JP4264104B2 - エレクトレットコンデンサーマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、振動電極を有するエレクトレットコンデンサーマイクロホンに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成されるエレクトレットコンデンサーを搭載したエレクトレットコンデンサーマイクロホン（ＥＣＭ）の構成に関する。

従来、コンデンサーマイクロホンとしては、特許文献１に示すように、それぞれ別々に機械加工等を用いて製作された振動板や固定電極等の部品が組み込まれてなるマイクロホンが主流であった。これらのマイクロホンは、ＥＣＭ（electret condenser microphone ）と呼ばれており、これまでにも既に小型化への取り組みがなされてきた結果、現在、６ｍｍ径で厚さ１ｍｍの製品や４ｍｍ径で厚さ１．５ｍｍの製品等が販売されている。しかしながら、特許文献１に示すタイプのＥＣＭにおいては、機械加工部品を使用するために更なる小型化が困難になるという問題に直面している。

従来の機械加工とは異なる、半導体集積回路の製作方法を応用した加工技術は、ＭＥＭＳ技術又はマイクロマシニング技術と呼ばれており、マイクロホンの小型化にも有効であるため、近年、ＭＥＭＳ技術を用いたマイクロホンの製作方法が提案されてきている。例えば特許文献２には、エレクトレットを用いていないマイクロホンのＭＥＭＳ技術による製作方法が開示されている。
特開平１１−１８７４９４号公報 特開２００３−７８９８１号公報

しかしながら、特許文献２に開示された構造を有するエレクトレットコンデンサーマイクロホンは次のような問題点を有している。

すなわち、コンデンサーとＩＣなどの駆動回路素子とをワイヤーボンディングを用いて接続しているため、ボンディングワイヤーで電気的損失が生じてしまう。

また、コンデンサーを小さくするに従って、コンデンサーと一体的に形成されている背部気室も小さくなるため、背部気室が小さくなることに起因してマイクロホンの高周波特性が劣化してしまう。その結果、良好な性能を有するマイクロホンを製作することができない。

前記に鑑み、本発明は、小型化しても高周波特性に優れた構造を有するエレクトレットコンデンサーマイクロホンを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンは、開口部が設けられた基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板の一面に接続され且つ音孔及び空孔を有するエレクトレットコンデンサーと、前記基板の前記一面に接続された駆動回路素子と、前記エレクトレットコンデンサー及び前記駆動回路素子を覆うように前記基板に取り付けられたケースとを備え、前記エレクトレットコンデンサーと前記基板との接続箇所において両者の電気的なコンタクトが取られており、前記音孔は前記開口部を介して外部空間と接続しており、前記空孔及び前記ケースの内部領域は前記エレクトレットコンデンサーの背部気室となる。

本発明によれば、基板とエレクトレットコンデンサーとの電気的なコンタクトを両者の機械的な接続箇所において取るため、言い換えると、基板とエレクトレットコンデンサーとをワイヤーボンダーを用いることなく電気的に接続するため、ボンディングワイヤーに起因する寄生容量やノイズの発生を抑制することができる。これによって、エレクトレットコンデンサーの高周波特性を向上させることができる。また、エレクトレットコンデンサーを覆うケースにより設けられる空間（ケースの内部領域）を利用して、エレクトレットコンデンサーの背部気室の実質的な体積を増やすことができるので、エレクトレットコンデンサーを小型化した場合にも当該コンデンサーの高周波特性を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、小型で高周波特性に優れたエレクトレットコンデンサーマイクロホンを提供できる。

以下、本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンについて図面を参照しながら説明する。

最初に、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンに搭載されるエレクトレットコンデンサー（以下、本発明のエレクトレットコンデンサーと称する）について説明する。本発明のエレクトレットコンデンサーは、ＭＥＭＳ技術のうち、サーフェスマイクロマシニングと呼ばれるシリコン基板を１枚のみ使用する加工方法によって作られている。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の断面図及び平面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、シリコン基板１には、異方性エッチング技術を用いて空孔２が設けられていると共に、シリコン基板１の上には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜３、及び例えばリンがドープされたポリシリコン膜からなる下部電極４が順次形成されている。絶縁膜３における空孔２の上側部分は除去されている一方、下部電極４は空孔２を覆うように設けられている。下部電極４における空孔２の上側部分の上には、例えばシリコン酸化膜からなるエレクトレット膜７が設けられている。また、下部電極４における空孔２の外側部分の上には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜８が設けられていると共に、絶縁膜８をスペーサーとして下部電極４の上方に上部電極９が設けられている。上部電極９の表面は、例えばシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１によって覆われて保護されている。

絶縁膜８及び絶縁膜１１には、下部電極４と電気的に接続する引き出し電極５が設けられている。引き出し電極５は絶縁膜１１から突き出している。エレクトレット膜７の上方と下方との間で圧力差が発生しないように、下部電極４及びエレクトレット膜７には、空孔２と接続するリークホール６が設けられている。また、絶縁膜１１には、上部電極９と電気的に接続するコンタクト１０が設けられている。コンタクト１０は絶縁膜１１から突き出している。

ここで、後述する基板１３（図２参照）に形成された開口部２５を、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の絶縁膜１１によって塞ぐため、図１（ｂ）に示すように、コンタクト１０は絶縁膜１１上において環状に形成されている。尚、本実施形態において、コンタクト１０の形状は、切れ目が無ければ特に限定されるものではない。

さらに、上部電極９及び絶縁膜１１には複数の音孔１２が設けられている。ここで、音孔１２は、上部電極９と下部電極４と絶縁膜８とによって囲まれた空間と、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の外部空間とを接続するものである。すなわち、本発明のエレクトレットコンデンサー５０は、音圧（図２参照）を音孔１２側から受けてエレクトレット膜７を振動させる構成を有している。尚、空孔２は、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の背部気室を構成している。

次に、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンの一例について説明する。

図２は、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホン、つまり図１（ａ）及び（ｂ）に示す本発明のエレクトレットコンデンサー５０を搭載したエレクトレットコンデンサーマイクロホンの断面図である。

図２に示すように、開口部２５が設けられた基板１３の一面に、開口部２５を塞ぐように、前述の本発明のエレクトレットコンデンサー５０が接続されている。開口部２５は、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の音孔１２が外部空間に露出するように基板１３に設けられている。すなわち、音孔１２は、開口部２５を介して外部空間と接続する。

具体的には、本発明のエレクトレットコンデンサー５０のコンタクト１０は、基板１３の一面に設けられたコンタクト１６Ａと機械的且つ電気的に接続されている。当該コンタクト１６Ａは、基板１３の他面及び内部に設けられた配線１４Ａと電気的に接続されている。尚、本発明のエレクトレットコンデンサー５０は、コンタクト１６Ａ及び配線１４Ａを介して、基板１３上の他の電気回路と電気的に接続されている。

また、基板１３の一面には、本実施形態のマイクロホンの駆動回路素子となるＩＣ（Integrated circuit）素子１５が接続されている。具体的には、ＩＣ素子１５はコンタクト１５ａ及び１５ｂを有しており、コンタクト１５ａは、基板１３の一面に設けられた配線１４Ｂの一端に機械的且つ電気的に接続されている。配線１４Ｂの他端には、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の引き出し電極５が機械的且つ電気的に接続されている。また、ＩＣ素子１５のコンタクト１５ｂは、基板１３の一面に設けられたコンタクト１６Ｂと機械的且つ電気的に接続されている。当該コンタクト１６Ｂは、基板１３の他面及び内部に設けられた配線１４Ｃと電気的に接続されている。尚、ＩＣ素子１５は、コンタクト１６Ｂ及び配線１４Ｃを介して、基板１３上の他の電気回路と電気的に接続されている。

さらに、本発明のエレクトレットコンデンサー５０及びＩＣ素子１５を覆うようにケース１７が基板１３に取り付けられている。

尚、前述したように、上部電極９のコンタクト１０は、絶縁膜１１上において環状に形成されている（図１（ｂ）参照）。また、それに対応して、基板１３のコンタクト１６Ａを上部電極９のコンタクト１０と向かい合うように基板１３上において環状に設けることによって、次のような効果が得られる。すなわち、本発明のエレクトレットコンデンサー５０と基板１３とを接続した際に、コンタクト１０とコンタクト１６Ａとが環状の接続部を構成するため、基板１３と本発明のエレクトレットコンデンサー５０との間で音圧の漏れが生じることを防止することができる。

また、本実施形態における本発明のエレクトレットコンデンサー５０と基板１３との接合方法においては、基板１３のコンタクト１６Ａ及び上部電極９のコンタクト１０のそれぞれを構成する金属材料として例えば金を用いることが好ましい。このようにすると、コンタクト１０及び１６Ａのそれぞれを構成する金同士が加熱圧着によって接合するため、コンタクト１０及び１６Ａを容易に接合することができる。ここで、コンタクト１０及び１６Ａのいずれか一方の材料として例えば金と錫との合金を用いた場合にも、同様な熱圧着法によってコンタクト１０及び１６Ａを接合することができる。

また、本発明のエレクトレットコンデンサー５０と基板１３との他の接合方法として、次のような方法がある。図３は、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおけるエレクトレットコンデンサーと基板との接続部のバリエーションの拡大断面図である。すなわち、図３に示すように、基板１３のコンタクト１６Ａと上部電極９のコンタクト１０とを、バンプと呼ばれる金属突起物１８及び異方性導電樹脂１９を用いて機械的且つ電気的に接続してもよい。この場合にも、前述の環状の接合部を構成できるので、基板１３と本発明のエレクトレットコンデンサー５０との間で音圧の漏れが生じることを防止することができる。また、異方性導電樹脂１９を用いるため、例えば金からなるコンタクト１０及び１６Ａを直接接合する場合と比べて、接合温度を低くすることができるので、マイクロホン製作工程において製造装置の負荷を軽減することができる。

以上に説明したように、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロホンによると、基板１３とエレクトレットコンデンサー５０との電気的なコンタクトを両者の機械的な接続箇所において取るため、言い換えると、基板１３とエレクトレットコンデンサー５０とをワイヤーボンダーを用いることなく電気的に接続するため、ボンディングワイヤーに起因する寄生容量やノイズの発生を抑制することができる。これにより、エレクトレットコンデンサー５０の高周波特性を向上させることができる。また、エレクトレットコンデンサー５０に必要な背部気室として、図１（ａ）に示す空孔２のみならず、エレクトレットコンデンサー５０を覆うケース１７と基板１３とによって囲まれた空間（ケース１７の内部領域）を利用することができるため、エレクトレットコンデンサー５０の背部気室の実質的な体積を増やすことができる。従って、エレクトレットコンデンサー５０を小型化した場合にも当該コンデンサーの高周波特性を向上させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、高周波安定性等の高周波特性に優れた小型のエレクトレットコンデンサーマイクロホンを製作することができる。

また、従来のＥＣＭを他の基板と接続するためには、樹脂等を用いて製作されるホルダーが必要であったのに対して、本実施形態のＥＣＭについては、図２に示す配線１４にハンダ等を設けることによって、前述のホルダーを用いずに他の基板に直接接続することができる。すなわち、マイクロホンを実装するための部品を設ける必要がなくなる。

また、従来のＥＣＭにおいては、ごみの混入を防止するために、面布と呼ばれるメッシュ状の多孔布が、音圧を受ける部分に配置されている。ここで、多孔布における各孔の径は約３μｍ以上である。それに対して、本実施形態のＥＣＭにおいては、本発明のエレクトレットコンデンサー５０の音孔１２（図１参照）の径を、多孔布の各孔よりも小さい３μｍ以下に設定することによって、面布を用いた従来のＥＣＭと同様にごみの混入を防ぐことができる。すなわち、本実施形態のＥＣＭにおいては、ごみ混入防止のために面布を配置する必要がないので、構成部品の数を削減することが可能になる。尚、本実施形態において、音孔１２の平面形状は円形に限られないが、円形以外の形状を採用する場合には音孔１２の最大径を３μｍ以下に設定することが好ましい。

また、従来のＭＥＭＳ型マイクロホンにおいては、マイクロホンに対する音の入力孔（本実施形態の開口部２５と対応する）が、基本的にマイクロホンの音圧受感部の上面に配置されていたため、当該マイクロホンが搭載される携帯電話等の構造に制約が生じていた。その結果、従来のＥＣＭにおいては、当該ＥＣＭにかぶせるゴムホルダー等の音響シールドの形状を工夫することによって、前記の入力孔の位置を変えていた。

それに対して、本実施形態においては、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１３に開口部２５を形成する際に音孔１２の上方に基板１３を残すことによって、上から見て音孔１２と開口部２５とが重ならないようにすることができる。言い換えると、音孔１２が外部空間から直接見えないように開口部２５を形成することができる。このようにすると、本発明のエレクトレットコンデンサー５０が外部空間に直接露出しないので、エレクトレットコンデンサー５０を保護することができ、それによって信頼性の高いマイクロホンを製作することができる。

具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示す構造においては、基板１３として、例えばアルミナや硼珪酸系ガラスを主成分とする例えば３層構造（下層基板１３ａ、中層基板１３ｂ、上層基板１３ｃ）の多層セラミック基板を用いている。これにより、グリーンシート時点で、開口部２５となる空洞を予め簡単に形成しておくことができる。これにより、図４（ａ）に示すように、音圧を受けるための開口部２５の配置位置をマイクロホンの上面に設定したり、又は図４（ｂ）に示すように、開口部２５の配置位置をマイクロホンの側面に設定したりすることができるので、本実施形態のマイクロホンが搭載される携帯電話等のデザインの自由度を向上させることができる。

最後に、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンを他の基板に接続する方法について説明する。図５は、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンが他の基板と接続された状態を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態のエレクトレットマイクロホンを基板２２に接続する場合、音孔１２が露出する面（つまり基板１３の表面）を除く面、例えばケース１７の表面にコンタクト２０を形成し、当該コンタクト２０を介して本実施形態のエレクトレットマイクロホンと基板２２とを電気的且つ機械的に接続する。具体的には、本発明のエレクトレットコンデンサー５０は、基板１３の一面に設けられたコンタクト１６Ａと、基板１３及びケース１７の内部に設けられた配線２１Ａと、ケース１７の一面に設けられたコンタクト２０Ａとをそれぞれ介して基板２２と電気的に接続されている。また、ＩＣ素子１５は、基板１３の一面に設けられたコンタクト１６Ｂと、基板１３及びケース１７の内部に設けられた配線２１Ｂと、ケース１７の一面に設けられたコンタクト２０Ｂとをそれぞれ介して基板２２と電気的に接続されている。

本発明は、エレクトレットコンデンサーマイクロホンに関し、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されるエレクトレットコンデンサーを搭載したエレクトレットコンデンサーマイクロホンに適用した場合には、小型で高周波特性に優れたエレクトレットコンデンサーマイクロホンを提供でき、それにより当該マイクロホンが搭載される携帯電話等の信頼性を向上させることができるので、非常に有用である。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンに搭載されるエレクトレットコンデンサーの断面図であり、図１（ｂ）は当該エレクトレットコンデンサーの平面図である。 図２は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンの断面図である。 図３は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおけるエレクトレットコンデンサーと基板との接続部のバリエーションの拡大断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンのバリエーションの断面図である。 図５は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロホンが他の基板と接続された状態を示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 空孔
３ 絶縁膜
４ 下部電極
５ 引き出し電極
６ リークホール
７ エレクトレット膜
８ 絶縁膜
９ 上部電極
１０ コンタクト
１１ 絶縁膜
１２ 音孔
１３ 基板
１４ 配線
１５ ＩＣ素子
１６ コンタクト
１７ ケース
１８ 突起物
１９ 異方性導電樹脂
２０ コンタクト
２１ 配線
２２ 基板
２５ 開口部

Claims (5)

1. 開口部が設けられた基板と、
   前記開口部を塞ぐように前記基板の一面に接続され且つ音孔及び空孔を有するエレクトレットコンデンサーと、
   前記基板の前記一面に接続された駆動回路素子と、
   前記エレクトレットコンデンサー及び前記駆動回路素子を覆うように前記基板に取り付けられたケースとを備え、
   前記エレクトレットコンデンサーと前記基板との接続箇所において両者の電気的なコンタクトが取られており、
   前記駆動回路素子と前記基板との接続箇所において両者の電気的なコンタクトが取られており、
   前記音孔は前記開口部を介して外部空間と接続しており、
   前記空孔及び前記ケースの内部領域は前記エレクトレットコンデンサーの背部気室となることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
2. 請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
   前記音孔は３μｍ以下の径を有すると共に複数設けられている。
3. 請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
   前記基板は多層基板である。
4. 請求項３に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
   前記多層基板はセラミックからなる。
5. 請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
   前記エレクトレットコンデンサーと前記基板とは、金属突起物及び異方性導電樹脂を用いて接合されている。

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