KR20150135466A - 백 볼륨이 증가된 ｍｅｍｓ 장치 - Google Patents

백 볼륨이 증가된 ｍｅｍｓ 장치 Download PDF

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웨이드 콘클린
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노우레스 일렉트로닉스, 엘엘시
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Abstract

마이크로 전기 기계 시스템(MicroElectroMechanical System; MEMS) 마이크로폰 어셈블리는 베이스 및 커버를 포함한다. 상기 커버는 상기 베이스에 결합되어 있고 상기 베이스와 함께 캐비티(cavity)를 한정한다. 상기 베이스는 요부(recess)를 형성하며 상기 요부는 MEMS 다이를 수용하도록 하는 치수들 및 형상을 지닌다. 상기 MEMS 다이는 다이어프램 및 백 플레이트를 포함한다.

Description

백 볼륨이 증가된 ＭＥＭＳ 장치{ＭＥＭＳ apparatus with increased back volume}
관련 출원들에 대한 전후 참조
본원은 미국 특허법 35 U.S.C.§119(e)에 따라 발명의 명칭이 "백 볼륨이 증가된 MEMS 장치(MEMS Apparatus with Increased Back Volume)"이며 2013년 3월 28일자 출원된 미국 임시출원 제61805993호를 기초로 우선권을 주장한 것이며, 상기 미국 임시출원의 개시 내용 전체가 본원 명세서에 참조 병합된다.
기술분야
본원은 마이크로 전기 기계 시스템(MicroElectroMechanical System; MEMS) 기기들에 관한 것이며 좀더 구체적으로 기술하면 성능 특성이 개선된 MEMS 마이크로폰들에 관한 것이다.
마이크로 전기 기계 시스템(MicroElectroMechanical System; MEMS) 기기들은 2가지 예를 들면 마이크로폰들 및 스피커들을 포함한다. MEMS 마이크로폰의 경우에, 음향 에너지가 음향 포트를 통해 진입하여 다이어프램을 진동시키며 이러한 동작이 상기 다이어프램 및 상기 다이어프램에 인접 배치된 백 플레이트 간에 상응하는 전위(전압) 변화를 만들어낸다. 이러한 전압은 수신된 음향 에너지를 나타낸다. 전형적으로는, 상기 전압이 이후 (예컨대, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC)와 같은) 집적 회로로 전송된다. 상기 신호의 부가적인 처리는 상기 집적 회로 상에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 증폭 또는 필터링 기능들은 상기 집적 회로에서 상기 전압 신호를 대상으로 하여 수행될 수 있다. MEMS 마이크로폰들은 2가지 예를 들면 셀룰러폰들 또는 개인용 컴퓨터들과 연관된 것들과 같은 여러 고객용 전자 기기와 함께 사용될 수 있다.
전형적으로는 상기 마이크로폰의 감도를 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하다. 감도가 크게 되면, 상기 마이크로폰의 성능도 양호해진다. 공지되어 있는 바와 같이, 백 볼륨은 감도에 영향을 주고 일반적으로 백 볼륨이 크면 상기 마이크로폰의 성능도 높아진다.
위에서 언급한 바와 같이, MEMS 마이크로폰들은 한 어셈블리에 배치되는 MEMS 기기 및 집적 회로(예컨대, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC))를 지니는 것이 전형적이다. 이러한 구성부품들은 비록 상기 마이크로폰의 동작에 필요하지만, 또한 백 볼륨을 점유하고, 그러므로 특정한 MEMS 기기에 대해 제공될 수 있는 감도의 양을 제한한다
이러한 단점들 때문에, 이전의 달성 방법들은 위에서 언급한 문제점들을 충분히 해결하지 못했고, 이러한 이전의 달성 방법들에 관련된 사용자 불만들이 증가하게 되었다.
본 개시내용의 좀더 완전한 이해를 위하여는, 이하의 구체적인 내용 및 첨부도면들에 대한 참조가 이루어져야 한다.
도 1은 본 발명의 여러 실시 예에 따른 마이크로폰 어셈블리의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따라 절취된 내부에 요부(recess)가 구비된 세라믹 기판을 지니는 마이크로폰 어셈블리(1)의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따라 절취된 내부에 요부가 구비된 세라믹 기판을 지니는 마이크로폰 어셈블리의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따라 절취된 내부에 요부가 구비된 세라믹 기판을 지니는 마이크로폰 어셈블리의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따라 절취된 기판으로서 적층된 인쇄 회로 보드가 구비된 마이크로폰 어셈블리의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따라 절취된 기판으로서 적층된 인쇄 회로 보드가 구비된 마이크로폰 어셈블리의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 여러 실시 예에 따른 도 1의 라인 A-A를 따른 기판으로서 적층된 인쇄 회로 보드가 구비된 마이크로폰 어셈블리의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 여러 실시 예에 따른 본원 명세서에 기재되어 있는 달성 방법들을 사용하여 감도에 유익한 효과들을 보여주는 그래프이다.
당업자라면 첨부도면들의 구성요소들이 간략함 및 명료함을 위해 예시된 것임을 알 수 있을 것이다. 더욱이 당업자라면 일부 동작들 및/또는 단계들이 특정한 발생 순서로 기재 또는 도시되어 있을 알 수 있을 것이고 당업자라면 그러한 시퀀스 특정이 실제로 필요하지 않음을 이해할 것이다. 또한 당업자라면 본원 명세서에서 사용되는 용어들 및 표현들이, 그에 대한 특정한 의미들이 본원 명세서에서 달리 기재되어 있지 않은 경우를 제외하고 상응하는 질의 및 연구에 대한 대응 분야들에 대한 그러한 용어들 및 표현들과 일치하는 일반적인 의미를 지님을 이해할 것이다.
백 볼륨이 증가됨으로써 기존의 MEMS 기기들에 비하여 성능이 개선된 마이크로 전기 기계 시스템(MicroElectroMechanical System; MEMS) 기기들(예컨대, MEMS 마이크로폰들)이 제공된다. 한 실시태양에서는, 하단 포트 MEMS 마이크로폰의 기판 내에 요부(recess)가 만들어진다. 상기 기판 내에는 MEMS 기기가 배치된다. 상기 기판의 요부 내에 상기 MEMS 기기를 배치함으로써 상기 MEMS 마이크로폰의 백 볼륨이 증가하게 된다. 상기 백 볼륨의 증가는 상기 MEMS 마이크로폰의 성능 특성을 개선한다. 예를 들면, 감도 증가가 이루어지게 된다. 본원 명세서에서 사용되는 "감도(sensitivity)"는 상기 포트(109) 내에 프론트 볼륨(front volume)(115)이 형성되어 있다. 상기 MEMS 마이크로폰의 전달 효율(transduction efficiency)을 의미한다. 정전용량 감지용 MEMS 마이크로폰의 경우, 이는 단위 압력당 전위이게 된다. 당업자라면 본원 명세서에 기재되어 있는 예들에서 MEMS 기기가 상기 요부 내에 배치됨을 이해할 것이다. 변형적으로는, MEMS 기기가 집적 회로(예컨대, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC))와 함께 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더욱이, 단지 상기 집적 회로(예컨대, ASIC)만이 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더 나아가, 상기 기판(예컨대, 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)) 상의 임의의 구성부품은 백 볼륨을 증가시키기 위해 상기 MEMS 기기와 함께 또는 그 자체만으로 상기 요부 내에 배치될 수 있다.
도 1, 도 2, 도 3, 및 도 4를 지금부터 참조하면, 세라믹 기판을 지니는 한 대표적인 MEMS 기기(예컨대, MEMS 마이크로폰)가 기재되어 있다. 이러한 예들 각각에는 기판(102), 상기 기판(102) 내에 배치된 요(凹)부(104), 상기 요부(104) 내의 MEMS 기기(106), 집적 회로(108), 및 (상기 MEMS 기기(106) 및 상기 집적 회로(108) 간의) 와이어 본드들(111)이 포함되어 있다. 뚜껑 또는 커버(110)는 상기 MEMS 기기(106) 및 상기 집적 회로(108)를 덮고 상기 기판(102)에 부착된다. 포트(port)(109)는 상기 기판(102)을 통해 연장된다.
상기 MEMS 기기(106)는 다이어프램(diaphragm)(112) 및 백 플레이트(114)를 포함한다. 상기 뚜껑(110) 및 상기 기판(102) 사이에는 백 볼륨(back volume)(116)이 형성되어 있다. 상기 기판(102)의 하단 상의 패드들(도시되지 않음)은 도전성 비어(conductive via)들(도시되지 않음)을 사용하여 상기 집적 회로(108)와의 통신이 이루어질 수 있다. 상기 패드들은 또한 개인용 컴퓨터들 또는 셀룰러폰들에서 사용될 수 있는 것들과 고객용 전자 기기들에 연결될 수 있다. 고객용 전자 기기들의 다른 예들이 가능하다.
도 1, 도 2, 및 도 3의 예들 각각에서는, 상기 요부(104)가 서로 다른 깊이를 지닌다. 도 2에서는, 상기 요부(104)가 얕은 데, 예를 들면 상기 요부(104)의 깊이가 25 마이크론이다. 도 3에서는, 상기 요부가 깊고(예컨대, 250 마이크론 깊이) 상기 MEMS 기기(106)의 상단은 상기 기판(102)의 표면(120)과 거의 수평을 이루고 있다.
본원 명세서에 기재되어 있는 요부는 하단 표면이 편평한 박스 형상으로 이루어져 있다. 그러나, 당업자라면 상기 요부가 또한 다른 형상들 및 구성들을 취할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 4의 예에서는, 상기 표면(122)이 상기 표면(120)보다 낮지만, 계단형 기판(102)을 만들어내는 표면(124)만큼 낮지 않다. 상기 요부(104)의 정확한 치수들 및 깊이들은 본드들(110)이 얼마나 쉽게 부착될 수 있는지와 같은 인자들에 따라 선택된다. 다른 인자들이 또한 고려될 수 있으며 상기 기판(102)에 대한 다른 구성들이 또한 사용될 수 있다.
상기 MEMS 마이크로폰 어셈블리(100)의 동작의 일 예에서는, 음향 에너지가 음향 포트(109)를 통해 진입하여 다이어프램(112)을 진동시키며 이러한 동작이 상기 다이어프램(112) 및 상기 다이어프램(112)에 인접 배치된 백 플레이트(114) 간에 상응하는 전위(전압) 변화를 만들어낸다. 이러한 전압은 수신된 음향 에너지를 나타낸다. 전형적으로는, 상기 전압이 그 후에 상기 집적 회로(108)로 전송된다. 상기 신호의 부가적인 처리는 상기 집적 회로(108)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 증폭 또는 필터링 기능들은 상기 집적 회로(108)에서 상기 전압 신호를 대상으로 하여 수행될 수 있다.
유리한 점으로는, 위에 기재한 달성 방법들이 백 볼륨을 증가시킨다는 점인데, 그 이유는 부분적으로 상기 MEMS 기기(106)가 백 볼륨 공간을 점유하고 있지 않기 때문이다.
당업자라면 본원 명세서에 기재된 예들에서 MEMS 기기가 상기 요부 내에 배치됨을 이해할 것이다. 변형적으로는, MEMS 기기가 집적 회로(예컨대, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC))와 함께 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더욱이, 단지 상기 집적 회로(예컨대, ASIC)만이 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더 나아가, 상기 기판(예컨대, 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)) 상의 임의의 구성부품은 백 볼륨을 증가시키기 위해 상기 MEMS 기기와 함께 또는 그 자체만으로 상기 요부 내에 배치될 수 있다.
(본원 명세서에 기재되어 있는 모든 예들에 대해 공통적인) 도 1, 도 5, 도 6, 및 도 7을 지금부터 참조하면, 적층된 기판들을 갖는 MEMS 마이크로폰들의 예들이 기재되어 있다. 이러한 예들 각각에는 기판(502), 상기 기판(502) 내에 배치된 요(凹)부(504), 상기 요부(504) 내에 배치된 MEMS 기기(506), 집적 회로(508), 및 (상기 MEMS 기기(506) 및 상기 집적 회로(508) 간의) 와이어 본드들(511)이 포함되어 있다. 뚜껑(510)은 상기 MEMS 기기(506) 및 상기 집적 회로(508)를 덮고 상기 기판(502)에 부착된다.
도 5에서는, 상기 요부(504)가 얕다(예를 들면 상기 요부(504)의 깊이가 25 마이크론이다). 도 6에서는, 상기 요부(504)가 깊고(예컨대, 250 마이크론 깊이) 상기 MEMS 기기(506)의 상단은 상기 기판(502)의 표면(520)과 거의 수평을 이루고 있다. 포트(port)(509)는 상기 기판(502)을 통해 연장된다.
도 7의 예에서는, 상기 표면(522)이 상기 표면(520)보다 낮지만, 계단형 기판(502)을 만들어내는 표면(524)만큼 낮지 않다. 상기 요부의 정확한 치수들 및 깊이들은 본드들(510)이 얼마나 쉽게 부착될 수 있는지와 같은 인자들에 따라 선택된다. 다른 인자들이 또한 고려될 수 있다. 상기 기판(502)에 대한 다른 구성들이 또한 사용될 수 있다.
유리한 점으로는, 위에 기재한 달성 방법들이 백 볼륨을 증가시킨다는 점인데, 그 이유는 부분적으로 상기 MEMS 기기(506)가 백 볼륨 공간을 점유하고 있지 않기 때문이다. 이는 상기 마이크로폰 어셈블리(500)에 대한 감도를 증가시키는 결과를 초래한다.
상기 기판(502)은 제1 금속 층(540), 제2 금속 층(542), 제3 금속 층(544), 제1 절연 층(546), 및 제2 절연 층(548)을 포함한다. 도관(conduit)들(550)은 상기 금속 층들을 서로 연결시켜 준다. 패드들(552)은 상기 MEMS 기기(506) 및 집적 회로(508)를 상기 금속 층들에 연결시켜 준다. 상기 기기의 외부 상에 있는 패드들은 외부 고객용 전자 기기들을 상기 어셈블리(500)에 연결시켜 준다. 당업자라면 위에 기재한 각각의 층의 정확한 치수들, 형상, 및 조성이 다를 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상기 MEMS 마이크로폰 어셈블리(500)의 동작의 일 예에서는, 음향 에너지가 음향 포트(509)를 통해 진입하여 다이어프램(512)을 진동시키며 이러한 동작이 상기 다이어프램(512) 및 상기 다이어프램(512)에 인접 배치된 백 플레이트(514) 간에 상응하는 전위(전압) 변화를 만들어낸다. 이러한 전압은 수신된 음향 에너지를 나타낸다. 전형적으로는, 상기 전압이 그 후에 상기 집적 회로(508)로 전송된다. 상기 신호의 부가적인 처리는 상기 집적 회로(508)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 증폭 또는 필터링 기능들은 상기 집적 회로(508)에서 상기 전압 신호를 대상으로 하여 수행될 수 있다.
당업자라면 본원 명세서에 기재된 예들에서 MEMS 기기가 상기 요부 내에 배치됨을 이해할 것이다. 변형적으로는, MEMS 기기가 집적 회로(예컨대, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit; ASIC))와 함께 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더욱이, 단지 상기 집적 회로(예컨대, ASIC)만이 상기 요부 내에 배치될 수 있다. 더 나아가, 상기 기판(예컨대, 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)) 상의 임의의 구성부품은 백 볼륨을 증가시키기 위해 상기 MEMS 기기와 함께 또는 그 자체만으로 상기 요부 내에 배치될 수 있다.
도 8을 지금부터 참조하면, 본 달성 방법들의 유익한 효과들의 일 예가 기재되어 있다. x-축은 MEMS 마이크로폰의 백 볼륨을 나타내고 y-축은 MEMS 마이크로폰의 감도를 나타낸다. 여기서 볼 수 있는 점은 백 볼륨이 증가함에 따라, 마이크로폰의 감도도 증가함으로써, 성능 특성이 개선된 기기가 양산된다는 점이다. 예를 들면, 곡선 지점(802)에서, 백 볼륨이 비교적 작다(예컨대, 1.5 ㎥). 백 볼륨이 예를 들어 지점(804)에 이르기까지 증가함에 따라, 감도가 또한 큰 볼륨으로 증가한다. 일 예에서는, 상기 백 볼륨이 대략 2 또는 2.5 ㎥ 만큼 변하고 그에 따른 감도의 변화는 대략 0.5 내지 2 dB 이다.
본 발명자가 본 발명을 구현하기 위해 알고 있는 최선의 형태를 포함하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들이 본원 명세서에 기재되어 있다. 여기서 이해하여야 할 점은 예시된 실시 예들이 단지 전형적인 것뿐이며 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주하여서는 아니 된다는 점이다.

Claims (6)

  1. 마이크로 전기 기계 시스템(MicroElectroMechanical System; MEMS) 마이크로폰 어셈블리에 있어서,
    상기 MEMS 마이크로폰 어셈블리는,
    베이스;
    커버;
    를 포함하고,
    상기 커버는 상기 베이스에 결합되어 있으며 상기 베이스와 함께 캐비티(cavity)를 한정하고,
    상기 베이스는 요부(recess)를 형성하며, 상기 요부는 MEMS 다이를 수용하도록 하는 치수들 및 형상을 지니고, 상기 MEMS 다이는 다이어프램 및 백 플레이트를 포함하는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 요부는 집적 회로를 또한 수용하며, 상기 집적 회로는 상기 MEMS 다이에 전기적으로 연결되어 있는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 다층 인쇄 회로 보드를 포함하는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베이스를 통해 포트가 연장되어 있으며 상기 포트는 상기 MEMS 다이의 부분들과 연통하는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 상부 표면을 한정하며 상기 MEMS 다이는 상기 상부 표면상에 그리고 상기 캐비티 내에 연장되어 있는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 상부 표면을 한정하고 상기 MEMS 다이는 상기 상부 표면 하부에 그리고 상기 캐비티 내에 연장되어 있는, MEMS 마이크로폰 어셈블리.
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