KR101916052B1

KR101916052B1 - 마이크로폰, 이의 제조 방법 및 제어 방법

Info

Publication number: KR101916052B1
Application number: KR1020160116718A
Authority: KR
Inventors: 유일선
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-11-07
Also published as: US10313797B2; CN107809716A; KR20180028834A; US20180077498A1

Abstract

마이크로폰, 이의 제조 방법 및 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰은 음향 유입구가 형성된 기판의 일면에 접합되며, 복수개의 음향홀이 형성된 절연층; 상기 절연층의 상부면에서 기판의 음향 유입구에 대응하는 위치에 형성되는 진동막; 상기 절연층의 상부면에서 진동막의 둘레에 배치되어 입력되는 음향에 따라 진동막의 강성을 변화시키는 변위 조절막; 및 상기 진동막 및 변위 조절막의 상부에 일정 간격 이격되어 배치되는 고정막을 포함한다.

Description

마이크로폰, 이의 제조 방법 및 제어 방법{MICROPHONE, MANUFACTURING METHOD AND CONTROL METHOD THEREFOR}

본 발명은 마이크로폰, 이의 제조 방법 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로폰은 음성을 전기적인 신호로 변환하는 장치로, 단말기와 같은 이동 통신기기, 이어폰 또는 보청기 등 다양한 통신기기에 적용될 수 있다.

상기 마이크로폰은 최근 들어 점점 소형화를 이루며, 이에 따라, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 MEMS 마이크로폰이 개발되고 있다.

상기 MEMS 마이크로폰은 반도체 공정을 이용하여 제조되며, 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(ECM, Electret Condenser Microphone)에 비해 습기와 열에 대한 내성이 강하고, 소형화 및 신호처리 회로와의 집적화가 가능한 장점이 있다.

이러한 MEMS 마이크로폰은 요구되는 사양 중, 최대 입력 음압(AOP: Acoustic Overload Point), 감도(sensitivity) 및 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 서로 트레이드 오프(trade off) 관계를 갖는 구조로 이루어진다.

이로 인해, 종래 기술에 따른 MEMS 마이크로폰은 고감도인 경우, 최대 입력 음압이 낮아 큰 소리의 감지에 한계를 가지고, 저감도인 경우, 최대 입력 음압이 높아 큰 소리의 감지는 가능하지만, 낮은 소리의 감지에는 성능이 좋지 못한 한계가 있다.

이에 따라, 넓은 음압 측정 범위를 가지는 MEMS 마이크로폰의 연구개발이 필요하다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 음압 측정 범위를 향상시키는 마이크로폰, 이의 제조 방법 및 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 음향 유입구가 형성된 기판의 일면에 접합되며, 복수개의 음향홀이 형성된 절연층; 상기 절연층의 상부면에서 기판의 음향 유입구에 대응하는 위치에 형성되는 진동막; 상기 절연층의 상부면에서 진동막의 둘레에 배치되어 입력되는 음향에 따라 진동막의 강성을 변화시키는 변위 조절막; 및 상기 진동막 및 변위 조절막의 상부에 이격되어 배치되는 고정막을 포함하는 마이크로폰을 제공할 수 있다.

또한, 상기 변위 조절막은 상기 진동막의 둘레를 따라 인접하게 형성되는 제1 조절막; 상기 제1 조절막과 이격된 상태로, 상기 제1 조절막의 둘레를 따라 형성되는 제2 조절막; 및 상기 제1 조절막과 연결되는 제1 패드 및 제2 조절막과 연결되는 제2 패드로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1 조절막과 제2 조절막 사이에는 복수개의 변위 조절부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 변위 조절부는 상기 제1 조절막으로부터 외측으로 돌출된 복수개의 제1 돌출단과, 상기 제2 조절막으로부터 내측으로 돌출된 복수개의 제2 돌출단이 상호 엇갈리게 배치될 수 있다.

또한, 상기 변위 조절부는 상기 절연층의 음향홀에 대응하는 부분에 형성될 수 있다.

또한, 상기 고정막은 상기 절연층의 상부면 가장자리를 따라 형성된 희생층에 의해 고정될 수 있다.

또한, 상기 고정막은 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 입력되는 음향 신호에 따라 진동막과 인접하게 형성된 변위 조절막에 전압을 인가하여 상기 진동막의 강성을 조절함으로써, 수용 가능한 음압 측정 범위를 향상시키는 효과가 있다.

이 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만, 하기에 도시되는 도면과 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특징을 효과적으로 설명하기 위한 여러 가지 실시 예들 중에서 바람직한 하나의 실시 예에 관한 것이다. 따라서 본 발명이 하기의 도면과 설명에만 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A’선에 따른 단면도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 넓은 음압 측정 범위를 가져, 입력되는 음향 신호의 음역대에 상관없이 상기 음향 신호를 측정하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 기반으로 하여 제작된다.

도 1을 참조하면, 상기 마이크로폰(1)의 전체적인 구조를 간략하게 설명하면, 중앙부에 음향 유입구(11)가 형성된 기판(10)의 상부면에 절연층(13)을 매개로 진동막(20)과 변위 조절막(30)이 형성되며, 상기 진동막(20)과 변위 조절막(30)의 상부에 일정 간격 이격된 상태로 고정막(40)이 형성된다.

이때, 고정막(40)은 편의를 위하여 관통홀을 생략하여 도시하였다.

이러한 마이크로폰(1)은 입력되는 음향의 음압에 따라 변위 조절막(30)에 인가되는 전압을 조절하여 진동막(20)의 변위, 즉, 강성을 변화시키는 구조로 이루어진다.

여기서 상기 진동막(20)의 변위는 진동막(20)과 고정막(30) 사이 거리의 변화를 말한다.

즉, 상기 마이크로폰(1)은 음력되는 음향의 음압에 따라 상기 진동막(20)의 강성을 변화시켜 상기 진동막(20)과 고정막(30) 사이의 정전용량값을 조절하게 된다.

이러한 마이크로폰(1)을 좀 더 상세하게 설명하면, 먼저, 상기 기판(10)은 폴리 실리콘(Poly-Silicon)으로 이루어져 중앙부에 음향 유입구(11)가 형성된다.

또한, 상기 기판(10)의 상부면에는 절연층(13)이 접합된다.

이때, 상기 절연층(13)은 복수개의 음향홀이 형성되며, 실리콘 나이트라이드(SiN) 재질로 이루어질 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 진동막(20)은 절연층(13)의 상부면에 배치된다.

즉, 상기 진동막(20)은 전도성을 가지는 물질로 이루어져, 상기 절연층(13)에 접합된 상태로 진동한다.

이러한 진동막(20)은 원형의 형상으로 이루어지며, 일측으로 전극 패드(21)가 연장 형성되어 외부의 신호 처리 회로(60)와 전기적으로 연결된다.

본 발명의 실시 예에 따른 진동막(20)은 원형으로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 그 형상은 변경하여 적용 가능하다.

그리고 상기 변위 조절막(30)은 절연층(13)의 상부면에 배치된다.

즉, 상기 변위 조절막(30)은 상기 진동막(20)과 동일하게 전도성을 가지는 물질로 이루어지며, 상기 절연층(13)에 접합된 상태로, 상기 절연층(13) 상에 형성된 음향홀(15)에 대응하는 부분이 진동한다.

이러한 변위 조절막(30)은 상기 진동막(20)과 단일층에서 상기 진동막(20)의 외면을 감싸도록 배치되며, 제1 조절막(30a), 제2 조절막(30b), 제1 패드(33a) 및 제2 패드(33b)로 구성된다.

여기서 상기 제1 조절막(30a)은 진동막(20)의 외면 둘레를 따라 인접하게 형성되며, 외측으로 복수개의 제1 돌출단(35a)이 돌출 형성된다.

또한, 상기 제2 조절막(30b)은 상기 제1 조절막(30a)과 일정 간격 이격된 상태로, 상기 제1 조절막(30a)의 둘레를 따라 형성된다.

이러한 제2 조절막(30b)은 제1 조절막(30a)의 제1 돌출단(35a)에 대응하는 위치에 내측으로 돌출된 복수개의 제2 돌출단(35b)이 돌출 형성된다.

이때, 상기 제1 돌출단(35a) 및 제2 돌출단(35b)은 상호 엇갈리게 배치되어 콤 핑커(Comb finger)형상을 이루어 변위 조절부(31)를 구성한다.

즉, 상기 변위 조절부(31)는 제1 돌출단(35a) 및 제2 돌출단(35b)에 의해 형성되어 제1 조절막(30a) 및 제2 조절막(30b) 사이에서 원주를 따라 복수개가 형성된다.

이러한 변위 조절막(30)은 제1 조절막(30a)과 연결되는 제1 패드(33a) 및 제2 조절막(30b)과 연결되는 제2 패드(33b)를 통해 외부의 신호 처리 회로(60)와 전기적으로 연결된다.

그리고 상기 고정막(40)은 진동막(20) 및 변위 조절막(30)의 상부에 배치된다.

이러한 고정막(40)은 상기 절연층(13)의 상부면 가장자리를 따라 형성된 희생층(50)에 의해 고정된다.

또한, 상기 고정막(40)은 전도성을 가지는 물질로 이루어지며, 복수개의 관통홀(41)이 형성된다.

상기 고정막(40)은 단일층으로 형성될 수 있고, 이중층으로 형성될 수도 있다.

즉, 상기 고정막(40)은 폴리 실리콘으로 이루어진 전극층을 포함하는 단일층으로 형성될 수 있고, 폴리 실리콘으로 이루어진 전극층과 상기 전극층의 상부면에 실리콘 나이트라이드로 이루어진 절연층을 포함하는 이중층으로 형성될 수 있다.

이러한 고정막(40)은 일측에서 신호 처리 회로(60)와 전기적으로 연결된다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제조 방법을 설명하고자 한다.

도 3 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.

도 3을 참조하면, 기판(10)을 마련한 후, 상기 기판(10)의 상부면에 절연층(13)을 형성한다.

이때, 상기 절연층(13) 상에 복수개의 음향홀(15)을 형성한다.

도 4를 참조하면, 상기 절연층(13)의 상부면에 진동막(20)을 형성한다.

상기 진동막(20)은 일측으로 연장 형성된 전극 패드(21)를 포함하며, 상기 절연층(13)의 상부면 중앙부에 형성될 수 있다.

이어서, 상기 절연층(13)의 상부면에서 진동막(20)의 외면을 감싸도록 변위 조절막(30)을 형성한다.

이때, 상기 변위 조절막(30)을 형성하는 단계는 진동막(20)의 외면 둘레를 따라 인접하게 형성되는 제1 조절막(30a)을 형성한다.

또한, 상기 제1 조절막(30a)과 일정간격 이격된 상태로, 상기 제1 조절막(30a)의 외면 둘레를 따라 형성되는 제2 조절막(30b)을 형성한다.

그리고 상기 제1 조절막(30a)과 제2 조절막(30b) 사이에 형성된 복수개의 변위 조절부(31)를 상기 절연층(13)의 복수개의 음향홀(15)에 각각 대응하도록 위치시킨다.

이때, 상기 변위 조절부(31)는 상기 제1 조절막(30a)의 제1 돌출단(35a)과, 제2 조절막(30b)의 제2 돌출단(35b)이 상호 엇갈리게 배치되어 형성되는 것이다.

도 5를 참조하면, 상기 절연층(13)의 상부면에 희생층(50)을 형성한다.

이때, 상기 희생층(50)은 진동막(20) 및 변위 조절막(30)을 덮도록 형성되며, 이산화 규소(silica, SiO2)로 이루어질 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 희생층(50)의 상부면에 고정막(40)을 형성한다.

이때, 상기 고정막(40)은 단일층으로 형성될 수 있고, 이중층으로 형성될 수도 있다.

즉, 상기 고정막(40)은 폴리 실리콘으로 이루어진 전극층을 포함하는 단일층으로 형성될 수 있고, 폴리 실리콘으로 이루어진 전극층 및 상기 전극층의 상부면에 실리콘 나이트라이드로 이루어진 절연층을 포함하는 이중층으로 형성될 수 있다.

이어서, 상기 고정막(40)에 복수개의 관통홀(41)을 형성한다.

동시에, 상기 진동막(20)의 전극 패드(21)에 대응하는 희생층(50)을 식각하여 상기 전극 패드(21)를 노출시킨다.

도 7을 참조하면, 상기 기판(10)의 배면을 식각하여 상기 기판(10)을 관통하는 음향 유입구(11)를 형성한다.

상기 음향 유입구(11)는 기판(10)의 중앙부에 형성될 수 있다.

마지막으로, 도 8을 참조하면, 상기 음향 유입구(11) 및 음향홀(15)을 통하여 희생층(50)의 일부를 제거한다.

즉, 상기 희생층(50)의 가장자리를 제외한 나머지 부분을 제거한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제어 방법을 설명하고자 한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

도 9를 참조하면, 마이크로폰(1)은 외부로부터 음향을 입력받는다.

신호 처리 회로(60)는 마이크로폰(1)에 입력된 음향에 의해 변화되는 진동막(20)과 고정막(40) 사이의 정전용량 값을 측정하여 입력 음압을 산출한다(S910).

상기 신호 처리 회로(60)는 상기 입력 음압과 미리 설정된 설정 음압을 비교하여, 상기 입력 음압이 설정 음압보다 초과하는지를 판단한다(S920).

이때, 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압보다 크면, 상기 변위 조절부(31)에 전압을 인가하여 진동막(20)의 강성을 향상시킨다(S930).

즉, 상기 진동막(20)은 변위 조절부(31)에 전압이 인가됨에 따라, 상기 변위 조절부(31)의 제1 돌출단(35a) 및 제2 돌출단(35b) 사이의 발생하는 인력에 의해 강성이 향상되는 것이다.

이렇게 강성이 향상된 상기 변위 조절부(31)는 입력 음압이 높은 음향이 입력되더라도 상대적으로 진동을 덜하게 됨으로써, 음향의 감도를 낮추어 측정할 수 있게 되며, 새롭게 입력되는 전압의 변위가 발생되기 전까지 상기 변위 조절부(31)의 강성은 유지된다.

한편, 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압 이하면, 음향을 출력하고 종료한다.

이어서 상기 변위 조절부(31)의 강성이 향상된 상태에서 새로운 음향이 입력될 경우, 상기 신호 처리 회로(60)는 새롭게 입력되는 음향의 입력 음압과 설정 음압을 비교하여, 상기 입력 음압이 설정 음압보다 미만인지를 판단한다(S940).

이때, 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압보다 미만이면, 상기 변위 조절부(31)에 인가되는 전압을 낮추어 향상된 진동막(20)의 강성을 낮춘다(S950).

여기서 상기 신호 처리 회로(60)는 상기 변위 조절부(31)의 강성을 초기 상태가 될 때까지 낮춘다.

한편, 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압 이상이면, 다시 입력 음압이 설정 음압과 동일한지를 판단한다(S960).

이때, 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압과 동일하면, 음향을 출력하고 종료한다.

그리고 상기 신호 처리 회로(60)는 입력 음압이 설정 음압보다 크면, 상기 변위 조절부(31)에 인가되는 전압을 향상시킴으로써, 변위 조절부(31)의 강성을 향상시킨다.

상기 신호 처리 회로(60)는 상기와 같은 과정을 계속적으로 반복하면서 입력 음압과 설정 음압을 비교하여 음압 측정 범위를 높인다.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰(1)은 음향 신호의 음압에 따라 진동막(20)의 변위를 조절하여 음압 측정 범위를 향상할 수 있다.

즉, 상기 마이크로폰(1)은 높은 음압의 음향 신호가 유입되거나, 혹은, 낮은 음압의 음향 신호가 유입되더라도 변위 조절막(30)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여, 상기 진동막(20)의 강성을 조절함으로써, 음압 측정 범위를 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 마이크로폰(1)은 넓은 음압 범위를 감지하고, 감지된 음압 범위에 따른 음향 신호를 출력할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 ... 마이크로폰 10 ... 기판
11 ... 음향홀 20 ... 진동막
21 ... 음향 유입구 30 ... 변위 조절막
30a ... 제1 조절막 30b ... 제2 조절막
31 ... 변위 조절부 33a ... 제1 패드
33b ... 제2 패드 35a ... 제1 돌출단
35b ... 제2 돌출단 40 ... 고정막
41 ... 관통홀 50 ... 희생층
60 ... 신호 처리 회로

Claims

음향 유입구가 형성된 기판의 일면에 접합되며, 복수개의 음향홀이 형성된 절연층;
상기 절연층의 상부면에서 기판의 음향 유입구에 대응하는 위치에 형성되는 진동막;
상기 절연층의 상부면에서 진동막의 둘레를 따라 인접하게 형성되는 제1 조절막과, 상기 제1 조절막으로부터 일정간격 이격된 상태로, 상기 제1 조절막의 둘레를 따라 형성되는 제2 조절막과, 상기 제1 조절막과 연결되는 제1 패드와, 상기 제 2 조절막과 연결되는 제2 패드로 구성되어, 입력되는 음향에 따라 진동막의 강성을 변화시키는 변위 조절막; 및
상기 진동막 및 변위 조절막의 상부에 이격되어 배치되는 고정막;
을 포함하는 마이크로폰.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 조절막과 제2 조절막 사이에는
복수개의 변위 조절부가 형성되는 마이크로폰.
제3항에 있어서,
상기 변위 조절부는
상기 제1 조절막으로부터 외측으로 돌출된 복수개의 제1 돌출단과, 상기 제2 조절막으로부터 내측으로 돌출된 복수개의 제2 돌출단이 상호 엇갈리게 배치되는 마이크로폰.
제3항에 있어서,
상기 변위 조절부는
상기 절연층의 음향홀에 대응하는 부분에 형성되는 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 고정막은
상기 절연층의 상부면 가장자리를 따라 형성된 희생층에 의해 고정되는 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 고정막은
복수개의 관통홀이 형성되는 마이크로폰.
기판의 상부면에 절연층을 형성한 후, 상기 절연층에 복수개의 음향홀을 형성하는 단계;
상기 절연층의 상부면에 진동막을 형성하는 단계;
상기 진동막의 둘레를 따라 인접하게 형성되는 제1 조절막을 형성하는 단계;
상기 제1 조절막과 일정간격 이격된 상태로, 상기 제1 조절막의 둘레를 따라 형성되는 제2 조절막을 형성하는 단계;
상기 제1 조절막과 연결된 제1 패드, 및 상기 제2 조절막과 연결된 제2 패드를 통하여 외부의 신호 처리 회로와 연결하는 단계;
상기 절연층의 상부면에 상기 진동막 및 변위 조절막을 덮도록 희생층을 형성하는 단계;
상기 절연층의 상부면에 상기 진동막 및 변위 조절막을 덮도록 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층의 상부면에 고정막을 형성한 후, 상기 고정막을 식각하여 복수개의 관통홀을 형성함과 동시에, 상기 희생층의 일부를 식각하여 진동막의 전극 패드를 노출시키는 단계;
상기 기판의 중앙부를 식각하여 음향 유입구를 형성하는 단계; 및
상기 희생층의 일부를 제거하는 단계;
를 포함하는 마이크로폰의 제조 방법.
삭제
제8항에 있어서,
상기 변위 조절막을 형성하는 단계는
상기 절연층의 음향홀에 대응하도록 상기 제1 조절막 및 제2 조절막 사이에 변위 조절부를 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로폰의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 변위 조절부는
상기 제1 조절막과 제2 조절막 사이에 복수개가 형성되며, 상기 제1 조절막으로부터 외측으로 돌출된 복수개의 제1 돌출단과, 상기 제2 조절막으로부터 내측으로 돌출된 복수개의 제2 돌출단이 상호 엇갈리게 배치되어 이루어지는 마이크로폰의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 진동막을 형성하는 단계는
일측으로 연장된 전극 패드가 형성되어 외부의 신호 처리 회로와 연결되는 단계를 더 포함하는 마이크로폰의 제조 방법.
삭제
제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 마이크로폰을 제어하는 제어 방법에 있어서,
음향에 의해 가변되는 상기 진동막과 상기 고정막 사이의 정전용량 값에 따라 측정되는 입력 음압과, 미리 설정된 설정 음압을 비교하는 단계; 및
상기 비교 단계 결과, 상기 입력 음압이 상기 설정 음압 보다 클 경우, 상기 변위 조절막을 이루는 제1 조절막과 제2 조절막 사이에 형성된 복수개의 변위 조절부의 인가 전압을 증가시키는 단계;
를 포함하는 마이크로폰의 제어 방법.
제14항에 있어서,
상기 변위 조절부의 인가 전압의 크게 따라 상기 진동막의 강성이 조절되는 마이크로폰의 제어 방법.