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WO2011024397A1 - コンデンサマイクロホン - Google Patents

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WO2011024397A1
WO2011024397A1 PCT/JP2010/005012 JP2010005012W WO2011024397A1 WO 2011024397 A1 WO2011024397 A1 WO 2011024397A1 JP 2010005012 W JP2010005012 W JP 2010005012W WO 2011024397 A1 WO2011024397 A1 WO 2011024397A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microphone
cover
capacitor structure
base substrate
microphone element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/005012
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
笹倉幸一
加茂正太郎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Star Micronics Co Ltd
Original Assignee
Star Micronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Star Micronics Co Ltd filed Critical Star Micronics Co Ltd
Publication of WO2011024397A1 publication Critical patent/WO2011024397A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H01L2924/301—Electrical effects
    • H01L2924/3011—Impedance

Definitions

  • the present invention relates to a condenser microphone, and more particularly, to a condenser microphone having a microphone element manufactured using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a capacitor microphone has a structure having a capacitor structure in which a diaphragm and a fixed electrode are arranged to face each other.
  • the capacitor structure is formed using MEMS technology.
  • a device for stacking as part of the microphone element has also been devised.
  • a capacitor structure is stacked on a silicon substrate having a central opening so as to close the central opening.
  • a microphone element is configured.
  • the condenser microphone described in FIG. 6 of the above-mentioned “Patent Document 1” has a configuration in which the microphone element is housed in the housing in a state where the microphone element is mounted and fixed on the base substrate together with the impedance conversion element. .
  • the condenser microphone described in FIG. 5 of “Patent Document 2” has a configuration in which the microphone element is housed in a housing in a state of being suspended and fixed to the top substrate together with the impedance conversion element.
  • the capacitor microphone is positioned above the capacitor structure portion on the upper wall of the casing. A sound hole for guiding sound to the capacitor structure is formed.
  • front space a space between the sound hole and the capacitor structure (hereinafter referred to as “front space”) surrounds the front space (hereinafter referred to as “front space”). Since it is formed with a considerably large volume, it has the following problems.
  • the resonance frequency becomes low, so that sound wave resonance occurs in the audible range or a frequency range close to this, and thus the microphone sensitivity is uniform in the audible range. There is a problem that the performance is impaired.
  • the front space and the outer peripheral space may be partitioned at the suspension fixing portion. This can reduce the volume of the front space.
  • the suspension fixing portion of the microphone element serves not only as a suspension fixing function but also as an electrical connection function between the capacitor structure portion and the top substrate. Therefore, the degree of freedom of the shape is small, and therefore the degree of freedom of the volume and shape of the front space is also small, which is insufficient to ensure the uniformity of the microphone sensitivity in the audible range. There is a problem of becoming.
  • the uniformity of the microphone sensitivity in the audible range cannot be ensured. There's a problem.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a condenser microphone having a microphone element manufactured using MEMS technology, the microphone element may be mounted and fixed on a base substrate.
  • An object of the present invention is to provide a condenser microphone capable of ensuring uniformity of microphone sensitivity.
  • the above object is achieved by devising a structure for partitioning the front space from the outer peripheral space in the housing.
  • the condenser microphone is A microphone element in which a capacitor structure in which a diaphragm and a fixed electrode are arranged to face each other on a silicon substrate in which a central opening is formed is laminated so as to close the central opening; An impedance conversion element for converting the capacitance of the capacitor structure into an electrical impedance; and A base substrate on which the microphone element and the impedance conversion element are placed and fixed; A cover fixed to the base substrate so as to cover the microphone element and the impedance conversion element, A sound hole for guiding sound to the capacitor structure is formed at a position above the capacitor structure on the upper wall of the cover, Between the upper surface wall of the cover and the microphone element, a sound path wall that partitions a front space between the capacitor structure and the sound hole and an outer peripheral space surrounding the front space is disposed. .
  • the terms indicating the direction such as “upper surface wall” and “upward position” are used for the sake of convenience in order to clarify the positional relationship between the members constituting the condenser microphone.
  • the directionality when actually using the microphone is not limited.
  • the “cover” is a member that forms a casing that covers the microphone element and the impedance conversion element with the base substrate by being fixed to the base substrate, its specific configuration, fixing structure to the base substrate, and the like Is not particularly limited.
  • a specific configuration of the “cover” for example, a metal plate is formed as a single member by press molding, or mounted on the base substrate so as to surround the microphone element and the impedance conversion element. It is possible to employ a member constituted by a fixed annular member and a lid member placed and fixed on the upper surface of the annular member.
  • the “sound road wall” is a member formed so as to partition the front space and the outer peripheral space
  • the specific configuration such as the height and the cross-sectional shape thereof is not particularly limited.
  • the “sound path wall” may be configured as a part of the microphone element, or may be configured as a member different from the microphone element.
  • the condenser microphone according to the present invention has a configuration in which a microphone element in which a capacitor structure is laminated on a silicon substrate is placed and fixed on a base substrate together with an impedance conversion element,
  • the cover fixed to the base substrate so as to cover the microphone element and the impedance conversion element is provided with a sound hole for guiding sound to the capacitor structure portion at a position above the capacitor structure portion on the upper surface wall.
  • the sound path wall that partitions the front space between the capacitor structure and the sound hole and the outer peripheral space surrounding the front space is arranged between the upper surface wall of the cover and the microphone element.
  • the front space and the outer peripheral space are partitioned by the sound path wall in the casing constituted by the base substrate and the cover, the volume of the front space can be reduced.
  • this sound path wall does not require an electrical connection function to the capacitor structure, and the function can be specialized for the partition function between the front space and the outer space, so the volume and shape of the front space The degree of freedom can be increased, which makes it easy to ensure the uniformity of microphone sensitivity in the audible range.
  • the uniformity of the microphone sensitivity is ensured even when the microphone element is mounted and fixed on the base substrate. be able to.
  • the sound path wall is composed of a resist layer stacked on the upper surface of the microphone element, the sound path wall is formed in the step of stacking the microphone element using the MEMS technology. Also, at least a part thereof can be laminated. Therefore, the arrangement of the sound path wall can be performed relatively easily, and the positional accuracy can be increased.
  • the sound path wall is assumed to be composed only of the resist layer, and the resist layer is arranged in a state in which the upper end surface thereof is brought into contact with the upper surface wall of the cover and is compressed and elastically deformed in the vertical direction.
  • the sound path wall is composed only of the resist layer, the entire sound path wall can be simultaneously laminated in the microphone element stacking process, which facilitates the arrangement of the sound path wall. And it can carry out with sufficient position accuracy.
  • the resist layer laminated as the sound path wall is disposed in a state where the upper end surface of the resist layer is in contact with the upper surface wall of the cover and is compressed and elastically deformed in the vertical direction.
  • the front space and the outer peripheral space can be reliably partitioned. At that time, even if there is some variation in the distance between the upper end surface of the microphone element and the upper surface wall of the cover, the partition function can be maintained by the compression elastic deformation action of the resist layer formed as a sound path wall. it can.
  • a part of the sound path wall may be formed of a resist layer, and an elastic member may be interposed between the upper end surface of the resist layer and the upper surface wall of the cover. is there. Even when such a configuration is adopted, the front space and the outer peripheral space can be reliably partitioned.
  • the space located below the capacitor structure (hereinafter referred to as “rear space”) is small, the force required to displace the diaphragm increases, so the diaphragm is difficult to displace. Therefore, the required acoustic characteristics cannot be ensured. Therefore, if the communication hole is formed in at least one of the silicon substrate and the base substrate so that the central opening of the silicon substrate communicates with the outer peripheral space, the volume of the rear space can be sufficiently increased. Thereby, a required acoustic characteristic can be ensured.
  • the front space and the outer space are partitioned by the sound path wall, so that the front space and the rear space communicate with each other through the outer space even if the communication hole is formed. Therefore, there is no risk of disturbing the microphone function.
  • the communication hole is formed by cutting away a part of the lower end portion of the silicon substrate, the communication hole can be formed at the same time in the process of forming the microphone elements. Further, if the communication hole is formed by cutting the upper surface of the base substrate into a concave groove shape, the microphone element stacking process can be simplified.
  • FIG. 4 is a side sectional view showing in detail a microphone element of the condenser microphone, and a sectional view taken along line II-II in FIG. Sectional view along line III-III in Fig. 2 Side sectional view showing the manufacturing process of the microphone element (Part 1) Sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing process of the said microphone element Sectional drawing (the 3) which shows the manufacturing process of the said microphone element
  • Part 1 Sectional drawing
  • FIG. 1 which shows the 1st modification of the said embodiment.
  • FIG. 1 which shows the 2nd modification of the said embodiment.
  • FIG. 1 which shows the 3rd modification of the said embodiment.
  • FIG. 1 is a side sectional view showing a condenser microphone 10 according to an embodiment of the present invention in an upwardly arranged state.
  • the condenser microphone 10 includes a microphone element 20, an IC chip 40, a base substrate 50, and a cover 60.
  • the condenser microphone 10 is used in a state where it is surface-mounted on a printed circuit board (not shown) of an external device (for example, a mobile phone) on the lower surface of the base substrate 50.
  • a vibrating membrane 24 and a fixed electrode 26 are disposed opposite to each other on a silicon substrate 22 in which a central opening 22a is formed, and thereby a capacitor structure C is configured.
  • the microphone element 20 of the condenser microphone 10 is manufactured using MEMS technology (this will be described later).
  • the IC chip 40 takes out the change in capacitance between the vibrating membrane 24 and the fixed electrode 26 caused by the vibration of the vibrating membrane 24 as an electric signal by converting the electric impedance, and amplifies the electric signal. Is configured to do.
  • the base substrate 50 has a configuration in which a plurality of conductive layers (not shown) are formed in a predetermined wiring pattern on both upper and lower surfaces of an insulating substrate having a rectangular outer shape having a long side of about 4 mm in plan view. .
  • the base substrate 50 is configured to place and fix the microphone element 20 and the IC chip 40 on the upper surface thereof.
  • the microphone element 20 is mounted and fixed by adhering the microphone element 20 to the upper surface of the base substrate 50 on the lower surface of the silicon substrate 22.
  • the IC chip 40 is mounted and fixed by adhering the IC chip 40 to the upper surface of the base substrate 50 in a state where the IC chip 40 is disposed adjacent to the microphone element 20.
  • attachment is performed using an epoxy-type adhesive agent etc., for example.
  • the IC chip 40 includes a power terminal, an output terminal, a ground terminal, and a bias terminal (not shown).
  • the IC chip 40 has its power supply terminal, output terminal, and grounding terminal electrically connected to each conductive layer formed on the base substrate 50 via bonding wires 42 and its bias.
  • the terminal for use is electrically connected to the terminal portion 32 ⁇ / b> A of the vibrating membrane 24 via the bonding wire 44.
  • terminal portion 32B of the fixed electrode 26 in the microphone element 20 is electrically connected to a grounding conductive layer formed on the base substrate 50 via a bonding wire 46.
  • the cover 60 is placed and fixed on the base substrate 50 so as to cover the microphone element 20 and the IC chip 40.
  • the cover 60 and the base substrate 50 constitute a housing that houses the microphone element 20 and the IC chip 40.
  • the cover 60 is formed by press forming a metal plate.
  • the cover 60 includes an upper surface wall 60A that extends in parallel with the base substrate 50 and a peripheral wall 60B that extends downward from the outer peripheral edge of the upper surface wall 60A.
  • the cover 60 is mounted and fixed on the base substrate 50 by soldering the lower edge of the peripheral wall 60B to the grounding conductive layer formed on the outer peripheral edge of the upper surface of the base substrate 50. It is done by.
  • a sound hole 60a for guiding sound to the capacitor structure C is formed at a position above the capacitor structure C in the upper surface wall 60A of the cover 60.
  • the sound hole 60a has a circular opening shape with a diameter of about ⁇ 0.8 mm.
  • a front space C1 between the capacitor structure C and the sound hole 60a and an outer peripheral space C3 surrounding the front space C1 are partitioned.
  • a cylindrical sound path wall 70 is disposed.
  • the sound path wall 70 is formed to extend in the vertical direction so as to surround the sound hole 60a. At this time, the inner diameter of the sound path wall 70 is set to a value of about ⁇ 1 mm, and the wall thickness thereof is set to a value of about 0.05 to 0.1 mm.
  • the sound path wall 70 is composed of a resist layer formed on the upper surface of the microphone element 20 (this will be described later).
  • FIG. 2 is a side sectional view showing the microphone element 20 in detail
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • the vibration film 24 and the fixed electrode 26 are disposed opposite to each other on the silicon substrate 22 in which the central opening 22a is formed. It is configured.
  • the silicon substrate 22 is composed of a single crystal silicon chip cut out to a size of about 1.6 mm square from a silicon wafer and has a thickness of about 0.4 mm.
  • the central opening 22a of the silicon substrate 22 is formed in a cylindrical shape by etching. At this time, the inner diameter of the central opening 22a is set to about ⁇ 0.9 mm.
  • An insulating layer 28 made of a silicon oxide film is laminated around the central opening 22 a on the upper surface of the silicon substrate 22.
  • a thin insulating layer 36 made of a silicon oxide film is formed on the lower surface of the silicon substrate 22 by a thermal oxidation process.
  • the fixed electrode 26 is made of polycrystalline silicon, and is laminated on the upper surface of the insulating layer 28 so as to close the central opening 22a.
  • a plurality of through holes 26a are formed in the fixed electrode 26 so as to face the central opening 22a.
  • each through hole 26a is suitably 5 to 20 ⁇ m.
  • the reason is as follows. That is, if the hole diameter becomes too small, the acoustic resistance increases, and the vibration of the vibration film 24 tends to be suppressed. On the other hand, if the hole diameter becomes too large, the area of the fixed electrode 26 becomes small, and the vibration film 24 As a result, the area for forming the capacitor structure C is reduced, and as a result, the microphone sensitivity tends to decrease.
  • An insulating layer 30 made of a silicon oxide film is laminated on the upper surface of the fixed electrode 26. At this time, the insulating layer 30 is formed with a circular opening 30a having an inner diameter slightly smaller than that of the central opening 22a, and a through hole 30b is formed around the opening 30a.
  • the optimal thickness of this insulating layer 30 is 2 to 6 ⁇ m.
  • the insulating layer 30 is a layer that determines the gap between the fixed electrode 26 and the vibrating membrane 24.
  • the film thickness is too thin, the viscous resistance between the fixed electrode 26 and the vibrating membrane 24 increases. There is a tendency that a sufficient displacement of the vibration film 24 cannot be obtained.
  • the insulating layer 30 is made too thick, the capacitance of the capacitor structure C is in inverse proportion to the gap, and the microphone sensitivity tends to decrease.
  • a pair of terminal portions 32A and 32B are laminated and formed as conductive layers made of a metal thin film at two locations on the diagonal line on the upper surface of the insulating layer 30. At that time, one terminal portion 32A is formed so that a part thereof is in contact with the upper surface of the vibration film 24, and the other terminal portion 32B is partly provided through the through hole 30b of the insulating layer 30. It is formed so as to contact the fixed electrode 26.
  • Aluminum, chromium / gold, titanium / platinum, or the like is preferably used as the metal to be the terminal portions 32A and 32B.
  • the vibration film 24 is made of polycrystalline silicon, and is disposed in the vicinity of the upper portion of the fixed electrode 26 so as to extend in parallel with the fixed electrode 26. At this time, the vibration film 24 has a circular outer shape slightly larger than the circular opening 30 a of the insulating layer 30, and is laminated on the insulating layer 30 at the outer peripheral edge portion thereof. A plurality of minute through holes 24 a are formed in the center of the vibrating membrane 24 for ventilation.
  • the optimum film thickness of the vibrating membrane 24 is 0.5 to 2 ⁇ m.
  • the reason is as follows. That is, if the film thickness of the vibration film 24 is too thin, the resonance frequency tends to be too small, and resonance of the vibration film 24 may appear in the audible range. On the other hand, if the film thickness of the vibration film 24 is too thick, the vibration film 24 becomes hard and the microphone sensitivity tends to decrease.
  • As the configuration of the vibration film 24, a structure in which a resin film and a metal film are stacked on the silicon substrate 22 may be employed.
  • a surface protective layer 34 made of a photoresist is laminated on the upper surface of the insulating layer 30. At this time, the surface protective layer 34 is formed so as to cover the outer peripheral edge portion of the vibration film 24 and the pair of terminal portions 32A and 32B. A pair of holes 34a and 34b for exposing the pair of terminal portions 32A and 32B are formed at two locations on the outer peripheral edge of the surface protective layer 34.
  • a resist layer extending in a cylindrical shape in the vertical direction is formed on the upper surface of the surface protective layer 34 so as to surround the sound hole 60a, thereby constituting the sound path wall 70.
  • the resist layer constituting the sound road wall 70 is formed of an organic compound called a permanent photoresist.
  • a permanent photoresist for example, TMMR series S2000 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., SU-8 series 3000 manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd., etc. can be used. These permanent photoresists can be increased in film thickness, can be adjusted to various film thicknesses, and have appropriate elasticity.
  • the resist layer constituting the sound path wall 70 is disposed in a state where its upper end surface is brought into contact with the lower surface of the upper surface wall 60A of the cover 60 and is compressed and elastically deformed in the vertical direction.
  • the resist layer constituting the sound path wall 70 is in an unloaded state as shown by a two-dot chain line in FIG. 2 and the upper surface wall 60A of the cover 60 and the upper surface of the microphone element 20 (that is, the upper surface of the surface protective layer 34). ) To be slightly higher than the interval. For example, if the interval is about 0.3 mm, the distance is 10% higher than that of about 0.33 mm.
  • the resist layer constituting the sound path wall 70 is pressed downward by contact with the upper surface wall 60A in a state where the cover 60 is placed and fixed on the base substrate 50, and is somewhat compressed elastically in the vertical direction. Deformed state.
  • the lower end portion of the silicon substrate 22 is cut off in the radial direction at four locations, thereby forming four concave groove portions 22b. These four concave groove portions 22b are formed at four locations in a cross arrangement in a plan view. At this time, each of the concave groove portions 22b is formed by cutting a part of the lower end portion of the silicon substrate 22 linearly with a trapezoidal cross-sectional shape from the lower end surface.
  • the four concave grooves 22b and the upper surface of the base substrate 50 are formed with four communication holes 80 for communicating the central opening 22a and the outer peripheral space C3.
  • the rear space C2 located below the capacitor structure C is divided into a volume corresponding to the central opening 22a and a volume of the outer peripheral space C3 and a volume of the four communication holes 80. Is expanded to the combined volume.
  • 4 to 6 are side sectional views showing the manufacturing process of the microphone element 20.
  • an SOI Silicon
  • a silicon oxide film 128 and a thin silicon layer 126 as a device layer are laminated in this order on the upper surface of a thick silicon layer 122 as a handle layer.
  • On Insulator wafer 100 is prepared.
  • the SOI wafer 100 is shown in a size corresponding to the size of one microphone element 20 (the two-dot chain line in the drawing shows a part of the entire shape).
  • the SOI wafer 100 is thermally oxidized to form thin silicon oxide films 136 and 102 on both upper and lower surfaces thereof.
  • the concave grooves 122b are formed at the lower end of the silicon layer 122 of the SOI wafer 100 in a lattice arrangement in plan view.
  • the silicon oxide film 136 on the lower surface is etched, and anisotropic wet etching is performed using the etched silicon oxide film 136 as a mask to form a plurality of concave grooves 122 b in the silicon layer 122.
  • These concave groove portions 122b are to be the concave groove portions 22b of the microphone element 20.
  • fine holes 126a are formed in the silicon layer 126 of the SOI wafer 100 by etching. These holes 126 a are to be the through holes 26 a of the fixed electrode 26 in the microphone element 20.
  • the hole 126 a of the silicon layer 126 is refilled with the silicon oxide film 104 and the polycrystalline silicon thin film 106.
  • the silicon oxide film 104 and the polycrystalline silicon thin film 106 can be formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.
  • the silicon oxide film 130 is formed on the surface of the silicon layer 126 as shown in FIG.
  • the silicon oxide film 130 includes the silicon oxide film 104 in a part thereof.
  • the silicon oxide film 130 is to be the insulating layer 30 that determines the gap between the fixed electrode 26 and the vibration film 24.
  • the silicon oxide film 130 is partially etched to form a small hole 130a, and is patterned so as to be electrically connected to the silicon layer 126 of the SOI wafer 100.
  • a polycrystalline silicon thin film 124 is formed on the upper surface of the silicon oxide film 130 as shown in FIG. At that time, patterning is performed by partial etching so that fine holes 124a are formed.
  • This polycrystalline silicon thin film 124 should be the vibration film 24.
  • the metal thin films 132A and 132B are formed and patterned at two locations on the upper surface of the silicon oxide film 130.
  • These metal thin films 132A and 132B should be the terminal portions 32A and 32B, respectively.
  • a passivation film 134 is formed on the upper surface of the silicon oxide film 130 by spin coating with a photoresist and patterning. This passivation film 134 should be the surface protective film 34.
  • parylene, silicon oxide, or the like is preferably used in addition to the photoresist.
  • small holes 134a and 134b are formed at two locations on the passivation film 134 in order to establish electrical connection with the metal thin films 132A and 132B.
  • a permanent photoresist for example, TMMR series S2000 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.
  • This resist layer 170 is to be the sound path wall 70.
  • the height of the resist layer 170 is adjusted by the spin coating rotation speed and the rotation time.
  • the silicon layer 122 is etched by DRIE (that is, deep reactive etching) from the lower surface of the SOI wafer 100, and the DRIE is terminated at the silicon oxide film 104 that becomes the BOX layer. . Thereby, a cylindrical central opening 122a is formed.
  • the central opening 122a should be the central opening 22a.
  • the silicon oxide film 128 and the polycrystalline silicon thin film 106 and the silicon oxide film 130 refilled in the silicon layer 126 are dry-etched with hydrogen fluoride gas and xenon fluoride gas.
  • the polycrystalline silicon thin film 124 is released as the vibration film 24 (that is, the vibration film 24 is allowed to vibrate) as shown in FIG.
  • the microphone element 20 is separated into chips from the SOI wafer 100 by dicing.
  • the condenser microphone 10 has a configuration in which a microphone element 20 in which a capacitor structure C is laminated on a silicon substrate 22 is placed and fixed on a base substrate 50 together with an IC chip 40, and
  • the cover 60 fixed to the base substrate 50 so as to cover the microphone element 20 and the IC chip 40 is for guiding sound to the capacitor structure C at a position above the capacitor structure C on the upper surface wall 60A.
  • the sound hole 60a is formed between the upper wall 60A of the cover 60 and the microphone element 20, and surrounds the front space C1 between the capacitor structure C and the sound hole 60a and the front space C1. Since the sound path wall 70 that separates from the outer peripheral space C3 is disposed, the following effects can be obtained. Can.
  • the resonance frequency of the front space C1 can be set to a value of 50 kHz or higher that is sufficiently higher than the audible range (generally 20 Hz to 20 kHz).
  • the sound connection wall 70 does not need an electrical connection function with respect to the capacitor structure C, and the function can be specialized in a partitioning function between the front space C1 and the outer peripheral space C3.
  • the degree of freedom of the volume and shape of the microphone can be increased, which makes it easy to ensure the uniformity of the microphone sensitivity in the audible range.
  • the condenser microphone 10 having the microphone element 20 manufactured by using the MEMS technology even if the microphone element 20 is mounted and fixed on the base substrate 50, the microphone sensitivity can be improved. Uniformity can be ensured.
  • the sound path wall 70 is composed of a resist layer formed on the upper surface of the microphone element 20, the sound path wall is formed in the step of forming the microphone element 20 using the MEMS technology. 70 can be laminated at the same time, whereby the sound path wall 70 can be easily and accurately positioned. Moreover, the resist layer laminated as the sound path wall 70 is disposed in a state where the upper end surface thereof abuts on the upper surface wall 60A of the cover 60 and is compressed and elastically deformed in the vertical direction. Despite being composed only of the resist layer, the front space C1 and the outer peripheral space C3 can be reliably partitioned.
  • the partition function is achieved by the compression elastic deformation action of the resist layer laminated as the sound path wall 70. Can be maintained.
  • the concave groove portions 22b are formed at the lower end portion of the silicon substrate 22, and the central opening portion 22a and the outer peripheral space C3 are communicated with each other by the concave groove portions 22b and the upper surface of the base substrate 50. Since the four communication holes 80 to be formed are formed, the rear space C2 located below the capacitor structure C is divided into a volume corresponding to the central opening 22a, a volume of the outer peripheral space C3, and four locations of the rear space C2. The volume of the communication hole 80 and the volume of the communication hole 80 can be expanded to ensure the required acoustic characteristics.
  • the front space C1 and the outer peripheral space C3 are partitioned by the sound path wall 70, so that even if the communication hole 80 is formed, the front space C1 and the rear space C2 Will not communicate with each other through the outer peripheral space C3, so that there is no possibility of disturbing the microphone function.
  • the communication hole 80 is formed by cutting off a part of the lower end portion of the silicon substrate 22, the communication hole 80 can be formed at the same time in the process of forming the microphone element 20 in a stacked manner.
  • FIG. 7 is a view similar to FIG. 1, showing a condenser microphone 210 according to this modification.
  • the condenser microphone 210 As shown in the figure, the condenser microphone 210 according to this modification is the same in the basic configuration as in the above embodiment, but the configuration of the sound path wall 270 is different from that in the above embodiment. Yes.
  • the sound path wall 70 of the above embodiment is configured only by the resist layer laminated on the upper surface of the microphone element 20, but the sound path wall 270 of the present modification is laminated on the upper surface of the microphone element 20.
  • the resist layer 272 is formed, and an annular elastic member 274 interposed between the upper end surface of the resist layer 272 and the upper wall 60A of the cover 60.
  • the height of the resist layer 272 of the present modification is set to a value smaller than the distance between the upper surface of the microphone element 20 and the lower surface of the upper surface wall 60A of the cover 60.
  • the elastic member 274 is composed of a member having a lower elastic modulus than the resist layer 272. At this time, the width of the elastic member 274 is formed to be somewhat wider than the width of the resist layer 272, and the thickness is the distance between the upper end surface of the resist layer 272 and the lower surface of the upper surface wall 60A of the cover 60. A slightly larger value is set. In the sound path wall 270, the elastic member 274 is mainly elastically deformed in the vertical direction.
  • the front space C1 and the outer peripheral space C3 can be reliably partitioned.
  • FIG. 8 is a view similar to FIG. 1, showing a condenser microphone 310 according to this modification.
  • the condenser microphone 310 has the same basic configuration as that of the first modification, but the configuration of the sound path wall 370 and the cover 360 is the same as that of the first modification. This is different from the case of the first modification.
  • the cover 360 of this modification has a configuration in which an annular flange portion 360b protruding downward along the outer peripheral shape of the sound hole 360a is formed on the upper surface wall 360A.
  • the sound path wall 370 of the present modified example is similar to the sound path wall 270 of the first modified example, in that the resist layer 372 is formed on the upper surface of the microphone element 20, the upper end surface of the resist layer 372, and the cover 360.
  • the elastic member 374 is interposed between the upper surface wall 360A and the lower surface of the upper wall 360A.
  • the resist layer 372 and the elastic member 374 are more than the resist layer 272 and the elastic member 274 of the first modification. It is formed with a slightly larger diameter. As a result, the elastic member 374 comes into surface contact with the outer peripheral surface of the annular flange portion 360b of the cover 360 on the inner peripheral surface thereof.
  • the partition function between the front space C1 and the outer peripheral space C3 can be further enhanced. Further, by engaging the annular flange portion 360b of the cover 360 with the elastic member 374 of the sound path wall 270, the elastic member 374 can be temporarily fixed at a predetermined position, whereby the work for assembling the condenser microphone 10 can be performed. Can increase the sex.
  • FIG. 9 is a view similar to FIG. 1, showing a condenser microphone 410 according to this modification.
  • the condenser microphone 410 has the same basic configuration as that of the above embodiment, but the configurations of the silicon substrate 422 and the base substrate 450 of the microphone element 420 are the same. This is different from the above embodiment.
  • the concave groove corresponding to the concave groove 22b in the silicon substrate 22 of the above embodiment is not formed.
  • the upper surface of the base substrate 450 of the present modification is cut into concave grooves at four locations. Then, through the recessed grooves 450a formed at these four locations and the lower end surface of the silicon substrate 422, four communication holes 480 are provided for communicating the central opening 22a and the outer peripheral space C3.
  • the volume of the rear space C2 can be made sufficiently large, thereby ensuring the required acoustic characteristics.
  • the configuration of the base substrate 450 can be simplified by adopting the configuration of this modified example, the layer forming process of the microphone element 420 can also be simplified.
  • the formation of the four recessed groove portions 450a can be performed by, for example, partially cutting a plurality of conductive layers laminated on the insulating substrate of the base substrate 50.

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Abstract

ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたマイクロホンエレメントを有するコンデンサマイクロホンにおいて、マイクロホンエレメントがベース基板に載置固定された構成であっても、マイクロホン感度の均一性を確保可能とする。 シリコン基板２２上にコンデンサ構造部Ｃが積層形成されてなるマイクロホンエレメント２０を、ＩＣチップ４０と共にベース基板５０に載置固定する。その際、これらを覆うようにしてベース基板５０に固定されたカバー６０の上面壁６０Ａにおけるコンデンサ構造部Ｃの上方位置に、このコンデンサ構造部Ｃに音を導くための音孔６０ａを形成する。そして、このカバー６０の上面壁６０Ａとマイクロホンエレメント２０との間に、コンデンサ構造部Ｃと音孔６０ａとの間の前方空間Ｃ１とこれを囲む外周空間Ｃ３と仕切る音道壁７０を配置する。これにより前方空間Ｃ１の容積を小さくする。

Description

コンデンサマイクロホン
　本願発明は、コンデンサマイクロホンに関するものであり、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造されたマイクロホンエレメントを有するコンデンサマイクロホンに関するものである。
　一般に、コンデンサマイクロホンは、振動膜と固定電極とが対向配置されたコンデンサ構造部を有する構成となっているが、近年では、その小型化を図るため、ＭＥＭＳ技術を用いて、上記コンデンサ構造部をマイクロホンエレメントの一部として積層形成する工夫もなされている。
　例えば「特許文献１」や「特許文献２」に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、中央開口部が形成されたシリコン基板上に、その中央開口部を塞ぐようにしてコンデンサ構造部を積層形成することにより、マイクロホンエレメントが構成されるようになっている。
　その際、上記「特許文献１」の図６に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、マイクロホンエレメントがインピーダンス変換素子と共にベース基板に載置固定された状態で、筐体内に収容された構成になっている。
　一方、上記「特許文献２」の図５に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、マイクロホンエレメントがインピーダンス変換素子と共にトップ基板に吊り下げ固定された状態で、筐体内に収容された構成になっている。
特開２００７－８１６１４号公報 国際公開２００５－８６５３５号
　一般に、コンデンサマイクロホンにおいては、上記「特許文献１」の図６や「特許文献２」の図５にも記載されているように、その筐体の上面壁におけるコンデンサ構造部の上方位置に、該コンデンサ構造部に音を導くための音孔が形成された構成となっている。
　しかしながら、上記「特許文献１」の図６に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、音孔とコンデンサ構造部との間の空間（以下「前方空間」という）が、この前方空間を囲む空間（以下「外周空間」という）と連通しており、かなり大きい容積で形成されているので、次のような問題がある。
　すなわち、前方空間が大きい容積で形成されていると、その共鳴周波数が低くなるので、可聴域またはこれに近い周波数領域で音波の共鳴が発生してしまい、このため可聴域でのマイクロホン感度の均一性が損なわれてしまう、という問題がある。
　一方、上記「特許文献２」の図５に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、マイクロホンエレメントがトップ基板に吊り下げ固定されているので、その吊り下げ固定部において前方空間と外周空間とを仕切ることができ、これにより前方空間の容積を小さくすることができる。
　しかしながら、この「特許文献２」の図５に記載されたコンデンサマイクロホンにおいては、マイクロホンエレメントの吊り下げ固定部が、吊り下げ固定機能だけではなくコンデンサ構造部とトップ基板との電気的接続機能も兼ねているので、その形状自由度が小さく、したがって、前方空間についてもその容積や形状の自由度が小さくなってしまい、このため可聴域でのマイクロホン感度の均一性を確保する上で不十分なものとなってしまう、という問題がある。また、このような構成を採用した場合には、マイクロホンエレメントがベース基板に載置固定された一般的な構成のコンデンサマイクロホンにおいて、可聴域でのマイクロホン感度の均一性を確保することはできない、という問題がある。
　本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたマイクロホンエレメントを有するコンデンサマイクロホンにおいて、マイクロホンエレメントがベース基板に載置固定された構成であっても、マイクロホン感度の均一性を確保することができるコンデンサマイクロホンを提供することを目的とするものである。
　本願発明は、筐体内において前方空間を外周空間と仕切るための構成に工夫を施すことにより、上記目的達成を図るようにしたものである。
　すなわち、本願発明に係るコンデンサマイクロホンは、
　中央開口部が形成されたシリコン基板上に、振動膜と固定電極とが対向配置されてなるコンデンサ構造部が、上記中央開口部を塞ぐようにして積層形成されてなるマイクロホンエレメントと、
　上記コンデンサ構造部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子と、
　上記マイクロホンエレメントおよび上記インピーダンス変換素子を載置固定するベース基板と、
　上記マイクロホンエレメントおよび上記インピーダンス変換素子を覆うようにして上記ベース基板に固定されたカバーと、を備え、
　上記カバーの上面壁における上記コンデンサ構造部の上方位置に、該コンデンサ構造部に音を導くための音孔が形成されており、
　上記カバーの上面壁と上記マイクロホンエレメントとの間に、上記コンデンサ構造部と上記音孔との間の前方空間とこの前方空間を囲む外周空間とを仕切る音道壁が配置されているものである。
　上記構成において「上面壁」や「上方位置」等の方向性を示す用語は、コンデンサマイクロホンを構成する各部材相互間の位置関係を明確にするために便宜上用いたものであって、これによりコンデンサマイクロホンを実際に使用する際の方向性が限定されるものではない。
　上記「カバー」は、ベース基板に固定されることにより、このベース基板とでマイクロホンエレメントおよびインピーダンス変換素子を覆う筐体を形成する部材であれば、その具体的な構成やベース基板に対する固定構造等は特に限定されるものではない。その際、この「カバー」の具体的な構成としては、例えば、金属板をプレス成形することにより単一の部材として構成されたもの、あるいは、マイクロホンエレメントおよびインピーダンス変換素子を囲むようにしてベース基板に載置固定された環状部材と、この環状部材の上面に載置固定された蓋状部材とで構成されたもの等が採用可能である。
　上記「音道壁」は、前方空間と外周空間と仕切るように形成された部材であれば、その高さや断面形状等の具体的構成は特に限定されるものではない。また、この「音道壁」は、マイクロホンエレメントの一部として構成されたものであってもよいし、マイクロホンエレメントとは別部材で構成されたものであってもよい。
　上記構成に示すように、本願発明に係るコンデンサマイクロホンは、シリコン基板上にコンデンサ構造部が積層形成されてなるマイクロホンエレメントが、インピーダンス変換素子と共にベース基板に載置固定された構成となっており、そして、これらマイクロホンエレメントおよびインピーダンス変換素子を覆うようにしてベース基板に固定されたカバーには、その上面壁におけるコンデンサ構造部の上方位置に、このコンデンサ構造部に音を導くための音孔が形成されているが、このカバーの上面壁とマイクロホンエレメントとの間には、コンデンサ構造部と音孔との間の前方空間とこの前方空間を囲む外周空間と仕切る音道壁が配置されているので、次のような作用効果を得ることができる。
　すなわち、ベース基板とカバーとで構成される筐体内において、前方空間と外周空間とが音道壁により仕切られているので、前方空間の容積を小さくすることができる。
　しかも、この音道壁には、コンデンサ構造部に対する電気的接続機能は不要であり、その機能を前方空間と外周空間との仕切り機能に特化させることができるので、前方空間の容積や形状の自由度を高めることができ、これにより可聴域でのマイクロホン感度の均一性を確保することが容易に可能となる。
　このように本願発明によれば、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたマイクロホンエレメントを有するコンデンサマイクロホンにおいて、マイクロホンエレメントがベース基板に載置固定された構成であっても、マイクロホン感度の均一性を確保することができる。
　上記構成において、音道壁の少なくとも一部が、マイクロホンエレメントの上面に積層形成されたレジスト層で構成されたものとすれば、マイクロホンエレメントをＭＥＭＳ技術を用いて積層形成する工程において、音道壁についてもその少なくとも一部を積層形成することができる。したがって、音道壁の配置を比較的容易に行うことができ、かつその位置精度を高めることができる。
　その際、音道壁がレジスト層のみにより構成されたものとした上で、このレジスト層が、その上端面をカバーの上面壁に当接させるとともに上下方向に圧縮弾性変形した状態で配置された構成とすれば、次のような作用効果を得ることができる。
　すなわち、音道壁がレジスト層のみにより構成されたものとすることにより、マイクロホンエレメントの積層形成工程において音道壁もその全体を同時に積層形成することができるので、音道壁の配置を容易にかつ位置精度良く行うことができる。しかも、この音道壁として積層形成されたレジスト層は、その上端面がカバーの上面壁に当接するとともに上下方向に圧縮弾性変形した状態で配置されているので、音道壁がレジスト層のみにより構成されているにもかかわらず、前方空間と外周空間とを確実に仕切ることができる。その際、マイクロホンエレメントの上端面とカバーの上面壁との間隔に多少のバラツキがあっても、音道壁として積層形成されたレジスト層の圧縮弾性変形作用により、その仕切り機能を維持することができる。
　一方、音道壁の一部がレジスト層で構成されたものとした上で、このレジスト層の上端面とカバーの上面壁との間に弾性部材が介装された構成とすることも可能である。このような構成を採用した場合においても、前方空間と外周空間とを確実に仕切ることができる。
　上記構成において、カバーの上面壁に、音孔の外周形状に沿って下方へ突出する環状フランジ部が形成された構成とすれば、この環状フランジ部においても音道壁との面接触が行われるようにすることができ、これにより前方空間と外周空間との仕切り機能を一層高めることができる。また、このような構成を採用した場合には、環状フランジ部を音道壁と係合させることよって、カバーをベース基板に固定する際の位置決めを行うことも可能である。さらに、音道壁の一部を構成するレジスト層の上端面とカバーの上面壁との間に弾性部材が介装される構成とした場合には、この弾性部材を環状フランジ部に係合させることによって、これを所定位置に仮止めすることができ、これによりコンデンサマイクロホンを組み付ける際の作業性を高めることができる。
　上記構成において、シリコン基板およびベース基板のうちの少なくとも一方に、シリコン基板の中央開口部と外周空間とを連通させる連通孔が形成された構成とすれば、次のような作用効果を得ることができる。
　すなわち、コンデンサマイクロホンにおいては、そのコンデンサ構造部の下方に位置する空間（以下「後方空間」という）が小さいと、振動膜を変位させるのに必要な力が大きくなるので、振動膜が変位しにくくなり、このため所要の音響特性を確保することができなくなってしまう。そこで、シリコン基板およびベース基板のうちの少なくとも一方に連通孔を形成して、シリコン基板の中央開口部と外周空間とを連通させるようにすれば、後方空間の容積を十分に大きくすることができ、これにより所要の音響特性を確保することができる。その際、本願発明に係るコンデンサマイクロホンにおいては、音道壁により前方空間と外周空間とが仕切られているので、上記連通孔を形成しても前方空間と後方空間とが外周空間を介して連通することはなく、したがってマイクロホン機能に支障を来たしてしまうおそれはない。
　この場合において、連通孔として、シリコン基板の下端部の一部を切除することにより形成された構成とすれば、マイクロホンエレメントの積層形成工程において連通孔も同時に形成することができる。また、連通孔として、ベース基板の上面を凹溝状に切除することにより形成された構成とすれば、マイクロホンエレメントの積層形成工程を簡素化することができる。
本願発明の一実施形態に係るコンデンサマイクロホンを、上向きに配置した状態で示す側断面図 上記コンデンサマイクロホンのマイクロホンエレメントを詳細に示す側断面図であって、図３のII－II線に沿った断面図 図２のIII－III線断面図 上記マイクロホンエレメントの製造工程を示す側断面図（その１） 上記マイクロホンエレメントの製造工程を示す側断面図（その２） 上記マイクロホンエレメントの製造工程を示す側断面図（その３） 上記実施形態の第１変形例を示す、図１と同様の図 上記実施形態の第２変形例を示す、図１と同様の図 上記実施形態の第３変形例を示す、図１と同様の図
　以下、図面を用いて、本願発明の実施の形態について説明する。
　図１は、本願発明の一実施形態に係るコンデンサマイクロホン１０を、上向きに配置した状態で示す側断面図である。
　同図に示すように、本実施形態に係るコンデンサマイクロホン１０は、マイクロホンエレメント２０と、ＩＣチップ４０と、ベース基板５０と、カバー６０とを備えてなっている。そして、このコンデンサマイクロホン１０は、そのベース基板５０の下面において、外部機器（例えば携帯電話機等）のプリント基板（図示せず）に表面実装された状態で使用されるようになっている。
　マイクロホンエレメント２０は、中央開口部２２ａが形成されたシリコン基板２２上に、振動膜２４と固定電極２６とが対向配置されており、これによりコンデンサ構造部Ｃが構成されるようになっている。このコンデンサマイクロホン１０のマイクロホンエレメント２０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるようになっている（これについては後述する）。
　ＩＣチップ４０は、振動膜２４の振動に伴って生じる、この振動膜２４と固定電極２６との間の静電容量の変化を、電気インピーダンス変換して電気信号として取り出すとともに、この電気信号を増幅するように構成されている。
　ベース基板５０は、平面視において長辺が４ｍｍ程度の長方形の外形形状を有する絶縁基板の上下両面に、複数の導電層（図示せず）が所定の配線パターンで形成された構成となっている。そして、このベース基板５０は、その上面において、マイクロホンエレメント２０およびＩＣチップ４０を載置固定するようになっている。その際、マイクロホンエレメント２０の載置固定は、このマイクロホンエレメント２０を、そのシリコン基板２２の下面において、ベース基板５０の上面に接着することにより行われている。また、ＩＣチップ４０の載置固定は、このＩＣチップ４０をマイクロホンエレメント２０と隣接するように配置した状態で、ベース基板５０の上面に接着することにより行われている。なお、これらの接着は、例えばエポキシ系接着剤等を用いて行われるようになっている。
　ＩＣチップ４０は、図示しない電源用端子、出力用端子、アース用端子およびバイアス用端子とを備えている。そして、このＩＣチップ４０は、その電源用端子、出力用端子およびアース用端子が、ベース基板５０に形成された各導電層にそれぞれボンディングワイヤ４２を介して電気的に接続されるとともに、そのバイアス用端子が、振動膜２４の端子部３２Ａにボンディングワイヤ４４を介して電気的に接続されている。
　また、マイクロホンエレメント２０における固定電極２６の端子部３２Ｂは、ベース基板５０に形成されたアース用の導電層にボンディングワイヤ４６を介して電気的に接続されている。
　カバー６０は、マイクロホンエレメント２０およびＩＣチップ４０を覆うようにして、ベース基板５０に載置固定されている。そして、このカバー６０とベース基板５０とにより、マイクロホンエレメント２０およびＩＣチップ４０を収容する筐体が構成されるようになっている。
　このカバー６０は、金属板にプレス成形を施すことにより形成されている。このこのカバー６０は、ベース基板５０と平行に延びる上面壁６０Ａと、この上面壁６０Ａの外周縁部から下方へ延びる周面壁６０Ｂとからなっている。そして、このカバー６０のベース基板５０への載置固定は、ベース基板５０の上面における外周縁部に形成されたアース用の導電層に対して、その周面壁６０Ｂの下端縁をハンダ付けすることにより行われている。
　このカバー６０の上面壁６０Ａにおけるコンデンサ構造部Ｃの上方位置には、このコンデンサ構造部Ｃに音を導くための音孔６０ａが形成されている。この音孔６０ａは、φ０．８ｍｍ程度の直径を有する円形の開口形状を有している。
　上記筐体内におけるカバー６０の上面壁６０Ａとマイクロホンエレメント２０との間には、コンデンサ構造部Ｃと音孔６０ａとの間の前方空間Ｃ１とこの前方空間Ｃ１を囲む外周空間Ｃ３とを仕切るための筒状の音道壁７０が配置されている。
　この音道壁７０は、音孔６０ａを囲むようにして上下方向に円筒形に延びるように形成されている。その際、この音道壁７０の内径は、φ１ｍｍ程度の値に設定されており、その肉厚は、０．０５～０．１ｍｍ程度の値に設定されている。
　この音道壁７０は、マイクロホンエレメント２０の上面に積層形成されたレジスト層で構成されている（これについては後述する）。
　図２は、マイクロホンエレメント２０を詳細に示す側断面図であり、図３は、図２のIII－III線断面図である。なお、図２は、図３のII－II線に沿った断面図である。
　これらの図に示すように、このマイクロホンエレメント２０は、中央開口部２２ａが形成されたシリコン基板２２上に、振動膜２４と固定電極２６とが対向配置されており、これによりコンデンサ構造部Ｃが構成されるようになっている。
　シリコン基板２２は、シリコンウエハから１．６ｍｍ角程度の大きさに切り出された単結晶シリコンのチップで構成されており、０．４ｍｍ程度の板厚を有している。このシリコン基板２２の中央開口部２２ａは、エッチング加工により円柱状に形成されている。その際、この中央開口部２２ａは、その内径がφ０．９ｍｍ程度に設定されている。
　そして、このシリコン基板２２の上面における中央開口部２２ａの周囲には、シリコン酸化膜からなる絶縁層２８が積層形成されている。また、このシリコン基板２２の下面には、シリコン酸化膜からなる薄い絶縁層３６が熱酸化処理により形成されている。
　固定電極２６は、多結晶シリコンからなり、絶縁層２８の上面に、中央開口部２２ａを塞ぐようにして積層形成されている。この固定電極２６には、複数の貫通孔２６ａが中央開口部２２ａに臨むようにして形成されている。
　これら各貫通孔２６ａの孔径は、φ５～２０μｍが適している。その理由は以下のとおりである。すなわち、孔径が小さくなりすぎると、音響抵抗が大きくなり、振動膜２４の振動を抑制してしまう傾向にある、一方、孔径が大きくなりすぎると、固定電極２６の面積が小さくなり、振動膜２４と対となってコンデンサ構造部Ｃを形成する面積が小さくなり、結果としてマイクロホン感度が低下してしまう傾向にある。
　この固定電極２６の上面には、シリコン酸化膜からなる絶縁層３０が積層形成されている。その際、この絶縁層３０には、中央開口部２２ａよりもやや小さい内径の円形開口部３０ａが形成されており、その周囲には一箇所に貫通孔３０ｂが形成されている。
　この絶縁層３０の厚さは、２～６μｍが最適である。その理由は以下のとおりである。すなわち、この絶縁層３０は、固定電極２６と振動膜２４とのギャップを決定する層であるが、その膜厚を薄くしすぎると、固定電極２６と振動膜２４との粘性抵抗が大きくなり、十分な振動膜２４の変位が得られない傾向にある。逆に、この絶縁層３０の膜厚を厚くしすぎると、コンデンサ構造部Ｃの静電容量がそのギャップに反比例することから、マイクロホン感度が低下してしまう傾向にある。
　この絶縁層３０の上面における対角線上の２箇所には、１対の端子部３２Ａ、３２Ｂが、金属薄膜からなる導電層として積層形成されている。その際、一方の端子部３２Ａは、その一部が振動膜２４の上面に接触するように形成されており、他方の端子部３２Ｂは、その一部が絶縁層３０の貫通孔３０ｂを介して固定電極２６に接触するように形成されている。これら各端子部３２Ａ、３２Ｂとなる金属としては、アルミニウム、クロム／金、チタン／白金などが好適に利用される。
　振動膜２４は、多結晶シリコンからなり、固定電極２６の上方近傍において該固定電極２６と平行に延びるように配置されている。その際、この振動膜２４は、絶縁層３０の円形開口部３０ａよりもやや大きい円形の外形形状を有しており、その外周縁部において絶縁層３０に積層形成されている。そして、この振動膜２４の中心部には、複数の微小貫通孔２４ａが通気用として形成されている。
　この振動膜２４の膜厚は、０．５～２μｍが最適である。その理由は以下のとおりである。すなわち、この振動膜２４の膜厚を薄くしすぎると、共振周波数が小さくなりすぎる傾向にあり、可聴域に振動膜２４の共振が現れる可能性がある。一方、この振動膜２４の膜厚を厚くしすぎると、振動膜２４が硬くなり、マイクロホン感度が低下してしまう傾向にある。なお、この振動膜２４の構成として、シリコン基板２２上に樹脂膜および金属膜を積層形成したものを採用することも可能である。
　絶縁層３０の上面には、フォトレジストからなる表面保護層３４が積層形成されている。その際、この表面保護層３４は、振動膜２４の外周縁部および１対の端子部３２Ａ、３２Ｂを覆うように形成されている。そして、この表面保護層３４の外周縁部の２箇所には、１対の端子部３２Ａ、３２Ｂを露出させるための１対の孔３４ａ、３４ｂが形成されている。
　そして、この表面保護層３４の上面には、音孔６０ａを囲むようにして上下方向に円筒形に延びるレジスト層が形成されており、これにより音道壁７０を構成するようになっている。
　この音道壁７０を構成するレジスト層は、永久フォトレジストと呼ばれる有機化合物で形成されている。この永久フォトレジストとしては、例えば、東京応化工業社製ＴＭＭＲシリーズＳ２０００、日本化薬社製ＳＵ－８シリーズ３０００等を用いることが可能である。これらの永久フォトレジストは高膜厚化が可能であり、いろいろな膜厚に調整することも可能であり、また適度な弾力性を有している。
　この音道壁７０を構成するレジスト層は、その上端面をカバー６０の上面壁６０Ａの下面に当接させるとともに上下方向に圧縮弾性変形した状態で配置されている。
　すなわち、この音道壁７０を構成するレジスト層は、無負荷状態では、図２において２点鎖線で示すように、カバー６０の上面壁６０Ａとマイクロホンエレメント２０の上面（すなわち表面保護層３４の上面）との間隔よりもやや高くなるように形成されている。例えば、上記間隔が０．３ｍｍ程度であるとすると、その１割増しの０．３３ｍｍ程度の値）で形成されている。そして、この音道壁７０を構成するレジスト層は、カバー６０がベース基板５０に載置固定された状態では、その上面壁６０Ａとの当接により下方へ押圧されて、上下方向に多少圧縮弾性変形した状態となる。
　シリコン基板２２は、その下端部が４箇所において径方向に切除されており、これにより４つの凹溝部２２ｂが形成されている。これら４つの凹溝部２２ｂは、平面視において十字配置で４箇所に形成されている。その際、これら各凹溝部２２ｂは、シリコン基板２２の下端部の一部を、その下端面から台形の断面形状で直線状に切除することにより形成されている。そして、これら４つの凹溝部２２ｂとベース基板５０の上面とで、中央開口部２２ａと外周空間Ｃ３とを連通させる連通孔８０を４箇所に形成するようになっている。
　そしてこれにより、図１に示すように、コンデンサ構造部Ｃの下方に位置する後方空間Ｃ２を、中央開口部２２ａ分の容積から、これに外周空間Ｃ３の容積と４箇所の連通孔８０の容積とを合わせた容積まで拡大させるようになっている。
　次に、マイクロホンエレメント２０の製造工程について説明する。
　図４～６は、このマイクロホンエレメント２０の製造工程を示す側断面図である。
　まず、図４（ａ）に示すように、ハンドルレイヤとしての厚いシリコン層１２２の上面に、シリコン酸化膜１２８とデバイスレイヤとしての薄いシリコン層１２６とが、この順で積層されてなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ１００を用意する。なお、図４（ａ）においては、ＳＯＩウエハ１００を、１つのマイクロホンエレメント２０のサイズ分の大きさで示している（図中の２点鎖線は全体形状の一部を示している）。
　次に、同図（ｂ）に示すように、このＳＯＩウエハ１００を熱酸化させ、その上下両面に、薄いシリコン酸化膜１３６、１０２をそれぞれ形成する。
　次に、同図（ｃ）に示すように、ＳＯＩウエハ１００のシリコン層１２２の下端部に、平面視において格子状配置で凹溝部１２２ｂを形成する。その際、まず、下面のシリコン酸化膜１３６をエッチングし、このエッチングされたシリコン酸化膜１３６をマスクとして、異方性ウェットエッチングを行い、シリコン層１２２に複数の凹溝部１２２ｂを形成する。これら凹溝部１２２ｂは、マイクロホンエレメント２０の凹溝部２２ｂとなるべきものである。
　次に、同図（ｄ）に示すように、ＳＯＩウエハ１００のシリコン層１２６に微細な孔１２６ａをエッチングにより形成する。これらの孔１２６ａは、マイクロホンエレメント２０において固定電極２６の貫通孔２６ａとなるべきものである。
　次に、図５（ｅ）に示すように、シリコン層１２６の孔１２６ａを、シリコン酸化膜１０４および多結晶シリコン薄膜１０６で再充填する。これらシリコン酸化膜１０４および多結晶シリコン薄膜１０６はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより製膜することが可能である。
　次に、同図（ｆ）に示すように、シリコン層１２６の表面にシリコン酸化膜１３０を形成する。このシリコン酸化膜１３０は、その一部にシリコン酸化膜１０４を含むものとなる。このシリコン酸化膜１３０は、固定電極２６と振動膜２４とのギャップを決定する絶縁層３０となるべきものである。
　さらに、シリコン酸化膜１３０を部分的にエッチングして小孔１３０ａを形成し、ＳＯＩウエハ１００のシリコン層１２６との電気的接続がとれるようにパターニングする。
　次に、同図（ｇ）に示すように、シリコン酸化膜１３０の上面に、多結晶シリコン薄膜１２４を製膜する。その際、微細な孔１２４ａが形成されるように部分的にエッチングしてパターニングする。この多結晶シリコン薄膜１２４は、振動膜２４となるべきものである。
　次に、同図（ｈ）に示すように、シリコン酸化膜１３０の上面の２箇所に、金属薄膜１３２Ａ、１３２Ｂの製膜およびパターニングを行う。これら金属薄膜１３２Ａ、１３２Ｂは、それぞれ端子部３２Ａ、３２Ｂとなるべきものである。
　次に、図６（ｉ）に示すように、シリコン酸化膜１３０の上面に、フォトレジストをスピンコートしてパターニングし、パッシベーション膜１３４を形成する。このパッシベーション膜１３４は、表面保護膜３４となるべきものである。このパッシベーション膜１３４は、フォトレジスト以外にもパリレン、酸化シリコンなどが好適に利用される。その際、金属薄膜１３２Ａ、１３２Ｂとの電気的接続がとれるようにするため、このパッシベーション膜１３４の２箇所に小孔１３４ａ、１３４ｂを形成しておく。
　次に、同図（ｊ）に示すように、パッシベーション膜１３４の上面に、永久フォトレジスト（例えば東京応化工業製ＴＭＭＲシリーズＳ２０００）をスピンコート、露光、現像してパターニングし、レジスト層１７０として形成する。このレジスト層１７０は、音道壁７０となるべきものである。その際、このレジスト層１７０の高さは、スピンコートの回転速度と回転時間とにより調整する。
　次に、同図（ｋ）に示すように、ＳＯＩウエハ１００の下面から、ＤＲＩＥ（すなわち深堀り反応性エッチング）によりシリコン層１２２をエッチングし、ＢＯＸ層となるシリコン酸化膜１０４でＤＲＩＥを終了する。そしてこれにより、円柱状の中央開口部１２２ａを形成する。この中央開口部１２２ａは、中央開口部２２ａとなるべきものである。
　そして、この中央開口部１２２ａの下方から、フッ化水素ガスおよびフッ化キセノンガスにより、シリコン酸化膜１２８、シリコン層１２６に再充填された多結晶シリコン薄膜１０６およびシリコン酸化膜１３０をドライエッチングして、多結晶シリコン薄膜１２４を、同図（ｌ）に示すように、振動膜２４としてリリースする（すなわち振動膜２４を振動可能な状態とする）。
　最後に、ダイシングにより、ＳＯＩウエハ１００からマイクロホンエレメント２０をチップとして個片化する。
　次に、本実施形態の作用効果について説明する。
　本実施形態に係るコンデンサマイクロホン１０は、シリコン基板２２上にコンデンサ構造部Ｃが積層形成されてなるマイクロホンエレメント２０が、ＩＣチップ４０と共にベース基板５０に載置固定された構成となっており、そして、これらマイクロホンエレメント２０およびＩＣチップ４０を覆うようにしてベース基板５０に固定されたカバー６０には、その上面壁６０Ａにおけるコンデンサ構造部Ｃの上方位置に、このコンデンサ構造部Ｃに音を導くための音孔６０ａが形成されているが、このカバー６０の上面壁６０Ａとマイクロホンエレメント２０との間には、コンデンサ構造部Ｃと音孔６０ａとの間の前方空間Ｃ１とこの前方空間Ｃ１を囲む外周空間Ｃ３と仕切る音道壁７０が配置されているので、次のような作用効果を得ることができる。
　すなわち、ベース基板５０とカバー６０とで構成される筐体内において、前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３とが音道壁７０により仕切られているので、前方空間Ｃ１の容積を小さくすることができる。そしてこれにより、前方空間Ｃ１の共鳴周波数を、可聴域（一般的に２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ）よりも十分に高い５０ｋＨｚ以上の値に設定することができる。
　しかも、この音道壁７０には、コンデンサ構造部Ｃに対する電気的接続機能は不要であり、その機能を前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３との仕切り機能に特化させることができるので、前方空間Ｃ１の容積や形状の自由度を高めることができ、これにより可聴域でのマイクロホン感度の均一性を確保することが容易に可能となる。
　このように本実施形態によれば、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されたマイクロホンエレメント２０を有するコンデンサマイクロホン１０において、マイクロホンエレメント２０がベース基板５０に載置固定された構成であっても、マイクロホン感度の均一性を確保することができる。
　特に本実施形態においては、音道壁７０が、マイクロホンエレメント２０の上面に積層形成されたレジスト層で構成されているので、マイクロホンエレメント２０をＭＥＭＳ技術を用いて積層形成する工程において、音道壁７０についても同時に積層形成することができ、これにより音道壁７０の配置を容易にかつ位置精度良く行うことができる。しかも、この音道壁７０として積層形成されたレジスト層は、その上端面がカバー６０の上面壁６０Ａに当接するとともに上下方向に圧縮弾性変形した状態で配置されているので、音道壁７０がレジスト層のみにより構成されているにもかかわらず、前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３とを確実に仕切ることができる。その際、マイクロホンエレメント２０の上端面とカバー６０の上面壁６０Ａとの間隔に多少のバラツキがあっても、音道壁７０として積層形成されたレジスト層の圧縮弾性変形作用により、その仕切り機能を維持することができる。
　また本実施形態においては、シリコン基板２２の下端部に、４つの凹溝部２２ｂが形成されており、これら凹溝部２２ｂとベース基板５０の上面とで、中央開口部２２ａと外周空間Ｃ３とを連通させる４つの連通孔８０を形成するようになっているので、コンデンサ構造部Ｃの下方に位置する後方空間Ｃ２を、中央開口部２２ａ分の容積から、これに外周空間Ｃ３の容積と４箇所の連通孔８０の容積とを加えた大きさの容積まで拡大することができ、これにより所要の音響特性を確保することができる。
　その際、本実施形態に係るコンデンサマイクロホン１０においては、音道壁７０により前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３とが仕切られているので、連通孔８０を形成しても前方空間Ｃ１と後方空間Ｃ２とが外周空間Ｃ３を介して連通することはなく、したがってマイクロホン機能に支障を来たしてしまうおそれはない。
　また、連通孔８０は、シリコン基板２２の下端部の一部を切除することにより形成されているので、マイクロホンエレメント２０の積層形成工程において連通孔８０についても同時に形成することができる。
　次に、上記実施形態の変形例について説明する。
　まず、上記実施形態の第１変形例について説明する。
　図７は、本変形例に係るコンデンサマイクロホン２１０を示す、図１と同様の図である。
　同図に示すように、本変形例に係るコンデンサマイクロホン２１０は、その基本的な構成については上記実施形態の場合と同様であるが、音道壁２７０の構成が上記実施形態の場合と異なっている。
　すなわち、上記実施形態の音道壁７０は、マイクロホンエレメント２０の上面に積層形成されたレジスト層のみにより構成されているが、本変形例の音道壁２７０は、マイクロホンエレメント２０の上面に積層形成されたレジスト層２７２と、このレジスト層２７２の上端面とカバー６０の上面壁６０Ａとの間に介装された円環状の弾性部材２７４とで構成されている。
　本変形例のレジスト層２７２は、その高さ方向の寸法が、マイクロホンエレメント２０の上面とカバー６０の上面壁６０Ａの下面との間隔よりも小さい値に設定されている。
　弾性部材２７４は、レジスト層２７２よりも弾性率が低い部材で構成されている。その際、この弾性部材２７４の幅は、レジスト層２７２の幅よりもある程度広い幅で形成されており、その厚さは、レジスト層２７２の上端面とカバー６０の上面壁６０Ａの下面との間隔よりもやや大きめの値に設定されている。そして、この音道壁２７０においては、主として弾性部材２７４が上下方向に弾性圧縮変形するようになっている。
　本変形例の構成を採用することによっても、前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３とを確実に仕切ることができる。また、本変形例の構成を採用することにより、レジスト層２７２を積層形成する際の精度を粗く設定することも可能となる。
　次に、上記実施形態の第２変形例について説明する。
　図８は、本変形例に係るコンデンサマイクロホン３１０を示す、図１と同様の図である。
　同図に示すように、本変形例に係るコンデンサマイクロホン３１０は、その基本的な構成については上記第１変形例の場合と同様であるが、その音道壁３７０およびカバー３６０の構成が上記第１変形例の場合と異なっている。
　すなわち、本変形例のカバー３６０は、その上面壁３６０Ａに、音孔３６０ａの外周形状に沿って下方へ突出する環状フランジ部３６０ｂが形成された構成となっている。
　また、本変形例の音道壁３７０は、上記第１変形例の音道壁２７０と同様、マイクロホンエレメント２０の上面に積層形成されたレジスト層３７２と、このレジスト層３７２の上端面とカバー３６０の上面壁３６０Ａの下面との間に介装された弾性部材３７４とで構成されているが、これらレジスト層３７２および弾性部材３７４は、上記第１変形例のレジスト層２７２および弾性部材２７４よりもやや大きい径で形成されている。そしてこれにより、弾性部材３７４は、その内周面においてカバー３６０の環状フランジ部３６０ｂの外周面と面接触するようになっている。
　本変形例の構成を採用することにより、前方空間Ｃ１と外周空間Ｃ３との仕切り機能を一層高めることができる。また、カバー３６０の環状フランジ部３６０ｂを音道壁２７０の弾性部材３７４と係合させることにより、この弾性部材３７４を所定位置に仮止めすることができ、これによりコンデンサマイクロホン１０を組み付ける際の作業性を高めることができる。
　次に、上記実施形態の第３変形例について説明する。
　図９は、本変形例に係るコンデンサマイクロホン４１０を示す、図１と同様の図である。
　同図に示すように、本変形例に係るコンデンサマイクロホン４１０は、その基本的な構成については上記実施形態の場合と同様であるが、そのマイクロホンエレメント４２０のシリコン基板４２２およびベース基板４５０の構成が上記実施形態の場合と異なっている。
　すなわち、本変形例のシリコン基板４２２には、中央開口部４２２ａは形成されているが、上記実施形態のシリコン基板２２における凹溝部２２ｂに相当する凹溝部は形成されていない。
　一方、本変形例のベース基板４５０には、その上面が４箇所において凹溝状に切除されている。そして、これら４箇所に形成された凹溝部４５０ａとシリコン基板４２２の下端面とにより、中央開口部２２ａと外周空間Ｃ３とを連通させる連通孔４８０を４箇所に形成するようになっている。
　本変形例の構成を採用した場合においても、後方空間Ｃ２の容積を十分大きなものとすることができ、これにより所要の音響特性を確保することができる。また、本変形例の構成を採用することにより、ベース基板４５０の構成を簡素化することができるので、マイクロホンエレメント４２０の積層形成工程についても簡素化することができる。
　なお、４箇所の凹溝部４５０ａの形成は、例えば、ベース基板５０の絶縁基板上に積層される複数の導電層を部分的に切除すること等により行うことが可能である。
　その際、本変形例のように、４箇所に凹溝部４５０ａが形成された構成とする代わりに、例えば、２箇所あるいは１箇所にのみ凹溝部４５０ａが形成された構成等とすることも可能である。このようにした場合においても、後方空間Ｃ２の容積を十分大きなものとして、所要の音響特性を確保することができる。また、このような構成とすることにより、凹溝部４５０ａの形成を一層容易に行うことが可能となる。
　なお、上記実施形態および各変形例において諸元として示した数値は一例にすぎず、これらを適宜異なる値に設定してもよいことはもちろんである。
　１０、２１０、３１０、４１０　コンデンサマイクロホン
　２０、４２０　マイクロホンエレメント
　２２、４２２　シリコン基板
　２２ａ、４２２ａ　中央開口部
　２２ｂ、４５０ａ　凹溝部
　２４　振動膜
　２４ａ　微小貫通孔
　２６　固定電極
　２６ａ、３０ｂ　貫通孔
　２８、３０、３６　絶縁層
　３０ａ　円形開口部
　３２Ａ、３２Ｂ　端子部
　３４　表面保護層
　３４ａ、３４ｂ　孔
　４０　ＩＣチップ（インピーダンス変換素子）
　４２、４４、４６　ボンディングワイヤ
　５０、４５０　ベース基板
　６０、３６０　カバー
　６０Ａ、３６０Ａ　上面壁
　６０Ｂ　周面壁
　６０ａ、３６０ａ　音孔
　７０、２７０、３７０　音道壁
　８０、４８０　連通孔
　１００　ＳＯＩウエハ
　１０２、１０４、１２８、１３０、１３６　シリコン酸化膜
　１０６、１２４　多結晶シリコン薄膜
　１２２、１２６　シリコン層
　１２２ａ　中央開口部
　１２２ｂ　凹溝部
　１２４ａ、１２６ａ　微細な孔
　１３０ａ、１３４ａ、１３４ｂ　小孔
　１３２Ａ、１３２Ｂ　金属薄膜
　１３４　パッシベーション膜
　１７０　レジスト層
　２７２、３７２　レジスト層
　２７４、３７４　弾性部材
　３６０ｂ　環状フランジ部
　Ｃ　コンデンサ構造部
　Ｃ１　前方空間
　Ｃ２　後方空間
　Ｃ３　外周空間

Claims (7)

  1. 　中央開口部が形成されたシリコン基板上に、振動膜と固定電極とが対向配置されてなるコンデンサ構造部が、上記中央開口部を塞ぐようにして積層形成されてなるマイクロホンエレメントと、
    　上記コンデンサ構造部の静電容量の変化を電気インピーダンス変換するインピーダンス変換素子と、
    　上記マイクロホンエレメントおよび上記インピーダンス変換素子を載置固定するベース基板と、
    　上記マイクロホンエレメントおよび上記インピーダンス変換素子を覆うようにして上記ベース基板に固定されたカバーと、を備え、
    　上記カバーの上面壁における上記コンデンサ構造部の上方位置に、該コンデンサ構造部に音を導くための音孔が形成されており、
    　上記カバーの上面壁と上記マイクロホンエレメントとの間に、上記コンデンサ構造部と上記音孔との間の前方空間とこの前方空間を囲む外周空間とを仕切る音道壁が配置されているコンデンサマイクロホン。
  2. 　上記音道壁の少なくとも一部が、上記マイクロホンエレメントの上面に積層形成されたレジスト層で構成されている請求項１記載のコンデンサマイクロホン。
  3. 　上記音道壁が上記レジスト層のみにより構成されており、
    　このレジスト層が、該レジスト層の上端面を上記カバーの上面壁に当接させるとともに上下方向に圧縮弾性変形した状態で配置されている請求項２記載のコンデンサマイクロホン。
  4. 　上記カバーの上面壁に、上記音孔の外周形状に沿って下方へ突出する環状フランジ部が形成されている請求項１～３いずれか記載のコンデンサマイクロホン。
  5. 　上記シリコン基板および上記ベース基板のうちの少なくとも一方に、上記シリコン基板の中央開口部と上記外周空間とを連通させる連通孔が形成されている請求項１～４いずれか記載のコンデンサマイクロホン。
  6. 　上記連通孔が、上記シリコン基板の下端部の一部を切除することにより形成されている請求項５記載のコンデンサマイクロホン。
  7. 　上記連通孔が、上記ベース基板の上面を凹溝状に切除することにより形成されている請求項５記載のコンデンサマイクロホン。
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