JP2011044890A - Electromechanical transducer, microphone and method of manufacturing electromechanical transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気機械変換器、特に小型マイクロフォンとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electromechanical transducer, in particular, a small microphone and a manufacturing method thereof.
携帯電話や携帯端末などのパーソナル電子機器の機能の多様化に伴って、その内部に熱や音、圧力、加速度など、様々な情報を感知または出力する電気機械変換器が搭載されるようになり、その小型化、高性能化、高安定化が求められている。小型マイクロフォンも、音圧を電気信号に変換する電気機械変換器のひとつであり、その小型化と高感度、高S/N比、高安定性の両立が求められている。 With the diversification of functions of personal electronic devices such as mobile phones and mobile terminals, electromechanical converters that detect or output various information such as heat, sound, pressure, acceleration, etc., are now installed inside. Therefore, there is a demand for miniaturization, high performance, and high stability. A small microphone is also one of electromechanical converters that convert sound pressure into an electric signal, and both miniaturization, high sensitivity, high S / N ratio, and high stability are required.
近年、小型マイクロフォンなどにMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械素子)技術を用いて、小型・軽量化を図った電気機械変換器が登場しており、その構成について図8A〜図8Cを参照しながら以下に説明する。 In recent years, electromechanical transducers that have been reduced in size and weight by using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology for small microphones and the like have appeared, and refer to FIGS. 8A to 8C for the configuration. However, it will be described below.
図8Aは、従来のMEMSマイクロフォンの上面図、図8Bおよび図8Cは図8Aに示すBB線における矢視断面図を表し、シリコン基板に貫通する開口部を設けた枠体101によって、振動膜102がその外周において支持固定されている。また、固定膜103はスペーサー104によって振動膜102に対して所定の間隔を隔てて配置され、固定膜103には音圧を振動膜102に伝達するための音孔105が設けられている。
FIG. 8A is a top view of a conventional MEMS microphone, and FIGS. 8B and 8C are cross-sectional views taken along the line BB shown in FIG. 8A. The vibrating
振動膜102および固定膜103は導電性を有し、所定の間隔で隔てられたコンデンサを構成しており、振動膜102と固定膜103との間には電界が印加されている。この電界の中で、図8Cに示すように、音孔105から伝達された音圧によって振動膜102が振動すると、振動膜102と固定膜103との間に電荷が誘起され、電気機械変換が行われて、音孔105から伝達された音圧は電気信号として出力される。
The
近年では、微細な加工が可能なMEMS技術を用いることで、携帯電話などの小型化が強く求められている用途に対応するように、マイクロフォンの小型化、軽量化を図っている。 In recent years, the use of MEMS technology capable of microfabrication has attempted to reduce the size and weight of a microphone so as to correspond to applications in which downsizing of mobile phones and the like is strongly demanded.
このようなマイクロフォンに関する先行技術文献として、例えば下記特許文献1、2がある。下記特許文献2は振動膜102をカンチレバー構造とした例である。
As prior art documents related to such a microphone, for example, there are
上記従来例において、マイクロフォンの小型化と高性能化には相反する関係があり、その両立が困難であるという問題があった。 In the conventional example, there is a conflicting relationship between miniaturization and high performance of the microphone, and there is a problem that it is difficult to achieve both.
具体的には、従来の電気機械変換器の振動膜は、音圧により振動する第1振動領域と、第1振動領域の外周に配置された第2振動領域を備え、第1振動領域がその第2振動領域によって枠体に支持固定されており、電気機械変換器を小型化するために枠体を小さくし振動膜を小さくすると、第1振動領域から枠体までの第2振動領域の距離が短くなるため、音圧を受けた時の第1振動領域の振動の変位が小さくなってしまい、誘起される電荷も小さくなり感度が低下してしまう。 Specifically, a vibration membrane of a conventional electromechanical transducer includes a first vibration region that vibrates due to sound pressure, and a second vibration region that is disposed on the outer periphery of the first vibration region. If the frame is made smaller and the vibration membrane is made smaller in order to reduce the size of the electromechanical transducer, the distance of the second vibration region from the first vibration region to the frame is supported and fixed to the frame by the second vibration region. Therefore, the displacement of the vibration in the first vibration region when receiving the sound pressure is reduced, the induced charge is also reduced, and the sensitivity is lowered.
このような感度低下を極力抑えて小型化を図るためには、枠体によって振動膜に加わる張力を下げる、振動膜を薄くして曲げ剛性を下げかつ軽量化する、振動膜と固定膜間に印加する電界を上げるといった方法が取られている。 In order to minimize such sensitivity reduction and reduce the size, the tension applied to the diaphragm by the frame is reduced, the diaphragm is thinned to reduce the bending rigidity and reduce the weight, and between the diaphragm and the fixed membrane. The method of raising the electric field to be applied is taken.
ところが、振動膜の張力低下や振動膜の薄膜化を図ると、振動膜全体が変位し易くなるため第1振動領域が撓みを生じ易くなり、印加された電界による引力で第1振動領域の撓んだ部分が局部的に固定膜に近接や接触して感度が低下するという課題が生ずる。また、印加する電界を上げることも、第1振動領域の撓みを増長させるため、感度低下の要因となっている。 However, if the tension of the vibrating membrane is reduced or the vibrating membrane is made thinner, the entire vibrating membrane is easily displaced, and the first vibrating region is likely to bend, and the first vibrating region is bent by the attractive force due to the applied electric field. There is a problem that the sensitivity is lowered due to the local portion approaching or contacting the fixing film locally. In addition, increasing the electric field to be applied also increases the bending of the first vibration region, which causes a decrease in sensitivity.
本発明は、従来の電気機械変換器で課題であった、電気機械変換器の小型化と高性能化の両立を図ることを目的とするものである。 An object of the present invention is to achieve both miniaturization and high performance of an electromechanical transducer, which has been a problem with conventional electromechanical transducers.
この課題を解決するために本発明の一形態における電気機械変換器は、第1振動領域と前記第1振動領域の周囲に配置された第2振動領域とを有する振動膜と、前記振動膜の表面に対向して配置された固定膜と、前記第1振動領域の裏面に配置され、前記第1振動領域の撓みを抑制する補強部とを備え、前記振動膜および前記固定膜により構成されるコンデンサにより、前記振動膜の振動を電気信号に変換する。 In order to solve this problem, an electromechanical transducer according to an embodiment of the present invention includes a vibration film having a first vibration area and a second vibration area disposed around the first vibration area, and the vibration film A fixed film disposed opposite to the front surface; and a reinforcing portion disposed on a back surface of the first vibration region to suppress bending of the first vibration region, and configured by the vibration film and the fixed film. The vibration of the diaphragm is converted into an electric signal by a capacitor.
この構成によれば、第1振動領域の裏面に補強部を形成することで第1振動領域の曲げ剛性を高めることができるので、印加電圧や外力による第1振動領域の撓みを抑制することができる。したがって、第1振動領域の振動変位を大きくするために振動膜の膜厚を薄くしたり張力を下げたりしても、第1振動領域の撓みは抑制され、第2振動領域を音圧などによって撓み易くすることができる。よって、第1振動領域は撓みを抑制して固定膜との近接や接触を抑え、第2振動領域は撓み易くすることで音圧等による第1振動領域全体の変位を大きくすることができ、振動膜が局部的に固定膜に接触または近接することを防止して、電気機械変換器の小型化と高性能化を両立することができる。 According to this configuration, since the bending rigidity of the first vibration region can be increased by forming the reinforcing portion on the back surface of the first vibration region, it is possible to suppress bending of the first vibration region due to an applied voltage or an external force. it can. Therefore, even if the film thickness of the vibrating membrane is reduced or the tension is lowered in order to increase the vibration displacement of the first vibration region, the bending of the first vibration region is suppressed, and the second vibration region is suppressed by sound pressure or the like. It can be easily bent. Therefore, the first vibration region suppresses the deflection and suppresses the proximity and contact with the fixed film, and the second vibration region can be easily bent to increase the displacement of the entire first vibration region due to the sound pressure or the like, The vibration membrane can be prevented from locally contacting or approaching the fixed membrane, so that both the miniaturization and high performance of the electromechanical transducer can be achieved.
ここで、前記補強部は、複数の開口部を有する網目状に形成され、前記第1振動領域は、前記開口部ごとにそれぞれ第3振動領域を有するようにしてもよい。 Here, the reinforcing portion may be formed in a mesh shape having a plurality of openings, and the first vibration region may have a third vibration region for each of the openings.
この構成によれば、補強部が開口部を有する網目状に形成され、複数の各開口部に第3振動領域を有しているので、第1振動領域全体だけでなく第3振動領域ごとの振動も得ることができ、電気機械変換器の感度を向上することができる。また、第3振動領域を構成する振動膜を薄くしたり張力を下げたりすることで、それぞれの第3振動領域の変位を大きくすることができ、より感度を向上することができる。 According to this configuration, since the reinforcing portion is formed in a mesh shape having openings, and each of the plurality of openings has the third vibration region, not only the entire first vibration region but also each third vibration region. Vibration can also be obtained, and the sensitivity of the electromechanical transducer can be improved. Further, by reducing the thickness of the vibration film constituting the third vibration region or decreasing the tension, the displacement of each third vibration region can be increased, and the sensitivity can be further improved.
ここで、前記補強部は、前記振動膜と一体に形成されているようにしてもよい。 Here, the reinforcing portion may be formed integrally with the vibrating membrane.
この構成によれば、第1振動領域の曲げ剛性をより高めることができ、第1振動領域の撓みをより抑制することができる。 According to this configuration, the bending rigidity of the first vibration region can be further increased, and the bending of the first vibration region can be further suppressed.
ここで、前記振動膜および前記補強部は、前記振動膜の表面から網目状の凹部を有し、前記網目状の凹部により前記第1振動領域が複数の前記第3振動領域に分離されているようにしてもよい。 Here, the vibration film and the reinforcing portion have a mesh-shaped recess from the surface of the vibration film, and the first vibration region is separated into the plurality of third vibration regions by the mesh-shaped recess. You may do it.
この構成によれば、補強部を軽量化し、かつ、第1振動領域の曲げ剛性を高くすることができるので、第1振動領域の撓みをより抑制することができる。 According to this configuration, the reinforcing portion can be reduced in weight and the bending rigidity of the first vibration region can be increased, so that the bending of the first vibration region can be further suppressed.
ここで、前記第2振動領域は、前記第1振動領域よりも前記固定膜に対して離れた位置に屈曲して配置されているようにしてもよい。 Here, the second vibration area may be bent and arranged at a position farther from the fixed film than the first vibration area.
この構成によれば、第2振動領域と固定膜の間に分配される信号電荷を減少して、第1振動領域の振動を効率よく電気信号に変換することができる。 According to this configuration, the signal charge distributed between the second vibration region and the fixed film can be reduced, and vibration in the first vibration region can be efficiently converted into an electric signal.
ここで、前記開口部は、それぞれ六角形の形状を有しているようにしてもよい。 Here, each of the openings may have a hexagonal shape.
ここで、前記開口部は、それぞれ円形の形状を有しているようにしてもよい。 Here, each of the openings may have a circular shape.
ここで、前記開口部は、隣接する前記開口部が千鳥配列になるように配置されているようにしてもよい。 Here, the openings may be arranged such that the adjacent openings are in a staggered arrangement.
ここで、前記開口部は、隣接する前記開口部が蜂の巣状になるように配置されているようにしてもよい。 Here, the opening may be arranged such that the adjacent opening has a honeycomb shape.
ここで、前記開口部は、前記第1振動領域の中心から外周に向かって配置されるほど形状が大きくなるように形成されてもよい。 Here, the opening may be formed so as to increase in shape as it is arranged from the center of the first vibration region toward the outer periphery.
この構成によれば、開口部の形状や配列を変更することによって、電気機械変換器の周波数応答特性を広くすることが可能であり、また、第1振動領域の剛性を効率よく高めることができるので、電気機械変換器の性能をより高くすることができる。 According to this configuration, it is possible to widen the frequency response characteristics of the electromechanical transducer by changing the shape and arrangement of the openings, and it is possible to efficiently increase the rigidity of the first vibration region. Therefore, the performance of the electromechanical converter can be further increased.
ここで、前記振動膜および前記固定膜の少なくともいずれかに電荷が注入され、前記振動膜および前記固定膜によりエレクトレットコンデンサが構成されるようにしてもよい。 Here, an electric charge may be injected into at least one of the vibration film and the fixed film, and an electret capacitor may be configured by the vibration film and the fixed film.
この構成によれば、振動膜と固定膜の間に電界を印加するための回路構成を省略することができるので、電気機械変換器をより小型化することができる。 According to this configuration, the circuit configuration for applying an electric field between the vibrating membrane and the fixed membrane can be omitted, and the electromechanical transducer can be further downsized.
また、本発明は、電気機械変換器として実現できるだけでなく、音圧による前記振動膜の振動を電気信号に変換する、上記した構成を備えるマイクロフォンとして実現することもできる。 Moreover, the present invention can be realized not only as an electromechanical converter but also as a microphone having the above-described configuration that converts vibration of the vibrating membrane due to sound pressure into an electric signal.
また、この課題を解決するために本発明の一形態における電気機械変換器の製造方法は、基板の表面に網目状の溝部を形成する工程と、前記基板の表面および前記溝部に、前記振動膜および前記振動膜の前記第1振動領域の撓みを抑制する補強部を一体に形成する工程とを含む。 In order to solve this problem, a method of manufacturing an electromechanical converter according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a mesh-like groove on a surface of a substrate, and the vibration film on the surface of the substrate and the groove. And a step of integrally forming a reinforcing portion that suppresses the bending of the first vibration region of the vibration film.
この構成によれば、第1振動領域の裏面に網目状の補強部を振動膜と一体に容易に形成することができ、第1振動領域の曲げ剛性が高い電気機械変換器を容易に形成することができる。 According to this configuration, the mesh-like reinforcing portion can be easily formed integrally with the vibration film on the back surface of the first vibration region, and an electromechanical transducer having high bending rigidity in the first vibration region can be easily formed. be able to.
ここで、前記基板の表面、前記溝部の側面および底面に形成される前記振動膜および前記補強部の厚さが均一であるようにしてもよい。 Here, the thickness of the vibration film and the reinforcing portion formed on the surface of the substrate, the side surface and the bottom surface of the groove portion may be uniform.
この構成によれば、振動膜を均一な厚さに形成し、かつ、補強部を軽量化して、第1振動領域の曲げ剛性が高い電気機械変換器を容易に形成することができる。 According to this configuration, it is possible to easily form an electromechanical transducer in which the vibration film is formed to have a uniform thickness and the reinforcing portion is reduced in weight and the bending rigidity of the first vibration region is high.
本発明により、第1振動領域の撓みを抑制して、電気機械変換器の小型化と高性能化の両立を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to achieve both reduction in size and high performance of the electromechanical transducer by suppressing the bending of the first vibration region.
以下、本発明にかかる電気機械変換器の構成についてマイクロフォンの例をもって説明する。本発明は、同様な構成の可動(振動)膜を有する電気機械変換器として、熱・圧力のセンサーデバイス全般や静電アクチュエータなどに適用できるが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。 Hereinafter, the configuration of the electromechanical transducer according to the present invention will be described with an example of a microphone. The present invention can be applied to heat and pressure sensor devices in general and electrostatic actuators as electromechanical transducers having movable (vibrating) membranes having the same configuration, but this is for illustrative purposes only. It is not intended to be limited to
(第1の実施の形態)
以下本発明の第1の実施の形態を、添付図面を用いて説明する。本実施の形態では、第1振動領域の裏面に配置され、第1振動領域の撓みを抑制する補強部を備えたマイクロフォンについて説明する。この構成によれば、第1振動領域の裏面に補強部を形成することで第1振動領域の曲げ剛性を高めることができるので、印加電圧や外力による第1振動領域の撓みを抑制することができる。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the present embodiment, a microphone provided with a reinforcing portion that is disposed on the back surface of the first vibration region and suppresses the bending of the first vibration region will be described. According to this configuration, since the bending rigidity of the first vibration region can be increased by forming the reinforcing portion on the back surface of the first vibration region, it is possible to suppress bending of the first vibration region due to an applied voltage or an external force. it can.
図1に本実施の形態のマイクロフォン100の斜視断面図、図2にその上面図を示す。なお、振動膜2の構成を分かりやすくするために、図2のマイクロフォン100の上面図において枠体1の内部は固定膜3の表示を省略している。
FIG. 1 is a perspective sectional view of a
図1に示すように、マイクロフォン100は、枠体1と、振動膜2と、スペーサー4と、固定膜3と、補強部としての網目状枠体8と、引き出し電極10とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
振動膜2はポリシリコンからなり、音圧により振動する第1振動領域6と、第1振動領域6の周囲に配置された第2振動領域7とを有している。また、第1振動領域6は、裏面の全域に亘って第1振動領域6の撓みを防止するための補強部として網目状枠体8を備えている。網目状枠体8は、複数の開口部9を有する網目状に形成されたポリシリコンからなり、それぞれの開口部9の位置に配置された第1振動領域6は、それぞれ微小ダイアフラム2aを形作っている。なお、微小ダイアフラム2aが、本発明における第3振動領域に相当する。
The
また、図2に示すように、網目状枠体8の開口部9は、それぞれ上面からみた形状が六角形の形状を有しており、隣接する開口部9との間で千鳥配列となるように配置することで、特定の方向に対して網目状枠体8の曲げ剛性が弱くならないように工夫している。図2には、特に強度が強い六角形の微小ダイアフラム2aを蜂の巣状に配置した例を示している。
In addition, as shown in FIG. 2, the
振動膜2は、図1に示すように、マイクロフォン100の外形を形成する枠体1により第2振動領域において支持されている。枠体1は、外周形状が菱形のシリコン基板からなり、シリコン基板の表面および裏面を貫通して、枠体1の内周形状が六角形に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
また、図1に示すように、振動膜2の表面には、固定膜3がスペーサー4によって所定の間隔を隔てて対向して配置されている。
Further, as shown in FIG. 1, a fixed
固定膜3は、複数の音孔5を備え、音孔5を介して外部からの音圧が振動膜2に伝達され、音圧に応じて振動膜2が振動する。振動膜2と固定膜3とは導電性を有し、振動膜2と固定膜3の間には、所定の電界が印加されており、振動膜2が音圧によって振動することで、所定の間隔を隔てたコンデンサを構成している振動膜2と固定膜3との間に振動膜2の変位に応じた電荷が誘起する。
The fixed
振動膜2と固定膜3との間に電界を印加する方法として、外部電源によって電圧を印加する方法と、振動膜2もしくは固定膜3にあらかじめ電荷を注入して固定化することでエレクトレットコンデンサを構成する方法とがある。エレクトレットコンデンサ方式では、外部電圧を印加することなく振動膜2と固定膜3との間に電界を発生することができる。
As a method of applying an electric field between the vibrating
また、図1に示すように、固定膜3の表面の枠体1の菱形の鋭角余白部に相当する位置には、電気信号を取り出す引き出し電極10を形成している。両側の引き出し電極10は、それぞれ振動膜2と固定膜3に電気的に接続されている。このような構成により、振動膜2の振動変位により振動膜2と固定膜3との間に発生する電界変化を読み出して、振動膜2が受けた音圧という機械的変化を電気信号に変換している。
Further, as shown in FIG. 1, an
次に、図3A、図3B、図8Cを参照しながら、本発明の構成と従来例とを対比しながらその差異について説明する。 Next, the difference between the configuration of the present invention and the conventional example will be described with reference to FIGS. 3A, 3B, and 8C.
図3Aは図2におけるAA線における矢視断面図であり本発明の実施例を示す断面図で、図8Cは従来例を示す断面図である。また、図3Bは、図3AのP部付近の拡大断面図である。 3A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 and is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention. FIG. 8C is a cross-sectional view showing a conventional example. FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of a portion P in FIG. 3A.
図8Cに示した従来例では、振動膜102が均一な厚さの薄膜によって形成されていることから、振動膜102は、音孔105からの音圧に応じて振動膜102と固定膜103との間に印加された電界によって固定膜103に引き寄せられ、振動膜102の中央ほど固定膜103に近接するように撓んでしまい、極端に撓んだ場合は局部的に固定膜103と接触して振動膜102の振動が抑制され、マイクロフォンとしての感度が出なくなってしまう。
In the conventional example shown in FIG. 8C, since the
一方、図3Aに示すように、本発明の構成では、第1振動領域6の裏面が網目状枠体8によって支持されているため、第1振動領域6内での極端な撓みは抑制される。第1振動領域6は第2振動領域7を介して枠体1に支持固定されており、振動膜2の膜厚を薄くするなどして撓み易くすることで音圧が加わった時の第1振動領域6の変位を発生し易くしている。ここで、振動膜2の膜厚を薄くしても第1振動領域6は網目状枠体8によって強化されているため、従来例のような大きな撓みを発生することなく、局部的な固定膜3との接触を抑制することができる。したがって、振動膜2を薄くするなどして撓み易くすると、第2振動領域7が大きく変位することとなり、第1振動領域6を固定膜3に対してほぼ平行な状態で大きく変位させるとともに局部的な接触を抑制することが可能となる。
On the other hand, as shown in FIG. 3A, in the configuration of the present invention, since the back surface of the
また、図8Cに示すように従来例の構成では、振動膜102の中央ほど固定膜103に近接するため、中央の振動膜102の振動ほど感度が高くコンデンサマイクロフォンの感度に有効に寄与し、振動膜102の外周部ほどコンデンサマイクロフォンの感度への寄与が少なくなってしまう。一方、図3Aに示すように、本発明の構成では、第1振動領域6全体が平行移動する形で音孔5からの音圧に対して振動するため、第1振動領域6全体の振動を有効にコンデンサマイクロフォンの信号として取り出すことができる。
Further, in the configuration of the conventional example as shown in FIG. 8C, since the center of the
さらに、網目状枠体8が開口部9を有する場合、図3AのP部付近の拡大断面図である図3Bに示すように、網目状枠体8の開口部9に配置された微小ダイアフラム2aを薄くすることで、各開口部9に配置された微小ダイアフラム2aを音圧によって振動し易くすることができる。したがって、第1振動領域6全体の音圧による変位に加えて、図3Bに示すようにそれぞれの微小ダイアフラム2aも音圧によって変位するので、さらにマイクロフォンとしての感度を上げることができる。従来例の枠体1の開口部よりも、本発明の個々の開口部9は格段小型であるため、微小ダイアフラム2aが撓んだとしても固定膜3に接触するほど撓まないよう制御ができる。
Further, when the
引き続き、図4A〜図4Dを参照しながら、本実施の形態のマイクロフォンの製造方法について説明する。 The microphone manufacturing method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 4D.
はじめに、図4Aに示すように、枠体1を構成する支持基板11としてシリコン基板を用意し、支持基板11の表面に網目状枠体8の形状に相当する溝部15を形成し、溝部15の底面および側面を含む支持基板11の表面全面を被覆するようにバリア膜12を形成する。バリア膜12は、一例としてシリコン窒化膜により形成する。
First, as shown in FIG. 4A, a silicon substrate is prepared as the
次に、図4Bに示すように、振動膜2としてポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、バリア膜12上を被覆するとともに溝部15内を充填するようにポリシリコン膜を形成し、網目状枠体8と振動膜2を一体に形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a polysilicon film is formed as the
次に、図4Cに示すように、振動膜2上を被覆する形で、スペーサー4として例えばBPSG(Boro−Phospho Silicate Glass)を構成材料として絶縁膜を形成し、さらにその上に固定膜3としてポリシリコン膜を形成する。そして、固定膜3となるポリシリコン膜の一部を孔状にエッチング除去することでポリシリコン膜を貫通する複数の音孔5を形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, an insulating film is formed as a
さらに、図4Dに示すように、音孔5を介してスペーサー4となる絶縁膜を、外周となる一部を残して犠牲層エッチングにより除去して、枠状のスペーサー4を形成する。これにより、振動膜2と固定膜3とが所定の間隔で対向配置された構成となる。
Further, as shown in FIG. 4D, the insulating film to be the
その後、支持基板11を外周となる一部を残して裏面からバリア膜12までエッチングすることで枠体1を設ける。さらに、バリア膜12もエッチング除去し、第1振動領域6の裏面に網目状枠体8が完成する。
Then, the
本実施の形態の製造方法では、振動膜2と網目状枠体8とを同一材料によって形成しているが、別々の部材とした構成でも本発明特有の効果が得られる。
In the manufacturing method of the present embodiment, the vibrating
また、支持基板11がシリコンで、振動膜2をポリシリコンとしたため、エッチングレートの違いを考慮して支持基板11を裏面からエッチングする際の選択比確保のためにバリア膜12を設けているが、支持基板11と振動膜2とがエッチング選択比の取れる材料の組み合わせであれば、バリア膜12を設ける必要はない。
In addition, since the
(第2の実施の形態)
引き続き、本発明の第2の実施の形態について図5Aおよび図5Bを参照しながら説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、マイクロフォンの製造方法において、支持基板に形成された溝部全体にはポリシリコンを充填せず、支持基板の表面、溝部の側面および底面においてポリシリコン膜の厚さが均一になるようにポリシリコン膜を形成する点である。つまり、振動膜は、振動膜および補強部に振動膜の表面から網目状の凹部を有し、網目状の凹部により第1振動領域が複数の第3振動領域に分離された形状を有する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. The second embodiment is different from the first embodiment in that in the microphone manufacturing method, the entire groove formed in the support substrate is not filled with polysilicon, but on the surface of the support substrate, the side surface and the bottom surface of the groove. The polysilicon film is formed so that the thickness of the polysilicon film is uniform. In other words, the vibration film has a mesh-shaped concave portion from the surface of the vibration film in the vibration film and the reinforcing portion, and the first vibration region is separated into a plurality of third vibration regions by the mesh-shaped concave portion.
図5Aは、本発明の第2の実施の形態であるマイクロフォンの製造方法の一部工程を示す断面図、図5Bは、完成したマイクロフォンの構造を示す断面図である。 FIG. 5A is a cross-sectional view showing a part of the process of the microphone manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view showing the structure of the completed microphone.
第1の実施の形態と同様に、枠体1を構成する支持基板11としてシリコン基板を用意し、支持基板11の表面に網目状枠体28および第2振動領域27の形状に相当する溝部25を形成する。また、溝部25の底面および側面を含む支持基板11の表面全面を被覆するようにバリア膜12を形成する。
Similar to the first embodiment, a silicon substrate is prepared as the
そして、第1の実施の形態では、CVD法により溝部15内を充填するように網目状枠体8のポリシリコン膜を形成していたのに対して、本実施の形態では、図5Aに示すように、溝部25を完全に埋めないように振動膜22のポリシリコン膜を成膜する。具体的には、溝部25を形成した支持基板11の表面を被覆するようにバリア膜12としてシリコン窒化膜を成膜し、さらにその上を被覆するようにCVD法により振動膜22のポリシリコン膜を成膜することで、溝部25の側面および底面に形成されるポリシリコンの厚さが均一になるようにして、網目状枠体28と振動膜22を一体に形成する。
In the first embodiment, the polysilicon film of the
その後、第1の実施の形態と同様に、振動膜22上を被覆する形で、スペーサー4として例えばBPSGを構成材料として絶縁膜を形成し、さらにその上に固定膜3としてポリシリコン膜を形成する。そして、固定膜3となるポリシリコン膜の一部を孔状にエッチング除去することでポリシリコン膜を貫通する複数の音孔5を形成する。
After that, as in the first embodiment, an insulating film is formed as a
さらに、音孔5を介してスペーサー4となる絶縁膜を、外周となる一部を残して犠牲層エッチングにより除去して、枠状のスペーサー4を形成する。これにより、振動膜22と固定膜3とが所定の間隔で対向配置された構成となる。
Further, the insulating film that becomes the
その後、支持基板11を外周となる一部を残して裏面からバリア膜12までエッチングすることで枠体1を設け、さらにバリア膜12もエッチング除去し、第1振動領域26の裏面に開口部29を有する網目状枠体28が完成する。
Thereafter, the
完成したマイクロフォンは、図5Bに示すように、振動膜22および網目状枠体28が振動膜22の表面から網目状の凹部30を有し、この網目状の凹部30により第1振動領域26が複数の微小ダイアフラム22aに分離された構成となっている。
In the completed microphone, as shown in FIG. 5B, the
このようにすることで、振動膜22の曲げ剛性が高められ第1振動領域26の撓みを抑えることができる。さらに、網目状枠体28が振動膜22と同じ膜厚の薄膜で形成できることから、網目状枠体28による第1振動領域26の重量増加によるマイクロフォンの感度低下をも抑えることができる。
By doing in this way, the bending rigidity of the
また、第2振動領域27の形状に相当する網目状の溝部25を形成することにより、図5Bに示すように、第2振動領域27における振動膜22と固定膜3との距離を、第1振動領域26よりも離すことが可能である。音圧を受けても変位が小さい第2振動領域27は電荷発生への寄与が少ないが、固定膜3との間でも静電容量を持つため、第1振動領域26で発生した信号電荷が第2振動領域27の容量にも分配され感度が低くなってしまう。そこで、第2振動領域27における振動膜22と固定膜3との距離を離すことで第2振動領域27に分配される信号電荷を削減し、感度低下を抑制することができる。
Further, by forming a mesh-
また、同様に、本実施の形態では、第1振動領域26の微小ダイアフラム22aを構成する部分の振動膜22よりも、網目状枠体28を構成する部分の振動膜22を固定膜3から遠ざけることが可能であり、網目状枠体28と固定膜3との間に分配される信号電荷も削減することで、音孔5からの音圧によって振動する微小ダイアフラム22aでの信号電荷を有効に取り出すことができる。
Similarly, in the present embodiment, the
(変形例1)
以下本発明の第1の実施の形態の変形例について、図6を参照しながら説明する。
(Modification 1)
Hereinafter, a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6に示すように、本変形例の電気機械変換器は、第1の実施の形態を示す図2の構成に対して、第1振動領域36の裏面に形成された網目状枠体38の複数の開口部39のサイズが異なるように設計されているところが異なる。このようにすることで、個々の微小ダイアフラム32aごとの音圧に対する応答特性を変えることができる。マイクロフォンにとっては周波数応答特性が重要であるが、複数のサイズに形成されて複数の応答特性を有する微小ダイアフラム32aによってマイクロフォンを構成することで、マイクロフォン全体の周波数応答を広い周波数で制御設計することが可能である。
As shown in FIG. 6, the electromechanical transducer of this modification example has a
特に、図6に示すように、第1振動領域36の中心近傍に配置された微小ダイアフラム32aほど小型で、外周ほどサイズが大きくなるように配置すると、第1振動領域36全体で固定膜3との距離をほぼ均一に確保しつつ効率よく音圧による振動の変位を得ることができる。つまり、振動膜32の第1振動領域36は網目状枠体38によって補強されているとは言え若干の撓みが発生し、中心ほど固定膜3に近接することになる。そこで、第1振動領域36の中心近傍の微小ダイアフラム32aのサイズを小さくして中心近傍のそれぞれの微小ダイアフラム32aの振動の変位を抑え、第2振動領域37に近づく周辺ほど微小ダイアフラム32aのサイズを大きくして微小ダイアフラム32aの変位が大きくなるようにしている。したがって、第1振動領域36全体で固定膜3との距離をほぼ均一に確保しつつ、効率よく音圧による振動変位を得る構成とすることができる。
In particular, as shown in FIG. 6, when the
(変形例2)
以下本発明の第1の実施の形態の他の変形例について、図7を参照しながら説明する。
(Modification 2)
Hereinafter, another modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7に示すように、本変形例の電気機械変換器は、第1の実施の形態を示す図2の構成に対して、第1振動領域46の裏面に形成された網目状枠体48の複数の開口部49を、それぞれの形状を円形としたところが異なる。このように開口部49および微小ダイアフラム42aの形状は六角形に制約されるものではなく、円形でも同様の効果が得られる。特に、微小ダイアフラム42aを音圧によって効率よく振動させるためには、その形状が縦横のサイズが異なる扁平なものよりも真円に近い形状が好ましい。また、同様に、第2振動領域47の外周の形状、つまり振動膜42の外周の形状も六角形に限らずその他の形状に変更してもよい。
As shown in FIG. 7, the electromechanical transducer of this modification example has a
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, You may perform a various improvement and deformation | transformation within the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、以上に示した本発明の実施の形態では、振動膜および固定膜として単層の薄膜として記載しているが、本発明の効果はこの構成に制約されるものではなく、例えば振動膜を多層膜としても同様の効果が得られる。具体的に、振動膜としてポリシリコンの両面に絶縁膜を形成したり、エレクトレット方式の場合の注入電荷を保持するための電荷保持層を形成したりといったことを行っても良い。また、補強部の構造は、開口部を有する網目状枠体に限らず、開口部を有さない板状の形状などであってもよい。 For example, in the embodiment of the present invention described above, the vibration film and the fixed film are described as a single-layer thin film, but the effect of the present invention is not limited to this configuration. The same effect can be obtained as a multilayer film. Specifically, an insulating film may be formed on both sides of polysilicon as the vibration film, or a charge holding layer for holding injected charge in the case of the electret method may be formed. Further, the structure of the reinforcing portion is not limited to the mesh frame having an opening, but may be a plate shape having no opening.
なお、網目状枠体として第1の実施の形態のような頑強な枠構造とするか、第2の実施の形態のような振動膜を屈曲した形状とするかは、振動膜の撓みの抑制を重視するか重量増加の抑制を重視するかで選択可能である。 Whether the mesh frame has a robust frame structure as in the first embodiment or a bent vibration film as in the second embodiment determines whether the vibration film is bent or not. Can be selected depending on whether the emphasis is on the suppression of weight increase.
また、振動膜、固定膜、スペーサー等の構成材料は上記した構成材料に限定されるものではなく、ポリシリコン、BPSG以外のどのような構成材料を使用してもよい。また、成膜の方法はCVD法に限らずどのような方法であってもよい。また、エッチングの方法は、ドライエッチング、ウエットエッチング等どのような方法であってもよい。 Further, the constituent materials such as the vibration film, the fixed film, and the spacer are not limited to the above-described constituent materials, and any constituent material other than polysilicon and BPSG may be used. The film forming method is not limited to the CVD method, and any method may be used. The etching method may be any method such as dry etching or wet etching.
また、上記した実施形態では、音圧に対応する振動膜の振動を電気信号に変換するマイクロフォンを例として説明したが、本発明は、音に限らず、熱、圧力、加速度など、様々な情報を感知または出力するための電気機械変換器に利用してもよい。 In the above-described embodiment, the microphone that converts the vibration of the diaphragm corresponding to the sound pressure into an electrical signal has been described as an example. It may be used in an electromechanical converter for sensing or outputting.
以上のごとく本発明は、網目状の枠体によって振動膜の第1振動領域の撓みを抑制して固定膜との近接や接触を抑え、第1振動領域を支持する第2振動領域を撓み易くすることで音圧等による第1振動領域全体の変位を大きくすることができ、熱や音、圧力、加速度など、様々な情報を感知または出力する電気機械変換器の小型化と高性能化を両立することができる。 As described above, the present invention suppresses the deflection of the first vibration region of the vibration film by the mesh-like frame body, suppresses the proximity and contact with the fixed film, and easily deflects the second vibration region that supports the first vibration region. As a result, the displacement of the entire first vibration area due to sound pressure, etc. can be increased, and the electromechanical transducer that senses or outputs various information such as heat, sound, pressure, and acceleration can be made smaller and higher performance. It can be compatible.
したがって、携帯電話や携帯端末などのパーソナル電子機器の機能の多様化、高性能化、小型軽量化に貢献できるものである。 Therefore, it is possible to contribute to diversification of functions, higher performance, and reduction in size and weight of personal electronic devices such as mobile phones and mobile terminals.
1、101 枠体
2、22、32、42、102 振動膜
2a、22a、32a、42a 微小ダイアフラム(第3振動領域)
3、103 固定膜
6、26、36、46 第1振動領域
7、27、37、47 第2振動領域
8、28、38、48 網目状枠体(補強部)
9、29、39、49 開口部
11 支持基板(基板)
15、25 溝部
30 網目状の凹部
100 マイクロフォン(電気機械変換器)
1, 101
3, 103
9, 29, 39, 49
15, 25
Claims (14)
前記振動膜の表面に対向して配置された固定膜と、
前記第1振動領域の裏面に配置され、前記第1振動領域の撓みを抑制する補強部とを備え、
前記振動膜および前記固定膜により構成されるコンデンサにより、前記振動膜の振動を電気信号に変換する
電気機械変換器。 A vibration membrane having a first vibration region and a second vibration region disposed around the first vibration region;
A fixed membrane disposed opposite to the surface of the vibrating membrane;
A reinforcing portion that is disposed on the back surface of the first vibration region and suppresses bending of the first vibration region;
An electromechanical converter that converts vibration of the vibration film into an electric signal by a capacitor configured by the vibration film and the fixed film.
前記第1振動領域は、前記開口部ごとにそれぞれ第3振動領域を有する
請求項1に記載の電気機械変換器。 The reinforcing portion is formed in a mesh shape having a plurality of openings,
The electromechanical transducer according to claim 1, wherein the first vibration area has a third vibration area for each of the openings.
請求項1または2に記載の電気機械変換器。 The electromechanical converter according to claim 1, wherein the reinforcing portion is formed integrally with the vibrating membrane.
請求項3に記載の電気機械変換器。 The vibration film and the reinforcing portion have a mesh-shaped recess from a surface of the vibration film, and the first vibration region is separated into a plurality of the third vibration regions by the mesh-shaped recess. The electromechanical converter described in 1.
請求項4に記載の電気機械変換器。 5. The electromechanical transducer according to claim 4, wherein the second vibration region is bent and disposed at a position farther from the fixed film than the first vibration region.
請求項2に記載の電気機械変換器。 The electromechanical transducer according to claim 2, wherein each of the openings has a hexagonal shape.
請求項2に記載の電気機械変換器。 The electromechanical transducer according to claim 2, wherein each of the openings has a circular shape.
請求項2に記載の電気機械変換器。 The electromechanical transducer according to claim 2, wherein the openings are arranged such that adjacent openings are arranged in a staggered arrangement.
請求項6に記載の電気機械変換器。 The electromechanical transducer according to claim 6, wherein the openings are arranged such that the adjacent openings have a honeycomb shape.
請求項2に記載の電気機械変換器。 The electromechanical transducer according to claim 2, wherein the opening is formed so that the shape increases as it is arranged from the center of the first vibration region toward the outer periphery.
請求項1〜10のいずれかに記載の電気機械変換器。 The electromechanical converter according to claim 1, wherein an electric charge is injected into at least one of the vibration film and the fixed film, and an electret capacitor is configured by the vibration film and the fixed film.
基板の表面に網目状の溝部を形成する工程と、
前記基板の表面および前記溝部に、前記振動膜および前記振動膜の前記第1振動領域の撓みを抑制する補強部を一体に形成する工程とを含む
電気機械変換器の製造方法。 An electromechanical transducer comprising: a vibration film having a first vibration area and a second vibration area disposed around the first vibration area; and a fixed film disposed opposite to the surface of the vibration film. A manufacturing method comprising:
Forming a mesh-like groove on the surface of the substrate;
And a step of integrally forming, on the surface of the substrate and the groove, a reinforcing portion that suppresses bending of the vibrating membrane and the first vibrating region of the vibrating membrane.
請求項13に記載の電気機械変換器の製造方法。 The method of manufacturing an electromechanical converter according to claim 13, wherein the vibration film formed on the surface of the substrate, the side surface and the bottom surface of the groove portion, and the reinforcing portion have a uniform thickness.
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