KR20210059756A

KR20210059756A - 동적 압력 변화를 검출하기 위한 통합형 광 변환기 및 동적 압력 변화 검출 방법

Info

Publication number: KR20210059756A
Application number: KR1020217011206A
Authority: KR
Inventors: 고란 스토자노빅; 콜린 스틸; 젠스 호프리치터; 카탈린 라자르; 조첸 크래프트
Original assignee: 에이엠에스 인터내셔널 에이쥐
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-05-25
Also published as: US20210404897A1; US11808654B2; CN113167672B; EP3628990A1; EP3628990B1; KR102470265B1; CN113167672A; WO2020064431A1

Abstract

동적 압력 변화를 검출하기 위한 통합형 광 변환기(1)는 상기 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부(12), 및 제2 측부(13)를 구비한 MEMS 다이어프램(11)을 갖는, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 다이(10); 및 광 간섭계 어셈블리를 갖는, 주문형 집적 회로(ASIC) 다이(20)를 포함한다. 상기 광 간섭계 어셈블리는, 광원(23)으로부터 소스 비임(30)을 수신하고 그리고 상기 소스 비임(30)을 제1 비임 경로의 프로브 비임(31) 및 제2 비임 경로의 기준 비임(31)으로 분할하기 위한, 비임 분할 요소(21), 상기 프로브 비임(31)과 상기 기준 비임(32)을 중첩 비임(33)으로 결합하기 위한 비임 결합 요소(22), 및 상기 중첩 비임(33)에 따라 전자 간섭 신호를 발생하도록 구성되는 검출기(24)를 포함한다. 상기 MEMS 다이(10)는, 상기 다이어프램의 상기 제2 측부(12)와 상기 ASIC 다이(20) 사이에 갭이 형성되고, 상기 갭이 공동(14)을 정의하고 갭 높이를 갖도록, 상기 ASIC 다이(20)에 대해 배치된다. 상기 프로브 비임(31)의 상기 제1 비임 경로는 상기 공동(14)으로의 결합, 상기 다이어프램(11)의 편향 지점 또는 편향면(16)의 반사, 및 상기 공동(14)으로부터의 결합을 포함한다.

Description

동적 압력 변화를 검출하기 위한 통합형 광 변환기 및 동적 압력 변화 검출 방법

본 개시는 동적 압력 변화(dynamic pressure change), 특히 음향파를 감지하기 위한 통합형 광 변환기(integrated optical transducer), 및 동적 압력 변화의 측정 방법에 관한 것이다.

동적 압력 변화를 감지하기 위한 마이크로 전자기계 시스템(micro-electro-mechanical system:MEMS) 변환기는, 특히 음향 주파수 대역에서 압력파(pressure wave)를 감지하기 위한 마이크(microphones)와 같은 현대의 가전제품에, 광범위한 용도로 사용되고 있다. 고집적 MEMS 마이크가 중요한 역할을 하는 일반적인 예로는, 랩탑, 노트북, 및 태블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 컴퓨팅 디바이스뿐만 아니라, 스마트폰 또는 스마트 워치(smart watch)와 같은 휴대용 통신 디바이스를 포함한다. 현대의 변환기는 일반적으로 예를 들어 하이엔드 오디오 용도에 충분한 용량성 판독에 의존하지만, 음성 인식 및 딥 러닝 용도와 같은 새로운 용도에서는, 현재의 용량 변환기의 기능을 넘어서는, 증가된 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio:SNR)을 요구한다.

달성해야 할 목표는 고감도, 저잡음의 통합형 변환기에 대해 개선된 개념을 제공하는 것이다.

이런 목적은 독립 청구항의 주제로 달성된다. 상기 개선된 개념의 실시예 및 개발은 종속 청구항에서 정의된다.

상기 개선된 개념은 동적 압력 변화에 의해 영향을 받는 다이어프램과 같은 기계적으로 순응하는 변환기의 변위의 간섭 판독(interferometric readout)에 의존하는 통합형 광 변환기를 제공한다는 아이디어에 기초하고 한다. 상기 개선된 개념의 중심적인 측면은, 용량성 판독 방식에 필요하지만 그러나 통상적인 광 변환기의 격자(grating)로서도 필요한 구속 백 플레이트의 회피(avoidance of a constraining back plate)입니다.

예를 들어, 상기 개선된 개념에 따라 동적 압력 변화를 검출하기 위한 통합형 광 변환기는, 상기 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부, 및 제2 측부를 구비한 MEMS 다이어프램을 갖는 MEMS 다이를 포함한다. 상기 변환기는 광 간섭계 어셈블리를 갖는 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit:ASIC) 다이를 추가로 포함한다.

상기 광 간섭계 어셈블리는, 광원으로부터 소스 비임(source beam)을 수신하고 또한 상기 소스 비임을 제1 비임 경로의 프로브 비임(probe beam) 및 제2 비임 경로의 기준 비임(reference beam)으로 분할하기 위한, 비임 분할 요소(beam-splitting element)를 포함한다. 또한, 상기 광 간섭계 어셈블리는, 상기 프로브 비임과 기준 비임을 중첩 비임(superposition beam)으로 결합하기 위한 비임 결합 요소(beam combining element)뿐만 아니라, 중첩 비임을 수신하고 그리고 상기 중첩 비임에 따라 전자 간섭 신호를 발생하도록 구성된 검출기를 추가로 포함한다.

상기 개선된 개념에 따라, MEMS 다이는 다이어프램의 내측과 ASIC 다이 사이에 갭이 형성되도록, 상기 ASIC 다이에 대해 배치되며, 여기서 상기 갭은 공동(cavity)을 정의하며 그리고 갭 높이를 특징으로 한다. 상기 프로브 비임의 제1 비임 경로는 공동으로의 결합, 상기 다이어프램의 편향 지점 또는 편향면으로부터의 반사, 및 상기 공동으로부터의 결합을 포함한다.

이러한 변환기에 있어서, MEMS 다이의 MEMS 다이어프램은, 예를 들어 실리콘 질화물, 결정질-실리콘 또는 폴리-실리콘과 같은 재료로 제조된 서스펜디드 멤브레인(suspended membrane)이다. 서스펜션(suspension)은, 예를 들어 실리콘과 같은 재료로 제조된 클램핑 구조체에 의해 구현된다. 동적 압력 변화에 노출되기 위해, 상기 다이어프램의 제1 측부는 변환기의 환경과 대면하고 있으며, 이에 따라 외측면으로서 간주될 수 있다. 이와는 달리, 제2 측부는 ASIC 다이와 대면하며, 이에 따라 내측면으로서 간주될 수 있다.

상기 ASIC 다이는 MEMS 다이와는 별도로 제조될 수 있으며, 또한 실리콘 기판과 같은 기판 상에 배치되는 ASIC 의 능동 회로를 포함할 수 있다. 상기 ASIC 다이는 광학 분석 및 간섭 신호의 생성을 위해, 실리콘 포토다이오드와 같은 검출기뿐만 아니라, 광 비임의 분할 및 결합을 위한 통상적인 비임 분할기와 같은 MEMS 다이어프램의 편향의 간섭 판독을 구현하는 데 필요한 광학 요소를 추가로 포함한다.

상기 광 변환기를 형성하기 위해, MEMS 다이어프램과 ASIC 다이 사이에 공동이 생성되도록, 2개의 다이가 서로에 대해 배치되며, 여기서 상기 공동은 특정 갭 높이를 갖는 갭을 특징으로 한다. 예를 들어, MEMS 다이 및 ASIC 다이는 예를 들어 접착제 또는 공융 타입(eutectic type)일 수 있는 통상적인 웨이퍼 본딩 기술에 따라 함께 본딩된다.

광 간섭계 어셈블리는 마하-젠더(Mach-Zehnder) 또는 마이켈슨(Michelson) 간섭계와 같은 광 간섭계를 형성하며, 이는 예를 들어 다이어프램 상의 지점 또는 표면, 예를 들어 제2 측부 상의 지점 또는 표면에 충돌하고, 그리고 중첩 비임을 생성하기 위해 동일한 광원으로부터의 기준 비임과 재결합되는 프로브 비임에 의존한다. 예를 들어 동적 압력 변화로부터의 진동에 의해 유도된 다이어프램의 편향으로 인한 제1 비임 경로의 길이 변화는, 제2 비임 경로의 기준 비임에 대해 상기 프로브 비임의 위상 이동을 유발한다. 그 결과적인 위상차는 중첩 비임에 간섭 패턴을 유발하며, 이는 광 검출기에 의해 검출 및 분석되어, 상기 다이어프램의 변위에 대한 정보를 제공한다.

일부 실시예에 있어서, 상기 ASIC 다이는 소스 비임을 방출하기 위한 광원을 추가로 포함한다.

상기 광원은 레이저와 같은 간섭성(coherent) 광원일 수 있다. 온칩 솔루션(on-chip solution)은, 수직-공동 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers:VCSEL)와 같은 통합형 반도체 레이저를 포함한다. 이들 레이저는, 소스 비임을 공급하기 위해, 상기 변환기의 ASIC 에 포함되기에 충분히 작은 치수를 가질 수 있다. 이런 방식으로, 상기 변환기는 외부 광원을 요구하지 않고 독립적으로 작동할 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 제1 비임 경로는 유효 길이(effective length)의 관점에서 광원의 간섭성 길이(coherent length)보다 더 작게, 상기 제2 비임 경로로부터 이탈된다.

광 간섭계가 간섭 패턴 및 프린지(fringe)와 같은 간섭 효과를 생성하기 위해, 간섭계의 2개의 아암(arms), 즉 제1 및 제2 비임 경로는 그 유효 경로 길이가 레이저의 간섭성 길이까지 동일할 것이 요구된다. 전형적으로, VCSEL 의 간섭성 길이는 레이저의 특성에 따라 1 ㎜ 내지 10 ㎝ 의 범위에 있다. 이에 따라, 변환기는 이런 차이가 유지되는 방식으로 설계되어야만 한다.

일부 실시예에 있어서, 상기 갭 높이는 100 ㎛ 이상, 특히 200 ㎛ 이상이다.

다이어프램과 AISC 다이 사이의 큰 갭은, 상기 변환기의 백 볼륨(back-volume)이 크다는 것을 의미한다. 이는 변환기가 상기 백 볼륨 내의 공기 압축으로 인해 작은 음향 임피던스를 특징으로 하며, 이는 감도 및 SNR이 커진다는 것을 의미한다. 빈 공동(empty cavity)과 결합하면, 통상적인 변환기처럼 천공된 백 플레이트가 필요하지 않다는 것을 의미하여, 약 72 dBa 내지 80 dBa의 SNR 이 달성 가능하여, 음성 인식 및 딥 러닝 애플리케이션의 요구 사항을 충족시킨다.

일부 실시예에 있어서, 상기 광 간섭계 어셈블리는 기준 비임, 프로브 비임, 및 중첩 비임을 안내하기 위한 도파관 구조체(waveguide structure)를 추가로 포함한다. 상기 광 간섭계 어셈블리는 도파관 구조체로부터의 광을 공동에 결합하기 위한 및/또는 상기 공동으로부터의 광을 도파관 구조체에 결합하기 위한, 격자 결합 요소(grating coupling element)와 같은 적어도 하나의 결합 요소를 추가로 포함한다.

예를 들어 실리콘 기반 도파관으로 구성된 도파관 구조체는, 광학 요소들 사이에서 칩을 가로질러 광을 안내하는 일반적인 수단이다. 예를 들어, 상기 도파관 구조체는 상이한 도파관을 포함하며, 여기서 제1 도파관은 예를 들어 광원 또는 결합 요소로부터의 소스 비임을 비임 분할 요소로 안내하도록 구성된다. 제2 및 제3 도파관은 프로브 비임 및 기준 비임을 각각 안내하도록 구성될 수 있고, 제4 도파관은 비임 결합 요소로부터의 중첩 비임을 검출기로 안내하도록 구성될 수 있다. 프로브 비임이 제1 비임 경로에서 자유 공간(free space)의 공동을 횡단할 때, 결합 요소는 도파관-자유 공간의 결합(waveguide-to-free-space coupling)에 사용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 결합 요소의 전형적인 예는 격자 결합 요소이다.

일부 추가의 실시예에 있어서, 상기 비임 분할 요소 및/또는 비임 결합 요소는 도파관 구조체에 통합된다.

상기 간섭계 어셈블리를 간단하고 콤팩트하게 유지할 뿐만 아니라 광학 손실의 관점에서 높은 효율성을 유지하기 위해, 도파관-기반 비임 분할기 및 결합기가 사용하여, 중첩 비임뿐만 아니라 프로브 비임 및 기준 비임을 발생시킬 수 있다.

일부 추가의 실시예에 있어서, 상기 광 간섭계 어셈블리는 제1 비임 경로에 렌즈 요소, 예를 들어 다초점 프레즈넬(multi-focal Fresnel) 렌즈 요소 또는 액시콘(axicon) 렌즈 요소를 추가로 포함한다. 상기 렌즈 요소는 비임 분할 요소로부터 프로브 비임을 수신하고, 수정된 공간 강도 프로필(spatial intensity profile)로 수정된 프로브 비임을 생성하고, 그리고 상기 수정된 프로브 비임을 공동에 결합하여 상기 프로브 비임이 다이어프램의 다중 편향 지점들 또는 하나 또는 그 이상의 편향면들로부터 반사되도록 구성된다.

이러한 렌즈 요소를 구비한 광 변환기는, 다이어프램의 제2 측부의 다중 지점 또는 연장면의 프로빙(probing)을 가능하게 하며, 이는 상기 변환기의 더 큰 감도 및 SNR 로 나타난다. 예를 들어, 상기 렌즈 요소는 다이어프램의 환형면(annular surface) 상의 충돌 및 이에 따른 프로빙을 위해, 링 공간 강도 프로필(ring spatial intensity profile)을 프로브 비임에 제공하도록 구성된다. 적합한 렌즈로는, 예를 들어 프레즈넬 렌즈 및 액시콘 렌즈를 포함한다.

일부 추가의 실시예에 있어서, 상기 결합 요소는 상기 수정된 공간 강도 프로필에 따라 성형(shaped)되며, 그리고 공동으로부터의 프로브 비임을 도파관 구조체에 결합하도록 구성된다.

효율적인 작동을 위해, 상기 변환기는 다이어프램의 제2 측부로부터 반사된 거의 모든 광을 수집하고, 그리고 이를 다시 도파관 구조체에 결합할 것이 요구된다. 이는 결합 요소가 상기 반사된 프로브 비임의 강도 프로필에 대응하는 형상을 갖는다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 반사된 프로브 비임이 링 프로필을 갖는다면, 결합 요소는 상기 결합 요소의 위치에서 상기 반사된 프로브 비임의 크기, 즉 직경에 대응하는 치수를 갖는 대응의 환형 또는 원형 형상(annular or circular shape)을 갖는다.

일부 실시예에 있어서, 상기 광 간섭계 어셈블리는 제1 비임 경로에 및/또는 제2 비임 경로에 위상 조정 요소(phase adjusting element)를 추가로 포함한다.

제조 프로세스 중 결함이나 공차로 인해, 최종 완성된 변환기의 실제 치수가 설계 치수로부터 벗어날 수 있다. 예를 들어, 갭 높이는 최대 5 ㎛ 까지 변할 수 있으며, 이에 따라 의도한 값보다 더 작거나 또는 더 커진다. 1차적으로는, 상기 간섭계의 특성은 갭 높이의 임의의 변화를 보상한다. 또한, 광 경로 길이의 미세한 트림(fine trim)은, 간섭계의 바람직한 영역에서 변환기의 작동을 보장하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 이런 미세한 트림은 그 유효 길이를 변경하기 위해 상기 비임 경로들 중 하나의 열적 가열 요소에 의해, 예를 들어 도파관의 굴절률과 같은 속성을 변경함으로써 구현된다.

일부 실시예에 있어서, 상기 제2 비임 경로는 공동으로의 결합, 상기 MEMS 다이의 고정 지점 또는 고정면으로부터의 반사, 및 상기 공동으로부터의 결합을 포함한다.

실질적으로 프로브 비임 및 기준 비임의 동일한 광 경로 길이를 달성하기 위해, 후자 또한 마찬가지로 공동을 통해 안내되고, 다이어프램의 클램핑 구조체와 같은 MEMS 다이의 고정 지점(stationary point) 또는 고정면(stationary surface)에 충돌할 수 있다. 상기 반사된 기준 비임은, 예를 들어 간섭 신호를 운반하는 중첩 비임의 생성을 위해, 상기 비임 결합 요소에서 상기 반사된 프로브 비임과 재결합된다.

일부 실시예에 있어서, 광 간섭계 어셈블리는 추가의 비임 분할 요소 및 추가의 비임 결합 요소를 추가로 포함한다. 상기 추가의 비임 분할 요소는, 제3 비임 경로에서 추가의 프로브 비임을 발생하고 그리고 제4 비임 경로에서 추가의 기준 비임을 발생하도록 구성된다. 상기 추가의 비임 결합 요소는, 추가의 기준 비임과 추가의 프로브 비임을 추가의 중첩 비임으로 결합하도록 구성된다.

더 높은 감도 및 SNR 을 달성하기 위해, 상기 소스 비임은 예를 들어 2개의 부분으로 분할되며, 그 각각의 부분은 이후에 프로브 비임과 기준 비임으로 분할된다. 그 후, 2개의 프로브 비임이 다이어프램의 상이한 지점이나 표면에 충돌할 수 있으며, 이에 따라 반사 후에는 다중 지점의 편향 정보를 운반할 수 있다. 2개의 결과적인 중첩 비임은 단일의 검출기를 통해 결합 및 분석될 수 있다. 대안적으로, 광 간섭계는 예를 들어 상기 추가의 중첩 비임을 검출하기 위해, 추가의 검출기를 포함한다.

일부 실시예에 있어서, 상기 제3 비임 경로는 공동으로의 결합, 다이어프램의 추가의 편향 지점 또는 추가의 편향면으로부터의 반사, 및 상기 공동으로부터의 결합을 포함한다.

일부 추가의 실시예에 있어서, 상기 제4 비임 경로는 공동으로의 결합, MEMS 다이의 추가의 고정점 또는 추가의 고정면으로부터의 반사, 및 상기 공동으로부터의 결합을 포함한다.

상기 목적은, 전술한 실시예들 중 하나에 따른 통합형 광 변환기를 포함하는 오디오 디바이스 또는 통신 디바이스와 같은 전자 디바이스에 의해 추가로 해결된다. 상기 변환기는 그 내부에서 변환기의 환경에서의 동적 압력 변화, 예를 들어 오디오 주파수에 대응하는 속도에서의 동적 압력 변화를 전방향으로(omnidirectionally) 검출하도록 구성된다.

상기 목적은 광 간섭계를 사용하여 동적 압력 변화를 검출하기 위한 방법에 의해 추가로 해결된다. 상기 방법은 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부, 및 제2 측부를 구비한 MEMS 다이어프램을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 소스 비임을 제1 비임 경로의 프로브 비임 및 제2 비임 경로의 기준 비임으로 분할하는 단계, 상기 프로브 비임을 MEMS 다이어프램의 편향 지점 또는 편향면으로부터 반사하는 단계, 상기 프로브 비임 및 기준 비임을 중첩 비임으로 결합하는 단계, 및 상기 중첩 비임에 따라 전자 간섭 신호를 발생하는 단계를 추가로 포함한다.

상기 방법의 추가의 실시예는, 전술한 변환기의 실시예들로부터 본 기술분야의 숙련된 독자에게 명백해진다.

예시적인 실시예의 도면의 이하의 설명은 상기 개선된 개념의 양태를 추가로 예시하고 설명할 수 있다. 동일한 구조 및 동일한 효과를 갖는 변환기의 구성요소 및 부품은 동일한 도면부호로 각각 나타난다. 변환기의 구성요소 및 부품이 다른 도면에서 기능적인 면에서 서로 대응하는 한, 그 기재는 이하의 각각의 도면들에 대해 반복되지 않는다.

도 1은 상기 개선된 개념에 따른 통합형 광 변환기의 실시예의 단면도를 도시하고 있다.
도 2는 광 변환기의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다.
도 3은 광 변환기의 추가의 실시예의 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 광 변환기의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다.
도 5는 광 변환기의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다.
도 6은 광 변환기의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다.

도 1은 상기 개선된 개념에 따른 통합형 광 변환기(1)의 실시예의 단면도를 도시하고 있다. 변환기(1)는, 예를 들어 별도의 제조 프로세스 후에 서로 융합 접촉되는 MEMS 다이(10) 및 ASIC 다이(20)를 포함한다. 상기 융합 접촉은, 예를 들어 표준 웨이퍼 본딩 기술을 통해 구현된다. 상기 2개의 다이(10, 20)는 통합된 광 변환기(1)의 유일한 다이들일 수 있다.

상기 MEMS 다이(10)는 MEMS 다이어프램(11)을 포함하며, 이는 실리콘 또는 폴리-실리콘과 같은 결정질이나 다결정질 재료, 유전체, 또는 금속으로 제조된 서스펜디드 멤브레인(suspended membrane)일 수 있다. 상기 다이어프램(11)은 변환기(1)의 환경(2)에서 음향파와 같은 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부(12)를 포함한다. 상기 다이어프램(11)은 제2 측부(13)를 추가로 포함한다. 음향파에 민감하도록 구성된 다이어프램(11)에 대한 전형적인 직경은, 0.25 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 정도이다.

상기 다이어프램(11)의 서스펜션은 다이어프램(11)을 클램핑하는 서스펜션 구조체(15)를 통해 구현되며, 그리고 예를 들어 실리콘과 같은 MEMS 다이의 기판 재료와 같은 단일 재료로 제조될 수 있거나, 또는 하나 보다 많은 재료, 예를 들어 기판 재료 및 다이어프램(11)의 재료를 포함할 수 있다. 상기 서스펜션 구조체(15)는 MEMS 다이(10)를 ASIC 다이(20)에 본딩하기 위한 본딩 구조체로서 추가로 작용할 수 있다.

상기 MEMS 다이(20)는, 다이어프램(11)의 제2 측부(13), ASIC 다이(20)의 표면, 및 서스펜션 구조체(15)에 의해 묘사되는 공동(14)이 형성되는 방식으로, 상기 ASIC 다이(10)에 대해 배치된다. 상기 공동(14)은 다이어프램(11)의 직경, 및 상기 다이어프램(11)의 제2 측부(13)와 상기 ASIC 다이(20)의 표면 사이의 갭 높이를 특징으로 한다. 상기 갭 높이는 100 ㎛ 이상이며, 특히 200 ㎛ 이상이다. 또한, 상기 공동(14)은 일반적인 변환기에서 흔히 볼 수 있는 천공된 백 플레이트와 같은 추가적인 요소가 없다.

상기 ASIC 다이(20)는 다이어프램(11)의 움직임, 예를 들어 다이어프램(11)의 진동으로 인한 주기적인 편향을 검출하도록 구성된, ASIC 을 포함한다. 이를 위해, 상기 ASIC 다이(20)는 비임 분할 요소(21), 비임 결합 요소(22), 및 검출기(24)를 갖는 광 간섭계 어셈블리를 포함한다. 상기 ASIC 다이(20)는 소스 비임(30), 예를 들어 980 ㎚의 파장을 갖는 적외선 소스 비임을 방출하는 간섭성 광원(23)을 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 광 간섭계 어셈블리는 외부로부터, 즉 별도의 광원(23)으로부터, 소스 비임(30)을 수신하도록 구성된다.

상기 비임 분할 요소(21)는, 소스 비임(30)을 수신하고 그리고 상기 소스 비임(30)을 제1 비임 경로의 프로브 비임(31) 및 제2 비임 경로의 기준 비임(32)으로 분리하도록 구성된다. 예시를 위해, 상기 기준 비임 경로뿐만 아니라 비임 분할 요소(21) 및 비임 결합 요소(22)는 도시되지 않았다. 상기 2개의 비임 경로는, 광 비임들을 안내하기 위한 도파관(25)과, 도파관(25)과 상기 공동(14) 사이의 광을 결합하기 위한 도파관 구조의 결합 요소(26)를 포함할 수 있다. 상기 도파관(25)은 예를 들어 기판 재료와 같은 ASIC 다이의 재료에 통합된 매립형 채널 도파관이다. 상기 결합 요소(26)는, 예를 들어 도파관(25)의 단부에 배치된 고효율 격자 결합 요소이다. 고효율 결합 요소는 75%를 초과하여 최대 약 90%까지의 결합 효율을 달성한다.

상기 프로브 비임은 공동(14)에 결합되고 그리고 상기 다이어프램(11)의 제2 측부(13) 상의 편향 지점 또는 편향면(16)을 향해 편향되어, 상기 편향 지점 또는 편향면(16)으로부터 반사되고, 반사 후에는 도파관(25) 내로의 결합을 위해 결합 요소(26)로 지향된다. 상기 편향 지점 또는 편향면(16)은, 예를 들어 다이어프램(11)의 제2 측부(13) 상의 반사 코팅에 의해 형성된다.

상기 프로브 비임(31) 및 기준 비임(32)을 중첩 비임(33)으로 결합한 후, 중첩 비임은 상기 중첩 비임(33)의 간섭 패턴에 따라 전자 간섭 신호를 발생하기 위해 상기 ASIC 다이(20) 상의 검출기(24)로 안내된다.

도 2는 광 변환기(1)의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다. 상기 실시예는 소스 비임(30), 프로브 비임(31), 기준 비임(32), 및 중첩 비임(33)의 비임 경로뿐만 아니라, 비임 분할 요소(21), 비임 결합 요소(22)를 나타내고 있다.

이런 실시예에 있어서, 상기 광 간섭계 어셈블리는 제1 및 제2 비임 경로에 렌즈 요소(27)를 추가로 포함한다. 상기 렌즈 요소는, 예를 들어 프레즈넬 또는 액시콘 렌즈 요소이며, 그리고 상기 프로브 비임(31) 및 기준 비임(32)의 공간 강도 프로필을 수정하도록 구성된다. 상기 렌즈 요소(27)는 프로브 비임(31) 및 기준 비임을 공동(14)에 결합하기 위한 결합 요소로서 작용할 수도 있다. 예를 들어, 상기 수정된 프로브 비임(31) 및 기준 비임(32)은, 원형의 또는 환형의 강도 프로필을 가지며 그리고 다이어프램(11)의 편향 지점 또는 편향면(16) 상으로 또한 고정 지점 또는 고정면(17) 상으로 각각 디포커싱된다. 상기 편향 지점 또는 편향면(16)은 다이어프램(11)의 제2 측부(13)의 중심에 위치되거나 또는 이에 가깝게 위치되는 반면에, 상기 고정 지점 또는 고정면(17)은 예를 들어 서스펜션 구조체(15)에 위치되거나 또는 이에 가깝게 위치된다.

상기 공동(14)으로부터의 프로브 비임(31) 및 수정된 기준 비임(32)을 도파관(25)에 결합하기 위한 결합 요소(26)는, 형상 및 크기의 관점에서 각각의 비임의 공간 강도 프로필에 대응한다. 예를 들어, 상기 결합 요소(26)는 환형 형상을 갖는다. 상기 프로브 비임(31) 및 기준 비임(32)은 이어서 비임 결합 요소(22)에 의해 결합되어 중첩 비임을 형성하며, 이는 예를 들어 실리콘-기반 포토다이오드와 같은 검출기(24)로 지향된다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예에 기초한, 광 변환기(1)의 실시예의 단면도를 도시하고 있다. 도 3은 프로브 비임(31)의 강도 프로필을 환형 형상으로 수정하는 렌즈 요소(27), 및 마찬가지로 상기 반사된 프로브 비임(31)을 도파관 구조체의 도파관(25)에 결합하기 위한 환형 결합 요소(26)의 작동 원리를 도시하고 있다. 점선은, 비임 분할 요소(21)에 의해 상기 소스 비임(30)으로부터 분할된 후, 프로브 비임(31)의 경로를 나타내고 있다. 렌즈 요소에 의해 정의된 프로브 비임(31)의 디포커싱 각도는 5°내지 25°일 수 있다.

도 2에 도시된 실시예와는 달리, 상기 기준 비임(32)은 대안적으로 공동(14)에 결합되지 않고, 그 대신에 상기 프로브 비임(31)과 재결합되기 전에 ASIC 다이(20)의 도파관 구조체 내에 남아 있을 수 있다. 예시를 위해, 실시예에서는 기준 비임(32)의 제2 비임 경로가 도시되지 않았다.

이런 실시예에 있어서, 상기 비임 분할 요소(21)는 예를 들어 소스 비임(30)을 방출하고, 이를 ASIC 다이(20)의 투명 재료(18) 또는 도파관(25)을 통해 안내하는 간섭성 광원(23)을 통해 후방측에 조사된다.

도 4는 도 2에 도시된 통합형 변환기(1)의 실시예의 도파관 구조체의 평면도를 도시하고 있다. 상기 프로브 비임(31)은 도파관(25)에 의해 렌즈 요소(27)를 향해 안내된다. 다이어프램(11)의 제2 측부(13)로부터의 반사 후, 예를 들어 그 환형 강도 프로필을 갖는 프로브 비임(31)은 결합 요소(26)로, 예를 들어 격자 결합 요소로 지향되며, 이는 상기 반사된 프로브 비임을 도파관(25)에 결합하여, 광을 비임 결합 소자(22)를 향해 지향시킨다.

도 5는 광 변환기의 추가의 실시예의 평면도를 도시하고 있다. 이런 실시예는 다중 지점에서 다이어프램의 편향을 측정하는 사상에 기초하고 있다. 이를 위해, 소스 비임(30)은 추가의 비임 분할 요소(21)를 사용하여, 2개의 프로브 비임(31, 31A) 및 2개의 기준 비임(32, 32A)으로 분할된다. 상기 프로브 비임(31, 31A)은, 도파관(25)의 단부에 배치된 격자 결합 요소(26)에 의해 공동(14)에 결합되고, 상기 다이어프램(11)의 제2 측부(13) 상의 2개의 별개의 편향 지점 또는 편향면(16, 16A)에서 반사된다. 마찬가지로, 상기 기준 비임(32, 32A)은 2개의 별개의 고정 지점 또는 고정면(17, 17A)으로부터 반사된다. 이런 실시예에 있어서, 상기 프로브 비임(31, 31A) 및 기준 비임(32, 32A)은, 검출기(24)로 지향되는 하나의 중첩 비임(33)으로 결합된다.

또한, 도시된 실시예의 ASIC 다이(20)는 광 간섭계 어셈블리에 위상 조정 요소(28), 예를 들어 도파관(25)의 굴절률을 조정하도록 구성된 열-광학 굴절률 변조기(thermo-optical refractive index modulator)를 포함한다. 이런 요소에 의해, 상기 프로브 비임 경로의 광 경로 길이는 상기 기준 비임 경로의 광 경로 길이와 매칭되도록 조정될 수 있어서, 상기 광 간섭계가 바람직한 영역에서 작동될 수 있다. 이런 미세 조정은 전형적으로 수 ㎛ 정도인 제조 공차로 인한 차이를 보상할 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 바와 유사한 도파관 구조체의 실시예를 도시하고 있다. 그러나 도 4와는 달리, 상기 소스 비임은 2개의 기준 비임(32, 32A)으로 분할되며, 그리고 그 각각은 2개의 별개의 비임 결합 요소(22, 22A) 중 하나로 안내된다. 이런 실시예에서의 결합 요소(26)는 공동(14)으로부터 반사된 프로브 광을 수신하여, 이를 도파관(25)에 결합하고, 이는 반사된 광을 2개의 프로브 비임(31, 31A)으로 분할하며, 그 각각은 마찬가지로 2개의 중첩 비임(33, 33A)을 발생하기 위해 2개의 별개의 비임 결합 요소(22, 22A) 중 하나로 안내된다. 각각의 중첩 비임(33, 33A)은 간섭 패턴의 분석을 위해 별개의 검출기(24, 24A)로 지향된다. 전자 간섭 신호는, 예를 들어 2개의 검출기(24, 24A)로부터의 검출 신호에 의존한다.

언급된 바와 같이 도 1 내지 6에 도시된 실시예는 통합형 광 변환기(1)의 예시적인 실시예들을 나타내며, 이에 따라 이들은 상기 개선된 개념에 따른 모든 실시예의 완전한 목록을 구성하지 않는다. 실제의 변환기 구성은 예를 들어 형상, 크기, 및 재료에 관해 도시된 실시예와는 상이할 수 있다.

도시된 실시예들 중 하나에 따른 변환기(1)는, 특히 음파 검출을 위한 오디오 대역에서 작은 동적 압력 변화를 검출하기 위한 콤팩트한 고감도 변환기를 요구하는 다양한 응용에 편리하게 사용될 수 있다. 가능한 응용분야로는 랩탑, 노트북, 및 태블릿 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 디바이스에서 음성 인식 및 딥 러닝 목적을 위한 음향 마이크로서 사용하는 것뿐만 아니라, 추가 구성요소를 위한 공간이 극히 제한되어 있는 스마트폰 및 스마트 워치와 같은 포터블용 통신 디바이스에서도 사용된다.

1: 통합형 광 변환기
2: 환경
10: MEMS 다이
11: 다이어프램
12: 제1 측부
13: 제2 측부
14: 공동
15: 서스펜션 구조체
16, 16A: 편향 지점/편향면
17, 17A: 고정 지점/고정면
18: 투명 재료
20: ASIC 다이
21, 21A: 비임 분할 요소
22, 22A: 비임 결합 요소
23: 광원
24, 24A: 검출기
25: 도파관
26: 결합 요소
27: 렌즈 요소
28: 위상 조정 요소
30: 소스 비임
31, 31A: 프로브 비임
32, 32A: 기준 비임
33, 33A: 중첩 비임

Claims

동적 압력 변화를 검출하기 위한 통합형 광 변환기(1)로서:
- 상기 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부(12), 및 제2 측부(13)를 구비한 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 다이어프램(11)을 갖는, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 다이(10); 및
- 광 간섭계 어셈블리를 갖는, 주문형 집적 회로(ASIC) 다이(20)를 포함하며,
상기 광 간섭계 어셈블리는,
- 광원(23)으로부터 소스 비임(30)을 수신하고, 그리고 상기 소스 비임(30)을 제1 비임 경로의 프로브 비임(31) 및 제2 비임 경로의 기준 비임(31)으로 분할하기 위한, 비임 분할 요소(21);
- 상기 프로브 비임(31)과 상기 기준 비임(32)을 중첩 비임(33)으로 결합하기 위한 비임 결합 요소(22); 및
- 상기 중첩 비임(33)을 수신하고, 그리고 상기 중첩 비임(33)에 따라 전자 간섭 신호를 발생하도록 구성되는 검출기(24)를 포함하며;
여기서
- 상기 MEMS 다이(10)는, 상기 다이어프램의 상기 제2 측부(12)와 상기 ASIC 다이(20) 사이에 갭이 형성되고, 상기 갭이 공동(14)을 정의하고 그리고 갭 높이를 갖도록, 상기 ASIC 다이(20)에 대해 배치되며; 및
- 상기 프로브 비임(31)의 상기 제1 비임 경로는 상기 공동(14)으로의 결합, 상기 다이어프램(11)의 편향 지점 또는 편향면(16)으로부터의 반사, 및 상기 공동(14)으로부터의 결합을 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1에 있어서,
상기 ASIC 다이(20)는 상기 소스 비임(30)을 방출하기 위해 상기 광원(23)을 더 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 비임 경로는 유효 길이 관점에서 상기 광원의 간섭성 길이보다 작게, 상기 제2 비임 경로로부터 이탈되는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 갭 높이는 100 ㎛ 이상, 특히 200 ㎛ 이상인, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 간섭계 어셈블리는,
상기 프로브 비임(31), 상기 기준 비임(32), 및 상기 중첩 비임(33)을 안내하기 위한 도파관 구조체; 및
상기 도파관 구조체로부터의 광을 상기 공동(14)에 결합하기 위해 및/또는 상기 공동(14)으로부터의 광을 상기 도파관 구조체에 결합하기 위해, 격자 결합 요소와 같은 적어도 하나의 결합 요소(26)를 더 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 5에 있어서,
상기 비임 분할 요소(21) 및/또는 상기 비임 결합 요소(22)는, 상기 도파관 구조체에 통합되는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 광 간섭계 어셈블리는 상기 제1 비임 경로에 렌즈 요소(27), 특히 다 초점 프레즈넬 렌즈 요소 또는 액시콘 렌즈 요소를 더 포함하며, 여기서 상기 렌즈 요소(27)는,
- 상기 비임 분할 요소(21)로부터 상기 프로브 비임(31)을 수신하도록;
- 수정된 공간 강도 프로필을 갖는 수정된 프로브 비임(31)을 생성하도록; 및
- 상기 수정된 프로브 비임(31)을 상기 공동(14)에 결합하여, 상기 프로브 비임(31)이 상기 다이어프램(11)의 다중 편향 지점(16) 또는 하나 또는 그 이상의 편향면(16)으로부터 반사되도록;
구성되는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 7에 있어서,
상기 결합 요소(26)는 상기 수정된 공간 강도 프로필에 따라 성형되고, 그리고 상기 공동(14)으로부터의 상기 프로브 비임(31)을 상기 도파관 구조체에 결합하도록 구성되는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 간섭계 어셈블리는 상기 제1 비임 경로 및/또는 상기 제2 비임 경로에 위상 조정 요소(28)를 더 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 비임 경로는 상기 공동(14)으로의 결합, 상기 MEMS 다이의 고정 지점 또는 고정면(17)으로부터의 반사, 및 상기 공동(14)으로부터의 결합을 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 간섭계 어셈블리는 추가의 비임 분할 요소(21A) 및 추가의 비임 결합 요소(22A)를 더 포함하며, 여기서
- 상기 추가의 비임 분할 요소(21A)는 제3 비임 경로의 추가의 프로브 비임(31A) 및 제4 비임 경로의 추가의 기준 비임(32A)을 발생하도록 구성되며; 및
- 상기 추가의 비임 결합 요소(22A)는 상기 추가의 기준 비임(32A)과 상기 추가의 프로브 비임(31A)을 추가의 중첩 비임(33A)으로 결합하도록 구성되는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 11에 있어서,
상기 제3 비임 경로는 상기 공동(14)으로의 결합, 상기 다이어프램(11)의 추가의 편향 지점 또는 추가의 편향면(16A)으로부터의 반사, 및 상기 공동(14)으로부터의 결합을 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
상기 제4 비임 경로는 상기 공동(14)으로의 결합, 상기 MEMS 다이(10)의 추가의 고정 지점 또는 추가의 고정면(17A)으로부터의 반사, 및 상기 공동(14)으로부터의 결합을 포함하는, 통합형 광 변환기(1).
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 통합형 광 변환기(1)를 포함하는, 오디오 디바이스 또는 통신 디바이스와 같은 전자 디바이스로서,
상기 변환기(1)는 상기 변환기(1)의 환경(2)에서 동적 압력 변화, 특히 오디오 주파수에 대응하는 속도에서의 동력 압력 변화를 전방향으로 검출하도록 구성되는, 전자 디바이스.
광 간섭계를 사용하여 동적 압력 변화를 검출하기 위한 방법으로서:
- 상기 동적 압력 변화에 노출되는 제1 측부(12), 및 제2 측부(13)를 갖는 MEMS 다이어프램(11)을 제공하는 단계;
- 소스 비임(30)을 제1 비임 경로의 프로브 비임(31) 및 제2 비임 경로의 기준 비임(32)으로 분할하는 단계;
- 상기 MEMS 다이어프램(11)의 편향 지점 또는 편향면(16)으로부터 상기 프로브 비임(31)을 반사하는 단계;
- 상기 프로브 비임(31)과 상기 기준 비임(32)을 중첩 비임(33)으로 결합하는 단계; 및
- 상기 중첩 비임(33)에 따라 전자 간섭 신호를 발생하는 단계를 포함하는, 동적 압력 변화 검출 방법.