CN102265644A

CN102265644A - 平衡信号输出型传感器

Info

Publication number: CN102265644A
Application number: CN2009801523988A
Authority: CN
Inventors: 木村教夫; 政井茂雄; 中野西保弘
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-11-30
Also published as: US20110255228A1; WO2010073598A1; JPWO2010073598A1

Abstract

提供具有高质量的平衡信号输出的平衡信号输出型传感器。该平衡信号输出型传感器具备：电容部，其具备作为可动电极的第1电极(101)以及与第1电极(101)对置配置的第2电极(102)；第1放大器(201)，其连接到第1电极(101)，放大来自第1电极(101)的信号；以及第2放大器(202)，其连接到第2电极(102)，放大来自第2电极(102)的信号。

Description

平衡信号输出型传感器

技术领域

本发明涉及平衡信号输出型传感器以及传感器单元(sensor unit)，涉及有效地利用电容部的对置的两个电极上产生的电荷，具有高灵敏度且SN比高的优质的信号的平衡输出的平衡信号输出型传感器及传感器单元。

背景技术

平衡信号输出型传感器是以静电能量为媒介，基于在电容部配置了的对置电极的振动或摆动，输出电信号的传感器。作为平衡信号输出型传感器的种类，有电容话筒(condenser microphone)、压力传感器以及加速度传感器等。电容话筒以及压力传感器是感知对置电极的振动的传感器，加速度传感器是感知摆动的传感器。在本说明书，也将平衡信号输出型传感器简称为传感器。

若以话筒为例进行说明，将会话拾音时的传感器的输出信号为3mV～10mV左右，是极其微弱的信号。在传输这些微弱的信号时，作为抑制信号中包含的外来噪声的手段，众所周知平衡连接传输。

在专利文献1中，示出了将驻极体电容话筒(electret condensermicrophone)的一个对置电极连接到二极管、栅极电阻以及FET的栅极，将另一个对置电极连接到接地线的结构。

另外，在专利文献2中，示出了由第1电容话筒和第2电容话筒的两个电容话筒构成的平衡输出型电容话筒。这里，其构成为，从第1电容话筒得到的输出信号和从第2电容话筒得到的输出信号为反相位。

另外，在非专利文献1中，公开了在移动电话等中主要使用的2端子型驻极体电容话筒。这里，驻极体电容话筒通过上拉负载电阻连接到电源。另外，驻极体电容话筒通过下拉负载电阻连接到接地线。通过这样的结构。成为得到模拟的平衡输出的电路。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2006-33091号公报

专利文献2：日本特开2008-5439号公报

非专利文献

非专利文献1：STマイクロエレクトロニクス社TS472ICデ一タシ一ト

发明内容

发明要解决的课题

但是，存在这样的课题：在专利文献1以及非专利文献1所示的驻极体电容话筒中若混入噪声，则噪声会被直接放大，因此，混入的噪声无法消除。

另外，由于专利文献2的平衡输出型电容话筒成为将两个电容话筒作为一组之后才消除噪声的结构，因此存在平衡输出型电容话筒自身变得大型的课题。进而，存在这样的课题，即求第1电容话筒和第2电容话筒的灵敏度对，在制造时的容许范围变窄，成品率下降。

鉴于上述课题，本发明的目的在于，提供在平衡信号输出型传感器中，除了降低在电容部中混入的噪声，还能够提高信号质量的平衡信号输出型传感器。

另外，在本发明中，并不是必须解决上述所有的课题，解决这些课题内的至少一个课题即可。另外，在本发明中，并不是必须实现上述所有的目的，实现这些目的中的至少一个目的即可。

用于解决课题的手段

本发明的平衡信号输出型传感器，具备：电容部，其具备作为可动电极的第1电极以及与第1电极对置配置的第2电极；第1放大器，其连接到第1电极，放大来自第1电极的信号；以及第2放大器，其连接到第2电极，放大来自第2电极的信号。

另外，这里，平衡信号输出型传感器是指如下这样的传感器：使用1对(2条)信号线，输出以信号线间的电位差来表示信号的所谓的平衡信号。

根据本发明的平衡信号输出型传感器，第1电极和第2电极对置配置，在作为一个电容起作为的电容部中，第1电极连接到第1放大器，第2电极连接到第2放大器。其结果，能够将第1电极和第2电极各自具有的电荷传送到分别不同的放大器。因此，具有能够有效利用第1电极具有的电荷和第2电极具有的电荷的效果。

进一步来讲，对声波或振动引起的振动电极(可动电极)的动作，在各个电极能够获得互补的电荷，各个电极的电压等信号成为反相位。并且，放大了的信号也同样成为反相位。另一方面，在电容部中混入了来自外部的噪声的情况下，各个电极的噪声信号为同相位。因此，通过对这些信号进行平衡信号输出，并进行平衡连接而利用，从而具有能够使灵敏度为2倍，并且能够降低混入到电容部中的来自外部的噪声或噪音的效果。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选还具备容器，电容部、第1放大器以及第2放大器收纳于容器内。不仅具有能够小型化的效果，还能够降低来自外来的噪声。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选容器由搭载电容部的基板(substrate)和覆盖搭载电容部的基板的盖体构成，基板或盖体的其中一个具有用于将压力传递到电容部的导入孔。这里，压力当然包含声音等。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选电容部、第1放大器以及第2放大器搭载于基板的第1面上，第1放大器的输出端子、第2放大器的输出端子、电压供给端子和接地端子安装在基板的第2面上。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选盖体由金属构成，接地端子通过基板与盖体电连接。通过这样的结构，接地端子与盖体电连接，能够降低从容器的外面输入电磁性噪音。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，电容部也可以存在多个。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选存在多个的电容部的第1电极的信号分别连接到同一第1放大器的输入端子，存在多个的电容部的所述第2电极的信号分别连接到同一第2放大器的输入端子。通过这样的结构，能够降低平衡信号输出型传感器整体的大小，进而通过具有多个电容部，能够生成高灵敏度且SN比高的信号。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选在第1电极中的第2电极侧的表面、或者在第2电极中的第1电极侧的表面具有电介质膜。通过这样的结构，通过在电介质膜上保持了的电荷，各个电极能够得到互补的电荷。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选电介质膜为驻极体膜。通过这样的结构，通过驻极体膜是保持永久电荷的驻极体膜，具有不需要从外部施加电压来提供电荷的效果。这里，从外部施加的电压有极化DC电压等。另外，由于不需要用于对电容部提供电压的连接线，因此在作为对置配置的电极的第1电极和第2电极上发生的电荷或电压上没有连接线的影响。因此，来自两个电极的信号为完全互补的信号。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，也可以是第1放大器以及第2放大器构成电容耦合型电荷放大器。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选第1放大器以及第2放大器由IC构成。

进而，本发明的平衡信号输出型传感器，优选第1电极不接地(对接地电位的连接)。进而，优选第2电极不接地。

优选电容部为MEMS元件部。电容部是通过半导体工艺形成的MEMS元件部，从而能够进行电容部的小型化，进而能够进行平衡信号输出型传感器整体的小型化。

这里，将电容部、第1放大器以及第2放大器搭载于同一印刷电路板的第1面上，通过键合线(bonding wire)等连接电容部的第1电极和第1放大器，通过键合线等连接电容部的第2电极和第2放大器，将第1放大器的输出端子、第2放大器的输出端子、对放大器的电压供给端子和接地端子(基准电位端子)作为对外部的连接端子，配置在印刷电路板的第2面上，并通过将金属盖贴在基板上以覆盖电容部、第1放大器以及第2放大器，从而还能够形成传感器单元。另外，也可以将收纳电容部、第1放大器以及第2放大器的容器整体称为传感器单元。该传感器单元贴在移动电话等的基板上，具有传感器的功能。这里，在盖或印刷电路板上设置了对电容部导入声波或压力等的导入孔。该传感器单元也可以称为可搭载的封装(package)。

另外，当然能够不产生矛盾地适当组合以上的特征。例如，当然可以是多个MEMS元件、第1放大器以及第2放大器收纳在一个容器内的结构。另外，在各个特征中，能够期待多个效果时也并不是必须发挥所有的效果。

另外，也能够构成为如下这样的数字信号输出传感器，使用本发明的平衡信号输出传感器，连接到将来自第1放大器的输出信号、来自第2放大器的输出信号进行模拟-数字变换的模拟-数字变换器，输出信号为数字信号。

另外，这里，数字信号输出传感器是指，将输入到传感器的信号(声音、振动、摆动)作为“1”、“0”的数字信号而输出的传感器。

另外，本发明的数字信号输出传感器，包含在同一基板上形成第1放大器、第2放大器以及模拟-数字变换器的构成(半导体集成电路)的传感器。

用于本发明的数字信号输出传感器的、模拟-数字变换器为Δ∑调制器。

另外，本发明的数字信号输出传感器的输出包含PDM(脉冲密度调制)方式的数字信号输出传感器。

另外，本发明的数字信号输出传感器，包含将PDM输出通过数字信号处理器(DSP)进行音频接口格式变换而输出的数字信号输出传感器。

发明的效果

根据本发明，通过使用在电容部的两电极上生成的具有互补关系的信号，能够提供可消除并降低混入外来噪声的平衡信号输出型传感器。进而，通过能够有效利用处于上述互补关系的信号的连接结构，能够降低损耗，并且能够实现灵敏度的提高。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式中的平衡信号输出型传感器的连接结构的图。

图2是表示本发明的第1实施方式中的平衡信号输出型传感器芯片的图，图2的(a)为剖面图，图2的(b)是表示一例等效电路的图。

图3的(a)～(f)是表示一例本发明的第1实施方式中的平衡信号输出型传感器的安装结构的各面图。

图4的(a)～(c)是表示本发明的第1实施方式中的特性的图。

图5是表示本发明的第2实施方式中的平衡信号输出型传感器的连接结构的图。

图6的(a)～(f)是表示一例本发明的第2实施方式中的平衡信号输出型传感器的安装结构的各面图。

图7的(a)、(b)是表示本发明的第2实施方式中的特性的图。

图8是表示本发明的变形例1中的平衡信号输出型传感器的电极构造的剖面图。

图9为其立体图。

图10表示本发明的变形例2中的平衡信号输出型传感器的电极构造的剖面图。

图11为其立体图。

图12是表示本发明的变形例3中的平衡信号输出型传感器的电极构造的剖面图。

图13是表示本发明的变形例3中的平衡信号输出型传感器的电极构造的剖面图。

图14是表示本发明的第3实施方式中的数字输出传感器的连接结构的图。

标号说明

101第1电极

102第2电极

103驻极体膜

111第1电极端子

112第2电极端子

120、123平衡信号输出端子

201第1放大器

202第2放大器

211、222同相输入端子

212、221反相输入端子

213、223反馈电阻

214、224反馈电容

701、702输入端子

703输出端子

704模拟-数字变换器

705容器结构体

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，参照图1～图4，详细说明本发明的第1实施方式。另外，本发明中使用的材料、数值仅例示出优选的例子，不限定于该方式。另外，在不脱离本发明的思想的范围内，可进行适当变更。进而，除此之外，还能够与其它实施方式组合等。另外，这里，平衡信号输出型传感器的电容部为MEMS元件部，特别作为具有驻极体的MEMS元件部进行说明。另外，作为MEMS元件部的例子，以电容话筒(MEMS话筒)为例进行说明。MEMS元件部后面叙述，是指使用半导体工艺形成的电容。以上情况可以说在本发明中通用。

图1是本发明的第1实施方式中的平衡信号输出型传感器的等效电路图的概略图。

如图1所示，平衡信号输出型电容器将以下部件作为主要结构：MEMS元件部，其具有作为可动电极的第1电极101和与第1电极101对置配设的第2电极102；第1放大器201，其连接到MEMS元件部的第1电极101，并放大来自第1电极101的信号；以及第2放大器202，其连接到第2电极102，并放大来自第2电极102的信号。这里，驻极体膜103形成于第1电极中的第2电极侧表面。但是，驻极体膜103也可以形成于第2电极中的第1电极侧表面。该驻极体膜103是大致永久保持电荷的膜。

另外，第1电极101通过第1电极端子111连接到第1放大器201的反相输入端子212。另外，第2电极102通过第2电极端子112连接到第2放大器202的反相输入端子221。这里，第1放大器201和第2放大器202有相同性能。另外，第1放大器201的同相输入端子211和第2放大器202的同相输入端子222连接到接地线。

另外，在第1电极101以及第2电极102上分别存在起因于MEMS元件部的浮置(floating)构造以及安装的寄生电容110、109。

这里，第1放大器201以及第2放大器202为高输入阻抗放大器，优选用于实现高输入阻抗的CMOS型。另外，作为动作电源，可以使用正/负2电源，但是优选进行单电源动作这样的高输入阻抗CMOS型放大器。

这里，第1放大器201以及第2放大器202的各自上连接的反馈电阻213、223是用于防止各个放大器饱和的放电电阻，第1放大器201以及第2放大器202的各自上连接的反馈电容214、224用于决定电荷的放大程度。这里，也可以将具有放大器、反馈电阻、反馈电容的构造称为电容耦合型电荷放大器。

另外，来自第1放大器201以及第2放大器202的各自的输出信号分别被导入到外部的平衡信号输出端子120、123。另外，端子121为对放大器的电压供给端子，端子122为接地端子(基准电位)。接地端子也连接到兼有屏蔽(shield)的容器结构体300，具有降低混入来自外部的电磁噪音的效果。

图2的(a)表示本发明的第1实施方式的EMES元件部的剖面图，图2的(b)表示本发明的第1实施方式的MEMS元件部的电路图的概略图。MEMS元件部利用CMOS(互补型场效应晶体管)的制造工艺技术，将在硅基板(硅晶片)上同时制造出的多个话筒芯片最终一个个分割而形成。图2的(a)表示分割出的一个话筒芯片的剖面图。

如图2的(a)所示，MEMS元件部具有：n型硅基板100；在硅基板100上形成的氧化硅膜105；在氧化硅膜105的表面形成的具有振动电极功能的第1电极101；在第1电极101的表面形成的驻极体膜103；由玻璃化的硅膜构成的隔板(spacer)部104；由隔板部104支撑的具有固定电极功能的第2电极102；以及通过对硅基板100进行蚀刻而形成的通孔106。并且，在第2电极上作为声孔107而设置了多个孔，夹在第1电极和第2电极之间的空间中设置空气间隙G，并且还设置了用于电连接的连接孔H。这里，第1电极以及第2电极由n掺杂(dope)的多晶硅膜构成，驻极体膜103是将在第1电极101上形成的氧化硅膜进行了极化的膜。空气间隙G原本通过对形成了隔板部的部分进行蚀刻去除而形成，但是其它方法也可以。另外，该多个孔是用于将声波导入至作为振动膜的第1电极101的开口部。从该多个孔传来的声波通过使由第1电极等构成的振动膜振动，从而MEMS元件部具有电容话筒的功能。这里，在作为固定电极的第2电极102上，层叠形成了氧化硅膜、氮化硅膜等电介质膜，第1电极和第2电极具有一对电容的功能。

这里，进一步说明驻极体膜103。首先，将硅基板(晶片)上形成的多个MEMS元件部一个一个分割而形成芯片。之后，对分割出的芯片通过电晕放电等进行极化处理，对电介质膜进行极化。其结果，能够使驻极体膜103保持电荷。另外，当然也可以用晶片级(wafer level)进行极化。虽然也依赖驻极体膜的性质，但是通常使驻极体膜带负的电荷。

驻极体膜由氧化硅膜、氮化硅膜等无机膜构成，因此，与利用了FEP等高分子薄膜的驻极体话筒相比，即使被高温晾晒，电荷保持特性也不会劣化，适合进行回流焊接下的安装的传感器。

接着，使用图2的(b)说明MEMS元件部的电路图。

在具有进行了极化的膜的第1电极101侧，作为电荷表示

第1电极侧电荷：-Q[C]

在作为对置电极的第2电极102，作为电荷表示

第2电极侧电荷：+Q[C]

，并为平衡状态。

在该平衡状态下，由对置电极形成的电容C_m依赖于空气间隙G和电极面积而成为唯一的值。

C_{m} = \frac{ϵ_{0} ϵ_{S} S}{G} [F]

其中，

ε₀：真空的介电常数8.85E-12[F/m]

ε_S：空气的相对介电常数1.000586

S：电极面积[m²]

G：间隙长度[m]。

进而，如图2的(b)的等效电路所示，该电容C_m能够容易在硅基板100上作为不接地的浮置构造而形成。

从该平衡状态起，单一频率的正弦波声波通过第2电极102的多个声孔107而被导入至第1电极101时，具有振动膜功能的第1电极101以与声波相同的频率进行正弦波振动。该微小振动位移的大小大体由振动膜的刚性决定。

平衡状态的电容因该振动而产生变化，并且，两电极的电荷产生变化。

若将从第1电极的平衡状态起的微小振动位移设为Δξsin(ωt)，则在电荷上也产生在相同频率下的互补的微小变化，为

第1电极侧电荷：

第2电极侧电荷：

该微小电荷变化也作为微小电压变化来表示，为

第1电极侧电压：

第2电极侧电压：

另外，通过具有浮置构造，产生依赖于图2的(a)的构造的固有的寄生电容。在第1电极101和硅基板间100之间产生寄生电容110。另外，在第2电极102和硅基板100之间，产生寄生电容109。另外，在将芯片粘结安装在硅基板上的情况下，也通过硅基板产生寄生电容。

因此，MEMS话筒芯片作为图2的(b)所示那样的等效电路来表示。这里，电容部的电容以前述的C_m来表示，寄生电容109和110分别以C_P1和C_P2来表示。这里，寄生电容C_P1和C_P2由于电极的布线部等产生的电容而不振动，这两个电容上不产生电荷。也就是说，不产生因声音产生的起电电压。

与DC偏置电容话筒、驻极体电容话筒以及驻极体MEMS话筒相关，在上述讨论的对置配设的两电极上产生的电荷变化的研究至今为止未讨论过。

DC偏置电容话筒在1900年代初期，由E.C.Wente提出设计方案以来，成为将极化DC电压施加在其中一个电极上的基本结构/构造，因此，必然地一个电极会连接到接地线(接地电位)。因此，信号电荷会流过接地线，而没有进行利用两电极的信号电荷这样的研究。

在1960年代，G.M.Sessler对特氟隆(Teflon)(注册商标)薄膜进行极化，应用于电容话筒，作为驻极体电容话筒导入，今天广泛使用于移动电话等。在这样的驻极体电容话筒方面即便是小型化，也采用DC偏置电容话筒的基本结构/构造，此时通过其中一个电极连接到接地线(接地电位)，信号电荷会流过接地线，而没有进行利用两电极的信号电荷的研究。

从以上来看，本发明的第1实施方式的平衡信号输出型传感器其特征在于，能够有效地利用在电容部的两电极上产生的信号电荷。

另外，由于构成以往的驻极体电容传感器的电容部将作为对置电极的第1电极或者第2电极连接到接地线，因此只利用一个电极信号，信号利用率(效率)为50％。因此，通过形成第1电极不接地的结构以及第2电极不接地的结构，具有信号利用率为100％这样的效果。这也能够具有灵敏度大约成为2倍的效果。

另外，通过在第1电极或第2电极上形成驻极体膜，不需要在对各个电极提供电荷(电压)的连接线上连接各个电极，因此没有连接线的影响，因而具有从各个电极得到的信号可成为进一步互补的信号。

这里，将具有浮置构造的MEMS话筒作为信号源，考虑第1放大器201以及第2放大器202的平衡信号输出端子120、123的输出电压。这里，第1放大器以及第2放大器为反相型的电容耦合电荷放大器。

在第1放大器201以及第2放大器202中，反相输入端子212和221在与同相输入端子211和222之间，与通常的反相放大器一样产生虚拟短路。

通过该虚拟短路，反相输入端子212和221的输入阻抗为无限大，在反相输入端子上不流入电流。另外，通过上述虚拟短路，第2电极端子112被虚拟接地，第2放大器202不对第1放大器201带来影响。同样，第1电极端子111被虚拟接地，第1放大器201不对第2放大器202带来影响。

因此，第1电极101上的电极的电荷流入到反馈电容214和反馈电阻213，第2电极102上的电荷流入到反馈电容224和反馈电阻223。

将反馈电容214、224的电容值设为C_f，将反馈电阻213、223的电阻值设为R_f，根据上述的MEMS话筒的信号电荷、电容，平衡信号输出120和123如下表示。

平衡信号输出120：

- \frac{{+ Δ q_{1} \sin (ωt)}}{C_{f}} = - \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1} \sin (ωt)

平衡信号输出123：

- \frac{{- Δ q_{1} \sin (ωt)}}{C_{f}} = + \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1} \sin (ωt)

其中，Δq₁＝C_m1ΔV₁，C_m1＝C_m

，进而，由于形成能够以反馈电阻和反馈电容决定的低频截止滤波器，因此上式在高于以下所述的截止频率f_cut的频域成立。低频截止频率f_cut能够考虑MEMS话筒的使用频带来决定。

低频截止频率：

f_{cut} = \frac{1}{2 π C_{f} R_{f}} [Hz]

从上式可知，通过上述连接结构，两个平衡信号输出端子120和123能够得到与在平衡信号输出型传感器的对置的第1电极101和第2电极102上产生的互补的信号电荷对应的互补的信号(相位相反、大小相同的信号)。

如果对互补的信号进行平衡连接处理(减法运算处理)，则能够得到2倍大小的信号，并且，能够消除被同相输入到MEMS话筒的噪声。

另外，从上式可知，即使存在前述的寄生电容109和110，也会对信号的传输无感应。

接着，讨论在平衡信号输出端子上出现的噪音。

如前述那样，由于虚拟短路，第2放大器202不对第1放大器201带来影响。同样，第1放大器201不对第2放大器202带来影响。因此，在平衡信号输出端子120上出现的噪音主要因素为MEMS话筒的电容C_m1、第1放大器201的噪音、反馈电容C_f和反馈电阻R_f。另外，在平衡信号输出端子123上出现的噪音主要因素为MEMS话筒的电容C_m1、第2放大器202的噪音、反馈电容C_f和反馈电阻R_f，由于主要因素相同，因此噪音的大小相同。因此，

若设

平衡信号输出端子120上出现的噪声：V_N1

平衡信号输出端子123上出现的噪声：V_N1

，则

以往的将一个电极接地时的信噪比：

{(S / N)}_{1} = \frac{\frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1}}{V_{N 1}}

本发明的对信号进行平衡连接处理时的信噪比：

S / N = \frac{2 \cdot \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1}}{\sqrt{V_{N 1}^{2} + V_{N 1}^{2}}} = \sqrt{2} \frac{\frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1}}{V_{N 1}} = \sqrt{2} \cdot {(S / N)}_{1}

，信噪比也提高

倍(3dB)，能够提供质量更好的平衡信号。

根据上述结构，通过使用在MEMS话筒等电容部中的第1电极以及第2电极的两电极上生成的处于互补关系的信号，能够消除混入外来噪声，能够提供平衡信号输出型传感器。这里，能够消除噪声的理由是由于，在第1电极以及第2电极混入的噪声分别是同相位，因此通过对互补的信号进行减法运算处理而消除。

进而，通过能够有效利用上述处于互补关系的信号的连接结构，从而降低损耗，并且能够实现灵敏度的提高。

接着，说明本发明的第1实施方式的平衡信号型输出传感器有关的安装概观图。图3的(a)～(f)是本发明的第1实施方式的平衡信号输出型传感器有关的安装概观图。

图3的(a)表示平衡信号输出型传感器(模块)的俯视图，图3的(b)表示其右视图，图3的(c)表示其仰视图，图3的(d)表示其正视图，图3的(e)表示卸下了平衡信号输出型传感器(模块)的金属盖(cap)的状态的俯视图，图3的(f)表示平行信号输出型传感器(模块)的剖面图。另外，在图3中，表示电容部为一个的情况下的传感器安装状态。

如图3的(a)～(f)所示，平衡信号输出型传感器如下构成：在由印刷电路板301和金属盖302构成的容器300内，收纳了第1放大器201、第2放大器202、MEMS话筒(MEMS元件部303)。另外，第1放大器和MEMS话筒303的第1电极、以及第2放大器和MEMS话筒303的第2电极分别通过键合线313连接。另外，导入声音或压力的导入孔304设置在金属盖上。另外，在印刷电路板的与安装了第1放大器、第2放大器以及MEMS话筒的面相反侧的面上，形成第1放大器的平衡信号输出端子120、对第1放大器以及第2放大器提供电压的电压(电源)供给端子121、接地端子122以及第2放大器的平衡信号输出端子123，从而构成面安装端子构造。另外，印刷电路板301和金属盖302通过回流焊接等方式结合。

这里，导入孔304不一定必须设置在金属盖上，也可以设置在印刷电路板301。具体而言，可以通过对印刷电路板301进行孔加工而形成。在印刷电路板301设置的导入孔304方面，既可以在MEMS话筒的正上方配置导入孔304，从而使声音从MEMS话筒的正下方导入到MEMS话筒，也可以在未安装MEMS话筒的位置配置导入孔304，从而使声音从MEMS话筒的上方导入。但是，优选导入孔处于MEMS话筒的正下方，声音直接输入到MEMS话筒。

另外，在印刷电路板301的第1面上通过粘结材料粘结安装MEMS话筒芯片303、第1放大器201以及第2放大器202。另外，第1放大器201以及第2放大器202是分别具有输入端子、电源端子、输出端子以及接地端子的CMOS型高输入阻抗放大器。另外，输入端子以外的3个端子为与外部交换信号的端子，与在印刷电路板301的第2面形成的端子120～123连接。这里，第1放大器以及第2放大器优选分别通过IC构成。另外，端子120～123成为与外部的接口端子。另外，接地端子122通过印刷电路板301与金属盖302电连接，容器300为保护容器内部不受来自具有接地电位的外部的电磁型的噪声影响的屏蔽(shield)容器。

在MEMS话筒芯片303的大小为□2mm左右，第1以及第2放大器(IC)201、202作为□1mm左右而如图3那样进行了配置的情况下，能够构成其大小大致为8mm(W)×6mm(D)×1.3mm(H)的平衡信号输出型传感器。上述的数值还依赖于配置构造和芯片的大小，也可以成为更小的数值。

上述大小的8mm(W)与频率为10kHz的声波的波长λ＝34[mm]相比足够小，在10kHz左右之前，从导入孔304导入、由金属盖302和印刷电路板301构成的空腔(cavity)315内的声压为一定，施加到MEMS话筒芯片303的振动膜的声压也为一定。

接着，说明使用本发明的第1实施方式有关的平衡信号输出型传感器得到的信号的实验数据。

图4的(a)～(c)是说明在本发明的第1实施方式有关的平衡信号输出型传感器中，MEMS话筒芯片为一个的情况下的实际特性的图。这里，MEMS话筒芯片的电容C_m为7[pF]，反馈电容C_f为8[pF]，反馈电阻R_f为2[GΩ]，CMOS型高输入阻抗放大器使用通用件(TI公司，TLC2201)。

图4的(a)表示将横轴取为时间轴时的、从平衡信号输出端子120的输出信号A(平衡信号输出A)和从平衡信号输出端子123的输出信号B(平衡信号输出B)、以及对输出信号A和输出信号B进行了平衡连接处理后的信号C。这里，平衡连接处理是指，从输出信号A中减去输出信号B的减法运算处理。从图4的(a)可知，输出信号A和输出信号(B)是振幅相同、相位相反的信号。另外，信号C的振幅约为输出信号A以及B的振幅的2倍，可知得到了本发明的特性。这里，由于纵轴没有数值性的意义，因此省略说明。

图4的(b)表示话筒的灵敏度频率特性。从图4的(b)可知，输出信号A和输出信号B的灵敏度大致相同。另外，可知信号C的灵敏度大致为输出信号A和输出信号B的灵敏度的2倍(大6dB)。进行了平衡连接处理的信号为2倍(大6dB)，语音频带中的频率特性也成为大致相同的倾向。因此，从实验中也能理解得到了本发明的特性。

图4的(c)表示1000Hz左右的声波到达平衡信号输出型传感器时的、输出信号A和输出信号B以及信号C的灵敏度。从该实验结果也可知，信号C的灵敏度大致为输出信号A和输出信号B的灵敏度的2倍(大6dB)。

(第2实施方式)

以下，参照图5～图7详细说明本发明的第2实施方式。另外，在本发明中使用的材料、数值只是例示优选的例子，不限于该方式。另外，在不脱离本发明的思想的范围的范围内，可进行适当变更。进而除此之外，也可能进行与其它实施方式的组合等。另外，这里，平衡信号输出型传感器的电容部为MEMS元件部，特别作为具有驻极体的MEMS元件部来进行说明。另外，作为MEMS元件部的例子，以电容话筒(MEMS话筒)为例进行说明。MEMS元件部是指，使用半导体工艺形成的电容。以上的情况可以说对本发明通用。另外，在本发明的第2实施方式中，是关于使用多个电容部的情况下的方式的说明，特别说明电容部有两个的情况下的结构。

图5是本发明的第2实施方式中的平衡信号输出型传感器的等效电路图的概略图。

与在第1实施方式中说明的电容部为一个的情况相同，第2个电容部的第1电极101通过第1电极端子111连接到第1放大器201的反相输入端子212。同样地，第2个电容部的第2电极102通过第2电极端子112连接到第2放大器202的反相输入端子221。除此之外的其它结构、连接关系以及效果与第1实施方式中的图1的说明一样，因此省略说明。另外，与第1实施方式中的图2的(a)、(b)对应的说明，对第2实施方式也是同样的，因此省略说明。另外，在电容部为3～N个的情况下，与电容部为2个的情况相同，通过各个电极端子将3～N个电容部的第1电极连接到第1放大器201的反相输入端子212。另外，3～N个电容部的第2电极102通过各个电极端子连接到第2放大器202的反相输入端子221。关于电容部为3～N个的情况，通过设为这样的结构，从而能够进行与电容部为2个的情况同等的讨论。

接着，说明本发明的第2实施方式的平衡信号型输出传感器的安装概观图。图6的(a)～(f)是本发明的第2实施方式有关的平衡信号输出型传感器的安装概观图。

图6的(a)表示平衡信号输出型传感器(模块)的俯视图，图6的(b)表示其右视图，图6的(c)表示其仰视图，图6的(d)表示其正视图，图6的(e)表示卸下了平衡信号输出型传感器(模块)的金属盖(cap)的状态的俯视图，图6的(f)表示平行信号输出型传感器(模块)的剖面图(其中，在图6的(f)中，记载了2个放大器被投影)。另外，在图6中，表示电容部为两个的情况下的传感器安装状态。

与在第1实施方式中说明的电容部为一个的情况同样，通过收纳第1放大器201、第2放大器202、2个MEMS话筒303a、303b而构成。另外，第1放大器和两个MEMS话筒303a、303b的第1电极、以及第2放大器和MEMS话筒303的第2电极分别通过键合线313连接。另外，这里，两个MEMS话筒303a、303b的第1电极连接到同一第1放大器，两个MEMS话筒303a、303b的第2电极连接到同一第2放大器。因为从小型化的观点来看较理想。

另外，第1放大器以及第2放大器分别具有一个输出端子，第1放大器具有的输出端子被输出到处于印刷电路板的安装背面的第1放大器的平衡信号输出端子120，第2放大器具有的输出端子被输出到处于印刷电路板的安装背面的第2放大器的平衡信号输出端子123。因为在连接损耗方面较理想。

另外，其它的结构、连接关系以及效果与第1实施方式中的图3的说明一样，因此省略说明。另外，关于MEMS话筒(电容部)为3～N个的情况，也为同样的结构，从而能够进行与电容部为2个的情况同等的讨论。

接着，在本发明的第2实施方式的平衡信号型输出传感器中，将具有浮置构造的MEMS话筒作为信号源，考虑第1放大器201以及第2放大器202的平衡信号输出端子120、123的输出电压。这里，从MEMS话筒有2个的情况起扩展思路，考虑并联连接多个(N个)MEMS话筒的情况。

即使并联连接多个(N个)MEMS话筒，与第1实施方式(N＝1)中说明了的讨论相同的讨论也成立，因此，关于平衡信号输出如以下这样表示。

平衡信号输出端子120：

Σ_{i = 1}^{N} - \frac{{+ Δ q_{i} \sin (ωt)}}{C_{f}} = - Σ_{i = 1}^{N} \frac{C_{mi}}{C_{f}} Δ V_{i} \sin (ωt)

平衡信号输出端子123：

Σ_{i = 1}^{N} - \frac{{- Δ q_{i} \sin (ωt)}}{C_{f}} = + Σ_{i = 1}^{N} \frac{C_{mi}}{C_{f}} Δ V_{i} \sin (ωt)

进而，从MEMS话筒芯片的制造均匀性来看，为

Δq₁＝Δq₂＝…＝Δq_N

C_m1＝C_m2＝…＝C_mN＝C_m

ΔV₁＝ΔV₂＝…ΔV_N，

成为

平衡信号输出端子120：

- N \cdot \frac{{+ Δ q_{1} \sin (ωt)}}{C_{f}} = - N \cdot \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1} \sin (ωt)

平衡信号输出端子123：

+ N \cdot \frac{{+ Δ q_{1} \sin (ωt)}}{C_{f}} = + N \cdot \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1} \sin (ωt)

，作为进行了平衡连接处理的信号，能够得到2·N倍的优质的信号。

另外，信噪比也与N＝1同样，

在平衡信号输出端子120出现的噪音：

在平衡信号输出端子123出现的噪音：

与信号输出同样，为

V_N1＝V_N2＝…＝V_NN，

成为

在平衡信号输出端子120出现的噪音：

在平衡信号输出端子123出现的噪音：

，与以往的将一个电极接地的情况下的信噪比：

相比，本发明的对信号进行了平衡连接处理的情况下的信噪比为：

S / N = \frac{2 \cdot N \cdot \frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1}}{\sqrt{{(\sqrt{N} V_{N 1})}^{2} + {(\sqrt{N} V_{N 1})}^{2}}} = \sqrt{2 \cdot N} \frac{\frac{C_{m 1}}{C_{f}} Δ V_{1}}{V_{N 1}} = \sqrt{2 \cdot N} \cdot {(S / N)}_{1}

，在连接N个MEMS话筒芯片，并进行了平衡连接处理的情况下，信噪比也提高

倍，并能够提供质量更好的平衡信号。

另外，在连接多个的情况下，与N＝1的情况同样，能够将同相输入到平衡信号输出型传感器芯片(电容部)的噪声消除。

下面说明使用本发明的第2实施方式有关的平衡信号输出型传感器得到的信号的实验数据。

图7的(a)、(b)是说明在本发明的第2实施方式有关的平衡信号输出型传感器中，MEMS话筒芯片为一个的情况和为两个的情况下的实际特性的图。这里，MEMS话筒芯片的电容C_m为5[pF]，反馈电容C_f为8[pF]，反馈电阻R_f为2[GΩ]，在CMOS型高输入阻抗放大器上使用通用件(TI公司，TLC2201)。

图7的(a)表示话筒的灵敏度频率特性。图7的(a)中，输出信号A1表示MEMS话筒芯片为一个的情况下的来自平衡信号输出端子120的输出信号，输出信号B1表示MEMS话筒芯片为一个的情况下的来自平衡信号输出端子123的输出信号，输出信号A2表示MEMS话筒芯片为两个的情况下的来自平衡信号输出端子120的输出信号，输出信号B2表示MEMS话筒芯片为两个的情况下的来自平衡信号输出端子123的输出信号，C表示对输出信号A2和输出信号B2进行了平衡连接处理后的输出信号C。这里，平衡连接处理是指，进行将输出信号A2和输出信号B2相减的减法运算处理。

从图7的(a)可知，输出信号A1和输出信号B1的灵敏度大致相同。同样地，可知输出信号A2和输出信号B2的灵敏度大致相同。可知输出信号A1以及B1的灵敏度大致为输出信号A2以及B2的灵敏度的2倍(大6dB)。另外，可知信号C的灵敏度大致为输出信号A2以及输出信号B2的灵敏度的2倍(大6dB)。

图7的(b)表示在1000Hz左右的声波到达平衡信号输出型传感器时的、输出信号A1、输出信号B1、输出信号A2、输出信号B2、输出信号C的灵敏度。从该结果可知，可以说与图7的(a)同样。

由于将2个MEMS话筒芯片存放在容器中，因此与收纳一个MEMS话筒芯片的情况相比，作为更小型的MEMS话筒芯片来使用。因此，MEMS话筒(电容部)的电容C_m也变小。另一方面，由于2个MEMS话筒芯片是在同一晶片上制造出的芯片，因此，灵敏度之差为0.3dB以内的特性。

MEMS话筒芯片为一个的情况下的平衡输出信号A1以及B1分别为-52.1[dBV/Pa]、-52.2[dBV/Pa]，相对于此，MEMS话筒芯片为两个的情况下的平衡输出信号A2以及B2分别为46.2[dBV/Pa]、46.2[dBV/Pa]。因此，可知MEMS话筒为两个的情况下的芯片的灵敏度改善为上述的差异0.3dB以内。另外，从实验结果也可知，MEMS话筒芯片为两个的情况下(N＝2)的平衡连接处理后的信号为2·N倍(12dB)的特性。

另外，MEMS话筒芯片利用CMOS制造工艺而同时作成包含多个话筒芯片，因此特性为一样，灵敏度和电容均匀。因此，各个振动膜的位移为大致相同大小。另外，在将多个话筒芯片多连接使用的情况下，能够有效地消除噪声，并能够获得特性一致的输出。另外，在同一基板上连接多个MEMS话筒的情况下，不需要相互连接，能够提供没有连接损耗的优良的平衡信号输出型传感器。另外，不只是多个MEMS话筒，也可将第1放大器以及第2放大器集成在同一基板上，从而能够提供极其精细且没有连接损耗的优良的平衡信号输出型传感器。由上，如本发明的第2实施方式那样，通过搭载多个电容部(MEMS元件部)，具有能够提供具有上述那样的效果的平衡信号输出型传感器的效果。另外，并不是必须完全发挥上述效果，即使能发挥一个，也是十分有用的。

另外，能够将第1实施方式和第2实施方式的放大器1和2的功能作为一个IC来实现，同时也能够使其具有减法运算处理功能。

(变形例1)

以下，参照图8、图9说明本发明的变形例1的方式。

在第1实施方式以及第2实施方式中，使用了相互对置的面平滑的电极，但是也可以使用相互对置的面具有梳齿型的构造的电极。也就是说，也可以使用梳齿型的可动电极和梳齿型的固定电极相互对置的1对电容构造作为电容部。图8表示相互对置的面具有梳齿型的构造的电极对的剖面图。图9表示相互对置的面具有梳齿型的构造的电极对的立体图。

关于本发明的变形例1，与本发明的第1实施方式以及第2实施方式同样，第1电极以及第2电极分别连接输出到第1放大器以及第2放大器，并且均不接地。在本变形例1中，仅在作为可动电极的第1电极401和作为固定电极的第2电极402形成梳齿状方面，与第1以及第2实施方式不同。

通过上述结构，与没有梳齿时相比，具有能够增大电容的发生面积的效果。

(变形例2)

以下参照图10、图11说明本发明的变形例2的方式。

在变形例1中，使用梳齿型的可动电极和梳齿型的固定电极相互对置的1对电容构造作为电容部，但是如图10的剖面图、图11的立体图所示，在变形例2中，配置成在作为两面为梳齿型的可动电极的第1电极501的两面，作为梳齿型的固定电极的第2电极502a、502b相互对置。

关于本发明的变形例2，与本发明的第1实施方式以及第2实施方式同样，第1电极以及第2电极分别被连接输出到第1放大器以及第2放大器，并且均不接地。在本变形例2中，仅在配置成在作为两面为梳齿型的可动电极的第1电极501的两面，作为梳齿型的固定电极的第2电极502a、502b相互对置方面，与第1以及第2实施方式不同。

根据上述结构，通过使梳齿型电极为2对，从而与变形例1相比，具有能够使其产生2倍的电容变化量的效果。

(变形例3)

以下参照图12、图13说明本发明的变形例3的方式。

在变形例3中，构成4对电容部，2对电容部能够检测X方向的加速度，并且其它2对电容部Y能够检测方向的加速度。如图12的剖面图所示，在圆周上4分割而形成作为可动电极的第1电极601a至601d，其特征在于，与该第1电极的内侧对置地配置了第2电极602a至602d。另外，也可以是作为可动电极的第1电极成为第2电极的内侧的结构。

关于本发明的变形例3，与本发明的第1实施方式以及第2实施方式同样，第1电极以及第2电极分别被连接输出到第1放大器以及第2放大器，并且均不接地。在本变形例3中，仅在配置成构成4对电容部，2对电容部能够检测X方向的加速度，并且其它2对电容部能够检测Y方向的加速度方面，与第1以及第2实施方式不同。另外，在本发明的变形例3中，也可以如图13所示，在本实施方式中，作为可动电极的第1电极601a至601d和作为固定电极的第2电极602a至602d分别形成梳齿状而相互对置。另外，在图13那样的结构中，也可以是作为可动电极的第1电极成为第2电极的内侧的结构。

根据上述结构，能够构成检测X方向以及Y方向的变化量的加速度传感器。

另外，关于变形例1至3，优选在第1或者第2电极上设置了驻极体膜和电介质膜。另外，在本说明书中使用的平衡信号输出型传感器是指，使用1对信号线，其信号的大小相同，并且输出信号为反相位的所谓的平衡信号的传感器。

(第3实施方式)

接着说明本发明的第3实施方式。图14是表示本发明的实施方式中的数字信号输出传感器的连接结构的概略图。

该数字信号输出传感器由容器结构体705构成，在所述实施方式1中说明了的平衡信号输出传感器的第1放大器201的平衡信号输出端子120、第2放大器202的平衡信号输出端子123连接到模拟-数字变换器704的输入端子702以及701，模拟-数字变换器的输出被导入输出端子703。

模拟-数字变换器704、所述第1放大器201以及第2放大器202利用相同制造工艺技术，构成在1个芯片上，从而能够使所述电源供给端子121以及接地端子122共用。

另外，通过在1芯片上构成模拟-数字变换器704、所述第1放大器201以及第2放大器202，通过使模拟-数字变换器704、所述第1放大器201以及第2放大器201的共用电路、例如低电压发生电路为一个，能够成为低消耗功率以及减小芯片尺寸(size)，并能够提供更廉价的数字输出传感器。

使用驻极体MEMS话筒构成的数字信号输出传感器的模拟-数字变换器704优选为以高分辨率为特征的Δ∑调制器。

特别，通过使用时钟频率1M～4MHz、过采样率50～64倍、4阶的Δ∑调制器，从而能够以低消耗功率实现高信噪比。

数字信号输出传感器的输出端子703根据一定宽度的脉冲的密度，以表示波形的PDM(Pulse Density Modulation，脉冲密度调制)方式进行输出，通过外部的DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)，变换为音频接口格式、例如SPDIF格式。另外，通过将DSP取入到容器结构体705内，所述数字信号输出传感器的输出端子703也能够以音频接口格式、例如SPDIF格式输出。

如所述实施方式1说明那样，为了提高所述平衡信号输出端子120以及123的信噪比，通过对所述平衡信号输出端子120以及123和所述模拟-数字变换器704的输入端子702以及701进行连接，从而也能够提高数字信号输出传感器的信噪比，并且能够提供质量更好的数字输出信号。

如所述实施方式2以及实施方式3说明那样，在连接多个驻极体MEMS话筒的情况下，信噪比也进一步提高，因此能够提供质量更好的数字输出信号。

本申请基于2008年12月24日提出的日本专利申请2008-328492号，其内容在这里作为参照而被引用。

产业上的可利用性

本发明是能够有效使用平衡信号输出型传感器的对置电极的两极信号电荷，消除混入外来噪声的平衡信号输出型传感器，能够提供实现灵敏度以及信噪比的提高的传感器，是有用的。

Claims

1.平衡信号输出型传感器，具备：

电容部，其具备作为可动电极的第1电极以及与所述第1电极对置配置的第2电极；

第1放大器，其连接到所述第1电极，放大来自所述第1电极的信号；以及

第2放大器，其连接到所述第2电极，放大来自所述第2电极的信号。

2.如权利要求1所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

还具备容器，

所述电容部、所述第1放大器以及所述第2放大器收纳于所述容器内。

3.如权利要求2所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述容器由搭载所述电容部的基板和覆盖搭载了所述电容部的所述基板的盖体构成，

所述基板或所述盖体的其中一个具有用于将压力传递到所述电容部的导入孔。

4.如权利要求3所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述电容部、所述第1放大器以及所述第2放大器搭载于所述基板的第1面上，

所述第1放大器的输出端子、所述第2放大器的输出端子、电压供给端子和接地端子安装在所述基板的第2面上。

5.如权利要求4所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述盖体由金属构成，

所述接地端子通过所述基板与所述盖体电连接。

6.如权利要求1至5所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述电容部存在多个。

7.如权利要求6所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述存在多个的电容部的所述第1电极的信号分别连接到所述第1放大器的输入端子，

所述存在多个的电容部的所述第2电极的信号分别连接到所述第2放大器的输入端子。

8.如权利要求1至7任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

在所述第1电极中的所述第2电极侧的表面、或者在所述第2电极中的所述第1电极侧的表面具有电介质膜。

9.如权利要求8所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述电介质膜为驻极体膜。

10.如权利要求1至9任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述第1放大器以及所述第2放大器构成电容耦合型电荷放大器。

11.如权利要求1至10任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述第1放大器以及所述第2放大器由IC构成。

12.如权利要求1至11任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

来自所述第1放大器的输出信号和来自所述第2放大器的输出信号实质上为反相位。

13.如权利要求1至12任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述第1电极不接地。

14.如权利要求1至13任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述第2电极不接地。

15.如权利要求1至14任一项所述的平衡信号输出型传感器，其特征在于，

所述电容部为MEMS元件部。

16.数字信号输出传感器，使用了权利要求1至15所述的平衡信号输出型传感器，

其连接到将来自所述第1放大器的输出信号、来自所述第2放大器的输出信号进行模拟-数字变换的模拟-数字变换器，输出信号为数字信号。

17.如权利要求16所述的数字信号输出传感器，其特征在于，

所述第1放大器、所述第2放大器以及模拟-数字变换器形成在同一基板上。

18.如权利要求16至17所述的数字信号输出传感器，其特征在于，

模拟-数字变换器为Δ∑调制器。

19.如权利要求16至18所述的数字信号输出传感器，其特征在于，

数字输出信号为脉冲密度调制方式。

20.如权利要求19所述的数字信号输出传感器，

将所述记载的脉冲密度调制输出通过数字信号处理器进行音频接口格式变换而输出。