JP4928472B2

JP4928472B2 - マイクロフォンダイアフラムおよびマイクロフォンダイアフラムを有するマイクロフォン

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Publication number: JP4928472B2
Application number: JP2007556515A
Authority: JP
Inventors: ライドルアントン; パールヴォルフガング; ヴォルフウルリヒ
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Publication date: 2012-05-09
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Description

本発明は少なくとも１つの圧電層を有するマイクロフォンダイアフラムに関する。

刊行物US 4816125からはＺｎＯから成る圧電層および同心に配置されている複数の電極を有するマイクロフォンダイアフラムが公知である。

Mang-Nian NiuおよびEun Sok Kim著「Piezoelectric Bimorph Microphone Built on Micromachined Parylene Diaphragm」、Journal of Microelectromechanical Systems、第１２巻、２００３、ＩＥＥＥの第８９２頁から第８９８頁には圧電性のマイクロフォンが記載されている。

本発明が解決すべき課題は、高い信号対雑音比を有する高感度の圧電性のマイクロフォンダイアフラムを提供することである。

本発明によれば、重なって配置されている２つの圧電層とそれらの圧電層の間に設けられている中間金属層とを包含し、２つの圧電層のｃ軸は同一方向に配向されているマイクロフォンダイアフラムが提供される。

ダイアフラムは有利には層列および層厚に関して十分に対称的な構造を有する。殊に、温度が著しく急激に変化した場合でも、連続する層の膨張係数が異なることに起因して生じる曲げモーメントが補償される。したがって広範な温度領域におけるダイアフラムの歪みを回避することができる。中間金属層は有利には対称平面内に配置されている。

マイクロフォンダイアフラムは有利にはマイクロフォンに使用される。マイクロフォンは有利には支持基板を有するマイクロフォンチップとして設けられている。この支持基板は切り欠き部を有し、この切り欠き部の上方にダイアフラムが張架されており、またそこにおいてダイアフラムは振動することができる。マイクロフォンチップは表面に外部からアクセスできる外部コンタクトを有する。マイクロフォンチップを音響的な後方体積空間（英語：back volume）を有するケーシング内に配置することができる。

支持基板の材料として例えばシリコンが適している。圧電層にはＺｎＯ、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、窒化アルミニウムが殊に良く適している。

圧電層は中間金属層とそれぞれの外側金属層との間にそれぞれ配置されている。中間金属層内には第１の導電性の面が形成されており、この第１の導電性の面には第１の電位が印加されており、またマイクロフォンの第１の内部電極を形成する。

第２の電位が印加され、マイクロフォンの第２の内部電極を形成する第２の導電性の面を、変形形態においては第１の内部電極と同一の金属層内に配置することができる。外部に向けられている金属層内において有利にはそれぞれ少なくとも１つの浮いた状態の構造が形成されており、この構造は第１の導電性の面および第２の導電性の面と対向している。しかしながら第２の内部電極を外側金属層内に配置されている導電性の面によって形成することもできる。

電位が印加される金属構造を内部電極ないし電極と称する。内部電極は導体路また必要に応じて垂直方向の電気的な接続部を介してマイクロフォンチップの外部電極に接続されている。外部電極を例えば外側に位置する層のうちの１つに構成することができ、内部電極は線路および垂直方向の電気的な接続部（すなわちそれぞれの圧電層内に配置されているスルーコンタクト）により外部電極と導電的に接続されている。

バイモルフダイアフラム構造においては、３つの金属層およびそれらの金属層の間に配置されている圧電層によって、２つの重なって配置されており、且つ共通の電極を有するキャパシタンスが形成されている。曲げられた際に第１の圧電層は伸長し、第２の圧電層は収縮する、もそくはその逆が行われる。ｃ軸の同一方向の配向を有する２つの圧電層内では逆の圧電電位が生じるが、重なって配置されているキャパシタンスが並列に接続される場合にはこれらの電位が加算される。殊にそのキャパシタンスの共通の電極は２つの圧電層の間に配置されている平面内に形成されている。すなわち本発明の意味において第１の内部電極または第２の内部電極に対応する共通の電極には電位が印加され、また有利にはこの電極はマイクロフォンチップの外部コンタクトに接続されている。外側金属層内に形成されており、共通の電極に対向して配置されている金属構造は変形形態において、例えば線路およびスルーコンタクトを介して、相互に導電的に接続されており、またマイクロフォンチップの別の外部コンタクトと接続されている。

バイモルフダイアフラム構造により、このダイアフラムが圧電層を１つだけ有するダイアフラムと同じだけ変位した際には２倍の大きさの電気信号を取得することができる。何故ならば、相応の回路においては２つの圧電層の圧電電位が加算されるからである。

端部に固定的に超過されているダイアフラムが変位した際には殊に端部領域ならびに中央領域は最大限の機械的な張力に曝されている。中央領域が圧縮された際に端部領域が伸長される、また反対に中央領域が伸長された際には端部領域が圧縮される。したがって（リング状の）端部領域および（円形の）中央領域においては絶対値では実質的に等しいが符号が異なる電位が生じる。最大電位の７０％の限界電位を下回る圧電層の領域を高電位の領域と称する。さらに、中央に配置されている高電位の領域を高電位の第１の領域と称し、端部領域においてこの第１の領域と同心に配置されている高電位の領域を高電位の第２の領域と称する。同一の金属層内の高電位の異なる領域内に配置されており、相互に逆の極性を有する外部電極と接続されている電極は有利には相互に絶縁されている。何故ならば、絶縁されていなければ電位補償調整が行われてしまうからである。

異なる金属層内に形成されており、例えば垂直方向の電気的な接続部によって相互に電気的に接続されている導電性の面によって内部電極を実現することも可能である。変形形態においては中央金属層内に第１の導電性の面および第２の導電性の面が配置されており、第１の導電性の面は外側金属層内に配置されている第３の導電性の面と対向しており、第２の導電性の面は外側金属層内に配置されている第４の導電性の面と対向している。第１の導電性の面は第１の外部電極に接続されており、第４の導電性の面は第２の外部電極に接続されている。第２の導電性の面は隣接する圧電層内に配置されているスルーコンタクトを介して第３の導電性の面と導電的に接続されている。

第１の導電性の面を高電位の第１の領域に対応付け、第２の導電性の面を高電位の第２の領域に対応付けることができる。もしくはこれとは逆の対応関係でも良い。

相互に逆に極性付けられている電極は、有利には同一の（中央の）金属層内に配置されている。第２の金属層内には少なくとも１つの浮いた状態の導電性の構造ないし面が形成されており、この構造ないし面はそれぞれの電極とその間に設けられている圧電層を介して容量結合されている。相前後して接続されている２つのキャパシタンスが形成され、それらのキャパシタンスの相互に電気的に接続されている電極は浮いた状態の導電性の構造によって形成されている。浮いた状態の導電性の面は分散容量を低減するために、有利には幅細の導体路によって相互に接続されている比較的幅広の２つの領域を形成し、これらの領域が実質的にそれぞれのキャパシタンスの対向する電極の形状を繰り返すように構造化することができる。有利には、電極を形成するために、中央領域と端部領域との間に配置されている中間領域、すなわち低電位の領域が実質的に金属化されていないままであるように金属層が構造化されている。

高電位の（第１の金属層に対応付けられている）領域を少なくとも２つの下位領域に分割することができ、第１の下位領域内には第１の電極が配置されており、この第１の電極は第２の下位領域に対応付けられている第２の電極から電気的に絶縁されている。２つの電極は、電気的に相互に接続されており、この電極に対向して配置されている２つの部分に必要に応じて分割されている浮いた状態の導電性の面と対向している２つの電極は有利には同一の面積を有する。２つのキャパシタンスが形成され、これらのキャパシタンスは浮いた状態の導電性の面を介して相互に直列に接続されている。その種の電極の分割により、ダイアフラムの寸法は等しいが電極が分割されていない実施形態に比べて信号電圧を係数２高めることができる。上記の実施形態においてはキャパシタンスが２つだけ設けられているが、それよりも多くのキャパシタンスを直列に相互に接続することも可能である。それらのキャパシタンスは有利には等しい。

変形形態において直列に接続されているキャパシタンスの電気的な接続は浮いた状態の導電性の面を介して行われ、これらの面はキャパシタンスが２つ以上相前後して接続されている場合には第１の金属層および第２の金属層内に配置されている。

別の変形形態においてキャパシタンスの直列回路は垂直方向の電気的な接続部を介して、例えば圧電層内に配置されているスルーコンタクトを介して実現される。

相互に逆に極性付けられた２つの高電位の領域も上述のように複数の相前後して接続されているキャパシタンスを形成するために、所属の電極を備えた下位領域に分割することができる。

別の実施形態によれば、支持基板およびこの支持基板内に形成されている切り欠き部の上方に張架されているダイアフラムを備えた圧電性のマイクロフォンが提供され、ダイアフラムは支持基板において一方の側においてのみ張架されており、張架されている端部に対向して配置されている端部は音響的な信号が印加された際に自由に振動することができる。ダイアフラムは有利にはバイモルフ構造を有する。

変形形態においてはダイアフラムが支持基板にブリッジ状に張架されており、対向して配置されている２つの端部は支持基板上に固定されており、対向する２つの別の端部は固定されていない。

マイクロフォンは振動する支持体、（例えば金属またはポリマからなる）例えば弾性のフィルムまたは薄いＳｉＯ₂層を包含し、この層の上にダイアフラムが配置されている。振動する支持体はダイアフラムの自由な端部を越えて突出しており、対向している切り欠き部の壁を相互につなぐ。

以下では、実施例および付属の図面に基づきマイクロフォンダイアフラムを詳細に説明する。図面には種々の実施例が示されているが、それらは概略的に示されたものであり縮尺通りには示されていない。同一の部分または同様に作用する部分には同一の参照符号を付してある。概略的な図面において、
図１Ａはバイモルフ構造を有するダイアフラムを備えたマイクロフォンを示し、
図１Ｂは図１Ａによるマイクロフォンの代替回路図を示し、
図２Ａは構造化された中央金属層を有する、図１Ａに示されているマイクロフォンの変形形態を示し、
図２Ｂは図２Ａによるマイクロフォンの代替回路図を示し、
図３は電極に構造化されている金属層を有する、図１Ａに示されているマイクロフォンの変形形態を示し、
図４Ａは図２によるマイクロフォンにおける電極の接続形態の部分断面図を示し、
図４Ｂは図４Ａによるマイクロフォンの代替回路図を示し、
図５，６Ａ，７Ａ，７Ｂはバイモルフダイアフラムを有するマイクロフォンの第１の金属層（左側）、第２の金属層（中央）および第３の金属層（右側）を示し、
図６Ｂは図６Ａにより構造化された金属層を有するダイアフラムの概略的な断面図を示し、
図８Ａ，８Ｂ，８Ｃは圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォンをそれぞれ示し、
図９から図１４は２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォンをそれぞれ示す。

図１Ａは、支持基板ＳＵと、この支持基板ＳＵに張架されておりバイモルフ構造を有するダイアフラムＭ１とを備えたマイクロフォンチップの一部の概略的な断面図を示す。ダイアフラムＭ１は支持基板内に形成されている切り欠き部ＡＵの上方において振動することができる。

ダイアフラムＭ１は外側金属層ＭＬ１と中間金属層ＭＬ２との間に配置されている第１の圧電層ＰＳ１と、外側金属層ＭＬ３と中間金属層ＭＬ２との間に配置されている第２の圧電層ＰＳ２とを有する。矢印はこれら２つの圧電層ＰＳ１，ＰＳ２におけるｃ軸の方向を示している。

図１Ｂは、金属層ＭＬ２，ＭＬ３内に形成されており相互に対向して配置されている導電性の面Ｅ１１，Ｅ３１の間に第１のキャパシタンスＣ₁が形成されていることを示す。金属層ＭＬ１とＭＬ２との間に形成されている導電性の面Ｅ１１，Ｅ２１の間には第２のキャパシタンスＣ₂が形成されている。これらのキャパシタンスは第１の外部コンタクトＡＥ１に共通して接続されている第１の電極を有する。これらのキャパシタンスの第２の電極は第２の外部コンタクトＡＥ２に接続されている。キャパシタンスＣ₁，Ｃ₂は外部コンタクトＡＥ１，ＡＥ２との間に並列に接続されている。

ダイアフラムＭ１を形成する層の層厚は金属層ＭＬ２に対応する対称平面に関して有利には対称的に選択されている。圧電層は同一の厚さおよびｃ軸の同一方向の配向を有する。２つの外側金属層ＭＬ１，ＭＬ３も同じ厚さに構成されている。

図１Ａにおいては、マイクロフォンの異なる外部コンタクトに接続されており、相互に逆方向に極性付けられている電極が重なって配置されている。１つの平面内に２つの電極が配置されている実施形態が図２Ａに示されている。

図２Ａにはバイモルフダイアフラムの変形形態が示されており、この変形形態においては２つの外側金属層ＭＬ１，ＭＬ３内に浮いた状態の導電性の面ＦＥ１ないしＦＥ２が形成されており、これらの浮いた状態の導電性の面ＦＥ１ないしＦＥ２は外部コンタクトに接続されている導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２に対向して配置されている。高電位の中間領域内に配置されており、有利には円形または正方形である第１の導電性の面Ｅ１１は外部コンタクトＡＥ１に接続されている。高電位の第２の領域内に配置されているリング状の第２の導電性の面Ｅ１２は外部コンタクトＡＥ２に接続されている。

代替回路図が図２Ｂに示されている。導電性の面Ｅ１１と浮いた状態の面Ｅ１２との間には第１のキャパシタンスＣ₁が形成されている。導電性の面Ｅ１１と浮いた状態の面ＦＥ１１との間には第２のキャパシタンスＣ₂が形成されている。同様に第３のキャパシタンスＣ₃ないし第４のキャパシタンスＣ₄が導電性の面Ｅ１２と浮いた面ＦＥ１，ＦＥ２との間に形成されている。キャパシタンスＣ₁とＣ₃の直列回路はキャパシタンスＣ₂とＣ₄の直列回路に並列に接続されている。

図２Ａによるダイアフラムの金属層の平面図が図５に示されている。

図３には、３つ全ての金属層ＭＬ１からＭＬ３が導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ３１，Ｅ３２を形成するために構造化できることが示されている。変形形態においては、中央に配置されており有利には円形または正方形である導電性の面Ｅ１１，Ｅ２１，Ｅ３１および／または端部領域に配置されており有利にはリング状である導電性の面Ｅ１２，Ｅ２２およびＥ３３を部分面に構造化することができる（図７Ｂを参照されたい）。

図４Ａ，４Ｂは、相互に直列および並列に接続されている複数のキャパシタンスを形成するために３つの異なる金属層内に形成されている導電性の面の有利な接続形態ならびに相応の代替回路図を示す。図４Ａはマクロフォンチップの一部を示しているに過ぎない。導電性の面は断面図において有利には図３と同様に、すなわち実質的に同心で構成されている。

中央の金属層内には第１の導電性の面Ｅ１１および第２の導電性の面Ｅ１２が形成されている。２つの外部金属層内には第３の導電性の面Ｅ２１，Ｅ３１および第４の導電性の面Ｅ２２，Ｅ３２が形成されている。

第１の導電性の面Ｅ１１は第１の外部コンタクトＡＥ１に接続されており、且つ第３の導電性の面Ｅ２１とＥ３１との間に配置されている。これによって相前後して接続されている２つのキャパシタンスＣ₁およびＣ₂が形成されている。第１の導電性の面Ｅ１１はこれらのキャパシタンスの共通の電極を形成する。

第２の導電性の面Ｅ１２は第４の導電性の面Ｅ２２とＥ３２との間に配置されている。これによって相前後して接続されている２つのキャパシタンスＣ₃およびＣ₄が形成されている。第２の導電性の面Ｅ１２はこれらのキャパシタンスの共通の電極を形成する。第２の導電性の面Ｅ１２はスルーコンタクトＤＫを介して２つの第３の導電性の面Ｅ２１，Ｅ３１と電気的に接続されており、これらの面Ｅ２１，Ｅ３１により浮いた状態の導電性の構造が形成される。第４の導電性の面Ｅ２２，Ｅ３２は第２の外部コンタクトＡＥ２に接続されている。

第１の導電性の面Ｅ１１は例えば中央に配置されている高電位の第１の領域内に配置されており、また第２の導電性の面Ｅ１２はダイアフラムの端部領域、すなわち高電位の第２の領域内に配置されている。

図４Ａ，４Ｂには、キャパシタンスＣ₁，Ｃ₂の並列回路が別のキャパシタンスＣ₃，Ｃ₄の並列回路と直列に接続されている、導電性の面の接続形態が示されている。キャパシタンスの並列回路を２つ以上相前後して配置し、外部コンタクトＡＥ１，ＡＥ２との間に接続することも可能である。例えば、第４の導電性の面Ｅ２２，Ｅ３２を外部コンタクトＡＥ２に接続する代わりに、垂直方向の電気的な接続を介して中央の金属層内に配置されている別の導電性の面に接続し、浮いた状態の構造を形成することができる。ここには図示していない２つの導電性の面の間の別の導電性の面の配置ならびにその接続は有利には第２の導電性の面Ｅ１２の配置に相当する。

第１の導電性の面Ｅ１１を外部コンタクトＡＥ１に接続する代わりに、この第１の導電性の面を別の浮いた状態の構造に対応付けることも可能である。ここには図示していない２つの導電性の面の間の第１の導電性の面Ｅ１１の配置ならびにその接続は有利には第２の導電性の面Ｅ１２の配置に相当する。

垂直方向の電気的な接続によりダイアフラム毎のキャパシタンスの数を増やし、それに伴い信号電圧を高めることができる。

図５，６Ａ，６Ｂ，７Ａおよび７Ｂには、バイモルフ構造を有するダイアフラムにおける３つの金属層ＭＬ１，ＭＬ２およびＭＬ３内に電極構造を形成するための種々の変形形態が示されている。図５，６Ａ，７Ａおよび７Ｂにおいて真ん中には、ダイアフラムの中央金属層ＭＬ２がこの金属層ＭＬ２内に形成されている金属構造と共に示されている。

図５には円形の第１の導電性の面Ｅ１１が高電位の第１の領域内に配置されており、リング状の第２の導電性の面Ｅ１２が高電位の第２の領域内に配置されている。導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２はそれぞれ内部電極を形成し、水平方向に延在する導体路および垂直方向の電気的な接続部、すなわちスルーコンタクトＤＫ１，ＤＫ２を介して、外側に位置する（ここでは上方の）金属層ＭＬ３内に配置されている外部コンタクトＡＥ１ないしＡＥ２にそれぞれ接続されている。変形形態においてはマイクロフォンの外部コンタクトＡＥ１，ＡＥ２を導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２と同一の金属層内に配置し、水平方向の電気的な接続部（線路）を介して導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２に接続することができる。

２つの外側金属層ＭＬ１およびＭＬ３は一貫して浮いた状態の導電性の面ＦＥ１，ＦＥ２をそれぞれ形成し、これらの導電性の面ＦＥ１，ＦＥ２は一方では第１の導電性の面Ｅ１１に対向して配置されており、他方では第２の導電性の面Ｅ１２に対向して配置されている。緩慢な圧力補償調整のために、ダイアフラムを貫通する換気開口部ＶＥが設けられており、この換気開口部ＶＥの断面の大きさはダイアフラムの断面よりも著しく小さい。

図５のダイアフラムの変形形態が図６Ａおよび６Ｂに示されている。ここでは一貫して浮いた状態の導電性の面ＦＥ１，ＦＥ２の代わりに、構造化された浮いた状態の面が設けられている。円形の第１の浮いた状態の導電性の面Ｅ１１は実質的に同一の形状を有する２つの面ＦＥ１１とＦＥ２１との間に配置されている。リング状の第２の導電性の面Ｅ１２は実質的に同一の形状を有する２つの面ＦＥ１２とＦＥ２２との間に配置されている。中央領域および端部領域内に配置されている面ＦＥ１１，ＦＥ１２は幅細の導体路を用いて相互に接続されている。中央領域および端部領域内に配置されている面ＦＥ２１，ＦＥ２２も幅細の導体路を用いて相互に接続されている。この変形形態は寄生容量が小さいことを特徴とする。

図６Ｂには図６Ａに従い構成されている金属層ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３を備えたダイアフラムが概略的な断面図で示されている。

図７Ａにはバイモルフダイアフラムの金属層を形成するための別の変形形態が示されている。

中央の金属層ＭＬ２内には第１の浮いた状態の構造が形成されており、この第１の浮いた状態の構造は第１の部分面Ｅ１２ｂと、幅細の導体路を用いてこの部分面Ｅ１２ｂと接続されている第２の部分面Ｅ１１ａとを有する。

第１の外側金属層ＭＬ１内には第２の浮いた状態の構造ＦＥ１ａおよびこの第２の浮いた状態の構造ＦＥ１とは電気的に絶縁されている第３の浮いた構造ＦＥ１ｂが配置されている。第２の外側金属層ＭＬ３内には第２の浮いた状態の構造ＦＥ２ａ、この第２の浮いた状態の構造ＦＥ２ａとは絶縁されている第３の浮いた状態の構造ＦＥ２ｂおよび外部コンタクトＡＥ１，ＡＥ２が配置されている。

第２の浮いた状態の構造ＦＥ１ｂ，ＦＥ２ｂは、第１の浮いた状態の構造の第１の部分面Ｅ１２ｂおよび第１の導電性の面Ｅ１１ｂに対向して配置されている。第３の浮いた状態の構造ＦＥ１ａ，ＦＥ２ａは、第２の浮いた状態の構造の第２の部分面Ｅ１１ａおよび第２の導電性の面Ｅ１２ａに対向して配置されている。この実施例においては、相互に対向して配置されている金属構造が容量結合されているので、全部で８つの相互に接続されているキャパシタンスが実現されている。代替回路図は図２Ｂによる２つのキャパシタンス回路の相互接続に対応する。

第１の浮いた状態の構造の第２の部分面Ｅ１１ａおよび第１の導電性の面Ｅ１１ｂは高電位の第１の領域内に配置されている。第１の浮いた状態の構造の第１の部分面Ｅ１２ｂおよび第２の導電性の面Ｅ１２ａは高電位の第２の領域内に配置されている。

図７Ｂには図７Ａの変形形態の修正形態が示されている。外側金属層ＭＬ１，ＭＬ３内に形成されている浮いた状態の構造ＦＥ１ａ，ＦＥ１ｂ，ＦＥ２ａ，ＦＥ２ｂがそれぞれ、幅細の導体路を用いて相互に導電的に接続されている部分面を有し、且つその形状が実質的にそれらの部分面と対向して配置されている構造Ｅ１１ａ，Ｅ１１ｂ，Ｅ１２ａ，Ｅ１２ｂに対応するように構造化されている。

同一の金属層内に配置されており、相互に導電的に接続されている構造を基本的に一貫した導電性の面（切り欠き部なし）に置換することができる。一貫した導電性の面を、対向して配置されている金属構造の形状に適合されている形状を有する、相互に導電的に接続されている導電性の部分面に置換することができる。

図８Ａから図８Ｃには、一方の側にダイアフラムＭ１が張架されており、その自由な端部が準弾性に支持基板ＴＳに接続されているマイクロフォンチップの実施形態が示されている。ダイアフラムＭ１は構造化された金属層ＭＬ１，ＭＬ２との間に配置されている圧電層ＰＳを有する。金属層ＭＬ１内には第１の導電性の面Ｅ１１，Ｅ１２が形成されており、金属層ＭＬ２内には第２の導電性の面Ｅ２１，Ｅ２２が形成されている。ダイアフラムＭ１は基板ＴＳ内に形成されている切り欠き部ＡＵの上方において、且つ支持基板ＳＵ上の一方の面においてのみ配置されているので、ダイアフラムの端部は自由に振動することができる。有利には切り欠き部ＡＵが支持基板内の貫通した開口部を表す。

図８Ａに示されている変形形態においてはダイアフラムの自由な端部が下側金属層ＭＬ１内に形成されている導電性の面Ｅ１１を介して支持基板ＳＵと準弾性に接続されている。

図８Ｂにおいては切り欠き部ＡＵの上方に振動する支持体ＴＤがその上方に配置されており、且つこの支持体ＴＤと固定的に接続されているダイアフラムＭ１と共に張架されている。振動する支持体ＴＤは有利には高弾性であり、ダイアフラムの自由な端部は大きな変位振幅、したがって大きなダイアフラムの振動幅を許容する。

図８ＣにおいてダイアフラムＭ１は付加的に例えば酸化シリコンから成る層Ｓ１１を有する。ダイアフラムの上面には振動する支持体ＴＤ、例えば弾性のフィルム、有利にはプラスチックフィルムが載置されているか、積層されており、このフィルムはダイアフラムの自由な端部を支持基板に接続する。フィルムはここでは一番下にあるダイアフラム層まで延びている。

図９から図１４においては、バイモルフ構造を有し、一方の側において張架されているダイアフラムの種々の変形形態が示されている。

ダイアフラムの自由な端部の準弾性の接続は図３に示されているものと同様に、一番下の金属層内に形成されている金属構造Ｅを介して行うことができる（図９を参照されたい）。金属構造Ｅを上部金属層または中央金属層内にも形成することができ、また一番下のダイアフラム層に対応する平面まで延ばすことができる（図１０，１１を参照されたい）。

図１２による変形形態においては、一方の側（左側）に張架されているバイモルフ構造が示されており、この構造の自由な端部は振動する支持体ＴＤを用いて支持基板ＳＵに接続されている。振動する支持体ＴＤはダイアフラムの上面の一部のみを覆うが、図４に示されているようにダイアフラムの上面を完全に覆うこともできる。

図１３においては、振動する支持体ＴＤおよびその上に配置されている別の金属構造Ｅ（図１４には図示していない）を用いる、振動する支持体ＴＤに配置されているダイアフラムの自由な端部の接続形態の変形形態が示されている。図９から図１３においては付加的な金属構造が配置されており、この付加的な金属構造はダイアフラムの上面をその張架されている端部において支持基板の上面に接続する。

マイクロフォンダイアフラムを別の圧電性の音響的なセンサ、例えば超音波により動作する距離センサにおいても使用することができる。マイクロフォンダイアフラムを備えたマイクロフォンチップを任意の信号処理モジュールに使用することができる。種々の変形形態を相互に組み合わせることもできる。

バイモルフ構造を有するダイアフラムを備えたマイクロフォン。図１Ａによるマイクロフォンの代替回路図。構造化された中央金属層を有する、図１Ａに示されているマイクロフォンの変形形態。図２Ａによるマイクロフォンの代替回路図。電極に構造化されている金属層を有する、図１Ａに示されているマイクロフォンの変形形態。図２によるマイクロフォンにおける電極の接続形態の部分断面図。図４Ａによるマイクロフォンの代替回路図。バイモルフダイアフラムを有するマイクロフォンの３つの金属層。バイモルフダイアフラムを有するマイクロフォンの３つの金属層。図６Ａにより構造化された金属層を有するダイアフラムの概略的な断面図。バイモルフダイアフラムを有するマイクロフォンの３つの金属層。バイモルフダイアフラムを有するマイクロフォンの３つの金属層。圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。２つの圧電層を包含し一方の側に張架されているダイアフラムを備えたマイクロフォン。

符号の説明

ＡＥ１，ＡＥ２外部コンタクト、ＡＵ支持基板ＳＵにおける切り欠き部、Ｃ₁，Ｃ₂ キャパシタンス、ＤＫ１，ＤＫ２スルーコンタクト、Ｅ１，Ｅ２第１および第２の電極、Ｅ１１，Ｅ１１ｂ第１の導電性の面、Ｅ１１ａ，Ｅ１２ｂ導電性の部分面、Ｅ１２，Ｅ１２ａ第２の導電性の面、Ｅ２１，Ｅ３１第３の導電性の面、Ｅ２２，Ｅ３２第４の導電性の面、ＦＥ１，ＦＥ２浮いた状態の面、ＦＥ１ａ，ＦＥ２ａ第２の浮いた状態の構造、ＦＥ１ｂ，ＦＥ２ｂ第３の浮いた状態の構造、Ｍ１ダイアフラム、ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３金属層、ＰＳ、ＰＳ１，ＰＳ２圧電層、ＴＤ振動する支持体、ＳＵ支持基板、Ｕ₁，Ｕ₂ 電圧、ＶＥ換気開口部

Claims

マイクロフォンダイアフラム（Ｍ１）において、
相互に重なって配置されている２つの圧電層（ＰＳ１，ＳＰ２）と該圧電層（ＰＳ１，ＳＰ２）の間に設けられている中間金属層（ＭＬ２）とを包含し、前記２つの圧電層（ＰＳ１，ＳＰ２）のｃ軸は同一方向に配向されており、
前記中間金属層（ＭＬ２）内には第１の導電性の面（Ｅ１１，Ｅ１１ｂ）が形成されており、該第１の導電性の面（Ｅ１１，Ｅ１１ｂ）には第１の電位が印加されており、
前記中間金属層（ＭＬ２）内には第２の導電性の面（Ｅ１２，Ｅ１２ａ）が形成されており、該第２の導電性の面（Ｅ１２，Ｅ１２ａ）には第２の電位が印加されていることを特徴とする、マイクロフォンダイアフラム。
前記圧電層（ＰＳ１，ＳＰ２）は前記中間金属層（ＭＬ２）と外側金属層（ＭＬ１，ＭＬ３）との間にそれぞれ配置されている、請求項１記載のマイクロフォンダイアフラム。
ダイアフラム（Ｍ１）は層列および層厚に関して実質的に対称的な構造を有し、前記中間金属層（ＭＬ２）は対称平面内に配置されている、請求項１または２記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記外部金属層（ＭＬ１，ＭＬ２）内にはそれぞれ第２の導電性の面（Ｅ２１，Ｅ３１）が形成されており、該第２の導電性の面（Ｅ２１，Ｅ３１）は前記第１の導電性の面（Ｅ１１，Ｅ１１ｂ）に対向して配置されており、前記第２の導電性の面（Ｅ２１，Ｅ３１）には第２の電位が印加されている、請求項２記載のマイクロフォンダイアフラム。
外部に向けられている金属層（ＭＬ１，ＭＬ３）の内の少なくとも１つの金属層内に導電性の構造（ＦＥ１，ＦＥ２）が形成されており、該導電性の構造（ＦＥ１，ＦＥ２）は前記第１の導電性の面（Ｅ１１）および前記第２の導電性の面（Ｅ１２）と対向している、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記導電性の構造は浮いた状態の構造（ＦＥ１，ＦＥ２）である、請求項５記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記第１の導電性の面（Ｅ１１）を中央に配置されている高電位の領域に設け、前記第２の導電性の面（Ｅ１２）を端部領域に配置されている高電位の領域に設ける、または、前記第１の導電性の面（Ｅ１１）を端部領域に配置されている高電位の領域に設け、前記第２の導電性の面（Ｅ１２）を中央に配置されている高電位の領域に設ける、請求項５または６記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記導電性の面（Ｅ１１，Ｅ１２）は、垂直方向の電気的な接続部（ＤＫ１，ＤＫ２）を介して外側金属層（ＭＬ１，ＭＬ３）のうちの一方に形成されている外部コンタクト（ＡＥ１，ＡＥ２）とそれぞれ導電的に接続されている、請求項５から７までのいずれか１項記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記中央金属層（ＭＬ２）内に第２の導電性の面（Ｅ１２）が形成されており、前記第１の導電性の面（Ｅ１１）は外側金属層（ＭＬ１，ＭＬ３）内に配置されている第３の導電性の面（Ｅ２１，Ｅ３１）と対向しており、前記第２の導電性の面（Ｅ１２）は外側金属層（ＭＬ１，ＭＬ３）内に配置されている第４の導電性の面（Ｅ２２，Ｅ３２）と対向している、請求項２記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記第１の導電性の面（Ｅ１１）には第１の電位が印加されており、前記第４の導電性の面（Ｅ２２，Ｅ３２）には第２の電位が印加されており、前記第２の導電性の面（Ｅ１２）は隣接する圧電層（ＰＳ１，ＳＰ２）内に配置されているスルーコンタクト（ＤＫ）を用いて前記第３の導電性の面（Ｅ２１，Ｅ３１）と電気的に接続されている、請求項９記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記中央金属層（ＭＬ２）内に第１の浮いた状態の構造（Ｅ１１ａ，Ｅ１２ｂ）が形成されており、前記外側金属層のうちの少なくとも１つには第２の浮いた状態の構造（ＦＥ１ａ，ＦＥ２ａ）および該第２の浮いた状態の構造（ＦＥ１ａ，ＦＥ２ａ）とは電気的に絶縁されている第３の浮いた状態の構造（ＦＥ１ｂ，ＦＥ２ｂ）が配置されており、前記第２の浮いた状態の構造（ＦＥ１ａ，ＦＥ２ａ）は前記第１の浮いた状態の構造（Ｅ１２ｂ）の第１の部分および前記第１の導電性の面（Ｅ１１ｂ）と対向しており、前記第３の浮いた状態の構造（ＦＥ１ｂ，ＦＥ２ｂ）は前記第１の浮いた状態の構造（Ｅ１１ａ）の第２の部分および前記第２の導電性の面（Ｅ１２ａ）と対向している、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロフォンダイアフラム。
前記第１の浮いた状態の構造（Ｅ１１ａ）の前記第２の部分および前記第１の導電性の面（Ｅ１１ｂ）は高電位の第１の領域内に配置されており、前記第１の浮いた状態の構造（Ｅ１２ｂ）の前記第１の部分および前記第２の導電性の面（Ｅ１２ａ）は高電位の第２の領域内に配置されている、請求項１１記載のマイクロフォンダイアフラム。
ダイアフラム（Ｍ１）は支持基板（ＳＵ）に設けられている切り欠き部（ＡＵ）の上方に張架されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のダイアフラム（Ｍ１）を備えたマイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）は一方の側のみが支持基板（ＳＵ）に張架されており、前記一方の側とは反対側の端部は音響的な信号が加えられた際に自由に振動する、請求項１３記載のマイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）の対向する２つの端部は前記支持基板（ＳＵ）に固定されており、対向する別の２つの端部は固定されておらず、且つ自由に振動する、請求項１３記載のマイクロフォン。
支持基板（ＳＵ）と、該支持基板（ＳＵ）に設けられている切り欠き部（ＡＵ）の上方に張架されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のダイアフラム（Ｍ１）とを包含し、前記ダイアフラム（Ｍ１）は、前記支持基板（ＳＵ）に設けられている切り欠き部（ＡＵ）の上方に張架されており、且つ、一方の側のみが前記支持基板（ＳＵ）に張架されており、前記一方の側とは反対側の端部は音響的な信号が加えられた際に自由に振動する、マイクロフォン。
支持基板（ＳＵ）と、該支持基板（ＳＵ）に設けられている切り欠き部（ＡＵ）の上方に張架されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のダイアフラム（Ｍ１）とを包含し、前記ダイアフラム（Ｍ１）は前記支持基板（ＳＵ）に設けられている切り欠き部（ＡＵ）の上方に張架されており、且つ、前記ダイアフラム（Ｍ１）の対向する２つの端部が前記支持基板（ＳＵ）に固定されており、対向する別の２つの端部は固定されておらず、且つ自由に振動する、マイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）は少なくとも１つの圧電層（ＰＳ，ＰＳ１，ＰＳ２）を有する、請求項１６または１７記載のマイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）と固定的に接続されており、且つ弾性に振動する支持体（ＴＤ）を包含し、該振動する支持体（ＴＤ）は前記ダイアフラム（Ｍ１）の自由な端部を超えて突出し、前記切り欠き部（ＡＵ）の対向する壁を相互に接続する、請求項１３から１８までのいずれか１項記載のマイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）は振動する支持体（ＴＤ）に配置されている、請求項１９記載のマイクロフォン。
前記振動する支持体（ＴＤ）は前記ダイアフラム（Ｍ１）の自由な端部の表面および側面に沿って延在している、請求項１９記載のマイクロフォン。
前記ダイアフラム（Ｍ１）と固定的に接続されている金属構造が設けられており、該金属構造は前記ダイアフラム（Ｍ１）の自由な端部を超えて突出しており、該端部は前記金属構造に対向する前記切り欠き部（ＡＵ）の壁を相互に接続する、請求項１３から２１までのいずれか１項記載のマイクロフォン。
前記金属構造は前記ダイアフラム（Ｍ１）の一番下の金属層内に形成されている、請求項２２記載のマイクロフォン。
前記金属構造は部分的に前記ダイアフラム（Ｍ１）の中央金属層または上部金属層内において、前記ダイアフラムの自由な端部の側面に沿って延在している、請求項２２記載のマイクロフォン。