JP2009231951A - マイクロホン装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光に起因するノイズを低減し、信頼性の高いＭＥＭＳマイクロホン、すなわち音響センサを提供する。
【解決手段】半導体基板上に、第１の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第２の電極とを具備したコンデンサ部と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とを備えたマイクロホン装置であって、前記コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、前記半導体基板と同一導電型であることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】半導体基板上に、第１の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第２の電極とを具備したコンデンサ部と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とを備えたマイクロホン装置であって、前記コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、前記半導体基板と同一導電型であることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、マイクロホン装置にかかり、特にマイクロホン装置のノイズの低減に関する。
エレクトレット・コンデンサ・マイクロホン（ＥＣＭ）は、音波によるコンデンサの容量変化を電気信号として検出すると共に、半永久的な分極をもつエレクトレット膜を利用することにより、コンデンサの直流バイアスを不要とした、小型の音響電気変換装置であるが、近年、機械部品を組立てるのではなく、シリコン基板をマイクロ加工して、超小型のコンデンサマイクロホンを形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
いわゆるＭＥＭＳ（微小電気機械システム）素子の製造技術を用いて製造されるシリコンのコンデンサマイクロホンは、「シリコンマイクロホン（あるいは、シリコンマイク）」と呼ばれており、小型化、薄型化が進む携帯電話端末等に搭載するためのＥＣＭの製造技術として注目されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、シリコンマイクロホンは、半導体プロセス技術を用いて、シリコン基板を加工することにより製造されるものであるため、通常、シリコン基板を出発材料とし、薄膜プロセスによって形成される。
図６は、ＭＥＭＳマイクロホンＭの一例を示している。このＭＥＭＳマイクロホンＭはシリコン基板上に、半導体製造技術を用いて多数のマイクロホンチップが同時に作りこまれ、最終的に個々に分割されて形成される。図６は、分割された１つのマイクロホンチップの側面図を示している。このＭＥＭＳマイクロホンＭは、例えばｐ型のシリコン基板２１上に、第１の絶縁層２２を介して、振動膜電極２３とエレクトレット膜２４とを有しており、また、その上に、第２の絶縁層２５を介して、音孔２７が形成された固定電極２６を有している。また、振動膜電極２３の背面には、シリコン基板２１をエッチングして、背気室２８が形成されている。
振動膜電極２３は、ｎドープにより導電性をもたせたポリシリコンで形成され、エレクトレット膜２４は、窒化シリコン膜やシリコン酸化膜で形成され、また、固定電極２６は、ｎドープにより導電性をもたせたポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
このＭＥＭＳマイクロホンＭでは、振動膜電極２３が音圧によって振動すると、振動膜電極２３と固定電極２６とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、電圧変化として取り出される。
ところで、マイクロホンやスピーカの製造現場では、感度が極めて重要な課題となっているが、本発明者らは種々の検証の結果、蛍光灯の定常的な瞬き（瞬きは商用周波数の２倍の周波数となることは公に知られている）のなかにおかれたＭＥＭＳマイクロホンが、ノイズを拾っていることを発見した。これは、商用周波数の2倍の周波数で、周期的な出力であり、蛍光灯がまたたく光を検出したものであることがわかった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、上記発見に着目し、光に起因するノイズを低減し、信頼性の高いＭＥＭＳマイクロホン、すなわち音響センサを提供することを目的とする。
そこで本発明は、半導体基板上に、第１の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第２の電極とを具備したコンデンサ部と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とを備えたマイクロホン装置であって、前記コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、前記半導体基板と同一導電型であることを特徴とする。
本発明者らは、上述したように、コンデンサ部の出力が、蛍光灯の瞬きと同じ周波数の信号出力を含むという発見に着目し、考察を行なった結果、第1の電極と第2の電極との間の静電容量の変化を検出するコンデンサ部の出力として、音・振動・圧力に起因する信号(以下音響信号とする)に起因する振動による機械電気変換出力に加え、光信号に起因する光電変換出力を検知しているのではないかという見識を得た。そこで、種々の実験を行い、光に対しては発音しないＬＥＤ光で、ＬＥＤのオンオフ変調に完全に同期した信号を確認することで、音に対しては、発光しないスピーカーの音に対応した信号を確認し、１つのセンサの一つの出力信号線上に、光と音に対応する信号が得られることを見出した。
そこで本発明では、コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、半導体基板と同一導電型をとるように構成することで、ＰＮ接合の存在によって取り出される、光信号に起因する光電変換出力を抑制するようにしたものである。
従って上記構成によれば、コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、半導体基板と同一導電型をとるように構成することで、光信号に起因する光電変換出力を抑制し、低ノイズ化を図ることができる。
従って上記構成によれば、コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、半導体基板と同一導電型をとるように構成することで、光信号に起因する光電変換出力を抑制し、低ノイズ化を図ることができる。
また本発明は、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部、前記増幅器は、容器内に収納され、前記電圧供給端子と、前記出力端子と前記コンデンサ電極端子と前記接地端子が、前記容器から導出されたものを含む。
また本発明は、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部、増幅器は、同一の基板の第1の面上に搭載され、前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が、前記基板の第２の面に、面実装端子として配設されたものを含む。
また、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と接地端子とが、内部または外部で接続されているものを含む。
また本発明は、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部は、ＭＥＭＳマイクロホンで構成されたものを含む。
また本発明は、上記複マイクロホン装置において、前記ＭＥＭＳマイクロホンのシリコン基板は第１導電型のシリコン基板で構成されたものを含む。
種々の実験結果から、ｎ型のシリコン基板をＭＥＭＳプロセスにより形状加工し、電極としてｎドープのポリシリコン層を用いた場合に、ノイズの低減をはかることができることがわかった。またさらに実験を進めた結果、これは第１導電型のシリコン基板を出発材料として、電極が同一導電型すなわち第１導電型のシリコンで構成されている場合に有効であることもわかった。
種々の実験結果から、ｎ型のシリコン基板をＭＥＭＳプロセスにより形状加工し、電極としてｎドープのポリシリコン層を用いた場合に、ノイズの低減をはかることができることがわかった。またさらに実験を進めた結果、これは第１導電型のシリコン基板を出発材料として、電極が同一導電型すなわち第１導電型のシリコンで構成されている場合に有効であることもわかった。
本発明のマイクロホン装置によれば、ノイズの低減をはかり、小型でかつ高感度の出力を得ることができる。
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置の装置構成を示す概略図である。
本実施の形態マイクロホン装置１０は、図１に示すように、ｎ型のシリコン基板を形状加工するとともにｎドープのポリシリコンで電極を形成したコンデンサ部を構成するＭＥＭＳマイクロホンチップＭで構成されたことを特徴とする。そして、このＭＥＭＳマイクロホンチップＭの第２の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、接地端子とを、別途導出し、これらコンデンサ電極端子と、接地端子との間に所望の電圧を印加することで、感度調整が可能なように構成されている。
図１は、本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置の装置構成を示す概略図である。
本実施の形態マイクロホン装置１０は、図１に示すように、ｎ型のシリコン基板を形状加工するとともにｎドープのポリシリコンで電極を形成したコンデンサ部を構成するＭＥＭＳマイクロホンチップＭで構成されたことを特徴とする。そして、このＭＥＭＳマイクロホンチップＭの第２の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、接地端子とを、別途導出し、これらコンデンサ電極端子と、接地端子との間に所望の電圧を印加することで、感度調整が可能なように構成されている。
このマイクロホン装置は、図２にこのマイクロホン装置の構成図、図３（ａ）乃至（ｃ）にマイクロホン装置の上面図、側面図および下面図、図４（ａ）および（ｂ）にこのマイクロホン装置の内部構成を示す上面図および断面図、図５に電極端子の接続例、図６にＭＥＭＳチップの断面図を示すように、ｎ型のシリコン基板を形状加工するとともにｎドープのポリシリコンで電極を形成したコンデンサ部を構成するＭＥＭＳマイクロホン（チップ）Ｍとこれに接続され、増幅器を構成するＣＭＯＳアンプＡとが実装用の回路基板１００上に搭載され、メタルキャップ１０１で封止されたものである。このマイクロホン装置の等価回路図は、図２乃至４に示すようにコンデンサ部ＭとＣＭＯＳアンプＡとが接続され、コンデンサ部の第２の電極であるコンデンサ電極端子Ｅｉと、ＣＭＯＳアンプＡの接地端子ＥＧとが、それぞれコンデンサ電極パッドＰｉ、接地パッドＰＧとして独立して取り出されて、外部端子を構成している。詳細については後述するが、図２に示したようにコンデンサ電極端子Ｅｉと、ＣＭＯＳアンプＡの接地端子ＥＧとを別途取り出し、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとの間に感度調整部の可変電圧ＶＲで構成された感度制御電圧を接続して感度可変マイクロホンとして用いる。
また、図３に示すように、このマイクロホン装置はコンデンサ部の第２の電極であるコンデンサ電極端子Ｅｉと、ＣＭＯＳアンプＡの接地端子ＥＧとをマイクロホン装置内部たとえば自身の回路基板上で接続もしくは、実装時の相手側の回路基板で接続する構成をとることもできる。
この場合は、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとの間に感度調整部の可変電圧ＶＲで構成された感度制御電圧の替わりに、マイクロホンの誘電体膜を永久電荷を保持する膜とすることで、固定感度のマイクロホン装置を構成できる。
この場合は、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとの間に感度調整部の可変電圧ＶＲで構成された感度制御電圧の替わりに、マイクロホンの誘電体膜を永久電荷を保持する膜とすることで、固定感度のマイクロホン装置を構成できる。
すなわち本発明のマイクロホン装置は、図６に示すように、ｎ型のシリコン基板で構成された支持部としての基台２１に絶縁膜２２としての酸化シリコン膜を介して形成された振動膜２３であるｎドープのポリシリコンからなる第１の電極と、この第1の電極に対向して配設された固定電極２６としてのｎドープのポリシリコンからなる第２の電極とを具備したマイクロホンで構成されたコンデンサ部と、前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器Ａとがメタルキャップ１０１からなる容器内に実装され、図３（ａ）乃至（ｃ）にその外観図(上面図、側面図、下面図)を示すように、前記コンデンサ部の第２の電極に接続されるコンデンサ電極端子Ｅｉと、前記増幅器Ａに接続される電圧供給端子ＥＶと、接地端子ＥＧと、前記増幅器Ａからの出力端子ＥＯとが前記容器から導出され、回路基板１００の裏面側にそれぞれパッド（コンデンサ電極パッドＰｉと、電圧供給パッドＰＶと、接地パッドＰＧと、前記増幅器（ＣＭＯＳアンプ）Ａからの出力パッドＰＯを形成している。
そしてこのマイクロホン装置の内部は、図３に示すように、コンデンサ部ＭとＣＭＯＳアンプＡとが回路パターンを形成したプリント配線基板（回路基板）１００上に実装され、メタルキャップ１０１で封止されており、この回路基板１００の裏面側には上述した４つのパッドすなわち、コンデンサ電極パッドＰｉと、電圧供給パッドＰＶと、接地パッドＰＧと、出力パッドＰＯが形成されている。
このシリコンマイクロホン用チップＭは、図６に示すように、ｎ型のシリコン基板２１と、酸化シリコン膜２２を介してこの表面に形成されたｎドープのポリシリコン膜からなり、コンデンサの一極として機能する第１の電極としての振動膜２３と、エレクトレット膜（エレクトレット化対象の膜：無機誘電体膜）２４としての酸化シリコン膜と、酸化シリコン膜からなるスペーサ部２５と、コンデンサの他極として機能する固定電極２６とシリコン基板２１をエッチングすることで形成される背気室２８とを有する。固定電極２６には、複数の音孔（音波を振動膜２３に導くための開口部）２７が設けられている。なお、参照符号Ｇはエアギャップ、Ｈは電気的接続のためのコンタクトホールを示す。
また、固定電極２６は、ｎドープにより導電性をもたせたポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
また、固定電極２６は、ｎドープにより導電性をもたせたポリシリコンとシリコン酸化膜やシリコン窒化膜とを積層して形成されている。
マイクロホンを構成する振動膜２３、固定電極２６、無機誘電体膜２４は、ｎ型のシリコン基板２１を出発材料とするシリコンの微細加工技術と、ＣＭＯＳ（相補型電界効果トランジスタ）の製造プロセス技術とを利用して製造され、いわゆるＭＥＭＳ素子を構成する。
図７は蛍光灯の点灯有り時のＭＥＭＳマイクロホンの出力信号を測定した結果を示す図であり、図８はＬＥＤ光のＯＮ／ＯＦＦによる出力を示す図である。図７において縦軸はＳａｕｄｉｏ室内の蛍光灯をつけた時の従来例および本発明のマイクロホンの出力電圧のスペクトラムを示す。図７においてＡは従来例のマイクロホンの出力信号を示す。この図から、本発明のマイクロホンでは、Ｓｌｉｇｈｔ蛍光灯のフリッカー周波数に対して出力は見られないことがわかった。また、図７によれば従来のものは、蛍光灯のまたたき周波数である商用周波数の２倍の周波数に対応した周波数に信号が表れており顕著な光検出信号がみられる。
図８は光リモコンの信号発生に使用されるＬＥＤ光のＯＮ／ＯＦＦによる出力であり、本発明のマイクロホン装置のLED光に対する信号出力Ａは、従来品Ｂに比較して小さな信号となっている。これらの比較から、本発明によれば、蛍光灯の瞬きに起因するノイズを出力することなく、信頼性の高い出力信号を提供することが可能となる。
図８は光リモコンの信号発生に使用されるＬＥＤ光のＯＮ／ＯＦＦによる出力であり、本発明のマイクロホン装置のLED光に対する信号出力Ａは、従来品Ｂに比較して小さな信号となっている。これらの比較から、本発明によれば、蛍光灯の瞬きに起因するノイズを出力することなく、信頼性の高い出力信号を提供することが可能となる。
一方、音信号に対しては、図９は、感度制御電圧の極性と電圧の大きさを変えた場合の感度特性を示しており、可変電圧ＶＲからなる電圧調整部を接続して、印加電圧を変化させた結果、感度を可変にすることができる。
したがって、完成後にこの電圧制御によって感度ばらつきを調整することも可能となる。また、使用時に感度を変更したい場合にも電圧制御のみで極めて容易に所望の感度を得ることができる。
また、感度周波数特性は図１０に示すように、マイクロホンとしての十分な特性となっている。
したがって、完成後にこの電圧制御によって感度ばらつきを調整することも可能となる。また、使用時に感度を変更したい場合にも電圧制御のみで極めて容易に所望の感度を得ることができる。
また、感度周波数特性は図１０に示すように、マイクロホンとしての十分な特性となっている。
ここで本実施の形態によれば、図６に示すように例えばｎ型のシリコン基板２１と、この表面に形成された第１の電極２３を構成するｎドープのポリシリコン膜の間は膜厚７００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜２２が形成されている。
これに対し従来のマイクロホン装置では、ｐ型のシリコン基板が用いられていたためこの第１の電極２３や約３μｍ程度の絶縁層２５をはさんだ第２の電極２６とｐｎ型のシリコン基板２１との間にはＭＯＳ構造が形成されると考えることができ、シリコン基板２１側にはなんらかの形で、空乏層ができたものと考えられる。またたく蛍光灯やＬＥＤのＯＮ／ＯＦＦ光で空乏層の厚さが変調されると考えると、容量の変調がおこり、この光での容量変調は音で容量が変化して出力電圧が表れるのと同じことと考えられ、出力として光変調出力がえられるのではないかと推定される。従って、従来のマイクロホン装置からは、変調光に対応する出力と音入力に対する出力が同一出力線上に表れることになる。これに対し本実施形態のマイクロホン装置によれば、ｎ型のシリコン基板を用いているためこのような光電変換に起因する光信号を抑制することが可能となる。
これに対し従来のマイクロホン装置では、ｐ型のシリコン基板が用いられていたためこの第１の電極２３や約３μｍ程度の絶縁層２５をはさんだ第２の電極２６とｐｎ型のシリコン基板２１との間にはＭＯＳ構造が形成されると考えることができ、シリコン基板２１側にはなんらかの形で、空乏層ができたものと考えられる。またたく蛍光灯やＬＥＤのＯＮ／ＯＦＦ光で空乏層の厚さが変調されると考えると、容量の変調がおこり、この光での容量変調は音で容量が変化して出力電圧が表れるのと同じことと考えられ、出力として光変調出力がえられるのではないかと推定される。従って、従来のマイクロホン装置からは、変調光に対応する出力と音入力に対する出力が同一出力線上に表れることになる。これに対し本実施形態のマイクロホン装置によれば、ｎ型のシリコン基板を用いているためこのような光電変換に起因する光信号を抑制することが可能となる。
このマイクロホン装置を用いて、高精度の音響信号を出力できるようにすることができる。
なお、前記実施の形態では、ｎ型のシリコン基板に電極としてｎドープのポリシリコン層を用いた場合に特に光信号に起因するノイズの低減をはかることができた。また、逆にｐ型のシリコン基板に電極としてｐドープのポリシリコン層を用いた場合にも光信号の低減をはかることができた。これらを構成するシリコンの結晶型については特にこの組み合わせに限定されるものではなく、アモルファスシリコン、μクリスタルシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコンおよびこれらの組み合わせから選択可能である。
また、前記実施の形態では、基板と第１の電極とが同一導電型である場合について説明したが、基板と第２の電極、あるいは第１の電極と第２の電極とが逆導電型である場合についても、ノイズを検出することがあり、すべてが同一導電方であることが望ましい。
また、前記実施の形態では、ＤＣバイアスタイプのＭＥＭＳマイクロホン装置を用いた場合について説明したが、本発明は、その他、エレクトレットタイプの静電型電気音響変換器を対象とすることも可能である。
本発明のマイクロホン装置によれば、光信号を低減することができるため、小型でかつ信頼性が高いことから、エレクトレットコンデンサマイクロホン装置などに広く用いることができる。
１０ マイクロホン装置
２１ シリコン基板
２２ 絶縁層
２３ 振動膜電極
２４ エレクトレット膜
２５ 第２の絶縁層
２６ 固定電極
２７ 音孔
２８ 背気室
Ｍ ＭＥＭＳマイクロホン
２１ シリコン基板
２２ 絶縁層
２３ 振動膜電極
２４ エレクトレット膜
２５ 第２の絶縁層
２６ 固定電極
２７ 音孔
２８ 背気室
Ｍ ＭＥＭＳマイクロホン
Claims (5)
- 半導体基板上に、第１の電極としての振動膜と、前記振動膜に固着された誘電体膜と、前記第1の電極に対向して配設された第２の電極とを具備したコンデンサ部と、
前記コンデンサ部の前記第1の電極に接続され、前記コンデンサ部からの信号を増幅する増幅器と、
前記コンデンサ部の第2の電極に接続されるコンデンサ電極端子と、前記増幅器に接続される電圧供給端子と、接地端子と、前記増幅器からの出力端子とを備えたマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ部の前記第1および第２の電極は、前記半導体基板と同一導電型であるマイクロホン装置。 - 請求項１に記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ部、前記増幅器は、容器内に収納され、
前記電圧供給端子と、前記出力端子と前記コンデンサ電極端子と前記接地端子が、前記容器から導出されたマイクロホン装置。 - 請求項１または２に記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ部、増幅器は、同一の基板の第1の面上に搭載され、
前記コンデンサ電極端子、前記電圧供給端子、前記接地端子および前記出力端子が、前記基板の第２の面に、面実装端子として配設されたマイクロホン装置。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ部は、ＭＥＭＳマイクロホンで構成されたマイクロホン装置。 - 請求項４に記載のマイクロホン装置であって、
前記ＭＥＭＳマイクロホンは第１導電型のシリコン基板で構成されたマイクロホン装置。
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