KR20210020910A - 광학 마이크 조립체 - Google Patents

Abstract

광학 마이크 조립체(38)는 강성 기판(42); 간섭계 어레인지먼트, 광원(48), 적어도 하나의 광 검출기(50) 및 인클로저(74)를 포함한다. 간섭계 어레인지먼트는 멤브레인(46) 및 멤브레인(46)으로부터 이격된 적어도 하나의 광학 요소(62)를 포함하고, 적어도 하나의 광학 요소는 기판(42)의 표면(60)을 포함하고 및/또는 기판(42)의 표면(60)에 배치된다. 광원(48)은 간섭계 어레인지먼트에 빛을 제공하도록 마련되어 빛의 제1 부분은 간섭계 어레인지먼트를 통해 제1 광학 경로를 따라 전파되고 빛의 제2 부분은 간섭계 어레인지먼트를 통해 제2 다른 광학 경로를 따라 전파되어, 멤브레인(46)과 광학 요소(62) 사이의 거리에 따라 달라지는 제1 및 제2 광학 경로 간의 광학 경로 차이를 발생시킨다. 광 검출기(들)(50)는 광학 경로 차이에 의존하는 빛의 제1 및 제2 부분에 의해 생성된 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하도록 마련된다. 인클로저(74)는 멤브레인(46)의 일측과 유체 연통하는 음향 캐비티(76)를 형성하도록 마련된다. 음향 캐비티(76)의 용적은 적어도 3mm x d²로서, d는 멤브레인(46)의 직경이다.

Description

광학 마이크 조립체

본 발명은 일반적으로 광학 마이크 조립체에 관한 것으로, 특히 광학 마이크를 수용하기 위한 음향 구조물에 관한 것이다.

마이크는 통상적으로 주변 음향 진동에 반응하여 진동하는 이동식 부재(예를 들어, 멤브레인)의 변위를 측정해서 음파를 전기 신호로 변환하는 데 사용된다. 이러한 이동식 부재의 변위를 측정하는 방식에는 여러 가지가 있다. 하나의 일반적인 방식은 용량성 판독을 사용하는 것으로, 멤브레인과 같은 이동식 부재와 후방 전극 사이의 정전용량의 측정을 포함한다. 이러한 방식으로 작동하는 마이크를 일반적으로 콘덴서 마이크라고 한다. 다이내믹 마이크와 같은 다른 유형의 마이크는 정전기 또는 전자기 효과를 기반으로 한 판독 메커니즘을 사용한다.

마이크는 높은 신호 대 잡음비(SNR) 및 높은 감도를 갖는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 마이크 멤브레인의 컴플라이언스는 가능한 높아야 한다. 본원에 사용된 바와 같이, 컴플라이언스는 주어진 압력에 의해 생성된 멤브레인의 변위를 지칭하는 것으로, 단위는 nm/Pa이다. 따라서, 더 높은 컴플라이언스 멤브레인은 주어진 압력에 반응하여 더 큰 변위를 발휘하며, 이는 주어진 음량에 대해 더 큰 변위가 생성됨을 의미한다. 그 결과, 컴플라이언스가 더 높은 멤브레인으로 구성된 마이크는 감도가 더 높다.

그러나, 통상적으로, 마이크 멤브레인의 컴플라이언스는 최대 동작과 관련된 실제적인 양태에 의해 제한된다. 예를 들어, 콘덴서 또는 용량성 마이크에서, 멤브레인과 후방 전극 사이의 거리는 작아야 한다(예를 들어, MEMS 용량성 마이크에서는 몇 미크론). 거리가 너무 큰 경우, 멤브레인과 후방 전극 사이의 정전용량이 너무 작아지고 전기 판독 잡음이 마이크의 감도를 저하시킬 것이다. 이는 멤브레인에 허용되는 최대 변위를 제한하므로, 멤브레인 컴플라이언스를 제한한다.

마이크 멤브레인의 위치를 판독하는 대안적인 방식은 광학 간섭계 판독이다. US 7,116,430호 및 US 7,184,368호는 광학 간섭계 판독을 구현하기 위한 시스템을 설명하고 있다. 개시된 시스템에서, 회절 격자는 멤브레인에 인접하게 제공되고, 전자기 방사선은 회절 격자로 향한다. 빛의 제1 부분은 격자로부터 다시 반사된다. 제2 부분은 격자를 통해 전달되어 방사선을 회절시킨다. 회절된 방사선은 멤브레인에 충돌하여 격자에 반사된다. 방사선은 격자를 통과하고 빛의 두 부분은 간섭하여 검출기에 의해 검출될 수 있는 간섭 패턴을 생성한다. 간섭 패턴은 격자의 회절 차수와 부합하는 형상(즉, 공간 분포)을 갖지만, 이러한 회절 차수로 향하는 빛의 강도는 빛의 두 부분의 상대적 위상, 및 이에 따른 격자와 멤브레인 사이의 거리에 따라 달라진다. 따라서, 멤브레인의 위치(및 이에 따른 이동)는 검출기에서 빛의 강도 변화로부터 결정될 수 있다.

US 7,116,430호는 또한 멤브레인의 평형 위치를 조정하여 마이크의 동적 범위를 증가시키기 위해 정전기 작동을 사용하는 방법을 설명하고 있다. EP 14732548호는 증가된 동적 범위를 제공하는 간섭계 판독 방법을 설명하고 있다. 하나보다 많은 회절 격자가 제공되며, 회절 격자는 마이크 멤브레인에 대해 서로 다른 위상 오프셋을 갖는다. 서로 다른 위상 오프셋은 예를 들어 멤브레인에 대해 높이 오프셋이 서로 다른 격자를 위치시킴으로써 제공되지만, 이는 예를 들어 광학 지연막을 사용하여 다른 방식으로 달성될 수도 있다. 그 결과, 상대적인 위상 오프셋을 갖는 다수의 광 신호가 생성된다. 광학 측정을 제공하기 위해 신호를 조합하면 마이크의 작동 범위가 확장된다.

광학 판독은 멤브레인과 후방 전극 사이의 정전용량에 의존하지 않으므로, 전술한 방식으로 멤브레인의 최대 변위(및 이에 따른 컴플라이언스)를 제한할 필요가 없다. 또한, 광학 판독은 "스틱션"으로 인해 야기되는 잠재적인 영구적 손상의 위험을 방지한다. 멤브레인이 후방 전극을 향해 너무 멀리 변위되면 용량성 마이크에서 스틱션이 발생한다. 멤브레인은 정전용량을 형성하기 위해 충전되어야 하므로, 후방 전극을 향한 멤브레인의 과도한 이동으로 인해 멤브레인은 접촉할 때까지 후방 전극으로 불안정하게 견인되어 붕괴할 것이고, 이는 마이크의 기능을 손상시키고 잠재적으로 영구적 손상을 야기할 것이다. 광학 마이크에서, 멤브레인은 충전될 필요가 없으므로 스틱션이 발생할 가능성이 훨씬 적다.

전술한 이유 때문에, 광학 판독은 멤브레인의 더 큰 최대 변위를 가능하게 하여 더 높은 컴플라이언스 멤브레인을 사용할 수 있다.

그러나, 광학 마이크 멤브레인의 컴플라이언스는 완전히 제한되지 않는 것은 아니며, 특히 마이크의 하우징과 관련된 다른 요인은, 높은 컴플라이언스 멤브레인이 사용될 수 있는 경우에도, 멤브레인 컴플라이언스에 다른 제한을 부과하고 및/또는 마이크의 성능을 저하시킨다. 그러므로, 출원인은 광학 마이크에 대해, 특히 높은 컴플라이언스 멤브레인에 대해, 더 큰 마이크 감도가 달성될 수 있도록 개선된 음향 하우징 구조를 개선된 광학 마이크가 구비하는 것이 바람직함을 인식했다.

제1 양태에서 볼 때, 본 발명은

강성 기판; 및

간섭계 어레인지먼트를 포함하는 광학 마이크 조립체를 제공하고, 간섭계 어레인지먼트는 멤브레인 및 멤브레인으로부터 이격된 적어도 하나의 광학 요소를 포함하고, 적어도 하나의 광학 요소는 기판의 표면을 포함하고 및/또는 기판의 표면에 배치되고, 광학 마이크 조립체는,

간섭계 어레인지먼트에 빛을 제공하도록 마련되어 빛의 제1 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 제1 광학 경로를 따라 전파되고 빛의 제2 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 제2 다른 광학 경로를 따라 전파되어, 멤브레인과 광학 요소 사이의 거리에 따라 달라지는 제1 및 제2 광학 경로 간의 광학 경로 차이를 발생시키는, 광원;

광학 경로 차이에 의존하는 빛의 제1 및 제2 부분에 의해 생성된 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하도록 마련된 적어도 하나의 광 검출기; 및

멤브레인의 일측과 유체 연통하는 음향 캐비티를 형성하도록 마련된 인클로저를 더 포함하고; 음향 캐비티의 용적은 적어도 3mm x d²로서, d는 멤브레인의 직경이다.

본 발명은 광학 마이크 조립체를 작동시키는 방법과 관련되며, 광학 마이크 조립체는

강성 기판;

간섭계 어레인지먼트로서, 간섭계 어레인지먼트는 멤브레인 및 멤브레인으로부터 이격된 적어도 하나의 광학 요소를 포함하고, 적어도 하나의 광학 요소는 기판의 표면을 포함하고 및/또는 기판의 표면에 배치되는, 간섭계 어레인지먼트;

광원;

적어도 하나의 광 검출기; 및

멤브레인의 일측과 유체 연통하는 음향 캐비티를 형성하도록 마련된 인클로저를 포함하고; 음향 캐비티의 용적은 적어도 3mm x d²로서, d는 멤브레인의 직경이고; 본 방법은

광원이 간섭계 어레인지먼트에 빛을 제공하여 빛의 제1 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 제1 광학 경로를 따라 전파되고 빛의 제2 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 제2 다른 광학 경로를 따라 전파되어, 멤브레인과 광학 요소 사이의 거리에 따라 달라지는 제1 및 제2 광학 경로 간의 광학 경로 차이를 발생시키는 단계; 및

광 검출기(들)가 광학 경로 차이에 의존하는 빛의 제1 및 제2 부분에 의해 생성된 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 간섭계 어레인지먼트의 일부를 형성하는 광학 요소는, 종래 기술에서 사용된 비교적 가요성인 구조와는 대조적으로, 강성인 기판의 표면을 포함하거나 그 표면에 배치됨을 알 수 있다. 예를 들어, US 7,116,430호의 마이크는 얇은 매달린 구조물 형성된 회절 격자를 사용한다. 강성 기판의 표면에 광학 요소를 형성함으로써, 기판에서 (예를 들어, 음향파 또는 주변 음향 잡음으로부터의) 진동이 크게 감소된다. 이는 다른 방식으로 마이크 조립체 감도를 저하시키고 높은 컴플라이언스 멤브레인의 이점을 얻을 수 없게 하는 잡음 진동의 영향을 크게 감소시킨다. 또한, 본 발명의 이점 없이, 멤브레인을 진동시키는 유입 음향파는, 예를 들어 멤브레인과 기판 사이의 용적 내 압력 변화로 인해, 기판을 이동시킬 수도 있다. 이는 또한 높은 컴플라이언스 멤브레인의 이점을 얻는 것을 방지할 것이다. 본 발명에 따른 강성 기판은 이러한 압력 영향을 개선한다.

기판이 강성이라고 할 때, 이는 기판이 유입되는 음향파와 같은 힘 또는 압력에 반응하여 진동과 같은 상당한 이동을 겪지 않음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 기판은 멤브레인의 컴플라이언스보다 낮은, 예를 들어 10배 낮거나, 20배 낮거나, 또는 50배 낮은, 컴플라이언스를 가질 수 있다. 이와 관련하여, "컴플라이언스"는 멤브레인과 관련해서 위에서 정의된 바와 동등한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 하고, 즉 기판 컴플라이언스는 주어진 압력에 의해 생성된 기판의 표면의 변위를 지칭하는 것으로, nm/Pa 단위로 주어진다.

강성 기판은 두껍기 때문에 강성일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기판은 적어도 10마이크로미터의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 더 두꺼운 기판을 제공함으로써 더 큰 감도가 달성될 수 있다. 따라서, 한 세트의 실시예에서, 기판의 두께는 적어도 50마이크로미터, 더 바람직하게는 적어도 200마이크로미터이다.

또한, 본 발명에 따르면, 음향 캐비티의 최소 용적은 멤브레인의 직경(d) 측면에서 정의됨을 알 수 있다. 이는 전술한 강성 기판과 결합될 때 후술될 이유로 인해 유리하다.

본 발명에 따른 마이크는 유입되는 음향파의 압력으로부터 발생하는 멤브레인의 두 측면 사이의 압력 차이에 의해 편향되는 멤브레인으로 구현된다. 출원인은 멤브레인 편향으로부터 유입되는 음향파의 압력을 정확하게 결정하기 위해 유입파로부터 멤브레인의 다른 측면 상의 압력이 일정하게 유지되거나 또는 가능한 일정해야 한다는 것을 인식했다.

종래 기술에서, 통상적으로 공기의 용적을 둘러싸는 음향 캐비티는 칩 상의 멤브레인 아래에 제공된다. 이는 유입되는 음향파가 멤브레인의 양측에 충돌하는 것을 방지한다(임의의 압력 차이를 상쇄함). 그러나, 멤브레인이 유입파에 의해 편향되면, 캐비티 내의 공기가 압축된다. 공기의 압축은 캐비티 내의 압력 증가를 초래하여, 멤브레인 편향에 대해 효과적으로 밀게 된다. 이는, 특히 (압축이 가장 큰 경우에) 더 큰 편향에서, 멤브레인의 강화와 동등한 효과를 생성한다. 낮은 컴플라이언스 멤브레인의 경우, 편향이 상대적으로 작으므로 이러한 추가적인 강화 효과는 유의미하지 않다. 그러나, 높은 컴플라이언스 멤브레인의 경우, 멤브레인의 최대 편향이 클수록 멤브레인의 추가 강화가 중요해지는 것을 의미한다. 이는 캐비티에서 공기압의 증가로 인해 멤브레인이 최대로 진동하는 것을 방지하기 때문에 멤브레인 컴플라이언스를 효과적으로 감소시킨다.

출원인은 (전술한 효과적인 강화가 상당한 효과가 있기 시작하는 멤브레인 컴플라이언스를 고려하기 위하여) 3mm의 추가 요인으로 멤브레인의 최대 편향(직경 제곱 d²에 대략 비례함)을 고려한 음향 캐비티 용적을 선택함으로써, 멤브레인 편향으로 인한 공기 압축이 멤브레인의 상당한 강화를 유발하지 않을 만큼 충분히 큰 용적을 선택할 수 있음을 이해했다. 유리하게는, 인클로저의 사용은 큰 음향 캐비티를 가능하게 한다. 이는 예를 들어 마이크 칩이 PCB에 장착되고 음향 캐비티가 마이크 칩 아래에 중공 공간 형태로 제공되는 종래의 마이크와 대조적이다. 이러한 어레인지먼트에서, 음향 캐비티 크기는 마이크 칩의 크기(통상적으로 약 1mm x 1mm일 수 있음)에 의해 제한된다. 이러한 마이크의 신호 대 잡음비(SNR)는 통상적으로 약 63dB로 제한된다.

바람직하게는, 광학 마이크 조립체는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 광학 마이크를 포함하고, 적어도 간섭계 어레인지먼트, 바람직하게는 광원 및 광 검출기는 함께 MEMS 광학 마이크를 형성한다. 미세 전자 기계 시스템(MEMS)이란 용어의 의미는 당업자가 잘 이해하고 있으므로, 광학 마이크가 "MEMS 광학 마이크"라고 볼 때, 이는 광학 마이크가 예를 들어 미세 가공 기술을 사용하여 제조되었을 수 있는 소형화된 기계 및/또는 전자 기계 요소(즉, 장치 및 구조물, 예를 들어 간섭계 어레인지먼트)를 포함하는 것을 의미함을 이해할 것이며, 여기서 소형화는 소형화된 요소의 물리적 치수가 마이크로미터의 규모이고, 예를 들어 물리적 치수는 최대 1밀리미터 또는 그보다 짧을 수 있지만, "MEMS"는 최대 5mm 또는 최대 10mm와 같은 수 밀리미터의 치수를 포함하는 것으로 이해된다. 따라서, 음향 캐비티의 용적, 즉 적어도 3mm x d²(d는 멤브레인의 직경임)은 통상적으로 MEMS 광학 마이크의 크기에 비해 클 것이다. 인클로저는 예를 들어 MEMS 기술과 다른 기술을 사용하여 제조된 비MEMS 인클로저일 수 있다. 간섭계 어레인지먼트는 MEMS 간섭계 어레인지먼트일 수 있다.

멤브레인 및 광학 요소는, 예를 들어 위에서 명시된 바와 같이 MEMS의 이해된 의미 내에서 MEMS 구성요소인 단일 구조물(예를 들어, 복합 구조물)의 일부이도록, MEMS 구성요소에 일체화될 수 있다.

한 세트의 실시예에서, 음향 캐비티의 용적은 적어도 7mm x d²이다. 멤브레인 컴플라이언스의 값에 직접 기초하여 캐비티 용적을 선택하는 것도 유리할 수 있다. 따라서, 한 세트의 실시예에서, 음향 캐비티 대 멤브레인 컴플라이언스의 용적 비율은 적어도 10mm³:100nm/Pa이다. 한 세트의 실시예에서, 음향 캐비티의 용적은 적어도 d³의 2배로서, d는 멤브레인의 직경이다.

따라서, 강성 기판을 상대적으로 큰 음향 캐비티 용적과 조합함으로써, 특히 높은 컴플라이언스를 갖는 멤브레인에 대해 더 큰 마이크 감도 및 SNR을 얻을 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 특징 중 어느 하나가 없으면, 낮은 유효 컴플라이언스로 이어지는 멤브레인 강화에 의해 또는 진동 잡음으로 인해 감도 및 SNR이 저하된다. 출원인은 이러한 특징을 조합하여 제공하면 높은 컴플라이언스 멤브레인을 사용함으로써 더 큰 이점을 얻을 수 있음을 인식했다(하지만, 본 발명의 이점은 비록 그 정도는 아니지만 더 낮은 컴플라이언스 멤브레인에 대해 여전히 볼 수 있음을 이해할 것이다).

한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체는 기판을 통한 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 포함한다. 개구(들)가 기판을 "통과"한다고 볼 때, 이는 전면으로부터 반대편 후면까지 기판을 완전히 통과해 연장되는 개구(들)로 제한되지는 않지만, 이러한 가능성을 포함한다. "통한(통과)"은 개구(들)가 기판에 형성되어 적어도 부분적으로 그를 통한 공기의 통과를 가능하게 하지만, 개구(들)는 임의의 방향으로, 예를 들어 전면으로부터 후면으로, 전면 또는 후면으로부터 에지면으로, 또는 다른 방향으로, 연장될 수 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

음향 캐비티에 더하여, 광학 마이크 조립체는 간극 용적을 포함할 수 있으며, 기판과 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성한다. 따라서, 음향 캐비티는 기판의 광학 요소와 멤브레인 사이의 간극 용적으로만 구성되지 않음을 이해해야 한다. 간극 용적은 음향 캐비티보다 실질적으로 작을 수 있는 데, 예를 들어 음향 캐비티 용적의 10% 미만, 음향 캐비티 용적의 5% 미만, 또는 음향 캐비티 용적의 1% 미만일 수 있다.

한 세트의 실시예에서, 기판과 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 광학 마이크 조립체는 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 더 포함하여 간극 용적은 개구를 통해 마이크 조립체의 외부와 유체 연통한다.

다른 세트의 실시예에서, 기판과 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 광학 마이크 조립체는 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 더 포함하여 음향 캐비티는 개구를 통해 간극 용적과 유체 연통한다.

마이크 조립체 외부 또는 음향 캐비티와 간극 용적을 연결하는 하나 이상의 개구는 기판에 형성될 수 있지만, 하나/복수의 개구는 추가적으로 또는 대안적으로 마이크 조립체의 다른 부분에 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 하나/복수의 개구는 스페이서부에, 기판이 장착되는 조립체 베이스부에, 광원 및/또는 검출기를 수용하는 판독 모듈에, 및/또는 마이크 조립체의 다른 부분에 형성될 수 있다.

개구(들)가 공기 통로를 제공한다고 볼 때, 이는 공기가 개구(들)에 의해 유동적으로 연결된 공기의 용적 사이에 실질적으로 순간적인 압력 균등화를 생성하도록 개구를 통해 충분히 자유롭게 유동할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 개구(들)가 간극 용적을 음향 캐비티에 연결하는 경우, 이에 의해 간극 용적 및 음향 캐비티는 단일 순간 압력을 갖는 단일 용적으로서 효과적으로 작용한다. 개구(들)가 간극 용적과 마이크 조립체 외부 사이에 공기 통로를 제공하는 경우, 이는 음향파가 음향파 압력에 의해 멤브레인의 변위를 통해 검출될 수 있도록 개구(들)를 통해 멤브레인으로 전파될 수 있음을 의미한다.

그러므로, 전술한 개구(들)는 음향 캐비티와 마이크 조립체 외부 사이의 압력의 정적 균등화를 가능하게 하도록(예를 들어, 마이크가 고압 또는 저압의 환경에서 기능할 수 있도록) 제공된 벤트 홀과 상이하지만, 이러한 벤트 홀이 제공될 수 있음을 이해할 것이다.

한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체는 기판의 중앙 지지부를 둘러싸는 복수의 개구를 포함하고, 광학 요소(들)는 중앙 지지부에 제공된다.

출원인은 공기 통로를 제공하기 위한 개구를 사용하면 마이크의 주파수 응답에 영향을 미칠 수 있음을 발견했다. 예를 들어, 공진 또는 증가된 유효 멤브레인 질량이 마이크 주파수 응답에서 분명해질 수 있다. 그러나, 출원인은 또한 주파수 응답이 개구의 치수를 변경함으로써 유리하게 영향을 받을 수 있음을 이해했다. 예를 들어, 개구(들)는 마이크의 주파수 응답에서 공진 피크를 발생시킬 수 있다. 출원인은 개구의 크기(예를 들어, 기판의 평면에서의 폭)를 증가시키면 공진 피크의 중심 주파수가 증가하여, 예를 들어 대략 인간 청력의 상한인 20kHz보다 높은, 관심 주파수 범위 외에 있게 된다. 특히, 출원인은 일부 실시예에서 200마이크로미터와 같은 수백 마이크로미터의 길이(즉, 기판의 평면에서의 또는 개구가 형성되는 표면의 평면에서의 최대 범위)가 적절한 주파수 응답을 제공한다는 점을 발견했다. 한 세트의 실시예에서, 그 개구 또는 각 개구는 기판의 평면에서, 또는 그 개구 또는 각 개구가 형성되는 표면의 평면에서 적어도 0.2mm의 최대 범위를 갖는다. 다른 실시예에서, 그 개구 또는 각 개구의 최대 측방향 범위는 적어도 50마이크로미터, 적어도 100마이크로미터, 또는 적어도 300마이크로미터와 같은 다른 값을 가질 수 있다.

출원인은 적합하거나 바람직한 주파수 응답을 얻기 위한 최대 측방향 범위의 최소 값이 기판의 두께에 따라 달라질 수 있음을 이해했다. 구체적으로, 더 두꺼운 기판은 개구(들)의 최대 측방향 범위의 더 큰 값으로부터 이점을 얻을 수 있다. 한 세트의 실시예에서, 그 개구 또는 각 개구는 기판의 평면에서 기판의 두께보다 크거나 같은 최대 범위를 갖는다. 다른 값도 가능한 데, 예를 들어 그 개구 또는 각 개구는 기판의 평면에서 기판의 두께의 절반보다 크거나 같은, 또는 기판 두께의 2배보다 크거나 같은 최대 범위를 가질 수 있다.

한 세트의 실시예에서, 개구(들)는 기판 및 층을 통해 연장되는 복합 공기 채널을 형성하도록 기판에 추가하여 다른 구조물 또는 층을 통해 제공될 수 있고, 예를 들어 기판이 스페이서에 장착되는 경우, 개구는 스페이서 및 기판을 통해 연장될 수 있다. 이러한 경우, 복합 공기 채널의 추가 길이를 고려하여 개구의 크기는 더 클 수 있다. 한 세트의 실시예에서, 그 개구 또는 각 개구는 기판의 평면에서 그 개구 또는 각 개구의 전체 길이의 절반보다 크거나 같은, 바람직하게는 그 개구 또는 각 개구의 전체 길이보다 크거나 같은 최대 범위를 갖는다. 길이는 개구(들)가 예를 들어 기판의 평면에 수직인 방향으로 형성되는 기판 및 임의의 다른 구조물을 통한 개구(들)의 범위를 의미함을 이해할 것이다.

최적의 개구 크기는 광학 마이크 조립체의 특정 파라미터에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 일반적으로, 임의의 실시예에 대해, 기판의 평면에서 그 개구 또는 각 개구의 최대 범위는 15kHz 미만(바람직하게는 20kHz 미만)의 주파수에서 10dB 미만(바람직하게는 5dB 미만)의 주파수 왜곡을 부여하도록 선택될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 주파수 왜곡은 측정된 주파수 응답과 편평한 주파수 응답 간의 차이를 의미한다.

한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체는 기판에 관통홀을 포함하고, 관통홀은 멤브레인과 실질적으로 유사한 치수를 가지며 멤브레인과 실질적으로 중첩하며, 광학 마이크 조립체는 중앙 지지체를 관통홀의 둘레 주위에서 기판에 연결하는 복수의 일체로 형성된 반경 방향으로 연장되는 지지 요소를 더 포함하고, 광학 요소(들)는 중앙 지지체에 제공된다. 출원인은 전술한 진동 및 압력 영향으로 인한 마이크 감도의 저하를 방지하기 위해 기판 및 일체로 형성된 지지 요소의 충분한 강성을 유지하면서 멤브레인으로의 공기 흐름을 위해 멤브레인과 관통홀이 충분히 중첩하므로 이러한 실시예가 특히 유리하다는 점을 발견했다.

한 세트의 실시예에서, 기판과 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 관통홀은 공기 통로를 제공하여 간극 용적은 관통홀을 통해 마이크 조립체의 외부와 유체 연통한다.

한 세트의 실시예에서, 기판과 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 관통홀은 공기 통로를 제공하여 음향 캐비티는 관통홀을 통해 간극 용적과 유체 연통한다.

개구(들) 또는 관통홀이 간극 용적과 마이크의 외부 사이에 공기 통로를 제공하는 실시예에서, 인클로저는 기판으로부터 먼 쪽을 향하는 멤브레인의 측면에 음향 캐비티를 형성하도록 위치될 수 있다.

개구(들) 또는 관통홀이 간극 용적과 음향 캐비티 사이에 공기 통로를 제공하는 실시예에서, 인클로저는 기판을 향하는 멤브레인의 측면에 음향 캐비티를 형성하도록 위치될 수 있다.

한 세트의 실시예에서, 개구 또는 관통홀과 중첩하는 멤브레인의 면적은 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 80%이다. 넓은 중첩 영역을 제공하면 개구(들)/관통홀에서 공기 질량의 음향 임피던스를 감소시키는 데 도움이 되어, 마이크 주파수 응답에서의 공진과 같은 바람직하지 않은 인공물을 감소시키거나 제거하는 데 도움이 되는 점에서 유리하다.

바람직한 실시예에서, 멤브레인 컴플라이언스는 적어도 50nm/Pa, 바람직하게는 적어도 100nm/Pa이다. 전술한 바와 같이, 멤브레인은 음향파에 반응하여 더 큰 편향을 겪을 수 있기 때문에, 높은 멤브레인 컴플라이언스를 통해 마이크 감도 및 SNR을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 높은 편향에서 진동 및 멤브레인 강화 효과를 개선함으로써 이러한 더 큰 컴플라이언스의 이점을 실현할 수 있다. 그러므로, 높은 컴플라이언스, 즉 적어도 25nm/Pa, 바람직하게는 적어도 50nm/Pa, 더 바람직하게는 적어도 75nm/Pa를 갖는 멤브레인을 제공하는 것이 유리하지만, 본 발명의 이점은 이러한 예보다 더 크고 더 낮은 컴플라이언스에서 얻을 수 있음을 이해할 것이다.

한 세트의 실시예에서, 멤브레인에는 그 내부의 면내 장력을 감소시키기 위해 적어도 하나의 코러게이션이 형성된다. 코러게이션이 멤브레인에서 면내 장력을 감소시키는 것으로 설명될 때, 이는 코러게이션이 없지만 이와 달리 코러게이션형 멤브레인과 동일한 동등한 멤브레인에 존재하는 면내 장력에 비해 면내 장력이 감소되는 것으로 의미함을 이해할 것이다. 따라서, 그 내부의 면내 장력을 감소시키기 위해 멤브레인에 적어도 하나의 코러게이션을 제공함으로써, 멤브레인의 기계적 특성이 코러게이션이 없는 동등한 멤브레인에 비해 변화되는 점을 당업자는 이해할 것이다.

특히, 코러게이션 없이 제조된 동등한 멤브레인은 높은 고유 인장 응력을 가질 수 있으며, 따라서 적어도 하나의 코러게이션을 제공하면 (예를 들어, 폰 미제스 응력 측면에서 표현되는 바와 같이) 멤브레인의 영역에서 응력을 줄일 수 있다. 더 후술될 바와 같이, 예를 들어 코러게이션(들)의 영역에서, 로컬 응력은 증가될 수 있는 반면, 코러게이션(들)의 존재는 멤브레인의 중심 근처와 같은 멤브레인의 다른 부분에서 응력을 완화시킨다. 따라서, 멤브레인에서 면내 장력을 줄이면 멤브레인의 컴플라이언스를 증가시킬 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, 코러게이션이란 용어는 다른 부분에서 언듈레이션 폭의 길이 스케일에서 실질적으로 평면인 표면에서의 언듈레이션을 지칭하며, 즉 언듈레이션은 이와 달리 실질적으로 평면 표면에서의 리지 또는 홈일 수 있다. 코러게이션은 표면의 일측에서 볼 때 코러게이션이 오목한 홈이고 다른 표면에는 대응하는 볼록한 리지가 있도록 형성될 수 있다.

일부 바람직한 실시예에서, 이러한 멤브레인은 복수의 코러게이션을 포함한다. 코러게이션은 일정한 거리만큼 분리될 수 있으며, 예를 들어 평행선 또는 동심원일 수 있다. 적어도 3개의 코러게이션을 갖는 실시예에서, 인접한 코러게이션 쌍 사이의 간격은 동일할 수 있으며, 즉 코러게이션은 균일하게 이격될 수 있다.

바람직하게는, 멤브레인은 코러게이션이 없는 중앙부를 포함한다. 이러한 실시예에서, 광학 요소 및 광원은 바람직하게는 광학 요소를 통과하거나 광학 요소에 충돌하는 빛이 실질적으로 멤브레인의 중앙부에 입사하도록 배치된다. 이는 중앙부가 적절한 반사면을 제공할 수 있으며, 예를 들어 중앙부가 평면일 수 있는 반면, 중앙부 주위에 코러게이션을 제공하면 멤브레인의 에지에서의 높은 응력으로부터 멤브레인의 중심에서의 낮은 응력으로 멤브레인 응력을 전반적으로 감소시켜, 원하는 높은 컴플라이언스를 발생시킬 수 있는 이점을 제공한다. 예시적인 바람직한 실시예에서, 복수의 코러게이션이 멤브레인의 에지 근처에 동심원으로 제공되어 배열되는 반면, 멤브레인의 중앙 원형부에는 코러게이션이 없다.

출원인은 본 발명에 따른 멤브레인의 특성이 유리하게 조정될 수 있고, 이에 따라 멤브레인 및 코러게이션 치수, 코러게이션의 수 및/또는 위치 등과 같은 멤브레인 및 코러게이션의 특정 파라미터를 선택함으로써 최적화될 수 있음을 발견했다.

코러게이션의 수는 공진 주파수를 특정 임계 값을 초과하여 유지하면서 주어진 치수(예를 들어, 주어진 직경)의 멤브레인에 대해 가능한 가장 높은 마이크 감도를 만족시키기 위해 선택될 수 있다. 마이크의 공진 주파수는 유용한 대역폭의 상한에 해당하며, 대부분의 경우 통상적으로 공진 주파수를 사람이 들을 수 있는 음파의 주파수 범위보다 높게, 예를 들어 20kHz보다 높게, 유지하는 것이 바람직하다. 일부 바람직한 실시예에서, 멤브레인에서 코러게이션의 수는 10 내지 30이다. 일 예로, 실리콘 질화물로 이루어진 3mm 직경의 멤브레인의 경우, 17개의 코러게이션이 최대 컴플라이언스(및 이에 따른 감도)를 제공하면서 20kHz보다 높은 공진 주파수를 갖는 것으로 밝혀졌다.

일부 바람직한 실시예에서, 멤브레인 및 주름은 다음과 같은 바람직한 치수를 갖는다. 멤브레인은 원형일 수 있다. 멤브레인은 1mm와 4mm 사이의 최대 측방향 치수(예를 들어, 직경)를 가질 수 있다. 멤브레인의 두께는 50nm와 500nm 사이일 수 있다. 코러게이션의 피치는 5μm와 15μm 사이일 수 있다. 코러게이션의 폭은 10μm와 20μm 사이일 수 있다. 코러게이션의 깊이는 500nm와 2000nm 사이일 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "피치"는 코러게이션 사이의 분리, 즉 두 코러게이션을 분리하는 평면 영역의 폭을 지칭한다. "폭"은 코러게이션을 형성하는 멤브레인의 표면의 영역의 최소 측방향 치수를 지칭한다. "깊이"는 코러게이션이 형성되는 실질적으로 평면 표면으로부터 코러게이션 표면이 벗어나는 최대 수직 거리를 지칭한다.

멤브레인 및 코러게이션의 최적 파라미터는 멤브레인이 제조되는 재료에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 전술한 예시적인 파라미터 값은 멤브레인이 실리콘 질화물(Si₃N₄)로 이루어진 실시예에서 바람직할 수 있다.

멤브레인은 적절한 특성을 갖는 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 재료를 선택할 때 고려될 수 있는 원하는 특성 및 파라미터는 (멤브레인 진동 모드에 영향을 미치는) 멤브레인의 중량 및 강성; 재료 항복 강도; 재료 영률; 및 예를 들어 저압 화학 기상 증착(LPCVD)에 의해 높은 반복성으로 재료가 증착될 수 있는 용이성을 포함한다. 멤브레인의 중량은 멤브레인 재료의 밀도 뿐만 아니라 멤브레인의 치수에 따라 달라짐을 이해할 것이다. 또한, 멤브레인의 강성은 멤브레인 재료의 영률 뿐만 아니라 멤브레인의 치수 및 형상에 따라 달라짐을 이해할 것이다.

항복 강도와 관련하여, 더 자세히 후술될 바와 같이, 멤브레인에 하나 이상의 코러게이션을 포함하면 멤브레인의 에지로부터 중심까지 멤브레인의 응력을 (예를 들어, 몇 자릿수만큼) 상당히 감소시켜, 높은 컴플라이언스로 이어질 수 있다. 응력의 감소는 주로 코러게이션(예를 들어, 연속적인 코러게이션)으로 인한 멤브레인 재료의 신장에 의해 야기된다. 멤브레인에 코러게이션을 제공하면 (피치 및 밸리 영역에서) 연속적으로 높은 국부 인장 응력 및 (피치와 밸리 영역 사이의 코너에서) 높은 국부 압축 응력이 발생한다. 따라서, 높은 응력의 영역에서 기계적 고장(예를 들어, 파단)의 위험을 줄이기 위해, 멤브레인은 높은 항복 강도를 갖는 것이 바람직한데, 이는 멤브레인에 적합한 재료를 선택함으로써, 예를 들어 후술될 바와 같이 충분히 높은 영률을 가진 재료를 선택함으로써, 달성될 수 있다.

마이크 조립체는 광학 마이크 조립체이므로, 멤브레인 변위의 판독은 콘덴서 마이크와 같은 종래 기술의 마이크에서와 같이 정전기 현상에 의존하지 않는다. 그러므로, 멤브레인이 전도성일 필요가 없다. 정전기 작동을 방지하면 멤브레인에 정전기 전하를 인가하는 데 의존하는 종래 기술의 마이크 이상의 많은 이점을 제공한다. 전술한 바와 같이, 정전기 판독 또는 작동으로 인해 멤브레인이 후방 전극 또는 격자에 너무 가까워지면 붕괴될 수 있다. 이는 멤브레인의 큰 변위가 멤브레인을 붕괴시킬 가능성이 더 많기 때문에 높은 컴플라이언스를 갖는 멤브레인을 사용하기 어렵게 한다. 정전기 작동 및 판독도 먼지를 끌어당기거나, 또는 응결로 인해 단락될 수 있어 고습도 환경에서 사용하기 어려울 수 있다.

따라서, 재료의 선택은 기계적 및 처리 특성에 기초하여 이루어질 수 있으며, 멤브레인이 전도성일 필요가 없으므로 반드시 재료의 전기적 특성에 기초할 필요가 없음을 이해할 것이다. 따라서, 제1, 제2, 및 제3 양태 외의 양태에 따르면, 멤브레인은 전도성 또는 반도체성일 수 있지만, 바람직한 실시예에서 멤브레인은 비전도성이다. 실제로 적절한 기계적 및 처리 특성을 갖는 많은 재료는 비전도성이다. 그러나, 정전기 판독 또는 작동을 사용하지 않는 것과 연관된 이점은 멤브레인의 전도성 특성이 사용되지 않는 경우에 전도성 또는 반도체성 멤브레인을 사용하여 달성될 수도 있다. 본 발명의 방법의 한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체의 작동 시 어떠한 전류 또는 정전기 전하도 멤브레인에 인가되지 않는다.

일부 바람직한 실시예에서, 멤브레인 재료는 질화물 재료이지만, 반도체 재료 및 탄화물 재료를 포함하는 다른 재료가 사용될 수 있다. 멤브레인 재료는 아래의 표 1에 열거된 재료로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

출원인은 200GPa 이상의 영률을 갖는 재료가 증가된 컴플라이언스를 갖는 코러게이션형 멤브레인을 제조하는 데 특히 적합하다는 것을 발견했다. 따라서, 일부 바람직한 실시예에서, 멤브레인은 영률이 적어도 200GPa인 재료로 이루어진다.

또한, 출원인은 멤브레인과 동일한 증착 조건 하에서 코러게이션 없이 증착될 때 적어도 1GPa의 고유 인장 응력을 갖는 재료로부터 코러게이션형 멤브레인을 제조하는 것이 특히 유리하다는 것을 이해했다. 이러한 재료로 제조된 멤브레인은 유리하게는 온도 변화에 대한 컴플라이언스의 증가된 안정성을 발휘한다. 이러한 재료로 멤브레인을 제조할 때, 하나 이상의 코러게이션이 존재하면 멤브레인 에지로부터 이격된 영역에서 높은 인장 응력을 완화하는 효과가 있으므로 코러게이션형 멤브레인은 중심에서보다는 멤브레인의 에지에서 훨씬 더 높은 인장 응력을 갖는다. 중심에서의 더 낮은 응력 영역은 증가된 컴플라이언스를 제공하는 반면, 높은 응력 영역은 온도 변화에 따른 기계적 특성의 훨씬 작은 변화를 나타내므로 더 높은 응력 영역은 온도 변화에 대한 버퍼로서 작용한다.

따라서, 바람직한 실시예에서, 멤브레인은 멤브레인과 동일한 치수의 평면 멤브레인으로서 증착될 때 적어도 1GPa의 고유 인장 응력을 갖는 재료로 이루어진다.

보다 일반적으로, 멤브레인 재료는 멤브레인의 주변에서 인장 응력이 적어도 800MPa이되도록 선택될 수 있으며, 멤브레인은 멤브레인의 중앙 영역에서의 인장 응력이 주변에서의 인장 응력보다 더 작도록 적어도 하나의 코러게이션으로 형성된다.

주변에 비해 중앙부에서의 인장 응력 감소는 적어도 부분적으로 코러게이션(들)의 존재를 야기함을 이해할 것이다. 중앙부는 코러게이션(들)에 의해 주변으로부터 분리될 수 있고, 예를 들어 중앙 영역은 코러게이션(들)으로 둘러싸일 수 있다. 멤브레인 중앙 영역에서의 인장 응력은 주변에서의 인장 응력의 50% 미만일 수 있다.

본 발명의 임의의 양태에 따르면, 멤브레인의 중앙 영역에서의 인장 응력(예를 들어, 폰 미제스 응력)은 50MPa 미만일 수 있으며, 이는 대략 200nm/Pa의 멤브레인 컴플라이언스를 발생시킬 수 있다. 이러한 특징은 멤브레인이 동등한 평면 멤브레인으로서 증착될 때 적어도 1GPa의 고유 인장 응력을 갖는 재료로 이루어지는 실시예에서 특히 바람직하다. 인장 응력의 감소는 위에서 교시된 바와 같이 적절한 코러게이션 파라미터(예를 들어, 코러게이션의 수, 위치 및/또는 치수)의 선택을 통해 달성될 수 있음을 이해할 것이다.

증착의 용이성과 관련하여, 실리콘 질화물(Si₃N₄)은 우수한 반복성으로 LPCVD(저압 화학 기상 증착)를 통해 증착될 수 있다. 따라서, 일부 바람직한 실시예에서, 멤브레인 재료는 실리콘 질화물을 포함한다.

멤브레인은 환형 마운트와 같은 지지체에 배치되는 것이 바람직하다. 지지체는 실리콘을 포함할 수 있다. 지지체는 유리 기판과 같은 기판에 장착될 수 있다.

한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체는 복수의 광학 요소를 포함하고, 광학 요소의 각각은 기판의 표면을 포함하고 및/또는 그 상에 배치되고, 광원으로부터 검출기 중 하나로 전파되는 빛에 대한 멤브레인과 각 광학 요소 사이의 각각의 광학 경로 길이는 광학 요소마다 상이하다.

유리하게는, 이러한 어레인지먼트를 통해 마이크의 동적 범위는 확장될 수 있다. 서로 다른 광학 경로 길이는 서로 다른 위상 오프셋을 제공하여, 상대적인 위상 오프셋을 갖는 다수의 광 신호를 생성한다. 광학 측정을 제공하기 위해 신호를 조합하면 마이크의 작동 범위가 확장될 수 있다.

광학 경로 길이의 차이는, 예를 들어 단차진 프로파일을 갖는 기판을 사용하여, 격자에 대해 상이한 높이 오프셋을 갖는 광학 요소를 위치시킴으로써 제공될 수 있다. 그러나, 광학 요소와 격자 사이의 물리적 거리의 차이에 의해 광학 경로 차이가 제공되는 것은 필수적이지 않다. 광학 경로 길이의 차이는 비평면 프로파일을 갖는 기판을 반드시 필요로 하지 않고 다른 방식으로 제공될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점은 간섭계 어레인지먼트의 일부를 형성하는 광학 요소가 강성 기판의 표면에 배치되고 및/또는 이를 포함하는 점에 있다. 이는 낮은 종횡비를 갖는 광학 요소 및/또는 다른 광학 구성요소 구조물을 표면에 제조할 수 있기 때문에 유리하다(예를 들어, 회절 격자는 기판 표면에 얇은 반사 라인에 의해, 예를 들어 금으로, 제조될 수 있다). 이는, 예를 들어 얇은 매달린 구조물이 사용되는, 종래 기술의 광학 구조물과 대조적이다. 이러한 구조물에서, 광학 요소는 통상적으로 독립형 요소로서 제조되어, 즉 매달린 구조물은 광학 요소이어서, 광학 요소의 두께는 매달린 구조물의 두께이다. 이는 여러 이유로 인해 문제가 있다. 예를 들어, 매달린 구조물을 진동을 피할 만큼 충분히 단단하게 만드는 것은 어려울 수 있다. 예를 들어, 매달린 구조물에서의 슬릿에 의해 회절 요소가 제공되는 경우, 그 구조물은 높은 종횡비 구조물을 미세 기계가공하기 어렵기 때문에 수 마이크로미터 두께를 초과할 수 없다. 또한, 더 높은 종횡비 구조물이 가능한 경우에도, 높은 종횡비는 바람직하지 않은 그림자 효과를 유발하여 마이크 감도를 저하시킬 수 있다. 강성 기판의 제공을 통해 보다 쉽게 제조되는 강성 지지형의 낮은 종횡비 광학 구조물이 가능할 수 있다.

전술한 바와 같이, 다른 유용한 광학 구조물은, 예를 들어 재료의 증착, 에칭, 또는 다른 표면 처리에 의해, 기판에 제조되어 기판의 하나 이상의 영역에서 다른 광학 기능을 제공할 수 있다. 기판은 기판으로부터 광원을 향해 다시 반사되는 빛의 양을 감소시키거나 또는 광 검출기를 향해 반사된 빛을 제한 또는 선택하도록 위치되는 에칭된 리세스를 포함할 수 있다. 기판은 기판의 일측 또는 양측에 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 회절 광학 요소는, 예를 들어 기판이 불투명한 경우, 기판에 적절한 깊이의 홈에 의해 구현된다. 다른 예로는, 제한 없이, 다음 중 하나 이상을 포함한다:

- 판독 기판의 표면에서 반사를 조정하는 것과 같은 하나 이상의 광학 기능을 구현하기 위한 광학막(예를 들어, 반사 방지막은 센서의 광학 처리량을 증가시키기 위해 판독 기판의 양측에 증착될 수 있음)은 광학 지연 또는 다른 광학 기능을 도입함.

- 광학 지연은 판독 기판 표면의 특정 영역에 리세스를 에칭함으로써 생성될 수 있다.

- 광학적으로 불투명한 영역은, 예를 들어 볼록한 측면에 빛을 확산시키는 만곡형 피트를 에칭함으로써, 판독 기판의 표면에 생성될 수 있다. 이는 광원을 향해 반사되는 빛의 양(특정 광원으로 다시 반사된 빛은 잡음을 증가시킬 수 있음) 뿐만 아니라, 광 검출기로 반사되는 빛의 양(예를 들어, 광 검출기가 격자의 특정 회절 순서로 빛을 측정하기 위해서만 필요한 경우)을 제한하는 데 유용할 수 있다.

- 마이크로렌즈는 광원으로부터의 빛을 집중시키기 위해 판독 기판의 표면에 생성될 수 있다.

- 판독 기판의 표면으로부터 반사를 증가시키는 박막은, 예를 들어 간섭계 어레인지먼트가 파브리 페로 간섭계로서 구성되는 실시예에서, 증착될 수 있다.

- 판독 기판의 표면의 나노 또는 미세 구조화는 다양한 광학 기능을 구현하는 데 사용될 수도 있다.

한 세트의 실시예에서, 광학 마이크 조립체는 리세스를 갖는 마운트를 포함하고, 광원 및/또는 광 검출기는 리세스에 장착되고, 마운트는 기판에 밀봉되어 광원 및/또는 광 검출기를 포함하는 밀봉된 캐비티를 형성한다. 기판에 밀봉된 이러한 마운트를 제공하면 적어도 두 가지 이유로 인해 유리하다. 첫째, 마운트에 밀봉된 광원 및/또는 광 검출기는 마이크 감도를 저하시킬 수 있는 먼지 및 기타 오염물로부터 보호된다. 둘째, 마운트는 기판에 밀봉되기 때문에 기판의 강성으로부터 이점을 얻는다. 그러므로, 마운트에서의 광원 및/또는 광 검출기는 광학 마이크 조립체 상으로 응력으로 인한 진동 및/또는 이동을 덜 받을 수 있다. 이러한 진동/이동은 마이크 판독을 방해하고 및/또는 광학 마이크 조립체의 재교정을 필요로 할 수 있다.

광원 및 광 검출기는 기판에 밀봉된 마운트에 포함된 단일 모듈에 결합될 수 있다. 모듈은 광원 및 광 검출기가 장착된 PCB 또는 세라믹 회로일 수 있다. 그 상에 장착되고 판독 기판의 표면에 독립적으로 장착된 서로 다른 전기 광학 구성요소를 갖는 여러 모듈이 있을 수 있다. 모듈은 광원이 장착될 수 있는 일체형 광 검출기를 갖는 실리콘 칩으로 구성될 수 있다. 광원 및 광 검출기는 기판의 표면에 직접 장착될 수 있다.

일반적으로 본 발명에 따르면, 하나보다 많은 광원 및/또는 하나보다 많은 광 검출기가 제공될 수 있고, 광원 및 광 검출기가 적용 가능한 것으로 언급되면 각각 광원 및 광 검출기를 지칭할 수 있다.

본 발명에 따르면, 간섭계 어레인지먼트, 광원 및 광 검출기의 다양한 여러 구성이 가능하다.

한 세트의 실시예에서, 기판은 광원에 의해 방출된 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 예를 들어, 기판은, 예를 들어 가시광선 또는 근적외선 범위의 파장을 갖는 광원(예를 들어, VCSEL - 수직 캐비티 표면 방출 레이저)을 위해, 유리로 이루어질 수 있다. 기판은, 예를 들어 파장 > 1100nm의 경우, 실리콘으로 이루어질 수 있다. 광원 및 광 검출기는 제1 및 제2 광학 경로 중 적어도 하나가 기판을 통과하도록 위치될 수 있다. 광원은 광학 요소를 조명하도록 위치될 수 있어 빛의 제1 부분은 광학 요소를 통해 멤브레인으로 전달되어 멤브레인에 의해 반사되고 빛의 제2 부분은 광학 요소로부터 반사된다.

한 세트의 실시예에서, 멤브레인은 광원에 의해 방출된 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하다. 광원 및 광 검출기는 제1 및 제2 광학 경로 중 적어도 하나가 멤브레인을 통과하도록 위치될 수 있다. 광원은 멤브레인을 조명하도록 위치될 수 있어 빛의 제1 부분은 멤브레인을 통해 광학 요소로 전달되어 광학 요소에 의해 반사되고 빛의 제2 부분은 멤브레인으로부터 반사된다.

한 세트의 실시예에서, 제1 또는 제2 광학 경로 중 어느 것도 기판을 통과하지 않는다. 이러한 실시예에서, 기판은 광원에 의해 방출되는 방사선에 대해 불투명할 수 있다.

빛의 제1 및 제2 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 전파된다고 볼 때, 이는 각 빛 부분이 간섭계 어레인지먼트를 통해 전파될 수 있거나(즉, 멤브레인과 광학 요소 사이의 공간에 의해 형성된 간극 용적으로의 유입) 또는 간극 용적으로 유입되지 않고 멤브레인 또는 광학 요소로부터 반사될 수 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 빛의 하나 또는 양 부분이 간극 용적으로 유입되는 경우, 빛 부분은 멤브레인 또는 광학 요소를 통해 간극 용적에서 떠나기 전에 한 번 이상 내부적으로 반사될 수 있다. 각각의 광학 경로를 따라 전파되는 둘보다 많은 빛 부분이 있을 수 있음을 이해할 것이다.

멤브레인 및 광학 요소는 편평하고 서로 평행할 수 있다. 멤브레인 및 광학 요소 중 하나 또는 양자는, 예를 들어 반사율이 10% 초과, 50% 초과, 또는 90% 초과이지만 100% 미만이 되게, 부분적으로 반사될 수 있다. 멤브레인 및 광학 요소 중 하나는 비투과성일 수 있다. 멤브레인 및 광학 요소는 광원으로부터의 빛이 여러 번 내부적으로 반사되는 캐비티로 유입되고, 각 반사에서 빛의 일부가 캐비티의 외부로 투과되도록 구성 및 위치될 수 있다. 그 후, 멤브레인 또는 광학 요소를 통해 떠나는 투과된 부분으로 구성된 복합 방사선은 측정될 수 있으며, 이로부터 멤브레인과 광학 요소 사이의 분리가 결정될 수 있다. 검출되고 측정되는 방사선은 입사 방사선과 간섭계 어레인지먼트의 동일한 측면(즉, 광원과 동일한 측면) 또는 반대 측면으로부터 나오는 방사선일 수 있으며, 즉 광원 및 광 검출기는 간섭계 어레인지먼트의 동일한 측면에 또는 상이한 측면에 있을 수 있음을 이해할 것이다.

한 세트의 실시예에서, 간섭계 어레인지먼트는 파브리 페로 간섭계로서 구성된다.

광학 요소는 빛의 제1 부분을 투과시키고 빛의 제2 부분을 반사시킴으로써 입사광을 두 부분으로 분할할 수 있는 임의의 광학 요소일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광학 요소는 회절 광학 요소이지만, 예를 들어 US 7164479호에 설명된 바와 같은 회절 렌즈 또는 부분 반사면과 같은 다른 회절 및 비회절 광학 요소가 사용될 수 있다. 광학 요소는 단순히 기판과 주변 대기 사이의 인터페이스로 구성될 수 있다(인터페이스는 표면 처리 없이 제공됨).

광학 마이크 조립체는 광 검출기에서 검출된 간섭 패턴에 반응하여 광 검출기에 의해 발생된 신호를 처리하도록 구성된 프로세서 또는 처리 수단을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 마이크 조립체는 광 검출기에 의해 발생된 신호를 원격 프로세서로 전송하기 위해 연결부를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 높은 컴플라이언스 멤브레인을 갖는 광학 마이크 조립체를 제공하면 다수의 이점을 제공할 수 있다. 이러한 이점 중 일부는 아래에 설명된다.

전술한 바와 같이, 마이크에서 매우 호환적인 멤브레인을 사용하면 마이크의 감도를 향상시킬 수 있다. 광학 마이크의 자체 잡음은 통상적으로 검출기에서의 샷 잡음, 레이저 잡음(상대적인 강도 잡음) 및 전자 회로에서의 잡음으로 구성된 판독 메커니즘의 기여에 의해 지배된다. 이러한 잡음원은 멤브레인 컴플라이언스와 무관하다. 따라서, 멤브레인의 컴플라이언스를 증가시키면 광학 마이크의 신호 대 잡음비(SNR)가 비례적으로 증가할 것이다.

전술한 잡음 메커니즘이 마이크 자체 잡음을 지배하는 경우, 멤브레인과 광학 요소(들) 사이의 영역의 외부로 공기가 압착되어 생성되는 압착막 잡음이 낮은 것으로 추정된다. 이러한 잡음은 멤브레인과 광학 요소(들) 사이의 갭에 크게 의존한다. 따라서, 이러한 갭이 충분히 크면, 압착막 잡음은 무시될 수 있어, 전술한 SNR의 유리한 비례 증가를 제공한다. 그러나, 큰 갭은 본 발명의 필수적인 특징이 아니며, 이러한 특징이 없는 실시예는 그럼에도 불구하고 유리할 수 있다.

멤브레인의 컴플라이언스를 증가시키면 큰 음향 압력이 있을 때 멤브레인의 동작 범위도 증가한다. 예를 들어, 컴플라이언스가 100nm/Pa인 멤브레인은 134dB의 음압 수준이 마이크에 적용될 때 거의 +/-15μm의 동작을 나타낼 것이다. 이러한 음압 수준은 통상적으로 (종종 음향 과부하점으로 정의되는) 마이크가 10% 미만의 왜곡으로 측정할 수 있어야 하는 최대 값이다. 전술한 고려 사항에 따라, 134dB의 음압 수준을 측정하기 위해서는 멤브레인이 양 방향으로 적어도 15μm를 자유롭게 이동할 필요가 있다. 그러나, 이러한 이동 거리는 통상적으로 수 미크론 정도인 콘덴서 MEMS 마이크의 후방 전극과 멤브레인 사이의 통상적인 갭보다 훨씬 크다. 콘덴서 MEMS 마이크에서 이러한 갭을 증가시키면 마이크의 정전용량이 갭 반비례하기 때문에 감도 및 SNR 측면에서 성능이 저하될 것이다. 반면에, 광학 마이크의 판독 감도는 (자체 잡음이 지배되는 압착막이 아닌 한) 광학 요소(들)와 멤브레인 사이의 거리에 의존하지 않는다. 그러므로, 광학 요소(들)는 마이크의 감도를 저하시키지 않게 멤브레인과 15μm 이상의 거리를 두고 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 요소와 멤브레인 사이의 거리(예를 들어, 멤브레인 평형 위치)는 적어도 15μm이다. 또한, 이러한 거리는 통상적으로 마이크의 자체 잡음이 압착막 잡음에 의해 지배되지 않게 한다. 일부 실시예에서, 광학 요소와 멤브레인 사이의 거리는 5μm 내지 50μm, 바람직하게는 10μm 내지 20μm, 더 바람직하게는 약 15μm이다.

전술한 이점을 요약하면, 광학 판독과 조합하여 높은 컴플라이언스 멤브레인을 사용함으로써, 높은 신호 대 잡음비와 높은 동적 범위의 조합을 달성할 수 있다(마이크의 최대 압력과 최소 압력의 차이는 검출될 수 있음). 이러한 조합은, 이전 제안에 비해, 광학 마이크 조립체에서 멤브레인과 광학 요소(들) 사이의 갭을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 대조적으로, MEMS 콘덴서 마이크의 후방 전극과 멤브레인 사이의 거리를 증가시키면 신호 대 잡음비가 저하될 것이다.

큰 갭의 또 다른 이점은 멤브레인과 광학 요소(광학 마이크의 경우) 또는 후방 전극(콘덴서 마이크의 경우) 사이에 포집될 수 있는 먼지 입자에 대한 더 높은 강건성이다. 작은 갭이 있는 경우, 이러한 입자는 멤브레인의 정상적인 동작을 쉽게 기계적으로 차단하거나 또는 멤브레인과 백 플레이트를 전기적으로 단락시킬 수 있다. 이러한 문제는 콘덴서 MEMS 마이크에 광범위하게 영향을 미치며 조립 시 및 사용 중에 입자가 멤브레인 후방 측으로 이동하는 것을 방지하기 위해 특별한 주의를 기울여야 한다. 종래 기술의 어레인지먼트에서 이용된 바와 같은 멤브레인의 정전기 부하는 하전 입자를 끌어당기므로 이러한 약점을 악화시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체는 큰 갭으로 작동할 수 있고 멤브레인의 정전기 충전을 필요로 하지 않기 때문에 근본적인 이점을 갖는다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 높은 신호 대 잡음비를 갖는 마이크의 제조를 가능하게 한다. 높은 신호 대 잡음비는 본 발명에 따른 마이크가 마이크 어레이에 유리하게 이용될 수 있음을 의미한다.

마이크 어레이는 둘 이상의 마이크를 구비할 수 있어, 어레이는 음장의 방향 속성을 캡처할 수 있다. 특히, 두 마이크를 사용하는 경우, 1차 차동 마이크는 두 마이크 신호를 서로 차감함으로써 생성될 수 있어, 차이 신호를 생성한다. 마이크 간격에 비해 사운드 파장이 큰 경우, 그 결과에 따른 차이 신호는 낮은 진폭을 가질 것이다. 그러나, 마이크 신호는 마이크에서 발생된 전기적 또는 열 음향 잡음으로 인해 공간적으로 비상관의 자체 잡음을 포함할 것이다. 따라서, 차이 신호는 상관 관계가 없기 때문에 자체 잡음 신호에 에너지의 추가를 포함할 것이다. 결과적으로, 원하는 음향 신호는 감쇠되는 반면, 자체 잡음은 증폭되어, 어레이 출력에서 SNR이 감소된다. 따라서, 본 발명에 따른 높은 SNR 마이크는 개선된 차동 마이크 어레이, 특히 소형 어레이를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

이는 일반적으로 초지향성 어레이로 지칭되는 더 많은 마이크를 갖는 어레이로 확장될 수 있다. 이러한 어레이에서, 최대 지향성 인덱스(DI)는 필터 앤 섬 빔포밍 방법으로 획득된다. DI는 어레이 스티어링 방향으로 원하는 신호로부터의 어레이 출력 전력을 공간적으로 확산된 음장으로부터의 어레이 출력 전력으로 나눈 값으로 정의되며, 데시벨로 표시된다. 마이크 어레이는 마이크 간격이 관심 주파수의 음향 파장의 절반보다 작을 때 초지향성을 얻을 수 있다. 초지향성은, 반향 음장이 확산되고 마이크 자체 잡음이 존재하지 않는다고 가정할 때, 스티어링 방향으로 왜곡이 없는 제약 조건으로 어레이의 출력 전력을 최소화함으로써 수학적으로 유도될 수 있다. 이를 통해 이전에 정의된 주파수 작동 범위에서 주파수 독립적인 빔 패턴에 근접할 수 있다. 그러나, 이러한 초지향성 어레이는 마이크 자체 잡음이 존재하지 않는다는 가정을 위반하기 때문에 저주파수에서 마이크 자체 잡음을 크게 증폭시킨다. 결과적으로, 초지향성은 저주파수에서 제한되어야 하며, 더 넓은 빔 패턴을 생성하여 반향 및 잡음을 억제하는 어레이의 기능을 감소시켜야 한다.

일 예로, 마이크 간 간격이 5cm인 어레이는 음속이 340m/s라고 가정할 때 초지향성이 3400Hz의 주파수 미만에서 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 마이크 조립체는 초지향성 어레이에 유리하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 80dB 이상의 SNR을 갖는 높은 SNR 마이크를 사용함으로써, 65dB SNR 마이크를 갖는 동일한 어레이에 비해, 7개의 마이크를 갖는 7.5cm 직경의 원형 어레이에서, 500Hz의 주파수에서, DI를 2.9dB에서 7.4dB로 증가시킬 수 있다. 이는 낮은 SNR 마이크에서 5dB의 백색 잡음 게인(WNG) 및 높은 SNR 마이크에서 -10dB의 WNG를 가정하면, 동일한 어레이 출력 SNR을 생성하지만 DI 값은 증가한다.

본 발명에 따른 마이크 조립체는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 전술한 바와 같이, "MEMS"란 용어의 의미는 당업계에 주지되어 있으며, 당업자는 마이크가 "MEMS"란 용어의 이해된 의미에 속하는 공정을 사용하여 제조되었는지 여부를 마이크의 구조물로부터 확인할 수 있을 것이다. MEMS 프로세스를 사용하여 높은 SNR 마이크를 제조하는 이점은 마이크 샘플 간의 우수한 정합이 통상적으로 1dB 표준 편차 미만의 대용량 MEMS 생산으로 달성될 수 있는 점이다. 또한, 일렉트릿 콘덴서 마이크의 온도 드리프트는 MEMS 마이크의 드리프트보다 더 큰 자릿수일 수 있다. 어레이 적용 분야에서, 자체 잡음, 정합 오류 및 위치경정 오류를 포함한 모든 마이크 결함이 얻을 수 있는 초지향성의 양에 영향을 미칠 것이기 때문에 우수한 성능을 얻기 위해서는 마이크의 정합 감도가 매우 중요하다.

이제 첨부 도면을 참조하여 특정 바람직한 실시예를 단지 예로서 설명할 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 광학 마이크를 도시하고 있고;
도 2는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 일 실시예를 도시하고 있고;
도 3은 도 2의 실시예의 마이크 칩의 사시도를 나타내고 있고;
도 4는 도 2의 실시예의 기판의 사시도를 나타내고 있고;
도 5는 도 5의 기판 위에 장착된 도 4의 마이크 칩의 사시도를 나타내고 있고;
도 6은 도 2의 실시예의 베이스 및 광학 판독 모듈의 사시도를 나타내고 있고;
도 7은 도 2의 광학 마이크 조립체의 절개 사시도를 나타내고 있고;
도 8은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 제2 실시예를 도시하고 있고;
도 9는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 제3 실시예를 도시하고 있고;
도 10은 도 9의 실시예의 광학 판독 모듈의 사시도를 나타내고 있고;
도 11은 도 9의 실시예의 베이스의 사시도를 나타내고 있고;
도 12는 도 8의 광학 마이크 조립체의 절개 사시도를 나타내고 있고;
도 13은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 제4 실시예를 도시하고 있고;
도 14는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 제5 실시예를 도시하고 있고;
도 15는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체의 제6 실시예를 도시하고 있고;
도 16은 더 큰 캐비티가 마이크 감도에 미치는 영향을 나타낸 그래프이고;
도 17은 큰 공기 채널을 갖는 광학 마이크 조립체에 대한 개선된 주파수 응답을 나타낸 그래프이고;
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 사용하기 위한 멤브레인 및 마운트의 부분 절개 사시도를 나타내고 있고;
도 19는 도 18에 도시된 멤브레인의 코러게이션형 영역의 일부의 단면도를 나타내고 있고;
도 20은 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 멤브레인에 대해 계산된 멤브레인의 중심으로부터 멤브레인의 주변까지의 폰 미제스 응력의 변화를 나타낸 그래프이고;
도 21은 편평한 멤브레인과 비교한 서로 다른 수의 코러게이션을 갖는 멤브레인에 대해 계산된 컴플라이언스의 그래프이고;
도 22는 편평한 멤브레인과 비교한 서로 다른 수의 코러게이션을 갖는 멤브레인에 대해 계산된 온도에 따른 컴플라이언스의 변화를 도시하고 있고;
도 23은 코러게이션형 멤브레인과 비교한 편평한 멤브레인의 열 감도 변화를 도시하고 있고;
도 24(a)-(h)는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 멤브레인을 생성하는 제조 공정의 연속적인 단계를 도시하고 있고;
도 25(a)-(c)는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 광학 마이크의 개략도를 나타내고 있고;
도 26은 단일 격자를 갖는 광학 마이크의 작동 범위를 나타낸 그래프를 도시하고 있고;
도 27은 상대적인 높이 오프셋이 있는 2개의 격자를 갖는 광학 마이크의 확장된 작동 범위를 나타낸 그래프를 도시하고 있고;
도 28은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 광학 마이크의 추가 예를 도시하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 광학 마이크를 도시하고 있다. 광학 마이크(2)는 기판(4), 및 멤브레인(8)을 포함하는 마이크 칩(6)을 포함한다. 또한, 광학 마이크(2)는 마운트(12), 광원(14)(예를 들어, VCSEL: 수직 캐비티 표면 방출 레이저), 및 2개의 광 검출기(16)를 포함하는 광학 판독 모듈(10)을 포함한다. 광학 판독 모듈(10)은 기판(4)의 바닥에 밀봉되어 광원(14) 및 광 검출기(16)가 마운트(12)의 리세스(18) 내에 밀봉된다. 이는 먼지와 같은 오염물로부터 광원(14) 및 광 검출기(16)를 보호한다. 마이크 칩(6) 및 멤브레인(8)은 기판(4)의 상면 영역(20)과 이격된 관계로 멤브레인을 제공하기 위해 기판(4) 위에 위치된다.

사용 시, 광원(14)은 상면(20)을 향해 방사선을 방출한다. 방사선의 제1 부분은 상면(20)으로부터 다시 반사되어 광 검출기(16)에 충돌한다. 방사선의 제2 부분은 상면(20)을 통해 투과되고 멤브레인(8)으로부터 기판을 통해 다시 반사되어 광 검출기(16)에 충돌한다. 또한, 각 부분은 상면(20) 상의 회절 격자에 의해 회절되고, 이는 후술한다. 제1 및 제2 부분이 중첩하는 위치에서 방사선이 간섭한다. 광 검출기에서 방사선의 결과적인 강도는 두 반사면 사이의 거리에 따라, 즉 멤브레인(8)과 기판(4)의 상면(20) 사이의 거리에 따라, 달라진다. 이와 같이, 광 검출기(16)에서 검출된 강도는 멤브레인(8)과 상면(20) 사이의 분리, 및 이에 따른 멤브레인(8)의 진동을 야기하는 음향파를 받을 때 멤브레인(8)의 이동과 관련될 수 있다.

상면(20)은 2개의 영역으로 분할되고, 그 각각에는 패턴화된 유전체막(22, 24)이 제공된다. 각 패턴화된 유전체막은 회절 격자로서 기능한다. 광학 지연 층(25)은 패턴화된 유전체막(24) 위에 제공된다. 이는, 다른 패턴화된 유전체막(22)과 멤브레인(8) 사이의 대응하는 광학 경로 길이에 비해, 패턴화된 유전체막(24)과 멤브레인(8) 사이의 광학 경로 길이를 증가시킨다. 이러한 광학 분리의 차이는 도 25(a)-(c)를 참조하여 후술할 방식으로 마이크의 작동 범위를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 본 발명으로부터 이해될 수 있는 것처럼, 2개의 개별 광학 요소를 제공하거나 또는 작동 범위를 확장하도록 마이크를 구성하는 것이 필수적인 것은 아니다. (예를 들어, 광학 지연막을 제공하지 않고 표면(20) 전체에 걸쳐 단 하나의 패턴화된 유전체막을 제공함으로써) 단일 광학 요소가 사용될 수 있다. 유사하게, 단일 광 검출기가 사용될 수 있다.

본 실시예에서, 상면(20)에는 광학 기능을 제공하기 위해 다른 표면 처리가 제공된다. 또한, 상면(20)에는 반사 방지 코팅(26)이 제공되며, 반사 방지 코팅의 특성은 원하는 파라미터에 따라 투과 및 반사된 방사선의 진폭 비율을 설정하도록 선택된다. 또한, 표면의 일부는 광학 확산기(28)를 제공하여 표면으로부터의 경면 반사를 최소화하기 위해 에칭된다. 반사 방지 코팅(30)은 기판(4)의 하면에 제공되어 기판(4) 내로 및 기판(4)을 통한 방사선의 결합을 개선한다.

기판(4) 위의 마이크 칩(6) 및 멤브레인(8)의 위치는 멤브레인(8)과 기판(4) 사이의 간극 용적(32)을 형성한다. 기판(4)에는 간극 용적(32)과 기판(4) 아래의 영역(36) 사이에 공기 통로를 제공하는 공기 채널(34)이 제공된다.

다음 도면의 후속 논의에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 마이크(2)는 공기 채널(34)이 광학 마이크 조립체의 외부와 간극 용적(32)을 연결하도록 광학 마이크 조립체에 배치될 수 있다. 이를 통해 조립체 외부의 음향파는 공기 채널(34)을 통해 전파되어 멤브레인(8)에 충돌한다. 광학 마이크(2)는 공기 채널(34)이 간극 용적(32)을 음향 캐비티(당업계에서 후방 용적으로도 공지됨)와 연결하도록 광학 마이크 조립체에 배치될 수 있다. 이러한 실시예는 아래에서 더 상세히 논의된다.

도 2는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체(38)의 일 실시예를 도시하고 있다. 광학 마이크 조립체(38)는 도 1에 도시된 광학 마이크(2)과 구조적으로 유사하고 기능적으로 동등한 광학 마이크(40)를 포함한다. 광학 마이크(40)는 기판(42), 멤브레인(46)을 갖는 마이크 칩(44), 광원(VCSEL)(48), 및 광 검출기(50)를 포함한다. VCSEL(48) 및 광 검출기(50)는 도 1의 광학 판독 모듈(12)과 기능적으로 동등한 광학 판독 모듈(52)에 제공되지만, 광학 판독 모듈(52)은 후술될 바와 같이 기판(42) 뿐만 아니라 다른 구성요소를 지지하는 베이스(54)와 일체로 형성된다.

기판(42)은 리세스(56)에서 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)를 밀봉하도록 베이스(54)에 밀봉된다. 마이크 칩(44)은 멤브레인(46)과 기판(42) 사이에 간극 용적(58)을 제공하도록 도 1에 설명된 바와 유사한 방식으로 기판(42) 위에 위치된다. 기판의 상면(60)에는 도 1의 표면(20) 상의 표면 처리와 동등한 표면 처리가 제공된다. 기판의 하면에는 반사 방지 코팅(68), 및 기판(42) 내로 및 기판(42)을 통해 방사선을 결합하기 위한 렌즈(70)가 제공된다. 또한, 베이스(54) 상에는 주문형 집적회로(ASIC) 칩(72)이 제공된다. ASIC 칩(72)은 연결부(미도시)를 통해 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)에 연결되어 광학 마이크(40)의 작동을 제어하고 광 검출기(50)에서 기록된 방사선 강도에 관한 데이터를 수신한다.

광학 마이크 조립체(38)에는 인클로저(74)가 제공된다. 인클로저는 음향 캐비티(76)를 형성하는 베이스(54)에 밀봉된다. 음향 캐비티(76)는 공기의 용적을 둘러싼다. 이러한 음향 캐비티는 당업계에서 "후방 용적"으로도 공지되어 있을 수 있으며, 그 기능은 아래에서 설명된다.

기판(42) 및 베이스(54)는 각각 그를 통과하는 공기 채널(78, 79) 세트를 가지며, 광학 마이크 조립체(38)의 외부(80)와 간극 용적(58) 사이에 공기 통로를 제공한다.

사용 시, 접근하는 음향파는 공기 채널(78, 79)을 통해 전파되고 멤브레인(46)에 충돌하여, 멤브레인(46)의 진동을 야기한다. 멤브레인(46)의 이동은 도 1 및 25(a)-(c)를 참조하여 설명된 방식으로 측정된다. 멤브레인의 이동을 통한 음향파의 정확한 측정을 용이하게 하기 위해, 인클로저(74)는 음향 캐비티(76) 내의 공기를 음향파가 이동하는 주변 공기와 실질적으로 격리시킨다. 결과적으로, 음향 캐비티(76) 내 공기의 압력은 거의 일정하다. 멤브레인(46)이 진동할 때, 음향 캐비티(76)의 총 용적은 약간 변화하여 그 내부의 압력에 영향을 미친다. 예를 들어, 멤브레인(46)이 기판으로부터 멀어질 때, 음향 캐비티(76) 내의 공기는 압축된다. 멤브레인이 기판을 향해 이동할 때, 캐비티 내의 공기는 압축 해제된다. 이러한 압력 변화는, 음향 캐비티(76) 압력이 완전히 일정한 이상적인 상황에 비해, 멤브레인 진동의 진폭을 약간 감소시킨다. 이는 멤브레인(46)의 강화에 영향을 미치는 것과 동등하다. 그러나, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 음향 캐비티(76)의 용적은 진동 멤브레인에 의해 변위되는 공기의 용적에 비해 매우 크다. 결과적으로, 멤브레인(46)의 유효 강성 증가는 매우 작지만, 멤브레인의 높은 컴플라이언스로 인해 멤브레인 결함의 크기는 동등한 낮은 컴플라이언스 멤브레인에서 볼 수 있는 것보다 더 크다. 그러므로, 멤브레인의 유효 강성의 증가는 마이크의 감도가 크게 저하시키지 않는다.

또한, 도 2에서 기판의 두께가 크고 이에 따라 강성이어서, 유입되는 음향파 또는 임의의 잡음으로부터의 진동 영향에 대해 기판(및 이에 따른 마이크 판독)이 견고하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 마이크의 감도는 이러한 진동에 의해 저하되지 않는다.

도 3은 도 2의 마이크 칩(44)의 사시도를 나타내고 있다. 마이크 칩(44)은 원형 멤브레인(46)을 포함하는 프레임(82)을 포함한다. 마이크 칩(44)은 도 24(a) 내지 (h)를 참조하여 후술되는 방법을 사용하여 제조될 수 있다.

도 4는 도 2의 실시예의 기판의 사시도를 나타내고 있다. 기판(42)은 투명하고, 기판(42)을 통과하는 공기 통로를 제공하는 공기 채널(78)을 포함한다. 도 3 및 4에 도시된 마이크 칩(44) 및 기판(42)의 특정 예는 도 2의 실시예 및 다른 실시예에서 사용하기에 적합하다. 그러나, 도시된 실시예 및 다른 실시예에서의 광학 마이크 조립체는 도 3 및 4에 도시된 특정 실시예와 상이한 마이크 칩 및/또는 기판을 구비할 수 있음을 이해할 것이다.

도 4의 실시예에서, 중앙부(84)로부터 반경 방향으로 연장되는 4개의 공기 채널(78)이 있으며, 그 공기 채널(78)은 실질적으로 원형 단면을 갖는다. 중앙부(84) 상의 투명 기판(42)의 표면에 광학 요소가 제공된다. 도 2의 실시예에서, 광학 요소는 패턴화된 유전체막(62), 광학 지연부(25), 반사 방지 코팅(64), 및 광학 확산기(66)를 포함한다. 다른 실시예에서, 기판의 표면을 포함하고 및/또는 그 상에 배치된 다른 광학 요소가 사용될 수 있다.

도 5는 투명 기판(42) 위에 장착된 마이크 칩(44)의 사시도를 나타내고 있다. 기판(42) 내 공기 채널(78)의 원형 엔벨로프는 멤브레인(46)과 실질적으로 중첩하는 것을 알 수 있다. 따라서, 공기 채널(78)은 멤브레인 표면과 유체 연통하는 큰 공기 통로를 제공하는 반면, 공기 채널(78) 사이의 투명 기판(42)의 부분(86)은 광학 요소가 장착되는 중앙부(84)에 대해 강성 지지체를 제공한다.

도 6은 광학 판독 모듈(52)을 포함하는 베이스(54)의 사시도를 나타내고 있다. 도 6의 베이스(54)의 특정 예는 도 2와 함께 사용될 수 있는 단지 하나의 예시적인 모듈임을 다시 이해할 것이다. 다른 광학 마이크 조립체 실시예와 함께 사용될 수 있으며 유사하게 다른 적절한 베이스가 도 2의 실시예와 함께 사용될 수 있다.

광학 모듈은 VCSEL(48) 및 3개의 광 검출기(50)가 장착되는 리세스(56)를 포함한다. 광학 마이크 조립체의 특정 실시예의 구성 및 작동에 따라, 3개보다 많거나 적은 광 검출기가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. ASIC 칩(72)은 광학 판독 모듈(52)의 측면에 위치된다. 광학 판독 모듈(52) 주변에 공기 채널(79)이 있다. 도 6의 예에서, 4개의 공기 채널이 있으며, 그 각각은 광학 판독 모듈(52)로부터 균등 이격되고 등거리에 배치된 원형 형상을 갖는다. 공기 채널(79)의 다른 형상 및 구성이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 공기 채널(79)은 기판(42) 내의 공기 채널(78)과 동일한 형상 및 위치를 가질 수 있어서, 기판(42) 내의 공기 채널(78)은 판독 모듈 베이스(54) 내의 공기 채널(79)과 중첩된다.

도 7은 도 2의 광학 마이크 조립체의 절개 사시도를 나타낸 것으로, 전술한 조립된 구성요소, 즉 마이크 칩(44), 기판(42), 및 베이스(54)를 도시하고 있다. 인클로저(74)는 광학 마이크 조립체(38)의 내부 구성요소를 나타내기 위해 부분적으로 절개되어 도시되어 있다. 인클로저는 큰 용적을 갖는 음향 캐비티(76)를 둘러싸고 있음을 알 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체(88)의 제2 실시예를 도시하고 있다. 광학 마이크 조립체(88)는 멤브레인(46)을 갖는 마이크 칩(44), 투명 기판(42), 스페이서(90), 및 그 상에 배치된 ASIC 칩(72)을 갖는 베이스(92)를 포함한다. 스페이서(90)는 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)를 위한 공간을 제공하기 위한 중앙 중공부(94)를 포함한다. VCSEL(48) 및 광 검출기(50)는 베이스(92)의 표면에 부착되고, 스페이서(90)는 베이스(92) 상에 위치되어 VCSEL(48) 및 광 검출기는 중앙 중공부(94)에 위치된다. 기판(42)은 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)가 중앙 중공부(94) 내에 밀봉되도록 스페이서(90) 위에 위치되어, VCSEL(48) 및 광 검출기(50)를 먼지 및 다른 오염물로부터 보호한다. 마이크 칩(44)은 마이크 칩(44)과 기판(42) 사이에 간극 용적(58)을 형성하도록 기판(42) 위에 위치된다. 기판은 도 1 및 2와 관련해서 전술한 바와 유사하게 광학 요소가 그 상에 배치된 상면(60)을 포함한다. 인클로저(74)는 그 내부에서 스페이서(90), 기판(42), 마이크 칩(44) 및 ASIC 칩(72)을 둘러싸도록 베이스(92) 위에 위치된다. 인클로저(74)는 멤브레인(46)의 상면과 직접 연통하는 음향 캐비티(76)를 형성한다. 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 음향 캐비티(76)의 큰 크기는 멤브레인(46)이 음향파에 반응하여 진동할 때 효과적인 멤브레인 강성의 증가가 매우 작다는 것을 의미한다.

기판(42), 스페이서(90), 및 베이스(92)는 각각 공기 채널(78, 96, 및 98) 세트를 갖는다. 공기 채널(78, 96, 98)은 공기 채널이 함께 간극 용적(58)과 광학 마이크 조립체(80)의 외부 사이에 공기 통로를 제공하도록 실질적으로 정렬된다. 광학 마이크는 도 2를 참조해서 전술한 유사한 방식으로 작동한다, 즉 다가오는 음향파가 광학 마이크 조립체(88)에 충돌할 때, 공기 통로(98, 96, 78)를 따라 전파되고 멤브레인(46)에 충돌하여, 멤브레인(46)의 진동을 야기한다. 이러한 진동은 ASIC 칩(72)에 의해 제어되는 바와 같이 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)를 사용하여 측정된다.

또한, 도 2의 기판과 유사하게, 기판(42)은 두껍고 이에 따라 강성이어서, 도 2를 참조해서 전술한 바와 같이 광학 마이크 판독 및 이에 따른 감도의 임의의 열화를 실질적으로 감소시킴을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체(100)의 제3 실시예를 도시하고 있다. 광학 마이크 조립체(100)는 멤브레인(106)을 포함하는 마이크 칩(104); 투명 기판(108); 및 광학 판독 모듈(110)을 포함하는 광학 마이크(102)를 포함한다. 조립체(100)는 또한 베이스(112)를 포함한다. 인클로저(126)는 베이스(112) 상에 밀봉되어, 음향 캐비티(128)를 형성한다. 음향 캐비티(128)는 크고, 도 2 및 8을 참조해서 전술한 음향 캐비티(76)와 동일한 이점을 제공한다.

광학 마이크(102)는, 도 2 및 8의 실시예에서의 광학 마이크에 비해, 반전 위치에, 즉 뒤집혀서, 배치된다. 마이크 칩(104)은 베이스(112) 상에 위치되고, 음향 포트(114)(즉, 예를 들어 멤브레인의 형상 및 치수와 부합하는 단면을 갖는 넓은 개구)는 베이스(112)에 제공되어 마이크 조립체(100)의 외부(116)로부터의 공기는 멤브레인(106)에 충돌한다. 기판(108)은 기판(108)과 멤브레인(106) 사이에 간극 용적(118)을 형성하도록 마이크 칩(104) 위에 위치된다. VCSEL(48) 및 그 상에 장착된 광 검출기(50)를 갖는 광학 판독 모듈(110)은 기판(108) 위에 위치된다.

사용 시, VCSEL(48)로부터의 방사선은 투명 기판(108)을 통과하게 된다. 제1 부분은 기판의 하면(120) 상의 광학 요소(도 2에서 설명된 것과 유사함)에 의해 반사되고 회절된다. 그 후, 제1 부분은 광 검출기(50)에 충돌한다. 방사선의 제2 부분은 광학 요소를 통해 투과되고 멤브레인(106)으로부터 기판(108)을 통해 광 검출기(50)로 다시 반사된다. 두 부분은 간섭하여, 멤브레인 변위에 따라 달라지는 광 검출기(50)에서 결과적인 강도를 생성한다. 광학 마이크(102)로부터의 판독은 도 2를 참조해서 전술한 동일한 방식으로 연결부(124)(예를 들어, 와이어 본딩)를 통해 광학 판독 모듈(102)에 연결된 ASIC 칩(122)에 의해 수행된다.

도 2 및 8의 실시예와 대조적으로, 마이크의 외부(116)에 있는 공기는 광학 마이크(102)의 역 배향 및 음향 포트(114)의 존재로 인해 멤브레인(106)과 직접적으로 유체 연통한다. 기판(108)을 향하는 멤브레인(106)의 측면은 각각 기판(108) 및 광학 판독 모듈(110)에 제공된 공기 채널(130, 132)을 통해 음향 캐비티(128)와 간접적으로 유체 연통한다. 대안적으로, 광학 판독 모듈(110)에 공기 채널을 제공하는 대신에, 모듈(110)은 기판(108)을 통해 음향 캐비티(128) 내로 공기 흐름을 방해하지 않는 형상을 단순히 가질 수 있다.

도 10 내지 12는 도 9의 광학 판독 모듈(110), 베이스(112), 및 광학 마이크 조립체(100)의 사시도를 나타내고 있다. 도 12에서, 인클로저(126)는 그 내부의 구성요소를 볼 수 있도록 부분적으로 절개되어 도시되어 있다.

도 13은 광학 마이크 조립체(134)의 제4 실시예를 도시한 것으로, 이는 도 9의 실시예에 대한 변형으로 볼 수 있다. 도 13의 광학 마이크 조립체(134)는, 다른 기판(136)이 사용된 점을 제외하고는, 도 9의 광학 마이크 조립체(100)와 동일한 구성요소를 포함한다. 도 9의 실시예에서, 간극 용적(118)과 음향 캐비티(128)를 연결하는 기판(108) 내의 공기 채널(130)은 기판을 전후로 똑바로 통과하도록 성형된다. 대조적으로, 도 13의 실시예에서, 기판(136)에는 기판의 하면(140)과 기판의 측면(142) 사이에 채널을 제공하는 공기 채널(138)이 제공된다. 이러한 공기 채널의 형상으로 간극 용적(118)이 음향 캐비티(128)와 유체 연통하는 것을 알 수 있다. 간극 용적(118)과 음향 캐비티(128)를 연결하는 공기 채널의 다른 형상 및 위치도 가능하다.

도 14는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체(144)의 제5 실시예를 도시하고 있다. 광학 마이크(146)의 구성요소의 순서는 전술한 다른 실시예와 상이하다. 본 실시예에서, 기판 및 광학 판독 모듈은 VCSEL 방사선이 기판으로부터 먼 쪽을 향하는 멤브레인의 측면에 충돌하도록 멤브레인의 반대편에 있다.

광학 마이크(146)는 도 2에 도시된 것과 유사한 어레인지먼트로 광학 판독 모듈(150)의 리세스(148)에 위치된 VCSEL(48) 및 광 검출기(50)를 포함한다. 멤브레인(154)을 갖는 마이크 칩(152) 및 그의 하면(158) 상에 광학 요소를 갖는 기판(156)은 도 2와 비교해서 역 어레인지먼트에 위치된다. 마이크 칩(152)은 베이스(160)(광학 판독 모듈(150)을 포함) 상에 직접 위치된다. 기판(156)은 그 사이에 간극 용적(162)을 형성하도록 마이크 칩(156) 및 멤브레인(154) 위에 위치된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서, VCSEL(48)은 기판으로부터 먼 쪽을 향하는 측면에서 멤브레인(154)을 조명한다. 결과적으로, 방사선의 제1 또는 제2 부분 중 어느 것도 멤브레인(154) 또는 멤브레인 표면(158)으로부터 반사되기 전에 기판을 통과하지 않는다. 대신, VCSEL(48)로부터의 방사선의 제1 부분은 멤브레인(154)으로부터 광 검출기(50)로 반사되는 반면, 제2 부분은 멤브레인(154)을 통해 투과되고 기판의 하면(158) 상의 광학 요소로부터 멤브레인을 통해 광 검출기(50)로 다시 반사된다. 광 검출기(50)에서 방사선의 두 부분의 간섭에 따른 결과적인 강도는 전술한 실시예와 유사하게 멤브레인(154)과 하면(158) 사이의 분리에 따라 달라질 것임을 이해할 것이다. 따라서, 판독은 베이스(160) 상의 ASIC 칩(164)에 의해 동일한 방식으로 수행된다.

공기 채널(166)은 베이스(160)를 통해 제공되어 마이크의 외부(168)에 있는 음향파는 공기 채널(166)을 통해 전파되어 멤브레인(154)에 충돌할 수 있다.

공기 채널(170)은 기판을 통해 제공되어 인클로저(174)에 의해 형성된 음향 캐비티(172)와 간극 용적(162)을 연결한다. 인클로저(174)는 광학 마이크(146) 위에 위치되고 베이스(160)에 밀봉된다. 방사선의 어느 부분도 기판을 통과하지 않는 이러한 실시예에서, 기판은 VCSEL(48)에 의해 방출된 방사선으로 반드시 투과될 필요는 없다.

도 15는 도 14와 유사한 마이크 구성을 갖는 제6 실시예를 도시하고 있다. VCSEL 및 기판은 도 14에서와 유사하게 멤브레인의 반대편에 있지만, 광학 마이크는 반전되어 있다.

도 15의 광학 마이크 조립체(176)는 이를 통해 음향 포트(180)를 갖는 베이스(178)를 포함한다. 음향 포트(180) 위에, 도 14의 기판과 유사한 기판(156)이 위치된다. 기판 위에, 도 14의 마이크 칩과 유사한 멤브레인(154)을 갖는 마이크 칩(152)이 위치된다. 마이크 칩(152) 위에, VCSEL(48) 및 광 검출기(50)가 부착된 광학 판독 모듈(158)이 위치된다. 기판(156), 마이크 칩(152), 및 광학 판독 모듈(158)의 상대적 위치는 (반전되어 있기는 하지만) 도 14의 구성과 동등하여 동등한 방식으로 작동한다.

도 15의 실시예에서, 기판(156) 내의 공기 채널(182)은 마이크의 외부(184)에 있는 공기가 멤브레인(154)과 기판(156) 사이에 형성된 간극 캐비티(186)와 유체 연통하도록 기판을 통과하는 공기 통로를 제공한다. 광학 판독 모듈(158) 내의 공기 채널(188)은 공기 통로를 제공하여 인클로저(192)에 의해 형성된 음향 캐비티(190) 내의 공기가 기판(156)으로부터 먼 쪽을 향하는 멤브레인(154)의 측면과 유체 연통한다. 그러므로, 음향 캐비티(190)가 이전 실시예를 참조해서 설명된 바와 유사한 방식으로 "후방 용적"을 제공함을 이해할 것이다. 음향 캐비티는 크기 때문에, 다른 실시예를 참조해서 설명된 바와 동일한 이점을 제공한다.

전술한 바와 같이, 출원인은 특히 높은 컴플라이언스 멤브레인에 대해, 큰 음향 캐비티를 제공하면 주어진 컴플라이언스에 대해 달성될 수 있는 멤브레인의 최대 변위를 유리하게 증가시킨다는 점을 발견했다. 도 16은 더 큰 캐비티가 마이크 감도에 미치는 영향(즉, 효과적인 멤브레인 컴플라이언스)를 나타낸 그래프이다.

도 16에 나타낸 마이크 감도는 다음의 파라미터를 갖는 광학 마이크 조립체에 대해 모델링된다(다른 파라미터에 대해서도 유사한 효과가 나타남).

멤브레인 직경(d): 1mm

멤브레인 컴플라이언스: 50nm/Pa

음향 캐비티 크기: 1mm³ 및 7mm³

7mm³의 캐비티는 3mm x d²보다 큰 용적을 가지므로, 7mm³의 캐비티를 갖는 것으로 모델링된 조립체는 본 발명에 따른 조립체의 모델이다. 이러한 예는 또한 캐비티 용적이 적어도 7mm x d²이고; 캐비티 용적이 적어도 d³의 2배이고; 및 음향 캐비티 대 멤브레인 컴플라이언스의 용적 비율이 적어도 10mm³:100nm/Pa인 바람직한 기준의 각각을 충족한다. 1mm³의 캐비티는 3mm x d² 미만의 용적을 가지므로, 1mm³의 캐비티를 갖는 것으로 모델링된 조립체는 본 발명의 이점 없이 달성된 감도의 예이다.

도 16에서, 하부 라인(194)은 1mm³의 캐비티를 갖는 조립체에 대한 마이크 감도이다. 상부 라인(196)은 7mm³의 캐비티를 갖는 조립체에 대한 마이크 감도이다(다른 모든 파라미터는 변경되지 않음). 더 큰 캐비티를 사용하면 효과적인 멤브레인 컴플라이언스는 멤브레인의 실제 컴플라이언스의 약 75%임을 알 수 있다. 대조적으로, 더 큰 캐비티가 없으면 효과적인 컴플라이언스가 크게 억제된다.

또한 전술한 바와 같이, 출원인은 큰 크기를 갖는 공기 채널을 제공하면 마이크의 주파수 응답을 유리하게 개선할 수 있음을 발견했다. 도 17은, 더 작은 공기 채널을 갖는 동일한 조립체에 비해, 큰 공기 채널을 갖는 2개의 예시적인 광학 마이크 조립체에 대한 개선된 주파수 응답의 전산 시뮬레이션을 나타내고 있다.

도 17에 도시된 주파수 응답은 다음의 파라미터를 갖는 광학 마이크 조립체에 대해 모델링된다(다른 파라미터에 대해서도 유사한 효과가 나타남).

멤브레인 직경: 1mm

멤브레인 컴플라이언스: 50nm/Pa

기판 두께(공기 채널 길이): 700μm

공기 채널 형상: 원형

공기 채널 직경: 150μm, 300μm 및 450μm

음향 캐비티 크기: 7mm³

이러한 예에서, 기판은 700μm 두께이고, 이를 통해 직선 채널을 갖는 것으로 모델링되어, 채널은 700μm 길이이다. 그러므로, 공기 채널 직경은 공기 채널 길이/기판 두께보다 훨씬 작은 크기(150μm); 공기 채널 길이/기판 두께의 거의 절반 크기(300μm); 및 공기 채널 길이/기판 두께의 절반보다 큰 크기(450μm)를 나타내고, 후자는 본 발명의 실시예의 바람직한 범위이다.

기판은 본 발명에 따르면 예를 들어 10μm로 더 얇을 수 있어서, 본 예의 채널은 일부 다른 실시예에 비해 상대적으로 길다는 것을 이해할 것이다. 공기 채널 직경은 본 실시예 및 다른 실시예에서 공기 채널 길이보다 클 수 있지만, 이는 특정 모델링된 예에서는 나타내지 않는다.

도 17은 150μm의 공기 채널 직경에 대한 주파수 응답인 제1 라인(198)을 나타내고 있다. 약 13kHz에서 주파수 응답에 공진 피크가 있어, 약 7kHz로부터 상향으로 상당한 주파수 왜곡이 발생함을 알 수 있다.

제2 라인(200)은 300μm의 공기 채널 직경에 대한 주파수 응답을 나타내고, 제3 라인(202)은 450μm의 공기 채널 직경에 대한 주파수 응답을 나타낸다. 더 큰 채널은 공진 피크를 더 높은 주파수로 이동시키고, 가장 큰 채널 직경에서 더 큰 이동이 보이는 것을 알 수 있다(450μm 직경의 경우 약 34kHz 피크에 비해 300μm 직경의 경우 약 25kHz 피크). 이러한 피크 양자는 초음파 범위에 있어 오디오 애플리케이션에 유리하다.

도 18은 감소된 면내 장력 및 이에 따라 더 높은 컴플라이언스를 나타내는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 마이크 조립체용 멤브레인 구성요소(302)의 부분 절개 사시도를 나타내고 있다. 멤브레인 구성요소(302)는 멤브레인(304) 및 지지체(306)를 포함한다. 멤브레인 구성요소(302)는 원형이고, 즉 미도시된 부분이 도시된 부분의 거울 이미지이고, 도 18에서 보이는 단면은 대칭 평면을 따른다. 멤브레인(304)의 직경(308)은 3 mm이다. 멤브레인(304)은 실리콘 질화물(Si₃N₄)로 이루어진다.

멤브레인(304)의 주변부 근처에, 복수의 동심 원형 코러게이션(310)이 있다. 멤브레인(304)의 중앙부(312)는 어떠한 코러게이션도 갖지 않고 평면형이므로 빛을 반사할 것이다. 지지체(306)는 실리콘으로 이루어지고, 도 24(a)-(c)를 참조해서 더 후술될 바와 같이 멤브레인 구성요소(302)의 제조 시 실리콘 질화물 멤브레인(304)이 증착된 실리콘 웨이퍼의 일부로부터 형성된다. 실리콘 지지체(306)는 유리 기판(314)에 장착된다.

도 19는 도 18의 멤브레인(304)의 단면도를 나타낸 것으로, 코러게이션(310)의 형상 및 치수(축척이 아님)를 도시하고 있다. 위에서 볼 때, 즉 멤브레인(304)의 상면(316)을 볼 때, 코러게이션(310)은 멤브레인(304)에서 오목한 만곡형 만입부로서 형성된다. 아래에서 보면, 즉 하면(318)을 보면, 코러게이션은 볼록형 리지처럼 보인다. 코러게이션이 도 19에 도시된 정확한 형상을 가질 필요가 없다는 것을 이해할 것이다. 멤브레인에서 면내 장력의 감소로 인한 코러게이션의 이점은 다른 형상의 코러게이션으로 달성될 수 있다. 도 18 및 19에서, 코러게이션(310)의 예시적인 피치(320)(즉, 코러게이션(310) 사이의 거리)는 10μm이다. 코러게이션의 예시적인 폭(322)은 15μm이다. 코러게이션의 예시적인 깊이(324)는 1400nm이다. 멤브레인의 예시적인 두께(326)는 100nm이다.

도 20은 17개의 코러게이션을 갖는 원형의 실리콘 질화물 멤브레인의 유한 요소법(FEM) 전산 모델을 사용하여 계산된 폰 미제스 응력의 방사상 분포의 그래프를 도시하고 있다. 본원에서, 폰 미제스 응력은 벡터인 멤브레인 내의 응력을 스칼라 양으로 표현하는 데 사용된다. 그래프의 맨 우측에, 멤브레인 주변에 대응하는 높은 응력이 있다. 코러게이션으로 인한 멤브레인의 신장은, 그래프에 나타낸 바와 같이, 연속적인 높은 인장(피치 및 밸리) 및 압축(코너) 응력을 생성한다. 제1 코러게이션(328)은 대략 1800MPa의 높은 국부 응력을 나타낸다. 반경에 따른 응력의 급격한 변화는 피치와 밸리 영역 사이의 응력 변화 및 이러한 영역 사이의 코너에서의 응력 변화에 해당한다. 각 코러게이션에 대한 최대 응력은 반경의 감소에 따라(즉, 멤브레인의 중심을 향해) 감소하고, 또한 피치 및 밸리 영역에서 및 코너에서 응력 간의 차이는 중심을 향할수록 감소하고, 즉 응력은 중심을 향해 더 분산됨을 알 수 있다.

마지막 코러게이션(330)(즉, 최내측 코러게이션)에서 폰 미제스 응력의 피크는 가장 낮은 피크이다. 그 후, 멤브레인의 평면 중앙부(332) 내에서, 폰 미제스 응력은 편평하고 약 17MPa의 낮은 값에 있다. 이러한 고유 응력은 약 200nm/Pa의 컴플라이언스를 발생시킨다. 대조적으로, 도 20의 FEM 모델 멤브레인과 동일한 치수를 갖지만 코러게이션이 없는 편평한 실리콘 질화물 멤브레인에서, 고유 인장 응력은 통상적으로 2 내지 3 자릿수가 더 높으므로, 매우 낮은 컴플라이언스(예를 들어, 약 5nm/Pa)를 발생시킨다.

도 21은 FEM 전산 모델을 사용하여 계산된 3mm 실리콘 질화물 멤브레인에 제공된 코러게이션 수와 컴플라이언스 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 편평한 3mm 실리콘 질화물 멤브레인(즉, 제로 코러게이션)에 대한 컴플라이언스는 제1 막대(334)로 표시된 것으로 약 5nm/Pa이며, 이는 1045MPa의 고유 인장 응력에 해당한다. 17개의 코러게이션, 18개의 코러게이션, 및 20개의 코러게이션을 갖는 멤브레인에 대한 컴플라이언스 값은 각각 막대(336, 338, 및 340)로 표시된다. 각 컴플라이언스 막대(334, 336, 338, 340)에 인접한 것은 각 멤브레인에 대한 공진 주파수(f₀) 뿐만 아니라 이러한 멤브레인의 각각에 대한 중앙 영역에서의 인장 응력인 점에 유념한다. 20kHz보다 큰 공진 주파수(f₀)를 갖는 것이 바람직하다. 17개의 코러게이션의 경우, f₀가 20kHz보다 크고; 18개의 코러게이션의 경우, f₀는 약 20kHz이고; 20개의 코러게이션의 경우, f₀는 20kHz 미만인 것을 알 수 있다. 도 21에서 모델링된 3mm 멤브레인에 대해 공진 주파수(f₀)를 20kHz 초과로 유지하면서 최대 컴플라이언스를 달성하기 위해서는, 17개의 코러게이션이 최적이다. 다른 수의 코러게이션이 상이한 재료 또는 치수의 멤브레인에 대해 최적일 수 있음을 이해할 것이다.

도 22는 FEM 전산 모델을 사용하여 계산된 3mm 편평 및 코러게이션형 멤브레인에 대한 온도에 따른 컴플라이언스의 변화를 도시하고 있다. 멤브레인 컴플라이언스의 열 안정성은 광학 마이크가 작동 중일 때 온도의 변화가 마이크의 성능에 영향을 미치지 않게 하는 데 중요하다. 3개의 코러게이션형 멤브레인(17, 18 및 20개의 코러게이션) 모두에 대한 컴플라이언스는 -40℃ 내지 80℃의 범위에 걸쳐 실질적으로 편평하다는 것을 알 수 있다. 이는 또한 17개의 코러게이션을 갖는 편평 멤브레인 및 코러게이션형 멤브레인의 온도에 대한 정규화된 컴플라이언스의 도함수를 도시한 도 23에서 알 수 있다. 온도에 따른 컴플라이언스의 변화는 코러게이션형 멤브레인의 경우 약 0.01%/℃인 반면, 편평 멤브레인의 경우 그 변화는 0.08%/℃에서 상당히 더 높음을 알 수 있다. 이러한 차이는 열 부하에서 비롯되는 임의의 추가 변화를 적어도 부분적으로 보상하는 응력 버퍼로서 작용하는 멤브레인의 코러게이션 및 외부에 기인한다. 도 22 및 23에 도시된 온도 변화를 계산하는 데 사용된 전산은 실리콘 지지체 및 유리 기판을 포함하는 도 18에 도시된 것과 동등한 기하학적 구조에 대해 수행되었다.

도 24(a) 내지 24(h)는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 코러게이션형 멤브레인을 제조하는 예시적인 방법을 도시하고 있다.

도 24(a)는 만입부(344)를 갖는 실리콘 웨이퍼(342)를 도시한 것으로, 이는 실리콘 웨이퍼(342)의 바닥으로 에칭된 코러게이션의 원하는 형상에 부합한다. 실리콘 웨이퍼(342)는 단면으로 도시되어 있으며, 바닥에서 볼 때, 만입부(344)는 2개의 동심 링 형태를 갖는다. 만입부(344)는 대략 1000nm 깊이이고 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 생성되지만, 재료 증착, 패터닝/리소그래피 등과 같은 다른 방법이 대신 사용될 수 있다.

도 24(b)는 상부(346) 및 하부(348) 실리콘 산화물 층을 제공하도록 실리콘 표면이 산화된 실리콘 웨이퍼(342)를 도시하고 있다. 산화는 열 산화와 같은 임의의 적절한 방법에 의해 달성될 수 있다. 실리콘 산화물 층은 약 500nm 두께이다. 도 24(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 하부 실리콘 산화물 층(348)은 만입부(344)의 형상을 따른다.

도 24(c)에 도시된 바와 같이, 표면이 산화된 후, 상부(350) 및 하부(352) 실리콘 질화물(Si₃N₄) 층은 저압 화학 기상 증착(LPCVD)을 통해 실리콘 산화물 층(346, 348) 위에 증착된다. 하부 실리콘 질화물 층(352)도 만입부(344)의 형상을 따른다.

도 24(d)에 도시된 바와 같이, 그 후 실리콘 질화물 층은 에칭에 의해 선택적으로 제거되어 최종적인 원하는 멤브레인에 대응하는 영역을 남긴다. 선택적 에칭은 마스킹과 같은 공지된 방법을 사용하여 달성될 수 있다.

도 24(e)에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 후면에 인접한 실리콘 웨이퍼(342)의 영역(358)을 격리시키도록 마스크(356)가 도포되어 영역(358)은 에칭될 수 있다. 도 24(f)에 도시된 바와 같이, 영역(358)에 의해 노출된 실리콘 산화물 및 실리콘 웨이퍼는 반응성 이온 에칭을 사용하여 에칭된다. 도 24(g)에 도시된 바와 같이, 그 후 마스크는 제거된다. 마지막으로, 도 24(h)에 도시된 바와 같이, 습식 에칭은 멤브레인 후면 상의 실리콘 산화물을 제거하는 데 사용되며, 실리콘 웨이퍼(342)의 갭(364)에서 지지되는 만입부(344)에 대응하는 코러게이션(362)을 갖는 실리콘 질화물 멤브레인(360)을 남긴다.

도 25(a) 내지 25(c)는 판독 기술을 나타내는 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체용 광학 마이크(364)의 예를 개략적으로 도시하고 있다.

도 25(a) 내지 25(c)의 각각은 스페이서(370)에 장착된 실리콘 지지체(368)에 의해 지지되는 멤브레인(366)을 포함하는 광학 마이크(364)를 도시하고 있다. 스페이서는 공기 통로(372)가 제공된 강성 기판(371)에 장착된다. 인클로저는 명확성을 위해 이러한 도면에서 생략된다. 광학 마이크(364)는 또한 광원(373), 제1 검출기(374), 및 제2 검출기(376)를 포함한다. 제1 회절 격자(378) 및 제2 회절 격자(380)는 멤브레인(366)과 광원(373) 사이에 위치된다. 제1 회절 격자(378)는 제2 회절 격자(380)보다 멤브레인(366)에 약간 더 가깝게 위치된다. 멤브레인(366)과 함께 각 격자(378, 380)는 간섭계 어레인지먼트를 형성한다.

광학 마이크(364)가 작동할 때, 광원(373)은 제1 및 제2 회절 격자(378, 380)로 향하는 방사선(382)을 발생시킨다. 제1 회절 격자(378)에 충돌하는 방사선 중에서, 제1 부분은 제1 회절 격자(378)를 통과하여 회절된다. 그 후, 이러한 회절된 방사선은 멤브레인(366)에 의해 제1 회절 격자(378)를 통해 제1 검출기(374)로 반사된다. 제2 부분은 제1 회절 격자(378)에 의해 제1 검출기(374)로 반사된다. 제2 부분은 제1 부분과 간섭하여 간섭 패턴을 형성하고, 결과적으로 검출기(374)에서 검출된 빛의 강도는 간섭 패턴에 따라 및 이에 따른 제1 격자(378)와 멤브레인(366) 사이의 거리에 따라 달라진다.

유사하게, 제2 회절 격자(380)에 충돌하는 방사선 중에서, 제1 부분은 제2 회절 격자(380)를 통과하여 회절된다. 그 후, 이러한 회절된 방사선은 멤브레인(366)에 의해 제2 회절 격자(380)를 통해 제2 검출기(376)로 반사된다. 제2 부분은 제2 회절 격자(380)에 의해 제2 검출기(376)로 반사된다. 제2 부분은 제1 부분과 간섭하여 간섭 패턴을 형성하고, 결과적으로 검출기(376)에서 검출된 빛의 강도는 간섭 패턴에 따라 및 이에 따른 제2 격자(380)와 멤브레인(366) 사이의 거리에 따라 달라진다.

검출기(374, 376)의 각각에서의 빛의 강도가 각각의 회절 격자(378, 380)와 멤브레인(376) 사이의 거리에 따라 달라지므로, 멤브레인의 위치(및 이에 따른 동작)는 검출된 강도로부터 추론될 수 있다.

도 26은 빛의 간섭 투과 및 반사 부분의 상대적인 회절 효율을 도시하고 있다. 각 격자(378, 380)의 경우, 각각의 검출기(374, 376)는 0차 회절 피크를 수신하도록 위치된다. 1차 또는 더 높은 차수의 피크를 대신 검출할 수 있거나, 또는 다수의 검출기를 사용하여 하나보다 많은 피크를, 예를 들어 0차 및 1차 피크를, 검출할 수 있다. 제1 라인(386)은 0차 피크에 대응한다. 제2 라인(388)은 1차 피크에 대응한다.

도 26에 도시된 바와 같이, 0차 및 1차 피크의 상대적인 회절 효율은 멤브레인과 격자 사이의 거리에 따라 정현파적으로 가변되며, 0차 및 1차 피크는 역 위상이다. 마이크의 감도는 주어진 멤브레인의 변위 변화에 대한 출력 신호의 변화에 의해 결정된다. 그러므로, 최대 감도는 라인(386, 388)이 최대 구배를 갖는 작동 범위(390)에서 발생함을 도 26에서 알 수 있다.

따라서, 각 격자의 경우, 멤브레인의 동작은 멤브레인과 (2n+1)λ/8(여기서, n은 정수)의 격자 사이의 거리에 대응하는 작업 점 주변의 약 ±λ/16(약 ±50nm 멤브레인 변위에 대응함)의 작동 범위(390)에서 고감도로 단지 결정될 수 있다. 다른 거리에, 저감도(392)의 영역이 있다. 그 결과, 하나의 격자로 감지될 수 있는 동적 범위는 제한된다. 그러므로, 광학 마이크(364)에서, 2개의 격자(378, 380)는 더 큰 범위의 멤브레인 위치를 커버하기 위해 멤브레인과 약간 상이한 거리를 두고 제공되어, 광학 마이크의 동적 범위를 확장한다.

도 25(b)를 다시 참조하면, 이는 평형 위치에 있는 멤브레인(366)을 도시하고 있다. 제1 회절 격자(378)와 멤브레인(366)의 평형 위치 사이의 거리(d₁)는 λ/8보다 약간 작은 반면(예를 들어, λ/16), 제2 회절 격자(380)와 멤브레인(366)의 평형 위치 사이의 거리(d₂)는 λ/8보다 약간 크다(예를 들어, 3λ/16). 멤브레인(366)이 도 25(a)에 도시된 바와 같이 회절 격자(378, 380)로부터 이격되게 평형 위치로부터 변위될 때, 멤브레인(366)과 제1 회절 격자(378) 사이의 거리는 λ/8의 영역에 있다. 이는 제1 회절 격자(378)의 작동 범위 내에 있지만, 제2 회절 격자(380)의 저감도 범위 내에 있다. 멤브레인(366)이 도 25(c)에 도시된 바와 같이 회절 격자(378, 380)를 향해 평형 위치로부터 변위될 때, 멤브레인(366)과 제2 회절 격자(380) 사이의 거리는 약 λ/8이다. 이는 제2 회절 격자의 작동 범위 내에 있지만, 제1 회절 격자(378)의 저감도 범위 내에 있다.

그 후, 제1 및 제2 검출기(374, 376)로부터의 신호는 예를 들어 프로세서(384)에서 조합되어 각 회절 격자(378, 380)의 작동 범위에서 취해진 측정을 활용한다. 조합된 신호는 각 신호가 개별적으로 수행하는 것보다 더 큰 동적 범위를 커버한다. 이는 광학 마이크에서의 각각의 제1 및 제2 격자에 대응하는 제1 및 제2 검출기에서 검출된 2개의 1차 피크에 대한 상대적인 회절 효율 곡선(394, 396)을 도시한 도 27에 예시되어 있으며, 격자는 λ/8의 상대적인 높이 오프셋을 갖는다. 상대적인 회절 효율은 광학 마이크의 멤브레인과 각각의 격자 사이의 거리 함수로 표시된다. 제1 라인(394)은 제1 검출기(374)에서 검출된 1차 피크에 대응하고, 제2 라인(396)은 제2 검출기(376)에서 검출된 1차 피크에 대응한다. 강도가 거리에 따라 크게 가변되지 않는 제1 검출기의 저감도 영역(예를 들어, 영역(398))은 제2 검출기에 대한 작동 범위(곡선의 기울기가 가파른 경우)에 대응하고, 그 반대도 마찬가지임(예를 들어, 영역(400))을 알 수 있다.

본 발명은 하나의 회절 격자로만(예를 들어, 전술한 바와 같이, 멤브레인으로부터 λ/8에서 제1 회절 격자 위치만을 사용하여) 시행될 수 있음을 이해할 것이다. 그러나, 본 발명은 전술한 바와 같이 하나보다 많은 격자(또는 다른 광학 요소)를 사용하여 작동 범위가 확장되는 경우 특히 유리하게 사용될 수 있는 데, 이는 증가된 작동 범위가 본 발명에 따른 특히 높은 컴플라이언스 멤브레인의 사용을 가능하게 할 수 있기 때문이다. 또한, 동적 범위를 더 증가시키기 위해 상이한 거리에 있는 2개보다 많은 회절 격자가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 28은 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에서 사용하기 위한 추가적인 광학 마이크(402)를 도시하고 있다. 광학 마이크(402)는 코러게이션(406)을 갖는 멤브레인(404)을 포함한다. 코러게이션은 제1 편평면(410)을 제공하는 중앙부(408) 주위에 동심 링으로 형성된다. 광학 마이크는 또한 제2 편평면(412), 광원(414), 및 렌즈(416)를 포함한다. 제1 및 제2 편평면(410, 412)은 그 사이에 간극 용적(418)을 형성한다. 멤브레인(404) 및 제2 편평면(406)은 부분적으로 반사되어, 제1 및 제2 표면(410, 412)은 함께 파브리 페로 간섭계 어레인지먼트로서 거동한다.

렌즈(416)는 광원(414)으로부터의 광을 시준하고 이를 멤브레인(404)으로 향하게 한다. 빛은 멤브레인(404)을 통과하여 간극 용적(418)으로 입사된다. 빛은 제1 및 제2 표면(410, 412) 사이의 간극 용적(418) 내부에서 내부적으로 여러 번 반사되고, 빛이 제2 편평면(412)에 충돌할 때마다, 빛의 일부는 제2 편평면을 통해 투과되어 검출기(420)에 충돌한다. 각 부분은 다른 광 경로(422a, 422b)를 따라 전파된다. 도 28에는 2개의 광 경로(422a, 422b)만이 도시되어 있지만, 추가적인 서로 다른 광 경로를 따라 전파되는 빛의 더 많은 부분에 더 많이 제공하는 더 많은 내부 반사가 있을 수 있음을 이해할 것이다. 광 경로(422a, 422b)는 명확성을 위해 공간적으로 분리된 것으로 도시되어 있지만, 실제로 공간 영역에 중첩될 수 있음을 이해할 것이다.

광 경로(422a, 422b) 사이의 광학 경로 차이는 멤브레인(404)의 제1 편평면(410)과 제2 편평면(412) 사이의 거리(d)에 따라 달라져서, 검출기에서 방사선의 강도는 거리(d)에 따라 달라진다.

검출기에 입사되는 방사선의 강도(I)는

I=I ₀ /(1+(2F/π) ² sin ² (2πd/λ))이고,

여기서 d는 제1 및 제2 편평면 사이의 거리이고, F는 간섭계의 피네스이고, λ는 빛의 파장이다.

멤브레인이 음향 진동에 반응하여 이동하면, 거리(d)는 가변되고 검출기에 입사되는 방사선의 강도는 변하게 된다. 따라서, 검출기에서 측정된 광 강도(I)로부터 간격(d)을 계산할 수 있다.

제2 편평면은 두꺼운 기판(424)의 상면임을 알 수 있다. 두꺼운 기판은 이를 통해 공기 채널(426)을 갖는다. 도 28의 광학 마이크는 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 광학 마이크 조립체에 통합되기에 적합하다. 따라서, 공기 채널(426)은 이전 실시예와 관련해서 전술한 방식으로 광학 마이크의 음향 캐비티 또는 광학 마이크의 외부와 간극 용적(418)을 연결할 수 있음을 이해할 것이다.

멤브레인을 포함하는 간섭계 어레인지먼트의 도 28에서의 구성은 다른 실시예와 다르지만, 광학 마이크 조립체, 멤브레인 및 (존재하는 경우) 그의 코러게이션에 관한 전술한 모든 특징은 도 28의 구성을 포함하는 실시예에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

전술한 실시예는 단지 예일 뿐이며 본 발명의 범위 내에서 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (39)

1. 광학 마이크 조립체로서,
   강성 기판; 및
   간섭계 어레인지먼트를 포함하고, 상기 간섭계 어레인지먼트는 멤브레인 및 상기 멤브레인으로부터 이격된 적어도 하나의 광학 요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 기판의 표면을 포함하고 및/또는 상기 기판의 표면에 배치되고, 상기 광학 마이크 조립체는,
   상기 간섭계 어레인지먼트에 빛을 제공하도록 마련되어 상기 빛의 제1 부분이 상기 간섭계 어레인지먼트를 통해 제1 광학 경로를 따라 전파되고 상기 빛의 제2 부분이 상기 간섭계 어레인지먼트를 통해 제2 다른 광학 경로를 따라 전파되어, 상기 멤브레인과 상기 광학 요소 사이의 거리에 따라 달라지는 상기 제1 및 제2 광학 경로 간의 광학 경로 차이를 발생시키는, 광원;
   상기 광학 경로 차이에 의존하는 상기 빛의 제1 및 제2 부분에 의해 생성된 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하도록 마련된 적어도 하나의 광 검출기; 및
   상기 멤브레인의 일측과 유체 연통하는 음향 캐비티를 형성하도록 마련된 인클로저를 더 포함하고; 상기 음향 캐비티의 용적은 적어도 3mm x d²로서, d는 상기 멤브레인의 직경인, 광학 마이크 조립체.
2. 제1항에 있어서, 적어도 상기 간섭계 어레인지먼트, 상기 광원, 및 상기 광 검출기는 함께 광학 마이크를 형성하고, 상기 광학 마이크는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 광학 마이크인, 광학 마이크 조립체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 마이크 조립체는 상기 음향 캐비티에 더하여 간극 용적을 포함하고, 상기 기판 및 상기 멤브레인은 함께 그 사이에 상기 간극 용적을 형성하는, 광학 마이크 조립체.
4. 제3항에 있어서, 상기 간극 용적은 상기 음향 캐비티의 용적의 10%보다 작은, 광학 마이크 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인 및 상기 광학 요소는 MEMS 구성요소에 통합되는, 광학 마이크 조립체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 마이크 조립체는 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 사용하여 제조되는, 광학 마이크 조립체.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 1mm와 4mm 사이의 최대 측방향 치수를 갖는, 광학 마이크 조립체.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판을 통한 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 포함하는, 광학 마이크 조립체.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 상기 광학 마이크 조립체는 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 더 포함하여 상기 간극 용적은 상기 개구를 통해 상기 마이크 조립체의 외부와 유체 연통하는, 광학 마이크 조립체.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 상기 광학 마이크 조립체는 공기 통로를 제공하는 하나 이상의 개구를 더 포함하여 상기 음향 캐비티는 상기 개구를 통해 상기 간극 용적과 유체 연통하는, 광학 마이크 조립체.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 중앙 지지부를 둘러싸는 복수의 개구를 포함하고, 상기 광학 요소(들)는 상기 중앙 지지부에 제공되는, 광학 마이크 조립체.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구 또는 각 개구는 상기 기판의 평면에서 적어도 0.2mm의 최대 범위를 갖는, 광학 마이크 조립체.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구 또는 각 개구는 상기 기판의 평면에서 상기 기판의 두께보다 크거나 같은 최대 범위를 갖는, 광학 마이크 조립체.
14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판에 관통홀을 포함하고, 상기 관통홀은 상기 멤브레인과 실질적으로 유사한 치수를 가지며 상기 멤브레인과 실질적으로 중첩하고, 상기 관통홀의 둘레 주위에서 상기 기판에 중앙 지지체를 연결하는 복수의 일체로 형성된 반경 방향으로 연장되는 지지 요소를 더 포함하고, 상기 광학 요소(들)는 상기 중앙 지지체에 제공되는, 광학 마이크 조립체.
15. 제14항에 있어서, 상기 기판 및 상기 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 상기 관통홀은 공기 통로를 제공하여 상기 간극 용적은 상기 관통홀을 통해 상기 마이크 조립체의 외부와 유체 연통하는, 광학 마이크 조립체.
16. 제14항에 있어서, 상기 기판 및 상기 멤브레인은 함께 그 사이에 간극 용적을 형성하고, 상기 관통홀은 공기 통로를 제공하여 상기 음향 캐비티는 상기 관통홀을 통해 상기 간극 용적과 유체 연통하는, 광학 마이크 조립체.
17. 제9항 또는 제15항에 있어서, 상기 인클로저는 상기 기판으로부터 먼 쪽을 향하는 상기 멤브레인의 측면에 상기 음향 캐비티를 형성하도록 위치되는, 광학 마이크 조립체.
18. 제10항 또는 제16항에 있어서, 상기 인클로저는 상기 기판을 향하는 상기 멤브레인의 측면에 상기 음향 캐비티를 형성하도록 위치되는, 광학 마이크 조립체.
19. 제8항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구 또는 상기 관통홀과 중첩하는 상기 멤브레인의 면적은 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 80%인, 광학 마이크 조립체.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인 컴플라이언스는 적어도 25nm/Pa, 바람직하게는 적어도 50nm/Pa, 더 바람직하게는 적어도 75nm/Pa인, 광학 마이크 조립체.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인에는 그 내부의 면내 장력을 감소시키기 위해 적어도 하나의 코러게이션이 형성되는, 광학 마이크 조립체.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 마이크 조립체는 복수의 광학 요소를 포함하고, 상기 광학 요소의 각각은 상기 기판의 표면을 포함하고 및/또는 그 상에 배치되고, 상기 광원으로부터 상기 검출기 중 하나로 전파되는 빛에 대한 상기 멤브레인과 각 광학 요소 사이의 각각의 광학 경로 길이는 광학 요소마다 상이한, 광학 마이크 조립체.
23. 제22항에 있어서, 상기 광학 경로 길이의 차이는 상기 회절 광학 요소 중 하나 이상에 증착된 광학 지연막에 의해 제공되는, 광학 마이크 조립체.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 광학 지연을 제공하기 위해 에칭된 리세스 또는 증착된 막을 포함하는, 광학 마이크 조립체.
25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판으로부터 상기 광원을 향해 다시 반사되는 빛의 양을 감소시키거나 또는 상기 광 검출기를 향해 반사된 빛을 제한 또는 선택하도록 위치되는 에칭된 리세스를 포함하는, 광학 마이크 조립체.
26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 상기 기판의 일측 또는 양측에 반사 방지 코팅을 포함하는, 광학 마이크 조립체.
27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 리세스를 갖는 마운트를 더 포함하고, 상기 광원 및/또는 상기 광 검출기는 상기 리세스에 장착되고, 상기 마운트는 상기 기판에 밀봉되어 상기 광원 및/또는 상기 광 검출기를 포함하는 밀봉된 캐비티를 형성하는, 광학 마이크 조립체.
28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 상기 광원에 의해 방출된 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한, 광학 마이크 조립체.
29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 광원에 의해 방출된 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명한, 광학 마이크 조립체.
30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 상기 광학 요소를 조명하도록 위치되어 상기 빛의 제1 부분은 상기 광학 요소를 통해 상기 멤브레인으로 전달되어 상기 멤브레인에 의해 반사되고 상기 빛의 제2 부분은 상기 광학 요소로부터 반사되는, 광학 마이크 조립체.
31. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 상기 멤브레인을 조명하도록 위치되어 상기 빛의 제1 부분은 상기 멤브레인을 통해 상기 광학 요소로 전달되어 상기 광학 요소에 의해 반사되고 상기 빛의 제2 부분은 상기 멤브레인으로부터 반사되는, 광학 마이크 조립체.
32. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항 또는 제31항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 광학 경로 중 어느 것도 상기 기판을 통과하지 않는, 광학 마이크 조립체.
33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 요소는 회절 광학 요소인, 광학 마이크 조립체.
34. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간섭계 어레인지먼트는 파브리 페로 간섭계로서 구성되는, 광학 마이크 조립체.
35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 적어도 10마이크로미터, 바람직하게는 적어도 50마이크로미터의 두께를 갖는, 광학 마이크 조립체.
36. 제1항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음향 캐비티 대 상기 멤브레인 컴플라이언스의 용적 비율은 적어도 10mm³:100nm/Pa인, 광학 마이크 조립체.
37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음향 캐비티의 용적은 적어도 d³의 2배인, 광학 마이크 조립체.
38. 제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음향 캐비티의 용적은 적어도 7mm x d²인, 광학 마이크 조립체.
39. 광학 마이크 조립체를 작동시키는 방법으로서, 상기 광학 마이크 조립체는,
    강성 기판;
    간섭계 어레인지먼트로서, 상기 간섭계 어레인지먼트는 멤브레인 및 상기 멤브레인으로부터 이격된 적어도 하나의 광학 요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 기판의 표면을 포함하고 및/또는 상기 기판의 표면에 배치되는, 간섭계 어레인지먼트;
    광원;
    적어도 하나의 광 검출기; 및
    상기 멤브레인의 일측과 유체 연통하는 음향 캐비티를 형성하도록 마련된 인클로저를 포함하고; 상기 음향 캐비티의 용적은 적어도 3mm x d²로서, d는 상기 멤브레인의 직경이고; 상기 방법은,
    상기 광원이 상기 간섭계 어레인지먼트에 빛을 제공하여 상기 빛의 제1 부분이 상기 간섭계 어레인지먼트를 통해 제1 광학 경로를 따라 전파되고 상기 빛의 제2 부분이 상기 간섭계 어레인지먼트를 통해 제2 다른 광학 경로를 따라 전파되어, 상기 멤브레인과 상기 광학 요소 사이의 거리에 따라 달라지는 상기 제1 및 제2 광학 경로 간의 광학 경로 차이를 발생시키는 단계; 및
    상기 광 검출기(들)가 상기 광학 경로 차이에 의존하는 상기 빛의 제1 및 제2 부분에 의해 생성된 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함하는, 광학 마이크 조립체를 작동시키는 방법.

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