JP5325630B2 - マイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法 - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法に関し、より詳細には、圧電層を備えたマイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法に関する。
これまで、携帯電話等の情報通信端末に用いられているマイクロホンの一つとして、半永久的に電荷を保持する有機フィルム（エレクトレット膜）を用いたエレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ：Electret Condenser Microphone）がある。ＥＣＭは、コンデンサの一方の電極にエレクトレットを配置し、エレクトレットに電荷を与え、音圧によって変動する静電容量の変化を電圧変化に変換するマイクロホンである。
一方、近年、半導体プロセスを用いて微細に加工された静電ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンが注目されている。静電ＭＥＭＳマイクロホンの基本的な構造も、ダイヤフラムとバックプレートと呼ばれる電極板が、空気層を介して近接して対向配置されたもので、コンデンサを形成している。バイアス電圧により一定の電荷がコンデンサに充電され、音圧によってダイヤフラムが振動すると、コンデンサの静電容量が変化して電圧変化が生じる。そして、この電圧変化をセンシングする。静電ＭＥＭＳマイクロホンは、一般的にはエレクトレットを用いないため、ＥＣＭとは異なり動作させるにはＤＣ（直流）バイアス電圧が必要となるが、非常に小型で、標準的な半田リフロープロセス温度にも耐えることができるという利点を有する。
このような静電ＭＥＭＳマイクロホンが数多く提案されているが、その一方で、静電ＭＥＭＳマイクロホンは幾つかの問題も抱えている。例えば、デバイスのインピーダンスが高くなってしまうこと、静電気力は引力しかない上に非線形であること、ダイヤフラムとして２枚の電極板を設けなくてはならないため構造が複雑になること、大きな圧力変化（音圧）や電圧が加わるとプルインと呼ばれる電極板が互いに吸着する現象が生じること、動作させるためにはＤＣバイアス電圧が必要でまたそのための昇圧回路が必要であること、などである。
これに対して、圧電効果を用いた圧電ＭＥＭＳマイクロホンが提案されている。圧電ＭＥＭＳマイクロホンは、前述したＥＣＭや静電ＭＥＭＳマイクロホンが抱える問題を解決することが可能である。圧電ＭＥＭＳマイクロホンは、圧電体膜の表裏に電極を接合することによって実現される。圧電ＭＥＭＳマイクロホンは、圧電体の誘電率が空気よりも高いためにインピーダンスが比較的低いこと、力の向きは正負いずれの向きにも発生可能であること、大きな圧力変化（音圧）や電圧が加わっても容易には故障しないこと、などの利点を有する。
ここで、圧電ＭＥＭＳマイクロホンを実現するには、ダイヤフラム構造を構成する圧電体膜及び電極膜の残留応力に注意を払う必要がある。圧電体には、一般に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの強誘電体が用いられる。また、電極には例えばアルミニウムなどの金属材料が用いられる。これらＡｌＮ膜やアルミニウム膜には、成膜プロセスに依存した真性応力や熱応力が残留応力として生じている。このような積層構造膜の各層に生じる残留応力を適切に管理しなければ、応力バランスが崩れ、積層体が座屈したり、膜が破れたり、膜が極度に硬くなったりするなどの不具合が生じるおそれがある。また、製品ごとで性能にばらつきが生じるおそれがある。このため、圧電体膜及び電極膜の積層体を作製する際には、これら膜の残留応力を管理して成膜・積層することが求められる。
微小構造体の製品間のばらつきに関する問題については、特許文献１に製造段階でのばらつきを補償する方法が開示されている。この技術では、テスト音波を入力して、テスト音波の入力に応答したデバイスの出力電圧を検出している。そして、このテスト結果を受けてデバイスの分類分けを実行し、分類分けされたグループに対応する増幅器の増幅率となるようにボンディングを実行して調整を行っている。しかしながら、圧電ＭＥＭＳマイクロホンを良好に機能させるためには、圧電膜を含むセンサ部の積層体における応力に着目し、これを適切に管理することが求められる。
本発明は、製品間の特性のばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法を提供する。
本発明の一態様によれば、第１の層と、第２の層と、第３の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に挟持された第１の圧電層と、前記第３の層と前記第２の層との間に挟持された第２の圧電層と、を備え、前記第１の圧電層は、音波を受波して表面電荷を生じさせることにより前記音波を検知し、前記第２の圧電層は、前記第３及び第２の層を介して印加される第１の電圧により応力を発生させ、前記第２の圧電層で発生した前記応力が前記第１の圧電層に伝送される。さらに、前記第１の層と第２の層と第１の圧電層とを含む第１の積層体と、前記第３の層と前記第２の層と第２の圧電層とを含む第２の積層体と、は共通の支持層の上に併設され、前記第１の積層体と前記第２の積層体のいずれか一方は、いずれか他方を取り囲むようにその周囲に設けられる。
また、本発明の他の一態様によれば、上記のマイクロホン装置の調整装置であって、前記第１の電圧を印加する電圧印加部と、前記第１の電圧が印加されているときの前記第１の圧電層の電気特性を検出する検出部と、前記検出された前記電気特性の値が予め決定された範囲に入るように前記第１の電圧を制御する制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロホン装置の調整装置が提供される。
また、本発明のさらに別の一態様によれば、上記のマイクロホン装置の調整方法であって、音波を受波して表面電荷を生じさせることにより前記音波を検知するセンサ部の電気特性情報を取得するとともに、前記第１の電圧により応力を発生させるアクチュエータ部に前記第１の電圧を印加する工程と、前記センサ部の電気特性が所定の範囲に入るように前記第１の電圧の値を変更する工程と、を備えたことを特徴とするマイクロホン装置の調整方法が提供される。
本発明によれば、製品間の特性のばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法が提供される。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（具体例１）
図１は、本実施形態に係るマイクロホン装置の一例（具体例１）を例示する模式図である。図１（ａ）は模式平面図であり、図１（ｂ）は模式断面図である。
（具体例１）
図１は、本実施形態に係るマイクロホン装置の一例（具体例１）を例示する模式図である。図１（ａ）は模式平面図であり、図１（ｂ）は模式断面図である。
図１に表したように、具体例１に係るマイクロホン装置１は、圧電ＭＥＭＳマイクロホンであり、第１の層（電極層１２）と、第２の層（電極層３４）と、電極層１２と電極層３４との間に挟持された第１の圧電層（圧電層１３）と、を備える。圧電層１３及び電極層１２は、電極層３４の上に選択的に設けることができる。圧電層１３は、外部から音声等の圧力を受けると圧電効果により電圧を生じさせ、この電圧は電極層１２及び電極層３４を介して集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）などにより検出される。
また、図１に表したように、マイクロホン装置１は、第３の層（電極層２２）と、電極層２２と電極層３４との間に挟持された第２の圧電層（圧電層２３）と、圧電層２３に電極層２２及び電極層３４を介して電圧を印加する電圧調整部５０と、圧電層１３と圧電層２３との間で応力を伝送する応力伝送手段４０（図１では、電極層３４や、後述するシリコン層３５）と、を有する。圧電層２３は、使用時に電極層２２及び電極層３４を介して印加される電圧により応力を発生させ、応力伝送手段４０は、圧電層２３において発生したこの応力を圧電層１３に伝送する。
このように、電極層２２と、電極層３４と、圧電層２３と、電圧調整部５０と、応力伝送手段４０と、の協働により、圧電層１３に対して応力を印加することができる。以下、このような圧電層１３に対して応力を印加する手段を、「応力印加手段Ｓ」と呼ぶこととする。
使用時に圧電層１３に応力を印加することにより、後述するように圧電層１３は適切な感度特性を有し、製品ごとでばらつきの少ないマイクロホン装置が提供される。
なお、電極層１２及び圧電層１３からなる積層体と、電極層２２及び圧電層２３からなる積層体と、は離隔して設けられてもよく、接して設けられてもよい。
なお、電極層１２及び圧電層１３からなる積層体と、電極層２２及び圧電層２３からなる積層体と、は離隔して設けられてもよく、接して設けられてもよい。
次に、マイクロホン装置１の構成要素について詳細に説明する。
図１に表したように、マイクロホン装置１は基板３０を備え、圧電層１３及び圧電層２３は基板３０の上に形成されている。基板３０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）の３層構造を有する。すなわち、基板３０は、シリコン基板３７と、シリコン基板３７の上に設けられた酸化シリコンからなるＢＯＸ（Buried Oxide：埋込み酸化物）層３６（絶縁層）と、ＢＯＸ層３６の上に設けられた単結晶シリコンからなるシリコン層（支持層）３５と、を有する。シリコン層３５にはｐ型不純物が導入されており、シリコン層３５はｐ型領域となっている。また、シリコン層３５の厚さは、例えば０．１〜５．０μｍ程度とすることができる。
図１に表したように、マイクロホン装置１は基板３０を備え、圧電層１３及び圧電層２３は基板３０の上に形成されている。基板３０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）の３層構造を有する。すなわち、基板３０は、シリコン基板３７と、シリコン基板３７の上に設けられた酸化シリコンからなるＢＯＸ（Buried Oxide：埋込み酸化物）層３６（絶縁層）と、ＢＯＸ層３６の上に設けられた単結晶シリコンからなるシリコン層（支持層）３５と、を有する。シリコン層３５にはｐ型不純物が導入されており、シリコン層３５はｐ型領域となっている。また、シリコン層３５の厚さは、例えば０．１〜５．０μｍ程度とすることができる。
また、シリコン基板３７及びＢＯＸ層３６は主面の中央領域において除去されており、これにより形成された空間は、マイクロホン装置１の下方側（Ｚ軸負側）に開口した開口部（バックキャビティー）３３を形成している。ここで、「主面」とは、基板３０、電極層３４、圧電層１３、及び電極層１２の積層方向に対して垂直な面をいう。開口部３３は、主面上において略円形状にすることができる。シリコン基板３７及びＢＯＸ層３６は、シリコン層３５の主面中央部分を振動可能にする支持部３２を構成している。
なお、基板３０の材料、構成、及び大きさはこれに限られず、マイクロホン装置の機能が発現される限りにおいて任意に選択することができる。
なお、基板３０の材料、構成、及び大きさはこれに限られず、マイクロホン装置の機能が発現される限りにおいて任意に選択することができる。
シリコン層３５の上には、電極層３４が形成されている。電極層３４には、導電材料、例えば金属または合金や、導電型がｎ型であるｎ型半導体を用いることができる。ｎ型半導体を用いる場合は、シリコン層３５内に不純物として例えばリンを含むｎ型領域を埋め込み、このｎ型領域を用いることができる。シリコン層３５（ｐ型領域）の不純物濃度は、電極層３４（ｎ型領域）の不純物濃度よりも低くすることができる。電極層３４の厚さは、例えば１．０μｍとすることができる。電極層３４は、マイクロホン装置１の下部電極として機能する。
なお、シリコン層３５及び電極層３４の主面中央部分には、開口部３３に連通する貫通孔（図示せず）が形成されている。この貫通孔は、マイクロホン装置１がプリント基板等の別基板（図示せず）に固定されて開口部３３が密閉されたときに、空気抜け孔として機能する。
開口部３３の直上域（Ｚ軸正側の領域）の電極層３４の上には、圧電体、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電層１３が設けられている。圧電層１３は、主面において開口部３３の中央寄りの位置に、開口部３３と略同心円状に選択的に設けることができる。例えば、開口部３３の半径を「１０」とすると、開口部３３の中心Ｏから７〜８の範囲に設けることができる。圧電層１３の厚さは、例えば１．０μｍとすることができる。圧電層１３に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる場合は、例えば反応性マグネトロンスパッタ法を用いて電極層３４の上にＡｌＮを堆積することにより、ＡｌＮ膜を成膜することができる。圧電層１３は、使用時において、音波を受波して表面電荷を生じさせることにより音波を検知する。すなわち、圧電層１３は、音圧を受けて歪みが生じると、圧電効果により表面電荷を生じさせる。そして、この表面電荷の発生に伴う電圧変化を検出することで、音声情報を電気信号に変換することができる。これにより、マイクロホンの機能を発現することができる。
圧電層１３の上には、導電材料、例えば金属または合金、例えばアルミニウムからなる電極層１２が設けられている。電極層１２の厚さは、例えば１．０μｍとすることができる。電極層１２にアルミニウムを用いる場合は、例えばマグネトロンスパッタ法を用いて圧電層１３の上にアルミニウムを堆積することにより、アルミニウム膜を成膜することができる。電極層１２は、マイクロホン装置１の上部電極として機能する。
主面において支持部３２によって支持されていない部分には、シリコン層３５、電極層３４、圧電層１３、及び電極層１２を含む膜が形成されており、この膜は一定の範囲内で変形・振動することが可能である。このため、シリコン層３５及び電極層３４の主面中央部分は、マイクロホン装置１のダイヤフラム部３１を構成する。また、電極層１２と、圧電層１３と、圧電層１３の直下域（Ｚ軸負側の領域）にある電極層３４及びシリコン層３５と、で構成される積層構造の膜は、音声、すなわち圧力変動、を検知するセンサ部１０を構成する。
また、図示しないが、電極層１２及び電極層３４は、引出配線を介して、圧電層１３が音圧を受けて歪みが生じた際に生じる表面電荷による電圧変化を検出するＩＣ等の検出部に接続している。
次に、応力印加手段Ｓについて説明する。
まず、応力印加手段Ｓを設ける意義について説明する。圧電層１３や電極層１２を構成するＡｌＮ膜やアルミニウム膜などには、成膜プロセスに依存した真性応力や熱応力が残留応力として生じている。そして、このような積層構造膜の各層に生じる残留応力を適切に管理しなければ、センサ部１０の積層体内の応力バランスが崩れ、使用時等において積層体が座屈したり、膜が破れたり、膜が極度に硬くなったりするなどの不具合が生じるおそれがある。また、製品ごとで性能にばらつきが生じるおそれがある。このため、センサ部１０の各層の残留応力を適切に管理することが求められる。従って、本実施形態では、応力印加手段Ｓを用いて圧電層１３等のセンサ部１０の構成要素に応力（圧力または張力）を印加することとし、これにより前述した問題の解消を図ることとしている。
まず、応力印加手段Ｓを設ける意義について説明する。圧電層１３や電極層１２を構成するＡｌＮ膜やアルミニウム膜などには、成膜プロセスに依存した真性応力や熱応力が残留応力として生じている。そして、このような積層構造膜の各層に生じる残留応力を適切に管理しなければ、センサ部１０の積層体内の応力バランスが崩れ、使用時等において積層体が座屈したり、膜が破れたり、膜が極度に硬くなったりするなどの不具合が生じるおそれがある。また、製品ごとで性能にばらつきが生じるおそれがある。このため、センサ部１０の各層の残留応力を適切に管理することが求められる。従って、本実施形態では、応力印加手段Ｓを用いて圧電層１３等のセンサ部１０の構成要素に応力（圧力または張力）を印加することとし、これにより前述した問題の解消を図ることとしている。
以下、応力印加手段Ｓの構成及び動作について説明する。前述したように、応力印加手段Ｓは、電極層２２と、圧電層２３と、電極層３４と、電圧調整部５０と、応力伝送手段４０と、を有する。
図１に表したように、主面において開口部３３の周辺領域の直上域にある電極層３４（下部電極）の上には、圧電層２３が設けられている。圧電層２３は、図示したように主面において支持部３２と重なって設けられてもよい。圧電層２３は、開口部３３と略同心円状にリング状に設けることができる。圧電層２３の材料及び厚さは、圧電層１３に関して前述したのと同様とすることができる。圧電層２３は、使用時において、電極層２２及び電極層３４を介して印加される電圧により応力を発生させる。
なお、前述したように、圧電層１３は、開口部３３の半径を「１０」として開口部３３の中心Ｏから７〜８の範囲に設けることができる。これに伴い、圧電層２３は、これよりも周縁側に設けることができる。このように圧電層１３及び圧電層２３を設けることで、次に説明するようにセンサ部１０及び後述するアクチュエータ部２０を良好に伸縮させることができる。
開口部３３に面したダイヤフラム部３１は、圧電層１３及び圧電層２３に電圧が印加されていない状態で音圧を受けると、主面の中心部（例えば、中心Ｏを起点として７〜８の位置の内側の範囲）と周縁部（例えば、中心Ｏを起点として８〜１０の位置の外側の範囲）とで異なる態様で伸縮する。すなわち、主面において、中心部で伸張するときは周縁部で収縮し、中心部で収縮するときは周縁部で伸張する。このため、伸縮態様が異なる位置を境に圧電層１３（センサ部１０）と圧電層２３（アクチュエータ部２０）とを離隔して設けることにより、それぞれの圧電層は一様に良好に伸縮することができる。
圧電層２３の上には、電極層２２（上部電極）が設けられている。電極層２２の材料及び厚さは、電極層１２に関して前述したのと同様とすることができる。
電極層２２と、圧電層２３と、圧電層２３の直下域にある電極層３４及びシリコン層３５と、で構成される積層構造の膜は、電圧を印加することにより変形を生じ、次に説明するようにセンサ部１０を伸縮させる機能を有する。以下、この積層構造の膜を、「アクチュエータ部２０」と呼ぶこととする。
電極層２２と、圧電層２３と、圧電層２３の直下域にある電極層３４及びシリコン層３５と、で構成される積層構造の膜は、電圧を印加することにより変形を生じ、次に説明するようにセンサ部１０を伸縮させる機能を有する。以下、この積層構造の膜を、「アクチュエータ部２０」と呼ぶこととする。
電極層２２及び３４は、それぞれ引出配線５１及び５２を介して電圧調整部５０に接続している。電圧調整部５０には、ＩＣ回路などを用いることができる。そして、電圧調整部５０により引出配線５１、５２及び電極層２２、３４を介して圧電層２３にＤＣバイアス電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電層２３に歪みを生じさせることができる。すなわち、図１（ａ）の実線矢印Ａ及び破線矢印Ｂで示すように、電圧印加によりアクチュエータ部２０は主面において伸縮を行う。ＤＣバイアス電圧の値は後述する方法を用いて適宜決定することができ、アクチュエータ部２０は、この電圧値に応じて伸張したり収縮したりする。
センサ部１０とアクチュエータ部２０との間には、両者間で応力を伝送する応力伝送手段４０が設けられている。応力伝送手段４０は、図１に表したように、例えばセンサ部１０とアクチュエータ部２０との間に介在する電極層３４やシリコン層３５とすることができる。あるいは、図示しないが、電極層１２及び圧電層１３（図２（ｂ）に表した例では、電極層１２、圧電層１３、及び電極層３４ａ）からなる積層体と、電極層２２及び圧電層２３（図２（ｂ）に表した例では、電極層２２、圧電層２３、及び電極層３４ｂ）からなる積層体と、の間に絶縁層を設け、この絶縁層に応力伝送手段４０の機能を持たせてもよい。アクチュエータ部２０（圧電層２３）で生じた伸縮に係る応力は、図２に表したように応力伝送手段４０を介してセンサ部１０（圧電層１３）に伝送される。
図２は、アクチュエータ部２０で生じた応力がセンサ部１０に伝送される態様を例示する模式断面図である。
図２（ａ）の矢印Ｃで示すように、アクチュエータ部２０で生じた伸縮に係る応力は、応力伝送手段４０、すなわちセンサ部１０とアクチュエータ部２０との間に介在する電極層３４やシリコン層３５、を介して圧電層１３に伝送される。この結果、図１（ａ）及び図２（ａ）の矢印Ａで示すようにアクチュエータ部２０が主面において伸張すると、矢印Ｄで示すようにセンサ部１０は主面において収縮する。一方、矢印Ｂで示すようにアクチュエータ部２０が主面において収縮すると、矢印Ｅで示すようにセンサ部１０は主面において伸張する。これにより、センサ部１０の電極層１２及び圧電層１３の成膜時に生じた残留応力のばらつきにより、センサ部１０の積層体の応力バランスが最適なところからずれていたとしても、アクチュエータ部２０から付与された圧縮応力または引張応力により、圧電層１３等のセンサ部１０の構成要素を変形することができ、センサ部１０の積層体は最適な応力バランスにチューニングすることが可能となる。
なお、図２（ｂ）に表したように、電極層３４は不連続な構成にしてもよい。すなわち、圧電層１３に接続する電極層３４ａと、圧電層２３に接続する電極層３４ｂとは、離隔して設けてもよい。この場合、アクチュエータ部２０で発生した応力は、シリコン層３５を介してセンサ部１０に伝送される。
なお、圧電層１３の電圧変化を検出する検出回路（図示せず）、電圧調整部５０、引出配線５１及び５２などは、例えばシリコン基板３７内に設けてもよい。これにより、装置の微小化が図られる。
次に、本実施形態の効果について、比較例を用いて図３〜図６を参照しつつ説明する。
図３は、本実施形態と対比される比較例に係るマイクロホン装置２を表す模式図である。図３（ａ）は模式平面図であり、図３（ｂ）は模式断面図である。
図３は、本実施形態と対比される比較例に係るマイクロホン装置２を表す模式図である。図３（ａ）は模式平面図であり、図３（ｂ）は模式断面図である。
図３に表したように、比較例に係るマイクロホン装置２は、アクチュエータ部２０を含む応力印加手段Ｓを備えていない。この場合、図１に関して前述したようにセンサ部１０において残留応力が生じているところ、これを適切に管理する手段がない。そして、このセンサ部１０の各層に生じる残留応力を適切に管理しなければ、センサ部１０の積層体内の応力バランスが崩れ、使用時等において積層体が座屈したり、膜が破れたり、膜が極度に硬くなったりするなどの不具合が生じるおそれがある。また、製品ごとで性能にばらつきが生じるおそれがある。
図４は、ＳＯＩ構造の基板３０の上に堆積させたＡｌＮ膜からなる圧電層１３の残留応力を表したグラフ図である。横軸はウェーハ１０１上の位置を表しており、縦軸は残留応力を表している。ＡｌＮ膜は、反応性マグネトロンスパッタ法を用いて基板３０の上に堆積させている。
図４に表したように、ウェーハ上の位置により圧電層１３の残留応力の値にばらつきがあり、その幅は例えば±５０ＭＰａ程度である。次に説明するように、圧電層１３の残留応力の値が変化するとマイクロホン装置１の感度は変化し、±５０ＭＰａ程度のばらつきがあると、マイクロホン装置１の感度は無視できないほど変化する。
図５は、電極層１２及び圧電層１３の残留応力とマイクロホン装置１の感度との関係を表すグラフ図である。図５（ａ）は、解析に用いたマイクロホン装置１を表す模式断面図である。図５（ｂ）は、マイクロホン装置１のダイヤフラム部３１の一部におけるＺ軸方向変位の解析結果例を表すグラフ図である。図５（ｃ）は、解析結果を表すグラフ図である。
図５（ａ）に表したように、解析に用いたマイクロホン装置１は、シリコン層３５の上にｎ型領域の電極層３４が形成され、圧電層１３にはＡｌＮ膜を、また電極層１２にはアルミニウム膜を、それぞれ用いている。かかる構成のマイクロホン装置１に対し、Ｚ軸方向に応力を印加し、ＡｌＮ膜（圧電層１３）及びアルミニウム膜（電極層１２）に生じている残留応力の値によってマイクロホン装置１の感度がどのように変化するかを、有限要素法による解析により求めた。
図５（ｃ）に表したように、ＡｌＮ膜（圧電層１３）及びアルミニウム膜（電極層１２）各々の残留応力（σＡｌＮ及びσＡｌ）の大きさが変わると、マイクロホン装置１の感度も変化することが分かる。例えば、圧電層１３の内部応力が数百ＭＰａ程度変化すると、電圧感度は数十〜数百ｄＢ程度変化し、この値は無視できない程度の値である。
また、図６は、電極層１２及び圧電層１３の残留応力とマイクロホン装置１の共振周波数との関係を表すグラフ図である。図６（ａ）は、解析に用いたマイクロホン装置１を表す模式断面図である。図６（ｂ）は、マイクロホン装置１のダイヤフラム部３１の一部におけるＺ軸方向変位の解析結果例を表すグラフ図である。図６（ｃ）は、解析結果を表すグラフ図である。
図６（ａ）に表したように、この解析に用いたマイクロホン装置１は、図５（ａ）に関して前述したマイクロホン装置１と同じである。かかる構成のマイクロホン装置１に対し、Ｚ軸方向に応力を印加し、ＡｌＮ膜（圧電層１３）及びアルミニウム膜（電極層１２）に生じている残留応力の値によってマイクロホン装置１の共振周波数がどのように変化するかを、有限要素法による解析により求めた。
図６（ｃ）に表したように、ＡｌＮ膜（圧電層１３）及びアルミニウム膜（電極層１２）各々の残留応力（σＡｌＮ及びσＡｌ）の大きさが変わると、マイクロホン装置１の共振周波数も変化することが分かる。例えば、圧電層１３の内部応力が数百ＭＰａ程度変化すると、共振周波数は数十〜数百ｋＨｚ程度変化する。また、共振周波数が最も低くなる条件と、感度が最も高くなる条件（図５（ｃ）参照）とは、一致していることが分かる。
このように、圧電層１３や電極層１２における残留応力が変化すると、マイクロホン装置１の特性が変化する。比較例に係るマイクロホン装置２では、この残留応力を補償する手段を備えていないため、前述した各種不具合や、製品間の特性のばらつきが生じ得る。
一方、本実施形態に係るマイクロホン装置１では、応力印加手段Ｓによりセンサ部１０の各層に生じる残留応力を適切に管理し、これにより不具合やばらつきの発生を抑制し、感度を良好に確保している。
（マイクロホン装置の調整方法）
次に、マイクロホン装置の調整方法、すなわちセンサ部１０の残留応力を管理する方法について、図７〜図１５を参照しつつ説明する。
まず、センサ部１０の残留応力を管理する方法の概要について説明する。
図７は、センサ部１０の残留応力を管理する方法を例示する流れ図である。
図８及び図９は、音波の周波数とマイクロホン装置１の感度との関係を表すグラフ図である。横軸はマイクロホン装置１が受波する音波の周波数を表しており、縦軸はマイクロホン装置１の感度、すなわちセンサ部１０の電圧感度やキャパシタンスを表している。
次に、マイクロホン装置の調整方法、すなわちセンサ部１０の残留応力を管理する方法について、図７〜図１５を参照しつつ説明する。
まず、センサ部１０の残留応力を管理する方法の概要について説明する。
図７は、センサ部１０の残留応力を管理する方法を例示する流れ図である。
図８及び図９は、音波の周波数とマイクロホン装置１の感度との関係を表すグラフ図である。横軸はマイクロホン装置１が受波する音波の周波数を表しており、縦軸はマイクロホン装置１の感度、すなわちセンサ部１０の電圧感度やキャパシタンスを表している。
まず、図７のステップＳ１に示すように、センサ部１０の電気特性、例えば電圧感度、キャパシタンス、共振周波数など、の情報を取得する。同時に、ステップＳ２に示すように、アクチュエータ部２０にＤＣ（直流）電圧を印加する。このＤＣバイアス電圧により、アクチュエータ部２０に応力が印加され、この応力は応力伝送手段４０を介してセンサ部１０に伝送される。
ここで、図８及び図９に表したように、アクチュエータ部２０に印加するバイアス電圧を変化させると、センサ部１０の電気特性は変化する。すなわち、電気特性を表すグラフは、図８の矢印Ｆで示すように縦軸方向に移動したり、図９の矢印Ｇで示すように横軸方向に移動したりする。この結果、電圧感度、キャパシタンス、及び共振周波数は変化する。
このため、図８の矢印Ｆ及び図９の矢印Ｇで示すように、アクチュエータ部２０に印加するバイアス電圧を変化させる（グラフを移動させる）ことにより、例えば可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）において感度が所定の範囲の値となるようにすることができる。例えば、可聴域において感度が高くなるようにしたり、可聴域において設計仕様の所定範囲・所定値になるようにすることができる。また、共振周波数が最適な値や所定値になるようにすることができる（図９参照）。共振周波数は、例えば可聴域の上限である２０ｋＨｚ程度よりも高い範囲で適宜選択できる。なお、図８及び図９に示した「所定の範囲」は、例示であって、これ以外の範囲や値としてもよい。
また、感度や共振周波数を適切な値とすることにより、製品間のばらつきを抑制することができる。さらに、感度や共振周波数を適切な値にするということは、センサ部１０の積層体内の応力バランスを適切に保つということを意味する。このため、センサ部１０の積層体の座屈、膜の破壊、膜の硬化などを抑制することができる。
本実施形態では、このような特性を用いて、次の要領でバイアス電圧を決定する。
本実施形態では、このような特性を用いて、次の要領でバイアス電圧を決定する。
すなわち、図７に戻ってステップＳ３に示すように、センサ部１０の電気特性（電圧感度、キャパシタンス、共振周波数など）が所定の範囲にあるか否かを判定する。所定の範囲にない場合は、ステップＳ４に示すようにバイアス電圧の値を変更し、ステップＳ１〜Ｓ３の操作を繰り返す。このようなフィードバックを行うことにより、センサ部１０の電気特性が所定の範囲に入るようにする。
次に、センサ部１０の電気特性が所定の範囲にある場合は、図７のステップＳ５に示すように、アクチュエータ部２０に印加されているバイアス電圧の値を記憶する。そして、ステップＳ６に示すように、記憶したバイアス電圧値に基づいて、最適な値のバイアス電圧がアクチュエータ部２０に印加されるように、電圧調整部５０をマイクロホン装置１に実装する。
このように、本実施形態では、圧力変動をセンシングするセンサ部１０と、電圧印加により変形を生じるアクチュエータ部２０とを用い、アクチュエータ部２０に電圧を印加することで、積層構造膜であるダイヤフラム部３１の応力状態を変化させることができ、最適な応力バランスに調整することが可能となる。これにより、製品間の特性のばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
次に、マイクロホン装置の調整方法について具体的に説明する。
（第１の調整方法）
まず、マイクロホン装置の調整方法の一例（第１の調整方法）について、図１０〜図１２を参照しつつ説明する。
図１０は、マイクロホン装置の第１の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示する模式斜視図である。
図１１は、マイクロホン装置の第１の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示するブロック図である。
図１２は、マイクロホン装置の第１の調整方法を例示する流れ図である。
（第１の調整方法）
まず、マイクロホン装置の調整方法の一例（第１の調整方法）について、図１０〜図１２を参照しつつ説明する。
図１０は、マイクロホン装置の第１の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示する模式斜視図である。
図１１は、マイクロホン装置の第１の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示するブロック図である。
図１２は、マイクロホン装置の第１の調整方法を例示する流れ図である。
図１０に表したように、第１の調整方法で用いる調整装置６０は、複数のマイクロホン装置１の検査チップ１ａを載置する検査ウェーハ６７と、検査ウェーハ６７に載置された検査チップ１ａのセンサ部１０に対して検査音波（疎密波）を出力するスピーカ６２と、音波が正しく出力されているか否かを参照するための参照マイク６３と、センサ部１０の電気特性を検出する検出部６４と、検査チップ１ａのアクチュエータ部２０にバイアス電圧を印加する電源（電圧印加部６５）と、制御部６１と、を備える。
参照マイク６３は、検査チップ１ａの近傍に配置されている。また、検出部６４は、圧電層１３で生じる分極（表面電荷）に係る信号を検出し、この信号を増幅して電圧の情報（以下、「圧電電圧情報」という）を取得するチャージアンプとすることができる。また、検出部６４及び電圧印加部６５は、検査チップ１ａと接触する端子（それぞれ、プローブ針６４ａ、６４ｂ及びプローブ針６５ａ、６５ｂ）を有する。また、制御部６１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とすることができ、検出部６４の検出結果を処理し、その結果に基づいて電圧印加部６５を制御するなど、検査システム全体を制御する。
まず、図１２のステップＳ１０に示すように、制御部６１は、スピーカ６２に検査音波を出力する旨の指示情報７０を伝送する。検査音波は、所定の異なる複数の周波数（例えば、１００Ｈｚ、１ｋＨｚ、及び１０ｋＨｚ）を有する音波とすることができ、あるいは所定の単一の周波数（例えば、１ｋＨｚ）を有する音波とすることができる。その後、ステップＳ１１に示すように、スピーカ６２は指示情報７０に基づき音波を出力する。その後、ステップＳ１２に示すように、参照マイク６３はスピーカ６２から出力される音波を検知し、この音波の情報７１を制御部６１に伝送する。そして、ステップＳ１３に示すように、制御部６１は、音波が適切に出力されているか否かを判定する。音波が適切に出力されていない場合は、ステップＳ１０に戻り、制御部６１はスピーカ６２に適切な指示情報７０を伝送する。その後、ステップＳ１１〜Ｓ１３の操作を行う。かかるフィードバックを行うことにより、音波が適切に出力されるように制御する。
スピーカ６２から音波が適切に出力されている場合は、図１２のステップＳ１４に示すように、検出部６４は、スピーカ６２からの検査音波を受波しているセンサ部１０の電気特性を検出する。すなわち、センサ部１０の圧電電圧情報７２を取得する。そして、検出部６４は、圧電電圧情報７２を制御部６１に伝送する。また、ステップＳ１５に示すように、制御部６１は、電圧印加部６５に、アクチュエータ部２０にバイアス電圧を印加する旨の指示情報７３を伝送する。その後、ステップＳ１６に示すように、電圧印加部６５は、指示情報７３に基づきアクチュエータ部２０にバイアス電圧をスイープ（掃引）させながら印加する。なお、ステップＳ１４と、ステップＳ１５及びＳ１６と、は、同時に行ってもよく、いずれかを先に行ってもよい。いずれの場合も、検出部６４は、センサ部１０が検査音波を受波し且つアクチュエータ部２０にバイアス電圧が印加されているときのセンサ部１０の電気特性を検出する。バイアス電圧値によって、検査チップ１ａから検出される圧電電圧（感度）が変動する（図８参照）。
次に、図１２のステップＳ１７に示すように、制御部６１は、圧電電圧情報７２を用いてセンサ部１０の圧電電圧（感度）が所定の範囲内にあるか否かを判定する（図８参照）。所定の範囲にない場合は、ステップＳ１８に示すようにバイアス電圧の値を変更して、ステップＳ１４〜Ｓ１７の操作を繰り返す。制御部６１は、このようなフィードバックを行うことにより、センサ部１０の圧電電圧（感度）が所定の範囲に入るように制御する（図８参照）。例えば、感度が所定値や最大値になるようにする。
次に、センサ部１０の圧電電圧（感度）が所定の範囲にある場合は、図１２のステップＳ１９に示すように、制御部６１は、アクチュエータ部２０に印加されているバイアス電圧の情報（バイアス電圧情報７４）を電圧印加部６５から取得するとともに、検査チップ１ａの個体識別番号を取得し、これらを記憶する。そして、ステップＳ２０に示すように、製品として出荷する際には、記憶したバイアス電圧情報７４及び個体識別番号に基づいて、最適な値のバイアス電圧がアクチュエータ部２０に印加されるように、電圧調整部５０（ＩＣ回路等）をマイクロホン装置１に実装する。
これにより、製品間ばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
これにより、製品間ばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
（第２の調整方法）
次に、マイクロホン装置の調整方法の他の例（第２の調整方法）について、図１３〜図１５を参照しつつ説明する。
図１３は、マイクロホン装置の第２の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示する模式斜視図である。
図１４は、マイクロホン装置の第２の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示するブロック図である。
図１５は、マイクロホン装置の第２の調整方法を例示する流れ図である。
次に、マイクロホン装置の調整方法の他の例（第２の調整方法）について、図１３〜図１５を参照しつつ説明する。
図１３は、マイクロホン装置の第２の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示する模式斜視図である。
図１４は、マイクロホン装置の第２の調整方法及びこれに用いる調整装置６０を例示するブロック図である。
図１５は、マイクロホン装置の第２の調整方法を例示する流れ図である。
図１３に表したように、第２の調整方法で用いる調整装置６０は、複数のマイクロホン装置１の検査チップ１ａを載置する検査ウェーハ６７と、検査チップ１ａのセンサ部１０の電気特性を検出する検出部６４と、検査チップ１ａのアクチュエータ部２０にバイアス電圧を印加する電源（電圧印加部６５）と、制御部６１と、を備える。
検出部６４は、インピーダンスアナライザまたはＬＣＲ（インダクタンス・キャパシタンス・抵抗）メータとすることができる。また、検出部６４及び電圧印加部６５は、検査チップ１ａと接触する端子（それぞれ、プローブ針６４ａ、６４ｂ及びプローブ針６５ａ、６５ｂ）を有する。また、制御部６１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とすることができ、検出部６４の検出結果を処理し、その結果に基づいて電圧印加部６５を制御するなど、検査システム全体を制御する。
まず、図１５のステップＳ２０に示すように、検出部６４は、検査チップ１ａのセンサ部１０の電気特性を検出する。すなわち、センサ部１０のキャパシタンスの周波数依存特性または共振周波数の情報７２（以下、「電気特性情報７２」という）を取得する。そして、検出部６４は、電気特性情報７２を制御部６１に伝送する。また、ステップＳ２１に示すように、制御部６１は、電圧印加部６５に、アクチュエータ部２０にバイアス電圧を印加する旨の指示情報７３を伝送する。その後、ステップＳ２２に示すように、電圧印加部６５は、指示情報７３に基づきアクチュエータ部２０にバイアス電圧をスイープ（掃引）させながら印加する。なお、ステップＳ２０と、ステップＳ２１及びＳ２２と、は、同時に行ってもよく、いずれかを先に行ってもよい。いずれの場合も、検出部６４は、アクチュエータ部２０にバイアス電圧が印加されているときのセンサ部１０の電気特性を検出する。バイアス電圧値によって、検査チップ１ａから検出されるキャパシタンスまたは共振周波数が変動する（図８及び図９参照）。
次に、図１５のステップＳ２３に示すように、制御部６１は、電気特性情報７２を用いてセンサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲内にあるか否かを判定する（図８及び図９参照）。所定の範囲にない場合は、ステップＳ２４に示すようにバイアス電圧の値を変更して、ステップＳ２０〜Ｓ２３の操作を繰り返す。制御部６１は、このようなフィードバックを行うことにより、センサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲に入るように制御する（図８及び図９参照）。例えば、キャパシタンスが所定値や最大値になるようにしたり、共振周波数が所定値になるようにする。
次に、センサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲にある場合は、図１５のステップＳ２５に示すように、制御部６１は、アクチュエータ部２０に印加されているバイアス電圧の情報（バイアス電圧情報７４）を電圧印加部６５から取得するとともに、検査チップ１ａの個体識別番号を取得し、これらを記憶する。そして、ステップＳ２６に示すように、製品として出荷する際には、記憶したバイアス電圧情報７４及び個体識別番号に基づいて、最適な値のバイアス電圧がアクチュエータ部２０に印加されるように、電圧調整部５０（ＩＣ回路等）をマイクロホン装置１に実装する。
これにより、製品間ばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
これにより、製品間ばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
（他の具体例）
次に、他の具体例について、図面を参照しつつ説明する。
図１６は、本実施形態に係るマイクロホン装置の他の例（具体例２）を例示する模式図である。図１６（ａ）は模式平面図であり、図１６（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
次に、他の具体例について、図面を参照しつつ説明する。
図１６は、本実施形態に係るマイクロホン装置の他の例（具体例２）を例示する模式図である。図１６（ａ）は模式平面図であり、図１６（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図１６に表したように、センサ部１０とアクチュエータ部２０とは、主面において逆に設けてもよい。すなわち、中心側にアクチュエータ部２０を設け、周縁側にセンサ部１０を設けてもよい。また、電極層３４は、図２（ｂ）に関して前述したように、センサ部１０の領域とアクチュエータ部２０の領域とで離隔して設けてもよい。
具体例２に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
具体例２においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
具体例２においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図１７は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例３）を例示する模式図である。図１７（ａ）は模式平面図であり、図１７（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図１７に表したように、同一の電極層及び同一の圧電層が、センサ部１０及びアクチュエータ部２０の機能を併有する構成にしてもよい。図１７では、電極層８２と、圧電層８３と、圧電層８３の直下域にある電極層３４及びシリコン層３５とは、センサ部１０の機能とアクチュエータ部２０の機能とを併有する。また、センサ部１０とアクチュエータ部２０とが同一構成要素で構成されるため、応力伝送手段４０を設ける必要はない。このような一体型にすることにより、製造工程が簡素化され、費用低減が図られる。
圧電層８３及び電極層８２は、ダイヤフラム部３１の主面において中央寄りの場所に設けることができ、特に伸縮態様が異なる位置の内側に設けることができる。例えば、開口部３３の半径を「１０」として開口部３３の中心Ｏから、例えば７〜８の範囲に設けることができる。これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、圧電層８３及び電極層８２を良好に伸縮させることができる。
具体例３に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
このような構成にしても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
このような構成にしても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図１８は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例４）を例示する模式図である。図１８（ａ）は模式平面図であり、図１８（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図１８に表したように、具体例４に係るマイクロホン装置１では、図１７に関して前述した具体例３と同様に、同一の電極層及び同一の圧電層がセンサ部１０及びアクチュエータ部２０の機能を併有する。このような一体型にすることにより、製造工程が簡素化され、費用低減が図られる。
ここで、図示したように、圧電層８３及び電極層８２は、ダイヤフラム部３１の主面において周縁寄りの場所に設けてもよい。特に、伸縮態様が異なる位置の外側、例えば、開口部３３の半径を「１０」として開口部３３の中心Ｏから、例えば７〜８の範囲よりも周縁側の領域に設けてもよい。これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、圧電層８３及び電極層８２を良好に伸縮させることができる。
具体例４に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
このような構成にしても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
このような構成にしても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図１９は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例５）を例示する模式図である。図１９（ａ）は模式平面図であり、図１９（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
本実施形態において、ダイヤフラム部３１、センサ部１０、アクチュエータ部２０等の形状は、マイクロホン装置１の実装態様などに応じて適宜選択することができる。
例えば、図１９に表した具体例５に係るマイクロホン装置１のように、ダイヤフラム部３１は主面において略矩形状としてもよい。これに伴い、センサ部１０は主面においてダイヤフラム部３１の中心寄りに略矩形状で設け、アクチュエータ部２０は、主面においてセンサ部１０を囲むように、複数のアクチュエータ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとして設けてもよい。あるいは、図示しないが、アクチュエータ部２０は一体にしてもよい。
例えば、図１９に表した具体例５に係るマイクロホン装置１のように、ダイヤフラム部３１は主面において略矩形状としてもよい。これに伴い、センサ部１０は主面においてダイヤフラム部３１の中心寄りに略矩形状で設け、アクチュエータ部２０は、主面においてセンサ部１０を囲むように、複数のアクチュエータ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄとして設けてもよい。あるいは、図示しないが、アクチュエータ部２０は一体にしてもよい。
主面におけるセンサ部１０とアクチュエータ部２０との境界は、ダイヤフラム部３１の伸縮態様が異なる位置にすることができ、これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、センサ部１０及びアクチュエータ部２０を良好に伸縮させることができる。また、電極層３４は、図２（ｂ）に関して前述したように、センサ部１０の領域とアクチュエータ部２０の領域とで離隔して設けてもよい。
具体例５に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
具体例５においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
具体例５においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図２０は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例６）を例示する模式図である。図２０（ａ）は模式平面図であり、図２０（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図２０に表したように、具体例６に係るマイクロホン装置１では、図１９に関して前述した具体例５と同様に、ダイヤフラム部３１は主面において略矩形状に設けられている。ここで、図示したように、アクチュエータ部２０を主面においてダイヤフラム部３１の中心寄りに略矩形状で設け、センサ部１０は、主面においてアクチュエータ部２０を囲むように、複数のセンサ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとして設けてもよい。あるいは、図示しないが、センサ部１０は一体にしてもよい。
主面におけるセンサ部１０とアクチュエータ部２０との境界は、ダイヤフラム部３１の伸縮態様が異なる位置にすることができ、これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、センサ部１０及びアクチュエータ部２０を良好に伸縮させることができる。また、電極層３４は、図２（ｂ）に関して前述したように、センサ部１０の領域とアクチュエータ部２０の領域とで離隔して設けてもよい。
具体例６に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
具体例６においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
具体例６においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、この応力をセンサ部１０に伝送することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図２１は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例７）を例示する模式図である。図２１（ａ）は模式平面図であり、図２１（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図２１に表したように、具体例７に係るマイクロホン装置１では、具体例３（図１７）に関して前述したように、センサ部１０及びアクチュエータ部２０は一体に設けられている。このような一体型にすることにより、製造工程が簡素化され、費用低減が図られる。
圧電層８３及び電極層８２は、ダイヤフラム部３１の主面において中央寄りの場所に設けることができ、特に伸縮態様が異なる位置の内側に設けることができる。これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、圧電層８３及び電極層８２を良好に伸縮させることができる。
また、実装態様などに応じて、図示したようにダイヤフラム部３１、センサ部１０、及びアクチュエータ部２０は主面において略矩形状にしてもよい。
また、実装態様などに応じて、図示したようにダイヤフラム部３１、センサ部１０、及びアクチュエータ部２０は主面において略矩形状にしてもよい。
具体例７に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
具体例７においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
具体例７においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
次に、図２２は、本実施形態に係るマイクロホン装置のさらに別の例（具体例８）を例示する模式図である。図２２（ａ）は模式平面図であり、図２２（ｂ）は模式断面図である。なお、センサ部１０に接続する引出配線及び検出部、並びにアクチュエータ部２０に接続する引出配線５１、５２及び電圧調整部５０は省略した。
図２２に表したように、具体例８に係るマイクロホン装置１では、具体例４（図１８）に関して前述したように、センサ部１０及びアクチュエータ部２０は一体に設けられている。このような一体型にすることにより、製造工程が簡素化され、費用低減が図られる。
圧電層８３及び電極層８２は、ダイヤフラム部３１の主面において周縁寄りの場所に設けることができ、特に伸縮態様が異なる位置の外側に設けることができる。これにより、具体例１（図１）に関して前述したように、圧電層８３及び電極層８２を良好に伸縮させることができる。
また、実装態様などに応じて、図示したようにダイヤフラム部３１を略矩形状とし、センサ部１０及びアクチュエータ部２０は主面において略矩形状の領域を取り囲むように設けてもよい。センサ部１０及びアクチュエータ部２０は、図示したように複数のセンサ部１０及びアクチュエータ部２０（センサ部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及びアクチュエータ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）としてもよく、あるいは図示しないが一体としてもよい。
具体例８に係るマイクロホン装置１の調整方法には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法を用いることができる。
具体例８においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
具体例８においても、アクチュエータ部２０に応力を印加し、これにより自ずとセンサ部１０に応力を印加することにより、具体例１に関して前述した効果が得られる。
（調整装置が実装されたマイクロホン装置）
次に、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１について、図２３及び図２４を参照しつつ説明する。
図２３は、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１を例示するブロック図である。
図２４は、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１の調整方法を例示する流れ図である。
次に、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１について、図２３及び図２４を参照しつつ説明する。
図２３は、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１を例示するブロック図である。
図２４は、調整装置６０が実装されたマイクロホン装置１の調整方法を例示する流れ図である。
図２３に表したように、本実施形態に係るマイクロホン装置１は、調整装置６０をさらに備えてもよい。調整装置６０には、図１０〜図１２に関して前述した第１の調整方法に用いる調整装置６０や、図１３〜図１５に関して前述した第２の調整方法に用いる調整装置６０を用いることができる。この場合、ＩＣ回路などを用いて、ＤＣバイアス電圧を印加するための電源回路（電圧調整部５０）と、キャパシタンス、共振周波数等のマイクロホン装置の電気特性を計測するためのセンサ回路（検出部６４）と、それらを制御するための制御回路（制御部６１）とが、共に実装された構成にすることができる。なお、電圧印加部６５の機能は、電圧調整部５０が担うことができる。また、検出部６４には、インピーダンスアナライザまたはＬＣＲ（インダクタンス・キャパシタンス・抵抗）メータを用いることができる。以下、このマイクロホン装置の動作について説明する。
まず、図２４のステップＳ３１に示すように、制御部６１は、検出部６４に、センサ部１０のキャパシタンス、共振周波数等の電気特性をセンシングする旨の指示情報７５を伝送する。そして、ステップＳ３２に示すように、検出部６４は、指示情報７５に基づきセンサ部１０の電気特性の情報７２を取得し、制御部６１に伝送する。また、ステップＳ３３に示すように、制御部６１は、電圧調整部５０（電圧印加部６５）に、アクチュエータ部２０にバイアス電圧を印加する旨の指示情報７３を伝送する。そして、ステップＳ３４に示すように、電圧調整部５０は、指示情報７３に基づきアクチュエータ部２０にバイアス電圧をスイープさせながら印加する。なお、ステップＳ３１及びＳ３２と、ステップＳ３３及びＳ３４と、は、同時に行ってもよく、いずれかを先に行ってもよい。いずれの場合も、検出部６４は、アクチュエータ部２０にバイアス電圧が印加されているときのセンサ部１０の電気特性を検出する。バイアス電圧値によって、センサ部１０のキャパシタンスや共振周波数が変動する（図８及び図９参照）。
次に、図２４のステップＳ３５に示すように、制御部６１は、電気特性情報７２を用いてセンサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲内にあるか否かを判定する（図８及び図９参照）。所定の範囲にない場合は、ステップＳ３６に示すようにバイアス電圧の値を変更して、ステップＳ３１〜Ｓ３５の操作を繰り返す。制御部６１は、このようなフィードバックを行うことにより、センサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲に入るように制御する（図８及び図９参照）。例えば、キャパシタンスが所定値や最大値になるようにしたり、共振周波数が所定値になるようにする。
次に、センサ部１０のキャパシタンスまたは共振周波数が所定の範囲にある場合は、図２４のステップＳ３７に示すように、制御部６１はそのときのバイアス電圧の情報７４を取得し、記憶する。そして、当該バイアス電圧値でアクチュエータ部２０にバイアス電圧が印加されるように、電圧調整部５０を制御する。
このキャリブレーション（較正）動作は、マイクロホン装置１を使用する前に毎回実行されるようにしてもよく、また所定時間の間隔で実行されるようにしてもよい。あるいは、検出部６４が制御部６１に電気特性情報７２を常時伝送し、制御部６１はセンサ部１０の電気特性が所定の範囲から外れたらその都度バイアス電圧を変更するように制御する構成にしてもよい。すなわち、ステップＳ３１〜Ｓ３５の較正動作を常時行うようにしてもよい。
このように、マイクロホン装置１が調整装置６０をさらに備えることにより、より精緻に最適なＤＣバイアス電圧の値でアクチュエータ部２０に電圧を印加することができる。これにより、センサ部１０の応力をより精緻に管理することができる。このため、製品間のばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。また、マイクロホン装置１の感度は、経年劣化や温度負荷などに変化することがあり得るが、本構成によりこのような感度変化を抑制することが可能となる。
次に、マイクロホン装置１の適用例について、図２５及び図２６を参照しつつ説明する。
図２５及び図２６は、マイクロホン装置１の適用例を表す模式断面図である。
図２５及び図２６に表したように、本実施形態に係るマイクロホン装置１は、例えば、携帯電話など実装空間の厚さが小さい機器に適用することができる。
図２５及び図２６は、マイクロホン装置１の適用例を表す模式断面図である。
図２５及び図２６に表したように、本実施形態に係るマイクロホン装置１は、例えば、携帯電話など実装空間の厚さが小さい機器に適用することができる。
マイクロホン装置１のマイクロホンチップは、図２５（ａ）及び（ｂ）に表したように、電圧調整部５０や調整装置６０を含むＩＣチップと共に回路基板に実装することができる。ＩＣチップは、マイクロホンチップに隣接して設けることができ、これにより薄い空間において各構成要素を適切に配置することができる。そして、マイクロホン装置１は、キャップで保護されたモジュールの状態で扱うことができる。この場合、図２５（ａ）に表したように、キャップに音孔（音の入る穴）２０２を設けることができる。あるいは、図２６（ｂ）に表したように、音孔２０２は開口部３３側に設けてもよい。
このようなマイクロホンモジュールは、図２６（ａ）及び（ｂ）に表したように、携帯電話等の、マイク穴２０１が設けられた筐体部分２００に搭載することができる。また、マイクロホンモジュールは、多数の様々な部品が実装されている回路基板上に実装することができる。
このように、本実施形態に係る圧電ＭＥＭＳマイクロホンは、携帯電話等の小型機器などに好適に用いることができる。
このように、本実施形態に係る圧電ＭＥＭＳマイクロホンは、携帯電話等の小型機器などに好適に用いることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、圧力変動をセンシングするセンサ部１０と、電圧印加により変形を生じるアクチュエータ部２０とを用い、アクチュエータ部２０に電圧を印加することで、積層構造膜であるダイヤフラム部３１の応力状態を変化させることができ、最適な応力バランスに調整することが可能となる。これにより、製品間の特性のばらつきが少なく、感度が良好に確保されるマイクロホン装置が提供される。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、マイクロホン装置１は、音声だけでなく超音波等を含めた圧力を検知する圧力センサとしてもよい。また、構成を適宜工夫して、検知対象の媒体を空気以外の気体や液体などにすることもできる。
また、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズ、動作などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
さらに、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
さらに、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１ マイクロホン装置
１ａ 検査チップ
２ マイクロホン装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ センサ部
１２ 電極層
１３ 圧電層
２０ アクチュエータ部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ アクチュエータ部
２２ 電極層
２３ 圧電層
３０ 基板
３１ ダイヤフラム部
３２ 支持部
３３ 開口部
３４、３４ａ、３４ｂ 電極層
３５ シリコン層
３６ ＢＯＸ層
３７ シリコン基板
４０ 応力伝送手段
５０ 電圧調整部
５１、５２ 引出配線
６０ マイクロホン装置１の調整装置
６１ 制御部
６２ スピーカ
６３ 参照マイク
６４ 検出部
６４ａ、６４ｂ プローブ針
６５ 電圧印加部
６５ａ、６５ｂ プローブ針
６７ 検査ウェーハ
７０ 指示情報
７１ 音波情報
７２ 圧電電圧情報、電気特性情報
７３ 指示情報
７４ バイアス電圧情報
７５ 指示情報
８２ 電極層
８３ 圧電層
２００ 筐体
２０１ マイク穴
２０２ 音孔
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 矢印
Ｏ 中心
Ｓ 応力印加手段
１ａ 検査チップ
２ マイクロホン装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ センサ部
１２ 電極層
１３ 圧電層
２０ アクチュエータ部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ アクチュエータ部
２２ 電極層
２３ 圧電層
３０ 基板
３１ ダイヤフラム部
３２ 支持部
３３ 開口部
３４、３４ａ、３４ｂ 電極層
３５ シリコン層
３６ ＢＯＸ層
３７ シリコン基板
４０ 応力伝送手段
５０ 電圧調整部
５１、５２ 引出配線
６０ マイクロホン装置１の調整装置
６１ 制御部
６２ スピーカ
６３ 参照マイク
６４ 検出部
６４ａ、６４ｂ プローブ針
６５ 電圧印加部
６５ａ、６５ｂ プローブ針
６７ 検査ウェーハ
７０ 指示情報
７１ 音波情報
７２ 圧電電圧情報、電気特性情報
７３ 指示情報
７４ バイアス電圧情報
７５ 指示情報
８２ 電極層
８３ 圧電層
２００ 筐体
２０１ マイク穴
２０２ 音孔
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 矢印
Ｏ 中心
Ｓ 応力印加手段
Claims (7)
- 第１の層と、
第２の層と、
第３の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に挟持された第１の圧電層と、
前記第３の層と前記第２の層との間に挟持された第２の圧電層と、
を備え、
前記第１の圧電層は、音波を受波して表面電荷を生じさせることにより前記音波を検知し、
前記第２の圧電層は、前記第３及び第２の層を介して印加される第１の電圧により応力を発生させ、
前記第２の圧電層で発生した前記応力が前記第１の圧電層に伝送され、
前記第１の層と第２の層と第１の圧電層とを含む第１の積層体と、前記第３の層と前記第２の層と第２の圧電層とを含む第２の積層体と、は共通の支持層の上に併設され、
前記第１の積層体と前記第２の積層体のいずれか一方は、いずれか他方を取り囲むようにその周囲に設けられたことを特徴とするマイクロホン装置。 - 請求項１記載のマイクロホン装置の調整装置であって、
前記第１の電圧を印加する電圧印加部と、
前記第１の電圧が印加されているときの前記第１の圧電層の電気特性を検出する検出部と、
前記検出された前記電気特性の値が予め決定された範囲に入るように前記第１の電圧を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするマイクロホン装置の調整装置。 - 前記第１の圧電層に対して検査音波を出力する手段をさらに備え、
前記検出部は、前記検査音波を受け且つ前記第１の電圧が印加されているときに前記第１の圧電層において生じている表面電荷の信号を検出して前記信号に応じて第２の電圧の情報を取得し、
前記制御部は、前記第２の電圧の値が予め決定された範囲に入るように前記第１の電圧を制御することを特徴とする請求項２記載のマイクロホン装置の調整装置。 - 請求項２または３に記載のマイクロホン装置の調整装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロホン装置。
- 請求項１記載のマイクロホン装置の調整方法であって、
音波を受波して表面電荷を生じさせることにより前記音波を検知するセンサ部の電気特性情報を取得するとともに、前記第１の電圧により応力を発生させるアクチュエータ部に前記第１の電圧を印加する工程と、
前記センサ部の電気特性が所定の範囲に入るように前記第１の電圧の値を変更する工程と、
を備えたことを特徴とするマイクロホン装置の調整方法。 - 前記第１の電圧を印加する工程の前に、
スピーカに指示情報を伝送する工程と、
前記スピーカが音波を出力する工程と、
前記スピーカからの前記音波を検知し、前記スピーカからの前記音波の情報を制御部に伝送する工程と、
前記情報により前記スピーカからの前記音波の出力を制御する工程と、
を備えたことを特徴とする請求項５記載のマイクロホン装置の調整方法。 - 前記電気特性情報は、キャパシタンスの周波数依存特性または共振周波数の情報であることを特徴とする請求項５記載のマイクロホン装置の調整方法。
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