JP3802014B2

JP3802014B2 - Acoustic analyzer

Info

Publication number: JP3802014B2
Application number: JP2003200057A
Authority: JP
Inventors: 英之舟木; 富男小野; 和拓鈴木; 圭太郎重中; 忠司酒井; 雄二郎成瀬; 義典飯田; 郁夫藤原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: JP2005043073A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響電気変換素子に係り、特にこの音響電気変換素子を用いて音響スペクトルを解析する音響解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声認識技術はコンピュータをはじめ、機械と人間のインターフェースとして非常に優れているが、話者或いは語彙、発声の要素よって認識の容易性が異なり、又、周囲のノイズに影響される。このため、認識率を向上させるためには、認識させる話者が、事前にコンピュータに対して学習させる必要があり、不特定多数の会話を認識することは難しい。このため、できるだけ精度の良い音声分析技術が求められている。
【０００３】
標準的な音声認識方法は、図１３に示すように、まず、入力された音声信号はステップＳ１０１の音声分析により特徴を抽出される。そしてステップＳ１０２で、時間軸に対して正規化された後、標準パターン１０４との比較により、ステップＳ１０３において、類似度判定されて、その結果が出力される。このうち、ステップＳ１０１における音声分析はハードウエア的に処理されるため、ハードウエアの能力に依存することになる。一方、音声分析以降のステップＳ１０２やステップＳ１０３はソフトウエア的に処理されるので、アルゴリズムや計算機の能力に依存することになる。
【０００４】
一般的な音声分析システムは、図１４に示すように、マイクロフォン２０１では振動板に入射してきた音波を電気信号に変換し、フィルタ−２０２により１５０Ｈｚ〜８ｋＨｚの音声周波数をフィルタリングした後、Ａ／Ｄコンバータ２０３により２２ｋＨｚ程度のサンプリング・レートでデジタル化される。その後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）装置２０４により求めた、パワースペクトルを用いてスペクトル分析を行っている。したがって、精度の良い音声分析を行うためには高分解能なＡ／Ｄコンバータ２０３及び高性能なＦＦＴ装置２０４が必要となるが、現状ではこれらの要求を十分に満足する装置を得ることは難しい。そこで、直接、音声信号を周波数分析することが考えられ、人間の耳を参考にいくつかの方法が考えられている。
【０００５】
ところで、人間の鼓膜に入射した音波は耳小骨を通じて蝸牛に伝わる。蝸牛は基底板により２つの領域に分離されており、この２つの領域に生じる圧力差を音として感知するが、蝸牛基部では高音域、蝸牛頂部では低音域と、周波数に応じて感知する場所が異なっている。更に、最近の研究では、蝸牛にある外有毛細胞（ＯＨＣ）の働きにより基底板の振動が増幅されるフィードバック機構によって、周波数弁別・選択が可能になることがわかってきた（非特許文献１参照。）。
【０００６】
この蝸牛を模した例として、図１５に示すような周波数分析用メカニカル・フィルタが提案されている（特許文献１参照。）。図１５では、Ｓｉ基板１０１の表面に設けたダイアフラム１１２に入射した音波は横梁（トランスバーサル・ビーム）１１５に伝わる。この横梁１１５は下端をダイアフラム１１２で固定され、上端を終端１１１でＳｉ基板１０１の表面に固定している。横梁１１５には、それぞれ異なる共振周波数を持った振動子（共振器ビーム）１１３がフィッシュボーン形状に接続されており、入射した振動数と一致する振動子（共振器ビーム）１１３が共振し、その振幅を検出することで、周波数分析を行っている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，０７９，２７４明細書
【０００８】
【非特許文献１】
日本音響学会誌、５９巻１号，２００３年，ｐ．４０−４５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１５に示した周波数分析用メカニカル・フィルタでは、入射した音波エネルギーの一部しか振動子（共振器ビーム）１１３に伝わらないため、感度が低下してしまう不具合がある。
【００１０】
更に、従来の音声認識技術では利用者毎に学習過程が必要であり、又、雑音の小さい場所でしか利用できず、このため使い勝手に問題がある。
上記問題点を鑑み、本発明は、音声入力等の音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られ、これにより、音響信号を直接周波数分析することが可能な音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、ノイズを除去することが容易な音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１２】
特に、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善された音響解析装置を提供することを目的とする。又、ノイズのある場所においても、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子からなる振動子アレイと、（ロ）複数の振動子のそれぞれに接続された弾性梁と、（ハ）振動子の変位を検知する変位検知手段と、（ニ）振動子アレイの共振周波数を変化させる共振周波数制御手段とを備え、変位検知手段の出力により、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第１の特徴によれば、音声入力等の音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善される。特に、振動子アレイを、人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
本発明の第２の特徴は、（イ）上面に凹部を備えた支持基板と、（ロ）この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠と、（ハ）凹部と固定枠がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置され、音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子と、（ニ）複数の振動子のうち固定枠に最近接となる端部振動子と固定枠とを接続し、且つ端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁とを備え、複数の振動子のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、振動子アレイの共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第２の特徴によれば、第１の特徴と同様に、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音響入力が音声の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られ、音声認識率が改善される。特に、振動子アレイを、マイクロマシン技術を用いて人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
【００１６】
本発明の第３の特徴は、（イ）上面に凹部を備えた支持基板と、（ロ）この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠と、（ハ）固定枠に両端部を固定され、行方向及びこの行方向に直交する列方向にそれぞれ伸延し、凹部と固定枠がなす空間に格子を構成するように配置された複数の配線梁と、（ニ）格子の窓部にそれぞれ配置され、音響入力によりそれぞれ振動し、振動子アレイを構成する複数の振動子と、（ホ）複数の振動子のそれぞれと配線梁とを接続する弾性梁とを備え、複数の振動子のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、複数の振動子の共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１７】
本発明の第３の特徴によれば、第１及び第２の特徴と同様に、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られ、音声認識率が改善される。特に、マイクロマシン技術を用いて、振動子アレイを、人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２０】
図１の平面パターンに示すように、本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、上面に凹部を備えた支持基板１１ａと、この支持基板１１ａの周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠１２と、凹部と固定枠１２がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置され、音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と、複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+ ₁，・・・・・のうち固定枠１２に最近接となる端部振動子と固定枠１２とを接続し、且つ端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁１３とを備えている。弾性梁１３は、端部振動子に接続された他の振動子と、更に他の振動子とを相互に接続することは勿論である。即ち、弾性梁１３は、それぞれの振動子の相互間を順に接続している。本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、更に、複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、振動子アレイの共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行うインテリジェント・マイクロフォンである。
【００２１】
ここで、支持基板１１ａはシリコン基板等の半導体基板からなる。弾性梁１３は、不純物を添加したポリシリコン（以下において「ドープドポリシリコン」という。）からなる構造を備える。図１では、各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・がそれぞれ、４本の弾性梁１３で懸架されている状態を示す。
【００２２】
図２は、図１のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、ＳＯＩ基板上に作成した各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・・・・・・，Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が、弾性梁１３によって互いに接続された振動子アレイの特定の行を示す（なお、より詳細な断面構造は図１０に示す。）。振動子アレイの特定の行は、見かけ上、１次元の振動子チェーン（振動子鎖）を構成しているが、実際には、図１に示すような２次元の振動子アレイである。振動子アレイを構成する各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層からなる半導体層４３を一部に有する。支持基板１１ａの周辺部の固定枠１２の上部も、図２に示すように、ＳＯＩ層（半導体層）４３から構成されている。半導体基板１１ａは、比抵抗０，０１Ω・ｃｍ〜０，０２Ω・ｃｍの低比抵抗のＳｉ基板で、図２に示したそれぞれの振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａが構成するコンデンサＣ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・・の一方の電極をなしている。ポリシリコン及び絶縁膜からなる各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が、コンデンサＣ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・・の対向する他方の電極をなしている。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る音響解析装置を構成する各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の質量は、約１０^-12ｋｇ程度であり、このときの弾性梁１３のバネ定数ｋは１０^-2〜１０^２Ｎ／ｍ^２程度となっている。
【００２４】
Ｎ個からなる振動子アレイの場合には、１次の横波の固有振動数（基本波振動数）ｆ_１は振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の質量ｍと振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・を接続する弾性梁１３のバネ定数ｋ［Ｎ／ｍ^２］により：
ｆ_１＝１／２π×（ｋ／ｍ）^1/2 ・・・・・（１）
と表される。ここで、
ｋ＝Ｅｈｗ³／Ｌ³ ・・・・・（２）
ｍ＝Ｓｔρ ・・・・・（３）
であって、Ｌ，ｈ，ｗはそれぞれ弾性梁１３の長さ［ｍ］，厚さ［ｍ］、幅［ｍ］であり、Ｓ，ｔは振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の面積［ｍ²］，厚さ［ｍ］であり、Ｅ，ρは弾性梁１３に用いているシリコンのヤング率［Ｐａ］，密度［ｋｇ／ｍ³］である。式（２）から弾性梁１３の長さ，厚さ及び幅を変えることで、バネ定数ｋを変化させることができ、対象周波数範囲を所定の値に設定することができる。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る音響解析装置において、支持基板（半導体基板）１１ａと振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・との間に電圧Ψを印加すると、静電気力により振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が変位し、これにより、振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・を繋いでいる弾性梁１３のバネ定数ｋが：
Δｋ＝ε×Ｓ／ｄ^３×Ψ^２・・・・・（４）
だけ変化し、振動子アレイの１次の固有振動数（基本波振動数）ｆ_１を変化させることができる。ここで、ε、ｄは、空気の誘電率及び支持基板（半導体基板）１１ａと振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・との間の距離である。即ち、本発明の実施の形態に係る音響解析装置の「共振周波数制御手段」は、このように、静電気力により振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・を変位させ、振動子アレイの共振周波数を変化させている。
【００２６】
この状態で更に、音声が入力すると、各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・は音声の入力方向に対して変位する。例えば、特定の話者の音声の基本周波数Ｆ₁に振動子アレイの１次の固有振動数ｆ_１を設定しておけば、この特定の話者の音声が本発明の実施の形態に係る音響解析装置に入力すれば、この音声入力に対して高感度で応答したスペクトルが得られることになる。
【００２７】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、７個の振動子からなる１次元振動子チェーン（振動子鎖）の横波の振動モードは、基本波モード（基本周波数ｆ₁）の場合には、音圧に応じて中央部分が腹となるように中央の振動子Ｖ_i,jの変位が大きい。
【００２８】
一方、周波数ｆ₂の第２高調波の場合には、１次元振動子チェーンは図４のような横波の振動モードになる。図４では振動子チェーンを構成する中央の振動子Ｖ_i,jは節になり、その変位はゼロであるが、左側の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j-2及び右側の振動子Ｖ_i,j+1，Ｖ_i,j+2の変位が大きい。図示を省略しているが、周波数ｆ₃の第３高調波の場合には、振動子チェーンの中央の振動子Ｖ_i,jの変位が大きくなり、左側の振動子Ｖ_i,j-2及び右側の振動子Ｖ_i,j+2が節になり、その変位はゼロである。そして、左側の振動子Ｖ_i,j-3，Ｖ_i,j-1及び右側の振動子Ｖ_i,j+1，Ｖ_i,j+3の変位が大きくなる。
【００２９】
一般には、音声波形は基本波周波数Ｆ₁，第２高調波周波数Ｆ₂，第３高調波周波数Ｆ₃，・・・・・のそれぞれの固有モードの重ね合わせとなる。このため、各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・はそれぞれ固有モードの振幅及び位相情報を持つ。
【００３０】
図９は、本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子の変位を検知する「変位検知手段」、即ち検出回路の一例を表している。図９では、図２に示したそれぞれの振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・・を可変容量コンデンサＣ₀で代表して示している。可変容量コンデンサＣ₀には電源電圧Ｖ_biasが印加されている。可変容量コンデンサＣ₀の電位は、オペアンプ９１の反転入力端子に入力される。オペアンプ９１の反転入力端子と出力端子間にはコンデンサＣ₁が接続され、反転入力端子側の寄生抵抗を利用して積分回路（積分器）を構成している。コンデンサＣ₁にはスイッチＳＷ１が並列接続されている。オペアンプ９１の出力は、コンパレータ９２の一方の入力端子に接続されている。コンパレータ９２の他方の入力端子には、基準電圧Ｖ_refが入力される。
【００３１】
振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・・は、振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の距離がΔｄ_i,jだけ変化すると、このΔｄ_i,jが十分に小さければ、それぞれ：
ΔＣ_i,j＝ε×Ｓ／Δｄ_i,j ・・・・・（５）
だけ変動すると近似できる。各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・にはドープドポリシリコンのバネ（弾性梁）１３を通じて配線が施されている。このため、振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の変位に応じて電荷の移動が起こり、各端子からは変位に応じた電圧が発生する。静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・と並列接続されたスイッチＳＷ１を開放すると、静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・の電位の時間積分がオペアンプ９１で開始される。即ち、静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・の電位をオペアンプ９１で時間積分し、その積分出力となる出力電圧を基準電圧Ｖ_refとコンパレータ９２で比較する。例えば、図２に示された振動子アレイに基本波周波数Ｆ₁が入力された場合には００１１１００、第２高調波周波数Ｆ₂が入力された場合には００１１０１１０とデジタル出力される。よって、図９に示すようにコンパレータ９２を用いると、フーリエ変換せず、周波数成分を直接デジタル化することができる。即ち、音声解析に、Ａ／Ｄコンバータ及びＦＦＴが不要となる。なお、特定話者のスペクトルと比較することで、音声認証にも使用することができる。
【００３２】
図２では表面からのみエッチングを行っているため、半導体基板１１ａとしてのシリコン基板を貫通させる穴はないが、図５及び図６のように半導体基板１１ｂ，１１ｃの裏面よりエッチングをすることで貫通穴を作成することも可能である。この場合、振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と半導体基板１１ｂ，１１ｃ間の静電容量Ｃ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・を直接読み取ることが難しくなるため、横方向の静電容量やピエゾ抵抗、或いは光学的に振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の変位を測定する等の手法が採用できる。これによって、半導体基板１１ｂ，１１ｃの裏面からも音波が出入りできるようになり、マイクロフォンの指向性を改善させることができ、周囲の雑音に対して抑圧すること、左右からの入力に対して音源を特定することができるようになる。
【００３３】
図７及び図８は実際の平面パターンを示す。図７に示す本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、上面に凹部を備えた支持基板（図示省略）の上に構成されている。即ち、この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠１２と、固定枠１２に両端部を固定され、行方向及びこの行方向に直交する列方向にそれぞれ伸延し、凹部と固定枠１２がなす空間に格子を構成するように配置された複数の配線梁２１と、格子の窓部にそれぞれ配置され、音響入力によりそれぞれ振動し、振動子アレイを構成する複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・と、複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれと配線梁２１とを接続する弾性梁２２とを備えている。図７の水平方向（行方向）の配線梁２１にはワード線が埋め込まれている。それぞれのワード線は、固定枠１２の内部に形成されたワード線ドライバ（図示省略）に接続されている。又、図７の垂直方向（列方向）の配線梁２１にはビット線が埋め込まれている。それぞれのビット線は、固定枠１２の内部に形成されたビット線ドライバ（図示省略）及びセンスアンプ（図示省略）に接続されている。弾性梁２２も、図１０に示すようにドープドポリシリコン膜からなる配線層が含まれている。そして、この配線梁２１と弾性梁２２を介して複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれと固定枠１２とは電気的に接続されている。
【００３４】
そして、複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行い、インテリジェント・マイクロフォンとして機能する。
【００３５】
このインテリジェント・マイクロフォンにおいては、センスアンプの出力が、図９に示したオペアンプ９１に入力され、このオペアンプ９１の出力電圧が基準電圧Ｖ_refとコンパレータ９２で比較される。したがって、固定枠１２の内部にオペアンプ９１及びコンパレータ９２を集積化しても良い。
【００３６】
図７では、配線梁２１がなす格子の窓部にそれぞれ正方形の平面パターンの振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が配置されているが、振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の平面パターンは正方形に限定されるものではない。図７においては、それぞれの振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・のパターンの四隅とこの四隅に対向する配線梁２１の窓の四隅のそれぞれの間にドープドポリシリコンからなる弾性梁２２で接続されている。つまり、それぞれ、４本の弾性梁２２で各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が配線梁２１に対し懸架されている。格子状の配線梁２１は配線機能と同時に弾性体としての機能も有するので、配線梁２１と弾性梁２２とで、図１に示した弾性梁１３と等価な機能を実現している。即ち、配線梁２１と弾性梁２２との全体で図３及び図４に例示した振動モードを可能にしている。
【００３７】
図８のパターンも図７のパターンと同様に、半導体基板の周辺部に設けられた固定枠１２に格子状の配線梁２１が設けられ、この配線梁２１がなす格子の窓部にそれぞれ正方形の平面パターンの振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が配置されている。図８の水平方向（行方向）の配線梁２１には、図７と同様に、ワード線が埋め込まれている。それぞれのワード線は、固定枠１２の内部に形成されたワード線ドライバ（図示省略）に接続されている。又、図８の垂直方向（列方向）の配線梁２１にはビット線が埋め込まれている。図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図が、図１０であり、図１０の配線梁２１にはメタル配線からなるビット線４８が示されている。それぞれのビット線は、固定枠１２の内部に形成されたビット線ドライバ（図示省略）及びセンスアンプ（図示省略）に接続されている。しかし、図８においては、周辺部の振動子・・・・・，Ｖ_i-3,j，・・・・・，Ｖ_i-2,j，・・・・・，Ｖ_i+ _２ _,j，・・・・・Ｖ_i+3,j，・・・・・のパターンの四辺とこの四辺に対向する配線梁２１の窓の四辺のそれぞれの間は、折れ曲り箇所がなく直線状の第１弾性梁２２ａで接続され、中央部の振動子Ｖ_i-1,j-1，・・・・・，Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・，Ｖ_i+1,j，・・・・・のパターンの四辺とこの四辺に対向する配線梁２１の窓の四辺のそれぞれの間は、２箇所で９０°に折れ曲った第２弾性梁２２ｂで接続されている。
【００３８】
第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂはそれぞれドープドポリシリコンから構成され、梁の長さ方向に垂直な断面形状も同じである。材料が同一であるので、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのヤング率Ｅ及び密度ρは同じであるが、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂの長さＬが異なるので、式（２）から明らかなように、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのバネ定数ｋは互いに異なる値である。第１弾性梁２２ａ、第２弾性梁２２ｂ及び配線梁２１の全体で、図３及び図４に例示した振動モードを可能にしている。但し、図８に示す構造では中央部と周辺部の第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのバネ定数ｋが異なるように構成されているため、中央部と周辺部では共振周波数が異なる。マイクロフォンの感度を変化させることができ、周波数帯域（ダイナミックレンジ）を広げることが可能となっている。
【００３９】
図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図である図１０においては、第２弾性梁２２ｂ中にドープドポリシリコン４６が示されている。このドープドポリシリコン４６は、図１０の配線梁２１において、メタル配線（ビット線）４８の下層の配線としても存在する。図１０の断面図には現れていないが、紙面の奥の配線梁２１の内部でコンタクトホールを介して、上層のメタル配線（ビット線）４８と下層のドープドポリシリコン配線４６とは互いに接続されている。このため、ドープドポリシリコン４６からなる配線は、それぞれの振動子・・・・・，Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が検出した容量値を電圧信号として、メタル配線（ビット線）４８に伝達することができる。
【００４０】
図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図である図１１及び図１２を用いて、図１０に示す本発明の実施の形態に係る音響解析装置の製造方法を示す。なお、以下に述べる音響解析装置の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００４１】
（イ）まず、図１１（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉからなる半導体基板１１上に埋め込み絶縁膜４２、単結晶Ｓｉ層からなる半導体層（ＳＯＩ層）４３が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。半導体基板１１は、比抵抗０，０１Ω・ｃｍ〜０，０２Ω・ｃｍの低比抵抗のＳｉ基板が好ましい。
【００４２】
（ロ）次に、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、図８に示す配線梁２１，第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂの形成予定領域の半導体層（ＳＯＩ層）４３を、例えばＲＩＥ等の技術により選択的にエッチング除去し、溝部を形成する。この溝部に酸化膜４４をＣＶＤ法等の技術により埋め込み、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等の技術で図１１（ｂ）に示すように平坦化する。
【００４３】
（ハ）更に、半導体層（ＳＯＩ層）４３の表面にＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍの第１層間絶縁膜４５を形成する。次に、第１層間絶縁膜４５の上の全面にＣＶＤ法によりポリシリコン膜４６を３００ｎｍ〜６００ｎｍ程度、例えば４００ｎｍ堆積する。次にフォトレジスト膜（以下において、単に「フォトレジスト」という。）をポリシリコン膜４６の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等によりポリシリコン膜４６を図１１（ｃ）に示すようにエッチングする。そして、パターニングしたポリシリコン膜４６にヒ素イオン（⁷⁵Ａｓ^＋）、燐イオン（³¹Ｐ^＋）或いは硼素イオン（¹¹Ｂ^＋）等の不純物イオンをドーズ量１０^１５ｃｍ^−２のオーダーでイオン注入する。初めからこれらの不純物を添加したドープドポリシリコン膜４６を第１層間絶縁膜４５の上に堆積した後、図１１（ｃ）に示すようにエッチングしてパターニングしても良い。
【００４４】
（ニ）次に図１２に示すように、ポリシリコン膜４６の表面にＣＶＤ法を用いて、第２層間絶縁膜４７としてノンドープ酸化膜（ＮＳＧ）、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜等の酸化膜を厚さ０．５μｍ〜１．０μｍ程度に形成する。そして、配線梁２１形成予定のパターンの一部に、ポリシリコン膜４６の一部を露出するコンタクトホールを開口する。コンタクトホールの開口は、フォトリソグラフィー技術とＲＩＥ法等によれば良い。そして、この第２層間絶縁膜４７の上に、スパッタリング法又は電子ビーム真空蒸着法等によりチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等からなる金属膜を堆積する。金属膜は、配線梁２１形成予定のパターンの一部に開口されたコンタクトホールの内部にも埋め込まれる。その後、フォトリソグラフィー技術等を用いたメタライゼーション技術により、金属膜をパターニングすれば、図１２（ａ）に示すようなメタル配線４８が形成される。メタル配線４８は、図７及び図８に示した配線梁２１に埋め込まれるワード線及びビット線を構成するが、メタル配線４８とこの下層のポリシリコン膜４６の配線とは、コンタクトホールを介して接続される。更に、メタル配線４８及び第２層間絶縁膜４７の上に、ＣＶＤ法を用いて厚さ１．０μｍ程度のパッシベーション膜４９を形成する。パッシベーション膜４９としては、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、若しくは窒化膜、或いはこれらの複合膜等を使用しても良い。そして、ＣＭＰ法等を用いて図１２（ａ）に示すように平坦化する。
【００４５】
（ホ）更に、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法若しくはＥＣＲイオンエッチング法等で溝部５１を形成し、図１２（ｂ）に示すように、配線梁２１、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂを分離する。
【００４６】
（ヘ）その後、このエッチングで露出した半導体基板１１の表面の一部を、引き続き、単結晶Ｓｉの異方性エッチャント、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等の薬液を用いて、異方性エッチングを行えば、図１０に示すような各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が配線梁２１に対し懸架された構造ができる。更に、半導体基板１１の裏面にＣＶＤ法で酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いてドライ又はウエットで酸化膜をエッチングした後、この酸化膜をマスクとして、ＴＭＡＨなどで半導体基板１１を異方性エッチングすることで裏面溝５２が形成され、図１０に示した本発明の実施の形態に係る音響解析装置が完成する。
【００４７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４８】
例えば、図７で説明した実施の形態の説明においては、配線梁２１が弾性体として機能し、配線梁２１と弾性梁２２との全体で図３及び図４に例示した振動モードを可能にする場合を説明したが、行方向の配線梁２１の剛性を強くし、固定梁として機能させても良い。この場合、行方向に各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が弾性梁を介して相互に結合し、これにより振動子チェーン（振動子鎖）を構成し、各行毎に異なる共振周波数の振動子チェーンになるように弾性梁２２のバネ定数若しくは、振動子の質量を異なるようにすれば、極めて広帯域の音響解析装置が提供できる。
【００４９】
又、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃを、低比抵抗のＳｉ基板とし、それぞれのコンデンサＣ_i,j-1，Ｃ_i,j，Ｃ_i,j+1，・・・・・に共通の電極となる例を示したが、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ側に、各行に独立したメタル配線等の配線層を設け、各行毎に異なる電位を与え、各行をそれぞれ独立に共振周波数を制御可能なようにして、共振周波数制御手段を構成し、音響解析装置に学習可能な機能を付与させても良い。
【００５０】
或いは、列方向の配線梁２１の剛性を強くし、固定梁として機能させ、列方向に各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・が弾性梁を介して相互に結合し、これにより振動子チェーンを構成し、各列毎に異なる共振周波数の振動子チェーンになるように弾性梁２２のバネ定数若しくは、振動子の質量を異なるようにしても良い。更に、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ側に、各列に独立した配線層を設け、各列毎に異なる電位を与え、各列をそれぞれ独立に共振周波数を制御可能なように共振周波数制御手段を構成しても良い。
【００５１】
更に、行方向及び列方向の配線梁２１をともに固定梁として機能させ、各振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・を独立に振動させる振動モードも可能である。そして、２次元マトリクスとして配列された個々の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の共振周波数をすべて異なるようにし、或いは、個々の振動子Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・の共振周波数をすべて独立に制御するように共振周波数制御手段を構成し、振動させても良い。
【００５２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られ、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になる。この結果、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善された音響解析装置を提供できる。
【００５４】
更に、本発明によれば、ノイズのある場所においても、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる音響解析装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的な平面パターンである。
【図２】図１のＡ−Ａ方向から見た模式的断面図である。
【図３】基本波モード（基本周波数ｆ₁）における本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの振動モードを示す模式的断面図である。
【図４】第２高調波（周波数ｆ₂）における本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの振動モードを示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の他の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの具体的構造を示す平面パターンである。
【図８】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの他の具体的構造を示す平面パターンである。
【図９】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の検出回路の一例を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの具体的な断面図である。
【図１１】図１０に示した振動子アレイの製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図１２】図１０に示した振動子アレイの製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図１３】従来の音声認識方法を説明するフローチャートである。
【図１４】従来の音声分析システムを説明するブロック図である。
【図１５】従来の周波数分析用メカニカル・フィルタの構造を説明する平面図である。
【符号の説明】
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…半導体基板
１２…固定枠
１３，２２…弾性梁
２１…配線梁
２２ａ…第１弾性梁
２２ｂ…第２弾性梁
４２…絶縁膜
４３…半導体層
４４…酸化膜
４５…第１層間絶縁膜
４６…ポリシリコン膜（ドープドポリシリコン膜）
４７…第２層間絶縁膜
４８…メタル配線
４９…パッシベーション膜
５１…溝部
５２…裏面溝
９１…オペアンプ
９２…コンパレータ
１０１…Ｓｉ基板
１０４…標準パターン
１１１…終端
１１２…ダイアフラム
１１５…横梁
２０１…マイクロフォン
２０３…コンバータ
２０４…ＦＦＴ装置
Ｃ₀…可変容量コンデンサ
Ｃ₁…コンデンサ
Ｖ_bias…電源電圧
Ｖ_i,j-1，Ｖ_i,j，Ｖ_i,j+1，・・・・・…振動子
Ｖ_ref…基準電圧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an acoustoelectric transducer, and more particularly to an acoustic analyzer that analyzes an acoustic spectrum using the acoustoelectric transducer.
[0002]
[Prior art]
The speech recognition technology is very good as an interface between a computer and a machine and a human. However, the ease of recognition differs depending on the speaker, vocabulary, and utterance factors, and it is affected by ambient noise. For this reason, in order to improve the recognition rate, the speaker to be recognized needs to learn the computer in advance, and it is difficult to recognize an unspecified number of conversations. For this reason, there is a need for a speech analysis technique that is as accurate as possible.
[0003]
In the standard speech recognition method, as shown in FIG. 13, first, features of the input speech signal are extracted by speech analysis in step S101. Then, after normalization with respect to the time axis in step S102, similarity is determined in step S103 by comparison with the standard pattern 104, and the result is output. Among these, since the voice analysis in step S101 is processed by hardware, it depends on the capability of the hardware. On the other hand, since step S102 and step S103 after the voice analysis are processed by software, they depend on the algorithm and the ability of the computer.
[0004]
As shown in FIG. 14, in a general voice analysis system, a microphone 201 converts a sound wave incident on a diaphragm into an electrical signal, filters a voice frequency of 150 Hz to 8 kHz by a filter 202, and then performs A / D. It is digitized by the converter 203 at a sampling rate of about 22 kHz. Thereafter, spectrum analysis is performed using the power spectrum obtained by the FFT (Fast Fourier Transform) device 204. Therefore, in order to perform accurate voice analysis, a high-resolution A / D converter 203 and a high-performance FFT device 204 are required, but at present, it is difficult to obtain a device that sufficiently satisfies these requirements. Therefore, it is conceivable to directly analyze the frequency of the audio signal, and several methods are considered with reference to the human ear.
[0005]
By the way, the sound wave incident on the human eardrum is transmitted to the cochlea through the ear ossicles. The cochlea is separated into two areas by the base plate, and the pressure difference that occurs in these two areas is detected as sound. Is different. Furthermore, recent research has shown that frequency discrimination and selection can be achieved by a feedback mechanism in which the vibration of the basement plate is amplified by the action of outer hair cells (OHC) in the cochlea (Non-patent Document 1). reference.).
[0006]
As an example simulating this cochlea, a frequency analysis mechanical filter as shown in FIG. 15 has been proposed (see Patent Document 1). In FIG. 15, the sound wave incident on the diaphragm 112 provided on the surface of the Si substrate 101 is transmitted to the transverse beam (transversal beam) 115. The horizontal beam 115 has a lower end fixed by a diaphragm 112 and an upper end fixed to the surface of the Si substrate 101 by a terminal end 111. The transverse beams 115 are connected with vibrators (resonator beams) 113 having different resonance frequencies in a fishbone shape, and the vibrators (resonator beams) 113 having the same frequency as the incident light resonate. Frequency analysis is performed by detecting the amplitude.
[0007]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,079,274
[0008]
[Non-Patent Document 1]
Journal of the Acoustical Society of Japan, Vol. 59, No. 1, 2003, p. 40-45
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the frequency analysis mechanical filter shown in FIG. 15 has a problem that sensitivity is lowered because only a part of the incident sound wave energy is transmitted to the vibrator (resonator beam) 113.
[0010]
Furthermore, the conventional speech recognition technology requires a learning process for each user, and can be used only in a place with low noise, which causes a problem in usability.
In view of the above problems, the present invention provides an acoustic analysis apparatus capable of obtaining the amplitude and phase information of each transducer with respect to an acoustic input such as a voice input and thereby directly analyzing the frequency of the acoustic signal. The purpose is to provide.
[0011]
Another object of the present invention is to provide an acoustic analysis device that can easily remove noise.
[0012]
In particular, in the case of voice input, an object is to provide an acoustic analysis device in which a spectrum corresponding to a specific speaker is obtained and the voice recognition rate is improved. It is another object of the present invention to provide an acoustic analysis apparatus that can recognize an unspecified number of conversations in a noisy place without special learning.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that (a) a transducer array composed of a plurality of transducers that vibrate in response to an acoustic input, and An elastic beam; (c) a displacement detection means for detecting the displacement of the vibrator; and (d) a resonance frequency control means for changing the resonance frequency of the vibrator array. The gist of the present invention is that it is an acoustic analysis device that performs analysis.
[0014]
According to the first feature of the present invention, amplitude and phase information of each vibrator can be obtained for an acoustic input such as a voice input. For this reason, the amplitude for each frequency can be analyzed, noise can be easily removed, and in the case of voice input, a spectrum corresponding to a specific speaker is obtained, and the voice recognition rate is improved. In particular, when the transducer array has a structure similar to that of a human ear, it is possible to directly analyze the frequency of an audio signal and recognize an unspecified number of conversations without special learning.
The second feature of the present invention is that (a) a support substrate having a recess on the upper surface, (b) a fixing frame disposed around the recess at the periphery of the support substrate, and (c) fixing the recess A plurality of transducers that are arranged to form a transducer array in a space formed by the frame and vibrate by acoustic input, and (d) an end transducer that is closest to the fixed frame among the plurality of transducers; An elastic beam that connects the fixed frame and connects the end vibrator and the other vibrator to each other, and the vibrator applies a voltage applied between each of the vibrators and the surface of the recess. The resonance frequency of the array is changed, and the displacement of each of the plurality of transducers is detected by the change in the capacitance of each of the plurality of transducers with the surface of the recess. Using this detection result, the spectrum analysis of the acoustic input is performed. The gist is that it is an acoustic analysis device to be performed.
[0015]
According to the second feature of the present invention, similarly to the first feature, amplitude and phase information of each transducer can be obtained for an acoustic input. For this reason, the amplitude for each frequency can be analyzed, noise can be easily removed, and when the sound input is speech, a spectrum corresponding to a specific speaker is obtained, and the speech recognition rate is improved. In particular, by making the transducer array similar to the human ear using micromachine technology, it is possible to perform frequency analysis directly on the audio signal, and without any special learning, many unspecified conversations. Can be recognized.
[0016]
The third feature of the present invention is that (a) a support substrate having a recess on its upper surface, (b) a fixed frame disposed around the recess at the periphery of the support substrate, and (c) a fixed frame A plurality of wiring beams fixed at both ends, extending in the row direction and the column direction perpendicular to the row direction, and arranged to form a lattice in the space formed by the recess and the fixed frame; A plurality of vibrators that are respectively arranged in the window portion and vibrate by acoustic input and constitute a vibrator array; and (e) an elastic beam that connects each of the plurality of vibrators and the wiring beam, The resonance frequency of the plurality of vibrators is changed by the voltage applied between each of the vibrators and the surface of the recess, and the change of the capacitance that each of the vibrators forms the surface of the recesses changes Detect each displacement and use this detection result And summarized in that an acoustic analyzer for performing spectral analysis of the acoustic input.
[0017]
According to the third feature of the present invention, similarly to the first and second features, amplitude and phase information of each transducer can be obtained with respect to an acoustic input. For this reason, the amplitude for each frequency can be analyzed, noise can be easily removed, and in the case of voice input, a spectrum corresponding to a specific speaker is obtained, and the voice recognition rate is improved. In particular, by using a micromachine technology to make the transducer array similar in structure to the human ear, it is possible to directly analyze the frequency of the audio signal, without any special learning Can recognize conversations.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0019]
Further, the following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
[0020]
As shown in the plane pattern of FIG. 1, the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention is disposed so as to surround the concave portion in the support substrate 11a having a concave portion on the upper surface and the peripheral portion of the support substrate 11a. A plurality of transducers V that are arranged to form a transducer array in the space formed by the fixed frame 12 and the concave portion and the fixed frame 12 and vibrate respectively by acoustic input._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and multiple vibrators V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j +} ₁,... An elastic beam 13 that connects the end vibrator closest to the fixed frame 12 and the fixed frame 12 and connects the end vibrator and another vibrator to each other. I have. Of course, the elastic beam 13 connects another vibrator connected to the end vibrator and another vibrator to each other. That is, the elastic beam 13 connects the respective vibrators in order. The acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention further includes a plurality of transducers V._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... And the voltage applied between the surfaces of the recesses, the resonance frequency of the transducer array is changed, and a plurality of transducers V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are changed by the change in capacitance between the concave surface and the plurality of vibrators V._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are intelligent microphones that detect the respective displacements and perform spectrum analysis of the sound input using the detection results.
[0021]
Here, the support substrate 11a is made of a semiconductor substrate such as a silicon substrate. The elastic beam 13 has a structure made of polysilicon doped with impurities (hereinafter referred to as “doped polysilicon”). In FIG. 1, each vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are respectively suspended by four elastic beams 13.
[0022]
FIG. 2 is a cross-sectional view seen from the AA direction in FIG. 1 and shows each vibrator V created on the SOI substrate._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, V, V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Indicate specific rows of the transducer array connected to each other by the elastic beam 13 (a more detailed cross-sectional structure is shown in FIG. 10). A specific row of the transducer array apparently constitutes a one-dimensional transducer chain (oscillator chain), but in reality, it is a two-dimensional transducer array as shown in FIG. Each transducer V constituting the transducer array_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Partially include a semiconductor layer 43 made of the SOI layer of the SOI substrate. The upper part of the fixed frame 12 at the periphery of the support substrate 11a is also composed of an SOI layer (semiconductor layer) 43 as shown in FIG. The semiconductor substrate 11a is a Si substrate having a specific resistance of 0,01 Ω · cm to 0.02 Ω · cm, and each of the vibrators V shown in FIG._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and the capacitor C formed by the support substrate (semiconductor substrate) 11a_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1}... One of the electrodes is formed. Each vibrator V made of polysilicon and insulating film_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... is capacitor C_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1},...,.
[0023]
Each vibrator V constituting the acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... mass is about 10^-12The spring constant k of the elastic beam 13 at this time is 10 kg.^-2-10²N / m²It is about.
[0024]
In the case of an N transducer array, the primary transverse natural frequency (fundamental frequency) f₁Is the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... mass m and vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... are connected to the spring constant k [N / m of the elastic beam 13²] By:
f₁= 1 / 2π × (k / m)^1/2              (1)
It is expressed. here,
k = Ehw^Three/ L^Three                                (2)
m = Stρ (3)
Where L, h and w are the length [m], thickness [m] and width [m] of the elastic beam 13, respectively, and S and t are the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... [m²], Thickness [m], E and ρ are Young's modulus [Pa] and density [kg / m] of silicon used for the elastic beam 13.^Three]. By changing the length, thickness and width of the elastic beam 13 from the equation (2), the spring constant k can be changed, and the target frequency range can be set to a predetermined value.
[0025]
In the acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention, the support substrate (semiconductor substrate) 11a and the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}When a voltage Ψ is applied between the vibrator V and the vibrator V due to electrostatic force_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are displaced, so that the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}The spring constant k of the elastic beam 13 connecting ... is:
Δk = ε × S / d³× Ψ²                    (4)
The first-order natural frequency (fundamental frequency) f of the transducer array₁Can be changed. Here, ε and d are the dielectric constant of air and the support substrate (semiconductor substrate) 11a and the vibrator V._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... In other words, the “resonance frequency control means” of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention thus uses the vibrator V by electrostatic force._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}Are displaced to change the resonance frequency of the transducer array.
[0026]
When sound is further input in this state, each transducer V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}... Are displaced with respect to the voice input direction. For example, the fundamental frequency F of a specific speaker's voice₁To the primary natural frequency f of the transducer array₁If the voice of the specific speaker is input to the acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention, a spectrum responding with high sensitivity to the voice input can be obtained.
[0027]
As shown in FIGS. 3A and 3B, the transverse wave vibration mode of the one-dimensional vibrator chain (vibrator chain) composed of seven vibrators is the fundamental wave mode (fundamental frequency f).₁), The central vibrator V so that the central portion becomes antinode according to the sound pressure._{i, j}The displacement of is large.
[0028]
On the other hand, the frequency f₂In the case of the second harmonic, the one-dimensional vibrator chain is in a transverse wave vibration mode as shown in FIG. In FIG. 4, the central vibrator V constituting the vibrator chain_{i, j}Becomes a node and its displacement is zero, but the left vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j-2}And right vibrator V_{i, j + 1}, V_{i, j + 2}The displacement of is large. Although not shown, the frequency f_ThreeIn the case of the third harmonic of the oscillator V in the center of the oscillator chain_{i, j}The displacement of the left vibrator V_{i, j-2}And right vibrator V_{i, j + 2}Becomes a node, and its displacement is zero. And the left vibrator V_{i, j-3}, V_{i, j-1}And right vibrator V_{i, j + 1}, V_{i, j + 3}The displacement of increases.
[0029]
In general, the speech waveform has a fundamental frequency F₁, Second harmonic frequency F₂, 3rd harmonic frequency F_Three,... Are superimposed on each eigenmode. For this reason, each vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Have eigenmode amplitude and phase information.
[0030]
FIG. 9 shows an example of a “displacement detection unit” that detects the displacement of the vibrator of the acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention, that is, a detection circuit. In FIG. 9, each vibrator V shown in FIG._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and the capacitance C between the support substrate (semiconductor substrate) 11a_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1}, ... variable capacitor C₀This is shown as a representative. Variable capacitor C₀There is a power supply voltage V_biasIs applied. Variable capacitor C₀Is input to the inverting input terminal of the operational amplifier 91. A capacitor C is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 91.₁Are connected, and an integrating circuit (integrator) is configured by using a parasitic resistance on the inverting input terminal side. Capacitor C₁The switch SW1 is connected in parallel. The output of the operational amplifier 91 is connected to one input terminal of the comparator 92. The other input terminal of the comparator 92 has a reference voltage V_refIs entered.
[0031]
Vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and the capacitance C between the support substrate (semiconductor substrate) 11a_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1}, ... are the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and the distance between the support substrate (semiconductor substrate) 11a is Δd_{i, j}Δd_{i, j}Are sufficiently small, respectively:
ΔC_{i, j}= Ε × S / Δd_{i, j}                          (5)
It can be approximated by fluctuation. Each vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are wired through a doped polysilicon spring (elastic beam) 13. For this reason, the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}...,. Capacitance C_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1}When the switch SW1 connected in parallel with the capacitor SW is opened, the capacitance C_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1},... Are time integrated with the operational amplifier 91. That is, capacitance C_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1},... Are time-integrated by the operational amplifier 91, and the output voltage that is the integrated output is the reference voltage V_refAnd the comparator 92. For example, the fundamental frequency F is applied to the transducer array shown in FIG.₁0011100, the second harmonic frequency F₂Is input digitally as 00110110. Therefore, when the comparator 92 is used as shown in FIG. 9, frequency components can be directly digitized without performing Fourier transform. That is, an A / D converter and FFT are not required for voice analysis. In addition, it can also be used for voice authentication by comparing with the spectrum of a specific speaker.
[0032]
In FIG. 2, since etching is performed only from the front surface, there is no hole for penetrating the silicon substrate as the semiconductor substrate 11a. However, as shown in FIG. 5 and FIG. It is also possible to create holes. In this case, the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and the capacitance C between the semiconductor substrates 11b and 11c_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1},... Are difficult to read directly, so the lateral capacitance, piezoresistance, or optically vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Can be used. As a result, sound waves can also enter and exit from the back surfaces of the semiconductor substrates 11b and 11c, the directivity of the microphone can be improved, the ambient noise can be suppressed, and the sound source can be applied to the input from the left and right. To be able to identify.
[0033]
7 and 8 show actual planar patterns. The acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 7 is configured on a support substrate (not shown) having a recess on the upper surface. That is, at the periphery of the support substrate, the fixed frame 12 is disposed so as to surround the recess, the both ends are fixed to the fixed frame 12, and each extends in the row direction and the column direction perpendicular to the row direction. A plurality of wiring beams 21 arranged so as to form a lattice in the space formed by the fixed frame 12 and a plurality of transducers V which are respectively arranged in a window portion of the lattice and vibrate by acoustic input to constitute a transducer array._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... and multiple vibrators V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... And an elastic beam 22 for connecting the wiring beam 21 to each other. Word lines are embedded in the wiring beams 21 in the horizontal direction (row direction) in FIG. Each word line is connected to a word line driver (not shown) formed inside the fixed frame 12. Further, bit lines are embedded in the wiring beams 21 in the vertical direction (column direction) in FIG. Each bit line is connected to a bit line driver (not shown) and a sense amplifier (not shown) formed inside the fixed frame 12. The elastic beam 22 also includes a wiring layer made of a doped polysilicon film as shown in FIG. A plurality of vibrators V are connected via the wiring beam 21 and the elastic beam 22._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... And the fixed frame 12 are electrically connected.
[0034]
And a plurality of vibrators V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... And a voltage applied between the surfaces of the recesses, so that a plurality of vibrators V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are changed, and the plurality of vibrators V are changed by the change in capacitance that each of the plurality of vibrators forms with the surface of the recess._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}...,... Are detected, and a spectrum analysis of the acoustic input is performed using the detection result, thereby functioning as an intelligent microphone.
[0035]
In this intelligent microphone, the output of the sense amplifier is input to the operational amplifier 91 shown in FIG._refAnd the comparator 92. Therefore, the operational amplifier 91 and the comparator 92 may be integrated inside the fixed frame 12.
[0036]
In FIG. 7, the vibrator V having a square plane pattern is formed in each of the lattice windows formed by the wiring beams 21._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}Are arranged, but the vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}The planar pattern is not limited to a square. In FIG. 7, each vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are connected by elastic beams 22 made of doped polysilicon between the four corners of the pattern and the four corners of the window of the wiring beam 21 facing the four corners. That is, each vibrator V is composed of four elastic beams 22._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}Are suspended from the wiring beam 21. Since the grid-like wiring beam 21 has a function as an elastic body simultaneously with the wiring function, the wiring beam 21 and the elastic beam 22 realize a function equivalent to the elastic beam 13 shown in FIG. That is, the vibration mode illustrated in FIG. 3 and FIG. 4 is made possible by the whole of the wiring beam 21 and the elastic beam 22.
[0037]
Similarly to the pattern of FIG. 7, the pattern of FIG. 8 is also provided with a grid-like wiring beam 21 on the fixed frame 12 provided on the periphery of the semiconductor substrate, and each of the square windows is formed in the grid window formed by the wiring beam 21. Planar pattern transducer V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}Are arranged. A word line is embedded in the wiring beam 21 in the horizontal direction (row direction) of FIG. 8 as in FIG. Each word line is connected to a word line driver (not shown) formed inside the fixed frame 12. Also, bit lines are embedded in the wiring beams 21 in the vertical direction (column direction) in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view seen from the CC direction of FIG. 8, and a bit line 48 made of metal wiring is shown on the wiring beam 21 of FIG. Each bit line is connected to a bit line driver (not shown) and a sense amplifier (not shown) formed inside the fixed frame 12. However, in FIG._{i-3, j}, V_{i-2, j}, V_{i +} ₂ _{, j}, V_{i + 3, j},..., And the four sides of the window of the wiring beam 21 facing the four sides are connected by a straight first elastic beam 22a having no bent portion, and vibration in the center portion. Child V_{i-1, j-1}, V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, V_{i + 1, j},... And the four sides of the window of the wiring beam 21 opposed to the four sides are connected by second elastic beams 22b bent at 90 ° at two locations.
[0038]
The first elastic beam 22a and the second elastic beam 22b are each made of doped polysilicon, and the cross-sectional shape perpendicular to the length direction of the beam is the same. Since the materials are the same, the Young's modulus E and the density ρ of the first elastic beam 22a and the second elastic beam 22b are the same, but the length L of the first elastic beam 22a and the second elastic beam 22b is different. As is clear from Equation (2), the spring constants k of the first elastic beam 22a and the second elastic beam 22b are different from each other. The first elastic beam 22a, the second elastic beam 22b, and the wiring beam 21 as a whole enable the vibration mode illustrated in FIGS. However, in the structure shown in FIG. 8, since the spring constants k of the first elastic beam 22a and the second elastic beam 22b in the central part and the peripheral part are different, the resonance frequency is different in the central part and the peripheral part. The sensitivity of the microphone can be changed, and the frequency band (dynamic range) can be expanded.
[0039]
In FIG. 10, which is a cross-sectional view seen from the CC direction of FIG. 8, doped polysilicon 46 is shown in the second elastic beam 22b. The doped polysilicon 46 also exists as a wiring below the metal wiring (bit line) 48 in the wiring beam 21 of FIG. Although not shown in the sectional view of FIG. 10, the upper metal wiring (bit line) 48 and the lower doped polysilicon wiring 46 are connected to each other through a contact hole inside the wiring beam 21 at the back of the drawing. Has been. For this reason, the wiring made of the doped polysilicon 46 is connected to each vibrator..., V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Can be transmitted to the metal wiring (bit line) 48 as a voltage signal.
[0040]
A manufacturing method of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 10 will be described with reference to FIGS. 11 and 12 which are cross-sectional views seen from the CC direction of FIG. Note that the method for manufacturing the acoustic analysis device described below is an example, and it is needless to say that the method can be realized by various other manufacturing methods including this modification.
[0041]
(A) First, as shown in FIG. 11A, a buried insulating film 42 and a semiconductor layer (SOI layer) 43 made of a single crystal Si layer are sequentially stacked on a semiconductor substrate 11 made of single crystal Si. An SOI substrate is prepared. The semiconductor substrate 11 is preferably a Si substrate having a low specific resistance of 0,01 Ω · cm to 0.02 Ω · cm.
[0042]
(B) Next, using a technique such as photolithography, the semiconductor layer (SOI layer) 43 in a region where the wiring beam 21, the first elastic beam 22a, and the second elastic beam 22b shown in FIG. Etching is selectively removed by a technique such as that to form a groove. An oxide film 44 is buried in the groove portion by a technique such as a CVD method, and planarized as shown in FIG. 11B by a technique such as a chemical mechanical polishing (CMP) method.
[0043]
(C) Further, a first interlayer insulating film 45 having a thickness of 50 nm to 100 nm is formed on the surface of the semiconductor layer (SOI layer) 43 by a CVD method. Next, a polysilicon film 46 is deposited on the entire surface of the first interlayer insulating film 45 by CVD to a thickness of about 300 nm to 600 nm, for example, 400 nm. Next, a photoresist film (hereinafter simply referred to as “photoresist”) is spin-coated on the surface of the polysilicon film 46. Then, the photoresist is patterned by a photolithography technique. Then, using this photoresist as a mask, the polysilicon film 46 is etched as shown in FIG. Then, arsenic ions (⁷⁵As⁺), Phosphorus ion (³¹P⁺) Or boron ions (¹¹B⁺) And other impurity ions at a dose of 10¹⁵cm^-2Ion implantation in the order of. A doped polysilicon film 46 doped with these impurities from the beginning may be deposited on the first interlayer insulating film 45, and then etched and patterned as shown in FIG.
[0044]
(D) Next, as shown in FIG. 12, a CVD method is used on the surface of the polysilicon film 46 to oxidize a non-doped oxide film (NSG), a PSG film, a BSG film, a BPSG film, etc. as the second interlayer insulating film 47. The film is formed to a thickness of about 0.5 μm to 1.0 μm. Then, a contact hole exposing a part of the polysilicon film 46 is opened in a part of the pattern where the wiring beam 21 is to be formed. The contact hole may be opened by photolithography or RIE. Then, a metal film made of titanium (Ti), tungsten (W), or the like is deposited on the second interlayer insulating film 47 by sputtering or electron beam vacuum deposition. The metal film is also embedded in the contact hole opened in a part of the pattern where the wiring beam 21 is to be formed. Then, if the metal film is patterned by a metallization technique using a photolithography technique or the like, a metal wiring 48 as shown in FIG. 12A is formed. The metal wiring 48 constitutes a word line and a bit line embedded in the wiring beam 21 shown in FIGS. 7 and 8, and the metal wiring 48 and the wiring of the polysilicon film 46 below this are connected via a contact hole. Connected. Further, a passivation film 49 having a thickness of about 1.0 μm is formed on the metal wiring 48 and the second interlayer insulating film 47 by using the CVD method. As the passivation film 49, a PSG film, a BSG film, a BPSG film, a nitride film, or a composite film thereof may be used. Then, planarization is performed using a CMP method or the like as shown in FIG.
[0045]
(E) Further, the groove 51 is formed by a photolithography technique and the RIE method or the ECR ion etching method, and the wiring beam 21, the first elastic beam 22a, and the second elastic beam 22b are formed as shown in FIG. To separate.
[0046]
(F) Thereafter, a part of the surface of the semiconductor substrate 11 exposed by this etching is continuously anisotropically treated with a chemical solution such as an anisotropic etchant of single crystal Si, for example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH). If etching is performed, each vibrator V as shown in FIG._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are suspended from the wiring beam 21. Further, after depositing an oxide film on the back surface of the semiconductor substrate 11 by CVD and etching the oxide film with dry or wet using photolithography technology, the semiconductor substrate 11 is anisotropically treated with TMAH using this oxide film as a mask. The back surface groove 52 is formed by etching, and the acoustic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 10 is completed.
[0047]
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the above-described embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0048]
For example, in the description of the embodiment described with reference to FIG. 7, the wiring beam 21 functions as an elastic body, and the vibration mode illustrated in FIGS. 3 and 4 is enabled by the wiring beam 21 and the elastic beam 22 as a whole. Although the case has been described, the rigidity of the wiring beam 21 in the row direction may be increased to function as a fixed beam. In this case, each vibrator V in the row direction_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are coupled to each other via elastic beams, thereby forming a vibrator chain (vibrator chain), and a spring of the elastic beam 22 so as to form a vibrator chain having a different resonance frequency for each row. If the constants or the masses of the vibrators are made different, it is possible to provide an extremely broadband acoustic analysis device.
[0049]
Further, the semiconductor substrates 11a, 11b, 11c are Si substrates having a low specific resistance, and the respective capacitors C_{i, j-1}, C_{i, j}, C_{i, j + 1},... Have been shown as examples of common electrodes. On the side of the semiconductor substrates 11a, 11b, and 11c, wiring layers such as independent metal wirings are provided in the respective rows, and different potentials are applied to the respective rows. The resonance frequency control means may be configured so that the resonance frequency can be controlled independently of each other, and a function capable of learning is given to the acoustic analysis device.
[0050]
Alternatively, the rigidity of the wiring beam 21 in the column direction is increased to function as a fixed beam, and each vibrator V is arranged in the column direction._{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are coupled to each other through elastic beams, thereby forming a vibrator chain, and the elastic constants of the elastic beams 22 or vibrations so that the vibrator chains have different resonance frequencies for each column. The mass of the child may be different. Further, an independent wiring layer is provided for each column on the semiconductor substrate 11a, 11b, 11c side, a different potential is applied to each column, and a resonance frequency control means is provided so that each column can control the resonance frequency independently. It may be configured.
[0051]
Further, the wiring beams 21 in the row direction and the column direction are both functioned as fixed beams, and each vibrator V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}A vibration mode that vibrates independently is also possible. The individual vibrators V arranged as a two-dimensional matrix_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1},... Are all made different from each other, or individual vibrators V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}The resonance frequency control means may be configured to vibrate so that all the resonance frequencies of.
[0052]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, amplitude and phase information of each vibrator can be obtained with respect to an acoustic input, the amplitude for each frequency can be analyzed, and noise can be easily removed. As a result, in the case of voice input, a spectrum corresponding to a specific speaker can be obtained, and an acoustic analysis device with improved voice recognition rate can be provided.
[0054]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an acoustic analysis apparatus that can recognize an unspecified number of conversations in a noisy place without special learning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plane pattern of a transducer array of an acoustic analysis device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view as seen from the AA direction in FIG.
FIG. 3 shows a fundamental wave mode (fundamental frequency f₁3 is a schematic cross-sectional view showing a vibration mode of the transducer array of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the second harmonic (frequency f₂3 is a schematic cross-sectional view showing a vibration mode of the transducer array of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a transducer array of an acoustic analysis device according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a transducer array of an acoustic analysis device according to another modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan pattern showing a specific structure of the transducer array of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan pattern showing another specific structure of the transducer array of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of a detection circuit of the acoustic analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a specific cross-sectional view of a transducer array of an acoustic analysis device according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the transducer array shown in FIG. 10 (No. 1);
12 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the transducer array shown in FIG. 10 (part 2);
FIG. 13 is a flowchart illustrating a conventional speech recognition method.
FIG. 14 is a block diagram illustrating a conventional speech analysis system.
FIG. 15 is a plan view illustrating the structure of a conventional frequency analysis mechanical filter.
[Explanation of symbols]
11, 11a, 11b, 11c ... Semiconductor substrate
12 ... Fixed frame
13, 22 ... Elastic beam
21 ... Wiring beams
22a ... 1st elastic beam
22b ... second elastic beam
42. Insulating film
43 ... Semiconductor layer
44 ... Oxide film
45. First interlayer insulating film
46. Polysilicon film (doped polysilicon film)
47. Second interlayer insulating film
48 ... Metal wiring
49 ... Passivation film
51 ... Groove
52 ... Back groove
91. Operational amplifier
92 ... Comparator
101 ... Si substrate
104 ... Standard pattern
111 ... Termination
112 ... Diaphragm
115 ... Horizontal beam
201: Microphone
203 ... Converter
204 ... FFT device
C₀... Variable capacitor
C₁... Capacitor
V_bias…Power-supply voltage
V_{i, j-1}, V_{i, j}, V_{i, j + 1}, ... vibrator
V_ref... reference voltage

Claims

A plurality of vibrators that vibrate in response to acoustic inputs and have the same mass ,
A plurality of elastic beams for connecting the plurality of vibrators in a row direction in order to form a vibrator chain ;
Displacement detecting means for detecting the displacement of the vibrator;
Resonance frequency control means for changing the spring constant of the plurality of elastic beams by electrostatic force and changing the resonance frequency of the vibrator chain , and performing spectrum analysis of the acoustic input by the output of the displacement detection means An acoustic analysis device characterized by that.

A support substrate having a recess on the upper surface;
A fixing frame disposed around the concave portion in the periphery of the support substrate;
A plurality of vibrators arranged in a space formed by the concave portion and the fixed frame so as to form a part of a vibrator chain, respectively oscillating by acoustic input, and having the same mass ;
The end vibrator that is closest to the fixed frame and the fixed frame of the plurality of vibrators are connected to the fixed frame, and the end vibrator and the other vibrators are sequentially connected to each other in the row direction. A plurality of elastic beams constituting the vibrator chain, and a spring constant of the plurality of elastic beams is changed by a voltage applied between each of the plurality of vibrators and the surface of the recess , The resonance frequency of the vibrator chain is changed, and the displacement of each of the plurality of vibrators is detected by the change in capacitance of each of the plurality of vibrators with the surface of the recess, and the detection result is used to An acoustic analysis apparatus characterized by performing spectrum analysis of acoustic input.

For each row, and a plurality of arranged transducers chain different resonance frequencies from each other in the column direction, acoustic analysis device according to claim 1 or 2, characterized in that it constitutes a transducer array.

A support substrate having a recess on the upper surface;
A fixing frame disposed around the concave portion in the periphery of the support substrate;
A plurality of wiring beams fixed at both ends to the fixed frame, extending in a row direction and a column direction orthogonal to the row direction, and arranged so as to form a lattice in a space formed by the concave portion and the fixed frame; ,
A plurality of vibrators that are respectively disposed in the window portions of the lattice, vibrate by acoustic input, and constitute a part of the vibrator array;
An elastic beam connecting each of the plurality of vibrators and the wiring beam, and a resonance frequency of the plurality of vibrators by a voltage applied between each of the plurality of vibrators and the surface of the recess. And the displacement of each of the plurality of transducers is detected by a change in the capacitance of each of the plurality of transducers with the surface of the recess, and the spectrum analysis of the acoustic input is performed using the detection result. An acoustic analysis apparatus characterized by performing.

The acoustic analysis apparatus according to claim 4, wherein the vibrator and the fixed frame are electrically connected via the wiring beam and the elastic beam.

6. The acoustic analysis apparatus according to claim 4 , wherein an array of transducers having different resonance frequencies is configured for each row to configure the transducer array .

The elastic beam is
A first elastic beam used in a part of the vibrator chain ;
The acoustic analysis apparatus according to claim 1 , further comprising: a second elastic beam that is used in another part of the vibrator chain and has a spring constant different from that of the first elastic beam.

The elastic beam is
A first elastic beam used in a part of the vibrator chain ;
4. The second elastic beam according to claim 2 , further comprising: a second elastic beam that is used in another part of the vibrator chain and has a spring constant different from that of the first elastic beam. 5. Acoustic analysis device.

The elastic beam is
A first elastic beam used in a part of the transducer array;
7. The second elastic beam according to claim 4 , further comprising: a second elastic beam that is used in another part of the transducer array and has a spring constant different from that of the first elastic beam. Acoustic analysis device.

The acoustic analysis according to any one of claims 2 to 7, wherein the support substrate includes a back surface groove penetrating the support substrate so as to apply the audio input from below the vibrator. apparatus.

The acoustic analysis according to any one of claims 2 to 10 , further comprising: an operational amplifier that inputs a change in voltage caused by the change in capacitance, and a comparator that compares an output of the operational amplifier with a reference voltage. apparatus.

The acoustic analysis apparatus according to claim 11, wherein the operational amplifier and the comparator are integrated in the fixed frame.

The transducer acoustic analysis device according to any one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises at least a portion of the semiconductor layer.