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MEMSマイクロフォンの内部構造：音波からデジタル信号へ

2026年3月6日

1.はじめに
2.仕組み
3. ハードウェア構造
4. ベスター社の音響エンジニアリング能力
5.結論

導入
数十年にわたり、エレクトレットコンデンサーマイクロホン（ECM）は、民生用オーディオ機器の録音において標準的なマイクとして用いられてきた。ECMは低コストでシンプルかつ機能的である。しかし、アナログ部品のように手作業で製造されるため、個体差が大きく、熱に弱く、携帯電話に小型化するのが難しいという根本的な欠点がある。
MEMSマイクロフォン 根本的に変わった。MEMS（マイクロ電気機械システム）は、プロセッサやメモリの製造に使用されるのと同じ半導体プロセスによって、同一のシリコンチップ上に電子回路に加えて機械装置を搭載したデバイスである。音響センシングにこれを応用すると、従来の電気機械式マイクロホンというよりも、より精密な半導体デバイスに近い動作をするマイクロホンを作ることができるようになる。
実用的なメリットは計り知れません。まず、MEMSマイクロフォンは一貫性に優れています。MEMSマイクロフォンの製造プロセスでは、フォトリソグラフィーを用いてシリコンウェハーを使用するため、数百万個の共振マイクロフォンユニット間で感度と周波数応答が厳密に制御されます。次に、熱安定性に優れています。MEMSマイクロフォンは、従来のECMが破壊されるSMT組立ラインのリフローはんだ付け温度に対応できます。さらに、MEMSパッケージは通常2.5 x 1.8mm以下のサイズであるため、現代の家電製品の代名詞ともいえる超薄型スマートフォン、TWSイヤホン、スマートカー、IoTデバイスなどを実現できます。
これらの特性により、MEMSマイクロフォンは、音質、製造の信頼性、またはデバイスの小型化が優先されるあらゆる用途において、標準的な技術となっています。

仕組み：音を電気信号に変換する
A MEMSマイクロフォンこれは静電容量の変化の原理に基づいて動作する。この仕組みを理解するには、ごく基本的な物理学の知識があれば十分である。
コンデンサは、隙間を隔てた2枚の導電板の間に電荷を蓄える電気的な蓄電装置です。静電容量（蓄えられる電荷量）は、電極間の距離に反比例します。電極間の距離が変化すると、静電容量も変化します。電荷を蓄えたシステムにおいて静電容量が変化すると、そのシステムの電圧も変化します。この電圧の変化が電気信号となります。
MEMSマイクロフォンの場合、2つの「プレート」は振動板とバックプレートです。振動板は薄くて柔軟なシリコン膜で、バックプレートの裏側には、振動板の数ミクロン後ろに硬質の穴あき電極が配置されています。音波（空気中の圧力波）が振動板に当たると、振動板がたわみます。このたわみによって振動板とバックプレートの間の隙間が変化し、静電容量が変化するため、そこに伝わる音圧に対応する電圧信号が生成されます。
生成される信号は極めて微弱で、マイクロボルト単位です。そのため、増幅や信号調整を行わなければ長距離伝送は不可能です。これがASICの動作原理です。
ASIC（特定用途向け集積回路）は、すべてのMEMSマイクロフォンパッケージ内に搭載されている2番目のシリコンチップです。ASICは3つの機能を果たします。まず、容量性素子に安定したバイアス電圧を供給します（チャージポンプと呼ばれる内部回路で、コンデンサの両端に一定の電界を発生させるために、DCレベルの分極電圧を生成します）。次に、インピーダンス変換を行い、容量性素子の高インピーダンス出力を低インピーダンス信号の信号チェーン駆動インピーダンスに変換します。最後に、信号を増幅し、デジタル版では標準信号形式に変換します。

ハードウェア構造：半導体グレードのマイクロメカニクス
MEMSチップ（センシングチップ）
ピストンは、マイクロフォンの可動部を構成する要素です。通常は、厚さ数マイクロメートルのシリコン製の円形または長方形の膜で、端が固定され、中央部は自由に屈曲できるようになっています。ピストンの剛性と質量によって、マイクロフォンの感度と周波数特性が決まります。薄くて大きいダイヤフラムほど感度は高くなりますが、剛性は低くなります。
バックプレートの背面は固定電極である。この背面には、構造的な剛性を確保しつつ、空気の流れを確保できる大きさの音響孔が多数開けられており、粘性抵抗によって振動板の動きが妨げられることはない。振動板とバックプレート間の隙間は通常1～4マイクロメートルである。この寸法を製造工程全体を通して維持することは、MEMS音響デバイスの製造における課題の一つである。
信号処理チップ（ASICチップ）
ASICは、インピーダンス変換、前置増幅、およびアナログ-デジタル変換を実行します。アナログ出力デバイスの場合、固定ゲインの単一または差動電圧信号を出力します。デジタル出力デバイスの場合、アナログ信号をPDM（パルス密度変調）またはI²Sビットストリームに変換するSD変調器を内蔵しています。
パッケージング＆音響キャビティ
2つのチップ（MEMSとASIC）は、表面実装パッケージ（通常は金属製の蓋が付いたLCCハウジング、またはプラスチック製のLGAタイプのハウジング）内に実装されます。音響ポートは、パッケージの底面（底面ポート）または上面ポートのいずれかに配置されます。
ボトムポート型マイクロホンは、音響開口部を下のプリント基板の穴に合わせ、基板の下から音を拾います。トップポート型マイクロホンは、部品側に開口部があり、上から音を拾います。どちらを選択するかは、使用する筐体の形状、音響密閉性の要件、および対象音源の方向によって異なります。
前面キャビティ容積と背面キャビティ容積（振動板の両側の空間）の比率は、感度と低域特性に直接影響を与えます。そして、前面キャビティが大きいほど、一般的に低域の伸びが向上します。

ベスター社の音響エンジニアリング能力
最高の 音響研究と半導体レベルのプロセス制御への継続的な投資を通じて、MEMSマイクロフォンのポートフォリオを開発してきました。部品の供給にとどまらず、 最高の 解決策も提供できます。

結論
MEMSマイクロフォンは非常に優れたデバイスです。これは、空気圧の変化（音）を電気信号に変換し、米粒よりも小さなパッケージで、驚くほど高い精度でコンピュータに送り返します。
これは、音響物理学と半導体製造技術が融合したことによって可能になった。可変コンデンサの原理は100年以上前から知られている。変化したのは、振動板、バックプレート、ギャップを含むコンデンサを、マイクロ電流レベルの精度を必要としないコストで製造できるようになったことである。
さらに将来を見据えると、マイクロワット単位の電力で動作し、常にオンの状態を保ち、特定のキーワードを受信したときだけデバイスを起動するマイクロフォンが注目されます。AIベースの音声処理マイクロサービスは、非常に魅力的なものとなるでしょう。そのためには、ASICの低消費電力設計とセンサーフュージョンにおいて、さらに高度な技術が必要となります。MEMSマイクロフォンは、この移行期において有利な位置づけにあり、その効率性と集積密度の高さから、次世代の音声ファーストガジェットの基盤として最適です。
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