 야기시킨다.
식 (6), (10), (11) 및 (12)로부터, 식(1)의 시스템에서 기계적 강도로 인해 힘들에 복원력이 가해진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 각각의 공동-세로좌표의 모션으로 인한 볼륨 변화는
Figure 112008061117323-PCT00039
및
Figure 112008061117323-PCT00040
로 주어진다. 이제, 모든 공동-세로좌표의 모션으로 인한 전체 압력은
Figure 112008061117323-PCT00041
로 제공된다.
이 모델에서 j번째 좌표(도 3에서 120, 122, 124 및 126의 모션들을 나타냄)에 대한 상기 압력으로 인한 힘은
Figure 112008061117323-PCT00042
로 제공된다.
여기서,
Figure 112008061117323-PCT00043
.
식 (14)는,
Figure 112008061117323-PCT00044
로 기록될 수 있다.
차동 마이크로폰의 좌표들(
Figure 112008061117323-PCT00045
및 x)와 관련하여, 식(4)와 식(15)이 조합되어, 힘은
Figure 112008061117323-PCT00046
로 표시된다.
식(16)은 차동 마이크로폰(100) 상에 작용하는 평균 힘 및 피봇 포인트(106) 상에 작용하는 알짜 모멘트와 관련하여 재기록될 수 있다. 이는
Figure 112008061117323-PCT00047
및
Figure 112008061117323-PCT00048
및
Figure 112008061117323-PCT00049
으로 제공된다.
이로부터,
Figure 112008061117323-PCT00050
이 된다.
따라서, 식들의 시스템은
Figure 112008061117323-PCT00051
이다.
식(18)에서의 좌표들 간의 결합은 매트릭스
Figure 112008061117323-PCT00052
로 인한 것임을 주지하는 것이 중요하다. 식(4) 및 (17)로부터
Figure 112008061117323-PCT00053
의 엘리먼트들을 평가함으로써, 다이아프램의 회전(
Figure 112008061117323-PCT00054
)을 위한 제어 식은
Figure 112008061117323-PCT00055
가 된다.
여기서,
Figure 112008061117323-PCT00056
다이아프램이 대칭인 경우,
Figure 112008061117323-PCT00057
이고
Figure 112008061117323-PCT00058
임을 주지해야 한다. 결과적으로, 식(19)에서의 계수들(x, x3, x4)은 제로가 된다. 이는 회전을 위한 지배 방정식(governing equation)이 다른 좌표들 뿐만 아니라 볼륨(V)과 무관해지게 한다(즉,
Figure 112008061117323-PCT00059
). 또한, 회전은 슬릿들(114)의 면적과 무관하며, 이는 후방 볼륨(108)내에 생성된 압력이 공간적으로 균일하여 다이아프램(102) 상에 임의의 알짜 모멘트가 생성되지 않는다는 가정 때문이다.
지금까지의 분석에서, 마이프로폰 다이아프램(102)은 중심 피봇 포인트(106) 부근에서 대칭인 것으로 가정되었다. 앞서 언급된 것처럼, 이 경우, 다이아프램(102)은 제 1-차 방향 응답을 가지며 상이한 마이크로폰처럼 행동한다. 그러나, 다이아프램(102)이 피봇 포인트(106)를 중심으로 비대칭되게 설계된다면, 방향성은 차동 마이크로폰에서 출발하여 비방향성 마이크로폰을 향하게 된다. 다이아프램(102)의 회전에 대한 후방 볼륨(108)의 효과는 비대칭 경우에 대해 상기 분석들을 연장시킴으로써 결정될 수 있다.
하기에서, 음향 평면파로 인해 마이크로폰 다이아프램(102)에 인가되는 모멘 트 및 힘에 대한 표현들이 유추된다. 평면파에 대해, 다이아프램(102)에 작용하는 압력은
Figure 112008061117323-PCT00060
형태인 것으로 가정되며, 여기서
Figure 112008061117323-PCT00061
,
Figure 112008061117323-PCT00062
및
Figure 112008061117323-PCT00063
이고, 각도들은 도 5에 정의된다. 입사 소리로 인한 알짜 모멘트는
Figure 112008061117323-PCT00064
로 주어지며, 여기서 Lx 및 Ly는 각각 x 및 y 방향들에 대한 길이이다.
모멘트에 대한 표현은 x 및 y 방향에 대해 개별적으로 적분되어
Figure 112008061117323-PCT00065
로 제공된다. y 좌표에 대한 적분은
Figure 112008061117323-PCT00066
Figure 112008061117323-PCT00067
가 된다.
x-성분에 대한 부분적 적분은
Figure 112008061117323-PCT00068
를 제공한다.
이를 간략화하면
Figure 112008061117323-PCT00069
가 된다.
다이아프램의 치수들은 소리의 파장에 비해 매우 작기 때문에, 사인 및 코사인 함수들의 인수들은 매우 작아,
Figure 112008061117323-PCT00070
가 된다. 식(20)의 괄호에서 제 2 항목은 테일러의 급수를 사용하여 제 2 차로 연장된다.
Figure 112008061117323-PCT00071
및
Figure 112008061117323-PCT00072
를 사용하여, 식(16)에서,
Figure 112008061117323-PCT00073
.
간략화시키면 다음과 같다.
Figure 112008061117323-PCT00074
알짜 힘은 음압의 면적분에 의해
Figure 112008061117323-PCT00075
로 제공된다. 적분을 수행하여 하기 식이 얻어진다.
Figure 112008061117323-PCT00076
다시, 이는 작은 각도에 대해 하기 식이 된다.
Figure 112008061117323-PCT00077
식 (15), (18) 및 (19)를 사용하여,
Figure 112008061117323-PCT00078
이고,
Figure 112008061117323-PCT00079
및
Figure 112008061117323-PCT00080
로 가정하고
Figure 112008061117323-PCT00081
Figure 112008061117323-PCT00082
.
식(23)을 사용하여, 압력의 크기를 기준으로 변위 및 회전(x/p 및 θ/P) 및 여기 주파수의 함수(
Figure 112008061117323-PCT00083
)가 계산될 수 있다.
이전 분석을 기초로, 후방 볼륨(108)에서 공기가 점착성에 있는 경우, 차동 마이크로폰 다이아프램(102)의 성능은 후방 캐비티(110)의 깊이가 상당히 감소되어 악화되지 않는 것으로 관찰될 수 있다. 따라서, 마이크로폰(100)은 다이아프램(102) 뒤의 배면 홀에 대한 필요성 없이 제조될 수 있다. 표면 미세가공된 마이크로폰 다이아프램에 대한 제조 프로세스는 도 6a-6d에 도시된다.
도 6a를 참조로, 제조가 시작되기 이전의 베어(bare) 실리콘 웨이퍼(200)가 도시된다. 이러한 실리콘 웨이퍼는 당업자들에게 공지되어 있어 본 명세서에서는 더이상 설명하지 않는다.
도 6b에 도시된 것처럼, 희생층(202)(예를 들어, 실리콘 이산화물)이 웨이퍼(200)의 상부 표면에 증착된다. 실리콘 이산화물이 희생층(202)을 형성하기에 적합한 것으로 밝혀졌지만, 다른 다수의 적절한 물질이 당업자들에게 공지되어 있다. 예를 들어, 저온 산화물(LTO), 포스포실리케이트 글라스(PSG), 알루미늄이 적절한 것으로 공지되어 있다. 마찬가지로, 포토레지스트 물질이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 중합 물질이 희생층(202)을 형성하는데 이용될 수 있다. 다른 적절한 물질이 존재할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 물질의 선택 및 사용은 당업자들에게 공지되어 있는 것으로 간주되어 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않는다. 결과적으로, 본 발명은 특정 희생층 물질로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 희생층을 형성하는데 사용되는 임의의 적합한 물질을 포함한다.
희생층(202) 위에, 구조적 물질층(예를 들어 폴리실리콘)이 증착된다. 폴리 실리콘은 층(204)의 형성에 적합한 것으로 밝혀졌지만, 층(204)은 다른 물질들로 형성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 실리콘 질화물, 금, 알루미늄, 구리 또는 유사한 특성을 가지는 다른 물질이 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 개시를 목적으로 선택된 특정 물질로 제한되는 것이 아니라 임의의 모든 유사한 적절한 물질을 포함한다. 층(204)은 마지막으로 다이아프램(도 2)을 형성한다.
도 6c에 도시된 것처럼, 다이아프램 물질의 층(204)은 다음 패터닝되고 에칭되어 슬릿(114)을 남겨두고 다이아프램(102)을 형성한다.
마지막으로, 도 6d에 도시된 것처럼, 다이아프램(102) 하부의 희생층(202)은 캐비티(110)를 남겨두고 제거된다. 희생층 제거 이후, 마이크로폰 다이아프램(102)은 희생층(202)의 두께와 같은 깊이를 갖는 후방 볼륨(108)을 갖는다. 마이크로폰은 도 7에 개략적으로 도시된다.
다이아프램(102) 모션을 전기 신호로 전환시키기 위해, 208에 혼합된 콤브(comb) 핑거들이 다이아프램과 통합될 수 있다. 이러한 콤브 또는 깍지낀 핑거들은 2005년 8월 5일자로 출원된 "콤브 감지 마이크로폰"에 대한 공동계류중인 미국 특허 출원 번호 11/198,370호에 상세히 개시되어 있다.
선택적 감지 방식으로서, 도 7의 기본적 마이크로폰 구조물은 캐패시터들의 고정된 전극들을 형성하는 후방 플레이트를 형성하기 위해 실리콘 칩(200)과 추가의 전도성층(204) 사이에 배치되는 2개의 전도성층(206)을 포함하도록 약간 변형될 수 있다. 이러한 후방 플레이트들은 서로 전기적으로 분리되어 다이아프램 모션의 차동 용량성 감지를 허용한다.
콤브 핑거(208) 및 후방 플레이트(206)가 용량성 감지를 수행하기 위해 모두 사용될 수 있다는 것을 주지해야 한다. 이 경우, 용량성 감지 장치(arrangement)의 부재로서 작용하는 것 이외에, 콤브 감지 핑거(208)에 인가되는 전압은 다이아프램(102)을 안정화시키는데 이용될 수 있다. 콤브 핑거(208)와 다이아프램 사이에 인가되는 전압은 붕괴 전압의 작용을 감소시키는데 사용될 수 있어, 이는 종래의 후방 플레이트-기반 용량성 감지 방안에서 공통 설계 문제가 되었다.
다이아프램(102)의 모션을 전기 신호로 전환시키는데 다수의 다른 감지 장치들이 이용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 결과적으로, 본 발명은 임의의 특정한 다이아프램 모션 감지 장치로 제한되지 않는다.
특정한 동작 요구조건 및 환경에 적합하게 변형된 다른 변형 및 변화가 당업자들에게는 명백한 바, 본 발명은 설명을 목적으로 선택된 예로 제한되지 않고 본 발명의 실제 범주 및 사상을 이탈하지 않는 모든 변화 및 변형을 포함한다.
따라서, 특허증에 의해 본 발명이 보호받고자 하는 것이 첨부되는 특허청구항들에 개시되어 있다.

Claims (20)

  1. 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰을 형성하는 방법으로서,
    a) 실리콘 웨이퍼의 상부 표면 상에 희생층을 증착하는 단계;
    b) 상기 희생층의 상부 표면 상에 다이아프램 물질을 증착하는 단계;
    c) 그 내부에서 다이아프램이 절연되도록 상기 다이아프램 물질층을 에칭하는 단계; 및
    d) 상기 형성된 다이아프램 아래 영역으로부터 상기 희생층의 적어도 일부를 제거하는 단계
    를 포함하는, 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 형성 방법.
  2. 제 항에 있어서,
    상기 에칭하는 단계 (c)는 상기 다이아프램 시야계의 적어도 일부를 따라 콤브 감지 핑거들을 형성하는 서브-단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    e) 상기 희생층 및 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 상부 표면 중간에 도전성층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착하는 단계 (e)는 실리콘 이산화물, 저온 산화물(LTO), 포스포러스실리케이트 글라스(PSG), 알루미늄, 포토레지스트 물질, 중합 물질의 그룹으로부터의 적어도 하나의 물질의 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착하는 단계 (b)는 폴리실리콘, 폴리실리콘 질화물, 금, 알루미늄 및 구리의 그룹으로부터의 적어도 하나의 물질의 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰 형성 방법.
  6. 소형의, 표면 미세가공된 차동 마이크로폰으로서,
    a) 실리콘 기판;
    b) 상기 실리콘 웨이퍼의 상부 표면 상에 증착된 희생층;
    c) 상기 희생층의 상부 표면 사에 증착되는 다이아프램 물질층;
    d) 다이아프램 - 상기 다이아프램은 힌지에 의해 지지되는 상기 다이아프램 물질층에 형성되며 다르게는 상기 다이아프램의 시야계에 인접한 슬릿에 의해 상기 다이아프램 물질층의 나머지 부분으로부터 절연됨 - ; 및
    e) 상기 희생층의 두께에 의해 한정된 깊이를 가지는 상기 다이아프램 하부 의 밀폐된 후방 볼륨
    을 포함하며, 상기 후방 볼륨은 단지 상기 슬릿을 통해 그의 외부 영역과 연통되는, 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰.
  7. 제 6 항에 있어서,
    f) 상기 다이아프램의 시야계의 적어도 일부를 따라 배치된 다수의 콤브 감지 핑거를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰.
  8. 제 6 항에 있어서,
    f) 상기 실리콘 기판의 상기 상부 표면과 상기 희생층 사이의 도전성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 희생층은 실리콘 이산화물, 저온 산화물(LTO), 포스포실리케이트 글라스(PSG), 알루미늄, 포토레지스트 물질, 중합 물질의 그룹으로부터의 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 다이아프램 물질층은 폴리실리콘, 실리콘 질화물, 금, 알루미늄, 및 구 리의 그룹으로부터의 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰.
  11. 다이아프램 물질층에 형성되며 힌지에 의해 지지되는 다이어프램, 및 상기 다이아프램 하부에 있고 측표면 및 바닥 표면을 가지며 상기 측표면과 상기 바닥 표면중 하나에 홀을 가져 후방 볼륨과 그의 외부 영역과의 연통을 허용하는 밀폐된 후방 볼륨을 포함하는 소형의 표면 미세가공된 차동 마이크로폰에서, 개선안은
    a) 상기 다이아프램의 시야계와 다이아프램 물질층 사이에 배치되는 슬릿 - 상기 다이아프램은 상기 슬릿에 의해 다이아프램 물질과 절연됨 -; 및
    b) 상기 다이아프램 하부에 있고 측표면과 바닥 표면을 가지는 밀폐된 후방 볼륨
    을 포함하며, 상기 측표면과 상기 바닥 표면 각각은 상기 슬릿을 경유하는 것을 제외하고 외부 영역으로부터 상기 후방 볼륨에 대해 절연되는, 개선안.
  12. 마이크로폰으로서,
    기판 및 변환기를 포함하며,
    상기 기판은 그의 표면 상에 증착되는 희생층 및 상기 희생층 상부에 배치되는 다이아프램층을 포함하며, 상기 다이아프램층을 통해 개구가 형성되며, 상기 다이아프램층 하부의 상기 희생층의 적어도 일부는 제거되어, 상기 다이아프램층과 상기 기판 사이에 보이드를 갖는 플로팅(floating) 다이아프램이 형성되며, 상기 플로팅 다이아프램은 상기 플로팅 다이아프램의 평면과 실질적으로 평행한 음향파에 응답하는 회전 운동의 축을 가지며,
    상기 변환기는 음향파로 인해 상기 기판을 기준으로 상기 플로팅 다이아프램의 변위에 반응하는 전기 신호를 생성하는, 마이크로폰.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 축은 상기 플로팅 다이아프램의 일부가 상기 플로팅 다이아프램의 평면과 법선인 축을 따르는 방향으로 이동하는 반면, 상기 플로팅 다이아프램의 또 다른 부분은 음향파에 응답하여 상기 다이아프램의 평면과 법선인 축을 따라 반대 방향으로 이동하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플로팅 다이아프램 뒤의 볼륨은 음향파에 응답하는 이동을 기준으로 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 플로팅 다이아프램 뒤의 보이드 공간은 상기 희생층의 깊이와 거의 동일한 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 다이아프램은 각각 상이한 응답 영역을 가지며, 입사 음향파의 상이한 부분들로부터 각각 상이한 응답 영역을 절연시키기 위해 적어도 하나의 음향 배리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 개구는 그를 통한 공기 흐름을 허용하는 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  18. 제 17 항에 있어서,
    진폭(P) 및 주파수(
    Figure 112008061117323-PCT00084
    )의 음향파에 응답하여, 상기 축을 기준으로 상기 플로팅 다이아프램의 한쪽 측면에서 작용하며 상기 보이드의 최대 선형 치수 보다 큰 파장을 가는 모멘트(M)는 대략
    Figure 112008061117323-PCT00085
    이며,
    상기 플로팅 다이아프램은 상기 축을 따르는 치수(Ly) 및 상기 축과 수직인 치수(Lx)를 가지며 상기 축으로부터 측정되며, 상기 음향파는 작은 각도에 대해 상기 플로팅 다이아프램을 변향시키는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 변환기는 음향파에 대해 대략 제 1차 방향 응답을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 축은 상기 플로팅 다이아프램의 일부가 상기 플로팅 다이아프램의 평면과 법선인 축을 따르는 방향으로 이동하는 반면 상기 플로팅 다이아프램의 다른 부분은 음향파에 응답하여, 상기 다이아프램의 평면과 법선인 축을 따라 반대 방향으로 이동하도록 위치되며, 상기 플로팅 다이아프램 뒤의 보이드 볼륨은 음향파에 응답하는 이동에 대해 실질적으로 일정하며, 상기 개구는 그를 통한 공기 흐름을 허용하는 슬릿을 포함하며,
    진폭(P)의 음향파에 응답하여, 상기 축을 기준으로 상기 플로팅 다이아프램의 한쪽 측면에서 작용하며 상기 보이드의 최대 선형 치수 및 주파수(
    Figure 112008061117323-PCT00086
    ) 보다 큰 파장을 가지는 모멘트(M)는 대략
    Figure 112008061117323-PCT00087
    이며,
    상기 플로팅 다이아프램은 상기 축을 따르는 치수(Ly) 및 상기 축과 수직인 치수(Lx)를 가지며 상기 축으로부터 측정되며, 상기 음향파는 작은 각도에 대해 상기 플로팅 다이아프램을 변향시키는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
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