JP2007228345A - コンデンサマイクロホン - Google Patents
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Abstract
【課題】感度が高いコンデンサマイクロホンを提供する。
【解決手段】固定電極を有しているプレートと、前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に両持ち梁状に支持され、音波によって樋状に変形して振動するダイヤフラムと、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】固定電極を有しているプレートと、前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に両持ち梁状に支持され、音波によって樋状に変形して振動するダイヤフラムと、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明はコンデンサマイクロホンに関する。
半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造可能なコンデンサマイクロホンや加速度センサが知られている。コンデンサマイクロホンは、音波によって振動するダイヤフラムとプレートとのそれぞれに電極を有し、ダイヤフラムとプレートとは支持部によって互いに離間した状態で支持されている。コンデンサマイクロホンは、電極間に形成されるコンデンサ(以下、マイクコンデンサという。)のダイヤフラムの振動による静電容量の変化を電気信号に変換して出力する。
特許文献1には、ダイヤフラムの端部が全周で支持部に固定されているコンデンサマイクロホンが開示されている。特許文献1に記載されているコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラム全周の近端部(近端部とは端に近い部分を意味する。)が殆ど変位しないため、ダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの音波による振幅は小さくなり十分な感度が得られない。
特許文献1には、ダイヤフラムの端部が全周で支持部に固定されているコンデンサマイクロホンが開示されている。特許文献1に記載されているコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラム全周の近端部(近端部とは端に近い部分を意味する。)が殆ど変位しないため、ダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの音波による振幅は小さくなり十分な感度が得られない。
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、感度が高いコンデンサマイクロホンを提供することを目的とする。
(1)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、固定電極を有しているプレートと、前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に両持ち梁状に支持され、音波によって樋状に変形して振動するダイヤフラムと、を備える。
ダイヤフラムは両持ち梁状に支持部に支持されているため、音波によって樋状に変形して振動する。ダイヤフラムの樋状の振動によると、ダイヤフラムの自由端が音波によって変位することにより、従来の端部が全周で固定されたダイヤフラムの略円錐状の振動と比べて、ダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの音波による振幅は大きい。ここでダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの振幅は、ダイヤフラム全体がプレートに対して平行に振動する仮想的なコンデンサの振幅であって、マイクコンデンサの音波によって変動する容量成分(以下、可変容量という。)を表すものである。このようにダイヤフラムを樋状に振動させることでマイクコンデンサの可変容量を増大させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
ダイヤフラムは両持ち梁状に支持部に支持されているため、音波によって樋状に変形して振動する。ダイヤフラムの樋状の振動によると、ダイヤフラムの自由端が音波によって変位することにより、従来の端部が全周で固定されたダイヤフラムの略円錐状の振動と比べて、ダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの音波による振幅は大きい。ここでダイヤフラム全体で均したダイヤフラムの振幅は、ダイヤフラム全体がプレートに対して平行に振動する仮想的なコンデンサの振幅であって、マイクコンデンサの音波によって変動する容量成分(以下、可変容量という。)を表すものである。このようにダイヤフラムを樋状に振動させることでマイクコンデンサの可変容量を増大させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
(2)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、固定電極を有しているプレートと、前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に支持され、音波によって振動するダイヤフラムと、を備え、前記ダイヤフラムは略四角形であり、対向する一組の端部が前記支持部に固定され、対向する他組の端部が前記支持部から遊離している。
ダイヤフラムは略四角形であり、対向する一組の端部が支持部に固定され、対向する他組の端部が支持部から遊離している。このようなダイヤフラムのダイヤフラム全体で均した音波による振幅は、ダイヤフラムの支持部から遊離している他組の端部が音波によって変位することにより、従来の端部が全周で固定されたダイヤフラムに比べて大きい。したがって、このようにダイヤフラムの他組の端部を支持部から遊離させることにより、ダイヤフラムのダイヤフラム全体で均した音波による振幅を大きくすることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
ダイヤフラムは略四角形であり、対向する一組の端部が支持部に固定され、対向する他組の端部が支持部から遊離している。このようなダイヤフラムのダイヤフラム全体で均した音波による振幅は、ダイヤフラムの支持部から遊離している他組の端部が音波によって変位することにより、従来の端部が全周で固定されたダイヤフラムに比べて大きい。したがって、このようにダイヤフラムの他組の端部を支持部から遊離させることにより、ダイヤフラムのダイヤフラム全体で均した音波による振幅を大きくすることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
(3)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムは、架設方向の中央部から前記一組の端部までうねりながら伸び、前記中央部の残留応力を変形により吸収しているばね部を有してもよい。
ばね部は、ダイヤフラムの架設方向の中央部(以下、中央部という。)から支持部に固定されている一組の端部までうねりながら伸び、ダイヤフラム中央部の残留応力を変形により吸収している。このようにしてダイヤフラム中央部の残留応力を緩和することにより、ダイヤフラム中央部を音波によって大きな振幅で振動させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
ばね部は、ダイヤフラムの架設方向の中央部(以下、中央部という。)から支持部に固定されている一組の端部までうねりながら伸び、ダイヤフラム中央部の残留応力を変形により吸収している。このようにしてダイヤフラム中央部の残留応力を緩和することにより、ダイヤフラム中央部を音波によって大きな振幅で振動させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
(4)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムは架設方向に長い略矩形でもよい。
ダイヤフラムを剛性の低い長手方向に架設することにより、ダイヤフラムの音波による振幅を増大させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
ダイヤフラムを剛性の低い長手方向に架設することにより、ダイヤフラムの音波による振幅を増大させることができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
(5)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記プレートは、前記ダイヤフラムの前記一組の端部の内側で前記ダイヤフラムと立体交差し、前記ダイヤフラム上の前記プレートの端部が前記支持部から遊離してもよい。
プレートはダイヤフラムの一組の端部の内側でダイヤフラムと立体交差し、プレートのダイヤフラム上の端部は支持部から遊離している。すなわち、プレートはダイヤフラムの一組の端部には少なくとも対向しない。この結果、プレート及びダイヤフラムが導電性を有しているとしても、ダイヤフラムの支持部に固定されている一組の端部とプレートとの間に静電容量が生じることはない。このようにしてマイクコンデンサの音波によって変動しない容量成分(以下、不変容量という。)を低減することができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
プレートはダイヤフラムの一組の端部の内側でダイヤフラムと立体交差し、プレートのダイヤフラム上の端部は支持部から遊離している。すなわち、プレートはダイヤフラムの一組の端部には少なくとも対向しない。この結果、プレート及びダイヤフラムが導電性を有しているとしても、ダイヤフラムの支持部に固定されている一組の端部とプレートとの間に静電容量が生じることはない。このようにしてマイクコンデンサの音波によって変動しない容量成分(以下、不変容量という。)を低減することができるため、コンデンサマイクロホンの感度を高めることができる。
(6)上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムは、前記他組の端部間の幅が前記一組の端部から離間するほど狭くなっていてもよい。
上述したようにダイヤフラムの他組の端部は支持部から遊離しているため、ダイヤフラムの他組の端部に近い部分(以下、他組の近端部という。)の残留応力は緩和される。この結果、ダイヤフラムの他組の近端部がそれよりも内側の部分に対して垂れ下がることがある。このとき、他組の近端部の残留応力は支持部に固定されている一組の端部から離間するほど効果的に緩和されるため、他組の近端部の垂れ下がる部分の幅は一組の端部から離れるほど広くなる。そこでこのコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラムの他組の端部間の幅を一組の端部から離れるほど狭くすることにより、他組の近端部が垂れ下がることを防止している。
上述したようにダイヤフラムの他組の端部は支持部から遊離しているため、ダイヤフラムの他組の端部に近い部分(以下、他組の近端部という。)の残留応力は緩和される。この結果、ダイヤフラムの他組の近端部がそれよりも内側の部分に対して垂れ下がることがある。このとき、他組の近端部の残留応力は支持部に固定されている一組の端部から離間するほど効果的に緩和されるため、他組の近端部の垂れ下がる部分の幅は一組の端部から離れるほど広くなる。そこでこのコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラムの他組の端部間の幅を一組の端部から離れるほど狭くすることにより、他組の近端部が垂れ下がることを防止している。
尚、本明細書において、「・・・上に形成する」とは、技術上の阻害要因がない限りにおいて、「・・・上に直に形成する」と、「・・・上に中間物を介して形成する」の両方を含む意味とする。
以下、複数の実施例に基づいて本発明の実施の形態を説明する。各実施例において同一の符号が付された構成要素は、その符号が付された他の実施例の構成要素と対応する。
(第一実施例)
図1と図2は、本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの構成を示す模式図である。図1(A)は図2のA1−A1線による断面図であり、図1(B)は図2のB1−B1線による断面図である。図2(B)は図1(A)のB2−B2線による断面図である。
(第一実施例)
図1と図2は、本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの構成を示す模式図である。図1(A)は図2のA1−A1線による断面図であり、図1(B)は図2のB1−B1線による断面図である。図2(B)は図1(A)のB2−B2線による断面図である。
本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホン1は、半導体製造プロセスを用いて製造される所謂シリコンマイクロホンである。コンデンサマイクロホン1は、図1(A)、(B)に断面図として描かれた感音部と、図1(A)に回路図として描かれた検出部とを備えている。以下、感音部の構成、検出部の構成、コンデンサマイクロホン1の製造方法の順に説明する。
(感音部の構成)
図1に示すように、コンデンサマイクロホン1の感音部は、ダイヤフラム10、バックプレート30、支持部40等を有している。
ダイヤフラム10は導電膜122の絶縁膜110に固着していない部分で構成されている。導電膜122は、例えば多結晶シリコン(以下、ポリシリコンという。)等の半導体膜である。導電膜122は可動電極としても機能する。ダイヤフラム10は略矩形であり、支持部40に両持ち梁状に支持されている。
図1に示すように、コンデンサマイクロホン1の感音部は、ダイヤフラム10、バックプレート30、支持部40等を有している。
ダイヤフラム10は導電膜122の絶縁膜110に固着していない部分で構成されている。導電膜122は、例えば多結晶シリコン(以下、ポリシリコンという。)等の半導体膜である。導電膜122は可動電極としても機能する。ダイヤフラム10は略矩形であり、支持部40に両持ち梁状に支持されている。
具体的には、ダイヤフラム10の長手方向の両端部10aは支持部40に固定され(図1(B)参照)、ダイヤフラム10の短手方向の両端部10bは支持部40から遊離している(図1(A)参照)。より具体的には、ダイヤフラム10の両端部10aは、支持部40に形成された開口部42の対向する両壁面42aに固定され、ダイヤフラム10の両端部10bは、開口部42の両壁面42aと隣り合う両壁面42bから遊離している。このように支持部40にダイヤフラム10をその長手方向に掛け渡すことにより、ダイヤフラム10を音波によって大きな振幅で振動させることができる。
ダイヤフラム10の長手方向の両端部10aが請求項に記載の「一組の端部」に相当し、ダイヤフラム10の短手方向の両端部10bが「他組の端部」に相当する。またダイヤフラム10の長手方向が請求項に記載の「架設方向」に相当する。
尚、ダイヤフラム10の形状は正方形でもよいし、技術上の阻害要因がない限り四角形以外の形状でもよい。具体的には例えば、図3に示すようにダイヤフラム10の両端部10aは湾曲してもよいし、図4に示すようにダイヤフラム10の両端部10bは湾曲してもよい。また、ダイヤフラム10はその短手方向に支持部40に掛け渡してもよい。その場合はダイヤフラム10の短手方向が請求項に記載の「架設方向」に相当する。
尚、ダイヤフラム10の形状は正方形でもよいし、技術上の阻害要因がない限り四角形以外の形状でもよい。具体的には例えば、図3に示すようにダイヤフラム10の両端部10aは湾曲してもよいし、図4に示すようにダイヤフラム10の両端部10bは湾曲してもよい。また、ダイヤフラム10はその短手方向に支持部40に掛け渡してもよい。その場合はダイヤフラム10の短手方向が請求項に記載の「架設方向」に相当する。
ダイヤフラム10は、ばね部12を有している。ばね部12は、ダイヤフラム10の長手方向の中央部(以下、中央部という。)から両端部10aまでうねりながら伸びている。ばね部12は、ダイヤフラム10の中央部の残留応力を変形により吸収している。具体的には、ばね部12は、ダイヤフラム10の中央部の引張応力に応じて伸びたり、ダイヤフラム10の中央部の圧縮応力に応じて縮んでいる。尚、ばね部12は、ダイヤフラム10の中央部の残留応力を変形により吸収可能な限りにおいてどのような形状でもよい。例えば、ばね部12はダイヤフラム10の板面方向にうねっていてもよい。
プレートとしてのバックプレート30は、導電膜140の絶縁膜130に固着していない部分で構成されている。導電膜140は例えばポリシリコン等の半導体膜である。導電膜140は固定電極としても機能する。バックプレート30は略矩形であり、支持部40に両持ち梁状に支持されて、ダイヤフラム10の長手方向の両端部10aの内側でダイヤフラム10と立体交差している。
具体的には、バックプレート30の長手方向の両端部30aは開口部42の両壁面42bに固着し(図1(A)参照)、バックプレート30の短手方向の両端部30bは開口部42の両壁面42aから遊離している(図1(B)参照)。すなわち、バックプレート30はダイヤフラム10の固定端である両端部10aには少なくとも対向していない。この結果、ダイヤフラム10とバックプレート30とにより形成されるマイクコンデンサの不変容量を低減でき、コンデンサマイクロホン1の感度を高めることができる。詳細は後述する。
バックプレート30は複数の通孔32を有している。音源からの音波は通孔32を通過してダイヤフラム10に伝搬される。尚、バックプレート30は、矩形に限定されず、技術上の阻害要因がない限りどのような形状でもよい。また、バックプレート30は支持部40にどのように支持されてもよい。例えば、バックプレート30は短手方向に支持部40に掛け渡してもよいし、支持部40に全周で固定してもよい。
支持部40は、導電膜140の絶縁膜130に固着している部分と、導電膜122の絶縁膜110に固着している部分と、絶縁膜130と導電膜124と絶縁膜110と基板100とで構成されている。絶縁膜110と絶縁膜130は例えばSiO2等の酸化膜であり、導電膜124は例えばポリシリコン等の半導体膜であり、基板100は例えば単結晶シリコン基板である。支持部40には、基板100と絶縁膜110とを貫通する開口部42が形成されている。開口部42とダイヤフラム10は、コンデンサマイクロホン1のバックキャビティを形成している。
図2に示す電極60は、ダイヤフラム10と検出部とを接続するための電極である。電極60は、電極60から導電膜122まで伸びる導線125を介して導電膜122に接続されている。電極61は、バックプレート30と検出部とを接続するための電極である。電極61は、電極61から導電膜140まで伸びる導線141を介して導電膜140に接続されている。
電極62は、図10(A4)に示すように電極62から導電膜124に伸びる導線126を介して導電膜124に接続されている。導電膜124は他の導電膜と電気的に絶縁されて、バックプレート30と基板100との間に形成されている。電極62に検出部の出力電圧と同一電圧を印加することにより、導電膜124をガード電極として用いることができる。詳細は後述する。
尚、コンデンサマイクロホン1は、ダイヤフラム10がバックプレート30よりも音源側に位置し、ダイヤフラム10に直接音波が伝搬するように構成してもよい。この場合、バックプレート30の通孔32は、ダイヤフラム10とバックプレート30の間に形成されている空隙50と、バックキャビティとを連通させる通路として機能する。
(検出部の構成)
図1(A)に示すように、ダイヤフラム10はバイアス電源回路1000に接続され、バックプレート30は抵抗1002を介してグランドに接続されている。そしてバックプレート30はプリアンプ1010にも接続されている。コンデンサマイクロホン1の検出部はバックプレート30とグランドとの間の電圧に相関する信号をプリアンプ1010から出力する。
図1(A)に示すように、ダイヤフラム10はバイアス電源回路1000に接続され、バックプレート30は抵抗1002を介してグランドに接続されている。そしてバックプレート30はプリアンプ1010にも接続されている。コンデンサマイクロホン1の検出部はバックプレート30とグランドとの間の電圧に相関する信号をプリアンプ1010から出力する。
具体的には例えば、バイアス電源回路1000の出力端に接続されているリード線1004が電極60と基板100とに接続され、抵抗1002の一端に接続されているリード線1006が電極61に接続され、抵抗1002の他端に接続されているリード線1008がコンデンサマイクロホン1の実装基板のグランドに接続されている。抵抗1002としては抵抗値が大きなものを使用する。具体的には抵抗1002はGΩオーダーの電気抵抗を有するものが望ましい。バックプレート30と抵抗1002とを接続しているリード線1006はプリアンプ1010の入力端にも接続されている。プリアンプ1010としては入力インピーダンスの高いものを使用することが望ましい。
尚、上述したように電極62に検出部の出力電圧と同一電圧を印加することにより、導電膜124をガード電極として用いることができる。ガード電極とは、バックプレート30を構成する導電膜140と基板100との間に生じる寄生容量を低減するための電極のことである。具体的には例えば、導電膜124をガード電極として用いる場合、図1(A)に示すプリアンプ1010でボルテージフォロア回路を構成し、プリアンプ1010の出力端を電極62に接続すればよい。バックプレート30を構成する導電膜140と導電膜124とを同電位にすることにより、導電膜140と導電膜124との間に生じる寄生容量を除去することができ、導電膜140と基板100との間に生じる寄生容量を低減することができる。
(コンデンサマイクロホンの作動)
音波がバックプレート30の通孔32を通過してダイヤフラム10に伝搬すると、ダイヤフラム10は音波によって振動する。ダイヤフラム10が振動すると、その振動によりバックプレート30とダイヤフラム10との間の距離が変化し、ダイヤフラム10とバックプレート30とにより形成されるマイクコンデンサの静電容量が変化する。
音波がバックプレート30の通孔32を通過してダイヤフラム10に伝搬すると、ダイヤフラム10は音波によって振動する。ダイヤフラム10が振動すると、その振動によりバックプレート30とダイヤフラム10との間の距離が変化し、ダイヤフラム10とバックプレート30とにより形成されるマイクコンデンサの静電容量が変化する。
バックプレート30は上述したように抵抗値が大きい抵抗1002に接続されているため、マイクコンデンサの静電容量がダイヤフラム10の振動により変化したとしても、マイクコンデンサに蓄積されている電荷が抵抗1002を流れることは殆どない。すなわち、マイクコンデンサに蓄積されている電荷は変化しないものとみなすことができる。したがって、マイクコンデンサの静電容量の変化をバックプレート30とグランドの間の電圧の変化として取り出すことができる。
このようにしてコンデンサマイクロホン1は、マイクコンデンサの静電容量の極めてわずかな変化を電気信号として出力する。すなわちコンデンサマイクロホン1は、ダイヤフラム10に加わる音圧の変化をマイクコンデンサの静電容量の変化に変換し、マイクコンデンサの静電容量の変化を電圧の変化に変換することにより、音圧の変化に相関する電気信号を出力する。
図5は、ダイヤフラム10の音波による振動を説明するための模式図である。上述したように、ダイヤフラム10は支持部40に両持ち梁状に支持されているため、ダイヤフラム10は音波によって樋状に変形して振動する。ここでダイヤフラム10の樋状の変形とは、ダイヤフラム10の各部位が両端部10aから離間するほど大きな振幅で変位し、ダイヤフラム10の長手方向の中央で振幅が最大となる変形のことである。すなわちダイヤフラム10の樋状の振動では、両端部10bもダイヤフラム10の両端部10aからの距離が等しい短手方向の中央と略同一の振幅で変位する。
したがって、ダイヤフラム10の樋状の変形による振動は、従来の全周固定されたダイヤフラム(特許文献1参照)の略円錐状の変形による振動と比較して大きい。このようにコンデンサマイクロホン1では、ダイヤフラム10を樋状に振動させることで感度を高めている。但し、開口部42との距離が大きくなるにつれ、ダイヤフラム10の両端部10bの変位が短手方向の中央と比べて小さくなることがある。しかしダイヤフラム10の両端部10bの音波による変位は、従来の全周固定されたダイヤフラムの端部と比べて大きい。したがって、ダイヤフラム10の両端部10bの変位が短手方向の中央と比べて小さくなったとしても、コンデンサマイクロホン1の感度は従来のコンデンサマイクロホンと比較して高い。
さらに、コンデンサマイクロホン1では、上述したようにバックプレート30をダイヤフラム10の固定端である両端部10aには少なくとも対向させていない。この結果、マイクコンデンサの不変容量を低減することができるため、コンデンサマイクロホン1の感度を高めることができる。
ところが、バックプレート30をダイヤフラム10の長手方向の両端部10aの内側でダイヤフラム10と立体交差させるためにバックプレート30の短手方向の幅を狭くすると、ダイヤフラム10とバックプレート30とが対向する面積が減少することによりマイクコンデンサの静電容量が減少する。この結果、コンデンサマイクロホン1の雑音が大きくなり、コンデンサマイクロホン1のSN比(信号対雑音比)が低下する。したがって、バックプレート30の短手方向の幅はコンデンサマイクロホン1のSN比を考慮して設計することが望ましい。
以下、バックプレート30の短手方向の幅のコンデンサマイクロホン1のSN比に基づく設計方法の一例を図6から図8を用いて説明する。
図6は、ダイヤフラム10の長手方向の幅とバックプレート30の短手方向の幅とコンデンサマイクロホン1のSN比との関係を説明するための模式図である。ダイヤフラム10の樋状の変形は、ダイヤフラム10の長手方向をX軸としダイヤフラム10の板厚方向をY軸としダイヤフラム10の短手方向をZ軸とする3次元空間において、次式(1)で近似することができる(図6に示す曲面90参照)。尚、ダイヤフラム10の短手方向の中央はX軸上に位置するものとし、ダイヤフラム10の長手方向の中央及びバックプレート30の短手方向の中央はZ軸上に位置するものとする。また、バックプレート30の短手方向の幅を2a、ダイヤフラム10の長手方向の幅を2b、ダイヤフラム10の短手方向の幅を2cとする。
図6は、ダイヤフラム10の長手方向の幅とバックプレート30の短手方向の幅とコンデンサマイクロホン1のSN比との関係を説明するための模式図である。ダイヤフラム10の樋状の変形は、ダイヤフラム10の長手方向をX軸としダイヤフラム10の板厚方向をY軸としダイヤフラム10の短手方向をZ軸とする3次元空間において、次式(1)で近似することができる(図6に示す曲面90参照)。尚、ダイヤフラム10の短手方向の中央はX軸上に位置するものとし、ダイヤフラム10の長手方向の中央及びバックプレート30の短手方向の中央はZ軸上に位置するものとする。また、バックプレート30の短手方向の幅を2a、ダイヤフラム10の長手方向の幅を2b、ダイヤフラム10の短手方向の幅を2cとする。
ダイヤフラム10の両端部10aは変位しないため、次式(2)、(3)の関係が成り立つ。この結果、ダイヤフラム10の樋状の変形は次式(4)で表すことができ、コンデンサマイクロホン1の感度sは次式(5)で表すことができる。尚、コンデンサマイクロホン1の感度sはdで除算することにより正規化されている。
図7は、バックプレート30の短手方向の幅とコンデンサマイクロホン1の感度との関係を示す模式図である。グラフ91は、ダイヤフラム10の長手方向の幅2bを1.0mmとし、バックプレート30の短手方向の幅2aを0mmから1.0mmまで変化させたときの感度sを示している。グラフ91によると、バックプレート30の短手方向の幅2aを狭くするほど感度sが大きくなることが分かる。
しかしながら、バックプレート30の短手方向の幅2aを狭くすると、マイクコンデンサの静電容量が減少するため、マイクコンデンサの静電容量の平方根に反比例する雑音n(次式(6)参照)が増大する。
しかしながら、バックプレート30の短手方向の幅2aを狭くすると、マイクコンデンサの静電容量が減少するため、マイクコンデンサの静電容量の平方根に反比例する雑音n(次式(6)参照)が増大する。
したがって、バックプレート30の短手方向の幅は、上述したようにコンデンサマイクロホン1のSN比(次式(7)参照)を考慮して設計することが望ましい。
図8は、バックプレート30の短手方向の幅とコンデンサマイクロホン1のSN比との関係を示す模式図である。グラフ92は、ダイヤフラム10の長手方向の幅2bを1.0mmとし、バックプレート30の短手方向の幅2aを0mmから1.0mmまで変化させたときのSN比を示している。グラフ92によると、コンデンサマイクロホン1のSN比はバックプレート30の短手方向の幅2aに対して極大値を有していることが分かる。コンデンサマイクロホン1のSN比が極大値を示すバックプレート30の短手方向の幅2aは、式(7)の一次微分が0となるaを求めることにより算出可能である。
この結果、バックプレート30の短手方向の幅2aがダイヤフラム10の長手方向の幅2bの0.6倍程度のとき、コンデンサマイクロホン1のSN比が最大になることが分かる。したがって、ダイヤフラム10の長手方向の幅が1.0mmの場合、バックプレート30はダイヤフラム10の長手方向の中心から両側に0.3mm程度の部分と対向させ、ダイヤフラム10の両端部10aから0.2mm程度の部分とは対向させないことが望ましい。以上説明した設計方法の一例によれば、バックプレート30の短手方向の幅をコンデンサマイクロホン1のSN比に基づいて設計することができる。
(製造方法)
図9から図11は、コンデンサマイクロホン1の製造方法を示す模式図である。(B)は(A)の図9(B1)に示すB9−B9線による断面図であり、(C)は(A)の図9(A1)に示すC9−C9線による断面図である。
はじめに、図9(C1)に示すように、基板100上に絶縁膜110を形成する。基板100は、例えば単結晶シリコン基板等の半導体基板である。具体的には、基板100の表面に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)等で絶縁材料を堆積させることにより、基板100上に絶縁膜110を形成する。尚、SOI基板を用いることにより、本工程は省略可能である。
図9から図11は、コンデンサマイクロホン1の製造方法を示す模式図である。(B)は(A)の図9(B1)に示すB9−B9線による断面図であり、(C)は(A)の図9(A1)に示すC9−C9線による断面図である。
はじめに、図9(C1)に示すように、基板100上に絶縁膜110を形成する。基板100は、例えば単結晶シリコン基板等の半導体基板である。具体的には、基板100の表面に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)等で絶縁材料を堆積させることにより、基板100上に絶縁膜110を形成する。尚、SOI基板を用いることにより、本工程は省略可能である。
次に、図9(A2)、(C2)に示すように、絶縁膜110に線状の凹部111を形成する。具体的には例えば、凹部111は以下のように行う。まず、絶縁膜110の凹部111を形成する部分を露出させるレジスト膜を絶縁膜110上にリソグラフィを用いて形成する。より具体的には、絶縁膜110にレジストを塗布してレジスト膜を形成する。そして所定形状のマスクを配置してレジスト膜に対して露光現像処理を施し、不要なレジスト膜を除去する。これにより、絶縁膜110の凹部111を形成する部分を露出させるレジスト膜が絶縁膜110上に形成される。レジスト膜の除去には、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)等のレジスト剥離液を用いる。次に、レジスト膜から露出する絶縁膜110をRIE(Reactive Ion Etching)等でエッチングすることにより、絶縁膜110に凹部111を形成する。そしてレジスト膜を除去する。
次に、図9(C3)に示すように、絶縁膜110上に導電膜120をCVD等で形成する。導電膜120は、例えばポリシリコン膜である。
次に、図10(A4)に示すように、導電膜120をパターニングすることにより、導電膜122及び導電膜124と導線125及び導線126と電極60及び電極62とを形成する。具体的には例えば、導電膜120のパターニングは以下のように行う。まず、導電膜120の不要な部分を露出させるレジスト膜を導電膜120上にリソグラフィを用いて形成する。次に、レジスト膜から露出する導電膜120をRIE等でエッチングすることにより、導電膜122及び導電膜124と導線125及び導線126と電極60及び電極62とを形成する。そしてレジスト膜を除去する。
次に、図10(A4)に示すように、導電膜120をパターニングすることにより、導電膜122及び導電膜124と導線125及び導線126と電極60及び電極62とを形成する。具体的には例えば、導電膜120のパターニングは以下のように行う。まず、導電膜120の不要な部分を露出させるレジスト膜を導電膜120上にリソグラフィを用いて形成する。次に、レジスト膜から露出する導電膜120をRIE等でエッチングすることにより、導電膜122及び導電膜124と導線125及び導線126と電極60及び電極62とを形成する。そしてレジスト膜を除去する。
導電膜122は略矩形であり、導電膜122の凹部111上の部分はうねっている。この導電膜122のうねっている部分がダイヤフラム10のばね部12である。導電膜124は、後述する工程で形成する導電膜140に対向させるため、導電膜140の形状及び配置に応じて形成されている。
尚、凹部111を形成した絶縁膜110の上に導電膜122を形成することによりダイヤフラム10のばね部12を形成すると説明したが、ばね部12はどのような方法で形成してもよい。ばね部12は、例えば線状の凸部を形成した絶縁膜110上に導電膜122を成膜することで形成してもよいし、薄膜を積層することにより形成してもよい。
尚、凹部111を形成した絶縁膜110の上に導電膜122を形成することによりダイヤフラム10のばね部12を形成すると説明したが、ばね部12はどのような方法で形成してもよい。ばね部12は、例えば線状の凸部を形成した絶縁膜110上に導電膜122を成膜することで形成してもよいし、薄膜を積層することにより形成してもよい。
次に、図10(C5)に示すように、絶縁膜110上に導電膜120より厚い絶縁膜130をCVD等で形成する。後述する工程において、導電膜122と導電膜124と導電膜140(以下、導電膜という。)に対して絶縁膜110及び絶縁膜130(以下、絶縁膜という。)を選択的に除去するため、絶縁膜は導電膜に対して選択比の高い材料で形成する。例えば導電膜をポリシリコンで形成する場合は、絶縁膜はSiO2で形成すればよい。また、絶縁膜を導電膜に対して選択的に除去する工程では、絶縁膜の一部を除去しコンデンサマイクロホン1を構成する絶縁膜を残存させるため、絶縁膜110と絶縁膜130は同一材料で形成することが望ましい。絶縁膜110と絶縁膜130を同一材料で形成することにより、両者のエッチングレートを等しくできる。この結果、絶縁膜のエッチング量を容易に制御することが可能となる。
次に、バックプレート30を構成する導電膜140と導線141と電極62とを絶縁膜130上に形成する(図10(A5)参照)。導電膜140と導線141と電極62は例えばポリシリコン膜である。具体的には例えば、導電膜140と導線141と電極62は以下のように形成する。まず、絶縁膜130上に導電膜をCVD等で形成する。次に、導電膜をパターニングすることにより導電膜140と導線141と電極62とを形成する。導電膜140は略矩形であり、絶縁膜130を介して導電膜122と立体交差している。
次に、図11(C6)に示すように、支持部40の開口部42を構成する開口部101を基板100に形成する。具体的には開口部101は、例えば以下に示すように形成する。まず、基板100の開口部101を形成する部位を露出させるレジスト膜をリソグラフィを用いて形成する。次に、基板100のレジスト膜から露出する部位を絶縁膜110に達するまでDeepRIE等で除去することにより、基板100に開口部101を形成する。そしてレジスト膜を除去する。
次に、図11(C7)に示すように、絶縁膜の一部を除去することにより、コンデンサマイクロホン1の各部を形成する。具体的には例えば、絶縁膜の一部は以下のように除去する。まず、絶縁膜130上に支持部40として残存させる部位を覆うレジスト膜150を形成する。次に、絶縁膜をウェットエッチングで除去する。例えば絶縁膜110及び絶縁膜130をSiO2で形成した場合、エッチング液としてはフッ酸等を用いればよい。
エッチング液は、通孔32、基板100の開口部101等から浸入して絶縁膜を溶解させる。例えば、エッチング液が導電膜122と導電膜140との間の絶縁膜130を溶解することによりダイヤフラム10とバックプレート30との間の空隙50が形成され、絶縁膜のレジスト膜150及び基板100に覆われた一部が残存することにより支持部40が形成される。このように絶縁膜の一部を除去することでコンデンサマイクロホン1の各部を形成することにより、コンデンサマイクロホン1の感音部が得られる。
(第二実施例)
図12は、本発明の第二実施例によるコンデンサマイクロホンを示す模式図である。(B)は(A)のB12−B12線による断面図である。第二実施例によるコンデンサマイクロホン2の各構成要素は、ダイヤフラム210の形状を除き、第一実施例によるコンデンサマイクロホン1の対応する構成要素と実質的に同一である。
ダイヤフラム210の支持部40から遊離している両端部210bは内側に湾曲している。具体的には、ダイヤフラム210の両端部210b間の幅は支持部40に固定されている両端部210aから離間するほど狭くなっている。ダイヤフラム210は第一実施例に係るダイヤフラム10のばね部12と実質的に同一のばね部212を有している。
図12は、本発明の第二実施例によるコンデンサマイクロホンを示す模式図である。(B)は(A)のB12−B12線による断面図である。第二実施例によるコンデンサマイクロホン2の各構成要素は、ダイヤフラム210の形状を除き、第一実施例によるコンデンサマイクロホン1の対応する構成要素と実質的に同一である。
ダイヤフラム210の支持部40から遊離している両端部210bは内側に湾曲している。具体的には、ダイヤフラム210の両端部210b間の幅は支持部40に固定されている両端部210aから離間するほど狭くなっている。ダイヤフラム210は第一実施例に係るダイヤフラム10のばね部12と実質的に同一のばね部212を有している。
ここで、第一実施例に係るダイヤフラム10では、支持部40から遊離している両端部10bに近い近端部の残留応力が緩和されることで、両端部10bに近い近端部がそれよりも内側の部分に対して垂れ下がることがある(図13参照)。これに対して、第二実施例に係るダイヤフラム210では、両端部210bを内側に湾曲させることにより両端部210bの近端部が垂れ下がることを防止している。
1、2:コンデンサマイクロホン、10、210:ダイヤフラム、12、212:ばね部、30:バックプレート(プレート)、32:通孔、40:支持部、50:空隙
Claims (6)
- 固定電極を有しているプレートと、
前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、
可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に両持ち梁状に支持され、音波によって樋状に変形して振動するダイヤフラムと、
を備えるコンデンサマイクロホン。 - 固定電極を有しているプレートと、
前記プレートの外側に形成され前記プレートを支持している支持部と、
可動電極を有し、前記プレートとの間に空隙を形成しながら前記支持部に支持され、音波によって振動するダイヤフラムと、を備え、
前記ダイヤフラムは略四角形であり、対向する一組の端部が前記支持部に固定され、対向する他組の端部が前記支持部から遊離している、
ことを特徴とするコンデンサマイクロホン。 - 前記ダイヤフラムは、架設方向の中央部から前記一組の端部までうねりながら伸び、前記中央部の残留応力を変形により吸収しているばね部を有する、
請求項2に記載のコンデンサマイクロホン。 - 前記ダイヤフラムは架設方向に長い略矩形である、
請求項2又は3に記載のコンデンサマイクロホン。 - 前記プレートは、前記ダイヤフラムの前記一組の端部の内側で前記ダイヤフラムと立体交差し、前記ダイヤフラム上の前記プレートの端部が前記支持部から遊離している、
請求項2から4のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。 - 前記ダイヤフラムは、前記他組の端部間の幅が前記一組の端部から離間するほど狭くなっている、
請求項2から5のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。
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