JP5987572B2

JP5987572B2 - 音響トランスデューサ

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Inventors: 匡志井上; 隆笠井
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Description

本発明は、音響振動を電気信号に変換し、あるいは電気信号を音響振動に変換する音響トランスデューサに関し、特にＭＥＭＳ技術を用いて製造される音響センサやスピーカ等の音響トランスデューサに関する。

図１は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される従来の音響センサの一部分を示す断面図である。この音響センサ１１では、シリコン基板１３の上面に、導電性を有するダイアフラム１４（振動電極膜）が設けられている。シリコン基板１３は、上下に貫通したバックチャンバ１２を有している。このバックチャンバ１２の上面は、ダイアフラム１４によって覆われている。さらに、シリコン基板１３の上面には、ダイアフラム１４を囲むようにしてドーム状の保護膜１５が形成されている。保護膜１５の、ダイアフラム１４と向かい合う位置には、固定電極膜１６が形成されている。ダイアフラム１４と固定電極膜１６により、音響振動を電気信号に変換するためのキャパシタが構成されている。保護膜１５及び固定電極膜１６には、音響振動（音）を通過させるためのアコースティックホール１７が多数開口されている。

図１に示す音響センサ１１では、ダイアフラム１４は、シリコン基板１３とダイアフラム１４が向かい合う領域において、シリコン基板１３の上面と平行に形成されている。特に、シリコン基板１３の上面と平行で、バックチャンバ１２の上面開口の縁と直交する方向においては、シリコン基板１３とダイアフラム１４の間の隙間（以下においては、この隙間をベントホール１８という。）の高さは一定となっている。このような音響センサは、たとえば特許文献１に開示されている。

音響センサのベントホールは、アコースティックホールから入ってバックチャンバへ抜ける音響振動の音響抵抗として機能し、低音域での感度を確保するために重要な働きを有する。一方、ベントホール内の空気は、粘性流体としての性格を有しているため、ベントホールはノイズ（熱雑音）の発生源としても働く。

ベントホールのノイズは、主に、ダイアフラムの縁部とシリコン基板の上面との間の隙間（ベントホール）に存在する空気の粘性に起因する機械抵抗（これはフィルムダンピング効果と呼ばれる。）によるものである。すなわち、ダイアフラムが基板から引き剥がされる方向（上方向）へ変位しようとする場合には、ベントホール内の空気の粘性のためにダイアフラムの上方への動きを妨げる抵抗力が生じる。反対に、ダイアフラムが基板に押し付ける方向（下方向）へ変位しようとする場合には、ダイアフラムの下方への動きを妨げる抵抗力が生じる。このときの機械抵抗成分が原因となって生じるノイズがベントホールのノイズである。

図１のような音響センサ１１において、ベントホール１８におけるノイズの発生を抑制しようとすれば、図２Ａに実線で示すダイアフラム１４のように、ダイアフラム１４をシリコン基板１３の上面から離してベントホール１８の高さＨを大きくすればよい。あるいは、図２Ｂに実線で示すダイアフラム１４のように、ダイアフラム１４の縁を中心方向へ引っ込めて、ダイアフラム１４とシリコン基板１３の上面とのオーバーラップ長さ（ベントホール１８の幅Ｗ）を短くしてもよい。

しかし、ベントホール１８の高さＨを大きくした場合でもベントホール１８の幅Ｗを短くした場合でも、ベントホール１８の音響抵抗が小さくなる。そのため、ベントホール１８を通って音響振動がバックチャンバ１２へ漏れやすくなり、音響センサ１１の感度が低音域において低下する。図３は音響センサの感度を示す図であって、横軸は音響振動の周波数（振動数）を示し、縦軸は感度を表わす。図３において破線で示す曲線は、ダイアフラム１４が図２Ａ又は図２Ｂにおいて破線で示す位置にあるときの感度−周波数特性（以下、周波数特性という。）であるとすると、図２Ａに実線で示すようにベントホール１８の高さＨを大きくすると、図３に実線で示す周波数特性のように音響センサの感度が低音域（低周波数音域）で低下する。図２Ｂに実線で示すようにベントホール１８の幅Ｗを短くした場合も、図３に実線で示す周波数特性のように音響センサの感度が低音域で低下する。つまり、音響センサのノイズを低減しようとすると、低音域で感度が低下してしまい、周波数特性においてフラットな領域が狭くなる。

これとは反対に、音響センサの周波数特性を良好にするためには（すなわち、周波数特性において、フラットな領域を広くするためには）、ダイアフラム１４をシリコン基板１３の上面に近づけてベントホール１８の高さＨを小さくし、ベントホール１８における音響抵抗を大きくすればよい。あるいは、ベントホール１８の幅Ｗを長くして音響抵抗を大きくしてもよい。しかし、この場合には、ベントホール１８において発生するノイズが増加し、音響センサのＳ／Ｎ比が悪くなる。

このように、従来の音響センサでは、ノイズを低減して高Ｓ／Ｎ比を得ることと、低音域でもほぼフラットな周波数特性を得ることとはトレードオフの関係にあり、両立させることは困難であった。図４は、図１のような音響センサにおけるＳ／Ｎ比（縦軸）とロールオフ周波数との関係を表した図である。一般的に、ロールオフ周波数ｆrとは、周波数が１ｋＨｚのときの感度に比べて−３dＢだけ感度が落ちた箇所の周波数であって、ロールオフ周波数ｆrが小さいほど感度のフラットな領域が低音域側へ伸びて周波数特性が良好になる。図４は、ロールオフ周波数を小さくするとＳ／Ｎ比が低下し、Ｓ／Ｎ比を大きくするとロールオフ周波数が大きくなって、低音域における感度が低下することを示している。

つぎに、図５Ａは、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される従来の別な音響センサの一部分を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａの音響センサに用いられるダイアフラムの一部を示す拡大斜視図である。この音響センサ２１では、ダイアフラム１４の下面に複数個のストッパ２２が設けられている。このストッパ２２は、ダイアフラム１４の縁部がシリコン基板１３の上面にくっついて動かなくなることを防ぐものである。このような音響センサは、たとえば特許文献２に開示されている。

この音響センサ２１によれば、ストッパ２２とシリコン基板１３の上面との距離が、ダイアフラム１４の縁部下面とシリコン基板１３の上面との距離よりも小さくなっているので、ストッパ２２によって音響抵抗を高くでき、低音域における音響センサ２１の感度を高められるように思える。しかし、このストッパ２２はダイアフラム１４がシリコン基板１３にくっつくのを防ぐためのものであって、細い柱状の形態となっていて、間隔をあけてまばらにしか設けられていない。そのため、ストッパ２２には、音響振動がベントホール１８を通り抜けるのを妨げる効果はなく、音響抵抗を大きくして音響センサ２１の感度を向上させる効果は認められない。

特開２０１０−０５６７４５号公報国際公開第２００２／０１５６３６号パンフレット（WO2002/015636）（特表２００４−５０６３９４号公報）

本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ベントホールにおけるノイズの発生を抑制し、かつ、低音域における周波数特性をより平坦にすることができる音響トランスデューサを提供することにある。

本発明に係る音響トランスデューサは、上面で開口した空洞を有する基板と、前記空洞を覆うようにして前記基板の上方に配設された振動電極膜と、空隙を隔てて前記振動電極膜の上方に配設された固定電極膜とを備えた音響トランスデューサにおいて、前記空洞の周囲において、前記基板の上面と前記振動電極膜の下面との間に隙間が形成され、前記基板上面と前記振動電極膜下面が向かい合った前記隙間において、前記隙間のうち一部分は、前記隙間の他の部分よりも狭くなっており、前記隙間の狭い一部分が線状に延びていることを特徴とする。ここで、線状に延びた部分は、直線状に延びている場合に限らず、湾曲又は屈曲していてもよい。また、１方向に限らず、２方向以上に分岐して延びていても差し支えない。

本発明の音響トランスデューサにあっては、基板上面と振動電極膜下面が向かい合った隙間において、その線状に延びた部分で、前記隙間の間隔が、前記隙間のうちの残りの部分よりも狭くなっているので、前記隙間のうち間隔が狭くなった部分で音響抵抗を大きくすることができ、低音域における感度の低下を抑制できる。また、残りの部分では前記隙間の間隔が広くなっているので、ノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。よって、本発明の音響トランスデューサによれば、Ｓ／Ｎ比が高くて、かつ、周波数特性の良好な音響トランスデューサを作製することができる。

前記音響トランスデューサにおいて、音響抵抗を大きくするためには、前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔が狭くなった部分は、前記振動電極膜の端縁と直交する方向以外の方向へ延びていることが望ましい。特に、前記基板上面と前記振動電極膜下面との間に形成された隙間の間隔が狭くなった部分が、前記振動電極膜の端縁と平行な方向へ延びていれば、音響抵抗を大きくして周波数特性を良好にするのに大きな効果がある。

本発明の音響トランスデューサにおけるある実施態様は、前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔よりも、前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする。かかる実施態様によれば、振動電極膜の前記基板と向かい合う部分を変形させればよいので、振動電極膜の加工が容易になる。

本発明の音響トランスデューサにおける別な実施態様は、前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が湾曲していることを特徴とする。かかる実施態様によれば振動電極膜の内部応力を制御することにより容易に振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分を変形させることでき、音響トランスデューサの製造が容易になる。

また、前記振動電極膜は、その端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が屈曲していてもよい。さらには、前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔および前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔よりも、前記空洞の上面開口の縁と前記振動電極膜の端縁との中間の位置における前記隙間の間隔の方が狭くなっていてもよい。

本発明に係る音響トランスデューサのさらに別な実施態様では、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の下面にストッパを突設し、前記ストッパの突出長さを、前記ストッパの基端と前記振動電極膜の最下端との高低差よりも大きくしている。かかる実施態様によれば、ストッパが基板に衝突することで振動電極膜に接触するのを防ぐことができ、振動電極膜が基板にくっついて離れなくなるのを防ぐことができる。

本発明に係る音響トランスデューサのさらに別な実施態様では、前記基板上面の前記振動電極膜と向かい合う領域において、前記基板の上面に凸部を設け、前記凸部によって前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔を狭めたことを特徴とする。かかる実施態様によれば、基板の上面に凸部を設けるだけでよいので、設計及び製造上の自由度が高くなる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１は、従来の音響センサの一部分を示す断面図である。図２Ａは、図１に示す音響センサにおいて、ダイアフラムの位置を上方へ移動させた状態を示す断面図である。図２Ｂは、図１に示す音響センサにおいて、ダイアフラムの端縁を中心方向へ引っ込めた状態を示す断面図である。図３は、音響センサの感度と周波数との関係（周波数特性）を示す図である。図４は、図１のような音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数との関係を表した図である。図５Ａは、別な従来の音響センサの一部を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａの音響センサに用いられているダイアフラムの一部を破断した斜視図である。図６は、本発明の実施形態１による音響センサの平面図である。図７は、図６のＸ−Ｘ線断面図である。図８は、シリコン基板の上面に形成されたダイアフラムを示す平面図である。図９は、シリコン基板の上面に形成されたダイアフラムの梁部近傍を示す一部を破断した斜視図である。図１０は、図７におけるベントホールの近傍を拡大して示す断面図である。図１１は、音響センサの周波数特性を示す図である。図１２は、音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数との関係を表した図である。図１３は、パッケージ内容積と周波数特性との関係を表した図である。図１４は、パッケージ内容積の定義を説明するための図である。図１５は、比較例の断面図である。図１６は、本発明の実施形態１の変形例による音響センサの一部を示す断面図である。図１７は、図１６に示す変形例に用いられているダイアフラムの一部を示す斜視図である。図１８は、本発明の実施形態１の別な変形例による音響センサの一部を示す断面図である。図１９は、本発明の実施形態１のさらに別な変形例による音響センサの一部を示す断面図である。図２０Ａは、本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す断面図である。図２０Ｂは、図２０Ａに示す音響センサのダイアフラムの縁部を拡大した断面図である。図２１は、図２０Ａに示す音響センサに用いられているダイアフラムの一部を示す斜視図である。図２２は、本発明の実施形態３による音響センサの一部を示す断面図である。図２３は、本発明の実施形態３の別な形態を示す断面図である。図２４は、本発明の実施形態４であって、シリコン基板の上面に設けられたダイアフラムを示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。以下においては、音響センサを例にとって説明するが、本発明は音響センサに限るものでなく、ＭＥＭＳ技術を利用して製造されるスピーカなどにも適用することができる。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（実施形態１）
図６及び図７を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１の構造を説明する。図６は本発明の実施形態１の音響センサ３１を示す平面図である。図７は、図６のＸ−Ｘ線断面図である。図８は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３の形状を表した平面図である。図９は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３の一部を示す斜視図である。

この音響センサ３１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型センサである。音響センサ３１においては、図７に示すように、シリコン基板３２（基板）の上面にダイアフラム３３（振動電極膜）が形成されており、微小なエアギャップ（空隙）を介してダイアフラム３３の上方にバックプレート３４が設けられている。

単結晶シリコンからなるシリコン基板３２には、表面から裏面に貫通したチャンバ３５（空洞）が開口されている。このチャンバ３５は、音響センサ３１の使用形態によって、バックチャンバとなり、あるいはフロントチャンバとなるものである。チャンバ３５は壁面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。

ダイアフラム３３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されている。ダイアフラム３３は、図８に示すように、略矩形状に形成されていて、そのコーナーからはそれぞれ対角方向へ向けて水平に梁部３６が延出している。ダイアフラム３３は、チャンバ３５の上面を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置され、図９に示すように梁部３６の下面がアンカー３８により支持されている。よって、ダイアフラム３３は、シリコン基板３２の上面から浮かせた状態でシリコン基板３２の上面に配置されている。

チャンバ３５の周囲においてダイアフラム３３の下面とシリコン基板３２の上面との間には、音響振動又は空気を通過させるための高さ方向に狭い隙間、すなわちベントホール３７が形成されている。ベントホール３７は、梁部３６と梁部３６の間において、ダイアフラム３３がシリコン基板３２の上面（チャンバ３５の周囲）と向かい合っている部分（以下、この部分をダイアフラム３３の縁部という。）に沿って形成されている。ダイアフラム３３の各縁部の下のベントホール３７は幅方向（チャンバ３５の上面開口の縁と直交する方向）に短く、長さ方向（チャンバ３５の上面開口の縁と平行な方向）に長くなっている。

図７及び図９に示すように、ダイアフラム３３の縁部、すなわち梁部３６と梁部３６の間に位置する縁部は、その縁部の端（以下、ダイアフラム３３の縁部のうち最も外側の端を、ダイアフラム３３の端縁という。）がシリコン基板３２の上面に向かって近づくように円弧状に湾曲しており、この湾曲部分が変形部分４２となっている。よって、各辺のベントホール３７のほぼ全長にわたって変形部分４２が形成されている。

図１０は、図７におけるベントホール３７が形成された部分を拡大した図である。ダイアフラム３３の変形部分４２が上面側で膨らむように湾曲しているので、前記シリコン基板３２とダイアフラム３３との間の隙間が他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分、すなわち変形部分４２の下に位置するベントホール３７の外周部分の隙間３７ｂの高さは、ベントホール３７の前記他の部分、すなわちダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな部分の下に位置するベントホール３７の内周部分の隙間３７ａの高さよりも小さくなっている。特に、ベントホール３７の高さ、すなわちダイアフラム３３の下面とシリコン基板３２の上面との間の間隔は、チャンバ３５の上面開口の縁におけるベントホール３７の高さｈ２よりも、ダイアフラム３３の端縁におけるベントホール３７の高さｈ１の方が小さくなっている。なお、ダイアフラム３３のほぼフラットな領域の下に位置する内周部分の隙間３７ａのようにベントホール３７の高さが大きな領域は、湾曲した外周部分の隙間３７ｂのようにベントホール３７の高さが小さい領域よりも十分に広く面積を有していることが望ましい。

ダイアフラム３３の縁部を上記のように湾曲させるためには、ダイアフラム３３の厚み方向における応力勾配を制御すればよい。すなわち、音響センサの従来の製造工程において、シリコン基板３２の上面に犠牲層（図示せず）を成膜し、その上にポリシリコンによってダイアフラム３３を成膜した後、ダイアフラム３３の全面にＰ（燐）やＢ（ホウ素）などのイオンを注入し、アニールを行う。このような製造工程で音響センサ３１を作製すると、たとえばイオン注入及びアニール工程によってダイアフラム３３の厚み方向に内部応力の勾配を発生させることができる。このとき、ダイアフラム３３の上面側よりも下面側の方が、より強い引張応力が発生すると、ダイアフラム３３の縁部が上面側で膨らむように湾曲して変形部分４２となる。変形部分４２以外の領域でもダイアフラム３３を湾曲させるように内部応力が発生するが、ダイアフラム３３の四隅はアンカー３８に固定されているので、ダイアフラム３３の変形部分４２以外の領域はピンと張られていてほぼ平らに保たれる。

ダイアフラム３３の内部においては、ダイアフラム３３の上面よりも下面の方がより強い引張応力を持つようにして、ダイアフラム３３の厚み方向で１０ＭＰａ／μｍ以上の応力勾配を生じさせることが望ましい。応力勾配がこれよりも小さいと、ダイアフラム３３の縁部を十分に湾曲させることができないからである。

なお、ダイアフラム３３の縁部は、図８や図９に示すようにベントホール３７の長さ方向に沿って滑らかに延びていなくてもよい。ダイアフラム３３の縁部が、ベントホール３７の長さ方向に沿って規則的に、あるいは不規則に波打っていてもよく、また撓んでいても差し支えない。

バックプレート３４は、ＳｉＮからなる保護膜３９の下面にポリシリコンからなる固定電極膜４０を設けたものである。図６及び図７に示すように、保護膜３９は、略矩形ドーム状に形成されている。保護膜３９の下面には空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム３３を覆っている。固定電極膜４０は、ダイアフラム３３と対向するように設けられている。

バックプレート３４の下面（すなわち、固定電極膜４０の下面）とダイアフラム３３の上面との間には微小なエアギャップ（空隙）が形成されている。固定電極膜４０とダイアフラム３３は互いに対向しており、音響振動を検知して電気信号に変換するためのキャパシタを構成している。

バックプレート３４のほぼ全体には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール４１（音響孔）が多数穿孔されている。図６に示すように、アコースティックホール４１は規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール４１は、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。

図７に示すように、バックプレート３４の下面には、円柱状をした微小なストッパ４３が突出している。ストッパ４３は、ダイアフラム３３がバックプレート３４にスティック（固着）するのを防ぐために設けられており、保護膜３９の下面から一体に突出しており、固定電極膜４０を通過してバックプレート３４の下面に突出している。ストッパ４３は保護膜３９と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。

また、図６に示すように、音響センサ３１の上面には、ダイアフラム３３と電気的に導通した電極パッド４４と、固定電極膜４０と電気的に導通した電極パッド４５が設けられている。

上記のように構成された音響センサ３１においては、音響振動がアコースティックホール４１を通過してバックプレート３４とダイアフラム３３との間のエアギャップに入ると、薄膜であるダイアフラム３３が音響振動によって振動する。ダイアフラム３３が振動してダイアフラム３３と固定電極膜４０との間のギャップ距離が変化すると、ダイアフラム３３と固定電極膜４０との間の静電容量が変化する。この結果、この音響センサ３１においては、ダイアフラム３３が感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム３３と固定電極膜４０の間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。

この音響センサ３１においては、図１０に示すように、ベントホール３７の高さが、ベントホール３７の一部分、すなわちこの実施形態ではベントホール３７のうち外周側の部分（以下においては外周部分の隙間３７ｂということがある。）で小さく、ベントホール３７のうち外周部分の隙間３７ｂよりも内周側に位置する残りの部分（以下においては内周部分の隙間３７ａということがある。）で大きくなっている。そのため、ベントホール３７の一部領域で音響抵抗が大きく、ベントホール３７の残る領域で音響抵抗が小さくなっている。ベントホール３７の全体としての音響抵抗は、一部領域における抵抗値の大きな音響抵抗と残る領域における抵抗値の小さな音響抵抗とが直列に接続されたものと等価であるから、ベントホール３７の全体としての音響抵抗は抵抗値の大きな音響抵抗によって決まる。その結果、音響センサ３１においては、外周部分の隙間３７ｂにおけるベントホール３７の高さを小さくすることで全体としての音響抵抗を大きくすることができ、音響センサ３１の低音域における周波数特性をよりフラットにすることができる。

ダイアフラムの位置を上方へ移動させてベントホールの高さを大きくした場合、平らなダイアフラムの場合では、ベントホールにおけるノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる反面、図１１に実線で示す周波数特性のように低音域において感度が低下し、周波数特性のフラットな領域が低音域側で狭くなる（前記図３の説明を参照）。

これに対し、実施形態１の音響センサ３１では、ダイアフラム３３全体の位置を上方へ移動させた場合、内周部分の隙間３７ａではベントホール３７の高さが高くなるので、フィルムダンピング効果を抑制し、音響センサ３１のノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、外周部分の隙間３７ｂで音響抵抗が大きくなる結果、ベントホール３７の全体としての音響抵抗も大きくなり、ダイアフラム３３の表裏間で十分な音圧差を生じさせることができる。そのため、図１１に破線で示すように低音域における感度が向上し、低音域においても周波数特性をフラットにすることができる。よって、実施形態１によれば、低ノイズで、かつ、周波数特性も良好な音響センサ３１を作製することができる。

また、図１２に示すＳ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係図を用いて説明することもできる。図１２に示す実線のカーブａは、平らなダイアフラムを有する一般的な音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係であって、図４に示したカーブと同じものである。このダイアフラムの上下方向の位置を変化させないで、その端縁だけを下方へ向けて湾曲させると、ダイアフラムの端縁とシリコン基板の上面との距離が小さくなるので、ベントホールにおける音響抵抗が大きくなる。その結果、Ｓ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係は、図１２に示す細破線のカーブｂのようになる。すなわち、このときのカーブｂは、実線のカーブａの低音域部分を低周波数側へ水平に平行移動させたものに近くなり、ロールオフ周波数がδだけ小さくなる。さらに、端縁を下方へ向けて湾曲させたダイアフラムを上方へ移動させると、ノイズが小さくなってＳ／Ｎ比が向上する。すなわち、Ｓ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係は、カーブｂが上方へ平行移動したようになり、図１２に示す太破線のカーブｃのようになる。ダイアフラムを上方へ移動させたことによってロールオフ周波数が多少大きくなったとしても、ダイアフラムの端縁を曲げたことによるロールオフ周波数の減少の方が勝っている。よって、ダイアフラムを上方へ移動させるとともに、ダイアフラムの端縁を下方へ湾曲させることにより、元の平らなダイアフラムを用いていた場合と比較して、Ｓ／Ｎ比を高くすると同時に低音域における周波数特性を元の周波数特性と同等、もしくはよりフラットに近づけることが可能になる。

図１３は、パッケージ内容積と周波数特性との関係を表した図である。ここでパッケージ内容積とは、音響センサを信号処理回路などとともにパッケージ内に納めたときの、パッケージ内の空間のうち音響センサや信号処理回路などによって占められていない部分の容積を指す。例えば、図１４では、パッケージ４６内に音響センサ３１と信号処理回路４７を納め、パッケージ４６内の底面に実装している。また、音響センサ３１はパッケージ４６の音導入孔４８にチャンバ３５を連通させてあり、チャンバ３５がフロントチャンバとなっている。このパッケージ４６内の空間のうちで音響センサ３１及び信号処理回路４７の外側の領域（図１４においてドット状のパターンを描いた領域）はバックチャンバ４９となっており、このドット状パターンを描いた領域の容積がパッケージ内容積である。パッケージが大きくなればパッケージ内容積も大きくなり、パッケージの大きさが同じであっても音響センサや信号処理回路が大きくなればパッケージ内容量は小さくなる。

図１３は、パッケージ内容量が０.６ｍｍ^３、２.５ｍｍ^３、５ｍｍ^３の場合のそれぞれの周波数特性を表している。図１３から分かるように、音響センサ３１をパッケージ内に納めた場合には、パッケージ内容積が小さくなるほど低音域における感度の低下が著しくなる。従って、音響センサの小型パッケージ化が進むにつれてノイズを大きくすることなく周波数特性の悪化を抑制することが重要になるので、本発明の必要性が高くなる。

図１５は、比較例の断面図を表わしている。この比較例では、ダイアフラム３３の全体をシリコン基板３２の上面に近づけ、ダイアフラム３３の縁部を下面側へ膨らむように湾曲させ、ダイアフラム３３の端縁がシリコン基板３２の上面から離れるようにしている。このような比較例の場合には、音響抵抗を高くするためにダイアフラム３３をシリコン基板３２の上面に近づけると、ベントホール３７の大半の領域でベントホール３７の高さが小さくなり、ノイズが増加する。よって、比較例の場合には、低ノイズ化と良好な周波数特性を両立させることは困難である。従って、変形部分４２を湾曲によって形成する場合には、ダイアフラム３３の端縁をシリコン基板３２の上面側へ向けて湾曲させることが重要である。

つぎに、実施形態１においてダイアフラムの縁部と基板上面との間の距離を一部分で狭くする構造としては、上記のようにダイアフラムの縁部を円弧状に湾曲させる以外にも種々の形態が可能である。

図１６及び図１７に示す変形例では、ダイアフラム３３の縁部に沿って当該縁部の先端部分を基板上面へ向けて略直角に屈曲させている。この変形例では、略直角に屈曲させた変形部分４２で、変形部分４２の先端と基板上面との距離が短くなっている。すなわち、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。このような形状であれば、ベントホール３７の大部分でベントホール３７の高さを大きくし、変形部分４２の狭い箇所だけでベントホール３７の高さを小さくすることができるので、ノイズを低減しながら低音域における感度の低下を小さくする効果が顕著になる。

また、図１８に示す変形例は、ダイアフラム３３の端縁をステップ状に屈曲させて変形部分４２を形成したものである。この変形例でも、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。この変形例では、図１６及び図１７の変形例に比べて音響抵抗を大きくできる。

また、図１９は、ダイアフラム３３の端縁近傍を袋状に屈曲させて変形部分４２を形成したものである。この変形例でも、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。この変形例では、チャンバ３５の上面開口の縁におけるベントホール３７の高さと、ダイアフラム３３の端縁におけるベントホール３７高さが大きく、チャンバ３５の上面開口の縁とダイアフラム３３の端縁との中間部分においてベントホール３７の高さが小さくなっている。

上記のような各変形例においても、上記実施形態１の音響センサ３１と同様な作用効果を得ることができる。

なお、上記変形部分４２は必ずしもダイアフラム３３の端縁と平行に延びていなくてもよく、ダイアフラム３３の端縁に対して傾いた方向へ延びていてもよい。ただし、変形部分４２がダイアフラム３３の端縁と直交する方向に延びていると音響抵抗を大きくできないので、変形部分４２はダイアフラム３３の端縁と直交しない方向に延びていることが望ましい。

また、変形部分４２は直線状に延びている必要はなく、湾曲するように延びていたり、屈曲しながら延びていたりしてもよく、延びる方向が分岐していても差し支えない。

（実施形態２）
図２０Ａは本発明の実施形態２による音響センサ５１の一部を示す断面図である。また、図２０Ｂはベントホール３７の部分を拡大した断面図である。図２１は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３のコーナー部分を拡大して示す斜視図である。この音響センサ５１では、ダイアフラム３３の縁部下面に、ダイアフラム３３がシリコン基板３２の上面にくっついて固着するのを防ぐための柱状をしたストッパ５２を適宜間隔で突出させている。音響センサ５１のその他の構成は、実施形態１の音響センサ３１とほぼ同一であるので、同一構成部分には実施形態１と同じ符号を付して説明を省略する。

ダイアフラム３３の縁部下面に突出させたストッパ５２のうちダイアフラム３３の端縁に近いストッパ５２では、ストッパ５２の突出長さｈ４が、そのストッパ５２の基端とダイアフラム３３の最下端（端縁）との高低差ｈ３よりも大きくなっている。この条件を満たすようにストッパ５２を形成することにより、ダイアフラム３３の最下端がシリコン基板３２の上面にくっついて固着するのを防ぐことができる。

（実施形態３）
図２２は本発明の実施形態３による音響センサ６１の一部を示す断面図である。この音響センサ６１では、全体が平らな縁部を有するダイアフラム３３を用いている。一方、ダイアフラム３３の端縁と対向する位置において、シリコン基板３２の上面には凸部６２が形成されている。この凸部６２はベントホール３７の長さ方向に沿って、あるいはダイアフラム３３の端縁と平行な方向に沿って延びている。この実施形態では、凸部６２を設けた位置においてベントホール３７の高さが他よりも小さくなっている。すなわち、凸部６２の上面とダイアフラム３３の下面との間の隙間３７ｅが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、シリコン基板３２上面の、凸部６２が形成されている領域以外の領域とダイアフラム３３との間の隙間３７ｆが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。従って、凸部６２において音響抵抗を大きくして低音域における感度低下を防ぐと同時に、凸部６２の設けられていない箇所でベントホール３７の高さを大きくしてノイズを低減している。

また、凸部６２は、図２３に示す音響センサ６３のように、チャンバ３５の上面開口と接する側の端に設けてもよい。あるいは、ダイアフラム３３の端縁側の端とチャンバ３５の上面開口と接する側の端の中間に凸部６２を設けてもよい。

（実施形態４）
図２４は、本発明の実施形態４であって、シリコン基板３２の上面に設けられたダイアフラム３３を示す。この実施形態では、たとえば図１９に示したような断面形状の変形部分４２が、ダイアフラム３３の端縁に対して傾いた方向に延びている。

なお、本発明はＭＥＭＳスピーカにも適用することができる。スピーカと音響センサ（マイクロフォン）とは信号の変換方向が反対になるが、スピーカと音響センサの基本的な構成はほぼ同じであるので、スピーカーについては説明を省略する。

３１、５１、６１、６３音響センサ
３２シリコン基板
３３ダイアフラム
３５チャンバ
３７ベントホール
３７ａ内周部分の隙間（隙間の他の部分）
３７ｂ外周部分の隙間（隙間の一部分）
３７ｃ、３７ｅ隙間（隙間の一部分）
３７ｄ、３７ｆ隙間（隙間の他の部分）
４０固定電極膜
４２変形部分
５２ストッパ

Claims

上面で開口した空洞を有する基板と、
前記空洞を覆うようにして前記基板の上方に配設された振動電極膜と、
空隙を隔てて前記振動電極膜の上方に配設された固定電極膜とを備えた音響トランスデューサにおいて、
前記空洞の周囲において、前記基板の上面と前記振動電極膜の下面との間に隙間が形成され、
前記基板上面と前記振動電極膜下面が向かい合った前記隙間において、前記隙間のうち一部分は、前記隙間の他の部分よりも狭くなっており、前記隙間の狭い一部分が線状に延びていることを特徴とする音響トランスデューサ。
前記隙間の間隔が狭くなった前記部分は、前記振動電極膜の端縁と直交する方向以外の方向へ延びていることを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
前記隙間の間隔が狭くなった前記部分は、前記振動電極膜の端縁と平行な方向へ延びていることを特徴とする、請求項２に記載の音響トランスデューサ。
前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔よりも、前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が湾曲していることを特徴とする、請求項４に記載の音響トランスデューサ。
前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が屈曲していることを特徴とする、請求項４に記載の音響トランスデューサ。
前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔および前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔よりも、前記空洞の上面開口の縁と前記振動電極膜の端縁との中間の位置における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の下面にストッパを突設し、前記ストッパの突出長さを、前記ストッパの基端と前記振動電極膜の最下端との高低差よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
前記基板上面の前記振動電極膜と向かい合う領域において、前記基板の上面に凸部を設け、前記凸部によって前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔を狭めたことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。