DE112013003536T5 - Kapazitiver Sensor, Akustiksensor und Mikrophon - Google Patents

Kapazitiver Sensor, Akustiksensor und Mikrophon Download PDF

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Abstract

Über einem Siliziumsubstrat 12 sind Membranen 13a, 13b, die durch einen Schlitz 17 abgeteilt wurden, angeordnet. An der Oberseite des Substrats 12 ist eine Rückplatte 18 so ausgebildet, dass sie die Membranen 13a, 13b abdeckt, und an ihrer Unterseite ist eine feste Elektrodenplatte 19 den Membranen 13a, 13b gegenüberliegend angeordnet. Die feste Elektrodenplatte 19 ist in zwei Bereiche unterteilt und bildet eine erste feste Elektrodenplatte 19a und eine zweite feste Elektrodenplatte 19b. Zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b ist eine Barriereelektrode 34 so ausgebildet, dass sie eine Abteilung zwischen den beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b vornimmt. In der Rückplatte 18 und in den festen Elektrodenplaten 19a, 19b sind mehrere Akustiklöcher 24 ausgebildet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, einen Akustiksensor, und ein Mikrophon. Konkret gesprochen betrifft die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Sensor, 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, und ein Mikrophon, das diesen Akustiksensor verwendet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Sensor und einen Akustiksensor von winziger Größe, die unter Verwendung der MEMS(mikro-elektromechanisches 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 im Hinblick auf die Eignung zur Digitalisierung, die Kleinformatigkeit, die Hochfunktionalität/Multifunktionalität und die 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 kapazitiven Typ, der unter Verwendung der MEMS-Technologie hergestellt ist. Die Antriebsschaltung und die Signalverarbeitungsschaltung, die oben genannt wurden, werden unter Verwendung der Halbleitertechnologie in einer Einheit als ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) hergestellt.
  • In der jüngsten Zeit wird verlangt, dass das Mikrophon Geräusche 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 Geräusch mit einem großen Schalldruck detektiert werden soll, eine harmonische Verzerrung in dem Ausgangssignal 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 Geräusche mit geringen Lautstärken (einem geringen Schalldruck) detektieren können, die harmonische Verzerrungsrate des Ausgangssignals bei Eingang eines Geräuschs 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, Geräusche mit einer geringen Lautstärke qualitativ hochwertig 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 mit 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 des Patentliteraturbeispiels 1. 1B zeigt die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem gering empfindlichen Akustiksensor des Patentliteraturbeispiels 1. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Verschiebungsausmaß der Membran und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor und dem gering empfindlichen Akustiksensor des Patentliteraturbeispiels 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 kleiner 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 1B gezeigt etwa 60 dB 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.
  • Die harmonische Verzerrungsrate wird wie nachstehend beschrieben definiert. Die in 3 mit einer durchgehenden Linie gezeigte Wellenform ist eine Sinuswellenform mit einer Frequenz f1 als Basis. Wenn dieses Basissinuswellensystem Fourier-transformiert wird, tritt nur an der Position der Frequenz f1 eine spektrale Komponente auf. Nun wird angenommen, dass die Basissinuswellenform von 3A aus irgendeinem Grund wie die in 3A gestrichelt gezeigte Wellenform verzerrt wird. Es wird angenommen, dass durch Vornahme einer Fourier-Transformation dieser Verzerrungswellenform ein Frequenzspektrum wie in 3B erhalten wurde. Das heißt, es wird angenommen, dass die Verzerrungswellenform bei den Frequenzen f1, f2, ..., f5 jeweils eine FFT-Stärke (schnelle Fourier-Transformations-Stärke) von V1, V2, ..., V5 aufweist. Nun wird die harmonische Verzerrungsrate THD dieser Verzerrungswellenform durch die folgende Formel 1 definiert. Formel 1:
    Figure DE112013003536T5_0002
  • LITERATUR DER VORLÄUFERTECHNIK
  • PATENTLITERATURBEISPIELE
    • Patentliteraturbeispiel 1: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 2009/0316916
    • Patentliteraturbeispiel 2: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 2010/0183167
    • Patentliteraturbeispiel 3: Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-245267
    • Patentliteraturbeispiel 4: Beschreibung der US-Patentanmeldung Nr. 2007/0047746
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE, DIE DIE ERFINDUNG LÖSEN SOLL
  • Doch bei den in den Patentliteraturbeispielen 1 bis 4 beschriebenen Mikrophonen 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 der Akustiksensoren untereinander 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 infolge 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 Elektrodenplatte. 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 kapazitiven Sensor 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 ferner Lecksignale zwischen den Erfassungsteilen unterdrückt werden können,.
  • MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE
  • Der kapazitive Sensor nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst:
    ein Substrat,
    eine schwingende Elektrodenplatte, die über dem Substrat gebildet ist,
    eine Rückplatte, die so über dem Substrat gebildet ist,
    dass sie die schwingende Elektrodenplatte abdeckt,
    eine feste Elektrodenplatte, die so an der Rückplatte ausgebildet ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte gegenüberliegt,
    Erfassungsteile, die jeweils in einzelnen abgeteilten Bereichen, wofür wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte (das heißt, eines oder beide aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte) in mehrere Bereiche unterteilt ist, gebildet sind und aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte bestehen,
    eine Barriereelektrode, die wenigstens zwischen einem Paar von benachbarten Erfassungsteilen (das heißt, einem oder mehreren Paaren von Erfassungsteilen) der mehreren Erfassungsteile ausgebildet ist, um Interferenzen von Signalen zwischen den Erfassungsteilen zu verhindern.
  • Da nach dem kapazitiven Sensor 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 werden von den einzelnen abgeteilten Erfassungsteilen jeweils elektrische Signale ausgegeben und können Druckveränderungen wie Schallschwingungen und dergleichen in mehrere elektrische Signale umgewandelt ausgegeben werden. Bei einem derartigen kapazitiven Sensor können der Detektionsbereich und die Empfindlichkeit der einzelnen Erfassungsteile zum Beispiel durch unterschiedliches Ausführen der Flächenabmessung für jede schwingende Elektrodenplatte oder durch unterschiedliches Gestalten des Verschiebungsausmaßes für jede schwingende Elektrodenplatte unterschiedlich gestaltet werden und kann durch Umschalten oder Kombinieren der Signale der Detektionsbereich erweitert werden, ohne die Empfindlichkeit herabzusetzen.
  • Da diese mehreren Erfassungsteile durch Unterteilen der gleichzeitig gebildeten schwingenden Elektrodenplatte oder festen Elektrodenplatte gebildet sind, werden die Schwankungen der Eigenschaften unter den einzelnen Erfassungsteilen verglichen mit der herkömmlichen Technik, die mehrere gesondert hergestellte und voneinander unabhängige Erfassungsteile 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 verringert werden.
  • Da bei dem kapazitiven Sensor der vorliegenden Erfindung wenigstens zwischen einem Paar von benachbarten Erfassungsteilen der mehreren Erfassungsteile eine Barriereelektrode ausgebildet ist, um Interferenzen von Signalen zwischen den Erfassungsteilen zu verhindern, können Lecksignale, die sich von einem Erfassungsteil (zum Beispiel dem Erfassungsteil der hochempfindlichen Seite) zu einem anderen Erfassungsteil (zum Beispiel dem Erfassungsteil der gering empfindliche Seite) ausbreiten, von der Barriereelektrode zur Erde oder dergleichen abgeleitet werden. Daher wird eine Verzerrung des Ausgangssignals des anderen Erfassungsteils unterdrückt und kann die harmonische Verzerrungsrate verringert werden oder kann eine Veränderung der Empfindlichkeit durch die Lecksignale unterdrückt werden.
  • Eine Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die feste Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und die Barriereelektrode zwischen den abgeteilten festen Elektrodenplatten ausgebildet ist. Wenn die feste Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, breiten sich Lecksignale über die feste Elektrodenplatte zwischen den Erfassungsteilen aus, weshalb es im Fall einer derartigen Ausführung günstig ist, zwischen den festen Elektrodenplatten eine Barriereelektrode anzuordnen.
  • Eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die feste Elektrodenplatte positioniert ist. Da sich Lecksignale im Fall einer Unterteilung der festen Elektrodenplatte in mehrere Bereiche auf dem kürzesten Weg zwischen den festen Elektrodenplatten ausbreiten, ist es wirksam, die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die feste Elektrodenplatte anzuordnen. Außerdem kann die Barriereelektrode dann, wenn sich die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die feste Elektrodenplatte befindet, aus dem gleichen Material wie die feste Elektrodenplatte durch den gleichen Prozess hergestellt werden, wodurch der Herstellungsprozess des Sensors vereinfacht wird.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode wenigstens eine feste Elektrodenplatte der mehreren abgeteilten festen Elektrodenplatten umgibt. Nach dieser Ausführungsform wird die Wirkung, eine Ausbreitung von Lecksignalen von einem Erfassungsteil zu einem anderen Erfassungsteil zu verhindern, noch stärker.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und zwischen den abgeteilten schwingenden Elektrodenplatten eine Barriereelektrode ausgebildet ist. Wenn die schwingende Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, breiten sich Lecksignale über die schwingende Elektrodenplatte zwischen den Erfassungsteilen aus, weshalb es im Fall einer derartigen Ausführung günstig ist, zwischen den schwingenden Elektrodenplatten eine Barriereelektrode anzuordnen.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die schwingende Elektrodenplatte positioniert ist. Da sich Lecksignale im Fall einer Unterteilung der schwingenden Elektrodenplatte in mehrere Bereiche auf dem kürzesten Weg zwischen den schwingenden Elektrodenplatten ausbreiten, ist es wirksam, die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die schwingende Elektrodenplatte anzuordnen. Außerdem kann die Barriereelektrode dann, wenn sich die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die schwingende Elektrodenplatte befindet, aus dem gleichen Material wie die schwingende Elektrodenplatte durch den gleichen Prozess hergestellt werden, wodurch der Herstellungsprozess des Sensors vereinfacht wird.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode wenigstens eine schwingende Elektrodenplatte der mehreren abgeteilten schwingenden Elektrodenplatten umgibt. Nach dieser Ausführungsform wird die Wirkung, eine Ausbreitung von Lecksignalen von einem Erfassungsteil zu einem anderen Erfassungsteil zu verhindern, noch stärker.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung wird die Barriereelektrode bei dem gleichen elektrischen Potential wie einem aus einem Standardpotential, jenem der schwingenden Elektrodenplatte oder der festen Elektrodenplatte gehalten. Insbesondere ist ein Anschluss an das Standardpotential wie etwa die Erde erwünscht.
  • Um durch die Barriereelektrode Lecksignale, die sich zwischen den schwingenden Elektrodenplatten ausbreiten oder zwischen den festen Elektrodenplatten ausbreiten, zu unterbrechen, ist es günstig, die Barriereelektrode auf ihrem gesamten Weg auszubilden. Folglich ist die Barriereelektrode bei noch einer anderen Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise länger als die Länge einer Seite jedes in mehrere unterteilten Bereichs der schwingenden Elektrodenplatte oder der festen Elektrodenplatte.
  • Es kann sein, dass sich eine Restspannung oder eine Beanspruchung durch einen Stoß beim Fallenlassen in den Enden der Barriereelektrode konzentriert und ein Riss entsteht. Um dies zu verhindern ist es bei noch einer anderen Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung erwünscht, die Enden der Barriereelektrode kreisbogenförmig auszuführen.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierender Anschlag von der zwischen den festen Elektrodenplatten ausgebildeten Barriereelektrode zu der schwingenden Elektrodenplatte hin vorspringt. Es ist auch möglich, dass der isolierende Anschlag von dem Bereich der festen Elektrodenplatte entlang der Barriereelektrode zu der schwingenden Elektrodenplatte hin vorspringt. Unter der unterteilten festen Elektrodenplatte ist in der schwingenden Elektrodenplatte gewöhnlich ein Schlitz ausgebildet, der dem Unterteilungsbereich der festen Elektrodenplatte gegenüberliegt, und der Rand des Schlitzes der schwingenden Elektrodenplatte haftet leicht an der festen Elektrodenplatte. Daher ist es erwünscht, den Anschlag von der Barriereelektrode oder ihrer Umgebung vorspringen zu lassen und das Anhaften der schwingenden Elektrodenplatte zu verhindern.
  • Noch eine andere Ausführungsform des kapazitiven Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine schlitzförmige Öffnung, die durch die Barriereelektrode und die Rückplatte verläuft, entlang der Längsrichtung der Barriereelektrode in der Barriereelektrode und der Rückplatte ausgebildet ist. Es ist auch möglich, eine schlitzförmige Öffnung, die durch die Rückplatte verläuft, parallel zu der Längsrichtung der Barriereelektrode in der Rückplatte auszubilden. Durch die Ausbildung einer derartigen schlitzförmigen Öffnung breiten sich mechanische Schwingungen und insbesondere Verzerrungsschwingungen nur schwer von der Rückplatte eines von benachbarten Erfassungsteilen zu der Rückplatte des anderen Erfassungsteils aus und kann eine Verschlechterung der harmonischen Verzerrungsrate des Erfassungsteils, der die Schwingungen erhalten hat, unterdrückt werden.
  • Ein Akustiksensor nach der vorliegenden Erfindung ist ein Akustiksensor, bei dem der kapazitive Sensor nach 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 Kapazität zwischen der Membran, die auf die Schallschwingungen reagiert, und der festen Elektrodenplatte Signale ausgegeben werden.
  • Da der Akustiksensor nach der vorliegenden Erfindung den kapazitiven Sensor nach der vorliegenden Erfindung verwendet, ergeben sich die gleichen Wirkungen wie bei dem kapazitiven Sensor nach der vorliegenden Erfindung. Insbesondere können Lecksignale, die sich von einem Erfassungsbereich zu einem anderen Erfassungsbereich ausbreiten, von der Barriereelektrode zur Erde oder dergleichen abgeleitet werden, kann eine Verzerrung des Ausgangssignals des anderen Erfassungsbereichs unterdrückt werden und die harmonische Verzerrungsrate verringert werden. Außerdem kann eine Verschlechterung der Empfindlichkeit durch Lecksignale unterdrückt werden.
  • Ein Mikrophon nach der vorliegenden Erfindung umfasst den Akustiksensor nach der vorliegenden Erfindung und einen Schaltungsteil, der die Signale von dem Akustiksensor verstärkt und nach außen ausgibt. Bei dem Mikrophon der vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, dass die harmonische Verzerrung des Erfassungsteils der gering empfindlichen Seite durch Lecksignale von der hochempfindlichen Seite groß wird, und kann eine Verschlechterung der Empfindlichkeit durch Lecksignale unterdrückt werden.
  • 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.
  • EINFACHE ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1: 1A ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem hochempfindlichen Akustiksensor des Patentliteraturbeispiels 1 zeigt. 1B ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen der harmonischen Verzerrungsrate und dem Schalldruck bei dem gering empfindlichen Akustiksensor des Patentliteraturbeispiels 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 des Patentliteraturbeispiels 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 des Patentliteraturbeispiels 1 zeigt.
  • 3: 3A ist eine Ansicht, die eine Basiswellenform und eine Wellenform, die eine Verzerrung enthält, zeigt. 3B ist eine Ansicht des Frequenzspektrums der in 3A gezeigten Wellenform.
  • 4: 4 ist eine zerlegte Schrägansicht eines Akustiksensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5: 5 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6: 6 ist eine Draufsicht auf den Akustiksensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7: 7 ist eine Draufsicht, die eine über einem Siliziumsubstrat gebildete Membran zeigt.
  • 8: 8 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der festen Elektrode, welche der Membran gegenüberliegt, zeigt.
  • 9: 9(A) 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 9(B) ist ein Längsschnitt dieses Mikrophons.
  • 10: 10 ist ein Schaltbild des Mikrophons nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11: 11(A) ist eine schematische Schnittansicht, die den Zustand den Anpralls der Membran der hochempfindlichen Seite an die Rückplatte bei einem Akustiksensor eines Vergleichsbeispiels zeigt, und 11(B) ist eine schematische Schnittansicht, die den Zustand der Veränderung der Empfindlichkeit des Geräuscherfassungsteils der gering empfindlichen Seite durch Lecken des Signals des Geräuscherfassungsteils der hochempfindlichen Seite zu dem Geräuscherfassungsteil der gering empfindlichen Seite bei dem Akustiksensor des Vergleichsbeispiels zeigt.
  • 12: 12 ist eine Schnittansicht eines Akustiksensors, bei dem an der Oberseite der Rückplatte eine Barriereelektrode ausgebildet ist.
  • 13: 13 ist eine Ansicht der Beziehung zwischen dem Schalldruck und der harmonischen Verzerrungsrate des Geräuscherfassungsteils der gering empfindlichen Seite bei einem Vergleich des Akustiksensors des Vergleichsbeispiels, bei dem keine Barriereelektrode ausgebildet ist, und dem Akustiksensor der ersten Ausführungsform, der eine Barriereelektrode aufweist.
  • 14: 14 ist eine Ansicht, die die Frequenzeigenschaften der Empfindlichkeit bei einem Akustiksensor des Stands der Technik zeigt.
  • 15: 15 ist eine Ansicht, die die Frequenzeigenschaften der Empfindlichkeit bei dem Akustiksensor der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 16: 16(A) ist eine Schnittansicht eines Akustiksensors nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 16(B) ist eine Ansicht, in der ein Teil von 16(A) vergrößert ist.
  • 17: 17 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Barriereelektrode und einer festen Elektrodenplatte bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 18: 18 ist eine Draufsicht, die ein anderes Beispiel für den Aufbau einer Barriereelektrode und einer festen Elektrodenplatte bei der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 19: 19(A) ist eine Draufsicht, die eine feste Elektrodenplatte nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 19(B) ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Membran und einer Barriereelektrode zeigt.
  • 20: 20(A) ist eine Draufsicht, die eine feste Elektrodenplatte und eine Barriereelektrode nach einer Abwandlung der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 20(B) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Membran und der Barriereelektrode zeigt.
  • 21: 21(A) ist eine Draufsicht, die eine feste Elektrodenplatte und eine Barriereelektrode nach einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 21(B) ist eine Draufsicht, die eine Membran und eine Barriereelektrode nach noch einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 22: 22(A) ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 22(B) ist eine Draufsicht, die eine feste Elektrodenplatte und eine Membran und eine Barriereelektrode bei dem Akustiksensor der fünften Ausführungsform zeigt.
  • 23: 23 ist eine Schnittansicht des in 22(A) gezeigten Akustiksensors.
  • 24: 24(A) ist eine Draufsicht auf einen Akustiksensor nach einer Abwandlung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 24(B) ist eine Draufsicht, die die feste Elektrodenplatte und die Membran und die Barriereelektrode bei dem Akustiksensor nach der Abwandlung der fünften Ausführungsform zeigt.
  • 25: 25 ist eine Draufsicht auf einen Akustiksensor nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 26: 26 ist eine Schnittansicht des in 25 gezeigten Akustiksensors.
  • 27: 27 ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor nach einem anderen Beispiel der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 28: 28 ist eine Schnittansicht des in 27 gezeigten Akustiksensors.
  • 29: 29 ist eine Draufsicht auf einen Akustiksensor nach einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 30: 30 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der festen Elektrodenplatte bei dem Akustiksensor der siebenten Ausführungsform zeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 11, 61, 71, 76, 81, 91
    Akustiksensor
    12
    Siliziumsubstrat
    13
    Membran
    13a
    erste Membran
    13b
    zweite Membran
    13c
    dritte Membran
    17
    Schlitz
    18
    Rückplatte
    19
    feste Elektrodenplatte
    19a
    erste feste Elektrodenplatte
    19b
    zweite feste Elektrodenplatte
    19c
    dritte feste Elektrodenplatte
    23a
    erster Geräuscherfassungsteil
    23b
    zweiter Geräuscherfassungsteil
    23c
    dritter Geräuscherfassungsteil
    25
    Anschlag
    34
    Barriereelektrode
    82
    schlitzförmige Öffnung
  • 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 kapazitive Sensoren wie etwa einen Drucksensor angewendet werden.
  • Erste Ausführungsform
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 4 bis 8 der Aufbau eines Akustiksensors nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. 4 ist eine zerlegte Schrägansicht des Akustiksensors 11 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors 11. 6 ist eine Draufsicht auf den Akustiksensor 11. 7 ist eine Draufsicht, die eine über einem Siliziumsubstrat 12 gebildete Membran 13 zeigt. 8 ist eine Draufsicht, die eine erste feste Elektrodenplatte 19a, eine zweite feste Elektrodenplatte 19b und eine Barriereelektrode 34 (den Aufbau der festen Elektrodenplatte 19), die der Membran gegenüberliegen, zeigt. Diese Zeichnungen geben jedoch den Herstellungsprozess des Akustiksensors 11 durch ein MEMS nicht wider.
  • Dieser Akustiksensor 11 ist ein unter Verwendung der MEMS-Technologie hergestelltes kapazitives Element. Wie in 4 und 5 gezeigt ist bei diesem Akustiksensor 11 die Membran 13 über Anker 16a, 16b an der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 (des Substrats) ausgebildet, und ist über der Membran 12 eine obere Abdeckung 14 über einen winzigen Luftspalt hinweg angeordnet und an der Oberseite 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) ausgebildet. 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 Siliziumsubstrats 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 4 und 7 gezeigt ist die Membran 13 ungefähr rechteckig ausgeführt. Die Membran 13 ist aus einem dünnen Polysiliziumfilm gebildet, der über Leitfähigkeit verfügt, 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 Balkenstücken 26, die an jedem Eckenbereich ausgebildet sind, als Anker 16a an der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 gehalten, wobei sie über der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 schwebend gehalten wird. In dem Bereich zwischen benachbarten Ankern 16a zwischen der Unterseite des Außenumfangs der ersten Membran 13a und der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 ist 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 Oberseite des Siliziumsubstrats gehalten, wobei sie über der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 schwebend gehalten wird. Zwischen der Unterseite der langen Seite der zweiten Membran 13b und der Oberseite 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 Oberseite 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 Oberseite des Siliziumsubstrats 12 ausgebildete Leitungsverdrahtung 27 angeschlossen. Die Anker 16a, 16b sind aus SiO2 gebildet.
  • Wie in 5 gezeigt ist die obere Abdeckung 14 ein Element, wofür die feste Elektrodenplatte 19 aus Polysilizium an der Unterseite der Rückplatte 18 aus SiN ausgebildet ist. Die obere Abdeckung 14 ist kuppelförmig ausgeführt, und darunter ist ein Hohlraumbereich gebildet, wobei die Membran 13 durch den Hohlraumbereich abgedeckt wird. Zwischen der Unterseite der oberen Abdeckung (das heißt, der Unterseite der festen Elektrodenplatte 19) und der Oberseite der Membran 13 ist ein winziger Luftspalt 20 gebildet.
  • Wie in 8 gezeigt ist die feste Elektrodenplatte 19 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 erste feste Elektrodenplatte 19a und die zweite feste Elektrodenplatte 19b elektrisch voneinander 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. Außerdem ist an der Unterseite der Rückplatte 18 zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b eine Barriereelektrode 34 aus einem isolierenden Material angeordnet. Die Barriereelektrode 34 durchläuft den Zwischenraumbereich zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b von einem Ende zu dem anderen Ende. An die erste und die zweite feste Elektrodenplatte 19a, 19b wird eine Vorspannung angelegt, und die Barriereelektrode 34 ist an ein Standardpotential (zum Beispiel das Erdpotential) angeschlossen. Oder die Barriereelektrode 34 wird bei dem gleichen Potential wie jenem der festen Elektrodenplatten 19a, 19b gehalten.
  • Durch die erste Membran 13a und die erste feste Elektrodenplatte 19a, die einander über den Luftspalt 20 gegenüberliegen, ist ein erster Geräuscherfassungsteil 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 Geräuscherfassungsteil 23b mit einem Kondensatoraufbau gebildet. Der Spaltabstand des Luftspalts 20 an dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und der Spaltabstand des Luftspalts 20 an dem zweiten Geräuscherfassungsteil 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 Geräuscherfassungsteil 23a sind in der oberen Abdeckung 14 (das heißt, der Rückplatte 18 und der ersten festen Elektrodenplatte 19a) mehrere Akustiklöcher 24 (Schalllöcher), um Schallschwingungen passieren zu lassen, so gebildet, dass sie von der Oberseite zu der Unterseite hindurch verlaufen. An dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b sind in der oberen Abdeckung 14 (das heißt, der Rückplatte 18 und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b) mehrere Akustiklöcher 24 (Schalllöcher), um Schallschwingungen passieren zu lassen, so gebildet, dass sie von der Oberseite zu der Unterseite hindurch verlaufen. Bei dem dargestellten Beispiel sind der Lochdurchmesser und der Abstand der Akustiklöcher 24 bei dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b gleich, doch gibt es auch Fälle, in denen der Lochdurchmesser oder der Abstand der Akustiklöcher bei den beiden Geräuscherfassungsteilen 23a, 23b unterschiedlich ist.
  • Wie in 6 und 8 gezeigt sind die Akustiklöcher 24 in beiden Geräuscherfassungsteilen 23a, 23b jeweils regelmäßig angeordnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Akustiklöcher 24 entlang von drei Richtungen, die miteinander Winkel von 120° bilden, dreieckförmig angeordnet, doch können sie auch rechteckig oder in konzentrischen Kreisen angeordnet sein.
  • Wie in 5 gezeigt ragen sowohl bei dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a als auch bei dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b winzige säulenförmig ausgeführte Anschläge 25 (Vorsprünge) von der Unterseite des Abdeckungsteils 14. Die Anschläge 25 springen einstückig von der Unterseite der Rückplatte 18 vor, verlaufen durch die erste und die zweite feste Elektrodenplatte 19a, 19b, und ragen von der Unterseite 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.
  • 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 Erdpotential gehalten. Wie in 6 gezeigt ist die Barriereelektrode 34 durch eine Leitung 30 an das gemeinsame Elektrodenfeld 31 angeschlossen und wird sie bei dem gleichen Standardpotential wie jenem der Membran 13 gehalten. Es ist auch möglich, dass sie an ein spezielles Elektrodenfeld für die Barriereelektrode 34 angeschlossen ist und unabhängig bei dem Standardpotential (zum Beispiel dem Erdpotential) oder dem gleichen Potential wie jenem der festen Elektrodenplatten 19a, 19b gehalten wird.
  • 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 Kapazität der einzelnen Geräuscherfassungsteile 23a, 23b. Als Folge führen die durch die Membranen 13a, 13b detektierten Schallwellen (Änderungen des Schalldrucks) bei den einzelnen Geräuscherfassungsteilen 23a, 23b zu einer Änderung der Kapazität 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 Geräuscherfassungsteil 23b einen gering empfindlichen Akustiksensor für einen Schalldruckbereich von einer mittleren Lautstärke bis zu einer großen Lautstärke und bildet der erste Geräuscherfassungsteil 23a einen hochempfindlichen Akustiksensor für einen Schalldruckbereich von einer geringen Lautstärke bis zu einer mittleren Lautstärke. Folglich wird es durch Hybridisieren der beiden Geräuscherfassungsteile 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 Geräuscherfassungsteils 23a auf etwa 30 bis 120 dB eingerichtet wird und der Dynamikbereich des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b auf etwa 50 bis 140 dB eingerichtet wird, kann der Dynamikbereich durch Kombinieren der beiden Geräuscherfassungsteile 23a, 23b auf etwa 30 bis 140 dB erweitert werden. Wenn der Akustiksensor in einen ersten Geräuscherfassungsteil 23a für eine geringe Lautstärke bis mittlere Lautstärke und einen zweiten Geräuscherfassungsteil 23b für eine mittlere Lautstärke bis große Lautstärke geteilt ist, ist es möglich, bei einer großen Lautstärke den Ausgang des ersten Geräuscherfassungsteils 23a nicht zu verwenden, und stellt es auch kein Problem dar, wenn die harmonische Verzerrungsrate des ersten Geräuscherfassungsteils 23a in dem Bereich mit einer großen Lautstärke groß wird. Daher kann die Empfindlichkeit des ersten Geräuscherfassungsteils 23a in Bezug auf geringe Lautstärken erhöht werden.
  • Ferner sind bei diesem Akustiksensor 11 der erste Geräuscherfassungsteil 23a und der zweite Geräuscherfassungsteil 23b auf dem gleichen Substrat gebildet. Darüber hinaus sind der erste Geräuscherfassungsteil 23a und der zweite Geräuscherfassungsteil 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 Geräuscherfassungsteil 23a und der zweite Geräuscherfassungsteil 23b hybridisiert sind, werden die Schwankungen in Bezug auf die Detektionsempfindlichkeit bei dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und dem zweiten Geräuscherfassungsteil 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 Geräuscherfassungsteilen 23a und 23b verringert werden. Und da beide Geräuscherfassungsteile 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.
  • 9A ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein Mikrophon 41, in das der Akustiksensor 11 der ersten Ausführungsform eingebaut ist, wobei die Oberseite einer Abdeckung 43 entfernt ist und das Innere dargestellt ist. 9B 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 Oberseite des Schaltungssubstrats 42 anbgebracht. In dem Schaltungssubstrat 42 ist eine Schalleinleitöffnung 42 zur Einbringung von Schallschwingungen in den Akustiksensor 11 ausgebildet. Der Akustiksensor 11 ist so auf der Oberseite des Schaltungssubstrats 42 angebracht, 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 Signale der Änderung der Kapazität des Akustiksensors 11 nach außen auszugeben.
  • An der Oberseite 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 den Akustiksensor 11 und die Signalverarbeitungsschaltung 44 vor elektrischen Störsignalen von außen oder mechanischen Stößen.
  • Auf diese Weise werden die Schallschwingungen, die von der Schalleinbringungsöffnung 45 in die Kammer 15 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 Frontkammer.
  • 10 ist ein Schaltbild des in 9 gezeigten MEMS-Mikrophons 41. Wie in 10 gezeigt umfasst der Akustiksensor 11 den hochempfindlichen ersten Geräuscherfassungsteil 23a und den gering empfindlichen Geräuscherfassungsteil 23b, deren Kapazität 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 Geräuscherfassungsteil 23a und den zweiten Geräuscherfassungsteil 23b an; das von dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b ausgegebene elektrische Signal wird durch den Verstärker 53 für eine geringe Empfindlichkeit verstärkt, und das von dem ersten Geräuscherfassungsteil 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 auf einer Datenleitung nach außen ausgegeben. Es wurde zwar keine entsprechende Darstellung vorgenommen, doch ist es durch eine Wahl der gemeinsam auf der einen Datenleitung vorhandenen Digitalsignale je nach der Stärke des Signals möglich, je nach dem Schalldruck zwischen den Ausgängen des ersten Geräuscherfassungsteils 23a und des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b umzuschalten.
  • Bei dem Beispiel von 10 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 Geräuscherfassungsteile für eine hohe Empfindlichkeit und eine geringe Empfindlichkeit ausgebildet sind, oder dem Mikrophon, in das dieser Akustiksensor eingebaut ist, besteht die Gefahr, dass die harmonische Verzerrung des Akustiksensors der gering empfindlichen Seite durch elektrische Interferenzen des Geräuscherfassungsteils der hochempfindlichen Seite (der Seite mit einer geringen Lautstärke) und des Geräuscherfassungsteils der gering empfindlichen Seite (der Seite mit einer großen Lautstärke) groß wird oder sich die Empfindlichkeit ändert. Durch den Akustiksensor nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine solche Zunahme der harmonischen Verzerrung oder der Veränderung der Empfindlichkeit unterdrückt werden. Der Grund dafür lautet wie folgt.
  • Die erste Membran 13a der hochempfindlichen Seite weist eine größere Fläche als die zweite Membran 13b der gering empfindlichen Seite auf und ist weich. Daher kann es zu einem Anprall der ersten Membran 13a an der Rückplatte kommen, wenn Schallschwingungen mit einem großen Schalldruck auf den Akustiksensor wirken. 11(A) zeigt den Fall, in dem die erste Membran 13a bei einem Akustiksensor eines Vergleichsbeispiels durch einen großen Schalldruck auf die Rückplatte 18 trifft. Bei dem hier gezeigten Vergleichsbeispiel ist an der Rückplatte 18 keine Barriereelektrode 34 ausgebildet.
  • Wie in 11(A) gezeigt kommt es dann, wenn die erste Membran 13a mit der Rückplatte 18 zusammenprallt, durch diesen Anprall zu einer Verzerrung der Schwingungen der ersten Membran 13a und entsteht in dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a ein verzerrtes Ausgangssignal wie in 11(A). Da das Verschiebungsausmaß der zweiten Membran 13b verglichen mit der ersten Membran 13a gering ist, trifft sie nicht auf die Rückplatte 18 und führt sie wie zum Beispiel in 11(A) gestrichelt gezeigte Sinuswellenschwingungen aus. Doch da sich das durch den ersten Geräuscherfassungsteil 23a entstandene verzerrte Ausgangssignal zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b ausbreitet, kommt es durch den Anprall der ersten Membran 13a auch in dem zweiten Ausgangssignal zu einer Verzerrung. Als Folge wird das Ausgangssignal von dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b wie in 11(A) mit einer durchgehenden Linie gezeigt verzerrt und die harmonische Verzerrungsrate des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b verschlechtert und besteht die Gefahr, dass der maximale Detektionsschalldruck des Akustiksensors abnimmt und der Dynamikbereich eng wird.
  • Nun sind die erste feste Elektrodenplatte 19a der hochempfindlichen Seite und die zweite feste Elektrodenplatte 19b der gering empfindlichen Seite baulich getrennt, doch da der Abstand zwischen den beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b gering ist, entsteht zwischen den beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b eine parasitäre Kapazität Cp. Daher tritt das Ausgangssignal des ersten Geräuscherfassungsteils 23 der hochempfindlichen Seite wie in 11(B) gezeigt bei dem Vergleichsbeispiel, bei dem keine Barriereelektrode 34 ausgebildet ist, über die parasitäre Kapazität Cp leicht zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b der gering empfindlichen Seite aus. Wenn ein Teil des Signals, das durch den ersten Geräuscherfassungsteil 23a der hochempfindlichen Seite erzeugt wird, zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b austritt, wird das durch den zweiten Geräuscherfassungsteil 23b der gering empfindlichen Seite erzeugte Signal durch ein Lecksignal überlagert und wird das von dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b ausgegebene Signal wie in 11(B) gestrichelt gezeigt stärker als das ursprüngliche Signal. Als Folge kommt es dazu, dass sich die Empfindlichkeit des ausgegebenen Signals bei dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b von dem Designwert unterscheidet.
  • Da im Gegensatz dazu wie in 8 gezeigt im Fall des Akustiksensors 11 der ersten Ausführungsform entlang des Zwischenraums zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b (des Zwischenraums, der den Leckpfad bildet) eine Barriereelektrode 34 über ungefähr die gesamte Länge dieses Zwischenraums angeordnet ist, und die Barriereelektrode 34 an ein Standardpotential wie das Erdpotential oder dergleichen angeschlossen ist, kann ein Lecksignal von der ersten festen Elektrodenplatte 19a der hochempfindlichen Seite durch die Barriereelektrode 34 zu dem Standardpotential oder dergleichen abgeleitet werden. Deshalb kann verhindert werden, dass das Ausgangssignal des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b der gering empfindlichen Seite durch das verzerrte Lecksignal von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a der hochempfindlichen Seite verzerrt wird und die harmonische Verzerrungsrate verschlechtert wird. Außerdem kann verhindert werden, dass sich die Empfindlichkeit des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b der gering empfindlichen Seite durch das Lecksignal von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a der hochempfindlichen Seite verändert.
  • Die Barriereelektrode 34 kann auch in einer anderen Ebene als die erste feste Elektrodenplatte 19a und die zweite feste Elektrodenplatte 19b ausgebildet werden. Das heißt, wenn die beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b an der Unterseite der Rückplatte 18 ausgebildet sind, kann die Barriereelektrode 34 wie in 12 gezeigt auch an der Oberseite der Rückplatte 18 ausgebildet werden. Es kommt jedoch zu einem Signalaustritt von der ersten festen Elektrodenplatte 19a zu der zweiten festen Elektrodenplatte 19b, wobei der Bereich zwischen dem Rand der ersten festen Elektrodenplatte 19a und dem Rand der zweiten festen Elektrodenplatte 19b den Leckpfad bildet. Wenn die Barriereelektrode 34 wie in 12 gezeigt in einer anderen Ebene als die beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b angeordnet ist, muss daher der Leckpfad zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b vollständig beseitigt werden. Daher wird die Barriereelektrode 34 vorzugsweise in der gleichen Ebene wie die beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b angeordnet, und ist es dann, wenn die beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b wie bei dem Beispiel der ersten Ausführungsform an der Unterseite der Rückplatte 18 ausgebildet sind, erwünscht, auch die Barriereelektrode 34 an der Unterseite der Rückplatte 18 auszubilden.
  • Wenn die Barriereelektrode 34 in der gleichen Ebene wie die erste feste Elektrodenplatte 19a und die zweite feste Elektrodenplatte 19b ausgebildet wird, kann die Barriereelektrode 34 gleichzeitig mit dem Prozess der Herstellung der festen Elektrodenplatten 19a, 19b bzw. durch das gleiche Material wie die festen Elektrodenplatten 19a, 19b hergestellt werden. Daher ist kein zusätzlicher Prozess zur Herstellung der Barriereelektrode 34 erforderlich und wird die Herstellbarkeit des Akustiksensors 11 verbessert.
  • Wenn die Länge L2 der Barriereelektrode 34 kürzer als die Breite der festen Elektrodenplatte 19 ist, wird zwar die Wirkung einer teilweisen Unterbrechung des Lecksignals erhalten; doch für eine ausreichende Unterbrechung des Lecksignals ist es nötig, dass die Länge L2 der Barriereelektrode 34 länger als die Breite L1 der festen Elektrodenplatten 19a, 19b ist. Da die Breite L1 der festen Elektrodenplatten 19a, 19b bei einem Akustiksensor 11 von zum Beispiel einer Länge von 1,6 mm, einer Breite von 1,35 mm und einer Dicke von 0,4 mm etwa 700 μm beträgt, ist es erwünscht, dass die Länge L2 der Barriereelektrode 34 wenigstens 700 μm beträgt.
  • Außerdem sind die Enden der Barriereelektrode 34 wie in 8 gezeigt nicht eckig, sondern kreisbogenförmig ausgeführt. Wenn die Enden der Barriereelektrode 34 eckig sind, kommt es in dem Bereich der Ecken zu einer Beanspruchungskonzentration und entsteht in der Barriereelektrode 34 leicht ein Riss. Folglich ist es erwünscht, die Enden der Barriereelektrode 34 kreisbogenförmig auszuführen und eine Rissbildung zu verhindern.
  • Als nächstes werden die Ergebnisse von Versuchen, die zur Bestätigung der Wirkung durch die Ausbildung der Barriereelektrode 34 angestellt wurde, erklärt.
  • 13 zeigt ein Beispiel der Ergebnisse der Ermittlung der Beziehung zwischen dem Schalldruck an dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b der gering empfindlichen Seite und der harmonischen Verzerrungsrate THD durch einen Versuch. In 13 steht die gestrichelte Linie für den Akustiksensor des Vergleichsbeispiels, der keine Barriereelektrode 34 aufweist, und steht die durchgehende Linie für den Akustiksensor der ersten Ausführungsform, der eine Barriereelektrode 34 aufweist. Aus 13 wird erkannt, dass die harmonische Verzerrungsrate durch die Ausbildung der Barriereelektrode 34 verringert werden kann.
  • 14 zeigt das Ergebnis der Ermittlung der Beziehung zwischen der Empfindlichkeit des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b und der Frequenz bei dem Akustiksensor des Vergleichsbeispiels, der keine Barriereelektrode 34 aufweist, durch einen Versuch. 15 zeigt das Ergebnis der Ermittlung der Beziehung zwischen der Empfindlichkeit des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b und der Frequenz bei dem Akustiksensor der ersten Ausführungsform, der eine Barriereelektrode 34 aufweist. Ein Vergleich von 14 und 15 zeigt, dass die Empfindlichkeit durch Verzerrungen der Harmonischen im Fall der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (15) verglichen mit dem Fall des Vergleichsbeispiels (14) klein wird. Dies liegt daran, dass durch die Ausbildung der Barriereelektrode 34 das Lecken eines Verzerrungssignals von der ersten festen Elektrodenplatte 19a zu der zweiten festen Elektrodenplatte 19b beseitigt wird und die Stärke des Verzerrungssignals bei der ersten Ausführungsform verringert wurde.
  • Zweite Ausführungsform
  • 16 ist eine Schnittansicht eines Akustiksensors 61 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Akustiksensor 61 dieser zweiten Ausführungsform ragen mehrere Anschläge 25 von der Ausbildungsstelle der Barriereelektrode 34 oder ihrer Umgebung nach unten. Die Unterseiten der Anschläge 25 liegen dem Bereich entlang des Schlitzes 17 der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b gegenüber. Da die weiteren Punkte dem Aufbau der ersten Ausführungsform entsprechen, wird auf ihre Erklärung verzichtet (dies gilt auch für die weiteren Ausführungsformen).
  • Die Barriereelektrode ist zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b angeordnet, doch unter dem Zwischenraum zwischen den beiden festen Elektrodenplatten 19a, 19b ist in der Membran 13 ein Schlitz 17 gebildet. Wenn die Membran 13 durch die Bildung des Schlitzes 17 in der Membran 13 in eine erste Membran 13a und eine zweite Membran 13b unterteilt wird, können die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b leicht unabhängig schwingen und kann der Empfindlichkeitsunterschied zwischen dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b groß gestaltet werden. Doch wenn in der Membran 13 ein Schlitz 17 gebildet ist, wird das Verschiebungsausmaß an den Rändern des Schlitzes 17 groß und haften die Ränder des Schlitzes 17 leicht an der Barriereelektrode 34 und den festen Elektrodenplatten 19a, 19b an.
  • Da bei dem Akustiksensor 61 der zweiten Ausführungsform an der Ausbildungsstelle der Barriereelektrode 34 oder ihrer Umgebung Anschläge 25 ausgebildet sind, treffen die Ränder des Schlitzes 17 bei einem starken Biegen der Membranen 13a, 13b auf die Anschläge 25, so dass verhindert werden kann, dass die Ränder des Schlitzes 17 an der Barriereelektrode 24 oder an den festen Elektrodenplatten 19a, 19b anhaften.
  • Dritte Ausführungsform
  • Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist die Barriereelektrode 34 nur in dem Zwischenraum zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b ausgebildet, doch kann die Barriereelektrode 34 auch so ausgebildet werden, dass sie die erste feste Elektrodenplatte 19a oder die zweite feste Elektrodenplatte 19b umgibt.
  • 17 ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Barriereelektrode und der festen Elektrodenplatte nach einer dritten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Barriereelektrode 34 so an dem Umfang der zweiten festen Elektrodenplatte 19b gebildet, dass sie die zweite feste Elektrodenplatte 19b umgibt. Obwohl keine entsprechende Darstellung erfolgt, kann die Barriereelektrode auch so an dem Umfang der ersten festen Elektrodenplatte 19a gebildet sein, dass sie die erste feste Elektrodenplatte 19a umgibt.
  • Wie in 18 gezeigt ist es auch möglich, die Barriereelektrode 34 so auszubilden, dass sie sowohl die erste feste Elektrodenplatte 19a als auch die zweite feste Elektrodenplatte 19b umgibt.
  • Wenn die Barriereelektrode 34 wie in 17 und 18 gezeigt so ausgebildet wird, dass sie die erste feste Elektrodenplatte 19a oder die zweite feste Elektrodenplatte 19b umgibt, können Lecksignale zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b noch sicherer unterbrochen werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • 19(A) ist eine Draufsicht, die eine feste Elektrodenplatte nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 19(B) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Membran und der Barriereelektrode nach der vierten Ausführungsform zeigt. Der Akustiksensor der vierten Ausführungsform ist wie in 19(A) gezeigt so ausgeführt, dass die erste feste Elektrodenplatte 19a und die zweite feste Elektrodenplatte 19b fortlaufend in einem Stück ausgeführt sind. Andererseits sind die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b getrennt und bilden sie voneinander unterschiedliche Körper. Wenn die erste Membran 13a und die zweite Membran 13b unterschiedliche Körper bilden, wird die Barriereelektrode 34 zwischen der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b ausgebildet.
  • Auch in diesem Fall ist es erwünscht, dass die Länge der Barriereelektrode 34 länger als die Breite der Membranen 13a, 13b ist. Außerdem ist es erwünscht, die Enden der Barriereelektrode 34 kreisbogenförmig auszuführen. Ferner kann die Barriereelektrode 34 auch so ausgebildet werden, dass sie die erste Membran 13a oder die zweite Membran 13b umgibt.
  • Auch bei Vorliegen eines derartigen Membranaufbaus besteht die Gefahr, dass sich ein Lecksignal von der ersten Membran 13a zu der zweiten Membran 13b ausbreitet, doch durch die Ausbildung der Barriereelektrode 34 zwischen den Membranen 13a, 13b wird das Lecksignal von der Barriereelektrode 34 aufgenommen und kann es zu der Erde oder dergleichen abgeleitet werden, so dass der Einfluss des Lecksignals auf den zweiten Geräuscherfassungsteil 23b beseitigt werden kann.
  • 20(A) und 20(B) zeigen einen Fall, in dem die Membran 13 in eine erste Membran 13a und eine zweite Membran 13b unterteilt ist und auch die feste Elektrodenplatte 19 in eine erste feste Elektrodenplatte 19a und eine zweite feste Elektrodenplatte 19b unterteilt ist. In diesem Fall kann zwischen der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b eine Barriereelektrode 34 ausgebildet werden und auch zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b eine Barriereelektrode 34 ausgebildet werden.
  • 21(A) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Membran und der Barriereelektrode bei einer anderen Abwandlung der vierten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Abwandlung ist die Barriereelektrode 24 so an dem Umfang der zweiten Membran 13b ausgebildet, dass sie zwischen der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b hindurch verläuft und die zweite Membran 13b umgibt.
  • 21(B) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der Membran und der Barriereelektrode bei noch einer anderen Abwandlung der vierten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Abwandlung ist die Barriereelektrode 24 so an dem Umfang der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b ausgebildet, dass sie zwischen der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b hindurch verläuft und sowohl die erste Membran 13a als auch die zweite Membran 13b umgibt.
  • Durch Abwandlungen wie in 21(A) und 21(B) kann das Lecksignal zwischen der ersten Membran 13a und der zweiten Membran 13b noch sicherer unterbrochen werden.
  • Fünfte Ausführungsform
  • 22(A) ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor 71 nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 22(B) ist eine Draufsicht, die die festen Elektrodenplatten 19a, 19b, die Membran 13 und die Barriereelektrode 34 des Akustiksensors 71 zeigt. 23 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors 71 nach der fünften Ausführungsform.
  • Bei dem Akustiksensor 71 der fünften Ausführungsform wird eine ungefähr rechteckige Membran 13 verwendet. Diese Membran 13 ist einstückig ausgeführt und nicht mit einem Schlitz 17 wie bei der ersten Ausführungsform versehen. Die an der Unterseite der Rückplatte 18 ausgebildete feste Elektrodenplatte 19 ist wie in 22(B) gezeigt vollständig in eine zweite feste Elektrodenplatte 19b im Außenumfangbereich und eine innerhalb davon befindliche erste feste Elektrodenplatte 19a unterteilt. Folglich wird durch die Membran 13 und die erste feste Elektrodenplatte 19a ein erster Geräuscherfassungsteil 23a gebildet, und durch die Membran 13 und die zweite feste Elektrodenplatte 19b ein zweiter Geräuscherfassungsteil 23b gebildet. Die Fläche der ersten festen Elektrodenplatte 19a ist reichlich größer als die Fläche der zweiten festen Elektrodenplatte 19b, und der erste Geräuscherfassungsteil 23a bildet einen Erfassungsteil mit hoher Empfindlichkeit für eine geringe Lautstärke, während der zweite Geräuscherfassungsteil 23b einen Erfassungsteil mit geringer Empfindlichkeit für eine hohe Lautstärke bildet. An der Unterseite der Rückplatte 18 ist die Barriereelektrode 34 ausgebildet. Die Barriereelektrode 34 verläuft wie in 22(B) und 23 gezeigt entlang des Grenzbereichs zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b.
  • Ein in 22(A) gezeigtes Elektrodenfeld 72 steht in einer leitenden Verbindung mit der zweiten festen Elektrodenplatte 19. Ein Elektrodenfeld 73 steht in einer leitenden Verbindung mit der ersten festen Elektrodenplatte 19a. Ein Elektrodenfeld 74 steht in einer leitenden Verbindung mit der Membran 13. Ein Elektrodenfeld 75 steht in einer leitenden Verbindung mit der Barriereelektrode 34. Es ist auch möglich, dass die Barriereelektrode 34 an das Elektrodenfeld 72, 73 oder 74 angeschlossen ist und bei einem Standardpotential (zum Beispiel dem Erdpotential) oder dem gleichen Potential wie jenem der festen Elektrodenplatten 19a, 19b gehalten wird.
  • Auch bei diesem Akustiksensor 71 kann es bei Wirken von Schallschwingungen mit einer großen Lautstärke (einem großen Schalldruck) dazu kommen, dass die Membran 13, die sich verschoben hat, auf die innere erste feste Elektrodenplatte 19a trifft. Wenn die Membran 13 auf die erste feste Elektrodenplatte 19a trifft, besteht die Gefahr, dass ein Verzerrungssignal von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a der hochempfindlichen Seite zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b der gering empfindlichen Seite übertragen wird. Doch da auch beim diesem Akustiksensor 71 eine Barriereelektrode 34 zwischen dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b ausgebildet ist, kann das Verzerrungssignal von der Barriereelektrode 34 zu der Erde oder dergleichen abgeleitet werden, so dass es nicht von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b übertragen wird, und kann die harmonische Verzerrungsrate des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b unterdrückt werden.
  • 24(A) ist eine Draufsicht auf einen Akustiksensor 76 nach einer Abwandlung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 24(B) ist eine Draufsicht, die die festen Elektrodenplatten 19a, 19b, die Membran 13 und die Barriereelektrode 34 des Akustiksensors 76 zeigt. Hierbei handelt es sich um die Anwendung des Aufbaus der fünften Ausführungsform auf einen Akustiksensor 76, der eine runde Membran 13 aufweist.
  • Sechste Ausführungsform
  • 25 ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor 81 nach einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 26 ist eine Schnittansicht des Akustiksensors 81. Bei dem Akustiksensor 81 der siebenten Ausführungsform ist eine senkrecht durch die Rückplatte 18 verlaufende schlitzförmige Öffnung 82 durch die Mitte der Barriereelektrode 34 verlaufend und entlang der Längsrichtung der Barriereelektrode 34 ausgebildet.
  • Wenn eine erste Membran 13a der hochempfindlichen Seite auf die Rückplatte 18 trifft, wird so wie oben ein elektrisches Verzerrungssignal von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b übertragen. Dieses elektrische Verzerrungssignal wird durch die Barriereelektrode 34 beseitigt. Doch beim Anprall der ersten Membran 13a verzerrt sich durch diesen Anprall jener Bereich der Rückplatte 18, der der ersten Membran 13a gegenüberliegt. Wenn die Rückplatte 18 von der Seite des ersten Geräuscherfassungsteils 23a zu der Seite des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b fortlaufend ist, wird diese mechanische Verzerrung zu der zweiten Membran 23b der Rückplatte 18 übertragen und wird das Ausgangssignal des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b ebenfalls verzerrt und die harmonische Verzerrungsrate verschlechtert.
  • Wenn nun im Gegensatz dazu zwischen dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a und dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b eine schlitzförmige Öffnung 82 in der Rückplatte 18 ausgebildet wird und die Rückplatte 18 in die Seite des ersten Geräuscherfassungsteils 23a und die Seite des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b unterteilt wird, wird eine mechanische Verzerrung nur schwer von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b übertragen und kann eine Verschlechterung der harmonischen Verzerrungsrate des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b unterdrückt werden.
  • Die schlitzförmige Öffnung 82 kann wie in 27 und 28 gezeigt auch parallel zu der Barriereelektrode 34 ausgebildet sein.
  • Siebente Ausführungsform
  • 29 ist eine Draufsicht, die einen Akustiksensor 91 nach einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 30 zeigt den Aufbau der festen Elektrodenplatte und der Barriereelektrode bei dem Akustiksensor 91. Dieser Akustiksensor 91 weist drei Geräuscherfassungsteile 23a, 23b, 23c auf. Der erste Geräuscherfassungsteil 23a ist ein Kondensatoraufbau, der durch eine Membran 23a und eine feste Elektrodenplatte 19a gebildet ist, und ist ein hochempfindlicher Erfassungsteil für eine geringe Lautstärke. Der zweite Geräuscherfassungsteil 23b ist ein Kondensatoraufbau, der durch eine Membran 23b und eine feste Elektrodenplatte 19b gebildet ist, und ist ein gering empfindlicher Erfassungsteil für eine große Lautstärke. Der dritte Geräuscherfassungsteil 23c ist ein Kondensatoraufbau, der durch eine Membran 13c und eine feste Elektrodenplatte 19c gebildet ist, und ist ein Erfassungsteil mit einer mittleren Empfindlichkeit für eine mittlere Lautstärke.
  • Bei diesem Akustiksensor 91 ist über einer Kammer 15 eines Siliziumsubstrats 12 eine ungefähr rechteckige Membran 13 angeordnet. Die Membran 13 ist durch zwei Schlitze (nicht dargestellt) in eine ungefähr rechteckige erste Membran 13a und eine ungefähr rechteckige zweite Membran 13b bzw. dritte Membran 13c, die an beiden Seiten davon positioniert sind, unterteilt. Die Fläche der dritten Membran 13c ist kleiner als die Fläche der ersten Membran 13a. Ferner ist die Fläche der zweiten Membran 13b kleiner als die Fläche der dritten Membran 13c. 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. Die dritte feste Elektrodenplatte 19c liegt der dritten Membran 13c gegenüber. Die festen Elektrodenplatten 19a, 19b und 19c sind voneinander getrennt und so an der Unterseite der an der Oberseite des Siliziumsubstrats 12 fixierten Rückplatte 18 ausgebildet, dass sie die Membran 13 abdecken.
  • An der Unterseite der Rückplatte 18 ist eine Barriereelektrode 34a so ausgebildet, dass sie zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der zweiten festen Elektrodenplatte 19b verläuft, und ist eine Barriereelektrode 34b so ausgebildet, dass sie zwischen der ersten festen Elektrodenplatte 19a und der dritten festen Elektrodenplatte 19c verläuft. Die Barriereelektroden 34a, 34b sind durch eine Leitungsverdrahtung 30 an das gemeinsame Elektrodenfeld 31 angeschlossen und werden bei dem gleichen Standardpotential wie die Membran 13 gehalten. Es ist auch möglich, sie an ein für die Barriereelektroden 34 bestimmtes Elektrodenfeld anzuschließen und unabhängig bei dem Standardpotential (zum Beispiel dem Erdpotential) oder dem gleichen Potential wie jenem der festen Elektrodenplatten 19a, 19b, 19c zu halten. Bei den einzelnen Geräuscherfassungsteilen 23a, 23b und 23c sind in der Rückplatte 18 und den einzelnen festen Elektrodenplatten 19a, 19b und 19c jeweils Akustiklöcher 24 geöffnet.
  • Wenn wie bei diesem Akustiksensor 91 drei (oder mehr als drei) Geräuscherfassungsteile ausgebildet sind, wird es möglich, von einem Akustiksensor 91 drei (oder mehr als drei) Detektionssignale auszugeben, und kann der Dynamikbereich des Akustiksensors 91 noch weiter erweitert werden und das S/N-Verhältnis der einzelnen Geräuschbereiche verbessert werden. Verzerrungssignale, die sich von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a zu dem zweiten Geräuscherfassungsteil 23b ausbreiten, können durch die Barriereelektrode 34a zur Erde oder dergleichen abgeleitet werden, und Verzerrungssignale, die sich von dem ersten Geräuscherfassungsteil 23a zu dem dritten Geräuscherfassungsteil ausbreiten, können durch die Barriereelektrode 34b zur Erde oder dergleichen abgeleitet werden. Daher werden Verzerrungen der Ausgangssignale des zweiten Geräuscherfassungsteils 23b und des dritten Geräuscherfassungsteils 23c unterdrückt, kann die harmonische Verzerrungsrate verringert werden, und kann eine Veränderung der Empfindlichkeit durch Lecksignale unterdrückt werden.
  • Im Vorhergehenden wurden ein Akustiksensor und ein Mikrophon, das diesen Akustiksensor verwendet, erklärt, doch kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen kapazitiven Sensoren als einem Akustiksensor wie etwa einem Drucksensor angewendet werden.

Claims (19)

  1. Kapazitiver Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: ein Substrat, eine schwingende Elektrodenplatte, die über dem Substrat gebildet ist, eine Rückplatte, die so über dem Substrat gebildet ist, dass sie die schwingende Elektrodenplatte abdeckt, eine feste Elektrodenplatte, die so an der Rückplatte ausgebildet ist, dass sie der schwingenden Elektrodenplatte gegenüberliegt, Erfassungsteile, die jeweils in einzelnen abgeteilten Bereichen, wofür wenigstens eines aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist, gebildet sind und aus der schwingenden Elektrodenplatte und der festen Elektrodenplatte bestehen, und eine Barriereelektrode, die wenigstens zwischen einem Paar von benachbarten Erfassungsteilen der mehreren Erfassungsteile ausgebildet ist, um Interferenzen von Signalen zwischen den Erfassungsteilen zu verhindern.
  2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und die Barriereelektrode zwischen den abgeteilten festen Elektrodenplatten ausgebildet ist.
  3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die feste Elektrodenplatte positioniert ist.
  4. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode aus dem gleichen Material wie die feste Elektrodenplatte besteht.
  5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode wenigstens eine feste Elektrodenplatte der mehreren abgeteilten festen Elektrodenplatten umgibt.
  6. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Elektrodenplatte in mehrere Bereiche unterteilt ist und zwischen den abgeteilten schwingenden Elektrodenplatten eine Barriereelektrode ausgebildet ist.
  7. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode in der gleichen Ebene wie die schwingende Elektrodenplatte positioniert ist.
  8. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode aus dem gleichen Material wie die schwingende Elektrodenplatte besteht.
  9. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode wenigstens eine schwingende Elektrodenplatte der mehreren abgeteilten schwingenden Elektrodenplatten umgibt.
  10. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode über elektrische Leitfähigkeit verfügt.
  11. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode bei dem gleichen elektrischen Potential wie einem aus einem Standardpotential, jenem der schwingenden Elektrodenplatte oder der festen Elektrodenplatte gehalten wird.
  12. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelektrode länger als die Länge einer Seite jedes in mehrere unterteilten Bereichs der schwingenden Elektrodenplatte oder der festen Elektrodenplatte ist.
  13. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Barriereelektrode kreisbogenförmig ausgeführt sind.
  14. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierender Anschlag von der Barriereelektrode zu der schwingenden Elektrodenplatte hin vorspringt.
  15. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierender Anschlag von dem Bereich der festen Elektrodenplatte entlang der Barriereelektrode zu der schwingenden Elektrodenplatte hin vorspringt.
  16. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine schlitzförmige Öffnung, die durch die Barriereelektrode und die Rückplatte verläuft, entlang der Längsrichtung der Barriereelektrode in der Barriereelektrode und der Rückplatte ausgebildet ist.
  17. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine schlitzförmige Öffnung, die durch die Rückplatte verläuft, parallel zu der Längsrichtung der Barriereelektrode in der Rückplatte ausgebildet ist.
  18. Akustiksensor, wobei der kapazitive Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17 verwendet 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 Kapazität zwischen der Membran, die auf die Schallschwingungen reagiert, und der festen Elektrodenplatte Signale ausgegeben werden.
  19. Mikrophon, umfassend den Akustiksensor nach Anspruch 18 und einen Schaltungsteil, der die Signale von dem Akustiksensor verstärkt und nach außen ausgibt.
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