JP5218432B2 - 静電容量型振動センサ - Google Patents
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Description
(1)固定膜に音圧が印加されないようにする働き
(2)振動電極板のダンピングを軽減して、高周波特性を良好にする働き
(3)エアギャップを作製する際のエッチングホールとしての働き
また、音響孔15は、ベントホールの働きにも大きな影響を有している。以下、音響孔やベントホールの働きなどについて説明する。
振動センサ11では、音響振動16によって振動電極板13を強制振動させて音響振動16を検出しているが、振動電極板13と同時に固定電極板14も振動すると、音響振動の検出精度が悪くなる。そのため振動センサ11においては、固定電極板14の剛性を振動電極板13よりも高くするとともに、固定電極板14に音響孔15をあけることで音圧を音響孔15から逃がし、固定電極板14が音圧によって振動させられにくくしている。
音響孔15がないと、振動電極板13と固定電極板14との間のエアギャップ17(間隙)に空気が閉じ込められた状態になる。こうして閉じ込められた空気は、振動電極板13の振動に伴って圧縮又は膨張させられるので、振動電極板13の振動が空気によってダンピングされる。これに対し、固定電極板14に音響孔15を設けてあると、音響孔15を通ってエアギャップ17内の空気が出入りするので、振動電極板13の振動がダンピングされにくくなり、振動センサ11の高周波特性が良好となる。
表面マイクロマシニング技術により固定電極板14と振動電極板13との間にエアギャップ17を形成する方法では、基板12と振動電極板13の間や振動電極板13と固定電極板14の間に犠牲層を形成しておく。そして、固定電極板14に開口した音響孔15から内部へエッチング液を導入して犠牲層をエッチング除去し、振動電極板13と固定電極板14との間にエアギャップ17を形成している。
振動電極板13の振動と干渉しないよう、基板12には貫通孔や凹部を設けている。基板12の上面に凹部(バックチャンバ18)を設けている場合には、バックチャンバ18は基板の下面側で塞がれている。貫通孔の場合には、基板の上面から下面に貫通しているが、振動センサを配線基板などに実装することによって貫通孔の下面が配線基板などで塞がれることが多い(従って、貫通孔の場合にも、以下ではバックチャンバ18と呼ぶことにする。)。そのため、バックチャンバ18内は大気圧と異なる場合がある。また、音響孔15の通気抵抗のため、エアギャップ17内も大気圧と異なる場合がある。
さらに、図1のような振動センサ11では、その製造工程や使用中において、電極板どうしのスティックが生じることがある。スティックとは、図3(b)に示すように、振動電極板13の一部又はほぼ全体が固定電極板14に固着して離れなくなった状態のことをいう。振動電極板13が固定電極板14にスティックすると、振動電極板13の振動が妨げられるので、振動センサ11によって音響振動を検出することができなくなる。
また、本発明の発明者らは、振動センサに生じるノイズは、振動電極板13と固定電極板14との間のエアギャップ17における熱雑音(空気分子の揺らぎ)に起因することを発見した。すなわち、図4(a)に示すように、振動電極板13と固定電極板14との間のエアギャップ、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは揺らぎによって振動電極板13に衝突しており、振動電極板13には空気分子αとの衝突による微小力が加わるとともに振動電極板13に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、振動電極板13は熱雑音によって振動し、振動センサに電気ノイズが発生している。特に、感度の高い振動センサ(マイクロフォン)では、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、S/N比が悪くなる。
静電容量型の振動センサとしては、例えば特許文献1(特開2007−274293号公報)に開示されたコンデンサマイクロフォンがある。この振動センサでは、特許文献1の図1及び図2に示されているように、振動電極板(12;特許文献1の振動センサに関して示す括弧付きの符号は特許文献1で用いられているものである。以下同じ)と固定電極板(3)とが対向しており、振動電極板の端部にはベントホール(15)が形成され、固定電極板には、均一な大きさの音響孔(5)が均等に配列している。
従来の別な振動センサとしては、特許文献2(米国特許第6535460号明細書)に開示されたものがある。この振動センサでは、特許文献2の図2及び図3に示されているように、振動電極板(12;特許文献2の振動センサに関して示す括弧付き符号は特許文献2で用いられているものである。以下同じ)と固定電極板(40)とが対向しており、振動電極板と基板(30)の間には間隙が形成されている。固定電極板の下面には、円環状の突条(41)が形成されており、固定電極板のうち突条よりも内側の円形領域には通孔(21)が形成されており、固定電極板のうち突条よりも外側の円環状領域には通孔(14)が設けられている。突条よりも内側の通孔(21)は、一つ一つの開口面積が外側の通孔よりも大きく、しかも、外側の通孔よりも小さな間隔で規則的に配列されている。突条よりも外側の通孔(14)は、一つ一つの開口面積が内側の通孔よりも小さく、しかも、内側の通孔よりも大きな間隔で不均一に形成されている。
以下、図6〜図12を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。まず、図6は実施形態1による静電容量型の振動センサ31を示す模式的な断面図であって、右半分の断面では振動電極板の固定部を通る断面を表し、左半分の断面では固定部と固定部との間を通る断面を表す。また、図7は振動センサ31の分解斜視図であり、図8は振動センサ31の平面図であり、図9は振動センサ31の上面の固定電極板を除いた状態における平面図である。
しかして、この振動センサ31によれば、外周部の音響孔43bの開口面積が内側の領域の音響孔43aの開口面積よりも小さくなっているので、ベントホール45の近傍における音響孔43bの開口面積が小さくなる。その結果、ベントホール45近傍の音響孔43bからベントホール45を通過して貫通孔37に至る通気経路(低音経路)の音響抵抗が大きくなり、低周波の音響振動が当該通気経路を通って貫通孔37側へ漏れにくくなり、振動センサ31の低周波特性が良好となる。
音響孔43a、43bがほぼ円形の場合であれば、外周部の音響孔43bの直径Dbは0.5μm以上10μm以下であることが望ましく、内側の音響孔43aの直径Daは5μm以上30μm以下であることが望ましい(但し、Da>Db)。また、隣接する音響孔43a、43bどうしの中心間距離pは10μm以上100μm以下であることが望ましい(但し、p>Da)。この点については、すでに述べたが、以下においてはその根拠を説明する。
また、図14に示すように、内側の音響孔43aの直径Daが大きくなるに従って電極面積比は次第に小さくなる。そして、音響孔43aの直径Daが30μmよりも大きくなると、対向している電極どうしの面積が著しく小さくなり、振動センサ31の感度が低くなってしまう。
従って、内側の音響孔43aの直径Daは、5μm以上30μm以下であることが望ましい。
また、図13によれば、音響孔43a、43bどうしの距離pが大きくなるほどエアギャップの音響抵抗が大きくなることが分かる。そして、音響孔43a、43bどうしの距離pが100μmよりも大きくなると、エアギャップの音響抵抗が著しく大きくなり、振動センサ31のノイズが大きくなってしまう。
従って、隣接する音響孔43a、43bどうしの中心間距離pは、10μm以上100μm以下であることが望ましい。
一方、外周部の音響孔43bの直径Dbが0.5μmよりも小さくなると、音響孔43bをエッチング液の入り口として使用するのが困難になる。
従って、外周部の音響孔43bの直径Dbは、0.5μm以上10μm以下であることが望ましい。
図16は本発明の第2の実施形態による振動センサ51を示す平面図である。また、図17は、振動センサ51の固定電極膜を除いた状態の平面図である。この振動センサ51にあっては、シリコン基板32の貫通孔37の上方を振動電極板34で覆い、振動電極板34の外周部をシリコン基板32の上面に部分的に固定している。図17では、振動電極板34のうち、シリコン基板32の上面の犠牲層42によって形成された保持部42aによりシリコン基板32の上面に固定されている領域(固定部38)をハッチングで表している。シリコン基板32に固定された外周部よりも内側において、外周部の近傍に複数箇所のスリット52を開口している。振動電極板34は外周部を部分的にシリコン基板32に固定されており、さらにスリット52によってバネ性を低下させられているので、スリット52で囲まれた領域がダイアフラム39となっていて、小さな音圧に感応してダイアフラム39が膜振動するようになっている。
図18(a)は本発明の第3の実施形態による振動センサ61を示す平面図であり、図18(b)はその概略断面図である。これまで説明した実施形態では、シリコン基板32の上に振動電極板34、固定電極板36の順で電極板を形成したが、図18に示すようにシリコン基板32の上に固定電極板36、振動電極板34の順で電極板を形成してもよい。その他の構造は、例えば第1の実施形態の場合と同様であるので説明は省略する。この実施形態3の場合には、シリコン基板32の貫通孔37から伝搬してきた音響振動を音響孔43a、43bを通して振動電極板34に伝搬させ、その音響振動で振動電極板34を振動させる。
32 シリコン基板
34 振動電極板
35 エアギャップ
36 固定電極板
37 貫通孔
38 固定部
39 ダイアフラム
42 犠牲層
43a、43b 音響孔
44 電極パッド
45 ベントホール
47 電極パッド
52 スリット
Claims (6)
- 表裏に貫通する貫通孔を形成された基板を備え、
振動を受けて膜振動する振動電極板と、複数の音響孔を開口された固定電極板とを対向させて前記貫通孔の基板表面側開口を覆うようにして前記基板の表面側に配置した静電容量型振動センサであって、
前記振動電極板の外周部分の下面が部分的に前記基板に固定され、
前記振動電極板の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが、前記基板の表面と前記振動電極板の下面の間に形成され、
前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域において、当該領域内の外周部に、当該領域内の外周部以外に設けた音響孔よりも開口面積が小さな音響孔が設けられていることを特徴とする静電容量型振動センサ。 - 前記固定電極板の音響孔形成領域に、均等な形状及び面積を有すると共に規則的に配列された複数の小領域を定め、各小領域内に音響孔の中心が納まるようにして各小領域にそれぞれ1つの音響孔を配置したことを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型振動センサ。
- 前記固定電極板に設けられた音響孔が規則的に配列していることを特徴とする、請求項2に記載の静電容量型振動センサ。
- 前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域の外周部に設けた開口面積の小さな音響孔の直径が0.5μm以上10μm以下であり、前記領域内の外周部以外に設けた音響孔の直径が5μm以上30μm以下であり、隣接する音響孔どうしの中心間距離が10μm以上100μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型振動センサ。
- 前記振動電極板の外周部分又はその近傍において前記固定部分以外の領域にスリットを開口したことを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型振動センサ。
- 複数の保持部を前記基板の表面に互いに間隔をあけて配設し、前記振動電極板の外周部分の下面を前記保持部によって部分的に支持させたことを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型振動センサ。
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