CN1578540A - 声电变换装置、振动分析方法和声音分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声电变换装置，包括：具有衍射光栅，通过外力进行振动的振动板；对衍射光栅照射光的光源；和检测由衍射光栅衍射的光并变换为电信号的光检测器；其结构要使振动板的变位转换成电信号。

Description

声电变换装置、振动分析方法 和声音分析方法

技术领域

本发明涉及声电变换装置、振动分析方法和声音分析方法。

背景技术

现有的麦克风是用某种张力粘贴振动板，通过振动板的质量或弹簧常数来唯一决定共振频率的。即使在名义上频率特性被规定为平坦的，但是伴随着远离该振动板固有的共振频率而出现灵敏度下降的情况是当然的现象。作为实现动态范围宽的麦克风的方法，公知的有配置多个振动板的大小或弹簧常数不同的振动板的方法。

而与把基于声压的振动板的振动变位作为静电电容来检测的电容器麦克风相比，对由于声压而振动的振动板进行光照射，把反射光的光强变化作为振动板的振动变位检测的光麦克风从指向性、抗噪声性等观点期待优异的特性。但是，现有光麦克风对振动板照射气体激光器、固体激光器或半导体激光二极管的输出光，把反射光的光强变化作为振动板的振动变位检测。

在所述以往提出的方法中，存在机械构造或尺寸的制约而引起的问题。在安装中，也因为零件群增加而担心成品率的下降。

另外，在现有光麦克风的构造中，在对振动板入射的入射光学系统、把反射光向给定的光电探测器引导的反射光学系统中，要求有很高的光学精度。因此，为了使入射光和反射光采用任意的光路，使用了光纤和光导。另外，在光电探测器面上，为了使与振动板的振动变位对应的反射光的移动幅度大幅度增加，在搭载光敏和发光元件的衬底和振动板之间设置透镜元件。即在现有光麦克风的聚光方式中，因为从振动板反射的光波扩大，所以为了用光电探测器检测微小的振动板的振动变位，检测光强的不同，强的光强是必要的，因此光路的辅助或修正的要素成为必要。因此，除了发光和光敏元件和振动板以外，进行高级的对位的光学元件、新的系统成为必要，并且要求高精度的光学对齐。因此，有可能引起的作为制品的成品率下降。与此同时，作为系统的成本也升高。而且，当使用光纤或光导时，其使用范围、用途也一直受到限制。

发明内容

鉴于上述问题的存在，本发明的目的在于：提供一种用更简单并且小面积的构造，提供动态范围宽，且能广泛应用的声电变换装置、振动分析方法以及声音分析方法。

本发明的声电变换装置包括：具有衍射光栅，通过外力进行振动的振动板；对所述衍射光栅照射光的光源；检测由所述衍射光栅衍射的光，变换为电信号的光检测器；所述振动板的变位变换为电信号。

本发明的振动分析方法对通过机械振动而振动的振动板，用重复信号驱动，照射强度呈周期性变化的光，检测经由所述振动板的所述光，变换为电信号，使用所述重复信号对所述电信号进行解调。

本发明的声音分析方法使振动板自激性地进行机械振动，在所述振动板上重叠基于声压的振动，对重叠所述振动的所述振动板照射光，检测经由所述振动板的所述光，变换为电信号。

附图说明

下面简要说明附图。

图1是表示本发明实施例1的声电变换装置结构的模式图。

图2是表示本发明实施例1的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图3A是表示反射型的二维衍射光栅的鸟瞰图，图3B是表示反射型的一维衍射光栅的鸟瞰图。

图4是把多个振动板排列为矩阵状时的本发明实施例1的声电变换装置的平面图。

图5是说明二维衍射光栅的模式图。

图6是说明衍射光的相位关系的模式图。

图7A是使用二维衍射光栅时产生的衍射像，图7B是使用一维衍射光栅时产生的衍射像。

图8是说明衍射光栅的焦距变化的模式图。

图9A和图9B是模式地表示二维衍射光栅振动，焦距从fa变化到fb时，光检测器的面上的斑点间隔的变化的图。

图10A和图10B是模式地表示一维衍射光栅振动，焦距从fa变化到fb时，光检测器的面上的斑点间隔的变化的图。

图11A～图11E是说明求出振动板的振幅的方法的模式图。

图12A～图12I是说明本发明实施例1的声电变换装置制造方法的步骤剖视图。

图13是表示本发明实施例1的变形例(第一变形例)的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图14A～图14G是说明本发明实施例1的第一变形例的声电变换装置制造方法的步骤剖视图。

图15是表示本发明实施例1的其他变形例(第二变形例)的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图16A～图16I是说明本发明实施例1的第二变形例的声电变换装置制造方法的步骤剖视图。

图17是表示本发明实施例1的其他变形例(第三变形例)的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图18是模式地表示本发明实施例2的声电变换装置结构的模式图。

图19是表示本发明实施例2的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图20A是表示透射型二维衍射光栅的鸟瞰图，图20B是表示透射型一维衍射光栅的鸟瞰图。

图21是表示本发明实施例2的变形例(第一变形例)的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图22是表示本发明实施例2的其他变形例(第二变形例)的声电变换装置的具体构造例的剖视图。

图23是模式地表示本发明实施例3的声电变换装置结构的框图。

图24是详细表示表示本发明实施例3的声电变换装置的振动板2附近的模式图。

图25A是表示输入声波的振动的模式图，图25B用信号波的角频率调制正弦波的样子的模式图。

图26A是表示本发明实施例3的声电变换装置的安装构造的从安装衬底背面观察的图案的平面图，图26B是说明由安装衬底、玻璃衬底(透明衬底)、半导体衬底构成的3层构造的模式剖视图。

图27是说明本发明实施例3的声电变换装置的其他安装构造模式剖视图。

图28是表示本发明实施例4的声电变换装置结构的模式图。

图29是表示本发明实施例5的声电变换装置结构的框图。

图30是详细表示本发明实施例5的声电变换装置的振动板2附近的模式图。

图31是实施例6的具有声电变换部的声电变换装置的概略图。

图32A是表示振动板2受到的声压的例子的图。

图32B是表示根据检测声压引起的振动板2的振动的结果而生成的驱动电压的例子的图。

图32C是表示根据检测声压引起的振动板2的振动的结果而生成的驱动电压的其他例子的图。

图33是构成实施例6的声电变换部的声波感知元件的剖视图。

图34A是表示形成在振动板2上的衍射光栅的例子的鸟瞰图。

图34B是表示形成在振动板2上的衍射光栅的其他例子的鸟瞰图。

图35是图33所示的声波感知元件的平面图。

图36A是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成层间绝缘膜的步骤的图。

图36B是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成成为导电层的金属材料的步骤的图。

图36C是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成导电层的步骤的图。

图36D是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成钝化层的步骤的图。

图36E是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成贯通振动板2的孔的步骤的图。

图36F是通过剖视图表示制造声波感知元件的步骤中形成空洞部的步骤的图。

图37是构成实施例6的声电变换部的声波感知元件的其他例子的剖视图。

图38是实施例7的声电变换装置的概念图。

图39A是表示从电压控制振荡器输出的驱动电压的例子的图。

图39B是表示振动板2受到的声压的例子的图。

图39C是表示通过驱动电压振动的振动板2受到图39B所示的声压时，由信号处理电路取得的声音信号的例子的图。

图40A是本发明其他实施例的声电变换部的平面图。

图40B是用于详细说明图40A的振子的图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的各实施例。须指出的是，在附图中对相同或类似的部分和元件采用相同或类似的参照符号，并且省略或简化对相同或类似的部分和元件的描述。

通常在表现电子器件时，希望不同的图不彼此衡量，也不在一个给定的图形内，特别是层厚度是任意描画的，以便于附图的阅读。

(实施例1)

本发明实施例1的声电变换装置如图1所示，包括：具有衍射光栅，通过外力(声压)振动的振动板2；对衍射光栅照射光的光源1；检测由衍射光栅衍射的光，变换为电信号的光检测器3。

对图1所示的光检测器3希望使用光电二极管阵列等摄象传感器。即光检测器3不检测光强的不同，通过衍射像的二维像的检测，进行二维振动板2的变位的检测。因此，光检测器3对衍射光确保足够宽的区域，从而能无遗漏地检测衍射像。

在实施例1的声电变换装置中，由光源1照射的光如果入射到振动板2中，因为在振动板2上形成反射型的衍射光栅，所以从光源1照射的光波由衍射光栅反射，在光检测器3的面上取得衍射像。这样，实施例1的声电变换装置由光检测器3在光学上检测具有反射型衍射光栅的振动板2的变位，把它变更为电信号。

因此，振动板2从固定部4a、4b由弹性连接部5a、5b吊着。具体地说，如图2所示，在设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b上，通过弹性连接部5a、5b悬架有振动板2。如果作为平面图案观察，则固定部4a、4b是包围设置在支撑衬底11的上表面上的空洞部9R的框形状。而且，振动板2在图2所示的截面为船形的空洞部9R的上部，配置为振动板状的盖。

固定部4a、4b分别由在单晶Si构成的支撑衬底11上按顺序堆积的嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成。振动板2是由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成的层叠构造。

弹性连接部5a、5b由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14构成，在元件分离绝缘膜13的层中嵌入多晶硅连接体21a、21b。

设置在振动板2上的反射型的衍射光栅可以是图3A所示的二维衍射光栅，也可以是图3B所示的1维衍射光栅。在图3A中，表示在振动板2上，通过配置成矩阵状的多个孔(凹部)H_i-1，1、.....、H_i，1、H_1，2、H_1，3、.....H_i+2，6，构成二维衍射光栅。另外，在图3B中，通过在振动板2上按周期配置的多个沟G₁、G₂、G₃、.....、G₆，构成1维衍射光栅。

须指出的是，如图4所示，可以把多个振动板Q_i-1，j-1、Q_i-1，j、Q_i-1，j+1、.....、Q_i，j-1、Q_i，j、Q_i，j+1、.....、Q_i+1，j-1、Q_i+1，j、Q_i+1，j+1排列为矩阵状。在图4中，在支撑衬底的表面上形成格子状的固定部4a、4b上，通过2个弯曲构造的弹性连接部5a、5b悬架多个振动板Q_i-1，j-1、Q_i-1，j、Q_i-1，j+1、.....、Q_i，j-1、Q_i，j、Q_i，j+1、.....、Q_i+1，j-1、Q_i+1，j、Q_i+1，j+1。弹性连接部5a由狭缝6a、6b夹着，具有1处L型弯曲部。而弹性连接部5b由狭缝6a、6b夹着，具有2处L型弯曲部。图2相当于从图4的A-A方向观察的剖视图。

在图4中，排列在行方向的振动板Q_i-1，j-1、Q_i-1，j、Q_i-1，j+1、.....、彼此弹性连接，构成振子链(振子锁)，同样由行方向的振动板Q_i，j-1、Q_i，j、Q_i，j+1.....、构成振子链(振子锁)，由振动板Q_i+1，j-1、Q_i+1，j、Q_i+1，j+1.....、构成振子链(振子锁)，如果采用各行不同的共振频率的振子链，就能提供极宽频带的声电变换装置。或者，在列方向构成同样的振子链，为各列不同的共振频率的振子链。使在行方向以及列方向移动的两方固定部4a、4b都作为固定梁起作用，使各振动板Q_i-1，j-1、Q_i-1，j、Q_i-1，j+1、.....、Q_i，j-1、Q_i，j、Q_i，j+1、.....、Q_i+1，j-1、Q_i+1，j、Q_i+1，j+1.....、独立振动的振动模式也是可能的。而且，如果使排列为二维矩阵的各振动板Q_i-1，j-1、Q_i-1，j、Q_i-1，j+1、.....、Q_i，j-1、Q_i，j、Q_i，j+1、.....、Q_i+1，j-1、Q_i+1，j、Q_i+1，j+1.....、共振频率全部不相同，就能提供极宽频带的声电变换装置。

在图1所示的状态中，如果外力(声压)输入到具有图2～图4所示的构造的衍射光栅的振动板2中，则振动板2以弹性连接部5a、5b和固定部4a、4b的边界为支点振动。在图1中，用粗实线和粗虚线表示振动板2变位前的衍射像。在振动板2静止时，即没有基于声音的输入时，通过从光源1照射的光，以图1中的粗实线和粗虚线表示的间隔在光检测器3的面上出现衍射像。

如果有基于声音的输入，振动板2和光检测器3间的距离f变化，则光检测器3的面上的衍射像间隔如细实线和细虚线所示，二维变化。图1中的细实线和细虚线表示伴随着振动板2的移动，衍射像的间隔变化。

这样，如果注目于某同次、同方位的衍射像，则在光检测器3上取得的衍射像在光检测器3上取得差分。通过检测光检测器3上的衍射像的变位，作为振动板2的振动变位输出。

根据实施例1的声电变换装置，通过衍射光栅，自己成像的衍射光不需要设置现有声电变换装置中必要的用于限制来自振动板2的反射光的透镜、用于把光波向任意方向引导的光纤或光导等波导。因为利用光波的衍射效应，所以不通过透镜，也能成像，所以在光检测器3的表面能聚焦，能以高分辨率检测。另外，关于对振动板2入射的入射光的光路，制约也大幅度减少。

因为减少入反射光对振动板2的光学制约，所以根据实施例1的声电变换装置，能构成简单的系统，能实现小型化，应用范围变宽。

根据实施例1的声电变换装置，通过对光检测器3使用光检测器3，在象素上，与检测同时进行数字变换。因此，不需要A/D转换器，响应速度提高，能减小电路规模。在图1所示的反射型衍射光栅中，能用同一衬底形成光源1、光检测器3的电路、驱动电路、处理电路。与光检测器3或其外围电路同样，能用半导体制造工艺制造形成衍射光栅的振动板2。

结果，能减少实施例1的声电变换装置的制造成本。

从图2能容易地理解，在形成振动板2的衍射光栅时，即在衬底上形成沟和格子时，使用半导体制造工艺是有用的。通过使用半导体制造工艺，能以良好的再现性形成具有任意格子周期的衍射光栅，适合于批量生产。

另外，作为支撑衬底而使用半导体衬底具有各种物理特性，所以能容易变更振动板2的质量和弹簧常数。例如，对振动板2使用硅(Si)(参照图13)，对光源1使用波长λ＝1000nm以下的激光器，如果在格子的侧壁涂敷反射率高的物质，则入射到硅部的光吸收，只把来自格子侧壁的衍射光象光检测器3上衍射，所以能去掉向光检测器3的杂散光，提高S/N。

在说明本发明实施例1的声电变换装置时，关于由于振动板2振动，在检测面上，衍射像的变位变化的现象，以由y-z平面构成的二维衍射光栅为例进行说明格子面上的两个正交轴y、z如图5所示，与排列孔的直线平行，在y轴方向和z轴方向的孔间隔分别为h_y、h_z。如果以特定的一个孔的中心为原点，则其他全部孔的坐标(y，z)为h_y、h_z的整数倍。

如图6所示，如果在y-z平面中衍射的衍射光的方向与y轴所成角度θ_y的余弦(cosθ_y)为γ_y＝cosθ_y，衍射光的方向与z轴所成角度θ_z的余弦(cosθ_z)为γ_z＝cosθ_z，y方向的次数k_y为整数，在满足

h_yγ_y＝k_yλ                            (1)

的条件下，从与y轴方向平行排列的孔产生的扰乱以相同相位到达焦点面。同样，如果k_z(z方向的次数)为整数，则在满足

h_zγ_z＝k_zλ                            (2)

的条件下，从与z轴平行排列的孔产生的扰乱变为同相位。

对于衍射光栅，在与同时满足表达式(1)和表达式(2)的方向对应的点上，从全部孔产生的扰乱变为同相位。如果存在多个孔，则光强集中在由表达式(1)和表达式(2)决定的点的极附近。因此，在光检测器3的焦点面上，变为在暗的背景上，明亮的斑点排列的矩形格子状的图案。图7A表示了它。认为各斑点分别是点光源1的像。如果焦距为f_a，则沿着y轴方向，该斑点的间隔p_y变为

P_y＝f_aλ/h_y                            (3)

沿着z轴方向的间隔p_z变为

p_z＝f_aλ/h_z                        (4)

在图7A中，各斑点上附带的数字表示k_y和k_z。图7B是使用1维衍射光栅时产生的衍射像。

在此，检测光波的光检测器3一侧是固定体，而形成衍射光栅的振动板2是可动体，所以形成衍射光栅的振动板2由于外力(声压)而振动变为衍射光栅-光检测器3间的焦距变化。即如果形成衍射光栅的振动板2由于声压而振动，衍射光栅的焦距如图8所示，从f_a变化到f_b，刻在衍射光栅上的格子周期不变，所以从表达式(3)和表达式(4)可知，光检测器3上的沿y轴方向的斑点的间隔p_y ^md变为

p_y ^md＝f_bλ/h_y                         (5)

沿着z y轴方向的斑点的间隔p_z ^md变为

p_y ^md＝f_bλ/h_z                         (6)

图9A和图9B表示二维衍射光栅振动，当焦距从f_a变化到f_b时，在光检测器3的面上，斑点的间隔也变化的样子。须指出的是，振动板2振动，即使焦距f_a变化到f_b，0次衍射像(在图7A中，记录为0，0的点)也不变位。如表达式(3)、表达式(4)、表达式(5)、表达式(6)所示，在光检测器3的面上，各衍射像二维变位。如果注目于某一个衍射像(0次以外的衍射像)，在光检测器3的面上，与振动板2的振动对应，表示二维变位的举动。通过该举动，在光检测器3的面上，伴随着振动板2的振动，光波的取入区和不取入区伴随着振动板2的振动在每个微小时间中变化。

另外，图10A和图10B模式地表示当1维衍射光栅振动，焦距从f_a变化到f_b时，在光检测器3的面上，斑点的间隔变化的样子。

那么，在实施例1的声电变换装置中，当任意的时间t＝t₁时，如图11A～图11E所示，衍射像在由光检测器3构成的摄象传感器上二维排列。在该状态下，在作用声压的t＝t₁+t₂时，振动板2向下方沉入，所以衍射像移动。接着，振动板2反弹，经过t＝t₁+t₂+t₃，t＝t₁+t₂+t₃+t₄，在t＝t₁+t₂+t₃+t₄+t₅后回到最初的位置。这是与一个输入的声音的频率对应的振动板2的振动。

通过计算t＝t₁+t₂+t₃+t₄+t₅的时间，取得振动板2的振幅。另外，预先存储在光检测器3的哪个单元(光电二极管)中存在灵敏度，作用振动，当存储的单元(光电二极管)中再度看到灵敏度时，能识别为一次的振幅。另外，对于振动板2的一次的振幅，通过按照时间系列参照在哪个单元(光电二极管)中存在灵敏度，使更高灵敏度的检测成为可能。

这样，在实施例1的声电变换装置中，通过以微小间隔整齐排列的光检测器3检测声压的输入前后的衍射像的变位，输出相当于振动板2的变位量的信号。在设置有光检测器3的衬底上，通过半导体制造工艺，一体化制造驱动电路、信号处理电路，能更紧凑、以更低成本提供。另外，通过用同一衬底形成，能实现反应性好的系统。能抑制布线引起的电阻，变为电稳定。

在此，考虑用更高的析像度检测衍射像的二维变位的情形，希望构成光检测器3的各光电二极管的一个单元面积和单元相互的间隔减小。

参照图12A～12I，说明图2所示的本发明实施例1的声电变换装置的制造方法。须指出的是，以下描述的声电变换装置的制造方法是一个例子，当然通过包含变形例的另外的各种制造方法，可以实现。

(イ)首先，如图12A所示，准备在由单晶Si构成的支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12、单晶Si层(SOI层)10的所谓的SOI衬底。接着，通过反应性离子蚀刻(RIE等)法等技术，有选择地蚀刻除去单晶Si层10。在图12A中，图示为如同完全蚀刻除去，但是在预定形成外围电路的区域中残留单晶Si层10。

然后，通过化学气相沉积(CVD)法等技术形成元件分离绝缘膜13，通过化学机械研磨(CMP)法，象图12B所示那样平坦化。通过图12B所示的平坦化步骤，在预定形成外围电路的区域中，定义由分离绝缘膜13包围的所谓“活性区”。

(ロ)接着，通过RIE法有选择地蚀刻除去图2所示的多晶硅连接体21a、21b的预定形成区域的元件分离绝缘膜13，形成图12C所示的沟部20a、20b。省略图示的外围电路同时纳入通常的标准的MOS集成电路制造方法中。省略细节，但是把作为活性区露出的单晶Si层10的表面热氧化，形成厚度50nm～100nm的栅氧化膜。此时可以加上Vth控制离子注入。接着，通过CVD法在栅氧化膜的全面上，堆积300nm～600nm例如400nm的多晶硅膜。此时，在沟部20a、20b中也掩埋多晶硅膜。接着，在多晶硅膜的表面旋转涂敷光致抗蚀剂膜(以下只称作“光致抗蚀剂膜”)。然后，通过光刻技术对光致抗蚀剂进行构图(形成图案)，而后，把该光致抗蚀剂作为掩模，通过RIE法等对多晶硅膜进行蚀刻，来形成栅电极和多晶硅布线(未图示)。然后，除去光致抗蚀剂，在栅电极的表面旋转涂敷新的光致抗蚀剂。然后，使用光刻技术，在MOS晶体管的形成区形成离子注入用开口部，使多晶硅栅电极露出。然后，把露出的多晶硅栅电极和新的光致抗蚀剂作为掩模，自动对齐，以剂量10¹⁵cm^-2的量级注入砷离子(⁷⁵As⁺)。此时，在多晶硅栅电极中也注入砷离子(⁷⁵As⁺)。除去新的光致抗蚀剂后，对单晶Si层10热处理，使注入的杂质离子活性化和扩散，在单晶Si层10中的活性区中形成n型源区和n型漏区。但是，单晶Si层10中的活性区、其内部的n型源区、n型漏区、n型杂质区等省略图示。当在沟部20a、20b中掩埋多晶硅膜时，按照必要，采用背蚀刻等平坦化工艺。

(ハ)接着，如图12E所示，在元件分离绝缘膜13的表面全面形成层间绝缘膜14。在省略图示的外围电路的预定形成区域的多晶硅栅电极上也堆积层间绝缘膜14。全面形成层间绝缘膜14后，用CMP法把层间绝缘膜14的表面平坦化。如图12F所示，在层间绝缘膜14上，使用CVD法形成钝化膜15。

(ニ)接着，使用光刻技术和RIE法，有选择地蚀刻除去钝化膜15，象图12G所示那样形成构成反射型的二维衍射光栅的孔H_i1、H_i2、.....、H_i6。此时，如图12G所示，在多晶硅连接体21a、21b的周边部上方的位置形成沟22a、22b。

(ホ)接着，通过光刻技术和RIE法或ECR离子蚀刻法等，蚀刻如图12H所示沟22a、22b的周边部的层间绝缘膜14、元件分离绝缘膜13和嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12，如图12H所示，形成沟部23a、23b、23c、24d。

(ヘ)然后，如果使用单晶Si的各向异性蚀刻剂例如TMAH等的药液，对由于沟部23a、23b、23c、24d的形成而露出的支撑衬底(单晶Si)11的表面一部分进行各向异性蚀刻，如图12I所示，就形成空洞部9R，本发明实施例1的声电变换装置完成。

图13表示本发明实施例1的变形例(第一变形例)的声电变换装置的截面构造。与图2同样，在设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b上，通过弹性连接部5a、5b悬架振动板2。固定部4a、4b在支撑衬底11的上表面设置为框状，振动板2是作为扁平的空洞部9R的上部的盖子而配置的振动膜。固定部4a、4b分别由按顺序层叠在由单晶Si构成的支撑衬底11上的嵌入绝缘膜12、单晶Si层(SOI层)10、钝化膜15构成。振动板2是由单晶Si层10和钝化膜15构成的层叠构造。弹性连接部5a、5b是由单晶Si层10和钝化膜15构成的层叠构造。

使用图13所示的具有反射型衍射光栅的振动板2，用光检测由于声压而振动的振动板2的振动变位时，振动板2自身具有成像性能，所以不需要用于引导光路的要素。另外，通过光检测器3检测，能把振动板2的振动变位置换为二维平面变位。

参照图14A～图14G，说明第一变形例的声电变换装置的制造方法。须指出的是，以下描述的声电变换装置的制造方法是一个例子，当然通过包含变形例的另外的各种制造方法，能实现。

(イ)首先，如图14A所示，准备在由单晶Si构成的支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12、单晶Si层(SOI层)10的所谓的SOI衬底。接着，使用光刻技术，定义元件分离区，例如通过RIE法等技术蚀刻除去预定形成元件分离区的部分的单晶Si层10。然后，如图14B所示，作为元件分离绝缘膜16a、16b、16c、16d，通过CVD法掩埋氧化硅膜(SiO₂)，用CMP法等技术进行平坦化。通过图14B所示的平坦化步骤，在预定形成外围电路的区域中，由元件分离绝缘膜13包围，定义所谓的“活性区”(在以下的说明中，省略关于外围电路的记载)。

(ロ)接着，使用光刻技术和RIE法，有选择地蚀刻单晶Si层10，如图14C所示，形成构成反射型的二维衍射光栅的孔H_i1、H_i2、.....、H_i6。此时，孔H_i1、H_i2、.....、H_i6的底部比单晶Si层10的底部高。

(ハ)接着，如图14D所示，涂敷光致抗蚀剂32，通过曝光描画，构图，把光致抗蚀剂32作为蚀刻掩模，通过RIE法蚀刻单晶Si层10和嵌入绝缘膜12，形成沟41a、41b。

(ニ)接着，如图14E所示，通过减压CVD法形成氮化硅膜(Si₃N₄)作为钝化膜15，掩埋孔H_i1、H_i2、...、H_i6和沟41a、41b。再涂敷33，通过曝光描画，构图，把光致抗蚀剂33作为蚀刻掩模，如图14F所示，有选择地蚀刻除去钝化膜(Si₃N₄膜)15的一部分。

(ホ)接着，除去光致抗蚀剂33，使用钝化膜(Si₃N₄膜)15作为蚀刻掩模，蚀刻除去作为分离绝缘膜16a、16b、16c、16d和嵌入绝缘膜12的氧化硅膜(SiO₂膜)，如图14G所示，在振动板2的底部有选择地形成空洞部9R，本发明实施例1的变形例(第一变形例)的声电变换装置完成。

图15表示本发明实施例1的其他变形例(第二变形例)的声电变换装置的截面构造。与图2以及图13同样，在设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b上，通过弹性连接部5a、5b悬架振动板2。固定部4a、4b在支撑衬底11的上表面设置为框状，振动板2是作为船形的空洞部9R的上部的盖子而配置的振动膜。固定部4a、4b分别由按顺序层叠在由单晶Si构成的支撑衬底11上的氮化硅膜(Si₃N₄膜)17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18a、18e、钝化膜15构成。振动板2是由Si₃N₄膜17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18c、钝化膜15构成的层叠构造。弹性连接部5a、5b是由Si₃N₄膜17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18b、18d、钝化膜15构成的层叠构造。

使用图15所示的具有反射型衍射光栅的振动板2，用光检测由于声压而振动的振动板2的振动变位时，振动板2自身具有成像性能，所以不需要用于引导光路的要素。另外，通过光检测器3检测，能把振动板2的振动变位置换为二维平面变位。

参照图16A～图16I，说明第二变形例的声电变换装置的制造方法。须指出的是，以下描述的声电变换装置的制造方法是一个例子，当然通过包含该变形例的另外的各种制造方法也能实现。

(イ)首先，如图16A所示，准备在由单晶Si构成的支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12、单晶Si层10的所谓的SOI衬底。接着，使用光刻技术，定义元件分离区，例如通过RIE法等技术蚀刻除去预定形成元件分离区的部分的单晶Si层10。然后，如图16B所示，通过CVD法掩埋元件分离绝缘膜16a、16b、16c、16d，用CMP法等技术进行平坦化。通过该平坦化步骤，在预定形成外围电路的区域中，由元件分离绝缘膜包围，定义所谓的“活性区”(在以下的说明中，省略关于外围电路的记载)。使用光刻技术有选择地除去预定形成衍射光栅的区域的单晶Si层10，取得图16B所示的构造。在图16B中，图示为如同完全蚀刻除去单晶Si层10，但是在预定形成外围电路的区域中残留单晶Si层10。

(ロ)接着，使用光刻技术和RIE法，有选择地蚀刻嵌入绝缘膜12后，如图16C所示，通过CVD法形成氮化硅膜(Si₃N₄膜)17。

(ハ)接着，在Si₃N₄膜17上，通过CVD法全面堆积多晶硅层，用CMP法等技术，如图16D所示，进行平坦化，直到分离绝缘膜16a、16b、16c、16d的上表面露出。结果，在分离绝缘膜16a、16b、16c、16d之间掩埋由多晶硅层构成的嵌入Si层18a、18b、18c、18d、18e。

(ニ)接着，使用光刻技术和RIE法，有选择地蚀刻嵌入Si层18c的一部分，如图16E所示，形成构成反射型的二维衍射光栅的孔H_i1、H_i2、…、H_i6。此时，孔H_i1、H_i2、…、H_i6的底部比单晶Si层10的底部高。通过CVD法全面形成Si₃N₄膜作为钝化膜15，如图16F所示。掩埋孔H_i1、H_i2、…、H_i6。

(ホ)接着，如图16G所示，涂敷光致抗蚀剂31，通过曝光描画，构图，把致抗蚀剂31作为蚀刻掩模，通过RIE法有蚀刻除去分离绝缘膜16a、16b、16c、16d的上表面的钝化膜(Si₃N₄膜)15的一部分。

(ト)接着，除去光致抗蚀剂31，把钝化膜(Si₃N₄膜)15、Si₃N₄膜17作为掩模，蚀刻除去作为分离绝缘膜16a、16b、16c、16d和嵌入绝缘膜12的氧化硅膜(SiO₂膜)，如图16H所示，在振动板2的底部有选择地形成空洞部9R。如果使用单晶Si的各向异性蚀刻剂例如TMAH等的药液，对通过蚀刻露出的支撑衬底(单晶Si)11表面的一部分进行各向异性蚀刻，则如图16I所示，在振动板2的下方形成空洞部9R，本发明实施例1的其他变形例(第二变形例)的声电变换装置完成。

图17表示本发明实施例1的其他变形例(第三变形例)的声电变换装置的截面构造。

在由单晶Si构成的支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12、单晶Si层(SOI层)10的SOI衬底表面上设置第三变形例的声电变换装置。第三变形例的声电变换装置的固定部4a、4b包围设置在单晶Si层10的上表面上的船形的空洞部9R，设置为框状，振动板2由在空洞部9R的上部向上凸的平坦的桥构造构成。振动板2是由多晶硅层50构成的振动膜。在多晶硅层50上设置孔H_i1、H_i2、…、H_i6，构成反射型二维衍射光栅。固定部4a、4b分别由SOI衬底和其上部的钝化膜15构成。利用桥构造的多晶硅层50的端部的倾斜部构成弹性连接部5a、5b。

使用图17所示的具有反射型衍射光栅的振动板2，用光检测由于声压而振动的振动板2的振动变位时，振动板2自身具有成像性能，所以不需要用于引导光路的要素。另外，通过光检测器3检测，能把振动板2的振动变位置换为二维平面变位。

事先嵌入船形的空洞部9R的形状的牺牲氧化膜，在其上堆积多晶硅层50，设置构成二维衍射光栅的孔H_i1、H_i2、…、H_i6后，利用孔H_i1、H_i2、…、H_i6来注入蚀刻液，如果除去牺牲氧化膜，就能简单地制造图17所示的第三变形例的声电变换装置的构造。

(实施例2)

本发明实施例2的声电变换装置如图18所示，包括：具有衍射光栅，由于外力(声压)而振动的振动板2；对衍射光栅照射光的光源1；检测由衍射光栅衍射的光，变换为电信号的光检测器3。而且，与实施例1的声电变换装置的不同点在于：在振动板2上形成透射型衍射光栅。从固定部4a、4b用弹性连接部5a、5b吊着振动板2这一点与实施例1的声电变换装置同样。

在图18所示的光检测器3中，与实施例1同样，希望使用光电二极管阵列等摄象传感器。即光检测器3不检测光强的不同，通过衍射像的二维像的检测，进行二维振动板2的变位的检测。因此，光检测器3对衍射光确保足够宽的区域，从而能无遗漏地检测衍射像。

在本发明实施例2的声电变换装置中，由光源1照射的光入射到振动板2中，因为在振动板2上形成透射型的衍射光栅，所以从光源1照射的光波透射振动板2，在光检测器3的面上取得衍射像。

图18表示形成衍射光栅的振动板2由于声音的输入而振动，光检测器3上的衍射像的变位变化的样子。振动板2为静止时，即没有基于声音的输入时，通过由光源1照射的光，以图18中的粗实线和粗虚线所示的间隔在光检测器3的面上出现衍射像。如果在该状态下输入外力(声压)，则振动板2以弹性连接部5a、5b和衬底的边界为支点振动。因此，振动板2和光检测器3之间的距离f变化，光检测器3的面上的衍射像的间隔如细实线和细虚线所示，二维变化。图18中的细实线和细虚线表示伴随着振动板2的移动，衍射像的间隔变化。

在此，关于光检测器3上取得的衍射像，如果于某同次、同方位的衍射像，则在振动前后，在光检测器3上取得差分。通过检测光检测器3上的衍射像的变位，作为振动板2的振动变位输出。此时，并不局限于振动板2的静止时或振动时，检测振动板2的振动，输出。把形成衍射光栅的振动板2设计为对输入的声音的任意频率，表现平坦的特性，但是也可以是使振动板2的质量或连接固定面和振动板2的弹性连接部5a、5b的弹簧常数不同，设置多个振动板2，对输入的声音的频率，在宽阔频带中具有更高灵敏度的构造。

另外，与光检测器3或其外围电路同样，在形成衍射光栅的振动板2中，能用半导体制造工艺制造。当形成振动板2上的衍射光栅时，即在衬底上形成沟和格子时，使用半导体制造工艺是有用的，能以良好的再现性形成具有任意格子周期的衍射光栅，适合于批量生产。另外，具有各种物理特性，所以能容易变更振动板2的质量和弹簧常数。例如，对振动板2使用硅(Si)，对光源1使用波长λ＝1000nm以下的激光器，如果在格子的侧壁涂敷反射率高的物质，则入射到硅部的光吸收，只把来自格子侧壁的衍射光象光检测器3上衍射，所以能去掉向光检测器3的杂散光，提高S/N。

本发明实施例2的声电变换装置具体地说如图19所示，在设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b上，通过弹性连接部5a、5b悬架着振动板2。固定部4a、4b包围贯通支撑衬底11的空洞部9T，设置为框状，振动板2是作为空洞部9T上部的盖子而配置的振动膜。

固定部4a、4b分别由按顺序层叠在由单晶Si构成的支撑衬底11上的嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成。振动板2也是由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成的层叠构造。弹性连接部5a、5b由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14构成，在元件分离绝缘膜13的层中掩埋多晶硅连接体21a、21b。

设置在振动板2上的透射型的衍射光栅可以是图20A所示的二维衍射光栅，也可以是图20B所示的一维衍射光栅。在图20A中，表示通过在振动板2上配置成矩阵状的多个孔(通孔)H_i-1，1、…、H_i，1、H_1，2、H_1，3、…H_i+2，6构成二维衍射光栅的例子。另外，在图20B中，表示通过在振动板2上周期配置的多个沟(狭缝)G₁、G₂、G₃、…G₆构成1维衍射光栅的例子。

在图19中，贯通由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成的层叠构造，设置H_i-1，1、…H_i，1、H_i，2、H_1，3、…、H_i+2，6，构成透射型二维衍射光栅。

图21表示本发明实施例2的变形例(第一变形例)的声电变换装置的截面构造。与图19同样，在设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b上，通过弹性连接部5a、5b悬架着振动板2。固定部4a、4b在支撑衬底11的上表面设置为框状，振动板2是作为贯通支撑衬底11的空洞9T的上部的盖子而配置的振动膜。固定部4a、4b分别由按顺序层叠在由单晶Si构成的支撑衬底11上的氮化硅膜(Si₃N₄膜)17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18a、18e、钝化膜15构成。振动板2是由Si₃N₄膜17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18c和钝化膜15构成的层叠构造。弹性连接部5a、5b也是由Si₃N₄膜17、由多晶硅层构成的嵌入Si层18b、18d和钝化膜15构成的层叠构造。在图21中，贯通由Si₃N₄膜17、嵌入Si层18c和钝化膜15构成的层叠构造，设置通孔H_i-1，1、…、H_i，1、H_1，2、H_1，3、…、H_i+2，6，构成透射型的二维衍射光栅。在通孔H_i-1，1、…、H_i，1、H_1，2、H_1，3、…、H_i+2，6的内壁也堆积钝化膜15。

使用图21所示的具有透射型衍射光栅的振动板2，用光检测由于外力(声压)而振动的振动板2的振动变位时，振动板2自身具有成像性能，所以不需要用于引导光路的要素。另外，通过光检测器3检测，能把振动板2的振动变位置换为二维平面变位。

图22表示本发明实施例2的其他变形例(第二变形例)的声电变换装置的截面构造。在由单晶Si构成的支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜(SOI氧化膜)12、单晶Si层(SOI层)10的SOI衬底表面上设置第二变形例的声电变换装置。第二变形例的声电变换装置的固定部4a、4b包围贯通SOI衬底的空洞部9T，设置为框状，振动板2由在空洞部9T的上部向上凸的平坦的桥构造构成。振动板2是由多晶硅层50构成的振动膜。在多晶硅层50上设置孔H_i1、H_i2、…、H_i6，构成透射型二维衍射光栅。固定部4a、4b分别由SOI衬底和其上部的钝化膜15构成。利用桥构造的多晶硅层50的端部的倾斜部构成弹性连接部5a、5b。

使用图22所示的具有透射型衍射光栅的振动板2，用光检测由于外力(声压)而振动的振动板2的振动变位时，振动板2自身具有成像性能，所以不需要用于引导光路的要素。另外，通过光检测器3检测，能把振动板2的振动变位置换为二维平面变位。

(实施例3)

本发明实施例3的声电变换装置如图23所示，包括：通过机械振动而振动的振动板2；对振动板2，用重复信号驱动，照射强度呈周期性变化的光的调制光照射电路201；检测经由振动板2的光，并且把周期的重复信号作为同步信号解调，进行机械振动的频率分析的解调电路202。“重复信号”并不局限于三角波或矩形波，即使是任意的波形，只要周期地表现重复变化，就可以，但是在此为了简单化，说明强度x_in(t)以以下的表达式(7)表示的正弦波变化的情形。

即在实施例3的声电变换装置中，具有：照射以以下的表达式(7)表示的正弦波变化的光的调制光照射电路201；检测经由振动板2的光，并且把与表达式(7)相同的正弦波作为同步信号，解调(同步检测)，进行机械振动的频率分析的解调电路202。

x_in(t)＝sin(ω_0At+φ)                    ...(7)

调制光照射电路201具有：对振动板2照射光的光源1；把光源1的输出调制为光强x_in(t)按表达式(7)的正弦波变化的光调制器242。光源1如果是半导体激光器或发光二极管(LED)等半导体发光元件，则光调制器242用表达式(7)的正弦波把这些半导体发光元件的驱动电流调制。

另外，解调电路202具有：检测经由振动板2的光，变换为电信号的光检测器3；把电信号放大的放大器232；把表达式(7)的正弦波作为同步信号，把由放大器232放大的电信号解调，取得振动板2的振动的振幅和相位信息，进行机械振动的频率分析的解调器233。在调制器242和解调器233上连接供给作为同步信号的频率ω_0A的正弦波信号的振荡器241。也可以把放大器232和解调器233一起，采用同步放大器的结构，进行同步检测。

在现有光麦克风中，为了在光学上测定振动变位，使具有一定强度的光入射振动板，但是在发明实施例的声电变换装置中，使表达式(7)所示的频率ω₀的正弦波强度变化的光入射振动板2。因此，在来自振动板2的反射光中，不包含基本频率ω_0A＝2πf_0A和它的高次谐波成分以外，所以能容易地分析振动板2的振动频率。须指出的是，基本频率ω_0A如图23所示，通过在输入一侧加上反馈，能把输出的一部分合入振动板2的共振频率f₀中。通过输入一侧加上反馈，能进行灵敏度的调整、动态范围的扩大、SN比的提高。

以分时，使用具有彼此不同的频率ω_0A的多个正弦波，进行同步检测，或一边以一定周期扫描正弦波的频率ω_0A，进行同步检测，从而能鉴别输入声波的频率。为了以分时产生具有彼此不同的频率ω_0A的多个正弦波，在图23中，可以准备多个振荡器241，具有以分时控制多个振荡器241的控制装置。当一边以一定周期扫描正弦波的频率ω_0A，进行同步检测时，可以把图23的振荡器241作为扫描振荡器。

例如，振动板2由于人的声音的声压(外力)而变动。如果人的声道为单一发声管，声速为c，发声管的长度为l，则发声管的共鸣频率由

f_n＝(2n-1)c/41                         …(8)

提供。认为声音由基本频率f₀和它的高次谐波f₁、f₂、f₃、…、f_n…构成，所以振动板的振幅能由表达式(9)表现。

根据音源滤波器理论，发声的输出频谱P(f)能用喉头音源频谱U(f)、声道的传达函数T(f)、放射特性R(f)的积表示

p(f)＝U(f)T(f)R(f)                …(10)

(参照海文堂出版，雷·D·肯特和查尔斯·里德著，荒井隆行和菅原勉监译，“声音的分析”)。如果U(f)、R(f)的项一定，例如通过把多个特性不同的滤波器并联的滤波器组那样的模拟滤波器或数字滤波器，求出T(f)，就能进行声音分析。为了这样取得的波形的频率分析，以往通过FFT(高速傅里叶变换)，进行傅里叶展开(FourierTransform)，进行频谱分析。例如通过以下表达式进行傅里叶变换：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt}.....\left(10\right)$

这是模拟处理，在数字处理中，使用DFT(Discrete FourierTransform离散傅里叶变换)：

$X_i=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k{e}^{\mathrm{jk}\frac{2\mathrm{\π}}{n}i}......\left(11\right)$

或DCT(Discrete Cosine Transform离散余弦变换)：

$X_i=\sqrt{\frac{2}{N}}{C}_i\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \frac{2(k+1)\mathrm{i\π}}{2N}.....\left(12\right)$

或它的变形MDCT(Modified Discrete Cosine Transform变形离散余弦变换)：

$X_i=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \frac{(2k+1+N)(2i+1)\mathrm{\π}}{4N}.....\left(13\right)$

进行频率分析。此时，如果不去掉高频成分，则由于折叠噪声(伴随着离散化的高频噪声)，无法取得正确的频谱。在本发明实施例3的声电变换装置中，不进行使用这样的FFT的复杂处理，通过对振动板2照射频率ω₀的正弦波的光，把它解调(同步检测)，对于声音信号的输入，简便取得每个频率的振动板2的振幅和相位信息。

本发明实施例3的声电变换装置的振动板2如图24所示，可以具有反射型的衍射光栅。在图24中，在图23所示的声电变换装置内详细表示：由于声压(外力)而振动的振动板2；对衍射光栅照射光的光源1；检测由衍射光栅衍射的光，变换为电信号的光检测器3。在图24所示的光检测器3中，希望使用光电二极管阵列等的摄象传感器。即光检测器3不检测光强的不同，通过衍射像的二维像的检测，进行二维振动板2的变位的检测。因此，光检测器(光电二极管阵列)31对衍射光确保足够宽的区域，从而能无遗漏地检测衍射像。

在使用具有反射型衍射光栅的振动板2的声电变换装置中，如果由光源1照射的光如果入射到振动板2中，由光源1照射的光波由衍射光栅反射，在光检测器3的面上取得衍射像。即用光检测器3在光学上检测具有反射型衍射光栅的振动板2的变位，把它变换为电信号。

因此，振动板2从固定部4a、4b由弹性连接部5a、5b吊着。具体的构造与实施例1中说明的图2同样，所以省略重复的说明。另外，设置在振动板2上的反射型衍射光栅可以是图3A所示的二维衍射光栅，也可以是图3B所示的1维衍射光栅。

在图24所示的状态下，如果对具有图2所示构造的衍射光栅的振动板2输入声压(外力)，则振动板2以弹性连接部5a、5b和固定部4a、4b的边界为支点振动。在图24中，以粗实线和粗虚线表示振动板2变位前的衍射像。振动板2在静止时，即没有基于声音的输入时，通过从光源1照射的光，以图24中的粗实线和粗虚线表示的间隔，衍射像出现在光检测器3的面上。

如果存在声音的输入，振动板2和光检测器3间的距离变化，则光检测器3的面上的衍射像间隔如细实线和细虚线所示，二维变化。图24中的细实线和细虚线表示伴随着振动板2的振动，衍射像的间隔变化。

如果注目于某同次、同方位的衍射像，则在光检测器3上取得的衍射像在光检测器3上取得差分。通过检测光检测器3上的衍射像的变位，作为振动板2的振动变位输出。

根据本发明实施例3的声电变换装置，使用通过衍射光栅自己成像的衍射光，从而没必要设置现有光麦克风中必要的用于限制来自振动板2的反射光的透镜、用于把光波向任意方向引导的光纤或光导等波导。因为利用光波的衍射效应，所以不通过透镜，也能自己成像，所以在光检测器3的表面能聚焦，能以高分辨率检测。另外，关于对振动板2入射的入射光的光路，制约也大幅度减少。

因为减少入反射光对振动板2的光学制约，所以根据本发明实施例3的声电变换装置，能构成简单的系统，能实现小型化，应用范围变宽。根据本发明实施例3的声电变换装置，通过对光检测器3使用光电二极管阵列，在象素上，与检测同时进行数字变换。因此，A/D转换器变为不要，响应速度提高，能减小电路规模。在图24所示的反射型衍射光栅中，能用同一衬底形成光源1、光检测器3的电源、驱动电路、处理电路。与光检测器3或其外围电路同样，能用半导体制造工艺制造形成衍射光栅的振动板2。结果，能减少本发明实施例3的声电变换装置的制造成本。

从图2能容易地理解，在形成振动板2的衍射光栅时，即在衬底上形成沟和格子时，使用半导体制造工艺是有用的。通过使用半导体制造工艺，能以良好的再现性形成具有任意格子周期的衍射光栅，适合于批量生产。另外，作为支撑衬底11而使用半导体衬底具有各种物理特性，所以能容易变更振动板2的质量和弹簧常数。例如，对振动板2使用硅(Si)，对光源1使用波长λ＝1000nm以下的激光器，如果在格子的侧壁涂敷反射率高的物质，则入射到硅部的光吸收，只把来自格子侧壁的衍射光象光检测器3上衍射，所以能去掉向光检测器3的杂散光，提高S/N。

图26表示本发明实施例3的声电变换装置的安装构造的一例。如图26B所示，彼此层叠：包含具有衍射光栅并且通过从下方入射的声波Φ的声压(外力)而振动的振动板2的半导体衬底81；具有对衍射光栅照射光的面发光型半导体激光器(光源)43、检测由衍射光栅衍射的光并且变换为电信号的光电二极管(光检测器)31的安装衬底55。半导体衬底81和安装衬底55隔着玻璃衬底(透明衬底)53贴在一起。结果，用安装衬底55、该安装衬底55之下的玻璃衬底(透明衬底)53、配置在玻璃衬底(透明衬底)53之下的半导体衬底81构成的3层构造，构成本发明实施例3的声电变换装置的一部分，把声压(外力)引起的振动板2的变位变换为电信号。3层构造例如通过热熔敷或接合剂成为一体。

图26A是表示安装衬底55的背面的结构的平面图。搭载在光源用凹部155上的光源1如图26A所示，光源1上的焊盘和布线152c、152d通过引线162c、162d连接(须指出的是，当光源1的背面变为一方的电极时，可以把布线152d引导到光源1的背面，用引线162c连接光源1上的焊盘和布线152c)。而且，通过形成在安装衬底55的表面上的布线152c、152d，光源1上的焊盘分别与焊盘(电极焊盘)151c、151d电连接。焊盘(电极焊盘)151c、151d连接在图26中省略图示的光调制器242上(参照图23)。

同样，搭载在光检测用凹部156上的光检测器3上的焊盘通过引线162a、162b与布线152a、152b连接(须指出的是，当光检测器3的背面变为一方的电极时，例如可以把布线152b引导到光检测器3的背面，用引线162a连接光检测器3上的焊盘和布线152a)。而且，光检测器3的焊盘如图26A所示，通过形成在安装衬底55表面上的布线152a、152b，分别与焊盘(电极焊盘)151a、151b导通。焊盘(电极焊盘)151a、151b与图26中省略图示的放大器232连接(参照图23)。

正如参照图26B能理解的那样，在玻璃衬底(透明衬底)53的两端附近，焊盘151a～151d的一部分露出，所以光源1的驱动用布线和来自光检测器3的信号取出布线的电连接成为可能。

作为安装衬底55的材料，能使用有机类的各种合成树脂、陶瓷、玻璃、半导体等无机类材料。作为有机类的合成树脂，能使用酚树脂、聚脂树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、氟类树脂，成为板状时的芯的基体材料能使用纸、玻璃布、玻璃基体材料等。作为无机类基体材料，一般是陶瓷或半导体。另外，当作为提高散热特性的材料，需要金属衬底、透明衬底时，使用玻璃。作为陶瓷衬底的材料，能使用氧化铝(Al₂O₃)、多铝红柱石(3Al₂O₃·2SiO₂)、氧化铍(BeO)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiC)等。也可以是在铁、铜等金属上层叠耐热性高的聚酰亚胺类树脂板，多层化而成的金属底的衬底(金属绝缘衬底)。在这些材料中，如果对安装衬底55使用半导体衬底，就能用与半导体集成电路的制造步骤同样的光刻技术和蚀刻技术，简单制造光源用凹部155和光检测器用凹部156。

半导体衬底81可以象图26A、B中那样，是单层的半导体衬底，但是也可以是SOI衬底等复合膜。

如图26A所示，在半导体振动膜(振动板)2上，如图20A所示，把一定深度的多个孔(凹部)H_i-1，1、…、H_i，1、H_1，2、H_1，3、…、H_i+2，6配置为矩阵状，构成二维衍射光栅。形成这样的周期性图案(二维衍射光栅)的半导体振动膜(振动板)2通过弹性梁115a、115b固定在半导体衬底81上设置的底部空洞部57的侧壁上。在图26A中，如双点划线所示，如果作为平面图案观察，则在半导体衬底上，以矩形框状设置底部空洞部57。而且，如图26A所示，在底部空洞部57的内部把振动板2配置为矩形振动膜状。在图26A中，弹性梁115a、115b也由双点划线表示。

半导体激光器(光源)1的光束如图26A和26B所示，透射(透明衬底)53后，由半导体振动膜(振动板)21的衍射光栅衍射，再透过玻璃衬底(透明衬底)53，由光电二极管(光检测器)3检测。

本发明实施例3的声电变换装置能采用把安装衬底55、玻璃衬底(透明衬底)53、半导体衬底81，都以60μm～600μm左右的薄膜，希望以100μm～300μm左右的薄膜，三层贴在一起的构造，适合于小型化、薄型化。根据本发明实施例3，能把振动板的微小的振动变位作为反射光强的大的差分观察，能以低成本实现使用范围的限制少的声电变换装置。因此，能提供具有高指向性，稳定性优异，小型薄型，具有耐环境性，并且制造成品率高的声电变换装置。

准备把共振频率f₀不同的多个振动板2排列为阵列的半导体衬底81，分别准备多个光源1和光检测器3，从而具有对多个振动板2照射光的面发光型半导体激光器(光源1)、检测由多个振动板2衍射的光并且变换为电信号的光电二极管(光检测器)3，如果从各光源1照射不同的正弦波的频率ω_0A，用对应的正弦波的频率ω_0A分别作为同步信号，解调(同步放大)，就能同时分析不同的频率。

而且，在一定时候，在本发明实施例3的声电变换装置中，也能省略图26B所示的透明衬底53。例如，如图27所示，也可以是把集成了振荡器241、光调制器242、面发光型半导体激光器(光源)1、光电二极管(光检测器)3、放大器232、解调器233的第二半导体衬底18作为安装衬底，用直接接合法与形成半导体振动膜(振动板)21的第一半导体衬底81接合的2层构造。在图27A中，使用形成在由化合物半导体构成的第二半导体衬底58上的外延生长层59，形成光源1和光检测器3，用绝缘膜或基于质子(H⁺)照射的高电阻区构成的元件分离区181，把光源1和光检测器3之间电分离。如果考虑薄的半导体振动膜(振动板)2的机械强度，则希望第一半导体衬底81是硅(Si)，但是也可以是化合物半导体衬底。面发光型半导体激光器(光源)1、光电二极管(光检测器)3的距离能用光刻技术设计，所以容易微细化，是小型化、薄型化优异的构造。光源1可以由图27B所示的具有n一侧黑反射膜191、n侧包层192、活性层193、p侧包层194、p侧反射膜195和p侧电极182的面发光型半导体激光器构成。作为光检测器3，如果把图27B所示的面发光型半导体激光器作为光电二极管使用，变为使用与面发光型半导体激光器的禁带宽相同的光电二极管，能实现不受由于波长的共鸣效应而产生的噪声或散乱光的影响的灵敏度极好的声电变换装置。

在图27A、B所示的构造中，准备把共振频率f₀不同的多个振动板2排列为矩阵状或阵列的半导体衬底81，构成振荡器241、光调制器242、光源1，从而对多个振动板2照射光，并且构成光检测器3、放大器232、解调器233，从而分别把由多个振动板2衍射的光解调(同步检测)，从各光源1照射不同的正弦波的频率ω_0A，分别用对应的正弦波的频率ω_0A同步检测，就能同时分析不同的频率。

根据本发明实施例3的声电变换装置和振动分析方法，即使不使用FFT等复杂的方法，也能直接进行数字化和分析频率。

(实施例4)

本发明实施例4的声电变换装置如图28所示，与实施例3的声电变换装置的不同点在于：包含具有透射型衍射光栅并且由于机械振动而振动的振动板2。即包括：具有透射型衍射光栅的振动板2；对该振动板2，照射强度x_in(t)以正弦波变化的光的调制光照射电路201；透射振动板2，检测衍射的光，并且以正弦波的频率ω_0A解调(同步检测)，进行机械振动的频率分析的解调电路202。须指出的是，如实施例3的声电变换装置所述，一般，调制光照射电路201使用重复信号，照射强度呈周期性变化的光，解调电路202把重复信号作为同步信号使用，解调。即“重复信号”并不局限于三角波或矩形波，即使是任意的波形，只要周期地表现重复变化，就可以，但是在实施例4中，为了简化，说明强度x_in(t)以以下的表达式(7)表示的正弦波变化的情形。

振动板2从固定部4a、4b由弹性连接部5a、5b吊着这一点与图24所示的声电变换装置同样。调制光照射电路201与实施例3同样，具有：对振动板2照射光的光源1；把光源1的输出调制为光强x_in(t)按正弦波变化的光调制器242。光源1如果是半导体激光器或发光二极管(LED)等半导体发光元件，则光调制器242用表达式(7)的正弦波把这些半导体发光元件的驱动电流调制。解调电路202具有：检测透过振动板2，衍射的光，变换为电信号的光检测器(光电二极管阵列)3；把电信号放大的放大器232；把表达式(7)的正弦波作为同步信号，把由放大器232放大的电信号解调(同步检测)，取得振动板2的振动的振幅和相位信息，进行机械振动的频率分析的解调器233。在调制器242和解调器233上连接供给频率ω_0A的正弦波信号的振荡器241。

在图28所示的光检测器3中，希望与图24所示的声电变换装置同样，使用光电二极管阵列等摄象传感器。即光检测器3不检测光强的不同，通过衍射像的二维像的检测，进行二维振动板2的变位的检测。因此，光检测器3对衍射光确保足够宽的区域，从而能无遗漏地检测衍射像。

在图28所示的实施例4的声电变换装置中，由光源1照射的光入射到振动板2中，因为在振动板2上形成有透射型的衍射光栅，所以从光源1照射的光波透射振动板2，在光检测器3的面上取得衍射像。图28表示形成衍射光栅的振动板2由于声音的输入而振动，光检测器3上的衍射像的变位变化的样子。振动板2为静止时，即没有基于声音的输入时，通过由光源1照射的光，以图28中的粗实线和粗虚线所示的间隔在光检测器3的面上出现衍射像。如果在该状态下输入外力(声压)，则振动板2以弹性连接部5a、5b和衬底的边界为支点振动。因此，振动板2和光检测器3之间的距离变化，光检测器3的面上的衍射像的间隔如细实线和细虚线所示，二维变化。图28中的细实线和细虚线表示伴随着振动板2的移动，衍射像的间隔变化。

在此，如果注目于某同次、同方位的衍射像，则在光检测器3上取得的衍射像在光检测器3上取得差分。通过检测光检测器3上的衍射像的变位，作为振动板2的振动变位输出。此时，并不局限于振动板2的静止时或振动时，检测振动板2的振动，输出。把形成衍射光栅的振动板2设计为对输入的声音的任意频率，表现平坦的特性，但是也可以是使振动板2的质量或连接固定面和振动板2的弹性连接部5a、5b的弹簧常数不同，设置多个振动板2，对输入的声音的频率，在宽阔频带中具有更高灵敏度的构造。

另外，与光检测器3或其外围电路同样，在形成衍射光栅的振动板2中，能用半导体制造工艺制造。当形成振动板2上的衍射光栅时，即在衬底上形成沟和格子时，使用半导体制造工艺是有用的，能以良好的再现性形成具有任意格子周期的衍射光栅，适合于批量生产。另外，具有各种物理特性，所以能容易变更振动板2的质量和弹簧常数。例如，对振动板2使用硅(Si)，对光源1使用波长λ＝1000nm以下的激光器，如果在格子的侧壁涂敷反射率高的物质，则入射到硅部的光吸收，只把来自格子侧壁的衍射光象光检测器3上衍射，所以能去掉向光检测器3的杂散光，提高S/N。

根据本发明实施例4的声电变换装置和振动分析方法，与实施例3同样，即使不使用FFT等复杂的方法，也能直接进行数字化和分析频率。

实施例4的声电变换装置和振动分析方法与实施例3同样，以分时，使用具有彼此不同的频率ω_0A的多个正弦波，进行同步检测，或一边以一定周期扫描正弦波的频率ω_0A，一边进行同步检测，能鉴别输入声波的频率。

(实施例5)

在实施例3和4的声电变换装置中，描述以分时，使用具有彼此不同的频率ω_0A的多个正弦波，进行同步检测，或一边以一定周期扫描正弦波的频率ω_0A，一边进行同步检测，能鉴别输入声波的频率，但是扫描频率ω_0A变为频率调制。

即在本发明实施例3和4的声电变换装置中，说明用表达式(7)所示的一定频率ω_0A的正弦波把光调制，同步检测(解调)它。在本发明实施例5的声电变换装置中，说明作为调制指数δ，不是表达式(7)，如以下的表达式(15)所示，用角频率ωs的调制信号sinωst进行频率调制时的情形。

x_in(t)＝sin(ω_0At+δsinωst+φ)        …(15)

图25B表示用信号薄的角频率ωs调制载波的角频率ω_0A的入射光。图25A表示入射声波的振动。表示通过用角频率ωs的调制信号sinωst进行频率调制，合入输入声波的振动中，进行频率分析。

因此，在实施例5的声电变换装置中，如图29所示，具有：通过机械振动而振动的振动板2；对该振动板2照射强度x_in(t)以表达式(15)所示的调频的正弦波变化的光的调制光照射电路201；检测经由振动板2的光，并且用表达式(15)的调制信号sinωst解调，进行机械振动的频率分析的解调电路202。在调制光照射电路201和解调电路202上连接供给调制信号sinωst的局部振荡器247。在调制光照射电路201上连接角频率ω_0A的载波的振荡器46。

调制光照射电路201具有：对振动板2照射光的光源1；把光源1的输出调制为光强x_in(t)按表达式(15)的正弦波变化的光调制器242。光调制器242如图30所示，由混频器421和运算放大器422构成。在运算放大器422的输出端子和倒相端子(-端子)之间连接光源1，在运算放大器422的非倒相端子(+端子)上连接混频器421的输出。通过混频器421把来自振荡器46的载波和来自局部振荡器247的调制信号sinωst混合，生成表达式(15)所示的调频的正弦波。如果光源1是半导体激光器或发光二极管(LED)等半导体发光元件，则光调制器242用表达式(15)的经调频的正弦波来对这些半导体发光元件的驱动电流进行调制。

而且，解调电路202具有：检测经由振动板2的光，变换为电信号的光检测器3；把电信号放大的放大器232；用表达式(15)的调制信号sinωst把由放大器232放大的电信号解调，取得振动板2的振动振幅和相位信息，进行机械振动的频率分析的解调器233。放大器232由运算放大器321构成，光检测器3的输出通过输入电阻R1输入到运算放大器321的倒相端子(-端子)。在运算放大器321的输出端子和倒相端子(-端子)之间连接反馈电阻R2。解调器233如图30所示，由混频器331、带通滤波器(BPF)332和放大器333构成。在混频器331上输入来自运算放大器321的输出端子的调制的正弦波、来自局部振荡器247的调制信号sinωst，由混频器331混合。据此，在混频器331中，抽出载波的正弦波和局部振荡器247输出的调制信号sinωst的差的频率的信号。差的频率的信号通过带通滤波器(BPF)332后，由放大器333放大。

根据本发明实施例5的声电变换装置和振动分析方法，与实施例3以及4同样，即使不是用FFT等复杂的方法，也能直接进行数字化和分析频率。

(实施例6)

实施例6的声电变换装置的特征在于：在振动板上形成导电层。在实施例6中，通过由声电变换装置和信号处理部构成的声电变换装置，在振动板和制成它的支撑衬底之间外加与相当于振动板的变位的声音信号相应的电压。

图31是具有实施例6的声电变换装置的声电变换装置的概略图。在图31中，声电变换装置由声电变换部60和信号处理部603构成，声电变换部60由机械振动部601和光学测定系统602构成。机械振动部601具有：支撑衬底11，设置在支撑衬底11上的固定部4a、4b；由于声压而振动的振动板2；分别连接振动板2和固定部4a、4b的弹性连接部5a、5b。在振动板2和支撑衬底11之间形成空洞9，振动板2的下表面与支撑衬底11的上表面相对。即振动板2由弹性连接部5a、5b悬架，通过接收声波，能在作为振动板2的厚度方向定义的上下方向振动。

另外，在振动板2上形成导电层65。希望导电层65形成在靠近振动板2的下表面的位置。在振动板2的上表面设置衍射光栅。

支撑衬底11是导电性的衬底，能使用半导体集成电路的形成中使用的通用的硅衬底。能使用形成半导体集成电路的技术形成固定部4a、4b、振动板2、弹性连接部5a、5b、空洞9。即使用形成半导体集成电路的材料，通过众所周知的成膜步骤、光刻技术和蚀刻技术，制作机械的振动部601。须指出的是，导电层65和支撑衬底11通过分别连接的布线，与机械的振动部601的外围电路电连接。须指出的是，如果支撑衬底11在其内部或表面具有导电性的层，其自身可以不表现导电性。此时，该导电性的层与外围电路连接。

光学测定系统602具有光源1和光检测器3。光源1是高指向性的发光元件，希望是半导体激光器。光源1配置在能从斜上方照射振动板2的上表面，希望是该上表面的中央附近的位置。从光源1照射的光hv由振动板2上表面反射。光检测器3配置在能接收该反射光的位置，例如是分割为2的光电探测器或摄象传感器。

振动板2如上所述，由于声压而振动，其上下位值变动。据此，按照其变动，到达振动板2的上表面的光的位置也在上表面的面内变动。另外，反射光的光路也变动。把反射光的光路的变动在光检测器3中作为光的强度分布变化检测，作为检测信号从光检测器3输出。

从光检测器3素出的检测信号输入到声电变换部60的外部的信号处理部603。信号处理部603具有信号处理电路61，信号处理电路61把检测信号变换为声音信号。另外，信号处理部603具有电压控制器振荡器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)62，根据从信号处理电路61输出的控制信号，输出在给定的偏压V_b上重叠任意频率的信号的驱动电压V_p。该驱动电压V_p外加在振动板2上形成的导电层65和支撑衬底11之间。通过该驱动电压V_p，在导电层65和支撑衬底11之间产生静电力，把导电层65向支撑衬底11拉。结果，具有导电层65的振动板2按照重叠在驱动电压V_p上的频率振动。换言之，由于声压被动振动的振动板2能以与该振动频率对应的频率主动振动。

当导电层65形成在振动板2的下表面上时，把振动板2拉向支撑衬底11的阈值电压V_th由以下表达式表示。

V_th＝(8kd³/27A_εε0)                   ……(16)

在此，d表示振动板2的下表面和支撑衬底11的上表面之间的距离，k表示振动板2的弹簧常数，A表示振动板2的下表面的面积。ε₀＝8.854×10^-12(N/m)，ε是空气的介电常数，为1。此时，振动板2和支撑衬底11之间产生的静电力由以下表达式表示。

F_e＝A_εε0V²/2d²                     …(17)

据此，外加在振动板2和支撑衬底11之间的偏压V_b有必要是由所述表达式(16)表示的阈值电压V_th以上。图32A～图32C是说明声压引起的被动的振动板2振动、驱动电压V_p的外加引起的主动的振动板2振动的关系的图。图32A表示振动板2受到的音压的例子，图32B表示根据检测声压引起的振动板2振动的结果(即检测信号)，生成的的驱动电压V_p的例子。图32B所示的驱动电压V_p是在偏压V_b上重叠与从检测信号取得的声音信号相同的频率成分的信号。构成驱动电压V_p的频率成分中，振幅与声音信号同样变动。

通过在导电层65和支撑衬底11之间外加图32B所示的驱动电压V_p，振动板2象图32B所示的波形那样主动振动。振动板2除了主动振动，由于声压，也振动。振动板2根据图32B所示的波形主动振动时，如果振动板2再度受到具有图32A所示的频率成分的声波，则具有该频率成分的振动增强。增强的振动通过光检测器3和信号处理电路61，作为放大的声音信号处理。即使不设置放大电路，通过声电变换部60和信号处理部603，也能发现声音信号的放大功能。在图32B中，因为按照声压，去驱动信号电压V_p的振幅变动，所以大的声压作为更大的声音信号放大。

图32C表示检测由于图32A所示的声压，振动板2的振动的结果(即检测信号)而生成的驱动电压V_p的其他例子。图32C所示的驱动电压V_p具有与图32A所示的声压同样的频率成分，但是振幅一定。因此，如果在导电层65和支撑衬底11之间外加驱动电压V_p，则能一定的放大率把具有图32A所示的频率成分的声压放大。

在振动板2的振动相位和声压的相位一致时，实现上述的放大。相反，当振动板2的振动相位和声压的相位相反时，主动的振动板2的振动与声压抵消，灵敏度下降。充分利用该特性，能进侧声压的相位信息。声压的相位依存于声电变换部60和音源之间的距离，所以从声电变换部60的左右受到声波时与从声电变换部60的上方受到声波时存在相位差。通过利用上述的功能，检测1波长左右的相位差，能确定音源的位置。在各种音源混合存在的声场中，确定应该抽出的音源的位置在声音识别技术中实现有用的功能。

下面，说明机械振动部601的具体构造。图33是声波感知元件的剖视图。在图33中，机械振动部601具有在支撑衬底11之上依次层叠嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、导电层131₁、131₂、...、131₉、钝化膜15的多层构造。支撑衬底11由单晶硅形成，嵌入绝缘膜12由SOI(Silicon On Insulator)氧化膜形成，元件分离绝缘膜13由TEOS(Tetraethoxyorthosilicate)氧化膜形成。另外，层间绝缘膜14由氧化硅膜形成，导电层131₁、131₂、...、131₉由铝形成，钝化膜15由氮化膜形成。

在支撑衬底11上形成空洞部9R。所述多层构造内，是空洞部9R的周边，并且通过位于支撑衬底11的上表面的部分构成固定部4a、4b。具体地说，固定部4a、4b由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、钝化膜15构成。

由所述多层构造内位于空洞部9R的中央上方的部分构成振动板2。具体地说，固定部4a、4b由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14、导电层131₁、131₂、…、131₉、钝化膜15构成。构成振动板2的钝化膜15构成图34A和图34B所示的衍射光栅。导电层131₁、131₂、…、131₉配置在衍射光栅的内部。

由所述多层构造内位于空洞部9R的侧面上方的部分构成弹性连接部5a、5b。具体地说，弹性连接部5a、5b由嵌入绝缘膜12、元件分离绝缘膜13、层间绝缘膜14构成。另外，在构成弹性连接部5a、5b的元件分离绝缘膜13的内部分别形成多晶硅连接体21a、21b。弹性连接部5a、5b为了在空洞部9R上悬架振动板2，把振动板2连接在固定部4a、4b上。

在固定部4a和弹性连接部5a之间、弹性连接部5a和振动板2之间、弹性连接部5b和振动板2之间、固定部4b和弹性连接部5b之间分别形成从上面贯通空洞部9R的孔TH1、TH2、TH3、TH4。这些孔作为形成空洞部9R的蚀刻剂投入路起作用。

图34A和图34B是表示衍射光栅的例子的图。图34A是表示把衍射光栅作为二维光栅而形成的例子的鸟瞰图，图34B是表示把衍射光栅作为一维光栅而形成的例子的鸟瞰图。如图34A所示，当衍射光栅为二维光栅时，导电层131₁、131₂、…、131₉也形成二维格子状。如图34B所示，当衍射光栅由多个一维光栅130a～130g形成时，导电层131₁、131₂、…、131₉也象一维光栅那样，形成多个直线。从光源1照射的光如果入射导振动板2上的衍射光栅，则变为衍射光，在光检测器3上自己成像。即通过设置衍射光栅，在光学测定系统602中，不需要把从光源1照射的光或从振动板2反射的光向任意方向引导的透镜、光纤、光导等光学元件。

图35是图33所示的机械振动部601的平面图。在图35中，沿着XXXV-XXXV线的剖视图相当于图33。振动板2通过两个弯曲形状的弹性连接部5a、5b悬架在固定部4a、4b上。另外，导电层131的一部分构图在弹性连接部5a上，从而与设置在固定部4a上的连接端子140电连接。该连接端子140连接在电压控制振荡器62上。

下面，说明图33所示的声电变换装置的制造方法。

(a)以与实施例1中说明的图12A到图12E同样的步骤，首先有选择地除去在支撑衬底11上依次层叠嵌入绝缘膜12和单晶硅层(SOI层)10的SOI衬底的单晶硅层10，在其上的嵌入绝缘膜12中掩埋多晶硅连接体21a、21b。图36A与图12E对应，表示在掩埋了多晶硅连接体21a、21b的嵌入绝缘膜12上形成层间绝缘膜14，表面平坦化的状态。

(b)接着，如图36B所示，通过溅射等众所周知的成膜步骤，在层间绝缘膜14上形成成为导电层131₁、131₂、…、131₉的金属材料层71。然后，通过光刻技术和蚀刻技术，如图36C所示，构图。据此，以和衍射光栅相同的间隔，取得几乎同样形状的导电层131₁、131₂、…、131₉。

(c)接着，在层间绝缘膜14上和导电层131₁、131₂、…、131₉上用CVD法等成膜方法堆积钝化膜15。然后，通过光刻技术、蚀刻技术，如图36D所示，对钝化膜15构图。通过钝化膜15的构图，取得固定部4a、4b的一部分和衍射光栅。

(d)通过光刻技术和RIE法或ECR(Electron CircularResonance)离子蚀刻等蚀刻技术，如图36E所示，形成贯通层间绝缘膜14、元件分离绝缘膜13、嵌入绝缘膜12的孔TH1～TH4。换言之，形成贯通振动板2的孔TH1～TH4。

(e)最后，为了对支撑衬底11进行各向异性蚀刻，向孔TH1～TH4投入TMAH(tetramethyammonium hydroxide)等蚀刻剂。据此，如图36F所示，在支撑衬底11上形成空洞部9R。空洞部9R可以由使用二氟化氙(KeF₂)的干蚀刻形成。通过以上的步骤，取得图33所示的声电变换装置。

须指出的是，在图36E所示的步骤中，在衍射光栅的格子间，形成贯通层间绝缘膜14、元件分离绝缘膜13、嵌入绝缘膜12的孔，从这些孔投入蚀刻剂。图37是由该步骤取得的声电变换装置的剖视图。在图37所示的声电变换装置中，在衍射光栅的格子间形成孔H_i1、H_i2、…、H_i8。这样，通过增加蚀刻剂的投入路，能用更短的时间形成空洞部9R。

如上所述，实施例6的声电变换装置60在振动板2上形成导电层65。据此，通过在具有声电变换部60的声电变换装置中，在声电变换部60的导电层65和导电性的支撑衬底11之间外加给定的电压，能使振动板2主动振动。在实施例6中，根据光检测的振动板2的振动周期，生成给定的电压。据此，不使用放大电路，也能使声音信号放大，能减少用于声音信号的对信号处理系统的负载。

(实施例7)

实施例7的声电变换装置的特征在于：具有：实施例6的声电变换部60、信号处理电路、在声电变换部60的振动板2和支撑它的支撑衬底之间外加给定频率的电压的振动板驱动部302。

图38是实施例7的声电变换装置的概略图。须指出的是，在图38中，对与图31公共的部分付与相同的符号。图38所示的声电变换装置具有：机械振动部601、光学测定系统602、把从光学测定系统602输出的检测信号变换为声音信号的信号处理电路61、在机械振动部601的振动板2和支撑它的支撑衬底11之间外加给定的驱动电压的振动板驱动部302。

即实施例7的声电变换装置中，连接在声电变换部60上的外围电路即信号处理电路61和振动板驱动部302与图31所示的声电变换装置不同。

从光检测器3输出的检测信号输入到信号处理电路61中，变换为声音信号。振动板驱动部302具有电压控制振荡器62和控制信号生成电路360。电压控制振荡器62根据从控制信号生成电路360输出的控制信号，输出在给定的偏压V_b上重叠任意频率的信号的驱动电压V_p。该驱动电压V_p外加在形成在振动板2上的导电层65和支撑衬底11之间，使振动板2主动振动。从控制信号生成电路360输出的控制信号是用特定的单一频率使电压控制振荡器62振荡的特定电压值。即外加在振动板2和支撑衬底11之间的驱动电压V_p以与信号处理电路61中取得的声音信号无关的频率振荡。据此，能以所需的频率使振动板2振动。

图39A～图39C是说明基于声压的振动板2的被动振动和驱动电压V_p的外加引起的振动板2的主动振动的关系的图。图39A是从电压控制振荡器62输出的驱动电压V_p的例子，该驱动电压V_p以频率fa振荡。另外，图39B表示振动板2受到的声压的例子，图39C表示通过驱动电压V_p而主动振动的振动板2受到图39B所示的声压时，由信号处理电路61取得的声音信号的例子。图39C所示的声音信号中，强调图39B所示的声压内具有频率fa的信号成分，具有其他频率的信号成分减弱。即使不设置滤波电路，通过声电变换部60、信号处理电路61、振动板驱动部302，也能发现声音信号的滤波器功能。须指出的是，不用特定的单一频率，用特定范围的频率依次使电压控制振荡器62振荡，也能发现带通滤波器的功能。

如上所述，实施例7的声电变换装置能以所需的频率使声电变换部60的振动板2主动振动。据此，即使不设置滤波电路，也能把声音信号滤波，能减轻用于声音信号的信号处理系统的负载。

能用预先收录的声音的信号驱动振动板2。据此，能放大带本人声音特征的频率成分，也能把声电变换装置作为语音识别系统利用。

(其他实施例)

在学习当前的公布后，在不脱离其范围的前提下，那些熟知本技术的人能进行各种变更。

在所述实施例1～7的说明中，描述基于孔或沟等几何学形状的衍射光栅，但是也可以象光子学结晶那样，通过折射率分布，实现1维或二维衍射光栅。

也可以是图40所示的振动板2。图40A所示的振动板2具有：框状的固定框51；在该固定框51上固定两端部，在行方向以及与该行方向正交的列方向分别延伸，配置为在框状的固定框51包围的空间中构成格子的固定梁52；分别配置在格子的窗部的多个振子X_i，j(i＝1～3，j＝1～3)；连接多个振子X_i，j和固定梁52的弹性梁la_i，j、lb_i，j、lc_i，j、ld_i，j(i＝1～3，j＝1～3)。即在成为一个主片的振动膜状的振子X_i，j上用4个弹性梁la_i，j、lb_i，j、lc_i，j、Id_i，j连接。4个弹性梁la_i，j、lb_i，j、lc_i，j、ld_i，j作为小型的副片起作用。须指出的是，固定梁52通过弹性连接部59a、59b、59c、59d与固定框51连接。

如图40B所示，在振动板2上，从固定梁52的边缘e_a、振子X_i，j的边缘e_b、弹性梁la_i，j、lb_i，j、lc_i，j、ld_i，j的边缘e_c分别能检测衍射像。在边缘e_a中，因为固定梁52的片大，所以在低频区域具有灵敏度，与振子X_i，j的边缘e_b、弹性梁la_i，j、lb_i，j、lc_i，j、ld_i，j的边缘e_c存在共振频率不同的元素，所以能用一块振动板2构筑宽带的频率。即如果考虑各边缘e_a、e_b、e_c有关的质量，则边缘e_a、e_b、e_c的各共振频率f_a0、f_b0、f_c0满足以下的关系。

f_a0＜f_b0＜f_c0                         ...(18)

在传感器面上，出现以3种不同的排列配置的衍射像，但是通过在检测中使用变位最大的衍射像就能跟踪任意的频率。例如在实施例3～实施例5的说明中，例示说明了振动板2通过声压而变动的情形，但是象地震计那样，在由于其他机械振动而振动时也同样能分析该振动的频率。

本申请是根据2003年7月25日提出的日本专利申请No.P2003-202000、2004年3月26日提出的日本专利申请No.P2004-093424、2004年3月26日提出的日本专利申请No.P2004-091290，在35 USC 119下主张优先权的利益并要求优先权，通过参照而将它们的全部内容并入本申请。

Claims (24)

1.一种声电变换装置，其特征在于：包括：

具有衍射光栅，通过外力进行振动的振动板；

对所述衍射光栅照射光的光源；和

检测由所述衍射光栅衍射的光，并变换为电信号的光检测器；

其中，所述振动板的变位被变换为电信号。

2.根据权利要求1所述的声电变换装置，其中：

所述衍射光栅是透射型衍射光栅或反射型衍射光栅。

3.根据权利要求2所述的声电变换装置，其特征在于：

所述衍射光栅是一维衍射光栅或二维衍射光栅。

4.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：

所述振动板通过弹性连接部悬架在设置在支撑衬底上的固定部上。

5.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：

所述振动板通过所述弹性连接部悬架在设置在所述支撑衬底上的空洞部上。

6.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：

通过在所述振动板上配置成矩阵状的多个孔而构成二维衍射光栅。

7.根据权利要求6所述的声电变换装置，其特征在于：

通过在所述振动板上按周期配置的多个沟，构成一维衍射光栅。

8.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：

多个所述振动板通过弹性连接部悬架在设置在支撑衬底上的固定部上。

9.根据权利要求8所述的声电变换装置，其特征在于：

多个所述振动板分别具有不同的共振频率。

10.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：

所述振动板包括：

配置在周边部的固定框；

在该固定框上固定两端部，并在行方向以及与该行方向正交的列方向上分别延伸，配置为在所述框状的固定框包围的空间内构成格子的多个固定梁；

分别配置在所述固定梁的窗部的多个振子；和

连接所述多个振子和所述固定梁的弹性梁。

11.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

用重复信号驱动所述光源，使从所述光源射出的所述光的强度呈周期性变化的光调制器。

12.根据权利要求1所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

使用所述重复信号作为同步信号，对所述光检测器变换的所述电信号进行解调的解调器。

13.根据权利要求12所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

对所述电信号进行放大，并提供给所述解调器的放大器。

14.根据权利要求12所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

连接在所述光调制器和所述解调器上，并提供所述重复信号的振荡器。

15.根据权利要求12所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

向所述光调制器提供载波频率的信号的振荡器。

16.根据权利要求15所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

连接在所述光调制器和所述解调器上，以调制所述载波的调制信号频率进行振荡的局部振荡器。

17.根据权利要求16所述的声电变换装置，其特征在于：所述解调器包括对所述电信号和所述调制信号进行混频的混频器。

18.根据权利要求5所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

对所述振动板的振动进行调制的机械振动调制机构。

19.根据权利要求18所述的声电变换装置，其特征在于：所述机械振动调制机构包括：

在所述空洞部的内部，固定在所述支撑衬底上的第一导电层；和

在所述振动板的底部，与所述第一导电层相对而设置的第二导电层；其中，

所述振动板由所述第一导电层与所述第二导电层之间的静电力驱动。

20.根据权利要求18所述的声电变换装置，其特征在于：所述机械振动调制机构还包括：

在所述第一导电层与所述第二导电层之间外加驱动电压的驱动电路。

21.根据权利要求20所述的声电变换装置，其特征在于：还包括：

把从所述光检测器输出的所述电信号变换为以所述外力的频率振动的反馈信号的信号处理电路；其中，

所述驱动电路根据所述反馈信号来生成所述驱动电压。

22.一种机械振动分析方法，其特征在于：包括：

对通过机械振动而振动的振动板，用重复信号进行驱动，照射强度呈周期性变化的光；

检测通过所述振动板的所述光，并将其变换成电信号；

使用所述重复信号对所述电信号进行解调。

23.一种声音分析方法，其特征在于：包括：

使振动板自激性地进行机械振动；

使所述振动板上重叠基于声压的振动；

向重叠有所述振动的所述振动板照射光；

检测通过所述振动板的所述光，并将其变换为电信号。

24.根据权利要求23所述的声音分析方法，其特征在于：还包括：

把所述电信号变换为相当于所述声压的反馈信号；

通过该反馈信号来决定所述自激性机械振动的频率。

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