JP2007158823A

JP2007158823A - Capacitor microphone device

Info

Publication number: JP2007158823A
Application number: JP2005352342A
Authority: JP
Inventors: Michio Kimura; 教夫木村; Yusuke Takeuchi; 祐介竹内; Shigeo Masai; 茂雄政井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: JP4672539B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitor microphone device capable of obtaining a required output voltage, without having to use an additional amplifier, while removing the effects due to floating capacitance. <P>SOLUTION: The capacitor microphone device has a capacitor microphone element 100, a high-input impedance amplifier 32 for amplifying the output signal of the element 100 with amplification degree G, a first voltage-dividing resistance 21, and a second voltage-dividing resistance 22. The output voltage of the amplifier 32 is divided by the first/second voltage-dividing resistances 21, 22. One terminal (a silicon substrate pad) 27 of the floating capacitance occurring in the element 100 is driven by a divided voltage. The floating capacitance, existing at the output line of the element 100, can be made very small (theoretically to zero) by a driven shield circuit, including the first/second voltage dividing resistances 21, 22. The open-end output voltage of a microphone is led to the input of the amplifier 32, without being affected by the floating capacitance so as to obtain a signal of a required output voltage, while amplifying the open end output voltage with the amplifier 32. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、携帯電話端末等の電子機器に用いられるコンデンサマイクロホン装置に関する。 The present invention relates to a condenser microphone device used in an electronic device such as a mobile phone terminal.

近年、シリコン基板に半導体プロセスで用いられている超精密加工技術を適用して、超小型のコンデンサ型シリコンマイクロホンを製造する技術が開発されており、その製品が携帯電話などの小型機器に組み込まれている。 In recent years, technology for manufacturing ultra-small condenser-type silicon microphones by applying ultra-precision processing technology used in semiconductor processes to silicon substrates has been developed, and the products are incorporated into small devices such as mobile phones. ing.

図３は、シリコンマイクロホンエレメント１０の一例を示している。シリコン基板上には、半導体製造技術を用いて多数のシリコンマイクロホンエレメントが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図３には、分割された１つのシリコンマイクロホンエレメント１０の側面図を示している。 FIG. 3 shows an example of the silicon microphone element 10. A large number of silicon microphone elements are simultaneously formed on a silicon substrate by using a semiconductor manufacturing technique, and finally divided into individual pieces. FIG. 3 shows a side view of one divided silicon microphone element 10.

このシリコンマイクロホンエレメント１０は、シリコン基板１１と、第１の絶縁層１２と、振動膜電極１３と、永久電荷を保持する永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）１４と、第２の絶縁層１５と、音圧を透過する音孔１７が設けられた固定電極１６と、振動膜電極１３の背面に設けられた背気室１８とを有している。 This silicon microphone element 10 includes a silicon substrate 11, a first insulating layer 12, a vibrating membrane electrode 13, a permanent charge dielectric film (electret film) 14 that retains permanent charges, a second insulating layer 15, The stationary electrode 16 is provided with a sound hole 17 that transmits sound pressure, and the back air chamber 18 is provided on the back surface of the diaphragm electrode 13.

このエレメントを製造する際は、シリコン基板１１の全面に第１の絶縁層１２を積層し、その上に振動膜電極１３を所定形状に形成し、振動膜電極１３上に永久電荷誘電体膜１４を所定形状に形成する。その上から第２の絶縁層１５及び固定電極１６の層を全面に積層し、固定電極１６をエッチングで所定形状に形成し、且つ音孔１７を形成する。 When manufacturing this element, the first insulating layer 12 is laminated on the entire surface of the silicon substrate 11, the vibrating membrane electrode 13 is formed in a predetermined shape thereon, and the permanent charge dielectric film 14 is formed on the vibrating membrane electrode 13. Are formed into a predetermined shape. Then, the second insulating layer 15 and the fixed electrode 16 are laminated on the entire surface, the fixed electrode 16 is formed into a predetermined shape by etching, and the sound hole 17 is formed.

そして、固定電極１６をマスクにして、音孔１７から進入する溶液等で第２の絶縁層１５をエッチングし、周縁部を残して、それ以外の第２の絶縁層１５を除去する。残った第２の絶縁層１５が固定電極１６及び振動膜電極１３間のギャップを維持することになる。 Then, using the fixed electrode 16 as a mask, the second insulating layer 15 is etched with a solution or the like entering from the sound hole 17, and the other second insulating layer 15 is removed leaving the peripheral edge. The remaining second insulating layer 15 maintains the gap between the fixed electrode 16 and the diaphragm electrode 13.

また、背気室１８を形成するため、振動膜電極１３の背面に当たるシリコン基板１１及び第１の絶縁層１２を裏面側からエッチングして除去する。 Further, in order to form the back air chamber 18, the silicon substrate 11 and the first insulating layer 12 that are in contact with the back surface of the vibrating membrane electrode 13 are removed by etching from the back surface side.

このように構成されたシリコンマイクロホンでは、音孔１７から進入する音波に応じて振動膜電極１３が振動し、永久電荷誘電体膜１４で保持された電荷が固定電極１６に近付いたり離れたりする。そのため、振動膜電極１３と固定電極１６との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化が外部装置で検出されて、音波が電気信号に変換される。 In the silicon microphone configured as described above, the vibrating membrane electrode 13 vibrates according to the sound wave entering from the sound hole 17, and the electric charge held by the permanent charge dielectric film 14 approaches or separates from the fixed electrode 16. Therefore, the electrostatic capacitance between the vibrating membrane electrode 13 and the fixed electrode 16 changes, and the change in the electrostatic capacitance is detected by an external device, and the sound wave is converted into an electric signal.

このシリコンマイクロホンエレメント１０では、振動膜電極１３とシリコン基板１１との間、及び、固定電極１６とシリコン基板１１との間に浮遊（ストレー）容量が生成されることが避けられず、その値を零にすることはきわめて困難である。微小形状のシリコンマイクロホンでは、この浮遊容量が実効容量と同程度になり、容量変化の検出感度を低下させる。 In the silicon microphone element 10, it is inevitable that floating (stray) capacitance is generated between the vibrating membrane electrode 13 and the silicon substrate 11 and between the fixed electrode 16 and the silicon substrate 11. It is very difficult to make it zero. In a micro-shaped silicon microphone, this stray capacitance becomes about the same as the effective capacitance, and the detection sensitivity of capacitance change is lowered.

このような浮遊容量を打ち消すため、従来から、浮遊容量の一方の電位を信号電位と同電位にする手法が採られており、そのための回路が、ドリブンシールド回路と呼ばれている。 In order to cancel out such a stray capacitance, conventionally, a method of setting one potential of the stray capacitance to the same potential as the signal potential has been adopted, and a circuit for that purpose is called a driven shield circuit.

図４は、従来から知られている（例えば、下記特許文献１参照）、シリコンマイクロホンエレメント１０と増幅度が１の高入力インピーダンス増幅器３０とを具備し、ドリブンシールド回路により浮遊容量の影響を排除したマイクロホン装置を示している。 FIG. 4 includes a silicon microphone element 10 and a high input impedance amplifier 30 with an amplification factor of 1, which has been conventionally known (for example, see Patent Document 1 below), and eliminates the influence of stray capacitance by a driven shield circuit. A microphone device is shown.

図４では、その等価回路を太線で示している。なお、シリコンコンデンサマイクロホンに高入力インピーダンスアンプを結合して、シリコンコンデンサマイクロホンの出力を高入力インピーダンスアンプから取り出すことは一般的に行われている。 In FIG. 4, the equivalent circuit is indicated by a bold line. In general, a high input impedance amplifier is coupled to a silicon capacitor microphone, and an output of the silicon capacitor microphone is extracted from the high input impedance amplifier.

ここで、図４中の記号の定義を以下に示す。
Ｖｍ：シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧（Ｖ）
Ｃｍ：シリコンマイクロホンエレメント実効容量（Ｆ）
Ｃｐ１：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（振動膜電極１３−シリコン基板１１間）（Ｆ）
Ｃｐ２：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（固定電極１６−シリコン基板１１間）（Ｆ）
Ｖｉｎ：高入力インピーダンス増幅器３０の入力電圧（Ｖ）
Ｃｉｎ：実装容量を含んだ高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量（Ｆ）
Ｖ０１：高入力インピーダンス増幅器３０の出力電圧（Ｖ） Here, definitions of symbols in FIG. 4 are shown below.
Vm: Silicon microphone element open end output voltage (V)
Cm: Silicon microphone element effective capacity (F)
Cp1: Stray capacitance of silicon microphone element
(Between vibrating membrane electrode 13 and silicon substrate 11) (F)
Cp2: Stray capacitance of silicon microphone element
(Between fixed electrode 16 and silicon substrate 11) (F)
Vin: Input voltage of high input impedance amplifier 30 (V)
Cin: Input capacitance of high input impedance amplifier 30 including mounting capacitance (F)
V01: Output voltage of the high input impedance amplifier 30 (V)

即ち、固定電極１６と振動膜電極１３との間には実効容量Ｃｍが発生し、また、振動膜電極１３とシリコン基板１１との間には浮遊（ストレー）容量Ｃｐ１が発生し、固定電極１６とシリコン基板１１との間には浮遊容量Ｃｐ２が発生している。そして、この浮遊容量の影響を打ち消すために、シリコン基板１１の電位を高入力インピーダンス増幅器３０の出力電位と同電位にするドリブンシールド回路が構成されている。 That is, an effective capacitance Cm is generated between the fixed electrode 16 and the vibrating membrane electrode 13, and a floating (stray) capacitance Cp 1 is generated between the vibrating membrane electrode 13 and the silicon substrate 11. And the silicon substrate 11 have a stray capacitance Cp2. In order to cancel the influence of the stray capacitance, a driven shield circuit is configured to make the potential of the silicon substrate 11 the same as the output potential of the high input impedance amplifier 30.

この増幅度１の高入力インピーダンス増幅器３０の出力電圧Ｖ０１は、キルヒホッフの法則を適用することで（数１）が導かれる。

また、高入力インピーダンス増幅器３０の増幅度が１であることから、

であり、（数１）は、

となり、浮遊容量Ｃｐ１の影響を打ち消すことができる。
ただし、実装容量（実装したときの周囲の配線等に起因する浮遊容量）を含んだ高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量Ｃｉｎは補償することができない。 The output voltage V01 of the high input impedance amplifier 30 having the amplification factor of 1 is derived by applying Kirchhoff's law.

Further, since the amplification factor of the high input impedance amplifier 30 is 1,

(Equation 1) is

Thus, the influence of the stray capacitance Cp1 can be canceled out.
However, the input capacitance Cin of the high input impedance amplifier 30 including the mounting capacitance (the stray capacitance due to the surrounding wiring when mounted) cannot be compensated.

また、
Ｐ：音圧（規定音圧は１（Ｎ／ｍ^２））（Ｎ／ｍ^２）
Ｓｄ：振動膜電極１３の面積（ｍ^２）
ｓ０：振動膜電極１３のスチフネス（Ｎ／ｍ）
ｓｂ：背気室１８のスチフネス（Ｎ／ｍ）
ｄ：振動膜電極１３と固定電極１６のギャップ（第２絶縁層１５の厚さ）（ｍ）
Ｅｂ：永久電荷誘電体膜１４の等価バイアス電圧（Ｖ）
とすると、シリコンマイクロホンエレメント１０の開放端出力電圧Ｖｍは、

で表される。 Also,
P: Sound pressure (specified sound pressure is 1 (N / m ² )) (N / m ² )
Sd: area of the diaphragm electrode 13 (m ² )
s0: Stiffness of vibrating membrane electrode 13 (N / m)
sb: Back air chamber 18 stiffness (N / m)
d: Gap between the vibrating membrane electrode 13 and the fixed electrode 16 (thickness of the second insulating layer 15) (m)
Eb: Equivalent bias voltage of permanent charge dielectric film 14 (V)
Then, the open end output voltage Vm of the silicon microphone element 10 is

It is represented by

実際の規定音圧１（Ｐａ）に対するシリコンマイクロホンエレメントの開放端出力電圧Ｖｍは、数ｍＶである
特開２０００−２８４６２公報 M.Ikeda他「Surface micromachined driven shield condencer microphone with a sacrifical layer etched fronm the back side」Transducers99 仙台 (1999)) M.Lukes「Silicon condenser microphone:electroacoustic model and simulation」Audio Tecnologies and Processing-ATP2001 The open-ended output voltage Vm of the silicon microphone element with respect to the actual specified sound pressure 1 (Pa) is several mV.
JP 2000-28462 A M. Ikeda et al. `` Surface micromachined driven shield condencer microphone with a sacrifical layer etched fronm the back side '' Transducers99 Sendai (1999)) M.Lukes “Silicon condenser microphone: electroacoustic model and simulation” Audio Tecnologies and Processing-ATP2001

しかしながら、シリコンマイクロホンエレメントと増幅度１の高入力インピーダンス増幅器とトリブンシールド回路とを組み合わせたシリコンマイクロホン装置は、規定音圧１（Ｎ／ｍ^２）に対する回路出力電圧が数ｍＶであり、携帯電話等に用いられれているエレクトレットコンデンサマイクロホンの出力電圧１０ｍＶ程度に比較して、その大きさが十分とは言えない。 However, a silicon microphone device combining a silicon microphone element, a high input impedance amplifier with an amplification factor of 1, and a seven-shield circuit has a circuit output voltage of several mV for a specified sound pressure of 1 (N / m ² ). Compared with the output voltage of about 10 mV of the electret condenser microphone used for the above, the size is not sufficient.

そのため、従来の装置では、図５に示すように、増幅度１の高入力インピーダンス増幅器３０の後に、必要な増幅度Ｇを持った増幅器３１を追加する必要があった。このような増幅器の追加は、製造工数の増加や装置の大型化をもたらし、惹いては商品のコストアップとなるため、マイクロホン装置本体にとっても、またアプリケーション側にとっても好ましいものではない。 Therefore, in the conventional apparatus, as shown in FIG. 5, it is necessary to add an amplifier 31 having a necessary amplification degree G after the high input impedance amplifier 30 having an amplification degree of 1. The addition of such an amplifier leads to an increase in the number of manufacturing steps and an increase in the size of the device, which in turn increases the cost of the product. Therefore, it is not preferable for the microphone device body and the application side.

また、従来の装置では、（数３）から明らかなように、その出力から、実装容量を含む高入力インピーダンス増幅器３０の入力容量の影響を排除することができない。 Further, in the conventional apparatus, as apparent from (Equation 3), the influence of the input capacitance of the high input impedance amplifier 30 including the mounting capacitance cannot be excluded from the output.

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、浮遊容量の影響を除くことができ、且つ、追加の増幅器を用いずに所要の出力電圧を得ることができるコンデンサマイクロホン装置を提供することを目的としている。 The present invention was devised in view of such circumstances, and provides a condenser microphone device that can eliminate the effect of stray capacitance and can obtain a required output voltage without using an additional amplifier. The purpose is that.

本発明のコンデンサマイクロホン装置は、音信号を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクロホンエレメントと、前記コンデンサマイクロホンエレメントの出力信号を増幅する高入力インピーダンス増幅器と、第１の分圧抵抗と、第２の分圧抵抗とを備え、前記高入力インピーダンス増幅器の出力電圧を前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗とで分圧し、分圧電圧を前記コンデンサマイクロホンエレメントに発生する浮遊容量の一方の端子に印加する構成である。 A capacitor microphone device according to the present invention includes a capacitor microphone element that converts a sound signal into an electric signal and outputs the electric signal, a high input impedance amplifier that amplifies the output signal of the capacitor microphone element, a first voltage dividing resistor, and a second voltage dividing resistor. A floating capacitor that divides the output voltage of the high input impedance amplifier by the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor, and generates the divided voltage in the capacitor microphone element. It is the structure applied to one terminal of these.

この構成によれば、コンデンサマイクロホンエレメントの出力線上に存在する浮遊容量を極めて小さくすることができ、マイクロホンの開放端出力電圧を浮遊容量の影響なしに高入力インピーダンス増幅器の入力に導くことができる。 According to this configuration, the stray capacitance existing on the output line of the condenser microphone element can be made extremely small, and the open-end output voltage of the microphone can be guided to the input of the high input impedance amplifier without the influence of the stray capacitance.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記コンデンサマイクロホンエレメントがシリコン基板上に形成されている。 In the condenser microphone device of the present invention, the condenser microphone element is formed on a silicon substrate.

このコンデンサマイクロホンエレメントは、半導体プロセスで製造される。 This condenser microphone element is manufactured by a semiconductor process.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記コンデンサマイクロホンエレメントと、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが同一のシリコン基板上に形成されている。 In the capacitor microphone device of the present invention, the capacitor microphone element, the first voltage dividing resistor, and the second voltage dividing resistor are formed on the same silicon substrate.

この第１の分圧抵抗及び第２の分圧抵抗は、コンデンサマイクロホンエレメントを半導体プロセスで製造する過程において、同時に形成される。 The first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor are formed simultaneously in the process of manufacturing the capacitor microphone element by a semiconductor process.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが分圧シートで構成されている。 In the condenser microphone device of the present invention, the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor are configured by a voltage dividing sheet.

そのため、第１の分圧抵抗及び第２の分圧抵抗の厚みは同一であり、幅及び長さは、半導体プロセスで精密に設定されるので、分圧比の精度が極めて高くすることができる。 Therefore, the thickness of the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor are the same, and the width and length are precisely set in the semiconductor process, so that the accuracy of the voltage dividing ratio can be made extremely high.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記分圧電圧が印加される浮遊容量の一方の端子が、前記シリコン基板である。 In the condenser microphone device of the present invention, one terminal of the stray capacitance to which the divided voltage is applied is the silicon substrate.

そのため、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗との接続点がシリコン基板に接続される。 Therefore, the connection point between the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor is connected to the silicon substrate.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）とが、
Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝１／Ｇ
の関係にある。 In the condenser microphone device of the present invention, the amplification factor (G) of the high input impedance amplifier is greater than 1, the resistance value (R1) of the first voltage dividing resistor, and the second voltage dividing resistor. Resistance value (R2) of
R2 / (R1 + R2) = 1 / G
Are in a relationship.

この関係を保つことにより、シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量を打ち消して、高入力インピーダンス増幅器の増幅度でＧ倍されたシリコンマイクロホンの信号を得ることができる。 By maintaining this relationship, it is possible to cancel the stray capacitance of the silicon microphone element and obtain a silicon microphone signal multiplied by G with the amplification factor of the high input impedance amplifier.

また、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）と、前記高入力インピーダンス増幅器の入力容量値（Ｃｉｎ）と、前記コンデンサマイクロホンエレメントの浮遊容量（Ｃｐ１）とが、
Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝（１／Ｇ）｛（Ｃｐ１＋Ｃｉｎ）／Ｃｐ１｝
の関係にある。 In the condenser microphone device of the present invention, the amplification factor (G) of the high input impedance amplifier is greater than 1, the resistance value (R1) of the first voltage dividing resistor, and the second voltage dividing resistor. Resistance value (R2), input capacitance value (Cin) of the high input impedance amplifier, and stray capacitance (Cp1) of the capacitor microphone element,
R2 / (R1 + R2) = (1 / G) {(Cp1 + Cin) / Cp1}
Are in a relationship.

この関係を保つことにより、シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量と高入力インピーダンス増幅器の入力容量とを補償し、シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧をＧ倍に増幅した信号電圧を得ることができる。 By maintaining this relationship, it is possible to compensate for the stray capacitance of the silicon microphone element and the input capacitance of the high input impedance amplifier, and obtain a signal voltage obtained by amplifying the silicon microphone element open-end output voltage G times.

本発明のコンデンサマイクロホン装置は、第１の分圧抵抗と第２の分圧抵抗とを含むドリブンシールド回路により、コンデンサマイクロホンエレメントの出力線上に存在する浮遊容量を極めて小さく（理論的には零に）することができ、マイクロホンの開放端出力電圧を浮遊容量の影響なしに高入力インピーダンス増幅器の入力に導くことができる。
そして、この入力を高入力インピーダンス増幅器で増幅して、所要の出力電圧の信号を回路出力端に得ることができる。また、増幅器を追加する必要がなくなるので、部品点数を削減することができ、回路規模を小型化することができる。 The condenser microphone device of the present invention has a driven shield circuit including a first voltage dividing resistor and a second voltage dividing resistor, so that stray capacitance existing on the output line of the capacitor microphone element is extremely small (theoretically zero). And the open circuit output voltage of the microphone can be guided to the input of the high input impedance amplifier without the influence of stray capacitance.
Then, this input can be amplified by a high input impedance amplifier to obtain a signal having a required output voltage at the circuit output terminal. Further, since it is not necessary to add an amplifier, the number of parts can be reduced, and the circuit scale can be reduced.

そのため、本発明のコンデンサマイクロホン装置では、音圧を良好な検出感度で所要の電圧の信号に変換することができる。 Therefore, in the condenser microphone device of the present invention, the sound pressure can be converted into a signal of a required voltage with a good detection sensitivity.

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホンの平面形状を模式図で示し、図２は、その等価回路をシリコンマイクロホンエレメントの側面図と共に示している。 (Embodiment 1)
FIG. 1 schematically shows a planar shape of a silicon microphone according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an equivalent circuit together with a side view of the silicon microphone element.

このシリコンマイクロホンは、シリコンマイクロホンエレメント１００と、増幅度Ｇが１より大きい高入力インピーダンス増幅器３２とを組み合わせて構成されている。 This silicon microphone is configured by combining a silicon microphone element 100 and a high input impedance amplifier 32 having an amplification degree G greater than 1.

シリコンマイクロホンエレメント１００は、シリコン基板１上に、絶縁層２を介して、振動膜電極３と成極電圧生成手段（エレクトレット膜）４と固定電極（絶縁層と固定電極との積層体）６とを有し（図２）、また、シリコン基板１上に、絶縁層２を介して分圧シート抵抗２１、２２を有している（図１）。 A silicon microphone element 100 includes a vibrating membrane electrode 3, a polarization voltage generating means (electret film) 4, a fixed electrode (a laminate of an insulating layer and a fixed electrode) 6, and a silicon substrate 1 with an insulating layer 2 interposed therebetween. (FIG. 2), and voltage dividing sheet resistors 21 and 22 are provided on the silicon substrate 1 via the insulating layer 2 (FIG. 1).

また、絶縁層が形成されたシリコン基板１上には、固定電極６に電気接続された第１固定電極パッド２３及び第２固定電極パッド２９と、振動膜電極３に電気接続された振動膜電極パッド２８と、シリコン基板１に電気接続されたシリコン基板パッド２７と、分圧シート抵抗２１に固定電極６を電気接続するための固定電極接続用パッド２４と、分圧シート抵抗２１、２２にシリコン基板１を電気接続するためのシリコン基板接続用パッド２５と、分圧シート抵抗２２に高入力インピーダンス増幅器３２の出力側を電気接続するためのＡＭＰ出力接続用パッド２６とが形成されており、第１固定電極パッド２３と固定電極接続用パッド２４との間、及び、シリコン基板パッド２７とシリコン基板接続用パッド２５との間が電線で電気接続され、また、振動膜電極パッド２８が高入力インピーダンス増幅器３２の入力側に、ＡＭＰ出力接続用パッド２６が高入力インピーダンス増幅器３２の出力側に、それぞれ電気接続されている。 Further, on the silicon substrate 1 on which the insulating layer is formed, the first fixed electrode pad 23 and the second fixed electrode pad 29 electrically connected to the fixed electrode 6, and the vibrating membrane electrode electrically connected to the vibrating membrane electrode 3 A pad 28, a silicon substrate pad 27 electrically connected to the silicon substrate 1, a fixed electrode connection pad 24 for electrically connecting the fixed electrode 6 to the voltage dividing sheet resistor 21, and silicon to the voltage dividing sheet resistors 21 and 22 A silicon substrate connection pad 25 for electrically connecting the substrate 1 and an AMP output connection pad 26 for electrically connecting the output side of the high input impedance amplifier 32 to the voltage dividing sheet resistor 22 are formed. 1 Wires are electrically connected between the fixed electrode pad 23 and the fixed electrode connecting pad 24 and between the silicon substrate pad 27 and the silicon substrate connecting pad 25. Further, the vibrating membrane electrode pads 28 on the input side of the high input impedance amplifier 32, AMP output connection pads 26 to the output side of the high input impedance amplifier 32, are respectively electrically connected.

このシリコンマイクロホンの出力は、第２固定電極パッド２９に電気接続する端子４１と高入力インピーダンス増幅器３２の出力側端子４２とによって導出される。 The output of the silicon microphone is derived by a terminal 41 electrically connected to the second fixed electrode pad 29 and an output side terminal 42 of the high input impedance amplifier 32.

このシリコンマイクロホンエレメント１００は、半導体プロセス技術を用いて、次のように製作する。 The silicon microphone element 100 is manufactured as follows using semiconductor process technology.

まず、シリコン基板１上に第１の絶縁層２を形成する。絶縁層２は、通常使用されるシリコン酸化膜等を用いる。次に、第１の絶縁層２上に、振動膜電極３となる電気導体電極を形成し、同時に振動膜電極パッド２８の位置までの導電路を形成する。導体電極にはポリシリコン等を用いる。このとき、同時に分圧シート抵抗２１、２２をポリシリコン等で形成する。 First, the first insulating layer 2 is formed on the silicon substrate 1. As the insulating layer 2, a silicon oxide film or the like that is usually used is used. Next, an electric conductor electrode to be the diaphragm electrode 3 is formed on the first insulating layer 2 and a conductive path to the position of the diaphragm electrode pad 28 is formed at the same time. Polysilicon or the like is used for the conductor electrode. At this time, the voltage dividing sheet resistors 21 and 22 are simultaneously formed of polysilicon or the like.

次に、振動膜電極３上に成極電圧生成手段として永久電荷を保持できる永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）４を形成する。永久電荷誘電体膜には窒化もしくは酸化シリコン膜等を用いる。 Next, a permanent charge dielectric film (electret film) 4 capable of holding a permanent charge as a polarization voltage generating unit is formed on the vibrating membrane electrode 3. A nitride or silicon oxide film or the like is used for the permanent charge dielectric film.

次に、振動膜電極３と固定電極６とを所定の間隙ｄで対向させるための第２の絶縁層５を形成する。第２の絶縁層５はガラス質絶縁物を用いる。この絶縁層５上に、固定電極６を構成する絶縁膜と導体固定電極とを形成し、同時に第１固定電極パッド２３及び第２固定電極パッド２９の位置までの導電路を形成する。 Next, a second insulating layer 5 for making the vibrating membrane electrode 3 and the fixed electrode 6 face each other with a predetermined gap d is formed. The second insulating layer 5 uses a glassy insulator. On this insulating layer 5, an insulating film constituting the fixed electrode 6 and a conductor fixed electrode are formed, and at the same time, a conductive path to the position of the first fixed electrode pad 23 and the second fixed electrode pad 29 is formed.

固定電極６を構成する絶縁膜及び導体固定電極には、音圧を透過する音孔７をエッチング等で形成する。この音孔７を形成した固定電極６をマスクにして、第２の絶縁層５をエッチングし、周縁部を残して、それ以外の第２の絶縁層５を除去する。また、背気室８を形成するため、振動膜電極３の背面に当たるシリコン基板１及び第１の絶縁層２を裏面側からエッチングして除去する。 A sound hole 7 that transmits sound pressure is formed by etching or the like in the insulating film and the conductor fixed electrode constituting the fixed electrode 6. Using the fixed electrode 6 in which the sound hole 7 is formed as a mask, the second insulating layer 5 is etched, and the other second insulating layer 5 is removed leaving the peripheral edge. Further, in order to form the back air chamber 8, the silicon substrate 1 and the first insulating layer 2 that are in contact with the back surface of the vibrating membrane electrode 3 are removed by etching from the back surface side.

最後に、振動膜電極３、固定電極６、分圧シート抵抗２１、２２及びシリコン基板１の各々と接続する箇所に形成した各パッド２３〜２９のワイヤーボンディングを行う。 Finally, wire bonding is performed on each of the pads 23 to 29 formed at locations connecting to the vibrating membrane electrode 3, the fixed electrode 6, the partial pressure sheet resistors 21 and 22, and the silicon substrate 1.

なお、分圧シート抵抗２１、２２は、固定電極６の導体固定電極を形成するときに同時に形成しても良い。しかし、分圧シート抵抗２１、２２は、振動膜電極３や固定電極６とはマスク上独立して形成する。 The voltage dividing sheet resistors 21 and 22 may be formed at the same time when the conductor fixed electrode of the fixed electrode 6 is formed. However, the voltage dividing sheet resistors 21 and 22 are formed on the mask independently of the vibrating membrane electrode 3 and the fixed electrode 6.

また、成極電圧生成手段として、エレクトレット化した永久電荷誘電体膜４を設けることにより、コンデンサマイクロホンに特有な外部直流バイアス電圧を無くすことができるが、一般に用いられている、外部抵抗を介して外部直流バイアスを振動膜電極３に供給することで永久電荷誘電体膜４を省いても良い。 Further, by providing the electretized permanent charge dielectric film 4 as the polarization voltage generating means, it is possible to eliminate the external DC bias voltage peculiar to the capacitor microphone. By supplying an external DC bias to the vibrating membrane electrode 3, the permanent charge dielectric film 4 may be omitted.

分圧シート抵抗２１の固定電極接続用パッド２４を第１固定電極パッド２３に電気接続し、分圧シート抵抗２１、２２のシリコン基板接続用パッド２５をシリコン基板パッド２７に電気接続し、また、分圧シート抵抗２２のＡＭＰ出力接続用パッド２６を高入力インピーダンス増幅器３２の出力側に、振動膜電極パッド２８を高入力インピーダンス増幅器３２の入力側にそれぞれ電気接続することにより、図２の等価回路が形成される。 The fixed electrode connecting pad 24 of the voltage dividing sheet resistor 21 is electrically connected to the first fixed electrode pad 23, the silicon substrate connecting pad 25 of the voltage dividing sheet resistors 21, 22 is electrically connected to the silicon substrate pad 27, and The equivalent circuit of FIG. 2 is obtained by electrically connecting the AMP output connection pad 26 of the voltage dividing sheet resistor 22 to the output side of the high input impedance amplifier 32 and the vibrating membrane electrode pad 28 to the input side of the high input impedance amplifier 32. Is formed.

ここでは、分圧シート抵抗２１の抵抗値をＲ２、分圧シート抵抗２２の抵抗値をＲ１としている。シート抵抗の抵抗値Ｒ（Ｒ１、Ｒ２）は、抵抗率ρ（Ωｍ）、抵抗部の幅Ｗ（ｍ）、長さＬ（ｍ）、膜厚Ｈ（ｍ）によって以下のように決定される。

Ｒ＝（ρ・L）／（Ｗ・Ｈ）（Ω）
Here, the resistance value of the voltage dividing sheet resistor 21 is R2, and the resistance value of the voltage dividing sheet resistor 22 is R1. The resistance value R (R1, R2) of the sheet resistance is determined as follows according to the resistivity ρ (Ωm), the width W (m) of the resistance portion, the length L (m), and the film thickness H (m). .

R = (ρ · L) / (W · H) (Ω)

シート抵抗２１とシート抵抗２２とは、同一のポリシリコン層で形成されるため、抵抗率ρ及び膜厚Ｈの値は同一である。また、幅Ｗ及び長さＬの値は、半導体プロセスで形成されるのできわめて精度よく作製される。 Since the sheet resistance 21 and the sheet resistance 22 are formed of the same polysilicon layer, the values of the resistivity ρ and the film thickness H are the same. In addition, since the values of the width W and the length L are formed by a semiconductor process, they are manufactured with extremely high accuracy.

そのため、幅Ｗと長さＬを決めることで、非常に精度のよい抵抗比の分圧シート抵抗２１、２２を作製することができる。このとき、分圧シート抵抗２１の長さをＬ２１、幅をＷ２１、分圧シート抵抗２２の長さをＬ２２、幅をＷ２２とすると、Ｒ１：Ｒ２の抵抗比は、

Ｌ２１／Ｗ２１：Ｌ２２／Ｗ２２

となる。 Therefore, by determining the width W and the length L, it is possible to produce the voltage dividing sheet resistors 21 and 22 having a very accurate resistance ratio. At this time, if the length of the divided sheet resistor 21 is L21, the width is W21, the length of the divided sheet resistor 22 is L22, and the width is W22, the resistance ratio of R1: R2 is

L21 / W21: L22 / W22

It becomes.

また、シリコンマイクロホンエレメントと結合する高入力インピーダンス増幅器３２はＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴを初段に使用した高入力インピーダンスＣＭＯＳアンプを用いることで実現できる。 Further, the high input impedance amplifier 32 coupled to the silicon microphone element can be realized by using a high input impedance CMOS amplifier using an FET such as a MOSFET in the first stage.

この構成のもとで、高入力インピーダンス増幅器３２を通して得られるシリコンマイクロホンの信号電圧の方程式は以下の（数５）で表される。

ここで、
Ｖｍ：シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧（Ｖ）
Ｃｍ：シリコンマイクロホンエレメント実効容量（Ｆ）
Ｃｐ１：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（振動膜電極３−シリコン基板１間）（Ｆ）
Ｃｐ２：シリコンマイクロホンエレメントの浮遊容量
（固定電極６−シリコン基板１間）（Ｆ）
Ｖｉｎ：高入力インピーダンス増幅器３２の入力電圧（Ｖ）
Ｃｉｎ：実装容量を含んだ高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量（Ｆ）
Ｖ０１：高入力インピーダンス増幅器３２の出力電圧（Ｖ）
Ｇ：高入力インピーダンス増幅器３２の増幅度（Ｖ／Ｖ）
Ｒ１：シリコンマイクロホンエレメント上の分圧シート抵抗２２の抵抗値（Ω）
Ｒ２：シリコンマイクロホンエレメント上の分圧シート抵抗２１の抵抗値（Ω）
である。 Under this configuration, the equation of the signal voltage of the silicon microphone obtained through the high input impedance amplifier 32 is expressed by the following (Equation 5).

here,
Vm: Silicon microphone element open end output voltage (V)
Cm: Silicon microphone element effective capacity (F)
Cp1: Stray capacitance of silicon microphone element
(Between vibrating membrane electrode 3 and silicon substrate 1) (F)
Cp2: Stray capacitance of silicon microphone element
(Between fixed electrode 6 and silicon substrate 1) (F)
Vin: Input voltage of the high input impedance amplifier 32 (V)
Cin: Input capacitance of high input impedance amplifier 32 including mounting capacitance (F)
V01: Output voltage of the high input impedance amplifier 32 (V)
G: Amplification degree of high input impedance amplifier 32 (V / V)
R1: Resistance value of the voltage dividing sheet resistor 22 on the silicon microphone element (Ω)
R2: Resistance value of the voltage dividing sheet resistor 21 on the silicon microphone element (Ω)
It is.

また、Ｖｍは（数４）で表される。
（数５）において、分圧抵抗比を

とすれば、Ｖｉｎ＝（１／Ｇ）Ｖ０１であるから、

となり、高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量Ｃｉｎは補償できないまでも、シリコンマイクロホンエレメント１００の浮遊容量を打ち消して、高入力インピーダンス増幅器３２の増幅度でＧ倍されたシリコンマイクロホンの信号を得ることができる。 Vm is expressed by (Expression 4).
In (Equation 5), the voltage dividing resistance ratio is

Since Vin = (1 / G) V01,

Therefore, even if the input capacitance Cin of the high input impedance amplifier 32 cannot be compensated, the stray capacitance of the silicon microphone element 100 can be canceled and a silicon microphone signal multiplied by G with the amplification factor of the high input impedance amplifier 32 can be obtained. .

さらに、分圧抵抗比を

とすることで

となり、シリコンマイクロホンエレメント１００の浮遊容量と高入力インピーダンス増幅器３２の入力容量とを補償し、シリコンマイクロホンエレメント開放端出力電圧ＶｍをＧ倍に増幅した信号電圧Ｖ０１を得ることができる。 Furthermore, the voltage dividing resistance ratio

By doing

Thus, the stray capacitance of the silicon microphone element 100 and the input capacitance of the high input impedance amplifier 32 are compensated, and a signal voltage V01 obtained by amplifying the silicon microphone element open-end output voltage Vm G times can be obtained.

（数６）や（数８）で要求される分圧抵抗比は、前述したように、半導体プロセスで極めて精密に製作可能であり、（数７）及び（数９）の出力電圧は、容易に実現可能である。
このように、このシリコンマイクロホンは、シリコンマイクロホンエレメント１００の製作時に、シリコンマイクロホンエレメント内に分圧抵抗を形成しているため、製造工程数の増加や形状の増大を殆ど伴わずに製作することができる。 As described above, the voltage dividing resistance ratio required in (Equation 6) and (Equation 8) can be manufactured with high precision by a semiconductor process, and the output voltage in (Equation 7) and (Equation 9) is easy. Is feasible.
As described above, since the silicon microphone element 100 has a voltage dividing resistor formed in the silicon microphone element 100 when the silicon microphone element 100 is manufactured, the silicon microphone can be manufactured with almost no increase in the number of manufacturing steps or an increase in shape. it can.

なお、ここでは、シリコンマイクロホンエレメント１００と高入力インピーダンス増幅器３２とを別体として構成したが、それらを１つのシリコン基板内に作り込むことも可能である。 Here, although the silicon microphone element 100 and the high input impedance amplifier 32 are configured as separate bodies, it is also possible to make them in one silicon substrate.

本発明に係るコンデンサマイクロホン装置は、音圧を良好な検出感度で所要の電圧の信号に変換することができる小型マイクロホン装置として極めて有用であり、携帯電話を始めとして、各種装置に広く用いることができる。 The condenser microphone device according to the present invention is extremely useful as a small microphone device capable of converting sound pressure into a signal of a required voltage with good detection sensitivity, and is widely used in various devices including a mobile phone. it can.

本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホン装置の平面形状を示す模式図The schematic diagram which shows the planar shape of the silicon microphone apparatus in embodiment of this invention 本発明の実施形態におけるシリコンマイクロホン装置の等価回路を、シリコンマイクロホンエレメントの側面と共に示す図The figure which shows the equivalent circuit of the silicon microphone apparatus in embodiment of this invention with the side surface of a silicon microphone element. 従来のシリコンマイクロホンエレメントの側面図Side view of a conventional silicon microphone element 従来のシリコンマイクロホン装置の等価回路を、シリコンマイクロホンエレメントの側面と共に示す図The figure which shows the equivalent circuit of the conventional silicon microphone apparatus with the side of a silicon microphone element 従来のシリコンマイクロホン装置において増幅器が追加された構成を示す図The figure which shows the structure by which the amplifier was added in the conventional silicon microphone apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１シリコン基板
２第１の絶縁層
３振動膜電極
４エレクトレット膜
５第２の絶縁層
６固定電極
７音孔
８背気室
１０シリコンマイクロホンエレメント
１１シリコン基板
１２第１の絶縁層
１３振動膜電極
１４永久電荷誘電体膜（エレクトレット膜）
１５第２の絶縁層
１６固定電極
１７音孔
１８背気室
２１分圧シート抵抗
２２分圧シート抵抗
２３第１固定電極パッド
２４固定電極接続用パッド
２５シリコン基板接続用パッド
２６ＡＭＰ出力接続用パッド
２７シリコン基板パッド
２８振動膜電極パッド
２９第２固定電極パッド
３０高入力インピーダンス増幅器（増幅度１）
３１増幅器（増幅度Ｇ）
３２高入力インピーダンス増幅器（増幅度Ｇ）
４１端子
４２端子
１００シリコンマイクロホンエレメント DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 1st insulating layer 3 Vibration membrane electrode 4 Electret film 5 2nd insulating layer 6 Fixed electrode 7 Sound hole 8 Back air chamber 10 Silicon microphone element 11 Silicon substrate 12 1st insulating layer 13 Vibration membrane electrode 14 Permanent charge dielectric film (electret film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 2nd insulating layer 16 Fixed electrode 17 Sound hole 18 Back air chamber 21 Partial pressure sheet resistance 22 Partial pressure sheet resistance 23 1st fixed electrode pad 24 Fixed electrode connection pad 25 Silicon substrate connection pad 26 AMP output connection pad 27 Silicon substrate pad 28 Vibration membrane electrode pad 29 Second fixed electrode pad 30 High input impedance amplifier (amplification factor 1)
31 Amplifier (Amplification degree G)
32 High input impedance amplifier (Amplification degree G)
41 terminal 42 terminal 100 Silicon microphone element

Claims

音信号を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクロホンエレメントと、
前記コンデンサマイクロホンエレメントの出力信号を増幅する高入力インピーダンス増幅器と、
第１の分圧抵抗と、第２の分圧抵抗とを備え、
前記高入力インピーダンス増幅器の出力電圧を前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗とで分圧し、分圧電圧を前記コンデンサマイクロホンエレメントに発生する浮遊容量の一方の端子に印加するコンデンサマイクロホン装置。 A condenser microphone element that converts a sound signal into an electric signal and outputs the electric signal;
A high input impedance amplifier for amplifying the output signal of the condenser microphone element;
A first voltage dividing resistor and a second voltage dividing resistor;
A capacitor that divides the output voltage of the high input impedance amplifier by the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor and applies the divided voltage to one terminal of the stray capacitance generated in the capacitor microphone element. Microphone device.

前記コンデンサマイクロホンエレメントがシリコン基板上に形成されている請求項１に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The condenser microphone device according to claim 1, wherein the condenser microphone element is formed on a silicon substrate.

前記コンデンサマイクロホンエレメントと、前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが同一のシリコン基板上に形成されている請求項１に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The condenser microphone device according to claim 1, wherein the condenser microphone element, the first voltage dividing resistor, and the second voltage dividing resistor are formed on the same silicon substrate.

前記第１の分圧抵抗と、前記第２の分圧抵抗とが分圧シートで構成されている請求項３に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The condenser microphone device according to claim 3, wherein the first voltage dividing resistor and the second voltage dividing resistor are configured by a voltage dividing sheet.

前記分圧電圧が印加される浮遊容量の一方の端子が、前記シリコン基板である請求項１から４のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The condenser microphone device according to claim 1, wherein one terminal of the stray capacitance to which the divided voltage is applied is the silicon substrate.

前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）とが、

の関係にある請求項１から５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The amplification factor (G) of the high input impedance amplifier is greater than 1, and the resistance value (R1) of the first voltage dividing resistor and the resistance value (R2) of the second voltage dividing resistor are:

The condenser microphone device according to any one of claims 1 to 5, wherein

前記高入力インピーダンス増幅器の増幅度（Ｇ）が１より大きく、かつ、前記第１の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ１）と、前記第２の分圧抵抗の抵抗値（Ｒ２）と、前記高入力インピーダンス増幅器の入力容量値（Ｃｉｎ）と、前記コンデンサマイクロホンエレメントの浮遊容量（Ｃｐ１）とが、

の関係にある請求項１から５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン装置。 The amplification factor (G) of the high input impedance amplifier is greater than 1, the resistance value (R1) of the first voltage dividing resistor, the resistance value (R2) of the second voltage dividing resistor, and the high The input capacitance value (Cin) of the input impedance amplifier and the stray capacitance (Cp1) of the condenser microphone element are:

The condenser microphone device according to any one of claims 1 to 5, wherein