JP4924853B1 - 音響センサ及びマイクロフォン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板42にバックチャンバ45を上下に開口する。当該基板42の上面には、バックチャンバ45を覆うようにして、可動電極板となる薄膜状のダイアフラム43を形成する。基板42の上面には、ダイアフラム43を覆うようにしてバックプレート48を固定し、バックプレート48の下面に固定電極板49を設ける。さらに、スリット47によってダイアフラム43を複数領域に分割し、複数に分割された各ダイアフラム43a、43bと固定電極板49によって複数個の並列に接続されたキャパシタ(音響センシング部60a、60b)を構成している。
【選択図】図4
Description
特許文献1には、S/N比を向上させることを目的とした差分検知方式のマイクロフォンが開示されている。このマイクロフォン21では、図2に示すように、一枚の基板22に2つの音響センサ23a、23bが設けられていて、両センサ23a、23bは上下の構成が反転している。すなわち、一方の音響センサ23aでは、ダイアフラム24aの上に音響孔26aを有する固定プレート25aが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。他方の音響センサ23bでは、音響孔26bを有する固定プレート25bの上にダイアフラム24bが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。
特許文献2には、従来の別なマイクロフォンが開示されている。このマイクロフォン31は、基本的には、特許文献1のマイクロフォン21と同様な構造を有している。特許文献2のマイクロフォン31では、図3(A)に示すように、共通の基板32の上に同じ構造を有する独立した複数個の音響センサ33a、33b、…が設けられている。すなわち、いずれの音響センサ33a、33b、…も、音響孔36を開口された固定プレート35の上面に対向させてダイアフラム34が形成されている。さらに、図3(B)に示すように、基板32の上面には信号処理回路37が設けられており、各音響センサ33a、33b、…の出力は基板32上に配線された電極引出線38を通じて信号処理回路37に接続されている。このマイクロフォン31の場合には、各音響センサ33a、33b、…が同じ構造を有しているので、各センサ33a、33b、…の出力を信号処理回路37において加算処理することによってS/N比を向上させることが期待される。
図4−図6を参照して本発明の実施形態1による音響センサの構造を説明する。図4は実施形態1の音響センサ41を示す断面図である。図5は、音響センサ41の平面図である。また、図6は、音響センサ41から天蓋部44を取り除いた状態の平面図である。
Ca/2[F] :可変キャパシタCP1の静電容量
Cb/2[F] :可変キャパシタCP2の静電容量
ΔCa/2[F] :可変キャパシタCP1の受圧時の静電容量変化
ΔCb/2[F] :可変キャパシタCP2の受圧時の静電容量変化
V[V] :音響センサ41への印加電圧
Sa[V] :音響センシング部60aの感度出力
Sb[V] :音響センシング部60bの感度出力
Na[V] :音響センシング部60aのノイズ出力
Nb[V] :音響センシング部60bのノイズ出力
Sa/Na :音響センシング部60aのS/N比
Sb/Nb :音響センシング部60bのS/N比
ここで、感度出力とは、交流電源で発生した音響振動によって音響センシング部(あるいは、可変キャパシタ)から出る信号出力であって、電圧×固定キャパシタの静電容量変化/固定キャパシタの静電容量で表される。したがって、音響センシング部60aの感度出力は、
Sa=V×(ΔCa/2)/(Ca/2)=V×ΔCa/Ca
となる。同様に、音響センシング部60bの感度出力は、
Sb=V×(ΔCb/2)/(Cb/2)=V×ΔCb/Cb
となる。
Sa=V×ΔCa/Ca
となる。しかし、この音響センシング部60aには、音響センシング部60bのキャパシタCP2が並列に接続されているので、キャパシタCP2は音響センシング部60aに対しては寄生容量として働き、音響センシング部60aの感度を減衰させる。キャパシタCP1とCP2は同じ静電容量を有しているので、音響センサ41から出力される感度出力(すなわち、信号処理回路へ入力される感度出力)Stotは、次式で表されるように半減する。
Stot=〔(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}〕×Sa
=Sa/2
Ntot=〔(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}〕×Na
=Na/2
Stot=〔(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}〕×Sb
=Sb/2
Ntot=〔(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}〕×Nb
=Nb/2
Stot=Sa/2+Sb/2
ここで、Sa=Sbであるから、上式は、
Stot=Sa
となる。これは、図9(A)−図9(C)に示すように、音響センサ41では、位相と振幅が同じ2つの信号(図9(A)及び図9(B)の感度出力Sa/2、Sb/2)が重ね合わされたものが全体の感度出力Stot=Sa(図9(C))として出力されることを表し、スリット47を設けても音響センサ41の感度出力Stotはスリット47を設ける前と変わりがないことを示している。
Stot=√{(Na/2)2+(Nb/2)2}
ここで、Na=Nbであるから、上式は、
Stot=Na/√(2)
となる。
Froll-off ∝ 1/(Rventholl・Cbackchamber)
従って、スリット47の幅Wが大きくなると音響抵抗Rventholeが小さくなり、ロールオフ周波数Froll-offが高くなり、音響センサ41の低周波特性が悪くなる。音響抵抗Rventholeはスリット47の長さLにも影響されるが、例えばスリット47の幅Wが1μmであればロールオフ周波数Froll-offは50Hz以下であり、スリット47の幅が10μmになるとロールオフ周波数Froll-offは500Hzにもなる。このようにスリット47の幅が10μmを超えると著しくロールオフ周波数が高くなって低周波特性が悪化し、音響センサ41の感度が大きく損なわれてしまうので、スリット47の幅Wは10μm以下であることが望ましい。
図12に本発明の実施形態2による音響センサ61の平面図を示す。図13は、天蓋部44を除いた状態における音響センサ61の平面図である。
図14は本発明の実施形態3による音響センサ62の断面図である。図15は、実施形態3の音響センサ62の平面図である。
図16は、本発明の実施形態4による音響センサ63の分解斜視図である。図17は、音響センサ63の、天蓋部44を取り除いた状態の平面図である。
図18は、本発明の実施形態5による音響センサ64の平面図である。図19は、音響センサ64の、天蓋部44を取り除いた状態の平面図である。
ダイアフラム43にスリット47を設ける場合には、ダイアフラム43の最大変位箇所を通過するように設けることが好ましいが、スリット47の方向については特に限定されるものではない。たとえば、実施形態4の音響センサ63では、矩形状のダイアフラム43の固定箇所を結ぶ方向、すなわちダイアフラム43の対角方向にスリット47を設けたが、必ずしもこれに限るものではない。図21に示すように、矩形状のダイアフラム43の辺と平行な方向にスリット47を形成してもよい。この場合には、左右のベントホール52の中央を結ぶ方向となるので、分割されたダイアフラム43a、43bはいずれも片持ち梁状に支持されることになる。
スリットの両側に形成される各ダイアフラムは、スリットを通過して一部つながっていても差し支えない。たとえば、図23に示す実施形態では、1本のスリット47が部分的に途切れていて、2本のスリット47が直線状に並んだようになっている。したがって、スリット47を挟んでその両側に位置するダイアフラム43a、43bどうしは、スリット47の途切れた部分を通して部分的につながっている。このような形態であっても、スリット47の途切れている部分の長さがあまり長くなければ問題ない。
図24は上記各実施形態の音響センサを用いたMEMSマイクロフォンの断面図である。また、図25は、カバーを外した状態のマイクロフォンの平面図である。
43、43a、43b: ダイアフラム、 44: 天蓋部、
45: バックチャンバ、 46: アンカー、
47: スリット、 49: 固定電極板、
50: エアギャップ、 52: ベントホール、
60a、60b: 音響センシング部、 81、94: マイクロフォン、
82: 回路基板、 83: カバー、 84: 信号処理回路
Claims (12)
- 空洞部を有する基板と、
前記空洞部を覆うようにして前記基板の上方に配設された薄膜状のダイアフラムと、
前記ダイアフラムに形成された可動電極板と、
前記ダイアフラムに対向させるようにして前記基板の上面に固定されたバックプレートと、
前記可動電極板と対向する位置において前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた音響センサであって、
前記ダイアフラム及び前記可動電極板がスリットによって複数領域に実質的に分割されていて、分割された各可動電極板と前記固定電極板によって複数個の並列に接続されたキャパシタが構成されていることを特徴とする音響センサ。 - 前記スリットは、前記ダイアフラムの最大変位箇所を通過する位置に形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記スリットによって分割された前記ダイアフラムの各領域は、前記スリットを挟んでそれぞれ最大変位箇所を有していることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記スリットは、前記ダイアフラムの支持箇所のうちいずれか2つの支持箇所を結ぶ線分上に位置していることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記スリットが部分的に途切れていて、当該スリットを挟んでその両側に位置するダイアフラムの各領域どうしが当該スリットの途切れた部分を通して部分的につながっていることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記スリットの幅が10μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記スリットの長さは、当該スリットの延長方向における前記ダイアフラムの差し渡し長さの1/2以上であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記ダイアフラムが円形状であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記ダイアフラムが矩形状であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記ダイアフラムは、その縁を複数箇所で前記基板又は前記バックプレートに支持されており、当該支持箇所のうち隣接する支持箇所の間の少なくとも一箇所に空隙が形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 音響振動が前記空洞部を通って前記ダイアフラムに到達することを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 請求項1に記載した音響センサと、前記音響センサから出力された信号を処理するための回路とを備えたマイクロフォン。
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