JP2009111622A - マイクロホン装置、その膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法及び電子機器の製造方法 - Google Patents

マイクロホン装置、その膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法及び電子機器の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】静電型電気音響変換器の振動板のスチフネスを、安価に、且つ、簡単に測定することができる膜スチフネス測定方法を提供し、また、その方法を実施する測定装置を提供する。
【解決手段】マイクロホン装置をコンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、接地端子とを、別途導出した点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、膜スチフネス測定に際しては、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、マイクロホンとしての使用時には、コンデンサ電極端子と、接地端子とを同一の電極パッドに接続するなどの方法で共通接続することで、膜スチフネス測定を実装状態で実現可能とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロホン装置、その膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法及び電子機器の製造方法にかかり、特にコンデンサマイクロフォン等の静電型電気音響変換器における振動板の硬さ(スチフネス:stiffness)を測定する測定方法および測定装置に関する。
静電型電気音響変換器は、静電エネルギを仲介として、音を電気信号に変換したり、逆に、電気信号を音に変換したりする電気音響変換器である。エレクトレットコンデンサマイクロフォン(ECM)やエレクトレットコンデンサスピーカは、この静電型電気音響変換器に分類される。
ECMは、小型化が可能であり、携帯電話に広く用いられている。従来のECMは、図12に示すように、音孔115を有するケース117内に、金属導体等の振動板111と、エレクトレット膜113が形成された固定電極112と、回路素子が搭載されたプリント基板118とが配置されており、振動板111と固定電極112との間隔がスペーサ114で保持され、また、固定電極112とプリント基板118との間に背気室16が形成されている。
エレクトレット膜は、通常、FEP(フッ化エチレンプロピレン樹脂)を用いて形成され、与えられた電荷を保持し続ける。このECMでは、振動板111が音圧によって振動すると、振動板111と固定電極112とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、この容量変化が電圧変化に変換されてECMから出力される。
高分子フィルムであるFEPは、半永久的に電荷を保持する特性を持つが、高温に晒されると電荷保持特性が劣化する傾向がある。そのため、ECMは、半田のリフローでの実装を行うことが困難である。
近年、リフロー可能な耐熱ECMを実現するため、シリコン基板に半導体プロセスで用いられている超精密加工技術を適用して、超小型のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)マイクロホンを製造する技術が開発されている。
図5は、MEMSマイクロホン装置20の一例を示している。シリコン基板上には、半導体製造技術を用いて多数のマイクロホンチップが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図5は、分割された1つのマイクロホンチップの側面図を示している。このMEMSマイクロホン装置20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。
このMEMSマイクロホン装置20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。
ところで、マイクロホンやスピーカの製造現場では、製品の一様性を識別するために振動膜の膜強さ(スチフネス)の測定が行われている。従来は、振動膜を振動させて、その変位の共振周波数を光干渉計で測定し、その値を次式(数1)に代入して膜スチフネスを算出している。
Figure 2009111622
質量m0は、振動膜の構造が決定されていれば一義的に導出することができる。そのため、膜スチフネスは、光干渉計で共振周波数f0を測定することにより、(数1)から算出することができる(非特許文献1、2参照)。
optonor社カタログ micromap5000 振動・変位測定及び表面形状測定装置 早坂寿雄 他 音響工学概論 日刊工業新聞社 日経マイクロデバイス 2007年July P94−95 IEEE 1998 P288
しかし、従来の膜スチフネス測定方法で使用する光干渉計は、きわめて高価であり、この方法の測定装置を一式揃えるために多大な費用が掛かることになる。
また、MEMSマイクロホンは、振動板がシリコンで構成されており、従来のマイクロフォンに比べて振動板の膜スチフネスが高く、振動し難い。そのため、従来の方式(振動板を振動させて、その動きから振動板の共振点を求める方式)を適用してMEMSマイクロホンの膜スチフネスを測定する場合は、測定装置を調整して測定結果を得るのに多大な時間を要し、また、再現性のある測定結果を得ることが難しい。
また、MEMSマイクロホンの場合は、例えば非特許文献3に示すように、MEMSチップの振動膜上を金属キャップが覆う構造となるため、アセンブリされたマイクロホンの場合には上述したような光干渉計での測定はさらに困難になる。
さらに、MEMSマイクロホンの製造・アセンブリ工程では金属キャップをはんだ固着する場合、はんだ溶融時に高温となるため、温度による基板の膨張収縮が発生する。このためMEMSチップへ、膨張収縮のストレスが加わりMEMSチップの特性が微少ではあるが変化する。
同様に、表面実装デバイスであるMEMSマイクロホンがユーザー基板(回路基板)に実装された場合にも、相互の基板の膨張収縮の相互干渉からMEMSチップへ膨張収縮の応力が加わりMEMSチップの特性が微少ではあるが変化することが認められている(非特許文献4)。
この変化は、振動膜へのストレスとなり、振動膜のスチフネスが変化し、主として感度の変化を引き起こすことになる。
従って、実際の振動膜のスチフネスを測定するためには、金属キャップを固着した後、あるいはユーザー基板に実装された後の振動膜のスチフネスを測定する必要がある。
また、マイクロホンの設計において、金属キャップの固着工程、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスの変化を考慮し、設計を行う必要がある。
そこで、製造工程中及びマイクロホン装置の製造工程での振動膜のスチフネス品質の確認や制御のため、あるいはユーザー側での表面実装時の特性変化すなわち振動膜のスチフネスの変化をモニター計測することが求められる。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、静電型電気音響変換器の振動板のスチフネスを、安価に、且つ、簡単に測定することができる膜スチフネス測定方法を提供し、また、その方法を実施する測定装置を提供することを目的とする。
特に、金属キャップなどの封止体で封止した後、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスを測定することを目的とする。
そこで本発明では、マイクロホン装置をコンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、接地端子とを、別途導出した点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、膜スチフネス測定に際しては、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、マイクロホンとしての使用時には、コンデンサ電極端子と、接地端子とを同一の電極パッドに接続するなどの方法で共通接続することで、膜スチフネス測定を実装状態で実現可能とするものである。
すなわち本発明のマイクロホン装置は、第1の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第2の電極とを具備したマイクロホンで構成されたコンデンサ部と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器とが容器内に実装され、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とが前記容器から導出されたことを特徴とする。
この構成により、従来共通接続していたコンデンサ電極端子と、接地端子とを独立して導出しただけであり、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、膜スチフネス測定が可能であり、これは、実装後のマイクロホン装置、さらには回路基板上に面実装した状態でのマイクロホン装置の膜スチフネス測定装置を測定することができる。つまり、マイクロホン装置として使用するそのものについて非破壊で、実装状態に極めて近い膜スチフネス測定を実現しうる。従って、マイクロホン装置の設計に、この測定結果をフィードバックするようにすれば、極めて高精度の特性制御を実現することが可能となる。
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部および増幅器は、同一の基板の第1の面上に搭載され、前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が、前記基板の第2の面に、面実装端子として配設されたものを含む。
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列された。
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたものを含む。
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持できるものを含む。
また本発明の膜スチフネス測定装置は、上記マイクロホン装置を真空中に保持する容器と、前記真空中に保持された前記マイクロホン装置の前記コンデンサ電極端子と前記出力端子間の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する周波数特性測定部と、前記周波数特性測定部が測定した周波数特性から共振周波数を求め、その共振周波数から前記マイクロホン装置の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを具備したことを特徴とする。
この構成により、実装後のマイクロホン装置を用いて測定を行うことができ、製造・アセンブリ工程において、キャップをはんだ固着する場合、はんだ溶融時に高温となり、基板の膨張収縮が発生し、膨張収縮のストレスが加わりMEMSチップの特性が微少ではあるが変化することがあるなど、製造およびアセンブリ工程における、スチフネスの変化を考慮した上でのスチフネスの測定が可能となる。また、直接的な振動変位を検出するかわりに、周波数特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で周波数特性を測定しているため、振動板の周囲の空気によるインピーダンスへの影響を受けない。
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記周波数特性測定部は、マイクロホンが搭載されるのと同一材料で形成された4つの電極パッドを備えた回路基板上に搭載されており、前記電極パッドにそれぞれ前記マイクロホンの前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が固着されるようにしたものを含む。
この構成により、本発明のマイクロホン装置を回路基板上に面実装することで、容易に膜スチフネスを測定することが可能となる。また、このように実装することで、実際の使用状態に近い状態で膜スチフネスを測定することができる。
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜を具備した前記第1の電極と、この第1の電極に対向する第2の電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ気室に繋がっており、かつ、前記気室の容積は、そのスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されているものを含む。
コンデンサ部の気室のスチフネスは、その容積で決定されるため、その容積を調整して、気室のスチフネス(気室の弾性)が膜スチフネスよりも十分に小さくなるように設定するものである。これにより、膜スチフネスを求める際に、気室のスチフネスを無視することが可能となり、これによって、膜スチフネスの算出が容易となる。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を有し、前記筐体部は、電気的な雑音シールド機能と、前記コンデンサ部に音を導くための音孔と、を有するものを含む。
コンデンサ部のコンデンサは容量が小さいため、周囲環境からの外乱を受けやすい。また、増幅器も微小信号を扱うことから同様に外部の影響を受けやすい。そこで、雑音シールド機能を有し、また、音をコンデンサ部に導くための音孔を有する筐体部に、コンデンサ部と増幅器を収納する構造としたものである。これにより、外乱の影響を受けにくくすることができ、膜スチフネスの測定精度が向上する。また、筐体にコンデンサ部を収納したとしても、コンデンサ部は、音孔を介して受音することができるため、何ら問題はない。
この膜スチフネス測定装置では、直接的な振動変位を検出するかわりに、入出力応答特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で入出力応答特性を測定しているため、振動板の周囲の空気による影響を受けない。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、入出力応答特性の絶対値|G|と位相角度∠θとを測定する。
そのため、正確な測定結果を得ることができる。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、マイクロホン装置に対して、交流電圧とともに直流電圧を印加する。
直流バイアスの印加により、入出力応答特性の値を適切な大きさに設定することができる。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、所定の周波数帯域の各周波数における入出力応答特性を測定し、スチフネス算出部が、入出力応答特性測定部の測定結果に基づく周波数−入出力応答特性曲線から共振周波数を求めるようにしている。
共振周波数は、周波数−入出力応答特性曲線上で入出力応答特性のゲイン絶対値及び位相角度の変曲点として現れる。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、さらに、表示部を備えており、この表示部に周波数−入出力応答特性曲線が表示される。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、真空容器の内部が、10−1〜10−2Torrの真空度に保持される。
この真空度はあまり高くないため、短時間で目標の真空状態に設定することができる。
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、さらに、前記第1の電極に繋がっている気室は、その気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されているものを含む。
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記容器は、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を構成し、前記筐体部は、電気的な雑音をシールドするシールド機能と、前記筐体部を真空に導くための音孔と、を具備したものを含む。
また本発明は、上記マイクロホン装置を用いて、実装後のマイクロホン装置の膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定する工程と、前記測定結果に基づき膜スチフネスを測定するものを含む。
この構成によれば、実装後のマイクロホン装置を用いて測定を行うことができ、製造・アセンブリ工程において、キャップをはんだ固着する場合、はんだ溶融時に高温となり、基板の膨張収縮が発生し、膨張収縮のストレスが加わりMEMSチップの特性が微少ではあるが変化することがあるなど、製造およびアセンブリ工程における、スチフネスの変化を考慮した上でのスチフネスの測定が可能となる。また、直接的な振動変位を検出するかわりに、周波数特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で周波数特性を測定しているため、振動板の周囲の空気によるインピーダンスへの影響を受けない。
また本発明は、上記マイクロホン装置を製造する工程と、前記マイクロホン装置の前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定し、この測定結果に基づき膜スチフネスを測定すると工程と、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを接続するように、電子機器の回路基板に実装する工程とを含む。
この構成によれば、実際と極めて近い状態で測定を行い、この後コンデンサ電極端子と前記接地端子とを接続するように、電子機器の回路基板に実装する工程を実行することで、そのままマイクロホン装置つきの電子機器を得ることができる。
また本発明は、上記電子機器の製造方法において、前記実装する工程は、前記回路基板上の回路パターンが、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とにそれぞれ接続されるパッドを具備し、前記パッドが前記回路基板上で電気的に接続されるように構成された回路基板を用いる工程である。
この構成によれば、あらかじめ回路基板上でパッドが相互接続されているため、回路基板上に実装するだけでマイクロホン装置としての機能を発揮する、
また本発明は、上記電子機器の製造方法において、前記実装する工程は、前記回路基板上に前記マイクロホン装置を装着するに先立ち、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続する工程を含む。
この構成によれば、あらかじめコンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続し、こののち回路基板上に実装しているため、作業性よく実装することが可能である。
本発明では、マイクロホン装置の振動板のスチフネスを、高価な計測器を使わずに、安価に測定することが可能であり、かつコンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続するだけでそのマイクロホン装置を構成することが可能である。また、直接的な振動変位検出なしに、膜スチフネスを測定しているため、MEMSマイクロホンのように振動板が硬いものでも、再現性のある測定結果を短時間で得ることができる。
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態における膜スチフネス測定装置の構成を概略的に示す図である。
本実施の形態では、マイクロホン装置をコンデンサ部を構成するMEMSマイクロホンチップMの第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、接地端子とを、別途導出した点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、膜スチフネス測定に際しては、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、マイクロホンとしての使用時には、コンデンサ電極端子と、接地端子とを同一の電極パッドに接続することで、膜スチフネス測定を実装状態で実現する。
この膜スチフネス測定装置は、測定対象が例えばMEMSマイクロホンの振動板である場合、図1に示すように、MEMSマイクロホン装置20を収容する真空容器30と、測定周波数を変えながら真空中に置かれたMEMSマイクロホン装置20の入出力応答特性を測定する応答測定部40と、周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求めてMEMSマイクロホン装置20の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部51と、周波数−入出力応答特性曲線などを表示する表示部52とを備えている。
真空容器30は、内部にMEMS マイクロホン装置20をセットする載置台を備え、また、真空容器外部からMEMSマイクロホン装置20への通電を可能にする端子機構を備えている。MEMSマイクロホン装置20は、MEMSチップ(M)がCMOSアンプ(A)に接続され、さらに、マイクロホン装置の外部端子に所定の配線接続がなされる回路基板とそれらを覆うキャップで構成された状態で載置台にセットされ、前記端子機構は、各導電部に通電できるように接続される。
すなわち、マイクロホン装置20は、図2(a)に等価回路図、図3にその上面図、側面図および下面図、図4にこのマイクロホン装置の内部構成、図5にMEMSチップの断面図を示すように、通例のコンデンサ部を構成するMEMSマイクロホン(チップ)Mとこれに接続され、増幅器を構成するCMOSアンプAとが実装用の回路基板100上に搭載され、メタルキャップ101で封止されたものである。膜スチフネス測定時のマイクロホン装置の等価回路図は、図2(a)に示すようにコンデンサ部MとCMOSアンプAとが接続され、コンデンサ部の第2の電極であるコンデンサ電極端子Eと、CMOSアンプAの接地端子Eとが、それぞれコンデンサ電極パッドP、接地パッドPとして独立して取り出されて、外部端子を構成している。これに対し、通常のマイクロホン装置は図2(b)に示すように、コンデンサ部の第2の電極であるコンデンサ電極端子Eと、CMOSアンプAの接地端子Eとが、内部回路あるいは回路基板上で共通接続されている(詳細については後述するが、図2(a)に示したようにコンデンサ電極端子Eと、CMOSアンプAの接地端子Eとを別途取り出し、膜スチフネスの測定後、コンデンサ電極パッドPと、接地パッドPとを共通接続してマイクロホンとして用いる)。図中、図2に示す測定用部品が示されているが破線部で囲まれた領域がこのマイクロホン装置を示す図である。
すなわち本発明のマイクロホン装置は、振動膜23である第1の電極と、この第1の電極に対向して配設された固定電極26としての第2の電極とを具備したマイクロホンで構成されたコンデンサ部(図5参照)と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器Aとがメタルキャップ101からなる容器内に実装され、図3(a)乃至(c)にその外観図(上面図、側面図、下面図)を示すように、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子Eと、前記増幅器Aに接続される電圧供給端子Eと、接地端子Eと、前記増幅器Aからの出力端子Eとが前記容器から導出され、回路基板100の裏面側にそれぞれパッド(コンデンサ電極パッドPと、電圧供給パッドPと、接地パッドPと、前記増幅器(CMOSアンプ)Aからの出力パッドPを形成している。
そしてこのマイクロホン装置の内部は、図4(a)および(b)に示すように、コンデンサ部MとCMOSアンプAとが回路パターンを形成したプリント配線基板(回路基板)100上に実装され、メタルキャップ101で封止されており、この回路基板100の裏面側には上述した4つのパッドすなわち、コンデンサ電極パッドPと、電圧供給パッドPと、接地パッドPと、出力パッドPが形成されている。
このシリコンマイクロホン用チップMは、図5に示すように、シリコン基板21と、この表面に形成された多結晶シリコン膜からなり、コンデンサの一極として機能する第1の電極としての振動膜23と、エレクトレット膜(エレクトレット化対象の膜)24としての酸化シリコン膜と、酸化シリコン膜からなるスペーサ部25と、コンデンサの他極として機能する固定電極26とシリコン基板21をエッチングすることで形成される背気室28とを有する。固定電極26には、複数の音孔(音波を振動膜23に導くための開口部)27が設けられている。なお、参照符号Gはエアギャップ、Hは電気的接続のためのコンタクトホールを示す。
マイクロホンを構成する振動膜23、固定電極26、無機誘電体膜24は、シリコンの微細加工技術と、CMOS(相補型電界効果トランジスタ)の製造プロセス技術とを利用して製造され、いわゆるMEMS素子を構成する。
また、真空容器30は、入出力応答特性測定時に、真空ポンプにより10−1Torr以下の真空状態(10−2Torr程度、即ち、音が伝達しない程度の真空状態)に維持される。この真空度は、あまり高くないため、真空ポンプを起動してから約30秒で、その状態に到達することができる。
入出力応答特性測定部40は、測定周波数を掃引しながら真空中のMEMSマイクロホン装置20の入出力応答特性を測定する。
スチフネス算出部51は、入出力応答特性測定部40が測定した周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求め、この共振周波数を(数1)に代入してMEMSマイクロホン装置20の振動板のスチフネスを算出する。
このように、この測定装置では、(数1)に代入するための共振周波数を、MEMSマイクロホン装置20の入出力応答特性の測定結果から求めている。
入出力応答特性測定を実行する入出力応答特性測定部40は、図2に示すように、MEMSマイクロホン装置20の励振源である交流電圧源61及び直流電圧源62と、入力及び出力のそれぞれの電圧を測定する電圧計と、入力及び電圧の位相差を測定する位相測定計を備えている。なお、直流電圧源62は、必要に応じて設置する。
MEMSチップの一方の入力端に励振電圧を加えると、CMOSアンプの入力端にはMEMSチップの容量とCMOSアンプの入力容量とで分割された電圧が生じる
この電圧がCMOSアンプのゲイン倍(G倍)で増幅された出力電圧がCMOSアンプ出力端に発生する。
この入出力電圧の特性はインピーダンス分圧比とゲインで表される。
Figure 2009111622
次に、このVもしくはV/VinがMEMSチップの電気容量と機械インピーダンスの特性で表されることを説明する。
MEMSマイクロホン装置20の音響系の機械インピーダンスは、図6に示す電気的な等価回路で表すことができる。
ここで、Aは図4に示すMEMSマイクロホンのキャップ101と基板100で構成される機械インピーダンスであり、r1とm1はキャップの孔の機械インピーダンスでC1はキャップと基板で構成される気室のコンプライアンス(即ち、スチフネスの逆数)である。また、Bは図5の、振動板(振動膜電極23+エレクトレット膜24)の機械インピーダンスであり、m0は振動板の質量、c0(=1/so)は振動板のコンプライアンス、r0は振動膜自身、rsは振動膜と固定電極で構成される薄流体層の機械抵抗である。
また、r2とm2は振動板の放射インピーダンス、C2は薄流体層のコンプライアンスであり、C3は背気室28と図4の基板で構成される気室の空気コンプライアンスである。
このように、空気中にあるMEMSチップは、振動板の機械インピーダンスの他に、空気による機械インピーダンスを有しているため、MEMSマイクロホン装置20の入出力応答特性を空気中で測定する場合は、振動板そのものの機械インピーダンス影響を測定することが極めて困難である。
この振動板の前部気室や背気室28の空気に起因するコンプライアンスc1、c2およびc3は、次の(数3)で表される。
Figure 2009111622
この測定装置では、MEMSマイクロホン装置20が真空中に配置されているから、C(=c1、c2、c3)の値は極めて大きい値となり、短絡状態となる。従って、真空容器内のコンデンサ部の等価回路は、振動板自身の機械インピーダンスのみで代表されることになる。
このコンデンサ部の可逆式は、次式(数4)(数5)のように表される(川村雅恭著「電気音響工学概論」株式会社昭晃堂発行、参照)。
Figure 2009111622
Figure 2009111622
ここで、被測定振動板の機械インピーダンスは、
Figure 2009111622
また、力係数は、
Figure 2009111622
また、コンデンサ部の容量は、
Figure 2009111622
で表される。
Figure 2009111622
この(数4)は、振動板の機械的な力の関係に着目した式であり、(数5)は、振動板の電気的な関係に着目した式である。
この測定装置では、MEMSマイクロホン装置20の振動板を励振源で駆動しているため、外力Fは0であり、(数4)は(数10)のように表される。
Figure 2009111622
Figure 2009111622
Figure 2009111622
このインピーダンスは、図7に示すように、電気容量Cmと振動板機械インピーダンスとが並列に配置された等価回路のインピーダンスに相当している。
このことから、V/Vinは以下のように表される。
Figure 2009111622
Figure 2009111622
となり、振動膜の共振周波数f0と共振のするどさQの関数として表され、位相情報とゲイン共振情報をもった入出力応答曲線がえられる。
また、図2の測定回路において、交流電圧V1の周波数を所定の周波数帯域の各周波数に順次切り替えながら測定することにより、図8および図9に示す周波数−入出力応答曲線aおよび周波数−位相曲線bが得られる。図9は図8の要部拡大図である。
例えば、図8に示した周波数−入出力応答曲線は、表示部52に表示される。
スチフネス算出部51は、この曲線から、反共振点の周波数と共振点の周波数とをサーチし、2周波数の平均を取ることにより共振周波数f0を求め、この値を(数1)に代入してMEMSマイクロホン装置20の振動板のスチフネスを算出する。
あるいは、スチフネス算出部51は、周波数−入出力応答曲線の共振−反共振部の曲線部分と、ゲイン一定曲線との交点を求め、その値を(数1)に代入して振動板のスチフネスを算出する。
また、例えば、図8に示した周波数−位相曲線が表示部52に示される。スチフネス算出部51は、この曲線のピークを共振周波数f0として求め、この値を(数1)に代入してMEMSマイクロホン装置20の振動板のスチフネスを算出する。
このように、この膜スチフネス測定方法では、マイクロホン装置の図8に示す周波数―入出力応答曲線a―位相曲線bから共振周波数を求めているため、安価に測定することができる。また、MEMSマイクロホンのようにスチフネスの高い振動板が対象である場合でも、再現性の有る測定結果を短時間で得ることができる。
また、測定対象物を真空中に配置して入出力の応力測定を行っているため、振動板の周囲の空気による影響を排除することができ、振動板のみの入出力応答を正確に測定することができる。
このときの真空レベルは、10−1〜10−2Torr程度で良く、真空ポンプにより短時間で設定することができる。
また、この測定装置では、入出力応答測定部が、ゲインの絶対値|G|と位相角度とを測定しているため、図7の等価回路でのインピーダンス測定と同等の、正確な測定結果を得ることができる。
また、この測定装置では、直流電圧源62から供給される直流電圧Ebを調整することにより、(数12)の力係数Aを変えて、入出力応答の値を適切な大きさに設定することができる。
また、入出力応答の測定は、市販の周波数応答測定器を用いても行っても良い。
また、表示部52及びスチフネス算出部51は、パーソナルコンピュータ(PC)の機能を用いて実現することができる。この場合、PCから入出力応答測定部40に測定周波数の帯域を指定し、入出力応答測定部40が指定された周波数帯域を走査して入出力測定結果をPCに出力すると、PCの画面にゲインの絶対値|G|と位相角度とが表示されるようにすることができる。
そして、このようにして、膜スチフネスを測定し、図10に示すように、半田などにより、コンデンサ電極パッドPとグランドパッドPとを接続することで、通例のマイクロホン装置として用いることができる。
また、このマイクロホン装置の実装される、実装基板200上のパッド201(パッドPi1とパッドPi2)を図11(a)に示すように、配線パターン202で共通接続し、図11(b)に示すように、このマイクロホン装置20を実装すれば、そのまま実装基板200上でコンデンサ電極パッドPと接地パッドPとが共通接続されることになり、マイクロホン装置として機能することになる。
なお、前記実施の形態では、MEMSマイクロホン装置の振動板のスチフネスを測定する場合について説明したが、本発明は、その他の静電型電気音響変換器を測定対象とすることも可能である。
本発明のマイクロホン装置によれば、膜スチフネス測定が実装状態で実現できるため、高精度の測定が可能となり、製造したMEMSマイクロホン装置の製品としての一様性を識別したり、新たに開発した製品の特性を調べたりするときに利用することができ、MEMSマイクロホンやエレクトレットコンデンサマイクロフォン、エレクトレットコンデンサスピーカ等、各種の静電型電気音響変換器の検査に広く用いることができる。
本発明の実施の形態における膜スチフネス測定装置の概要を示す図 本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置を示す図、(a)は膜スチフネス測定時の等価回路図、(b)はマイクロホン装置の等価回路図、 本発明の実施の形態で用いられるマイクホロンアセンブリを示す図、(a)は上面図、(b)は側面図、(c)は下面図 本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置の内部構成を示す図 MEMSチップの断面図 MEMSマイクロホンの機械インピーダンスの等価回路を示す図 本発明の実施の形態における膜スチフネス測定回路の等価回路を示す図 本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−インピーダンス曲線を示す図 本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−位相曲線を示す図 本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置を示す図 本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置を示す図 従来例のエレクトレットコンデンサマイクロホンの構成を示す図
符号の説明
111 振動板
112 固定電極
113 エレクトレット膜
114 スペーサ
115 音孔
116 背気室
117 ケース
118 プリント基板
20 MEMSマイクロホン
21 シリコン基板
22 絶縁層
23 振動膜電極
24 エレクトレット膜
25 第2の絶縁層
26 固定電極
27 音孔
28 背気室
30 真空容器
40 入出力応答測定部
51 スチフネス算出部
52 表示部

Claims (15)

  1. 第1の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第2の電極とを具備したマイクロホンで構成されたコンデンサ部と、
    前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器とが容器内に実装され、
    前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とが前記容器から導出されたマイクロホン装置。
  2. 請求項1に記載のマイクロホン装置であって、
    前記コンデンサ部および増幅器は、同一の基板の第1の面上に搭載され、
    前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が、前記基板の第2の面に、面実装端子として配設されたマイクロホン装置。
  3. 請求項1または2に記載のマイクロホン装置であって、
    前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列されたマイクロホン装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
    前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたマイクロホン装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
    前記振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持できる構成のマイクロホン装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれかに記載のマイクロホン装置を真空中に保持する容器と、
    前記真空中に保持された前記マイクロホン装置の前記コンデンサ電極端子と前記出力端子間の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する周波数特性測定部と、
    前記周波数特性測定部が測定した周波数特性から共振周波数を求め、その共振周波数から前記マイクロホン装置の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを具備した膜スチフネス測定装置。
  7. 請求項6に記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記周波数特性測定部は、
    前記コンデンサ電極端子に、入力信号として、交流信号と直流バイアスを供給する信号発生部と
    前記増幅器の出力信号の電圧を測定する電圧・位相測定部と、
    前記コンデンサ部に加わる入力電圧の電圧・位相測定部と、
    を備えた膜スチフネス測定装置。
  8. 請求項6に記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記周波数特性測定部は、マイクロホンが搭載されるのと同一材料で形成された4つの電極パッドを備えた回路基板上に搭載されており、前記電極パッドにそれぞれ前記マイクロホンの前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が固着される膜スチフネス測定装置。
  9. 請求項7または8記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜を具備した前記第1の電極と、
    前記第1の電極に対向する第2の電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ気室に繋がっており、かつ、前記気室の容積は、前記気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されている膜スチフネス測定装置。
  10. 請求項7または8記載の膜スチフネス測定装置であって、
    さらに、前記第1の電極に繋がっている気室は、その気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されている膜スチフネス測定装置。
  11. 請求項6乃至10のいずれかに記載の膜スチフネス測定装置であって、
    前記容器は、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を構成し、前記筐体部は、電気的な雑音をシールドするシールド機能と、前記筐体部を真空に導くための音孔と、を具備した膜スチフネス測定装置。
  12. 請求項1乃至5のいずれかに記載のマイクロホン装置を用いて、実装後のマイクロホン装置の膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、
    前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、
    前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定する工程と、
    前記測定結果に基づき膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法。
  13. 請求項1乃至5のいずれかに記載のマイクロホン装置を製造する工程と、
    前記マイクロホン装置の前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定し、この測定結果に基づき膜スチフネスを測定すると工程と、
    前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを接続するように、電子機器の回路基板に実装する工程とを含む電子機器の製造方法。
  14. 請求項13記載の電子機器の製造方法であって、
    前記実装する工程は、前記回路基板上の回路パターンが、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とにそれぞれ接続されるパッドを具備し、前記パッドが前記回路基板上で電気的に接続されるように構成された回路基板を用いる工程である電子機器の製造方法。
  15. 請求項13記載の電子機器の製造方法であって、
    前記実装する工程は、前記回路基板上に前記マイクロホン装置を装着するに先立ち、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続する工程を含む電子機器の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009118264A (ja) * 2007-11-07 2009-05-28 Panasonic Corp マイクロホン装置
JP4505035B1 (ja) * 2009-06-02 2010-07-14 パナソニック株式会社 ステレオマイクロホン装置
JP2012237584A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Kobelco Kaken:Kk 音響管及び音響特性測定装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002218594A (ja) * 2001-01-23 2002-08-02 Hosiden Corp シリコン酸化膜エレクトレットの製造方法、同製造方法によって得られたシリコン酸化膜エレクトレット、および、同シリコン酸化膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサマイクロホン
JP2006329718A (ja) * 2005-05-24 2006-12-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法
WO2006132193A1 (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. コンデンサマイクロホンのエレクトレット化方法、エレクトレット化装置およびこれを用いたコンデンサマイクロホンの製造方法
JP2007060285A (ja) * 2005-08-24 2007-03-08 Matsushita Electric Works Ltd シリコンマイクロホンパッケージ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002218594A (ja) * 2001-01-23 2002-08-02 Hosiden Corp シリコン酸化膜エレクトレットの製造方法、同製造方法によって得られたシリコン酸化膜エレクトレット、および、同シリコン酸化膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサマイクロホン
JP2006329718A (ja) * 2005-05-24 2006-12-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 膜スチフネス測定装置および膜スチフネス測定方法
WO2006132193A1 (ja) * 2005-06-06 2006-12-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. コンデンサマイクロホンのエレクトレット化方法、エレクトレット化装置およびこれを用いたコンデンサマイクロホンの製造方法
JP2007060285A (ja) * 2005-08-24 2007-03-08 Matsushita Electric Works Ltd シリコンマイクロホンパッケージ

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009118264A (ja) * 2007-11-07 2009-05-28 Panasonic Corp マイクロホン装置
JP4505035B1 (ja) * 2009-06-02 2010-07-14 パナソニック株式会社 ステレオマイクロホン装置
JP2010283418A (ja) * 2009-06-02 2010-12-16 Panasonic Corp ステレオマイクロホン装置
US7933428B2 (en) 2009-06-02 2011-04-26 Panasonic Corporation Microphone apparatus
JP2012237584A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Kobelco Kaken:Kk 音響管及び音響特性測定装置

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