JP2018098615A - 音響センサ及び静電容量型トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
Description
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)。
力が集中し、これによりダイアフラムが損傷する危険性があった。
前記半導体基板の開口に対向するように配設され固定電極として機能す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、
前記基板、バックプレート及び振動電極膜を収納するとともに、空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体と、
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の間の静電容量の変化に変換し、音圧を検出する音響センサにおいて、
前記バックプレートの音孔、前記バックプレートと前記振動電極膜の間の隙間、前記振動電極膜と前記半導体基板の間の隙間及び、前記半導体基板の開口の少なくともいずれかを含んで、前記圧力孔から前記筐体内に流入した流体が、前記筐体内において前記振動電極膜を挟んで前記圧力孔と反対側の空間に移動する流路が形成され、
前記圧力孔から前記筐体内に流体が流入することで前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記流路の少なくとも一部を遮断する流路遮断部をさらに備えることを特徴とする音響センサである。
間、前記振動電極膜と前記半導体基板の間の隙間及び、前記半導体基板の開口の少なくともいずれかを含んで、前記圧力孔から前記筐体内に流入した流体が、前記筐体内において前記振動電極膜を挟んで前記圧力孔と反対側の空間に移動する流路が形成され、前記圧力孔から前記筐体内に流体が流入することで前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記流路の少なくとも一部を遮断する流路遮断部をさらに備えることとした。すなわち、本発明によれば、音響センサに過大な圧力が作用した場合に、筐体に収納された静電容量型トランスデューサの振動電極膜と半導体基板またはバックプレートとの間の隙間および/または、半導体基板の開口またはバックプレートの音孔を空気が通過して筐体内における特に振動電極膜に対し圧力孔の反対側の領域の圧力が増加することを抑制し、当該圧力に起因して振動電極膜が過剰に変形してしまうことを抑制できる。その結果、音響センサに過大な圧力が作用した場合に振動電極膜が破損してしまうことを抑制できる。なお、ここでいう遮断とは、流体の通過を完全に遮る場合の他、流体の一部の通過を残す場合をも含む。
プレート全体における音孔を空気が通過することを、より効率的に抑制でき、筐体内の圧力が上昇し当該圧力に起因して振動電極膜が破損することを、より効率的に抑制できる。
流路遮断部は、前記振動電極膜または前記半導体基板の一方に設けられ、前記半導体基板において少なくとも前記開口を囲むようにまたは、前記振動電極膜において少なくとも前記半導体基板の開口に対向する部分を囲むように形成され、前記振動電極膜が変形して前記半導体基板に接近した際に、前記振動電極膜または前記半導体基板の他方と当接することで、前記振動電極膜と前記半導体基板との間の隙間および/または前記半導体基板の開口を通過する空気の流路の少なくとも一部を遮断する壁部であってもよい。
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、
前記基板、バックプレート及び振動電極膜を収納するとともに、空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体と、
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の間の静電容量の変化に変換し、音圧を検出する音響センサにおいて、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する流体の流れを阻害する流路阻害部をさらに備えることを特徴とする音響センサであってもよい。
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固定電極として機能す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の間の静電容量の変化に変換し、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜と前記半導体基板または前記バックプレートとの間の隙間を通過する流体の流路および/または、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する流体の流路の、少なくとも一部を遮断する流路遮断部をさらに備え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。
に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方に当接するストッパがさらに設けられ、前記流路遮断部の高さは、前記ストッパの高さ以上であることとしてもよい。
表面に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の間の静電容量の変化に変換し、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する流体の流れを阻害する流路阻害部をさらに備えることとしてもよい。
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。
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。
7aを介してバックプレート107を通過し難くすることができる。しかしながら、この場合には、振動電極膜105とバックプレート107が密着したまま離れなくなって、スティックが発生してしまう虞がある。
次に、実施例2として、音響センサ1に過大な圧力が作用し振動電極膜25がバックプレート27側に変形した場合に、空気が音孔27aを通過し難くするために、バックプレート27における、振動電極膜25の振動部31に対向する部分を囲むように壁部を設け
た例について説明する。
次に、突出部を振動電極膜に設けた例について説明する。図9は、本実施例におけるバックプレート27及び、振動電極膜25付近の構造を説明するための図である。図9(a)は過大な圧力が作用する前の状態を示す断面図、図9(b)は過大な圧力が作用した状態を示す断面図、図9(c)は平面図を示す。なお、図9(a)、図9(b)は図9(c)に示されるX−X断面による断面図である。本実施例では、図9(a)に示すように、振動電極膜25の振動部31の端部付近において、対向するバックプレート27に配置された個々の音孔27aを閉塞可能な位置に突出部25aを設ける。すなわち、平面視において、個々の音孔27aを包含するような断面を有する柱状の突出部25aを設ける。
次に、本発明を、振動電極膜25に孔25bが設けられた構造に適用した場合について説明する。このような構造は、音響センサ1の低周波数領域の感度を低下させる目的で採用される場合がある。ここで、図10には、振動電極膜25に孔25bが設けられた構造における、突出部25cの構造について示す。このような場合には、図10(a)に示すように、孔25bの周囲を囲うように筒状の突出部25cを振動電極膜25に設けてもよい。こうすれば、過大な圧力が作用し振動電極膜25がバックプレート27側に変形した場合に、振動電極膜25の突出部25cがバックプレート27と当接し、振動電極膜25における孔25bによる空気の流路を遮断(空気の流れを阻害)し、孔25bを空気が通過してパッケージ内の圧力が上昇することを抑制できる。
音響センサ1に作用した場合に、より確実に、音孔27aを空気が通過してパッケージ内の圧力が上昇することを抑制できる。
次に、本発明を、パッケージ108において圧力孔108bが、底面側(振動電極膜に対して基板側)でなく、天井面側(振動電極膜に対して基板と反対側)にある構成に適用した場合について説明する。ここで、この構成において過大な圧力が音響センサ101に作用した場合の一般的な不都合について図12を用いて説明する。この構成において過大な圧力が音響センサ1に作用した際には、圧力がパッケージ108の天井面に設けられた圧力孔108bからバックプレート107の音孔107aを介して振動電極膜105に作用する。そうすると、振動電極膜105にバックプレート107とは逆側(基板103側)への大きな変形が生じ、振動電極膜105が基板103に接触する。この時点で振動電極膜105が破損する場合がある。
ていてもよい。また、本実施例において、振動電極膜25と基板23との間でスティックを発生させないために振動電極膜25における基板23側の面にストッパ(不図示)が設けられることがあるが、この場合には、壁部25dの高さをストッパの高さと同等以上にすることが望ましい。これにより、過大な圧力が作用し振動電極膜25が基板23側に変形した場合に、より確実に振動電極膜25の壁部25dを基板23の上面と当接させ、パッケージ内の圧力が上昇することを抑制できる。
上記の実施例においては、突出部や壁部は、バックプレートや振動電極膜の表面に凸形状を付与することによって形成することを前提として説明した。しかしながら、突出部や壁部を、バックプレートや振動電極膜に曲げ形状を付与することにより形成しても構わない。
レート27側に変形した場合に、振動電極膜25のバックプレート27側の表面が壁部27fに当接することで、空気がバックプレート27と振動電極膜25の隙間に流入する際の流路を遮断(流れを阻害)してもよい。
2、22・・・バックチャンバー
3、23、43、103・・・基板
5、25、35、45、105・・・振動電極膜
7、27、37、107・・・バックプレート
7a、27a、37a、107a・・・音孔
27b・・・ストッパ
25a、25c、25e、27c、27e、27f・・・突出部
25d、27d、27f・・・壁部
11、31、51・・・振動部
12、32、52・・・固定部
106・・・パッケージ
106a、106b・・・圧力孔
Claims (22)
- 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固定電極として機能す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、
前記基板、バックプレート及び振動電極膜を収納するとともに、空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体と、
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の間の静電容量の変化に変換し、音圧を検出する音響センサにおいて、
前記バックプレートの音孔、前記バックプレートと前記振動電極膜の間の隙間、前記振動電極膜と前記半導体基板の間の隙間及び、前記半導体基板の開口の少なくともいずれかを含んで、前記圧力孔から前記筐体内に流入した流体が、前記筐体内において前記振動電極膜を挟んで前記圧力孔と反対側の空間に移動する流路が形成され、
前記圧力孔から前記筐体内に流体が流入することで前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記流路の少なくとも一部を遮断する流路遮断部をさらに備えることを特徴とする音響センサ。 - 前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記バックプレートの一方に設けられ、前記振動電極膜が変形して前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方と当接することで、前記バックプレートにおける少なくとも一部の前記音孔を閉塞させる突出部であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。
- 前記突出部は、前記バックプレートにおける全面の前記音孔を閉塞させることを特徴とする、請求項2に記載の音響センサ。
- 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記突出部は、前記バックプレートにおける、前記振動電極膜の振動部の外周に対向する部分に配置された前記音孔を閉塞させることを特徴とする、請求項2に記載の音響センサ。 - 前記突出部は、平面視において前記バックプレートにおける前記音孔の周囲を囲う筒状の形状を有することを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の音響センサ。
- 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記バックプレートの一方に設けられ、前記振動電極膜において少なくとも前記振動部の一部を囲むようにまたは、前記バックプレートにおいて少なくとも前記振動電極膜の振動部の一部に対向する部分を囲むように形成され、前記振動電極膜が変形して前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方と当接することで、前記振動電極膜と前記バックプレートとの間の隙間および/または前記バックプレートの音孔を通過する空気の流路の少なくとも一部を遮断する壁部であ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には、固定電極膜及び前記流路遮断部が設けられ、
前記固定電極膜は、前記バックプレートにおける前記流路遮断部の先端以外の部分にのみ設けられることを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載の音響センサ。 - 前記振動電極膜または前記バックプレートの一方には、前記振動電極膜及び前記バックプレートが互いに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方に当接するストッパがさらに設けられ、
前記流路遮断部の高さは、前記ストッパの高さ以上であることを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載の音響センサ。 - 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記半導体基板の一方に設けられ、前記半導体基板において少なくとも前記開口を囲むようにまたは、前記振動電極膜において少なくとも前記半導体基板の開口部に対向する部分を囲むように形成され、前記振動電極膜が変形して前記半導体基板に接近した際に、前記振動電極膜または前記半導体基板の他方と当接することで、前記振動電極膜と前記半導体基板との間の隙間および/または前記半導体基板の開口を通過する空気の流路の少なくとも一部を遮断する壁部であることを特徴とする、請求項1に記載の音響センサ。 - 前記振動電極膜または前記半導体基板の一方には、前記振動電極膜及び前記半導体基板が互いに接近した際に、前記振動電極膜または前記半導体基板の他方に当接するストッパがさらに設けられ、
前記壁部の高さは、前記ストッパの高さ以上であることを特徴とする請求項9に記載の音響センサ。 - 表面に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、
前記基板、バックプレート及び振動電極膜を収納するとともに、空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体と、
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の間の静電容量の変化に変換し、音圧を検出する音響センサにおいて、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する流体の流れを阻害する流路阻害部をさらに備えることを特徴とする音響センサ。 - 空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体に収納されて使用される静電容量型トランスデューサであって、
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固定電極として機能す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の間の静電容量の変化に変換し、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜と前記半導体基板または前記バックプレートとの間の隙間を通過する流体の流路および/または、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する
流体の流路の、少なくとも一部を遮断する流路遮断部をさらに備えることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。 - 前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記バックプレートの一方に設けられ、前記振動電極膜が変形して前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方と当接することで、前記バックプレートにおける少なくとも一部の前記音孔を閉塞させる突出部であることを特徴とする、請求項12に記載の静電容量型トランスデューサ。
- 前記突出部は、前記バックプレートにおける全面の前記音孔を閉塞させることを特徴とする、請求項13に記載の静電容量型トランスデューサ。
- 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記突出部は、前記バックプレートにおける、前記振動電極膜の振動部の外周に対向する部分に配置された前記音孔を閉塞させることを特徴とする、請求項13に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 前記突出部は、平面視において前記バックプレートにおける前記音孔の周囲を囲う筒状の形状を有することを特徴とする請求項13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。
- 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記バックプレートの一方に設けられ、前記振動電極膜において少なくとも前記振動部の一部を囲むようにまたは、前記バックプレートにおいて少なくとも前記振動電極膜の振動部の一部に対向する部分を囲むように形成され、前記振動電極膜が変形して前記バックプレートに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方と当接することで、前記振動電極膜と前記バックプレートとの間の隙間および/または前記バックプレートの音孔を通過する空気の流路の少なくとも一部を遮断する壁部であることを特徴とする、請求項12に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 前記バックプレートには、固定電極膜及び前記流路遮断部が設けられ、
前記固定電極膜は、前記バックプレートにおける前記流路遮断部の先端以外の部分にのみ設けられることを特徴とする請求項13から17のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 前記振動電極膜または前記バックプレートの一方には、前記振動電極膜及び前記バックプレートが互いに接近した際に、前記振動電極膜または前記バックプレートの他方に当接するストッパがさらに設けられ、
前記流路遮断部の高さは、前記ストッパの高さ以上であることを特徴とする請求項13から17のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 前記振動電極膜は、圧力が作用する板状の振動部と該振動部を前記半導体基板または前記バックプレートに固定する固定部とを含んで形成され、
前記流路遮断部は、前記振動電極膜または前記半導体基板の一方に設けられ、前記半導体基板において少なくとも前記開口を囲むようにまたは、前記振動電極膜において少なくとも前記半導体基板の開口部に対向する部分を囲むように形成され、前記振動電極膜が変形して前記半導体基板に接近した際に、前記振動電極膜または前記半導体基板の他方と当
接することで、前記振動電極膜と前記半導体基板との間の隙間および/または前記半導体基板の開口を通過する空気の流路の少なくとも一部を遮断する壁部であることを特徴とする、請求項12に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 前記振動電極膜または前記半導体基板の一方には、前記振動電極膜及び前記半導体基板が互いに接近した際に、前記振動電極膜または前記半導体基板の他方に当接するストッパがさらに設けられ、
前記壁部の高さは、前記ストッパの高さ以上であることを特徴とする請求項20に記載の静電容量型トランスデューサ。 - 空気の流入が可能な圧力孔を有する筐体に収納されて使用される静電容量型トランスデューサであって、
表面に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の間の静電容量の変化に変換し、
前記振動電極膜が変形し前記半導体基板または前記バックプレートに接近した際に、前記半導体基板の開口または前記バックプレートの音孔を通過する流体の流れを阻害する流路阻害部をさらに備えることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
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