JP4201723B2 - 容量検知型センサ素子 - Google Patents

Description

この発明は、容量検知型センサ素子に関し、特に、背電極を構成する膜の膜応力の影響を小さくできる容量検知型センサ素子に関する。

従来の容量検知型センサ素子の一例として、圧力センサがたとえば、特開２００２−２７５９５号公報（特許文献１）に開示されている。

図５は、特許文献１に開示された圧力センサの平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）である。

図５を参照して、従来の圧力センサは、支持基板１２０と、支持基板１２０の中央部に設けられ、厚さの薄い振動板１１１と、振動板１１１に空隙層１１３を介して対向して設けられた、背面板（以下、背電極という場合がある）１１２と、指示基板１２０上で背面板１１２を支持する支持部１１４と、背面板１１２上に設けられた背電極用電極端子１１６と、支持基板１２０上に設けられた振動板用電極端子１１７とを含む。
特開２００２−２７５９５号公報（図１およびそれに関する説明等）

従来の圧力センサは上記のように構成されていた。図５に示すように、圧力センサを構成する背面板１１２は振動板１１１と同様の矩形状でありその４辺の中央部で幅の狭い支持部１１４で支持されている。背面板の矩形の頂点部が支持部１１４から遠く離れているとともに、支持部１１４の幅が狭いため、背面板１１２の強度が弱いという問題があった。

この発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、背電極の機械強度が確保できる容量検知型センサ素子を提供することを目的とする。

この発明に係る容量検知型センサ素子は、相互に対向して設けられた、振動板と平面状の背電極とを含む。容量検知型センサ素子は、振動板に近接して設けられ、振動板に近接する側に所定の長さの辺を有する複数の固定部を含み、背電極は、固定部によって振動板との間に空間を有した状態で支持され、背電極の、固定部によって支持されない、隣接する固定部間の外縁の形状は、外縁が隣接する固定部の最短距離を結ぶ直線上または直線の外側に位置する所定の形状である。

好ましくは、所定の形状は、隣接する固定部の最短距離を結ぶ円弧である。

また、固定部の辺の所定の長さと対向する固定部間の長さとの比率は、２／１５より大きい。なお、固定部の辺の所定の長さと対向する固定部間の長さとの比率は、４／１５以上であればさらによい。

好ましくは、背電極には複数の孔が設けられ、複数の孔の径は２０μｍより小さい。なお、背電極の複数の孔の径は１４μｍ以下であればさらに好ましい。

また、固定部は矩形状でもよいし、三角形状であってもよい。

背電極は複数の固定部で支持され、固定部によって支持されない、隣接する固定部間の外縁の形状は、外縁が隣接する固定部の最短距離を結ぶ直線上または直線の外側に位置する所定の形状であるため、背電極の機械強度が確保できる。

好ましくは、固定部によって支持されない、隣接する固定部間の外縁の形状は、隣接する固定部の最短距離を結ぶ直線または円弧である。最短距離またはそれに近い寸法で背電極が支持されるため、背電極の強度をより高めることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施の形態にかかる容量検知型センサ素子の一例としての、マイクロフォンの要部を示す断面図（Ａ）と、図１（Ａ）においてＩＢ-ＩＢで示す部分の平面図（Ｂ）である。

まず、図１（Ａ）を参照して、マイクロフォン１０は、基板２０と、基板２０上に形成された酸化膜２１と、酸化膜２１の上に形成された振動板１１（振動板から外部へ延びる延長部１６を含む）と、振動板１１の上に設けられ、絶縁材で形成された固定部１４と、固定部１４の上に設けられた背電極１２とを含む。固定部１４によって、振動板１１と背電極１２との間に空間１３が形成される。背電極１２には複数の貫通孔が音響ホール１５としてが設けられる。また、背電極１２の表面には背電極用の取り出し電極１７が設けられ、振動板１１の延長部１６の表面には振動板用の取り出し電極１８が設けられている。

次に図１（Ｂ）も参照して、振動板１１は基板２０のほぼ中央部に設けられ、矩形状を有している。ここでは説明を簡単にするため、正方形として説明する。振動板１１を構成する４つの辺のほぼ中央には、それらの辺に隣接して矩形状の４つの固定部１４ａ〜１４ｄが設けられ、固定部１４の上には背電極１２が設けられる。背電極１２は固定部１４の振動板側の４つの辺と、隣接する固定部１４（たとえば、１４ａと１４ｂ）の最短距離である、隣接する頂点を結ぶ４つの辺（直線）を含む８角形状を有している。

背電極１２が矩形の振動板１１の４辺の外周部に設けた固定部１４で支持されるととともに、固定部１４の隣接する頂点間の最短距離を結ぶ形状を有しているため、背電極１２の機械強度を確保できる。

なお、図１（Ｂ）においては、理解の容易のために、振動板１１と固定部１４との間に間隔を設けているが、実際はこの間隔はほとんど無い。

また、図１（Ｂ）において、各固定部１４の上に背電極用取り出し電極１７を設け、振動板１１の延長部１６の表面の４隅に４個の振動板用取り出し電極１８を設けているが、これは歩留まりを考慮したものであって、それぞれ１個ずつ存在すればよい。

振動板１１は外部からの圧力変化（音声等を含む）を受けて振動する。すなわち、このマイクロフォン１０は、振動板１１と背電極１２とをコンデンサとして機能させるものであり、音圧信号によって振動板１１が振動する際のコンデンサの静電容量の変化を電気的に取り出す形態で使用される。

このマイクロフォン１０における概略寸法としては、たとえば、基板２０の大きさは一辺が５．５ｍｍの正方形で、厚さが６００μｍ程度に形成されている。振動板１１の大きさは一辺が１．５ｍｍの正方形で、厚さが２μｍに設定されている。背電極１２には一辺が１０μｍ程度の矩形、円形または多角形の複数の音響ホール１５が形成されている。なお、これらの寸法は単なる一例であって、これに限るものではない。また、図１においては、各構成要素の厚さや穴の寸法を誇張して示している。

次に、この発明の他の実施の形態について説明する。先の実施の形態においては、背電極１２の支持されない部分の寸法が最短になる例について説明した。しかしながら、この発明においては、背電極の強度さえ確保できれば良い。そのような例を図２に示す。図２は、他の実施の形態を示す図である。図２を参照して、この実施の形態においては、背電極１２はほぼ円形である。この実施の形態においても、背電極１２は固定部１４で所定の幅寸法で支持されるとともに、支持されない部分の長さは円弧状で短くなっている。したがって、先の実施の形態と同様に、所定の機械強度を有する。

なお、この実施の形態においては平面図のみを示しているが、断面図は図１（Ａ）と同様である。

また、この実施の形態においては、背電極の指示されない部分の形状を円弧状としたが、これに限らず、楕円形の円弧状等の曲面状としてもよい。

次に、固定部１４の形状について説明する。先の実施の形態においては、固定部１４の形状として、矩形の場合について説明した。しかしながら、固定部の形状はこれに限らない。図３は固定部１４の他の実施の形態を示す図である。

図３を参照して、固定部１４は背電極１２を支持する部分が所定の長さＡを有していれば、三角形でも（Ａ）、台形でも（Ｂ）、半円形でも（Ｃ）、円弧状（Ｄ）でもよい。

固定部１４をこのような形状にすることにより、固定部をコンパクトにでき、ひいては、マイクロフォン１０全体をコンパクトにできる。

次に、固定部１４の背電極１２を支持する部分の寸法と、背電極１２の対向する固定部（たとえば、１４ａと１４ｃ）間の寸法との関係について説明する。図４は固定部１４の背電極１２を支持する部分の寸法Ａと、背電極１２の対向する固定部間の寸法Ｂとを示す図（Ａ）と、その寸法比率に対する歩留まりとの関係を示す図（Ｂ）と、背電極１２に設けた音響ホール１５の寸法とその場合の歩留まりとの関係を示す図（Ｃ）である。

図４（Ａ）および（Ｂ）を参照して、Ａ／Ｂが２／１５であれば歩留まりが３０％であるが、これを超えて４／１５等になると１００％になる。

したがって、背電極１２の歩留まりを考えると、固定部１４の辺長さに対する背電極１２の対向する固定部１４間の長さの割合Ａ／Ｂが、２／１５を超えるのが好ましい。さらに好ましくは、４／１５以上である。なお、このデータは、背電極１２には８μｍの音響ホール１５が設けられている場合のものである。

また、図４（Ｃ）を参照して、音響ホール１５の径は２０μｍであれば歩留まりは６０％であるが、それより小さいたとえば１４μｍになれば１００％であることがわかる。

したがって、背電極１２の歩留まりを考えると、音響ホール１５の径は２０μｍよりも小さい寸法が好ましい。さらに好ましくは、音響ホール１５の径は１４μｍ以下である。

なお、この歩留まりのデータは、上記Ａ／Ｂの比率が６／１５の場合のものである。

なお、ここで、比率として、固定部１４の背電極１２を支持する部分の寸法Ａと、背電極１２の対向する固定部１４間の寸法Ｂとを用いたが、これに限らず、背電極１２の対向する固定部間の寸法Ｂの代わりに、振動板１１の１辺の寸法を用いてもよい。これは、上記したように、背電極１２の対向する固定部間の寸法は、振動板１１の１辺の寸法とほぼ等しいためである。

なお、上記実施の形態においては、背電極に音響ホールを設けた例について説明したが、これに限らず、背電極には音響ホールが無くてもよい。そうすれば、背電極の強度はより高まる。

上記実施の形態においては、音響ホールの形状が円形の場合について説明したが、これに限らず、矩形状や多角形状の音響ホールを配列してもよい。

また、上記実施の形態においては、マイクロフォンを例にあげて説明したが、これに限らず、圧力センサのような任意の容量検知型センサ素子に適応できる。

また、上記実施の形態においては、振動板を矩形、特に正方形の場合について説明したが、これに限らず、多角形や円形や楕円形であってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明に係る容量検知型センサ素子は、背電極の固定部で支持されない外縁の形状を、外縁が隣接する固定部の最短距離を結ぶ直線等の形状としたため、背電極の機械強度が確保できる。したがって、容量型センサやマイクロフォンなどの容量検知型センサ素子において有利に利用される。

この発明の一実施の形態にかかる、容量検知型センサ素子の具体例であるマイクロフォンの構造を示す図である。 この発明の他の実施の形態にかかるマイクロフォンの要部を示す平面図である。 固定部の変形例を示す図である。 固定部の背電極を支持する部分の寸法と、振動板の１辺の寸法との比率と、その寸法比率に対する歩留まり、および背電極に設けた音響ホールの寸法とその歩留まりとの関係を示す図である。。 従来の容量検知型センサ素子の一例として、従来の圧力センサの構成を示す図である。

符号の説明

１０ マイクロフォン、１１ 振動板、１２ 背電極、１３ 空間、１４ 固定部、１５ 音響ホール、１６ 延長部、１７ 背電極用取り出し電極、１８ 振動板用取り出し電極、２０ 基板、２１ 酸化膜。

Claims (8)

1. 基板上に設けられた振動板と、前記振動板に対向して設けられた平面状の背電極とを含む容量検知型センサ素子であって、
   前記振動板に当接することなく、前記振動板に近接して設けられ、前記振動板に近接する側に所定の長さの辺を有する複数の固定部を含み、
   前記背電極は、前記固定部によって前記振動板との間に空間を有した状態で支持され、
   前記背電極の、前記固定部によって支持されない、隣接する前記固定部間の外縁の形状は、外縁が隣接する固定部の最短距離を結ぶ直線上または前記直線の外側に位置する所定の形状である、容量検知型センサ素子。
2. 前記所定の形状は、前記隣接する固定部の最短距離を結ぶ円弧である、請求項１に記載の容量検知型センサ素子。
3. 前記固定部の辺の所定の長さと対向する前記固定部間の長さとの比率は、２／１５より大きい、請求項１または２に記載の容量検知型センサ素子。
4. 前記固定部の辺の所定の長さと対向する前記固定部間の長さとの比率は、４／１５以上である、請求項３に記載の容量検知型センサ素子。
5. 前記背電極には複数の孔が設けられ、前記複数の孔の径は２０μｍより小さい、請求項１から４のいずれかに記載の容量検知型センサ素子。
6. 前記背電極には複数の孔が設けられ、前記複数の孔の径は１４μｍ以下である、請求項１から４のいずれかに記載の容量検知型センサ素子。
7. 前記固定部は矩形状である、請求項１から６のいずれかに記載の容量検知型センサ素子。
8. 前記固定部は三角形状である、請求項１から６のいずれかに記載の容量検知型センサ素子。

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