KR20230086877A - 지향성 음향 센서 - Google Patents

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KR20230086877A
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electrode
resonator
acoustic sensor
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directional acoustic
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강성찬
김재흥
이충호
홍혁기
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삼성전자주식회사
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Abstract

지향성 음향 센서가 개시된다. 개시된 지향성 음향 센서는, 지지부재와, 지지부재에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기를 포함한다. 공진기는, 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와, 구동부의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부를 포함한다.

Description

지향성 음향 센서{Directional acoustic sensor}
지향성 음향 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향의 압력 차이에 반응하는 공진기를 포함하는 지향성 음향 센서에 관한 것이다.
생활 가전 제품, 영상 디스플레이 장치, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치, 인공지능 스피커 등에 장착되어 소리가 오는 방향을 탐지하고 음성을 인식할 수 있는 음향 센서의 활용성이 증가하고 있다. 최근에는 음향의 압력차(pressure difference)에 반응하는 공진기의 원리를 이용하는 지향성 음향 센서가 개발되고 있다. 지향성 음향 센서는 공진 주파수가 서로 다른 공진기들의 조합으로 구성된다. 각 공진기는 음향에 반응하여 진동하는 구동부와, 구동부가 진동할 때 발생하는 스트레스에 의해 전하가 생성되는 압전체 센싱부를 포함하며, 생성된 전하량을 리드아웃 회로를 통해 검출한다. 이러한 압전체 센싱부는, 압전체 물질층과 상, 하부의 전극층의 스택을 포함하므로, 압전체층이나 전극층의 두께가 정해지면, 그에 맞는 두께로 공진기의 두께가 정해질 수 있어, 공진기의 공진 주파수를 결정하기 위한 치수를 정할 때, 두께는 조절하기 어려운 요소가 된다. 두께가 정해지면 공진기의 길이와 너비만을 이용하여 공진 주파수를 조절해야 하므로, 작은 크기의 지향성 음향 센서의 설계가 어렵다.
작은 크기로 설계가 가능한 지향성 음향 센서를 제공한다.
일 유형에 따른 지향성 음향 센서는, 지지부재와; 상기 지지부재에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하며, 상기 공진기는, 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와; 상기 구동부의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부;를 포함한다.
상기 센싱부는, 상기 구동부의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키는 제1전극; 및 상기 지지부재에 의해 형성되거나, 상기 지지부재에 의해 지지되는 제2전극;을 포함하며, 상기 구동부의 움직임에 따라 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련된다.
상기 제1전극은 상기 구동부와 일체로 형성될 수 있다.
상기 구동부, 상기 제1전극, 상기 제2전극, 상기 지지부재 중 적어도 하나는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 지지 부재 상에 절연 물질로 된 스페이서층;을 더 포함하며, 상기 지지부재는 상기 제2전극을 포함하며, 상기 구동부는 상기 스페이서층 상에 일단이 고정되며, 상기 스페이서층에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 초기 에어 갭을 형성할 수 있다.
상기 제2전극은 상기 지지부재에 의해 지지되며, 상기 지지부재의 반대측에서 상기 제1전극과의 사이에 초기 에어갭을 형성하도록 마련될 수 있다.
상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나에 에어 댐핑을 위한 구멍이 형성될 수 있다.
상기 센싱부는, 상기 구동부의 움직임에 따라 에어갭을 변화시키는 제1전극; 및 상기 구동부의 변위 방향과 상기 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 상기 제1전극에 대향되게 마련된 제2전극;을 포함하며, 상기 구동부의 움직임에 따라 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련될 수 있다.
상기 제1전극 및 제2전극은 지퍼 형태의 배치를 이루도록 패터닝될 수 있다.
상기 제1전극은 제1두께를 가지며, 상기 제2전극은 제1두께보다 두꺼운 제2두께를 가질 수 있다.
상기 지지부재 상에, 절연 물질로 이루어진 스페이서층;을 더 포함하며, 상기 제1전극 및 제2전극은 각각 일단이 상기 스페이서층에 고정될 수 있다.
상기 제1전극은 상기 구동부와 일체로 형성될 수 있다.
상기 구동부, 상기 제1전극, 상기 제2전극 중 적어도 하나는 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가지며, 상기 복수의 공진기 각각은 일단이 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하도록 마련될 수 있다.
상기 복수의 공진기는, 길이방향으로 연장되는 복수의 제1공진기; 및 길이방향으로 연장되며, 상기 복수의 제1공진기와 마주하는 복수의 제2공진기를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1공진기 각각은 제1단부를 포함하며, 상기 복수의 제2공진기 각각은 제2단부를 포함하며, 상기 제1공진기의 제1단부와 상기 제2공진기의 제2단부 서로 맞물리도록 교차되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제1공진기의 제1단부는 상기 제1공진기의 일부 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이고, 상기 제2공진기의 제2단부는 상기 제1공진기의 일부 폭 부분과 마주하지 않는 상기 제2공진기의 다른 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이며, 상기 제1공진기의 제1단부와 상기 제2공진기의 제2단부가 서로 맞물리도록 교차되는 구조로 상기 제1공진기와 상기 제2공진기가 마주하는 영역의 공진기 배열을 형성할 수 있다.
상기 제1공진기 및 제2공진기 각각은, 베이스; 및 상기 베이스에 돌출되며 길이 방향으로 연장된 프레임;을 포함할 수 있다.
길이 방향으로 연장되며, 상기 제1공진기 또는 제2공진기와 마주하지 않는 적어도 하나의 제3공진기;를 더 포함할 수 있다.
일 유형에 따른 전자기기는 상기한 지향성 음향 센서를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 지향성 음향 센서에 따르며, 공진기의 센싱부를 구동부의 움직임에 따른 두 전극 사이의 에어갭 변화를 커패시턴스 변화로 센싱하도록 마련함으로써, 지향성 음향 센서의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 지향성 음향 센서에 따르면, 공진기를 실리콘 만으로 된 캔틸레버 빔 구조로 형성할 수 있으므로, 설계 자유도가 높을 수 있으며, 공진기 크기 또한 감소가 가능하며, 공진기 질량(mass)가 상대적으로 가벼워 넓은 밴드폭 구현이 가능하며, 필요한 공진기 수를 줄일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 예시적으로 보인 사시도이다.
도 2는 도 1의 센싱부를 확대하여 보인 사시도이다.
도 3은 도 1의 센싱부의 구성을 개략적으로 보인 단면도이다.
도 4a는 실시예에 따른 지향성 음향 센서에서 갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4b는 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 5는 도 1의 지향성 음향 센서에 적용될 수 있는 다른 실시예에 따른 센싱부를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 예시적으로 보인 사시도이다.
도 7은 도 6의 센싱부를 확대하여 보인 사시도이다.
도 8은 도 1의 센싱부의 구성을 개략적으로 보인 단면도이다.
도 9는 실시예에 따른 지향성 음향 센서에서, 공진기 변위에 따른 커패시턴스 변화값을 보여주는 그래프이다.
도 10a, 도 10b는 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 복수의 공진기로 적용될 수 있는 공진기의 다양한 실시예를 보여준다.
도 11은 도 10a 및 도 10b의 XI-XI선 단면도이다.
도 12 내지 도 14는 실시예에 따른 지향성 음향 센서의 복수의 공진기로 적용될 수 있는 공진기의 다양한 실시예를 보여준다.
도 15는 다른 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 예시적으로 보인 사시도이다.
도 16은 도 15의 지향성 음향 센서의 평면도를 보여준다.
도 17 내지 도 19는 도 15 및 도 16에서 마주하는 제1공진기와 제2공진기로 적용될 수 있는 공진기의 다양한 실시예들을 보여준다.
도 20은 실시예에 따른 지향성 음향 센서와 비교예에 따른 지향성 음향 센서를 동일 공진주파수를 가지도록 설계한 예를 보여준다.
도 21은 도 20의 실시예 및 비교예의 지향성 음향 센서의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다.
도 22 내지 도 27은 음성 인터페이스 장치로 실시예에 따른 지향성 음향 센서를 적용하는 전자 기기의 예들을 보여준다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)를 예시적으로 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 센싱부(130)를 확대하여 보인 사시도이다. 도 3은 도 1의 센싱부(130)의 구성을 개략적으로 보인 단면도로, 도 2의 A-A'선 단면도에 대응한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 지향성 음향 센서(100)는, 지지부재(150)와, 지지부재(150)에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기(110)를 포함한다. 공진기(110)는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(120)와, 구동부(120)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부(130)를 포함한다.
지향성 음향 센서(100)의 바디부(101)에는 캐비티(105)가 관통하도록 형성될 수 있다. 지지부재(150)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 마련될 수 있다. 예를 들어, 지지부재(150)는 캐비티(105)를 형성하는 바디부(101)의 내측벽(101a)에 대해 돌출되게 형성될 수 있다. 지지부재(150)는 바디부(101)와 일체로 형성되거나, 별도의 부재로서 바디부(101)의 내측벽(101a)에 대해 돌출되게 마련될 수 있다.
실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 공진주파수가 서로 다른 컨틸레버 형태의 공진기 배열로 이루어질 수 있다. 또한, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에 있어서, 복수의 공진기(110)는 예를 들어, 적어도 일부가 캐비티(105) 내에서 서로 마주하는 공진기 배열을 형성하도록 배열될 수 있다. 이러한 서로 마주하는 공진기 배열을 형성하도록, 지향성 음향 센서(100)는 예를 들어, 캐비티(105)를 사이에 두고 서로 마주하는 두 지지부재(150)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서로 마주하는 두 지지부재(150) 중 일 지지부재에 일단이 고정되는 복수의 공진기(110)를 제1공진기(111), 다른 지지부재에 일단이 고정되는 복수의 공진기(110)를 제2공진기(113)라 할 때, 복수의 제1공진기(111) 및 복수의 제2공진기(113)가 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 복수의 공진기(110) 중 일부 예컨대, 제3공진기(115)는 제1공진기(111) 또는 제2공진기(113)와 마주하지 않도록 배열될 수 있다. 도 1에서는 적어도 하나의 제3공진기(115)가 제1공진기(111)와 마주하지 않으며, 제2공진기(113)와 나란히 배열된 예를 보여준다.
이와 같이, 복수의 공진기(110)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 소정 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1공진기(111)와 복수의 제2공진기(113)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 서로 마주하는 공진기 배열을 형성하도록 배열될 수 있다. 적어도 하나의 제3공진기(115)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 제1공진기(111) 또는 제2공진기(113)와 마주하지 않도록 소정 형태로 배열될 수 있다. 도 1에서는 제1공진기(111) 및 제2공진기(113)를 각각 6개 구비하고, 제1공진기(111)와 마주하지 않으며 제2공진기(113)와 나란히 배열되는 제3공진기(115)는 4개 구비하여, 총 16개의 공진기(110)를 포함하는 예를 도시하는데, 이는 예시적으로 보인 것일 뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 서로 마주하는 공진기의 개수, 마주하지 않는 공진기의 개수는 달라질 수 있다. 또한, 복수의 공진기(110)는 모두 서로 마주하도록 배열될 수도 있다.
다른 예로서, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는, 공진기(110)가 서로 마주하는 배열을 포함하지 않으며. 복수의 공진기(110)가 일렬로 배열된 구조로 마련될 수도 있다. 이 경우, 지지부재(150)는 바디부(101)의 일측 내측벽(101a)에만 마련될 수 있다. 복수의 공진기(110)가, 일렬로 배열된 구조는 도 1로부터 유추할 수 있으므로, 여기서는 그 도시를 생략한다.
이하에서는, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서, 복수의 공진기(110)가, 서로 마주하는 배열을 형성하는 복수의 제1공진기(111) 및 복수의 제2공진기(113), 제1공진기(111) 또는 제2공진기(113)와 마주하지 않는 적어도 하나의 제3공진기(115)를 포함하는 배열을 가지며, 이러한 공진기 배열을 형성하도록, 캐비티(105)를 사이에 두고 서로 마주하는 두 지지부재(150)를 포함하는 경우를 예시적으로 설명한다.
한편, 복수의 제1공진기(111), 복수의 제2공진기(113), 적어도 하나의 제3공진기(115)는 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 즉, 복수의 제1공진기(111)는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 복수의 제1공진기(111)는 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 제1공진기(111)는 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 또한, 복수의 제2공진기(113)는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 복수의 제2공진기(113)는 서로 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 복수의 제2공진기(113)는 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 제3공진기(115)는 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제3공진기(115)는 다른 치수(dimension)를 가지도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 제3공진기(115)는 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 복수의 제1공진기(111), 복수의 제2공진기(113), 적어도 하나의 제3공진기(115)는 각각 폭 및 두께는 동일하며, 서로 다른 길이를 가져 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 또한, 복수의 제1공진기(111), 복수의 제2공진기(113), 적어도 하나의 제3공진기(115)는 폭 및 두께는 동일할 수 있다.
한편, 지지부재(150)로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 복수의 공진기(110)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 평면적으로 배열을 형성하도록 지지부재(150)에 대해 일단부가 고정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1공진기(111)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 평면적으로 나란한 배열을 형성하도록 일측 지지부재(150)에 대해 일단부가 고정될 수 있다. 복수의 제2공진기(113)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 평면적으로 나란한 배열을 형성하도록 다른측 지지부재(150)에 일단부가 고정될 수 있다. 적어도 하나의 제3공진기(115)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 평면적으로 나란한 배열을 형성하도록 예를 들어, 일측 지지부재(150) 또는 다른측 지지부재(150)에 대해 일단부가 고정될 수 있다.
복수의 공진기(110) 각각은 지지부재(150)에 대해 길이방향으로 연장되도록 마련될 수 있다. 여기서, 길이 방향은 각 공진기(110)의 길이에 대응하는 방향으로 일측 지지부재에서 다른측 지지부재에 이르는 방향 또는 다른측 지지부재에서 일측 지지부재에 이르는 방향에 해당할 수 있다. 즉, 길이 방향은 캐비티(105)를 사이에 두고 서로 마주하는 두 지지부재(150)를 가로지르는 방향(x축 방향)에 해당할 수 있다.
복수의 공진기(110) 각각은 일단부가 지지부재(150) (또는 후술하는 바와 같이 지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 구비하는 경우, 스페이서층(134))에 고정되고, 나머지 부분은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 구성할 수 있다. 도 1에는 복수의 공진기(110)가 x축 방향으로 연장되고, z축 방향으로 움직이도록 마련된 예가 도시되어 있다.
복수의 공진기(110) 각각은 입력되는 음향 신호에 반응하여 진동하는 구동부(360)와, 이 구동부(360)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부(130)를 포함한다.
복수의 공진기(110) 각각의 구동부(120)는 캔틸레버 빔으로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 공진기(110) 각각의 센싱부(130)는, 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키는 제1전극(131), 및 제1전극(131)에 대해 이격된 제2전극(135)을 포함하며, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 있어서, 센싱부(130)는, 구동부(120)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 동일하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 구동부(120)의 변위 방향이 z축 방향일 때, 센싱부(130)는 에어갭 크기 변화 방향이 z축 방향이도록 마련될 수 있다.
이를 위해, 제1전극(131)은 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키도록 마련될 수 있다.
예를 들어, 제1전극(131)은 구동부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(131)은 공진기(110)의 구동부(120) 자체일 수 있다. 또한, 제1전극(131)은 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 이르는 영역으로, 소정 범위에 이르는 영역은 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시킬 수 있는 영역에 해당할 수 있다. 이와 같이, 제1전극(131)은 구동부(120)의 일단부에 대응하며, 구동부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 도 3에서는 제1전극(131)이 구동부(120)와 일체로 형성된 예를 보여주며, 이 경우 지지부재(150)에 대해 고정되는 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 이르는 영역이 제1전극(131)에 해당한다.
다른 예로서, 제1전극(131)은 구동부(120)의 일단부 상에 별도의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1전극(131)은 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키도록 지지부재(150)에 대해 고정되는 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 걸쳐 별도의 층으로 형성되거나, 구동부(120)의 일단에서 소정 거리 이격된 위치에서부터 소정 범위에 걸쳐 별도의 층으로 형성될 수 있다. 이때, 제1전극(131)을 형성하는 별도의 층은 구동부(120)의 제2전극(135)과 마주하는 면에 형성될 수 있다.
제1전극(131)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 제1전극(131)이 구동부(120)와 일체로 형성되는 경우, 제1전극(131) 및 구동부(120)는 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 제2전극(135)은 지지부재(150)에 의해 형성되는 것으로, 제1전극(131)에 대응하도록 지지부재(150) 면상에 소정 두께로 형성된 층이거나, 지지부재(150) 자체일 수 있다. 도 3에서는 제2전극(135)이 지지부재(150) 자체인 예를 보여준다.
제2전극(135)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 즉, 지지부재(150)가 제2전극(135)에 해당하는 경우, 지지부재(150)는 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제2전극(135)이 지지부재(150) 상에 층으로 형성되는 경우, 제2전극(135)은 예를 들어, 실리콘을 포함하는 층일 수 있으며, 지지부재(150)는 절연 물질로 형성되거나, 지지부재(150)와 제2전극(135) 사이에 절연층(미도시)을 더 구비할 수 있다. 이하에서는, 제2전극(135)이 지지부재(150) 자체인 경우를 예를 들어 설명한다.
한편, 제1 및 제2 전극(131)(135) 사이에 에어갭을 형성하도록, 제2전극(135) 예컨대, 지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 구비할 수 있다. 스페이서층(134)은 지지부재(150) 상의 소정 영역에 형성될 수 있다. 그리고 공진기(110)의 구동부(120) 일단은 스페이서층(134)에 고정될 수 있다. 스페이서층(134)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(134)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 지지부재(150) 상의 일부 영역에 스페이서층(134)을 구비하는 경우, 지지부재(150)의 면은 스페이서층(134)이 형성되는 영역과, 길이 방향으로 제1전극(131)과 마주하는 제2전극(135)의 영역을 포함할 수 있다.
이와 같이, 지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 구비하고, 구동부(120)의 일단을 스페이서층(134)에 대해 고정하는 경우, 구동부(120)는 지지부재(150)에 대해 일단이 고정되며, 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이에는 에어갭이 형성되어, 커패시턴스를 가지게 된다. 따라서, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화하여, 커패시턴스가 변화하게 된다.
제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 초기 에어 갭(air gap) 크기는 예를 들어, 수 μm일 수 있으며, 이러한 에어 갭에 의해 커패시턴스(△C)를 가지게 된다. 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 에어 갭이 변하면, 이에 따라 커패시턴스(△C) 값도 변할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에 있어서, 센싱부(130)는, 입력되는 음향신호에 반응하여 구동부(120)가 움직임에 따라 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하게 된다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는, 제1전극(131) 및 제2전극(135) 중 적어도 하나에 에어 댐핑을 위한 구멍(133)을 더 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 3에서는 제1전극(131)에 에어 댐핑을 위한 구멍(133)이 형성된 예를 보여준다. 에어 댐핑을 위한 구멍(133)은 제2전극(135) 또는 지지부재(150)에 형성될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 센싱부(130)에서 검출한 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화에 따라 커패시턴스 변화를 센싱한 신호를 출력하도록, 제1전극(131) 및 제2전극(135) 상의 일부 영역에 전기적인 컨택을 위한 금속층(137)(139)을 더 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에 있어서, 제1전극(131)은 구동부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 제1전극(131)은 공진기(110)의 구동부(120) 자체일 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 공진주파수가 서로 다른 실리콘 컨틸레버 형태의 공진기 배열로 이루어질 수 있다. 그리고, 컨틸레버 시작 부분 아래에 제2전극(135)을 형성하여, 컨틸레버 센싱 부분을 구현할 수 있다. 이 경우, 실리콘 컨틸레버가 제1전극(131)이 되고, 수 μm 아래 이격된 부분에 있는 실리콘 기판이 제2전극(135)이 되도록 지향성 음향 센서(100)를 구현할 수 있다. 이와 같이, 공진기(110) 부분인 구동부(120)와 제1전극(131)이 실리콘 단일 물질인 경우, 공진기(110) 설계가 자유로울 수 있다.
도 4a는 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에서 갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 4a의 그래프는 초기 갭(gap)이 약 4μm, 커패시턴스에 영향을 미치는 공진기(110)의 길이와 너비가 각각 약 400μm, 약 100 μm인 경우에 대해 얻어진 것이다. 도 4a에서와 같이, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에 따르면, 제1 및 제2전극(131)(135) 사이의 갭이 변화함에 따라 커패시턴스도 변화함을 알 수 있다. 도 4a에서 가로축은 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 에어갭을 나타낸다. 네거티브 값은 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 에어갭이 초기 에어갭보다 작아진 상태를 나타내는 것으로, 제1전극(131)이 제2전극(135)에 초기보다 가까워진 경우를 나타낸다. 포지티브 값은 값은 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 에어갭이 초기 에어갭보다 커진 상태를 나타내는 것으로, 제1전극(131)이 제2전극(135)에서 초기보다 멀어진 경우를 나타낸다.
도 4b는 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 4b의 결과는 도 1에 예시적으로 보인 바와 같이, 16개의 공진기 배열로 이루어진 지향성 음향 센서(100)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 4b를 살펴보면, 바이어스 전압 6.8V에서 약 -40dBV/Pa의 감도(sensitivity)가 나옴을 알 수 있다.
도 5는 도 1의 지향성 음향 센서(100)에 적용될 수 있는 다른 실시예에 따른 센싱부(130') 를 개략적으로 보인 단면도이다. 도 5의 센싱부(130')는 도 3의 센싱부(130)와 비교할 때, 제2전극(135)이 지지부재(150)와 별도로 마련되는 점에 차이가 있다. 도 3에서와 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 구성을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 센싱부(130')에서, 제2전극(135)는 지지부재(150)에 의해 지지되며, 지지부재(150)의 반대측에서 제1전극(131)과의 사이에 초기 에어갭을 형성하도록 마련될 수 있다. 이러한 센싱부(130')는 도 3을 참조로 설명한 센싱부(130)와 마찬가지로, 구동부(120)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 동일하며, 구동부(120)의 변위 방향이 z축 방향일 때, 센싱부(130')는 에어갭 크기 변화 방향이 z축 방향일 수 있다.
본 실시예의 센싱부(130')에서, 제2전극(135)은 예를 들어, 제1전극(131)에 형성된 통과공을 통과하는 포스트부와, 구동부(120)의 길이 방향으로 제1전극(131)과 나란하게 연장된 플레이트부로 이루어질 수 있다. 지지부재(150)의 반대측에서 제2전극(135)의 플레이트부와 제1전극(131) 사이에 초기 에어갭이 형성되며, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131)의 적어도 일부 영역이 움직여 제1전극(131)과 제2전극(135)의 플레이트부 사이의 에어갭이 변화하며, 이에 따라 커패시턴스(△C)가 변화하게 된다.
제1전극(131)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 제1전극(131)이 구동부(120)와 일체로 형성되는 경우, 제1전극(131) 및 구동부(120)는 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 제2전극(135)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 지지부재(150)는 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 지지부재(150)는 절연 물질로 형성되거나, 지지부재(150)와 제1 및 제2전극(131, 135) 사이에 절연 물질로 된 스페이서층(134)을 더 구비할 수 있다. 스페이서층(134)은 지지부재(150) 상의 소정 영역에 형성될 수 있다. 그리고 공진기(110)의 구동부(120) 일단은 스페이서층(134)에 고정될 수 있으며, 제2전극(35)의 포스트부도 스페이서층(134) 상에 형성될 수 있다.
이와 같이, 지지부재(150) 상의 일부 영역에 스페이서층(134)을 구비하는 경우, 제1전극(131)과 제2전극(135)은 스페이서층(134) 상에 형성될 수 있다.
지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 구비하고, 구동부(120)의 일단을 스페이서층(134)에 대해 고정하는 경우, 구동부(120)는 지지부재(150)에 대해 일단이 고정되며, 지지부재(150)에 의해 지지되는 제2전극(135)와 제1전극(131) 사이에는 에어갭이 형성되어, 커패시턴스를 가지게 된다. 따라서, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화하여, 커패시턴스가 변화하게 된다.
다른 예로서, 지지부재(150)를 절연 물질로 형성하는 경우, 스페이서층(134)은 생략될 수 있으며, 구동부(120)의 일단에 해당하는 제1전극(131)의 일부 영역, 제2전극(135)의 포스트부는 지지부재(150) 상에 형성될 수 있다.
제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 초기 에어 갭(air gap) 크기는 예를 들어, 수 μm일 수 있으며, 이러한 에어 갭에 의해 커패시턴스(△C)를 가지게 된다. 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(131)과 제2전극(135) 사이의 에어 갭이 변하면, 이에 따라 커패시턴스(△C) 값도 변할 수 있다.
따라서, 이러한 센싱부(130')를 도 1 및 도 2를 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)에 적용하면, 입력되는 음향신호에 반응하여 구동부(120)가 움직임에 따라 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하게 된다.
한편, 본 실시예의 센싱부(130')의 경우에도, 제1전극(131) 및 제2전극(135) 중 적어도 하나에 에어 댐핑을 위한 구멍(133)을 더 포함할 수 있다. 도 5에서는 제2전극(135)에 플레이트부에 에어 댐핑을 위한 구멍(133)이 형성된 예를 보여준다. 에어 댐핑을 위한 구멍(133)은 제1전극(131) 또는 지지부재(150)에 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예의 센싱부(130')의 경우에도, 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 변화에 따라 커패시턴스 변화를 센싱한 신호를 출력하도록, 제1전극(131) 및 제2전극(135) 상의 일부 영역에 전기적인 컨택을 위한 금속층(137)(139)을 더 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)는 도 3을 참조로 설명한 센싱부(130) 또는 도 5를 참조로 설명한 센싱부(130')를 구비하여, 입력되는 음향 신호에 반응하여 구동부(120)가 움직일 때, 구동부(120)의 변위 방향과 동일한 방향으로 제1전극(131) 및 제2전극(135) 사이의 에어갭 크기 변화가 발생할 수 있으며, 이러한 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱할 수 있다.도 6은 다른 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)를 예시적으로 보인 사시도이고, 도 7은 도 6의 센싱부(230)를 확대하여 보인 사시도이다. 도 8은 도 1의 센싱부(230)의 구성을 개략적으로 보인 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 실시예의 지향성 음향 센서(200)는, 지지부재(150)와, 지지부재(150)에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기(110)를 포함한다. 복수의 공진기(110) 각각은 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(120)와, 구동부(120)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부(230)를 포함한다.
복수의 공진기(110) 각각의 구동부(120)는 캔틸레버 빔으로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 공진기(110) 각각의 센싱부(230)는, 도 7 및 도 8에 예시적으로 보인 바와 같이, 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키는 제1전극(231), 구동부(120)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 제1전극(231)에 대향되게 마련된 제2전극(235)을 포함하며, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(231) 및 제2전극(235) 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련될 수 있다.
본 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)는 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(100)와 비교할 때, 센싱부(230)에 차이가 있으며, 지지부재(150), 복수의 공진기(110), 구동부(120)는 도 1 내지 도 3을 참조로 전술한 바와 같으므로, 동일 참조번호로 나타내고, 반복적인 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 있어서, 센싱부(230)는, 구동부(120)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 구동부(120)의 변위 방향이 z축 방향이고, 길이 방향이 x축 방향일 때, 센싱부(230)는 에어갭 크기 변화 방향이 x축 방향이도록 마련될 수 있다.
이를 위해, 제1전극(231)과 제2전극(235)은 도 7 및 도 8에 예시적으로 보인 바와 같이 지퍼 형태의 배치를 이루도록 패터닝되어 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분을 형성하도록 마련될 수 있으며, x축 방향으로 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분의 서로 대향하는 부분 사이에 에어갭을 형성하여 커패시턴스를 형성하도록 마련될 수 있다. 이에 의해, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(231)의 적어도 일부 영역이 움직여 x축 방향으로 대향하는 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분과의 사이의 에어갭이 변화되어 커패시턴스(△C)가 변하게 되며, 센싱부(230)는 이러한 커패시턴스 변화를 센싱한다.
예를 들어, 제1전극(231)은 구동부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1전극(231)은 공진기(110)의 구동부(120) 자체일 수 있으며, 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 이르는 영역이 지퍼 형태의 배치를 이루도록 패터닝되어, 제1전극(231)의 패턴 부분을 형성할 수 있다. 이때, 소정 범위에 이르는 영역은 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시킬 수 있는 영역에 해당할 수 있다. 이와 같이, 제1전극(231)의 패턴 부분은 구동부(120)의 일단부에 대응하며, 구동부(120)와 일체로 형성될 수 있다. 도 8에서는 제1전극(231)이 구동부(120)와 일체로 형성된 예를 보여주며, 이 경우 지지부재(150)에 대해 고정되는 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 이르는 영역이 제1전극(231)의 패턴 부분에 해당한다.
다른 예로서, 제1전극(231)은 구동부(120)의 일단부 상에 별도의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1전극(231)은 구동부(120)의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키도록 지지부재(150)에 대해 고정되는 구동부(120)의 일단으로부터 소정 범위에 걸쳐 별도의 층으로 형성되거나, 구동부(120)의 일단에서 소정 거리 이격된 위치에서부터 소정 범위에 걸쳐 별도의 층으로 형성될 수 있다. 이때, 제1전극(231)을 형성하는 별도의 층이 형성된 구동부(120)의 일단부는 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분이 지퍼 형태의 배치를 이루는 것이 가능하도록 제1전극(231)의 패턴 부분에 대응되게 패터닝될 수 있다.
제1전극(231)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 제1전극(231)이 구동부(120)와 일체로 형성되는 경우, 제1전극(231) 및 구동부(120)는 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 제2전극(235)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 제1전극(231) 및 제2전극(235)은 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱할 수 있도록, 실리콘이나 다양한 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 제2전극(235)은 지지부재(150)에 대해 고정되며, 제1전극(231)의 패턴 부분과 지퍼 형태의 배치를 이루어, 제1전극(231)의 패턴 부분과 x축 방향으로 서로 대향하는 부분 사이에 에어갭을 형성하도록 패터닝될 수 있다.
이와 같이 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분은 x축 방향으로 에어갭을 사이에 두고 서로 대향하는 부분을 형성하도록 마련되고, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(231)의 패턴 부분이 움직여 x축 방향으로 대향하는 제2전극(235)의 패턴 부분과의 사이의 에어갭이 변화되며, 이에 따라 얻어지는 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)에 있어서, 제2전극(235)은 지지부재(150)에 대해 고정되며, 센싱부(230)는 제1전극(231)의 패턴 부분의 적어도 일부가 구동부(120)의 움직임에 따라 움직여 x축 방향으로 대향하는 제2전극(235)의 패턴 부분과의 사이의 에어갭이 변화되며, 이 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록 마련되므로, 제2전극(235)은 제1전극(231)에 비해 다양한 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1전극(231)의 두께를 제1두께, 제2전극(235)의 두께를 제2두께라할 때, 제2두께는 제1두께보다 두꺼울 수 있다. 도 7 및 도 8에서는 제2전극(235)의 제2두께가 제1전극(231)의 제1두께보다 두꺼운 경우를 예시적으로 보여준다. 다른 예로서, 제1전극(231)의 제1두께와 제2전극(235)의 제2두께는 동일하거나, 제1전극(231)의 제1두께가 제2전극(235)의 제2두께보다 두껍도록 마련될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)는, 지지부재(150) 상에 절연 물질로 된 스페이서층(134)을 더 포함할 수 있다. 스페이서층(134)은 예를 들어, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
이와 같이 스페이서층(134)을 더 포함하는 경우, 구동부(120)의 일단부와 제2전극(235)의 일단은 스페이서층(134)에 대해 고정될 수 있다. 제1전극(231)이 구동부(120)와 일체로 형성되는 경우, 제1전극(231)의 적어도 일부분이 스페이서층(134)에 대해 고정될 수 있다.
한편, 지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 포함하고, 구동부(120)의 일단부 예컨대, 제1전극(231)와 제2전극(235)의 일단이 스페이서층(134)에 고정되는 경우, 지지부재(150)는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지부재(150)는 실리콘이나, 절연물질 등을 포함할 수 있으며, 이외에도 다양한 물질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 지지부재(150) 상에 스페이서층(134)을 더 구비하고, 구동부(120)의 일단 예컨대, 제2전극(231)과 제2전극(235)이 스페이서층(134)에 고정되도록 형성하는 경우, 구동부(120)는 지지부재(150)에 대해 일단이 고정되며, 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분의 x축 방향으로 대향하는 부분 사이에는 에어갭이 형성되어, 커패시턴스(△C)를 가지게 된다. 따라서, 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(231)의 패턴 부분과 및 제2전극(235)의 패턴 부분의 대향하는 부분 사이의 에어갭 변화하여, 커패시턴스가 변화하게 된다.
제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분의 대향하는 부분 사이의 초기 에어 갭(air gap) 크기는 예를 들어, 수 μm 예컨대, 약 2 μm일 수 있으며, 이러한 에어 갭에 의해 커패시턴스(△C)를 가지게 된다. 구동부(120)의 움직임에 따라 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분의 대향하는 부분 사이의 에어 갭이 변하면, 이에 따라 커패시턴스(△C) 값도 변할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)에 있어서, 센싱부(230)는, 입력되는 음향신호 반응하여 구동부(120)가 움직임에 따라 제1전극(231)의 패턴 부분과 제2전극(235)의 패턴 부분의 대향하는 부분 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하게 된다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)는, 제1전극(231)의 패턴 부분 및 제2전극(235)의 패턴 부분은 에어 댐핑을 위한 구멍((233)을 더 포함하도록 마련될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)는 센싱부(230)에서 검출한 제1전극(231) 및 제2전극(235) 사이의 에어갭 변화에 따라 커패시턴스 변화를 센싱한 신호를 출력하도록, 제1전극(231) 및 제2전극(235) 상의 일부 영역에 전기적인 컨택을 위한 금속층(237)(239)을 더 구비할 수 있다.
실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)에 따르면, 제1전극(231) 및 제2전극(235)을 패턴 부분의 x축 방향으로 대향하는 부분 사이에는 에어갭이 형성되도록 지퍼 형태로 형성함으로써, 제1전극(231)과 제2전극(235)이 옆 방향으로 형성되어, pull-in 현상이 없을 수 있으며, 이에 따라 큰 바이어스 전압을 사용할 수 있다. 또한, 구동부(120)의 변위 방향과 에어 갭 크기 변화 방향이 서로 수직이므로, 에어갭 크기에 따른 변위 제한이 없다. 따라서, 공진기(110)의 상대적으로 더 큰 변위도 센싱이 가능하다.
도 9는 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)에서, 공진기(110) 변위에 따른 커패시턴스 변화값을 보여주는 그래프이다. 도 9의 결과는 초기 갭이 약 2μm이도록 설계된 지퍼 형태 전극을 적용할 때, 공진기(110) 변위에 따른 커패시턴스 변화를 시뮬레이션한 값을 보여준다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 지퍼 형태의 전극을 적용한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)에서도 공진기(110) 변위에 따라 커패시턴스 변화가 얻어짐을 알 수 있다.
도 10a, 도 10b, 도 12 내지 도 14는 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100, 200)의 복수의 공진기(110)로 적용될 수 있는 공진기(310,320,330,340,350)의 다양한 실시예를 보여준다. 도 11은 도 10a 및 도 10b의 XI-XI선 단면도이다. 도 10b, 도 12 내지 도 14에서는 공진기(310,320,330,340,350)의 구동부(120)의 다양한 변형 예들을 보여준다. 도 10a, 도 10b, 도 12 내지 도 14에서는, 도 1 내지 도 3, 도 6 내지 도 8에서와 실질적으로 동일한 부재는 동일 참조부호로 나타내고, 반복적인 설명은 생략한다.
도 10a, 도 10b, 도 12 내지 도 14를 참조하면, 공진기(310,320,330,340,350)는 음향 신호에 반응하여 진동하는 구동부(360)와, 이 구동부(360)의 움직임을 검출하는 센싱부(370)를 포함한다.
공진기(310,320,330,340,350)의 구동부(360)는 일단부가 지지부재(150)에 고정되고, 나머지 부분은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하는 것으로, 지지부재(150)에 대해 일단이 고정되고 바디부(101)의 캐비티 내에서 공진기(310,320,330,340,350)의 길이 방향(도 1 및 도 6에서 x축 방향에 해당)을 따라 연장되도록 마련될 수 있다.
센싱부(370)는 구동부(360)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록, 구동부(360)의 일단에 마련될 수 있다. 센싱부(370)는 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 센싱부(130)과 같이 구동부(360)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 동일하도록 마련될 수 있다. 또한, 센싱부(370)는 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)의 센싱부(230)과 같이 구동부(360)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 마련될 수 있다. 도 10a, 도 10b, 도 12 내지 도 14에서는 공진기(310,320,330,340,350)의 센싱부(370)로, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(100)의 센싱부(130)를 적용한 예를 도시하고 있는데, 이는 예시적인 것이다. 도 10a, 도 10b, 도 12 내지 도 14에서의 공진기(310,320,330,340,350)의 센싱부(370)로 도 7 내지 도 9를 참조로 설명한 지향성 음향 센서(200)의 센싱부(230)를 적용할 수 있다. 센싱부(370)에 대해서는, 전술한 지향성 음향 센서(100,200)의 센싱부(130,230)와 실질적으로 동일하므로, 반복적인 설명을 생략한다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 공진기(310,320)의 구동부(360)는, 베이스(361), 베이스(361)에 돌출되며 길이 방향으로 연장된 프레임(363)을 포함할 수 있다. 프레임(363)은 예를 들어, 베이스(361)와 일체로 형성될 수 있다. 베이스(361) 및 프레임(363)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다.
프레임(363)은 베이스(361)의 양측, 및 내측 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다. 프레임(363)은 예를 들어, 도 10a에 예시적으로 보인 바와 같이, 베이스(361)의 양측 가장자리에 각각 마련될 수 있다. 다른 예로서, 프레임(363)은 도 10b에서와 같이, 베이스(361)의 양측 가장자리 및 베이스(361)의 선단부 가장자리에 마련될 수 있다. 도 10a 및 도 10b에서와 같이, 베이스(361)의 양측 가장 자리를 따라 마련되는 각 프레임(363)은 공진기(310,320)의 길이 방향에 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다.
도 11을 참조하면, 베이스(361)는 소정의 폭(W)를 가질 수 있으며, 프레임(363)은 소정의 폭(W1)를 가질 수 있다. 그리고, 프레임(363)은 소정의 높이(t1)을 가질 수 있으며, 베이스(361)는 소정의 두께(t2)를 가질 수 있다. 베이스(361)의 두께(t2)는 프레임(363)의 높이(t1)보다 작을 수 있지만, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
공진기(310,320)의 구동부(360)를 베이스(361)와 베이스(361)에 돌출되게 길이 방향으로 연장된 프레임(363)을 구비하도록 구성함으로써, 베이스(361)의 두께와 프레임(363)의 높이의 합에 해당하는 두께를 가지는 플레이트형 공진기(미도시)와 비교할 때, 공진기(310,320)의 공진주파수를 동일하게 유지하면서 질량을 줄일 수 있다. 이에 따라, 공진기(310,320)의 Quality factor를 낮춤으로써 밴드폭(bandwidth)을 넓힐 수 있으며, 이러한 공진기 배열을 포함하는 지향성 음향 센서(200)의 평탄도 특성 및 음질을 향상시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 공진기(330)의 구동부(360)는 베이스(361)와 이 베이스(361)에 돌출되게 길이 방향으로 연장된 프레임(363)을 포함할 수 있다. 이때, 프레임(363)은 베이스(361)의 내측에 공진기(330)의 길이 방향을 따라 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다. 도 12에는 프레임(363)이 하나만 마련된 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스(361)의 내측에 복수개의 프레임(363)이 마련될 수도 있다.
도 13을 참조하면, 공진기(340)의 구동부(360)는 베이스(381)와 이 베이스(381)에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(groove pattern, 382)을 포함할 수 있다. 그루브 패턴(382)은 베이스(381)에 규칙적인 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 그루브 패턴(382)은 베이스(381)에 소정 깊이로 형성됨으로써 그루브 패턴 없이 베이스만으로 이루어진 공진기(미도시)에 비해 공진기(340)의 질량을 감소시킬 수 있다.
본 실시예의 공진기(340)는 베이스(381)에 소정 깊이로 형성된 그루브 패턴(382)을 포함함으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 공진기(340)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 그루브 패턴 없이 베이스(381)만으로 이루어진 공진기(미도시)에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 공진기(350)의 구동부(360)는 베이스(391)와 이 베이스(391)에 관통 형성된 복수의 관통공(through hole, 392)을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 관통공(392)은 베이스(391)에 규칙적인 형태로 형성될 수 있다. 도 14에 도시된 공진기(350)는 복수의 관통공이 형성되지 않은 공진기(미도시)와 동일한 공진주파수를 가질 수 있다. 이를 위해 각 관통공(392)은 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기로 형성될 필요가 있다.
본 실시예에서는 공진기(350)가 베이스(391)에 형성된 가청주파수 대역의 파장 보다 작은 크기의 복수의 관통공(392)을 포함함으로써 공진주파수를 일정하게 유지하면서 공진기(350)의 질량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 복수의 관통공을 포함하지 않는 공진기(미도시)에 비해 Quality factor는 감소시키고, 밴드폭은 증대시킬 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)를 예시적으로 보인 사시도이고, 도 16은 도 15의 지향성 음향 센서(500)의 평면도를 보여준다. 도 15 및 도 16의 지향성 음향 센서(500)는, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 지향성 음향센서(100), 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(200)와 비교할 때, 서로 마주하도록 배치된 복수의 제1공진기(511) 및 복수의 제2공진기(513)가, 서로 맞물리도록 마련된 제1단부(511a) 및 제2단부(513a)를 가지는 점에 차이가 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)는 지지부재(도 1, 도 6의 150)와, 지지부재(150)에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기(510)를 포함한다. 공진기(510)는 입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부(520)와, 구동부(520)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부(530)를 포함한다.
지향성 음향 센서(500)의 바디부(101)에는 캐비티(105)가 관통하도록 형성될 수 있다. 지지부재(150)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 마련될 수 있다. 예를 들어, 지지부재(150)는 캐비티(105)를 형성하는 바디부(101)의 내측벽(도 1, 도 6의 101a)에 대해 돌출되게 형성될 수 있다. 지지부재(150)는 바디부(101)와 일체로 형성되거나, 별도의 부재로서 바디부(101)의 내측벽(101a)에 대해 돌출되게 마련될 수 있다.
도 15 및 도 16에서는 공진기(510)의 센싱부(530)가, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(100)에 적용된 센싱부(130)를 구비하는 예를 도시하고 있는데, 이는 예시적인 것이다. 도 15 및 도 16에서의 공진기(510)의 센싱부(530)로 도 5를 참조로 설명한 센싱부(130')를 적용하거나, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(200)에 적용된 센싱부(230)를 적용할 수 있다. 센싱부(530)에 대해서는, 전술한 지향성 음향 센서(100,200)의 센싱부(130,130',230)와 실질적으로 동일하므로, 반복적인 설명을 생략한다. 한편, 도 15 및 도 16에서는 전술한 지향성 음향 센서(100,200)에서와 실질적으로 동일한 부재는 동일 참조부호로 나타내고, 반복적인 설명은 생략한다.
본 실시예의 지향성 음향 센서(500)에서, 복수의 공진기(510)는, 서로 마주하는 배열을 형성하는 복수의 제1공진기(511) 및 복수의 제2공진기(513), 제1공진기(511) 또는 제2공진기(513)와 마주하지 않는 적어도 하나의 제3공진기(515)를 포함하는 배열을 가질 수 있다. 도 15 및 도 16에서는 적어도 하나의 제3공진기(515)가 제1공진기(511)와 마주하지 않으며, 제2공진기(513)와 나란히 배열된 예를 보여준다. 이러한 공진기 배열을 형성하도록, 캐비티(105)를 사이에 두고 서로 마주하는 두 지지부재(150)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 복수의 공진기(510)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 소정 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1공진기(511)와 복수의 제2공진기(513)는 바디부(101)의 캐비티(105)에서 서로 마주하며, 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(511b)가 서로 맞물리는 교차 구조로 공진기 배열을 형성하도록 배열될 수 있다. 적어도 하나의 제3공진기(515)는 바디부(101)의 캐비티(105)에 제1공진기(511) 또는 제2공진기(513)와 마주하지 않도록 소정 형태로 배열될 수 있다. 도 15 및 도 16에서는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)를 각각 7개 구비하고, 제1공진기(511)와 마주하지 않으며 제2공진기(513)와 나란히 배열되는 제3공진기(515)는 2개 구비하여, 총 16개의 공진기(510)를 포함하는 예를 도시하는데, 이는 예시적으로 보인 것일 뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 서로 마주하는 공진기의 개수, 마주하지 않는 공진기의 개수는 달라질 수 있다. 또한, 복수의 공진기(510)는 모두 서로 마주하도록 배열될 수도 있다.
한편, 제1공진기(511)와 제2공진기(513)는, 제1단부(511a)와 제2단부(513a)가 서로 맞물리지만, 직접적인 부딪힘은 일어나지 않으며 그들 사이의 틈은 최소화되도록 서로 마주하여 배열될 수 있다. 이와 같이, 마주하는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)의 제1단부(511a)와 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조를 형성하면, 제1공진기(511)와 제2공진기(513)의 마주보는 배열 영역에서 캐비티(105)의 관통 구멍(105a) 부분이 줄어들거나 거의 없게 되므로, 음향 저항 감소에 기인한 감도 저하를 방지할 수 있어, 음향을 센싱하는 감도가 향상될 수 있으며, 지향성 음향 센서(500)의 소자 크기를 줄일 수 있다.
제1단부(511a)와 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)로 예를 들어, 도 17 내지 도 19를 참조로 후술하는 공진기(610,620,630)가 적용될 수 있다.
한편, 서로 마주하도록 배치되는 제1공진기(511)의 제1단부(511a) 및 제2공진기(513)의 제2단부(513a)는 동일 길이를 가지거나 서로 다른 길이를 가질 수 있으며, 제1단부(511a)와 제2단부(513a)의 폭의 합은 제1공진기(511)의 최대폭과 제2공진기(513)의 최대폭의 합의 절반 이하일 수 있다.
예를 들어, 서로 마주하도록 배치되는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)의 최대 폭이 W로 동일한 경우를 고려하자. 이 경우, 마주하는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)가 제1단부(511a)와 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조를 이루도록 배열될 때, 제1단부(511a)와 제2단부(513a) 사이의 부딪힘 없이, 제1단부(511a)와 제2단부(513a) 사이의 틈을 최소화하도록, 제1단부(511a)의 폭과 제2단부(513a)의 폭의 합은 W 이하 일 수 있다. 이때, 마주하는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)의 제1단부(511a) 및 제2단부(513a)는 동일 길이 또는 다른 길이를 가질 수 있으며, 제1단부(511a)의 폭과 제2단부(513a)의 폭은 같거나 다를 수 있다. 예를 들어, 마주하는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)의 제1단부(511a)의 폭과 제2단부(513a)의 폭은 같을 수 있으며, 각각 W/2 이하의 폭을 가질 수 있다. 서로 교차하는 제1단부(511a)와 제2단부(513a) 사이의 틈이 큰 경우, 음향 저항(acoustic resistance)이 감소할 수 있으므로, 음향 저항 감소를 억제하여 감도 저하를 방지하고, 서로 맞물리는 제1단부(511a)와 제2단부(513a) 사이의 부딪힘은 없으면서 원하는 공진 주파수를 구현하도록, 서로 교차하도록 배열되는 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(513a)의 형상, 길이 및 폭 등이 정해질 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16에서는 복수의 제1공진기(511)와 복수의 제2공진기(513)가 마주하도록 배치되며, 적어도 하나의 제3공진기(515)가 제1공진기(511)와 마주하지 않도록 배치된 예를 보여준다. 제1공진기(511)와 마주하지 않는 제3공진기(515)의 경우에는 도 15 및 도 16에 예시적으로 보인 바와 같이, 다른 형상으로 된 제2단부(513a)를 구비하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제3공진기(515) 전체가 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 제3공진기(515)로 예를 들어, 도 10a, 도 10b, 도 11 내지 도 14를 참조로 전술한 공진기(310,320,330,340, 또는 350)가 적용될 수 있다. 다른 예로서, 제1공진기(511)와 마주하는 제2공진기(513)와 마찬가지로, 제1공진기(511)와 마주하지 않는 제3공진기(515)의 경우에도 다른 형상으로 된 제2단부(513a)를 구비할 수도 있다.
한편, 복수의 제1공진기(511), 복수의 제2공진기(513), 적어도 하나의 제3공진기(515)는 서로 다른 대역의 음향 주파수를 감지하도록 마련될 수 있다. 즉, 복수의 제1공진기(511), 복수의 제2공진기(513), 적어도 하나의 제3공진기(515)는 서로 다른 공진주파수(resonance frequency)를 가지도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 복수의 제1공진기(511), 복수의 제2공진기(513), 적어도 하나의 제3공진기(515)는 서로 다른 치수(dimension) 예컨대, 서로 다른 길이, 폭 또는 두께를 가지도록 마련될 수 있다. 또한, 서로 맞물리도록 교차하는 제1단부(511a)와 제2단부(513a) 사이의 부딪힘은 없으면서 원하는 공진 주파수를 구현하도록 서로 교차하도록 배열되는 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(513a)의 형상, 길이 및 폭 등이 정해질 수 있다.
도 17 내지 도 19는 도 15 및 도 16에서 마주하는 제1공진기(511)와 제2공진기(513)로 적용될 수 있는 공진기(610,620,630)의 다양한 실시예들을 보여준다. 도 17 내지 도 19의 공진기(610,620,630)는, 도 15 및 도 16에서 제3공진기(515)로 적용될 수도 있다. 도 17 내지 도 19에서는 전술한 다양한 실시예에서와 실질적으로 동일한 부재는 동일 참조부호로 나타내고, 반복적인 설명은 생략한다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 공진기(610,620,630)는 음향 신호에 반응하여 진동하는 구동부(650)와, 이 구동부(650)의 움직임을 검출하는 센싱부(670)를 포함한다.
공진기(610,620,630)의 구동부(650)는 일단부가 지지부재(150)에 고정되고, 나머지 부분은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하는 것으로, 지지부재(150)에 대해 일단이 고정되고 바디부(101)의 캐비티(105) 내에서 공진기(610,620,630)의 길이 방향(도 15 및 도 16에 x축 방향)을 따라 연장되도록 마련될 수 있다.
센싱부(670)는 구동부(650)의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하도록, 구동부(650)의 일단에 마련될 수 있다. 센싱부(670)는 도 1 내지 도 3, 도 5를 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100)의 센싱부(130,130')와 같이 구동부(650)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 동일하도록 마련될 수 있다. 또한, 센싱부(670)는 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(200)의 센싱부(230)와 같이 구동부(650)의 변위 방향과 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 마련될 수 있다. 도 17 내지 도 19에서는 공진기(610,620,630)의 센싱부(670)로, 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(100)의 센싱부(130)를 적용한 예를 도시하고 있는데, 이는 예시적인 것이다. 도 17 내지 도 19에서의 공진기(610,620,630)의 센싱부(670)로 도 5를 참조로 설명한 센싱부(130')를 적용하거나, 도 7 내지 도 9를 참조로 설명한 지향성 음향 센서(200)의 센싱부(230)를 적용할 수 있다. 센싱부(670)에 대해서는, 전술한 지향성 음향 센서(100,200)의 센싱부(130,130',230)와 실질적으로 동일하므로, 반복적인 설명을 생략한다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 공진기(610,620,630)의 구동부(650)는, 베이스(651), 베이스(651)에 돌출되며 길이 방향으로 연장된 프레임(653), 끝부분에 단부(615,625,635)(도 15 및 도 16에서 제1단부(511a) 및 제2단부(513a)에 해당)를 구비할 수 있다.
프레임(653)은 예를 들어, 베이스(651)와 일체로 형성될 수 있으며, 단부(615,625,635)도 베이스(651) 및 프레임(653)과 일체로 형성될 수 있다. 베이스(651), 프레임(653)은 실리콘을 포함할 수 있으며, 단부(615,625,635)도 실리콘을 포함할 수 있다.
프레임(653)은 베이스(651)의 양측, 및 내측 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다. 프레임(653)은 예를 들어, 도 17 내지 도 19에 예시적으로 보인 바와 같이, 베이스(651)의 양측에 각각 마련될 수 있다. 여기서, 프레임(653)은 공진기(610,620,630)의 길이 방향(도 15 및 도 16에서 x축 방향)에 나란하게 연속적으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 프레임(653)은 베이스(651)의 양측 가장 자리를 따라 연속적으로 마련될 수 있다.
공진기(610,620,630)의 구동부(650)의 단부(615,625,635) (도 15 및 도 16에서 제1단부(511a) 및 제2단부(513a))는 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 17에 예시적으로 보인 바와 같이, 구동부(650)의 단부(615)는 공진기(610)의 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장되며, 프레임(653)의 두께까지 플레이트형으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 단부(615)는 베이스(651)의 두께(t2)와 프레임(653)의 두께(t1)를 합한 두께(t)에 대응하는 두께를 가지도록 형성되거나, 베이스(651)의 두께(t2) 보다 크고 두께(t)보다 작은 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 구동부(650)의 단부(615)를 가지는 공진기(610)를 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)로 적용할 때, 마주하는 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조로 배열될 수 있다. 이때, 공진기(511)의 제1단부(511a)는 제1공진기(511)의 일측 폭 부분에 대응되게 길이 방향으로 연장 형성되고, 제2공진기(513)의 제2단부(513a)는 제1공진기(511)의 일측 폭 부분과 마주하지 않는 제2공진기(513)의 다른측 폭 부분에 대응되게 길이 방향으로 연장 형성된다.
도 18에 예시적으로 보인 바와 같이, 구동부(650)의 단부(625)는 공진기(620)의 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장되고, 이 연장된 일측 폭의 단부분까지 프레임(653)이 연장된 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구동부(650)의 단부(625)를 가지는 공진기(620)를 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)로 적용할 때, 마주하는 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조로 배열될 수 있다. 제1공진기(511)의 제1단부(511a)는 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장되고, 제2공진기(513)의 제2단부(513a)는 제1공진기(511)의 일측 폭 부분과 마주하지 않는 제2공진기(513)의 다른측 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이고, 프레임(653)은 제1 및 제2단부(511a)(513a)의 단부분까지 연장 형성될 수 있다.
도 19에 예시적으로 보인 바와 같이, 구동부(650)의 단부(635)는 공진기(630)의 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장되고, 이 연장된 단부(635)의 둘레까지 프레임(653)이 연장된 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구동부(650)의 단부(635)를 가지는 공진기(630)를 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)로 적용할 때, 마주하는 제1공진기(511)의 제1단부(511a)와 제2공진기(513)의 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조로 배열될 수 있다. 제1공진기(511)의 제1단부(511a)는 제1공진기(511)의 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장되고, 제2공진기(513)의 제2단부(513a)는 제1공진기(511)의 일측 폭 부분과 마주하지 않는 제2공진기(513)의 다른측 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이며, 제1단부(511a)와 제2단부(513a)의 둘레까지 프레임(653)이 연장 형성될 수 있다.
도 17 내지 도 19에 예시적으로 보인 바와 같은 형상의 단부(615,625,635)를 가지는 공진기(610,620,630)를 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)로 적용하면, 제1 및 제2단부(511a)(513a)의 서로 맞물리는 교차 구조는, 프레임(653)의 높이에 이르는 두께로 형성되거나, 프레임(653)이 제1 및 제2단부(511a)(513a)의 서로 맞물리는 교차 부분의 적어도 일부까지 연장된 구조로 형성될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)는 도 17 내지 도 19의 공진기(610,620,630) 뿐만 아니라, 다른 형상의 공진기를 구비할 수도 있다. 예를 들어, 도 12 내지 도 14를 참조로 설명한 공진기(330,340,350)에 도 17의 단부(615)를 적용한 구조로 변형한 공진기(미도시)를 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)의 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)로 적용할 수도 있다. 이외에도, 서로 마주하는 제1공진기(511) 및 제2공진기(513)의 제1단부(511a) 및 제2단부(513a)가 서로 맞물리는 교차 구조를 형성하도록, 일측 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조의 단부를 가지는 다양한 형상의 공진기가 적용될 수 있다.
도 17 내지 도 19의 공진기(610,620,630)를 적용하는 경우에도, 공진기(610,620,630)의 구동부(650)를 베이스(651)와 베이스(651)에 돌출되게 길이 방향으로 연장된 프레임(653)을 구비하도록 구성함으로써, 베이스(651)의 두께와 프레임(653)의 높이의 합에 해당하는 두께를 가지는 플레이트형 공진기와 비교할 때, 공진기(610,620,630)의 공진주파수를 동일하게 유지하면서 질량을 줄일 수 있다. 이에 따라, 공진기(610,620,630)의 Quality factor를 낮춤으로써 밴드폭(bandwidth)을 넓힐 수 있으며, 이러한 공진기 배열을 포함하는 지향성 음향 센서(500)의 평탄도 특성 및 음질을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)에서는 복수의 제1공진기(511), 복수의 제2공진기(513), 적어도 하나의 제3공진기(515) 각각을 베이스(651) 상에 돌출되게 길이 방향으로 연장된 프레임(653)을 포함하도록 구성함으로써, 각 공진기(511,513,515)가 공진주파수를 유지하면서 넓은 밴드폭을 가질 수 있으므로 감도 및 평탄도 특성을 향상시킬 수 있어 공진기(511,513,515)의 개수를 줄일 수 있으므로 가격 경쟁력을 향상될 수 있다. 또한, 평탄도 특성의 향상으로 인해 음질이 향상될 수 있다.
도 20은 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)와 비교예에 따른 지향성 음향 센서(500')를 동일 공진주파수를 가지도록 설계한 예를 보여주며, 도 21은 도 20의 실시예 및 비교예의 지향성 음향 센서(500,500')의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다. 실시예와 비교예의 지향성 음향 센서(500,500')는 마주하여 배치되는 두 공진기의 단부가 서로 맞물리는 교차 구조를 가지도록 된 공진기 배열을 가진다. 또한, 실시예의 지향성 음향 센서(500)는, 공진기의 센싱부가 구동부의 움직임에 따른 에어갭 변화를 커패시턴스 변화를 검출하도록 마련되고, 비교예의 지향성 음향 센서(500')는, 공진기의 센싱부가 압전체의 변형에 의해 전기에너지를 발생시키는 압전 소자를 포함하여, 구동부의 움직임을 센싱하도록 마련된다.
실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)와 비교예에 따른 지향성 음향 센서(500')를 동일 공진주파수를 가지도록 설계할 때, 도 20에 예시적으로 보인 바와 같이, 실시예 및 비교예의 지향성 음향 센서(500,500')는, 마주하는 공진기 배열을 형성하는 제1공진기 및 제2공진기를 각각 7개 구비하고, 제1공진기와 마주하지 않는 제3공진기는 2개 구비하여 총 16개의 공진기를 포함할 수 있다.
도 20을 참조하면, 동일 공진주파수를 가지도록 설계할 때, 센싱부 차이에 기인하여, 음향 신호를 커패시턴스 변화로 센싱하도록 된 실시예의 지향성 음향 센서(500)는 음향 신호를 압전체 변형에 의한 전기에너지로 센싱하도록 된 비교예의 지향성 음향 센서(500')에 비해, 길이 방향으로 소자의 크기가 약 2.700mm에서 대략 1.900mm로 약 30% 정도 작음을 알 수 있다.
또한, 도 21을 참조하면, 실시예(커패시턴스 타입)의 공진기가 밴드폭이 비교예(압전체 타입) 공진기에 비해 약 70% 정도 넓음을 알 수 있다.
도 20 및 도 21에서 알 수 있는 바와 같이, 도 15 및 16을 참조로 설명한 지향성 음향 센서(500) 및 이에 대응하는 구조를 가지는 비교예의 지향성 음향 센서(500')를 동일 공진 주파수를 가지도록 설계할 때, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)는 압전형 공진기를 적용하는 경우에 비해, 소자 크기를 작게 하면서, 넓은 밴드폭을 가지는 지향성 음향 센서를 실현할 수 있다. 마찬가지로, 도 1 내지 도 3, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200)의 경우에도, 압전형 공진기를 적용한 경우에 비해, 소자 크기를 작게 하면서, 넓은 밴드폭을 가지는 지향성 음향 센서를 실현할 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)에 따르면, 공진기를 예를 들어, 실리콘 만으로 된 캔틸레버 빔 구조로 형성할 수 있으므로, 센싱부에 압전소자를 구비하는 기존의 공진기 구조에 비해, 설계 자유도가 높을 수 있으며, 공진기 크기 또한 감소가 가능하여, 공진기 배열 부분 크기를 예를 들어, 약 30% 정도 감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)에 따르면, 공진기를 예를 들어, 실리콘 만으로 된 캔틸레버 빔 구조로 형성할 수 있으므로, 공진기 질량(mass)가 상대적으로 가벼워 넓은 밴드폭 구현이 가능하며, 필요한 공진기 수 감소나 주파수 평탄도 향상이 가능하다.
또한, 도 15 및 도 16을 참조로 설명한 바와 같은 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)에 따르면, 마주보는 공진기 배열 부분에서 마주하는 제1공진기의 제1단부와 제2공진기의 제2단부가 서로 맞물리는 교차 구조를 형성하므로, 마주하는 공진기 배열 부분에서 캐비티의 관통 구멍을 최소화하거나 거의 없앨 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(500)에서는, 음향 저항을 증가시킬 수 있어, 감도를 향상시킬 수 있으며, 공진기 배열 레이아웃 크기를 축소할 수 있어 소자 크기를 보다 작게 할 수 있다.
이상에서는 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)가 서로 마주하는 복수의 제1공진기 및 복수의 제2공진기와, 마주하지 않는 적어도 하나의 제3공진기를 포함하는 공진기 배열을 구비하며, 도 1, 도 6, 15에서는 마주하는 공진기 배열을 형성하는 제1공진기 및 제2공진기를 각각 6개 또는 7개 구비하고, 제1공진기와 마주하지 않는 제3공진기는 4개 또는 2개 구비하여, 총 16개의 공진기를 포함하는 예를 도시하는데, 이는 예시적으로 보인 것일 뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명된 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)는 음성 인터페이스(voice interface) 기술이 적용되는 다양한 전자 기기, 예를 들면, 스마트폰, 폴더블폰, 인공지능 스피커(AI speaker), AR 안경, 웨어러블 장치, 로봇 또는 TV 등과 같은 전자 기기에 적용될 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)는, 도 22 내지 도 26에 도시된 바와 같은 AR 안경(1000), 이어 버즈(1100), 스마트폰(1200), TV(1300), 인공지능 스피커(1400) 등에 음성 인터페이스 장치로 적용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)는, 도 27에 도시된 바와 같이 차량(1500)에 적용될 수 있다. 도 27에서는 전면 유리 상측에 실시예에 따른 지향성 음향 센서(1510)를 구비한 예를 보여주는데, 이외에도 차량(1500)의 내,외부 여러 위치에 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)를 장착할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 지향성 음향 센서(100,200,500)는 에어컨, 냉장고, 공기청정기 등과 같은 생활 가전을 포함한 다양한 전자 기기에도 적용될 수 있다. 이상에서 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다.
100,200,500: 지향성 음향 센서
110,310,320,330,340,350,510,610,620,630: 공진기
111,511: 제1공진기 113,513: 제2공진기 115,515: 제3공진기
120,360,520,650: 구동부 130,230,370,530,670: 센싱부
131,231: 제1전극 134: 스페이서층 135,235: 제2전극
150: 지지부재 511a: 제1단부 513a: 제2단부

Claims (20)

  1. 지지부재와;
    상기 지지부재에 대해 길이 방향으로 연장되어 마련되는 복수의 공진기;를 포함하며,
    상기 공진기는,
    입력되는 음향 신호에 반응하여 움직이는 구동부와; 상기 구동부의 움직임에 따라 변화하는 에어갭에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 센싱부;를 포함하는 지향성 음향 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센싱부는,
    상기 구동부의 움직임에 따라 적어도 일부 영역이 움직여 에어갭을 변화시키는 제1전극; 및
    상기 지지부재에 의해 형성되거나, 상기 지지부재에 의해 지지되는 제2전극;을 포함하며,
    상기 구동부의 움직임에 따라 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 지향성 음향 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1전극은 상기 구동부와 일체로 형성되는 지향성 음향 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 구동부, 상기 제1전극, 상기 제2전극, 상기 지지부재 중 적어도 하나는 실리콘을 포함하는 지향성 음향 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 지지 부재 상에 절연 물질로 된 스페이서층;을 더 포함하며,
    상기 지지부재는 상기 제2전극을 포함하며,
    상기 구동부는 상기 스페이서층 상에 일단이 고정되며,
    상기 스페이서층에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 초기 에어 갭을 형성하는 지향성 음향 센서.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제2전극은 상기 지지부재에 의해 지지되며, 상기 지지부재의 반대측에서 상기 제1전극과의 사이에 초기 에어갭을 형성하도록 마련되는 지향성 음향 센서.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극 중 적어도 하나에 에어 댐핑을 위한 구멍이 형성된 지향성 음향 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 센싱부는,
    상기 구동부의 움직임에 따라 에어갭을 변화시키는 제1전극; 및
    상기 구동부의 변위 방향과 상기 에어갭 크기 변화 방향이 수직이도록 상기 제1전극에 대향되게 마련된 제2전극;을 포함하며,
    상기 구동부의 움직임에 따라 상기 제1전극 및 제2전극 사이의 에어갭 변화에 따른 커패시턴스 변화를 센싱하는 지향성 음향 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1전극 및 제2전극은 지퍼 형태의 배치를 이루도록 패터닝된 지향성 음향 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1전극은 제1두께를 가지며,
    상기 제2전극은 제1두께보다 두꺼운 제2두께를 가지는 지향성 음향 센서.
  11. 제8항에 있어서, 상기 지지부재 상에, 절연 물질로 이루어진 스페이서층;을 더 포함하며,
    상기 제1전극 및 제2전극은 각각 일단이 상기 스페이서층에 고정되는 지향성 음향 센서.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1전극은 상기 구동부와 일체로 형성되는 지향성 음향 센서.
  13. 제8항에 있어서, 상기 구동부, 상기 제1전극, 상기 제2전극 중 적어도 하나는 실리콘을 포함하는 지향성 음향 센서.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복수의 공진기는 서로 다른 공진주파수를 가지며,
    상기 복수의 공진기 각각은 일단이 고정되고 타단은 자유롭게 움직이는 캔틸레버 빔을 구성하는 지향성 음향 센서.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공진기는,
    길이방향으로 연장되는 복수의 제1공진기; 및
    길이방향으로 연장되며, 상기 복수의 제1공진기와 마주하는 복수의 제2공진기를 포함하는 지향성 음향 센서.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 제1공진기 각각은 제1단부를 포함하며,
    상기 복수의 제2공진기 각각은 제2단부를 포함하며,
    상기 제1공진기의 제1단부와 상기 제2공진기의 제2단부 서로 맞물리도록 교차되는 구조로 이루어진 지향성 음향 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1공진기의 제1단부는 상기 제1공진기의 일부 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이고,
    상기 제2공진기의 제2단부는 상기 제1공진기의 일부 폭 부분과 마주하지 않는 상기 제2공진기의 다른 폭 부분이 길이 방향으로 연장된 구조이며, 상기 제1공진기의 제1단부와 상기 제2공진기의 제2단부가 서로 맞물리도록 교차되는 구조로 상기 제1공진기와 상기 제2공진기가 마주하는 영역의 공진기 배열을 형성하는 지향성 음향 센서.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1공진기 및 제2공진기 각각은,
    베이스; 및 상기 베이스에 돌출되며 길이 방향으로 연장된 프레임;을 포함하는 지향성 음향 센서.
  19. 제15항에 있어서, 길이 방향으로 연장되며, 상기 제1공진기 또는 제2공진기와 마주하지 않는 적어도 하나의 제3공진기;를 더 포함하는 지향성 음향 센서.
  20. 청구항 1항 내지 14항 중 어느 한 항의 지향성 음향 센서를 포함하는 전자 기기.
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