WO2006013940A1 - 耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン - Google Patents

耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン Download PDF

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WO2006013940A1
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heat
electret condenser
film
temperature
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Inventor
Katsuhiro Makihata
Hiroshi Ogura
Yoshinobu Yasuno
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/01Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81BMICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0009Structural features, others than packages, for protecting a device against environmental influences
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10General applications
    • H04R2499/11Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the present invention relates to an outer-letter condenser microphone mounted on an information communication device such as a mobile phone.
  • FIG. 8 is a diagram showing a basic structure of an electret condenser microphone.
  • a protective face cloth 101 is a cloth arranged for the purpose of preventing the entry of dust and the like, and a cloth having excellent sound transmission properties such as a nonwoven fabric is used.
  • the fixed electrode 102 a metal or an electrode whose surface facing the vibrating membrane is subjected to conductive treatment is used.
  • the electret film 103 is a dielectric film installed on the fixed electrode 102, and generally FEP (propylene hexafluoride tetrafluoride) is attached to the fixed electrode 102 by heat fusion.
  • FEP propylene hexafluoride tetrafluoride
  • the vibration film 104 a metal thin film or a plastic film whose one surface is subjected to conductive treatment is used.
  • a diaphragm is bonded to the diaphragm supporting ring 105.
  • the spacer 106 is provided so that the vibrating membrane and the fixed electrode form and maintain a predetermined positional relationship.
  • the circuit component 107 is also configured with a force such as an FET or a resistor.
  • a circuit component 107 is mounted on the circuit board 108 by soldering or the like, and is used to convert a change in electrostatic capacitance between the diaphragm and the fixed electrode caused by vibration displacement of the diaphragm into an electric signal.
  • a preamplifier is formed and a terminal board and a bottom board are formed.
  • the spacer 109 forms a desired space between the fixed electrode 102 and the circuit board 108.
  • the casing 110 is made of a metal such as aluminum, which is made of conductive plastic, and the lower end is reinforced or bonded to form a housing and a shield case. I have a problem.
  • an electret condenser microphone The basic operation of an electret condenser microphone is to form a potential between the vibrating membrane and the fixed electrode, and take out the displacement of the vibrating membrane as an electrical output for sound pressure. By charging the electret layer with a charge, a high potential (several tens of volts) is maintained between the vibrating membrane and the fixed electrode. The displacement of the diaphragm due to the sound pressure can be taken out as a larger electric output.
  • electret condenser microphones have been mounted on a board mounted on a mobile phone or the like as a mounting part via a connector or the like, but in recent years, a reflow method using a microphone itself has been used to directly connect a mobile phone or the like. It is becoming necessary to mount it on the board.
  • Patent Document 1 a parallel-plate condenser microphone has been proposed using a micro-technology so that it can be adapted to Pb-free reflow.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-95093
  • Figure 9 shows the reflow temperature profile used when directly mounting on a substrate such as a mobile phone.
  • Pb-free reflow reflow using a solder material that does not contain Pb
  • Figure 9 shows a typical Pb-free reflow temperature profile.
  • heating is performed at 260 degrees for about 10-30 seconds, so the reflowed parts must have heat resistance that can withstand this.
  • FIG. 10 shows the experimental results of measuring the surface potential when heating an electrode with FEP (film thickness: 25 ⁇ m) as the electret.
  • the horizontal axis is the heating temperature (30 seconds), and the horizontal axis is the electret surface potential.
  • Figure 10 shows that a potential drop of about 20% was observed at a surface potential of 200 ° C, which was -25 OV at room temperature, and almost 90% disappeared at 300 ° C. This experimental result suggests that normal ECM cannot adapt to Pb-free reflow! /!
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an electret condenser microphone that can withstand high temperatures.
  • it is intended to provide a heat-resistant structure that can pass through a reflow solder bath for a short time when mounted on an applicable device, and can prevent the function from being impaired by high heat at that time.
  • the electret condenser microphone of the present invention covers the casing that accommodates the entire microphone phone on the outer surface of the casing with a coating material having low thermal conductivity. Especially when passing through a reflow solder bath, the thickness and thermal conductivity of the coating material are controlled so that the dielectric layer for forming the electret passes through the solder bath before reaching the charge dissipation temperature. By doing so, the deterioration of the dielectric layer due to the temperature rise is prevented.
  • This coating material is made of a material whose thermal conductivity is lower than that of metal, whose material alteration temperature is higher than the charge dissipation temperature of the dielectric layer for forming the inner electret, and whose material alteration temperature is higher than 260 ° C. By doing so, the internal temperature rise can be mitigated by the thermal resistance and the internal heat capacity.
  • the first electret condenser microphone of the present invention includes a vibrating membrane having conductivity on one side, a fixed electrode arranged to face the vibrating membrane via an air layer, the vibrating membrane or A dielectric layer serving as an electret for storing electric charge in one of the fixed electrodes, circuit means for converting the capacitance between the vibrating membrane and the fixed electrode into an electric signal, and the electric signal derived to the outside External connection means for performing, and a spacer for forming and holding a predetermined positional relationship between the vibrating membrane and the fixed electrode, and forming a space between the fixed electrode and the circuit means,
  • the outer surface of the casing has the induction temperature at which the deformation temperature becomes the electret. Higher than the charge loss temperature of the body layer, covered by a non-metallic material, and wherein the Rukoto.
  • the second electret condenser microphone of the present invention is made of a non-metallic material covering the housing.
  • Polyimide Polyimide, liquid crystal polymer, polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PEI), polyetheretherketone (PE)
  • EK polyether-tolyl
  • PPS poly-phenylene-sulfide
  • the third electret condenser microphone of the present invention is characterized by using polytetrafluoroethylene (PTFE) as a dielectric material for forming the electret.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the fourth electret condenser microphone of the present invention is made of polytetrafluoroethylene (Pt)
  • the film thickness of TFE is more than 3 times the particle size of PTFE.
  • a fifth electret condenser microphone of the present invention uses an oxide silicon film (SiO 2) as an electret forming dielectric material, and the oxide silicon film (SiO 2) is made of a silicon oxide film or less.
  • the structure is completely covered with an external insulator and the silicon oxide film (SiO 2) is not exposed to the atmosphere.
  • a sixth electret condenser microphone of the present invention has a silicon oxide film (SiO 2).
  • the spacer material is polyimide, liquid crystal polymer, polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyester-tolyl (PEN). ), Poly-phenylene sulfide (PPS), or any of these!
  • the present invention is applied to an electret condenser microphone that is frequently used in information communication equipment, and improves its performance, particularly heat resistance, eases handling restrictions when installing the electret condenser microphone, and improves convenience.
  • a high electret condenser microphone can be provided.
  • FIG. 1 Schematic diagram of a configuration representing the concept of the present invention.
  • FIG. 2 An electrical equivalent circuit representing the concept of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the temperature inside the housing of the electret condenser microphone of the present invention.
  • FIG. 4 Configuration diagram of the electret condenser microphone of the present invention.
  • FIG. 5 shows an electret according to the present invention.
  • FIG. 1 and 2 are schematic diagrams showing the concept of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the configuration
  • FIG. 2 is a diagram showing FIG. 1 as an electrical equivalent circuit.
  • the electret condenser microphone according to the first embodiment has a charge on the outer surface of the microphone casing 11 as the casing coating 1 and the electric charge of the dielectric layer whose deformation temperature becomes the electret.
  • polyimide which is a non-metallic material with high thermal resistance and high heat capacity that is higher than the dissipation temperature
  • the inside of the housing, especially the dielectric layer reaches the charge dissipation temperature when passing through the solder bath. It is characterized by being protected so as not to.
  • the component group in the housing is represented by 30.
  • the resistor represents 40 and the capacitor represents 50.
  • the left side of the resistor 40 corresponds to the input, that is, the external temperature
  • both ends on the right side of the capacitor 50 correspond to the internal temperature.
  • Fig. 3 shows the relationship between the temperature rise inside the housing of the electret condenser microphone having the configuration shown in Fig. 1 and the external temperature.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents temperature.
  • the curve indicating the temperature is a
  • the curve indicating the temperature inside the microphone case is b.
  • the heat resistance applied to the housing surface is high (low thermal conductivity; And the temperature rise is delayed due to the presence of the entire internal heat capacity.
  • the external temperature has a high temperature (260 ° C) holding time as short as 10 to 30 seconds as shown in the solder reflow temperature profile shown in Fig. 9. Will drop and the internal temperature will not rise to a high temperature (260 ° C).
  • the resistor 40 shows the thermal resistance due to the coating 1
  • the capacitor 50 shows the overall heat capacity including the housing 11, and the equivalent shown in Fig. 2. It can be confirmed that the circuit itself is a delay circuit for conducting heat from the outside, and that the inside of the housing does not rise as much as the outside temperature if the external high temperature time is short.
  • a sensor microphone can be realized.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams showing an embodiment of the present invention, where FIG. 4A is a perspective view and FIG. 4B is a cross-sectional view.
  • the material of the coating film 1 that covers the housing is polyimide.
  • the electret condenser microphone of this example is an electret film that is a vibrating film having conductivity on one side.
  • a fixed electrode 3 disposed so as to face the electret film 4 through an air layer, and a spacer disposed so that the electret film 4 and the fixed electrode 3 form and hold a predetermined positional relationship.
  • 7 and a spacer 12 that forms a space between the fixed electrode 3 and the circuit board 9 constituting the circuit means so that only the wiring pattern 10 as the external connection means is exposed.
  • the protective face cloth 2 is formed on the case 11 covered with the coating film 1, and the fixed electrode 3, the electret film 4, the vibration film 5, the vibration film support ring 6, Spacer 7, powerful circuit components 8 such as FETs and resistors
  • the wiring pattern for connection to another substrate provided on the circuit board 9 is 10, and is connected to the other substrate by solder during the reflow process.
  • the spacer 12 forms a desired space between the fixed electrode 3 and the circuit board 9.
  • the coating film 1 is made of polyimide.
  • polyimide liquid crystal polymer, polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyester ter-tolyl ( PEN), poly-phenylene sulfide (PPS), or composite materials
  • the deformation temperature of these materials is higher than the charge dissipation temperature of the dielectric material that forms the dielectric layer for forming the internal electret. Since it is a high-strength material, it can be used as a similar coating film.
  • These materials have melting points higher than the temperature acting on the microphone during reflow, as shown in the table below.
  • the maximum temperature during reflow is 260 ° C and the holding time is 10 to 30 seconds. When these materials are used, the microphone structure is not damaged.
  • a face cloth having a heat resistance of 260 ° C (for example, lanthanum non-woven fabric manufactured by Asahi Kasei Kogyo) is applied.
  • the material of the fixed electrode 3 is stainless steel or brass, and it is desirable to use the force PTFE that can be applied to FEP as the dielectric material constituting the electret film 4. The reason is that PTFE (melting point: 327 ° C, decomposition start temperature: about 390 ° C) has higher heat resistance than FEP (melting point: 250-280 ° C, decomposition start temperature: about 290 ° C)! /, Because.
  • the film thickness of PTFE is desirably at least 3 times the particle diameter of PTFE in order to form a high-quality film having no pinholes.
  • Fig. 7 is an explanatory diagram showing the reason why the particle size of PTFE is 3 times or more, and shows the state of the PTEF coating on the substrate.
  • the substrate is 18 and the PTFE particles are 19.
  • the PTFE film is sprayed on the substrate 18 in a liquid state in which a binder and PTFE particles are mixed to form a coating film. Thereafter, the binder is formed by drying.
  • the center particle size of PTFE is 1-10 m.
  • the electret film is twice as thick as the PTFE particle diameter
  • a gap is generated between the PTFE particles, and the PTFE film is a film with pinholes.
  • the PTFE film 19 may be in contact with each other to form a PTFE film without a pinhole. it can.
  • the material of the diaphragm 5 is a titanium foil, and its thickness is 2 m. Titanium is desirable as the material of the diaphragm support ring 6, but since titanium is a difficult material to process, stainless steel is selected and diaphragm 5 and diaphragm support ring 6 are made of thermoplastic conductive resin. It may be glued. Since thermoplastic conductive resin exhibits fluidity when heated, it absorbs the difference in thermal expansion between diaphragm 5 and diaphragm support ring 6 when the microphone housing body is heated. It can be configured to do so.
  • spacer 7 and spacer 12 are polyimide.
  • liquid crystal polymer polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), Ether-tolyl (PEN), poly-phenylene sulfide (PPS) !, slip, or composite.
  • the material of the housing 11 is aluminum, but it is not limited to aluminum, and may be a material such as stainless steel.
  • the bottom surface of the casing 11 is bonded to the circuit board 9 with a thermoplastic conductive resin.
  • the temperature of the material for assembling the microphone is increased by the effect of the internal heat capacity by delaying the conduction of heat to the inside of the short-time high-temperature environment imposed when passing through the solder reflow process. It is intended to suppress.
  • the present invention does not correspond to the case where the thermal equilibrium is achieved inside and outside in a high temperature environment for a long time, the object can be sufficiently achieved from the viewpoint of heat resistance against the Pb-free reflow process.
  • the present invention has the effect that it can be realized with only a slight modification to the conventional microphone production process, and is economical (microphone production cost). It ’s excellent.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
  • Example 1 the same effect can be obtained even when a silicon oxide film (SiO 2) is used in addition to the force PTFE in which PTFE is used as the electret film.
  • SiO 2 silicon oxide film
  • FIG. 5 is a diagram showing an electrode structure using an oxide silicon film as an electret film.
  • the vibration film includes a silicon substrate 13, an oxide silicon film 14 functioning as an electret, a silicon nitride film 15 covering the periphery of the oxide silicon film, a metal film 16 formed on the back surface of the silicon substrate 13, silicon It is configured to have holes 17 provided in the substrate 13! RU
  • the silicon oxide film 14 is preferably formed by a plasma CVD method or a low pressure CVD method. This is because the temperature during film formation can be set to 300 ° C or higher.
  • the film formation By carrying out the film formation at a temperature of 300 ° C or higher, it is possible to prevent contamination with unnecessary elements (for example, H and N). Although it is possible to form an oxide silicon film at 300 ° C or higher by sputtering, the sputtering of the oxide silicon film becomes Si 0 and becomes SiO.
  • the holes 17 are formed by wet etching or dry etching.
  • the feature of this embodiment is that the silicon oxide film 14 is completely covered with another insulating film (silicon nitride film 15 in this example).
  • the silicon oxide film has the property of adsorbing moisture in the atmosphere when exposed to the atmosphere.
  • electret films that store charges including not only silicon oxide films but other electret films such as FEP
  • FEP electret films that store charges
  • the silicon film will adsorb moisture in the atmosphere and the characteristics as an electret film will be deteriorated. Therefore, the present invention provides an oxide silicon film (SiO 2) as a silicon
  • FIG. 6 shows the electrification characteristics of the electret when the silicon oxide film 600 formed by low pressure CVD is completely covered with the silicon nitride film formed by low pressure CVD in the structure shown in FIG. FIG.
  • the thickness of the silicon nitride film was 200 nm on the bottom surface of the silicon oxide film and 200 nm on the top surface.
  • a metal film 16 composed of a two-layer film of titanium (aluminum: thickness 50 nm) and gold (Au: thickness 150) was formed.
  • 150 samples were formed.
  • the surface potential was measured by heating C for 30 seconds each.
  • the electret of the silicon oxide film was strong enough to prevent the charging potential from deteriorating by heating.
  • the silicon oxide film 14 By completely covering the silicon oxide film 14 with the silicon nitride film 15, it acts as a silicon nitride film force barrier, prevents moisture adsorption and degrades charging It is estimated that it worked to prevent this.
  • the configuration of the electret condenser microphone of the present invention makes it possible to produce a heat-resistant microphone that is economical and can be a surface-mountable electret condenser microphone. Useful for board production

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Abstract

 マイクロホン全体を収容している筺体を、筐体外面が熱伝導率が金属よりも低く、かつ材料変質温度が内部のエレクトレット形成用の誘電体層の電荷消失温度よりも高く、かつ材料変質温度が260°Cよりも高い材料によって覆うことにより、熱抵抗と内部全体の熱容量によって内部の温度上昇を緩和するもので、特に、適用機器に装着される際、リフローはんだ槽を短時間通過することがあり、そのときの高熱によって機能が損なわれるのを防止することのできる耐熱構造を提供する。

Description

明 細 書
耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン
技術分野
[0001] 本発明は、携帯電話などの情報通信機器に搭載されるエレ外レット型コンデンサ マイクロホンに関する。 背景技術
[0002] エレクトレットコンデンサマイクロホンは、 30年以上前に開発され、現在でも携帯電 話の構成部品などに、広く使用されている。
[0003] 図 8は、エレクトレットコンデンサマイクロホンの基本構造を示す図である。この図 8 において、保護面布 101はゴミなどの混入を防ぐことを目的に配置される布であって 不織布などの透音性の優れたものが用いられる。固定電極 102としては金属または 振動膜との対向面が導電処理されたものが用いられる。エレクトレット膜 103は固定 電極 102に設置される誘電体膜であり、一般に、 FEP (六フッ化プロピレン四フッ化工 チレン)が熱融着により固定電極 102に貼り付けられて用いられている。振動膜 104 は、金属薄膜あるいは一面が導電処理されたプラスチックフィルムが用いられる。振 動膜支持用リング 105は振動膜が接着されている。スぺーサ 106は振動膜と固定電 極が所定の位置関係を形成保持するように設けられている。そして、回路部品 107 は FET、抵抗器など力も構成されている。回路基板 108には、回路部品 107がはん だ付け等によって装着されており、振動膜の振動変位に起因する振動膜—固定電 極間の静電容量の変化を電気信号に変換するためのプリアンプを形成すると共に端 子盤と底面板とを構成している。スぺーサ 109は、固定電極 102と回路基板 108間 に所望の空間を形成するものである。筐体 110としては、アルミニウム等の金属ある Vヽは成型されたプラスチックを導電ィ匕したものが用いられ、下端部は力しめ加ェある いは接着等がなされてハウジングを形成すると共にシールドケースをかねている。
[0004] エレクトレットコンデンサマイクロホンの基本動作は、振動膜と固定電極の間に電位 を形成し、音圧に振動膜の変位を電気出力として取り出すものである。エレクトレット 層に電荷を着電することにより、振動膜と固定電極との間に高電位 (数十ボルト)を保 持し、音圧による振動膜の変位をより大きな電気出力として取り出すことができる。 従来より、エレクトレットコンデンサマイクロホンは、携帯電話等に搭載される基板に コネクタ一等を介して装着部品として搭載されてきたが、近年マイクロホン自身をはん だリフロー工法を用いて、直接携帯電話等の基板に実装することが必要になってきて いる。
また、近年では特許文献 1に示すように、 Pbフリーリフローに適応できるように、マイ クロマシユング技術を使って、平行平板型コンデンサマイクロホンの提案もなされて ヽ る。
[0005] 特許文献 1 :特開 2002— 95093
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、エレクトレツトイ匕した FEPの場合、加熱により電荷が抜けると!、う特性を 持つことが知られている。
図 9は、直接携帯電話等の基板に実装する際に用いられるリフローの温度プロファ ィルを示している。近年、 Pbフリーリフロー(Pbを含有しないはんだ材料を用いたリフ ロー)が望まれており、図 9は代表的な Pbフリーリフローの温度プロファイルである。 Pb フリーリフローでは、 260度において 10〜30秒程度の加熱がなされるため、リフロー される部品は、これに耐えうる耐熱性が必要とされる。
[0007] しかしながら一般のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、 Pbフリーリフロー温度に 対する耐熱性を有しない。図 10は、エレクトレットとして FEP (膜厚: 25 μ m)を形成し た電極を加熱した際の、表面電位を測定した実験結果である。図 10において横軸は 加熱温度(30秒間)、横軸はエレクトレットの表面電位である。図 10は、常温で— 25 OVであった表面電位力 200°Cにおいては約 20%の電位低下が見られ、また 300 °Cにおいてはほぼ 90%消滅低下していることを表している。この実験結果は、通常 の ECMが Pbフリーリフローに適応できな!/、こと示唆して!/、る。
[0008] 加熱により電荷が抜けるエレクトレットでは、リフローによる携帯電話への実装が困 難なため、近年では前述したように、 Pbフリーリフローに適応できるように、マイクロマ シユング技術を使って、平行平板型コンデンサマイクロホンの提案もなされて ヽる。 [0009] しかしながら、マイクロマシユングを用いて製作するマイクロホンは、マイクロマシ- ング技術が工程的には高価なカ卩ェ方法であるため、マイクロホン自体の価格を上昇 させてしまうと!、う問題がある。
[0010] 本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高温に耐え得るエレクトレットコンデ ンサマイクロホンを提供することを目的とする。特に、適用機器に装着される際、リフロ 一はんだ槽を短時間通過することがあり、そのときの高熱によって機能が損なわれる のを防止することのできる耐熱構造を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0011] 上記目的を達成するため、本発明のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、マイク 口ホン全体を収容している筐体を、筐体外面を、熱伝導性の低い被覆材料で被覆し ている。特にリフローはんだ槽を通過する際、エレクトレット形成用の誘電体層が、電 荷消失温度に到達する前に、はんだ槽を通過してしまうように、上記被覆材料の厚さ と熱伝導率を制御することにより、誘電体層の温度上昇による劣化を防止するもので ある。この被覆材料を、熱伝導率が金属よりも低ぐかつ材料変質温度が内部のエレ タトレット形成用の誘電体層の電荷消失温度よりも高ぐかつ材料変質温度が 260°C よりも高い材料とすることにより、熱抵抗と内部全体の熱容量によって内部の温度上 昇を緩和することができる。
[0012] すなわち、本発明の第 1のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、片面に導電性を 有する振動膜と、前記振動膜と空気層を介して対向するように配置された固定電極と 、前記振動膜もしくは前記固定電極の一方に電荷を蓄えるエレクトレットとなる誘電体 層と、前記振動膜と前記固定電極との間の静電容量を電気信号に変換するための 回路手段と、前記電気信号を外部に導出する外部接続手段と、前記振動膜と前記 固定電極が所定の位置関係を形成保持するとともに、前記固定電極と前記回路手 段との間に空間を形成するスぺーサとを有し、前記外部接続手段のみが露出するよ うに金属性の筐体に組み込まれるエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて、前 記筐体の外面が、変形温度が前記エレクトレットとなる前記誘電体層の電荷消失温 度よりも高 、非金属材料によって覆われて 、ることを特徴とする。
[0013] 本発明の第 2のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、筐体を覆う非金属性材料が 、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PE
EK)、ポリエーテル-トリル(PEN)、ポリフエ-レンスルフイド(PPS)のいずれ力、また はこの 、ずれかを含む複合材料であることを特徴として!/、る。
[0014] 本発明の第 3のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、エレクトレット形成用誘電材 料としてポリテトラフロロエチレン (PTFE)を用いたことを特徴として 、る。
本発明の第 4のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、ポリテトラフロロエチレン(P
TFE)の膜厚が、 PTFEの粒子径の 3倍以上であることを特徴としている。
[0015] 本発明の第 5のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、エレクトレット形成用誘電材 料として酸ィ匕シリコン膜 (SiO )を用い、かつ酸ィ匕シリコン膜 (SiO )をシリコン酸ィ匕膜以
2 2
外の絶縁体で完全に覆い、酸ィ匕シリコン膜 (SiO )を大気に露出させない構造である
2
こと特徴としている。
[0016] 本発明の第 6のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、酸化シリコン膜(SiO )をプ
2 ラズマ CVD (Chemical Vapor Deposition)もしくは減圧 CVDにて形成することを特徴と している。
[0017] 本発明の第 7のエレクトレットコンデンサマイクロホンは、スぺーサの材料が、ポリイミ ド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポ リエ一テル-トリル(PEN)、ポリフエ-レンスルフイド(PPS)のいずれ力、またはこれら の!、ずれかを含む複合材料であることを特徴として 、る。
発明の効果
[0018] 本発明は、情報通信機器に多用されるエレクトレットコンデンサマイクロホンに適用 され、その性能、特に耐熱性能を向上させ、エレクトレットコンデンサマイクロホンを装 着する際の取り扱いの制約を緩和し、利便性の高いエレクトレットコンデンサマイクロ ホンを提供することができる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の概念を表す構成の模式図
[図 2]本発明の概念を表す電気的等価回路
[図 3]本発明のエレクトレットコンデンサマイクロホンの筐体内部温度を表す図
[図 4]本発明のエレクトレットコンデンサマイクロホンの構成図 [図 5]本発明のエレクトレットを示す図
圆 6]本発明の効果を示す実験結果を示す図
圆 7]本発明の PTFEの塗膜を表す模式図
[図 8]エレクトレットコンデンサマイクロホンの代表的構造の模式図
[図 9]Pbフリーリフロープロファイルを示す図
[図 10]エレクトレットの加熱による着電劣化を示す図
符号の説明
1 筐体を覆うコーティング膜
2 保護 isi布
3 固定電極
4 エレクトレツ卜膜
5 振動膜
6 振動膜用支持リング
7 スぺーサ
8 回路部品
9 回路基板
10 配線パターン
11 筐体
12 スぺーサ
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態 1)
図 1と図 2は、本発明の概念を表す模式図であり、図 1は構成の模式的表示、図 2 は図 1を電気的等価回路にて表示したものである。本実施の形態 1のエレクトレツトコ ンデンサマイクロホンは図 1に示すように、マイクロホン筐体 11の外表面に、筐体のコ 一ティング 1として、変形温度が前記エレクトレットとなる前記誘電体層の電荷消失温 度よりも高ぐ熱抵抗が大きく熱容量の大きい非金属材料であるポリイミドを用いること により、はんだ槽を通過する際に、筐体内部、特に誘電体層が電荷消失温度に到達 しないように保護したことを特徴とするものである。ここで、筐体内の構成部品群は 30 で表わされており、図 2において、抵抗器は 40、コンデンサは 50を表している。また 抵抗器 40の左側が入力すなわち外部温度、コンデンサ 50の右側の両端が出力す なわち内部温度に相当する。図 2に示す電気的等価回路より、熱抵抗が大きぐ内部 の熱容量が大きいほど、内部温度の上昇が緩やかであることが理解できる。また図 3 は、第 1図の構成をもつエレクトレットコンデンサマイクロホンの筐体内部の温度上昇 と、外部温度との関係を示すもので、横軸は時間、縦軸は温度を表し、マイク筐体外 部温度を示す曲線は a、マイク筐体内部温度を示す曲線は bである。
[0022] 図 1の構成において、外部温度が上昇または下降したときには筐体表面に施され た熱抵抗の高 、 (熱伝導率の低 、;)コーティング 1によって筐体 11への熱伝導が遅 延されると共に、内部の全体の熱容量の存在のため、温度上昇が遅延されることとな る。一方、外部温度は、図 9で示したはんだリフローの温度プロファイルのごとぐ高温 (260°C)保持時間は 10秒から 30秒と短時間であるため、内外の熱平衡に達する以 前に外部温度が下降し、内部温度は高温(260°C)に上がることはない。この現象を 図 2に示す電気的等価回路を用いて考えれば、抵抗器 40はコーティング 1による熱 抵抗を示し、コンデンサ 50は、筐体 11を含む内部全体の熱容量を示し、図 2に示す 等価回路自体が、外部からの熱の伝導の遅延回路となっており、外部の高温である 時間が短時間であれば、筐体内部が外部の温度ほど上昇することはな 、ことが確認 できる。
[0023] 以上説明したように、図 3で示した筐体内部の温度曲線 bの最高温度でエレクトレツ トの電荷が抜けなければ、ある 、は若干の電荷抜けがあってもマイクロホン自体の性 能を大きく劣化させな 、のであれば、 Pbフリーリフローの耐熱性を有するエレクトレット コンデ
ンサマイクロホンが実現できることとなる。
[0024] 具体的な実施例を以下に述べる。
図 4は、本発明の実施例を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は断面図である。図 4に おいて、筐体を覆うコーティング膜 1の材質はポリイミドである。本実施例のエレクトレ ットコンデンサマイクロホンは、片面に導電性を有する振動膜であるエレクトレット膜 4 と、前記エレクトレット膜 4と空気層を介して対向するように配置された固定電極 3と、 前記エレクトレット膜 4と前記固定電極 3が所定の位置関係を形成保持するように配さ れるスぺーサ 7と、前記固定電極 3と前記回路手段を構成する回路基板 9との間に空 間を形成するスぺーサ 12とを有し、外部接続手段としての配線パターン 10のみが露 出するように金属性の筐体 11に組み込まれて 、る。このようにコーティング膜 1で被 覆された筐体 11上に保護面布 2が形成され、またこの筐体内部に固定電極 3、エレ タトレット膜 4、振動膜 5、振動膜用支持リング 6、スぺーサ 7、 FETや抵抗器など力 な る回路部品 8が
収納されており、回路基板 9上に固定されている。そして、この回路基板 9に設けられ た他の基板との接続用の配線パターンは 10で、リフロー処理の際にはんだにより他 の基板と接続される。スぺーサ 12は固定電極 3と回路基板 9間に所望の空間を形成 している。
[0025] 本実施の形態では、コーティング膜 1を、ポリイミドとしたが、ポリイミド以外にも、液 晶ポリマー、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポ リエ一テル-トリル(PEN)、ポリフエ-レンスルフイド(PPS)のいずれ力、または複合材 料であっても、これらの材料の変形温度が内部のエレクトレット形成用の誘電体層を 構成する誘電体材料の電荷消失温度よりも高 ヽ材料であることから、同様のコーティ ング膜として用いることができる。
これらの材料は、下表に融点を示すように、リフロー時にマイクロホンに作用する温 度より高い融点を有する。リフロー時の最大温度は、 260°Cであり、保持時間は 10〜 30秒であるため、これらの材料を使用した場合、マイクロホンの構造が損傷を受けな いという効果がある。
[0026] [表 1] 材料 融点
液晶ポリマー 2 8 0 °C
ポリイミド 無し (ガラス転移点: 3 1 5 °C)
P E I 3 6 5
P E E K 3 3 4 °C
P E N 2 6 2 t
P P S 2 7 8 °C
[0027] また、保護面布 2は、 260°Cの耐熱を有する面布 (たとえば旭化成工業製:ランタン 不織布)が適用される。また、固定電極 3の材料はステンレスもしくは真鍮であり、エレ タトレット膜 4を構成する誘電体材料としては、 FEPでも適用可能である力 PTFEの使 用が望ましい。その理由は、 PTFE (融点:327°C、分解開始温度:約 390°C)が FEP ( 融点: 250〜280°C、分解開始温度:約 290°C)よりも耐熱性が高!/、ためである。
[0028] また、 PTFEの膜厚は、ピンホールのない良質の膜を形成するためには、 PTFEの粒 子径の 3倍以上であることが望ましい。図 7は、 PTFEの粒子径の 3倍以上とする理由 を示す説明図であり、基板に対する PTEFの塗膜の状態を表している。図 7において 、基板は 18であり、 PTFEの粒子は 19である。 PTFE膜は基板 18に対し、バインダー と PTFE粒子を混合した液状の状態でスプレー等で吹き付けられ、塗膜として形成さ れる。その後バインダーを乾燥することにより形成される。一般的に PTFEの中心粒径 は 1〜10 mである。基板 18上に PTFEの粒子 19が 2層(すなわちエレクトレット膜が PTFE粒子径の 2倍の厚さ)の場合、 PTFEの粒子間に隙間が生じ、 PTFE膜としては ピンホールが存在する膜となる。
[0029] し力しながら、 PTFEの粒子 19が 3層(すなわちエレクトレット膜が PTFE粒子径 3倍 の厚さ)の場合、各々の PTFE粒子 19が接触しピンホールが無い PTFE膜とすることが できる。また、振動板 5の材料は、チタン (Ή)箔であり、その厚みは 2 mである。振動 板用支持リング 6の材料としてはチタンが望ましいが、チタンは加工が困難な材料で あることから、ステンレスを選択し、振動板 5と振動板支持リング 6を熱可塑性導電榭 脂を用いて接着してもよい。熱可塑性導電樹脂は、加熱した際、流動性を示すため、 マイク筐体本体が加熱されたときの振動板 5と振動板支持リング 6の熱膨張差を吸収 するように構成することが可能である。
[0030] スぺーサ 7とスぺーサ 12の材料は、ポリイミドである力 コーティング膜の材料選択 と同じ理由で、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド (PEI)、ポリエーテルエーテルケト ン(PEEK)、ポリエーテル-トリル(PEN)、ポリフエ-レンスルフイド(PPS)の!、ずれか、 または複合材料としても良い。筐体 11の材料は、アルミニウムとしてあるが、アルミ- ゥムに限定するものではなぐ洋白ゃステンレスなどの材料であっても良い。筐体 11 の底面は、回路基板 9に熱可塑性導電榭脂により接着されている。
[0031] 以上、図 4に示したようにエレクトレットコンデンサマイクロホンを構成し、図 9に示し たリフロー温度プロファイルにてはんだ付けを行い、感度特性を確認したところ、特性 になんら影響を受けず正常な特性を維持していることが判った。この結果は、耐熱型 のエレクトレットコンデンサマイクロホンが実現したことを示すものである。
[0032] 本発明は、マイクロホンを組み立てる材料を、はんだリフロー工程を通過するとき課 される短時間の高温環境に対し、内部への熱の伝導を遅延せしめて内部の熱容量 の効果で温度上昇を抑圧することを企図したものである。本発明は、長時間高温環 境下で内外が熱平衡の達する場合に対応するものではないが、 Pbフリーリフローェ 程に対する耐熱という観点では、 目的を充分に達成することができる。マイクロマシン グ技術を用いてマイクを製作する場合と比べると、本発明は、従来のマイクロホン製 造工程に若干の変更を加えるだけで実現できるという効果があり、経済性 (マイクロホ ン製作コスト)の点で優れて 、る。
[0033] (実施の形態 2)
本発明の第 2の実施の形態を示す。
実施例 1では、エレクトレット膜として PTFEを使用した例を示した力 PTFEのほかに シリコン酸ィ匕膜 (SiO )を使用しても、同様の効果を得ることができる。
2
図 5は、酸ィ匕シリコン膜をエレクトレット膜として使用した電極構造を示す図である。 筐体および他の周辺部品は前記実施の形態 1と同様に形成した。ここで振動膜は、 シリコン基板 13、エレクトレットとして機能する酸ィ匕シリコン膜 14、この酸ィ匕シリコン膜 の周りを被覆する窒化シリコン膜 15、シリコン基板 13の裏面に形成した金属膜 16、 シリコン基板 13に設けた空孔 17とを具備するように構成されて!、る。 [0034] ここで酸化シリコン膜 14は、プラズマ CVD法もしくは減圧 CVD法で形成するのが望 ましい。その理由は、成膜時の温度を 300°C以上とすることができるためである。 300 °C以上の成膜温度で実施することによって、不要な元素(たとえば Hや Nなど)の混入 を防ぐことができる。スパッタリングによっても 300°C以上での酸ィ匕シリコン膜の成膜 が可能ではあるが、スパッタリングは酸ィ匕シリコン膜の糸且成が Si 0となり、 SiOとなり
2 にくい。空孔 17は、ウエットエッチングまたは、ドライエッチングを使って形成する。本 実施の形態の特徴は、酸ィ匕シリコン膜 14を他の絶縁膜 (本例では窒化シリコン膜 15 )で、完全に覆うことにある。酸ィ匕シリコン膜は、大気に触れると大気中の水分を吸着 する性質がある。しかしながら、電荷を蓄えているエレクトレット膜 (酸ィ匕シリコン膜だ けでなく FEP等他のエレクトレット膜を含む)は、水分が付着したとき、エレクトレットの 電荷が抜けてしまう特性を持っている。このためエレクトレツトイ匕した酸ィ匕シリコン膜を 長時間露出させておくと、酸ィ匕シリコン膜が大気中の水分を吸着し、エレクトレット膜 としての特性が劣化することとなる。そこで本発明は、酸ィ匕シリコン膜 (SiO )をシリコン
2 酸ィ匕膜以外の絶縁体で完全に被覆し、酸ィ匕シリコン膜 (SiO )を大気に露出させない
2
構造とすることで、エレクトレットの特性劣化を防ぐものである。
[0035] 本発明者の実験によれば、酸ィ匕シリコン膜を露出させエレクトレットにする構造の場 合、常温放置でも着電した電荷が数時間から数十時間の間で抜けてしまった。しかし ながら、酸ィ匕シリコン膜を他の絶縁膜 (本例では窒化シリコン膜 15)で完全に覆うこと により着電劣化を防ぐことができることを見出した。
[0036] 図 6は、図 5で示す構造で、減圧 CVDにより形成した酸ィ匕シリコン膜 600應を、減圧 CVDにより形成した窒化シリコン膜で完全に覆ったときの、エレクトレットの着電特性 結果を示す図である。窒化シリコン膜の厚みは、酸ィ匕シリコン膜の底面に 200應、上 面に 200nm形成した。また、シリコン基板の裏面には、チタン (Ή:厚み 50nm)と金 (A u:厚み 150應)との 2層膜からなる金属膜 16を形成した。本実験は、形成した試料を 、 150。C、 260。C、 270。C、 280。C、 290。C、 300。Cを各 30秒間カロ熱して表面電位を 測定したものである。実験結果として、酸ィ匕シリコン膜のエレクトレットは加熱により着 電電位が劣化することがな力つた。酸ィ匕シリコン膜 14を窒化シリコン膜 15で完全に 覆うことにより、窒化シリコン膜力バリアとして作用し、水分の吸着を防止し、着電劣化 を防ぐ働きをしたものと推定される。
[0037] 本実施の形態の構造のエレクトレット膜付固定電極を実施の形態 1の構造のエレク トレットコンデンサマイクロホンに適用すれば、 Pbリフロー対応可能な耐熱エレクトレツ トコンデンサマイクロホンを製作することが可能となる。 産業上の利用可能性
[0038] 本発明のエレクトレットコンデンサマイクロホンの構成は、経済性の優れた、耐熱マ イク口ホンを製作可能となり、表面実装可能なエレクトレットコンデンサマイクロホンと することができるため、携帯電話や車載用途の回路基板製作の際に有効である

Claims

請求の範囲
[1] 片面に導電性を有する振動膜と、前記振動膜と空気層を介して対向するように配 置された固定電極と、前記振動膜もしくは前記固定電極の一方に電荷を蓄えるエレ タトレットとなる誘電体層と、前記振動膜と前記固定電極との間の静電容量を電気信 号に変換するための回路手段と、前記電気信号を外部に導出する外部接続手段と、 前記振動膜と前記固定電極が所定の位置関係を形成保持するとともに、前記固定 電極と前記回路手段との間に空間を形成するスぺーサとを有し、前記外部接続手段 のみが露出するように金属性の筐体に組み込まれるエレクトレットコンデンサマイクロ
AI ノ J l 、飞、
前記筐体の外面が、変形温度が前記エレクトレットとなる前記誘電体層の電荷消失 温度よりも高い非金属材料によって被覆された耐熱型エレクトレットコンデンサマイク 口ホン。
[2] 請求項 1に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、
前記筐体を被覆する前記非金属材料が、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルィ ミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテル-トリル(PEN)、ポリフ ェニレンスルフイド(PPS)の 、ずれか、またはこの 、ずれかを含む複合材料である耐 熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン。
[3] 請求項 1に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、
前記誘電体層がポリテトラフロロエチレン (PTFE)を含む耐熱型エレクトレットコンデ ンサマイクロホン。
[4] 請求項 3に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、
前記ポリテトラフロロエチレン (PTFE)の膜厚が、 PTFEの粒子径の 3倍以上である耐 熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン。
[5] 請求項 3に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、
前記誘電体層が酸化シリコン膜 (SiO )であり、前記酸ィ匕シリコン膜 (SiO )をシリコン
2 2 酸ィ匕膜以外の絶縁体で完全に覆い、酸ィ匕シリコン膜 (SiO )を大気に露出させないよ
2
うにした構造である耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン。
[6] 請求項 5に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、 前記酸化シリコン膜(Si〇 )はプラズマ CVD (Chemical Vapor Deposition)法もしくは
2
減圧 CVD法にて形成された耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホン。
請求項 1に記載の耐熱型エレクトレットコンデンサマイクロホンであって、 前記スぺーサの材料力 ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド (PEI)、ポリエ 一テルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテル-トリル(PEN)、ポリフエュレンスルフイド
(PPS)の!/、ずれか、またこの!/、ずれかを含む複合材料である耐熱型エレクトレットコン デンサマイクロホン。
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