JP2008199353A - Ｍｅｍｓマイクロホン装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＭＥＭＳマイクロホンの出力信号のＳ／Ｎ比が向上するとともに高域まで平坦な周波数特性が得られ、リフロー実装可能なＭＥＭＳマイクロホン装置を提供する
【解決手段】本発明のＭＥＭＳマイクロホンは、音信号を電気信号に変換するＭＥＭＳチップと、前記ＭＥＭＳチップを覆うシールドケースと、前記ＭＥＭＳチップが出力する信号にデエンファシス処理を施すデエンファシス回路と、を備え、前記シールドケースは、前記ＭＥＭＳチップに入力される信号にプリエンファシス処理を施す構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術を用いたＭＥＭＳチップを有するＭＥＭＳマイクロホン装置に関するものである。
従来から携帯電話等の情報通信端末に用いられているマイクロホンの一つとして、有機フィルムを用いたエレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ：Electret Condenser Microphone）がある。ＥＣＭとは、コンデンサの一方の電極にエレクトレットを配置し、エレクトレットに電荷を与え、音圧によって変動する静電容量の変化を電圧変化に変換するマイクロホンである。
近年、ＥＣＭは更なる小型・薄型化とともに、実装コストの削減が求められている。従来のＥＣＭは、上述のように熱に弱い有機材料のエレクトレット材料を使用するため、はんだリフロー表面実装に対応することができず、ＥＣＭに設けられたコネクタ等により基板に取り付けるものでありコネクタ部品等にコストがかかってしまうものであった。
そこで、半導体技術を活用するマイクロマシニング技術を用いた小型マイクロホン（ＭＥＭＳマイクロホン）が提案されている。図７に、ＭＥＭＳマイクロホンの断面構造を示す。
図７に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン２００は、シリコン基板２１上に、第１の絶縁層２２を介して、振動膜電極２３とエレクトレット膜２４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層２５を介して、音孔２７が形成された固定電極２６を有している。また、振動膜電極２３の背面には、シリコン基板２１をエッチングして、背気室２８が形成されている。
振動膜電極２３は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜２４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極２６は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
ＭＥＭＳマイクロホン２００では、振動膜電極２３が音圧によって振動すると、振動膜電極２３と固定電極２６とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。
このように、ＭＥＭＳマイクロホン２００は、無機材料のエレクトレット材料を用いているため、従来のＥＣＭでは不可能であったリフロー実装が可能とともに、部品数の削減が可能となるとともに、小型・薄型化が可能となるものである（特許文献１参照）。
特開２００１−２４５１８６号公報 「Chee Wee et al"Analytical modeling for bulk - micro machined condenser microphone"JASA vol. 120,August,2006」
ＭＥＭＳマイクロホンは、例えば、次世代（３Ｇまたは４Ｇ対応）の携帯電話に実装する場合、主として、ＭＥＭＳマイクロホンチップの音響等価回路の音響抵抗を要因とする白色音響熱雑音（非特許文献１参照）の影響が無視できず、更なるＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）の向上が必要とされている。また、次世代の携帯電話では、より高域まで（例えば、３．５ｋＨｚから７ｋＨｚ）平坦である周波数特性が求められている。
しかしながら、従来のＭＥＭＳマイクロホンは、基板に実装する際、他の電子回路からの電磁波の影響から防御するため、音孔を設けたシールドケースで覆って用いるものであり、シールドケースで覆った場合、ＭＥＭＳマイクロホンの周波数特性が予め設計した特性から変化してしまうことがある。
これを防ぐために、シールドケースの音孔上に音響抵抗材を設ける手段があるが、音響抵抗材は、リフロー実装（最高で260℃、4秒程度）の熱に十分に耐える音響抵抗材が開発されておらず、熱を受けると変形等して特性が損なわれるため、リフロー実装が行えないものであった。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、ＭＥＭＳマイクロホン装置の出力信号のＳ／Ｎ比が向上するとともに高域まで平坦な周波数特性が得られ、リフロー実装可能なＭＥＭＳマイクロホン装置を提供することを目的とする。
本発明のＭＥＭＳマイクロホン装置は、音信号を電気信号に変換するＭＥＭＳチップと、前記ＭＥＭＳチップを覆うシールドケースと、前記ＭＥＭＳチップが出力する信号にデエンファシス処理を施すデエンファシス回路と、を備え、前記シールドケースは、前記ＭＥＭＳチップに入力される信号にプリエンファシス処理を施す構造である。
この構成により、ＭＥＭＳマイクロホン装置内において、シールドケースの構造によりプリエンファシス処理を行うので、プリエンファシス用の電子回路を設ける必要が無く、プリエンファシス用の電子回路の雑音の影響を排除するこができる。また、出力信号に対してはデエンファシス処理を行うことで、ＭＥＭＳマイクロホンの周波数特性を、従来より高域まで平坦化することができる。さらに、この構成によれば、音響抵抗材を用いないので、リフロー実装が可能となる。
また、本発明のＭＥＭＳマイクロホン装置は、前記シールドケースが、前記シールドケース上に設けられた音孔と、前記シールドケースが実装された基板及び前記シールドケースで形成される前気室と、によりプリエンファシス処理を施すものである。
この構成により、例えば、音孔の径の大きさやシールドケース全体の大きさを調整することで、プリエンファシス特性すなわち強調したい周波数領域を制御することができる。
本発明のＭＥＭＳマイクロホン装置によれば、Ｓ／Ｎ比が向上するとともに高域まで平坦な周波数特性が得られ、リフロー実装が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１のＭＥＭＳマイクロホン１００の外観斜視図を示す。図２は、ＭＥＭＳマイクロホン１００の縦断面図（図１のＡ−Ａ線断面図）を示している。図１・図２に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン１００は、基板１０１と、ＭＥＭＳチップ１０２と、シールドケース１０３とを有するものである。
基板１０１は、ＭＥＭＳチップ１０２を実装するプリント基板である。
ＭＥＭＳチップ１０２は、図２に示すように振動膜電極４３が捉えた音信号を電気信号に変換するものである。具体的には、ＭＥＭＳチップ１０２は、シリコン基板４１上に、第１の絶縁層４２を介して、振動膜電極４３とエレクトレット膜４４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層４５を介して、音孔４７が形成された固定電極４６を有している。また、振動膜電極４３の背面には、シリコン基板４１をエッチングして、背気室５５が形成されている。なお、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）とは、半導体の微細加工技術を駆使して製作された微小な部品から構成される電気機械システムのことである。
振動膜電極４３は、導電性のポリシリコンで形成され、エレクトレット膜４４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極４６は、導電性のポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
また、ＭＥＭＳチップ１０２の電気信号を増幅等の信号処理をする電子回路４８が、ワイヤ４９により電気的に接続されている。ＭＥＭＳチップ１０２と電子回路４８とはシールドケース１０３により覆われている。
次に、シールドケース１０３について説明する。図３（ａ）は、ＭＥＭＳマイクロホン１００の側面図である。図３（ｂ）は、ＭＥＭＳマイクロホン１００の平面図である。
図２、図３に示すように、シールドケース１０３は、四隅の丸い略長方形状の天板１０３ａと４つの側面板１０３ｂとにより構成されている。シールドケースの材料は、例えば、洋白（銅、鉛、ニッケルから構成される合金）、コバール、４２アロマなどの電気的シールドを有する金属材料である。また、シールドケースは、半田付けなどで基板との接合を得るために、例えば、Ｎｉメッキなどの表面処理をしても良い。
また、シールドケース１０３の天板１０３ａには、円形の音孔１０３ｃが形成されている。
このように形成されたＭＥＭＳマイクロホン１００は、基板１０１とシールドケース１０３とで形成される前気室Ｓと、シールドケース１０３に形成されている音孔１０３ｃと、により構成される音響構造により、プリエンファシス特性を有する。
一般に、プリエンファシスとは、復調された信号のＳＮ比などを改善するため、変調信号の特定の周波数成分を強調して変調することをいうが、ここでのプリエンファシス特性とは、信号の変復調は関係なく、信号の高域が強調される特性をいう。
また、ここで、デエンファシス特性とは、信号の変復調は関係なく、信号の高域を減衰する特性をいう。
図４は、ＭＥＭＳマイクロホンの外部に音源がある場合、その音源から発信された音信号がシールドケース１０３の音孔１０３ｃを通過して、シールドケース内部のＭＥＭＳチップ１０２に到達し電気信号に変換され出力する信号の周波数特性を示している。図４に示すように、ＭＥＭＳチップ１０２に到達した信号は、前気室Ｓと音孔１０３ｃとで形成される音響構造の影響により、高域において強調されるのが判る。
通常、この特性を打ち消すため、音孔に音響抵抗材等を用いて周波数特性を平坦化する手段があるが、本実施の形態のＭＥＭＳマイクロホン１００では、この特性を信号処理におけるプレエンファシスとして捉えるものである。電子回路でプレエンファシスを行う場合は、その電子回路の雑音が影響することあるが、本実施の形態では、シールドケースの構造によりプレエンファシスを行っているため、回路による雑音の影響はない。
図５は、音孔の径を変更した場合の周波数特性の変化を説明するための図である。図５中のＢ１のグラフは、音孔１０３ｃの径を０．５ｍｍにした場合の周波数特性を示しており、Ｂ２のグラフは、音孔１０３ｃの径を０．８ｍｍにした場合の周波数特性を示しており、Ｂ３のグラフは、音孔１０３ｃの径を１．０ｍｍにした場合の周波数特性を示している。なお、各グラフにおいて、音孔の径以外の条件は同一である。
この図から、音孔の径を調整することにより、周波数特性を制御できることがわかる。すなわち、この周波数特性をプリエンファシスと捉える場合、シールドケース１０３に設ける音孔１０３ｃの径を調整することで、前気室Ｓと音孔１０３ｃとで形成される音響構造によるプレエンファシス特性を調整することができることがわかる。換言すれば、音孔１０３ｃと前気室Ｓのインピーダンス設計でエンファシス特性を制御できるともいえる。
このように、音孔１０３ｃの径を変化させることで、ＭＥＭＳチップ１０２に入力される前の信号に施されるプリエンファシス処理を調整することができる。
図２に戻り、シールドケース１０３の内部には、電子回路４８も設置されており、ＭＥＭＳチップ１０２の信号の出力先となっている。この電子回路４８で、前述の音響構造により施したプリエンファシス処理に対応するデエンファシス処理を行う。電子回路４８は、前記デエンファシス特性を持った集積回路であってもよい。
図６は、プリエンファシス・デエンファシス処理を行った結果を説明する図である。
図６中、Ｓ１はシールドケース１０３の構造によるプリエンファシス特性を示しており、Ｓ２は電子回路４８によるデエンファシス特性（電気的デエンファシス Ｑ＝０．７、ｆｃ＝６.５ｋＨｚ）を示しており、Ｓ３は、プリエンファシスとデエンファシス処理の両方を行った結果を示すものである。
図６に示すように、プリエンファシス・デエンファシス処理を行うことで、ＭＥＭＳチップ１０２の出力、すなわちＭＥＭＳマイクロホン１００の出力信号は、高域まで平坦な周波数特性が得られるとともに、デエンファシスにより、電気的に帯域が制限されることにより、前述したＭＥＭＳマイクロホンチップの音響等価回路の音響抵抗を要因とする白色音響熱雑音が帯域制限されることになり、高域雑音が低減され、Ｓ／Ｎ比が向上することがわかる。
図６からは、高域においてＳ／Ｎ比が２[ｄＢ]以上向上し、雑音が低減されていることがわかる。これは、３Ｇ／４Ｇ用の携帯電話において特に有用な結果といえる。
このように、本実施の形態１のＭＥＭＳマイクロホン１００は、まず、ＭＥＭＳチップ１０２が出力する信号にデエンファシス処理を施すことで、主として、ＭＥＭＳチップ１０２の音響等価回路の音響抵抗を要因とする白色音響熱雑音が低減されるので、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。また、ＭＥＭＳマイクロホン１００において、シールドケース１０３の構造によりプリエンファシス処理を行うので、プリエンファシス用の電子回路を設ける必要が無く、プリエンファシス用の電子回路の雑音の影響を排除するこができる。また、出力信号に対してはデエンファシス処理を行うことで、ＭＥＭＳマイクロホン１００の周波数特性を、従来より高域まで平坦化することができる。さらに、この構成によれば、音響抵抗材を用いないので、リフロー実装が可能となる。
なお、本発明は、アナログマイクロホンだけでなく、デジタル出力を持つデジタルマイクロホンのアナログ部にも適用することができる。
本発明は、Ｓ／Ｎ比が向上するとともに高域まで平坦な周波数特性が得られ、リフロー実装が可能なＭＥＭＳマイクロホンとして有用である。
本実施の形態１のＭＥＭＳマイクロホン１００の外観斜視図 ＭＥＭＳマイクロホン１００の縦断面図（図１のＡ−Ａ線断面図） （ａ）ＭＥＭＳマイクロホン１００の側面図、（ｂ）ＭＥＭＳマイクロホン１００の平面図 ＭＥＭＳチップ１０２出力信号の周波数特性 音孔の径を変更した場合の周波数特性の変化を説明するための図 プリエンファシス・デエンファシス処理を行った結果を説明する図 従来のＭＥＭＳマイクロホンの縦断面図
符号の説明
１００ ＭＥＭＳマイクロホン
１０１ 基板
１０２ ＭＥＭＳチップ
１０３ シールドケース
１０３ａ 天板
１０３ｂ 側面板
１０３ｃ 音孔
Ｓ 前気室
４８ 電気回路

Claims (2)

  1. 音信号を電気信号に変換するＭＥＭＳチップと、
    前記ＭＥＭＳチップを覆うシールドケースと、
    前記ＭＥＭＳチップが出力する信号にデエンファシス処理を施すデエンファシス回路と、
    を備え、
    前記シールドケースは、前記ＭＥＭＳチップに入力される信号にプリエンファシス処理を施す構造であるＭＥＭＳマイクロホン装置。
  2. 前記シールドケースは、前記シールドケース上に設けられた音孔と、前記シールドケースが実装された基板及び前記シールドケースで形成される前気室と、によりプリエンファシス処理を施す請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン装置。
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