KR20140112011A

KR20140112011A - 스프링들 및 내부 지지부를 갖는 ｍｅｍｓ 마이크로폰

Info

Publication number: KR20140112011A
Application number: KR1020147015465A
Authority: KR
Inventors: 수실 바라탄; 알렉세이 에스. 켄킨; 토마스 디. 챈
Original assignee: 인벤센스, 인크.
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-09-22
Also published as: WO2013106141A1; EP2803207A1; CN104137571B; US20150264465A1; CN104137571A; US20130177180A1; KR101921887B1; US9078069B2

Abstract

MEMS 마이크로폰은, 복수의 구멍들을 갖는 백플레이트를 구비하는 정지부, 및 상기 백플레이트로부터 이격되고, 외측 외면을 갖는 진동판을 구비한다. 콘덴서 마이크로폰으로서, 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성한다. 마이크로폰은 또한, 백플레이트와 진동판 사이에서 확장하고, 이들 모두에 영구적으로 연결되는 포스트와, 진동판을 포스트와 정지부 중 적어도 하나에 고정하는 한 세트의 스프링들을 구비한다. 포스트는 진동판의 외측 외면의 방사상 안쪽에 배치된다.

Description

스프링들 및 내부 지지부를 갖는 ＭＥＭＳ 마이크로폰{MEMS MICROPHONE WITH SPRINGS AND INTERIOR SUPPORT}

본 발명은 일반적으로 MEMS 디바이스들에 관한 것이고, 보다 구체적으로 본 발명은 MEMS 마이크로폰들에 관한 것이다.

MEMS 콘덴서 마이크로폰들은 전형적으로 밑에 있는 백플레이트와 함께 가변 커패시터를 형성하는 진동판을 구비한다. 가청 신호의 수신은 진동판이 진동하도록 야기하고, 결과적으로 가청 신호를 나타내는 가변 커패시턴스 신호를 생성한다. 증폭될 수 있거나, 기록될 수 있거나, 또는 달리 다른 전자 디바이스들에 송신될 수 있는 것은 이러한 가변 커패시턴스 신호이다.

바람직하지 못하게 잡음은 간혹 상술한 가변 커패시턴스 신호를 악화시킨다. 당업자들은 간혹 진동판 지역을 확대함으로써 이러한 문제에 대응하고, 이는 가변 커패시턴스 신호를 증대시킬 것이다. 그러나 이러한 해결책은 다른 문제점들을 생성할 수 있다. 특히, 응력들 및 긴 길이들은 진동판의 중앙 영역이 백플레이트를 향해 처지게 하고, 이는 다른 종류의 성능 문제들을 생성한다. 예컨대, 이러한 진동판은 백플레이트에 대한 점착의 경향이 더 많을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, MEMS 마이크로폰은 복수의 개구부들을 구비하는 백플레이트를 갖는 정지부, 및 백플레이트로부터 이격되고 외측 외면을 갖는 진동판을 구비한다. 콘덴서 마이크로폰으로서, 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성한다. 마이크로폰은 또한 백플레이트와 진동판 모두 사이에서 확장하고, 이들과 실질적으로 영구적으로 연결되는 포스트, 및 진동판을 포스트와 정지부 중 적어도 하나에 고정하는 한 세트의 스프링들을 구비한다. 포스트는 진동판의 외측 외면의 방사상 안쪽으로 위치된다.

포스트는 진동판의 외측 외면의 두 개의 상이한 에지들 사이에서 대략 등거리로 이격될 수 있다. 예컨대, 진동판이 중심을 갖는다면, 포스트는 실질적으로 진동판의 중심으로부터 확장할 수 있다. 더욱이, 스프링들의 세트 중 적어도 하나는 진동판의 외측 외면으로부터 정지부로 확장할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 스프링들의 세트 중 적어도 하나는 포스트로부터 진동판으로 확장할 수 있다, 예컨대 스프링들의 세트는 진동판을 포스트와 정지부 모두에 고정시킬 수 있다. 스프링들의 세트는, 포스트와 정지부 중 적어도 하나와 진동판 사이의 공간을 형성하는 적어도 하나의 신장된 스프링(예, 구불구불한)을 포함할 수 있다.

일부 실시예들은 진동판과 백플레이트 사이에서 확장하고 이들 모두에 접촉하는 복수의 추가적인 포스트들을 구비한다. 이러한 포스트(들)는 백플레이트와 진동판 중 하나 또는 둘 모두로부터 전기적으로 차단되는 것이 바람직하다. 포스트 및 진동파 조합은 대략 1m 보다 큰 직경을 갖는 것들과 같은 다수의 상이한 크기의 진동판들에 적용된다.

다른 실시예에 따라, MEMS 마이크로폰은 복수의 개구부들을 구비하는 백플레이트를 갖는 정지부, 및 백플레이트로부터 이격되고, 외측 외면과 외측 외면의 방사상 안쪽의 영역을 갖는 진동판을 구비한다. 콘덴서 마이크로폰으로서, 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성한다. 진동판의 방사상 안쪽 영역은 진동판에 입사하는 음향 신호에 응답하여 정지부에 대해 실질적으로 움직일 수 없는 고정된 지역을 갖는다. 덧붙여, 방사상 안쪽 영역은 또한 입사 음향 신호에 응답하여 정지부에 대해 움직일 수 있는 움직이는 지역을 갖는다. 한 세트의 스프링들은 진동판을 정지부에 고정시킨다.

다른 실시예들에 따라, 음향 신호를 변환하는 방법은 복수의 개구부들을 구비하는 백플레이트를 갖는 정지부, 및 백플레이트로부터 이격되고 외측 외면을 갖는 진동판을 제공한다. 콘덴서 마이크로폰으로서, 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성한다. 마이크로폰은 또한 진동판으로부터 확장하고 실질적으로 진동판과 영구적으로 연결되는 포스트를 구비한다. 이러한 포스트는 진동판의 외측 외면의 방사상 안쪽에 위치되고, 백플레이트로부터 이격되도록 정상적으로 편향된다. 이러한 마이크로폰을 제공한 후, 방법은 가변 커패시터에 전압을 가하여, 진동판이 이동하여 백플레이트와 접촉하게 하고, 전압이 인가된 동안 백플레이트와 접촉된 상태로 유지되게 한다.

당업자들은 바로 아래에 요약된 도면들을 참조하여 논의된 예시적인 실시예의 다음의 설명으로부터 본 발명의 다양한 실시예들의 장점들을 완전히 인식할 것이다.

도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 구성된 MEMS 마이크로폰 다이를 갖는 패키징된 마이크로폰의 개략적인 상부 사시도.
도 1b는 도 1a에 도시된 패키징된 마이크로폰의 개략적인 바닥 사시도.
도 1c는 도 1a에 도시된 것과 동일한 방향의 패키징된 마이크로폰의 개략적인 단면도.
도 1d는 바닥 부분을 갖는 유사한 패키징된 마이크로폰의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 일반적으로 구성된 MEMS 마이크로폰 다이를 개략적으로 도시한 도면.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 포스트, 포스트에 연결된 스프링들 및 진동판으로 구성된 MEMS 마이크로폰의 개략적인 평면도.
도 3b는 도 3a에 도시된 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면 사시도.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 개략적인 평면도.
도 4b는 도 4a에 도시된 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면 사시도.
도 5는 진동판과 백플레이트 사이에 다수의 포스트들을 갖는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면 사시도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 구성된 MEMS 마이크로폰 다이의 개략적인 단면도.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 MEMS 마이크로폰을 사용하는 프로세스를 도시하는 도면.

예시적인 실시예들에 있어서, MEMS 마이크로폰 다이는 진동판 처짐을 실질적으로 감소시키기 위한 진동판 지지 포스트를 구비한다. 따라서, 이러한 실시예들은 진동판 면적을 증가시킬 수 있어서, 양호하게 신호대 잡음비를 증가시킨다. 심지어 더 미세한 해결책을 보장하기 위하여, 이러한 실시예들은 진동판을 1) 지지 포스트, 2) 마이크로폰 다이의 정지부, 또는 3) 지지 포스트 및 정지부에 연결하기 위한 스프링들을 사용한다. 예시적인 실시예들의 세부사항들은 아래에서 논의된다.

도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 구성된 MEMS 마이크로폰 다이(16)(아래에서 논의되는 도 1c, 도 1d, 도 2, 등에 도시된)를 병합할 수 있는 패키징된 마이크로폰(10)의 개략적인 상부 사시도를 개략적으로 도시한다. 상응하는 방식으로, 도 1b는 동일한 패키징된 마이크로폰(10)의 바닥 사시도를 개략적으로 도시한다.

이들 도면들에 도시된 패키징된 마이크로폰(10)은 패키지 베이스(12)를 구비하고, 이러한 패키지 베이스(12)는 대응하는 뚜껑(14)과 함께, 마이크로폰 칩(16)과 필요하다면 별도의 마이크로폰 회로 칩(18)(다이들(16 및 18) 모두 도 1c 및 도 1d에 개략적으로 도시되고, 아래에서 논의된다)을 포함하는 내부 챔버를 형성한다. 본 예에서 뚜겅(14)은 공동-형 뚜껑이고, 공동을 형성하기 위하여 상부로부터 일반적으로 수직으로 확장하는 4개의 벽과, 내부 면을 갖는다. 예시적인 실시예들에 있어서, 뚜껑(14)은 마이크로폰 다이(16)를 전자기 간섭으로부터 차폐하기 위하여 금속 또는 다른 전도성 물질로 형성된다. 뚜껑(14)은 실질적으로 편평한 패키지 베이스(12)의 상부 면에 고정되어 내부 챔버를 형성한다.

뚜껑(14)은 또한 챔버 안으로 오디오 신호의 진입을 가능케 하는 오디오 입력 포트(20)을 구비한다. 그러나 대안적인 실시예들에 있어서, 오디오 포트(20)는 패키지 베이스(12)를 통과하거나, 또는 뚜껑(14)의 측면 벽들 중 하나를 통과하는 것과 같은 다른 위치에 존재한다. 내부 챔버로 들어가는 오디오 신호들은 마이크로폰 칩(16)과 상호작용하여 전기 신호를 생성하고, 이러한 전기 신호는 추가적인 (외부) 구성요소들(예, 스피커 및 수반하는 회로)을 통해 입력 가청 신호에 대응하는 출력 가청 신호를 생성한다.

도 1b는 마이크로폰 다이(16)를 인쇄 회로 기판 또는 다른 전기 상호연결 장치와 같은 기판에 전기적으로 (및 많은 예상된 용도들에서 물리적으로) 연결하기 위한 다수의 접촉부들(24)을 갖는 패키지 베이스(12)의 바닥 면(22)을 도시한다. 패키징된 마이크로폰(10)은 임의의 폭 넓은 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예컨대, 패키징된 마이크로폰(10)은 모바일 전화들, 일반 전화들, 컴퓨터 디바이스들, 비디오 게임기들, 보청기들, 보청 기구들, 생체 보안 시스템들, 양방향 무선 장치들, 공중 안내 시스템들, 및 신호를 변환하는 다른 디바이스들과 함께 사용될 수 있다. 실제, 패키징된 마이크로폰(10)이 전자 신호들로부터 가청 신호들을 생성하는 스피커로서 사용될 수 있음이 예상될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 패키지 베이스(12)는 FR-4와 같은 인쇄 회로 기판 물질, 또는 사전성형된 리드프레임형 패키지("사전성형 패키지"로도 언급되는)가 될 수 있다. 다른 실시예들은 세라믹 공동 패키지들과 같은 상이한 패키지 유형들을 사용할 수 있다. 따라서, 특정 유형의 패키지의 논의는 오로지 예시 목적들을 위함이다.

도 1c는 도 1a의 라인 C-C을 따른 패키징된 마이크로폰(10)의 단면을 개략적으로 도시한다. 위에서 도시되고 언급된 바와 같이, 뚜겅(14)과 베이스(12)는 MEMS 마이크로폰 다이(16)와 마이크로폰 다이(16)를 제어하고 구동하기 위한 전자부품들(18)을 포함하기 위한 상기 내부 챔버를 형성한다. 예시적인 실시예들에 있어서, 전자부품들은 주문형 집적 회로("ASIC(18)")와 같은 제 2의 독립형 집적 회로로서 구현된다. 그러나, 다른 실시예들은 단일 다이 상에 MEMS 미소구조와 전자 회로를 형성할 수 있다.

접착제 또는 다른 고정 메커니즘들은 마이크로폰 다이(16)와 ASIC 다이(18)을 모두 베이스(12)에 고정시킨다. 배선연결부(wirebond)는 마이크로폰 다이(16)와 ASIC 다이(18)을 패키지 베이스(12)의 내부 상의 접촉 패드들(미도시)에 전기적으로 연결한다.

도 1a 내지 도 1c가 상부 포트의 패키징된 마이크로폰 설계를 도시하지만, 일부 실시예들은 입력 포트를 베이스(12)를 통과하는 것과 같이 다른 위치들에 배치할 수 있다. 예컨대, 도 1d는 마이크로폰 다이(16)가 입력 포트를 덮어, 결과적으로 뒷부분의 큰 체적을 생성하는 유사한 패키징된 마이크로폰(10)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도시되지 않은 다른 실시예들은 베이스(12)를 관통하는 입력 포트(20)를 덮지 않도록 마이크로폰 다이(16)를 배치한다.

특정 패키징된 마이크로폰의 논의는 오로지 예시를 위함이다. 따라서, 도 1a 내지 도 1d에 관해 논의된 패키징된 마이크로폰(10)은 본 발명의 모든 실시예들을 제한하려는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 제작될 수 있는 MEMS 마이크로폰 다이(16)("마이크로폰 칩(16)"으로도 언급됨)의 상부 사시도를 개략적으로 도시한다. 후속하는 도 3a 내지 도 6b는 다양한 다른 실시예들에서 동일한 마이크로폰(16)의 평면도와 도 2의 라인(2-2)을 따른 단면도(18)를 도시한다.

특히, 마이크로폰 다이(16)는 정지부(26)를 포함하고, 정지부는 유연한 진동판(30)을 지지하고, 진동판(30)과 함께 가변 커패시터(28)를 형성한다. 예시적인 실시예들에 있어서, 정지부(26)는 단결정 실리콘(예, 아래에서 논의되는 절연체 웨이퍼상의 실리콘의 상부 층)과 다른 증착 층들로 형성된 백플레이트(32)(이후의 도면들에 도시되고 아래에서 논의됨)를 포함하고, 반면에 진동판(30)은 증착된 폴리실리콘과 같은 오로지 증착된 물질로 형성된다. 그러나, 다른 실시예들은 정지부(26)와 진동판(30)을 형성하기 위하여 다른 유형들의 물질들을 사용한다. 예컨대, 단결정 실리콘 벌크 웨이퍼, 및/또는 일부 증착된 물질은 정지부(26)를 형성할 수 있다. 유사한 방식으로, 단결정 실리콘 벌크 웨이퍼, 절연체 웨이퍼상의 실리콘의 부분, 또는 일부 다른 증착된 물질은 진동판(30)을 형성할 수 있다.

스프링들(34)은 진동판(30)의 외측 외면을 마이크로폰 다이(16)의 정지부(26)에 움직일 수 있게 일체형으로 연결시킨다. 스프링들(34)은 오디오/음향 신호의 적어도 일부가 진동판(30)을 통과하도록 허용하는 복수의 개구들(36)을 효과적으로 형성한다. "진동판 개구들(36)"로서 언급될 수 있는 이들 개구들(36)은, 슬롯 형태, 둥근 구멍, 또는 일부 불규칙한 형태와 같이, 애플리케이션에 의해 요구되는 임의의 형태가 될 수 있다. 다이들(16 및 18)의 상부면 상의 전기 접촉부들(25)은 도 1c 및 도 1d에 도시된 배선연결부를 위한 전기 연결부를 제공한다.

도 3a 및 도 3b는 MEMS 마이크로폰 다이(16)의 본 실시예의 더 많은 세부사항들을 도시하지만, 일반적으로 직사각형 진동판(30)을 갖는다. 특히, 도 3a는 도 2에 도시된 마이크로폰 다이(16)의 평면도의 더 많은 세부사항을 개략적으로 도시한다. 도 3b는 동일한 마이크로폰 다이(16)의 단면도를 개략적으로 도시한다.

도 3b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 마이크로폰 다이(16)의 정지부(26)는 백플레이트(32)를 구비하고, 백플레이트(32)는 진동판(30)과 함께 가변 커패시터(28)를 형성한다. 당업자들이 알고 있는 바와 같이, 가변 커패시터(28)는 진동판(30)에 입사하는 입력 음향 신호들을 나타내는 전기 신호들을 생성한다. 동작을 용이하게 하기 위하여, 백플레이트(32)는 뒷면의 공동(40)으로 안내하는 복수의 관통 개구들("백플레이트 개구들(38)")을 갖는다. 개구들(38)은 성능을 최적화하도록 성형될 수 있고, 크기가 정해질 수 있고, 구성될 수 있다. 이러한 하나의 구성은 둥근 구멍들 및 슬롯들(즉, 길다란 구멍들) 모두를 구비하고, 반면에 다른 구성은 오로지 특정 패턴으로 배열된 일반적으로 둥근 구멍들을 구비한다.

정지 중일 때, 전압이 인가되는지에 관계없이, 많은 종래기술의 진동판들은 고유한 응력들 및 중력으로 인해 어느 정도 변형된다(예컨대, 이들은 특히 처질 수 있다). 일부 종래기술의 진동판들의 부분들은 진동판과 백플레이트(32) 사이의 "공칭 거리/간격(42)"의 25 내지 50%만큼 처질 수 있다. 보다 구체적으로, 이러한 "공칭 거리/간격(42)"은, 만약 진동판(30)이 완벽하게 편평하다면, 정지 중 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 거리로 간주된다. 예컨대, 진동판(30)의 일부 부분들은 백플레이트(32)로부터 3 미크론 정도 이격될 수 있고, 진동판(30)의 더 중앙 영역들은 백플레이트(32)로부터 2 미크론 정도 이격될 수 있다.

처짐은 진동판(30)이 백플레이트(32)와 접촉할 가능성을 증가시키고, 이는 다수의 문제점들을 야기할 수 있다. 예컨대, 진동판(30)은 백플레이트(32)에 들러붙을 수 있고(해당 기술분야에서 "점착"으로 알려진), 이는 디바이스를 파손시킬 수 있거나, 또는 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 단락 회로를 야기할 수 있다. 이들 언급된 문제들이 발생하지 않는다 할지라도, 진동판(30)과 백플레이트 사이의 접촉은 특히 신호 피크들을 왜곡시킴으로써(예, 신호 피크들을 평탄케 함으로써) 출력 신호의 품질을 종종 감소시킨다.

진동판 처짐은 매우 작은 진동판들(예, 도 3a의 X-Y 평면과 평행한 가장 긴 치수들이 대략 1mm보다 작은)을 갖는 일부 마이크로폰 설계들에서는 관심사항이 되지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 더 작은 마이크로폰들이 간혹 더 큰 진동판들을 갖는 마이크로폰들보다 더 낮은 신호대 잡음비를 갖는다는 것을 인식하였다. 따라서 큰 진동판이 마이크로폰 성능을 개선하는데 간혹 더 바람직하다. 예컨대, 1 mm보다 더 큰 최대 치수들을 갖는 진동판들은, 만약 처짐이 제어될 수 있다면, 개선된 신호대 잡음비를 제공할 것이다.

따라서, 진동판의 처짐을 제어하기 위하여, 도 2, 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들은 진동판(30)의 내부 부분을 지지하는 적어도 하나의 지지 포스트(44)를 구비한다. 즉, 지지 포스트(44)는 진동판(30)의 일부를 효과적으로 움직이지 못하게 하여, 이 부분이 실질적으로 정지부가 되게 한다. 이것은 간혹 진동판(30)의 일반적인 중앙 또는 중심 근처이다. 예컨대, 포스트(44)는 진동판(30)의 두 개의 대향 에지들 사이에서 실질적으로 등거리로 배치될 수 있다. 다양한 실시예들이 더 큰 진동판들(즉, 대략 1 mm보다 큰)을 통해 개선된 결과들을 생성하는 것으로 믿어지지만, 다양한 실시예들은 또한 더 작은 진동판들에 적용된다.

위에서 언급한 바와 같이, 스프링들(34)은 정지부(26)와 결합함으로써 진동판(30)의 외면을 지지한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 이들 스프링들(34)은 위에서 언급한 스프링 개구 또는 공간(36)을 형성한다. 따라서, 진동판(30) 외면의 일부 부분은 정지부(26)와 직접 연결되지 않는다. 도 3a는 외면의 일부를 "비지지부"라칭한다. 어떠한 경우라도, 진동판 외면 주위의 많은 점들이 지지된다. 따라서, 메달린 외면의 일부가 존재한다는 사실에도 불구하고, 이러한 장치는 캔틸레버 구성으로 간주되지 않는다.

예컨대, 진동판 외면은 적어도 180°마다 또는 그 이하의 각도마다 스프링들(34)(즉, 진동판(30)의 각 측 상의 대향 스프링들(34))과 연결되는 지역들을 가질 수 있다. 다른 실시예들은 대략 120°이하, 대략 90°이하, 대략 60°이하, 대략 45°이하, 등으로 이격된 스프링들(34)을 구비할 수 있다.

도 3a에 도시된 직사각형 모양의 진동판(30)은 진동판 외면 주위에 실질적으로 등거리로 이격된 16개의 스프링들(34)을 구비한다. 직사각형 진동판(30)에서 이들 16개의 스프링들(34)은, 진동판(30)이 둥근 경우에서와 같이, 진동판(30) 주위에서 반드시 정확하고 동일하게 이격될 필요는 없다. 대신에, 이들이 적어도 2개의 대향 스프링들(34)(즉, 대략 180°떨어진)을 구비하고, 이들 사이에 다른 것들을 갖도록, 배치된다. 따라서, 이러한 직사각형 진동판(30)은 대략 180°이하로 떨어진 스프링들(34)을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 진동판(30)을 보는 다른 방식은, 진동판이 복수의 직선 측들을 갖고, 각 측이 적어도 하나의 스프링을 갖는다는 점이다. 따라서, 진동판(30)이 8각형, 5각형, 등과 같은 다른 다각형 모양이라면, 각 측 상에 적어도 하나의 스프링(34)을 구비할 것이고, 따라서 캔틸레버형이 되지 않는다. 각 측은 동일한 수, 유형 및 공간의 스프링들(34)을 구비할 수 있거나, 상이한 수, 유형, 공간의 스프링들(34)을 구비할 수 있다. 진동판(30)이 불규칙적으로 성형된다면, 스프링들(34)을 적어도 180°떨어뜨리는 것이 만족스러운 결과들을 제공할 것임이 예상된다.

도 3a 및 도 3b 내의 진동판 외면 주위의 스프링들(34)이 구불구불한 방식으로 확장되고 형성된다. 해당 기술분야에서 알려진 바와 같이, 구불구불한 스프링들(34)은 똑바른 직선형 뭉뚝한 스프링들(34)보다 진동판(30)의 더 많은 제어를 제공한다. 물론, 정지부(26)에 대한 단순한 단단한 연결부(드럼과 같은)인 스프링(34)과 같은 다른 유형들의 스프링들(34)도 충분할 것이다. 이러한 유형의 스프링(34)은 더 많은 진동판 유연성을 제공하기 위하여 더 얇아지고, 진동판(30)의 더 많은 피스톤형 하강을 허용하도록 설계된다(아래 참조). 덧붙여, 도 3a의 마이크로폰 다이(16)가 대칭으로 배치된 스프링들(34)을 구비할지라도, 대안적인 실시예들은 대칭으로 배치되지 않은 스프링들(34)을 구비할 수 있다.

이것은 오로지 지지 포스트(44)에, 또는 정지부(26)의 한 측에 고정될 수 있는 일부 종래기술의 설계들과 대비된다. 특히, 일부 종래기술의 설계들은, 진동판 외면을 어쨌든 연결하는 것이 아니라, 실제로 진동판(30)의 외측 외면이 캔틸레버 방식으로 메달리도록 허용한다. 본 발명자들은 이러한 종래기술의 설계가 제어가 가능하지 않고, 간혹 열악한 결과들을 생성하는 것을 인식하였다. 예시적인 실시예들은, 언급한 종래기술의 설계보다, 더 편평한 피스톤형 방식으로 Z-방향에서, 백플레이트(32)을 향해 및 이로부터 멀어지는 방향으로 더욱 제어 가능하게 움직여야 한다.

이를 위해, 스프링들(34)은 또한 성능을 추가로 개선하기 위하여 지지 포스트(44)와, 진동판(30)의 내측 외면 사이에서 결합될 수 있다. 이들 스프링들(34)은 위에서 논의된 임의의 유형들일 수 있고, 어떠한 경우든지, 포스트(44)와 진동판(30) 또는 스프링(34) 사이에서 공간들(36)을 생성하는 비지지 지역들을 구비한다. 외측 외면 스프링들(34)과 같이, 이들 내측 스프링들(34)은 지지 포스트(44) 주위에서 180°이하로(예컨대, 도 3a에 도시된 바와 같이, 120°이하, 90°이하, 등으로), 또는 외측 스프링들(34)에 대해 위에서 논의된 다른 방식으로(예, 다각형의 단면을 갖는 포스트(44)의 각 측 상에 하나) 배치될 수 있다. 다른 실시예들은 포스트(44)와 진동판(30) 사이의 스프링들을 사용하지 않는다(아래에서 논의).

위에서 제시한 바와 같이, 포스트(44)는 다수의 형태들, 모양들, 및 치수들 중 임의의 하나를 취할 수 있다. 예컨대, 포스트(44)는 일반적으로 직사각형, 둥근, 또는 불규칙한 단면 모양을 구비할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 포스트(44)는 폴리실리콘으로 형성되고, 진동판(30)으로부터 일체형으로 확장되며, 백플레이트(32)와 일체형으로 연결된다. 이러한 연결은 영구 연결의 일 유형으로 간주된다(즉, 톱을 사용하는 것과 같은 유별난 힘이 없다면, 구성요소들은 연결된 상태로 유지된다). 특정 종래기술의 비-MEMS 마이크로폰들과 달리, 포스트(44)는 진동판(30)에 또는 이로부터 전류를 도통시키지 않는다. 대신에 포스트(44)는 필수적으로 전기적인 데드 엔드(dead end)이다.

따라서, 포스트(44)는 진동판(30)과 백플레이트(32)를 전기적으로 연결시키지 않는데, 왜냐하면 만약 연결된다면, 가변 커패시터(28)의 두 플레이트들(즉, 백플레이트(32)와 진동판(30))은 동일한 전위가 될 것이고, 이는 커패시터가 동작하지 않게 하기 때문이다. 이 때문에, 포스트(44)는 바람직하게 진동판(30)과 백플레이트(32) 중 하나 또는 둘 모두와 포스트 사이에서 일부 절연 물질을 갖는다. 예컨대, 제작 도중에, 진동판 층을 증착하기 전에, 프로세스들은 포스트(44)의 상부 측(궁극적으로 진동판(30)과 연결되는 포스트(44)의 측) 위에 절연 산화물층(예, 본래의 산화물)을 형성할 수 있다. 따라서 후속적인 제작 단계들은 그러한 산화물 위에 폴리실리콘 진동판층을 증착시킬 수 있다. 포스트(44)의 상부와 진동판(30) 사이의 산화물층은 따라서 포스트(44)를 통한 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 전기적인 연결을 방지한다.

물론, MEMS 마이크로폰 다이(16)는 진동판(30)과 백플레이트(32) 중 하나 또는 둘 모두로부터 포스트(44)를 전기적으로 차단하기 위한 다른 수단을 구비할 수 있다. 다른 기술은 백플레이트(32) 내에서 포스트(44)의 바닥 사이에 산화물 또는 절연 층을 형성할 수 있다. 다른 실시예들은 진동판(30)과 백플레이트(32) 중 하나 또는 둘 모두에 연결되는 영역 주위에서 포스트(44) 주위에 전기적인 절연 트렌치를 형성할 수 있다. 다른 실시예들은 단순히 포스트(44)를, 도핑되지 않은 실리콘, 산화물, 질화물과 같은 비전도성 물질, 또는 MEMS 제작 프로세스들에서 일반적으로 사용되는 전도성 및 비전도성 물질들의 일부 조합으로 형성할 수 있다.

도 3a 및 도 3b가 진동판(30)의 내측 외면과 외측 외면 모두를 따라 스프링들(34)을 도시하지만, 다른 실시예들은 이들 영역들 중 하나 또는 둘 모두로부터 스프링들(34)을 생략할 수 있다. 도 4a는 평면도로, 도 4b는 단면 사시도로 일 실시예를 도시한다. 이 실시예는 외측 외면을 따라 스프링들(34)을 유지하고, 포스트(44)와 진동판(30) 사이의 스프링들(34)을 생략하였다. 다른 실시예들은 오로지 내측 진동판 외면을 따라 스프링들(34)을 구비할 수 있거나, 또는 내측 또는 외측 진동판 외면 중 어느 곳에도 스프링들(34)을 구비하지 않을 수 있다. 도 4b는 부수적으로 백플레이트(32)를 관통한 개구부들(28)에 대응하는 진동판(30) 상의 하강들(각각은 일반적으로 중심으로부터 돌출하는 3 또는 4개의 부분들을 갖는다)을 도시한다.

다수의 유익한 효과들로서 진동판(30)의 일반적인 중앙 영역이 실질적으로 정지 상태로 유지되게 하기 위하여, 포스트(44) 또는 다른 수단을 사용한다. 특히, 진동판(30)의 길이/간격을 상당히 축소시킨다. 일 예로서, 대략 그 중심 영역에서 공칭 3 미크론 간격(42)(즉, 완벽하게 편평하다면, 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 간격(42)은 3 미크론일 것이다)에 걸쳐 정상적으로 약 1 미크론만큼 처지는 1 mm의 직경을 갖는 원형 모양의 진동판을 고려한다. 대략 진동판(30)의 중심에 포스트(44)를 배치시키는 것은 대략 50%만큼 진동판의 처짐을 감소시킬 것이다. 따라서, 진동판(30)의 나머지 움직일 수 있는 부분들(즉, 포스트(44)에 의해 실질적으로 정지되게 고정되지 않은 부분들)은 대략 0.5 미크론 이하로 처질 것이다.

본 발명자들은 진동판 처짐의 이러한 감소가 진동판(30)을 확대하는 것을 가능케 하고, 따라서 가변 커패시터(28)에 의해 생성된 신호를 증가시키는 것을 인식하였다. 따라서, 위의 예를 통해 지속하여, 진동판(30)은 이제 크기가 두 배인 즉 대략 2 mm인 직경을 갖는 진동판(30)을 구비할 수 있다. 그러나, 진동판(30)의 처짐은 다시 최대 대략 1 미크론이 되는 것으로 예상된다. 그러나, 지역이 반경의 제곱으로 증가하기 때문에, 이것은 약 4배의 표면적 증가를 야기하고, 따라서 대응하여 4배의 신호대 잡음비 증가를 야기한다.

포스트(44)에 의해 올려진 영역이 개선된 신호를 어느 정도 악화시킴을 주목해야 한다. 그러나 가변 커패시터(28)의 표면적을 최대화하기 위한 포스트를 회피하는 이러한 직관적인 제안에 반하여, 본 발명자들은 상당히 개선된 신호가 포스트에 의한 이러한 악화를 실질적으로 무효로 함을 인식하였다. 즉, 포스트(44)는 신호 품질에서 단지 크지 않은 감소 또는 악화를 생성한다. 덧붙여, 가변 커패시터(28)에 의해 생성된 잡음은 신호의 증가에 대응하는 비율로 증가하지 않는다. 이것은 마이크로폰 다이(16)의 신호대 잡음비를 실질적으로 개선하는 우호적인 결과를 제공한다.

본 발명자들은 지지 포스트(44)가 다수의 추가적인 장점들을 제공함을 발견하였다. 특히, 당업자들은 ASIC 다이(16)가 패키징된 마이크로폰(10)에 의해 생성된 순 신호를 감소시키는 입력 커패시턴스를 가짐을 인식한다. 상당히 증가된 마이크로폰 다이 커패시턴스는 따라서 이러한 입력 ASIC 커패시턴스와 시스템 내의 다른 기생 커패시턴스의 부정적인 영향을 최소화 또는 감소시킨다. 덧붙여, 더 큰 마이크로폰 다이 커패시턴스는 유효 저주파수 차단을 이동시킴으로써 잡음을 감소시킨다.

사용 도중에, 입사 음향 신호는 진동판(30)이 일반적으로 Z축을 따라 움직이게 한다. 이상적으로, 진동판(30)은 거의 모든 점들이 동일한 비율로 위 아래로 움직이는 플런저와 같이 Z축을 따라 움직인다. 스프링들(34)은 진동판(30)이 특정 진폭을 갖는 신호들의 수신시 의도된 방식으로 움직이는 것을 보장하도록 구성된다. 예컨대, 특정 마이크로폰 다이들은 낮은 진폭의 음향 신호들(예, 매우 큰 소리로 간주되지 않는 신호들)을 위해 생성될 수 있고, 따라서 상대적으로 낮은 스프링 상수들을 갖는 스프링들(34)을 구비할 수 있다. 이러한 스프링들(34)은 더 얇아지거나, 더 길어지거나, 또는 이러한 거동을 허용하는 방식으로 제작될 수 있다. 실제, 이러한 마이크로폰에 충돌하는 매우 높은 진폭의 신호는 스프링들(34)과 진동판(30)에 손상을 가할 수 있다.

진동판(30)의 일반적인 중앙 또는 중심에 또는 그 근처에 있는 것으로 논의되었지만, 일부 실시예들(위에서 언급한)은 포스트(44)를 진동판(30)에 대해 다른 위치들로 옵셋시킬 수 있다. 도 5는 마이크로폰 다이(16)가 복수의 포스트들(44)을 갖는 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 이들 포스트들(44)은 마이크로폰 칩(16)의 예상된 사용 및 애플리케이션에 의존하여 전략적으로 배치될 수 있다. 당업자들은 예상된 사용에 기초하여 적절한 위치들을 선택할 수 있다.

다른 실시예들은 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이에 움직일 수 있는 포스트(44)를 구비한다. 도 6a 및 도 6b는 포스트(44)가 진동판(30)으로부터 일체형으로 양각 확장하는 하나의 실시예를 도시한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 전압이 인가되지 않은 위치에서, 즉 마이크로폰 칩(16)에 전압이 인가되지 않을 때, 진동판(30)은, 포스트(44)가 백플레이트(32)와 접촉하지 않도록 정상적으로 편향된다. 포스트(44)는 실질적으로 진동판(30)/백플레이트(32) 간격(42)의 전체 길이를 확장할 수 있고, 전압의 수신시 이동할 오로지 작은 공간을 남겨둘 수 있다. 예컨대, 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 공칭 3 미크론 간격(42)을 갖는 마이크로폰 칩(16)에서 사용될 때, 포스트(44)는 전압이 인가되지 않을 때 백플레이트(32)로부터 오로지 대략 0.1 또는 0.2 미크론이 되도록 확장할 수 있다. 이 거리는 또한 공칭 무전압 처짐을 고려한다. 다른 실시예들은 포스트(44)가 심지어 전압이 인가되지 않을 때에도 전체 진동판(30)/백플레이트(32) 간격(42)의 전체에 이르는 것을 허용할 수 있다.

도 6a의 이러한 단면도는 (도면의 사시도로부터) 진동판(30)의 좌측 상의 스프링(34)과 진동판(30)의 우측 상의 개방 공간(36)을 가로지르는 것임을 주목해야 한다. 달리 말하면, 이러한 실시예 주위의 스프링 구조는 다른 실시예들에 대해 위에서 기술된 것을 중 임의의 것과 유사할 수 있다.

도 6a의 진동판(30)과 백플레이트(32) 사이의 정전기 힘(예, 전압 차이로 초래되는 힘)의 인가는 포스트(44)가 백플레이트(32)와 접촉할 때까지 진동판(30)을 아래로 향하게 한다(도 6b). 이 시점에, 마이크로폰 다이(16)는 입력 음향 신호를 쉽게 수신하여 변환시킨다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 마이크로폰 칩(16)의 대안적인 실시예들은, 진동판(30)으로부터 확장하는 것이 아니라, 포스트(44)를 백플레이트(32)로부터 위로 확장시킨다. 이것은, 진동판(30)이 간혹 백플레이트(32)보다 훨씬 더 얇고, 따라서 포스트(44)의 상부에 대한 너무 힘을 통해 손상될 수 있고, 고장날 수 있기 때문에, 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예보다 덜 바람직하다.

도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 마이크로폰 칩(16)을 사용하는 단순화된 프로세스를 도시한다. 프로세스는 마이크로폰 다이(16)에 전압을 인가하는 단계(700)에서 시작한다. 전압 인가는 진동판(30)과 포스트(44)가 아래로 움직여 백플레이트(32)와 접촉하게 한다(도 6b). 전압이 인가되는 동안, 포스트(44)와 일체형으로 연결된 진동판(30)의 부분은 실질적으로 정지 상태로 유지되어야 한다.

이 시점에 MEMS 마이크로폰 다이(16)는 인입 음향 신호를 수신하여 정상적인과정으로 변환시킨다(단계(702)). 최종적으로, 프로세스는 단계(704)에서 마이크로폰 다이(16)에 전압인가의 해제를 결정한다. 스프링들(34)과 진동판(30)의 탄성은 따라서 진동판(30)과 포스트(44)가 도 6a에 도시된 정지 위치로 되돌아가게 야기한다.

위의 논의가 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들을 개시하지만, 당업자들이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 본발명의 장점의 일부를 얻을 다양한 수정들을 행할 수 있음은 자명할 것이다.

Claims

MEMS 마이크로폰으로서,
복수의 구멍들을 갖는 백플레이트를 포함하는 정지부;
상기 백플레이트로부터 이격되고, 외측 외면을 갖는 진동판으로서, 상기 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성하는, 진동판;
상기 백플레이트와 상기 진동판 사이에서 확장하고, 이들 모두에 영구적으로 연결되는 포스트(post)로서, 상기 포스트는 상기 진동판의 외측 외면의 방사상 안쪽에 놓이는, 포스트; 및
상기 진동판을 상기 포스트와 상기 정지부 중 적어도 하나에 고정하는 한 세트의 스프링들을 포함하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 포스트는 상기 진동판의 상기 외측 외면의 2개의 상이한 에지들 사이에서 대략 등거리로 이격되는, MEMS 마이크로폰.
제 2항에 있어서,
상기 진동판은 중심을 갖고, 상기 포스트는 상기 진동판의 상기 중심으로부터 실질적으로 확장하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 세트의 스프링들 중 적어도 하나는 상기 진동판의 상기 외측 외면으로부터 상기 정지부로 확장하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 세트의 스프링들 중 적어도 하나는 상기 포스트로부터 상기 진동판으로 확장하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 세트의 스프링들은, 상기 진동판과, 상기 포스트와 상기 정지부 중 적어도 하나 사이의 공간을 형성하는 적어도 하나의 신장된 스프링을 포함하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 진동판과 상기 백플레이트 사이에서 확장하고, 상기 진동판과 상기 백플레이트에 접촉하는 복수의 추가적인 포스트들을 더 포함하는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 포스트는 상기 백플레이트와 상기 진동판 중 하나 또는 둘 모두로부터 전기적으로 차단되는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 진동판은 대략 1 mm 보다 큰 직경을 갖는, MEMS 마이크로폰.
제 1항에 있어서,
상기 세트의 스프링들은 상기 진동판을 상기 포스트와 상기 정지부 모두에 고정시키는, MEMS 마이크로폰.
MEMS 마이크로폰으로서,
복수의 구멍들을 갖는 백플레이트를 포함하는 정지부;
상기 백플레이트로부터 이격되고, 외측 외면과 상기 외측 외면의 방사상 안쪽 영역을 구비하는 진동판으로서, 상기 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성하는, 진동판;
상기 진동판 상의 입사 음향 신호에 응답하여 상기 정지부에 대해 실질적으로 움직일 수 없는, 상기 방사상 안쪽 영역의 고정된 지역;
입사 음향 신호에 응답하여 상기 정지부에 대해 움직일 수 있는, 상기 방사상 안쪽 영역의 움직일 수 있는 지역; 및
상기 진동판을 상기 정지부에 고정시키는 한 세트의 스프링들을 포함하는, MEMS 마이크로폰.
제 11항에 있어서,
상기 고정된 지역을, 입사 음향 신호에 응답하여 상기 정지부에 대해 실질적으로 움직일 수 없게 견고하게 고정하기 위한 수단을 더 포함하는, MEMS 마이크로폰.
제 12항에 있어서,
상기 견고하게 고정하기 위한 수단은 포스트를 포함하고, 상기 세트의 스프링들 중 적어도 하나는 상기 진동판을 상기 포스트에 고정시켜, 공간을 형성하는, MEMS 마이크로폰.
제 11항에 있어서,
상기 세트의 스프링들 중 적어도 하나는 신장되는, MEMS 마이크로폰.
제 11항에 있어서,
상기 세트의 스프링들은 상기 진동판을 상기 고정된 지역과 상기 정지부 모두에 고정시키는, MEMS 마이크로폰.
제 11항에 있어서,
상기 고정된 지역은 상기 진동판의 외측 외면의 두 개의 상이한 에지들 사이에서 등거리로 이격되는, MEMS 마이크로폰.
제 11항에 있어서,
상기 고정된 지역은 상기 가변 커패시터에 전압이 인가되지 않을 때 움직일 수 있는, MEMS 마이크로폰.
음향 신호를 변환하는 방법으로서,
복수의 구멍들을 갖는 백플레이트를 포함하는 정지부; 상기 백플레이트로부터 이격되고, 외측 외면을 갖는 진동판으로서, 상기 진동판과 백플레이트는 가변 커패시터를 형성하는, 진동판; 및 상기 진동판으로부터 확장하고, 상기 진동판과 실질적으로 영구적으로 연결되는 포스트로서, 상기 진동판의 상기 외측 외면의 방사상 안쪽에 있고, 상기 백플레이트로부터 이격되도록 정상적으로 편향되는, 포스트;를 구비하는 MEMS 마이크로폰을 제공하는 단계; 및
상기 진동판이 움직여 상기 백플레이트와 접촉하고, 전압이 인가되는 동안 상기 백플레이트와 접촉된 상태로 유지되게 하기 위하여, 상기 가변 커패시터에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 음향 신호를 변환하는 방법.
제 18항에 있어서,
상기 진동판이 상기 백플레이트에 대해 움직이게 하도록, 상기 진동판 상에서 음향 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 가변 커패시터는 상기 음향 신호를 나타내는 신호를 생성하고, 상기 포스트는 상기 신호를 생성하는 동안 상기 백플레이트와 접촉된 상태를 유지하는, 음향 신호를 변환하는 방법.
제 19항에 있어서,
상기 포스트가 상기 백플레이트로부터 이격된 자신의 편향된 위치로 되돌아가게 하도록, 상기 가변 커패시터에 대한 전압 인가를 해제하는 단계를 더 포함하는, 음향 신호를 변환하는 방법.
제 18항에 있어서,
상기 MEMS 마이크로폰은, 상기 진동판을 상기 포스트와 상기 정지부 중 적어도 하나에 고정시키는 한 세트의 스프링들을 더 포함하는, 음향 신호를 변환하는 방법.