KR20090071648A

KR20090071648A - 미니어처 비-방향성 마이크로폰

Info

Publication number: KR20090071648A
Application number: KR1020097010172A
Authority: KR
Inventors: 로날드 엔. 마일즈
Original assignee: 더 리서치 화운데이션 오브 스테이트 유니버시티 오브 뉴욕
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2009-07-01
Also published as: WO2008048850A3; KR101385627B1; CN101611636B; US20110150260A1; DE112007002441T5; CN101611636A; US7903835B2; GB2456453A; US8374371B2; WO2008048850A2; US20080101641A1; GB2456453B; GB0908383D0

Abstract

벤트 포트(vent port)를 구비하는 둘러싸인 공기 부피 상(over)에 순응하게(compliantly) 매달린 다이아프램을 포함하는 미니어처 마이크로폰이 제공되는데, 음향 진동에 의한 변위에 대한 다이아프램의 유효 강성이 둘러싸인 공기 부피 및 상기 포트에 의해 원칙적으로 제어된다. 마이크로폰은 실리콘 마이크로제조 기법에 의해 형성될 수 있고, 실제 크기의 넓은 범위에 걸쳐서 다이아프램의 크기에 실질적으로 무관하게 음압에 대한 민감도를 가진다. 다이아프램은, 예를 들어 빔들 또는 탭들(tabs)에 의해서, 음향 진동에 대하여 아크를 통한 움직임에 대하여 회전식으로 매달리고, 다이아프램을 지지 구조로부터 분리하면서 둘러싸는 둘레 틈을 구비한다. 다이아프램 뒤 후방 부피는 다이아프램에 대하여 스프링 복원력을 제공한다. 마이크로폰의 민감도는 공기 부피, 둘레 틈 및 다이아프램과 그 지지 구조의 강성에 연관되고, 다이아프램의 면적에 연관되지 않는다.

Description

미니어처 비-방향성 마이크로폰{MINIATURE NON-DIRECTIONAL MICROPHONE}

[Funded Research]

본 작업은 국립 건강 연구소(National Institutes of Health)의 승인(Grant) 번호 1035968에 의해 부분적으로 뒷받침된다. 정부는 본 발명에 대하여 일정한 권리를 가질 수 있다.

[Related Applications]

본 발명은 동시 계속 출원중인(co-pending) 미국 특허 출원 번호 10/689,189 (2003년 10월 20일 출원, "ROBUST DIAPHRAGM FOR AN ACOUSTIC DEVICE"), 미국 특허 출원 번호 11/198,370 (2005년 8월 5일 출원, "COMB SENSE MICROPHONE"), 미국 특허 출원 번호 11/335,137 (2006년 1월 19일 출원, "OPTICAL SENSING LN A DIRECTIONAL MEMS MICROPHONE") 및 미국 특허 출원 번호 11/343,564 (2006년 1월 31일 출원, "SURFACE MICROMACHINED MICROPHONE")에 관련되며, 이들 모두는 인용에 의하여 본 명세서에 온전히 포함된다.

본 발명은 미니어처 비-방향성 마이크로폰 분야에 관한 것으로서, 특히 높은 민감도와 양호한 저주파수 응답 특성을 가진 미니어처 마이크로폰에 관한 것이다.

많은 휴대용 전자 제품들에서 작은 비용으로 제조할 수 있는 작은 마이크로폰은 매우 유용한 구성 요소이다. 그런데 현재의 설계 접근에 있어서, 마이크로폰의 작은 크기로 인해 음에 대한 감소된 민감도를 특히 저주파수에 대한 불량한 민감도가 나타난다. 그 결과, 일반적으로 장치의 비용 및 복잡성을 부가하는 민감도를 최대화하기 위한 설계상 각별한 주의가 취해져야 한다.

작은 마이크로폰을 생성하기 위한 종래의 접근은 미세 음압(minute sound pressures)에 응답하여 진동하는 얇고 가벼운 다이아프램을 제조하는 것이다. 다이아프램의 움직임은 대개 용량성 감지를 통해 전자 신호로 변환되는데, 여기서 커패시턴스의 변화는 고정된 후방판 전극과 움직이는 다이아프램 사이에서 탐지된다. 그런데, 다이아프램의 크기가 감소하면서, 작고 저비용의 마이크로폰를 만들려는 시도에 있어서, 다이아프램의 강성이 일반적으로 증가한다. 이 증가한 강성으로 인하여 음압 변동에 응답하는 다이아프램의 변형력이 현저하게 감소한다. 이 크기 감소에 따른 강성 증가가 작은 마이크로폰 설계에 있어서의 기본적인 어려움이다. 마이크로폰 설계 상의 다른 어려움은 용량성 감지를 얻기 위해 사용하는 후방판 전극으로부터 기인한다. 전자 독출(electronic readout)을 얻기 위해, 다이아프램과 후방판 사이에 바이어스 전압을 인가하는 것이 필요하다. 이것으로 인해 전압의 제곱에 비례하는 (그리고 그리하여 그 극성과 무관한) 힘으로서, 항상 플렉서블 다이아프램을 고정된 후방판 쪽을 향하여 당기고자 작용하는 힘이 나타날 것이다. 전자 회로의 출력이 사용된 바이어스 전압에 비례할 것이기 때문에, 민감도를 증가시키기 위해 전압을 가능한 높게 사용하는 것이 시도된다. 그러나 결과되는 인력이 다이아프램을 후방판에 붕괴(collapse)시키기에 충분하지 않을 것을 보장하기 위해 각별한 주의가 취해져야 한다. 이런 잠재적인 비극적인 상황을 피하기 위해, 다이아프램이 더 큰 강성을 가지도록 하여 인력에 저항할 수 있도록 할 수 있지만, 이로 인해 또한 음향에 대한 민감도가 감소한다. 다이아프램의 붕괴를 피하는 것과 높은 바이어스 전압을 사용하여 전자 민감도를 증가시키는 것 사이의 절충을 꾀하는 것이 마이크로폰 설계에 있어서 가장 큰 어려움이다.

일반적으로 압력에 민감한(pressure-sensitive) 다이아프램을 사용하여 마이크로폰이 음압에 대하여 응답하도록 설계하기 때문에, 음으로 인한 압력이 다이아프램의 단지 일 측부 또는 일 면에만 작용하도록 보장하는 것이 중요하고, 그렇지 아니하면 두 측부들에 작용하는 압력이 상쇄될 것이다. (몇몇 경우들에서, 특히 원하는 음들이 상쇄되지 않고 원치 않는 음들이 상쇄되도록 마이크로폰이 설계될 수 있는 경우에, 이런 상쇄 특성(cancellation property)은 이롭게 사용된다. 덧붙여, 다이아프램이 또한 상대적으로 큰 대기압 변화에 영향받기 때문에, 작은 벤트가 다이아프램의 두 측부들 상에 정적인 압력들을 동일하게 하도록 통합하는 것이(incorporate) 중요하다. 또한 압력을 동일하게 하는 벤트(pressure-equalizing vent)의 크기와 다이아프램의 후방측 주변의 인클로저(enclosure)의 크기에 의존하여, 벤트에 의해 다이아프램의 저주파수 응답이 감소할 것이다. 작은 마이크로폰에 있어서, 다이아프램 뒤 공기 부피가 일반적으로 아주 작고 그 결과 다이아프램의 움직임으로 인해 공기 부피의 현저한 변화가 나타날 수 있다. 이로써, 개개의 압력 증가 또는 압력 감소를 결과하는, 다이아프램의 움직임에 따라서 공기가 압축 또는 팽창된다. 이 압력이 다이아프램 상에 복원력을 생성하고, 공기의 명목 부피가 감소하면서 증가하는 강성을 가지는 등가 선형 공기 스프링으로서 보여질 수 있다. 작은 가청 주파수에서 응답하고 양호한 민감도를 가지는 작은 마이크로폰 설계에 있어서, 다이아프램의 기계적인 강성, 압력을 동일하게 하는 벤트, 및 후방 부피의 등가 공기 스프링의 결합된 효과들을 매우 주의깊게 고려할 필요가 있다.

마이크로폰이 공기압의(즉, 음파의) 작은 차이를 감지할 때, 원칙적으로, 큰 다이아프램 및 작은 다이아프램 양자가 작은 주파수를 동등하게 픽업할 수 있을 것이다. 압력 마이크로폰의 더 작은 제한 주파수(LLF : lower limiting frequency)는 일반적으로 작은 압력을 동일하게 하는 벤트에 의해 제어되는데, 상기 압력을 동일하게 하는 벤트는 마이크로폰 다이아프램이 주위 대기압 변화에 응답하는 것을 막는다. 벤트는 전형적으로 음향 저역 차단 필터(다시 말해, 고역 통과 필터)로서 작용하는데, 그 차단 주파수는 벤트의 치수(예를 들어, 지름 및 길이)에 의존한다. 음압파가 마이크로폰을 지나가면서, 더 긴 파장들(더 작은 주파수들)이 다이아프램 주변 압력을 동일하게 하려 할 것이고, 이로써 그들의 응답을 상쇄할(cancel) 것이 다.

본 발명에 따르면, 마이크로폰의 다이아프램의 표면적이 감소하면서, 양호한 민감도 및 저주파수 응답을 유지할 수 있는 미니어처, 일반적으로 비-방향성 마이크로폰이 제공된다. 바람직한 마이크로폰의 일 실행(implementation)은 실리콘 마이크로제조 기법을 사용하여 형성되고 다이아프램의 크기(예를 들어 감지 면적)에 실질적으로 무관하게 음압에 대한 민감도를 가지는 실리콘 다이아프램을 제공한다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 다이아프램은 두 뻣뻣한 빔에 의해 회전식으로 매달리고(suspend) 그 지지 구조로부터 상기 다이아프램을 분리하는 둘러싸는 둘레 틈을 구비한다. 다이아프램 뒤 후방 부피 내 공기가 다이아프램에 대하여 스프링 복원력을 제공한다. 후방 체적 내 공기 부피, 둘레 틈 특성 및 다이아프램의 유효 강성(일반적으로 음파에 응답하는 회전 변위에 대하여 다이아프램을 지지하는 빔들의 강성에 의해 결정된다)의 관계가 마이크로폰의 민감도를 결정한다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 본 발명은 이전의 접근들이 얻을 수 있는 것보다 현저히 덜 뻣뻣한 작은 마이크로폰 다이아프램을 제공한다. 따라서 응답성이 증가한다.

본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 의하면 감지 전압으로 인하여 후방판(backplate)과 다이아프램 사이에 큰 힘이 가해지는 것을 피하고, 다이아프램의 면 밖 움직임(out-of-plane motion)의 기계적인 강성이 붕괴(collapse)를 피할 것을 요하지 않는 다른 변환 접근을 채용한다. 바람직하게는, 감지 전압으로부터 중요한(significant) 정전기력 성분이 다이아프램의 면 내에 위치하여 이로써 다이아프램을 변위시키려는 경향이 더 작다.

본 발명의 바람직한 실시예들에 따라서 크게 플렉서블한 다이아프램을 사용할 수 있으므로, 전체적인 민감도가 이전의 접근들의 경우보다 벤트의 크기 및 다이아프램의 강성에 더 작게 의존하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로폰은 바람직하게는, 예를 들어, 적어도 1옥타브에 걸쳐서 ±3 dB 진폭 응답을 제공하면서, 바람직하게는 6 옥타브, 예를 들어, 100 내지 3200 Hz의 범위에 걸쳐서 ±6 dB 진폭 응답을 제공하면서, 후방 공간의 부피 및 압력에 대략(예를 들어 5% 이내) 비례하고 틈의 면적에 반비례하는 감지 멤브레인 변위(sensing membrane displacement)를 가지는데, 여기서 틈은 후방 공기의 압력을 주위, 예를 들어 PV/A와 점성적으로(viscously) 균일하게 한다. 물론, 마이크로폰은 훨씬 나은 성능, 예를 들어 50으로부터 10kHz 까지 ±3 dB 진폭 응답, 및/또는 1% 이내의 또는 더 나은 PV/A에 비례하는 변위를 가질 수 있다. 변환기의 전기적인 성능은 기계적인 성능에 따라서 달라질 수 있고, 실제로 전자 기법들을 앞서 언급한 성능 척도와는 별개로 기계적인 결함들을 보정하기 위해 이용할 수 있음을 유의해야 한다. 마찬가지로, 전자 부품들이 출력의 정확도에 있어서의 제한 또는 제어 인자일 수 있다.

첨부된 도면들을 참조하여 후술할 상세한 설명으로부터, 본 발명에 대한 완전한 이해가 얻어질 수 있을 것이다:

도 1A 및 도 1B는 각각, 본 발명에 따른 전방향(omni-directional) 마이크로폰의 도식적인 측면 단면도와 도식적인 탑뷰이고;

도 2는 미니어처 마이크로폰 다이아프램의 도식적인 평면도이고;

도 3A 내지 도 3E는 도 1A, 도 1B 및 도 2의 마이크로폰 다이아프램의 제조 공정 단계들을 나타내는 개략도들이고;

도 4는 발형 콤 센스 가지(interdigitated comb sense fingers)를 구비하는 도 1A 및 도 1B의 마이크로폰의 평면도이고; 및

도 5는 발형 콤 센스 가지와 탭 지지 시스템을 구비하는 마이크로폰의 평면도이다.

전형적인 마이크로폰의 다이아프램의 움직임으로 인해 다이아프램 뒤 영역 내 공기의 (표준 온도 및 압력에서) 알짜 부피(net volume)의 변화가 나타난다. 다이아프램의 움직임으로 인한 상기 영역 내 공기의 압축 및 팽창으로 인해 다이아프램을 효과적으로 강화(stiffen)하고 음에 대한 응답을 줄이는 선형 복원력이 나타난다. 이러한 강성(stiffness)은, 작은 마이크로폰 및 특히 실리콘 마이크로폰에서 일반적으로 후방 부피 내 공기의 강성보다 훨씬 큰, 다이아프램의 기계적 강성과 동시에 작용한다.

본 발명에 의하면, 다이아프램이 실리콘처럼 매우 뻣뻣한(stiff) 물질로 제조되었을지라도, 후방 부피 내 공기 또는 유체의 압축으로 결과되는 것보다 다이아프램의 기계적 강성이 훨씬 작도록, 다이아프램을 설계할 수 있다.

다이아프램의 둘레 전체 주위에서 지지되는 전형적인 마이크로폰 다이아프램과는 달리, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다이아프램은 단지 다이아프램의 둘레의 작은 부분의 주위에서만 플렉서블 피봇(flexible pivot)에 의해 지지되고, 다이아프램의 둘레의 나머지 주위는 좁은 틈에 의해 주변(surrounding) 기판으로부터 분리된다. 인용에 의하여 본 명세서에 명백하게 포함되는 미국 특허 출원 번호 10/689,189는 플렉서블 피봇 상에서 지지되는 마이크로폰 다이아프램을 개시한다. 피봇들은 거의 어떤 원하는 강성을 가지도록 설계될 수 있다. 실리콘의 면적 감소 때문에, 다양한 진폭을 가지는 음압파(acoustic pressure waves)에 응답하여 그 움직임의 정도를 나타내는, 다이아프램의 유효 강성에의 그 상응하는 기여가 감소된 다. 따라서, 대략

(이상 가스 법칙 방정식)에 상응하는 후방 부피 유효 강성 및 틈으로부터의 기여가 유효 강성을 제어할 것이다.

먼저 도 1A 및 도 1B를 참조하면, 대체로 도면 부호 100에서, 본 발명에 따른 마이크로폰 다이아프램의 도식적인 측면 단면도와 도식적인 탑뷰가 각각 도시되어 있다. 본 발명에 따른 마이크로폰(100)은, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 마이크로머신(micromachining) 작업을 사용하여 실리콘으로 형성된다. 적절하거나 또는 바람직하다면, 실리콘이 아닌 다른 재료들을 사용하여 다이아프램을 형성할 수 있고, 실리콘 마이크로머신 기법이 아닌 다른 기법들을 채용할 수 있음을 유의해야 한다.

실리콘 칩 또는 웨이퍼(102)를 처리(예를 들어 마이크로 머시닝)하여 피봇(106)에 의해 지지되는 얇은 다이아프램(104)을 형성한다. 다이아프램(104)의 외부 에지(outer edge)(105) 및 실리콘 웨이퍼(102) 사이에 배치되는 틈(slit)(110)에 의해 다이아프램(104)이 실리콘 웨이퍼(102)으로부터 분리된다. 슬릿(110)은 다이아프램(104)의 실질적으로 둘레(105) 전체 주위에 연장된다.

실리콘 웨이퍼(102)를 사용하여(in) 후방 부피(108)을 다이아프램(104) 뒤에 형성한다. 전형적으로, 실리콘 웨이퍼(102)는 후방 부피(108)의 일부를 봉할(seal) 수 있는 기판(112) 상에 장착된다. 예를 들어 틈(110)과 소통하는 기 판(122)에 있는 리세스(recess)가 후방 부피(108)을 정의하고, 상기 후방 부피(108)은 음파(acoustic waves)에 응답하여 다이아프램(104)이 움직일 수 있는 충분한 깊이를 제공한다.

틈(110)의 치수들과 플렉서블 피봇들(106)을 적절히 설계하면, 피봇들(106)의 치수들 또는 물성들이 아닌 다이아프램(104) 뒤 공기 부피(즉, 후방 부피(108))에 의해 다이아프램(104)의 전체적인 강성(stiffness)이 결정된다. 플렉서블 피봇들(106)은 충분한 탄력성(compliance)(예를 들어, 응력-변형률 관계)을 가지고 제공되어, 틈(110) 및 후방 부피(108) 내 유체 또는 가스에 대하여, 전체적인 강성을 실질적으로 제어하는 지배적인 힘을 다이아프램(104) 상에 가하지 않는다. 물론, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 아니하고 실행될 수 있는, 예를 들어 기계적인 주파수 응답 제어를 제공하기 위해 플렉서블 피봇들(106) 또는 다른 요소들로부터의 강성 기여가 바람직할 수 있는 예들이 있을 수 있다.

미니어처 마이크로폰, 예를 들어 도 1A 및 도 1B의 마이크로폰의 기계적인 민감도에 대한 근사 모델이 제시되었다. 다이아프램(104)을 주변 기판(102)에 연결하는 구조적인 연결(예를 들어, 피봇(106))이 극단적으로 탄력적이도록, 미니어처 마이크로폰의 다이아프램(104)이 지지된다고 가정한다. 따라서 다이아프램(104)의 유효 강성은 주로 후방의 공기 부피(108)에 의해 결정된다.

이러한 높은 구조적인 탄력을 얻기 위해, 다이아프램(104)이 단지 다이아프램(104)의 둘레의 작은 부분에서만 전형적으로 지지되고 둘레(105)의 대부분의 주위는 틈(11)의 좁은 갭(gap)이 있다고 가정된다. 이 근사 모델은 다이아프램(104) 뒤 후방 부피(108) 내 공기와 다이아프램(104)의 둘레(105) 주위의 좁은 틈(110) 내 공기 양자의 효과를 포함한다. 후방 부피(108) 내 공기는 스프링처럼 작용한다. 틈(110)이 좁기 때문에, 점성력이 틈(110)을 통과하는 공기의 흐름을 제어한다. 틈(110)과 후방 부피(108)은 다이아프램(104)의 응답에 뚜렷한 영향을 미친다고 발견되었다. 상기 모델은 다이아프램(104)의 탄력과 주변 틈(110)의 치수들을 적절히 설계하면, 입사되는 음(incident sound)(미도시)에 대한 기계적인 응답이 다이아프램(104) 크기의 넓은 범위에 걸쳐서(over) 가청 주파수 범위를 걸쳐(over) 좋은 민감도를 가진다는 것을 나타낸다. 이것은 현재의 이용가능한 기법을 사용하는 경우 가능한 것보다 더 작은 마이크로폰을 제조할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 기법 분석에 있어서, 다이아프램 둘레 전체 주위가 지지되는 불침투성의(impermeable) 판 또는 멤브레인(membrane)으로 이루어진 종래의 마이크로폰 다이아프램(다시 말해서, 둘러싸는 틈이 없는 다이아프램)을 먼저 고려한다. 마이크로폰 다이아프램 뒤 공기 내 압력이 입사되는 음에 의해서 변하지 않는다고 가정한다. 이 경우, 다이아프램 응답은 선형 2차 미분 방정식으로 모델링될 수 있다:

여기서 m은 다이아프램의 질량이고, x는 다이아프램의 변위이고, k는 유효 기계적 강성(effective mechanical stiffness)이고, C는 점성 감쇠 계수(viscous damping coefficient)이며, P는 가해진 음장(音場: sound field)에 기인하는 압력이다. 다이아프램의 외부에서 양의 압력이 음의 방향으로의 힘을 야기한다고 가정한다. 공진 주파수,

,가 관심 있는 최대 주파수를 넘으면, 기계적 민감도는

이다.

본 발명에 따른 바람직한 마이크로폰(100)에서, 다이아프램(104) 뒤 공기 챔버 후방 부피(108)의 치수들이 음의 파장보다 훨씬 작다면, 후방 부피(108) 내 공기압이 위치에 무관하다고 가정할 수 있다. 그러면 상기 부피(108) 내 공기는 선형 스프링처럼 작용할 것이다. 부피 변화(dV)에 기인하는, 후방 부피(V)(108) 내 압력 변화는 다이아프램(104)의 외부로의 움직임(x)으로부터 결과된다:

여기서

는 공기 밀도이고 c는 음속이다. 음의 부호는 다이아프램(104)의 외부로의 또는 양의 움직임은 후방 부피(108)의 부피를 증가시켜서 후방 부피 내 내부 압력을 감소시킨다는 사실로부터 연유한다. 후방 부피(108) 내의 상기 압력 은 다음에 의해 주어지는 힘을 다이아프램 상에 가한다:

여기서

는 N/m 단위의 공기의 등가 스프링 상수이다.

후방 부피(108) 내 공기에 의한 힘은 다이아프램(104)의 기계적 강성에 의한 복원력에 더해진다. 후방 부피(108) 내 공기를 포함하여, 수학식 1은:

가 되어, 기계적 민감도는 이제

이 된다.

틈(110) 내 공기의 효과가 또한 고려되어야 한다. 다이아프램(104) 뒤 후방 부피(108) 공간 내와 외부 음장에서의 압력 변화에 의해서 다이아프램(104) 둘레의 틈(110) 내 공기가 이동하도록 강제된다. 다시, 이동하는 이 공기의 부피들의 치수들이 음의 파장보다 훨씬 작아서 하나의 집중 질량(single lumped mass)(

)으 로서 나타낼 수 있다고 가정한다. 틈 내 공기의 외부로의 변위(

)로 인하여

로 주어지는 후방 부피(108) 내 공기 부피 변화가 나타나고, 수학식 6으로 주어지는 상응하는 압력 변화가 나타난다:

여기서

는 압력이 작용하는 틈의 면적이다.

틈(110)에서의 공기의 이동으로 인한 압력이 다음 식으로 주어지는 복원력을 틈(110)에서의 공기 질량에 가한다:

여기서,

이다.

또한, 틈(110)에서의 공기 이동으로 인한 압력이 다음 식으로 주어지는 힘을 다이아프램(104)에 가한다:

여기서,

이다.

마찬가지로, 수학식 2에서의 다이아프램(104)의 움직임으로 인한 압력이 다음 식으로 주어지는 힘을 틈(110)에서의 공기에 생성한다:

여기서 수학식 10에서 주어진 것처럼

이다.

틈(110)에서 공기가 상대적으로 작은 개구부를 통해 압착되기(squeeze) 때문에, 틈(110)에서 공기에 가해지는 속도 의존 복원력을 결과하는 효과를 고려해야 하는데,

여기서

는 공기 흐름의 상세에 의존하는 점성 감쇠 계수이다.

마지막으로, 입사 음장에 기인하여 틈(110)에서의 공기에 외부적으로 가해지는 힘은:

이다.

시스템의 움직이는 요소들에 가해지는 힘을 합하면 다음의 지배 방정식 쌍이 얻어진다:

조화(harmonic) 음장들로 인한 응답을 또한 고려해야 한다. 음장이 주파수 ω와 조화된다고 가정하고,

라 한다. 수학식 14를 풀어서 압력의 진폭에 대한 정상상태 응답을 얻을 수 있다. 이것은 다음으로 표현된다:

그러면 마이크로폰 다이아프램(104)의 응답은 다음이 된다:

수학식 8 및 수학식 10으로부터

가 주어지므로, 수학식 16은 다음과 같이 된다:

이러한 수학식 17에 있어서 분자의 ω에 대한 의존성은 상기 응답이 고역 통과 필터 특성을 가짐을 분명히 나타낸다. 고역 통과 응답의 차단 주파수는 다음과 같다:

가 충분히 크다면, 수학식 17은 다음과 같이 된다:

이 경우에서, 상기 응답은 인클로저(enclosure)가 등가 강성(

)을 가지고 봉해진 것처럼 거동한다.

다른 중요한 특별한 경우는 다이아프램의 기계적인 강성이 다이아프램 뒤의 공기의 강성보다 현저하게 작은, 즉 수학식 17에서

인 경우이다. 이 경우, 수학식 17은 다음과 같이 된다:

더 낮은 주파수들에 한정하는 것으로 하여

에 비례하는 항들이 무시될 수 있다고 하면, 수학식 20은 다음이 된다:

시스템 내 점성 감쇠는 틈(110) 내 공기의 점성 계수에 의해 지배된다면,

이다. 그러하다면, 수학식 4 및 수학식 8을 이용하여 수학식 21은 다음이 된다:

이 경우, 마이크로폰의 기계적인 민감도는 더 이상 다이아프램(104)의 구조적인 특징들 또는 물성들에 의해 결정되지 아니한다. 강성 및 결과되는 민감도는 다이아프램(104) 뒤 공기 용수철의 성질에 의해 실질적으로 결정된다. 그 결과 후방 부피(108)의 크기(V)를 일정하게 유지하면서, 다이아프램 면적(A)을 작게 만드는 매우 작은 마이크로폰을 설계할 수 있다. 이것은 또한 마이크로폰의 민감도를 높이는 부가적인 잇점이 있다. 또한, 후방 부피(108)의 깊이가 d이고, 다른 후방 부피 치수들이 다이아프램(140)의 폭 및 길이와 같다면, V= dA이다. 그러면 수학식 22는 다음이 된다:

공기에 대하여

이다. 민감도는 다이아프램(104)의 면적(A)과 무관하여서 매우 작은 다이아프램들이 유효할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 실리콘 마이크로 제조 기법을 사용하여 마이크로폰을 제조하고, 후방 부피(108)의 깊이가 웨이퍼(102)의 두께와 같다면, 전형적인 깊이

이다. 그러면 기계적인 민감도의 크기는

이다.

이것은 다이아프램의 기계적인 강성이 공기 스프링의 그것보다 훨씬 더 작은 경우, 즉

인 경우에 얻어지는 것임을 유의해야 한다.

이제 도 2를 참조하면, 대체로 도면 부호 200에서 미니어처 마이크로폰 다이아프램의 도식적인 평면도가 도시되어 있다. 다이아프램(200)이 두께 h를 가지는 다결정 실리콘 막으로 제조된다고 가정한다. 다이아프램(200)의 주요부는 제1 치수

(204)와 제2 치수

(206)를 가지는 사각판(202)이다. 다이아프램(200)은 단지 W(208)*L(210) 치수를 가지는 사각 지지 빔(207)의 단부들에서 지지된다. 보다 상세한 분석이 설계의 상세를 식별하는 데에 유용할 것이지만, 후술하는 분석은 설계상 지배 파라미터들을 식별하고 충분히 플렉서블하여서 수학식 22가 유효한 다이아프램(200)의 구성 가능성에 대한 견적을 준다.

이러한 근사 모델에서, 사각 다이아프램은 y 축(212)을 중심으로 강체처럼 회전한다고 가정한다. 두 지지 빔들(206)은 다음과 같이 예측될 수 있는 총 비틀림 강성을 가지는 선형 복원 비틀림 용수철들(linear restoring torsional springs)처럼 거동한다:

여기서

이고 G는 재료의 전단 계수이다. 폴리실리콘 층이 선형 등방성(等方性)(isotropic)이라고 가정하면, 전단 계수는

로부터 계산될 수 있는데, 여기서 E는 영(Young)의 탄성 계수(폴리실리콘에 대하여

)이고,

는 뿌아송 비(Poisson's ratio)(

)이다.

다이아프램이 얇아서 h가

(204)와

(206)보다 훨씬 작다고 가정하면, 다이아프램(200)의 y축을 중심으로 하는 질량 관성 모멘트는 대략 다음과 같다:

여기서

는 재료의 부피 밀도이다. 폴리실리콘에 대하여,

이다.

피봇(즉, y축)을 중심으로 회전

에 관하여 나타낸 입사 음압(P)에 기인하는 다이아프램(200)의 응답은 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서

는 음압(P)이 작용하는 다이아프램(200)의 면적이고,

는 다이아프램(200)의 중심과 피봇 간의 거리이다. 수학식 26의 회전 표현(rotational representation)을 수학식 5와 같이 일반 좌표계에서의 변위(x)를 사용하는 표현으로 변환하기 위해서,

를 유의한다.

를 x로 대체하면, 수학식 26은 다음과 같이 된다:

또는

수학식 5와 수학식 28을 비교하면, 등가 질량은 다음과 같다:

유사하게, 등가 강성은 다음과 같다:

수학식 24와 수학식 30으로부터 다이아프램 지지부들의 기계적인 경도를 예측할 수 있고, 상기 기계적인 경도를 이후 후방 체적 내 공기의 경도(

)와 비교할 수 있다.

인 설계에 대하여, 수학식 24 및 수학식 30으로부터 다이아프램의 등가 경도는

이고, 한편 후방 체적(108) 내 공기의 유효 경도는

이다. 이러한 설계에서 기계적인 경도(k)는 공기 스프링의 경도(

)와 비교해서 분명히 무시할 만하다. 일반적으로

의 허용비는 사용 환경 및 연관되는 요구 조건에 따라 달라지지만, 대개의 적용에 있어서, 20 내지 1000의 비가 바람직하다. 예를 들어, 지지부의 구조적인 경도(k)는 공기 스프링에 의해 정의되는 유효 경도(

)의 10%보다 작은 것이, 보다 바람직하게는 5%보다 작은 것이, 가장 바람직하게는 1%보다 작은 것이 바 람직하다. 본 발명에서 인간의 청각(human hearing)의 한계에 의한 특정한 제한은 없지만, 마이크로폰은 가청 대역(audio band), 20 Hz 내지 20 kHz에 걸친(over) 사용 범위(usable range)를 가질 수 있고, 따라서, 기술적인 적용에 대하여, 전술한 설계 파라미터들에 따라서, 주파수 응답은 예를 들어, 1 Hz로부터 초음파 주파수 예를 들어 25 kHz 및 그 이상까지 확장될 수 있다. 전형적인 고객의 전자 장치에 있어서, 바람직한 음향 대역폭(±3dB)은 약 40 Hz 내지 3.2 kHz이고, 보다 바람직하게는 약 30 Hz 내지 8 kHz이다. 많은 경우들에서, 변환기(transducer) 및 연관되는 전자부들은 다이아프램의 고유 응답(intrinsic response)이 아닌 센서의 유효 응답을 제한할 것이고, 실로(indeed) 대역-제한(band-limiting)이 변환기의 설계 특징이 될 것이다.

앞서의 사전 예측에 근거하여, 수학식 22 및 수학식 23 배후의 가정들은 어렵지 않게 실현된다. 그러면 기계적 민감도의 크기는 수학식 23으로부터

로 예측될 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이 그 둘레 주위에 갭을 둔 일련의 탭들(502)을 제공하여, 다이아프램(501)에 회전 움직임 대신에 선형 움직임을 하게 하는 것이 또한 가능하다. 마찬가지로, 고정 지지부(cantilever support)는, 지지 구조들의 배치를 비틀림 바들과는 달리 하면서, 다이아프램의 회전 움직임을 허용할 것이다. 도 5에 도시된 다이아프램(501)은 또한 폭(wg)를 가진 선택적인 틈(503)을 포함한다. 이것은 고유 응력(intrinsic stress)이 다이아프램(501)을 지지하는 탭들(502) 상에 미치는 영향을 현저하게 줄이도록 포함될 수 있다. 예를 들어 일련의 발형 가지 전극들(interdigital finger electrodes)(504)로 다이아프램(501) 변위를 감지할 수 있다.

다이아프램(200) 용 지지 구조들은 틈(110)의 폭과 같은 길이를 가지는 것으로 한정되지 아니하고, 오히려 그것들 자체가, 원하는 강성을 얻기에 충분한 길이를 제공하기 위한, 인접한(adjacent) 또는 기저의(underlying) 돋음부(reliefs)를 구비하여, 원하는 강성을 얻을 수 있다.

따라서, 바람직한 일 실시예가 다이아프램의 한 에지에 배치된 힌지들을 포함하지만, 다이아프램의 유효 강성에 실질적으로 기여하지 아니하는 대체적인 지지 구조들을 제공하는 것이 또한 가능하다.

이제 도 3A 내지 도 3E를 참조하면, 앞서서 기술한 바와 같이, 실제적인 마이크로폰은 실리콘 마이크로 제조 기법을 사용하여 제조할 수 있다. 제조 프로세스는 원시(bare) 실리콘 웨이퍼(300)(도 3)으로 시작한다.

도 3B에 도시한 바와 같이 실리콘 웨이퍼(300)의 상면 상에 희생층(302)을 쌓거나 형성한다. 희생층(302)는 전형적으로 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)이지만, 용이하게 제거될 수 있는 다른 물질들이 사용될 수 있다. 이러한 물질들은 실리콘 마이크로 제조 분야의 통상의 지식을 가진 기술자들에게 알려져 있으며, 여기서는 더 언급하지 않겠다. 폴리실리콘과 같은 구조적 물질의 층(304)을 희생층(302) 상에 쌓는다. 층(304)는 궁극적으로 마이크로폰 다이아프램(104)(도 1A, 1B)를 형성한다. SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼를 이용하여 다이아프램 물질이 응력-프리 단결정 실리콘으로 이루어진 유사한 구조를 얻을 수도 있다.

도 3C에 도시한 바와 같이, 다음으로 다이아프램 재료(다시 말해서, 구조 층(304))를 패터닝하고 식각하여, 구조 층(304)의 나머지로부터 다이아프램(310)을 고립시키는 틈들(306)을 생성한다.

도 3D에 도시한 바와 같이, 다음으로, 후방측 관통-웨이퍼 식각(backside through-wafer etch)을 수행하여 다이아프램(310) 뒤 공기의 후방 부피를 생성한다.

마지막으로, 도 3E에 도시한 바와 같이, 희생층(302)를 제거하여, 구조의 나머지로부터 다이아프램(310)을 분리한다.

다이아프램(310)의 움직임은 여러가지 방식으로 전자 신호로 변환될 수 있 다. 예를 들어, 다이아프램(310)의 둘레 사에 콤 센스 가지(comb sense fingers)(미도시)가 배치될 수 있다. 인용에 의하여 본 명세서에 명시적으로 포함되는 2005년 8월 5일에 출원된 미국 특허 출원 번호 11/198,370, "콤 센스 마이크로폰(COMB SENSE MICROPHONE)"에 콤 센스 가지에 대하여 상세히 개시되어 있다. 바람직하게는 전도 물질들을 지지부들로서 실리콘 웨이퍼(300) 및/또는 구조 층(304)를 사용하여 다이아프램(310)의 움직임을 감지하는 요소들을 형성하거나, 및/또는 이들을 표준 반도체 처리 기법으로 처리하여 기능적으로 도핑된 및/또는 절연 영역들을 형성할 수 있고, 및/또는 집적 전자 장치가 그 안에 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(300) 내로 버퍼링된 출력을 직접 제공하기 위한 변환기 여기 회로(transducer excitation circuit) 및/또는 증폭기가 통합될 수 있다.

도 4는 발형(interdigitated) 콤 센스 가지(402)가 마이크로폰 다이아프램(404) 내에 통합된 가능한 배치를 나타낸다. 바이어스 전압 또는 변조된 전압 파형이 발형 콤 센스 가지(402)를 통해 마이크로폰 다이아프램(404)으로 인가되어 출력 전압을 생성하기 위한 수단으로서 용량성 감지(capacitive sensing)를 이용할 수 있게 할 수 있다. 다이아프램 상의 콤 센스 가지와 기판 상의 상응하는 가지 사이의 정전기력이 다이아프램과 실질적으로 동일 평면상의 성분을 가지므로, 다이아프램 강성에 미치는 효과가 줄어든다. 마찬가지로, 비록 동작 동안 신호 무효(signal nulls)를 피하기 위해서는 개개의 콤 센스 가지가 서로로부터 변위되어 야(displace) 하지만, 표면에 수직한 힘 성분은 다이아프램을 본래 위치(home position)로부터 멀리 변위시키려 하지 않는다. 가지의 두께를 통해 응력 구배가 콤 가지의 변위된 위치를 강제할 수 있다. 응력 구배로 인해 플렉서블한 구조에서 면 밖 변위(out of plane displacements)가 나타날 수 있음은 잘 알려져 있다. 콤 가지의 제어가능한 면 밖 변위 또는 오프셋을 강제하는 다른 방법은 웨이퍼 기판 물질과 다이아프램 가지 사이에 바이어스 전압을 인가하는 것이다. 이것으로 인해, 주변 기판에 단단히 부착된 가지들에 대하여 다이아프램이 변형될 수 있다.

대체적인 실시예들에서, 다이아프램의 움직임을 전자 신호로 변환하기 위해 광학 센싱을 이용할 수 있다. 인용에 의하여 본 명세서에 명시적으로 포함되는 2006년 1월 19일에 출원된 미국 특허 출원 번호 11/335,137, "일 방향 멤스 마이크로폰 광학 센싱(OPTICAL SENSING IN A DIRECTIONAL MEMS MICROPHONE)"에 광학 센싱에 대하여 개시되어 있다.

본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 다른 방법들을 이용하여 다이아프램의 움직임이 전기 신호로 표현된 전기 신호를 생성할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 개시의 목적으로 선택된 방법들에 제한되지 아니한다. 오히려, 본 발명은 다이아프램 상에 작용하는 소리 또는 음향 진동를 나타내는 출력 신호를 생성하는 어떤 및 모든 방법들을 포함한다.

본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 특정한 동작 요구 및 환경들을 충족하기 위한 다른 변형들 및 변화들이 가능함이 명백하므로, 본 발명은 개시의 목적으로 선택된 예시들에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 아니하는 모든 변화들 및 변형들을 포함한다.

이상 설명한 본 발명에 대하여 본 특허에 의하여 보호 받고자 하는 대상이 이후 첨부된 청구항들에 나타나 있다.

Claims

a) 둘러싸인 부피 영역의 적어도 측벽들을 정의하는 하우징;

b) 상기 하우징에 근접해서 변위 가능하게(displaceably) 지지되어, 상기 부피 영역을 둘러싸는 인클로저(enclosure)의 적어도 일부를 형성하는 다이아프램; 및

c) 상기 부피 영역 내 압력을 주변과 동일하게 하는 하나 이상의 벤팅(venting) 영역을 포함하되,

음압파(acoustic pressure waves)에 응답하여 상기 다이아프램의 변위에 의해 야기되는 상기 부피 영역 내 유체 또는 가스의 부피 변화가, 상기 다이아프램의 움직임에 대항하는 복원력의 거의 전부를 제공하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 하우징은 다공성 기판(perforated substrate)과 커버를 포함하고, 상기 다이아프램, 상기 다공성 기판 및 상기 커버가 상기 부피 영역을 실질적으로 둘러싸는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 다이아프램은 마이크로 머시닝된 실리콘 멤브레인(micromachined silicon membrane)을 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 벤트(vent)는 상기 하우징의 벽과 상기 다이아프램의 둘레의 적어도 일부 사이에 위치하는 갭(gap)을 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 다이아프램의 음향 진동 유도 변위(acoustic vibration induced displacement)에 응답하여 상기 벤트가 상기 벤트를 통해 유체가 점성 유동하도록 이끄는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

가청 주파수(acoustic frequency)에서 상기 마이크로폰의 민감도는 상기 부피 영역 내의 공기 부피에 의해서 원칙적으로 결정되는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 부피 영역에 인접하여 상기 다이아프램을 변위 가능하게 지지하는 하나 이상의 비틀림 지지부(torsional support)를 더 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 부피 영역에 인접하여 상기 다이아프램을 변위 가능하게 지지하는 하나 이상의 휨 지지부(flexural support)를 더 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

음향파에 응답하여 회전축을 중심으로 상기 다이아프램이 편향(deflect)되 는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 다이아프램의 변위를 전기 신호로 변환하는 변환기를 더 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 다이아프램의 변위를 탐지하는 발형 변환기(interdigital transducer)를 더 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

상기 다이아프램의 변위를 탐지하는 광학 변환기를 더 포함하는,

마이크로폰.
제1 항에 있어서,

다이아프램 응답이 선형 2차 진동자 모델:

(여기서 m은 상기 다이아프램의 질량, x는 상기 다이아프램의 변위, k는 상기 다이아프램의 유효 기계적 강성, C는 상기 벤트를 통해 흐르는 유체의 점성 감쇠 계수, P는 가해진 음장(sound field)으로 인한 상기 다이아프램 상에 입사되는 압력)

에 의해 근사되고,

상기 부피 영역 내 공기의 부피에 의해 상기 k가 원칙적으로 정의되는,

마이크로폰.
a) 기판을 제공하고;

b) 상기 기판의 상면 상에 희생층을 쌓고;

c) 상기 희생층의 상면 상에 구조적 물질 층을 쌓아 다이아프램 층을 형성하고;

d) 상기 구조적 물질 층에 하나 이상의 갭을 생성하여 마이크로폰 다이아프램 영역을 둘레 영역으로부터 고립시키고;

e) 상기 마이크로폰 다이아프램 영역 아래 상기 기판에서 공백(void) 부피를 생성하고; 및

f) 상기 희생층의 일부를 제거하는 것을 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제14 항에 있어서,

상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제14 항에 있어서,

식각 공정을 이용하여 상기 하나 이상의 갭을 생성하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제14 항에 있어서,

상기 구조적 물질은 폴리실리콘을 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제14 항에 있어서,

상기 기판 상에 후방측 식각(backside etch)을 행하여서 상기 공백을 생성하는,

마이크로폰의 형성 방법.
실리콘 마이크로제조 기법을 사용하여 제조되고, 하나 이상의 빔(beam)에 의해 지지되는 뻣뻣한(stiff) 실리콘 다이아프램을 구비하되,

상기 마이크로폰이 상기 다이아프램의 치수에 무관한 저주파수 응답 및 민감도의 하나 이상 구비하는,

미니어처, 비방향성 마이크로폰.
a) 뻣뻣한(stiff) 다이아프램;

b) 상기 다이아프램을 지지하는 탄성 지지부(resilient support)로서, 상기 다이아프램이 그것의 변위에 의해 음파에 자유 응답(freely respond)할 수 있도록 구성된 상기 탄성 지지부;

c) 적어도 상기 다이아프램 뒤 공간을 포함하는 부피를 구비하는 영역을 상기 다이아프램과 함께 정의하는 하우징으로서, 상기 다이아프램의 변위가 상기 영역의 부피를 변화시키는 상기 하우징; 및

d) 상기 영역과 주변(environment) 사이와 소통하는 하나 이상의 포트(port) 를 포함하되,

상기 하나 이상의 포트의 구성 및 상기 영역의 부피에 의해서, 가청 범위(audio range)에서 음파에 의한 변위에의 상기 다이아프램의 감응도(responsivity)가 원칙적으로 정의되는,

마이크로폰.
a) 개구를 구비하는 챔버;

b) 하나 이상의 지지부에 의해 지지되고, 상기 개구를 막도록 위치하며, 음파에 응답하여 변위할 수 있는 구조물로서,

상기 구조의 변위는 상기 챔버 내 압력 변화에 연계되고,

상기 변위에 의해 야기되는 상기 챔버 내 가스의 압력 변화가 가청 주파수에서 상기 구조의 위치를 복원하는 복원력의 실질적으로 전부를 실질적으로 제공하되, 가청 주파수에서 상기 구조를 복원하는 힘을 유지하면서, 둘러싸인 부피 내의 압력을 그 외부의 압력과 동일하게 하도록 구성된 하나 이상의 가스 유동 통로가 제공된 상기 구조; 및

c) 음파에 응답하여 상기 구조의 변위를 탐지하는 센서를 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 챔버는 다공성 기판 및 커버를 포함하고,

상기 구조, 상기 다공성 기판 및 상기 커버가 상기 챔버 내의 공간을 실질적으로 둘러싸는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 구조는 마이크로 머시닝된 실리콘 멤브레인을 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 유동 통로는,

상기 챔버의 벽과 상기 구조의 둘레의 적어도 일부 사이에 배치된 갭을 포함하는

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가스 유동 통로는

상기 구조의 변위에 의해 야기되는 음파에 응답하여 상기 하나 이상의 가스 유동 통로를 통과하는 가스의 점성 유동을 제공하도록 구성된,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 챔버 내 가스 부피에 의해서 가청 주파수에서 상기 구조의 변위의 민감도가 원칙적으로 결정되는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 개구를 막도록 위치하여 상기 구조를 변위 가능하게 지지하는 하나 이상의 비틀림 지지부를 더 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 개구를 막도록 위치하여 상기 구조를 변위 가능하게 지지하는 하나 이상의 휨 지지부를 더 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

음향파에 응답하여 회전축을 중심으로 상기 구조가 편향되는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 센서는 상기 구조의 변위에 응답하여 전기 신호를 생성하도록 구성된 변환기를 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 센서는 상기 구조의 변위를 탐지하는 발형 변환기를 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제31 항에 있어서,

상기 발형 변환기는 넌-제로 오프셋 갭(non-zero offset gap)을 제공하여 무 효 응답 영역(null response region)을 피하도록 바이어스되는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 센서는 상기 구조의 변위를 탐지하는 광학 변환기를 포함하는,

마이크로폰 시스템.
제21 항에 있어서,

상기 구조의 음파에 응답하는 변위(A)가 선형 2차 진동자 모델:

(여기서 m은 상기 구조의 유효 질량, x는 상기 구조의 유효 변위, k는 상기 구조의 유효 기계적 강성, C는 상기 하나 이상의 가스 유동 통로를 통해 흐르는 가스의 점성 감쇠 계수, P는 가해진 음장(sound field)으로 인한 상기 구조 상에 입사되는 압력)

에 의해 근사되고,

상기 챔버 내 가스의 부피에 의해 상기 k가 원칙적으로 정의되는,

마이크로폰 시스템.
a) 기판의 표면 상에 희생층을 쌓고,

b) 상기 희생층의 노출면 상에 다이아프램 형성 물질 층을 쌓고,

c) 상기 구조적 물질 층에 하나 이상의 갭을 생성하여

상기 다이아프램 형성 물질의 다이아프램 영역을 상기 다이아프램 형성 물질의 둘레 영역으로부터 부분적으로 고립시켜, 마이크로폰 다이아프램을 정의하고,

d) 상기 마이크로폰 다이아프램 아래에서 상기 희생층의 일부를 선택적으로 제거하여, 잠재적인 공백 부피를 정의하고,

e) 상기 잠재적인 공백 부피를 둘러싸서 챔버를 정의하되,

가청 주파수에서 음파에 응답하는 변위를 허용하면서, 가청 주파수에서 상기 마이크로폰 다이아프램 및 상기 둘레 영역을 서로 연결하는 상기 다이아프램 형성 물질의 남은 부분이 상기 공백 부피 위에서(over) 상기 마이크로폰 다이아프램을 지지하는 상기 기계적 지지부를 제공하고,

상기 공백 부피 내 가스의 부피가, 상기 마이크로폰 다이아프램을 변위되지 않은 위치로 복귀시키는 복원력을 실질적으로 제공하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제35 항에 있어서,

상기 다이아프램 형성 물질 상에서 상기 둘레 영역에 대하여 상기 마이크로 폰 다이아프램의 변위를 탐지하는 용량성 변위 센서를 형성하는 단계를 더 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제35 항에 있어서,

상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제35 항에 있어서, 상기 부분적으로 고립시키는 단계는,

식각 공정을 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제35 항에 있어서,

상기 다이아프램 형성 물질은 폴리실리콘을 포함하는,

마이크로폰의 형성 방법.
제35 항에 있어서,

상기 기판 상에 후방측 식각을 행하여서 상기 잠재적인 공백 부피를 생성하는,

마이크로폰의 형성 방법.
후방측 부피의 앞에서 비틀림 및 휨 중 하나 이상을 받는 하나 이상의 부재에 의해 지지되는 뻣뻣한 다이아프램을 포함하되,

상기 하나 이상의 부재의 강성이 충분히 작아서, 상기 뻣뻣한 다이아프램의 변위로 인한 상기 후방측 부피 내 가스의 부피 변화가 가청 주파수에서 음파에 응답하여 상기 뻣뻣한 다이아프램의 위치를 변위된 위치로부터 변위되지 않은 위치로 복귀시키는 복원력의 전부를 실질적으로 제공하는,

마이크로폰.
제41 항에 있어서,

상기 뻣뻣한 다이아프램은 마이크로머시닝 공정으로 생성된,

마이크로폰.
제41 항에 있어서,

상기 후방측 부피는 마이크로머시닝 공정으로 생성된,

마이크로폰.
제41 항에 있어서,

가청 주파수에서 상기 뻣뻣한 다이아프램의 음파에 응답하는 변위(A)가 선형 2차 진동자 모델:

(여기서 m은 상기 뻣뻣한 다이아프램의 유효 질량, x는 상기 뻣뻣한 다이아프램의 유효 변위, k는 상기 뻣뻣한 다이아프램의 유효 기계적 강성, C는 주변 공간과 상기 후방측 부피 사이에서 흐르는 가스의 점성 감쇠 계수, P는 음파로 인한 상기 뻣뻣한 다이아프램 상에 입사되는 압력)

에 의해 근사되고,

상기 후방측 부피 내 가스의 부피에 의해 상기 k가 원칙적으로 정의되는,

마이크로폰.
a) 뻣뻣한 다이아프램;

b) 상기 다이아프램을 지지하는 유순한(compliant) 지지부로서, 상기 뻣뻣한 다이아프램이 그것의 변위에 의하여 음파에 선형적으로 응답할 수 있도록 구성된 상기 지지부; 및

c) 챔버로서,

상기 챔버의 벽을 유효하게 형성하도록 상기 유순한 지지부가 상기 뻣뻣한 다이아프램을 지지하여서, 그 결과 상기 뻣뻣한 다이아프램의 변위가 상기 영역의 둘러싸인 부피를 변화시키고,

외부 대기와 상기 챔버 내 압력을 동일하게 하도록 제공되는 가스 유동 통로가 제공되되, 가청 주파수에서 음파에 대한 상기 뻣뻣한 다이아프램의 민감도를 유지되고, 상기 가스 유동 통로의 구성 및 상기 챔버의 부피에 의해 상기 민감도가 원칙적으로 정의되는, 상기 챔버를 포함하는,

마이크로폰.
제45 항에 있어서, 상기 뻣뻣한 다이아프램과 상기 유순한 지지부는,

적어도 식각 공정에 의해 구성되는, 폴리실리콘을 포함하는,

마이크로폰.
제45 항에 있어서,

상기 뻣뻣한 다이아프램의 변위에 의존하여 전기 신호를 생성하는 변환기를 더 포함하는,

마이크로폰.
제47 항에 있어서,

상기 변환기는 용량성 변환기를 포함하는,

마이크로폰.
제48 항에 있어서,

상기 용량성 변환기는 발형 변환기를 포함하는,

마이크로폰.
제49 항에 있어서, 상기 발형 변환기는,

상기 음파에 응답하여 무효 응답 영역을 가로지르는 것(traversing)을 피하도록 바이어스되는,

마이크로폰.
제49 항에 있어서,

상기 뻣뻣한 다이아프램은 복수의 가지 전극을 정의하는 하나 이상의 자유단(free edge)을 포함하는,

마이크로폰.
제47 항에 있어서,

상기 변환기는 광학 변환기를 포함하는,

마이크로폰.
제45 항에 있어서, 상기 가스 유동 통로는,

변위에 대하여 상기 챔버의 벽을 형성하도록 지지되는 뻣뻣한 다이아프램을 둘러싸는 갭을 포함하는,

마이크로폰.
제53 항에 있어서,

상기 갭은 상기 뻣뻣한 다이아프램의 변위를 탐지하는 용량성 변환기의 유전체 공간을 포함하는,

마이크로폰.