JP4944494B2

JP4944494B2 - Capacitive sensor

Info

Publication number: JP4944494B2
Application number: JP2006141689A
Authority: JP
Inventors: 義則井口; 利文田島; 正英後藤; 太司武子; 徹日森
Original assignee: Panasonic Corp; Japan Broadcasting Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Japan Broadcasting Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007309892A

Description

本発明は、圧力や加速度等の変化を静電容量の変化に変換して検知する静電容量型センサに関する。 The present invention relates to a capacitance type sensor that detects changes by converting changes in pressure, acceleration, and the like into changes in capacitance.

従来、シリコン半導体を主材料として半導体微細加工技術により製造される静電容量型センサが知られている。この静電容量型センサは、圧力や加速度等の変化を静電容量の変化に変換して検知するものである。例えば、静電容量型センサには、音を検知するシリコンマイクロホン、圧力を検知する静電容量型圧力センサ、加速度を検知する静電容量型加速度センサ等がある。以下、シリコンマイクロホンを例に挙げ、本発明に係る背景技術を説明する。 2. Description of the Related Art Conventionally, a capacitive sensor manufactured using a semiconductor fine processing technique using a silicon semiconductor as a main material is known. This capacitance type sensor detects changes by converting changes in pressure, acceleration, etc. into changes in capacitance. For example, the capacitive sensor includes a silicon microphone that detects sound, a capacitive pressure sensor that detects pressure, and a capacitive acceleration sensor that detects acceleration. Hereinafter, the background technology according to the present invention will be described by taking a silicon microphone as an example.

図３に示すように、従来のシリコンマイクロホン５０は、音波による音圧変化に応じて振動する振動膜５２を含むシリコン基板５１と、振動膜５２と対向配置された背面板５３と、振動膜５２と背面板５３との間に設けられた絶縁体５４と、振動膜５２と背面板５３との間に形成された空隙部５５とを備えている。 As shown in FIG. 3, a conventional silicon microphone 50 includes a silicon substrate 51 including a vibration film 52 that vibrates in accordance with a change in sound pressure due to sound waves, a back plate 53 disposed to face the vibration film 52, and the vibration film 52. And an insulator 54 provided between the back plate 53 and a gap 55 formed between the vibration film 52 and the back plate 53.

振動膜５２には、外部回路（図示省略）に接続される振動膜電極６１が形成されている。背面板５３は、複数の音響孔５３ａと、絶縁体５４に保持されたアーム部５３ｂと、外部回路に接続される背面板電極６２とを有している。ここで、振動膜５２上の電極材料６１ａは、振動膜電極６１及び背面板電極６２を形成する際に、音響孔５３ａを通過して振動膜５２上に付着したものである。なお、図３（ａ）に示された正方形状の破線は、振動膜５２の振動範囲の外周端５２ａを表している。 A vibrating membrane electrode 61 connected to an external circuit (not shown) is formed on the vibrating membrane 52. The back plate 53 has a plurality of acoustic holes 53a, arm portions 53b held by the insulator 54, and a back plate electrode 62 connected to an external circuit. Here, the electrode material 61 a on the vibration film 52 is attached to the vibration film 52 through the acoustic hole 53 a when the vibration film electrode 61 and the back plate electrode 62 are formed. A square broken line shown in FIG. 3A represents the outer peripheral end 52 a of the vibration range of the vibration film 52.

図３に示すように、背面板５３が、振動膜５２よりも小さな面積で形成され、背面板５３の外側に設けたアーム部５３ｂを介して絶縁体５４に保持される構成となっているのは、外部回路に接続された際に生じる寄生容量との兼ね合いで、背面板５３の面積を振動膜５２の面積よりも小さくすることによって、シリコンマイクロホン５０の感度を高めることができるからである（例えば、非特許文献１参照）。 As shown in FIG. 3, the back plate 53 is formed with a smaller area than the diaphragm 52 and is configured to be held by the insulator 54 via an arm portion 53 b provided outside the back plate 53. This is because the sensitivity of the silicon microphone 50 can be increased by making the area of the back plate 53 smaller than the area of the diaphragm 52 in consideration of the parasitic capacitance generated when connected to an external circuit. For example, refer nonpatent literature 1).

次に、従来のシリコンマイクロホン５０の製造工程について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、図３（ａ）の断面Ａ−Ａ'における形状を示すものである。 Next, the manufacturing process of the conventional silicon microphone 50 will be described with reference to FIG. FIGS. 4A to 4E each show the shape of the cross section AA ′ of FIG.

まず、シリコン基板５１の片面に高濃度のボロンを拡散し、振動膜５２を形成する（図４（ａ））。 First, high-concentration boron is diffused on one surface of the silicon substrate 51 to form the vibration film 52 (FIG. 4A).

次いで、シリコン基板５１に絶縁体５４を堆積し、絶縁体５４を介して背面板５３を貼り合わせる。続いて、シリコン基板５１と背面板５３とにエッチングマスク５６を形成する（図４（ｂ））。 Next, an insulator 54 is deposited on the silicon substrate 51, and the back plate 53 is bonded through the insulator 54. Subsequently, an etching mask 56 is formed on the silicon substrate 51 and the back plate 53 (FIG. 4B).

次いで、エッチング加工によりシリコン基板５１と背面板５３の不要部分とをエッチングして除去することにより、音響孔５３ａ及び開口部５７が形成される（図４（ｃ））。 Next, the acoustic hole 53a and the opening 57 are formed by etching and removing the silicon substrate 51 and unnecessary portions of the back plate 53 by etching (FIG. 4C).

さらに、エッチング加工により、背面板５３のアーム部５３ｂを保持するよう絶縁体５４を形成するとともに、エッチングマスク５６を除去する。その結果、振動膜５２と背面板５３とが分離され、空隙部５５が形成される（図４（ｄ））。 Further, the insulator 54 is formed by etching to hold the arm portion 53b of the back plate 53, and the etching mask 56 is removed. As a result, the vibration film 52 and the back plate 53 are separated, and a gap 55 is formed (FIG. 4D).

引き続き、スパッタ法や真空蒸着法等を用いて、背面板５３側の面から電極材料を堆積すると、振動膜５２上には振動膜電極６１が形成され、背面板５３上には背面板電極６２が形成されてシリコンマイクロホン５０が完成する（図４（ｅ））。このとき、音響孔５３ａの直下の振動膜５２上には、電極材料６１ａが付着するが、電極材料６１ａは、シリコンマイクロホン５０の音響特性には影響を与えない。 Subsequently, when an electrode material is deposited from the surface on the back plate 53 side by using a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like, a vibration film electrode 61 is formed on the vibration film 52, and the back plate electrode 62 is formed on the back plate 53. Are formed to complete the silicon microphone 50 (FIG. 4E). At this time, the electrode material 61a adheres on the vibration film 52 directly below the acoustic hole 53a, but the electrode material 61a does not affect the acoustic characteristics of the silicon microphone 50.

前述した従来のシリコンマイクロホン５０の製造工程は、工数が比較的少なく量産に適している。特に、振動膜電極６１と背面板電極６２とを同時に形成できるので、両者を別個に形成するものよりも製造工程を簡略化することができる。 The above-described manufacturing process of the conventional silicon microphone 50 has a relatively small number of steps and is suitable for mass production. In particular, since the diaphragm electrode 61 and the back plate electrode 62 can be formed at the same time, the manufacturing process can be simplified as compared with the case where both are formed separately.

なお、開口部５７を形成する工程（図４（ｃ））において、シリコン基板５１をエッチングする際に、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）のエッチング液を用いることにより、高濃度のボロンを拡散した振動膜５２がエッチングされずに残り、振動膜５２の厚さを精度よく得ることができる（例えば、非特許文献２参照）。 In the step of forming the opening 57 (FIG. 4C), when the silicon substrate 51 is etched, a high concentration of boron is diffused by using, for example, an etching solution of TMAH (tetramethylammonium hydroxide). Thus, the vibration film 52 remains without being etched, and the thickness of the vibration film 52 can be obtained with high accuracy (see, for example, Non-Patent Document 2).

Ｊ．Ａ．Ｖｏｏｒｔｈｕｙｚｅｎ他、"ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｐｈｏｎｅａｎｄＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｙＣａｐａｃｉｔｏｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅＳｈａｐｉｎｇ"、ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ誌、２５−２７巻、３３１〜３３６頁、１９９１年J. et al. A. Voorthyuzen et al., “Optimization of Capacitive Microphone and Pressure Sensor Performance by Capacitor-Electrode Shaping”, Vol. 1-3, Vol. 36, Vol. 27, Vol. 36, Vol. Ｅ．Ｓｔｅｉｎｓｌａｎｄ他、"Ｂｏｒｏｎｅｔｃｈ−ｓｔｏｐｉｎＴＭＡＨｓｏｌｕｔｉｏｎｓ"、ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ誌、５４巻、７２８〜７３２頁、１９９６年E. Steinsland et al., "Boron tech-stop in TMAH solutions", Sensors and Actuators A, 54, 728-732, 1996.

しかしながら、従来のシリコンマイクロホン５０は、振動膜電極６１の形成後に振動膜５２が変形してしまい、音響特性や信頼性が低下するという課題があった。 However, the conventional silicon microphone 50 has a problem in that the vibration film 52 is deformed after the formation of the vibration film electrode 61 and the acoustic characteristics and reliability are lowered.

以下、図５を参照しながら上記課題について具体的に説明する。図５（ａ）は、従来のシリコンマイクロホン５０の平面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）の断面Ｂ−Ｂ'における断面図を示している。 Hereinafter, the above problem will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5A is a plan view of a conventional silicon microphone 50, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along a line BB ′ in FIG. 5A.

従来のシリコンマイクロホン５０では、振動膜電極６１と背面板電極６２とを同時に形成することによって製造工程を簡略化できる反面、図５（ｂ）に示すように、振動膜５２の周辺部５２ｂ上に振動膜電極６１が形成されてしまう。そのため、振動膜５２の周辺部５２ｂにおいて、振動膜５２と振動膜電極６１との間で内部応力の差が発生する。その結果、従来のシリコンマイクロホン５０では、例えば図５（ｂ）に示すように、振動膜５２が変形してしまい、シリコンマイクロホン５０の電気的特性（例えば音響特性）や信頼性（例えば動作安定性）が低下するという課題があった。 In the conventional silicon microphone 50, the manufacturing process can be simplified by simultaneously forming the diaphragm electrode 61 and the back plate electrode 62, but on the peripheral portion 52b of the diaphragm 52 as shown in FIG. The vibrating membrane electrode 61 is formed. Therefore, a difference in internal stress occurs between the vibrating membrane 52 and the vibrating membrane electrode 61 in the peripheral portion 52 b of the vibrating membrane 52. As a result, in the conventional silicon microphone 50, for example, as shown in FIG. 5B, the vibration film 52 is deformed, and the electrical characteristics (for example, acoustic characteristics) and reliability (for example, operational stability) of the silicon microphone 50 are deformed. ) Decreased.

この課題を解決するには、振動膜５２の周辺部５２ｂ上に振動膜電極６１を形成しないようにすればよい。振動膜５２には高濃度のボロンが拡散されているので、振動膜５２の電気抵抗は比較的小さい。したがって、振動膜電極６１は、振動膜５２の一部に形成されていればよく、周辺部５２ｂ上には振動膜電極６１は不要である。そこで、前述の課題を解決するため、従来、以下の２つの手法が用いられていた。なお、図５（ａ）に示すように、振動膜電極６１を、振動膜５２の周辺部５２ｂ上に形成された第１振動膜電極６１ｂと、振動膜５２の周辺部５２ｂの外側に形成された第２振動膜電極６１ｃとに分けて説明する。 In order to solve this problem, the vibrating membrane electrode 61 should not be formed on the peripheral portion 52b of the vibrating membrane 52. Since high-concentration boron is diffused in the vibration film 52, the electric resistance of the vibration film 52 is relatively small. Therefore, the diaphragm electrode 61 may be formed on a part of the diaphragm 52, and the diaphragm electrode 61 is not necessary on the peripheral portion 52b. In order to solve the above-described problems, the following two methods have been conventionally used. As shown in FIG. 5A, the diaphragm electrode 61 is formed outside the first diaphragm electrode 61b formed on the peripheral portion 52b of the diaphragm 52 and the peripheral portion 52b of the diaphragm 52. The second diaphragm electrode 61c will be described separately.

第１の手法は、振動膜電極６１と背面板電極６２とを形成した後、フォトリソグラフィ処理及びエッチング加工により、振動膜５２の周辺部５２ｂ上の第１振動膜電極６１ｂを除去するものである。 In the first method, after the diaphragm electrode 61 and the back plate electrode 62 are formed, the first diaphragm electrode 61b on the peripheral portion 52b of the diaphragm 52 is removed by photolithography and etching. .

第２の手法は、振動膜電極６１と背面板電極６２とを同時に形成する際に、図６に示すように、シャドウマスク７１を用いるものである。シリコン基板５１の所定の位置に合わせてシャドウマスク７１を配置し、電極材料の堆積を行うことにより、振動膜５２の周辺部５２ｂに相当する領域の電極材料はシャドウマスク７１上に電極材料７２として付着するので、振動膜５２の周辺部５２ｂに第１振動膜電極６１ｂが形成されることを回避することができる。 The second method uses a shadow mask 71 as shown in FIG. 6 when the diaphragm electrode 61 and the back plate electrode 62 are formed simultaneously. A shadow mask 71 is arranged in accordance with a predetermined position of the silicon substrate 51 and electrode material is deposited, so that an electrode material in a region corresponding to the peripheral portion 52 b of the vibration film 52 is formed on the shadow mask 71 as an electrode material 72. Since it adheres, it can avoid forming the 1st diaphragm electrode 61b in the peripheral part 52b of the diaphragm 52.

しかしながら、第１の手法では、製造工程が増えるのみならず、背面板５３や絶縁体５４の厚さによる段差を含んだ構造にフォトリソグラフィ処理を施すための高度な技術を要する特別な工程が必要になるので、製造工程が煩雑になり、製造コストが増大するという課題があった。 However, in the first method, not only the number of manufacturing processes is increased, but also a special process that requires advanced technology for performing a photolithography process on a structure including a step due to the thickness of the back plate 53 and the insulator 54 is necessary. Therefore, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases.

また、第２の手法では、シャドウマスク７１を製作する必要があるとともに、シャドウマスク７１とシリコン基板５１との位置合わせ作業や、電極材料の堆積後におけるシャドウマスク７１の取り外し作業等が必要になるので、第１の手法と同様に、製造工程が煩雑になり、製造コストが増大するという課題があった。 Further, in the second method, it is necessary to manufacture the shadow mask 71, and it is necessary to align the shadow mask 71 and the silicon substrate 51, and to remove the shadow mask 71 after the electrode material is deposited. Therefore, similarly to the first method, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases.

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができる静電容量型センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the conventional problems, and provides a capacitance type sensor that can prevent a decrease in electrical characteristics and reliability without adding a special process or operation. The purpose is to do.

本発明の静電容量型センサは、外力に応じて変位する可動電極板と、この可動電極板から所定距離だけ離れて対向配置され前記可動電極板よりも面積が小さい背面電極板とを備えた静電容量型センサであって、前記背面電極板と対向する前記可動電極板の対向面側に、前記対向面から前記背面電極板までの距離と同じ距離だけ離れた位置に、前記可動電極板及び前記背面電極板に対して電気的に絶縁されたマスク板を備え、前記可動電極板及び前記マスク板は、同一の材料から形成されたものであり、前記マスク板は、前記可動電極板が前記背面電極板と対向する領域を対向領域とし対向しない領域を対向外領域としたときに、前記対向外領域の少なくとも一部を覆うものである構成を有している。 The capacitance type sensor of the present invention includes a movable electrode plate that is displaced according to an external force, and a back electrode plate that is disposed opposite to the movable electrode plate by a predetermined distance and has a smaller area than the movable electrode plate. It is a capacitance type sensor, Comprising: The said movable electrode plate in the position away from the opposing surface side of the said movable electrode plate facing the said back electrode plate by the same distance as the distance from the said opposing surface to the said back electrode plate And a mask plate that is electrically insulated from the back electrode plate, the movable electrode plate and the mask plate are formed of the same material , and the mask plate has the movable electrode plate When the region facing the back electrode plate is a facing region and the non-facing region is a facing outside region, at least a part of the facing outside region is covered .

この構成により、本発明の静電容量型センサは、可動電極板の所定領域をマスク部が覆うので、可動電極板上に電極を堆積する際に、電極材料が所定領域に付着するのを回避して可動電極板の変形を防止することができ、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができる。
また、この構成により、本発明の静電容量型センサは、可動電極板及びマスク板を同一の材料で形成することができるので、従来の製造設備や製造工程を適用でき、特別な工程や作業を付加する従来のものよりも低コスト化を図ることができる。
また、この構成により、本発明の静電容量型センサは、可動電極板の対向外領域をマスク部が覆うので、可動電極板上に電極を堆積する際に、電極材料が対向外領域に付着するのを回避して可動電極板の変形を防止することができ、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができる。 With this configuration, the capacitance type sensor according to the present invention prevents the electrode material from adhering to the predetermined region when the electrode is deposited on the movable electrode plate because the mask portion covers the predetermined region of the movable electrode plate. Thus, deformation of the movable electrode plate can be prevented, and deterioration of electrical characteristics and reliability can be prevented without adding a special process or operation.
Also, with this configuration, the capacitive sensor of the present invention can form the movable electrode plate and the mask plate with the same material, so that conventional manufacturing equipment and manufacturing processes can be applied, and special processes and operations can be applied. The cost can be reduced as compared with the conventional one in which is added.
In addition, with this configuration, in the capacitive sensor of the present invention, the mask portion covers the opposite outer region of the movable electrode plate, so that the electrode material adheres to the opposite outer region when the electrode is deposited on the movable electrode plate. It is possible to prevent the deformation of the movable electrode plate by avoiding this, and it is possible to prevent a decrease in electrical characteristics and reliability without adding a special process or operation.

さらに、本発明の静電容量型センサは、前記マスク板は、貫通孔を備えた構成を有している。 Furthermore, in the capacitance type sensor of the present invention, the mask plate has a configuration including a through hole.

この構成により、本発明の静電容量型センサは、貫通孔が背面電極板にのみ設けられた従来のものよりも、周波数特性の調整の自由度を高めることができ、電気的特性の向上を図ることができる。 With this configuration, the capacitive sensor of the present invention can increase the degree of freedom in adjusting the frequency characteristics and improve the electrical characteristics as compared with the conventional sensor in which the through hole is provided only in the back electrode plate. Can be planned.

本発明は、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができるという効果を有する静電容量型センサを提供することができるものである。 The present invention can provide a capacitive sensor having an effect of preventing deterioration of electrical characteristics and reliability without adding a special process or operation.

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の静電容量型センサをシリコンマイクロホンに適用する例を挙げて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. An example in which the capacitive sensor of the present invention is applied to a silicon microphone will be described.

まず、本実施の形態に係るシリコンマイクロホンの構成について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施の形態に係るシリコンマイクロホンの平面図、図１（ｂ）は、Ｃ−Ｃ'断面図である。なお、Ａ−Ａ'断面図は、図３（ｂ）に示された従来のものと同様であるので図示を省略している。 First, the configuration of the silicon microphone according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a plan view of the silicon microphone according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view along CC ′. Note that the AA ′ cross-sectional view is the same as the conventional one shown in FIG.

図１に示すように、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０は、音波による音圧変化に応じて振動する振動膜１２を含むシリコン基板１１と、振動膜１２と対向配置された背面板１３と、振動膜１２と背面板１３との間に設けられた絶縁体１４ａと、振動膜１２とマスク板１５との間に設けられた絶縁体１４ｂと、シリコン基板１１の面の一部を覆うマスク板１５と、振動膜１２と背面板１３との間に形成された第１空隙部１６とを備えている。なお、絶縁体１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、本発明の第１及び第２の絶縁体を構成している。 As shown in FIG. 1, a silicon microphone 10 according to the present embodiment includes a silicon substrate 11 including a vibration film 12 that vibrates in response to a change in sound pressure due to a sound wave, and a back plate 13 disposed to face the vibration film 12. An insulator 14a provided between the vibration film 12 and the back plate 13, an insulator 14b provided between the vibration film 12 and the mask plate 15, and a mask covering a part of the surface of the silicon substrate 11. A plate 15 and a first gap portion 16 formed between the vibration film 12 and the back plate 13 are provided. The insulators 14a and 14b constitute the first and second insulators of the present invention, respectively.

振動膜１２は、外部回路（図示省略）に接続される振動膜電極２１を備えている。振動膜電極２１は、例えばアルミニウム膜で構成される。また、振動膜１２には、電極材料２１ａ〜２１ｃが付着している。なお、振動膜１２は、特許請求の範囲に記載の可動電極板に対応するものである。この可動電極板は、音圧変化に応じて振動するものに限定されるものではなく、外力に応じて変位するものであればよい。ここで、外力とは、圧力や加速度等のことをいう。また、図１（ａ）に示された正方形状の破線は、振動膜１２の振動範囲の外周端１２ａを表している。また、図１（ｂ）に示された楕円状の破線は、振動膜１２の周辺部１２ｂを表している。 The vibrating membrane 12 includes a vibrating membrane electrode 21 connected to an external circuit (not shown). The vibrating membrane electrode 21 is made of, for example, an aluminum film. In addition, electrode materials 21 a to 21 c are attached to the vibration film 12. The vibrating membrane 12 corresponds to the movable electrode plate described in the claims. The movable electrode plate is not limited to one that vibrates in response to a change in sound pressure, and may be any one that can be displaced in response to an external force. Here, the external force refers to pressure, acceleration, and the like. Moreover, the square-shaped broken line shown in FIG. 1A represents the outer peripheral end 12 a of the vibration range of the vibration film 12. Moreover, the elliptical broken line shown in FIG. 1B represents the peripheral portion 12b of the vibrating membrane 12.

背面板１３は、例えばシリコンで構成され、振動膜１２よりも小さな面積で形成されている。背面板１３は、複数の音響孔１３ａと、絶縁体１４ａに保持されたアーム部１３ｂと、外部回路に接続される背面板電極２２とを有している。複数の音響孔１３ａは、第１空隙部１６内の空気を出入りさせ、振動膜１２の振動のダンピングを調整するために設けられている。また、背面板電極２２は、例えばアルミニウム膜で構成される。なお、背面板１３は、本発明の背面電極板を構成している。 The back plate 13 is made of, for example, silicon, and has a smaller area than the vibration film 12. The back plate 13 has a plurality of acoustic holes 13a, an arm portion 13b held by the insulator 14a, and a back plate electrode 22 connected to an external circuit. The plurality of acoustic holes 13 a are provided to allow the air in the first gap portion 16 to enter and exit and to adjust the vibration damping of the vibration film 12. The back plate electrode 22 is made of, for example, an aluminum film. The back plate 13 constitutes the back electrode plate of the present invention.

絶縁体１４ａ及び１４ｂは、同一の部材から形成されたものであり、例えばＳｉ−Ｂ−Ｏガラスで構成されている。絶縁体１４ａは、振動膜１２と背面板１３とを電気的に絶縁させ、絶縁体１４ｂは、振動膜１２とマスク板１５とを電気的に絶縁させるようになっている。 The insulators 14a and 14b are formed from the same member, and are made of, for example, Si—B—O glass. The insulator 14a electrically insulates the vibration film 12 and the back plate 13, and the insulator 14b electrically insulates the vibration film 12 and the mask plate 15.

マスク板１５は、背面板１３と同様に絶縁体１４ｂに保持され、背面板１３の周囲を取り囲むように背面板１３の外縁から寸法ｄの第２空隙部１７を隔てて設けられている。さらに詳細には、振動膜１２の面上において背面板１３と対向する領域を対向領域、この対向領域以外の領域を対向外領域と定義したとき、マスク板１５は、振動膜１２の面から絶縁体１４ｂの厚さだけ離れた位置に振動膜１２及び背面板１３に対して電気的に絶縁されて設けられ、対向外領域の少なくとも一部を覆うように構成されている。 The mask plate 15 is held by the insulator 14b similarly to the back plate 13, and is provided with a second gap portion 17 having a dimension d from the outer edge of the back plate 13 so as to surround the back plate 13. More specifically, when the region facing the back plate 13 on the surface of the vibrating membrane 12 is defined as a facing region, and the region other than the facing region is defined as a non-facing region, the mask plate 15 is insulated from the surface of the vibrating membrane 12. It is provided so as to be electrically insulated from the vibrating membrane 12 and the back plate 13 at a position separated by the thickness of the body 14b and to cover at least a part of the opposed outer region.

また、マスク板１５は、貫通した音響孔１５ａを有している。この音響孔１５ａは、本発明の必須の構成要素ではないが、背面板１３の音響孔１３ａに加えてマスク板１５にも音響孔１５ａを設けることにより、シリコンマイクロホン１０の周波数特性の調整の自由度を、背面板１３にのみ音響孔１３ａが設けられている従来のものよりも高めることができる。なお、音響孔１５ａは、本発明の貫通孔を構成している。 The mask plate 15 has an acoustic hole 15a therethrough. The acoustic hole 15a is not an essential component of the present invention, but the acoustic hole 15a is provided in the mask plate 15 in addition to the acoustic hole 13a in the back plate 13, so that the frequency characteristics of the silicon microphone 10 can be freely adjusted. The degree can be increased as compared with the conventional one in which the acoustic hole 13 a is provided only in the back plate 13. The acoustic hole 15a constitutes the through hole of the present invention.

また、背面板１３の音響孔１３ａと、マスク板１５の音響孔１５ａと、第２空隙部１７とが設けられたことにより、振動膜電極２１及び背面板電極２２を形成する際に、音響孔１３ａ、１５ａ及び第２空隙部１７を電極材料が通過して振動膜１２上に付着する。この付着したものを電極材料２１ａ〜２１ｃとして図示している。 Further, since the acoustic hole 13a of the back plate 13, the acoustic hole 15a of the mask plate 15 and the second gap portion 17 are provided, the acoustic hole is formed when the vibrating membrane electrode 21 and the back plate electrode 22 are formed. The electrode material passes through 13 a, 15 a and the second gap portion 17 and adheres to the vibrating membrane 12. The adhered materials are shown as electrode materials 21a to 21c.

次に、本実施の形態のシリコンマイクロホン１０の製造工程について図２を参照して説明する。なお、以下に示す製造工程は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。また、通常は材料のシリコン基板から複数のシリコンマイクロホン１０が一括して製造されるが、ここでは説明を簡略化するためシリコン基板から１個のシリコンマイクロホン１０を製造する例を挙げて説明する。また、図２（ａ）〜（ｅ１）は、図１（ａ）における断面Ａ−Ａ'を示しており、図２（ｅ２）は同図における断面Ｃ−Ｃ'を示している。 Next, the manufacturing process of the silicon microphone 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the manufacturing process shown below is an example and this invention is not limited to this. In addition, normally, a plurality of silicon microphones 10 are manufactured collectively from a silicon substrate of material, but here, in order to simplify the description, an example in which one silicon microphone 10 is manufactured from a silicon substrate will be described. 2A to 2E1 show a cross section AA ′ in FIG. 1A, and FIG. 2E2 shows a cross section CC ′ in FIG.

まず、不純物濃度が１０^１８ｃｍ^−３以下のシリコン基板１１の一方の面に例えば固体拡散法やイオン注入法等により１０^１９ｃｍ^−３以上の高濃度のボロンを拡散し、厚さが数μｍ程度の振動膜１２を形成する（図２（ａ））。 First, boron having a high concentration of 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more is diffused on one surface of the silicon substrate 11 having an impurity concentration of 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less by, for example, a solid diffusion method or an ion implantation method, and the thickness is several μm. A vibration film 12 having a thickness of about 2 is formed (FIG. 2A).

次に、振動膜１２の上に例えばＳｉ−Ｂ−Ｏガラスを堆積して絶縁体１４を形成し、絶縁体１４の上面に不純物濃度が１０^１８ｃｍ^−３以下の別のシリコン基板を重ねて高温下で貼り合わせ、１０μｍ〜数十μｍ程度の厚さに研磨して背面板１３とし、シリコン基板１１及び背面板１３に例えば熱酸化法やＣＶＤ（化学気相成長）法等でエッチングマスク１８を形成する（図２（ｂ））。ここで、背面板１３上のエッチングマスク１８には、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて、音響孔１３ａ及び１５ａと第２空隙部１７とに対応する位置（図１（ａ）参照）に開口部を形成する。 Next, for example, Si—B—O glass is deposited on the vibration film 12 to form the insulator 14, and another silicon substrate having an impurity concentration of 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less is stacked on the upper surface of the insulator 14. Bonding at a high temperature and polishing to a thickness of about 10 μm to several tens of μm to form the back plate 13, and the silicon substrate 11 and the back plate 13 are etched on the etching mask 18 by, for example, thermal oxidation or CVD (chemical vapor deposition). Is formed (FIG. 2B). Here, the etching mask 18 on the back plate 13 is opened at a position (see FIG. 1A) corresponding to the acoustic holes 13a and 15a and the second gap 17 by using a photolithography method and an etching method. Forming part.

引き続き、エッチング加工によりシリコン基板１１と背面板１３の不要部分とをエッチングして除去することにより、背面板１３、音響孔１３ａ及び開口部１９と、音響孔１５ａ及び第２空隙部１７（図示省略）とが形成される（図２（ｃ））。第２空隙部１７が形成されることによって、図１に示すように、背面板１３とマスク板１５とが空間的に分離されることとなる。 Subsequently, the silicon substrate 11 and unnecessary portions of the back plate 13 are removed by etching to remove the back plate 13, the acoustic holes 13a and the openings 19, the acoustic holes 15a and the second gaps 17 (not shown). ) Are formed (FIG. 2C). By forming the second gap 17, the back plate 13 and the mask plate 15 are spatially separated as shown in FIG. 1.

なお、シリコン基板１１をエッチングして開口部１９を形成する本工程において、例えばＴＭＡＨのエッチング液を用いることにより、高濃度のボロンを拡散した振動膜１２がエッチングされずに残り、振動膜１２の厚さを精度よく得ることができる。 In this process of forming the opening 19 by etching the silicon substrate 11, for example, by using an etching solution of TMAH, the vibration film 12 in which high-concentration boron is diffused remains unetched, and the vibration film 12 The thickness can be obtained with high accuracy.

次に、フッ酸を主体とする水溶液等のエッチング液を用いて、音響孔１３ａ、音響孔１５ａ及び第２空隙部１７から絶縁体１４の不要部分をエッチングして除去する。エッチング時間を調整することにより、背面板１３及びマスク板１５をそれぞれ保持する絶縁体１４ａ及び１４ｂを残してエッチングを終了する。その結果、振動膜１２に対し、背面板１３及びマスク板１５が空間的に分離される。また、この工程で同時にエッチングマスク１８もエッチングされて除去される（図２（ｄ））。 Next, unnecessary portions of the insulator 14 are removed by etching from the acoustic holes 13a, the acoustic holes 15a, and the second gaps 17 using an etching solution such as an aqueous solution mainly containing hydrofluoric acid. By adjusting the etching time, the etching is finished while leaving the insulators 14a and 14b holding the back plate 13 and the mask plate 15, respectively. As a result, the back plate 13 and the mask plate 15 are spatially separated from the vibration film 12. In this step, the etching mask 18 is also etched and removed (FIG. 2D).

さらに、例えば真空蒸着法により、例えばアルミニウムの電極材料を背面板１３側から振動膜１２及び背面板１３に堆積し、振動膜１２及び背面板１３の電極を形成する（図２（ｅ１）、（ｅ２））。 Further, for example, an electrode material of aluminum, for example, is deposited on the vibration film 12 and the back plate 13 from the back plate 13 side by, for example, a vacuum evaporation method, and the electrodes of the vibration film 12 and the back plate 13 are formed (FIG. 2 (e1), ( e2)).

具体的には、断面Ａ−Ａ'においては、図２（ｅ１）に示すように、振動膜１２上に振動膜電極２１が形成され、背面板１３及びアーム部１３ｂの上面に背面板電極２２が形成される。一方、断面Ｃ−Ｃ'においては、図２（ｅ２）に示すように、振動膜１２上に振動膜電極２１、背面板１３上に背面板電極２２が形成され、マスク板１５上に電極材料２３が付着する。 Specifically, in the cross-section AA ′, as shown in FIG. 2 (e 1), the vibrating membrane electrode 21 is formed on the vibrating membrane 12, and the rear plate electrode 22 is formed on the upper surfaces of the rear plate 13 and the arm portion 13 b. Is formed. On the other hand, in the section CC ′, as shown in FIG. 2 (e 2), the diaphragm electrode 21 is formed on the diaphragm 12, the back plate electrode 22 is formed on the back plate 13, and the electrode material is formed on the mask plate 15. 23 adheres.

前述のように、電極材料を堆積する工程において、音響孔１３ａ及び１５ａと第２空隙部１７とを通過して振動膜１２上に電極材料２１ａ〜２１ｃが付着するが、これらが付着する面積は振動膜１２の全面積に対して極めて小さいので、付着した電極材料２１ａ〜２１ｃは、振動膜１２を変形させることはなく、シリコンマイクロホン１０の電気的特性や信頼性には影響を与えない。また、マスク板１５上にも電極材料２３が付着するが、付着した電極材料２３は、シリコンマイクロホン１０の電気的特性や信頼性には影響を与えない。 As described above, in the step of depositing the electrode material, the electrode materials 21a to 21c adhere to the vibration film 12 through the acoustic holes 13a and 15a and the second gap portion 17. Since it is extremely small with respect to the entire area of the vibration film 12, the attached electrode materials 21a to 21c do not deform the vibration film 12, and do not affect the electrical characteristics and reliability of the silicon microphone 10. The electrode material 23 also adheres to the mask plate 15, but the attached electrode material 23 does not affect the electrical characteristics and reliability of the silicon microphone 10.

前述のように、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０は、マスク板１５が設けられているので、振動膜１２の周辺部１２ｂ（図１（ｂ）参照）には電極材料２１ｂ及び２１ｃが付着するのみであり、振動膜１２の変形を防止することができ、電気的特性や信頼性の低下を防止することができる As described above, since the silicon microphone 10 according to the present embodiment is provided with the mask plate 15, the electrode materials 21b and 21c are attached to the peripheral portion 12b (see FIG. 1B) of the vibration film 12. The deformation of the vibrating membrane 12 can be prevented, and the deterioration of electrical characteristics and reliability can be prevented.

以上のように、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０によれば、背面板１３の外縁から第２空隙部１７を隔ててマスク板１５を設ける構成としたので、振動膜１２上に電極を設ける際に電極材料が振動膜１２の周辺部１２ｂに付着するのを回避することにより振動膜１２の変形を防止することができ、従来のもののように、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができる。 As described above, according to the silicon microphone 10 according to the present embodiment, since the mask plate 15 is provided with the second gap 17 separated from the outer edge of the back plate 13, an electrode is provided on the vibration film 12. At this time, the electrode material can be prevented from adhering to the peripheral portion 12b of the vibration film 12, so that the deformation of the vibration film 12 can be prevented, and without adding a special process or work like the conventional one, It is possible to prevent deterioration of electrical characteristics and reliability.

また、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０によれば、背面板１３とマスク板１５とが同一のシリコン基板から分離されて形成される構成としたので、従来のシリコンマイクロホンの製造設備や製造工程が適用でき、特別な工程や作業を付加する従来のものよりも低コスト化を図ることができる。 Also, according to the silicon microphone 10 according to the present embodiment, the back plate 13 and the mask plate 15 are formed separately from the same silicon substrate, so that the conventional silicon microphone manufacturing equipment and manufacturing process are used. Can be applied, and the cost can be reduced as compared with the conventional method which adds a special process or operation.

また、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０によれば、背面板１３を保持する絶縁体１４ａと同一の部材で形成された絶縁体１４ｂによりマスク板１５を保持する構成としたので、従来のシリコンマイクロホンの製造設備や製造工程を適用することによって振動膜１２とマスク板１５とを電気的に容易に絶縁することができる。 In addition, according to the silicon microphone 10 according to the present embodiment, the mask plate 15 is held by the insulator 14b formed of the same member as the insulator 14a that holds the back plate 13, so that the conventional silicon By applying the microphone manufacturing equipment and manufacturing process, the diaphragm 12 and the mask plate 15 can be electrically insulated easily.

また、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１０によれば、貫通した音響孔１５ａをマスク板１５が備える構成としたので、背面板１３にのみ音響孔１３ａが設けられた従来のものよりも、周波数特性の調整の自由度を高めることができ、電気的特性の向上を図ることができる。 Further, according to the silicon microphone 10 according to the present embodiment, since the mask plate 15 is provided with the penetrating acoustic hole 15a, the frequency is higher than the conventional one in which the acoustic hole 13a is provided only in the back plate 13. The degree of freedom in adjusting the characteristics can be increased, and the electrical characteristics can be improved.

なお、前述の実施の形態において、同一のシリコン基板から背面板１３とマスク板１５とを分離する構成の例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば背面板１３とマスク板１５とをそれぞれ別個のシリコン基板で構成しても同様の効果が得られる。 In the above-described embodiment, the example of the configuration in which the back plate 13 and the mask plate 15 are separated from the same silicon substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the back plate The same effect can be obtained even if the mask plate 15 and the mask plate 15 are formed of separate silicon substrates.

また、前述の実施の形態において、背面板１３を保持する絶縁体１４ａと同一の部材で形成された絶縁体１４ｂによりマスク板１５が保持される構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば背面板１３とマスク板１５とを互いに異なる絶縁体で保持する構成としてもよい。この場合、絶縁体のそれぞれの高さを変えて、振動膜１２からの距離が背面板１３とマスク板１５とで異なるものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the configuration in which the mask plate 15 is held by the insulator 14b formed of the same member as the insulator 14a that holds the back plate 13 has been described as an example. For example, the back plate 13 and the mask plate 15 may be held by different insulators. In this case, the height of each insulator may be changed so that the distance from the vibration film 12 differs between the back plate 13 and the mask plate 15.

また、前述の実施の形態において、図１にはＬ字状の４つのマスク板１５を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、マスク板１５の形状、個数、配置位置等は、例えば背面板１３の形状や振動膜１２の周辺部１２ｂの形状等を考慮して適宜定める構成とすることができる。 In the above embodiment, four L-shaped mask plates 15 are illustrated in FIG. 1, but the present invention is not limited to this, and the shape, number, arrangement position, etc. of the mask plates 15 are not limited thereto. Can be appropriately determined in consideration of, for example, the shape of the back plate 13 and the shape of the peripheral portion 12b of the vibration film 12.

以上のように、本発明に係る静電容量型センサは、特別な工程や作業を付加することなく、電気的特性や信頼性の低下を防止することができるという効果を有し、音を検知するシリコンマイクロホン、圧力を検知する静電容量型圧力センサ、加速度を検知する静電容量型加速度センサ等として有用である。 As described above, the capacitive sensor according to the present invention has an effect of preventing a decrease in electrical characteristics and reliability without adding a special process or operation, and detects sound. It is useful as a silicon microphone, a capacitive pressure sensor that detects pressure, a capacitive acceleration sensor that detects acceleration, and the like.

本発明の一実施の形態に係るシリコンマイクロホンの構成図（ａ）本実施の形態に係るシリコンマイクロホンの平面図（ｂ）本実施の形態に係るシリコンマイクロホンのＣ−Ｃ'断面図（ｃ）本実施の形態に係るシリコンマイクロホンのＡ−Ａ'断面図Configuration diagram of silicon microphone according to one embodiment of the present invention (a) Plan view of silicon microphone according to the present embodiment (b) CC ′ cross-sectional view of the silicon microphone according to the present embodiment (c) Book AA ′ sectional view of the silicon microphone according to the embodiment 本発明の一実施の形態に係るシリコンマイクロホンの製造工程の説明図（ａ）シリコン基板に振動膜を形成した状態を示す図（ｂ）シリコン基板及び背面板にエッチングマスクを形成した状態を示す図（ｃ）音響孔及び開口部を形成した状態を示す図（ｄ）第１空隙部を形成した状態を示す図（ｅ１）断面Ａ−Ａ'における電極の形成状態を示す図（ｅ２）断面Ｃ−Ｃ'における電極の形成状態を示す図Explanatory drawing of the manufacturing process of the silicon microphone which concerns on one embodiment of this invention (a) The figure which shows the state which formed the vibration film in the silicon substrate (b) The figure which shows the state which formed the etching mask in the silicon substrate and the backplate (C) The figure which shows the state which formed the acoustic hole and the opening part (d) The figure which shows the state which formed the 1st space | gap part (e1) The figure which shows the formation state of the electrode in cross section AA '(e2) Section C The figure which shows the formation state of the electrode in -C ' 従来のシリコンマイクロホンの構成図（ａ）従来のシリコンマイクロホンの平面図（ｂ）従来のシリコンマイクロホンのＡ−Ａ'断面図Configuration diagram of a conventional silicon microphone (a) Plan view of a conventional silicon microphone (b) AA ′ cross-sectional view of a conventional silicon microphone 従来のシリコンマイクロホンの製造工程の説明図（ａ）シリコン基板に振動膜を形成した状態を示す図（ｂ）シリコン基板及び背面板にエッチングマスクを形成した状態を示す図（ｃ）音響孔及び開口部を形成した状態を示す図（ｄ）空隙部を形成した状態を示す図（ｅ）電極の形成状態を示す図Explanatory drawing of the manufacturing process of the conventional silicon microphone (a) The figure which shows the state which formed the vibration film in the silicon substrate (b) The figure which shows the state which formed the etching mask in the silicon substrate and the backplate (c) Acoustic hole and opening The figure which shows the state which formed the part (d) The figure which shows the state which formed the space | gap part (e) The figure which shows the formation state of an electrode 従来のシリコンマイクロホンの構成図（ａ）従来のシリコンマイクロホンの平面図（ｂ）従来のシリコンマイクロホンのＢ−Ｂ'断面図Configuration diagram of conventional silicon microphone (a) Plan view of conventional silicon microphone (b) BB ′ cross-sectional view of conventional silicon microphone シャドウマスクを用いた従来のシリコンマイクロホンにおいて電極を形成する際の説明図Explanatory drawing when forming electrodes in a conventional silicon microphone using a shadow mask

Explanation of symbols

１０シリコンマイクロホン（静電容量型センサ）
１１シリコン基板
１２振動膜（可動電極板）
１２ａ振動膜の外周端
１２ｂ振動膜の周辺部
１３背面板（背面電極板）
１３ａ背面板の音響孔
１３ｂ背面板のアーム部
１４、１４ａ、１４ｂ絶縁体
１５マスク板
１５ａマスク板の音響孔（貫通孔）
１６第１空隙部
１７第２空隙部
１８エッチングマスク
１９開口部
２１振動膜電極
２１ａ〜２１ｃ、２３電極材料
２２背面板電極 10 Silicon microphone (capacitive sensor)
11 Silicon substrate 12 Vibration membrane (movable electrode plate)
12a Peripheral edge of diaphragm 12b Perimeter of diaphragm 13 Back plate (back electrode plate)
13a Acoustic hole of back plate 13b Arm part of back plate 14, 14a, 14b Insulator 15 Mask plate 15a Acoustic hole (through hole) of mask plate
16 1st space | gap part 17 2nd space | gap part 18 Etching mask 19 Opening part 21 Vibration membrane electrode 21a-21c, 23 Electrode material 22 Backplate electrode

Claims

A capacitive sensor comprising: a movable electrode plate that is displaced according to an external force; and a back electrode plate that is opposed to the movable electrode plate by a predetermined distance and has a smaller area than the movable electrode plate,
Electricity is applied to the movable electrode plate and the back electrode plate at a position separated by the same distance as the distance from the facing surface to the back electrode plate on the facing surface side of the movable electrode plate facing the back electrode plate. An electrically insulated mask plate,
The movable electrode plate and the mask plate are formed from the same material ,
The mask plate covers at least a part of the opposed outer region when a region where the movable electrode plate is opposed to the back electrode plate is a opposed region and a non-opposed region is a opposed outer region. Capacitance type sensor.

The capacitive sensor according to claim 1 , wherein the mask plate includes a through hole .