JP2009200740A - Composite sensor and composite microphone device using the same - Google Patents

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JP2009200740A JP2008039229A JP2008039229A JP2009200740A JP 2009200740 A JP2009200740 A JP 2009200740A JP 2008039229 A JP2008039229 A JP 2008039229A JP 2008039229 A JP2008039229 A JP 2008039229A JP 2009200740 A JP2009200740 A JP 2009200740A
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Michio Kimura
教夫 木村
Hiroshi Ogura
洋 小倉
Yusuke Takeuchi
祐介 竹内
Katsuhiro Makihata
勝浩 巻幡
Yasuhiro Nakanonishi
保弘 中野西
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Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact, thin and light-weight composite sensor capable of detecting light as well together with sound, vibrations and pressure by a single acoustic sensor in a MEMS microphone as an acoustic sensor. <P>SOLUTION: The composite sensor includes: a capacitor part provided with a vibration film as a first electrode, a dielectric film fixed to the vibration film and a second electrode disposed facing the first electrode; an amplifier connected to the first electrode of the capacitor part, for amplifying signals from the capacitor part; a capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor part; a voltage supply terminal connected to the amplifier; a grounding terminal; an output terminal from the amplifier; and a signal separation part connected to the output terminal and provided with a band division filter for dividing the output of the amplifier into optical signals and acoustic signals. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、複合センサおよびこれを用いた複合マイクロホン装置にかかり、特に音響センサ機能に加えて光センサ機能を具備した複合装置に関する。   The present invention relates to a composite sensor and a composite microphone device using the same, and more particularly to a composite device having an optical sensor function in addition to an acoustic sensor function.

音・振動・圧力・加速度等の物理量、ならびに、光という物理量を検出可能な、多変量検出センサは、例えば、特許文献1に記載されている。
この特許文献1に記載されている多変量検出センサでは、エレクトレットコンデンサと光センサを組み合わせて利用する。
すなわち、音・振動・圧力・加速度といった物理量は静電容量の変化を電圧に変換するなどし、これに基づいて各パラメータの物理量を検出する。また、光という物理量に関しては、エレクトレットコンデンサ型センサとは別のセンサを用いて検出している。
A multivariate detection sensor capable of detecting a physical quantity such as sound, vibration, pressure, and acceleration, and a physical quantity such as light is described in Patent Document 1, for example.
In the multivariate detection sensor described in Patent Document 1, an electret condenser and an optical sensor are used in combination.
That is, physical quantities such as sound, vibration, pressure, and acceleration are obtained by converting a change in capacitance into a voltage, and the physical quantities of each parameter are detected based on this. Further, the physical quantity of light is detected using a sensor different from the electret condenser type sensor.

特開2004−354199号公報(第1頁、第1図)JP 2004-354199 A (first page, FIG. 1)

従来技術では、以下の2つの不都合が生じる場合がある。
(1)従来構造のエレクトレットコンデンサ型センサ単体では、音・振動・圧力は検出できるが、同時に光を検出することができない。
(2)したがって、光も検出する場合には、別のセンサを組み合わせて使用する必要がある。例えば、光を熱量に変換し、これを圧力に換算するセンサを設け、その圧力の値をエレクトレットコンデンサ型センサにより検出して出力することができる。しかし、この場合、光から熱に変換することは非常に変換効率が悪く、少量の光の検出は困難である。また、構造が複雑化、大型化する傾向も生じる。
In the prior art, the following two problems may occur.
(1) A single electret condenser sensor having a conventional structure can detect sound, vibration, and pressure, but cannot detect light at the same time.
(2) Therefore, when detecting light, it is necessary to use another sensor in combination. For example, it is possible to provide a sensor that converts light into heat and converts it into pressure, and the pressure value can be detected and output by an electret condenser sensor. However, in this case, conversion from light to heat is very poor in conversion efficiency, and it is difficult to detect a small amount of light. In addition, the structure tends to be complicated and large.

図6は、MEMSマイクロホンMの一例を示している。このMEMSマイクロホンMはシリコン基板上に、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りこまれ、最終的に個々に分割されて形成される。図6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Mは、例えばp型のシリコン基板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。   FIG. 6 shows an example of the MEMS microphone M. The MEMS microphone M is formed by forming a large number of microphone chips on a silicon substrate at the same time using a semiconductor manufacturing technique, and finally dividing them into individual pieces. FIG. 6 shows a side view of one divided microphone chip. This MEMS microphone M has, for example, a vibrating membrane electrode 23 and an electret film 24 on a p-type silicon substrate 21 with a first insulating layer 22 interposed therebetween. A fixed electrode 26 in which a sound hole 27 is formed is provided via an insulating layer 25. Further, a back air chamber 28 is formed on the back surface of the vibrating membrane electrode 23 by etching the silicon substrate 21.

振動膜電極23は、nドープにより導電性をもたせた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、nドープにより導電性をもたせた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。   The vibrating membrane electrode 23 is made of polysilicon made conductive by n doping, the electret film 24 is made of a silicon nitride film or a silicon oxide film, and the fixed electrode 26 made conductive by n doping. The polysilicon is formed by laminating a silicon oxide film and a silicon nitride film.

このMEMSマイクロホンM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。   In the MEMS microphone M, when the vibrating membrane electrode 23 vibrates due to the sound pressure, the capacitance of the plate capacitor formed by the vibrating membrane electrode 23 and the fixed electrode 26 changes and is taken out as a voltage change.

ところで、マイクロホンやスピーカの製造現場では、感度が極めて重要な課題となっているが、本発明者らは種々の検証の結果、蛍光灯の定常的なまたたき(瞬きは商用周波数の2倍の周波数となるは公に知られている)のなかにおかれたMEMSマイクロホンが、ノイズを拾っていることを発見した。これは、商用周波数の2倍の周波数で、周期的な出力であり、蛍光灯がまたたく光を検出したものであることがわかった。   By the way, in the manufacturing site of microphones and speakers, sensitivity has become an extremely important issue. As a result of various verifications, the present inventors have steadily flickered fluorescent lamps (the blink is a frequency twice the commercial frequency). I found that a MEMS microphone placed in the public (to become publicly known) picks up noise. This was a periodic output at a frequency twice the commercial frequency, and it was found that the light was detected by a fluorescent lamp.

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、上記発見に着目し、MEMSマイクロホン、すなわち音響センサとしてのMEMSマイクロホンにおける単体の音響センサによって、音・振動・圧力と共に光も検出することができる、小型、薄型、軽量の複合センサを提供することを目的とする。
また光センサ機能を備えた複合マイクロホン装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and pays attention to the above discovery, and can detect light as well as sound, vibration, and pressure by a single acoustic sensor in a MEMS microphone, that is, a MEMS microphone as an acoustic sensor. An object of the present invention is to provide a composite sensor that is small, thin, and lightweight.
It is another object of the present invention to provide a composite microphone device having an optical sensor function.

そこで本発明の複合センサは、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、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を備え、前記出力端子に接続され、前記増幅器の出力をが、光信号と、音響信号となるに分割する帯域分割フィルタを具備した信号分離部とを具備したことを特徴とする。
また、上記の複合センサであって、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接地端子とが、内部または外部で接続されている複合センサであってもよい。
本発明者らは、上述したように、コンデンサ部の出力が、蛍光灯のまたたきと同じ周波数の信号出力を含むという発見に着目し、考察を行なった結果、第1の電極と第2の電極との間の静電容量の変化を検出するコンデンサ部の出力として、音・振動・圧力に起因する信号(以下音響信号とする)に起因する振動による機械電気変換出力に加え、光信号に起因する光電変換出力を得ることができるのではないかという見識を得た。そこで、種々の実験を行い、光に対しては発音しないLED光で、LEDのオンオフ変調に完全に同期した信号を確認することで、音に対しては、発光しないスピーカーの音に対応した信号を確認し、1つのセンサの一つの出力信号線上に、光と音に対応する信号が得られることを見出した。
この一つの出力信号線上の信号を、帯域分割フィルタを用いて、光信号と音響信号とに分割することにより光信号と音響信号の両方を1つのセンサで取り出すことに成功した。
従って上記構成によれば、帯域分割フィルタを用いて、光信号と音響信号とに分割することにより光信号と音響信号の両方を1つのセンサで取り出すことができる。なおこの帯域分割フィルタは、センサ外に設けるようにしてもよい。
Therefore, the composite sensor of the present invention includes a vibration film as a first electrode, a dielectric film fixed to the vibration film, and a second electrode disposed to face the first electrode. A capacitor unit, an amplifier connected to the first electrode of the capacitor unit for amplifying a signal from the capacitor unit, a capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit, and the amplifier A band division filter that includes a voltage supply terminal to be connected, a ground terminal, and an output terminal from the amplifier, and is connected to the output terminal and divides the output of the amplifier into an optical signal and an acoustic signal. And a signal separation unit including
The composite sensor may be a composite sensor in which a capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit and a ground terminal are connected internally or externally.
As described above, the present inventors paid attention to the discovery that the output of the capacitor unit includes a signal output of the same frequency as that of the fluorescent lamp, and as a result of consideration, the first electrode and the second electrode In addition to the mechanical-electrical conversion output due to vibration caused by the signal caused by sound, vibration, and pressure (hereinafter referred to as acoustic signal) The insight that the photoelectric conversion output to be able to be obtained can be obtained. Therefore, various experiments were performed, and the signal corresponding to the sound of the speaker that did not emit light was confirmed by confirming the signal completely synchronized with the on / off modulation of the LED with LED light that does not emit light. It was found that a signal corresponding to light and sound can be obtained on one output signal line of one sensor.
By dividing the signal on this single output signal line into an optical signal and an acoustic signal using a band division filter, we succeeded in extracting both the optical signal and the acoustic signal with one sensor.
Therefore, according to the above configuration, both the optical signal and the acoustic signal can be extracted by one sensor by dividing the optical signal and the acoustic signal using the band division filter. This band division filter may be provided outside the sensor.

また前記帯域分割フィルタは、100Hz以上と100Hz未満とに分割するものである。
人間の耳に聞こえる周波数は、通常20Hzから、個人差があるが15000Hzないし20000Hz程度であり、この周波数帯域を可聴域という。さらに、人間の聴力特性を加味した場合、可聴域の低域側の周波数は200Hzないし300Hzにとなることがフレッチャーマンソンのラウドネス特性により知られている。
一方蛍光灯のまたたきは商用周波数の2倍である。そこで、帯域分割フィルタを、100Hz以上と100Hz未満とに分割することで、音響信号と、光信号を効率よく分離して取り出すことができる。
The band dividing filter divides the signal into 100 Hz or more and less than 100 Hz.
The frequency audible to the human ear is usually from 20Hz to 15000Hz to 20000Hz, although there are individual differences. This frequency band is called the audible range. Furthermore, it is known from Fletcher Manson's loudness characteristics that the frequency on the low frequency side of the audible range is 200 Hz to 300 Hz when human hearing characteristics are taken into consideration.
On the other hand, the flickering of fluorescent lamps is twice the commercial frequency. Therefore, by dividing the band dividing filter into 100 Hz or more and less than 100 Hz, the acoustic signal and the optical signal can be efficiently separated and extracted.

また本発明は、上記複合センサにおいて、前記コンデンサ部、前記増幅器および信号分離部は、容器内に収納され、前記電圧供給端子と、前記出力端子と前記コンデンサ電極端子と前記接地端子が、前記容器から導出され、前記信号分離部に接続されたものを含む。   According to the present invention, in the composite sensor, the capacitor unit, the amplifier, and the signal separation unit are housed in a container, and the voltage supply terminal, the output terminal, the capacitor electrode terminal, and the ground terminal are included in the container. And is connected to the signal separation unit.

また本発明は、上記複合センサにおいて、前記コンデンサ部、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。   In the composite sensor, the capacitor unit and the amplifier are mounted on a first surface of the same substrate, and the capacitor electrode terminal, the voltage supply terminal, the ground terminal, and the output terminal are Including those arranged as surface mount terminals on the second surface of the substrate.

また、上記複合センサにおいて、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接地端子とが、内部または外部で接続されているものも含む。   The composite sensor includes one in which a capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit and a ground terminal are connected internally or externally.

また本発明は、上記複合センサにおいて、前記コンデンサ部は、MEMSマイクロホンで構成されたものを含む。   According to the present invention, in the composite sensor, the capacitor unit includes a MEMS microphone.

また本発明は、上記複合センサにおいて、前記MEMSマイクロホンのシリコン基板は第1導電型のシリコン基板で構成され、電極が第2導電型のシリコンで構成されたものを含む。
種々の実験結果から、p型のシリコン基板をMEMSプロセスにより形状加工し、電極としてnドープのポリシリコン層を用いた場合に、良好な光電変換効率を得ることができることがわかった。またさらに実験を進めた結果、これは第1導電型のシリコン基板を出発材料として、電極が逆導電型すなわち第2導電型のシリコンで構成されている場合に有効であることもわかった。
In the composite sensor, the silicon substrate of the MEMS microphone includes a first conductivity type silicon substrate, and an electrode includes a second conductivity type silicon.
From various experimental results, it was found that when a p-type silicon substrate was processed by a MEMS process and an n-doped polysilicon layer was used as an electrode, good photoelectric conversion efficiency could be obtained. Further, as a result of further experiments, it has been found that this is effective when the first conductive type silicon substrate is used as a starting material and the electrode is made of reverse conductive type, that is, second conductive type silicon.

また本発明は、上記複合センサにおいて、前記コンデンサ部、増幅器および信号分離部は、同一のシリコン基板上に形成され、前記信号分離部は能動型フィルタであるものを含む。
この構成により、シリコン基板上に信号分離部を形成することで、伝送損失を最小限に抑え効率よくフィルタリングを行なうことが可能となる。
また、前記MEMSマイクロホンの誘電体膜が永久電荷を保持する膜であるものも含む。
According to the present invention, in the composite sensor, the capacitor unit, the amplifier, and the signal separation unit are formed on the same silicon substrate, and the signal separation unit is an active filter.
With this configuration, by forming the signal separation unit on the silicon substrate, it is possible to perform filtering efficiently while minimizing transmission loss.
In addition, the MEMS microphone includes a dielectric film that retains a permanent charge.

また本発明は、上記複合センサを用いた複合マイクロホン装置を提供する。
この構成によれば、光によるスイッチング機能を備えたマイクロホン装置を提供するなど多様な用途が可能となる。
The present invention also provides a composite microphone device using the composite sensor.
According to this configuration, various uses such as providing a microphone device having a switching function using light are possible.

本発明によれば、1つのセンサで光信号および音響信号の両方を検出することができ、小型でかつ高感度の出力を得ることができる。またこれを複合マイクロホン装置として用いた場合には、小型で高感度の光信号および音響信号の両方を検出可能となり、高機能のマイクロホン装置を提供することが可能となる。   According to the present invention, both a light signal and an acoustic signal can be detected by a single sensor, and a small and highly sensitive output can be obtained. When this is used as a composite microphone device, it is possible to detect both small and highly sensitive optical signals and acoustic signals, and it is possible to provide a highly functional microphone device.

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複合センサを用いた光リモコン付きマイクロホン装置の装置構成を示す概略図である。
本実施の形態では、図1に示すように、ケーブル等の伝送路を通して複合マイクロホン装置10の出力Eo(図2参照)を伝送し、受信端に帯域分割フィルタ20を接続するとともに、帯域分割フィルタ20で分割された光電変換信号Slightと、音響信号Saudioとに基づき信号処理回路30を介して、信号出力Soutが得られるように構成されている。この構成では、図1に示すように、リモコンスイッチ40として20Hzから40Hz程度のLEDを点灯することで、複合マイクロホン装置10の光電変換部が光信号を出力する一方で、複合マイクロホン装置10のコンデンサ部が出力する信号出力Soutとして音響信号を出力できるように構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a device configuration of a microphone device with an optical remote controller using a composite sensor according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the output Eo (see FIG. 2) of the composite microphone device 10 is transmitted through a transmission path such as a cable, and the band division filter 20 is connected to the receiving end. The signal output S out is obtained via the signal processing circuit 30 on the basis of the photoelectric conversion signal S light divided by 20 and the acoustic signal S audio . In this configuration, as shown in FIG. 1, by turning on an LED of about 20 Hz to 40 Hz as the remote control switch 40, the photoelectric conversion unit of the composite microphone device 10 outputs an optical signal, while the capacitor of the composite microphone device 10 An acoustic signal can be output as the signal output Sout output by the unit.

この複合マイクロホン装置は、p型のシリコン基板を形状加工するとともにnドープのポリシリコンで電極を形成したコンデンサ部および光電変換部を構成するMEMSマイクロホンチップMで構成されており、この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、これらコンデンサ電極端子と、接地端子との間に所望の電圧を印加することで、感度調整が可能なように構成されている。   This composite microphone device is composed of a MEMS microphone chip M that forms a capacitor portion and a photoelectric conversion portion in which an electrode is formed of n-doped polysilicon while processing a shape of a p-type silicon substrate, and this MEMS microphone chip M The capacitor electrode terminal connected to the second electrode and the ground terminal are separately derived, and a desired voltage can be applied between the capacitor electrode terminal and the ground terminal so that the sensitivity can be adjusted. It is configured.

このマイクロホン装置は、図2にこの複合マイクロホン装置を含んだ構成図、図3(a)乃至(c)に複合マイクロホン装置の上面図、側面図および下面図、図4(a)および(b)にこの複合マイクロホン装置の内部構成を示す上面図および断面図、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。このマイクロホン装置の等価回路図は、図2乃至4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。詳細については後述するが、図2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、コンデンサ電極パッドPと、接地パッドPとの間に感度調整部の可変電圧VRで構成された感度制御電圧を接続して感度可変マイクロホンとして用いる。 FIG. 2 is a block diagram including the composite microphone device, FIGS. 3A to 3C are a top view, a side view and a bottom view of the composite microphone device, and FIGS. 4A and 4B. Fig. 5 shows a top view and a cross-sectional view showing the internal configuration of the composite microphone device, and Fig. 5 shows a cross-sectional view of the MEMS chip, and a MEMS microphone (chip) M constituting a usual capacitor unit and an amplifier connected thereto. The CMOS amplifier A to be configured is mounted on a circuit board 100 for mounting and sealed with a metal cap 101. In the equivalent circuit diagram of this microphone device, as shown in FIGS. 2 to 4, the capacitor part M and the CMOS amplifier A are connected, and the capacitor electrode terminal E i that is the second electrode of the capacitor part and the ground of the CMOS amplifier A are connected. and the terminal E G, the capacitor electrode pad P i respectively, is taken out independently as a ground pad P G, constitutes an external terminal. Although described later in detail, the sensitivity between the capacitor electrode terminals E i as shown in FIG. 2, separately taken out and ground terminal E G of CMOS amplifier A, and the capacitor electrode pad P i, and the ground pad P G A sensitivity control voltage composed of the variable voltage VR of the adjustment unit is connected and used as a sensitivity variable microphone.

また、図5に示すように、このマイクロホン装置はコンデンサ部の第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とをマイクロホン装置内部たとえば自身の回路基板上で接続もしくは、実装時の相手側の回路基板で接続する構成をとることもできる。
この場合は、コンデンサ電極パッドPと、接地パッドPとの間に感度調整部の可変電圧VRで構成された感度制御電圧の替わりに、マイクロホンの誘電体膜を永久電荷を保持する膜とすることで、固定感度のマイクロホン装置を構成できる。
Further, as shown in FIG. 5, the microphone device is connected to the capacitor electrode terminals E i is a second electrode of the capacitor portion, and a ground terminal E G of CMOS amplifier A with the microphone device inside example own circuit board Or it can also take the structure connected with the circuit board of the other party at the time of mounting.
In this case, a capacitor electrode pad P i, a film that holds the sensitivity instead of the variable voltage configured sensitivity control voltage VR adjustment unit, a permanent charge a dielectric film of the microphone between the ground pad P G By doing so, a fixed-sensitivity microphone device can be configured.

すなわち本発明の複合マイクロホン装置は、p型のシリコン基板で構成された支持部としての基台21に絶縁膜22としての酸化シリコン膜を介して形成された振動膜23であるnドープのポリシリコンからなる第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nドープのポリシリコンからなる第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6参照)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。 That is, the composite microphone device of the present invention is an n-doped polysilicon which is a vibration film 23 formed on a base 21 as a support portion made of a p-type silicon substrate through a silicon oxide film as an insulating film 22. And a capacitor portion (FIG. 2) composed of a microphone including a first electrode made of n and a second electrode made of n-doped polysilicon as a fixed electrode 26 disposed opposite to the first electrode. 6) and an amplifier A that is connected to the first electrode of the capacitor unit and amplifies the signal from the capacitor unit are mounted in a container made of a metal cap 101. FIGS. ) Shows an external view (a top view, a side view, and a bottom view), a capacitor electrode terminal E i connected to the second electrode of the capacitor section, and a voltage supply connected to the amplifier A And the terminal E V, a ground terminal E G, wherein the output terminal E O from the amplifier A is derived from the container, and the pad (capacitor electrode pad P i, respectively on the back side of the circuit board 100, the voltage supply pad P V If forms a ground pad P G, the output pad P O from the amplifier (CMOS amplifier) a.

そしてこの複合マイクロホン装置の内部は、図4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。 As shown in FIG. 4, the inside of the composite microphone device is mounted on a printed wiring board (circuit board) 100 in which a capacitor part M and a CMOS amplifier A form a circuit pattern, and sealed with a metal cap 101. and, four pads described above on the back side of the circuit board 100 i.e., the capacitor electrode pad P i, and the voltage supply pad P V, a ground pad P G, the output pad P O are formed.

このシリコンマイクロホン用チップMは、図6に示すように、p型のシリコン基板21と、酸化シリコン膜22を介してこの表面に形成されたnドープのポリ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。
また、固定電極26は、nドープにより導電性をもたせた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。
As shown in FIG. 6, this silicon microphone chip M is composed of a p-type silicon substrate 21 and an n-doped polysilicon film formed on the surface thereof through a silicon oxide film 22, and serves as one capacitor. A vibrating film 23 as a functioning first electrode, a silicon oxide film as an electret film (film to be electretized) 24, a spacer portion 25 made of a silicon oxide film, and a fixed electrode 26 functioning as the other electrode of the capacitor And a back air chamber 28 formed by etching the silicon substrate 21. The fixed electrode 26 is provided with a plurality of sound holes (openings for guiding sound waves to the vibration film 23) 27. Reference symbol G indicates an air gap, and H indicates a contact hole for electrical connection.
The fixed electrode 26 is formed by laminating polysilicon made conductive by n doping and a silicon oxide film or silicon nitride film.

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、p型のシリコン基板21を出発材料とする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。   The vibration film 23, the fixed electrode 26, and the inorganic dielectric film 24 constituting the microphone are a silicon microfabrication technique using a p-type silicon substrate 21 as a starting material and a CMOS (complementary field effect transistor) manufacturing process technique. Is used to form a so-called MEMS element.

図7は蛍光灯の点灯有り無し時のMEMSマイクロホンの出力信号を測定した結果を示す図であり、図8はLED光のON/OFFによる出力を示す図である。図7において縦軸はSaudio室内の蛍光灯を点灯した時と点灯しない時のマイクロホン出力電圧のスペクトラムを示し、この図から、Slight蛍光灯のフリッカー周波数に出力が見られることがわかった。図7によればノイズを含む複雑な出力信号となっているが、蛍光灯のまたたき周波数である商用周波数の2倍の周波数に対応した周波数に信号が表れており顕著な光検出信号となっている。図8は光リモコンの信号発生に使用されるLED光のON/OFFによる出力であり、リモコンにはかかせないON/OFF信号に同期した信号が得られている。
図9は、感度制御電圧の大きさと極性を変えた場合の光信号の大きさと周波数特性を示したものであり、
感度制御電圧の大きさや極性に対しての特性を示すものである。
FIG. 7 is a diagram showing the result of measuring the output signal of the MEMS microphone when the fluorescent lamp is turned on and off, and FIG. 8 is a diagram showing the output by turning on / off the LED light. In FIG. 7, the vertical axis shows the spectrum of the microphone output voltage when the fluorescent lamp in the audio room is turned on and off, and it can be seen from this figure that the output can be seen at the flicker frequency of the light fluorescent lamp. According to FIG. 7, the output signal is a complicated output signal including noise, but the signal appears at a frequency corresponding to a frequency twice the commercial frequency, which is the striking frequency of the fluorescent lamp, and becomes a remarkable light detection signal. Yes. FIG. 8 shows an output by ON / OFF of the LED light used for signal generation of the optical remote controller, and a signal synchronized with the ON / OFF signal indispensable to the remote controller is obtained.
FIG. 9 shows the magnitude and frequency characteristics of the optical signal when the magnitude and polarity of the sensitivity control voltage are changed.
It shows characteristics with respect to the magnitude and polarity of the sensitivity control voltage.

一方、音信号に対しては、図10は、感度制御電圧の極性と電圧の大きさを変えた場合の感度特性を示しており、可変電圧VRからなる電圧調整部を接続して、印加電圧を変化させた結果、感度を可変にすることができる。
したがって、完成後にこの電圧制御によって感度ばらつきを調整することも可能となる。また、使用時に感度を変更したい場合にも電圧制御のみで極めて容易に所望の感度を得ることができる。
また、感度周波数特性は図11に示すように、マイクロホンとしての十分な特性となっている。
On the other hand, for a sound signal, FIG. 10 shows sensitivity characteristics when the polarity of the sensitivity control voltage and the magnitude of the voltage are changed. A voltage adjustment unit composed of a variable voltage VR is connected to the applied voltage. As a result, the sensitivity can be made variable.
Accordingly, it is possible to adjust the sensitivity variation by this voltage control after completion. Also, when it is desired to change the sensitivity at the time of use, the desired sensitivity can be obtained very easily by only voltage control.
Further, the sensitivity frequency characteristic is sufficient as a microphone as shown in FIG.

ここで本実施の形態によれば、図6に示すように例えばp型のシリコン基板21と、この表面に形成された第1の電極23を構成するnドープのポリシリコン膜の間は膜厚700nm程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜22が形成されている。この第1の電極23や約3um程度の絶縁層25をはさんだ第2の電極26とp型のシリコン基板21との間にはMOS構造が形成されると考えることができ、シリコン基板21側にはなんらかの形で、空乏層ができると考えられる。またたく蛍光灯やLEDのON/OFF光で空乏層の厚さが変調されると考えると、容量の変調がおこり、この光での容量変調は音で容量が変化して出力電圧が表れるのと同じことと考えられ、出力として光変調出力がえられるのではないかと推定される。従って、本実施形態の複合マイクロホンからは、変調光に対応する出力と音入力に対する出力が同一出力線上に表れることになる。この光信号を帯域分割フィルタにより出力信号から分離することで音響信号と光信号を分離して取り出すことが可能となる。   Here, according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, for example, the film thickness is between the p-type silicon substrate 21 and the n-doped polysilicon film constituting the first electrode 23 formed on this surface. An insulating film 22 made of a silicon oxide film of about 700 nm is formed. It can be considered that a MOS structure is formed between the first electrode 23 and the second electrode 26 sandwiching the insulating layer 25 of about 3 μm and the p-type silicon substrate 21. It is thought that there is a depletion layer in some form. Also, considering that the thickness of the depletion layer is modulated by the ON / OFF light of a fluorescent lamp or LED, the capacitance is modulated, and the capacitance modulation with this light changes the capacitance with sound and the output voltage appears. It is estimated that an optical modulation output may be obtained as an output. Therefore, from the composite microphone according to the present embodiment, the output corresponding to the modulated light and the output corresponding to the sound input appear on the same output line. By separating this optical signal from the output signal by the band division filter, it is possible to separate and extract the acoustic signal and the optical signal.

この複合マイクロホン装置を用いて、外部に接続された帯域分割フィルタによって光リモコン信号と音響信号に分離し、この光リモコン信号と音響信号とを信号処理回路30でアンド回路にかけることで、光リモコンスイッチがオンなっているときのみ音響信号を出力できるようにすることができる。   Using this composite microphone device, an optical remote control signal and an acoustic signal are separated by a band division filter connected to the outside, and the optical remote control signal and the acoustic signal are applied to an AND circuit by the signal processing circuit 30, so that the optical remote control An acoustic signal can be output only when the switch is on.

なお、前記実施の形態では、p型のシリコン基板に電極としてnドープのポリシリコン層を用いた場合に特に光信号の取出しが容易であった。また、逆にn型のシリコン基板に電極としてpドープのポリシリコン層を用いた場合にも光信号の取出しが容易であった。これらを構成するシリコンの結晶型については特にこの組み合わせに限定されるものではなく、アモルファスシリコン、μクリスタルシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコンおよびこれらの組み合わせから選択可能である。   In the above-described embodiment, it is particularly easy to take out an optical signal when an n-doped polysilicon layer is used as an electrode on a p-type silicon substrate. Conversely, when a p-doped polysilicon layer is used as an electrode on an n-type silicon substrate, it is easy to take out an optical signal. The crystal types of silicon constituting these are not particularly limited to this combination, and can be selected from amorphous silicon, μ crystal silicon, polysilicon, single crystal silicon, and combinations thereof.

また、前記実施の形態では、基板と第1の電極とが逆導電型である場合について説明したが、基板と第2の電極、あるいは第1の電極と第2の電極とが逆導電型である場合についても、本発明の複合センサが適用可能である場合もある。   In the above embodiment, the case where the substrate and the first electrode are of the reverse conductivity type has been described. However, the substrate and the second electrode or the first electrode and the second electrode are of the reverse conductivity type. In some cases, the composite sensor of the present invention may be applicable.

また、前記実施の形態では、DCバイアスタイプのMEMSマイクロホン装置を用いた場合について説明したが、本発明は、その他、エレクトレットタイプの静電型電気音響変換器を対象とすることも可能である。   In the above embodiment, the case where the DC bias type MEMS microphone device is used has been described. However, the present invention can also be applied to an electret type electrostatic electroacoustic transducer.

本発明の複合マイクロホン装置によれば、1つのセンサで光信号と音響信号の両方を検出することができるため、小型でかつ信頼性が高いことから、エレクトレットコンデンサマイクロホン装置などに広く用いることができる。   According to the composite microphone device of the present invention, since both the optical signal and the acoustic signal can be detected by one sensor, it is small and highly reliable, and thus can be widely used for an electret condenser microphone device and the like. .

本発明の実施の形態1の複合マイクロホン装置の概念説明図Conceptual explanatory diagram of the composite microphone device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1で用いられる複合マイクロホン装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of the composite microphone device used in Embodiment 1 of the present invention 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)は上面図、(b)は側面図、(c)は下面図The figure which shows the microphone apparatus used by embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is a side view, (c) is a bottom view 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The figure which shows the internal structure of the microphone apparatus used by embodiment of this invention. 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The figure which shows the microphone apparatus used by embodiment of this invention MEMSチップの断面図Cross-sectional view of MEMS chip MEMSマイクロホンの出力信号を測定した結果を示す図The figure which shows the result of having measured the output signal of a MEMS microphone LED光のON/OFFによる出力を示す図The figure which shows the output by ON / OFF of LED light 感度制御電圧の大きさと極性を変えた場合の光信号の大きさと周波数特性を示す図Diagram showing optical signal magnitude and frequency characteristics when sensitivity control voltage magnitude and polarity are changed 感度制御電圧の極性と電圧の大きさを変えた場合の感度特性を示す図A diagram showing the sensitivity characteristics when the polarity of the sensitivity control voltage and the voltage magnitude are changed. 感度周波数特性を示す図Diagram showing sensitivity frequency characteristics

符号の説明Explanation of symbols

10 複合マイクロホン装置
20 帯域分割フィルタ
30 信号処理回路
40 光リモコン
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
M MEMSマイクロホン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Composite microphone apparatus 20 Band-division filter 30 Signal processing circuit 40 Optical remote control 21 Silicon substrate 22 Insulating layer 23 Vibration film electrode 24 Electret film 25 Second insulating layer 26 Fixed electrode 27 Sound hole 28 Back air chamber M MEMS microphone

Claims (10)

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、
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を備え
前記出力端子に接続され、前記増幅器の出力を、光信号と、音響信号に分岐する信号分離部とを具備した複合センサ。
A capacitor unit including a vibration film as a first electrode, a dielectric film fixed to the vibration film, and a second electrode disposed to face the first electrode;
An amplifier connected to the first electrode of the capacitor unit and amplifying a signal from the capacitor unit;
A capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit; a voltage supply terminal connected to the amplifier; a ground terminal; and an output terminal from the amplifier; connected to the output terminal; A composite sensor comprising an optical signal and a signal separation unit that branches into an acoustic signal.
請求項1に記載の複合センサであって、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接地端子とが、内部または外部で接続された複合センサ。  2. The composite sensor according to claim 1, wherein a capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit and a ground terminal are connected internally or externally. 請求項1に記載の複合センサであって、
前記出力信号のうち周波数100Hz以上の出力信号を音信号として用いるとともに、100Hz未満の出力信号を光センサ信号として用いる複合センサ。
The composite sensor according to claim 1,
A composite sensor using an output signal having a frequency of 100 Hz or more as a sound signal among the output signals, and using an output signal of less than 100 Hz as an optical sensor signal.
請求項1乃至3のいずれかに記載の複合センサであって、
前記コンデンサ部、前記増幅器は、容器内に収納され、
前記電圧供給端子と、前記出力端子と前記コンデンサ電極端子と前記接地端子が、前記容器から導出され、前記信号分離部に接続された複合センサ。
The composite sensor according to any one of claims 1 to 3,
The capacitor unit and the amplifier are stored in a container,
The composite sensor in which the voltage supply terminal, the output terminal, the capacitor electrode terminal, and the ground terminal are led out from the container and connected to the signal separation unit.
請求項1乃至4のいずれかに記載の複合センサであって、
前記コンデンサ部、増幅器および信号分離部は、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複合センサ。
The composite sensor according to any one of claims 1 to 4,
The capacitor unit, the amplifier and the signal separation unit are mounted on the first surface of the same substrate,
A composite sensor in which the capacitor electrode terminal, the voltage supply terminal, the ground terminal, and the output terminal are disposed on the second surface of the substrate as surface mount terminals.
請求項1乃至5のいずれかに記載の複合センサであって、
前記コンデンサ部は、MEMSマイクロホンで構成された複合センサ。
The composite sensor according to any one of claims 1 to 5,
The capacitor unit is a composite sensor composed of a MEMS microphone.
請求項6に記載の複合センサであって、
前記MEMSマイクロホンは第1導電型のシリコン基板で構成され、前記第1又は第2の電極の少なくとも一方が第2導電型のシリコンで構成された複合センサ。
The composite sensor according to claim 6,
The MEMS microphone includes a first conductivity type silicon substrate, and at least one of the first and second electrodes is a second conductivity type silicon.
請求項7に記載の複合センサであって、
前記コンデンサ部、増幅器および信号分離部は、同一のシリコン基板上に形成され、前記信号分離部は能動型フィルタであり、前記MEMSマイクロホンの誘電体膜が永久電荷を保持する膜である複合センサ。
The composite sensor according to claim 7,
The composite sensor in which the capacitor unit, the amplifier, and the signal separation unit are formed on the same silicon substrate, the signal separation unit is an active filter, and the dielectric film of the MEMS microphone is a film that holds a permanent charge.
請求項1乃至8のいずれかに記載の複合センサを用いた複合マイクロホン装置。   A composite microphone device using the composite sensor according to claim 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、
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を備え
前記増幅器の出力が、光信号と、音響信号である複合センサ。
A capacitor unit including a vibration film as a first electrode, a dielectric film fixed to the vibration film, and a second electrode disposed to face the first electrode;
An amplifier connected to the first electrode of the capacitor unit and amplifying a signal from the capacitor unit;
A capacitor electrode terminal connected to the second electrode of the capacitor unit; a voltage supply terminal connected to the amplifier; a ground terminal; and an output terminal from the amplifier. The output of the amplifier is an optical signal. A composite sensor that is an acoustic signal.
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WO2010126015A1 (en) * 2009-04-27 2010-11-04 株式会社トランスバーチャル Multivariate detection device and multivariate detection method
JP2011169697A (en) * 2010-02-17 2011-09-01 Asahi Kasei Corp Vibration sensor, personal digital assistant

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