「Transducers(International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems)」は、MEMS(微小電子機械システム)に関する世界最大で隔年開催の国際会議だ。2019年6月23~27日に「Transducers 2019」がドイツ・ベルリンで開催された。約650件の論文から東北大学教授の田中秀治氏が最新のトレンドを解説する。MEMSマイクでは、新原理を探る動きが出てきた。PZT材料を使った素子の応用範囲も広がっている。(日経エレクトロニクス)

 MEMSマイクロホン(マイク)は、2010年に米Apple(アップル)の「iPhone4」に搭載されて以来、エレクトレットコンデンサーマイク(ECM)を携帯電話機・スマートフォンから駆逐するとともに、性能を高めてきた。当初58~59dBだったSN比(信号対雑音比)は62~63dB、65~66dBと世代を経ることに向上した。遅くとも6~7年前にはSN比は65dBに達し、今でもスマートフォンに搭載されるMEMSマイクの性能は62~65dBと変わっていない。これ以上に高性能化してもユーザー体験はほとんど変わらないというのが、その理由である。

 一方、その間、マイクに高性能が求められる応用も登場した。代表的なものは「Amazon Echo」が先鞭を付けたAIスピーカーである。AIスピーカーでは、ユーザーとマイクとが離れている上に音声認識率がユーザー体験に直結する。現在、ハイエンドMEMSマイクのSN比は約70dBである。

 このようなハイエンド品はデュアルバックプレート型静電MEMSマイクで実現されており、音声で振動するSi(シリコン)薄膜(ダイヤフラム、メンブレン)が2枚のバックプレート(メッシュのような構造の電極)で挟まれた構造を有する(図1)。これによって、差動読み出しが可能になって出力が2倍になるとともに、同相ノイズが抑えられる。また、その構造の対称性によって静電トランスデューサーの感度に直結するバイアス電圧を高くできる。

図1 Infineon Technologiesのデュアルバックプレート型静電MEMSマイク
上部電極(Top Backplaste)と下部電極(Bottom Backplate)の2枚の電極で薄膜(Membrane)を挟んだ構造を採用したMEMSマイク。(写真:Sebastian Anzinger et al., Proc. Transducers 2019, pp.865-868)
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 バックプレートを2枚にすることで、音響ノイズ(後述するスクイーズドフィルムダンピング)は増えるが、それを補ってSN比の向上が期待できる。さらに、この構造は大音量時の信号の歪みにくさを示すアコースティックオーバーロードポイント(AOL、高調波歪みが10%になるSPL(音圧レベル))を高めることもできる。ただし湿気やほこりに弱い。

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