JP4539450B2 - 容量型振動センサ及びその製造方法 - Google Patents

容量型振動センサ及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は容量型振動センサ及びその製造方法に関し、具体的にいうと、空気や水等の媒質中を伝搬する音波等の振動を検知するための容量型振動センサと、その製造方法に関する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は振動センサの一種であるコンデンサ型マイクロフォンの一般的な原理を説明する図である。コンデンサ型マイクロフォン１１は、対向電極板１２と振動電極板１３を微小間隙を隔てて対向させ、両電極板１２、１３間に直流電源１４により直流電圧を印加したものである。対向電極板１２は剛性を有しているか、振動しないように固定されており、振動電極板１３は厚みが薄くなっていて音声振動によって励振される。
しかして、図１（ａ）に示すようにコンデンサ型マイクロフォン１１に音声振動が伝わると、図１（ｂ）のように音声振動によって薄い振動電極板１３が振動させられ、それによって対向電極板１２と振動電極板１３の間の静電容量が変化する。よって、この静電容量の変化を電気的に検出することにより、図１（ｃ）のように音声（音圧の変化）を取り出すことができる。
図２はマイクロマシニング技術を利用して製造された従来のコンデンサ型マイクロフォンの構造を示す断面図である。このコンデンサ型マイクロフォン２１は、中央部に貫通孔２７を開口されたシリコン基板２２の上面を絶縁膜２３で覆い、貫通孔２７の上に振動電極板２４を形成すると共に振動電極板２４の上方を覆う穿孔部材２５の下面に対向電極板２６を形成したものである。しかして、このコンデンサ型マイクロフォン２１にあっては、穿孔部材２５及び対向電極板２６の孔から内部に音声振動が侵入して、あるいは下面の貫通孔２７から音声振動が侵入して振動電極板２４を振動させると、振動電極板２４と対向電極板２６との間の静電容量が変化し、音声振動が静電容量の変化として出力される。
このコンデンサ型マイクロフォン２１は、その製造工程においては、シリコン基板２２の上面に絶縁膜２３や振動電極板２４等を形成したのち、シリコン基板２２を下面側からエッチングして貫通孔２７を開口している。一方、シリコン基板２２としては、入手が容易で比較的価格も安価であることから、一般に（１００）面シリコンウエハが用いられている。そのため、シリコン基板２２を裏面側からエッチングすると、（１００）面シリコンウエハの稠密面である［１１１］方位又はそれと等価な方位の面が貫通孔２７内に現われて傾斜面となり、シリコン基板２２には角錐台状の貫通孔２７が形成される。しかも、シリコン基板２２を下面側からエッチングしているので、貫通孔２７はシリコン基板２２の下面側で幅が大きく、上面側で幅が狭くなっている。
このため、貫通孔２７の下面側の開口面積は、振動電極板２４の実質的な振動部分の面積よりも大きくなり、その分シリコン基板２２の面積が大きくなる。この結果、従来のような構造では、コンデンサ型マイクロフォン２１の小型化が困難であった。なお、シリコン基板２２の厚みを薄くすれば、貫通孔２７の上面側と下面側の開口面積比率は１に近くなるが、シリコン基板２２の強度を考えると、シリコン基板２２の厚みを薄くすることにも限度がある。
また、特許文献１には、半導体基板上に形成された薄膜部の変位を抵抗値変化に変換して空気等の圧力を検出するピエゾ抵抗式圧力センサが開示されている。このピエゾ抵抗式圧力センサでは、半導体基板を下面側からエッチングして薄膜部を形成することによる上記のような課題を解決するため、上面側から半導体基板をエッチングして薄膜部を形成している。これによると、半導体基板（シリコンウェハ）上に成膜処理して薄膜部を形成した後、薄膜部の一部に開口部を形成してシリコンウェハを露出させ、この開口部より等方性エッチングを行って半導体基板に空洞部を設け、薄膜部をシリコン基板の上面から浮いた状態で支持させている。
しかし、空気の絶対圧を測定するのではなく、より微小な空気圧変動としての音をとらえる必要のあるマイクロフォンにおいては、１枚の薄膜から成るピエゾ抵抗式ではヒステリシス等の問題がある。そのため、２枚の薄膜から成る静電容量式を採用するのが一般的である。その際、特許文献１に開示されているような矩形状もしくはロの字状の開口部によっては、マイクロフォンとして良好な感度と周波数特性を備えた薄膜部（振動電極板）を形成することができなかった。
特開平９−８２９８３号公報 特表２００４−５０６３９４号公報 特開２００４−１２８９５７号公報 特開２００２−２７５９５号公報 特開昭６２−２８４２３３号公報 特表平９−５０８７７７号公報 特開２００１−１３１５６号公報
本発明の目的とするところは、振動電極板および対向電極板からなる容量型振動センサにおいて、当該２つの電極板が形成される側から半導体基板をエッチングすることにより、マイクロマシニング技術を利用して製作される容量型振動センサの感度および周波数特性を低下させることなく、より一層の小型化を図ることにある。
本発明にかかる容量型振動センサは、半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサにおいて、前記振動電極板には複数のエッチングホールが開口され、前記振動電極板のエッチングホールによって前記振動電極板の一部が保持部を残して切り離されてダイヤフラムが形成され、前記対向電極板には、前記半導体基板の表面に垂直な方向から見たときに、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにしてエッチングホールが開口され、前記対向電極板のエッチングホールの外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合っており、前記半導体基板の空間は、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチングホールを通して、両電極板側の面から両電極板と反対側の面に向けてエッチングされて成ることを特徴としている。
本発明にかかる容量型振動センサにおいては、両電極板側の面から両電極板と反対側の面に向けて半導体基板をエッチングして半導体基板に空間（例えば、貫通孔や凹部）を形成しているので、容量型振動センサを従来よりも小型化することが可能になる。
また、容量型振動センサが小型化されるに従って振動電極板も小さくなるが、振動電極板が小さくなると、過度に共振周波数が高くなり、音に対する感度が低くなる。これに対し、振動電極板にエッチングホールがあいていると、その剛性が低下するので、共振周波数を低くすることができると共に容量型振動センサの検出感度を向上させることができる。また、半導体基板の空間が一方で閉じた凹部である場合には、当該空間に空気が閉じ込められているとエアダンパの働きをして振動電極板の感度が低下するが、振動電極板にエッチングホールをあけることで、空間内の空気を逃がすことができ、容量型振動センサの検出感度を向上させることができる。また、振動電極板にエッチングホールをあけることにより、温度変化によるセンサ感度の変動や破損の危険性を抑制できる。
また、本発明の容量型振動センサによれば、振動電極板は、保持部を残して振動電極板の前記エッチングホールによりシリコン基板から切り離されているので、振動電極板の有効振動面積が増加し、容量型振動センサの感度を良好にすることができる。一方、対向電極板に設けた複数のエッチングホールは、外接長方形が互いに接触し又は重なり合うようにして開口されているので、各エッチングホールにより形成される半導体基板の空間が互いにつながり、最終的には大きな空間が形成される。よって、対向電極板のエッチングホールを小さくすることができ、音波の振動等によって対向電極板が振動しにくくなる。
本発明の実施態様による容量型振動センサは、前記対向電極板のエッチングホールが、スリット形状に形成されていることを特徴としている。かかる実施態様にあっては、対向電極板のエッチングホールがスリット形状をしているので、対向電極板のエッチングホールを通過する流体の抵抗が大きくなり、容量型振動センサの低周波特性が改善される。
本発明の別な実施態様による容量型振動センサは、前記対向電極板のエッチングホールの面積が、前記振動電極板のエッチングホールの面積の１／２倍となっていることを特徴としている。かかる実施態様にあっては、対向電極板のエッチングホールの面積が振動電極板のエッチングホールの半分になっているので、対向電極板のエッチングホールを通過する流体の抵抗が大きくなり、容量型振動センサの低周波特性が改善される。また、振動電極板の剛性が向上して、容量型振動センサの耐久性が向上する。
本発明のさらに別な実施態様による容量型振動センサにおいては、前記振動電極板のエッチングホールは、縁が円弧状となるようにして振動電極板の振動領域の四辺中央部に形成されていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、エッチングホール間に形成される振動電極板の保持部が振動電極板の振動領域の四隅に位置することになるので、保持部に応力集中が発生しにくく、容量型振動センサの耐久性が向上する。
本発明のさらに別な実施態様による容量型振動センサにおける前記半導体基板は、前記両電極板と反対側において、前記空間と連通した貫通孔を形成されていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、半導体基板の空間が半導体基板を貫通しているので、半導体基板に対して両電極板が設けられている側から伝搬してきた音波等の振動だけでなく、両電極板と反対側から伝搬してきた振動も検出することができ、両面で振動を検出可能となる。
本発明にかかるマイクロフォンは、本発明にかかる容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路とを備えたものである。
本発明にかかる音響トランスデューサは、本発明にかかる容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路と、電気信号を前記容量型振動センサに入力させて音声振動を生成する入力回路とを備えたものである。
本発明のマイクロフォンや音響トランスデューサによれば、容量型振動センサを小型化することができるので、マイクロファンや音響トランスデューサの小型軽量化も図ることができる。
本発明にかかる容量型振動センサの製造方法は、半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサを製造するための方法であって、半導体基板の表面を覆うようにして、エッチングホールを有する振動電極板を半導体基板の上方に形成する工程と、犠牲層を介して振動電極板の上方に対向電極板を形成する工程と、前記対向電極板に、外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合うようにして、かつ、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにして複数のエッチングホールを開口する工程と、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチングホールを通して前記半導体基板をウェットエッチング又はドライエッチングすることにより前記空間を前記半導体基板に形成する工程と、前記空間を形成した後に、前記振動電極膜と前記対向電極膜との間の犠牲層を除去する工程とを備えたものである。
本発明による容量型振動センサの製造方法によれば、振動電極板および対向電極板にエッチングホールを設けておき、このエッチングホールから半導体基板にエッチング液を接触させてウェットエッチングすることにより、あるいはガスを接触させてドライエッチングすることにより、振動電極板および対向電極板側から半導体基板に空間を形成することが可能になる。その結果、製造された容量型振動センサを小型化することができる。また、振動電極板のエッチングホールは孔として残るので、振動電極板の共振周波数を下げ、容量型振動センサの検出感度を向上させることができる。
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。但し、以下に示す実施例は一例であって、本願発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図３は本発明の実施例１による容量型振動センサ３０１を示す概略分解斜視図、図４はその平面図、図５はその断面図である。また、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ対向電極板１１３、振動電極板１１２及びシリコン基板３２の平面図である。
容量型振動センサ３０１は、シリコン基板３２の上面に絶縁被膜３５を介して振動電極板１１２を形成し、その上面にセンサの検出信号を取り出すための電極パッド４３を設けるとともに、凹部３７上にある振動電極板１１２に空間を隔てて対向電極板１１３を形成し、その上面にセンサの検出信号を取り出すための電極パッド４２を設けた構造となっている。
シリコン基板３２の上面には逆角錐台状をした凹部３７が凹設されており、凹部３７内の空間は上方で広く、下方で狭くなっており、凹部３７の底面はシリコン基板３２によって塞がれている。結晶方位的には、このシリコン基板３２は、表面が（１００）面又は（１１０）面のシリコン基板（シリコンウエハ）によって構成されている。例えば、シリコン基板３２（シリコンウエハから個々に断裁されたもの）のサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板３２の厚みが４００〜５００μｍ、凹部３７の深さが２００〜３００μｍである。
シリコン基板３２の上面には酸化膜等からなる絶縁被膜３５が形成されており、その上にポリシリコンからなる薄膜状の振動電極板１１２が形成されている。凹部３７の上面は振動電極板１１２によって覆われており、振動電極板１１２のうちこの凹部３７の上方で宙空に支持された部位がダイアフラム（振動領域）３４となる。また振動電極板１１２の上には電極パッド４３が形成されている。
振動電極板１１２には、凹部３７の上方にあたる領域内において、複数のエッチングホール３６が開口されている。ダイアフラム３４はこれらのエッチングホール３６によって、４隅の保持部１１７を残してシリコン基板３２から切り離される。このため、ダイアフラム３４は保持部１１７によって弾性的に支持されることとなり、剛性の高いダイアフラム３４に適度の柔軟性が与えられ、ダイアフラム３４の有効面積が増すことから容量型振動センサ３０１の感度を向上させることができる。また、エッチングホール３６を通して流体（空気）が通過するので、ダイアフラム３４の両面において流体を均衡させることができる。ダイアフラム３４を４隅を残してシリコン基板３２から切り離すことによる上記のような効果は、特開昭６２−２８４２３３号公報（特許文献５）や特表平９−５０８７７７号公報（特許文献６）に開示されているが、本発明による容量型振動センサ３０１では、後述するようにダイアフラム３４を切り離すための開口部が同時にダイアフラム３４を上面から形成するためのエッチングホール３６を兼ねていることを特徴とする。
本実施例の容量型振動センサ３０１においては、エッチングホール３６の形状を略半楕円状に形成している。このようにダイアフラム３４のエッジを曲線状に構成することによって、ダイアフラム３４が振動する際の応力集中による破損の恐れを少なくすることができる。なお、エッチングホール３６の形状において、ダイアフラム３４のエッジを構成しない部分は直線状としている。こうすることで、ダイアフラム３４の領域以外の部分に無駄な凹部３７が形成されないようにし、サイズ効率やセンサ強度を高めている。また、シリコンの性質上、エッチングによって形成する凹部３７は必ず上面視にて四角形となるため、エッチングホール３６は凹部３７を形成する四角形の辺上に形成するのが効率的である。
ここで、容量型振動センサ３０１の感度は振動電極板１１２の保持部１１７の大きさ（あるいは、エッチングホール３６の大きさ）で変化する。図７は右上の振動電極板１１２のように保持部１１７を小さくした場合と、右下の振動電極板１１２のように保持部１１７を大きくした場合の容量型振動センサ３０１の周波数−感度特性を表わしている。右上の振動電極板１１２のように保持部１１７を小さくした場合には、フラットな使用帯域における感度が高くなり、また低周波数応答性も良好となる。しかし、保持部１１７が小さくなり過ぎると、フラットな使用領域の帯域幅が小さくなる。したがって、エッチングホール３６の大きさは、保持部１１７の大きさを考慮して、シミュレーション又は実験により最適な大きさのものを選択する。
対向電極板１１３は、窒化膜からなる絶縁性支持層１１４の上面に金属製薄膜からなる固定電極１１５を設けたものであり、固定電極１１５及び支持層１１４には、上面から下面に貫通するようにして、空気の振動を通過させるための音響孔（アコースティックホール）４０が複数穿孔されている。また対向電極板１１３の端部には、固定電極１１５に導通した電極パッド４２が設けられ、振動電極板１１２の電極パッド４３を露出させるための開口１１６が形成されている。導電性を有する対向電極板１１３は、ダイアフラム３４の外側の領域においては酸化膜等からなる絶縁被膜３５によって振動電極板１１２と絶縁されており、ダイアフラム３４と対向する領域においてはダイアフラム３４と所定の間隙をあけて宙空に支持されている。
振動電極板１１２は対向電極板１１３で覆われているので、シリコン基板３２を上面側からエッチングするために、対向電極板１１３にもエッチングホール１０４を設ける。対向電極板１１３のエッチングホール１０４は、シリコン基板３２の上面に垂直な方向から見たとき、振動電極板１１２のエッチングホール３６の領域内に収まるような形状に形成する。本実施例の容量型振動センサ３０１においては、対向電極板１１３のエッチングホール１０４は、振動電極板１１２のエッチングホール３６と同一形状にて形成している。これにより、後述する容量型振動センサ３０１の製造工程によって容易にエッチングホール３６、１０４を形成することができる。また、エッチングホール３６、１０４の開口面積を広くしておくことにより、シリコン基板３２をエッチングする際にエッチング液がエッチングホール３６、１０４の外側に回り込み易くなり、シリコン基板３２に凹部３７を形成し易くなる。
振動電極板１１２は、音の振動に共鳴して振動するものであるから、例えば１〜２μｍというような薄膜となっているが、対向電極板１１３は音の振動によって励振されない電極であるので、その厚みは例えば１０μｍというように厚くなっている。
振動電極板１１２と対向電極板１１３の間には直流電圧が印加されているので、両電極はそれぞれ正と負に帯電している。そのため、振動電極板１１２と対向電極板１１３が近づきすぎると、互いの静電引力で引き合って密着してしまう。こうして振動電極板１１２と対向電極板１１３が密着してしまうと、容量型振動センサ３０１が動作不能になると共に、振動電極板１１２と対向電極板１１３に直流電圧を供給しているバッテリーも消耗してしまう。さらには、容量型振動センサ３０１に接続されている回路がショートして破損する恐れがある。
そこで、ダイアフラム３４と対向電極板１１３との間の間隙は、ダイアフラム３４が振動したときに対向電極板１１３に衝突する恐れの少ないだけの距離となっている。また、対向電極板１１３の下面のうちダイアフラム３４と対向する位置に１〜２μｍの突出長のストッパー６２（突起）を１個又は２個以上突出させている。図５に示す図示例では、対向電極板１１３の下面にストッパー６２を設けたが、ダイアフラム３４の上面にストッパー６２を突出させてもよい。このストッパー６２の下面には、絶縁保護膜を形成しておくことが望ましい。ストッパー６２を設けることにより、振動電極板１１２と対向電極板１１３が一定距離以上近づけないようにし、上記のような問題の解決を図っている。
容量型振動センサ３０１の浮遊容量を減らすためには、振動電極板１１２の面積はできるだけ小さくすることが望ましいので、振動電極部１１２は凹部３７よりも大きく、かつ、シリコン基板３２の外形よりも小さな面積に形成されている。一方、対向電極板１１３は、振動電極板１１２よりも大きく、シリコン基板３２の外形とほぼ等しい大きさに形成されている。そして、対向電極板１１３は、少なくとも凹部３７の上方において振動電極板１１２との間に空間を形成するようにして、振動電極板１１２全体を覆っている。
電極パッド４２、４３は金属材料によって形成されている。電極パッド４２は、対向電極板１１３の上面に設けられていて、固定電極１１５と電気的に導通している。電極パッド４３は、振動電極板１１２の上面に設けられており、対向電極板１１３とは絶縁状態にあり、振動電極板１１２（ダイアフラム３４）と電気的に導通している。
しかして、実施例１の容量型振動センサ３０１にあっては、上面側から音の振動（空気の疎密波）が入射すると、この音の振動は対向電極板１１３の音響孔４０を通過して、あるいは対向電極板１１３の縁を回り込んでダイアフラム３４に達し、ダイアフラム３４を振動させる。ダイアフラム３４が振動すると、ダイアフラム３４と対向電極板１１３との間の距離が変化するので、それによってダイアフラム３４と固定電極１１５の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４２、４３間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音の振動を電気的な信号に変換し、音の振動を検出することができる。なお、このように電極パッド４２、４３間に直流電圧を印加すると、振動電極板１１２と対向電極板１１３の間に静電気力が働き、振動電極板１１２が対向電極板１１３の方向に変位することによって両者の間隔が縮まるため、感度がより向上するという作用がある。
次に、上記容量型振動センサ３０１をマイクロマシニング技術を用いて製造する工程を図８〜図１１の断面図に従って説明する。ただし、図８から図１１に示した断面図は、説明の便宜のために模式的に表わしたものであって、図３から図６に示した容量型振動センサ３０１の特定の断面を表わしたものではない。
シリコン基板３２としては、面方位が（１００）面又は（１１０）面の単結晶シリコン基板（実際には、容量型振動センサ３０１は、シリコンウエハ上に多数個一度に製作される。）を用いる（図８（ａ））。このシリコン基板３２の上下両面に熱酸化又はＣＶＤ等の方法によってシリコン酸化膜からなる絶縁被膜３５を形成する（図８（ｂ））。
ついで、上下両面の絶縁被膜３５の表裏両面の全体に、ＣＶＤ法によってポリシリコン（多結晶シリコン）を堆積させ、表面側にポリシリコンの振動電極板１１２を形成する（図８（ｃ））。次に、上下両面にさらにシリコン酸化膜５１ａを形成した後（図８（ｄ））、振動電極板１１２の上にフォトリソグラフィ法により所定開口パターンを有するレジストマスク５２を形成し（図９（ａ））、レジストマスク５２の開口を通してシリコン酸化膜５１ａ及び振動電極板１１２をエッチングし、シリコン酸化膜５１ａ及び振動電極板１１２を所定形状にパターニングすると共にエッチングホール３６を開口する。
レジストマスクを除去した（図９（ｂ））後、ＣＶＤ法や熱酸化法などにより、犠牲層となるシリコン酸化膜５１ｂを振動電極板１１２の上に堆積させ、振動電極板１１２及びシリコン酸化膜５１ａの上面をシリコン酸化膜５１ｂで覆うと共にエッチングホール３６内にシリコン酸化膜５１ｂを埋め込む（図９（ｃ））。なお、この犠牲層となるシリコン酸化膜５１ｂには、ＰＳＧ（リンを含んだＳｉＯ２）が最適である。次に、レジストマスクを形成して犠牲層であるシリコン酸化膜５１ｂの一部をエッチングし、レジストマスクを除去する（図９（ｄ））。ここで、ダイアフラム３４の上面において、シリコン酸化膜５１ａのストッパー６２を形成しようとする個所にエッチングで開口６３をあけておく。また、その他の箇所においても適宜シリコン酸化膜５１ａと絶縁被膜３５をエッチングにより除去しておく。
ついで、犠牲層となるシリコン酸化膜５１ｃを積層する（図１０（ａ））。この際、開口６３内が一部シリコン酸化膜５１ｃで埋められてストッパー形状をした凹所６４が形成される。続いて、再びレジストマスクを形成して犠牲層であるシリコン酸化膜５１ｃの一部をエッチングして開口６５を形成する（図１０（ｂ））。
この後、シリコン酸化膜５１ｃの上に、ＣＶＤ法などによってシリコン窒化膜を堆積させ、シリコン酸化膜５１ｃの上面全体にシリコン窒化膜から成る支持層１１４を形成する（図１０（ｃ））。この際、凹所６４内が支持層１１４で埋められてストッパー６２が形成される。ついで、表面の支持層１１４を所定のマスクで覆ってドライエッチングし、支持層１１４を図３に示したような形状に加工してエッチングホール１０４を形成すると同時に、支持層１１４に音響孔４０を開口する（図１０（ｄ））。
マスクを除去した後、上面を別の所定のマスクで覆い、クロムや銅などの金属材料を蒸着させて固定電極１１５と電極パッド４２、４３を形成する（図１１（ａ））。次に、エッチングホール３６内のシリコン酸化膜５１ｂ、５１ｃの一部を開口させてエッチングホール３６内にシリコン基板３２を露出させる（図１１（ｂ））。このとき、シリコン酸化膜５１ｃが振動電極板１１２の側壁を覆っている部分は残すようにする。これにより、犠牲層であるシリコン酸化膜５１ｃは、次に述べる異方性エッチングにおいて、振動電極板１１２の保護膜としても作用する。
ついで、ＴＭＡＨ水溶液（最適）やＫＯＨ、ヒドラジン等のエッチャントを用いて、エッチングホール１０４、３６からシリコン基板３２を異方性エッチングする。このとき、シリコン基板３２のエッチング面には、（１００）面シリコン基板や（１１０）面シリコン基板の稠密面である［１１１］方位又はそれと等価な方位の面が現われ、最終的にシリコン基板３２に角錐台状の凹部３７が生じる（図１１（ｃ））。
最後に、フッ酸系水溶液を用いたウェットエッチング、あるいは、ドライエッチングにより不要なシリコン酸化膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃを除去することにより、振動電極板１１２と対向電極板１１３とを分離し、容量型振動センサ３０１を完成する（図１１（ｄ））。
ここで、図１１（ｃ）に示したエッチングによる凹部３７の形成について詳述する。図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図１３（ａ）（ｂ）は、各エッチングホール１０４でエッチングされた凹部３７が全体に広がっていく様子を説明している。図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図１３（ａ）（ｂ）の上段の図はいずれもシリコン基板３２の平面図であり、下段の図はいずれも容量型振動センサ３０１の断面図である。図１２（ａ）はエッチング前の状態を表わしており、上段の平面図ではエッチングホール１０４の位置は２点鎖線で表わしている。エッチングを開始すると、エッチングホール１０４の箇所からエッチングが進行するので、図１２（ｂ）に示すように、各エッチングホール１０４に外接する四角形の領域で角錐台状の凹部３７がエッチングされる。ついで、各凹部３７のコーナの接した箇所からコーナ部及び中心方向に向けてエッチングが進行し、図１２（ｃ）に示すような凹部３７が形成され、中心部のエッチングされていない領域も小さくなる。さらにエッチングが進行すると、図１３（ａ）に示すように、外周部が角錐台状にエッチングされると共に中心のエッチングされていない領域もさらに小さくなり、最終的には図１３（ｂ）に示すように、エッチングホール１０４全体に外接する四角形の領域までエッチングされて目的とする凹部３７が形成される。
このように、それぞれのエッチングホール１０４の形状および大きさを、それぞれのエッチングホール１０４の外接四角形が他の隣接する外接四角形に接することを条件として決定すれば、最終的に１つの凹部３７を形成することができ、結果として振動電極板１１２における振動領域であるダイアフラム３４を形成することができる。
なお、この容量型振動センサ３０１の製造方法には、種々の変形例が可能である。例えば、出発材料として、図１４に示すような市販のＳＯＩ（silicon on insulator）ウエハを用いてもよい。ＳＯＩウエハは、単結晶シリコン基板５４の上にシリコン酸化膜５５を介して単結晶シリコン５６（これが振動電極板１１２となる。）を形成したものであるから、ＳＯＩウエハを用いれば、シリコン基板３２の上下両面にシリコン酸化膜からなる絶縁被膜３５を形成し、上面側の絶縁被膜３５の上にポリシリコンの振動電極板１１２を形成する図８（ａ）〜（ｃ）の工程を省略することができる。
また、図１５に示すように、シリコン基板（シリコンウエハ）３２にＢ（ホウ素）を大量にドープしてＢドープ層５７を形成してもよい。Ｂドープ層５７はウェットエッチングすることができず、エッチングストップ層として用いることができるので、このようなウエハを用いれば図８（ｂ）（ｃ）の工程を省略することができる。
実施例１の容量型振動センサ３０１にあっては、上記のようにシリコン基板３２を振動電極板１１２側からエッチングすることにより、空間断面積（振動電極板１１２と平行な面における断面積）が、振動電極板１１２側で広く、振動電極板１１２と反対側で狭くなるように凹部３７を形成している。したがって、容量型振動センサ３０１では、振動電極板１１２から離れると凹部３７内の空間が狭くなる。これに対し、図２に示した従来例２のような構造であると、裏面側からシリコン基板２２をエッチングしているので、空間断面積が振動電極板２４側で狭く、振動電極板２４と反対側で広くなるように貫通孔２７が形成され、振動電極板２４から離れると空間が広くなる。よって、従来例２のような構造であると、シリコン基板２２が厚くなるほど振動電極板２４に比べて空間が大きくなり、この空間のためにシリコン基板２２のチップサイズが大きくなる。これに対し、実施例１の場合には、ダイアフラム３４の面積に比べて凹部３７の空間が小さくなるので、振動電極板２４と同じ大きさのダイアフラム３４であれば、チップサイズを小さくでき、容量型振動センサ３０１の小型化を図ることができる。
また、同じ厚みのシリコン基板を使用する場合、従来例のような構造ではシリコン基板２２に貫通孔２７を設けなければならないので、シリコン基板２２のエッチング時間が長くなる。これに対し、実施例１の容量型振動センサ３０１では、シリコン基板３２の途中まで凹部３７をエッチングするだけでよく、シリコン基板３２のエッチング時間が短くなるので、容量型振動センサ３０１の製造効率が高くなる。
加えて、図１１（ｃ）に示したように、対向電極板１１３は犠牲層（シリコン酸化膜）を介して振動電極板１１２の上に積層して形成され、図１１（ｄ）に示したように、製造工程の最後に犠牲層を除去することによって振動電極板１１２から分離されるため、振動電極板１１２と対向電極板１１３とがスティッキングする恐れが少なく、容量型振動センサ３０１の歩留まりを上げ、また信頼性を高めることができる。
また、図２のような構造では、シリコン基板２２の中央部に貫通孔２７があいてシリコン基板２２が環状となっているので、シリコン基板２２の剛性が低下し、コンデンサ型マイクロフォン２１全体でも中央部の厚み（つまり、振動電極板２４と穿孔部材２５の厚みの和）が薄くなり、コンデンサ型マイクロフォン２１の強度が低下する。特に、シリコン基板２２が捻れ易くなるので、厚みの薄い振動電極板２４は破損し易くなる。これに対し、実施例１の容量型振動センサ３０１では、シリコン基板３２の上面側に凹部３７が形成されているだけで、シリコン基板３２は板状をしているので、シリコン基板３２の剛性が高く、また、容量型振動センサ３０１全体の外観の厚みも厚くなる。従って、容量型振動センサ３０１の強度が高くなり、信頼性が高くなる。特に、シリコン基板３２の剛性が高くなるので、シリコン基板３２に保持されている、厚みの薄い振動電極板１１２が破損しにくくなる。
さらに、図２のコンデンサ型マイクロフォン２１では、下面側で振動電極板２４が露出しているので、振動電極板２４が裏面側からダメージを受けて壊れやすい。例えば、コンデンサ型マイクロフォン２１を作製されたウエハの洗浄時に、表裏から水流を受けて振動電極板２４が破損する恐れがある。これに対し、実施例１の容量型振動センサ３０１では、振動電極板１１２の下面側がシリコン基板３２で覆われているので、振動電極板１１２が裏面側からダメージを受けることがなく、振動電極板１１２が壊れにくくなる。例えばウエハの洗浄時にも、振動電極板１１２には上面側からしか水流があたらないので、振動電極板１１２が破損する確率が少なくなる。
また、一般に製造プロセスにおいては、表面側の加工中に裏面側に傷が入ることが多い。そのため、両面を加工しなければならない構造であると、裏面に加工を施しているときに表面側に傷が入り、不良品となる恐れがある。これに対し、実施例１の容量型振動センサ３０１のような構造であると、上面側からのみの加工であるので、このような恐れがなく、製品歩留まりが向上する。
容量型振動センサ３０１が小型化されると、振動電極板１１２も小さくなるので、振動電極板１１２の共振周波数が過度に高くなり、音に対する感度が低くなる。しかし、実施例１の容量型振動センサ３０１では、図６（ｂ）に示すように振動電極板１１２にエッチングホール３６があいているので、その分振動電極板１１２の剛性が低下する。また、振動電極板１１２にエッチングホール３６があいていると、振動電極板１１２に発生している内部応力を逃がし、内部応力の影響を小さくできる。その結果、振動電極板１１２が内部応力の影響を受けにくくなり、共振周波数が低くなる。よって、容量型振動センサ３０１の小型化による共振周波数の上昇と、振動電極板１１２に孔があいていることによる共振周波数の低下とを相殺させることが可能になる。さらに、振動電極板１１２の内部応力を緩和できるので、容量型振動センサ３０１の高歩留まり、高信頼化にも寄与する。
また、シリコン基板３２の凹部３７が振動電極板１１２で塞がれると、凹部３７に空気が閉じ込められる結果、内部のエアがエアダンパの働きをして容量型振動センサ３０１の周波数帯域が狭くなるが、振動電極板１１２にエッチングホール３６（孔）をあけることにより、凹部３７内の空気を外部に逃がすことができ、容量型振動センサ３０１の周波数帯域が狭くなるのを防止することができる。また、振動電極板１１２にエッチングホール３６をあけることにより、温度変化によるセンサ感度の変動や破損の危険性を抑制できる。
図１６（ａ）（ｂ）は本発明の実施例２による容量型振動センサに用いられる対向電極板１１３及び振動電極板１１２を示す平面図である。この実施例では、振動電極板１１２のエッチングホール３６を半楕円状に保ったまま、対向電極板１１３のエッチングホール１０４を半楕円円弧状のスリット形状にしている。
実施例１による容量型振動センサ３０１では、対向電極板１１３のエッチングホール１０４が振動電極板１１２のエッチングホール３６と同程度の大きさであるため、音圧によって対向電極板１１３も振動する恐れがある。また、対向電極板１１３のエッチングホール１０４から振動電極板１１２のエッチングホール３６へ直接流体が抜けてしまい、低周波数帯域での流体抵抗が小さくなり、容量型振動センサの低周波特性が低下する恐れがある。そのため、実施例２による容量型振動センサでは、対向電極板１１３のエッチングホール１０４を振動電極板１１２のエッチングホール３６よりも小さな面積としており、シリコン基板３２の上面に垂直な方向から見たとき、振動電極板１１２のエッチングホール３６の領域内に納まるような形状に形成している。
しかし、シリコン基板３２において実際にエッチングされる領域は、エッチングホール１０４と３６が重なり合った領域（つまり、エッチングホール１０４の領域）となるので、対向電極板１１３の剛性を高めると共にエッチングホール１０４を通過する流体の抵抗を小さくするために、対向電極板１１３のエッチングホール１０４を小さくすると、各エッチングホール１０４を通じてエッチングされた凹部がつながらず、シリコン基板３２に目的とする凹部３７を作製できなくなる恐れがある。そのため、この実施例においても実施例１と同様に、各エッチングホール１０４に外接する四角形が互いに重なり合い、かつ、エッチングホール１０４全体に外接する四角形が凹部３７の開口部分の外形とほぼ等しくなるように、エッチングホール１０４の形状を定めている。詳細は省略するが、本実施例においても、図１２および図１３に示したものと同様に、シリコン基板３２に所定の凹部３７を作製することができる。
図１７（ａ）（ｂ）は本発明の実施例３による容量型振動センサ３０３に用いられる対向電極板１１３及び振動電極板１１２を示す平面図である。この実施例では、振動電極板１１２のエッチングホール３６を半楕円状に保ったまま、対向電極板１１３のエッチングホール１０４を実施例２の場合の１／２の長さにしている。
このような実施例では、図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すようにして凹部３７のエッチングが進行する。図１８（ａ）の上段の図は実施例３による容量型振動センサの平面図、図１８（ｂ）（ｃ）（ｄ）はシリコン基板３２の平面図であり、図１８（ａ）〜（ｄ）の下段の図は上段の図のＡ−Ａ線における容量型振動センサの断面を表わしている。エッチングを開始すると、エッチングホール１０４の箇所からエッチングが進行するので、図１８（ｂ）に示すように、各エッチングホール１０４に外接する四角形の領域で角錐台状の凹部３７がエッチングされる。ついで、各凹部３７のコーナの重なり合った箇所からコーナ部及び中心方向に向けてエッチングが進行し、図１８（ｃ）に示すように１／４の領域に凹部３７が形成される。ついで、各凹部３７のコーナの接した箇所から対角方向に向けてエッチングが進行し、最終的に、図１８（ｄ）に示すようにエッチングホール１０４全体に外接する四角形の領域までエッチングされて目的とする凹部３７が形成される。
このような容量型振動センサによれば、対向電極板１１３の剛性をより一層高めることができる。
また、図１９（ａ）（ｂ）は実施例３の変形例における対向電極板１１３と振動電極板１１２の平面図である。この変形例では、振動電極板１１２のエッチングホール３６を１／２楕円円弧状に形成している。このようにエッチングホール３６を１／２楕円円弧状に形成していても、振動電極板１１２の剛性を低くする効果においては、半円状のエッチングホール３６と変わりがない。
ここで、シリコン基板３２に形成される凹部３７の形状は、シリコン基板の特性上、エッチングホール１０４の形状そのものには依存しない。この様子を図２０に示す。図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）の左図は対向電極板１１３にあけた種々の形状のエッチングホール１０４を表わし、右図は左図のエッチングホール１０４によりシリコン基板３２に形成された凹部３７の形状を示している。このように、エッチングホール１０４の形状が異なっても、同一形状の凹部３７を形成することができる。すなわち、特開２００１−１３１５６（特許文献７）にも開示されているように、エッチングホール１０４に外接する四角形が、隣接するもの同士で重なり合い、あるいは接触していれば、エッチングホール１０４全体に外接する四角形とほぼ同一の領域において凹部３７が形成される。
本発明による容量型振動センサにおけるエッチングホールは、上記のような凹部３７を形成するために外接四角形が接するように配されると同時に、振動電極板からダイヤフラムを４隅の保持部を残して切り離して形成していることを特徴とする。
図２１は本発明の実施例４による容量型振動センサ３０４を示す概略分解斜視図である。この実施例は、振動電極板１１２及び対向電極板１１３のそれぞれのコーナ部にもスリット状をしたエッチングホール３６、１０４を対角方向に向けて開口したものである。このような構造によれば、振動電極板１１２の保持部１１７にさらにスリット状のエッチングホール３６が開口されるので、振動電極板１１２の剛性をさらに低減させることができる。また、対向電極板１１３のコーナ部に対角方向の１０４を形成することで、４辺に設けられている台形をしたエッチングホール１０４の面積を小さくすることができ、対向電極板１１３の剛性をより高くし、また、エッチングホール１０４における流体抵抗をより大きくすることができる。
図２２はこのようなパターンのエッチングホール１０４により目的とする凹部３７が形成される様子を説明している。エッチングはエッチングホール１０４を通して行なわれるので、シリコン基板３２には図２２で１点鎖線で表わしたように、各対角方向のエッチングホール１０４に外接する四角形の領域と台形をしたエッチングホール１０４に外接する四角形の領域に凹部３７が形成される。これらの凹部３７は互いに接触し、あるいは重なりあっているので、接触又は重なり合っている箇所からさらにエッチングが進行し、最終的には図２２に破線で示したような全エッチングホール１０４に外接する四角形の領域に凹部３７が形成される。こうして目的とする凹部３７が得られる。
図２３は実施例４による容量型振動センサの変形例を表わしている。これは対角方向に長いスリット状のエッチングホール１０４をさらにコーナ部側へ移動させたものである。このようなパターンでも実施例４と同様にして目的とする凹部３７を得ることができる。
図２４は実施例４の別な変形例を表わしている。この変形例では、実施例４の台形をしたエッチングホール１０４を実施例４の片側半分にして１／２の面積としている。このような変形例でも、最初に図２４で１点鎖線で表わしたように、各対角方向のエッチングホール１０４に外接する四角形の領域と台形をしたエッチングホール１０４に外接する四角形の領域に凹部３７が形成される。これらの凹部３７は互いに接触し、あるいは重なりあっているので、接触又は重なり合っている箇所からさらにエッチングが進行し、図２４に２点鎖線で表わしたように目的とする凹部３７の１／４の面積の凹部３７が２箇所に形成される。ついで、図２４に破線で示したような全てのエッチングホール１０４に外接する四角形の領域に目的とする凹部３７が形成される。
実施例２〜実施例４においては、シリコン基板３２の上に振動電極板１１２を形成し、その上に対向電極板１１３を形成したが、電極板の順序を入れ替えて、対向電極板１１３の上に振動電極板１１２を設けてもよい。図２５はこのような実施例の容量型振動センサ３０５を表わした概略分解斜視図、図２６はその断面図であり、凹部３７を形成されたシリコン基板３２の上に電極板１１５を有する対向電極板１１３が形成され、対向電極板１１３の上に振動電極板１１２が形成されている。この場合にも、容量型振動センサ３０５をシリコン基板３２に垂直な方向から見たとき、対向電極板１１３のエッチングホール１０４は、振動電極板１１２のエッチングホール３６が形成された領域内に納まり、かつ、対向電極板１１３のエッチングホール１０４の全面積は、振動電極板１１２のエッチングホール３６の全面積よりも小さくなっている。また、シリコン基板３２に垂直な方向から見たとき、対向電極板１１３に設けられた各エッチングホール１０４に外接する四角形が互いに接触し又は重なり合い、かつ、対向電極板１１３に設けられたエッチングホール１０４全体に外接する四角形が目的とする凹部３７の領域と一致するようになっている。なお、この実施例では、開口１１６は対向電極板１１３の電極パッド４２を露出させるための開口となっており、振動電極板１１２に設けられている。
このような実施例においても、振動電極板１１２にエッチングホール３６を設けて保持部１１７を一部に形成することで振動電極板１１２の剛性を小さくし、しかも、対向電極板１１３のエッチングホール１０４をできるだけ小さくすることで対向電極板１１３の剛性が低くなって振動し易くなるのを防止すると共にエッチングホール１０４の流体抵抗を大きくすることができる。よって、低周波数特性の良好な容量型振動センサ３０５を得ることができる。
図２７（ａ）〜（ｄ）、図２８（ａ）〜（ｄ）、図２９（ａ）〜（ｄ）及び図３０（ａ）（ｂ）は容量型振動センサ３０５の製造工程を表わした断面図である。以下、これらの図に従って、容量型振動センサ３０５の製造工程を説明する。図２７（ａ）は面方位が（１００）又はそれと等価な面方位の単結晶シリコン基板３２（シリコンウエハ）を表わしている。シリコン基板３２の上下両面には、それぞれ熱酸化やＣＶＤ法などによりＳｉＯ２被膜を形成し、上面側のＳｉＯ２被膜を絶縁被膜３５とする（図２７（ｂ））。シリコン基板３２の上下両面において絶縁被膜３５の表面全面にＳｉＮ層を形成して（図２７（ｃ））上面側のＳｉＮ層を支持層１１４とし、さらに、支持層１１４の表面にポリシリコン層を形成して（図２７（ｄ））上面側のポリシリコン層を電極板１１５とする。
この後、シリコン基板３２の上面側において、電極板１１５をドライエッチングして目的とする形状に電極板１１５をパターニングすると共に電極板１１５に音響孔４０を開口する（図２８（ａ））。さらに、電極板１１５の下の支持層１１４をドライエッチングし、支持層１１４にエッチングホール１０４と音響孔４０を開口させる（図２８（ｂ））。
電極板１１５の上にＣＶＤ法や熱酸化法などを用いてＳｉＯ２を堆積させて犠牲層１３２を作製する（図２８（ｃ））。犠牲層１３２としては、特にＰＳＧ（リンを含んだＳｉＯ２）を用いるのが好ましい。さらに、犠牲層１３２の上にＣＶＤ法によりポリシリコンを成膜して振動電極板１１２を得る（図２８（ｄ））。ついで、振動電極板１１２をドライエッチングすることによりエッチングホール３６及び開口１１６を開口させ、目的とする形状に振動電極板１１２をパターニングする（図２９（ａ））。
ついで、パターニングされた振動電極板１１２をＳｉＯ２からなる保護膜１３３で覆い（図２９（ｂ））、振動電極板１１２のエッチングホール３６及び対向電極板１１３のエッチングホール１０４内で保護膜１３３、犠牲層１３２及び絶縁被膜３５を開口してエッチング用の貫通孔１３４を形成し、貫通孔１３４の底面にシリコン基板３２を露出させる。同時に、保護膜１３３に電極パッド４３を形成するための窓１３５を開口して振動電極板１１２の一部を露出させ、また、振動電極板１１２の開口１１６の位置で保護膜１３３及び犠牲層１３２に電極パッド４２を形成するための窓１３６を開口して電極板１１５の一部を露出させる（図２９（ｃ））。そして、窓１３５を通して振動電極板１１２の上にＡｕによって電極パッド４３を形成し、また、窓１３６を通して電極板１１５の上にＡｕによって電極パッド４２を形成する（図２９（ｄ））。
この後、シリコン基板３２をエッチングするためのエッチング液に浸漬すると、エッチング液は貫通孔１３４を通過してシリコン基板３２に接触し、シリコン基板３２には凹部３７が形成される（図３０（ａ））。ついで、シリコン基板３２をＳｉＯ２をエッチングするためのエッチング液（フッ酸系水溶液）に浸漬するか、ドライエッチングすると、保護膜１３３、犠牲層１３２及び絶縁被膜３５の一部がエッチング除去され、振動電極板１１２と対向電極板１１３の間に空間が形成されると共に対向電極板１１３の音響孔４０が開口され、図３０（ｂ）に示すような容量型振動センサ３０５が製作される。ここで、エッチングホール１０４には重なり合うようにして振動電極板１１２のエッチングホール３６が開口されているので、犠牲層１３２をエッチングする際には、エッチング液等が滞留することなく真っ直ぐに通過できる。そのため、ダイアフラム３４と対向電極板１１３との間で犠牲層１３２がエッチングされずに残りにくくなり、ダイアフラム３４と対向電極板１１３が固着しにくくなる。
図３１は本発明の実施例６による容量型振動センサ３０６の構造を示す断面図である。この実施例にあっては、凹部３７の底面に連通する集音用の貫通孔７２をシリコン基板３２の下面に設けている。貫通孔７２は角錐台状をしているが、凹部３７とは逆テーパーとなっている。もっとも、貫通孔７２の形状は特に限定されるものではなく、また、貫通孔７２の開口の大きさはシリコン基板３２の下面で小さく、凹部３７の底面で大きくなっていてもよい。
この実施例にあっては、シリコン基板３２の底面に、凹部３７と連通した貫通孔７２を設けているので、貫通孔７２を通じて容量型振動センサ３０６の下面側からも振動電極板１１２に音の信号を導くことができ、容量型振動センサ３０６は両面で音声振動を受けることができ、両面からの集音が可能になる。
容量型振動センサ３０６に貫通孔７２を設けるには、実施例１における容量型振動センサ３０６の製造工程に若干の変更を加えるだけでよい。すなわち、実施例１の図８（ａ）から図１１（ｃ）までの工程において、エッチングホール３６を形成するのと同様に下面にエッチング窓７３を形成すればよい。図３２は容量型振動センサ３０６の製造工程の一部を示す模式図であって、図３２（ａ）は実施例１の図１１（ｂ）の工程に相当する工程を表わしている。実施例１の図１１（ｂ）ではエッチングホール３６からシリコン基板３２の上面の一部を露出させただけであったが、実施例６の図３２（ａ）では、エッチングホール３６からシリコン基板３２の上面の一部を露出させると共に、シリコン基板３２の下面でも絶縁被膜３５等の一部をエッチングしてエッチング窓７３を開口している。
ついで、図３２（ｂ）に示すように、ＴＭＡＨ水溶液（最適）やＫＯＨ、ヒドラジン等のエッチャントを用いて、エッチングホール３６及びエッチング窓７３からシリコン基板３２を異方性エッチングすると、図３２（ｃ）に示すように、シリコン基板３２の上面の角錐台状の凹部３７が形成されると共にシリコン基板３２の下面に貫通孔７２が開口される。
最後に、フッ酸系水溶液を用いたウェットエッチング、あるいは、ドライエッチングにより不要なシリコン酸化膜５１ｂ等を除去し、図３２（ｄ）に示すように容量型振動センサ３０６を完成する。但し、シリコン基板３２と振動電極板１１２との間には絶縁被膜３５を残し、振動電極板１１２と対向電極板１１３の間にはシリコン酸化膜５１ｃを残す。
このようにして容量型振動センサ３０６を製造すれば、シリコン基板３２を両面からエッチングして凹部３７と貫通孔７２を同時に形成することができるので、エッチング時間が短くなり、容量型振動センサ３０６の生産効率が向上する。
図３３は実施例６の変形例による容量型振動センサ３０７の構造を示す断面図である。上記実施例６では、シリコン基板３２を上面側と下面側とからエッチングして凹部３７と貫通孔７２とを形成したが、この変形例による容量型振動センサ３０７では、シリコン基板３２を上面側からのみエッチングすることにより、シリコン基板３２に角錐台状をした貫通孔７７を形成している。
つぎに、本発明の容量型振動センサ３０８を筐体内に実装したコンデンサ型マイクロフォン２１１の実施例を説明する。図３４は、音声振動を受けることのできる本発明にかかる容量型振動センサ２１２を筐体２１３内に納めた例を示している。容量型振動センサ２１２とＩＣ等の回路素子２１４は、回路基板２１５の上に実装され、ボンディングワイヤ２１７によって回路基板２１５の回路配線２１６に接続されている。容量型振動センサ２１２と回路素子２１４を実装した回路基板２１５は筐体２１３内の底面に納められている。回路配線２１６は筐体２１３の下面へ導かれており、コンデンサ型マイクロフォン２１１は表面実装タイプとして構成されている。
筐体２１３の上面には、容量型振動センサ２１２からずれた位置において振動侵入口２１８が開口されており、この振動侵入口２１８から筐体２１３内に侵入した音の振動は容量型振動センサ２１２によって検知され、回路素子２１４によって電圧変化又は周波数変化として出力される。
また、図３５に示すものは、シリコン基板の下面に集音用の貫通孔７２を有していて下面からも音の振動を受けることのできる、本発明にかかる容量型振動センサ２２０を筐体２１３内に納めたコンデンサ型マイクロフォン２１９である。このコンデンサ型マイクロフォン２１９も、図３４のコンデンサ型マイクロフォン２１１と同様な構造を有しているが、容量型振動センサ２２０が下面に集音用の貫通孔７２を備えているのに合わせて、筐体２１３の下面及び回路基板２１５に振動侵入口２２１を開口している。なお、図３５の実施例において、筐体２１３の上面にも振動侵入口２１８を設けてもよい。
図３６は回路素子２１４の回路例を示す図であって、容量型振動センサで検出された音の振動を電圧の変化に変換する電圧変化型の出力回路を表わしている。図３６に表わされている可変コンデンサ２２２は、容量型振動センサの振動電極板と対向電極板によって構成されたものであり、音の強さ（音圧）によって静電容量が変化する。可変コンデンサ２２２と抵抗２２３は直列に接続されており、抵抗２２３の上端には直流電源２２４により一定電圧が印加されている。音の振動によって可変コンデンサ２２２の静電容量が変化すると、抵抗２２３と可変コンデンサ２２２の間の電圧が変化するので、この個所の電圧を出力とすることにより、音の振動を電圧変化として出力させることができる。なお、コンデンサ２２５は直流成分をカットするものである。
また、図３７は回路素子２１４の別な回路例を示す図であって、容量型振動センサで検出された音の振動を周波数の変化に変換する周波数変化型の出力回路を表わしている。図３７に表わされている可変コンデンサ２２２も、容量型振動センサを表わしている。容量型振動センサである可変コンデンサ２２２とコイル２２６は並列に接続されてＬＣ共振回路を構成しており、コイル２２６の下端がグランドに接続され、コイル２２６の上端電圧が直流カット用のコンデンサ２２５を通して出力されている。この回路によれば、音の振動によって可変コンデンサ２２２の静電容量が変化すると、ＬＣ共振回路の共振周波数が変化するので、音の振動を周波数変化として出力させることができる。
なお、回路素子２１４の出力回路には、増幅回路なども含まれていてもよい。
また、容量型振動センサの振動電極板と対向電極板の間に電気信号を入力させることによって振動電極板を振動させることができるから、上記コンデンサ型マイクロフォンの構成に、さらに電気信号を容量型振動センサに入力させて振動電極板を振動させる入力回路を付加すれば、マイクロフォンに加えてスピーカーやイアホンとしての機能も持たせることができ、音響トランスデューサとして使用することができる。
本発明にかかる容量型振動センサは、超小型のマイクロフォンとして用いることができるので、各種機器のマイクロフォンとして使用することができる。また、補聴器、人工内耳、超音波診断機器、脈波センサ、骨密度計、マイクロカプセル内視鏡などにおいて音や振動を検知するためのセンサとしても用いることができる。また、異音検査装置や超音波測距計などのＦＡ（ファクトリ・オートメーション）機器、侵入検知装置や高齢者の室内モニタリング用センサなどのセキュリティ機器などにも用いることができる。
さらに、マイクロフォンとスピーカの機能を備えた音響トランスデューサは、携帯電話、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、ＩＣレコーダ等の電子機器に用いることができる。また、この音響トランスデューサをアレイ化することにより音源定位（複数のマイクロフォンの検出時間差から位置推定を行なう。）のための装置を構成することができる。さらに、水中で使用すれば、水中マイクやソナーとしても使用できる。
図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、振動センサの一種であるコンデンサ型マイクロフォンの一般的な原理を説明する図である。 図２は、マイクロマシニング技術を利用して製造された従来のコンデンサ型マイクロフォンの構造を示す断面図である。 図３は、本発明の実施例１による容量型振動センサの概略分解斜視図である。 図４は、実施例１の容量型振動センサの平面図である。 図５は、実施例１の容量型振動センサの断面図である。 図６（ａ）、図３４（ｂ）及び図３４（ｃ）は、実施例１の容量型センサを構成する対向電極板、振動電極板及びシリコン基板の各平面図である。 図７は、保持部分の小さな振動電極板を用いた場合の容量型振動センサの使用領域と、保持部分の大きな振動電極板を用いた場合の容量型振動センサの使用領域とを表わした図である。 図８（ａ）〜図８（ｄ）は、実施例１の容量型振動センサをマイクロマシニング技術を用いて製造する工程を模式的に表わした断面図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、図８（ｄ）の工程に続く製造工程を模式的に表わした断面図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図９（ｃ）の工程に続く製造工程を模式的に表わした断面図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、図１０（ｃ）の工程に続く製造工程を模式的に表わした断面図である。 図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、対向電極板のエッチングホールを通してシリコン基板が次第にエッチングされていう様子を模式的に表わした平面図及び断面図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、図１２（ｃ）の後の様子を模式的に表わした平面図及び断面図である。 図１４は、実施例１の容量型振動センサの製造工程の変形例を説明する図である。 図１５は、実施例１の容量型振動センサの製造工程の別な変形例を説明する図である。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、本発明の実施例２の容量型センサを構成する対向電極板及び振動電極板の各平面図である。 図１７（ａ）は、本発明の実施例３による容量型振動センサの対向電極板を示す平面図、図１７（ｂ）は、実施例３による容量型振動センサの振動電極板を示す平面図である。 図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、実施例３の容量型振動センサの製造工程において、シリコン基板がエッチングされる様子を模式的に表わした平面図及び断面図である。 図１９（ａ）は、実施例３の変形例による容量型振動センサの対向電極板を示す平面図、図１９（ｂ）は、実施例３の変形例による容量型振動センサの振動電極板を示す平面図である。 図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、対向電極板の種々の形状のエッチングホールを示す平面図、図２０（ｄ）〜図２０（ｆ）は図２０（ａ）〜図２０（ｃ）のエッチングホールによりシリコン基板に形成される凹部の形状を示す平面図である。 図２１は、本発明の実施例４による容量型振動センサを模式的に表わした分解斜視図である。 図２２は、実施例４による容量型振動センサの製造工程において、シリコン基板がエッチングされる様子を説明する図である。 図２３は、実施例４の変形例による容量型振動センサの製造工程において、シリコン基板がエッチングされる様子を説明する図である。 図２４は、実施例４の別な変形例による容量型振動センサの製造工程において、シリコン基板がエッチングされる様子を説明する図である。 図２５は、実施例５による容量型振動センサを模式的に表わした分解斜視図である。 図２６は、実施例５による容量型振動センサの断面図である。 図２７（ａ）〜図４９（ｄ）は、実施例５による容量型振動センサの製造工程を説明する断面図である。 図２８（ａ）〜図２８（ｄ）は、実施例５による容量型振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図２７（ｄ）の後の工程を表わしている。 図２９（ａ）〜図２９（ｄ）は、実施例５による容量型振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図２９（ｄ）の後の工程を表わしている。 図３０（ａ）及び図３０（ｂ）は、実施例５による容量型振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図２９（ｄ）の後の工程を表わしている。 図３１は、本発明の実施例６による容量型振動センサの構造を示す断面図である。 図３２（ａ）〜図３２（ｄ）は、容量型振動センサの製造工程の一部を模式的に表わした断面図である。 図３３は、本発明の実施例６の変形例を示す断面図である。 図３４は、容量型振動センサを筐体内に納めたコンデンサ型マイクロフォンを示す断面図である。 図３５は、容量型振動センサを筐体内に納めた別なコンデンサ型マイクロフォンを示す断面図である。 図３６は、電圧変化型の出力回路の例を示す回路図である。 図３７は、周波数変化型の出力回路の例を示す回路図である。
符号の説明
３０１〜３０７、２１２、２２０ 容量型振動センサ
３２ シリコン基板
１１２ 振動電極板
３４ ダイアフラム
３６、１０４ エッチングホール
３７ 凹部
１１３ 対向電極板
４０ 音響孔
６２ ストッパー
７２ 貫通孔

Claims (8)

  1. 半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサにおいて、
    前記振動電極板には複数のエッチングホールが開口され、前記振動電極板のエッチングホールによって前記振動電極板の一部が保持部を残して切り離されてダイヤフラムが形成され、
    前記対向電極板には、前記半導体基板の表面に垂直な方向から見たときに、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにしてエッチングホールが開口され、前記対向電極板のエッチングホールの外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合っており、
    前記半導体基板の空間は、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチングホールを通して、両電極板側の面から両電極板と反対側の面に向けてエッチングされて成ることを特徴とする容量型振動センサ。
  2. 前記対向電極板のエッチングホールが、スリット形状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型振動センサ。
  3. 前記対向電極板のエッチングホールの面積が、前記振動電極板のエッチングホールの面積の１／２倍となっていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型振動センサ。
  4. 前記振動電極板のエッチングホールは、縁が円弧状となるようにして振動電極板の振動領域の四辺中央部に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型振動センサ。
  5. 前記半導体基板は、前記両電極板と反対側において、前記空間と連通した貫通孔を形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の容量型振動センサ。
  6. 請求項１〜５に記載の容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路とを備えたマイクロフォン。
  7. 請求項１〜５に記載の容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路と、電気信号を前記容量型振動センサに入力させて音声振動を生成する入力回路とを備えた音響トランスデューサ。
  8. 半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサを製造するための方法であって、
    半導体基板の表面を覆うようにして、エッチングホールを有する振動電極板を半導体基板の上方に形成する工程と、
    犠牲層を介して振動電極板の上方に対向電極板を形成する工程と、
    前記対向電極板に、外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合うようにして、かつ、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにして複数のエッチングホールを開口する工程と、
    前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチングホールを通して前記半導体基板をウェットエッチング又はドライエッチングすることにより前記空間を前記半導体基板に形成する工程と、
    前記空間を形成した後に、前記振動電極膜と前記対向電極膜との間の犠牲層を除去する工程と、
    を備えたことを特徴とする容量型振動センサの製造方法。
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