JP2008271559A - 環状コンタクト付き多層トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の圧電層および環状コンタクトを有するトランスデューサ構造を提供する。
【解決手段】トランスデューサ構造が、第１のトランスデューサを含み、この第１のトランスデューサは、第１の内側電極と、第１の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第１の電極と下側電極との間にある第１の圧電素子と、第１の内側電極と第１の外側電極との間の第１のギャップと、下側内側電極と下側外側電極との間の下側ギャップとを備える。トランスデューサ構造はまた、第２のトランスデューサを含み、この第２のトランスデューサは、第２の内側電極と、第２の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第２の電極と下側電極との間にある第２の圧電素子と、第２の内側電極と第２の外側電極との間にある第２のギャップとを備える。
【選択図】 図３Ｂ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１１月２７日に出願された「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ＷＩＴＨ ＡＮＮＵＬＡＲ ＣＯＮＴＡＣＴＳ」という発明の名称のＲ．Ｓｈａｎｅ Ｆａｚｚｉｏ ｅｔ ａｌ．による、本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１１／６０４，４７８号の一部継続出願である。３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１２０に基づいて優先権が主張され、同出願の内容全体は、参照により本明細書に詳細に組み込まれる。

種々の電子応用にマイクロホン（マイク）が装備されている。多くのコンポーネントにサイズ縮小が求め続けられている中、マイクのサイズに関しても、同様に、縮小化に向けた努力が要求されている。これにより、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術などの技術に従って微細加工されてもよい比較的小型のマイクが得られるに至っている。

１つのタイプのマイクは、微細加工された圧電マイクである。圧電マイクは、２枚の導電プレート（電極）の間に圧電材料層を含む。マイクの膜に音波が入射すると、圧電材料に時間に変化する力がかかる。圧電材料にこの力がかかることで、圧電材料に応力が誘発され、それによって、圧電材料に時間に変化する電圧信号が生じる。この時間に変化する電圧信号は、入射音波の特性を決定するためにセンサ回路によって測定されてもよい。他の形態として、この時間に変化する電圧信号は、センサ回路に出力される時間に変化する電荷を生成することもあり、センサ回路は、信号の処理や入射音波の特性の決定を行う。

圧電マイクの静電容量は、以下の式で表されてもよい。

式中、Ａはマイクの（プレート）電極の共有面積であり、κは圧電材料の誘電定数であり、ε₀は自由空間の電気誘電率であり、ｄはマイクのプレート電極間の分離距離である。

既知のように、コンデンサの両端にかかる電荷は、以下の式で表されてもよい。

圧電マイクの場合、静電容量は実質的に一定であり、電圧は変動するため、以下の関係式により電荷の変化量が求められる。

既知のように、適切な感度を備えたマイクを提供することが必要とされている。マイクの小型化が進むにつれ、許容範囲のマイク感度を実現するハードルがさらに高くなる。式１から分かるように、距離（ｄ）を小さくし、圧電材料の誘電定数（κ）を大きくすることにより、圧電マイクの静電容量が比較的大きくなる。圧電マイクの静電容量レベルが高くなるほど、センサ信号処理回路のデザインを単純なものにし得る。

圧電マイクは、ある特定の応用において有益であるが、既知の圧電マイクには欠点もいくつかある。例えば、圧電材料のｃ軸が、マイクの膜にわたって著しく変化しないとすると、電圧感度（Ｖ／ｑ）は、横応力σ_yを通して結合し、横応力と理想的に比例する。さらに、均一な負荷の下で理想的にクランプされた薄板の圧電マイクの場合、異なる曲率の領域が少なくとも２つある。

第１の領域において、圧電層の上部は、圧縮応力（負の横応力）がかかった状態にあってもよく、圧電層の底部は、引張応力（正の横応力）がかかった状態にあってよい。結果的に、この第１の領域は、第１の電圧極性を有する。第２の領域において、圧電層の上部は、引張応力がかかった状態にあってもよく、圧電層の底部は、圧縮応力がかかった状態にあってもよい。結果的に、この第２の領域は、第１の領域の極性と反対の第２の電圧極性を有する。マイクが、第１および第２の領域の両方にわたって連続する上側電極と、第１および第２の領域にわたって連続する下側電極とを有するのであれば、第１および第２の領域の極性が反対であることで、第１および第２の領域にわたった電荷（ひいては、電位差）が正規化されることもある。このような電荷の正規化は、感度の低下を招いてしまいかねない。理解されるように、この感度の低下は、特に、寸法が比較的小さいマイクでは望ましくない。

したがって、上述した欠点を少なくとも解消するトランスデューサ構造および電子デバイスが望まれる。

１つの例示的な実施形態において、トランスデューサ構造が、第１のトランスデューサを含み、この第１のトランスデューサは、第１の内側電極と、第１の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第１の電極と下側電極との間にある第１の圧電素子と、第１の内側電極と第１の外側電極との間の第１のギャップと、下側内側電極と下側外側電極との間の下側ギャップとを備える。トランスデューサ構造はまた、第２のトランスデューサを含み、この第２のトランスデューサは、第２の内側電極と、第２の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第２の電極と下側電極との間にある第２の圧電素子と、第２の内側電極と第２の外側電極との間にある第２のギャップとを備える。

１つの例示的な実施形態によれば、トランスデューサ構造が、第１のトランスデューサを含み、この第１のトランスデューサは、第１の上側内側電極と、第１の上側外側電極と、第１の下側内側電極と、第１の下側外側電極と、第１の上側内側電極と第１の上側外側電極との間にある第１の上側ギャップと、第１の下側内側電極と第１の下側外側電極との間の第１の下側ギャップと、第１の上側電極と第１の下側電極との間にある第１の圧電素子とを備える。トランスデューサ構造はまた、第２のトランスデューサ構造を含み、この第２のトランスデューサ構造は、第２の上側内側電極と、第２の上側外側電極と、第２の下側内側電極と、第２の下側外側電極と、第２の上側内側電極と第２の上側外側電極との間の第２の上側ギャップと、第２の下側内側電極と第２の下側外側電極との間にある第２の下側ギャップと、第２の上側電極と第２の下側電極との間にある第２の圧電素子と、第１および第２のトランスデューサの間にある障壁とを備える。

別の典型的な実施形態によれば、マイクロホンが、第１のトランスデューサを含み、この第１のトランスデューサは、第１の内側電極と、第１の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第１の電極と下側電極との間にある第１の圧電素子と、第１の内側電極と第１の外側電極との間の第１のギャップと、下側内側電極と下側外側電極との間の下側ギャップとを備える。マイクロホンはまた、第２のトランスデューサを含み、この第２のトランスデューサは、第２の内側電極と、第２の外側電極と、下側内側電極と、下側外側電極と、第２の電極と下側電極との間にある第２の圧電素子と、前記第２の内側電極と第２の外側電極との間にある第２のギャップとを備える。

添付の図面を参照しながら、以下の詳細な記載から例示的な実施形態が最良に理解される。さまざまな特徴は、一定の縮尺で描かれているわけではないことを理解されたい。実際、記述を明確にするために、適宜、寸法の拡大または縮小を行っている場合もある。適用可能であり実際的であれば、同様の参照番号は同様の要素をさす。

用語の定義
「１つの（「ａ」または「ａｎ」）」という用語は、本明細書において使用する場合、１つまたは１つより多くを表すものとして定義される。

「複数の（plurality）」という用語は、本明細書において使用する場合、２つまたは２つより多くを表すものとして定義される。

以下の詳細な記載において、本教示による例示的な実施形態を深く理解してもらうために、説明を目的としたものであるが、限定的なものではない特定の詳細な記載を示す。しかしながら、当業者であれば、本明細書に開示される特定の詳細な記載から逸脱する本教示による他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内にあることが明らかである。さらに、例示的な実施形態の記載を不明瞭にしないためにも、材料および方法の記載が省略されていることもある。しかしながら、当業者が知る範囲にあるこのような材料および方法は、例示的な実施形態において使用されてもよい。このような材料および方法は、明確に、本教示の範囲内である。

典型的な実施形態の圧電マイクは、種々の電子デバイスでの用途が考えられる。典型的な電子デバイスは、携帯電話、カメラ、ビデオカメラ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、録音デバイス、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、ハンドヘルドコンピュータ、ハンドヘルドリモート、またはこれらのデバイスの１つ以上の機能を備える電子デバイスなどの携帯型デバイスであってもよい。しかしながら、上記に挙げたデバイスは、例示的なものにすぎず、他のデバイスも考えられることを理解されたい。いくつかの典型的な実施形態において、電子デバイスは、複数のマイクロホンを有するマイクロホン構造から利益を得るデバイスであり、そのうちの少なくとも１つのマイクロホンは、任意に、１つより多いモードで機能するように適応される。

多くの典型的な実施形態において、電子デバイスは携帯型である。しかしながら、これは必須ではない。特に、本教示のマイクロホン構造は、実質的に固定されているデバイス／装置での用途や、モバイルタイプであるが、マイクロホン構造が実質的に固定したままであるデバイス／装置での用途も考えられる。例えば、典型的な実施形態のマイクロホン構造のいくつかの応用を挙げると、産業用機械装置、自動車、航空機、および船舶などがある。

さらに、本記述は、主にマイクロホンについて述べているが、本教示は、一般に、トランスデューサに関する応用について考慮する。例えば、当業者であれば、本教示は、圧電スピーカーに応用されてもよいことを認識するであろう。

図１Ａは、１つの典型的な実施形態による、本質的に理想的な薄いプレート状態にある圧電マイクの一部分の断面を示す概念図である。マイクは、クランプされたものであってもよい圧電層１０１を備える。圧電層１０１上に電極が配置されるが、本教示のいくつかの態様をより明確に伝えるために図示していない。

圧電層１０１は、機械的摂動（例えば、音波）に応答して発振するため、摂動によって発生する力は、圧電層に応力を誘導し、電極の両端に電圧差を発生する。圧電材料（例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯ、またはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））の層１０１が、膜表面に実質的に直交するｃ軸を有すると仮定すると、電圧感度は、横応力σ_yに比例し、圧電ひずみマトリクス係数（ｄ₃₁）と電気誘電率（ε₃₃）の比率に比例する。

本発明の例において、層１０１は、変曲点１０２、１０７を有する。変曲点１０２、１０７から離れた領域において、横応力は、正の横方力（引張応力）または負の横応力（圧縮応力）であり得る。例えば、領域１０３において、層１０１の上面は引張応力を受け、領域１０４において、層１０１の下面は圧縮応力を受ける。同様に、領域１０６において、層１０１の下面は引張応力を受け、領域１０５において、層１０１の上面は圧縮応力を受ける。このようにして、本発明の例において、領域１０３は、圧電効果が原因の正味荷電を有し、領域１０４は、反対の正味電荷を有し、同様に、領域１０５は、正味電荷を有し、領域１０６は、反対の正味電荷を有する。上側および下側電極が、層１０１の上面および下面上でそれぞれ連続したものであれば、領域１０３、１０５と領域１０４、１０６との間で電荷の正規化が生じることもあり、前述のように、これが既知のマイクの電圧感度を制限してしまうこともある。

典型的な実施形態によれば、コンデンサを並列、直列、またはそれら両方の配置に設けるために、領域１０３〜１０６への接続が選択的になる。より完全に記載するように、このように選択的に接続することで、電圧感度や電荷感度、またはそれらの両方が改善される。

本明細書に記載する典型的な実施形態において、変曲点の領域に位置する電極間に、ギャップが設けられる。これらのギャップにより、電極を選択的に接続でき、並列または直列コンデンサが実現する。例えば、圧電層１０１の両側上に電極を配置し、変曲点１０２、１０７の領域にギャップがあれば、領域１０３および１０６に配置された電極間、および領域１０４および１０５に配置された電極間を接続できる。この配列において、図１Ｂに示すように、コンデンサは、等価回路において並列に接続される。このようにして、静電容量は増加し、高い電荷を供給するため、マイクの電荷感度が高められる。

他の形態において、コンデンサを直列に設けるように、選択的に接続が確立され得る。認識されるように、直列に接続された２つのコンデンサ（Ｃ₁、Ｃ₂）の全静電容量（Ｃ_T）は、以下の式で与えられる。

直列の組み合わせにおいて、領域１０４および１０６に配置された電極間に接続が確立されてもよい。図１Ｃは、この配列による等価回路の直列接続を示す。認識されるように、コンデンサにかかる電圧は、直列組み合わせにおいて増大するため、マイクの電圧感度は高められる。

並列または直列コンデンサの組み合わせは、多くのことを考慮して選択される。例えば、マイクからの電気信号を音声信号に変換するために使用されるセンサ回路（図示せず）は、電極間の接続の選択において考慮すべき重要な点である場合が多い。実例として、センサ回路の中には、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ回路を備えるものもあり、この回路は、周知の１／ｆ（一般に、フリッカー雑音とも呼ばれる）や熱雑音（一般に、ジョンソン雑音とも呼ばれる）などの雑音を示すこともある。いくつかの実施形態において、信号対雑音比（ＳＮＲ）を高めるために、マイクの電圧感度を高めることが望ましいこともある。この例において、電極は、コンデンサを直列に設けるように接続される。または、他の実施形態において、マイクから抽出した電荷を探知することがより望ましい。これらの実施形態において、電極は、コンデンサを並列に設けるように接続されてもよい。

さらに、圧電材料の結晶軸（ｃ軸）は、材料にかかる力が引張または圧縮であるかに応じて、材料における変位ベクトルの方向、ひいては、電圧極性に影響を与える。本明細書に記載する典型的な実施形態において、トランスデューサ構造の積層された圧電層のｃ軸は、同じ極性の信号または反対極性の信号を供給するように選択される。

図２Ａ〜図２Ｃは、典型的な実施形態による多層トランスデューサ構造の断面図である。前述したように、典型的な実施形態は、変曲点に配置されたギャップを有する環状コンタクトを含む。これらのギャップは、図２Ａ〜図２Ｃには図示または記載されていない。言い換えれば、異なるｃ軸の配向を有するトランスデューサ構造の機能について記載する。多層トランスデューサにおけるギャップの使用および機能は、図３Ａ〜図４の実施形態と関連して記載される。

図２Ａは、１つの典型的な実施形態による多層トランスデューサ構造２００の断面図である。トランスデューサ構造２００は、第１の電極２０１と、下側電極２０２と、第２の電極２０３とを含む。第１の電極２０１と下側電極２０１との間に第１の圧電素子２０４が配置され、第２の電極２０３と下側電極２０２との間に、第２の圧電素子２０５が配置される。このようにして、トランスデューサ構造２００は、２つの圧電層を含むため、バイモルフ構造としてみなされることもある。実例として、圧電素子２０４、２０５の両方が、例えば、ＡｌＮ、ＺｎＯ、またはＰＺＴなどの同じ圧電材料を備えてもよい。しかしながら、本明細書に記載する前述した他の典型的な実施形態において、圧電素子は、異なる圧電材料を備えてもよい。

トランスデューサ構造２００はまた、キャビティ２０６が貫通する基板２０７を含む。キャビティ２０６の機能は、本出願の親出願であり、本出願と同一の譲受人に譲渡された、Ｒ．Ｓｈａｎｅ Ｆａｚｚｉｏ ｅｔ ａｌ．の「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ」という発明の名称の米国特許出願第１１／５８８，７５２号に詳細に記載されている。同出願の内容全体は、参照により本明細書に詳細に組み込まれる。

第１の圧電要素２０４は、図示した方向に向いたｃ軸２０８を有し、第２の圧電要素２０５は、ｃ軸２０８と逆平行のｃ軸２０９を有し、中立軸（図示せず）は、下側電極２０２を通る。当業者であれば容易に認識されるように、力（例えば、音波からの圧力）がかかると、例えば、図２Ｂに示すように、トランスデューサ構造が撓むことになる。

トランスデューサ構造２００のクランプされた端部（例えば、基板２０７の取り付け点）で、一方の圧電素子には圧縮力で、もう一方の圧電素子には引張力の湾曲が生じる。圧電素子のｃ軸は、逆平行であるため、少なくとも、撓みの湾曲部の変曲点まで、共通電極に対して一方の圧電層には（相対的な）正の極性が生じ、共通電極に対してもう一方の圧電層には（相対的な）負の極性が生じる。さらに、中心でも、同様の作用が生じる。認識されるように、誘導された力、ひいては、中心での電圧は、図１Ａに関連して記載したものと異なる。

下側電極２０２が基準電位（任意に接地として示す）にあると、第１および第２の電極の誘導電位は、正反対のものである。実例として、基準電位に対して、第１の電極２０１は、正の電位にあり、第２の電極２０３は、負の電位にある。認識されるように、電圧の符号は、圧電材料に依存し、すなわち、前述した電圧の符号は、任意の例示的なものである。

本実施形態において、圧電素子および電極のそれぞれによって形成されるプレート静電容量は、直列に接続される。したがって、トランスデューサ構造２００は、単一のトランスデューサデバイスと比較して、電圧出力を増大するのに有益である。親出願に記載しているように、このことは、マイクロホンなどのさまざまな応用での電圧感度および信号対雑音比（ＳＮＲ）を高めるのに有益な場合がある。さらに、例えば、電磁干渉が原因の雑音を消去するために、信号がさまざまな形で組み合わされてもよい。

図２Ｃは、別の典型的な実施形態によるトランスデューサ構造２１０の断面図である。トランスデューサ構造２１０は、圧電素子のｃ軸の配向以外、トランスデューサ構造２００のコンポーネントおよび機能と実質的に同一である。特に、第２の圧電素子２０５のｃ軸２０９は、第１の圧電素子２０４のｃ軸２１１と平行である。この場合も、力を加えると、図２Ｂに示すように、撓みが生じる。トランスデューサ構造２１０のクランプされた端部で、一方の圧電素子には圧縮力で、もう一方の圧電素子には引張力の湾曲が生じる。圧電素子が平行であるため、圧電素子２０４、２０５の端部では電圧極性が同じになる。この場合も、中央で、同様の作用が生じるが、誘導された力、ひいては、中央での電圧は、図１Ａに関連して記載したものと異なる。

下側電極２０２が基準電位（任意に接地として選択される）にあると、第１および第２の電極の誘導電位は、同じものである。実例として、電極２０１、２０３は、正の電位にある。この場合も、電圧の符号は、圧電材料に依存し、すなわち、前述した電圧の符号は、任意の例示的なものである。認識されるように、本実施形態において、圧電素子および電極のそれぞれによって形成されるプレート静電容量は、並列に接続される。その結果、静電容量は増大し、全電荷出力は、単一のトランスデューサデバイスと比較して増大される。

図３Ａは、１つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造３００の平面図である。トランスデューサ構造３００は、第１の圧電素子３０３上に配置された、第１の外側電極３０１および第１の内側電極３０２を含む。第１の内側電極３０２と第１の外側電極３０１との間に、ギャップ３０４が設けられる。有益には、ギャップ３０４は、親出願および上記に詳細に記載されているように、トランスデューサ３００の変曲点の領域に設けられる。さらに、親出願に記載されているように、他のギャップに対してギャップ３０４の場所および幅の変更が考えられる。

前述したように、ギャップ３０４は、変曲点の領域に設けられる。当業者であれば理解するように、マイク構造などのようなクランプされた発振膜の変曲点は、構造の形状、構造用に選択された材料、構造の材料の厚み、構造の境界条件、および印加応力を含むが、これらに限定されるものではない多数の要因に依存する。実例として、変曲点は、異なる負荷条件での曲げ特性を決定するために、有限要素シミュレーションから決定され得る。特に、これらのシミュレーションにより、選択された境界条件（例えば、クランプ）および負荷条件（例えば、質量負荷層および圧力）が複合構造の挙動に与えられる。

典型的な実施形態は、内側および外側電極が同心関係にある実質的に円形の電極（ひいては、マイク）を含む。他の環状構造も考えられることを理解されたい。例えば、内側電極３０２は、外側電極３０１と同心のものであり、正方形または矩形の形状のものであってもよい。他の形態として、電極３０１、３０２は、長円の形状であり、同心配列に配置されてもよい。他の形状の同心の内側および外側電極がさらに考えられる。例えば、電極は、アポダイズ（apodize）されてもよい。

第１の外側電極３０１、第２の外側電極（図３Ａに図示せず）、および下側内側電極（図３Ａに図示せず）のそれぞれに、接続３０５、３０６、３０７が確立される。同様に、第１の内側電極３０２、第２の内側電極（図３Ａに図示せず）、および下側外側電極（図３Ａに図示せず）のそれぞれに、接続３０８、３０９、３１０が確立される。

接続３０５〜３１０は、図示したように、コンタクトパッド１、２に確立される。次いで、コンタクトパッドからの信号は、所望の結果をもたらすために、信号処理回路（図示せず）に出力されてもよい。図示したようなパッドへの接続は、例示的なものにすぎないことを理解されたい。当業者であれば、さまざまな電極の接続は、トランスデューサ構造３００を含むデバイスまたはシステムで所望の結果を達成するために、直列静電容量、並列静電容量、またはそれらの両方を与えるように調整されてもよいことを認識する。

さらに、電極３０１、３０２はまた、１つの配列および構造の例示的なものにすぎない。特に、親出願に記載されているセクションギャップおよび電極のセクション間の接続が、トランスデューサ構造３００に設けられてもよい。さらに、いくつかの実施形態において、内側電極は、前述したものであってもよく、トランスデューサ構造は、所望の結果をもたらすために、直列静電容量、並列静電容量、またはそれらの両方を与えるように選択的に接続された外側環状電極を備える。

図３Ｂは、線Ｂ、Ｃに沿って切り取られたトランスデューサ構造３００の断面図である。図３Ｂは、第２の圧電素子３１３上に配置され、ギャップ３１４によって分離された、下側内側電極３１１および下側外側電極３１２を示す。第２の内側電極３１５および第２の外側電極３１６は、第２の圧電素子３１３の下方に配置され、ギャップ３１７によって分離される。親出願に記載されているように、ギャップ３０４、３１４、および３１７は、基板の変曲点の領域に設けられる。ギャップ３０４、３１４、および３１７は、親出願に記載されているように、互いに整列させたものでも、整列させたものでなくてもよく、幅が異なるものであってもよい。

前述したように、トランスデューサ構造３００は、キャビティ２０６を有する基板２０７上に配置される。この配列は、マイクロホン応用などの多くの応用において有益である。特に、ある応用において、キャビティ２０６は、基板を貫通して延伸する必要はない。言い換えれば、トランスデューサの膜構造には、基板にあるリセス（recess）またはキャビティ（非公式に、スイミングプールと呼ぶ場合が多い）で十分であるということである。

図２Ａおよび図２Ｂに関連して記載したように、圧電素子３０３、３１３のｃ軸の相対配向は、圧電素子３０３、３１３に誘導された電圧の相対極性に影響する。例えば、典型的な実施形態において、圧電素子３０３、３１３のｃ軸は、図３Ｂの平面にあり、電極と直交する。１つの実施形態において、ｃ軸は、互いに平行であり整列したものである。下側内側電極３１１と、第１および第２の外側電極３０１、３１６のそれぞれが基準電圧にある場合（この場合も、任意であるが必須ではない接地電位）、他の電極ではさまざまな電圧が実現される。例えば、１つの実施形態において、下側外側電極３１２および第１の外側電極３０１の電圧極性と、下側外側電極３１２および第２の下側電極３１６の電圧極性は同じである（例えば、正）。このようにして、単一のトランスデューサと比較すると、プレート静電容量は増大し、電荷出力は増大する。同様に、第１および第２の内側電極３０２、３１５の電圧極性は同じである（前例に応じれば、負）。この場合も、単一のトランスデューサと比較すると、プレート静電容量は増大し、電荷出力は増大する。上記および親出願に記載したものを同様に分析すると、電極を選択的に接続することで、有益に、並列のプレート静電容量が得られ、電荷感度が高められる。

他の形態として、典型的な実施形態において、ｃ軸は、逆平行、いわゆる、互いに対して反対向きに整列される。この場合も、下側内側電極３１１と、第１および第２の外側電極３０１、３１６はそれぞれ、基準電圧にある（この場合も、任意であるが必須ではない接地電位）。例えば、１つの実施形態において、下側外側電極３１２および第１の外側電極３０１の電圧極性と、下側外側電極３１２および第２の下側電極３１６の電圧極性は、それぞれが基準電圧に対して互いに反対である。同様に、内側電極３０２、３１５の電圧極性は、この場合も、基準電圧に対して互いに反対である。前述したように、電極を選択的に接続することで、単一のトランスデューサと比較して、完全な差動信号が得られ、または電圧出力が増大する場合もある。上記および親出願に記載したものを同様に分析すると、電極を選択的に接続することで、有益に、並列の静電容量が得られ、電圧感度が高められる。

図３Ｃは、図３Ａの線Ｂ、Ｃに沿って切り取った、別の典型的な実施形態によるトランスデューサ構造３１８の断面図である。トランスデューサ構造３１８は、図３Ａおよび図３Ｂに対して記載したトランスデューサ構造３００と実質的に同じである。しかしながら、本実施形態において、下側外側電極３１２は、基板２０７上にわたって延在し、トランスデューサ構造３１８に支持を与える。機能および接続は、図３Ｂの典型的な実施形態に関連して記載したものと実質的に同一である。さらに、膜構造は、他の既知の方法および材料によって基板２０７に取り付けられてもよく、例えば、トランスデューサ構造３１８の他の層の１つを用いる取り付けや、トランスデューサ構造３１８の層の２つ以上を用いる取り付けも考えられる。

この点に関して記載した実施形態には、共通の下側内側および外側電極を共有する２つのトランスデューサがある。しかしながら、他の実施形態も考えられる。図４に、１つのこのような実施形態によるトランスデューサ構造４００の断面図を示す。特に、トランスデューサ構造４００は、図１Ａ〜図３Ｃの実施形態に関連して記載したものと多くの特徴を共有している。このような共通する特徴については、一般に、本実施形態の記載を不明瞭にしないためにも繰り返して記載しない。

トランスデューサ構造４００は、第１の圧電素子４０３上に配置された第１の上側内側電極４０１および第１の上側外側電極４０２とを有する第１のトランスデューサを備える。第１のトランスデューサはまた、圧電素子４０３の下方および障壁４０８上に配置された、第１の下側内側電極４０５および第１の下側外側電極４０６を含む。

キャビティ４１５を有する基板４１４上に、第２のトランスデューサが配置される。第２のトランスデューサは、第２の圧電素子４１１上に配置された、第２の上側内側電極４０９および第２の上側外側電極４１０を含む。第２のトランスデューサは、第２の圧電素子４１１の下方に配置された、第２の下側内側電極４１２および第２の下側外側電極４１３をさらに含む。さらに、図示したように、第１および第２のトランスデューサの内側および外側電極の間に、ギャップ４０７が設けられる。他の典型的な実施形態では、外側電極しか設けられないこともある。さらなる他の典型的な実施形態においては、内側電極しか設けられないこともある。

典型的な実施形態において、障壁４０８により、第１および第２のトランスデューサとの間が隔離されることで、トランスデューサは実質的に独立して機能することができるようになる。実例として、障壁４０８は、シリコン低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料（ＳＩＬＫ）や他の適切な材料の１つ以上の層であってもよい。さらに、障壁４０８は、本願と同一の譲受人に譲渡された、Ｌａｒｓｏｎ ＩＩＩ ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，９４６，９２８号に記載されたようなものであってもよい。これらの特許および刊行物の内容全体は、参照により本明細書に詳細に組み込まれる。

１つの典型的な実施形態によれば、各トランスデューサからの信号が得られ、個別に処理されてもよく、または、第１および第２のトランスデューサの共同する挙動を最適化するために組み合わされてもよい。例えば、第１および第２のトランスデューサは、直列または並列に選択的に接続されてもよい。さらに、各トランスデューサの電極領域が、直列または並列に選択的に接続されてもよい。図３Ｃに示す構造と同様に、障壁層４０８は、下地基板へ取り付けるための、膜の物理的支持体として使用されてもよい。いくつかの実施形態において、複数の層の少なくとも１つが、下地基板へ取り付けるためのものであってもよい。

前述したように、圧電素子４０３、４１１のｃ軸は、異なる応用において全く異なる電圧出力に応じて平行または逆平行に整列されてもよい。電極への接続は、直列または並列のプレート静電容量、またはその両方を与えるように選択的に確立されてもよい。実例として、圧電素子４０３、４１１のｃ軸は、逆平行であってもよく、電極は、同相除去（common mode rejection）を行うように接続されてもよい。

本明細書に記載する典型的な実施形態において、圧電マイクの電圧感度および電荷感度は、信号電極構造に見られる電荷の正規化を低減することによって、既知の構造と比較して改善される。当業者であれば、本教示による多くの変更が可能であり、添付の特許請求の範囲内にあることを認識する。これらおよび他の変更は、本明細書、図面、および特許請求の範囲を読むことで、当業者に明らかになる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内のもの以外に制限されるべきではない。

１つの典型的な実施形態による圧電マイクの一部分の概念図である。 １つの典型的な実施形態による等価回路図である。 １つの典型的な実施形態による等価回路図である。 １つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造の断面図である。 １つの典型的な実施形態による外力を受けたトランスデューサ構造の断面図である。 １つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造の断面図である。 １つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造の平面図である。 線Ｂ、Ｃに沿って切り取った図３Ａの構造のトランスデューサ構造の断面図である。 １つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造の断面図である。 １つの典型的な実施形態によるトランスデューサ構造の断面図である。

符号の説明

２００ 多層トランスデューサ構造
２０１ 第１の電極
２０２ 下側電極
２０３ 第２の電極
２０４ 第１の圧電素子
２０５ 第２の圧電素子
２０６ キャビティ
２０７ 基板
２０８、２０９ ｃ軸
３００ トランスデューサ構造
３０１ 第１の外側電極
３０２ 第１の内側電極
３０３ 第１の圧電素子
３０４、３１４、３１７ ギャップ
３１１ 下側内側電極
３１２ 下側外側電極
３１３ 第２の圧電素子
３１５ 第２の内側電極
３１６ 第２の外側電極

Claims (23)

1. トランスデューサ構造であって、
   第１のトランスデューサと、
   第２のトランスデューサと、
   を有し、
   前記第１のトランスデューサが、
   第１の内側電極と、
   第１の外側電極と、
   下側内側電極と、
   下側外側電極と、
   前記第１の内側電極および前記第１の外側電極と前記下側内側電極および前記下側外側電極との間にある第１の圧電素子と、
   前記第１の内側電極と前記第１の外側電極との間の第１のギャップと、
   前記下側内側電極と前記下側外側電極との間の下側ギャップと、
   を備え、
   前記第２のトランスデューサが、
   第２の内側電極と、
   第２の外側電極と、
   前記下側内側電極と、
   前記下側外側電極と、
   前記第２の内側電極および前記第２の外側電極と前記下側内側電極および前記下側外側電極との間にある第２の圧電素子と、
   前記第２の内側電極と前記第２の外側電極との間の第２のギャップと、
   を備えること、
   を特徴とするトランスデューサ構造。
2. 前記第１の圧電素子が第１のｃ軸を有し、前記第２の圧電素子が第２のｃ軸を有することを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
3. 前記第１のｃ軸および前記第２のｃ軸が、実質的に平行であることを特徴とする請求項２に記載のトランスデューサ構造。
4. 前記第１のｃ軸および前記第２のｃ軸が、実質的に逆平行であることを特徴とする請求項２に記載のトランスデューサ構造。
5. 前記第１および第２のトランスデューサの前記内側および外側電極が、差動電圧出力を与えるように選択的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
6. 前記第１および第２のトランスデューサの前記内側および外側電極が、実質的に同一の電圧出力、付加電荷出力、または前記出力電圧および前記付加電荷出力の組み合わせの少なくとも１つを与えるように選択的に接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
7. 前記第１の内側および第１の外側電極が、実質的に同心のものであり、前記下側内側および下側外側電極が、実質的に同心のものであり、前記第２の内側および第２の外側電極が、実質的に同心のものであることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
8. 前記第１、第２、および下側内側および外側電極が、実質的に円形であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
9. 第１の面および第２の面を有する基板と、
   前記第１の面から実質的に前記第２の面へと続く、前記基板にあるキャビティとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
10. 前記第１、第２、および下側電極の各々が、セクションギャップによって分離される複数のセクションを備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
11. 前記第１のギャップ、前記第２のギャップ、および前記下側ギャップが、屈曲中に前記トランスデューサ構造の変曲点のそれぞれと実質的に一致するような位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ構造。
12. トランスデューサ構造であって、
    第１のトランスデューサと、
    第２のトランスデューサと
    を有し、
    前記第１のトランスデューサが、
    第１の上側内側電極と、
    第１の上側外側電極と、
    第１の下側内側電極と、
    第１の下側外側電極と、
    前記第１の上側内側電極と前記第１の上側外側電極との間の第１の上側ギャップと、
    前記第１の下側内側電極と前記第１の下側外側電極との間の第１の下側ギャップと、
    前記第１の上側内側電極および前記第１の上側外側電極と前記第１の下側内側電極および前記第１の下側外側電極との間にある第１の圧電素子と、
    を備え、
    前記第２のトランスデューサが、
    第２の上側内側電極と、
    第２の上側外側電極と、
    第２の下側内側電極と、
    第２の下側外側電極と、
    前記第２の上側内側電極と前記第２の上側外側電極との間の第２の上側ギャップと、
    前記第２の下側内側電極と前記第２の下側外側電極との間の第２の下側ギャップと、
    前記第２の上側内側電極および前記第２の上側外側電極と前記第２の下側内側電極および前記第２の下側外側電極との間にある第２の圧電素子と、
    前記第１および第２のトランスデューサの間にある障壁と、
    を備えること、
    を特徴とするトランスデューサ構造。
13. 前記第１の圧電素子が第１のｃ軸を有し、前記第２の圧電素子が第２のｃ軸を有することを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
14. 前記第１のｃ軸および前記第２のｃ軸が、実質的に平行であることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ構造。
15. 前記第１のｃ軸および前記第２のｃ軸が、実質的に逆平行であることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ構造。
16. 第１の面および第２の面を有する基板と、
    前記第１の面から実質的に前記第２の面へと続く、前記基板にあるキャビティと、
    をさらに備えること、
    を特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
17. 前記障壁が、前記キャビティにまたがり、前記第２のトランスデューサが、前記キャビティに実質的に配置されることを特徴とする請求項１６に記載のトランスデューサ構造。
18. 前記第１および第２のトランスデューサの前記内側および外側電極が、差動電圧出力を与えるように選択的に接続されることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
19. 前記第１および第２のトランスデューサの前記内側および外側電極が、実質的に同一の電圧出力、付加電荷出力、または前記出力電圧および前記付加電荷出力の組み合わせの少なくとも１つを与えるように選択的に接続されることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
20. 前記第１および第２の上側ギャップ、ならびに前記第１および第２の下側ギャップが、屈曲中に前記トランスデューサ構造の変曲点のそれぞれと実質的に一致するような位置に設けられることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
21. 前記第１および第２のトランスデューサが、前記障壁によって実質的に遮音されることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
22. 前記トランスデューサ構造が、マイクロホンであることを特徴とする請求項１２に記載のトランスデューサ構造。
23. マイクロホンであって、
    第１のトランスデューサと、
    第２のトランスデューサと、
    を有し、
    前記第１のトランスデューサが、
    第１の内側電極と、
    第１の外側電極と、
    下側内側電極と、
    下側外側電極と、
    前記第１の内側電極および前記第１の外側電極と前記下側内側電極および前記下側外側電極との間にある第１の圧電素子と、
    前記第１の内側電極と前記第１の外側電極との間の第１のギャップと、
    前記下側内側電極と前記下側外側電極との間の下側ギャップと、
    を備え、
    前記第２のトランスデューサが、
    第２の内側電極と、
    第２の外側電極と、
    前記下側内側電極と、
    前記下側外側電極と、
    前記第２の内側電極および前記第２の外側電極と前記下側内側電極および前記下側外側電極との間にある第２の圧電素子と、
    前記第２の内側電極と前記第２の外側電極との間にある第２のギャップと、
    を備えること、
    を特徴とするマイクロホン。

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