JP2018098526A - 静電容量型トランスデューサシステム、静電容量型トランスデューサ及び、音響センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より確実またはより容易な構成によって、静電容量型トランスデューサシステムのＳＮ比を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】固定電極膜８と基板３の二つの固定電極と、固定電極膜８及び基板３との間に空隙を介して両者に対向するように配設された振動電極膜５とを有し、固定電極膜８と振動電極膜５とによって第１キャパシタＣ１が構成されるとともに、基板３と振動電極膜５とによって第２キャパシタＣ２が構成され、振動電極膜５の変形を第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２における静電容量の変化に変換する音響センサ１と、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２への供給電圧および／または、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２の各々からの信号を処理するＡＳＩＣと、を備え、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２からの信号が、互いに打ち消し合うように加減される。【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサシステム、静電容量型トランスデューサ及び、音響センサに関する。より具体的には、ＭＥＭＳ技術を用いて形成された振動電極膜とバックプレートからなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型トランスデューサシステム、静電容量型トランスデューサ及び、音響センサに関する。

従来から、小型のマイクロフォンとしてＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）と
呼ばれる音響センサを利用したものが使用される場合があった。しかし、ＥＣＭは熱に弱く、また、デジタル化への対応や小型化といった点で、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される静電容量型トランスデューサを利用したマイクロフォン（以下、ＭＥＭＳマイクロフォンともいう。）の方が優れていることから、近年では、ＭＥＭＳマイクロフォンが採用されつつある（例えば、特許文献１を参照）。

上記のような静電容量型トランスデューサにおいては、圧力を受けて振動する振動電極膜を、電極膜が固定されたバックプレートに空隙を介して対向配置させた形態をＭＥＭＳ技術を用いて実現したものがある。このような静電容量型トランスデューサの形態は、例えば、半導体基板の上に振動電極膜、および振動電極膜を覆うような犠牲層を形成した後、犠牲層の上にバックプレートを形成し、その後に犠牲層を除去するといった工程により実現できる。ＭＥＭＳ技術はこのように半導体製造技術を応用しているので、極めて小さい静電容量型トランスデューサを得ることが可能である。

なお、このような静電容量型トランスデューサにおいては、例えば半導体基板と振動電極膜との間に滞留する空気のブラウン運動に基づくノイズなど、ノイズの原因がいくつか考えられ、ＳＮ比の向上の妨げになる場合があった。これに対し、マイクロフォンを２つ準備し、両者からの出力信号を差し引くことでノイズ成分をキャンセルする技術が公知である（例えば、特許文献２または特許文献３を参照）。

しかしながら、上記の技術においては、ノイズ源がマイクロフォンの外部に存在する場合にはノイズをキャンセルすることが可能であるが、マイクロフォンの内部にノイズの原因が存在する場合には、各々のマイクロフォンで独立してノイズが発生するために、ノイズを効果的にキャンセルすることは困難であった。

また、複数の振動電極板を一つの半導体基板の上に並列に配置した静電容量型トランスデューサの構成が公知である（例えば、特許文献３を参照）。このような場合には、信号の合計値は各トランスデューサからの信号の和となるのに対し、ノイズの合計値は各トランスデューサからのノイズ値の二乗和の平方根になるという特性を利用してＳＮ比の向上を図ることが可能である。しかしながら、この技術においては、静電容量型トランスデューサとしてのサイズが大きくなってしまう不都合があった。

特開２０１１−２５０１７０号公報 米国特許第６７１４６５４号明細書 米国特許出願公開第２００８／１４４８７４号明細書 米国特許出願公開第２０１３／２３６０３７号明細書

本発明は、上記のような状況を鑑みて発明されたものであり、より確実またはより簡単な構成によって、静電容量型トランスデューサシステム、静電容量型トランスデューサまたは、音響センサのＳＮ比を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、第１固定電極と第２固定電極の二つの固定電極と、前記第１固定電極及び前記第２固定電極との間に空隙を介して両者に対向するように配設された振動電極とを有し、
前記第１固定電極と前記振動電極とによって第１キャパシタが構成されるとともに、前記第２固定電極と前記振動電極とによって第２キャパシタが構成され、
前記振動電極の変形を前記第１キャパシタと前記第２キャパシタにおける静電容量の変化に変換する、静電容量型トランスデューサと、
前記第１キャパシタ及び、前記第２キャパシタへの供給電圧および／または、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号を処理する制御部と、
を備えた、静電容量型トランスデューサシステムであって、
前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、互いに打ち消す方向に加減されることを特徴とする静電容量型トランスデューサシステムである。

一般に、２つのキャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号を差し引くことで、ノイズをキャンセルする方法が採用される場合があるが、この場合は、合計ノイズは、各キャパシタのノイズの二乗和の平方根により特定されると考えられ、効果的にノイズをキャンセルすることは困難である。これに対し、本発明においては、共通の振動電極を用いて第１キャパシタと第２キャパシタの２つのキャパシタを構成するので、第１キャパシタと第２キャパシタにおける静電容量の変化に基づく信号を、互いに打ち消す方向に加減することで、より確実にノイズをキャンセルすることが可能となる。これにより、静電容量型トランスデューサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能である。

なお、ここで、第１キャパシタと第２キャパシタにおける静電容量の変化に基づく信号を、互いに打ち消す方向に加減するとは、例えば、第１キャパシタと第２キャパシタにおける静電容量の変化に基づく信号が互いに同極性を有する場合には、当該信号の一方から他方を減算することを意味する。また、第１キャパシタと第２キャパシタにおける静電容量の変化に基づく信号が互いに逆極性を有する場合には、両方の信号を加算することを意味する。

また、本発明においては、前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルが互いに異なり、前記第１キャパシタのノイズレベルと前記第２キャパシタのノイズレベルが同等になるように、前記第１固定電極、前記第２固定電極及び前記振動電極の、電極面積、電極位置、電極間ギャップ、供給電圧、利得の少なくとも一つの値が決定されるようにしてもよい。

ここで、固定電極と振動電極により構成されたキャパシタの静電容量の変化に基づく信号は、電極面積、電極位置、電極間ギャップ、供給電圧、利得等によって影響される。このことを利用して、本発明においては、第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルと第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルが互いに異なり、第１キャパシタのノイズレベルと第２キャパシタのノイズレベルが同等になるように、第１固定電極、第２固定電極及び振動電極の、電極面積、電極位置、電極間ギャップ、供給電圧、
利得の少なくとも一つの値を決定することとした。

これによれば、第１キャパシタと第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、互いに打ち消す方向に加減された際に、ノイズがキャンセルされ、信号はレベルが低下するものの優先的に残ることになる。その結果、静電容量型トランスデューサシステムとして得られた信号のＳＮ比を向上させることが可能となる。

また、本発明においては、前記第１固定電極は開口を有する半導体基板であり、
前記第２固定電極は前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を有するバックプレートに形成された固定電極膜であり、
前記振動電極は前記バックプレートと前記半導体基板との間に、前記バックプレートと前記半導体基板の各々と空隙を介して対向するように配設された振動電極膜であるようにしてもよい。

これによれば、第１キャパシタと第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号の極性を、自動的に逆にすることが可能である。よって、第１キャパシタと第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号を加算するだけで、ノイズをキャンセルすることが可能となる。その結果、より容易に、静電容量型トランスデューサシステムからの信号のＳＮ比を向上させることが可能である。

また、本発明においては、前記半導体基板はイオン注入等によって表面が導電性となるようにされ、または導電性材料により形成されるようにしてもよい。これによれば、ＭＥＭＳの製造工程において、追加の成膜プロセスなしに、より容易に第１固定電極を形成することが可能である。また、本発明においては、前記半導体基板における前記振動電極膜に対向する部分の表面に固定電極膜が形成されるようにしてもよい。これによれば、より高い自由度で、第１固定電極の形状や面積を調整することが可能となる。

また、本発明においては、前記振動電極膜には、該振動電極膜が前記半導体基板側に変形した際に該半導体基板と接触するストッパが設けられ、該ストッパの前記半導体基板側の先端には絶縁体からなる絶縁部が設けられるようにしてもよい。これによれば、振動電極膜のストッパと半導体基板とが接触することがあっても、両者の間で電気的なショートが発生することを回避できる。

また、本発明においては、前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線が電気的に接続されることにより、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、互いに打ち消す方向に加減されてもよい。これによれば、制御部に入力される前の静電容量型トランスデューサからの出力信号自体のＳＮ比を向上させることが可能となり、制御部の負担を軽減することが可能となる。

また、本発明においては、前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号が、前記制御部において互いに打ち消す方向に加減演算されるようにしてもよい。これによれば、制御部においてより高い自由度で、第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号におけるノイズをキャンセルさせることができ、より確実に、静電容量型トランスデューサシステムからの出力のＳＮ比を向上させることが可能となる。

また、本発明において、前記静電容量型トランスデューサは、
開口を有する半導体基板と、
前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を
有するバックプレートと、
前記バックプレートとの間に空隙を介して該バックプレートに対向するように配設された振動電極膜と、を有し、
前記第１固定電極及び前記第２固定電極は、前記バックプレートに形成された固定電極膜を分割することで形成され、
前記振動電極は前記振動電極膜であり、
前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号が、前記制御部において互いに打ち消す方向に加減演算されるようにしてもよい。

すなわち、この場合は、バックプレートに形成された固定電極膜を分割することで第１固定電極及び前記第２固定電極が形成される。そして、第１固定電極と、振動電極膜のうち、この第１固定電極と対向する部分によって第１キャパシタが形成され、第２固定電極と、振動電極膜のうち、この第２固定電極と対向する部分によって第２キャパシタが形成される。この構成においては、第1キャパシタと第２キャパシタの静電容量の変化に基づ
く信号の極性が同じになるので、これらの信号を互いに減算させることで、ノイズをキャンセルし、静電容量型トランスデューサシステムの信号のＳＮ比を向上させることが可能となる。また、この場合には、バックプレートに設けられた固定電極膜を分割することで第１固定電極と第２固定電極を形成するので、これらの固定電極の面積、形などをより高い自由度で決定することが可能となる。

また、本発明は、上記の静電容量型トランスデューサシステムを有し、音圧を検出する音響センサであってもよい。これによれば、より高いＳＮ比を有する音響センサを提供することが可能となる。

また、本発明は、開口を有する半導体基板と、
前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を有するバックプレートと、
前記バックプレートと前記半導体基板との間に、前記バックプレートと前記半導体基板の各々と空隙を介して対向するように配設された振動電極膜と、
を備え、
前記振動電極膜の変形を該振動電極膜と前記バックプレート及び前記半導体基板の間の静電容量の変化に変換する静電容量型トランスデューサにおいて、
前記半導体基板に設けられた第１固定電極と前記振動電極膜とによって第１キャパシタが構成されるとともに前記振動電極膜の変形を該第１キャパシタの静電容量の変化に変換し、
前記バックプレートに形成された第２固定電極と前記振動電極膜によって第２キャパシタが構成されるとともに前記振動電極膜の変形を該第２キャパシタの静電容量の変化に変換することを特徴とする静電容量型トランスデューサであってもよい。

その場合には、前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線が電気的に接続されることで、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、加算されて出力されるように構成してもよい。この場合には、第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と、第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号は互いに逆極性を有するので、これらの信号が加算されて出力されることで、自動的に、これらの信号が互いに打ち消す方向で合算されることとなる。

また、この場合も、前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルが互いに異なり、前記第１キャパ
シタのノイズレベルと前記第２キャパシタのノイズレベルが同等になるように、前記第１固定電極、前記第２固定電極及び前記振動電極の、電極面積、電極位置、電極間ギャップの少なくとも一つの値が決定されるようにしてもよい。

また、この場合も、前記半導体基板は表面が導電性とされまたは導電性材料により形成されるようにしてもよいし、前記半導体基板における前記振動電極膜に対向する部分の表面に固定電極膜が形成されるようにしてもよい。

また、この場合も、前記振動電極膜には、該振動電極膜が前記半導体基板側に変形した際に該半導体基板と接触するストッパが設けられ、該ストッパの前記半導体基板側の先端には絶縁体からなる絶縁部が設けられるようにしてもよい。

また、この場合も本発明を、上記の静電容量型トランスデューサを有し、音圧を検出する音響センサとしてもよい。

なお、上述した、課題を解決するための手段は適宜組み合わせて使用することが可能である。

本発明によれば、より確実にまたはより簡単な構成によって、静電容量型トランスデューサシステム、静電容量型トランスデューサまたは音響センサのＳＮ比を向上させることが可能となる。

ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサの一例を示した斜視図である。 従来の音響センサの内部構造の一例を示した分解斜視図である。 本発明の実施例１にかかる音響センサのバックプレート及び振動電極膜付近の断面図及び、等価的な回路図である。 本発明の実施例１にかかる、第１キャパシタ及び第２キャパシタからの信号及び、ノイズの状態を説明するための図である。 本発明の実施例１にかかる音響センサにおいて、第１キャパシタ及び第２キャパシタからの信号のノイズレベルを合わせる手法について説明するための図である。 本発明の実施例１にかかる音響センサの配線のバリエーションについて示す図である。 本発明の実施例１にかかる基板における固定電極膜の構成例を示す図である。 本発明の実施例１にかかる振動電極膜のストッパの絶縁部の構成例を示す図である。 本発明の実施例２にかかる音響センサのバックプレート及び振動電極膜付近の断面図及び、等価的な回路図である。 本発明の実施例２にかかる第１固定電極と、第２固定電極の構成例を示す図である。

＜実施例１＞
以下、本願発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様であり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、以下においては、静電容量型トランスデューサを音響センサとして用いる場合について説明する。しかしながら、本発明に係る静電容量型トランスデューサは、振動電極膜の変位を検
出するものであれば、音響センサ以外のセンサとしても利用できる。例えば、圧力センサの他、加速度センサや慣性センサ等として使用しても構わない。また、センサ以外の素子、例えば、電気信号を変位に変換するスピーカ等として使用しても構わない。また、以下の説明におけるバックプレート、振動電極膜、バックチャンバー、半導体基板等の配置は一例であり、同等の機能を有せばこれらに限られない。例えば、バックプレートと振動電極膜の配置が逆転していても構わない。

図１は、ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサ１の一例を示した斜視図である。また、図２は、音響センサ１の内部構造の一例を示した分解斜視図である。音響センサ１は、バックチャンバー２が設けられた半導体基板３（以下、単に基板ともいう。）の上面に、絶縁膜４、振動電極膜（ダイヤフラム）５、およびバックプレート７を積層した積層体である。バックプレート７は、固定板６に固定電極膜８を成膜した構造を有しており、固定板６の基板３側に固定電極膜８が配置されたものである。バックプレート７の固定板６には多数の穿孔としての音孔が全面的に設けられている（図２に示す固定板６の網掛けの各点が個々の音孔に相当する）。また、固定電極膜８の四隅のうち１つには、出力信号を取得するための固定電極パッド１０が設けられている。

ここで、基板３は、例えば単結晶シリコンで形成することができる。また、振動電極膜５は、例えば導電性の多結晶シリコンで形成することができる。振動電極膜５は、略矩形状の薄膜であり、振動する略四辺形の振動部１１の四隅に固定部１２が設けられている。そして、振動電極膜５は、バックチャンバー２を覆うように基板３の上面に配置され、アンカー部としての４つの固定部１２において基板３に固定されている。振動電極膜５の振動部１１は、音圧に感応して上下に振動する。

また、振動電極膜５は、４つの固定部１２以外の箇所においては、基板３にも、バックプレート７にも接触していない。よって、音圧に感応してより円滑に上下に振動可能になっている。また、振動部１１の四隅にある固定部１２のうちの１つに振動膜電極パッド９が設けられている。バックプレート７に設けられている固定電極膜８は、振動電極膜５のうち四隅の固定部１２を除いた振動する部分に対応するように設けられている。振動電極膜５のうち四隅の固定部１２は音圧に感応して振動せず、振動電極膜５と固定電極膜８との間の静電容量が変化しないためである。

音響センサ１に音が届くと、音が音孔を通過し、振動電極膜５に音圧を加える。すなわち、この音孔により、音圧が振動電極膜５に印加されるようになる。また、音孔が設けられることにより、バックプレート７と振動電極膜５との間のエアーギャップ中の空気が外部に逃げ易くなり、熱雑音が軽減され、ノイズを減少することができる。

音響センサ１においては、上述した構造により、音を受けて振動電極膜５が振動し、振動電極膜５と固定電極膜８との間の距離が変化する。振動電極膜５と固定電極膜８との間の距離が変化すると、振動電極膜５と固定電極膜８との間の静電容量が変化する。よって、振動電極膜５と電気的に接続された振動膜電極パッド９と、固定電極膜８と電気的に接続された固定電極パッド１０との間に直流電圧を印加しておき、上記静電容量の変化を電気的な信号として取り出すことにより、音圧を電気信号として検出することができる。また、音響センサ１からの出力信号は、制御部としてのＡＳＩＣ（不図示）に入力され、適切に処理される。また、振動電極膜５と固定電極膜８に印加される電圧も、ＡＳＩＣ経由で供給される。以下ではこの音響センサ１とＡＳＩＣを含めて音響センサシステムと称する。この音響センサシステムは本発明において静電容量型トランスデューサシステムに相当する。

なお、上記のような音響センサにおいては、例えば基板と振動電極膜との間に滞留する
空気のブラウン運動に基づくノイズなど、ノイズの原因がいくつか考えられ、このノイズがＳＮ比の向上の妨げになる場合があった。これに対し、本実施例においては、振動電極膜５とバックプレート７の固定電極膜８との間の静電容量の変化と併せて、振動電極膜５と基板３との間の静電容量の変化を電気的な信号として取り出し、それらの信号を加減することでノイズをキャンセルし、得られる信号のＳＮ比を向上させることとした。

図３には、本実施例における音響センサ１におけるバックプレート7及び、振動電極膜
５付近の断面図と、当該構成で得られる等価的な回路図とを示す。本実施例では図３（ａ）に示すように、振動電極膜５が圧力によって変形した際に、振動電極膜５とバックプレート７の固定電極膜８との間の静電容量の変化と併せて、振動電極膜５と基板３との間の静電容量の変化を電気的な信号として検出し、両方の信号を加算して静電容量型トランスデューサ１の出力信号とする。すなわち、本実施例では、図３（ｂ）に示すように、振動電極膜５とバックプレート７の固定電極膜８とで第１キャパシタＣ１を構成させるとともに振動電極膜５と基板３とで第２キャパシタＣ２を構成させ、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の静電容量の変化に基づく信号を加算する。

その場合、第１キャパシタＣ１の静電容量の変化に基づく信号（以下、第１キャパシタＣ１からの信号ともいう。）と、第２キャパシタＣ２の静電容量の変化に基づく信号（以下、第２キャパシタＣ２からの信号ともいう。）は逆極性を有し、第１キャパシタＣ１からの信号のノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号のノイズも逆極性を有する。また、第１キャパシタＣ１からの信号と第２キャパシタＣ２からの信号レベルの比率と、それらの信号に係るノイズレベルの比率とは基本的に異なる。これは、上記のノイズの発生のプロセスは、第１キャパシタＣ１からの信号及び第２キャパシタＣ２からの信号の発生プロセスとは必ずしも同じでないからである。

そして、本実施例においては、第１キャパシタＣ１からの信号に係るノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズのレベルを合わせることとした。これによれば、図４（ａ）に示すように、第１キャパシタＣ１からの信号Ｓ１と、第２キャパシタＣ２からの信号Ｓ２については加算後にもある程度のレベルの信号Ｓ１＋Ｓ２（Ｓ１とＳ２は逆極性であるため、Ｓ１＞Ｓ１＋Ｓ２）が残る。一方、図４（ｂ）に示すように、第１キャパシタＣ１からの信号に係るノイズＮ１と、第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズＮ１は加算後には略零となる。これにより、音響センサシステムとして得られる信号のＳＮ比を可及的に向上させることを可能とした。

なお、仮に別々の音響センサを二つ準備し、これらを構成するキャパシタから信号に係るノイズを加算した場合には、ノイズは互いに独立であるため、例え極性が逆であっても各ノイズの二乗和の平方根が合算ノイズとなり、ＳＮ比の大幅な向上は見込めない。これに対して、本実施例の構成においては、共通の振動電極膜５を有する第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２を使用しているので、これらからの信号に係るノイズには高い相関がある。よって、両者からの信号に係るノイズを加算することで、より確実にノイズをキャンセルすることができ、より効率よくＳＮ比を向上させることができる。

上記の点は、一つの考え方として、以下のように数学的に表記することが可能である。ここで、第１キャパシタＣ１の静電容量の変化に基づく信号をＳ１、第２キャパシタＣ２の静電容量の変化に基づく信号をＳ２、第１キャパシタＣ１の静電容量の変化に基づく信号のノイズをＮ１、第２キャパシタＣ２の静電容量の変化に基づく信号のノイズをＮ２とすると、第１キャパシタＣ１の静電容量の変化に基づく信号のＳＮ比であるＳＮＲ１及び、第２キャパシタＣ２の静電容量の変化に基づく信号のＳＮ比であるＳＮＲ２は、式（１）のように表すことができる。
ＳＮＲ１＝Ｓ１／Ｎ１、 ＳＮＲ２＝Ｓ２／Ｎ２・・・・・（１）
また、上述のようにＳ１とＳ２の比率と、Ｎ１とＮ２の比率は異なるので、式（２）が成立する。
Ｓ２＝αＳ１、 Ｎ２＝βＮ１・・・・・（２）

そうすると、音響センサシステム全体のＳＮ比であるＳＮＲtotalは式（３）のように
表すことができる。
ＳＮＲtotal＝（Ｓ１−Ｓ２）／（Ｎ１−Ｎ２）
＝（Ｓ１−αＳ１）／（Ｎ１−βＮ１）
＝（１−α）／（１−β）×ＳＮＲ１・・・・・（３）

上記の式（３）において、α＜１、β≒１とすると、式（４）が成立する。
ＳＮＲtotal＝（１−α）／（１−β）×ＳＮＲ１
≫ＳＮＲ１
＞α／β×ＳＮＲ１＝ＳＮＲ２・・・・・（４）
すなわち、音響センサシステム全体のＳＮ比を、第１キャパシタＣ１のみの変化に基づく信号のＳＮ比であるＳＮＲ１、第２キャパシタＣ２のみの変化に基づく信号のＳＮ比であるＳＮＲ２よりも大幅に高くすることが可能となる。

次に、第１キャパシタＣ１からの信号に係るノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズのレベルを合わせるための手法について説明する。ここで、振動電極膜５の変形に起因する、第１キャパシタＣ１または第２キャパシタＣ２からの信号の変化の感度は以下の式（５）のように表すことができる。
感度∝ｃ×ｓ×Ｖ／ｇ・・・・・（５）
ここで、ｃは振動電極膜５の硬さを表す定数、ｓは各キャパシタを構成する振動電極膜５の面積、Ｖは電極間電圧、ｇは電極間のギャップである。そして、第１キャパシタＣ１または第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズについても、式（５）が概略成立すると考えられる。

すなわち、本実施例においては、図５に示す第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２を形成する振動電極膜５の硬さｃ１及びｃ２、面積ｓ１及びｓ２、電極間電圧Ｖ１及びＶ２、電極間ギャップｇ１及びｇ２を設計的に適切に決定することで、第１キャパシタＣ１からの信号に係るノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズのレベルを合わせることができる。その結果、第１キャパシタＣ１からの信号に係るノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズを加算することで、両者が打ち消し合うようにし、合算ノイズを極小にすることができる。なお、第１キャパシタＣ１と、第２キャパシタＣ２を形成する振動電極膜５の硬さｃ１及びｃ２については、振動電極膜５の材質は同じであるが、振動電極膜５内において、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２とに使用される領域を変えることで、各々異なる値として決定することが可能である。

ここで、第１キャパシタＣ１からの信号と、第２キャパシタＣ２からの信号の加算は、両者の共通の電極である振動電極膜５の電極パッド９と、バックプレート７における固定電極膜８の電極パッド１０と、基板３の電極パッド１３との間の配線または、音響センサ１に隣接されているＡＳＩＣ内の配線または演算によって実施する。

図６には、その場合の配線のバリエーションについて示す。なお、以下の説明では振動電極膜５、バックプレート７における固定電極膜８及び基板３からなる構造をＡＳＩＣに対してＭＥＭＳと称する場合がある。また、図６においてＶＰは振動電極膜５を、ＢＰはバックプレート７の固定電極膜８を、Ｓｕｂは基板３を意味する。図６（ａ）は、ＭＥＭＳにおける共通の振動電極膜５の電極パッド９を出力ＩＮとし、固定電極膜８の電極パッド１０にＡＳＩＣから電圧Ｖｏｌｔ１を、基板３の電極パッド１３にＡＳＩＣから電圧Ｖ
ｏｌｔ２を供給することとした例である。

この場合には、ＡＳＩＣから供給される電圧Ｖｏｌｔ１、Ｖｏｌｔ２の値を適宜調整することが可能である。また、ＭＥＭＳにおける振動電極膜５の硬さｃ１またはｃ２、振動電極膜５の面積ｓ１またはｓ２、電極間のギャップｇ１またはｇ２を適宜決定することが可能である。よって、この配線においては、式（５）に示した全てのパラメータを調整することが可能となる。これにより、より高い自由度をもってより確実に、第１キャパシタＣ１からの信号Ｓ１と、第２キャパシタＣ２からの信号Ｓ２のレベルにある程度の違いを設けつつ、各信号に係るノイズＮ１、Ｎ２のレベルを合わせ、音響センサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能となる。

図６（ｂ）は、ＭＥＭＳにおける共通の振動電極膜５の電極パッド９を出力ＩＮとし、バックプレート７の固定電極膜８の電極パッド１０及び、基板３の電極パッド１３にＡＳＩＣから共通の電圧（Ｖｏｌｔ１＝Ｖｏｌｔ２）を供給することとした例である。この場合には、ＭＥＭＳ側のパラメータ（ＭＥＭＳにおける振動電極膜５の硬さｃ１またはｃ２、振動電極膜５の面積ｓ１またはｓ２、電極間のギャップｇ１またはｇ２）を調整することが可能である。これにより、ＭＥＭＳ側のパラメータのみを調整することで、第１キャパシタＣ１からの信号Ｓ１と、第２キャパシタＣ２からの信号Ｓ２のレベルにある程度の違いを設けつつ、各信号に係るノイズＮ１、Ｎ２のレベルを合わせ、音響センサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能となる。

図６（ｃ）は、ＭＥＭＳにおける共通の振動電極膜５の電極パッド９に電圧Ｖｏｌｔを供給し、バックプレート７の固定電極膜８の電極パッド１０を第１の出力ＩＮ１とし、基板３の電極パッド１３を第２の出力ＩＮ２として、ＡＳＩＣに入力することとした例である。この場合は、ＭＥＭＳ側のパラメータ（ＭＥＭＳにおける振動電極膜５の硬さｃ１またはｃ２、振動電極膜５の面積ｓ１またはｓ２、電極間のギャップｇ１またはｇ２）を調整するとともに、ＡＳＩＣ内で第１の出力ＩＮ１及び第２の出力ＩＮ２に適切なゲインやオフセットを施す等、ＡＳＩＣ内で高度な調整を行うことが可能である。これにより、より確実に、第１キャパシタＣ１からの信号Ｓ１と、第２キャパシタＣ２からの信号Ｓ２のレベルにある程度の違いを設けつつ、各信号に係るノイズＮ１、Ｎ２のレベルを合わせ、音響センサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能となる。

図６（ｄ）は、ＭＥＭＳにおける共通の振動電極膜５の電極パッド９に共通の電圧Ｖｏｌｔを供給し、バックプレート７の固定電極膜８の電極パッド１０及び、基板３の電極パッド１３の出力を接続した上で、当該出力ＩＮをＡＳＩＣに入力することとした例である。この場合は、ＡＳＩＣ内で各々の出力や電圧の調整を行うことは困難であるので、ＭＥＭＳ側のパラメータ（ＭＥＭＳにおける振動電極膜５の硬さｃ１またはｃ２、振動電極膜５の面積ｓ１またはｓ２、電極間のギャップｇ１またはｇ２）を調整することになる。これにより、ＭＥＭＳ側のパラメータのみを調整することで、第１キャパシタＣ１からの信号Ｓ１と、第２キャパシタＣ２からの信号Ｓ２のレベルにある程度の違いを設けつつ、各信号に係るノイズＮ１、Ｎ２のレベルを合わせ、音響センサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能となる。

なお、本実施例においては、振動電極膜５と基板３とで、第２キャパシタＣ２を形成することとしているが、この場合には、図７（ａ）に示すように、基板３の全体もしくは表面を導電性としてもよい。このことで、追加の成膜プロセスを追加することなく、基板３をそのまま固定電極として使用することが可能となる。一方、図７（ｂ）に示すように、基板３の振動電極膜５側の表面に導電性の固定電極を別途設けてもよい。このことで、第２キャパシタＣ２の固定電極の面積の調整を行い易く、第２キャパシタＣ２からの信号のレベルやノイズレベルの調整をより容易にまたはより精密に行う事が可能となる。

なお、第２キャパシタＣ２においては、図８（ａ）に破線の円で示すように、振動電極膜５に、基板３とのスティックを防止するためのストッパ５ａが形成されている場合がある。このような場合には、振動電極膜５と基板３とがストッパ５ａにおいて接触した場合に、ストッパ５ａを介して振動電極膜５と基板３とが電気的にショートしてしまう虞がある。これに対し、本実施例では、図８（ｂ）に示すように基板３に絶縁体による絶縁部３ａを形成するか、あるいは、図８（ｃ）に示すように振動電極膜５のストッパ５ａの先端に絶縁体による絶縁部５ｂを設けてもよい。これにより、振動電極膜５と基板３がストッパ５ａにおいて接触した際に電気的なショートが発生することを防止できる。

＜実施例２＞
次に、図９及び図１０を用いて、振動電極膜５を共通の電極とし、バックプレート７の固定電極膜８を分割して別々の電極とすることで、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２を構成する例について説明する。

図９には、本実施例の音響センサ１におけるバックプレート7及び、振動電極膜５付近
の断面図と、当該構成で得られる等価的な回路図とを示す。図９（ａ）に示すように、本実施例においては、バックプレート７の固定電極膜８は、第１固定電極膜８ａと第２固定電極膜８ｂに分割されている。そして、振動電極膜５と第１固定電極膜８ａとによって第１キャパシタＣ１が構成されている。また、振動電極膜５と第２固定電極膜８ｂとによって第２キャパシタＣ２が構成されている。すなわち、本実施例においては、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２の両方が、振動電極膜５とバックプレート７の固定電極膜８によって構成されている。

また、本実施例においては、第１キャパシタＣ１からの信号と、第２キャパシタＣ２からの信号は同極性を有し、第１キャパシタＣ１からの信号のノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号のノイズも同極性を有する。従って、第１キャパシタＣ１と第２キャパシタＣ２からの信号に係るノイズを打ち消し合わせるためには、第１キャパシタＣ１からの信号と第２キャパシタＣ２からの加算するのではなく、両者の差分をとる必要がある。

従って、本実施例においては、図９（ｂ）に示すように、第１キャパシタＣ１の出力ＩＮ１と、第２キャパシタＣ２の出力ＩＮ２を各々ＡＳＩＣに入力し、ＡＳＩＣ内でＩＮ２を反転した後に、両者を加算する。これにより、より確実に、第１キャパシタＣ１からの信号と、第２キャパシタＣ２からの信号のレベルにある程度の違いを設けつつ、各信号に係るノイズのレベルを合わせ、第１キャパシタＣ１からの信号のノイズと、第２キャパシタＣ２からの信号のノイズを打ち消し合わせ、音響センサシステムとしてのＳＮ比を向上させることが可能である。

図１０には、バックプレート７の固定電極を第１固定電極８ａと、第２固定電極８ｂに分割する場合の分割の仕方の例を示している。図１０（ａ）に示すように、第１固定電極８ａの周囲を囲うように第２固定電極８ｂを配置しても良いし、図１０（ｂ）に示すように、第１固定電極８ａと第２固定電極８ｂとを並べて配置しても構わない。

１・・・音響センサ
２・・・バックチャンバー
３・・・基板
５・・・振動電極膜
７・・・バックプレート
８・・・固定電極膜
１１・・・振動部
１２・・・固定部
Ｃ１・・・第１キャパシタ
Ｃ２・・・第２キャパシタ

Claims (17)

1. 第１固定電極と第２固定電極の二つの固定電極と、前記第１固定電極及び前記第２固定電極との間に空隙を介して両者に対向するように配設された振動電極とを有し、
   前記第１固定電極と前記振動電極とによって第１キャパシタが構成されるとともに、前記第２固定電極と前記振動電極とによって第２キャパシタが構成され、
   前記振動電極の変形を前記第１キャパシタと前記第２キャパシタにおける静電容量の変化に変換する、静電容量型トランスデューサと、
   前記第１キャパシタ及び、前記第２キャパシタへの供給電圧および／または、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号を処理する制御部と、
   を備えた、静電容量型トランスデューサシステムであって、
   前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号が、互いに打ち消す方向に加減されることを特徴とする静電容量型トランスデューサシステム。
2. 前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルが互いに異なり、前記第１キャパシタのノイズレベルと前記第２キャパシタのノイズレベルが同等になるように、前記第１固定電極、前記第２固定電極及び前記振動電極の、電極面積、電極位置、電極間ギャップ、供給電圧、利得の少なくとも一つの値が決定されたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
3. 前記第１固定電極は開口を有する半導体基板であり、
   前記第２固定電極は前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を有するバックプレートに形成された固定電極膜であり、
   前記振動電極は前記バックプレートと前記半導体基板との間に、前記バックプレートと前記半導体基板の各々と空隙を介して対向するように配設された振動電極膜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
4. 前記半導体基板は表面が導電性とされまたは、導電性材料により形成されたことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
5. 前記半導体基板における前記振動電極膜に対向する部分の表面に固定電極膜が形成されたことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
6. 前記振動電極膜には、該振動電極膜が前記半導体基板側に変形した際に該半導体基板と接触するストッパが設けられ、
   該ストッパの前記半導体基板側の先端には絶縁体からなる絶縁部が設けられたことを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
7. 前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線が電気的に接続されることにより、
   前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、互いに打ち消す方向に加減されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
8. 前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号が、前記制御部において互いに打ち消す方向に加減演算されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
9. 前記静電容量型トランスデューサは、
   開口を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を有するバックプレートと、
   前記バックプレートとの間に空隙を介して該バックプレートに対向するように配設された振動電極膜と、を有し、
   前記第１固定電極及び前記第２固定電極は、前記バックプレートに形成された固定電極膜を分割することで形成され、
   前記振動電極は前記振動電極膜であり、
   前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号が、前記制御部において互いに打ち消す方向に加減演算されることを特徴とする、請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサシステム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサシステムを有し、音圧を検出する音響センサ。
11. 開口を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の開口に対向するように配設されるとともに空気の通過が可能な音孔を有するバックプレートと、
    前記バックプレートと前記半導体基板との間に、前記バックプレートと前記半導体基板の各々と空隙を介して対向するように配設された振動電極膜と、
    を備え、
    前記振動電極膜の変形を該振動電極膜と前記バックプレート及び前記半導体基板の間の静電容量の変化に変換する静電容量型トランスデューサにおいて、
    前記半導体基板に設けられた第１固定電極と前記振動電極膜とによって第１キャパシタが構成されるとともに前記振動電極膜の変形を該第１キャパシタの静電容量の変化に変換し、
    前記バックプレートに形成された第２固定電極と前記振動電極膜によって第２キャパシタが構成されるとともに前記振動電極膜の変形を該第２キャパシタの静電容量の変化に変換することを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
12. 前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線と、前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号の信号線が電気的に接続されることで、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの各々の静電容量の変化に基づく信号が、加算されて出力されることを特徴とする、請求項１１に記載の静電容量型トランスデューサ。
13. 前記第１キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルと前記第２キャパシタの静電容量の変化に基づく信号のレベルが互いに異なり、前記第１キャパシタのノイズレベルと前記第２キャパシタのノイズレベルが同等になるように、前記第１固定電極、前記第２固定電極及び前記振動電極の、電極面積、電極位置、電極間ギャップの少なくとも一つの値が決定されたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の静電容量型トランスデューサ。
14. 前記半導体基板は表面が導電性とされまたは、導電性材料により形成されたことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
15. 前記半導体基板における前記振動電極膜に対向する部分の表面に固定電極膜が形成されたことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
16. 前記振動電極膜には、該振動電極膜が前記半導体基板側に変形した際に該半導体基板と接触するストッパが設けられ、
    該ストッパの前記半導体基板側の先端には絶縁体からなる絶縁部が設けられたことを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
17. 請求項１１から１６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサを有し、音圧を検出する音響センサ。

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