CN116806004A - Mems麦克风 - Google Patents

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叶肇
内田雄喜
吉田拓马
大尾光明
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Abstract

本发明提供一种MEMS麦克风，其在抑制MEMS麦克风的电路规模的增大的同时，生成相位反转的差动信号。MEMS麦克风具有：具有导电性的振动膜；第一可变电容器，其具有与振动膜对置的第一固定电极，且静电电容根据振动膜的振动而变化；第二可变电容器，其具有与振动膜对置的第二固定电极，且静电电容根据振动膜的振动而变化；第一电压输出部，其输出根据第一可变电容器的静电电容的变化而变化的第一电压；以及第二电压输出部，其输出根据第二可变电容器的静电电容的变化而变化的第二电压，对第一固定电极施加第一偏置电压，对第二固定电极施加基准电压，对振动膜施加第二偏置电压，该第二偏置电压与基准电压之差为第一偏置电压与基准电压之差的一半。

Description

MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及麦克风，特别涉及使用了MEMS技术的MEMS麦克风。
背景技术
在要求设备的小型化、轻量化的同时，还要求搭载在设备的麦克风的小型化、轻量化。伴随该要求，开发出使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电***)技术的MEMS麦克风。例如，MEMS麦克风具有可变电容器，该可变电容器由设置在半导体基板上的导电性的振动膜和覆盖振动膜并固定在半导体基板上的导电性的背板构成。而且，MEMS麦克风检测与声压引起的振动膜的振动相对应的可变电容器的静电电容的变化来作为电压，从而将声压转换为电信号(例如，参照专利文献1)。
在MEMS麦克风中，已知以下方法：将被施加彼此相反极性的电压的振动膜和背板分别与放大器的输入连接，根据声压生成差动信号(例如，参照专利文献2)。另外，在MEMS麦克风中，已知以下方法：在振动膜的两面侧分别配置背板，根据声压生成差动信号(例如，参照专利文献3)。
在MEMS麦克风中，已知以下方法：将与振动膜对置的多个背板分别经由开关与放大器的输入选择性地连接，由此按照声压的大小生成抑制了失真的信号(例如，参照专利文献4)。已知对2个固定电极分别施加彼此相反极性的电压，根据声压生成差动信号的电容麦克风(例如，参照专利文献5)。
在使用2个固定电极，根据声压来生成差动信号(正相信号和反相信号)的麦克风中，对由振动膜和2个固定电极形成的2个可变电容器分别施加正电压和负电压。然而，在将生成正电压的正电压生成电路和生成负电压的负电压生成电路搭载在麦克风时，麦克风的电路规模以及成本增大。另外，即使在能够生成对2个可变电容器施加的正电压和负电压的情况下，在2个可变电容器的静电电容相互不相等的情况下，也无法生成相同振幅的正相信号以及反相信号，生成有失真的差动信号。
专利文献1：日本特开2011-259410号公报
专利文献2：美国专利第10523162号说明书
专利文献3：美国专利第10589987号说明书
专利文献4：美国专利申请公开第2010/0266145号说明书
专利文献5：日本特开2006-101302号公报
发明内容
公开的技术是鉴于上述课题而作出的，其目的在于，抑制MEMS麦克风的电路规模的增大，并且生成振幅、相位反转的准确的差动信号。
在本公开的一个实施方式中，MEMS麦克风具有：具有导电性的振动膜；第一可变电容器，其具有与所述振动膜对置的第一固定电极，静电电容根据所述振动膜的振动而变化；第二可变电容器，其具有与所述振动膜对置的第二固定电极，静电电容根据所述振动膜的振动而变化；第一电压输出部，其输出根据所述第一可变电容器的静电电容的变化而变化的第一电压；以及第二电压输出部，其输出根据所述第二可变电容器的静电电容的变化而变化的第二电压，对所述第一固定电极施加第一偏置电压，对所述第二固定电极施加基准电压，对所述振动膜施加第二偏置电压，该第二偏置电压与所述基准电压之差为所述第一偏置电压与所述基准电压之差的一半。
能够抑制MEMS麦克风的电路规模的增大，并且生成相位反转的差动信号。
附图说明
图1是表示第一实施方式的麦克风的一例的框图。
图2是表示图1的MEMS部的结构的一例的分解立体图。
图3是沿着图2的A-A’线的剖视图。
图4是沿着图2的B-B’线的剖视图。
图5是表示图1的偏置生成电路以及1/2偏置生成电路的一例的电路框图。
图6是表示从图1的麦克风输出的输出信号与从未分割固定电极的其他麦克风输出的输出信号的一例的说明图。
图7是表示对分割固定电极的情况和不分割固定电极的情况下的麦克风的总谐波失真进行评价的模拟结果的一例的说明图。
图8是表示第二实施方式的麦克风的MEMS部的结构的一例的分解立体图。
图9是表示第三实施方式的麦克风的一例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施发明的方式进行说明。以下，供给信号的信号线使用与信号名相同的符号，供给电压的电压线或电源线使用与电压名或电源名相同的符号。
图1是表示第一实施方式的麦克风的一例的框图。图1所示的麦克风100例如具有使用MEMS技术形成的MEMS部110和电路部120。MEMS部110具有：由振动膜VP和与振动膜VP相互对置的固定电极BP1形成的可变电容器VC1；以及由振动膜VP和与振动膜VP相互对置的固定电极BP2形成的可变电容器VC2。
固定电极BP1是第一固定电极的一例，固定电极BP2是第二固定电极的一例。可变电容器VC1是第一可变电容器的一例，可变电容器VC2是第二可变电容器的一例。
固定电极BP1、BP2的面积彼此相同，固定电极BP1、BP2与振动膜VP的对置距离彼此相同。由此，能够使可变电容器VC1、VC2的电气特性彼此相等，能够使振动膜VP因声压而振动时的可变电容器VC1、VC2的静电电容的变化量彼此相等。
振动膜VP被设置为由可变电容器VC1、VC2共用。振动膜VP具有导电性，经由配线W1和端子T1与电路部120连接。固定电极BP1经由配线W2以及端子T2与电路部120连接。固定电极BP2经由配线W3以及端子T3与电路部120连接。在图2中对MEMS部110的结构进行说明。例如，端子T1、T2、T3可以形成为焊盘。
电路部120具有偏置生成电路121、1/2偏置生成电路122、电阻元件R1、R2、R3、R4、电容元件C1、C2以及放大器AMP1、AMP2。虽然没有特别限定，但电路部120被设计为ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等半导体集成电路。另外，电阻元件R1、R2、R3、R4为了实现高电阻而能够使用二极管等作为电阻元件。
电容元件C1的一端经由节点ND1与端子T2连接。电容元件C1的另一端经由节点ND3与放大器AMP1的输入连接。电容元件C2的一端经由节点ND2与端子T3连接。电容元件C2的另一端经由节点ND4与放大器AMP2的输入连接。
电阻元件R1配置在偏置生成电路121的输出与节点ND1之间。电阻元件R2配置在节点ND2与基准电压线Vref之间。因此，经由端子T3、节点ND2以及电阻元件R2将固定电极BP2设定为基准电压Vref。电阻元件R3配置在节点ND3与公共电压线Vcom之间。电阻元件R4配置在节点ND4与公共电压线Vcom之间。与放大器AMP1、AMP2的动作电压相匹配地设定公共电压线Vcom的电压，例如设定为1V。
经由电阻元件R1将节点ND1设定为偏置电压BIAS。经由电阻元件R3将节点ND3设定为公共电压Vcom。经由电阻元件R2将节点ND2设定为基准电压Vref。经由电阻元件R4将节点ND4设定为公共电压Vcom。另外，也可以将节点ND1设定为基准电压Vref，将节点ND2设定为偏置电压BIAS。此外，也可以将基准电压Vref设定为接地电压GND。
电容元件C1和电阻元件R3作为高通滤波器发挥功能，去除传递到节点ND1的电压信号的低频成分，将高频成分传递到放大器AMP1的输入。电容元件C2和电阻元件R4作为高通滤波器发挥功能，去除传递到节点ND2的电压信号的低频成分，将高频成分传递到放大器AMP2的输入。此外，电路部120也可以不具有电容元件C1、C2以及电阻元件R3、R4。在这种情况下，节点ND1可以连接到放大器AMP1的输入，节点ND2可以连接到放大器AMP2的输入。
偏置生成电路121与时钟信号CLK同步地动作，生成偏置电压BIAS。将偏置电压BIAS经由端子T2供给到固定电极BP1。偏置生成电路121将生成偏置电压BIAS的过程中的电压V1输出到1/2偏置生成电路122。
1/2偏置生成电路122基于从偏置生成电路121接收的电压V1，生成具有偏置电压BIAS的1/2的值的偏置电压1/2BIAS。将偏置电压1/2BIAS经由端子T1供给至振动膜VP。
偏置生成电路121是第一偏置生成电路的一例，偏置电压BIAS是第一偏置电压的一例。1/2偏置生成电路122是第二偏置生成电路的一例，偏置电压1/2BIAS是第二偏置电压的一例。
将偏置电压1/2BIAS设定为其与基准电压Vref之差成为偏置电压BIAS与基准电压Vref之差的大约一半的电压值。优选地，偏置电压1/2BIAS与基准电压Vref之差为偏置电压BIAS与基准电压Vref之差的一半。因此，例如，对可变电容器VC1、VC2分别施加以振动膜VP为基准，绝对值彼此相等的正电压和负电压。偏置生成电路121和1/2偏置生成电路122的例子如图5所示。
如此，麦克风100能够使用作为正电压的偏置电压BIAS和1/2BIAS来对可变电容器VC1和VC2分别施加正电压和负电压。由于可以不将负电压生成电路搭载在麦克风100，所以能够抑制麦克风100的电路规模的增大，能够抑制麦克风100的成本的增加。
放大器AMP1接收正的电源电压+Vlim和负的电源电压-Vlim而进行动作，将节点ND3的电压放大后作为输出电压VP1输出。放大器AMP2接收正的电源电压+Vlim和负的电源电压-Vlim而进行动作，将节点ND4的电压放大后作为输出电压VN1输出。例如，正的电源电压+Vlim为2V，负的电源电压-Vlim为0V。此外，放大器AMP1、AMP2也可以作为缓冲器进行动作。在该情况下，AMP1将节点ND3的电压直接作为输出电压VP1输出，放大器AMP2将节点ND4的电压直接作为输出电压VN1输出。
放大器AMP1是输出根据可变电容器VC1的静电电容的变化而变化的输出电压VP1的第一电压输出部的一例。放大器AMP2是输出根据可变电容器VC2的静电电容的变化而变化的输出电压VN1的第二电压输出部的一例。输出电压VP1是第一电压的一例，输出信号VN1是第二电压的一例。
例如，在MEMS部110中，当振动膜VP因声压而振动，振动膜VP与固定电极BP1、BP2的对置距离分别变小时，可变电容器VC1、VC2的静电电容值增大。由此，节点ND1的电压过渡性地降低，经由电容元件C1，节点ND3的电压也过渡性地降低。放大器AMP1根据节点ND3的电压的降低而使输出电压VP1降低。另一方面，节点ND2的电压过渡性地上升，经由电容元件C2，节点ND4的电压也过渡性地上升。放大器AMP2根据节点ND4的电压的上升而使输出电压VN1上升。
与此相对，当振动膜VP因声压而振动，振动膜VP与固定电极BP1、BP2的对置距离变大时，可变电容器VC1、VC2的静电电容值分别减小。由此，节点ND1的电压过渡性地上升，经由电容元件C1，节点ND3的电压也过渡性地上升。放大器AMP1根据节点ND3的电压的上升而使输出电压VP1上升。另一方面，节点ND2的电压过渡性地降低，经由电容元件C2，节点ND4的电压也过渡性地降低。放大器AMP2根据节点ND4的电压的降低而使输出电压VN1降低。
图2是表示图1的MEMS部110的结构的一例的分解立体图。以下，将分解立体图的上方向称为上侧U，将立体图的下方向称为下侧D。MEMS部110具有基板SUB，该基板SUB形成了贯通上侧U和下侧D的贯通孔即空腔CAV。
例如，通过对单晶硅等半导体基板进行加工来形成基板SUB。例如，如以下所示那样形成MEMS部110。首先，在硅晶片上依次形成振动膜VP、固定电极BP1、BP2、背板BP以及端子T1、T2、T3。接下来，在硅晶片上的与振动膜VP对置的位置形成空腔CAV，并通过对硅晶片进行切割而形成MEMS部110。各MEMS部110的基板SUB通过切割而成为长方体形状。如此，使用半导体制造技术来制造MEMS部110。另外，MEMS部110的各要素的形成顺序并不限于上述的顺序。
在空腔CAV的上侧U，将振动膜VP(隔膜)配置在覆盖空腔CAV的位置。振动膜VP例如大致为矩形，将振动膜VP的周围的整周或一部分固定在基板SUB上。例如，在振动膜VP的外周部分，沿着外周形成环状的狭缝SLT。振动膜VP的四个角中的1个角具有突出部PJ1。图1所示的端子T1设置在突出部PJ1的前端侧的上侧U。此外，形成突出部PJ1以及端子T1的位置并不限于图2所示的例子。另外，振动膜VP不限于矩形，也可以采用圆形或三角形等其他形状。
固定电极BP1、BP2配置在振动膜VP的上侧U，并与振动膜VP对置。固定电极BP1、BP2例如具有在端子T2、T3的方向上细长的矩形的板状，且隔着间隙GAP并排配置。此外，固定电极BP1、BP2只要其面积彼此相等，则形状没有限定，也可以是细长的矩形以外的形状。
固定电极BP1、BP2的上侧U被固定在将固定电极BP1、BP2固定在基板SUB上的背板BP。即，固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在振动膜VP侧。背板BP例如大致为矩形，具有电绝缘性。将背板BP的周围固定在基板SUB。背板BP是对固定电极BP1、BP2进行固定的固定板的一例。此外，背板BP不限于矩形，也可以采用圆形或三角形等其他形状。另外，也可以采用在固定电极BP1、BP2的上侧U和下侧D分别配置背板BP，通过背板BP包夹固定电极BP1、BP2的形状。
通过将固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在振动膜VP侧(下侧D)，与将固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在与振动膜VP相反的一侧(上侧U)的情况相比，能够减小与振动膜VP的对置距离。通过减小与振动膜VP的对置距离，能够增大可变电容器VC1、VC2的静电电容，能够提高声压的检测灵敏度。结果，能够提高麦克风100的性能。
固定电极BP1具有从背板BP的周围突出的突出部PJ2。端子T2设置在突出部PJ2的前端侧的上侧U。同样地，固定电极BP2具有从背板BP的周围突出的突出部PJ3。端子T3设置在突出部PJ3的前端侧的上侧U。另外，突出部PJ2、PJ3以及端子T2、T3的形成位置并不限于图2所示的例子。
并且，固定电极BP1、BP2以及背板BP具有贯通固定电极BP1、BP2以及背板BP的多个声孔AH。声孔AH的数量、大小、形成间隔以及排列形状并不限于图2所示的例子。
此外，固定电极BP1、BP2只要导电面的面积彼此相等，则形状也可以不同。另外，为了使导电面的面积相同，优选在固定电极BP1、BP2形成彼此相同数量的声孔AH。
虽然没有特别限定，但例如振动膜VP以及固定电极BP1、BP2由多晶硅形成，背板BP由SiN(氮化硅)形成。例如，端子T1、T2、T3由Au(金)形成。
图3是沿着图2的A-A’线的剖视图。另外，设为振动膜VP以及基板SUB的A-A’线位于将图2的背板BP的A-A’线向下侧D平行移动后的位置。
振动膜VP的四角被固定于在基板SUB上形成为环状的支承台ST1上。背板BP覆盖被设置在支承台ST1上的支承台ST2而形成。例如，支承台ST1、ST2由SiO2(二氧化硅)形成。此外，设为振动膜VP被固定在支承台ST1上，但也可以直接形成并固定在背板BP或基板SUB上，还可以形成于在基板SUB上形成的其他层叠膜上。另外，被固定的位置并不限于四角，也可以固定整周、2边或中央等。另外，背板BP也可以直接形成在支承台ST1或支承台ST2上、基板SUB上，形成位置没有限定。
固定电极BP1与背板BP的下侧D接触，由背板BP来支承。在背板BP的突出部PJ2侧形成了贯通至固定电极BP1的贯通孔。通过在贯通孔中埋入导电部件而形成端子T2。此外，固定电极BP2以及端子T3的剖面构造也与图3一样。
图4是沿着图2的B-B’线的剖视图。对于与图3相同的结构，省略详细的说明。另外，设为振动膜VP及基板SUB的B-B’线位于将图2的背板BP的B-B’线向下侧D平行移动后的位置。
固定电极BP1、BP2被配置在背板BP的下侧D，与振动膜VP的对置距离彼此相等。通过将固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在相同侧(在图4中为下侧D)，在MEMS部110的制造工序中，在形成固定电极BP1、BP2时，能够自动地且高精度地使到振动膜VP为止的对置距离相等。
另外，固定电极BP1、BP2使用公用的多晶硅层而形成在相互接近的位置，因此能够容易地使固定电极BP1、BP2的面积与多晶硅层的光掩模的面积对应而相互相等。这样，通过使用半导体制造技术在MEMS部110形成固定电极BP1、BP2，能够高精度地使固定电极BP1、BP2的面积以及固定电极BP1、BP2与振动膜VP的对置距离分别相等。因此，能够高精度地使可变电容器VC1、VC2的静电电容相等。其结果，麦克风100能够从放大器AMP1、AMP2输出相位相互反转的差动的输出信号VP1、VN1。
与此相对，例如，在与振动膜VP的上侧U和下侧D分别对置地形成固定电极BP1、BP2的情况下，固定电极BP1、BP2使用不同的多晶硅层而形成。因此，难以高精度地使可变电容器VC1、VC2的静电电容彼此相等，难以从放大器AMP1、AMP2输出相位彼此反转的差动的输出信号VP1、VN1。
另外，例如，在将由金属板和间隔物形成的可变电容器以及放大器等部件搭载在印刷基板上的ECM(Electret Condenser Microphone，驻极体电容麦克风)中，难以高精度地使2个可变电容器的静电电容相互相等。因此，难以从放大器输出相位彼此反转的差动的输出信号。
在并排地形成在振动膜VP上方的固定电极BP1、BP2的相邻部分即间隙GAP，朝向振动膜VP形成有填埋间隙GAP的突部CONV。突部CONV与背板BP一体地形成，具有电绝缘性。通过遮蔽固定电极BP1、BP2的邻接部分而形成电绝缘性的突部CONV，能够可靠地将固定电极BP1、BP2电气分离。此外，在图4中，为了使振动膜VP根据声压而容易地振动，在间隙GAP形成有声孔AH。然而，也可以不在间隙GAP形成声孔AH。
图5是表示图1的偏置生成电路121以及1/2偏置生成电路122的一例的电路框图。偏置生成电路121具有串联连接的多个泵单元125和输出滤波器126。泵单元125是升压电路的一例。1/2偏置生成电路122具有多个开关SW(SW1、SW2、SW3)和输出滤波器127。
在偏置生成电路121中，各泵单元125与时钟信号CLK同步地进行泵动作，对从前级接受的电压进行升压，并将升压后的电压向后级输出。然后，偏置生成电路121生成与泵单元125的级数和时钟信号CLK的电压振幅对应的偏置电压BIAS。此外，在图5中，初级的泵单元125通过输入接受接地电压GND，但也可以通过输入而接受基准电压Vref。
输出滤波器126具有去除最终级的泵单元125输出的电压中包含的高频成分而作为偏置电压BIAS输出的低通滤波器的功能。向输出滤波器126供给的升压电压包含高频成分，但与偏置电压BIAS相等。此外，向输出滤波器126输出升压电压的泵单元125并不限于最终级的泵单元125，只要是后级侧的泵单元125中的任意一个即可。
1/2偏置生成电路122通过开关SW(SW1-SW3)来接受在偏置生成电路121中相对于后级侧的泵单元125位于前级侧的多个泵单元125输出的多个升压电压。开关SW1-SW3中的任意一个接通，从而将从偏置生成电路121接受的电压作为电压V1传递到输出滤波器127。
输出滤波器127具有去除经由开关SW中的任意一个开关而接收到的电压V1中包含的高频成分，作为偏置电压1/2BIAS输出的低通滤波器的功能。向输出滤波器127供给的电压V1包含高频成分，但与偏置电压1/2BIAS相等。
各开关SW(SW1-SW3)例如根据开关控制电路128生成的开关控制信号SCNT(SCNT1-SCNT3)而进行动作。开关控制电路128根据控制电压CNT将开关控制信号SCNT1-SCNT3中的某一个设定为有效电平，将其它开关控制信号设定为无效电平。
然后，多个开关SW(SW1-SW3)中的接受了有效电平的开关控制信号SCNT的开关SW接通，将泵单元125的某一个输出与输出滤波器127的输入连接。例如，通过图1的电路部120的动作试验来决定开关控制电路128将开关控制信号SCNT1-SCNT3中的哪一个设定为有效电平。
由此，1/2偏置生成电路122能够利用生成偏置电压BIAS的偏置生成电路121的生成过程中的电压V1，来生成与基准电压Vref之差成为偏置电压BIAS与基准电压Vref之差的一半的偏置电压1/2BIAS。其结果，无需在1/2偏置生成电路122中形成泵单元125，就能够生成偏置电压1/2BIAS，能够抑制生成偏置电压BIAS、1/2BIAS的电路的电路规模的增大。
此外，开关控制电路128可以具有基于电路部120的动作试验而编程的熔丝电路等编程电路。在该情况下，根据编程电路的编程状态，将开关控制信号SCNT1-SCNT3中的某一个设定为有效电平。
另外，开关SW的数量并不限于3个。并且，1/2偏置生成电路122也可以不具有开关SW，例如，由输出滤波器127接受从偏置生成电路121所具有的n个(偶数个)泵单元125中的第n/2个泵单元125输出的电压。另外，还能够改变泵单元125的前级和后级的时钟信号CLK的振幅来进行调整等，从而使泵单元125为奇数个。
另外，偏置生成电路121也可以具有将后级侧的预定数量的泵单元125的输出选择性地与输出滤波器126的输入连接的多个开关。由此，能够对偏置电压BIAS的值进行微调。
图6是表示从图1的麦克风100输出的输出信号与从未分割固定电极的其他麦克风输出的输出信号的一例的说明图。图1的麦克风100从放大器AMP1、AMP2输出相位相互反转的差动的输出信号VP1、VN1。输出信号VP1、VN1的最大振幅为2Vlim。
输出信号VP1、VN1的相位相互反转。因此，从麦克风100接收输出信号VP1、VN1的外部电路能够将输出信号VP1、VN1作为差动信号进行处理。因此，例如，外部电路在将输出信号VP1、VN1的电压差设为输出信号VOUT时，能够生成具有各输出信号VP1、VN1的最大振幅的2倍的最大振幅4Vlim的输出信号VOUT。即，外部电路能够生成从电压-2Vlim到电压+2Vlim不失真的输出信号VOUT。
与此相对，在具有包含单一的固定电极BP的可变电容器VC的麦克风200中，从单一的放大器AMP输出的输出信号VOUT2的最大振幅为2Vlim。放大器AMP能够输出的最大电压以及最小电压分别被限制为+Vlim以及-Vlim。
因此，麦克风200能够无失真地输出输出信号VOUT2的输入声压的最大电平成为能够基于输出信号VP1、VN1无失真地输出输出信号VOUT的输入声压的最大电平的一半。例如，在通过输入到麦克风200的声压将输出信号VOUT2的上限和下限分别钳位为电压+Vlim和电压-Vlim的情况下，在输出信号VOUT2中产生失真。
如图2所示，通过使用MEMS技术形成振动膜VP以及固定电极BP1、BP2，由此能够高精度地使可变电容器VC1、VC2的静电电容彼此相等。而且，能够高精度地使振动膜VP振动时的可变电容器VC1、VC2的静电电容的变化量彼此相等。因此，例如，通过相位相互反转的输出信号VP1、VN1的电压差，能够生成具有输出信号VP1、VN1的振幅的大致2倍的振幅的输出信号。
此外，如上所述，在将由金属板和间隔物形成的可变电容器以及放大器等部件搭载在印刷基板上的ECM中，难以精度良好地使2个可变电容器的静电电容相等。因此，难以在振动膜振动时使2个可变电容器的静电电容的变化量相等，难以使从2个放大器输出的输出信号的电压差的振幅成为各放大器的输出信号的振幅的2倍。
图7是表示对分割固定电极的情况和不分割固定电极的情况下的麦克风的总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)进行评价的模拟结果的一例的说明图。
使用图1所示的麦克风100和图6所示的麦克风200来实施了模拟。在麦克风100的模拟中，将输出信号VP1、VN1的电压之差设为输出信号VOUT。麦克风200具有：MEMS部210，其包含未分割的固定电极BP；以及放大器AMP，其输入与固定电极BP连接，进行输出信号VOUT2的输出。
图7所示的模拟结果表示与输入到麦克风100的声压电平相对的输出信号VOUT以及与输入到麦克风200的声压电平相对的输出信号VOUT2的总谐波失真THD。根据模拟的结果可知，可使能够不使输出信号VOUT失真地输入到麦克风100的声压电平比能够不使输出信号VOUT2失真地输入到麦克风200的声压电平约大6dB(＝2倍)。即，具有分割的固定电极BP1、BP2的麦克风100与具有未分割的固定电极BP的麦克风200相比，能够对更宽的声压范围无失真地输出输出信号。
如上所述，在本实施方式中，麦克风100能够使用为正电压的偏置电压BIAS、1/2BIAS，对可变电容器VC1、VC2分别施加正电压和负电压。由于可以不在麦克风100搭载负电压生成电路，所以能够抑制麦克风100的电路规模的增大，能够抑制麦克风100的成本的增大。
另外，在可变电容器VC1、VC2中，形成在相同层的固定电极BP1、BP2形成为彼此相同的面积，从固定电极BP1、BP2到振动膜VP的对置距离设定为相同。由此，能够使可变电容器VC1、VC2的静电电容相互相等，能够高精度地生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。其结果，能够抑制麦克风100的电路规模的增大，并且生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。
1/2偏置生成电路122能够利用生成偏置电压BIAS的偏置生成电路121的生成过程中的电压V1，来生成与基准电压Vref之差具有偏置电压BIAS与基准电压Vref之差的大约一半的值的偏置电压1/2BIAS。其结果，无需在1/2偏置生成电路122中形成泵单元125，就能够生成偏置电压1/2BIAS，能够抑制用于生成偏置电压BIAS、1/2BIAS的电路的电路规模的增大。
通过将固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在振动膜VP侧，与将固定电极BP1、BP2相对于背板BP配置在与振动膜VP相反的一侧的情况相比，能够减小固定电极BP1、BP2与振动膜VP的对置距离。由此，能够增大可变电容器VC1、VC2的静电电容，能够提高声压的检测灵敏度。其结果，能够提高麦克风100的性能。
通过遮蔽固定电极BP1、BP2的邻接部分而形成电绝缘性的突部CONV，能够可靠地将固定电极BP1、BP2电气分离。此时，通过将突部CONV与背板BP一体地形成，能够使突部CONV自对准。
使用半导体制造技术在基板SUB上形成MEMS部110，由此能够高精度地使固定电极BP1、BP2的面积、以及固定电极BP1、BP2与振动膜VP的对置距离相等。
图8是表示第二实施方式的麦克风的MEMS部的结构的一例的分解立体图。对于与第一实施方式相同的要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。
图8所示的MEMS部110A除了固定电极BP1、BP2形成在背板BP的上侧U之外，具有与图2所示的MEMS部110相同的结构。例如，使用背板BP的上侧U的多晶硅层来形成固定电极BP1、BP2。由于固定电极BP1、BP2形成在背板BP的上侧U，因此端子T2、T3的截面构造与图3所示的截面构造不同。例如，端子T2、T3直接形成在各固定电极BP1、BP2上。
该实施方式的麦克风除了具有MEMS部110A来代替MEMS部110之外，具有与图1所示的麦克风100相同的结构。即，本实施方式的麦克风具有与MEMS部110A连接并输出输出信号VP1、VN1的电路部120。另外，本实施方式的麦克风的总谐波失真THD的模拟结果与图7的麦克风100的模拟结果相同。
如上所述，在该实施方式中，也能够得到与第一实施方式相同或同样的效果。例如，由于不在麦克风搭载负电压生成电路就能够分别向可变电容器VC1、VC2施加正电压和负电压，因此能够抑制麦克风的电路规模以及成本的增大。通过形成在相同层的固定电极BP1、BP2，能够使可变电容器VC1、VC2的静电电容相互相等，能够高精度地生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。其结果，能够抑制麦克风的电路规模的增大，并且能够生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。
图9是表示第三实施方式的麦克风的一例的框图。对于与第一实施方式相同的要素标注相同的附图标记，并省略详细的说明。该实施方式的麦克风100B除了具有电路部120B来代替图1的电路部120以外，具有与图1的麦克风100相同的结构。
电路部120B在图1的电路部120中追加了ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)130。ADC130通过差动输入+VIN、-VIN来接收从放大器AMP1输出的输出信号VP1和从放大器AMP2输出的输出信号VN1，并输出表示接收到的差动输入+VIN、-VIN的电压差的单相的数字输出信号DOUT。
数字输出信号DOUT的值与图6所示的输出信号VOUT的电压值对应。即，本实施方式的麦克风100B的总谐波失真THD的模拟结果与图7的麦克风100的模拟结果相同。另外，电路部120B可以具有差动放大器来代替ADC130，也可以具有将输出信号VP1、VN1分别转换为数字值的2个ADC。另外，麦克风100B也可以具有图8所示的MEMS部110A来代替MEMS部110。
如上所述，在该实施方式中，也能够得到与第一实施方式相同或同样的效果。例如，由于不在麦克风100B搭载负电压生成电路就能够对可变电容器VC1和VC2分别施加正电压和负电压，因此能够抑制麦克风100B的电路规模和成本的增大。通过形成在相同层的固定电极BP1、BP2，能够使可变电容器VC1、VC2的静电电容相互相等，能够高精度地生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。其结果，能够抑制麦克风110B的电路规模的增大，并且能够生成相位相互反转的差动信号即输出信号VP1、VN1。
而且，在本实施方式中，麦克风100B具有ADC130，其输出表示差动的输出信号VP1、VN1的电压差的单相的数字输出信号DOUT。由此，能够由数字电路构成与麦克风100B连接的外部电路，能够简化基于声压的变化而生成的差动信号的处理。
以上对用于实施本发明的方式进行了详细说明，但本发明并不限于该特定的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形、改良。
附图标记的说明
100、100B麦克风
110、110A MEMS部
120、120B电路部
121偏置生成电路
122 1/2偏置生成电路
123、124放大器
125泵单元
126、127输出滤波器
128开关控制电路
130ADC；
AH声孔
BIAS、1/2BIAS偏置电压
BP背板；
BP1、BP2固定电极
CAV空腔
CLK时钟信号
GAP间隙
PJ1、PJ2、PJ3突出部
ST1、ST2支承台
SUB基板
SW(SW1、SW2、SW3)开关
SCNT(SCNT1、SCNT2、SCNT3)开关控制信号
T1、T2、T3端子
VC1、VC2可变电容器
VN1输出信号
VP振动膜
VP1输出信号。

Claims (7)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，具有：
具有导电性的振动膜；
第一可变电容器，其具有与所述振动膜对置的第一固定电极，且静电电容根据所述振动膜的振动而变化；
第二可变电容器，其具有与所述振动膜对置的第二固定电极，且静电电容根据所述振动膜的振动而变化；
第一电压输出部，其输出根据所述第一可变电容器的静电电容的变化而变化的第一电压；以及
第二电压输出部，其输出根据所述第二可变电容器的静电电容的变化而变化的第二电压，
对所述第一固定电极施加第一偏置电压，
对所述第二固定电极施加基准电压，
对所述振动膜施加第二偏置电压，该第二偏置电压与所述基准电压之差为所述第一偏置电压与所述基准电压之差的一半。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述第一固定电极与所述第二固定电极的面积彼此相同，并且到所述振动膜的对置距离彼此相同。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述第二固定电极与接地线连接。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述MEMS麦克风具有：
第一偏置生成电路，其生成所述第一偏置电压；以及
第二偏置生成电路，其生成所述第二偏置电压，
所述第一偏置生成电路具有串联连接的多个升压电路，从所述多个升压电路中的某一个升压电路输出所述第一偏置电压，
所述第二偏置生成电路将相对于输出所述第一偏置电压的升压电路位于前级侧的所述多个升压电路中的某一个升压电路输出的电压作为所述第二偏置电压而输出。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述MEMS麦克风具有固定板，该固定板固定所述第一固定电极和所述第二固定电极，且具有电绝缘性，并与所述振动膜对置，
所述第一固定电极和所述第二固定电极相对于所述固定板配置在所述振动膜侧。
6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述固定板具有填埋所述第一固定电极与所述第二固定电极之间的间隙的突部。
7.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，
所述MEMS麦克风具有半导体基板，该半导体基板在与所述振动膜对置的位置具有贯通孔，
使用半导体制造技术在所述半导体基板上形成了所述振动膜、所述第一固定电极、所述第二固定电极以及所述固定板。
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