JP2011239324A

JP2011239324A - 音響センサ

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Publication number: JP2011239324A
Application number: JP2010110946A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kasai; 隆笠井
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-13
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Abstract

【課題】ダイアフラムのスティックを防止することができ、しかも、センサ落下時の衝撃によってダイアフラムが破損しにくい音響センサを提供する。
【解決手段】音圧に感応するダイアフラム３３が、プレート部３９と固定電極膜４０からなるバックプレート３４に対向し、静電容量型の音響センサ３１を構成する。バックプレート３４には、振動を通過させるためのアコースティックホール３８が開口し、またダイアフラム３３と対向する面には複数のストッパ４２ａ、４２ｂが突設している。バックプレート３４の外周エリアに設けたストッパ４２ｂは直径が小さく、内部エリアに設けたストッパ４２ａは直径が大きくなっている。
【選択図】図４

Description

本発明は音響センサに関し、具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造されるＭＥＭＳ方式の音響センサに関する。

静電容量方式の音響センサとしては、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の音響センサでは、薄膜のダイアフラムとバックプレートに設けた固定電極膜を微小なエアギャップを隔てて対向させることによってキャパシタを構成している。そして、音響振動によってダイアフラムが振動すると、その振動によってダイアフラムと固定電極膜のギャップ距離が変化するので、そのときのダイアフラムと固定電極膜の間の静電容量の変化を検出することにより音響振動を検出している。

このような静電容量方式の音響センサでは、その製造工程や使用中において、ダイアフラムが固定電極膜に固着することがある（以下、ダイアフラムの一部又はほぼ全体が固定電極膜に固着してギャップがなくなった状態、あるいはその現象をスティックと呼ぶ。）。ダイアフラムが固定電極膜にスティックすると、ダイアフラムの振動が妨げられるので、音響センサによって音響振動を検出することができなくなる問題がある。

音響センサにスティックが発生する原因は、次のとおりである（特許文献２に詳しい。）。音響センサの製造工程、例えば犠牲層エッチング後の洗浄工程において、ダイアフラムと固定電極膜の間のエアギャップには水分が浸入する。また、音響センサの使用中においても、ダイアフラムと固定電極膜の間のエアギャップに、湿気や水濡れによって水分が浸入することがある。一方、音響センサのギャップ距離は数μｍしかなく、しかもダイアフラムは膜厚が１μｍ程度しかなくてバネ性が弱い。そのため、エアギャップに水分が浸入すると、その毛細管力ないし表面張力によってダイアフラムが固定電極膜に吸着され（これをスティックの第１段階という。）、水分の蒸発後もダイアフラムと固定電極膜の間に働く分子間力や表面間力、静電気力などによりダイアフラムのスティック状態が保持される（これをスティックの第２段階という。）。

また、大きな音圧や落下衝撃がダイアフラムに加わって大きく変位したダイアフラムが固定電極膜にくっついたり、ダイアフラムが静電気を帯びて固定電極膜にくっついたりしてスティックの第１段階が起きる場合もある。

上記のようなダイアフラムのスティックを防止するため、固定電極膜のダイアフラムと対向する面に多数のストッパ（突起）を設けた音響センサがある。このような音響センサは、例えば特許文献３に開示されている。

図１及び図２はストッパを有する音響センサを示す平面図及び断面図である。なお、図１及び図２では、本発明の実施形態１との比較を容易にするため、実施形態１の音響センサと同様な形態として表している。この音響センサ１１にあっては、シリコン基板１２の上面から下面へ向けてバックチャンバ１５が貫通し、バックチャンバ１５の上面を覆うようにしてシリコン基板１２の上面にポリシリコンからなる薄膜状のダイアフラム１３が配設されている。さらに、シリコン基板１２の上面には、ダイアフラム１３を覆うようにして天蓋状のバックプレート１４が固定されている。バックプレート１４は、ＳｉＮからなるプレート部１９の下面にポリシリコンからなる固定電極膜２０を設けたものである。ダイアフラム１３と固定電極膜２０との間には微小なエアギャップが形成されており、ダイアフラム１３と固定電極膜２０によってキャパシタが構成されている。バックプレート１４の全体には、音響振動を通過させるためのアコースティックホール１８が多数開口されている。また、バックプレート１４のうちダイアフラム１３と対向する領域の下面全体には、同一長さで同一直径の突起状をした複数個のストッパ２２がほぼ等間隔に設けられている。

このような音響センサ１１によれば、ダイアフラム１３が大きく変位した場合であっても、ストッパ２２の先端面がダイアフラム１３に当接することでダイアフラム１３がバックプレート１４に近づき過ぎるのを防ぐことができ、ダイアフラム１３のスティックを阻止することができる。

特許第４３３８３９５号公報特開２００８−３０１４３０号公報特開２００６−１５７８６３号公報

スティックの第２段階におけるダイアフラム１３とバックプレート１４の間の保持力は、ダイアフラム１３とバックプレート１４の接触面積と相関があることが知られている。すなわち、バックプレート１４にストッパ２２を設けていても、ストッパ２２の直径が大きいと、ダイアフラム１３とストッパ２２の接触面積が大きくなり、ダイアフラム１３の保持力が大きくなる。よって、バックプレート１４にストッパ２２を設けていても、ストッパ２２の直径が大きい場合には、スティックが起こりやすくなる。

従って、ダイアフラム１３のスティックを防止するためには、バックプレート１４にストッパ２２を設けるとともに、できるだけストッパ２２の直径を小さくし、ダイアフラム１３とバックプレート１４の接触面積を小さくすることが好ましい。

しかし、実使用時における落下事故あるいは落下試験においては、音響センサ１１が落下したときにダイアフラム１３がストッパ２２に衝突してダイアフラム１３に機械的負荷が加わる。そのため、ストッパ２２の直径が細いと、音響センサ１１が落下してダイアフラム１３がストッパ２２に衝突したとき、ダイアフラム１３に大きな機械的負荷が加わってダイアフラム１３が破損しやすくなる。

よって、従来の音響センサでは、スティック防止の性能と落下耐性とが互いに相反する関係にあり、両特性を満足するものを製作することができなかった。なお、特許文献２には、ストッパを設ける領域によってストッパの間隔を異ならせたものが開示されているが、このような方法では、スティック防止の性能と落下耐性を同時に満足するものを得ることはできない。

本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ダイアフラムのスティックを防止することができ、しかも、センサ落下時の衝撃によってダイアフラムが破損しにくい音響センサを提供することにある。

本発明に係る音響センサは、半導体基板の上方に配設された固定膜と前記固定膜に設けた固定電極膜からなるバックプレート、および、前記バックプレートと空隙を介して対向するようにして、前記半導体基板の上方に配設された振動電極膜を備え、音響振動を前記振動電極膜と前記固定電極膜の間の静電容量の変化に変換する音響センサにおいて、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の前記空隙側の面に複数の突起を設け、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方における突起形成領域に応じて前記突起の断面積を異ならせたことを特徴としている。

なお、前記音響センサにおいては、前記半導体基板がその上面から下方へ向けて空洞部を形成され、前記振動電極膜が前記半導体基板の上面に配設され、前記バックプレートが前記振動電極膜を覆うようにして前記半導体基板の上面に固定され、前記バックプレートに複数のアコースティックホールが開口されていてもよい。あるいは、前記バックプレートが前記半導体基板の上面に固定され、前記振動電極膜が前記バックプレートの上方に配設されていてもよい。

本発明の音響センサにあっては、断面積の異なる複数種類の突起を備え、スティックの起こりにくい比較的断面積の小さな突起の形成領域と、振動電極膜に加わる衝撃を小さくすることのできる比較的断面積の大きな突起の形成領域を異ならせているので、断面積の異なる突起の形成領域を最適化することで振動電極膜のスティックを防止することができ、しかも、センサ落下時の衝撃によって振動電極膜の破損が生じにくくすることができる。

本発明に係る音響センサのある実施態様は、断面積の異なる３種類以上の前記突起を有し、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の中心から外周側へ向けて順次断面積が小さくなるように突起が配置されている。かかる実施態様では、振動電極膜が自由端となっていてバックプレートにスティックしたときの弾性復元力の弱い外周エリアで突起の断面積を小さくしているので、振動電極膜がスティックしたときの外周エリアにおける保持力を小さくでき、振動電極膜のスティックが起こりにくくなる。また、衝撃などを受けたときに最初に振動電極膜がバックプレートに衝突しやすい中央部で突起の断面積が大きくなっているので、振動電極膜に加わる衝撃を緩和することができる。よって、この実施態様によれば、振動電極膜のスティックを防止できるとともにセンサ落下時の衝撃による振動電極膜の破損を防止することができる。

本発明に係る音響センサの別な実施態様は、前記バックプレート又は前記振動電極膜のの少なくとも一方の外周エリアに、比較的断面積の小さな前記突起を設け、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の内部エリアに、比較的断面積の大きな前記突起を設けている。かかる実施態様では、振動電極膜が自由端となっていてバックプレートにスティックしたときの弾性復元力の弱い外周エリアで突起の断面積が小さくなっているので、振動電極膜がスティックしたときの外周エリアにおける保持力を小さくでき、スティックが起こりにくくなる。また、衝撃などを受けたときに最初に振動電極膜がバックプレートに衝突しやすい内部エリアで突起の断面積が大きくなっているので、振動電極膜に加わる衝撃を緩和することができる。よって、この実施態様によれば、振動電極膜のスティックを防止できるとともにセンサ落下時の衝撃による振動電極膜の破損を防止することができる。

また、この実施態様においては、比較的断面積の小さな前記突起を設けた前記外周エリアの幅が、前記バックプレート又は前記振動電極膜の幅の１／４以下であることが好ましい。外周エリアの幅がこれよりも大きくなると、衝撃が加わったときに振動電極膜が断面積の小さな突起に接触して破損するおそれがあり、耐衝撃性が損なわれる可能性があるためである。

また、半導体基板の上面に振動電極膜を設け、振動電極膜を覆うようにして半導体基板の上面にバックプレートを設けて実施態様においては、前記振動電極膜の下面のうち前記半導体基板の上面と対向する領域に複数の凸部が設けられており、前記領域の外周部に設けた前記凸部の断面積が、前記領域の内周部に設けた前記凸部の断面積よりも小さくなっていてもよい。かかる実施態様によれば、振動電極膜が半導体基板の上面にスティックするのを防ぐことができ、しかも、振動電極膜が衝撃などによって半導体基板に衝突して破損するのを防ぐことができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１は、従来例の音響センサの平面図である。図２は、図１に示した音響センサの断面図である。図３は、本発明に係る実施形態１の音響センサを示す平面図である。図４は、実施形態１の音響センサを示す断面図である。図５は、実施形態１の音響センサにおける、バックプレートの下面図である。図６は、実施例１の音響センサにおいて、バックプレートを除去した状態を示した平面図である。図７は、実施形態１におけるストッパの配置を示したバックプレートの下面図である。図８は、実施形態１の音響センサの作用効果を説明するための概略断面図である。図９は、実施形態１の音響センサの作用効果を説明するための概略断面図である。図１０は、実施形態１の音響センサの作用効果を説明するための概略断面図である。図１１は、本発明に係る実施形態２の音響センサを示す概略断面図である。図１２は、本発明に係る実施形態３の音響センサを示す概略断面図である。図１３は、本発明に係る実施形態４の音響センサを示す概略断面図である。図１４は、本発明に係る実施形態５の音響センサを示す概略断面図である。図１５は、本発明に係る実施形態６の音響センサを示す概略断面図である。図１６は、本発明に係る実施形態７の音響センサを示す平面図である。図１７は、実施形態７の音響センサにおいてプレート部を取り除いた状態の平面図である。図１８は、実施形態７におけるストッパの配置を示したバックプレートの下面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図３−図７を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１の構造を説明する。図３は実施形態１の音響センサ３１を示す平面図である。図４は、音響センサ３１の断面図である。また、図５は、バックプレート１４の下面図である。図６は、音響センサ３１からバックプレート１４を取り除いた状態の平面図である。図７は、アコースティックホール３８を省略してストッパ４２ａ、４２ｂだけを表したバックプレート１４の下面図である。

この音響センサ３１はＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型素子であり、図４に示すように、シリコン基板３２（半導体基板）の上面にアンカー３７を介してダイアフラム３３（振動電極膜）を設け、その上に微小なエアギャップ（空隙）を介してバックプレート３４を固定したものである。

単結晶シリコンからなるシリコン基板３２には、表面から裏面に貫通したバックチャンバ３５（空洞部）が開口されている。バックチャンバ３５は内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。

シリコン基板３２の上面には、ダイアフラム３３の梁部３６を支持するための複数個のアンカー３７が設けられている。さらに、図６に示すように、シリコン基板３２の上面には、ダイアフラム３３を囲むようにして土台部４１が形成されている。さらに、シリコン基板３２の上面の、土台部４１よりも外側の領域は土台部４１よりも薄い密着層４７によって覆われている。アンカー３７及び土台部４１は、ＳｉＯ_２によって形成されている。密着層４７は、ＳｉＯ_２又はポリシリコンによって形成されている。

図６に示すように、ダイアフラム３３は、導電性を有する略円板状のポリシリコン薄膜によって形成されている。ダイアフラム３３の外周縁からは、複数個の梁部３６が延出しており、梁部３６は等間隔に配置されている。また、ダイアフラム３３からは外側に向けて帯板状の引出し配線４３が延びている。

ダイアフラム３３は、バックチャンバ３５の上面を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置されて、梁部３６の下面がアンカー３７に固定されている。よって、ダイアフラム３３が宙空に支持されるととともに、ダイアフラム３３の外周部下面とシリコン基板３２の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベンチレーションホール５７が形成されている。

バックプレート３４は、ＳｉＮからなるプレート部３９（固定膜）の下面にポリシリコンからなる固定電極膜４０を設けたものである。バックプレート３４は、ドーム状に形成されていてその下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム３３を覆っている。バックプレート３４の下の空洞部分の高さ（シリコン基板３２の上面から固定電極膜４０の下面までの高さ）は、製造上の理由から、シリコン基板３２の上面に形成された土台部４１の厚みと等しくなっている。バックプレート３４の下面（すなわち、固定電極膜４０の下面）とダイアフラム３３の上面との間には微小なエアギャップ（空隙）が形成されている。固定電極膜４０とダイアフラム３３は互いに対向していてキャパシタを構成している。

バックプレート３４のほぼ全体には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール３８（音響孔）が多数穿孔されている。図３及び図５に示すように、アコースティックホール３８は規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール３８は、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。

また、図４及び図５に示すように、バックプレート３４の下面には、円柱状をした２種類の微小なストッパ４２ａ、４２ｂ（突起）が突出している。ストッパ４２ａ、４２ｂは、プレート部３９の下面から一体に突出しており、固定電極膜４０を通過してバックプレート３４の下面に突出している。ストッパ４２ａ、４２ｂはプレート部３９と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。ストッパ４２ａとストッパ４２ｂとは等しい突出長を有していて、各ストッパ４２ａ、４２ｂの下端面は同一平面上に揃っているが、ストッパ４２ａはストッパ４２ｂよりも大きな直径を有している。

図７（アコースティックホール３８を省略している。）に示すように、細いストッパ４２ｂはバックプレート３４の外周エリアに設けられており、太いストッパ４２ａはバックプレート３４の内部エリア（外周エリアよりも内側の領域）に設けられている。特に、実施形態１の図示例では、ダイアフラム３３が固定電極膜４０よりも大きな面積を有しており、固定電極膜４０よりも外側で、かつ、ダイアフラム３３と対向する領域に細いストッパ４２ｂを設けている。また、固定電極膜４０の設けられている領域では、太いストッパ４２ａを設けている。

また、ストッパ４２ａ及び４２ｂは、全体として規則的に配置されている。ストッパ４２ａ、４２ｂは、アコースティックホール３８で囲まれた領域の中央に配置してもよく、あるいはいずれかのアコースティックホール３８に近接した位置に設けてもよい。

天蓋状をしたプレート部３９の外周縁からは、全周にわたって保護膜５３が連続的に延出している。保護膜５３の内周部は断面逆溝状をした土台被覆部５１となっており、保護膜５３の外周部は平坦部５２となっている。プレート部３９はシリコン基板３２の上面に固定されており、土台被覆部５１は土台部４１を覆っており、平坦部５２は密着層４７の上面を覆っている。

引出し配線４３は土台部４１に固定されており、固定電極膜４０から延出された引出し配線４４も土台部４１の上面に固定されている。一方、土台被覆部５１には開口があけられており、当該開口を通して引出し配線４３の上面に可動側電極パッド４６が形成され、可動側電極パッド４６は引出し配線４３に（したがって、ダイアフラム３３に）導通している。また、プレート部３９の上面に設けられた固定側電極パッド４５は、スルーホールなどを介して引出し配線４４に（したがって、固定電極膜４０に）導通している。

しかして、この音響センサ３１にあっては、音響振動がアコースティックホール３８を通過してバックプレート３４とダイアフラム３３との間のエアギャップに入ると、薄膜であるダイアフラム３３が音響振動によって振動する。ダイアフラム３３が振動してダイアフラム３３と固定電極膜４０との間のギャップ距離が変化すると、ダイアフラム３３と固定電極膜４０との間の静電容量が変化する。この結果、この音響センサ３１においては、ダイアフラム３３が感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム３３と固定電極膜４０の間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。

また、この音響センサ３１は、良好な耐衝撃性を有している。ダイアフラム３３は外周部を梁部３６によって保持されているので、音響センサ３１が落下した場合には、図８に示すように、まずダイアフラム３３の中央部がストッパに衝突する。しかし、この音響センサ３１では、内部エリアのストッパ４２ａは直径が大きくなっているので、ダイアフラム３３がストッパ４２ａに衝突したときの接触面積が大きくてダイアフラム３３に加わる衝撃が緩和される。よって、ダイアフラム３３が破損しにくくなり、音響センサ３１の落下耐性が向上する。

また、音響センサ３１の落下時以外にも、バックチャンバ３５からダイアフラム３３に風圧が加わった場合や、音響センサ３１に加速度が加わった場合なども、ダイアフラム３３がストッパに衝突するおそれがある。これらの場合もダイアフラム３３の中央部が太いストッパ４２ａに衝突することになるので、衝撃が緩和され、ダイアフラム３３が破損しにくくなる。よって、この音響センサ３１によれば、落下耐性に限らず、ダイアフラム３３の耐衝撃性を向上させることができる。

また、この音響センサ３１では、耐スティック性も向上している。図９に示すようにダイアフラム３３の全体がストッパ４２ａ、４２ｂの下面にスティックしたとしても、ダイアフラム３３の中央部は外周部に比べると元の位置に戻ろうとする弾性復元力が強いので、ストッパ４２ａの直径が大きくても、ダイアフラム３３の中央部は図１０に示すようにストッパ４２ａから剥離して元に戻りやすい。また、ダイアフラム３３の外周部（外周部のうち梁部３６で固定されていない部分）は自由端となっているため、ダイアフラム３３の外周部は中央部に比べて弾性復元力が弱い。しかし、この音響センサ３１では、ストッパ４２ｂの直径が小さいためにダイアフラム３３の外周部とストッパ４２ｂとの接触面積が小さいため、比較的小さな弾性復元力でもダイアフラム３３の外周部はストッパ４２ｂから剥離して元の位置に戻りやすくなり、スティックが起きにくくなる。

このように音響センサ３１によれば、バックプレート３４の内部エリアに設けられているストッパ４２ａの直径を大きくし、外周エリアに設けられているストッパ４２ｂの直径を小さくすることにより、音響センサ３１の耐衝撃性向上とスティックの防止という相反する作用効果を達成することができた。

つぎに、本発明の作用効果を最適化することのできるストッパ４２ａ、４２ｂの寸法などについて説明する。中央エリアに設けるストッパ４２ａは、落下試験時などの衝撃を緩和するためには、その直径を１μｍ以上にすることが望ましい。直径が１μｍよりも小さいと、ダイアフラム３３との接触面積が小さくなりすぎ、ダイアフラム３３が衝突したときの衝撃性の緩和が不十分になるためである。

外周エリアに設けるストッパ４２ｂは、ダイアフラム３３のスティックを防止するためには、その直径が５μｍ以下（ただし、ストッパ４２ａの直径よりも小さくなければならない。）であることが望ましい。直径が５μｍよりも大きくなると、ダイアフラム３３との接触面積が大きくなりすぎてストッパ４２ｂでの保持力が大きくなりすぎ、ダイアフラム３３のスティックを確実に防止できなくなるからである。

また、図４に示すように直径の小さなストッパ４２ｂを設ける外周エリアの幅をＸ、ダイアフラム３３の変形領域の幅をＷとするとき、外周エリアの幅Ｘはダイアフラム３３の変形領域の幅Ｗの１／４以下であること（すなわち、Ｘ≦Ｗ／４）が望ましい。外周エリアの幅Ｘがこれよりも大きいと、直径の小さなストッパ４２ｂの設けられているエリアが広くなるので、音響センサ３１に衝撃が加わった際にダイアフラム３３の中央部近傍が直径の小さなストッパ４２ｂと接触するおそれがあり、耐衝撃性が損なわれる可能性があるためである。

内部エリアのストッパ４２ａと外周エリアのストッパ４２ｂは、その面積比（長さ方向に垂直な断面積の比）が近すぎると、各々のエリアにおいてストッパ４２ａ、４２ｂがその効果を十分に発揮できないことになる。従って、ストッパ４２ａの断面積に対するストッパ４２ｂの断面積の比は、０.７５以下であることが好ましく、それによって耐衝撃性と耐スティック性を両立しやすくなる。

ストッパ４２ａ、４２ｂの直径および配置は、ダイアフラム３の強度、ダイアフラム３３のバネ定数、ダイアフラム３３とバックプレート３４の間の距離（ギャップ距離）、印加される負荷などに応じて決定される。例えば、ダイアフラム３３が、１辺の長さ７２０μｍのほぼ正方形で、その膜厚が１μｍ以下である場合では、ダイアフラム３３の強度が弱いので、内部エリアにおける耐衝撃性を考慮すれば、内部エリアにおけるストッパ４２ａの直径は３μｍ以上（例えば、直径５μｍ）とするのが好ましい。また、外周エリアにおいてはダイアフラム３３の復元力が小さいので、ダイアフラム３３の耐スティック性を考慮すれば、外周エリアにおけるストッパ４２ｂの直径はストッパ４２ａの断面積の半分程度となる直径（例えば、ストッパ４２ａの直径を５μｍとすれば、ストッパ４２ｂの直径は３.５μｍ程度となる。）とするのが好ましい。さらに、この場合には、外周エリアの幅Ｘは５０μｍ程度とするのが好ましい。

つぎに、その他の実施形態について説明する。実施形態２−６は実施形態１の音響センサ３１とほぼ同様な構造を有しているので、詳細な構造は省略して実施形態１と異なる点が分かるように描いた概略図を示す。また、実施形態１と同じ構造の部分については図面に同じ符号を付すことによって説明を省略する。

（第２の実施形態）
図１１は本発明の実施形態２による音響センサ６１を示す概略断面図である。実施形態１の音響センサ３１では、直径の異なる２種類のストッパ４２ａ、４２ｂをバックプレート３４の下面に設けていたが、直径の異なる３種類以上のストッパを設けてもよい。

図１１に示す音響センサ６１では、バックプレート３４の下面において、最外周エリアＥには直径が最も小さなストッパ４２ｅを設け、最外周エリアＥよりも内側の外周エリアＤには２番目に直径が小さなストッパ４２ｄを設け、外周エリアＤよりも内側の内部エリアＣには直径が最も大きなストッパ４２ｃを設けている。

（第３の実施形態）
図１２は本発明の実施形態３による音響センサ６２を示す概略断面図である。実施形態１の音響センサ３１では、バックプレート３４にストッパ４２ａ、４２ｂを設けていたが、実施形態３の音響センサ６２においては、ダイアフラム３３の上面にストッパ４２ａ、４２ｂを設けている。この音響センサ６２でも、ダイアフラム３３の上面において、外周エリアには直径が小さなストッパ４２ｂを設け、内部エリアには直径が大きなストッパ４２ａを設けている。その結果、この音響センサ６２でも、音響センサ６２の耐衝撃性を向上させると同時に、ダイアフラム３３のスティックを防止することができる。なお、図１２においては、ストッパ４２ａ、４２ｂの先端面と対向する箇所で固定電極膜４０に孔を設けているが、これはダイアフラム３３の上面と固定電極膜４０とが電気的に短絡するのを防止するために設けられている。なお、固定電極膜４０やダイアフラム３３の表面に非導電性材料が付与されている場合には、この孔は無くてもよい。

（第４の実施形態）
図１３は本発明の実施形態４による音響センサ６３を示す概略断面図である。この音響センサ６３では、シリコン基板３２の上面にバックプレート３４を設け、バックプレート３４に対向させてバックプレート３４の上にダイアフラム３３を設けている。バックプレート３４は、プレート部３９の上面に固定電極膜４０を形成されており、スペーサ５５によってシリコン基板３２の上面に固定されている。ダイアフラム３３は、シリコン基板３２に固定された支持部５４によって支持されている。ストッパ４２ａ、４２ｂは、バックプレート３４の上面から突出しており、バックプレート３４の内部エリアには直径の大きなストッパ４２ａが配列して、外周エリアには直径の小さな４２ｂが配列している。

（第５の実施形態）
図１４は本発明の実施形態５による音響センサ６４を示す概略断面図である。この実施形態は、実施形態４と同様なダイアフラム３３及びバックプレート３４の構成を有している。実施形態４と異なる点は、ストッパ４２ａ、４２ｂをダイアフラム３３の下面に設けた点である。

（第６の実施形態）
図１５は本発明の実施形態６による音響センサ６５を示す概略断面図である。この音響センサ６５では、ベンチレーションホール５７内においてダイアフラム３３の下面に凸部５６ａ、５６ｂを設けている。外周エリアに設けた凸部５６ｂは、内周エリアに設けた凸部５６ａよりも直径が小さくなっている。

この実施形態においては、ダイアフラム３３の下面に凸部５６ａ、５６ｂを設けているので、ダイアフラム３３の縁がシリコン基板３２の上面にくっついてダイアフラム３３とバックプレート３４の間のギャップ距離が変化するのを防ぐことができる。また、ベンチレーションホール５７が狭くなったり、ベンチレーションホール５７が塞がれたりするのを防ぐことができる。

また、音響センサ６５を落下させた場合には、ダイアフラム３３の内周エリアがシリコン基板３２に強く衝突しやすいが、内周エリアの凸部５６ａの直径が大きくなっているので、ダイアフラム３３の衝撃が緩和される。一方、自由端となっていてシリコン基板３２にくっつきやすい外周エリアの凸部５６ｂは直径が小さく、シリコン基板３２との接触面積が小さくなっているので、ダイアフラム３３とシリコン基板３２のスティックを防ぐことができる。

（第７の実施形態）
図１６は本発明の実施形態７による音響センサ６６を示す平面図である。図１７は、プレート部３９を取り除いて固定電極膜４０とダイアフラム３３を示した平面図である。図１８は、音響センサ６６におけるストッパ４２ａ、４２ｂの配置を示したバックプレート３４の下面図であって、一部を拡大して示す。

この音響センサ６６も、実施形態１の音響センサ３１とほぼ同様な構造を有しているが、ダイアフラム３３及びバックプレート３４がほぼ矩形状となっている。ほぼ矩形状となったダイアフラム３３の四隅からは、対角方向へ向けて梁部３６をが延出されており、梁部３６の下面がアンカー３７によって支持されている。バックプレート３４は、ほぼ矩形状をしたプレート部３９の下面に八角形状の固定電極膜４０を形成したものである。

この音響センサ６６でも、バックプレート３４の下面の外周エリアには直径の小さなストッパ４２ｂが突出し、その内部エリアには直径の大きなストッパ４２ａが突出している。そのため、この音響センサ６６でも、ダイアフラム３３の耐衝撃性を向上させてダイアフラム３３の破損を防止できるとともに、ダイアフラム３３のスティックが起こりにくくなっている。

３１、６１、６２、６３、６４、６５、６６音響センサ
３２シリコン基板
３３ダイアフラム
３４バックプレート
３８アコースティックホール
３９プレート部
４０固定電極膜
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅストッパ
５４支持部
５５スペーサ
５６ａ、５６ｂ凸部

Claims

半導体基板の上方に配設された固定膜と前記固定膜に設けた固定電極膜からなるバックプレート、および、
前記バックプレートと空隙を介して対向するようにして、前記半導体基板の上方に配設された振動電極膜を備え、
音響振動を前記振動電極膜と前記固定電極膜の間の静電容量の変化に変換する音響センサにおいて、
前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の前記空隙側の面に複数の突起を設け、
前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方における突起形成領域に応じて前記突起の断面積を異ならせたことを特徴とする音響センサ。
断面積の異なる３種類以上の前記突起を有し、
前記突起は、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の中心から外周側へ向けて順次断面積が小さくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
前記バックプレート又は前記振動電極膜のの少なくとも一方の外周エリアに、比較的断面積の小さな前記突起を設け、前記バックプレート又は前記振動電極膜の少なくとも一方の内部エリアに、比較的断面積の大きな前記突起を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
比較的断面積の小さな前記突起を設けた前記外周エリアの幅が、前記バックプレート又は前記振動電極膜の幅の１／４以下であることを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
前記半導体基板はその上面から下方へ向けて空洞部を形成され、前記振動電極膜が前記半導体基板の上面に配設され、前記バックプレートが前記振動電極膜を覆うようにして前記半導体基板の上面に固定され、前記バックプレートに複数のアコースティックホールが開口されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
前記振動電極膜の下面のうち前記半導体基板の上面と対向する領域に複数の凸部が設けられ、前記領域の外周部に設けた前記凸部の断面積が、前記領域の内周部に設けた前記凸部の断面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ
前記バックプレートが前記半導体基板の上面に固定され、前記振動電極膜が前記バックプレートの上方に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。