JP5309353B2 - マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は一種のマイクロホンに係り、特に一種のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンに関する。

図１は周知のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン１の構造表示図である。それは背面電極２（ｂａｃｋ−ｐｌａｔｅ）、振動膜３（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｏｒ ｄｉａｐｈｒａｇｍ）及びスペーサ４を包含する。そのうち、該スペーサ４は該背面電極２と振動膜３の間に設置され、該振動膜３と背面電極２は相互に絶縁隔離され並びに平行に設置され、それぞれが平行板コンデンサの上電極と下電極を成している。

背面電極２において振動膜３に対応する位置には複数の放音孔５（ａｉｒ ｈｏｌｅ）が開孔され、これら放音孔５は背面電極２を貫通し、並びにシリコン基板６に設置された背面チャンバ７（ｂａｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ）に通ずる。

該背面電極２と該振動膜３に電圧を印加し、その電気性質を異なるものとして並びに電荷を付帯させ、コンデンサを形成する。平行電極板の静電容量公式、すなわち、Ｃ＝εＡ／ｄ（そのうちεは誘電率、Ａは二つの電極板の重なり合った面積、ｄは二つの電極板のギャップ）より、二つの電極の間のギャップ変化により静電容量値が変化することがわかる。これにより、音波が振動膜３に作用して該振動膜３を振動させ、ひずませる時、振動膜３と背面電極２の間のギャップが変化することにより、静電容量が変化し、電気信号に変換されて出力される。

振動膜３と背面電極２の間の、攪乱、圧縮を受けた空気は、これら放音孔５より該背面チャンバ７へと放たれ、気圧変動過大により撓んだ振動膜３と背面電極２の構造の損壊が防止される。

図２を参照されたい。それは、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン１のパッケージ表示図である。該マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン１は基板８に設置され、並びに金属カバー９が形成する収容空間内にパッケージされる。

そのうち、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン１の振動膜３と背面電極２はそれぞれ変換チップ１０に電気的に接続され、これにより背面電極２と振動膜３の間の静電容量変化が、該変換チップ１０により電気信号に変換されて出力される。

周知のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンは音圧によりフレキシブル振動膜３がひずみを形成する特性により、フレキシブル振動膜と背面電極間の静電容量を変化させる。

しかし、薄膜堆積によるフレキシブル振動膜の製造工程温度は極めて高く、且つ材料相互間の熱膨張係数は相互に差異があり、このため振動膜の製造の過程中に程度の異なる張応力或いは圧応力が累積し得る。振動膜に残存する応力は、振動膜の湾曲をもたらすか、或いはしわを形成し、このため振動膜表面が平坦でなくなり、よってその検出時の精度が下がる。さらに、マイクロホンの感度と振動膜の残留応力は反比例の関係を表し、このため過高の応力残留は感度の低下をもたらし得る。

このため、特許文献１の「Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ｄｅｖｉｃｅｓ」は、固定境界のないサスペンション振動膜を提出し、サスペンションアームにより振動膜を支持することで、振動膜を浮かせて温度効果が形成する応力を放出させている。

特許文献２の「Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ」は、大型平板振動膜の一辺のみ固定する構造である。

特許文献３の「Ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ」は振動膜周縁の特殊構造設計、たとえば振動膜周縁に接線式の支持スプリングを設計することで、応力残留の問題を改善している。

ただし、サスペンションアームによる支持を利用して浮かせるか、或いは周縁構造を改良する方式で応力残留問題を解決しても、その製造工程と設計はいずれも比較的複雑であり、且つ完全には応力残留の問題を解決できない。

また、上述の従来の技術において、フレキシブル振動膜はひずむ時に背面電極と平行を保持できず、このため、振動膜と背面電極の間のギャップの変化の計算は容易でなく、精度が不足する。さらにマイクロホンの感度は駆動電圧に正比例し、このため、感度を上げるために駆動電圧を上げる時、周知のフレキシブル振動膜は崩壊（ｃｏｌｌａｐｓｅ）効果を発生しやすく、背面電極に貼り付き、マイクロホンの失効をもたらす。

米国特許第ＵＳ５４９０２２０号明細書 米国特許第ＵＳ５８７０４８２号明細書 米国特許第ＵＳ７０２３０６６号明細書

本発明の目的は、上述の周知のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンの熱応力残留の問題、及び精度が比較的低い問題を解決することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は一種のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンを提供し、それはベース、背面電極、固定部品及び振動膜を包含する。該ベースに背面チャンバが設置され、該背面電極は該ベースに設置され、該背面電極に複数の放音孔が開孔され、これら放音孔は該背面チャンバに通ずる。該固定部品は該ベース上に設置され、並びに支持部を包含する。該振動膜の中心部分は該支持部に支持され、これにより該振動膜が該背面電極に平行に且つ対向するように設置され、これにより該振動膜上の応力は該支持部より外に向けて放たれる。

上述の目的を達成するため、本発明はまた一種のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンを提供し、それはベース、背面電極、弾性部品及び剛性振動膜を包含する。
該ベースに背面チャンバが設置され、該背面電極は該ベースに設置され並びに複数の放音孔が開孔され、且つこれら放音孔は該背面チャンバに連通する。該弾性部品は該ベースに設置される。該剛性振動膜において該背面電極に平行に且つ該背面電極に対応する位置に該弾性部品が設置される。これにより音波が該剛性振動膜に作用する時、該剛性振動膜は該弾性部品の弾性作用により該背面電極の方向に平行に移動する。

以上の説明からわかるように、本発明のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンにおいて、該振動膜は中心部分が支持され、これにより該振動膜に残留する応力は内から外に釈放され、これにより該振動膜の応力によりもたらされる変形、しわ、破裂などの問題が克服される。

或いは、該剛性振動膜及び該弾性部品の組合せにより該剛性振動膜が垂直方向に移動させられ、並びに移動時に該剛性振動膜と該背面電極との間の平行関係が保持されることにより、該剛性振動膜と該背面電極の間の静電容量変化が両者の間のギャップにのみ関係し、コンデンサマイクロホンの感度、精度及び使用寿命を改善できる。

周知のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンチップの構造表示図である。 周知のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンのパッケージ表示図である。 本発明の第１実施例の立体構造図である。 本発明の第１実施例の立体断面図である。 本発明の第１実施例の動作表示図である。 本発明の第２実施例の立体構造図である。 本発明の第２実施例の立体断面図である。 本発明の第２実施例の動作表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。 本発明の実施例の異なる周波数下での出力結果図である。

本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。

図３Ａ及び図３Ｂを参照されたい。これらは本発明の第１実施例の立体構造図及び立体断面図である。図示されるように、本発明は一種の中心支持型のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン２０を提供し、それは、ベース２１、背面電極２４、固定部品２３及び振動膜２２を包含する。

該ベース２１に背面チャンバ２６が開設され、該背面電極２４は該ベース２１に設置され、該背面電極２４に複数の放音孔２５が開設され、且つ該放音孔２５は該背面チャンバ２６に連通する。

該固定部品２３は該ベース２１に設置され該背面チャンバ２６を横に跨ぎ、並びに支持部２７を包含する。該振動膜２２は中心部分が該支持部２７に支持されて固定端２２１を形成し、該振動膜２２の周縁に、それに対して自由端２２２が形成される。

該振動膜２２は該背面電極２４に平行且つ対向するように設置され、これにより振動膜２２上の応力は該固定端２２１より該自由端２２２に向けて放たれる。

該振動膜２２に残存する応力は、通常、該振動膜２２の中心より該振動膜２２の外縁に向けて放射状の方式で釈放され、これにより良好な応力釈放効果を達成する。該振動膜２２は該支持部２７により該振動膜２２の中心部分近くが支持される。

そのうち、該支持部２７により安定して振動膜２２を支持する効果を考慮し、該支持部２７が支持する該振動膜２２の中心部分は、該振動膜２２の重心とされるか、或いは該振動膜２２の辺縁でない対称軸線上に位置するものとされ、たとえば、円形の振動膜２２の円の中心を支持するものとされるが、これに限定されるわけではない。説明に便利であるように、以後は中心部分を代表として説明する。このほか、該支持部２７は該固定部品２３に固定された柱体とされ得る。

上述の実施例中、該振動膜２２はフレキシブル振動膜とされ、音波作用に伴い揺動或いは変形する。これにより該振動膜２２に残留する応力は、上述の固定端２２１より該自由端２２２に向けて放たれ、応力により該振動膜２２に皺或いは不平坦が形成されるのを防止する。

このほか、上述の実施例中、該ベース２１はシリコン基板とされ、該振動膜２２と該背面電極２４の材料はポリシリコンとされ、その上に円形の背面チャンバ２６が設置されている。

該固定部品２３は交差態様とされ、端縁は該ベース２１の背面チャンバ２６の辺縁に固定される。

該背面電極２４は該ベース２１の背面チャンバ２６の一側に固定され、複数の放音孔２５が開孔され並びに該固定部品２３の設置空間が保留される。

これにより、該振動膜２２は該背面電極２４に平行に、該背面電極２４の該背面チャンバ２６に背向する一側に設置され、両者が平行板コンデンサの構造を形成する。

図４を参照されたい。該マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン２０は動作時に、該振動膜２２と該背面電極２４がそれぞれ正負の電圧を入力し、それが電気的に異なる電荷を付帯させられて平行板コンデンサとなる。

該振動膜２２の一表面が音声作用を受ける時、音声由来の圧力が該振動膜２２の自由端２２２を揺動させ変形させ、該振動膜２２と該背面電極２４の間の静電容量を変化させる。これにより、外部回路の分析と演算により、音声信号が電気信号に変換されて出力される。同時に、該振動膜２２の振動により攪乱された空気は該背面電極２４の放音孔２５より該背面チャンバ２６に放出される。

上述の実施例中、該マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホンはさらに少なくとも一つの絶縁部品２８を包含し得る（図４において表示されている）。該絶縁部品２８は該振動膜２２と該背面電極２４の間に設置され、たとえば、該振動膜２２の該背面電極２４に対向する側、或いは該背面電極２４の該振動膜２２に対向する側に設置され、図４には、該背面電極２４に位置する二つの絶縁部品２８が表示され、それぞれ該背面電極２４の互いに異なる両端に設置されている。

該振動膜２２が過大な音圧を受けて該振動膜２２の変形量が過大となる時、該絶縁部品２８は緩衝効果を提供し、並びに該振動膜２２と該背面電極２４の間の電気的スペーサとされ、該振動膜２２と該背面電極２４が電気的接触を形成して損壊するのを防止する。

このほか、該背面電極２４はさらに複数の強化部（図示せず）を包含し得て、それは該背面電極２４の一側に設置されて、該背面電極２４全体の構造強度をアップする。

図５Ａと図５Ｂを参照されたい。これらは本発明の第２実施例の立体構造図及び立体断面図である。図示されるように、本発明はさらに、垂直方向移動型のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０を提供し、それは、ベース３１、背面電極３４、弾性部品３３及び剛性振動膜３２を包含する。該ベース３１に背面チャンバ３６が開設され、該背面電極３４は該ベース３１に設置され、並びに複数の放音孔３５が開設され、これら放音孔３５は該背面チャンバ３６に通ずる。

該弾性部品３３は該ベース３１に設置され、該剛性振動膜３２は、該背面電極３４に平行に、且つ該背面電極３４の該背面チャンバ３６に背向する一側に、該弾性部品３３を介して設置される。

これにより、音波が該剛性振動膜３２に作用する時、該剛性振動膜３２は該弾性部品３３の弾性作用により該背面電極３４の方向（すなわちＺ軸方向）に平行に移動する。これにより、前述の該背面電極３４に平行電極板静電容量公式に基づき、該剛性振動膜３２と該背面電極３４の間の静電容量変化は、△Ｃ＝εＡ／（ｄ−△ｘ）に改められる。そのうち、△ｘは該剛性振動膜３２が音圧（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）作用を受けた後の移動量であり、ｄは該剛性振動膜３２が音圧作用を受ける前の該背面電極３４とのオリジナルギャップである。

ゆえに、周知のフレキシブル振動膜上の各点の該背面電極３４との間のギャップ変化量が異なるのと比較して、本発明の静電容量変化は△ｘと関係があり、これによりさらに大きな静電容量変化量の出力ができ、効果的にマイクロホンの感度をアップできる。

図５Ｂを参照されたい。該ベース３１はシリコン基板とされ、その上に円形の該背面チャンバ３６が設置されている。該弾性部品３３は十字形の平板交差態様を呈し、４端が該ベース３１の背面チャンバ３６の辺縁に固定されている。

該剛性振動膜３２は円形状を呈し、並びに支持部品３７（ａｎｃｈｏｒ）により該弾性部品３３の十字交差部分に固定され、これにより該剛性振動膜３２が該弾性部品３３が構成する平面に平行とされる。

該支持部品３７の該弾性部品３３と反対の端は該剛性振動膜３２の円の中心に固定される。これにより該支持部品３７が該剛性振動膜３２を支持する時に、該剛性振動膜３２の物理平衡を保持でき、並びに該剛性振動膜３２が熱工程時に応力を放出するのを補助する。

該背面電極３４は該ベース３１の背面チャンバ３６の一側に固定され、複数の放音孔３５が開孔され、並びに弾性部品３３の設置空間が保留される。これにより該剛性振動膜３２が背面電極３４の上方に平行に設置され、両者が平行板コンデンサの構造を形成する。

図６を参照されたい。がマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０が動作する時、該剛性振動膜３２と該背面電極３４はそれぞれ正負の電圧を入力でき、電気性質の異なる電荷を付帯して平行板コンデンサとなる。

該剛性振動膜３２の一表面が音声作用を受ける時、音声由来の圧力は該弾性部品３３に伝えられてそれを変形させ、該剛性振動膜３２を該背面電極３４に向けて移動させ（Ｚ軸方向）、両者間の静電容量を変化させる。これにより、外部回路の分析と演算により、音声信号が電気信号に変換されて出力される。

このほか、該マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０は、少なくとも一つの絶縁部品３８を包含し得る（図６参照）。該絶縁部品３８は該剛性振動膜３２と該背面電極３４の間に設置され、たとえば、該剛性振動膜３２の該背面電極３４に対向する側、或いは該背面電極３４の該剛性振動膜３２に対向する側に設置され、図６には、該背面電極３４に位置する二つの絶縁部品３８が表示され、それぞれ該背面電極３４の互いに異なる両端に設置されている。

該剛性振動膜３２が過大な音圧を受けて該剛性振動膜３２の該背面電極３４に向けての移動量が過大となる時、該絶縁部品３８は緩衝効果を提供し、並びに該剛性振動膜３２と該背面電極３４の間の電気的隔離を形成し、該剛性振動膜３２と該背面電極３４が電気的接触を形成して損壊するのを防止する。

さらに、該剛性振動膜３２は複数の構造強化部を包含し得て（図示せず）、これらの構造強化部は強化リブとされて、該剛性振動膜３２の一側に設置されて、剛性振動膜３２全体の構造強度をアップし、並びに剛性振動膜３２の剛性を保持する。

この第２実施例中、該背面電極３４にも複数の構造強化部３９を設置可能で、これらの構造強化部３９はたとえば強化リブとされ、該背面電極３４の該剛性振動膜３２に背向する一側に設置されて、背面電極３４全体の構造強度をアップし、並びに背面電極３４の剛性を保持する。

図７Ａから図７Ｉを参照されたい。これは本発明の第２実施例の製造フロー表示図である。これらの図面は図５Ａ中の線分Ｋ−Ｋ’の断面表示図であり、且つ本発明の実施と理解に影響を与えずに、異なる部品中の電気的レイアウトフローは省略されている。

まず、図７Ａに示されるように、ベース３１製造のための基材、たとえばシリコン基板４０を準備する。

続いて、図７Ｂに示されるように、該シリコン基板４０に該背面電極３４の設置位置を規定し、並びにその上にエッチングにより前述の構造強化部３９を形成するための溝４１を形成する。

続いて、図７Ｃに示されるように、該シリコン基板４０上にポリシリコン層４２を堆積させる。該ポリシリコン層４２はこれらの溝４１にも充填されて、該背面電極３４の構造強化部３９構造を形成する。

続いて、図７Ｄに示されるように、該ポリシリコン層４２の該弾性部品３３と該放音孔３５の位置をエッチングし、並びに同時に該背面電極３４のサイズ範囲を規定する。

該背面電極３４はこれらの構造強化部３９によりその表面の平坦と構造剛性を保持でき、該弾性部品３３はポリシリコン層の厚さの変更或いは材料選択により、自身の弾性を調整できる。

その後、図７Ｅに示されるように、該背面電極３４上に前述の絶縁部品３８を形成する。これらの絶縁部品３８の材質は窒化シリコンとされる。

続いて、図７Ｆ及び図７Ｇに示されるように、該背面電極３４の上方に中間層４３を形成し、並びに同時に該支持部品３７の形成位置を規定し、該支持部品３７の形成位置は該弾性部品３３の上方に位置し、該中間層４３はたとえば二酸化シリコンとされる。

その後、該中間層４３上にさらにポリシリコン層４４を堆積させる。該ポリシリコン層４４は該剛性振動膜３２と該支持部品３７を規定するのに用いられる。

続いて、図７Ｈのように、該シリコン基板４０の底側をエッチングして背面チャンバ３６を形成する。

最後に図７Ｉのように、該中間層４３をエッチングして除去し、該剛性振動膜３２を該支持部品３７により該弾性部品３３の上に設置し、並びに該背面電極３４に平行とする。

図８は上述の実施例の周波数反応試験結果を示す。それは前述のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０を静電容量読み出しチップ（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｒｅａｄｏｕｔ ＩＣ）（ＭＳ３１１０）に電気的に接続し、並びに半音波暗室（ｓｅｍｉ−ａｎｅｃｈｏｉｃ ｃｈａｍｂｅｒ）においてラウドスピーカ（ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ）の信号を収集した結果である。図からわかるように、サウンドレベルが９４ｄＢ以下の時、上述のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０の実施例の周波数検出範囲は１０〜２０，０００Ｈｚの間であった。

マイクロエレクトロマシン工程により製造されたマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン３０は、感度が高いほか、体積が小さく、低コスト等の長所を有する。周知のフレキシブル振動膜が残留応力処理が難しい問題を有するのに較べ、本発明の剛性振動膜３２には応力が残留しにくく、比較的良好な検出感度を獲得できる。

総合すると、本発明の提供するコンデンサマイクロホンは、該振動膜が中心部分を以て支持され、振動膜に残留する応力が内から外に放出される。

或いは、該剛性振動膜及び弾性部品の組合せにより該剛性振動膜の垂直方向の移動可能とされ、並びに移動時に該背面電極との間の静電容量変化が僅かに両者間のギャップに関係し、これにより、振動膜の応力によりもたらされる変形、しわ、破裂などの問題を克服でき、並びにコンデンサマイクロホンの感度、精度及び使用寿命を改善する。

２０ マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン
２１ ベース
２２ 振動膜
２２１ 固定端
２２２ 自由端
２３ 固定部品
２４ 背面電
２５ 放音孔
２６ 背面チャンバ
２７ 支持部
２８ 絶縁部品
３０ マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン
３１ ベース
３２ 剛性振動膜
３３ 弾性部品
３４ 背面電極
３５ 放音孔
３７ 支持部品
３８ 絶縁部品
３９ 構造強化部

Claims (6)

1. マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、
   背面チャンバ（３６）が設置されたベース（３１）と、
   該ベース（３１）に設置され、該背面チャンバ（３６）に連通する複数の放音孔（３５）が開孔された背面電極（３４）と、
   該ベース（３１）に設置された弾性部品（３３）と、
   剛性振動膜（３２）であって、該背面電極（３４）に平行し、該背面チャンバ（３６）に背向する一側に設置され、並びに支持部品（３７）を介して該背面チャンバ（３６）の方向に向けて該弾性部品（３３）に接続された、上記剛性振動膜（３２）と、
   を包含し、音波が該剛性振動膜（３２）に作用する時、該剛性振動膜（３２）は該弾性部品（３３）の弾性作用により、該背面電極（３４）の法線方向に平行に移動することを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。
2. 請求項１記載のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、該支持部品（３７）は該弾性部品（３３）と該剛性振動膜（３２）の間に設置され、これにより該剛性振動膜（３２）が該弾性部品（３３）の上方に支持されることを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。
3. 請求項２記載のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、 該剛性振動膜（３２）は円形状とされ、且つ該支持部品（３７）は該剛性振動膜（３２）の円の中心を支持することを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。
4. 請求項１記載のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、 該剛性振動膜（３２）及び該背面電極（３４）は複数の構造強化部（３９）を包含し、それぞれ該剛性振動膜（３２）と該背面電極（３４）の一側に設置されたことを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。
5. 請求項１記載のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、 該ベース（３１）の材料はシリコンとされ、該剛性振動膜（３２）と該背面電極（３４）の材料はポリシリコンとされることを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。
6. 請求項１記載のマイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン（３０）において、 少なくとも一つの絶縁部品（３８）をさらに包含し、該絶縁部品（３８）は該剛性振動膜（３２）と該背面電極（３４）の間に設置されて、該剛性振動膜（３２）が該背面電極（３４）に電気的に接触するのを防止し、該絶縁部品（３８）の材料は窒化シリコンとされることを特徴とする、マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン。

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