JP2012019322A

JP2012019322A - コンデンサマイクロホン

Info

Publication number: JP2012019322A
Application number: JP2010154674A
Authority: JP
Inventors: Yukitoshi Suzuki; 幸俊鈴木
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】高性能で狭公差の広帯域マイクロホンを提供する。
【解決手段】一対の対向電極を有する静電容量型のマイクロホンダイ１０ａ〜１０ｃと、前記対向電極の出力信号をインピーダンス変換するインピーダンス変換回路が形成された回路ダイ２０と、を備え、同一形状の複数の前記マイクロホンダイ１０ａ〜１０ｃの前記対向電極が互いに並列接続され、前記回路ダイ２０とともにパッケージ３０内に収納されているマイクロホン。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロホンに関し、特に広帯域のマイクロホンに関する。

従来、振動板の径を拡大することでＳＮ比を改善するとともに、筐体形状による回折効果を利用して高周波特性を得るマイクロホンが知られている（例えば非特許文献１，２）。また、ＭＥＭＳマイクロホンをアレイ状に配置して物体からの反射超音波を各マイクロホンで受信し、各マイクロホンの出力信号を遅延加算することにより反射波の到来方向を検出する手法が知られている（例えば非特許文献３）。また、一つのダイに複数対の対向電極を形成しそれらを互いに並列接続して、一つのマイクロホンとしてのＳＮ比を改善する構成も知られている。

三研マイクロホン：「音楽収音用超広帯域マイクロホンの開発」、日本音響学会誌、64巻11号、2008、pp.682-685 小野一穂：「マイクロホンの広帯域化」、日本音響学会誌、64巻11号、2008、pp.656-660 渡部祥文（パナソニック電工）：「ＭＥＭＳとナノテクノロジーを用いた超音波センサ」、松下電工技報、Vol.53 No.2、2005、pp.25-30

非特許文献１，２は、感度を高めＳＮ比を改善するために振動板の面積を大きくしているため、マイクロホンの外形寸法が大きくなる。振動板の面積を大きくすると、振動板の共振周波数が低域にシフトし、共振周波数より高い周波数で感度が急激に低下する。これを改善するために振動板に高い張力を与える必要があるが、経時による張力の低下が発生しやすく感度が低下しやすい。また、振動板の張力が高いと一定の音圧に対する振動変位が小さくなる。感度を高めるために高いバイアス電圧を供給する構成では、汎用性が低くなる。非特許文献３は音源方向を特定する手段であって、ＳＮ比を改善する手段ではない。また、アレイ構成について具体的に記されていない。一つのダイに複数対の対向電極を形成しそれらを並列接続する構成では、例えば個々の対向電極の性能にかたよりがあると、全体としてのマイクロホンの特性にばらつきが生じうる。
本発明は、高性能で狭公差の広帯域マイクロホンを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためのマイクロホンは、一対の対向電極を有する静電容量型のマイクロホンダイと、前記対向電極の出力信号をインピーダンス変換するインピーダンス変換回路が形成された回路ダイと、を備え、同一形状の複数の前記マイクロホンダイの前記対向電極が互いに並列接続され、前記回路ダイとともにパッケージ内に収納されている。

本発明によると、個々のマイクロホンダイについては、振動板の面積は小さく軽くできるので、共振周波数を高くできる。したがってマイクロホンの帯域を広くすることができる。また、複数のマイクロホンダイに形成された一対の対向電極同士をそれぞれ並列接続することによりＳＮ比を改善することができる。

また、各マイクロホンダイには公差が生じうるが、本発明では一対の対向電極を有するマイクロホンダイを形成した後にパッケージに収容する構成であるため、個々のマイクロホンダイの性能を検査した後に一つのパッケージに収容するマイクロホンダイの組み合わせを決定することができる。したがってマイクロホンダイの組み合わせ方によって、マイクロホンとしての公差を小さく抑えることができる。具体的には例えば、各マイクロホンダイの性能を示す値の中央値に対してそれより値が高いマイクロホンダイと低いマイクロホンダイとを組み合わせると、それらを並列接続してなるマイクロホンの公差を小さくすることができる。例えば、中央値より高いマイクロホンダイだけ組み合わされたマイクロホンと、中央値より低いマイクロホンダイだけ組み合わされたマイクロホンとでは、性能のばらつきが大きくなる。一つのダイに複数対の対向電極を形成しそれらを並列接続する構成であると、本発明のようにマイクロホンダイの組み合わせを自由に変更できないので、このように一つのマイクロホンとしての性能がばらつきうる。しかし本発明の構成によるとマイクロホンダイの性能に応じて組み合わせを変更することができるので、マイクロホンの公差を狭めることができる。

また、本発明では、インピーダンス変換回路も複数のマイクロホンダイとともに同一パッケージ内に納めることにより、出力信号に与えるノイズの影響を低減できる。さらに、複数のマイクロホンダイは全て同一形状（合同）であるので、製造コストを抑えることができる。また、マイクロホンダイが全て同一形状であることから、インピーダンス変換回路とともにパッケージ内に収納するマイクロホンダイの組み合わせ個数や配置の仕方など設計の自由度が高い。

（２）上記目的を達成するためのマイクロホンにおいて、前記マイクロホンダイの平面視の形状は四角形であってもよく、その場合、前記対向電極のうちの一方の電極にバイアス電圧を印加するためのバイアス電極パッドが前記マイクロホンダイの前記平面視において対角の位置にある角部にそれぞれ配置され、前記対向電極のうち他方の電極に接続する出力側電極パッドが前記平面視における少なくとも残りの一つの角部に配置されていてもよい。

本発明のマイクロホンダイは、音波を受けて振動する振動電極と音波を受けても振動しない静止電極の一対の対向電極を有しており、各マイクロホンダイの静止電極同士が導線によって電気的に接続されるとともに各マイクロホンダイの振動電極同士が導線によって電気的に接続されることによって各対向電極が並列接続されている。そして一方の電極側にバイアス電圧が印加され他方の電極を出力側とする。なお本明細書では、静止電極に対して垂直な方向からマイクロホンダイを見ることを平面視というものとする。

出力側電極パッド同士を接続する導線はノイズの影響を排除するためにできるだけ短いことが望ましい。バイアス電極パッド同士を接続する導線も短いことが望ましいが、出力側電極パッド同士をつなぐ導線はバイアス電極パッド同士をつなぐ導線と比較するとノイズの影響を受けやすいため、出力側電極パッド同士をつなぐ導線ができるだけ短くなることが優先される。そこで、出力側電極パッドが設けられている角部を、隣接するマイクロホンダイの出力側電極パッドが設けられている角部に近くなるように配置すると（平面視において互いのマイクロホンダイの向きを変える）、出力側電極パッドが設けられている角部同士が離れて配置される場合（例えば全て同じ向きにマイクロホンダイを配置する場合）と比較して、出力側電極パッド同士を接続する導線を短くすることができる。

また、バイアス電極パッドは対角の関係にある２つの角部にそれぞれ設けられているため、マイクロホンダイの平面視における向きが例えば９０°単位で異なっていたとしても、２つあるうちのどちらかのバイアス電極パッドと、隣接するマイクロホンダイのどちらか近い方のバイアス電極パッドとを導線で接続することができる。すなわち、バイアス電極パッドが１つの角部にしか設けられていない構成や、隣り合う角部に２つ設けられている構成（対角の位置関係でない構成）と比較して、バイアス電極パッド同士を接続する導線の長さを短くすることができる。

（３）上記目的を達成するためのマイクロホンにおいて、前記マイクロホンダイの平面視の形状は正方形であってもよい。
平面視が正方形のマイクロホンダイの対角の位置関係にある２つの角部にバイアス電極パッドが設けられ、残りの少なくとも一つの角部に出力側電極パッドが設けられている構成であると、上記（２）で述べた効果に加え、次の効果がある。すなわち、マイクロホンダイの平面視における向きが例えば９０°単位で異なっていたとしても、２つあるうちのどちらかのバイアス電極パッドが設けられている角部が、隣接するマイクロホンダイのどちらかのバイアス電極パッドが設けられている角部と必ず隣り合うことになる。そのため、バイアス電極パッドが１つの角部にしか設けられていない構成や、隣り合う角部に２つ設けられている構成（対角の位置関係でない構成）と比較すると、バイアス電極パッド同士を接続する導線の長さを短くすることができる。また、マイクロホンダイの外形の平面視の形状は正方形であることから、平面視において予め限られたスペース内において、９０°単位でマイクロホンダイの平面視における向きを自由に変えることができる。

（１Ａ）は第一実施形態にかかる上面図、（１Ｂ）はその断面図。ノイズ電流についての説明図。本発明の他の実施形態にかかる上面図。本発明の他の実施形態にかかる上面図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
図１は、本発明の一実施形態としてのマイクロホン１を示す図である。説明の便宜のために図１に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。マイクロホン１は、半導体パッケージ３０と回路ＬＳＩ２０（回路ダイに相当）と３個のマイクロホンダイ１０ａ〜１０ｃとを備える。半導体パッケージ３０は箱形のパッケージ本体３１と蓋３２とを備える。図１Ａは蓋３２の図示を省略したマイクロホン１の上面図、図１Ｂは図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線における簡易的な断面図である。蓋３２にはパッケージ３０の外部空間と内部空間とを連絡する通孔である音響孔Ｈ１がメッシュ状に複数形成されている。蓋３２の少なくとも一部には導電性の材料が用いられ、電磁シールドとしての機能も持たせている。また蓋３２には撥水加工が施されている。マイクロホンダイ１０ａ〜１０ｃと回路ＬＳＩ２０は、半導体パッケージ３０に収容されている。各マイクロホンダイは、半導体デバイスの製造プロセスを用いて形成されるダイであって、各ダイの底面１０１がパッケージ本体３１の底部に図示しない接着層を介して固定されている。

マイクロホンダイ１０ａ〜１０ｃは互いに同一形状であり、平面視すなわちｘｙ平面におけるダイの外形の形状は正方形である。個々のマイクロホンダイにはそれぞれ、プレートＰ、ダイヤフラムＤ、空気室ＢＣ等が形成されている。プレートＰには音波をダイヤフラムＤに伝搬させるための複数の通孔Ｈ２が形成されている。プレートＰは音波が伝搬する音響空間ＳＳにおいて振動しない程度の剛性であるためプレートＰはダイヤフラムＤよりも厚く形成されている。プレートＰは全体が導電性の材料で構成されており、静止電極を形成している。なお、プレートＰの一部のみが静止電極を形成していてもよい。スペーサＳはダイヤフラムＤの縁部とプレートＰの縁部とに結合しており、ダイヤフラムＤとプレートＰとの間に空隙を形成している。スペーサＳは絶縁性を有しておりダイヤフラムＤとプレートＰとを絶縁している。

ダイヤフラムＤは音響空間ＳＳと空気室ＢＣとを隔てる。音響空間ＳＳと空気室ＢＣとはダイヤフラムＤによって気密に隔てられていても良いし、高い音響抵抗を有するスリット、トレンチ、孔、層間隙間等の通路によって連絡されていても良い。ダイヤフラムＤには検出対象範囲内の音波を受けて撓み振動する程度の柔軟性が必要であるためダイヤフラムＤはプレートＰよりも薄く形成されている。ダイヤフラムＤは全体が導電性の材料からなるため、プレートＰによって形成されている静止電極とともに静電容量を構成する振動電極を形成している。すなわち各マイクロホンダイには、プレートＰとダイヤフラムＤとでなる一対の対向電極が形成されている。なおダイヤフラムＤの一部のみが振動電極を形成していても良い。支持部ＢはダイヤフラムＤを支持している。支持部Ｂには開口が形成されている。空気室ＢＣは、当該開口の内側の空間、すなわち、ダイヤフラムＤと支持部Ｂとパッケージ本体３１の底部とに囲まれた空間である。

マイクロホンダイ１０ａにおいては、プレートＰは配線によって出力側電極パッド１２ａと電気的に接続されている。出力側電極パッド１２ａは外形の平面視が正方形である各マイクロホンダイの角部であって支持部Ｂ上に一つ形成されている。マイクロホンダイ１０ｂにおいても同様にプレートＰは出力側電極パッド１２ｂに接続されている。マイクロホンダイ１０ｃにおいても同様である。マイクロホンダイ１０ａにおいてダイヤフラムＤは支持部Ｂの表面上に形成された配線によってバイアス電極パッド１１ａ１およびバイアス電極パッド１１ａ２と電気的に接続されている。バイアス電極パッド１１ａ１・１１ａ２は平面視においてマイクロホンダイ１０ａの互いに対角にあたる角部であって支持部Ｂ上に一つずつ計二つ形成されている。マイクロホンダイ１０ｂ・１０ｃについても同様にバイアス電極パッド１１ｂ１・１１ｂ２、１１ｃ１・１１ｃ２が形成されており、それぞれが形成されているマイクロホンダイのダイヤフラムＤと接続されている。

回路ＬＳＩ２０には、バイアス電圧を供給するチャージポンプ回路（不図示）と、各マイクロホンダイの対向電極からの出力電圧をインピーダンス変換するためのインピーダンス変換回路（不図示）が形成されている。また、回路ＬＳＩ２０には、電極パッド２１〜２５が形成されている。電極パッド２１はＧＮＤに接続され、電極パッド２２は出力であり外部のアプリケーション回路に接続され、電極パッド２３は電源に接続される。

各マイクロホンダイの対向電極は互いに並列接続されている。すなわち、電極パッド２４とバイアス電極パッド１１ａ１、バイアス電極パッド１１ａ２とバイアス電極パッド１１ｂ１、バイアス電極パッド１１ｂ２とバイアス電極パッド１１ｃ１がそれぞれワイヤボンディング接続されており、バイアス電圧が電極パッド２４から供給されている。また、電極パッド２５と出力側電極パッド１２ａ、出力側電極パッド１２ａと出力側電極パッド１２ｂ、出力側電極パッド１２ｂと出力側電極パッド１２ｃがそれぞれワイヤボンディング接続されており、電極パッド２５に出力された信号がインピーダンス変換回路によりインピーダンス変換される。各マイクロホンダイに形成されている一対の対向電極は並列接続されていることにより、マイクロホン１から出力される出力信号のＳＮ比を改善できる。

また、本実施形態では図１Ａに示すように、出力側電極パッド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が設けられているマイクロホンダイの角部が互いに最も近い位置となるように９０°単位で平面視におけるマイクロホンダイの向きを変えて配置されている。そのため、信号出力側の導線を、全て同じ向きにマイクロホンダイが配置されている場合と比較して短くすることができ、信号出力側の導線に対するノイズの影響を受けにくくすることができる。また、出力側電極パッドが互いに最も近くなるように９０°単位で向きが変えられていても、バイアス電極パッドは各マイクロホンダイにおいて対角の関係にある２つの角部にそれぞれ設けられているため、２つあるうちのどちらかのバイアス電極パッドが設けられている角部が、隣接するマイクロホンダイのどちらかのバイアス電極パッドが設けられている角部と必ず隣り合うことになる。そのため、バイアス電極パッドが１つの角部にしかない構成や、隣り合う角部に２つ設けられている構成（対角の位置関係でない構成）と比較すると、バイアス電圧側の導線の長さも短くすることができる。なお、各マイクロホンダイの外形の平面視の形状が正方形であるため、パッケージ内の限られたスペース内で平面視において９０°単位で自由にマイクロホンダイの向きを変えることができる。

なお、ワイヤボンディングの導線で形成されるコイルに例えば外部の磁界によるノイズ電流が発生した場合、対向電極の部分でそのノイズ電流がキャンセルされるため、外部からのノイズに強い。具体的には例えば、ダイヤフラムＤからプレートＰ側に向かう磁界が発生している条件下で、マイクロホンダイ１０ｂの周囲では当該磁界によるノイズ電流が図２に示すような方向で発生する。しかし、コンデンサの部分では向きが逆となるためノイズの影響がキャンセルされる。したがって本実施形態の構成では、外部からのノイズに強い。

また、本実施形態のように、一対の対向電極が形成されたマイクロホンダイを複数用い、各マイクロホンダイの対向電極を並列接続する構成を採用すると、各ダイヤフラムＤの面積は小さく軽くすることができるので、各マイクロホンダイについて共振周波数を高くできる。そのため広帯域のマイクロホンを作製できる。

また、マイクロホンダイには公差が生じうるが、一つのパッケージ内に収納するマイクロホンダイの組み合わせによって、マイクロホンとしての公差を小さく抑えることができる。例えば、各マイクロホンダイの性能を示す値の中央値に対して高いマイクロホンダイと低いマイクロホンダイを組み合わせると、それらを並列接続している一つのマイクロホンとしての公差を小さくすることができる。

また、本実施形態では、インピーダンス変換回路が形成された回路ＬＳＩ２０も複数のマイクロホンダイとともに同一パッケージ内に納められているため、出力信号に与えるノイズの影響を低減できる。さらに、複数のマイクロホンダイは全て同一形状である（平面視の形状は全て正方形であり、バイアス電極パッドと出力側電極パッドの位置も全てのマイクロホンダイにおいて同一）ので、インピーダンス変換回路とともにパッケージ内に収納するマイクロホンダイの組み合わせ個数や配置の仕方など設計の自由度が高く、汎用性が高い。

２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、電極パッド同士の配線はワイヤボンディング接続される構成を説明したが、フリップチップ接続であってもよい。フリップチップ接続の場合、マイクロホンダイの底部とパッケージの底部との隙間から音波が空気室に進入するのを避けるためにシール材を用いて当該隙間を封止する。

図３および図４は、８個のマイクロホンダイと回路ＬＳＩ２０との配置と接続の例を示している。図３および図４の例では、各マイクロホンダイには、対角の関係にある２つの角部にバイアス電極パッド１３が設けられ、残りの対角の関係にある２つの角部に出力側電極パッド１４が設けられている。このため、バイアス電極パッド１３同士および出力側電極パッド１４同士がそれぞれ隣り合うように隣り合うマイクロホンダイ同士で平面視の向きを９０°単位で変えることにより、マイクロホンダイの向きを全て同じように配置する構成と比較して、各導線の長さを短くすることができる。

なお、個々のマイクロホンダイの構成や、マイクロホンダイを固定するパッケージの構成は例えば上記実施形態で示した構成に限定されない。上記実施形態では、ダイヤフラム（振動電極）にバイアス電圧を印加し、プレート（静止電極）を出力側としたが、支持部・ダイヤフラム・プレートの構成によってはそれらが逆であってもよい。すなわち、プレートにバイアス電圧を印加し、ダイヤフラムを出力側としてもよい。

また、上記実施形態においては、マイクロホンダイの平面視の形状が正方形である例を説明したが、マイクロホンダイの平面視の形状は長方形であってもよい。

１：マイクロホン、１０ａ〜１０ｃ：マイクロホンダイ、１１ａ１・１１ａ２：バイアス電極パッド、１１ｂ１・１１ｂ２：バイアス電極パッド、１１ｃ１・１１ｃ２：バイアス電極パッド、１２ａ：出力側電極パッド、１２ｂ：出力側電極パッド、１２ｃ：出力側電極パッド、１３：バイアス電極パッド、１４：出力側電極パッド、２１〜２５：電極パッド、３０：半導体パッケージ、３１：パッケージ本体、３２：蓋、１０１：底面、Ｂ：支持部、ＢＣ：空気室、Ｄ：ダイヤフラム、Ｈ１：音響孔、Ｈ２：通孔、２０：回路ＬＳＩ、Ｐ：プレート、Ｓ：スペーサ、ＳＳ：音響空間。

Claims

一対の対向電極を有する静電容量型のマイクロホンダイと、
前記対向電極の出力信号をインピーダンス変換するインピーダンス変換回路が形成された回路ダイと、
を備え、
同一形状の複数の前記マイクロホンダイの前記対向電極が互いに並列接続され、前記回路ダイとともにパッケージ内に収納されている、マイクロホン。
前記マイクロホンダイの平面視の形状は四角形であり、
前記対向電極のうちの一方の電極にバイアス電圧を印加するためのバイアス電極パッドが前記マイクロホンダイの前記平面視において対角の位置にある角部にそれぞれ配置され、前記対向電極のうち他方の電極に接続する出力側電極パッドが前記平面視における残りの少なくとも一つの角部に配置されている、
請求項１に記載のマイクロホン。
前記マイクロホンダイの平面視の形状は正方形である、
請求項２に記載のマイクロホン。