JP6542918B2 - Ｍｅｍｓマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は音響学分野に関し、より具体的には、ＭＥＭＳマイクロホンに関する。

ＭＥＭＳセンシングコンポーネントは現在、民生用電子機器に広く使用されている、生産プロセスをどのようにスピードアップするかは現在のコンポーネントサプライヤーの焦点であり、例えば携帯電話の生産組立プロセスに発生した粉塵とスクラップがエアガンによって直接クリーニングされるのは、現在の最も低コストの解決手段である。従って、ＭＥＭＳセンサに対して必ず大音圧または大気圧の吹き耐力改善手段を提案する必要があり、組立プロセスにおいて、エアガンのクリーニングによりマイクロホンが破裂して動作できないことを避けるためである。

現在の改善手段ではＭＥＭＳマイクロホンの振動膜に圧力逃がし穴または圧力逃がし弁構造を設けることである。しかし、圧力逃がし穴の構造は振動膜の実効面積を減少する。振動膜の中央領域に設けられた圧力逃がし弁構造はサイズに制限され、その圧力逃し能力は限界があり、かつ振動膜の振動特性が直接影響され、特に振動膜の低周波特性が影響される。振動膜の動的安定性は比較的悪い。

本発明の一目的はＭＥＭＳマイクロホンの新規な技術的解決手段を提供することである。

本発明の第一の態様により、ＭＥＭＳマイクロホンが提供され、基板及び基板の上方に位置する振動膜、背面電極を含み、前記振動膜のエッジ位置に複数の櫛状部が形成され、前記複数の櫛状部は振動膜の周方向に間隔を置いて分布する；前記振動膜上の隣接する２つの櫛状部の間の位置は絶縁層によって基板上に接続される；前記振動膜上の櫛状部は少なくとも部分的に基板と重なり合っており、両方の間に隙間を有しかつ空気流を通過させるための空気流チャネルとして構成される。

任意選択的に、前記振動膜は振動膜本体及び複数の振動膜本体のエッジに間隔を置いて分布し、かつ振動膜本体のエッジに対して突起する接続部を含み、前記櫛状部は振動膜本体上の隣接する２つの接続部の間の位置に設けられ、前記振動膜の接続部は絶縁層を介して基板上に接続される。

任意選択的に、前記振動膜本体は接続部と共にＭＥＭＳプロセスによって一体成形される。

任意選択的に、前記各櫛状部は振動膜をエッチングすることで形成した少なくとも１つのリリースバルブフラップを含む。

任意選択的に、前記リリースバルブフラップは長方形、扇形、楕円形、台形またはＳ字型となる。

任意選択的に、前記リリースバルブフラップ上に犠牲穴が設けられる。

任意選択的に、前記振動膜上の櫛状部から振動膜の中心までの間の部分は基板と重なり合っている。

任意選択的に、前記振動膜上の櫛状部位置と基板との間の隙間は１−２μｍである。

任意選択的に、前記櫛状部の自由端は振動膜の外縁まで延在し、かつ前記振動膜の外縁と面一になり、または振動膜の外縁に対して窪んだ状態となる。

任意選択的に、前記櫛状部の自由端は振動膜の外縁に対して径方向に突起する状態となる。

本発明のマイクロホンは、振動膜の櫛状部領域と基板との間に外部に連通する空気流チャネルが形成されるため、振動膜にかかる音圧は該空気流チャネルを介して迅速に圧力を逃すことができ、それにより迅速にマイクロホン内側と外側チャンバの空気圧のバランスをとる。かつ空気流チャネルは自身の受けた圧力状況に応じて変形することができるため、受けたオーバーロード音圧に基づいて空気流チャネルの寸法をリアルタイムで調整することができ、振動膜を保護するための圧力逃げ道を提供する。

本発明の空気流チャネルは更にＭＥＭＳマイクロホンの低周波特性の制御を実現した。また振動膜の構造設計により、該空気流チャネルはマイクロホンの耐衝撃性を大幅に向上させ、かつ効果的に粉塵、微粒子を遮断でき、粉塵と微粒子が侵入して自体のチップを損傷することを避ける。

本発明の発明者らは、従来技術において、圧力逃がし穴または圧力逃がし弁構造の圧力逃し能力に限界があり、かつマイクロホンの音響学性能に影響を与えることを見出した。従って、本発明が達成すべき技術的なタスクまたは解決しようとする技術的課題は、当業者の意図しないまたは予期しないものであり、本発明は新規な技術的解決手段である。

本発明の他の特徴及びその利点は、以下の添付図面を参照して本発明の例示的な実施形態について詳細に説明することにより、明らかになるであろう。

図１は本発明のマイクロホンの振動膜と基板との接続位置の断面図である。 図２は本発明の振動膜の構造概略図である。 図３は図２の櫛状部の部分拡大図である。 図４は本発明のマイクロホンの３つの異なる動作状態を示す。 図５は本発明のマイクロホンの３つの異なる動作状態を示す。 図６は本発明のマイクロホンの３つの異なる動作状態を示す。 図７は本発明の振動膜の他の実施形態の模式図である。

本発明が解决しようとする技術的課題、用いられる技術的解決手段、取得された技術的効果をより容易に理解するために、以下に、具体的な図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態をさらに説明する。

図１に示すように、本発明はＭＥＭＳマイクロホンを提供し、基板１及び基板１の上方に位置する振動膜２、背面電極５を含む。基板１の中央領域にバックチャンバが形成され、前記振動膜２は第一絶縁層３を介して基板１の上方に支持され、それにより振動膜２と基板１との間の絶縁を確保し、かつ振動膜２の中央領域を基板１のバックチャンバの上方にサスペンションさせる。背面電極５上に複数の貫通孔５０が設けられ、それが第二絶縁層４によって振動膜２の上方に支持され、該第二絶縁層４は、背面電極５と振動膜２との間の相互絶縁を確保できるだけでなく、さらに背面電極５と振動膜２との間にある程度の隙間を作ることもできる。背面電極５と振動膜２との間は音響信号を電気信号に変換できるコンデンサ構造として構成される。

本発明のマイクロホンはＭＥＭＳプロセスを用いて製造され、基板１は単結晶シリコン材料を選択することができ、振動膜２と背面電極５はいずれもポリシリコン材料を採用することができ、第一絶縁層３、第二絶縁層４はシリカ材料を採用することができ、このようなマイクロホンの構造及びその製造プロセスは当業者の公知の技術であり、ここでは具体的に説明しない。

図２、図３に示すように、本発明が提供する振動膜２は、そのエッジ位置に複数の櫛状部２２が形成され、該櫛状部２２は振動膜２のエッジ位置にエッチングによって形成された少なくとも１つのリリースバルブフラップ２２０であってもよい。リリースバルブフラップ２２０の数は１つ、２つ、３つまたはさらに複数であってもよく、具体的には実際の設計要件に応じて定める。前記リリースバルブフラップ２２０は長方形、扇形、楕円形、台形またはＳ字型等の当業者が熟知するリリースバルブ構造であってもよい。

本発明の櫛状部２２は振動膜２の内部に設けてもよく、例えば、前記リリースバルブフラップ２２０は振動膜２のエッジ領域に形成され、その自由端は依然として振動膜２内に位置する。

本発明の別の具体的な実施形態において、前記櫛状部２２の自由端は振動膜２の外縁まで延在し、製造時には、エッチングされたギャップは振動膜２のエッジを貫通し、それにより前記リリースバルブフラップ２２０を形成し、かつリリースバルブフラップ２２０の自由端を開放し、図２、図３に示すようである。本発明リリースバルブフラップ２２０の自由端は振動膜２の外縁と面一になることができ、即ち、振動膜２の中心からリリースバルブフラップ２２０の自由端までの径方向寸法は、振動膜２の中心から振動膜２のエッジまでの径方向寸法と一致する。即ち、本発明リリースバルブフラップ２２０の自由端は振動膜２の外縁に対して径方向に窪んだ状態となり、即ち、振動膜２の中心からリリースバルブフラップ２２０の自由端までの径方向寸法は、振動膜２の中心から振動膜２のエッジまでの径方向寸法よりも小さい。

当然ながら、当業者であれば、前記櫛状部２２の自由端は振動膜２の外縁に対して径方向に突起する状態であってもよい。即ち、櫛状部２２の自由端は振動膜２のエッジの外側まで延在し、図７に示すようである。

本発明の複数の櫛状部２２は振動膜２の周方向に間隔を置いて分布し、それにより振動膜の円周方向における圧力逃しの均一性を達成する。例えば振動膜２が円形である場合、複数の櫛状部２２は均一に振動膜２の円周方向に分布することができる。櫛状部２２の数は実際のニーズに応じて定めることができ、例えば図２に示す６つであってもよい。

本発明のＭＥＭＳマイクロホンは、前記振動膜２上の隣接する２つの櫛状部２２の間の位置は、第一絶縁層３を介して基板１上に接続され、かつ前記振動膜２上の櫛状部２２は少なくとも部分的に基板１と重なり合う。振動膜２と基板１との間の接続点は隣接する２つの櫛状部２２の間に位置し、櫛状部２２の領域と基板１との間には第一絶縁層３がないため、櫛状部２２の領域と基板１との間にある程度の隙間を有し、該隙間は空気流を通過させるための空気流チャネル６として構造される。該隙間の寸法は例えば１−２μｍであってもよく、具体的にはＡＳＩＣチップが提供するバイアスに応じて定められる。

図１は本発明のマイクロホンの振動膜２と基板１との接続位置の断面図であり、図４は本発明のマイクロホンの振動膜２の櫛状部22位置に沿う断面図である。振動膜２のエッジの櫛状部２２領域は基板１の上方にサスペンションされており、それにより囲まれた空気流チャネル６はマイクロホンの外側まで連通することができ、圧力逃しを容易にする。

当業者では、ＭＥＭＳマイクロホンは、レイヤーバイレイヤーデポジション、レイヤーバイレイヤーエッチング及びおよびそれに続く腐食によって得られる。即ち、振動膜層の下方は本来全体的に第一絶縁層であった。櫛状部２２と基板１との間の第一絶縁層はリリースバルブフラップ２２０の間の隙間によって腐食することができる。本発明は、好ましくは、前記リリースバルブフラップ２２０上に犠牲穴221が設けられ、図３に示すようである。該犠牲穴２２１の設置は第一絶縁層の迅速な腐食に役立つだけでなく、さらにリリースバルブフラップ２２０自体の圧力逃し能力を向上させることもできる。

本発明の振動膜２は円形の振動膜であってもよく、本発明の好ましい一実施形態において、図２に示すように、前記振動膜２は振動膜本体２０及び振動膜本体２０のエッジに間隔を置いて分布する複数の接続部２１を含み、該接続部21は振動膜本体20のエッジに対して径方向に突起する状態となり、それにより振動膜２全体が歯車状となる。前記振動膜２の接続部２１は第一絶縁層３を介して基板１上に接続され、それにより振動膜２が全体的に基板１に支持、接続されることを達成する。

前記櫛状部２２は振動膜本体２０上の隣接する２つの接続部２１の間の位置に形成される。本発明の振動膜本体２０、接続部２１、櫛状部２２はいずれもエッチングにより同一振動膜層上に形成することができ、このようなＭＥＭＳプロセスは当業者の公知の技術であり、ここでは具体的に説明しない。

本発明の空気流チャネル６は、その構造設計により、三種類の動作状態を有し、図４から図６に示すようである。

図４は本発明の空気流チャネル６の第一動作状態を示し、振動膜２が正常な動作状態にある時、空気流が空気流チャネル６を通って流出し、それによりマイクロホンの低周波性能を制御するというニーズを満たす。

図５に本発明の空気流チャネル６の第二動作状態を示し、振動膜２にわずかのオーバーロード音圧、例えば０．２−０．４ＭＰａのオーバーロード音圧がかかる場合、振動膜２上の櫛状部２２が膨出し、それにより空気流チャネル６はフレア構造を形成し、迅速に圧力を逃して、振動膜２がオーバーロード音圧によって損傷しないように保証する。

図６は本発明の空気流チャネル６の第三動作状態を示し、振動膜２に大きなオーバーロード音圧、例えば０．４−０．８ＭＰａのオーバーロード音圧がかかる場合、振動膜２のエッジは一部のみが基板１と接続されるため、大きなオーバーロード音圧は振動膜２に圧力をかけて変位させ、それにより最大の圧力逃げ道を提供し同時に振動膜２上の櫛状部２２が膨出し、それにより空気流チャネル６はフレア構造を形成し、迅速に圧力を逃して、振動膜２がオーバーロード音圧によって損傷しないように保証する。

本発明のマイクロホンは、振動膜２の櫛状部２２領域と基板１との間において外部に連通する空気流チャネル６が形成されるため、振動膜２にかかる音圧は該空気流チャネル６を介して迅速に圧力を逃すことができ、迅速にマイクロホン内側と外側チャンバの空気圧のバランスをとる。また空気流チャネル６は自身の受けた圧力状況に応じて変形でき、それにより受けたオーバーロード音圧に応じて空気流チャネルの寸法をリアルタイムで調整でき、振動膜２を保護するための圧力逃げ道を提供する。

本発明の空気流チャネルはさらにＭＥＭＳマイクロホン低周波特性の制御を実現する。また、振動膜２の構造設計により、該空気流チャネル６はマイクロホンの耐衝撃性を大幅に向上させ、かつ効果的に粉塵、微粒子を遮断でき、粉塵と微粒子が侵入して自体のチップを損傷することを避ける。

本発明のマイクロホンは、振動膜２上の櫛状部２２と基板１との重なり合う寸法が空気流チャネル６の横方向の長さを決定する。前記櫛状部２２は部分的に基板１と重なり合ってもよい。好ましくは、前記櫛状部２２全体が基板１と重なり合っている。

より好ましくは、前記振動膜２上の櫛状部２２から振動膜２の中心までの間の部分が基板１と重なり合っている。即ち、櫛状部２２全体が基板１と重なり合っているだけでなく、振動膜２上の櫛状部２２から振動膜２の中心までの間の領域も部分的に基板１の上方まで延在し、かつ空気流チャネル６の形成に関与する。これは空気流チャネル６の横方向の寸法を大幅に延長し、大きなオーバーロード音圧がかかる時、振動膜２の全体的な変位駆動に役立ち、最大の圧力逃げ道を提供する。かつ長い空気流チャネル６は、効果的に粉塵と微粒子がチップの内部に侵入することを避けることができる。

本発明は好ましい実施形態で詳細に説明したが、当業者であれば、前述の研究から、様々な実施形態への変更および追加が明らかであり、出願人の意図はこれらすべての変更および追加が請求項の保護の範囲内にあることである。

Claims (10)

1. ＭＥＭＳマイクロホンであって、基板（１）及び基板（１）の上方に位置する振動膜（２）、背面電極（５）を含み、前記振動膜（２）のエッジ位置に、振動膜（２）の周方向に間隔を置いて分布する複数の櫛状部（２２）が形成され、前記振動膜（２）上の隣接する２つの櫛状部（２２）の間の位置は絶縁層を介して基板（１）上に接続され、前記振動膜（２）上の櫛状部（２２）は少なくとも部分的に基板（１）と重なり合い、両方の間に隙間を有しかつチャンネル（６）として構成されることを特徴するＭＥＭＳマイクロホン。
2. 前記振動膜（２）は、振動膜本体（２０）及び振動膜本体（２０）のエッジに間隔を置いて分布し、かつ振動膜本体（２０）のエッジに対して突起する複数の接続部（２１）を含み、前記櫛状部（２２）は、振動膜本体（２０）上の隣接する２つの接続部（２１）の間の位置に設けられ、前記振動膜（２）の接続部（２１）は、絶縁層を介して基板（１）上に接続されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
3. 前記振動膜本体（２０）と接続部（２１）はＭＥＭＳプロセスによって一体成形されることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
4. 前記各櫛状部（２２）は、振動膜（２）をエッチングして形成した少なくとも１つのリリースバルブフラップ（２２０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
5. 前記リリースバルブフラップ（２２０）は長方形、扇形、楕円形、台形またはＳ字型となることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
6. 前記リリースバルブフラップ（２２０）上に犠牲穴（２２１）が設けられることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
7. 前記振動膜（２）上の櫛状部（２２）から振動膜（２）の中心までの間の部分は、基板（１）と重なり合っていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
8. 前記振動膜（２）上の櫛状部（２２）の位置と基板（１）との間の隙間は、１−２μｍであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
9. 前記櫛状部（２２）の自由端は、振動膜（２）の外縁まで延在し、かつ前記振動膜（２）の外縁と面一になり、または振動膜（２）の外縁に対して窪んだ状態となることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
10. 前記櫛状部（２２）の自由端は、振動膜（２）の外縁に対して径方向に突起する状態となることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロホン。