JP4933517B2 - マイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、超小型のマイクロフォンに関する。

従来、シリコンウェハをマイクロマシニング技術で加工して、超小型のコンデンサ型マイクロフォンを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の発明では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを構成する２層のＳｉ層に、振動板と電極とを対向するように形成している。

特開２００５−１１０２０４号公報

しかしながら、上述した従来のマイクロフォンでは、振動板および電極はウェハ面に平行な構造となっている。このような構造では、振動板の面積はウェハ面よりも大きくはなり得ず、マイクロフォンを小型化するほど静電容量の変化が小さくなり、性能が低下するという問題がある。

本発明によるマイクロフォンは、ベース基板に形成された空所上に架け渡されている第１の梁と、弾性部材を介して第１の梁により弾性支持され、空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている振動板と、ベース基板の空所上に架け渡されている第２の梁と、第２の梁により支持され、空所内にて振動板に隙間を介して対向配置されている固定電極とを備えた振動ユニットを、ベース基板に複数配置したことを特徴とする。
固定電極を、第２の梁によって各々支持された２つの部分電極に分割するようにしても良い。
また、振動板または固定電極を移動し、振動板と固定電極との隙間を調整する隙間調整機構を設けるようにしても良い。
隙間調整機構としては、振動板または固定電極と連結された可動櫛歯電極と、空隙を有して可動櫛歯電極と噛合する固定櫛歯電極とを備え、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との間に電圧を印加することにより、振動板または固定電極を移動するものがある。
さらに、複数の振動ユニットを、振動板の法線方向が異なる複数種類の振動ユニットで構成するようにしても良い。
本発明は、ベース基板に形成された第１の空所上にベース基板面に対して平行に架け渡された第１の固定電極と、第１の空所内にて第１の固定電極と所定間隔を空けて対向配置される第１の振動板とを備えるマイクロフォンに適用され、ベース基板に形成された第２の空所上に架け渡されている第１の梁と、弾性部材を介して第１の梁により弾性支持され、第２の空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている第２の振動板と、第２の空所上に架け渡されている第２の梁と、第２の梁により支持され、第２の空所内にて第２の振動板に隙間を介して対向配置されている第２の固定電極とを備えたことを特徴とする。
本発明によるマイクロフォンは、ベース基板に形成された空所上に架け渡されている第１の梁と、弾性部材を介して第１の梁により弾性支持され、空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている振動板と、ベース基板の空所上に架け渡されている第２の梁と、第２の梁により支持され、空所内にて振動板に隙間を介して対向配置されている固定電極とを備えたことを特徴とする。
なお、マイクロフォンを、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板をフォトリソグラフィー法で加工して形成するようにしても良い。

本発明によれば、小型化を図りつつ感度向上を図ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態の指向性マイクロフォンの概略構成を示す図である。図１において、（ａ）はマイクロフォン１の平面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す。マイクロフォン１は、図１（ｂ）に示すように下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ_２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いて、マイクロマシニング技術、或いはフォトリソグラフィー技術により作製される。下部Ｓｉ層３０により形成されるベース３１には開口３１１が形成され、開口３１１の中央には４本の支柱３３で支持された中央支持部３２が形成されている。ベース３１と中央支持部３２との間には、８つの振動ユニット２（2-1〜2-8）が架け渡されるように円形状に配置されている。

図２は振動ユニット２を詳細に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ１−Ａ１断面図、（ｃ）はＡ２−Ａ２断面図、（ｃ）はＡ３−Ａ３断面図である。振動ユニット２は、可動電極である振動板２１を含む部分と、固定電極２２を含む部分とで構成されている。

固定電極２２を含む部分は、固定電極２２と一対の梁２４とから成る。固定電極２２は、ベース３１に設けられた梁２４と中央支持部３２に設けられた梁２４とによって、ベース３１と中央支持部３２との間の開口３１１内に垂直に支持されている。中央支持部３２側の梁２４には、電極パッド２４ｃが形成されている。なお、固定電極２２に複数の貫通孔を形成して、図２（ａ）の図示上方からの音波を振動板２１で受けやすく構成しても良い。

振動板２１を含む部分は、振動板２１と一対の梁２３とから成る。ベース３１と中央支持部３２とに設けられた一対の梁２３は、それぞれ上述した各梁２４と平行に設けられている。各梁２３の先端には、弾性部２３ｂがそれぞれ設けられている。各弾性部２３ｂは、振動板２１に設けられた支持軸２１ａに連結している。このように、振動板２１は、一対の梁２３によって、固定電極２２と対向する位置に弾性的に支持されている。ベース３１側の梁２３には、電極パッド２３ｃが形成されている。

なお、梁２３，２４および弾性部２３ｂはＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層１０で形成され、振動板２１，固定電極２２，ベース３１，中央支持部３２および支柱３３（図１参照）はＳＯＩ基板の下部Ｓｉ層３０で形成される。梁２３，２４の上面には多結晶シリコン膜４０およびアルミ膜５０が順に形成されている。

図３は、弾性部２３ｂの具体例を示す図である。図３（ａ）に例示する弾性部２３ｂでは、梁２３１の幅を薄くしてバネ定数を小さくしている。そのため、弾性部２３は、ベース３１に対して平行な方向に撓みやすい構造となっている。ここでは、梁２３１を１つとしているが、複数形成しても構わない。図３（ａ）の例では、図３（ｂ）に例示する弾性部材２３ｂでは、ベース３１に対して平行な方向に折り返された蛇腹構造の梁２３１を構成し、より撓みやすくしている。

上述したように、固定電極２２に対向配置された振動板２１は、固定電極方向に変位可能に弾性支持されている。そのため、振動板２１に音圧が作用すると、振動板２１２は、固定電極２２に対して図２（ｄ）に示すように振動することになる。その結果、振動ユニット２の静電容量が、振動板２１の変位に応じて変化することになる。すなわち、各振動ユニット２が、それぞれコンデンサーマイクロフォンを構成している。

固定電極２２と振動板２１との関係を平行平板とすれば、平行平板における静電容量Ｃは、次式（１）によって表される。式（１）において、Ｑは電荷、Ｖは電圧、εは誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。

以下では、このようなコンデンサーマイクロフォンにおける信号検出方法について説明する。本実施の形態のような静電容量型のマイクロフォンでは、振動板の変動による静電容量値の変化を負荷抵抗にかかる電圧の信号の形にして取り出す。このように静電変換器として機能するマイクロフォンに関して、以下では、一般的な静電変換器の基本式の導出とその出力電圧について示す。

［１．基本式の導出］
ここでは、図４に示すような構成で考える。

電極間に印加している直流電圧をＥ_０、交流電圧をｅ、電極１０１に作用する外力をｆ、変位が発生する前の電極間隔をｄ_０とする。また、直流電圧Ｅ_０を印加したときの電極１０１の変位をＸ、微小変位をxとし、電極間に生じる静電容量をＣ(x)とする。このとき、図４に示すモデル系に対してラグランジュの運動方程式を用いると、ラグラジアンおよび散逸関数はそれぞれ次式（２），（３）のようになる。なお、ｍは電極１０１の質量、ｖは電極１０１の変位の速さ、ｋは電極１０１を弾性支持している部分（弾性部１２に相当）のバネ定数、Ｑ_０は直流電圧Ｅ_０を印加することで生じた電荷であり、ｑは交流電圧ｅにより生じた電荷であるとする。また、ｒ_ｆは系における機械抵抗である。

平行平板電極の対向面の面積をＳとすると、平行平板電極間に生じる静電容量の式は次式（４）のように表される。また、機械系および電気系のラグランジュ運動方程式は順に式（５）、（６）で表される。

式（５）に式（２），（３）を代入し展開すると次式（７）が得られる。さらに、式（７）の右辺第３項は、式（８）のように展開される。

さらに、式（８）をテイラー展開すると次式（９）が得られる。

式（９）の第１項は静的な項なので、これを取り除き式（７）に代入してまとめると、最終的な式（１０）が機械系の基本式として得られる。なお、式（１０）において、Ａ，Ｂ，Ｃ(0)は次式（１１）〜（１３）で表される。

同様に、式（６）に式（２），（３）を代入し展開すると、式（１４）が得られる。

式（１４）をテイラー展開すると式（１５）が得られ、Ｑ_０＝Ｃ_０Ｅ_０を静的項として消去すると、式（１６）が得られる。よって、電気系の基本式は式（１７）となる。式（１７）をフェーザ表示すると、式（１８）のようになる。

［２．出力電圧］
一般的に、実際に使用する状態においては平行平板電極間にかかる直流電圧Ｅpは、図５に示すように何らかのインピーダンスを通じて供給される。このインピーダンスは、コンデンサーマイクロフォンなどの応用においては通常大きな値を持っている。そのため、電極１０１の変位により静電容量が変化した場合、直流電圧Ｅp も変化する。また、平行平板電極の静電容量Ｃ_０と抵抗Ｒ_０とによる時定数も相当に大きな値となるため、マイクロフォンとして使用する周波数範囲では電荷の移動はほとんど行われない。

このとき電気系の基本式において、
ｅ＝−Ｒ_０ｉ …（１９）
とでき、また、次式（２０）が成り立つので、式（１９），（２０）を式（１８）に代入することにより次式（２１）が得られる。この等価回路は図６のように書き表すことができる。
ｖ＝ｊω・ｘ …（２０）

式（２０）で示されるような出力電圧は、マイクロフォン１に形成された８つの振動ユニット２のそれぞれから得られる。そして、振動ユニット２の数を多くするほど合計の出力は大きくなり、より高感度なマイクロフォンを得ることができる。従来のマイクロフォンでは、振動板および固定電極をウェハ基板に対して平行に形成しているので、振動板および固定電極の面積は、支持部等を形成する関係上、ウェハ基板面積よりもかなり小さくなる。

一方、本実施の形態のマイクロフォン１では、振動板２１および固定電極２２をウェハ基板に対して垂直方向に形成しているので、振動ユニット２の個数を増やすことで、振動版２１および固定電極２２の面積を容易に大きくすることができる。そのため、従来のマイクロフォンよりも静電容量を大きくすることができ、より感度の良いマイクロフォンが可能となる。また、下部Ｓｉ層３０を厚くすることで、各振動板２１および固定電極２２の面積をより大きくすることができ、静電容量のさらなる拡大を図ることができる。

ところで、図１に示すマイクロフォン１においては、８つの振動ユニット２は、振動板２１の延在方向が放射方向となるように、円形状に配置されている。そのため、振動板２１の法線方向にある音源からの音により敏感に反応しやすい。例えば、振動ユニット２−１の場合には、振動板２１の法線はｘ方向を向いているので、ｘ方向からの音、特にｘマイナス方向からの音に対して振動しやすい。逆に、振動板ユニット２―５の場合には、振動板２１が固定電極２２に対してｘプラス側に配置されているので、ｘプラス方向からの音に対して振動しやすい。また、振動ユニット２−３の場合、振動板２１の法線はｙ方向を向いているので、ｙ方向からの音、特にｙプラス方向からの音に対して振動しやすい。

このように、８つの振動ユニット２は、それぞれ指向方向が異なっており、音源の方向に応じて、各々の振動ユニット２の出力電圧が異なる。すなわち、マイクロフォン１は、各方向からの音をより高感度に検出することができるとともに、各振動ユニット２の出力電圧を比較することで、音源方向を特定することもできる。

各振動ユニット２は、図７に示すように電圧Ｅ_０の電源に並列接続される。各振動ユニット２の固定電極２１には抵抗Ｒ_０が直列にそれぞれ設けられている。抵抗Ｒ_０の電圧ｅ_Ａ〜ｅ_Ｈは、音源方向特定部３の電圧検出回路３００によって検出する。各電圧ｅ_Ａ〜ｅ_Ｈは、式（２１）の静電容量Ｃ_０を各静電容量Ｃ_Ａ０，〜Ｃ_Ｈ０で置き換えることにより得ることができる。各固定電極２２の容量変化や変化の周期はこれらの電圧ｅ_Ａ〜ｅ_Ｈに反映されるため、方向特定回路２０１では、これらの電圧ｅ_Ａ〜ｅ_Ｈに基づいて音源の方向を特定する。

例えば、図１の中央支持部３２に関して対称な位置にある一対の振動ユニット２毎に出力電圧を比較する。仮に、振動ユニット２−１，２−５のペアからの出力電圧が、他のペアからの出力電圧よりも大きい場合には、ｘ方向（プラス方向またはマイナス方向）に音源があると判定できる。さらに、振動ユニット２−１の出力と振動ユニット２−５の出力とを比較し、振動ユニット２−１の出力の方が大きい場合には、ｘマイナス方向に音源があると判定することができる。

次に、図１に示したマイクロフォンの製造工程について、図８〜１２を参照して説明する。以下では、図１に示したマイクロフォン１の内の、振動ユニット２の部分を中心に説明する。また、弾性部２３ｂの形状については、図３（ａ）に示す構造とした場合を例に説明する。

まず、図８（ａ）に示す工程（ａ）では、下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ_２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構成を成すＳＯＩウェハ１００を準備する。各層３０，２０，１０の厚さは、例えば、順に５００μｍ，１μｍ，２５μｍのように設定される。図８（ｂ）の工程（ｂ）では、上部Ｓｉ層１０の表面にレジスト４１を塗布する。レジスト４１は、例えば、スピンコーターにより３０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布され、９０℃，５ｍｉｎの条件でベークされる。

図８（ｃ）に示す工程（ｃ）では、支持軸２１ａの四隅部分に対応したパターン１５を有するマスクを用いて、レジスト４１に対して紫外線露光を４．０ｓｅｃ行い、現像を１．５ｍｉｎ行って、パターン１５部分のレジスト４１を除去する。その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により、パターン１５部分の上部Ｓｉ層１０をエッチングし、ＳｉＯ_２層２０の面を露出させる。これは、図２に示す振動板２１と支持軸２１ａとの間のＳｉＯ_２層２０が最終的に残って、振動板２１と支持軸２１ａとを一体状態とするために行うものである。なお、図示しないが、固定電極２２と梁２４との間のＳｉＯ_２層２０に関しても、同様の処置が採用される。

ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ_２Ｆ_２あるいはＣＦ_４等の酸化性ガスが用いられる。

図８（ｄ）に示す工程（ｄ）では、硫酸過水（Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２）により９０℃−５ｍｉｎ洗浄してレジスト４１を除去し、強フッ酸により露出しているＳｉＯ_２層２０をエッチング除去する。その後、ＬＰＣＶＤ（low pressure chemical vapor deposition）により、多結晶シリコン膜４０を６００ｎｍ堆積させる。 図８（ｄ）は、ＬＰＣＶＤ処理後の基板断面を示す図であり、図８（ｃ）のＤ２−Ｄ２断面に対応する断面を示したものである。パターン１５部分のＳｉ層１０およびＳｉＯ_２層２０にはエッチングにより溝が形成されており、その溝内の表面にも多結晶シリコン膜４０が形成されている。

ＬＰＣＶＤは、１０〜１０^３Ｐａの減圧下で試料を加熱し、熱エネルギーによる気相化学反応で試料表面に膜を生成させる成膜方法である。この方法は、膜の着き回りに優れ、均一な膜厚が得られるという長所がある。多結晶シリコンの成膜では、プロセスガスとしてＳｉＣｌ_４＋Ｈ_２あるいはＳｉＨ_４が用いられる。多結晶シリコン膜４０を成膜するのは、支持軸３２１と振動板３２との結合を強化するためである。さらに、結合位置にコンタクトホールを設けておき、多結晶シリコン膜を成膜すれば、アンカー効果が期待できる。

多結晶シリコン膜４０の成膜後に、ＯＣＤレジストをスピンコーターにより４０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布し、１５０℃，３０ｍｉｎの条件でベークした後に、１０００℃，３０ｍｉｎの条件でリン（Ｐ）の熱拡散処理を行う。多結晶シリコン膜４０へのリン（Ｐ）の熱拡散により、多結晶シリコン膜４０の電気抵抗は小さくなる。熱拡散処理の後に、ＢＨＦ液により５ｍｉｎ洗浄し、ＯＣＤレジストを除去する。

図９に示す工程（ｅ）では、厚膜レジストによるレジストパターン４２を形成する。レジストパターン４２は、梁２３，２４に相当する形状を有している。厚膜レジストは、スピンコーターにより２０００ｒｐｍ，２５ｓｅｃの条件で塗布され、その後、１１０℃，１０ｍｉｎの条件でベークされる。そして、紫外線露光を６０ｓｅｃ行い、現像を２ｍｉｎ行うことにより図９（ａ）に示すようなレジストパターン４２が形成される。図９（ｂ）はＤ３−Ｄ３断面図である。

図１０に示す工程（ｆ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、上部Ｓｉ層１０と多結晶シリコン膜４０をエッチングする。その結果、振動板２１に関しては、梁２３、弾性部２３ｂおよび支持軸２１ａに対応する部分が形成される。また、固定電極２１に関しては、梁２４に対応する部分が形成される。なお、図１０の上側に示した振動板２１に関する断面図は、図９のＤ３−Ｄ３断面に対応する断面図であって、図１０では弾性部２３ｂに対応する部分は図示されていない。以下、同様である。

図１１に示す工程（ｇ）では、硫酸過水により９０℃−５ｍｉｎ洗浄して厚膜レジスト４２を除去する。最表面には多結晶シリコン膜４０が残る。その後、工程（ｆ）でエッチングした側の面を保護するために、表面側に再び厚膜レジスト（保護用レジスト）を塗布し、ベークする（図１２（ａ）参照）。

上記の一連の工程でマイクロフォン１の上側の構造が一通り完成し、次に、下側の構造を作製する。図１２（ａ）の工程（ｈ）では、真空蒸着により下部Ｓｉ層３０にアルミニウム（Ａｌ）層３１を厚さ０．１μｍ形成する。図１２（ｂ）の工程（ｉ）では、Ａｌ層３１の表面にレジストをスピンコーターにより、３０００ｒｐｍ，３０ｓｅｃの条件で塗布する。そして、９０℃，５ｍｉｎの条件でベークした後に、紫外線露光を４．０ｓｅｃ、現像を１．５ｍｉｎ行って、レジストパターン４３を形成する。

図１３はレジストパターン４３を示す図である。レジストパターン４３には、振動板２１に対応するパターン、固定電極２２に対応するパターン、ベース３１に対応するパターン、中央支持部３２に対応するパターンおよび支柱３３に対応するパターンが形成されている。

図１２（ｃ）の工程（ｊ）では、混酸Ｐ液（Ｈ_３ＰＯ_４＋ＨＮＯ_３＋ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋Ｈ_２Ｏ_２）に２ｍｉｎ浸漬することにより、Ａｌ層３１にパターン形成のためのエッチングを行い、さらに、ＲＩＥ、すなわち酸素ガスを用いたアッシングにより、レジスト４３を除去する。

図１４（ａ）の工程（ｋ）では、ＩＣＰ−ＲＩＥによりＡｌ層３１をマスクとして下部Ｓｉ層３０をＳｉＯ_２層２０までエッチングする。これにより、下部Ｓｉ層３０により、振動板２１、固定電極２２、ベース３１、中央支持部３２および支柱３３が形成される。図１４（ｂ）に示す工程（ｌ）では、硫酸過水により９０℃−５ｍｉｎ洗浄した後に、強フッ酸により不要なＳｉＯ_２層２０を除去する。これにより、振動板２１と梁２３との間のＳｉＯ_２層２０が除去され、振動板２１が梁２３から完全に分離される。最後に、電極パッド２３ｃ，２４ｃを含む梁２３，２４等の上面にＡｌ金属層５０を形成する。

なお、前述したように、振動板２１に関係する断面図は、図９のＤ３−Ｄ３断面に対応する断面図なので、弾性部２３ｂの部分については図示してきなかったが、図１４（ｃ）の破線で示すように、支持軸２１ａと梁２３との間に弾性部２３ｂが形成されている。

図１５は、振動ユニット２の配置に関する他の例を示す図である。図１に示した配置では、振動板２１の延在方向が放射方向となるように各振動ユニット２を円形状に配置したが、図１５（ａ）に示す配置例では、振動板２１の延在方向を放射方向に対して斜めに傾けた。図１５（ｂ）に示す配置例では、平行に配列した３つの振動板ユニット２を１つのユニット群とし、４つのユニット群を十字状に配置した。

図１５（ｃ）に示すマイクロフォン１の場合には、図１５（ａ）に示すユニット群を１つだけ形成した。この場合、ｙ方向に指向性を有するマイクロフォンとなる。なお、各振動ユニット２の振動板２１の延在方向が全て同じ方向なので、図１５（ａ）や図１５（ｂ）に示した配置例のように音源方向を特定することは難しい。

なお、本実施の形態では、垂直に配置されて振動板２１の中央部分を弾性支持するようにしているので、音源の方向に応じて振動板２１の法線が音源方向を向くように自動的に傾く（後述する図１８（ａ）を参照）。そのため、音源の音波をより効率的に受けることができると共に、マイクロフォン全体の向きを変えてやらなくとも、音源の位置に合わせて自動的に指向方向の調整を行うことができる。

−第２の実施の形態−
図１６，１７は、本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図である。図１６はマイクロフォン１の平面図であり、振動板および固定電極が基板面に平行な振動ユニット７が基板中央に配置され、振動ユニット７の周囲に４つの振動ユニット２が配置されている。図７はＤ１−Ｄ１断面図であり、振動ユニット７の断面を示す。

振動ユニット７は特許文献１に記載されているものと同様の形成であり、下部Ｓｉ層３０により形成される円形の振動板７２と、扇形をした４つの固定電極１３Ａ〜１３Ｄを備えている。ベース３１には、円形開口７１１が貫通するように形成されている。ベース３１の上面側には、円形開口７１１上に架け渡されるように４本のブリッジ１１が十字状に配置されている。

各ブリッジ１１の一端は、ベース３１上に固定されている。各ブリッジ１１の他端には、それぞれ弾性部１２が設けられている。各弾性部１２は、ブリッジ１１と振動板７２に設けられた支持軸３２１との間を弾性的に連結している。弾性部１２は、図３に示す弾性部２３ｂと同様の構造をしており、弾性部１２の場合には、基板面に対して垂直方向に撓みやすい構造となっている。支持軸３２１は振動板７２の中央から垂直に突出するように形成されている。その結果、ブリッジ１１は、振動板７２を懸架するような形態でその中心部分を弾性的に支持している。

ベース３１の上面には、開口７１１の上面を覆うように４つの固定電極１３Ａ〜１３Ｄが設けられている。各固定電極１３Ａ〜１３Ｄは中心角が９０度の扇形をしており、配線部１３１および端子部１３２が各々設けられている。ブリッジ１１および固定電極１３Ａ〜１３ＤはＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層１０で形成されており、上部Ｓｉ層１０の上面には多結晶シリコン膜４０およびアルミ膜５０が順に形成されている。なお、振動ユニット７の部分の加工方法については、特許文献１等に記載されていて周知であるので、ここでは説明を省略する。

ダイアフラムである振動板７２は音圧を受けると振動し、固定電極１３Ａ〜１３Ｄと振動板７２との間のギャップが音波の周期に従って変化する。また、支持軸３２１とブリッジ１１とが弾性部１２によって連結されているため、音圧によって振動板７２に外力が加わると弾性部１２が撓むことになる。例えば、音源がマイクロフォン１の軸方向（すなわち、円形開口７１１の軸方向）にある場合には、各弾性部１２がほぼ均等に撓んで振動板７２全体がマイクロフォン１の軸方向（すなわち、円形開口７１１の軸方向）に平行状態で変位（振動）することになる。各固定電極１３Ａ〜１３Ｄと振動板７２との間の静電容量は、振動板７２の振動や変位に応じて変化する。

図１６のマイクロフォン１では、従来型の振動ユニット７の周囲の基板スペースに垂直型の振動ユニット２を形成し、振動板の面積、すなわち静電容量の増加を図っている。それにより、従来型とほぼ同一の基板面積であっても静電容量をより大きくすることができ、マイクロフォンの高感度化を図ることができる。また、振動板２１の延在方向がｘ方向であるユニット２と、延在方向がｙ方向であるユニット２とをそれぞれ設けたので、ｘ方向およびｙ方向からの音波に対する感度が向上すると共に、音源の特定性能がより向上する。

なお、図１６，１７に示した例では、弾性部１２を支持軸３２１の近傍に配置したが、ブリッジ１１の支持軸３２１から離れた位置に配置しても良い。この場合には、振動板７２が斜めに傾き難くなって音源方向の特定が困難となるが、垂直型の振動ユニット２を設けることで、感度向上と共に音源方向の特定が可能になる。

−第３の実施の形態−
図１８，１９は、本発明によるマイクロフォンの第３の実施の形態を説明する図である。上述した振動ユニット２では、振動板２１の中央部分を弾性支持しているので、図１８（ａ）に示すように、音源が振動板２１の法線に対して斜め方向にある場合、振動板２１上の位置によって音源からの音波の到達時間や音圧が違うことから、振動板２１の法線が音源方向を向くように振動板２１が傾く。そして、傾いた状態で音波の出力に応じて振動板２１が振動することになる。

そこで、図１９に示す振動ユニットでは、固定電極を２つに分割した。すなわち、振動板２１に対向するように、一対の固定電極８２ａ，８２ｂが形成されている、固定電極８２ａは中央支持部３２に設けられた梁８４ａにより支持され、固定電極８２ｂはベース３１に設けられた春８４ｂにより支持されている。梁８４ａ，８４ｂには、それぞれ電極パッド８４ｃが形成されている。振動板２１側の構成は、前述した振動ユニット２の場合と同様である。

このように、振動板２１に対して分割された２つの固定電極８２ａ，８２ｂを設けると、図１８（ｂ）のように斜め方向に音源がある場合に、振動板２１の傾きのために音源に近い固定電極８２ａの方がギャップが狭くなる。そのため、固定電極８２ａ側の方が、静電容量が大きくなる。図２０は、図７と同様のブロック図であり、各固定電極８２ａ，８２ｂに接続された抵抗Ｒ_０の電圧ｅ_ａ、ｅ_ｂを検出して比較することにより、固定電極８２ａと振動板２１との間の静電容量と、固定電極８２ｂと振動板２１との間の静電容量との比を求めることができる。この静電容量の比から、音源方向を特定することができる。すなわち、図１９のように固定電極を分割することにより、１つの振動ユニットをマイクロフォンに設けるだけで音源方向を特定することができる。

−第４の実施の形態−
上述した実施の形態のようなマイクロフォンの場合、振動板と固定電極とのギャップをより狭く設定することにより、より感度を向上させることができる。しかし、上述した実施の形態に示す構成の場合、加工可能なギャップ寸法はエッチングプロセスによって決まってしまう。そこで、第４の実施の形態では、ギャップ寸法が可変な構成を振動ユニットに設けた。

図２１に示す振動ユニット９において、固定電極および振動板に関する構成は、図１９に示すものと同様である。弾性部２３ｂの構造は、幅の狭い梁、すなわち、図３（ａ）に示すような梁２３１を、２本並べて設けた構造となっている。振動ユニット９では、振動板２１を固定電極８４ａ，８４ｂ側に移動してギャップを調整するために、固定櫛歯電極９１と可動櫛歯電極９２とから成る櫛歯アクチェータを備えている。

電極パッド９１ｃ、９２ｃを介して櫛歯アクチュエータに電圧を印加し、固定櫛歯電極９１と可動櫛歯電極９２との間に電位差を与えると、固定櫛歯電極９１に対して可動櫛歯電極９２が移動する。可動櫛歯９２と振動板２１の支持軸２１ａとは連結部９３によって連結されており、可動櫛歯９２が固定櫛歯９１の方へと引き寄せられるように電圧を印加すると、振動板２１と固定電極８２ａ，８２ｂとのギャップが狭くなる。その結果、静電容量が大きくなって、マイクロフォンとしての感度が向上する。振動板２１と固定電極８２ａ，８２ｂとのギャップをどの程度に調整するかは、櫛歯アクチュエータに印加する電圧を調整することで行われる。なお、可動櫛歯電極９２と振動板２１とは同電位に設定され、電極パッド８４ｃ、９５ｃ間に電圧を印加することで、固定電極８２ａ，８２ｂに静電容量測定用の電圧が印加される。固定電極８２ａ，８２ｂ側には、図２０に示した抵抗Ｒ_０が設けられており、抵抗Ｒ_０の電圧を検出することで静電容量の変化が検出される。

第４の実施の形態では、ギャップ寸法を調整する機構として櫛歯型の静電アクチュエータを例示したが、櫛歯型に限らず適用することができる。さらに、静電アクチェータに限らず、例えば熱アクチュエータを調整機構として用いても良い。熱アクチュエータ では、電流による熱でバイモルフが変形することを利用してアクチュエータ機能を持たせるようにしている。

上述した実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）本発明によるマイクロフォンでは、図２に示すように、ベース３１の開口３１１上に架け渡されている梁２３と、弾性部２３ｂを介して梁２３により弾性支持され、開口３１１内にてベース３１の基板面に対して垂直に配置されている振動板２１と、開口３１１上に架け渡されている梁２４により支持され、開口３１１内にて振動板２１に隙間を介して対向配置されている固定電極２２とを備えている。そのため、振動ユニット２の形成に必要とされる基板面積に対して、振動板２１および固定電極２２の面積をより大きくすることが可能となる。その結果、マイクロフォンの小型化を図りつつ、感度向上を図ることができる。

（２）図１９に示すように、固定電極を、梁８４ａ，８４ｂによって各々支持された２つの固定電極８２ａ，８２ｂに分割することにより、各固定電極８２ａ，８２ｂに関する静電容量を比較することにより、振動板２１の傾き、すなわち音源の方向を特定することができる。

（３）振動板と固定電極との隙間の最小寸法は、エッチング処理で加工可能なアスペクト比によって決まってしまうため、エッチング深さが深くなるほど隙間が大きくならざるを得ない。しかし、図２１に示すように、振動板２１と固定電極８２ａ，８２ｂとの隙間を調整する隙間調整機構（固定櫛歯電極９１，可動櫛歯電極９２）を設けることで、隙間をより小さくして感度向上を図ることができる。

（４）図１に示すように、複数の振動ユニット２を、各振動板２１の法線方向が異なるように複数配置することにより、音源方向の特定が可能になる。

（５）図１６に示すように、従来の基板面に平行に振動板と固定電極とを形成したマイクロフォンにおいて、基板周辺部の空きスペースに垂直型の振動ユニット２を形成することにより、マイクロフォンが大きくなるのを極力抑えつつ、静電容量の増大、すなわち感度向上を図ることができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。さらに、上述した実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。また、変形例をどのように組み合わせることも可能である。

第１の実施の形態のマイクロフォンを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。 振動ユニット２を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ１−Ａ１断面図、（ｃ）はＡ２−Ａ２断面図、（ｄ）はＡ３−Ａ３断面図である。 弾性部２３ｂの具体例を示す図であり、（ａ）は第１の例、（ｂ）は第２の例である。 平行平板型マイクロフォンの基本式導出を説明する図である。 出力電圧を説明する図である。 図５の等価回路を示す図である。 音源方向特定を説明するブロック図である。 製造工程の工程（ａ）〜（ｄ）を説明する図である。 製造工程の工程（ｅ）を説明する図である。 製造工程の工程（ｆ）を説明する図である。 製造工程の工程（ｇ）を説明する図である。 製造工程の工程（ｈ）〜（ｊ）を説明する図である。 レジストパターン４３を示す図である。 製造工程の工程（ｋ）〜（ｍ）を説明する図である。 振動ユニット２の配置に関する他の例を示す図である。 本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図である。 図１６のＤ１−Ｄ１断面図である。 音源方向による振動板３２の傾き発生を説明する図であり、（ａ）は振動ユニット２の場合を示し、（ｂ）は固定電極を２分割した場合を示す。 第３の実施の形態における振動ユニットを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ１−Ｃ１断面図、（ｂ）はＣ２−Ｃ２断面図である。 音源方向特定を説明するブロック図である。 本発明によるマイクロフォンの第４の実施の形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面側から見た図である。

符号の説明

１：マイクロフォン、２，９：振動ユニット、３：音源方向特定部、１１：ブリッジ、１２，２３ｂ：弾性部、１３Ａ〜１３Ｄ，２２，２３Ａ〜２３Ｄ，８２ａ，８２ｂ：固定電極、２１，７２：振動板、２３，２４，８４ａ，８４ｂ：梁、３１：ベース、９１：固定櫛歯電極、９２：可動櫛歯電極、３００：電圧検出回路、３０１：方向特定回路、２３２，２３３，３２２，３２３：櫛歯電極、３１１，７１１：開口、

Claims (8)

1. ベース基板に形成された空所上に架け渡されている第１の梁と、
   弾性部材を介して前記第１の梁により弾性支持され、前記空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている振動板と、
   前記ベース基板の前記空所上に架け渡されている第２の梁と、
   前記第２の梁により支持され、前記空所内にて前記振動板に隙間を介して対向配置されている固定電極とを備えた振動ユニットを、前記ベース基板に複数配置したことを特徴とするマイクロフォン。
2. 請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、
   前記固定電極は、前記第２の梁によって各々支持された２つの部分電極に分割されていることを特徴とするマイクロフォン。
3. 請求項１または２に記載のマイクロフォンにおいて、
   前記振動板または前記固定電極を移動し、前記振動板と前記固定電極との隙間を調整する隙間調整機構を設けたことを特徴とするマイクロフォン。
4. 請求項３に記載のマイクロフォンにおいて、
   前記隙間調整機構は、前記振動板または前記固定電極と連結された可動櫛歯電極と、空隙を有して前記可動櫛歯電極と噛合する固定櫛歯電極とを備え、
   前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極との間に電圧を印加することにより、前記振動板または前記固定電極を移動することを特徴とするマイクロフォン。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
   前記複数の振動ユニットは、前記振動板の法線方向が異なる複数種類の振動ユニットで構成されていることを特徴とするマイクロフォン。
6. ベース基板に形成された第１の空所上にベース基板面に対して平行に架け渡された第１の固定電極と、前記第１の空所内にて前記第１の固定電極と所定間隔を空けて対向配置される第１の振動板とを備えるマイクロフォンにおいて、
   前記ベース基板に形成された第２の空所上に架け渡されている第１の梁と、
   弾性部材を介して前記第１の梁により弾性支持され、前記第２の空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている第２の振動板と、
   前記第２の空所上に架け渡されている第２の梁と、
   前記第２の梁により支持され、前記第２の空所内にて前記第２の振動板に隙間を介して対向配置されている第２の固定電極とを備えた振動ユニットを、前記ベース基板に複数配置したことを特徴とするマイクロフォン。
7. ベース基板に形成された空所上に架け渡されている第１の梁と、
   弾性部材を介して前記第１の梁により弾性支持され、前記空所内にてベース基板面に対して垂直に配置されている振動板と、
   前記ベース基板の前記空所上に架け渡されている第２の梁と、
   前記第２の梁により支持され、前記空所内にて前記振動板に隙間を介して対向配置されている固定電極とを備えた振動ユニットを備えたことを特徴とするマイクロフォン。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
   ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板をフォトリソグラフィー法で加工して形成したことを特徴とするマイクロフォン。

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