JP7373642B1

JP7373642B1 - Ｍｅｍｓ素子及び電気音響変換装置

Info

Publication number: JP7373642B1
Application number: JP2022204656A
Authority: JP
Inventors: ボイド，ユアン
Original assignee: AAC Acoustic Technologies Shenzhen Co Ltd
Current assignee: AAC Technologies Holdings Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: JP2023174477A; CN217693710U; US11765509B1

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置を開示する。【解決手段】ＭＥＭＳ素子は、バックチャンバが貫通するベースと、対向して設置される第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムを含み、第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとの間に収容空間が形成される振動膜と、対電極と、複数の支持リングとを含み、各支持リングがいずれも同心に設置される複数の第１部分で構成され、隣接する２つの第１部分の間に第１切り欠きが形成され、少なくとも１つの支持リングにおいて、第１部分が同心に設置される複数の第２部分で構成され、隣接する２つの第２部分の間に第２切り欠きが形成される。支持リングは、第１部分と第１切り欠きとが交互に間隔を隔てて構成され、大きな第１部分を使用することにより、隣接する第１部分間の間隔が大きく、対電極に大量の貫通溝を必要とする技術課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、微小電気機械システムの技術分野に関し、特にＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置に関する。

従来技術において、二重膜構造のマイクロフォンが開発及び生産されており、該マイクロフォンは、２つ薄膜が対電極の対向する両側にある。これは２つ薄膜の間に密封可能な収容空間を形成し、外部環境に対して異なる圧力を有することができる。収容空間内の圧力を低下させると、該構造は、対電極に関連する自己ノイズ（ＭＥＭＳマイクロフォンにおける主なノイズ源）を顕著に低減する。

従来技術の２つ薄膜は、複数の小円柱体により支持されて接続されることにより、構造の倒壊を防止し、薄膜が大気の負荷で過度に変形することを防止するために、隣接する小円柱体の間に緊密な間隔を必要とし、５～２０ｕｍ程度離れる。

小円柱体は、対電極により接触せず、各小円柱体は、対電極において関連する貫通溝を有しなければならず、近すぎる小円柱体は、対電極の信頼性を低下させ、また、マイクロフォンの音響ダンピング及び容量の設計に対して重要な制限が提示されている。

本発明は、従来技術における技術課題を解決し、ＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、ＭＥＭＳ素子を提供し、
バックチャンバが貫通するベースと、
前記ベースに接続され、かつ前記バックチャンバを覆い、対向して設置される第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムを含み、前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムとの間に収容空間が形成される振動膜と、
前記収容空間内に設けられる対電極と、
前記収容空間内に同心に設けられ、振動方向に沿って対向する両端がそれぞれ前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムに接続され、前記振動膜の円心を中心として前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置される複数の支持リングとを含み、
各前記支持リングは、いずれも同心に設置される複数の第１部分で構成され、複数の前記第１部分は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの前記第１部分の間に第１切り欠きが形成され、
少なくとも１つの前記支持リングにおいて、前記第１部分は、同心に設置される複数の第２部分で構成され、複数の前記第２部分は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの前記第２部分の間に第２切り欠きが形成されている。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記第１部分と前記第２部分はいずれも弧状構造である。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記振動膜のエッジに近接する４つの前記支持リングにおいて、前記第１部分は、同心に設置される複数の第２部分で構成されている。

上記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記第１部分は、同心に設置される２つの第２部分で構成されている。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、隣接する２つの前記支持リング内の複数の前記第１切り欠きの位置は、いずれも一対一に対応し、かつ前記振動膜の径方向に沿って、複数の前記支持リング内の前記第１切り欠きの弧長は、徐々に増大する。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記第１ダイアフラムは、前記収容空間に向かって突出する複数の第１突起を含み、前記第２ダイアフラムは、前記収容空間に向かって突出する複数の第２突起を含み、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置され、複数の前記支持リング、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも一対一に対応し、前記支持リングの対向する両端は、それぞれ前記第１突起及び前記第２突起に接続されている。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムは、いずれも平面構造である。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記収容空間は、気密に密封され、前記収容空間の内部圧力は外部大気圧より小さい。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムは、いずれも導電材料で製造されるか又はその上に導電素子が設置された絶縁膜を含む。

前記のようなＭＥＭＳ素子であって、好ましくは、前記対電極は、単一の導体を含むことにより、前記第１ダイアフラムと前記単一の導体との間に第１容量が形成され、前記第２ダイアフラムと前記単一の導体との間に第２容量が形成されている。

本願はさらに電気音響変換装置を提供し、前述のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子と電気的に接続される回路装置とを含む。

従来技術に比べて、本発明は、複数の支持リングを利用して第１ダイアフラムと第２ダイアフラムを接続し、支持リングは、第１部分と第１切り欠きとが交互に間隔を隔てて構成され、大きい第１部分を使用することにより、隣接する第１部分間の間隔が大きくなり、対電極には、大量の貫通溝を設置する必要がある技術課題を解決し、一方で少なくとも１つの支持リングにおいて、第１部分は、第２切り欠きにより隣接する複数の第２部分に仕切られ、それにより対電極の剛性を補強する。

本発明の提供するＭＥＭＳ素子の軸測定図である。本発明の提供するＭＥＭＳ素子の平面図である。本発明の提供する支持リングの構成を示す模式図である。本発明の提供する第１種の振動膜構造の断面図である。本発明の提供する第２種の振動膜構造の断面図である。本発明の提供する電気音響変換装置の構成を示す模式図である。

以下に本発明の実施例を詳細に説明し、前記実施例の例示は図面に示され、終始同じ又は類似の符号は、同じ又は類似の素子又は同じ又は類似の機能を有する素子を示す。以下に図面を参照して説明した実施例は例示的なものであり、本発明のみを説明するために用いられ、本発明の制限と解釈することができない。

図１及び図２に示すように、図１は、本発明の提供するＭＥＭＳ素子の軸測定図であり、図２は、本発明の提供するＭＥＭＳ素子の平面図であり、本発明の実施例は、ＭＥＭＳ素子２００を提供し、ベース１０と、振動膜２０と、対電極４０と、複数の支持リング３０とを含み、
バックチャンバ１１は、ベース１０を貫通し、好ましくは、バックチャンバ１１の内輪郭面は、円形溝構造である。

振動膜２０は、ベース１０に接続され、かつバックチャンバ１１を覆う。振動膜２０は、対向して設置される第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２を含み、本実施例において、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２は、いずれも同心に設置される円形構造であり、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２との間に予め設定されるの隙間を維持して収容空間２３を形成する。第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２は、導電材料で製造されてもよく、又はその上に導電素子が設置された絶縁膜を含んでもよい。

対電極４０は、懸架状態で収容空間２３内に設置され、通常の状態で、対電極４０は、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２とに接触せず、かつ支持リング３０に機械的に結合されていない。

いくつかの実施例において、対電極４０は、単一の導体を含み、それにより第１ダイアフラム２１と単一の導体との間に第１容量が形成され、第２ダイアフラム２２と単一の導体との間に第２容量が形成される。第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２に加えられた圧力に応じて、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２は、対応する対電極４０に対して移動可能であり、それにより第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２と対応する対電極４０との間の距離を変更する。これにより、容量が変化し、かつそれに応じて電気信号を出力する。

図３に示すように、図３は本発明の提供する支持リングの構成を示す模式図であり、複数の支持リング３０は、いずれも環状構造であることが好ましく、複数の支持リング３０は、収容空間２３内に同心に設置され、複数の支持リング３０の振動膜２０に垂直な方向に対向する両端には、それぞれ第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２が接続され、複数の支持リング３０は、振動膜２０の円心を中心として振動膜２０の径方向に沿って間隔を隔てて設置され、振動膜２０の円心から離れるほど、支持リング３０の内径が大きくなる。

支持リング３０の作用は、第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２が平坦であるように保ち、又は各支持リング３０の間の第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２の湾曲／変形を少なくとも制限／制御することにより、収容空間２３の密封体積が低下した大気圧下にあり、外部が環境大気圧下にある時に、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２が互いに折り畳まれることを回避することである。

支持リング３０は、全体壁状構造であってもよく、内部にチャンバが設けられてもよく、チャンバ内には、充填材料が充填されてもよく、充填材料は、例えば酸化ケイ素などの酸化物であってもよい。又は、チャンバ内は空であってもよい。チャンバには、溝穴が開設されてもよく、それにより外部環境の空気又はエッチング溶液がチャンバ内に入ることを可能にして、充填材料を放出する。これにより、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２の柔順性を増加させ、また、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２との間のプレート間容量を減少させる。

いくつかの実施例において、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２には、同時に連通溝２４が設置され、対向して設置された連通溝２４は、支持リング３０のチャンバ内に充填された充填材料を完全に放出し、これは第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２との間に上下に貫通する通風口を作ることに相当し、それにより連通溝２４が位置する領域の膜の湾曲に対する柔順性を顕著に増加させることができる。第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２とにおける連通溝２４は、寸法及び形状が同じであってもよく、異なってもよく、ここで限定しない。

支持リング３０は、第１ダイアフラム２１および第２ダイアフラム２２の一方と一体に形成されてもよい。又は、第１ダイアフラム２１と第２ダイアフラム２２を一体に組み立てた後、両者の間に支持リング３０を形成する。

各支持リング３０は、いずれも同心に設置された複数の第１部分３１で構成され、対電極４０における第１部分３１に対応する箇所には、いずれも貫通溝が設置され、それにより支持リング３０が通過することを可能にし、第１部分３１の横断面が弧状を有することができる。又は、横断面は、直線形状、鋸歯形状又はそれに類似する形状を有してもよい。同一の支持リング３０内の複数の第１部分３１の内径は、いずれも同じであり、複数の第１部分３１は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの第１部分３１の間には、第１切り欠き３２が形成される。従来技術における小円柱体に比べて、本発明は、大きな第１部分３１を使用することにより、第１ダイアフラム３１及び第２ダイアフラム２２を支持することで、隣接する第１部分３１間の間隔が大きくなり、対電極４０に貫通溝を大量に開設する必要がある技術課題を解決し、対電極４０の設計と支持リング３０の設計を分け、また、第１部分３１は、従来技術における小円柱体より遥かに大きく、それにより同じアスペクト比の柱構造が遥かに高くなる。これにより、より厚い対電極４０を使用することができ、より硬い構造を可能にし、これはデバイスの安定性及び信頼性を顕著に向上させることができる。

なお、少なくとも１つの支持リング３０において、第１部分３１は、同心に設置された複数の第２部分３３で構成され、第２部分３３の横断面は、同様に弧状を有することができる。又は、横断面は、直線形状、鋸歯形状又はそれに類似する形状を有してもよい。同一の第１部分３１内の複数の第２部分３３の内径は、いずれも同じであり、複数の第２部分３３は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの第２部分３３の間には、第２切り欠き３４が形成される。対電極４０は、第２切り欠き３４において貫通溝を開設する必要がなく、それにより対電極４０の剛性を向上させる。

いくつかの実施例において、振動膜２０のエッジに近接する４つの支持リング３０において、第１部分３１は、同心に設置された２つの第２部分３３で構成され、２つの第２部分３３の間には、第２切り欠き３４が形成される。第２切り欠き３４が第１部分３１の中部に位置し、当業者であれば分かるように、１つの第１部分３１内に含まれる第２部分３３の数及び位置は、実際の状況に応じて適宜変更することができ、ここで限定しない。

続いて図１及び図２に示すように、隣接する２つの支持リング３０内の複数の第１切り欠き３２の位置は、いずれも一対一に対応し、かつ振動膜２０の径方向に沿って、複数の支持リング３０内の第１切り欠き３２の弧長が徐々に増大し、それにより隣接する第１部分３１間の隙間がより大きくなる。対電極４０は、第１切り欠き３２において、貫通溝を開設する必要がないため、対電極４０の剛性をさらに向上させる。

複数の支持リング３０内の第１切り欠き３２の弧長は、線形漸増を呈してもよく、又は非線形漸増を呈してもよく、すなわち第１切り欠き３２の弧長は、振動膜２０の円心からエッジまで徐々に変化し、第１部分３１間の隙間がより大きくなり、対電極４０の剛性を向上させることに役立つ。

図４及び図５に示すように、図４は、本発明の提供する第１種の振動膜構造の断面図であり、図５は、本発明の提供する第２種の振動膜構造の断面図である。

図４に示すように、いくつかの実施例において、第１種の振動膜構造内の第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２は、いずれも平面構造である。

図５に示すように、いくつかの実施例において、第２種振動膜２０構造内の第１ダイアフラム２１及び第２ダイアフラム２２は、いずれも波紋構造である。第１ダイアフラム２１は、収容空間２３に向かって突出する複数の第１突起２１１を含み、第２ダイアフラム２２は、収容空間２３に向かって突出する複数の第２突起２２１を含み、複数の第１突起２１１と複数の第２突起２２１は、いずれも振動膜２０の径方向に沿って間隔を隔てて設置され、複数の支持リング３０、複数の第１突起２１１及び複数の第２突起２２１は、いずれも一対一に対応し、支持リング３０の対向する両端には、それぞれ第１突起２１１と第２突起２２１が接続される。

好ましくは、第１突起２１１及び第２突起２２１の形状及び寸法はいずれも同じであり、それにより規則的な波紋を形成する。これにより、振動膜２０全体が受けた応力分布を均一にし、同時に成形加工に役立つ。また、第１突起２１１及び第２突起２２１の振動膜２０に垂直な方向における断面形状は、矩形状、台形又は三角形などであってもよい。第１突起２１１及び第２突起２２１の傾斜面の角度は０°より大きく、９０°以下である。当業者であれば分かるように、第１突起２１１及び第２突起２２１の振動膜２０に垂直な方向における断面形状は、規則的な図形であっても、不規則な図形であってもよく、ここで限定されない。

第１突起２１１と第２突起２２１は、共に振動膜２０の波紋を構成し、それにより振動膜２０は、大きな張力を有し、大きな音圧を受けることができ、同時に構成された振動膜２０は、小さい内部応力を有し、振動膜２０の剛性が減少し、ＭＥＭＳ素子２００の機械感度を効果的に向上させる。

好ましくは、収容空間２３は、気密に密封され、収容空間２３の内部圧力は、外部大気圧より小さい。また、収容空間２３の内部圧力は０．２ａｔｍよりも小さく、好ましくは、収容空間２３内の圧力は、０．１ａｔｍに等しい。いくつかの実施例において、収容空間２３は、真空である。

以上の実施例に基づいて、本発明は電気音響変換装置１００を提供し、図６に示すように、図６は、本発明の提供する電気音響変換装置の構成を示す模式図であり、電気音響変換装置１００は、前述のＭＥＭＳ素子２００及びＭＥＭＳ素子２００に電気的に接続された回路装置３００（ＡＳＩＣ）を含み、電気音響変換装置１００は、マイクロフォン又はスピーカなどであってもよい。

以上は図面に示す実施例に基づいて本発明の構造、特徴及び作用効果を詳細に説明し、以上の記載は本発明の好ましい実施例だけであるが、本発明が図面で示された実施範囲を限定しなく、本発明の構想に応じて行われた変更、又は同等変化の等価実施例に修正することができ、依然として明細書及び図面に含まれる精神を超えない場合、いずれも本発明の保護範囲内にあるべきである。

１０－ベース
１１－バックチャンバ
２０－振動膜
２１－第１ダイアフラム
２１１－第１突起
２２－第２ダイアフラム
２２１－第２突起
２３－収容空間
２４－連通溝
３０－支持リング
３１－第１部分
３２－第１切り欠き
３３－第２部分
３４－第２切り欠き
４０－対電極
１００－電気音響変換装置
２００－ＭＥＭＳ素子
３００－回路装置

Claims

ＭＥＭＳ素子であって、
バックチャンバが貫通するベースと、
前記ベースに接続され、かつ前記バックチャンバを覆い、対向して設置される第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムを含み、前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムとの間に収容空間が形成される振動膜と、
前記収容空間内に設けられる対電極と、
前記収容空間内に同心に設けられ、振動方向に沿って対向する両端がそれぞれ前記第１ダイアフラムと前記第２ダイアフラムに接続され、前記振動膜の円心を中心として前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置される複数の支持リングとを含み、
各前記支持リングは、いずれも同心に設置される複数の第１部分で構成され、複数の前記第１部分は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの前記第１部分の間に第１切り欠きが形成され、
少なくとも１つの前記支持リングにおいて、前記第１部分は、同心に設置される複数の第２部分で構成され、複数の前記第２部分は、リング状で間隔を隔てて設置され、隣接する２つの前記第２部分の間に第２切り欠きが形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
前記第１部分と前記第２部分はいずれも弧状構造であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記振動膜のエッジに近接する４つの前記支持リングにおいて、前記第１部分は、同心に設置される複数の第２部分で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記第１部分は、同心に設置される２つの第２部分で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
隣接する２つの前記支持リング内の複数の前記第１切り欠きの位置は、いずれも一対一に対応し、かつ前記振動膜の径方向に沿って、複数の前記支持リング内の前記第１切り欠きの弧長は、徐々に増大することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記第１ダイアフラムは、前記収容空間に向かって突出する複数の第１突起を含み、前記第２ダイアフラムは、前記収容空間に向かって突出する複数の第２突起を含み、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置され、複数の前記支持リング、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも一対一に対応し、前記支持リングの対向する両端は、それぞれ前記第１突起及び前記第２突起に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムは、いずれも平面構造であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記収容空間は、気密に密封され、前記収容空間の内部圧力は、外部大気圧よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記第１ダイアフラム及び前記第２ダイアフラムは、いずれも導電材料で製造されるか又はその上に導電素子が設置された絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
前記対電極は、単一の導体を含むことにより、前記第１ダイアフラムと前記単一の導体との間に第１容量が形成され、前記第２ダイアフラムと前記単一の導体との間に第２容量が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
電気音響変換装置であって、請求項１に記載のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子と電気的に接続される回路装置とを含むことを特徴とする電気音響変換装置。