JP6867790B2

JP6867790B2 - 圧電型ｍｅｍｓマイクロフォン

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Publication number: JP6867790B2
Application number: JP2016238804A
Authority: JP
Inventors: 明瀬志本; 王義山崎; 藤原　宗; 宗藤原
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: JP2018098546A

Description

本発明は圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン、特に小型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンに関する。

従来から、例えば巨大な需要のあるスマートフォンには、小型で薄くかつハンダフロー時の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロフォンが多く使われている。
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９（Ｂ）はボトムポート型であり、この場合は、基板１側に開口６が設けられている。このボトムポート型では、上記基板１の開口６、トップポート型では、上記蓋２の開口３が音響信号圧力の入力ポートとなり、音響トランスデューサ４（振動板部分）を挟んでこれら開口３，６の反対側の閉空間がバックキャビティとなる。上記ＡＳＩＣ５は、アナログ増幅回路、バイアス電圧回路或いはアナログディジタル変換回路等を含んでおり、一般的なＭＥＭＳマイクロフォンは、ＭＥＭＳ音響トランスデューサ４とＡＳＩＣ５を小型のパッケージに実装した構成とされる。

このようなマイクロフォンによれば、トップポート型は蓋側の開口３から、ボトムポート型は基板側の開口６から入力された音響信号圧力が音響トランスデューサ４で捉えられ、この音響トランスデューサ４の中の振動板の振動が電気信号に変換されており、その後、ＡＳＩＣ５で処理された信号が出力される。

A. Dehe, M． Wurzer, M. Fuldner and U. Krumbein, "The Infineon Silicon MEMS Microphone," AMA Conferences 2013−SENSOR 2013， OPTO 2013, IRS 2 2013, pp.95−99, 2013. R. Littrell* and K. Grosh,"Noise minimization in micromachined piezoelectric microphones，"21st Int. Congress on Acoustic（ICA）, 2pEAa3, 2013.

ところで、上記音響信号圧力が入力された音響トランスデューサ４の反対側閉空間であるバックキャビティ１００では、音響トランスデューサ４の振動板の振動に応じで閉じ込められた空気が圧縮・膨張させられるため、音響的コンプライアンスとして働くことになる。

図９（Ｃ）に、マイクロフォンの音響等価回路を単純化したものが示されている。
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）。

特に、バックキャビティ１００の音響コンプライアンスはその容積に比例するため、ボトムポート型［図９（Ｂ）］に比べてバックキャビティ容積の小さいトップポート型［図９（Ａ）］の特性の大きな制限要因となっている。また、トップポート型ではバックキャビティ１００の容積がＭＥＭＳの基板（シリコン基板）１の厚みに比例するため、基板１を薄板化することを困難にしている。

また、ボトムポート型においても、パッケージを小型薄型化しようとすると、バックキャビティ１００の容積が小さくなるため、マイクロフォンの特性が犠牲となる。
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。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消し、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンは、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。

請求項２の発明は、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。

以上の構成によれば、音響信号圧力による振動板の振動が電気信号に変換され、この電気信号がセンス電極膜から出力されており、この電気信号を増幅回路で増幅してドライブ電極膜に帰還させると、音響信号圧力による振動に対して逆位相となる振動がドライブ用圧電膜から付加され、実効的に振動板の振動を（振幅）を抑制することが可能となる。

即ち、振動板の音響コンプライアンスＣm は、音響信号圧力Ｐamを受けた振動板により変位したバックキャビティの容積をΔＶとすると、
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。

本発明によれば、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消することができ、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンを実現することが可能となる。

本発明の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの基本的な原理を示す図である。第１実施例の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの具体的な構成（帰還回路）を示す図（音響トランスデューサ部分は図２ｂのＡ−Ａ断面図で一部をハッチングしたもの）である。第１実施例の音響トランスデューサ部分の平面図である。第１実施例の動作原理を示す説明図である。第２実施例の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの具体的な構成（帰還回路）を示す図（一部の断面をハッチングしたもの）である。第２実施例の音響トランスデューサ部分の平面図である。第１実施例における振動板音響コンプライアンスの圧電膜厚依存性を示すグラフ図である。第１実施例（圧電膜として窒化アルミニウムを使用した場合）の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を示すグラフ図である。第１実施例（圧電膜として窒化スカンジウムアルミニウムを使用した場合）の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を示すグラフ図である。第１実施例における信号雑音比の増幅回路利得幅依存性を示すグラフ図である。従来のＭＥＭＳマイクロフォンの実装形態［図（Ａ），（Ｂ）］と簡略化した音響等価回路［図（Ｃ）］を示す図である。

図１に、本発明の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの基本原理が示されており、図において、符号１１は複数の圧電膜を持つ振動板、１２はセンス電極、１３はドライブ電極、１４は増幅回路である。
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。

そして、上記センス電極１２から出力されたセンス信号は、増幅回路１４で増幅される。一般に、音響トランスデューサで変換された電気信号は、等価的出力インピーダンスが高く信号強度が小さいため、本発明では、増幅回路１４によりインピーダンス変換すると共に、増幅したドライブ信号を発生させ、ドライブ電極１３に帰還させる。このドライブ信号をドライブ電極１３に印加すると、音響（機械）電気変換の逆変換によって振動板１１に音響信号圧力と逆位相の機械的な抗力、即ち音響信号圧力が振動板１１を変形させる力を相殺する力が与えられる。図１では、増幅回路１４において、振動板１１の変形を相殺する力を与えるように、その極性及び増幅利得を選定することになる。

このようにして、所謂、負帰還の原理によりセンス信号を、概ねループ利得（増幅回路１４の利得だけでなく音響電気変換利得も考慮）分の１まで抑制することとなる。結果として、振動板１１の振動は抑制され、数式（２）で規定される振動板１１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）に対して十分小さく保つことができる。そのため、バックキャビティの容積を小さくしても感度や信号雑音比といったマイクロフォンの基本的特性を劣化させることがなく、マイクロフォンを小型薄型化したパッケージに実装することが可能となる。なお、ＭＥＭＳマイクロフォンの出力としては、増幅回路１４からの出力（ドライブ電圧信号）を用いるが、この際には、外部に取り出すためのバッファ回路やディジタル信号として取り出すためのアナログディジタル変換回路を付加してもよい。

図２ａに、第１実施例の具体的な構成（音響トランスデューサ部分は図２ｂのＡ−Ａ断面図）、図２ｂに、音響トランスデューサ部分の構成（上面から見た図）が示され、下記の表１には、各種の圧電膜材料の特性、性能が示されている。
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。

上記の圧電膜２１ａ，２１ｂは、下記の表１に示されるように、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）膜を用い、電極膜２２，２３としては例えばモリブデン（Ｍｏ）膜を用いている。なお、上記窒化アルミニウムとしたセンス用圧電膜２１ａとドライブ用圧電膜２１ｂとの結晶配向（圧電極性）は同一向きである。サポート膜２５としては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の誘電体薄膜、或いは圧電膜と同じ窒化アルミニウムを用いる。また、このサポート膜２５は、シリコン薄膜を用いてもよく、その場合には不純物をドーピングして導電性としてドライブ電極膜と兼用することも可能である。

図２ｂにも示されるように、この音響トランスデューサは、振動板（２１ａ，２１ｂ，２５）の下方の基板２７の中心部に、バックキャビティ又は音響信号圧力の入力ポートとなる貫通孔（下部空間）２００が形成されると共に、振動板の中央部に梁間ギャップ（切込み部）Ｇが形成されることにより、左右端の１辺で支持（３辺は開放）された片持ち梁構造となる。なお、実施例の振動板は、対向する２枚の長方形体から構成されているが、１辺が支持固定された複数の３角形や多角形、或いは円形の支持固定外周を持つ複数のくさび形から構成されていてもよい。

また、上記センス電極膜２２のセンス信号を入力する増幅回路２４が配置され、この増幅回路２４の出力信号は、ドライブ信号としてドライブ電極膜２３に帰還される。この増幅回路２４は、ＡＳＩＣ（特殊用途シリコン半導体集積回路）の中に組み込まれ、このＡＳＩＣと上記音響トランスデューサは、図９（Ａ），（Ｂ）に示すような小型パッケージに混載実装される。

このような第１実施例によれば、音響信号圧力によって振動板が振動することで、圧電効果によりセンス電極膜２２からセンス信号が出力される。このセンス信号を、増幅回路２４によって増幅してドライブ信号としてドライブ電極膜２３に帰還することにより、ドライブ用圧電膜２１ｂを介して逆圧電効果により機械的力が振動板に付加され、振動板の振動（振幅）が抑制される。

図３を用いて実施例の動作原理を説明する。
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。

上述のように、２層の窒化アルミニウムの圧電膜２１ａ，２１ｂには、引張応力が発生し、この引張応力のとき、センス電極膜２２に圧電効果により負の電圧が発生するように窒化アルミニウム薄膜の結晶方位（圧電特性）を選択（ｃ軸を基板に対して垂直で上向きに）選択する。
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。

上記ドライブ用圧電膜２１ｂは、センス用圧電膜２１ａとサポート膜２５で挟まれているため、図３のＥ2 で示されるように、ドライブ用圧電膜２１ｂには引張応力、センス用圧電膜２１ａとサポート膜２５にはその反作用として圧縮応力が発生する。即ち、帰還されたドライブ電圧によって、センス用圧電膜２１ａに音響信号圧力による引張応力とは逆の圧縮応力が発生し、増幅回路２４の利得を十分大きく取っておくと、センス信号が発生しない（仮想接地）ように両応力はセンス電極領域の平均値として相殺される。同時に、振動板には音響信号圧力による湾曲（下向き）と逆方向に湾曲（上向き）させようとする回転モーメントが働くため、振動板の変位は抑えられ、音響コンプライアンス（Ｃm ）が小さくなる。但し、音響コンプライアンスを十分小さくするためには、センス電極膜２２の支持端からの延伸長（梁の長さＬに対してαＬ）、ドライブ用圧電膜２１ｂの膜厚（振動板のトータル厚２Ｈに対してβＨ）及びセンス用圧電膜２１ａの膜厚（γＨ）を慎重に選定する必要がある。

一つの代表的な設計例は、以下のようになる。但し、サポート膜２５は圧電膜２１ａ，２１ｂと同じ窒化アルミニウムで構成し、電極膜２２，２３の膜厚を無視して近似解析したものとする。
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５には、ドライブ用圧電膜２１ｂの膜厚をパラメータにしてセンス用圧電膜２１ａの厚みを変化させたときの振動板の音響コンプライアンスの変化の計算値が示されており、図５に示されるように、例えばドライブ用圧電膜厚を０．３３ミクロン（β＝０．４）とした場合は、センス用圧電膜厚を同じく０．３３ミクロン（γ＝０．４）にすると、音響コンプライアンスを略０にすることができる。

図６には、上記の条件で増幅回路２４の利得を無限大として、従来構造と実施例構造の場合とで、信号雑音比のバックキャビティ容積依存性を計算したものが示されている。なお、比較対象の従来構造においても、実施例と同じサイズの片持ち梁として窒化アルミニウムを用い、振動板厚中心面（芯面ｓ）にリファレンス電極を設けると共に、圧電膜の最上面及び最下面にそれぞれセンス電極を上記最適延伸長として配置した（膜厚は０．３３ミクロン）。
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３ｍｍ^３の場合には従来構造の方が僅かによい。

また、両特性線は２．５ｍｍ^３でクロスし、ＭＥＭＳトランスデューサの開口部がバックキャビティとなるトップポート型ではバックキャビティ容積（シリコン基板厚≒０．６ｍｍ）は約０．６ｍｍ^３となり、実施例構造の方が約５．６ｄＢ優れる結果となった。シリコン基板２７の層厚を更に薄層化すると、両者の優劣はさらに顕著になり、実施例構造がＭＥＭＳマイクロフォンの小型薄層化を進めるのに適した構造であることが分かる。当然のことながら、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの特性は圧電材料の特性によって異なる。

表１に、代表的な圧電材料である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＡＩ_x-1Ｓｃ_ｘＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）について、マイクロフォン特性に影響を与えるヤング率、横圧電歪係数等の材料定数を比較したものを示す。

表１に示されるように、信号雑音比に対応した性能指数（ＦＯＭ）は、結合係数（ｋ_３１ ^２）と損失角（ｔａｎδ）の比で表され、この性能指数が大きい程、これに略比例した形で信号雑音比の向上が期待できる。酸化亜鉛やチタン酸ジルコン酸鉛に比べると窒化アルミニウムは６〜４０倍性能指数が大きく、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンには適した材料である。また、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム（ＡＩ_x-1Ｓｃ_ｘＮ）では、窒化アルミニウムより横圧電歪係数が向上することが知られている。例えば、スカンジウムの比率を３５％にした場合、性能指数が７倍程度向上することが期待できる。

図７に、圧電膜（２１ａ，２１ｂ）として、窒化スカンジウムアルミニウム（ＡＩ_x-1Ｓｃ_ｘＮ：ｘ＝０．３５）を用いた場合の信号雑音比のバックキャビティ容積依存性の計算結果（図６に対応した形）が示されている。平面寸法は、図６の値と同様であるが、振動板の共振周波数を２０ｋＨｚにするため、窒化スカンジウムアルミニウムのトータル膜厚を１．８６ミクロンと厚くし、α，β，γのパラメータは上記の値と同一とした。
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。

図８には、上記窒化スカンジウムアルミニウムを用いた場合の信号雑音比の増幅回路２４の利得依存性を計算した結果が示されており、これは、バックキャビティ容積が上記の０．６ｍｍ^３の場合と、基板２７を１００ミクロン以下まで薄層化した０．１ｍｍ^３の場合の２つの例を比較したものである。図８から、前者の０．６ｍｍ^３の場合は、利得５０ｄＢ以上、後者の０．１ｍｍ^３の場合でも、利得６７ｄＢ以上にすれば、信号雑音比の劣化を１ｄＢ以下に抑えられることが分かる。

また、第１実施例のドライブ電圧は、例えば４４ｍＶ／Ｐａ（−２７ｄＢＶ／Ｐａ）となる。ところで、等価的ドライブ電圧出力抵抗（ドライブ電圧の出力インピーダンス、ドライブ電極膜２３の抵抗及びリファレンス電極膜２６の抵抗の総和）とドライブ電極容量の積で規定される時定数の逆数に比例する高周波領域遮断周波数（ドライブ電圧遮断周波数）をマイクロフォンに要求される帯域より大きくする必要がある。例えば、マイクロフォンの帯域を１０ｋＨｚとし、ドライブ電圧遮断周波数を２０ｋＨｚとした場合、等価的ドライブ電圧出力抵抗を４５ｋΩより小さくする必要がある。この場合のドライブに要する消費電力は、要求される１２０ｄＢＳＰＬの音響信号圧力において消費電力は１７μＷと小さく、実用上問題とならない。

図４ａに、第２実施例の音響トランスデューサの構成（図４ｂの振動板の左側部分の断面図）、図４ｂに、音響トランスデューサ部分の構成（平面図）が示されている。第２実施例は、第１実施例と同様な長方形の振動板（片持ち梁構造）を対向して配置したものであるが、図４ｂに示されるように、左右の振動板の上側のセンス域を領域Ｉ〜IVに分割し、合わせて８つの領域を設け、隣接するセンス域間でセンス電極膜とリファレンス電極膜を直列に接続することで、センス電圧が重畳するように構成する。

図４ａにおいて、上側から符号の３２はセンス電極膜、３１ａはセンス用圧電膜、３６ａは基準電位が与えられるセンス用リファレンス電極膜、３８は絶縁膜（誘電体薄膜）、３６ｂは基準電位（接地５０）に接続されるドライブ用リファレンス電極膜、３１ｂはドライブ用圧電膜、３３はドライブ電極膜、３５はサポート膜であり、これらは、図２ａの場合と同様に、振動板としてシリコン基板上に順に積層配置され、ＭＥＭＳ製造技術を用いて製作される。上記センス電極膜３２、センス用圧電膜３１ａ及びセンス用リファレンス電極膜３６ａがセンス域、ドライブ電極膜３３、ドライブ用圧電膜３１ｂ及びドライブ用リファレンス電極膜３６ｂがドライブ域となる。

図４ｂにおいて、３７はシリコン基板、２００はこのシリコン基板３７に形成された貫通孔（下部空間）、４０ａはセンス信号出力パッド、４０ｂはセンス用リファレンスパッド、４１ａ〜４１ｅは配線である。第２実施例では、図４ａで説明したセンス域が８分割されており、センス信号出力パッド４０ａに配線４１ａを介して領域Ｉの左側のセンス電極膜３２を接続し、この領域Ｉのセンス用リファレンス電極膜３６ａに配線４１ｂで領域IIのセンス電極膜３２を接続するというようにして、８領域間のセンス用リファレンス電極膜３６ａとセンス電極膜３２を配線４１ｂ〜４１ｄで順に直列接続し、領域１の右側のセンス用リファレンス電極膜３６ａに配線４１ｅを介してセンス用リファレンスパッドを接続し、最終的にはセンス信号出力パッド４０a及びセンス用リファレンスパッド４０bを介して増幅回路（２４）を振動板に接続する。なお、ドライブ電極膜３３、ドライブ用圧電膜３１ｂ及びドライブ用リファレンス電極膜３６ｂからなるドライブ域は、分割される必要はなく、第１実施例と同様となっている。

また、上記センス用圧電膜３１ａ、ドライブ用圧電膜３１ｂとしては、例えば窒化アルミニウム膜や窒化スカンジウムアルミニウム膜、上記センス電極膜３２、ドライブ電極膜３３としては、モリブデンを用いる。窒化アルミニウム膜を用いる場合は、両圧電膜３１ａ，３１ｂの結晶配向（圧電極性）は同一向きとする。第１実施例と同様に、サポート膜３５及び絶縁膜３８としては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の誘電体膜又は窒化アルミニウムを用い、サポート膜３５としてシリコン薄膜を用いる場合は、不純物をドーピングして導電性としてドライブ電極膜３１ｂと兼用することも可能である。

第２実施例の音響トランスデューサにおいても、基板３７の中心部に貫通孔２００が形成され、振動板の中央部には梁間ギャップＧが設けられることにより、左右端の１辺で保持された片持ち梁構造となる。なお、振動板は、１辺が支持固定された複数の３角形や多角形、或いは円形の支持固定外周を持つ複数のくさび形から構成されていてもよい。

第２実施例によれば、センス電圧を重畳加算して８倍（１８ｄＢ）大きくすることができ、増幅回路（２４）の入力換算雑音や利得に対する要求条件を緩和することができる。例えば、図８に示した増幅回路に要求される利得を１８ｄＢ緩和することが可能となる。
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。

なお、上記実施例では、片持ち梁構造の振動板の例を示したが、両端が基板に支持固定された両持ち梁構造の振動板や外周が基板に支持固定された円板状の振動板の構造に上記実施例を敷衍して、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンを制作することができる。
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。

５…ＡＳＩＣ（特殊用途半導体集積回路）、
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

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。