JP6580356B2 - 単一指向性ｍｅｍｓマイクロホン - Google Patents

Description

本発明は、マイクロホンエレメントが形成されたＭＥＭＳ音響チップを用いた単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンに関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）はＩＣの製造に適用される半導体微細加工技術を用いて基板上に微細な機械部品と電子回路を集積することによって製造された高機能デバイスなどを意味する。従来のエレクトレットコンデンサマイクロホンに代わる小型マイクロホンとしてＭＥＭＳ技術を適用して製造されたＭＥＭＳマイクロホンが提供されている。ＭＥＭＳマイクロホンは携帯電話やスマートフォンなどの携帯情報端末や車載機器などに多用されている。特にＭＥＭＳ音響チップを用いて単一指向性を実現するには、従来は特許文献１に記載の如く２個のＭＥＭＳ音響チップをケーシングに搭載していた。更に進んで１個のＭＥＭＳ音響チップをケーシングに搭載して単一指向性を実現したマイクロホンが特許文献２に記載されている。これに開示されたＭＥＭＳマイクロホンは、ケーシングに固定されたＭＥＭＳ音響チップを有し、ケーシングに２個の入射音孔が形成され、一方の入射音孔はＭＥＭＳ音響チップ内部に連通され、他方の入射音孔はケーシング内部に連通され、何れか一方の入射音孔には音響抵抗材が設けられている。これにより、外部からの音がケーシング内に入ったときＭＥＭＳ音響チップの振動板の振動板電極の表裏には圧力差が形成され、振動指向性の効果を達成する、とある。

日本国特開２０１３−０３１１４６号公報 中国特許公開１０２１３１１４０号公報

本発明者は１個のＭＥＭＳ音響チップを用いた単一指向性のＭＥＭＳマイクロホンについて検討した。特許文献２ではＭＥＭＳマイクロホンの何れか一方の入射音孔に音響抵抗材を設けているが、音響抵抗材はシート材とされる。音孔を布やスポンジなどのシート材で塞いで音響抵抗にするという考え方に基づいていると推察されるから、この音響抵抗は音孔サイズより僅かに大きく、音孔に近接配置されている。

ここで、ＭＥＭＳ音響チップを用いた単一指向性のＭＥＭＳマイクロホンの製造ではＭＥＭＳ音響チップ及び信号処理チップなどが搭載される基板にノイズ除去などのためのフェライトビーズ、容量素子及び抵抗素子などを実装することが必要であり、更には、ＭＥＭＳマイクロホンの基板を蓋で覆う場合に半田付けが必要な場合も有る。そのときの半田付けを効率化するには上記基板実装などにリフロー半田付けを用いるのがよいと考えられる。

しかしながら、シート材から成る音響抵抗を音孔の近傍に接着固定してある場合には、リフロー半田付け工程の熱で音響抵抗が変質したり、周囲で飛散したフラックスが付着して、音響抵抗に特性劣化を生ずる虞がある。リフロー半田付け工程の後に音響抵抗を接着固定しても、最後にＭＥＭＳマイクロホンの基板を蓋で覆う工程で半田付けを行えばフラックスの飛散による影響を無視することはできず、最終的には基板を蓋で覆う工程には接着を用いなければならなくなる。斯様に単一指向性を実現する従来のＭＥＭＳマイクロホンでは音響抵抗の構造がリフロー半田付けのような加熱雰囲気下での実装に適していないという点に起因する問題の有ることが本発明者によって見出された。

本発明の目的は、リフロー半田付けのような加熱雰囲気下での製造工程の適用に好適な単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンを提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。尚、本項において括弧内に記載した図面内参照符号などは理解を容易化するための一例である。

［１］＜凹陥部の表裏を連通音孔で連通した音響抵抗を用いて単一指向性を得る＞
本発明に係る単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン（１）は、ケーシング（２）にＭＥＭＳ音響チップ（６）と、信号処理チップ（５）と、音響抵抗体（４）とが収容され、前記ケーシングに第１音孔（７）と第２音孔（８）が形成されている。ＭＥＭＳ音響チップは、前記ケーシングに固定され、音を電気信号に変換するための振動板電極（２０Ａ）が形成される。前記信号処理チップは、前記ＭＥＭＳ音響チップからの電気信号を処理する。前記音響抵抗体は、天板と前記音響抵抗体の高さ方向に沿って形成された側壁とを含む凹陥状の凹陥部（４Ａ）と、前記側壁に繋がる開口縁と、からなり、かつ前記開口縁がケーシングに固定され前記凹陥部の奥部の前記天板に前記ケーシング内に連通する連通音孔（９）を有する。前記第１音孔は、前記ケーシングの外から前記ＭＥＭＳ音響チップ内に連通する。前記第２音孔は、前記ケーシングの外から前記音響抵抗体の凹陥部内に連通する。前記第２音孔から前記音響抵抗体の連通音孔までの距離は前記第１音孔からＭＥＭＳ音響チップの振動板電極までの距離以上に設定されている。

これによれば、後方で発生した音は先に第２音孔に入った後に第１音孔に入る。この場合、第２音孔から先に入って前記音響抵抗体により遅れてＭＥＭＳ音響チップの振動板電極の裏に達する音と第１音孔から後に入ってＭＥＭＳ音響チップの振動板電極の表に達する音との位相差は小さくされる。位相差が小さければ振動板電極の表裏に伝わった音は振動板電極の表裏で同時に生じたほぼ同量のエネルギーとして相殺されることにより、電気信号出力にはならない。一方、前方で発生した音は先に第１音孔に入った後に第２音孔に入る。この場合、第１音孔から先に入ってＭＥＭＳ音響チップの振動板電極の表に達する音に比べ、第２音孔から後に入った音は前記音響抵抗体により更に遅れて振動板電極の裏に達する。振動板電極の表裏に達する音の位相差によって振動板電極の表裏における音響エネルギーは相殺されずに電気信号として出力される。これによって前方の第１音孔から後方の第２音孔へ向う指向性を得ることができる。このとき、前記第１音孔からＭＥＭＳ音響チップの振動板電極までの距離が、基板にＭＥＭＳ音響チップを固定する際のフラックスが振動板電極を損傷する虞を回避するのと同様に、少なくともそれと同等の距離が前記第２音孔から前記音響抵抗体の連通音孔までの間に設定されている。したがって、ケーシングに音響抵抗体を固定する際のフラックスが連通音孔を塞いで音響抵抗が設計値からずれる虞を回避することができる。この点において、リフロー半田付けのような加熱雰囲気下での製造工程の適用に好適である。

〔２〕＜絞り加工された金属製の音響抵抗体＞
項１において、前記音響抵抗体は絞り加工で形成された金属製である。

これによれば凹陥部の形成が容易で、しかも半田付けに好適である。

〔３〕＜音響抵抗体はリフローにより基板に半田付け固定＞
項２において、前記ケーシングは基板と前記基板を覆って内部区間を形成する蓋体とを有し、前記基板は金属パターンが形成された基板材から成り、前記音響抵抗体はリフローによって前記基板に半田付け固定されている。

これによれば、音響抵抗体の基板へのリフロー半田付けに好適である。

〔４〕＜蓋体はリフローにより基板に半田付け固定＞
項３において、前記蓋体は金属パターンが形成された基板材からなり、前記蓋体はリフローによって前記基板に半田付け固定されている。

これによれば、ケーシングの組立と前記音響抵抗体の基板への装着をリフロー半田付け工程で一緒に行なうことも可能である。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。

すなわち、リフロー半田付けのような加熱雰囲気下での製造工程の適用に好適な単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンを提供することができる。

図１は本発明に係る単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンの一実施の形態を例示する側面断面図である。 図２は図１のＡ−Ａ断面の概略を示す断面図である。 図３は基板の表面に形成された金属パターンを例示する平面図である。 図４はＭＥＭＳ音響チップの縦断面を概略的に示す断面図である。

図１には本発明に係る単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンの一例が示される。同図に示される単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン１は、ケーシング２にＭＥＭＳ音響チップ６と、信号処理チップ５と、音響抵抗体４とが収容され、前記ケーシング２に第１音孔７と第２音孔８が形成されている。

ケーシング２は、基板２Ａと基板２Ａを覆って内部空間を形成する蓋体２Ｂとを有し、特に制限されないが、基板２Ａと蓋体２Ｂは所定の金属パターンが形成された基板材から成る。基板材には例えばガラスエポキシ樹脂基板などを採用することができる。図１の底面側から見た基板２Ａの表面を示す図３に例示されるように、基板２Ａの第１音孔７の周囲にはそれと同心でリング状の金属パターン１１が形成され、同様に基板２Ａの第２音孔８の周囲にはそれと同心でリング状の金属パターン１２が形成されている。１３は出力パッド、１４は電源パッドである。基板２Ａの表面の四隅には夫々方形状のグランドパターン１０が形成されている。特に図示はしないが、基板２Ａの裏面にはスルーホールを介してグランドパッド１０に接続するグランド端子、電源パッド１４に接続する電源端子、出力パッド１３に接続する出力端子が夫々設けられていると共に、上記金属パターン１２の裏側にも同様の金属パターンが形成されている。図示は省略するが、基板裏面にはノイズ除去などのためのフェライトビーズ、容量素子及び抵抗素子などを実装する金属パターンが形成される。更に、基板２Ａの裏面の周縁には図示を省略する金属パターンが形成され、この金属パターンは、蓋体２Ｂの端面に形成された図示を省略する金属パターンに臨み、双方に金属パターンが半田付けで互いに密着固定されて内部空間を形成している。両者の密着固定には半田に限らず熱硬化性接着剤などを用いて行ってもよい。

ＭＥＭＳ音響チップ６は、図４に例示されるように、半導体微細加工技術を用いて製作された、単結晶シリコンからなるシリコン基板２０、振動板２０Ａ、スペーサ２１、複数の貫通孔２３を設けた背電極２２を有し、容量型のマイクロホンエレメントを形成している。背電極２２には信号処理チップ５のバイアス電極からボンディングワイヤ１５を介してバイアス電圧が印加され、振動板２０Ａはボンディングワイヤ１６を介して信号処理チップ５の入力電極に結合される。

前記信号処理チップ５は所定の信号増幅特性を有すＭＯＳトランジスタなどで構成され、その増幅信号の出力端子は図１のボンディングワイヤ１９などを介して出力パッド１３に接続される。

音響抵抗体４は、凹陥状を呈する凹陥部４Ａの開口縁が基板２Ａに固定され、前記凹陥部４Ａの奥部にはケーシング２内に連通する連通音孔９を複数個有する。前記音響抵抗体４は例えば板厚が０．０５ｍｍ程度の銅合金板を絞り加工で形成した金属製である。連通音孔９は、特に制限されないが、プレス加工にて直径６０μｍで形成されている。図２に例示されるように連通音孔９は所定径の円周方向に複数個配列されている。

第１音孔７は、前記ケーシング２の外からＭＥＭＳ音響チップ６の内部に連通して、チップ基板２０側から振動板電極２０Ａに対向する。第２音孔８は、ケーシング２の外から音響抵抗体４の凹陥部４Ａ内に連通する。これによれば、後方（図１のＸ方向右側）で発生した音は先に第２音孔８に入った後に第１音孔７に入る。この場合、第２音孔８から先に入って前記音響抵抗体４により遅れてＭＥＭＳ音響チップ６の振動板電極２０Ａの裏（背電極２３側）に達する音と第１音孔７から後に入ってＭＥＭＳ音響チップ６の振動板電極２０Ａの表（チップ基板２０側）に達する音との位相差は小さくされる。位相差が小さければ振動板電極２０Ａの表裏に伝わった音は振動板電極２０Ａの表裏で同時に生じたほぼ同量のエネルギーとして相殺されることにより、信号処理チップ５への電気信号出力にはならない。一方、前方（図１のＸ方向左側）で発生した音は先に第１音孔に入った後に第２音孔に入る。この場合、第１音孔から先に入ってＭＥＭＳ音響チップの振動板電極２０Ａの表に達する音に比べ、第２音孔から後に入った音は前記音響抵抗体４により更に遅れて振動板電極２０Ａの裏に達する。振動板電極２０Ａの表裏に達する音の位相差によって振動板電極２０Ａの表裏における音響エネルギーは相殺されずに信号処理チップ５へ電気信号として出力される。これによって前方の第１音孔からの後方の第２音孔へ向う矢印Ｘ方向の単一指向性を得ることができる。

図１に例示されるように、第２音孔８から音響抵抗体４の連通音孔９までの距離Ｄ２は第１音孔７からＭＥＭＳ音響チップ６の振動板電極２０Ａまでの距離Ｄ１以上に設定され、若しくは双方の距離Ｄ１，Ｄ２が略等しくされている。例えばＭＥＭＳ音響チップ６や音響抵抗体４の外形を０．６ｍｍ〜１．２ｍｍ程度とすると、ＭＥＭＳ音響チップ６の距離Ｄ１は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、音響抵抗体４の距離Ｄ２は０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ、のような寸法の範囲で、上記関係を満足するものとされる。第１音孔７からＭＥＭＳ音響チップ６の振動板電極２０Ａまでの距離（エッチングで枠電極２０に形成された孔の深さ）Ｄ１は、基板２ＡにＭＥＭＳ音響チップ６を固定する際などに発生すると予想されるフラックスが振動板電極２０を損傷する虞を回避するのに十分な寸法になっている。この寸法Ｄ１には事実上そのような効果が期待されるというものであり、それだけを考慮して当該寸法Ｄ１が決定されている訳ではない。実際には薄いシリコン基板をエッチングして更に薄い振動板２０Ａを形成するから、振動板２０Ａの厚さに比べて基板２０には全体としてある程度の剛性を確保するのに必要な厚さが必要になり、その差に応じてＤ１を決定したとき、その寸法Ｄ１が、フラックスによる振動板電極２０の損傷回避に必要な距離であれば足りる。

少なくともその距離Ｄ１と同等の距離Ｄ２が第２音孔８から前記音響抵抗体４の連通音孔９までの間に設定されているから、基板２Ａに音響抵抗体４を半田などによって固定する際に発生すると予想されるフラックスが連通音孔９を塞いで音響抵抗が設計値からずれる虞を回避することができる。この点において、リフロー半田付けのような加熱雰囲気下での組立工程を採用する場合に好適である。

ここで単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン１の組立方法について説明する。基板２Ａの表面には図３に例示されるように必要なパターン１０〜１４が形成され且つ第１音孔７及び第２音孔８が形成されている。特に制限されないが、全てのパターン１０〜１４は銅又はアルミニウムなどを材料とする。パターン１１の裏面には例えば耐熱接着剤を用いてＭＥＭＳ音響チップ６を固定する。基板２Ａの中央部には例えば耐熱接着剤を用いて信号処理チップ５を固定する。信号処理チップ５の信号入力電極及びバイアス電極をワイヤボンディングでＭＥＭＳ音響チップ６に接続する。信号処理チップ５のグランド電極、信号出力電極、電源電極をボンディングワイヤ１７，１８，１９で基板２Ａの表面の所定のパッド１０、１３、１４に図示しないスルーホールを介して電気的に結合された基板２Ａの裏面の電極に接続する。パターン１２の裏面の金属パターンには例えばクリーム半田を塗布し、その上に音響抵抗体４を載置して仮付けする。その他、基板２Ａの裏面にはノイズ除去などのためのフェライトビーズ、容量素子及び抵抗素子などが実装用の対応金属パターンに装着される。また、蓋体２Ｂの基板２Ａに臨む端面に銅又はアルミニウムなどを材料とする金属パターンが形成されていて、その表面に例えばクリーム半田を塗布し、基板２Ａの上に蓋体２Ｂを被せた状態で、全体を加熱し、所謂リフロー半田付けを行う。これにより、基板２Ａに音響抵抗４やノイズ除去などのためのフェライトビーズ、容量素子及び抵抗素子などが固定され、基板２Ａに蓋体２Ｂが固定される。リフロー半田付けに際してその熱でクリーム半田や接着剤からフラックスなどの異物が飛散するが、前述のようにＭＥＭＳ音響チップ６には振動板電極２０に至るまでの高さ及び音響抵抗体４には貫通音孔９に至るまでの高さが所定の大きさに確保されているから、フラックスなどの異物の飛散によって振動板電極２０が損傷したり貫通音孔９が詰まったりする虞はなく、組立工程で単一指向特性が悪化する虞はない。

更に、ＭＥＭＳマイクロホンを機器に実装するときにもリフロー半田付けが行われるが、上記組立工程と同様に実装工程でも単一指向性が悪化する虞はない。

単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン１は１個ずつ個別に製造してもよいが、所謂多数個取りで製造してもよい。例えばｎ×ｍ個の多数個取りを想定すると、ベース材にｎ×ｍ個の基板２Ａを形成し、夫々の基板にＭＥＭＳ音響チップ６及び音響抵抗体４などを実装する。この後、部品実装後のベース材に、ｎ×ｍ個の蓋体２Ｂが形成された蓋材を位置決めして被せ、この状態で両者を加熱してリフロー半田付けを行う。これに寄ってベース材の各基板上には部品が半田付けされ、夫々に基板と蓋体が半田付けされる。この後、ダイシングによって夫々に単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンを切り出せばよい。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、組立手順は、音響抵抗体４、フェライトビーズ、容量素子、及び抵抗素子などをリフロー半田付けで固定した後、ＭＥＭＳ音響チップ６、信号処理チップ５を接着すると共に必要なボンディングワイヤを行い、最後に蓋体２Ｂを接着するようにしてもよい。また、第２音孔から音響抵抗体の連通音孔までの距離は第１音孔からＭＥＭＳ音響チップの振動板電極までの距離以上に設定されている点について、所期の作用効果が得られる範囲であればその距離関係が僅かに逆であっても、それは製造誤差と考えればよい。また、配線にはボンディングを一部で用いたが、基板２Ａ上の配線パターンにチップの電極バンプをリフロー半田付けで結合固定する構成であってもよい。また、ＭＥＭＳ音響チップはバイアス型に限定されず、エレクトレット型であってもよい。

１ 単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン
２ ケーシング
２Ａ 基板
２Ｂ 蓋体
４ 音響抵抗体
４Ａ 凹陥部
５ 信号処理チップ
６ ＭＥＭＳ音響チップ
７ 第１音孔
８ 第２音孔
９ 連通音孔
１０ グランドパッド
１１ 導電パターン
１２ 導電パターン
１３ 出力パッド
１４ 電源パッド
１５，１６，１７，１８，１９ ボンディングワイヤ
２０ 枠基板
２０Ａ 振動板
２１ スペーサ
２２ 背電極
２３ 貫通孔

Claims (4)

1. ケーシングにＭＥＭＳ音響チップと、信号処理チップと、音響抵抗体とが収容され、前記ケーシングに第１音孔と第２音孔が形成された単一指向性ＭＥＭＳマイクロホンであって、
   前記ＭＥＭＳ音響チップは、前記ケーシングに固定され、音を電気信号に変換するための振動板電極が形成され、
   前記信号処理チップは、前記ＭＥＭＳ音響チップからの電気信号を処理し、
   前記音響抵抗体は、天板と前記音響抵抗体の高さ方向に沿って形成された側壁とを含む凹陥状の凹陥部と、前記側壁に繋がる開口縁と、からなり、かつ前記開口縁が前記ケーシングに固定され、
   前記凹陥部の奥部の前記天板に前記ケーシング内に連通する連通音孔が形成され、
   前記第１音孔は、前記ケーシングの外から前記ＭＥＭＳ音響チップ内に連通し、
   前記第２音孔は、前記ケーシングの外から前記音響抵抗体の凹陥部内に連通し、
   前記第２音孔から前記音響抵抗体の前記連通音孔までの距離は、前記第１音孔から前記ＭＥＭＳ音響チップの前記振動板電極までの距離以上に設定されている、単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン。
2. 請求項１において、前記音響抵抗体は絞り加工で形成された金属製である単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン。
3. 請求項２において、前記ケーシングは基板と前記基板を覆って内部区間を形成する蓋体とを有し、
   前記基板は金属パターンが形成された基板材からなり、
   前記音響抵抗体はリフローによって前記基板に半田付け固定されている、単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン
4. 請求項３において、前記蓋体は金属パターンが形成された基板材から成り、
   前記蓋体はリフローによって前記基板に半田付け固定されている、単一指向性ＭＥＭＳマイクロホン。

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