JP6867789B2

JP6867789B2 - Ｍｅｍｓマイクロフォン

Info

Publication number: JP6867789B2
Application number: JP2016238768A
Authority: JP
Inventors: 明瀬志本; 王義山崎; 藤原　宗; 宗藤原
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-12-08
Also published as: JP2018098542A

Description

本発明はＭＥＭＳマイクロフォン、特に小型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音のＭＥＭＳマイクロフォンに関する。

従来から、例えば巨大な需要のあるスマートフォンには、小型で薄くかつハンダフロー時の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロフォンが多く使われている。
図７（Ａ），（Ｂ）には、従来のＭＥＭＳマイクロフォンの概略構成が示されており、図７（Ａ）はトップポート型であり、この図の符号１は、パッケージの基板、２は蓋、３は蓋に開けられた開口（ポート）、４はＭＥＭＳ音響トランスデューサ、５はＡＳＩＣ（特殊用途半導体集積回路）であり、１００はバックキャビティである。

図７（Ｂ）はボトムポート型であり、この場合は、基板１側に開口６が設けられている。このボトムポート型では、上記基板１の開口６、トップポート型では、上記蓋２の開口３が音響信号圧力の入力ポートとなり、音響トランスデューサ４（振動板部分）を挟んでこれら開口３，６の反対側の閉空間がバックキャビティとなる。上記ＡＳＩＣ５は、アナログ増幅回路、バイアス電圧回路或いはアナログディジタル変換回路等を含んでおり、一般的なＭＥＭＳマイクロフォンは、ＭＥＭＳ音響トランスデューサ４とＡＳＩＣ５を小型のパッケージに実装した構成とされる。

このようなマイクロフォンによれば、トップポート型は蓋側の開口３から、ボトムポート型は基板側の開口６から入力された音響信号圧力が音響トランスデューサ４で捉えられ、この音響トランスデューサ４の中の振動板の振動が電気信号に変換されており、その後、ＡＳＩＣ５で処理された信号が出力される。

A. Dehe, M． Wurzer, M. Fuldner and U. Krumbein, "The Infineon Silicon MEMS Microphone," AMA Conferences 2013−SENSOR 2013， OPTO 2013, IRS 2 2013, pp.95−99, 2013. D. Martin, J. Liu, K. Kadirvel, R. Fox, M. Sheplak, and T. Nishida, "A Micromachined Dual-Backplate Capacitive Microphone for Aeroacoustic Measurements," J. Microelectromechanical Systems, Vol. 16, NO.6, 2007.

ところで、上記音響信号圧力が入力された音響トランスデューサ４の反対側閉空間であるバックキャビティ１００では、音響トランスデューサ４の振動板の振動に応じで閉じ込められた空気が圧縮・膨張させられるため、音響的コンプライアンスとして働くことになる。

図７（Ｃ）に、マイクロフォンの音響等価回路を単純化したものが示されている。
図において、入力音響信号圧力Ｐain は、振動板の音響コンプライアンスＣm とバックキャビティの音響コンプライアンスＣbcによって分圧され、振動板に印加される実効音響信号圧力Ｐamは、次の数式１で表される。
Ｐam ＝Ｃbc／（Ｃm ＋Ｃbc）×Ｐain … （１）
この数式（１）において、音響コンプライアンスＣm が大きいと、実効音響信号圧力Ｐamは小さくなり、音響トランスデューサ４の実効感度や信号雑音比等のマイクロフォンにとって主要な特性を劣化させる原因となることは知られている（非特許文献１）。

特に、バックキャビティ１００の音響コンプライアンスはその容積に比例するため、ボトムポート型［図７（Ｂ）］に比べてバックキャビティ容積の小さいトップポート型［図７（Ａ）］の特性の大きな制限要因となっている。また、トップポート型ではバックキャビティ１００の容積がＭＥＭＳの基板（シリコン基板）１の厚みに比例するため、基板１を薄板化することを困難にしている。

また、ボトムポート型においても、パッケージを小型薄型化しようとすると、バックキャビティ１００の容積が小さくなるため、マイクロフォンの特性が犠牲となる。
以上のように、ＭＥＭＳマイクロフォンでは、音響的制約からパッケージの小型薄型化が制限されているのが現状である。
一方、ＭＥＭＳマイクロフォンの主な市場であるスマートフォンでは部品に対する小型薄型化の要求は年々厳しくなっている。近年注目されているスマートウオッチ等のウェアラブル端末市場では、スマートフォン以上の小型薄層化が求められているのは言うまでもない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消し、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音のＭＥＭＳマイクロフォンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るＭＥＭＳマイクロフォンは、音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記センス電極と上記ドライブ電極を上記振動板の上下に空気層を挟んで相対する形で配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より低く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して逆位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする。
請求項２の発明は、音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記センス電極と上記ドライブ電極を上記振動板の上下に空気層を挟んで相対する形で配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より高く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して同位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする。

請求項３の発明は、音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記振動板に空気層を挟んで電極板を配置し、この電極板の同一平面内を複数の領域に分割して上記センス電極と上記ドライブ電極を配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より低く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して同位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする。
請求項４の発明は、音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記振動板に空気層を挟んで電極板を配置し、この電極板の同一平面内を複数の領域に分割して上記センス電極と上記ドライブ電極を配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より高く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して逆位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とする。

以上の構成によれば、音響信号圧力による振動板の振動が電気信号に変換され、この電気信号がセンス電極から出力されており、この電気信号を増幅回路で増幅してドライブ電極に帰還させると、音響信号圧力による振動に対して逆位相となる振動が振動板に付加されることになり、実効的に振動板の振動（振幅）を抑制することが可能となる。

即ち、振動板の音響コンプライアンスＣm は、音響信号圧力Ｐamを受けた振動板により変位したバックキャビティの容積をΔＶとすると、
Ｃm ＝ ΔＶ／Ｐam … （２）
で表される。
この数式（２）で分かるように、振動板の振動を抑制することにより容積ΔＶを小さくすれば、振動板の音響コンプライアンスＣm が小さくなり、上記数式（１）では、振動板の音響コンプライアンスＣm をバックキャビティの音響コンプライアンスＣbcに対して十分に小さく抑えることができ、その結果、上記数式（１）で表される実効音響信号圧力Ｐamをバックキャビティ容積に関わらず入力音響信号圧力Ｐain に略等しくすることが可能となる。

本発明によれば、バックキャビティの容積を小さくすると、マイクロフォンの実質的な特性が劣化するという不都合を解消することができ、小型薄型のパッケージ実装に適した高感度・低雑音のＭＥＭＳマイクロフォンを実現することが可能となる。

本発明のＭＥＭＳマイクロフォンの基本的な構成（原理）を示す図である。第１実施例のＭＥＭＳマイクロフォンの具体的な構成（帰還回路）を示す図（一部の断面をハッチングしたもの）である。第１実施例の動作原理を説明する概念図である。本発明の第２実施例のＭＥＭＳマイクロフォンの構成（帰還回路）を示す図［容量結合部は図３ｂのＩ及びIIの線で断面（一部ハッチング）したもの］である。第２実施例のＭＥＭＳマイクロフォンの音響トランスデューサを示す概略平面図である。第１実施例における信号雑音比のバックキャビティ依存性を示すグラフ図である。第１実施例における信号雑音比の増幅回路利得幅依存性を示すグラフ図である。第１実施例におけるドライブ電圧の入力音響信号圧力依存性を示すグラフ図である。従来のＭＥＭＳマイクロフォンの実装形態［図（Ａ），（Ｂ）］と簡略化した音響等価回路［図（Ｃ）］を示す図である。

図１に、本発明のＭＥＭＳマイクロフォンの基本構成が示されており、図において、符号１１は振動板、１２はセンス電極、１３はドライブ電極、１４は増幅回路である。
上記の振動板１１は、センス電極側から入力される音響信号圧力によって振動変位し、その機械的振動がセンス電極１２で電気信号（センス信号）に変換される。この音響信号を電気信号に変換する部分が音響トランスデューサと呼ばれている部分であり、ＭＥＭＳ製造技術を用いて例えばシリコン基板上に作製される。また、音響信号を電気信号に変換する方法として、静電容量結合或いは圧電結合が用いられるが、他の原理を用いることもできる。

そして、上記センス電極１２から出力されたセンス信号は、増幅回路１４で増幅される。一般に、音響トランスデューサで変換された電気信号は、等価的出力インピーダンスが高く信号強度が小さいため、本発明では、増幅回路１４によりインピーダンス変換すると共に、増幅したドライブ信号を発生させ、ドライブ電極１３に帰還させる。このドライブ信号をドライブ電極１３に印加すると、音響（機械）電気変換の逆変換によって振動板１１に音響信号圧力と逆位相の機械的な抗力、即ち音響信号圧力が振動板１２を変形させる力を相殺する力が与えられる。図１では、増幅回路１４において、振動板１２の変形を相殺する力を与えるように、その極性及び増幅利得を選定することになる。

このようにして、所謂、負帰還の原理によりセンス信号を、概ねループ利得（増幅回路１４の利得だけでなく音響電気変換利得も考慮）分の１まで抑制することとなる。結果として、振動板１１の振動は抑制され、数式（２）で規定される振動板１１の音響コンプライアンス（Ｃm ）をバックキャビティの音響コンプライアンス（Ｃbc）に対して十分小さく保つことができる。そのため、バックキャビティの容積を小さくしても感度や信号雑音比といったマイクロフォンの基本的特性を劣化させることがなく、マイクロフォンを小型薄型化したパッケージに実装することが可能となる。なお、ＭＥＭＳマイクロフォンの出力としては、増幅回路１４からの出力（ドライブ電圧信号）を用いるが、この際には、外部に取り出すためのバッファ回路やディジタル信号として取り出すためのアナログディジタル変換回路を付加してもよい。

図２ａに、第１実施例の具体的な構成、図２ｂに、その動作原理が示されている。
第１実施例は、音響電気変換として静電容量結合型のＭＥＭＳ音響トランスデューサを用いたものであり、図２ａに示されるように、符号２１は振動板、２２はセンス電極、２３はドライブ電極であり、これら振動板２１、センス電極２２及びドライブ電極２３は、シリコン（Ｓｉ）基板２５に対して形成され、振動板２１をセンス電極２２とドライブ電極２３とで空気層を介して挟んで配置した、所謂ダブルバックプレート型（非特許文献２）の構造とされる。また、上記センス電極２２には、振動板２１に音響信号圧力を与えるための貫通孔２２Ｈ、上記ドライブ電極２３にも、同様に貫通孔２３Ｈが形成される。

このようにして、第１実施例では、略平行に配置した振動板２１とセンス電極２２によって、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部が設けられると共に、略平行に配置した振動板２１とドライブ電極２３によって、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部が設けられ、この第１実施例は、例えば音響信号圧力が上側に配置したセンス電極２２の貫通孔２２Ｈを通して振動板２１に与えられるトップポート型となる。なお、センス電極２２とドライブ電極２３を逆の位置に配置してもよく、その場合はドライブ電極２３の貫通孔２３Ｈを通して音響信号圧力が振動板２１に与えられる。

そして、上記センス電極２２の後段に増幅回路２４が配置され、この増幅回路２４の出力信号は、ドライブ信号としてドライブ電極２３に帰還される。また、振動板２１（音響トランスデューサ）に印加するバイアス回路が設けられており、このバイアス回路や上記増幅回路２４等は、ＡＳＩＣ（特殊用途シリコン半導体集積回路）として、図７で説明したように、音響トランスデューサと共に同一のマイクロフォンチップに混載実装されて製作される。

例えば、上記の振動板２１は、直径９００ミクロン、０．３ミクロン膜厚の円形薄膜のポリシリコンで形成され、センス電極２２とドライブ電極２３は振動板２１より厚いポリシリコン電極で構成されており、振動板２１とセンス電極２２の間隔及び振動板２１とドライブ電極２３の間隔は２ミクロン程度である。なお、センス電極２２とドライブ電極２３は入力音響信号圧力に対して振動しない固定板（バックプレート）となるため、窒化シリコン薄膜で裏打ちされていると共に、音響信号圧力が振動板２１に伝わるように直径５ミクロン程度の多くの貫通孔２２Ｈ，２３Ｈを開けている。
上記振動板２１の下方のシリコン基板２５の部分は、深いエッチングで貫通除去されており、この貫通空間は、トップポート型実装の場合はバックキャビティ１００として機能する。

なお、ボトムポート型の場合は、図２ａにおいて、シリコン基板２５で形成される貫通空間１００が音響圧力信号を入力する入力ポート、トランスデューサの上側空間がバックキャビティとなり、それ以外は上記トップポート型と同一構成となる。

図２ａ，２ｂに示されるように、第１実施例の構成によれば、振動板２１にバイアス電圧Ｖｂが印加されており、音響信号圧力によってセンス電極２２にセンス信号が発生する。このセンス信号を、増幅回路２４によって増幅してドライブ信号としてドライブ電極２３に帰還して、振動板−ドライブ電極間の静電容量結合による機械的力を振動板２１に付加することによって振動板２１の振動（変位）が抑制される。

図２ｂを用いて動作原理を説明する。
まず、振動板２１は音響信号圧力によって下方に変位しようとするが、この振動板２１に例えば＋７Ｖのバイアス電圧Ｖｂを印加しておく。この場合、振動板２１とセンス電極２２の静電容量によってセンス電極２２には負の電荷が蓄積されている。振動板２１の下方への変位によって、振動板２１とセンス電極２２の静電容量はギャップ（ｇ_０）が大きくなった分だけ小さくなり、増幅回路２４の入力インピーダンスを十分高く取っておくと、センス電極２２の電荷は一定に保たれるため、センス電極２２には負のセンス電圧Ｖｓが誘起される。
この負のセンス電圧Ｖｓが、増幅回路２４に入力されると、電圧利得Ｇｖを有する増幅回路２４では、反転した正のドライブ電圧Ｖｄを発生させ、これをドライブ電極２３に印加する。ここで、実効的ドライブ電圧出力インピーダンス（ドライブ電圧出力インピーダンスとドライブ電極実効抵抗の和）Ｒｄは、十分注意して選定する必要がある。

上記ドライブ電極２３に印加される電圧Ｖｄは、実効的バイアス電圧出力抵抗（バイアス電圧出力抵抗と振動板電極実効抵抗の和）Ｒｂと上記Ｒｄの和（Ｒｄ＋Ｒｂ）及びドライブ電極−振動板間の静電容量の積で規定される時定数の逆数に比例する高周波領域遮断周波数（ドライブ電圧遮断周波数）を有する。なお、このドライブ電圧遮断周波数を振動板２１の共振周波数より十分低く設定すると、ドライブ電極２３と振動板２１にはバイアス電圧Ｖｂとドライブ電圧Ｖｄの差の電圧の自乗に比例する引力が発生する。今考えている状況では、ドライブ電圧Ｖｄは正であるから、バイアス電圧Ｖｂとの差は小さくなり、バイアス電圧Ｖｂのみによって発生していた元々の引力より小さくなる。つまり、振動板２１を押し上げようとする抗力が発生し、音響信号圧力による変位を抑制する方向に働く。その結果、上記の説明と同様に振動板２１の音響コンプライアンス（Ｃm ）をバックキャビティの音響コンプライアンス（Ｃbc）に対して十分小さく保つことができ、所期の目的を果たすことが可能となる。但し、ドライブ電圧遮断周波数はマイクロフォンで必要とする帯域の上限値よりは高く設定して、音響振動に追従してドライブ電極２３に電圧を印加する必要がある。

次に、第１実施例の設計例を示し、その効果について定量的に説明する。
ドライブ電極２３がない場合の感度を−３６ｄＢＶ／Ｐａとし、上記の音響トランスデューサ寸法を用いると、振動板２１の共振周波数は９０ｋＨｚと計算される。マイクロフォンに通常必要な帯域は１０ｋＨｚであるから、増幅回路２４で調整されるドライブ電圧遮断周波数を例えば２０ｋＨｚに設定すればよい。この場合、実効的ドライブ電圧出力インピーダンスと実効的バイアス電圧出力抵抗の和（Ｒｄ＋Ｒｂ）を約２．８ＭΩとすればよい。また、信号雑音比のバックキャビティ容積依存性の計算結果を図４に示しており、この図では、バックキャビティの影響がない場合の信号雑音比を６６ｄＢ（Ａ）と仮定し、ドライブ電極がない場合（従来構造）の振動板の音響コンプライアンスは上記の音響トランスデューサのパラメータを用いて計算したものである。但し、増幅回路２４の電圧利得は無限大を仮定している。

図４に示されるように、従来構造ではバックキャビティ容積が小さくなるにつれて信号雑音比が劣化してくのに対して、実施例の構造では全く劣化が見られないことが分かる。例えば、標準的なボトムポート型の場合、バックキャビティ容積は３ｍｍ^３程度であり、従来構造でも劣化の程度は１ｄＢ程度であるが、トップポート型の場合にはバックキャビティの容積はシリコン基板２５の厚さ６００ミクロンを仮定した場合に、０．３８ｍｍ^３程度と小さくなり、信号雑音比が約５ｄＢも劣化する。シリコン基板２５を薄くしパッケージを小型薄型化して更にバックキャビティ容積を小さくすると、実施例の効果は更に顕著になる。

一方、上記増幅回路２４の電圧利得が不十分であると、ドライブ電極２３への帰還が十分でなくなり、効果が薄れることは当然予想される。
図５に、増幅回路２４の利得依存性を計算した結果が示されており、これは、バックキャビティ容積を上記の０．３８ｍｍ^３の場合とシリコン基板２５を厚さ２００ミクロン以下まで薄層化して０．１ｍｍ^３とした場合の２つの例について示したものである。前者の場合では、利得３０ｄＢ以上、後者の場合でも利得４２ｄＢ以上にすれば、信号雑音比の劣化を１ｄＢ以下に抑えることができる。

図６に、入力音響信号圧力とドライブ電圧の関係を計算した結果が示されており、図６のように、出力信号を兼ねるドライブ電圧は実用上要求される１２０ｄＢＳＰＬの音響信号圧力までほぼ線形な関係となっており、感度に相当する比例係数は−２４ｄＢＶ／Ｐａである。また、上限の音響信号圧力１２０ｄＢＳＰＬに対するドライブ電圧は１．３Ｖであり、通常のＣＭＯＳ半導体集積回路で問題なく実現できる範囲である。また、上記出力インピーダンスを仮定した場合、１２０ｄＢＳＰＬでの消費電力は０．６μＷと小さく、実用上問題とならない。

第１実施例の変形例として、増幅回路２４で調整されるドライブ電圧遮断周波数を振動板２１の共振周波数より高く設定する場合が挙げられる。ＭＥＭＳ音響トランスデューサと帰還回路の構成は、図２ａと同様であるが、増幅回路２４の極性が図２ｂとは逆となり、センス電圧Ｖｓと同位相のドライブ電圧Ｖｄをドライブ電極に印加する。振動板２１の共振周波数は振動板２１のバネ定数を小さくすることによって下げることができ、これがマイクロフォンで必要とする帯域の上限値に近づいた時にこの変形実施例は有効となる。この場合、上記第１実施例とは逆に、ドライブ電極２３と振動板２１にはバイアス電圧Ｖｂとドライブ電圧Ｖｄの差の電圧の自乗に比例する斥力が発生する。従って、センス電圧Ｖｓと同位相の電圧をドライブ電極２３に印加することにより、入力音響信号圧力を相殺する抗力を振動板２１に与えることができる。

この変形例において、バックキャビティ容積依存性や増幅回路利得依存性及び音響信号圧力に対するドライブ電圧依存性は第１実施例と概ね同一である。相違する点は、ドライブ電圧遮断周波数を大きくするため実効的ドライブ電圧出力インピーダンスと実効的バイアス電圧出力抵抗の和（Ｒｄ＋Ｒｂ）をその分小さくする必要があることである。例えば、振動板共振周波数を２０ｋＨｚ、ドライブ電圧遮断周波数を８０ｋＨｚとした場合、Ｒｄ＋Ｒｂを０．７ＭΩとすればよい。但し、１２０ｄＢＳＰＬでの出力インピーダンスとした場合の消費電力は、第１実施例の４倍（２．４μＷ）となるが、実用上は問題とならない。

図３ａに、第２実施例のマイクロフォンの構成、図３ｂに、音響トランスデューサ（バックプレート）の構成が示されており、この第２実施例も、第１実施例と同様に音響電気変換として静電容量結合型のＭＥＭＳ音響トランスデューサを用いたものである。
図３ａの音響トランスデューサの部分は、図３ｂのＩ及びIIの線で切断した断面を示しており、第２実施例では、振動板３１の上部に空気層を介してセンス電極３２とドライブ電極３３の両方を同一平面（バックプレート）内に配置してなるシングルバックプレート型構造を採用している。

即ち、図３ｂに示されるように、バックプレート（固定板）を中心回転対称の８つの領域に分割し、センス電極３２とドライブ電極３３を交互に配置しており、このセンス電極３２とドライブ電極３３は、それらの間の絶縁を確保した上で、振動板３１に対し略平行に配置される。また、これら電極３２，３３の振動板３１とは反対側には誘電体（薄膜）３６が付加され、この誘電体３６を含めたセンス電極３２とドライブ電極３３には、貫通孔３２Ｈ，３３Ｈが形成される。このようにして、第２実施例では、振動板３１とセンス電極３２によって、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板３１とドライブ電極３３によって、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部が設けられる。この音響トランスデューサは、シリコン基板３５の上にＭＥＭＳ製造技術で製作される。更に、増幅回路３４とバイアス電圧Ｖｂを音響トランスデューサに印加するバイアス回路がＡＳＩＣとして、図７に示すような小型パッケージに混載実装される。

上記振動板３１は、例えば直径９００ミクロン、０．３ミクロン膜厚の円形薄膜のポリシリコンで形成され、上記センス電極３２とドライブ電極３３は振動板３１より厚いポリシリコン電極で構成されており、振動板３１とセンス電極３２の間隔及び振動板３１とドライブ電極３３の間隔（ギャップ）は２ミクロンである。なお、センス電極３２とドライブ電極３３は入力音響信号圧力に対して振動しない固定板（バックプレート）となり、相互に絶縁可能とするため、例えば窒化シリコン薄膜等の誘電体３６で裏打ちされると共に、音響信号圧力が振動板３１に伝わるように直径５ミクロン程度の多くの貫通孔３２Ｈ，３３Ｈを開けている。

また、振動板３１の下方に位置するシリコン基板３５の部分は、深いエッチングで貫通除去されており、トップポート型の場合はバックキャビティ、ボトムポート型の場合は音響信号圧力の入力部として機能する。

このような第２実施例の場合も、振動板３１にバイアス電圧Ｖｂが印加されており、音響信号圧力によってセンス電極３２にセンス信号が発生し、このセンス信号を、増幅回路３４によって増幅してドライブ信号としてドライブ電極３３に帰還させると、振動板−ドライブ電極間の静電容量結合による機械的力が振動板２１に付加されることで、振動板２１の振動が抑制される。

そして、増幅回路３４により、ドライブ電圧遮断周波数を振動板３１の共振周波数より低く設定した場合には、ドライブ電極３３と振動板３１にはバイアス電圧Ｖｂとドライブ電圧Ｖｄの差の電圧の自乗に比例する引力が発生する。図２ｂの場合と同様に、音響信号圧力によって振動板３１が下方に変位しようとする場合を考え、振動板３１に例えば＋７Ｖのバイアス電圧Ｖｂを印加しておくと、センス電極３２には負のセンス電圧が誘起される。このセンス電圧を入力した増幅回路３４では、同位相の負のドライブ電圧Ｖｄが発生し、これがドライブ電極３３に印加される。ドライブ電圧Ｖｄは負であるから、バイアス電圧Ｖｂとの差は大きくなり、バイアス電圧Ｖｂのみによって発生していた元々の引力より大きくなる。即ち、振動板３１を押し上げようとする抗力が発生し、音響信号圧力による振動板３１の変位を抑制する方向に働く。その結果、第１実施例と同様に振動板３１の音響コンプライアンス（Ｃm ）をバックキャビティの音響コンプライアンス（Ｃbc）に対して十分小さく保つことができ、所期の目的を果たすことが可能となる。

なお、上記のドライブ電圧遮断周波数はマイクロフォンで必要とする帯域の上限値よりは高く設定して、音響振動に追従してドライブ電極３３に電圧を印加する必要がある。第１実施例と異なるのは、センス電極３２の面積がドライブ電極３３のない場合に比べ半分になるため、信号雑音比が３ｄＢ程度悪くなることと、ドライブ電極３３の面積も半分になることから、ドライブ電圧が２倍（６ｄＢ）多く必要になることである。そのため、増幅回路に要求される電圧利得も６ｄＢ程度大きくする必要がある。

次に、この第２実施例の変形例として、ドライブ電圧遮断周波数を振動板の共振周波数より高く設定する場合が挙げられる。センス電圧Ｖｓと逆位相のドライブ電圧Ｖｄをドライブ電極３３に印加する。第１実施例の変形例の場合と同様に、ドライブ電極３３と振動板３１にはバイアス電圧Ｖｂとドライブ電圧Ｖｄの差の電圧の自乗に比例する斥力が発生する。そのため、センス電圧Ｖｓと逆位相の電圧をドライブ電極３３に印加することによって、入力音響信号圧力を相殺する抗力を振動板３１に与えることができる。その結果、振動板３１の音響コンプライアンス（Ｃm ）をバックキャビティの音響コンプライアンス（Ｃbc）に対して十分小さく保ち、所期の目的を果たすことが可能となる。

５…ＡＳＩＣ（特殊用途半導体集積回路）、
１１，２１，３１…振動板、
１２，２２，３２…センス電極、
１３，２３，３３…ドライブ電極、
１４，２４，３４…増幅回路、
２５，３５…シリコン基板、
２２Ｈ，２３Ｈ，３２Ｈ，３３Ｈ…貫通孔、
３６…誘電体、Ｖｂ…バイアス電圧、
Ｖｄ…ドライブ電圧、Ｖｓ…センス電圧。

Claims

音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記センス電極と上記ドライブ電極を上記振動板の上下に空気層を挟んで相対する形で配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、
上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より低く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して逆位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記センス電極と上記ドライブ電極を上記振動板の上下に空気層を挟んで相対する形で配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、
上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より高く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して同位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記振動板に空気層を挟んで電極板を配置し、この電極板の同一平面内を複数の領域に分割して上記センス電極と上記ドライブ電極を配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、
上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より低く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して同位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
音響信号圧力により振動する振動板、この振動板の振動を電気信号に変換して出力するセンス電極、及び電気信号によって上記振動板に振動を付加するドライブ電極を有し、上記振動板に空気層を挟んで電極板を配置し、この電極板の同一平面内を複数の領域に分割して上記センス電極と上記ドライブ電極を配置することにより、振動板−センス電極間に静電容量を形成したセンス用静電結合部と、振動板−ドライブ電極間に静電容量を形成したドライブ用静電結合部とを設けるＭＥＭＳ音響トランスデューサと、
上記センス電極から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、を含み、
上記振動板にバイアス電圧を印加して上記センス用静電結合部によるセンシングを行い、かつ上記増幅回路で増幅した信号を上記ドライブ電極に帰還させて上記ドライブ用静電結合部によるドライビングを行い、
上記ドライビングでは、上記ドライブ電極に印加されるドライブ電圧の遮断周波数を上記振動板の共振周波数より高く設定し、上記センス用静電結合部のセンス電極から出力された電気信号を増幅して逆位相の電圧を上記ドライブ用静電結合部のドライブ電極に帰還させることにより、音響信号圧力による上記振動板の振動を抑制することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。