JP2012070120A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】寄生容量や入力容量の影響が低減された高感度なセンサを提供する。
【解決手段】センサは、可動部分を含む第１の電極１０１と、第１の電極１０１に対向して配置された第２の電極１０２とを有し、容量変化により物理量を検知する第１の容量変化検出部１００と、反転入力端子１２１を有する増幅器１２０と、第１の容量素子２０とを備えている。第１の容量変化検出部１００と第１の容量素子２０とは、増幅器１２０の反転入力端子１２１と出力端子１２３との間で互いに直列に接続されて増幅器１２０の帰還容量を構成する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示された技術は、集音デバイスであるマイクロホン等のセンサに関する。

容量部を備えるセンサとして、コンデンサマイクロホン、圧力センサ及び加速度センサなどがある。これらのセンサを構成する容量部は、静電エネルギーを仲介として、容量部に配置された対向電極の振動や変位に基づいて電気信号を出力する。コンデンサマイクロホン及び圧力センサは対向電極の振動を感知するセンサであり、加速度センサは振れを感知するセンサである。これらのセンサには素子容量部から出力された信号を読み取る増幅器を接続することができる。

携帯電話等に使用され、会話を集音するMicro Electro Mechanical Systems（ＭＥＭＳ）コンデンサマイクロホンを例に説明すると、上記の素子容量部は、音圧によって振動する可動電極を有する振動膜と、この可動電極と対向する固定電極とで構成される。素子容量部から出力される信号は、電圧にして３ｍＶ〜１０ｍＶ程度であり、極めて微弱な信号である。この信号は、増幅器によって読み取られる。

感度性能を制限する要因の一つとして、容量素子部で生じる寄生容量が挙げられる（特許文献１）。増幅器を素子容量部に接続するとき、寄生容量による接続損失Ｃ_ＬＯＳＳ（単位〔Ｆ］）は次式（１）のように表される（非特許文献１参照）。

Ｃ_ＬＯＳＳ＝Ｃ_ｍ／（Ｃ_ｍ＋Ｃ_ｐ＋Ｃ_ｉ） ・・・式（１）
ここで、式（１）において、Ｃ_ｍ：素子容量部の容量［Ｆ］、Ｃ_ｐ：素子容量部の寄生容量［Ｆ］、Ｃ_ｉ：増幅器の入力容量［Ｆ］である。式（１）から、接続損失Ｃ_ＬＯＳＳの値は寄生容量等によって１以下となり、損失が生じることが分かる。

特許文献１では、式（１）に示される素子容量部の寄生容量Ｃ_ｐを構造的に低減する手段が示されている。

特表２００８−５４６２４０号公報

P.R.Scheeper "A review of silicon microphone", Sensors and actuators, 1994

しかしながら、特許文献１に示された技術によっては、素子容量部の寄生容量Ｃ_ｐを低減することはできるものの無くすことはできず、また増幅器の入力容量Ｃ_ｉに関しては考慮がなされていない。特に、小型化が進む素子容量部にあって容量Ｃ_ｍも１［ｐＦ］程度となり、寄生容量が信号読み取り損失に与える影響が大きくなり、増幅器の入力容量は音圧感度を高めるにあたっては大きな課題となってきている。

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、寄生容量や入力容量の影響が低減された高感度なセンサを提供することを目的とする。

本発明の一例に係るセンサは、可動部分を含む第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極とを有する第１の容量変化検出部と、反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅器と、第１の容量素子とを備え、前記第１の容量変化検出部と前記第１の容量素子とは、前記増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との間で互いに直列に接続されて前記増幅器の帰還容量を構成する。

この構成において、第１の容量変化検出部の寄生容量や増幅器の入力容量が増幅器の出力に影響を与えるのを防ぐことができる。

例えば、増幅器として演算増幅器のように極めて大きな開ループゲイン、たとえば１×１０^５倍以上のゲインを持ったものを用いる場合、反転入力部での仮想短絡が生じる。そして、非反転入力端子を基準電位（グラウンド）に接地することで、反転入力端子の電位は仮想接地となる。このため、第２の電極端の寄生容量Ｃ_ｐ１２や増幅器の入力容量Ｃ_ｉは信号読み取りに寄与しなくなる。

また、前記第１の電極または前記第２の電極は前記増幅器の前記反転入力端子に接続され、前記第１の容量素子は前記増幅器の前記出力端子に接続されていることが好ましい。

第１の容量変化検出部の第１の電極端の寄生容量をＣ_Ｐ１１[Ｆ]とすると、増幅器の出力電圧Ｖ_ｍｉｃは次式（２）のようになる。

Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ・（１＋Ｃ_Ｐ１１／Ｃ_１） ・・・式（２）
ここで、Ｖ_ｍは第１の容量変化検出部の開放音圧感度[Ｖ／Ｐａ]であり、Ｃ_１は第１の容量素子の容量[Ｆ]である。

この式（２）から分かるように、（１＋Ｃ_Ｐ１１/Ｃ_１）の値は１以上であり、寄生容量Ｃ_Ｐ１１が存在しても式（１）で表される損失はなく、寄生容量Ｃ_Ｐ１１により利得が生じている。従って、上述の構成は、接続損失が抑えられた高感度化に好ましい構成であることが分かる。

また、前記第１の容量変化検出部と前記第１の容量素子との間のノードに接続された第２の容量素子をさらに備えていてもよい。

この場合、第２の容量素子の容量値をＣ_ＥＸＴとすると、増幅器の出力電圧Ｖ_ｍｉｃは次式（３）のようになる。

Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ・{１＋（Ｃ_Ｐ１１＋Ｃ_ＥＸＴ）／Ｃ_１} ・・・式（３）
式（３）から分かるように、第２の容量素子の容量を変えることで、センサの感度を容易に変えることが可能となる。

また、前記第１の容量素子は、可動部分を含む第３の電極と、前記第３の電極に対向して配置された第４の電極とを有する第２の容量変化検出部であってもよい。

この構成によれば、式（４）から分かるように、容量変化検出部の出力の加算と減算ができる構成となり好ましい。減算は加算とは逆の接続を行うことで可能である。この場合、第２の容量変化検出部の開放出力電圧Ｖ_ｍ２の加算・減算を損失無くすることができる。

Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ２＋Ｖ_ｍ・{１＋（Ｃ_Ｐ１１＋Ｃ_Ｐ２２）／Ｃ_ｍ２} ・・・式（４）
ここで、Ｃ_Ｐ２２は第２の容量変化検出部の第３の電極側の寄生容量の容量値であり、Ｃ_ｍ２は第３の電極と第４の電極とに生じる容量の値である。

前記増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間に、帰還抵抗をさらに備えていることが好ましい。この帰還抵抗により、増幅器の飽和が抑えられる。

前記第１の電極または前記第２の電極には、誘電体膜が設けられていてもよい。

前記誘電体膜は、エレクトレット膜であってもよい。この構成によれば、外部からの電荷の供給（成極電圧）無しに駆動することができる。このため、素子部に成極直流電圧を与えるための接続線を必要とせず、第１の容量変化検出部の両電極端子は外部成極ＤＣ電圧への接続制約がない端子となって通常の２端子の受動容量と同じ接続が可能となる。

なお、以上の構成を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが出来る。また、それぞれの構成において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。

本発明の一例に係るセンサによれば、信号を読み取る増幅器を第１の容量変化検出部と接続した場合に、第１の容量変化検出部の寄生容量や増幅器の入力容量が存在しても、接続損失を従来よりも低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンを示す概略回路図である。 第１の実施形態に係る第１の容量変化検出部であるＭＥＭＳ素子部の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子部を概略的に示す回路図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンを示す概略回路図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンを示す概略回路図である。 （ａ）〜（ｄ）は、プリント基板上に実装された状態の第１の実施形態及びその第１の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンの概観を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、プリント基板上に実装された状態の第１の実施形態の第２の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンの概観を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。また、以下で説明する実施形態及びその変形例は本発明の例示であって、各部材の構成材料、回路構成等、各種数値等は好ましい例を示しているだけであり、この例に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、部材のサイズや構成材料等の適宜変更は可能である。さらに加えるならば、異なる実施形態や変形例同士を組み合わせることも可能である。

なお、ここでは、センサのうちコンデンサマイクロホンを例として説明するが、圧力センサや加速度センサなど音圧以外の物理量を検知するセンサに以下の構造を用いてもよい。また、以下ではコンデンサマイクロホンの容量変化検出部は、ＭＥＭＳ素子部であり、特に、エレクトレット膜を有するＭＥＭＳ素子部であるとして説明する。ここでＭＥＭＳ素子部とは、後述するように、半導体プロセスを用いて形成されたコンデンサを指している。しかし、ＭＥＭＳ素子部は組み立て式でもよく、また、ＭＥＭＳ素子部に代えてこれ以外の手法で形成された素子部を用いてもよい。以上のことは、全ての実施形態及び変形例に共通して言えることである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ（ＭＥＭＳコンデンサマイクロホン）を示す概略回路図である。

同図に示すように、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０は、第１の容量変化検出部１００と、増幅器１２０と、容量素子２０と、帰還抵抗３０とを具備している。

第１の容量変化検出部１００は、可動部分を有する電極である電極１０１と、電極１０１に対向して配置された電極１０２とを具備したＭＥＭＳ素子部である。電極１０１は、後述するように、例えばポリシリコン膜９１と、エレクトレット膜１０３とを有している。なお、第１の容量変化検出部１００には、後述するように、寄生容量１０９、１１０が生じる。

また、第１の容量変化検出部１００の電極１０１は、容量素子２０の端子２１に接続されている。第１の容量変化検出部１００の電極１０２は、帰還抵抗３０の一端と、増幅器１２０の反転入力端子（反転入力部）１２１とに接続されている。反転入力端子１２１には増幅器１２０の入力容量１２５（容量をＣ_ｉとする）が存在する。

容量素子２０のもう一方の端子２２は増幅器１２０の出力端子（出力部）１２３に接続されている。つまり、第１の容量変化検出部１００と容量素子２０とは増幅器１２０の反転入力端子１２１と出力端子１２３との間で互いに直列に接続されて帰還容量を構成している。

また、帰還抵抗３０は、増幅器１２０の反転入力端子１２１と出力端子１２３との間に介設されている。すなわち、帰還抵抗３０は、第１の容量変化検出部１００及び容量素子２０とは出力端子１２３から見て並列接続されている。

端子４０は増幅器１２０に電源電圧を供給するための電源端子であり、端子５０は基準電位端子であり、ここでは接地（グランド）に接続されている。

増幅器１２０の非反転入力端子１２２は基準電位に接続されている。

図２は、第１の実施形態に係る第１の容量変化検出部であるＭＥＭＳ素子部の断面図である。

ＭＥＭＳ素子部は、ＣＭＯＳ（相補型電界効果トランジスタ）の製造プロセス技術を利用して、シリコン基板（シリコンウェハ）上に同時に製造された多数のマイクロホンチップを最終的に個々に分割することで形成される。図２は、分割された１つのマイクロホンチップの断面図を示している。

図２に示すように、第１の容量変化検出部１００であるＭＥＭＳ素子部は、例えばｎ型のシリコン基板１５０と、シリコン基板１５０上に形成された酸化シリコン膜（絶縁膜）１０５と、酸化シリコン膜１０５の上面上に形成され、可動部分を有する電極１０１と、酸化シリコン膜１０５の上面上であって、少なくとも電極１０１の両側の位置に形成され、例えばガラス化されたシリコン膜からなるスペーサ１０４と、スペーサ１０４によって支持される固定電極である電極１０２とを有している。電極１０２は、電極１０１（ポリシリコン膜９１）に対向するように配置されている。なお、スペーサ１０４の一部はポリシリコン膜９１上にも形成されている。

シリコン基板１５０には、エッチング等により形成される貫通孔１０６が形成される。貫通孔１０６を正面から見た場合の形状は円形であってもよいし、四辺形などの多角形状でもよい。

また、電極１０１は、ｎ型不純物を含むポリシリコン膜９１と、ポリシリコン膜９１の面のうち電極１０２に対向する面の上に形成されたエレクトレット膜１０３とを有している。ポリシリコン膜９１及びエレクトレット膜１０３は貫通孔１０６を覆うように形成されている。電極１０１のうち酸化シリコン膜１０５に固着（固定）されていない部分が可動部となる。具体的には、エレクトレット膜１０３の全体とポリシリコン膜９１のうちこの貫通孔１０６を覆う部分が主に可動部分となる。電極１０１のうち、酸化シリコン膜１０５に支持されている部分が可動部ではない固定部分である。エレクトレット膜１０３は例えばエレクトレット化された酸化シリコン膜で構成される。電極１０１は、このように、ポリシリコン膜９１とエレクトレット膜１０３との積層構造を有していてもよいし、シリコン窒化膜が更に積層された構造を有していてもよい。ポリシリコン膜９１とエレクトレット膜１０３の膜厚はそれぞれ例えば３００ｎｍ、９００ｎｍ程度である。

電極１０２は、例えばｎ型不純物を含むポリシリコン膜から構成されており、音圧を通過させるための複数の孔１０７が設けられている。電極１０２においても、シリコン窒化膜が更に形成された積層構造を有していてもよい。なお、可動部分を有する電極である電極１０１を「振動膜」や「可動膜」などと呼ぶことができる。電極１０２は、電極１０１との間に空間（エアギャップ）Ｇが形成されるように固定されている。スペーサ１０４には、電極１０１（ポリシリコン膜９１）との電気的接続をとるためのコンタクトホールＨが形成されている。

エアギャップＧは、もともとスペーサ１０４の一部をウェットエッチングなどの半導体微細加工技術を使用した方法でエッチング除去することによって形成されるが、他の方法で形成されても構わない。ＭＥＭＳ素子部は、音波が電極１０１などからなる振動膜を振動させることで、コンデンサマイクロホンの容量変化検出部として機能することになる。ここで、一対の電極である電極１０１と電極１０２とは、コンデンサとして機能する。つまり、ＭＥＭＳ素子部では、音波によって振動膜が振動し、これによって生じる容量変化を検知することで音圧を検知することができる。

次に、エレクトレット膜１０３の形成方法について説明する。まず、シリコン基板（ウェハ）上に形成された複数のＭＥＭＳ素子部を、個々に分割してチップ状にする。その後、分割されたチップに対して、コロナ放電等によりエレクトレット化処理を行い、例えばシリコン酸化膜などの誘電体膜をエレクトレット化する。その結果、エレクトレット膜１０３に電荷を保持させることができる。なお、ウェハレベルでコロナ放電等のエレクトレット化処理を行い、その後ウェハをチップ状に分割してもよい。エレクトレット膜の性質にもよるが、一般的に、エレクトレット膜には負の電荷を帯電させる場合が多い。

エレクトレット膜１０３は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の無機膜で構成されていることから、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等の高分子フィルムを利用したエレクトレット膜に比べて高温に晒されても電荷保持特性が劣化しにくく、半田リフローによって実装を行うマイクロホンに好ましく用いられる。ただし、実装工程での耐熱性が要求されない場合等には、エレクトレット膜１０３を高分子フィルムなどで置き換えてもよい。

次に、ＭＥＭＳ素子部の回路図について、図を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ素子部を概略的に示す回路図である。

ＭＥＭＳコンデンサマイクロホンの動作中、エレクトレット膜１０３を有する電極１０１には、電極１０１側の電荷として−Ｑ_１[Ｃ]が、対向電極である電極１０２には、電極１０２側の誘導電荷として＋Ｑ_１[Ｃ]が現れ、平衡状態となっている。

この平衡状態では、電極１０１及び電極１０２により形成される容量Ｃ_ｍは、エアギャップＧの長さと電極面積とに依存し、次式で表される値となる。

Ｃ_ｍ＝ε_０ε_ｓＳ_ｄｉａ／ｄ
ここで、ε_０は真空の誘電率であって、８．８５×１０^−１２[Ｆ／ｍ]である。ε_ｓは空気の比誘電率であって、１．０００５８６である。Ｓ_ｄｉａ は電極１０１と電極１０２の重なり部分の面積（振動板面積）[ｍ^２]である。ｄはエアギャップＧの長さ（ギャップ長）[ｍ]である。

この容量Ｃ_ｍを有するコンデンサは、図３（ａ）、（ｂ）の等価回路に示すように、シリコン基板１５０上で、基準電位（接地電位）に接続されることなく（グランド接続されることなく）、フローティング構造として形成することがＭＥＭＳにより容易に可能である。

この平衡状態において、単一角周波数ω_ｓの正弦波音波が、可動電極である電極１０１に導かれると、電極１０１が音波と同じ周波数で正弦波振動する。この微小振動変位の大きさは振動膜の剛性（スチフネス）で概ね決定される。

電極１０１の振動により、平衡状態の容量に変化が生じ、両電極の電荷に変化が生じる。電極１０１の平衡状態からの微小振動変位をΔξｓｉｎ（ω_ｓｔ）とすると、電荷にも同じ周波数での相補な微小変化が生じて、電極１０１側の電荷は−Ｑ_１＋Δｑ_ｓｓｉｎ（ω_ｓｔ）となり、電極１０２側の電荷は＋Ｑ_１−Δｑ_ｓｓｉｎ（ω_ｓｔ）となる。

この微小電荷変化は微小電圧変化Ｖ_ｍとしても表されて、
電極１０１側の電圧： ＋Δｑ_ｓｓｉｎ（ω_ｓｔ）／Ｃ_ｍ
電極１０２側の電圧： −Δｑ_ｓｓｉｎ（ω_ｓｔ）／Ｃ_ｍ
となる。

また、逆に微小電圧変化Ｖ_ｍを用いて電荷を表現すると、
電極１０１側の電荷： −Ｑ_１＋Ｃ_ｍＶ_ｍ
電極１０２側の電荷： ＋Ｑ_１−Ｃ_ｍＶ_ｍ
となる。

また、コンデンサがフローティング構造を持つことで、第１の容量変化検出部１００には図３（ａ）、（ｂ）に示すように構造に依存する固有の寄生容量が発生する。電極１０１とシリコン基板１５０との間には、図３（ａ）、（ｂ）で示すように寄生容量１１０が発生する。また、電極１０２とシリコン基板１５０との間には、寄生容量１０９が発生する。これらの寄生容量は、電極１０１及び電極１０２の支持枠や電極のリード等の固定物によるものである。寄生容量は、音波や振動で変化することがない。そのため、これらの容量端に信号となる変動電荷（電圧）は発生しない。

従って、ＭＥＭＳ素子部は図３（ａ）もしくは図３（ｂ）に示すような等価回路とで表されることになる。ここで、図３（ａ）は電荷に注目したモデルで、図３（ｂ）は電圧変化（起電力）に注目したモデルを示している。

ここで容量変化検出部の容量は前述したＣ_ｍ、寄生容量１０９、１１０は、それぞれＣ_ｐ１とＣ_Ｐ２で表されている。前述したように寄生容量は、その構造の特異性により発生する容量であるため音波で振動せず、この二つの容量には電荷の発生はない。つまり音圧による起電力は寄生容量１０９、１１０に発生しない。

ＤＣバイアスコンデンサマイクロホンは、１９００年代初頭にＥ．Ｃ．Ｗｅｎｔｅによって考案されて以来、どちらか一方の電極に成極ＤＣ電圧を印加する基本構成・構造となっている。そのため、一般的なＤＣバイアスコンデンサマイクロホンでは、信号読み取りに使用できる端子は１端子に限られている。

また、１９６０年代にＧ．Ｍ．Ｓｅｓｓｌｅｒがポリテトラフルオロエチレンのフィルムをエレクトレット化してコンデンサマイクロホンに応用し、エレクトレットコンデンサマイクロホンとして導入し、今日では携帯電話等に広く使用されている。このようなエレクトレットコンデンサマイクロホンの多くが、筒状の金属ケースに部品要素を機械的にスタックして、機械的なカシメによりその機械形状を保つ構造を有しており、一方の端子がケースと必然的に接触している。そのため、多くのエレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて、信号読み取りに使用できる端子はＤＣバイアスコンデンサマイクロホンと同じく１端子に限られている。

本実施形態に係るコンデンサマイクロホンでは、前述した容量変化検出部の両電極に生じた信号電荷、もしくは起電力を読み取るに当たって、上述したＤＣバイアスコンデンサマイクロホンや機械的カシメを必要とするエレクトレットコンデンサマイクロホンのように素子容量変化検出部の信号読み取り端子に対する制約はない。すなわち、本実施形態に係るコンデンサマイクロホンでは、信号読み取りに当たって受動素子の容量部品と同じく第１の容量変化検出部の２端子（図３（ａ）、（ｂ）での○印、図６（ａ）での符号３０４、３０５）を自由に電気回路に接続できる。そのため、図１に示す接続構成が可能となる等、接続の自由度及び設計の自由度を従来のコンデンサマイクロホンに比べて大きくすることができる。

増幅器１２０としては、開ループゲインが極めて大きく、且つ出力インピーダンスが極めて小さい演算増幅器型の増幅器を使用することが好ましい。このような増幅器を用いる場合、反転入力端子に仮想短絡が発生し寄生容量１０９と入力容量１２５の寄与を無視できるようになる。

すなわち、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０によれば、増幅器１２０の反転入力端子１２１に接続される第１の容量変化検出部１００の電極１０２端の寄生容量Ｃ_Ｐ１２と増幅器の入力容量１２５（Ｃ_ｉ）は増幅器１２０として演算増幅器のように極めて大きな開ループゲイン、たとえば１×１０^５倍以上のゲインを持ったものを用いることで、反転入力端子での仮想短絡が生じる。増幅器１２０の非反転入力端子１２２は基準電位（例えばグラウンド）に接続されることから反転入力端子１２１は仮想接地となる。このことから、反転入力端子１２１に接続された容量変化検出部の端子の寄生容量と増幅器の入力容量は信号読み取りに寄与しなくなる。

容量素子２０の一方の端子２２は増幅器１２０の出力端子１２３に接続され、容量素子２０の他方の端子２１と第１の容量変化検出部１００の電極１０１端との接続点での寄生容量１１０は、第１の容量変化検出部１００における寄生容量Ｃ_Ｐ１１となる。この構成での増幅器１２０の出力電圧Ｖ_ｍｉｃは、
Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ・（１＋Ｃ_Ｐ１１／Ｃ_１） ・・・式（２)
で表される。ここで、Ｖ_ｍは第１の容量変化検出部１００の開放音圧感度[Ｖ／Ｐａ]であり、Ｃ_１は容量素子２０の容量[Ｆ]であり、Ｃ_Ｐ１１は第１の容量変化検出部１００の寄生容量[Ｆ]である。

式（２）において、式（１）に対応する項は（１＋Ｃ_Ｐ１１/Ｃ_１）であり、この項の値は１以上となる。そのため、寄生容量Ｃ_Ｐ１１が存在しても式（１）で表される損失はなく、寄生容量Ｃ_Ｐ１１の存在により利得が生じている。

このように、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０は、接続損失がない高感度化に好ましい構成を有するとともに、増幅器１２０の入力容量が出力にほとんど影響を与えない構成を有している。このため、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０は、小型化した場合であっても十分な音圧感度を確保することができる。

また、電極１０１が反転入力端子１２１に接続され、電極１０２が容量素子２０に接続されるように第１の容量変化検出部１００の接続の向きを変えることにより、位相が反転した出力電圧を得ることができる。

なお、帰還抵抗３０は増幅器１２０の出力電圧飽和を防ぐ放電抵抗として設けられている。

なお、エレクトレット膜１０３は例えば誘電体材料で構成されていればよいが、エレクトレット化されていることにより、外部からの電荷の供給（成極電圧）無しに駆動することができる。このため、素子部に成極直流電圧を与えるための接続線を必要としない。第１の容量変化検出部１００の両電極端子は外部成極ＤＣ電圧への接続制約がない端子となって、通常の２端子の容量素子と同様の接続をすることができる。

また、第１の素子部１００がＭＥＭＳ素子であることによって、半導体ウェハ上を形成することができ、均質なマイクロホン特性で且つ小型のマイクロホンを実現することができる。

−第１の実施形態の第１の変形例−
図４は、第１の実施形態の第１の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンを示す概略回路図である。なお、本変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１１の容量変化検出部は、図１に示す第１の実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０におけるＭＥＭＳ素子部と同じものであり、特に、エレクトレット膜を有するＭＥＭＳ素子部であるとして以下説明する。また、増幅器１２０の構成も図１に示す増幅器と同一のものである。

図４に示すように、本変形例のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１１は、図１に示すＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０に、容量素子６０を加えた構成を有している。

容量素子６０は、基準電位（例えばグラウンド）に接続された電極（端子６１）と、電極１０１及び容量素子２０の電極（端子２１）との間のノードに接続された電極（端子６２）とで構成されている。すなわち、端子６２は、端子２１と第１の容量変化検出部１００との接続点に接続されており、第１の容量変化検出部１００の寄生容量１１０と容量素子６０とは出力端子１２３から見て並列に接続されていることになる。

従って、容量素子６０の容量値をＣ_ＥＸＴとすると、増幅器１２０の出力端子１２３からは式（３）に示す電圧Ｖ_ｍｉｃが出力される。

Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ・{１＋（Ｃ_Ｐ１１＋Ｃ_ＥＸＴ）／Ｃ_１} ・・・式（３）
式（３）から分かるように、本変形例のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１１では、容量素子６０の容量を適宜変えることで、第１の容量変化検出部１００の構成を変えなくても感度を容易に変えることができるようになっている。

さらに、容量素子６０として第１の容量変化検出部１００の寄生容量Ｃ_Ｐ１１と同じく一端が接地電位に接続されたレーザートリマブルコンデンサを用いれば、より感度の調整を精度良くできるので、好ましい。

また、増幅器１２０と容量素子２０とが一つのintegrated circuit(ＩＣ)チップ上に形成されていてもよい。このような構成とすることで、マイクロホンの小型化が可能となる。

さらに、容量素子６０も増幅器１２０及び容量素子２０と同じＩＣチップ上に形成されていてもよい。このようにすることで、マイクロホンのさらなる小型化が可能となる。

また、容量素子６０はＩＣ上で幾つかのセルタイプのシート容量素子として実現され、直並列接続構造として配線で容量を変える構成とすることにより、容易に感度を調整できるので好ましい。

また、容量素子６０の端子６１を基準電位に接続するのではなく、増幅器１２０の反転入力端子１２１に接続することも可能である。このように接続すると、感度を次式（５）のように変えることができる。

Ｖ_ｍｉｃ＝（１＋Ｃ_Ｐ１１／Ｃ_１）・{Ｃ_ｍ／（Ｃ_ｍ＋Ｃ_ＥＸＴ）}・Ｖ_ｍ ・・・式（５）
−第１の実施形態の第２の変形例−
図５は、第１の実施形態の第２の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンを示す概略回路図である。なお、本変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２の容量変化検出部は、図１に示す第１の実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０におけるＭＥＭＳ素子部と同じものであり、特に、エレクトレット膜を有するＭＥＭＳ素子部であるとして以下説明する。また、増幅器１２０の構成も図１に示す増幅器と同一のものである。

図５に示すように、本変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２は、図１に示すＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０において、容量素子２０の代わりに第２の容量変化検出部２００を設けたものである。第２の容量変化検出部２００は、第１の容量変化検出部１００と同様の構成を有するＭＥＭＳ素子であって、増幅器１２０の出力端子１２３に接続された電極２０１と、第１の容量変化検出部１００（電極１０１）に接続された電極２０２とを有している。第２の容量変化検出部２００には寄生容量２０９、２１０が生じる。電極２０１は可動部分を有するとともに、エレクトレット膜２０３を有している。

本変形例のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２においては、第２の容量変化検出部２００の電極２０１は増幅器１２０の出力端子１２３に接続されている。そのため、増幅器１２０として演算増幅器のような出力インピーダンスが極めて小さいものを用いた場合、寄生容量２１０のインピーダンスは無視することができ、第２の容量変化検出部２００の寄生容量２１０は信号の読み取りに寄与しなくなる。

従って、ＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２の出力電圧は下式（４）で表される。この場合にも、第２の容量変化検出部２００の開放出力電圧Ｖ_ｍ２を損失無く加算・減算ができる
Ｖ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ２＋Ｖ_ｍ・{１＋（Ｃ_Ｐ１１＋Ｃ_Ｐ２２）／Ｃ_ｍ２} ・・・式（４）
ここで、Ｃ_Ｐ２２は電極２０１側の寄生容量２１０の容量値であり、Ｃ_ｍ２は電極２０１と電極２０２とに生じる容量である。式（４）から、本変形例のＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２では、それぞれの容量変化検出部の開放起電力の加算が損失なく、むしろ寄生容量により利得をもって加算できる構成であることが分かる。

また、第１の容量変化検出部１００及び第２の容量変化検出部２００のうちいずれか一方の容量変化検出部の接続の向きを変えることにより、減算もできてさらに好ましい接続構成にすることもできる。

よって、この構成によれば、第１の容量変化検出部１００が音と振動を検知し、第２の容量変化検出部２００が振動のみを検知する構成とした場合、減算により、振動雑音信号が減算された音信号のみの信号を取り出すことができるという利点がある。

また、第１の実施形態）、第１の実施形態の第１の変形例、及び第１の実施形態の第２の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンにおいて、帰還抵抗３０の大きさは、マイクロホンの使用帯域の低域周波数をｆｌ[Ｈｚ]とした場合、ｆｌ[Ｈｚ]までおおむね平坦な特性を持つには以下の関係を有していることが好ましい。

Ｒｆ＞１／（２πｆｌＣ_１）
Ｒｆ＞１／（２πｆｌＣ_ｍ）
Ｒｆ＞１／（２πｆｌＣ_ｍ２）
ここで、Ｒｆ[Ω]は帰還抵抗３０の大きさである。

なお、図５に示すＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１２において、第１の容量変化検出部１００を図１に示す容量素子２０（容量Ｃ_１）に置き換えてもマイクロホンとして動作させることができる。この場合でも、増幅器１２０からの出力が増幅器１２０の入力容量Ｃｉの影響を受けないので、第１の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホン１０と同様の効果を得ることができる。

このとき、図５において第１の容量変化検出部１００をＣ１に置き換えることでＣ_ｍ＝Ｃ_１、Ｖ_ｍ＝０、Ｃ_ｐ１１＝Ｃ_ｐ１２＝０と等価となり、式（４）からＶ_ｍｉｃ＝Ｖ_ｍ２となる。

（第２の実施形態）
図６（ａ）〜（ｄ）は、プリント基板上に実装された状態の第１の実施形態及びその第１の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンの概観を示す図である。図６（ａ）はマイクロホン（モジュール）の金属キャップを外した状態の平面図であり、図６（ｂ）はマイクロホン（モジュール）の横断面図であり、図６（ｃ）はキャップを付けた状態の上面図（右側）と側面図（左側）であり、図６（ｄ）は底面図である。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホンは、プリント基板３０１と金属キャップ（蓋体）３０２とで構成される容器３００内に、第１の容量変化検出部３０３、増幅器１２０が設けられたＩＣ３３０が収納される。ここで、ＩＣ３３０は図１及び図２に示す容量素子２０、６０と帰還抵抗３０とが増幅器１２０とともにチップ上に集積されたものである。

また、図６（ｂ）に示すように、音を導入する開口部（音孔）３０６がプリント基板３０１に設けられている。なお、図示しないが音を導入する開口部（音孔）として、プリント基板３０１に開口部３０６を設ける代わりに金属キャップ３０２に開口部を設けてもよい。

また、プリント基板３０１における第１の容量変化検出部３０３、ＩＣ３３０が実装されている面と反対側の面には、増幅器１２０の出力端子１２３、増幅器１２０（図１参照）に電圧を供給するための電圧供給端子（電源入力端子）４０、及び接地用の端子５０が配置され、面実装端子構造を構成している。これらの端子は外部機器とのインターフェース端子となり、本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホンは、面実装可能なマイクロホンとなっている。

なお、プリント基板３０１と金属キャップ３０２とは半田リフロー等で結合されて同電位となっている。また、プリント基板３０１の一方の主面上には第１の容量変化検出部３０３、ＩＣ３３０が接着剤で接着実装されており、第１の容量変化検出部３０３の二つのパッド３０４、３０５はそれぞれＩＣ３３０の入力パッド３３６、３３８にワイヤボンディングにより接続される。

ＩＣ３３０には、前述したＣＭＯＳで構成された演算増幅器型の増幅器１２０が形成されており、電源パッド３３４、ＧＮＤパッド３３５、入力パッド３３６、３３８、出力パッド３３７が設けられている。電源パッド３３４とＧＮＤパッド３３５は、ワイヤボンディングにより、プリント基板３０１の一方の主面上のそれぞれの中継パッドに接続され、プリント基板３０１のスルーホールやインナービアを通してプリント基板３０１の他方の主面の端子４０と５０にそれぞれ接続される。

増幅器１２０の出力は出力パッド３３７からプリント基板３０１の一方の主面上の中継パッドに伝達され、プリント基板３０１のスルーホールやインナービアを通してプリント基板３０１の他方の主面上の出力端子１２３に伝達される。

また、接地端子５０は、プリント基板３０１を通して金属キャップ３０２と電気的に接続され、容器３００は、外部からの電磁的な雑音から容器内部を保護する接地電位を有するシールド容器となる。

第１の容量変化検出部３０３に大きさが２ｍｍ四方程度のものを、ＩＣ３３０に大きさが０．７ｍｍ四方程度のものを用いると、図６（ａ）〜（ｄ）に示す４ｍｍ（幅）ｘ５ｍｍ（奥行き）ｘ１．３ｍｍ（高さ）程度となる小型の面実装マイクロホンを構成できる。

本実施形態のＭＥＭＳコンデンサマイクロホンにおいて、第１の容量変化検出部３０３、増幅器１２０等がプリント基板３０１と金属キャップ（蓋体）とで構成される容器３００内に収納されているので、外来からのノイズの影響が低減され、接続損失が小さく、出力が高品質になっている。また、外付け部品が不要となり、小型化が可能となる。

また、金属キャップ３０２に代えて金属以外の材料で構成したキャップを用いてもよいが、金属キャップ３０２を用いる場合、電磁的なノイズが容器の外から入るのを抑えることができる。

また、増幅器１２０や第１の容量素子２０などがＩＣ３３０上に形成されていることにより、マイクロホンをさらに小型化することができる。なお、帰還抵抗３０もＩＣ３３０上に形成することができる。

−第２の実施形態の変形例−
図７（ａ）〜（ｄ）は、プリント基板上に実装された状態の第１の実施形態の第２の変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンの概観を示す図である。図７（ａ）はマイクロホン（モジュール）の金属キャップを外した状態の平面図であり、図７（ｂ）はマイクロホン（モジュール）の横断面図であり、図７（ｃ）はキャップを付けた状態の上面図（右側）と側面図（左側）であり、図７（ｄ）は底面図である。

図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンは、プリント基板４０１と金属キャップ（蓋体）４０２とで構成される容器４００内に、第１の容量変化検出部４０３と第２の容量変化検出部４０４、増幅器１２０が設けられたＩＣ４３０が収納される。ここで、ＩＣ４３０は図５に示す帰還抵抗３０が増幅器１２０とともにチップ上に集積されたものである。

また、図７（ｂ）に示すように、音を導入する開口部（音孔）４０６、４０７がプリント基板４０１に設けられている。なお、図示しないが音を導入する開口部（音孔）としては、開口部４０６と４０７を設けず金属キャップ４０２に開口部を設けても良い。

また、プリント基板４０１における第１の容量変化検出部４０３、第２の容量変化検出部４０４、及びＩＣ４３０が実装されている面と反対側の面には、増幅器１２０（図５参照）の出力端子１２３、増幅器１２０に電圧を供給するための電圧供給端子（電源入力端子）４０、及び接地端子５０が配置され、面実装端子構造を構成している。これらの端子は外部機器とのインターフェース端子となり、本変形例に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロホンは、面実装可能なマイクロホンとなっている。

なお、プリント基板４０１と金属キャップ４０２とは半田リフロー等で結合されて同電位となっている。また、プリント基板４０１の一方の主面上には第１の容量変化検出部３０３と第２の容量変化検出部４０４、ＩＣ４３０が接着剤で接着実装されていて、第１の容量変化検出部３０３及び第２の容量変化検出部４０４とＩＣ４３０とはワイヤボンディングにより接続される。

ＩＣ４３０には、前述したＣＭＯＳで構成された演算増幅器型の増幅器１２０が形成されており、電源パッド４３４、ＧＮＤパッド４３５、入力パッド４３６、及び出力パッド４３７が設けられている。電源パッド４３４とＧＮＤパッド４３５はワイヤボンディングにより、プリント基板４０１の一方の主面上のそれぞれの中継パッドに接続され、プリント基板４０１のスルーホールやインナービアを通してプリント基板４０１の他方の主面の端子４０と５０にそれぞれ接続される。

増幅器１２０の出力は出力パッド４３７からプリント基板４０１の一方の主面上の中継パッドに伝達され、プリント基板４０１のスルーホールやインナービアを通してプリント基板４０１の他方の主面上の出力端子１２３に接続される。

第１の容量変化検出部４０３のパッド４１４はＩＣ４３０の入力パッド４３６に、もう一方のパッド４１５は第２の容量変化検出部４０４のパッド４２５に、第２の容量変化検出部４０４のパッド４２４はプリント基板４０１の一方の主面上の中継パッドを通してＩＣ４３０の出力パッド４３７に、それぞれワイヤボンディングによって接続される。

また、接地端子５０は、プリント基板４０１を通して金属キャップ４０２と電気的に接続され、容器４００は、外部からの電磁的な雑音から容器内部を保護する接地電位を有するシールド容器となる。

第１の容量変化検出部４０３と第２の容量変化検出部４０４に大きさが２ｍｍ四方程度のものを、ＩＣ４３０に大きさが０．７ｍｍ四方程度のものを用いると、図７に示す４ｍｍ（幅）ｘ８ｍｍ（奥行き）ｘ１．３ｍｍ（高さ）程度となる小型の面実装マイクロホンを構成できる。この場合、２つの開口部４０６、４０７間の距離は４ｍｍ以内となる。２つの開口部４０６、４０７の間隔が４ｍｍ以内であれば、波長が３４ｍｍの可聴周波数１０ｋＨｚ以下の周波数では開口部４０６と開口部４０７とで入射音圧の大きさの差は音源距離５０ｃｍで１％以下であり、式（４）に示すマイクロホンの特性を損ねることはない。

以上説明したように、本発明の各実施形態及びその変形例に係るマイクロホンは、寄生容量があっても増幅器との接続損失が小さいマイクロホンとして種々の通信機器等に有用である。

１０、１１、１２ ＭＥＭＳコンデンサマイクロホン
２０、６０ 容量素子
２１、２２、４０、５０、６１、６２ 端子
３０ 帰還抵抗
９１ ポリシリコン膜
１００、３０３、４０３ 第１の容量変化検出部
１０１、１０２、２０１、２０２ 電極
１０３、２０３ エレクトレット膜
１０４ スペーサ
１０５ 酸化シリコン膜
１０６ 貫通孔
１０７ 孔
１０９、１１０、２０９、２１０ 寄生容量
１２０ 増幅器
１２１ 反転入力端子
１２２ 非反転入力端子
１２３ 出力端子
１２５ 増幅器の入力容量
１５０ シリコン基板
２００、４０４ 第２の容量変化検出部
３００、４００ 容器
３０１、４０１ プリント基板
３０２、４０２ 金属キャップ
３０４、３０５、４１４、４１５、４２４、４２５ パッド
３０６、４０６、４０７ 開口部
３３０、４３０ ＩＣ
３３４、４３４ 電源パッド
３３５、４３５ ＧＮＤパッド
３３６、３３８、４３６ 入力パッド
３３７、４３７ 出力パッド
４０２ 金属キャップ

Claims (21)

1. 可動部分を含む第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極とを有する第１の容量変化検出部と、
   反転入力端子、非反転入力端子、及び出力端子を有する増幅器と、
   第１の容量素子とを備え、
   前記第１の容量変化検出部と前記第１の容量素子とは、前記増幅器の前記反転入力端子と前記出力端子との間で互いに直列に接続されて前記増幅器の帰還容量を構成するセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、
   前記第１の電極または第２の電極は前記増幅器の前記反転入力端子に接続され、
   前記第１の容量素子は前記増幅器の前記出力端子に接続されているセンサ。
3. 請求項１または２に記載のセンサにおいて、
   前記非反転入力端子は接地されているセンサ。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
   前記第１の容量変化検出部と前記第１の容量素子との間のノードに接続された第２の容量素子をさらに備えているセンサ。
5. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記第２の容量素子の一端は接地電位に接続されているセンサ。
6. 請求項４に記載のセンサにおいて、
   前記第２の容量素子の一端は前記増幅器の前記反転入力端子に接続されているセンサ。
7. 請求項４〜６のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
   前記第２の容量素子がＩＣチップ上に形成されているセンサ。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
   前記増幅器及び前記第１の容量素子がＩＣチップ上に形成されているセンサ。
9. 請求項１〜８のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
   前記増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間に帰還抵抗をさらに備えているセンサ。
10. 請求項９に記載のセンサにおいて、
    前記帰還抵抗はＩＣチップ上に形成されているセンサ。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    前記第１の容量素子は、可動部分を含む第３の電極と、前記第３の電極に対向して配置された第４の電極とを有する第２の容量変化検出部であるセンサ。
12. 請求項１１に記載のセンサにおいて、
    前記第２の容量変化検出部は、ＭＥＭＳ素子であるセンサ。
13. 請求項１１または１２に記載のセンサにおいて、
    前記第２の電極は前記増幅器の前記反転入力端子に接続されており、
    前記第３の電極は前記増幅器の出力端子に接続されているセンサ。
14. 請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方には、誘電体膜が設けられているセンサ。
15. 請求項１４に記載のセンサにおいて、
    前記誘電体膜はエレクトレット膜であるセンサ。
16. 請求項１〜１５のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    少なくとも前記第１の容量変化検出部、前記増幅器、及び前記第１の容量素子が搭載された基板と、
    前記第１の容量変化検出部、前記増幅器、及び前記第１の容量素子を覆うように、前記基板上に配置された蓋体とをさらに備えているセンサ。
17. 請求項１６に記載のセンサにおいて、
    前記基板のうち前記第１の容量変化検出部の下に位置する部分には開口部が形成されているセンサ。
18. 請求項１７に記載のセンサにおいて、
    前記蓋体には孔が形成されているセンサ。
19. 請求項１６〜１８のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    前記基板の主面のうち、前記蓋体が設けられた主面に対向する主面上に設けられた前記増幅器の出力端子、電圧供給端子、及び接地端子をさらに備えているセンサ。
20. 請求項１６〜１９のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    前記蓋体は金属からなるセンサ。
21. 請求項１〜２０のうちいずれか１つに記載のセンサにおいて、
    前記第１の容量変化検出部は、ＭＥＭＳ素子であるセンサ。

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