静电容量式传感器、声音传感器以及麦克风 |
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| 申请号 | CN201380074426.5 | 申请日 | 2013-09-09 | 公开(公告)号 | CN105191350A | 公开(公告)日 | 2015-12-23 |
| 申请人 | 欧姆龙株式会社; | 发明人 | 内田雄喜; | ||||
| 摘要 | 在 硅 基板 (12)上开口形成有上下贯通的腔室(15)。在硅基板(12)的上表面以 覆盖 腔室(15)的上表面开口的方式配设有膜片(13)。膜片(13)由狭缝(17)分割成位于腔室(15)的上方的区域(第一膜片(13a))与位于硅基板(12)的上表面的上方的区域(第二膜片(13b))。在第一膜片(13a)的上方配设有固定 电极 板(19)，通过第一膜片(13a)与固定电极板(19)形成小音量用的第一声音传感检测部(23a)。另外，通过第二膜片(13b)与硅基板(12)的上表面(导电层(21))形成大音量用的第二声音传感检测部(23b)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种静电容量式传感器，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 静电容量式传感器、声音传感器以及麦克风技术领域[0001] 本发明涉及静电容量式传感器(capacitance type sensor)、声音传感器以及麦克风。具体而言，本发明涉及通过由振动电极板(膜片：diaphragm)与固定电极板组成的电容器结构构成的静电容量式传感器。另外，本发明涉及将声音振动变换为电信号而输出的声音传感器(声音变换器)和使用该声音传感器的麦克风。特别地，本发明涉及使用MEMS(Micro Electro Mechanical System：微电子机械系统)技术所制作的微小尺寸的静电容量式传感器和声音传感器。 背景技术[0002] 到目前为止，作为安装于便携电话机等上的小型的麦克风，驻极体电容式麦克风(Electret Condenser Microphone)被广泛使用。但是，驻极体电容式麦克风不耐热，另外，在数字化的对应、小型化、高功能/多功能化、节能等方面，逊色于MEMS麦克风。因此，目前，MEMS麦克风比较普及。 [0003] MEMS麦克风具有：声音传感器(声音变换器)，检测声音振动并变换为电信号(检测信号)；驱动电路，对该声音传感器施加电压；信号处理电路，对来自声音传感器的检测信号进行放大等信号处理并输出至外部。在MEMS麦克风使用的声音传感器是利用MEMS技术所制造的电容式声音传感器。另外，上述驱动电路以及上述信号处理电路利用半导体制造技术一体地制造来作为ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)。 [0004] 最近，寻求让麦克风以高灵敏度来检测从小的声压到大的声压的声音。一般而言，麦克风的最大输入声压由高次谐波失真率(Total Harmonic Distortion)限制。这是因为，若想要由麦克风检测大的声压的声音，则输出信号会产生高次谐波失真，从而会导致损坏音质和精度。因此，若能够使高次谐波失真率变小，则能够使最大输入声压变大，从而能够扩大麦克风的检测声压范围(下面，称为动态范围)。 [0005] 然而，在一般的麦克风中，声音振动的检测灵敏度提高与高次谐波失真率的降低处于折衷选择(trade-off)的关系。因此，在能够检测小音量(小声压)的声音的高灵敏度的麦克风中，在大音量的声音进入时，输出信号的高次谐波失真率变大，因此，最大检测声压被限制。其原因在于，高灵敏度的麦克风的输出信号变大，容易发生高次谐波失真。相反地，若想要通过降低输出信号的高次谐波失真来使最大检测声压变大，则麦克风的灵敏度变差，从而难以以高品质检测小音量的声音。其结果，在一般的麦克风中，难以具有从小音量(小声压)到大音量(大声压)的声音的宽的动态范围。 [0007] 在专利文献1、2中公开了如下麦克风：设置有多个声音传感器，并且根据声压对来自多个声音传感器的多个信号进行切换或融合。在这样的麦克风中，通过对例如能够检测的声压等级(SPL)为大约30dB～115dB的高灵敏度的声音传感器与能够检测的声压等级为大约60dB～140dB的低灵敏度的声音传感器进行切换来使用，能够构成能够检测的声压等级为大约30dB～140dB的麦克风。另外，在专利文献3、4中，公开了在1个芯片上形成有独立的多个声音传感器的装置。 [0008] 图1的(A)表示专利文献1的高灵敏度的声音传感器中的高次谐波失真率与声压之间的关系。图1的(B)表示专利文献1的低灵敏度的声音传感器中的高次谐波失真率与声压之间的关系。另外，图2表示专利文献1的高灵敏度的声音传感器与低灵敏度的声音传感器中的膜片的平均位移量与声压之间的关系。目前，若容许的高次谐波失真率为20％，则高灵敏度的声音传感器的最大检测声压约为115dB。另外，在高灵敏度的声音传感器中，若声压比约30dB小，则S/N比劣化，因此，最小检测声压为大约30dB。因此，如图1的(A)所示，高灵敏度的声音传感器的动态范围变为大约30dB～115dB。同样地，若容许的高次谐波失真率为20％，则低灵敏度的声音传感器的最大检测声压大约为140dB。另外，低灵敏度的声音传感器的膜片的面积比高灵敏度的声音传感器的膜片的面积小，如图2所示，膜片的平均位移量也比高灵敏度的声音传感器小。因此，低灵敏度的声音传感器的最小检测声压比高灵敏度的声音传感器的最小检测声压大，大约为60dB。其结果，如图1的(B)所示，低灵敏度的声音传感器的动态范围变为大约60dB～140dB。如图1的(C)所示，若使这样的高灵敏度的声音传感器与低灵敏度的声音传感器组合，则能够检测的声压范围变宽至大约30dB～140dB。 [0009] 此外，高次谐波失真率以如下的方式定义。图3的(A)中实线所示的波形是基本的频率f1的正弦波。若对该基本正弦波进行傅立叶变换，则只在频率f1的位置显示频谱分量。图3的(A)的基本正弦波由于某些原因如图3的(A)中虚线所示的波形那样失真。在对该失真波形进行傅立叶变换时，能够得到图3的(B)那样的频谱。即，失真波形在频率f1、f2、…、f5分别具有V1、V2、…、V5的FFT强度(高速傅立叶变换强度)。此时，该失真波形的高次谐波失真率THD由下面的公式1定义。 [0010] [式1] [0011] …(公式1) [0012] 现有技术文献 [0013] 专利文献 [0015] 专利文献2：美国专利申请公开第2010/0183167号说明书 [0016] 专利文献3：特开2008-245267号公报 [0017] 专利文献4：美国专利申请公开第2007/0047746号说明书 发明内容[0018] 发明要解决的问题 [0019] 然而，在专利文献1～4所述的麦克风中，无论是在多个声音传感器形成在不同的芯片上的情况下，还是在多个声音传感器一体形成在1个芯片(基板)上的情况下，各声音传感器都具有相互独立的电容器结构。因此，在上述麦克风中，声音特性会产生偏差以及失配(Mismatching)。因此，声音特性的偏差是指，芯片之间的声音传感器彼此的声音特性的偏差。另外，声音特性的失配是指，同一芯片内的多个声音传感器彼此的声音特性的偏差。 [0020] 具体而言，在各声音传感器形成在不同的芯片上的情况下，因所制作的膜片的弯曲和厚度的偏差等，而产生与检测灵敏度相关的芯片之间的偏差。其结果，与声音传感器之间的检测灵敏度的差相关的芯片之间的偏差变大。另外，即使在独立的各声音传感器一体地形成在共用的芯片上的情况下，在使用MEMS技术来制作各声音传感器的电容器结构时，也容易在膜片与固定电极之间的间隙距离上产生偏差。而且，由于后腔室以及通风孔单独地形成，所以由该后腔室以及通风孔而受到影响的频率特性、相位等的声音特性会产生芯片内的失配。 [0021] 本发明鉴于上述的技术的问题而提出，其目的在于，提供静电容量式传感器以及声音传感器，通过使灵敏度不同的多个传感检测部一体地形成，能够使动态范围变宽且使传感检测部之间的失配也变小，而且能够实现小型化与降低噪声。 [0022] 用于解决问题的手段 [0023] 本发明的静电容量式传感器，其特征在于， [0024] 具有： [0025] 基板，具有至少在上表面开口形成的空洞， [0028] 固定电极板，设置在所述背板上； [0029] 所述振动电极板被分割成位于所述空洞的上方的区域和位于所述基板的上表面的上方的区域， [0030] 由所述振动电极板的位于所述空洞的上方的区域和所述固定电极板来形成第一传感检测部， [0031] 由所述振动电极板的位于所述基板的上表面的上方的区域和所述基板的上表面来形成第二传感检测部。 [0032] 所述振动电极板的构成所述第一传感检测部的区域(即，位于所述空洞的上方的区域)与构成所述第二传感检测部的区域(即，位于所述基板的上表面的上方的区域)由例如形成在振动电极板上的狭缝分割。另外，为了将所述基板的上表面作为第二传感检测部的电极，也可以通过离子注入等对所述基板的上表面进行导电化处理，或者也可以在所述基板的上表面上形成与所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域相对的基板电极。 [0033] 根据本发明的静电容量式传感器，由于振动电极板被分离，所以在振动电极板以及固定电极板之间形成多个传感检测部(可变电容器结构)。因此，能够从分离的各传感检测部分别输出电信号，从而能够将声音振动等的压力变化变换为多个电信号而输出。根据这样的静电容量式传感器，通过例如使每个振动电极板的面积不同或使每个振动电极板的位移量不同，能够使各传感检测部的检测范围和灵敏度不同，因此，通过对信号进行切换或组合，不使灵敏度降低也能够扩大检测范围。 [0034] 另外，上述多个传感检测部对同时制作的振动电极板或固定电极板分离而形成，因此，与具有分别制作而相互独立的多个传感检测部的以往技术相比，各传感检测部彼此的特性偏差变小。其结果，能够使因各传感检测部彼此的检测灵敏度的差所引起的特性偏差变小。另外，由于各传感检测部共用振动电极板与固定电极板，所以能够降低与频率特性、相位等的特性相关的失配。 [0035] 另外，在本发明的静电容量式传感器中，由于第二传感检测部以包围第一传感检测部的方式配置，所以与将第一传感检测部与第二传感检测部左右排列配置的情况相比，能够使静电容量式传感器小型化。 [0036] 本发明的静电容量式传感器的实施方式，其特征在于，从所述基板的上方观察，所述固定电极板形成在与所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域不重合的位置。根据该实施方式，能够降低固定电极板与所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域之间的寄生容量。 [0037] 本发明的静电容量式传感器的其它的实施方式，其特征在于，所述振动电极板在比所述空洞的上表面开口的边缘向所述空洞的内侧偏移的位置，被分割成构成所述第一传感检测部的区域和构成所述第二传感检测部的区域。根据该实施方式，能够降低振动电极板的构成第一传感检测部的区域与基板的上表面之间的寄生容量。另外，由于难以受到构成所述第一传感检测部的区域与基板上表面之间的空气分子的布朗运动的影响，所以第一传感检测部的信号的噪声降低。 [0038] 本发明的静电容量式传感器的另一个其它的实施方式，所述振动电极板的构成所述第一传感检测部的区域和构成所述第二传感检测部的区域局部相连续。在该实施方式中，由于第一传感检测部与第二传感检测部电连接，所以静电容量式传感器的电气布线变简化。另外，若在第一传感检测部与第二传感检测部连接的部位由固定部支撑振动电极板，则能够同时支撑第一传感检测部与第二传感检测部。 [0039] 本发明的静电容量式传感器的另一个其它的实施方式，所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域的外周缘下表面由设置在基板的上表面的固定部支撑。根据该实施方式，由于能够牢固地支撑第二传感检测部，所以能够确保振动电极板的构成第一传感检测部的区域与构成第二传感检测部的区域的振动的独立性，从而能够防止第一传感检测部与第二传感检测部的信号的干扰。 [0040] 本发明的静电容量式传感器的另一个其它的实施方式，所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域的面积比所述振动电极板的构成所述第一传感检测部的区域的面积小。根据该实施方式，第一传感检测部成为高灵敏度的传感检测部，第二传感检测部成为低灵敏度的传感检测部。 [0041] 本发明的静电容量式传感器的另一个其它的实施方式，所述振动电极板的构成所述第二传感检测部的区域进一步被分割成面积比较大的区域和面积比较小的区域。根据该实施方式，能够进一步扩大静电容量式传感器的动态范围。 [0042] 本发明的声音传感器是利用本发明的静电容量式传感器的声音传感器，其特征在于， [0043] 在所述背板以及所述固定电极板上形成有用于使声音振动通过的多个孔，[0044] 从所述第一传感检测部和所述第二传感检测部分别输出灵敏度不同的信号。 [0045] 在使薄膜共有化并分割电极而具有多个传感检测部的声音传感器中，在施加大声压的声音振动的情况下，在灵敏度高的第一传感检测部，振动电极板与背板碰撞而容易产生失真振动。但是，由于本发明的声音传感器的第二传感检测部成为难以受到背板的失真振动的影响的结构，所以能够防止因在高灵敏度侧产生的失真振动使低灵敏度侧的第二传感检测部的高次谐波失真变大，从而能够防止声音传感器的动态范围变窄。 [0046] 本发明的麦克风，其特征在于，具有本发明的声音传感器和将来自所述声音传感器的信号放大并向外部输出的电路部。在本发明的麦克风中，能够防止因在高灵敏度侧产生的失真振动而使低灵敏度侧的传感检测部的高次谐波失真变大，从而能够防止麦克风的动态范围变窄。 [0047] 本发明的麦克风的实施方式，所述电路部具有相位反转用电路，该相位反转用电路使所述第一传感检测部的输出信号或所述第二传感检测部的输出信号中的任一个输出信号的相位反转。在本发明的这样的结构的声音传感器(静电容量式传感器)中，在从第一传感检测部输出的信号与从第二传感检测部输出的信号中，信号的相位反转。但是，在该实施方式中，能够由相位反转用电路使第一传感检测部的输出信号与第二传感检测部的输出信号中的任一个输出信号的相位反转，因此，在电路部中，能够使第一传感检测部的输出信号与第二传感检测部的输出信号的相位一致来进行处理。 [0049] 图1的(A)是表示专利文献1的高灵敏度的声音传感器中的高次谐波失真率与声压之间的关系的图。图1的(B)是表示专利文献1的低灵敏度的声音传感器中的高次谐波失真率与声压之间的关系的图。图1的(C)是表示在使专利文献1的高灵敏度的声音传感器与低灵敏度的声音传感器组合的情况下的高次谐波失真率与声压之间的关系的图。 [0050] 图2是表示专利文献1的高灵敏度的声音传感器与低灵敏度的声音传感器中的膜片的平均位移量与声压之间的关系的图。 [0051] 图3的(A)是表示基本波形与包括失真的波形的图。图3的(B)是图3的(A)所示的波形的频谱图。 [0052] 图4是本发明的实施方式1的声音传感器的立体分解图。 [0053] 图5是本发明的实施方式1的声音传感器的剖视图。 [0054] 图6的(A)是表示从本发明的实施方式1的声音传感器除去背板的状态的俯视图。图6的(B)是表示从本发明的实施方式1的声音传感器除去背板与固定电极板的状态的俯视图。 [0055] 图7是表示在与第二膜片相对的位置也设置有固定电极板的比较例的概略剖视图。 [0056] 图8的(A)是切断将本发明的实施方式1的声音传感器与信号处理电路容纳于壳体内的麦克风的一部分的俯视图。图8的(B)是该麦克风的纵向剖视图。 [0057] 图9是本发明的实施方式1的麦克风的电路图。 [0058] 图10是表示参考例的声音传感器的俯视图。 [0059] 图11是表示在参考例的声音传感器中，高灵敏度侧的膜片与背板碰撞的情况的概略剖视图。 [0060] 图12的(A)是表示在图11的声音传感器中，在高灵敏度侧的膜片与背板碰撞时在高灵敏度侧的背板产生的振动的图。图12的(B)是表示在图11的声音传感器中，在高灵敏度侧的膜片与背板碰撞时传播至低灵敏度侧的背板的振动的图。图12的(C)是表示低灵敏度侧的膜片的振动的图。图12的(D)是表示在图11的声音传感器中，在高灵敏度侧的膜片与背板碰撞时的高灵敏度侧的膜片与固定电极板之间的间隙的变化的图。 [0061] 图13是表示在本发明的实施方式1的声音传感器中，高灵敏度(小音量)侧的膜片与背板碰撞的情况的概略剖视图。 [0062] 图14的(A)以及图14的(B)是表示固定件(anchor)的不同的配置例的俯视图。 [0063] 图15是表示固定件的另一个不同的配置例的俯视图。 [0064] 图16是表示具有由基板电极组成的导电层的声音传感器的一部分的剖视图。 [0065] 图17是表示从本发明的实施方式2的声音传感器除去背板的状态的俯视图。 [0066] 图18是表示从本发明的实施方式3的声音传感器除去背板的状态的俯视图。 [0067] 图19是表示从本发明的实施方式4的声音传感器除去背板的状态的俯视图。 [0068] 图20是表示从本发明的实施方式5的声音传感器除去背板的状态的俯视图。 [0069] 图21的(A)以及图21的(B)是表示在实施方式5的声音传感器中的固定件的不同的配置例的概略俯视图。 [0070] 其中，附图标记说明如下： [0071] 11、71、74、76、81 声音传感器 [0073] 13 膜片 [0074] 13a 第一膜片 [0075] 13b 第二膜片 [0076] 15 腔室 [0077] 16、82 固定件 [0078] 17 狭缝 [0079] 18 背板 [0080] 19 固定电极板 [0081] 21 导电层 [0082] 23a 第一声音传感检测部 [0083] 23b 第二声音传感检测部 [0084] 24 声孔 [0085] 41 麦克风 [0086] 44 信号处理电路 [0087] 45 声音导入孔 [0088] 59 相位反转用电路 具体实施方式[0089] 下面，一边参照附图一边对本发明的合适的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定于下面的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够进行各种设计的变更。特别地，在下面以声音传感器以及麦克风作为例子进行说明，但本发明也能够适用于声音传感器以外的压力传感器等的静电容量式传感器。 [0090] (实施方式1的结构) [0091] 下面，参照图4～6对本发明的实施方式1的声音传感器的结构进行说明。图4是本发明的实施方式1的声音传感器11的立体分解图。图5是声音传感器11的剖视图，同时对一部分进行放大表示。图6的(A)是除去背板18的声音传感器11的俯视图，示出了膜片13(振动电极板)与固定电极板19在硅基板12(基板)的上方重叠的情况。图6的(B)是除去背板18与固定电极板19的声音传感器11的俯视图，示出了膜片13在硅基板12的上表面上的配置。 [0092] 该声音传感器11是利用MEMS技术所制作的静电容量式元件。如图4以及图5所示，在该声音传感器11中，在硅基板12(基板)的上表面经由固定件16(固定部)设置有膜片13，在膜片13的上方经由微小的气隙20(空隙)配置有顶盖部14，该顶盖部14固定在硅基板12的上表面上。 [0093] 在由单晶硅形成的硅基板12上开口形成有从表面贯通至背面的腔室15(空洞)。图示的腔室15的壁面由倾斜面构成，该倾斜面由(100)面硅基板的(111)面以及与(111)面等价的面形成，但腔室15的壁面也可以是垂直面。另外，硅基板12的上表面通过离子注入而被赋予导电性，从而成为导电层21。导电层21与设置在背板18的上表面的电极焊盘 33连接。 [0094] 这样，在硅基板12的上表面上通过离子注入形成导电层21，若作为用于后述的第二声音传感检测部23b的基板侧电极来使用，则无需如在硅基板12的上表面形成利用金属膜的布线图案的情况那样处理布线，从而能够使用于制作声音传感器11的工艺简便。 [0095] 膜片13以覆盖腔室15的上表面开口的方式配置在硅基板12的上表面。如图4以及图6的(B)所示，膜片13形成为大致矩形。膜片13由具有导电性的多晶硅薄膜形成，并且膜片13本身成为振动电极板。在膜片13同时且一体地被制作后，该膜片13由与该膜片13的外周的各边大致平行地延伸的狭缝17分割成2个区域。但是，膜片13不是由狭缝17完全地分割成两部分，在狭缝17的端部附近(膜片13的角部)机械连接以及电连接。在下面，将由狭缝17所分割成的2个区域中的位于中央部的面积大的大致矩形区域称为第一膜片13a(构成振动电极板的第一传感检测部的区域)，将以包围第一膜片13a的方式所形成的区域称为第二膜片13b(构成振动电极板的第二传感检测部的区域)。 [0096] 第一膜片13a与第二膜片13b彼此或者各边的第二膜片13b彼此也能够在机械上以及电气上完全地分离，但在该情况下，必须由固定件分别支撑各部分，另外，必须由布线图案对各部分进行连接。因此，在本实施方式中，第一膜片13a与第二膜片13b由狭缝17分离，同时在角部变为连接的状态，由此，使支撑结构变简单，从而不需要利用布线图案的连接。 [0097] 膜片13即第一膜片13a以及第二膜片13b的设置在各角部的脚片26在硅基板12的上表面由固定件16支撑，从而该膜片13被支撑为从腔室15的上表面开口以及硅基板12的上表面浮起。另外，从膜片13引出有引线27，引线27与设置在背板18的上表面上的电极焊盘31连接。 [0098] 如图5所示，顶盖部14在由氮化硅(SiN)形成的背板18的下表面设置有由多晶硅形成的固定电极板19。顶盖部14形成为拱顶(dome)状，在该顶盖部24之下具有空洞部分，由该空洞部分来覆盖膜片13。在顶盖部14的下表面(即固定电极板19的下表面)与膜片13的上表面之间形成有微小的气隙20(空隙)。从固定电极板19引出有引线28，引线28与设置在背板18的上表面的电极焊盘32连接。 [0099] 在顶盖部14(即背板18与固定电极板19)上，以从上表面贯通至下表面的方式，穿孔形成有多个用于使声音振动通过的声孔24(声音孔)。如图4以及图6的(A)所示，声孔24有规则地排列。在图示的例子中，声孔24沿着互成120°的角度的3个方向排列为三角形，但也可以配置为矩形或同心圆状。 [0100] 在该声音传感器11中，固定电极板19与膜片13隔着气隙20而构成电容器结构，从而成为第一声音传感检测部23a(第一传感检测部)。同样地，第二膜片13b与硅基板12的表面(导电层21)隔着气隙22而构成电容器结构，从而成为第二声音传感检测部23b(第二传感检测部)。 [0101] 在此，如图5以及图6的(A)所示，固定电极板19设置在与第一膜片13a相对的区域，在从与硅基板12的上表面垂直的方向观察时，固定电极板19配置为与第二膜片13b不重合。如图7示出的比较例所示，在与第二膜片13b相对的位置也设置有固定电极板19的情况下，在固定电极板19与第二膜片13b之间产生寄生容量Cs，从而第一声音传感检测部23a的信号与第二声音传感检测部23b的信号产生干扰。与此相对，如本实施方式所示，若将固定电极板19只设置在与第一膜片13a相对的位置，则能够降低固定电极板19与第二膜片13b之间的寄生容量，从而能够防止第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b的信号彼此产生干扰。 [0102] 另外，如图5以及图6的(B)所示，狭缝17除了两端部，比腔室15的上表面开口的边缘偏向腔室15的内侧。 [0103] (实施方式1的动作) [0104] 在声音传感器11中，若声音振动进入腔室15(前腔室)，则作为薄膜的各膜片13a、13b通过声音振动以相同的相位振动。若各膜片13a、13b振动，则各声音传感检测部 23a、23b的静电容量发生变化。其结果，在第一声音传感检测部23a中，第一膜片13a感知的声音振动(声压的变化)变为第一膜片13a与固定电极板19之间的静电容量的变化，并作为电信号输出。另外，在第二声音传感检测部23b中，第二膜片13b感知的声音振动(声压的变化)变为第二膜片13b与硅基板12的导电层21之间的静电容量的变化，并作为电信号输出。另外，在不同的使用方式即将腔室15作为后腔室的使用方式的情况下，声音振动通过声孔24进入顶盖部14内的气隙20，从而使作为薄膜的各膜片13a、13b振动。 [0105] 另外，由于第二膜片13b的面积比第一膜片13a的面积小，所以第二声音传感检测部23b成为中音量～大音量的声压范围用的低灵敏度的声音传感器，第一声音传感检测部23a成为小音量～中音量的声压范围用的高灵敏度的声音传感器。因此，通过使两个声音传感检测部23a、23b混合化并由后述的处理电路使信号输出，能够扩大声音传感器11的动态范围。例如，若将第一声音传感检测部23a的动态范围设定为大约30～120dB，将第二声音传感检测部23b的动态范围设定为大约50～140dB，则通过使两个声音传感检测部23a、 23b组合，能够将动态范围扩大至大约30～140dB。另外，若由小音量～中音量的第一声音传感检测部23a与中音量～大音量的第二声音传感检测部23b对声音传感器11的输出进行切换，则能够在大音量下不使用第一声音传感检测部23a的输出。其结果，第一声音传感检测部23a即使在大的声压范围高次谐波失真变大，由于不从声音传感器11输出，所以也不会影响声音传感器11的性能。其结果，能够使第一声音传感检测部23a的相对于小音量的灵敏度变高。 [0106] 而且，在该声音传感器11中，第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b形成在同一基板上。而且，第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b使用由狭缝17分割同时且一体地制作的膜片13所得到的第一膜片13a以及第二膜片13b。即，将本来成为1个传感检测部的构件分割成2个，使第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b混合化。因此，与在1个基板上设置有独立的2个传感检测部的以往例和在不同的基板上分别设置有传感检测部的以往例相比，第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b的与检测灵敏度相关的偏差相类似。其结果，能够使两个声音传感检测部23a、23b之间的检测灵敏度偏差变小。另外，由于两个声音传感检测部23a、23b共用膜片，所以能够抑制与频率特性、相位等的声音特性相关的失配。 [0107] (向麦克风的应用) [0108] 图8的(A)是切断内置有实施方式1的声音传感器11的麦克风41的一部分的俯视图，去除罩体43的上表面而示出了内部。图8的(B)是该麦克风41的纵向剖视图。 [0109] 在该麦克风41中，在由电路基板42与罩体43组成的封装体内，内置有声音传感器11与电路部即信号处理电路44(ASIC)。声音传感器11与信号处理电路44安装在电路基板42的上表面上。在电路基板42上开口形成有用于将声音振动导入声音传感器11内的声音导入孔45。声音传感器11以将腔室15的下表面开口与声音导入孔45对准且覆盖声音导入孔45的方式，安装在电路基板42的上表面上。因此，声音传感器11的腔室15成为前腔室，封装体内的空间成为后腔室。 [0110] 声音传感器11的电极焊盘31、32以及33分别通过焊线46与信号处理电路44的各焊盘47连接。在电路基板42的下表面设置有多个端子48，上述端子48用于使麦克风41与外部电连接，在电路基板42的上表面设置有与端子48导通的各电极部49。安装在电路基板42上的信号处理电路44的各焊盘50分别通过焊线51与电极部49连接。此外，信号处理电路44的焊盘50具有向声音传感器11供给电源的功能和将声音传感器11的容量变化信号向外部输出的功能。 [0111] 在电路基板42的上表面以覆盖声音传感器11以及信号处理电路44的方式安装有罩体43。封装体具有电磁屏蔽的功能，保护声音传感器21和信号处理电路44不会受到来自外部的电子干扰和机械冲击。 [0112] 这样一来，从声音导入孔45进入腔室15内的声音振动由声音传感器11检测，并在由信号处理电路44进行放大以及信号处理后输出。在该麦克风41中，由于将封装体内的空间作为后腔室，所以能够使后腔室的容积变大，从而能够使麦克风41高灵敏度化。 [0113] 此外，在该麦克风41中，也可以在罩体43的上表面开口形成用于将声音振动导入封装体内的声音导入孔45。在该情况下，声音传感器11的腔室15变为后腔室，封装体内的空间变为前腔室。 [0114] 图9是图8所示的MEMS麦克风41的电路图。如图9所示，声音传感器11具有容量因声音振动而变化的高灵敏度侧的第一声音传感检测部23a和低灵敏度侧的第二声音传感检测部23b。 [0115] 另外，信号处理电路44具有：电荷泵(charge pump)52、低灵敏度用放大器53、高灵敏度用放大器54、ΣΔ(ΔΣ)型ADC(Analog-to-Digital Converter:模数转换器)55、56、基准电压发生器57、缓冲器58以及相位反转用电路59。 [0116] 电荷泵52对第一声音传感检测部23a以及第二声音传感检测部23b施加高压HV，从第二声音传感检测部23b输出的电信号由低灵敏度用放大器53放大，另外，从第一声音传感检测部23a输出的电信号由高灵敏度用放大器54放大。不过，第一声音传感检测部23a输出第一膜片13a的上表面与固定电极板19之间的静电容量，第二声音传感检测部 23b输出第二膜片13b的下表面与导电层21之间的静电容量。因此，在第一声音传感检测部23a的气隙20变窄(宽)的情况下，第二声音传感检测部23b的气隙22变宽(窄)，从而第一声音传感检测部23a的输出与第二声音传感检测部23b的输出的相位反转(相位偏移180°)。因此，第二声音传感检测部23b的输出由相位反转用电路59使相位反转，并且在消除与第一声音传感检测部23a的输出的相位差的状态下，向低灵敏度用放大器53输入。当然，相位反转用电路59也可以插入第一声音传感检测部23a与高灵敏度用放大器54之间。 [0117] 由低灵敏度用放大器53放大的信号在ΣΔ型ADC55中变换为数字信号。同样地，由高灵敏度用放大器54放大的信号在ΣΔ型ADC56中变换为数字信号。在ΣΔ型ADC55、56中变换的数字信号经由缓冲器58作为PDM(脉冲密度调制)信号，在1个数据线上向外部输出。虽然未进行图示，但通过根据信号的强度来选择在1个数据线上混载的数字信号，能够根据声压自动地切换第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b。 [0118] 此外，在图9的例子中，混载在ΣΔ型ADC55、56中变换的2个数字信号，并在1个数据线上输出，但也可以将上述2个数字信号在各自的数据线上输出。 [0119] 而且，根据声音传感器11这样的结构，能够使声音传感器11小型化。作为使2个声音传感检测部混合化而扩大动态范围，并且使声音传感检测部彼此的失配等变小的声音传感器，本发明的申请人提出了图10那样的结构的装置(例如，日本特愿2012-125526)。在图10的声音传感器61(参考例)中，由狭缝63将设置在硅基板62的上表面的膜片64左右分割，来形成面积大的第一膜片64a与面积小的第二膜片64b。在第一膜片64a的上方设置有与第一膜片64a相对且面积大的固定电极板65a，由第一膜片64a与固定电极板65a构成高灵敏度用的第一声音传感检测部66a。同样地，在第二膜片64b的上方设置有与第二膜片64b相对且面积小的固定电极板65b，由第二膜片64b与固定电极板65b构成低灵敏度用的第二声音传感检测部66b。在这样的声音传感器61中，由于第一声音传感检测部 66a与第二声音传感检测部66b左右排列，所以从上方观察的尺寸变大，从而向布线基板等安装时的占有面积变大。 [0120] 与此相对，在本实施方式的声音传感器11中，由于在中心部与外周部构成第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b，所以与具有单一的声音传感检测部的以往的声音传感器相比，尺寸几乎没有变化。因此，根据本实施方式的声音传感器11，与参考例的声音传感器61相比，能够使传感器尺寸小型化。 [0121] 另外，在图10这样的声音传感器61中，因高灵敏度侧(小音量侧)的第一声音传感检测部66a与低灵敏度侧(大音量侧)的第二声音传感检测部66b的干涉，使得低灵敏度侧的声音传感器的高次谐波失真变大，其结果，存在声音传感器的最大检测声压降低而使动态范围变窄的可能性。根据本发明的实施方式1的声音传感器11，能够防止这样的高次谐波失真的增大。该理由如下。 [0122] 首先，对声音传感器61的情况进行说明。高灵敏度侧的第一膜片64a的面积比低灵敏度侧的第二膜片64b的面积大且柔软。因此，在将大声压的声音振动施加至声音传感器61的情况下，如图11所示，存在第一膜片64a与背板67a碰撞的情况。图11是表示在声音传感器61中因大声压而使第一膜片64a与背板67a碰撞的情况。 [0123] 如图11所示，若第一膜片64a与背板67a碰撞，则背板67a的振动因该冲击而失真，从而产生图12的(A)那样的失真振动。此外，虽然背板与膜片相同，也因声音振动而振动，但背板的振幅是膜片的振幅的1/100左右，因此，在图12中没有表示声音振动。在背板67a产生的失真振动向背板67b传递，因此，因第一膜片64a的碰撞，在背板67b上也产生图12的(B)那样的失真振动。另一方面，由于第二膜片64b与第一膜片64a相比位移小，所以第二膜片64b不与背板67b碰撞，而进行例如图12的(C)那样的正弦波振动。若在该第二膜片64b的正弦波振动上增加背板67b的失真振动，则第二声音传感检测部66b的背板67b与第二膜片64b之间的间隙距离会进行图12的(D)所示的变化。其结果，来自第二声音传感检测部66b的输出信号失真，并且第二声音传感检测部66b的高次谐波失真率恶化。因此，在声音传感器61中，需要用于使在第一声音传感检测部侧产生的失真振动不向第二声音传感检测部侧传递的结构。 [0124] 与此相对，在实施方式1的声音传感器11的情况下，如图13所示，即使因大声压使第一膜片13a与背板18碰撞而产生失真振动，该失真振动也难以影响到第二声音传感检测部23b，从而第二声音传感检测部23b的高次谐波失真率难以恶化。即，由于第二声音传感检测部23b不将背板18和固定电极板19作为构成构件，所以第二声音传感检测部23b的输出不会因背板18的失真振动而受到影响。其结果，能够防止因第一声音传感检测部23a的失真振动而使声音传感器11的动态范围变窄。 [0125] 在实施方式1的声音传感器11中，如图5所示，狭缝17除了两端部以外，比腔室15的上表面开口的边缘偏向腔室15的内侧。其结果，在从与硅基板12的上表面垂直的方向观察时，第一膜片13a与硅基板12的上表面(导电层21)不重合，因此，能够降低第一膜片13a与导电层21之间的寄生容量，从而能够降低第一声音传感检测部23a的信号干扰。 [0126] 另外，由于在膜片13与硅基板12的上表面之间捕捉有空气，所以在此捕捉的空气分子的布朗运动是造成声音噪声的原因。但是，在实施方式1的声音传感器11中，在第一膜片13a与第二膜片13b之间设置有狭缝17，而且，使狭缝17比腔室15的上表面开口的边缘偏向腔室15的内侧。因此，能够消除在第一膜片13a与硅基板12的上表面之间所捕捉的空气，从而不会受到由在此捕捉的空气分子造成的声音噪声的影响，因此，能够降低第一声音传感检测部23a的声音噪声。 [0127] (固定件的不同的配置例) [0128] 在上述实施方式1中，由固定件16支撑设置在膜片13的角部的脚片26，但膜片13的支撑结构能够考虑图14的(A)、(B)以及图15所示的各种方式。 [0129] 图14的(A)是在第二膜片13b的各边中在各自的外周缘附加固定件16的结构。图14的(B)是在第二膜片13b的外周缘整体上设置固定件16的结构。图15是沿着第二膜片13b的外周缘间隔地设置固定件16的结构。根据这些变形例，膜片13特别是第二膜片13b能够由固定件16牢固地支撑，因此，能够确保第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b的振动的独立性，从而能够相互地防止信号的干扰。 [0130] (导电层的不同的结构) [0131] 另外，如图16所示，硅基板12的表面的导电层21也可以是，通过在硅基板12的上表面对金属薄膜进行图案成形而形成的基板电极。在这样的变形例中，由于由金属薄膜的图案成形区域决定导电层21的面积，所以导电层21的面积的偏差变小。 [0132] (实施方式2) [0133] 图17是本发明的实施方式2的声音传感器71的除去背板的状态下的概略俯视图。在该实施方式中，第一膜片13a与各边的4个第二膜片13b通过狭缝17相互地完全分离。并且，第一膜片13a通过从第一膜片13a引出的引线27a与背板上的电极焊盘31a连接。另外，4个第二膜片13b分别引出有引线27b，各引线27b通过布线72与背板上的电极焊盘31b连接。 [0134] 根据实施方式，能够分别独立地进行第一声音传感检测部23a的第一膜片13a的电气布线与第二声音传感检测部23b的第二膜片13b的电气布线，因此，能够降低第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b之间的寄生容量，从而信号难以相互地干扰。 [0135] (实施方式3) [0136] 图18是本发明的实施方式3的声音传感器74的除去背板的状态的概略俯视图。在该实施方式中，第一膜片13a与第二膜片13b由狭缝17相互地完全分离。另一方面，各边的第二膜片13b彼此之间在膜片13的角部机械连接且电连接。并且，第一膜片13a通过从第一膜片13a引出的引线27a与背板上的电极焊盘31a连接。另外，第二膜片13b通过从第二膜片13b引出的引线27b与背板上的电极焊盘31b连接。 [0137] 根据该实施方式，能够分别独立地进行第一声音传感检测部23a的第一膜片13a的电气布线与第二声音传感检测部23b的第二膜片13b的电气布线，因此，能够降低第一声音传感检测部23a与第二声音传感检测部23b之间的寄生容量，从而能够使信号难以相互地干扰。而且，由于不需要进行各边的第二膜片13b彼此之间的连接，所以能够使布线简单化。 [0138] (实施方式4) [0139] 图19是本发明的实施方式4的声音传感器76的除去背板的状态的概略俯视图。在该实施方式中，第一膜片13a与各边的4个第二膜片13b由狭缝17相互地完全分离。就 4个第二膜片13b中的任意2个第二膜片13ba、13bb而言，一个第二膜片13bb的面积比另一个第二膜片13ba的面积大。于是，通过第一膜片13a与固定电极板19之间的静电容量构成小音量(高灵敏度)用的第一声音传感检测部23a(第一传感检测部)。另外，通过第二膜片13bb与硅基板12的上表面之间的静电容量构成中音量(中灵敏度)用的第二声音传感检测部23c(第二传感检测部)，通过第二膜片13ba与硅基板12的上表面之间的静电容量构成大音量(低灵敏度)用的第二声音传感检测部23b(第二传感检测部)。并且，第一膜片13a通过从第一膜片13a引出的引线27a与背板上的电极焊盘31a连接。第二膜片 13bb通过引线27bb与背板上的电极焊盘31bb连接。第二膜片13ba通过引线27ba与背板上的电极焊盘31ba连接。另外，固定电极板19通过引线28与背板上的电极焊盘32连接，硅基板12的上表面(导电层21)与电极焊盘33连接。 [0140] 根据该实施方式，由于构成小音量用的第一声音传感检测部23a、中音量用的第二声音传感检测部23c、大音量用的第二声音传感检测部23b，所以能够进一步扩大声音传感器76的声压范围(动态范围)。 [0141] (实施方式5) [0142] 图20是本发明的实施方式5的声音传感器81的在除去背板的状态的概略俯视图。在该实施方式中，由狭缝17将圆形的膜片13分割成位于外周侧的圆弧状的第二膜片13b和位于内侧的圆形的第一膜片13a。另外，在后腔室的下表面以与第一膜片13a相对的方式，形成有固定电极板19。 [0143] 通过用硅基板12等固定引线27a，使得第一膜片13a在腔室15的上方被支撑为悬臂状。并且，通过第一膜片13a与固定电极板19构成小音量用的第一声音传感检测部23a。 [0144] 在第二膜片13b中，由大致圆弧状的固定件16支撑第二膜片13b的下表面外周部。并且，通过第二膜片13b与硅基板12的导电层21构成大音量用的第二声音传感检测部23b。 [0145] 此外，如图21的(A)所示，固定件16也可以沿着第二膜片13b的下表面外周部间隔地设置。 [0146] 另外，如图21的(B)所示，可以使硅基板12的上表面的一部分向圆形的腔室15内伸出，并在其上设置半月状的固定件82，由该固定件82对第一膜片13a的端进行支撑而成为悬臂状。若使用这样的固定件82，则能够使第一膜片13a的强度提高。 [0147] 在上面的说明中，对声音传感器以及使用该声音传感器的麦克风进行了说明，但本发明也能够适用于压力传感器等的声音传感器以外的静电容量传感器。 |
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