JP2004527150A - コンデンサマイクロホン組立体 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、マイクロホンに関し、特に、コンデンサマイクロホン組立体、例えば、半導体部品からつくられた一体的なスペーサを有するバックプレートに関する。
【0002】
(背景技術)
コンデンサマイクロホン、またはキャパシタンスマイクロホンは、オーディオ、エレクトロニクスおよび計測産業界で広く用いられている。コンデンサマイクロホンは、柔軟なダイヤフラムまたは膜、および、1以上の開口部を含み得る硬質のバックプレート(後板)を含む。マイクロホンの膜とバックプレートは、共に、コンデンサとしても知られるキャパシタを形成する。音波がこの膜に衝突すると、膜が動き、膜とバックプレートの間のエアギャップの高さを変化させる。このギャップの変化が、膜およびバックプレートにより形成されたコンデンサのキャパシタンスを変化させる。一定の、または制御された電荷Qがキャパシタ上で維持されるならば、キャパシタを横切って(キャパシタに)電圧が形成され、この電圧は、エアギャップの高さの変化に比例して変化する。当分野で知られているように、慣用のダイヤフラムは、金属フィルムまたはメタライズド(金属化された、金属被覆された)ポリマーのフィルムから構成され得る。
【0003】
種々の用途のために、小型で高品質のコンデンサマイクロホンを製造することが望ましい。当分野で知られているように、バックプレートの開口部は、穿孔、または穴の押抜きにより形成され得る。このような穴の正確な寸法および位置の制御は重要であり、穴が小さくなる程困難になる。
【0004】
また、当分野で知られているように、ダイヤフラムを含むコンデンサマイクロホンの全体を、マイクロ−エレクトロ−メカニカル−システム(MEMS)の製造方法によりシリコン基板上に形成することができる。MEMSは、シリコン集積回路製造プロセスに基づいた機械部品の形成方法である。例えば、米国特許第5,889,872号は、半導体処理技術により形成された容量型マイクロホンを開示している。ダイヤフラムは、組立の一部として、ポリシリコン層を窒化ケイ素層上に貼り付けることにより形成される。ポリシリコン層がパターン化またはエッチングされてダイヤフラムを形成する。
【0005】
米国特許第5,870,482号は、シリコンウェハから製造された、非常に従順で正確に配置されたダイヤフラムを維持することに関する課題を説明している。この特許は、半導体支持構造物を有する代替的なソリッドステートのコンデンサマイクロホンを開示している。
【0006】
米国特許第6,075,867号は、複数のダイヤフラムを有するマイクロメカニカルマイクロホンを開示している。湿度、埃および塵の問題に対処するために、マイクロホンは、トランスデューサの両側に2つのシール膜を含む。しかし、検知トランスデューサの前に配置された周囲の(環境的)膜は、音響特性、例えば、信号対雑音比、周波数応答および感度に影響を与えることがある。
【0007】
MEMSプロセスによる完全なコンデンサマイクロホンの形成は、非常に困難で高価である。しかも、完全にMEMSプロセスにより構成されたコンデンサマイクロホンは、しばしば、音響特性および信頼性が劣ることがある。
【0008】
(発明の開示)
本発明は、上記の問題の多くを、ハウジングと、ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、バックプレート上に配置された柔軟なダイヤフラムと、を含むマイクロホン組立体により解決する。半導体スペーサがバックプレートと一体的に形成され、バックプレートとダイヤフラムの中間に配置されている。バックプレートおよびスペーサは、ダイヤフラム、ダイヤフラムフレームおよびハウジングのいずれとも一体的に形成されていない。
【0009】
ダイヤフラムはダイヤフラムフレームの上で引張られ、ダイヤフラムフレームに接着により取り付けられる。ダイヤフラムフレームはダイヤフラムの張力を維持する。ダイヤフラムは、金属フィルムまたはメタライズドポリマーフィルムから構成され、ダイヤフラムは、保護環境バリアでもあり、容量性電気音響変換器の検知電極でもある。ハウジングは金属からつくられることができ、バックプレートはシリコンからつくられることができる。スペーサは、さらに、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーなどの電気的絶縁層を含み得る。
【0010】
バックプレートは、上部、底部、および側部と、バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、を含む。一実施形態において、複数の開口部は、バックプレートの側部に沿って、かつスペーサの半径方向外側に配置される。バックプレートは、円形、矩形、または他の望ましい形状であり得る。スペーサは、環状壁部、一連の弧状壁部、一連の弧状延長部、または矩形の壁部から成り得る。
【0011】
ハウジングは上側リップを含み、ダイヤフラムフレームは、上側リップに接して配置された金属リングを含む。組立体は、さらに、バックプレートの底部上の金属接触部を含み得る。さらに、本発明は、バックプレートとハウジングの下部との間に配置されたばねを含み得る。
【0012】
さらに、本発明は、ハウジングまたはバックプレートに連結されたトランジスタを含み得る。マイクロホン組立体は、また、バックプレートに連結された特定用途向け集積回路(ASIC)を含むことができ、ASICはトランジスタを含み得る。
【0013】
本発明の、これらの、および他の新しい利点、詳細、実施形態、特徴および目的は、本発明の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および、本発明の説明に有用な図面から当業者に明らかになるであろう。
【0014】
以下の文章および図面において、同じ参照番号は、複数の図面を通じて同じ要素を示す。ここに本発明を、例示的な実施形態を参照しつつ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
図1および2を参照する。本発明は、好ましい実施形態において、バックプレート12から独立した膜またはダイヤフラム10を含む。ダイヤフラム10は柔軟であり、空気に露出している。ダイヤフラム10の上に保護格子(図示せず)を取り付け得る。ダイヤフラム10は、マイクロホンダイヤフラムを構成するための周知の材料、例えば、金属フィルム、またはメタライズド(金属化された、金属被覆された)ポリマーフィルムからつくられる。
【0016】
バックプレート12は硬質であり、または固定されている。スペーサが、バックプレート12と一体的に形成されており、例えば図1に番号14、および図2に番号15で示される。ダイヤフラム10は、バックプレート12から、スペーサ14,15により画成された狭いエアギャップ13(図2にのみ示す)により分離されている。バックプレート12およびスペーサ14は、半導体材料、例えばシリコンから、バッチ処理技術により製造される。図1を参照すると、スペーサ14の上部領域28が、二酸化ケイ素などの電気絶縁材料またはテフロンなどのフルオロポリマー(フッ素重合体)の層を含む。図2を参照すると、同様に、スペーサ15の上部領域30が類似の絶縁層を含む。スペーサは、壁部またはリッジなど、多くの形状であり得る。
【0017】
膜10とバックプレート12は、コンデンサとしても知られるキャパシタを形成する。音波が膜10に衝突すると、膜が動いて、膜10とバックプレート12の間のエアギャップ13の高さを変化させる。このギャップの変化が、膜10およびバックプレート12により形成されたコンデンサのキャパシタンスを変化させる。一定の、または制御された電荷Qがキャパシタ上で維持されるならば、電圧がキャパシタを横切って形成され、次いで電圧は、エアギャップ13の高さの変化に比例して変化する。
【0018】
膜10は、ダイヤフラムフレーム16上で引張られ、接着によりダイヤフラムフレーム16に取り付けられる。ダイヤフラムフレーム16はダイヤフラム16の張力を維持する。ダイヤフラムフレーム16は、スペーサ14とハウジング20の上縁18との間に配置される。ハウジング20はバッチ処理技術では製造されない周知のハウジングであり、好ましくは、シリコンではなく金属から形成される。ハウジング20は、電気的アースとして働く。
【0019】
バックプレート12は、矢印22,24および26により示される開口部または穴を含み得る。これらの開口部は、空気がバックプレート12より上の領域からバックプレート12より下の領域に通過することを可能にする。
【0020】
図1に示されたバックプレート12は、矩形または正方形である。バックプレートは、ハウジング20内にネスト32により配置される。バックプレート12とネスト32の間の開口部34もまた、空気がバックプレート12より上の領域からバックプレート12より下の領域に通過することを可能にする。一実施形態において、金属などの材料を、番号40により示された円形部に選択的に堆積させ得る。
【0021】
図2を参照すると、ばね42を用いてバックプレート12をハウジング20の底部44(PCボード)に機械的に付勢している。ばね42は、バックプレート12のスペーサ15を、ダイヤフラム10、およびダイヤフラムフレームまたはリング16に押し込み、これによりダイヤフラムとフレームは、ハウジング20の上縁またはリップ18に押し付けられる。このようにして、ダイヤフラムはスペーサ15に連結される。こうして、ばね42、ダイヤフラムフレーム16、ハウジング20の上側リップ18、ハウジング20およびPCボード44が協働して、ダイヤフラム10をスペーサ15の絶縁層30に固定する。ダイヤフラム10は、スペーサ15と一体的に形成されない。
【0022】
マイクロホン組立体は、好ましくは、保護環境バリア、および容量性電気音響変換器の検知電極の両方として働く単一のダイヤフラム10を用いる。これと対照的に、先行技術のシリコン形成によるコンデンサマイクロホンシステムは、保護環境バリアを有さず、あるいは、2つ以上のダイヤフラムまたは膜を用い、これらの1つが環境バリアとして働き、他の1つはバリアとして働かない。
【0023】
ダイヤフラム10およびバックプレート12に様々な形状および構造を用いることができる。例えば、図1において、ダイヤフラムフレーム16は円形で、かつ環状のリングの形態であり、バックプレート12は正方形である。当業者は、ダイヤフラムフレーム16およびバックプレート12が、ハウジング20および本発明の他の構成要素の形状に応じて別の形状を含み得ることを理解するであろう。
【0024】
ダイヤフラム10はバックプレート12の一部として製造および加工をされないため、ダイヤフラムはバックプレート12の組立および取付けに関連する応力を受けない。また、ダイヤフラム10の張力はバックプレート12の内部応力から独立している。当分野で認識されているように、内部応力が制御されないことは、半導体組立プロセスにおける共通の問題点である。このように、ダイヤフラム10は、バックプレート12の面またはダイヤフラム10の面に平行な応力に対して自由に浮動する。ダイヤフラム10を、バックプレート12およびスペーサ15から独立した適切なダイヤフラムフレーム16に取り付けることにより、ダイヤフラム10の引張応力は、パッケージングおよびバックプレートによる影響を受けない。
【0025】
図3〜6は、スペーサおよびバックプレート上の穴の配置が異なる別の実施形態を示す。当業者に理解されるように、穴の配置、数および寸法はマイクロホンの音響特性に影響を与える。MEMSは、穴の寸法および配置の制御の改良を可能にし、これにより、周波数応答および感度を制御する能力が高まる。
【0026】
図3を参照すると、穴80はスペーサ82の半径方向内側に配置され得る。スペーサ82は、小さい円形の突出部であり得る。
【0027】
別の例として、図4は、穴90、および、バックプレート95の側部に沿った切欠き92を示す。これらは、空気がバックプレートの上から下に通過することを可能にする。図4は、また、環状のスペーサ壁94を示す。
【0028】
図5に示されたバックプレートは、一連の弧状のスペーサ部100の半径方向内側に穴を有さない。その代わりに、空気は開口部102を介してバックプレートの上からバックプレートの下へ通過する。図5の領域104の拡大図である図5Aの矢印106,108および110は、バックプレート112の上側からバックプレート112の下側への空気の流れを示す。さらに、図6が、矩形または正方形のバックプレート130を示す。バックプレート130は、正方形または矩形のスペーサ壁、および格子または穴(それらの1つが番号134で示されている)を有する。当業者に理解されるように、スペーサは、ダイヤフラム10およびダイヤフラムフレーム16を支持するのに十分な弧状の壁部であってもよい。
【0029】
図2を再び参照すると、バックプレート12は、出力140にて電圧バイアスにより外部バイアスがかけられる。バックプレートは、直流(DC)電圧により、または無線周波(RF)バイアスにより外部バイアスをかけられ得る。一実施形態において、トランジスタまたはFET(図示せず)が、PCボード44に、PCボード44およびハウジング20により画成される領域内にて取り付けられる。FETは、ハウジング20の外側に、またはバックプレート12の底部の上に直接に配置されてもよい。概して、FETをバックプレートのより近くに配置することにより、本発明のノイズ特性が改善されるはずである。このユニットも、エレクトレット、例えばバックプレート12上の帯電または極化層(図示せず)によりバイアスをかけられ得る。
【0030】
バックプレート12の下側は、接触領域142を含み得る。接触領域142は、好ましくは、化学蒸着(CVD)技術により蒸着されることができる金属である。ばね42は、接触領域142から領域140への電気的接触をもたらし得る。
【0031】
図1を再び参照すると、集積回路(IC)または特定用途向け集積回路(ASIC)180はPCボード(図示せず)の下に取り付けられ得る。ASICは、トランジスタ、例えばFETを含み得る。ASICは、また、マイクロホンの電気出力を増幅するための、および/またはマイクロホンの応答性を変更するためのプリアンプ(前置増幅器)を含み得る。
【0032】
ASICは、アナログ‐デジタル変換器(A/D)も含み得る。A/Dの目的は、マイクロホン、またはマイクロホンのプリアンプのアナログ出力を、マイクロホンからの直接デジタル出力としても、または、デジタル信号処理(DSP)回路へのフィードとしても用いることのできるデジタル信号に変換することである。DSPの目的は、A/Dを通った後のマイクロホンの出力を変更することである。出力は、デジタルでも、アナログでも、またはこれらの両方でもよい。特定の用途は、等化、信号圧縮、周波数依存信号圧縮、および自己較正を含むことができる。
【0033】
電圧ステップアップ回路を用いて、容易に入手可能な小型バッテリ電源(例えば9Vのバッテリ)が、コンデンサに外部から直流バイアスを印加するための高圧(例えば200V)を供給できるようにすることもできる。
【0034】
本発明の別の実施形態は、無線周波波長で振動するバイアス電圧をもたらす無線周波(RF)バイアス回路を含む。かかる回路のさらなる目的は、マイクロホンが無線伝送のためのRF変調信号を出力することを可能にすることである。こうして、異なるバックプレートと異なるASIC回路がハウジング20にて結合されることができ、それによりマイクロホンの種々の潜在的動作および機能を可能にする。
【0035】
以上の詳細な説明において、本発明を、本発明の特定の例示的な実施形態に関して記載してきた。本発明を好ましい実施形態に関して記載したが、当業者は、本発明の種々の変更、実施形態、または変型を、特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲内で実行できることを理解するであろう。したがって、詳細な説明および図面は、限定的でなく、例示的なものとみなされるべきである。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲に鑑みて必要である以外には限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】図1は、本発明に従ってつくられたマイクロホン組立体の第1の実施形態の斜視図である。
【図2】図2は、本発明に従ってつくられたマイクロホン組立体の一部の斜視図である。
【図3】図3は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第1の実施形態の平面図である。
【図4】図4は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第2の実施形態の平面図である。
【図5】図5は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第3の実施形態の平面図である。図5Aは、図5の領域104により示される領域の拡大図である。
【図6】図6は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第4の実施形態の平面図である。
Claims (32)
- マイクロホン組立体であって、
ハウジングと、
ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、
バックプレート上に配置された可撓性のダイヤフラムと、
バックプレートと一体的であり、かつバックプレートとダイヤフラムの中間にある半導体スペーサと、
ダイヤフラムフレームと、を含み、前記ダイヤフラムがダイヤフラムフレーム上で引張られ、かつ接着によりダイヤフラムフレームに取り付けられ、ダイヤフラムフレームがダイヤフラムの張力を維持するマイクロホン組立体。 - ダイヤフラムが、金属フィルムまたはメタライズドポリマーフィルムの群から成る材料から構成される請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- ダイヤフラムが、保護環境バリアでもあり、容量性電気音響変換器の検知電極でもある請求項2に記載のマイクロホン組立体。
- ダイヤフラムが、保護環境バリアでもあり、容量性電気音響変換器の検知電極でもある請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- ハウジングが金属である請求項3に記載のマイクロホン組立体。
- バックプレートがシリコンである請求項5に記載のマイクロホン組立体。
- スペーサが、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーから成る群による絶縁層をさらに含む請求項6に記載のマイクロホン組立体。
- バックプレートが、上部、底部、および側部と、バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、を含む請求項7に記載のマイクロホン組立体。
- 前記複数の開口部が、バックプレートの側部に沿って、かつスペーサの半径方向外側に配置されている請求項8に記載のマイクロホン組立体。
- バックプレートが円形である請求項9に記載のマイクロホン組立体。
- バックプレートが矩形である請求項9に記載のマイクロホン組立体。
- スペーサが、環状壁部、一連の弧状壁部、一連の弧状延長部または矩形の壁部から成る群から構成される請求項10に記載のマイクロホン組立体。
- ハウジングが上側リップを含み、ダイヤフラムフレームが、上側リップに接して配置される金属リングを含む請求項12に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートの底部上の金属接触部を含む請求項13に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートとハウジングの下部の間に配置されたばねを含む請求項14に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、ハウジングに連結されたトランジスタを含む請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結されたトランジスタを含む請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がトランジスタを有する請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路が電圧ステップアップ回路を有する請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がRFバイアス回路を有する請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- RFバイアス回路がRF変調出力を発生し、RF変調出力がRF無線伝送のために用いられる請求項20に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がデジタル信号プロセッサを有する請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がアナログ‐デジタル変換器を有する請求項15に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がトランジスタを有する請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路が電圧ステップアップ回路を有する請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がRFバイアス回路を有する請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- RFバイアス回路がRF変調出力を発生し、RF変調出力がRF無線伝送のために用いられる請求項26に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がデジタル信号プロセッサを有する請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がアナログ‐デジタル変換器を有する請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- ハウジングが上縁部を含み、上縁部がダイヤフラムフレームおよびダイヤフラムをスペーサに押し込む請求項1に記載のマイクロホン組立体。
- マイクロホン組立体であって、
ハウジングと、
ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、
バックプレートから延在し、かつバックプレートと一体的である突出部を含む半導体スペーサと、
金属フィルムまたはメタライズドポリマーフィルムから成る群から構成された単一のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響変換器の検知電極としても作用するダイヤフラムと、
ダイヤフラムフレームであって、ダイヤフラムがフレーム上で引張られかつフレームに接着されるダイヤフラムフレームと、を含むマイクロホン組立体。 - マイクロホン組立体であって、
上側リップを含むハウジングと、
上部、底部、および環状側部を有するシリコンバックプレートと、
バックプレートと一体的に形成されたシリコンスペーサであって、シリコンバックプレートの上部から延在し、かつシリコンバックプレートの上部と一体的な少なくとも1つの突出部を含み、さらに、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーから成る群から形成された絶縁層を含むシリコンスペーサと、
バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、
メタライズドポリマーフィルムから構成された単一のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響検知変換器の検知電極としても作用する単一のダイヤフラムと、
金属ハウジングの上側リップに接して配置され、かつダイヤフラムが接着により取り付けられた金属リングであって、上側リップおよびばねと協働してダイヤフラムをスペーサの絶縁層に固定する金属リングと、を含むマイクロホン組立体。
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