JP2007124449A - マイクロフォンおよびマイクロフォンモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの小型化を図ることのできるマイクロフォンを提供する。
【解決手段】導電電極３１と、その導電電極３１との間に第１の音圧通路の一部を構成する間隙をおいて対向配置される可動ダイアフラム電極３２とを有するシャッタ基板３０を、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳとして形成する。これら導電電極３１と可動ダイアフラム電極３２との間への電圧印加を通じて静電引力を生じさせるとともに可動ダイアフラム電極３２を導電電極３１に吸着させることで、第１の音圧通路を開放、あるいは閉塞する。
【選択図】図５

Description

本発明は、無指向性と単一指向性とを切り替え可能なマイクロフォン、および無指向性と単一指向性との間で指向性を調整可能なマイクロフォンモジュールに関する。

一般に、マイクロフォンは、その有する指向性の観点から、無指向性マイクロフォンＯＭ（Omni-directional Microphone ）や単一指向性マイクロフォンＵＭ（Uni-directional Microphone）等に分類される。

このうち、無指向性マイクロフォンＯＭは、その構造を図１５（ａ）に示すように、外部の音源から伝達された音圧に応じて振動する振動膜ＶＦの前方のみが外部の音場に開放され、その後方は閉塞された構造となっている。こうした無指向性マイクロフォンＯＭでは、音源Ｓ１，Ｓ２の方向がいずれであれ、その音圧は前方からのみ振動膜ＶＦに伝達されるようになっている。そのため、無指向性マイクロフォンＯＭは、振動膜ＶＦの向きや角度に関係なく、設置された場所に集まった音のすべてを収音可能となっている。

これに対して単一指向性マイクロフォンＵＭは、その構造を図１５（ｂ）に示すように、振動膜ＶＦの後方にも音の通路となる音孔Ａが形成されている点が、上記無指向性マイクロフォンＯＭと相違した構造となっている。こうした単一指向性マイクロフォンＵＭでは、後方の音源Ｓ２の発生する音波は、音孔Ａを通って振動膜ＶＦに伝達されるとともに、音波は回り込み少し遅れて振動膜ＶＦの前方側にも届く。そこで後方側に音速を遅らせるように障害物を置くなどの工夫をすることにより、前方から来た音波と後方から来た音波を同時に到達するようにすると、振動膜ＶＦにて相殺することができる。一方、前方の音源Ｓ１の発生する音圧は、まず先に振動膜ＶＦに伝達される。その後に裏側へ回り込む音波は、障害物によって到達が更に遅くなる。

こうした無指向性マイクロフォンＯＭと単一指向性マイクロフォンＵＭとは、搭載される機器の指向性に対する要求に応じて使い分けられている。ところが、搭載される機器によっては、状況に応じたマイクロフォンの指向性の変更が要望されることがある。

従来、こうした要望を実現する技術として特許文献１に記載のマイクロフォンモジュールが知られている。このマイクロフォンモジュールは、無指向性マイクロフォンＯＭと単一指向性マイクロフォンＵＭとの２つのマイクロフォンを備えて構成されている。そして各マイクロフォンの出力から各々異なる周波数帯域の成分を抽出した上でこれを合成して収音を行うとともに、各マイクロフォンの出力から抽出する周波数帯域成分を収音環境に応じて変更することで、収音環境に応じた好適な収音を可能としている。

もっとも、単純に無指向性と単一指向性とを選択的に切り換えるのであれば、上記２つのマイクロフォンを設けるとともに、収音に用いるマイクロフォンを必要に応じて切り換えることで実現することが可能ではある。しかしながら、そうした場合には、２種のマイクロフォンの設置が必須となり、設置サイズや製造コストの面で問題がある。

単体で指向性の切り換えが可能なマイクロフォンとしては、特許文献２に記載の指向性可変マイクロフォンが知られている。この指向性可変マイクロフォンは、振動膜の前方および後方をそれぞれ音孔を通じて外部開放させるとともに、パッキン、板ばね、カム等により構成された開閉機構の手動操作を通じてその後方の音孔を開放・閉塞することで、無指向性と単一指向性とを選択的に切り換えるように構成されている。

図１６に、送話器に搭載されるこの指向性マイクロフォンの構造を示す。同図に示すように、指向性可変マイクロフォンの搭載される送話器の筐体１００には、その送話口１００ａの内側に固定された状態で、マイクロフォン本体１０１が固定されている。このマイクロフォン本体１０１は、中空円筒形状に形成されたケース１０２と、内部空間を２分割するように同ケース１０２の内部に張設された振動膜１０３とを有して構成されている。そしてケース１０２の振動膜１０３の前方の壁面（前面）およびその後方の壁面（背面）には、その内外を連通する音孔Ｂ１、Ｂ２が形成されている。振動膜１０３前方の音孔Ｂ１は、送話口１００ａを介して送話器の筐体１００の外部に連通されている。また振動膜１０３後方の音孔Ｂ２は、送話器の筐体１００の側方に形成された挿通孔Ｃを通じて同筐体１００の外部に連通されている。

こうしたマイクロフォン本体１０１の後方には、ケース１０２の背面側の音孔Ｂ２を閉塞するパッキン１０４が、板ばね１０５によってマイクロフォン本体１０１の背面に向けて付勢された状態で配設されている。またマイクロフォン本体１０１の側方には、そのパッキン１０４を開閉動作させるための操作ノブ１０６が、その中央付近に設けられたピン１０７を介して送話器の筐体１００に回動可能に軸支されている。この操作ノブ１０６のピン１０７よりもマイクロフォン前方側の部分は、使用者によって押し込み操作される操作部１０６ａとなっており、送話器の筐体１００の外部に突出されている。一方、操作ノブ１０６のピン１０７よりもマイクロフォン後方側の部分は、上記操作部１０６ａの押し込みに応じた操作ノブ１０６の回動を通じて、パッキン１０４を上記板ばね１０５の付勢力に抗してケース１０２の背面から離間する側に押し上げるカム部１０６ｂとなっている。

以上のように構成された指向性可変マイクロフォンでは、パッキン１０４によって振動膜１０３の後方の音孔Ｂ２を閉塞すると、振動膜１０３はその前方においてのみ、外部に開放されるため、無指向性マイクロフォンとして機能する。一方、パッキン１０４を押し上げて音孔Ｂ２を開放すると、振動膜１０３はその前方のみならず、その後方においても外部に開放されるため、単一指向性マイクロフォンとして機能する。こうした構成であれば、単体のマイクロフォンのみで、指向性の切り換えが可能となる。
特開平５−６４２８４号公報 特開平３−６８２４４号公報

ところで近年、半導体製造プロセスを利用して作製する、機械的な機能および電気的な機能を併せ持つ極めて小型の装置であるＭＥＭＳ（微細電気機械システム：Micro Electro Mechanical Systems）が注目されている。そしてそうしたＭＥＭＳ技術を用いてマイクロフォンの微細化が進められており、携帯電話やビデオカメラ、ボイスレコーダ等の携帯情報機器に搭載されるようになっている。

このような携帯情報機器に搭載されるマイクロフォンに対して、パッキンや板ばね、カム等からなる上記従来の指向性可変マイクロフォンの開閉機構を採用して指向性の切り換えを行おうとすれば、機器内部における開閉機構の占有スペースが大きくなり過ぎてしまう。そのため、上記のようにマイクロフォン自体の微細化が可能となった現状では、無指向性と単一指向性の２つのマイクロフォンを搭載した方が搭載性の面で有利であるが、その場合には、マイクロフォンの設置数が倍増することとなり、製造コストの増加や生産性の悪化を招いてしまうこととなる。

本発明の第１の目的は、サイズの小型化を図ることのできるマイクロフォンを提供する
ことにある。また本発明の第２の目的は、そうしたサイズの小型化の図られたマイクロフォンの生産性の更なる向上を図ることにある。

なお、上記従来の指向性可変マイクロフォンでは、無指向性と単一指向性とのいずれかに指向性を二値的に切り換えることが可能なだけであり、指向性を細かく調整することはできない構造となっている。一方、上記従来のマイクロフォンモジュールであれば、両マイクロフォンの出力の合成比率を調整することで、指向性を細かく調整することは可能ではあるが、その合成比率の調整には複雑な演算処理が必要となっている。

こうした実状に鑑みてなされた本発明の第３の目的は、サイズの小型化を図ることができるとともに、指向性の細密な調整を容易に行うことができるマイクロフォンモジュールを提供することにある。

上記第１の目的を達成するため、請求項１に記載のマイクロフォンでは、外部から伝達された音圧により振動される振動膜と、外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する機構であって、半導体基板に形成された可動部品およびその可動部品の駆動に係る電気部品からなるシャッタ機構と、を備えるようにした。

かかる構成では、シャッタ機構によって第１の音圧通路が閉塞されると、外部の音圧は、第２の音圧通路を通じて振動膜の一面にのみ伝達されるため、当該マイクロフォンは無指向性とされるようになる。一方、シャッタ機構によって第１の音圧通路が開放されると、外部の音圧は、第２の音圧通路を通じて振動膜の一面に伝達されるとともに、第１の音圧通路を通じて同振動膜のもう一面にも伝達されるようになる。そしてこのときの第１の音圧通路の外部開放された方向から伝達された音圧は、振動膜に対してその前方および後方の双方から入力されて相殺されることから、当該マイクロフォンは単一指向性とされるようになる。

こうしたマクロフォンでは、指向性を変化させるべく第１の音圧通路を開放・閉塞するシャッタ機構が、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳによって形成されており、半導体製造プロセスを用いた微細化が可能であるため、容易にその小型化を図ることができる。

また同じく上記第１の目的を達成するため、請求項２に記載のマイクロフォンでは、外部からの音圧の伝達により振動される振動膜およびその振動膜の振動を電気信号に変換する変換部が形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する可動部品とその可動部品の駆動に係る電気部品とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、を備えるようにした。

かかる構成では、シャッタ基板に設けられた可動部材の駆動によって第１の音圧通路が閉塞されると、第２の音圧通路を通じてマイクロフォン基板の振動膜の一面にのみ伝達されるため、当該マイクロフォンは無指向性とされるようになる。一方、シャッタ基板に形成された可動部材の駆動によって第１の音圧通路が開放されると、外部の音圧は、第２の音圧通路を通じてマイクロフォン基板の振動膜の一面に伝達されるとともに、第１の音圧通路を通じて同振動膜のもう一面にも伝達されるようになる。そしてこのときの第１の音圧通路の外部開放された方向から伝達された音圧は、マイクロフォン基板の振動膜に対し
てその前方および後方の双方から入力されて相殺されることから、当該マイクロフォンは単一指向性とされるようになる。

こうしたマクロフォンでは、上記振動膜および変換部を有して構成されたマイクロフォン基板、および指向性を変化させるべく第１の音圧通路を開放・閉塞するシャッタ機構の設けられたシャッタ基板が共に、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳとして形成されている。そのため、半導体製造プロセスを用いた微細化が可能となり、容易にその小型化を図ることができる。

さらに同じく上記第１の目的を達成するため、請求項３に記載のマイクロフォンでは、外部からの音圧の伝達により振動される可動ダイアフラム電極とその可動電極に間隙を置いて対向配置された固定電極とが形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する可動部品とその可動部品の駆動に係る電気部品とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、を備えるようにした。

かかる構成においても、シャッタ基板に設けられた可動部材の駆動によって第１の音圧通路の開放と閉塞とを切り換えることで、当該マイクロフォンの指向性が無指向性と単一指向性とに切り換えられる。こうしたマクロフォンでは、上記可動ダイアフラム電極および固定電極を有して構成されたマイクロフォン基板、および指向性を変化させるべく第１の音圧通路を開放・閉塞するシャッタ基板が共に、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳによって形成可能である。そのため、半導体製造プロセスを用いた微細化が可能となり、容易にその小型化を図ることができる。

一方、請求項４に記載のマイクロフォンでは、上記第１および第２の目的を達成するため、外部からの音圧の伝達により振動する可動ダイアフラム電極とその可動ダイアフラム電極に間隙をおいて対向配置された固定電極とが形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、外部から前記可動ダイアフラム電極の一方の面に至る音圧の伝達経路を形成する第１の音圧通路と、外部から前記可動ダイアフラム電極の他方の面に至る音圧の伝達経路を形成する第２の音圧通路と、導電電極とその導電電極との間に前記第１の音圧通路の一部を構成する間隙をおいて対向配置されるとともに前記導電電極との間の電圧印加により発生する静電引力によって該導電電極に吸着される可動ダイアフラム電極とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、を備えるようにした。

かかる構成では、シャッタ基板の導電電極と可動ダイアフラム電極との間に電圧を印加すると、静電引力によって可動ダイアフラム電極が導電電極に吸着され、それらの間隙に形成された第１の音圧通路の一部が閉塞される。このときの外部の音圧は、第２の音圧通路を通じてマイクロフォン基板の可動ダイアフラム電極の一面にのみ伝達されるため、当該マイクロフォンは無指向性とされるようになる。

一方、シャッタ基板の導電電極と可動ダイアフラム電極との間の電圧の印加を解除すると、吸着した可動ダイアフラム電極が導電電極から離間してそれらの間隙に形成された第１の音圧通路の一部が開放される。このときの外部の音圧は、第２の音圧通路を通じてマイクロフォン基板の可動ダイアフラム電極の一面に伝達されるとともに、第１の音圧通路を通じて同可動ダイアフラム電極のもう一面にも伝達されるようになる。そしてこのときの第１の音圧通路の外部開放された方向から伝達された音圧は、マイクロフォン基板の可動ダイアフラム電極に対してその前方および後方の双方から入力されて相殺されることから、当該マイクロフォンは単一指向性とされるようになる。

こうしたマクロフォンでは、外部から伝達された音圧を電気信号に変換するマイクロフォン本体、および指向性を変化させるべく第１の音圧通路を開放・閉塞するシャッタ機構が、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳによって形成されている。そのため、半導体製造プロセスを用いた構成部材の微細化が可能となり、容易にその小型化を図ることができる。またかかるマイクロフォンを構成するマイクロフォン基板とシャッタ基板とは、可動ダイアフラム電極とそれに間隙をおいて対向配置された電極とを有する点において構造が共通しており、両基板の製造工程および生産設備の多くを共有化することが可能となるため、生産性を向上することができるようにもなる。

なお請求項２〜４のいずれかに記載のマイクロフォン基板とシャッタ基板とを、請求項５に記載のように同一の半導体基板に一体形成することも可能である。こうした場合、部品点数が削減されるため、生産性を更に向上することができる。ちなみにこうしたマイクロフォン基板およびシャッタ基板の一体化は、例えば請求項６に記載のように、前記マイクロフォン基板の固定電極に前記第１の音圧通路の一部を構成する音孔と前記シャッタ基板の前記導電電極を形成するとともに、前記マイクロフォン基板の可動ダイアフラム電極と前記シャッタ基板の可動ダイアフラム電極とをその固定電極を挟んで対向するように配設した構成とすることでその具現が可能である。

他方、上記第３の目的を達成するため、請求項７に記載のマイクロフォンモジュールでは、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロフォンを複数アレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで前記第１の音圧通路を開放するマイクロフォンの数と同第１の音圧通路を閉塞するマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備えるようにした。

また同じく上記第３の目的を達成するため、請求項９に記載のマイクロフォンモジュールでは、外部から伝達された音圧により振動される振動膜と、外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞するシャッタ機構と、を各々有して構成された複数のマイクロフォンをアレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで前記シャッタ機構により前記第１の音圧通路を開放するマイクロフォンの数と、前記シャッタ機構により前記第１の音圧通路を閉塞するマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備えるようにした。

こうした請求項７や請求項９に記載のマイクロフォンモジュールでは、それを構成するすべてのマイクロフォンについてその第１の音圧通路を閉塞して無指向性とすれば、それら各マイクロフォンの出力を合成して得られるモジュール全体としてのマイクロフォン出力も無指向性となる。ここでモジュールの各マイクロフォンのうち、第１の音圧通路を開放して単一指向性とされたマイクロフォンの数の比率を増加させれば、モジュール全体としてのマイクロフォン出力の指向性は単一指向性に近づくようになる。そして全マイクロフォンの第１の音圧通路を開放してすべてを単一指向性とすれば、モジュール全体としてのマイクロフォン出力は完全な単一指向性となる。このように上記各マイクロフォンモジュールでは、モジュールを構成する個別のマイクロフォン単位では、無指向性と単一指向性とのいずれかに指向性を二値的に切り換えるだけの簡易な構成でありながらも、モジュール全体としての指向性は、無指向性と単一指向性との間で細密に調整することができる。

なお請求項９に記載のマイクロフォンモジュールは、請求項１０に記載のように、前記アレイ配置された各マイクロフォンの前記振動膜を同一の半導体基板に形成するとともに、各マイクロフォンの前記シャッタ機構を同一の半導体基板に形成するように構成するこ
ともできる。この場合、モジュールを構成する各マイクロフォンの振動膜やシャッタ機構をそれぞれ同一の半導体基板に同時に造り込むことができるため、その生産を容易とすることができる。

また上記第３の目的を達成するため、請求項８に記載のマイクロフォンモジュールでは、請求項２〜６のいずれかに記載のマイクロフォンを複数アレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで前記第１の音圧通路を開放するマイクロフォンの数と同第１の音圧通路を閉塞するマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備え、更に前記アレイ配置された各マイクロフォンの前記マイクロフォン基板を共に同一の半導体基板に形成するとともに、同じく各マイクロフォンの前記シャッタ基板を共に同一の半導体基板に形成するようにした。

かかる構成では、モジュールを構成する個別のマイクロフォン単位では、無指向性と単一指向性とのいずれかに指向性を二値的に切り換えるだけの簡易な構成でありながらも、上記比率の変更を通じてモジュール全体としての指向性を、無指向性と単一指向性との間で細密に調整することができる。またモジュールを構成する各マイクロフォンのマイクロフォン基板やシャッタ基板をそれぞれ同一の半導体基板に同時に造り込むことができるため、その生産を容易とすることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の指向性可変マイクロフォンを具体化した第１実施形態について、図１〜図８を参照して詳細に説明する。この実施形態にかかる指向性可変マイクロフォンは、以下に詳述するように、振動膜および変換部を有して構成されたマイクロフォン基板、および指向性を切り換えるべく音圧通路を開放・閉塞するシャッタ機構の設けられたシャッタ基板を共に、いわゆるＭＥＭＳとして形成することにより、サイズの小型化を図るようにしている。

図１に、そうした本実施形態の指向性可変マイクロフォンの側部断面構造を示す。本実施形態の指向性可変マイクロフォンにあって中空箱型の筐体１０の下底部１０ａおよび上底部１０ｃには、筐体１０の外部の音圧を該筐体１０内部へ伝達するための音孔１１ａ、１１ｃがそれぞれ形成されている。また音孔１１ａ、１１ｃの形成された下底部１０ａおよび上底部１０ｃの上面には、音孔１１ａ、１１ｃを通じた筐体１０内への埃等の侵入を防止するクロス１２ａ、１２ｃがそれぞれ貼設されている。また筐体１０の下底部１０ａに貼設された上記クロス１２ａの上面には、指向性の変更に係る音圧通路の開閉を行う、ＭＥＭＳ構造のシャッタ機構が形成されたシャッタ基板３０が搭載されている。更にそのシャッタ基板３０の上面には、音圧を受けて振動する振動膜とその振動膜の振動を電気信号に変換する変換部とがＭＥＭＳ構造として形成されたマイクロフォン基板２０が搭載されている。なお、本実施形態の指向性可変マイクロフォンでは、筐体１０の下底部１０ａに、外部の音源の収音に係る電気信号の処理や指向性の可変制御等を司るＩＣチップ６０が併せ搭載されている。

図２には、上記マイクロフォン基板２０の表面構造を、図３（ａ）には、図２中のＹ−Ｙ’線に沿った断面構造を、図３（ｂ）には、同図２中Ｘ−Ｘ’線に沿った断面構造をそれぞれ示す。

図３（ａ）および（ｂ）に示されるように、マイクロフォン基板２０は、例えばシリコン単結晶等の半導体材料によって形成された半導体基板４０を基盤として形成されている。この半導体基板４０の平面中央部には、その表裏を貫通する音響孔ＡＨ２が、その裏面側から表面側にかけて縮径するように形成されている。エッチストッパ膜４１が形成され
た半導体基板４０の表面には、その音響孔ＡＨ２の表面側の開口を覆うように、円板状の可動ダイアフラム電極２１が張設されている。高弾性率を有して上記振動膜として機能するこの可動ダイアフラム電極２１の上方には、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる固定電極保護膜２２ｂが、上記可動ダイアフラム電極２１から一定の間隙をおいて持ち上げられた状態で半導体基板４０の上面に固定されている。この固定電極保護膜２２ｂの下部には、円板状の固定電極２２ａが形成されている。なお、これら固定電極保護膜２２ｂおよび固定電極２２ａには、音圧を通過させる複数の音響孔ＡＨ１が透設されている。図２に示されるように、可動ダイアフラム電極２１および固定電極２２ａからは、引出配線２４、２６が延出されており、これらをＩＣチップ６０（図１参照）に電気接続するためのボンディングワイヤが溶着される引出電極２５，２７にそれぞれ接続されている。

このように構成されるマイクロフォン基板２０にあっては、互いに所定の間隙をおいて対向配置された可動ダイアフラム電極２１と固定電極２２ａとによって、平行二板式のコンデンサが形成されており、このコンデンサが振動膜である可動ダイアフラム電極２１の振動を電気信号に変換する変換部として機能する。すなわち、音響孔ＡＨ１および音響孔ＡＨ２のうち少なくとも一方を介して外部からの音圧が可動ダイアフラム電極２１に伝達されて振動すると、可動ダイアフラム電極２１と固定電極２２ａとの間隔が変化して、それらによって構成されるコンデンサの静電容量が変化するようになる。こうした可動ダイアフラム電極２１および固定電極２２ａに引出配線２４，２６および引出電極２５，２７を介して電気接続されたＩＣチップ６０は、そうした静電容量の変化に応じた電気信号（音圧信号）を生成して出力する。

次に、マイクロフォン基板２０の可動ダイアフラム電極２１および固定電極２２ａにて検知される音圧の指向性を切り換えるシャッタ基板３０について、図４および図５を併せ参照して説明する。なお、図４は、シャッタ基板３０の表面構造を、図５（ａ）および（ｂ）は、音圧通路の開放状態および閉塞状態の別に、同シャッタ基板３０の断面構造をそれぞれ示している。

図５（ａ）に示されるようにシャッタ基板３０は、例えばシリコン単結晶のような半導体材料にて形成された半導体基板５０をその基盤として形成されている。この半導体基板５０の中央部には、その表裏を貫通する音響孔ＡＨ２２がその裏面側から表面側にかけて縮径するように形成されている。半導体基板５０の表面には保護膜５１が形成されるとともに、その上面には、この音響孔ＡＨ２２の表面側の開口を囲むように、円環状に形成された導電電極３１が設けられている。こうした導電電極３１の形成された上記保護膜５１の上面には、更に保護膜５３が積層されており、導電電極３１が保護されている。

導電電極３１の上方には、同導電電極３１との間に所定の間隙をおいて持ち上げられた状態で可動ダイアフラム電極３２が配設されている。可動ダイアフラム電極３２は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる高弾性率のダイアフラム部３２ａと、その下面にあって導電電極３１と対向する位置に形成された、例えば多結晶シリコンからなる電極部３２ｂとによって構成されている。またダイアフラム部３２ａの電極部３２ｂの外周には、音圧を通過させる音響孔ＡＨ２１が複数透設されている。

図４に示すように、導電電極３１および可動ダイアフラム電極３２の電極部３２ｂからは、導電性の引出配線３４，３６がそれぞれ延出されている。これら引出配線３４，３６は、これらをＩＣチップ６０（図１参照）に電気接続するためのボンディングワイヤが溶着される引出電極３５，３７に接続されている。

なお、このように構成されるシャッタ基板３０にあっては、半導体基板５０に形成された音響孔ＡＨ２２、両電極３１，３２間の間隙、および可動ダイアフラム電極３２に形成
された音響孔ＡＨ２１を介して、その裏面側から表面側に至る音圧の伝達通路が形成されている。

一方、このシャッタ基板３０では、互いに所定の間隙をおいて対向配置された導電電極３１と可動ダイアフラム電極３２とによって、平行二板式のコンデンサが形成されている。そしてこのコンデンサを構成する導電電極３１および可動ダイアフラム電極３２（電極部３２ｂ）に対する電圧の印加が、それらに上記引出配線３４，３６および引出電極３５，３７を介して電気接続されたＩＣチップ６０（図１）によって制御されている。ここで導電電極３１および可動ダイアフラム電極３２（電極部３２ｂ）に電圧が印加されると、電位差が発生して静電引力により両電極３１，３２は互いに引き合うようになる。これにより、可動ダイアフラム電極３２は、図５（ｂ）に示すように導電電極３１側に大きく撓むようになり、その結果、両電極３１，３２がその間隙を維持することができずに互いに接するようになると、シャッタ基板３０の裏面側から表面側への上記音圧の伝達通路が閉塞されるようになる。

一方、導電電極３１および可動ダイアフラム電極３２の電極部３２ｂへの電圧印加を解除すると、これら両電極３１，３２は互いに同電位となって静電引力が作用しなくなるため、図５（ａ）に示すように、両電極３１，３２は離間して、それらの間に再び間隙が形成されるようになる。

ここで図１に示すように、シャッタ基板３０は、その半導体基板５０に形成された音響孔ＡＨ２２が、筐体１０の下底部１０ａに形成された音孔１１ａの上方に位置するように配設されている。またマイクロフォン基板２０は、その半導体基板４０に形成された音響孔ＡＨ２が、上記シャッタ基板３０の音響孔ＡＨ２２の上方に位置するように配設されている。このようにマイクロフォン基板２０およびシャッタ基板３０が配設された本実施形態の指向性可変マイクロフォンでは、その筐体１０の外部の音源で発生した音圧が、
・筐体１０の下底部１０ａに形成された音孔１１ａ。
・半導体基板５０の中央部に形成された音響孔ＡＨ２２。
・導電電極３１と可動ダイアフラム電極３２との間に形成された間隙。
・可動ダイアフラム電極３２に形成された音響孔ＡＨ２１。
・半導体基板４０の中央部に形成された音響孔ＡＨ２。
を順に通過して、振動膜である可動ダイアフラム電極２１の裏面に伝達されるようになる。なお以下では、この可動ダイアフラム電極２１の裏面に至る音圧の伝達通路を、第１の音圧通路と記載する。

一方、この指向性可変マイクロフォンでは、筐体１０の外部の音源で発生した音圧は、・筐体１０の上底部１０ｃに形成された音孔１１ｃ。
・固定電極保護膜２２ｂの中央部に形成された音響孔ＡＨ１。
・可動ダイアフラム電極２１と固定電極２２ａとの間に形成された間隙。
を順に通過して可動ダイアフラム電極２１の表面にも伝達されるようになる。なお以下では、この可動ダイアフラム電極２１の表面に至る音圧の伝達通路を、第２の音圧通路と記載する。

さて、上記シャッタ基板３０の可動ダイアフラム電極３２と導電電極３１との間に電圧を印可して、上記第１の音圧通路の一部を構成するそれら電極３１，３２の間隙が維持されなくなると、同第１の音圧通路は閉塞されることになる。このときの振動膜であるマイクロフォン基板２０の可動ダイアフラム電極２１には、上記第２の音圧通路を通じてその表面にのみ、筐体１０の外部の音源の発生した音圧が伝達されるため、当該指向性可変マイクロフォンは無指向性とされるようになる。

一方、シャッタ基板３０の両電極３１，３２ａ間の電圧の印加を解除して、両電極３１、３２の間に再び間隙が形成されると、上記第１の音圧通路は開放されることとなる。このときのマイクロフォン基板２０の可動ダイアフラム電極２１には、筐体１０の外部の音源で生じる音圧が上記第２の音圧を通じて可動ダイアフラム電極２１の表面に伝達されるとともに、第１の音圧通路を通じて同可動ダイアフラム電極２１の裏面にも伝達されるようになる。そしてこのとき後方から来た音圧が第１の音圧通路と第２の音圧通路とを通ったときに同時に到達するように設計することによって、後方から来た音が相殺されるとともに前方からの音のみ振動膜が振動するため、当該指向性可変マイクロフォンは単一指向性となる。

続いて、以上のような本実施形態の指向性可変マイクロフォンを構成するマイクロフォン基板２０およびシャッタ基板３０の製造プロセスの一例を説明する。

まずここでは、図６および図７を参照して、マイクロフォン基板２０の製造プロセスを説明する。

上述のマイクロフォン基板２０を作製するに際しては、まず、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶からなる半導体基板４０を準備する。こうして準備された半導体基板４０に対し、エッチストッパ形成工程として、例えばＬＰ―ＣＶＤ（減圧化学気相成長：Low Pressure
Chemical Vapor Deposition）法により、窒化珪素（ＳｉＮ）からなるエッチストッパ膜４１を０．０５〜０．２［μｍ］だけ同半導体基板４０の表裏両面に成膜する。そしてこのエッチストッパ形成工程によるエッチストッパ膜４１の成膜後、第１の犠牲層形成工程として、Ｐ−ＣＶＤ（プラズマ化学気相成長：Plasma Pressure Chemical Vapor Deposition ）法、あるいは常圧ＣＶＤ（常圧化学気相成長：Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、同半導体基板４０の上表面側のエッチストッパ膜４１上に、例えばＰＳＧ（phospho silicate glass）からなる犠牲層４２を０．５〜１．０［μｍ］だけ成膜する。そして、図６（ａ）に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じてパターン形成を行う。

このようにしてエッチストッパ膜４１および犠牲層４２が形成された半導体基板４０に対し、振動膜形成工程として、例えば多結晶シリコン（Poly−Si）からなる高弾性率膜４３，４３ａを、ＬＰ―ＣＶＤ法により０．５〜１．０［μｍ］だけ形成する。なお、図６（ｂ）に示すように、この高弾性率膜４３，４３ａを形成した後にあっても、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングによりパターン形成を行い、高弾性率膜４３の右方部分を所定幅だけ残して除去する。

続いて、第２の犠牲層形成工程として、高弾性率膜４３，４３ａが形成された半導体基板４０の上表面に対し、Ｐ−ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法により、例えばＰＳＧからなる犠牲層４４を３．０［μｍ］だけ成膜する。この犠牲層４４の成膜後、図６（ｃ）に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、同図中左方においては犠牲層４４の上表面から高弾性率膜４３ａの上表面に至るまで開口部４４ａを、同図中右方においては犠牲層４４の上表面からエッチストッパ膜４１に至るまで開口部４４ｂを、それぞれ形成する。

こうして開口部４４ａ，４４ｂが形成された後、固定電極形成工程として、例えば多結晶シリコン（Poly−Si）からなる導電膜４５を、犠牲層４４の上表面の高弾性率膜４３に対向する部分に１．０［μｍ］だけＬＰ−ＣＶＤ法により成膜する。そうして成膜された導電膜４５に対し、図６（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングによりパターン形成を行う。

そして、この固定電極形成工程後、犠牲層４４および導電膜４５が形成された半導体基
板４０の上表面に対し、保護膜形成工程として、窒化シリコンからなる保護膜４６をＰ−ＣＶＤ法により１．０［μｍ］だけ成膜する。そして、図７（ａ）に示されるように、この保護膜４６の高弾性率膜４３と対向する部分には、保護膜４６の上表面から犠牲層４４の上表面に至る貫通孔４６ａを、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じて形成する。また、犠牲層４４に形成される開口部４４ａに成膜される保護膜４６を、同じく通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じて除去することにより、貫通孔４６ｂを形成する。

続く基板加工工程として、図７（ｂ）に示すように、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）やＴＭＡＨ（Teramethylammonium Hydroxide）のような現像液を使用した異方性のウエットエッチング法により、半導体基板４０の高弾性率膜４３と対向する部分に、半導体基板４０の裏面から犠牲層４２の下表面に至る開口部４０ａを形成する。なお、同図７（ｂ）に示されるように、半導体基板４０に形成される開口部４０ａは、ウエットエッチングの異方性のため、その裏面側から表面側にかけて縮径されている。

こうして半導体基板４０の裏面側に開口部４０ａが形成された後、続く犠牲層エッチング工程として、例えばフッ酸（ＨＦ）のような薬品を使用したウエットエッチング法により、半導体基板４０上に形成された犠牲層をエッチングする。すなわち、保護膜４６の下表面と半導体基板４０の上表面との間に位置する犠牲層４４に対しては、保護膜４６に形成された貫通孔４６ａを利用して上記薬品にてこれを除去する。一方、エッチストッパ膜４１のうち開口部４０ａと対向する部分および犠牲層４２に対しては、半導体基板４０に形成された開口部４０ａを利用して上記薬品にてこれらを除去する。これにより、図７（ｃ）に示すように、高弾性率膜４３と保護膜４６との間に間隙ＡＰが形成され、高弾性率膜４３は半導体基板４０によって振動可能に支持されることとなる。すなわち、マイクロフォン基板２０が形成されることとなる。

なお、図７（ｃ）と、先の図３（ｂ）と同様の図である図７（ｄ）との対比からわかるように、半導体基板４０の裏面側に形成された開口部４０ａは音響孔ＡＨ２として、高弾性率膜４３は可動ダイアフラム電極２１として、保護膜４６およびその貫通孔４６ａは固定電極保護膜２２ｂおよび音響孔ＡＨ１として機能する。

次に、シャッタ基板３０の製造プロセスを、図８を用いて説明する。

上述のシャッタ基板３０を作製するに際しては、まず、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶からなる半導体基板５０を準備する。この準備された半導体基板５０に対し、保護膜・導電極形成工程として、窒化珪素（ＳｉＮ）からなる保護膜５１を同半導体基板５０の表裏両面に例えばＬＰ―ＣＶＤ法により０．１［μｍ］だけ成膜する。そうして保護膜５１がその上表面に成膜された半導体基板５０に対し、同じくＬＰ―ＣＶＤ法を通じて、例えば多結晶シリコンからなる導電膜を０．５［μｍ］だけ形成する。すなわち、半導体基板５０の上表面全面に保護膜５１が形成された後、その保護膜５１の上表面全面に第１の導電膜５２が成膜される。そうした半導体基板５０に対して、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じてパターン形成を行い、半導体基板５０上の所定の位置にのみ第１の導電膜５２を残留させる。そして、図８（ａ）に示されるように、そうした半導体基板５０の上表面全面に対し再度、例えばＬＰ―ＣＶＤ法を通じて、例えば窒化珪素からなる保護膜５３を０．１［μｍ］だけ成膜する。

次に、犠牲層・電極部形成工程として、保護膜５３の形成された半導体基板５０の上表面全面に対し、Ｐ−ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法により、例えばＰＳＧからなる犠牲層５４を０．５〜３．０［μｍ］だけ成膜する。そうした犠牲層５４の成膜後、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じて断面メサ形状に犠牲層５４をパターニングし、断面メサ構造とする。そして、例えばＬＰ―ＣＶＤ法を通じて、例えば多結晶シリ
コンからなる導電膜５５を半導体基板５０の上表面全面に０．５［μｍ］だけ成膜する。その後再び、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じてパターン形成を行い、図８（ｂ）に示すように、先の第１の導電膜５２に対向する位置に第２の導電膜５５を残留させる。

続いて、シャッタ膜形成工程として、保護膜５３、犠牲層５４、第２の導電膜５５がその上面に形成された半導体基板５０の上表面全面に対し、ＰＥ−ＣＶＤ（プラズマ化学気相成長：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ）法により、例えば窒化シリコンからなる高弾性率膜５６を形成する。その後、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じてパターン形成を行うことで、図８（ｃ）に示すように、高弾性率膜５６の上表面から犠牲層５４の上表面に至る開口５６ａを形成する。

続く基板加工工程として、図８（ｄ）に示すように、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）やＴＭＡＨ（Teramethylammonium Hydroxide）のような現像液を使用した異方性のウエットエッチング法により、半導体基板５０の裏面から犠牲層５４の下表面に至る開口部５０ａを半導体基板５０の中央部分に形成する。なお、同図８（ｄ）に示されるように、半導体基板５０に形成される開口部５０ａは、ウエットエッチングの異方性のため、その裏面側から表面側にかけて縮径されている。

こうして半導体基板５０の裏面側に開口部５０ａが形成された後、続く犠牲層エッチング工程として、例えばフッ酸（ＨＦ）のような薬品を使用したウエットエッチング法により、半導体基板５０上に形成された犠牲層をエッチングする。すなわち、高弾性率膜５６の下表面と半導体基板５０の上表面との間に位置する犠牲層５４に対しては、高弾性率膜５６に形成された開口５６ａおよび半導体基板５０に形成された開口部５０ａを利用して上記薬品にてこれを除去する。これにより、図８（ｅ）に示すように、高弾性率膜５６と保護膜５３との間に間隙が形成され、高弾性率膜５６は半導体基板５０によって大きく撓むことができるように支持されることとなる。すなわち、シャッタ基板３０が形成されることとなる。

なお、図８（ｅ）と、先の図５（ａ）と同様の図である図８（ｆ）との対比からわかるように、半導体基板５０の開口部５０ａは音響孔ＡＨ２２として、高弾性率膜５６および第２の導電膜５５は可動ダイアフラム電極３２として、高弾性率膜５６の開口５６ａは音響孔ＡＨ２１として、第１の導電膜５２は導電電極３１として、それぞれ機能する。

以上説明したように、この第１実施形態に係る指向性可変マイクフォンによれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。

（１）本実施形態の指向性可変マイクロフォンでは、外部から伝達された音圧を電気信号に変換するマイクロフォン基板２０、および指向性を変化させるべく第１の音圧通路を開放・閉塞するシャッタ基板３０を、半導体基板に形成された機械部品および電気部品からなる、いわゆるＭＥＭＳによって作製することとした。これにより、半導体製造プロセスを用いた構成部材の微細化が可能となり、容易にその小型化を図ることができるようになる。

（２）また、このような指向性可変マイクロフォンを構成するマイクロフォン基板２０とシャッタ基板３０とは、可動ダイアフラム電極２１，３２とこれらに間隙をおいて対向配置された固定電極２２ａ，導電電極３１とからなる平行二板式のコンデンサを有する等、多くの点において構造が共通している。そのため、これら両基板２０，３０の製造工程および生産設備の多くを共有化することが可能となり、生産性を向上することができるようになる。

こうした第１実施形態の指向性可変マイクロフォンは、以下のように変更して実施することもできる。

・本実施形態では、振動膜を有して音圧を感知するマイクロフォン部分と、そのマイクロフォン部分の指向性を切り換える音圧通路を開閉するシャッタ機構とをそれぞれ、ＭＥＭＳにて形成するようにしていた。もっとも、マイクロフォン部分がＭＥＭＳ以外の構造とされたマイクロフォンにも、上記シャッタ基板３０のようなＭＥＭＳにて形成されたシャッタ機構を採用することで、そのサイズの大型化を抑えながら、指向性の切り換えを可能とすることができる。例えば図９には、エレクトレットコンデンサマイクロフォンに上記シャッタ基板３０を採用して指向性の可変を図った指向性可変マイクロフォンの一例が示されている。同図に示すように、この指向性可変マイクロフォンにあって、下底部１０ａおよび上底部１０ｃにそれぞれ音孔１１ａ，１１ｃの形成された中空箱形の筐体１０の内部には、残留分極を有する誘電体からなるエレクトレット振動膜２１ａ、および該エレクトレット振動膜２１ａに間隙をおいて対向する固定電極２２ａが、筐体１０の側壁１０ｂに支持された状態で配設されている。ここで固定電極２２ａには、多数の音響孔が透設されており、筐体１０の外部の音源で発生した音圧は、エレクトレット振動膜２１ａの表面および裏面の双方に伝達可能となっている。一方、このエレクトレットコンデンサマイクロフォンでは、上記シャッタ基板３０は、こうした筐体１０の下底部１０ａの音孔１１ａの上方を覆うように配設されており、ＩＣチップ６０ａからの指令に基づき、その音孔１１ａを通じた筐体１０の外部からエレクトレット振動膜２１ａの裏面への音圧の伝達通路を選択的に開放・閉塞するようにしている。こうした構成においても、ＭＥＭＳにて形成することでそのシャッタ機構を小型化することができるため、指向性の可変化に伴うマイクロフォンサイズの大型化を好適に抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図１０および図１１を参照して、先の第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、第１実施形態の指向性可変マイクロフォンのマイクロフォン基板２０に形成された音圧感知用の平行二板式コンデンサとシャッタ基板３０に形成したシャッタ機構用の平行二板式コンデンサとを同一の半導体基板に作製することで、部品点数を削減し、生産性を更に向上するようにしている。

図１０に、上記２つの平行二板式コンデンサが形成されたマイクロフォン・シャッタ基板７０の断面構造を示す。このマイクロフォン・シャッタ基板７０は、図１に示した第１実施形態の指向性可変マイクロフォンのものと同様の、上底部および下底部に音響孔の形成された中空箱形の筐体内に収容されている。そしてそうした筐体にあってマイクロフォン・シャッタ基板７０は、筐体下底部の音響孔の上部開口を覆うように同筐体下底部の上面に搭載されている。そしてマイクロフォン・シャッタ基板７０に形成された上記２つの平行二板式コンデンサの各電極は、筐体内に配設されたＩＣチップに電気接続されるようになっている。

マイクロフォン・シャッタ基板７０の基盤となる半導体基板４０は、例えば例えばシリコン単結晶のような半導体材料にて形成され、その中央部には、その表裏を貫通する音響孔ＡＨ２がその裏面側から表面側にかけて縮径するように形成されている。こうした半導体基板４０の上面には、エッチストッパ膜４１が成膜されるとともに、その上面には、振動膜として機能する円板形状の可動ダイアフラム電極２１が上記音響孔ＡＨ２の上部開口を覆うように張設されている。高弾性率を有するこの可動ダイアフラム電極７１が張設された音響孔ＡＨ２の周囲には、一定厚さの犠牲層４４が積層されるとともに、その上面には多結晶シリコンからなるｎ型の導電層７２が設けられている。このｎ型の導電層７２の中央部は、犠牲層４４によって周囲を支持されることで、可動ダイアフラム電極７１との間に一定の間隙をおいて持ち上げられた状態とされている。そして音圧を通過させる多数の音響孔ＡＨ１１の形成されたこのｎ型の導電層７２を固定電極として、上記可動ダイア
フラム電極７１とともに、当該指向性可変マイクロフォンのマイクロフォン部分を構成する平行二板式コンデンサが形成されている。

一方、導電層７２の上面には、上記半導体基板４０に形成された音響孔ＡＨ２を囲むように、ｐ型の導電電極部７２ｂが形成されている。なおｎ型の導電層７２とｐ型の導電電極部７２ｂとは、それらのｐｎ接合部に形成される空乏層Ｄｐにて互いに絶縁されている。こうした導電電極部７２ｂの形成された導電層７２の上面には、エッチストッパ膜８４が成膜されるとともに、導電電極部７２ｂとの間に一定の間隙が形成されるように中央部が持ち上がる態様で、例えば窒化珪素からなる、高い弾性率を有したダイアフラム７３ａが配設されている。このダイアフラム７３ａの下面には、導電電極部７２ｂの上方に位置するように電極部７３ｂが形成されるとともに、その電極部７３ｂの周囲には、ダイアフラム７３ａの表裏を貫通する複数の音響孔ＡＨ１２が形成されている。そしてダイアフラム７３ａおよび電極部７３ｂからなる可動ダイアフラム電極７３と上記導電層７２の上面に形成された導電電極部７２ｂとによって、シャッタ機構を構成する平行二板式コンデンサが形成されている。

こうしたマイクロフォン・シャッタ基板７０では、そのマイクロフォン部分の振動膜である可動ダイアフラム電極７１の裏面には、半導体基板４０に形成された音響孔ＡＨ２を通じて外部から音圧が伝達されるようになっている。本実施形態では、こうした可動ダイアフラム電極７１の裏面に至る音圧の伝達通路が、上記第１の音圧通路に相当する。一方、同可動ダイアフラム電極７１の表面には、
・シャッタ機構部分の可動ダイアフラム電極７３に形成される複数の音響孔ＡＨ１２。 ・シャッタ機構部分の可動ダイアフラム電極７３と導電層７２との間に形成された間隙。

・導電層７２の中央部に形成された複数の音響孔ＡＨ１１。
・導電層７２と可動ダイアフラム電極７１との間に形成された間隙。
を通じて外部から音圧が伝達されるようになっている。なお本実施形態では、こうした可動ダイアフラム電極７１の表面に至る音圧の伝達通路が、上記第１の音圧通路に相当する。そして伝達された音圧により可動ダイアフラム電極７１が振動すると、固定電極となる導電層７２との間隙が変化して、それらによって構成されるコンデンサの容量が変化することから、その振動に応じた電気信号の生成が可能となっている。

さてこうしたマイクロフォン・シャッタ基板７０では、導電層７２の上面に形成された導電電極部７２ｂとその上方に設けられた可動ダイアフラム電極７３の導電電極部７３ｂとの間に電圧を印可すると、これら両電極部間には電位差が発生して静電引力が生じることとなる。この静電引力により、可動ダイアフラム電極７３が、導電層７２との間隙を維持することができずに互いに接するまでに撓むと、振動膜である可動ダイアフラム電極７１の表面に至る外部からの音圧の伝達通路が閉塞されることとなる。このときの外部の音圧は、可動ダイアフラム電極７１の裏面のみに伝達されることから、当該指向性可変マイクロフォンは、無指向性とされるようになる。

一方、導電電極部７２ｂと電極部７３ｂとの間の電圧の印加を解除すると、これら両電極部は互いに同電位となって静電引力が生じないようになるため、可動ダイアフラム電極７３は導電層７２の上面から離間してそれらの間に再び間隙が形成されるようになる。その結果、振動膜である可動ダイアフラム電極７１の表面に至る外部からの音圧の伝達通路が開放され、外部からの音圧が可動ダイアフラム電極７１の表面、裏面の双方に伝達されるようになる。そしてこのときの可動ダイアフラム電極７１の前方に位置する音源の発生した音圧は、可動ダイアフラム電極７１に対してその前方および後方の双方から入力されて相殺されることから、当該指向性可変マイクロフォンは単一指向性とされるようになる
。

次に、こうしたマイクロフォン・シャッタ基板７０の製造プロセスの一例を、図１１を用いて説明する。なお、このマイクロフォン・シャッタ基板７０の製造プロセスの一部は、先のマイクロフォン基板２０の製造工程と重複しているため、その重複する工程（図７（ａ）および（ｂ）に相当する工程）に関するここでの詳しい説明は割愛する。

マイクロフォン・シャッタ基板７０の作製にあっては、まず、図１１（ａ）に示される半導体基板４０を準備する。すなわち、半導体基板４０の上下両表面にエッチストッパ膜４１が半導体基板４０の上表面に形成されるとともに、犠牲層４２、高弾性率膜４３ｂ、および犠牲層８１が順次積層された半導体基板４０を準備する。ここで、高弾性率膜４３ｂは、例えばＬＰ―ＣＶＤ法により多結晶シリコン（Poly−Si）で形成された厚さ１．０［μｍ］の膜である。また、犠牲層８１は、Ｐ−ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法によりＰＳＧで形成された厚さ３．０［μｍ］の層である。

次に、このようにして準備された半導体基板４０の上表面に形成された犠牲層８１に対し、電極形成工程として、図１１（ｂ）に示されるように、例えば多結晶シリコン（Poly−Si）からなる導電層８２を、例えばＬＰ−ＣＶＤ法を通じて１０［μｍ］だけ成膜する。なおこのとき、導電層８２にリン（Ｐ）を拡散させて同導電層８２をｎ型としておく。また併せて、導電層８２の上表面全面にレジストＲを塗布し、このレジストＲをマスクとして導電層８２の一部にボロン（Ｂ）を注入し、これをｐ型とする。こうすることで、ｎ型の導電層８２の一部にｐ型の導電膜８３が形成され、これらｎ型の導電層８２とｐ型の導電膜８３との界面に空乏層Ｄｐが形成されることとなる。

次に、図１１（ｃ）に示されるように、音響孔形成工程としてまず、導電層８２，８３の上表面に残留しているレジストＲを、例えば酸素プラズマを通じて剥離する。そうしてレジストＲが除去された後、例えばＬＰ−ＣＶＤ法を通じて、導電層８２の上表面に窒化珪素からなるエッチストッパ膜８４を０．１［μｍ］だけ成膜する。その後、導電層８２およびエッチストッパ膜８４の高弾性率膜４３ｂと対向する部分に対し、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じて、エッチストッパ膜８４の上表面から犠牲層８１の上表面に至る貫通孔８２ａ，８４ａを複数形成する。その後、エッチストッパ膜８４に対しては０．５〜３．０［μｍ］だけ、貫通孔８２ａ，８４ａに対しては犠牲層８１の上表面に至るその内部に、Ｐ−ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶＤ法を通じてＰＳＧからなる犠牲層８５を成膜する。このように形成された犠牲層８５に対し、熱処理による平坦化・パターニングを通じて、断面メサ構造に整形する。

続く可動ダイアフラム形成工程にあってはまず、図１１（ｄ）に示すように、例えばＬＰ−ＣＶＤ法を通じて、多結晶シリコンからなる導電膜８６を犠牲層８５の上表面に０．５［μｍ］だけ成膜する。そうして犠牲層８５の上表面全面に成膜された導電膜８６のうち、導電膜８３に対向する部分以外の部分に対し、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じて、これらを取り除く。すなわち、導電膜８３に対向する部分のみが残留する。そうした導電膜８６の形成後、半導体基板４０の上表面全面に対し、例えば窒化シリコンからなる高弾性率膜８７をＰＥ−ＣＶＤ法により２．０［μｍ］だけ成膜する。そして、この成膜された高弾性率膜８７に対し、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを通じたパターニングを行い、同高弾性率膜８７の上表面から犠牲層８５の上表面に至る貫通孔８７ａを形成する。一方、例えばＫＯＨやＴＭＡＨのような現像液を使用した異方性のウエットエッチング法により、半導体基板４０の高弾性率膜４３ｂと対向する部分に、半導体基板４０の裏面からエッチストッパ膜４１の下表面に至る開口部４０ａを形成する。なお、同図１１（ｄ）に示されるように、半導体基板４０に形成される開口部４０ａは、ウエットエッチングの異方性のため、その裏面側から表面側にかけて縮
径されている。

こうして半導体基板４０の裏面側に開口部４０ａが形成された後、例えばフッ酸（ＨＦ）のような薬品を使用したウエットエッチング法により、半導体基板４０上に形成された犠牲層をエッチングする。すなわち、高弾性率膜８７の下表面と導電層８２の上表面との間に位置する犠牲層８５、および導電層８２の下表面と高弾性率膜４３ｂの上表面との間に位置する犠牲層８１に対しては、高弾性率膜８７に形成された貫通孔８７ａおよび導電層８２に形成された貫通孔８２ａを利用して上記薬品を浸透させ、これを除去する。また、高弾性率膜４３ｂの下部に位置する犠牲層４２に対しては、半導体基板４０に形成された開口部４０ａを利用して上記薬品を浸透させ、これを除去する。これにより、高弾性率膜８７と導電層８２との間に間隙が形成され、高弾性率膜８７は大きく撓むことができるようになる。更に、高弾性率膜４３ｂと導電層８２との間にも間隙が形成され、高弾性率膜４３ｂも大きく撓むことができるようになる。

なお、図１１（ｄ）と、先の図１０と同様の図である図１１（ｅ）との対比からわかるように、半導体基板４０の裏面側に形成された開口部４０ａは音響孔ＡＨ２として、高弾性率膜４３ｂは可動ダイアフラム電極７１として機能する。また、高弾性率膜８７およびその貫通孔８７ａはダイアフラム７３ａおよび音響孔ＡＨ１２として、導電層８２の貫通孔８２ａは音響孔ＡＨ１１として機能する。

以上説明したように、第２実施形態に係る指向性可変マイクロフォンよれば、先の第１実施形態の上記（１）および（２）の効果に加え、新たに以下のような優れた効果を奏することができる。
（３）第１の音圧通路の一部を構成する音響孔ＡＨ１１と導電電極部７２ｂとをマイクロフォン・シャッタ基板７０の導電層７２に形成するとともに、可動ダイアフラム電極７１と可動ダイアフラム電極７３とをその導電層７２を挟んで対向するように配設することとした。このようにマイクロフォン基板とシャッタ基板とを同一の半導体基板に作製することで、部品点数を削減し、生産性を更に向上することができるようになる。

こうした第２実施形態の指向性可変マイクロフォンは、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、第１の音圧通路の一部を構成する音響孔ＡＨ１１と導電電極部７２ｂとをマイクロフォン・シャッタ基板７０の導電層７２に形成し、可動ダイアフラム電極７１と可動ダイアフラム電極７３とをその導電層７２を挟んで対向するように配設することとした。しかし、マイクロフォン基板２０とシャッタ基板３０との同一の半導体基板への作製態様はこれに限られず任意である。いわゆるＭＥＭＳを通じてこれら両基板を同一の半導体基板へ作製することができれば、上記（３）の効果を得ることはできる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態にかかる指向性可変マイクロフォンモジュールについて、図１２〜図１４を参照しつつ説明する。なお、これら図１２〜図１４において、先の図１〜図１１に示した要素と同一の要素にはそれぞれ同一の符号を付して示し、それら各要素についての重複する説明は割愛する。

この実施形態にかかる指向性可変マイクロフォンモジュールは、指向性可変マイクロフォンを複数アレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで無指向性に設定する指向性可変マイクロフォンの数と単一指向性に設定する指向性可変マイクロフォンの数との比率を制御するＩＣチップを備えることで、指向性の細密で容易な調整を行おうとしている。

図１２は、そうした指向性可変マイクロフォンモジュールの回路基板部分の分解斜視図を示している。また図１３は、本実施形態の指向性可変マイクロフォンモジュールの側部断面構造を示したものである。

図１３に示されるように、表裏を貫通する音孔１６ａの形成された回路基板１５ａの上面には、その音孔１６ａの上部開口を覆うように、シャッタセル３０ｂが同一の基板上にアレイ配置されたシャッタアレイ基板３０ａが搭載され、さらにその上面に、シャッタセル３０ｂと同数のマイクロフォンセル２０ｂが同一の基板上にアレイ配置されたマイクロフォンアレイ基板２０ａが搭載される。またそれら両基板２０ａ，３０ａの側方には、アレイ配置された複数のマイクロフォンのうちで無指向性に設定する指向性可変マイクロフォンの数と単一指向性に設定する指向性可変マイクロフォンの数との比率を制御するＩＣチップ６０ｂ（開閉制御部）が回路基板１５ａ上に搭載されている。ちなみに、このＩＣチップ６０ｂは、マイクロフォンアレイ基板２０ａの各マイクロフォンセル２０ｂの出力を適宜合成して出力する機能も兼ね備えている。こうしたＩＣチップ６０ｂからの出力に表れる指向性は、各マイクロフォンセル２０ｂの指向性を概ね平均化したものとなる。

なお、マイクロフォンアレイ基板２０ａに形成された各マイクロフォンセル２０ｂはそれぞれ、先の図２に示したマイクロフォン基板２０と基本的に同じ構造とされている。またシャッタアレイ基板３０ａに形成された各シャッタセル３０ｂはそれぞれ、先の図３に示したシャッタ基板３０と基本的に同じ構造とされている。

図１３に示されるように、上記マイクロフォンアレイ基板２０ａ、シャッタアレイ基板３０ａおよびＩＣチップ６０ｂの搭載された回路基板１５ａの上面に、金属材料により形成されたカバー１５ｃを貼設することで、当該指向性マイクロフォンモジュールの主要構造を収容する筐体１５が形成されている。この筐体１５のカバー１５ｃの上面には、外部から伝達された音圧を内部に通過させるための音孔１６ｃが形成されるとともに、その音孔１６ｃを通じた埃等の浸入を防ぐクロス１７ｃが貼設されている。なお、筐体１０の下底部を構成する上記回路基板１５ａの上面にも、その音孔１６ａの形成部分およびその周辺部には、同様のクロス１７ａが貼設されている。

以上のように構成された指向性可変マイクロフォンモジュールにおいて、ＩＣチップ６０ｂによる指向性の制御態様を図１４に示す。

同図１４に示されるように、アレイ配置された指向性可変マイクロフォンをすべて無指向性ＯＭに設定すると、指向性可変マイクロフォンモジュール全体としての指向性は無指向性に設定されることとなる。ここで、アレイ配置された指向性可変マイクロフォンのうち単一指向性ＵＭに設定する同マイクロフォンの数を増やしていくと、指向性可変マイクロフォンモジュール全体としての指向性は、無指向性から単一指向性に近づくようになる。そして、アレイ配置された指向性可変マイクロフォンをすべて単一指向性ＵＭに設定すると、指向性可変マイクロフォンモジュール全体としての指向性は強い単一指向性に設定されることとなる。

以上説明した第３実施形態に係る指向性可変マイクロフォンよれば、先の第１実施形態の上記（１）および（２）の効果に加え、新たに以下のような優れた効果を奏することができる。
（４）上記第１実施形態の指向性可変マイクロフォンを複数アレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで単一指向性に設定するマイクロフォンの数と無指向性に設定するマイクロフォンの数との比率を変更するＩＣチップ６０ｂを備えることとした。これにより、モジュールを構成する個別のマイクロフォン単位では、無指向性と単一指向性とのいずれかに指向性を二値的に切り換えるだけの簡易な構成でありながらも、モジュール全体としての指向性は、無指向性と単一指向性との間で細密に調整することができる。

こうした第３実施形態の指向性可変マイクロフォンモジュールは、以下のように変更して実施することもできる。

・マイクロフォンアレイ基板２０ａおよびシャッタアレイ基板３０ａに形成されるマイクロフォンセル２０ｂおよびシャッタセル３０ｂの数や配列態様は、任意に変更可能ある。

・本実施形態では、各マイクロフォンセル２０ｂを同一の基板（マイクロフォンアレイ基板２０ａ）上に形成するようにしていたが、各マイクロフォンセル２０ｂを個別の基板に別体として形成するようにしても良い。またシャッタセル３０ｂについても同様に、それぞれ個別の基板に別体として形成するようにしても良い。

本発明の第１実施形態に係るマイクロフォンの側部断面構造を示す断面図。 同実施形態のマイクロフォンを構成するマイクロフォン基板の表面構造を示す平面図。 （ａ）および（ｂ）マイクロフォン基板のＹ−Ｙ’およびＸ−Ｘ’線に沿った側部断面構造を示す断面図。 同実施形態を構成するシャッタ基板の表面構造を示す平面図。 （ａ）および（ｂ）同実施形態を構成するシャッタ基板の側部断面構造を示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）上記マイクロフォン基板の製造工程を各示す図。 （ａ）〜（ｄ）上記マイクロフォン基板の同図６に続く製造工程を各示す図。 （ａ）〜（ｆ）上記シャッタ基板の製造工程を各示す図。 同実施形態の一変形例についてその側部断面構造を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係るマイクロフォンのマイクロフォン・シャッタ基板の側部断面構造を示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）同実施形態の製造工程を各示す図。 本発明の第３実施形態にかかるマイクロフォンモジュールの回路基板分の分解斜視図。 同実施形態のマイクロフォンの側面断面構造を示す断面図。 同実施形態の指向性の制御態様を示す模式図。 （ａ）（ｂ）無指向性マイクおよび単一指向性マイクの構造を各示す模式図。 従来のマイクロフォンおよびその周辺部の側面断面構造を示す断面図。

符号の説明

１０，１５…筐体、１０ａ…下底部、１０ｂ…側壁、１０ｃ…上底部、１１ａ，１１ｃ，１６ａ，１６ｃ…音孔、１２ａ，１７ａ，１７ｃ…クロス、１５ａ…回路基板、１５ｃ…カバー、２０…マイクロフォン基板、２０ａ…マイクロフォンアレイ基板、２０ｂ…マイクロフォンセル、２１，３２，７１，７３…可動ダイアフラム電極（可動部品）、２１ａ…エレクトレット振動膜、２２ａ…固定電極、２２ｂ…固定電極保護膜、２４，２６，３４，３６…引出配線、２５，２７，３５，３７…引出電極、３０…シャッタ基板（シャッタ機構）、３０ａ…シャッタアレイ基板（シャッタ機構）、３０ｂ…シャッタセル、３１…導電電極、３２ａ，７３ａ…ダイアフラム部、３２ｂ，７３ｂ…電極部、４０，５０…半導体基板、４０ａ，４４ａ，４４ｂ，５０ａ、５６ａ…開口（部）、４１，８４…エッチストッパ膜、４２，４４，５４，８１，８５…犠牲層、４３，４３ａ、４３ｂ，５６，８７…高弾性率膜、４５，４７，５２，５５，８３，８６…導電膜、４６，５１，５３…保護膜、４６ａ，４６ｂ，８２ａ，８４ａ，８７ａ…貫通孔、６０，６０ａ，６０ｂ…ＩＣチップ（開閉制御部）、７０…マイクロフォン・シャッタ基板、７２，８２…導電層、
７２ｂ…導電電極部。

Claims (10)

1. 外部から伝達された音圧により振動される振動膜と、
   外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、
   外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、
   前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する機構であって、半導体基板に形成された可動部品およびその可動部品の駆動に係る電気部品からなるシャッタ機構と、
   を備えることを特徴とするマイクロフォン。
2. 外部からの音圧の伝達により振動される振動膜およびその振動膜の振動を電気信号に変換する変換部が形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、
   外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、
   外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、
   前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する可動部品とその可動部品の駆動に係る電気部品とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、
   を備えることを特徴とするマイクロフォン。
3. 外部からの音圧の伝達により振動される可動ダイアフラム電極とその可動ダイアフラム電極に間隙をおいて対向配置された固定電極とが形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、
   外部から前記可動ダイアフラム電極の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、
   外部から前記可動ダイアフラム電極の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、
   前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞する可動部品とその可動部品の駆動に係る電気部品とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、
   を備えることを特徴とするマイクロフォン。
4. 外部からの音圧の伝達により振動される可動ダイアフラム電極とその可動ダイアフラム電極に間隙をおいて対向配置された固定電極とが形成された半導体基板からなるマイクロフォン基板と、
   外部から前記可動ダイアフラム電極の一方の面に至る音圧の伝達経路を形成する第１の音圧通路と、
   外部から前記可動ダイアフラム電極の他方の面に至る音圧の伝達経路を形成する第２の音圧通路と、
   導電電極とその導電電極との間に前記第１の音圧通路の一部を構成する間隙をおいて対向配置されるとともに前記導電電極との間の電圧印加により発生する静電引力によって該導電電極に吸着される可動ダイアフラム電極とが形成された半導体基板からなるシャッタ基板と、
   を備えることを特徴とするマイクロフォン。
5. 前記マイクロフォン基板と前記シャッタ基板とが同一の半導体基板とされてなる
   請求項２〜４のいずれか１項に記載のマイクロフォン。
6. 前記マイクロフォン基板の固定電極に前記第１の音圧通路の一部を構成する音孔と前記シャッタ基板の前記導電電極を形成するとともに、前記マイクロフォン基板の可動ダイアフラム電極と前記シャッタ基板の可動ダイアフラム電極とをその固定電極を挟んで対向するように配設した
   ことを特徴とする請求項４に記載のマイクロフォン。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロフォンを複数アレイ配置するとともに、それらマイクロフォンのうちで前記第１の音圧通路を開放するマイクロフォンの数と同第１の音圧通路を閉塞するマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備える
   ことを特徴とするマイクロフォンモジュール。
8. 請求項２〜６のいずれか１項に記載のマイクロフォンを複数アレイ配置
   するとともに、それらマイクロフォンのうちで前記第１の音圧通路を開放するマイクロフォンの数と同第１の音圧通路を閉塞するマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備え、
   更に前記アレイ配置された各マイクロフォンの前記マイクロフォン基板が共に同一の半導体基板に形成されるとともに、同じく各マイクロフォンの前記シャッタ基板が共に同一の半導体基板に形成されてなる
   ことを特徴とするマイクロフォンモジュール。
9. 外部から伝達された音圧により振動される振動膜と、外部から前記振動膜の一方の面に至る音圧の伝達経路となる第１の音圧通路と、外部から前記振動膜の他方の面に至る音圧の伝達経路となる第２の音圧通路と、前記第１の音圧通路を選択的に開放・閉塞するシャッタ機構と、を各々有して構成された複数のマイクロフォンをアレイ配置するとともに、
   それらマイクロフォンのうちで前記シャッタ機構により前記第１の音圧通路が開放されたマイクロフォンの数と、前記シャッタ機構により前記第１の音圧通路が閉塞されたマイクロフォンの数との比率を変更する開閉制御部を備える
   ことを特徴とするマイクロフォンモジュール。
10. 前記アレイ配置された各マイクロフォンの前記振動膜が同一の半導体基板に形成されるとともに、各マイクロフォンの前記シャッタ機構が同一の半導体基板に形成されてなる
    請求項９に記載のマイクロフォンモジュール。

Images