KR20120130310A - 음파센서 및 마이크로폰 - Google Patents

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Abstract

센서의 크기를 줄이는 것을 방지함이 없이 센서의 S/N 비를 개선할 수 있는 음파센서가 제공된다. 다이아프램(43)은 가동 전극판으로서 실리콘 기판(42)의 상부면 상에 형성된다. 다이아프램(43)은 직사각형 형태를 가지며, 다이아프램(43)의 4개 모서리와 긴 측면들의 중간구간들은 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 다이아프램(43)의 변위는 긴 측면들의 중간구간에서 앵커들(46) 사이를 연결하는 라인 D 상에서 최소이다. 변위가 최대가 되는 변위 최대지점(G)은 라인 D의 각 측에 존재하고, 라인 D는 변위 최대지점(G) 사이를 연결하는 라인과 교차하는 방향으로 연장된다.

Description

음파센서 및 마이크로폰{ACOUSTIC SENSOR AND MICROPHONE}
본 발명은 음파센서 및 마이크로폰에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System; 극미세 전자 기계 시스템) 기술 또는 미세기계가공 기술에 의해서 제조되는 커패시턴스 타입의 음파센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 음파센서를 사용하는 마이크로폰에 관한 것이다.
마이크로폰은 휴대폰 및 IC 레코더와 같은 다양한 장비에 사용되어 왔다. 그러한 마이크로폰에 내장된 음파센서는 개선된 S/N 비 및 감소된 크기를 가질 것이 요구되었다.
음파센서의 S/N 비를 증가하기 위한 방법으로서, 첫째, 음파센서의 감도를 증가시키는 방법이 있다. 커패시턴스 타입의 음파센서의 감도를 증가시키기 위해서, 다이아프램의 영역을 확장하는 방법 및 다이아프램의 변위량을 증가시키도록 다이아프램의 스프링 특성들을 줄이기 위한 방법이 채택될 수 있다. 그런데, 다이아프램의 영역을 확장하기 위한 전자의 방법에서, 음파센서의 크기를 줄이는 것은 방해를 받는다. 또한, 후자의 방법으로서 다이아프램의 스프링 특성들을 감소시키는 그러한 방법에서, 다이아프램의 변위량이 증가하므로, 음파센서의 내구성이 감소하게 된다.
음파센서의 S/N 비를 증가시키기 위한 두번째 방법은 음파센서의 노이즈(noise)를 줄이는 것이다. 커패시턴스 타입의 음파센서의 노이즈와 같이, 다이아프램(가동 전극판)과 백플레이트(back plate)(고정 전극판) 사이에 형성된 에어 갭(air gap)에서 발생되는 열적 노이즈는 문제가 있다.
에어 갭에서 열적 노이즈는 도 1(A)에 도시된 메가니즘에 의해서 발생되는 노이즈이다. 도 1(A)에 도시된 바와 같이, 다이아프램(11)과 백플레이트(12) 사이에서 에어 갭(13) 내부, 즉 반쯤 에워싸인 공간에 존재하는 공기 분자(α)는 파동(열적 운동)으로 인하여 다이아프램(11)과 충돌한다. 공기 분자(α)와의 충돌로 인한 미세 힘이 다이아프램(11)에 가해지고, 다이아프램(11)에 가해진 미세 힘은 임의로 변동한다. 그러므로, 다이아프램(11)은 진동 센서에서 전기 노이즈를 발생시키도록 공기 분자(α)와의 충돌로 인해서 진동한다. 특히, 고도로 민감한 음파센서나 마이크로폰에 있어서, 그러한 열적 노이즈에 기인하는 노이즈는 크고, 그러므로 S/N 비가 저하한다.
그러한 열적 노이즈에 기인한 노이즈는 도 1(B)에 도시된 바와 같이 음파공(14)을 통해서 에어 갭(13) 내부로 공기가 통과하는 것을 쉽게 하기 위해서 백플레이트(12)에 천공된 음파공(14)의 개방비율을 증가시킴으로써 완화된다. 또한, 노이즈는 다이아프램(11)과 백플레이트(12) 사이의 에어 갭(13)을 확장함으로써 완화된다. 그러나, 음파공(14)의 개방 비율이 증가되거나 또는 에어 갭(13)이 확장되는 경우에, 다이아프램(11)과 백플레이트(12)에 의해서 구성된 커패시터의 커패시턴스는 감소한다. 이러한 이유로, 노이즈를 간단히 감소시키는 방법에서, 음파센서의 감도는 노이즈의 감소에 따라서 감소하고, 그러므로 음파센서의 S/N 비를 개선하는 것은 불가능하다.
통상적으로 알려진 진동 센서
특허문헌 1은 S/N 비를 개선할 목적을 갖는 다른 감지시스템의 마이크로폰을 개시하고 있다. 이러한 마이크로폰(21)에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 음파공(14)을 통해서 에어 갭(13) 내부로 공기가 통과하는 것을 쉽게 하기 위해서 2개의 음파센서(23a,23b)가 하나의 기판(22) 상에 제공되고, 두 음파센서(23a,23b)의 수직한 구성들이 서로 뒤집어진다. 즉, 한 음파센서(23a)에서, 음파 감지를 위한 커패시터를 구성하기 위해서 음파공(26a)을 갖는 고정된 판(25a)이 다이아프램(24a) 위로 형성된다. 다른 음파센서(23b)에서, 음파 감지를 위한 커패시터를 구성하기 위해서 음파공(26b)을 갖는 고정된 판(25b)이 다이아프램(24b) 위로 형성된다.
다이아프램(24a,24b)으로부터 출력된 신호들을 음파센서(23a,23b)에서 감지하고, 음파센서(23a,23b)가 동일한 음파진동을 탐지하는 경우에, 180°로 상이 변위된 감지신호들이 두 센서들(23a,23b)로부터 출력된다. 음파센서(23a)의 출력과 음파센서(23b)의 출력은 신호처리회로(ASIC) 내로 입력되고, 신호처리회로 내부의 반전처리(subtraction processing)를 거치게 된다. 그 결과, 두 센서들(23a,23b)에 의해서 탐지된 음파탐지신호의 추가가 이루어지고, 이에 의해서 마이크로폰(21)의 탐지감도가 개선되며, S/N 비가 개선될 것으로 기대된다.
차이 감지시스템의 그러한 마이크로폰에 있어서, 그것의 탐지감도는 2개의 음파센서들에 의해서 탐지한 위상, 주파수 및 음파탐지신호들의 감도가 완벽하게 동일하지 않는 한 감소하게 된다. 그러나, 동일한 기판 상에 별도로 형성된 음파 센서들의 특성들을 똑같이 만드는 것은 어렵다. 또한, 두 센서들(23a,23b)에서 커패시터들의 극성들이 이러한 마이크로폰에서와 같이 서로 반대인 경우에, 2개의 동등한 음파센서(23a,23b)를 제조하는 것은 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)로 인하여 어렵다. 그러므로, 특허문헌 2에서와 같은 그러한 마이크로폰에서 S/N 비를 개선하는 것은 실제로 어렵다.
또한, 그러한 마이크로폰에 있어서, 부정합으로 인하여 파생된 노이즈가 발생하는 경향이 있고, 그러므로 S/N 비에서의 개선에는 제한이 있다.
또한, 신호처리회로에 여분의 연산기능이 추가되어야 하는데, 이것은 신호처리회로의 가격을 상승시키는 결과를 초래한다. 기판 상에 다수의 음파센서들을 제공할 필요성 때문에 마이크로폰의 크기를 감소시키는 것은 어려운 문제점이 있다.
다른 종래에 알려진 진동 센서
특허문헌 2는 다른 종래의 마이크로폰을 개시하고 있다. 이 마이크로폰(31)은 기본적으로 특허문헌 1의 마이크로폰(21)과 유사한 구조를 갖는다. 특허문헌 2의 마이크로폰(31)에 있어서, 도 3(A)에 도시된 바와 같이, 동일한 구조를 갖는 다수의 독립적인 음파센서들(33a,33b,...)이 공통 기판(32) 상에 제공된다. 즉, 음파센서들(33a,33b,...)의 하나가 음파공(36)이 개방된 고정판(35)의 상부면에 대향하여 다이아프램(34)을 구비하여 형성된다. 또한, 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 신호처리회로(37)가 기판(32)의 상부면에 제공되고, 음파센서들(33a,33b,...)의 각각의 출력은 기판(32) 상에 권선된 전극 리더(38)를 통해서 신호처리회로(37)로 연결된다. 마이크로폰(31)의 경우에 있어서, 음파센서들(33a,33b,...)의 각각의 출력은 신호처리회로(37)에서 추가적인 처리를 거치게 되고, 그래서 S/N 비가 개선될 것으로 기대된다.
그러나, 특허문헌 2에 개시된 마이크로폰은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다. 마이크로폰 제조공정이 변화함에 따라서 다이아프램에서 뒤틀림이 발생하므로, 각각의 음파센서 가운데 감도에서의 변화가 커지는 경향이 있다. 다른 한편으로, 변동이 작아지는 경우, 마이크로폰의 생산성이 감소한다. 또한, 기판상에서 음파센서들의 각각을 신호처리회로에 연결하는 전극 리더가 커지는 경우에, 마이크로폰의 기생 커패시턴스와 기생 저항이 커지고, 그 결과 감도와 같은 특성들의 저하가 초래된다.
또한, 다수의 독립적인 음파센서들이 제공되므로, 감도 이외의 다른 음파특성들의 불일치가 각각의 센서에서 일어나는 경향이 있다. 예를 들면, 주파수 특성들, 위상 등이 후방 챔버와 통기공에 의해서 영향을 받으므로, 각각의 센서는 다른 특성들을 나타내는 경향이 있다.
특허문헌 2의 마이크로폰에 있어서, 각각의 음파 센서에서의 감도에서의 변화와 다른 음파 특성들은 상기한 바와 같이 일어나는 경향이 있고, 그러므로 S/N 비에서의 개선 효과를 실제로 얻는 것은 어렵다.
또한, 다수의 독립적인 음파 센서들이 기판 상에 어레이로 배열되므로, 마이크로폰의 크기를 축소하기가 어려운 문제점이 있다.
일본 특허공개 2008-5439 미국 특허공개 2007/0047746
본 발명은 상기한 바와 같은 그러한 기술적인 문제점들의 견지에서 이루어진 것이며, 음파센서의 크기를 줄이는 것을 방지함이 없이 센서의 S/N 비를 개선할 수 있는 음파센서 및 그 음파센서를 사용하는 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 음파센서는,
중공구간을 갖는 기판;
상기 중공구간을 덮기 위해서 상기 기판위로 배열된 박막형 다이아프램;
상기 다이아프램 상에 형성된 가동 전극판;
상기 다이아프램에 대향하기 위해서 상기 기판의 상부면에 고정된 백플레이트(back plate); 및
상기 가동 전극판에 대향하는 위치에서 상기 백플레이트상에 제공된 고정 전극판;을 포함하며,
상기 다이아프램은 지지구간에 의해서 상기 기판이나 상기 백플레이트에 대하여 지지되고, 상기 다이어프램은 진동시 변위량이 최대가 되는 지점들을 다수의 위치에서 가지며, 상기 지지구간은 상기 다이아프램의 변위량이 최대가 되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결한 라인 세그멘트(line segment)와 교차하는 직선상에 존재하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 가동 전극판은 다이아프램 상에 제공되거나, 또는 다이아프램 자체가 가동 전극판으로서 기능할 수 있다.
본 발명의 음파센서에 있어서, 다이어프램은 진동시 변위량이 최대가 되는 지점들을 다수의 위치에서 가지며, 상기 지지구간은 상기 다이아프램의 변위량이 최대가 되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결한 라인 세그멘트와 교차하는 직선상에 존재하고, 이에 의해서 상기 다이아프램의 강도는 인접한 최대 지점들 사이를 연결한 라인 세그멘트와 교차하는 직선상에서 높다. 그러므로, 인접한 최대 지점들중 하나의 최대 지점에서 진동시 변위량은 변위량이 최대가되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선상의 다른 최대지점으로 전달되는 것에 저항한다. 이것은 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선에 의해서 분할된 영역의 각 측에 있는 가동 전극판과 고정 전극판으로 각각 구성된 캐패시터들(실시예들에 있어서 음파센서 구간)이 상호 독립적인 결과를 초래한다.
그러한 음파센서에 따르면, 각각의 캐패시터들이 병렬로 연결되는 경우에, 음파센서의 S/N 비를 개선시키기 위해서 감도의 실질적인 저하없이 노이즈가 줄어들 수 있게 된다. 또한, 다이아프램은 각각의 영역에서 음파탐지를 수행하도록 다수의 영역으로 분할되고, 이에 의해서 음파센서의 크기를 축소하는 것을 방지하지 않는다.
본 발명에 따른 음파센서에 있어서, 다이아프램은 기판이나 백플레이트 상에 제공된 다수의 지지구간들에 의해서 간격을 두고 부분적으로 지지된다. 그러한 실시예에 따르면, 다이아프램의 강도는, 음파센서의 감도를 개선하기 위해서, 다이아프램의 전체 주변부가 지지구간에 의해서 지지되는 경우와 비교하여 낮게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 다이아프램은 다수의 외부로 연장된 빔 구간들을 가지며, 각각의 빔 구간은 지지구간들에 의해서 지지된다. 그러한 실시예에 따르면, 지지 구간들에 의해서 지지되는 다이아프램의 위치들의 수가 증가하는 경우에, 다이아프램의 강도는 증가하지 않는 경향을 나타내며, 이에 의해서 음파센서의 감도가 증가할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 다이아프램은 직사각형 형태를 갖는다. 비록 다이아프램은 직사각형 형태, 디스크 형태 또는 몇몇 다른 형태를 갖지만, 음파센서의 출력의 선형성은 다이아프램이 직사각형 형태를 가질때 바람직하다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 다이아프램은 그리드 형태로 배열된 다수의 지지구간들에 의해서 지지된다. 예를 들면, 직사각형 형태를 갖는 다이아프램은 4개 모서리에서 지지구간에 의해서 지지될 것이며, 모서리들 사이의 중간부에 위치한 지지구간(2개 방향을 따르는 측면들 중에서 단지 2개의 대향하는 측면들만이 일방향)에 의해서 또한 지지될 것이다. 그러한 실시예에 따르면, 다이아프램에서, 4개 지지점들에 의해서 둘러싸인 각각의 영역은 변위의 최대지점을 가지며, 실질적으로 독립적인 진동가능한 영역이다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 다이아프램의 주변부는 다수의 지지구간들에 의해서 지지되고, 다이아프램은 다이아프램의 변위량이 최대가되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따르는 적어도 3개의 지지구간에 의해서 더욱 지지된다. 그러한 실시예에 따르면, 다이아프램의 각각의 영역의 독립성을 향상시키기 위해서, 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따라서 다이아프램의 강도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 다이아프램의 변위량이 최대가되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따라서 위치한 지지구간들 사이의 거리는, 모서리들에 있는 지지구간들 사이에서 동일한 방향의 거리에 비해서 짧다. 이 경우에 있어서, 다이아프램의 주변부의 전체 둘레는 기판이나 백플레이트 상에 제공된 지지구간에 의해서 지지될 것이다. 그러한 실시예에 따르면, 다이아프램의 각각의 영역의 독립성을 향상시키기 위해서, 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따라서 다이아프램의 강도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음파센서의 일 실시예에 있어서, 다이아프램이 슬릿에 의해서 분할되는 특징을 갖는다. 그러한 실시예에 따르면, 슬릿이 사이에 제공된 다이아프램이 양측은 독립적으로 진동할 수 있고, 그래서 다이아프램의 독립적으로 진동하는 영역의 수가 증가할 수 있다. 특히, 슬릿이 상기 2개의 지지구간 사이를 연결하는 라인상에서 다이아프램에 형성되는 경우에, 지지구간에 의해서 분리된 다이아프램의 각각의 영역의 독립성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 슬릿의 폭은 10㎛보다 크지 않다. 일반적인 크기의 MEMS 음파센서에 있어서, 슬릿의 폭이 10㎛를 초과하는 경우에, 롤-오프 프리퀀시(roll-off frequency)는 50Hz만큼 높아서 저주파 특성의 저하를 초래하게 되므로, 슬릿의 폭은 본 실시예에서는 10㎛보다 작게 설정하는 것이 바람직하다.
슬릿을 갖도록 형성된 음파센서의 또 다른 실시예에서, 슬릿은 슬릿의 길이가 슬릿의 연장방향으로 다이아프램의 길이를 가로지르는 거리의 절반보다 작지 않은 특징을 갖는다. 슬릿의 길이가 다이아프램의 폭의 절반보다 작은 경우에, 슬릿에 의해서 분할된 다이아프램의 각각의 영역 가운데 변위의 불연속은 손상되고, 노이즈를 감소시키는 효과가 전체적으로 감퇴되므로, 슬릿의 길이는 슬릿의 연방방향으로 다이아프램의 길이를 가로지르는 거리의 절반보다 작지 않은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예에 있어서, 인접한 지지구간들 사이에서 적어도 한 위치에서 다이아프램과 기판 사이에 공극이 형성된다. 그러한 실시예에 따르면, 지지구간들 사이의 공극은 통기공으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 음파센서의 다른 실시예는 음파진동이 중공구간을 통해서 다이아프램에 도달하는 특징을 갖는다. 그러한 실시예에 따르면, 기판 내부의 중공구간은 전방챔버로서 기능하고 음파센서 외부의 공간은 백 챔버(back chamber)로서 기능하므로, 음파센서의 감도를 개선시키기 위해서 백 챔버의 체적을 크게 만들 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로폰은, 본 발명에 따른 음파센서; 및 상기 음파센서로부터 출력된 신호를 처리하기 위한 회로;를 포함하는 마이크로폰이다. 본 발명의 음파센서를 사용하는 본 발명의 마이크로폰을 사용하여 마이크로폰의 S/N 비를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 상기한 문제점들을 해결하기 위한 수단은 위에서 언급한 구성요소들의 적절한 조합에 기인하는 특징들을 가지며, 본 발명은 그러한 구성 요소들의 조합의 다양한 변경을 가능하게 할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 1(A) 및 1(B)는 음파센서의 열적 노이즈를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 특허문헌 1에 개시된 마이크로폰을 개략적으로 설명하는 도면.
도 3(A) 및 3(B)는 특허문헌 2에 개시된 마이크로폰의 단면도와 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 음파센서의 단면도.
도 5는 실시예 1의 음파센서의 평면도.
도 6은 실시예 1의 음파센서의 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 7(A), 7(B) 및 7(C)는 실시예 1의 다이아프램의 작동을 보여주는 도면.
도 8은 음파센서를 단순화하여 얻어진 동등한 회로를 나타낸 다이어그램.
도 9는 단지 하나의 음파 감지구간에 음파진동과 노이즈가 추가된 상태를 나타낸 동등한 회로의 다이어그램.
도 10(A)는 단지 하나의 음파 감지구간에 음파진동이 추가된 경우에 음파센서로부터 출력된 감도신호를 보여주는 파동 다이어그램. 도 10(B)는 단지 다른 음파 감지구간에 음파진동이 추가된 경우에 음파센서로부터 출력된 감도신호를 보여주는 파동 다이어그램. 도 10(C)는 두 음파 감지구간에 음파진동이 동시에 추가된 경우에 음파센서로부터 출력된 감도신호를 보여주는 파동 다이어그램.
도 11(A)는 단지 하나의 음파 감지구간에서 노이즈가 발생한 경우에 음파센서로부터 출력된 노이즈신호를 보여주는 파동 다이어그램. 도 11(B)는 단지 다른 음파 감지구간에서 노이즈가 발생한 경우에 음파센서로부터 출력된 노이즈신호를 보여주는 파동 다이어그램. 도 11(C)는 두 음파 감지구간에서 노이즈가 발생한 경우에 음파센서로부터 출력된 노이즈신호를 보여주는 파동 다이어그램.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 13은 실시예 2의 다이아프램의 기능을 개략적으로 보여주는 다이어그램.
도 14는 실시예 2의 변형예에서 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 15는 본 발명의 실시예 3에 따른 음파센서의 단면도.
도 16은 실시예 3에 따른 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 17은 실시예 4에 따른 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 18은 본 발명의 실시예 5에 따른 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 19는 본 발명의 실시예 6에 따른 다이아프램의 형태를 보여주는 평면도.
도 20은 실시예 6에서 다른 형태를 갖는 다이아프램을 보여주는 평면도.
도 21은 실시예 6에서 또따른 형태를 갖는 다이아프램을 보여주는 평면도.
도 22는 본 발명의 실시예 7에 따른 마이프로폰의 단면도.
도 23은 실시예 7의 마이크로폰의 덮개가 제거된 상태를 보여주는 평면도.
도 24는 실시예 7에서 다른 구조를 갖는 마이크로폰을 보여주는 단면도.
하기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부도면들을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 다음 실시예들은 제한적이지 않으며, 본 발명의 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
제 1 실시예
본 발명의 실시예 1에 따른 음파센서의 구조가 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명될 것이다. 도 4는 실시예 1의 음파센서(41)를 보여주는 단면도이다. 도 5는 음파센서(41)의 평면도이다. 또한, 도 6은 케너피 구간(canopy section)(44)이 음파센서(41)로부터 제거된 상태를 보여주는 평면도이다.
음파센서(41)는 MEMS 기술을 사용하여 제조된 커패시턴스 타입 요소이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 음파센서(41)에 있어서, 다이아프램(43)(진동 전극판)이 앵커(46)(지지구간)를 거쳐서 실리콘 기판(42)(반도체 기판)의 상부면에 제공되고, 그것의 상부에는 케노피 구간(44)이 미세한 에어 갭(50)(공극)을 거쳐서 고정된다.
단결정 실리콘으로 제조된 실리콘 기판(42)에 있어서, 전방면으로부터 후방면으로 관통하는 백 챔버(back chamber)(45)(중공 구간)가 개방된다. 백 챔버(45)의 내부 주변부 표면은 수직한 면이거나 또는 테이퍼 형태로 경사지게 형성된다.
다이아프램(43)의 외부 테두리의 하부면을 지지하기 위한 다수의 앵커들(46)이 실리콘 기판(42)의 상부면상에서 거의 규칙적인 간격으로 제공된다. 또한, 실리콘 기판(42)의 상부면 상에서, 다이아프램(43)을 에워싸기 위해서 베이스 구간(51)이 형성된다. 앵커(46)와 베이스 구간(51)은 SiO2로 형성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다이아프램(43)은 대체적으로 원형의 형태로 형성된다. 다이아프램(43)은 전도도를 갖는 폴리실리콘 박막으로 형성되고, 다이아프램(43)은 그 자체로서 가동 전극판으로서 기능한다. 다이아프램(43)의 4개 모서리 와 다이어프램의 짧은쪽 측면 테두리들의 중앙으로부터 빔 구간(47)이 각각 돌출한다. 다이아프램(43)은 백 챔버(45) 위의 공간을 덮기 위해서 실리콘 기판(42)상에 배열되고, 6개의 빔 구간(47)은 앵커(46)에 의해서 지지된다. 그러므로, 다이아프램(43)은 공기중에서 그리고 인접한 앵커들(46) 사이에서 지지되고, 음파진동의 통과를 허용하기 위한 좁은 통기공(52)이 다이아프램(43)의 외부 주변부의 하부면과 실리콘 기판(42)의 상부면 사이에 형성된다. 또한, 리딩 와이어(53)가 다이아프램(43)으로부터 외부로 연장된다.
다이아프램(43)의 전체 주변부를 실리콘 기판(42)에 고정시키는 경우에 있어서, 다이아프램(43)의 결합력은 강해지고, 이것은 다이아프램(43)의 스프링 특성의 증가와 음파센서(41)의 감도 감소를 초래한다. 그러므로, 이 실시예에서, 앵커들(46)의 각각 사이에 통기공(52)(공극)을 형성하기 위해서 앵커들(46)에 의해서 규칙적인 간격으로 지지된다.
케노피 구간(44)은 SiN으로 제조된 백플레이트(48)(고정된 필름)의 하부면에 증착된 플로실리콘으로 이루어진 고정된 전극판(49)을 제공하여 형성된다. 케노피 구간(44)은 돔 형태로 형성되며, 그 아래에 중공부를 가지며 상기 중공부를 이용하여 다이아프램(43)을 덮는다. 케노피 구간(44)의 하부면(즉, 고정된 전극판(49)의 하부면)과 다이아프램(43)의 상부면 사이에는 미세한 에어 갭(50)(공극)이 형성된다. 고정된 전극판(49)과 다이아프램(43)은 커패시터를 구성하도록 서로 대향한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 케노피 구간(44)의 거의 모든 범위에서, 음파진동의 통과를 허용하기 위해서 다수의 음파공들(54)이 상부면으로부터 하부면으로 관통하도록 천공된다. 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 음파공들(54)은 규칙적으로 배열된다. 설명한 예에 있어서, 음파공들(54)은 서로에 대하여 120°각도를 형성하는 3개 방향을 따라서 삼각형 형태로 배열되지만, 직사각형 형태, 원형 또는 다른 형태로도 배열될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기둥형태의 미세 스토퍼(55)(돌출부)가 케노피 구간(44)의 하부면으로부터 돌출한다. 스토퍼(55)는 백 플레이트(48)의 하부면으로부터 일체로 돌출하고, 케노피 구간(44)의 하부면으로부터 돌출하도록 고정 전극판(49)을 관통한다. 스토퍼(55)는 백 플레이트(48)가 SiN으로 제조되므로 절연특성을 갖는다. 이 스토퍼(55)는 다이아프램(43)이 고정 전극판(49)에 고정되는 것을 방지하지만, 정전기력으로 인하여 그로부터 분리되는 것을 방지하지는 않는다.
케노피형 백 플레이트(48)의 외부 테두리 전체로부터 보호 필름(56)이 연속해서 연장된다. 보호 필름(56)은 베이스 구간(51) 및 그 외부의 영역을 덮는다.
리딩 와이어(53)는 베이스 구간(51)에 고정되고, 고정 전극판(49)으로부터 추출된 리딩 와이어(57)는 베이스 구간(51)의 상부면에 또한 고정된다. 한편, 보호 필름(56)은 개구부를 갖도록 형성되고, 가동측 전극 패드(58)가 리딩 와이어(53)의 상부면에 형성되고, 가동측 전극 패드(58)는 리딩 와이어(53)를 통해서 다이아프램(43)으로 안내된다. 또한, 백 플레이트(48)의 상부면에 제공된 고정측 전극 패드(59)는 관통공 등을 거쳐서 리딩 와이어(57)로 안내되고, 고정 전극판(49)으로 한층 안내된다.
음파센서(41)에 있어서, 다이아프램(43)은 4개 모서리에 앵커들(46) 뿐만아니라 짧은 측면 테두리의 중앙에 있는 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 즉, 다이아프램(43)은 그리드 형태로 배치된 6개의 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 이러한 이유로, 다이아프램(43)의 강도는 다이아프램(43)의 각각의 짧은쪽 측면의 중앙에 위치한 앵커들(46,46) 사이를 연결하는 라인 D(도 7(A)에서 점선으로 나타낸 라인 세크멘트)를 따라서 높고, 라인 D를 따르는 위치에서 다이아프램(43)의 변위는 최소이다. 그러므로, 다이아프램(43)에 있어서, 한 영역(도 7(B)에 도시된 바와 같이 4개의 앵커들(46)에 의해서 둘러싸인 영역, 하기에서는 다이아프램 영역(43a)으로 언급함)과 다른 영역(도 7(C)에 도시된 바와 같이 4개의 앵커들(46)에 의해서 둘러싸인 영역, 하기에서는 다이아프램 영역(43b)으로 언급함)은 그 사이에 위치한 라인 D를 기준으로 독립적으로 진동할 수 있고, 변위가 상당히 큰 변위 최대지점(G)은 두 다이아프램 영역(43a,43b) 내부에서 각각 나타난다. 그러면, 한 음향 감지구간(60a)은 다이아프램 영역(43a)과 상기 다이아프램 영역(43a) 반대쪽에 있는 고정 전극판(49)의 영역으로 구성된 캐패시터로 이루어진다. 또한, 다른 음향 감지구간(60b)은 다이아프램 영역(43b)과 상기 다이아프램 영역(43b) 반대쪽에 있는 고정 전극판(49)의 영역으로 구성된 캐패시터로 이루어진다. 또한, 음파 감지구간들(60a,60b)은 케노피 구간(44) 내부의 같은 위치에서 일체로 형성되고, 동일한 구성, 동일한 형상 및 동일한 크기를 가지며, 실질적으로 동일한 특성들을 갖는다.
음파센서(41)에 있어서, 음파진동이 음파공들(54)을 통과해서 케노피 구간(44) 내부의 에어 갭(50)으로 들어가는 경우, 다이아프램 영역들(43a,43b)은 박막으로서 음파진동에 의해서 동일한 위상으로 진동한다. 다이아프램 영역들(43a,43b)이 진동하고 다이아프램 영역들(43a,43b) 각각과 고정 전극판(49) 사이의 간격이 변하는 경우에, 감지구간(60a,60b)의 커패시턴스가 변한다. 그 결과, 감지구간(60a,60b)의 각각에 있어서, 각각의 다이아프램 영역들(43a,43b)에 의해서 감지된 음파진동(음향 압력에서의 변화)은 각각의 다이아프램 영역들(43a,43b)과 고정 전극판(49) 사이의 커패시턴스에서의 변화가 되고, 전기신호로서 출력된다. 또한, 다이아프램 영역들(43a,43b)이 가동측 전극패드(58)에 연결되든지 고정 전극판(49)이 그 사이에 공통으로 존재하므로, 음파 감지구간(60a)(커패시터)와 음파 감지구간(60b)(커패시터)은 서로 전기적으로 병렬 연결된다.
이러한 음파센서(41)에 있어서, 다이아프램 영역(43a)과 다이아프램 영역(43b)은 서로 전기적으로 유도되고, 고정 전극판(49)은 그들 사이에 공통으로 존재한다. 또한, 음파 감지구간(60a,60b)은 기판(42) 상에서 동일한 위치에 제공되고, 음파 감지구간(60a,60b)은 동일한 위상으로 음파 진동을 감지한다. 이러한 이유로, 다이아프램 영역들(43a,43b)이 거의 서로 독립적일지라도, 전체 다이아프램(43)으로서 보여지는 경우에 음파센서(41)는 한 음파센서로서 기능하고, 그러므로 앵커(46)가 짧은 측면의 중앙에 제공되지 않은 경우에 비해서 실질적으로 변하지 않은 상태로 유지된다.
이와는 반대로, 다이아프램 영역들(43a,43b)은 강도가 높아지고 변위가 최소가 되는 라인 D에 의해서 분할되고, 따라서 거의 독립적으로 작용한다. 그러므로, 다이아프램 영역들(43a,43b)은 라인 D의 양 측면들 상에 독립적으로 위치할 수 있다. 그러므로, 음파 감지구간(60a)에서 발행한 열적 노이즈와 음파 감지구간(60b)에서 발행한 열적 노이즈는 다른 위상으로 신호들로서 감지된다. 그러므로, 음파 감지구간(60a,60b)의 각각의 노이즈가 추가되는 경우, 노이즈는 줄어들기 위해서 서로를 취소시킨다. 그 결과, 음파센서(41)의 S/N 비가 개선된다.
음파센서(41)의 S/N 비에서 개선이 이루어지는 이유는 위에서 언급한 바와 같으며, 등가 회로를 사용하여 하기에서 더욱 상세히 설명될 것이다. 도 8은 음파센서(41)를 단순화함에 의해서 얻어진 등가 회로를 나타낸다. 앵커(46)가 짧은 측면의 중앙에 제공되어 있어서, 2개의 분리된 음파 감지구간(60a,60b)은 2개의 병렬로 연결된 가변 커패시터들(CP1,CP2)로 나타내어진다. 여기에서, 2개의 가변 커패시터들(CP1,CP2)은 동일한 성능을 갖는다. 또한, 음파진동, 노우즈 등에 대한 신호발생 소오스는 교류발전기(SG1,SG2)로 나타내어지는데, 이것들은 각각 가변 커패시터(CP1,CP2)에 직렬로 연결된다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, 음파 감지구간(60a)은 가변 커패시터(CP1)와 교류발전기(SG1)을 직렬로 연결하는 회로로 나타내고, 음파 감지구간(60b)은 가변 커패시터(CP2)와 교류발전기(SG2)을 직렬로 연결하는 회로로 나타낸다. 또한, 음파센서(41)는 직렬 연결 회로를 병렬로 연결하는 등가 회로로 나타낸다.
도 8의 등가 회로에서 특성들이나 회로 상수는 다음과 같은 심볼들로 나타낸다.
Ca/2[F] : 가변 커패시터 CP1의 커패시턴스
Cb/2[F] : 가변 커패시터 CP2의 커패시턴스
△Ca/2[F] : 압력이 작용할 때 가변 커패시터 CP1의 커패시턴스에서의 변화
△Cb/2[F] : 압력이 작용할 때 가변 커패시터 CP2의 커패시턴스에서의 변화
V[V] : 음파센서(41)에 작용하는 전압
Sa[V] : 음파 감지구간(60a)의 감도 출력
Sb[V] : 음파 감지구간(60b)의 감도 출력
Na[V] : 음파 감지구간(60a)의 노이즈 출력
Nb[V] : 음파 감지구간(60b)의 노이즈 출력
Sa/Na : 음파 감지구간(60a)의 S/N 비
Sb/Nb : 음파 감지구간(60b)의 S/N 비
여기에서, 감도 출력은 교류발전기에서 발생한 음파진동에 의해서 음파 감지구간(또는 가변 커패시터)으로부터 나오는 신호출력이고, (전압)×(고정 커패시터의 커패시턴스에서의 변화)/(고정 커패시터의 커패시턴스)로 표현된다. 그러므로, 음파 감지구간(60a)의 감도출력은 Sa = V ×(△Ca/2)/(Ca/2) = V ×△Ca/Ca이다. 마찬가지로, 음파 감지구간(60b)의 감도출력은 Sb = V ×(△Cb/2)/(Cb/2) = V ×△Cb/Cb이다.
여기에서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 음파 감지구간(60a)에 음파 진동과 노이즈가 추가된 상태가 고려된다. 음파 감지구간(60b)에 있어서, 음파진동이나 노이즈에 기인한 신호가 발생하지 않으므로, 음파 감지구간(60b)의 교류발전기(SG2)는 생략되고, 가변 커패시터(CP1)의 커패시턴스는 변하지 않고 유지되는 것으로 여겨진다.
첫째로, 단지 음파진동만이 교류발전기(SG2)로부터 출력되는 경우, 음파 감지구간(60a)으로부터 만들어진 감도출력은 상기한 바와 같이 Sa = V ×△Ca/Ca이다. 그러나, 음파 감지구간(60b)의 가변 커패시터(CP2)가 음파 감지구간(60a)에 병렬로 연결되어 있어서, 가변 커패시터(CP2)는 음파 감지구간(60a)의 감도를 완화시키기 위해서 음파 감지구간(60a)에 기생 커패시턴스로서 작용한다. 가변 커패시터(CP1,CP2)가 동일한 커패시턴스를 가지므로, 음파센서(41)로부터 만들어진 감도출력(Stot)(즉, 신호처리회로로 입력된 감도 출력)은 다음식으로서 표현된 바와 같이 절반으로 줄어든다.
Stot = [(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}]×Sa = Sa/2
다음으로, 이 경우는 단지 노이즈가 파워 소오스(SG1)으로부터 출력된 것을 고려한 것이다. 또한, 이 경우에 있어서, 음파 감지구간(60a)으로부터 만들어진 노이즈 출력을 Na로 나타내고, 음파 감지구간(60b)에 병렬로 연결된 커패시터(CP2)의 영향하에서, 음파센서(41)로부터 만들어진 노이즈 출력 Ntot(즉, 신호처리회로로 입력된 노이즈 출력)는 다음과 같은 식으로 표현되는 바와 같이 절반으로 줄어든다.
Ntot = [(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}]×Na = Na/2
단지 음파 감지구간(60b)에 도 9과는 반대로 음파진동이 추가된 상태에서, 도 9의 경우와 유사한 상태를 고려하면, 음파센서(41)로부터 만들어진 감도출력 Stot는 음파 감지구간(60b)의 감도출력 Sb가 절반으로 감소하는 바와 같은 다음의 식으로 표현된다.
Stot = [(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}]×Sb = Sb/2
또한, 노이즈가 단지 음파 감지구간(60b)에서만 발생하는 상태를 고려하면, 음파 감지구간(60a)의 커패시터(CP1)의 영향으로 인하여, 음파센서(41)로부터 만들어진 노이즈출력 Ntot는 음파 감지구간(60b)의 노이즈 출력 Nb가 절반으로 감소하는 바와 같은 다음의 식으로 표현된다.
Ntot = [(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}]×Nb = Nb/2
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 감도출력 Sa,Sb와 노이즈 출력 Na,Nb가 음파 감지구간(60a,60b)에서 동시에 발생하는 경우를 고려하였다. 감도출력과 노이즈 출력은 별도로 고려하였다. 감도출력에 대하여, 음파진동을 감지하는 각각의 다이아프램(43a,43b)이 동일한 케노피 구간(44) 내부에 매우 근접한 위치들에 배열된 경우, 다이아프램(43a,43b)은 동시에 동일한 위상과 진폭으로 진동한다. 또한, 음파 감지구간(60a)의 가변 커패시터(CP1)와 음파 감지구간(60b)의 가변 커패시터(CP2)는 서로 병렬로 연결된다. 그 결과, 음파센서(41)의 감도출력 Stot는 위에서 얻어진 각각의 음파 감지구간(60a,60b)의 감도출력 Sa/2,Sb/2의 합으로서 얻어진다.
Stot = Sa/2 + Sb/2
여기에서, Sa = Sb이면, 상기 식은 Stot = Sa로서 표현된다. 이것은 도 10(A) 내지 10(C)에 도시된 바와 같이 같은 위상과 진폭을 갖는 2개의 신호들(도 10(A) 내지 10(C)의 감도출력 Sa/2,Sb/2)의 합성에 의해서 얻어진 것은 전체 감도 출력으로서 음파센서(41)에서 출력된다: Stot = Sa(도 10(C)). 그리고 슬릿(47)의 제공에 의해서, 음파센서(41)의 감도출력 Stot는 슬릿(47)의 제공전으로부터 변하지 않고 유지된다.
한편, 그러한 노이즈는 열적 노이즈로부터 파생되므로, 서로 분리된 음파 감지구간(60a,60b)의 각각에 있어서, 노이즈는 임의로 독립적으로 발생된다. 이러한 이유로, 음파 감지구간(60a)의 노이즈와 음파 감지구간(60b)의 노이즈는 도 11(A)와 11(B)에 도시된 바와 같이 균등하지 않은 위상과 진폭을 갖는 독립적인 신호로서 기능한다. 그러므로, 도 11(C)에 도시된 바와 같이, 음파센서(41)로부터 만들어진 노이즈 출력 Ntot은 음파 감지구간(60a)으로부터 만들어진 노이즈 출력 Na/2과 음파 감지구간(60b)으로부터 만들어진 노이즈 출력 Nb/2의 분산의 추가를 수행할 때 계산에 의해서 얻어진다. 즉, 다음 식에 의해서 얻어진다.
Figure pct00001
여기에서, Na = Nb이면, 상기 식은
Figure pct00002
로서 표현된다.
상기한 바와 같이, 음파센서(41)의 감도출력 Stot는 추가에 의해서 얻어지고, 그것의 노이즈 출력 Ntot는 분산의 추가를 수행할 때 계산에 의해서 얻어진다. 그 결과, 음파센서(41)의 S/N 비는
Figure pct00003
이고, 음파 센서(41)가 음파 감지구간(60a,60b)으로 분리되지 않은 경우와 비교해서, S/N 비는
Figure pct00004
배만큼 크다(또는 3dB만큼 개선된다). 프로토타입에 따르면, 다이아프램(43)의 짧은 측면의 중앙에 앵커(46)를 설치한 전과 후에 감도출력에서 변화가 보이지 않으며, 반면에 노이즈 출력은 다이아프램(43)의 짧은 측면의 중앙에 앵커(46)를 설치함에 의해서 감소한다. 그러므로, 음파 감지구간(60a,60b)으로 분리되는 것에 의해서 S/N 비는 +3dB만큼 증가한다.
따라서, 음파 감지구간(60a,60b)으로 분리하기 위해서 앵커들(46)의 수를 증가시키고 여분의 위치에서 다이아프램(43)을 지지하도록 만드는 것에 의해서 음파센서(41)의 S/N 비가 개선될 수 있음을 양적으로 볼 수 있다.
제 2 실시예
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 음파센서가 설명될 것이다. 도 12는 음파센서에서 사용하기 위한 제 2 실시예의 다이아프램(43)의 구조를 보여주는 평면도이다. 케노피 구간(44)과 다른 것들의 구조는 제 1 실시예의 것들과 유사하며, 그 설명은 생략될 것이다.
이 실시예에 있어서, 다이아프램(43)은 실질적으로 직사각형 형태로 형성된다. 다이아프램(43)은 4개 모서리에 그리고 실리콘 기판(42) 상의 긴 측면 테두리의 중앙에 있는 총 6개의 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 즉, 다이아프램(43)의 짧은 측면의 양 단부는 2개 위치에서 앵커들(46)에 의해서 지지되며, 그것의 긴 측면 테두리의 중앙은 3개 위치들에 있는 앵커들(46)에 의해서 지지된다.
그러한 형태에 있어서, 도 13에 도시된 바와 같이, 다이아프램(43)의 강도는 긴 측면 테두리들의 중앙에 위치한 앵커들(46) 사이를 연결하는 라인 D상에서 높고, 그러므로 변위는 라인 D 상에서 최소가 된다. 또한, 라인 D의 양 측면 상에서 다이아프램 영역들(43a,43b)의 각각의 중앙은 변위가 커지는 변위 최대지점(G)이다. 그러므로, 라인 D의 양 측면 상에 위치한 다이아프램 영역들(43a,43b)은 독립적인 진동막으로서 각각 기능한다. 또한, 이러한 다이아프램 영역들(43a,43b)과 고정 전극판(49)은 서로 독립적인 2개의 음파 감지구간을 구성한다. 이에 의해서, S/N 비는 2개의 음파 감지구간들이 서로 병렬로 연결되는한 제 1 실시예에서와 같이 제 2 실시예의 음파센서에서 증가될 수 있다.
본 발명의 음파센서에 있어서, 하나의 캐패시터 구조는 독립적인 진동모드를 갖는 다수의 부분들(음파 감지구간(60a,60b))로서 분리되는 유닛으로서 구성된다. 즉, 다이아프램이 다수의 영역으로 분리되도록 구성되고, 독립적인 변위 최대지점 G는 분리된 영역 각각의 내부에서 발생된다.
이러한 이유로, 본 발명의 몇몇 실시예(즉, 제 1, 제 2 실시예)에서, 앵커(46)는 도 13에 도시된 바와 같이, 다이아프램(43)을 지지하기 위해서, 각각의 분리된 다이아프램 영역들(43a,43b)에서 변위 최대지점들(G) 사이를 연결하는 라인에 대하여 직각방향으로 설정한 라인 D에 제공된다. 그러한 구조에 있어서, 중앙에서 앵커들(46) 사이를 연결하는 라인 D의 위치에서, 다이아프램(43)의 강도는 증가하고 변위는 최소가 된다. 라인 D가 하나의 변위 최대지점(G)과 다른 변위 최대지점(G) 사이를 지나므로, 변위는 도 13에서 화살표로 나타낸 바와 같이 하나의 변위 최대지점(G)으로부터 다른 변위 최대지점(G)으로 전달되는 것에 대하여 저항하며, 이에 의해서 음파 감지구간의 독립성이 향상될 수 있다. 그러한 구조로 인하여, 음향 압력을 동시에 받을 때 다수의 음파 감지구간들이 동일한 위상으로 작동할 수 있고, 자체 발생된 노이즈에 대하여 서로 독립적으로 작동할 수 있다.
그런데, 본 발명의 실시예에 있어서, 다수의 음파 감지구간들은 필수적으로 동일한 구조와 동일한 크기를 가져야하는 것은 아니며, 다른 구조와 다른 크기를 가질 수 있고 그래서 다른 특성들을 가질 수 있다.
도 14는 제 2 실시예의 변형예를 나타낸다. 도 14의 변형된 예에 있어서, 대체적으로 직사각형 형태인 다이아프램(43)은 그리드 형태로 배열된 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 즉, 다이아프램(43)의 짧은 측면들의 양 단부들은 2개 위치에 있는 앵커들(46)에 의해서 지지되고, 다이아프램(43)의 긴 측면의 지점들과 양 단부들은 다수의(4개 또는 그 이상) 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 또한, 이 경우에 있어서, 다이아프램(43)의 변위는 대향하는 앵커들(46) 사이를 연결하는 라인 D상에서 작다. 그러므로, 다이아프램(43)은 다수의 라인들 D에 의해서 3개의 다이아프램 영역들(43a,43b,43c)로 직사각형 형태로 분할되고, 중간구간이 변위 최대지점(G)이 되고 4개 모서리에 있는 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 이러한 다이아프램 영역들(43a,43b,43c)과 고정 전극판(49)은 다수의 독립적인 음파 감지구간을 구성한다.
S/N비를 개선하기 위한 효과를 향상시키기 위해서 음파 감지구간들(각각의 다이아프램의 형태와 영역은 다름)의 수를 증가시키면, 음파센서의 노이즈를 줄일 수 있다.
제 3 실시예
도 15는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 음파센서(62)의 단면도이다. 도 16은 제 3 실시예의 음파센서(62)에서 사용하기 위한 다이아프램(43)의 평면도이다.
제 3 실시예의 음파센서(62)에 있어서, 다이아프램(43)은 제 1 실시예에서와 같이 앵커들(46)에 의해서 지지되지 않으며, 실리콘 기판(42)의 상부면 상에 위치한다. 한편, 백 플레이트(48)의 하부면 밖의 다이아프램(43)의 외부 주변부에 대향하는 위치로부터, 다이아프램(43)의 상부면과 접촉하게될 앵커들(46)이 하방향으로 돌출한다. 그러므로, 다이아프램(43)과 고정 전극판(49) 사이에 전압이 인가되는 경우, 다이아프램(43)은 정전력에 의해서 고정 전극판(49)을 향하여 당겨진다. 위로 당겨지는 다이아프램(43)은 앵커(63)의 하단부면과 접촉하고, 에어 갭(50)이 다이아프램(43)과 고정 전극판(49) 사이에 형성된다. 음파 진동을 다이아프램(43)에 적용할 때, 다이아프램(43)과 고정 전극판(49)에 의해서 구성된 커패시터의 커패시턴스는 변하고, 그래서 음파진동이 탐지된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 다이아프램(43)은 디스크 형태를 갖는다. 백 플레이트(48)로부터 돌출한 앵커들(63)은 다이아프램(43)의 외부 주변부 림을 따라서 규칙적인 간격으로 배열된다. 또한, 다이아프램(43)의 중앙이 앵커들 사이에서 중앙에 위치하는 상태로 다수의 앵커들(63)이 서로 대향하는 한쌍의 앵커(63) 사이에서 규칙적인 간격으로 배열된다.
그러한 음파센서(62)에 있어서, 다이아프램(43)의 변위는 다이아프램(43)의 직경을 따라서 선형으로 배열된 다수의 앵커들(63)을 따르는 라인 D 상에서 최소가 되고, 변위 최대지점(G)은 라인 D의 양 측면에서 각각 발생한다. 또한, 직경(라인 D의 방향) 상에서 열로 정렬된 앵커들(63)의 방향은 변위 최대지점(G) 사이를 연결하는 방향에 대하여 직각이다. 그러므로, 독립적인 다이아프램 영역들(43a,43b)은 라인 D의 양 측면들 상에 형성된다. 그러므로, 다이아프램 영역들(43a,43b)과 고정 전극판(49)은 다수의 독립적인 음파 감지구간을 구성한다. 이것은 음파센서(62)에서의 S/N비의 개선을 제공할 수 있다.
또한, 비록 도 16에 도시된 예에 있어서 5개의 앵커들(63)이 디스크형 다이아프램(43)에 대하여 변위 최대지점들(G) 사이를 연결하는 방향에 대하여 직각방향으로 배열될지라도, 4개 이상의 앵커들(63)이 필수적으로 배열된다. 또한, 직사각형 다이아프램과 같은 비회전 대칭 형태인 다이아프램의 경우에 있어서, 3개 이상의 앵커들은 변위 최대지점들(G) 사이를 연결하는 방향에 대하여 직각방향으로 필수적으로 배열된다.
제 4 실시예
도 17은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 음파센서에서 사용하기 위한 다이아프램(43)의 평면도이다. 다이아프램(43)은 안쪽으로 제한된 종방향 중간구간을 갖는 형태를 가지며, 그것의 전체 주변부는 연속적인 앵커(46)에 의해서 실리콘 기판(42)에 의해서 고정된다. 다이아프램(43)의 강도가 제한된 위치에서 증가하고 그래서 폭이 줄어들기 때문에, 제한된 방향을 따르는 라인 D의 양 측면들은 독립적으로 진동가능한 다이아프램들(43a,43b)이 된다.
다이아프램들(43a,43b)은 부분적으로 금이 있는(notched) 디스크형태를 가지며, 여기에서 변위 최대지점들(G)이 각각 발생하고, 변위 최대지점들(G) 사이를 연결하는 방향은 라인 D에 대하여 직각이다. 그러므로, 그러한 형태에서, 다이아프램들(43a,43b)과 고정 전극판(49)은 다수의 독립적인 음파 감지구간을 구성한다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 음파센서(62)에서의 S/N비의 개선을 제공할 수 있다.
또한, 제 3 및 제 4 실시예는 직사각형 형태인 다이아프램에 적용될 수 있다. 또한, 제 2 실시예에서를 예로 들면, 긴 측면의 중앙에 위치한 앵커(46)는 다이아프램(43)에 대하여 안쪽으로 이동할 것이다. 이것은 라인 D를 따르는 방향으로 다이아프램(43)의 강도를 증가시키기 위해서 긴 측면의 중앙에 위치한 앵커들(46) 사이의 거리를 도 12에 도시된 것보다 짧아지게 만든다.
제 5 실시예
도 18은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 음파센서에서 사용하기 위한 다이아프램(43)의 구조를 보여주는 평면도이다. 이 다이아프램은 다이아몬드 형태를 가지며, 4개 모서리에 있는 앵커들(46)에 의해서 지지된다. 그러한 다이아프램(43)의 경우에 있어서, 다이아프램(43)의 변위는 다이아몬드 형태인 다이아프램(43)의 짧은 대각선 상에 위치한 라인 D에서 최소이다. 또한, 다이아프램(43)은 라인 D의 양 측면에서 변위가 최대가 되는 변위 최대지점들(G)을 가지므로, 라인 D의 양측면들은 독립적으로 진동가능한 다이아프램들(43a,43b)이다.
제 6 실시예
도 19는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 음파센서에서 사용하기 위한 다이아프램(43)의 구조를 보여주는 평면도이다. 이러한 실시예에 있어서, 제 2 실시예의 다이아프램(43)(도 12 참조)에서, 슬릿(64)이 라인 D의 위치를 따라서 다이아프램(43)에 제공된다. S/N 비의 개선효과를 증가시키기 위해서, 다이아프램(43a)과 다이아프램(43b)의 독립성을 향상시키는 방식으로 라인 D를 따라서 슬릿(64)이 제공된다.
슬릿(64)의 길이는 다이아프램(43)의 폭의 50%를 넘지않는 것이 바람직하다. 즉, 슬릿(64)의 길이는 슬릿(64)의 연장으로서 라인 상에서 다이아프램(43)의 폭의 절반보다 작은 길이가 바람직하다. 왜냐하면, 슬릿(64)은 다이아프램(43a) 측에서의 변위와 다이아프램(43b) 측에서의 변위를 그들 사이에 불연속성을 만들기 위해서 서로 격리하기 위한 목적으로 제공된 것이기 때문이며, 만일 슬릿(64)의 길이가 다이아프램(43)의 폭의 절반보다 작으면, 다이아프램(43a) 측과 다이아프램(43b) 측 상에서의 변위들의 불연속성은 손상된다.
또한, 슬릿(64)의 폭(W)은 10㎛보다 크지않은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 만일 슬릿(64)의 폭(W)이 크게 초과하면, 슬릿(64)을 통과하여 에어 갭(50)을 통해서 백 챔버(45)로 누설되는 공기의 양이 증가하게 되고 롤-오프 프리퀀시(roll-off frequency)가 증가하게 되어 음파센서(41)의 저주파수 특성에서의 저하를 초래한다. 슬릿(64)의 폭이 10㎛를 초과하는 경우에, 롤-오프 프리퀀시(Froll-off)는 상당히 높아지고 저주파수 특성은 저하되며, 이것은 음파센서(41)의 큰 감도 손상을 초래한다.
그러나, 슬릿(64)의 위치는 라인 D의 위치에 대하여 필수적으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 도 20에 도시된 바와 같이, 슬릿(64)은 그것의 양 측면에 다이아프램 영역들(43a,43b)을 형성하기 위해서 라인 D에 대하여 직각을 이루기 위해서 제공된다. 또한, 도 21에 도시된 바와 같이, 3개 또는 그 이상의 다이아프램 영역들(43a,43b,43c,43d)을 형성하기 위해서 다수의 슬릿들(64)이 다이아프램(43)에 제공된다.
제 7 실시예
도 22는 상기한 실시예들 각각의 음파센서를 사용하는 MEMS 마이프로폰의 단면도이다. 또한, 도 23은 덮개가 제거된 상태의 마이크로폰의 평면도이다.
마이크로폰(81)은 회로기판(82)과 덮개(83)으로 구성된 패키지 내로 음파센서(65)와 신호처리회로(84)(ASIC)를 위치시켰다. 음파센서(65)와 신호처리회로(84)는 회로기판(82)의 상부면 상에 장착된다. 음파센서(65)의 전극 패드들(58,59)은 본딩 와이어(91)에 의해서 신호처리회로(84)의 패드들(85a,85b)에 각각 연결된다. 마이크로폰(81)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 다수의 단자들(88)이 회로기판(82)의 하부면에 제공되고, 단자(88)로 안내되는 전극 구간들(89a 내지 89c,90a,90b)이 회로기판(82)의 상부면에 제공된다. 회로기판(82)에 장착된 신호처리회로(84)의 각각의 패드들(86a 내지 86c,87a,87b)은 본딩 와이어(92)에 의해서 전극 구간들(89a 내지 89c,90a,90b)에 각각 연결된다. 신호처리회로(84)의 패드는 음파센서(65)에 전력을 공급하는 기능을 가지며, 음파센서(65)의 용량 변화신호를 외부로 출력하는 기능을 갖는다.
음파센서(65)와 신호처리회로(84)를 덮기 위해서 회로기판(82)의 상부면에는 덮개(83)가 부착된다. 음파진동을 패키지내로 도입하기 위한 음향 도입포트(93)가 덮개(83)의 상부면 상에 천공된다. 또한, 패키지는 마이크로폰(81)을 외부의 전기적 장애와 기계적인 충격으로부터 보호하는 전자기 차폐의 기능을 갖는다.
그러므로, 음향 도입포트(93)를 통해서 패키지내로 들어간 음파진동은 음파센서(65)에 의해서 탐지되고 신호처리회로(84)에 의해서 소정 신호로 처리되어 출력된다. 여기에서, 본 발명에 따른 음파센서를 음파센서(65)로서 사용하는 높은 S/N 비를 갖는 마이크로폰(81)이 형성된다.
또한, 도 24는 다른 구조를 갖는 마이크로폰(94)을 보여주는 도면이다. 이러한 마이크로폰(94)에 있어서, 음향 도입 포트(93)는 덮개(83)에서는 개방되지 않고 회로 기판(82)에서는 실리콘 기판(42)의 중공 구간의 하부면에 대향하는 위치에서 개방된다. 이러한 마이크로폰(94)에 있어서, 음파진동은 회로기판(82)의 음향 도입 포트(93)를 통해서 도입되고, 실리콘 기판(42)의 중공구간은 전방챔버(95)로서 기능하고, 패키지 내부의 공간은 백 챔버(45)로서 기능한다. 그러한 형태에 따르면, 마이크로폰(81)의 감도를 개선하기 위해서 백 챔버(45)의 체적은 증가될 수 있다.
끝으로, 변위 최대지점이 다이아프램에서 나타나는지는 앵커들(지지 구간들)의 배열을 기초하여 결정되는 것이 아니라, 재료나 다이아프램의 두께, 앵커(지지 구간) 등의 크기에 기초하여 결정된다.
41,61,62,65 : 음파 센서 42 : 실리콘 기판
43 : 다이아프램 43a,43b : 다이아프램 영역
45 : 백 챔버 46,63 : 앵커
48 : 백 플레이트 49 : 고정 전극판
60a,60b : 음파 감지구간 64 : 슬릿

Claims (16)

  1. 음파센서로서,
    중공구간(hollow section)을 갖는 기판;
    상기 중공구간을 덮기 위해서 상기 기판위로 배열된 박막형 다이아프램;
    상기 다이아프램 상에 형성된 가동 전극판;
    상기 다이아프램에 대향하기 위해서 상기 기판의 상부면에 고정된 백플레이트(back plate); 및
    상기 가동 전극판에 대향하는 위치에서 상기 백플레이트상에 제공된 고정 전극판;을 포함하며,
    상기 다이아프램은 지지구간에 의해서 상기 기판이나 상기 백플레이트에 대하여 지지되고, 상기 다이어프램은 진동시 변위량이 최대가 되는 지점들을 다수의 위치에서 가지며, 상기 지지구간은 상기 다이아프램의 변위량이 최대가 되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결한 라인 세그멘트(line segment)와 교차하는 직선상에 존재하는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아프램은 상기 기판이나 상기 백 플레이트 상에 제공된 다수의 지지구간들에 의해서 간격을 두고 부분적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다이아프램은 다수의 외부로 연장된 빔 구간들을 가지며, 각각의 빔 구간(beam section)은 상기 지지구간들에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다이어프램은 직사각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 다이어프램은 그리드 형태로 배열된 다수의 지지구간들에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 다이어프램은 직사각형 형태를 가지며, 4개 모서리에서 상기 지지구간들에 의해서 지지되고, 2개 방향 이외의 한 방향으로 단지 2개의 대향하는 측면들 상에서 상기 모서리들 사이의 중간 부분에 위치한 상기 지지구간들에 의해서 한층 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아프램의 주변부는 상기 지지구간에 의해서 지지되고, 상기 다이아프램은 상기 다이아프램의 변위량이 최대가 되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따라서 적어도 3개의 지지구간들에 의해서 한층 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아프램의 변위량이 최대가 되는 인접한 최대 지점들 사이를 연결하는 라인 세그멘트와 교차하는 직선을 따라서 위치한 상기 지지구간들 사이의 거리는 상기 모서리들에서 동일한 방향으로 상기 지지구간들 사이의 거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 음파센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 다이아프램의 주변부의 전체 주위는 상기 기판이나 상기 백 플레이트 상에 제공된 상기 지지구간에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아프램은 슬릿에 의해서 분할되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 슬릿은 2개의 상기 지지구간 사이를 연결하는 라인 상에서 상기 다이아프램에 형성되는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 슬릿의 폭은 10㎛보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 음파센서.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 슬릿의 길이는 상기 다이아프램의 직경의 절반보다 작지 않은 것을 특징으로 하는 음파센서.
  14. 제 2 항에 있어서, 인접한 지지부들 사이의 적어도 한 위치에서 상기 다이아프램과 상기 기판 사이에 공극이 형성된 것을 특징으로 하는 음파센서.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 중공구간을 통해서 상기 다이아프램에 음파진동이 도달하는 것을 특징으로 하는 음파센서.
  16. 제 1 항에 따른 음파센서 및 상기 음파센서로부터 출력된 신호를 처리하기 위한 회로를 구비한 마이크로폰.
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