2016년 12월 16ZB1500
환경 및 사용자 적응형 MEM
S 마이크로폰
솔루션 개발
Development of Environment & User Adaptable MEMS Microphone
Solution
세부과제 연차실적 보고서
연차실적 보고서
과제유형 1. 기초미래선도형 ( ) 2. 공공인프라형 ( ) 3. 산업화형 ( O ) 대과제명 ICT소재부품 기초원천기술 개발 세부과제명 환경 및 사용자 적응형 MEMS 마이크로폰 솔루션 개발 세부과제 책임자 소속 및 부서 ICT소재부품연구소 나노융합센서연구실 직위 (직급) 담당 (책임) 성명 양우석 총연구기간 2015년 1월 1일 부터 2017년 12월 31일 까지 (36개월) 당해연도 연구기간 2016년 1월 1일 부터 2016년 12월 31일 까지 (12개월) (2차년도) 총 연 구 비 정부출연금 5,824,318천원 당 해 년 연 구 비 정부출연금 2,395,318천원 민간부담금 800,000천원 민간부담금 300,000천원 계 6,624,318천원 계 2,695,318천원 참여인력(M/Y) 총 연 구 기 간 33명 (28.0M/Y) 당해연도 연구기간 26명 (10.2M/Y) 참여기관 기관명 연구책임자 기관명 연구책임자 참여연구기관 ㈜비에스이센서스 김창원 ㈜에이디텍 김성렬 위탁연구기관 서강대학교 산학협력단 박형민 키워드 (6~10개) MEMS, 마이크로폰, 음향센서, 정전용량형, ROIC, 디지털, 신호대잡음비(SNR), 음향제어, 오디오 주밍 정부출연금사업 연차평가 보고서를 제출합니다. 2016년 12월 23일 세부과제책임자 : 양 우 석 (인) 직 할 부 서 장 : 엄 낙 웅 (인)연구목표 (최종)
○ 스마트기기에 장착되어 다양한 환경에서 사용자 의도에 맞추어 음향정보를 감지하는 환경/사용자 적응형 마이크로폰 솔루션 개발
- High-SNR(Signal-to-Noise Ratio) & WDR(Wide Dynamic Range) MEMS 음향센서 칩 개발 · 칩 크기 ≤1.4×1.4×0.4mm3 · 노광공정 횟수 ≤9회 · 민감도 ≥-38dB @94dB SPL, 1kHz · 음향 과부하점(AOP) ≥135dB @10% THD, 1kHz · 낙하신뢰성: ≥95% (1.5m 낙하시 민감도 –38±2dBV/Pa) - 디지털 High-SNR & WDR ROIC(Read-Out IC) 칩 개발 · 신호대잡음비(SNR) ≥64dBFS · 전원잡음제거(PSR) ≤-87dBFS · 인터페이스 타입 : WDR Digital (PDM or I2S) - 오디오 주밍 기반 지능형 음향제어 기술 개발 · 마이크로폰 어레이 구조 : 7 마이크, 총 길이 24cm · 오디오 주밍 통한 SNR 향상 : 6dB @30도 전년도 연구결과 (’15년, 1차년도) ○ 고성능 MEMS 마이크로폰 및 지능형 음향제어 기초기술 개발 - Polyimide 희생층 기반 이중 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 설계/공정 개발 - 디지털 High-SNR ROIC 칩 설계/제작 및 특성평가 - 백챔버 확장 초소형 고감도 음향 패키지 구조 개발 - 빔포밍 기반 오디오 주밍 기초 알고리즘 연구 ○ 기개발 연구시제품의 상용화 기술 개발
- Polyimide 희생층 기반 단일 멤브레인 MEMS 음향센서를 SiO2 희생층 기
반으로 설계/공정 개조
- 아날로그 High-SNR ROIC 칩 상용시제품(Ver.1) 개발 및 수요기업 평가 ○ 정량적 연구성과 실적 - SCI논문 1건, 특허 출원 4건 당해년도 연구결과 (’16년, 2차년도) ○ 고성능 MEMS 마이크로폰 및 지능형 음향제어 핵심기술 개발 - SiO2 희생층 기반 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 설계/공정 개발 - 디지털 High-SNR ROIC 칩 설계개선 통한 성능향상 - 디지털 High-SNR & WDR ROIC 칩 구조설계
- 오디오 주밍 기반 지능형 음향제어 마이크로폰 어레이 솔루션 개발 ○ 기개발 연구시제품의 상용화 기술 개발 - 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 양산시제품 제작 및 성능평가 - 아날로그 High-SNR ROIC 칩 상용시제품 업그레이드 및 수요기업 평가 ○ 정량적 연구성과 실적 - SCI논문 2건, 특허 출원/등록 8/3건, 기술이전 0.5억원/1건
세부과제 요약서
차년도 연구계획 (’17년, 최종년도) ※ 주요사업 재정립안(본 과제 연구내용 /예산 축소) 반영 ○ 고성능 MEMS 마이크로폰 최적화 기술 개발 - 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 설계/공정 최적화, 성능/신뢰성 확보 및 시생산 - 디지털 High-SNR ROIC 칩 설계 최적화 통한 성능확보
- 디지털 High-SNR & WDR ROIC 칩 상세설계/제작 및 성능평가 - 디지털 High-SNR & WDR MEMS 마이크로폰 모듈 제작 및 성능평가 ○ 기개발 연구시제품의 사업화 - 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 양산시제품 출시 및 수요기업 평가 - 아날로그 High-SNR ROIC 칩 상용시제품 출시 및 수요기업 평가 ○ 정량적 연구성과 목표 - SCI논문 1건, 특허 출원 7건, 기술이전 2억원/2건 성과활용계획 및 파급효과 ○ 성과활용계획 - 참여기관인 비에스센서스에 MEMS 음향센서 칩 기술이전 통한 사업화 · High-SNR MEMS 마이크용 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 (’18년) 및 high-SNR & WDR MEMS 마이크용 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 (’19년) · 현재 수입중인 Infineon사 제품 대체용(단일 멤브레인) 및 차세대 제품 (쿼드 멤브레인)을 MEMS 마이크로폰 생산중인 모기업 비에스이에 납품 - 참여기관인 에이텍에 MEMS 마이크로폰 ROIC 칩 기술이전 통한 사업화
· 아날로그 high-SNR ROIC 칩 (’17년), 디지털 high-SNR ROIC 칩 (’18년) 및 디지털 high-SNR & WDR ROIC 칩 (’19년)
· 현재 수입중인 Infineon사 제품 대체용으로 비에스이센서스에 납품 ○ 파급효과 - 대표적 스마트센서인 MEMS 마이크로폰의 핵심 칩인 MEMS 음향센서 및 ROIC 차세대제품의 국산화 개발 통한 국내 센서/MEMS 산업의 기술경쟁력 제고 및 활성화 - ’19년 13.8억불로 예측되는 MEMS 마이크로폰 세계시장의 한국 점유율 확대 및 전량 수입중인 핵심 센서/ROIC 칩의 국산화 통산 수입대체 효과
I. 연구개발 동향 및 전략
1. 국내외 기술동향 및 수준 (1) 국외 기술동향
○ MEMS 마이크로폰의 세계시장 점유율은 ’14년 기준 1위 Knowles(미국) 50%, 2위 AAC(중국) 14%, 3위 GoerTek(중국) 12%, 4위 STMicroelectronics(프랑스·이탈리아) 10%, 5위 BSE(한국) 3%, 6위 Hosiden(일본) 2%, 기타 9%
- MEMS 마이크로폰용 칩(MEMS 음향센서 및 CMOS ROIC) 세계시장 점유율은 ’14년 기준 1위 Knowles 47%, 2위 Infineon(독일) 34%, 3위 Omron(일본) 8%, 4위 NJRC (일본) 4%, 기타 7%임
· 음향센서 및 ROIC 칩을 동시에 생산하는 칩-레벨 업체는 Infineon이 유일함
- MEMS 음향센서 및 ROIC 칩을 공급받아 음향 패키징 통한 마이크로폰 모듈을 생산하는 패키지-레벨 업체는 AAC, GoerTek, BSE, Hosiden 등임
· 상기 4사 모두 센서/ROIC 칩을 Infineon으로부터 공급받음
- 센서 또는 ROIC 칩과 음향 패키지를 포함한 마이크로폰 모듈을 모두 자체 생산하는 모듈-레벨 업체는 Knowles, STM 등임
· Knowles는 ROIC 칩을 AMS(오스트리아)를 통해 ODM 생산 · STM은 MEMS 센서 칩을 Omron으로부터 공급받음
<그림 1. MEMS 마이크로폰 모듈(左) 및 칩(右) 세계시장 점유율>
○ 소음환경(콘서트장)에서의 녹화 및 고화질 비디오(4k)에 부합하는 고음질 오디오용 고성능 MEMS 마이크로폰에 대한 요구 급증
- High-AOP(Acoustic Overload Point) 및 High-SNR MEMS 마이크 개발 경주 시작 - Omron*STM 공동연구그룹은 멤브레인 면적 조절 통한 고강성(소면적)/고감도(대면적) 이
중 멤브레인 구조를 갖는 WDR(AOP ~140dB SPL) MEMS 음향센서 칩(면적 1.6×1.25mm2) 관련 논문을 ’11년 발표하였으나, 아직 상용시제품을 출시하지 못 함
- Knowles는 High-SNR(~64dB) 디지털 MEMS 마이크로폰을 상용화였으나, AOP는 122dB SPL로 WDR 성능은 좋지 않음 <그림 2. 고성능 MEMS 마이크로폰 개발 동향> ○ 마이크로폰 어레이 기반의 원하는 음향의 선택적 감지 등의 지능형 음향제어 및 음성 인식 기능의 지능형 마이크로폰 어레이 솔루션 기술을 이용한 제품들이 최근 출시됨 - 화상회의용 지능형 마이크, 음성인식 스마트홈 허브(아마존 에코), 음성인식 지능형 로봇(Pepper, Jibo 등) 등의 제품에 지능형 음향제어 기술이 적용되고 있음
(2) 국내 기술동향
○ 비에스이(BSE), 싸니코전자(SANICO)에서 MEMS 마이크로폰 모듈을 양산화하여 삼성전자, LG전자 등에 납품하고 있음
- 비에스이는 Infineon으로부터 센서/ROIC 칩을 공급받아 스마트폰용 고성능 제품을 생산 - 싸니코전자는 NJRC 등으로부터 센서/ROIC 칩을 공급받아 이어폰용 중저가 제품을 생산 ○ 한국전자통신연구원(ETRI), 씨자인(cesign), ㈜평화기술연구원 등에서 MEMS 마이크로폰용
핵심 칩인 MEMS 음향센서 및 CMOS ROIC를 국산화 개발 중
- 국내에서는 유일하게 ETRI가 MEMS 음향센서 및 ROIC 칩 기술을 동시에 국제적 수준 으로 개발하고 있음 - 씨자인에서는 ROIC 칩을, 평화기술연구원에서는 MEMS 음향센서 칩을 개발 중 ○ ETRI, 마이티웍스(MightyWorks) 등에서 지능형 음향제어 기술을 연구 중 - ETRI는 빔포밍 스피커 기반 개인 음향공간 서비스, 음장변화 기반 침입/화재 감지 보안 센서 등의 지능형 음향제어 기술을 개발함 - 마이티웍스에서는 오디오 주밍 및 음성인식 향상용 음향 전처리 기술을 개발하고 있으며 기술 일부를 LG 스마트폰(G2, G5, V20)에 적용함 2. 본 과제의 연구개발 전략 (1) 핵심기술 및 총괄 기술구성 <그림 4. 환경/사용자 적응형 MEMS 마이크로폰 솔루션 핵심기술 및 총괄 기술구성>
(2) 접근방법 및 혁신성
○ 다중 멤브레인 구조 기반의 High-SNR & WDR MEMS 음향센서 기술은 현재 세계적으 로 개발 초기단계이며, 특히 노광공정 횟수를 9번 이하로 최소화하면서 단일집적공정으 로 제조하는 기술은 아직 개발된 바 없음
<그림 5. 다중 멤브레인 구조 기반 High-SNR & WDR MEMS 음향센서 기술 개념도> ○ 다중 멤브레인 구조의 MEMS 음향센서와 연동하여 High-SNR & WDR 신호처리가 가능한
ROIC 기술은 세계적으로 개발 초기단계이며, 특히 본 과제에서 제안하는 음압적응형 WDR 이득제어 기술은 아직 개발된 바 없음
○ 스마트홈 허브를 음성으로 제어할 수 있는 음성인식 UI(User Interface) 모듈 기술은 세계적으로 아직 개발 초기단계이므로, 본 과제에서는 음성인식 UI 모듈의 음성인식률 향상 위한 전처리 기능으로 관심음원을 노이즈로부터 분리시켜 증폭하여 감지하는 오 디오 주밍 기술을 마이크로폰 어레이를 이용한 고성능 빔포밍 알고리즘을 통하여 개발 하고자 함 <그림 7. 빔모밍 기반 오디오 주밍 및 이를 이용한 스마트홈 허브 음성인식 UI 모듈 개념도>
연구내용 [수행기관] 2016년 비고 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1. 고성능 MEMS 음향센서 칩 개발 - 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 설계/집적공정 개발* [ETRI] (ETRI 6인치 팹 이용) - 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 모듈 제작 및 성능평가** [ETRI] - 양산화 단위공정 포팅*** [ETRI] (나노종합기술원 8인치팹 이용) - 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 파운드리 직접공정 및 양산시제 품 개발 [비에스이센서스] * 양산화 용이성 향상 위해 집 적공정을 1차년도 polyimide 희생층 기반에서 SiO2 희생층 기반으로 대폭 변경으로 지연 ** 집적공정 개발 지연으로 후속일정 지연 (~12월 모듈 제 작, ~´17년 1월 성능평가 예정) *** 비에스이센서스의 국내 파운드리(D사) 이용 MEMS 음 향센서 양산시제품 제작 결과 양산화 불가능 판정으로 대체 기관 필요로 추진 2. 고성능 ROIC 칩 개발 - High-SNR ROIC 칩 설계개선/ 제작 및 성능 향상 [ETRI] - High-SNR & WDR ROIC 칩 핵심회로 개발* [ETRI] - High-SNR & WDR ROIC 칩 설계/제작 및 특성평가** [ETRI] - 아날로그 High-SNR ROIC 칩 상용시제품 업그레이드 및 수요 기업 평가 [에이디텍] * High-SNR 칩의 전압출력 입 력버퍼와 달리 high-SNR & WDR 칩에서 새로운 전류출력 형 도입 필요로 연구내용/난이 도 증가로 일정 지연 ** 핵심회로 개발 지연으로 후속 일정 지연(~´17년 2월 설계, 4 월 제작, ~5월 성능 평가 예정) 3. 지능형 음향제어 마이크 어레이 솔루션 개발 [ETRI] - 오디오 주밍 알고리즘 개발 최적화 - 지능형 마이크 어레이 솔루션 응용 시제품 제작 및 성능 평가* II. 당해연도(2차년도) 연구 계획 및 수행 일정 계획 수행
III. 당해연도(2차년도) 연구개발 실적 1. MEMS 음향센서 칩 개발 (1) 연구목표 ○ 고성능 MEMS 마이크로폰용 음향센서 칩 핵심기술 개발 - 목표 성능 · 칩 크기 ≤1.4×1.4×0.4mm3 · 노광공정 횟수 ≤8회 · 민감도 ≥-38dB @94dB SPL, 1kHz · 음향 과부하점(AOP) ≥135dB @10% THD, 1kHz (2) 연구실적 ○ 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 설계 개발 - 동일한 소형 크기의 멤브레인 4개(직경 500um)가 병렬로 연결되어 멤브레인의 크기 증가 없이 정전용량 증가 및 민감도 향상 가능 - 1차년도에 개발한 서로 다른 크기의 이중 멤브레인(고감도용 Φ770um 및 고음압용 Φ450um) 센서의 낙하신뢰성 평가시 대면적 멤브레인의 파괴 문제점 해결 가능 - 칩 크기 : 1.4×1.4×0.4mm3 <그림 8. 1차년도 개발 이중 멤브레인 (左) 및 2차년도 개발 쿼드 멤브레인 (右) MEMS 음향센서 칩 사진>
○ SiO2 희생층 기반 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 집적공정 개발 및 제작 - 1차년도에 개발한 polyimide 희생층 기반 집적공정의 문제점인 공정/장비 호환성 부족 으로 인한 양산 파운드리 업체 확보 어려움 해결 가능 - 저가격화를 위해 노광공정 횟수를 8회로 최소화 cf) 경쟁사 집적공정의 노광공정 횟수 : Knowles 12회, Infineon 9회 <그림 9. SiO2 희생층 기반 MEMS 음향센서 칩 제작 집적공정 순서도> - ETRI 6인치 팹 이용한 공정 최적화 통한 불량 발생 억제 및 칩 웨이퍼 제작
· 멤브레인 및 백플레이트 전극용 LPCVD doped poly-Si 박막 형성, SiO2 희생층
증착용 PECVD-TEOS, 백챔버 백챔버 식각용 Si DRIE 및 SiO2 희생층 제거용
HF-VPE와 같은 핵심공정 최적화
· 백챔버 식각용 Si DRIE 공정 및 SiO2 희생층 제거용 HF-VPE 공정은 각각 나노융
합기술원(NINT @포항) 및 나노종합기술원(NNFC @대전)의 장비 이용 진행 <표 1. SiO2 희생층 기반 MEMS 음향센서 칩 제작 공정 최적화 내용>
· HF-VPE 공정을 이용한 PECVD-TEOS 희생층 제거시 웨이퍼 영역별로 식각속도 편차 문제를 해결하기 위하여 충분한 over-etch를 진행하여도 멤브레인 및 백플레이트의 구조적 강도(structural stiffness)를 안정적으로 확보하여 수율을 향상시킬 수 있는 보강된 고정부를 갖는 MEMS 음향센서 국내특허 출원 완료 및 미국특허 출원 진행 중 · 공정 최적화 통하여 불량 없이 제작된 쿼드 멤브레인 칩은 자체 디지털 high-SNR & WDR ROIC 칩 개발이 완료되는 ’17년(3차년도) 6월 이후에 평가 가능하므로, 현재 단일 멤브레인 칩만을 비에스이센서스에서 Infineon사 아날로그 high-SNR ROIC 칩 과의 패키징 통한 모듈 제작(~12월) 및 특성평가(~’17년 1월말) 진행 예정
○ 나노종합기술원(NNFC @대전) 8인치 팹에 양산화 단위공정 이식(porting)
- MEMS 음향센서 R&D를 수행한 ETRI 6인치 팹에서 개발된 핵심 단위공정을 3차년도에 진행할 MEMS 음향센서의 양산화를 위한 후보 팹인 NNFC 8인치 팹에 이식
- 멤브레인용 LPCVD doped poly-Si 박막 형성 : 공정 셋업 완료
· ETRI 팹과 달리 NNFC 팹에서는 doped poly-Si LPCVD 공정이 지원되므로 저가격화를 위하여 ETRI 팹에서 셋업된 undoped poly-Si LPCVD/ion-implantation/post- annealing 공정 대신 doped poly-Si LPCVD/post-annealing 공정을 셋업
로 낮은 인장응력(+9±1MPa) 및 면저항(137±1Ω/□) 갖는 doped poly-Si 박막 형성 - PECVD-TEOS SiO2 희생층 박막 증착 : 공정 검증 완료
· NNFC의 PECVD-TEOS 기본 recipe로 증착한 SiO2 박막이 높은 압축응력(-177MPa
@PECVD, -260Mpa @1000℃ 후열처리)을 갖고 있어서 crack 발생 문제 없음을 확인 - 백챔버 식각용 Si DRIE : 공정 셋업 진행중 · 나노융합기술원(NINT) 6인치 장비에서 확보된 높은 식각속도(12~13um/분)와 달리 NNFC 8인치 장비의 낮은 식각속도(~6um/분) 문제 해결 가능한 공정 조건 셋업 중 ○ 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 양산시제품(Ver.1) 제작 및 성능 평가 - 비에스이센서스에서 본과제 이전에 ETRI로부터 이전받은 polyimide 희생층 기반 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 기술을 1차년도에 SiO2 희생층 기반으로 자체적으로 개조 - 2차년도에는 국내 MEMS 파운드리(D사) 8인치 팹 이용하여 양산시제품 제작(총 2회 집적공정 진행) 및 Infineon사의 상용 high-SNR ROIC 칩과의 MEMS 마이크로폰 모듈 제작 후 주요성능 평가
· 백챔버 식각용 Si DRIE 및 SiO2 희생층 제거용 HF-VPE 공정은 외부장비로 진행
· 민감도 –38.8dBV/Pa, SNR 53.3dB 및 AOP 127dB SPL 확보
→ 국산화할 Infineon사 standard급 제품 대비 AOP 성능은 우수, 민감도 성능은 대등, SNR 성능은 미달 ⇒ SNR 성능 미달은 멤브레인용 LPCVD doped poly-Si 박막의 잔류응력 조절 실패에 기인함 <그림 10. 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩(Ver.1) 사진(앞면 左上, 후면 左下) 및 이를 이용하여 제작한 MEMS 마이크로폰 모듈 사진(右)>
<표 2. 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩(Ver.1) 주요 성능>
- 백챔버 식각용 Si DRIE 공정 후 notching 및 crack 발생, SiO2 희생층 제거용
HF-VPE 공정 후 식각 잔류물에 의한 stiction 발생 등의 집적공정 불량으로 양산화에 필요한 수율 확보가 어렵다고 판정됨 · 새로운 양산화 팹으로 나노종합기술원(NNFC) 8인치 팹 및 국내 S사 6인치 팹을 재 선정하여 ETRI 및 비에스이센서스가 각각의 팹에서 양산화 공정 이식 진행 중 <그림 11. 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩(Ver.1) 제작시 발생한 집적공정 불량 사진> 2. MEMS 마이크로폰용 디지털 ROIC 칩 개발 (1) 연구목표 ○ 고성능 MEMS 마이크로폰용 ROIC 칩 핵심기술 개발 - 목표 성능 · 신호대잡음비(SNR) ≥64dBFS · 전원잡음제거(PSR) ≤-87dBFS · 인터페이스 타입 : WDR Digital (PDM or I2S) (2) 연구실적 ○ 디지털 high-SNR ROIC 칩 설계개선 및 성능향상
- 1차년도에 개발한 Ver.1 칩의 낮은 SNR(62dBFS) 등의 문제점 해결 위한 설계개선 및 Ver.1 칩과 동일한 외부 상용 파운드리(M사 @한국)의 0.35um low-noise CMOS 2-poly 4-metal 공정을 이용하여 Ver.2 칩 제작
<그림 12. 디지털 high-SNR ROIC 칩(Ver.2)의 설계개선 사항(上) 및 사진(下)> - SNR 및 PSR 목표사양 달성(SNR 64.0dBFS ≥64dBFS, PSR –95.3dBFS ≤-87dBFS)
및 경쟁사인 Knowles의 상용제품 대비 동등 이상 확보
· 신호증폭기의 이득 정밀 조정 통한 민감도 확보 및 전원 커패시터(>10uF)를 미적용한 초소형 MEMS 마이크로폰 모듈용 ROIC 칩에서의 디지털 인터페이스 잡음 유입 방지 위한 추가 설계개선은 3차년도에 진행 예정
<표 3. 디지털 high-SNR ROIC 칩(Ver.2)의 주요 성능>
○ 디지털 high-SNR & WDR ROIC 칩 핵심회로 개발
- 기 개발한 디지털 high-SNR ROIC 칩의 단일 전압출력 입력단 및 고이득 전압-전압 신호 증폭기 이용시 신호증폭기의 잡음 증가 문제가 예상되므로 이를 해결하기 위해 새로운 다 중 전류출력 입력단 및 전류-전압 신호증폭기 구조 개발
· 관련 국내특허 출원 완료 및 미국특허 출원 진행중
<그림 13. 다중 전류출력 입력버퍼 기반 디지털 high-SNR & WDR ROIC 칩(Ver.1)의 설계 구조 : 저음압 high-SNR 신호처리 경우(上) 및 고음압 신호처리 경우(下)> - 4중 전류출력 입력버퍼 세부회로 도출 및 이에 기반한 디지털 high-SNR & WDR
ROIC 칩(Ver.1)의 잡음 특성을 시뮬레이션한 결과 기존 high-SNR ROIC 칩(Ver.2)의 단일 전압출력 입력버퍼 사용시 보다 잡음 6dB 이상 감소 가능
· 입력버퍼 잡음은 5.2dB 증가하나, 신호증폭기 잡음이 11.7dB 감소하여 총 잡음은 6dB 이상 감소
· 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서의 민감도가 6dB 감소하여도 ROIC 칩에서 잡음 6dB 이상 감소하여 MEMS 마이크로폰 모듈에서는 SNR 64dB 목표성능 확보 가능
<그림 14. 4중 전류출력 입력버퍼 회로도 및 이에 기반한
디지털 high-SNR & WDR ROIC 칩(Ver.1)의 잡음 특성 시뮬레이션> ○ 아날로그 high-SNR ROIC 칩 상용시제품(Ver.2 & Ver.3) 제작 및 성능 평가
- 에이디텍에서 본과제 이전에 ETRI로부터 이전받은 MEMS 마이크로폰용 아날로그 high-SNR ROIC 칩 기술을 바탕으로 추가 상용화 개발 수행
- 1차년도 제작한 Ver.1 칩과 동일하게 외부 상용 파운드리(M사 @한국)의 0.35um low-noise CMOS 2-poly 3-metal 공정을 이용하여 Ver.2 및 Ver.3 칩 제작
- 제작한 ROIC 칩은 수요업체인 비에스이센서스에 송부하여 dicing, Infineon사 MEMS 음향센서와 패키징 통한 마이크로폰 모듈 제작 후 성능 평가
· Ver.2 칩은 완료, Ver.3 칩은 현재 모듈 제작 중으로 2017년 1월까지 완료 예정 · 국산화할 경쟁 Infineon사 상용품(high-SNR급) 대비 Ver.2 칩의 성능은 민감도 및
SNR 대등; PSR, THD, TDMA 잡음 및 ESD 미달; 칩 크기 및 소모전류 우수 · Ver.2 칩의 미달 성능 향상을 위한 설계 개선 사항을 Ver.3에 반영 <표 4. 아날로그 high-SNR ROIC 상용시제품의 주요성능 비교> 3. 지능형 음향제어 마이크로폰 어레이 솔루션 개발 (1) 연구목표 ○ 지능형 음향제어 마이크로폰 어레이 솔루션 개발 - 목표 성능 · 마이크로폰 어레이 구조 : 7 마이크, 총 길이 24cm · 오디오 주밍 통한 SNR 향상 : 6dB @30도 (2) 연구실적 ○ 오디오 주밍 알고리즘 최적화 - 오디오 주밍 알고리즘은 음성인식률 향상을 위하여 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원의 방향 또는 위치를 추적한 후 빔포밍을 통하여 음원의 SNR을 향상시키는 전처리 알고리즘 - 1차년도에는 입력신호(음원)의 위상(지연)을 조정하여 위상정합을 통한 파워 최대화를
대한 이득은 유지하면서 잡음에 대한 최소 가중치를 추어 SNR을 향상시키는 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 방법을 이용
· D&S 방법은 입력신호의 파워 향상에, MVDR 방법은 입력신호의 잡음 최소화에 유리 · MVDR 방법에 의한 오디오 주밍시 음원의 방향만을 고려하는 far-field model과 음원
위치, 즉 방향 및 거리를 동시에 고려하는 near-field model를 비교 평가
<그림 16. 오디오 주밍 알고리즘 : D&S 및 MVDR 신호 특성 비교(左), MVDR 방법의 far-field model(右上) 및 near-field mode(右下) 개념도> ○ 마이크로폰 어레이 제작 - 7개 마이크를 4.0cm 간격으로 배열하여 총 길이가 24cm인 일자형 어레이와 7개 마이 크를 3.7cm 간격으로 중심 및 육각형으로 배열하여 직경 8cm인 원통형 어레이를 제작 · 일자형 어레이는 음성인식이 가능한 스마트TV용 사운드바 제품을, 원통형 어레이는 아마존의 에코 제품을 타겟 모델로 제작함 <그림 17. 일자형(左) 및 원통형(右) 마이크로폰 어레이 사진>
○ 지능형 마이크로폰 어레이 솔루션 성능 평가
- 오디오 주밍 알고리즘 SW와 일자형 및 원통형 마이크로폰 어레이 HW를 이용한 지능형 마이크로폰 어레이 솔루션 제작
- 마이크로폰 어레이 전방 1.5m 및 5m 거리에 Aurora-2 형식의 타겟음원 4종 (20도), TIMIT 형식의 간섭음원 (-10도) 및 white noise (-30도)를 배치하여, 오디오 주밍 알고 리즘에 따른 SNR 성능 평가 · Aurora-2 형식의 타겟음원은 미국인 성인 남성과 여성을 화자로 0~9 숫자(0은 ‘oh’ 또는 ‘zero’로 발음)를 0~7번 연속적으로 말하는 조합의 음성 데이터로, 예를 들면 ‘F43O7571’, ‘M5376869’와 같은데 여기서 ‘F’ 및 ‘M’은 화자의 성별을 의미 · TIMIT 형식의 간섭음원은 미국인 성인 남성과 여성을 화자로 말하는 음성 데이터 <그림 18. 지능형 마이크 어레이 솔루션 SNR 성능 평가 방법 : 측정 장비 구성도(左) 및 음원 스펙트럼 처리 예(右) > - 일자형 마이크로폰 어레이를 이용하여 오디오 주밍 알고리즘 적용 전후, 알고리즘 종류 (D&S, far-field MVDR 및 near-field MVDR) 및 음원과의 거리에 따른 SNR 성능 평가 · 오디오 주밍 알고리즘 종류에 따른 SNR 향상 정도는 D&S ≫ far-field MVDR ≳ near-field MVDR 순서이며, 음원과의 거리가 가까울수록 SNR 향상 정도 차이가 큼. 알고리즘 경량화 측면에서 far-field MDVR 선정이 바람직함 · Far-field MDVR 오디오 주밍 알고리즘 적용시 SNR 향상 정도는 음원과의 거리가 1.5m인 경우는 음원 종류에 따라 6~11dB 정도이며, 5m인 경우는 음원 종류에 크게 상관없이 ~4dB 정도임
<그림 19. 일자형 마이크 어레이와 음원의 거리 1.5m(左) 및 5m(右) 조건에서 오디오 주밍 알고리즘 종류에 따른 SNR 향상 정도> - 일자형 및 원통형 마이크 어레이에서 다양한 SNR 특성(-9dB~3dB)의 입력신호를 far-field MVDR 및 near-field MVDR의 오디오 주밍 알고리즘으로 전처리 후 음성인식 엔진(HTK v3.41)을 이용한 음성인식률 평가 · 오디오 주밍 알고리즘 적용시 음성인식률 향상 정도는 입력신호의 SNR 특성이 낮을 수록 훨씬 커지며, 원통형 보다 일자형 마이크 어레이에서 약간 크며, 오디오 주밍 알고리즘 종류(far-field MVDR 및 near-field MVDR)에 크게 상관없이 없음 · Far-field MDVR 오디오 주밍 알고리즘 적용시 음성인식률 향상 정도는 일자형 마이크 어레이에서 23~43%, 원통형에서 16~44% 정도임 <그림 20. 일자형(左) 및 원통형(右) 마이크 어레이에서 입력신호의 SNR 특성 및 오디오 주밍 알고리즘 종류에 따른 음성인식률 향상 정도>
번호 발명의 명칭 구분 대상국 일자 번호 기관 기여율 (%) 1 PRESSURE SENSOR AND METHOD
FOR FABRICATING THE SAME 출원 미국
2016 0811 15/234, 911 ETRI 100 2 멤스 마이크로폰 패키지 및 그 방법 등록 한국 2016 0908 10-165 7650 비에스이센 서스 100 3 확장 백챔버 공간을 갖는 멤스 마이크 로폰 패키지 및 그 제조방법 등록 한국 2016 0908 10-165 7651 비에스이센 서스 100 4 정전용량형 멤스 마이크로폰 및 그 제 조방법 등록 한국 2016 0908 10-165 7652 비에스이센 서스 100 5 음향 센서 출원 한국 2016 0219 2016-0 019712 ETRI 100 6 압력 센서 및 그 제조 방법 출원 한국 2016 0223 2016-0 021344 ETRI 100 7 음향 센서 출원 한국 2016 0321 2016-0 033501 ETRI 100 8 이동 단말기의 오디오 주밍 방법 출원 한국 2016 0425 2016-0 050395 ETRI 100 4. 정량적 연구산출물 (1) 총괄 구분 SCI논문 (건) 특허 기술이전 시제품 수요기업 평가서 (건) 국제 국내 건수 (건) 기술료 (백만원) 연구용 (건) 상용 (건) 출원 (건) 등록 (건) 출원 (건) 등록 (건) 목표 1 3 - 6 - 2 200 4 3 1 실적 2 1 - 7 3 1 50 3 2 1 (2) SCI논문 번호 논문명 주저자 (총저자명수) 저널명 볼륨 번호 페이지 게재일 기여율 (%) 1 T i N / P E C V D - S i3N4/ T i N d i a p h r a g m - b a s e d capacitive-type MEMS acoustic sensor J.Lee (7) Electronics Letters 52 468-470 2016 0317 100 1 Surface Micromachined Pressure Sensor with Internal Substrate Vacuum Cavity
Chang Han Je (4) ETRI J 38 685-694 2016 08 100 (3) 특허
9 멤스 마이크로폰 출원 한국 2016 1110 2016-0 149855 ETRI 100 10 다중 전압-전류 신호변환기를 이용한 넓은 동적 범위 디지털 마이크로폰 출원 한국 2016 1114 2016-0 151336 ETRI 100 11 마이크로폰 시스템 출원 한국 2016 0826 2016-0 108946 에이디텍 100 순번 개발기관 제 목 주 요 내 용 비 고 1 ETRI 쿼드 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 (Ver.1) 연구시제품 - ETRI Si Fab(6인치) 이용 제작 · DRIE 및 HF-VPE 2개 공정은 외부 장비 활용 - 주요성능 · 크기: 1.4×1.4×0.4mm3 · 노광공정 횟수: 8회 · 멤브레인 직경: 500um 2 ETRI 디지털 High-SNR ROIC 칩 (Ver.2) 연구시제품 - 국내 0.35um CMOS 상용 파운드리 (M사) 이용 제작 - 주요성능 · 면적: 1.67×0.75mm2 · SNR: 64.0±0.1dBFS · PSR: -95.3±1.1dBFS (전원 커패시터 ≥10uF 적용) · 소모전류: 689±14uA (STD 성능모드) · 인터페이스: PDM 3 ETRI 지능형 음향제어용 마이크로폰 어레이 솔루션 연구시제품 - 어레이 HW 형태 · 일자형(7 마이크, 길이 24cm) · 원통형(7 마이크, 직경 8cm) - 적용 SW · 오디오 주밍 알고리즘(MVDR) · 음성인식 엔진(HTK v3.41) - 주요성능 · 음성인식률 (Aurora-2 형식 음원 @0dB SNR): 74~78% @일자형, 64~67% @원통형 (4) 기술이전 번호 기술이전명 대상 국명 대상 기관명 계약 일시 계약 착수기본료 (백만원) / 경상기술료 (%) 수입 일시 수입액 (백만원) 1 디지털 MEMS 마 이 크 로 폰 ROIC용 시그마 -델타 변조기 회로기술 한국 ㈜에이디텍 2016 1214 50 / 1.25 2016 1215 27.5 (착수기본료 50% 및 부가세 10% 포함) ※ 착수기본료 잔액은 매출 발생시 경상기술료로 지불 (5) 시제품
순번 개발기관 제 목 주 요 내 용 비 고 4 비에스이 센서스 SiO2 희생층 기반 단일 멤브레인 MEMS 음향센서 칩 (Ver.1) 양산시제품 - 국내 상용 MEMS 파운드리(D사, 8인치) 이용 제작 · DRIE, HF-VPE 2개 공정은 아웃소싱 - 주요성능 · 크기: 1.0×1.0×0.4mm3 · 노광공정 횟수: 7회 · 민감도: -38.8dBV/Pa · AOP: 127dB SPL · SNR: 53.3dB 5 에이디텍 아날로그 High-SNR ROIC 칩 (Ver.2) 상용시제품 - 국내 0.35um CMOS 상용 파운드리 (M사) 이용 제작 - 주요성능 · 면적: 0.6×0.7mm2 · SNR: 65dB · PSR: -100dBV · THD: 108dB SPL @1% · TDMA 잡음: -87dBV @GSM, -62dBV @DCS · ESD: <1.5kV · 소모전류: 63uA · 동작온도: -40~+85℃ (6) 수요기업 평가서 순번 평가기관 발급일자 시편명 시험방법 시험결과 1 비에스이 센서스 2016. 05.31 에이디텍 MEMS 마이크로폰용 ROIC 칩 칩(Ver.2) Infineon High-SNR급 MEMS 음향센서와 패 키징(3.76x2.95x1.1 mm3_Bottom Port)하 여 Infineon ROIC 칩 과 성능 비교평가 - 주요성능 비교평가 결과 : 민감도 및 SNR 대등; PSR, THD, TDMA 잡음 및 ESD 미달; 칩 크기 및 소모전류 우수 - 주요 개선사항 도출 : SF Regulator 추가, 입력단 flicker noise 개선 및 RF suppression 강화, CP OOT측에 small ESD IO 추가
※ 약어 요약
AOP (Acoustic Overload Point), DRIE (Deep Reactive Ion Etching), ESD (Electrostatic Discharge), HF-VPE (Hydrofluoric acid Vapor Phase Etching), LPCVD (Low-Pressure Chemical Vapor Deposition), MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), PSR (Power Supply Rejection), ROIC (Read-Out Integrated Circuit), SNR (Signal-to-Noise Ratio), TDMA (Time Division Multiple Access), TEOS (Tetraethyl Orthosilicate, Si(OC2H5)4), THD (Total Harmonic
IV. 연구개발비 집행 (2017.12.21. 기준) (단위: 천원) 비 목 별 ETRI ㈜비에스이센서스 ㈜에이디텍 합계 계획 집행 계획 집행 계획 집행 계획 집행 집행률 1. 인건비 685,000 643,496 126,587 126,587 100,000 100,000 911,587 870,083 95.4 ○ 내부인건비(정) 685,000 643,496 26,587 26,587 100,000 100,000 811,587 770,083 94.9 2. 직 접 비 955,000 948,305 273,413 263,009 100,000 0 1,328,413 1,211,314 91.2 가. 외부인건비 51,225 47,640 0 0 0 0 51,225 47,640 93.0 1) 내부인건비(계) 51,225 47,640 0 0 0 0 51,225 47,640 93.0 2) 외부인건비 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0 나. 연구장비·재료비 583,844 583,687 261,109 254,000 95,725 95,725 940,679 933,413 99.2 1) 연구장비 및 시설비 70,200 70,104 88,800 87,507 24,890 24,890 183,890 182,501 99.2 2) 재료비 및 전산처리비 276,444 276,443 62,309 66,493 8,887 8,887 347,640 351,823 101.2 3) 시작품 제작비 237,200 237,140 110,000 100,000 61,949 61,949 409,149 399,089 97.5 다. 연구활동비 50.620 48,349 3,030 2,667 2,000 2,000 55,650 53,016 95.3 1) 국외여비 3,667 3,432 0 0 0 0 3,667 3,432 93.6 2) 수용비 및 수수료 7,365 6,620 30 9 0 0 7,395 6,629 89.6 3) 기술정보 활동비 39,588 38,297 0 0 2,000 2,000 41,588 40,297 96.9 라. 연구과제추진비 21,099 18,225 3,000 2.658 0 0 24,099 18,228 75.6 1) 국내여비 13,599 12,183 1,274 1,187 0 0 14,873 13,370 89.9 2) 회의-야근식대 다과비 5,700 4,423 0 80 0 0 5,700 4,503 79.0 3) 사무용품비 1,800 1,619 210 43 0 0 2,010 1,662 82.7 마. 연구수당 146,210 146,210 1,064 1,064 0 0 147,274 147,274 100.0 바. 위 탁 연 구 개 발 비 40,000 39,992 0 0 0 0 40,000 39,992 100.0 사. 연구지원비 7,311 7,311 0 0 0 0 7,311 7,311 100.0 아. 성과활용지원비 50,200 50,200 0 0 0 0 52,474 52,474 100.0 자. 평가·관리비 6,691 6,691 8,000 5,155 0 0 14,691 11,846 80.6 3. 간 접 비 213,318 213,318 0 0 0 0 213,318 213,318 100.0 4. 장비구입비( 별도계정) 242,000 242,000 0 0 242,000 242,000 100.0 합 계 2,095,318 2047,119 400,000 389,596 100,000 100,000 2,595,318 2,536,715 97.7 ※ 연구개발비 집행 미진 사유 * ETRI 내부인건비(정) 및 내부인건비(계) : 12월 인건비 추후 집행 예정
