JP4672539B2

JP4672539B2 - コンデンサマイクロホン装置

Info

Publication number: JP4672539B2
Application number: JP2005352342A
Authority: JP
Inventors: 教夫木村; 祐介竹内; 茂雄政井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: JP2007158823A

Description

本発明は、携帯電話端末等の電子機器に用いられるコンデンサマイクロホン装置に関する。

近年、シリコン基板に半導体プロセスで用いられている超精密加工技術を適用して、超小型のコンデンサ型シリコンマイクロホンを製造する技術が開発されており、その製品が携帯電話などの小型機器に組み込まれている。

図３は、シリコンマイクロホンエレメント１０の一例を示している。シリコン基板上には、半導体製造技術を用いて多数のシリコンマイクロホンエレメントが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図３には、分割された１つのシリコンマイクロホンエレメント１０の側面図を示している。

このシリコンマイクロホンエレメント１０は、シリコン基板１１と、第１の絶縁層１２と、振動膜電極１３と、永久電荷を保持する永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）１４と、第２の絶縁層１５と、音圧を透過する音孔１７が設けられた固定電極１６と、振動膜電極１３の背面に設けられた背気室１８とを有している。

このエレメントを製造する際は、シリコン基板１１の全面に第１の絶縁層１２を積層し、その上に振動膜電極１３を所定形状に形成し、振動膜電極１３上に永久電荷誘電体膜１４を所定形状に形成する。その上から第２の絶縁層１５及び固定電極１６の層を全面に積層し、固定電極１６をエッチングで所定形状に形成し、且つ音孔１７を形成する。

そして、固定電極１６をマスクにして、音孔１７から進入する溶液等で第２の絶縁層１５をエッチングし、周縁部を残して、それ以外の第２の絶縁層１５を除去する。残った第２の絶縁層１５が固定電極１６及び振動膜電極１３間のギャップを維持することになる。

また、背気室１８を形成するため、振動膜電極１３の背面に当たるシリコン基板１１及び第１の絶縁層１２を裏面側からエッチングして除去する。

このように構成されたシリコンマイクロホンでは、音孔１７から進入する音波に応じて振動膜電極１３が振動し、永久電荷誘電体膜１４で保持された電荷が固定電極１６に近付いたり離れたりする。そのため、振動膜電極１３と固定電極１６との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化が外部装置で検出されて、音波が電気信号に変換される。

このシリコンマイクロホンエレメント１０では、振動膜電極１３とシリコン基板１１との間、及び、固定電極１６とシリコン基板１１との間に浮遊（ストレー）容量が生成されることが避けられず、その値を零にすることはきわめて困難である。微小形状のシリコンマイクロホンでは、この浮遊容量が実効容量と同程度になり、容量変化の検出感度を低下させる。

このような浮遊容量を打ち消すため、従来から、浮遊容量の一方の電位を信号電位と同電位にする手法が採られており、そのための回路が、ドリブンシールド回路と呼ばれている。

図４は、従来から知られている（例えば、下記特許文献１参照）、シリコンマイクロホンエレメント１０と増幅度が１の高入力インピーダンス増幅器３０とを具備し、ドリブンシールド回路により浮遊容量の影響を排除したマイクロホン装置を示している。

図４では、その等価回路を太線で示している。なお、シリコンコンデンサマイクロホンに高入力インピーダンスアンプを結合して、シリコンコンデンサマイクロホンの出力を高入力インピーダンスアンプから取り出すことは一般的に行われている。

ここで、図４中の記号の定義を以下に示す。
Ｖｍ：シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧（Ｖ）
Ｃｍ：シリコンマイクロホンエレメント実効容量（Ｆ）
Ｃｐ１：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（振動膜電極１３−シリコン基板１１間）（Ｆ）
Ｃｐ２：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（固定電極１６−シリコン基板１１間）（Ｆ）
Ｖｉｎ：高入力インピーダンス増幅器３０の入力電圧（Ｖ）
Ｃｉｎ：実装容量を含んだ高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量（Ｆ）
Ｖ０１：高入力インピーダンス増幅器３０の出力電圧（Ｖ）

即ち、固定電極１６と振動膜電極１３との間には実効容量Ｃｍが発生し、また、振動膜電極１３とシリコン基板１１との間には浮遊（ストレー）容量Ｃｐ１が発生し、固定電極１６とシリコン基板１１との間には浮遊容量Ｃｐ２が発生している。そして、この浮遊容量の影響を打ち消すために、シリコン基板１１の電位を高入力インピーダンス増幅器３０の出力電位と同電位にするドリブンシールド回路が構成されている。

この増幅度１の高入力インピーダンス増幅器３０の出力電圧Ｖ０１は、キルヒホッフの法則を適用することで（数１）が導かれる。

また、高入力インピーダンス増幅器３０の増幅度が１であることから、

であり、（数１）は、

となり、浮遊容量Ｃｐ１の影響を打ち消すことができる。
ただし、実装容量（実装したときの周囲の配線等に起因する浮遊容量）を含んだ高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量Ｃｉｎは補償することができない。

また、
Ｐ：音圧（規定音圧は１（Ｎ／ｍ^２））（Ｎ／ｍ^２）
Ｓｄ：振動膜電極１３の面積（ｍ^２）
ｓ０：振動膜電極１３のスチフネス（Ｎ／ｍ）
ｓｂ：背気室１８のスチフネス（Ｎ／ｍ）
ｄ：振動膜電極１３と固定電極１６のギャップ（第２絶縁層１５の厚さ）（ｍ）
Ｅｂ：永久電荷誘電体膜１４の等価バイアス電圧（Ｖ）
とすると、シリコンマイクロホンエレメント１０の開放端出力電圧Ｖｍは、

で表される。

実際の規定音圧１（Ｐａ）に対するシリコンマイクロホンエレメントの開放端出力電圧Ｖｍは、数ｍＶである
特開２０００−２８４６２公報 M.Ikeda他「Surface micromachined driven shield condencer microphone with a sacrifical layer etched fronm the back side」Transducers99 仙台 (1999)) M.Lukes「Silicon condenser microphone:electroacoustic model and simulation」Audio Tecnologies and Processing-ATP2001

しかしながら、シリコンマイクロホンエレメントと増幅度１の高入力インピーダンス増幅器とトリブンシールド回路とを組み合わせたシリコンマイクロホン装置は、規定音圧１（Ｎ／ｍ^２）に対する回路出力電圧が数ｍＶであり、携帯電話等に用いられれているエレクトレットコンデンサマイクロホンの出力電圧１０ｍＶ程度に比較して、その大きさが十分とは言えない。

そのため、従来の装置では、図５に示すように、増幅度１の高入力インピーダンス増幅器３０の後に、必要な増幅度Ｇを持った増幅器３１を追加する必要があった。このような増幅器の追加は、製造工数の増加や装置の大型化をもたらし、惹いては商品のコストアップとなるため、マイクロホン装置本体にとっても、またアプリケーション側にとっても好ましいものではない。

また、従来の装置では、（数３）から明らかなように、その出力から、実装容量を含む高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量の影響を排除することができない。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、浮遊容量の影響を除くことができ、且つ、追加の増幅器を用いずに所要の出力電圧を得ることができるコンデンサマイクロホン装置を提供することを目的としている。

本発明のコンデンサマイクロホン装置は、音信号を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクロホンエレメントと、前記コンデンサマイクロホンエレメントの出力信号を増幅する高入力インピーダンス増幅器と、第１の分圧抵抗と、第２の分圧抵抗とを備え、前記高入力インピーダンス増幅器の出力電圧を前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗とで分圧し、分圧電圧を前記コンデンサマイクロホンエレメントに発生する浮遊容量の一方の端子に印加する構成である。

この構成によれば、コンデンサマイクロホンエレメントの出力線上に存在する浮遊容量を極めて小さくすることができ、マイクロホンの開放端出力電圧を浮遊容量の影響なしに高入力インピーダンス増幅器の入力に導くことができる。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記コンデンサマイクロホンエレメントがシリコン基板上に形成されている。

このコンデンサマイクロホンエレメントは、半導体プロセスで製造される。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記コンデンサマイクロホンエレメントと、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが同一のシリコン基板上に形成されている。

この第１の分圧抵抗及び第２の分圧抵抗は、コンデンサマイクロホンエレメントを半導体プロセスで製造する過程において、同時に形成される。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが分圧シートで構成されている。

そのため、第１の分圧抵抗及び第２の分圧抵抗の厚みは同一であり、幅及び長さは、半導体プロセスで精密に設定されるので、分圧比の精度が極めて高くすることができる。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記分圧電圧が印加される浮遊容量の一方の端子が、前記シリコン基板である。

そのため、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗との接続点がシリコン基板に接続される。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）とが、
Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝１／Ｇ
の関係にある。

この関係を保つことにより、シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量を打ち消して、高入力インピーダンス増幅器の増幅度でＧ倍されたシリコンマイクロホンの信号を得ることができる。

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）と、前記高入力インピーダンス増幅器の入力容量値（Ｃｉｎ）と、前記コンデンサマイクロホンエレメントの浮遊容量（Ｃｐ１）とが、
Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝（１／Ｇ）｛（Ｃｐ１＋Ｃｉｎ）／Ｃｐ１｝
の関係にある。

この関係を保つことにより、シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量と高入力インピーダンス増幅器の入力容量とを補償し、シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧をＧ倍に増幅した信号電圧を得ることができる。

本発明のコンデンサマイクロホン装置は、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗とを含むドリブンシールド回路により、コンデンサマイクロホンエレメントの出力線上に存在する浮遊容量を極めて小さく（理論的には零に）することができ、マイクロホンの開放端出力電圧を浮遊容量の影響なしに高入力インピーダンス増幅器の入力に導くことができる。
そして、この入力を高入力インピーダンス増幅器で増幅して、所要の出力電圧の信号を回路出力端に得ることができる。また、増幅器を追加する必要がなくなるので、部品点数を削減することができ、回路規模を小型化することができる。

そのため、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、音圧を良好な検出感度で所要の電圧の信号に変換することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホンの平面形状を模式図で示し、図２は、その等価回路をシリコンマイクロホンエレメントの側面図と共に示している。

このシリコンマイクロホンは、シリコンマイクロホンエレメント１００と、増幅度Ｇが１より大きい高入力インピーダンス増幅器３２とを組み合わせて構成されている。

シリコンマイクロホンエレメント１００は、シリコン基板１上に、絶縁層２を介して、振動膜電極３と成極電圧生成手段（エレクトレット膜）４と固定電極（絶縁層と固定電極との積層体）６とを有し（図２）、また、シリコン基板１上に、絶縁層２を介して分圧シート抵抗２１、２２を有している（図１）。

また、絶縁層が形成されたシリコン基板１上には、固定電極６に電気接続された第１固定電極パッド２３及び第２固定電極パッド２９と、振動膜電極３に電気接続された振動膜電極パッド２８と、シリコン基板１に電気接続されたシリコン基板パッド２７と、分圧シート抵抗２１に固定電極６を電気接続するための固定電極接続用パッド２４と、分圧シート抵抗２１、２２にシリコン基板１を電気接続するためのシリコン基板接続用パッド２５と、分圧シート抵抗２２に高入力インピーダンス増幅器３２の出力側を電気接続するためのＡＭＰ出力接続用パッド２６とが形成されており、第１固定電極パッド２３と固定電極接続用パッド２４との間、及び、シリコン基板パッド２７とシリコン基板接続用パッド２５との間が電線で電気接続され、また、振動膜電極パッド２８が高入力インピーダンス増幅器３２の入力側に、ＡＭＰ出力接続用パッド２６が高入力インピーダンス増幅器３２の出力側に、それぞれ電気接続されている。

このシリコンマイクロホンの出力は、第２固定電極パッド２９に電気接続する端子４１と高入力インピーダンス増幅器３２の出力側端子４２とによって導出される。

このシリコンマイクロホンエレメント１００は、半導体プロセス技術を用いて、次のように製作する。

まず、シリコン基板１上に第１の絶縁層２を形成する。絶縁層２は、通常使用されるシリコン酸化膜等を用いる。次に、第１の絶縁層２上に、振動膜電極３となる電気導体電極を形成し、同時に振動膜電極パッド２８の位置までの導電路を形成する。導体電極にはポリシリコン等を用いる。このとき、同時に分圧シート抵抗２１、２２をポリシリコン等で形成する。

次に、振動膜電極３上に成極電圧生成手段として永久電荷を保持できる永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）４を形成する。永久電荷誘電体膜には窒化もしくは酸化シリコン膜等を用いる。

次に、振動膜電極３と固定電極６とを所定の間隙ｄで対向させるための第２の絶縁層５を形成する。第２の絶縁層５はガラス質絶縁物を用いる。この絶縁層５上に、固定電極６を構成する絶縁膜と導体固定電極とを形成し、同時に第１固定電極パッド２３及び第２固定電極パッド２９の位置までの導電路を形成する。

固定電極６を構成する絶縁膜及び導体固定電極には、音圧を透過する音孔７をエッチング等で形成する。この音孔７を形成した固定電極６をマスクにして、第２の絶縁層５をエッチングし、周縁部を残して、それ以外の第２の絶縁層５を除去する。また、背気室８を形成するため、振動膜電極３の背面に当たるシリコン基板１及び第１の絶縁層２を裏面側からエッチングして除去する。

最後に、振動膜電極３、固定電極６、分圧シート抵抗２１、２２及びシリコン基板１の各々と接続する箇所に形成した各パッド２３〜２９のワイヤーボンディングを行う。

なお、分圧シート抵抗２１、２２は、固定電極６の導体固定電極を形成するときに同時に形成しても良い。しかし、分圧シート抵抗２１、２２は、振動膜電極３や固定電極６とはマスク上独立して形成する。

また、成極電圧生成手段として、エレクトレット化した永久電荷誘電体膜４を設けることにより、コンデンサマイクロホンに特有な外部直流バイアス電圧を無くすことができるが、一般に用いられている、外部抵抗を介して外部直流バイアスを振動膜電極３に供給することで永久電荷誘電体膜４を省いても良い。

分圧シート抵抗２１の固定電極接続用パッド２４を第１固定電極パッド２３に電気接続し、分圧シート抵抗２１、２２のシリコン基板接続用パッド２５をシリコン基板パッド２７に電気接続し、また、分圧シート抵抗２２のＡＭＰ出力接続用パッド２６を高入力インピーダンス増幅器３２の出力側に、振動膜電極パッド２８を高入力インピーダンス増幅器３２の入力側にそれぞれ電気接続することにより、図２の等価回路が形成される。

ここでは、分圧シート抵抗２１の抵抗値をＲ２、分圧シート抵抗２２の抵抗値をＲ１としている。シート抵抗の抵抗値Ｒ（Ｒ１、Ｒ２）は、抵抗率ρ（Ωｍ）、抵抗部の幅Ｗ（ｍ）、長さＬ（ｍ）、膜厚Ｈ（ｍ）によって以下のように決定される。

Ｒ＝（ρ・L）／（Ｗ・Ｈ）（Ω）

シート抵抗２１とシート抵抗２２とは、同一のポリシリコン層で形成されるため、抵抗率ρ及び膜厚Ｈの値は同一である。また、幅Ｗ及び長さＬの値は、半導体プロセスで形成されるのできわめて精度よく作製される。

そのため、幅Ｗと長さＬを決めることで、非常に精度のよい抵抗比の分圧シート抵抗２１、２２を作製することができる。このとき、分圧シート抵抗２１の長さをＬ２１、幅をＷ２１、分圧シート抵抗２２の長さをＬ２２、幅をＷ２２とすると、Ｒ１：Ｒ２の抵抗比は、

Ｌ２１／Ｗ２１：Ｌ２２／Ｗ２２

となる。

また、シリコンマイクロホンエレメントと結合する高入力インピーダンス増幅器３２はＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴを初段に使用した高入力インピーダンスＣＭＯＳアンプを用いることで実現できる。

この構成のもとで、高入力インピーダンス増幅器３２を通して得られるシリコンマイクロホンの信号電圧の方程式は以下の（数５）で表される。

ここで、
Ｖｍ：シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧（Ｖ）
Ｃｍ：シリコンマイクロホンエレメント実効容量（Ｆ）
Ｃｐ１：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（振動膜電極３−シリコン基板１間）（Ｆ）
Ｃｐ２：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（固定電極６−シリコン基板１間）（Ｆ）
Ｖｉｎ：高入力インピーダンス増幅器３２の入力電圧（Ｖ）
Ｃｉｎ：実装容量を含んだ高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量（Ｆ）
Ｖ０１：高入力インピーダンス増幅器３２の出力電圧（Ｖ）
Ｇ：高入力インピーダンス増幅器３２の増幅度（Ｖ／Ｖ）
Ｒ１：シリコンマイクロホンエレメント上の分圧シート抵抗２２の抵抗値（Ω）
Ｒ２：シリコンマイクロホンエレメント上の分圧シート抵抗２１の抵抗値（Ω）
である。

また、Ｖｍは（数４）で表される。
（数５）において、分圧抵抗比を

とすれば、Ｖｉｎ＝（１／Ｇ）Ｖ０１であるから、

となり、高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量Ｃｉｎは補償できないまでも、シリコンマイクロホンエレメント１００の浮遊容量を打ち消して、高入力インピーダンス増幅器３２の増幅度でＧ倍されたシリコンマイクロホンの信号を得ることができる。

さらに、分圧抵抗比を

とすることで

となり、シリコンマイクロホンエレメント１００の浮遊容量と高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量とを補償し、シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧ＶｍをＧ倍に増幅した信号電圧Ｖ０１を得ることができる。

（数６）や（数８）で要求される分圧抵抗比は、前述したように、半導体プロセスで極めて精密に製作可能であり、（数７）及び（数９）の出力電圧は、容易に実現可能である。
このように、このシリコンマイクロホンは、シリコンマイクロホンエレメント１００の製作時に、シリコンマイクロホンエレメント内に分圧抵抗を形成しているため、製造工程数の増加や形状の増大を殆ど伴わずに製作することができる。

なお、ここでは、シリコンマイクロホンエレメント１００と高入力インピーダンス増幅器３２とを別体として構成したが、それらを１つのシリコン基板内に作り込むことも可能である。

本発明に係るコンデンサマイクロホン装置は、音圧を良好な検出感度で所要の電圧の信号に変換することができる小型マイクロホン装置として極めて有用であり、携帯電話を始めとして、各種装置に広く用いることができる。

本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホン装置の平面形状を示す模式図本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホン装置の等価回路を、シリコンマイクロホンエレメントの側面と共に示す図従来のシリコンマイクロホンエレメントの側面図従来のシリコンマイクロホン装置の等価回路を、シリコンマイクロホンエレメントの側面と共に示す図従来のシリコンマイクロホン装置において増幅器が追加された構成を示す図

符号の説明

１シリコン基板
２第１の絶縁層
３振動膜電極
４エレクトレット膜
５第２の絶縁層
６固定電極
７音孔
８背気室
１０シリコンマイクロホンエレメント
１１シリコン基板
１２第１の絶縁層
１３振動膜電極
１４永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）
１５第２の絶縁層
１６固定電極
１７音孔
１８背気室
２１分圧シート抵抗
２２分圧シート抵抗
２３第１固定電極パッド
２４固定電極接続用パッド
２５シリコン基板接続用パッド
２６ＡＭＰ出力接続用パッド
２７シリコン基板パッド
２８振動膜電極パッド
２９第２固定電極パッド
３０高入力インピーダンス増幅器（増幅度１）
３１増幅器（増幅度Ｇ）
３２高入力インピーダンス増幅器（増幅度Ｇ）
４１端子
４２端子
１００シリコンマイクロホンエレメント

Claims

音信号を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクロホンエレメントと、
前記コンデンサマイクロホンエレメントの出力信号を増幅する高入力インピーダンス増幅器と、
第１の分圧抵抗と、第２の分圧抵抗とを備え、
前記高入力インピーダンス増幅器の出力電圧を前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗とで分圧し、分圧電圧を前記コンデンサマイクロホンエレメントに発生する浮遊容量の一方の端子に印加するコンデンサマイクロホン装置。
前記コンデンサマイクロホンエレメントがシリコン基板上に形成されている請求項１に記載のコンデンサマイクロホン装置。
前記コンデンサマイクロホンエレメントと、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが同一のシリコン基板上に形成されている請求項１に記載のコンデンサマイクロホン装置。
前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが分圧シートで構成されている請求項３に記載のコンデンサマイクロホン装置。
前記分圧電圧が印加される浮遊容量の一方の端子が、前記シリコン基板である請求項１から４のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。
前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）とが、

の関係にある請求項１から５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。
前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）と、前記高入力インピーダンス増幅器の入力容量値（Ｃｉｎ）と、前記コンデンサマイクロホンエレメントの浮遊容量（Ｃｐ１）とが、

の関係にある請求項１から５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。