KR20230125678A - 콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

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KR20230125678A
KR20230125678A KR1020220022583A KR20220022583A KR20230125678A KR 20230125678 A KR20230125678 A KR 20230125678A KR 1020220022583 A KR1020220022583 A KR 1020220022583A KR 20220022583 A KR20220022583 A KR 20220022583A KR 20230125678 A KR20230125678 A KR 20230125678A
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condenser microphone
layer
hole
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KR1020220022583A
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이준석
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(주)다빛센스
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Abstract

본 발명은 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로서, 상기 콘덴서 마이크로폰은 기판, 상기 기판 위에 위치하는 외벽, 상기 외벽에 고정되어 있고, 배출홀과 가변홀을 구비하고 있는 멤브레인, 상기 가변홀로 에워싸여져 있는 차단부, 상기 멤브레인 위에 위치하고 있는 백플레이트, 상기 멤브레인과 상기 백플레이트 사이에 위치하는 공기층, 상기 백플레이트에서 상기 멤브레인 쪽으로 공기층에 연장되어 있는 복수 개의 스토퍼 및 상기 차단부에 일단이 연결되어 있고 상기 백플레이트의 해당 부분에 타단이 연결되어 상기 차단부를 상기 백플레이트에 연결시키는 지지부를 포함한다.

Description

콘덴서 마이크로폰{CONDENSER MICROPHONE}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘덴서 마이크로폰(condenser microphone)에 관한 것이다.
일반적으로 음향 센서(acoustic sensor)는 음향신호를 전기적인 신호로 변환하는 장치로서 마이크로폰을 구비한다.
마이크로폰은 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 존재한다.
예를 들어, 재질에 따라서는 카본 마이크로폰(carbon microphone), 크리스탈 마이크로폰(crystal microphone) 및 마그네틱 마이크로폰(magnetic microphone) 등으로 구분된다.
또한, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰(dynamic microphone)과 멤브레인(membrane)이나 다이어프램(diaphragm)과 같은 멤브레인의 진동에 따른 캐패시턴스(capacitance) 변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분될 수 있다.
컴퓨터, 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋 등과 같은 휴대용 전자기기 또는 소형 전자기기에는 ECM(Electret Condensor Microphone) 마이크로폰이나 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰 등과 같은 초소형 콘덴서 마이크로폰이 주로 사용되고 있다.
ECM 마이크로폰은 일렉트릿(electret)이라는 분극 유전체 물질을 이용하는 것으로서, 바이어스 전압(bias voltage)이 인가되지 않는 동안 전하를 축적하는 기능을 갖고 있다.
일렉트릿 물질의 전하는 온도에 민감하고 장기 드리프트(Long-Term Drift)로 인해 특성이 악화되어 마이크로폰의 감도를 떨어뜨린다. 그래서, 일렉트릿 물질로 테프론(Teflon)을 마이크로폰에 적용했지만, 표준 양산공정에 테프론을 적용하는 것은 많은 어려운 문제점들을 만들어냈다.
반면, 콘덴서 마이크로폰은 일렉트릿 물질이 필요하지 않고, 전하를 축적하기 위해 바이어스 전압을 인가해 주면 된다.
콘덴서 마이크로폰은 온도에 따라 적절한 센싱(Sensing) 감도와 낮은 센싱 감도를 갖기도 한다. 이러한 콘덴서 마이크로폰은 작은 크기(size)와 저비용 양산화를 위해 대개 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)공정으로 제조되므로, 콘덴서 마이크로폰은 멤스 마이크로폰(MEMS microphone)으로 통칭되기도 한다.
콘덴서 마이크로폰은 두 개의 평판 캐패시턴스, 즉 멤브레인과 백플레이트(back plate)를 포함하며, 두 개의 평판 캐패시턴스는 절연 물질로 작용하는 공기층(air gap)을 통해 분리된다.
백플레이트에는 음향홀이 존재하고, 멤브레인에는 배출홀이 존재하여, 백플레이트이 음향홀을 통해 인입된 음향파는 멤브레인의 배출홀을 통해 배출된다.
하지만, 음향파는 멤브레인을 휘게 하는 원인이 된다.
또한, 멤브레인의 하부로부터 과부하의 외부 음압이 인입되면, 짧은 시간내에 인입된 외부 음압이 배출홀을 통과하지 못하게 된다.
이로 인해, 미세한 배출홀을 중심으로 멤브레인이 파손되어, 마이크로폰의 수명을 단축시키는 원인이 된다.
한국공개특허 제10-2016-0127212호(공개일 2016.11.03)
본 발명이 해결하려는 과제는 내구성이 향상된 콘덴서 마이크로폰을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 음압에 의해 진동하는 멤브레인의 진동효율을 향상시키는 콘덴서 마이크로폰을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 콘덴서 마이크로폰은 기판. 상기 기판 위에 위치하는 외벽, 상기 외벽에 고정되어 있고, 배출홀과 가변홀을 구비하고 있는 멤브레인, 상기 가변홀로 에워싸여져 있는 차단부, 상기 멤브레인 위에 위치하고 있는 백플레이트, 상기 멤브레인과 상기 백플레이트 사이에 위치하는 공기층, 상기 백플레이트에서 상기 멤브레인 쪽으로 공기층에 연장되어 있는 복수 개의 스토퍼 및 상기 차단부에 일단이 연결되어 있고 상기 백플레이트의 해당 부분에 타단이 연결되어 상기 차단부를 상기 백플레이트에 연결시키는 지지부를 포함한다.
상기 배출홀의 직경은 상기 가변홀의 간격보다 클 수 있다.
상기 가변홀의 직경은 상기 배출홀의 직경보다 클 수 있다.
상기 가변홀의 직경은 상기 배출홀의 직경보다 5배 내지 10배일 수 있다.
상기 차단부의 직경은 상기 지지부의 직경보다 클 수 있다.
상기 차단부는 상기 멤브레인과 동일한 두께를 가질 수 있다.
상기 멤브레인의 초기 상태일 때, 상기 멤브레인의 위치와 상기 차단부의 위치는 동일할 수 있다.
상기 멤브레인과 상기 차단부는 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 스토퍼와 상기 지지부는 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 백플레이트와 상기 멤브레인 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다.
상기 멤브레인의 진동폭이 상기 차단부의 두께보다 크게 위쪽 방향이나 아래쪽으로 이동할 때 상기 배출홀과 상기 가변홀에 의한 음압 배출 통로는 개방될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 콘덴서 마이크로폰의 제조 방법은 기판 위에 멤브레인층을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층 위에 희생층을 형성하는 단계, 상기 멤브레인층이 위치하지 않는 상기 기판에 외벽을 형성하는 단계. 마스크를 이용하여 상기 희생층을 선택적으로 제거하여 상기 희생층에 스토퍼 형성 영역과 지지부 형성 영역을 형성하는 단계, 상기 마스크를 이용하여 상기 스토퍼 형성 영역과 상기 지지부 형성 영역에 정해진 물질을 적층하여 상기 스토퍼 형성 영역이 스토퍼를 형성하고 상기 지지부 형성 영역에 지지부를 형성하는 단계, 상기 마스크를 제거하는 단계, 상기 희생층 위, 상기 스토퍼 위 및 상기 지지부 위에 백플레이트층을 형성하는 단계 및 상기 백플레이트층을 선택적으로 제거하여 음향홀을 구비한 백플레이트를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 특징에 따른 콘덴서 마이크로폰의 제조 방법은 상기 기판을 선택적으로 제거하여 백 챔버를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 멤브레인에 가해지는 음압의 크기에 따라 가변홀의 개방 정도가 변하므로, 외부로부터 설정 크기 이상의 과도한 음압이 멤브레인에 가해져도 가변홀을 통한 별도의 음압 배출 통로가 제공될 수 있다.
따라서, 과도한 음압에 의한 멤브레인의 파손이 방지되어 멤브레인의 구성성 및 마이크로폰의 수명이 연장될 수 있다.
또한, 가변홀에 의해, 음압의 크기에 따른 멤브레인의 음압 배출 능력이 선형적으로 변하는 가변형 배출 통로가 제공되므로, 과도한 음압에도 안정적으로 동작하며 적정 상태의 탄성을 지속적으로 유지할 수 있는 멤브레인의 제공이 가능할 수 있다. 따라서, 콘덴서 마이크로폰의 감도가 향상되고 SNR 성능이 유지되어, 콘덴서 마이크로폰의 동작의 신뢰성이 향상될 수 있다.
이와 같이, 멤브레인에 악영향을 미치는 과부하 음압의 배출이 가변홀을 통해 신속하게 이루어지므로, 멤브레인의 최대 진동폭의 범위가 크게 낮아질 수 있다.
따라서, 멤브레인의 진동 시, 반대편에 위치하고 있는 백플레이트에 불필요한 충격이 전달되지 않으므로, 백플레이트의 고정성 및 안정성이 향상될 수 있고, 이로 인해, 콘덴서 타입의 정전 캐패시턴스가 향상되어 콘덴서 마이크폰의 동작에 대한 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 일부 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 멤브레인의 평면도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰에서, 멤브레인의 위치에 따른 진동폭의 변화 및 멤브레인에 가해지는 음압의 크기에 따른 진동 범위를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰에서 멤브레인의 진동 상태에 따른 멤브레인과 차단부의 위치 관계 변화를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5h 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 제조 공정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 설명되는 각 단계들은 특별한 인과관계에 의해 나열된 순서에 따라 수행되어야 하는 경우를 제외하고, 나열된 순서와 상관없이 수행될 수 있다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러, 이하에서 어떤 구성 요소의 두께나 폭 또는 길이가 동일하다는 의미는 공정 상의 오차를 고려하여, 어떤 제1 구성 요소의 두께나 폭 또는 길이가 다른 제2 구성 요소의 두께나 폭 또는 길이와 비교하여 10%의 오차 범위에 있는 경우를 의미한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰에 대해 설명한다.
먼저, 도 1을 참고하여, 본 예의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰에 대해 설명한다.
도 1에 도시한 것처럼, 본 예의 콘덴서 마이크로폰은 기판(100), 기판(100) 위에 위치하고 복수 개의 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 구비하고 있는 멤브레인(110), 멤브레인(110)과 이격되게 위치하고 있는 복수 개의 차단부(111), 멤브레인(110) 위에 위치하고 복수 개의 음향홀(H120)을 구비하는 백플레이트(120), 백플레이트(120) 위에 위치하는 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이에 위치하는 공기층(130), 백플레이트(120)에서 공기층(130) 쪽으로 돌출되어 있는 복수 개의 스토퍼(stopper)(141), 서로 반대편에서 마주보고 있는 차단부(111)와 백플레이트(120)의 부분 사이에 위치하는 복수 개의 지지부(142), 그리고 기판(100) 위에 위치하고 멤브레인(110)과 백플레이트(120)이 고정되어 있는 외벽(150)을 구비할 수 있다.
기판(100)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 등으로 이루어질 수 있다.
이러한 기판(100)에는, 도 1에 도시한 것처럼, 실리콘 웨이퍼가 존재하지 않는 백 챔버(즉, 공동)(cavity)(101)를 구비할 수 있다.
백 챔버(101)는 기판(100)의 가운데 부분에 위치하므로, 기판(100)은 가운데에 빈 공간인 백 챔버(101)를 구비하고 정해진 두께는 갖는 링(ring) 형상을 가질 수 있다. 백 챔버(101) 내에는 콘덴서 마이크로폰의 동작에 필요한 일렉트릿 소자 등이 위치할 수 있다.
멤브레인(110)은 콘덴서 마이크로폰 내부로 유입되는 음파의 크기에 따라 진동하는 진동판으로 기능할 수 있다. 따라서, 본 예의 콘덴서 마이크로폰은 이러한 음파에 따른 멤브레인(110)의 진동에 따라 해당하는 전기 신호를 생성할 수 있다.
멤브레인(110)은 도 1에 도시한 것처럼, 외벽(150)에 가장자리부가 고정되어 외벽(150)을 중심으로 하여 상하 방향으로의 진동이 발생할 수 있다.
이러한 멤브레인(110)은 일 예로서, 0.5~2.0㎛의 두께를 가질 수 있고, 폴리 실리콘(Poly Si)으로 이루어질 수 있다.
멤브레인(110)의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우, 멤브레인(110)의 두께가 너무 얇아 파손의 위험이 크고, 2.0㎛를 초과하는 두께를 가질 경우 음파에 따른 진동 동작에 방해를 받게 된다.
멤브레인(110)에 구비된 복수 개의 배출홀(H111)은, 도 2에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)을 완전히 관통하는 관통공으로서 원형과 같은 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.
이러한 배출홀(H111)은 외부로부터 유입된 음압을 외부로 배출하는 구멍일 수 있다.
일 예로, 각 배출홀(H111)의 직경은 2㎛~15㎛일 수 있다.
복수 개의 차단부(111)는 도 2에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)과 이격되어 있고 멤브레인(110)으로 완전히 에워싸게 위치할 수 있다.
따라서, 도 2에 도시한 것처럼, 각 차단부(111)와 각 차단부(111)에 인접한 멤브레인(110) 사이에는 해당 차단부(111)을 에워싸고 있는 원형 링과 같은 링 형상의 가변홀(H112)이 위치할 수 있다.
따라서, 멤브레인(110)에 위치한 가변홀(H112)의 가운데 부분에는 차단부(111)가 위치할 수 있으므로, 차단부(111)은 가변홀(H112)에 의해 인접한 멤브레인(110)의 부분과 이격되게 독립적으로 위치할 수 있다. 이때, 차단부(111)는 지지부(142)를 통해서 상부에 위치한 백플레이트(120)의 대응 부분에 고정될 수 있다.
이로 인해, 음압이 인가될 때, 멤브레인(110)만이 진동하고 가변홀(H112)을 통해 멤브레인(110)과 이격되어 있는 차단부(111)는 진동이 이루어지지 않는다. 즉, 멤브레인(110)은 각 차단부(111)을 중심으로 하고 지지부(142)의 연장 방향을 따라 상하 방향으로 진동할 수 있다.
따라서, 멤브레인(110)의 진동 동작에 의해, 멤브레인(1100이 지지부(142)을 따라 상하 방향으로 진동할 경우, 차단부(111) 및 이에 인접한 멤브레인(110)의 위치 관계에 따라 가변홀(H112)의 상태가 변할 수 있다.
이러한 가변홀(H112)은 설정 크기 이상의 음압(이하, 설정 크기 이상의 음압을 '과부하 음압'이라 함)이 외부로부터 유입되어 멤브레인(110)이 진동할 때, 배출홀(H111)과 함께 유입된 음압을 분산 배출시키기 위한 것이다.
즉, 음압의 크기에 따라 멤브레인(110)의 진동 상태가 변하고, 멤브레인(110)의 진동폭이 변할 수 있다.
일 예로, 음압의 크기가 증가할수록 멤브레인(110)의 진동폭이 증가할 수 있고, 이러한 멤브레인(110)의 진동폭에 따라 가변홀(H112)을 사이에 두고 서로 인접하게 배치되어 있는 멤브레인(110)과 차단부(111)의 위치 관계가 변하여 가변홀(H112)의 개방 정도가 변하여 가변홀(H112)을 통해 배출되는 음압의 정도가 변할 수 있다.
따라서, 음압은 그 크기에 따라 복수의 배출홀(H111)뿐만 아니라 가변홀(H112)을 통해서도 배출되므로, 신속한 음압 배출이 이루어질 수 있다.
본 예에서, 가변홀(H112)의 간격(I1)은 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 훨씬 작지만, 가변홀(H112)의 직경, 가운데 부분에 위치한 차단부(111)를 포함한 직경(D2)은 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 훨씬 클 수 있다.
따라서, 진동에 따른 멤브레인(110)의 위치 변화에 따른 가변홀(H112)과 차단부(111) 사이의 위치 관계가 변할 때, 가변홀(H112)을 통한 음압의 배출이 다량으로 신속하게 이루어질 수 있도록 한다.
일 예로, 가변홀(H112)의 간격(I1)은 1㎛~2㎛일 수 있고, 가변홀(H112)의 직경(D2)은 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 5배 내지 10배일 수 있다.
가변홀(D2)의 직경(D2)이 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 5배이상 클 경우, 과부하 음압 시 가변홀(D2)을 이용한 신속한 음압 배출이 효과적으로 이루어질 수 있고, 가변홀(D2)의 직경(D2)이 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 10배이하인 경우, 적정 음압 시 배출홀(H111)을 이용한 음압 배출 기능에 악영향을 미치지 않으면서 과부하 음압 시 신속한 음압 배출이 이루어질 수 있다.
이러한 가변홀(H112)의 간격(I1)과 직경(D2)은 본 예의 콘덴서 마이크로폰의 성능에 따라 정해질 수 있다.
이와 같이, 가변홀(H112)의 일부를 막고 있는 차단부(111)는 멤브레인(110)과 함께 형성될 수 있으므로, 멤브레인(110)과 동일한 재료로 이루어지고 동일한 높이에 위치하며 동일한 두께를 가질 수 있다.
따라서, 도 1에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)의 진동 동작이 이루어지지 않는 초기 상태에서, 멤브레인(110)의 상단 높이와 각 차단부(111)의 상단 높이는 동일하며, 멤브레인(110)의 하단 높이와 각 차단부(111)의 하단 높이 역시 동일할 수 있다.
백플레이트(120)는 외벽(150)에 고정되게 위치하며, 공기층(130)을 사이에 두고 멤브레인(110)의 반대편에서 멤브레인(110)과 이격되어 멤브레인(110)과 마주보게 위치할 수 있다.
본 예에서, 서로 반대편에서 대항하고 있는 멤브레인(110)과 백플레이트(120)는 각각 하나의 전극으로서 작용할 수 있어, 멤브레인(110)은 멤브레인 전극으로 기능할 수 있고, 백플레이트(120)는 백플레인 전극으로 기능할 수 있다.
또한, 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이의 존재하는 공기층(130)은 유전체층으로 기능할 수 있다.
따라서, 서로 대향하고 있는 이러한 멤브레인(즉, 멤브레인 전극)(110)과 백플레이트(즉, 백플레이 전극)(120) 및 유전체층인 공기층(130)에 의해, 멤브레인(110)의 진동에 따른 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 간의 거리 변화에 의해 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이에는 해당 크기의 캐패시턴스가 발생된다.
이러한 백플레이트(120)는, 이미 기술한 것처럼, 백플레이트(120)을 완전히 관통하는 복수 개의 음향홀(H20)을 구비할 수 있다.
이때, 각 음향홀(H120)은 외부로부터 음파가 유입되는 구멍일 수 있다.
따라서, 외부로부터 복수 개의 음향홀(H120)을 통과하여 유입된 음파는 그 세기에 따른 음압의 크기에 따라 멤브레인(110)의 진동을 제어하며, 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 백플레이트(120)의 일부, 즉 지지부(142)의 해당 단부와 대면하고 있는 부분인 백플레이트(120)의 가장자리의 해당 부분은 지지부(141)의 해당 단부에 연결되어 해당 지지부(141)를 백플레이트(120)에 고정할 수 있다.
이러한 백플레이트(120)는 도전성 물질을 함유할 수 있다.
공기층(130)은, 이미 기술한 것처럼, 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이에 위치할 수 있고, 이로 인해, 공기층(130)의 두께만큼 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이가 이격될 수 있다.
이러한 공기층(130)은, 이미 기술한 것처럼, 캐패시턴스의 생성을 위한 유전체로서 기능하므로, 공기층(130)을 사이에 두고 두 개의 대향 전극으로 기능하는 멤브레인(110)과 플레이트(120) 사이에 해당 크기의 캐패시턴스가 생성될 수 있다.
도 1에 도시한 것처럼, 백플레이트(120)의 하단에서부터 멤브레인(110) 쪽 즉, 공기층(130) 쪽으로 정해진 길이만큼 연장되어 있는 복수 개의 스토퍼(141)는 음압에 의한 멤브레인(110)의 진동 시 멤브레인(110)의 진동 상한을 제한할 수 있다.
따라서, 스토퍼(141)는 멤브레인(110)의 진동 시 멤브레인(110)이 백플레이트(120)와 맞붙게 되어 발생되는 풀인 전압(Pull-In Voltage)의 상태를 방지할 수 있고, 계면 완충 역할을 위한 것일 수 있다.
각 스토퍼(141)는 모두 동일한 형상을 가질 수 있고, 원형 등과 다양한 평면 형상을 갖는 막대 형상을 가질 수 있다.
이때, 스토퍼(141)는 백플레이트(120)에 위치하는 음향홀(H120)을 피해서 음향홀(H120) 주변에 배치될 수 있고, 인접한 두 스토퍼(141) 사이의 간격은 일정할 수 있다. 따라서, 복수의 스토퍼(141)는 음향홀(H120)이 위치하지 않는 백플레이트(120)의 부분에 위치할 수 있다.
이로 인해, 복수 개의 스토퍼(141)에 의해, 진동하는 멤브레인(110)은 백플레이트(120)가 아닌 인접하게 마주하고 있는 스토퍼(141)와 접할 수 있다.
따라서, 진동 시에도 멤브레인(110)은 백플레이트(120)와 접하지 않게 되어 풀인 전압 상태가 발생하지 않게 되고, 이로 인해, 멤브레인(110)의 수명이 연장될 수 있어 본 예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 수명 역시 연장될 수 있다.
본 예에서, 복수 개의 스토퍼(141)는 위치에 무관하게 모두 동일한 연장 길이를 갖고 있지만, 이에 한정되지 않고 대안적인 예에서, 적어도 두 개의 스토퍼 (141)의 연장 길이는 위치에 따라 상이할 수 있다. 이런 경우, 멤브레인(110)의 진동폭은 가장자리부에서 중심부로 갈수록 증가하므로, 콘덴서 마이크로폰의 중심부에 위치한 스토퍼(141)가 가장자리부에 위치한 스토퍼(141)보다 연장 길이가 짧을 수 있다.
따라서, 위치에 따라 스토퍼(141)의 연장 길이가 상이할 경우, 콘덴서 마이크로폰의 중심부에서 가장자리부 쪽으로 갈수록 스토퍼(141)의 연장 길이는 증가할 수 있고, 연장 길이의 증가 비율은 정해진 비율에 따라 비례적으로 증가할 수 있다.
이와 같이, 백플레이트(120)의 중심부에서 가장자리부로 갈수록 스토터(141)의 연장 길이가 증가할 경우, 멤브레인(110)은 대향되는 스토퍼(141)에 방해받지 않고 해당 폭의 진동 동작이 정상적으로 이루어질 있어, 멤브레인(110)의 진동은 중심부를 중심으로 대칭적으로 유지될 수 있다.
이로 인해, 유입되는 음파에 대응하는 정확한 캐패시턴스의 발생이 이루어져 콘덴서 마이크로폰의 동작의 신뢰도가 향상되며, 스토퍼(141)와의 접촉 빈도나 접촉 시 충격이 완화되어 멤브레인(110)의 손상이나 파손이 줄어들 수 있다.
이러한 스토퍼(141)는, 한 예로서, 질화물로 이루어질 수 있다.
복수 개의 지지부(142)는 각각 차단부(111)와 백프레이트(120)의 해당 부분 사이에 위치하여 차단부(111)를 백플레이트(120)의 해당 위치에 고정하기 위한 것이다.
따라서, 각 지지부(142)의 상단은 백플레이트(120)의 해당 부분의 하단에 고정되게 위치할 수 있고, 하단은 멤브레인(110)과 이격되게 위치하고 있는 차단부(111)의 상단에 고정되게 위치할 수 있다.
이러한 지지부(142)에 위해, 차단부(111)는 백플레이트(120)의 해당 부분에 안정적으로 위치하여, 멤브레인(110)의 진동에 무관하게 정해진 위치를 변동없이 유지할 수 있다.
이미 기술한 것처럼, 가변홀(H112)을 중심으로 하여 지지부(142)의 연장 방향을 따라 상하 방향으로 멤브레인(110)의 진동 동작이 이루어지므로, 지지부(142)의 직경(D3)은 가변홀(H112)의 직경(D2)보다 작을 수 있다.
이러한 지지부(142)는 스토퍼(141)과 함께 형성될 수 있으므로, 스토퍼(141)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
외벽(150)은 기판(100) 바로 위에 위치하고 있고, 멤브레인(110)과 백플레이트(120)의 위치를 고정하기 위한 것이다.
다음, 도 3 및 도 4를 참고하여, 이러한 구조를 갖는 콘덴서 마이크로폰에 대한 기능을 좀 더 상세히 설명한다.
실제 동작 전압이 콘덴서 마이크로폰에 인가된 상태에서, 음파가 백플레이트(120)에 위치하는 복수 개의 음향홀(H120)을 통하여 외부로부터 본 예의 콘덴서 마이크로폰의 내부인 공기층(130)으로 유입되면, 유입된 음파에 대응하는 음압에 의해 진동판인 멤브레인(110)은 상하 방향으로 진동할 수 있다.
이때, 멤브레인(110)의 진동폭은 유입되는 음파의 세기에 따른 음압의 크기와 멤브레인(110)의 위치에 따라 달라질 수 있다.
따라서, 음압의 크기가 증가할수록 멤브레인(110)의 진동폭은 증가할 수 있고, 도 3에 도시한 한 것처럼, 멤브레인(110)의 가운데부, 즉 중심부에서부터 가장자리부로 갈수록 진동폭이 감소할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시한 것처럼 멤브레인(110)의 테두리 부분만이 외벽(150)에 고정되어 경우, 멤브레인(110)에서 발생하는 진동폭의 크기는 진동폭A < 진동폭B < 진동폭C 순으로 진폭 레벨의 차이가 발생할 수 있다.
도 3에서, 점선(A)과 점선(B)으로 표시된 범위는 멤브레인(110)의 진동 범위를 예시적으로 도시한 것이다. 이때, 점선(A)은 적정 음압을 갖는 세기의 음압이 유입될 때의 멤브레인(110)의 진동 범위일 수 있고, 점선(B)은 과부하 음압을 갖는 세기의 음압이 유입될 때의 멤브레인(110)의 진동 범위일 수 있다.
이러한 멤브레인(110)의 진동 동작에 의해, 가변홀(H112)을 막고 차단부(111)와 인접한 멤브레인(110)의 위치 관계가 변할 수 있다.
즉, 멤브레인(110)이 진동하지 않는 초기 상태일 때, 동일한 두께를 갖는 멤브레인(110)과 차단부(111)는 동일한 높이에 위치할 수 있다.
따라서, 도 4의 (a)에 도시한 것처럼, 차단부(111)의 상단 높이는 인접한 멤브레인(110)의 상단 높이와 동일하고 차단부(111)의 하단 높이는 인접한 멤브레인(110)의 하단 높이와 동일하여, 차단부(111)에 의해 일부가 막혀있는 가변홀(H112)의 개방 상태는 최소가 될 수 있다. 이런 경우, 멤브레인(110)에 가해지는 음압은 복수 개의 배출홀(H111)을 통해서 거의 배출될 수 있다.
하지만, 멤브레인(110)에 진동이 발생하여, 해당 진동폭만큼 멤브레인(110)의 상하 방향으로 진동하게 되면, 멤브레인(110)은 주변에 이격되게 위치하고 있는 차단부(111)을 중심으로 하여 상하 방향으로 이동할 수 있다.
따라서, 도 4의 (b)와 (c)에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)이 위쪽 방향과 아래 방향으로 진동하게 되면, 초기 상태에서 동일한 높이를 유지하던 멤브레인(110)과 차단부(111)의 위치 관계, 즉 높이 관계가 변할 수 있다.
도 4의 (b)에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)이 위쪽 방향으로 진동하게 되면, 멤브레인(110)의 상단 높이와 하단 높이는 각각 차단부(111)의 상단 높이와 하단 높이보다 높은 곳에 위치할 수 있다.
또한, 도 4의 (c)에 도시한 것처럼, 멤브레인(110)이 아래 방향으로 진동하게 되면, 멤브레인(110)의 상단 높이와 하단 높이는 각각 차단부(111)의 상단 높이와 하단 높이보다 낮은 곳에 위치할 수 있다.
이와 같이, 멤브레인(110)의 진동에 의해, 멤브레인(110)과 차단부(111) 사의 높이 관계가 변함에 따라, 멤브레인(110)과 차단부(111) 사이의 간격이 증가하여 가변홀(H112)의 개방 정도는 초기 상태보다 증가할 수 있고, 증가된 멤브레인(110)과 차단부(111) 사이의 간격이 음압 배출 통로로서 기능할 수 있다. 따라서, 멤브레인(110)의 진동 동작에 따른 진동폭에 의해 멤브레인(110)의 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 통해 배출되는 음압의 배출량은 변할 수 있다.
본 예에서, 가변홀(H112)의 개방 정도는 멤브레인(110)에 작용하는 음압의 크기에 따라 달라질 수 있어, 음압의 크기가 설정 크기 미만의 음압(이하, 설정 크기 미만의 음압을 '적정 음압'이라 함)인 경우, 가변홀(H112)의 개방 상태는 초기 상태에 비해 크게 변하지 않을 수 있다.
따라서, 멤브레인(110)에 작용하는 음압이 적정 음압으로 멤브레인(110)의 진동 동작이 발생할 경우, 복수 개의 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 통해 배출되는 음압의 양은 초기 상태와 동일하거나 설정 범위 이내일 수 있다.
하지만, 멤브레인(110)에 작용하는 음압이 과하부 음압으로 멤브레인(110)의 진동 동작이 발생할 경우, 가변홀(H112)의 개방 정도는 설정 범위를 초과하게 되어 하나의 가변홀(H112)을 통해 배출되는 음압의 양은 하나의 배출홀(H111)을 통해 배출되는 음압의 양보다 클 수 있다.
즉, 이미 기술한 것처럼, 가변홀(H112)의 직경(D2)이 배출홀(H111)의 직경(D1)보다 훨씬 크게 되므로, 가변홀(H112)의 개방 상태가 설정 범위를 초과하게 되면, 많은 양의 음압이 가변홀(H112)을 통해 신속하게 배출될 수 있다.
이와 같이, 멤브레인(110)에 작용하는 음압이 과부하 음압인 경우, 음압 배출은 배출홀(H111)과 미세 간격(H112)을 통해 분산 배출될 수 있으므로, 신속한 음압 배출이 이루어질 수 있다.
도 4의 (b)와 (c)와 같이 멤브레인(110)의 진동 시, 멤브레인(110)의 진동폭이 초기 상태에서 인접해 있는 차단부(111)의 두께보다 크게 위쪽 방향이나 아래쪽 방향으로 이동할 때, 평면 방향을 따라 멤브레인(110)과 차단부(111)는 중첩되는 부분없이 차단부(111)에 의해 막혀 있는 가변홀(H112)은 차단부(111)에 일부가 막혀 있지 않은 완전한 개방 상태가 될 수 있다.
이처럼, 가변홀(H112)의 상태가 완전한 개방 상태일 때, 배출홀(H111)과 가변홀(H1112)에 의한 음압 배출 통로는 더 크게 개방가 되어, 배출홀(H111)과 가변홀(H112)의 통해 배출되는 음압의 배출 속도는 크게 증가할 수 있다. 따라서, 신속한 음압 배출 효과가 발휘될 수 있다.
본 예에서, 멤브레인(110)과 백플레이트(120)는 각각 하나의 층을 갖는 단층 구조이지만, 이와 달리, 대안적인 예에서, 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 중 적어도 하나는 2층 이상의 구조를 갖는 다층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 멤브레인(110)과 플레이트(120)는 각각 2층 구조를 가질 수 있다. 이런 경우, 공기층(130)과 바로 접해있고 공기층(130)을 중심으로 하여 서로 반대쪽에서 대향하고 있는 상부 멤브레인층과 하부 플레이트층은 모두 도전성 물질을 함유하여 각각 대향 전극으로 기능할 수 있고, 상부 멤브레인층의 하부에 위치하고 있는 하부 멤브레인층과 하부 플레이트층의 상부에 위치하고 있는 상부 플레이트층은 모두 절연 물질로 이루어질 수 있다.
이처럼 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 중 적어도 하나가 2층 구조와 같은 다층 구조를 가질 경우, 지지력의 향상으로 인해 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 중 적어도 하나의 휨 현상이 방지될 수 있다.
다음, 도 5a 내지 도 5h를 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서 마이크로폰의 제조 방법을 개략적으로 설명한다.
먼저, 도 5a에 도시한 것처럼, 기판(100) 위에 콘덴서형 대향 전극 중 멤브레인층(1100)이 증착될 수 있다.
이때, 기판(100)은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
멤브레인층(1100)은, 일 예로서, 폴리 실리콘막을 CVD 증착 성장법으로 증착될 수 있다.
이때, 멤브레인층(1100)은 기판(100)의 해당 면(예, 상부면)의 전체에 위치하지 않고, 가운데 부분에 위치할 수 있다. 따라서, 기판(100)의 해당면인 상부면의 가장자리 부분은 멤브레인층(1100)이 위치하지 않고 노출될 수 있다.
이와 같이, 기판(100) 위에 멤브레인층(1100)이 형성되면, 도 5b와 같이 멤브레인층(10) 위에 공기층(130)으로 사용될 희생층(1300)이 1~6㎛의 두께로 형성될 수 있다. 일 예로, 희생층(1300)은 열산화법을 이용하여 형성될 수 있고, 희생층(1300)의 두께는 멤브레인(110)의 진동 범위와 스톱퍼(141)의 돌출 길이 등에 따라 정해질 수 있다.
다음, 도 5c에 도시한 것처럼, 기판(100)의 상부면의 노출된 가장자리 부분에 외벽(150)이 형성될 수 있다. 이때, 외벽(150)은 내측에 위치하고 있는 희생층(1300)을 외측에서 에워싸게 위치할 수 있으므로, 희생층 외벽일 수 있다.
다음, 스톱퍼(141) 및 지지부(142)의 형성을 위한 공정을 수행할 수 있다.
이를 위해, 도 5d에 도시한 것처럼, 마스크에 선택적 패터닝 공정과 노광 작업을 수행하여, 감광 레지스트 패턴을 구비한 스토퍼 마스크(400)가 희생층(1300) 위에 선택적으로 형성된 후, 스토퍼 마스크(400)를 이용한 식각 공정을 수행할 수 있다. 따라서, 도 5d에 도시한 것처럼, 스토퍼 마스크(400)가 위치하지 않고 노출된 희생층(1300)이 제거되어 원하는 위치에 스토퍼 형성 영역(1411)과 지지부 형성 영역(1421)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 희생층(1300)에 스토퍼 형성 영역(1411)과 지지부 형성 영역(1421)이 형성되면, 도 5e에 도시한 것처럼, 스토퍼 마스크(400)가 위치한 희생층(1300) 위에 정해진 물질, 예를 들어, 질화막(Si3N4)을 증착하여 노출된 스토퍼 형성 영역(1411)과 지지부 형성 영역(1421)에 실린더 형태의 기둥인 스토퍼(141)와 지지부(142)가 형성될 수 있도록 한다.
이러한 질화막 증착 공정에 의해, 노출된 스토퍼 마스크(400)의 상부면 위에도 질화막이 형성되어, 스토퍼 마스크는 감광 레지스트 패턴 위에 질화막이 위치하는 스토퍼 마스크가 될 수 있다. 질화막이 위치한 스토퍼 마스크(400)는 별도의 제거 공정[예, 포토 레지스트 스트립(Photo Resist Strip) 공정]을 통해 제거될 수 있다.
그런 다음, 도 5f에 도시한 것처럼, 희생층(1300) 위, 스토퍼(141) 위 및 지지부(142) 위에 백플레이트층(1200)을 형성한 후, 선택적 패터닝 공정을 이용하여 스토퍼(141)와 지지부(142)가 노출되지 않고 복수 개의 음향홀(H120)을 구비하는 백플레이트(120)가 완성될 수 있도록 한다.
이때, 백플레이트층(1200)은 도전성 물질을 함유하는 물질로 이루어질 수 있고, 증착법을 이용하여 해당 위치에 증착될 수 있다.
백플레이트(120)는, 이미 기술한 것처럼, 캐패시턴스 형성을 위한 두 개의 대향 전극 중에서 멤브레인(110)의 반대편에서 멤브레인(110)과 대향하고 있는 대향 전극이고, 진동판으로 기능하는 멤브레인(110)과 대응하는 고정판으로서 기능할 수 있다.
다음, 도 5g에 도시한 것처럼, 기판(100)을 선택적으로 제거하여, 기판(100)의 가운데 부분에 빈 공간(cavity)인 백 챔버(101)가 형성될 수 있도록 한다.
다음, 도 5h에 도시한 것처럼, 기판(100)에 백 챔버(101)를 구비한 기판(100)이 완성된 후, 멤브레인층(1100)에 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 동시에 형성하여 멤브레인(110)을 완성할 수 있다.
이를 위해, 멤브레인층(1100)의 노출된 면, 예를 들어, 하부면에 선택적으로 개방된 패턴을 갖는 마스크(미도시)를 위치시켜 배출홀(H111)과 가변홀(H112)이 위치하는 부분을 노출시킨 후, 식각 공정을 실시하여 노출된 멤브레인층(1100)의 부분을 제거하여 노출된 위치에 배출홀(H111)과 가변홀(H112)이 형성되도록 한다.
이로 인해, 멤브레인층(1110)을 완전히 관통하는 복수 개의 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 구비하며, 백플레이트(120)의 대향 전극으로 기능하는 멤브레인(110)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 배출홀(H111)과 가변홀(H112)을 구비한 멤브레인(110)이 형성되면, 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이에 위치하고 있는 희생층(1300)을 제거하여 멤브레인(110)과 백플레이트(120) 사이에 공기층(130)을 형성하여, 콘덴서 마이크로폰을 제작할 수 있다(도 1 참고). 일 예로, 희생층(1300)은 선택적 식각 공정을 통해 제거될 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 해당 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 각 실시예에 개시된 기술적 특징들은 서로 다른 실시예에 병합되어 적용될 수 있다.
따라서, 각 실시예에서는 각각의 기술적 특징을 위주로 설명하지만, 각 기술적 특징이 서로 양립 불가능하지 않은 이상, 서로 병합되어 적용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 기판 110: 멤브레인
111: 차단부 120: 백플레이트
130: 공기층 141: 스토퍼
142: 지지부 150: 외벽
H111: 배출홀 H112: 가변홀
H120: 음향홀

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 위치하는 외벽;
    상기 외벽에 고정되어 있고, 배출홀과 가변홀을 구비하고 있는 멤브레인;
    상기 가변홀로 에워싸여져 있는 차단부;
    상기 멤브레인 위에 위치하고 있는 백플레이트;
    상기 멤브레인과 상기 백플레이트 사이에 위치하는 공기층;
    상기 백플레이트에서 상기 멤브레인 쪽으로 공기층에 연장되어 있는 복수 개의 스토퍼; 및
    상기 차단부에 일단이 연결되어 있고 상기 백플레이트의 해당 부분에 타단이 연결되어 상기 차단부를 상기 백플레이트에 연결시키는 지지부
    를 포함하는 콘덴서 마이크로폰.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배출홀의 직경은 상기 가변홀의 간격보다 큰 콘덴서 마이크로폰.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가변홀의 직경은 상기 배출홀의 직경보다 큰 콘덴서 마이크로폰.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 가변홀의 직경은 상기 배출홀의 직경보다 5배 내지 10배인 콘덴서 마이크로폰.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 차단부의 직경은 상기 지지부의 직경보다 큰 콘덴서 마이크로폰.
  6. 제1 항에서,
    상기 차단부는 상기 멤브레인과 동일한 두께를 갖고 있는 콘덴서 마이크로폰.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 초기 상태일 때, 상기 멤브레인의 위치와 상기 차단부의 위치는 동일한 콘덴서 마이크로폰.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 상기 차단부는 동일한 재료로 이루어져 있는 콘덴서 마이크로폰.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 스토퍼와 상기 지지부는 동일한 재료로 이루어져 있는 콘덴서 마이크로폰.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 백플레이트와 상기 멤브레인 중 적어도 하나는 다층 구조를 갖는 콘덴서 마이크로폰.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 진동폭이 상기 차단부의 두께보다 크게 위쪽 방향이나 아래쪽으로 이동할 때 상기 배출홀과 상기 가변홀에 의한 음압 배출 통로는 개방되는 콘덴서 마이크로폰.
  12. 기판 위에 멤브레인층을 형성하는 단계;
    상기 멤브레인층 위에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 멤브레인층이 위치하지 않는 상기 기판에 외벽을 형성하는 단계;
    마스크를 이용하여 상기 희생층을 선택적으로 제거하여 상기 희생층에 스토퍼 형성 영역과 지지부 형성 영역을 형성하는 단계;
    상기 마스크를 이용하여 상기 스토퍼 형성 영역과 상기 지지부 형성 영역에 정해진 물질을 적층하여 상기 스토퍼 형성 영역이 스토퍼를 형성하고 상기 지지부 형성 영역에 지지부를 형성하는 단계;
    상기 마스크를 제거하는 단계;
    상기 희생층 위, 상기 스토퍼 위 및 상기 지지부 위에 백플레이트층을 형성하는 단계; 및
    상기 백플레이트층을 선택적으로 제거하여 음향홀을 구비한 백플레이트를 형성하는 단계
    를 포함하는 콘덴서 마이크로폰의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 기판을 선택적으로 제거하여 백 챔버를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 콘덴서 마이크로폰의 제조 방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160127212A (ko) 2015-04-23 2016-11-03 (주)이미지스테크놀로지 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법

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