(57)【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が前記容器から導出されたマイクロホン装置を、真空中に保持する容器と、
前記真空中に保持された前記マイクロホン装置の前記コンデンサ電極端子と前記出力端子間の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する周波数特性測定部と、
前記周波数特性測定部が測定した周波数特性から共振周波数を求め、その共振周波数から前記マイクロホン装置の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを具備した膜スチフネス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部は、
前記コンデンサ電極端子に、入力信号として、交流信号と直流バイアスを供給する信号発生部と、
前記増幅器の出力信号の電圧を測定する電圧・位相測定部と、
前記コンデンサ部に加わる入力電圧の電圧・位相測定部と、
を備えた膜スチフネス測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の膜スチフネス測定装置であって、
前記周波数特性測定部は、マイクロホンが搭載されるのと同一材料で形成された４つの電極パッドを備えた回路基板上に搭載されており、前記電極パッドにそれぞれ前記マイクロホンの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固着される膜スチフネス測定装置。
【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、その膜スチフネス測定装置、膜スチフネス測定方法及び電子機器の製造方法にかかり、特にコンデンサマイクロフォン等の静電型電気音響変換器における振動板の硬さ（スチフネス：stiffness）を測定する測定方法および測定装置に関する。
【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フォン（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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
図５は、ＭＥＭＳマイクロホン装置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５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マイクロホン装置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。
【０００８】
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。
【０００９】
このＭＥＭＳマイクロホン装置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。
【００１０】
ところで、マイクロホンやスピーカの製造現場では、製品の一様性を識別するために振動膜の膜強さ（スチフネス）の測定が行われている。従来は、振動膜を振動させて、その変位の共振周波数を光干渉計で測定し、その値を次式（数１）に代入して膜スチフネスを算出している。
【数１】
0005051893.tif 000002
【００１１】
質量ｍ０は、振動膜の構造が決定されていれば一義的に導出することができる。そのため、膜スチフネスは、光干渉計で共振周波数ｆ０を測定することにより、（数１）から算出することができる（非特許文献１、２参照）。
【非特許文献１】optonor社カタログ  micromap5000  振動・変位測定及び表面形状測定装置
【非特許文献２】早坂寿雄  他  音響工学概論  日刊工業新聞社
【非特許文献３】日経マイクロデバイス  ２００７年Ｊｕｌｙ  Ｐ９４−９５
【非特許文献４】ＩＥＥＥ  １９９８  Ｐ２８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、従来の膜スチフネス測定方法で使用する光干渉計は、きわめて高価であり、この方法の測定装置を一式揃えるために多大な費用が掛かることになる。
また、ＭＥＭＳマイクロホンは、振動板がシリコンで構成されており、従来のマイクロフォンに比べて振動板の膜スチフネスが高く、振動し難い。そのため、従来の方式（振動板を振動させて、その動きから振動板の共振点を求める方式）を適用してＭＥＭＳマイクロホンの膜スチフネスを測定する場合は、測定装置を調整して測定結果を得るのに多大な時間を要し、また、再現性のある測定結果を得ることが難しい。
【００１３】
また、ＭＥＭＳマイクロホンの場合は、例えば非特許文献３に示すように、ＭＥＭＳチップの振動膜上を金属キャップが覆う構造となるため、アセンブリされたマイクロホンの場合には上述したような光干渉計での測定はさらに困難になる。
【００１４】
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。
【００１５】
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４）。
この変化は、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、主として感度の変化を引き起こすことになる。
【００１６】
従って、実際の振動膜のスチフネスを測定するためには、金属キャップを固着した後、あるいはユーザー基板に実装された後の振動膜のスチフネスを測定する必要がある。
また、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。
【００１７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、静電型電気音響変換器の振動板のスチフネスを、安価に、且つ、簡単に測定することができる膜スチフネス測定方法を提供し、また、その方法を実施する測定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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、膜スチフネス測定に際しては、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、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、接地端子とを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、膜スチフネス測定を実装状態で実現可能とするものである。
【００１９】
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が前記容器から導出され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、接地端子とを独立して導出しただけであり、本来のマイクロホン装置の構成を変更することなく、膜スチフネス測定が可能であり、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膜スチフネス測定装置を測定することができる。つまり、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。
【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。
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
また本発明では、上記マイクロホン装置において、前記振動膜に固着された誘電体膜が永久電荷を保持できるものを含む。
【００２４】
また本発明の膜スチフネス測定装置は、上記マイクロホン装置を真空中に保持する容器と、前記真空中に保持された前記マイクロホン装置の前記コンデンサ電極端子と前記出力端子間の電圧および位相を測定することで周波数特性を測定する周波数特性測定部と、前記周波数特性測定部が測定した周波数特性から共振周波数を求め、その共振周波数から前記マイクロホン装置の膜スチフネスを算出するスチフネス算出部とを具備したことを特徴とする。
この構成により、実装後のマイクロホン装置を用いて測定を行うことができ、製造・アセンブリ工程において、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り、基板の膨張収縮が発生し、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ことがあるなど、製造およびアセンブリ工程における、スチフネスの変化を考慮した上でのスチフネスの測定が可能となる。また、直接的な振動変位を検出するかわりに、周波数特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で周波数特性を測定しているため、振動板の周囲の空気によるインピーダンスへの影響を受けない。
【００２５】
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記周波数特性測定部は、マイクロホンが搭載されるのと同一材料で形成された４つの電極パッドを備えた回路基板上に搭載されており、前記電極パッドにそれぞれ前記マイクロホンの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固着されるようにしたものを含む。
この構成により、本発明のマイクロホン装置を回路基板上に面実装することで、容易に膜スチフネスを測定することが可能となる。また、このように実装することで、実際の使用状態に近い状態で膜スチフネスを測定することができる。
【００２６】
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記コンデンサ部における前記膜スチフネスの測定対象の膜を具備した前記第1の電極と、この第1の電極に対向する第2の電極に設けられた貫通孔を介して所定容積の空間をもつ気室に繋がっており、かつ、前記気室の容積は、そのスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されているものを含む。
【００２７】
コンデンサ部の気室のスチフネスは、その容積で決定されるため、その容積を調整して、気室のスチフネス（気室の弾性）が膜スチフネスよりも十分に小さくなるように設定するものである。これにより、膜スチフネスを求める際に、気室のスチフネスを無視することが可能となり、これによって、膜スチフネスの算出が容易となる。
【００２８】
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を有し、前記筐体部は、電気的な雑音シールド機能と、前記コンデンサ部に音を導くための音孔と、を有するものを含む。
【００２９】
コンデンサ部のコンデンサは容量が小さいため、周囲環境からの外乱を受けやすい。また、増幅器も微小信号を扱うことから同様に外部の影響を受けやすい。そこで、雑音シールド機能を有し、また、音をコンデンサ部に導くための音孔を有する筐体部に、コンデンサ部と増幅器を収納する構造としたものである。これにより、外乱の影響を受けにくくすることができ、膜スチフネスの測定精度が向上する。また、筐体にコンデンサ部を収納したとしても、コンデンサ部は、音孔を介して受音することができるため、何ら問題はない。
【００３０】
この膜スチフネス測定装置では、直接的な振動変位を検出するかわりに、入出力応答特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で入出力応答特性を測定しているため、振動板の周囲の空気による影響を受けない。
【００３１】
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、入出力応答特性の絶対値｜Ｇ｜と位相角度∠θとを測定する。
そのため、正確な測定結果を得ることができる。
【００３２】
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、マイクロホン装置に対して、交流電圧とともに直流電圧を印加する。
直流バイアスの印加により、入出力応答特性の値を適切な大きさに設定することができる。
【００３３】
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、入出力応答特性測定部が、所定の周波数帯域の各周波数における入出力応答特性を測定し、スチフネス算出部が、入出力応答特性測定部の測定結果に基づく周波数−入出力応答特性曲線から共振周波数を求めるようにしている。
共振周波数は、周波数−入出力応答特性曲線上で入出力応答特性のゲイン絶対値及び位相角度の変曲点として現れる。
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、さらに、表示部を備えており、この表示部に周波数−入出力応答特性曲線が表示される。
【００３４】
また、本発明の膜スチフネス測定装置では、真空容器の内部が、１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒの真空度に保持される。
【００３５】
この真空度はあまり高くないため、短時間で目標の真空状態に設定することができる。
【００３６】
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、さらに、前記第1の電極に繋がっている気室は、その気室のスチフネスが前記膜スチフネスよりも十分に小さなスチフネスとなるように調整されているものを含む。
【００３７】
また本発明は、上記膜スチフネス測定装置において、前記容器は、前記コンデンサ部および前記増幅器を収納する筐体部を構成し、前記筐体部は、電気的な雑音をシールドするシールド機能と、前記筐体部を真空に導くための音孔と、を具備したものを含む。
【００３８】
また本発明は、上記マイクロホン装置を用いて、実装後のマイクロホン装置の膜スチフネスを測定する膜スチフネス測定方法であって、前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定する工程と、前記測定結果に基づき膜スチフネスを測定するものを含む。
この構成によれば、実装後のマイクロホン装置を用いて測定を行うことができ、製造・アセンブリ工程において、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り、基板の膨張収縮が発生し、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ことがあるなど、製造およびアセンブリ工程における、スチフネスの変化を考慮した上でのスチフネスの測定が可能となる。また、直接的な振動変位を検出するかわりに、周波数特性から膜スチフネスを求めている。また、真空中で周波数特性を測定しているため、振動板の周囲の空気によるインピーダンスへの影響を受けない。
【００３９】
また本発明は、上記マイクロホン装置を製造する工程と、前記マイクロホン装置の前記電圧供給端子を電圧源に接続するとともに、前記接地端子を接地電位に接続し、前記コンデンサ電極端子および前記出力端子間の電圧および位相を測定し、この測定結果に基づき膜スチフネスを測定すると工程と、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを接続するように、電子機器の回路基板に実装する工程とを含む。
この構成によれば、実際と極めて近い状態で測定を行い、この後コンデンサ電極端子と前記接地端子とを接続するように、電子機器の回路基板に実装する工程を実行することで、そのままマイクロホン装置つきの電子機器を得ることができる。
【００４０】
また本発明は、上記電子機器の製造方法において、前記実装する工程は、前記回路基板上の回路パターンが、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とにそれぞれ接続されるパッドを具備し、前記パッドが前記回路基板上で電気的に接続されるように構成された回路基板を用いる工程である。
この構成によれば、あらかじめ回路基板上でパッドが相互接続されているため、回路基板上に実装するだけでマイクロホン装置としての機能を発揮する、
【００４１】
また本発明は、上記電子機器の製造方法において、前記実装する工程は、前記回路基板上に前記マイクロホン装置を装着するに先立ち、前記コンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続する工程を含む。
この構成によれば、あらかじめコンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続し、こののち回路基板上に実装しているため、作業性よく実装することが可能である。
【発明の効果】
【００４２】
本発明では、マイクロホン装置の振動板のスチフネスを、高価な計測器を使わずに、安価に測定することが可能であり、かつコンデンサ電極端子と前記接地端子とを相互接続するだけでそのマイクロホン装置を構成することが可能である。また、直接的な振動変位検出なしに、膜スチフネスを測定しているため、ＭＥＭＳマイクロホンのように振動板が硬いものでも、再現性のある測定結果を短時間で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
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膜スチフネス測定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、膜スチフネス測定に際しては、これらの電極端子間に測定端子を接続するようにし、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、接地端子とを同一の電極パッドに接続することで、膜スチフネス測定を実装状態で実現する。
【００４４】
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１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マイクロホン装置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マイクロホン装置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。
【００４５】
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。
【００４６】
すなわち、マイクロホン装置２０は、図２（ａ）に等価回路図、図３にその上面図、側面図および下面図、図４にこのマイクロホン装置の内部構成、図５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。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２（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。これに対し、通常のマイクロホン装置は図２（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ている(詳細については後述するが、図２（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、膜スチフネスの測定後、コンデンサ電極パッドＰｉと、接地パッドＰＧとを共通接続してマイクロホンとして用いる)。図中、図２に示す測定用部品が示されているが破線部で囲まれた領域がこのマイクロホン装置を示す図である。
【００４７】
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５参照）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３（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。
【００４８】
そしてこのマイクロホン装置の内部は、図４（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。
【００４９】
このシリコンマイクロホン用チップＭは、図５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。
【００５０】
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。
【００５１】
また、真空容器３０は、入出力応答特性測定時に、真空ポンプにより１０−１Ｔｏｒｒ以下の真空状態（１０−２Ｔｏｒｒ程度、即ち、音が伝達しない程度の真空状態）に維持される。この真空度は、あまり高くないため、真空ポンプを起動してから約３０秒で、その状態に到達することができる。
【００５２】
入出力応答特性測定部４０は、測定周波数を掃引しながら真空中のＭＥＭＳマイクロホン装置２０の入出力応答特性を測定する。
【００５３】
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１）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。
【００５４】
このように、この測定装置では、（数１）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。
【００５５】
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２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と、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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２】
0005051893.tif 000003
【００５８】
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マイクロホン装置２０の音響系の機械インピーダンスは、図６に示す電気的な等価回路で表すことができる。
【００５９】
ここで、Ａは図4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5の、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は振動膜自身、ｒｓは振動膜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。
【００６０】
このように、空気中にあるＭＥＭＳチップは、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。
【００６１】
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およびｃ３は、次の（数３）で表される。
【数３】
0005051893.tif 000004
【００６２】
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４）（数５）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）。
【数４】
0005051893.tif 000005
【００６３】
【数５】
0005051893.tif 000006
【００６４】
ここで、被測定振動板の機械インピーダンスは、
【数６】
0005051893.tif 000007
【００６５】
また、力係数は、
【数７】
0005051893.tif 000008
【００６６】
また、コンデンサ部の容量は、
【数８】
0005051893.tif 000009
で表される。
【００６７】
【数９】
0005051893.tif 000010
【００６８】
この（数４）は、振動板の機械的な力の関係に着目した式であり、（数５）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マイクロホン装置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４）は（数１０）のように表される。
【数１０】
0005051893.tif 000011
【００６９】
【数１１】
0005051893.tif 000012
【００７０】
【数１２】
0005051893.tif 000013
【００７１】
このインピーダンスは、図７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。
【００７２】
【数１３】
0005051893.tif 000014
【００７３】
【数１４】
0005051893.tif 000015
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。
【００７４】
また、図２の測定回路において、交流電圧Ｖ１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８および図９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９は図８の要部拡大図である。
【００７５】
例えば、図８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マイクロホン装置２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００７６】
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。
【００７７】
また、例えば、図８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マイクロホン装置２０の振動板のスチフネスを算出する。
【００７８】
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８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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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１２）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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
そして、このようにして、膜スチフネスを測定し、図１０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とを接続することで、通例のマイクロホン装置として用いることができる。
【００８５】
また、このマイクロホン装置の実装される、実装基板２００上のパッド２０１（パッドＰｉ１とパッドＰｉ２）を図１１（ａ）に示すように、配線パターン２０２で共通接続し、図１１（ｂ）に示すように、このマイクロホン装置２０を実装すれば、そのまま実装基板２００上でコンデンサ電極パッドＰｉと接地パッドＰＧとが共通接続されることになり、マイクロホン装置として機能することになる。
【００８６】
なお、前記実施の形態では、ＭＥＭＳマイクロホン装置の振動板のスチフネスを測定する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測定対象とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明のマイクロホン装置によれば、膜スチフネス測定が実装状態で実現できるため、高精度の測定が可能となり、製造したＭＥＭＳマイクロホン装置の製品としての一様性を識別したり、新たに開発した製品の特性を調べたりするときに利用することができ、ＭＥＭＳマイクロホンやエレクトレットコンデンサマイクロフォン、エレクトレットコンデンサスピーカ等、各種の静電型電気音響変換器の検査に広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態における膜スチフネス測定装置の概要を示す図
【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）は膜スチフネス測定時の等価回路図、（ｂ）はマイクロホン装置の等価回路図、
【図３】本発明の実施の形態で用いられるマイクホロンアセンブリを示す図、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図
【図４】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５】ＭＥＭＳチップの断面図
【図６】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７】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８】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−位相曲線を示す図
【図１０】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】
【００８９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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