KR20180067400A - 멤스 음향센서 - Google Patents

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KR20180067400A
KR20180067400A KR1020170100500A KR20170100500A KR20180067400A KR 20180067400 A KR20180067400 A KR 20180067400A KR 1020170100500 A KR1020170100500 A KR 1020170100500A KR 20170100500 A KR20170100500 A KR 20170100500A KR 20180067400 A KR20180067400 A KR 20180067400A
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KR1020170100500A
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권용세
강영진
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(주)다빛센스
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Abstract

본 발명은 진동판의 파손 방지 및 원하지 않는 변형을 줄이면서 동작전압에서 진동판의 평탄도와 연성 및 진동효율이 좋은 멤스 음향센서를 제공한다.

Description

멤스 음향센서{MEMS ACOUSTIC SENSOR}
본 발명은 멤스(MEMS) 음향센서에 관한 것이다.
일반적으로 멤스(MEMS) 음향센서는 음향신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로서 마이크로폰을 포함한다. 마이크로폰은 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 재질에 따라서는 카본 마이크로폰, 크리스탈 마이크로폰, 마그네틱 마이크로폰 등으로 구분되고, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰과, 멤브레인의 진동에 따른 커패시턴스 변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분될 수 있다.
컴퓨터, 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋 등과 같은 휴대용 또는 소형 전자기기에는 ECM(Electret Condenser Microphone), MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰 등과 같은 초소형 콘덴서 마이크로폰이 주로 사용되고 있다. ECM 마이크로폰은 일렉트릿이라는 분극 유전체 물질을 이용한다. ECM 마이크로폰은 바이어스 전압이 인가되지 않는 동안 전하를 축적하는 기능을 갖고 있다. 일렉트릿 물질의 전하는 온도에 민감하고 Long-Term Drift로 인해 특성이 악화되어 마이크로폰 감도를 떨어뜨린다. 그래서, 일렉트릿 물질로 테프론(Teflon)을 마이크로폰에 적용했지만 표준 양산공정에 테프론(Teflon)을 적용하는 것은 많은 어려운 문제점들을 만들어 내었다.
반면, 콘덴서 마이크로폰은 일렉트릿 물질이 필요하지 않고, 전하를 축적하기 위해 바이어스 전압을 인가해 주면 된다. 콘덴서 마이크로폰은 온도에 대해 감도 변화가 없고 적절한 Sensing 감도를 갖는다. 작은 사이즈와 저비용 양산화를 위해 대개 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System )공정으로 제조됨으로, 콘덴서 마이크로폰은 멤스 마이크로폰으로 통칭하기도 한다.
콘덴서 마이크로폰은 두 개의 평판 캐패시턴스, 즉 진동판(멤브레인 또는, 다이어프램)과 백플레이트를 포함하며 두 개의 평판 캐패시턴스는 유전물질로 작용하는 에어 갭을 통해 분리된다. 진동판(멤브레인 또는, 다이어프램)과 백플레이트를를 지지하는 베이스기판에는 백 챔버(Back Chamber)가 형성된다. 백플레이트에는 다수의 음향홀이 형성되어 에어 댐핑(Air Damping)을 완하시키는 역할을 하게 된다. 백플레이트의 음향홀을 통해 인입된 음파는 진동판(멤브레인 또는, 다이어프램)을 휘게 하는 원인이 되고, 진동판(멤브레인 또는, 다이어프램)과 백플레이트 간의 캐패시턴스는 에어 갭의 변화에 따라 변한다. 판독 회로(Readout Circuit)를 구성하여 전기적 신호로 캐퍼시턴스 변화를 적절하게 바꿔 주게 된다. 지금까지 마이크로폰 상용화 제조 업체들은 감도 개선 및 노이즈 레벨(Noise Level)을 낮추기 위해 진동판(멤브레인 또는, 다이어프램)과 백플레이트의 구조와 물질을 계속 개선해 왔다.
콘덴서 마이크로폰에서 음압에 따라 변화하는 정전용량의 변화를 판독회로에서 읽어서 전기 신호로 변환한다. 그래서 감도와 SNR(신호 대 잡음비)을 높이려면 음압의 변화에 따른 콘덴서 마이크로폰의 정전용량의 변화가 커야 한다.
종래 음향센서는 도 1 에 도시한 바와 같이, 베이스기판(10) 위에 형성된 제1 지지부(40)에 진동판(20)이 형성되고, 진동판(20)의 중심 부근에는 멤브레인 전극(21)이 형성된다. 진동판(20) 위에는 백플레이트(30)를 지지하는 제2 지지부(41)가 형성된다. 백플레이트(30)에는 멤브레인 전극(21)과 마주하는 대향 전극(31)과 복수의 음향홀(32)이 형성된다.
멤브레인 전극(21)에 바이어스 전압을 걸면 멤브레인 전극(21)과 대향 전극(31)에 전하가 축적되면서 양 전극(21, 31) 사이에 전기력이 발생한다. 이때 진동판(20)이 백플레이트(30) 방향으로 끌려 올라가서 진동판(20)의 중심이 위로 볼록한 포물면이 형성된다. 바이어스 전압이 멤브레인 전극(21)에 걸린 상태에서 음압이 가해지면 진동판(20)은 위, 아래로 움직인다. 이때 진동판(20)의 중심 부근은 음압에 의한 거리 변화가 크지만 주변부로 갈수록 줄어든다.
멤브레인 전극(21)과 대향 전극(31) 사이의 정전용량은 전극 사이의 거리에 반비례하므로 음향센서는 양 전극(21, 31)의 중심 부근에서는 정전용량의 변화량은 크지만 주변부로 갈수록 정전용량의 변화에 더욱 기여하지 못한다. 결국, 감도와 SNR(신호 대 잡음비)을 높이려면 진동판(20)이 진동할 때 멤브레인의 전극(21)은 수평면을 유지해야 하고 음파에 의한 진폭은 늘려야 한다.
이러한 조건을 만족시키기 위해 진동판은 일례로, 도 2에 도시한 바와 같이, 연결부(200)와 진동부(201), 및 유연 스프링(22)을 포함하여 구현된다. 유연 스프링(22)은 원주 방향의 패턴을 포함하며 연결부(200)와 진동부(201) 사이에 삽입되어 연결부(200)와 진동부(201)의 강성을 완화해 준다. 그러나 이러한 진동판의 구조는 공정이나 패키지 과정에서 스트레스로 인해 유연 스프링(22)이 쉽게 변형되며 이로 인해 에어 갭(12) 간격이 변하거나 멤브레인 전극(21)이 비정상적으로 동작할 여지가 있다.
도 3 은 진동판의 외곽 원주 전체가 연결부(200)이며 진동판의 중심 부근의 진동부(201)와 연결부(200) 사이에 강성을 완화하기 위해서 이중 슬릿(Slit)(23)을 삽입하였다. 이러한 진동판의 구조는 스트레스에 의한 변형 발생이 적지만 이중 슬릿(Slit)(23) 사이의 좁은 부분에 거리 변화가 집중되어 파손의 위험성이 있다.
도 4 는 진동판의 외곽 원주 전체가 연결부(200)이며 진동판의 중심 부근의 진동부(201)와 연결부(200) 사이에 강성을 완화하기 위해서 원주형 함몰부(203)를 한 개 이상 삽입하였다. 그러나 이러한 진동판의 구조는 강성을 완화하는 효과가 적고 스트레스 등에 의한 뒤틀림이 발생할 수 있는데 원주형 함몰부(203)가 전체 원주에 대하여 연결돼 있기 때문에 뒤틀림의 영향이 진동판 전체로 확산될 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1462375호(등록일 2014.11.11)
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 진동판의 파손 방지 및 원하지 않는 변형을 줄이면서 동작전압에서 진동판의 평탄도와 연성 및 진동효율이 좋은 멤스 음향센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 출력전압의 감도가 우수한 멤스 음향센서를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 멤스 음향센서는 상, 하로 관통된 하나의 백 챔버(Back chamber)가 형성된 베이스기판과; 상기 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부에 형성되는 진동판과; 상기 진동판 위에 형성된 제2 지지부에 형성되며, 다수의 음향홀과 대향 전극이 형성되는 백플레이트를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 상기 진동부와 복수의 홈 사이에, 서로 이격되게 형성되는 복수의 원호형 슬릿을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 상기 진동부와 복수의 홈 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 하나의 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 진동부와 복수의 홈 사이에 서로 이격되게 형성되는 복수의 원호형 슬릿, 및 연결부에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부를 포함한다.
본 발명의 또다른 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 진동부와 복수의 홈 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부를 포함한다.
본 발명의 또다른 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 진동부와 복수의 홈 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부, 및 연결부에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부를 포함한다.
본 발명의 또다른 양상에 따른 진동판은, 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부와 접촉하는 연결부와; 상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과; 상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와; 진동부와 복수의 홈 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부, 및 연결부에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따르면, 본 발명에 따른 멤스 음향센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 진동판의 진동부가 수평을 유지하면서 음파에 의한 진동폭을 향상시켜 충분한 정전용량의 변화를 확보할 수 있고, 구조적 변형이나 뒤틀림으로 인하여 일어나는 비정상적인 동작을 방지할 수 있다.
둘째, 진동판의 연결부와 진동부 사이에 원호형 슬릿, 또는 동심원으로 배치된 하나의 띠 형태의 함몰부, 또는 불연속적인 형태의 함몰부를 형성함으로써, 강성을 완화하여 파손 방지와 진동효율을 개선하였다.
도 1 은 종래 음향센서를 도시한다.
도 2 는 유연 스프링이 형성된 종래 진동판을 도시한다.
도 3 은 이중 슬릿(Slit)이 형성된 종래 진동판을 도시한다.
도 4 는 원주형 함몰부가 동심원으로 형성된 종래 진동판을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
도 6 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
도 7 은 본 발명의 제3 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
도 8 은 본 발명의 제4 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
도 9 는 본 발명의 제5 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
도 10 은 본 발명의 제6 실시예에 따른 진동판을 도시한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 멤스 음향센서는 도 1 에 도시한 바와 같이 크게 상, 하로 관통된 하나의 백 챔버(Back chamber)가 형성된 베이스기판(10)과, 베이스기판(10) 위에 형성된 제1 지지부(40)에 형성되는 진동판(20)과, 진동판(20) 위에 형성된 제2 지지부(41)에 형성되며 대향 전극(31)과 다수의 음향홀(32)이 형성되는 백플레이트(30)를 포함한다.
진동판은 일례로, 도 5 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 및 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 서로 이격되게 형성되는 복수의 원호형 슬릿(202)을 포함한다.
진동판의 외곽 부분에 복수의 홈(200B)을 파내어 연결부(200)에서 진동부(201)까지의 영역의 강성을 완화하는 구조로 만들고 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 복수의 원호형 슬릿(202)을 원주상에 동일한 간격으로 배치한다. 복수의 홈(200B)과 원호형 슬릿(202)은 식각하여 만든다. 연결부(200)는 베이스기판(도 1의 참조부호 10) 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)에 부착되어 스프링 역할을 해서 강성을 완화한다. 복수의 원호형 슬릿(202)은 추가적으로 강성을 완화하면서 연결부(200)와 진동부(201)를 분리하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 멤스 음향센서는 음파에 의한 멤브레인 전극과 대향 전극 간의 거리변화가 강성을 완화하는 구조에서 일어나므로, 진동부(201)가 가능한 수평면을 유지하면서 진동하도록 하였다. 또한, 거리변화가 일어나는 영역이 도 3 의 이중 슬릿(Slit)(23)에 비하여 넓어서 파손이 잘 일어나지 않는다. 그리고 진동판이 인장 스트레스를 받는 정상적인 상황이라면 모든 강성을 완화하는 구조가 동일하게 외곽 방향으로 스트레스를 받기 때문에 원하지 않는 변형이 잘 일어나지 않는다.
진동판은 다른 예로, 도 6 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 서로 이격되게 형성되는 복수의 원호형 슬릿(202), 및 연결부(200)에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(200A)를 포함한다.
도 6 에 따른 진동판은 도 5 에 도시한 진동판의 연결부(200)에 함몰부(200A)를 삽입하여 추가적으로 강성을 완화시킨 것이다. 도 6 에 따른 진동판에서 진동부의 거리변화를 일으키는 힘은 강성을 완화하는 구조와 함몰부(200A)와 원호형 슬릿(202)으로 분산되어 작용하고 인장 스트레스는 구조 방향으로 작용하므로 함몰부(200A)에서 발생하는 뒤틀림은 적다. 또한 함몰부(200A)가 모두 하나의 원주로 연결되어 있지 않기 때문에 진동판 전체로 확산되지 않는다.
진동판은 또다른 예로, 도 7 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 및 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 하나의 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(711)를 포함한다.
도 7 에 따른 진동판은 연결부(200)에서 시작하여 적어도 하나 이상의 함몰부(711)에서 끝나는 강성을 완화하는 구조와 적어도 하나 이상의 함몰부(711)가 거리변화를 일으키는 작용을 분담하므로 변형이 잘 일어나지 않고, 파손에 대한 저항력이 강하다.
진동판은 또다른 예로, 도 8 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 및 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(811)를 포함한다.
도 8 에 따른 진동판은 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(811)가 포함하여 구현되어 뒤틀림이 진동판 전체로 확산되는 것을 막아준다. 강성을 완화시키는 정도는 작지만 파손과 뒤틀림에 대한 저항력이 강해야 하는 응용에 적합하다.
진동판은 또다른 예로, 도 9 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(811), 및 연결부(200)에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(200A)를 포함한다.
도 9 에 따른 진동판은 연결부(200)에 적어도 하나 이상의 함몰부(200A)가 포함하여 구현되어 추가적으로 강성을 완화시키고, 파손에 대한 저항력이 강하다.
진동판은 또다른 예로, 도 10 에 도시한 바와 같이 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부(도 1의 참조부호 40)와 접촉하는 연결부(200), 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 연결부(200)로부터 연장형성되며 멤브레인 전극(도 1의 참조부호 21)이 설치된 진동부(201), 진동부(201)와 복수의 홈(200B) 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(811), 및 연결부(200)에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(200A)를 포함한다.
도 10 에 따른 진동판은 연결부(200)에 이격되게 형성되는 복수의 홈(200B), 불연속적인 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(811) 및 연결부(200)에 형성되는 적어도 하나 이상의 함몰부(200A)를 포함하여 구현되어 파손에 대한 저항력이 강하면서 뒤틀림이 진동판 전체로 확산되지 않으면서 강성을 완화시키는 정도가 우수하다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 베이스기판
11: 백 챔버(Back chamber)
12: 에어 갭(Air gap)
20: 진동판
200: 연결부
200A: 함몰부
200B: 홈
201: 진동부
202: 원호형 슬릿(Slit)
203: 원주형 함몰부
21: 멤브레인 전극
22: 유연 스프링
23: 이중 슬릿(Slit)
30: 백플레이트
31: 대향 전극
32: 음향 홀(Acoustic hole)
40: 제1 지지부
41: 제2 지지부
711: 함몰부
811: 함몰부

Claims (6)

  1. 상, 하로 관통된 하나의 백 챔버(Back chamber)가 형성된 베이스기판과;
    상기 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부에 형성되는 진동판과;
    상기 진동판 위에 형성된 제2 지지부에 형성되며, 다수의 음향홀과 대향 전극이 형성되는 백플레이트를 포함하는 멤스 음향센서로서,
    상기 진동판은,
    상기 제1 지지부와 접촉하는 연결부와;
    상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과;
    상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와;
    상기 진동부와 복수의 홈 사이에, 서로 이격되게 형성되는 복수의 원호형 슬릿을 포함하는 멤스 음향센서.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 진동판은,
    상기 연결부에 적어도 하나 이상의 함몰부가 형성되는 것,
    을 특징으로 하는 멤스 음향센서.
  3. 상, 하로 관통된 하나의 백 챔버(Back chamber)가 형성된 베이스기판과;
    상기 베이스기판 위에 형성된 제1 지지부에 형성되는 진동판과;
    상기 진동판 위에 형성된 제2 지지부에 형성되며, 다수의 음향홀과 대향 전극이 형성되는 백플레이트를 포함하는 멤스 음향센서로서,
    상기 진동판은,
    상기 제1 지지부와 접촉하는 연결부와;
    상기 연결부에 이격되게 형성되는 복수의 홈과;
    상기 연결부로부터 연장형성되며 멤브레인 전극이 설치된 진동부와;
    상기 진동부와 복수의 홈 사이에 형성되며 위에서 바라볼 때 하나의 띠 형태로 형성되는 적어도 하나 이상의 제1 함몰부;
    를 포함하는 멤스 음향센서.
  4. 청구항 3 에 있어서,
    상기 진동판은,
    상기 연결부에 적어도 하나 이상의 제2 함몰부가 형성되는 것,
    을 특징으로 하는 멤스 음향센서.
  5. 청구항 3 에 있어서,
    상기 진동판은,
    상기 제1 함몰부가 불연속적인 띠 형태로 형성되는 것,
    을 특징으로 하는 멤스 음향센서.
  6. 청구항 5 에 있어서,
    상기 진동판은,
    상기 연결부에 적어도 하나 이상의 제2 함몰부가 형성되는 것,
    을 특징으로 하는 멤스 음향센서.
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