JP2007208544A - 音響センサ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量型の音響センサにおいて、過大音圧印加時や、突入電圧印加時に、振動板とバックプレートが接触しても互いに短絡するのを防止し、従来より高い許容入力音圧や高耐突入電圧性を実現する。
【解決手段】音響センサ１は、音響によって振動する振動板３とそれに対向するバックプレート４を有し、両者間の容量変化を検出することによって音響を検出するセンサであって、互いに対向する振動板３とバックプレート４のが電気的に接触するのを防止するための絶縁部材６を振動板３に備えている。絶縁部材６は、振動板３に対向するバックプレート４対向面に備えるてもよい。また、絶縁部材６は、振動板３又はバックプレート４の互いの対向面のいずれか一方の中央部近傍に備えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気等を媒体として伝わる可聴音や超音波などの音響を検知する静電容量型の音響センサに関する。

従来から、対向電極型のコンデンサ、例えば、平行平板コンデンサ、の一方の電極を音響によって振動させ、音響圧力の変化をコンデンサの静電容量の電気的変化に変換して音響検出を行う音響センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような静電容量型の音響センサは、例えば、振動板、バックプレート、接続部、及び基板を構成要素としている。振動板とバックプレートは、互いに電気絶縁状態で接続部によって空隙を隔てて配置されると共に基板に保持されて静電容量型コンデンサを形成する。振動板とバックプレートのそれぞれの少なくとも一部は、対向電極とするため導体である。接続部は、振動板の振動を妨げないように振動板とバックプレートの周辺において両者を支持する。基板の一部が、振動板又はバックプレートを構成することがある。また、このような音響センサは、音響を電気信号に変換する他に、電気信号を音響に変換することもでき、いわゆる、双方向の音響電気トランスデューサとして機能する。
特開平６−２１７３９６号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような従来の静電容量型の音響センサにおいては、過大な音圧の印加時や突入電圧印加時に、振動板の最大変位部分がバックプレートに接触して振動板とバックプレートが短絡し、音響センサが破壊されたり、音響検出信号にノイズが混入したりする可能性がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により過大音圧印加時や、突入電圧印加時に、振動板とバックプレートが接触しても互いに短絡することがなく、許容入力音圧の高い、また、耐突入電圧性の高い静電容量型の音響センサを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、音響によって振動する振動板とそれに対向するバックプレートを有し、前記両者間の容量変化を検出することによって前記音響を検出する音響センサにおいて、前記振動板と前記バックプレートの少なくともいずれか一方の対向面に、互いの電気的接触を防止するための絶縁部材を備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の音響センサにおいて、前記絶縁部材は、前記対向面の中央部近傍に備えられているものである。

請求項１の発明によれば、振動板とバックプレートの少なくともいずれか一方の対向面に、互いの電気的接触を防止するための絶縁部材を備えるので、過大音圧印加時や、突入電圧印加時に、振動板とバックプレートが接触しても電気的に短絡することがなく、許容入力音圧の高い、また、耐突入電圧性の高い静電容量型の音響センサを提供できる。

請求項２の発明によれば、振動板の、通常、最大変位部分となる中央部近傍に絶縁部材を備えるので、振動板とバックプレートが接触する場合の電気短絡を防止する絶縁部材を最小限にして短絡防止の効果を上げると共に、振動板の全体に絶縁部材を設ける場合よりも振動板に付加する質量を少なくすることで、音響センサの感度の低下を最小限に抑えて音響センサの性能を引き出すことができる。

以下、本発明の一実施形態に係る静電容量型の音響センサについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る静電容量型の音響センサ１を示し、図２は音響センサの外形を示し、図３は音響センサ１を仮想的に分解した状態を示す。本実施形態の音響センサ１は、音響によって振動する振動板３とそれに対向するバックプレート４を有し、両者間の容量変化を検出することによって音響を検出するセンサであって、互いに対向する振動板３とバックプレート４のが電気的に接触するのを防止するための絶縁部材６を振動板３に備えている。

さらに詳述すると、音響センサ１は、音響センサ１の形を保持すると共に音響を導く凹部２１を有する基板２を備え、振動板３は、基板２に積層して形成され、振動板３の周囲を基板２に保持されると共にその一面を凹部２１に臨ませており、凹部２１に臨ませた部分の振動板３が音響によって振動する。また、バックプレート４は、振動板３の外周部の２ヶ所に設けた絶縁性の接続部５によって、振動板３と所定の間隔を保つように固定されている。また、基板２は、例えば、シリコンウエハを半導体プロセスによりエッチング加工して凹部２１が形成されている。以下において、基板２はシリコン基板であり、音響センサ１は、シリコン半導体プロセスを用いて形成されるものとして説明するが、基板２の材料や音響センサ１の形成プロセスは、これらに限定されるものではない。

次に、各構成要素を説明する。振動板３は、バックプレートと共に平行板コンデンサを形成する部材であり、本実施形態では振動する部分の全体が導体によって形成され、コンデンサの一方の対向電極となっている。振動板３は、外部から到達する音響の有する微小な音圧変化によって振動するようにその厚さが十分薄く、例えば、１〜２μｍ程度に、形成されている。このような振動板３は、半導体プロセスを用いて形成される。例えば、基板２の上に振動板３となる所定の厚さの薄膜を積層し、基板２の一部をエッチングによって除去することにより凹部２１を形成し、その凹部２１の底に振動板３を露出させる。このような振動板３は、周囲を基板２によって保持され、凹部２１の底に露出した部分が自由に振動する振動部分となる。

上述の振動板３となる薄膜は、基板２に高濃度不純物拡散を行って形成した拡散層や、基板２に形成したポリシリコン膜の堆積層などを用いることができる。振動板３が、ポリシリコン膜のように、非導電性又は高抵抗の薄膜によって形成される場合、不純物をドーピングしたり、金属薄膜を積層したりして、コンデンサの電極としての導電性を振動板３に付与することも行われる。また、振動板３となる薄膜層を有する基板２として、活性層を有するＳＯＩ基板を用いることもできる。振動板３は、振動板３から電気信号を外部に出力するための接続パッド３２を備えている。接続パッド３２には、例えばワイヤボンディングがなされる。

バックプレート４は、本実施形態では全体が導体によって形成され、コンデンサの一方の対向電極となっている。バックプレート４は、振動板３に対する固定電極となっており、振動板３と共に平行板コンデンサを形成して音響による音圧変化を容量の変化として検出可能とする。

また、バックプレート４は、振動板３が音響に応じて遅滞なく自在に振動するように、振動板３とバックプレート４の間の空気抵抗を減らすための空気流通孔、いわゆるアコースティックホール４１を備えている。また、バックプレート４は、接続部５によって支持される部分が空気流通のために最少の２ヶ所とされ、さらに、バックプレート４の周辺部から空気が自在に流入又は流出するように、また、寄生容量の発生を抑えるように、最小限の外形寸法とされている。バックプレート４は、バックプレート４から電気信号を外部に出力するための接続パッド４２を備えている。接続パッド４２には、例えばワイヤボンディングがなされる。

上述のような構造を有するバックプレート４は、半導体プロセスの成膜技術やエッチング技術によって形成される。例えば、振動板３の形成と同様に、基板２に高濃度不純物拡散を行って形成した拡散層や、基板２に形成したポリシリコン膜の層などを用いてバックプレート４を形成することができる。非導電性又は高抵抗の薄膜に不純物をドーピングしたり、金属薄膜を積層したりしてバックプレート４にコンデンサの電極としての導電性を付与することも行われる。

接続部５は、振動板３とバックプレート４の間にあって、両者を電気絶縁した状態で一定の距離に保つものである。接続部５の材料は、例えば、半導体プロセスでは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを用いることができる。

絶縁部材６は、本実施形態では、振動板３の上面、すなわち、バックプレート４に対する対向面の全面に形成されている。絶縁部材６の材料は、例えば、半導体プロセスでは、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などを用いることができる。このような絶縁部材６は、振動板３とバックプレート４の互いの電気的接触を防止するので、過大音圧印加時や、突入電圧印加時に、振動板３とバックプレート４が接触しても互いに短絡することがなく、許容入力音圧の高い音響センサ１、また、耐突入電圧性の高い音響センサ１が実現する。

上述の各構成要素と構造を有する音響センサ１は、例えば、半導体プロセスを用いて、シリコン基板の上に各構成要素の材料層を順番に積層し、各層を周知のパターニング技術やエッチング技術を用いて加工し形成される。また、上述のように、導電性付与のために不純物拡散やドーピングを行うこともある。加工時に成膜する代わりに、予め成膜されたＳＯＩ基板を用いることもできる。

また、接続部５の形成は、犠牲層エッチングの手法で形成することができる。犠牲層エッチングでは、犠牲層と呼ばれる層であって、その一部が接続部５となり、他の部分がエッチング除去される層を、振動板３の上に形成し、バックプレート４の形状を形成した後に、犠牲層がエッチングされる。犠牲層のエッチングでは、バックプレート４の下層にある犠牲層を接続部５が残存するようにエッチング除去され、その結果、接続部５でバックプレート４を支持した３次元立体構造が形成される。犠牲層エッチングは、接続部５のエッチングレートを、他の部材、つまり基板２、振動板３、絶縁部材６、及びバックプレート４のエッチングレートより高くする（レジストで保護することも含む）ことにより、等方性のエッチングによって容易に行われる。

図４、図５は、それぞれ上述の第３の実施形態に係る静電容量型の音響センサ１の変形例を示す。これらの図に示される音響センサ１の絶縁部材６は、図１の音響センサ１とは異なり、振動板３の全面ではなく振動板３のバックプレート４に対向する面の中央部付近に限定して設けられている。振動板３の中央部は、通常、振動板３の最大変位部分となるところであり、中央部近傍に絶縁部材を備えるので、絶縁部材を必要最小限にできる。振動板３の全体に絶縁部材を設ける場合よりも振動板３に付加する質量が少なく、音響センサ１の感度の低下を最小限に抑えることができる。

また、図４に示した音響センサ１は、上述の図１に示した音響センサと同様に、振動板３の全体が導電性となっているものであり、図５に示した音響センサ１は、振動板３の中央部のみが導電性になっているものである。図５の音響センサ１の振動板３の電極部分は、不図示の導体パターン又は不純物をドープした低抵抗部分によって接続パッド３２に接続されている。

図５の音響センサ１は、振動板３の導電性部分、すなわち、平行板コンデンサの電極となる部分が、振動板３の中央部の振幅が大きくなる部分に限定して形成されているので、寄生容量、言い換えれば、容量変動に寄与しない容量の成分が少なく、従って、図１や図４に示したものよりも寄生容量が少ない分、全体容量に対する変動容量（信号成分）の割合が高く、高感度のものとなる。

（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態に係る静電容量型の音響センサ１を示す。この実施形態の音響センサ１は、絶縁部材６がバックプレート４の下面、つまりバックプレート４の振動板３に対向する面に設けられている点が、上述の第１の実施形態における音響センサ１と異なり、他の点は第１の実施携帯の音響センサ１と同様である。

このような音響センサ１において、例えば、半導体プロセスを用いて、振動板３の上に接続部５を形成するための犠牲層を形成し、さらに、絶縁部材６とバックプレートを形成するための各層を形成し、絶縁部材６とバックプレート４の同時パターニングを行い、その後、犠牲層の犠牲層エッチングを行うことにより、接続部５で絶縁部材６とバックプレート４を支持した３次元立体構造を形成することができる。

図７、図８は、それぞれ上述の第２の実施形態に係る静電容量型の音響センサ１の変形例を示す。これらの図に示される音響センサ１の絶縁部材６は、図６の音響センサ１とは異なり、バックプレート４の全面ではなくバックプレート４の中央部付近であって、振動板３の最大変位部分に対面する部分に限定して設けられている。図７に示した音響センサ１は、上述の図６に示した音響センサと同様に、バックプレート４の全体が導電性となっているものであり、図８に示した音響センサ１は、バックプレート４の中央部のみが導電性になっているものである。

図８の音響センサ１のバックプレート４の中央部の電極部分は、不図示の導体パターン又は不純物をドープした低抵抗部分によって接続パッド４２に接続されている。図８の音響センサ１は、図５に示した音響センサ１と同様に、図６や図７に示したものよりも寄生容量が少ない分、高感度のものとなる。

以上のように、本発明の音響センサ１は、振動板３又はバックプレート４の全面又は中心部の対向面に絶縁部材６を設けているので、過大音圧印加時や、突入電圧印加時に、振動板３とバックプレート４が接触しても互いに短絡するのを防止でき、従来より高い許容入力音圧や高い耐突入電圧性を実現できる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、接続部５を基板に設けて、基板２でバックプレート４を保持する用にしてもよい。また、基板２と振動板３を別層とする代わりに、基板２の材料そのものを用いて振動板３を形成してもよい。また、上述の各実施形態の構造を組み合わせた構造の音響センサ１とすることもできる。また、上記において、耐突入電圧性の高い音響センサ１とは、振動板３とバックプレート４の間にバイアス電圧を印可するときの突入電圧に対する耐性が高いという特性、及び、音響センサ１を、電気信号を音響に変換する電気音響トランスデューサ（スピーカ）として用いる場合の特性について述べたものである。

本発明の第１の実施形態に係る静電容量型の音響センサについての断面図。 同上音響センサの斜視図。 同上音響センサの分解斜視図。 同上音響センサの変形例の断面図。 同上音響センサの他の変形例の断面図。 本発明の第２の実施形態に係る静電容量型の音響センサについての断面図。 同上音響センサの変形例の断面図。 同上音響センサの他の変形例の断面図。

符号の説明

１ 音響センサ
３ 振動板
４ バックプレート
６ 絶縁部材

Claims (2)

1. 音響によって振動する振動板とそれに対向するバックプレートを有し、前記両者間の容量変化を検出することによって前記音響を検出する音響センサにおいて、
   前記振動板と前記バックプレートの少なくともいずれか一方の対向面に、互いの電気的接触を防止するための絶縁部材を備えたことを特徴とする音響センサ。
2. 前記絶縁部材は、前記対向面の中央部近傍に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の音響センサ。

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