JP2017530659A - バルブ機構付きのｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Abstract

プリント回路基板と、前記プリント回路基板に取り付けられハウジングを形成するカバーと、前記ハウジングに形成された少なくとも一つのサウンドホールと、前記ハウジングの内部に位置し、ダイヤフラムを有するトランスジューサと、前記ハウジングの内部に位置し、それぞれ対応するサウンドホールを取り囲んで前記ハウジングに装着される少なくとも一つのシャッタ構造とを含むＭＥＭＳデバイスを提案する。各シャッタ構造は、その中に形成された少なくとも一つの通気孔を有する基板と、その中に形成された少なくとも一つの空気隙間と可動部を有し、前記ハウジングの内表面の近くに設置された可動部品とを備える。前記可動部品は、前記サウンドホールから前記可動部品の少なくとも一つの空気隙間を介して前記基板の少なくとも一つの通気孔に至る空気の流れの経路が開放されるように、常圧で開放位置に保持され、高い外圧で第１閉鎖位置に移動することにより、前記基板の少なくとも一つの通気孔を閉塞し、前記空気の流れの経路を閉鎖する。

Description

本発明は、全体的に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関し、より具体的には、バルブ機構付きのＭＥＭＳデバイスに関する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、音響トランスジューサシステムとも称され、既に開発されてから数年経過している。ＭＥＭＳマイクロフォンは、既に多くのアプリケーション、例えば、携帯電話、タブレットＰＣ、カメラ、補聴器、インテリジェント玩具及び監視装置などに幅広く応用されている。

米国特許第６,７８１,２３１号は、表面実装部品（例えば、シリコンコンデンサ型マイクロフォンと集積回路）、基板、内部カップと外部カップを有するカバー、及びカバーに形成され音響信号を受信するのに用いられる孔又はアコースティック・ポートを含み、カバーはハウジングを形成するように基板に取り付けられているＭＥＭＳパッケージを開示している。孔又はアコースティック・ポートは、音響エネルギーのハウジング内部への進入を許可する自由の「音声ポート」経路として考えられる。各アコースティック・ポートは、水、粒子及び／又は光がパッケージに進入して内部部品を破損することを阻止するために、内部カップと外部カップの間に設置された環境バリア層を含むことができる。しかしながら、環境バリア層は空気の流れが音声ポートを介してハウジング内部に進入することを妨げることによって、音響信号が微小電気機械システムマイクロフォンに至る性能を低下させる。

米国特許第６,３２４,９０７号は、フレキシブル基板の変換モジュールを開示している。フレキシブル基板は、変換システムと変換モジュールを収容するための電子機器との間の接続性を提供する。複数の貫通孔は、外部環境に連通する第１チャネルを形成するように、フレキシブル基板の第２端部に形成されている。しかしながら、一つの好ましくない問題は、落下試験による気圧パルスは音響変換システムにおける音響トランスジューサ素子のダイヤフラムを破損させやすいことである。

国際特許公開番号ＷＯ２０１３／０９７１３５にも、シリコン基板及びシリコン基板における音響センサ部を含むＭＥＭＳマイクロフォンが開示されている。メッシュ構造のバックホールは、複数のメッシュビーム及びメッシュビームと側壁により限定された複数のメッシュ孔を有し、基板に形成され、音響センサ部に合わせられている。メッシュ構造のバックホールは、気圧パルスを流線型にするのに役たつため、音響センサ部に対する影響を減少させ、且つ粒子などのような異物がマイクロフォンに進入することを阻止する保護フィルターとしても用いられる。

しかしながら、上記二つの方法の欠点は、粒子などのような異物がフレキシブル基板における孔とメッシュ構造のバックホールのメッシュ孔などのような音声ポートを通過してＭＥＭＳマイクロフォンのダイヤフラムに落ち込みやすいことであり、特に落下試験による高い気圧パルスの場合において顕著になる。

本発明の目的は、バルブ機構付きのＭＥＭＳデバイスを提供することにある。当該ＭＥＭＳデバイスは、内部部品（例えば、トランスデューサチップ）が強い空気の流れのパルス又は高い音圧の影響を受けないように保護することができる。

本発明の一つの目的は、プリント回路基板と、前記プリント回路基板に取り付けられハウジングを形成するカバーと、前記ハウジングに形成された少なくとも一つのサウンドホールと、前記ハウジングの内部に位置し、ダイヤフラムを有するトランスジューサと、前記ハウジングの内部に位置する少なくとも一つのシャッタ構造とを含むＭＥＭＳデバイスを提供することである。前記シャッタ構造は、それぞれ対応する前記サウンドホールを取り囲んで前記ハウジングに装着可能である。前記シャッタ構造は、その中に形成された少なくとも一つの通気孔を有する基板と、その中に形成された空気隙間と可動部を有する可動部品とをそれぞれに備える。前記可動部品は、前記基板と前記ハウジングの間に接続されている。前記可動部は、前記サウンドホールから前記可動部品の少なくとも一つの空気隙間を介して前記基板の少なくとも一つの通気孔に至る空気の流れの経路が開放されるように、常圧で開放位置に保持され、高い外圧で第１閉鎖位置に移動することにより、前記基板の少なくとも一つの通気孔を閉塞し、前記空気の流れの経路を閉鎖する。

好ましい一実施形態において、前記少なくとも一つのサウンドホールは、前記プリント回路基板に形成された第１サウンドホールを含み、前記少なくとも一つのシャッタ構造は、前記第１サウンドホールに対応し、前記プリント回路基板の第１サウンドホールの上方に設置された第１シャッタ構造を含む。そして、前記トランスジューサは前記第１シャッタ構造の基板に設置されている。

別の好ましい実施形態において、前記少なくとも一つのサウンドホールは、前記カバーに形成された第２サウンドホールを含み、前記少なくとも一つのシャッタ構造は、前記第２サウンドホールに対応する第２シャッタ構造を含む。前記第２シャッタ構造の可動部品は、前記カバーの内表面に接合可能であり、前記第２サウンドホールの上方に位置し、前記トランスジューサは、前記プリント回路基板の上方に設置されている。

一実施形態において、各シャッタ構造は、側壁により囲まれた第１開口部を有する第１スペーサを更に含む。前記可動部は前記基板に平行する。前記第１スペーサは、常圧で空気の流れが前記第１開口部を通過して前記少なくとも一つの通気口に至って、前記高い外圧で前記第１開口を通じて前記可動部が移動するように、前記基板と前記可動部品の間に接続される。

一実施形態において、ＭＥＭＳデバイスは、側壁により囲まれた第２開口を有し、常圧で前記サウンドホールからの空気の流れが前記第２開口を通過するように、前記ハウジングと各シャッタ構造の可動部品の間に接続される第２スペーサを更に含む。

一実施形態において、前記第１サウンドホールに対して開放される凹溝は前記プリント回路基板の上部に形成されている。前記第１シャッタ構造は、前記凹溝を取り囲んで設置され、前記可動部品の可動部は前記凹溝の上方に吊り下がっている。

一実施形態において、前記可動部品は、前記可動部品の周縁に位置し、前記基板に接続されている固定部を更に含む。前記可動部は前記可動部品の中心部に位置する。前記少なくとも一つの空気隙間は、前記固定部と前記可動部を仕切っている。好ましくは、前記可動部品は、前記固定部と前記可動部の間に接続されるバネを更に含み、前記可動部の前記高い外圧での移動を促進する。

一実施形態において、前記可動部品の可動部は、単一の可動板又は可動板のアレイであってもよい。

一実施形態において、前記可動部品の可動部は、前記サウンドホール及び前記少なくとも一つの通気孔と連通する穴あき板であってもよい。

一実施形態において、対応するサウンドホールを閉塞するために、各前記シャッタ構造の前記可動部品の前記可動部は前記高い内圧で第２閉鎖位置に移動することができる。

一実施形態において、当該外圧又は内圧が解除されると、前記可動部は前記開放位置に戻って前記空気の流れの経路を開放することができる。

一実施形態において、当該高い外圧又は内圧は、通常の音圧レベルの約５００倍を超える音圧又は標準大気圧の約１．２倍を超える気圧であってもよい。

本発明の別の目的は、プリント回路基板と、前記前記プリント回路基板に取り付けられハウジングを形成するカバーと、前記ハウジングに形成された第１貫通孔と、可動部、支持部及び前記可動部と前記支持部の間に形成された少なくとも一つの空気隙間を有するシャッタ構造とを含むＭＥＭＳデバイスを提供することである。前記シャッタ構造は、前記第１貫通孔を取り囲んで設置され、前記支持部を介して前記ハウジングに接合されることにより、前記第１貫通孔から前記シャッタ構造の少なくとも一つの空気隙間を通過して前記ハウジングの内部に至る空気の流れの経路を提供する。前記シャッタ構造の可動部は、前記空気の流れの経路を開放するように、常圧で開放位置に保持され、高圧で閉鎖位置に移動することにより、前記空気の流れの経路を閉鎖する。

一実施形態において、前記シャッタ構造は、側壁により囲まれた第１開口部を有する第１スペーサを介して前記ハウジングの外表面に接合され、前記第１開口部を閉塞するために、前記シャッタ構造の可動部は高圧で前記第１開口部を通じて前記閉鎖位置に移動する。

一実施形態において、前記シャッタ構造は前記ハウジングの内表面に接合されている。前記シャッタ構造の支持部は、少なくとも一つの通気孔を有し前記可動部に平行する基板と、側壁により囲まれた第２開口部を有する第２スペーサとを含み、前記第２スペーサは、前記基板と前記可動部の間に接続されることにより、常圧で空気の流れが順に前記第１貫通孔、前記少なくとも一つの空間隙間、前記第２開口及び前記少なくとも一つの通気孔を通過して前記ハウジングの音響チャンバに入ることができ、且つ、高圧で可動部が前記第２開口を通じて基板に向かって移動することにより、前記少なくとも一つの通気孔を閉塞することができる。

一実施形態において、前記ＭＥＭＳデバイスは、ダイヤフラムを有し、前記ハウジングの内部に設置され、前記プリント回路基板の上方に位置するトランスジューサを更に含む。

一実施形態において、前記高圧は通常の音圧レベルの約５００倍を超える音圧及び標準大気圧の約１．２倍を超える気圧であってもよい。

一実施形態において、前記シャッタ構造は、ＣＭＯＳモノリシック集積型マイクロフォンデバイス、ＭＥＭＳマイクロフォンデバイス又はその他のＭＥＭＳデバイスに応用される。

本発明の別の目的は、ダイヤフラムを有するトランスジューサ素子とシャッタ構造を含む音響トランスジューサデバイスを提供することである。前記シャッタ構造は、その中に形成された少なくとも一つの孔を有する基板と、その中に形成された少なくとも一つの空気隙間と可動部を有する可動部品とを備え、前記可動部品と前記基板の間に囲まれた空間が形成されるように、前記可動部品は前記基板の第１表面に接合されている。前記トランスジューサ素子は、前記基板の第２表面に接合され、前記トランスジューサ素子のダイヤフラムは前記第１表面に対向する前記第２表面に面する。前記可動部は、常圧でレスト位置に保持されることにより、可動板の少なくとも一つの空気隙間から前記基板の少なくとも一つの孔を通過して前記トランスジューサ素子のダイヤフラムに至る空気の流れの経路を提供し、高圧で前記囲まれた空間を通じて基板に向かって移動することにより、前記基板の少なくとも一つの孔を閉塞する。

一実施形態において、前記可動部品の可動部は単一の可動板又は可動板のアレイであってもよい。

本発明の実施形態によれば、ＭＥＭＳデバイス又はマイクロフォンに対し、シャッタ構造を提供することができる。シャッタ構造は、通常の条件において音響信号をデバイス内部のトランスジューサ素子又はその他の内部部品に接触させることができるが、非常に激しい圧力条件において比較的に高い音響圧力又は強い空気の流れのパルスがそれらの内部部品に接触することを自動的に阻止し、そのため、バルブ機構付きのＭＥＭＳデバイス又はマイクロフォンデバイスを提供することによって、その内部デバイスを破損されないように保護する。そして、その他の物理量（例えば、電気信号、電子信号、磁気信号又は光学信号など）との変換が必要しないため、本発明のＭＥＭＳデバイスは構造が簡単で、コストが低く、信頼性が高いという利点を有する。シャッタ構造の可動部が空気の流れが通過する孔の真上に設置される場合、シャッタ構造は粒子などのような異物がＭＥＭＳデバイスに進入することを阻止するように保護フィルターとしても使用されることができる。

本発明の一実施形態によるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明の一実施形態による図１に示すＭＥＭＳデバイスに応用されるシャッタ構造の一部の斜視図である。 図２におけるシャッタ構造の可動部品の上面図である。 本発明の実施形態によるシャッタ構造の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態によるシャッタ構造の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態による別のＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるまた別のＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるまた別のＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるＭＥＭＳデバイスに応用される別のシャッタ構造の断面図である。 図７Ａのシャッタ構造における一層を示す上面図である。 図７Ａのシャッタ構造における一層を示す上面図である。 図７Ａのシャッタ構造における一層を示す上面図である。

本発明及びその利点をより完全に理解させるために、図面に基づいて以下のように説明する。

別途に説明しない限り、異なる図面における該当の番号及び符号は一般的に該当の部品を指す。作成した図面は、各実施形態にかかる態様を例示的に説明するためのものであるため、比例して作成しなくてもよい。

以下、幾つかの実施形態の製造と使用を詳細に説明する。しかしながら、本発明は様々な具体的な環境において実現できる多くの応用可能な概念を提供していることを理解すべきである。検討した具体的な実施形態は、本発明を製造及び使用する具体的な態様のみを示すものであり、本発明の範囲を限定するためのものではない。

異なる特徴を実現するために、以下に開示した文言は複数の異なる実施形態又は実例を提供していることを理解すべきである。以下、本発明を簡単化するために、部品又は構成の具体的な実例を説明する。当然ながら、これらは例示的なものに過ぎず、本発明を限定するためのものではない。また、本発明の異なる実例において、番号及び／又はアルファベットを繰り返して使用することができる。このような繰り返しは簡単化及び明瞭化を目的とし、且つ、それ自体は説明した異なる実施形態及び／又は構造の間の関係を指定しない。そして、以下の明細書において、第１部品は第２部品の上方に形成される態様は第１部品と第２部品が直接接触して形成される実施形態を含むことができ、更に付加部品が第１部品と第２部品の間に介在して形成することにより、第１部品と第２部品を直接接触させずに形成する実施形態を含むことができる。

関連する空間の用語、例えば、「…の下に」、「下面の」、「…の上に」、「上面の」、「…の上方に」などは、図面に示された一つの素子又は部品ともう一つ（また一部）の素子又は部品との関係を説明しやすくするために、本明細書に使用されることができる。関連する空間の用語は、図面に作成された方向以外の装置を使用又は操作する異なる方向を含むことを理解できる。例えば、図面におけるデバイスが反転された場合、その他の素子又は部品の下又は下面に位置すると説明された素子がその他の素子又は部品の上に位置付けられる。このため、例示的な用語「…の下に」は「…の上に」と「…の下に」という方向を含むことができる。前記デバイスはその他の態様で位置付けられる（９０度回転する又はその他の方向に）ことができ、本明細書に使用される空間に関連する説明用符号は同じように解釈されることができる。

図１は本発明の一実施形態によるＭＥＭＳデバイスの断面図である。図１に示すように、ＭＥＭＳデバイス１００は、その中に形成されたサウンドホール１１２を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）１１０と、カバー１２０と、ＡＳＩＣチップ１３０と、トランスジューサ１４０及びシャッタ構造１５０とを含む。カバー１２０は、プリント回路基板１１０に取り付けられて囲まれたハウジングを形成し、該ハウジングは内部素子を保護する。ＡＳＩＣチップ１３０、トランスジューサ１４０及びシャッタ構造１５０はハウジングの内部に設置される。シャッタ構造１５０は、サウンドホール１１２に取り囲まれるようにＰＣＢ１１０の上方に設置されることができる。トランスジューサ１４０は、ＰＣＢ１１０の上方に設置され、シャッタ構造１５０の上に位置する。シャッタ構造１５０はハウジングに連結され音響トランスジューサ１４０のための音響チャンバ１１４を形成する。

図２は本発明の一実施形態による図１に示すＭＥＭＳデバイスに応用されるシャッタ構造の一部の斜視図である。図３は図２におけるシャッタ構造の可動部品の上面図である。図１〜図３に示すように、シャッタ構造１５０は、基板１５２、スペーサ１５４及び可動部品１５６を含む。基板１５２は通気孔１５２１を有する。スペーサ１５４は側壁１５４１により囲まれた中空空間１５４３を有する。可動部品１５６は、固定部１５６１、可動部１５６３及びストリップ１５６５を含むことができる。一実施形態において、固定部１５６１から可動部１５６３に延伸するストリップ１５６５を形成するために、複数の開口溝１５６４は可動部品１５６に形成されることができる。例えば、エッチング工程、切断工程などの工程を採用し予め定義されたパターンで板をエッチングすることにより、固定部１５６１、可動部１５６３及びストリップ１５６５を形成することができる。可動部１５６３の移動及び空気の流れが可動部品１５６を通過できるという目的を実現するために、開口溝１５６４とストリップ１５６５を介して可動部１５６３と固定部１５６２を仕切る。可動部１５６３の寸法は、可動部１５６３が移動でき（又は曲げて）スペーサ１５４の中空空間１５４３を通過できるように設計される。固定部１５６１と可動部１５６３の間に位置するストリップ１５６５は、可動部の柔軟性を向上させ、可動部１５６３の機械的強度を低下させることができる。

スペーサ１５４は基板１５２に設置される。可動部品１５６の固定部１５６１はスペーサ１５４の側壁１５４１に設置され（図１参照）、そのため、可動部１５６３はスペーサ１５４の中空空間１５４３（図１参照）の上方に吊り下がっている。適切な外力が可動部１５６３に印加された場合、可動部１５６３は基板１５２に向かって移動して中空空間１５４３を通過することができる。

図１に戻って、通常の音圧で、可動部品１５６の開口溝１５６４、中空空間１５４３及び通気孔１５２１が存在するため、空気の流れはサウンドホール１１２からシャッタ構造１５０を通過して音響チャンバ１１４に入ることができ、ＭＥＭＳの性能に影響を与えることがない。比較的に高い音圧又は空気の流れの衝撃のみで可動部１５６３の大きな移動を引き起こせることによって音響チャンバへの空気の流れの経路を閉塞することができ、よってＭＥＭＳデバイスのダイヤフラムとバックプレートを保護することができる。

図４Ａと図４Ｂは本発明の実施形態によるシャッタ構造の動作原理を示す図である。シャッタ構造１５０は、可動部品１５６、可動部品１５６に設置されたスペーサ１５４及びスペーサ１５４に設置された基板１５２を含む。図４Ａに示すように、通常の音圧で、可動部品はレスト位置（又は開放位置）に保持されることにより、空気の流れが可動部品１５６における二つの空気隙間、スペーサ１５４の開口及び基板１５２の通気孔を通過することを許可する。更に、図４Ｂに示すように、高い音圧で、可動部品１５６の可動部は上方向へ閉鎖位置まで移動することにより、基板１５２の通気孔を閉塞し、よって空気の流れは通気孔を通過することができない。シャッタ構造の可動部はガス流路に使用されるバルブに類似するため、このような空気の流れを制御する機構はバルブ機構とも称される。

図２に示されたシャッタ構造１５０がＰＣＢ１１０に取り付けられた場合、常圧で空気の流れがサウンドホール１１２から通気孔１５２１に流れることができるように、可動部品１５６の可動部１５６３とＰＣＢ１１０の間には一定の空間が控えすべきである。図１に示すように、ＰＣＢ１１０の上部をエッチングすることによってサウンドホール１１２に対して開放された凹溝１１６を形成することができる。可動部品１５６の固定部１５６１はＰＣＢ１１０の凹溝１１６を取り囲む表面と接触することができ、可動部品１５６の可動部１５６３は凹溝１１６の上方に吊り下がる。そのため、空気の流れ又は音響エネルギーの経路は、サウンドホール１１２から始まり、凹溝１１６、中空空間１５４３及び基板１５２の通気孔１５２１を通過してチャンバ１１５に至ってもよい。好ましくは、凹溝の寸法は可動部１５６３の凹溝１１６内での移動を許可するように選ばれることができる。好ましくは、シャッタ構造１５０は、貫通孔を有する支持部材を介してＰＣＢ１１０に設置されることにより、サウンドホール１１２から基板１５２の通気孔１５２１に流れる空気の流れ及び可動部１５６３の支持部材の貫通孔内での移動を許可することができる。

シャッタ構造１５０は音響学的及び機械的に環境に応答している。例えば、落下試験による高い気圧パルス、高い音圧、高い加速度振動（例えば機械的衝撃）などの激しい条件によってＭＥＭＳデバイスに用いられる高圧を発生することができる。マイクロフォンの技術分野又はＭＥＭＳ技術分野に関連する用語である「高圧」とは、ＭＥＭＳデバイスの内部部品（例えば、ＭＥＭＳパッケージにおける割れやすいダイヤフラム、バックプレート、カンチレバーとその他の可動構造）に潜在的又は実質的損傷を与えることができる圧力を指すということを理解すべきである。

例えば、ＭＥＭＳデバイスに落下試験による高い気圧パルスが与えられる場合、本発明のＭＥＭＳデバイスに用いられるシャッタ構造１５０の可動部１５６３は基板１５２に向かって移動することができる。一般的に、標準大気圧の約１．２倍を超える気圧が本発明のＭＥＭＳデバイスに印加される場合、可動部１５６３は閉鎖位置に移動して基板１５２の通気孔１５２１を閉塞することができ、このため、外部環境から音響チャンバへの空気の流れの経路を閉鎖する。

また、通常の音圧で、シャッタ構造１５０は開放され、ＭＥＭＳデバイスは正常に動作し、ＭＥＭＳデバイスはいかなる影響を受けない。しかしながら、ＭＥＭＳデバイスに高い音圧が印加される場合、例えば通常の音圧レベルの約５００倍を超える音圧が印加される場合、可動部品１５６の可動部は移動し基板１５２の通気孔１５２１を閉塞することができるため、空気の流れの経路を閉鎖してＭＥＭＳデバイスが衝撃又は影響を受けないように保護されている。

続いて、このような激しい条件が消えた場合、可動部に印加される外力がなくなり、バネの作用により可動部１５６３は初期位置に戻って空気の流れの経路を開放し、そのため、ＭＥＭＳは通常の動作状態に戻る。

そして、高い内部空気圧が発生して可動部品１５６の可動部１５６３に印加されると、可動部はＰＣＢ１１０に向かって移動する。そして、内部空気圧が十分に高い場合、可動部１５６３は移動しＰＣＢ１１０のサウンドホール１１２を閉塞することができ、よって空気の流れの経路を閉鎖する。

図５は本発明の実施形態による別のＭＥＭＳデバイスの断面図である。図５に示すように、ＭＥＭＳデバイス１００は、ＰＣＢ１１０、及びその中に形成されたサウンドホール１２２を有するカバー１２０を含む。カバー１２０はＰＣＢ１１０に取り付けられて囲まれたハウジングを形成する。ＡＳＩＣチップ１３０とトランスジューサ１４０は前記ハウジングの内部に位置し、ＰＣＢ１１０に設置される。シャッタ構造１５０もハウジングの内部に設置される。しかしながら、シャッタ構造１５０は、ＰＣＢ１１０ではなく、支持部材１２８を介してサウンドホール１２２を取り囲んでカバー１２０に配置される。シャッタ構造１５０はハウジングに連結されチャンバ１１４を形成する。支持部材２８は、金属板、プラスチック板、バルクシリコン、ボンディングパッド、半田バンプなどであってもよい。好ましくは、図２と図３に示されたシャッタ構造１５０は、例えばウェハ接合の工程により本実施形態のＭＥＭＳデバイスに適用されることができる。

常圧で、空気の流れは、サウンドホール１２２、シャッタ構造１５０に存在する空間及びシャッタ構造１５０における基板１５２の通気孔１５２１を流れることができる。しかしながら、高圧で、シャッタ構造１５０の可動部１５６３は、閉鎖位置に移動し基板１５２の通気孔１５２１を閉塞することにより、ハウジングの内部に位置するトランスジューサがチャンバ１１４に進入する強い空気の流れにより損傷されることを防止する。

図６Ａと図６Ｂは本発明の実施例によるまた別のＭＥＭＳデバイスの断面図を示す。図６Ａに示すように、ＭＥＭＳデバイス１００は、ＰＣＢ１１０とＰＣＢ１１０に取り付けられたカバー１２０により構成されるハウジングと、ＡＳＩＣチップ１３０と、ダイヤフラム１４２とバックプレート１４４を有するトランスジューサ１４０、及びハウジングの内部に設置されたシャッタ構造１５０とを含む。シャッタ構造１５０は、ＰＣＢ１１０に設置されＰＣＢ１１０のサウンドホール１１２を取り囲んで設置され、ハウジングとともに使用され音響チャンバ１１４を形成する。ＡＳＩＣチップ１３０は、ＰＣＢ１１０のシャッタ構造１５０に近接する位置に設置される。トランスジューサ１４０は、シャッタ構造１５０の上方に設置される。シャッタ構造１５０は、基板１５２、スペーサ１５４及び可動部品１５６を含む。基板１５２は通気孔１５２１を有し、スペーサ１５４は側壁と側壁により囲まれた開口を有し、可動部品１５６は固定部１５６１、固定部１５６１に接続された可動部１５６３及び固定部１５６１と可動部１５６３の間に形成された少なくとも一つの空気隙間を有する。スペーサ１５４は可動部品１５６に設置され、基板１５２はスペーサ１５４に設置される。図６Ａに示すように、スペーサ１５４は開口を有するため、基板１５２と可動部品１５６の間には空間が形成されている。

当該実施例において、可動部品１５６の固定部はＰＣＢ１１０に直接に設置されることができる。固定部１５６１は可動部１５６３より厚いため、可動部１５６３はサウンドホール１１２の上方に吊り下がれ、シャッタ構造１５０の可動部１５６３とＰＣＢ１１０の間に空間を形成させることができ、よって空気の流れが可動部品１５６を流れることを許可する。好ましくは、常圧で、可動部１５６３はＰＣＢ１１０に平行することができる。図１に示されたＭＥＭＳデバイスと同様に、常圧で、シャッタ構造１５０の可動部１５６３は開放位置に位置して空気の流れの経路を開放し、そのため、空気の流れ又は音声はサウンドホール１１２、可動部品１５６、スペーサ１５４の開口及び基板１５２の通気孔１５２１により構成された通気道を通過してチャンバ１１４に入ることができる。しかしながら、サウンドホール１１２からの強い空気パルスがシャッタ構造１５０（図６Ｂ参照）を流れると、強い空気パルスによる外力のため、可動部１５６３は上方向へ曲げ又は移動して基板１５２の通気孔１５２１を閉塞する。この場合、ＭＥＭＳデバイスの空気入口は閉鎖される。可動部品から外力が除去された場合、可動部は初期位置に戻って、ＭＥＭＳデバイスの空気入口を開放する。

図７Ａは本発明の実施形態によるＭＥＭＳデバイスに応用される別のシャッタ構造の断面図を示す。図７Ａに示すように、シャッタ構造６０は、基板層６０２、スペーサ層６０４及び可動板層６０６を含むことができる。スペーサ層６０４は可動板層６０６に設置され、基板層６０２はスペーサ層６０４に設置される。図７Ｂ〜７Ｄはそれぞれ図７Ａにおけるシャッタ構造の一層の上面図を示す。図７Ｂと７Ｃに示すように、基板層６０２は４つの貫通孔６０２１を有し、スペーサ層６０４は側壁６０４１により囲まれた開口６０４３を有する。可動板６０６は４つのスロット６０６１と孔６０６３を有する。各スロット６０６１は長方形の可動板６０６の一側に平行するように形成され、孔６０６３は板６０６の中央に位置する。可動板６０６の外周部分はスペーサ６０４の側壁６０４１に接続される固定部６０６５として使用され、可動板６０６の中央部分は比較的に大きい力の作用で上方向へ曲げ４つの貫通孔６０２１を被覆するため、可動部６０６７として使用される。力が除去されると、可動部６０６７の材料特性の原因で、可動部６０６７は初期位置に戻る。本発明により提供されるシャッタ構造６０は典型的な実装工程により組み立てられる。

示された一実施例において、可動板は長さと厚さが約１．１ｍｍ、且つ厚さが約２０ｕｍの穴あきのステンレス鋼板であってもよく、ステンレス鋼板に対して４つのスロット（図７Ｄ参照）を切削加工した場合、可動板の可動部のたわみは約２０ｕｍから約４０ｕｍであり、激しい条件において十分に可動部６０６７を上方向へ移動させ４つの貫通孔６０２１を閉塞する。好ましくは、可動板は硬質プラスチックシート（例えば、ＰＥＴ、ＰＶＣ）であってもよく、この場合、可動板における溝削りは不必要である。一実施例において、可動板は中央部分に孔６０６３を有しなくてもよい。孔６０６３のない板に比べて、穴あき板の音響抵抗は小さく、且つマイクロフォンの低周波応答に対する影響も小さく、これはマイクロフォンデバイスの騒音を低くするが、例えば粒子の外部位置がＭＥＭＳマイクロフォンデバイスの内部に落ち込やすくなるという欠陥を有する。

本発明のシャッタ構造は、金属（例えばアルミニウム）、シリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、多結晶シリコン、ガラス、セラミックス、ＰＣＢ、ポリマー、プラスチック、弾性体又は類似体、或いはそれらの組み合わせ物からなることができる。

本発明の実施形態において、ＭＥＭＳデバイスの実例はハウジングにおける一つのサウンドホールのみ示しているが、ＭＥＭＳデバイスのハウジングに複数のサウンドホールを形成してもよい。例えば、一つのサウンドホールはＰＣＢに形成され、別のサウンドホールはカバーに形成される。この場合、ＭＥＭＳデバイスに複数のシャッタ構造を使用することができ、各シャッタ構造は一つのサウンドホールを取り囲んで設置することができる。これらのシャッタ構造は、ＭＥＭＳデバイスにおけるダイヤフラムとその他の可動構造が高い音圧又は強い空気の流れで大きく変形することを阻止することができる。

本発明の好ましい実施形態において、シャッタ構造はハウジングの外部に設置されることができ、例えば、ＰＣＢ１１０のサウンドホール１１２を取り囲む外表面に設置することができる。このような実施例において、シャッタ構造は、側壁により囲まれた開口を有するスペーサと可動部品を含むことができ、少なくとも一つの通気孔を有する基板を省略することができる。シャッタ構造のスペーサはＰＣＢ１１０の外表面に接合され、サウンドホールを取り囲むことができ、可動部品はスペーサに設置されることができる。常圧で、シャッタ構造の可動部は開放位置に保持されることにより、空気の流れ又は音響エネルギーがシャッタ構造とサウンドホールにより構成される経路を通過してハウジングの内部に入るようにすることができ、激しい条件において、可動部品の可動部は上方向へ移動し（又は曲げ）サウンドホールを閉塞し、よって空気の流れの経路を閉鎖することができる。

同様に、一実施形態において、カバーが一つのサウンドホールを有する場合、シャッタ構造は前記サウンドホールを取り囲んでカバーの外表面に設置される。

好ましい実施例において、シャッタ構造の可動部品とスペーサは２つの独立した部品ではなく、一体構造に構成されることができる。例えば、可動部品の外周部分に沿って突出部を形成することによって可動部品の可動部が基板に向かって移動する時に可動部を収容する開口が形成される。別の好ましい実施例において、可動部品、スペーサ及び基板は一体構造に構成されることができる。また別の好ましい実施例において、可動部品の可動部は互いに空気隙間により仕切られた可動バーのアレイであってもよい。

好ましくは、本発明により提供されるシャッタ構造とトランスジューサ素子により、独立した市販のデバイスに構成されることができる。シャッタ構造は独立したトランスジューサ素子に取り付けられ、トランスジューサ素子のダイヤフラムはシャッタ構造の基板に臨む。シャッタ構造は更にＣＭＯＳモノリシック集積型マイクロフォンデバイスに応用されることができる。シャッタ構造は更に絶縁体におけるシリコン（ＳＯＩ）ウェハに適用されることにより、ＭＥＭＳマイクロフォンデバイスと異なるＭＥＭＳデバイスを形成することができる。そして、本発明によるシャッタ構造はウェハ接合工程によりＭＥＭＳデバイスに応用されることもできる。

以上のように本発明の実施形態及びその優位性を詳細に説明したが、特許請求の範囲に限定された趣旨と範囲を逸脱しない限り、本明細書に対して様々な変形、置換及び変更を行うことができることを理解すべきである。

また、本出願の範囲は明細書に記載された工程、設備、製造、及びイベント、態様、方法とステップにより構成された具体的な実施形態を限定するためのものではない。当業者は、開示文献に基づいて、現在示された又は後に開発される基本的に同じ機能を実行する又は本明細書を実現するために利用できる前述の対応する実施形態結果が基本的に同じである開示文献、工程、設備、製造、及びイベント、態様、方法とステップの構成を容易に理解できるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、こられの工程、設備、製造、及びイベント、態様、方法とステップの構成の範囲内に含まれるべきである。

Claims (20)

1. プリント回路基板と、
   前記プリント回路基板に取り付けられ、ハウジングを形成するカバーと、
   前記ハウジングに形成された少なくとも一つのサウンドホールと、
   前記ハウジングの内部に位置し、ダイヤフラムを有するトランスジューサと、
   前記ハウジングの内部に位置し、それぞれ対応する前記サウンドホールを取り囲んで前記ハウジングに装着される少なくとも一つのシャッタ構造と、
   を備えるＭＥＭＳデバイスであって、
   前記シャッタ構造は、
   その中に形成された少なくとも一つの通気孔を有する基板と、
   その中に形成された少なくとも一つの空気隙間と可動部を有し、前記基板と前記ハウジングの間に接続された可動部品と、
   をそれぞれに備え、
   前記可動部は、
   常圧で、前記サウンドホールから前記可動部品の少なくとも一つの空気隙間を介して前記基板の少なくとも一つの通気孔に至る空気の流れの経路が開放されるように、開放位置に保持され、
   高い外圧で、第１閉鎖位置に移動することにより、前記基板の少なくとも一つの通気孔を閉塞して、前記空気の流れの経路を閉鎖する
   ことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
2. 前記少なくとも一つのサウンドホールは、前記プリント回路基板に形成された第１サウンドホールを含み、
   前記少なくとも一つのシャッタ構造は、前記第１サウンドホールに対応し、前記プリント回路基板の第１サウンドホールの上方に設置された第１シャッタ構造を含み、
   前記トランスジューサは、前記第１シャッタ構造の基板に設置されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記少なくとも一つのサウンドホールは、前記カバーに形成された第２サウンドホールを含み、
   前記少なくとも一つのシャッタ構造は、前記第２サウンドホールに対応し、その可動部品が前記カバーの内表面に接合され、前記第２サウンドホールの上方に位置する第２シャッタ構造を含み、
   前記トランスジューサは、前記プリント回路基板の上方に設置されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記シャッタ構造は、側壁により囲まれた第１開口を有する第１スペーサを更に含み、
   前記可動部は前記基板に平行し、
   前記第１スペーサは、前記基板と前記可動部品の間に接続され、常圧では、空気の流れが前記第１開口を通過して前記少なくとも一つの通気口に至ることを許可し、前記高い外圧で、前記第１開口を通じて前記可動部が移動することを許可する、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 側壁により囲まれた第２開口を有し、前記ハウジングと各シャッタ構造の可動部品の間に接続される第２スペーサを更に含み、前記第２スペーサは、常圧で、前記サウンドホールからの空気の流れが前記第２開口を通過することを許可することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記プリント回路基板の上部には、前記第１サウンドホールに対して開放する凹溝が形成され、
   前記第１シャッタ構造は前記凹溝を取り囲んで設置され、前記可動部品の可動部は前記凹溝の上方に吊り下がっていることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記可動部品は、前記基板に接続される固定部を更に含み、前記固定部は前記可動部品の周縁に位置し、
   前記少なくとも一つの空気隙間は、前記固定部と前記可動部を仕切り、前記可動部は前記可動部品の中心部に位置することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 前記可動部品の可動部は、単一の可動板又は可動板のアレイであることを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 前記可動部品の可動部は、前記サウンドホール及び前記少なくとも一つの通気孔と連通する穴あき板であり、且つ/又は、
   前記可動部品は、前記固定部と前記可動部の間に接続されるバネを更に含んで、前記高い外圧での前記可動部の移動を促進することを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
10. 高い内圧で、各前記シャッタ構造の前記可動部品の前記可動部は第２閉鎖位置に移動して、対応するサウンドホールを閉塞することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
11. 前記高い外圧又は高い内圧が解除されると、前記可動部は前記開放位置に戻って、前記空気の流れの経路を開放することを特徴とする請求項１又は請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
12. 前記高い外圧又は高い内圧は、通常の音圧レベルの約５００倍を超える音圧又は標準大気圧の約１．２倍を超える気圧であることを特徴とする請求項１又は請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
13. プリント回路基板と
    前記プリント回路基板に取り付けられ、ハウジングを形成するカバーと、
    前記ハウジングに形成された第１貫通孔と、
    可動部、支持部及び前記可動部と前記支持部の間に形成された少なくとも一つの空気隙間を有するシャッタ構造と、
    を備えるＭＥＭＳデバイスであって、
    前記シャッタ構造は、前記第１貫通孔を取り囲んで設置され、前記支持部を介して前記ハウジングに接合されることにより、前記第１貫通孔から前記シャッタ構造の少なくとも一つの空気隙間を通過して前記ハウジングの内部に至る空気の流れの経路を提供し、
    前記シャッタ構造の可動部は、
    常圧で、前記空気の流れの経路を開放するように、開放位置に保持され、
    高圧で、閉鎖位置に移動することにより、前記空気の流れの経路を閉鎖することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
14. 前記シャッタ構造は、側壁により囲まれた第１開口部を有する第１スペーサを介して前記ハウジングの外表面に接合され、
    前記高圧で、前記シャッタ構造の可動部は前記第１開口部を通じて前記閉鎖位置に移動して、前記第１貫通孔を閉塞することを特徴とする請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
15. 前記シャッタ構造は前記ハウジングの内表面に接合され、
    前記シャッタ構造の支持部は、
    少なくとも一つの通気孔を有し、前記可動部に平行する基板と、
    側壁により囲まれた第２開口を有する第２スペーサと、
    を含み、
    前記第２スペーサは、前記基板と前記可動部の間に接続されることにより、常圧で、空気の流れが順に前記第１貫通孔、前記少なくとも一つの空間隙間、前記第２開口及び前記少なくとも一つの通気孔を通過して前記ハウジングの音響チャンバに入ることができ、且つ、高圧で、可動部が前記第２開口を通じて基板に向かって移動することにより、前記少なくとも一つの通気孔を閉塞することができることを特徴とする請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
16. ダイヤフラムを有するトランスジューサを更に含み、前記トランスジューサは前記ハウジングの内部で、前記プリント回路基板の上方に設置されることを特徴とする請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイス。
17. 前記高圧は通常の音圧レベルの約５００倍を超える音圧及び標準大気圧の約１．２倍を超える気圧であることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
18. 前記シャッタ構造は、ＣＭＯＳモノリシック集積型マイクロフォンデバイス、ＭＥＭＳマイクロフォンデバイス又はその他のＭＥＭＳデバイスに応用されることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
19. ダイヤフラムを有するトランスジューサ素子と、
    シャッタ構造と、
    を備える音響トランスジューサデバイスであって、
    前記シャッタ構造は、
    その中に形成された少なくとも一つの孔を有する基板と、
    その中に形成された少なくとも一つの空気隙間と可動部を有する可動部品と
    を備え、
    前記可動部品と前記基板の間に囲まれた空間が形成されるように、前記可動部品は前記基板の第１表面に接合され、
    前記トランスジューサ素子は、前記基板の第２表面に接合され、前記トランスジューサ素子のダイヤフラムは前記第１表面に対向する前記第２表面に面し、
    前記可動部は、常圧でレスト位置に保持されることにより、可動部品の少なくとも一つの空気隙間から前記基板の少なくとも一つの孔を通過して前記トランスジューサ素子のダイヤフラムに至る空気の流れの経路を提供し、高圧で前記囲まれた空間を通じて基板に向かって移動することにより、前記基板の少なくとも一つの孔を閉塞することを特徴とする音響トランスジューサデバイス。
20. 前記可動部品の可動部は、単一の可動板又は可動板のアレイであることを特徴とする請求項１９に記載の音響トランスジューサデバイス。

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