KR20120061422A

KR20120061422A - 멤스 음향 센서

Info

Publication number: KR20120061422A
Application number: KR1020100122738A
Authority: KR
Inventors: 제창한; 이재우; 양우석; 김종대
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-13
Also published as: US20120139066A1

Abstract

본 발명은 기판, 기판을 가공하여 형성된 음향 챔버, 음향 챔버 위에 형성되고 기판에 고정되어 있는 하부 전극, 하부 전극 위에 하부 전극과 일정 간격만큼 이격되어 형성된 진동판, 및 진동판의 중앙에 형성된 진동판 배기 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 멤스 마이크로폰에서 진동판과 하부 전극 사이의 공기층에 의해서 발생하는 감쇄를 효과적으로 줄일 수 있어, 고감도 특성을 얻을 수 있고, 진동판과 하부 전극 사이의 희생층 제거에 걸리는 시간과 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Description

멤스 음향 센서{MEMS MICROPHONE}

본 발명은 멤스(MEMS) 기술을 이용한 마이크로 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 진동판의 중앙부에 집중되는 공기에 의한 감쇄를 제거하기 위한 정전용량형 멤스 음향 센서에 관한 것이다.

음향 센서, 즉 마이크로폰(microphone)은 음성과 같은 음향 신호를 전기적인 신호로 변환시키는 장치이다. 이러한 멤스 음향 센서는 2가지 타입, 즉 정전용량형 및 압전형으로 분류할 수 있다. 정전용량형 멤스 음향 센서는 두 개의 전극이 마주보고 있는 콘덴서의 원리를 응용한 것으로, 하나의 전극은 기판 상에 고정되어 있고 다른 전극은 공중에 부양되어 진동판으로 외부의 음압에 반응하여 움직이도록 구성된다. 여기서, 외부의 음압이 들어오게 되면 진동판이 진동하게 되고, 두 개의 전극 사이의 간극이 변하면서 정전용량값이 변하게 되어 전류가 흐르는 현상을 통해 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 이와 같은 정전용량형 멤스 음향 센서는 주파수 특성이 우수하고 안정적이라는 장점이 있어 종래의 음향 센서 대부분이 정전용량 방식을 이용하고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 정전용량형 멤스 음향 센서의 단면도를 나타낸다.

도 1a에 도시된 종래의 음향 센서는, 기판(111), 기판(111) 상에 형성된 하부 전극(121), 하부 전극에 형성된 하부 전극 배기 구멍(122), 진동판(131) 및 후방 음향 챔버(112)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 음향센서는 진동판(131)과 하부 전극(121) 사이의 공기(134)에 의한 감쇄를 줄이기 위하여, 기판(111)의 후면 가공을 통해서 기판(111)을 관통하는 큰 후방 음향 챔버(112)를 형성하고, 하부 전극에 다수개의 하부 전극 배기 구멍(122)을 형성하는 방법을 이용한다. 여기서, 외부에서 음압이 가해질 때 진동판(131)의 외곽부는 진동판 지지대(133)에 의해서 고정되어 있기 때문에 중앙부가 상하로 움직이는 진동을 하게 되는데, 이 경우 진동판(131)과 하부 전극(121) 사이의 공기(134)에 의한 감쇄는 중앙부에서 가장 크게 된다. 또한, 진동판(131)의 외곽부에서는 진동판(131)과 하부 전극(121) 사이의 외곽 측면으로 공기가 배출되는 측면 배기 구멍(132)이 있어 감쇄가 줄어들지만, 중앙부에서는 외곽 측면에 비해 상대적으로 공기가 빠져나가지 못하기 때문에 감쇄가 증가하게 되어 음압 응답 특성의 저하가 발생한다.

도 1b에 도시된 정전용량형 멤스 음향 센서는, 기판(111) 상부에 형성된 하부 전극(121), 하부 전극(121)에 형성된 하부 전극 배기 구멍(122), 하부 전극(121)를 지지하는 하부 전극 지지대(123), 진동판(131) 및 후방 음향 챔버(112)를 포함한다. 도 1b에 도시된 바와 같이 종래의 음향센서는 진동판(131)과 하부 전극(121) 사이의 공기(134)에 의한 감쇄를 줄이기 위하여, 기판(111)의 표면 가공을 통해서 기판(111) 내부에 후방 음향 챔버(112)를 형성하고, 하부 전극(121)에 다수개의 하부 전극 배기 구멍(122)을 형성하는 방법을 이용한다. 그러나 이 경우에도 마찬가지로, 진동판(131)의 중앙부의 공기가 빠져나가는 방법이 제시되지 않아 중앙부에서의 공기에 의한 감쇄가 증가하게 되어 음압 응답 특성의 저하가 발생한다.

전술한 바와 같이, 종래의 정전용량형 멤스 음향 센서는 진동판의 중앙에 집중되는 공기에 의한 감쇄에 의해서 음압 응답 특성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 진동판의 중앙부에 집중되는 공기에 의한 감쇄를 제거하여 향상된 음압 특성을 갖는 정전용량형 멤스 음향 센서가 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 정전용량형 멤스 마이크로폰에 있어서 진동판의 중앙에 집중되는 공기에 의한 감쇄를 제거하여 음압 응답 특성이 향상된 음향 센서를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 음향 센서의 제작에 있어서 진동판과 하부 전극 사이의 희생층을 보다 효과적으로 제거하여 시간과 비용을 절감하는 방법을 제공하는 것이다. 그 외의 본 발명에 의해 해결하려는 과제는 하기의 설명 및 본 발명의 실시예들에 의하여 파악될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판, 상기 기판을 가공하여 형성된 음향 챔버, 상기 음향 챔버 위에 형성되고 상기 기판에 고정되어 있는 하부 전극, 상기 하부 전극 위에 상기 하부 전극과 일정 간격만큼 이격되어 형성된 진동판, 및 상기 진동판의 중앙에 형성된 진동판 배기 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서가 제공된다.

여기서, 상기 음향 챔버는 상기 기판의 후면을 식각하여 상기 기판을 관통해 상기 하부 전극 아래에 형성될 수 있다. 또한, 상기 음향 챔버는 상기 기판의 전면을 식각하여 상기 기판 내에서 미리 결정된 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 하부 전극은 미리 결정된 패턴을 가지고 형성된 배기 구멍을 포함할 수 있다. 또한, 상기 멤스 음향 센서는 상기 하부 전극과 상기 음향 챔버의 바닥 사이에 형성되어 상기 하부 전극의 쳐짐을 막는 하부 전극 지지대를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 진동판은 상기 기판에 연결 및 부착하기 위한 진동판 지지대를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 진동판 지지대는 상기 진동판의 상하좌우 측면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 진동판 지지대가 형성되는 상기 진동판의 상하좌우 측면에 인접하여 형성된 배기 구멍을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 진동판 배기 구멍은 상기 진동판 상에 2개 이상의 배기 구멍의 조합이 형성될 수 있다. 또한, 상기 진동판 배기 구멍의 크기, 모양 및 위치를 조절함으로써 상기 진동판에 가해지는 감쇄의 정도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 진동판은 상기 하부 전극과 동일하거나 더 큰 면적을 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 정전용량형 멤스 음향 센서의 진동판에 형성된 중앙 배기 구멍을 통해서 진동판의 중앙부에 집중되는 공기에 의한 감쇄를 제거하여, 주파수 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 정전용량형 멤스 음향 센서의 진동판과 하부 전극 사이의 희생층을 제거하는데 있어서 시간 및 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

한편, 그 외의 다양한 효과는 후술할 본 발명의 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 정전용량형 멤스 마이크로폰의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에서 일 실시예에 따른 중앙 배기 구멍을 구비한 진동판을 갖는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 정전용량형 멤스 마이크로폰의 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 2a 및 도 2b에 도시된 정전용량형 멤스 마이크로폰의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중앙 배기 구멍을 구비한 진동판을 갖는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 구성을 나타내는 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에서 일 실시예에 따른 중앙 배기 구멍을 구비한 진동판을 갖는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 정전용량형 멤스 마이크로폰은, 기판(211), 기판을 가공하여 형성한 음향 챔버(212), 음향 챔버(212) 위에 형성된 하부 전극(221), 하부 전극에 미리 결정된 일정한 패턴으로 형성된 배기 구멍(222), 하부 전극(221)을 지지하는 하부 전극 지지대(도시 생략됨), 하부 전극(221)과 일정 간격만큼 이격되어 공기층을 형성하도록 하는 진동판(231), 진동판(231)을 기판(211)에 연결 및 부착하는 진동판 지지대(233) 및 진동판(231)의 중앙에 형성된 진동판 배기 구멍(232)을 포함한다.

음향 챔버(212)는 도 2a에 도시된 바와 같이 기판(211)의 후면에서 식각을 통해 기판을 관통하는 형태로 제작되거나, 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(211)의 전면에서 하부 전극(221) 아래를 식각하여 기판(211) 내에 오목한 형태로 형성될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 음향 센서는 중앙부에 구멍이 없는 박막 형태의 진동판을 사용함으로써, 진동판의 중앙부에 공기에 의한 감쇄가 집중되어 음압 응답 특성이 저하되는 문제를 갖는다. 그러나, 도 2a 및 도 2b에 도시된 구성을 갖는 정전용량형 멤스 음향 센서는 진동판(231)의 중앙에 공기를 배출하기 위한 진동판 배기 구멍(232)을 형성함으로써, 음압에 의한 진동 시에 진동판(231)의 중앙 공기가 배출될 수 있도록 한다. 따라서, 중앙부에 집중되는 공기에 의한 감쇄를 제거하여 음압 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

진동판 배기 구멍(232)은 진동판(231)의 크기 및 모양에 따라서, 그 크기 및 모양이 다양하게 형성될 수 있다. 또한, 진동판 배기 구멍(232)의 크기, 모양 및 위치를 조절함으로써 진동판에 가해지는 감쇄의 정도를 조절할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 정전용량형 멤스 마이크로폰의 평면도이다.

도 3을 참조하면, 진동판(231)의 중앙에 진동판 배기 구멍(232)이 형성되어 있고, 진동판(231)의 하부에 있는 하부 전극(221)에 다수의 하부 전극 배기 구멍(222)이 형성되어 있다. 또한, 진동판(231)의 상하좌우 측면에는 진동판 지지대(233)가 형성되어 있어, 진동판(231)은 기판(211)과 효과적으로 연결될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 각각 도 2a 및 도 2b에 도시된 정전용량형 멤스 마이크로폰의 단면도이다.

도 4a에 도시된 음향 챔버(212)는 기판(211)의 후면에서 식각을 통해 기판(211)을 관통하는 형태로 제작되었으나, 도 4b에 도시된 음향 챔버(212)는 기판(211)의 전면에서 하부 전극(221) 아래를 미리 결정된 일정 깊이만큼 식각하여 기판(211) 내부에 형성되는 형태로 제작되었다는 차이점이 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(221)을 지지하기 위해 하부 전극(221)의 하부와 기판(211)의 식각된 부분 사이에 하부 전극(221)의 쳐짐이나 변형을 막기 위한 하부 전극 지지대(223)가 구성될 수도 있다.

하부 전극(221) 위에 일정 간격을 두고 진동판(231)이 위치해 있으며, 진동판(231)은 하부 전극(221)과 동일하거나 더 큰 면적을 가지고 있다. 진동판(231)은 외곽에 형성된 진동판 지지대(233)에 의해서 기판(211)과 연결되고 지지된다. 또한, 진동판(231)의 외곽 측면은 진동판 지지대(223)가 형성되는 부분 이외에는 개방되어 있어 공기가 배출될 수 있도록 하여 진동판에 가해지는 공기의 감쇄를 일정 부분 줄일 수 있다.

특히, 진동판(231)의 중앙에는 전극 사이 공기층(234)에 의해서 발생하는 공기의 감쇄를 줄이기 위하여 진동판 배기 구멍(232)이 형성되어 있다. 이 중앙에 위치한 진동판 배기 구멍(232)은 진동판(231)이 외부 음압에 의해서 진동할 때 진동판(231)의 중앙에 집중적으로 작용하는 공기의 감쇄를 효과적으로 줄여 주파수 응답 특성을 개선시키는 역할을 한다.

또한, 멤스 마이크로폰을 제작하는 과정에서 진동판(231)과 하부 전극(221) 사이의 희생층을 제거할 때, 종래의 정전용량형 멤스 마이크로폰에서는 진동판(231)의 측면부를 통해서 제거함으로써 중앙부의 공기층까지 제거하는데 시간과 비용이 많이 들었지만, 본 발명에 따른 정전용량형 멤스 마이크로폰에서는 진동판 배기 구멍(232)을 통해서 중앙부의 희생층을 보다 용이하고 빠르게 제거할 수 있는 장점이 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중앙 배기 구멍을 구비한 진동판을 갖는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 구성을 나타내는 평면도이다.

도 5a에서와 같이, 진동판(231)에 형성되는 진동판 배기 구멍(232)은 하나의 구멍이 아니라 다수개의 작은 구멍의 조합으로 구성할 수 있다. 이 경우, 하나의 구멍을 진동판의 중앙에 형성하는 방법에 비하여, 진동판에서 변위가 가장 큰 중앙부를 전극으로 사용가능하다는 장점이 있으며, 또한 배기 구멍에 의한 감쇄 제거 면적이 증가하여 더 높은 감쇄 제거 효과를 얻음으로써 멤스 마이크로폰의 감도를 높일 수 있다.

또한, 도 5b에서와 같이 진동판(231)에 형성되는 배기 구멍(231)을 중앙뿐만 아니라, 진동판 지지대(233)와 연결되는 상하좌우 측면에 인접한 부분과 같이 공기에 의한 감쇄가 주변보다 높은 부분에 추가적으로 적용하여 감쇄를 줄임으로써 멤스 마이크로폰의 감도를 높일 수도 있다.

전술한 바와 같이 종래에는 진동판이 구멍이 없는 박막 형태로 제작되어, 외부의 음압에 의해서 진동판이 진동할 때 진동판의 중앙에 공기에 의한 감쇄가 집중되어, 음압 응답 특성이 저하되는 문제가 있는 반면, 본 발명에서는 진동판의 중앙에 배기 구멍을 형성함으로써 진동판 중앙에서의 감쇄를 제거하여 음압 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 멤스 마이크로폰을 제작함에 있어서, 하부 전극과 진동판 사이의 간극을 형성하기 위한 희생층을 제거하는 과정에서 진동판의 측면뿐만 아니라 중앙의 배기 구멍을 통해서도 희생층을 제거할 수 있게 되어, 시간과 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

본원에서 전술한 특정 실시예들은 예시의 목적으로 설명된 것이므로, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범주 내에서 전술한 실시예들에 대해 다양한 변경들이 행해질 수 있다.

111: 기판 112: 후방 음향 챔버
121: 하부 전극 122: 하부 전극 배기 구멍
123: 하부 전극 지지대 131: 진동판
132: 측면 배기 구멍 133: 진동판 지지대
134: 전극 사이 공기층
211: 기판 212: 음향 챔버
221: 하부 전극 222: 하부 전극 배기 구멍
223: 하부 전극 지지대 231: 진동판
232: 진동판 배기 구멍 233: 진동판 지지대
234: 전극 사이 공기층

Claims

기판;
상기 기판을 가공하여 형성된 음향 챔버;
상기 음향 챔버 위에 형성되고 상기 기판에 고정되어 있는 하부 전극;
상기 하부 전극 위에 상기 하부 전극과 일정 간격만큼 이격되어 형성된 진동판; 및
상기 진동판의 중앙에 형성된 진동판 배기 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 음향 챔버는 상기 기판의 후면을 식각하여 상기 기판을 관통해 상기 하부 전극 아래에 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 음향 챔버는 상기 기판의 전면을 식각하여 상기 기판 내에서 미리 결정된 깊이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 하부 전극은 미리 결정된 패턴을 가지고 형성된 배기 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 하부 전극과 상기 음향 챔버의 바닥 사이에 형성되어 상기 하부 전극의 쳐짐을 막는 하부 전극 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 진동판은 상기 기판에 연결 및 부착하기 위한 진동판 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제6항에 있어서,
상기 진동판 지지대는 상기 진동판의 상하좌우 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제7항에 있어서,
상기 진동판 지지대가 형성되는 상기 진동판의 상하좌우 측면에 인접하여 형성된 배기 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 진동판 배기 구멍은 상기 진동판 상에 2개 이상의 배기 구멍의 조합이 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 진동판 배기 구멍의 크기, 모양 및 위치를 조절함으로써 상기 진동판에 가해지는 감쇄의 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 진동판은 상기 하부 전극과 동일하거나 더 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.