JP2023158628A - Ｍｅｍｓ素子及び電気音響変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動膜の内部応力を低減することができ、内外圧差の増大に伴って、振動膜のダイヤフラムの剛性が低下し、ＭＥＭＳ素子の機械的感度を効果的に向上させるＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置を提供する。【解決手段】ＭＥＭＳ素子は、チャンバ１１が貫通するベース１０と、ベースに接続され、かつ、チャンバ１１を覆い、対向して設置された第１ダイアフラム２１及び第２ダイヤフラム２２を含む振動膜２０と、を有する。第１ダイヤフラム２１は、第２ダイヤフラム２２のベースから離反する側に位置し、第１ダイヤフラム２１に突出した第１突起２１１を含む。第２ダイヤフラム２２は、突出した第２突起２２１を含みむ。第２突起２２１は、第１ダイヤフラム２１から離反する側に向かって延在し、第１突起２１１と対向して設置される。【選択図】図２

Description

本発明は、微小電気機械システムの技術分野に関し、特にＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置に関する。

従来の二重膜構造を有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）において、上フィルムと、下フィルムと、上フィルムと下フィルムとを接続するための複数の支持部材とを含み、支持部材は、上フィルムと下フィルムがそれらの最も近接する場所に接続されることを許容する。

上フィルム、下フィルム及び隣接する二つの支持部材の間に、空気と隔離された密封体積のキャビティが生成される。適切な設計及び製造技術により、このようなキャビティの密封体積は、低下した大気圧下又は完全に空気がない（即ち真空下）状態があり得る。

支持部材の目的は、ダイヤフラムが平坦であることを保持し、又は各支持部材の間のダイヤフラムの曲げ／変形を少なくとも制限／制御することによって、キャビティの密封体積が低下した大気圧にあるが外部が環境大気圧下にあるときに、上フィルムと下フィルムが互いに折り畳まれる（重要な圧力差をもたらす）ことを回避することである。

しかしながら、このような二重膜構造の剛性は、内外圧力差の増加に伴って増加する。剛性は、機械的感度の反比例として定義されるため、このような状況は、このような構造の機械的感度の低下につながる。

上記問題に鑑み、本発明は、従来技術における技術課題を解決するために、ＭＥＭＳ素子の機械的感度を向上させることができるＭＥＭＳ素子及び電気音響変換装置を提供する。

第１態様において、本発明はＭＥＭＳ素子を提供し、当該ＭＥＭＳ素子は、チャンバが貫通するベースと、前記ベースに接続されかつ前記チャンバを覆う振動膜とを含み、
前記振動膜は、対向して設置された第１ダイヤフラム及び第２ダイヤフラムを含み、前記第１ダイヤフラムは、第２ダイヤフラムのチャンバから離反する側に位置し、
前記第１ダイヤフラムは、前記第１ダイヤフラムに突出した第１突起を含み、前記第１突起は、前記第２ダイヤフラムから離反する側に向かって延在し、前記第１突起には、開口が前記第２ダイヤフラムに向かう第１凹溝が設置され、
前記第２ダイヤフラムは、前記第２ダイヤフラムに突出した第２突起を含み、前記第２突起は、前記第１ダイヤフラムから離反する側に向かって延在し、前記第２突起は、前記第１突起と対向して設置され、前記第２突起には、開口が前記第１ダイヤフラムに向かう第２凹溝が設置される。

本発明の実施例の技術案において、第１ダイヤフラムに第１突起が設けられ、第２ダイヤフラムに第２突起が設けられ、第１突起と第２突起とが組み合わせて波形の振動膜を形成することにより、形成された振動膜の内部応力を低減することができ、内外圧差の増大に伴って、振動膜のダイヤフラムの剛性が小さくなり、ＭＥＭＳ素子の機械的感度を効果的に向上させる。

いくつかの実施例において、前記第１突起及び前記第２突起は、いずれも複数設けられ、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置される。

いくつかの実施例において、前記第１突起及び前記第２突起は、前記振動膜のエッジに近接して設置される。

いくつかの実施例において、前記第１突起及び前記第２突起は、前記振動膜の中心に近接して設置される。

いくつかの実施例において、前記第１突起及び前記第２突起の形状及び寸法は、いずれも同じである。

いくつかの実施例において、前記第１突起及び前記第２突起の前記振動膜の表面に垂直な形状は、矩形状、台形状又は三角形状である。

いくつかの実施例において、前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間には支持部材が設置され、前記支持部材の第１端が、前記第１ダイヤフラムに接続され、かつ隣接する二つの前記第１突起間に位置し、前記支持部材の第２端が、前記第２ダイヤフラムに接続され、かつ隣接する二つの前記第２突起間に位置する。

いくつかの実施例において、前記第１ダイヤフラム、第２ダイヤフラム及び二つの隣接する前記支持部材の間に囲まれて収容キャビティが形成され、前記収容キャビティ内に対極が設置される。

いくつかの実施例において、前記収容キャビティは、気密封止されており、前記収容キャビティの内部圧力は、外部大気圧よりも小さい。

いくつかの実施例において、前記収容キャビティの内部圧力と外部大気圧との間に圧力差が形成され、前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムの機械的感度は、前記圧力差の増加に伴って増加する。

いくつかの実施例において、前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムは、いずれも導電性材料で製造され、又はその上に導電性素子が設置された絶縁膜を含む。

いくつかの実施例において、前記対極は、単一の導体を含み、それにより前記第１ダイヤフラムと前記単一の導体との間に第１容量が形成され、前記第２ダイヤフラムと前記単一の導体との間に第２容量が形成される。

いくつかの実施例において、前記対極は、前記第１ダイヤフラムに向かう第１表面と、前記第２ダイヤフラムに向かう第２表面とを含み、導電性素子は、それぞれ前記第１表面と第２表面に設置され、それにより第１容量は、前記第１ダイヤフラムと前記第１表面に設置された導電性素子との間に形成され、第２容量は、前記第２ダイヤフラムと前記第２表面に設置された導電性素子との間に形成される。

第２態様において、本発明は、電気音響変換装置をさらに提供し、前記電気音響変換装置は、前述のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子と電気的に接続された回路装置とを含む。

上記説明は、本発明の技術案の概要のみであり、本発明の技術手段をより明確に理解するために、明細書の内容に基づいて実施可能であり、且つ本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点をより明らかにするために、以下に本発明の具体的な実施形態を挙げる。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読めば、当業者には様々な他の利点および利益が明らかになるであろう。図面は、好ましい実施形態の目的のみを示すために用いられ、本発明を限定するものではない。且つ全ての図面において、同じ符号で同じ部材を示す。図面において、図面は実際の比率に応じて描かれない。
第１種の構造振動膜の構成を示す模式図である。 第１種の構造振動膜の状況での第１ダイヤフラムの平面図である。 第２種の構造振動膜の構成を示す模式図である。 第３種の構造振動膜の構成を示す模式図である。 第４種の構造振動膜の構成を示す模式図である。 電気音響変換装置の構成を示す模式図である。

以下に図面を参照して説明した実施例は、例示的なものであり、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものと解釈することができない。

図１～図５に示すように、本発明はＭＥＭＳ素子２００を提供し、当該ＭＥＭＳ素子は、チャンバ１１が貫通するベース１０と、振動膜２０とを含み、好ましくは、チャンバ１１の内輪郭面は、円形構造である。

振動膜２０は、ベース１０に接続されかつチャンバ１１を被覆し、振動膜２０は、対向して設置された第１ダイヤフラム２１及び第２ダイヤフラム２２を含み、第１ダイヤフラム２１は、第２ダイヤフラム２２のチャンバ１１から離反する側に位置し、本実施例において、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２は、いずれも同心に設置された円形構造であり、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２との間には予め定められた間隙を保持して、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２は、導電性材料で製造され、又はその上に導電性素子が設置された絶縁膜を含んでもよい。

第１ダイヤフラム２１は、第１ダイヤフラム２１に突出した第１突起２１１を含み、第１突起２１１は、第２ダイヤフラム２２から離反する側に向かって延在し、第１ダイヤフラム２１上に第１突起２１１が存在しない部分は平坦であり、第１突起２１１には開口が第２ダイヤフラム２２に向かう第１凹溝２１２が設置され、第１凹溝２１２の溝型は、第１突起２１１の断面形状と同じにすることができ、第１ダイヤフラム２１の上面は、チャンバ１１から離反する面であり、第１突起２１１の上面が第１ダイヤフラム２１の上面よりも高く、理解されるように、第１ダイヤフラム２１のうちの一部は、屈折状（複数の第１突起２１１を含む）を呈して波形を構成し、他の部分は非屈折状であり、ここで、非屈折状の部分は、例えば、平板状構造である。

第２ダイヤフラム２２は、第２ダイヤフラム２２に突出した第２突起２２１を含み、第２突起２２１は、第１ダイヤフラム２１から離反する側に向かって延在し、第２ダイヤフラム２２に第２突起２２１が存在しない部分は平坦であり、第２突起２２１は、第１突起２１１と対向して設置され、第２突起２２１には開口が第１ダイヤフラム２１に向かう第２凹溝２２２が設置され、第２凹溝２２２の溝型は、第２突起２２１の断面形状と同じにすることができる。第２ダイヤフラム２２の下面は、チャンバ１１に近接する面であり、第２突起２２１の下面が第２ダイヤフラム２２の下面より低い。理解されるように、第２ダイヤフラム２２のうちの一部は、屈折状（複数の第１突起２１１を含む）を呈して波形を構成し、他の部分は非屈折状であり、ここで、非屈折状の部分は、例えば、平板状構造である。

好ましくは、第１突起２１１及び第２突起２２１の形状及び寸法は、いずれも同じであり、規則的な波形を形成することによって、振動膜２０全体の応力分布を均一にするとともに、成形加工に有利である。同時に、第１突起２１１及び第２突起２２１の振動膜２０の面に垂直な形状は、矩形状、台形状又は三角形状などであってもよく、第１突起２１１及び第２突起２２１の傾斜面の角度は、０°より大きくかつ９０°以下であり、当業者であれば分かるように、第１突起２１１及び第２突起２２１の振動膜２０の面に垂直な形状は、規則的な図形であっても不規則な図形であってもよく、ここで限定されない。

第１突起２１１と第２突起２２１は、共に振動膜２０の波形を構成し、蛇腹構造は振動膜２０における引張応力の減少を許容するため、振動膜２０の引張応力が減少し、大きな音圧を受けることができ、同時に、第１突起２１１はチャンバ１１から離反して突起し、第２突起２２１はチャンバ１１に向かって突起するため、構成された振動膜２０は小さい内部応力を有し、内外圧差の増大に伴って、振動膜２０のダイヤフラムの剛性が減少し、ＭＥＭＳ素子２００の機械的感度を効果的に向上させる。

さらに、第１突起２１１と第２突起２２１は、いずれも複数設けられ、複数の第１突起２１１と複数の第２突起２２１は、いずれも振動膜２０の径方向に沿って間隔を隔てて設置され、それにより振動膜２０には少なくとも二つの波形が設置され、複数の波形は、振動膜２０の中心に対して対称的に分布することができる。具体的には、振動膜が円盤状構造である場合、波形は、円盤状構造の中心囲むように円周に沿って配列することができる。

振動膜２０の内部圧力と外部大気圧との間の圧力差が一定の閾値を超えた後、ダイヤフラム２０の水平方向（ダイヤフラム２０の面に平行な方向）での引張応力の減少により、複数の波紋は、ダイヤフラム２０の機械的感度を効果的に増加させることができる。

当然のことながら、蛇腹構造の数は最適値を有し、この最適な数の蛇腹構造を有する場合、振動膜２０の機械的感度は最適値を有し、いくつかの実施例では、蛇腹構造は７が最適な数であり、当業者であれば分かるように、この最適な数は実際の条件に基づいて得ることができ、ここで限定されない。

図３及び図４に示すように、第１突起２１１及び第２突起２２１は、振動膜２０のエッジに近接して設置され、第１突起２１１及び第２突起２２１は、振動膜２０に大きな変形を発生することを避けるために、１つ又は複数設置されてもよい。

図５に示すように、第１突起２１１及び第２突起２２１は、振動膜２０の中心に近接して設置され、それにより二重膜構造が最も高いコンプライアンスを有し、従来の単層堆積材料で形成された従来膜に対して、機械的感度がより高くなる。

図１～図５に示すように、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２との間に支持部材３０が設置され、支持部材３０は振動膜２０に垂直な方向に沿って延在し、支持部材３０の第１端は、第１ダイヤフラム２１に接続され、かつ二つの隣接する第１突起２１１の間に位置し、支持部材３０の第２端は、第２ダイヤフラム２２に接続され、かつ二つの隣接する第２突起２２１の間に位置する。第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２を機械結合するために、支持部材３０は、好ましくは、窒化ケイ素で製造される。

支持部材３０は、全体壁状構造であってもよく、内部に空間が設けられてもよく、空間内に充填材料が充填されてもよく、充填材料は、例えば、酸化ケイ素などの酸化物であってもよい。又は、空間内は空であってもよい。空間に溝穴が開設されてもよく、外部環境の空気又はエッチング溶液が空間内に入ることを許容することで、充填材料を放出し、それにより第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２のコンプライアンスを増加させ、同時に第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２との間のプレート間容量を減少させる。

支持部材３０は、第１ダイヤフラム２１及び第２ダイヤフラム２２のうちの一方と一体に形成されてもよい。又は、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２が一体に組み立てされた後、両者の間に支持部材３０を形成する。

第１ダイヤフラム２１、第２ダイヤフラム２２及び二つの隣接する支持部材３０の間に囲まれて収容キャビティ２３が形成され、ここで、収容キャビティ２３は気密封止されており、いくつかの実施例では、その内部圧力は外部大気よりも小さく、好ましくは、収容キャビティ２３の内部圧力は０．１ａｔｍ～０．２ａｔｍであり、いくつかの実施例において、収容キャビティ２３は真空である。

収容キャビティ２３の内部圧力と外部大気圧との間に圧力差が形成され、かつ第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２で形成された構造の機械的感度は、圧力差の増加に伴って増加する。すなわち、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２で形成された構造の剛性は、圧力差の増大に伴って減少する。

図２に示すように、収容キャビティ２３内に対極４０が設置され、対極４０はスポーク５０により収容キャビティ２３内に懸架され、対極４０は振動膜２０の周方向に沿って延在し、対極４０と支持部材３０との間に機械結合がなく、複数の対極４０と複数の支持部材３０は、振動膜２０の径方向に沿って交互に配置される。

導電性素子４１は、それぞれ対極４０の対向する上面及び下面に設置され、第１ダイヤフラム２１は対極４０の導電性素子４１と間隔を隔てて、それらの間に第１容量を形成する。第２ダイヤフラム２２は対応する対極４０の導電性素子４１と間隔を隔てて、それらの間に第２容量を形成する。第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２に印加された圧力に応答して、第１ダイヤフラム２１と第２ダイヤフラム２２は対応する対極４０に対して移動可能であり、それにより第１ダイヤフラム２１及び第２ダイヤフラム２２と支持部材３０の対応する対極４０との間の距離を変更し、これは、電気容量の変化をもたらし、それに応じて電気信号を出力する。

又は、対極４０は単一の導体を含み、それにより第１容量は第１ダイヤフラム２１と単一の導体との間に形成され、第２容量は第２ダイヤフラム２２と単一の導体との間に形成される。

以上の実施例に基づいて、本発明は、さらに電気音響変換装置１００が提供され、図６に示すように、前述のＭＥＭＳ素子２００及びＭＥＭＳ素子２００と電気的に接続された回路装置３００（ＡＳＩＣ）を含み、電気音響変換装置１００はマイクロフォン又はスピーカなどであってもよい。

以上は、図面に示す実施例に基づいて本発明の構造、特徴及び作用効果を詳細に説明し、上記したのは、本発明の好ましい実施例だけであり、本発明は、図面に示される実施範囲を限定せず、本発明の構想に応じて行われる変更、又は同等変化の等価実施例に修正することは、依然として明細書及び図面に含まれる精神を超えない場合、いずれも本発明の保護範囲内にあるべきである。

１０－ベース、１１－チャンバ
２０－振動膜、２１－第１ダイヤフラム、２１１－第１突起、２１２－第１凹溝、２２－第２ダイヤフラム、２２１－第２突起、２２２－第２凹溝、２３－収容キャビティ
３０－支持部材
４０－対極、４１－導電性素子
５０－スポーク
１００－電気音響変換装置
２００－ＭＥＭＳ素子
３００－回路装置。

Claims (14)

1. ＭＥＭＳ素子であって、チャンバが貫通するベースと、前記ベースに接続されかつ前記チャンバを覆う振動膜とを含み、
   前記振動膜は、対向して設置された第１ダイヤフラム及び第２ダイヤフラムを含み、前記第１ダイヤフラムは、第２ダイヤフラムのチャンバから離反する側に位置し、
   前記第１ダイヤフラムは、前記第１ダイヤフラムに突出した第１突起を含み、前記第１突起は、前記第２ダイヤフラムから離反する側に向かって延在し、前記第１突起には、開口が前記第２ダイヤフラムに向かう第１凹溝が設置され、
   前記第２ダイヤフラムは、前記第２ダイヤフラムに突出した第２突起を含み、前記第２突起は、前記第１ダイヤフラムから離反する側に向かって延在し、前記第２突起は、前記第１突起と対向して設置され、前記第２突起には、開口が前記第１ダイヤフラムに向かう第２凹溝が設置される、ことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 前記第１突起及び前記第２突起は、いずれも複数設けられ、複数の前記第１突起及び複数の前記第２突起は、いずれも前記振動膜の径方向に沿って間隔を隔てて設置される、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
3. 前記第１突起及び前記第２突起は、前記振動膜のエッジに近接して設置される、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
4. 前記第１突起及び前記第２突起は、前記振動膜の中心に近接して設置される、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
5. 前記第１突起及び前記第２突起の形状及び寸法は、いずれも同じである、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
6. 前記第１突起及び前記第２突起の前記振動膜の表面に垂直な形状は、矩形状、台形状又は三角形状である、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
7. 前記第１ダイヤフラムと前記第２ダイヤフラムとの間には支持部材が設置され、前記支持部材の第１端が前記第１ダイヤフラムに接続され、かつ二つの隣接する前記第１突起の間に位置し、前記支持部材の第２端が前記第２ダイヤフラムに接続され、かつ隣接する二つの前記第２突起の間に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
8. 前記第１ダイヤフラム、第２ダイヤフラム及び二つの隣接する前記支持部材の間に囲まれて収容キャビティが形成され、前記収容キャビティ内には、対極が設置される、ことを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳ素子。
9. 前記収容キャビティは、気密封止されており、前記収容キャビティの内部圧力は、外部大気圧よりも小さい、ことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
10. 前記収容キャビティの内部圧力と外部大気圧力との間に圧力差が形成され、前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムの機械的感度は、前記圧力差の増加に伴って増加する、ことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
11. 前記第１ダイヤフラム及び前記第２ダイヤフラムは、いずれも導電性材料で製造され、又はその上に導電性素子が設置された絶縁膜を含む、ことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
12. 前記対極は、単一の導体を含み、それにより前記第１ダイヤフラムと前記単一の導体との間に第１容量が形成され、前記第２ダイヤフラムと前記単一の導体との間に第２容量が形成される、ことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
13. 前記対極は、前記第１ダイヤフラムに向かう第１表面と、前記第２ダイヤフラムに向かう第２表面とを含み、導電性素子は、それぞれ前記第１表面と第２表面に設置されることにより、第１容量は、前記第１ダイヤフラムと前記第１表面に設置された導電性素子との間に形成され、第２容量は、前記第２ダイヤフラムと前記第２表面に設置された導電性素子との間に形成される、ことを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
14. 電気音響変換装置であって、請求項１～１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子と電気的に接続された回路装置とを含む、ことを特徴とする電気音響変換装置。
    
    

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