JP2000350296A - Microphone - Google Patents

Microphone

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JP2000350296A
JP2000350296A JP11157232A JP15723299A JP2000350296A JP 2000350296 A JP2000350296 A JP 2000350296A JP 11157232 A JP11157232 A JP 11157232A JP 15723299 A JP15723299 A JP 15723299A JP 2000350296 A JP2000350296 A JP 2000350296A
Authority
JP
Japan
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diaphragm
silicon
microphone
silicon diaphragm
piezoresistive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11157232A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Nomura
和雄 野村
Koji Fukuhisa
孝治 福久
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Hokuriku Electric Industry Co Ltd
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Publication date
Application filed by Hokuriku Electric Industry Co Ltd filed Critical Hokuriku Electric Industry Co Ltd
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Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microphone which is easily made small-sized and lightweight. SOLUTION: The microphone is a diaphragm member 1 formed of a silicon wafer and the diaphragm member 1 is formed by forming a trapezoidally- sectioned recessed part 1c which is downward open by carrying out anisotropic etching from the lower face side. This diaphragm member 1 is composed of a ring-shaped base la and a silicon diaphragm 1b supported on the base 1a. On the silicon diaphragm 1b, four piezoresistance elements 2a and 2c constitute a resistor bridge circuit and an insulating thin film 3 is formed on the silicon diaphragm 1b while covering an exposed surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロフォンに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microphone.

【0002】[0002]

【従来の技術】公知の代表的なマイクロフォンには、コ
ンデンサマイクロフォンおよびダイナミックマイクロフ
ォンがある。コンデンサマイクロフォンは、振動板であ
るプラスチック製のダイアフラムの上に形成された可動
電極とこの可動電極と対向する固定電極とがある距離を
保って対向するように設けられて平行平板コンデンサを
形成する構造を有している。このマイクロフォンでは、
ダイアフラムに音声が到達すると音圧によってダイアフ
ラムが振動する。すると、ダイアフラムの可動電極と固
定電極との距離が変化して平行平板コンデンサの静電容
量が変化する。そしてこの静電容量の変化を電気信号に
変換して音声信号を得る。
2. Description of the Related Art Representative typical microphones include a condenser microphone and a dynamic microphone. A condenser microphone is provided so that a movable electrode formed on a plastic diaphragm serving as a diaphragm and a fixed electrode facing the movable electrode face each other at a certain distance to form a parallel plate capacitor. have. With this microphone,
When sound arrives at the diaphragm, the diaphragm vibrates due to sound pressure. Then, the distance between the movable electrode and the fixed electrode of the diaphragm changes, and the capacitance of the parallel plate capacitor changes. Then, the change in the capacitance is converted into an electric signal to obtain an audio signal.

【0003】これに対してダイナミックマイクロフォン
は、音圧によって振動するダイアフラムにボイスコイル
が固定され、このボイスコイルを貫通するように永久磁
石が設置された構造を有している。ダイアフラムに音声
が到達して音圧によりダイアフラムが振動すると、ダイ
アフラムと一緒にボイスコイルが連動して永久磁石より
出ている磁束が切られ、ボイスコイルに誘導電流が流れ
る。そしてこの誘導電流に基づいて音声信号を得る。上
述したコンデンサマイクロフォンおよびダイナミックマ
イクロフォンには優れた周波数特性、取り扱いの容易
さ、および小型軽量化等が要求されている。
On the other hand, a dynamic microphone has a structure in which a voice coil is fixed to a diaphragm that vibrates due to sound pressure, and a permanent magnet is provided so as to penetrate the voice coil. When the sound reaches the diaphragm and the diaphragm vibrates due to the sound pressure, the voice coil works together with the diaphragm to cut off the magnetic flux emitted from the permanent magnet, and an induced current flows through the voice coil. Then, an audio signal is obtained based on the induced current. The condenser microphone and the dynamic microphone described above are required to have excellent frequency characteristics, easy handling, small size and light weight, and the like.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た要求を満足するに当たっては以下に記載する問題点が
存在する。
However, in satisfying the above requirements, there are the following problems.

【0005】まず、コンデンサマイクロフォン、ダイナ
ミックマイクロフォンともにマイクロフォン本体を構成
している部品は機構部品が多く、部品点数も多い。さら
に構造が複雑なためマイクロフォン本体の小型化および
軽量化は難しい。
First, both the condenser microphone and the dynamic microphone make up the microphone body, which has many mechanical parts and many parts. Further, since the structure is complicated, it is difficult to reduce the size and weight of the microphone body.

【0006】また、ダイアフラムの寸法が大きいため機
械的共振点が可聴帯域近傍に現れやすく、周波数特性が
共振点に制限されてしまう。さらにプラスチックダイア
フラムが用いられる場合には、プラスチックが紫外線に
さらされて劣化するため、ダイアフラムの特性が変化し
てしい長時間の屋外使用には適さない。さらに液体中に
おいて使用する場合は、ダイアフラムが変形不良または
動作不良を起こさないように、厚く且つ硬いダイアフラ
ムを用いることになる。これは、マイクロフォンの感
度、周波数特性、温度特性等の各種の特性を低下させ
る。
In addition, since the size of the diaphragm is large, a mechanical resonance point tends to appear near the audible band, and the frequency characteristic is limited to the resonance point. Further, when a plastic diaphragm is used, the plastic is deteriorated by being exposed to ultraviolet rays, and is not suitable for long-time outdoor use in which the characteristics of the diaphragm change. Further, when used in a liquid, a thick and hard diaphragm is used so that the diaphragm does not deform or malfunction. This degrades various characteristics of the microphone, such as sensitivity, frequency characteristics, and temperature characteristics.

【0007】本発明の目的は、小型化と軽量化が容易な
マイクロフォンを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a microphone that can be easily reduced in size and weight.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロフォン
は、音圧を受けて振動するシリコンダイアフラムと、シ
リコンダイアフラムの一部に不純物が拡散されて形成さ
れた1以上のピエゾ抵抗素子と、ピエゾ抵抗素子の露出
面を覆うようにシリコンダイアフラムの上に形成された
絶縁性薄膜とから構成されている。ここでシリコンダイ
アフラムとは、シリコンウエハーから公知の半導体化加
工技術を用いて形成されたダイアフラムである。ダイア
フラムは音圧を受けると振動し、このダイアフラムの振
動がピエゾ抵抗素子の結晶の電気抵抗の変化として捉え
られる。この電気抵抗の変化に基づく電気信号を音声信
号とすることによりマイクロフォンが成立する。絶縁性
薄膜はSiON、SiO2、SiN等を用いることがで
きる。
SUMMARY OF THE INVENTION A microphone according to the present invention comprises a silicon diaphragm vibrating under a sound pressure, one or more piezoresistive elements formed by diffusing impurities into a part of the silicon diaphragm, and a piezoresistive element. An insulating thin film formed on the silicon diaphragm so as to cover the exposed surface of the element. Here, the silicon diaphragm is a diaphragm formed from a silicon wafer using a known semiconductor processing technique. The diaphragm vibrates when receiving a sound pressure, and the vibration of the diaphragm is regarded as a change in the electric resistance of the crystal of the piezoresistive element. A microphone is established by converting an electric signal based on the change in the electric resistance into an audio signal. As the insulating thin film, SiON, SiO2, SiN, or the like can be used.

【0009】この場合、ダイアフラムをシリコンダイア
フラムとすることで、ダイアフラムの製造工程に従来の
半導体製造技術が適用でき、ダイアフラムの小型化、軽
量化、および薄型化が可能になる。またピエゾ抵抗素子
も、公知の半導体製造技術を用いて小型に且つ薄く形成
できる。さらに、シリコンダイアフラムの上に絶縁性薄
膜を形成することでピエゾ抵抗素子の露出面が保護され
る。シリコンダイアフラムに用いるシリコンウェハー
は、通常のシリコンウェハーの他に、ベアウェハーの状
態で予めウェハーの中に酸化膜が埋め込まれているSI
MOXウェハーを用いてもよい。
In this case, by using a silicon diaphragm as the diaphragm, a conventional semiconductor manufacturing technique can be applied to the manufacturing process of the diaphragm, and the diaphragm can be reduced in size, weight, and thickness. Also, the piezoresistive element can be formed small and thin using a known semiconductor manufacturing technique. Further, by forming an insulating thin film on the silicon diaphragm, the exposed surface of the piezoresistive element is protected. The silicon wafer used for the silicon diaphragm is, in addition to a normal silicon wafer, an SI in which an oxide film is embedded in the wafer in advance in a bare wafer state.
MOX wafers may be used.

【0010】典型的には、シリコンダイアフラムにブリ
ッジ回路を構成する4つのピエゾ抵抗素子を形成するの
が好ましい。このような構成を採用すると、出力が最大
になるように各ピエゾ抵抗素子を組み合わせることによ
り、音圧を受けて振動するシリコンダイアフラムの振動
を効率よく電気抵抗の変化即ち電気信号の変化に変換す
ることができる。
Typically, it is preferable to form four piezoresistive elements constituting a bridge circuit on a silicon diaphragm. By adopting such a configuration, by combining the respective piezoresistive elements so as to maximize the output, the vibration of the silicon diaphragm vibrating under the sound pressure is efficiently converted into a change in electric resistance, that is, a change in electric signal. be able to.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0012】図1は本発明の実施形態の一例である、マ
イクロフォンの主要部の構造を示す縦断面図である。図
1に示すように、このマイクロフォンは、シリコンウェ
ハーから形成されたダイアフラム部材1である。このダ
イアフラム部材1は、環状のベース1aとベース1aに
支持されたシリコンダイアフラム1bとから構成され
る。シリコンダイアフラム1bの上には4つのピエゾ抵
抗素子2a乃至2dが図2に示すような抵抗ブリッジ回
路を構成するように形成されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a main part of a microphone, which is an example of an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the microphone is a diaphragm member 1 formed from a silicon wafer. The diaphragm member 1 includes an annular base 1a and a silicon diaphragm 1b supported by the base 1a. Four piezoresistive elements 2a to 2d are formed on the silicon diaphragm 1b so as to form a resistance bridge circuit as shown in FIG.

【0013】4つのピエゾ抵抗素子2a乃至2dは、シ
リコンダイアフラム1bがその面方向と直交する方向に
振動した場合に、図2に矢印で示す方向の電圧変化が各
抵抗素子に現れるようにそれぞれ形成されている。なお
図示していないが、ダイアフラム部材1 の表面上には、
各ピエゾ抵抗素子を相互に接続する接続パターン及びブ
リッジ回路の接続点と図示しない出力電極とを接続する
接続パターンが、公知の半導体形成技術を用いて形成さ
れている。また、ピエゾ抵抗素子2の露出面を覆うよう
にベース1aの表面とシリコンダイアフラム1bの表面
上にはSiO2、SiN、SiON等からなる絶縁性薄
膜3が形成されている。
The four piezoresistive elements 2a to 2d are formed so that when the silicon diaphragm 1b vibrates in a direction orthogonal to the plane direction, a voltage change in a direction indicated by an arrow in FIG. Have been. Although not shown, on the surface of the diaphragm member 1,
A connection pattern for connecting the piezoresistive elements to each other and a connection pattern for connecting a connection point of the bridge circuit to an output electrode (not shown) are formed by using a known semiconductor forming technique. An insulating thin film 3 made of SiO2, SiN, SiON or the like is formed on the surface of the base 1a and the surface of the silicon diaphragm 1b so as to cover the exposed surface of the piezoresistive element 2.

【0014】次に上述したマイクロフォンの製造方法を
製造工程順に説明する。まず、シリコンウェハーの下面
側から異方性エッチングを施して、図1に示すような下
に向かって開口し、縦断面形状が台形をなす凹部1cを
形成して、ダイアフラム部材1 を形成する。
Next, a method of manufacturing the above-described microphone will be described in the order of manufacturing steps. First, the diaphragm member 1 is formed by performing anisotropic etching from the lower surface side of the silicon wafer to form a concave portion 1c which is opened downward as shown in FIG. 1 and has a trapezoidal vertical sectional shape.

【0015】次に、ダイアフラム部材1の表面全体をS
iO2、SiN、SiON化する処理を施す。次に、単
結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン
等を用い、シリコンダイアフラム1b上にシリコンをエ
ピタキシャル成長させる。そしてエピタキシャル成長し
たシリコンに不純物を拡散させてピエゾ抵抗素子2を形
成する。最後に、ダイアフラム部材1の上全面に、露出
したピエゾ抵抗素子2の露出面を覆うようにSiO2、
SiN、SiON等の絶縁膜3をスパッタリングなどの
薄膜形成技術を用いて成膜する。
Next, the entire surface of the diaphragm member 1 is
A process for converting into iO2, SiN, and SiON is performed. Next, silicon is epitaxially grown on the silicon diaphragm 1b using single crystal silicon, polycrystal silicon, amorphous silicon, or the like. The piezoresistive element 2 is formed by diffusing impurities into the epitaxially grown silicon. Finally, SiO 2 is coated on the entire upper surface of the diaphragm member 1 so as to cover the exposed surface of the piezoresistive element 2.
An insulating film 3 such as SiN or SiON is formed by using a thin film forming technique such as sputtering.

【0016】なお、上述した製造工程順とは逆に、凹部
1cの形成を最後にしてもよい。すなわち、最初にシリ
コンウェハー上にピエゾ抵抗素子を形成し、ピエゾ抵抗
素子の露出面を覆うように絶縁性薄膜を形成する。その
後、シリコンウェハーの下面から異方性エッチングを施
して図1に示すような形状の凹部1cを形成してもよ
い。
It should be noted that the formation of the concave portion 1c may be made last, contrary to the order of the manufacturing steps described above. That is, first, a piezoresistive element is formed on a silicon wafer, and an insulating thin film is formed so as to cover an exposed surface of the piezoresistive element. Thereafter, anisotropic etching may be performed from the lower surface of the silicon wafer to form a concave portion 1c having a shape as shown in FIG.

【0017】なお、ピエゾ抵抗素子2は、シリコンダイ
アフラム1bが振動する際の最大感度領域上に形成する
のが好ましい。例えば、(100)面のシリコンウェハ
ーを用いてシリコンダイアフラム1bを形成する場合に
は、ピエゾ抵抗素子2はシリコンダイアフラム1bの周
辺部即ちベース1aよりの領域に形成する。また、(1
10)面のシリコンウェハーを用いてシリコンダイアフ
ラム1bを形成する場合には、ピエゾ抵抗素子2はシリ
コンダイアフラム1bの中心部領域に設ける。なお、図
1に示した実施の形態は、(110)面のシリコンウェ
ハーを用いた場合のピエゾ抵抗素子2a乃至2dの形成
位置を示している。
The piezoresistive element 2 is preferably formed on the maximum sensitivity region when the silicon diaphragm 1b vibrates. For example, when the silicon diaphragm 1b is formed using a (100) plane silicon wafer, the piezoresistive element 2 is formed in the peripheral portion of the silicon diaphragm 1b, that is, in the region from the base 1a. Also, (1
When the silicon diaphragm 1b is formed using the silicon wafer having the 10) surface, the piezoresistive element 2 is provided in the central region of the silicon diaphragm 1b. The embodiment shown in FIG. 1 shows the positions where the piezoresistive elements 2a to 2d are formed when a (110) plane silicon wafer is used.

【0018】また、ダイアフラム部材1に用いるシリコ
ンウェハーは、ベアウェハーの状態で酸化膜がウェハー
の中に形成されているようなシリコンウェハー、例えば
SIMOXウェハーを用いてもよい。
Further, as the silicon wafer used for the diaphragm member 1, a silicon wafer in which an oxide film is formed in a bare wafer state, for example, a SIMOX wafer may be used.

【0019】前述の通り、シリコンダイアフラム1bに
形成されたピエゾ抵抗素子2a乃至2dは、シリコンダ
イアグラム1b上に形成されたときに、図2に示すよう
な抵抗ブリッジ回路を構成するように形成されている。
各々のピエゾ抵抗素子の抵抗値は、音圧によってシリコ
ンダイアフラム1bが振動したときに、ブリッジ回路か
ら出力される電圧信号ができるだけ大きくなるように定
められている。このようなブリッジ回路を構成すること
により、シリコンダイアフラム1bの振動を効率よく電
気信号に変換することができる。
As described above, the piezoresistive elements 2a to 2d formed on the silicon diaphragm 1b are formed so as to form a resistance bridge circuit as shown in FIG. 2 when formed on the silicon diagram 1b. I have.
The resistance value of each piezoresistive element is determined so that the voltage signal output from the bridge circuit becomes as large as possible when the silicon diaphragm 1b vibrates due to sound pressure. By configuring such a bridge circuit, the vibration of the silicon diaphragm 1b can be efficiently converted into an electric signal.

【0020】上記実施の形態では、4つのピエゾ抵抗素
子を用いたが、ピエゾ抵抗素子の数は1以上であればよ
く、またその回路構成は任意である。
In the above embodiment, four piezoresistive elements are used, but the number of piezoresistive elements may be one or more, and the circuit configuration is arbitrary.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明によれば、シリコンダイアフラム
の振動をピエゾ抵抗素子が抵抗値の変化としてとらえる
ことにより音声信号を得るため、機械的振動系を備える
マイクロフォンで発生する問題点を解消できるだけでな
く、特に小型で軽量のマイクロフォンを提供することが
できる。
According to the present invention, a piezoresistive element detects a vibration of a silicon diaphragm as a change in a resistance value to obtain an audio signal. Therefore, it is possible to eliminate a problem which occurs in a microphone having a mechanical vibration system. In particular, a small and lightweight microphone can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるマイクロフォンの主要部の構造を
示す縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a main part of a microphone according to the present invention.

【図2】4つのピエゾ抵抗素子をブリッジ回路としたと
きの回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram when four piezoresistive elements are used as a bridge circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ダイアフラム部材 1a ベース 1b シリコンダイアフラム 1c ダイアフラム凹部 2a〜2d ピエゾ抵抗素子 3 絶縁性薄膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diaphragm member 1a Base 1b Silicon diaphragm 1c Diaphragm recess 2a-2d Piezoresistive element 3 Insulating thin film

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 音圧を受けて振動するシリコンダイアフ
ラムと、 前記シリコンダイアフラムの一部に不純物が拡散されて
形成された1以上のピエゾ抵抗素子と、 前記ピエゾ抵抗素子の露出面を覆うように前記シリコン
ダイアフラムの上に形成された絶縁性薄膜とからなるマ
イクロフォン。
1. A silicon diaphragm that vibrates under a sound pressure, at least one piezoresistive element formed by diffusing an impurity into a part of the silicon diaphragm, and an exposed surface of the piezoresistive element. A microphone comprising an insulating thin film formed on the silicon diaphragm.
【請求項2】 ブリッジ回路を構成する4つの前記ピエ
ゾ抵抗素子が前記シリコンダイアフラムに形成されてい
ることを特徴とする請求項1に記載のマイクロフォン。
2. The microphone according to claim 1, wherein the four piezoresistive elements forming a bridge circuit are formed in the silicon diaphragm.
JP11157232A 1999-06-04 1999-06-04 Microphone Withdrawn JP2000350296A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100836193B1 (en) 2006-07-20 2008-06-09 주식회사 엠에스솔루션 Microphone of a piezoelectric type
JP2009100177A (en) * 2007-10-16 2009-05-07 Funai Electric Co Ltd Portable telephone, and microphone unit

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