JP2000508860A - 薄膜エレクトレットマイクロフォン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくともその一方が支持構造の上に形成されたマイクロ加工エレクトレット層（６）を含む、マイクロホン膜ユニット（３０）とマイクロホン裏板（３２）とを近接配置することによって、高度に信頼性のある、安価なマイクロホンを生産することから成るエレクトレットマイクロホン製作方法。熱的アニーリングを使って注入電荷を安定させる。

Description

【発明の詳細な説明】 薄膜エレクトレットマイクロフォン 連邦政府後援の研究に関する声明 米国政府は、米国国立科学財団によって与えられたGrant No.ECS-9157844によ る本発明に一定の権利を有する。発明の背景 ２．発明の分野 本発明はエレクトレットマイクロホンに関し、より詳細にはミニアチュア・エ レクトレットマイクロホンと、ミニアチユア・エレクトレットマイクロホンを製 造する方法に関する。 ３．関連技術の説明 エレクトレットは、分子ダイポールの永久配列(permanent order-ing)から生 じるか、安定した非補償面または空間電荷から生じる永久外部電場を生成する誘 電体である。エレクトレットはこれまで、その電荷蓄積特性に関する研究の対象 であると同時に、音響変換器（例えば、補聴器を含む）、エレクトログラフ装置 (electro-graphic devices)、および写真複写機等の各種の装置におけるその応 用に関する研究の対象であった。 多数のエレクトレットマイクロホン・デザインが存在する。しかしながら、小 形で高品質なエレクトレットマイクロホンはかなり高価な傾向がある。従って、 小形、高品質で、安価なエレクトレット、特にエレクトレットマイクロホンに対 する要求が存在する。本発明はこれらの要求を満たすものである。発明の要約 本発明はマイクロ加工技術を使って、小形で、安価な、高品質のエレクトレッ トを支持面上に製作し、更にはマイクロ加工技術を使って、小形で、安価で、高 品質の、好ましくはマイクロホン形式の自己出力形エレクトレット音響変換器を 製作する。各マイクロホンは、マイクロホン膜ユニットとマイクロホン裏板とか ら成るツーピースユニットとして製作され、少なくともその一方はマイクロ加工 技術で成形されたエレクトレットを含んでいる。近接して配置されると、２つの ユニットは、外部バイアスの必要なしに信号を生成できる高度に信頼性のある、 安価なマイクロホンを形成し、それによってシステムの容積と複雑さを削減する 。 好ましい実施例では、使用されるエレクトレット材料はスピンオン形(spin-on )ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の薄膜である。電荷の注入には電子 銃を使用することが望ましい。エレクトレットは約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜約８× １０^-4Ｃ／ｍ²の範囲の飽和電荷密度を持つ。熱的なアニーリングを使って注入 電荷を安定させる。 ２つのプロトタイプのマイクロ加工エレクトレットマイクロホンが製作され、 試験された。ハイブリッド・マイクロホンパッケージでは、約０．５ｍＶ／Ｐａ の開回路感度が達成された。 本発明の好ましい実施例の詳細を添付の図面と以下の説明で開示する。一旦発 明の詳細がわかれば、当業者には多数の追加的革新と変更が自明となるであろう 。図面の簡単な説明 図１Ａは、本発明の第１実施例のエレクトレットマイクロホンの工程流れ図で 、マイクロホン膜の製作段階を示す。 図１Ｂは、本発明の第１実施例のエレクトレットマイクロホンの工程流れ図で 、マイクロホン裏板の製作段階を示す。 図２Ａは、図１Ａの完成されたマイクロホン膜の平面図である。 図２Ｂは、図１Ｂの完成されたマイクロホン裏板の平面図である。 図２Ｃは、図２Ｂの完成されたマイクロホン裏板の断面の詳細図である。 図３は、本発明の第１実施例の完成されたハイブリッド・エレクトレットマイ クロホンの断面図である。 図４は、本発明の第２実施例のエレクトレットマイクロホンの工程流れ図で、 マイクロホン裏板の製作段階を示す。 図５は、本発明によってエレクトレットフィルムを作るための好ましいバック ライト・サイラトロン電荷注入システムの線図である。 各図中の同一参照番号と表示は同一要素を示す。発明の詳細な説明 本説明を通して、図示の好ましい実施例と実例とは本発明に対する制限という よりも、むしろ例示と見做すべきである。 概要 本発明によれば、ミニアチュア（例えば、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）エレクト レットマイクロホンは、マイクロホン膜ユニットとマイクロホン裏板とから成る ツーピースユニットとして製造され、少なくともその一方がマイクロ加工技術に よって形成されたエレクトレットを有している。近接して配置されると、２つの ユニットは、 外部バイアスの必要なしに信号を生成できるマイクロホンを形成する。しかしな がら、本発明は、他の望ましい使用では、支持面上にエレクトレットを形成する ことを含む。 好ましい実施例では、使用されるエレクトレット材料はスピンオン形のポリテ トラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の薄膜である。電荷注入には、疑似スパーク 装置として知られる電子銃が使用される。 マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）コンパチブル・エレクト レットデバイスの自己出力能力を実証するために、２つの異なるプロトタイプ・ マイクロ加工エレクトレットマイクロホンが製作され、試験された。プロトタイ プＡはシリコンの裏板を使用し、プロトタイプＢはガラスの裏板を使用した。い ずれのマイクロホンも同一のダイヤフラム（膜）チップを使用する。これらの実 例では、エレクトレットは約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜８×１０^-4Ｃ／ｍ²の範囲の飽 和電荷密度を持つ。ハイブリッド・マイクロホンパッケージでは、約０．５ｍＶ ／Ｐａの開回路感度が獲得された。 エレクトレットマイクロホンＡ 図１Ａは、本発明の第１実施例のエレクトレットマイクロホンの工程流れ図で 、マイクロホン膜の製作段階を示す。図２Ａは、図１Ａの完成されたマイクロホ ン膜の平面図である。エレクトレットマィクロホンＡの製作工程は下記のステッ プを含む： １） マイクロホン膜の製作は、膜層２として働く約１μｍ厚の、低応力、低圧 化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）窒化珪素でコーティングされたシリコン基板１で開始さ れる。他の電気絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結晶質、または多結晶 質材料を基板材料として使用できる。例えば、基板材料はガラス（例えば、 以下のエレクトレットマイクロフォン＃２を参照）、クオーツ、サファイア等で よく、それらはすべて、多くの既知の方法でエッチングできる。薄膜に製作可能 な他の膜層材料（二酸化珪素等）を各種の既知の方法で使用、成形、または堆積 させることができる。 ２） 基板１の裏側の窒化珪素は次に、フォトレジストでマスキングされて従来 方法でパターニングおよびエッチング（例えばＳＦ₆プラズマを使って）され、 バックエッチ窓を形成する。基板１は次に、異方性にバックエッチングされて自 立形のダイヤフラム３（図示の実施例では約３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）を形成す る。エッチング剤は、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレン・ジアミン・ ピロカテコール（ＥＤＰ）、またはテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ ）でよい。 ３） 次に膜電極４を、好ましくは、フォトレジストマスクまたは物理的マスク を介した、厚さ約２０００ＡÅのＣｒ／Ａｕ層の蒸着によって、ダイヤフラム３ の前側に堆積させる。他の導体、例えばアルミニウムまたは銅を使用して、他の 方法で堆積させてもよい。 ４） 誘電体フィルム５は次に、約１μｍの厚さまでスピンオン(spun on)され る。誘電体フィルム５は、好ましくはＰＴＦＥ、最も好ましくはDu Pontのフル オロポリマーの商標である が室温で液体の形で利用可能で、従ってスピンオンでの塗布に適するからである 。この材料も、マイクロホン膜の機械的感度の増加を許す極めて薄いフィルム（ 下はサブミクロンの厚さまで）を形成し、優れた電荷蓄積特性、良好な化学抵抗 、低い吸 水率、および高い温度安定性を持つ。しかしながら、例えばマイラー(Mylar)、 ＦＥＰ、他のＰＴＦＥフルオロポリマー、シリコン、またはパリレン(Parylene) も使用できるだろう。 ０ｒｐｍでスピニングして約２５０℃で約３時間、焼き付け(baking)することに よって準備された。スピニングを伴う液体 μｍで、表面粗さは基板全体に約２０００Å以下だった（マイ 電体フィルムは厚さ約１．２μｍだった（マイクロホンＢ）。通常の処理時間よ り長いタイムスパンでは、異なる材料面（例えば、シリコン、二酸化珪素、窒化 珪素、銅、金、クロム等） しば使用される化学物質（例えば、水、フォトレジスト現像液、アセトン、アル コール、ＨＦ、ＢＨＦ等）の存在下で満足すべきものになる。所望ならば、フィ ルム５は、例えば物理的マスクかフォトレジストマスクを使って、酸素プラズマ でパターニングできる。 ５） 最後に、エレクトレット６は、好ましくは疑似スパーク電子銃を使用して 約１０ｋｅＶエネルギーの電子を誘電体フィルム５に注入することによって形成 される。エレクトレット６は次に、約１００℃の空気中で約３時間、アニーリン グされて電荷を安定させる。 下記の疑似スパーク電子銃が好まれるのは、それが室温で動作すること、 電子ビームエネルギーを約５ｋｅＶから約３０ｋｅＶまで容易に変更できること 、ビームサイズが大きいこと （直径で約数ミリメートル）、高い電子量を放出できること（１０^-9〜１０^-6Ｃ ）、それが高いスループットを持つと共に低価格なことによる。しかしながら、 他の電子注入方法、例えば走査電子ビーム、電界放射電極板、コロナ充電(coron a charging)、液体接触、または熱充電(thermal charging)を使用してもよい。 図１Ｂは、エレクトレットマイクロホンＡの工程流れ図で、マイクロホン裏板 の製作段階を示す。図２Ｂは、図１Ｂの完成されたマイクロホン裏板の平面図で ある。図２Ｃは、図２Ｂの完成されたマイクロホン裏板の断面の詳細図である。 製作工程は下記のステップを含む： １） 裏板電極の製作は、好ましくは約３μｍの熱酸化物(thermaloxide)から成 る電気絶縁層１１でコーティングされたシリコン基板１０で開始される。基板１ ０の両側が絶縁層１１でコーティングされた状態を示しているが、コーティング が必要なのは一方の側（電極を含む側）のみである。電気絶縁層１１には、他の 材料、例えば窒化珪素を使用してもよい。他の電気絶縁性か半導体性のガラス、 セラミック、結晶質、または多結晶質材料を基板１０の材料として使用できる。 ２） 絶縁層１１の部分がマスキングされて基板１０までエッチングされ、エッ チング窓を形成する。露出された基板１０は次に、エッチング窓を通してエッチ ングされて、凹部１２を形成する。好ましい実施例では、時間調節された(timed )ＫＯＨエッチングを使用して、基板１０内に約３μｍの凹部１２を作る。窓と 凹部１２が容量性エレクトレットマイクロホンのエアギャップを形成する。 ３） 次に、電気絶縁層１３が成長して凹部１２を充填する。絶縁層１３は約３ μｍの熱酸化物から成ることが望ましい。 ４） 次に絶縁層１３がパターニングされて、マイクロホンの動作中の空気流動 抵抗を削減するためのキャビティのアレイ１４を形成する。好ましい実施例では 、キャビティアレイは４０×４０で、異方性エッチング（例えばＫＯＨによる） の後、パターニングされた絶縁層１３を通して等方性エッチング（例えば弗化水 素酸＋硝酸＋酢酸による）によって形成される。図示の実施例で、各キャビティ は直径約３０μｍの開口部を持ち、直径約８０μｍで深さ約５０μｍの半ドーム 形孔を備えている。 ５） 最後に裏板電極１５が、好ましくは、物理的マスクを介した厚さ約２００ ０ÅのＣｒ／Ａｕ層の蒸着によって、絶縁層１３の一部に堆積される。他の導体 、例えばアルミニウムまたは銅を使用して、厚膜プリンティング等の他の方式で 堆積させてもよい。 エレクトレットマイクロホンＡでは、Ｃｒ／Ａｕ膜電極４とTeflonエレクトレ ットフィルムとを持つマイクロホン膜の基本共振周波数は、レーザードップラー 振動計を使って測定された。基本共振周波数は約３８ｋＨｚであった。 図３は完成されたハイブリッド・エレクトレットマイクロホンＡの断面図であ る。マイクロホン膜３０と裏板３２は、エレクトレット６が裏板電極１５とほぼ 平行だが隙間３４だけ電極と間隔をあけるように近接して配置された状態で図示 される。マイクロホン膜３０と裏板３２とは互いに機械的にクランプするか、ま たは接着によるか化学的か熱的に結合してもよい。所望ならば、完成されたマイ クロホンは、電磁（ＥＭ）シールドを与えるために導電構造の中に 収容してもよい。マイクロホン膜３０と裏板３２が真空チャンバ内で互いに密封 される場合は空気流動抵抗が問題とならないと考えられるので、キャビティ１４ とそれらの形成に必要なステップを省略してもよい。別法として、静圧補償孔３ ５を設けてもよい。 エレクトレット６は膜３０上に形成されるものとして図示されているが、類似 の処理技術は、裏板３２の対向面上か、膜３０と裏板３２の両者の上にエレクト レット６を形成するのに使用できる。 漂遊キャパシタンスを削減するために、総電極面積は、マイクロホン膜３０と 裏板３２の小部分を覆うだけになるように設計された。実験的マイクロホンＡプ ロトタイプでは、３．５×３．５ｍｍのダイヤフラム３と４×４ｍｍ孔明き裏板 ３２の中心部を覆うために２×２ｍｍ電極を使ったに過ぎない。キャビティ開口 部で占められる裏板面積の割合はこのプロトタイプでは０．０７であった。流動 抵抗Ｒ_Uは０．０３Ｎｓ／ｍと計算された。遮断周波数（ｆｃ＝１３．５７σｈ ／｛２πＲ｝、ここにσ＝１００ＭＰａはダイヤフラム３の応力、ｈ＝１μｍは ダイヤフラム３の厚さ）は約７．６ｋＨｚと計算された。 マイクロホンＡの理論キャパシタンスは、４．５μｍのエアギャップと１μｍ 厚のTeflonエレクトレット６と４ｍｍ²の電極面積に対して７ｐＦだった。Hewle tt Packard 4192 LF Impedance Analyzerを使って測定された、完成されたマイ クロホンＡパッケージのされたキャパシタンスは約３０ｐＦだった。キャパシタ ンス値の不一致は、電極とシリコン基板間、およびマイクロホンのクランプされ たシリコン基板の２つの半部の間の漂遊キャパシタンスに帰せられる。 マイクロホンＡは、アンプの使用なしに大きな人の声からの音を検出できた。 マイクロホンがEG&G PARC model 113 Pre-amp（ゲイ ンを１０００にセット）に接続され、２５０Ｈｚ、振幅１２３．９ｄＢ（ｒｅ． ２０μＰａ）で動作するBruel & Kjaer Type 4220 Pistonphoneによって励起さ れると、オシロスコープは２５０Ｈｚ、１９０ｍＶのピーク対ピーク振幅信号を 表示した。マイクロホンＡの推定開回路感度は０．３ｍＶ／Ｐａである。マイク ロホンの開回路感度は、音圧によるエレクトレットダイヤフラム３の撓みと出力 電圧とを計算することによって推定することもできる。ダイヤフラム３の導体部 分のピストン状の動きを仮定すると、計算では、より高い開回路感度が達成され ることを示す。 エレクトレットマイクロホンＢ 電極と基板間、およびマイクロホンＡのクランプされたシリコン基板の２つの 半部の間の漂遊キャパシタンスを削減するために、第２のエレクトレットマイク ロホンＢが製作された。マイクロホンＢの膜の製作はマイクロホンＡの場合と同 様だが、１．２μｍ厚のエレクトレット層には７ｋｅＶの電子が注入された。し かしながら、マイクロホンＢはガラスの裏板を使用している。図４は、マイクロ ホンＢ裏板の製作段階を示す工程流れ図である。 １） マイクロホンＢの裏板の製作は、好ましくは約２５００ÅのＣｒ／Ａｕの 導電層１６で片側をコーティングされたガラス基板１０ａで開始される。この場 合も他の導体を使用できるだろう（好ましい実施例ではバッファ(buffered)弗化 水素酸を最終段階のエッチングに使用した場合、ある材料、例えばＡｌまたはＣ ｕは避けなければならないが。この制限は、他のエッチング技法を使用すること で回避できる）。更に、基板１０ａは電気絶縁性のセラミック、結晶質、または 多結晶質材料でもよい だろう。 ２） 導電層１６の部分が、パターニングされたフォトレジスト１７でマスキン グされた。 ３） 次に、導電層１６の露出部分がエッチングされて、パターニングされた裏 板電極１５ａを形成した。 ４） 次にスペーサ１８が、好ましくは約５μｍ厚のフォトレジスト層を形成す ることおよびパターニングすることによって、形成された。 ５） 次にキャビティアレイ１９が、時間調節された(timed)バッファ弗化水素 酸（ＢＨＦ）エッチングを使ってガラス基板１０ａに形成された。これらのキャ ビティは空気流動抵抗を削減するために役立つ。図示の実施例では、各キャビテ ィは直径約４０μｍの開口部と直径約７０μｍで深さ約１５μｍの半ドーム形孔 を持つ。 エレクトレットマイクロホンＢは、作り付けのスピーカーを持つB&K Type 423 2無響試験室で試験され、B&K Type 4136の１／４インチ基準マイクロホンに対し て較正された。マイクロホンＢがEG&G Model 113 Pre-ampに接続されて正弦入力 音源で励起されると、明瞭な、無歪みの正弦出力信号が観察された。２００Ｈｚ から１０ｋＨｚまでの既知の入力音圧レベル（ＳＰＬ）を加えることによってマ イクロホンＢの周波数応答が得られた。マイクロホンＢの開回路感度は０．２ｍ Ｖ／Ｐａのオーダーで、帯域幅は１０ｋＨｚよりも大きい。６５０Ｈｚでは、最 低検出可能音圧は５５ｄＢ・ＳＰＬ（ｒｅ．２０μＰａ）だった。開回路歪限度 はスピーカーの最大出力の１２５ｄＢ・ＬＰＳより上であった。これは、ダイナ ミックレンジが７０ｄＢ・ＳＰＬよりも大きいことを意味する。マイクロホ ンＢの性能特性は類似サイズの他のマイクロホンに匹敵するもので、予備的な計 算では、潜在的に、より高い感度とより広いダイナミックレンジが達成できるこ とを示している。 マイクロホンＢのパッケージングはマイクロホンＡのものと同様で、漂遊キャ パシタンスを削減するための限定面積の電極の形成も同様だった。膜の測定共振 周波数は約３８ｋＨｚだった。 マイクロホンＡの理論キャパシタンスは、５μｍのエアギャップと１．２μｍ 厚のTeflonエレクトレット６と３．１４ｍｍ²の電極面積に対して４．９μＦだ った。Hewlett Packard 4192 LF Impe-dance Analyzerを使って測定された、完 成されたマイクロホンＢのキャパシタンスは約５．２μＦだった。理論キャパシ タンス値と実験値間の密接な一致は、電極と基板間、およびクランプされた二つ 割りのマイクロホンの間の漂遊キャパシタンスを実際上除去するガラス基板に帰 せられる。 疑似スパーク電子銃 疑似スパーク電子銃がＰＴＦＥ誘電フィルムへの電子注入に使用された。図５ は、本発明によってエレクトレットフィルムを製作するための、好ましいバック ライト・サイラトロン（ＢＬＴ）電荷疑似スパーク電子銃の線図である。ＢＬＴ 構造はホローバックのカソード５４とホローバックのアノード５６とを持つ２つ の電極板５０、５２を備えている。図示の実施例では、２つの電極５０、５２は 互いに対向して、約７５ｍｍの直径と約５ｍｍの中央アパーチャ５８とを持つ。 電極５０、５２は、約５ｍｍ厚のプレキシガラス、クオーツ等の絶縁板６０によ って分離されている。この構造は水素または希ガスの一つ等の低圧ガスで充満さ れ、ポンプ（図示せず）に連 結された真空チャンバ６２によって約５０〜約５００ｍトル(Torr)の圧力に維持 される。高圧電源６４は電極５０、５２間の電気的バイアス電位を提供する。 ＢＬＴ装置は、カソード５４の背面に加えられた紫外線パルスによって光学的 にトリガーされる。つまり、ＵＶソース６６（例えば、フラッシュランプ）から の光がＵＶ透過窓（例えば、クオーツ）６８を通ってカソード５４の背面に入る 。これによって、薄膜誘電体サンプル７２に向けられたパルス電子ビーム７０が 開始される。誘電コリメート・チューブ(dielectric collimating tube)７４を 中央アパーチャからのビーム出口に取り付けることは、電子ビーム７２をコリメ ートして収束させる効果がある。 別の実施例では、図５のサイラトロン装置を、カソード領域５４に加えられた 電気パルスでトリガーしてもよい。電気パルスは、電子ビーム７０を開始する電 子を発生させる。 一つの実験装置では、トリガー用ＵＶフラッシュランプ６６をＵＶ透過（クオ ーツ）窓６８から約２ｃｍ離れた距離に配置した状態で、ＢＬＴを真空チャンバ ６２の頂部に取り付けた。カソード５４はビーム加速のために高い負電位でバイ アスされた。電子ビームパルス７０は、中央アパーチャ５８からのビーム出口か ら約１２ｃｍ離れて位置するサンプル７２に向けられた。約６°の開き角度では 、ビームの直径はサンプル表面で約１．７５ｃｍだった。バイアス電位は誘電体 サンプル７２内の電子の希望の範囲に従って調節された。シリコン裏板と１μｍ 厚のTeflonフィルムを持つマイクロホンＡでは、電子ビームエネルギーは１０ｋ ｅＶにセットされたが、これは約１μｍの注入深さを提供する。ガラスの裏板と １．２μｍ厚のTeflonフィルムを持つマイクロホンＢでは、電子ビームエネルギ ー は７ｋｅＶにセットされ、これは１μｍ以下の注入深さを提供する。 電荷密度の測定 エレクトレット上の電荷密度を測定するために、ＰＺＴスタックとマイクロメ ータ制御の静止電極から成る装置が製作された。変位をＺ方向のみに制限するた めに、ＰＺＴは、３０４ステンレススチール製の、放電加工（ＥＤＭ）によって 機械加工されたフレクシャヒンジ(flexure hinge)内に一体化された。フレクシ ャヒンジの可動部分の重さは３０ｇで、ばね定数は１．５３×１０⁶Ｎ／ｍだっ た。ＰＺＴドライバは１００Ｖで１５μｍ変形し、最大電圧１５０Ｖで駆動でき る。ヒステリシスによって生じるＰＺＴの変位の直線性は１０％だった。ＰＺＴ は、周期ソースとアンプから成るユニットによって駆動された。アンプは、容量 性負荷のために特別設計されたクラスＢのプッシュプルタイプ・アンプであった 。動的変位と静的変位を監視すると共にダブルチェックするために、渦電流セン サがマイクロメータ内に取り付けられた。テストサンプルは、約２０００ÅのＣ ｒ／Ａｕで蒸着された１．２×１．２ｃｍのシリコンダイを使用して準備された 。１μｍ厚のTeflon AF 1601S層がＡｕの表面にコーティングされた後、４２０ ｍトルのヘリウムで上記のＢＬＴを使って１０ｋｅＶの電子が注入された。 エレクトレットサンプルは振動フレクシャヒンジの上部に固定された。次に、 振動エレクトレットによる静止電極上の誘導電荷によって生じた信号がオシロス コープに表示された。２つの電極間に補償電位Ｕ₀を加えることによって、振動 電極と静止電極間のエアギャップ内の正味電場をゼロにできる。従って、誘導電 荷によって生成された信号はゼロになる。エレクトレットサンプルの有効表面電 荷密度ρ_effは従って下式で与えられる。 ρ_eff＝ε₀εＵ₀／ｔ ここにε₀は空気の誘電率、ε＝１．９はTeflonフィルムの相対誘電率、ｔはエ レクトレットの厚さである。電子パルスの数によって、エレクトレットサンプル の電荷密度は約２×１０^-5Ｃ／ｍ²から約８×１０^-4Ｃ／ｍ²まで変動する。得ら れた最大電荷密度は、Tef-lonフィルムに関して報告されたものに匹敵する。 実験からわかったのは、室温では、エレクトレットは最初、注入後数時間は総 電荷密度の１０〜２０％の低下があるが、その後、安定化することである。中に は６ヵ月の期間にわたって室温で監視されたサンプルもあるが、検出可能な電荷 の減衰は見られなかった。サンプルは、空気中の高められた温度における電荷減 衰の試験も行なわれた。１００℃におけるサンプルの電荷密度は、高められた温 度によって、最初の２時間で約４０％低下した。しかしながら、１００℃でも、 電荷は初期低下の後、実験のタイムスパン内（１６時間）では測定不能な割合ま で安定化した。次に、同一のエレクトレットサンプルが１２０℃における電荷減 衰について監視された。この場合も電荷密度の初期低下が存在したが、電荷は数 時間後に安定化した。同様の傾向が１４０℃の同一サンプルと、１３０℃および １６０℃の異なるサンプルについて観察された。１９０℃では、試験されたエレ クトレットが、数時間以内にその電荷の８０％以上を失うことも発見された。 これらの熱的なアニーリングデータを使って、基本的には電荷注入の直後に、 約１００℃の空気中で約３時間、エレクトレットを熱的にアニーリングすること によって、本発明によって作られるエレクトレット内の電荷を安定させる手順が 考案された。熱的なアニー リングの後、得られる結果は室温で安定したエレクトレットである。このような 熱的にアニーリングされたエレクトレットサンプルの一つがＵＶ光（３．８５ｍ Ｗ／ｃｍ²で３６５ｎｍ）８．５ｍＷ／ｃｍ²で４００ｎｍ）に１時間曝されたが 、電荷の減衰は観察されなかった。 これまでは短期間のデータしか入手できなかったが、室温および高められた温 度とＵＶ光の存在下で得られた電荷減衰のデータは、 使用して形成できることを示している。 要約 本発明のエレクトレットは、従来型エレクトレットが使用可能な任意の用途に 使用できる。特に、本発明のエレクトレットマイクロホンは、従来型エレクトレ ットマイクロホンが使用可能な任意の用途に使用できる。その上、その極めて小 形のサイズと自己出力特性によって、本発明によって作られるエレクトレットマ イクロホンは、携帯通信装置、補聴器等の装置の一層の小型化に貢献できる。更 に、このようなエレクトレットマイクロホンは出力形音響発生器として使用でき るので、一つ以上のユニットの、例えばスピーカーとしての補聴器への使用を可 能にする。多数のマイクロホンを使用する場合、それぞれの周波数応答は、ダイ ヤフラム３のスティフネスを変更するか（例えば、その厚さや平面内残留応力を 変更することによる）、あるいはダイヤフラム３の面積を変更することによって 、希望の値に調整できる。 本発明によるエレクトレットとエレクトレットマイクロホンの製作に使用され るＭＥＭＳ工程は集積回路の製作に適合するので、ア ンプ、信号プロセッサ、フィルタ、Ａ／Ｄコンバータ等の装置をエレクトレット ベースのデバイスの一体的部分として安価に製作できる。更に、製造コストが低 いことと、基板ウェハ上に多数のマイクロホンを作る能力とは、冗長性や、指向 性の音響知覚を与えるために、１ユニット中に多数のマイクロホンを使用するこ とを可能にする。 本発明の高電荷密度の、薄膜で安定したエレクトレット技術は、マイクロホン 以外の用途、例えばマイクロスピーカー、マイクロジェネレータ、マイクロモー タ、マイクロバルブ、およびエアフィルタにも使用できる。 本発明のいくつかの実施例を説明した。しかしながら、発明の精神と範囲から 逸脱することなく、様々な修正が可能であることは理解されるだろう。例えば、 他のエッチング剤、金属、マスク材料と基板材料、リトグラフの方法、エッチン グの技術等を上記の特定の材料、方法の代わりに使用できる。厚さサイズ等に関 する他の寸法を使って希望の性能や製作パラメータを獲得することもできる。正 方形マイクロホンが示されているが、丸形、六角形、楕円形等の他の形状も製作 できる。更に、一部の特定ステップを異なる順序で実行することによって、類似 の構造を達成することもできる。従って、本発明は、図示された特定の実施例に よって限定されるものではなく、付属の特許請求の範囲によってのみ限定される ものと理解しなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ (72)発明者 スー，ツェンヤン アメリカ合衆国 91125 カリフォルニア 州 パサデナ 136―93 エレクトリカル エンジニアリング カリフォルニア イ ンスティチュート オブ テクノロジー (72)発明者 シェ，ウェン，エイチ. アメリカ合衆国 91125 カリフォルニア 州 パサデナ 136―93 エレクトリカル エンジニアリング カリフォルニア イ ンスティチュート オブ テクノロジー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロ加工技術によって支持構造の上にエレクトレット層を形成するステ ップによってエレクトレットを製造する方法。 ２．前記エレクトレット層を熱的にアニーリングして内部の電荷を安定させるス テップを更に含む、請求項１の方法。 ３．熱的にアニーリングするステップが、前記エレクトレット層を約３時間、約 １００℃に加熱することから成る、請求項２の方法。 ４．前記支持構造が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結晶質 、または多結晶質材料から形成される、請求項１の方法。 ５．前記支持構造が、約１μｍの厚さに製作される膜を備える、請求項１の方法 。 ６．前記エレクトレット層が、次の各ステップにより形成される、請求項１の方 法： （ａ）前記支持構造の上に誘電体フィルムを形成するステップ； （ｂ）前記誘電体フィルムに電子を注入するステップ。 ７．疑似スパーク電子銃によって電子を前記誘電体フィルムに注入するステップ を更に含む、請求項６の方法。 ８．前記誘電体フィルムが、マイラー、ＦＥＰ、ＰＴＦＥフルオロ される、請求項６の方法。 ９．前記エレクトレットが、約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜約８×１０^-4Ｃ／ｍ²までの 飽和電荷密度を有する、請求項１の方法。 １０．次の各ステップによりエレクトレット音響変換器を製造する方法： （ａ）第１電極を有する変換器膜をマイクロ加工技術によって形成するステップ ； （ｂ）第２電極を有する変換器裏板をマイクロ加工技術によって形成するステッ プ； （ｃ）前記変換器膜か前記変換器裏板の少なくとも一方にエレクトレット層を形 成するステップ； （ｄ）前記変換器裏板に隣接して前記変換器膜を配置してエレクトレット音響変 換器を形成するステップ。 １１．前記エレクトレット層を熱的にアニーリングして内部の電荷を安定させる ステップを更に含む、請求項１０の方法 １２．熱的にアニーリングするステップが、前記エレクトレット層を約３時間、 約１００℃に加熱することから成る、請求項１１の方法。 １３．前記変換器膜が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラ ミック、結晶質、または多結晶質材料から形成された支持構造の上に形成される 、請求項１０の方法。 １４．前記変換器裏板が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結 晶質、または多結晶質材料から形成される、請求項１０の方法。 １５．前記変換器膜が、約１μｍの厚さに製作される、請求項１０の方法。 １６．前記エレクトレット層が、次の各ステップにより形成される、請求項１０ の方法： （ａ）誘電体フィルムを前記変換器膜か前記変換器裏板の少なくとも一方に形成 するステップ； （ｂ）前記誘電体フィルムに電子を注入するステップ。 １７．電子をサイラトロンによって前記誘電体フィルムに注入するステップを更 に含む、請求項１６の方法。 １８．前記誘電体フィルムが、マイラー、ＦＥＰ、ＰＴＦＥフルオ 成される、請求項１６の方法。 １９．前記エレクトレットが、約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜約８×１０^-4Ｃ／ｍ²まで の飽和電荷密度を有する、請求項１０の方法。 ２０．次のステップを更に含む請求項１０の方法： （ａ）前記エレクトレット音響変換器をマイクロホンとして作動させることによ って、周囲音が前記エレクトレット音響変換器によって前記第１電極と前記第２ 電極上の電気信号に変換されるように成したステップ。 ２１．前記マイクロホンが、約０．５ｍＶ／Ｐａの開回路感度を有する、請求項 ２０の方法。 ２２．次のステップを更に含む請求項１０の方法： （ａ）前記第１電極と前記第２電極を介して電気信号を加えて、前記エレクトレ ット層の影響下に前記膜の物理運動を誘導することによって音波を発生させるこ とにより、前記エレクトレット音響変換器をスピーカーとして作動させるステッ プ。 ２３．次の各構成よりなるエレクトレット： （ａ）支持構造； （ｂ）マイクロ加工技術によって前記支持構造の上に形成されたエレクトレット 層。 ２４．前記エレクトレット層が、熱的にアニーリングされて内部の電荷を安定さ せる、請求項２３のエレクトレット膜。 ２５．前記エレクトレット層が、熱的なアニーリングのために、約３時間、約１ ００℃に加熱される、請求項２３のエレクトレット膜。 ２６．前記支持構造が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結晶 質、または多結晶質の材料から形成される、請求項２３のエレクトレット膜。 ２７．前記支持構造が、厚さ約１μｍの膜を備える、請求項２３のエレクトレッ ト膜。 ２８．前記エレクトレット層が、前記支持構造の上に形成された帯電された誘電 体フィルムを備える、請求項２３のエレクトレット膜。 ２９．前記誘電体フィルムが、サイラトロンによって電子を前記誘電体フィルム に注入することによって帯電される、請求項２８のエレクトレット膜。 ３０．前記誘電体フィルムが、マイラー、ＦＥＰ、ＰＴＦＥフルオ 成される、請求項２８のエレクトレット膜。 ３１．前記エレクトレットが、約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜約８×１０^-4Ｃ／ｍ²まで の飽和電荷密度を有する、請求項２３のエレクトレット膜。 ３２．次の各構成よりなるエレクトレット音響変換器： （ａ）膜支持構造； （ｂ）第１電極を有すると共に、マイクロ加工技術によって前記膜支持構造の上 に形成された変換器膜； （ｃ）第２電極を有すると共に、マイクロ加工技術によって形成された変換器裏 板； （ｄ）前記変換器膜か前記変換器裏板の少なくとも一方に形成されたエレクトレ ット層；を備え、 前記変換器膜は、前記変換器裏板に隣接して配置されることによってエレクトレ ット音響変換器を形成すること。 ３３．前記エレクトレット層が、熱的にアニーリングされて内部の電荷を安定さ せる、請求項３２のエレクトレット音響変換器。 ３４．前記エレクトレット層が、熱的なアニーリングのために、約３時間、約１ ００℃に加熱される、請求項３２のエレクトレット音響変換器。 ３５．前記膜支持構造が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結 晶質、または多結晶質の材料から形成される、請求項３２のエレクトレット音響 変換器。 ３６．前記変換器裏板が、電気的に絶縁性か半導体性のガラス、セラミック、結 晶質、または多結晶質の材料から形成される、請求項３２のエレクトレット音響 変換器。 ３７前記変換器膜が、約１μｍの厚さである、請求項３２のエレクトレット音響 変換器。 ３８．前記エレクトレット層が、前記変換器膜上に形成された帯電 された誘電体フィルムを備える、請求項３２のエレクトレット音響変換器。 ３９．前記誘電体フィルムが、サイラトロンによって電子を前記誘電体フィルム に注入することによって帯電される、請求項３８のエレクトレット音響変換器。 ４０前記誘電体フィルムが、マイラー、ＦＥＰ、ＰＴＦＥフルオロ される、請求項３８のエレクトレット音響変換器。 ４１．前記エレクトレットが、約２×１０^-5Ｃ／ｍ²〜約８×１０^-4Ｃ／ｍ²まで の飽和電荷密度を有する、請求項３２のエレクトレット音響変換器。 ４２．前記エレクトレット音響変換器をマイクロホンとして作動させることによ って、周囲音が前記エレクトレット音響変換器によって前記第１電極と前記第２ 電極上の電気信号に変換される、請求項３２のエレクトレット音響変換器。 ４３．前記マイクロホンが、約０．５ｍＶ／Ｐａの開回路感度を有する、請求項 ４２のエレクトレット音響変換器。 ４４．前記第１電極と前記第２電極を介して電気信号を加えて、前記エレクトレ ット層の影響下に前記膜の物理運動を誘導することによって音波を発生させるこ とにより、前記エレクトレット音響変換 器をスピーカーとして作動させる、請求項３２のエレクトレット音響変換器。