JP2020036215A - Ｍｅｍｓマイクロフォン - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能なＭＥＭＳマイクロフォンを提供する。【解決手段】ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、基板２０と、基板２０上に設けられ、音を電気信号に変換する第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂと、を備え、第１変換部１０Ａは、第１貫通孔２１Ａと、第１貫通孔２１Ａを覆う第１メンブレン３０Ａと、第１メンブレン３０Ａと第１エアギャップＧ１を介して対面する第１バックプレート４０Ａと、を有し、第２変換部１０Ｂは、第２貫通孔２１Ｂと、第２貫通孔２１Ｂを覆う第２メンブレン３０Ｂと、第２メンブレン３０Ｂと第２エアギャップＧ２を介して対面する第２バックプレート４０Ｂと、を有し、基板２０の厚さ方向において、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１より大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳマイクロフォンに関する。

近年、ＭＥＭＳマイクロフォンを含む超小型のマイクロフォンモジュールの需要が高まっている。例えば下記の特許文献１〜３には、シリコン基板上に、エアギャップを介してメンブレンとバックプレートとが対向配置された構成のＭＥＭＳマイクロフォンが開示されている。このようなＭＥＭＳマイクロフォンでは、メンブレンとバックプレートとでキャパシタ構造が形成されており、音圧を受けてメンブレンが振動するとキャパシタ構造における容量が変化する。その容量変化が、ＡＳＩＣチップにおいて電気信号に変換されるとともに増幅処理される。

特開２０１１−０５５０８７号公報 特開２０１５−５０２６９３号公報 特開２００７−２９５４８７号公報

ところで、上述したＭＥＭＳマイクロフォンが対応できる音圧レベル（すなわち、ダイナミックレンジ）には制限がある。本発明者らは、鋭意研究の結果、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイナミックレンジの拡大するための新たな技術を見出した。

本発明は、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能なＭＥＭＳマイクロフォンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンは、基板と、基板上に設けられ、音を電気信号に変換する第１変換部及び第２変換部と、を備え、第１変換部は、基板を貫通する第１貫通孔と、基板の一方面側において第１貫通孔を覆う第１メンブレンと、基板の一方面側において第１貫通孔を覆い、且つ、第１メンブレンと第１エアギャップを介して対面する第１バックプレートと、を有し、第２変換部は、基板を貫通する第２貫通孔と、基板の一方面側において第２貫通孔を覆う第２メンブレンと、基板の一方面側において第２貫通孔を覆い、且つ、第２メンブレンと第２エアギャップを介して対面する第２バックプレートと、を有し、基板の厚さ方向において、第２エアギャップの寸法は第１エアギャップの寸法より大きい。

このＭＥＭＳマイクロフォンは、第１変換部と第２変換部とを備えており、基板の厚さ方向において、第２変換部における第２エアギャップの寸法は、第１変換部における第１エアギャップの寸法より大きい。このように、第２エアギャップの寸法が第１エアギャップの寸法より大きくなっていることにより、大きい音圧レベルが入力された場合には第２メンブレンと第２バックプレートとが接触しにくい第２変換部において対応することができる。したがって、第１変換部及び第２変換部の両方によって広い範囲の音圧レベルに対応することができ、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

他の態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンでは、基板の厚さ方向において、第２エアギャップの寸法は、第１エアギャップの寸法の１．１倍以上２．０倍以下であってもよい。この構成においても、第２変換部において第２メンブレンと第２バックプレートとの接触が抑制されている。したがって、第２変換部よって大きな音圧レベルに対応することができ、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

他の態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、第１変換部は、第１メンブレンと第１バックプレートとの接触を抑制する接触抑制部を有してもよい。この構成によれば、第１メンブレンと第１バックプレートとの接触が抑制されるので、第１変換部における特性低下を抑制することができる。

本発明の一態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンは、貫通孔を有する基板と、基板の一方面側において前記貫通孔を覆うメンブレンと、基板の一方面側において貫通孔を覆い、且つ、メンブレンと第１エアギャップを介して対面する第１バックプレートと、メンブレンに対して第１バックプレートの反対側に設けられると共に基板の一方面側において貫通孔を覆い、且つ、メンブレンと第２エアギャップを介して対面する第２バックプレートと、を備え、基板の厚さ方向において、第２エアギャップの寸法は、第１エアギャップの寸法より大きい。

このＭＥＭＳマイクロフォンでは、基板の厚さ方向において、第２エアギャップの寸法が第１エアギャップの寸法より大きくなっている。これにより、大きい音圧レベルが入力された場合であっても、メンブレンと第２バックプレートとの接触が抑制されている。したがって、メンブレンと第２バックプレートとで構成されるキャパシタ構造によって大きな音圧レベルに対応することができ、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

他の態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンでは、基板の厚さ方向において、第２エアギャップの寸法は、第１エアギャップの寸法の１．１倍以上２．０倍以下であってもよい。この構成においても、メンブレンと第２バックプレートとの接触が抑制されている。したがって、メンブレンと第２バックプレートとで構成されるキャパシタ構造によって大きな音圧レベルに対応することができ、ＭＥＭＳマイクロフォンのダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

他の態様に係るＭＥＭＳマイクロフォンの第１バックプレートは、メンブレンと第１バックプレートとの接触を抑制する接触抑制部を有してもよい。この構成によれば、メンブレンと第１バックプレートとの接触が抑制されるので、メンブレンと第１バックプレートとで構成されるキャパシタ構造における特性低下を抑制することができる。

本発明によれば、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能なＭＥＭＳマイクロフォンが提供される。

図１は、一実施形態に係るマイクロフォンモジュールを示した概略断面図である。 図２は、図１に示したＭＥＭＳマイクロフォンの平面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿った断面を示す図である。 図４は、図２のIV-IV線に沿った断面を示す図である。 図５は、図２のV-V線に沿った断面を示す図である。 図６は、図１に示したマイクロフォンモジュールのブロック図である。 図７は、図６に示した制御回路チップの第１制御回路の構成を示す図である。 図８の（ａ）〜（ｃ）は、図２に示したＭＥＭＳマイクロフォンを製造する際の各工程を示した図である。 図９の（ａ）〜（ｃ）は、図２に示したＭＥＭＳマイクロフォンを製造する際の各工程を示した図である。 図１０は、図２に示したＭＥＭＳマイクロフォンの音圧レベルに対する特性を示すグラフである。 図１１は、変形例に係るＭＥＭＳマイクロフォンを示した断面図である。 図１２の（ａ）〜（ｃ）は、図１１に示したＭＥＭＳマイクロフォンを製造する際の各工程を示した図である。 図１３の（ａ）〜（ｃ）は、図１１に示したＭＥＭＳマイクロフォンを製造する際の各工程を示した図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係るマイクロフォンモジュール１は、少なくともモジュール基板２と、制御回路チップ３（ＡＳＩＣ）と、キャップ６と、ＭＥＭＳマイクロフォン１０とを備えて構成されている。

モジュール基板２は、平板状の外形形状を有し、例えばセラミック材料で構成されている。モジュール基板２は、単層構造であってもよく、内部配線を含む複数層構造であってもよい。モジュール基板２の一方面２ａ及び他方面２ｂにはそれぞれ端子電極４，５が設けられており、端子電極４，５同士は図示しない貫通導体や内部配線を介して互いに接続されている。

キャップ６は、後述の基板２０の上面２０ａ側に中空構造を形成している。具体的には、キャップ６は、基板２０との間に空洞Ｈを画成しており、その空洞Ｈの内部にＭＥＭＳマイクロフォン１０や制御回路チップ３が収容されている。本実施形態では、キャップ６は、金属材料で構成されたメタルキャップである。キャップ６には、外部と空洞Ｈとをつなぐサウンドホール６ａが設けられている。

ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、モジュール基板２の一方面２ａ上に搭載されている。ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、音圧を受けるとその一部が振動する構成を有している。図２及び図３に示されるように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、少なくとも第１変換部１０Ａと、第２変換部１０Ｂと、基板２０とを備えている。

基板２０は、例えばＳｉや石英ガラス（ＳｉＯ_２）で構成される。本実施形態では、基板２０は、ケイ酸塩を主成分とし、アルカリ金属酸化物を実質的に含有しないガラスで構成されている。基板２０は、矩形平板状の外形形状を有する。基板２０の厚さは、一例として５００μｍである。基板２０は、図２に示されるように、平面視において略長方形状（一例として、１５００μｍ×３０００μｍ）を有することができる。

図４に示されるように、第１変換部１０Ａは、第１貫通孔２１Ａと、第１メンブレン３０Ａと、第１バックプレート４０Ａと、一対の端子部５１Ａ，５２Ａとを有している。第１貫通孔２１Ａは、平面視において（すなわち、基板２０の厚さ方向から見て）、例えば真円形状を有している。第１貫通孔２１Ａの直径Ｄ１は、一例として１０００μｍである。第１メンブレン３０Ａは、ダイヤフラムとも呼ばれ、音圧によって振動する膜である。第１メンブレン３０Ａは、基板２０の一方面側である上面２０ａ側に位置しており、上面２０ａに直接積層されている。第１メンブレン３０Ａは、基板２０の第１貫通孔２１Ａ全体を覆うように設けられている。

第１メンブレン３０Ａは、複数層構造を有しており、本実施形態では２層構造を有する。下側に位置する第１メンブレン３０Ａの第１層３１は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）で構成されている。第１層３１の厚さは、一例として２００ｎｍである。第１層３１は、第１貫通孔２１Ａを含む基板２０の上面２０ａに設けられている。上側に位置する第１メンブレン３０Ａの第２層３２は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）で構成されている。第２層３２の厚さは、一例として１００ｎｍである。第２層３２は、基板２０の第１貫通孔２１Ａに対応する領域、及び、第１貫通孔２１Ａの縁領域であって一対の端子部５１Ａ，５２Ａの一方（本実施形態では端子部５１Ａ）の形成領域に、一体的に設けられている。

基板２０の第１貫通孔２１Ａを第１メンブレン３０Ａによって完全に塞ぐと、第１メンブレン３０Ａの上側と下側とで気圧差が生じうる。このような気圧差を低減するために、本実施形態では、第１メンブレン３０Ａに小さな貫通孔３３が設けられている。なお、第１メンブレン３０Ａに複数の貫通孔３３が設けられていてもよい。

第１バックプレート４０Ａは、基板２０の上面２０ａ側に位置しており、且つ、第１メンブレン３０Ａの上側に位置している。第１バックプレート４０Ａは、第１メンブレン３０Ａ同様、基板２０の第１貫通孔２１Ａ全体を覆うように設けられている。第１バックプレート４０Ａは、第１エアギャップＧ１を介して第１メンブレン３０Ａと対面している。より詳しくは、第１バックプレート４０Ａの対向面４４（図４における下面）が、基板２０の第１貫通孔２１Ａが形成された領域において、第１メンブレン３０Ａの対向面３４（図４における上面）と対面している。

第１バックプレート４０Ａは、第１メンブレン３０Ａ同様、複数層構造を有しており、本実施形態では２層構造を有する。下側に位置する第１バックプレート４０Ａの第１層４１は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）で構成されている。第１層４１の厚さは、一例として３００ｎｍである。上側に位置する第１バックプレート４０Ａの第２層４２は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）で構成されている。第２層４２の厚さは、一例として５０ｎｍである。第１バックプレート４０Ａの第１層４１及び第２層４２は、基板２０の第１貫通孔２１Ａに対応する領域、及び、第１貫通孔２１Ａの縁領域であって一対の端子部５１Ａ，５２Ａの他方（本実施形態では端子部５２Ａ）の形成領域に、一体的に設けられている。第１バックプレート４０Ａの第２層４２は、一対の端子部５１Ａ，５２Ａの形成領域には設けられておらず、一対の端子部５１Ａ，５２Ａの形成領域において第１メンブレン３０Ａの第２層３２及び第１バックプレート４０Ａの第１層４１が露出している。第１バックプレート４０Ａは、複数の孔４３を有する。複数の孔４３は、いずれも例えば真円状の開口形状を有し（図２参照）、規則的に配置（本実施形態では千鳥配置）されていることが好ましい。

一対の端子部５１Ａ，５２Ａは、導電体材料で構成されており、本実施形態ではＣｕで構成されている。一対の端子部５１Ａ，５２Ａのうち、一方の端子部５１Ａは、第１貫通孔２１Ａの縁領域に設けられた第１メンブレン３０Ａの第２層３２上に形成され、他方の端子部５２Ａは、第１貫通孔２１Ａの縁領域に設けられた第１バックプレート４０Ａの第１層４１上に形成されている。

第１変換部１０Ａは、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとの接触を抑制する接触抑制部４５を有している。本実施形態では、接触抑制部４５は、第１バックプレート４０Ａの対向面４４側に設けられた突起である。接触抑制部４５は、第１バックプレート４０Ａの第１層４１に連続して設けられており、第１メンブレン３０Ａに向かって延びている。このように接触抑制部４５が設けられていることにより、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとが接触して離れない現象（いわゆるスティッキング）を抑制することができる。

第１変換部１０Ａは、上述したとおり、第１メンブレン３０Ａが導電層として第２層３２を有し、かつ、第１バックプレート４０Ａが導電層として第１層４１を有する。そのため、第１変換部１０Ａでは、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとで平行平板型のキャパシタ構造が形成されている。そして、第１メンブレン３０Ａが音圧により振動すると、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとの間の第１エアギャップＧ１の幅が変化し、キャパシタ構造における容量が変化する。第１変換部１０Ａは、その容量変化を一対の端子部５１Ａ，５２Ａから出力する静電容量型の変換部である。

図５に示されるように、第２変換部１０Ｂは、第１変換部１０Ａと略同様の構成を有している。第２変換部１０Ｂは、第１変換部１０Ａと同一の基板２０上に設けられている。第２変換部１０Ｂは、第１変換部１０Ａの隣に並んで配置されている。第２変換部１０Ｂは、第２貫通孔２１Ｂと、第２メンブレン３０Ｂと、第２バックプレート４０Ｂと、一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂとを有している。第２貫通孔２１Ｂは、平面視において（すなわち、基板２０の厚さ方向から見て）、例えば真円形状を有している。第２貫通孔２１Ｂの直径Ｄ２は、第１貫通孔２１Ａの直径Ｄ１と略同一であり、一例として１０００μｍである。第２メンブレン３０Ｂは、第１メンブレン３０Ａと同様に、音圧によって振動する膜である。第２メンブレン３０Ｂは、基板２０の一方面側である上面２０ａ側に位置しており、上面２０ａに直接積層されている。第２メンブレン３０Ｂは、基板２０の第２貫通孔２１Ｂ全体を覆うように設けられている。

第２メンブレン３０Ｂは、第１メンブレン３０Ａと同様に、複数層構造を有している。本実施形態では、第２メンブレン３０Ｂは、第１層３１と第２層３２との２層構造を有する。第２メンブレン３０Ｂの厚さは、第１メンブレン３０Ａと略同一であり、一例として２０００ｎｍである。第２メンブレン３０Ｂは、第２貫通孔２１Ｂを含む基板２０の上面２０ａに設けられている。上側に位置する第２メンブレン３０Ｂの第２層３２は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）で構成されている。第２層３２の厚さは、一例として１００ｎｍである。第２層３２は、基板２０の第２貫通孔２１Ｂに対応する領域、及び、第２貫通孔２１Ｂの縁領域であって一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂの一方（本実施形態では端子部５１Ｂ）の形成領域に、一体的に設けられている。第２メンブレン３０Ｂにおいても、第２メンブレン３０Ｂの上側と下側との間の気圧差を低減するために、貫通孔３３Ｂが設けられている。なお、第２メンブレン３０Ｂに複数の貫通孔３３が設けられていてもよい。

第２バックプレート４０Ｂは、基板２０の上面２０ａ側に位置しており、且つ、第２メンブレン３０Ｂの上側に位置している。第２バックプレート４０Ｂは、第２メンブレン３０Ｂ同様、基板２０の第２貫通孔２１Ｂ全体を覆うように設けられている。第２バックプレート４０Ｂは、第２エアギャップＧ２を介して第２メンブレン３０Ｂと対面している。より詳しくは、第２バックプレート４０Ｂの対向面４４（図５における下面）が、基板２０の第２貫通孔２１Ｂが形成された領域において、第２メンブレン３０Ｂの対向面３４（図５における上面）と対面している。

第２バックプレート４０Ｂは、第１バックプレート４０Ａ同様、複数層構造を有しており、本実施形態では２層構造を有する。下側に位置する第２バックプレート４０Ｂの第１層４１は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）で構成されている。第１層４１の厚さは、一例として３００ｎｍである。上側に位置する第２バックプレート４０Ｂの第２層４２は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）で構成されている。第２層４２の厚さは、一例として５０ｎｍである。第２バックプレート４０Ｂの第１層４１及び第２層４２は、基板２０の第２貫通孔２１Ｂに対応する領域、及び、第２貫通孔２１Ｂの縁領域であって一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂの他方（本実施形態では端子部５２Ｂ）の形成領域に、一体的に設けられている。第２バックプレート４０Ｂの第２層４２は、一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂの形成領域には設けられておらず、一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂの形成領域において第２メンブレン３０Ｂの第２層３２及び第２バックプレート４０Ｂの第１層４１が露出している。第２バックプレートは、複数の孔４３を有する。複数の孔４３は、いずれも例えば真円状の開口形状を有し（図２参照）、規則的に配置（本実施形態では千鳥配置）されていることが好ましい。

第２変換部１０Ｂの一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂは、導電体材料で構成されており、本実施形態ではＣｕで構成されている。一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂのうち、一方の端子部５１Ｂは、第２貫通孔２１Ｂの縁領域に設けられた第２メンブレン３０Ｂの第２層３２上に形成され、他方の端子部５２Ｂは、第２貫通孔２１Ｂの縁領域に設けられた第２バックプレート４０Ｂの第１層４１上に形成されている。

第２変換部１０Ｂでは、第１変換部１０Ａと同様に、第２メンブレン３０Ｂと第２バックプレート４０Ｂとで平行平板型のキャパシタ構造が形成されている。第２メンブレン３０Ｂが音圧によって振動すると、第２メンブレン３０Ｂと第２バックプレート４０Ｂとの間の第２エアギャップＧ２の幅が変化し、キャパシタ構造における容量が変化する。第２変換部１０Ｂは、その容量変化を一対の端子部５１Ｂ，５２Ｂから出力する静電容量型の変換部である。

本実施形態では、図２に示されるように、第２メンブレン３０Ｂの面積は、第１メンブレン３０Ａの面積と略同一であり、第２メンブレン３０Ｂの直径Ｌ２も、第１メンブレン３０Ａの直径Ｌ１と略同一である。また、第１メンブレン３０Ａの中心と第１バックプレート４０Ａの中心とは略一致している。第２メンブレン３０Ｂの中心と第２バックプレート４０Ｂの中心とは略一致している。

基板２０の厚さ方向において、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１より大きくなっている（図３参照）。基板２０の厚さ方向における第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１の１．１倍以上２．０倍以下とすることができる。本実施形態では、第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１は２μｍ程度であり、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は２．６μｍ程度である。すなわち、本実施形態では、基板２０の厚さ方向における第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１の１．３倍である。

制御回路チップ３は、ＭＥＭＳマイクロフォン１０に近接するようにして、モジュール基板２の一方面２ａ上に搭載されている。制御回路チップ３には、ＭＥＭＳマイクロフォン１０における容量変化が入力される。制御回路チップ３とＭＥＭＳマイクロフォン１０とは、例えばワイヤボンディングなどによって電気的に接続されている。制御回路チップ３は、モジュール基板２の一方面２ａに設けられた端子電極４に接続されており、制御回路チップ３の信号は端子電極４，５を介して外部に出力される。

図６に示されるように、制御回路チップ３は、第１制御回路３Ａと、第２制御回路３Ｂと、ミキサー３Ｃと、を含んでいる。第１制御回路３Ａは、ＭＥＭＳマイクロフォン１０の第１変換部１０Ａと電気的に接続されている。第２制御回路３Ｂは、ＭＥＭＳマイクロフォン１０の第２変換部１０Ｂと電気的に接続されている。すなわち、第１変換部１０Ａにおける容量変化は第１制御回路３Ａに入力され、第２変換部１０Ｂにおける容量変化は、第２制御回路３Ｂに入力される。第１制御回路３Ａは、第１変換部１０Ａのキャパシタ構造における容量変化を、アナログ又はデジタルの電気信号に変換する機能及び増幅機能を有する。同様に、第２制御回路３Ｂは、第２変換部２０Ｂのキャパシタ構造における容量変化を、アナログ又はデジタルの電気信号に変換する機能及び増幅機能を有する。ミキサー３Ｃは、第１制御回路３Ａ及び第２制御回路３Ｂに接続されている。第１制御回路３Ａの出力及び第２制御回路３Ｂの出力は、ミキサー３Ｃに入力される。ミキサー３Ｃは、第１制御回路３Ａの出力と第２制御回路３Ｂの出力とを合成し、制御回路チップ３の出力として電気信号を出力する。

次に、図７を参照して、第１制御回路３Ａの構成についてより詳しく説明する。以下では、第１制御回路３Ａが、第１変換部１０Ａのキャパシタ構造における容量変化をアナログ電気信号に変換する場合について説明する。なお、第２制御回路３Ｂの構成は第１制御回路３Ａと同様であるので、その説明を省略する。

図７に示されるように、第１制御回路３Ａは、昇圧回路ＣＰと、基準電圧発生回路ＶＲと、プリアンプＰＡと、フィルタＦと、を有している。昇圧回路ＣＰは、ＭＥＭＳマイクロフォン１０の第１変換部１０Ａの一方の端子部５１Ａに接続されており、第１変換部１０Ａへのバイアス電圧を供給する回路である。基準電圧発生回路ＶＲは、昇圧回路ＣＰに接続されており、当該昇圧回路ＣＰにおける基準電圧を発生させる回路である。また、基準電圧発生回路ＶＲは、プリアンプＰＡ及びフィルタＦにも接続されており、電圧を供給する。プリアンプＰＡは、第１変換部１０Ａの他方の端子部５２Ａに接続されており、第１変換部１０Ａのキャパシタ構造における容量変化に対して、インピーダンス変換及びゲイン調整を行う回路である。プリアンプＰＡの後段には、フィルタＦが接続されている。フィルタＦは、プリアンプＰＡからの信号に対し、所定の周波数帯の成分のみを通過させる回路である。第１制御回路３Ａ及び第２制御回路３ＢのそれぞれはフィルタＦを有しており、第１制御回路３ＡのフィルタＦと第２制御回路３ＢのフィルタＦとは互いに接続されている（図６参照）。

なお、第１制御回路３Ａが、第１変換部１０Ａのキャパシタ構造における容量変化をデジタル電気信号に変換する場合には、第１制御回路３Ａは、プリアンプＰＡとフィルタＦとの間にモジュレータを更に有する。このモジュレータにより、プリアンプＰＡからのアナログ信号はＰＤＭ（Pulse Density Modulation）信号に変換される。

制御回路チップ３は、ＭＥＭＳマイクロフォン１０で検出された音波の音圧レベルに応じて、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとの切り替えを行う。具体的には、制御回路チップ３は、音圧レベルが所定の閾値以下である場合には、第１変換部１０Ａにおける容量変化に基づいた信号（すなわち、第１制御回路３Ａから出力された信号）を出力し、音圧レベルが上記閾値より大きい場合には、第２変換部１０Ｂにおける容量変化に基づいた信号（すなわち、第２制御回路３Ｂから出力された信号）を出力する。一例として、制御回路チップ３における音圧レベルの閾値は、１００ｄＢ以上１２０ｄＢ以下の範囲内の値とすることができる。なお、閾値は、基板２０の厚さ方向における第１変換部１０Ａの第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１及び第２変換部１０Ｂの第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２に応じて適宜設定され得る。

なお、制御回路チップ３は、音圧レベルに対して２つの閾値（小音圧レベル側の第１閾値及び大音圧レベル側の第２閾値）に基づいて切り替えを行ってもよい。例えば、音圧レベルが第１閾値以下である場合には、第１変換部１０Ａにおける容量変化に基づいた信号（すなわち、第１制御回路３Ａから出力された信号）を出力する。音圧レベルが第１閾値より大きく、且つ第２閾値より小さい場合には、第１変換部１０Ａにおける容量変化に基づいた信号と、第２変換部１０Ｂにおける容量変換に基づいた信号とをミキサー３Ｃによって合成して出力する。音圧レベルが第２閾値以上である場合には、第２変換部１０Ｂにおける容量変換に基づいた信号（すなわち、第２制御回路３Ｂから出力された信号）を出力する。

次に、上述したＭＥＭＳマイクロフォン１０を製造する手順について、図８及び図９を参照しつつ説明する。なお、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとは略同様の構造を有しており、同様の工程によって共に形成されるので、図８及び図９では、第１変換部１０Ａにおける断面のみを示している。

ＭＥＭＳマイクロフォン１０を製造する際には、まず、図８（ａ）に示されるように、第１貫通孔２１Ａが形成されていない平板状の基板２０の上面２０ａ上に、第１メンブレン３０Ａの第１層３１及び第２層３２を順次成膜する。第１層３１は、絶縁材料（本実施形態ではＳｉＮ）のＣＶＤにより形成されうる。第２層３２は、導電体材料（本有実施形態ではＣｒ）のスパッタリングにより形成される。第１層３１及び第２層３２は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

次に、図８（ｂ）に示されるように、第１メンブレン３０Ａに貫通孔３３を設ける。貫通孔３３は、例えば貫通孔３３の領域に開口が設けられたフォトレジストを用いたＲＩＥにより形成することができる。ＲＩＥに用いられるガス種は、第１メンブレン３０Ａを構成する層の材料に応じて適宜選択される。

さらに、図８（ｃ）に示されるように、上述した第１エアギャップＧ１となるべき領域に犠牲層６０を形成する。犠牲層６０は、例えばＳｉＯ_２のＣＶＤにより形成される。犠牲層６０の厚さは、一例として２μｍである。そして、後に形成される接触抑制部４５に対応した箇所において、犠牲層６０に凹部６０’を形成する。犠牲層６０は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

次に、図９（ａ）に示されるように、第１バックプレート４０Ａの第１層４１及び第２層４２を順次成膜する。これにより、第１バックプレート４０Ａが形成されると共に、犠牲層６０の凹部６０’に対応した箇所に接触抑制部４５が形成される。第１層４１は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）のスパッタリングにより形成される。第２層４２は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）のＣＶＤにより形成される。第１層４１及び第２層４２は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

また、図９（ｂ）に示されるように、一対の端子部５１Ａ，５２Ａを形成する。具体的には、第１メンブレン３０Ａの第２層３２上に端子部５１Ａを形成するとともに、第１バックプレート４０Ａの第１層４１上に端子部５２Ａを形成する。端子部５１Ａ，５２Ａは、導電体材料（本実施形態ではＣｕ）のスパッタリングにより形成される。端子部５１Ａ，５２Ａは、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

さらに、図９（ｃ）に示されるように、基板２０に第１貫通孔２１Ａをエッチングにより形成する。第１貫通孔２１Ａは、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングにより形成される。第１貫通孔２１Ａは、フッ化水素（ＨＦ）の蒸気を用いたドライエッチングにより形成することもできる。エッチングの際、基板２０の上面２０ａ全体及び第１貫通孔２１Ａが形成される領域以外の下面２０ｂは、フォトレジスト等によって被覆される。また、エッチングのストッパ膜として、厚さ５０ｎｍ程度のＳｉＮ層を、基板２０の上面２０ａ（第１メンブレンの下側）に形成してもよい。このＳｉＮ層は、第１貫通孔２１Ａを形成した後、第１貫通孔２１Ａから露出した部分がエッチングにより除去され得る。

そして、犠牲層６０をエッチングにより除去する。犠牲層６０は、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングにより除去される。犠牲層６０は、フッ化水素（ＨＦ）の蒸気を用いたドライエッチングにより除去することもできる。エッチングの際、犠牲層６０が形成された領域以外の基板２０の上面２０ａ及び下面２０ｂ全体は、フォトレジスト等によって被覆される。以上の手順により、上述したＭＥＭＳマイクロフォン１０が製造される。

以上説明したように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとを備えており、基板２０の厚さ方向において、第２変換部１０Ｂにおける第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１変換部１０Ａにおける第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１より大きい。一般的に、エアギャップの寸法が小さい場合、小さい音圧レベルに対する感度は良好であるが、大きな音圧レベルに対してはメンブレンとバックプレートとの接触が発生しやすくなり、ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion）が大きくなる傾向がある。したがって、大きな音圧レベルに対して音割れが発生しやすい。反対に、エアギャップの寸法が大きい場合、小さい音圧レベルに対する感度が低下するが、メンブレンとバックプレートとが離れているため接触が発生しにくく、ＴＨＤの増大が発生しにくい。特に、大きな音圧レベルに対して音割れが発生しにくい。

図１０は、ＭＥＭＳマイクロフォン１０の第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂにおける音圧レベルとＴＨＤとの関係、及び、音圧レベルと感度との関係を示すグラフである。図１０のグラフの左側の縦軸はＴＨＤの割合を示しており、図１０のグラフの右側の縦軸は入力された音圧レベルに対する感度を示している。図１０に示されるように、入力された音圧レベルが１１０ｄＢ以下の領域では、第１変換部１０Ａの感度が良好であり、ＴＨＤの値も１％以下の良好な値を示している。一方、入力された音圧レベルが１１０ｄＢより大きい領域では、第２変換部１０Ｂにおいて第１変換部１０Ａより良好なＴＨＤの値が得られている。したがって、例えば、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとを切り替える音圧レベルの閾値を１１０ｄＢ付近に設定することにより、幅広い音圧レベルに対して良好な感度及びＴＨＤ値を得ることができる。

このように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０では、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２が第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１より大きくなっていることにより、大きい音圧レベルが入力された場合には、第２メンブレン３０Ｂと第２バックプレート４０Ｂとが接触しにくい第２変換部１０Ｂにおいて対応することができる。したがって、第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂの両方によって広い範囲の音圧レベルにも対応することができる。このように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０では、小さい音圧レベルの入力に対しては第１変換部１０Ａによって良好な感度及びＴＨＤが得られると共に、大きな音圧レバルの入力に対しては第２変換部１０Ｂによって良好な感度及びＴＨＤが得られる。したがって、ＭＥＭＳマイクロフォン１０のダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

また、ＭＥＭＳマイクロフォンでは、基板２０の厚さ方向において、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１の１．１倍以上２．０倍以下である。この場合においても、第２変換部１０Ｂにおいて第２メンブレン３０Ｂと第２バックプレート４０Ｂとの接触が抑制されている。したがって、第２変換部１０Ｂよって大きな音圧レベルに対応することができ、ＭＥＭＳマイクロフォン１０のダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

また、ＭＥＭＳマイクロフォン１０において、第１変換部１０Ａは、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとの接触を抑制する接触抑制部４５を有している。これにより、第１メンブレン３０Ａと第１バックプレート４０Ａとの接触が抑制されるので、第１変換部１０Ａにおける特性低下を抑制することができる。

また、ＭＥＭＳマイクロフォン１０においては、基板としてガラス製の基板２０が用いられている。ガラス製の基板２０は、シリコン基板等の半導体基板に比べて高い絶縁抵抗を有する。すなわち、ＭＥＭＳマイクロフォン１０においては、ガラス製の基板２０によって高い絶縁性が実現されている。

ここで、ガラス製の基板２０に比べて絶縁性に劣るシリコン基板は、不完全な不導体であると捉えることができ、基板上に形成された導体層（第１メンブレン３０Ａ及び第２メンブレン３０Ｂの第２層３２や、第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂの第１層４１，端子部５１Ａ，５２Ａ，５１Ｂ，５２Ｂ）との間に意図しない浮遊容量を生じさせ得る。また、シリコン基板と導体層との間に絶縁薄膜（シリコン基板の場合には、酸化シリコン薄膜）を設けて基板の絶縁性を高めた場合でも、その絶縁薄膜において浮遊容量が生じ得る。そのため、シリコン基板を用いる場合には、シリコン基板に端子を追加的に設け、ＡＳＩＣによりシリコン基板と導電層との間の電位調整が必要となることがあった。

一方、高い絶縁抵抗を有するガラス製の基板２０では、そのような浮遊容量の発生が効果的に抑制されている。したがって、ＭＥＭＳマイクロフォン１０によれば、ガラス製の基板２０を用いることで浮遊容量を低減することができ、浮遊容量に起因するノイズを抑制することができる。また、ＭＥＭＳマイクロフォン１０によれば、基板２０と導体層との間に絶縁薄膜を設ける必要がない。さらに、ＭＥＭＳマイクロフォン１０によれば、ガラス製の基板２０を用いることで上記の電位調整が不要となり、ＡＳＩＣでの信号処理や回路デザイン等がシリコン基板を用いた場合よりも簡素化することができる。

上述した実施形態では、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとが基板２０の上面２０ａに沿って並んで形成されている例について説明したが、第１変換部１０Ａと第２変換部１０Ｂとは、基板２０の厚さ方向に重なって設けられていてもよい。以下では、図１１を参照して変形例に係るＭＥＭＳマイクロフォン１０’について説明する。

図１１に示されるように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０’は、貫通孔２１を有する基板２０と、貫通孔２１を覆うメンブレン３０と、メンブレン３０と対面する第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂとを備えている。ＭＥＭＳマイクロフォン１０’では、一つのメンブレン３０に対して、２つのバックプレート（第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂ）が設けられている。第２バックプレート４０Ｂは、メンブレン３０に対して第１バックプレート４０Ａの反対側に設けられている。すなわち、ＭＥＭＳマイクロフォン１０’は、主に、基板２０と第１メンブレン３０Ａとの間に第２バックプレート４０Ｂが介在している点においてＭＥＭＳマイクロフォン１０と異なる。第１変換部１０Ａはメンブレン３０と第１バックプレート４０Ａとによって構成され、第２変換部１０Ｂは、メンブレン３０と第２バックプレート４０Ｂとによって構成されている。第２バックプレート４０Ｂは、第１バックプレート４０Ａを上下逆さにした層構造を有している。すなわち、第２バックプレート４０Ｂでは、下側に位置する第２層４２が絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）で構成されており、上側に位置する第１層４１が導電体材料（本実施形態ではＣｒ）で構成されている。そして、第２バックプレート４０Ｂの第１層４１上に、端子部５３が形成されている。

ＭＥＭＳマイクロフォン１０’では、第１バックプレート４０Ａは、第１エアギャップＧ１を介してメンブレン３０と対面しており、第２バックプレート４０Ｂは、第２エアギャップＧ２を介してメンブレン３０と対面している。第２バックプレート４０Ｂとメンブレン３０との間の第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２は、第１バックプレート４０Ａとメンブレン３０との間の第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１よりも大きくなっている。

ＭＥＭＳマイクロフォン１０’では、メンブレン３０と２つのバックプレート（第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂ）とによって平行平板型のキャパシタ構造が２つ形成されている。メンブレン３０が振動すると、第１エアギャップＧ１の幅が変化すると共に、第２エアギャップＧ２の幅も変化する。メンブレン３０及び第１バックプレート４０Ａによるキャパシタ構造の容量変化は端子部５１，５２から出力され、メンブレン３０及び第２バックプレート４０Ｂによるキャパシタ構造の容量変化は端子部５１，５３から出力される。

ＭＥＭＳマイクロフォン１０’においても、基板２０の厚さ方向において、第２エアギャップＧ２の寸法Ｔ２が第１エアギャップＧ１の寸法Ｔ１より大きくなっている。したがって、ＭＥＭＳマイクロフォン１０と同様に、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、第１バックプレート４０Ａ、メンブレン３０、及び第２バックプレート４０Ｂが基板２０の厚さ方向に重なって設けられていることにより、ＭＥＭＳマイクロフォン１０’の小型化を図ることが可能である。

次に、ＭＥＭＳマイクロフォン１０’を製造する手順について、図１２及び図１３を参照して説明する。ＭＥＭＳマイクロフォン１０’を製造する際には、まず、図１２（ａ）に示されるように、貫通孔２１が形成されていない平板状の基板２０の上面２０ａ上に、第２バックプレート４０Ｂの第２層４２及び第１層４１を順次形成する。第１層４１は、導電体材料（本実施形態ではＣｒ）のスパッタリングにより形成される。第２層４２は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）のＣＶＤにより形成される。第１層４１及び第２層４２は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。なお、表面平坦化のため、第２バックプレート４０Ｂ形成された領域の残余領域には絶縁体膜３５が形成される。絶縁体膜３５は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）のＣＶＤにより形成される。絶縁体膜３５についても、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

次に、図１２（ｂ）に示されるように、第２バックプレート４０Ｂの各孔４３が、絶縁体６１（本実施形態ではＳｉＯ_２）で埋められる。絶縁体６１は、ＳｉＯ_２をＣＶＤにより堆積させた後、ＣＭＰにより表面研磨することで得られる。

さらに、図１２（ｃ）に示されるように、上述した第２エアギャップＧ２となるべき領域に犠牲層６２を形成する。犠牲層６２は、例えばＳｉＯ_２のＣＶＤにより形成される。犠牲層６２の厚さは、一例として３μｍである。犠牲層６２は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。なお、表面平坦化のため、犠牲層６２が形成された領域の残余領域には絶縁体膜３６が形成される。絶縁体膜３６は、絶縁体材料（本実施形態ではＳｉＮ）のＣＶＤにより形成される。絶縁体膜３６についても、図示しないフォトレジストおよびＲＩＥによりパターニングされ得る。犠牲層６２および絶縁体膜３６の表面平坦化のため、犠牲層６２および絶縁体膜３６を形成した後、ＣＭＰにより表面研磨することができる。

そして、犠牲層６２及び絶縁体膜３６の上に、メンブレン３０及び第１バックプレート４０Ａを、ＭＥＭＳマイクロフォン１０の第１メンブレン３０Ａ及び第１バックプレート４０Ａと同様に形成する。メンブレン３０及び第１バックプレート４０Ａを形成した後は、図１３（ａ）に示されるように、端子部５１，５２，５３が形成される領域のメンブレン３０の第２層３２、第１バックプレート４０Ａの第１層４１、及び第２バックプレート４０Ｂの第１層４１を露出させる。

そして、図１３（ｂ）に示されるように、各端子部５１，５２，５３を形成する。具体的には、メンブレン３０の第２層３２上に端子部５１を形成すると共に、第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂの第１層４１上に端子部５２，５３をそれぞれ形成する。端子部５３は、端子部５１，５２同様、導電体材料（本実施形態ではＣｕ）のスパッタリングにより形成される。端子部５１，５２，５３は、図示しないフォトレジスト及びＲＩＥによりパターニングされ得る。

さらに、図１３（ｃ）に示されるように、基板２０に貫通孔２１をエッチングにより形成すると共に、犠牲層６０，６２及び絶縁体６１をエッチングにより除去する。犠牲層６０，６２及び絶縁体６１は、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチング、又は、フッ化水素（ＨＦ）の蒸気を用いたドライエッチングにより除去され得る。以上説明した手順により、変形例に係るＭＥＭＳマイクロフォン１０’が製造される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は蒸気の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、メンブレンは、複数層構造ではなく、導体層の単層構造であってもよい。バックプレートについても、複数層構造ではなく導体層の単層構造であってもよい。また、メンブレン及びバックプレートにおける導体層と非導体層との積層順序は、ＭＥＭＳマイクロフォンに求める特性に応じて適宜変更することができる。

上述した実施形態では、第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂのそれぞれが１つのバックプレート（第１バックプレート４０Ａ及び第２バックプレート４０Ｂ）を備えている例について説明したが、第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂのそれぞれが、ＭＥＭＳマイクロフォン１０’に示されるように２つのバックプレートを備えていてもよい。この場合、ＭＥＭＳマイクロフォン１０に比べ、第１変換部１０Ａ及び第２変換部１０Ｂからの出力が大きくなるので、上述したＭＥＭＳマイクロフォン１０に比べて高いＳ／Ｎ比を実現することが可能である。

メンブレン及びバックプレートの導体層を構成する導電体材料は、金属材料に限らず、その他の導電材料（例えば、リンドープアモルファスシリコン等）であってもよい。

上記の実施形態では、メンブレン、バックプレート、及び貫通孔の平面形状が円形状である例について説明したが、メンブレン、バックプレート、及び貫通孔の平面形状は多角形状であってもよく、角丸四角形であってもよい。

上述した実施形態では、第１変換部１０Ａのみがメンブレンとバックプレートとのスティッキングを抑制する接触抑制部４５を有する例について説明したが、第２変換部１０Ｂも接触抑制部４５を有していてもよい。

１…マイクロフォンモジュール、２…モジュール基板、３…制御回路チップ、６…キャップ、１０、１０’…ＭＥＭＳマイクロフォン、１０Ａ…第１変換部、１０Ｂ…第２変換部、２０…基板、２１Ａ…第１貫通孔、２１Ｂ…第２貫通孔、３０Ａ…第１メンブレン、３０Ｂ…第２メンブレン、４０Ａ…第１バックプレート、４０Ｂ…第２バックプレート、４５…接触抑制部、５１，５２，５３，５１Ａ，５２Ａ，５１Ｂ，５２Ｂ…端子部。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、音を電気信号に変換する第１変換部及び第２変換部と、を備え、
   前記第１変換部は、
   前記基板を貫通する第１貫通孔と、
   前記基板の一方面側において前記第１貫通孔を覆う第１メンブレンと、
   前記基板の前記一方面側において前記第１貫通孔を覆い、且つ、前記第１メンブレンと第１エアギャップを介して対面する第１バックプレートと、を有し、
   前記第２変換部は、
   前記基板を貫通する第２貫通孔と、
   前記基板の前記一方面側において前記第２貫通孔を覆う第２メンブレンと、
   前記基板の前記一方面側において前記第２貫通孔を覆い、且つ、前記第２メンブレンと第２エアギャップを介して対面する第２バックプレートと、を有し、
   前記基板の厚さ方向において、前記第２エアギャップの寸法は、前記第１エアギャップの寸法より大きい、ＭＥＭＳマイクロフォン。
2. 前記基板の厚さ方向において、前記第２エアギャップの寸法は、前記第１エアギャップの寸法の１．１倍以上２．０倍以下である、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
3. 前記第１変換部は、前記第１メンブレンと前記第１バックプレートとの接触を抑制する接触抑制部を有する、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
4. 貫通孔を有する基板と、
   前記基板の一方面側において前記貫通孔を覆うメンブレンと、
   前記基板の一方面側において前記貫通孔を覆い、且つ、前記メンブレンと第１エアギャップを介して対面する第１バックプレートと、
   前記メンブレンに対して前記第１バックプレートの反対側に設けられると共に前記基板の一方面側において前記貫通孔を覆い、且つ、前記メンブレンと第２エアギャップを介して対面する第２バックプレートと、を備え、
   前記基板の厚さ方向において、前記第２エアギャップの寸法は、前記第１エアギャップの寸法より大きい、ＭＥＭＳマイクロフォン。
5. 前記基板の厚さ方向において、前記第２エアギャップの寸法は、前記第１エアギャップの寸法の１．１倍以上２．０倍以下である、請求項４に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
6. 前記第１バックプレートは、前記メンブレンと前記第１バックプレートとの接触を抑制する接触抑制部を有する、請求項４又は５に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。

Images