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WO2010073598A1 - 平衡信号出力型センサー - Google Patents

平衡信号出力型センサー Download PDF

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Publication number
WO2010073598A1
WO2010073598A1 PCT/JP2009/007081 JP2009007081W WO2010073598A1 WO 2010073598 A1 WO2010073598 A1 WO 2010073598A1 JP 2009007081 W JP2009007081 W JP 2009007081W WO 2010073598 A1 WO2010073598 A1 WO 2010073598A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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signal output
type sensor
amplifier
electrode
output type
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/007081
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
木村教夫
政井茂雄
中野西保弘
Original Assignee
パナソニック株式会社
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 パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Priority to JP2010543844A priority Critical patent/JPWO2010073598A1/ja
Priority to CN2009801523988A priority patent/CN102265644A/zh
Publication of WO2010073598A1 publication Critical patent/WO2010073598A1/ja
Priority to US13/168,625 priority patent/US20110255228A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
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    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate

Definitions

  • the present invention relates to a balanced signal output type sensor and a sensor unit, and effectively uses charges generated at two electrodes facing each other in a capacitive part, and has a balanced signal of a high-quality signal with high sensitivity and high S / N ratio.
  • the present invention relates to an output type sensor and a sensor unit.
  • the balanced signal output type sensor is a sensor that outputs an electric signal based on vibration or vibration of the counter electrode arranged in the capacitor unit using electrostatic energy as a mediation.
  • Examples of the balanced signal output type sensor include a condenser microphone, a pressure sensor, and an acceleration sensor.
  • the condenser microphone and the pressure sensor are sensors that detect vibration of the counter electrode, and the acceleration sensor is a sensor that detects vibration.
  • a balanced signal output type sensor may be simply referred to as a sensor.
  • the output signal of the sensor when collecting a conversation is about 3 mV to 10 mV, which is a very weak signal.
  • Balanced transmission is well known as a means for suppressing external noise included in a signal when transmitting these weak signals.
  • Patent Document 1 shows a configuration in which one counter electrode of an electret condenser microphone is connected to a diode, a gate resistor, and the gate of an FET, and the other counter electrode is connected to a ground line.
  • Patent Document 2 discloses a balanced output type condenser microphone composed of two condenser microphones, a first condenser microphone and a second condenser microphone.
  • the output signal obtained from the first condenser microphone and the output signal obtained from the second condenser microphone are configured to have opposite phases.
  • Non-Patent Document 1 discloses a two-terminal electret condenser microphone mainly used for mobile phones and the like.
  • the electret condenser microphone is connected to a power source through a pull-up load resistor.
  • the electret condenser microphone is connected to the ground line through a pull-down load resistor.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 have a problem that if the noise is mixed, the noise is amplified as it is, so that the mixed noise cannot be canceled.
  • the balanced output condenser microphone disclosed in Patent Document 2 is configured to cancel noise only when a pair of two condenser microphones is combined. Therefore, the balanced output condenser microphone itself becomes large. There is. Furthermore, a sensitivity pair of the first condenser microphone and the second condenser microphone is required, and there is a problem that the allowable width in manufacturing becomes narrow and the yield decreases.
  • an object of the present invention is to provide a balanced signal output type sensor capable of improving signal quality in addition to reducing noise mixed in the capacitive part in the balanced signal output type sensor.
  • the balanced signal output type sensor of the present invention is connected to the first electrode, a capacitor portion including a first electrode that is a movable electrode and a second electrode that is disposed to face the first electrode, A first amplifier that amplifies a signal from the first electrode; and a second amplifier that is connected to the second electrode and amplifies the signal from the second electrode.
  • the balanced signal output type sensor refers to a sensor that uses a pair (two) of signal lines and outputs a so-called balanced signal that represents a signal by a potential difference between the signal lines.
  • the first electrode and the second electrode are arranged to face each other, and the first electrode is connected to the first amplifier in the capacitance unit that functions as one capacitor, The second electrode is connected to the second amplifier.
  • the charges possessed by the first electrode and the second electrode can be sent to different amplifiers. Therefore, there is an effect that the charge of the first electrode and the charge of the second electrode can be effectively used.
  • the balanced signal output type sensor of the present invention further includes a container, and the capacity unit, the first amplifier, and the second amplifier are housed in the container. Not only can it be reduced in size, but also noise from outside can be reduced.
  • the container is configured by a substrate on which the capacity portion is mounted and a lid body that covers the substrate on which the capacity portion is mounted, and the pressure is applied to either the substrate or the lid body. It is preferable to have an introduction hole for transmitting to the capacity part.
  • the pressure includes sound and the like.
  • the capacitor, the first amplifier, and the second amplifier are mounted on the first surface of the substrate, and the output terminal of the first amplifier and the second amplifier
  • the output terminal, the voltage supply terminal, and the ground terminal are preferably mounted on the second surface of the substrate.
  • the lid is made of metal and the ground terminal is electrically connected to the lid through the substrate.
  • the ground terminal is electrically connected to the lid, and electromagnetic noise from outside the container can be reduced.
  • the balanced signal output type sensor of the present invention may have a plurality of capacitance parts.
  • the signals of the first electrodes of the plurality of capacitance units are respectively connected to the input terminals of the same first amplifier, and the plurality of capacitance units of the capacitance unit exist.
  • the signals of the second electrodes are preferably connected to the input terminals of the same second amplifier.
  • the balanced signal output type sensor of the present invention preferably has a dielectric film on the surface of the first electrode on the second electrode side or on the surface of the second electrode on the first electrode side. With such a configuration, each electrode can obtain a complementary charge by the charge held in the dielectric film.
  • the dielectric film is preferably an electret film.
  • an externally applied voltage includes a polarized DC voltage.
  • the connection line since a connection line for applying a voltage to the capacitor portion is not necessary, the connection line has no influence on the charge or voltage generated in the first electrode and the second electrode which are arranged to face each other. Therefore, the signals from the two electrodes are completely complementary signals.
  • the first amplifier and the second amplifier constitute a capacitively coupled charge amplifier.
  • the first amplifier and the second amplifier are constituted by ICs.
  • the first electrode is not connected to the ground (connected to the ground potential). Furthermore, it is preferable that the second electrode is not grounded.
  • the capacitance part is a MEMS element part. Since the capacitive part is a MEMS element part formed by a semiconductor process, the capacitive part can be miniaturized, and the entire balanced signal output type sensor can be miniaturized.
  • the capacitor unit, the first amplifier, and the second amplifier are mounted on the first surface of the same printed circuit board, the first electrode of the capacitor unit and the first amplifier are connected by a bonding wire, etc.
  • the second electrode of the unit and the second amplifier are connected by a bonding wire or the like, and the output terminal of the first amplifier, the output terminal of the second amplifier, the voltage supply terminal to the amplifier, and the ground terminal (reference potential terminal)
  • the sensor unit is formed by placing the metal cap on the substrate so as to cover the capacitor portion, the first amplifier, and the second amplifier, arranged on the second surface of the printed circuit board as an external connection terminal. You can also. Further, the entire container in which the capacity unit, the first amplifier, and the second amplifier are housed can also be referred to as a sensor unit.
  • This sensor unit is attached to a substrate such as a mobile phone and functions as a sensor.
  • the cap or the printed circuit board is provided with an introduction hole for introducing a sound wave, a pressure, or the like into the capacitor.
  • This sensor unit can also be referred to as a mountable package.
  • the balanced signal output sensor of the present invention is used to connect an output signal from the first amplifier and an output signal from the second amplifier to an analog-to-digital converter that performs analog-to-digital conversion. It is also possible to configure a digital signal output sensor in which is a digital signal.
  • the digital signal output sensor refers to a sensor that outputs a signal (sound, vibration, vibration, etc.) input to the sensor as a digital signal of “1” or “0”.
  • the digital signal output sensor of the present invention includes one constituting the (semiconductor integrated circuit) in which the first amplifier, the second amplifier and the analog-digital converter are formed on the same substrate.
  • the analog-digital converter used in the digital signal output sensor of the present invention is a ⁇ sigma modulator.
  • the output of the digital signal output sensor of the present invention includes a PDM (pulse density modulation) type digital signal output sensor.
  • the digital signal output sensor of the present invention includes a digital signal output sensor that converts the PDM output into an audio interface format by a digital signal processor (DSP) and outputs it.
  • DSP digital signal processor
  • the present invention it is possible to provide a balanced signal output type sensor that can cancel and reduce mixed external noise by using complementary signals generated at both electrodes of the capacitor. Furthermore, the connection configuration that can effectively use the signals in the complementary relationship can reduce the loss and improve the sensitivity.
  • the figure which shows the connection structure of the balanced signal output type sensor in the 1st Embodiment of this invention It is a figure which shows the balanced signal output type sensor chip in the 1st Embodiment of this invention, (a) is sectional drawing, (b) is a figure which shows an example of an equivalent circuit (A)-(f) is each surface figure which shows an example of the mounting structure of the balanced signal output type sensor in the 1st Embodiment of this invention (A)-(c) is a figure which shows the characteristic in the 1st Embodiment of this invention.
  • the figure which shows the connection structure of the balanced signal output type sensor in the 2nd Embodiment of this invention The figure which shows the connection structure of the balanced signal output type sensor in the 2nd Embodiment of this invention.
  • the capacitance unit of the balanced signal output type sensor is a MEMS element unit, and in particular, a MEMS element unit having an electret.
  • a capacitor microphone MEMS microphone
  • the MEMS element portion refers to a capacitor formed using a semiconductor process, which will be described later. The above is common to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an equivalent circuit diagram of a balanced signal output type sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the balanced signal output type sensor includes a MEMS element unit including a first electrode 101 that is a movable electrode and a second electrode 102 that is disposed to face the first electrode 101.
  • the first amplifier 201 connected to the first electrode 101 of the MEMS element portion and amplifies the signal from the first electrode 101, and the signal from the second electrode 102 connected to the second electrode 102 is amplified.
  • the second amplifier 202 is mainly configured.
  • membrane 103 is formed in the 2nd electrode side surface in a 1st electrode.
  • membrane 103 may be formed in the 1st electrode side surface in a 2nd electrode.
  • the electret film 103 is a film that holds a charge almost permanently.
  • the first electrode 101 is connected to the inverting input terminal 212 of the first amplifier 201 through the first electrode terminal 111.
  • the second electrode 102 is connected to the inverting input terminal 221 of the second amplifier 202 through the second electrode terminal 112.
  • the first amplifier 201 and the second amplifier 202 have the same performance.
  • the non-inverting input terminal 211 of the first amplifier 201 and the non-inverting input terminal 222 of the second amplifier 202 are connected to the ground line.
  • first electrode 101 and the second electrode 102 have parasitic capacitances 110 and 109 due to the floating structure and mounting of the MEMS element portion, respectively.
  • the first and second amplifiers 201 and 202 are high input impedance amplifiers and are of a CMOS type for achieving a high input impedance. Further, although two positive and negative power supplies may be used as the operating power supply, it is preferably a high input impedance CMOS type amplifier that operates as a single power supply.
  • feedback resistors 213 and 223 connected to the first and second amplifiers 201 and 202 are discharge resistors for preventing the respective amplifiers from being saturated.
  • 202 are connected to the feedback capacitors 214 and 224, respectively, to determine the degree of charge amplification.
  • a structure having an amplifier, a feedback resistor, and a feedback capacitor can also be called a capacitively coupled charge amplifier.
  • a terminal 121 is a voltage supply terminal to the amplifier, and a terminal 122 is a ground terminal (reference potential).
  • the ground terminal is also connected to the container structure 300 that also serves as a shield, and has the effect of reducing the mixing of external electromagnetic noise.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the MEMS element portion according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2B is a circuit of the MEMS element portion according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. The MEMS element portion is formed by finally dividing a large number of microphone chips simultaneously manufactured on a silicon substrate (silicon wafer) using a CMOS (complementary field effect transistor) manufacturing process technology.
  • the FIG. 2A shows a sectional view of one divided microphone chip.
  • the MEMS element portion includes an n-type silicon substrate 100, a silicon oxide film 105 formed on the silicon substrate 100, and a vibrating electrode formed on the surface of the silicon oxide film 105.
  • the first electrode 101 that functions, the electret film 103 formed on the surface of the first electrode 101, the spacer portion 104 made of a vitrified silicon film, and the fixed electrode supported by the spacer portion 104 It has a second electrode 102 and a through hole 106 formed by etching the silicon substrate 100.
  • the second electrode is provided with a plurality of holes as sound holes 107, and an air gap G is provided in a space between the first electrode and the second electrode, so that electrical connection is established.
  • a contact hole H is also provided.
  • the first electrode and the second electrode are made of an n-doped polysilicon film
  • the electret film 103 is a film obtained by electretizing a silicon oxide film formed on the first electrode 101.
  • the air gap G is formed by etching away the portion where the spacer portion was originally formed, but other methods may be used.
  • the plurality of holes are openings for guiding sound waves to the first electrode 101 that is a vibrating membrane. The sound wave transmitted from the plurality of holes vibrates the vibration film made of the first electrode and the like, so that the MEMS element portion functions as a condenser microphone.
  • a dielectric film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is laminated on the second electrode 102 which is a fixed electrode, and the first electrode and the second electrode function as a pair of capacitors. is doing.
  • the electret film 103 will be further described. First, a plurality of MEMS element portions formed on a silicon substrate (wafer) are individually divided into chips. Thereafter, the divided chips are electretized by corona discharge or the like, and the dielectric film is electretized. As a result, the electret film 103 can hold charges. Needless to say, electretization may be performed at the wafer level. Depending on the properties of the electret film, the electret film is generally charged with a negative charge.
  • the electret film is composed of an inorganic film such as a silicon oxide film or silicon nitride film, it has charge retention characteristics even when exposed to high temperatures compared to electret microphones that use polymer films such as FEP. Is suitable for sensors that are mounted by solder reflow.
  • the first electrode 101 side having the electretized film has a first electrode side charge: ⁇ Q [C] as a charge.
  • the second electrode 102 which is a counter electrode has a second electrode side charge: + Q [C] as a charge. Appears and is in an equilibrium state.
  • the capacitance C m as shown in the equivalent circuit of FIG. 2 (b), on the silicon substrate 100, it is easily possible to form a floating structure that is not grounded.
  • This vibration causes a change in the equilibrium capacity and a change in the charge on both electrodes.
  • This minute charge change is also expressed as a minute voltage change
  • parasitic capacitance 110 is generated between the first electrode 101 and the silicon substrate 100.
  • parasitic capacitance 109 is generated between the second electrode 102 and the silicon substrate 100.
  • parasitic capacitance is generated through the silicon substrate.
  • the MEMS microphone chip is represented as an equivalent circuit as shown in FIG.
  • the capacitance of the capacitance portion is represented by C m
  • the parasitic capacitances 109 and 110 are represented by C P1 and C P2 , respectively.
  • the parasitic capacitances C P1 and C P2 do not oscillate because of the capacitance generated in the wiring portion of the electrode, and no charge is generated in these two capacitances. That is, no electromotive voltage is generated by sound.
  • DC bias condenser microphones were manufactured by E.I. C. Since it was devised by Wente, it has a basic configuration and structure in which a polarized DC voltage is applied to one of the electrodes, so either one of the electrodes is inevitably connected to the ground line (ground potential). It was. For this reason, there has been no consideration that the signal charge flows to the ground line and uses the signal charges of both electrodes.
  • the balanced signal output type sensor according to the first embodiment of the present invention is most characterized in that the signal charges generated in both electrodes of the capacitor can be used effectively.
  • the capacitance part constituting the conventional electret capacitance sensor has connected the first electrode or the second electrode as the counter electrode to the ground line, only the signal of one electrode is used, and the signal utilization rate (Efficiency) was 50%. Therefore, by using a configuration in which the first electrode is not connected to the ground and a configuration in which the second electrode is not connected to the ground, there is an effect that the signal utilization rate becomes 100%. This can also be said to have the effect that the sensitivity is approximately doubled.
  • the electret film is formed on the first electrode or the second electrode, it is not necessary to connect each electrode to a connection line that supplies a charge (voltage) to each electrode. Since there is no influence, there is an effect that signals obtained from the respective electrodes can be more complementary signals.
  • the output voltages of the balanced signal output terminals 120 and 123 of the first and second amplifiers 201 and 202 will be considered using a MEMS microphone having a floating structure as a signal source.
  • the first and second amplifiers are inverting capacitively coupled charge amplifiers.
  • the inverting input terminals 212 and 221 are virtually short-circuited between the non-inverting input terminals 211 and 222 in the same manner as a normal inverting amplifier.
  • the input impedance of the inverting input terminals 212 and 221 becomes infinite, and no current flows into the inverting input terminal.
  • the second electrode terminal 112 is virtually grounded, and the second amplifier 202 does not affect the first amplifier 201.
  • the first electrode terminal 111 is virtually grounded, and the first amplifier 201 does not affect the second amplifier 202.
  • the charge on the electrode on the first electrode 101 flows into the feedback capacitor 214 and the feedback resistor 213, and the charge on the second electrode 102 flows into the feedback capacitor 224 and the feedback resistor 223.
  • the capacitance values of the feedback capacitors 214 and 224 are represented by C f
  • the resistance values of the feedback resistors 213 and 223 are represented by R f
  • the balanced signal outputs 120 and 123 are represented by the following signal charges and capacitances of the MEMS microphone.
  • the above equation holds in a frequency region higher than the cut-off frequency f cut described below.
  • the low-frequency cut-off frequency f cut can be determined in consideration of the band used by the MEMS microphone.
  • the two balanced signal output terminals 120 and 123 are connected to the complementary signal charges generated in the first electrode 101 and the second electrode 102 facing each other of the balanced signal output type sensor.
  • Corresponding complementary signals (signals having opposite phases and the same magnitude) can be obtained.
  • the noise appearing at the balanced signal output terminal will be examined.
  • the second amplifier 202 does not affect the first amplifier 201 due to the virtual short circuit.
  • the first amplifier 201 does not affect the second amplifier 202. Therefore, the noise factors appearing at the balanced signal output terminal 120 are the capacitance C m1 of the MEMS microphone, the noise of the first amplifier 201, the feedback capacitance C f and the feedback resistor R f .
  • the noise factors appearing at the balanced signal output terminal 123 are the capacitance C m1 of the MEMS microphone, the noise of the second amplifier 202, the feedback capacitance C f and the feedback resistor R f . Since the factors are the same, the noise level is large. Are the same. Therefore,
  • a balanced signal with higher quality can be supplied.
  • the reason why the noise can be canceled is that the noise mixed in the first electrode and the second electrode has the same phase, and is canceled by subtracting a complementary signal. .
  • connection configuration that can effectively use the signals in the complementary relationship described above can reduce loss and improve sensitivity.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (f) are mounting overview diagrams of the balanced signal output type sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A shows a top view of the balanced signal output type sensor (module)
  • FIG. 3B shows the left side view
  • FIG. 3C shows the bottom view
  • FIG. 3E shows a top view of the balanced signal output type sensor (module) with the metal cap removed
  • FIG. 3F shows a cross-sectional view of the parallel signal output type sensor (module). Represents.
  • FIG. 3 shows a sensor mounting state in the case where there is one capacitor.
  • the balanced signal output type sensor includes a first amplifier 201, a second amplifier 202, and a MEMS in a container 300 composed of a printed board 301 and a metal cap 302.
  • the microphone (MEMS element unit) 303 is housed. Note that the first amplifier and the first electrode of the MEMS microphone 303 and the second amplifier and the second electrode of the MEMS microphone 303 are connected by a bonding wire 313, respectively.
  • An introduction hole 304 for introducing sound and pressure is provided in the metal cap.
  • the balanced signal output terminal 120 of the first amplifier, the first amplifier, and the second amplifier A surface mounting terminal structure is configured by forming a voltage (power supply) supply terminal 121 for supplying a voltage to the amplifier, a ground terminal 122, and a balanced signal output terminal 123 of the second amplifier.
  • the printed circuit board 301 and the metal cap 302 are coupled by solder reflow or the like.
  • the introduction hole 304 is not necessarily provided in the metal cap, and may be provided in the printed board 301. Specifically, it can be formed by drilling the printed circuit board 301. In the introduction hole 304 provided in the printed circuit board 301, by introducing the introduction hole 304 directly above the MEMS microphone, sound may be introduced into the MEMS microphone from directly below the MEMS microphone, or the MEMS microphone is mounted. Sound may be introduced into the MEMS microphone from above the MEMS microphone by disposing the introduction hole 304 at a position that does not exist. However, it is preferable that the introduction hole is directly below the MEMS microphone because direct sound enters the MEMS microphone.
  • the MEMS microphone chip 303 and the first and second amplifiers 201 and 202 are mounted on the first surface of the printed circuit board 301 with an adhesive.
  • the first and second amplifiers 201 and 202 are CMOS high input impedance amplifiers each having an input terminal, a power supply terminal, an output terminal, and a ground terminal.
  • the three terminals other than the input terminals are terminals for exchanging signals with the outside, and are connected to the terminals 120 to 123 formed on the second surface of the printed circuit board 301.
  • each of the first and second amplifiers is composed of an IC.
  • the terminals 120 to 123 are interface terminals with the outside.
  • the ground terminal 122 is electrically connected through the metal cap 302 and the printed circuit board 301, and the container 300 serves as a shield container that protects the inside of the container from external electromagnetic noise having a ground potential.
  • the MEMS microphone chip 303 has a size of about ⁇ 2 mm and the first and second amplifiers (ICs) 201 and 202 have a size of about ⁇ 1 mm and is arranged as shown in FIG. 3, the size is about 8 mm (W ) X6 mm (D) x 1.3 mm (H) balanced signal output type sensor can be configured.
  • the above numerical values can be made smaller values depending on the arrangement structure and the size of the chip. *
  • the sound pressure in the configured cavity 315 is constant, and the sound pressure applied to the diaphragm of the MEMS microphone chip 303 is also constant.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining actual characteristics in the case where there is one MEMS microphone chip in the balanced signal output type sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the feedback capacitor C f is 8 [pF]
  • the feedback resistor R f is a 2 [G [Omega]]
  • general-in CMOS-type high input impedance amplifier TI Company, TLC2201.
  • FIG. 4A shows an output signal A (balanced signal output A) from the balanced signal output terminal 120 and an output signal B (balanced signal output B) from the balanced signal output terminal 123 when the horizontal axis is taken as the time axis. ), And the signal C after the output signal A and the output signal B are subjected to balanced connection processing.
  • the balanced connection processing means performing subtraction processing for subtracting the output signal B from the output signal A.
  • the output signal A and the output signal B are signals having the same amplitude and opposite phases.
  • the amplitude of the signal C is about twice the amplitude of the output signals A and B, and it can be seen that the characteristics according to the present invention are obtained.
  • the description is omitted. *
  • FIG. 4 (b) shows the sensitivity frequency characteristics of the microphone.
  • the sensitivities of the output signal A and the output signal B are substantially the same.
  • the sensitivity of the signal C is almost twice (6 dB larger) than the sensitivity of the output signal A and the output signal B.
  • the signal subjected to balanced connection processing is doubled (6 dB larger), and the frequency characteristics in the voice band tend to be almost the same. Therefore, it can be understood from experiments that the characteristics according to the present invention are obtained.
  • FIG. 4C shows the sensitivities of the output signal A, the output signal B, and the signal C when a sound wave of about 1000 Hz reaches the balanced signal output type sensor. Also from this experimental result, it can be seen that the sensitivity of the signal C is almost twice (6 dB larger) than the sensitivity of the output signal A and the output signal B.
  • the capacitance unit of the balanced signal output type sensor is a MEMS element unit, and in particular, a MEMS element unit having an electret.
  • a capacitor microphone MEMS microphone
  • the MEMS element portion refers to a capacitor formed using a semiconductor process. The above is common to the present invention. Further, in the second embodiment of the present invention, a description is given of a mode in which a plurality of capacitor units are used, and in particular, a configuration in which there are two capacitor units will be described.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an equivalent circuit diagram of the balanced signal output type sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the first electrode 101 of the second capacitor unit passes through the first electrode terminal 111 and the inverting input terminal of the first amplifier 201. 212.
  • the second electrode 102 of the second capacitor portion is connected to the inverting input terminal 221 of the second amplifier 202 through the second electrode terminal 112.
  • Other configurations, connection relations, and effects are the same as those described with reference to FIG. 1 in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the explanation corresponding to FIGS. 2A and 2B in the first embodiment is the same as that in the second embodiment, the explanation is omitted.
  • the first amplifier 201 is inverted through the first electrodes of the 3 to N capacitor portions through the respective electrode terminals. Connect to input terminal 212. Further, the second electrodes 102 of the 3 to N capacitors are connected to the inverting input terminal 221 of the second amplifier 202 through the respective electrode terminals. In the case where there are 3 to N capacitor portions, the same discussion as in the case where there are two capacitor portions can be made by adopting such a configuration.
  • 6 (a) to 6 (f) are mounting overview diagrams of the balanced signal output type sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a top view of the balanced signal output type sensor (module)
  • FIG. 6B is a left side view
  • FIG. 6C is a bottom view
  • FIG. 6E is a top view of the balanced signal output sensor (module) with the metal cap removed
  • FIG. 6F is a cross-sectional view of the parallel signal output sensor (module). (However, in FIG. 6 (f), two amplifiers are described as being projected).
  • FIG. 6 shows a sensor mounting state when there are two capacitor portions.
  • the first amplifier 201, the second amplifier 202, and the two MEMS microphones 303a and 303b are accommodated. .
  • the first amplifier and the first electrodes of the two MEMS microphones 303a and 303b, and the second amplifier and the second electrode of the MEMS microphone 303 are connected by bonding wires 313, respectively.
  • the first electrodes of the two MEMS microphones 303a and 303b are connected to the same first amplifier
  • the second electrodes of the two MEMS microphones 303a and 303b are connected to the same second amplifier. ing. It is because it is preferable from a viewpoint of size reduction.
  • Each of the first amplifier and the second amplifier has one output terminal, and the output terminal of the first amplifier is a balanced signal output terminal of the first amplifier on the back surface of the printed circuit board.
  • the output terminal of the second amplifier is output to the balanced signal output terminal 123 of the second amplifier on the back surface of the printed circuit board. This is because it is preferable in terms of connection loss.
  • the balanced signal output terminals 120 and 123 of the first and second amplifiers 201 and 202 with the MEMS microphone having a floating structure as a signal source Let's consider the output voltage.
  • the idea is developed from the case where there are two MEMS microphones, and the case where a plurality (N) of MEMS microphones are connected in parallel is considered.
  • a balanced signal with better quality can be supplied.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining the actual characteristics in the balanced signal output type sensor according to the second embodiment of the present invention when the number of MEMS microphone chips is one and two.
  • the feedback capacitor C f is 8 [pF]
  • the feedback resistor R f is a 2 [G [Omega]]
  • general-in CMOS-type high input impedance amplifier TI Company, TLC2201.
  • FIG. 7A shows the sensitivity frequency characteristic of the microphone.
  • the output signal A1 represents the output signal from the balanced signal output terminal 120 when there is one MEMS microphone chip
  • the output signal B1 is from the balanced signal output terminal 123 when there is one MEMS microphone chip.
  • the output signal represents an output signal from the balanced signal output terminal 120 when there are two MEMS microphone chips
  • the output signal B2 represents an output signal from the balanced signal output terminal 123 when there are two MEMS microphone chips.
  • C represents the output signal C after the balanced connection processing of the output signal A2 and the output signal B2.
  • the balanced connection processing means performing subtraction processing for subtracting the output signal A2 and the output signal B2.
  • FIG. 7B shows the sensitivities of the output signal A1, the output signal B1, the output signal A2, the output signal B2, and the output signal C when a sound wave of about 1000 Hz reaches the balanced signal output type sensor. From this result, it can be seen that the same can be said as in FIG.
  • the two MEMS microphone chips are stored in the container, they are used with a smaller MEMS microphone chip as compared with the case of storing one MEMS microphone chip. Therefore, also decreases capacitance C m of the MEMS microphone (parts by volume). On the other hand, since the two MEMS microphone chips are chips manufactured on the same wafer, the difference in sensitivity is a characteristic within 0.3 dB.
  • the balanced output signals A1 and B1 in the case of one MEMS microphone chip are ⁇ 52.1 [dBV / Pa] and ⁇ 52.2 [dBV / Pa], respectively, whereas two MEMS microphone chips are used.
  • the MEMS microphone chip has a uniform characteristic and a uniform sensitivity and capacity because a large number of microphone chips are formed simultaneously using a CMOS manufacturing process. Accordingly, the displacements of the vibrating membranes are approximately the same. Further, when a plurality of microphone chips are used in a multi-connection, noise can be canceled efficiently and an output with uniform characteristics can be obtained. Further, when a plurality of MEMS microphones are connected on the same substrate, mutual connection is unnecessary, and an excellent balanced signal output type sensor without connection loss can be provided. Further, by integrating not only a plurality of MEMS microphones but also the first and second amplifiers on the same substrate, it is possible to provide an excellent balanced signal output type sensor which is extremely fine and has no connection loss.
  • a balanced signal output type sensor having the above-described effects can be provided by mounting a plurality of capacitance units (MEMS element units). There is an effect. It should be noted that not all of the above effects must be exhibited, and it is sufficiently useful if even one of them can be exhibited.
  • the functions of the amplifiers 1 and 2 of the first embodiment and the second embodiment can be realized as one IC, and a subtraction processing function can be provided together.
  • an electrode having a smooth surface facing each other is used, but an electrode having a comb-tooth structure may be used. That is, a pair of capacitor structures in which a comb-shaped movable electrode and a comb-shaped fixed electrode are opposed to each other may be used as the capacitor portion.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of an electrode pair whose opposing surfaces have a comb-tooth structure.
  • FIG. 9 shows a perspective view of an electrode pair in which the opposing surfaces have a comb-shaped structure.
  • the first and second electrodes are connected to the first and second amplifiers, respectively, as in the first and second embodiments of the present invention. They are output and none of them are connected to the ground.
  • the first modification is different from the first and second embodiments only in that the first electrode 401 that is a movable electrode and the second electrode 402 that is a fixed electrode have a comb-tooth shape.
  • the above configuration has the effect of increasing the capacity generation area compared to when no comb teeth are present.
  • a pair of capacitor structures in which a comb-shaped movable electrode and a comb-shaped fixed electrode are opposed to each other are used as a capacitor portion.
  • the second electrodes 502a and 502b serving as comb-shaped fixed electrodes are arranged so as to face each other on both surfaces of the first electrode 501 serving as a comb-shaped movable electrode on both surfaces.
  • the first and second electrodes are connected to the first and second amplifiers, respectively. They are output and none of them are connected to the ground.
  • the second electrodes 502a and 502b which are comb-shaped fixed electrodes, are arranged on both sides of the first electrode 501 which is a comb-shaped movable electrode on both sides. This is only different from the first and second embodiments.
  • the first electrodes 601a to 601d which are movable electrodes, are formed by being divided into four on the circumference, and the second electrode is opposed to the inner side of the first electrode. 602a to 602d are arranged. Note that the first electrode serving as the movable electrode may be disposed inside the second electrode.
  • the first and second electrodes are connected to the first and second amplifiers, respectively, as in the first and second embodiments of the present invention. They are output and none of them are connected to the ground.
  • four pairs of capacitance units are configured, the two pairs of capacitance units are arranged so as to detect acceleration in the X direction, and the other two pairs of capacitance units are arranged so as to detect acceleration in the Y direction. This is only different from the first and second embodiments.
  • the first electrodes 601a to 601d which are movable electrodes and the second electrodes 602a to 602d which are fixed electrodes are also comb teeth as shown in FIG. They may be opposed to each other. Also in the configuration as shown in FIG. 13, the first electrode serving as the movable electrode may be configured to be inside the second electrode.
  • an acceleration sensor that detects the amount of change in the X direction and the Y direction can be configured.
  • the first or second electrode is provided with an electret film or a dielectric film.
  • the balanced signal output type sensor used in this specification uses a pair of signal lines, and outputs a so-called balanced signal having the same signal magnitude and an opposite phase signal. It shall be a sensor.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a connection configuration of the digital signal output sensor in the embodiment of the present invention.
  • This digital signal output sensor is composed of a container structure 705, and the balanced signal output terminal 120 of the first amplifier 201 of the balanced signal output sensor described in the first embodiment and the balanced signal of the second amplifier 202.
  • the output terminal 123 is connected to the input terminals 702 and 701 of the analog-digital converter 704, and the output of the analog-digital converter is guided to the output terminal 703.
  • the analog-to-digital converter 704 and the first and second amplifiers 201 and 202 are configured on one chip using the same manufacturing process technology, so that the power supply terminal 121 and the ground terminal 122 are shared. Can be Further, the analog-digital converter 704 and the first and second amplifiers are configured by configuring the analog-digital converter 704 and the first and second amplifiers 201 and 202 on one chip. By using one common circuit for 201 and 202, for example, a low voltage generation circuit, low power consumption and chip size can be reduced, and a more inexpensive digital output sensor can be provided.
  • the analog-to-digital converter 704 of the digital signal output sensor configured using the electret MEMS microphone is preferably a ⁇ sigma modulator characterized by high resolution.
  • a high signal-to-noise ratio can be realized with low power consumption by using a fourth-order ⁇ sigma modulator with a clock frequency of 1 M to 4 MHz and an oversampling rate of 50 to 64 times.
  • the output terminal 703 of the digital signal output sensor outputs the waveform in the PDM (Pulse Density Modulation) format from the density of the pulse having a constant width, and the audio interface format, for example, the SPDIF format, by an external DSP (Digital Signal Processor) Is converted to Further, by taking a DSP into the container structure 705, the output terminal 703 of the digital signal output sensor can also output in an audio interface format, for example, an SPDIF format.
  • PDM Pulse Density Modulation
  • SPDIF Digital Signal Processor
  • the balanced signal output terminals 120 and 123 and the input terminal 702 of the analog-digital converter 704 are used.
  • And 701 also improve the signal-to-noise ratio of the digital signal output sensor and provide a higher quality digital output signal.
  • the signal-to-noise ratio is further improved, so that a higher quality digital output signal can be supplied. .
  • the present invention provides a balanced signal output type sensor capable of effectively using the bipolar signal charges of the counter electrode of the balanced signal output type sensor and canceling the mixed external noise, and can improve the sensitivity and the signal-to-noise ratio. Useful.
  • Reference Signs List 101 first electrode 102 second electrode 103 electret film 111 first electrode terminal 112 second electrode terminal 120, 123 balanced signal output terminal 201 first amplifier 202 second amplifier 211, 222 non-inverting input terminal 212 221 Inverting input terminal 213, 223 Feedback resistor 214, 224 Feedback capacitance 701, 702 Input terminal 703 Output terminal 704 Analog-digital converter 705 Container structure

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Abstract

　高品質の平衡信号出力を有する平衡信号出力型センサーを提供する。　可動電極である第１の電極１０１及び第１の電極１０１に対向して配置された第２の電極１０２を具備した容量部と、第１の電極１０１に接続され、第１の電極１０１からの信号を増幅する第１の増幅器２０１と、第２の電極１０２に接続され、第２の電極１０２からの信号を増幅する第２の増幅器２０２を具備した平衡信号出力型センサーを提供する。

Description

平衡信号出力型センサー
　本発明は、平衡信号出力型センサー及びセンサーユニットに係り、容量部の対向する２つの電極に発生する電荷を有効に利用し、高感度でＳＮ比が高い良質な信号の平衡出力を持つ平衡信号出力型センサー及びセンサーユニットに関する。
　平衡信号出力型センサーは、静電エネルギーを仲介として、容量部に配置された対向電極の振動や振れに基づいて電気信号を出力するセンサーである。平衡信号出力型センサーの種類として、コンデンサマイクロホン、圧力センサー及び加速度センサーなどがある。コンデンサマイクロホン及び圧力センサーは、対向電極の振動を感知するセンサーであり、加速度センサーは、振れを感知するセンサーである。本明細書では、平衡信号出力型センサーのことを単にセンサーと呼ぶこともある。
　マイクロホンを例に説明すると、会話を集音する時のセンサーの出力信号は、３ｍＶ～１０ｍＶ程度であり、極めて微弱な信号である。これらの微弱な信号を伝送する際に、信号中に含まれた外来ノイズを抑える手段として、平衡接続伝送が良く知られている。
　特許文献１には、エレクトレットコンデンサマイクロホンの対向電極の一つをダイオード、ゲート抵抗及びＦＥＴのゲートに接続し、もう一方の対向電極を接地ラインに接続する構成が示されている。
　また、特許文献２には、第１のコンデンサマイクロホンと第２のコンデンサマイクロホンの二つのコンデンサマイクロホンからなる平衡出力型コンデンサマイクロホンが示されている。ここで、第１のコンデンサマイクロホンから得られる出力信号と第２のコンデンサマイクロホンから得られる出力信号が逆位相となるように構成されている。
　また、非特許文献１には、携帯電話等に主に使用されている２端子型エレクトレットコンデンサマイクロホンを開示している。ここで、エレクトレットコンデンサマイクロホンは、プルアップ負荷抵抗を通して電源に接続されている。また、エレクトレットコンデンサマイクロホンは、プルダウン負荷抵抗を通して接地ラインに接続されている。このような構成にすることで、擬似的な平衡出力を得る回路となる。
特開２００６－３３０９１号公報 特開２００８－　５４３９号公報
ＳＴマイクロエレクトロニクス社　ＴＳ４７２　ＩＣデータシート
　しかし、特許文献１及び非特許文献１に示すエレクトレットコンデンサマイクロホンには、ノイズが混入すると、ノイズはそのまま増幅されてしまうため、混入したノイズはキャンセルできないという課題がある。
　また、特許文献２の平衡出力型コンデンサマイクロホンは、２つのコンデンサマイクロホンを一組にして初めてノイズをキャンセルするような構成となっているため、平衡出力型コンデンサマイクロホン自体が大型になってしまうという課題がある。さらに、第１のコンデンサマイクロホンと第２のコンデンサマイクロホンとの感度ペアが求められ、製造に当たっての許容幅が狭くなり歩留まりが下がってしまうという課題がある。
　上記課題を鑑みて、平衡信号出力型センサーにおいて、容量部に混入したノイズを低減することに加え、信号品質を向上できる平衡信号出力型センサーを提供することを、本発明の目的とする。
　尚、本発明においては、上記全ての課題を解決しなければならないわけではなく、これらの課題の内、少なくとも一つを解決できればよいものとする。また、本発明においては、上記全ての目的を達成しなければならないわけではなく、これらの目的の内、少なくとも一つを達成できればよいものとする。
　本発明の平衡信号出力型センサーは、可動電極である第１の電極及び第１の電極に対向して配置された第２の電極とを具備した容量部と、第１の電極に接続され、第１の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、第２の電極に接続され、第２の電極からの信号を増幅する第２の増幅器とを具備している。
　なおここで平衡信号出力型センサーとは、１対（２本）の信号線を使い信号線間の電位差で信号を表わすいわゆる平衡信号を出力するセンサーをいうものとする。
　本発明の平衡信号出力型センサーによると、第１の電極と第２の電極が対向して配置され、一つのコンデンサとして機能する容量部において、第１の電極が第１の増幅器に接続され、第２の電極が第２の増幅器に接続されている。その結果、第１の電極と第２の電極がそれぞれ有する電荷をそれぞれ別の増幅器に送ることができる。そのため、第１の電極が有する電荷と第２の電極が有する電荷を有効に利用することができるという効果がある。
　さらに言うと、音波や振動による振動電極（可動電極）の動きに対して、各電極には相補の電荷が得られることになり、各電極の電圧などの信号は逆位相となる。そして、増幅された信号も同様に逆位相となる。一方、容量部に外部からのノイズが混入した場合には、各電極のノイズ信号は同位相となる。従って、これらの信号を平衡信号出力し、平衡接続して利用することにより、感度を２倍にすることができるとともに容量部に混入した外部からのノイズや雑音を低減することができるという効果がある。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、容器をさらに具備し、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器は、容器内に収納されていることが望ましい。小型化することができるという効果があるだけでなく、外来からのノイズを低減することができる。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、容器が、容量部を搭載する基板と容量部の搭載された基板を覆う蓋体とで構成されており、基板又は蓋体のいずれかに、圧力を容量部に伝達するための導入孔を有していることが好ましい。ここで、圧力とは音などを含むことは言うまでもない。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器は、基板の第１の面上に搭載され、第１の増幅器の出力端子と、第２の増幅器の出力端子と、電圧供給端子と接地端子が、基板の第２の面に実装されていることが好ましい。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、蓋体が金属からなり、接地端子は、基板を通して蓋体と電気的に接続していることが好ましい。このような構成にすることで、接地端子が蓋体と電気的に接続することになり、容器の外から電磁的な雑音が入るのを低減することができる。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、容量部は、複数個存在していてもよい。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、複数個存在する容量部の第１の電極の信号は、それぞれ同一の第１の増幅器の入力端子に接続されており、複数個存在する容量部の前記第２の電極の信号は、それぞれ同一の第２の増幅器の入力端子に接続されることが好ましい。このような構成とすることで、平衡信号出力型センサー全体の大きさを低減することができ、さらに複数個の容量部をもつことで、高感度でＳＮ比が高い信号を生成出来る。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、第１の電極における第２の電極側の表面、又は第２の電極における第１の電極側の表面に誘電体膜を有することが好ましい。このような構成とすることで、誘電体膜に保持された電荷により、それぞれの電極が相補の電荷を得ることができる。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、誘電体膜がエレクトレット膜であることが好ましい。このような構成とすることで、誘電体膜が永久電荷を保持するエレクトレット膜であることにより、外部から電圧を加えて電荷を供給する必要がないという効果がある。ここで、外部から加える電圧には、成極ＤＣ電圧などがある。また、容量部に電圧を与えるための接続線が必要なくなるため、対抗して配置された電極である第１の電極と第２の電極に発生する電荷もしくは電圧には接続線の影響がなくなる。そのため、二つの電極からの信号は、完全相補な信号となる。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、第１の増幅器及び第２の増幅器が容量結合型電荷増幅器を構成しているということもできる。
　さらに、本発明の平衡信号出力型センサーは、第１の増幅器及び第２の増幅器がＩＣで構成されていることが好ましい。
　さらに、第１の電極がグランド（接地電位への接続）接続されていないことが好ましい。さらに、第２の電極がグランド接続されていないことが好ましい。
　また、容量部は、ＭＥＭＳ素子部であることが好ましい。容量部が半導体プロセスにより形成されたＭＥＭＳ素子部であることにより、容量部の小型化が可能となり、さらに平衡信号出力型センサー全体の小型化が可能となる。
　ここで、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を同一のプリント基板の第１面上に搭載し、容量部の第１の電極と第１の増幅器をボンディングワイヤ等で接続し、容量部の第２の電極と第２の増幅器をボンディングワイヤ等で接続し、第１の増幅器の出力端子と第２の増幅器の出力端子と増幅器への電圧供給端子と接地端子（基準電位端子）を外部への接続端子としてプリント基板の第２面に配置し、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器を覆うように金属キャップを基板に貼り付けることでセンサーユニットが形成されているということもできる。また、容量部、第１の増幅器及び第２の増幅器が収納されている容器全体をセンサーユニットと呼ぶこともできる。このセンサーユニットは、携帯電話などの基板に貼り付けられ、センサーとして機能することとなる。ここで、キャップ又はプリント基板には、容量部に音波や圧力等を導入する導入孔が設けられることとなる。このセンサーユニットは、搭載可能なパッケージとも呼ぶことができる。
　尚、以上の特徴を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが出来ることは言うまでもない。例えば、複数のＭＥＭＳ素子、第１の増幅器及び第２の増幅器が一つの容器内に収納されているような構成も当然可能である。また、それぞれの特徴において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。
　また、本発明の平衡信号出力センサーを用いて、前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号をアナログ－デジタル変換するアナログ－デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であるデジタル信号出力センサーを構成することもできる。
　なおここでデジタル信号出力センサーとは、センサーに入力された信号（音、振動、振れ等）を”１”、”０”のデジタル信号として出力するセンサーをいうものとする。
　また、本発明のデジタル信号出力センサーは、前記第１の増幅器、前記第２の増幅器及びアナログ－デジタル変換器が同一基板上に形成された（半導体集積回路）を構成するものを含む。
　また、本発明のデジタル信号出力センサーに用いた、アナログ－デジタル変換器はΔシグマ変調器であることを特徴とする。
　また、本発明のデジタル信号出力センサーの出力はＰＤＭ（パルス密度変調）方式のデジタル信号出力センサーを含む。
　また、本発明のデジタル信号出力センサーは、ＰＤＭ出力をデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によりオーディオインターフェイスフォーマット変換して出力するデジタル信号出力センサーを含む。
　本発明によれば、容量部の両電極に生成される相補関係にある信号を用いることで、混入外来ノイズをキャンセルし、低減できる平衡信号出力型センサーを提供することができる。さらに、上記相補関係にある信号を有効利用できる接続構成により、損失を低減するとともに感度の向上をはかることができる。
本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型センサーの接続構成を示す図 本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型センサーチップを示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は等価回路の一例を示す図 （ａ）～（ｆ）は本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型センサーの実装構成の一例を示す各面図 （ａ）～（ｃ）は本発明の第１の実施の形態における特性を示す図 本発明の第２の実施の形態における平衡信号出力型センサーの接続構成を示す図 （ａ）～（ｆ）本発明の第２の実施の形態における平衡信号出力型センサーの実装構成の一例を示す各面図 （ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における特性を示す図 本発明の変形例１における平衡信号出力型センサーの電極構造を示す断面図 同斜視図 本発明の変形例２における平衡信号出力型センサーの電極構造を示す断面図 同斜視図 本発明の変形例３における平衡信号出力型センサーの電極構造を示す断面図 本発明の変形例３における平衡信号出力型センサーの電極構造を示す断面図 本発明の第３の実施の形態におけるデジタル出力センサーの接続構成を示す図
（第１の実施の形態）
　以下、本発明の第１の実施の形態について、図１～図４を参照して詳細に説明する。また、本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。なお、ここでは、平衡信号出力型センサーの容量部は、ＭＥＭＳ素子部であり、特に、エレクトレットを有するＭＥＭＳ素子部であるとして説明する。また、ＭＥＭＳ素子部の例として、コンデンサマイクロホン（ＭＥＭＳマイクロホン）を例に説明することにする。ＭＥＭＳ素子部とは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成されたコンデンサを指している。以上のことは、本発明に共通して言えることである。
　図１は、本発明の第１の実施の形態における平衡信号出力型センサーの等価回路図の概略図である。
　図１に示すように、平衡信号出力型センサーは、可動電極である第１の電極１０１と第１の電極１０１に対向して配設された第２の電極１０２とを具備したＭＥＭＳ素子部と、ＭＥＭＳ素子部の第１の電極１０１に接続され第１の電極１０１からの信号を増幅する第１の増幅器２０１と、第２の電極１０２に接続され第２の電極１０２からの信号を増幅する第２の増幅器２０２を主な構成とする。ここでは、エレクトレット膜１０３が、第１の電極における第２の電極側表面に形成されている。ただし、エレクトレット膜１０３は、第２の電極における第１の電極側表面に形成されていてもよい。このエレクトレット膜１０３は、ほぼ永久的に電荷を保持している膜である。
　また、第１の電極１０１は第１の電極端子１１１を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続している。また、第２の電極１０２は第２の電極端子１１２を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続している。ここで、第１の増幅器２０１と第２の増幅器２０２は同一の性能のものである。また、第１の増幅器２０１の非反転入力端子２１１と第２の増幅器２０２の非反転入力端子２２２は接地ラインに接続している。
　また、第１の電極１０１及び第２の電極１０２には、ＭＥＭＳ素子部のフローティング構造及び実装に起因するような寄生容量１１０、１０９がそれぞれ存在している。
　ここで、第１及び２の増幅器２０１、２０２は、高入力インピーダンス増幅器であって、高入力インピーダンスを達成するためのＣＭＯＳ型であることが好ましい。また、動作電源として正・負２電源を使用してもよいが、単電源動作をするような高入力インピーダンスＣＭＯＳ型増幅器であることが好ましい。
　ここで、第１及び第２の増幅器２０１、２０２のそれぞれに接続している帰還抵抗２１３、２２３はそれぞれの増幅器が飽和するのを防ぐための放電抵抗であり、第１及び第２の増幅器２０１、２０２のそれぞれに接続している帰還容量２１４、２２４は電荷の増幅度合いを決定するものである。ここで、増幅器、帰還抵抗、帰還容量を有する構造を容量結合型電荷増幅器と呼ぶこともできる。
　尚、第１及び第２の増幅器２０１、２０２のそれぞれからの出力信号は外部の平衡信号出力端子１２０、１２３へとそれぞれ導かれることとなる。また、端子１２１は増幅器への電圧供給端子であり、端子１２２は接地端子（基準電位）である。接地端子はシールドをかねる容器構成体３００にも接続されて、外部からの電磁雑音が混入するのを低減する効果がある。
　図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子部の断面図を示し、図２（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子部の回路図の概略図を示している。ＭＥＭＳ素子部は、ＣＭＯＳ（相補型電界効果トランジスタ）の製造プロセス技術を利用して、シリコン基板（シリコンウェハ）上に同時に製造された多数のマイクロホンチップを最終的に個々に分割することで形成される。図２（ａ）は、分割された１つのマイクロホンチップの断面図を示している。
　図２（ａ）に示すように、ＭＥＭＳ素子部は、ｎ型のシリコン基板１００と、シリコン基板１００上に形成された酸化シリコン膜１０５と、酸化シリコン膜１０５の表面に形成された振動電極として機能する第１の電極１０１と、第１の電極１０１の表面に形成されたエレクトレット膜１０３と、ガラス化されたシリコン膜からなるスペーサ部１０４と、スペーサ部１０４によって支持される固定電極として機能する第２の電極１０２と、シリコン基板１００をエッチングすることで形成される貫通孔１０６とを有する。そして、第２の電極には、音孔１０７として複数の孔が設けられており、第１の電極と第２の電極に挟まれた空間にはエアギャップＧが設けられており、電気的接続のためのコンタクトホールＨもさらに設けられている。ここで、第１の電極及び第２の電極はｎドープのポリシリコン膜からなり、エレクトレット膜１０３は、第１の電極１０１上に形成された酸化シリコン膜がエレクトレット化された膜である。エアギャップＧは、もともとスペーサ部が形成された部分をエッチング除去することによって形成されるが、他の方法でも構わない。また、この複数の孔は、音波を振動膜である第１の電極１０１に導くための開口部である。この複数の孔から伝わった音波が、第１の電極などからなる振動膜を振動させることで、ＭＥＭＳ素子部は、コンデンサマイクロホンとして機能することになる。ここで、固定電極である第２の電極１０２上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの誘電体膜を積層して形成おり、第１の電極と第２の電極は一対のコンデンサとして機能している。
　ここで、エレクトレット膜１０３について説明をさらに加える。まず、シリコン基板（ウェハ）上に形成された複数のＭＥＭＳ素子部を、個々に分割してチップにする。その後、分割されたチップに対して、コロナ放電等によりエレクトレット化処理を行い、誘電体膜をエレクトレット化する。その結果、エレクトレット膜１０３に電荷を保持させることができる。なお、ウェハレベルでエレクトレット化してもよいことは言うまでもない。エレクトレット膜の性質にもよるが、一般的に、エレクトレット膜には負の電荷が帯電させられる。
　エレクトレット膜は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の無機膜で構成されていることから、ＦＥＰ等の高分子フィルムを利用しているエレクトレットマイクロホンに比較して、高温に晒されても電荷保持特性が劣化することはなく、半田リフローでの実装を行うセンサーには適している。
　次に、ＭＥＭＳ素子部の回路図について、図２（ｂ）を用いて説明することにする。
エレクトレット化された膜を有する第１の電極１０１側には、電荷として
第１の電極側電荷：－Ｑ[Ｃ]
対向電極である第２の電極１０２には、電荷として
第２の電極側電荷：＋Ｑ[Ｃ]
が表われ、平衡状態となっている。
　この平衡状態では、対向電極により形成される容量Ｃｍは、エアギャップＧと電極面積に依存し一意な値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
である。
　さらに、この容量Ｃｍは、図２（ｂ）の等価回路に示すように、シリコン基板１００上で、グランド接続されることのないフローティング構造として形成することが容易に可能である。
　この平衡状態から、単一周波数の正弦波音波が、第２の電極１０２の複数の音孔１０７を通して第１の電極１０１に導かれると、振動膜として機能する第１の電極１０１が音波と同じ周波数で正弦波振動する。この微小振動変位の大きさは振動膜の剛性でおおむね決定される。
　この振動により、平衡状態の容量に変化が生じ、両電極の電荷に変化が生じる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
となる。
　この微小電荷変化は微小電圧変化としても表されて
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
となる。
　また、フローティング構造を持つことで、図２（ａ）の構造に依存する固有の寄生容量が発生する。第１の電極１０１とシリコン基板間１００間においては寄生容量１１０が発生する。また、第２の電極１０２とシリコン基板１００間においては寄生容量１０９が発生する。また、チップをプリント基板上に接着実装した場合にも、シリコン基板を通して寄生容量が発生することとなる。
　従って、ＭＥＭＳマイクロホンチップは図２（ｂ）に示すような等価回路として表されることになる。ここで容量部の容量は前述したＣｍ、寄生容量１０９と１１０は、それぞれＣP1とＣP2で表されている。ここで、寄生容量ＣP1とＣP2は電極の配線部等で発生する容量のため振動せずこの２二つの容量には、電荷の発生はない。つまり音による起電圧は発生しない。
　ＤＣバイアスコンデンサマイクロホン、エレクトレットコンデンサマイクロホン及びエレクトレットＭＥＭＳマイクロホンに関して、上記で論じた対向して配設された両電極に生じる電荷変化の考察はこれまで論じられたことはない。
　ＤＣバイアスコンデンサマイクロホンは、１９００年代初頭にＥ．Ｃ．Ｗｅｎｔｅによって考案されて以来、成極ＤＣ電圧をどちらか一方の電極に印加する基本構成・構造となっているため、必然的にどちらか一方の電極が接地ライン（接地電位）に接続されてしまっていた。そのため、信号電荷が接地ラインに流れてしまい両電極の信号電荷を利用するという考察がなされたことはなかった。
　１９６０年代にＧ．Ｍ．Ｓｅｓｓｌｅｒがテフロン（登録商標）フィルムをエレクトレット化してコンデンサマイクロホンに応用し、エレクトレットコンデンサマイクロホンとして導入し、今日では携帯電話等に広く使用されている。このようなエレクトレットコンデンサマイクロホンでも、小型化できたとしてもＤＣバイアスコンデンサマイクロホンの基本構成・構造をとっており、この場合もどちらか一方の電極が接地ライン（接地電位）に接続されることで信号電荷が接地ラインに流れてしまい両電極の信号電荷を利用するという考察がなされたことはなかった。
　以上のことから本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーは、容量部の両電極に生じた信号電荷を有効に利用することが出来る点にもっとも特徴がある。
　また、従来のエレクトレット容量センサーを構成する容量部は対向電極である第１の電極もしくは第２の電極を接地ラインに接続していたため一方の電極の信号だけしか利用しておらず、信号利用率（効率）は５０％であった。従って、第１の電極がグランド接続していない構成及び第２の電極がグランド接続していない構成にすることで、信号利用率が１００％となるという効果がある。これは、感度が約２倍となる効果があるということも出来る。
　また、第１の電極又は第２の電極にエレクトレット膜が形成されていることにより、それぞれの電極に電荷（電圧）を供給する接続線にそれぞれの電極を接続する必要がなくなるので、接続線の影響がなくなるため、それぞれの電極から得られる信号が、より相補な信号となりうるという効果がある。
　ここで、フローティング構造を有するＭＥＭＳマイクロホンを信号源として、第１及び第２の増幅器２０１、２０２の平衡信号出力端子１２０、１２３の出力電圧について考えることにする。ここで第１及び第２の増幅器は、反転型の容量結合電荷増幅器である。
　第１及び第２の増幅器２０１と２０２において、反転入力端子２１２と２２１は、非反転入力端子２１１と２２２の間で通常の反転増幅器と同じように仮想短絡が発生する。
　この仮想短絡により、反転入力端子２１２と２２１の入力インピーダンスは無限大となり、反転入力端子には電流は流れ込まない。また、上記仮想短絡により、第２の電極端子１１２は仮想接地されて第２の増幅器２０２は第１の増幅器２０１へ影響を与えない。同様に、第１の電極端子１１１は仮想接地されて第１の増幅器２０１は第２の増幅器２０２へ影響を与えない。
　従って、第１の電極１０１上の電極の電荷は帰還容量２１４と帰還抵抗２１３へと、第２の電極１０２上の電荷は帰還容量２２４と帰還抵抗２２３へと流れ込む。
　帰還容量２１４、２２４の容量値をＣf、帰還抵抗２１３、２２３の抵抗値をＲfとし、上述したＭＥＭＳマイクロホンの信号電荷、容量から平衡信号出力１２０と１２３は以下で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
であり、さらに帰還抵抗と帰還容量で決定できる低域カットオフフィルターが形成されるため上式は以下で述べるカットオフ周波数ｆcutより高い周波数領域で成り立つ。低域カットオフ周波数ｆcutはＭＥＭＳマイクロホンの使用帯域を勘案して決定できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上式からわかるように、上記接続構成により、二つの平衡信号出力端子１２０と１２３は、平衡信号出力型センサーの対向した第１の電極１０１と第２の電極１０２に生じた相補な信号電荷に対応した相補な信号（位相が逆で大きさは同じ信号）を得ることができる。
　相補な信号を平衡接続処理（減算処理）すれば、２倍の大きさの信号が得られるとともに、ＭＥＭＳマイクロホンに同相で入力されるノイズはキャンセルすることができる。
　また、上式からわかるように前述した寄生容量１０９と１１０は存在しても信号の伝送に無感応となる。
　次に、平衡信号出力端子に表れる雑音について検討することにする。
　前述したように、仮想短絡により第２の増幅器２０２は第１の増幅器２０１へ影響を与えない。同様に、第１の増幅器２０１は第２の増幅器２０２へ影響を与えない。そのため、平衡信号出力端子１２０に表れる雑音要因は、ＭＥＭＳマイクロホンの容量Ｃm1、第１の増幅器２０１の雑音、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆとなる。また、平衡信号出力端子１２３に表れる雑音要因は、ＭＥＭＳマイクロホンの容量Ｃm1、第２の増幅器２０２の雑音、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆであり、要因が同じであるため雑音の大きさは同じとなる。従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
より品質のよい平衡信号を供給できることとなる。
　上記構成によれば、ＭＥＭＳマイクロホンなどの容量部における第１及び第２の電極の両電極に生成される相補関係にある信号を用いることで、混入外来ノイズをキャンセルすることができ、平衡信号出力型センサーを提供することができる。ここで、ノイズをキャンセルすることが出来る理由は、第１の電極及び第２の電極に混入するノイズはそれぞれ同位相であるため、相補な信号を減算処理することにより、キャンセルされるからである。
　さらに、上記相補関係にある信号を有効利用できる接続構成により、損失を低減するとともに感度の向上をはかることができる。
　次に、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号型出力センサーの実装概観図について説明する。図３（ａ）～（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーの実装概観図である。
　図３（ａ）は平衡信号出力型センサー（モジュール）の上面図を表し、図３（ｂ）は同左側面図を表し、図３（ｃ）は同下面図を表し、図３（ｄ）は同正面図を表し、図３（ｅ）は平衡信号出力型センサー（モジュール）の金属キャップを外した状態の上面図を表し、図３（ｆ）は平行信号出力型センサー（モジュール）の断面図を表している。尚、図３では、容量部が１つの場合のセンサー実装状態を示している。
　図３（ａ）～（ｆ）に示すように、平衡信号出力型センサーは、プリント基板３０１と金属キャップ３０２から構成される容器３００内に、第１の増幅器２０１、第２の増幅器２０２、ＭＥＭＳマイクロホン（ＭＥＭＳ素子部）３０３が収納されていることで構成されている。尚、第１の増幅器とＭＥＭＳマイクロホン３０３の第１の電極、及び第２の増幅器とＭＥＭＳマイクロホン３０３の第２の電極は、それぞれボンディングワイヤ３１３により接続されている。また、音や圧力を導入する導入孔３０４が金属キャップに設けられている。また、プリント基板における第１の増幅器、第２の増幅器及びＭＥＭＳマイクロホンが実装されている面と反対側の面には、第１の増幅器の平衡信号出力端子１２０、第１の増幅器及び第２の増幅器に電圧を供給する電圧（電源）供給端子１２１、接地端子１２２及び第２の増幅器の平衡信号出力端子１２３が形成されることで、面実装端子構造を構成している。尚、プリント基板３０１と金属キャップ３０２は半田リフロー等で結合される。
　ここで、導入孔３０４は、金属キャップに設けられている必要は必ずしもなく、プリント基板３０１に設けられていてもよい。具体的には、プリント基板３０１に穴加工を行うことで形成できる。プリント基板３０１に設けられた導入孔３０４においては、ＭＥＭＳマイクロホンの直上に導入孔３０４を配置することで、ＭＥＭＳマイクロホンの直下から音をＭＥＭＳマイクロホンに導入させても良いし、ＭＥＭＳマイクロホンが実装されていない位置に導入孔３０４を配置することで、ＭＥＭＳマイクロホンの上から音をＭＥＭＳマイクロホンに導入させても良い。ただし、導入孔が、ＭＥＭＳマイクロホンの直下にある方が、直接音がＭＥＭＳマイクロホンに入ってくるので望ましい。
　尚、プリント基板３０１の第１面には、ＭＥＭＳマイクロホンチップ３０３、第１及び第２の増幅器２０１、２０２を接着材で接着実装する。また、第１及び第２の増幅器２０１、２０２は、それぞれ入力端子、電源端子、出力端子及び接地端子を有しているＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器である。尚、入力端子以外の３つの端子は、外部と信号をやりとりする端子となり、プリント基板３０１の第２面に形成されている端子１２０～１２３と接続している。ここで、第１及び第２の増幅器は、それぞれＩＣで構成されていることが好ましい。また、端子１２０～１２３は、外部とのインターフェース端子となる。また、接地端子１２２は、金属キャップ３０２とプリント基板３０１を通して電気的に接続され、容器３００は、接地電位を有する外部からの電磁的な雑音から容器内部を保護するシールド容器となる。
　ＭＥＭＳマイクロホンチップ３０３の大きさが□２ｍｍ程度で、第１および第２の増幅器（ＩＣ）２０１，２０２が□１ｍｍ程度として図３のように配置をした場合にはその大きさがおおよそ８ｍｍ（Ｗ）ｘ６ｍｍ（Ｄ）ｘ１．３ｍｍ（Ｈ）の平衡信号出力型センサーを構成することができる。上述の数値は、配置構造やチップの大きさにもよるがさらに小さな数値とすることも可能である。　　
　上述した大きさの８ｍｍ（Ｗ）は、周波数１０ｋＨｚの音波の波長λ＝３４［ｍｍ］に比較して十分小さく、１０ｋＨｚ程度までは、導入孔３０４から導かれ、金属キャップ３０２とプリント基板３０１で構成されるキャビティ３１５内での音圧は一定となり、ＭＥＭＳマイクロホンチップ３０３の振動膜へ加わる音圧も一定となる。
　次に、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーを用いて得られた信号の実験データについて説明する。
　図４（ａ）～（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーにおいて、ＭＥＭＳマイクロホンチップが一つの場合における実特性を説明する図である。ここで、ＭＥＭＳマイクロホンチップの容量Ｃｍは７［ｐＦ］、帰還容量Ｃｆは８［ｐＦ］、帰還抵抗Ｒｆは２［ＧΩ］であり、ＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器には汎用品（ＴＩ社、ＴＬＣ２２０１）を用いている。
　図４（ａ）は、横軸を時間軸に取ったときの、平衡信号出力端子１２０からの出力信号Ａ（平衡信号出力Ａ）と平衡信号出力端子１２３からの出力信号Ｂ（平衡信号出力Ｂ）と、出力信号Ａと出力信号Ｂを平衡接続処理した後の信号Ｃを示している。ここで、平衡接続処理とは、出力信号Ａから出力信号Ｂを引き算する減算処理をすることを言う。図４（ａ）から、出力信号Ａと出力信号Ｂは振幅が同じで位相が逆の信号であることが分かる。また、信号Ｃの振幅は出力信号Ａ及びＢの振幅の約２倍となっており、本発明による特性が得られていることが分かる。ここで、縦軸の数値的な意味は無いので説明は省略する。　　　
　図４（ｂ）は、マイクロホンの感度周波数特性を示している。図４（ｂ）から分かるように、出力信号Ａと出力信号Ｂの感度は、ほぼ同一であることが分かる。また、信号Ｃの感度は、出力信号Ａと出力信号Ｂの感度のほぼ２倍（６ｄＢ大きい）となっていることが分かる。平衡接続処理した信号は２倍（６ｄＢ大きい）となっており、音声帯域における周波数特性もほぼ同じ傾向となる。従って、本発明による特性が得られていることが、実験からも理解できる。
　図４（ｃ）は、１０００Ｈｚ程度の音波が平衡信号出力型センサーに届いた時の、出力信号Ａと出力信号Ｂと信号Ｃの感度を表している。この実験結果からも、信号Ｃの感度は、出力信号Ａと出力信号Ｂの感度のほぼ２倍（６ｄＢ大きい）となっていることが分かる。
（第２の実施の形態）
　以下、本発明の第２の実施の形態について、図５～図７を参照して詳細に説明する。また、本発明で使用している、材料、数値は好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに加えるならば、他の実施の形態との組み合わせなども可能である。なお、ここでは、平衡信号出力型センサーの容量部は、ＭＥＭＳ素子部であり、特に、エレクトレットを有するＭＥＭＳ素子部であるとして説明する。また、ＭＥＭＳ素子部の例として、コンデンサマイクロホン（ＭＥＭＳマイクロホン）を例に説明することにする。ＭＥＭＳ素子部とは、半導体プロセスを用いて形成されたコンデンサを指している。以上のことは、本発明に共通して言えることである。また、本発明の第２の実施の形態においては、容量部を複数個使用する場合の形態についての説明であるが、特に、容量部が２つある場合の構成について説明する。
　図５は、本発明の第２の実施の形態における平衡信号出力型センサーの等価回路図の概略図である。
　第１の実施の形態で説明した容量部が一つである場合と同じく、二つ目の容量部の第１の電極１０１は第１の電極端子１１１を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続されている。同様に、二つ目の容量部の第２の電極１０２は第２の電極端子１１２を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続されている。その他の構成、接続関係及び効果は、第１の実施の形態における図１の説明と同様なので、説明を省略することとする。また、第１の実施の形態における図２（ａ）、（ｂ）に対応する説明は、第２の実施の形態についても同様なので、説明を省略することとする。尚、容量部が３～Ｎ個の場合には、容量部が２個の場合と同じく、３～Ｎ個の容量部の第１の電極をそれぞれの電極端子を通して、第１の増幅器２０１の反転入力端子２１２に接続する。また、３～Ｎ個の容量部の第２の電極１０２はそれぞれの電極端子を通して、第２の増幅器２０２の反転入力端子２２１に接続する。容量部が３～Ｎ個の場合については、このような構成とすることで、容量部が２個の場合と同等の議論が出来る。
　次に、本発明の第２の実施の形態に係る平衡信号型出力センサーの実装概観図について説明する。図６（ａ）～（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーの実装概観図である。
　図６（ａ）は平衡信号出力型センサー（モジュール）の上面図を表し、図６（ｂ）は同左側面図を表し、図６（ｃ）は同下面図を表し、図６（ｄ）は同正面図を表し、図６（ｅ）は平衡信号出力型センサー（モジュール）の金属キャップを外した状態の上面図を表し、図６（ｆ）は平行信号出力型センサー（モジュール）の断面図を表している（ただし、図６（ｆ）には、２つの増幅器が、投影されているものとして記載してある）。尚、図６では、容量部が二つの場合のセンサー実装状態を示している。
　第１の実施の形態で説明した容量部が一つである場合と同じく、第１の増幅器２０１、第２の増幅器２０２、二つのＭＥＭＳマイクロホン３０３ａ、３０３ｂが収納されていることで構成されている。尚、第１の増幅器と二つのＭＥＭＳマイクロホン３０３ａ、３０３ｂの第１の電極、及び第２の増幅器とＭＥＭＳマイクロホン３０３の第２の電極は、それぞれボンディングワイヤ３１３により接続されている。尚、ここでは、二つのＭＥＭＳマイクロホン３０３ａ、３０３ｂの第１の電極が同一の第１の増幅器に接続され、二つのＭＥＭＳマイクロホン３０３ａ、３０３ｂの第２の電極が同一の第２の増幅器に接続されている。小型化の観点から好ましいからである。
　また、第１の増幅器及び第２の増幅器は、それぞれ一つの出力端子を有しており、第１の増幅器が有する出力端子が、プリント基板の実装裏面にある第１の増幅器の平衡信号出力端子１２０に出力されるようにし、第２の増幅器が有する出力端子が、プリント基板の実装裏面にある第２の増幅器の平衡信号出力端子１２３に出力されるような構成となっている。接続損失の点で好ましいからである。
　また、その他の構成、接続関係及び効果は、第１の実施の形態における図３の説明と同様なので、説明を省略することにする。尚、ＭＥＭＳマイクロホン（容量部）が３～Ｎ個の場合についても同様の構成とすることで、容量部が２個の場合と同等の議論が出来る。　　　
　次に、本発明の第２の実施の形態に係る平衡信号型出力センサーにおいて、フローティング構造を有するＭＥＭＳマイクロホンを信号源として、第１及び第２の増幅器２０１、２０２の平衡信号出力端子１２０、１２３の出力電圧について考えることにする。ここでは、ＭＥＭＳマイクロホンが２個ある場合から考えを発展させて、ＭＥＭＳマイクロホンが複数個（Ｎ個）並列接続されている場合について、考えることにする。
　ＭＥＭＳマイクロホンが複数個（Ｎ個）並列接続されても、第１の実施の形態（Ｎ＝１）で説明した議論と同じ議論が成立するので、平衡信号出力については以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
となり、平衡接続処理をした信号として、２・Ｎ倍の良質な信号を得ることができる。
　また、信号対雑音比もＮ＝１と同様に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
より品質のよい平衡信号を供給できる。
　また、複数個接続の場合においても、Ｎ＝１の場合と同様に平衡信号出力型センサーチップ（容量部）に同相で入力されるノイズはキャンセルすることができる。
　本発明の第２の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーを用いて得られた信号の実験データについて説明する。
　図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る平衡信号出力型センサーにおいて、ＭＥＭＳマイクロホンチップが一つの場合と二つの場合における実特性を説明する図である。ここで、ＭＥＭＳマイクロホンチップの容量Ｃｍは５［ｐＦ］、帰還容量Ｃｆは８［ｐＦ］、帰還抵抗Ｒｆは２［ＧΩ］であり、ＣＭＯＳ型高入力インピーダンス増幅器には汎用品（ＴＩ社、ＴＬＣ２２０１）を用いている。
　図７（ａ）は、マイクロホンの感度周波数特性を示している。図７（ａ）中、出力信号Ａ１はＭＥＭＳマイクロホンチップが一つの場合の平衡信号出力端子１２０からの出力信号を表し、出力信号Ｂ１はＭＥＭＳマイクロホンチップが一つの場合の平衡信号出力端子１２３からの出力信号を表し、出力信号Ａ２はＭＥＭＳマイクロホンチップが二つの場合の平衡信号出力端子１２０からの出力信号を表し、出力信号Ｂ２はＭＥＭＳマイクロホンチップが二つの場合の平衡信号出力端子１２３からの出力信号を表し、Ｃは出力信号Ａ２と出力信号Ｂ２を平衡接続処理した後の出力信号Ｃを示している。ここで、平衡接続処理とは、出力信号Ａ２と出力信号Ｂ２を引き算する減算処理をすることを言う。
　図７（ａ）から分かるように、出力信号Ａ１と出力信号Ｂ１の感度は、ほぼ同一であることが分かる。同様に、出力信号Ａ２と出力信号Ｂ２の感度は、ほぼ同一であることが分かる。出力信号Ａ１及びＢ１の感度は、出力信号Ａ２及びＢ２の感度のほぼ２倍（６ｄＢ大きい）となっていることが分かる。また、信号Ｃの感度は、出力信号Ａ２及び出力信号Ｂ２の感度のほぼ２倍（６ｄＢ大きい）となっていることが分かる。
　図７（ｂ）は、１０００Ｈｚ程度の音波が平衡信号出力型センサーに届いた時の、出力信号Ａ１、出力信号Ｂ１、出力信号Ａ２、出力信号Ｂ２、出力信号Ｃの感度を表している。この結果から、図７（ａ）と同様のことが言えることが分かる。
　２個のＭＥＭＳマイクロホンチップを容器に格納しているために、１個のＭＥＭＳマイクロホンチップを収納する場合と比較して、より小型のＭＥＭＳマイクロホンチップと使用している。そのため、ＭＥＭＳマイクロホン（容量部）の容量Ｃｍも小さくなる。一方、２個のＭＥＭＳマイクロホンチップは、同一ウェハ上で製造されたチップであるため、感度の差は、０．３ｄＢ以内の特性である。
　ＭＥＭＳマイクロホンチップが一つの場合での平衡出力信号Ａ１及びＢ１が、それぞれ－５２．１［ｄＢＶ／Ｐａ］、－５２．２［ｄＢＶ／Ｐａ］であるのに対して、ＭＥＭＳマイクロホンチップが二つの場合の平衡出力信号Ａ２及びＢ２が、それぞれ－４６．２［ｄＢＶ／Ｐａ］、－４６．２［ｄＢＶ／Ｐａ］となっている。そのため、ＭＥＭＳマイクロホンチップが二つの場合のチップの感度は上述の差異０．３ｄＢ以内に作りこまれていることがわかる。また、ＭＥＭＳマイクロホンチップが二つの場合（Ｎ＝２）の平衡接続処理後の信号は実験結果からも２・Ｎ倍（１２ｄＢ）の特性となっていることが分かる。
　尚、ＭＥＭＳマイクロホンチップは、ＣＭＯＳ製造プロセスを利用して多数のマイクロホンチップが同時に作りこまれているため、特性が一様となり、感度や容量は均一となっている。従って、各振動膜の変位は、ほぼ同じ大きさになっている。また、複数のマイクロホンチップをマルチ接続して用いる場合には、雑音を効率よくキャンセルすることができ、特性の揃った出力を得ることが可能となる。また、同一基板上に複数のＭＥＭＳマイクロホンを接続する場合には、相互接続が不要となり、接続損失のない優れた平衡信号出力型センサーを提供することが可能となる。また、複数のＭＥＭＳマイクロホンだけでなく第１および第２の増幅器をも同一基板上に集積化することで極めて微細で接続損失のないすぐれた平衡信号出力型センサーを提供することが可能となる。以上から、本発明の第２の実施の形態にあるように、複数の容量部（ＭＥＭＳ素子部）を搭載することで、上記のような効果を有する平衡信号出力型センサーを提供することが出来るという効果がある。尚、上記の効果を全て発揮しなければならないわけではなく、一つでも発揮できれば十分有用である。
　尚、第１の実施の形態と第２の実施の形態の増幅器１と２の機能を一つのＩＣとして実現することも可能であり、あわせて減算処理機能をもたせることも可能である。
（変形例１）
　以下、本発明の変形例１の形態について、図８、図９を参照して説明する。
　第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、相対向する面が平滑な電極を用いたが、相対向する面がくし歯型の構造を有する電極を用いても構わない。つまり、くし歯型の可動電極とくし歯型の固定電極とが相対向する１対のコンデンサ構造を容量部として用いても構わない。図８は、相対向する面がくし歯型の構造を有する電極対の断面図を表している。図９は、相対向する面がくし歯型の構造を有する電極対の斜視図を表している。
　本発明の変形例１については、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、第１及び第２の電極が、それぞれ第１及び第２の増幅器に接続されて出力されるようになっており、何れもグランド接続されていない。本変形例１では、可動電極である第１の電極４０１及び固定電極である第２の電極４０２がくし歯状をなしている点で第１及び第２の実施の形態と異なるのみである。
　上記構成により、くし歯が無いときと比べて、容量の発生面積を大きくすることができるという効果がある。
（変形例２）
　以下、本発明の変形例２の形態について、図１０、図１１を参照して説明する。
　変形例１では、くし歯型の可動電極とくし歯型の固定電極とが相対向する１対のコンデンサ構造を容量部として用いたが、図１０の断面図、図１１の斜視図に示すように、変形例２では、両面がくし歯型である可動電極となる第１の電極５０１の両面に、くし歯型の固定電極となる第２の電極５０２ａ、５０２ｂが相対向するように、配置されている。
　本発明の変形例２については、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、第１及び第２の電極が、それぞれ第１及び第２の増幅器に接続されて出力されるようになっており、何れもグランド接続されていない。本変形例２では、両面がくし歯型である可動電極となる第１の電極５０１の両面に、くし歯型の固定電極である第２の電極５０２ａ、５０２ｂが相対向するように配置されていている点で第１及び第２の実施の形態と異なるのみである。
　上記構成により、くし歯型電極を２対にすることにより、変形例１と比べて、２倍の容量変化量を発生させることができるという効果がある。
（変形例３）
　以下、本発明の変形例３の形態について、図１２、図１３を参照して説明する。
　変形例３では、４対の容量部を構成し、２対の容量部がＸ方向の加速度を検出し、その他の２対の容量部がＹ方向の加速度を検出できるようにしたものである。図１２の断面図に示すように、可動電極である第１の電極６０１ａ乃至６０１ｄが円周上に４分割されて形成されており、この第１の電極の内側に対向して第２の電極６０２ａ乃至６０２ｄを配置したことを特徴とするものである。尚、可動電極となる第１の電極が第２の電極の内側となるような構成でも構わない。
　本発明の変形例３については、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、第１及び第２の電極が、それぞれ第１及び第２の増幅器に接続されて出力されるようになっており、何れもグランド接続されていない。本変形例３では、４対の容量部を構成し、２対の容量部がＸ方向の加速度を検出し、その他の２対の容量部がＹ方向の加速度を検出できるように配置されていている点で第１及び第２の実施の形態と異なるのみである。また、本発明の変形例３においては、本実施の形態でも可動電極である第１の電極６０１ａ乃至６０１ｄと固定電極である第２の電極６０２ａ乃至６０２ｄとが図１３に示すようにそれぞれくし歯状をなして相対向していてもよい。尚、図１３のような構成においても、可動電極となる第１の電極が第２の電極の内側となるような構成でも構わない。
　上記構成により、Ｘ方向及びＹ方向の変化量を検知する加速度センサーを構成することができる。
　なお、変形例１乃至３についても、第１または第２の電極に、エレクトレット膜や誘電体膜が設けられた方が望ましい。また、この明細書中で使われている平衡信号出力型センサーとは、１対の信号線を用い、その信号の大きさが同じであり、かつ信号が逆位相であるいわゆる平衡信号を出力するセンサーをいうものとする。
（第３の実施の形態）
　次に本発明の第３の実施の形態について説明する。図１４は、本発明の実施の形態におけるデジタル信号出力センサーの接続構成を示す概略図である。
　このデジタル信号出力センサーは容器構成体７０５で構成されており、前記実施の形態１で説明した平衡信号出力センサーの第１の増幅器２０１の平衡信号出力端子１２０と、第２の増幅器２０２の平衡信号出力端子１２３が、アナログ－デジタル変換器７０４の入力端子７０２及び７０１に接続され、アナログ－デジタル変換器の出力は出力端子７０３へ導かれる。
　アナログ－デジタル変換器７０４と、前記第１および第２の増幅器２０１と２０２は、同製造プロセス技術を利用して、１チップ上に構成することにより、前記電源供給端子１２１および接地端子１２２を共通化できる。
　また、１チップ上に前記アナログ－デジタル変換器７０４と、前記第１および第２の増幅器２０１と２０２とを、構成することにより、アナログ－デジタル変換器７０４と、前記第１および第２の増幅器２０１と２０２の共通回路、例えば低電圧発生回路、を１つにすることで低消費電力およびチップサイズを小さくすることが可能となり、より安価なデジタル出力センサーを提供することができる。
　エレクトレットＭＥＭＳマイクロホンを用いて構成するデジタル信号出力センサーのアナログ－デジタル変換器７０４は、高分解能を特徴とするΔシグマ変調器であることが望ましい。
　特に、クロック周波数１Ｍ～４ＭＨｚ、オーバーサンプリング率５０～６４倍、４次のΔシグマ変調器を用いることで、高信号対雑音比を低消費電力で実現することができる。
　デジタル信号出力センサーの出力端子７０３は、一定幅のパルスの密度より、波形を表すＰＤＭ（Pulse Density Modulation）形式で出力し、外部のＤＳＰ（Digital Signal Processor）により、オーディオインターフェイスフォーマット、例えば、ＳＰＤＩＦフォーマットに変換される。また、容器構成体７０５内にＤＳＰを取り込むことで、前記デジタル信号出力センサーの出力端子７０３は、オーディオインターフェイスフォーマット、例えば、ＳＰＤＩＦフォーマットで出力することも可能である。
　前記実施の形態１で説明したように前記平衡信号出力端子１２０および１２３での信号対雑音比は向上するために、前記平衡信号出力端子１２０および１２３と前記アナログ－デジタル変換器７０４の入力端子７０２及び７０１に接続をすることで、デジタル信号出力センサーの信号対雑音比も向上し、より品質のよいデジタル出力信号を供給することができる。
　前記実施の形態２および実施の形態３で説明したように複数個のエレクトレットＭＥＭＳマイクロホンを接続する場合も、信号対雑音比はより向上するため、より品質のよいデジタル出力信号を供給することができる。
　本出願は、２００８年１２月２４日出願の日本特許出願２００８－３２８４９２に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は、平衡信号出力型センサーの対向電極の両極信号電荷を有効に使用し、混入外来ノイズをキャンセルできる平衡信号出力型センサーであって感度及び信号対雑音比の向上はかれるセンサーを提供できて有用である。
１０１　第１の電極
１０２　第２の電極
１０３　エレクトレット膜
１１１　第１の電極端子
１１２　第２の電極端子
１２０、１２３　平衡信号出力端子
２０１　第１の増幅器
２０２　第２の増幅器
２１１、２２２　非反転入力端子
２１２、２２１　反転入力端子
２１３、２２３　帰還抵抗
２１４、２２４　帰還容量
７０１，７０２　入力端子
７０３　出力端子
７０４　アナログ－デジタル変換器
７０５　容器構成体

Claims (20)

  1. 　可動電極である第１の電極及び前記第１の電極に対向して配置された第２の電極とを具備した容量部と、
    　前記第１の電極に接続され、前記第１の電極からの信号を増幅する第１の増幅器と、
    　前記第２の電極に接続され、前記第２の電極からの信号を増幅する第２の増幅器と、
    を具備した平衡信号出力型センサー。
  2. 　請求項１に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    容器をさらに具備し、　
    　前記容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、前記容器内に収納されていることを特徴とする平衡信号出力型センサー。　
  3. 　請求項２に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記容器は、前記容量部を搭載する基板と、前記容量部の搭載された前記基板を覆う蓋体とで構成され、
    　前記基板又は前記蓋体のいずれかに、圧力を前記容量部に伝達するための導入孔を有することを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  4. 　請求項３に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記容量部、前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器は、前記基板の第１の面上に搭載され、
    　前記第１の増幅器の出力端子と、前記第２の増幅器の出力端子と、電圧供給端子と接地端子が、前記基板の第２の面に実装されていることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  5. 　請求項４に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記蓋体は金属からなり、
    　前記接地端子は、前記基板を通して前記蓋体と電気的に接続していることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  6. 　請求項１乃至５に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記容量部は、複数個存在することを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  7. 　請求項６に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記複数個存在する容量部の前記第１の電極の信号は、それぞれ前記第１の増幅器の入力端子に、
    　前記複数個存在する容量部の前記第２の電極の信号は、それぞれ前記第２の増幅器の入力端子に接続されることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかに記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第１の電極における前記第２の電極側の表面、又は前記第２の電極における前記第１の電極側の表面に誘電体膜を有することを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  9. 　請求項８に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記誘電体膜がエレクトレット膜であることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  10. 　請求項１乃至９のいずれかに記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器が容量結合型電荷増幅器を構成していることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  11. 　請求項１乃至１０のいずれかに記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第１の増幅器及び第２の増幅器がＩＣで構成されていることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  12. 　請求項１乃至１１のいずれかに記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号は、実質的に逆位相であることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  13. 　請求項１乃至１２のいずれかに記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第１の電極がグランド接続されていないことを特徴とセンサー衡信号出力型センサー。
  14. 　請求項１乃至１３に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記第２の電極がグランド接続されていないことを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  15. 　請求項１乃至１４に記載の平衡信号出力型センサーであって、
    　前記容量部は、ＭＥＭＳ素子部であることを特徴とする平衡信号出力型センサー。
  16. 　請求項１乃至１５に記載の平衡信号出力型センサーを用いたデジタル信号出力センサーであって、
    　前記第１の増幅器からの出力信号と、前記第２の増幅器からの出力信号をアナログ－デジタル変換するアナログ－デジタル変換器に接続し、出力信号がデジタル信号であるデジタル信号出力センサー。
  17. 　請求項１６に記載のデジタル信号出力センサーであって、
    　前記第１の増幅器、前記第２の増幅器およびアナログ－デジタル変換器が、同一基板上に形成されていることを特徴とするデジタル信号出力センサー。
  18. 　請求項１６乃至１７に記載のデジタル信号出力センサーであって、
    　アナログ－デジタル変換器がΔシグマ変調器であることを特徴とするデジタル信号出力センサー。
  19. 　請求項１６乃至１８に記載のデジタル信号出力センサーであって、
    　デジタル出力信号がＰＤＭ（パルス密度変調）方式であることを特徴とするデジタル信号出力センサー。
  20. 　請求項１９に記載のデジタル信号出力センサーであって、
    前記記載のＰＤＭ出力を、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）によりオーディオインターフェイスフォーマット変換して出力するデジタル信号出力センサー。
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