マイクロホン装置
【課題】感度調整が容易で、特性ばらつきの少ないマイクロホン装置を提供する。
【解決手段】マイクロホン装置をコンデンサ部の第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、接地端子との間に感度調整電圧を印加することで感度調整を可能にした点を特徴とするもので、所望の感度のマイクロホン装置を実現可能とするものである。
また、同一構成で実装状態の膜スチフネスを測定できる、マイクロホン装置を実現可能とするものである。
【解決手段】マイクロホン装置をコンデンサ部の第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、接地端子との間に感度調整電圧を印加することで感度調整を可能にした点を特徴とするもので、所望の感度のマイクロホン装置を実現可能とするものである。
また、同一構成で実装状態の膜スチフネスを測定できる、マイクロホン装置を実現可能とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロホン装置にかかり、特にその感度調整機能を具備したマイクロホン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電型電気音響変換器は、静電エネルギを仲介として、音を電気信号に変換したり、逆に、電気信号を音に変換したりする電気音響変換器である。エレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）やエレクトレットコンデンサスピーカは、この静電型電気音響変換器に分類される。
【０００３】
ＥＣＭは、小型化が可能であり、携帯電話に広く用いられている。従来のＥＣＭは、図１２に示すように、音孔１１５を有するケース１１７内に、金属導体等の振動板１１１と、エレクトレット膜１１３が形成された固定電極１１２と、回路素子が搭載されたプリント基板１１８とが配置されており、振動板１１１と固定電極１１２との間隔がスペーサ１１４で保持され、また、固定電極１１２とプリント基板１１８との間に背気室１６が形成されている。
【０００４】
エレクトレット膜は、通常、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン樹脂）を用いて形成され、与えられた電荷を保持し続ける。このＥＣＭでは、振動板１１１が音圧によって振動すると、振動板１１１と固定電極１１２とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、この容量変化が電圧変化に変換されてＥＣＭから出力される。高分子フィルムであるＦＥＰは、半永久的に電荷を保持する特性を持つが、高温に晒されると電荷保持特性が劣化する傾向がある。そのため、ＥＣＭは、半田のリフローでの実装を行うことが困難である。
【０００５】
近年、リフロー可能な耐熱ＥＣＭを実現するため、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ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンを製造する技術が開発されている。
【０００６】
図４は、ＭＥＭＳマイクロホン２０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マイクロホンチップが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図４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２０は、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。
【０００７】
振動膜電極２３は、導電性の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、導電性の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。
【０００８】
このＭＥＭＳマイクロホン２０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。
【０００９】
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、温度や湿度などの環境変化によって感度は変動し易く、特に、半田リフローなどの高温工程を経た場合には、感度にばらつきが生じ易い。
【００１０】
さらに、ＭＥＭＳマイクロホンの製造・アセンブリ工程では金属キャップをはんだ固着する場合、はんだ溶融時に高温となるため、温度による基板の膨張収縮が発生する。このためＭＥＭＳチップへ、膨張収縮のストレスが加わりＭＥＭＳチップの特性が微少ではあるが変化する。
【００１１】
同様に、表面実装デバイスであるＭＥＭＳマイクロホンがユーザー基板（回路基板）に実装された場合にも、相互の基板の膨張収縮の相互干渉からＭＥＭＳチップへ膨張収縮の応力が加わりＭＥＭＳチップの特性が微少ではあるが変化することが認められている（非特許文献２）。
【００１２】
【非特許文献１】日経マイクロデバイス ２００７年Ｊｕｌｙ Ｐ９４−９５
【非特許文献２】ＩＥＥＥ １９９８ Ｐ２８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記実装時における応力変化は、振動膜へのストレスとなり、振動膜のスチフネスが変化し、感度の変化を引き起こすことになる。
また、温度や湿度の影響で感度が変化することがあり、感度調整は重要な課題となっている。
【００１４】
従って、マイクロホンの設計において、金属キャップの固着工程、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスの変化を考慮し、設計を行う必要がある。
そこで、製造工程中及びマイクロホン装置の製造工程での振動膜のスチフネス品質の確認や制御のため、あるいはユーザー側での表面実装時の特性変化すなわち振動膜のスチフネスの変化をモニター計測することが求められる。
このような状況の中で、製造後に結果として生じた感度ばらつきを補正することは深刻な問題となっている。
【００１５】
そして、製造後に、感度調整を行うことが可能であれば、感度にばらつきを生じたマイクロホン装置の品質向上をはかり、感度が一様で特性ばらつきの少ないマイクロホン装置を提供することが可能となる。
【００１６】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、感度調整が容易で、特性ばらつきの少ないマイクロホン装置を提供することを目的とする。
特に、金属キャップなどの封止体で封止した後、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスを測定するとともに、ばらつきがあれば感度調整の可能なマイクロホン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
そこで本発明では、マイクロホン装置をコンデンサ部の第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、接地端子との間に感度調整電圧を印加することで感度調整を可能にした点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、たとえば感度測定を行うに際し、これらの電極端子間に測定端子を接続して、膜スチフネス測定を行うことができ、マイクロホンとしての使用時には、コンデンサ電極端子と、接地端子との間に感度調整電圧を印加するかあるいは、同一の電極パッドに接続するなどの方法で共通接続することで、感度調整を行い、所望の感度のマイクロホン装置を実現可能とするものである。
【００１８】
すなわち本発明のマイクロホン装置は、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とが容器内に実装され、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具備したことを特徴とする。
この構成により、従来共通接続していたコンデンサ電極端子と、接地端子との間に、感度調整電圧を印加することで、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、感度調整電圧のみで感度調整が可能であり、これは、実装後のマイクロホン装置、さらには回路基板上に面実装した状態での感度ばらつきの低減をはかることができる。
【００１９】
また本発明では、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。
この構成により、コンデンサ電極端子と前記接地端子との間に印加する電圧を調整するだけで、感度を調整することが可能である。したがって、実装後に、温度や湿度などに起因する感度ばらつきを補償したりするなど、高精度の感度調整が可能となる。
【００２０】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子は、感度制御電圧印加入力端子であるものを含む。
【００２１】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部および増幅器は、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。
この構成によれば、容易にコンデンサ電極端子と、接地端子との間に可変電圧を印加することができ、感度調整が容易である。
【００２２】
また、従来共通接続していたコンデンサ電極端子と、接地端子とを別途独立して導出しただけで、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、コンデンサ電極端子と、接地端子との間に調整電圧を印加することで、感度調整が可能であり、これは、実装後のマイクロホン装置、さらには回路基板上に面実装した状態でのマイクロホン装置の感度調整を実現することができる。また、マイクロホン装置として使用するそのものについて非破壊で、実装状態に極めて近い膜スチフネス測定を実現しうる。従って、マイクロホン装置の設計に、この測定結果をフィードバックするようにすれば、極めて高精度の特性制御を実現することが可能となる。
【００２３】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、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は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列されたものを含む。
この構成によれば、実装に際し、容易に面実装可能であり、コンデンサ電極端子と接地端子との間で電圧を調整する際にも接続が極めて容易である。
【００２４】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたものを含む。
この構成によればコンデンサ電極端子と接地端子との間で電圧を調整する際に接続が極めて容易である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、マイクロホン装置の感度調整を、コンデンサ電極端子と前記接地端子との間の印加電圧を調整するだけでマイクロホン装置の感度を調整することが可能である。また、実装工程における感度ばらつきについても、実装後の状態に応じて感度制御印加電圧を調整するだけで、真に一様な感度をもつマイクロホン装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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構成を概略的に示す図である。
本実施の形態では、マイクロホン装置を、コンデンサ部を構成する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、別途導出した点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、感度調整に際しては、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、感度調整が容易に実現する。
【００２７】
このマイクロホン装置は、図１（ａ）にマイクロホン装置を含んだ構成図、図２にマイクロホン装置の上面図、側面図および下面図、図３にこのマイクロホン装置の内部構成、図４にＭＥＭＳチップの断面図を示すように、通例の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１（ａ）の波線部１１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。これに対し、通常のマイクロホン装置は図１（ｂ）に示すように、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、内部回路あるいは回路基板上で共通接続され、接地端子ＥＧとして取り出されている。詳細については後述するが、図１（ａ）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。
【００２８】
すなわち本発明のマイクロホン装置は、振動膜２３である第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（図４参照）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２（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。
【００２９】
そしてこのマイクロホン装置の内部は、図３（ａ）および（ｂ）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。
【００３０】
このシリコンマイクロホン用チップＭは、図４に示すように、シリコン基板２１と、この表面に形成された多結晶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）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。
【００３１】
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、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。
【００３２】
このマイクロホン装置を用いて、感度調整部の可変電圧ＶＲで構成された感度制御電圧を変化させたときのマイクロホン出力電圧を測定した結果を図５に示す。この図からも明らかなように、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとの間に接続される可変電圧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ことがわかる。
【００３３】
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のが極めて容易となる。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。
【００３４】
次に図５を用いてこの感度制御電圧によって、マイクロホン装置の感度が変化することを数式的に説明する。
ここでは、振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持しているエレクトレット型のMEMSマイクロホン装置を用いる。
マイクロホンの感度はよく知られているように、
【００３５】
【数１】
であらわされる。
それぞれの記号は以下に示すとおりである。
ｖ[ｄＢＶ]:マイクロホン出力電圧
Ｐ[Ｐａ]:規定音圧
Ｓｄｉｓ[ｍ２]:振動膜面積
Ｓ０[Ｎ／ｍ]:振動膜スチフネス
ＳＢ[Ｎ／ｍ]:背気室スチフネス
ｄ０[ｍ]:エアギャップ長
ＥＢＩＡＳ[ｖ]:エレクトレット電圧
Ｃｍ[Ｆ]:ＭＥＭＳチップ容量
Ｃｉｎ[Ｆ]:ＣＭＯＳアンプ入力容量
Ｇ[Ｖ／Ｖ]:ＣＭＯＳアンプ増幅度
【００３６】
図５で感度制御電圧が0[V]（コンデンサ電極端子と接地端子を短絡した状態）でマイクロホン出力電圧が有限の値（ここでは、約９［ｍＶ/Ｐａ］=−41［ｄＢＶ／Ｐａ］）となっているのは、永久電荷によるＥBIAS［Ｖ］の電圧が与えられているのと等価なことを示している。
従って、コンデンサ電極端子と接地端子に図１（ａ）の構成で示すような外部の感度調整部の可変電圧ＶＲを通して±Ｖｃの電圧を加えると図５に示されるように、マイクロホン出力電圧が変化する。
たとえば、＋５[Ｖ]を印加した場合は約９［ｍＶ／Ｐａ］から約４「ｍＶ／Ｐａ」へ変化し、―５［Ｖ］
を印加した場合は約９［ｍＶ／Ｐａ］から約１５「ｍＶ／Ｐａ」へ変化する。
数式的には、
【００３７】
【数２】
と表され、マイクロホン出力電圧が感度制御電圧Ｖｃで調整できることとなる。
【００３８】
(実施の形態２)
なお、前記実施の形態１のマイクロホン装置を用いて、膜スチフネス測定を行いたい場合には、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、膜スチフネス測定を実装状態で実現する。なおこの装置は膜スチフネス測定装置としても適用可能である。
【００３９】
この膜スチフネス測定装置は、測定対象が例えばＭＥＭＳマイクロホンの振動板である場合、図６及び図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０を収容する真空容器３０と、測定周波数を変えながら真空中に置かれたＭＥＭＳマイクロホン２０の入出力応答特性を測定する応答測定部４０と、周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求めてＭＥＭＳマイクロホン２０の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部５１と、周波数−入出力応答特性曲線などを表示する表示部５２とを備えている。図７（ａ）はこの膜スチフネス測定装置を示す等価回路図である。
【００４０】
真空容器３０は、内部にＭＥＭＳ マイクロホン装置２０をセットする載置台を備え、また、真空容器外部からＭＥＭＳマイクロホン装置２０への通電を可能にする端子機構を備えている。ＭＥＭＳマイクロホン装置２０は、MEMSチップ（Ｍ）がCMOSアンプ（Ａ）に接続され、さらに、マイクロホン装置の外部端子に所定の配線接続がなされる回路基板とそれらを覆うキャップで構成されたマイクロホン装置２０の状態で載置台にセットされ、前記端子機構は、各導電部に通電できるように接続される。
【００４１】
スチフネス算出部５１は、入出力応答特性測定部４０が測定した周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求め、この共振周波数を（数３）に代入してＭＥＭＳマイクロホン装置２０の振動板のスチフネスを算出する。
【数３】
ここで、
ｆ０：振動膜の共振周波数 [Ｈｚ]
ｓ０：膜強さ（スチフネス） [Ｎ/ｍ]
ｍ０：振動膜の質量 [ｋｇ]
【００４２】
このように、この測定装置では、（数３）に代入するための共振周波数を、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の入出力応答特性の測定結果から求めている。
【００４３】
入出力応答特性測定を実行する入出力応答特性測定部４０は、図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の励振源である交流電圧源６１及び直流電圧源６２に接続され、入力及び出力のそれぞれの電圧を測定する電圧計と、入力及び電圧の位相差を測定する位相測定計を備えている。なお、直流電圧源６２は、必要に応じて設置する。膜スチフネス測定時のマイクロホン装置の等価回路図は、図７（ａ）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。
【００４４】
ＭＥＭＳチップの一方の入力端に励振電圧を加えると、ＣＭＯＳアンプの入力端にはＭＥＭＳチップの容量とＣＭＯＳアンプの入力容量とで分割された電圧が生じる
この電圧がＣＭＯＳアンプのゲイン倍（Ｇ倍）で増幅された出力電圧がＣＭＯＳアンプ出力端に発生する。
【００４５】
この入出力電圧の特性はインピーダンス分圧比とゲインで表される。
【数４】
【００４６】
次に、このＶｏもしくはＶｏ／ＶｉｎがＭＥＭＳチップの電気容量と機械インピーダンスの特性で表されることを説明する。
ＭＥＭＳマイクロホン２０の音響系の機械インピーダンスは、図７（ｂ）に示す電気的な等価回路で表すことができる。
【００４７】
ここで、Ａは図３に示すＭＥＭＳマイクロホンのキャップ１０１と基板１００で構成される機械インピーダンスであり、ｒ1とｍ1はキャップの孔の機械インピーダンスでＣ1はキャップと基板で構成される気室のコンプライアンス（即ち、スチフネスの逆数）である。また、Ｂは図４に示す、振動板（振動膜電極２３＋エレクトレット膜２４）の機械インピーダンスであり、ｍ０は振動板の質量、ｃ０(＝１／ｓｏ)は振動板のコンプライアンス、ｒ０は振動板自身の機械抵抗である。ｒsは振動板と固定電極で構成される薄流体層の機械抵抗である。
また、ｒ２とｍ２は振動板の放射インピーダンス、Ｃ２は薄流体層のコンプライアンスであり、Ｃ３は背気室２８と図４の基板で構成される気室の空気コンプライアンスである。
【００４８】
このように、空気中にあるＭＥＭＳチップ２０は、振動板の機械インピーダンスの他に、空気による機械インピーダンスを有しているため、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の入出力応答特性を空気中で測定する場合は、振動板そのものの機械インピーダンス影響を測定することが極めて困難である。
【００４９】
この振動板の前部気室や背気室２８の空気に起因するコンプライアンスｃ１、ｃ２、ｃ３は、次の（数５）で表される。
【数５】
Ｃ：音響コンプライアンス［ｍ５/Ｎ］
γ：空気の体積比熱 ［Ｊ/ｍ3Ｋ］
Ｖ：気室の容積 [ｍ3]
Ｐ０：気圧 [Ｎ/ｍ2]
である。
【００５０】
この測定装置では、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０が真空中に配置されているから、Ｃ（＝ｃ１、ｃ２、ｃ３）の値は極めて大きい値となり、短絡状態となる。従って、真空容器内のコンデンサ部の等価回路は、振動板自身の機械インピーダンスのみで代表されることになる。
このコンデンサ部の可逆式は、次式（数６）（数７）のように表される（川村雅恭著「電気音響工学概論」株式会社昭晃堂発行、参照）。
【００５１】
【数６】
【数７】
Ｖ１ ： 励振源の交流電圧 [Ｖ]
Ｚｍ ： 被測定振動板の機械インピーダンス
ＥＢ ： 励振源の直流電圧 [Ｖ]
Ａ ： 力係数
ε０ ： 真空の誘電率 8.85E-12[Ｆ/ｍ]
Ｓ ： コンデンサ部の面積 [ｍ2]
Ｃｍ ： コンデンサ部の電気容量 [Ｆ]
ｄ０ ： エアギャップ間隔 [ｍ]
Ｖ ： 振動板の速度 [ｍ/ｓｅｃ]
ｓｎ ： 負スチフネス [Ｎ/ｍ]
【００５２】
ここで、被測定振動板の機械インピーダンスは、
【数８】
【００５３】
また、力係数は、
【数９】
【００５４】
また、コンデンサ部の容量は、
【数１０】
で表される。
【００５５】
また、負スチフネスは、
【数１１】
で表される。
【００５６】
この（数６）は、振動板の機械的な力の関係に着目した式であり、（数７）は、振動板の電気的な関係に着目した式である。
この測定装置では、ＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板を励振源で駆動しているため、外力Ｆは０であり、（数６）は（数１２）のように表される。
【数１２】
【００５７】
そのため、（数７）は、（数１２）を用いて次式（数１３）のように変形することができる。
【数１３】
【００５８】
従って、MEMSチップのインピーダンスは、次式（数１４）のようになる。
【数１４】
【００５９】
このインピーダンスは、図８に示すように、電気容量Ｃｍと振動板機械インピーダンスとが並列に配置された等価回路のインピーダンスに相当している。
このことから、Ｖｏ／Ｖｉｎは以下のように表されるＣＭＯＳアンプの入力インピーダンスは
【数１５】
【数１６】
となり、振動膜の共振周波数f0と共振のするどさQの関数として表され、位相情報とゲイン共振情報をもった入出力応答曲線がえられる。
【００６０】
また、図７（ａ）の測定回路において、交流電圧Ｅｉの周波数を所定の周波数帯域の各周波数に順次切り替えながら測定することにより、図９および図１０に示す周波数−入出力応答曲線ａおよび周波数−位相曲線ｂが得られる。図１０は図９の周波数−入出力応答曲線の要部拡大図に周波数−位相曲線を付加したものである。
【００６１】
例えば、図９に示した周波数−入出力応答曲線は、表示部５２に表示される。
スチフネス算出部５１は、この曲線から、反共振点の周波数と共振点の周波数とをサーチし、２周波数の平均を取ることにより共振周波数ｆ０を求め、この値を（数１）に代入してＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００６２】
あるいは、スチフネス算出部５１は、周波数−入出力応答曲線の共振−反共振部の曲線部分と、ゲイン一定曲線との交点を求め、その値を（数１）に代入して振動板のスチフネスを算出する。
【００６３】
また、例えば、図９に示した周波数−位相曲線が表示部５２に示される。スチフネス算出部５１は、この曲線のピークを共振周波数ｆ０として求め、この値を（数１）に代入してＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００６４】
このように、この膜スチフネス測定方法では、マイクロホン装置の図９に示す周波数―入出力応答曲線ａ―位相曲線ｂから共振周波数を求めているため、安価に測定することができる。また、ＭＥＭＳマイクロホンのようにスチフネスの高い振動板が対象である場合でも、再現性の有る測定結果を短時間で得ることができる。
【００６５】
また、測定対象物を真空中に配置して入出力の応力測定を行っているため、振動板の周囲の空気による影響を排除することができ、振動板のみの入出力応答を正確に測定することができる。
【００６６】
このときの真空レベルは、１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒ程度で良く、真空ポンプにより短時間で設定することができる。
また、この測定装置では、入出力応答測定部が、ゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とを測定しているため、図７の等価回路でのインピーダンス測定と同等の、正確な測定結果を得ることができる。
【００６７】
また、この測定装置では、直流電圧源６２から供給される直流電圧Ｅｂを調整することにより、（数１４）の力係数Ａを変えて、入出力応答の値を適切な大きさに設定することができる。
【００６８】
また、入出力応答の測定は、市販の周波数応答測定器を用いても行っても良い。
【００６９】
また、表示部５２及びスチフネス算出部５１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）の機能を用いて実現することができる。この場合、ＰＣから入出力応答測定部４０に測定周波数の帯域を指定し、入出力応答測定部４０が指定された周波数帯域を走査して入出力測定結果をＰＣに出力すると、ＰＣの画面にゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とが表示されるようにすることができる。
【００７０】
そして、このようにして、膜スチフネスを測定し、図１１に示すように、半田などにより、コンデンサ電極パッドＰｉとグランドパッドＰＧとを外部電圧調整部を介して接続することで、所望の感度のマイクロホン装置として用いることができる。
【００７１】
なお、前記実施の形態では、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。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明のマイクロホン装置によれば、感度調整が実装後に実現できるため、高精度の感度制御が可能となり、ＭＥＭＳマイクロホンやエレクトレットコンデンサマイクロホン、に広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１で用いられるマイクロホン装置を示す図、（ａ）は本発明の実施の形態１のマイクロホン装置の等価回路図、（ｂ）は通常のマイクロホン装置の等価回路図、
【図２】本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置を示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図
【図３】本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置の内部構成を示す図
【図４】ＭＥＭＳチップの断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるマイクロホン装置の感度制御電圧と出力電圧との関係を示す図
【図６】本発明の実施の形態２における膜スチフネス測定装置の概要を示す図
【図７】同装置を示す図、（ａ）は膜スチフネス測定装置の等価回路を示す図、（ｂ）はＭＥＭＳマイクロホンの機械インピーダンスの等価回路を示す図
【図８】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定回路の等価回路を示す図
【図９】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−インピーダンス曲線を示す図
【図１０】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−位相曲線を示す図
【図１１】本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置を示す図
【図１２】従来例のエレクトレットコンデンサマイクロホンの構成を示す図
【符号の説明】
【００７４】
１１１ 振動板
１１２ 固定電極
１１３ エレクトレット膜
１１４ スペーサ
１１５ 音孔
１１６ 背気室
１１７ ケース
１１８ プリント基板
２０ 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
３０ 真空容器
４０ 入出力応答測定部
５１ スチフネス算出部
５２ 表示部
６１ 交流電圧源
６２ 直流電圧源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロホン装置にかかり、特にその感度調整機能を具備したマイクロホン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電型電気音響変換器は、静電エネルギを仲介として、音を電気信号に変換したり、逆に、電気信号を音に変換したりする電気音響変換器である。エレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）やエレクトレットコンデンサスピーカは、この静電型電気音響変換器に分類される。
【０００３】
ＥＣＭは、小型化が可能であり、携帯電話に広く用いられている。従来のＥＣＭは、図１２に示すように、音孔１１５を有するケース１１７内に、金属導体等の振動板１１１と、エレクトレット膜１１３が形成された固定電極１１２と、回路素子が搭載されたプリント基板１１８とが配置されており、振動板１１１と固定電極１１２との間隔がスペーサ１１４で保持され、また、固定電極１１２とプリント基板１１８との間に背気室１６が形成されている。
【０００４】
エレクトレット膜は、通常、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン樹脂）を用いて形成され、与えられた電荷を保持し続ける。このＥＣＭでは、振動板１１１が音圧によって振動すると、振動板１１１と固定電極１１２とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、この容量変化が電圧変化に変換されてＥＣＭから出力される。高分子フィルムであるＦＥＰは、半永久的に電荷を保持する特性を持つが、高温に晒されると電荷保持特性が劣化する傾向がある。そのため、ＥＣＭは、半田のリフローでの実装を行うことが困難である。
【０００５】
近年、リフロー可能な耐熱ＥＣＭを実現するため、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ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンを製造する技術が開発されている。
【０００６】
図４は、ＭＥＭＳマイクロホン２０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マイクロホンチップが同時に作られ、最終的に個々に分割される。図４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２０は、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。
【０００７】
振動膜電極２３は、導電性の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、導電性の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。
【０００８】
このＭＥＭＳマイクロホン２０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。
【０００９】
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、温度や湿度などの環境変化によって感度は変動し易く、特に、半田リフローなどの高温工程を経た場合には、感度にばらつきが生じ易い。
【００１０】
さらに、ＭＥＭＳマイクロホンの製造・アセンブリ工程では金属キャップをはんだ固着する場合、はんだ溶融時に高温となるため、温度による基板の膨張収縮が発生する。このためＭＥＭＳチップへ、膨張収縮のストレスが加わりＭＥＭＳチップの特性が微少ではあるが変化する。
【００１１】
同様に、表面実装デバイスであるＭＥＭＳマイクロホンがユーザー基板（回路基板）に実装された場合にも、相互の基板の膨張収縮の相互干渉からＭＥＭＳチップへ膨張収縮の応力が加わりＭＥＭＳチップの特性が微少ではあるが変化することが認められている（非特許文献２）。
【００１２】
【非特許文献１】日経マイクロデバイス ２００７年Ｊｕｌｙ Ｐ９４−９５
【非特許文献２】ＩＥＥＥ １９９８ Ｐ２８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記実装時における応力変化は、振動膜へのストレスとなり、振動膜のスチフネスが変化し、感度の変化を引き起こすことになる。
また、温度や湿度の影響で感度が変化することがあり、感度調整は重要な課題となっている。
【００１４】
従って、マイクロホンの設計において、金属キャップの固着工程、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスの変化を考慮し、設計を行う必要がある。
そこで、製造工程中及びマイクロホン装置の製造工程での振動膜のスチフネス品質の確認や制御のため、あるいはユーザー側での表面実装時の特性変化すなわち振動膜のスチフネスの変化をモニター計測することが求められる。
このような状況の中で、製造後に結果として生じた感度ばらつきを補正することは深刻な問題となっている。
【００１５】
そして、製造後に、感度調整を行うことが可能であれば、感度にばらつきを生じたマイクロホン装置の品質向上をはかり、感度が一様で特性ばらつきの少ないマイクロホン装置を提供することが可能となる。
【００１６】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、感度調整が容易で、特性ばらつきの少ないマイクロホン装置を提供することを目的とする。
特に、金属キャップなどの封止体で封止した後、あるいは回路基板への実装工程における振動膜のスチフネスを測定するとともに、ばらつきがあれば感度調整の可能なマイクロホン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
そこで本発明では、マイクロホン装置をコンデンサ部の第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、接地端子との間に感度調整電圧を印加することで感度調整を可能にした点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、たとえば感度測定を行うに際し、これらの電極端子間に測定端子を接続して、膜スチフネス測定を行うことができ、マイクロホンとしての使用時には、コンデンサ電極端子と、接地端子との間に感度調整電圧を印加するかあるいは、同一の電極パッドに接続するなどの方法で共通接続することで、感度調整を行い、所望の感度のマイクロホン装置を実現可能とするものである。
【００１８】
すなわち本発明のマイクロホン装置は、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とが容器内に実装され、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具備したことを特徴とする。
この構成により、従来共通接続していたコンデンサ電極端子と、接地端子との間に、感度調整電圧を印加することで、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、感度調整電圧のみで感度調整が可能であり、これは、実装後のマイクロホン装置、さらには回路基板上に面実装した状態での感度ばらつきの低減をはかることができる。
【００１９】
また本発明では、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。
この構成により、コンデンサ電極端子と前記接地端子との間に印加する電圧を調整するだけで、感度を調整することが可能である。したがって、実装後に、温度や湿度などに起因する感度ばらつきを補償したりするなど、高精度の感度調整が可能となる。
【００２０】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子は、感度制御電圧印加入力端子であるものを含む。
【００２１】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ部および増幅器は、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。
この構成によれば、容易にコンデンサ電極端子と、接地端子との間に可変電圧を印加することができ、感度調整が容易である。
【００２２】
また、従来共通接続していたコンデンサ電極端子と、接地端子とを別途独立して導出しただけで、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、コンデンサ電極端子と、接地端子との間に調整電圧を印加することで、感度調整が可能であり、これは、実装後のマイクロホン装置、さらには回路基板上に面実装した状態でのマイクロホン装置の感度調整を実現することができる。また、マイクロホン装置として使用するそのものについて非破壊で、実装状態に極めて近い膜スチフネス測定を実現しうる。従って、マイクロホン装置の設計に、この測定結果をフィードバックするようにすれば、極めて高精度の特性制御を実現することが可能となる。
【００２３】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、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は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列されたものを含む。
この構成によれば、実装に際し、容易に面実装可能であり、コンデンサ電極端子と接地端子との間で電圧を調整する際にも接続が極めて容易である。
【００２４】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたものを含む。
この構成によればコンデンサ電極端子と接地端子との間で電圧を調整する際に接続が極めて容易である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、マイクロホン装置の感度調整を、コンデンサ電極端子と前記接地端子との間の印加電圧を調整するだけでマイクロホン装置の感度を調整することが可能である。また、実装工程における感度ばらつきについても、実装後の状態に応じて感度制御印加電圧を調整するだけで、真に一様な感度をもつマイクロホン装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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構成を概略的に示す図である。
本実施の形態では、マイクロホン装置を、コンデンサ部を構成する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、別途導出した点を特徴とするもので、他は実際に使用するのと同様に作成し、感度調整に際しては、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、感度調整が容易に実現する。
【００２７】
このマイクロホン装置は、図１（ａ）にマイクロホン装置を含んだ構成図、図２にマイクロホン装置の上面図、側面図および下面図、図３にこのマイクロホン装置の内部構成、図４にＭＥＭＳチップの断面図を示すように、通例の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１（ａ）の波線部１１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。これに対し、通常のマイクロホン装置は図１（ｂ）に示すように、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、内部回路あるいは回路基板上で共通接続され、接地端子ＥＧとして取り出されている。詳細については後述するが、図１（ａ）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。
【００２８】
すなわち本発明のマイクロホン装置は、振動膜２３である第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（図４参照）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２（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。
【００２９】
そしてこのマイクロホン装置の内部は、図３（ａ）および（ｂ）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。
【００３０】
このシリコンマイクロホン用チップＭは、図４に示すように、シリコン基板２１と、この表面に形成された多結晶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）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。
【００３１】
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、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。
【００３２】
このマイクロホン装置を用いて、感度調整部の可変電圧ＶＲで構成された感度制御電圧を変化させたときのマイクロホン出力電圧を測定した結果を図５に示す。この図からも明らかなように、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとの間に接続される可変電圧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ことがわかる。
【００３３】
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のが極めて容易となる。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。
【００３４】
次に図５を用いてこの感度制御電圧によって、マイクロホン装置の感度が変化することを数式的に説明する。
ここでは、振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持しているエレクトレット型のMEMSマイクロホン装置を用いる。
マイクロホンの感度はよく知られているように、
【００３５】
【数１】
であらわされる。
それぞれの記号は以下に示すとおりである。
ｖ[ｄＢＶ]:マイクロホン出力電圧
Ｐ[Ｐａ]:規定音圧
Ｓｄｉｓ[ｍ２]:振動膜面積
Ｓ０[Ｎ／ｍ]:振動膜スチフネス
ＳＢ[Ｎ／ｍ]:背気室スチフネス
ｄ０[ｍ]:エアギャップ長
ＥＢＩＡＳ[ｖ]:エレクトレット電圧
Ｃｍ[Ｆ]:ＭＥＭＳチップ容量
Ｃｉｎ[Ｆ]:ＣＭＯＳアンプ入力容量
Ｇ[Ｖ／Ｖ]:ＣＭＯＳアンプ増幅度
【００３６】
図５で感度制御電圧が0[V]（コンデンサ電極端子と接地端子を短絡した状態）でマイクロホン出力電圧が有限の値（ここでは、約９［ｍＶ/Ｐａ］=−41［ｄＢＶ／Ｐａ］）となっているのは、永久電荷によるＥBIAS［Ｖ］の電圧が与えられているのと等価なことを示している。
従って、コンデンサ電極端子と接地端子に図１（ａ）の構成で示すような外部の感度調整部の可変電圧ＶＲを通して±Ｖｃの電圧を加えると図５に示されるように、マイクロホン出力電圧が変化する。
たとえば、＋５[Ｖ]を印加した場合は約９［ｍＶ／Ｐａ］から約４「ｍＶ／Ｐａ」へ変化し、―５［Ｖ］
を印加した場合は約９［ｍＶ／Ｐａ］から約１５「ｍＶ／Ｐａ」へ変化する。
数式的には、
【００３７】
【数２】
と表され、マイクロホン出力電圧が感度制御電圧Ｖｃで調整できることとなる。
【００３８】
(実施の形態２)
なお、前記実施の形態１のマイクロホン装置を用いて、膜スチフネス測定を行いたい場合には、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、膜スチフネス測定を実装状態で実現する。なおこの装置は膜スチフネス測定装置としても適用可能である。
【００３９】
この膜スチフネス測定装置は、測定対象が例えばＭＥＭＳマイクロホンの振動板である場合、図６及び図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０を収容する真空容器３０と、測定周波数を変えながら真空中に置かれたＭＥＭＳマイクロホン２０の入出力応答特性を測定する応答測定部４０と、周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求めてＭＥＭＳマイクロホン２０の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部５１と、周波数−入出力応答特性曲線などを表示する表示部５２とを備えている。図７（ａ）はこの膜スチフネス測定装置を示す等価回路図である。
【００４０】
真空容器３０は、内部にＭＥＭＳ マイクロホン装置２０をセットする載置台を備え、また、真空容器外部からＭＥＭＳマイクロホン装置２０への通電を可能にする端子機構を備えている。ＭＥＭＳマイクロホン装置２０は、MEMSチップ（Ｍ）がCMOSアンプ（Ａ）に接続され、さらに、マイクロホン装置の外部端子に所定の配線接続がなされる回路基板とそれらを覆うキャップで構成されたマイクロホン装置２０の状態で載置台にセットされ、前記端子機構は、各導電部に通電できるように接続される。
【００４１】
スチフネス算出部５１は、入出力応答特性測定部４０が測定した周波数−入出力応答特性曲線から振動板の共振周波数を求め、この共振周波数を（数３）に代入してＭＥＭＳマイクロホン装置２０の振動板のスチフネスを算出する。
【数３】
ここで、
ｆ０：振動膜の共振周波数 [Ｈｚ]
ｓ０：膜強さ（スチフネス） [Ｎ/ｍ]
ｍ０：振動膜の質量 [ｋｇ]
【００４２】
このように、この測定装置では、（数３）に代入するための共振周波数を、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の入出力応答特性の測定結果から求めている。
【００４３】
入出力応答特性測定を実行する入出力応答特性測定部４０は、図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の励振源である交流電圧源６１及び直流電圧源６２に接続され、入力及び出力のそれぞれの電圧を測定する電圧計と、入力及び電圧の位相差を測定する位相測定計を備えている。なお、直流電圧源６２は、必要に応じて設置する。膜スチフネス測定時のマイクロホン装置の等価回路図は、図７（ａ）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。
【００４４】
ＭＥＭＳチップの一方の入力端に励振電圧を加えると、ＣＭＯＳアンプの入力端にはＭＥＭＳチップの容量とＣＭＯＳアンプの入力容量とで分割された電圧が生じる
この電圧がＣＭＯＳアンプのゲイン倍（Ｇ倍）で増幅された出力電圧がＣＭＯＳアンプ出力端に発生する。
【００４５】
この入出力電圧の特性はインピーダンス分圧比とゲインで表される。
【数４】
【００４６】
次に、このＶｏもしくはＶｏ／ＶｉｎがＭＥＭＳチップの電気容量と機械インピーダンスの特性で表されることを説明する。
ＭＥＭＳマイクロホン２０の音響系の機械インピーダンスは、図７（ｂ）に示す電気的な等価回路で表すことができる。
【００４７】
ここで、Ａは図３に示すＭＥＭＳマイクロホンのキャップ１０１と基板１００で構成される機械インピーダンスであり、ｒ1とｍ1はキャップの孔の機械インピーダンスでＣ1はキャップと基板で構成される気室のコンプライアンス（即ち、スチフネスの逆数）である。また、Ｂは図４に示す、振動板（振動膜電極２３＋エレクトレット膜２４）の機械インピーダンスであり、ｍ０は振動板の質量、ｃ０(＝１／ｓｏ)は振動板のコンプライアンス、ｒ０は振動板自身の機械抵抗である。ｒsは振動板と固定電極で構成される薄流体層の機械抵抗である。
また、ｒ２とｍ２は振動板の放射インピーダンス、Ｃ２は薄流体層のコンプライアンスであり、Ｃ３は背気室２８と図４の基板で構成される気室の空気コンプライアンスである。
【００４８】
このように、空気中にあるＭＥＭＳチップ２０は、振動板の機械インピーダンスの他に、空気による機械インピーダンスを有しているため、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０の入出力応答特性を空気中で測定する場合は、振動板そのものの機械インピーダンス影響を測定することが極めて困難である。
【００４９】
この振動板の前部気室や背気室２８の空気に起因するコンプライアンスｃ１、ｃ２、ｃ３は、次の（数５）で表される。
【数５】
Ｃ：音響コンプライアンス［ｍ５/Ｎ］
γ：空気の体積比熱 ［Ｊ/ｍ3Ｋ］
Ｖ：気室の容積 [ｍ3]
Ｐ０：気圧 [Ｎ/ｍ2]
である。
【００５０】
この測定装置では、ＭＥＭＳマイクロホン装置２０が真空中に配置されているから、Ｃ（＝ｃ１、ｃ２、ｃ３）の値は極めて大きい値となり、短絡状態となる。従って、真空容器内のコンデンサ部の等価回路は、振動板自身の機械インピーダンスのみで代表されることになる。
このコンデンサ部の可逆式は、次式（数６）（数７）のように表される（川村雅恭著「電気音響工学概論」株式会社昭晃堂発行、参照）。
【００５１】
【数６】
【数７】
Ｖ１ ： 励振源の交流電圧 [Ｖ]
Ｚｍ ： 被測定振動板の機械インピーダンス
ＥＢ ： 励振源の直流電圧 [Ｖ]
Ａ ： 力係数
ε０ ： 真空の誘電率 8.85E-12[Ｆ/ｍ]
Ｓ ： コンデンサ部の面積 [ｍ2]
Ｃｍ ： コンデンサ部の電気容量 [Ｆ]
ｄ０ ： エアギャップ間隔 [ｍ]
Ｖ ： 振動板の速度 [ｍ/ｓｅｃ]
ｓｎ ： 負スチフネス [Ｎ/ｍ]
【００５２】
ここで、被測定振動板の機械インピーダンスは、
【数８】
【００５３】
また、力係数は、
【数９】
【００５４】
また、コンデンサ部の容量は、
【数１０】
で表される。
【００５５】
また、負スチフネスは、
【数１１】
で表される。
【００５６】
この（数６）は、振動板の機械的な力の関係に着目した式であり、（数７）は、振動板の電気的な関係に着目した式である。
この測定装置では、ＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板を励振源で駆動しているため、外力Ｆは０であり、（数６）は（数１２）のように表される。
【数１２】
【００５７】
そのため、（数７）は、（数１２）を用いて次式（数１３）のように変形することができる。
【数１３】
【００５８】
従って、MEMSチップのインピーダンスは、次式（数１４）のようになる。
【数１４】
【００５９】
このインピーダンスは、図８に示すように、電気容量Ｃｍと振動板機械インピーダンスとが並列に配置された等価回路のインピーダンスに相当している。
このことから、Ｖｏ／Ｖｉｎは以下のように表されるＣＭＯＳアンプの入力インピーダンスは
【数１５】
【数１６】
となり、振動膜の共振周波数f0と共振のするどさQの関数として表され、位相情報とゲイン共振情報をもった入出力応答曲線がえられる。
【００６０】
また、図７（ａ）の測定回路において、交流電圧Ｅｉの周波数を所定の周波数帯域の各周波数に順次切り替えながら測定することにより、図９および図１０に示す周波数−入出力応答曲線ａおよび周波数−位相曲線ｂが得られる。図１０は図９の周波数−入出力応答曲線の要部拡大図に周波数−位相曲線を付加したものである。
【００６１】
例えば、図９に示した周波数−入出力応答曲線は、表示部５２に表示される。
スチフネス算出部５１は、この曲線から、反共振点の周波数と共振点の周波数とをサーチし、２周波数の平均を取ることにより共振周波数ｆ０を求め、この値を（数１）に代入してＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００６２】
あるいは、スチフネス算出部５１は、周波数−入出力応答曲線の共振−反共振部の曲線部分と、ゲイン一定曲線との交点を求め、その値を（数１）に代入して振動板のスチフネスを算出する。
【００６３】
また、例えば、図９に示した周波数−位相曲線が表示部５２に示される。スチフネス算出部５１は、この曲線のピークを共振周波数ｆ０として求め、この値を（数１）に代入してＭＥＭＳマイクロホン２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００６４】
このように、この膜スチフネス測定方法では、マイクロホン装置の図９に示す周波数―入出力応答曲線ａ―位相曲線ｂから共振周波数を求めているため、安価に測定することができる。また、ＭＥＭＳマイクロホンのようにスチフネスの高い振動板が対象である場合でも、再現性の有る測定結果を短時間で得ることができる。
【００６５】
また、測定対象物を真空中に配置して入出力の応力測定を行っているため、振動板の周囲の空気による影響を排除することができ、振動板のみの入出力応答を正確に測定することができる。
【００６６】
このときの真空レベルは、１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒ程度で良く、真空ポンプにより短時間で設定することができる。
また、この測定装置では、入出力応答測定部が、ゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とを測定しているため、図７の等価回路でのインピーダンス測定と同等の、正確な測定結果を得ることができる。
【００６７】
また、この測定装置では、直流電圧源６２から供給される直流電圧Ｅｂを調整することにより、（数１４）の力係数Ａを変えて、入出力応答の値を適切な大きさに設定することができる。
【００６８】
また、入出力応答の測定は、市販の周波数応答測定器を用いても行っても良い。
【００６９】
また、表示部５２及びスチフネス算出部５１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）の機能を用いて実現することができる。この場合、ＰＣから入出力応答測定部４０に測定周波数の帯域を指定し、入出力応答測定部４０が指定された周波数帯域を走査して入出力測定結果をＰＣに出力すると、ＰＣの画面にゲインの絶対値｜Ｇ｜と位相角度とが表示されるようにすることができる。
【００７０】
そして、このようにして、膜スチフネスを測定し、図１１に示すように、半田などにより、コンデンサ電極パッドＰｉとグランドパッドＰＧとを外部電圧調整部を介して接続することで、所望の感度のマイクロホン装置として用いることができる。
【００７１】
なお、前記実施の形態では、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。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明のマイクロホン装置によれば、感度調整が実装後に実現できるため、高精度の感度制御が可能となり、ＭＥＭＳマイクロホンやエレクトレットコンデンサマイクロホン、に広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１で用いられるマイクロホン装置を示す図、（ａ）は本発明の実施の形態１のマイクロホン装置の等価回路図、（ｂ）は通常のマイクロホン装置の等価回路図、
【図２】本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置を示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図
【図３】本発明の実施の形態で用いられるマイクロホン装置の内部構成を示す図
【図４】ＭＥＭＳチップの断面図
【図５】本発明の実施の形態１におけるマイクロホン装置の感度制御電圧と出力電圧との関係を示す図
【図６】本発明の実施の形態２における膜スチフネス測定装置の概要を示す図
【図７】同装置を示す図、（ａ）は膜スチフネス測定装置の等価回路を示す図、（ｂ）はＭＥＭＳマイクロホンの機械インピーダンスの等価回路を示す図
【図８】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定回路の等価回路を示す図
【図９】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−インピーダンス曲線を示す図
【図１０】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定方法で測定される周波数−位相曲線を示す図
【図１１】本発明の実施の形態におけるマイクロホン装置を示す図
【図１２】従来例のエレクトレットコンデンサマイクロホンの構成を示す図
【符号の説明】
【００７４】
１１１ 振動板
１１２ 固定電極
１１３ エレクトレット膜
１１４ スペーサ
１１５ 音孔
１１６ 背気室
１１７ ケース
１１８ プリント基板
２０ 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
３０ 真空容器
４０ 入出力応答測定部
５１ スチフネス算出部
５２ 表示部
６１ 交流電圧源
６２ 直流電圧源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
を具備したマイクロホン装置。
【請求項２】
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３】
請求項１または２に記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ電極端子は、感度制御電圧印加入力端子であるマイクロホン装置。
【請求項４】
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、
前記コンデンサ部および増幅器は、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５】
請求項１乃至４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は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列されたマイクロホン装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたマイクロホン装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
前記振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持する膜であるマイクロホン装置。
【請求項１】
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
を具備したマイクロホン装置。
【請求項２】
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３】
請求項１または２に記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ電極端子は、感度制御電圧印加入力端子であるマイクロホン装置。
【請求項４】
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、
前記コンデンサ部および増幅器は、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５】
請求項１乃至４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は、同一の端子形状をなし、2行2列に配列されたマイクロホン装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とが隣接配置されたマイクロホン装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロホン装置であって、
前記振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持する膜であるマイクロホン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１１８２６４（Ｐ２００９−１１８２６４Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８９９９０（Ｐ２００７−２８９９９０）
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月７日（２００７．１１．７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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