JP4332850B2

JP4332850B2 - 半導体マイクロホン

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Publication number: JP4332850B2
Application number: JP2003413937A
Authority: JP
Inventors: 誠藤野
Original assignee: GLOBAL BUSINESS SOLUTIONS CORPORATION
Current assignee: GLOBAL BUSINESS SOLUTIONS CORPORATION
Priority date: 2003-11-09
Filing date: 2003-11-09
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2023-11-09
Also published as: JP2005143065A

Description

本発明は、透磁性振動膜又は導電性振動膜と半導体素子を使用する半導体マイクロホン装置に関する。

音声等の音響信号を電気信号に変換する装置として、一般的にマイクロホン装置が使用されている。ＪＩＳＣ５５０２−１９９１では、マイクロホン装置は、それに使用する技術分野から、圧電マイクロホン、ムービングコイルマイクロホン、リボンマイクロホン、コンデンサマイクロホンに大別され、また解説には半導体マイクロホンの記載がある。

以下、従来のマイクロホン装置であるムービングコイル式マイクロホン装置、エレクトレットフイルムを使うコンデンサ式マイクロホン装置、エレクトレットフイルムを使うコンデンサ式半導体マイクロホン装置、エレクトレットフイルムを使わない電圧印加型コンデンサ式半導体マイクロホン装置、エレクトレットフイルムを使わない電圧不印加型コンデンサ式半導体マイクロホン装置の例について、図面を参照しながら説明する。

図１１は従来のムービングコイルマイクロホン装置の構成例で、１は振動板、２は電気信号を取り出すためのコイル、３は磁界を発生させる磁石である。

以上のように構成されたムービングコイルマイクロホン装置では、音響により振動板１が振動すると、その振動により振動板１に固定されたコイル２が磁石３によって発生している磁界の中で振動することでコイル２に電気信号が生じ、この電気信号を出力端子Ａから取り出すことにより、音響を電気信号として取り出す。

また音響を検出する振動板１に固定されたコイルは電気回路に接続されている。

図１２は従来のエレクレットコンデンサマイクロホン装置の構成例で、５３０は振動膜、５１０は表面にエレクトレット層５１１が形成された固定電極、５４０はインピーダンス変換素子としてのＦＥＴ、６１０は導電性材料で作られたケース本体である。

以上のように構成されたエレクトレットコンデンサマイクロホン装置では、音響により振動膜５３０が振動すると、その振動により振動膜５３０とエレクトレット層５１１との間に構成されるコンデンサの静電容量が変化し、固定電極５１０に電圧変化が生じ、その電圧変化をＦＥＴ５４０でインピーダンス変換することにより、音響を電気信号として取り出す。

また、音響を検出する振動膜５３０はケース本体６１０を介し電気回路に接続されている。

また、エレクトレット層５１１にはエレクトレット用高分子フイルムが使用される。

図１３は半導体エレクレットコンデンサマイクロホン装置の第１の構成例で、インピーダンス変換素子や増幅素子等からなる集積回路が形成されたウエハ部７１０と、この表面に形成されたエレクトレット層７２０と、スペーサ７３０に取り付けられた音響を検出する振動膜７４０と、導電性のケース本体８１０で構成されている。

以上のように構成された半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置では、音響により振動膜７４０が振動すると、その振動により振動膜７４０とエレクトレット層７２０との間に構成されるコンデンサの静電容量が変化し、ウエハ部７１０内の入力回路部に電圧変化が生じ、その電圧変化をウエハ部７１０に形成された集積回路でインピーダンス変換や信号増幅することにより、音響を電気信号として取り出す。

また、音響を検出する振動膜７４０はケース８１０を介し電気回路に接続されている。

また、エレクトレット層７２０にはエレクトレット用高分子フイルムが使用される。

図１４は半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置の第２の構成例で、音響を検出するダイヤフラム１３に固定されたエレクトレット１６は裏板電極１５と間隔３４をあけて配置されている。

以上のように構成された半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置では、ダイヤフラム１３に加えられる音響によってエレクトレット１６が振動すると、その振動によりエレクトレット１６と裏板電極１５の間に構成されるコンデンサの静電容量が変化し、裏板電極１５に電圧変化が生じ、その電圧変化を電気的音響信号として利用する。

また、音響を検出するダイヤグラム１３は裏板電極１５との間でコンデンサを形成するため回路部に電気的に接続されている。

また、エレクトレット１６は誘電体フイルムに電子銃で電子を注入し、その後１００℃３時間のアニーリングで作成される。

図１５は半導体コンデンサマイクロホン装置の第１の構成例で、音響によって振動する振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０とその背面に電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１を配置する構造を有している。

以上のように構成された半導体コンデンサマイクロホン装置では、振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０に加えられる音響により振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０が振動すると、その振動により振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０と電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１の間に構成されるコンデンサの静電容量が変化する。一方振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０と電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１の間に約１１Ｖ程度の電圧を印加することにより、振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０と電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１との間のコンデンサの静電容量変化を振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０に対する電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１の電圧変化として取り出し、また同時に電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１に生しる電圧変化の中心価をインピーダンス変換や信号増幅に適した価である１１Ｖのバイアス電圧を使うことでエレクトレットを用いずとも振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０又は電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１にあたかもエレクトレットがあるが如く音響を電気信号として取り出す。

また、音響を検出する振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０は回路部との間でコンデンサを形成するため回路部に電気的に接続されている。

図１６は半導体コンデンサマイクロホン装置の第２の構成例で、音響によって振動する振動電極５１と背電極５２とから構成されている。

以上のように構成された半導体コンデンサマイクロホン装置では、振動電極５１に加えられる音響により振動電極５１が振動すると、その振動により振動電極５１と背電極５２の間に構成されるコンデンサの静電容量が変化し、このコンデンサを発振用コンデンサとして使用するＬＣ発振回路の発振周波数が変化し、音響を周波数変調されたＦＭ電気信号として取り出す。

また、音響を検出する振動電極５１は回路部との間でコンデンサを形成するため回路部に電気的に接続されている。
公開特許公報、平１−１４１５００号公開特許公報、特開平１１−３３１９８８号公報公表特許公報、特表２０００−５０８８６０号公報公開特許公報、特開２００１−３３９７９６号公報 "ＥＤＮｌａｔｅｓｔｎｅｗｓ２００３年９月１６日号"、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年１１月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｄｎｊａｐａｎ．ｃｏｍ／ｌ＿ｎｅｗｓ／２００３／０９／１６Ｋｎｏｗｌｅｓ＿ＳｉＳｏｎｉｃ．ｈｔｍｌ＞

上述した従来のマイクロホンには以下のような課題がある。

図１１の従来のムービングコイルマイクロホン装置の構成例においては、携帯電話等小型軽量機器への搭載に適した小型化を低コストで実現することが困難であるという問題点を有していた。

また、音響を検出する振動板１に固定されているコイル２を電気回路に接続するから、振動板に固定されているコイル２には配線が必要であるという問題点を有していた。

図１２の従来のエレクレットコンデンサマイクロホン装置の構成例においては、固定電極５１０上に形成されたエレクトレット層５１１の帯電量は経時的に減少するという問題点を有していた。

また、振動板５３０をエレクトレット層５１１に近づけるとエレクトレットの静電気により両者が貼り付くという問題点を有していた。

また、帯電量の経時変化が少ないエレクトレットに適したフイルムは限定されており、低価格で且つ自動半田付けに耐える耐熱特性を持つエレクトレット層５１１を形成することは困難であるという問題点を有していた。

また、音響を検出する振動板５３０とＦＥＴ５４０を電気的に接続せねばならないという問題点を有していた。

また、上記接続にはケース６１０を使うので、ケース材として例えばプラスチックの様な非電導性材料を使えないという問題点を有していた。

また、本マイクロホンを実装する時、自動半田付けによる実装ができないので手半田による実装又はマイクロホンの固定に金具を使い電気的接続にはコネクターを使う実装又は圧着による実装のいずれかを採らざるを得ず、余分の金具やコネクタ又は作業を必要し且つ市場不良率も高いという問題点を有していた。

図１３の半導体エレクレットコンデンサマイクロホン装置の第１の構成例においては、ウエハ部７１０表面に形成されたエレクトレット層７２０の帯電量は経時的に減少するという問題点を有していた。

また、振動板７４０をエレクトレット層７２０に近づけるとエレクトレットの静電気により両者が貼り付くという問題点を有していた。

また、帯電量の経時変化が少ないエレクトレットに適したフイルムは限定されており、低価格で且つ自動半田付けに耐える耐熱特性を持つエレクトレット層７２０を形成することは困難であるという問題点を有していた。

また、振動板７４０とウエハ部７１０を電気的に接続せねばならないという問題点を有していた。

また上記接続にはケース８１０を使うので、ケース材として例えばプラスチックの様な非電導性材料を使えないという問題点を有していた。

また本マイクロホンを実装する時、自動半田付けによる実装ができないので手半田による実装又はマイクロホンの固定に金具を使い電気的接続にはコネクターを使う実装又は圧着による実装のいずれかを採らさるを得ず、余分の金具やコネクタ又は作業を必要し且つ市場不良率も高いという問題点を有していた。

図１４の半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置の第２の構成例においては、半導体製造法によるマイクロホン膜製造工程の中でダイヤグラム１３とエレクトレット１６を一体的に形成せねばならず、通常の半導体製造工程では使わない大掛かりで特別な製造装置を必要とし、且つアニーリングに長時間を要するという問題点を有していた。

また、ダイヤグラム１３及びエレクトレット１６を裏板電極１５に近づけるとエレクトレット１６の静電気により両者が貼り付くという問題点を有していた。

また、エレクトレット１６に注入された電荷が経時的に減少するという問題点を有していた。

また、マイクロホン膜部とマイクロホン裏板を別々に製造し組み合わせねばならず、複雑な製造工程を必要とし、高価になるという問題点を有してしいた。

図１５の半導体コンデンサマイクロホン装置の第１の構成例においては、振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０と電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ４１の間に約１１Ｖの電圧を掛けねばならず、特別の昇圧回路を必要とするという問題点を有していた。

また、振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０は半導体内部に構築されるため、半導体加工技術及び価格的な面から振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０の直径を大きくすることが難しく、３０Ｈｚから２０ＫＨｚ程度の周波数帯域において従来のエレクトレットコンデンサマイクロホンと同程度であるほぼ平坦な周波数特性を得るためには振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ４０の厚みを１μｍ程度以下の厚さにする必要があり、周波数特性と価格の両面を同時に満足させることが難しいという問題点を有していた。

図１６の半導体コンデンサマイクロホン装置の第２の構成例においては、材料面及び半導体加工技術面から振動電極５１の直径を大きくするには限界があり、３０Ｈｚから２０ＫＨｚ程度の周波数帯域において従来のエレクトレットコンデンサマイクロホンと同程度であるほぼ平坦な周波数特性を得るためには振動電極５１の厚みを１μｍ程度以下の厚さにする必要があり、周波数特性と価格の両面を同時に満足させることが難しいという問題点を有していた。

本発明に係る半導体マイクロホン装置は、図１に示す通り、マイクロホンを収納する開口部１１１を有するケース１１０と、開口部１１１から入力される音響を検出する振動膜部１３０と、振動膜部１３０を保持する保持材部１２０と、振動膜部１３０に相対し配置された半導体部１４０と、半導体部１４０を外部に接続するための信号引出線及び端子部１５０とから構成されている。

半導体部１４０は、図２に示す通り、半導体部１４０内に構成されるコイル部１７０及びコンデンサ１４２によって発信周波数が決まるＬＣ発振回路１４３と、その発信波から電気的音声信号を抽出しアナログ出力信号１４６として外部へ出力するＦＭ復調回路１４４とから構成されている。

また、デイジタル出力信号１４８を必要とする場合は、図４に示す通り、外部から供給される変調基準入力信号１４７によってアナログ出力信号１４６を変調しデイジタル出力信号１４８として出力する変調回路１４５とから構成されている。

ＬＣ発信回路にはハートレー型、コルピッツ型、ベース同調型、コレクタ同調型など各種の発振回路を用いることができるが、以下理解を容易にするため図３に示すハートレー型発信回路を例として説明する。

ＬＣ発振回路１４３の発振周波数は、１００ＭＨｚ程度から数１００ＭＨｚ程度となるようなインダクタンス値を持つコイル部１７０及びキャパシタンス値を持つコンデンサ１４２が使われている。ここでコイル部１７０は図３に示す様にコイルＡ１７１とコイルＢ１７２で構成されている。なお、一般的に発振周波数はｆ＝１／２π√（Ｌ＊Ｃ）で定義され、Ｌはインダクタンス（Ｈ）、Ｃはキャパシタンス（Ｆ）である。また、ハートレー型の発振周波数はｆ＝１／２π√｛（ＬＡ＋ＬＢ＋２Ｍ）＊Ｃ｝で定義され、しＡはコイルＡ１７１のインダクタンス（Ｈ）、ＬＢはコイルＢ１７２のインダクタンス（Ｈ）、ＭはコイルＡ１７１とコイルＢ１７２間の相互インダクタンス（Ｈ）、Ｃはキャパシタンス（Ｆ）である。

また、ＬＣ発振回路１４３に使用するトランジスタ１４１及びコイル部１７０及びコンデンサ１４２は半導体部１４０内に構成され、コンデンサ１４２のキャパシタンス値は固定である。

また上記の発信周波数ｆを定める公式において、発信周波数ｆとインダクタンス及びキャパシタンスの関係は平方根分の１であるが、インダクタンスの変化範囲が少ない場合においては、発信周波数ｆとインダクタンスの関係は概ね直線関係と見なすことができる。

ＬＣ発振回路１４３に用いるコイル部１７０は、図３に示す様にコイルＡ１７１とコイルＢ１７２とから構成されており、振動膜部１３０との距離は同じである。なお、コイルのインダクタンスＬは、Ｌ＝Ｋμ_０μ_ｓｎ^２πａ^２／ｌで定義され、Ｌはインダクタンス（Ｈ）、Ｋは長岡係数、μ_０は真空の透磁率（Ｈ／ｍ）、μ_ｓは比透磁率、ｎはコイル巻数、ａはコイル半径（ｍ）、ｌはコイル長さ（ｍ）である。

振動膜部１３０は、図５に示す概略的断面をもつ透磁性振動膜１３１または図６に示す概略的断面をもつ導電性振動膜１３３である。

また、透磁性振動膜１３１は、図５に示す通り、基材１３５の上に上記発振周波数帯において空気より遥かに大きな透磁率を有す透磁性材料１３２を数μｍから数１０μｍの厚さで塗布又は貼付又はスパッタした厚さ数μｍから数１０μｍの平板状の薄膜であり、１０平方ｍｍ程度から１００平方ｍｍ程度の面積を有している。

また、導電性振動膜１３３は、図６に示す通り、基材１３５の上に上記発振周波数帯において電気抵抗が充分に低い導電性材料１３４を数μｍから数１０μｍの厚さで塗布又は貼付又はスパッタした厚さ数μｍから数１０μｍの平板状の薄膜であり、１０平方ｍｍ程度から１００平方ｍｍ程度の振動面積を有している。

基材１３５は、図５及び図６に示す通り、厚さ数μｍから数１０μｍの平板状の薄膜で、約２５０℃から３００℃の雰囲気中に３０秒から６０秒程度放置しても実用に支障の無い範囲の変形しか起さない耐熱特性を持つフイルム材で構成されている。

また、透磁性振動膜１３１及び導電性振動膜１３３において、透磁性材料１３２又は導電性材料１３４の種類によっては基材１３５を省略した構成とすることも可能である。

透磁性振動膜１３１及び導電性振動膜１３３の製造法は、その原反材料を専門の工場でロール又はシート状で大量生産し、その原反材料を抜き金型で所定の形状に切り出し、透磁性振動膜１３１及び導電性振動膜１３３とする方法である。

ケース１１０には通電や絶縁の必要が無く、その電気的特性を問わない材料で作られている。

信号引出線及び端子部１５０は、ＩＣにおいて一般的である外形及び端子形状を備えている。

保持材部１２０は、図８に示す保持材１２１及び図９に示す保持材１２２から構成されており、通電や絶縁の機能は必要無い。

また、図８に示す保持材１２１はケース１１０と振動膜部１３０の間隔を確保するため用いるもので、何ケ所かに若干の空気を通すことのできる溝状の窪み１２３を有している。なおその厚みは電気的性能上制限されない。

また、図９に示す保持材１２２は振動膜部１３０と半導体部１４０の間隔を確保するため用いるもので、その厚みは、ｔｓ＝ｔｉ＋ｔｇで規定され、大凡１ｍｍ程度である。更に何ケ所かに若干の空気を通すことのできる溝状の窪み１２３を有している。なお、ｔｓは保持材１２２の厚み、ｔｉは半導体部１４０の厚み、ｔｇは振動膜部１３０と半導体部１４０間の適切な間隔である。

本発明に係るマイクロホン装置における音響検出は、開口部１１１から入力される音響により振動膜部１３０が振動することによって、振動膜部１３０と相対する位置に配置された半導体部１４０との距離が変化することを用いている。

図７を用いて振動膜部１３０に透磁性振動膜１３１を使用する場合の動作を説明すると、ＬＣ発振回路１４３が発振することによりコイル部１７０に共振電流が流れ磁束部１６０が発生するが、その磁束の到達距離内に透磁性振動膜１３１が配置されているので、一部の磁束が透磁性振動膜１３１内を通ることによりコイル部１７０のインダクタンスが増加し、透磁性振動膜１３１が配置されていない場合に比べＬＣ発振回路１４３の発振周波数は低くなる。

また、透磁性振動膜１３１が無音響時の定位置よりコイル部１７０に近づいた場合、即ち透磁性振動膜１３１とコイル部１７０の距離が短くなると、透磁性振動膜１３１内を通る磁束がより多くなり、透磁性振動膜１３１が定位置にある場合に比べコイル部１７０のインダクタンスは増加し、ＬＣ発振回路１４３の発振周波数はより低くなる。

また逆に、透磁性振動膜１３１が定位置よりコイル部１７０から遠ざかった場合、即ち透磁性振動膜１３１とコイル部１７０の距離が長くなると、透磁性振動膜１３１内を通る磁束が減少し、透磁性振動膜１３１が定位置にある場合に比べコイル部１７０のインダクタンスは減少し、ＬＣ発振回路１４３の発振周波数は高くなる。

また、透磁性振動膜１３１とコイル部１７０間には電圧を掛ける必要がないので、電気的吸引力による透磁性振動膜１３１とコイル部１７０の吸引はおこらない。

図７を用いて振動膜として導電性振動膜１３３を使用する場合の動作を説明すると、ＬＣ発振回路１４３が発振することによりコイル部１７０に共振電流が流れ磁束部１６０が発生するが、その磁束の到達距離内に導電性振動膜１３３が配置されているので、一部の磁束が導電性振動膜１３３に到達し、導電性振動膜１３３に渦電流が発生し、一部の磁束が消費され、コイル部１７０のインダクタンスが減少し、導電性振動膜１３３が配置されていない場合に比べＬＣ発振回路１４３の発振周波数は高くなる。

また、導電性振動膜１３３が無音響時の定位置よりコイル部１７０に近づく場合、即ち導電性振動膜１３３とコイル部１７０の距離が短くなると、導電性振動膜１３３に到達する磁束が多くなり、導電性振動膜１３３内に発生する渦電流が増加し、磁束の消費が増加し、コイル部１７０のインダクタンスが減少し、ＬＣ発振回路１４３の発振周波数は高くなる。

また逆に、コイル部１７０と導電性振動膜１３３の距離が長くなると導電性振動膜１３３を通過する磁束が少なくなり、導電性振動膜１３３内に発生する渦電流が減少し、磁束の消費が減少し、コイル部１７０のインダクタンスは増加し、ＬＣ発振回路１４３の発振周波数は低くなる。

また、導電性振動膜１３３とコイル部１７０間には電圧を掛ける必要がないので、電気的吸引力による導電性振動膜１３３とコイル部１７０の吸引はおこらない。

本発明の半導体マイクロホンは、音響により振動する透磁性又は導電性振動膜を回路部と電気的に接続する必要が無く、従って音響により振動する振動板部に配線が無いマイクロホンを提供することが可能である。

本発明の半導体マイクロホンは、音響により振動する透磁性又は導電性振動膜を回路部内に構築する必要が無く、その大きさを制限する設計製造上の要因は無く、音響により振動する振動板部はその周波数特性を重視し設計製造できる。従って必要な周波数特性を有するマイクロホンを提供することが可能である。

本発明の半導体マイクロホンは、音響により振動する透磁性又は導電性振動膜を回路部と電気的に接続する必要が無く、ケース材としてＩＣパッケージ等に多用されているプスチック材やセラミック材など非導電性材料を用いることができるので、また、自動半田付けに耐え得る温度特性を有する透磁性又は導電性振動板を使用するので、自動半田付けに耐え得る温度性能を有するマイクロホンを提供することが可能である。

本発明の半導体マイクロホンは、透磁性又は導電性振動板に予め人為的に帯電や帯磁をする必要が無く、従ってその経時変化が無く、長期間に亙り安定した性能を維持するマイクロホンを提供することができる。

本発明の半導体マイクロホンは、透磁性又は導電性振動板に予め人為的に帯電や帯磁する必要が無く、また振動膜と半導体部間に電圧を掛ける必要が無く、従って振動膜と半導体部が互いに電気的又は磁気的に引き合い貼り付き動作しなくなると言う問題が起こらないマイクロホンを提供することができる。

本発明の半導体マイクロホンは、半導体部に相対して配置する小さな振動膜を電気的接続する必要が無く、ケース材としてＩＣパッケージ等に多用されているプスチック材やセラミック材など非導電性材料を用いることができるので、また、一般的なＩＣの構造の上部に振動膜を単に配置するだけの簡単な構造であり、従ってＩＣと同じ電気的接続構造や端子を設けることが可能となり、自動実装等に適した外形構造のマイクロホンを提供することができる。

本発明の半導体マイクロホンは自動実装等に適した外形構造を有しているので、従来の半導体電子部品と同様に自動半田付けによる基板への実装が可能で、従って余分の金具やコネクター又は作業を必要としない実装ができるマイクロホンを提供することができる。

本発明の半導体マイクロホンは、コネクターによる接続又は押さえ金具による接続又は手半田による接続が不要であり、従ってマイクロホンを使用する機器の製造に係る費用の削減と、マイクロホンとそれを使用する機器を接続するコネクターの接触不良等市場での不良率低減を図ることができる。

本発明の半導体マイクロホンは、高い電圧を必要としないことから昇圧回路を組み込む必要がなく、従って低電圧プロセスで半導体製造が可能なマイクロホンを提供することができる。

本発明の半導体マイクロホンは、使用する半導体の製造工程において電荷注入やアニーリング等の加工が必要なく、従って従来の半導体製造設備と方法による製造が可能なマイクロホンを提供することができる。

本発明に係る半導体マイクロホン装置は、ＬＣ発振回路１４３においてコイル部１７０のインダクタンスが変る事による発振周波数ｆが変化する事を使用している。ＬＣ発信回路１４３にはハートレー型、コルピッツ型、ベース同調型、コレクタ同調型など各種の発振回路を用いることができるが、以下理解を容易にするため図３に示すハートレー型を例として説明する。

本発明に係る半導体マイクロホン装置の実施例１においては、振動膜部１３０として図５に示す透磁性振動膜１３１を使用する。

コイル部１７０は図１０に示す様に、半導体部１４０内に作られるコイルＡ１７１およびコイルＢ１７２から構成され、コイルＡ１７１及びコイルＢ１７２は半導体部１４０の外周に配置され、ハートレー型発振回路の場合、コイルＢ１７２のインダクタンスよりコイルＡ１７１のインダクタンスが大きくなる様に作られる。

また図３に示す様に、コイルＡ１７１は発信用として用いるトランジスタ１４１のベースエミッタ間に、コイルＢ１７２はコレクターエミッタ間に接続され、コンデンサ１４２と共にハートレー型発信回路を構成している。コイルＡ１７１及びコイルＢ１７２のインダクタンス及びコイル間の相互インダクタンスはコイルＡ１７１及びコイルＢ１７２と透磁性振動膜１３２との位置関係によって値が変わる。

また、コンデンサ１４２は半導体部１４０内に作られ、その容量は透磁性振動膜１３１と半導体部１４０の位置関係によって変化しない。

透磁性振動膜１３１は、図５に示す通り、基材１３５の上に透磁性材料１３２を塗布又は貼付又はスパッタした厚さ数μｍから数１０μｍの平板状の薄膜であり、１０平方ｍｍ程度から１００平方ｍｍ程度の面積を有し、上記発振周波数帯において空気より遥かに大きな透磁率を有している。

また、透磁性振動膜１３１に使用する透磁性材料１３２は、透磁率μが１０００程度以上の金属材料であれば充分使用することができるが、例えばパーマロイ系材料の場合は更に大きな透磁率であるため、透磁性振動膜１３１と半導体部１４０との間隔を更に広くとることができると同時に厳密な実装精度を必要としなくなり有利である。

ＬＣ発振回路１４３が発振すると、コイルＡ１７１及びコイルＢ１７２に共振電流が流れ磁束部１６０が発生するが、図７に示すように、コイル部１７０と透磁性振動膜１３１は一部の磁束が透磁性振動膜１３１に達する様に配置されており、到達置はコイル部１７０と透磁性振動膜１３１の距離により変化する。距離が無音響時より短くなると多くの磁束が透磁性振動膜１３１を通り、コイル部１７０のインダクタンスは無音響時に比べ増加し、逆に距離が無音響時より長くなると透磁性振動膜１３１を通る磁束は減り、コイル部１７０のインダクイタンスは無音響時に比べ減少する。

また、ハートレー発振回路で構成した実験機にて２つのコイルをまたがる様に透磁率μが約１０００のフェライト系材料をコイルから０．１ｍｍ離れたところに置くと、透磁性材料を置かない時に１００ＭＨｚであった発振周波数が約９２ＭＨｚに変化し、マイクロホン応用における音響信号の周波数変調は±１ＭＨｚあれば十分であることから、この実験結果はより小さな透磁率μであっても及び透磁性振動膜１３１と半導体部１４０との間隔がより広くあっても実用性がある事を示している。

また、後述の実施例２で説明する渦電流の影響を防止する事で更に性能向上を図ることができる。即ち、透磁性材料１３２上に渦電流が発生すると渦電流による磁束の消費が起こり、コイル部１７０のインダクタンスが減少し、発振周波数が上昇してしまう。渦電流による磁束消費を軽減するため、透磁性材料１３２としてできるだけ電気抵抗が高い材料を選択することが有効である。

また、透磁性材料１３２の表面を粗くすることで透磁性材料１３２の表面抵抗値を高め、渦電流による磁束消費を軽減することができる。

また、透磁性材料１３２の厚みを極端に薄くすると磁気飽和が起こり易くなる。磁気飽和が起こると距離の変化に伴うインダクタンスの変化が小さくなり音響検出性能を下げるので、磁気飽和を起こさない適切な厚みが必要であり、また飽和磁束密度の大きな材料を選択することも有効である。

また、磁気飽和等の理由で基材１３５上の透磁性材料１３２を数１０μｍ以上の厚さに塗布又は貼付又はスパッタしなければならない場合は、殆ど振動による曲がりが発生しない基材１３５の中央部付近にだけ透磁性材料１３２を配置する事で、振動特性対策と磁気飽和対策の両方に効果を得ることができる。

また、ハートレー発振回路で構成した実験機にて透磁性のない実験用振動膜の中央付近で且つ２つのコイルの磁束が共に通過する位置に直径１ｍｍ程度厚さ０．１ｍｍ程度の透磁率μが約１０００の小さなフェライト系材料をコイルから０．１ｍｍ離れたところに置くと、１００ＭＨｚの発振周波数が約９７ＭＨｚに変化し、前記の効果を確認することができた。

また以上の実験から、透磁性振動膜１３１とコイルＡ１７１及びコイルＢ１７２の間隔、即ち透磁性振動膜１３１と半導体部１４０の間隔は０．数ｍｍであれば良いと言える。

また、透磁性振動膜１３１の透磁性材料１３２面を半導体部１４０側に向け配置することは基材１３５の厚み分間隔を縮める事になり、また透磁性材料１３２が亜硫酸ガス等外界の影響を直接受けにくくなる利点がある。

透磁性振動膜１３１に使用する基材１３５としては、耐熱特性及び振動特性及び耐久性及び加工の仕易さ等からポリイミド系フイルムが適している。ポリイミド系フイルムは、既にフレキシブルプリント基板等に多用されており、半田耐熱温度３２０℃を保証しているものもあり、自動半田付けに允分な耐熱性がある。

また、透磁性振動膜１３１の外形寸法を小さくする場合は薄いフイルムが必要だが、直径５ｍｍ程度の場合は１０μｍを超える厚みでも使用することができる。

図１に示す様に、ケース１１０と振動膜部１３０間の間隔を確保するため、同間には保持材Ａ１２１を入れるが、特に電気的性能上その間隔を規定する必要はなく、適切な厚みの保持材Ａ１２１を入れればよい。

また、保持材Ａ１２１は図８に示す様な内側がくり抜かれた形状で、透磁性振動膜１３１が振動する際に発生する内圧を逃がすための小さな窪み１２３がある。

また、図１に示す様に、振動膜部１３０と半導体部１４０間の間隔を確保するため、同間には保持材Ｂ１２２を入れる。その厚みは、ｔｓ＝ｔｉ＋ｔｇで規定され、大凡１ｍｍ程度である。なお、ｔｓは保持材１２２の厚み、ｔｉは半導体部１４０の厚み、ｔｇは振動膜部１３０と半導体部１４０間の適切な間隔である。厚み（ｔｓ）＝半導体部１４０の厚み（ｔｉ）＋振動膜１３０と半導体部１４０間の適切な間隔（ｔｇ）で規定される。

また、保持材Ｂ１２２は図９に示す様な内側がくり抜かれた形状で、透磁性振動膜１３１が振動する際に発生する内圧を逃がすための小さな窪み１２３がある。

また、透磁性振動膜１３１は電気的に接続する必要がないため、保持材Ａ１２１及び保持材Ｂ１２２は電気的性能を考慮することなく自動半田付け温度による歪みが発生しない材料を使えば良い。

透磁性振動膜１３１を電気的に接続する必要が無いため、ケース１１０にはＩＣパッケージ等に使われるセラミックやプラスチック材を使うことができる。

信号引出線及び端子部１５０は、半導体部１４０だけを電気的接続すれば良い事及びケース１１０にＩＣパッケージ等に使われるセラミックやプラスチック材を使える事から、一般のＩＣと同様の自動実装に適した構造及び形状にすることができる。

透磁性振動膜１３１は、本マイクロホンで使用する形状寸法と比べ大面積のロール又はシート状の原反として大量生産され、これを原反生産企業が定める台紙に弱粘善の接着剤等で貼り付け出荷される。この原反から本マイクロホンで使用する形状寸法に切り出す際、金型等で半カット状態まで切るだけで供給することができるので、透磁性振動膜１３１を実装する際、自動機械でその１枚を取り出し所定の位置に置き実装することができる。

本発明に係るマイクロホン装置の実施例２においては、振動膜１３０として図６に示す導電性振動膜１３３を使用する。

また図３に示す様に、コイルＡ１７１は発信用として用いるトランジスタ１４１のベースエミッタ間に、コイルＢ１７２はコレクターエミッタ間に接続され、コンデンサ１４２と共にハートレー型発信回路を構成している。コイルＡ１７１及びコイルＢ１７２のインダクタンス及びコイル間の相互インダクタンスはコイルＡ１７１及びコイルＢ１７２と導電性振動膜１３３との位置関係によって値が変わる。

また、コンデンサ１４２は半導体部１４０内に作られ、その容量は導電性振動膜１３３と半導体部１４０の位置関係によって変化しない。

導電性振動膜１３３は、図６に示す通り、基材１３５の上に導電性材料１３４を塗布又は貼付又はスパッタした厚さ数μｍから数１０μｍの平板状の薄膜であり、１０平方ｍｍ程度から１００平方ｍｍ程度の面積を有し、上記発振周波数帯においてその電気的抵抗値は充分に低い。

ＬＣ発振回路１４３が発振すると、コイルＡ１７１及びコイルＢ１７２に共振電流が流れ磁束部１６０が発生するが、図７に示すように、コイル部１７０と導電性振動膜１３３は一部の磁束が導電性振動膜１３３に達する様に配置されており、到達量はコイル部１７０と導電性振動膜１３３の距離により変化する。距離が無音響時より短くなると多くの磁束が導電性振動膜１３３を通り、導電性振動膜１３３を構成する導電性材料１３４にて渦電流として消費さる磁束の量が無音響時より多くなり、コイル部１７０のインダクタンスは無音響時に比べ減少し、逆に距離が無音響時より長くなると導電性振動膜１３３を通る磁束は減りコイル部１７０のインダクイタンスは無音響時に比べ増加する。

また、導電性振動膜１３３に使用する導電性材料１３４は、１００ＭＨｚ乃至数１００ＭＨｚ帯における電気的抵抗値は低いほど良いが、純銅であれば充分である。

また、ハートレー発振回路で構成した実験機にて２つのコイルをまたがる様に表面が滑らかな純銅の薄膜をコイルから０．１ｍｍ離れたところに置くと、導電性材料を置かない時に１００ＭＨｚであった発振周波数が約１１８ＭＨｚに変化し、マイクロホン応用における音響信号の周波数変調は±１ＭＨｚあれば十分であることから、この実験結果は純銅より大きな電気抵抗であっても、及び導電性振動膜１３３と半導体部１４０との間隔がより広くあっても実用性があることを示している。

また、同様に表面が滑らかなアルミの場合は１０５ＭＨｚに、表面が滑らかな純鉄の場合は１０４ＭＨｚに変化し、これらの場合も充分な変化を得ることができた。

また以上の実験から、導電性振動膜１３３とコイルＡ１７１及びコイルＢ１７２の間隔、即ち導電性振動膜１３３と半導体部１４０の間隔は０．数ｍｍあれば良いことが解る。

また、導電性振動膜１３３の導電性材料１３４面を半導体部１４０側に向け配置することは基材１３５の厚み分間隔を縮めることになり、また導電性材料１３４が亜硫酸ガス等外界の影響を直接受けにくくなる利点もある。

また、導電性材料１３４の透磁性は発信周波数を下げるので、導電性材料に発生する渦電流による周波数上昇を阻害する。従って導電性材料１３４の透磁率は出来るだけ小さい方が好ましい。上記の実験は、純鉄など透磁率３００程度の材料であっても使用の可能性があることを示している。

また、導電性材料１３４の表面には渦電流が流れるので、その表面は出来るだけ滑らかな方が良い。

また、導電性材料１３４の厚みは、１００ＭＨｚ程度から数１００ＭＨｚ程度の渦電流が流れる程度の厚みでよく、例えば導電性材料が銅の場合は、１００ＭＨｚの高周波電流の流れる深さは約７μｍであり、５００ＭＨｚの場合は約３μｍである。

導電性振動膜１３３に使用する基材１３５としては、耐熱特性及び振動特性及び耐久性及び加工の仕易さ等からポリイミド系フイルムが適している。ポリイミド系フイルムは、既にフレキシブルプリント基板等に多用されており、半田耐熱温度３２０℃を保証しているものもあり、自動半田付けに充分な耐熱性がある。

また、導電性振動膜１３３の外形寸法を小さくする場合は薄いフイルムが必要だが、直径５ｍｍ程度の場合は１０μｍを超える厚みでも使用することができる。

また、保持材Ａ１２１は図８に示す様な内側がくり抜かれた形状で、導電性振動膜１３３が振動する際に発生する内圧を逃がすための小さな窪み１２３がある。

また、保持材Ｂ１２２は図９に示す様な内側がくり抜かれた形状で、導電性振動膜１３３が振動する際に発生する内圧を逃がすための小さな窪み１２３がある。

また、導電性振動膜１３３は電気的に接続する必要がないため、保持材Ａ１２１及び保持材Ｂ１２２は電気的性能を考慮することなく自動半田付け温度による歪みが発生しない材料を使えば良い。

導電性振動膜１３３を電気的に接続する必要が無いため、ケース１１０にはＩＣパッケージ等に使われるセラミックやプラスチック材を使うことができる。

導電性振動膜１３３は、本マイクロホンで使用する形状寸法に対し大面積のロール又はシート状の原反として大量生産され、これを原反生産企業が定める台紙に弱粘着の接着剤等で貼り付け出荷される。この原反から本マイクロホンで使用する形状寸法に切り出す際、金型等で半カット状態まで切るだけで供給することができるので、導電性振動膜１３３を実装する際、自動機械でその１枚を取り出し所定の位置に置き実装することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、概略的断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、半導体回路部に収納される基本的な概略的機能を示す図である。従来の、ハートレー発振回路の概略的回路図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、半導体回路部に収納される拡張された概略的機能を示す図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、透磁性振動膜の概略的断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、導電性振動膜の概略的断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、コイル及び磁束及び振動膜の概略的関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、保持材Ａの概略的平面図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、保持材Ｂの概略的平面図である。本発明の実施の形態に係る半導体マイクロホンの、半導体内部に配置されるコイルの概略的平面配置図である。従来の、ムービングコイルマイクロホン装置の概略的断面図である。従来の、エレクトレットコンデンサマイクロホン装置の概略的断面図である。従来の、半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置の第１の構成例の概略的断面図である。従来の、半導体エレクトレットコンデンサマイクロホン装置の第２の構成例の概略的断面図である。従来の、半導体コンデンサマイクロホン装置の第１の構成例の概略的断面図である。従来の、半導体コンデンサマイクロホン装置の第２の構成例の概略的断面図である。

符号の説明

１１０ケース
１１１開口部
１２０保持材部
１２１保持材Ａ
１２２保持材Ｂ
１２３窪み
１３０振動膜部
１３１透磁性振動膜
１３２透磁性材料
１３３導電性振動膜
１３４導電性材料
１３５基材
１４０半導体部
１４１トランジスタ
１４２コンデンサ
１４３しＣ発振回路
１４４ＦＭ復調回路
１４５変調回路
１４６アナログ出力信号
１４７変調基準入力信号
１４８デイジタル出力信号
１５０信号引出線及び端子部
１６０磁束部
１７０コイル部
１７１コイルＡ
１７２コイルＢ
１振動板
２コイル
３磁石
Ａ出力端子
５３０振動膜
５１１エレクトレット層
５１０固定電極
６１０ケース本体
５４０ＦＥＴ
７３０スペーサ
７２０エレクトレット層
７４０振動膜
８１０ケース本体
７１０ウエハ部
１３ダイヤフラム
１６エレクトレット
１５裏板電極
３４間隔
４１電極Ｂａｃｋｐｌａｔｅ
４０振動板Ｄｉａｐｈｒａｇｍ
５１振動電極
５２背電極

Claims

音響信号を受けて振動する透磁性振動膜又は導電性振動膜、ＬＣ発振回路、ＬＣ発振回路を構成するコイル及び発振波を復調する回路で構成され、前記透磁性振動膜又は導電性振動膜は前記コイルが発生する磁界中に位置し、前記透磁性振動膜又は導電性振動膜が振動することにより前記コイルのインダクタンスが変化するように前記透磁性振動膜又は導電性振動膜と前記コイルが所定の間隔で保持され、該インダクタンスの変化よって変わるＬＣ発振回路の発振周波数の変化を復調することを特徴とするマイクロホン。
前記透磁性振動膜を構成する透磁性材料又は導電性振動膜を構成する導電性材料が、前記透磁性振動膜又は導電性振動膜の略中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
前記透磁性振動膜又は導電性振動膜を構成する透磁性材料面又は導電性材料面と前記コイルとが、互いに向かい合うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
前記振動膜の基材としてポリイミド系フィルムを使うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。