JP2010531592A - 音響学的なセンサエレメント - Google Patents

Abstract

本発明によれば、マイクロメカニカル型の音響学的なセンサエレメントの変換特性を改善するための単純な構造的な手段が提案される。この場合、センサエレメントは、少なくとも１つのダイヤフラム（２）と、少なくとも１つの定位置固定の対向エレメント（３）とを有しており、ダイヤフラム（２）が、基板（１）と対向エレメント（３）との間の中空室（４）内に配置されていて、コンデンサ装置の可動電極として働くようになっており、対向エレメント（３）が、前記コンデンサ装置の第１の固定の対向電極として働くようになっており、基板（１）に、ダイヤフラム（２）を音圧負荷するための少なくとも１つの貫通開口（６）が形成されている。本発明によれば、対向エレメント（３）が、位置固定および補剛のために少なくとも１つの支持エレメント（７）を介して基板（１）に結合されており、該支持エレメント（７）が、前記中空室（４）の範囲に配置されており、ダイヤフラム（２）に、該支持エレメント（７）のための開口（１１）が形成されている。

Description

背景技術
本発明は、少なくとも１つのダイヤフラムと、少なくとも１つの定位置もしくは固定の対向エレメントとを備えた音響学的なセンサエレメントに関する。センサエレメントのダイヤフラムは基板と対向エレメントとの間の中空室内に配置されていて、コンデンサ装置の可動電極として働き、それに対して対向エレメントは前記コンデンサ装置の静止もしくは固定の対向電極として働く。基板には、少なくとも１つの貫通開口が形成されており、この貫通開口を介してダイヤフラムの音圧負荷が行われる。

公知先行技術に基づき、いわゆるマイクロマシン技術を用いて製造されたマイクロメカニカル型のマイクロホンが公知である。このマイクロメカニカル型のマイクロホンは、このようなセンサエレメントを用いて音波を電気的な信号へ変換する。公知のセンサエレメントは少なくとも２つの電極を備えたコンデンサ装置を有しており、両電極の間には０．５μｍ〜１０μｍのエアギャップが形成される。理想的には、一方の電極が剛性的であって、他方の電極が可動となるので、他方の電極は音波の発生時に振動させられる。これにより、両電極の間の容量は音圧変化に相応して変化する。

このようなマイクロメカニカル型の変換エレメントの品質は対向電極の非可動性に著しく関連している。それゆえに、実際の使用においては、対向電極にはしばしば比較的大きな厚さが備えられる。この場合、対向電極は変換エレメントの支持基板から構造体化（パターン化）されるか、またはあとから、たとえばエピポリシリコンから成る厚い層を施与される。しかし、対向電極が強力な引張り緊張（テンション）をかけられて製造される場合にも、対向電極の高い剛性を得ることができる。しかし、支持基板の構造化も、高い層厚さの形成または著しい引張り緊張をかけられた層の製造も、手間がかかり、相応してコストがかかる。

冒頭で述べた形式の音響学的なセンサエレメントもしくは変換エレメントは、米国特許第号６５３５４６０明細書にも記載されている。この公知のセンサエレメントの構造は１つの貫通開口を備えた基板を有しており、この貫通開口はダイヤフラムによって張り渡される。ダイヤフラムの上には、このダイヤフラムから間隔を置いて、穿孔されたパーフォレーションを備えた対向エレメントが配置されており、この対向エレメントは前記貫通開口の縁範囲において基板に結合されている。ダイヤフラムと対向エレメントとは、一緒になって１つのコンデンサを形成しており、この場合、ダイヤフラムは可動電極として働き、対向エレメントは剛性的な電極を成している。ダイヤフラムは基板に設けられた前記貫通開口を介して音波で負荷され、こうして振動を加えられる。次いで、ダイヤフラムの運動は対向エレメントを用いてコンデンサの容量変動として検出される。米国特許第号６５３５４６０明細書には、穿孔された対向エレメントの位置固定および／または補剛のための特別な手段は記載されていない。

発明の開示
本発明によれば、冒頭で述べた形式のマイクロメカニカル型の音響学的なセンサエレメントの変換特性を改善するための単純な構造的な手段が提案される。この手段は特にコンデンサ装置の対向エレメントもしくは対向電極の位置固定および補剛に関するものである。

このために本発明によれば、対向エレメントが、少なくとも１つの支持エレメントを介して基板に結合されており、該支持エレメントが中空室の範囲に配置されている。さらに、ダイヤフラムには、この支持エレメントのための開口が形成されているので、ダイヤフラムは中空室内部で自由に振動することができる。

本発明によれば、対向エレメントを、１つまたは複数の個所で、基板の既存の強固な構造体上に支持し、これによって対向エレメントの張設幅もしくは張り間（Spannweite）を減少させることによって、対向エレメントの剛性を簡単に高めることができることが認識された。この手段は、対向エレメントを薄い層の形でも実現することを可能にし、この薄い層は必ずしも引張り緊張力をかけられている必要はない。ダイヤフラムの張設幅、ひいてはセンサエレメントの感度も、支持エレメントによって著しく損なわれることはない。なぜならば、ダイヤフラムは本発明によれば複数の開口を備えていて、これらの開口を通って支持エレメントは対向エレメントから支持構造体にまで延びているので、ダイヤフラムは対向エレメントと基板構造体との間で自由に運動することができるからである。

本発明によるセンサエレメントの対向エレメントは、高い引張り応力に合わせて設計されている必要のない薄い層の形で実現され得るので、本発明によるセンサエレメントは全体的に、廉価でかつ大量生産を可能にする（volumenfaehig）標準・半導体プロセスを用いて製造され得る。

本発明によるセンサエレメントの構成および特に対向エレメントと基板との間の中空室の範囲における支持エレメントの配置のためには、基本的に種々の可能性が存在している。

本発明の有利な変化形では、前記中空室の下方の範囲に、前記支持エレメントのための基板ベースを備えた基板構造体が形成されている。したがって、基板ベースは前記中空室の下方に配置されていて、「基板大陸（Substrat-Festland）」に結合されているので、基板ベースは位置固定されていて、支持エレメントと対向エレメントとのための１つの良好な支持個所を形成している。

前記中空室の下方の基板構造体もしくは該基板構造体により画定された、基板に設けられた貫通開口は、ダイヤフラムができるだけ大面積にわたって音圧で負荷され得るように設計されると有利である。これに関連して、基板ベースが、比較的小幅の複数のウェブを介して前記中空室の縁範囲で基板に結合されていると有利であることが判った。基板ベースとウェブとが、構造化されていない基板の厚さとほぼ同じ厚さを有していることにより、基板構造体の、対向エレメントの位置固定のために必要となる安定性を簡単に得ることができる。

本発明によるセンサエレメントのさらに別の有利な構成では、対向エレメントが、ダイヤフラム振動の減衰を減少させる複数の目打ち状の穿孔もしくはパーフォレーション孔を備えている。さらに、これらの穿孔もしくはパーフォレーション孔を介して、ダイヤフラムの上の中空室と周辺環境との間の圧力補償を行うことができる。

本発明によるセンサエレメントを用いると、音波を微分により検出することもできる。このためには、本発明によるセンサエレメントに別の固定の対向電極が簡単に装備される。この対向電極は基板もしくは基板構造体にダイヤフラムの下方で実現される。

既に上で述べたように、本発明の思想を有利に実現しかつ改良するための種々の可能性が存在している。このためには、一方では独立請求項である請求項１に後置された請求項２以下に記載の構成、他方では以下に図面につき詳しく説明する本発明の複数の実施例を参照するものとする。

本発明による第１のセンサエレメント１０の、支持個所の範囲における層構造を示す断面図である。 本発明による第２のセンサエレメント２０の、支持個所の範囲における層構造を示す断面図である。 本発明によるセンサエレメントの基板を上から見た平面図である。 本発明によるセンサエレメントのダイヤフラムを上から見た平面図である。 本発明によるセンサエレメントの対向エレメントを上から見た平面図である。 本発明による第４のセンサエレメント４０の層構造を示す断面図である。

発明の実施形態
図１に示した音響学的なセンサ素子もしくはセンサエレメント１０の層構造は基板１を有している。この基板１の上には、ダイヤフラム２と、定位置に固定の対向エレメント３とが形成されている。ダイヤフラム２は基板１と対向エレメント３との間の中空室４内に配置されていて、コンデンサ装置の可動電極として働き、対向エレメント３はこのコンデンサ装置の固定の対向電極を形成している。基板１は中空室４の下方の範囲５において構造化もしくはパターン化されている。この場合、図３ａに図示されているように、ダイヤフラム２の音圧負荷のための複数の貫通開口が設けられている。対向エレメント３は１つの支持エレメント７を介して基板１に結合されている。この支持エレメント７は中空室４の範囲に配置されていて、基板ベース８に載着されている。この基板ベース８は中空室４の下方の基板構造体の一部である。この基板構造体はさらに複数のウェブ９を有しており、これらのウェブ９を介して基板ベース８は、中空室４の縁範囲において基板１の「大陸」に結合されている。基板ベース８ならびにウェブ９は基板１の全厚さに形成されている。ダイヤフラム２には、支持エレメント７のための１つの開口１１が設けられているので、ダイヤフラム２は相応する音圧負荷の際に中空室４の下方で自由に振動することができる。対向エレメント３は中空室４の上の範囲において複数の穿孔もしくはパーフォレーション孔１２を備えている。固定電極として働く対向エレメント３の電気的な接続のためには、コンタクト接続部１３が設けられている。可動電極として働くダイヤフラム２は、電気的に絶縁されたダイヤフラム締付け固定部１５の下に延びる導体路１４を介して接続パッド１６へ案内されている。

前で説明したセンサエレメント１０のようなマイクロメカニカル型の構成エレメントは、半導体基板、たとえばシリコンウェーハを原料として製作される。センサエレメント１０の、固定電極として働く対向エレメント３は、たとえば０．５μｍ〜４μｍの厚さを有するポリシリコン層の形に形成される。この層は、簡単な標準・ＬＰＣＶＤプロセスで製造されてドーピングされ得る。このようなプロセスの際に生じる層緊張力もしくは層テンションは、典型的には１０〜１００ｍＰａの圧力にある。センサエレメント１０の対向エレメント３は本発明によれば支持エレメント７によって安定化されかつ位置固定されるので、層テンションを高めるか、または層テンションに影響を与えるための特別な手段を講じる必要はない。支持エレメント７は、基板１と対向エレメント３とを電気的に分離するために、電気的に絶縁性の材料から成っていると有利である。すなわち、支持エレメント７は、たとえば酸化物から形成されていてよく、この酸化物はダイヤフラム２を露出させかつ中空室４を形成するための犠牲層エッチングの際に、残留酸化物としてコントロールされて放置される。しかし、電気的に絶縁された別の変化形、たとえば窒化物絶縁部を有するポリシリコン支持エレメントも可能である。

図２に示したセンサエレメント２０は、図１に示したセンサエレメント１０と同じ構成エレメント構造を有している。それゆえに、図２においても同じ符号が使用される。しかし、センサエレメント２０のコンデンサ装置は、図１のセンサエレメント１０とは異なり、複数の付加的な固定電極２１を有している。これらの固定電極２１はウェブ９が位置する範囲で基板１に形成されている。これらの固定電極２１は、ダイヤフラム２の運動により生ぜしめられる容量変動の微分検出を可能にする。

以下に、図３ａ、図３ｂおよび図３ｃにつき、本発明によるセンサエレメントの層構造をもう一度説明する。図１においても図示した構造エレメントについては同じ符号が使用される。

図３ａには、コンデンサ装置の範囲における基板１を上から見た平面図が示されている。基板１はこの範囲に、可動電極として働き、かつ基板１の上に配置されるダイヤフラムを圧力負荷するための複数の貫通開口６を備えている。これらの貫通開口６はこの場合、円セグメント状に形成されていて、相応する基板構造体に設けられた８つのウェブ９によって互いに分離されている。これら８つのウェブ９の交点に位置する基板構造体の中心と、該交点と、貫通開口６の円形の外縁部との間における各１つのウェブ９の中間点とにおいて、基板構造体にはそれぞれ基板ベース８が形成されている。ただし念のため付言しておくと、ダイヤフラムのできるだけ良好な音響負荷を得るために、貫通開口の形状はダイヤフラム形状に適合されると有利である。基板ベース８は、固定電極の良好な位置固定を達成するために、支持したい対向エレメントの張設幅（張り間）にわたってできるだけ均一に分配される。

図３ｂには、円形のダイヤフラム２が前記貫通開口６と、これらの貫通開口６の輪郭を画定する基板構造体との上に配置された後の状態の基板１が図示されている。既に述べたように、ダイヤフラム２はセンサエレメントのコンデンサ装置の可動電極として働く。このためには、ダイヤフラム２が、該ダイヤフラム２と同じ層に形成されている導体路１４を介して電気的にコンタクトされる。さらに図３ｂから判るように、ダイヤフラム２は基板ベース８の上の範囲において複数の開口１１を備えている。

図３ｃには、ダイヤフラム２の上に対向エレメント３が形成された後の状態のセンサエレメントの層構造を上から見た平面図が図示されている。対向エレメント３はダイヤフラム２と、基板１に設けられた貫通開口６との上の範囲に目打ち状の複数の穿孔もしくはパーフォレーション孔１２を備えている。基板ベース８の上の範囲においてのみ、対向エレメント３の構造体は穿孔されていない。この範囲には支持エレメント７が位置しており、これらの支持エレメント７を介して対向エレメント３が基板ベース８に結合されている。この支持構造体によって、対向エレメント３の自由な張設幅もしくは張り間（Spannweite）は減少し、ひいては音波の衝突時における対向エレメント３の変位も減少する。

図４には、本発明による音響学的なセンサエレメント４０が図示されている。このセンサエレメント４０は、上で説明したセンサエレメント１０の場合と同様に、基板４１から製作されている。基板４１の上の層構造には、ダイヤフラム４２と、定位置に固定の対向エレメント４３とが形成されている。ダイヤフラム４２は基板４１と対向エレメント４３との間の中空室４４内に配置されていて、コンデンサ装置の可動電極として働き、対向エレメント４３はこのコンデンサ装置の固定の対向電極を形成している。中空室４４の下方の範囲では、基板４１に複数の貫通開口が形成されており、これらの貫通開口を介してダイヤフラム４２の音圧負荷が行われる。これらの貫通開口は図４に示した断面図には図示されていない。なぜならば、この断面図の切断平面はこれらの貫通開口の輪郭を画定する基板構造体４５の内部に延びているからである。

図１に示したセンサエレメント１０と、図４に示したセンサエレメント４０とは、主として対向エレメント３；４３のための支持エレメント７；４７の実現の点で互いに異なっている。対向エレメント４３には、３つの折込み部４７が形成されており、これらの折込み部４７の底範囲は絶縁層４８を介して基板４１もしくは中空室４４の下方の基板構造体４５に結合されている。これらの折込み部４７は、中空室４４の範囲に配置されている対向エレメント４３のための支持エレメントを形成している。ダイヤフラム４２には、折込み部４７のための複数の開口４９が設けられているので、ダイヤフラム４２は相応する音圧負荷時に中空室４４内で自由に振動することができる。対向エレメント４３には、中空室４４の上の範囲で目打ち状の複数の穿孔もしくはパーフォレーション孔５０が形成されている。

Claims (6)

1. 音響学的なセンサエレメントであって、少なくとも１つのダイヤフラム（２）と、少なくとも１つの定位置固定の対向エレメント（３）とが設けられており、
   −ダイヤフラム（２）が、基板（１）と対向エレメント（３）との間の中空室（４）内に配置されていて、コンデンサ装置の可動電極として働くようになっており、
   −対向エレメント（３）が、前記コンデンサ装置の第１の固定の対向電極として働くようになっており、
   −基板（１）に、ダイヤフラム（２）を音圧負荷するための少なくとも１つの貫通開口（６）が形成されている
   形式のものにおいて、対向エレメント（３）が、少なくとも１つの支持エレメント（７）を介して基板（１）に結合されており、該支持エレメント（７）が、前記中空室（４）の範囲に配置されており、ダイヤフラム（２）に、該支持エレメント（７）のための開口（１１）が形成されていることを特徴とする、音響学的なセンサエレメント。
2. 前記中空室（４）の下方の範囲に、前記少なくとも１つの支持エレメント（７）のための少なくとも１つの基板ベース（８）を備えた基板構造体（５）が形成されている、請求項１記載の音響学的なセンサエレメント。
3. 前記基板構造体（５）が複数のウェブ（９）を有しており、該ウェブ（９）を介して基板ベース（８）が、前記中空室（４）の縁範囲で基板（１）に結合されている、請求項２記載の音響学的なセンサエレメント。
4. 前記基板ベース（８）および場合によっては前記ウェブ（９）が、構造化されていない基板（１）の厚さとほぼ同じ厚さを有している、請求項２または３記載の音響学的なセンサエレメント。
5. 対向エレメント（３）が、目打ち状の複数のパーフォレーション孔（１２）を備えている、請求項１から４までのいずれか１項記載の音響学的なセンサエレメント。
6. 基板（１）もしくは基板構造体（５）に、ダイヤフラム（２）の下方でコンデンサ装置の少なくとも１つの別の固定の対向電極（２１）が実現されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の音響学的なセンサエレメント。

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