JP4490629B2 - コンデンサマイクロホン組立体 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロホンに関し、特に、コンデンサマイクロホン組立体、例えば、半導体部品からつくられた一体的なスペーサを有するバックプレートに関する。

（背景技術）
コンデンサマイクロホン、またはキャパシタンスマイクロホンは、オーディオ、エレクトロニクスおよび計測産業界で広く用いられている。コンデンサマイクロホンは、柔軟なダイヤフラムまたは膜、および、１以上の開口部を含み得る硬質のバックプレート（後板）を含む。マイクロホンの膜とバックプレートは、共に、コンデンサとしても知られるキャパシタを形成する。音波がこの膜に衝突すると、膜が動き、膜とバックプレートの間のエアギャップの高さを変化させる。このギャップの変化が、膜およびバックプレートにより形成されたコンデンサのキャパシタンスを変化させる。一定の、または制御された電荷Ｑがキャパシタ上で維持されるならば、キャパシタを横切って（キャパシタに）電圧が形成され、この電圧は、エアギャップの高さの変化に比例して変化する。当分野で知られているように、慣用のダイヤフラムは、金属フィルムまたはメタライズド（金属化された、金属被覆された）ポリマーのフィルムから構成され得る。

種々の用途のために、小型で高品質のコンデンサマイクロホンを製造することが望ましい。当分野で知られているように、バックプレートの開口部は、穿孔、または穴の押抜きにより形成され得る。このような穴の正確な寸法および位置の制御は重要であり、穴が小さくなる程困難になる。

また、当分野で知られているように、ダイヤフラムを含むコンデンサマイクロホンの全体を、マイクロ−エレクトロ−メカニカル−システム（ＭＥＭＳ）の製造方法によりシリコン基板上に形成することができる。ＭＥＭＳは、シリコン集積回路製造プロセスに基づいた機械部品の形成方法である。例えば、米国特許第５，８８９，８７２号は、半導体処理技術により形成された容量型マイクロホンを開示している。ダイヤフラムは、組立の一部として、ポリシリコン層を窒化ケイ素層上に貼り付けることにより形成される。ポリシリコン層がパターン化またはエッチングされてダイヤフラムを形成する。

米国特許第５，８７０，４８２号は、シリコンウェハから製造された、非常に従順で正確に配置されたダイヤフラムを維持することに関する課題を説明している。この特許は、半導体支持構造物を有する代替的なソリッドステートのコンデンサマイクロホンを開示している。

米国特許第６，０７５，８６７号は、複数のダイヤフラムを有するマイクロメカニカルマイクロホンを開示している。湿度、埃および塵の問題に対処するために、マイクロホンは、トランスデューサの両側に２つのシール膜を含む。しかし、検知トランスデューサの前に配置された周囲の（環境的）膜は、音響特性、例えば、信号対雑音比、周波数応答および感度に影響を与えることがある。

ＭＥＭＳプロセスによる完全なコンデンサマイクロホンの形成は、非常に困難で高価である。しかも、完全にＭＥＭＳプロセスにより構成されたコンデンサマイクロホンは、しばしば、音響特性および信頼性が劣ることがある。

（発明の開示）
本発明は、上記の問題の多くを、ハウジングと、ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、バックプレート上に配置された柔軟なダイヤフラムと、を含むマイクロホン組立体により解決する。半導体スペーサがバックプレートと一体的に形成され、バックプレートとダイヤフラムの中間に配置されている。バックプレートおよびスペーサは、ダイヤフラム、ダイヤフラムフレームおよびハウジングのいずれとも一体的に形成されていない。

ダイヤフラムはダイヤフラムフレームの上で引張られ、ダイヤフラムフレームに接着により取り付けられる。ダイヤフラムフレームはダイヤフラムの張力を維持する。ダイヤフラムは、金属フィルムまたはメタライズドポリマーフィルムから構成され、ダイヤフラムは、保護環境バリアでもあり、容量性電気音響変換器の検知電極でもある。ハウジングは金属からつくられることができ、バックプレートはシリコンからつくられることができる。スペーサは、さらに、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーなどの電気的絶縁層を含み得る。

バックプレートは、上部、底部、および側部と、バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、を含む。一実施形態において、複数の開口部は、バックプレートの側部に沿って、かつスペーサの半径方向外側に配置される。バックプレートは、円形、矩形、または他の望ましい形状であり得る。スペーサは、環状壁部、一連の弧状壁部、一連の弧状延長部、または矩形の壁部から成り得る。

ハウジングは上側リップを含み、ダイヤフラムフレームは、上側リップに接して配置された金属リングを含む。組立体は、さらに、バックプレートの底部上の金属接触部を含み得る。さらに、本発明は、バックプレートとハウジングの下部との間に配置されたばねを含み得る。

さらに、本発明は、ハウジングまたはバックプレートに連結されたトランジスタを含み得る。マイクロホン組立体は、また、バックプレートに連結された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含むことができ、ＡＳＩＣはトランジスタを含み得る。

本発明の、これらの、および他の新しい利点、詳細、実施形態、特徴および目的は、本発明の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および、本発明の説明に有用な図面から当業者に明らかになるであろう。

以下の文章および図面において、同じ参照番号は、複数の図面を通じて同じ要素を示す。ここに本発明を、例示的な実施形態を参照しつつ説明する。

図１および２を参照する。本発明は、好ましい実施形態において、バックプレート１２から独立した膜またはダイヤフラム１０を含む。ダイヤフラム１０は柔軟であり、空気に露出している。ダイヤフラム１０の上に保護格子（図示せず）を取り付け得る。ダイヤフラム１０は、マイクロホンダイヤフラムを構成するための周知の材料、例えば、金属フィルム、またはメタライズド（金属化された、金属被覆された）ポリマーフィルムからつくられる。

バックプレート１２は硬質であり、または固定されている。スペーサが、バックプレート１２と一体的に形成されており、例えば図１に番号１４、および図２に番号１５で示される。ダイヤフラム１０は、バックプレート１２から、スペーサ１４，１５により画成された狭いエアギャップ１３（図２にのみ示す）により分離されている。バックプレート１２およびスペーサ１４は、半導体材料、例えばシリコンから、バッチ処理技術により製造される。図１を参照すると、スペーサ１４の上部領域２８が、二酸化ケイ素などの電気絶縁材料またはテフロンなどのフルオロポリマー（フッ素重合体）の層を含む。図２を参照すると、同様に、スペーサ１５の上部領域３０が類似の絶縁層を含む。スペーサは、壁部またはリッジなど、多くの形状であり得る。

膜１０とバックプレート１２は、コンデンサとしても知られるキャパシタを形成する。音波が膜１０に衝突すると、膜が動いて、膜１０とバックプレート１２の間のエアギャップ１３の高さを変化させる。このギャップの変化が、膜１０およびバックプレート１２により形成されたコンデンサのキャパシタンスを変化させる。一定の、または制御された電荷Ｑがキャパシタ上で維持されるならば、電圧がキャパシタを横切って形成され、次いで電圧は、エアギャップ１３の高さの変化に比例して変化する。

膜１０は、ダイヤフラムフレーム１６上で引張られ、接着によりダイヤフラムフレーム１６に取り付けられる。ダイヤフラムフレーム１６はダイヤフラム１６の張力を維持する。ダイヤフラムフレーム１６は、スペーサ１４とハウジング２０の上縁１８との間に配置される。ハウジング２０はバッチ処理技術では製造されない周知のハウジングであり、好ましくは、シリコンではなく金属から形成される。ハウジング２０は、電気的アースとして働く。

バックプレート１２は、矢印２２，２４および２６により示される開口部または穴を含み得る。これらの開口部は、空気がバックプレート１２より上の領域からバックプレート１２より下の領域に通過することを可能にする。

図１に示されたバックプレート１２は、矩形または正方形である。バックプレートは、ハウジング２０内にネスト３２により配置される。バックプレート１２とネスト３２の間の開口部３４もまた、空気がバックプレート１２より上の領域からバックプレート１２より下の領域に通過することを可能にする。一実施形態において、金属などの材料を、番号４０により示された円形部に選択的に堆積させ得る。

図２を参照すると、ばね４２を用いてバックプレート１２をハウジング２０の底部４４（ＰＣボード）に機械的に付勢している。ばね４２は、バックプレート１２のスペーサ１５を、ダイヤフラム１０、およびダイヤフラムフレームまたはリング１６に押し込み、これによりダイヤフラムとフレームは、ハウジング２０の上縁またはリップ１８に押し付けられる。このようにして、ダイヤフラムはスペーサ１５に連結される。こうして、ばね４２、ダイヤフラムフレーム１６、ハウジング２０の上側リップ１８、ハウジング２０およびＰＣボード４４が協働して、ダイヤフラム１０をスペーサ１５の絶縁層３０に固定する。ダイヤフラム１０は、スペーサ１５と一体的に形成されない。

マイクロホン組立体は、好ましくは、保護環境バリア、および容量性電気音響変換器の検知電極の両方として働く単一のダイヤフラム１０を用いる。これと対照的に、先行技術のシリコン形成によるコンデンサマイクロホンシステムは、保護環境バリアを有さず、あるいは、２つ以上のダイヤフラムまたは膜を用い、これらの１つが環境バリアとして働き、他の１つはバリアとして働かない。

ダイヤフラム１０およびバックプレート１２に様々な形状および構造を用いることができる。例えば、図１において、ダイヤフラムフレーム１６は円形で、かつ環状のリングの形態であり、バックプレート１２は正方形である。当業者は、ダイヤフラムフレーム１６およびバックプレート１２が、ハウジング２０および本発明の他の構成要素の形状に応じて別の形状を含み得ることを理解するであろう。

ダイヤフラム１０はバックプレート１２の一部として製造および加工をされないため、ダイヤフラムはバックプレート１２の組立および取付けに関連する応力を受けない。また、ダイヤフラム１０の張力はバックプレート１２の内部応力から独立している。当分野で認識されているように、内部応力が制御されないことは、半導体組立プロセスにおける共通の問題点である。このように、ダイヤフラム１０は、バックプレート１２の面またはダイヤフラム１０の面に平行な応力に対して自由に浮動する。ダイヤフラム１０を、バックプレート１２およびスペーサ１５から独立した適切なダイヤフラムフレーム１６に取り付けることにより、ダイヤフラム１０の引張応力は、パッケージングおよびバックプレートによる影響を受けない。

図３〜６は、スペーサおよびバックプレート上の穴の配置が異なる別の実施形態を示す。当業者に理解されるように、穴の配置、数および寸法はマイクロホンの音響特性に影響を与える。ＭＥＭＳは、穴の寸法および配置の制御の改良を可能にし、これにより、周波数応答および感度を制御する能力が高まる。

図３を参照すると、穴８０はスペーサ８２の半径方向内側に配置され得る。スペーサ８２は、小さい円形の突出部であり得る。

別の例として、図４は、穴９０、および、バックプレート９５の側部に沿った切欠き９２を示す。これらは、空気がバックプレートの上から下に通過することを可能にする。図４は、また、環状のスペーサ壁９４を示す。

図５に示されたバックプレートは、一連の弧状のスペーサ部１００の半径方向内側に穴を有さない。その代わりに、空気は開口部１０２を介してバックプレートの上からバックプレートの下へ通過する。図５の領域１０４の拡大図である図５Ａの矢印１０６，１０８および１１０は、バックプレート１１２の上側からバックプレート１１２の下側への空気の流れを示す。さらに、図６が、矩形または正方形のバックプレート１３０を示す。バックプレート１３０は、正方形または矩形のスペーサ壁、および格子または穴（それらの１つが番号１３４で示されている）を有する。当業者に理解されるように、スペーサは、ダイヤフラム１０およびダイヤフラムフレーム１６を支持するのに十分な弧状の壁部であってもよい。

図２を再び参照すると、バックプレート１２は、出力１４０にて電圧バイアスにより外部バイアスがかけられる。バックプレートは、直流（ＤＣ）電圧により、または無線周波（ＲＦ）バイアスにより外部バイアスをかけられ得る。一実施形態において、トランジスタまたはＦＥＴ（図示せず）が、ＰＣボード４４に、ＰＣボード４４およびハウジング２０により画成される領域内にて取り付けられる。ＦＥＴは、ハウジング２０の外側に、またはバックプレート１２の底部の上に直接に配置されてもよい。概して、ＦＥＴをバックプレートのより近くに配置することにより、本発明のノイズ特性が改善されるはずである。このユニットも、エレクトレット、例えばバックプレート１２上の帯電または極化層（図示せず）によりバイアスをかけられ得る。

バックプレート１２の下側は、接触領域１４２を含み得る。接触領域１４２は、好ましくは、化学蒸着（ＣＶＤ）技術により蒸着されることができる金属である。ばね４２は、接触領域１４２から領域１４０への電気的接触をもたらし得る。

図１を再び参照すると、集積回路（ＩＣ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１８０はＰＣボード（図示せず）の下に取り付けられ得る。ＡＳＩＣは、トランジスタ、例えばＦＥＴを含み得る。ＡＳＩＣは、また、マイクロホンの電気出力を増幅するための、および／またはマイクロホンの応答性を変更するためのプリアンプ（前置増幅器）を含み得る。

ＡＳＩＣは、アナログ‐デジタル変換器（Ａ／Ｄ）も含み得る。Ａ／Ｄの目的は、マイクロホン、またはマイクロホンのプリアンプのアナログ出力を、マイクロホンからの直接デジタル出力としても、または、デジタル信号処理（ＤＳＰ）回路へのフィードとしても用いることのできるデジタル信号に変換することである。ＤＳＰの目的は、Ａ／Ｄを通った後のマイクロホンの出力を変更することである。出力は、デジタルでも、アナログでも、またはこれらの両方でもよい。特定の用途は、等化、信号圧縮、周波数依存信号圧縮、および自己較正を含むことができる。

電圧ステップアップ回路を用いて、容易に入手可能な小型バッテリ電源（例えば９Ｖのバッテリ）が、コンデンサに外部から直流バイアスを印加するための高圧（例えば２００Ｖ）を供給できるようにすることもできる。

本発明の別の実施形態は、無線周波波長で振動するバイアス電圧をもたらす無線周波（ＲＦ）バイアス回路を含む。かかる回路のさらなる目的は、マイクロホンが無線伝送のためのＲＦ変調信号を出力することを可能にすることである。こうして、異なるバックプレートと異なるＡＳＩＣ回路がハウジング２０にて結合されることができ、それによりマイクロホンの種々の潜在的動作および機能を可能にする。

以上の詳細な説明において、本発明を、本発明の特定の例示的な実施形態に関して記載してきた。本発明を好ましい実施形態に関して記載したが、当業者は、本発明の種々の変更、実施形態、または変型を、特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲内で実行できることを理解するであろう。したがって、詳細な説明および図面は、限定的でなく、例示的なものとみなされるべきである。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲に鑑みて必要である以外には限定されないものとする。

図１は、本発明に従ってつくられたマイクロホン組立体の第１の実施形態の斜視図である。 図２は、本発明に従ってつくられたマイクロホン組立体の一部の斜視図である。 図３は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第１の実施形態の平面図である。 図４は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第２の実施形態の平面図である。 図５は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第３の実施形態の平面図である。図５Ａは、図５の領域１０４により示される領域の拡大図である。 図６は、本発明に従ってつくられたバックプレートの第４の実施形態の平面図である。

Claims (30)

1. マイクロホン組立体であって、
   金属であるハウジングと、
   ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートであって、バックプレートはシリコンであり、バックプレートは、上部、底部、および側部と、バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、を含み、前記複数の開口部が、バックプレートの側部に沿って、かつスペーサの半径方向外側に配置されている、バックプレートと、
   バックプレート上に配置された可撓性のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響変換器の検知電極としても機能する可撓性ダイヤフラムであって、金属フィルムまたはメタライズドポリマーの群から成る材料から構成されるダイヤフラムと、
   バックプレートと一体的であり、かつバックプレートとダイヤフラムの中間にある半導体スペーサであって、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーから成る群による絶縁層をさらに含むスペーサと、
   ダイヤフラムフレームと、
   を含み、前記ダイヤフラムがダイヤフラムフレーム上で引っ張られ、かつ接着によりダイヤフラムフレームに取り付けられ、ダイヤフラムフレームがダイヤフラムの張力を維持するマイクロホン組立体。
2. バックプレートが円形である請求項１に記載のマイクロホン組立体。
3. バックプレートが矩形である請求項１に記載のマイクロホン組立体。
4. スペーサが、環状壁部、一連の弧状壁部、一連の弧状延長部または矩形の壁部から成る群から構成される請求項２に記載のマイクロホン組立体。
5. ハウジングが上縁部を含み、ダイヤフラムフレームが、上縁部に接して配置される金属リングを含む請求項４に記載のマイクロホン組立体。
6. さらに、バックプレートの下側に接触領域を含む請求項５に記載のマイクロホン組立体。
7. さらに、バックプレートとハウジングの下部の間に配置されたばねを含む請求項６に記載のマイクロホン組立体。
8. さらに、ハウジングに連結されたトランジスタを含む請求項７に記載のマイクロホン組立体。
9. さらに、バックプレートに連結されたトランジスタを含む請求項７に記載のマイクロホン組立体。
10. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がトランジスタを有する請求項７に記載のマイクロホン組立体。
11. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路が電圧ステップアップ回路を有する請求項７に記載のマイクロホン組立体。
12. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がＲＦバイアス回路を有する請求項７に記載のマイクロホン組立体。
13. ＲＦバイアス回路がＲＦ変調出力を発生し、ＲＦ変調出力がＲＦ無線伝送のために用いられる請求項１２に記載のマイクロホン組立体。
14. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がデジタル信号プロセッサを有する請求項７に記載のマイクロホン組立体。
15. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がアナログ‐デジタル変換器を有する請求項７に記載のマイクロホン組立体。
16. マイクロホン組立体であって、
    上縁部を含むハウジングと、
    上部、底部、および環状側部を有するシリコンバックプレートと、
    バックプレートと一体的に形成されたシリコンスペーサであって、シリコンバックプレートの上部から延在し、かつシリコンバックプレートの上部と一体的な少なくとも１つの突出部を含み、さらに、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーから成る群から形成された絶縁層を含むシリコンスペーサと、
    バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、
    メタライズドポリマーフィルムから構成された単一のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響検知変換器の検知電極としても作用する単一のダイヤフラムと、
    ハウジングの上縁部に接して配置され、かつダイヤフラムが接着により取り付けられた金属リングであって、上縁部およびばねと協働してダイヤフラムをスペーサの絶縁層に固定する金属リングと、を含むマイクロホン組立体。
17. マイクロホン組立体であって、
    ハウジングと、
    ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、
    バックプレート上に配置された可撓性のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響変換器の検知電極としても機能する可撓性ダイヤフラムと、
    バックプレートと一体的であり、かつバックプレートとダイヤフラムの中間にある半導体スペーサと、
    ダイヤフラムフレームと、を含み、前記ダイヤフラムがダイヤフラムフレーム上で引張られ、かつ接着によりダイヤフラムフレームに取り付けられ、ダイヤフラムフレームがダイヤフラムの張力を維持するマイクロホン組立体。
18. ダイヤフラムが、金属フィルムまたはメタライズドポリマーの群から成る材料から構成される請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
19. ハウジングが金属である請求項１８に記載のマイクロホン組立体。
20. バックプレートがシリコンである請求項１９に記載のマイクロホン組立体。
21. スペーサが、二酸化ケイ素またはフルオロポリマーから成る群による絶縁層をさらに含む請求項２０に記載のマイクロホン組立体。
22. バックプレートが、上部、底部、および側部と、バックプレートの上部からバックプレートの底部に延在する複数の開口部と、を含む請求項２１に記載のマイクロホン組立体。
23. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がトランジスタを有する請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
24. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路が電圧ステップアップ回路を有する請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
25. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がＲＦバイアス回路を有する請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
26. ＲＦバイアス回路がＲＦ変調出力を発生し、ＲＦ変調出力がＲＦ無線伝送のために用いられる請求項２５に記載のマイクロホン組立体。
27. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がデジタル信号プロセッサを有する請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
28. さらに、バックプレートに連結された集積回路を含み、集積回路がアナログ‐デジタル変換器を有する請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
29. ハウジングが上縁部を含み、上縁部がダイヤフラムフレームおよびダイヤフラムをスペーサに押し込む請求項１７に記載のマイクロホン組立体。
30. マイクロホン組立体であって、
    ハウジングと、
    ハウジング内に取り付けられた半導体バックプレートと、
    バックプレートから延在し、かつバックプレートと一体的である突出部を含む半導体スペーサと、
    金属フィルムまたはメタライズドポリマーフィルムから成る群から構成された単一のダイヤフラムであって、保護環境バリアとしても、容量性電気音響変換器の検知電極としても作用するダイヤフラムと、
    ダイヤフラムフレームであって、ダイヤフラムがフレーム上で引っ張られかつフレームに接着されるダイヤフラムフレームと、を含むマイクロホン組立体。

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