CN105144750B - 声音变换器 - Google Patents

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Abstract

硅基板具有上下贯通的腔室。在硅基板的上表面以覆盖腔室的上表面的方式形成有膜片(23)。另外，在硅基板的上方以覆盖膜片(23)的方式设置有背板(28)，在背板(28)的下表面设置有固定电极板(29)且该固定电极板(29)与膜片(23)相对。在背板(28)以及固定电极板(29)上开口形成有用于使声音振动通过的上下贯通的多个声孔(31)。在膜片(23)的位移大的区域形成有开口面积比声孔(31)的开口面积小的多个通孔(27)。

Description

声音变换器
技术领域
本发明涉及声音变换器。具体而言，涉及用于将检测的声音振动变换为电信号的声音变换器(acoustic transducer)。
背景技术
在声音传感器中，为了使滚降(roll-off)频率变大，存在在膜片上开口形成通孔的情况。在图1的(A)以及(B)所示的声音传感器11中，在基板12上开口形成有上下贯通的腔室13，并且在基板12的上方以覆盖腔室13的上表面的方式设置有膜片14。在基板12的上表面以覆盖膜片14的方式设置有背板15，在背板15的下表面设置有与膜片14相对的固定电极板16。在背板15以及固定电极板16上开口形成有用于将声音振动导入固定电极板16与膜片14之间的气隙内的多个声孔17。另外，在膜片14的位移大的区域即膜片14中的与腔室13的上表面开口相对的区域，开口形成有开口面积比声孔17的开口面积大的通孔18。作为这样的声音传感器，具有例如专利文献1所述的装置。
在这样的声音传感器11中，从声孔17进入固定电极板16与膜片14之间的气隙的声音振动，通过膜片14的外周部下表面与基板12的上表面之间的间隙(通风孔)向腔室13逃离。另外，若在膜片14上开口形成通孔18，则从声孔17进入所述气隙的声音振动，也能够通过膜片14的通孔18向腔室13逃离。因此，若在膜片14上开口形成通孔18，则相对于声音振动的阻力(声阻)变小，从而声音传感器11的滚降频率变大。
图2是表示声音传感器的灵敏度比的图，横轴表示声音振动的频率(振动数)，纵轴表示灵敏度比。在图2中由虚线所示的曲线是未在膜片14上开口形成通孔18时的灵敏度比-频率特性(下面，称为频率特性)。与此相对，在膜片14开口形成通孔18的情况下，如图2的实线示出的频率特性所示，声音传感器的灵敏度比在低音域(低频率音域)降低。这样，将使在低音域的灵敏度比降低称为滚降(效果)。
如图1所示，在膜片14的位移大的区域开口形成通孔18而产生滚降的声音传感器11中，能够使耐风噪、耐压缩空气、耐气压变动等的耐环境性提高。即，通过从声孔17和腔室13进入的风，难以使膜片14摇动，因此，难以将风作为声音来检测(耐风噪)。另外，在例如使声音传感器11落下的情况下，对腔室13内施加风压(特别地，在下声孔(Bottom port)型的麦克风的情况下)，由风压对腔室13内的空气进行压缩而使空气压变高。在该情况下，若在膜片14上开口形成通孔18，则压缩空气难以对膜片14施压，从而难以由压缩空气破坏膜片14(耐压缩空气)。另外，在腔室13的下表面等被堵塞的情况下，即使气隙侧的气压(大气压)暂时地变动，压力也能通过通孔18逃离，因此，难以将压力变动作为声音来检测(耐气压变动)。
但是，如图3所示，在以往的声音传感器11中，在膜片14上开口形成的通孔18的直径D与声孔17的直径d相等或在声孔17的直径d以上。特别地，在下声孔型的麦克风中使用的声音传感器11中，膜片14的通孔18变得更大。在这样的声音传感器11中，由于在膜片14上设置大的通孔18，所以膜片14与固定电极板16之间的牺牲层在成膜时落入至通孔18，如图3所示，在通孔18的边缘对应的部位，在背板15和固定电极板16上会产生阶梯差δ。其结果，存在背板15的强度变弱或在固定电极板16上产生局部导通不完全的部位的可能性。
此外，在专利文献2中也公开了在膜片上开口形成通孔的声音传感器。但是，在该传感器中，通孔不是设置在膜片的位移大的区域，而是设置在膜片的外周部的与基板上表面相对的区域(通风孔部分)。在这样的通孔中，由于声音振动穿过时的阻力大，所以耐压缩空气和耐风噪等的耐环境性几乎没有得到改善。另外，为了使滚降的效果提高，必须设置相当多数量的通孔，但若在面积有限的通风孔部分设置多个通孔，则存在电极面积减少而灵敏度下降或机械强度下降等问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2012/0033831号说明书(US2012/0033831 A1)，第[0043]段
专利文献2：日本特开2010-34641号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，在通过在振动电极板上开口形成通孔来使耐环境性提高的声音变换器中，通过使振动电极板的通孔比声音孔(声孔)小，来实现声音变换器特性的进一步提高。
解决问题的手段
本发明的声音变换器，其特征在于，
具有：
基板，具有至少在上表面开口形成的空洞，
振动电极板，以覆盖所述空洞的上表面的方式形成在所述基板的上方，
背板，以覆盖所述振动电极板的方式形成在所述基板的上方，
固定电极板，设置在所述背板上；
在所述背板以及所述固定电极板具有上下贯通的多个声音孔的声音变换器中，在所述振动电极板的位移大的区域形成有开口面积比所述声音孔的开口面积小的多个通孔。
在本发明的声音变换器中，由于在振动电极板的位移大的区域形成有开口面积比声音孔的开口面积小的多个通孔，所以能够使在低音域的灵敏度滚降，从而能够使耐风噪、耐压缩空气、耐气压变动等的耐环境性提高。另外，由于通孔的开口面积小，所以即使在用于下声孔型的麦克风等时，异物也难以从空洞侧侵入振动电极板与固定电极板之间的气隙内。此外，这里所说的振动电极板的位移大的区域是指，包括振动电极板的最大位移位置及其周边的区域。
由于通孔的开口面积变小，所以在声音变换器的制造工序中，由用于在振动电极板与固定电极板之间形成气隙的牺牲层填埋通孔，从而在背板和固定电极板上难以产生阶梯差。其结果，难以因阶梯差而使背板和固定电极板的强度降低，另外，在固定电极板上难以产生导通不良。特别地，若通孔的宽度小于气隙的2倍，则由为了形成气隙而成膜的牺牲层填埋通孔，从而在背板和固定电极板上难以产生阶梯差。
另外，由于通孔的开口面积小，所以为了获得需要的滚降效果，必须使通孔的个数增加，但通孔在振动电极板的位移大的区域分散地设置。其结果，能够高效地减轻在由振动电极板与固定电极板所夹持的气隙内的热噪声，从而能够使声音变换器的信噪比提高。振动电极板的位移大的区域是，在热噪声产生时显著导致振动电极板位移的区域，因此，声音变换器的噪声会变大。因此，振动电极板的位移大的区域是最想使热噪声减轻的区域，通过在该区域设置有通孔，能够使声音变换器的信噪比大大提高。
作为形成多个所述通孔的区域，特别优选所述振动电极板的中央部。在声音变换器中，若以覆盖腔室的方式配置振动电极板，则振动电极板的固定部位于周边部(基板等)的情况较多。若在周边部固定膜片，则振动电极板的位移在中央部变得特别大，因此，若为了使振动电极板的中央部的热噪声减轻而设置通孔，则提高声音变换器的信噪比的效果变大。特别地，优选在从振动电极板的中心到边缘的一半以下的区域，使振动电极板的位移大，在该区域设置通孔。
本发明的声音变换器的实施方式中的所述振动电极板，其特征在于，从与所述基板的上表面垂直的方向观察，在所述振动电极板的与所述声音孔不重合的位置设置有所述通孔。若通孔与声音孔以重合的方式设置，则声阻变小，由于滚降效果太有效，所以通孔的数量被限制。与此相对，若以与声音孔不重合的方式配置通孔，则即使在要具有合适的滚降效果的情况下，也能够增加通孔的数量，从而能够高效地减轻热噪声。
另外，在上述实施方式中，优选地，从与所述基板的上表面垂直的方向观察，所述通孔配置在由相邻的2个所述声音孔夹持的区域或由3个以上的所述声音孔包围的区域。若这样配置通孔，则能够在距声音孔远的部位设置通孔，因此，能够提高声音传感器的滚降效果，另外，也能够使降低热噪声的效果变高。
本发明的声音变换器的另一个其它的实施方式中所述通孔的特征在于，有规则地排列。在声音孔有规则地排列的情况下，通过使通孔也有规则地排列，能够容易将通孔与声音孔以不重合的方式配置。另外，若通孔有规则地排列，则在排列的区域能够有效地使热噪声减轻，从而能够使声音变换器的信噪比进一步提高。特别优选，所述通孔的间距是所述声音孔的间距的整数倍。通过所述通孔的间距是所述声音孔的间距的整数倍，能够使所述通孔与所述声音孔一同有规则地排列配置。
本发明的第一麦克风是将本发明的声音变换器安装在封装体的内部的麦克风，其特征在于，所述基板具有从上表面贯通至下表面的所述空洞，所述封装体开口形成有用于将声音振动导入封装体内的声音导入孔，所述声音导入孔和所述空洞的下表面连接。根据该麦克风，能够使耐风噪、耐压缩空气、耐气压变动等的耐环境性提高，并且能够使声音变换器的强度提高。
本发明的第二麦克风，其特征在于，将本发明的声音变换器和将来自所述声音变换器的信号放大并输出至外部的电路部安装在封装体内。根据该麦克风，能够使耐风噪、耐压缩空气、耐气压变动等的耐环境性提高，并且能够使声音变换器的强度提高。
此外，用于解决本发明的所述问题的手段具有适当组合上面说明的构成构件的特征，并且本发明能够具有利用构成构件的组合的多种变化。
附图说明
图1的(A)是表示以往的声音传感器的俯视图。图1的(B)是以往的声音传感器的剖视图。
图2是用于说明声音传感器的滚降效果的图。
图3是用于说明以往的声音传感器的解决问题的概略剖视图。
图4的(A)是表示本发明的实施方式1的声音传感器的俯视图。图4的(B)是表示实施方式1的声音传感器的声孔、膜片的通孔、阻挡件之间的位置关系的图。
图5是实施方式1的声音传感器的剖视图。
图6是在实施方式1的声音传感器使用的膜片的俯视图。
图7的(A)以及图7的(B)是用于说明实施方式1的声音传感器的作用效果的图。
图8的(A)是表示在以往的声音传感器中在背板产生阶梯差的情况的概略图。图8的(B)是用于说明在实施方式1的声音传感器中在背板未产生阶梯差的理由的概略图。
图9是内置有本发明的声音传感器的麦克风的概略剖视图。
其中，附图标记说明如下：
21 声音传感器
22 硅基板
23 膜片(固定电极板)
25 腔室(空洞)
26 固定件
27 通孔
28 背板
29 固定电极板
31 声孔
41 麦克风
44 信号处理电路(电路部)
45 声音导入孔
具体实施方式
下面，一边参照附图一边说明本发明的优选的实施方式。但是，本发明并不限定于下面的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够进行各种设计的变更。
(实施方式1)
下面，参照图4～6来说明利用本发明的实施方式1的声音变换器即声音传感器21的结构。图4的(A)是本发明的实施方式1的声音传感器21的俯视图。图4的(B)是放大声音传感器21的一部分的俯视图，示出了声孔31、膜片23的通孔27、阻挡件32的位置关系。图5是声音传感器21的剖视图。图6是膜片23的俯视图。
该声音传感器21是利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械***技术)所制作的静电容量型元件。如图5所示，在该声音传感器21中，在硅基板22(基板)的上表面经由固定件26设置有膜片23，在膜片23的上方经由微小的气隙30(空隙)配置有顶盖部24，该顶盖部24固定在硅基板22的上表面。
在硅基板22上开口形成有从表面贯通至背面的腔室25(空洞)。膜片23以覆盖腔室25的上表面开口的方式配置在硅基板22的上表面。膜片23由具有导电性的多晶硅薄膜形成为大致圆板状，膜片23本身成为振动电极板。在腔室25的周围，在硅基板22的上表面上隔开间隔地配置有多个固定件26。膜片23的外周部下表面在硅基板22的上表面由固定件26支撑，从而膜片23从腔室25的上表面开口以及硅基板22的上表面浮起。如图6所示，在膜片23的位移大的区域即与硅基板22的上表面开口相对的区域(优选为膜片23的中央部)，以规定的间距有规则地排列有上下贯通的多个通孔27。另外，从膜片23引出有引线33。
如图5所示，顶盖部24在由氮化硅(SiN)形成的背板28的下表面设置有由多晶硅组成的固定电极板29。顶盖部24形成为拱顶状，在该顶盖部24之下具有空洞部分，由该空洞部分来覆盖膜片23。在顶盖部24的下表面(即固定电极板29的下表面)与膜片23的上表面之间形成有微小的气隙30(空隙)。如图4的(A)所示，从固定电极板29引出有引线34。
在顶盖部24(即背板28与固定电极板29)上，以从上表面贯通至下表面的方式，穿孔形成有多个用于使声音振动通过的声孔31(声音孔)。如图4的(A)所示，声孔31有规则地排列。在图示的例子中，声孔31沿着互成120°的角度的3个方向排列为三角形，但也可以配置为矩形或同心圆状。另外，在背板28的下表面，以适当的间隔突出有阻挡件32。阻挡件32贯通固定电极板29并突出到且固定电极板29的下方，从而防止膜片23与固定电极板29粘附(粘合)。
另外，在背板28的上表面设置有电极焊盘35、36。膜片23的引线33与电极焊盘35连接，固定电极板29的引线34与电极焊盘36连接。
在该声音传感器21中，固定电极板29与膜片23隔着气隙30而构成电容器结构。并且，若膜片23感应到声音振动而振动，则固定电极板29与膜片23之间的静电容量会变化，从而声音振动通过静电容量的变化而变换为电信号。
在此，通孔27的开口面积(或通孔27为圆形的情况下的直径)比声孔31的开口面积(或直径)小。从与硅基板22的上表面垂直的方向观察，通孔27以与声孔31不重合的方式与声孔31错开配置。例如，通孔27配置在相邻的2个声孔31之间的中央或者由3个以上的声孔31包围的区域的中心。在图4的(B)中，膜片23的各通孔27位于3个声孔31包围的区域的中心，并且通孔27的排列间距与声孔31的排列间距相等。
在上述那样的声音传感器21中，在膜片23的位移大的区域开口形成有通孔27，因此，如图7的(A)所示，声音振动s能够通过通孔27从腔室25侧通往气隙30，或者从气隙30侧通往腔室25。因此，根据声音传感器21，与以往例相同，能够使低音域的灵敏度滚降，从而能够使耐风噪、耐压缩空气、耐气压变动等的耐环境性提高。另外，在本实施方式的声音传感器21中，由于通孔27的开口面积比声孔31的开口面积小，所以虽然每1个通孔27的滚降效果小，但若以通孔27的开口面积比声孔31的开口面积小的状态使通孔27的个数增加，则能够获得与以往例相同或比以往例好的耐环境性。
另外，在声音传感器21中，由于通孔27的开口面积小，所以在使用于下声孔型的麦克风等时，灰尘或尘埃等异物难以从腔室25侧侵入气隙30内。
而且，在本实施方式的声音传感器21中，由于能够将开口面积比声孔31的开口面积小的多个通孔27分散地设置在膜片23的位移大的区域内，所以能够使气隙30中的热噪声减轻，从而能够使声音传感器21的信噪比(S/N比)提高。如图7的(B)所示，气隙30中的热噪声是如下产生的电噪声，即，在由膜片23与固定电极板29所夹持的气隙30内的空气层中，空气分子a进行布朗运动而与膜片23碰撞。在此，若在膜片23设置多个小的通孔27，则气隙30内的空气分子a能够通过通孔27逃离，相应地就能够使每单位时间内的与膜片23碰撞的空气分子a的数量减少，从而能够减轻热噪声。而且，膜片23的位移大的区域是膜片23的灵敏度高的区域，因此，若在该部分设置通孔27而使热噪声减轻，则能够使声音传感器21的信噪比提高的效果变高。
另外，若通孔27与声孔31以重合的方式设置，则声音传感器的声阻变小，由于滚降效果过于有效，所以通孔27的数量被限制。为了使声音传感器的信噪比提高，采取如下方法比较多：通过提高声孔31的比率利用声孔31使气隙30的热噪声进一步减轻。特别地，在这样的情况下，通孔27与声孔31变得容易重合。与此相对，在本实施方式的声音传感器21中，由于以通孔27与声孔31不重合的方式来配置上述通孔27，所以即使在要具有合适的滚降效果的情况下，也能够增加通孔27的数量。因此，能够实质上减轻热噪声，从而能够使声音传感器21的信噪比提高。
在通孔27的开口面积大的情况下，如图8的(A)示出的以往例所示，在通孔18的边缘所处的部位，在背板15和固定电极板16上产生阶梯差，从而存在背板15和固定电极板16的强度降低或在固定电极板16上产生导通不良的可能性。与此相对，即使在以通孔27与声孔31不重合的方式设置上述通孔27的情况下，如图8的(B)所示，若通孔27的开口面积(直径D)比声孔31的开口面积(直径d)小，则在制造工序中，也由用于在膜片23与固定电极板29之间形成气隙30的牺牲层填埋通孔27，从而在背板28的上表面等难以产生阶梯差。因此，难以因阶梯差使背板28的强度降低，另外，在固定电极板29也难以产生局部导通不完全的部位。
就通孔27为大致圆形的情况而言，优选通孔27的直径为10μm以下。更优选为1μm以上且5μm以下。若通孔27的直径为10μm以下，则在背板28等上难以产生阶梯差或者阶梯差变小。
而且，膜片23的与相邻2个声孔31之间的中央或由3个以上的声孔31包围的区域的中心相对的部位是距声孔31最远的部位。因此，若在与相邻的2个声孔31之间的中央或者由3个以上的声孔31所包围的区域的中心相对的位置设置通孔27，则能够提高声音传感器21的滚降效果，另外，也能够使降低热噪声的效果变高。
此外，在声孔31以规定间距有规则地排列的情况下，优选通孔27也以规定间距有规则地排列。其原因在于，通孔27以不与声孔31重合的方式配置变得容易。特别地，通孔27的间距容易配置为，与声孔31的间隔相同或是声孔31的间隔的数倍。
(向麦克风的应用)
图9是内置有实施方式1的声音传感器21的下声孔型的麦克风41的概略剖视图。在该麦克风41中，在由电路基板42与罩体43组成的封装体内，内置有声音传感器21与电路部即信号处理电路44(ASIC)。声音传感器21与信号处理电路44安装在电路基板42的上表面。在电路基板42上开口形成有用于将声音振动导入声音传感器21内的声音导入孔45。声音传感器21以将腔室25的下表面开口与声音导入孔45对准且覆盖声音导入孔45的方式，安装在电路基板42的上表面。因此，声音传感器21的腔室25成为前腔室，封装体内的空间成为后腔室。
声音传感器21的电极焊盘35、36与信号处理电路44由焊线46连接。而且，信号处理电路44由焊线47与电路基板42连接。此外，信号处理电路44具有向声音传感器21供给电源的功能和向外部输出声音传感器21的容量变化信号的功能。
罩体43以覆盖声音传感器21以及信号处理电路44的方式安装在电路基板42的上表面。封装体具有电磁屏蔽的功能，保护声音传感器21和信号处理电路44不会受到来自外部的电子干扰和机械冲击。
这样一来，从声音导入孔45进入腔室25内的声音振动由声音传感器21检测，并由信号处理电路44进行放大以及信号处理后输出。在该麦克风41中，由于将封装体内的空间作为后腔室，所以能够使后腔室的容积变大，从而能够使麦克风41高灵敏度化。
在使用于这样的下声孔型的麦克风41的情况下，为了提高耐环境性，需要使膜片23的通孔27的面积变大。在该情况下，不使每个通孔27的开口面积变大或，在比每个声孔31的开口面积小的限度内使通孔27的开口面积变大的基础上，可以通过使上述通孔27的数量增加来进行对应。
此外，在该麦克风41中，也可以在罩体43的上表面开口形成有用于将声音振动导入封装体内的声音导入孔45。在该情况下，声音传感器21的腔室25变为后腔室，封装体内的空间变为前腔室。

Claims (8)

1.一种声音变换器，其特征在于，
具有：
基板，具有至少在上表面开口形成的空洞，
振动电极板，以覆盖所述空洞的上表面的方式形成在所述基板的上方，
背板，以覆盖所述振动电极板的方式形成在所述基板的上方，
固定电极板，设置在所述背板上；
所述背板以及所述固定电极板具有上下贯通的多个声音孔，
在所述振动电极板的位移大的区域形成有开口面积比所述声音孔的开口面积小的多个通孔。
2.如权利要求1所述的声音变换器，其特征在于，
多个所述通孔形成在所述振动电极板的中央部。
3.如权利要求1所述的声音变换器，其特征在于，
从与所述基板的上表面垂直的方向观察，在所述振动电极板上的与所述声音孔不重合的位置设置有所述通孔。
4.如权利要求3所述的声音变换器，其特征在于，
从与所述基板的上表面垂直的方向观察，所述通孔配置在由相邻的2个所述声音孔夹持的区域或由3个以上的所述声音孔包围的区域。
5.如权利要求1所述的声音变换器，其特征在于，
所述通孔有规则地排列。
6.如权利要求5所述的声音变换器，其特征在于，
所述通孔的间距是所述声音孔的间距的整数倍。
7.一种麦克风，将权利要求1所述的声音变换器安装在封装体的内部，其特征在于，
所述基板具有从上表面贯通至下表面的所述空洞，
所述封装体开口形成有用于将声音振动导入封装体内的声音导入孔，
所述声音导入孔和所述空洞的下表面连接。
8.一种麦克风，其特征在于，
将权利要求1所述的声音变换器和将来自所述声音变换器的信号放大并输出至外部的电路部安装在封装体内。
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