JP6867790B2 - 圧電型memsマイクロフォン - Google Patents
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Description
図9(A),(B)には、従来のMEMSマイクロフォンの概略構成が示されており、図9(A)はトップポート型であり、この図の符号1は、パッケージの基板、2は蓋、3は蓋に開けられた開口(ポート)、4はMEMS音響トランスデューサ、5はASIC(特殊用途半導体集積回路)であり、100はバックキャビティである。
図において、入力音響信号圧力Pain は、振動板の音響コンプライアンスCm とバックキャビティの音響コンプライアンスCbcによって分圧され、振動板に印加される実効音響信号圧力Pamは、次の数式1で表される。
Pam = Cbc/(Cm +Cbc)×Pain … (1)
この数式(1)において、音響コンプライアンスCm が大きいと、実効音響信号圧力Pamは小さくなり、音響トランスデューサ4の実効感度や信号雑音比等のマイクロフォンにとって主要な特性を劣化させる原因となることは知られている(非特許文献1)。
以上のように、MEMSマイクロフォンでは、音響的制約からパッケージの小型薄型化が制限されているのが現状である。
一方、MEMSマイクロフォンの主な市場であるスマートフォンでは部品に対する小型薄型化の要求は年々厳しくなっている。近年注目されているスマートウオッチ等のウェアラブル端末市場では、スマートフォン以上の小型薄層化が求められているのは言うまでもない。
Cm = ΔV/Pam … (2)
で表される。
この数式(2)で分かるように、振動板の振動を抑制することにより容積ΔVを小さくすれば、振動板の音響コンプライアンスCm が小さくなり、上記数式(1)では、振動板の音響コンプライアンスCm をバックキャビティの音響コンプライアンスCbcに対して十分に小さく抑えることができ、その結果、上記数式(1)で表される実効音響信号圧力Pamをバックキャビティ容積に関わらず入力音響信号圧力Pain に略等しくすることが可能となる。
上記の振動板11は、例えばセンス電極側から入力される音響信号圧力によって振動変位し、その機械的振動がセンス電極12で電気信号(センス信号)に変換される。この音響信号を電気信号に変換する部分が音響トランスデューサと呼ばれている部分であり、MEMS製造技術を用いて例えばシリコン基板上に作製される。
図2aにおいて、符号21aはセンス用圧電膜(薄膜)、21bはドライブ用圧電膜(薄膜)、22はセンス電極膜(薄膜)、23はドライブ電極膜(薄膜)、25はサポート膜(誘電体薄膜)、26は、基準電位(接地50)に接続されるリファレンス電極膜(薄膜)であり、上記センス電極膜22、上記センス用圧電膜21a、リファレンス電極膜26、ドライブ用圧電膜21b、ドライブ電極膜23及びサポート膜25で振動板が構成される。27はシリコン(Si)基板である。この音響トランスデューサは、シリコン基板27に上記の各部材を順に積層して、MEMS製造技術を用いて製造される。
図3の上方から音響信号圧力が加わり、片持ち梁構造の振動板(圧電膜21a,21b及びサポート膜25)が下方(上に凸)に湾曲した場合を考える。図のE1 の部分に示されるように、振動板(梁)の上半分(圧電膜21a,21bを含む部分)には引張応力、下半分(サポート膜25)には圧縮応力が印加され、振動板の中心付近には応力の掛からない面(仮に芯面sとする)が存在する。なお、2層の圧電膜21a,21bはこの芯面sより上部に形成される。また、芯面sの高さ方向の位置は、振動板を構成する材料のヤング率等の材料力学的定数や膜厚によって異なるが、サポート膜25を同じ窒化アルミニウムで構成し、電極膜22,23,26の膜厚を無視した簡単な場合には、全体の厚さの中心面となる。
そして、発生したセンス電圧を増幅回路24で反転増幅し、ドライブ電極膜23に帰還すると、ドライブ用圧電膜21bには逆圧電効果によって縮もうとする作用が働き、振動板を上方(下に凸)に湾曲させようとする。
例えば、片持ち梁構造の振動板において、支持端からの長さ(延伸長L)を350ミクロン、幅を1400ミクロンとしたものを対向させて設置し、振動板の膜厚(2H)を1.68ミクロン(H=0.84ミクロン)としてその共振周波数を約20kHzに設定する。上記センス電極膜22の延伸長(αL)は、信号雑音比最適化の観点から154ミクロン(α=0.44)で固定する。
図6に示されるように、従来構造ではバックキャビティ容積を小さくするにつれて信号雑音比は急速に劣化する。これに対して、実施例構造では、信号雑音比はバックキャビティ容積を減少させても、略一定に保つことができる。従来構造は、センス電極が2倍になっているため、バックキャビティ容積が大きい所では、実施例構造より約3dB、信号雑音比が大きくなっており、ボトムポート型の標準的なバックキャビティ容積3mm3の場合には従来構造の方が僅かによい。
図7に示されるように、この場合は、バックキャビティ依存性は定性的には図6と同様であるが、信号雑音比の絶対値が約8dB改善する。
また、第1実施例と同様に、センス電極膜32の延伸長、センス用圧電膜厚とドライブ用圧電膜厚を慎重に選定すると、振動板の音響コンプライアンス(Cm )をバックキャビティ(例えば200)の音響コンプライアンス(Cbc)に比べて無視できる程度まで低く抑えることが可能で、信号雑音比や感度を損なうことなくバックキャビティ容積を小さくすることができる。
また、実施例では、センス用圧電膜31a、ドライブ用圧電膜31bを1つずつ配置したが、それぞれの圧電膜を上下方向で複数設けるようにしてもよい。
11…振動板、 12…センス電極、
13…ドライブ電極、 14,24…増幅回路、
21a,31a…センス用圧電膜、
21b,31b…ドライブ用圧電膜、
22,32…センス電極膜、
23,33…ドライブ電極膜、
25,35…サポート膜、 26…リファレンス電極膜、
27,37…シリコン基板、
36a…センス用リファレンス電極膜、
36b…ドライブ用リファレンス電極膜、
38…絶縁膜(誘電体膜)、
40a…センス信号出力パッド、
40b…センス用リファレンスパッド、
41a〜41e…配線、
200…貫通孔。
Claims (2)
- 音響信号圧力を圧電効果により電気信号に変換するセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を含む振動板、この振動板により生じた電気信号を出力するためのセンス電極、電気信号によって上記振動板に振動を付加するためのドライブ電極を有し、サポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるリファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置するMEMS音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする圧電型MEMSマイクロフォン。 - 検出域を複数の領域に分割し、それぞれの領域に、音響信号圧力を圧電効果により電気信号に変換するセンス用圧電膜及びドライブ用圧電膜を設けた振動板、この振動板により生じた電気信号を出力するためのセンス電極、電気信号によって上記振動板に振動を付加するためのドライブ電極を有し、分割領域のそれぞれのサポート膜の上に、ドライブ電極膜、上記ドライブ用圧電膜、基準電位を与えるドライブ用リファレンス電極膜、絶縁層となる誘電体膜、直列接続用のセンス用リファレンス電極膜、上記センス用圧電膜、及びセンス電極膜を順に積層配置し、この分割領域間の上記センス電極膜と上記センス用リファレンス電極膜の接続により、複数の分割領域を直列に接続して重畳した電気信号を出力するMEMS音響トランスデューサと、
上記複数の分割領域から出力された上記重畳した電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする圧電型MEMSマイクロフォン。
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