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DE112013002734B4 - Kapazitanzsensor, Akustiksensor, und Mikrophon - Google Patents

Kapazitanzsensor, Akustiksensor, und Mikrophon Download PDF

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DE112013002734B4
DE112013002734B4 DE112013002734.8T DE112013002734T DE112013002734B4 DE 112013002734 B4 DE112013002734 B4 DE 112013002734B4 DE 112013002734 T DE112013002734 T DE 112013002734T DE 112013002734 B4 DE112013002734 B4 DE 112013002734B4
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vibrating electrode
plate
back plate
detection parts
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DE112013002734.8T
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c/o Omron Corporation Uchida Yuki
c/o Omron Corporation Kasai Takashi
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MMI Semiconductor Co Ltd
Original Assignee
Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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Abstract

Kapazitanzsensor (11), umfassendeine schwingende Elektrodenplatte (13), die über einem Substrat (12) gebildet ist,eine Rückplatte (18), die so über dem Substrat (12) gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte (13) abdeckt, undeine feste Elektrodenplatte (19), die so an der Rückplatte (18) bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte (13) gegenüberliegt,wobeiwenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) gebildet ist,von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden,sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) der anderen Erfassungsteile unterscheidet, unddie Starrheit der Rückplatte (18) in dem Bereich jenes Teils der Erfassungsteile mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) unter den Erfassungsteilen höher als die Starrheit der Rückplatte (18) bei den anderen Erfassungsteilen mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) ist, so dass bei einem auf den Kapazitanzsensor (11) wirkenden Stoß, der bewirkt, dass sich die schwingende Elektrodenplatte (13) so verformt, dass die schwingende Elektrodenplatte (13) mit der Rückplatte (18) zusammenstößt, die Deformation in dem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Starrheit geringer ist, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Starrheit zusammenstößt, als eine Deformation in dem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Starrheit, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Starrheit zusammenstößt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kapazitanzsensor, einen Akustiksensor, und ein Mikrophon. Konkret gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung einen Kapazitanzsensor, der durch einen aus einer schwingenden Elektrodenplatte (Membran) und einer festen Elektrodenplatte bestehenden Kondensatoraufbau gebildet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Akustiksensor, der Schallschwingungen in elektrische Signale umwandelt und ausgibt (einen Schallwandler), und ein Mikrophon, das diesen Akustiksensor verwendet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Kapazitanzsensor und einen Akustiksensor von winziger Größe, die unter Verwendung der MEMS(mikroelektromechanisches System)-Technologie hergestellt werden.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Als kleine Mikrophone, die in Mobiltelefone und dergleichen eingebaut sind, wurden bisher verbreitet Elektret-Kondensatormikrophone verwendet. Doch Elektret-Kondensatormikrophone sind wärmeempfindlich und sind MEMS-Mikrophonen hinsichtlich der Eignung zur Digitalisierung, der Kleinformatigkeit, der Hochfunktionalität/Multifunktionalität und der Stromersparnis unterlegen. Daher kommen gegenwärtig zunehmend MEMS-Mikrophone in Gebrauch.
  • MEMS-Mikrophone umfassen einen Akustiksensor (einen Schallwandler), der akustische Schwingungen detektiert und in elektrische Signale (Detektionssignale) umwandelt, eine Antriebsschaltung, die eine Spannung an den Akustiksensor anlegt, und eine Signalverarbeitungsschaltung, die in Bezug auf die Detektionssignale von dem Akustiksensor eine Signalverarbeitung wie etwa eine Verstärkung vornimmt und eine Ausgabe nach außen durchführt. Der bei MEMS-Mikrophonen verwendete Akustiksensor ist ein Akustiksensor vom Kapazitanztyp, der unter Benutzung der MEMS-Technologie hergestellt ist. Die Antriebsschaltung und die Signalverarbeitungsschaltung, die oben genannt wurden, werden unter Benutzung der Halbleitertechnologie vereinigt als ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) hergestellt.
  • In der jüngsten Zeit wird verlangt, dass das Mikrophon Töne von einem geringen Schalldruck bis zu einem großen Schalldruck mit einer hohen Empfindlichkeit detektiert. Im Allgemeinen ist der maximale Eingangsschalldruck eines Mikrophons durch die harmonische Verzerrungsrate (den Klirrfaktor) beschränkt. Der Grund dafür ist, dass dann, wenn durch ein Mikrophon ein Ton mit einem großen Schalldruck detektiert werden soll, in dem Ausgangssignal eine harmonische Verzerrung auftritt und die Tonqualität und die Genauigkeit beeinträchtigt werden. Wenn die harmonische Verzerrungsrate verkleinert werden könnte, könnte der maximale Eingangsschalldruck vergrößert werden und der Detektionsschalldruckbereich des Mikrophons (nachstehend als Dynamikbereich bezeichnet) erweitert werden.
  • Doch bei allgemeinen Mikrophonen besteht für die Erhöhung der Empfindlichkeit der Detektion von Schallschwingungen und die Verringerung der harmonischen Verzerrungsrate eine „Kompromissbeziehung“. Daher wird bei hochempfindlichen Mikrophonen, die geringe Lautstärken (einen geringen Schalldruck) detektieren können, die harmonische Verzerrungsrate des Ausgangssignals bei Eingang eines Tons mit einer großen Lautstärke groß und ist daher der maximale Detektionsschalldruck beschränkt. Dies liegt daran, dass das Ausgangssignal bei einem hochempfindlichen Mikrophon stark wird und leicht eine harmonische Verzerrung entsteht. Wenn im Gegensatz dazu versucht wird, durch Verringern der harmonischen Verzerrung des Ausgangssignals den maximalen Detektionsschalldruck zu vergrößern, wird die Empfindlichkeit schlecht und wird es schwierig, Töne mit einer geringen Lautstärke mit einer hohen Qualität zu detektieren. Als Folge ist es schwierig, einem allgemeinen Mikrophon einen breiten Dynamikbereich von einer geringen Lautstärke (einem geringen Schalldruck) bis zu einer großen Lautstärke (einem großen Schalldruck) zu verleihen.
  • Vor diesem technischen Hintergrund wurden als Verfahren zur Ausführung eines Mikrophons, das einen breiten Dynamikbereich aufweist, Mikrophone untersucht, die mehrere Akustiksensoren mit unterschiedlicher Detektionsempfindlichkeit benutzen. Derartige Mikrophone sind zum Beispiel in den Patentliteraturbeispielen 1 bis 4 offenbart.
  • In den Patentliteraturbeispielen 1 und 2 sind Mikrophone offenbart, bei denen mehrere Akustiksensoren ausgebildet sind und die mehreren Signale von den mehreren Akustiksensoren je nach dem Schalldruck umgeschaltet oder miteinander verschmolzen werden. Bei derartigen Mikrophonen ist es möglich, zum Beispiel durch umschaltendes Benutzen eines hochempfindlichen Akustiksensors mit einem detektierbaren Schalldruckpegel (SPL) von etwa 30 dB bis 115 dB und eines gering empfindlichen Akustiksensors vom einem detektierbaren Schalldruckpegel von etwa 60 dB bis 140 DB ein Mikrophon auszuführen, dessen detektierbarer Schalldruckpegel etwa 30 dB bis 140 dB beträgt. In den Patentliteraturbeispielen 3 und 4 sind Aufbauten offenbart, bei denen mehrere unabhängige Akustiksensoren auf einem Chip gebildet sind.
  • 1A zeigt die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1. 1B zeigt die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem gering empfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Verschiebungsausmaß der Membran und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor und dem gering empfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1. Wenn nun die zulässige harmonische Verzerrungsrate als 20 % angesetzt wird, beträgt der maximale Detektionsschalldruck des hochempfindlichen Akustiksensors 115 dB. Da bei dem hochempfindlichen Akustiksensor das S/N-Verhältnis schlecht wird, wenn der Schalldruck kleiner als etwa 30 dB wird, beträgt der minimale Detektionsschalldruck etwa 30 dB. Daher beträgt der Dynamikbereich des hochempfindlichen Akustiksensors wie in 1A gezeigt etwa 30 dB bis 115 dB. Wenn die zulässige harmonische Verzerrungsrate ebenso als 20 % angesetzt wird, beträgt der maximale Detektionsschalldruck des gering empfindlichen Akustiksensors etwa 140 dB. Bei dem gering empfindlichen Akustiksensor ist die Fläche der Membran kleiner als bei dem hochempfindlichen Akustiksensor und ist wie in 2 gezeigt auch das durchschnittliche Verschiebungsausmaß der Membran geringer als bei dem hochempfindlichen Sensor. Daher wird der minimale Detektionsschalldruck des gering empfindlichen Akustiksensors größer als bei dem hochempfindlichen Akustiksensor und beträgt er ungefähr 60 dB. Als Resultat beträgt der Dynamikbereich des gering empfindlichen Akustiksensors wie in 1 B gezeigt etwa 60dB bis 140 dB. Wenn ein derartiger hochempfindlicher Akustiksensor und gering empfindlicher Akustiksensor kombiniert werden, wird der detektierbare Schalldruckbereich wie in 1C gezeigt mit etwa 30 dB bis 140 dB breit.
    Weiterer Stand der Technik wird durch die Druckschriften JP 4924853 B1 und EP 2325613 A1 gebildet. Die Druckschrfiten JP 4924853 B1 und EP 2325613 A1 offenbaren zwar Kapazitanzsensoren, befassen sich aber nicht mit der Problematik, einen Kapazitanzsensoren vorzusehen, deren Dynamikbereich breit ist und gleichzeitig deren Stoßfestigkeit so zu bemessen, dass eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte noch effizienter verhindert werden kann
  • PATENTLITERATURBEISPIELE
    • Patentliteraturbeispiel 1: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. US 2009/0316916 A1
    • Patentliteraturbeispiel 2: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. US 2010/0183167 A1
    • Patentliteraturbeispiel 3: Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 2008-245267 A
    • Patentliteraturbeispiel 4: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. US 2007/0047746 A1
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE. DIE DIE ERFINDUNG LÖSEN SOLL
  • Doch bei den Mikrophonen, die in den Patentliteraturbeispielen 1 bis 4 beschrieben sind, weisen die einzelnen Akustiksensoren sowohl im Fall einer Ausbildung der mehreren Akustiksensoren auf gesonderten Chips als auch im Fall einer gemeinsamen Ausbildung der mehreren Akustiksensoren auf einem Chip (Substrat) jeweils einen voneinander unabhängigen Kondensatoraufbau auf. Daher kommt es bei diesen Mikrophonen zu Schwankungen und Fehlanpassungen der Klangeigenschaften. Schwankungen der Klangeigenschaften sind Abweichungen der Klangeigenschaften unter den Akustiksensoren zwischen den Chips. Fehlanpassungen der Klangeigenschaften sind Abweichungen der Klangeigenschaften unter den mehreren Akustiksensoren auf dem gleichen Chip.
  • Konkret ausgedrückt entstehen bei der Bildung der einzelnen Akustiksensoren auf gesonderten Chips aufgrund von Schwankungen der Krümmung und der Dicke der gebildeten Membranen Schwankungen in Bezug auf die Detektionsempfindlichkeit zwischen den Chips. Als Folge werden die Schwankungen in Bezug auf Unterschiede in der Detektionsempfindlichkeit unter den Akustiksensoren zwischen den Chips groß. Auch wenn einzelne unabhängige Akustiksensoren zusammen auf einem gemeinsamen Chip gebildet sind, kommt es bei der Herstellung der Kondensatoraufbauten der einzelnen Akustiksensoren unter Verwendung der MEMS-Technologie leicht zu Schwankungen bei der Spaltdistanz zwischen der Membran und der festen Elektrode. Da die rückseitige Kammer und das Ventilationsloch gesondert gebildet werden, kommt es bei den Klangeigenschaften wie den Frequenzeigenschaften und der Phase, die durch die rückseitige Kammer und das Ventilationsloch beeinflusst werden, zu einer Fehlanpassung innerhalb des Chips.
  • Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der oben beschriebenen technischen Probleme und hat die Aufgabe, einen Kapazitanzsensor und einen Akustiksensor bereitzustellen, wobei der Dynamikbereich durch Bilden mehrerer Erfassungsteile mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in einer Einheit breit ist, Fehlanpassungen unter den Erfassungsteilen gering sind, und überdies auch die Stoßfestigkeit so bemessen ist, dass eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte noch effizienter verhindert werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen Kapazitanzsensor gemäß Anspruch 1, 2 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Aspekte der Erfindung sind nachstehend aufgeführt:
  • Der erste Kapazitanzsensor nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, der eine schwingende Elektrodenplatte, die über einem Substrat gebildet ist, eine Rückplatte, die so über dem Substrat gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte, die so an der Rückplatte bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte gegenüberliegt, umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und die Starrheit der Rückplatte in dem Bereich jenes Teils der Erfassungsteile mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte unter den Erfassungsteilen höher als die Starrheit der Rückplatte bei den anderen Erfassungsteilen mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ist.
  • Da bei dem ersten Kapazitanzsensor nach dem Aspekt der vorliegenden Erfindung wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte unterteilt ist, sind zwischen der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte mehrere Erfassungsteile (variable Kondensatoraufbauten) gebildet. Folglich können von den abgeteilten einzelnen Erfassungsteilen jeweils elektrische Signale ausgegeben werden und können Druckveränderungen wie etwa Schallschwingungen in mehrere elektrische Signale umgewandelt ausgegeben werden. Bei einem derartigen Kapazitanzsensor können der Detektionsbereich und die Empfindlichkeit der einzelnen Erfassungsteile zum Beispiel durch unterschiedliches Gestalten der Fläche jeder Schwingungselektrode der einzelnen Erfassungsteile unterschiedlich gestaltet werden und kann durch Umschalten oder Kombinieren der Signale der Detektionsbereich des Kapazitanzsensors erweitert werden, ohne die Empfindlichkeit zu verringern.
  • Da die mehreren Erfassungsteile durch Unterteilen der schwingenden Elektrodenplatte oder der festen Elektrodenplatte gebildet werden können, werden die Schwankungen der Eigenschaften unter den einzelnen Erfassungseinheiten verglichen mit der herkömmlichen Technik, die mehrere gesondert hergestellte und voneinander unabhängige Erfassungseinheiten aufweist, gering. Als Folge können Schwankungen der Eigenschaften, die durch Unterschiede in der Detektionsempfindlichkeit unter den einzelnen Erfassungsteilen verursacht werden, verringert werden. Und da die einzelnen Erfassungsteile die schwingende Elektrodenplatte und die feste Elektrodenplatte gemeinsam benutzen, können Fehlanpassungen in Bezug auf Eigenschaften wie die Frequenzeigenschaften und die Phase unterdrückt werden.
  • Außerdem ist bei dem ersten Kapazitanzsensor die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte eines Teils der Erfassungsteile so gestaltet, dass sie sich von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet. Wenn auf den Kapazitanzsensor ein Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen wirkt und sich die schwingende Elektrodenplatte verformt und mit der Rückplatte zusammenstößt, kommt es dann, wenn die Starrheit der Rückplatte gering ist, aufgrund des Anpralls der schwingenden Elektrodenplatte zu einer Verformung der Rückplatte und kann die Rückplatte die schwingende Elektrodenplatte nicht auffangen. Daher verformt sich die schwingende Elektrodenplatte stark und kann es zu einer Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte kommen. Wenn sich die schwingende Elektrodenplatte dabei mit dem gleichen Verschiebungsausmaß verschiebt, wird die lokale Verformung (Biegeverformung) um so größer, je kleiner die aus der senkrechten Richtung zu der oberen Fläche des Substrats gesehene Fläche der schwingenden Elektrodenplatte ist. Doch wenn die Starrheit der Rückplatte wie bei dem Kapazitanzsensor nach dem Aspekt der vorliegenden Erfindung in den Bereichen, in denen die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte klein ist, hoch gestaltet wird, kommt es dann, wenn sich die schwingende Elektrodenplatte mit einer kleinen Fläche durch einen Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen verformt, nur schwer zu einer Verformung der Rückplatte und verformt sich die schwingende Elektrodenplatte mit einer kleinen Fläche daher nicht weiter. Als Folge kann eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte noch effizienter verhindert werden.
  • Wenn der Fall, dass sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte eines Teil der Erfassungsteile von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der restlichen Erfassungsteile unterscheidet, zum Beispiel zwei Erfassungsteile betrifft, ist die aus der senkrechten Richtung zu der oberen Fläche des Substrats gesehene Fläche der beiden Erfassungsteile unterschiedlich. Bei drei oder mehr Erfassungsteilen ist typischerweise die aus der senkrechten Richtung zu der oberen Fläche des Substrats gesehene Fläche der drei Erfassungsteile jeweils unterschiedlich. Drei oder mehr Erfassungsteile können auch Erfassungsteile umfassen, bei denen die aus der senkrechten Richtung zu der oberen Fläche des Substrats gesehene Fläche gleich ist.
  • Der zweite Kapazitanzsensor nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der eine schwingende Elektrodenplatte, die über einem Substrat gebildet ist, eine Rückplatte, die so über dem Substrat gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte, die so an der Rückplatte bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte gegenüberliegt, umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, bei den Erfassungsteilen jeweils in der Rückplatte und der festen Elektrodenplatte mehrere Öffnungen gebildet sind, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und bei wenigstens einem Paar von Erfassungsteilen mit unterschiedlicher Fläche der schwingenden Elektrodenplatte unter den Erfassungsteilen die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte geringer als die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ist. Als Verfahren zur Regulierung der Öffnungsrate der Rückplatte gibt es etwa das Verfahren, bei dem der Öffnungsdurchmesser (die Öffnungsfläche) jeder Öffnung reguliert wird, das Verfahren, bei dem die Verteilungsdichte (die Anzahldichte) der einzelnen Öffnungen reguliert wird, oder das Verfahren, bei dem sowohl der Öffnungsdurchmesser als auch die Verteilungsdichte der einzelnen Öffnungen reguliert wird.
  • Da bei dem zweiten Kapazitanzsensor nach dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte unterteilt ist, sind zwischen der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte mehrere Erfassungsteile (variable Kondensatoraufbauten) gebildet. Folglich können von den abgeteilten einzelnen Erfassungsteilen jeweils elektrische Signale ausgegeben werden und können Druckveränderungen wie etwa Schallschwingungen in mehrere elektrische Signale umgewandelt ausgegeben werden. Bei einem derartigen Kapazitanzsensor können der Detektionsbereich und die Empfindlichkeit der einzelnen Erfassungsteile zum Beispiel durch unterschiedliches Gestalten der Fläche jeder Schwingungselektrode der einzelnen Erfassungsteile unterschiedlich gestaltet werden und kann durch Umschalten oder Kombinieren der Signale der Detektionsbereich des Kapazitanzsensors erweitert werden, ohne die Empfindlichkeit zu verringern.
  • Da die mehreren Erfassungsteile durch Unterteilen der gleichzeitig hergestellten schwingenden Elektrodenplatte oder festen Elektrodenplatte gebildet werden können, werden die Schwankungen der Eigenschaften unter den einzelnen Erfassungseinheiten verglichen mit der herkömmlichen Technik, die mehrere gesondert hergestellte und voneinander unabhängige Erfassungseinheiten aufweist, gering. Als Folge können Schwankungen der Eigenschaften, die durch Unterschiede in der Detektionsempfindlichkeit unter den einzelnen Erfassungsteilen verursacht werden, verringert werden. Und da die einzelnen Erfassungsteile die schwingende Elektrodenplatte und die feste Elektrodenplatte gemeinsam benutzen, können Fehlanpassungen in Bezug auf Eigenschaften wie die Frequenzeigenschaften und die Phase unterdrückt werden.
  • Da sich ferner bei dem zweiten Kapazitanzsensor die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte eines Teils der Erfassungsteile von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet und die Öffnungsrate der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte kleiner als die Öffnungsrate der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ist, wird die Starrheit der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte hoch. Wenn auf den Kapazitanzsensor ein Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen wirkt und sich die schwingende Elektrodenplatte verformt und mit der Rückplatte zusammenstößt, kommt es dann, wenn die Starrheit der Rückplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinen Fläche der schwingenden Elektrodenplatte gering ist, aufgrund des Anpralls der schwingenden Elektrodenplatte zu einer Verformung der Rückplatte und kann die Rückplatte die schwingende Elektrodenplatte nicht auffangen. Daher verformt sich die schwingende Elektrodenplatte mit der kleinen Fläche stark und kann es zu einer Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte kommen. Doch da bei dem zweiten Kapazitanzsensor nach dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Starrheit der Rückplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte hoch gestaltet ist, kommt es dann, wenn sich die schwingende Elektrodenplatte durch einen Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen verformt, nur schwer zu einer Verformung der Rückplatte, weshalb sich die schwingende Elektrodenplatte nicht weiter verformt. Als Folge kann eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte noch effizienter verhindert werden.
  • Wenn der betreffende zweite Kapazitanzsensor zum Beispiel zwei Erfassungsteile aufweist, unterscheidet sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatten dieser beiden Erfassungsteile, und ist die Öffnungsrate der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte vergleichsweise klein und die Öffnungsrate der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte vergleichsweise groß. Bei drei oder mehr Erfassungsteilen sind typischerweise die Öffnungsraten bei den drei Erfassungsteilen jeweils unterschiedlich, wobei die Öffnungsrate umso kleiner ist, je kleiner die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte des Erfassungsteils ist. Drei oder mehr Erfassungsteile können auch Erfassungsteile umfassen, bei denen die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte gleich ist.
  • Ein weiterer Aspekt des zweiten Kapazitanzsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Kapazitanzsensor, bei dem die Öffnungsrate der Rückplatte durch den Öffnungsdurchmesser, der in der Rückplatte ausgebildeten Öffnungen reguliert wurde, wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in zwei Bereiche unterteilt ist und zwei Erfassungsteile gebildet sind, und die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte höchstens 1/2 der Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte beträgt. Durch diesen weiteren Aspekt kann eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte effektiv verhindert werden.
  • Vorzugsweise beträgt der Öffnungsdurchmesser der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte höchstens 10 µm. Da sich das elektrische Feld zwischen der festen Elektrodenplatte und der schwingenden Elektrodenplatte auch in einem Fall, in dem auch in der festen Elektrodenplatte mit den Öffnungen der Rückplatte fortlaufende Öffnungen ausgebildet sind, in die Öffnungen erstreckt, kann der Erfassungsteil als Kondensator ohne Öffnungen in der festen Elektrodenplatte angesehen werden. Dies wird als Randeffekt bezeichnet. Doch dieser Randeffekt kann nicht erwartet werden, wenn der Öffnungsdurchmesser der Öffnungen größer als 10 µm wird. Daher ist es günstig, wenn der Öffnungsdurchmesser der Öffnungen der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte höchstens 10 µm beträgt.
  • Noch ein anderer Aspekt des zweiten Kapazitanzsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Kapazitanzsensor, bei dem die Öffnungsrate der Rückplatte durch die Verteilungsdichte der in der Rückplatte ausgebildeten Öffnungen reguliert wurde, wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in zwei Bereiche unterteilt ist und zwei Erfassungsteile gebildet sind, und der Anordnungsabstand der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte wenigstens das Doppelte des Anordnungsabstands der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte beträgt. Um bei dem Kapazitanzsensor, bei dem wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in zwei Bereiche unterteilt ist und zwei Erfassungsteile gebildet sind, die Starrheit der Rückplatte durch Vergrößern des Anordnungsabstands der Öffnungen zu erhöhen, ist es günstig, wenn der Anordnungsabstand der Öffnungen, die bei der Rückplatte mit der großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ausgebildet sind, wenigstens das Doppelte des Anordnungsabstands der Öffnungen bei der Rückplatte mit der kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte beträgt.
  • Der dritte Kapazitanzsensor nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, der eine schwingende Elektrodenplatte, die über einem Substrat gebildet ist, eine Rückplatte, die so über dem Substrat gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte, die so an der Rückplatte bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte gegenüberliegt, umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und bei wenigstens einem Paar von Erfassungsteilen mit unterschiedlicher Fläche der schwingenden Elektrodenplatte unter den Erfassungsteilen die Dicke der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte dicker als die Dicke der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ausgeführt ist.
  • Da bei dem dritten Kapazitanzsensor nach dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte unterteilt ist, sind zwischen der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte mehrere Erfassungsteile (variable Kondensatoraufbauten) gebildet. Folglich können von den abgeteilten einzelnen Erfassungsteilen jeweils elektrische Signale ausgegeben werden und können Druckveränderungen wie etwa Schallschwingungen in mehrere elektrische Signale umgewandelt ausgegeben werden. Bei einem derartigen Kapazitanzsensor können der Detektionsbereich und die Empfindlichkeit der einzelnen Erfassungsteile zum Beispiel durch unterschiedliches Gestalten der Fläche jeder Schwingungselektrode der einzelnen Erfassungsteile unterschiedlich gestaltet werden und kann durch Umschalten oder Kombinieren der Signale der Detektionsbereich des Kapazitanzsensors erweitert werden, ohne die Empfindlichkeit zu verringern.
  • Da die mehreren Erfassungsteile durch Unterteilen der gleichzeitig hergestellten schwingenden Elektrodenplatte oder festen Elektrodenplatte gebildet werden können, werden die Schwankungen der Eigenschaften unter den einzelnen Erfassungseinheiten verglichen mit der herkömmlichen Technik, die mehrere gesondert hergestellte und voneinander unabhängige Erfassungseinheiten aufweist, gering. Als Folge können Schwankungen der Eigenschaften, die durch Unterschiede in der Detektionsempfindlichkeit unter den einzelnen Erfassungsteilen verursacht werden, verringert werden. Und da die einzelnen Erfassungsteile die schwingende Elektrodenplatte und die feste Elektrodenplatte gemeinsam benutzen, können Fehlanpassungen in Bezug auf Eigenschaften wie die Frequenzeigenschaften und die Phase unterdrückt werden.
  • Da sich ferner bei dem dritten Kapazitanzsensor die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte eines Teils der Erfassungsteile von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte der anderen Erfassungsteile unterscheidet und die Dicke der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte dicker als die Dicke der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte ist, wird die Starrheit der Rückplatte bei den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte hoch. Wenn auf den Kapazitanzsensor ein Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen wirkt und sich die schwingende Elektrodenplatte verformt und mit der Rückplatte zusammenstößt, kommt es dann, wenn die Starrheit der Rückplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinen Flache der schwingenden Elektrodenplatte gering ist, aufgrund des Anpralls der schwingenden Elektrodenplatte zu einer Verformung der Rückplatte und kann die Rückplatte die schwingende Elektrodenplatte nicht auffangen. Daher verformt sich die schwingende Elektrodenplatte und kann die schwingende Elektrodenplatte mit der kleinen Fläche beschädigt werden. Doch da bei dem dritten Kapazitanzsensor nachdem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Starrheit der Rückplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte hoch gestaltet ist, kommt es dann, wenn sich die schwingende Elektrodenplatte durch einen Stoß durch Fallenlassen oder dergleichen verformt, nur schwer zu einer Verformung der Rückplatte, weshalb sich die schwingende Elektrodenplatte nicht weiter verformt. Als Folge kann eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplatte an den Erfassungsteilen mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte noch effizienter verhindert werden.
  • Wenn der betreffende dritte Kapazitanzsensor zum Beispiel zwei Erfassungsteile aufweist, unterscheidet sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatten dieser beiden Erfassungsteile, und ist die Dicke der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte vergleichsweise dick und die Dicke der Rückplatte bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte vergleichsweise dünn. Bei drei oder mehr Erfassungsteilen sind typischerweise die Dicken der Rückplatte bei den drei Erfassungsteilen jeweils unterschiedlich, wobei die Dicke umso dicker ist, je kleiner die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte des Erfassungsteils ist. Drei oder mehr Erfassungsteile können auch Erfassungsteile umfassen, bei denen die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte gleich ist.
  • Noch andere Aspekte des ersten und des zweiten Kapazitanzsensors und noch ein Aspekt des dritten Kapazitanzsensors sind jeweils dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und in jedem abgeteilten Bereich jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte gebildet ist. Da bei diesen anderen Aspekten die schwingende Elektrodenplatte, die durch Druck verschoben wird, unterteilt ist und mehrere Erfassungsteile bildet, wird die Unabhängigkeit jedes Erfassungsteils hoch.
  • Bei einem Akustiksensor nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Akustiksensor, bei dem der erste, zweite oder dritte Kapazitanzsensor nach den jeweiligen Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Rückplatte und in der festen Elektrodenplatte mehrere Öffnungen gebildet sind, um Schallschwingungen passieren zu lassen, und von den Erfassungsteilen durch Veränderungen des Ausmaßes der Kapazitanz zwischen der Membran, die auf die Schallschwingungen reagiert, und der festen Elektrodenplatte Signale ausgegeben werden. Durch diesen Akustiksensor kann ein hochempfindlicher und qualitativ hochwertiger Akustiksensor mit einem weiten Dynamikbereich von einer geringen Lautstärke (einem geringen Schalldruck) bis zu einer großen Lautstärke (einem großen Schalldruck) hergestellt werden. Überdies kann durch Erhöhen der Starrheit der Rückplatte in dem Bereich für eine große Lautstärke eine Beschädigung der schwingenden Elektrodenplate des Bereichs für eine große Lautstärke beim Fallenlassen des Akustiksensors oder dergleichen verhindert werden und kann die Stoßbeständigkeit und die Haltbarkeit des Akustiksensors erhöht werden.
  • Ein Mikrophon nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es den Akustiksensor nach den Aspekt der vorliegenden Erfindung und einen Schaltungsteil, der die Signale von dem Akustiksensor verstärkt und nach außen ausgibt, umfasst. Auch dieses Mikrophon weist die gleichen Wirkungen wie der oben angeführte Akustiksensor auf.
  • Die Mittel zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die oben erklärten Aufbauelemente passend kombiniert sind.
  • Durch Kombinieren dieser Aufbauelemente werden zahlreiche Abwandlungen der vorliegenden Erfindung möglich.
  • Figurenliste
    • 1: 1A ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1 zeigt. 1 B ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem gering empfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1 zeigt. 1C ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei einer Kombination des hochempfindlichen Akustiksensors und des gering empfindlichen Akustiksensors von Patentliteraturbeispiel 1 zeigt.
    • 2: 2 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Verschiebungsausmaß der Membran und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor und dem gering empfindlichen Akustiksensor von Patentliteraturbeispiel 1 zeigt.
    • 3: 3 ist eine zerlegte Schrägansicht eines Akustiksensors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4: 4 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5: 5A ist eine Draufsicht auf den Akustiksensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 5B ist eine Vergrößerung des Bereichs X in 5A.
    • 6: 6 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Rückplatte und der Schutzfilm usw. von dem in 5 gezeigten Akustiksensor entfernt sind.
    • 7: 7A ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein Mikrophon, wofür der Akustiksensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Signalverarbeitungsschaltung in einem Gehäuse aufgenommen sind, und 7B ist ein Längsschnitt dieses Mikrophons.
    • 8: 8 ist ein Schaltbild des Mikrophons nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9: 9 ist eine schematische Schnittansicht, die die Situation beim Fallenlassen des Mikrophons zeigt.
    • 10: 10 ist eine schematische Schnittansicht, die die Situation einer Beschädigung eines Mikrophons nach einem Vergleichsbeispiel durch das Fallenlassen zeigt.
    • 11: 11 ist eine schematische Schnittansicht, die die Situation beim Fallenlassen des Mikrophons nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 12: 12A ist eine Ansicht, die das Verschiebungsausmaß der ersten festen Elektrodenplatte bei einer Änderung des Öffnungsdurchmessers der einzelnen Akustiklöcher in einem ersten und einem zweiten Schallerfassungsteil zeigt. 12B ist eine Ansicht, die das Verschiebungsausmaß der zweiten festen Elektrodenplatte bei einer Änderung des Öffnungsdurchmessers der einzelnen Akustiklöcher in einem ersten und einem zweiten Schallerfassungsteil zeigt.
    • 13: 13 ist eine Ansicht, die einen Vergleich des Luftdrucks, der die zweite Membran beschädigt, (die Luftdruckfestigkeit) bei Wirken eines Luftdrucks auf die Membran zwischen einem Vergleichsbeispiel und der ersten Ausführungsform zeigt.
    • 14: 14 ist eine Ansicht, die die Verteilung des Verschiebungsausmaßes der Rückplatte und der festen Elektrodenplatte eines Akustiksensors des Vergleichsbeispiels zeigt.
    • 15: 15 ist eine Ansicht, die die Verteilung des Verschiebungsausmaßes der Rückplatte und der festen Elektrodenplatte des Akustiksensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 16: 16 ist eine Draufsicht, die eine Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 17: 17 ist eine Draufsicht auf einen Akustiksensor nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 18: 18 ist eine Schnittansicht auf einen Akustiksensor nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 19: 19 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Akustiksensors nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zustand dargestellt ist, in dem die Rückplatte und der Schutzfilm usw. entfernt sind.
    • 20: 20 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Akustiksensors nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zustand dargestellt ist, in dem die Rückplatte und der Schutzfilm usw. entfernt sind.
  • Bezugszeichenliste
    • [0036] 11, 71, 81, 91, 101
    Akustiksensor
    12
    Siliziumsubstrat
    13
    Membran
    13a
    erste Membran
    13b
    zweite Membran
    13c
    dritte Membran
    17, 17a, 17c
    Schlitz
    18, 18a, 18b
    Rückplatte
    19
    feste Elektrodenplatte
    19a
    erste feste Elektrodenplatte
    19b
    zweite feste Elektrodenplatte
    19c
    dritte feste Elektrodenplatte
    23a, 23b, 23c
    Schallerfassungsteil
    24, 24a, 24b
    Akustikloch
    25
    Anschlag
    41
    Mikrophon
    42
    Schaltungssubstrat
    43
    Abdeckung
    44
    Signalverarbeitungsschaltung
    45
    Schalleinleitöffnung
  • FORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ideale Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann hinsichtlich der Gestaltung innerhalb eines Bereichs, der nicht von dem Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung abweicht, verschiedenartig verändert werden. Im Besonderen erfolgt in der Folge eine Erklärung mit einem Akustiksensor und einem Mikrophon als Beispiele, doch kann die vorliegende Erfindung neben einem Akustiksensor auch auf Kapazitanzsensoren wie etwa einen Drucksensor angewendet werden.
  • Erste Ausführungsform
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 3 bis 6 der Aufbau eines Akustiksensors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. 3 ist eine zerlegte Schrägansicht des Akustiksensors 11 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors 11. 5A ist eine Draufsicht auf den Akustiksensor 11. 5B ist eine Vergrößerung des Bereichs X in 5A. 6 ist eine Draufsicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Rückplatte 18 und ein Schutzfilm 30 usw. von dem in 5 gezeigten Akustiksensor 11 entfernt sind, wobei eine Situation gezeigt ist, bei der eine Membran 13 und eine feste Elektrodenplatte 19 auf ein Siliziumsubstrat 12 geschichtet sind. Diese Zeichnungen spiegeln jedoch den Herstellungsprozess des Akustiksensors 11 durch ein MEMS nicht wider.
  • Dieser Akustiksensor 11 ist ein unter Verwendung der MEMS-Technologie hergestelltes Kapazitanzelement. Wie in 3 und 4 gezeigt ist bei diesem Akustiksensor 11 die Membran 13 über Anker 16a, 16b an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 (des Substrats) ausgebildet, ist über der Membran 12 über einen winzigen Luftspalt (Zwischenraum) hinweg eine obere Abdeckung 14 angeordnet und ist die obere Abdeckung 14 an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 fixiert.
  • In dem aus einkristallinem Silizium bestehenden Siliziumsubstrat 12 ist eine von der Vorderfläche zu der Rückfläche durchgehende Kammer 15 (ein Hohlraumbereich) geöffnet. Was die dargestellte Kammer 15 betrifft, ist ihre Wandfläche durch eine schräge Fläche gestaltet, die durch die Ebene (111) und sowie eine der Ebene (111) gleichwertige Ebene des Siliziumsubstrat mit einer Ebene (100) gebildet ist, doch kann die Wandfläche der Kammer 15 auch eine senkrechte Fläche sein.
  • Die Membran 13 ist so über dem Siliziumsubstrat 12 angeordnet, dass sie den Bereich über der Kammer 15 abdeckt. Wie in 3 und 6 gezeigt ist die Membran 13 ungefähr rechteckig ausgeführt. Die Membran 13 ist aus einem dünnen Polysiliziumfilm gebildet, der Leitfähigkeit aufweist, und die Membran 13 selbst bildet die schwingende Elektrodenplatte. Die Membran 13 ist durch einen ungefähr geradlinigen Schlitz 17, der parallel zu der kurzen Seite gerichtet verläuft, in zwei Bereiche, einen großen Bereich und einen kleinen Bereich, unterteilt. Doch die Membran 13 ist durch den Schlitz 17 nicht vollständig zweigeteilt, sondern in der Nähe der Enden des Schlitzes 17 mechanisch und elektrisch verbunden. In der Folge wird der ungefähr rechteckige Bereich mit einer großen Fläche von den beiden durch den Schlitz 17 abgeteilten Bereichen als erste Membran 13a bezeichnet, während der ungefähr rechteckige Bereich mit einer kleineren Fläche als jener der ersten Membran 13a als zweite Membran 13b bezeichnet wird.
  • Die erste Membran 13a wird mit Schenkelstücken 26, die an jedem Eckenbereich ausgebildet sind, als Anker 16a an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 gehalten, wobei sie über der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 schwebend gehalten wird. Wie in 4 gezeigt ist in dem Bereich zwischen benachbarten Ankern 16a zwischen der unteren Fläche des Außenumfangs der ersten Membran 13a und der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 ein schmales Ventilationsloch 22a gebildet, um Schallschwingungen passieren zu lassen.
  • Die zweite Membran 13b wird durch ihre beiden kurzen Seiten als Anker 16b an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats gehalten, wobei sie über der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 schwebend gehalten wird. Zwischen der unteren Fläche der langen Seite der zweiten Membran 13b und der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 ist ein schmales Ventilationsloch 22b gebildet, um Schallwellen passieren zu lassen.
  • Die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b weisen jeweils die gleiche Höhe von der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 auf. Das heißt, die Ventilationslöcher 22a und 22b bilden Zwischenräume mit der gleichen Höhe. An die Membran 13 ist eine an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 ausgebildete Leitungsverdrahtung 27 angeschlossen. Außerdem ist an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 ein bandförmiger Sockelteil 21 gebildet. Die Anker 16a, 16b und der Sockelteil 21 sind aus SiO2 gebildet.
  • Wie in 4 gezeigt ist die obere Abdeckung 14 ein Element, wofür die feste Elektrodenplatte 19 aus Polysilizium an der unteren Fläche der Rückplatte 18 aus SiN ausgebildet ist. Die obere Abdeckung 14 ist kuppelförmig ausgeführt, und darunter ist ein Hohlraumbereich gebildet, wobei die Membranen 13a, 13b durch den Hohlraumbereich abgedeckt werden. Zwischen der unteren Fläche der oberen Abdeckung (das heißt, der unteren Fläche der festen Elektrodenplatte 19) und der oberen Fläche der Membranen 13a, 13b ist ein winziger Luftspalt 20 (Spalt) gebildet.
  • Die feste Elektrodenplatte 19 ist in eine erste feste Elektrodenplatte 19a, die der ersten Membran 13a gegenüberliegt, und eine zweite feste Elektrodenplatte 19b, die der zweiten Membran 13b gegenüberliegt, unterteilt, wobei die festen Elektrodenplatten 19a, 19b voneinander elektrisch getrennt sind. Die erste feste Elektrodenplatte 19a weist eine größere Fläche als die zweite feste Elektrodenplatte 19b auf. Von der ersten festen Elektrodenplatte 19a ist eine Leitungsverdrahtung 28 weg geführt, und von der zweiten festen Elektrodenplatte 19b ist eine Leitungsverdrahtung 29 weg geführt.
  • Durch die erste Membran 13a und die erste feste Elektrodenplatte 19a, die einander über den Luftspalt 20 gegenüberliegen, ist ein erster Schallerfassungsteil 23a mit einem Kondensatoraufbau gebildet. Und durch die zweite Membran 13b und die zweite feste Elektrodenplatte 19b, die einander über den Luftspalt 20 gegenüberliegen, ist ein zweiter Schallerfassungsteil 23b mit einem Kondensatoraufbau gebildet. Der Spaltabstand des Luftspalts 20 an dem ersten Schallerfassungsteil 23a und der Spaltabstand des Luftspalts 20 an dem zweiten Schallerfassungsteil 23b sind gleich. Die Stelle der Trennung der ersten und der zweiten Membran 13a, 13b und die Stelle der Trennung der ersten und der zweiten festen Elektrodenplatte 19a, 19b stimmen bei dem dargestellten Beispiel überein, doch können sie auch voneinander verschoben sein.
  • An dem ersten Schallerfassungsteil 23a sind in der oberen Abdeckung 14 (das heißt, der Rückplatte 18 und der ersten festen Elektrodenplatte 19a) mehrere Akustiklöcher 24a (Schalllöcher), um Schallschwingungen passieren zu lassen, so gebildet, dass sie von der oberen Fläche zu der unteren Fläche hindurch verlaufen. An dem zweiten Schallerfassungsteil 23b sind in der oberen Abdeckung 14 (das heißt, der Rückplatte 18 und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b) mehrere Akustiklöcher 24b (Schalllöcher), um Schallschwingungen passieren zu lassen, so gebildet, dass sie von der oberen Fläche zu der unteren Fläche hindurch verlaufen.
  • Wie in 5 und 6 gezeigt sind die Akustiklöcher 24a, 24b jeweils regelmäßig angeordnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Akustiklöcher 24a, 24b entlang von drei Richtungen, die miteinander Winkel von 120 ° bilden, dreieckförmig angeordnet, doch können sie auch rechteckig oder in konzentrischen Kreisen angeordnet sein. Die Akustiklöcher 24a, 24b sind in gleichen Abständen oder mit der gleichen Verteilungsdichte (Anzahldichte) ausgebildet, doch ist die Öffnungsfläche pro Loch der Akustiklöcher 24a des ersten Schallerfassungsteils 23a größer als die Öffnungsfläche pro Loch der Akustiklöcher 24b des zweiten Schallerfassungsteils 23b. Folglich wird die Starrheit der Rückplatte 18 bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b größer als die Starrheit bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a.
  • Wie in 4 gezeigt ragen sowohl bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a als auch bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b winzige säulenförmig ausgeführte Anschläge 25 (Vorsprünge) von der unteren Fläche des Abdeckungsteils 14. Die Anschläge 25 springen einstückig von der unteren Fläche der Rückplatte 18 vor, verlaufen durch die erste und die zweite feste Elektrodenplatte 19a, 19b, und ragen von der unteren Fläche des Abdeckungsteils 14. Da die Anschläge 25 so wie die Rückplatte 18 aus SiN bestehen, verfügen sie über Isolierfähigkeit. Diese Anschläge 25 haben den Zweck, zu verhindern, dass die Membranen 13a, 13b durch statische Elektrizität an den festen Elektrodenplatten 19a, 19b haften und sich nicht mehr davon trennen.
  • Von dem äußeren Umfangsrand der gewölbt ausgeführten Rückplatte 18 erstreckt sich über den gesamten Umfang hinweg fortlaufend ein Schutzfilm 30. Der Schutzfilm 30 deckt den Sockel 21 und die außerhalb davon befindliche Siliziumsubstratoberfläche ab.
  • An der oberen Fläche des Schutzfilms 30 sind ein gemeinsames Elektrodenfeld 31, ein erstes Elektrodenfeld 32a, ein zweites Elektrodenfeld 32b und ein Erdungselektrodenfeld 33 ausgebildet. Das andere Ende der an die Membran 13 angeschlossenen Leitungsverdrahtung 27 ist an das gemeinsame Elektrodenfeld 31 angeschlossen. Die von der ersten festen Elektrodenplatte 19a heraus geführte Leitungsverdrahtung 28 ist an das erste Elektrodenfeld 32a angeschlossen, und die von der zweiten festen Elektrodenplatte 19b heraus geführte Leitungsverdrahtung 29 ist an das zweite Elektrodenfeld 32b angeschlossen. Das Elektrodenfeld 33 ist an das Siliziumsubstrat 12 angeschlossen und wird bei einem Erdungspotential gehalten.
  • Wenn bei diesem Akustiksensor 11 Schallschwingungen in die Kammer 18 (die Frontkammer) gelangen, schwingen die Membranen 13a, 13b, die dünne Filme sind, durch die Schallschwingungen mit der gleichen Phase. Wenn die einzelnen Membranen 13a, 13b schwingen, ändert sich die Kapazitanz der einzelnen Schallerfassungsteile 23a, 23b. Als Folge führen die durch die Membranen 13a, 13b detektierten Schallwellen (Änderungen des Schalldrucks) bei den einzelnen Schallerfassungsteilen 23a, 23b zu einer Änderung des Kapazitanz zwischen den Membranen 13a, 13b und den festen Elektrodenplatten 19a, 19b, und werden sie als elektrische Signale ausgegeben. Bei einer unterschiedlichen Verwendungsform, das heißt, bei einer Verwendungsform, bei der die Kammer 15 als Rückkammer eingesetzt wird, gelangen die Schallwellen durch die Akustiklöcher 24a, 24b in den Luftspalt 20 im Inneren der oberen Abdeckung 14 und werden die Membranen 13a, 13b, die dünne Filme sind, zum Schwingen gebracht.
  • Da die Fläche der zweiten Membran 13b kleiner als die Fläche der ersten Membran 13a ist, bildet der zweite Schallerfassungsteil 23b einen gering empfindlichen Akustiksensor für einen Schalldruckbereich von einer mittleren Lautstärke bis zu einer großen Lautstärke und bildet der erste Schallerfassungsteil 23a einen hochempfindlichen Akustiksensor für einen Schalldruckbereich von einer geringen Lautstärke bis zu einer mittleren Lautstärke. Folglich wird es durch Hybridisieren der beiden Schallerfassungsteile 23a, 23b und Ausgeben der Signale durch eine später beschriebene Verarbeitungsschaltung möglich, den Dynamikbereich des Akustiksensors 11 zu erweitern. Wenn zum Beispiel der Dynamikbereich des ersten Schallerfassungsteils 23a auf etwa 30 bis 120 dB eingerichtet wird und der Dynamikbereich des zweiten Schallerfassungsteils 23b auf etwa 50 bis 140 dB eingerichtet wird, kann der Dynamikbereich durch Kombinieren der beiden Schallerfassungsteile 23a, 23b auf etwa 30 bis 140 dB erweitert werden. Wenn der Akustiksensor in einen ersten Schallerfassungsteil 23a von einer geringen Lautstärke bis zu einer mittleren Lautstärke und einen zweiten Schallerfassungsteil 23b von einer mittleren Lautstärke bis zu einer großen Lautstärke geteilt ist, ist es möglich, bei einer großen Lautstärke den Ausgang des ersten Schallerfassungsteils 23a nicht zu verwenden, und stellt es auch kein Problem dar, wenn die harmonische Verzerrungsrate des ersten Schallerfassungsteils 23a in dem Bereich mit einer großen Lautstärke groß wird. Daher kann die Empfindlichkeit des ersten Schallerfassungsteils 23a in Bezug auf geringe Lautstärken erhöht werden.
  • Ferner sind bei diesem Akustiksensor 11 der erste Schallerfassungsteil 23a und der zweite Schallerfassungsteil 23b auf dem gleichen Substrat gebildet. Darüber hinaus sind der erste Schallerfassungsteil 23a und der zweite Schallerfassungsteil 23b durch die erste Membran 13a bzw. die zweite Membran 13b, in die die Membran 13 unterteilt ist, und die erste feste Elektrodenplatte 19a bzw. die zweite feste Elektrodenplatte 19b, in die die feste Elektrodenplatte 19 unterteilt ist, aufgebaut. Das heißt, da ein Element, das eigentlich einen Erfassungsteil bildet zweigeteilt ist und der erste Schallerfassungsteil 23a und der zweite Schallerfassungsteil 23b hybridisiert sind, werden die Schwankungen in Bezug auf die Detektionsempfindlichkeit bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a und dem zweiten Schallerfassungsteil 23b einander verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem zwei unabhängige Erfassungsteile auf einem Substrat ausgebildet sind, und verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem Erfassungsteile jeweils auf gesonderten Substraten ausgebildet sind, ähnlich. Als Folge können die Detektionsempfindlichkeitsschwankungen zwischen den beiden Schallerfassungsteilen 23a und 23b verringert werden. Und da beide Schallerfassungsteile 23a und 23b die Membran und die feste Elektrodenplatte gemeinsam verwenden, kann eine Fehlanpassung in Bezug auf die Klangeigenschaften wie die Frequenzeigenschaften und die Phase unterdrückt werden.
  • 7A ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein Mikrophon 41, in das der Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform eingebaut ist, wobei die obere Fläche einer Abdeckung 43 entfernt ist und das Innere dargestellt ist. 7B ist ein Längsschnitt dieses Mikrophons 41.
  • Bei diesem Mikrophon 41 sind der Akustiksensor 11 und eine Signalverarbeitungsschaltung 44 (eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC) in ein Paket aus einem Schaltungssubstrat 41 und der Abdeckung 43 eingebaut. Der Akustiksensor 11 und die Signalverarbeitungsschaltung 44 sind an der oberen Fläche des Schaltungssubstrats 42 montiert. In dem Schaltungssubstrat 42 ist eine Schalleinleitöffnung 42 zur Einbringung von Schallschwingungen in das Paket ausgebildet. Der Akustiksensor 11 ist so auf der oberen Fläche des Schaltungssubstrats 42 montiert, dass die Öffnung an der Unterseite der Kammer 15 mit der Schalleinbringungsöffnung 45 ausgerichtet ist und die Schalleinbringungsöffnung 45 abdeckt. Folglich bildet die Kammer 15 des Akustiksensors 11 eine Frontkammer und der Raum im Inneren des Pakets eine Rückkammer.
  • Die Elektrodenfelder 31, 32a, 32b und 33 des Akustiksensors 11 sind jeweils durch einen Bonddraht 46 an einzelne Felder 47 der Signalverarbeitungsschaltung 44 angeschlossen. An der Unterseite des Schaltungssubstrats 42 sind mehrere Klemmen 48 für einen externen elektrischen Anschluss des Mikrophons 41 ausgebildet, und an der Oberseite des Schaltungssubstrats 42 sind jeweils Elektrodenteile 49 ausgebildet, die mit den Klemmen 48 in einer Leitverbindung stehen. Jedes Feld 50 der auf dem Schaltungssubstrat 42 montierten Signalverarbeitungsschaltung 44 ist jeweils durch einen Bonddraht 51 an einen Elektrodenteil 49 angeschlossen. Die Felder 50 der Signalverarbeitungsschaltung 44 dienen dazu, den Akustiksensor 11 mit einer Stromquelle zu versorgen und die Kapazitanzänderungssignale des Akustiksensors 11 nach außen auszugeben.
  • An der oberen Fläche des Schaltungssubstrats 42 ist die Abdeckung 43 so angebracht, dass sie den Akustiksensor 11 und die Signalverarbeitungsschaltung 44 abdeckt. Das Paket dient als elektromagnetische Abschirmung und schützt das Mikrophon 41 vor elektrischen Störsignalen von außen oder mechanischen Stößen.
  • Auf diese Weise werden die Schallschwingungen, die von der Schalleinbringungsöffnung 45 in das Innere des Pakets eingebracht wurden, durch den Akustiksensor 11 detektiert und nach einer Verstärkung und einer Signalverarbeitung durch die Signalverarbeitungsschaltung 44 ausgegeben. Da bei diesem Mikrophon 41 der Raum im Inneren des Pakets als Rückkammer ausgeführt ist, kann das Volumen der Rückkammer groß gestaltet werden und das Mikrophon 41 hochempfindlich ausgeführt werden.
  • Bei diesem Mikrophon 41 kann die Schalleinbringungsöffnung 45 zur Einbringung der Schallschwingungen in das Innere des Pakets auch an der Oberseite der Abdeckung 43 geöffnet sein. In diesem Fall wird die Kammer 15 des Akustiksensors 11 die Rückkammer und der Raum im Inneren des Pakets die Frontkam mer.
  • 8 ist ein Schaltbild des in 7 gezeigten MEMS-Mikrophons 41. Wie in 8 gezeigt umfasst der Akustiksensor 11 den hochempfindlichen ersten Schallerfassungsteil 23a und den gering empfindlichen Schallerfassungsteil 23b, deren Kapazitanz sich durch die Schallschwingungen ändert.
  • Die Signalverarbeitungsschaltung 44 ist so ausgeführt, dass sie eine Ladungspumpe 52, einen Verstärker 53 für eine geringe Empfindlichkeit, einen Verstärker für eine hohe Empfindlichkeit, ΣΔ(ΔΣ)-ADWs (Analog-Digital-Wandler) 55, 56, einen Standardspannungserzeuger 57 und einen Puffer 58 umfasst.
  • Die Ladungspumpe 52 legt eine Hochspannung HV an den ersten Schallerfassungsteil 23a und den zweiten Schallerfassungsteil 23b an; das von dem zweiten Schallerfassungsteil 23b ausgegebene elektrische Signal wird durch den Verstärker 53 für eine geringe Empfindlichkeit verstärkt, und das von dem ersten Schallerfassungsteil 23a ausgegebene elektrische Signal wird durch den Verstärker 54 für eine hohe Empfindlichkeit verstärkt. Das durch den Verstärker 53 für eine geringe Empfindlichkeit verstärkte Signal wird durch den ΣΔ-ADW 55 in ein Digitalsignal umgewandelt. Gleichzeitig wird das durch den Verstärker 54 für eine hohe Empfindlichkeit verstärkte Signal durch den ΣΔ-ADW 56 in ein Digitalsignal umgewandelt. Die durch die ΣΔ-ADWs 55, 56 umgewandelten Digitalsignale werden über den Puffer 58 als PDM(Pulsdichtemodulations)-Signale nach außen ausgegeben. Es wurde zwar keine entsprechende Darstellung vorgenommen, doch wenn die Stärke der von dem Puffer 58 ausgegebenen Signale hoch ist (das heißt, der Schalldruck groß ist), wird der Ausgang des ΣΔ-ADW 55 EIN gehalten und der Ausgang des ΣΔ-ADW 56 AUS. Folglich werden von dem Puffer 58 elektrische Signale von Schallschwingungen mit einem großen Schalldruck, die mit dem zweiten Schallerfassungsteil 23b detektiert wurden, ausgegeben. Im Gegensatz dazu wird bei einer geringen Stärke der von dem Puffer 58 ausgegebenen Signale (das heißt, wenn der Schalldruck gering ist) der Ausgang des ΣΔ-ADW 56 EIN gehalten und der Ausgang des ΣΔ-ADW 55 AUS. Folglich werden von dem Puffer 58 elektrische Signale von Schallschwingungen mit einem geringen Schalldruck, die mit dem ersten Schallerfassungsteil 23a detektiert wurden, ausgegeben. Auf diese Weise wird je nach dem Schalldruck automatisch zu dem ersten Schallerfassungsteil 23a und dem zweiten Schallerfassungsteil 23b umgeschaltet.
  • Bei dem Beispiel von 8 werden zwei durch die ΣΔ-ADWs 55, 56 umgewandelte Digitalsignale gemeinsam auf einer Datenleitung ausgegeben, doch können die beiden Digitalsignale auch auf gesonderten Datenleistungen ausgegeben werden.
  • Bei einem Akustiksensor, bei dem Schallerfassungsteile für eine hohe Empfindlichkeit und eine geringe Empfindlichkeit ausgebildet sind, oder dem Mikrophon, in das dieser Akustiksensor eingebaut ist, besteht die Gefahr, dass die Membran durch den Winddruck bei einem Fallenlassen beschädigt wird. Gemäß dem Akustiksensor 11 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine derartige Beschädigung verhindert werden. Der Grund dafür lautet wie folgt.
  • 9 zeigt die Situation, wenn ein Mikrophon 41, das in einem Gerät 61 montiert ist, auf den Boden 62 fallen gelassen wurde. In dem Gerät 61 ist eine Durchgangsöffnung 63 gebildet, die mit der Schalleinbringungsöffnung 45 des Mikrophons 41 übereinstimmt. Wenn das so in dem Gerät 61 montierte Mikrophon 41 in die mit dem weißen Pfeil gezeigte Richtung fallen gelassen wird, dringt wie mit dem fett dargestellten Pfeil in 9 gezeigt Luft von der Durchgangsöffnung 63 und der Schalleinbringungsöffnung 45 in die Kammer 15 ein. Daher wird die Luft in der Kammer 15 komprimiert und der Druck in der Kammer 15 hoch und werden die Membranen 13a, 13b nach oben hochgedrückt. Die Membranen 13a, 13b werden auch durch den Winddruck der in die Kammer 15 eindringenden Luft und die Stoßkraft nach oben hochgedrückt.
  • 10 stellt einen Akustiksensor eines Vergleichsbeispiels dar, bei dem die Membranen auf diese Weise nach oben hochgedrückt wurden. Bei dem Akustiksensor des Vergleichsbeispiels sind anders als bei dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform einheitliche Akustiklöcher 24 ausgebildet. Das heißt, die Akustiklöcher 24 des ersten Schallerfassungsteils 23a und die Akustiklöcher 24 des zweiten Schallerfassungsteils 23b sind mit der gleichen Verteilungsdichte ausgebildet und zudem ist auch der Öffnungsdurchmesser (die Öffnungsfläche) der einzelnen Akustiklöcher 24 gleich. Da die zweite Membran 13b eine kleinere Fläche als die erste Membran 13a aufweist, ist das durchschnittliche Verschiebungsausmaß der zweiten Membran 13b bei einer kleinen Druckkraft kleiner als das durchschnittliche Verschiebungsausmaß des ersten Schallerfassungsteils 23a. Doch wenn die auf die Membranen 13a, 13b wirkende Druckkraft groß ist, kommt es zu einem Verschiebungsausmaß im gleichen Umfang, da die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b, die sich stark verschoben haben, auf die Anschläge 25 der Rückplatte 18 treffen. Folglich ist die Verformung der zweiten Membran 13b um das Ausmaß, um das ihre Fläche kleiner ist, größer als jene der ersten Membran 13a, verzieht sich insbesondre der Umfangsrandbereich der zweiten Membran 13b, und tritt eine innere Belastung auf. Da auch bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b gleiche Akustiklöcher 24 wie bei dem ersten Schallerfassungsteil 23b gebildet sind, ist überdies die Starrheit der Rückplatte 18 bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b der Starrheit der Rückplatte 18 bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a gleich und somit vergleichsweise gering. Daher biegt sich beim Auftreffen der verformten zweiten Membran 13b auf die Rückplatte 18 auch die Rückplatte 18 des zweiten Schallerfassungsteils 23b und wird das durchschnittliche Verschiebungsausmaß der zweiten Membran 13b immer größer. Als Folge verformt sich die zweite Membran 13b bei dem Akustiksensor des Vergleichsbeispiels wie in 10 gezeigt stark und kommt es leicht zu einer Beschädigung des Umfangsrandbereichs.
  • Um die Verformung der zweiten Membran 13b gering zu gestalten und eine Beschädigung der zweiten Membran 13b zu erschweren, kann die Starrheit der Rückplatte 18 erhöht werden und dadurch trotz des Auftreffens der Membranen 13a, 13b eine Verformung der Rückplatte 18 erschwert werden. Zu diesem Zweck kann der Öffnungsdurchmesser der in der Rückplatte 18 ausgebildeten Akustiklöcher 24 klein gestaltet werden. Doch da bei dem Vergleichsbeispiel in der gesamten Rückplatte 18 Akustiklöcher 24 mit dem gleichen Öffnungsdurchmesser ausgebildet sind, können bei einer Verkleinerung des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24 bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a Luftmoleküle, die den Grund für thermisches Rauschen darstellen, nur schwer entweichen. Daher wird bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a das Rauschen infolge von thermischem Rauschen stark und nimmt die Empfindlichkeit des ersten Schallerfassungsteils 23a ab.
  • Zur Erhöhung der Starrheit der Rückplatte 18 ist es auch denkbar, die Dicke der Rückplatte 18 zu erhöhen. Doch auch wenn die Dicke der Rückplatte 18 erhöht wurde, können bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a Luftmoleküle, die den Grund für thermisches Rauschen darstellen, nur schwer entweichen. Daher wird bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a das Rauschen infolge von thermischem Rauschen stark und nimmt die Empfindlichkeit des ersten Schallerfassungsteils 23a ab.
  • Im Gegensatz dazu ist bei dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b kleiner als der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a. Als Folge kann die Starrheit der Rückplatte 18 bei dem zweiten Schallerfassungsteil erhöht werden. Daher kommt es wie in 11 gezeigt auch bei einer Verformung der zweiten Membran 13b durch den Stoß beim Fallenlassen, den Winddruck, die komprimierte Luft in der Kammer 15 usw. und ihrem Auftreffen auf die Rückplatte 18 nur schwer zu einer Verformung der Rückplatte 18 des zweiten Schallerfassungsteils 23. Daher kann durch die Rückplatte 18 eine übermäßige Verformung oder eine innere Beanspruchung der zweiten Membran 13b unterdrückt werden und kann eine Beschädigung der zweiten Membran 13b verhindert werden.
  • Wenn bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a der Öffnungsdurchmesser der Akustiköffnungen 24a auf die allgemeine Größe eingerichtet wird und auch die Dicke der Rückplatte 18 auf die allgemeine Dicke eingerichtet wird, wird das thermische Rauschen bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a nicht stark. Daher kommt es auf Seiten des ersten Schallerfassungsteils 23a, bei dem die Anordnungen im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis streng sind, nicht zu einer Verringerung der Empfindlichkeit im Bereich einer geringen Lautstärke. Da der zweite Schallerfassungsteil 23b in dem Bereich einer großen Lautstärke verwendet wird, in dem ein Ausgang erhalten wird, der ausreichend höher als der Rauschpegel ist, sind die Anforderungen im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis nicht streng und stellt die Verkleinerung des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b kein Problem dar. Daher wird es nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform möglich, eine Beschädigung der zweiten Membran 13b zu verhindern, ohne die Empfindlichkeit auf Seiten einer geringen Lautstärke zu verringern.
  • Vorzugsweise beträgt der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b bei dem Akustiksensor 11 höchstens 1/2 des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24a. Insbesondere ist es günstig, wenn der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b mindestens 4 µm und höchstens 10 µm beträgt.
  • 12A zeigt die Ergebnisse, die durch eine Simulation des Verschiebungsausmaßes der ersten festen Elektrodenplatte 19a bei einer Veränderung der Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 19, während auf die Rückplatte 18 und die feste Elektrodenplatte 19 ein konstanter Luftdruck (der Luftdruck, der vermutlich beim Fallenlassen ausgeübt wird) wirkt, ermittelt wurden. 12B zeigt das dabei auftretende Verschiebungsausmaß der zweiten festen Elektrodenplatte 19b. 12A und 12B zeigen unter Annahme des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24a als D1 und des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b als D2 jeweils den Fall von D1 = 17 µm und D2 = 17 µm (Vergleichsbeispiel) und den Fall von D1 = 17 µm und D2 = 6 µm (erste Ausführungsform).
  • Aus 12B wird erkannt, dass das Verschiebungsausmaß der zweiten festen Elektrodenplatte 19b bei einer Verringerung des Öffnungsdurchmessers D2 der Akustiklöcher 24b von 17 µm auf 6 µm um 18 % verringert wird und die Starrheit erhöht werden kann. Dadurch kann eine Verformung der zweiten Membran 13b durch den Luftdruck beim Fallenlassen unterdrückt werden und eine Beschädigung der zweiten Membran 13b verhindert werden.
  • Aus 12A wird erkannt, dass durch das Verringern des Öffnungsdurchmessers D2 der Akustiklöcher 24b auch die Verschiebung der ersten festen Elektrodenplatte 19a verringert werden kann.
  • 13 zeigt den Druckwert zum Zeitpunkt einer Beschädigung der zweiten Membran 13b, wenn bei dem Akustiksensor des Vergleichsbeispiels, bei dem die Öffnungsdurchmesser D1 und D2 jeweils 17 µm betragen, ein allmählich größer werdender Druck auf die Membranen 13a, 13b ausgeübt wird, die Membran 13b mit dem Anschlag 25 in Kontakt gebracht wird und weiter eine Druckausübung erfolgt. Außerdem ist in 13 auch der Druckwert zum Zeitpunkt einer Beschädigung der zweiten Membran 13b gezeigt, wenn bei dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform, bei dem der Öffnungsdurchmesser D1 17 µm und der Öffnungsdurchmesser D2 6 µm beträgt, ein allmählich größer werdender Druck auf die Membranen 13a, 13b ausgeübt wird, die Membran 13b mit dem Anschlag 25 in Kontakt gebracht wird und weiter eine Druckausübung erfolgt. Gemäß 13 wird die zweite Membran 13b bei 78 kPa beschädigt, wenn der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b dem Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a gleich ist, während die Beschädigungsbeständigkeit der zweiten Membran 13b bei einer Verringerung des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b auf 6 µm bis auf etwa 95 kPa erhöht wird (Steigerung von 22 %).
  • 14 ist eine Ansicht des Vergleichsbeispiels, in der die Rückplatte 18 und die feste Elektrodenplatte 19 mit Akustiklöchern 24a, 24b, deren Öffnungsdurchmesser D1 und D2 jeweils 17 µm betragen, gezeigt sind. Hier ist das Verformungsausmaß der einzelnen Bereiche bei der Verformung der Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 19 unter Wirken eines konstanten Drucks durch Unterschiede in der Weiß-Schwarz-Konzentration ausgedrückt. Was das Verformungsausmaß betrifft, wird das Verformungsausmaß mit zunehmender „Weiße“ größer und das Verformungsausmaß mit zunehmender „Schwärze“ geringer.
  • 15 ist eine Ansicht der ersten Ausführungsform, in der die Rückplatte 18 und die feste Elektrodenplatte mit Akustiklöchern 24a, deren Öffnungsdurchmesser D1 17 µm beträgt, bzw. Akustiklöchern 24b, deren Öffnungsdurchmesser D2 6 µm beträgt, gezeigt sind. Auch hier ist das Verformungsausmaß der einzelnen Bereiche der Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 18 unter den gleichen Bedingungen wie in 14 durch Unterschiede in der Weiß-Schwarz-Konzentration ausgedrückt.
  • Auch aus den Simulationen von 14 und 15 wird erkannt, dass das Verschiebungsausmaß der zweiten festen Elektrodenplatte 19b (und der ersten festen Elektrodenplatte 19a) durch Verkleinern des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b verringert werden kann und die Starrheit erhöht werden kann. Dadurch kann eine Verformung der zweiten Membran 13b durch den Luftdruck beim Fallenlassen unterdrückt und eine Beschädigung der zweiten Membran 13b verhindert werden.
  • Neben der Möglichkeit, eine Beschädigung der Membran durch Fallenlassen zu verhindern, weisen der Akustiksensor 11 und das Mikrophon 41 der ersten Ausführungsform verschiedenste Wirkungen auf.
  • Zuerst besteht bei dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform der Vorteil, dass die Einführung leicht ist. Das heißt, (i) da eine Veränderung des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b auf Seiten des zweiten Schallerfassungsteils 23b genügt, werden die Eigenschaften des ersten Schallerfassungsteils 23a (die Empfindlichkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis und dergleichen) nicht beeinflusst. (ii) Da es nicht nötig ist, die Filmdicke der Rückplatte 18 dick auszuführen, wird die Zeit für die Ablagerung der Rückplatte 148 nicht lang, weshalb die Herstellbarkeit des Akustiksensors gut ist. Und da eine Veränderung der Gestaltung der Maske für die Ausbildung der Akustiklöcher 24a, 24b genügt, sind Designänderungen leicht möglich. (iii) Die Einführung ist nur durch eine Änderung der Maskengestaltung möglich. (iv) Wenn der Anordnungsabstand der Akustiklöcher 24a, 24b konstant gestaltet wird, ist auch die Veränderung der Zeit, die für das Ätzen der Opferschicht erforderlich ist, geringfügig. Da als Folge bisherige Herstellungsanlagen verwendet werden können und auch die Anzahl der Herstellungsprozesse nicht zunimmt, ist die Einführung leicht.
  • Da nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform (i) die Elektrodenfläche der zweiten festen Elektrodenplatte 19b vergrößert wird, wird die Ausgangsempfindlichkeit des zweiten Schallerfassungsteils 23b erhöht, und da (ii) bei einer Verkleinerung des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b durch den Brückeneffekt die gleiche Kapazitanz wie im Fall der Verwendung einer festen Elektrodenplatte, in der keine Öffnungen ausgebildet sind, verwirklicht werden kann, kann die Ausgangsempfindlichkeit des Akustiksensors 11 erhöht werden.
  • Nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform wird durch Verkleinern des Öffnungsdurchmessers der Akustiklöcher 24b bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b das Eindringen von Staub und Schmutz durch die Akustiklöcher 24b ins Innere erschwert. Als Folge wird die Gefahr, dass Staub oder Schmutz an der Membran anhaftet und die Eigenschaften des Akustiksensors 11 verändert werden, verringert.
  • Da nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform die Starrheit der Rückplatte 18 hoch wird, werden Krümmungen der Rückplatte 18, die durch Schwankungen der Restspannung, welche durch den Herstellungsprozess des Akustiksensors 11 hervorgerufen wird, verursacht werden, verringert und wird die Form der Rückplatte 18 stabil.
  • Da nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsformen die Starrheit der Rückplatte 18 hoch wird, wird die Beständigkeit der Rückplatte 18 in Bezug auf Stöße bei Fallversuchen und dergleichen erhöht.
  • Wenn die erste Membran 13a bei einer großen Lautstärke gegen die Rückplatte 18 prallt, entstehen bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a an der Rückplatte 18 Schwingungen mit einer großen Verzerrung. Der erste Schallerfassungsteil 23a und der zweite Schallerfassungsteil 23b interferieren über die Rückplatte 18, und wenn diese Schwingungen mit einer großen Verzerrung zu dem zweiten Schallerfassungsteil 23b übertragen werden, wird die harmonische Verzerrungsrate bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b groß und kann es zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des zweiten Schallerfassungsteils 23b kommen. Doch da nach dem Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform die Starrheit der Rückplatte 18 hoch wird, werden die an dem ersten Schallerfassungsteil 23a entstandenen Schwingungen mit einer großen Verzerrung nur schwer zu dem zweiten Schallerfassungsteil 23b übertragen. Als Folge wird die harmonische Verzerrungsrate bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b verbessert.
  • Abwandlung der ersten Ausführungsform
  • 16 ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor nach einer Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zustand gezeigt ist, in dem die Rückplatte 18 und der Schutzfilm 30 usw. entfernt sind. Wie bei diesem Akustiksensor ist es auch möglich, dass die Membran 13 durch den Schlitz 17 vollständig in die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b getrennt ist und die erste feste Elektrodenplatte 19a und die zweite feste Elektrodenplatte 19b durch einen Verbindungsrahmen 64 zu einer Einheit verbunden sind.
  • Zweite Ausführungsform
  • 17 ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor 71 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei diesem Akustiksensor 71 ist die Verteilungsdichte (die Anzahldichte) der Akustiklöcher 24b des zweiten Schallerfassungsteils 23b geringer als jene der Akustiklöcher 24a des ersten Schallerfassungsteils 23a. Das heißt, der Anordnungsabstand der Akustiklöcher 24b ist größer als der Anordnungsabstand der Akustiklöcher 24a. Der Anordnungsabstand der Akustiklöcher 24b beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte des Anordnungsabstands der Akustiklöcher 24a. Die Akustiklöcher 24a des ersten Schallerfassungsteils 23a und die Akustiklöcher 24b des zweiten Schallerfassungsteils 23b weisen den gleichen Öffnungsdurchmesser auf. Da der Akustiksensor 71 hinsichtlich der sonstigen Punkte den gleichen Aufbau wie der Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform aufweist, wird auf eine Erklärung verzichtet.
  • Da bei dem Akustiksensor 71 die Verteilungsdichte der Akustiklöcher 24b geringer als die Verteilungsdichte der Akustiklöcher 24a ist, wird die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24b gering und die Starrheit der Rückplatte 18 bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b hoch. Als Folge verformt sich die Rückplatte 18 auch bei einem Anprall der zweiten Membran 13b an die Rückplatte 18 nur schwer und werden auch das Verschiebungsausmaß und das Verformungsausmaß der zweiten Membran 13b unterdrückt. Als Folge entsteht nur schwer eine große Beanspruchung auf die zweite Membran 13b und kann eine Beschädigung der zweiten Membran 13b verhindert werden. Da die Anzahl der Akustiklöcher 24b gering wird, wird auch das Eindringen von Staub und Schmutz von den Akustiklöchern 24a in das Innere des Akustiksensors 71 erschwert.
  • Bei dem oben beschriebenen Akustiksensor 71 sind der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a und der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b gleich, doch ist es auch möglich, die Verteilungsdichte der Akustiklöcher 24b geringer als jene der Akustiklöcher 24a zu gestalten und auch den Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b kleiner als jenen der Akustiklöcher 24a auszuführen.
  • Wenn die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24b als Ganzes kleiner als die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24a ist, kann der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b kleiner als der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a sein und die Verteilungsdichte der Akustiklöcher 24b auch größer als die Verteilungsdichte der Akustiklöcher 24a sein. Umgekehrt kann dann, wenn die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24b als Ganzes kleiner als die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24a ist, die Verteilungsrate der Akustiklöcher 24b kleiner als die Verteilungsrate der Akustiklöcher 24a sein und der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b auch größer als der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a sein.
  • Dritte Ausführungsform
  • 18 ist eine Schnittansicht, die einen Akustiksensor 81 nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei diesem Akustiksensor 81 ist die Dicke der Rückplatte 18 bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b, das heißt, der Rückplatte 18b, dicker als die Dicke der Rückplatte 18 bei dem ersten Schallerfassungsteil 23a, das heißt, der Rückplatte 18a. Die Verteilungsdichte und der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a und der Akustiklöcher 24b können auch gleich sein. Da der Akustiksensor 81 hinsichtlich der sonstigen Punkte den gleichen Aufbau wie der Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform aufweist, wird auf eine Erklärung verzichtet.
  • Da die Dicke der Rückplatte 18b bei dem Akustiksensor 81 dicker als die Dicke der Rückplatte 18a ist, wird die Starrheit der Rückplatte 18b bei dem zweiten Schallerfassungsteil 23b hoch. Als Folge verformt sich die Rückplatte 18 auch bei einem Anprall der zweiten Membran 13b an die Rückplatte 18b nur schwer und werden auch das Verschiebungsausmaß und das Verformungsausmaß der zweiten Membran 13b unterdrückt. Als Folge entsteht nur schwer eine große Beanspruchung auf die zweite Membran 13b und kann eine Beschädigung der zweiten Membran 13b verhindert werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • 19 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Akustiksensors 91 nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zustand dargestellt ist, in dem die Rückplatte und der Schutzfilm usw. entfernt sind. Dieser Akustiksensor 91 weist drei Schallerfassungsteile 23a, 23b, 23c auf. Der Schallerfassungsteil 23a ist ein durch eine Membran 23a und eine feste Elektrodenplatte 19a gebildeter Kondensatoraufbau. Der Schallerfassungsteil 23c ist ein durch eine Membran 23c und eine feste Elektrodenplatte 19c gebildeter Kondensatoraufbau. Die Schallerfassungsteile 23a und 23c sind hochempfindliche Erfassungsteile für den Bereich eines geringen Schalldrucks. Der Schallerfassungsteil 23b ist ein durch eine Membran 13b und eine feste Elektrodenplatte 19c gebildeter Kondensatoraufbau und ein gering empfindlicher Erfassungsteil für den Bereich eines großen Schalldrucks.
  • Bei diesem Akustiksensor 91 ist eine ungefähr rechteckige Membran 13 über der Kammer 15 eines Siliziumsubstrats 12 angeordnet. Die Membran 13 ist durch zwei Schlitze 17a, 17b in eine ungefähr rechteckige erste bzw. dritte Membran 13a, 13c, die ungefähr die gleiche Fläche aufweisen, und eine ungefähr rechteckige zweite Membran 13b mit einer kleineren Fläche als jener der ersten bzw. dritten Membran 13a, 13c unterteilt. Ein Teil der festen Elektrodenplatte 19, das heißt, eine erste feste Elektrodenplatte 19a, ist so angeordnet, dass sie der ersten Membran 13a gegenüberliegt. Ebenso ist ein Teil der der festen Elektrodenplatte 19, das heißt, eine zweite feste Elektrodenplatte 19b, so angeordnet, dass sie der zweiten Membran 13b gegenüberliegt. Ein Teil der festen Elektrodenplatte 19, das heißt, eine dritte feste Elektrodenplatte 19c, befindet sich gegenüber der dritten Membran 13c. Die festen Elektrodenplatten 19a, 19b und 19c sind voneinander getrennt und so an der unteren Fläche einer Rückplatte, die an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 fixiert ist, ausgebildet, dass sie die Membran 13 abdecken.
  • Bei den hochempfindlichen Schallerfassungsteilen 23a und 23c für einen geringen Schalldruck sind in der Rückplatte 18 und den festen Elektrodenplatten 19a, 19c mehrere Akustiklöcher 24a und 24c ausgebildet. Bei dem gering empfindlichen Schallerfassungsteil 23b für eine großen Schalldruck sind in der Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 19b mehrere Akustiklöcher 24b ausgebildet. Die Akustiklöcher 24b des Schallerfassungsteils 23b weisen eine geringere Öffnungsrate als die Akustiklöcher 24a, 24c der Schallerfassungsteile 23a, 23c auf (in 19 ist der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b kleiner als der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a, 24c, doch könnte auch ihr Abstand größer sein), und die Starrheit der Rückplatte 18 des Schallerfassungsteils 23b ist höher als jene der Schallerfassungsteile 23a, 23c. Folglich wird die Stoßbeständigkeit des gering empfindlichen Schallerfassungsteils hoch.
  • Wenn wie bei diesem Akustiksensor 91 drei (oder mehr als drei) Schallerfassungsteile ausgebildet sind, wird es möglich, von einem Sensor drei (oder mehr als drei) Detektionssignale auszugeben.
  • Fünfte Ausführungsform
  • 20 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Akustiksensors 101 nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zustand dargestellt ist, in dem die Rückplatte und der Schutzfilm usw. entfernt sind. Auch dieser Akustiksensor 101 weist drei Schallerfassungsteile 23a, 23b, 23c auf. Der Schallerfassungsteil 23a ist ein durch eine Membran 23a und eine feste Elektrodenplatte 19a gebildeter Kondensatoraufbau und ein hochempfindlicher Erfassungsteil für den Bereich eines geringen Schalldrucks. Der Schallerfassungsteil 23b ist ein durch eine Membran 13b und eine feste Elektrodenplatte 19b gebildeter Kondensatoraufbau und ein gering empfindlicher Erfassungsteil für den Bereich eines großen Schalldrucks. Der Schallerfassungsteil 23c ist ein durch eine Membran 13c und eine feste Elektrodenplatte 19c gebildeter Kondensatoraufbau und ein mittelempfindlicher Erfassungsteil für den Bereich eines mittleren Schalldrucks.
  • Bei diesem Akustiksensor 101 ist eine ungefähr rechteckige Membran 13 über der Kammer 15 eines Siliziumsubstrats 12 angeordnet. Die Membran 13 ist durch zwei Schlitze 17a, 17b in eine ungefähr rechteckige erste Membran 13a, eine ungefähr rechteckige dritte Membran 13c mit einer kleineren Fläche als jener der ersten Membran 13a,m und eine ungefähr rechteckige zweite Membran 13b mit einer kleineren Fläche als jener der dritten Membran 13c unterteilt. Eine erste feste Elektrodenplatte 19a ist so angeordnet, dass sie der ersten Membran 13a gegenüberliegt. Ebenso ist eine zweite feste Elektrodenplatte 19b so angeordnet, dass sie der zweiten Membran 13b gegenüberliegt. Eine dritte feste Elektrodenplatte 19c befindet sich gegenüber der dritten Membran 13c. Die festen Elektrodenplatten 19a, 19b und 19c sind voneinander getrennt und so an der unteren Fläche einer Rückplatte, die an der oberen Fläche des Siliziumsubstrats 12 fixiert ist, ausgebildet, dass sie die Membran 13 abdecken.
  • Bei dem hochempfindlichen Schallerfassungsteil 23a für einen geringen Schalldruck sind in der Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 19a mehrere Akustiklöcher 24a ausgebildet. Bei dem gering empfindlichen Schallerfassungsteil 23b für einen hohen Schalldruck und dem mittelempfindlichen Schallerfassungsteil 23c für einen mittleren Schalldruck sind in der jeweiligen Rückplatte 18 und der festen Elektrodenplatte 19b, 19c mehrere Akustiklöcher 24b, 24c ausgebildet. Die Akustiklöcher 24b, 24c der Schallerfassungsteile 23b, 23c weisen eine kleinere Öffnungsrate als die Akustiklöcher 24a des Schallerfassungsteils 23a auf (in 20 ist der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24b, 24c kleiner als der Öffnungsdurchmesser der Akustiklöcher 24a, doch könnte auch ihr Abstand größer sein), und die Starrheit der Rückplatte 18 der Schallerfassungsteile 23b, 23c ist höher als jene des Schallerfassungsteils 23a. Daher wird die Stoßbeständigkeit des gering empfindlichen Schallerfassungsteils 23b und des mittelempfindlichen Schallerfassungsteils 23c hoch. Es ist auch möglich, dass die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24c kleiner als die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24a sowie größer als die Öffnungsrate der Akustiklöcher 24b ist.
  • Gemäß dem Akustiksensor 101 mit einem derartigen Aufbau wird es möglich, den Dynamikbereich noch mehr zu erweitern und wird überdies dadurch die Stoßbeständigkeit des Akustiksensors kaum verschlechtert.
  • Sonstiges
  • Die Form der Unterteilung der Membran 13 und der festen Elektrodenplatte 19 ist nicht auf das bei den obigen Ausführungsformen Beschriebene beschränkt. Zum Beispiel kann die feste Elektrodenplatte 19 in einen äußeren Umfangsbereich und einen davon innen gelegenen Bereich unterteilt werden und der in dem äußeren Umfangsbereich befindliche, ungefähr ringförmige Bereich mit einer kleinen Fläche als gering empfindliche zweite feste Elektrodenplatte 19b eingesetzt werden und der davon innen gelegene Bereich als hochempfindliche erste feste Elektrodenplatte 19a eingesetzt werden (siehe 1 der Patentanmeldung 2011-002313). Dies gilt auch für die Membran 13.
  • Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das Verschiebungsausmaß der einzelnen Membranen 13a, 13b bei Wirken des gleichen Schalldrucks durch unterschiedliches Gestalten der Fläche der ersten Membran 13a und der Fläche der zweiten Membran 13b unterschiedlich und dadurch die Empfindlichkeit des ersten Schallerfassungsteils 23a und des zweiten Schallerfassungsteils 23b unterschiedlich. Daneben ist es auch möglich, die Verschiebung der zweiten Membran 13b klein zu gestalten und die Empfindlichkeit des zweiten Schallerfassungsteils 23b niedrig zu gestalten, indem zum Beispiel die Filmdicke der zweiten Membran 13b dicker als die Filmdicke der ersten Membran 13a ausgeführt wird. Es ist auch möglich, die Verschiebung der zweiten Membran 13b klein zu gestalten und die Empfindlichkeit des zweiten Schallerfassungsteils 23b niedrig zu gestalten, indem die Abstände der Fixierung der zweiten Membran 13b kleiner als die Abstände der Fixierung der ersten Membran 13a ausgeführt werden. Ferner ist es möglich, die Verschiebung der ersten Membran 13a groß zu gestalten und die Empfindlichkeit des ersten Schallerfassungsteils 23a hoch zu gestalten, indem die erste Membran 13a durch einen Balkenaufbau gehalten wird.
  • Im Vorhergehenden wurden ein Akustiksensor und ein Mikrophon, das diesen Akustiksensor verwendet, erklärt, doch kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Kapazitanzsensoren als einem Akustiksensor wie etwa einem Drucksensor angewendet werden.

Claims (12)

  1. Kapazitanzsensor (11), umfassend eine schwingende Elektrodenplatte (13), die über einem Substrat (12) gebildet ist, eine Rückplatte (18), die so über dem Substrat (12) gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte (13) abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte (19), die so an der Rückplatte (18) bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte (13) gegenüberliegt, wobei wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und die Starrheit der Rückplatte (18) in dem Bereich jenes Teils der Erfassungsteile mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) unter den Erfassungsteilen höher als die Starrheit der Rückplatte (18) bei den anderen Erfassungsteilen mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) ist, so dass bei einem auf den Kapazitanzsensor (11) wirkenden Stoß, der bewirkt, dass sich die schwingende Elektrodenplatte (13) so verformt, dass die schwingende Elektrodenplatte (13) mit der Rückplatte (18) zusammenstößt, die Deformation in dem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Starrheit geringer ist, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Starrheit zusammenstößt, als eine Deformation in dem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Starrheit, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Starrheit zusammenstößt.
  2. Kapazitanzsensor (71), umfassend eine schwingende Elektrodenplatte (13), die über einem Substrat (12) gebildet ist, eine Rückplatte (18), die so über dem Substrat (12) gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte (13) abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte (19), die so an der Rückplatte (18) bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte (13) gegenüberliegt, wobei wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, bei den Erfassungsteilen jeweils in der Rückplatte (18) und der festen Elektrodenplatte (19) mehrere Öffnungen gebildet sind, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und bei wenigstens einem Paar von Erfassungsteilen mit unterschiedlicher Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) unter den Erfassungsteilen die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) geringer als die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) ist, so dass bei einem auf den Kapazitanzsensor (71) wirkenden Stoß, der bewirkt, dass sich die schwingende Elektrodenplatte (13) so verformt, dass die schwingende Elektrodenplatte (13) mit der Rückplatte (18) zusammenstößt, die Deformation bei dem Erfassungsteil in einem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Öffnungsrate geringer ist, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit geringerer Öffnungsrate zusammenstößt, als eine Deformation bei dem Erfassungsteil in einem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Öffnungsrate, wenn die schwingende Elektrodenplatte (13) mit dem Bereich der Rückplatte (18) mit höherer Öffnungsrate zusammenstößt.
  3. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsrate der Rückplattedurch den Öffnungsdurchmesser der Öffnungen reguliert ist.
  4. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in zwei Bereiche unterteilt ist und zwei Erfassungsteile gebildet sind, und die Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte höchstens 1/2 der Öffnungsrate der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte beträgt.
  5. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsdurchmesser der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte höchstens 10 µm beträgt.
  6. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsrate der Rückplatte durch die Verteilungsdichte der Öffnungen reguliert ist.
  7. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in zwei Bereiche unterteilt ist und zwei Erfassungsteile gebildet sind, und der Anordnungsabstand der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte wenigstens das Doppelte des Anordnungsabstands der Öffnungen bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte beträgt.
  8. Kapazitanzsensor (71) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsrate der Rückplatte durch den Öffnungsdurchmesser und die Verteilungsdichte der Öffnungen reguliert ist.
  9. Kapazitanzsensor (81), umfassend eine schwingende Elektrodenplatte (13), die über einem Substrat (12) gebildet ist, eine Rückplatte (18), die so über dem Substrat (12) gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte (13) abdeckt, und eine feste Elektrodenplatte (19), die so an der Rückplatte (18) bereitgestellt ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte (13) gegenüberliegt, wobei wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) in mehrere Bereiche unterteilt ist, und in jedem einzelnen der abgeteilten Bereiche jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte (13) und der festen Elektrodenplatte (19) gebildet ist, von den mehreren Erfassungsteilen mehrere Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ausgegeben werden, sich die Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) wenigstens eines Teils der Erfassungsteile aus den mehreren Erfassungsteilen von der Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) der anderen Erfassungsteile unterscheidet, und bei wenigstens einem Paar von Erfassungsteilen mit unterschiedlicher Fläche der schwingenden Elektrodenplatte (13) unter den Erfassungsteilen die Dicke der Rückplatte (18) bei dem Erfassungsteil mit einer kleinflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) dicker als die Dicke der Rückplatte (18) bei dem Erfassungsteil mit einer großflächigen schwingenden Elektrodenplatte (13) ausgeführt ist.
  10. Kapazitanzsensor (11; 71; 81) nach Anspruch 1, 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und in jedem abgeteilten Bereich jeweils ein Erfassungsteil aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte gebildet ist.
  11. Akustiksensor, wobei der Kapazitanzsensor (11; 71; 81) nach Anspruch 1, 2 oder 9 eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückplatte und in der festen Elektrodenplatte mehrere Öffnungen gebildet sind, um Schallschwingungen passieren zu lassen, und von den Erfassungsteilen durch Veränderungen des Ausmaßes der Kapazitanz zwischen der Membran, die auf die Schallschwingungen reagiert, und der festen Elektrodenplatte Signale ausgegeben werden.
  12. Mikrophon, umfassend den Akustiksensor nach Anspruch 11 und einen Schaltungsteil, der die Signale von dem Akustiksensor verstärkt und nach außen ausgibt.
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