CN110603817A - 压电麦克风芯片及压电麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声压检测信号的灵敏度高且适合装配于封装的压电麦克风芯片及压电麦克风。在本发明的压电麦克风中，具备：1张薄板；隔板支撑构件，设置于薄板的一面，并由支撑薄板外缘的外缘支撑部及与外缘支撑部相互作用以将薄板分隔为多个隔板的分离支撑部构成；单个或多个压电转换部，在各隔板上，从各隔板侧依次层叠第1电极、压电体膜及第2电极而成；及信号检测电路，检测来自设置于多个隔板上的压电转换部的输出，并且将外缘支撑部的厚度t₁、分离支撑部的厚度t₂、薄板(10)的厚度td的关系设为13.3×td＜t₂＜t₁‑20μm。

Description

压电麦克风芯片及压电麦克风

技术领域

本发明涉及一种将压电元件作为传感器而具备的压电麦克风芯片及具备该芯片的压电麦克风，尤其，涉及一种使用半导体集成电路制作技术而制作的微电机系统(MEMS：Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)压电麦克风芯片及压电麦克风。

背景技术

近年来，要求一种小型且高SN比的麦克风，作为对此的解決方案而MEMS麦克风受到关注。其中，利用了压电效果的MEMS压电麦克风由于不需要驱动偏压且位移的动态范围广等，因此期待广泛应用于现有的静电型压电麦克风。

作为用以MEMS压电麦克风的声压检测的现有结构，可以举出隔板结构。现有的麦克风由单个隔板结构和该隔板结构上的压电元件构成，单个隔板结构由一个型腔和包覆其上方的振动膜构成。具备单个隔板结构的麦克风芯片配置于封装内而成。由于是单个隔板结构，因此共振频率及灵敏度等元件参数由振动膜的厚度、隔板的尺寸及形状来决定，自由度少。因此，无法应对进一步的灵敏度需求。

另一方面，作为用作超声波换能器的压电传感器，已知有一种具备压电元件组的压电传感器，所述压电元件组在配置成阵列状的多个隔板结构上分别具备压电元件，以生成超声波图像(日本专利公开2013-005137号公报、日本专利公开2012-253405号公报等)。在日本专利公开2013-005137号公报及日本专利公开2012-253405号公报中提出有如下结构：将压电元件组中的多个压电元件串联连接，并将检测信号相加以提高接收灵敏度。

发明内容

发明要解决的技术课题

在检测人类可听区域的声波的麦克风和在超声波图像诊断的探针等中所使用的超声波换能器中，检测灵敏度、封装的大小等所要求的规格不同。对麦克风要求进一步小型化，需要提高从每一元件面积的声压到电信号的转换效率。并且，作为MEMS压电麦克风芯片，要求灵敏度不会因装配于封装而降低，而且要求容易包装。

本发明的目的在于提供一种声压检测信号的灵敏度高且适合装配于封装的压电麦克风芯片及具备该压电麦克风芯片的压电麦克风。

用于解决技术课题的手段

本发明的压电麦克风芯片具备：1张薄板；

隔板支撑构件，设置于薄板的一面，并由支撑薄板外缘的外缘支撑部及与外缘支撑部相互作用以将薄板分隔为多个隔板的分离支撑部构成；单个或多个压电转换部，在各隔板上，从各隔板侧依次层叠第1电极、压电体膜及第2电极而成；及信号检测电路，检测来自设置于多个隔板上的压电转换部的输出，外缘支撑部的厚度t₁、分离支撑部的厚度t₂、薄板的厚度td的关系为13.3×td＜t₂＜t₁-20μm。

本发明的压电麦克风芯片优选为，信号检测电路将多个压电转换部的各压电转换部的电压输出相加而进行检测。

在本发明的压电麦克风芯片中，优选在多个压电转换部中的至少两个压电转换部的电压输出为相同相位的情况下，信号检测电路具有将两个压电转换部中的一个第2电极和另一个第1电极进行电连接的导线，由此两个压电转换部的电压输出相加。

在本发明的压电麦克风芯片中，优选在多个压电转换部中的至少两个压电转换部的电压输出为相反相位的情况下，信号检测电路具有将两个压电转换部中的一个第1电极和另一个第1电极进行电连接的导线，由此将两个压电转换部的电压输出相加。

本发明的压电麦克风芯片优选为，压电体膜由以

Pb(Zr_y，Ti_z，Nb_1-y-z)O₃，0.06＜1-y-z＜0.14

来表示的钙钛矿型氧化物构成。

在此，Pb通常是由ABO₃表示的钙钛矿结构中的A位元素，Zr，Ti，Nb是B位元素。Pb：(Zr_y，Ti_z，Nb_1-y-z)：O的标准摩尔比为1：1：3，但在可获得钙钛矿结构的范围内可以偏离。

本发明的压电麦克风，具备：封装，具备一个进音孔；及

本发明的压电麦克风芯片，配置于封装内，

压电麦克风芯片配置于由外缘支撑部包围进音孔的位置。

发明效果

本发明的压电麦克风芯片，具备：1张薄板；隔板支撑构件，设置于薄板的一面，并由支撑薄板外缘的外缘支撑部及与外缘支撑部相互作用以将薄板分隔为多个隔板的分离支撑部构成；单个或多个压电转换部，在各隔板上，从各隔板侧依次层叠第1电极、压电体膜及第2电极而成；及信号检测电路，检测来自设置于多个隔板上的压电转换部的输出。能够使用来自多个隔板所具备的多个压电转换部的信号进行声压的检测，因此能够提高S/N。并且，在隔板支撑构件中，外缘支撑部的厚度t₁、分离支撑部的厚度t₂、薄板的厚度td的关系为13.3×td＜t₂＜t₁-20μm。因此，在封装的小直径的进音孔的正上方装配麦克风芯片时，不会产生因对准的稍微偏离而导致后型腔堵塞等问题。从而，根据本发明的压电麦克风芯片的结构，不会导致灵敏度降低，而能够以高产率制造麦克风。

附图说明

图1A是第1实施方式中的压电麦克风芯片的俯视图。

图1B是第1实施方式中的压电麦克风芯片的剖视图(图1A中的A-B线剖视图)。

图1C是第1实施方式中的压电麦克风芯片的仰视图。

图2是表示压电转换部中的压电转换输出的概念图的图。

图3A是用以说明将多个压电转换部的电压输出相加时的电极连接方法的一例的图。

图3B是用以说明将多个压电转换部的电压输出相加时的电极连接方法的另一例的图。

图4是示意性地表示多个压电转换部的电极连接结构的图。

图5是表示具备压电麦克风芯片的麦克风的概略结构的剖视图。

图6是用以说明本发明的效果的图。

图7A是表示第2实施方式中的压电麦克风芯片的压电转换元件侧的立体图。

图7B是第2实施方式中的压电麦克风芯片的剖视图(图7A中的C-D线剖视图)。

图7C是表示第2实施方式中的压电麦克风芯片的隔板支撑构件侧的立体图。

图8是表示在第2实施方式的图7A的麦克风芯片的一个隔板上所具备的多个压电转换部的电极连接结构的俯视图。

图9是表示第2实施方式的麦克风芯片的压电转换部的制作工序的图，表示图8的E-F线剖面。

图10是表示第2实施方式的麦克风芯片的隔板结构的制作工序的图，仅示出图7A的C-D线剖面中的隔板结构侧。

图11是表示实施例及比较例的压电麦克风芯片的隔板及压电转换部的尺寸定义的图。

图12是表示在实施例3、4的压电麦克风芯片的一个隔板上所具备的多个压电转换部的电极连接结构的俯视图。

图13是示意性地表示图12的压电转换部的电极连接结构的图。

图14是表示在实施例3、4的压电麦克风芯片的多个隔板上所具备的多个压电转换部的电极连接结构的俯视图。

图15是示意性地表示图14的压电转换部的电极连接结构的图。

图16是表示相对于隔板厚度的分离支撑部厚度之比与共振频率的关系的图。

图17是表示相对于隔板厚度的分离支撑部厚度之比与共振频率的关系的图。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的压电麦克风芯片及压电麦克风的实施方式进行说明。本发明的压电麦克风芯片是MEMS器件。

图1A是本发明的第1实施方式的压电麦克风芯片1的俯视图。图1B是图1A所示的压电麦克风芯片1的A-B线剖视图。而且，图1C是图1A所示的压电麦克风芯片1的仰视图。

如图1A、1B及1C所示，压电麦克风芯片1具备：1张薄板10；隔板支撑构件20，设置于薄板10的一面，并由支撑薄板10的外缘的外缘支撑部22及与外缘支撑部22相互作用以将薄板10分隔为多个隔板(振动板)11的分离支撑部24构成；及单个或多个压电转换部30，在各隔板11上，从各隔板11侧依次层叠第1电极32、压电体膜34及第2电极36而成。以下，将由隔板11和对其进行支撑的支撑部22和/或24构成的结构称为隔板结构12。

在此，在隔板支撑构件20中，外缘支撑部22的厚度t₁、分离支撑部24的厚度t₂、薄板10(隔板11)的厚度td的关系为

13.3×td＜t₂＜t₁-20μm。

该压电麦克风芯片1具有从1张硅基板的背面通过蚀刻而一次形成的多个隔板结构12。从而，分隔为多个隔板11的薄板10和支撑构件20由1张硅基板形成为一体。设置于各隔板11上的压电转换部30通过压电效果而输出与声压(压力)对应的电压信号。在本实施方式中具备四个隔板结构12，但是一个芯片所具备的隔板结构12的数量并不受限制。该压电麦克风芯片1具有各隔板结构12中的背面型腔26和与所有隔板结构12共用的共用型腔部28。通过具有体积大的共用型腔部28，能够减小空气弹簧成分的影响，并能够提高灵敏度。

如图2中示意性地表示，压电转换部30具有在第1电极32及第2电极36中夹持有压电体膜34的结构。通过对压电体膜34施加压力而生成的电荷作为第1电极32及第2电极36之间的电压输出信号Vout而输出。通过如此进行串联连接而能够将由压电效果所产生的电荷转换为高电压，因此作为换能器而获得高灵敏度。

在本实施方式中示出在一个隔板11上具备一个压电转换部30，但是在一个隔板11上可以具备多个压电转换部。

压电麦克风芯片1具备检测来自设置于多个隔板11上的压电转换部30的输出的未图示的信号检测电路。信号检测电路构成为，使用压电麦克风芯片1所具备的所有压电转换部30的输出来检测施加于压电麦克风芯片1的声压。该信号检测电路具有串联连接压电转换部30的配线，用以将来自多个压电转换部30的输出相加而进行检测。

通过具备多个隔板结构，相对于现有的单个隔板结构更能够提高每一元件面积的输出能量。因此，能够提高对声压的灵敏度。

参考图3A及图3B，对压电转换部30的连接方式的例子进行说明。

如图3A所示，在两个压电转换部30a、30b的输出为相同相位的情况下，通过导线将一个压电转换部30a的第2电极36a与另一个压电转换部30b的第1电极32b电连接。两个压电转换部30a、30b的输出为相同相位例如是如下情况：若受到压力，则均在内部产生拉伸应力，有时第1电极32a、32b成为正极，第2电极36a、36b成为负极。该情况下，两个压电转换部30a、30b通过上述电极连接而串联连接。而且，一个压电转换部30a的第1电极32a与另一个压电转换部30b的第2电极36b之间的电位差V1-V2成为相加的输出电压。

另一方面，如图3B所示，在两个压电转换部30a、30b的输出为相反相位的情况下，例如通过导线将一个压电转换部30a的第1电极32a与另一个压电转换部30b的第1电极32b电连接。两个压电转换部30a、30b的输出为相反相位例如是如下情况：若两个压电转换部30a、30b受到压力，则一个在内部产生拉伸应力，第1电极32a成为正极且第2电极36a成为负极，另一个在内部产生压缩应力，第1电极32b成为负极且第2电极36b成为正极。该情况下，两个压电转换部30a、30b通过上述电极连接而串联连接。而且，一个压电转换部30a的第2电极36a与另一个压电转换部30b的第2电极36b之间的电位差V1-V2成为相加的输出电压。

上述中对串联连接两个压电转换部的方法进行了说明，但是关于三个以上的压电转换部，也能够以相同的方式进行串联连接。通过串联连接，将多个压电转换部的输出相加。由此，能够增大信号强度。因此，能够提高S/N。

另一方面，也能够连接多个压电转换部以检测信号。在并联连接的情况下，信号强度降低，由于输出容量增大，因此能够减小噪声。因此，其结果，能够提高S/N。

另外，在串联连接压电转换部的情况下，随着串联连接的压电转换部的数量的增加而信号强度增大。然而，由于输出容量减小，因此噪声增加。从而，尤其优选为，作为信号检测电路，将串联连接和并联连接进行组合，以设为适当的输出容量和信号强度。图4示出将串联连接及并联连接进行组合而连接了多个压电转换部30a～30h的例子。图4是将并联的两个压电转换部进行串联连接的方式，其串联连接的端部之间的电压V2-V1成为输出电压。

对压电转换部30的结构进行说明。

作为第1电极32的主要成分并不受特别限制，可以举出Au、Pt、Ir、IrO₂、RuO₂、LaNiO₃及SrRuO₃等金属或金属氧化物及它们的组合。

作为第2电极36的主要成分并不受特别限制，可以举出由第1电极32例示出的材料、Al、Ti、Ta、Cr及Cu等通常使用于半导体工艺中的电极材料及它们的组合。

作为压电体膜34并不受特别限制，能够适当地使用由下述通式(P)表示的一种或多种钙钛矿型氧化物。

通式ABO₃……(P)

(式中，A：A位元素，包括Pb的至少一种元素，B：B位元素，选自包括Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe、Ni及镧系元素的组中的至少一种元素，O：氧原子。A：B：O的标准摩尔比为1：1：3，该摩尔比可以在可获得钙钛矿结构的范围内偏离。)

尤其，优选由Pb(Zr_y，Ti_z，Nb_1-y-z)O₃，0＜y＜1，0＜z＜1表示的所谓的PZT(leadzirconate titanate：锆钛酸铅)、或称为Nb-PZT(Nb doped lead zirconate titanate：掺杂Nb的锆酸铅)的钙钛矿型氧化物。尤其，在Pb(Zr_y，Ti_z，Nb_1-y-z)O₃中，优选为0.06＜1-y-z＜0.14即Nb/(Zr+Ti+Nb)摩尔比大于0.06且小于0.14的Nb-PZT。

上述Nb-PZT若通过基于溅射法等气相沉积法的成膜而形成，则能够得到在刚成膜之后的状态下进行了极化的状态的膜。因此在成膜之后，不需要极化处理，因此优选。

第1电极32和第2电极36的厚度并不受特别限制，例如是200nm左右。若压电体膜34的膜厚为10mμm以下，则并不受特别限制，通常是1μm以上，例如是1～5μm。

图5是具备上述压电麦克风芯片1(以下，称为芯片1。)的压电麦克风100。图5中简化示出芯片1的结构。

压电麦克风100在具备进音孔111的封装110内具备芯片1。在封装110内还包括连接于信号检测电路的信号放大用放大器102等。MEMS麦克风中的进音孔111通常是直径为从0.25mm至1mm左右的圆形。

作为压电麦克风，进音孔111可以是单个，或者也可以是多个，但本发明的麦克风芯片只有一个进音孔111，在比形成有多个隔板的区域(隔板阵列区域)足够小的情况下效果高。例如，若将隔板阵列区域的大小设为La，将各隔板的大小设为Ld，则在进音孔的直径为La-Ld以下的情况下，若产生距离＝Ld/2的位置偏离，则有可能导致一个以上的型腔堵塞。从而，在进音孔的直径为La-Ld以下的情况下，可以说本发明的效果大。在此，隔板阵列区域的大小是指，在隔板阵列区域为矩形的情况下为长边，在圆形的情况下为直径，在五边形以上的多边形及其他形状中为最大长度。同样地，隔板的大小是指，在隔板为矩形的情况下为长边，在圆形的情况下为直径，在五边形以上的多边形及其他形状中为最大长度。

芯片1在具有封装110的进音孔111的底座112的、外缘支撑部22包围进音孔111的位置，使用粘结剂104而被卡口。信号放大用放大器102也在底座112上通过粘结剂104而被卡口，芯片1的信号检测电路和信号放大用放大器102由接合线106电连接。封装110由底座112和覆盖在底座112上被卡口的芯片1等的金属盖114来密封。

通常的麦克风封装的进音孔尺寸为小型，其直径为0.5mm左右。参考图6，对具有阵列状隔板结构的芯片装配于封装的情况下可能产生的问题点及基于本发明的麦克风芯片的效果进行说明。

作为比较例，对分隔多个隔板的分离支撑部124具有与外缘支撑部122相同的厚度的芯片121进行研究，作为本发明，对图1A～图1C所示的第1实施方式的芯片1进行研究。

比较例的芯片121相对于进音孔111芯片配置在正确的卡口位置上的情况下(图6中图案P3)，没有特别的问题，能够获得具备多个隔板结构的效果。另一方面，在产生芯片121的卡口位置偏离的情况下(图6中图案P4)，导致一部分型腔126a通过分离支撑部124和底座112而被堵塞。因此，声压Sp不会进入型腔126a，有可能产生声压检测功能不起作用的情况。此时，仅通过芯片121的多个隔板中的一部分进行声压检测，因此信号强度降低，导致S/N减小。如此，在分离支撑部124与外缘支撑部122为相同长度的情况下，隔板的阵列数量n增加，若每个背面型腔为小型化，则导致有些型腔因几十μm左右的稍微的对准偏离而也堵塞。

相对于此，本发明的实施方式所涉及的芯片1即使在产生了位置偏离的情况下(图6中图案P2)，也与配置在正确的卡口位置上的情况(图6中图案P1)同样地，能够以相同的方式获得具备多个隔板的效果。并且，如上所述，与共用后型腔的效果相比，能够获得更进一步提高灵敏度的效果。分离支撑部24的厚度形成为比外缘支撑部22至少小20μm，作为从底座112的表面至分离支撑部24的下端的高度h，至少确保20μm。从而，来自进音孔111的声压Sp经过共用型腔部28之后，均等地施加于背面型腔26a、26b。

如此，根据本发明的芯片1，能够防止由卡口位置偏离引起的型腔的堵塞。而且，由于不要求高对准精度，因此能够以高产率制造麦克风。

图7A是表示本发明的第2实施方式的压电麦克风芯片2的表面的立体图。图7B是图1A所示的压电麦克风芯片2的C-D线剖视图。而且，图7C是表示图7A所示的压电麦克风芯片2的背面的立体图。在图7A～图7C中，对与第1实施方式的压电麦克风芯片1相同的构成要件标注相同的符号，并省略详细说明。

压电麦克风芯片2的隔板结构12的结构与第1压电麦克风芯片1相同。在一个隔板11上具备多个压电转换部30这一点上，与第1压电麦克风芯片1不同。如图7A所示，该压电麦克风芯片2在一个隔板11上具备五个压电转换部30。

图8中示出一个隔板11上的五个压电转换部30的电极连接结构。在图8中，为了区分一个隔板11上的压电转换部而分别设为30a～30e。同样地，在各压电转换部的第1电极及第2电极上的末尾标注a～e而进行区分。另外，在不需要区分各压电转换部的情况下，仅标记为“压电转换部30”等。

如图8所示，压电转换部30a～30e被串联连接。压电转换部30a的第1电极32a与压电转换部30b的第2电极36b连接，压电转换部30b的第1电极32b与压电转换部30c的第2电极36c连接，依次连接有压电转换部30d、30e。如此，通过将一个隔板11上所具备的五个压电转换部30a～30e的输出相加而能够增大信号强度。

参考图9，对压电麦克风芯片2的制作方法的一例进行说明。图9是表示图8的EF线剖面上的制造工序的图。

在构成隔板结构的部分中使用具备处理层14、盒层15及器件层16的SOI基板19。SOI基板19在两个表面具备氧化膜17、18。

在SOI基板19的表面的氧化膜17上，通过溅射法依次成膜第1电极32、压电体膜34。之后，图案成膜第2电极36(S1)。作为图案化方法，使用剥离法、湿式蚀刻法等即可。

接着，通过干式蚀刻等方法，将压电体膜34及第1电极32进行图案蚀刻(S2)。

接着，图案形成绝缘膜38，图案形成连接电极39(S3)。

最后，从SOI基板19的背面对处理层14进行深度蚀刻(Deep RIE)而制作隔板结构(S4)。隔板结构由振动板11和支撑构件20构成。

参考图10对隔板结构的制作工序(S4)的详细内容进行说明。

图10示出压电麦克风芯片2的图7B所示剖面中的制造工序。图10中省略了SOI基板表面的压电转换部。

首先，进行SOI基板19的背面的氧化膜18的图案化。此时，仅将成为外缘支撑部的部分进行图案化，以残留氧化膜18(S4-1)。

之后，在成为SOI基板19背面的外缘支撑部及成为分离支撑部的部分形成光致抗蚀剂40(S4-2)。

将光致抗蚀剂40作为掩膜，对由Si构成的处理层14进行深度蚀刻(S4-3)。

之后，去除光致抗蚀剂40(S4-4)，将氧化膜作为掩膜对成为分离支撑部的部分的处理层14进行深度蚀刻(S4-5)。而且，通过对盒层15进行干式蚀刻而形成分离支撑部24(S4-6)。如此，通过进行两个阶段的蚀刻，能够得到具有外缘支撑部22的厚度t₁、分离支撑部24的厚度t₂这两种厚度的隔板支撑构件。

另外，在具备直径为0.5mm的进音孔的封装底座上，使用粘结剂对如上所述制作出的麦克风芯片2进行卡口，并通过信号放大放大器和引线接合进行连接之后，由金属盖来密封。由此，能够制作图5所示的麦克风。

实施例

以下，例举实施例及比较例，对本发明进行更详细的说明。

制作出实施例1～4及比较例1～3的麦克风。

图11中示出实施例及比较例的压电麦克风芯片中的一个隔板的尺寸及设置于一个隔板上的多个压电转换部(第2电极)的尺寸的定义。在此，具备设置于中央部的压电转换部a₂和设置于其周围的四个外侧压电转换部a₁₁～a₁₄。

将隔板51的x方向长度设为Ld_x，将y方向长度设为Ld_y。将朝向中央的压电转换部a₂的x方向长度设为Lin_x，将y方向长度设为Lin_y。另外，在各例中，压电转换部a₂的区域进而分割为四个，作为四个压电转换部而发挥功能。

在设置于周围的压电转换部a₁₁～a₁₄中，对置的两个压电转换部a₁₁和a₁₃、及a₁₂和a₁₄具有对称的形状。其中，将沿x方向延伸的压电转换部a₁₁、a₁₃的沿x方向延伸的长边的长度设为W_1x，将沿x方向延伸的短边的长度设为W_2x，将y方向的宽度设为H_x。并且，将沿y方向延伸的压电转换部a₁₂、a₁₄的沿y方向延伸的长边的长度设为W_1y，将沿y方向延伸的短边的长度设为W_2y，将x方向的宽度设为H_y。

各例的麦克风芯片的制作方法基于所述制作工序。在此，在SOI基板的表面上，通过溅射法在基板温度350℃下形成30nm的Ti膜作为密合层，之后，形成了150nm的Ir电极作为第1电极。之后，在第1电极上，使用RF溅射装置以tp(μm)的厚度形成了PZT膜。成膜气体使用了97.5％Ar+2.5％O₂的混合气体，作为靶材料而使用了Pb_1.3((Zr_0.52Ti_0.48)_0.88Nb_0.10)O₃的组合的靶材料。成膜压力设为2.2mTorr，成膜温度约设为600℃。

将SOI基板的背面进行蚀刻而形成了隔板结构。形成隔板的区域(隔板阵列区域)在所有例子中共用，设为2mm×2mm。将隔板结构的外缘支撑部的厚度设为t₁(μm)，将分离支撑部的厚度设为t₂(μm)，将隔板的厚度设为td(μm)。

在具备直径为0.5mm的进音孔的底座上，使用粘结剂对如上所述制作出的各例的麦克风芯片分别进行卡口，在通过信号放大放大器和引线接合而连接之后，由金属盖来密封。由此，设为各例的麦克风。

关于实施例1～4及比较例1～3的各尺寸如表1、表2所示。

另外，表1中的隔板数量是设置于隔板阵列区域内的隔板结构的数量。并且，表2中的串联连接数量是设置于隔板阵列区域上的所有压电转换部的总数。

[表1]

[表2]

图12及图13中示出比较例1的麦克风芯片上的电极连接状态及等效电路。比较例1具有单个隔板51，在该隔板51上，在外侧配置有压电转换部a₁₁～a₁₄，在内侧配置有压电转换部a₂₁～a₂₄。在外侧的压电转换部a₁₁～a₁₄和内侧的压电转换部a₂₁～a₂₄中，通过声压的入射而分别产生反极性电压。通过关于图3A及图3B已说明的串联连接方法，各压电转换部的电极彼此之间连接，以使所有压电转换部a₁₁～a₁₄及a₂₁～a₂₄的产生电压相加。

图14及图15中示出实施例2、3及比较例2、3的麦克风芯片上的电极连接状态及透射电路。图14所示的麦克风在隔板阵列区域内具有四个隔板51a～51d，在各隔板51a～51d上，分别在外侧配置有四个压电转换部，在内侧配置有四个压电转换部。芯片内具备共计64个压电转换部，全部以与上述相同的方式串联连接。

若声压从进音孔入射，则在Pad-1与Pad-2之间产生在所有压电转换部中产生的电压相加的检测电压。由后级的信号放大用放大器来放大该检测电压，并用作传感器信号。

另外，Pad-3是在压电体膜的极化处理时用以用作接地电位的电极。关于实施例1～4及比较例1～3，通过溅射法形成了添加Nb的PZT膜，因此自行兼具极化，虽然不需要极化处理，但是为了与后述比较例4的比较，为方便起见而准备。

S/N测定如下进行。

将麦克风的输出端子连接到构成放大率为10倍的非反向放大电路的运算放大器的正极侧输入端。通过阻抗分析仪而读取了从运算放大器的输出端子输出的电压信号V_out频率特性。

通过阻抗分析仪而读取由频率为1kHz、声压为1Pa(声压级＝94dB)的单一正弦波构成的声波入射于麦克风时的1kHz的电压振幅值V_{out_s}，并由下式求出信号S[dB]。

S＝20×log₁₀(V_{out_s})

将通过阻抗分析仪读取了在静音环境下从输出端子输出的电压信号的频率特性的值设为V_out(f)，并由下式计算出噪声N[dB]。

[数式1]

N＝20×log₁₀(V_{out_noise})

在此，f₁＝100Hz，f₂＝20kHz，A(f)是声音A特性的权重。

例如将白噪声驱动信号输入到麦克风的输出端子，并通过激光多普勒测定而观察隔板部的振动，由此确定了共振频率fr[kHz]。

表2中示出通过上述测定而得到的S/N、共振频率fr。

由比较例1与实施例1～4的比较得到了如下结果：隔板数量越增加，作为麦克风的S/N越提高。可以认为其理由是：通过设为多个隔板结构而能够降低每个隔板的弹性顺应性，声电能量转换效率提高。

与其他构成条件相同的实施例2、3相比，分离支撑部的厚度与外缘支撑部相同的比较例2的S/N低。其理由是，比较例2的麦克风在封装内装配了麦克风芯片时，相对于进音孔的芯片的对准偏离，从而四个隔板的背面型腔中的两个被堵塞。相对于此，在实施例2、3的麦克风中，分离支撑部比外缘支撑部短(薄)，并且不产生背面型腔堵塞，因此得到了高S/N。

通常的麦克风封装的进音孔尺寸为小型，其直径为0.5mm左右。因此，若隔板的阵列数量增加、且每个背面型腔为小型化，则导致有些型腔因几十μm左右的稍微的对准偏离而堵塞。在此，将如本发明的实施例的分离支撑部设为比外缘支撑部短的结构，由此即使在设为多隔板结构的情况下，也能够防止由卡口位置偏离引起的型腔堵塞，而且能够确保灵敏度。

在此，对关于分离支撑部的厚度t₂的适当范围经过研究的结果进行说明。

在t₂过大的情况下，装配后各隔板背面的型腔彼此的连结变得不充分，因此导致型腔内的空气作为硬弹簧而发挥功能，阻碍隔板的位移以降低灵敏度。相反地，在t₂过小的情况下，接近于隔板厚度，作为保持各隔板的框架的功能降低。由此，导致所有隔板成为一体而振动。若所有隔板成为一体而振动，则引起共振频率的降低，无法实现如同设计麦克风。在图16中，关于隔板的厚度td为1.5μm、3μm的情况，绘制出分离支撑部的厚度t₂与隔板的厚度td的之比t₂/td、和通过有限元法计算出隔板的一次共振频率的关系的结果。在图16中，纵轴是在t₂比td足够厚且可靠地作为帧而发挥功能的情况下，以共振频率经过标准化的共振频率。以相同的方法进行了将分离支撑部的宽度增大3倍的模拟的结果，得到了大致相同的趋势。

根据图16所示曲线图可知，通过满足t₂≥13.3×td，将共振频率的降低抑制在5％以内。即使在2.0mm以下的范围内改变一个隔板的尺寸Ld，该趋势也未改变(参考图17)。另外，通常MEMS麦克风的芯片尺寸在1mm×1mm～2mm×2mm的范围内，因此Ld不会超过2.0mm。

表3中示出求出通过有限元法而改变了Ld、td、t₂的情况下的相对于隔板厚度td的分离支撑部的厚度t₂之比t₂/td及标准化共振频率的结果。另外，图17是绘制出表3的结果的曲线图。

[表3]

另外，如上述比较例3，在t₂与t₁之差小于20μm的情况下，导致型腔之间的连结部变窄，阻抗增加，输出电压变小。从而，得出如下结论：分离支撑部的厚度在满足13.3×td≤t₂≤t₁-20μm的范围内是适当的。

＜关于压电体膜的验证＞

作为实施例5、6及7，制作出与上述实施例2为相同的结构、且仅改变了压电体膜的组成的麦克风芯片，并分别设为组装到封装的麦克风。关于PZT中的Nb添加量，在实施例5中设为6％，在实施例6中设为14％，在实施例7中设为0％(未添加)。

关于各麦克风，共振频率、S/N的测定设为与上述情况相同。测定结果在表4中示出。

在此，也测定由对PZT膜有无进行极化处理引起的S/N的变化。将图14及图15所示的Pad-3作为接地电位，对Pad-1及Pad-2施加负极化电压Vp，从而实施了极化处理。极化处理的电压设为-20V及-50V这两种，施加时间设为5分钟。

[表4]

未添加Nb的实施例7的麦克风在不进行极化处理的状态下S/N非常小，为了得到实用级别的S/N而需要-50V的极化电压。通常的PZT薄膜的极化电压，-20V左右的施加电压就足够。然而，在多个压电转换部串联连接的情况下，如图15所示，即使在Pad-1及Pad-2与Pad-3之间施加用以极化处理的极化电压Vp，也成为对各压电体膜仅以串联连接数量进行了分压的施加电压。因此，无法施加足够的极化电压。

相对于此，在6～14％的范围内使用了添加Nb的PZT的麦克风即使不进行极化处理，S/N也高，而且由有无极化引起的S/N的变化非常小。很明确，在添加Nb的PZT中，刚成膜之后极化方向在一个方向上对齐，因此不需要极化处理，即使增大串联连接数量，也可以得到高的输出电压。

符号说明

1-第1压电麦克风芯片，2-第2压电麦克风芯片，10-薄板，11-隔板，12-隔板结构，14-处理层，15-盒层，16-器件层，17-氧化膜，18-氧化膜，19-SOI基板，20-隔板支撑构件，22-外缘支撑部，24-分离支撑部，26、26a、26b-背面型腔，28-共用型腔部，30、30a～30h-压电转换部，32、32a、32b-第1电极，34-压电体膜，36、36a、36b-第2电极，38-绝缘膜，39-连接电极，40-光致抗蚀剂，51、51a～51d-隔板，100-压电麦克风，102-信号放大用放大器，104-粘结剂，106-接合线，110-封装，111-进音孔，112-底座，114-金属盖，121-芯片，122-外缘支撑部，124-分离支撑部，126a-型腔。

Claims (6)

1.一种压电麦克风芯片，其具备：

1张薄板；

隔板支撑构件，其设置于该薄板的一面，该隔板支撑构件由支撑该薄板的外缘的外缘支撑部以及与该外缘支撑部相互作用而将所述薄板分隔为多个隔板的分离支撑部构成；

单个或多个压电转换部，该单个或多个压电转换部是通过在所述各隔板上从该各隔板侧起依次层叠第1电极、压电体膜以及第2电极而形成的；以及

信号检测电路，其检测来自设置于所述多个隔板上的所述压电转换部的输出，

所述外缘支撑部的厚度t₁、所述分离支撑部的厚度t₂、所述薄板的厚度td之间的关系为13.3×td＜t₂＜t₁-20μm。

2.根据权利要求1所述的压电麦克风芯片，其中，

所述信号检测电路将所述多个压电转换部中的各压电转换部的电压输出相加而进行检测。

3.根据权利要求2所述的压电麦克风芯片，其中，

所述多个压电转换部中的至少两个压电转换部的电压输出为相同相位，

所述信号检测电路具有将所述两个压电转换部中的一方的第2电极和另一方的第1电极进行电连接的导线，由此将该两个压电转换部的电压输出相加。

4.根据权利要求2所述的压电麦克风芯片，其中，

所述多个压电转换部中的至少两个压电转换部的电压输出为相反相位，

所述信号检测电路具有将所述两个压电转换部中的一方的第1电极和另一方的第1电极进行电连接的导线，由此将该两个压电转换部的电压输出相加。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的压电麦克风芯片，其中，

所述压电体膜由以Pb(Zr_y，Ti_z，Nb_1-y-z)O₃，0.06＜1-y-z＜0.14来表示的钙钛矿型氧化物构成。

6.一种压电麦克风，其具备：

封装，其具备一个进音孔；以及

权利要求1至5中的任意一项所述的压电麦克风芯片，其配置于该封装内，

所述压电麦克风芯片配置于由所述外缘支撑部包围所述进音孔的位置处。