JP2021524685A - 光マイクロフォンアセンブリ - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、光マイクロフォンの膜のコンプライアンスは完全に制限されておらず、他の要因、特にマイクロフォンのハウジングに関連する要因は、高いコンプライアンスの膜を使用できる場合でも、膜のコンプライアンスに他の制限を課し、及び/又はマイクロフォンの性能を低下させる。従って、出願人は改善された音響ハウジング構造を備えた改善された光マイクロフォンの望ましさを高く評価し、光マイクロフォン、特に高いコンプライアンスの膜に対してより高いマイクロフォン感度を達成できるようにする。
剛体である基板と、
膜及び膜から離間した少なくとも1つの光学要素を含み、少なくとも1つの光学要素は基板の表面を含み、及び/又は基板の表面に配置された干渉計装置と、
前記干渉計装置に光を供給するために配置されて、光の第1の部分は前記干渉計装置を介して第1の光路に沿って伝播し、光の第2の部分は前記干渉計装置を介して第2の異なる光路に沿って伝播し、それにより、膜と光学要素との間の距離に依存する、第1の光路と第2の光路との間の光路差を生じさせる光源と、
前記光路差に依存して、光の第1及び第2の部分によって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するように配置された少なくとも1つの光検出器と、
膜の片側と流体が行き来する音響空洞を形成するように配置され、音響空洞の容積は、少なくとも3mmにd2を乗じたもので、dは膜の直径である囲みを備える。
剛体である基板と、
膜及び膜から離間した少なくとも1つの光学要素を含み、少なくとも1つの光学要素は基板の表面を含み、及び/又は基板の表面に配置された干渉計装置と、
光源と、
少なくとも1つの光検出器と、
膜の片側と流体が行き来する音響空洞を形成するように配置され、音響空洞の容積は、少なくとも3mmにd2を乗じたもので、dは膜の直径である囲みを備え、方法は、
前記光源が前記干渉計装置に光を供給する工程であって、光の第1の部分は前記干渉計装置を介して第1の光路に沿って伝播し、光の第2の部分は前記干渉計装置を介して第2の異なる光路に沿って伝播し、それにより、膜と光学要素との間の距離に依存する、第1の光路と第2の光路との間の光路差を生じさせる工程と、
前記光検出器が前記光路差に依存して、光の第1の部分及び第2の部分によって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出する工程を含む。
本発明により、音響空洞の最小体積は、膜の直径dで規定される。これは、上で説明した剛性基板と組み合わせると、以下で説明する理由で有利になる。
そのような構成では、音響空洞のサイズは、マイクロフォンチップのサイズ(通常は約1mmx1mm)によって制限される。このようなマイクロフォンの信号対雑音比(SNR)は、通常、約63dBに制限されている。
一組の実施形態にて、音響空洞の体積は、少なくとも7mmにd2を掛けたものである。膜のコンプライアンスの値に直接基づいて空洞容積を選択することも有利である。従って、一組の実施形態にて、音響空洞の体積と膜のコンプライアンスの比率は、少なくとも10mm3:100nm/Paである。一組の実施形態にて、音響空洞の体積は、d3の少なくとも2倍であり、dは膜の直径である。
一連の実施形態では、基板と膜は一緒になって、基板と膜の間に隙間容積を規定する。光マイクロフォンアセンブリは、空気の通路を提供する1つ又は複数の開口を更に含み、その結果、隙間容積は開口を介してマイクロフォンアセンブリの外部と流体が行き来可能になる。
隙間容積をマイクロフォンアセンブリの外部又は音響空洞のいずれかと接続する1つ又は複数の開口が基板内に形成され得るが、しかし、該開口は追加的又は代替的に、マイクロフォンアセンブリの別の部分に形成され得ることは理解されるべきである。例えば、開口は、スペーサ部分、基板が取り付けられるアセンブリベース部分、光源及び/又は検出器を収容する読出しモジュール、及び/又はマイクロフォンアセンブリの他の部分に形成され得る。
一組の実施形態において、光マイクロフォンアセンブリは、基板の中央支持部分を取り囲む複数の開口を含み、光学要素は中央支持部分上に配備される。
一組の実施形態において、基板及び膜は一緒になって基板と膜の間の隙間容積を規定し、貫通孔は空気の通路を提供し、音響空洞は貫通孔を介して隙間容積と流体が行き来可能に繋がる。
開口又は貫通孔が隙間容積と音響空洞との間に通路を提供する実施形態にて、囲みは基板に面する膜の側に音響空洞を形成するように配置される。
幾つかの好ましい実施形態にて、膜は複数の波形を備える。波形は一定距離だけ分離されて、例えば波形は平行線又は同心リングである。少なくとも3つの波形を有する実施形態にて、隣接する波形のペア間の間隔は同じである、即ち、波形は等間隔である。
従って、第1の態様、第2の態様及び第3の態様の他の態様に従って、膜は導電性又は半導電性であるが、好ましい実施形態では、膜は非導電性である。実際には、適切な機械的特性と処理特性を備えた材料の多くは非導電性である。しかし、静電読出し又は作動を使用しないことに関連する利点は、膜の導電性特性が使用されない場合、導電性又は半導電性の膜を使用して達成することもできる。本発明の方法の一組の実施形態にて、光マイクロフォンアセンブリの動作中、電流又は静電荷は膜に印加されない。
より一般的には、膜の材料は膜の周囲の引張応力が少なくとも800MPaになるように選択され、膜は、膜の中央領域の引張応力が周辺部分の引張応力よりも小さくなるように、少なくとも1つの波形を備えて形成されている。
膜は支持体、例えば環状の取付け部上に蒸着されるのが好ましい。支持体はシリコンから構成される。支持体は基板、例えばガラス基板上に取り付けることができる。
そのような配置により、有利には、マイクロフォンのダイナミックレンジを拡張することができる。異なる光路長は異なる位相オフセットを提供し、相対的な位相オフセットを持つ複数の光信号をもたらす。信号を組み合わせて光学測定を行うことで、マイクロフォンの動作範囲を広げることができる。
−読出し基板の表面での反射を調整するなど、1つ又は複数の光学機能を実施し、光学遅延又は他の光学機能を導入するための光学フィルム(例えば、センサの光処理能力を向上させるために、反射防止フィルムを読出し基板の両側に蒸着させる)。
−光学遅延は読出し基板の表面の或る領域に凹部をエッチングすることにより生成される。
−光学的に不透明な領域は、例えば、凸面側に光を拡散する湾曲したピットをエッチングすることによって、読出し基板の表面に作成することができる。これは、光源に向かって反射される光の量(特定の光源に反射して戻る光はノイズを増加させる可能性があるため)、及び光検出器に反射される光の量を制限するのに有用であることを証明する(例えば、光検出器が回折格子の特定の回折次数の光を測定するためだけに必要な場合)。
−光源からの光を集束させるために、読出し基板の表面にマイクロレンズが作成される。
−読出し基板の表面からの反射を増加させる薄いフィルムが蒸着される、例えば実施形態では干渉計装置がファブリペロー(Fabry-Perot)干渉計装置として構成される。
−読出し基板の表面のナノ又はマイクロ構造はまた、種々の光学機能を実施するのに用いられる。
本発明によれば、干渉計装置、光源及び光検出器の様々な異なる構成が可能である。
一組の実施形態において、第1の光路も第2の光路も基板を通過しない。そのような実施形態では、基板は光源によって放出される放射光に対して不透明であってもよい。
膜及び光学要素は、光源からの光が複数回内部反射される空洞に入り、各反射において、光の一部が空洞から透過するように構成及び位置決めされてもよい。次いで、膜または光学要素の何れかを介して出る透過部分からなる複合された放射光を測定することができ、そこから膜と光学要素との間の分離を決定することができる。検出及び測定される放射光は、入射放射と干渉計装置の同じ側(即ち、光源と同じ側)または反対側、即ち光源及び光検出器が干渉計装置の同じ側であってもよいし、異なる側にあってもよいことが理解されるだろう。
一組の実施形態では、干渉計装置は、ファブリペロー干渉計装置として構成される。
前述したように、マイクロフォンに高いコンプライアンスの膜を使用することにより、マイクロフォンの感度を改善することができる。光マイクロフォンの自己ノイズは、通常、検出器でのショット雑音、レーザノイズ(比較的強いノイズ)及び電子回路内の雑音から成る読出し機構の寄与によって出てくる(dominated)。これらのノイズ源は、膜のコンプライアンスとは無関係である。したがって、膜のコンプライアンスを増加させると、光マイクロフォンの信号対雑音比(SNR)が比例的に増加する。
膜の静電負荷は、従来技術の構成で使用されているように、帯電粒子を引きつけるので、この弱点を悪化させる。このように、本発明による光マイクロフォンアセンブリは、大きなギャップで動作することができ、膜の静電帯電を必要としないので、基本的な利点を有する。
その結果、所望の音響信号は減衰されるが、自己雑音は増幅され、マイクロフォンアレイ出力でSNRが減少する。従って、本発明による高いSNRのマイクロフォンを使用して、改良された差動マイクロフォンアレイ、特に小型アレイを提供することができる。
基板42及びベース54は、基板42及びベース54を通る夫々の空気チャネル78、79のセットを有し、光マイクロフォンアセンブリ38の隙間容積58と外部との間に空気の通路を提供する。
図2の基板と同様に、図2を参照して上記で説明したように、基板42は厚く、従って剛体であり、光マイクロフォンの読出し、従って感度の低下を実質的に低減することが理解される。
図10乃至図12は、図9の光読出しモジュール110、ベース112及び光マイクロフォンアセンブリ100の斜視図を示す。図12にて、囲み128は一部が破断されて、その中の要素が見える。
空気チャネル170が基板を通して提供されて、隙間容積162を、囲み174によって規定された音響空洞172と接続する。囲み174は、光マイクロフォン146の上に配置され、ベース160に封止されている。放射光の何れの部分も基板を通過しないそのような実施形態では、基板は、VCSEL48によって放出される放射光に対して必ずしも透過性である必要はない。
図15の光マイクロフォンアセンブリ176は、ベース178を備え、該ベースを通る音響ポート180を有する。音響ポート180上に配置されているのは、図14の基板と同様の基板156である。基板上に配置されているのは、図14のマイクロフォンチップと同様の膜154を有するマイクロフォンチップ152である。マイクロフォンチップ152上に配置されているのは、VCSEL48及び該VCSEL48に取り付けられた光検出器50を有する光読出しモジュール158である。基板156、マイクロフォンチップ152、及び光読出しモジュール158の相対位置は、図14の構成と同等であり(反転しているが)、従って同等の方法で動作する。
図16に示すマイクロフォンの感度は、以下のパラメータを有する光マイクロフォンアセンブリについてモデル化される(他のパラメータについて同様の効果がみられるが)。
膜の直径(d):1mm
膜のコンプライアンス:50nm/Pa
音響空洞のサイズ:1mm3及び7mm3
上記で記載されたように、出願人は、大きなサイズの空気チャネルを提供することにより、マイクロフォンの周波数応答を有利に改善できることを発見した。図17は、小さな空気チャネルを持つ同じアセンブリと比較した、大きな空気チャネルを持つ2つの例の光マイクロフォンアセンブリの改善された周波数応答の計算シミュレーションを示す。
膜の直径:1mm
膜のコンプライアンス:50nm/Pa
基板の厚さ(空気チャネルの長さ):700μm
空気チャネルの形:円形
空気チャネルの直径:150μm、300μm及び450μm
音響空洞のサイズ:7mm3
本発明によれば、基板はより薄くてもよく、例えば10μmであり、従ってこの例のチャネルは、他の幾つかの実施形態と比較して比較的長いことが理解されるだろう。空気チャネルの直径は、この実施形態及び他の実施形態における空気チャネルの長さよりも大きくてもよいが、これは、この特定のモデル化された例には示されていない。
第2の線200は、300μmの空気チャネル直径に対する周波数応答を示し、第3の線202は、450μmの空気チャネル直径に対する周波数応答を示す。より大きなチャネルは共振ピークをより高い周波数にシフトし、より大きなシフトが最大チャネル直径で見られることがわかる(直径450μmの約34kHzのピークと比較して直径300μmの約25kHzのピーク)。これらの両方のピークは、超音波範囲にあり、オーディオ用途に有利である。
図24(a)は、シリコンウェーハ342の底部にエッチングされた、波形の所望の形状に一致するくぼみ344を備えたシリコンウェーハ342を示している。シリコンウェーハ342は断面で示され、下から見た場合、くぼみ344は2つの同心リングの形をしている。くぼみ344は、約1000nmの深さであり、反応性イオンエッチング(RIE)を使用してシリコンウェーハ内に作成されるが、代わりに例えば材料の蒸着、パターニング/リソグラフィーなどの他の方法を使用することができる。
図24(c)に示すように、表面が酸化された後、低圧化学蒸着(LPCVD)を介して、上部の窒化シリコン(Si3N4)層350及び下部の窒化シリコン(Si3N4)層352が、酸化シリコン層346、348の上に蒸着される。下部の酸化シリコン層348もまた、くぼみ344の形状に従う。
図24(e)に示すように、マスク356を用いて、膜の裏側に隣接するシリコンウェーハ342の領域358を分離して、領域358をエッチングで取り除くことができるようにする。図24(f)に示すように、領域358によって露光された酸化シリコン及びシリコンウェーハは、反応性イオンエッチングを使用してエッチング除去される。図24(g)に示すように、次にマスクは除去される。最後に、図24(h)に示すように、湿式エッチングを使用して、膜の裏側の酸化シリコンを除去し、窒化シリコン膜360に、シリコンウェーハ342のギャップ364で支持された、くぼみ344に対応する波形362を残す。
図26は、干渉する光の透過部分と反射部分の相対的な回折効率を示している。各格子378、380について、夫々の検出器374、376は、ゼロ次回折ピークを受け取るように配置されている。代わりに、1次以上のピークを検出することも、複数の検出器を使用して例えばゼロ次と1次のピークである複数のピークを検出することもできる。第1の線386はゼロ次のピークに対応する。第2の線388は1次のピークに対応する。
検出器に入射する放射線の強度Iは、数1で示される。
第2の平坦面は、厚い基板424の上面であることが分かる。厚い基板は、それを通る空気チャネル426を有する。図28の光マイクロフォンは、上記のように本発明による光マイクロフォンアセンブリに組み込むのに適している。従って、空気チャネル426は、前述の実施形態に関連して上記の方法で、隙間容積418を光マイクロフォンの音響空洞又は光マイクロフォンの外部と接続することができることが理解されるだろう。
上記の実施形態は単なる例であり、本発明の範囲内で変更が可能であることが理解されるだろう。
Claims (39)
- 光マイクロフォンアセンブリであって、
剛体である基板と、
膜及び膜から離間した少なくとも1つの光学要素を含み、少なくとも1つの光学要素は基板の表面を含み、及び/又は基板の表面に配置された干渉計装置と、
前記干渉計装置に光を供給するために配置されて、光の第1の部分は前記干渉計装置を介して第1の光路に沿って伝播し、光の第2の部分は前記干渉計装置を介して第2の異なる光路に沿って伝播し、それにより、膜と光学要素との間の距離に依存する、第1の光路と第2の光路との間の光路差を生じさせる光源と、
前記光路差に依存して、光の第1及び第2の部分によって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出するように配置された少なくとも1つの光検出器と、
膜の片側と流体が行き来する音響空洞を形成するように配置された囲みであって、該音響空洞の容積は、少なくとも3mmにd2を乗じたもので、dは膜の直径である囲みを備える、光マイクロフォンアセンブリ。 - 少なくとも1つの干渉計装置、光源及び光検出器は一緒に光マイクロフォンを規定し、光マイクロフォンは微小電気機械システム(MEMS)光マイクロフォンである、請求項1に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光マイクロフォンアセンブリは、音響空洞に加えて隙間容積を含み、基板と膜は一緒になって、基板と膜の間の隙間容積を規定する、請求項1又は2に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記隙間容積は、音響空洞の容積の10%未満である、請求項3に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記膜と光学要素はMEMSの要素に一体化される、請求項1乃至4の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光マイクロフォンアセンブリは、微小電気機械システム(MEMS)の工程を用いて製造される、請求項1乃至5の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記膜の最大横方向の寸法は1mmから4mmの間である、請求項1乃至6の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記基板を通る空気の通路を提供する1つ又は複数の開口を備えた、請求項1乃至7の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板と膜が一緒になって、基板と膜の間の隙間容積を規定し、更に空気の通路を提供する1つ又は複数の開口を備えて、隙間容積が該開口を介して光マイクロフォンアセンブリの外部と流体が行き来可能になる、請求項1乃至8の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板と膜が一緒になって、基板と膜の間の隙間容積を規定し、更に空気の通路を提供する1つ又は複数の開口を備えて、音響空洞が該開口を介して隙間容積と流体が行き来可能になる、請求項1乃至8の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記基板の中央支持部分を取り囲む複数の開口を備え、光学要素は中央支持部分上に提供される、請求項8乃至10の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 各開口は、基板の平面内で少なくとも0.2mmの最大範囲を有する、請求項8乃至11の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 各開口は、基板の平面内で基板の厚さ以上の最大範囲を有する、請求項8乃至12の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 貫通孔を備え、該貫通孔は膜と大凡同様の寸法を有し、膜と大凡重なり、更に複数の一体的に形成された半径方向に延びる支持要素を備え、該支持要素は貫通孔の周囲の周りの基板に中央支持部分を接続し、前記光学要素は中央支持部分上に配備された、請求項1乃至6の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板と膜が一緒になって、基板と膜の間の隙間容積を規定し、前記貫通孔は空気の通路を提供し、隙間容積は貫通孔を介して光マイクロフォンアセンブリの外部と流体が行き来可能になる、請求項14に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板と膜が一緒になって、基板と膜の間の隙間容積を規定し、前記貫通孔は空気の通路を提供し、音響空洞は貫通孔を介して隙間容積と流体が行き来可能になる、請求項14に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 囲みが、基板とは反対側に面する膜の側に音響空洞を形成するように配置されている、請求項9又は15に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 囲みが、基板に面する膜の側に音響空洞を形成するように配置されている、請求項10又は16に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 開口又は貫通孔と重なる膜の領域は、少なくとも60%、好ましくは少なくとも80%である、請求項8乃至18の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 膜のコンプライアンスは、少なくとも25nm/Pa、好ましくは少なくとも50nm/Pa、より好ましくは少なくとも75nm/Paである、請求項1乃至19の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記膜は、膜内の面内張力を低減するために少なくとも1つの波形を備えて形成されている、請求項1乃至20の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 複数の光学要素を備え、各光学要素は基板の表面を含み、及び/又は基板上に配置され、光が光源から検出器の1つに伝搬する、膜と各光学要素との間の各光路長は、各光学要素ごとに異なる、請求項1乃至21の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光路長の差は、1又は複数の回折光学要素上に蒸着された光学的遅延フィルムによって付与される、請求項22に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板は、光学的遅延を付与するために、エッチングされた凹部又は蒸着されたフィルムを含む、請求項1乃至23の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- エッチングされた凹部を設けて、基板から光源に向かって反射される光の量を減らす、又は光検出器に向かって反射される光を制限又は選択する、請求項1乃至24の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板は、基板の片面又は両面に反射防止コーティングを含む、請求項1乃至25の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 更に、凹部を有する取付け部を含み、光源及び/又は光検出器は凹部に取り付けられ、取付け部は基板に封止されて、光源及び/又は光検出器を含む封止された空洞を形成する、請求項1乃至26の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板は、光源から放出される放射光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項1乃至27の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 膜は、光源から放出される放射光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項1乃至28の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光源は光学要素を照明するように配置されて、光の第1の部分が光学要素を通過して膜に到達して膜によって反射され、光の第2の部分が光学要素から反射される、請求項1乃至29の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光源は膜を照明するように配置されて、光の第1の部分が膜を通過して光学要素に到達して光学要素によって反射され、光の第2の部分が膜から反射される、請求項1乃至29の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 第1の光路又は第2の光路はどちらも基板を通過しない、請求項1乃至29の何れか又は31に記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光学要素は回折光学要素である、請求項1乃至32の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 前記干渉計装置は、ファブリペロー(Fabry-Perot)干渉計装置として構成される、請求項1乃至32の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 基板は、少なくとも10マイクロメートル、好ましくは少なくとも50マイクロメートルの厚さを有する、請求項1乃至34の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 音響空洞の容積と膜のコンプライアンスの比率は、少なくとも10mm3:100nm/Paである、請求項1乃至35の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 音響空洞の容積は、d3の少なくとも2倍である、請求項1乃至36の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 音響空洞の容積は、少なくとも7mmにd2を乗じたものである、請求項1乃至36の何れかに記載の光マイクロフォンアセンブリ。
- 光マイクロフォンアセンブリを作動させる方法であって、該光マイクロフォンアセンブリは、
剛体である基板と、
膜及び膜から離間した少なくとも1つの光学要素を含み、少なくとも1つの光学要素は基板の表面を含み、及び/又は基板の表面に配置された干渉計装置と、
光源と、
少なくとも1つの光検出器と、
膜の片側と流体が行き来する音響空洞を形成するように配置され、音響空洞の容積は、少なくとも3mmにd2を乗じたもので、dは膜の直径である囲みを備え、方法は、
前記光源が前記干渉計装置に光を供給する工程であって、光の第1の部分は前記干渉計装置を介して第1の光路に沿って伝播し、光の第2の部分は前記干渉計装置を介して第2の異なる光路に沿って伝播し、それにより、膜と光学要素との間の距離に依存する、第1の光路と第2の光路との間の光路差を生じさせる工程と、
前記光検出器が前記光路差に依存して、光の第1の部分及び第2の部分によって生成される干渉パターンの少なくとも一部を検出する工程を含む、方法。
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