KR20150052794A - Mems 트랜스듀서를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에 설명된 실시예는 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소, 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소 및 반도체 기판을 갖는 MEMS(microelectromechanical system)를 포함한다. 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 반도체 기판의 상부 표면에 배치되고, 반도체 기판은 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 음향적으로 연결된 공유 캐비티를 포함한다.

Description

MEMS 트랜스듀서를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A MEMS TRANSDUCER}
본 발명은 일반적으로 센서 기술에 관한 것이며, 특정 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
트랜스듀서는 신호를 하나의 도메인에서 다른 도메인으로 변환하고, 센서에서 종종 사용된다. 일상 생활에서 보여지는 트랜스듀서를 갖는 하나의 일반적인 센서는 음파를 전기 신호로 변환하는 마이크로폰이다.
MEMS(microelectromechanical system) 기반 센서는 미세 가공 기술을 사용하여 생산된 한 패밀리의 트랜스듀서를 포함한다. MEMS 마이크로폰과 같은 MEMS는, 트랜스듀서의 물리적 상태의 변화를 측정하고, MEMS 센서에 접속된 전자기기에 의해 프로세싱될 신호를 전송함으로써 환경으로부터 정보를 수집한다. MEMS 디바이스는 집적 회로에서 사용되는 기술과 유사한 미세 가공 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
MEMS 디바이스는 발진기, 공진기, 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서, 마이크로폰, 마이크로-미러로서 기능하도록 설계될 수 있다. 많은 MEMS 디바이스는 물리적 현상을 전기 신호로 변환하기 위해 용량성 감지 기술을 사용한다. 그러한 애플리케이션에서, 센서 내의 커패시턴스 변화는 인터페이스 회로를 사용하여 전압 신호로 변환된다. 그러나, 이러한 인터페이스 회로의 설계는, 센서를 소형화할 때 기생 효과의 존재 시에 어려워질 수 있다. 예를 들면, 연결된 기생 커패시턴스의 존재는 센서의 유효 이득을 감소시킬 수 있고, 이것은, 소형의 MEMS 센서와 결합하면, 디바이스로 하여금 기계 또는 전기 잡음에 의해 더 용이하게 영향을 받게 할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소, 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소 및 반도체 기판을 갖는 MEMS(microelectromechanical system) 시스템을 포함한다. 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 반도체 기판의 상부 표면에 배치되고, 반도체 기판은 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 음향적으로(acoustically) 연결된 공유 캐비티(shared cavity)를 포함한다.
본 발명 및 본 발명의 장점을 더욱 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부의 도면들과 관련하여 이루어진 다음의 설명들을 참조하기로 한다.
도 1은 실시예 트랜스듀서 시스템의 블록도를 예시한다.
도 2는 2 개의 바이어스 전압을 사용하는 실시예 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 3은 2 개의 증폭기를 사용하는 다른 실시예 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 4는 다수의 MEMS 디바이스를 사용하는 추가의 실시예 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 5는 실시예 트랜스듀서 인터페이스 회로의 간략한 블록도를 예시한다.
도 6은 실시예 트랜스듀서 인터페이스 회로의 더 상세한 블록도를 예시한다.
도 7은 실시예 MEMS 트랜스듀서의 개략도를 예시한다.
도 8a 내지 도 8d는 실시예 사운드 포트 구성의 개략도를 예시한다.
도 9는 실시예 제조 시퀀스의 도면을 예시한다.
도 10은 추가의 실시예 제조 시퀀스의 도면을 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 실시예 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 실시예 트랜스듀서 구성의 개략도를 예시한다.
도 13은 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서의 개략도를 예시한다.
도 14는 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 15는 다른 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 16은 추가의 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템의 개략도를 예시한다.
도 17은 트랜스듀서 시스템을 동작시키는 실시예 방법의 블록도를 예시한다.
도 18a 및 도 18b는 실시예 상부-포트 마이크로폰 패키지의 단면도를 예시한다.
상이한 도면에서 대응하는 숫자 및 부호는 일반적으로 달리 표시되지 않는다면 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 실시예의 관련 양태를 명확히 예시하도록 그려지고, 반드시 일정한 비율로 그려지지는 않는다.
다양한 실시예의 제작 및 사용이 이하에서 상세하게 논의된다. 그러나, 본 명세서에 설명된 다양한 실시예가 매우 다양한 특정 상황에 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 논의된 특정 실시예는 단지 다양한 실시예들 제작 및 사용하기 위한 특정 방식을 예시하며, 제한된 범위로 해석되지 않아야 한다.
특정 상황에서의 다양한 실시예, 즉, 마이크로폰 트랜스듀서 및 더 상세하게는 MEMS 마이크로폰에 관련하여 설명이 이루어진다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시예 중 일부는 MEMS 트랜스듀서 시스템, MEMS 마이크로폰 시스템, 트랜스듀서 및 MEMS 트랜스듀서 시스템에 대한 인터페이스 회로, 차동 신호를 생성하는 MEMS 마이크로폰, 및 차동 신호를 갖는 다수의 트랜스듀서 마이크로폰 시스템을 포함한다. 다른 실시예에서, 양태는 또한 물리적 신호를 다른 도메인으로 변환하고 당분야에 알려진 임의의 방식에 따라 전자기기와 인터페이싱하는 임의의 타입의 센서 또는 트랜스듀서를 수반하는 다른 애플리케이션에 적용될 수 있다.
도 1은 MEMS 트랜스듀서(101), MEMS 트랜스듀서(102), 증폭기(110) 및 바이어스 생성기(120)를 포함하는 실시예 트랜스듀서 시스템(100)의 블록도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 제 1 차동 신호는 접속부(112) 및 접속부(114)를 통해 MEMS 트랜스듀서(101 및 102)로부터 증폭기(110)로 제공된다. 증폭기(110)는 제 1 차동 신호를 증폭하고, 출력 단자(116) 및 출력 단자(118) 상에서 제 2 차동 신호를 제공한다.
실시예에 따라, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)는 마이크로폰으로서 구성되고, 음향 신호를 전기 신호로 변환한다. 그러한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)는 공유 사운드 포트(도시되지 않음)를 통해 음향 신호(130)를 수신하고, 음향 신호(130)를 전기 도메인으로 변환하고, 접속부들(112 및 114)을 통해 차동 전기 신호를 증폭기(110)에 제공할 수 있다. 도시된 실시예에서, 바이어스 생성기(120)는 바이어스 전압을 MEMS 트랜스듀서(101 및 102)에 제공한다. 다양한 실시예에 따라, 바이어스 생성기(120)는 제 1 바이어스 전압을 MEMS 트랜스듀서(101)에 제공하고 제 2 바이어스 전압을 MEMS 트랜스듀서(102)에 제공한다. 제 1 바이어스 전압은 제 2 바이어스 전압과 상이할 수 있다. 다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)는 음향 신호(130)를 수신하고, 접속부들(112 및 114) 상에서 동일한 크기의 역위상 전기 신호를 생성하여, 차동 신호를 형성한다. 일부 실시예에서, 제 1 바이어스 전압은 제 2 바이어스 전압에 대해 극성이 반대이고, 이것은 MEMS 트랜스듀서(101 및 102)에 의해 생성된 전기 신호가 역위상이 되게 한다.
대안적인 실시예에서, 바이어스 생성기(120)는 동일한 바이어스 전압을 MEMS 트랜스듀서(101 및 102)에 제공한다. 그러한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)에 의해 생성된 전기 신호는 동위상일 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 트랜스듀서는 공유 트랜스듀싱 요소(예를 들면, 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰)와 연결된다. 그러한 실시예에서, 바이어스 생성기는 동일한 바이어스 전압을 MEMS 트랜스듀서(101 및 102)에 제공할 수 있고, 생성된 전기 신호는 역위상이다. 다양한 구성이 남아있는 도면을 참조하여 추가로 상세히 논의될 것이다.
다양한 실시예에 따라, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)는 복수의 트랜스듀서 요소를 포함한다. 특정 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(101)는 2 개의 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있고, MEMS 트랜스듀서(102)는 2 개의 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. MEMS 트랜스듀서(101) 및 MEMS 트랜스듀서(102)는 또한 2 개보다 더 많은 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 각각의 MEMS 트랜스듀서 또는 트랜스듀서 요소는 단일 백플레이트 용량성 MEMS 마이크로폰을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 MEMS 트랜스듀서는 더블-백플레이트 MEMS 마이크로폰 또는 많은 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰을 사용하여 구현된다. 다른 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(101 및 102)는 하나의 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰의 2 개의 백플레이트이다.
도 2는 2 개의 MEMS 마이크로폰(201 및 202)에 연결된 2 개의 바이어스 전압 소스(222 및 224)를 갖는 실시예 트랜스듀서 시스템(200)의 개략도를 예시한다. 바이어스 전압 소스(222)는 MEMS 마이크로폰(201)의 다이어프램에 제 1 바이어스 전압(Vmic1)을 공급하고, 바이어스 전압 소스(224)는 MEMS 마이크로폰(202)의 다이어프램에 제 2 바이어스 전압(Vmic2)을 공급한다. 도 1을 참조하여 논의된 바와 같이, MEMS 마이크로폰(201 및 202)은 동일한 입력 사운드 포트에 음향적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, Vmic1 및 Vmic2의 극성은 반대일 수 있다. 특정 실시예에서, 제 1 및 제 2 바이어스 전압은 수학식 Vmic1 = - Vmic2 + 2ㆍVoffset에 의해 관련될 수 있고, 여기서 Voffset(도시되지 않음)은 차동 증폭기(210)를 바이어싱하는 것을 도울 수 있는 회로(205) 내의 바이어스 전압이다. 특정 구현에서, Voffset은, 예를 들면, 0.5 V일 수 있다. 다양한 실시예에서, MEMS 마이크로폰(201 및 202)에 공급되는 바이어스 전압은 MEMS 마이크로폰(201 및 202)에 의해 생성되고 라인(212 및 214)에 공급되는 신호가 역위상이 되게 할 수 있다. 라인(212 및 214) 상의 역위상 신호는 차동 신호를 형성할 수 있다.
차동 신호는 차동 증폭기(210)에 공급되고, 차동 증폭기(210)는 증폭된 차동 출력을 라인(216 및 218) 상에서 공급된다. 차동 증폭기(210)는 회로(205)에 포함된다. 다양한 실시예에서, 회로(205)는 집적 회로(IC) 상에서 구현될 수 있다. 추가의 실시예에서, IC는 MEMS 마이크로폰(201 및 202)을 갖는 칩 상에 부착될 수 있거나, 회로(205)는 MEMS 마이크로폰(201 및 202)과 공유된 기판 상에서 제조될 수 있다. 도시된 실시예에 따라, MEMS 마이크로폰(201 및 202)의 백플레이트는 라인(212 및 214)에 각각 연결된다. 대안적인 실시예에서, MEMS 마이크로폰(201 및 202)의 백플레이트 및 다이어프램은 다양한 다른 구성으로 연결된다.
도 3은 증폭기 블록(305) 내의 2 개의 증폭기(310 및 315)를 갖는 다른 실시예 트랜스듀서 시스템(300)의 개략도를 예시한다. 도시된 실시예에서, 바이어스 전압 소스(320)는 MEMS 마이크로폰(301 및 302)에 바이어스 전압(Vmic)을 공급한다. 증폭기(310)는 A1의 이득을 갖고, 증폭기(315)는 A2의 이득을 갖는다. 이득(A1 및 A2)은 동일한 크기이고 반대 부호일 수 있다. 그러한 실시예에서, 증폭기 블록(305)은 MEMS 마이크로폰(301 및 302)으로부터 라인(312 및 314) 상에서 동위상 신호를 수신하고, 라인(316 및 318) 상에서 증폭된 차동 출력 신호를 생성한다.
도 4는 다수의 MEMS 디바이스를 사용하는 추가의 실시예 트랜스듀서 시스템(400)의 개략도를 예시한다. MEMS 트랜스듀서(401 및 402) 각각은 복수의 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(401)는 용량성 MEMS 마이크로폰(401a-401c)을 포함할 수 있고, MEMS 트랜스듀서(402)는 용량성 MEMS 마이크로폰(402a-402c)을 포함할 수 있다. MEMS 트랜스듀서(401 및 402)가 각각의 MEMS 트랜스듀서에서 다른 타입의 트랜스듀싱 요소 및 임의의 수의 요소를 포함할 수 있기 때문에, 이러한 예는 단지 예시이다. MEMS 트랜스듀서(401 및 402)는, 라인(412 및 414) 상의 신호가 역위상이고 차동 신호를 형성할 수 있도록 2 개의 바이어스 전압 소스(422 및 424)에 의해 바이어싱된다. 다양한 실시예에 따라, 증폭기 블록(405)은 라인(412 및 414) 상에서 차동 신호를 수신하고, 증폭기(410)로 차동 신호를 증폭하고, 증폭된 차동 출력 신호를 라인(416 및 418) 상에서 제공한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 트랜스듀서 시스템(200, 300 및 400)은 트랜스듀서 및 인터페이스 회로의 다양한 구성을 도시하는 실시예이다. 이러한 실시예는 당분야의 설계자 또는 엔지니어에 의해 이해되는 시스템 요건에 따라 서로 결합되거나 대체될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 도시된 MEMS 트랜스듀서는 공유 음향 신호에 연결된 음향 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
도 5는 트랜스듀서 시스템 MEMS와 인터페이싱되는 실시예 트랜스듀서 인터페이스 회로(500)의 간략한 블록도를 예시한다. 인터페이스 회로(500)는 IC 또는 이산 구성요소로서 구현될 수 있고, 바이어스 생성기(522 및 524)뿐만 아니라 증폭기(510)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 증폭기(510)는 차동 증폭기이다. 다른 실시예에서, 다양한 증폭기 구성이 사용될 수 있다. 인터페이스 회로(500)는 라인(512 및 514)을 통해 트랜스듀서 시스템 MEMS로부터 변환된 전기 신호를 수신하고, 포지티브 바이어스 생성기(522) 및 네거티브 바이어스 생성기(524)로부터 바이어스 전압을 라인(523 및 525)을 통해 트랜스듀서 시스템 MEMS에 제공한다. 일부 실시예에서, 포지티브 바이어스 생성기(522) 및 네거티브 바이어스 생성기(524)는 2 개의 출력 전압들을 갖는 단일 블록에서 구현될 수 있다.
다양한 실시예에 따라, 증폭기(510)는 라인(512 및 514) 상에서 수신된 변환된 전기 신호를 증폭하고, 차동 출력 신호를 라인(516 및 518) 상에서 제공한다. 일부 실시예에서, 인터페이스 회로(500)는 트랜스듀서 시스템 MEMS와 동일한 다이 상에서 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜스듀서 시스템 MEMS 및 인터페이스 회로(500)는 개별적인 다이 상에서 제조되고, 동일한 칩에 또는 동일한 패키지 내에 부착될 수 있다.
도 6은, 음향 트랜스듀서(601)로부터 변환된 전기 신호를 수신하고, 전기 신호를 증폭하고, 출력된 차동 신호를 단자(616 및 618)에 제공하는 증폭기(610 및 615)를 포함하는 실시예 트랜스듀서 인터페이스 회로(600)의 더 상세한 블록도를 예시한다. 도시된 실시예에서, 인터페이스 회로(600)는 IC로서 구현되고, 상태 머신(630), 저전압 강하 조정기(low-dropout regulator)(632), 밴드갭 전압 기준(634), 발진기(636), 제어기 및 메모리 블록(640), 전하 펌프(622 및 624), 쇼크 회복부(638) 및 바이어스 전압(650)을 포함하는 부가적인 기능 블록을 포함한다. 인터페이스 IC는 시스템 요건에 따라 부가적인 기능 블록 또는 더 적은 기능 블록을 포함할 수 있고, 인터페이스 회로(600)는 단지 예시적인 실시예로서 의도된다.
도시된 실시예에 따라, 전하 펌프(622 및 624)는 초기에 논의된 바와 같은 바이어스 전압 생성기의 특정 구현이다. 전하 펌프(622)는 네거티브 바이어스 전압을 단자(623)에 제공할 수 있고, 전하 펌프(624)는 포지티브 바이어스 전압을 단자(625)에 제공할 수 있다. 도시된 실시예에서, 음향 트랜스듀서(601)는 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰으로서 개략적으로 도시된다. 다양한 실시예에서, 음향 트랜스듀서(601)는 본 명세서에 논의된 구성들 또는 구성들의 조합 중 임의의 것으로서 구현될 수 있다. 음향 트랜스듀서(601)가 구현되는 방법에 의존하여, 증폭기(610 및 615) 및 전하 펌프(622 및 624)는 매칭하도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 증폭기(610 및 615)는 동일한 이득(AB)을 갖는 단일 엔드 증폭기이다. 음향 트랜스듀서(601)는 단자(625)를 통해 전하 펌프(624)에 의해 바이어싱되고, 차동 신호를 입력(612 및 614)에 제공할 수 있다.
인터페이스 회로(600) 내에서, 상태 머신(630)은, 예를 들면, 개시, 저전력, 일반 및 쇼크 회복과 같은 다양한 동작 모드에 의존하여 바이어스 전압(650)을 통해 입력(612 및 614)을 바이어싱하기 위해 제어 신호를 스위치(644 및 646)에 제공할 수 있다. 쇼크 회복부(638)는 또한 제어 신호를 스위치(646 및 644)에 제공할 수 있다. 저전압 강하 조정기(632)는 인터페이스 회로(600)에 걸쳐 조정된 전압을 제공할 수 있고, 밴드갭 전압 기준(634)은 기준 전압을 제공할 수 있다. 발진기(636)는, 예를 들면, 상태 머신(630) 및 제어기 및 메모리(640)와 같은 모든 동기 블록에서 사용될 수 있다. 제어기 및 메모리(640)는 인터페이스 회로(600) 내의 다양한 다른 블록의 전압, 임계치 및 동작 모드를 설정할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 제어기 및 메모리(640)는 프로그래밍 가능 메모리 내의 설정 및 값을 액세스하고, 다양한 기능 블록에 걸쳐 분배된 제어 신호를 통해 인터페이스 회로(600)를 설정할 수 있다. 전하 펌프(622 및 624)는 음향 트랜스듀서 바이어싱을 위해 다양한 바이어스 전압을 단자(623 및 625)에 제공하도록 구성될 수 있다.
도 7은, 양자가 기판(710) 상에서 제조되는 다공 백플레이트(perforated backplate)(702) 및 편향 가능 멤브레인(deflectable membrane) 또는 다이어프램(704)을 포함하는 단일 백플레이트 용량성 MEMS 마이크로폰으로서 구현된 실시예 MEMS 트랜스듀서(700)의 개략도를 예시한다. 도시된 실시예에서, 백플레이트(702)는 공기압이 등화되도록 허용하기 위해 전체에 걸쳐 홀(hole)을 갖는다. 백플레이트(702) 및 디이어프램(704)은 기판(710) 내의 캐비티(cavity)(714) 위에서 제조된다. 다양한 실시예에서, 캐비티(714)는 패키지 또는 칩(도시되지 않음) 내의 사운드 포트에 음향적으로 연결된다. 패드(708)를 통해 다이어프램(704)에 전기 연결이 이루어지고, 패드(706)를 통해 백플레이트(702)에 전기 연결이 이루어지고, 패드(712)를 통해 기판(710)에 전기 연결이 이루어진다.
실시예에 따라, 사운드 파는 사운드 포트를 통해 트랜스듀서 시스템에 입력되고, 캐비티(714)로 전파된다. 사운드 파는 다이어프램(704)이 편향 및 진동하게 하여, 다이어프램(704)과 백플레이트(702) 사이의 거리를 변경한다. 백플레이트(702) 및 다이어프램(704) 양자가 전기 도전성 물질로 제조되기 때문에, 2 개의 구조는 커패시터의 병렬 플레이트 전극을 형성한다. 다이어프램(704)이 사운드 파에 의해 변위될 때, 거리가 변함에 따라, 백플레이트(702)와 다이어프램(704) 사이의 커패시턴스가 변하고, 따라서 출력 전압 변동이 패드(706) 상에서 측정 가능하다. 출력 전압은 인터페이스 회로에 제공될 수 있고, MEMS 트랜스듀서(700)는 본원에 설명된 바와 같이 복수의 다른 MEMS 트랜스듀서와 연결될 수 있다. 다이어프램 및 백플레이트 크기, 분리 거리, 변위, 출력 전압 및 사운드 압력 레벨 사이의 수학 관계는 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 8a 내지 도 8d는 실시예 사운드 포트 구성의 개략도를 상면도(800, 820, 840 및 860) 및 단면도(801, 821, 841 및 861)로 예시한다. 도 8a는 동일한 다이 상에서 제조되고 단일 사운드 포트(804) 위의 캐리어 칩(810)과 같은 기판 상에 배치된 2 개의 트랜스듀서 요소(802)를 갖는 실시예 마이크로폰을 예시한다. 다양한 실시예에서, 캐리어 칩(810)은 캐리어 칩 이외에 다른 기판 타입을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 칩(810)은 반도체 기판이다.
도 8b는 개별적인 다이 상에서 제조되고, 사운드 포트(804) 위에 스페이서 또는 제 2 캐리어 칩(808)에 부착된 캐리어 칩(810) 상에 배치된 2 개의 트랜스듀서 요소(802)를 갖는 실시예 마이크로폰을 예시한다. 이러한 동일한 구성은, 다수의 MEMS가 사운드 포트(804) 위에 동일한 다이 상에서 제조되는 경우에도 가능하다.
도 8c는 동일한 다이 상에서 제조되고 사운드 포트(804) 위에 캐리어 칩 상(810) 상에 배치된 4 개의 트랜스듀서 요소(802)를 갖는 실시예 마이크로폰을 예시한다. 기판(810) 내의 영역(812)은 더 양호한 사운드 전파를 위해 제거(예를 들면, 에칭)될 수 있다.
도 8d는 동일한 다이(803) 상에서 제조되고 사운드 포트(804) 위에 기판(844b) 상에 배치된 2 개의 트랜스듀서 요소(802)를 갖는 실시예 마이크로폰을 예시한다. 기판(844b)은 기판(844a)에 부착된다. 도시된 실시예에서, 기판(844b) 및 기판(844a)은 PCB, 패키지 또는 케이스의 제 1 및 제 2 층일 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(844a 및 844b) 양자는 PCB이다. 기판(844a) 및 기판(844b)은 PCB 재료, 에폭시, 플라스틱, 합성물, 금속, 유리, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 기판(844b)은 양자의 트랜스듀서 요소(802) 아래에 배치된 개구(opening)(845b)를 가질 수 있고, 기판(844a)은 기판(844b)의 개구(845b) 아래에 배치된 더 좁은 개구(845a)를 가질 수 있다. 사운드 포트(804)는 기판(844a) 및 기판(844b) 내의 개구(845a 및 845b)를 포함하는 캐비티에 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 개구(845a 및 845b)는 에칭, 드릴링 EH는 당업계에 알려진 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(844a 및 844b)은 동일한 패키지 또는 PCB일 수 있다. 그러한 실시예에서, 개구(845a 및 845b)는, 일단 기판(844a 및 844b)이 드릴링(drilling), 에칭 또는 다른 매커니즘에 의해 함께 결합되면 형성될 수 있거나, 개구(845a 및 845b)는, 기판(844a 및 844b)이 유사한 매커니즘으로 함께 결합되기 전에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(844a 및/또는 844b)은 임의의 반도체 재료, 금속, 플라스틱, 산화물, 임의의 합성 재료 및/또는 이들의 임의의 조합으로 구성된 반도체 기판일 수 있다.
도 8a 내지 도 8d의 다양한 실시예 마이크로폰은 외부 사운드 포트(도시되지 않음)와 정렬된 사운드 포트(804)를 통해 패키지에 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 칩(810)은 PCB 내의 사운드 포트에 걸쳐 PCB 상에 배치될 수 있다. 캐리어 칩(810)은 또한, 트랜스듀서 요소(802)가 부착된 패키지 또는 회로 보드의 부분일 수 있다. 다양한 실시예에서, 캐리어 칩(810) 및 제 2 캐리어 칩(808)은 실리콘, PCB(printed circuit board), 폴리머, 유리, 알루미늄 또는 합성물과 같은 반도체 재료일 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 칩(810) 및 제 2 캐리어 칩(808)은 동일한 재료로 제조되지 않는다. 도 8a 내지 도 8d에 도시된 사운드 포트 구성은 예시이며, 필요하다면 임의의 수의 트랜스듀서 요소, 스페이서 또는 캐리어 칩 및/또는 패키징 부착물을 포함하도록 확장될 수 있다. 설명된 실시예에서, 캐리어 칩(810) 및 제 2 캐리어 칩(808)은, 예를 들면, 링과 같은 임의의 형상일 수 있고, 도시된 직사각형 컷아웃(cutout)으로 제한되지 않는다. 일 실시예에 따라, 사운드 포트(804) 및/또는 캐비티(714)는 음향적으로 도전성 재료로 채워진다.
도 9는 단계(910, 920, 930, 940 및 950)를 포함하는 실시예 제조 시퀀스(900)의 도면을 예시한다. 도시된 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(902)는 기판(904) 상에서 제조된다. 기판(904)은 많은 재료를 포함할 수 있고, 벌크 실리콘으로서 도시된다. 제조 시퀀스(900)의 단계(910)는 MEMS 트랜스듀서(902)의 반대쪽의 기판(904) 상에 에칭 마스크(905)를 배치하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에서, 기판(904) 상에 에칭 마스크(905)를 배치하는 것은 포토레지스트의 층을 증착하는 것, 에칭 마스크(905)에 의해 정의된 패턴에 따라 포토레지스트를 노출시키는 것, 및 포토레지스트를 현상하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판(904) 상에 에칭 마스크(905)를 배치하는 것은, 예를 들면, 이산화 실리콘과 같은 제 1 마스킹 재료의 층을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 그후, 제 1 마스킹 재료의 층은 포토리소그래픽 프로세스에 따라 패터닝되고, 에칭 마스크(905)를 형성하도록 습식-화학 또는 플라즈마 에칭될 수 있다.
제조 시퀀스(900) 내의 단계(920)는 기판(904) 상의 에칭 마스크(905) 위에 제 2 에칭 마스크(915)를 배치하는 것을 포함한다. 에칭 마스크(915)를 배치하는 것은 에칭 마스크(905)를 배치하기 위한 유사한 단계를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 에칭 마스크(315)를 배치하는 것은 포토레지스트, 카본, 또는 질화 실리콘 및 이산화 실리콘의 스택과 같은 제 2 마스킹 재료의 층을 증착하는 것 및 에칭 마스크(915)를 형성하기 위해 포토리소그래픽 프로세스 및 습식-화학 또는 플라즈마 에칭으로 패터닝하는 것을 포함할 수 있다.
제조 시퀀스(900) 내의 단계(930)는, 예를 들면, DRIE(deep-reactive-ion-etch) 프로세스를 사용하여 에칭 마스크(915)에 따라 기판(904) 내의 캐비티(925)를 에칭하는 것을 포함한다. 도시된 바와 같이, 캐비티(925)는 기판(904)의 두께와 동일하지 않은 깊이로 에칭된다. 제조 시퀀스(900) 내의 단계(940)는 플라즈마- 또는 습식-화학 에칭을 사용하여 에칭 마스크(915)를 제거하고, 예를 들면, 기판(904) 내의 에칭 마스크(905)에 따라 DRIE 프로세스를 사용하여 에칭 캐비티(935)를 제거하는 것을 포함한다. 마지막으로, 제조 시퀀스(900) 내의 단계(950)는 MEMS 마이크로폰(942)을 패키지(944)에 부착하고, 뚜껑(948)으로 밀봉하고 IC(946) 내의 감지 전자기기에 연결함으로써 MEMS 마이크로폰(942)을 패키징하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에 따라, MEMS 마이크로폰(942) 및 IC(946)는 동일한 다이 상에서 결합될 수 있다. 패키지(944)는 PCB(printed circuit board), 구조적 폴리머 재료, 또는 임의의 다른 구조적 재료로 구현될 수 있다.
도 10은 단계(1010, 1020 및 1030)를 포함하는 추가의 실시예 제조 시퀀스(1000)의 도면을 예시한다. 도시된 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(1002)는 기판(1004) 상에서 제조된다. 제조 시퀀스(1000) 내의 단계(1010)는 기판(1004) 상에 에칭 마스크(1015)를 배치하는 것을 포함한다. 제조 시퀀스(1000) 내의 단계(1020)는 에칭 마스크(1015)에 의해 정의된 패턴에 따라 기판(1004) 내의 캐비티(1025)를 에칭하는 것을 포함한다.
제조 시퀀스(1000) 내의 단계(1030)는 MEMS 마이크로폰(1042)을 캐리어 칩(1035)에 부착하는 것을 포함한다. 캐리어 칩(1035)은, 예를 들면, 폴리머, 알루미늄, 유리 또는 강철로 형성될 수 있다. 제조 시퀀스 내의 단계(1040)는 MEMS 마이크로폰(1042)을 패키지(1044)에 부착하고 IC(1046)에 연결하고 뚜껑(1048)으로 둘러쌈으로써 MEMS 마이크로폰(1042)을 패키징하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에서, 단계 및 재료는 도 9 및 제조 시퀀스(900)를 참조하여 설명된 것들과 유사할 수 있다.
일부 실시예에서, 캐리어 칩(1035)은, MEMS 마이크로폰(1042)이 캐리어 칩(1035)에 부착되기 전에 패키지 또는 PCB에 부착될 수 있다. 대안적인 프로세스에서, 캐리어 칩(1035)은, MEMS 마이크로폰(1042) 및 기판(1004)을 포함하는 웨이퍼와 동일한 크기의 유리 또는 실리콘의 웨이퍼로 그리고 동일한 간격(즉, 피치)으로 프로세싱된다. 그러한 실시예에서, MEMS 마이크로폰 웨이퍼는, 예를 들면, 양극(anodic), 공융(eutectic), 또는 중합 결합 프로세스를 사용하여 캐리어 칩(1035)에 결합될 수 있다. 그후, 캐리어 칩(1035)이 결합된 MEMS 마이크로폰(1042)은 다이싱 및 패키징될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 실시예 트랜스듀서 시스템(1100)의 개략도를 예시한다. 도 11a는 전기 접속부(1112)를 통해 IC(1110)에 연결된 2 개의 MEMS 트랜스듀서(1102)를 갖는 실시예 트랜스듀서 시스템(1100)의 상면도를 예시한다. MEMS 트랜스듀서(1102) 및 IC(1110)는 보드(1106)에 부착된다. 다양한 실시예에서, 보드(1106)는 PCB, 폴리머, 폴리머 합성 재료 또는 다른 구조적 재료를 포함할 수 있다. IC(1110)는 또한 전기 접속부(1114)를 통해 결합 패드(1108)에 연결될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 전기 접속부(1112 및 1114)는 와이어 결합이다. 다른 실시예에서, 전기 접속부(1112 및 1114)는 PCB(1106) 상의 미리 라우팅된 접속부일 수 있다.
도 11b는 MEMS 트랜스듀서(1102)의 감지 요소를 오버랩하는 사운드 포트(1104)를 도시한 실시예 트랜스듀서 시스템(1100)의 하면도를 예시한다. 다양한 실시예에서, 사운드 포트(1104)는 외부 환경에 개방되고, 사운드 파는 MEMS 트랜스듀서(1102)에 도달하기 위해 사운드 포트(1104)를 통해 전파된다. MEMS 트랜스듀서(1102)는 사운드 신호를 전기 신호로 변환하고, 전기 신호를 IC(1110)에 제공한다. 다양한 실시예에 따라, IC(1110)는 하면도로부터 외부 접속에 대한 더 큰 물리적 영역을 갖는 것으로 도시된 결합 패드(1108)에 증폭된 차동 신호를 제공한다. 일부 실시예에서, 결합 패드(1108)는 외부 와이어에 연결되거나, 매립된 시스템 패키지에 배치되거나, SoC(system-on-chip)에 연결될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 트랜스듀서 시스템(1200, 1210 및 1220)을 갖는 실시예 트랜스듀서 구성의 개략도를 예시한다. 도 12a는 각각 단일 트랜스듀서 요소를 갖는 2 개의 트랜스듀서(1202 및 1204)를 갖는 실시예 트랜스듀서 시스템(1200)을 예시한다. 다양한 실시예에 따라, 트랜스듀서(1202 및 1204)는, 예를 들면, 단일 또는 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰과 같은 용량성 MEMS 마이크로폰을 포함할 수 있다. 본 명세서에 포함된 다른 도면을 참조하여 설명된 바와 같이, 트랜스듀서(1202 및 1204)는 다이어프램 또는 멤브레인 패드(1 및 2)에 연결된 바이어스 전압 생성기(도시되지 않음)에 의해 동일하거나 상이한 바이어스 전압으로 각각 바이어싱될 수 있다. 트랜스듀서(1202 및 1204)는 또한 백플레이트 패드(1 및 2)를 통해 차동 신호를 제공할 수 있다.
도 12b는 각각 2 개의 트랜스듀서 요소를 갖는 2 개의 트랜스듀서(1202 및 1204)를 갖는 실시예 트랜스듀서 시스템(1210)을 예시한다. 도시된 실시예에서, 트랜스듀서 요소 양자는 트랜스듀서(1202)에 대한 백플레이트 패드(1) 및 멤브레인 패드(1)에 연결되고, 트랜스듀서 요소 양자는 트랜스듀서(1204)에 대한 백플레이트 패드(2) 및 멤브레인 패드(2)에 연결된다. 다양한 실시예에 따라, 트랜스듀서(1202 및 1204)는 동일한 바이어스 전압 또는 상이한 바이어스 전압을 가질 수 있고, 차동 출력 신호를 제공할 수 있다.
도 12c는 동일하지 않은 수의 트랜스듀서 요소를 갖는 2 개의 트랜스듀서(1202 및 1204)를 갖는 실시예 트랜스듀서 시스템(1220)을 예시한다. 트랜스듀서(1202)는 3 개의 트랜스듀서 요소를 포함하고, 트랜스듀서(1204)는 하나의 트랜스듀서 요소를 포함한다. 또한, 트랜스듀서(1202)의 트랜스듀서 요소는 백플레이트 패드(1) 및 멤브레인 패드(1)에 각각 연결된 공통 백플레이트 및 다이어프램을 갖는다. 도 12a 내지 도 12c에 도시된 구성은 단지 예시적이고, 제한적인 의미로 해석되지 않아야 한다. 본 명세서에서 4 개보다 더 많은 트랜스듀서 요소가 용이하게 고려되고, 이들의 임의의 구성이 사용될 수 있다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 일부 실시예 MEMS는 또한, 기생 커패시턴스의 효과를 감소시키는데 사용될 수 있는 가드 패드(guard pad)를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 가드(1) 및 가드(2) 핀은, 백플레이트에서 생성된 동일한 신호를 제공하는 인터페이스 회로에 접속될 수 있다.
도 13은 다이어프램(1306)의 반대 측 상에 제 1 백플레이트(1302) 및 제 2 백플레이트(1304)를 갖는 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서(1300)의 개략도를 예시하고, 제 1 백플레이트(1302) 및 제 2 백플레이트(1304) 모두는 제 1 기판(1310)에 연결된다. 제 2 기판(1308)은 인터페이스 층(1318)에 의해 제 1 기판(1310)으로부터 분리될 수 있고, 제 1 기판(1310)은 패시베이션 층(1320)에 의해 커버될 수 있다. 패시베이션 층(1320) 및 제 1 기판(1310)을 통해 백플레이트(1302), 백플레이트(1304) 및 다이어프램(1306)에 대해 전기 접촉(1312, 1314 및 1316)이 각각 이루어진다.
실시예에 따라, 사운드 포트(1330) 상에 입사되는 사운드 파는 다공 백플레이트(1302)를 통해 전파되고, 다이어프램(1306)이 편향하게 할 수 있다. 다이어프램(1306)이 편향됨에 따라, 다이어프램(1306)과 백플레이트(1302 및 1304) 사이의 분리 거리는 변하고, 이로써 커패시턴스를 변경할 것이다. 커패시턴스의 변화는 전기 접촉(1312, 1314 및 1316) 상의 전압 변화로서 측정 가능하다. 다양한 실시예에 따라, 다이어프램(1306)은 전기 접촉(1316)을 통해 인가된 바이어스 전압을 가질 수 있고, 백플레이트(1302 및 1304)는 전기 접촉(1312 및 1314)을 통해 출력되는 차동 신호를 제공할 수 있다. 다양한 실시예에서, 백플레이트(1302 및 1304)가 다이어프램(1306)의 반대 측 상에 위치되기 때문에, 전기 접촉(1312 및 1314)에 대한 출력 신호는 역위상이다.
도 14는 2 개의 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1402 및 1404)이 증폭기(1410)에 연결된 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템(1400)의 개략도를 예시한다. 각각의 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1402 및 1404)은 하위 백플레이트(LBP), 다이어프램(DIA), 상위 백플레이트(UBP)를 포함할 수 있다. 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1402 및 1404)은 저항기(1408) 및 커패시터(1406)를 통해 바이어스 전압 생성기(1420)에 의해 바이어싱된다. 다양한 실시예에서, 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1402 및 1404)에 대한 공유 사운드 포트(도시되지 않음) 상의 입사되는 사운드 파는 라인(1412 및 1414) 상의 차동 신호로 변환된다. 증폭기(1410)는 차동 신호를 수신하고, 증폭된 차동 출력 신호를 라인(1416 및 1418) 상에서 제공한다. 본 명세서에 포함된 도면을 참조하여 설명된 다양한 실시예에 따라 다양한 결합, 대체 및 구성이 구현될 수 있다.
도 15는, 이득(Ap 및 An)을 갖는 2 개의 단일-엔드 증폭기(1510 및 1515)에 각각 연결된 2 개의 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1502 및 1504)을 갖는 다른 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템(1500)의 개략도를 예시한다. 다양한 실시예에 따라, Ap는 부호 및 크기에서 An과 동일하다. 다른 실시예에서, Ap는 부호에서 An에 반대이고, 크기에서 An과 동일하다.
도 16은 2 개의 듀얼 백플레이트 MEMS 마이크로폰(1602 및 1604), 2 개의 증폭기(1610 및 1615) 및 2 개의 스위치(1606 및 1608)를 갖는 추가의 실시예 듀얼 백플레이트 MEMS 트랜스듀서 시스템(1600)의 개략도를 예시한다. 다양한 실시예에서, 스위치(1606 및 1608)는 바이어스 전압 생성기(1622 및 1624)를 연결 및 연결 해제함으로써 하나 또는 양자의 MEMS 마이크로폰(1602 및 1604)을 턴 온 또는 오프한다. 다른 실시예에서, 바이어스 전압 생성기는 MEMS 마이크로폰(1602 및 1604)의 감도(sensitivity)를 설정하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 바이어스 생성기(1622)는 더 높은 감도 및 더 높은 전력 소비를 제공하고, 바이어스 생성기(1624)는 더 낮은 감도 및 더 낮은 전력 소비를 제공한다. 그러한 실시예에서, 스위치(1606 및 1608)는 고감도 모드 또는 저전력 모드에서 동작하기 위해 시스템 사용 및 요구에 따라 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 다양한 실시예에 따라, 증폭기(1610 및 1615)는 차동 증폭기일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 증폭기(1610 및 1615)는 단일 엔드 증폭기일 수 있다. 일부 실시예에서, 스위치(1606 및 1608)는 생략되고, 상이한 바이어스 전압이 하드 와이어링된다.
도 17은 단계(1710, 1720 및 1730)를 포함하는 트랜스듀서 시스템(1700)을 동작시키는 실시예 방법의 블록도를 예시한다. 단계(1710)는 제 1 및 제 2 트랜스듀서 요소에 음향적으로 연결된 사운드 포트를 통해 음향 신호를 수신하는 것을 포함한다. 실시예에 따라, 각각의 트랜스듀서 요소는 백플레이트 및 다이어프램을 포함한다. 단계(1720)는 트랜스듀서 요소의 백플레이트에서 차동 신호를 생성하는 것을 포함하고, 단계(1730)는 차동 신호를 증폭하는 것을 포함한다.
도 18a는 마이크로폰(1802), 집적 회로(IC)(1804), 패키지 보드(1806) 및 뚜껑(1808)을 포함하는 실시예 상부-포트 마이크로폰 패키지(1800)의 단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따라, 마이크로폰(1802)은 동일한 IC(1804) 상에서 제조되고, 사운드 포트(1812) 아래에 위치된다. 다른 실시예에서, 사운드 포트는 패키지의 다른 부분에 위치될 수 있고, 마이크로폰 위에 있거나 있지 않을 수 있다. IC(1804)는 BGA(ball grid array)(1810)에 의해 패키지 보드(1806)에 부착될 수 있다. 예시된 바와 같이, 뚜껑(1808)은 패키지 보드(1806)에 부착될 수 있고, 패키지 사운드 포트(1812)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 마이크로폰(1802)은 MEMS 마이크로폰이다. 마이크로폰(1802)은 다수의 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있거나, 각각 단일 트랜스듀서 또는 복수의 트랜스듀서를 갖는 다수의 개별적인 마이크로폰 칩을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 마이크로폰(1802)은 개별적인 IC 상에서 제조되고, 부가적인 BGA, 전자 웨이퍼 레벨 BGA(eWLB) 또는 당분야에 알려진 임의의 방법을 통해 IC(1804)에 결합될 수 있다. IC(1804)는 임의의 집적 회로, ASIC, FPGA 또는 유사한 칩일 수 있다.
도 18b는 마이크로폰(1822), 집적 회로(IC)(1824), 패키지(1826) 및 뚜껑(1828)을 포함하는 다른 실시예 상부-포트 마이크로폰 패키지(1820)의 단면도를 예시한다. 다양한 실시예에 따라, 마이크로폰(1822) 및 IC(1824)는 뚜껑(1828)에 부착된다. 사운드 포트(1832)는 다른 도면을 참조하여 앞서 더 상세히 설명된 바와 같이, 마이크로폰(1822)의 캐비티 또는 공유 캐비티에 음향적으로 연결된다. 뚜껑(1828)은 패키지(1826)에 부착될 수 있고, 패키지(1826)는, 예를 들면, 셀 폰 패키지 내의 또는 PCB 상의 매립된 시스템과 같은 전기 시스템에 연결하기 위한 전기 접속부(1834)를 포함할 수 있다. IC(1824)는 내부 와이어링(1836)를 통해 마이크로폰(1822)에 연결될 수 있다. 부가적인 전기 접속부는 IC(1824)를 전기 접속부(1834)에 연결할 수 있다. 그러한 전기 접속부는 뚜껑(1828) 및 패키지(1826) 내의 트레이스, 및/또는 부가적인 내부 와이어링(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 뚜껑(1828) 및 패키지(1826)는 PCB를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 마이크로폰(1802 및 1822)은 본 명세서에 설명된 실시예 중 임의의 실시예에 따라 그리고 더 상세하게는 상술된 도 8a 내지 도 8d, 도 9 및 도 10에 따라 구현될 수 있다. 따라서, 마이크로폰(1802 및 1822)은 다수의 트랜스듀서 또는 MEMS 트랜스듀서 요소, 기판, 스페이서 및/또는 캐리어 칩을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 마이크로폰(1802 및 1822)은 다른 타입의 MEMS 트랜스듀서이다. 다양한 실시예에서, 패키지 보드(1806), 패키지(1826), 뚜껑(1808) 및 뚜껑(1828)은 PCB, 세라믹, 폴리머, 유리, 합성물, 금속, 반도체 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예는 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소, 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소 및 반도체 기판을 갖는 MEMS(microelectromechanical system)를 포함한다. 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 반도체 기판의 상부 표면에 배치되고, 반도체 기판은 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 음향적으로 연결된 공유 캐비티를 포함한다. 추가의 실시예는 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 바이어스 생성기, 및 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 입력 단자를 갖는 증폭기를 포함한다. 그러한 경우에, 증폭기는 차동 출력 신호를 그의 출력 단자 상에서 제공한다.
다양한 실시예에서, 바이어스 생성기는 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결되고 제 1 바이어스 전압을 제공하도록 구성된 제 1 바이어스 생성기, 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결되고 제 2 바이어스 전압을 제공하도록 구성된 제 2 바이어스 생성기를 포함한다. 증폭기 및 바이어스 생성기는 집적 회로(IC) 상에 배치될 수 있고, 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 증폭기 및 바이어스 생성기는 기판 상에 일체화될 수 있다. 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있고, 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 추가의 실시예에서, MEMS는 또한 공유 캐비티에 연결된 단일 사운드 포트를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, MEMS는 제 1 반도체 기판 내의 제 1 캐비티 위에 놓이는 제 1 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소, 제 2 반도체 기판 내의 제 2 캐비티 위에 놓이는 제 2 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소, 공유 캐비티를 갖는 제 3 기판, 및 사운드 포트를 갖는 제 4 기판을 포함한다. 제 1 기판 및 제 2 기판은 제 1 캐비티의 적어도 일부 및 공유 캐비티 위에 놓이는 제 2 캐비티의 일부를 갖는 제 3 기판 상에 배치될 수 있다. 제 3 기판은 제 1 반도체 기판 및 제 2 반도체 기판과 상이할 수 있다. 또한, 제 3 기판은 사운드 포트 위에 놓이는 공유 캐비티의 적어도 일부를 갖는 제 4 기판 상에 배치될 수 있다. 제 4 기판은 제 1 반도체 기판, 제 2 반도체 기판 및 제 3 기판과 상이할 수 있다.
다양한 실시예에서, 제 3 기판은 캐리어 칩을 포함할 수 있고, 제 4 기판은 PCB(printed circuit board)를 포함할 수 있다. 공유 캐비티는 사운드 포트보다 더 넓다. 일부 실시예에서, 제 1 기판 및 제 2 기판은 동일한 기판이다. MEMS는 또한 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 바이어스 생성기 및 증폭기를 포함할 수 있다. 증폭기는 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 입력 단자 및 차동 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 단자를 가질 수 있다. 추가의 실시예에서, 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하고, 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함한다.
실시예에 따라, 음향 트랜스듀서 시스템을 동작시키는 방법은 제 1 트랜스듀서 요소 및 제 2 트랜스듀서 요소를 사용하여 공유 사운드 포트를 통해 음향 신호를 수신하는 단계와, 제 1 및 제 2 트랜스듀서 요소의 출력에서 제 1 차동 신호를 생성하는 단계와, 증폭기로 제 1 차동 신호를 증폭하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 증폭기의 출력에서 제 2 차동 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 음향 신호를 수신하는 단계는, 기판에 형성되고 공유 사운드 포트에 음향적으로 연결된 단일 캐비티를 통해 음향 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 제 1 및 제 2 트랜스듀서 요소는 캐비티 위의 기판 상에 형성된다. 추가의 실시예에서, 제 1 및 제 2 트랜스듀서 요소에서 제 1 차동 신호를 생성하는 단계는 제 1 트랜스듀서 요소로부터 제 1 신호를 생성하고, 제 2 트랜스듀서 요소로부터 제 2 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제 2 신호는 제 1 신호에 대해 역위상(antiphase)일 수 있다.
실시예에 따라, 트랜스듀서 시스템을 제조하는 방법은: (1) 반도체 기판의 상부 표면 상에 제 1 MEMS 마이크로폰 및 제 2 MEMS 마이크로폰을 형성하는 단계, (2) 반도체 기판의 하부 표면 상에 제 1 에칭 마스크(etch mask)를 도포하는 단계, (3) 반도체 기판의 하부 표면 상에 제 2 에칭 마스크를 도포하고, 반도체 기판의 하부 표면으로부터 제 2 마스크에 따라 반도체 기판의 일부를 에칭하고, 제 1 및 제 2 MEMS 마이크로폰의 하부 측면이 노출되기 전에 에칭을 정지하는 단계, 및 (4) 제 2 마스크를 제거하고, 제 1 및 제 2 MEMS 마이크로폰의 하부 측면이 노출될 때까지 제 1 에칭 마스크에 따라 반도체 기판의 일부를 에칭하는 단계를 포함한다. 제 1 에칭 마스크는 MEMS 마이크로폰과 정렬된 제 1 개구(opening)를 포함하고, 제 2 에칭 마스크는 제 1 MEMS 마이크로폰 및 상기 제 2 MEMS 마이크로폰과 정렬되고 이에 대응하는 제 2 및 제 3 개구를 포함한다.
실시예에 따라, 트랜스듀서 시스템은 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트(backplate)와, 제 1 백플레이트에 인접하고, 제 1 바이어스 전압에 전기적으로 연결되도록 구성된 제 1 편향 가능 다이어프램(deflectable diaphragm)과, 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트와, 제 2 백플레이트에 인접하고, 제 2 바이어스 전압에 전기적으로 연결되도록 구성된 제 2 편향 가능 다이어프램과, 제 1 및 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트에 전기적으로 연결된 입력 단자를 갖는 증폭기를 포함한다. 일부 실시예에서, 증폭기는 차동 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 단자를 갖는다. 증폭기는 차동 증폭기일 수 있다.
다양한 실시예에서, 트랜스듀서 시스템은 또한 제 1 바이어스 전압 및 제 2 바이어스 전압을 생성하도록 구성된 바이어스 전압 생성기를 포함한다. 제 1 바이어스 전압은 제 2 바이어스 전압과 상이할 수 있다. 또한, 증폭기 및 바이어스 전압 생성기는 집적 회로(IC) 상에 배치될 수 있다. 실시예에서, 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 제 1 편향 가능 다이어프램은 복수의 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 복수의 제 1 편향 가능 다이어프램을 포함하고, 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트 및 제 2 편향 가능 다이어프램은 복수의 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트 및 복수의 제 2 편향 가능 다이어프램을 포함한다.
다양한 실시예에서, 제 1 및 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트는 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰이고, 제 1 및 제 2 편향 가능 다이어프램은 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰의 단일 다이어프램이다. 다른 실시예에서, 증폭기는 제 1 단일 엔드 증폭기(single ended amplifier) 및 제 2 단일 엔드 증폭기를 포함한다. 제 1 단일 엔드 증폭기는 제 2 단일 엔드 증폭기의 제 2 이득(gain)과 실질적으로 동일한 크기 및 반대 부호의 제 1 이득을 가질 수 있다.
실시예에 따라, MEMS는 제 2 캐비티 위에 배치된 제 1 캐비티를 갖는 PCB(printed circuit board) 및 제 1 캐비티에 인접한 PCB의 상부 표면에 배치된 MEMS 트랜스듀서를 포함한다. 제 1 캐비티는 제 2 캐비티보다 더 클 수 있다. 또한, MEMS 트랜스듀서는 반도체 기판과, 반도체 기판에 형성된 제 3 캐비티 위에 놓이는 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소와, 반도체 기판에 형성된 제 4 캐비티 위에 놓이는 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함한다. 그러한 실시예에서, 제 1 캐비티, 제 2 캐비티, 제 3 캐비티 및 제 4 캐비티 모두는 음향적으로 연결된다. 다양한 실시예에서, PCB는 제 1 캐비티를 포함하는 제 1 층 및 제 2 캐비티를 포함하는 제 2 층을 포함한다. 제 1 및 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 함께 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰을 포함 또는 형성할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들의 이점은 간섭의 존재 시의 강인한 성능, 낮은 2차 왜곡의 경우에 선형 트랜스듀서 동작, 높은 동적 범위의 경우에 주어진 공급 전압에 대한 큰 신호 스윙(signal swing), 및 높은 SPL(sound pressure level) 조건 하의 양호한 성능을 포함할 수 있다. 듀얼 백플레이트 MEMS를 갖는 실시예는 위상학적으로 간단한 ASIC를 사용하는 것 및 높은 공간 사용 효율을 용이하게 할 수 있다. 다수의 단일 백플레이트 MEMS는 낮은 제조 비용, 낮은 음향 잡음을 갖고, 물리적으로 강인할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 예시적인 실시예뿐만 아니라 다른 실시예의 다양한 수정 및 결합은 이러한 설명을 참조할 때 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항이 임의의 그러한 수정 또는 실시예를 포함하는 것이 의도된다.

Claims (34)

  1. MEMS(microelectromechanical system)로서,
    제 1 MEMS 트랜스듀서 요소(transducer element)와,
    제 2 MEMS 트랜스듀서 요소와,
    공유 캐비티(shared cavity)를 포함하는 반도체 기판을 포함하고,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 상기 반도체 기판의 상부 표면에 배치되고, 상기 공유 캐비티에 음향적으로(acoustically) 연결되는
    MEMS.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 입력 단자를 갖고, 차동 출력 신호(differential output signal)를 제공하도록 구성된 출력 단자를 갖는 증폭기와,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 바이어스 생성기(bias generator)를 더 포함하는
    MEMS.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이어스 생성기는,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결되고, 제 1 바이어스 전압을 제공하도록 구성된 제 1 바이어스 생성기와,
    상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결되고, 제 2 바이어스 전압을 제공하도록 구성된 제 2 바이어스 생성기를 포함하는
    MEMS.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 바이어스 생성기는 집적 회로(IC) 상에 배치되고, 상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 전기적으로 연결되는
    MEMS.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 바이어스 생성기는 상기 기판 상에 집적되는
    MEMS.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하고, 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하는
    MEMS.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공유 캐비티에 연결된 단일 사운드 포트(single sound port)를 더 포함하는
    MEMS.
  8. MEMS(microelectromechanical system)로서,
    제 1 반도체 기판 내의 제 1 캐비티 위에 놓이는 상기 제 1 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소와,
    제 2 반도체 기판 내의 제 2 캐비티 위에 놓이는 상기 제 2 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소와,
    공유 캐비티를 포함하는 제 3 기판 ― 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 상기 제 3 기판 상에 배치되고, 상기 제 1 캐비티의 적어도 일부 및 상기 제 2 캐비티의 일부는 상기 공유 캐비티 위에 놓이고, 상기 제 3 기판은 상기 제 1 반도체 기판 및 상기 제 2 반도체 기판과 상이함 ― 과,
    사운드 포트를 포함하는 제 4 기판 ― 상기 제 3 기판은 상기 제 4 기판 상에 배치되고, 상기 공유 캐비티의 적어도 일부는 상기 사운드 포트 위에 놓이고, 상기 제 4 기판은 상기 제 1 반도체 기판, 상기 제 2 반도체 기판 및 상기 제 3 기판과 상이함 ― 을 포함하는
    MEMS.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 기판은 캐리어 칩(carrier chip)을 포함하는
    MEMS.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 4 기판은 PCB(printed circuit board)를 포함하는
    MEMS.

  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 공유 캐비티는 상기 사운드 포트보다 더 넓은
    MEMS.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 동일한 기판인
    MEMS.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 입력 단자를 갖고, 차동 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 단자를 갖는 증폭기와,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소에 연결된 바이어스 생성기를 더 포함하는
    MEMS.

  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하고, 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 복수의 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하는
    MEMS.
  15. 음향 트랜스듀서 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    제 1 트랜스듀서 요소 및 제 2 트랜스듀서 요소를 사용하여 공유 사운드 포트를 통해 음향 신호를 수신하는 단계와,
    상기 제 1 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 트랜스듀서 요소의 출력에서 제 1 차동 신호를 생성하는 단계와,
    증폭기로 상기 제 1 차동 신호를 증폭하는 단계를 포함하는
    음향 트랜스듀서 시스템 동작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력에서 제 2 차동 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는
    음향 트랜스듀서 시스템 동작 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 음향 신호를 수신하는 단계는, 기판에 형성되고 상기 공유 사운드 포트에 음향적으로 연결된 단일 캐비티를 통해 상기 음향 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 1 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 트랜스듀서 요소는 상기 캐비티 위의 상기 기판 상에 형성되는
    음향 트랜스듀서 시스템 동작 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 트랜스듀서 요소에서 상기 제 1 차동 신호를 생성하는 단계는 상기 제 1 트랜스듀서 요소로부터 제 1 신호를 생성하고, 상기 제 2 트랜스듀서 요소로부터 제 2 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 신호에 대해 역위상(antiphase)인
    음향 트랜스듀서 시스템 동작 방법.
  19. 트랜스듀서 시스템을 제조하는 방법으로서,
    반도체 기판의 상부 표면 상에 제 1 MEMS(microelectromechanical system) 마이크로폰 및 제 2 MEMS 마이크로폰을 형성하는 단계와,
    상기 반도체 기판의 하부 표면 상에 제 1 에칭 마스크(etch mask)를 도포하는 단계 ― 상기 제 1 에칭 마스크는 상기 MEMS 마이크로폰과 정렬된 제 1 개구(opening)를 포함함 ― 와,
    상기 반도체 기판의 하부 표면 상에 제 2 에칭 마스크를 도포하는 단계 ― 상기 제 2 에칭 마스크는 상기 제 1 MEMS 마이크로폰 및 상기 제 2 MEMS 마이크로폰과 정렬되고 이에 대응하는 제 2 개구 및 제 3 개구를 포함함 ― 와,
    상기 반도체 기판의 상기 하부 표면으로부터 상기 제 2 마스크에 따라 상기 반도체 기판의 일부를 에칭하고, 상기 제 1 MEMS 마이크로폰 및 상기 제 2 MEMS 마이크로폰의 하부 측면이 노출되기 전에 에칭을 정지하는 단계와,
    상기 제 2 마스크를 제거하고, 상기 제 1 MEMS 마이크로폰 및 상기 제 2 MEMS 마이크로폰의 하부 측면이 노출될 때까지 상기 제 1 에칭 마스크에 따라 상기 반도체 기판의 일부를 에칭하는 단계를 포함하는
    트랜스듀서 시스템 제조 방법.
  20. 트랜스듀서 시스템으로서,
    제 1 기계적으로 단단한 백플레이트(backplate)와,
    상기 제 1 백플레이트에 인접하고, 제 1 바이어스 전압에 전기적으로 연결되도록 구성된 제 1 편향 가능 다이어프램(deflectable diaphragm)과,
    제 2 기계적으로 단단한 백플레이트와,
    상기 제 2 백플레이트에 인접하고, 제 2 바이어스 전압에 전기적으로 연결되도록 구성된 제 2 편향 가능 다이어프램과,
    상기 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 상기 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트에 전기적으로 연결된 입력 단자를 갖는 증폭기를 포함하는
    트랜스듀서 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 증폭기는 차동 출력 신호를 제공하도록 구성된 출력 단자를 갖는
    트랜스듀서 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 증폭기는 차동 증폭기를 포함하는
    트랜스듀서 시스템.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 바이어스 전압 및 상기 제 2 바이어스 전압을 생성하도록 구성된 바이어스 전압 생성기를 더 포함하는
    트랜스듀서 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 바이어스 전압은 상기 제 2 바이어스 전압과 상이한
    트랜스듀서 시스템.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 바이어스 전압 생성기는 집적 회로(IC) 상에 배치되는
    트랜스듀서 시스템.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 상기 제 1 편향 가능 다이어프램은 복수의 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 복수의 제 1 편향 가능 다이어프램을 포함하고, 상기 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트 및 상기 제 2 편향 가능 다이어프램은 복수의 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트 및 복수의 제 2 편향 가능 다이어프램을 포함하는
    트랜스듀서 시스템.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 기계적으로 단단한 백플레이트 및 상기 제 2 기계적으로 단단한 백플레이트는 더블 백플레이트 MEMS(microelectromechanical system) 마이크로폰을 포함하고, 상기 제 1 편향 가능 다이어프램 및 상기 제 2 편향 가능 다이어프램은 상기 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰의 단일 다이어프램을 포함하는
    트랜스듀서 시스템.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 증폭기는 제 1 단일 엔드 증폭기(single ended amplifier) 및 제 2 단일 엔드 증폭기를 포함하고, 상기 제 1 단일 엔드 증폭기는 상기 제 2 단일 엔드 증폭기의 제 2 이득(gain)과 실질적으로 동일한 크기 및 반대 부호의 제 1 이득을 갖는
    트랜스듀서 시스템.
  29. MEMS(microelectromechanical system)로서,
    제 2 캐비티 위에 배치된 제 1 캐비티를 포함하는 보드 ― 상기 제 1 캐비티는 상기 제 2 캐비티보다 더 큼 ― 와,
    상기 제 1 캐비티에 인접한 상기 보드의 상부 표면에 배치된 MEMS 트랜스듀서를 포함하고, 상기 MEMS 트랜스듀서는,
    반도체 기판과,
    상기 반도체 기판에 형성된 제 3 캐비티 위에 놓이는 상기 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소와,
    상기 반도체 기판에 형성된 제 4 캐비티 위에 놓이는 상기 반도체 기판의 상부 표면에 배치된 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소를 포함하고,
    상기 제 1 캐비티, 상기 제 2 캐비티, 상기 제 3 캐비티 및 상기 제 4 캐비티 모두는 음향적으로 연결되는
    MEMS.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 보드는 상기 제 1 캐비티를 포함하는 제 1 층 및 상기 제 2 캐비티를 포함하는 제 2 층을 포함하는
    MEMS.

  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 MEMS 트랜스듀서 요소 및 상기 제 2 MEMS 트랜스듀서 요소는 더블 백플레이트 MEMS 마이크로폰을 포함하는
    MEMS.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 캐비티는 상기 제 2 캐비티보다 더 넓은
    MEMS.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 보드는 PCB(printed circuit board)를 포함하는
    MEMS.
  34. 제 29 항에 있어서,
    상기 보드는 세라믹 기판을 포함하는
    MEMS.
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