JP2018098546A - Piezoelectric mems microphone - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high sensitivity low noise piezoelectric MEMS microphone suitable for small and thin package mounting, by eliminating the problem that substantial characteristics deteriorate when reducing the capacity of back cavity.SOLUTION: A sense electrode film 22, a sense piezoelectric film 21a, a drive piezoelectric film 21b, a reference electrode film 26, a drive electrode film 23, and a support film 25 are provided as a diaphragm, an amplifier circuit 24 for amplifying a sense signal outputted from the sense electrode film 22 is provided, and vibration (amplitude) of the diaphragm due to acoustic signal pressure is suppressed by feeding a signal, amplified by the amplifier circuit 24, back to the drive electrode film 23 as a drive signal.SELECTED DRAWING: Figure 2a

Description

本発明は圧電型MEMSマイクロフォン、特に小型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型MEMSマイクロフォンに関する。   The present invention relates to a piezoelectric MEMS microphone, and more particularly to a high sensitivity and low noise piezoelectric MEMS microphone suitable for mounting a small package.

従来から、例えば巨大な需要のあるスマートフォンには、小型で薄くかつハンダフロー時の高温処理耐性を有するMEMS(Micro Electro Mechanical System)マイクロフォンが多く使われている。
図9(A),(B)には、従来のMEMSマイクロフォンの概略構成が示されており、図9(A)はトップポート型であり、この図の符号1は、パッケージの基板、2は蓋、3は蓋に開けられた開口(ポート)、4はMEMS音響トランスデューサ、5はASIC(特殊用途半導体集積回路)であり、100はバックキャビティである。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a smartphone having a great demand has been often used as a micro electro mechanical system (MEMS) microphone that is small and thin and has high-temperature processing resistance during solder flow.
9A and 9B show a schematic configuration of a conventional MEMS microphone. FIG. 9A is a top port type. Reference numeral 1 in this figure denotes a substrate of a package, 2 A lid, 3 is an opening (port) opened in the lid, 4 is a MEMS acoustic transducer, 5 is an ASIC (Special Purpose Semiconductor Integrated Circuit), and 100 is a back cavity.

図9(B)はボトムポート型であり、この場合は、基板1側に開口6が設けられている。このボトムポート型では、上記基板1の開口6、トップポート型では、上記蓋2の開口3が音響信号圧力の入力ポートとなり、音響トランスデューサ4(振動板部分)を挟んでこれら開口3,6の反対側の閉空間がバックキャビティとなる。上記ASIC5は、アナログ増幅回路、バイアス電圧回路或いはアナログディジタル変換回路等を含んでおり、一般的なMEMSマイクロフォンは、MEMS音響トランスデューサ4とASIC5を小型のパッケージに実装した構成とされる。   FIG. 9B shows a bottom port type. In this case, an opening 6 is provided on the substrate 1 side. In the bottom port type, the opening 6 of the substrate 1 and in the top port type, the opening 3 of the lid 2 serves as an input port for the acoustic signal pressure, and the openings 3 and 6 sandwich the acoustic transducer 4 (vibrating plate portion). The closed space on the opposite side becomes the back cavity. The ASIC 5 includes an analog amplifier circuit, a bias voltage circuit, an analog-digital conversion circuit, or the like, and a general MEMS microphone has a configuration in which the MEMS acoustic transducer 4 and the ASIC 5 are mounted in a small package.

このようなマイクロフォンによれば、トップポート型は蓋側の開口3から、ボトムポート型は基板側の開口6から入力された音響信号圧力が音響トランスデューサ4で捉えられ、この音響トランスデューサ4の中の振動板の振動が電気信号に変換されており、その後、ASIC5で処理された信号が出力される。   According to such a microphone, the acoustic signal pressure input from the opening 3 on the lid side in the top port type and the opening 6 on the substrate side in the bottom port type is captured by the acoustic transducer 4. The vibration of the diaphragm is converted into an electrical signal, and then a signal processed by the ASIC 5 is output.

A. Dehe, M. Wurzer, M. Fuldner and U. Krumbein, “The Infineon Silicon MEMS Microphone,” AMA Conferences 2013−SENSOR 2013, OPTO 2013, IRS 2 2013, pp.95−99, 2013.A. Dehe, M. Wurzer, M. Fuldner and U. Krumbein, “The Infineon Silicon MEMS Microphone,” AMA Conferences 2013−SENSOR 2013, OPTO 2013, IRS 2 2013, pp.95−99, 2013. R. Littrell* and K. Grosh,“Noise minimization in micromachined piezoelectric microphones,”21st Int. Congress on Acoustic(ICA), 2pEAa3, 2013.R. Littrell * and K. Grosh, “Noise minimization in micromachined piezoelectric microphones,” 21st Int. Congress on Acoustic (ICA), 2pEAa3, 2013.

ところで、上記音響信号圧力が入力された音響トランスデューサ4の反対側閉空間であるバックキャビティ100では、音響トランスデューサ4の振動板の振動に応じで閉じ込められた空気が圧縮・膨張させられるため、音響的コンプライアンスとして働くことになる。   By the way, in the back cavity 100 that is the closed space on the opposite side of the acoustic transducer 4 to which the acoustic signal pressure is input, the trapped air is compressed and expanded according to the vibration of the diaphragm of the acoustic transducer 4. Work as a compliance.

図9(C)に、マイクロフォンの音響等価回路を単純化したものが示されている。
図において、入力音響信号圧力Pain は、振動板の音響コンプライアンスCm とバックキャビティの音響コンプライアンスCbcによって分圧され、振動板に印加される実効音響信号圧力Pamは、次の数式1で表される。
Pam = Cbc/(Cm +Cbc)×Pain … (1)
この数式(1)において、音響コンプライアンスCm が大きいと、実効音響信号圧力Pamは小さくなり、音響トランスデューサ4の実効感度や信号雑音比等のマイクロフォンにとって主要な特性を劣化させる原因となることは知られている(非特許文献1)。
FIG. 9C shows a simplified acoustic equivalent circuit of a microphone.
In the figure, the input acoustic signal pressure Pain is divided by the acoustic compliance Cm of the diaphragm and the acoustic compliance Cbc of the back cavity, and the effective acoustic signal pressure Pam applied to the diaphragm is expressed by the following Equation 1.
Pam = Cbc / (Cm + Cbc) × Pain (1)
In this formula (1), if the acoustic compliance Cm is large, the effective acoustic signal pressure Pam is small, and it is known that the main characteristics of the microphone such as the effective sensitivity and signal-to-noise ratio of the acoustic transducer 4 are deteriorated. (Non-Patent Document 1).

特に、バックキャビティ100の音響コンプライアンスはその容積に比例するため、ボトムポート型[図9(B)]に比べてバックキャビティ容積の小さいトップポート型[図9(A)]の特性の大きな制限要因となっている。また、トップポート型ではバックキャビティ100の容積がMEMSの基板(シリコン基板)1の厚みに比例するため、基板1を薄板化することを困難にしている。   In particular, since the acoustic compliance of the back cavity 100 is proportional to its volume, it is a limiting factor that greatly affects the characteristics of the top port type [FIG. 9A], which has a smaller back cavity volume than the bottom port type [FIG. 9B]. It has become. In the top port type, since the volume of the back cavity 100 is proportional to the thickness of the MEMS substrate (silicon substrate) 1, it is difficult to make the substrate 1 thinner.

また、ボトムポート型においても、パッケージを小型薄型化しようとすると、バックキャビティ100の容積が小さくなるため、マイクロフォンの特性が犠牲となる。
以上のように、MEMSマイクロフォンでは、音響的制約からパッケージの小型薄型化が制限されているのが現状である。
一方、MEMSマイクロフォンの主な市場であるスマートフォンでは部品に対する小型薄型化の要求は年々厳しくなっている。近年注目されているスマートウオッチ等のウェアラブル端末市場では、スマートフォン以上の小型薄層化が求められているのは言うまでもない。
Even in the bottom port type, if the package is to be reduced in size and thickness, the volume of the back cavity 100 is reduced, and the characteristics of the microphone are sacrificed.
As described above, the present situation is that the MEMS microphones are limited in size and thickness due to acoustic limitations.
On the other hand, in smartphones, which are the main market for MEMS microphones, the demand for smaller and thinner parts has become stricter year by year. Needless to say, in the wearable terminal market, such as smart watches, which have been attracting attention in recent years, there is a demand for smaller and thinner layers than smartphones.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消し、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型MEMSマイクロフォンを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to eliminate the disadvantage that the substantial characteristics of the microphone deteriorate when the volume of the back cavity is reduced, and is suitable for mounting a small and thin package. An object of the present invention is to provide a piezoelectric MEMS microphone with high sensitivity and low noise.

上記目的を達成するために、請求項1の発明に係る圧電型MEMSマイクロフォンは、音響信号圧力を圧電効果により電気信号に変換する少なくとも2以上の圧電膜を有する振動板、この振動板により生じた電気信号を出力するためのセンス電極、電気信号によって上記振動板に振動を付加するためのドライブ電極を有するMEMS音響トランスデューサと、上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする。
請求項2の発明の上記MEMS音響トランスデューサは、上記振動板としてセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を含み、サポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるリファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a piezoelectric MEMS microphone according to the invention of claim 1 is produced by a diaphragm having at least two or more piezoelectric films for converting an acoustic signal pressure into an electric signal by a piezoelectric effect. A MEMS acoustic transducer having a sense electrode for outputting an electrical signal, a drive electrode for applying vibration to the diaphragm by the electrical signal, and an amplifier circuit for amplifying the electrical signal output from the sense electrode The signal amplified by the amplifier circuit is fed back to the drive electrode to suppress vibration of the diaphragm due to acoustic signal pressure.
The MEMS acoustic transducer according to a second aspect of the invention includes a sensing piezoelectric film and a driving piezoelectric film as the diaphragm, and a drive electrode film, the driving piezoelectric film, and a reference electrode for providing a reference potential on the support film. The film, the piezoelectric film for sensing, and the sense electrode film are sequentially stacked.

請求項3の発明の上記MEMS音響トランスデューサは、検出域を複数の領域に分割し、それぞれの領域の上記振動板としてセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を含み、分割領域のそれぞれのサポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるドライブ用リファレンス電極膜、絶縁層となる誘電体膜、直列接続用のセンス用リファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置し、この分割領域間の上記センス電極膜と上記センス用リファレンス電極膜の接続により、複数の分割領域を直列に接続して重畳した電気信号を出力することを特徴とする。   The MEMS acoustic transducer according to a third aspect of the invention divides a detection area into a plurality of areas, includes a piezoelectric film for sensing and a piezoelectric film for driving as the diaphragm in each area, and each of the support films in the divided areas. On top of this, a drive electrode film, the drive piezoelectric film, a drive reference electrode film for applying a reference potential, a dielectric film serving as an insulating layer, a sense reference electrode film for series connection, the sense piezoelectric film, and a sense electrode Films are sequentially stacked, and a plurality of divided regions are connected in series by the connection of the sense electrode film and the sensing reference electrode film between the divided regions, and an electric signal superimposed is output.

以上の構成によれば、音響信号圧力による振動板の振動が電気信号に変換され、この電気信号がセンス電極膜から出力されており、この電気信号を増幅回路で増幅してドライブ電極膜に帰還させると、音響信号圧力による振動に対して逆位相となる振動がドライブ用圧電膜から付加され、実効的に振動板の振動を(振幅)を抑制することが可能となる。   According to the above configuration, the vibration of the diaphragm due to the acoustic signal pressure is converted into an electric signal, and this electric signal is output from the sense electrode film. The electric signal is amplified by the amplifier circuit and fed back to the drive electrode film. If it does, the vibration which becomes an antiphase with respect to the vibration by acoustic signal pressure will be added from the piezoelectric film for a drive, and it will become possible to suppress the vibration (amplitude) of a diaphragm effectively.

即ち、振動板の音響コンプライアンスCm は、音響信号圧力Pamを受けた振動板により変位したバックキャビティの容積をΔVとすると、
Cm = ΔV/Pam … (2)
で表される。
この数式(2)で分かるように、振動板の振動を抑制することにより容積ΔVを小さくすれば、振動板の音響コンプライアンスCm が小さくなり、上記数式(1)では、振動板の音響コンプライアンスCm をバックキャビティの音響コンプライアンスCbcに対して十分に小さく抑えることができ、その結果、上記数式(1)で表される実効音響信号圧力Pamをバックキャビティ容積に関わらず入力音響信号圧力Pain に略等しくすることが可能となる。
That is, the acoustic compliance Cm of the diaphragm is expressed as follows, where ΔV is the volume of the back cavity displaced by the diaphragm that has received the acoustic signal pressure Pam.
Cm = ΔV / Pam (2)
It is represented by
As can be seen from Equation (2), if the volume ΔV is reduced by suppressing vibration of the diaphragm, the acoustic compliance Cm of the diaphragm is reduced. In Equation (1), the acoustic compliance Cm of the diaphragm is reduced. The acoustic compliance Cbc of the back cavity can be kept sufficiently small. As a result, the effective acoustic signal pressure Pam expressed by the above equation (1) is made substantially equal to the input acoustic signal pressure Pain regardless of the back cavity volume. It becomes possible.

本発明によれば、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消することができ、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型MEMSマイクロフォンを実現することが可能となる。   According to the present invention, when the volume of the back cavity is reduced, the disadvantage that the substantial characteristics of the microphone are deteriorated can be solved, and a high sensitivity and low noise piezoelectric MEMS microphone suitable for mounting a small and thin package. Can be realized.

本発明の圧電型MEMSマイクロフォンの基本的な原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle of the piezoelectric type MEMS microphone of this invention. 第1実施例の圧電型MEMSマイクロフォンの具体的な構成(帰還回路)を示す図(音響トランスデューサ部分は図2bのA−A断面図で一部をハッチングしたもの)である。It is a figure which shows the specific structure (feedback circuit) of the piezoelectric MEMS microphone of 1st Example (the acoustic transducer part is what hatched partially in AA sectional drawing of FIG. 2b). 第1実施例の音響トランスデューサ部分の平面図である。It is a top view of the acoustic transducer part of 1st Example. 第1実施例の動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement principle of 1st Example. 第2実施例の圧電型MEMSマイクロフォンの具体的な構成(帰還回路)を示す図(一部の断面をハッチングしたもの)である。It is a figure (what a part of section was hatched) which shows the concrete composition (feedback circuit) of the piezoelectric type MEMS microphone of the 2nd example. 第2実施例の音響トランスデューサ部分の平面図である。It is a top view of the acoustic transducer part of 2nd Example. 第1実施例における振動板音響コンプライアンスの圧電膜厚依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the piezoelectric film thickness dependence of the diaphragm acoustic compliance in 1st Example. 第1実施例(圧電膜として窒化アルミニウムを使用した場合)の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the back cavity volume dependence of the signal noise ratio of 1st Example (when aluminum nitride is used as a piezoelectric film). 第1実施例(圧電膜として窒化スカンジウムアルミニウムを使用した場合)の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the back cavity volume dependence of the signal noise ratio of 1st Example (when scandium aluminum nitride is used as a piezoelectric film). 第1実施例における信号雑音比の増幅回路利得幅依存性を示すグラフ図である。It is a graph which shows the amplifier circuit gain width dependence of the signal noise ratio in 1st Example. 従来のMEMSマイクロフォンの実装形態[図(A),(B)]と簡略化した音響等価回路[図(C)]を示す図である。It is a figure which shows the mounting form [Figure (A), (B)] of the conventional MEMS microphone, and the simplified acoustic equivalent circuit [Figure (C)].

図1に、本発明の圧電型MEMSマイクロフォンの基本原理が示されており、図において、符号11は複数の圧電膜を持つ振動板、12はセンス電極、13はドライブ電極、14は増幅回路である。
上記の振動板11は、例えばセンス電極側から入力される音響信号圧力によって振動変位し、その機械的振動がセンス電極12で電気信号(センス信号)に変換される。この音響信号を電気信号に変換する部分が音響トランスデューサと呼ばれている部分であり、MEMS製造技術を用いて例えばシリコン基板上に作製される。
FIG. 1 shows the basic principle of the piezoelectric MEMS microphone of the present invention. In the figure, reference numeral 11 is a diaphragm having a plurality of piezoelectric films, 12 is a sense electrode, 13 is a drive electrode, and 14 is an amplifier circuit. is there.
The vibration plate 11 is vibrated and displaced by, for example, an acoustic signal pressure input from the sense electrode side, and the mechanical vibration is converted into an electric signal (sense signal) by the sense electrode 12. The part that converts the acoustic signal into an electrical signal is a part called an acoustic transducer, and is produced on, for example, a silicon substrate using a MEMS manufacturing technique.

そして、上記センス電極12から出力されたセンス信号は、増幅回路14で増幅される。一般に、音響トランスデューサで変換された電気信号は、等価的出力インピーダンスが高く信号強度が小さいため、本発明では、増幅回路14によりインピーダンス変換すると共に、増幅したドライブ信号を発生させ、ドライブ電極13に帰還させる。このドライブ信号をドライブ電極13に印加すると、音響(機械)電気変換の逆変換によって振動板11に音響信号圧力と逆位相の機械的な抗力、即ち音響信号圧力が振動板11を変形させる力を相殺する力が与えられる。図1では、増幅回路14において、振動板11の変形を相殺する力を与えるように、その極性及び増幅利得を選定することになる。   The sense signal output from the sense electrode 12 is amplified by the amplifier circuit 14. In general, since an electrical signal converted by an acoustic transducer has a high equivalent output impedance and a low signal strength, in the present invention, impedance conversion is performed by the amplifier circuit 14 and an amplified drive signal is generated and fed back to the drive electrode 13. Let When this drive signal is applied to the drive electrode 13, a mechanical drag having a phase opposite to that of the acoustic signal pressure, that is, a force for deforming the diaphragm 11 by the acoustic signal pressure is applied to the diaphragm 11 by inverse conversion of acoustic (mechanical) electrical conversion. The power to cancel is given. In FIG. 1, the polarity and the amplification gain are selected so that the amplifier circuit 14 gives a force to cancel the deformation of the diaphragm 11.

このようにして、所謂、負帰還の原理によりセンス信号を、概ねループ利得(増幅回路14の利得だけでなく音響電気変換利得も考慮)分の1まで抑制することとなる。結果として、振動板11の振動は抑制され、数式(2)で規定される振動板11の音響コンプライアンス(Cm )をバックキャビティの音響コンプライアンス(Cbc)に対して十分小さく保つことができる。そのため、バックキャビティの容積を小さくしても感度や信号雑音比といったマイクロフォンの基本的特性を劣化させることがなく、マイクロフォンを小型薄型化したパッケージに実装することが可能となる。なお、MEMSマイクロフォンの出力としては、増幅回路14からの出力(ドライブ電圧信号)を用いるが、この際には、外部に取り出すためのバッファ回路やディジタル信号として取り出すためのアナログディジタル変換回路を付加してもよい。   In this way, the so-called negative feedback principle suppresses the sense signal to approximately 1 / L of the loop gain (considering not only the gain of the amplifier circuit 14 but also the acoustoelectric conversion gain). As a result, the vibration of the diaphragm 11 is suppressed, and the acoustic compliance (Cm) of the diaphragm 11 defined by Equation (2) can be kept sufficiently small relative to the acoustic compliance (Cbc) of the back cavity. Therefore, even if the volume of the back cavity is reduced, the basic characteristics of the microphone such as sensitivity and signal / noise ratio are not deteriorated, and the microphone can be mounted in a small and thin package. The output from the amplifying circuit 14 (drive voltage signal) is used as the output of the MEMS microphone. At this time, a buffer circuit for taking out to the outside and an analog-digital conversion circuit for taking out as a digital signal are added. May be.

図2aに、第1実施例の具体的な構成(音響トランスデューサ部分は図2bのA−A断面図)、図2bに、音響トランスデューサ部分の構成(上面から見た図)が示され、下記の表1には、各種の圧電膜材料の特性、性能が示されている。
図2aにおいて、符号21aはセンス用圧電膜(薄膜)、21bはドライブ用圧電膜(薄膜)、22はセンス電極膜(薄膜)、23はドライブ電極膜(薄膜)、25はサポート膜(誘電体薄膜)、26は、基準電位(接地50)に接続されるリファレンス電極膜(薄膜)であり、上記センス電極膜22、上記センス用圧電膜21a、リファレンス電極膜26、ドライブ用圧電膜21b、ドライブ電極膜23及びサポート膜25で振動板が構成される。27はシリコン(Si)基板である。この音響トランスデューサは、シリコン基板27に上記の各部材を順に積層して、MEMS製造技術を用いて製造される。
FIG. 2a shows a specific configuration of the first embodiment (acoustic transducer portion is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2b), and FIG. 2b shows a configuration of the acoustic transducer portion (viewed from the top surface). Table 1 shows the characteristics and performance of various piezoelectric film materials.
In FIG. 2a, reference numeral 21a is a sense piezoelectric film (thin film), 21b is a drive piezoelectric film (thin film), 22 is a sense electrode film (thin film), 23 is a drive electrode film (thin film), and 25 is a support film (dielectric). Reference numeral (thin film) 26 is a reference electrode film (thin film) connected to a reference potential (ground 50). The sense electrode film 22, the sense piezoelectric film 21a, the reference electrode film 26, the drive piezoelectric film 21b, and the drive The electrode film 23 and the support film 25 constitute a diaphragm. Reference numeral 27 denotes a silicon (Si) substrate. This acoustic transducer is manufactured using the MEMS manufacturing technique by sequentially laminating the above-described members on the silicon substrate 27.

上記の圧電膜21a,21bは、下記の表1に示されるように、例えば窒化アルミニウム(AIN)膜を用い、電極膜22,23としては例えばモリブデン(Mo)膜を用いている。なお、上記窒化アルミニウムとしたセンス用圧電膜21aとドライブ用圧電膜21bとの結晶配向(圧電極性)は同一向きである。サポート膜25としては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の誘電体薄膜、或いは圧電膜と同じ窒化アルミニウムを用いる。また、このサポート膜25は、シリコン薄膜を用いてもよく、その場合には不純物をドーピングして導電性としてドライブ電極膜と兼用することも可能である。   As shown in Table 1 below, for example, an aluminum nitride (AIN) film is used for the piezoelectric films 21a and 21b, and a molybdenum (Mo) film is used for the electrode films 22 and 23, for example. The crystal orientation (piezoelectric polarity) of the sensing piezoelectric film 21a and the driving piezoelectric film 21b made of aluminum nitride is the same. As the support film 25, a dielectric thin film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film, or aluminum nitride similar to the piezoelectric film is used. The support film 25 may be a silicon thin film. In that case, the support film 25 can also be doped with impurities to be used as a drive electrode film.

図2bにも示されるように、この音響トランスデューサは、振動板(21a,21b,25)の下方の基板27の中心部に、バックキャビティ又は音響信号圧力の入力ポートとなる貫通孔(下部空間)200が形成されると共に、振動板の中央部に梁間ギャップ(切込み部)Gが形成されることにより、左右端の1辺で支持(3辺は開放)された片持ち梁構造となる。なお、実施例の振動板は、対向する2枚の長方形体から構成されているが、1辺が支持固定された複数の3角形や多角形、或いは円形の支持固定外周を持つ複数のくさび形から構成されていてもよい。   As shown in FIG. 2b, this acoustic transducer has a through-hole (lower space) serving as a back cavity or an input port for acoustic signal pressure at the center of the substrate 27 below the diaphragm (21a, 21b, 25). 200 is formed, and an inter-beam gap (cut portion) G is formed in the center of the diaphragm, so that a cantilever structure in which one side at the left and right ends is supported (three sides are open) is obtained. In addition, although the diaphragm of an Example is comprised from the two rectangular bodies which oppose, the several wedge shape which has several triangles, polygons, or circular support fixed outer periphery by which one side was supported and fixed. You may be comprised from.

また、上記センス電極膜22のセンス信号を入力する増幅回路24が配置され、この増幅回路24の出力信号は、ドライブ信号としてドライブ電極膜23に帰還される。この増幅回路24は、ASIC(特殊用途シリコン半導体集積回路)の中に組み込まれ、このASICと上記音響トランスデューサは、図9(A),(B)に示すような小型パッケージに混載実装される。   Further, an amplifier circuit 24 for inputting the sense signal of the sense electrode film 22 is disposed, and an output signal of the amplifier circuit 24 is fed back to the drive electrode film 23 as a drive signal. The amplifier circuit 24 is incorporated in an ASIC (special purpose silicon semiconductor integrated circuit), and the ASIC and the acoustic transducer are mounted together in a small package as shown in FIGS.

このような第1実施例によれば、音響信号圧力によって振動板が振動することで、圧電効果によりセンス電極膜22からセンス信号が出力される。このセンス信号を、増幅回路24によって増幅してドライブ信号としてドライブ電極膜23に帰還することにより、ドライブ用圧電膜21bを介して逆圧電効果により機械的力が振動板に付加され、振動板の振動(振幅)が抑制される。   According to such a 1st Example, a sense signal is output from the sense electrode film 22 by a piezoelectric effect because a diaphragm vibrates with an acoustic signal pressure. This sense signal is amplified by the amplifier circuit 24 and fed back to the drive electrode film 23 as a drive signal, whereby a mechanical force is applied to the diaphragm by the reverse piezoelectric effect through the drive piezoelectric film 21b. Vibration (amplitude) is suppressed.

図3を用いて実施例の動作原理を説明する。
図3の上方から音響信号圧力が加わり、片持ち梁構造の振動板(圧電膜21a,21b及びサポート膜25)が下方(上に凸)に湾曲した場合を考える。図のE1 の部分に示されるように、振動板(梁)の上半分(圧電膜21a,21bを含む部分)には引張応力、下半分(サポート膜25)には圧縮応力が印加され、振動板の中心付近には応力の掛からない面(仮に芯面sとする)が存在する。なお、2層の圧電膜21a,21bはこの芯面sより上部に形成される。また、芯面sの高さ方向の位置は、振動板を構成する材料のヤング率等の材料力学的定数や膜厚によって異なるが、サポート膜25を同じ窒化アルミニウムで構成し、電極膜22,23,26の膜厚を無視した簡単な場合には、全体の厚さの中心面となる。
The operation principle of the embodiment will be described with reference to FIG.
Consider a case where an acoustic signal pressure is applied from above in FIG. 3 and the diaphragms (piezoelectric films 21a and 21b and support film 25) having a cantilever structure are curved downward (convex upward). As shown in the part E1 in the figure, tensile stress is applied to the upper half of the diaphragm (beam) (the part including the piezoelectric films 21a and 21b), and compressive stress is applied to the lower half (support film 25). In the vicinity of the center of the plate, there is a surface to which no stress is applied (assuming that it is a core surface s). The two layers of piezoelectric films 21a and 21b are formed above the core surface s. Further, although the position in the height direction of the core surface s differs depending on the material mechanical constant such as Young's modulus of the material constituting the diaphragm and the film thickness, the support film 25 is made of the same aluminum nitride, and the electrode films 22, In the simple case where the film thicknesses 23 and 26 are ignored, it becomes the center plane of the entire thickness.

上述のように、2層の窒化アルミニウムの圧電膜21a,21bには、引張応力が発生し、この引張応力のとき、センス電極膜22に圧電効果により負の電圧が発生するように窒化アルミニウム薄膜の結晶方位(圧電特性)を選択(c軸を基板に対して垂直で上向きに)選択する。
そして、発生したセンス電圧を増幅回路24で反転増幅し、ドライブ電極膜23に帰還すると、ドライブ用圧電膜21bには逆圧電効果によって縮もうとする作用が働き、振動板を上方(下に凸)に湾曲させようとする。
As described above, tensile stress is generated in the two layers of aluminum nitride piezoelectric films 21a and 21b, and an aluminum nitride thin film is generated so that a negative voltage is generated in the sense electrode film 22 due to the piezoelectric effect at this tensile stress. The crystal orientation (piezoelectric characteristics) is selected (the c-axis is perpendicular to the substrate and upward).
When the generated sense voltage is inverted and amplified by the amplifier circuit 24 and fed back to the drive electrode film 23, the drive piezoelectric film 21b has an action of contracting due to the reverse piezoelectric effect, and the diaphragm is projected upward (projected downward). ) To bend.

上記ドライブ用圧電膜21bは、センス用圧電膜21aとサポート膜25で挟まれているため、図3のE2 で示されるように、ドライブ用圧電膜21bには引張応力、センス用圧電膜21aとサポート膜25にはその反作用として圧縮応力が発生する。即ち、帰還されたドライブ電圧によって、センス用圧電膜21aに音響信号圧力による引張応力とは逆の圧縮応力が発生し、増幅回路24の利得を十分大きく取っておくと、センス信号が発生しない(仮想接地)ように両応力はセンス電極領域の平均値として相殺される。同時に、振動板には音響信号圧力による湾曲(下向き)と逆方向に湾曲(上向き)させようとする回転モーメントが働くため、振動板の変位は抑えられ、音響コンプライアンス(Cm )が小さくなる。但し、音響コンプライアンスを十分小さくするためには、センス電極膜22の支持端からの延伸長(梁の長さLに対してαL)、ドライブ用圧電膜21bの膜厚(振動板のトータル厚2Hに対してβH)及びセンス用圧電膜21aの膜厚(γH)を慎重に選定する必要がある。   Since the drive piezoelectric film 21b is sandwiched between the sense piezoelectric film 21a and the support film 25, as shown by E2 in FIG. 3, the drive piezoelectric film 21b has tensile stress, the sense piezoelectric film 21a and the sense piezoelectric film 21a. A compressive stress is generated as a reaction in the support film 25. In other words, the feedback drive voltage causes a compressive stress opposite to the tensile stress due to the acoustic signal pressure to occur in the sense piezoelectric film 21a, and if the gain of the amplifier circuit 24 is kept sufficiently large, no sense signal is generated ( Both stresses cancel each other as an average value of the sense electrode region. At the same time, a rotational moment acting to bend (upward) in a direction opposite to the bending (downward) due to the acoustic signal pressure acts on the diaphragm, so that the displacement of the diaphragm is suppressed and the acoustic compliance (Cm) is reduced. However, in order to sufficiently reduce the acoustic compliance, the extension length from the support end of the sense electrode film 22 (αL with respect to the beam length L), the film thickness of the drive piezoelectric film 21b (the total thickness of the diaphragm 2H) [Beta] H) and the film thickness ([gamma] H) of the sensing piezoelectric film 21a must be carefully selected.

一つの代表的な設計例は、以下のようになる。但し、サポート膜25は圧電膜21a,21bと同じ窒化アルミニウムで構成し、電極膜22,23の膜厚を無視して近似解析したものとする。
例えば、片持ち梁構造の振動板において、支持端からの長さ(延伸長L)を350ミクロン、幅を1400ミクロンとしたものを対向させて設置し、振動板の膜厚(2H)を1.68ミクロン(H=0.84ミクロン)としてその共振周波数を約20kHzに設定する。上記センス電極膜22の延伸長(αL)は、信号雑音比最適化の観点から154ミクロン(α=0.44)で固定する。
One typical design example is as follows. However, it is assumed that the support film 25 is made of the same aluminum nitride as the piezoelectric films 21a and 21b, and the approximate analysis is performed ignoring the film thicknesses of the electrode films 22 and 23.
For example, in a cantilever-structured diaphragm, the length from the support end (stretched length L) is 350 microns and the width is 1400 microns facing each other, and the diaphragm thickness (2H) is 1 .68 microns (H = 0.84 microns) and its resonant frequency is set to about 20 kHz. The extension length (αL) of the sense electrode film 22 is fixed at 154 microns (α = 0.44) from the viewpoint of optimizing the signal to noise ratio.

図5には、ドライブ用圧電膜21bの膜厚をパラメータにしてセンス用圧電膜21aの厚みを変化させたときの振動板の音響コンプライアンスの変化の計算値が示されており、図5に示されるように、例えばドライブ用圧電膜厚を0.33ミクロン(β=0.4)とした場合は、センス用圧電膜厚を同じく0.33ミクロン(γ=0.4)にすると、音響コンプライアンスを略0にすることができる。   FIG. 5 shows calculated values of the acoustic compliance change of the diaphragm when the thickness of the sense piezoelectric film 21a is changed using the film thickness of the drive piezoelectric film 21b as a parameter. For example, if the drive piezoelectric film thickness is 0.33 micron (β = 0.4), and the sense piezoelectric film thickness is also 0.33 micron (γ = 0.4), the acoustic compliance Can be made substantially zero.

図6には、上記の条件で増幅回路24の利得を無限大として、従来構造と実施例構造の場合とで、信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を計算したものが示されている。なお、比較対象の従来構造においても、実施例と同じサイズの片持ち梁として窒化アルミニウムを用い、振動板厚中心面(芯面s)にリファレンス電極を設けると共に、圧電膜の最上面及び最下面にそれぞれセンス電極を上記最適延伸長として配置した(膜厚は0.33ミクロン)。
図6に示されるように、従来構造ではバックキャビティ容積を小さくするにつれて信号雑音比は急速に劣化する。これに対して、実施例構造では、信号雑音比はバックキャビティ容積を減少させても、略一定に保つことができる。従来構造は、センス電極が2倍になっているため、バックキャビティ容積が大きい所では、実施例構造より約3dB、信号雑音比が大きくなっており、ボトムポート型の標準的なバックキャビティ容積3mmの場合には従来構造の方が僅かによい。
FIG. 6 shows the calculation of the dependency of the signal-to-noise ratio on the back cavity volume between the conventional structure and the structure of the embodiment, with the gain of the amplifier circuit 24 being infinite under the above conditions. In the conventional structure to be compared, aluminum nitride is used as a cantilever having the same size as that of the embodiment, a reference electrode is provided on the diaphragm thickness center plane (core surface s), and the uppermost and lowermost surfaces of the piezoelectric film are provided. Each of the sense electrodes was arranged with the above-mentioned optimum extension length (the film thickness was 0.33 microns).
As shown in FIG. 6, in the conventional structure, the signal-to-noise ratio rapidly deteriorates as the back cavity volume is reduced. In contrast, in the embodiment structure, the signal-to-noise ratio can be kept substantially constant even when the back cavity volume is reduced. In the conventional structure, since the sense electrode is doubled, the signal-to-noise ratio is about 3 dB larger than that of the structure in the case where the back cavity volume is large, and the standard back cavity volume of the bottom port type is 3 mm. In the case of 3 , the conventional structure is slightly better.

また、両特性線は2.5mmでクロスし、MEMSトランスデューサの開口部がバックキャビティとなるトップポート型ではバックキャビティ容積(シリコン基板厚≒0.6mm)は約0.6mmとなり、実施例構造の方が約5.6dB優れる結果となった。シリコン基板27の層厚を更に薄層化すると、両者の優劣はさらに顕著になり、実施例構造がMEMSマイクロフォンの小型薄層化を進めるのに適した構造であることが分かる。当然のことながら、圧電型MEMSマイクロフォンの特性は圧電材料の特性によって異なる。 In addition, in the top port type in which both characteristic lines cross at 2.5 mm 3 and the opening of the MEMS transducer becomes the back cavity, the back cavity volume (silicon substrate thickness≈0.6 mm) is about 0.6 mm 3 . The structure was superior to about 5.6 dB. When the layer thickness of the silicon substrate 27 is further reduced, the superiority or inferiority of both becomes more remarkable, and it can be seen that the structure of the embodiment is a structure suitable for promoting the miniaturization and thinning of the MEMS microphone. As a matter of course, the characteristics of the piezoelectric MEMS microphone differ depending on the characteristics of the piezoelectric material.

表1に、代表的な圧電材料である窒化アルミニウム(AlN)、窒化スカンジウムアルミニウム(AIx-1ScN)、酸化亜鉛(ZnO)及びチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)について、マイクロフォン特性に影響を与えるヤング率、横圧電歪係数等の材料定数を比較したものを示す。 Table 1 shows typical piezoelectric materials such as aluminum nitride (AlN), scandium aluminum nitride (AI x-1 Sc x N), zinc oxide (ZnO), and lead zirconate titanate (PZT) that affect the microphone characteristics. Comparison of material constants such as Young's modulus and transverse piezoelectric strain coefficient giving

Figure 2018098546
Figure 2018098546

表1に示されるように、信号雑音比に対応した性能指数(FOM)は、結合係数(k31 )と損失角(tanδ)の比で表され、この性能指数が大きい程、これに略比例した形で信号雑音比の向上が期待できる。酸化亜鉛やチタン酸ジルコン酸鉛に比べると窒化アルミニウムは6〜40倍性能指数が大きく、圧電型MEMSマイクロフォンには適した材料である。また、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム(AIx-1ScN)では、窒化アルミニウムより横圧電歪係数が向上することが知られている。例えば、スカンジウムの比率を35%にした場合、性能指数が7倍程度向上することが期待できる。 As shown in Table 1, the corresponding figure of merit in the signal-noise ratio (FOM) is represented by the ratio of the coupling coefficient (k 31 2) and the loss angle (tan [delta), the greater the performance index, substantially to The signal-to-noise ratio can be improved in a proportional manner. Compared to zinc oxide and lead zirconate titanate, aluminum nitride has a 6 to 40 times higher performance index and is a suitable material for piezoelectric MEMS microphones. Further, it is known that scandium aluminum nitride (AI x-1 Sc x N) obtained by adding scandium to aluminum nitride has a higher transverse piezoelectric strain coefficient than aluminum nitride. For example, when the ratio of scandium is 35%, it can be expected that the figure of merit is improved by about 7 times.

図7に、圧電膜(21a,21b)として、窒化スカンジウムアルミニウム(AIx-1ScN:x=0.35)を用いた場合の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性の計算結果(図6に対応した形)が示されている。平面寸法は、図6の値と同様であるが、振動板の共振周波数を20kHzにするため、窒化スカンジウムアルミニウムのトータル膜厚を1.86ミクロンと厚くし、α,β,γのパラメータは上記の値と同一とした。
図7に示されるように、この場合は、バックキャビティ依存性は定性的には図6と同様であるが、信号雑音比の絶対値が約8dB改善する。
FIG. 7 shows a calculation result of the back cavity volume dependency of the signal-to-noise ratio when scandium aluminum nitride (AI x-1 Sc x N: x = 0.35) is used as the piezoelectric films (21a, 21b). The shape corresponding to 6) is shown. The plane dimensions are the same as the values in FIG. 6, but the total film thickness of scandium aluminum nitride is increased to 1.86 microns in order to set the resonance frequency of the diaphragm to 20 kHz, and the parameters of α, β, and γ are as described above. The value was the same.
As shown in FIG. 7, in this case, the back cavity dependency is qualitatively the same as in FIG. 6, but the absolute value of the signal-to-noise ratio is improved by about 8 dB.

図8には、上記窒化スカンジウムアルミニウムを用いた場合の信号雑音比の増幅回路24の利得依存性を計算した結果が示されており、これは、バックキャビティ容積が上記の0.6mmの場合と、基板27を100ミクロン以下まで薄層化した0.1mmの場合の2つの例を比較したものである。図8から、前者の0.6mmの場合は、利得50dB以上、後者の0.1mmの場合でも、利得67dB以上にすれば、信号雑音比の劣化を1dB以下に抑えられることが分かる。 FIG. 8 shows the result of calculating the gain dependency of the amplifier circuit 24 of the signal-to-noise ratio when the above scandium aluminum nitride is used. This is the case where the back cavity volume is 0.6 mm 3 described above. And two examples in the case of 0.1 mm 3 in which the substrate 27 is thinned to 100 microns or less. From FIG. 8, it can be seen that the deterioration of the signal-to-noise ratio can be suppressed to 1 dB or less if the gain is 50 dB or more when the former is 0.6 mm 3 and the gain is 67 dB or more even when the latter is 0.1 mm 3 .

また、第1実施例のドライブ電圧は、例えば44mV/Pa(−27dBV/Pa)となる。ところで、等価的ドライブ電圧出力抵抗(ドライブ電圧の出力インピーダンス、ドライブ電極膜23の抵抗及びリファレンス電極膜26の抵抗の総和)とドライブ電極容量の積で規定される時定数の逆数に比例する高周波領域遮断周波数(ドライブ電圧遮断周波数)をマイクロフォンに要求される帯域より大きくする必要がある。例えば、マイクロフォンの帯域を10kHzとし、ドライブ電圧遮断周波数を20kHzとした場合、等価的ドライブ電圧出力抵抗を45kΩより小さくする必要がある。この場合のドライブに要する消費電力は、要求される120dBSPLの音響信号圧力において消費電力は17μWと小さく、実用上問題とならない。   The drive voltage in the first embodiment is, for example, 44 mV / Pa (−27 dBV / Pa). By the way, a high frequency region proportional to the reciprocal of a time constant defined by the product of an equivalent drive voltage output resistance (output impedance of drive voltage, resistance of drive electrode film 23 and resistance of reference electrode film 26) and drive electrode capacitance. It is necessary to make the cutoff frequency (drive voltage cutoff frequency) larger than the band required for the microphone. For example, when the microphone band is 10 kHz and the drive voltage cutoff frequency is 20 kHz, the equivalent drive voltage output resistance needs to be smaller than 45 kΩ. The power consumption required for driving in this case is as small as 17 μW at the required acoustic signal pressure of 120 dBSPL, which is not a problem in practice.

図4aに、第2実施例の音響トランスデューサの構成(図4bの振動板の左側部分の断面図)、図4bに、音響トランスデューサ部分の構成(平面図)が示されている。第2実施例は、第1実施例と同様な長方形の振動板(片持ち梁構造)を対向して配置したものであるが、図4bに示されるように、左右の振動板の上側のセンス域を領域I〜IVに分割し、合わせて8つの領域を設け、隣接するセンス域間でセンス電極膜とリファレンス電極膜を直列に接続することで、センス電圧が重畳するように構成する。   FIG. 4a shows the configuration of the acoustic transducer of the second embodiment (cross-sectional view of the left side portion of the diaphragm of FIG. 4b), and FIG. 4b shows the configuration of the acoustic transducer portion (plan view). In the second embodiment, rectangular diaphragms (cantilever structure) similar to those in the first embodiment are arranged to face each other, but as shown in FIG. 4b, the upper senses of the left and right diaphragms are sensed. The area is divided into areas I to IV, a total of eight areas are provided, and a sense electrode film and a reference electrode film are connected in series between adjacent sense areas so that the sense voltage is superimposed.

図4aにおいて、上側から符号の32はセンス電極膜、31aはセンス用圧電膜、36aは基準電位が与えられるセンス用リファレンス電極膜、38は絶縁膜(誘電体薄膜)、36bは基準電位(接地50)に接続されるドライブ用リファレンス電極膜、31bはドライブ用圧電膜、33はドライブ電極膜、35はサポート膜であり、これらは、図2aの場合と同様に、振動板としてシリコン基板上に順に積層配置され、MEMS製造技術を用いて製作される。上記センス電極膜32、センス用圧電膜31a及びセンス用リファレンス電極膜36aがセンス域、ドライブ電極膜33、ドライブ用圧電膜31b及びドライブ用リファレンス電極膜36bがドライブ域となる。   In FIG. 4a, 32 from the upper side is a sense electrode film, 31a is a sensing piezoelectric film, 36a is a sensing reference electrode film to which a reference potential is applied, 38 is an insulating film (dielectric thin film), and 36b is a reference potential (ground). 50) is connected to the drive reference electrode film, 31b is the drive piezoelectric film, 33 is the drive electrode film, and 35 is the support film. These are formed on the silicon substrate as a vibration plate as in FIG. 2a. Laminated in sequence and manufactured using MEMS manufacturing technology. The sense electrode film 32, the sense piezoelectric film 31a, and the sense reference electrode film 36a serve as a sense region, and the drive electrode film 33, the drive piezoelectric film 31b, and the drive reference electrode film 36b serve as a drive region.

図4bにおいて、37はシリコン基板、200はこのシリコン基板37に形成された貫通孔(下部空間)、40aはセンス信号出力パッド、40bはセンス用リファレンスパッド、41a〜41eは配線である。第2実施例では、図4aで説明したセンス域が8分割されており、センス信号出力パッド40aに配線41aを介して領域Iの左側のセンス電極膜32を接続し、この領域Iのセンス用リファレンス電極膜36aに配線41bで領域IIのセンス電極膜32を接続するというようにして、8領域間のセンス用リファレンス電極膜36aとセンス電極膜32を配線41b〜41dで順に直列接続し、領域1の右側のセンス用リファレンス電極膜36aに配線41eを介してセンス用リファレンスパッドを接続し、最終的にはセンス信号出力パッド40a及びセンス用リファレンスパッド40bを介して増幅回路(24)を振動板に接続する。なお、ドライブ電極膜33、ドライブ用圧電膜31b及びドライブ用リファレンス電極膜36bからなるドライブ域は、分割される必要はなく、第1実施例と同様となっている。   In FIG. 4b, 37 is a silicon substrate, 200 is a through-hole (lower space) formed in the silicon substrate 37, 40a is a sense signal output pad, 40b is a sense reference pad, and 41a to 41e are wirings. In the second embodiment, the sense area described with reference to FIG. 4a is divided into eight, and the sense electrode film 32 on the left side of the area I is connected to the sense signal output pad 40a via the wiring 41a. The sense electrode film 32 in the region II is connected to the reference electrode film 36a by the wiring 41b, so that the sensing reference electrode film 36a and the sense electrode film 32 between the eight regions are connected in series by the wirings 41b to 41d in order. A sense reference pad is connected to the sense reference electrode film 36a on the right side of 1 through a wiring 41e, and finally the amplifier circuit (24) is connected to the diaphragm through the sense signal output pad 40a and the sense reference pad 40b. Connect to. Note that the drive region composed of the drive electrode film 33, the drive piezoelectric film 31b, and the drive reference electrode film 36b does not need to be divided and is the same as in the first embodiment.

また、上記センス用圧電膜31a、ドライブ用圧電膜31bとしては、例えば窒化アルミニウム膜や窒化スカンジウムアルミニウム膜、上記センス電極膜32、ドライブ電極膜33としては、モリブデンを用いる。窒化アルミニウム膜を用いる場合は、両圧電膜31a,31bの結晶配向(圧電極性)は同一向きとする。第1実施例と同様に、サポート膜35及び絶縁膜38としては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の誘電体膜又は窒化アルミニウムを用い、サポート膜35としてシリコン薄膜を用いる場合は、不純物をドーピングして導電性としてドライブ電極膜31bと兼用することも可能である。   The sense piezoelectric film 31a and the drive piezoelectric film 31b are made of, for example, an aluminum nitride film or a scandium aluminum nitride film, and the sense electrode film 32 and the drive electrode film 33 are made of molybdenum. When an aluminum nitride film is used, the crystal orientation (piezoelectric polarity) of both piezoelectric films 31a and 31b is the same. As in the first embodiment, as the support film 35 and the insulating film 38, a dielectric film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film or aluminum nitride is used, and when a silicon thin film is used as the support film 35, impurities are doped. Thus, it can also be used as the drive electrode film 31b for conductivity.

第2実施例の音響トランスデューサにおいても、基板37の中心部に貫通孔200が形成され、振動板の中央部には梁間ギャップGが設けられることにより、左右端の1辺で保持された片持ち梁構造となる。なお、振動板は、1辺が支持固定された複数の3角形や多角形、或いは円形の支持固定外周を持つ複数のくさび形から構成されていてもよい。   Also in the acoustic transducer of the second embodiment, the through-hole 200 is formed in the central portion of the substrate 37, and the gap G between the beams is provided in the central portion of the diaphragm, so that the cantilever held on one side of the left and right ends. It becomes a beam structure. The diaphragm may be composed of a plurality of triangles, polygons having one side supported and fixed, or a plurality of wedges having a circular support fixed outer periphery.

第2実施例によれば、センス電圧を重畳加算して8倍(18dB)大きくすることができ、増幅回路(24)の入力換算雑音や利得に対する要求条件を緩和することができる。例えば、図8に示した増幅回路に要求される利得を18dB緩和することが可能となる。
また、第1実施例と同様に、センス電極膜32の延伸長、センス用圧電膜厚とドライブ用圧電膜厚を慎重に選定すると、振動板の音響コンプライアンス(Cm )をバックキャビティ(例えば200)の音響コンプライアンス(Cbc)に比べて無視できる程度まで低く抑えることが可能で、信号雑音比や感度を損なうことなくバックキャビティ容積を小さくすることができる。
According to the second embodiment, the sense voltage can be superimposed and added to increase it by 8 (18 dB), and the requirements for the input conversion noise and gain of the amplifier circuit (24) can be relaxed. For example, the gain required for the amplifier circuit shown in FIG. 8 can be reduced by 18 dB.
Similarly to the first embodiment, if the stretch length of the sense electrode film 32, the sense piezoelectric film thickness, and the drive piezoelectric film thickness are carefully selected, the acoustic compliance (Cm) of the diaphragm is set to the back cavity (for example, 200). Compared to the acoustic compliance (Cbc), the back cavity volume can be reduced without impairing the signal-to-noise ratio and sensitivity.

なお、上記実施例では、片持ち梁構造の振動板の例を示したが、両端が基板に支持固定された両持ち梁構造の振動板や外周が基板に支持固定された円板状の振動板の構造に上記実施例を敷衍して、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型MEMSマイクロフォンを制作することができる。
また、実施例では、センス用圧電膜31a、ドライブ用圧電膜31bを1つずつ配置したが、それぞれの圧電膜を上下方向で複数設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, an example of a diaphragm having a cantilever structure is shown. However, a diaphragm having a both-end support structure in which both ends are supported and fixed to a substrate and a disk-shaped vibration in which an outer periphery is supported and fixed to a substrate. By applying the above embodiment to the structure of the plate, a high-sensitivity and low-noise piezoelectric MEMS microphone suitable for mounting a small and thin package can be produced.
In the embodiment, the sense piezoelectric film 31a and the drive piezoelectric film 31b are arranged one by one. However, a plurality of piezoelectric films may be provided in the vertical direction.

5…ASIC(特殊用途半導体集積回路)、
11…振動板、 12…センス電極、
13…ドライブ電極、 14,24…増幅回路、
21a,31a…センス用圧電膜、
21b,31b…ドライブ用圧電膜、
22,32…センス電極膜、
23,33…ドライブ電極膜、
25,35…サポート膜、 26…リファレンス電極膜、
27,37…シリコン基板、
36a…センス用リファレンス電極膜、
36b…ドライブ用リファレンス電極膜、
38…絶縁膜(誘電体膜)、
40a…センス信号出力パッド、
40b…センス用リファレンスパッド、
41a〜41e…配線、
200…貫通孔。
5. ASIC (Special Purpose Semiconductor Integrated Circuit),
11 ... diaphragm, 12 ... sense electrode,
13 ... Drive electrode 14,24 ... Amplifier circuit,
21a, 31a ... Sense piezoelectric film,
21b, 31b ... Drive piezoelectric film,
22, 32 ... sense electrode film,
23, 33 ... drive electrode film,
25, 35 ... support film, 26 ... reference electrode film,
27, 37 ... silicon substrate,
36a ... Sense reference electrode film,
36b ... Reference electrode film for drive,
38. Insulating film (dielectric film),
40a: sense signal output pad,
40b ... Sense reference pad,
41a-41e ... wiring,
200 ... through hole.

Claims (3)

音響信号圧力を圧電効果により電気信号に変換する少なくとも2以上の圧電膜を有する振動板、この振動板により生じた電気信号を出力するためのセンス電極、電気信号によって上記振動板に振動を付加するためのドライブ電極を有するMEMS音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする圧電型MEMSマイクロフォン。
A diaphragm having at least two piezoelectric films that convert an acoustic signal pressure into an electric signal by a piezoelectric effect, a sense electrode for outputting an electric signal generated by the diaphragm, and applying vibration to the diaphragm by the electric signal A MEMS acoustic transducer having a drive electrode for;
An amplification circuit that amplifies the electrical signal output from the sense electrode,
A piezoelectric MEMS microphone that suppresses vibration of the diaphragm due to acoustic signal pressure by feeding back the signal amplified by the amplifier circuit to the drive electrode.
上記MEMS音響トランスデューサは、上記振動板としてセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を含み、
サポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるリファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置することを特徴とする請求項1記載の圧電型MEMSマイクロフォン。
The MEMS acoustic transducer includes a sensing piezoelectric film and a driving piezoelectric film as the diaphragm,
2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein a drive electrode film, the drive piezoelectric film, a reference electrode film for applying a reference potential, the sense piezoelectric film, and the sense electrode film are sequentially stacked on the support film. Type MEMS microphone.
上記MEMS音響トランスデューサは、検出域を複数の領域に分割し、それぞれの領域の上記振動板としてセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を含み、
分割領域のそれぞれのサポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるドライブ用リファレンス電極膜、絶縁層となる誘電体膜、直列接続用のセンス用リファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置し、
この分割領域間の上記センス電極膜と上記センス用リファレンス電極膜の接続により、複数の分割領域を直列に接続して重畳した電気信号を出力することを特徴とする請求項1記載の圧電型MEMSマイクロフォン。
The MEMS acoustic transducer divides a detection area into a plurality of areas, and includes a sensing piezoelectric film and a driving piezoelectric film as the diaphragm in each area,
On each support film in the divided region, a drive electrode film, the above drive piezoelectric film, a drive reference electrode film for applying a reference potential, a dielectric film serving as an insulating layer, a sense reference electrode film for series connection, and the above A piezoelectric film for sensing and a sense electrode film are sequentially stacked,
2. The piezoelectric MEMS according to claim 1, wherein a plurality of divided regions are connected in series to output an electric signal superimposed by connecting the sense electrode film and the sense reference electrode film between the divided regions. microphone.
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