WO2010090070A1 - マイクロホンユニット - Google Patents

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WO2010090070A1
WO2010090070A1 PCT/JP2010/050588 JP2010050588W WO2010090070A1 WO 2010090070 A1 WO2010090070 A1 WO 2010090070A1 JP 2010050588 W JP2010050588 W JP 2010050588W WO 2010090070 A1 WO2010090070 A1 WO 2010090070A1
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WO
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microphone unit
sound
housing
sound hole
casing
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PCT/JP2010/050588
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French (fr)
Inventor
史記 田中
堀邊 隆介
岳司 猪田
Original Assignee
船井電機株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
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    • HELECTRICITY
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Definitions

  • the present invention relates to a microphone unit that converts sound pressure (for example, generated by sound) into an electric signal.
  • a microphone unit is applied to a voice input device such as a voice communication device such as a mobile phone or a transceiver, an information processing system using a technique for analyzing input voice such as a voice authentication system, or a recording device.
  • a voice input device such as a voice communication device such as a mobile phone or a transceiver
  • an information processing system using a technique for analyzing input voice such as a voice authentication system, or a recording device.
  • electronic devices have been miniaturized, and a microphone unit that can be reduced in size and thickness has been actively developed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the performance of the microphone unit be such that the target voice can be accurately extracted and noise (background noise, etc.) other than the target voice can be removed.
  • JP 2007-150507 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-200766 JP 2008-258904 A
  • an object of the present invention is to provide a high-quality microphone unit that is easy to manufacture.
  • a microphone unit of the present invention includes a diaphragm that vibrates due to sound pressure and converts an acoustic pressure into an electrical signal, and a housing that houses the electroacoustic conversion unit.
  • a lid unit having a first sound hole and a second sound hole and covering the casing, wherein the casing is formed of a laminated substrate that is laminated and integrated, and the casing Includes a recessed space in which the electroacoustic conversion unit is placed and communicated with the first sound hole, and a hollow space that communicates a bottom surface of the recessed space and the second sound hole, A first sound path extending from the first sound hole to the first surface of the diaphragm via the recessed space, and the first surface of the diaphragm from the second sound hole via the hollow space. And a second sound path that leads to the second surface, which is the back surface.
  • the microphone unit is configured to convert the sound pressure into an electric signal based on the difference in sound pressure applied to both surfaces of the diaphragm, and removes noise in a usage environment where noise is present to collect only the target sound. It is possible to make a sound. And since it is the structure which accommodates the electroacoustic conversion part which has a diaphragm, and the housing
  • the laminated substrate is an LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) substrate.
  • LTCC Low Temperature Co-fired Ceramic
  • the linear expansion coefficient of the multilayer substrate may be 3 ppm / ° C. or more and 5 ppm / ° C. or less.
  • this configuration can reduce the difference between the linear expansion coefficient of the electroacoustic transducer and the linear expansion coefficient of the housing.
  • the electroacoustic conversion unit is preferably a MEMS (Micro Electro Mechanical System) chip. Thereby, it is easy to realize a small and high-performance microphone unit.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • the housing may be provided with a positioning wall for positioning the electroacoustic transducer. According to this configuration, positioning when mounting the electroacoustic transducer in the housing is facilitated, and the manufacture of the microphone unit is facilitated.
  • the microphone unit configured as described above may further include an electric circuit unit that processes an electric signal obtained by the electroacoustic conversion unit, and the electric circuit unit may be placed in the recessed space.
  • the casing and the lid may be integrally formed.
  • the schematic perspective view which shows the structure of the microphone unit of this embodiment. 1 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG. Schematic plan view when the microphone unit of this embodiment is viewed from above with the lid removed Schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing example of a housing provided in the microphone unit of the present embodiment
  • seat which comprises the housing
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the microphone unit of FIG. 9 assembled.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing the configuration of the microphone unit developed by the present inventors before developing the microphone unit of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the microphone unit of FIG. 9 in an assembled state.
  • the microphone unit shown in FIG. 9 and FIG. 10 will be described as a “prior development microphone unit 100”.
  • the previously developed microphone unit 100 includes a first substrate 101, a MEMS (Micro Electro Mechanical System) chip 104, and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 105.
  • a substrate 102 and a lid 103 arranged on the second substrate 102 so as to cover the MEMS chip 104 and the ASIC 105 are provided.
  • the first substrate 101 has a groove 1011 formed in a substantially rectangular shape in plan view.
  • a first opening 1021 and a second opening 1022 are formed in the second substrate 102 on which the MEMS chip 104 and the ASIC 105 are mounted and a circuit pattern (not shown) is formed.
  • the lid 103 has a substantially rectangular outer shape in a plan view, and two sound holes 1032 and 1033 having a substantially elliptical shape in a plan view are formed in the top plate 1031.
  • a first space portion 1034 that communicates with the first sound hole 1032 and a second space portion 1035 that communicates with the second sound hole 1033 are formed inside the lid portion 103.
  • the previously developed microphone unit 100 is arranged, for example, such that the second substrate 102 on which the MEMS chip 104 and the ASIC 105 are mounted is bonded to the first substrate 101, and then the cover 103 is placed on the second substrate 102. Then, it is obtained by bonding the lid portion 103 and the second substrate 102.
  • an electrode terminal (not shown) provided on the first substrate 101 and an electrode terminal (not shown) formed on the back side of the second substrate 102 are electrically bonded by solder bonding, conductive paste, or the like.
  • the circuit pattern formed on the upper surface side of the second substrate 102 and the circuit pattern formed on the rear surface side are electrically connected by a through wiring (not shown) passing through the second substrate 102.
  • the first sound path 106 is formed which includes the first sound hole 1032 and the first space portion 1034 and guides the sound wave to the upper surface 1041a of the diaphragm 1041 of the MEMS chip 104.
  • a road 107 is formed.
  • the microphone characteristics may not be satisfactory.
  • the microphone unit of the present invention solves such problems.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of the microphone unit of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the microphone unit according to the present embodiment as viewed from above with the lid removed.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of manufacturing a housing included in the microphone unit of the present embodiment.
  • FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 5C, and FIG. 5D are schematic plan views for explaining an example of manufacturing a housing included in the microphone unit of this embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the MEMS chip provided in the microphone unit of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the circuit configuration of the ASIC included in the microphone unit of the present embodiment.
  • the microphone unit 1 of the present embodiment includes a housing 11, a lid 12, a MEMS chip 13, and an ASIC.
  • the casing 11 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape having an opening on the upper surface, the MEMS chip 13 and the ASIC 14 can be placed inside the upper surface, and the upper surface 132a of the vibration film (vibration plate) 132 of the MEMS chip 13. A space is formed on the lower surface 132b so as to guide sound waves.
  • the housing 11 is formed with a recessed space 111 that looks substantially rectangular when viewed from above (see FIGS. 2 and 3).
  • the MEMS chip 13 and the ASIC 14 are placed in the recess space 111.
  • the housing 11 includes a space extending downward from the bottom surface 111a of the concave space 111 (a mounting surface for the MEMS chip 13 and the like), and a substantially L-shaped space in cross-section connecting the space and the top surface.
  • a hollow space 112 is formed (see FIG. 2).
  • the casing 11 is composed of a laminated substrate which is laminated and integrated.
  • this multilayer substrate is an LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) substrate.
  • a wiring pattern necessary for operating the microphone unit 1 is also formed on the multilayer substrate constituting the housing 11.
  • the housing 11 provided in the microphone unit 1 includes a first sheet 21 (this sheet is also called a green sheet) 21, a second sheet 22, a third sheet 23,
  • the four sheets 24 are laminated from the bottom to the top in this order, and the laminate is integrated. Integration of the laminate is performed by firing the laminate at, for example, about 800 ° C to 900 ° C.
  • Each of the sheets 21 to 24 is perforated and printed with a pattern before lamination so that the recessed space 111, the hollow space 112, and the wiring pattern can be obtained in a laminated and integrated state.
  • FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 5C, and FIG. 5D show holes and wirings formed in the sheets 21 to 24.
  • FIG. 5A shows the upper surface of the first sheet 21
  • FIG. 5B shows the upper surface of the second sheet 22
  • FIG. 5C shows the upper surface of the third sheet 23
  • FIG. 5D shows the upper surface of the fourth sheet 24.
  • 5B, FIG. 5C, and FIG. 5D they are shown by broken lines so that the positional relationship between the MEMS chip 13 and the vibration film 132 placed on the housing 11 can be easily understood.
  • through holes 211, electrode pads 212, and wirings 213 are formed in the first sheet 21.
  • the through hole 211 is formed to connect electrode pads 212 (electrode pads formed below the first sheet 21 not shown) formed above and below the first sheet 21 by vias.
  • the electrode pad 212 and the wiring 213 are provided so that the connection between the MESM chip 13 and the ASIC 14, the supply of power to the ASIC 14, the output of an electrical signal from the ASIC 14, and the GND connection can be performed.
  • the second sheet 22 has a through hole 221 and a substantially rectangular through hole 222 in plan view.
  • the through hole 221 is provided for forming a three-dimensional circuit.
  • the through hole 222 is provided to form the hollow space 112.
  • the third sheet 23 is formed with a through hole 231, an electrode pad 232, a wiring 233, and through holes 234 and 235 having a substantially rectangular shape in plan view.
  • the through hole 231 is provided for forming a three-dimensional circuit.
  • the electrode pads 232 are provided for connection to electrode pads formed on the MEMS chip 13 and the ASIC 14 and for forming a three-dimensional circuit.
  • the through holes 234 and 235 are provided to form the hollow space 112.
  • the fourth sheet 24 has through holes 241 and 242 that are substantially rectangular in plan view.
  • the through hole 241 is provided to form the hollow space 112
  • the through hole 242 is provided to form the recessed space 111.
  • the laminated substrate formed by laminating and integrating the four sheets 21 to 24 is preferably designed so that the linear expansion coefficient thereof is as close as possible to the linear expansion coefficient of the MEMS chip 13.
  • the MEMS chip 13 is reflow-mounted, if the difference in linear expansion coefficient between the laminated substrate and the MEMS chip 13 is large, residual stress is easily applied to the MEMS chip 13 due to heating and cooling during reflow, which is not preferable. This is because the residual stress applied to the MEMS chip 13 is reduced.
  • the linear expansion coefficient of the laminated substrate is 3 ppm / ° C. or more and 5 ppm / ° C. or less.
  • the electrode pads and wirings formed on the sheets 21 to 24 are preferably formed of silver (Ag) or copper (Cu) which is a low resistance conductor.
  • the lid 12 is a flat plate having a substantially rectangular shape in plan view as shown in FIGS. 1 and 2, and two through-holes 121 and 122 penetrating between the upper surface and the lower surface are formed.
  • the material of the lid 12 is not particularly limited, but in the present embodiment, for example, metal or ceramic is used. Further, when the housing 11 is covered with the lid body 12, the first through hole 121 communicates with the recessed space 111 of the housing 11, and the second through hole 122 communicates with the hollow space 112 of the housing 11. It has become.
  • the two through holes 121 and 122 are provided as sound holes, one of which is expressed as a first sound hole 121 and the other as a second sound hole.
  • the shapes of the first sound hole 121 and the second sound hole 122 are substantially elliptical long holes in the present embodiment, but are not limited thereto, and may be changed as appropriate.
  • the distance between the centers of the first sound hole 121 and the second sound hole 122 is preferably large to some extent.
  • the center-to-center distance L becomes too large, the time difference until the sound wave emitted from the sound source reaches the vibrating membrane 132 through the first sound hole 121 and the second sound hole 122 becomes large.
  • the center-to-center distance L between the first sound hole 121 and the second sound hole 122 is preferably 4 mm or more and 6 mm or less, and more preferably about 5 mm.
  • the configuration of the MEMS chip 13 placed in the recessed space 111 of the housing 11 will be described with reference to FIG.
  • the MEMS chip 13 includes an insulating base substrate 131, a vibration film 132, an insulating film 133, and a fixed electrode 134, and forms a condenser microphone.
  • the MEMS chip 13 is manufactured using a semiconductor manufacturing technique, and is formed using silicon in this embodiment.
  • the MEMS chip 13 is an embodiment of the electroacoustic conversion unit of the present invention.
  • the base substrate 131 is formed with an opening 131a having a substantially circular shape in plan view, so that sound waves coming from the lower side of the vibration film 132 reach the vibration film 132.
  • the vibration film 132 formed on the base substrate 131 is a thin film that vibrates (vibrates in the vertical direction) in response to sound waves, has conductivity, and forms one end of the electrode.
  • the fixed electrode 134 is disposed so as to face the vibration film 132 with the insulating film 133 interposed therebetween. Thereby, the vibrating membrane 132 and the fixed electrode 134 form a capacitance.
  • a plurality of sound holes 134 a are formed in the fixed electrode 134 so that sound waves can pass through, so that sound waves coming from the upper side of the vibration film 132 reach the vibration film 132.
  • the sound pressure pf is applied to the upper surface 132a of the vibration film 132
  • the sound pressure pb is applied to the lower surface 132b.
  • the vibration film 132 vibrates according to the difference between the sound pressure pf and the sound pressure pb, and the gap Gp between the vibration film 132 and the fixed electrode 134 changes, and the static between the vibration film 132 and the fixed electrode 134 changes.
  • the capacitance changes. That is, the incident sound wave can be extracted as an electrical signal by the MEMS chip 13 functioning as a condenser microphone.
  • the vibrating membrane 132 is below the fixed electrode 134, but is configured to have an opposite relationship (relationship in which the vibrating membrane is above and the fixed electrode is below). It doesn't matter.
  • the ASIC 14 placed in the recessed space 111 of the housing 11 will be described with reference to FIG.
  • the ASIC 14 is an embodiment of the electric circuit unit of the present invention, and is an integrated circuit in which an electric signal generated based on a change in capacitance in the MEMS chip 13 is amplified by the signal amplifier circuit 143.
  • the charge pump circuit 141 and the operational amplifier 142 are included so that a change in capacitance in the MEMS chip 13 can be accurately obtained.
  • the gain adjustment circuit 144 is included so that the gain (gain) of the signal amplification circuit 143 can be adjusted.
  • the electrical signal amplified by the ASIC 14 is output to an audio processing unit on a mounting board (not shown) on which the microphone unit 1 is mounted and processed.
  • the microphone unit 1 composed of the components as described above is formed by flip-chip mounting the MEMS chip 13 and the ASIC 14 on the casing 11 formed integrally with the laminated substrate, and then covering the casing 11 with the lid 12 and joining.
  • the lid body 12 may be joined to the housing 11 with an adhesive, for example, or may be joined to the housing 11 by caulking.
  • the MEMS chip 13 and the ASIC 14 may be mounted by using, for example, wire bonding instead of flip chip mounting.
  • the MEMS chip 13 mounted on the housing 11 is arranged so as to cover an opening formed in the bottom surface 111a of the recessed space 111 (this indicates an opening for forming the hollow space 112). .
  • the first sound path 2 extending from the first sound hole 121 to the upper surface (first surface) 132a of the vibration film 132 through the recessed space 111
  • a second sound path 3 is formed from the second sound hole 122 to the lower surface (second surface) 132b of the vibration film 132 through the hollow space 112.
  • the sound wave travels from the first sound hole 121 to the upper surface 132 a of the vibration film 132, and the sound wave travels from the second sound hole 122 to the lower surface 132 b of the vibration film 132. It is preferable that the formation time is the same.
  • the sound pressure of sound waves (the amplitude of sound waves) is inversely proportional to the distance from the sound source.
  • the sound pressure attenuates rapidly at a position close to the sound source, and gradually decreases as the distance from the sound source increases.
  • the microphone unit 1 when the microphone unit 1 is applied to a close-talking voice input device, the user's voice is generated in the vicinity of the microphone unit 1. Therefore, the user's voice is greatly attenuated between the first sound hole 121 and the second sound hole 122, and the sound pressure incident on the upper surface 132 a of the vibration film 132 and the sound pressure incident on the lower surface 132 b of the vibration film 132. A big difference appears between and.
  • noise components such as background noise exist at a position where the sound source is farther from the microphone unit 1 than the user's voice. Therefore, the sound pressure of noise is hardly attenuated between the first sound hole 121 and the second sound hole 122, and is incident on the lower surface 132b of the vibration film 132 and the sound pressure incident on the upper surface 132a of the vibration film 132. There is almost no difference between sound pressure.
  • the vibrating membrane 132 of the microphone unit 1 vibrates due to a difference in sound pressure between sound waves that are simultaneously incident on the first sound hole 121 and the second sound hole 122.
  • the difference in sound pressure of noise incident on the upper surface 132a and the lower surface 132b of the vibration film 132 is very small, it is canceled out by the vibration film 132.
  • the difference in sound pressure between the user sounds incident on the upper surface 132a and the lower surface 132b of the vibration film 132 is large, the user sound does not cancel the vibration film 132 and vibrates the vibration film 132.
  • the microphone unit 1 of the present embodiment it can be considered that the vibration film 132 is vibrating only by the user's voice. Therefore, the electrical signal output from the ASIC 14 of the microphone unit 1 can be regarded as a signal indicating only the user voice from which noise (background noise or the like) has been removed. That is, according to the microphone unit 1 of the present embodiment, it is possible to acquire an electrical signal indicating only the user voice from which noise has been removed with a simple configuration.
  • the microphone unit 1 is configured by a laminated substrate in which the casing 11 is laminated and integrated. For this reason, compared with the previously developed microphone unit 100 (see FIGS. 9 and 10), the possibility of acoustic leakage is reduced, and high-quality microphone characteristics can be obtained. Further, the reduction in the number of parts constituting the housing 11 reduces the material cost, simplifies the manufacturing process, and reduces the manufacturing cost.
  • the mechanical strength of the housing 11 can be increased by forming the housing 11 in a laminated integrated structure including the second sound path 3. For this reason, it is possible to reduce the thickness of some or all of the plurality of sheets 21 to 24 (see FIG. 4) constituting the housing 11. As a result, the microphone unit 1 can be thinned.
  • the positioning wall 31 that contacts the outer surface of the MEMS chip 13 is provided so as to surround the outer surface of the MEMS chip 13 formed in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the positioning wall 31 is formed integrally with the housing 11. And according to this structure, when mounting the MEMS chip 13 in the housing
  • the casing 11 and the lid 12 are separate components.
  • the present invention is not limited to this, and the lid body may be formed of a laminated substrate so that the housing and the lid body are integrally formed.
  • the multilayer substrate (stacked and integrated) constituting the casing 11 is an LTCC substrate.
  • the laminated substrate constituting the housing may be, for example, an alumina substrate or a glass epoxy substrate.
  • a low-resistance conductor Al, Cu or the like
  • the linear expansion coefficient of the housing 11 is easily brought close to the linear expansion coefficient of the MEMS chip 13 formed of silicon.
  • the laminated substrate constituting the housing 11 is an LTCC substrate as in the present embodiment.
  • the MEMS chip 13 and the ASIC 14 are configured as separate chips.
  • the integrated circuit mounted on the ASIC 14 is formed monolithically on the silicon substrate on which the MEMS chip 13 is formed. It doesn't matter.
  • the acoustoelectric conversion unit that converts sound pressure into an electric signal is the MEMS chip 13 formed by using a semiconductor manufacturing technique.
  • the present invention is limited to this configuration. Not the purpose.
  • the electroacoustic conversion unit may be a condenser microphone using an electret film.
  • a so-called condenser microphone is employed as the configuration of the electroacoustic conversion unit (which corresponds to the MEMS chip 13 of the present embodiment) included in the microphone unit 1.
  • the present invention can also be applied to a microphone unit that employs a configuration other than a condenser microphone.
  • the present invention can also be applied to a microphone unit employing an electrodynamic (dynamic), electromagnetic (magnetic), or piezoelectric microphone.
  • the shape of the microphone unit is not limited to the shape of the present embodiment, and can be changed to various shapes.
  • the microphone unit of the present invention includes a voice communication device such as a mobile phone and a transceiver, and a voice processing system (a voice authentication system, a voice recognition system, a command generation system, an electronic dictionary, a translation system) that employs a technique for analyzing input voice. Suitable for recording equipment, amplifier systems (loudspeakers), microphone systems, etc.

Abstract

 マイクロホンユニット1は、音圧を電気信号に変換する電気音響変換部13と、電気音響変換部13を収容する筐体11と、第1音孔121及び第2音孔122を有して筐体11に被せられる蓋体12と、を備える。筐体11は、積層一体化された積層基板からなり、筐体11には、電気音響変換部13が載置されるとともに第1音孔121と連通する凹部空間111と、前記凹部空間の底面111aと第2音孔122とを連通する中空空間121と、が設けられる。そして、マイクロホンユニット1は、第1音孔121から凹部空間111を介して振動板132の第1の面132aへと至る第1音道2と、第2音孔122から中空空間111を介して振動板132の第2の面132bへと至る第2音道3と、を備える。

Description

マイクロホンユニット
 本発明は、音圧(例えば音声により生じる)を電気信号に変換するマイクロホンユニットに関する。
 従来、例えば、携帯電話やトランシーバ等の音声通信機器、又は音声認証システム等の入力された音声を解析する技術を利用した情報処理システム、或いは録音機器、といった音声入力装置にマイクロホンユニットが適用されている。そして、近年においては電子機器の小型化が進んでおり、小型・薄型化等が可能なマイクロホンユニットの開発が盛んである(例えば、特許文献1~3参照)。
 ところで、電話などによる通話、音声認識、音声録音に際しては、目的の音声(ユーザの音声)のみを収音するのが好ましい。このため、マイクロホンユニットの性能としては、目的の音声を正確に抽出し、目的の音声以外の雑音(背景雑音等)を除去できることが望まれる。
 雑音が存在する使用環境で雑音を除去して目的の音声のみを収音するマイクロホンユニットとして、本出願人らは、振動板の両面から音圧が加わるように形成し、音圧差に基づく振動板の振動によって電気信号を発生させるマイクロホンユニットを開発している(特許文献3参照)。
特開2007-150507号公報 特開2004-200766号公報 特開2008-258904号公報
 しかしながら、特許文献3に示されるようなマイクロホンユニットの開発(改良)を進める中で、音道を形成する部分の部品点数が増えると音響リークが発生し易く、マイクロホンユニットの品質が劣化することがわかった。また、部品点数の増加は作業性の点からも不利であり、部品点数を低減してマイクロホンユニットを形成することが望まれた。
 そこで、本発明の目的は、製造が容易で高品質なマイクロホンユニットを提供することである。
 上記目的を達成するために本発明のマイクロホンユニットは、音圧により振動する振動板を有して音圧を電気信号に変換する電気音響変換部と、前記電気音響変換部を収容する筐体と、第1音孔及び第2音孔を有して前記筐体に被せられる蓋体と、を備えるマイクロホンユニットであって、前記筐体は、積層一体化された積層基板からなり、前記筐体には、前記電気音響変換部が載置されるとともに前記第1音孔と連通する凹部空間と、前記凹部空間の底面と前記第2音孔とを連通する中空空間と、が設けられ、前記第1音孔から前記凹部空間を介して前記振動板の第1の面へと至る第1音道と、前記第2音孔から前記中空空間を介して前記振動板の前記第1の面の裏面である第2の面へと至る第2音道と、を備えることを特徴としている。
 本構成によれば、マイクロホンユニットは振動板の両面に加わる音圧差に基づいて音圧を電気信号に変換する構成であり、雑音が存在する使用環境で雑音を除去して目的の音声のみを収音することが可能である。そして、振動板を有する電気音響変換部を収容するとともに第1音道及び第2音道が形成される筐体を、積層基板によって一体的に形成する構成であるために、マイクロホンユニットを構成する部品点数を低減して、音響リークの発生を低減できる。このため、本構成のマイクロホンユニットによれば、マイク特性を高品質とできる。また、前述の部品点数の低減により、マイクロホンユニットの製造が容易であり、更に製造コストの抑制も可能である。
 上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記積層基板は、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板であるのが好ましい。このように構成することにより、筐体に設けられる配線パターンに使用する導体について、例えばAgやCu等の低抵抗の材質を選択しやすくなる。また、本構成によれば、電気音響変換部の線膨張係数と筐体の線膨張係数との差を小さくしやすい。両者の線膨張係数の差を小さくすることにより、電気音響変換部をリフロー実装する場合でも、振動板にかかる不要な応力を低減できる。
 上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記積層基板の線膨張係数が3ppm/℃以上、5ppm/℃以下であることとしても良い。例えば、電気音響変換部がシリコンのMEMSチップの場合、このように構成すると、電気音響変換部の線膨張係数と筐体の線膨張係数との差を小さくできる。
 上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記電気音響変換部がMEMS(Micro Electro Mechanical System)チップであるのが好ましい。これにより、小型で高特性のマイクロホンユニットを実現しやすい。
 上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記筐体には、前記電気音響変換部の位置を位置決めする位置決め壁が設けられていることとしてもよい。本構成によれば、筐体内に電気音響変換部を実装する場合の位置決めが容易となり、マイクロホンユニットの製造が容易となる。
 上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記電気音響変換部で得られた電気信号を処理する電気回路部を更に備え、前記電気回路部は前記凹部空間に載置されていることとしても良い。また、上記構成のマイクロホンユニットにおいて、前記筐体と前記蓋体とが一体形成されていることとしても良い。
 本発明によれば、製造が容易で高品質なマイクロホンユニットを提供可能である。
本実施形態のマイクロホンユニットの構成を示す概略斜視図 図1におけるA-A位置の概略断面図 本実施形態のマイクロホンユニットを、蓋体を取り除いた状態で上から見た場合の概略平面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体の製造例を説明するための概略断面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体を構成する第1シートの上面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体を構成する第2シートの上面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体を構成する第3シートの上面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体を構成する第4シートの上面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備えるMEMSチップの構成を示す概略断面図 本実施形態のマイクロホンユニットが備えるASICの回路構成を説明するための図 本実施形態のマイクロホンユニットの変形例を示す図 本発明のマイクロホンユニットを開発する前に、本発明者らが開発したマイクロホンユニットの構成を示す分解斜視図 図9のマイクロホンユニットを組み立てた状態での概略断面図
 以下、本発明を適用したマイクロホンユニットの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明するが、その前に、本発明の理解を容易とするため、本発明のマイクロホンユニットを開発するに至った経緯について説明しておく。
(本発明の開発経緯)
 図9は、本発明のマイクロホンユニットを開発する前に、本発明者らが開発したマイクロホンユニットの構成を示す分解斜視図である。また、図10は、図9のマイクロホンユニットを組み立てた状態での概略断面図である。以下、図9及び図10に示すマイクロホンユニットのことを「先行開発のマイクロホンユニット100」と表現して説明する。
 図9及び図10に示すように、先行開発のマイクロホンユニット100は、第1の基板101と、MEMS(Micro Electro Mechanical System)チップ104及びASIC(Application Specific Integrated Circuit)105が搭載される第2の基板102と、MEMSチップ104及びASIC105を覆うように第2の基板102上に配置される蓋部103と、を備える。
 第1の基板101には、平面視略矩形状に形成される溝部1011が形成されている。
 MEMSチップ104及びASIC105が搭載され、図示しない回路パターンが形成される第2の基板102には、第1の開口1021と第2の開口1022とが形成されている。
 蓋部103は、平面視略矩形状の外形をしており、その天板1031には平面視略楕円形状の2つの音孔1032、1033が形成されている。なお、蓋部103の内部側には、第1音孔1032と連通する第1空間部1034と第2音孔1033と連通する第2空間部1035とが形成されている。
 先行開発のマイクロホンユニット100は、例えば、第1の基板101にMEMSチップ104及びASIC105が搭載された第2の基板102を接合し、次いで、蓋部103を第2の基板102に被せるように配置して、蓋部103と第2の基板102とを接合することによって得られる。
 なお、第1の基板101に設けられる電極端子(図示せず)と第2の基板102の裏面側に形成される電極端子(図示せず)とは半田接合や導電ペースト等によって電気接合される。第2の基板102の上面側に形成される回路パターンと裏面側に形成される回路パターンとは第2の基板102の中を通る貫通配線(図示せず)により電気的に接続されている。
 以上のように構成することにより、第1音孔1032及び第1空間部1034からなって、MEMSチップ104の振動板1041の上面1041aに音波を導く第1の音道106が形成される。また、第2音孔1033、第2空間部1035、第1の開口1021、溝部1011及び第2の開口1022からなって、MEMSチップ104の振動板1041の下面1041bに音波を導く第2の音道107が形成される。そして、この構成により、振動板104の両面から音圧が加わるような構成が得られ、雑音が存在する使用環境で雑音を除去して目的の音声のみを収音するマイクロホンユニットを実現できる。
 ところで、先行開発のマイクロホンユニット100においては、マイク特性(音響特性)が満足いくレベルでないことがあった。これについて、鋭意検討したところ、第1の基板101、第2の基板102、及び蓋部103の加工精度等のために、隙間なくこれらの部品を組み上げることが難しく、音響リークが発生し易いことがわかった。そして、この音響リークがマイクロホンユニット100の音響特性を劣化させていることがわかった。本発明のマイクロホンユニットは、このような問題点を解消するものである。
(本実施形態のマイクロホンユニット)
 本実施形態のマイクロホンユニットの概略構成について、図1~図7を参照しながら説明する。
 図1は、本実施形態のマイクロホンユニットの構成を示す概略斜視図である。図2は、図1におけるA-A位置の概略断面図である。図3は、本実施形態のマイクロホンユニットを、蓋体を取り除いた状態で上から見た場合の概略平面図である。図4は、本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体の製造例を説明するための概略断面図である。図5A、図5B、図5C及び図5Dは、本実施形態のマイクロホンユニットが備える筐体の製造例を説明するための概略平面図である。図6は、本実施形態のマイクロホンユニットが備えるMEMSチップの構成を示す概略断面図である。図7は、本実施形態のマイクロホンユニットが備えるASICの回路構成を説明するための図である。
 図1~図3に示すように、本実施形態のマイクロホンユニット1は、筐体11と、蓋体12と、MEMSチップ13と、ASIC14と、を備える。
 筐体11は、上面に開口を有する略直方体状の外形を有し、その内側には、MEMSチップ13及びASIC14を載置でき、且つ、MEMSチップ13の振動膜(振動板)132の上面132a及び下面132bに音波を導けるように空間が形成されている。
 詳細には、筐体11には、上から見た場合に略矩形状に見える凹部空間111が形成されている(図2及び図3参照)。この凹部空間111にはMEMSチップ13及びASIC14が載置される。また、筐体11には、凹部空間111の底面111a(MEMSチップ13等の載置面)から下方に延びる空間と、この空間と上面とを繋ぐ断面視略L字状の空間と、から成る中空空間112が形成されている(図2参照)。
 この筐体11は、積層一体化された積層基板から成っている。本実施形態では、この積層基板はLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic;低温同時焼結セラミック)基板としている。筐体11を構成する積層基板には、マイクロホンユニット1を作動させる上で必要となる配線パターンも形成されている。
 ここで、図4、図5A、図5B、図5C及び図5Dを参照して、積層基板から成る筐体11の製造例について説明する。図4に示すように、マイクロホンユニット1が備える筐体11は、外形寸法が略同一とされる第1シート(このシートはグリーンシートとも呼ばれる)21、第2シート22、第3シート23、第4シート24を、この順で下から上へと積層し、この積層体を一体化してなる。積層体の一体化は、積層体を例えば800℃~900℃程度で焼成することによって行われる。各シート21~24には、積層一体化した状態で凹部空間111、中空空間112、及び配線パターンが得られるように、積層前に穴開け、パターン印刷が施される。
 図5A、図5B、図5C及び図5Dに、各シート21~24に形成される穴及び配線が示されている。図5Aは第1シート21の上面、図5Bは第2シート22の上面、図5Cは第3シート23の上面、図5Dは第4シート24の上面を示している。なお、図5B、図5C及び図5Dにおいては、筐体11に載置されるMEMSチップ13及び振動膜132との位置関係がわかりやすくなるように、それらを破線で示している。
 図5Aに示すように、第1シート21にはスルーホール211、電極パッド212、及び配線213が形成されている。スルーホール211は、第1シート21の上下に形成される電極パッド212(第1シート21の下に形成される電極パッドは図示せず)をビアによって接続するために形成されている。電極パッド212及び配線213は、MESMチップ13とASIC14との接続、ASIC14への電力の供給、ASIC14からの電気信号の出力、及びGND接続を行えるように設けられている。
 図5Bに示すように、第2シート22にはスルーホール221及び平面視略矩形状の貫通孔222が形成されている。スルーホール221は、立体回路を形成するために設けられている。また、貫通孔222は中空空間112を形成するために設けられている。
 図5Cに示すように、第3シート23には、スルーホール231と、電極パッド232と、配線233と、平面視略矩形状の貫通孔234、235と、が形成されている。スルーホール231は、立体回路を形成するために設けられている。電極パッド232は、MEMSチップ13やASIC14に形成される電極パッドとの接続や立体回路形成のために設けられている。貫通孔234、235は中空空間112を形成するために設けられている。
 図5Dに示すように、第4シート24には平面視略矩形状の貫通孔241、242が形成されている。このうち、貫通孔241は中空空間112を形成するために設けられており、貫通孔242は凹部空間111を形成するために設けられている。
 なお、4つのシート21~24を積層一体化してなる積層基板は、その線膨張係数がMEMSチップ13の線膨張係数になるべく近い値となるように設計するのが好ましい。これは、例えばMEMSチップ13をリフロー実装する場合に、積層基板とMEMSチップ13との線膨張係数の差が大きいと、リフロー時の加熱冷却によってMEMSチップ13に残留応力が加わり易くなって好ましくないからであり、このMEMSチップ13に加わる残留応力を低減するためである。本実施形態では、MEMSチップ13をシリコンによって形成しているために、積層基板の線膨張係数は、3ppm/℃以上、5ppm/℃以下とするのが好ましい。
 また、シート21~24に形成される電極パッドや配線は低抵抗の導体である銀(Ag)や銅(Cu)で形成するのが好ましい。
 蓋体12は、図1及び図2示すように平面視略矩形状の平板であって、上面と下面の間を貫通する2つの貫通孔121、122が形成されている。蓋体12の材質は特に限定されるものではないが、本実施形態では例えば金属やセラミック等が使用される。また、筐体11に蓋体12を被せた場合に、第1貫通孔121は筐体11の凹部空間111と連通し、第2貫通孔122は筐体11の中空空間112と連通するようになっている。
 2つの貫通孔121、122は音孔として設けられるものであり、一方を第1音孔121、他方を第2音孔として以下表現する。この第1音孔121及び第2音孔122の形状は、本実施形態では略楕円形状の長孔としているが、これに限定されるものではなく、適宜変更して構わない。
 なお、第1音孔121と第2音孔122との中心間距離L(図1参照)が短すぎると振動膜132の上面132aと下面132bに加わる音圧の差が小さくなって振動膜132の振幅が小さくなり、ASIC14から出力される電気信号のSNR(Signal to Noise Ratio)が悪くなる。このため、第1音孔121と第2音孔122との間の距離はある程度大きいのが好ましい。一方で、この中心間距離Lが大きく成りすぎると、音源から発せられた音波が、第1音孔121及び第2音孔122を通って振動膜132に到達するまでの時間差すなわち位相差が大きくなり、雑音除去性能が低下してしまう。このため、第1音孔121と第2音孔122との中心間距離Lは、4mm以上6mm以下とするのが好ましく、更には5mm程度が好ましい。
 筐体11の凹部空間111に載置されるMEMSチップ13の構成について図6を参照して説明する。MEMSチップ13は、絶縁性のベース基板131と、振動膜132と、絶縁膜133と、固定電極134と、を有し、コンデンサ型のマイクロホンを形成している。なお、このMEMSチップ13は半導体製造技術を用いて製造され、本実施形態ではシリコンを用いて形成されている。なお、このMEMSチップ13は本発明の電気音響変換部の実施形態である。
 ベース基板131には平面視略円形状の開口131aが形成され、これにより振動膜132の下部側から来る音波は振動膜132に到達するようになっている。ベース基板131の上に形成される振動膜132は、音波を受けて振動(上下方向に振動)する薄膜で、導電性を有し、電極の一端を形成している。
 固定電極134は、絶縁膜133を挟んで振動膜132と対向するように配置されている。これにより、振動膜132と固定電極134とは容量を形成する。なお、固定電極134には音波が通過できるように複数の音孔134aが形成されており、振動膜132の上部側から来る音波が振動膜132に到達するようになっている。
 このようにMEMSチップ13は、振動膜132の上面132aに音圧pf、下面132bに音圧pbが各々加わるようになっている。その結果、音圧pfと音圧pbとの差に応じて振動膜132が振動して振動膜132と固定電極134との間隔Gpが変化し、振動膜132と固定電極134との間の静電容量が変化する。すなわち、コンデンサ型のマイクロホンとして機能するMEMSチップ13によって、入射した音波を電気信号として取り出せるようになっている。
 なお、本実施形態では振動膜132の方が固定電極134よりも下となっているが、これとは逆の関係(振動膜が上で、固定電極が下となる関係)となるように構成しても構わない。
 筐体11の凹部空間111に載置されるASIC14について図7を参照して説明する。ASIC14は、本発明の電気回路部の実施形態で、MEMSチップ13における静電容量の変化に基づいて発生する電気信号を信号増幅回路143で増幅処理する集積回路である。本実施形態においては、MEMSチップ13における静電容量の変化を精密に取得できるように、チャージポンプ回路141とオペアンプ142とを含む構成としている。また、信号増幅回路143の増幅率(ゲイン)を調整できるようにゲイン調整回路144を含む構成としている。ASIC14で増幅処理された電気信号は、例えばマイクロホンユニット1が実装される図示しない実装基板の音声処理部に出力されて処理される。
 以上のような部品から構成されるマイクロホンユニット1は、積層基板によって一体成形された筐体11に、MEMSチップ13及びASIC14をフリップチップ実装し、その後、筐体11に蓋体12を被せて接合することによって完成する。蓋体12は、例えば接着剤によって筐体11と接合しても良いし、かしめて筐体11と接合しても良い。また、MEMSチップ13及びASIC14をフリップチップ実装するのではなく、例えばワイヤボンディングを用いて実装する構成等としても構わない。
 なお、筐体11に実装されるMEMSチップ13は、凹部空間111の底面111aに形成される開口(これは、中空空間112を形成するための開口を指している)を覆うように配置される。そして、これにより、図2の矢印で模式的に示すように、第1音孔121から凹部空間111を介して振動膜132の上面(第1の面)132aへと至る第1音道2と、第2音孔122から中空空間112を介して振動膜132の下面(第2の面)132bへと至る第2音道3と、が形成される。第1音道2と第2音道3とは、音波が第1音孔121から振動膜132の上面132aへと至る時間と、音波が第2音孔122から振動膜132の下面132bへと至る時間と、が同じとなるように形成されるのが好ましい。
 次に、マイクロホンユニット1の動作について説明する。動作の説明に先立って音波の性質について述べておく。音波の音圧(音波の振幅)は、音源からの距離に反比例する。そして、音圧は、音源に近い位置では急激に減衰し、音源から離れる程、なだらかに減衰する。
 例えば、マイクロホンユニット1を接話型の音声入力装置に適用する場合、ユーザの音声はマイクロホンユニット1の近傍で発生する。そのため、ユーザの音声は、第1音孔121と第2音孔122との間で大きく減衰し、振動膜132の上面132aに入射する音圧と、振動膜132の下面132bに入射する音圧との間には、大きな差が現れる。
 一方、背景雑音等の雑音成分は、ユーザの音声に比べて音源がマイクロホンユニット1から遠い位置に存在する。そのため、雑音の音圧は、第1音孔121と第2音孔122との間でほとんど減衰せず、振動膜132の上面132aに入射する音圧と、振動膜132の下面132bに入射する音圧との間には、ほとんど差が現れない。
 マイクロホンユニット1の振動膜132は、第1音孔121と第2音孔122に同時に入射する音波の音圧差によって振動する。上述のように、振動膜132の上面132aと下面132bに入射する雑音の音圧の差は非常に小さいために、振動膜132で打ち消される。これに対して、振動膜132の上面132aと下面132bに入射するユーザ音声の音圧の差は大きいために、ユーザ音声は振動膜132で打ち消されずに振動膜132を振動させる。
 このことから、本実施形態のマイクロホンユニット1によると、振動膜132はユーザの音声のみによって振動しているとみなすことができる。そのため、マイクロホンユニット1のASIC14から出力される電気信号は、雑音(背景雑音等)が除去された、ユーザ音声のみを示す信号とみなすことができる。すなわち、本実施形態のマイクロホンユニット1によると、簡易な構成で、雑音が除去されたユーザ音声のみを示す電気信号を取得することが可能である。
 また、マイクロホンユニット1は、筐体11を積層一体化した積層基板から成る構成としている。このために、先行開発のマイクロホンユニット100(図9及び図10参照)に比べて音響リークが発生する可能性が低減し、高品質なマイク特性を得ることが可能である。また、筐体11を構成する部品点数の低減により、材料コストが低減されるとともに、製造工程が簡易となり製造コストも低減できる。
 また、筐体11を第2音道3も含む積層一体化構造とすることで、筐体11の機械的強度を増すことができる。このため、筐体11を構成する複数のシート21~24(図4参照)の一部或いは全部の厚みを薄く抑えることも可能である。その結果、マイクロホンユニット1の薄型化を図れる。
(その他)
 以上に示した実施形態は一例であり、本発明のマイクロホンユニットは以上に示した実施形態の構成に限定されるものではない。すなわち、本発明の目的を逸脱しない範囲で、以上に示した実施形態の構成について種々の変更を行っても構わない。
 例えば、図8に示すような変形が可能である。すなわち、図8に示すマイクロホンユニットでは、略直方体状に形成されるMEMSチップ13の外面を取り囲むように、MEMSチップ13の外面と当接する位置決め壁31を設ける構成としている。この位置決め壁31は、筐体11に一体的に形成されるものである。そして、この構成によれば、筐体11内にMEMSチップ13を実装する場合に位置決めが容易となり、マイクロホンユニットの製造が更に容易となる。
 また、以上に示した実施形態では、筐体11と蓋体12とを別々の部品とした。しかし、これに限らず、蓋体についても積層基板で構成して、筐体と蓋体とを一体形成する構成としても構わない。
 また、以上に示した実施形態では、筐体11を構成する積層基板(積層一体化されている)がLTCC基板であることとした。しかし、この構成に限定される趣旨ではなく、筐体を構成する積層基板は、例えばアルミナ基板やガラスエポキシ基板等であっても構わない。ただし、筐体を構成する積層基板をLTCC基板とした場合には、配線パターンを構成する導体として低抵抗の導体(AgやCu等)を使用可能となる。また、LTCC基板を用いる場合には、筐体11の線膨張係数をシリコンで形成されるMEMSチップ13の線膨張係数に近づけ易い。そして、このように両者の線膨張係数の差を小さくすると、リフロー時の加熱冷却によってMEMSチップ13に加わる残留応力を低減でき、振動膜132に不要な応力が加わる可能性を低減できる。これらの点等から、本実施形態のように、筐体11を構成する積層基板はLTCC基板であるのが好ましい。
 また、以上に示した実施形態では、MEMSチップ13とASIC14とは別チップで構成したが、ASIC14に搭載される集積回路はMEMSチップ13を形成するシリコン基板上にモノリシックで形成するものであっても構わない。
 また、以上に示した実施形態では、音圧を電気信号に変換する音響電気変換部が、半導体製造技術を利用して形成されるMEMSチップ13である構成としたが、この構成に限定される趣旨ではない。例えば、電気音響変換部はエレクトレック膜を使用したコンデンサマイクロホン等であっても構わない。
 また、以上の実施形態では、マイクロホンユニット1が備える電気音響変換部(本実施形態のMEMSチップ13が該当)の構成として、いわゆるコンデンサ型マイクロホンを採用した。しかし、本発明はコンデンサ型マイクロホン以外の構成を採用したマイクロホンユニットにも適用できる。例えば、動電型(ダイナミック型)、電磁型(マグネティック型)、圧電型等のマイクロホン等が採用されたマイクロホンユニットにも本発明は適用できる。
 その他、マイクロホンユニットの形状は本実施形態の形状に限定される趣旨ではなく、種々の形状に変更可能であるのは勿論である。
 本発明のマイクロホンユニットは、例えば携帯電話、トランシーバ等の音声通信機器や、入力された音声を解析する技術を採用した音声処理システム(音声認証システム、音声認識システム、コマンド生成システム、電子辞書、翻訳機、音声入力方式のリモートコントローラ等)、或いは録音機器やアンプシステム(拡声器)、マイクシステムなどに好適である。
 1 マイクロホンユニット
 2 第1音道
 3 第2音道
 11 筐体
 12 蓋体
 13 MEMSチップ(電気音響変換部)
 14 ASIC(電気回路部)
 31 位置決め壁
 111 凹部空間
 111a 凹部の底面
 112 中空空間
 121 第1音孔
 122 第2音孔
 132 振動膜(振動板)
 132a 振動膜の上面(第1の面)
 132b 振動膜の下面(第2の面)

Claims (7)

  1.  音圧により振動する振動板を有して音圧を電気信号に変換する電気音響変換部と、
     前記電気音響変換部を収容する筐体と、
     第1音孔及び第2音孔を有して前記筐体に被せられる蓋体と、を備えるマイクロホンユニットであって、
     前記筐体は、積層一体化された積層基板からなり、
     前記筐体には、前記電気音響変換部が載置されるとともに前記第1音孔と連通する凹部空間と、前記凹部空間の底面と前記第2音孔とを連通する中空空間と、が設けられ、
     前記第1音孔から前記凹部空間を介して前記振動板の第1の面へと至る第1音道と、前記第2音孔から前記中空空間を介して前記振動板の前記第1の面の裏面である第2の面へと至る第2音道と、を備えるマイクロホンユニット。
  2.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記積層基板は、LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板である。
  3.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記積層基板の線膨張係数が3ppm/℃以上、5ppm/℃以下である。
  4.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記電気音響変換部がMEMS(Micro Electro Mechanical System)チップである。
  5.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記筐体には、前記電気音響変換部の位置を位置決めする位置決め壁が設けられている。
  6.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記電気音響変換部で得られた電気信号を処理する電気回路部を更に備え、
     前記電気回路部は前記凹部空間に載置されている。
  7.  請求項1に記載のマイクロホンユニットであって、
     前記筐体と前記蓋体とが一体形成されている。
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