JP6252767B2

JP6252767B2 - 静電容量型トランスデューサ

Info

Publication number: JP6252767B2
Application number: JP2014052134A
Authority: JP
Inventors: 晃宏奥川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: DE102015202697A1; CN104918169A; US9351082B2; CN104918169B; US20150264464A1; JP2015177336A

Description

本発明は静電容量型トランスデューサに関する。具体的に言うと、本発明は、可動電極（ダイアフラム）と固定電極からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型トランスデューサに関する。

近年、マイクロフォンは、小さな音圧から大きな音圧までの音を高感度で検出することが求められている。一般に、マイクロフォンは、高調波歪み率を小さくすることができれば、最大入力音圧を大きくでき、その検出音圧域（以下、ダイナミックレンジという。）を広くすることができる。しかし、一般的なマイクロフォンでは、音響振動の検出感度向上と高調波歪み率の低減とがトレードオフの関係にあり、小音量（小音圧）から大音量（大音圧）の音まで広いダイナミックレンジを持たせることが困難である。

このような背景のもとで、マイクロフォンのダイナミックレンジを広くする方法として、ダイアフラムを２つに分割し、小音量・高感度用のセンシング部と大音量・低感度用のセンシング部とを構成したマイクロフォンが、特許文献１に開示されている。

図１（Ａ）は、特許文献１に開示されたマイクロフォンに用いられる音響センサ１１の構造を示す概略図である。この音響センサ１１では、ダイアフラムがスリット１７によって２つに分割されており、一方のダイアフラム（第１ダイアフラム１２ａ）は比較的大きな面積を有し、他方のダイアフラム（第２ダイアフラム１２ｂ）は比較的小さな面積を有している。第１ダイアフラム１２ａ及び第２ダイアフラム１２ｂには、空隙を隔てて固定電極１３が対向しており、固定電極１３はバックプレート１４によって保持されている。この音響センサ１１では、第１ダイアフラム１２ａ及びそれと対向する固定電極１３によって小音量・高感度の第１センシング部１５ａが構成され、第２ダイアフラム１２ｂ及びそれと対向する固定電極１３によって大音量・低感度の第２センシング部１５ｂが構成されている。そして、音響センサ１１からの出力を、音量に応じて第１センシング部１５ａからの出力と、第２センシング部１５ｂからの出力とに切り替えるようにし、マイクロフォンのダイナミックレンジを広くしている。

特許第５２５２１０４号公報

静電容量型の音響センサでは、ダイアフラムが大きく撓んでバックプレートに接触したとき、ダイアフラムがバックプレートに固着して戻らなくなることがある（このような現象をスティックと呼ぶ。）。ダイアフラムが大きく撓んでスティックを起こす場合としては、たとえばダイアフラムに大音響が加わった場合、落下耐久試験において落下させた音響トランスデューサのダイアフラムに大きな圧縮空気圧（風圧）が加わった場合、音響センサに強く息を吹き込んだ場合がある。

ダイアフラムがバックプレートにスティックすると、ダイアフラムの振動が妨げられるので、音響センサによって音響振動を検出することができなくなる。そのため、図１（Ａ）の音響センサ１１では、均一な突出長を有する多数のストッパ１６をバックプレート１４に突設し、ストッパ１６によってダイアフラム１２ａ、１２ｂのスティックを防いでいる。

しかし、ストッパ１６の長さ（突出長）は、ダイアフラム１２ａ、１２ｂの破損しにくさ（破損耐性）とスティックの起こりにくさ（スティック耐性）に影響する。この点を図１（Ｂ）と図１（Ｃ）により説明する。

ストッパ１６が短い場合には、図１（Ｂ）に示すように、非変位時のダイアフラム１２ａ、１２ｂとストッパ１６の間隔が広くなるので、ダイアフラム１２ａ、１２ｂが大きく変位できるようになる。また、同じ圧力が加わった場合には、第２ダイアフラム１２ｂは第１ダイアフラム１２ａよりも大きく変位する。そのため、第１ダイアフラム１２ａはストッパ１６に当たりやすいが、ストッパ１６に当っても、そのときの弾性復元力が大きく、第１ダイアフラム１２ａはストッパ１６から剥がれやすい（スティックしにくい）。これに対し、第２ダイアフラム１２ｂは、面積が比較的小さくて剛性が高いので、通常は大きく変位しない。しかし、上記のように落下耐久試験などによって大きな圧力負荷が加わった場合には、大きく変位する。このとき、ストッパ１６が短いと、第２ダイアフラム１２ｂとストッパ１６の間隔が広くなるので、第２ダイアフラム１２ｂがストッパ１６に当って変位が止められるまでに大きく変形して撓み、第２ダイアフラム１２ｂが破損しやすくなる。

ストッパ１６が長い場合には、図１（Ｃ）に示すように、非変位時のダイアフラム１２ａ、１２ｂとストッパ１６の間隔が狭くなるので、ダイアフラム１２ａ、１２ｂの変位がストッパ１６によって抑制される。そのため、第２ダイアフラム１２ｂに大きな圧力負荷が加わっても第２ダイアフラム１２ｂが大きく変位することはなく、第２ダイアフラム１２ｂが大きく撓みにくくなって破損しにくくなる。これに対し、ストッパ１６が長い場合には、第１ダイアフラム１２ａとストッパ１６の間隔が狭くなるので、第１ダイアフラム１２ａがストッパ１６に当たっているときの弾性復元力が小さくなり、第１ダイアフラム１２ａがストッパ１６から剥がれにくくなってスティックしやすくなる。

従って、従来のようなストッパ構造では、スティック耐性を高くしたいという要求と、ダイアフラムの破損耐性を高めたいという要求とがトレードオフの関係にあり、スティック耐性と破損耐性をともに満足させることができなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、複数のセンシング部を有する静電容量型トランスデューサにおいて、スティック耐性を高くしたいという要求とダイアフラムの破損耐性を高めたいという要求とを両立させることの可能な静電容量型トランスデューサを提供することにある。

本発明に係る静電容量型トランスデューサは、固定電極を有するバックプレートと、前記バックプレートと空隙を介して対向する、可動電極としてのダイアフラムと、前記バックプレートの前記空隙側の面と前記ダイアフラムの前記空隙側の面のうち少なくとも一方の面から突出した、第１の突出長を有する第１のストッパと、第２の突出長を有する第２のストッパとを少なくとも備え、前記ダイアフラムと前記固定電極のうち少なくとも一方が、少なくとも第１の面積を有する第１の領域と第２の面積を有する第２の領域とに分割されていて、前記第１の領域に前記ダイアフラム及び前記固定電極からなる第１のセンシング部が構成され、前記第２の領域に前記ダイアフラム及び前記固定電極からなる第２のセンシング部が構成され、前記第１のストッパは前記第１のセンシング部に設けられ、前記第２のストッパは前記第２のセンシング部に設けられ、前記第１の領域の前記第１の面積が前記第２の領域の前記第２の面積よりも大きく、前記第１のストッパの突出長は前記第２のストッパの突出長よりも短いことを特徴としている。

本発明に係る静電容量型トランスデューサによれば、第１のセンシング部における分割された領域の面積、すなわち第１の領域の面積が、第２のセンシング部における分割された領域の面積、すなわち第２の領域の面積よりも大きく、第１のセンシングに設けられた第１のストッパの突出長が第２のセンシング部に設けられた第２のストッパの突出長よりも短くなっている。従って、面積が大きくてダイアフラムがスティックしやすい第１の領域では、第１のストッパの最大突出長が比較的短くなっている。そのため、この領域では、第１のストッパに当たった状態におけるダイアフラムの変位が大きくてその弾性復帰力も大きくなり、ダイアフラムが第１のストッパにスティックしにくくなる。また、面積が小さくてダイアフラムが破損しやすい第２の領域では、第２のストッパの最大突出長が比較的長くなっている。そのため、この領域では、ダイアフラムに高負荷が加わった場合でも第２のストッパによってダイアフラムの変位を小さく抑えることができ、ダイアフラムに生じる内部応力や応力集中を小さくできるので、ダイアフラムが破損しにくくなる。この結果、ダイアフラムのスティックが起きやすい領域でスティックを防止することができ、ダイアフラムの破損が生じやすい領域でダイアフラムの破損を防止することができるので、全体としてスティック耐性と破損耐性に優れた静電容量型トランスデューサを作製することが可能になる。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのある実施態様は、前記固定電極が、前記第１のセンシング部において前記ダイアフラムと対向する領域と前記第２のセンシング部において前記ダイアフラムと対向する領域とが１つの平面を構成している、ことを特徴としている。

本発明に係る静電容量型トランスデューサの別な実施態様は、前記第２のストッパの突出長のうち最も大きい突出長が、前記第１のストッパの突出長のうち最も大きい突出長よりも長いことを特徴としている。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第２のストッパの突出長のうち最も小さい突出長が、前記第１のストッパの突出長のうち最も小さい突出長よりも長いことを特徴としている。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第１のセンシング部において、前記第１のストッパが、前記ダイアフラムの変位が大きな領域又は前記変位の大きな領域に対向する領域で短く、前記ダイアフラムの変位が小さな領域又は前記変位が小さな領域に対向する領域で長くなっていることを特徴としている。

また、上記実施態様においては、前記第１のセンシング部において前記第１のストッパを含む複数のストッパが前記バックプレートから突出しており、前記第１のセンシング部において、前記複数のストッパの先端が、前記ダイアフラムのある変形状態における前記ダイアフラムの形状に沿って並ぶように、前記ストッパの突出長が選ばれていてもよい。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第２のセンシング部において、前記第２のストッパは、前記ダイアフラムの変位が大きな領域又は前記変位の大きな領域に対向する領域で短く、前記ダイアフラムの変位が小さな領域又は前記変位が小さな領域に対向する領域で長くなっていることを特徴としている。

また、上記実施態様においては、前記第２のセンシング部において前記第２のストッパを含む複数のストッパが前記バックプレートから突出しており、前記第２のセンシング部において、前記複数のストッパの先端が、前記ダイアフラムのある変形状態における前記ダイアフラムの形状に沿って並ぶように、前記ストッパの突出長が選ばれていてもよい。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第２のストッパが、前記第１のストッパよりも太いことを特徴としている。突出長の長いストッパを設けた場合には、ダイアフラムのストッパに接触する部分に応力が集中するが、そこのストッパを太くすることによってダイアフラムとの接触面積を大きくし、接触面における応力を分散させることが可能になる。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第１のストッパ及び前記第２のストッパを含む複数のストッパを備え、前記第２のストッパの近傍におけるストッパの数密度は、前記第１のストッパの近傍におけるストッパの数密度よりも大きいことを特徴としている。突出長の長いストッパを設けた場合には、ダイアフラムのストッパに接触する部分に応力が集中するが、そこのストッパの数密度を大きくすることによって接触面積を大きくし、接触面における応力を分散させることが可能になる。

本発明に係る静電容量型トランスデューサのさらに別な実施態様は、前記第１のストッパ及び前記第２のストッパが、前記バックプレートと同一材料により、前記バックプレートと同一工程で作製されていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、ストッパの作製が容易になり、ストッパの作製コストが増えることもない。

本発明に係る静電容量型トランスデューサは、前記バックプレートに音響振動を通過させるためのアコースティックホールを開口しておくことにより音響センサとして用いることができる。また、本発明に係る音響センサは、回路部とともにマイクロフォンとして用いることができる。

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。

本発明によれば、面積の異なる複数のセンシング部によって構成された静電容量型トランスデューサにおいて、ダイアフラムに高負荷が加わった場合でも、ダイアフラムがストッパにスティクしにくくなり、スティック耐性が向上する。さらに、ダイアフラムに高負荷が加わった場合に、ダイアフラムに大きな応力が集中するのを防ぐことができ、静電容量型トランスデューサの破損耐性を向上させることができる。

図１（Ａ）は、従来の音響センサの概略断面図である。図１（Ｂ）は、ストッパの長さが短い音響センサの不具合を説明する概略断面図である。図１（Ｃ）は、ストッパの長さが長い音響センサの不具合を説明する概略断面図である。図２は、本発明の実施形態１による音響センサの分解斜視図である。図３は、図２に示す音響センサの平面図である。図４は、図２に示す音響センサの概略断面図である。図５は、図３に示す音響センサからバックプレートを除いた状態を示す平面図である。図６は、実施形態１の音響センサの作用効果を説明するための図である。図７（Ａ）は、第２音響センシング部におけるストッパの突出長を変化させたときの第２ダイアフラムの最大応力（比）の変化を示す図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示された最大応力の比をグラフで表したものである。図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、実施形態１による音響センサの製造工程を示す断面図である。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、図８（Ｄ）の続図である。図１０は、本発明の実施形態１の変形例を示す概略断面図である。図１１は、本発明の実施形態１の別な変形例を説明する平面図である。図１２は、本発明の実施形態２による音響センサを示す概略断面図である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、実施形態２による音響センサの作用効果を説明するための概略図である。図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、本発明の実施形態３による音響センサを示す概略断面図である。図１５は、第１及び第２ダイアフラムの変位量の分布を示す図である。図１６（Ａ）は、本発明の実施形態４による音響センサを示す概略断面図である。図１（Ｂ）は、図１６（Ａ）の一部を拡大して示す図である。図１６（Ｃ）は、比較例の一部を拡大して示す図である。図１７は、本発明の実施形態５に係る音響センサを示す平面図である。図１８は、図１７の音響センサの断面図である。図１９（Ａ）は、図１７の音響センサにおいてバックプレートの下面に設けられた固定電極板を示す平面図である。図１９（Ｂ）は、図１７の音響センサに用いられるダイアフラムの平面図である。図２０は、本発明に係る音響センサを内蔵したボトムポート型のマイクロフォンを示す概略断面図である。

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。但し、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）
以下、図２−５を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図２は、本発明の実施形態１による静電容量型トランスデューサ、すなわち音響センサ３１を示す分解斜視図である。図３は、音響センサ３１の平面図である。図４は、音響センサ３１の概略断面図である。図５は、バックプレート３８を除いた音響センサ３１の平面図であって、基板３２の上方でダイアフラム３３（可動電極）と固定電極板３９（固定電極）が重なった様子を表している。

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素子である。図２及び図４に示すように、この音響センサ３１は、シリコン基板等の基板３２の上面にアンカー３６ａ、３６ｂを介してダイアフラム３３を設け、ダイアフラム３３の上方に微小なエアギャップ４０（空隙）を介して天蓋部３４を配し、天蓋部３４を基板３２の上面に固定したものである。

基板３２には、表面から裏面に貫通した空洞３５（フロントチャンバ、バックチャンバ）が開口されている。図示の空洞３５は、基板３２の上面に対して傾いた壁面を有しているが、基板３２の上面に垂直な壁面によって囲まれていてもよい。

ダイアフラム３３は、空洞３５の上方を覆うようにして基板３２の上に配置されている。図２及び図５に示すように、ダイアフラム３３は、略矩形状に形成されている。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てダイアフラム３３自体が可動電極となっている。ダイアフラム３３は、その短辺と平行な方向に延びたスリット３７によって第１ダイアフラム３３ａと第２ダイアフラム３３ｂに分割されている。第１ダイアフラム３３ａと第２ダイアフラム３３ｂはいずれも略矩形状となっているが、第１ダイアフラム３３ａは、第２ダイアフラム３３ｂより大きな面積を有している。

第１ダイアフラム３３ａは、基板３２の上面で、各コーナー部に設けられた脚片４６をアンカー３６ａによって支持されており、基板３２の上面から浮いている。第２ダイアフラム３３ｂは、基板３２の上面で、その両短辺をアンカー３６ｂによって支持されており、基板３２の上面から浮かせて支持されている。

ダイアフラム３３には、基板３２の上面に設けられた引出配線４９ａが接続される。さらに、基板３２の上面には、ダイアフラム３３を囲むようにして帯状の土台部４１が形成されている。アンカー３６ａ、３６ｂ及び土台部４１は、ＳｉＯ_２によって形成されている。

図４に示すように、天蓋部３４は、ＳｉＮからなるバックプレート３８の下面に導電性を有するポリシリコン薄膜からなる固定電極板３９を設けたものである。天蓋部３４は、ドーム状に形成されていてその下に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。固定電極板３９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４０（空隙）が形成されている。

固定電極板３９は、第１ダイアフラム３３ａと対向する第１固定電極板３９ａと、第２ダイアフラム３３ｂと対向する第２固定電極板３９ｂとに分割されていて、固定電極板３９ａ、３９ｂどうしは電気的に分離している。第１固定電極板３９ａは、第２固定電極板３９ｂよりも大きな面積を有している。第１固定電極板３９ａからは引出配線４９ｂが引き出されており、第２固定電極板３９ｂからは引出配線４９ｃが引き出されている。

エアギャップ４０を挟んで対向する第１ダイアフラム３３ａと第１固定電極板３９ａによってコンデンサ構造の第１音響センシング部４３ａが形成されている。また、エアギャップ４０を挟んで対向する第２ダイアフラム３３ｂと第２固定電極板３９ｂによってコンデンサ構造の第２音響センシング部４３ｂが形成されている。第１音響センシング部４３ａにおける第１ダイアフラム３３ａと第１固定電極板３９ａの間のギャップ距離と、第２音響センシング部４３ｂにおける第２ダイアフラム３３ｂと第２固定電極板３９ｂの間のギャップ距離は等しい。

バックプレート３８と固定電極板３９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４４（音響孔）が多数穿孔されている。図３及び図５に示すように、アコースティックホール４４は、両音響センシング部４３ａ、４３ｂにおいて、それぞれ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４４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４に示すように、第１音響センシング部４３ａでは、天蓋部３４の下面には、円柱状をした微小なストッパ４５ａが多数突出している。第２音響センシング部４３ｂでも、天蓋部３４の下面には、円柱状をした微小なストッパ４５ｂが多数突出している。各ストッパ４５ａ、４５ｂは、バックプレート３８の下面から一体に突出しており、第１及び第２固定電極板３９ａ、３９ｂを貫通している。ストッパ４５ａ、４５ｂは、バックプレート３８と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。このストッパ４５ａ、４５ｂは、各ダイアフラム３３ａ、３３ｂが各固定電極板３９ａ、３９ｂに固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。

第１ダイアフラム３３ａと対向するストッパ４５ａは、いずれも等しい突出長を有している。また、第２ダイアフラム３３ｂと対向するストッパ４５ｂも、いずれも等しい突出長を有しているが、ストッパ４５ｂはストッパ４５ａよりも突出長が長くなっている。また、この実施形態では、第１ダイアフラム３３ａに対向するストッパ４５ａと、第２ダイアフラム３３ｂに対向するストッパ４５ｂとは、等しい太さを有しており、かつ、等しい密度（あるいは、等しいピッチ）で配列されている。

天蓋状をしたバックプレート３８の外周縁は基板３２の上面に広がっており、土台部４１はバックプレート３８によって覆われている。

バックプレート３８の外周部上面には、共通電極パッド４７、第１電極パッド４８ａ、第２電極パッド４８ｂ及び接地電極パッド５０が設けられている。ダイアフラム３３に接続された引出配線４９ａの他端は、共通電極パッド４７に接続されている。第１固定電極板３９ａから引き出された引出配線４９ｂは、第１電極パッド４８ａに接続され、第２固定電極板３９ｂから引き出された引出配線４９ｃは、第２電極パッド４８ｂに接続されている。また、接地電極パッド５０は、基板３２に接続されていて、接地電位に保たれる。

上記のような構造の音響センサ３１では、面積の大きな第１音響センシング部４３ａによって小音量・高感度のセンシング部が構成され、面積の小さな第２音響センシング部４３ｂによって大音量・低感度のセンシング部が構成されているので、音量に応じて音響センサ３１の出力を第１音響センシング部４３ａからの出力と第２音響センシング部４３ｂからの出力とに切り替えるようにすれば、音響センサ３１のダイナミックレンジを広くすることができる。しかも、同時に成膜されたダイアフラムを分割して第１ダイアフラム３３ａと第２ダイアフラム３３ｂを形成し、また同時に成膜された固定電極板を分割して第１固定電極板３９ａと第２固定電極板３９ｂを形成しているので、第１音響センシング部４３ａと第２音響センシング部４３ｂの検出感度や特性のばらつきを小さくすることができる。

さらに、音響センサ３１では、第１音響センシング部４３ａにおけるストッパ４５ａの突出長が短いので、図６に示すように、非変位時の第１ダイアフラム３３ａとストッパ４５ａの間隔が広くなっている。そのため、第１ダイアフラム３３ａがストッパ４５ａに接触しているときには、第１ダイアフラム３３ａは大きく変形している。その結果、第１ダイアフラム３３ａは、ストッパ４５ａに当っているときの弾性復元力が大きく、第１ダイアフラム３３ａはストッパ４５ａから剥がれやすい。すなわち、第１ダイアフラム３３ａはストッパ４５ａにスティックしにくく、音響センサ３１のスティック耐性が高くなる。

一方、第２音響センシング部４３ｂにおいては、ストッパ４５ｂの突出長が長いので、図６に示すように、非変位時の第２ダイアフラム３３ｂとストッパ４５ｂの間隔が狭くなっている。そのため、過大な音圧が加わったり落下耐久試験が行われたりして第２ダイアフラム３３ｂに大きな圧力負荷が加わった場合には、第２ダイアフラム３３ｂの変位がストッパ４５ｂによって抑制される。その結果、第２ダイアフラム３３ｂに大きな圧力負荷が加わっても第２ダイアフラム３３ｂが破損しにくくなり、音響センサ３１の破損耐性が高くなる。

こうして、音響センサ３１によれば、スティック耐性と破損耐性を高めることができ、両特性を両立させることが可能になる。

本実施形態の作用効果を確認するため、第２ダイアフラム３３ｂに２０ｋＰａの圧力を加えたときに発生する第２ダイアフラム３３ｂの最大応力をシミュレーションにより求めた。シミュレーション用のモデルは、ダイアフラム３３ａ、３３ｂと固定電極板３９ａ、３９ｂとの間のギャップ距離が３.７μｍで、ストッパ４５ａの突出長が１.０μｍ、ストッパ４５ｂの突出長が１.０μｍ、２.０μｍ、２.５μｍ、または３.０μｍのものである。図７（Ａ）は、シミュレーションの結果を示しており、ストッパ４５ｂの突出長を１.０μｍ、２.０μｍ、２.５μｍ、３.０μｍとした各場合における、第２ダイアフラム３３ｂに生じる最大応力（第２ダイアフラム３３ｂがストッパ４５ｂに当たったときの変位量）を表している。ただし、最大応力は、ストッパ４５ｂの突出長が１.０μｍの場合の最大応力を１００％とした各最大応力の比率で表している。また、図７（Ｂ）は、第２ダイアフラム３３ｂに生じる最大応力の比とストッパ４５ｂの突出長との関係をグラフで表したものである。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、ストッパ４５ｂの突出長をストッパ４５ａの突出長（１μｍ）の２倍、２.５倍、３倍と長くすると、第２ダイアフラム３３ｂの変位量が次第に抑制されるとともに第２ダイアフラム３３ｂに生じる最大応力の比はそれぞれ８５.３％、７６.３％、６７.９％というように次第に小さくなり、第２ダイアフラム３３ｂが破損しにくくなることが分かる。

また、実測結果においても、ストッパ４５ｂの突出長をストッパ４５ａの突出長（１.０μｍ）の約２倍（１.９μｍ）、約３倍（２.８μｍ）とした場合には、ストッパ４５ｂの耐圧強度は、それぞれストッパ４５ｂの突出長がストッパ４５ａと同じく１.０μｍである場合の約１.１倍、約１.３倍に向上した。しかも、ストッパ４５ｂの突出長を長くしてもストッパ４５ｂが第２ダイアフラム３３ｂにスティックすることもなかった。よって、実測でもスティック耐性の向上と破損強度の向上も確認できた。

（実施形態１の製造方法）
つぎに、実施形態１による音響センサ３１の製造方法を、図８及び図９により説明する。図８及び図９では、いずれも製造工程途中の音響センサの一部を拡大して示す。

まず、図８（Ａ）に示すように、基板３２（Ｓｉ基板）の上面全体に酸化膜５２（ＳｉＯ_２）を堆積させる。ついで、図８（Ｂ）に示すように、酸化膜５２の上にポリシリコン膜５３を堆積させ、ポリシリコン膜５３をエッチングすることによって酸化膜５２の上面にダイアフラム３３ａ、３３ｂを形成する。このとき、第１ダイアフラム３３ａと第２ダイアフラム３３ｂは、スリット３７によって分離される（エッチングのためのマスクの形成及び剥離の工程は説明を省略する。以下、同様）。

図８（Ｃ）に示すように、酸化膜５２及びダイアフラム３３ａ、３３ｂの上面全体にＳｉ酸化膜からなる第１犠牲層５４を堆積させる。ついで、短いストッパ４５ａを設けようとする位置で、第１ダイアフラム３３ａが露出するまで第１犠牲層５４をエッチングし、第１犠牲層５４にリセス５５を設ける。リセス５５を設ける際には、第１ダイアフラム３３ａがエッチングストップ層として働くので、リセス５５の深さは第１犠牲層５４の膜厚によって決まる。このとき同時に、ダイアフラム３３ａ、３３ｂを囲む領域（バックプレート３８が基板３２に接する領域）に沿って、酸化膜５２が露出するまで第１犠牲層５４をエッチングし、第１犠牲層５４に比較的広い環状の開口５６をあける。

図８（Ｄ）に示すように、第１犠牲層５４の上にＳｉ酸化膜からなる第２犠牲層５７を堆積させる。このとき、リセス５５が設けられている位置では、第２犠牲層５７に凹部５８が生じる。第２ダイアフラム３３ｂの上方で長いストッパ４５ｂを設けようとする箇所では、第２ダイアフラム３３ｂが露出するまで第２犠牲層５７及び第１犠牲層５４をエッチングし、第２犠牲層５７及び第１犠牲層５４に貫通孔５９をあける。貫通孔５９をあける際には、第２ダイアフラム３３ｂがエッチングストップ層として働くので、貫通孔５９の深さは第１犠牲層５４と第２犠牲層５７の膜厚の和によって決まる。また、開口５６の設けられた領域では、第２犠牲層５７及び酸化膜５２を基板３２が露出するまでエッチングし、第２犠牲層５７及び酸化膜５２に開口５６よりも幅の狭い溝６０を設ける。

さらに、図９（Ａ）に示すように、第２犠牲層５７の上にＳｉ酸化膜からなる第３犠牲層６１を堆積させ、第３犠牲層６１をエッチングすることによって溝６０の内部に堆積した第３犠牲層６１を除去する。このとき、凹部５８の設けられていた箇所では、第３犠牲層６１に凹部６２が生じ、貫通孔５９の設けられていた箇所では、第３犠牲層６１に凹部６３が生じる。また、第３犠牲層６１の上面にポリシリコン膜６４を堆積させ、ポリシリコン膜６４をエッチングによりパターニングして固定電極板３９ａ、３９ｂを形成する。

図９（Ｂ）に示すように、第３犠牲層６１及び固定電極板３９ａ、３９ｂの上にシリコン窒化膜６５を堆積させてバックプレート３８を形成する。このとき凹部６２内に堆積したシリコン窒化膜６５によってバックプレート３８の下面に短いストッパ４５ａが形成され、凹部６３内に堆積したシリコン窒化膜６５によってバックプレート３８の下面に長いストッパ４５ｂが形成される。また、シリコン窒化膜６５が溝６０内に堆積することによりバックプレート３８の支持部分が形成される。さらに、バックプレート３８をエッチングすることにより、バックプレート３８に多数のアコースティックホール４４を開口する。

この後、図９（Ｃ）に示すように、アコースティックホール４４からバックプレート３８の下面側へエッチャントを導入して第３犠牲層６１、第２犠牲層５７及び第１犠牲層５４を除去し、バックプレート３８と基板３２の間に空隙部分を形成する。ただし、ダイアフラム３３ａ、３３ｂの下面に第１犠牲層５４を一部残した状態でエッチングを停止し、残った第１犠牲層５４によってアンカー３６ａ、３６ｂを形成する。図示しないが、さらに基板３２を下面側からエッチングすることによって基板３２に空洞３５を設け、音響センサ３１を完成する。

上記のような製造方法によれば、音響センサ３１の製造工程を増やすことなく、突出長の異なる複数種類のストッパを備えた音響センサ３１を作製することができる。しかも、短いストッパ４５ａの突出長は、第１犠牲層５４の膜厚で決まり、長いストッパ４５ｂの突出長は、第１犠牲層５４と第２犠牲層５７の膜厚の和で決まるので、設計も容易になる。

（変形例）
図１０は、実施形態１の音響センサの変形例を示す概略断面図である。この変形例では、ストッパ４５ｂの太さ（直径）をストッパ４５ａの太さよりも大きくしている。突出長の長いストッパ４５ｂを設けた場合には、第２ダイアフラム３３ｂのストッパ４５ｂに接触する部分に応力が集中するので、ストッパ４５ｂの直径を大きくすることによって接触面積を大きくし、接触面における応力を分散させることが望ましい。

図１１は、実施形態１の音響センサの別な変形例を説明する平面図である。図１１は、第１ダイアフラム３３ａ及び第２ダイアフラム３３ｂと、両ダイアフラム３３ａ、３３ｂに対向させて設けられたストッパ４５ａ、４５ｂの位置を表わしている。この変形例では、第２ダイアフラム３３ｂに対向させて設けたストッパ４５ｂの数密度を、第１ダイアフラム３３ａに対向させて設けたストッパ４５ａの数密度よりも大きくしている。例えば、ストッパ４５ｂのピッチをストッパ４５ａのピッチよりも狭くしている。突出長の長いストッパ４５ｂを設けた場合には、第２ダイアフラム３３ｂのストッパ４５ｂに接触する部分に応力が集中するので、ストッパ４５ｂの数密度を大きくする（あるいは、ストッパ４５ｂのピッチを狭くする）ことによって接触面積を大きくすれば、接触面における応力を分散させていることができる。

（実施形態２）
図１２は、本発明の実施形態２による音響センサ７１を示す概略断面図である。この音響センサ７１では、第２音響センシング部４３ｂにおいては、第１音響センシング部４３ａのストッパ４５ａよりも突出長の長いストッパ４５ｂを設けてあり、さらに、第２音響センシング部４３ｂにおいて、突出長の異なる２種類のストッパ４５ｂ、すなわち比較的短いストッパ４５ｂと比較的長いストッパ４５ｂとを設けている。比較的短いストッパ４５ｂは、第２ダイアフラム３３ｂの変位の大きな領域に対向する領域に設けてあり、比較的長いストッパ４５ｂは、第２ダイアフラム３３ｂの変位の小さな領域（アンカー３６ｂにより固定された部分の近傍など）に対向する領域に設けてある。

図１３（Ｂ）は、第２音響センシング部４３ｂに均一な長さのストッパ４５ｂを設けた場合を示す。均一な長さのストッパ４５ｂを設けている場合には、図１３（Ｂ）に示すように、第２ダイアフラム３３ｂに圧力が加わって変形しても、第２ダイアフラム３３ｂの変位の小さな箇所はストッパ４５ｂに接触しにくい。ところが、第２ダイアフラム３３ｂに過大な圧力負荷が加わった場合には、変位の大きな箇所よりも変位の小さな箇所で第２ダイアフラム３３ｂの変形が大きく、第２ダイアフラム３３ｂに応力集中が起きやすい。そのため、ストッパ４５ｂの突出長が一定であると、ストッパ４５ｂに過大な圧力が加わったり繰り返し変形しているうちに第２ダイアフラム３３ｂの変位の小さな箇所に亀裂が生じたり、破損が生じたりする恐れがある。

これに対し、第２ダイアフラム３３ｂの変位の小さな箇所でストッパ４５ｂの突出長を長くしておけば、第２ダイアフラム３３ｂが大きく変位した場合には、図１３（Ａ）に示すように、第２ダイアフラム３３ｂの変位が小さな箇所もストッパ４５ｂに当接し、第２ダイアフラム３３ｂの変位の小さな箇所の変形が抑制される。その結果、第２ダイアフラム３３ｂの破損耐性を向上させることができる。なお、第２ダイアフラム３３ｂに対向する領域の全体でストッパ４５ｂの突出長を長くすると、第２ダイアフラム３３ｂが圧力によって変位しにくくなり、音響センサ７１の感度が低下するが、第２ダイアフラム３３ｂの変位の大きな箇所ではストッパ４５ｂを短くしてあれば、圧力による第２ダイアフラム３３ｂの変位を阻害しにくく、音響センサ７１の感度が低下しにくい。

なお、第１音響センシング部４３ａにおいて、突出長の異なる２種類のストッパ４５ａ、すなわち比較的短いストッパ４５ａと比較的長いストッパ４５ａとを設けてもよい。

（実施形態３）
実施形態３の音響センサ８１では、ストッパ４５ａ、４５ｂの突出長を次第に変化させている。図１４（Ａ）は、実施形態３による音響センサ８１の概略断面図であって、図１５のＸ−Ｘ線に沿った断面を示す。図１４（Ｂ）は、実施形態３による音響センサ８１の概略断面図であって、図１５のＹ−Ｙ線に沿った断面を示す。図１５は、第１ダイアフラム３３ａ及び第２ダイアフラム３３ｂに圧力が加わった場合に、両ダイアフラム３３ａ、３３ｂが変位する様子を表している。図１５においては、ドットが密な領域ほど変位が大きく、ドットが疎である領域ほど変位が小さくなっている。

実施形態３の音響センサ８１においては、各ストッパ４５ａ、４５ｂの先端が、過度の応力集中が生じない程度に変形したダイアフラム３３ａ、３３ｂの上面形状に沿うように、ストッパ４５ａ、４５ｂの突出長を次第に変化させている。このような実施形態によれば、ダイアフラム３３ａ、３３ｂに過大な圧力負荷が加わった場合、ダイアフラム３３ａ、３３ｂを自然な形状のままストッパ４５ａ、４５ｂによって支えることができるので、ダイアフラム３３ａ、３３ｂやアンカー３６ａ、３６ｂに応力集中が生じにくく、破損耐性をより一層向上させることができる。

（実施形態４）
図１６（Ａ）は、本発明の実施形態４による音響センサ９１を示す概略断面図である。この実施形態では、基板３２の上面に平板状のバックプレート３８を設けている。バックプレート３８の上面には、固定電極板３９ａ、３９ｂが形成されている。空洞３５の上方において、バックプレート３８及び固定電極板３９ａ、３９ｂには複数のアコースティックホール４４が開口されている。また、バックプレート３８の上方には、固定電極板３９ａ、３９ｂと対向させるようにして、スリット３７で分割された第１ダイアフラム３３ａと第２ダイアフラム３３ｂが配設されている。ダイアフラム３３ａ、３３ｂは、バックプレート３８の縁に設けられたアンカー部９２によって支持されている。ダイアフラム３３ａの下面には、下方へ向けて比較的短いストッパ４５ａが突出しており、第２ダイアフラム３３ｂの下面には、ストッパ４５ａよりも突出長の長いストッパ４５ｂが突出している。ストッパ４５ａ、４５ｂの端面と対向する箇所では、固定電極板３９ａ、３９ｂに開口を設けてあり、ストッパ４５ａ、４５ｂがバックプレート３８に当接しても、ストッパ４５ａ、４３ｂが固定電極板３９ａ、３９ｂに触れないようにしている。

図１６（Ｃ）に示すように、ストッパ４５ａ、４５ｂをバックプレート３８に設けている場合には、ストッパ４５ａ、４５ｂが絶縁性材料によって形成されるので、ストッパ４５ａ、４５ｂが帯電しやすくなり、音響センサの感度に影響を与えるおそれがある。これに対し、図１６（Ｂ）のようにストッパ４５ａ、４５ｂを導電体材料であるダイアフラム３３ａ、３３ｂに設けていれば、ストッパ４５ａ、４５ｂが帯電しにくくなり、音響センサ９１の感度の変化を防止することができる。

（実施形態５）
電極部分は矩形状のものに限らず、円形のものであってもよい。図１７は、本発明の実施形態５による音響センサ１０１を示す平面図である。図１８は、音響センサ１０１の断面図である。図１９（Ａ）は、音響センサ１０１においてバックプレート３８の下面に設けられた固定電極板３９ａ、３９ｂを示す平面図である。図１９（Ｂ）は、音響センサ１０１に用いられるダイアフラム３３の平面図である。

この音響センサ１０１にあっては、図１８に示すように、基板３２の上面に円板状のダイアフラム３３を設けている。円形のダイアフラム３３の外周部からは１本の脚片４６が延出されており、ダイアフラム３３はアンカー３６によって支持された脚片４６によって片持ち状に支持されている。また、図１７及び図１９（Ｂ）に示すように、脚片４６からは引出配線４９ａが延出され、引出配線４９ａは共通電極パッド４７に接続されている。

一方、図１８及び図１９（Ａ）に示すように、バックプレート３８の下面中央部には円板状の第１固定電極板３９ａが設けられている。第１固定電極板３９ａの外側には、環状のスリット３７を介して円環状の第２固定電極板３９ｂが設けられている。図１７及び図１９（Ａ）に示すように、第１固定電極板３９ａの外周部からは、引出配線４９ｂが延出し、引出配線４９ｂは第１電極パッド４８ａに接続されている。第２固定電極板３９ｂからは、引出配線４９ｃが延出され、引出配線４９ｃは第２電極パッド４８ｂに接続されている。

この音響センサ１０１では、ダイアフラム３３の中央部と第１固定電極板３９ａによって円形をした小音量・高感度の第１音響センシング部４３ａが構成されている。また、ダイアフラム３３の外周部と第２固定電極板３９ｂによって円環状をした大音量・低感度の第２音響センシング部４３ｂが構成されている。

また、この音響センサ１０１でも、面積の大きな第１固定電極板３９ａの位置からは比較的短いストッパ４５ａが突出し、面積の小さな第２固定電極板３９ｂの位置からは比較的長いストッパ４５ｂが突出しているので、スティック耐性と破損耐性とを向上させることができる。

（マイクロフォンへの応用）
図２０は、本発明に係る音響センサ、たとえば実施形態１の音響センサ３１を内蔵したボトムポート型のマイクロフォン１１１の概略断面図である。このマイクロフォン１１１は、回路基板１１２とカバー１１３からなるパッケージ内に音響センサ３１と回路部である信号処理回路１１５（ＡＳＩＣ）とを内蔵したものである。音響センサ３１と信号処理回路１１５は、回路基板１１２の上面に実装されている。回路基板１１２には、音響センサ３１内に音響振動を導き入れるための音導入孔１１４が開口されている。音響センサ３１は、空洞３５の下面開口を音導入孔１１４に合わせ、音導入孔１１４を覆うようにして回路基板１１２の上面に実装されている。したがって、音響センサ３１の空洞３５がフロントチャンバとなり、パッケージ内の空間がバックチャンバとなる。

音響センサ３１と信号処理回路１１５は、ボンディングワイヤ１１６によって接続されている。さらに、信号処理回路１１５は、ボンディングワイヤ１１７によって回路基板１１２に接続されている。なお、信号処理回路１１５は、音響センサ３１へ電源を供給する機能や、音響センサ３１の容量変化信号を外部へ出力する機能を有する。

回路基板１１２の上面には、音響センサ３１及び信号処理回路１１５を覆うようにしてカバー１１３が取り付けられる。パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃から音響センサ３１や信号処理回路１１５を保護している。

こうして、音導入孔１１４から空洞３５内に入った音響振動は、音響センサ３１によって検出され、信号処理回路１１５によって増幅及び信号処理された後に出力される。このマイクロフォン１１１では、パッケージ内の空間をバックチャンバとしているので、バックチャンバの容積を大きくでき、マイクロフォン１１１を高感度化することができる。

なお、このマイクロフォン１１１においては、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔１１４をカバー１１３の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ３１の空洞３５がバックチャンバとなり、パッケージ内の空間がフロントチャンバとなる。

３１、７１、８１、９１、１０１音響センサ
３２基板
３３、ダイアフラム
３３ａ第１ダイアフラム
３３ｂ第２ダイアフラム
３７スリット
３８バックプレート
３９固定電極板
３９ａ第１固定電極板
３９ｂ第２固定電極板
４３ａ第１音響センシング部
４３ｂ第２音響センシング部
４４アコースティックホール
４５ａ、４５ｂストッパ
１１１マイクロフォン

Claims

固定電極を有するバックプレートと、
前記バックプレートと空隙を介して対向する、可動電極としてのダイアフラムと、
前記バックプレートの前記空隙側の面と前記ダイアフラムの前記空隙側の面のうち少なくとも一方の面から突出した、第１の突出長を有する第１のストッパと、第２の突出長を有する第２のストッパとを少なくとも備え、
前記ダイアフラムと前記固定電極のうち少なくとも一方が、少なくとも第１の面積を有する第１の領域と第２の面積を有する第２の領域とに分割されていて、前記第１の領域に前記ダイアフラム及び前記固定電極からなる第１のセンシング部が構成され、前記第２の領域に前記ダイアフラム及び前記固定電極からなる第２のセンシング部が構成され、
前記第１のストッパは前記第１のセンシング部に設けられ、前記第２のストッパは前記第２のセンシング部に設けられ、前記第１の領域の前記第１の面積が前記第２の領域の前記第２の面積よりも大きく、前記第１のストッパの突出長は前記第２のストッパの突出長よりも短いことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
前記固定電極は、前記第１のセンシング部において前記ダイアフラムと対向する領域と前記第２のセンシング部において前記ダイアフラムと対向する領域とが１つの平面を構成している、ことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第２のストッパの突出長のうち最も大きい突出長が、前記第１のストッパの突出長のうち最も大きい突出長よりも長いことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第２のストッパの突出長のうち最も小さい突出長が、前記第１のストッパの突出長のうち最も小さい突出長よりも長いことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第１のセンシング部において、前記第１のストッパは、前記ダイアフラムの変位が大きな領域又は前記変位の大きな領域に対向する領域で短く、前記ダイアフラムの変位が小さな領域又は前記変位が小さな領域に対向する領域で長くなっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第１のセンシング部において前記第１のストッパを含む複数のストッパが前記バックプレートから突出しており、
前記第１のセンシング部において、前記複数のストッパの先端が、前記ダイアフラムのある変形状態における前記ダイアフラムの形状に沿って並ぶように、前記ストッパの突出長が選ばれていることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第２のセンシング部において、前記第２のストッパは、前記ダイアフラムの変位が大きな領域又は前記変位の大きな領域に対向する領域で短く、前記ダイアフラムの変位が小さな領域又は前記変位が小さな領域に対向する領域で長くなっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第２のセンシング部において前記第２のストッパを含む複数のストッパが前記バックプレートから突出しており、
前記第２のセンシング部において、前記複数のストッパの先端が、前記ダイアフラムのある変形状態における前記ダイアフラムの形状に沿って並ぶように、前記ストッパの突出長が選ばれていることを特徴とする、請求項７に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第２のストッパは、前記第１のストッパよりも太いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第１のストッパ及び前記第２のストッパを含む複数のストッパを備え、
前記第２のストッパの近傍におけるストッパの数密度は、前記第１のストッパの近傍におけるストッパの数密度よりも大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
前記第１のストッパ及び前記第２のストッパは、前記バックプレートと同一材料により、前記バックプレートと同一工程で作製されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の静電容量型トランスデューサ。
請求項１から１１のうちいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサにおいて、前記バックプレートに音響振動を通過させるためのアコースティックホールが開口されていることを特徴とする音響センサ。
請求項１２に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。