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JP5252104B1 - 静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォン - Google Patents

静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォン Download PDF

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Abstract

【課題】ダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、しかも、耐衝撃性も高い静電容量型センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板12の上方にダイアフラム13が配置される。基板12の上面には、ダイアフラム13を覆うようにしてバックプレート18が設けられ、その下面に固定電極板19が配置される。ダイアフラム13は、第1及び第2ダイアフラム13a、13bに分割される。同様に、固定電極板19も第1及び第2固定電極板19a、19bに分割される。第2ダイアフラム13bと第2固定電極板19bで構成された音響センシング部では、バックプレート18に孔径の小さなアコースティックホール24bが開口され、第1ダイアフラム13aと第1固定電極板19aによって構成された音響センシング部では、バックプレート18に孔径の大きなアコースティックホール24aが開口される。
【選択図】図3

Description

本発明は、静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的に言うと、本発明は、振動電極板(ダイアフラム)と固定電極板からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型センサに関する。また、本発明は、音響振動を電気信号に変換して出力する音響センサ(音響トランスデューサ)と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。特に、本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて製作される微小サイズの静電容量型センサや音響センサに関するものである。
携帯電話機などに搭載される小型のマイクロフォンとしては、これまではエレクトレット・コンデンサマイク(Electret Condenser Microphone)が広く使用されてきた。しかし、エレクトレット・コンデンサマイクは熱に弱く、また、デジタル化への対応、小型化、高機能・多機能化、省電力といった点で、MEMSマイクロフォンに劣る。そのため、現在では、MEMSマイクロフォンが普及しつつある。
MEMSマイクロフォンは、音響振動を検出して電気信号(検出信号)に変換する音響センサ(音響トランスデューサ)と、該音響センサに電圧を印加する駆動回路と、音響センサからの検出信号に対し増幅などの信号処理を行って外部に出力する信号処理回路とを備えている。MEMSマイクロフォンに用いられる音響センサは、MEMS技術を利用して製造された静電容量型の音響センサである。また、上記駆動回路および上記信号処理回路は、半導体製造技術を利用してASIC(Application Specific Integrated Circuit)として一体に製造される。
近時、マイクロフォンは、小さな音圧から大きな音圧までの音を高感度で検出することが求められている。一般に、マイクロフォンの最大入力音圧は、高調波歪み率(Total Harmonic Distortion)によって制限される。これは、大きな音圧の音をマイクロフォンで検出しようとすると、出力信号に高調波歪みが発生し、音質や精度を損ねてしまうためである。よって、高調波歪み率を小さくすることができれば、最大入力音圧を大きくしてマイクロフォンの検出音圧域(以下、ダイナミックレンジという。)を広くすることができる。
しかしながら、一般的なマイクロフォンでは、音響振動の検出感度向上と高調波歪み率の低減とがトレードオフの関係にある。このため、小音量(小音圧)を検出することのできる高感度のマイクロフォンでは、大音量の音が入ってきたときに出力信号の高調波歪み率が大きくなり、そのために最大検出音圧が制限される。これは、高感度のマイクロフォンは出力信号が大きくなり、高調波歪みが発生し易いからである。反対に、出力信号の高調波歪みを低減することによって最大検出音圧を大きくしようとすると、マイクロフォンの感度が悪くなり、小音量の音を高品質で検出することが困難になる。この結果、一般的なマイクロフォンでは、小音量(小音圧)から大音量(大音圧)まで広いダイナミックレンジを持たせることが困難であった。
このような技術的背景のもとで、広いダイナミックレンジを有するマイクロフォンを実現する方法として、検出感度の異なる複数の音響センサを利用したマイクロフォンが検討されている。このようなマイクロフォンとしては、たとえば特許文献1−4に開示されたものがある。
特許文献1、2には、複数の音響センサを設け、複数の音響センサからの複数の信号を、音圧に応じて切り替える、或いは融合させるマイクロフォンが開示されている。このようなマイクロフォンでは、たとえば検出可能な音圧レベル(SPL)が約30dB−115dBである高感度の音響センサと、検出可能な音圧レベルが約60dB−140dBである低感度の音響センサとを切り替えて利用することにより、検出可能な音圧レベルが約30dB−140dBであるマイクロフォンを構成できる。また、特許文献3、4には、1つのチップに、独立した複数の音響センサを形成したものが開示されている。
図1Aは、特許文献1の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。図1Bは、特許文献1の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。また、図2は、特許文献1の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す。いま、許容される高調波歪み率が20%であるとすれば、高感度の音響センサの最大検出音圧は約115dBとなる。また、高感度の音響センサでは、音圧が約30dBよりも小さくなるとS/N比が劣化するので、その最小検出音圧は約30dBとなる。よって、高感度の音響センサのダイナミックレンジは、図1Aに示すように、約30dB−115dBとなる。同様に、許容される高調波歪み率が20%であるとすれば、低感度の音響センサの最大検出音圧は約140dBとなる。また、低感度の音響センサは高感度の音響センサよりもダイアフラムの面積が小さく、図2に示すようにダイアフラムの平均変位量も高感度の音響センサより小さい。よって、低感度の音響センサの最小検出音圧は、高感度の音響センサよりも大きくなり、約60dBとなる。その結果、低感度の音響センサのダイナミックレンジは、図1Bに示すように、約60dB−140dBとなる。このような高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせると、検出可能な音圧域は、図1Cに示すように、約30dB−140dBというように広くなる。
米国特許出願公開第2009/0316916号明細書 米国特許出願公開第2010/0183167号明細書 特開2008−245267号公報 米国特許出願公開第2007/0047746号明細書
しかしながら、特許文献1−4に記載されているマイクロフォンにおいては、複数の音響センサが別々のチップに形成されている場合であっても、複数の音響センサが1つのチップ(基板)に一体に形成されている場合であっても、各音響センサは互いに独立したコンデンサ構造を有している。そのため、これらのマイクロフォンでは、音響特性にバラツキおよびミスマッチングが発生することになる。ここで、音響特性のバラツキとは、チップ間における音響センサどうしの音響特性のズレをいう。また、音響特性のミスマッチングとは、同一チップ内における複数の音響センサどうしの音響特性のズレをいう。
具体的に言えば、各音響センサが別々のチップに形成されている場合では、作製されるダイアフラムの反りや厚みのバラツキなどのため、検出感度に関するチップ間のバラツキが発生する。その結果、音響センサ間の検出感度の差に関するチップ間のバラツキが大きくなる。また、独立した各音響センサが共通のチップに一体に形成されている場合でも、MEMS技術を用いて各音響センサのコンデンサ構造を作製する際に、ダイアフラムと固定電極との間のギャップ距離にバラツキが生じやすい。さらに、バックチャンバおよびベントホールが個別に形成されることになるので、該バックチャンバおよびベントホールによって影響を受ける周波数特性、位相などの音響特性にチップ内のミスマッチングが発生することになる。
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、感度の異なる複数のセンシング部を一体に形成することによってダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、しかも、耐衝撃性も高い静電容量型センサ及び音響センサを提供することにある。
本発明に係る第1の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が小さい一部のセンシング部は、その領域におけるバックプレートの剛性が、前記振動電極板の面積が大きい他のセンシング部におけるバックプレートの剛性よりも高くなっていることを特徴とする。
本発明に係る第1の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部(可変コンデンサ構造)が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
また、上記複数のセンシング部は、振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
さらに、第1の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部の振動電極板の面積を他のセンシング部の振動電極板の面積と異ならせている。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため振動電極板が大きく変形して振動電極板が破損することがある。このとき、振動電極板が同じ変位量だけ変位したとき、基板上面に垂直な方向から見た面積の小さな振動電極板ほど局所的な変形(曲げ変形)は大きなものとなる。しかし、本発明に係る静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい領域においてバックプレートの剛性を高くしておけば、落下衝撃などによって面積の小さな振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、面積の小さな振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
なお、一部のセンシング部の振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なる場合とは、たとえばセンシング部が2つである場合には、その2つのセンシング部の基板上面に垂直な方向から見た面積が異なっている場合である。また、センシング部が3つ以上である場合には、典型的には、3つのセンシング部の基板上面に垂直な方向から見た面積がそれぞれ異なっている場合である。また、センシング部が3つ以上の場合では、基板上面に垂直な方向から見た面積が同じセンシング部を含んでいてもよい。
本発明に係る第2の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部はそれぞれ、前記バックプレート及び前記固定電極板に複数個の開口を形成され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における前記開口の開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部における前記開口の開口率よりも小さくなっていることを特徴とする。ここで、バックプレートの開口率を調整する方法としては、各開口の孔径(開口面積)を調整する方法、各開口の分布密度(数密度)を調整する方法、各開口の孔径と分布密度の双方を調整する方法などがある。
本発明に係る第2の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部(可変コンデンサ構造)が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
また、上記複数のセンシング部は、同時に作製された振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
さらに、第2の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部のの振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なり、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの開口率よりも小さくなっているので、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部でバックプレートの剛性が高くなる。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため面積の小さい振動電極板が大きく変形して振動電極板が破損することがある。しかし、本発明に係る第2の静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部においてバックプレートの剛性を高くしているので、落下衝撃などによって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の面積の小さい側のセンシング部における振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
なお、かかる第2の静電容量型センサは、たとえばセンシング部が2つである場合には、その2つのセンシング部の振動電極板の面積が異なっていて、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部はバックプレートの開口率が比較的小さく、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部はバックプレートの開口率が比較的大きくなっている場合である。また、センシング部が3つ以上である場合には、典型的には、3つのセンシング部の開口率がそれぞれ異なっていて、振動電極板の面積が小さいセンシング部ほどバックプレートの開口率が小さくなっている場合である。また、センシング部が3つ以上の場合では、振動電極板の面積が同じセンシング部を含んでいてもよい。
本発明に係る第2の静電容量型センサのある実施態様は、バックプレートにあけた開口の孔径によってバックプレートの開口率を調整した第2の静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が2つの領域に分割されていて2つの前記センシング部が形成され、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の孔径の1/2以下であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における振動電極板の破損を効果的に防止することができる。
また、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、10μm以下であることが望ましい。バックプレートの開口と連続させて固定電極板にも開口があいている場合でも、固定電極板と振動電極板との間の電界は開口内に広がるので、センシング部は固定電極板に孔のないコンデンサとみなすことができ、静電容量型センサの感度が向上する。これをフリンジ効果という。しかし、このようなフリンジ効果は、開口の孔径が10μmよりも大きくなると期待できなくなる。よって、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの開口の孔径は、10μm以下であることが望ましい。
本発明に係る第2の静電容量型センサのさらに別な実施態様は、バックプレートにあけた開口の分布密度によってバックプレートの開口率を調整した第2の静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が2つの領域に分割されていて2つの前記センシング部が形成され、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチの2倍以上であることを特徴とする。振動電極板と固定電極板のうち少なくとも一方が2つの領域に分割されていて2つのセンシング部が形成されている静電容量型センサにおいて、開口の配列ピッチを大きくすることによってバックプレートの剛性を高くする場合、振動電極板の破損を効果的に防止するためには、振動電極板の面積が大きい側のバックプレートにあけた開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が小さい側のバックプレートにあけた開口の配列ピッチの2倍以上であることが望ましい。
本発明に係る第3の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっていることを特徴とする。
本発明に係る第3の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部(可変コンデンサ構造)が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
また、上記複数のセンシング部は、同時に作製された振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
さらに、第3の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部の振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なり、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっているので、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部でバックプレートの剛性が高くなる。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため振動電極板が大きく変形して面積の小さい振動電極板が破損することがある。しかし、本発明に係る第3の静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部においてバックプレートの剛性を高くしているので、落下衝撃などによって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
なお、かかる第3の静電容量型センサは、たとえばセンシング部が2つである場合には、その2つのセンシング部の振動電極板の面積が異なっていて、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部はバックプレートの厚みが比較的厚く、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部はバックプレートの厚みが比較的薄くなっている場合である。また、センシング部が3つ以上である場合には、典型的には、3つのセンシング部におけるバックプレートの厚みがそれぞれ異なっていて、振動電極板の面積が小さいセンシング部ほどバックプレートの厚みが厚くなっている場合である。また、センシング部が3つ以上の場合では、振動電極板の面積同じセンシング部を含んでいてもよい。
本発明に係る第1、第2の静電容量型センサのさらに別な実施態様、および本発明に係る第3の静電容量センサのある実施態様は、それぞれ、前記振動電極板が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成されていることを特徴とする。これらの実施形態においては、圧力で変位する振動電極を分割して複数のセンシング部を形成しているので、各センシング部の独立性が高くなる。
本発明に係る音響センサは、本発明に係る第1、第2又は第3の静電容量型センサを利用した音響センサであって、前記バックプレート及び前記固定電極板に、音響振動を通過させるための複数個の開口を形成し、音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする。かかる音響センサによれば、小音量(小音圧)から大音量(大音圧)までの広いダイナミックレンジ有し、かつ、高感度で高品質の音響センサを作製することができる。しかも、大音量用のセンシング部でバックプレートの剛性を高くしておくことにより、音響センサを落下させた場合などに大音量用のセンシング部の振動電極板が破損するのを防ぐことができ、音響センサの耐衝撃性や耐久性を高めることができる。
本発明に係るマイクロフォンは、本発明に係る音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたことを特徴とする。かかるマイクロフォンも、上記音響センサと同様な作用効果を有する。
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図1Aは、特許文献1の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図1Bは、特許文献1の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図1Cは、特許文献1の高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせた場合における、高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。 図2は、特許文献1の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す図である。 図3は、本発明の実施形態1による音響センサの分解斜視図である。 図4は、本発明の実施形態1による音響センサの断面図である。 図5Aは、本発明の実施形態1による音響センサの平面図である。図5Bは、図5AのX部拡大図である。 図6は、図5Aに示した音響センサからバックプレートや保護膜などを除いた状態を示す平面図である。 図7Aは、本発明の実施形態1による音響センサと信号処理回路をケーシング内に納めたマイクロフォンの一部破断した平面図である。図7Bは、当該マイクロフォンの縦断面図である。 図8は、本発明の実施形態1によるマイクロフォンの回路図である。 図9は、マイクロフォンを落下させたときの様子を示す概略断面図である。 図10は、落下によって比較例によるマイクロフォンが破損する様子を示す概略断面図である。 図11は、本発明の実施形態1によるマイクロフォンを落下させたときの様子を示す概略断面図である。 図12Aは、第1及び第2音響センシング部における各アコースティックホールの孔径を変化させたときの、第1固定電極板の変位量を示す図である。図12Bは、第1及び第2音響センシング部における各アコースティックホールの孔径を変化させたときの、第2固定電極板の変位量を示す図である。 図13は、ダイアフラムに大きな空気圧が加わったときに第2ダイアフラムが破損する空気圧(空気耐圧)を、比較例と実施形態1とで比較して示す図である。 図14は、比較例の音響センサのバックプレート及び固定電極板の変位量の分布を示す図である。 図15は、本発明の実施形態1の音響センサのバックプレート及び固定電極板の変位量の分布を示す図である。 図16は、本発明の実施形態1の変形例を示す平面図である。 図17は、本発明の実施形態2による音響センサの平面図である。 図18は、本発明の実施形態3による音響センサの断面図である。 図19は、本発明の実施形態4による音響センサの構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。 図20は、本発明の実施形態5による音響センサの構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。特に、以下においては音響センサ及びマイクロフォンを例にとって説明するが、本発明は音響センサ以外に、圧力センサなどの静電容量型センサにも適用できるものである。
(実施形態1)
以下、図3−6を参照して本発明の実施形態1による音響センサの構造を説明する。図3は、本発明の実施形態1による音響センサ11の分解斜視図である。図4は、音響センサ11の断面図である。図5Aは、音響センサ11の平面図である。図5Bは、図5AのX部拡大図である。図6は、バックプレート18や保護膜30などを除いた音響センサ11の平面図であって、シリコン基板12の上方でダイアフラム13と固定電極板19が重なった様子を表している。ただし、これらの図は、音響センサ11のMEMSによる製造工程を反映したものではない
この音響センサ11は、MEMS技術を利用して作製された静電容量型素子である。図3及び図4に示すように、この音響センサ11は、シリコン基板12(基板)の上面にアンカー16a、16bを介してダイアフラム13を設け、ダイアフラム13の上方に微小なエアギャップ20(空隙)を介して天蓋部14を配し、シリコン基板12の上面に天蓋部14を固定したものである。
単結晶シリコンからなるシリコン基板12には、表面から裏面に貫通したチャンバ15(空洞部)が開口されている。図示のチャンバ15は、(100)面シリコン基板の(111)面及び(111)面と等価な面によって形成された傾斜面で壁面が構成されているが、チャンバ15の壁面は垂直面であってもよい。
ダイアフラム13は、チャンバ15の上方を覆うようにしてシリコン基板12の上方に配置されている。図3及び図6に示すように、ダイアフラム13は、略矩形状に形成されている。ダイアフラム13は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されていてダイアフラム13自体が振動電極板となっている。ダイアフラム13は、短辺と平行な方向に延びた略直線状のスリット17によって大小2つの領域に分割されている。ただし、ダイアフラム13はスリット17によって完全に2分割されているというのではなく、スリット17の端部付近で機械的及び電気的につながっている。以下においては、スリット17によって分割された2つの領域のうち、面積の大きな略矩形領域を第1ダイアフラム13aと呼び、第1ダイアフラム13aよりも面積の小さな略矩形領域を第2ダイアフラム13bと呼ぶ。
第1ダイアフラム13aは、シリコン基板12の上面で、各コーナー部に設けられた脚片26をアンカー16aによって支持されており、シリコン基板12の上面から浮かせて支持されている。図4に示すように、隣接するアンカー16a間において、第1ダイアフラム13aの外周部下面とシリコン基板12の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール22aが形成されている。
第2ダイアフラム13bは、シリコン基板12の上面で、その両短辺をアンカー16bによって支持されており、シリコン基板12の上面から浮かせて支持されている。第2ダイアフラム13bの長辺下面とシリコン基板12の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール22bが形成されている。
第1ダイアフラム13aと第2ダイアフラム13bは、いずれもシリコン基板12の上面から等しい高さにある。すなわち、ベントホール22aとベントホール22bは等しい高さの隙間となっている。また、ダイアフラム13には、シリコン基板12の上面に設けられた引出配線27が接続される。さらに、シリコン基板12の上面には、ダイアフラム13を囲むようにして帯状の土台部21が形成されている。アンカー16a、16b及び土台部21は、SiOによって形成されている。
図4に示すように、天蓋部14は、SiNからなるバックプレート18の下面にポリシリコンからなる固定電極板19を設けたものである。天蓋部14はドーム状に形成されていて、その下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム13a、13bを覆っている。天蓋部14の下面(すなわち、固定電極板19の下面)とダイアフラム13a、13bの上面との間には微小なエアギャップ20(空隙)が形成されている。
固定電極板19は、第1ダイアフラム13aと対向する第1固定電極板19aと、第2ダイアフラム13bと対向する第2固定電極板19bとに分割されていて、固定電極板19a、19bどうしは電気的に分離している。第1固定電極板19aは、第2固定電極板19bよりも大きな面積を有している。第1固定電極板19aからは引出配線28が引き出されており、第2固定電極板19bからは引出配線29が引き出されている。
エアギャップ20を挟んで対向する第1ダイアフラム13aと第1固定電極板19aによってコンデンサ構造の第1音響センシング部23aが形成されている。また、エアギャップ20を挟んで対向する第2ダイアフラム13bと第2固定電極板19bによってコンデンサ構造の第2音響センシング部23bが形成されている。第1音響センシング部23aにおけるエアギャップ20のギャップ距離と、第2音響センシング部23bにおけるエアギャップ20のギャップ距離は等しい。なお、第1及び第2ダイアフラム13a、13bの分割位置と、第1及び第2固定電極板19a、19bの分割位置は、図示例では一致しているが、ずれていても差し支えない。
第1音響センシング部23aにおいて、天蓋部14(すなわち、バックプレート18と第1固定電極板19a)には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール24a(音響孔)が多数穿孔されている。第2音響センシング部23bにおいて、天蓋部14(すなわち、バックプレート18と第2固定電極板19b)には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール24b(音響孔)が多数穿孔されている。
図5及び図6に示すように、アコースティックホール24a、24bはそれぞれ規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール24a、24bは、互いに120°の角度を成す3方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。アコースティックホール24a、24bは、同じピッチ又は同じ分布密度(数密度)で設けられているが、第1音響センシング部23aのアコースティックホール24aの1個あたりの開口面積は、第2音響センシング部23bのアコースティックホール24bの1個あたりの開口面積よりも大きくなっている。したがって、バックプレート18は、第2音響センシング部23bにおける剛性が、第1音響センシング部23aにおける剛性よりも大きくなっている。
図4に示すように、第1音響センシング部23aでも第2音響センシング部23bでも、天蓋部14の下面には、円柱状をした微小なストッパ25(突起)が突出している。ストッパ25は、バックプレート18の下面から一体に突出しており、第1及び第2固定電極板19a、19bを貫通して天蓋部14の下面に突出している。ストッパ25はバックプレート18と同じくSiNからなるので、絶縁性を有する。このストッパ25は、静電気力によって各ダイアフラム13a、13bが各固定電極板19a、19bに固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。
天蓋状をしたバックプレート18の外周縁からは、全周にわたって保護膜30が連続的に延出している。保護膜30は、土台部21とその外側のシリコン基板表面を覆っている。
保護膜30の上面には、共通電極パッド31、第1電極パッド32a、第2電極パッド32b及び接地電極パッド33が設けられている。ダイアフラム13に接続された引出配線27の他端は、共通電極パッド31に接続されている。第1固定電極板19aから引き出された引出配線28は、第1電極パッド32aに接続され、第2固定電極板19bから引き出された引出配線29は、第2電極パッド32bに接続されている。また、電極パッド33は、シリコン基板12に接続されていて、接地電位に保たれる。
この音響センサ11にあっては、音響振動がチャンバ15(フロントチャンバ)に入ると、薄膜である各ダイアフラム13a、13bが音響振動によって同じ位相で振動する。各ダイアフラム13a、13bが振動すると、各音響センシング部23a、23bの静電容量が変化する。この結果、各音響センシング部23a、23bにおいては、ダイアフラム13a、13bが感知している音響振動(音圧の変化)がダイアフラム13a、13bと固定電極板19a、19bの間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。また、異なる使用形態、すなわちチャンバ15をバックチャンバとする使用形態の場合には、音響振動がアコースティックホール24a、24bを通過して天蓋部14内のエアギャップ20に入り、薄膜である各ダイアフラム13a、13bを振動させる。
また、第2ダイアフラム13bの面積は第1ダイアフラム13aの面積よりも小さくなっているので、第2音響センシング部23bは中音量〜大音量までの音圧域用の低感度の音響センサとなっており、第1音響センシング部23aは小音量〜中音量までの音圧域用の高感度の音響センサとなっている。したがって、両音響センシング部23a、23bをハイブリッド化して後述の処理回路によって信号を出力させることにより音響センサ11のダイナミックレンジを広げることができる。たとえば、第1音響センシング部23aのダイナミックレンジを約30−120dBとし、第2音響センシング部23bのダイナミックレンジを約50−140dBとすれば、両音響センシング部23a、23bを組み合わせることでダイナミックレンジを約30−140dBに広げることができる。また、音響センサ11を小音量〜中音量までの第1音響センシング部23aと中音量〜大音量までの第2音響センシング部23bに分けてあれば、第1音響センシング部23aの出力を大音量では使用しないようにでき、第1音響センシング部23aは大きな音圧域で高調波歪み率が大きくなっても差し支えない。よって、第1音響センシング部23aの小音量に対する感度を高くすることができる。
さらに、この音響センサ11では、第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bが同一基板上に形成されている。しかも、第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bが、ダイアフラム13を分割した第1ダイアフラム13a及び第2ダイアフラム13bと、固定電極板19を分割した第1固定電極板19a及び第2固定電極板19bとによって構成されている。すなわち、本来1つのセンシング部となるものを2つに分割して第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bをハイブリッド化しているので、1つの基板に独立した2つのセンシング部を設けた従来例や別々の基板にそれぞれセンシング部を設けた従来例に比較して、第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bは、検出感度に関するバラツキが類似することになる。その結果、両音響センシング部23a、23b間の検出感度バラツキを小さくできる。また、両音響センシング部23a、23bは、上記ダイアフラムと固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの音響特性に関するミスマッチングを抑制することができる。
図7Aは、実施形態1の音響センサ11を内蔵したマイクロフォン41の一部破断した平面図であって、カバー43の上面を除去して内部を表している。図7Bは、当該マイクロフォン41の縦断面図である。
このマイクロフォン41は、回路基板42とカバー43からなるパッケージ内に音響センサ11と信号処理回路44(ASIC)を内蔵したものである。音響センサ11と信号処理回路44は、回路基板42の上面に実装されている。回路基板42には、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔45が開口されている。音響センサ11は、チャンバ15の下面開口を音導入孔45に合わせ、音導入孔45を覆うようにして回路基板42の上面に実装されている。したがって、音響センサ11のチャンバ15がフロントチャンバとなっており、パッケージ内の空間がバックチャンバとなっている。
音響センサ11の電極パッド31、32a、32b及び33は、それぞれボンディングワイヤ46によって信号処理回路44の各パッド47に接続されている。回路基板42の下面にはマイクロフォン41を外部と電気的接続するための端子48が複数個設けられ、回路基板42の上面には端子48と導通した各電極部49が設けられている。回路基板42に実装された信号処理回路44の各パッド50は、それぞれボンディングワイヤ51によって電極部49に接続されている。なお、信号処理回路44のパッド50は、音響センサ11へ電源を供給する機能や、音響センサ11の容量変化信号を外部へ出力する機能を有するものである。
回路基板42の上面には、音響センサ11及び信号処理回路44を覆うようにしてカバー43が取り付けられる。パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃からマイクロフォン41を保護している。
こうして、音導入孔45からパッケージ内に入った音響振動は、音響センサ11によって検出され、信号処理回路44によって増幅及び信号処理された後に出力される。このマイクロフォン41では、パッケージ内の空間をバックチャンバとしているので、バックチャンバの容積を大きくでき、マイクロフォン41を高感度化することができる。
なお、このマイクロフォン41においては、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔45をカバー43の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ11のチャンバ15がバックチャンバとなり、パッケージ内の空間がフロントチャンバとなる。
図8は、図7に示すMEMSマイクロフォン41の回路図である。図8に示すように、音響センサ11は、音響振動によって容量が変化する高感度の第1音響センシング部23aと低感度の第2音響センシング部23bを備えている。
また、信号処理回路44は、チャージポンプ52、低感度用アンプ53、高感度用アンプ54、ΣΔ(ΔΣ)型ADC(Analog-to-Digital Converter)55、56、基準電圧発生器57、およびバッファ58を備える構成である。
チャージポンプ52は、低感度用アンプ53及び高感度用アンプ54に高電圧HVを印加しており、第2音響センシング部23bから出力された電気信号は低感度用アンプ53によって増幅され、また第1音響センシング部23aから出力された電気信号は高感度用アンプ54によって増幅される。低感度用アンプ53で増幅された信号は、ΣΔ型ADC55においてデジタル信号に変換される。同様に、高感度用アンプ54で増幅された信号は、ΣΔ型ADC56においてデジタル信号に変換される。ΣΔ型ADC55、56において変換されたデジタル信号は、バッファ58を介してPDM(パルス密度変調)信号として外部に出力される。また、図示しないが、バッファ58から出力された信号の強度が大きい場合(すなわち、音圧が大きい場合)には、ΣΔ型ADC55の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ADC56の出力がオフになる。したがって、第2音響センシング部23bで検出された音圧の大きな音響振動の電気信号がバッファ58から出力される。反対に、バッファ58から出力された信号の強度が小さい場合(すなわち、音圧が小さい場合)には、ΣΔ型ADC56の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ADC55の出力がオフになる。したがって、第1音響センシング部23aで検出された音圧の小さな音響振動の電気信号がバッファ58から出力される。こうして、音圧に応じて第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bが自動的に切り替えられる。
なお、図8の例では、ΣΔ型ADC55、56にて変換された2つのデジタル信号を混載して、1つのデータ線上に出力しているが、上記2つのデジタル信号を別々のデータ線上に出力してもよい。
ところで、高感度用と低感度用の音響センシング部を設けた音響センサ、あるいはその音響センサを内蔵したマイクロフォンでは、落下させたときの風圧によってダイアフラムが破損する恐れがある。本発明の実施形態1による音響センサ11によれば、このような破損を防ぐことができる。この理由は次の通りである。
図9は、機器61に実装されたマイクロフォン41を地面62に向けて落下させたときの様子を示す。機器61には、マイクロフォン41の音導入孔45に対応させて貫通孔63があいている。このようにして機器61に実装されたマイクロフォン41を白抜矢印で示す方向へ落下させると、図9に太線矢印で示すように、貫通孔63及び音導入孔45からチャンバ15内に空気が吹き込む。そのため、チャンバ15内の空気が圧縮されてチャンバ15内の圧力が高くなり、ダイアフラム13a、13bが上方へ押し上げられる。また、チャンバ15内に吹き込む空気の風圧や衝撃力によっても、ダイアフラム13a、13bが上方へ押し上げられる。
図10は、こうしてダイアフラムが押し上げられた比較例の音響センサを表わしている。比較例の音響センサでは、実施形態1の音響センサ11と異なり、均一なアコースティックホール24が設けられている。すなわち、第1音響センシング部23aのアコースティックホール24と第2音響センシング部23bのアコースティックホール24は、同じ分布密度で設けられており、かつ、各アコースティックホール24の孔径(開口面積)も等しくなっている。第2ダイアフラム13bは第1ダイアフラム13aよりも面積が小さいので、圧力が小さい場合には、第2ダイアフラム13bの平均変位量は第1音響センシング部23aの平均変位量よりも小さい。しかし、ダイアフラム13a、13bに加わる圧力が大きい場合には、大きく変位した第1ダイアフラム13aと第2ダイアフラム13bはバックプレート18のストッパ25に当たるので、同程度の変位量になる。したがって、第2ダイアフラム13bは面積が小さい分だけ、第1ダイアフラム13aよりも変形が大きく、特に第2ダイアフラム13bの周辺部が大きく歪んで大きな内部応力が発生する。しかも、第2音響センシング部23bでも第1音響センシング部23aと同じアコースティックホール24が形成されているので、第2音響センシング部23bにおけるバックプレート18の剛性は第1音響センシング部23aにおけるバックプレート18の剛性と同じように比較的小さい。そのため、変形した第2ダイアフラム13bがバックプレート18に当たると、第2音響センシング部23bのバックプレート18も撓み、ますます第2ダイアフラム13bの平均変位量が大きくなる。この結果、比較例の音響センサでは、図10に示すように、第2ダイアフラム13bが大きく変形して周辺部などが破損しやすい。
第2ダイアフラム13bの変形を小さくして第2ダイアフラム13bが破損しにくくするためには、バックプレート18の剛性を高くしてダイアフラム13a、13bが当たってもバックプレート18が変形しにくくすればよい。そのためには、バックプレート18に設けるアコースティックホール24の孔径を小さくすればよい。しかし、比較例では、バックプレート18の全体に同じ孔径のアコースティックホール24を設けているので、アコースティックホール24の孔径を小さくすると、第1音響センシング部23aにおいて熱雑音の原因である空気分子が逃げにくくなる。そのため、第1音響センシング部23aにおいて熱雑音によるノイズが大きくなり、第1音響センシング部23aの感度が低下する。
また、バックプレート18の剛性を高くするためには、バックプレート18の厚みを大きくする方法も考えられる。しかし、バックプレート18の厚みを大きくした場合にも、第1音響センシング部23aにおいて熱雑音の原因である空気分子が逃げにくくなる。そのため、第1音響センシング部23aにおいて熱雑音によるノイズが大きくなり、第1音響センシング部23aの感度が低下する。
これに対し、実施形態1の音響センサ11では、第2音響センシング部23bにおけるアコースティックホール24bの孔径が、第1音響センシング部23aにおけるアコースティックホール24aの孔径よりも小さい。その結果、第2音響センシング部23bにおけるバックプレート18の剛性を高めることができる。よって、図11に示すように、落下衝撃や風圧、チャンバ15内で圧縮された空気などによって第2ダイアフラム13bが変形してバックプレート18に当っても、第2音響センシング部23bのバックプレート18が変形しにくくなる。そのため、バックプレート18によって第2ダイアフラム13bの過度の変形や内部応力を抑制することができ、第2ダイアフラム13bの破損を防ぐことができる。
一方、第1音響センシング部23aでは、アコースティックホール24aの孔径を一般的なサイズにしておき、バックプレート18の厚みも一般的な厚みにしておけば、第1音響センシング部23aにおける熱雑音が大きくなることがない。そのため、S/N比に対する要求の厳しい第1音響センシング部23a側では、小音量域での感度を低下させることがない。また、第2音響センシング部23bは、ノイズレベルより十分高い出力が得られる大音量域で使用されるため、S/N比に対する要求は厳しくなく、アコースティックホール24bの孔径を小さくしても差し支えない。よって、実施形態1の音響センサ11によれば、小音量側での感度を低下させることなく、第2ダイアフラム13bの破損を防ぐことが可能になる。
また、音響センサ11における、アコースティックホール24bの孔径は、アコースティックホール24aの孔径の1/2以下であることが望ましい。特に、アコースティックホール24bの孔径は、4μm以上10μm以下であることが望ましい。
図12Aは、バックプレート18と固定電極板19に一定の空気圧(落下時に加わると想定した空気圧)を加えてバックプレート18と固定電極板19を変形させた場合における、第1固定電極板19aの変位量をシミュレーションにより求めた結果を表している。また、図12Bは、その時の第2固定電極板19bの変位量を表している。図12A及び図12Bは、アコースティックホール24aの孔径をD1、アコースティックホール24bの孔径をD2としたとき、それぞれD1=17μm、D2=17μm(比較例)の場合と、D1=17μm、D2=6μm(実施形態1)の場合とを表している。
図12Bによれば、アコースティックホール24bの孔径D2を17μmから6μmに小さくすれば、第2固定電極板19bの変位量を18%減らし、剛性を向上できることが分かる。これにより、落下時の空気圧による第2ダイアフラム13bの変形を抑制することができ、第2ダイアフラム13bの破損を防止できる。
また、図12Aによれば、アコースティックホール24bの孔径D2を小さくすることで、第1固定電極板19aの変位も小さくできることが分かる。
図13は、孔径D1とD2がいずれも17μmである比較例の音響センサにおいて、ダイアフラム13a、13bに次第に大きな圧力を加えてゆき、ダイアフラム13bをストッパ25に接触させてさらに圧力を加え、第2ダイアフラム13bを破壊させたときの圧力値を示す。また、図13には、孔径D1が17μmで孔径D2が6μmである実施形態1の音響センサ11において、ダイアフラム13a、13bに次第に大きな圧力を加えてゆき、ダイアフラム13bをストッパ25に接触させてさらに圧力を加え、第2ダイアフラム13bを破壊させたときの圧力値も示す。図13によれば、アコースティックホール24bの孔径がアコースティックホール24aの孔径と同じ場合には、78kPaで第2ダイアフラム13bが破壊するが、アコースティックホール24bの孔径を6μmに小さくすれば、第2ダイアフラム13bの破壊強度が95kPaくらいまで向上する(22%の向上)。
図14は、孔径D1とD2がいずれも17μmであるアコースティックホール24a、24bを有するバックプレート18と固定電極板19を示した比較例の図である。ここには、バックプレート18と固定電極板19に一定の圧力を加えて変形させた場合の各部の変形量を白黒の濃度の違いによって表している。変形量は白いほど変形量が大きく、黒いほど変形量が小さくなっている。
また、図15は、孔径D1が17μmのアコースティックホール24aと孔径D2が6μmのアコースティックホール24bを有するバックプレート18と固定電極板19を示した実施形態1の図である。ここでも、図14と同一条件下におけるバックプレート18と固定電極板19の各部の変形量を白黒の濃度の違いによって表している。
図14及び図15のシミュレーションからも、アコースティックホール24bの孔径を小さくすることによって、第2固定電極板19b(及び第1固定電極板19a)の変位量を小さくでき、剛性を向上できることが分かる。これにより、落下時の空気圧による第2ダイアフラム13bの変形を抑制し、第2ダイアフラム13bの破損を防止できる。
また、実施形態1の音響センサ11及びマイクロフォン41は、落下時などのダイアフラムの破損を防止できる以外にも、種々の効果を有している。
まず、実施形態1の音響センサ11は、導入が容易であるという利点がある。すなわち、(i) 第2音響センシング部23b側におけるアコースティックホール24bの孔径を変更するだけでよいので、第1音響センシング部23aの特性(感度やS/N比など)が影響を受けない。(ii) バックプレート18の膜厚を厚くする必要がないので、バックプレート18の堆積時間が長くならないので、音響センサの生産性がよい。また、アコースティックホール24a、24bを開口させるためのマスクのデザイン変更だけで済み、容易に設計変更できる。(iii) マスクデザインの変更のみで導入可能である。(iv) また、アコースティックホール24a、24bの配列ピッチを一定にすれば、犠牲層エッチングに必要な時間への変更も軽微である。その結果、従来の生産設備を用いることができ、製造プロセスも増加しないので、容易に導入できる。
また、実施形態1の音響センサ11によれば、(i) 第2固定電極板19bの電極面積が増加するので、第2音響センシング部23bの出力感度が向上し、(ii) アコースティックホール24bの孔径を小さくすることとフリンジ効果により、孔をあけていない固定電極板を用いた場合と同じ静電容量を実現できるので、音響センサ11の出力感度を向上させることができる。
実施形態1の音響センサ11によれば、第2音響センシング部23bにおけるアコースティックホール24bの孔径を小さくすることにより、塵やホコリがアコースティックホール24bから内部に浸入しにくくなる。その結果、塵やホコリがダイアフラムに付着して音響センサ11の特性を変化させる恐れが少なくなる。
実施形態1の音響センサ11によれば、バックプレート18の剛性が高くなるので、音響センサ11の製造プロセスにより生じる残留応力のバラツキに起因するバックプレート18の反りが低減し、バックプレート18の形状が安定する。
実施形態1の音響センサ11によれば、バックプレート18の剛性が高くなるので、落下試験などの衝撃に対するバックプレート18の強度が向上する。
大音量時に第1ダイアフラム13aがバックプレート18に衝突すると、第1音響センシング部23aにおいてバックプレート18に歪みの大きな振動が生じる。バックプレート18を通じて第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bが干渉し、この歪みの大きな振動が第2音響センシング部23b側へ伝わると、第2音響センシング部23bにおける高調波歪み率が大きくなり、第2音響センシング部23bの特性が劣化することがある。しかし、実施形態1の音響センサ11によれば、バックプレート18の剛性が高くなるので、第1音響センシング部23aで発生した歪みの大きな振動が第2音響センシング部23bへ伝わりにくくなる。その結果、第2音響センシング部23bにおける高調波歪み率が改善される。
(実施形態1の変形例)
図16は、本発明の実施形態1の変形例による音響センサを示す平面図であって、バックプレート18や保護膜30などを除いた状態を表わしている。この音響センサのように、ダイアフラム13は、スリット17によって第1ダイアフラム13aと第2ダイアフラム13bとに完全に分離され、第1固定電極板19aと第2固定電極板19bが連結部64によって一体につながっていてもよい。
(実施形態2)
図17は、本発明の実施形態2による音響センサ71を示す平面図である。この音響センサ71では、第2音響センシング部23bのアコースティックホール24bは、第1音響センシング部23aのアコースティックホール24aよりも分布密度(数密度)が小さくなっている。すなわち、アコースティックホール24bの配列ピッチは、アコースティックホール24aの配列ピッチよりも大きくなっている。アコースティックホール24bの配列ピッチは、アコースティックホール24aの配列ピッチの2倍以上であることが好ましい。一方、第1音響センシング部23aのアコースティックホール24aと第2音響センシング部23bのアコースティックホール24bは同じ孔径を有している。これ以外の点については、当該音響センサ71は、実施形態1の音響センサ11と同じ構造を有しているので、説明を省略する。
音響センサ71においては、アコースティックホール24bの分布密度がアコースティックホール24aの分布密度よりも小さくなっているので、アコースティックホール24bの開口率が小さく、第2音響センシング部23bにおけるバックプレート18の剛性が高くなっている。その結果、第2ダイアフラム13bがバックプレート18に衝突してもバックプレート18が変形しにくく、第2ダイアフラム13bの変位量ないし変形量も抑制される。その結果、第2ダイアフラム13bに大きな応力が発生しにくくなり、第2ダイアフラム13bの破損を防ぐことができる。また、アコースティックホール24bの数が少なくなるので、アコースティックホール24bから音響センサ71内に塵や埃が入り込みにくくなる。
なお、上記音響センサ71では、アコースティックホール24aの孔径とアコースティックホール24bの孔径は等しくなっていたが、アコースティックホール24bの分布密度をアコースティックホール24aよりも小さくするとともに、アコースティックホール24bの孔径もアコースティックホール24aより小さくしてもよい。
さらには、アコースティックホール24bの全体としての開口率がアコースティックホール24aの開口率よりも小さければ、アコースティックホール24bの孔径がアコースティックホール24aの孔径よりも小さく、かつ、アコースティックホール24bの分布密度がアコースティックホール24aの分布密度より大きくてもよい。反対に、アコースティックホール24bの全体としての開口率がアコースティックホール24aの開口率よりも小さければ、アコースティックホール24bの分布密度がアコースティックホール24aの分布密度よりも小さく、かつ、アコースティックホール24bの孔径がアコースティックホール24aの孔径より大きくてもよい。
(実施形態3)
図18は、本発明の実施形態3による音響センサ81を示す断面図である。この音響センサ81では、第2音響センシング部23bにおけるバックプレート18、すなわちバックプレート18bの厚みが、第1音響センシング部23aにおけるバックプレート18、すなわちバックプレート18aの厚みよりも厚くなっている。アコースティックホール24aとアコースティックホール24bの分布密度や孔径は同じであってもよい。これ以外の点については、当該音響センサ71は、実施形態1の音響センサ11と同じ構造を有しているので、説明を省略する。
音響センサ81においては、バックプレート18bの厚みがバックプレート18aの厚みよりも厚いので、第2音響センシング部23bにおけるバックプレート18bの剛性が高くなっている。その結果、第2ダイアフラム13bがバックプレート18bに衝突してもバックプレート18bが変形しにくく、第2ダイアフラム13bの変位量ないし変形量も抑制される。その結果、第2ダイアフラム13bに大きな応力が発生しにくくなり、第2ダイアフラム13bの破損を防ぐことができる。
(実施形態4)
図19は、本発明の実施形態4による音響センサ91の構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。この音響センサ91は、3つの音響センシング部23a、23b、23cを有している。音響センシング部23aは、ダイアフラム13aと固定電極板19aによって構成されたコンデンサ構造である。音響センシング部23cは、ダイアフラム13cと固定電極板19cによって構成されたコンデンサ構造である。音響センシング部23a及び23cは、小音圧域用の高感度のセンシング部である。音響センシング部23bは、ダイアフラム13bと固定電極板19bによって構成されたコンデンサ構造であって、大音圧域用の低感度のセンシング部である。
この音響センサ91にあっては、シリコン基板12のチャンバ15の上方に略矩形状のダイアフラム13が配設されている。ダイアフラム13は、2本のスリット17a、17bによって、ほぼ同じ面積を有する略矩形状の第1ダイアフラム13a及び第3ダイアフラム13cと、第1及び第3ダイアフラム13a、13cよりも面積の小さな略矩形状をした第2ダイアフラム13bに分割されている。また、第1ダイアフラム13aに対向させて固定電極板19の一部、すなわち第1固定電極板19aが配置されている。同様に、第2ダイアフラム13bに対向させて固定電極板19の一部、すなわち第2固定電極板19bが配置されている。第3ダイアフラム13cには、固定電極板19の一部、すなわち第3固定電極板19cが対向している。固定電極板19a、19b及び19cは、互いに分離しており、ダイアフラム13を覆うようにしてシリコン基板12の上面に固定されたバックプレート18の下面に設けられている。
高感度で小音圧用の音響センシング部23a及び23cにおいては、そのバックプレート18及び固定電極板19a、19cに多数のアコースティックホール24a及び24cが開口されている。低感度で大音圧用の音響センシング部23bには、そのバックプレート18及び固定電極板19bに多数のアコースティックホール24bが開口されている。音響センシング部23bのアコースティックホール24bは、音響センシング部23a、23cのアコースティックホール24a、24cよりも開口率が小さくなっており(図19では、アコースティックホール24bの孔径がアコースティックホール24a、24cの孔径よりも小さくなっているが、ピッチが大きくなっていてもよい。)、音響センシング部23bのバックプレート18の剛性が音響センシング部23a、23cよりも高くなっている。よって、低感度の音響センシング部23bの耐衝撃性が高くなっている。
この音響センサ91のように、3つ(あるいは、3つ以上)の音響センシング部を設けた場合には、1つのセンサから3つ(あるいは、3つ以上)の検知信号を出力させることが可能になる。
(実施形態5)
図20は、本発明の実施形態5による音響センサ101の構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。この音響センサ101も、3つの音響センシング部23a、23b、23cを有している。音響センシング部23aは、ダイアフラム13aと固定電極板19aによって構成されたコンデンサ構造であって、小音圧域用の高感度のセンシング部である。音響センシング部23bは、ダイアフラム13bと固定電極板19bによって構成されたコンデンサ構造であって、大音圧域用の低感度のセンシング部である。音響センシング部23cは、ダイアフラム13cと固定電極板19cによって構成されたコンデンサ構造であって、中音圧域用の中感度のセンシング部である。
この音響センサ101にあっては、シリコン基板12のチャンバ15の上方に略矩形状のダイアフラム13が配設されている。ダイアフラム13は、2本のスリット17a、17bによって、略矩形状の第1ダイアフラム13a及と、第1ダイアフラム13aよりも面積の小さな略矩形状の第3ダイアフラム13cと、第3ダイアフラム13cよりも面積の小さな略矩形状の第2ダイアフラム13bに分割されている。また、第1ダイアフラム13aに対向させて第1固定電極板19aが配置されている。同様に、第2ダイアフラム13bに対向させて第2固定電極板19bが配置されている。第3ダイアフラム13cには、第3固定電極板19cが対向している。固定電極板19a、19b及び19cは、互いに分離しており、ダイアフラム13を覆うようにしてシリコン基板12の上面に固定されたバックプレート18の下面に設けられている。
高感度で小音圧用の音響センシング部23aにおいては、そのバックプレート18及び固定電極板19aに多数のアコースティックホール24aが開口されている。低感度で大音圧用の音響センシング部23bと、中間度で中音圧用の音響センシング部23cには、それぞれのバックプレート18と固定電極板19b、19cに多数のアコースティックホール24b、24cが開口されている。音響センシング部23b、23cのアコースティックホール24b、24cは、音響センシング部23aのアコースティックホール24aよりも開口率が小さくなっており(図20では、アコースティックホール24b、24cの孔径がアコースティックホール24aの孔径よりも小さくなっているが、ピッチが大きくなっていてもよい。)、音響センシング部23b、23cのバックプレート18の剛性が音響センシング部23aよりも高くなっている。よって、低感度の音響センシング部23bと中感度の音響センシング部23cの耐衝撃性が高くなっている。なお、アコースティックホール24cの開口率は、アコースティックホール24aの開口率よりも小さく、かつ、アコースティックホール24bの開口率よりも大きくすることも可能である。
このような構造の音響センサ101によれば、そのダイナミックレンジをさらに広くすることが可能になり、しかも、それによって音響センサ101の耐衝撃性が悪化しにくい。
(その他)
ダイアフラム13や固定電極板19を分割する形態は、上記実施形態のようなものに限らない。たとえば、固定電極板19を、その外周領域とその内側領域とに分割し、外周領域に位置する面積が小さくて略環状をした領域を感度の低い第2固定電極板19bとし、その内側にある領域を感度の高い第1固定電極板19aとしてもよい(特願2011−002313の図1を参照)。ダイアフラム13についても同様である。
なお、上記各実施形態においては、第1ダイアフラム13aの面積と第2ダイアフラム13bの面積を異ならせることにより、同じ音圧が加わったときの各ダイアフラム13a、13bの変位量を異ならせ、それによって第1音響センシング部23aと第2音響センシング部23bの感度を異ならせている。これ以外にも、たとえば第2ダイアフラム13bの膜厚を第1ダイアフラム13aの膜厚よりも厚くすることによって第2ダイアフラム13bの変位を小さくし、第2音響センシング部23bの感度を低くしてあってもよい。また、第2ダイアフラム13bの固定ピッチを第1ダイアフラム13aの固定ピッチよりも小さくすることによって第2ダイアフラム13bの変位を小さくし、第2音響センシング部23bの感度を低くしてあってもよい。さらに、第1ダイアフラム13aを梁構造によって支持することで第1ダイアフラム13aの変位を大きくし、第1音響センシング部23aの感度を高くしてあってもよい。
以上においては、音響センサ及び該音響センサを用いたマイクロフォンについて説明したが、本発明は圧力センサなどの音響センサ以外の静電容量センサについても適用することができる。
11、71、81、91、101 音響センサ
12 シリコン基板
13 ダイアフラム
13a 第1ダイアフラム
13b 第2ダイアフラム
13c 第3ダイアフラム
17、17a、17c スリット
18、18a、18b バックプレート
19 固定電極板
19a 第1固定電極板
19b 第2固定電極板
19c 第3固定電極板
23a、23b、23c 音響センシング部
24、24a、24b アコースティックホール
25 ストッパ
41 マイクロフォン
42 回路基板
43 カバー
44 信号処理回路
45 音導入孔

Claims (12)

  1. 基板の上方に形成された振動電極板と、
    前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
    前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
    前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
    複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
    前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
    前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が小さい一部のセンシング部は、その領域におけるバックプレートの剛性が、前記振動電極板の面積が大きい他のセンシング部におけるバックプレートの剛性よりも高くなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
  2. 基板の上方に形成された振動電極板と、
    前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
    前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
    前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
    複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
    前記センシング部はそれぞれ、前記バックプレート及び前記固定電極板に複数個の開口を形成され、
    前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
    前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における前記開口の開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部における前記開口の開口率よりも小さくなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
  3. 前記バックプレートの開口率は、前記開口の孔径によって調整されていることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  4. 前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が2つの領域に分割されていて2つの前記センシング部が形成され、
    振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の孔径の1/2以下であることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  5. 振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、10μm以下であることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  6. 前記バックプレートの開口率は、前記開口の分布密度によって調整されていることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  7. 前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が2つの領域に分割されていて2つの前記センシング部が形成され、
    振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチの2倍以上であることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  8. 前記バックプレートの開口率は、前記開口の孔径及び分布密度によって調整されていることを特徴とする、請求項に記載の静電容量型センサ。
  9. 基板の上方に形成された振動電極板と、
    前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
    前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
    前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
    複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
    前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
    前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
  10. 前記振動電極板が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成されていることを特徴とする請求項1、2又は9に記載の静電容量型センサ。
  11. 請求項1、2又は9に記載の静電容量型センサを利用した音響センサであって、
    前記バックプレート及び前記固定電極板に、音響振動を通過させるための複数個の開口を形成し、
    音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする音響センサ。
  12. 請求項11に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。
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