JP2011250169A - 音響トランスデューサ、および該音響トランスデューサを利用したマイクロフォン - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃に対する耐性を向上させた音響センサを提供する。
【解決手段】音響センサ１１は、半導体基板の上面に振動膜２２および固定膜２３が形成され、振動膜２２における振動電極２２ａと固定膜２３における固定電極２３ａとの間の静電容量の変化により音波を検出する。固定膜２３には、音波を外部から振動膜２２に到達させるために複数の音孔部３２が形成されており、固定電極２３ａは、縁部４０の境界が音孔部３２と交わらないように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、音波を電気信号に変換する音響トランスデューサ（acoustic transducer）、該音響トランスデューサを利用したマイクロフォンとに関するものである。特に、本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて制作される微小サイズの音響トランスデューサなどに関するものである。

従来、携帯電話機などに搭載される小型のマイクロフォンとしてＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）が広く使用されていた。しかしながら、ＥＣＭは熱に弱く、また、デジタル化への対応、小型化、高機能・多機能化、省電力といった点で、ＭＥＭＳマイクロフォンの方が優れていることから、現在では、ＭＥＭＳマイクロフォンが普及しつつある。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、音波を検出する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサからの検出信号を増幅して外部に出力する出力ＩＣ（Integrated Circuit）とを備えている。上記音響センサが、ＭＥＭＳ技術を利用して製造される（例えば、特許文献１など）。

図８は、従来の音響センサの概略構成を示しており、同図の（ａ）は、平面図であり、同図の（ｂ）は、同図の（ａ）のＸ−Ｘ線で断面し、矢印方向に見た図である。図８に示すように、音響センサ１１１では、半導体基板２１の上面にて、振動膜２２が設けられ、さらに、振動膜２２を覆うように固定膜１２３が設けられている。振動膜２２は、導電体であり、振動電極２２ａとして機能する。一方、固定膜１２３は、導電体である固定電極１２３ａと、固定電極１２３ａを保護するための絶縁体である保護膜１２３ｂとからなる。振動電極２２ａおよび固定電極１２３ａは、空隙を介して対向し、コンデンサとして機能する。

振動膜２２の縁部は、絶縁層３０を介して半導体基板２１に取り付けられている。また、半導体基板２１は、振動膜２２の中央部に対向する領域が開口した開口部３１を有している。また、固定膜１２３は、音孔の形成された音孔部３２を多数有している。通常、音孔部３２は、等間隔で規則正しく配列されており、各音孔部３２の音孔のサイズはほぼ等しい。

上記構成の音響センサ１１１において、外部からの音波は、固定膜１２３の音孔部３２を介して振動膜２２に到達する。このとき、振動膜２２は、到達した音波の音圧が印加されて振動するので、振動電極２２ａおよび固定電極１２３ａの間隔が変化して、振動電極２２ａおよび固定電極１２３ａの間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を電圧または電流の変化に変換することにより、音響センサ１１１は、外部からの音波を検出して電気信号（検出信号）に変換することができる。

上記構成の音響センサ１１１では、固定膜１２３に多数の音孔部３２を有しているが、この音孔部３２は、上述のように、外部からの音波を通過させて振動膜２２に到達させる以外にも、下記のように機能する。
（１）固定膜１２３に到達した音波が音孔部３２を通過していくので、固定膜１２３に印加される音圧が軽減される。
（２）振動膜２２および固定膜１２３の間の空気が、音孔部３２を介して出入りするので、熱雑音（空気の揺らぎ）が軽減される。また、上記空気による振動膜２２のダンピングが軽減されるので、該ダンピングによる高周波特性の劣化が軽減される。
（３）表面マイクロマシニング技術を利用して振動電極２２ａおよび固定電極１２３ａの間に空隙を形成する場合に、エッチングホールとして利用することができる。

特開２００６−０６７５４７号公報（２００６年０３月０９日公開）

今後、ＭＥＭＳマイクロフォンをさらに普及させるには、衝撃に対する耐性を向上させて、故障率を低下したり、歩留まりを向上させたりすることが望まれている。本願発明者らは、鋭意検討の結果、音孔部で応力集中が発生することに着目し、以下の発明を案出した。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、衝撃に対する耐性を向上させた音響トランスデューサなどを提供することにある。

本発明に係る音響トランスデューサは、基板の上面に振動膜および固定膜が形成され、該振動膜における振動電極と上記固定膜における固定電極との間の静電容量の変化により、音波を電気信号に変換する音響トランスデューサにおいて、上記固定膜には、上記音波を外部から上記振動膜に到達させるために複数の音孔部が形成されており、上記固定電極は、縁部の境界が上記音孔部と交わらないように形成されていることを特徴としている。

上記の構成によると、固定電極の縁部にて、該固定電極の境界と交わる音孔部が存在しない。これにより、該固定電極の縁部にて応力集中による破損を回避できるので、衝撃に対する耐性を向上させることができる。

本発明に係る音響トランスデューサでは、上記音孔部が規則的に配列されている場合、上記固定電極は、上記音孔部の配列方向と、隣り合う２つの該配列方向を二等分する方向とに沿う形状に形成されていることが好ましい。この場合、固定電極の形状の設計が容易となる。さらに、上記固定電極は、上記振動電極の振動部分に近い形状とするために、段状に形成されていることが好ましい。なお、上記配列方向の例としては、隣り合う上記配列方向のなす角度が６０度である場合や、９０度である場合が挙げられる。

本発明に係る音響トランスデューサでは、上記音孔部は、隣り合う音孔部の中心同士の間隔が、上記隣り合う音孔部の寸法の和よりも短くなるように配置されていることが好ましい。また、本発明に係る音響トランスデューサでは、上記音孔部の寸法は６μｍ以上であることが好ましい。この場合、上記音孔部の領域が広くなるので、外部からの音波が上記音孔部を介して上記振動膜に到達する効率が良くなり、ＳＮＲ（信号対ノイズ比）を向上させることができる。なお、上記音孔部の寸法の上限は、固定膜の強度や、所要の静電容量に依存する。

なお、音響トランスデューサには、上記固定膜は、上記固定電極と、該固定電極よりも広い保護膜とを備えており、該保護膜は、上記固定電極の縁部の境界で段状となっているものが存在する。この場合、上記段状という形状により、上記固定電極の縁部の境界で応力集中が発生することになる。従って、当該音響トランスデューサに対し、本発明を適用することが好ましい。

なお、上記構成の音響トランスデューサと、該音響トランスデューサからの電気信号を増幅して外部に出力する出力ＩＣとを備えるマイクロフォンであれば、上述と同様の効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る音響トランスデューサは、固定電極の縁部の境界が音孔部と交わらないように形成されているので、該固定電極の縁部にて応力集中による破損を回避でき、その結果、衝撃に対する耐性を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態であるＭＥＭＳマイクロフォンにおける音響センサの概略構成を示す平面図および断面図である。 上記ＭＥＭＳマイクロフォンを示す断面図である。 応力集中の発生箇所を説明するためブロックを示す平面図および正面図である。 本発明の別の実施形態であるＭＥＭＳマイクロフォンにおける音響センサの概略構成を示す平面図である。 本発明のさらに別の実施形態であるＭＥＭＳマイクロフォンにおける音響センサの概略構成と、該音響センサの比較例である従来の音響センサの概略構成とを示す平面図である。 本発明の他の実施形態であるＭＥＭＳマイクロフォンにおける音響センサの概略構成を示す平面図である。 上記音響センサの振動電極の振動量を示す平面図である。 従来の音響センサの概略構成を示す平面図である。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図２は、本実施形態のＭＥＭＳマイクロフォンの概略構成を示す断面図である。

図２に示すように、ＭＥＭＳマイクロフォン１０は、音波を検出する音響センサ（音響トランスデューサ）１１と、音響センサ１１からの検出信号（電気信号）を増幅して外部に出力する出力ＩＣ１２とが、プリント基板１３に配置されており、音響センサ１１および出力ＩＣ１２を覆うようにカバー１４が設けられた構成である。カバー１４には、外部からの音波を音響センサ１１に到達させるために、貫通孔１５が形成されている。音響センサ１１は、ＭＥＭＳ技術を利用して製造される。なお、出力ＩＣ１２は、半導体製造技術を利用して製造される。

図１は、本実施形態における音響センサ１１の概略構成を示しており、同図の（ａ）は、平面図であり、同図の（ｂ）は、同図の（ａ）のＡ−Ａ線で断面し、矢印方向に見た図である。

本実施形態の音響センサ１１は、図８に示す音響センサ１１１に比べて、固定膜の固定電極の形状が異なるのみであり、その他の構成は同様である。なお、図８に関して説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

固定膜２３は、導電体である固定電極２３ａと、固定電極２３ａを保護するための絶縁体である保護膜２３ｂとを備えている。

なお、実施例では、半導体基板２１は、厚さが約５００μｍであり、単結晶シリコンなどから生成される半導体である。振動膜２２は、厚さが約０．７μｍであり、多結晶シリコンなどから生成される導電体であり、振動電極２２ａとして機能する。固定膜２３は、固定電極２３ａと保護膜２３ｂとからなる。固定電極２３ａは、厚さが約０．５μｍであり、多結晶シリコンなどから生成される導電体である。一方、保護膜２３ｂは、厚さが約２μｍであり、窒化シリコンなどから生成される絶縁体である。また、振動電極２２ａと固定電極２３ａとの空隙は約４μｍである。

本実施形態の固定電極２３ａは、図８に示す従来の固定電極１２３ａに比べて、縁部４０の境界が、音孔部３２と交わらないように形成されている。これにより、固定電極２３ａの縁部４０にて応力集中による破損を回避できるので、衝撃に対する耐性を向上させることができる。

これについて、図１・３・８を参照して詳細に説明する。一般に、固定電極２３ａ・１２３ａは、浮遊容量を低減するために、振動電極２２ａが振動する領域、すなわち、振動電極２２ａの中央部に対向することが望ましい。一方、音孔部３２は、外部からの音波を振動膜２２に効率よく伝達させるためにも、固定膜２３・１２３に多数設けることが望ましい。

このため、図８に示すように、従来の固定膜１２３では、音孔部３２が設けられた領域の方が、固定電極１２３ａの領域よりも広くなっており、固定電極１２３ａの境界線と交わる音孔部３２が存在し得ることになる。この音孔部３２には、大きな応力集中が働く。

この原因について、図３を参照して説明する。図３は、応力集中の発生箇所を説明するためブロックを示す平面図および正面図である。同図の（ａ）に示すブロック２００は、上面に段部２０１を有している。また、同図の（ｂ）に示すブロック２１０は、上面から下面に貫通する貫通部２１１を有している。そして、同図の（ｃ）に示すブロック２２０は、上面に段部２２１を有し、上面から下面に貫通する貫通部２２２を有している。

図３の（ａ）に示すブロック２００に対し、図示の左右方向に応力が印加されると、段部２０１に応力集中が発生することになる。また、同図の（ｂ）に示すブロック２１０に対し、図示の左右方向に応力が印加されると、貫通部２１１の前部２１１ａおよび後部２１１ｂに応力集中が発生することになる。従って、同図の（ｃ）に示すブロック２２０に対し、図示の左右方向に応力が印加されると、段部２２１および貫通部２２２の交わる領域に、強い応力集中が発生することになる。

音響センサ１１１の製造時において、固定膜２３・１２３は、固定電極２３ａ・１２３ａの層を生成し、生成した固定電極２３ａ・１２３ａを覆うように保護膜２３ｂの層を生成している。このため、図８の（ｂ）・図１の（ｂ）に示すように、固定電極２３ａ・１２３ａの縁部１４０では、保護膜２３ｂが段状となっている。

従って、図８の（ｂ）に示すように、固定電極１２３ａの縁部１４０に音孔部１３２が存在すると、当該音孔部１３２は、図３の（ｃ）に示すような形状となるため、強い応力集中が発生することになる。このため、従来の音響センサ１１１は、強い応力集中による固定膜１２３の破損が発生して、衝撃に対する耐性が低下することになっていた。

これに対し、本実施形態の固定膜２３は、図１の（ｂ）に示すように、固定電極２３ａの縁部４０に音孔部３２が存在しないので、強い応力集中が発生しない。従って、本実施形態の音響センサ１１は、上述のように、強い応力集中による固定膜２３の破損を回避できるので、衝撃に対する耐性を向上させることができる。シミュレーションでは、縁部１４０の境界が音孔部１３２と交わる従来の固定電極１２３ａにおける応力集中の程度（応力集中係数）を１とすると、縁部４０の境界が音孔部３２と交わらない本実施形態の固定電極２３ａにおける応力集中の程度が約０．６であった。

また、本実施形態の固定電極２３ａは、縁部４０の境界が音孔部３２と交わらないようにするために、図１に示すように、円形の振動電極２２ａにほぼ内接する多角形となっており、その一辺は、音孔部３２の配列方向に平行となっている。具体的には、音孔部３２の配列方向は、図１のＡ−Ａ線の方向と、該方向から左右へそれぞれ６０度回転した２方向であるので、これら３方向に平行な正六角形に固定電極２３ａが形成されている。この場合、幾何学的に配置されているため、固定電極２３ａのマスク形状の設計が容易となる。

また、本実施形態の音響センサ１１は、従来の音響センサ１１１と同様に、音孔部３２の直径が約１６μｍであり、隣り合う音孔部３２の中心同士の間隔が、音孔部３２の直径の２倍よりも短くなっている。これにより、孔の直径が大きい音孔部３２が多数配置されることになるので、外部からの音波が音孔部３２を介して振動膜２２に到達する効率が良くなり、ＳＮＲを向上させることができる。なお、音孔部３２の直径が約６μｍ以上であれば、同様の効果を奏することができる。また、音孔部３２の直径の上限は、固定膜２３の強度や、必要とする静電容量に依存する。

なお、音孔部３２について、直径を大きくしたり、配置数を増やしたりすると、固定膜２３の強度が低下したり、振動電極２２ａおよび固定電極２３ａの間の静電容量が低下したりすることになる。従って、これらを考慮して、音孔部３２の直径および配置数を決定することが望ましい。

なお、本実施形態の音響センサ１１の製造方法は、従来の音響センサ１１１の製造方法に比べて、固定電極２３ａを形成するためのマスクの形状が変更されるのみであり、その他は同様である。

すなわち、まず、半導体基板２１となる単結晶シリコン基板の上面に、犠牲層（ＳｉＯ_２）を形成する。次に、該犠牲層の上に、多結晶シリコン層を形成してエッチングを行うことにより、振動膜２２が形成される。次に、振動膜２２を覆うように、犠牲層を再び形成する。次に、該犠牲層を覆うように、多結晶シリコン層および窒化シリコン層を形成してエッチングを行うことにより、固定電極２３ａと保護膜２３ｂとからなる固定膜２３が形成される。

次に、上記単結晶シリコン基板のエッチングを行うことにより、開口部３１が形成される。そして、音孔部３２を介して上記犠牲層のエッチングを行うことにより、振動膜２２および固定膜２３間のエアギャップが形成され、絶縁層３０が形成されて、音響センサ１１が完成する。

〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係る音響センサ１１の概略構成を示す平面図である。図４に示す音響センサ１１は、図１に示す音響センサ１１に比べて、固定電極の形状が異なるのみであり、その他の構成は同様である。

図４に示すように、本実施形態の固定電極２３ｃは、図１に示す固定電極２３ａよりも段状に広げた形状となっている。この場合、図１に示す固定電極２３ａよりも、円形の振動電極２２ａに近い形状となるので、静電容量の低下を軽減することができる。

〔実施の形態３〕
次に、本発明のさらに別の実施形態について図５を参照して説明する。図５の（ａ）・（ｂ）は、それぞれ、本実施形態に係る音響センサ１１の概略構成と、該音響センサ１１の比較例である従来の音響センサ１１１の概略構成とを示す平面図である。図５に示す音響センサ１１・１１１は、図１・図８に示す音響センサ１１・１１１に比べて、音孔部３２・１３２の配列方向が異なっており、このため、本実施形態の固定電極の形状が異なっている。なお、その他の構成は同様である。

図５の（ａ）に示す固定電極２３ｄは、同図の（ｂ）に示す従来の固定電極１２３ａに比べて、縁部４０の境界が、音孔部３２と交わらないように形成されている。これにより、固定電極２３ｄの縁部４０にて応力集中による破損を回避できるので、衝撃に対する耐性を向上させることができる。

また、同図の（ａ）・（ｂ）に示すように、音孔部３２・１３２の配列方向は、図示の上下方向と、該上下方向から９０度回転した左右方向との２方向である。そこで、本実施形態の固定電極２３ｄは、これら２方向と、該２方向を２等分する方向（図示の上下方向から左右にそれぞれ４５度回転した斜め方向）とに平行となっている。これにより、固定電極２３ｄのマスク形状の設計が容易となる。さらに、本実施形態の固定電極２３ｄは、段状に形成されているので、円形の振動電極２２ａに近い形状となり、静電容量の低下を軽減することができる。

〔実施の形態４〕
次に、本発明の他の実施形態について図６・図７を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る音響センサ１１の概略構成を示す平面図である。なお、同図では、固定膜２３の保護膜２３ｂを省略している。

図６に示す音響センサ１１は、図１に示す音響センサ１１に比べて、振動電極の形状が異なっており、このため、固定電極の形状が異なっている。なお、その他の構成は同様である。本実施形態の振動電極２２ｂは、正方形の隅部５０が、それぞれ中心から外向きに延在した形状であり、該延在部５１にて半導体基板２１に固定されている。

図７は、上記構成の振動電極２２ｂに所定の音波が到達した場合の振動電極２２ｂの振動量を示している。同図では、振動量が少ないと暗く示され、振動量が多いと明るく示されている。図示のように、振動電極２２ｂは、隅部５０および延在部５１にてほとんど振動していない。従って、本実施形態では、固定電極２３ｅは、振動電極２２ｂから隅部５０および延在部５１を省略した形状となっている。

本実施形態の固定電極２３ｅは、図６に示すように、縁部４０の境界が、音孔部３２と交わらないように形成されている。これにより、固定電極２３ｅの縁部４０にて応力集中による破損を回避できるので、衝撃に対する耐性を向上させることができる。

また、図６に示すように、音孔部３２の配列方向は、図示の左右方向と、該左右方向からそれぞれ６０度回転した方向である。そこで、本実施形態の固定電極２３ｅは、これら３方向と、該３方向のうち、隣り合う２方向を２等分する方向（図示の左右方向からそれぞれ３０度回転した方向と、図示の上下方向）とに平行となっている。これにより、固定電極２３ｅのマスク形状の設計が容易となる。さらに、本実施形態の固定電極２３ｅは、振動電極２２ｂの隅部５０との境界において段状に形成されているので、振動電極２２ｂの振動部分に近い形状となり、静電容量の低下を軽減することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、音孔部３２は、断面が円形であるが、三角形、四角形など、任意の形状にしてもよい。

以上のように、本発明に係る音響トランスデューサは、固定電極の縁部の境界が音孔部と交わらないように形成されることにより、固定電極の縁部にて応力集中による破損を回避できるので、固定膜に音孔部を有する任意の構造の音響センサに適用することができる。

１０ ＭＥＭＳマイクロフォン
１１ 音響センサ（音響トランスデューサ）
１２ 出力ＩＣ
１３ プリント基板
１４ カバー
１５ 貫通孔
２１ 半導体基板
２２ 振動膜
２２ａ・ｂ 振動電極
２３ 固定膜
２３ａ・ｃ〜ｅ 固定電極
２３ｂ 保護膜
３０ 絶縁層
３１ 開口部
３２ 音孔部
４０ 縁部
５０ 隅部
５１ 延在部

Claims (9)

1. 基板の上面に振動膜および固定膜が形成され、該振動膜における振動電極と上記固定膜における固定電極との間の静電容量の変化により、音波を電気信号に変換する音響トランスデューサにおいて、
   上記固定膜には、上記音波を外部から上記振動膜に到達させるために複数の音孔部が形成されており、
   上記固定電極は、縁部の境界が上記音孔部と交わらないように形成されていることを特徴とする音響トランスデューサ。
2. 上記音孔部は、規則的に配列されており、
   上記固定電極は、上記音孔部の配列方向と、隣り合う２つの該配列方向を二等分する方向とに沿う形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の音響トランスデューサ。
3. 上記固定電極は、上記振動電極の振動部分に近い形状とするために、段状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の音響トランスデューサ。
4. 隣り合う上記配列方向のなす角度が６０度であることを特徴とする請求項２または３に記載の音響トランスデューサ。
5. 隣り合う上記配列方向のなす角度が９０度であることを特徴とする請求項２または３に記載の音響トランスデューサ。
6. 上記音孔部は、隣り合う音孔部の中心同士の間隔が、上記隣り合う音孔部の寸法の和よりも短くなるように配置されていることを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載の音響トランスデューサ。
7. 上記音孔部の寸法は６μｍ以上であることを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の音響トランスデューサ。
8. 上記固定膜は、上記固定電極と、該固定電極よりも広い保護膜とを備えており、
   該保護膜は、上記固定電極の縁部の境界で段状となっていることを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載の音響トランスデューサ。
9. 請求項１から８までの何れか１項に記載の音響トランスデューサと、該音響トランスデューサからの電気信号を増幅して外部に出力する出力ＩＣとを備えるマイクロフォン。

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