KR20110087896A - Broadband mems microphone structure - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A broadband MEMS(Micro-electro-mechanical systems) microphone structure is provided to stabilize broadband frequency characteristics by appropriately reducing the volume of an acoustic cavity. CONSTITUTION: A microphone chip(20) and an ASIC(Application Specific Integrated Circuit) chip(30) are mounted in a silicon substrate(10). A metal case(40) is installed in order to surround the microphone chip and the ASIC chip and forms an acoustic cavity(45). An acoustic hole(41) in which sound passes through is formed in the metal case. A volume reduction member(50) is arranged inside of the metal case and reduces the sound volume of the acoustic cavity. The volume reduction member is arranged in order to open the upper side of the microphone chip.

Description

광대역 멤스 마이크로폰 구조{BROADBAND MEMS MICROPHONE STRUCTURE}Broadband MEMS microphone structure {BROADBAND MEMS MICROPHONE STRUCTURE}

본 발명은 캐비티 내부의 공진 주파수를 제어할 수 있는 멤스 마이크로폰 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS microphone structure capable of controlling the resonance frequency inside the cavity.

일반적으로 마이크로폰은 음향 신호를 전기적인 신호로 변환하는 장치이다. 상기 마이크로폰은 컴퓨터, 이동통신 단말기, 휴대용 녹음기, 캠코더, 헤드셋, 보청기 등과 같은 휴대용 또는소형 전자기기에 광법위하게 사용될 수 있다. In general, a microphone is a device that converts an acoustic signal into an electrical signal. The microphone may be optically used in portable or small electronic devices such as computers, mobile communication terminals, portable recorders, camcorders, headsets, hearing aids, and the like.

상기 마이크로폰에는 실리콘 기반으로 제조된 멤스 마이크로폰(MEMS microphone)이 있다. 상기 멤스 마이크로폰은 실리콘 기판에 마이크로폰 칩과 ASIC 칩 등을 실장한 후에 금속 케이스로 마이크로폰 칩과 ASIC 칩을 덮도록 설치함에 의해 제조된다. 이때, 상기 금속 케이스는 마이크로폰 칩과 ASIC 칩을 덮음에 의해 음향 캐비티를 형성한다. 또한, 상기 금속 케이스에는 외부에서 음향이 유입될 수 있도록 음향홀이 형성된다.The microphone includes a MEMS microphone manufactured based on silicon. The MEMS microphone is manufactured by mounting a microphone chip, an ASIC chip, and the like on a silicon substrate and covering the microphone chip and the ASIC chip with a metal case. In this case, the metal case forms an acoustic cavity by covering the microphone chip and the ASIC chip. In addition, the metal case is formed with a sound hole so that sound can be introduced from the outside.

상기 마이크로폰 칩은 음향홀을 통해 유입된 음향 신호를 감지하고, 상기 ASIC 칩은 음향 신호를 전기적인 신호로 변환하여 기능을 수행한다.The microphone chip detects an acoustic signal introduced through the acoustic hole, and the ASIC chip converts the acoustic signal into an electrical signal to perform a function.

그러나, 종래의 멤스 마이크로폰은 금속 케이스가 마이크로폰 칩과 ASIC 칩을 모두 덮는 구조이므로, 상기 금속 케이스의 내부 공간인 음향 캐비티의 볼륨(크기)이 필요 이상으로 넓게 형성되었다. However, the conventional MEMS microphone has a structure in which the metal case covers both the microphone chip and the ASIC chip, and thus the volume (size) of the acoustic cavity, which is the inner space of the metal case, is formed wider than necessary.

상기 음향 캐비티의 볼륨(크기)가 필요 이상으로 넓어지게 되면, 상기 마이크로폰 칩의 다이어프램(진동막)이 진동될 때에 다이어프램의 공진 주파수가 낮아지는 현상이 발생될 수 있었다. 상기 다이어프램의 공진 주파수가 음성 대역으로 낮아지는 경우 가청 주파수대의 레벨이 공진에 의해 상승됨에 따라 특정 가청 주파수대에서 음원의 왜곡(distrotion)이 커지거나 음색(tone)이 달라짐에 따라 음향 품질이 나빠지는 문제점이 있었다.When the volume (size) of the acoustic cavity becomes more than necessary, a phenomenon may occur in which the resonance frequency of the diaphragm decreases when the diaphragm (vibration membrane) of the microphone chip is vibrated. When the resonant frequency of the diaphragm is lowered to the voice band, as the level of the audible frequency band is increased by resonance, sound quality deteriorates as the distortion of the sound source increases or the tone is changed in a specific audible frequency band. There was this.

상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 멤스 마이크로폰의 음향 캐비티의 볼륨을 조절하여 광대역 주파수 특성을 안정화시킬 수 있는 멤스 마이크로폰을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a MEMS microphone that can stabilize the broadband frequency characteristics by adjusting the volume of the acoustic cavity of the MEMS microphone.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 형태에 의하면, 실리콘 기판에 실장되는 마이크로폰 칩 및 ASIC 칩; 상기 마이크로폰 칩과 ASIC 칩을 둘러싸도록 설치되어 음향 캐비티를 형성하고, 음향이 유입되도록 음향홀이 형성된 금속 케이스; 및 상기 금속 케이스의 내부에 배치되어 상기 음향 캐비티의 볼륨을 축소시키는 볼륨 축소 부재;를 포함하는 멤스 마이크로폰을 제공한다.According to one embodiment of the present invention for achieving the above object, a microphone chip and an ASIC chip mounted on a silicon substrate; A metal case installed to surround the microphone chip and the ASIC chip to form an acoustic cavity, and a sound hole formed to introduce sound; And a volume reduction member disposed inside the metal case to reduce the volume of the acoustic cavity.

상기 볼륨 축소 부재는 마이크로폰 칩의 둘레 공간 중에서 상기 마이크로폰 칩과 ASIC 칩의 동작특성에 물리적 영향을 주는 영역을 제외한 부분에 배치될 수 있다.The volume reducing member may be disposed in a portion of the circumferential space of the microphone chip except for a region that physically affects the operating characteristics of the microphone chip and the ASIC chip.

상기 볼륨 축소 부재는 상기 마이크로폰 칩의 둘레를 폐쇄하고 상기 마이크로폰 칩의 상면을 개방시키도록 배치될 수 있다.The volume reducing member may be arranged to close the circumference of the microphone chip and open the top surface of the microphone chip.

상기 볼륨 축소 부재는 고형화된 물질을 삽입하여 형성하거나 또는 물질을 주입 또는 투입하여 고형화시켜 형성할 수 있다.The volume reduction member may be formed by inserting a solidified material or by solidifying by injecting or injecting the material.

본 발명에 의하면, 음향 캐비티의 볼륨을 적절하게 축소시킴으로써 광대역 주파수 특성을 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the broadband frequency characteristic can be stabilized by appropriately reducing the volume of the acoustic cavity.

도 1은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 멤스 마이크로폰을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 멤스 마이크로폰을 도시한 측단면도이다.
도 4는 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재가 적용되지 않았을 경우 멤스 마이크로폰의 음향 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재가 적용되었을 경우 멤스 마이크로폰의 음향 특성을 도시한 그래프이다. 1 is an exploded perspective view showing a MEMS microphone according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the MEMS microphone of FIG. 1. FIG.
3 is a side cross-sectional view of the MEMS microphone of FIG. 1.
4 is a graph illustrating acoustic characteristics of a MEMS microphone when the volume reduction member is not applied to the MEMS microphone.
5 is a graph showing the acoustic characteristics of the MEMS microphone when the volume reduction member is applied to the MEMS microphone according to the present invention.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 실시예에 관해 설명하기로 한다.Specific embodiments of the present invention for achieving the above object will be described.

도 1은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰을 도시한 사시도이고, 도 2는 멤스 마이크로폰을 도시한 상면도이며, 도 3은 멤스 마이크로폰을 도시한 측단면도이다.1 is a perspective view of a MEMS microphone according to the present invention, FIG. 2 is a top view of the MEMS microphone, and FIG. 3 is a side cross-sectional view of the MEMS microphone.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰(MEMS microphone)은 실리콘 기판(10)에 실장되는 마이크로폰 칩(20)과 ASIC 칩(30)과, 상기 마이크로폰 칩(20)과 ASIC 칩(30)을 커버하도록 설치되어 음향 캐비티(45)를 형성하는 금속 케이스(40)와, 상기 금속 케이스(40)의 내부에 배치되어 상기 음향 캐비티(45)의 볼륨을 축소시키는 볼륨 축소 부재(50)를 포함한다.1 to 3, the MEMS microphone includes a microphone chip 20 and an ASIC chip 30 mounted on a silicon substrate 10, and the microphone chip 20 and an ASIC chip 30. It is installed to cover the metal case 40 to form an acoustic cavity 45, and the volume reduction member 50 is disposed inside the metal case 40 to reduce the volume of the acoustic cavity 45 do.

상기 마이크로폰 칩(20)은 상면을 이루고 다수의 음공(23)이 형성된 다이어프램(21)(diaphragm)과, 상기 다이어프램(21)과 이격되게 설치되는 백 플레이트(backplate)를 포함한다. 여기서, 상기 다이어프램(21)은 음압이 작용할 때에 진동하는 진동판이다. 또한, 상기 다이어프램(21)은 상부 전극을 이루고, 상기 백 플레이트(미도시)는 다이어프램(21)과 함께 콘덴서를 구성하는 하부 전극을 이룬다. 물론, 상기 다이어프램(21)이 하측에 설치되어 하부 전극을 이루고, 상기 백 플레이트가 상측에 설치되어 상부 전극을 이룰 수 있다.The microphone chip 20 includes a diaphragm 21 (diaphragm) forming an upper surface and a plurality of sound holes 23 and a back plate spaced apart from the diaphragm 21. Here, the diaphragm 21 is a diaphragm vibrating when a sound pressure is applied. In addition, the diaphragm 21 forms an upper electrode, and the back plate (not shown) forms a lower electrode constituting a capacitor together with the diaphragm 21. Of course, the diaphragm 21 may be installed at a lower side to form a lower electrode, and the back plate may be installed at an upper side to form an upper electrode.

상기 ASIC 칩(30)(Application Specific Integrated Circuit Chip)은 상기 마이크로폰 칩(20)에서 검출된 정전용량의 변화에 따라 음향 신호를 전기적인 신호로 변환하는 회로가 집적된 칩을 말한다. 이러한 ASIC 칩(30)은 마이크로폰 칩(20)과는 별개의 공정을 통해 제작될 수 있다. The ASIC chip 30 (Application Specific Integrated Circuit Chip) refers to a chip in which a circuit for converting an acoustic signal into an electrical signal according to a change in capacitance detected by the microphone chip 20 is integrated. The ASIC chip 30 may be manufactured through a separate process from the microphone chip 20.

상기 마이크로폰 칩(20)과 ASIC 칩(30)은 리드선(31)에 의해 전기적으로 연결되고, 상기 ASIC 칩(30)은 리드선(33)에 의해 실리콘 기판(10)의 회로와 연결될 수 있다.The microphone chip 20 and the ASIC chip 30 may be electrically connected by the lead wire 31, and the ASIC chip 30 may be connected to the circuit of the silicon substrate 10 by the lead wire 33.

상기 금속 케이스(40)에는 외부에서 발생된 음향이 음향 캐비티(45) 내부로 유입될 수 있도록 음향홀(41)이 형성된다. 이때, 상기 음향홀(41)은 금속 케이스(40)의 상면에 형성될 수 있다. 이러한 금속 케이스(40)는 외부에서 발생한 EMI(Electromagnetic Interference)와 같은 전자기파를 차단하는 역할을 수행할 수 있다.An acoustic hole 41 is formed in the metal case 40 so that sound generated from the outside may be introduced into the acoustic cavity 45. In this case, the sound hole 41 may be formed on the upper surface of the metal case 40. The metal case 40 may serve to block electromagnetic waves such as electromagnetic interference (EMI) generated from the outside.

상기 볼륨 축소 부재(50)는 마이크로폰 칩(20)의 둘레 공간 중에서 상기 마이크로폰 칩(20)과 ASIC 칩(30) 사이의 공간을 제외한 부분에 배치될 수 있다. 이때, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 대략 "ㄷ" 형태를 갖는다. 따라서, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 상기 ASIC 칩(30)에서 발생되는 열이 외부로 방출되는 공간을 거의 침범하지 않는다. 이러한 볼륨 축소 부재(50)는 음향 캐비티(45)의 공간을 축소시키면서도 ASIC 칩(30)에서 발생된 열이 방출될 수 있도록 한다.The volume reduction member 50 may be disposed in a portion of the peripheral space of the microphone chip 20 except for the space between the microphone chip 20 and the ASIC chip 30. At this time, the volume reduction member 50 has a substantially "C" shape. Therefore, the volume reduction member 50 hardly invades the space where heat generated from the ASIC chip 30 is discharged to the outside. The volume reduction member 50 allows the heat generated in the ASIC chip 30 to be released while reducing the space of the acoustic cavity 45.

또한, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 상기 마이크로폰 칩(20)의 둘레를 폐쇄함과 아울러 상기 마이크로폰 칩(20)의 상면을 이루는 다이어프램(21)의 상측을 개방시키도록 배치될 수 있다. 따라서, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 다이어프램(21)이 음압이 충분히 도달되면서도 상기 음향 캐비티(45)의 볼륨(크기)를 적절하게 축소시킨다.In addition, the volume reduction member 50 may be arranged to close the circumference of the microphone chip 20 and open the upper side of the diaphragm 21 forming the upper surface of the microphone chip 20. Therefore, the volume reduction member 50 appropriately reduces the volume (size) of the acoustic cavity 45 while the diaphragm 21 sufficiently reaches the sound pressure.

상기 볼륨 축소 부재(50)는 고형화된 물질을 삽입함에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 금속 케이스(40)가 실리콘 기판(10)에 부착되기 이전에 고정되어야 할 것이다.The volume reduction member 50 may be formed by inserting a solidified material. In this case, the volume reduction member 50 should be fixed before the metal case 40 is attached to the silicon substrate 10.

또한, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 젤이나 겔 상태의 물질을 마이크로폰 칩(20)의 둘레에 주입 또는 투입시킨 후 고형화함에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 금속 케이스(40)가 실리콘 기판(10)에 부착된 이후 또는 이전에 투입 또는 주입될 수 있다. 또한, 이러한 방식은 고형화된 물질을 삽입하기 곤란하여 구조체 제작이 어려운 제품에 적용 가능하다.In addition, the volume reduction member 50 may be formed by injecting or injecting a gel or gel-like material around the microphone chip 20 and solidifying the same. In this case, the volume reduction member 50 may be injected or injected after or before the metal case 40 is attached to the silicon substrate 10. In addition, this method is applicable to a product that is difficult to insert the solidified material is difficult to manufacture the structure.

상기한 볼륨 축소 부재(50)는 금속 케이스(40)와 실리콘 기판(10)의 접합부의 틈새를 씰링하는 역할도 수행할 수 있다. 따라서, 상기 볼륨 축소 부재(50)는 외부 노이즈가 음향 캐비티(45) 내부로 침투하는 것을 보다 확실하게 차폐할 수 있는 기능도 수행할 수 있다.
The volume reduction member 50 may also serve to seal a gap between the junction of the metal case 40 and the silicon substrate 10. Therefore, the volume reduction member 50 may also perform a function to more reliably shield external noise from penetrating into the acoustic cavity 45.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 작용에 관해 설명하기로 한다.The operation of the MEMS microphone according to the present invention configured as described above will be described.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 금속 케이스(40)의 음향홀(41)을 통해 음향 캐비티(45) 내부로 음압이 작용한다.1 and 2, sound pressure acts inside the acoustic cavity 45 through the sound hole 41 of the metal case 40.

이때, 상기 음향 캐비티(45)의 볼륨은 상기 볼륨 축소 부재(50)에 의해 적절하게 축소되므로 다이어프램(21)의 공진 주파수를 최적으로 조절할 수 있다. 나아가, 상기 다이어프램(21)의 공진 주파수가 최적으로 조절됨에 의해 음성 대역의 레벨이 증폭(boost)되는 것을 방지할 수 있다.In this case, since the volume of the acoustic cavity 45 is appropriately reduced by the volume reducing member 50, the resonance frequency of the diaphragm 21 may be optimally adjusted. Furthermore, the resonance frequency of the diaphragm 21 may be optimally adjusted to prevent the level of the voice band from being boosted.

아래에서는 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재(50)가 설치되지 않은 경우와 설치된 경우의 음향 특성을 실험한 결과이다.Below is an experimental result of acoustic characteristics when the volume reduction member 50 is not installed in the MEMS microphone and when it is installed.

도 4는 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재가 적용되지 않았을 경우 멤스 마이크로폰의 음향 특성을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재가 적용되었을 경우 멤스 마이크로폰의 음향 특성을 도시한 그래프이다.4 is a graph illustrating acoustic characteristics of a MEMS microphone when the volume reduction member is not applied to the MEMS microphone, and FIG. 5 is a diagram illustrating acoustic characteristics of the MEMS microphone when the volume reduction member is applied to the MEMS microphone according to the present invention. It is a graph.

도 4를 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재(50)가 설치되지 않은 경우, 상기 멤스 마이크로폰은 L1 그래프에 나타난 바와 같이 대략 1500Hz에서 공진에 의한 주파수 레벨이 급격하게 상승되는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, when the volume reduction member 50 is not installed in the MEMS microphone, as shown in the L1 graph, it can be seen that the frequency level of resonance increases rapidly at approximately 1500 Hz.

도 5를 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰에 볼륨 축소 부재(50)가 설치된 경우, 상기 멤스 마임크로폰은 L2 그래프에 나타난 바와 같이 주파수 레벨이 전체적으로 균일하게 형성되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, when the volume reduction member 50 is installed in the MEMS microphone, the MEMS mimic microphone may have a uniform frequency level as shown in the L2 graph.

상기와 같이, 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰은 다이어프램(21)의 공진 주파수를 최적 상태로 조절함으로써 상기 멤스 마이크로폰에서 신호 왜곡이 발생되거나 음색이 달라지거나 또는 하울링이 발생되는 것을 최소화할 수 있다. 그러므로, 광대역 주파수 특성을 안정화시킬 수 있고, 특정 주파수대에서 음원의 왜곡(distortion)이 발생되는 것을 방지할 수 있다. As described above, in the MEMS microphone according to the present invention, the resonance frequency of the diaphragm 21 may be adjusted to an optimal state, thereby minimizing occurrence of signal distortion, change in tone, or howling in the MEMS microphone. Therefore, it is possible to stabilize the broadband frequency characteristics and to prevent the distortion of the sound source in a specific frequency band.

본 발명은 멤스 마이크로폰의 음성 품질을 향상시킬 있으므로, 산업상으로 현저한 이용가능성이 있다.Since the present invention improves the voice quality of MEMS microphones, there is remarkable applicability in the industry.

10: 실리콘 기판 20: 마이크로폰 칩
21: 다이어프램 30: ASIC 칩
40: 금속 케이스 41: 음향홀
45: 음향 캐비티 50: 음향 축소 부재10: silicon substrate 20: microphone chip
21: Diaphragm 30: ASIC Chip
40: metal case 41: sound hole
45: acoustic cavity 50: acoustic reduction member

Claims (4)

실리콘 기판에 실장되는 마이크로폰 칩 및 ASIC 칩;
상기 마이크로폰 칩과 ASIC 칩을 둘러싸도록 설치되어 음향 캐비티를 형성하고, 음향이 유입되도록 음향홀이 형성된 금속 케이스; 및
상기 금속 케이스의 내부에 배치되어 상기 음향 캐비티의 볼륨을 축소시키는 볼륨 축소 부재;를 포함하는 멤스 마이크로폰.Microphone chips and ASIC chips mounted on silicon substrates;
A metal case installed to surround the microphone chip and the ASIC chip to form an acoustic cavity, and a sound hole formed to introduce sound; And
And a volume reduction member disposed inside the metal case to reduce the volume of the acoustic cavity. 제 1 항에 있어서,
상기 볼륨 축소 부재는 마이크로폰 칩의 둘레 공간 중에서 상기 마이크로폰 칩과 ASIC 칩 사이의 공간을 제외한 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.The method of claim 1,
The volume reduction member is a MEMS microphone, characterized in that disposed in the portion of the peripheral space of the microphone chip except the space between the microphone chip and the ASIC chip. 제 2 항에 있어서,
상기 볼륨 축소 부재는 상기 마이크로폰 칩의 둘레를 폐쇄하고 상기 마이크로폰 칩의 상면을 개방시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.The method of claim 2,
The volume reducing member is arranged to close the circumference of the microphone chip and to open the top surface of the microphone chip, MEMS microphone. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 볼륨 축소 부재는 고형화된 물질을 삽입하여 형성하거나 또는 물질을 주입 또는 투입하여 고형화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.The method according to any one of claims 1 to 3,
The volume reduction member is formed by inserting a solidified material or by injecting or injecting a material to form the MEMS microphone.
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