JP2005110204A - コンデンサーマイクロフォン及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の共振周波数を有する超小型のコンデンサーマイクロフォンを提供すること。
【解決手段】 コンデンサーマイクロフォン１は、ベースプレート３１とバックプレート１３と振動板３２と梁部１２ａとを有する。振動板３２と梁部１２ａとは一体に形成されている。振動板３２は、バックプレート１３との間に空隙Ａを保って対向配置されている。梁部１２ａの表面には、可動側電極としてのＡｌ膜５１が設けられ、バックプレート１３の表面には、固定側電極としてのＡｌ膜５２が設けられ、Ａｌ膜５１，５２は同一平面上にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコンマイクロマシーニングで作製される超小型コンデンサーマイクロフォンに関する。

従来、シリコンウエハを用いてマイクロマシーニングで作製されるコンデンサー型のマイクロフォンが公知である。このコンデンサーマイクロフォンには、音圧を検知する振動板であるメンブレン（membrane)とこれに対向してバックプレートが設けられており、メンブレンとバックプレートとの空隙の変化を電気的に検出するように構成されている（例えば、非特許文献１、特許文献２，３参照）。

G.M.Sessler; "Silicon Microphones" J.Audio Eng.Soc.vol.44,No.1/2 p.16-22(1996) 特開２００１−３３９７９６号公報 特開２００３−１６３９９８号公報

コンデンサーマイクロフォンを小型化すると、当然ながらメンブレンも小さくなり、空隙の容量も小さくなる。そのために、特に低周波数領域での感度が低下する。この問題を解決するためには、メンブレンの張力を小さくすればよい。しかし、従来技術では、メンブレンの張力は、製造条件で決まってしまうので、設計による調整が効かず、所望の共振周波数をもつコンデンサーマイクロフォンを得ることが困難であった。

（１）請求項１のコンデンサーマイクロフォンは、フォトリソグラフィー法で作製されるコンデンサーマイクロフォンであって、周辺部がベースプレート上に支持されるバックプレートと、バックプレートと所定の間隔を空けて設けられる振動板と、振動板をベースプレートから吊持する梁状部材と、振動板とバックプレートとの間の容量変化を電気信号として取り出す一対の電極とを備えることを特徴とする。
（２）上記のコンデンサーマイクロフォンにおいては、梁状部材は、十字形状であり、梁部と固定端部とを有し、梁部は、バックプレートに形成された十字形状の開口内に位置するように設けられ、固定端部は、梁部を両持ちで支持するようにベースプレートに固定されていることが好ましい。また、一対の電極は、可動側電極と固定側電極とを有し、可動側電極は梁部の上面に設けられ、固定側電極はバックプレートの上面に設けられていることが好ましい。
（３）請求項１〜３のいずれかのコンデンサーマイクロフォンにおいては、ベースプレート、バックプレート、振動板および梁状部材をＳＯＩウエハに対してフォトリソグラフィー法により作製してもよい。
（４）請求項５のコンデンサーマイクロフォンをフォトリソグラフィー法で作製する方法は、周辺部がベースプレート上に支持されるバックプレートを形成する工程と、バックプレートと所定の間隔を空けて振動板を形成する工程と、振動板をベースプレートから吊持する梁状部材を形成する工程と、振動板とバックプレートとの間の容量変化を電気信号として取り出す一対の電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。
（５）請求項６の発明によるマイクロフォンシステムは、請求項１〜４のいずれか一つに記載のコンデンサーマイクロフォンと、コンデンサーマイクロフォンから取り出された電気信号から、コンデンサーマイクロフォンの共振周波数領域において振動板に作用する音圧に応じた信号を抽出する検波回路とを備えたことを特徴とする。
（６）請求項７の発明によるマイクロフォンシステムは、互いに共振周波数が異なる請求項１〜４のいずれか一つに記載のコンデンサーマイクロフォンを同一ウエハ基板上に複数形成したマイクロフォンアレイと、複数のコンデンサーマイクロフォンの各々に設けられ、各コンデンサーマイクロフォンから取り出された電気信号から、各コンデンサーマイクロフォンの共振周波数領域において振動板に作用する音圧に応じた信号をそれぞれ抽出する複数の検波回路と、各検波回路からの信号が入力され、入力された各信号を合成して合成信号を出力する合成回路とを備えたことを特徴とする。
（７）請求項８の発明は、請求項７に記載のマイクロフォンシステムにおいて、複数のコンデンサーマイクロフォンの各共振周波数領域を合わせたものが一つの連続した周波数領域を形成するように、各コンデンサーマイクロフォンの共振周波数を互いにずらして設定したこものである。
前記

本発明によれば、振動板を梁状部材で支持する構造とすることにより、梁部の寸法形状を自由に設計できるので、所望の共振周波数を有する超小型のコンデンサーマイクロフォンを提供することができる。また、共振周波数が異なる複数のコンデンサーマイクロフォンを設けたことにより、一つの連続した周波数領域において高感度に音声を検出することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態のコンデンサーマイクロフォンの全体構成を模式的に示す透視図であり、３次元直交座標で方向を表わす。図２は、図１のＩ−Ｉに沿って切断したＸＺ断面図である。図３は、図１の上面図である。

図１に示されるように、コンデンサーマイクロフォン１は、下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ_２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハ１００を用いて、後に詳細に説明するように、マイクロマシーニング技術、或いはフォトリソグラフィー技術により作製される。特に、シリコンマイクロマシーニングは、シリコン系材料に成膜、エッチング、熱拡散等を行い、微細な構造体や可動システムを作製する技術である。

図１〜３に示されるように、コンデンサーマイクロフォン１は、下部Ｓｉ層３０の内部に空間を形成して成るベースプレート３１と、ベースプレート３１の上側に設けられ、上記空間の上部に十字形状に空けられた領域を有するバックプレート１３と、バックプレート１３の十字形状領域に設けられ、両端がベースプレート３１に固定された梁状部材（以下、ブリッジと言う）１１，１２と、バックプレート１３との間に所定の間隔を空けてブリッジ１１，１２に吊持された振動板３２とを備えている。

Ｘ方向に延在するブリッジ１１は、梁部１１ａと２つの固定端部１１ｂとを有し、Ｙ方向に延在するブリッジ１２は、梁部１２ａと２つの固定端部１２ｂとを有する。ブリッジ１１および１２は、梁部の中央で交差する一体構造である。バックプレート１３は、Ｚ方向に貫通する複数の音響孔１４を有し、ブリッジ１１，１２とは離間している。

図２および３に示されるように、梁部１１ａ，１２ａの下面には、円形状の振動板３２が一体で形成されている。振動板３２は、梁部１１ａ，１２ａによって吊り下げられた状態で、バックプレート１３との間に空隙Ａを形成している。すなわち、振動板３２は、Ｚ方向では、バックプレート１３の中央部１３ａに対してスペーサ２１の厚さ分ｄだけ離間している。また、振動板３２は、ＸＹ面では、バックプレート１３の周辺部１３ｂに対して距離ｒの幅のリング状空間Ｒを形成して離間している。

バックプレート１３は、周辺部１３ｂで、ベースプレート３１と一体に形成されている。また、図示されていないが、ブリッジ１１，１２は、固定端部１１ｂ，１２ｂで、ベースプレート３１と一体に形成されている。バックプレート１３の表面には、電極膜５２が設けられており、その一部が固定側電極取出し口Ｆである。固定側電極の取出し口Ｆは、バックプレート１３の周辺部１３ｂの上面に設けられている。また、ブリッジ１１，１２の表面には、電極膜５１が設けられており、その一部が可動側電極の取出し口Ｍである。可動側電極の取出し口Ｍは、ブリッジ１２の固定端部１２ｂの上面に設けられている。このように、電極膜５１と５２は、同一平面上に設けられている。なお、電極膜５１，５２は、後述する金属層５０から成る。

図２を参照しながら、上記の各構成要素をＳＯＩウエハ１００の各層と対比する。
梁部１１ａ，１２ａは、ＳｉＯ_２層２０、上部Ｓｉ層１０、下地層４０および金属層５０が順次設けられた構造である。同様に、固定端部１１ｂ，１２ｂも、ＳｉＯ_２層２０、上部Ｓｉ層１０、下地層４０および金属層５０が順次設けられた構造である。

バックプレート１３の中央部１３ａは、上部Ｓｉ層１０、下地層４０および金属層５０が順次設けられた構造である。これに対し、バックプレート１３の周辺部１３ｂは、ＳｉＯ_２層２０、上部Ｓｉ層１０、下地層４０および金属層５０が順次設けられた構造である。
ベースプレート３１は、下部Ｓｉ層３０のみから成る。振動板３２は、主として下部Ｓｉ層３０から成るが、梁部１１ａ，１２ａとの結合部分には下地層４０と金属層５０が順次設けられている。振動板３２の結合部分に形成された下地層４０は、梁部１１ａ，１２ａの側面も覆っているが、金属層５０は、必ずしも梁部１１ａ，１２ａの側面を覆っていない。従って、振動板３２の結合部分に形成された金属層５０は、梁部１１ａ，１２ａに形成された金属層５０に導通していなくともよい。

以上のように構成されたコンデンサーマイクロフォン１による集音について説明する。振動板３２が音圧を受けると、音の振幅と周波数に応じて振動する。その振動の状態、すなわち、空隙Ａの容量の時間的変化は、梁部１１ａ，１２ａへ伝わり、可動側電極取出し口Ｍと固定側電極取出し口Ｆとの間の電圧変化として検出される。コンデンサーマイクロフォン１の周波数特性や感度は、梁部１１ａ，１２ａの厚さ、幅および長さと空隙Ａの容量（振動板３１の面積×ギャップ長ｄ）に依存する。梁部１１ａ，１２ａの長さ、幅および振動板３１の面積については、設計の自由度があり、マイクロマシーニング技術（フォトリソグラフィー技術）によって任意の寸法に製造できる。一方、梁部１１ａ，１２ａの厚さについては、上部Ｓｉ層１０とＳｉＯ_２層２０の厚さの和で決まり、ギャップ長ｄについては、ＳｉＯ_２層２０の厚さで決まるので、設計値に応じてＳＯＩウエハ１００を適宜選択すればよい。

このように本実施の形態では、コンデンサーマイクロフォン１の周波数特性や感度を任意に設定できるという効果がある。従来のメンブレン構造では、マイクロフォンの周波数特性や感度は、空隙Ａの容量の他に、メンブレンの張力にも依存しており、これを制御することはできなかった。

次に、本発明のコンデンサーマイクロフォン１の製造工程について、図４〜８を参照しながら詳しく説明する。製造工程は、（ａ）〜（ｐ）まで順に進み、（ａ）〜（ｈ）までは部分斜視図、（ｉ）〜（ｐ）までは部分断面図で示されている。

先ず、図４を参照する。
工程（ａ）では、下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ_２層２０，上部Ｓｉ層１０の厚さがそれぞれ５００μｍ，１μｍ，２５μｍのＳＯＩウエハ１００を準備する。
工程（ｂ）では、上部Ｓｉ層１０の表面に、レジスト４１をスピンコーターにより３０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布し、９０℃，５ｍｉｎの条件でベークする。
工程（ｃ）では、梁部１１ａ，１２ａの周辺部分１５に対応したパターンのマスクを用いて、レジスト４１に対して紫外線露光を４．０ｓｅｃ行い、現像を１．５ｍｉｎ行って、周辺部分１５のレジスト４１を除去する。

工程（ｄ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により、上部Ｓｉ層１０の周辺部分１５に対応する領域をエッチングし、梁部１１ａ，１２ａを形成する。図４（ｅ）は、図４（ｄ）のＩＩ−ＩＩ断面図であり、図示のように、エッチングは、ＳｉＯ<SUB>２</SUB>層２０の面が露出するまで行う。ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ_２Ｆ_２あるいはＣＦ_４等の酸化性ガスが用いられる。

図５を参照して、次の工程を説明する。
工程（ｅ）では、硫酸過水（Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２）により９０℃−５ｍｉｎ洗浄してレジスト４１を除去し、強フッ酸により露出しているＳｉＯ_２層２０をエッチング除去した後、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）により、多結晶シリコン膜４０を６００ｎｍ堆積させる。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図であり、図示のように、梁部１２ａの露出部分は、多結晶シリコン膜４０で覆われている。

ＬＰＣＶＤは、１０〜１０^３Ｐａの減圧下で試料を加熱し、熱エネルギーによる気相化学反応で試料表面に膜を生成させる成膜方法である。この方法は、膜の着き回りに優れ、均一な膜厚が得られるという長所がある。多結晶シリコンの成膜では、プロセスガスとしてＳｉＣｌ_４＋Ｈ_２あるいはＳｉＨ_４が用いられる。多結晶シリコン膜４０を成膜するのは、梁部１１ａ，１２ａと振動板３２との結合を強化するためである。結合位置にコンタクトホールを設けておき、多結晶シリコン膜を成膜すれば、アンカー効果が期待できる。

多結晶シリコン膜４０の成膜後に、ＯＣＤレジストをスピンコーターにより４０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布し、１５０℃，３０ｍｉｎの条件でベークした後に、１０００℃，３０ｍｉｎの条件でリン（Ｐ）の熱拡散処理を行う。多結晶シリコン膜４０へのＰの熱拡散により、多結晶シリコン膜４０の電気抵抗は小さくなる。熱拡散処理の後に、ＢＨＦ液により５ｍｉｎ洗浄し、ＯＣＤレジストを除去する。

工程（ｆ）では、薄い多結晶シリコン膜４０の上に、スピンコーターにより２０００ｒｐｍ，２５ｓｅｃの条件で厚膜レジスト４２を塗布し、１１０℃，１０ｍｉｎの条件でベークする。その後に、図８に示されるマスク２００を用いて、紫外線露光を６０ｓｅｃ行い、現像を２ｍｉｎ行って、図５（ｃ）に示されるような厚膜レジスト４２のパターニングを行う。なお、紫外線露光の際には、マスク２００は、工程（ｅ）で形成された梁部１１ａ，１２ａと正確に位置決めされる。

図８において、マスク２００の紫外線の透過領域は、ハッチング表示されていない部分であり、図５（ｃ）における厚膜レジスト４２が除去された部分に対応する。また、符号１１０，１２０は、ブリッジ１１，１２に対応し、符号１３０，１４０，１５０は、それぞれバックプレート１３，音響孔１４，梁部の周辺部分１５に対応する。

工程（ｇ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、上部Ｓｉ層１０と多結晶シリコン膜４０をエッチングし、ブリッジ１１，１２の外形、バックプレート１３の外形、音響孔１４を形成する。エッチングは、上部Ｓｉ層１０と多結晶シリコン膜４０の厚さの和である２５．６μｍ行う。
工程（ｈ）では、硫酸過水により９０℃−５ｍｉｎ洗浄して厚膜レジスト４２を除去する。最表面には多結晶シリコン膜４０が存在する。この後に、工程（ｇ）のエッチングによるエッチング面を保護するために、再び厚膜レジストを塗布し、ベークする。

上記の一連の工程でコンデンサーマイクロフォン１の上側の構造が一通り完成し、次に、下側の構造を作製する。上側の構造は、図５（ｄ）の工程（ｈ）で図示するとおりである。
図６を参照して説明する。
工程（ｉ）では、真空蒸着により下部Ｓｉ層３０にアルミニウム（Ａｌ）層３１を厚さ０．１μｍ形成する。

工程（ｊ）では、Ａｌ層３１の表面にレジスト４３をスピンコーターにより、３０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布し、９０℃，５ｍｉｎの条件でベークした後に、紫外線露光を４．０ｓｅｃ、現像を１．５ｍｉｎ行って、レジスト４３を図６（ｂ）のようにパターニングする。なお、このレジスト４３のパターンはリング状パターンである。
工程（ｋ）では、混酸Ｐ液（Ｈ_３ＰＯ_４＋ＨＮＯ_３＋ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋Ｈ_２Ｏ_２）に２ｍｉｎ浸漬することにより、Ａｌ層３１にパターン形成のためのエッチングを行い、さらに、ＲＩＥ、すなわち酸素ガスを用いたアッシングにより、レジスト４３を除去する。

工程（ｌ）では、下部Ｓｉ層３０のＡｌ層３１を除去した面に、厚膜レジスト４４をスピンコーターにより２０００ｒｐｍ，２５ｓｅｃの条件で塗布し、１１０℃，５ｍｉｎの条件でベークした後に、紫外線露光を６０ｓｅｃ、現像を２ｍｉｎ行ってレジスト４３を図６（ｄ）のようにパターニングする。Ａｌ層３１と厚膜レジスト４４とは、全周囲にわたって距離ｒだけ離れている。すなわち、Ａｌ層３１と厚膜レジスト４４は、リング状領域Ｒを隔てて存在する。

図７を参照して説明を続ける。
工程（ｍ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥにより下部Ｓｉ層３０のリング状領域Ｒを約５５μｍエッチングする。このエッチング量が振動板３２の厚さを決定する。
工程（ｎ）では、リムーバ（レジスト剥離液）により、厚膜レジスト４４を除去する。このとき、工程（ｈ）でコンデンサーマイクロフォン１の上側の面に塗布した保護用厚膜レジストも剥離されるため、再度、上側の面にスピンコーターにより２０００ｒｐｍ，２５ｓｅｃの条件で保護用厚膜レジストを塗布し、１１０℃，１０ｍｉｎの条件でベークする。

工程（ｏ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥによりＡｌ層３１をマスクとして下部Ｓｉ層３０を約４４５μｍエッチングする。これにより、リング状領域Ｒで下部Ｓｉ層３０が総て除去され、リング状領域Ｒの内側に厚さ５５μｍの振動板３２の外形が形成される。
工程（ｐ）では、硫酸過水により９０℃−５ｍｉｎ洗浄した後に、強フッ酸によりＳｉＯ_２層２０を除去する。これにより、振動板３２は、バックプレート３２から完全に分離する。

最後に、コンデンサーマイクロフォン１の上側表面に、Ａｌ金属層５０を厚さ０．０５μｍ形成し、図２の断面図で示されるコンデンサーマイクロフォン１が完成する。Ａｌ金属層５０のうち、ブリッジ１１，１２に設けられたＡｌ膜５１とバックプレート１３に設けられたＡｌ膜５２は、同一平面上に存在するので、可動側電極取出し口Ｍと固定側電極取出し口Ｆも同一平面上にあり、電気回路との接続が容易であり、全体としてシンプルな構成を実現することができる。

上記の実施の形態では、２本の梁部１１ａと１２ａを交差させた十字形状のブリッジ１１，１２が用いられているが、ブリッジは１本でもよい。音の波長は振動板３２よりも十分に長いので、振動板３２には均一に音圧が加わる。従って、１本のブリッジで振動板３２を吊持する構成においても、振動板３２の振動は正確に梁部に伝えられる。

上述した作製方法のとおり、本実施の形態のコンデンサーマイクロフォンは、ＳＯＩウエハを材料に用いて、総ての工程がシリコンマイクロマシーニング技術によって作製される。従って、１枚のウエハに多数の同一寸法のコンデンサーマイクロフォンをアレイ状に一括で作製することができ、アセンブル工程を必要としないために、製造コストを大幅に低下させることができる。また、この作製方法は、非常に寸法精度が高く、例えば、ＳｉＯ_２層２０の厚さで決まるギャップ長ｄを１μｍとすると、５ｎｍ以下の精度で作製することができる。

《電気回路の説明》
次に、上述したコンデンサーマイクロフォンを用いたマイクロフォンシステムの電気回路について説明する。マイクロフォン素子から音圧に応じた電気信号を取り出すための電気回路としては、一般的にはＦＭ方式と電圧検出方式とがある。

［電圧検出方式］
図９は電圧検出方式における電気回路を示したものであり、コンデンサーマイクロフォンの静電容量をＣｍ、電極間の電極傾度をＧとしたときの交流に対する等価回路を表したものである。Ｕは振動板の変位であり、Ｒ０は負荷抵抗である。マイクロフォン素子の静電容量Ｃｄ（Ｆ）は次式（１）で求めることができる。
Ｃｍ＝ε_０・ε_ｒ・（Ｓ／ｄ） …（１）
ただし、ε_０は真空の誘電率でε_０＝８．８５４×１０^−１２（Ｆ／ｍ）である。また、ε_ｒは比誘電率であり、空気の場合ε_ｒ≒１である。Ｓ（ｍ^２）は電極の面積、ｄ（ｍ）は電極の間隔である。

このとき、出力電圧Ｅは次式（２）のように表される。
Ｅ＝ＧＵ／｛１＋（１／ｊωＣｍＲ０）｝ …（２）
電圧検出方式で音圧に応じた電圧変化を得るためには、電極のいずれか一方に直流電圧を印加する。または、エレクトレットコンデンサーマイクロフォンのように、帯電した膜（エレクトレット）をいずれかの電極に貼り付けるようにしても良い。

［ＦＭ方式］
図１０はＦＭ方式における電気回路を示したものである。８０は上述したコンデンサーマイクロフォンから成るマイクロフォン素子であり、８１は発振回路、８２はＦＭ検波回路、８３はスピーカーである。発振回路８１にはコンデンサー８１ｂ，８１ｃ、コイル８１ｄおよび反転増幅器８１ａが設けられている。マイクロフォン素子８０の静電容量Ｃｍは上述した式（１）で算出されるが、振動板と電極との間隔は振動板３２の変位量によって変化するため、静電容量Ｃｍは音圧によって変化することになる。

マイクロフォン素子８０を接続しない場合の、反転増幅器８１ａ、コンデンサー８１ｂ，８１ｃおよびコイル８１ｄから成る発振回路８１の発振周波数Foscは次式（３）で算出される。
Fosc＝１／２π｛Ｌ×Ｃ１×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝^１／２ …（３）

式（３）は、コイル８１ｄのインダクタンス（Ｌ）を変化させない場合には、コンデンサー８１ｂ，８１ｃの静電容量（Ｃ１，Ｃ２）のいずれかを変化させると発振周波数Foscが変化することを意味している。したがって、図１０のようにマイクロフォン素子８０をコンデンサーＣ１に並列接続することにより、マイクロフォン素子８０に加わる音圧に応じた周波数変化を得ることができる。そして、ＦＭ検波回路８２を通すことにより音圧に応じて変化する電圧を取り出すことができ、さらに、スピーカ８３から音声として出力することができる。

図１１は、上述したコンデンサーマイクロフォンを用いたマイクロフォンヘッド９０の概略構成を、模式的に示した断面図である。９１はコンデンサーマイクロフォンが形成されたチップであり、チップ９１は基板９２上に実装されている。基板９２には回路素子９３等も実装されている。この基板９２は、マイクロフォンヘッド９０のケーシング９４内に収納されている。マイクロフォンヘッド９０に音圧が作用すると、コンデンサーマイクロフォンの振動板３２（図２参照）が振動子し、回路素子９３から信号が出力される。

−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、基板上に一つのコンデンサーマイクロフォンを形成したが、１枚の基板上に周波数特性の異なる複数のコンデンサーマイクロフォンをアレイ状に形成するようにしても良い。そして、これら複数のコンデンサーマイクロフォンを１つのマイクロフォンシステムとして利用する。具体的な応用例としては、ウェアラブル体調モニタリングシステムの一つであるウェアラブル聴診システムの検音部や、携帯通信機器の音声入力端末などがある。

図１２は、共振周波数の異なる複数のコンデンサーマイクロフォンが形成されたマイクロフォンアレイの一例を示す図であり、同一のマイクロフォンアレイ３００が複数形成されているウエハの一部分を示したものである。マイクロフォンアレイ３００には共振周波数の異なる５つのコンデンサーマイクロフォン３０１，３０２，３０３，３０４，３０５が形成されている。以下では、これらのコンデンサーマイクロフォン３０１〜３０５のことをマイクロフォン素子と称することにする。

図１２に示した各マイクロフォンアレイ３００は、チップとしてそれぞれウエハから切り出され、第１の実施の形態と同様に図１１のマイクロフォンヘッド９０に組み込まれる。図１３はＦＭ方式の場合の電気回路を示す図であり、第１の実施の形態の図１０に対応するものである。各マイクロフォン素子３０１〜３０５毎に、発信回路８１およびＦＭ検波回路８２が設けられている。

ＦＭ検波回路８２では、ＦＭ検波が行われるとともに、各ＦＭ検波回路８２の出力ピーク値がほぼ同一値となるように利得調整が行われる。各ＦＭ検波回路８２の出力は電圧合成回路８４に入力され、そこで電圧合成が行われる。合成された電圧は図１０のようにスピーカー等の出力装置に出力される。

上述した図１２に示す例では、５つのマイクロフォン素子３０１〜３０５を一つのマイクロフォンアレイ３００としてまとめて形成したが、図１４に示すようにいくつかに分けてウエハ１００上に形成するようにしても良い。図１４に示す例では、同じ大きさのマイクロフォン素子３０１，３０２，３０３，３０５をまとめてマイクロフォンアレイ３００Ａとし、面積の大きなマイクロフォン素子３０４については別のエリアに形成した。

この場合、切り出したマイクロフォンアレイ３００Ａとマイクロフォン素子３０４とを同一基板上に実装して、マイクロフォンシステムとして使用することになる。図１４のように各マイクロフォン素子３０１〜３０５を配置することにより、ウエハ１００を有効に利用することができる。マイクロフォンアレイ３００に形成された各マイクロフォン素子３０１〜３０５は基本的構造は同一であるが、後述するように共振周波数を異ならせるために、振動板の寸法や梁の本数および寸法が各マイクロフォン素子３０１〜３０５毎に設定している。

図１５は梁の本数が２本であるマイクロフォン素子３０５の平面図であり、（ａ）は電極面側を示し、（ｂ）は振動板面側を示す。また、図１６は図１５のIV−IV断面を示す斜視図である。上述したようにＳＯＩウエハ１００は、上部Ｓｉ層１０と、下部Ｓｉ層３０と、それらの間に絶縁層として設けられたＳｉＯ_２層２０とからなる３層構造を有している（図１６参照）。

マイクロフォン素子３０５は、電極部３１０と、振動板３１１と、その振動板３１１を電極部３１０に対して所定の間隔で保持するブリッジ３１２と、ベース部３１３とから構成されている。振動板３１１は、下部Ｓｉ層３０に円形溝３２０を形成することによってベース部３１３から切り離された円板上のＳｉ層から成る。一方、十字形状のブリッジ３１２は上部Ｓｉ層１０を十字形状にエッチングすることにより得られ、固定端部３１２ａ，梁部３１２ｂおよび振動板固定部３１２ｃで構成されている。梁部３１２ｂには２本の梁３３０が形成されている。

図１５（ａ）に示す溝３２１は下部Ｓｉ層３０まで達しており、電極部３１０およびブリッジ３１２を構成するＳｉ層１０は、この溝３２１によってベース部３１３のＳｉ層１０と分離されている。一方、図１５（ｂ）に示す円形溝３２０は、下部Ｓｉ層３０およびＳｉＯ_２層２０を貫通して上部Ｓｉ層１０まで達している。円形溝３２０よりも内側の領域においては図１５（ｂ）の斜線を施した十字領域のみにＳｉＯ_２層２０が残っており、円形溝３２０よりも外側の領域では、溝３２１を除く領域の全域にＳｉＯ_２層２０が残っている。

すなわち、ブリッジ３１２の固定端部３１２ａはＳｉＯ_２層２０を介して、ベース部３１３の下部Ｓｉ層３０に固定されている。そして、振動板３１１は、斜線を施した領域のＳｉＯ_２層２０を介してブリッジ３１２の固定部３１２ｃに固定されている。振動板３１１と電極部３１０との間はＳｉＯ_２層２０が除去された空隙となっているため、振動板３１１に作用する音圧でブリッジ３１２の梁部３１２ｂが弾性変形し、振動板３１１が振動する。

上述した第１の実施の形態と同様に、電極部３１０，ブリッジ３１２およびベース部３１３の電極部側表面には金属層が形成される。すなわち、電極部３１０はコンデンサーマイクロフォンの一方の電極板を構成し、振動板３１１は他方の電極板を構成している。電極部３１０およびブリッジ３１２には、各々リード端子部３１０ｄ，３１２ｄが形成されている。なお、電極部３１０には貫通孔３１０ａが複数形成されており、これらの貫通孔３１０ａは、振動板３１１が振動した際の電極部３１０と振動板３１１との間の空気を逃がす孔として機能する。

上述したように、マイクロフォンアレイ３００に形成された５つのマイクロフォン素子３０１〜３０５はそれぞれ共振周波数が異なっている。マイクロフォン素子３０１〜３０５は４カ所の梁部３１２ｂで振動板３１１を支持する構造となっており、音圧の作用で梁部３１２ｂが変形することにより振動板３１１が振動する。そこで、本実施の形態では、振動板３１１の寸法、梁部３１２ｂの寸法および梁の本数を変えることにより、各マイクロフォン素子３０１〜３０５の共振周波数をそれぞれ異なる値に設定している。

図１７は、マイクロフォン素子３０５の梁部３１２ｂの拡大図である。梁３３０の寸法は幅Ｗ、長さＬ、高さｔで表され、マイクロフォン素子３０５の場合、梁の本数Ｎは２である。図１８は各マイクロフォン素子３０１〜３０５の寸法および特性を示した図であり、梁３３０の寸法Ｗ，Ｌ，ｔ、本数Ｎ、振動板３１１の面積および質量ｍ、梁３３０の断面二次モーメントＩ、マイクロフォン素子のバネ定数ｋ、マイクロフォン素子の共振周波数ｆ_０および振動板３１１の振幅量Ａ_Ｖを示したものである。

《共振系モデルの説明》
次に、図１８の断面二次モーメントＩ、バネ定数ｋ、共振周波数ｆ_０および振幅量Ａ_Ｖについて説明する。本実施の形態では、一例として図１９に示すような構成を共振系モデルとして採用する。この共振系モデルでは、固定端部３１２ａを固定端（図１９のＢ点）とする複数の片支持梁３３０の自由端（図１９のＣ点）に、ブリッジ３１２の固定部３１２ｃおよび振動板３１１が固定されていると考える。

音圧により振動板３１１に作用する外力はＦ＝ＰＳcosωｔであるとする。例えば、梁３３０の本数Ｎがマイクロフォン素子３０１のようにＮ＝１である場合には（図１８参照）、Ｃ点にかかる力はＦ_Ｃは４本の梁３３０全体にかかる力Ｆの１／４、すわわち、Ｆ_Ｃ＝Ｆ／４となる。そのため、Ｃ点における力Ｆ_Ｃによるたわみ角θ_Ｃは次式（４）のように表される。また、Ｃ点におけるモーメントＭ_Ｃによるたわみ角θ_ＭＣは次式（５）のように表される。
θ_Ｃ＝Ｆ_ＣＬ^２／２ＥＩ＝ＦＬ^２／８ＥＩ …（４）
θ_ＭＣ＝Ｍ_ＣＬ／ＥＩ …（５）

一方、Ｃ点においてはｄｙ／ｄｌ＝０と仮定することができるので、上記のθ_Ｃおよびθ_ＭＣはθ_Ｃ＝θ_ＭＣを満足することになる。その結果、未知であったＣ点におけるモーメントＭ_Ｃは式（６）のように表せる。
Ｍ_Ｃ＝ＦＬ／８ …（６）

したがって、Ｃ点でのたわみＸは、力によるたわみＸ１とモーメントによるたわみＸ２との重ね合わせ法を用いると、次式（７）で算出される。
Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ２
＝Ｆ_ＣＬ^３／３ＥＩ＋（−Ｍ_ＣＬ^２／２ＥＩ）
＝ＦＬ^３／１２ＥＩ−ＦＬ^３／１６ＥＩ
＝ＦＬ^３／４８ＥＩ …（７）

外力Ｆと変位（たわみ）Ｘとの間にはＦ＝ｋＸが成り立つので、マイクロフォン素子のばね定数ｋは式（８）のように表される。この式（８）は、梁３３０の本数Ｎに関わらず成り立つ関係である。
ｋ＝Ｆ／Ｘ
＝４８ＥＩ／Ｌ^３ …（８）
このとき、マイクロフォン素子の共振周波数ｆ_０は、振動板３１１の質量をｍとすれば式（９）のように表される。
ｆ_０＝（１／２π）√（ｋ／ｍ）
＝（１／２π）√（４８ＥＩ／ｍＬ^３） …（９）

梁３３０の寸法は幅がＷで高さがｔなので、式（９）における梁部３１２ｂの断面二次モーメントＩは式（１０）で算出される。
Ｉ＝（Ｗｔ^３／１２）×Ｎ …（１０）
Ｎは梁部３１２ｂに形成された梁３３０の本数である。すなわち、梁３３０の寸法Ｗ、ｔ、Ｌおよび本数Ｎを調整することにより、マイクロフォン素子の共振周波数ｆ_０を所望の値に設定することができる。

マイクロフォン素子の共振系を考える場合、振動振幅の減衰に寄与する機械抵抗ｒを考慮して式（１１）のような運動方程式を考える。
ｍ（ｄｘ^２／ｄ^２ｔ）＋ｒ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋｘ＝ＰＳcosωｔ …（１１）
右辺は音圧による外力である。式（１１）において、γ＝ｒ／２ｍ、ω_０＝２πｆ_０＝√（ｋ／ｍ）とおくと、式（１１）は次式（１２）のように変形される。ただし、ω_０＞γであるとする。
ｄｘ^２／ｄ^２ｔ＋２γ（ｄｘ／ｄｔ）＋ω_０ ^２ｘ＝（ＰＳ／ｍ）cosωｔ …（１２）

式（１２）に示す方程式を解くことにより、振動の振幅Ａ_Ｖは式（１３）で与えられる。
Ａ_Ｖ＝（ＰＳ／ｍ）×１／｛（ω_０ ^２−ω^２）^２＋４γ^２ω^２｝^１／２ …（１３）
ここで、γ＝ｒ／２ｍであるから、式（１３）の振幅Ａ_Ｖは機械抵抗ｒを未知数として含んでいるが、この機械抵抗ｒは実測された共振の鋭さＱ（＝ｆ_０／Δｆ）からｒ＝ω_０ｍ／Ｑを用いて算出することができる。図２０は、図１８のマイクロフォン素子３０４に関して、振幅量Ａ_Ｖの理論値と実測値とを示したものである。図２０から、上述したモデルから算出される振幅量Ａ_Ｖと実測値との間に、十分に整合性がとれていることが分かる。

従来、Ｓｉ基板に形成されたコンデンサーマイクロフォンを使用する場合には、特性の広い周波数域に対して振幅量がほぼ一定となる領域Ｒ１を利用している。本実施の形態のマイクロフォンシステムは、振動板３１１の共振周波数を用いる点に特徴がある。図２０からも分かるように、共振領域Ｒ２では領域Ｒ１よりも振幅量が大きくなり、マイクロフォンの感度向上を図ることができる。図２０の例では、領域Ｒ２のピーク値は領域Ｒ１の約３倍になっている。

ただし、一つのマイクロフォン素子では広い周波数範囲に対応できないので、マイクロフォンアレイ３００に形成されたマイクロフォン素子３０１〜３０５の共振周波数ｆ_０を少しずつずらすように設定して、図２０に示すように所定の周波数領域の音声を検出できるようにした。

図２１は各マイクロフォン素子３０１〜３０５から得られる信号の出力特性を示したものであり、横軸は周波数、縦軸は出力電圧である。曲線Ｌ１がマイクロフォン素子３０１の出力特性を表しており、同様に曲線Ｌ２〜Ｌ５がそれぞれマイクロフォン素子３０２〜３０５の出力特性を表している。各特性Ｌ１〜Ｌ５のピーク高さにはばらつきがあるので、前述したように図１３のＦＭ検波回路８２で利得調整を行って出力のピーク値がほぼ同一値となるように均一化する。

そして、均一化した各出力を図１３の電圧合成回路８４で合成することにより広い周波数領域Ｒ３でレベルの一定した合成特性Ｌ１０が得られる。特性Ｌ１の共振周波数は０．３ｋＨｚで特性Ｌ５の共振周波数は３ｋＨｚであるので（図１８参照）、周波数領域Ｒ３は少なくとも０．３ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲をカバーしている。さらに、合成特性Ｌ１０の出力電圧値は各特性Ｌ１〜Ｌ５のピーク値とほぼ同一となるので、従来に比べ感度が向上する。

上述したように、第２の実施の形態のマイクロフォンシステムでは、共振周波数領域で音声検出を行うマイクロフォン素子を複数備え、各マイクロフォン素子の共振周波数を少しずつずらすことにより広い周波数領域の音声を検出できるように構成した。その結果、マイクロフォンを小型にできるとともに、広い周波数領域で高感度に音声検出を行うことができる。

また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、ブリッジ３１２は十字形状でなくても良いし、また、振動板を３１１の形状を矩形状としても良い。

本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの全体構成を模式的に示す透視図である。 図１のＩ−Ｉに沿って切断したＸＺ断面図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ａ〜ｄ）を説明するための部分斜視図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ａ〜ｄ）を説明するための部分斜視図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ｅ〜ｈ）を説明するための部分斜視図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ｉ〜ｌ）を説明するための部分断面図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ｍ〜ｐ）を説明するための部分断面図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサーマイクロフォンの製造工程（ｆ）に用いられるマスクの平面図である。 電圧検出方式における電気回路を示す図である。 ＦＭ方式における電気回路を示す図である。 マイクロフォンヘッド９０の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図であり、マイクロフォンシステムに用いられるマイクロフォンアレイの一例を示したものである。 第２の実施の形態におけるＦＭ方式の電気回路を示す図である。 ウエハ上におけるマイクロフォン素子の他の配置例を示す図である。 コンデンサーマイクロフォン３０５の平面図であり、（ａ）は電極面側を示し、（ｂ）は振動板面側を示す。 図１５のIV−IV断面を示す斜視図である。 梁部３１２ｂを拡大して示した斜視図である。 マイクロフォン素子３０１〜３０５の諸寸法および諸特性を示す図である。 マイクロフォン素子の共振系モデルを示す図である。 振幅量Ａ_Ｖの理論値と実測値とを比較して示した図である。 マイクロフォン素子３０１〜３０５の出力特性Ｌ１〜Ｌ５と、合成特性Ｌ１０とを示す図である。

符号の説明

１，３０１〜３０５ コンデンサーマイクロフォン
１０ 上部Ｓｉ層
１１，１２，３１２ ブリッジ
１１ａ，１２ａ 梁部
１３ バックプレート
２０ ＳｉＯ_２層
２１ スペーサ
３０ 下部Ｓｉ層
３１ ベースプレート
３２，３１１ 振動板
４０ 下地層（多結晶シリコン膜）
５０ 金属層
５１，５２ 電極膜（Ａｌ膜）
８１ 発振回路
８２ ＦＭ検波回路
９０ マイクロフォンヘッド
１００ ＳＯＩウエハ
２００ マスク
３００ マイクロフォンアレイ
３１０ 電極部
３１２ｂ 梁部
３１３ ベース部
３３０ 梁
Ａ 空隙
ｄ ギャップ長
Ｆ 固定側電極取出し口
Ｍ 可動側電極取出し口
Ｒ リング状領域（リング状空間）

Claims (8)

1. フォトリソグラフィー法で作製されるコンデンサーマイクロフォンであって、
   周辺部がベースプレート上に支持されるバックプレートと、
   前記バックプレートと所定の間隔を空けて設けられる振動板と、
   前記振動板を前記ベースプレートから吊持する梁状部材と、
   前記振動板と前記バックプレートとの間の容量変化を電気信号として取り出す一対の電極とを備えることを特徴とするコンデンサーマイクロフォン。
2. 請求項１に記載のコンデンサーマイクロフォンにおいて、
   前記梁状部材は十字形状であり、
   前記十字形状の梁状部材は梁部と固定端部とを有し、
   前記梁部は、前記バックプレートに形成された十字形状の開口内に位置するように設けられ、
   前記固定端部は、前記梁部を両持ちで支持するように前記ベースプレートに固定されていることを特徴とするコンデンサーマイクロフォン。
3. 請求項２に記載のコンデンサーマイクロフォンにおいて、
   前記一対の電極は可動側電極と固定側電極とを有し、
   前記可動側電極は前記梁部の上面に設けられ、前記固定側電極は前記バックプレートの上面に設けられていることを特徴とするコンデンサーマイクロフォン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のコンデンサーマイクロフォンにおいて、
   前記ベースプレート、前記バックプレート、前記振動板および前記梁状部材は、ＳＯＩウエハに対して、フォトリソグラフィー法により作製することを特徴とするコンデンサーマイクロフォン。
5. コンデンサーマイクロフォンをフォトリソグラフィー法で作製する方法であって、
   周辺部がベースプレート上に支持されるバックプレートを形成する工程と、
   前記バックプレートと所定の間隔を空けて振動板を形成する工程と、
   前記振動板を前記ベースプレートから吊持する梁状部材を形成する工程と、
   前記振動板と前記バックプレートとの間の容量変化を電気信号として取り出す一対の電極を形成する工程とを備えることを特徴とするコンデンサーマイクロフォンの作製方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のコンデンサーマイクロフォンと、
   前記コンデンサーマイクロフォンから取り出された電気信号から、前記コンデンサーマイクロフォンの共振周波数領域において前記振動板に作用する音圧に応じた信号を抽出する検波回路とを備えたことを特徴とするマイクロフォンシステム。
7. 互いに共振周波数が異なる請求項１〜４のいずれか一つに記載のコンデンサーマイクロフォンを同一ウエハ基板上に複数形成したマイクロフォンアレイと、
   前記複数のコンデンサーマイクロフォンの各々に設けられ、前記各コンデンサーマイクロフォンから取り出された電気信号から、前記各コンデンサーマイクロフォンの共振周波数領域において前記振動板に作用する音圧に応じた信号をそれぞれ抽出する複数の検波回路と、
   前記各検波回路からの各信号が入力され、入力された各信号を合成して合成信号を出力する合成回路とを備えたことを特徴とするマイクロフォンシステム。
8. 請求項７に記載のマイクロフォンシステムにおいて、
   前記複数のコンデンサーマイクロフォンの各共振周波数領域を合わせたものが一つの連続した周波数領域を形成するように、前記各コンデンサーマイクロフォンの共振周波数を設定したことを特徴とするマイクロフォンシステム。

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