JP2008271425A - 音響センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐環境性が高くて安定した音響特性を有する音響センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板を用いて形成されフレーム部１１の内側のダイヤフラム状の可動板部１２が可動電極を兼ねるとともにフレーム部１１の一表面側において可動板部１２に対向する固定板部１４が固定電極を兼ね、固定板部１４に可動板部１２と固定板部１４との間の空間１６と連通する連通孔１５が貫設された静電容量型の音響センサ本体１０ａと、音響センサ本体１０ａの固定板部１４における可動板部１２側とは反対の表面側に連通孔１５を閉塞する形で設けられたフィルタ層１７とを備える。フィルタ層１７は、防水性、防塵性および通気性を有する多孔質層１７ａと、多孔質層１７ａの一面側に設けられた接着層１７ｂとを有し、接着層１７ｂによりセンサ本体１０ａに貼着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響センサおよびその製造方法に関するものである。

従来から、エレクトレットコンデンサマイクロホンに比べて耐環境性に優れた音響センサチップを備えた音響センサモジュールとして、図８に示すように、半導体基板を用いて形成された静電容量型の音響センサである音響センサチップ１０’と、音響センサチップ１０’と協働するＩＣチップ２０’と、音響センサチップ１０’とＩＣチップ２０’とを収納するパッケージ３０’とを備えた音響センサモジュールが提案されている（例えば、特許文献１）。

上述の音響センサモジュールは、音響センサチップ１０’とＩＣチップ２０’とが一表面側に実装されたプリント配線板からなる実装基板３１’と、実装基板３１’の上記一表面側に実装基板３１’との間に音響センサチップ１０’およびＩＣチップ２０’を収納するキャビティ３４’が形成される形で封着されたカバー３２’とでパッケージ３０’が構成されており、カバー３２’に音波導入用の音孔３３’が貫設され、当該音孔３３’が多孔質シート５０’により閉塞されている。

ここにおいて、音響センサチップ１０’は、フレーム部１１’の内側のダイヤフラム状の可動板部１２’が可動電極を兼ねるとともにフレーム部１１’の一表面側において可動板部１２’に対向する固定板部１４’が固定電極を兼ねており、固定板部１４’に、可動板部１２’と固定板部１４’との間の空間１６’と連通する複数の連通孔１５’が貫設されている。

また、多孔質シート５０’は、多孔質層５１’と当該多孔質層５１’の厚み方向の一面側に設けられた接着層５２’とで構成されており、接着層５２’によりカバー３２’に貼着されている。
特表２００４−５３７１８２号公報

ところで、図８に示した構成の音響センサモジュールにおける音響センサチップ１０’では、音響センサチップ１０’の外部からの水分や塵などが固定板部１４’の連通孔１５’を通して可動板部１２’と固定板部１４’との間の空間１６’へ侵入するのを防止することで耐環境性を高めて安定した音響特性が得られるように、製造時に、カバー３２’の音孔３３’を閉塞する多孔質シート５０’をカバー３２’に貼着する工程が必要となり、コストが高くなってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、耐環境性が高くて安定した音響特性を有する音響センサおよびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成されフレーム部の内側のダイヤフラム状の可動板部に可動電極が設けられるとともにフレーム部の一表面側において可動板部に対向する固定板部に固定電極が設けられ、固定板部に可動板部と固定板部との間の空間と連通する連通孔が貫設された静電容量型の音響センサ本体と、音響センサ本体の固定板部における可動板部側とは反対の表面側に連通孔を閉塞する形で設けられ多孔質材料からなるフィルタ層とを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、静電容量型の音響センサ本体の固定板部における可動板部側とは反対の表面側に連通孔を閉塞する形で設けられ多孔質材料からなるフィルタ層を備えているので、外部からの水分や塵などが固定板部の連通孔を通して可動板部と固定板部との間の空間へ侵入するのを防止しながらも当該空間へ音波を通すことができるから、耐環境性が高く安定した音響特性を得ることができる。

請求項２の発明は、請求項１記載の音響センサの製造方法であって、複数の音響センサ本体を形成した半導体基板に複数のフィルタ層の基礎となる多孔質シートを貼着する多孔質シート貼着工程と、多孔質シート貼着工程の後に半導体基板と多孔質シートとの積層構造体から個々の音響センサに分割する分割工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、複数の音響センサ本体を形成した半導体基板に複数のフィルタ層の基礎となる多孔質シートを貼着し、その後、半導体基板と多孔質シートとの積層構造体から個々の音響センサに分割するので、耐環境性が高くて安定した音響特性を有する音響センサを提供することができ、しかも、複数の音響センサ本体を形成した半導体基板から個々の音響センサ本体に分割してから音響センサ本体ごとにフィルタ層を固着する場合に比べて、低コスト化を図れる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記多孔質シート貼着工程では、前記多孔質シートとして、多孔質層と当該多孔質層の厚み方向の一面側に前記各音響センサ本体それぞれの固定板部に対応する領域が開口された接着層を有するものを用い、接着層により前記半導体基板に貼着する。

この発明によれば、前記多孔質シートを前記半導体基板に容易に貼着することができる。

請求項１の発明では、耐環境性が高くて安定した音響特性を得ることが可能になるという効果がある。

請求項２の発明では、耐環境性が高くて安定した音響特性を有する音響センサを提供することができるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態における音響センサモジュールについて図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態における音響センサモジュールは、バルクマイクロマシニング技術などを利用して形成された静電容量型の音響センサ（マイクロホン）である音響センサチップ１０と、音響センサチップ１０と協働するＩＣチップ２０と、音響センサチップ１０とＩＣチップ２０とを収納するパッケージ３０とを備えている。なお、ＩＣチップ２０には、音響センサチップ１０の出力信号からノイズを除去するノイズ除去回路や音響センサチップ１０の出力信号を増幅する増幅回路などが集積化されている。

音響センサチップ１０は、後述の半導体基板を用いて形成された音響センサ本体１０ａと、音響センサ本体１０ａの一表面側に設けられ多孔質材料からなるフィルタ層１７とで構成されている。ここにおいて、音響センサ本体１０ａは、フレーム部１１の内側に連続一体に形成されたダイヤフラム状の可動板部（振動板部）１２を有するとともに、フレーム部１１の一表面側において可動板部１２に対向する固定板部（背板部）１４と、フレーム部１１と固定板部１４の周部との間に介在する絶縁層（例えば、シリコン酸化膜）からなる枠状のスペーサ部１３とを有しており、可動板部１２と固定板部１４との間に空間１６が形成されている。また、固定板部１４には、可動板部１２と固定板部１４との間に空間１６に連通する連通孔１５が厚み方向に貫設されており、可動板部１２の振動時に連通孔１５を空気が通過できるようにしてある。したがって、可動板部１２が音波の圧力を受けて振動する際に可動板部１２と固定板部１４との間の空間１６の媒質である空気により過度に制動を受けないようにすることができ、広い周波数帯域にわたる平坦な周波数特性と広いダイナミックレンジとを得ることが可能となる。

上述の音響センサ本体１０ａは、厚み方向の中間部に埋込酸化膜（シリコン酸化膜）からなる絶縁膜を有するＳＯＩウェハとシリコンウェハとを互いの対向面の少なくとも一方に形成したシリコン酸化膜が介在する形で貼り合わせた後でシリコンウェハを所定厚さ（ここでは、固定板部１４の設計厚さ）まで研磨した多層構造ウェハからなる半導体基板を用いて形成されており、上記ＳＯＩウェハの主表面側のシリコン層の一部により形成される可動板部１２に予め不純物をドーピングすることで可動板部１２に導電性を付与してあって、可動板部１２が可動電極を構成し、また、上記シリコンウェハの一部により形成される固定板部１４に予め不純物をドーピングすることで固定板部１４に導電性を付与してあって、固定板部１４が固定電極を構成している。また、フレーム部１１および可動板部１２は、上記ＳＯＩウェハの他表面に、例えば誘導結合プラズマ型のエッチング装置を用いたドライエッチングにより凹所１１ａを設けることにより形成さている。

音響センサ本体１０ａの構造は上述の構造に限定するものではなく、例えば、可動板部１２に導電性を付与せずに導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる可動電極を積層するとともに、固定板部１４に導電性を付与せずに導電性材料（例えば、アルミニウムなど）からなる固定電極を積層するようにしてもよい。また、多数の音響センサ本体１０ａの基礎となる半導体基板も上述の多層構造ウェハに限らず、１枚のＳＯＩウェハや１枚のシリコンウェハでもよい。

上述の音響センサ本体１０ａでは、ダイヤフラム状の可動板部１２に固定板部１４が対向配置され可動板部１２に設けられた可動電極と固定板部１４に設けられた固定電極とでコンデンサが形成されるから、可動板部１２が音波の圧力を受けることにより可動板部１２と固定板部１４との間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。したがって、可動電極に電気的に接続されたパッド１８ａと固定電極に電気的に接続されたパッド１８ｂとの間に直流バイアス電圧を印加しておけば、両パッド１８ａ，１８ｂ間には音波の圧力に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波を電気信号に変換することができる。なお、可動板部１２および固定板部１４は矩形板状に形成されており、上述の可動電極に電気的に接続されたパッド１８ａはフレーム部１１上に形成され、上述の固定電極に電気的に接続されたパッド１８ｂは固定板部１４の一側縁から張り出した張出片１４ａの上に形成されている。

また、上述のパッケージ３０は、音響センサチップ１０およびＩＣチップ２０が一表面側に実装されたプリント配線板からなる実装基板３１と、実装基板３１の上記一表面側に実装基板３１との間に音響センサチップ１０およびＩＣチップ２０を収納するキャビティ３４が形成される形で封着されたカバー３２とで構成されており、ＩＣチップ２０は、封止樹脂からなる封止部３５により覆われている。ここにおいて、カバー３２には、パッケージ３０の内外を連通させる音波導入用の音孔３３が貫設されている。なお、ＩＣチップ２０は、必ずしもパッケージ３０内に収納しなくてもよく、ＩＣチップ２０の代わりに、音響センサチップ１０と協働する電子回路の電子部品を収納するようにしてもよい。また、音孔３３の開口形状は円形状であるが、円形状に限らず、例えば矩形状でもよい。

実装基板３１の外周形状は矩形状であり、カバー３２は、金属製であって、一面開口した矩形箱状の形状に形成されており、実装基板３１の上記一表面側に、封止樹脂（例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂など）、導電性接着剤、半田などからなる封止部３６により封着されている。なお、本実施形態における音響センサモジュールでは、パッケージ３０が上述の実装基板３１とカバー３２とで構成され、金属製のカバー３２がシールドケースを兼ねているので、耐ノイズ性を高めることができる。

また、音響センサチップ１０は、音響センサ本体１０ａにおけるフレーム部１１がダイボンド材により実装基板３１の上記一表面側に固着され、ＩＣチップ２０は、音響センサチップ１０の側方において実装基板３１の上記一表面側に固着されている。ここにおいて、音響センサチップ１０は、上述の各パッド１８ａ，１８ｂがボンディングワイヤ１９ａ，１９ｂなどを介してＩＣチップ２０と電気的に接続されている。なお、実装基板３１は、ＩＣチップ２０および音響センサチップ１０と電気的に接続される貫通孔配線（図示せず）が適宜位置に設けられている。また、ＩＣチップ２０は、導電性接着剤やダイボンド材を用いて実装基板３１の上記一表面側に接着すればよいが、実装基板３１の上記一表面側にフリップチップ実装してもよい。

ところで、上述の音響センサチップ１０における上述のフィルタ層１７は、音響センサ本体１０ａの固定板部１４における可動板部１２側とは反対の表面側に連通孔１５を閉塞する形で設けられている。ここにおいて、フィルタ層１７は、防水性、防塵性および通気性を有する上記多孔質材料からなる多孔質層１７ａと、当該多孔質層１７ａの厚み方向の一面側に設けられ固定板部１４に対応する領域が開口された接着層１７ｂとを有し、接着層１７ｂによりセンサ本体１０ａに貼着されている。ここにおいて、フィルタ層１７の多孔質層１７ａは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の多孔質体からなり、接着層１７ｂは、エポキシ系樹脂により形成されている。なお、多孔質層１７ａは、図４（ａ）に示すように平面形状が矩形状であって一側縁を切り欠いた平面形状に形成され、接着層１７ｂは、図４（ｂ）に示すように平面形状がコ字状に形成されている。

上述の音響センサモジュールの製造にあたっては、実装基板３１の上記一表面側に音響センサチップ１０およびＩＣチップ２０を実装し、その後、カバー３２を実装基板３１に封着することで音響センサモジュールが完成する。

以上説明した本実施形態の音響センサチップ１０では、静電容量型の音響センサ本体１０ａの固定板部１４における可動板部１２側とは反対の表面側に連通孔１５を閉塞する形で設けられ防水性、防塵性および通気性を有するフィルタ層１７を備えているので、当該音響センサチップ１０の外部からの水分や塵などが固定板部１４の連通孔１５を通して可動板部１２と固定板部１４との間の空間１６へ侵入するのを防止しながらも当該空間１６へ音波を通すことができるから、耐環境性が高く安定した音響特性を得ることができる。

ところで、音響センサチップ１０の製造にあたっては、例えば、複数の音響センサ本体１０ａを形成した半導体基板１００ａ（図５（ａ）の下段参照）から個々の音響センサ本体１０ａに分割してから音響センサ本体１０ａごとにフィルタ層１７を貼着してもよいが、例えば図５（ａ）の上段および下段に示すように複数の音響センサ本体１０ａを形成した半導体基板１００ａにフィルタ層１７と同じ層構造を有し複数のフィルタ層１７の基礎となる多孔質シート１７０を貼着する多孔質シート貼着工程を行い、その後、多孔質シート１７０をパターニングすることにより図５（ｂ）の上段および下段に示すように音響センサ本体１０ａの各パッド１８ａ，１８ｂを露出させるとともに、それぞれ多孔質シート１７０の一部からなるフィルタ層１７を形成する多孔質シートパターニング工程を行い、続いて、ダシシング装置などを利用して図５（ｃ）の上段および下段に示すように半導体基板１００ａと多孔質シート１７０との積層構造体から個々の音響センサチップ１０に分割する分割工程を行うようにしてもよい。ここにおいて、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、上段が概略平面図、下段が概略断面図であり、（ａ），（ｂ）それぞれの上段における一点鎖線がダイシングレーンの位置を示している。なお、多孔質シートパターニング工程において、多孔質シート１７０をパターニングする方法としては、例えば、ダイシングソーを利用して多孔質シート１７０のみをパターニングする方法があるが、この場合には、音響センサ本体１０ａにおいて可動電極に電気的に接続されるパッド１８ａと固定電極に電気的に接続されるパッド１８ｂとが略同一高さに位置するように音響センサ本体１０ａの形状を設計すればよい。

上述の図５に基づいて説明した製造方法によれば、複数の音響センサ本体１０ａを形成した半導体基板１００ａに複数のフィルタ層１７の基礎となる多孔質シート１７０を貼着し、その後、半導体基板１００ａと多孔質シート１７０との積層構造体から個々の音響センサチップ１０に分割するので、耐環境性が高くて安定した音響特性を有する音響センサチップ１０を低コストで提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の音響センサたる音響センサチップ１０の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、フィルタ層１７の平面形状が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ここで、フィルタ層１７における多孔質層１７ａは、平面形状が矩形状であって互いに平行な２つの側縁に切欠部１７ａ１，１７ａ２が形成されており、一方の切欠部１７ａ１により音響センサ本体１０ａの各パッド１８ａ，１８ｂを露出させることができるようになっている。また、接着層１７ｂは、多孔質層１７ａと同じ形状から音響センサ本体１０ａの固定板部１４および上記張出片１４ａに対応する領域を切り欠いた平面形状に形成されている。

ここにおいて、本実施形態の音響センサチップ１０の製造にあたっては、図７（ａ），（ｂ）に示すように複数の音響センサ本体１０ａを形成した半導体基板１００ａに複数のフィルタ層１７となる多孔質シート１７０を貼着する多孔質シート貼着工程を行い、その後、ダシシング装置などを利用して半導体基板１００ａと多孔質シート１７０との積層構造体から個々の音響センサチップ１０に分割する分割工程を行うようにすればよい。なお、図７（ａ）における一点鎖線はダイシングレーンを示している。また、図７（ａ），（ｂ）に示した多孔質シート１７０には、半導体基板１００ａへの貼着前に、あらかじめ、隣り合うフィルタ層１７それぞれの互いに異なる切欠部１７ａ１，１７ａ２の基礎となる開口部１７１が形成してある。

しかして、本実施形態の音響センサチップ１０の製造方法によれば、多孔質シート貼着工程の後に実施形態１で説明した多孔質シートパターニング工程を行う必要がないので、多孔質シートパターニング工程によって音響センサ本体１０ａに損傷が発生するのを防止することができる。

実施形態１における音響センサモジュールを示す概略断面図である。 同上における音響センサチップを示す概略断面図である。 同上における音響センサチップの概略分解斜視図である。 同上におけるフィルタ層を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図である。 同上における音響センサチップの製造方法の説明図である。 実施形態２を示し、（ａ）はフィルタ層の概略平面図、（ｂ）はフィルタ層の概略下面図、（ｃ）は音響センサチップの概略斜視図である。 同上における音響センサチップの製造方法の説明図である。 従来例を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部拡大図である。

符号の説明

１０ 音響センサチップ（音響センサ）
１０ａ 音響センサ本体
１１ フレーム部
１２ 可動板部
１４ 固定板部
１５ 連通孔
１６ 空間
１７ フィルタ層
１７ａ 多孔質層
１７ｂ 接着層
２０ ＩＣチップ
３０ パッケージ
３１ 実装基板
３２ カバー
３３ 音孔
３４ キャビティ
１７０ 多孔質シート

Claims (3)

1. 半導体基板を用いて形成されフレーム部の内側のダイヤフラム状の可動板部に可動電極が設けられるとともにフレーム部の一表面側において可動板部に対向する固定板部に固定電極が設けられ、固定板部に可動板部と固定板部との間の空間と連通する連通孔が貫設された静電容量型の音響センサ本体と、音響センサ本体の固定板部における可動板部側とは反対の表面側に連通孔を閉塞する形で設けられ多孔質材料からなるフィルタ層とを備えてなることを特徴とする音響センサ。
2. 請求項１記載の音響センサの製造方法であって、複数の音響センサ本体を形成した半導体基板に複数のフィルタ層の基礎となる多孔質シートを貼着する多孔質シート貼着工程と、多孔質シート貼着工程の後に半導体基板と多孔質シートとの積層構造体から個々の音響センサに分割する分割工程とを備えることを特徴とする音響センサの製造方法。
3. 前記多孔質シート貼着工程では、前記多孔質シートとして、多孔質層と当該多孔質層の厚み方向の一面側に前記各音響センサ本体それぞれの固定板部に対応する領域が開口された接着層を有するものを用い、接着層により前記半導体基板に貼着することを特徴とする請求項２記載の音響センサの製造方法。

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