지향성 음향센서 및 이의 제조방법{Directional sound sensor and method for manufacturing the same}

본 발명은 지향성 음향센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 외부 음향의 발생 위치에 따른 복수의 압저항 소자 간에 저항 차이를 통해 외부 음향의 발생 방향을 특정할 수 있는 지향성 음향센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 음향센서는 물리적인 소리를 전기신호로 변환하는 센서로서, 대표적인 음향센서로는 마이크로폰이 있으며, 동작원리에 따라 다이내믹형과 콘덴서형으로 구분될 수 있다.

또한, 다이내믹형 음향센서는 소리에 의해 진동하는 다이아프램에 부착된 도체코일이 자석에 의해 형성된 자기장 안에서 이동할 때 전자유도에 의해 도체코일에 발생하는 기전력을 측정함으로써 소리를 감지하는 무빙코일 다이내믹형 음향센서 구조가 대표적이라 할 것이다.

또한, 콘덴서형 음향센서는 강한 전기장을 인가하여 잔류 영구 전하를 갖는 고분자 박막(일렉트릿)이 부착된 다이아프램이 소리에 의해 진동할 때 고정된 백플레이트(back-plate)와의 간격변화에 따른 정전용량의 변화량을 측정함으로써 소리를 감지하는 일렉트릿 콘덴서형 음향센서가 대표적이라 할 수 있다.

또한, 음향센서를 복수 개로 구비하여 서로 다른 방향에서 전달되는 소리를 추적하여, 소리의 발생 방향을 추적 및 인식하게 하는 음향센서 어레이 기술도 연구 및 개발되고 있다.

또한, 음향센서 어레이는 소리의 방향을 추적하기 위해 복수의 음향센서를 일직선 또는 원의 형태로 배열한 것으로, 일직선 형태의 음향센서 어레이는 180°범위 내에서 소리의 방향을 추적할 수 있으며, 원 형태의 음향센서 어레이는 360°범위 내의 소리의 방향을 추적할 수 있는 것으로 알려져 있다.

한편, 음향센서를 이용하여 소리의 방향을 추적 또는 인식하기 위해서는 필수적으로 음향센서 어레이를 구성하여야 하므로, 복수 개의 음향센서가 요구되며 A/D 변환기와 같은 하드웨어 소자 및 신호 처리를 위한 계산 비용도 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 음향센서는 대체적으로 가격이 저렴하여 널리 사용되고는 있으나, 제조 공정을 매우 복잡하고 소형화가 어려운 문제점도 있었다.

본 발명자들은 하나의 음향센서를 이용하여 소리의 발생 방향을 추적 또는 인식할 수 있게 하고, 제조 공정의 간소화 및 제품의 소형화를 용이하게 할 수 있도록 하고자 연구 노력한 결과, 지향성 음향센서 및 이의 제조방법의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 소리의 방향을 특정하는 지향성 음향센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 제조 공정을 단순화하고 소형화가 용이하게 이루어질 수 있는 지향성 음향센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 음공이 구비된 기판; 상기 기판의 음공을 덮도록 상기 기판 상부에 구비되고, 외부 음향에 의해 진동하는 다이어프램; 및 상기 외부 음향에 의해 상기 다이어프램이 진동하면 상기 진동에 의한 저항 변화가 발생하며, 상기 다이어프램의 상부에서 서로 다른 위치에 배치되는 복수 개의 압저항 소자;를 포함하는 지향성 음향센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 실리콘 기판 상부에 이산화규소(SiO2), 질화 규소(Si3N4), 캡톤(Kapton), 폴리다이메틸실록세인(Polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리아미드(Polyimide) 중에서 선택된 어느 하나를 다이어프램 구조체로 성장시키는 성장단계; 상기 다이어프램 구조체의 상부에 폴리실리콘(polysilicon), 게르마늄(germanium), 비정질 실리콘(amorphous silicon) 및 탄화규소(SiC) 중에서 선택된 어느 하나를 압저항 소재로 증착시키는 증착단계; 리소그래피 공정을 통해 상기 압저항 소재에 소정의 패턴을 형성시키는 패턴 형성단계; 및 상기 실리콘 기판 내측을 식각하여 음공을 형성하는 식각단계;를 포함하는 지향성 음향센서의 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 압저항 소자는 상기 위부 음향이 발생한 방향에 가까운 특정 압저항 소자의 저항 변화가 가장 큰 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 증착단계에서 증착되는 압저항 소재는, 상기 다이어프램 구조체 상부의 서로 다른 위치에 복수 개로 증착된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 식각단계는 반응이온에칭(Reactive Ion Etching) 또는 습식 식각을 통해 상기 음공을 식각한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서 및 이의 제조방법에 의하면, 복수 개의 압저항 소자의 저항 변화를 통해 외부 음향의 발생 방향을 특정할 수 있으므로, 복수의 음향센서 또는 음향센서 어레이를 구비하지 않고도 외부 음향이 발생할 방향을 특정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서 및 이의 제조방법에 의하면, 증착 및 식각 공정을 이용하여 제조될 수 있는 것이어서, 별도의 조립 공정을 필요로 하지 않고 대량 생산 및 제작공정의 복잡도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 AA' 단면을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 밑면을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 제조방법을 나타내는 블럭도.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서를 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 AA' 단면을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 밑면을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서는, 외부 음향인 소리를 전기신호로 변환하기 위한 것으로, 별도의 음향센서 어레이를 구축하지 않고도 소리가 발생한 방향을 특정하도록 구비되며, 기판(110), 다이어프램(120) 및 압저항 소자(130)를 포함한다.

상기 기판(110)은 후술할 다이어프램(120) 및 압저항 소자(130)를 지지하기 위한 것으로, 실리콘 기판으로 구비될 수 있다. 또한, 상기 기판(110)에는 내측으로 비어있는 공간인 음공(111)이 형성되게 되는데, 상기 음공(111)은 상기 기판(110)의 중앙부를 식각하여 형성할 수 있으며, 예를 들면, 원 기둥의 형태로 비어 있는 공간을 형성하도록 구비될 수 있다.

또한, 상기 기판(110)의 음공(111)이 직접 외부로 노출되는 구조로 구비될 수도 있으나, 후술할 다이어프램(120)의 보호를 위해 상기 기판(110)의 밑면에는 복수의 관통공이 형성된 소정 두께의 면을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판(110)에 형성된 음공(111)은 후술할 다이어프램(120)이 진동할 수 있는 공간을 형성하며 외부 음향이 상기 음공(111)을 통해서 전달될 수도 있게 한다.

상기 다이어프램(120)은 외부 음향에 의해 진동하도록 구비된 것으로, 상기 기판(110)의 상부에 구비되고, 소정 넓이의 박막 형태로 상기 기판(110) 및 상기 음공(111)을 덮는 구조로 형성되며, 특히, 상기 기판(110)에 형성된 음공(111)에 대응하는 소정 영역(121)이 외부 음향에 의해 진동하게 된다.

또한, 상기 다이어프램(120)은 상기 기판(110)에 상기 음공(111)을 형성하기 이전에, 이산화규소(SiO2)를 포함하는 다이어프램(120) 구조체를 상기 기판(110) 상부에서 성장시켜서 형성할 수 있다. 또한, 상기 다이어프램(120) 구조체는 질화 규소(Si3N4), 캡톤(Kapton), 폴리다이메틸실록세인(Polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리아미드(Polyimide)로도 구비될 수 있다.

상기 압저항 소자(130)는 상기 다이어프램의 진동에 의해 저항이 변화하도록 구비된 것으로, 상기 다이어프램(120) 상부로 구비되며, 복수 개로 구비되어 상기 다이어프램(120)의 상부에서 서로 다른 위치에 배치된다. 또한, 상기 압저항 소자(130)는 폴리실리콘(polysilicon), 게르마늄(germanium), 비정질 실리콘(amorphous silicon) 또는 탄화규소(SiC)로 구비할 수 있다.

여기서, 상기 압저항 소자(130)는 외부 음향에 의해 상기 다이어프램(120)이 진동할 때, 상기 다이어프램(120)의 진동에 의해 소정의 변형이 발생하고 이때 저항이 변화하도록 구비된다. 즉, 상기 압저항 소자(130)는 상기 다이어프램의 소정 영역(121)과 동시에 진동하면서 진동 폭만큼의 저항 변화가 발생한다 할 수 있다.

또한, 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)는 상기 다이어프램(120)이 외부 음향에 의해서 진동할 때, 상기 외부 음향의 발생 위치에 따라 각각의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)에서 발생하는 저항 변화가 다르게 발생하는 구조를 갖는다. 또한, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)에는 배선이 연결되어 발생한 저항 변화를 외부의 장치 또는 마이크로프로세서에서 감지하도록 구비된다.

또한, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)들은 미엔더(meander) 형태를 갖도록 구비하여 진동에 의한 저항 변화를 민감하게 감지할 수 있게 하는 것이 바람직하나 다각형 또는 원형으로도 구비될 수 있다. 즉, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)의 경로를 길어지게 하였을 때 저항 변화에 대한 민감도가 향상될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)가 짝수 개로 구비된 경우에는 서로 대칭된 구조로 구비하는 것이 바람직하며, 홀수 개인 경우에는 각각의 압저항 소자(130) 간의 간격이 동일하도록 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)는 상기 위부 음향이 발생한 방향에 가까운 특정 압저항 소자의 저항 변화가 가장 크도록 구비되어 저항 변화가 가장 큰 특정 압저항 소자의 위치를 기준으로 소리의 발생 방향을 특정할 수 있게 한다.

여기서, 외부 음향에 의해서 상기 다이어프램(120)이 진동할 때 소정 영역(121)은 국부적인 부분에서 진동 폭의 차이가 발생하게 되는데, 상기 다이어프램(120)의 소정 영역(121)은 외부 음향의 발생 방향에 가까울수록 진동 폭이 크므로 상기 위부 음향이 발생한 방향에 가까운 특정 압저항 소자의 저항 변화도 크게 나타나게 된다.

이때, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)의 저항 변화를 감지하여, 각각의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)의 저항 변화에 따라 외부 음향의 발생 방향을 계산하는 프로그램이 구비되어 수학적인 계산을 통해서 상기 외부 음향의 발생 방향을 추적 및 인식할 수 있을 것이다.

또한, 상기 외부 음향의 발생 방향을 정확하게 특정하고 음향센서 자체의 복잡도를 낮추기 위해서는 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)의 갯수 및 배치를 설정하는 것이 중요하며, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서는 4개의 압저항 소자(130)를 구비하고 복수 개의 압저항 소자(130)를 대칭되는 구조를 배치하였다.

물론, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)는 4개 이하로 구비하여 음향센서 자체의 복잡도를 낮출 수도 있고, 4개 이상으로 구비하여 외부 음향의 발생 방향을 더 정확하게 특정하도록 구비될 수도 있을 것이다.

또한, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)는 상기 기판(110)에 형성된 음공(111)의 경계선(111a) 상에 위치하도록 배치되며, 상기 음공(111)의 경계선(111a)은 상기 기판(110) 상부 면에 형성된 음공(111)의 테두리를 뜻한다. 여기서, 상기 음공(111)의 경계선(111a)은 상기 다이어프램(120)이 진동할 때 진동 폭의 변화를 가장 차이가 큰 영역이라 할 수 있다.

여기서, 상기 기판(110)에 형성된 음공(111)이 원 기둥 형태이면 상기 음공(111)의 경계선(111a)은 원형으로 형성되며, 상기 복수 개의 압저항 소자(130a, 130b, 130c, 130d)는 원 형태의 경계선(111a)부터 상기 다이어프램(120)의 모서리까지 연결된 구조로 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 제조방법을 나타내는 블럭도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 제조방법은, 먼저, 다이어프램 구조체를 성장시키게 되는데, 실리콘 기판을 준비하여 상기 실리콘 기판의 상부에 상기 다이어프램 구조체를 성장시키켜서 다이어프램을 형성하게 된다.

이때, 상기 다이어프램 구조체는 이산화규소(SiO2), 질화 규소(Si3N4), 캡톤(Kapton), 폴리다이메틸실록세인(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 폴리아미드(Polyimide)로 구비할 수 있다.

또한, 상기 다이어프램 구조체는 건식산화 공정 또는 습식산화 공정을 이용하여 성장시킬 수 있다. 또한, 상기 다이어프램은 상기 실리콘 기판에 비해 상대적으로 매우 얇은 박막 형태로 형성된다(S1100).

다음, 압저항 소재를 증착시키게 되는데, 상기 압저항 소재는 상기 다이어프램의 상부에 증착되며, 상기 압저항 소재는 폴리실리콘(polysilicon), 게르마늄(germanium), 비정질 실리콘(amorphous silicon) 또는 탄화규소(SiC)로 구비하여 증착할 수 있다.

또한, 상기 압저항 소재를 증착할 시, Sputtering, evaporation 또는 Thermal process를 포함하는 증착 공정을 통해서 상기 압저항 소재를 상기 다이어프램 상부에 증착할 수 있다. 또한, 상기 압저항 소재는 상기 다이어프램의 상부 전체면에 증착되거나, 서로 다른 위치에서 복수 개로 형성되도록 증착할 수 있다(S1200).

다음, 상기 압저항 소재에 패턴을 형성하게 되는데, 리소그래피 공정을 이용하여 상기 압저항 소재에 소정의 패턴을 형성할 수 있으며, 패턴이 형성된 압저항 소재는 상기 다이어프램의 진동에 의한 저항 변화를 전기신호 또는 음성신호로 출력하는 압저항 소자로 작동하게 된다.

이때, 상기 압저항 소자는 하나만 형성하는 것이 아니라 복수 개로 형성하여 각각의 압저항 소자에서 저항 변화를 출력하도록 구비되며, 복수 개의 압저항 소자는 한 쌍이 대칭된 구조로 배치되거나, 각각의 압저항 소자 간의 간격이 동일하도록 배치되게 된다.

또한, 상기 복수 개의 압저항 소자는 다각형 또는 원형의 패턴으로 형성될 수도 있으나, 상기 다이어프램이 진동할 때 저항 변화에 대한 민감도를 향상시키기 위해 미엔더(meander) 형상으로 패턴을 형성하는 것이 바람직하다(S1300).

다음, 실리콘 기판을 식각하게 되는데, 상기 실리콘 기판의 중앙부를 식각하여 비어있는 공간인 음공을 형성하게 되며, 상기 음공은 원기둥 또는 다각기둥 형태로 형성할 수 있고 상기 음공이 형성됨에 따라 상기 다이어프램 구조체가 진동할 수 있는 공간이 구비되게 된다.

또한, 상기 실리콘 기판은 반응이온에칭(Reactive Ion Etching) 또는 습식 식각 공정을 통해서 식각할 수 있다. 이때, 상기 실리콘 기판은 내측 공간에 상기 음공을 형성하되, 밑면은 복수 개의 관통공이 형성된 면이 형성되도록 식각된다.

또한, 상기 실리콘 기판을 식각하여 상기 음공을 형성할 때, 상기 음공과 실리콘 기판의 상부면 간의 경계선이 상기 복수 개의 압저항 소자의 위치와 대응하도록 상기 음공의 직경을 조절하여 식각하게 된다.

따라서, 복수 개의 압저항 소자는 상기 음공의 경계선 상에 위치하며, 상기 복수 개의 압저항 소자가 대칭된 구조를 갖거나 각각의 압저항 소자 간의 간격이 동일한 간격을 갖는 구조를 이루게 된다(S1400).

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 지향성 음향센서의 제조방법에 의해서 제조된 지향성 음향센서는, 외부 음향에 의해 상기 다이어프램이 진동하면 상기 복수 개의 압저항 소자의 저항이 변화하며, 각각의 압저항 소자의 저항 변화는 외부 음향의 발생위치에 상대적으로 가까운 특정 압저항 소자가 가장 크게 출력되는 구조를 갖는다.

따라서, 저항 변화가 가장 큰 특정 압저항 소자를 통해 외부 음향의 발생 방향을 특정할 수 있으면서, 별도의 조립공정을 실시하지 않고도 증착 및 식각 등의 공정을 통해서 지향성 음향센서를 제조할 수 있어 제조공정의 복잡도를 감소시키고 소형화 및 대량 생산을 용이하게 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

110 : 기판 120 : 다이어프램
130 : 압저항 소자