CN101785325A - 静电电容式振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种静电电容式振动传感器。在硅基板(32)上贯通表面及背面而形成有贯通孔(37)。覆盖贯通孔(37)而在硅基板(32)的上表面形成振动电极板(34)，在振动电极板(34)之上隔着气隙(35)而形成固定电板(36)。在固定电极板(36)中与振动电极板(34)相对的区域，在该区域内的外周部设有音响孔(43b)，其比在该区域内的外周部以外设置的音响孔(43a)的开口面积小。这些音响孔(43a、43b)无论其开口面积大小如何，都以一定的间距有规则地排列。
Description
技术领域
本发明涉及静电电容式振动传感器，特别是涉及使用MEMS(MicroElectro Mechanical System)技术或细微加工技术所制作的微型尺寸的振动传感器。
背景技术
图1表示静电电容式振动传感器的基本结构。振动传感器11在中央部开口的基板12的上表面配置振动电极板13并用固定电极板14将振动电极板13的上方覆盖，在固定电极板14上开设有多个音响孔15(声孔)。但是，若音响振动16向振动传感器11空气传播时，音响振动16通过音响孔15而使振动电极板13振动。振动电极板13振动时，振动电极板13与固定电极板14之间的电极间距离发生变化，因此，通过检测振动电极板13与固定电极板14之间的静电容的变化，可以将音响振动16(空气振动)转换为电信号进行输出。
在这种振动传感器11中，音响孔15具有如下的作用：
(1)不将声压施加在固定膜上的作用
(2)减轻振动电极板的衰减，使高频率特性良好的作用
(3)作为制作气隙时的蚀刻孔的作用。
另外，音响孔15也对通风孔的作用产生较大影响。以下，对音响孔15及通风孔的作用等进行说明。
(不将声压施加在固定膜上的作用)
在振动传感器11中，通过音响振动16而强制地使振动电极板13振动并检测音响振动16，固定电极板14也与振动电极板13同时振动时，音响振动的检测精度变差。因此，在振动传感器11中，使固定电极板14的刚性比振动电极板13高，通过在固定电极板14上开设音响孔15，而将声压从音响孔15释放，固定电极板14很难因声压而产生振动。
(减轻振动电极板的衰减，使高频率特性良好的作用)
没有音响孔15时，成为将空气封入在振动电极板13与固定电极板14之间的气隙17(间隙)内的状态。这样封入的空气随着振动电极板13的振动而被压缩或膨胀，故而振动电极板13的振动由于空气而被衰减。对此，在固定电极板14上设有音响孔15时，气隙17中的空气通过音响孔15而进出，故而很难使振动电极板13的振动衰减，振动传感器11的高频率特性良好。
(作为制作气隙时的蚀刻孔的作用)
在利用表面微细加工技术在固定电极板14与振动电极板13之间形成气隙17的方法中，在基板12与振动电极板13之间、及振动电极板13与固定电极板14之间形成有保护层，并且，从在固定电极板14开设的音响孔15向内部导入蚀刻液而将保护层蚀刻除去，在振动电极板13与固定电极板14之间形成有气隙17。
(通风孔和音响孔的关系)
以不与振动电极板13的振动相干涉的方式在基板12上设有贯通孔及凹部。在基板12的上表面设有凹部(背室18)的情况下，背室18被基板的下表面侧堵住。贯通孔虽然从基板的上表面向下表面贯通，但由于将振动传感器安装在配线基板等上，贯通孔的下表面多会由配线基板等堵住(因此，以下也将贯通孔称为背室18)。因此，背室18内有时与大气压不同。另外，由于音响孔15的通气阻力，故而气隙17内有时也与大气压不同。
其结果是，伴随周围气压变动及温度变化等，在振动电极板13的上表面侧(气隙17)和下表面侧(背室18)产生压力差而使振动电极板13挠曲，可能成为振动传感器11的测定误差。因此，在一般的振动传感器11中，如图1所示，在振动电极板13上或在振动电极板13与基板12之间设置通风孔19，使振动电极板13的上表面侧和下表面侧连通，消除上表面侧与下表面侧的压力差。
但是，在位于通风孔19附近的音响孔15大的情况下，从该音响孔15通过通风孔19到达背室18的通气路径20(图1中由箭头标记表示)的声阻变小。因此，从通风孔19附近的音响孔15进入振动传感器11内的低频音响振动容易通过通风孔19穿越背室18。其结果是，通过通风孔19附近的音响孔15的低频音响振动不会使振动电极板13振动，而向背室18侧泄漏，使振动传感器11的低频特性变差。
另外，如图2所示，灰尘、微小粒子等尘埃23从音响孔15侵入时，尘埃23堆积在气隙及通风孔上。但是，通风孔19一般比气隙窄，故而尘埃23进入通风孔19时会引起通风孔19堵塞，妨碍振动电极板13的振动，或使振动频率变化，会损害振动传感器的灵敏度及频率特性。
(关于电极板彼此的粘附)
另外，在图1这样的振动传感器11中，在其制造工序及使用中，往往产生电极板彼此间的粘附。所谓粘附是指，如图3(b)所示，振动电极板13的局部或大致整体固着在固定电极板14上不能分离的状态。振动电极板13粘附在固定电极板14上时，会妨碍振动电极板13的振动，因此，不能利用振动传感器11检测出音响振动。
图3(a)及图3(b)是用于说明在振动传感器11中产生粘附的原因的示意图。振动传感器11利用微细加工技术制造，因此，例如在蚀刻后的洗净工序中，水份w浸入振动电极板13与固定电极板14之间。另外，在振动传感器11的使用中，会有湿气滞留在振动电极板13与固定电极板14之间、或振动传感器11被水浸湿的情况。
另一方面，振动传感器11具有微小尺寸，因此，振动电极板13与固定电极板14之间的间距仅为数μm。并且，为了提高振动传感器11的灵敏度，使振动电极板13的膜厚减薄至1μm左右，振动电极板13的弹性弱。
因此，在这种振动传感器11中，例如以下说明地，会经过两阶段的过程产生粘附。在第一阶段中，如图3(a)所示，水份w浸入到振动电极板13与固定电极板14之间时，因该水份w产生的毛细管力P1以及表面张力，将振动电极板13吸附在固定电极板14上。
在第二阶段中，如图3(b)所示，振动电极板13与固定电极板14之间的水份w蒸发后，振动电极板13附着在固定电极板14上并保持该状态。作为在水份蒸发后也将振动电极板13固着并保持在固定电极板14上的力P2，具有作用在振动电极板13表面与固定电极板14表面之间的分子力、表面间力、静电力等。其结果，振动电极板13保持为附着在固定电极板14的状态，导致振动传感器11不能发挥作用。
另外，在此对因浸入的水份的毛细管力，而在第一阶段中将振动电极板13附着在固定电极板14上的情况进行了说明，但也有除水份以外的液体引起附着的情况，还有对振动电极板施加大的声压而使振动电极板附着在固定电极板上的情况。另外，由于振动电极板带静电而固定电极板上也会导致第一阶段过程的产生。
(关于热杂音产生的噪音)
另外，本发明的发明者们发现在振动传感器产生的噪音是由振动电极板13与固定电极板14之间的气隙17中的热杂音(空气分子的震动)引起的。即，如图4(a)所示，处于振动电极板13与固定电极板14之间的气隙即准密闭空间内的空气分子α因震动而撞击振动电极板13，在振动电极板13上施加由与空气分子α的撞击产生的微小力，并且施加在振动电极板13上的微小力随机地变动。因此，振动电极板13因热杂音而产生振动，在振动传感器上产生电噪音。特别是，在灵敏度高的振动传感器(麦克风)中，由这种热杂音引起的噪音变大，S/N比变差。
本发明的发明者们根据得到的结论判明，如图4(b)所示，通过在固定电极板14上设置音响孔15来减轻这种由热杂音引起的噪音。并且，得到音响孔15的开口面积越大、进而音响孔15的配置间隔越窄，则越减轻噪音的结论。这是因为，在固定电极板14上设置音响孔15时，气隙17内的空气易从音响孔15释放，与振动电极板13撞击的空气分子α的数量减少，噪音降低。
(以往公知的振动传感器)
作为静电电容式振动传感器，例如有专利文献1(日本特开2007-274293号公报)公开的电容式麦克风。在该振动传感器中，如专利文献1的图1及图2所示，振动电极板(12：涉及专利文献1的振动传感器所示的带括号的符号是专利文献1中所使用的符号，以下同)和固定电极板(3)相对向，在振动电极板的端部形成有通风孔(15)，在固定电极板上均等地排列有大小均一的音响孔(5)。
但是，在这种振动传感器中，由于音响孔的大小均一，故而扩大音响孔的开口面积时，通风孔附近的音响孔也变大，包含通风孔的通气路径的声阻减小。其结果，具有振动传感器的低频特性变差的问题。
另外，若增大音响孔的开口面积，则尘埃也容易从通风孔附近的音响孔侵入，容易由侵入的尘埃堵塞通风孔(参照图2)，容易使振动电极膜的振动特性变化、振动传感器的灵敏度及频率特性变化。
相反，在专利文献1的振动传感器中，若缩小音响孔的开口面积，则振动电极板的衰减抑制效果降低，因此，振动传感器的高频特性降低。另外，若缩小音响孔的开口面积，固定电极板易承到声压，振动传感器的精度也容易降低。
因此，在专利文献1的振动传感器中存在下述问题，若扩大音响孔的开口面积，则振动传感器的低频特性降低，或尘埃造成的传感器的特性变化容易变大；相反，若缩小音响孔的开口面积，则高频特性容易降低，或固定电极板受到声压而容易导致加速传感器精度的降低。
另外，在利用细微加工技术所制作的振动传感器中，具有上述的粘附的问题，并且，粘附和振动电极板与固定电极板之间的接触面积相关。因此，在专利文献1的振动传感器中，音响孔的开口面积减小时，存在易引起电极板彼此粘附的问题。
另外，在专利文献1的振动传感器中，缩小音响孔的开口面积时，根据本发明的发明者们得到结论，存在振动传感器的热杂音引起的噪音变大的问题。
(以往公知的其它振动传感器)
作为以往的其它振动传感器，具有专利文献2(美国专利第6535460号说明书)公开的传感器。在这种传感器中，如专利文献2的图2及图3所示，振动电极板(12；关于专利文献2的振动传感器所示的带括弧的符号为专利文献2中使用的符号，以下同)和固定电极板(40)相对向，在振动电极板与基板(30)之间形成有间隙。在固定电极板的下表面形成有圆环状的突条(41)，在固定电极板中比突条更靠内侧的圆形区域形成有通孔(21)，在固定电极板中比突条更靠外侧的圆环状区域设有通孔(14)。比突条更靠内侧的通孔(21)的各个开口面积都比外侧的通孔大，并且，以比外侧的通孔小的间隔有规则地排列。比突条更靠外侧的通孔(14)的各个开口面积都比内侧的通孔小，并且，以比内侧的通孔大的间隔不均等地形成。
但是，在这种振动传感器中，设于固定电极板的内周部的通孔(21)和外周部通孔(14)排列的间隔相差很大，并且外周部的通孔的排列不均等，因此，在振动传感器的制造工序中，在对形成于振动电极板与固定电极板之间的保护层进行蚀刻的工序中，具有蚀刻不均等并且蚀刻所需时间不必要地变长的问题。
图5表示在图1所示的振动传感器11中不均等地配置音响孔15(通孔)的情况。图5(a)是表示通过不均等地配置的音响孔15蚀刻去除保护层22的中途状态的示意平面图，图5(b)是表示图5(a)的X-X线剖面图，图5(c)是表示通过不均等地配置的音响孔15蚀刻去除保护层22后的状态的示意剖面图。
由于从各音响孔15浸入的蚀刻液的蚀刻速度相同，因此，在音响孔15如图5(a)不均等地配置时，保护层22的蚀刻不均一地进行，如图5(b)所示，在音响孔15间的间隔狭窄的区域，保护层22的蚀刻快速地进行，在音响孔15间的间隔宽的区域，保护层22的蚀刻进行得慢。因此，在音响孔15的间隔宽的区域，完成对保护层22蚀刻的时间变长，结果，蚀刻所需时间不必要地变长。另外，在音响孔15的间隔窄的区域，保护层22被蚀刻而露出固定电极板14及振动电极板13后，仍继续被蚀刻，因此，如图5(c)所示地固定电极板14等的蚀刻程度变大。其结果，即使在蚀刻工序的途中，固定电极板14等也承受不均等的应力，固定电极板14等有可能被破坏。另外，即使固定电极板14等没有达到破损程度的情况下，由于音响孔15配置的不均等性，固定电极板14等被蚀刻的程度、即局部的厚度产生偏差，会产生振动传感器的特性不良。
因此，即使是专利文献2记载的振动传感器中，由于通孔(21、14)的配置不均等，在蚀刻程度上产生偏差，存在振动传感器的不良发生率增加，或者蚀刻所需时间不必要地变长的问题。
另外，在专利文献2记载的振动传感器中，其结构为：振动电极板若除去其配线引出部分则与基板分离，在振动传感器的使用状态下，通过在振动电极板与固定电极板之间作用的静电引力将振动电极板向固定电极板侧吸引，与突条的下表面抵接。因此，振动电极板与固定电极板之间的气隙成为周围被突条包围的大致密闭的空间。因此，即使在振动电极板与基板之间形成间隙，振动电极板的下表面侧空间(背室)和上表面侧空间(气隙)也被突条间隔开而不连通。即，在专利文献2的振动传感器中，振动电极板与基板之间的间隙不起到作为通风孔的作用，因此不是通风孔。
同样地，内周侧的通孔(21)与气隙连通而具有音响孔的作用，但外周侧的通孔(14)不与气隙连通，所以没有起到音响孔的作用。因此，在专利文献2的振动传感器中，只有内周侧的通孔(21)成为音响孔，专利文献2的振动传感器和专利文献1的振动传感器一样，为有规则地排列有开口面积均一的音响孔的传感器。
另外，在专利文献2的振动传感器中，通过静电引力将振动电极板向固定电极板侧吸引而使其与突条的下表面抵接，因此，振动电极板的上表面整个一周被突条的下表面保持或者大致固定，振动电极板的振动由于与突条的接触而被抑制，存在容易使振动传感器的灵敏度降低的问题。
专利文献1：(日本)特开2007-274293号公报
专利文献2：(美国)专利第6535460号说明书
发明内容
本发明是鉴于上述的技术课题而作出的，其目的在于提供一种振动传感器，能够消除如下这类相互相反的问题：若扩大音响孔的开口面积，则通过通风孔的通气路径的声阻变小，因此，振动传感器的低频特性降低，或在通风孔易堵塞尘埃而使耐尘埃性降低；另外，若缩小音响孔的开口面积，则振动电极板的衰减抑制效果降低，振动传感器的高频率特性降低，或固定电极板易受到声压而传感器精度降低，或者容易引起电极板彼此的粘附，或者气隙的热杂音产生的噪音增大。
本发明的静电电容式振动传感器，其具备基板，在该基板上形成有贯通表面及背面的贯通孔，所述静电电容式振动传感器以如下的方式配置在所述基板的表面侧，即，使受到振动而进行膜振动的振动电极板与开设有多个音响孔的固定电极板相对向，并且将所述贯通孔的基板表面侧开口覆盖，其特征在于，所述振动电极板的外周部分的下表面被部分地固定在所述基板上，在所述基板的表面和所述振动电极板的下表面之间形成有用于使所述振动电极板的表面侧和背面侧连通的通风孔，在所述固定电极板中与所述振动电极板相对向的区域，在该区域内的外周部设有音响孔，该音响孔的开口面积比在所述区域内的外周部以外设置的音响孔的开口面积小。在此，外周部的音响孔的开口面积是指每一个音响孔的开口面积。另外，设置于外周部以外的音响孔的开口面积是指每一个音响孔的开口面积，在该开口面积不均等时，是指设置于外周部以外的音响孔的平均开口面积。
本发明的静电电容式振动传感器中，由于在固定电极板中与振动电极板相对向的区域内的外周部设有音响孔，该音响孔的开口面积比在所述区域内的外周部以外设置的音响孔的开口面积小，因此，在所述区域的外周部即通风孔附近可减小音响孔的开口面积，能够增大从通风孔附近的音响孔通过通风孔的通气路径的声阻，可以使振动传感器的低频特性良好。
另外，由于可以在通风孔附近使音响孔的开口面积较小，因此，通风孔不易被从音响孔侵入的尘埃堵塞，振动传感器的耐尘埃性提高，振动传感器的灵敏度及频率特性稳定。
另一方面，由于可以使在所述区域的外周部以外的区域设置的音响孔的开口面积较大，能够有效地抑制振动电极板与固定电极板之间的气隙内的空气造成的振动电极板的衰减，可以提高振动传感器的高频特性。另外，由于能够在外周部以外的区域使音响孔的开口面积较大，故而固定电极板不易受到声压，传感器精度提高。另外，由于能够在外周部以外的区域使音响孔的开口面积较大，故而振动电极板与固定电极板的接触面积减小，不易引起电极板彼此的粘附。另外，由于能够在外周部以外的区域使音响孔的开口面积较大，故而可以降低振动传感器的由热杂音产生的电噪音。
其结果，根据本发明的静电电容式振动传感器，能够解决现有的振动传感器的上述相反的问题，能够实现低频至高频的频率特性良好、S/N比良好、传感器精度也优异且电极板彼此的粘附也难以产生的振动传感器。
另外，本发明的静电电容式振动传感器中，由于振动电极板的外周部分的下表面被局部地固定，所以振动电极板受到振动时，难以抑制该振动，振动传感器的灵敏度不易降低。
本发明的静电电容式振动传感器的一方面中，在所述固定电极板的音响孔形成区域设立具有均等形状及均等面积且规则地排列的多个小区域，以音响孔的中心置于各小区域内的方式在各小区域内分别配置有一个音响孔。根据这样的振动传感器，由于可以使音响孔规则或大致规则地排列，因此，在利用微细加工技术用蚀刻液从音响孔蚀刻去除保护层的工序中，能够在整个保护层大致均等地进行保护层的蚀刻。其结果是，在保护层的各部分大致同时完成蚀刻，故而可以缩短蚀刻所需的时间。并且，固定电极板等难以局部地大范围地被蚀刻，因此固定电极板等不易破损生，可以降低振动传感器的不良。
在本发明的静电电容式振动传感器中，优选在所述固定电极板中与所述振动电极板相对向的区域的外周部设置的开口面积小的音响孔的直径为0.5μm～10μm，在所述区域内的外周部以外设置的音响孔的直径为5μm～30μm，邻接的音响孔彼此的中心间距为10μm～100μm。这是因为，所述区域的外周部的音响孔的直径小于0.5μm时，作为外周部的音响孔的作用(例如作为蚀刻孔的作用)被破坏，另外，若外周部的音响孔的直径大于10μm，则从外周部的音响孔通过通风孔的通气路径的声阻变得过小而使低频特性变差，或者尘埃容易侵入。若外周部以外的区域的音响孔的直径小于5μm，则气隙的声阻变大，噪音变大，并且作为音响孔的作用不充分，另外，若外周部以外的区域的音响孔的直径大于30μm，则相对向的电极彼此的面积变小，传感器灵敏度降低，并且固定电极板的强度过低。另外，邻接的音响孔彼此的中心间距小于10μm时，相对向的电极彼此的面积变小，振动传感器的灵敏度降低，并且会使固定电极板的强度过低，另外，邻接的音响孔彼此的中心间距大于100μm时，气隙的声阻变大，噪音变大，或者蚀刻去除保护层时难以均等地蚀刻保护层。
在本发明的静电电容式振动传感器的另一方面中，在所述振动电极板的外周部分或其附近，在所述固定部分以外的区域开设有缝隙。在该方面中，在振动电极板的外周部分或其附近，在固定部分以外的区域开设有缝隙，因此，可以使振动电极板的弹性常数减小而变得柔软，能够使振动传感器高灵敏度化。
在本发明的静电电容式振动传感器的又一方面中，在所述基板的表面相互隔开间隔而配设多个保持部，利用所述保持部局部地支承所述振动电极板的外周部分的下表面。在该方面中，利用保持部支承振动电极板，由此，可使振动电极板从基板浮起，可在基板与振动电极板之间形成通风孔。
另外，本发明的用于解决上述课题的方式具有将以上说明的构成要素适当组合的特征，本发明通过将上述结构要素适当组合而可进行多种变更。
附图说明
图1是表示静电电容式振动传感器的基本结构的剖面图；
图2是表示在振动传感器内侵入尘埃的情况的示意剖面图；
图3(a)、(b)是表示振动电极板和固定电极板粘附的情况的示意图；
图4(a)、(b)是用于说明气隙内的空气分子造成的热杂音的示意图；
图5(a)、(b)、(c)是说明在图1所示的振动传感器中不均等地配置音响孔时保护层被蚀刻的情况的示意图；
图6是表示第一实施方式的静电电容式振动传感器的示意剖面图；
图7是第一实施方式的振动传感器的分解立体图；
图8是第一实施方式的振动传感器的平面图；
图9是第一实施方式的振动传感器的、去除了固定电极板的状态的平面图；
图10是说明音响孔的配置的方式的图；
图11(a)、(b)、(c)是表示在第一实施方式的振动传感器的制造工序中，层积在振动电极板与固定电极板之间的保护层蚀刻去除的工序的示意图；
图12是说明第一实施方式的振动传感器能够抑制电极板彼此的粘附的理由的图；
图13是表示内侧的音响孔的直径和气隙的声阻的关系的图；
图14是表示内侧的音响孔的直径和电极面积比的关系的图；
图15是表示外周部的音响孔的直径和通气路径的声阻的关系的图；
图16是表示本发明第二实施方式的振动传感器的平面图；
图17是在第二实施方式的振动传感器中去除振动传感器的固定电极膜的状态的平面图；
图18(a)是表示本发明第三实施方式的振动传感器的平面图，图18(b)是其示意剖面图。
附图标记说明
31、51、61 振动传感器
32 硅基板
34 振动电极板
35 气隙
36 固定电极板
37 贯通孔
38 固定部
39 膜片
42 保护层
43a、43b 音响孔
44 电极焊盘
45 通风孔
47 电极焊盘
52 缝隙
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。但是，本发明不限于以下的实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种设计变更。
(第一实施方式)
以下，参照图6～图12说明本发明的第一实施方式。首先，图6是表示第一实施方式的静电电容式振动传感器31的示意剖面图，右半部分的截面表示通过振动电极板的固定部的截面，左半部分的截面表示通过固定部与固定部之间的截面。另外，图7是振动传感器31的分解立体图，图8是振动传感器31的平面图，图9是振动传感器31上表面的除去固定电极板后的状态的平面图。
该振动传感器31是静电电容式传感器，在硅基板32上表面经由绝缘覆膜33设置有振动电极板34，在其上经由微小的气隙35设有固定电极板36。该振动传感器31主要作为检测声音等并将其转换成电信号而输出的音响传感器及麦克风使用。
如图6及图7所示，在硅基板32上设有棱柱状的贯通孔37或角锥梯形的凹部(背室)。图中表示棱柱状的贯通孔37。硅基板32的尺寸平面看为1～1.5mm见方(也可以比其小)，硅基板32的厚度为400～500μm左右。在硅基板32的上表面形成有由氧化膜等构成的绝缘覆膜33。
振动电极板34由膜厚1μm左右的多晶硅薄膜形成。振动电极板34为大致矩形的薄膜，在其四角形成有固定部38。振动电极板34覆盖贯通孔37或凹部的上表面开口而配置在硅基板32的上表面，各固定部38经由保护层42固定在绝缘覆膜33上。图9中，用斜线表示振动电极板34中被固定在硅基板32上表面的区域。振动电极板34中在贯通孔37或凹部的上方被悬空地支承的部分(在该实施方式中除固定部38和延伸部46以外的部分)成为膜片39(可动部分)，其感应声压而进行膜振动。另外，由于固定部38固定在由保护层42构成的保持部42a上，所以振动电极板34从硅基板32的上表面稍微浮起，在四角的固定部38和固定部38之间的各边，在膜片39的边缘与硅基板32的上表面之间形成有间隙、即通风孔45。
固定电极板36在由氮化膜构成的绝缘性支承层40的上表面设有由金属制薄膜构成的固定电极41。固定电极板36配置在振动电极板34的上方，在与膜片39相对向的区域的外侧，经由氧化膜等构成的保护层42(保护层蚀刻后残存的部分)固定在硅基板32的上表面。固定电极板36在与膜片39相对向的区域，间隔3μm左右的气隙35覆盖膜片39。
在固定电极41和支承层40上，从上表面贯通下表面而穿设有多个用于使音响振动通过的音响孔(声孔)43a、43b。在固定电极板36的端部具备与固定电极41导通的电极焊盘44。另外，振动电极板34在声压的作用下产生振动，故而为1μm左右的薄膜，但由于固定电极板36是在声压的作用下不振动的电极，所以其厚度例如为2μm以上这种厚度。
另外，在支承层40的端部开设的开口和在其周围上表面设有电极焊盘47，电极焊盘47的下表面与振动电极板34的延出部46导通。因此，振动电极板34和固定电极板36被电绝缘，利用振动电极板34和固定电极41构成电容器。
在第一实施方式的振动传感器31中，音响振动(空气的疏密波)从上表面侧进入时，该音响振动通过固定电极板36的音响孔43a、43b到达膜片39，使膜片39振动。膜片39振动时，因膜片39与固定电极板36之间的距离产生变化，由此，膜片39与固定电极41之间的静电电容发生变化。因此，如果在电极焊盘44、47之间施加有直流电压，将该静电电容的变化作为电信号取出，则就能将音响振动转换为电信号而进行检测。
另外，上述振动传感器31使用微细加工(半导体微细加工)技术制造，因其制造方法是公知的技术，故而省略说明。
接着，对设置在固定电极板36的音响孔43a、43b的配置进行说明。如图8所示，音响孔43a、43b形成在固定电极板36中与振动电极板34相对向的区域(更优选与膜片39相对向的区域)。音响孔43a、43b以正方形、六边形、锯齿状等规则的图形在固定电极板36上有规则地排列。在图8所示的例子中，将音响孔43a、43b以一定的间距正方形地排列，音响孔43a彼此的间距、音响孔43b彼此的间距、音响孔43a与音响孔43b之间的间距彼此相等。在固定电极板36中与振动电极板34或膜片39相对向的区域(以下，称为对置区域)的外周部设有音响孔43b，在对置区域外周部以外的区域(即，内侧区域)设有音响孔43a，且音响孔43b的开口面积比音响孔43a的开口面积小。另外，所谓外周部是指处于例如距与振动电极板34的边缘(即通风孔45的端部)相对向的位置100μm以内的距离的区域。
在图8所示的示例中，音响孔43a的大小(开口面积)均等，音响孔43b的大小(开口面积)也均等，但音响孔43a、43b的大小即使分别具有偏差也无妨。但是，如果是大致圆形的音响孔43a、43b的情况下，优选外周部的音响孔43b的直径Db为0.5μm～10μm，优选内侧的音响孔43a的直径Da为5μm～30μm(其中，Da＞Db)。另外，优选邻接的音响孔43a、43b彼此的中心间距离p(间距)为10μm～100μm(其中，p＞Da)。关于该依据在后文说明。
对置区域中外周部的音响孔43b的开口面积比内侧区域的音响孔43a小，这并不意味着外周部的音响孔43b比内侧区域的任意的音响孔43a小。内侧区域的音响孔43a的开口面积基本上都比外周部的音响孔43b大，但即使在内侧区域也设有少量与音响孔43b相同大小或比音响孔43b小的音响孔，对本实施方式的振动传感器31的作用效果也几乎没有影响。因此，内侧区域的音响孔43a的大小不均等时，只要外周部的音响孔43b的开口面积比内侧区域的音响孔43a的开口面积的平均值小即可。
另外，优选音响孔43a、43b的间距p为一定，只要音响孔43a、43b大致均等地分布，就不一定必须以一定的间距排列。即，音响孔43a、43b即使不是严格意义上的规则配置，只要大致规则地排列即可。自规则配置的偏差，只要音响孔43a、43b的中心间距离中的最大值是最小值的2倍以下即可。换言之，音响孔43a、43b只要如下设定即可。
即，如图10所示，设想在固定电极板36的音响孔形成区域隔开间隔d将形成边长为a的正方形小区域A规则地配置成正方形。而且，使中心处于小区域A内而在各个小区域A的任意位置适当配置有一个音响孔43a、43b。其结果是，音响孔43a、43b在所控制的偏差的范围内大致规则地排列。在这样的配置中，音响孔43a、43b的最小中心间距如图10的中段那样地为d，音响孔43a、43b的最大中心间距如图10的下段那样地为d+2a，因此，若以满足2a＜d的关系的方式设定小区域A，则音响孔43a、43b的中心间距中的最大值为最小值的2倍以下。另外，若将间隔d设定为10μm以上，则相邻的音响孔43a、43b彼此的中心间距p为10μm以上，若将d+2a的值设定为100μm以下，则相邻的音响孔43a、43b彼此的中心间距p为100μm以上，邻接的音响孔43a、43b彼此的中心间距p保持在10μm～100μm。
(作用效果)
根据该振动传感器31，由于外周部的音响孔43b的开口面积比内侧区域的音响孔43a的开口面积小，故而通风孔45附近的音响孔43b的开口面积变小。其结果是，从通风孔45附近的音响孔43b通过通风孔45到达贯通孔37的通气路径(低声路径)的声阻变大，低频的音响振动难以通过该通气路径向贯通孔37侧泄漏，振动传感器31的低频率特性良好。
另外，由于通风孔45附近的音响孔43b的开口面积变小，故而尘埃不易通过音响孔43b侵入内部，振动传感器31的耐尘埃性提高。其结果是，从音响孔43b侵入的尘埃不易堵塞通风孔45(参照图2)，很难因在通风孔45堵塞的尘埃妨碍振动电极板34的振动，振动传感器31的灵敏度及频率特性稳定。而且，由于开口面积小的音响孔43b的比例小，所以即使音响孔43b被尘埃堵塞，对振动传感器31的噪音及高频率特性的影响也很小。
另一方面，由于设于内侧区域的音响孔43a的开口面积大，故而气隙35内的空气容易通过音响孔43a而出入，很难因振动电极板34与固定电极板36之间的气隙35内的空气使振动电极板34衰减，振动传感器31的高频率特性良好。
另外，由于音响孔43a的开口面积变大，故而固定电极板36的面积相应地减小，固定电极板36很难受到声压。其结果是，固定电极板36很难因音响振动而振动，只有振动电极板34振动，因此，振动传感器31的传感精度提高。
另外，在固定电极板36的大部分区域，音响孔的开口面积增大，能够减轻振动传感器31的热杂音，因此，能够减轻热杂音产生的噪音，可提高振动传感器的S/N比(参照图4)。
其结果是，根据振动传感器31，可以制作不会牺牲低频特性和耐尘埃性而具有良好的高频特性、良好的S/N比、良好的传感精度的振动传感器31。
另外，图11表示在振动传感器31的制造工序中，蚀刻去除在振动电极板34与固定电极板36之间层积的保护层42的工序。图11(a)是表示通过音响孔43a、43b蚀刻去除保护层42的中途状态的示意平面图，图11(b)是图11(a)的Y-Y线剖面图，图11(c)是表示通过音响孔43a、43b蚀刻去除保护层42后的状态的示意剖面图。
该振动传感器31中，无论开口面积大小如何，都以大致相等的间隔有规则地排列音响孔43a、43b，因此，使蚀刻液从音响孔43a、43b浸入而与保护层42接触时，如图11(a)、(b)所示，保护层42以相等的蚀刻速度大致均一地被蚀刻，在保护层42的各区域蚀刻大致同时完成。而且，保护层42的整体大致同时被蚀刻去除，其结果，蚀刻所需时间缩短。
另外，由于保护层42的整体均一地被蚀刻，故而如图11(c)所示，固定电极板36等不会局部地被较大蚀刻，厚度不会不均衡。因此，在保护层蚀刻的途中，不易在固定电极板36等上施加不均一的应力而产生裂纹，振动传感器31的特性稳定。
另外，为了将保护层42均等地蚀刻，优选将音响孔43a、43b以一定的间距规则地排列，但若邻接的音响孔43a、43b彼此的中心间距的最大值是最小值的2倍以下，则音响孔43a、43b的配置即使稍有偏差，保护层蚀刻的不均一也不明显。
另外，根据该振动传感器31，能够抑制制造工序中等的电极板彼此的粘附的产生。图12(a)、(b)是说明该理由的说明图。在振动传感器31中，外周部的音响孔43b的开口面积变小，内侧区域的音响孔43a的开口面积变大。因此，如图12(a)所示，在保护层蚀刻后的清洗工序等中，即使水份w浸入振动电极板34与固定电极板36之间的气隙35，如图12(b)所示，在气隙35的中心部区域也可以通过开口面积大的音响孔43a将水份w快速地干燥。因此，振动电极板34的中心部区域不会因残留的水份w的毛细管力而被吸附在固定电极板36上。
另一方面，在气隙35的外周部，因音响孔43b的开口面积小，故而水份w会残存。但是，由于振动电极板34将四角的固定部38固定在硅基板32上，故而振动电极板34的外周部的弹性比内侧的面高。因此，如图12(b)所示，很难因在气隙35的外周部残留的水份w的毛细管力f而将振动电极板34吸附在固定电极板36上。
因此，即使水份w浸入气隙35，振动电极板34也不易附着在固定电极板36上，所以在水份w完全干燥后，振动电极板34附着在固定电极板36上而产生粘附的可能性变小。
另外，振动传感器31将音响孔43a、43b大致等间隔地规则排列，所以，根据以下的理由，通过音响孔43a、43b缓和热杂音的效果优异。各音响孔将热杂音有效地缓和多少，除了音响孔的直径以外，很大程度取决于音响孔之间的距离。即，在远离任何的音响孔的部位，热杂音变大。在此，如图5所示，音响孔15的配置不均等时，产生远离任何音响孔15的气隙区域，因此，不能缓和热杂音，很难实现振动传感器的低噪音化。对此，如图11所示，将音响孔43a、43b均一地配置时，难以产生远离任何音响孔43a、43b的气隙区域，故而能够进一步缓和热杂音。因此，通过使音响孔43a、43b大致等间隔地规则排列，能够降低通气路径的声阻，并且可以进一步缓和热杂音。
(音响孔的直径计算例)
若音响孔43a、43b大致为圆形，则优选外周部的音响孔43b的直径Db为0.5μm～10μm，优选内侧的音响孔43a的直径Da为5μm～30μm(其中，Da＞Db)。另外，优选邻接的音响孔43a、43b彼此的中心间距p为10μm～100μm(其中，p＞Da)。关于该点虽然已进行了说明，但以下对其依据进行说明。
图13是通过计算求出内侧的音响孔43a的直径和从音响孔43a通过通风孔45到达贯通孔37的气隙的声阻之间关系并表示其结果的图。图14是通过计算求出内侧的音响孔43a的直径Da和电极面积比之间关系并表示其结果的图。图15是通过计算求出外周部的音响孔43b的直径Db和从音响孔通过通风孔45到达贯通孔37的通气路径的声阻的关系并表示其结果的图。另外，将没有音响孔43a、43b时的固定电极41的面积设为So，将设有一定直径Da的音响孔43a时的固定电极41的面积设为Sa时，电极面积比为Sa/So。
由图13可知，随着内侧的音响孔43a的直径Da的减小，气隙的声阻增大。而且，音响孔43a的直径Da小于5μm时，气隙的声阻显著增大，振动传感器31的噪音变大。
另外，如图14所示，随着内侧的音响孔43a的直径Da变大，电极面积比逐渐变小。而且，音响孔43a的直径Da大于30μm时，相对向的电极彼此的面积显著变小，振动传感器31的灵敏度降低。
因此，优选内侧音响孔43a的直径Da为5μm～30μm。
接着，如图14所示，音响孔43a、43b彼此的距离p越小，电极面积比越小。而且，音响孔43a、43b的距离p小于10μm时，相对向的电极彼此的面积显著变小，振动传感器31的灵敏度降低。
另外，由图13可知，音响孔43a、43b彼此的间距p越大，气隙的声阻越大。而且，音响孔43a、43b彼此的距离p大于100μm时，气隙的声阻显著增大，振动传感器31的噪音变大。
因此，优选邻接的音响孔43a、43b彼此的中心间距p为10μm～100μm。
另外，由图15可知，随着外周部的音响孔43b的直径Db的变大，通气路径的声阻变小。而且，外周部的音响孔43b的直径Db大于10μm时，通过通风孔45的通气路径的声阻显著变小，振动传感器31的低频特性变差。
另一方面，外周部的音响孔43b的直径Db小于0.5μm时，很难将音响孔43b用作蚀刻液的入口。
因此，优选外周部的音响孔43b的直径Db为0.5μm～10μm。
(第二实施方式)
图16是表示本发明第二实施方式的振动传感器51的平面图。另外，图17是振动传感器51的除了固定电极膜的状态的平面图。该振动传感器51中，由振动电极板34覆盖硅基板32的贯通孔37的上方，将振动电极板34的外周部局部地固定在硅基板32的上表面。在图17中，用阴影表示振动电极板34中、利用由硅基板32上表面的保护层42形成的保持部42a固定在硅基板32的上表面的区域(固定部38)。在比固定于硅基板32的外周部靠近内侧，在外周部附近开设有多处缝隙52。振动电极板34将外周部局部地固定在硅基板32上，另外，因缝隙52使弹性下降，因此缝隙52包围的区域为膜片39，感应小的声压而使膜片39进行膜振动。
另外，振动电极板34的下表面自硅基板32的上表面稍有浮起，在缝隙52和贯通孔37之间，在振动电极板34的下表面与硅基板32的上表面之间形成有间隙，该间隙为连通缝隙52和贯通孔37的通风孔45。
在该振动传感器51中，也与第一实施方式的振动传感器31同样地，固定电极板36覆盖振动电极板34而形成，音响孔43a、43b在固定电极板36中与振动电极板34相对向的区域以一定间距规则地排列。另外，外周部的音响孔43b的开口面积比内侧区域的音响孔43a的开口面积小。因此，该振动传感器51中，也起到与第一实施方式的振动传感器31同样的作用效果。
另外，在图16及图17中表示圆形的振动电极板34，但也可以将四边形的振动电极板34的外周部局部地固定在硅基板32的上表面并利用缝隙使弹性降低。
(第三实施方式)
图18(a)是表示本发明第三实施方式的振动传感器61的平面图，图18(b)是其示意剖面图。以上说明的实施方式中，在硅基板32之上以振动电极板34、固定电极板36的顺序形成电极板，但如图18所示，在硅基板32之上也可以以固定电极板36、振动电极板34的顺序形成电极板。其它的结构例如因与第一实施方式的情况同样，故而说明省略。在该第三实施方式的情况中，将从硅基板32的贯通孔37传播来的音响振动通过音响孔43a、43b传递给振动电极板34，在其音响振动作用下使振动电极板34振动。
Claims (6)
1.一种静电电容式振动传感器，其具备基板，在该基板上形成有贯通表面及背面的贯通孔，所述静电电容式振动传感器以如下的方式配置在所述基板的表面侧，即，使受到振动而进行膜振动的振动电极板与开设有多个音响孔的固定电极板相对向，并且将所述贯通孔的基板表面侧开口覆盖，其特征在于，
所述振动电极板的外周部分的下表面被部分地固定在所述基板上，
在所述基板的表面和所述振动电极板的下表面之间形成有用于使所述振动电极板的表面侧和背面侧连通的通风孔，
在所述固定电极板中与所述振动电极板相对向的区域，在该区域内的外周部设有音响孔，该音响孔的开口面积比在所述区域内的外周部以外设置的音响孔的开口面积小。
2.如权利要求1所述的静电电容式振动传感器，其特征在于，在所述固定电极板的音响孔形成区域设立具有均等的形状及均等的面积且规则地排列的多个小区域，以音响孔的中心置于各小区域内的方式在各小区域内分别配置有一个音响孔。
3.如权利要求2所述的静电电容式振动传感器，其特征在于，设于所述固定电极板的音响孔规则地排列。
4.如权利要求1所述的静电电容式振动传感器，其特征在于，在所述固定电极板中与所述振动电极板相对向的区域的外周部设置的开口面积小的音响孔的直径为0.5μm～10μm，在所述区域内的外周部以外设置的音响孔的直径为5μm～30μm，邻接的音响孔彼此的中心间距为10μm～100μm。
5.如权利要求1所述的静电电容式振动传感器，其特征在于，在所述振动电极板的外周部分或其附近，在所述固定部分以外的区域开设有缝隙。
6.如权利要求1所述的静电电容式振动传感器，其特征在于，在所述基板的表面相互隔开间隔而配设有多个保持部，利用所述保持部局部地支承所述振动电极板的外周部分的下表面。
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