JP2011004109A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンマイクロホンモジュール、およびＭＥＭＳチップの小型化に伴い、背気室の体積容量が小さくなり、感度およびＳ／Ｎ比の低下が発生する。
【解決手段】基板に形成された第１の空洞部と、第２の空洞部と、第１および第２の空洞部を接続する空隙部を有し、前記第１の空洞部および第２の空洞部の直上にＭＥＭＳ素子が形成される。２つの空洞部が空隙部を介して接続されることにより形成される空間が、ＭＥＭＳ素子の背気室として機能するため、１つの空洞部で形成される従来の背気室と比較して体積を大きくすることができ、ＭＥＭＳ素子の感度とＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、代表的な一例として携帯電話、補聴器に用いられるＭＥＭＳマイクロホン装置等のＭＥＭＳデバイスに関する。

近年、半導体の微細加工技術を用いて電気機械部品を形成するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術が注目を浴びており、機械分野、エレクトロニクス分野、通信分野、医療分野などの各種分野において、ＭＥＭＳ技術に関する開発が活発化している。

図４に示すのは、特許文献１の図１および図２に開示されたＭＥＭＳマイクロホンの従来例である。実装基板１０１上に、ＭＥＭＳチップ１０２と信号処理部（電子回路）４８が実装され、シールドケース１０３で覆われている。

ＭＥＭＳチップ１０２には、シリコン基板４１の中央部をエッチングして形成した空洞部を振動膜４３と実装基板１０１とで封じた背気室５５が形成されており、エッチングされずにフレームとして残った部分を基点として、背気室５５の上部に絶縁層４５を挟んで振動膜４３と固定膜４６とが対向配置されている。

信号処理部（電子回路）４８は、ＬＳＩもしくはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）で構成されており、ＭＥＭＳチップ１０２から出力された信号に各種の処理を行う。外部の音源から発信された音は、シールドケース１０３に設けられた音孔１０３Ｃと、ＭＥＭＳチップ１０２の固定膜４６に形成された音孔４７を介して、ＭＥＭＳチップ１０２内に導かれる。

このように構成することで、ＭＥＭＳチップを用いたマイクロホン装置のモジュール化を行っている。

特開２００８−１９９３５３号公報

上記のマイクロホンモジュールは、携帯電話や補聴器等に用いられることが多いため、さらなる小型化が求められており、そのためにはＭＥＭＳチップ自体の小型化が必要となる。

しかしながら、上記の特許文献１に記載される構成のＭＥＭＳチップは、上面から見た投影面積または高さを小さくしようとすると、シリコン基板４１の体積が小さくなり、その結果、背気室５５の体積が減少する。背気室の体積は、マイクロホンの感度やＳ／Ｎ比に影響を与えるため、ＭＥＭＳチップを小型化して、背気室の体積が小さくなるほど、感度の低下やＳ／Ｎ比の劣化につながる。

したがって、感度とＳ／Ｎ比を所定の規格値で得ようとすると、ＭＥＭＳチップの小型化に限界があるという問題があった。

また、指向性収音または臨場感収音を行う場合や、高感度の性能が要求される場合は、マイクロホンモジュールにＭＥＭＳチップを複数個搭載することがある。

図５に示すように、図４に示した従来のＭＥＭＳチップを同一の実装基板上に２個実装することもできる。

各ＭＥＭＳチップの構成は、図４に示したＭＥＭＳチップと同様であり、同一の構成には同じ符号を付している。ＭＥＭＳチップを複数個搭載するためには、チップごとの搭載エリアを個々に設定する必要がある上、チップ間に所定のレジストエリアを設ける必要があるため、モジュールサイズの小型化にも限界があるという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、所定の感度とＳ／Ｎ比を維持しつつ、従来より小型化が可能なＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。

本発明にかかるＭＥＭＳデバイスは、基板と、前記基板に形成された第１の空洞部と、前記基板に形成された第２の空洞部と、前記基板中に形成された空隙部を有し、前記第１の空洞部と前記第２の空洞部は、前記空隙部を介して接続され、前記第１の空洞部および第２の空洞部の直上にＭＥＭＳ素子が形成されたことを特徴とする。

２つの空洞部が空隙部を介して接続されることにより形成される空間が、ＭＥＭＳ素子の背気室として機能するため、１つの空洞部で形成される従来の背気室と比較して体積を大きくすることができ、ＭＥＭＳ素子の感度とＳ／Ｎ比を向上させることができる。

以上のような構成をとることにより、ＭＥＭＳチップの小型化を行う際に、感度とＳ／Ｎ比の劣化を防止することが可能となり、省スペースな小型モジュールを構成することが可能となる。

（ａ）本発明の実施の形態１に示すＭＥＭＳデバイスの外観平面図（ｂ）本発明の実施の形態１に示すＭＥＭＳデバイスの外観側面図 （ａ）本発明の実施の形態１に示すＭＥＭＳデバイスの平面図（ｂ）図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示す構造概略図（ｃ）図２（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す構造概略図 本発明の実施の形態２に示すＭＥＭＳデバイスの平面図 （ａ）特許文献１の図１に示された従来例の外観図（ｂ）特許文献１の図２に示された従来例の構造概略図 従来例の変形例を示した構造概略図

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施しうる。

（実施の形態１）
＜基本構成＞
図１、図２に示すのは、本発明の実施の形態１にかかるマイクロホンモジュールである。樹脂またはセラミック等の無機材料によって構成される実装基板３上に、二連ＭＥＭＳチップ１、信号処理部２が実装されており、これらを覆うようにカバー４が実装されている。実装基板３上面には、二連ＭＥＭＳチップ１を搭載するエリアと、信号処理部２を搭載するエリアと、カバー４を搭載するランドエリアが設けられており（図示せず）、各々の搭載エリアは、実装基板３上の導体パターンとレジストによって形成されている。

なお、図２（ａ）では、便宜上カバー４を二点鎖線で示し、カバー４直下の実装状態を示している。

二連ＭＥＭＳチップ１は、２つのＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂが共通のシリコン基板１０上に形成されたものであり、半導体プロセスのＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術によって作成される。シリコン基板１０には、ＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂの直下に貫通エッチング処理によって空洞部１２ａ、１２ｂが形成されており、シリコン基板１０の残存部分により台座部１１が形成されている。

なお、第１の空洞部１２ａ、第２の空洞部１２ｂは、それぞれ、シリコン基板１０を貫通しているので、第１の貫通孔、第２の貫通孔と呼ぶことも出来る。

さらに、台座部１１のうち、空洞部１２ａと１２ｂとの間にある部分にハーフエッチングなどの加工を施し、空洞部１２ａ、１２ｂをトンネル状につなげることにより、中間空洞部１２ｃが形成されている。詳細は後述するが、空洞部１２ａ、１２ｂと中間空洞部１２ｃは、ＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂによって共用される背気室１２として機能する。

台座部１１の上には、絶縁体を介して導電性のポリシリコンで形成された振動膜１３が形成されている。振動膜１３の上に、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）などの絶縁材１６を介して、振動膜１３と対向するように固定膜１４が形成されている。

固定膜１４は、導電性のポリシリコンと、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜とを積層して形成されており、複数の固定膜音孔１４ａを有している。振動膜１３と固定膜１４との間には、微細な（例えば、１０μｍ以下）ギャップ１５が形成されており、振動膜１３と固定膜１４とギャップ１５によりコンデンサの機能を果たす。

なお、振動膜１３は、絶縁膜と導電性のポリシリコンの積層膜でも構わないし、導電性のポリシリコン単層でも構わない。また、振動電極として機能するような導体膜であれば、導電性のポリシリコン以外の導体膜であってもよい。

また、固定膜１４は、絶縁膜と導電性のポリシリコンの積層膜でも構わないし、導電性のポリシリコン単層でも構わない。また、固定電極として機能するような導体膜であれば、導電性のポリシリコン以外の導体膜であってもよい。

また、振動膜１３と固定膜１４はギャップ１５を介して対向することで一対のコンデンサとして機能するため、固定膜１４の上に、ギャップ１５を介して振動膜１３が形成されていてもよい。

また、ギャップ１５は、振動膜１３と固定膜１４の間にもともと形成してあった犠牲膜を、固定膜１４に形成された固定膜音孔１４ａを通してエッチングすることにより形成することが可能であり、犠牲膜の残存部分を、固定膜１４を支持する絶縁材１６とすることが可能である。

ここで、二連ＭＥＭＳチップ１の形成工程の一例について、簡単に説明することにする。

まず、シリコン基板１０上に振動膜１３を形成する。その後、振動膜１３上に犠牲膜を形成する。その後、犠牲膜の上に固定膜１４を形成する。その後、固定膜１４に固定膜音孔１４ａを形成する。その後、シリコン基板１０に貫通エッチング処理を行うことで空洞部１２ａ、１２ｂおよび台座部１１を形成する。その後、台座部１１のうち、空洞部１２ａと１２ｂとの間にある部分にハーフエッチングなどの加工を施し、空洞部１２ａ、１２ｂをトンネル状につなげることにより、中間空洞部１２ｃを形成する。その後、固定膜音孔１４ａを通して犠牲膜をエッチングすることにより振動膜１３と固定膜１４の間にギャップを形成し、犠牲膜の残存部分が絶縁材１６となる。その後、レーザー照射によりシリコン基板を分割して、二連ＭＥＭＳチップ１を形成する。

以上のような半導体微細加工技術を用いて、二連ＭＥＭＳチップ１は形成される。なお、中間空洞部１２ｃを形成した後に、空洞部１２ａ、１２ｂを形成してもよい。

信号処理部２は、各種の信号処理およびアンプの機能を有しており、例えばＣＭＯＳやＬＳＩなどにより構成される。

カバー４は、例えば洋白（銅、亜鉛、ニッケルから構成される合金）、コバール、４２アロイなどの電気的シールド機能を有する導電性材料によって構成されており、ハンダあるいは導電性接着剤などの接合材５０によって実装基板３上に固定されている。また、外部音源からの音をモジュール内部に導くためのカバー音孔４０を有している。

ギャップ１５が一定の場合は、コンデンサ容量値は変化しない。しかし、外部音源からの音が、カバー音孔４０および固定膜音孔１４ａを介して振動膜１３に到達すると、振動膜１３が振動し、ギャップ１５が変化することによりコンデンサ容量値が変化する。この容量変化をＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂの上面に配置された電極１７ａ、１７ｂを介して信号処理部２に入力し、信号処理部２で所望の電気信号に変換、増幅等の処理を行い、電気信号として出力することにより、音の信号を取り出すことができる。

なお、振動膜１３に誘電体膜であるエレクトレット材を形成させ、着電プロセスにより、エレクトレット材に電荷を保持させてもよい。これによりＭＥＭＳマイク素子への電源供給が不要となり、モジュールの小型化が可能となる。

＜実装および配線＞
次に、本実施形態のマイクロホンモジュールの製造方法を説明する。二連ＭＥＭＳチップ１と信号処理部２は、実装基板３上の搭載エリアに、接合材５１が塗布もしくは転写された後に実装され、その後、硬化に必要な熱を加えることにより、それぞれのチップを固定する。

接合材５１は、熱硬化性の導電性ペースト、絶縁性ペースト、またはダイアタッチフィルム（Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈ Ｆｉｌｍ）などを用いればよく、例えば、信号処理部２の実装にはダイアタッチフィルム、二連ＭＥＭＳチップ１の実装には絶縁性ペーストのごとく、これらを適宜組み合わせて用いてもよい。

二連ＭＥＭＳチップ１と信号処理部２は、個別に接着剤塗布、デバイス実装、熱処理（硬化）の各工程を行ってもよいし、同時に行ってもよい。

ＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂは、それぞれ出力電極１７ａとＧＮＤ電極１７ｂを有し、出力電極１７ａは信号処理部２の入力電極２ｃへ、ＧＮＤ電極１７ｂは実装基板３上のＧＮＤ電極３ｂへ、それぞれワイヤ６０にて接続する。ＭＥＭＳマイク素子の出力電極１７ａは、引き出し配線によって振動膜１３と電気的に接続されており、ＧＮＤ電極１７ｂは、引き出し配線によって固定膜１４と電気的に接続されている。

ＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂから出力された信号は、入力電極２ｃを介して信号処理部２に入力され、適切な演算処理がなされた後、出力電極２ａを介しワイヤ６０による配線を通して実装基板３上の出力電極３ａに出力される。

信号処理部２の電源電極２ｄは、実装基板上の電源電極３ｄへ接続されており、信号処理部２は、実装基板３からのワイヤ６０による配線を通じた電源供給により動作している。信号処理部２のＧＮＤ電極２ｂは、実装基板上のＧＮＤ電極３ｂへ接続されている。本実施形態における電極とワイヤ６０の接合は、超音波を用いたワイヤボンディング工法などを用いて電気的に接続している。ワイヤ６０の材料は、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｕなどを用いることができる。

カバー４と実装基板３とを接合する接合材５０、および二連ＭＥＭＳチップ１と実装基板３とを接合する接合材５１は、それぞれカバー４の周囲および二連ＭＥＭＳチップ１の台座部１１の周囲に途切れなく接合され、硬化・固定されている。これにより音漏れを防止し、音源からの音がカバー音孔４０、固定膜音孔１４ａ以外の箇所から進入するのを防止するように構成されている。

なお、信号処理部２は、熱硬化性の導電性接着剤などを用いてフリップチップボンディング工法（上下反転させて実装）により直接基板へ配線することも可能である。この工法によればワイヤ配線等の組み立て工数を削減することができ、材料、組み立てコストを削減することができる。

＜動作＞
次に、本実施形態の動作を説明する。音源からの音が、カバー音孔４０、固定膜音孔１４ａを介して振動膜１３に到達すると、振動膜１３が振動し、ギャップ１５が変化することによりコンデンサ容量値が変化する。このようなマイクロホンの構成上、マイクロホンの感度に影響する重要なファクターは、固定膜１４と振動膜１３、固定膜１４と振動膜１３で構成されるコンデンサ容量、そして背気室の体積容量であることが知られている。

背気室は、振動膜１３に対して音孔と反対側にある、閉じられた空間であり、本実施形態では、２つのＭＥＭＳマイク素子の振動膜１３と、台座部１１と、実装基板３とにより封じられた空間に該当する。

マイクロホンの感度は、下記の式で表される。

Ｖ_ＯＵＴ ＝ Ｖ_ｍ×Ｇ

Ｖ_ｍ ∝ １／（Ｓ_ｂ＋Ｓ_ｏ）

ここで、Ｖ_ＯＵＴは感度、Ｖ_ｍはＭＥＭＳ出力、Ｇはゲイン、Ｓ_ｂは背気室スティフネス（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ)、Ｓ_ｏは振動膜スティフネスである。

従来例（図４、図５）の構成では、ＭＥＭＳチップが小型化されていくと、チップの投影面積もしくは高さ方向を含む体積が小型化されることになり、結果として、振動膜４３直下の背気室５５の体積も小さくなる。すると背気室が小さくなったことにより、背気室内の空気によるバネ弾性が高くなり、上述した式中の「Ｓ_ｂ：背気室スティフネス」すなわち「背気室剛性」が高くなることにより振動膜４３の振動阻害が発生する。結果的に、マイク出力である「Ｖ_ＯＵＴ：感度」が低下し、それに伴いＳ／Ｎ比が低下してしまう。

しかしながら、本実施形態の構成によれば、２つのＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂ直下の空洞部１２ａ、１２ｂの間をつなげる中間空洞部１２ｃを設けることにより、２つのＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂの背気室が中間空洞部１２ｃを介して一つにつながり、共通の背気室１２として機能する。

このため、実質的に背気室容量を増大させることができ、より高感度なマイクの実現が可能となる。

また、背気室容量を増大することにより、「Ｓ_ｂ：背気室スティフネス」が小さくなるため、その分「Ｓ_ｏ：振動膜スティフネス」を大きくしても一定の感度を確保することができる。すなわち、振動膜を小型化しても、一定の感度を確保することが可能となり、結果としてＭＥＭＳマイク素子の小型化が可能となる。また、２つのＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂの間にレジストエリアを設ける必要がないため、この点でも省スペース化が可能となる。

したがって、一定のマイク感度とＳ／Ｎ比を確保しながら、ＭＥＭＳデバイスを小型化することが可能となる。また、２つのＭＥＭＳマイク素子を１チップ化することにより、剛性が向上し強度を増すことができるため、実装時にかかる応力などに起因する、素子の特性ばらつきも少なくすることができる。

なお、本実施形態では、一つのチップに二つのＭＥＭＳマイク素子を形成した二連ＭＥＭＳチップとしたが、これに限らず、三つ以上のＭＥＭＳマイク素子を一つのチップに形成し、同様に背気室を共通化してもよい。複数のＭＥＭＳマイク素子を一つのチップに形成することにより、各ＭＥＭＳマイク素子の台座部が複数連なることによって、性能が同等の大きなＭＥＭＳマイク素子を単体で形成する場合より、チップ強度を向上させることができる。

なお、中間空洞部上に存在するシリコン基板の残存部分（フレーム部）が梁となり、剛性が向上することにより、チップ強度が向上すると考えることもできる。

また、シリコン基板をレーザーによって分割する際に、レーザー装置のプログラムにより、分割したい部分だけにレーザーを照射することで、任意の数のＭＥＭＳマイク素子を一つのチップに形成することが可能である。

これにより、マスクを交換することなく、一つのシリコン基板で複数種のＭＥＭＳチップを形成することができ、拡散プロセスを共通化することができる。
なお、本実施形態では、信号処理部２を２つのＭＥＭＳマイク素子１ａ、１ｂに隣接して配置したが、これに限らず、ＭＥＭＳマイク素子が実装されているエリア以外であれば適切に配置してよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に示すＭＥＭＳマイクロホンモジュールを上部から見た平面図である。本実施形態のＭＥＭＳマイクロホンモジュールは、実施の形態１のＭＥＭＳマイク素子において、シリコン基板の平面形状をひし形に形成した、ひし形ＭＥＭＳマイク素子１ｃ、１ｄとしたものである。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、同一の構成には同じ符号を付している。

このように、シリコン基板１０、固定膜１４、振動膜１３は任意の形状を採用することができ、実施の形態１と同様にモジュールの小型化が可能である。

なお、本発明の実施の形態では、マイクロホンモジュールについて説明してきたが、本発明にかかるＭＥＭＳチップは、マイクロホンとして機能することになるＭＥＭＳマイク素子以外のＭＥＭＳ素子（例えば、ピエゾ素子を用いた圧力センサや加速度センサ）にも適用が可能である。

なお、ピエゾ素子は振動膜に形成することが可能であり、振動膜に加わる圧力などの力を電気信号に変換して読み取ることが可能であり、マイクロホンとしての機能を持たせることも可能ではある。

また、本発明の実施の形態では、第１のＭＥＭＳマイク素子１ａと第２のＭＥＭＳマイク素子１ｂの振動膜をそれぞれ別々に用意したが、同一の膜として共通化しても構わない。

また、本発明の実施の形態では、第１のＭＥＭＳマイク素子１ａと第２のＭＥＭＳマイク素子１ｂを二連ＭＥＭＳチップに配置する形態について説明したが、一方のＭＥＭＳマイク素子をＭＥＭＳマイク素子以外のＭＥＭＳ素子（例えば、ピエゾ素子を用いた圧力センサや加速度センサ）とすることも可能である。

本発明により、ＭＥＭＳデバイスの小型化や、剛性の向上が可能となるため、携帯電話などの携帯機器に適した小型、軽量のＭＥＭＳデバイスとして有用である。

１ ２連ＭＥＭＳチップ
１ａ 第１のＭＥＭＳマイク素子
１ｂ 第２のＭＥＭＳマイク素子
１０ シリコン基板
１１ 台座部
１２ 背気室
１２ａ 第１の空洞部
１２ｂ 第２の空洞部
１２ｃ 中間空洞部
１３ 振動膜
１４ 固定膜
１４ａ 固定膜音孔
１５ ギャップ
１６ 絶縁材
１７ａ 出力電極
１７ｂ ＧＮＤ電極
２ 信号処理部
２ａ 出力電極
２ｂ ＧＮＤ電極
２ｃ 入力電極
２ｄ 電源電極
３ 実装基板
３ａ 出力電極
３ｂ ＧＮＤ電極
３ｄ 電源電極
４ カバー
４０ カバー音孔
５０ 接合材（カバー用）
５１ 接合材（チップ用）
６０ ワイヤ

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板に形成された第１の空洞部と、
   前記基板に形成された第２の空洞部と、
   前記基板中に形成された空隙部を有し、
   前記第１の空洞部と前記第２の空洞部は、前記空隙部を介して接続され、
   前記第１の空洞部および第２の空洞部の直上にＭＥＭＳ素子が形成されたＭＥＭＳデバイス。
2. 前記ＭＥＭＳ素子は、固定膜と振動膜を有するマイクロホン素子である請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記第１の空洞部及び前記第２の空洞部の上には振動膜が形成されており、
   前記振動膜の上には、固定膜が形成されている請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記固定膜には、複数の孔が形成されている請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 前記第１の空洞部の上には、第１の振動膜が形成されており、
   前記第２の空洞部の上には、第２の振動膜が形成されている請求項２〜４のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記第１の振動膜の上には、第１の固定膜が形成されており、
   前記第２の振動膜の上には、第２の固定膜が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記第１の固定膜及び前記第２の固定膜には、複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 前記ＭＥＭＳ素子は、ピエゾ素子である請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 前記ＭＥＭＳ素子は、ＭＥＭＳマイク素子である請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
   

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