JP6809008B2 - Ｍｅｍｓ構造及び、ｍｅｍｓ構造を有する静電容量型センサ、圧電型センサ、音響センサ - Google Patents

Ｍｅｍｓ構造及び、ｍｅｍｓ構造を有する静電容量型センサ、圧電型センサ、音響センサ Download PDF

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Description

本発明は、ＭＥＭＳ構造及び、該ＭＥＭＳ構造を有する静電容量型センサ、圧電型センサと、該静電容量型センサまたは圧電型センサを有する音響センサに関する。より具体的には、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されたダイアフラムを有する静電容量型センサ、圧電型センサ及び音響センサに関する。
従来から、小型のマイクロフォンとしてＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）と
呼ばれる音響センサを利用したものが使用される場合があった。しかし、ＥＣＭは熱に弱く、また、デジタル化への対応や小型化といった点で、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される静電容量型センサを利用したマイクロフォンの方が優れていることから、近年では、ＭＥＭＳマイクロフォンが採用されることが多くなっている（例えば、特許文献１を参照）。
上記のような静電容量型センサにおいては、圧力を受けて振動するダイアフラムを、電極膜が固定されたバックプレートに空隙を介して対向配置させた形態をＭＥＭＳ技術を用いて実現したものがある。このような静電容量型センサの形態は、例えば、シリコン基板の上にダイアフラム、およびダイアフラムを覆うような犠牲層を形成した後、犠牲層の上にバックプレートを形成し、その後に犠牲層を除去するといった工程により実現できる。ＭＥＭＳ技術はこのように半導体製造技術を応用しているので、極めて小さい静電容量型センサを得ることが可能である。
図１８（ａ）には、このようなＭＥＭＳ技術を用いて作製した従来の静電容量型センサ（以下、単純にＭＥＭＳセンサともいう。）１００の部分的な断面図を示す。図１８（ａ）において、シリコン基板１０１の上にダイアフラム１０２とバックプレート１０３とが形成されている。従来のＭＥＭＳセンサ１００では、ダイアフラム１０２とシリコン基板１０１とがダイアフラム１０２の法線方向から見て重なっている領域Ａが存在する。
この場合には、領域Ａにおいて空気のブラウン運動に起因した音響ノイズが発生するため、静電容量型センサとしてのＳＮ比が低下してしまう場合があった。これに対し、図１８（ｂ）に示すように、ダイアフラム１１２とシリコン基板１１１とがダイアフラム１１２の法線方向から見て重ならない構造にした場合には、ダイアフラム１１２とシリコン基板１０１の隙間から空気が逃げるため音響抵抗が低下し、静電容量センサとしての感度が低下する場合があった。
これに対し、図１９（ａ）に示すように、ダイアフラム１２２の周囲に固定膜１２４を設け、ダイアフラム１２２との間に細いスリット１２２ａができるようにすることで、音響抵抗を確保する提案がなされている。これにより、空気のブラウン運動に起因するＳＮ比の低下を回避しつつ、音響抵抗の低下を抑制し静電容量センサとしての感度を確保している。
図１９（ｂ）には、同様の目的で、固定膜１２４がバックプレート１２３に固定された例について示す。図１９（ａ）に示した例では、固定膜１２４が酸化膜によって形成されたアンカー１２５を介して基板１２１に固定されているが、このアンカー１２５が製造プロセスのバラツキによって消失した場合には、固定膜１２４が基板１２１から剥がれ、音響抵抗を確保する機能を果たさなくなる虞がある。図１９（ｂ）では、そのような不都合
を回避するため、固定膜１２４をバックプレート１２３に固定している。これにより、アンカー１２５が消失しても固定膜１２４はバックプレート１２３に固定されているので、安定して音響抵抗を確保する機能を果たすことが可能となる。
ところで、上記の従来技術のように固定膜１２４を設けたＭＥＭＳセンサ１２０に、ダイアフラム１２２にシリコン基板１２１側から大きな圧力が作用した場合には、ダイアフラム１２２はバックプレート１２３側に変位し、バックプレート１２３に当接することにより一定量以上の変位が抑えられる。また、その際、ダイアフラム１２２と、固定膜１２４との間のスリット１２２ａが広がるため、スリット１２２ａから空気が逃げて作用した圧力を低下させることができる。
一方、ダイアフラム１２２にバックプレート１２３側から大きな圧力が作用した場合には、ダイアフラム１２２とシリコン基板１２１とはダイアフラム１２２の法線方向から見て重なった領域がないため、ダイアフラム１２２はシリコン基板１２１の開口部（バックチャンバー）１２１ａに侵入可能となることで変位量が大きくなり、ダイアフラム１２２を支持する梁部（不図示）に応力が集中し破損する虞があった。
このような不都合は、当該静電容量型センサが落下した場合の他、例えば静電容量型センサ内に、大音響による音圧が加わった場合や、実装工程でエアブローされた場合にも生じ得る。
米国特許第５４５２２６８号明細書
本発明は、上記のような状況を鑑みて発明されたものであり、その目的は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製した静電容量型センサ、圧電型センサまたは音響センサにおいて、高いＳＮ比を得ることが可能で、且つ、入力圧力に対する耐性を高めることが可能な技術を提供することである。
上記課題を解決するための本発明は、開口を有する基板と、
前記基板の開口に対向するように配設されるダイアフラムと、
前記ダイアフラムを前記基板または他の部材に固定する複数のアンカーと、
前記ダイアフラムの周囲にスリットを介して配置される固定膜と、
を備えるＭＥＭＳ構造において、
前記ダイアフラムの外形は、アンカーに向かって突出する形状を含み、
前記ダイアフラムの少なくとも一箇所以上に、前記ダイアフラムの法線方向から見て前記ダイアフラムの外形と前記基板の開口の外形が前記アンカーに向かって突出する形状を挟んで二つの交点で交差する所定の交差構造を有し、
前記交差構造においては、
前記二つの交点の距離が、前記アンカー寄りに位置する前記ダイアフラムの幅よりも長いことを特徴とする。
本発明によれば、ダイアフラムの少なくとも一箇所以上に、ダイアフラムの法線方向から見てダイアフラムの外形と基板の開口の外形がアンカーに向かって突出する形状を挟んで二つの交点で交差する所定の交差構造を有する。従って、法線方向から見て、ダイアフラムと基板とは、一部において隙間を有しており、他の一部においては重なるように配置
される。そうすると、ダイアフラムと基板とが法線方向から見て重なる領域は、ダイアフラムの外形の一部分に限られるので、空気のブラウン運動に起因するノイズの発生を抑制できる。一方、ダイアフラムと基板とが法線方向から見て重なる領域を残していることから、バックプレート側から大きな圧力が作用した際にも、当該領域においてダイアフラムと基板とが互いに当接することで、ダイアフラムの過剰な変位を回避することができる。その結果、静電容量型センサや圧電型センサにおいて、高いＳＮ比と、入力圧力に対する耐性とを両立させることが可能となる。
また、本発明では、前記交差構造における前記二つの交点の距離が、前記アンカー寄りに位置する前記ダイアフラムの幅よりも長くなるようにした。従って、アンカー付近のダイアフラムの幅を狭くしたまま、ダイアフラムの外形と基板の開口の外形とが交差する交点の間のダイアフラムの幅を広くすることができる。
そうすれば、アンカー付近のダイアフラムの幅を狭くすることで音圧に対する感度を高くすることができる。また、交点どうしの間のダイアフラムの幅を広くすることでダイアフラムにおける応力集中を緩和することができる。
また、本発明においては、前記ダイアフラムの外形が、前記交点の近傍において変曲点を有するようにしてもよい。これにより、より効果的に、アンカー付近のダイアフラムの幅を狭くしたまま、ダイアフラムの外形と基板の開口の外形とが交差する交点の間のダイアフラムの幅を広くすることができる。
さらに、本発明においては、前記ダイアフラムの外形は、多辺形または略多辺形からなり、ダイアフラムの外形における一辺のうち、前記基板の開口の外形よりも外側に位置する部分の長さが、前記一辺の長さの１／２０以上かつ１／３以下としてもよい。これにより、空気のブラウン運動に起因するノイズの抑制と、ダイアフラムの過剰な変位の回避とのバランスを良好に維持することができる。その結果、静電容量型センサや圧電型センサにおいて、より確実に、高いＳＮ比と、入力圧力に対する耐性とを両立させることが可能となる。
また、本発明においては、前記ダイアフラムのうち、その外形が前記基板の開口の外側に配置された部分には、前記基板の方向に凸の形状を有し前記ダイアフラムが前記基板側に変位した際に前記基板に当接するストッパが形成されるようにしてもよい。
これによれば、ダイアフラムが基板側に変位した際に、ストッパを基板に当接させることができ、ダイアフラムと基板との接触面積を小さくすることで、ダイアフラムが基板に固着することを抑制できる。
また、本発明においては、前記ダイアフラムの周囲にスリットを介して配置される固定膜をさらに備えるようにしてもよい。そうすれば、ダイアフラムの周囲から空気が抜けることで、ダイアフラムに作用する圧力が不用意に低下することを抑制でき、静電容量型センサの感度を高くすることができる。なお、ここでスリットの幅は３μｍ未満、例えば０．２μｍ〜０．６μｍとしてもよい。
また、本発明においては、ダイアフラムの周囲にスリットを介して配置される固定膜をさらに備える場合に、固定膜はダイアフラムを完全に囲い、スリットは閉曲線を構成するようにしてもよい。
これによれば、スリットの端部が法線方向から見て固定膜の外部に開放されることを回避でき、当該開放部分からの異物の侵入を抑制することができる。
また、本発明においては、前記ダイアフラムの外形のうち、最寄りの前記基板の開口の外形に対する角度が３度以下の領域については、前記基板の開口の外形から１μｍ以上離して配置されるようにしてもよい。
ここで、ダイアフラムの外形と基板の開口の外形が平行に近い状態で且つ、ある程度以上近接している場合には、ダイアフラムが圧力により変位し開口に侵入した後に初期位置に復帰する際に、ダイアフラムの外形の端部が開口の端部の引っ掛かり、ダイアフラムがもとの場所まで戻らなくなってしまう事があり得る。
よって、本発明においては、このような不都合を防止するために、前記ダイアフラムの外形のうち、最寄りの前記基板の開口の外形に対する角度が３度以下の領域については、前記基板の開口の外形から１μｍ以上離して配置されるようにした。これによれば、ダイアフラムの外形のうち、最寄りの基板の開口に平行に近い部分については、基板の外形から一定以上離して配置することができ、ダイアフラムの端部が基板の開口の端部に引っ掛かる不都合を抑制できる。
なお、ここで最寄りの基板の開口の外形とは、ダイアフラムの外形の所定の領域について、当該領域からの実際の距離が最小となる基板の開口の外形としてもよい。また、当該領域に対する法線方向から見た垂直線が交差する基板の開口の外形としてもよい。あるいは、ダイアフラムの法線方向から見た中央部（ダイアフラムが四辺形を含む形状の場合四辺形の対角線の交点でもよい。ダイアフラムが円形を含む形状の場合は中心でもよい。）から当該領域を通過するように引いた直線が交差する基板の開口の外形としてもよい。
また、本発明においては、前記ダイアフラムの外形が、前記基板の開口の外形と交差する際の交差角度が３０度以上としてもよい。そうすれば、製造バラツキによって基板の開口の外形の位置がバラついたとしても、ダイアフラムの外形のうち、基板の開口の外形の外側に配置されている部分の面積の変化を抑えることができる。換言すると、ダイアフラムのうち、開口の外側の基板と平面視において重なる部分の面積を安定化することができる。なお、ここで交差角度とは、基板の開口の外形と、交差するダイアフラムの外形とが成す角度の鋭角側（小さい側）の角度をいう。また、基板の開口の外形とダイアフラムの外形とが垂直に交差する場合には、交差角度は９０度となる。
また、本発明においては、前記ダイアフラムの外形のうち、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置される部分は、前記多辺形の一辺または前記閉曲線を構成する曲線における中央部に配置され、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置される部分は、前記多辺形の一辺または前記閉曲線を構成する曲線における前記中央部の両側に配置されるようにしてもよい。
これによれば、ダイアフラムが基板の開口部側に変位した際に、ダイアフラムにおけるより支持部に近い部分でダイアフラムの変位を規制することができ、より確実に、ダイアフラムの変位の際の支持部に対する応力集中を緩和することが可能となる。
また、本発明は、上記のいずれのＭＥＭＳ構造と、
前記ダイアフラムに空隙を介して対向するように配設されるバックプレートと、を備える静電容量型センサであってもよい。また、その場合、前記アンカーは、前記ダイアフラムを前記バックプレートに固定するようにしてもよい。
また本発明は、上記のいずれかのＭＥＭＳ構造における前記ダイアフラムが、圧電効果を有する圧電型センサであってもよい。
また、本発明は、上記に記載の静電容量型センサを有し、音圧を前記ダイアフラムと前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換して検出する音響センサであってもよい。また本発明は、上記に記載の圧電型センサを有し、音圧を前記ダイアフラムの圧電電圧の変化に変換して検出する音響センサであってもよい。これによれば、音響センサについて、高いＳＮ比を得ることが可能で、且つ、入力圧力に対する耐性を高めることが可能となる。
上記のように、本発明は、ダイアフラムの変位を該ダイアフラムと前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換する静電容量型センサまたは、ダイアフラムの変位をダイアフラムの圧電効果による圧電電圧の変化に変換する圧電型センサにおいて、
ダイアフラムの外形の一部は、法線方向から見て基板の開口の内側に配置されるようにし、ダイアフラムの外形の他の部分は、法線方向から見て基板の開口の外側に配置されるようにしたものである。
すなわち、開口を有する基板と、
前記基板の開口に対向するように配設されるダイアフラムと、
を備え、
前記ダイアフラムは、前記基板に固定されて該ダイアフラムを支持する支持部と、圧力が作用することで変位する振動部とを有し、
前記ダイアフラムにおける前記振動部の変位を該振動部と前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換する静電容量型センサまたは、前記ダイアフラムの変位をダイアフラムの圧電効果による圧電電圧の変化に変換する圧電型センサにおいて、
前記振動部の外形の一部は、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置されるとともに、前記振動部の外形の他の部分は、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置されることを特徴とするものとも言える。
そして、前記ダイアフラムは、略四辺形の振動部と、該ダイアフラムの四つの角部から放射状に延びて端部において前記基板に固定される支持部とを有し、
前記基板の開口部の外形は略四辺形の形状を有し、
前記ダイアフラムの振動部が前記基板の開口に対向するように配置され、
前記振動部の各辺が直線とは異なる形状を有することにより、
前記振動部の外形の一部は、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置されるとともに、前記振動部の外形の他の部分は、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置されるようにしてもよい。
この場合は、例えば、前記振動部の各辺に、法線方向から見て凹凸をつけることで、凸状の部分においては前記振動部の外形が前記基板の開口の外側に配置されるようにし、凹状の部分においては前記振動部の外形が前記基板の開口の内側に配置されるようにすることができる。これによれば、より容易に、ダイアフラムの外形の一部は、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置されるとともに、前記ダイアフラムの外形の他の部分は、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置されるようにできる。また、ダイアフラムの外形と基板の開口との法線方向から見た隙間の幅や、重なりの幅を容易に変更することが可能である。
また、本発明においては、前記ダイアフラムは、略四辺形の振動部と、該振動部の四つの角部から放射状に延びて端部において前記基板に固定される支持部とを有し、
前記基板の開口部の外形は略四辺形の形状を有し、
前記ダイアフラムの振動部が前記基板の開口に対向するように配置され、
前記基板の開口部の各辺が直線とは異なる形状を有することにより、
前記振動部の外形の一部は、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置されるとともに、前記振動部の外形の他の部分は、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置されるようにしてもよい。
この場合は、例えば、基板の開口の各辺に、法線方向から見て凹凸をつけることで、凸状の部分においては前記振動部の外形が前記基板の開口の内側に配置されるようにし、凹状の部分においては前記振動部の外形が前記基板の開口の外側に配置されるようにすることができる。これによっても、より容易に、振動部の外形の一部は、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置されるとともに、前記振動部の外形の他の部分は、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置されるようにできる。また、振動部の外形と基板の開口との法線方向から見た隙間の幅や、重なりの幅を容易に変更することが可能である。
なお、上述した、課題を解決するための手段は適宜組み合わせて使用することが可能である。
本発明によれば、ＭＥＭＳ技術を用いて作製した静電容量型センサ、圧電型センサまたは音響センサにおいて、高いＳＮ比を得ることが可能で、且つ、入力圧力に対する耐性を高めることが可能である。
ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサの一例を示した斜視図である。 従来の音響センサの内部構造の一例を示した分解斜視図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラム及び固定膜の形状及び、バックチャンバーの外形との関係を示す図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラムの支持部及び振動部の両端部付近を拡大した第１の図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラムの支持部及び振動部の両端部付近を拡大した第２の図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラムの支持部及び振動部の両端部付近を拡大した第３の図である。 従来例と本発明の実施例１とにおけるダイアフラムの支持部付近の応力分布を示す図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラム及び固定膜の形状及び、バックチャンバーの外形との関係のバリエーションを示す図である。 本発明の実施例１におけるダイアフラム及び固定膜の形状及び、バックチャンバーの外形との関係の他のバリエーションを示す図である。 本発明の実施例１と従来例におけるダイアフラムと固定膜の間のスリットの形状を示す図である。 本発明の実施例２におけるダイアフラムの形状を示す図である。 本発明の実施例２におけるダイアフラム付近の断面図である。 従来例におけるダイアフラムの不都合について説明するための図である。 本発明の実施例３におけるダイアフラム及び固定膜の形状及び、バックチャンバーの外形との関係を示す図である。 本発明の実施例４におけるダイアフラムの形状及び、バックチャンバーの外形との関係のバリエーションを示す図である。 本発明の実施例５におけるダイアフラムの形状及び、バックチャンバーの外形との関係のバリエーションを示す図である。 本発明の実施例６におけるダイアフラムの形状を示す図である。 従来例における音響センサの部分的な断面図である。 他の従来例における音響センサの部分的な断面図である。
＜実施例１＞
以下、本願発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様であり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、本発明は、静電容量型センサ全体に適用することが可能であるが、以下においては、静電容量型センサを音響センサとして用いる場合について説明する。しかしながら、本発明に係る静電容量型センサは、ダイアフラムの変位を検出するものであれば、音響センサ以外のセンサとしても利用できる。例えば、圧力センサの他、加速度センサや慣性センサ等として使用しても構わない。また、センサ以外の素子、例えば、電気信号を変位に変換するスピーカ等として利用しても構わない。また、以下ではダイアフラムの振動部が略四辺形で四つの支持部を有し、基板の開口の外形が略四辺形の例を示すが、ダイアフラムの振動部が四辺形以外の多辺形または円形等の閉曲線で、複数の支持部を有し、基板の開口の外形が四辺形以外の多辺形または円形等の閉曲線の場合であっても効果が得られる。
図１は、ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサ１の一例を示した斜視図である。また、図２は、音響センサ１の内部構造の一例を示した分解斜視図である。音響センサ１は、開口としてのバックチャンバー２が設けられたシリコン基板（基板）３の上面に、絶縁膜４、固定膜１３、ダイアフラム（振動電極板）５、およびバックプレート７を積層した積層体である。バックプレート７は、固定板６に固定電極膜８を成膜した構造を有しており、固定板６のシリコン基板３側に固定電極膜８が配置されたものである。バックプレート７の固定板６には多数の穿孔としての音孔が全面的に設けられている（図１や図２に示す固定板６の網掛けの各点が個々の音孔に相当する）。また、固定電極膜８の四隅のうち１つには、出力信号を取得するための固定電極パッド１０が設けられている。
ここで、シリコン基板３は、例えば単結晶シリコンで形成することができる。また、ダイアフラム５は、例えば導電性の多結晶シリコンで形成することができる。ダイアフラム５は、振動する略四辺形の振動部１１の四隅に放射状（すなわち、振動部１１の対角線の方向）に延びる支持部１２が配置される平面形状を有する。そして、ダイアフラム５は、バックチャンバー２を覆うようにシリコン基板３の上面に配置され、４つの支持部１２の先端においてアンカー（不図示）を介してシリコン基板３に固定されている。ダイアフラム５の振動部１１は、音圧に感応して上下に振動する。ここで支持部１２は、アンカーに向かって突出する形状に相当する。
また、ダイアフラム５は、４つの支持部１２以外の箇所においては、シリコン基板３にも、バックプレート７にも接触していない。よって、音圧に感応してより円滑に振動可能になっている。また、振動部１１の四隅にある支持部１２のうちの１つにダイアフラムパッド（不図示）が設けられている。バックプレート７に設けられている固定電極膜８は、ダイアフラム５のうち四隅の支持部１２を除いた振動部１１に対向するように設けられている。
なお、ダイアフラム５の周囲には、音響センサ１の完成後にはダイアフラム５と略同一平面を構成し、ダイアフラム５を、スリット５ａを介して囲うように形成された固定膜１３が設けられている。この固定膜１３は音圧に感応して振動せず、基板３に固定されている。この固定膜１３が、振動部１１を上下に変位させる空気がダイアフラム５の周囲から漏れることで音響センサ１の感度が低下することを抑制している。
音響センサ１に音が届くと、音が音孔を通過し、ダイアフラム５に音圧を加える。すな
わち、この音孔により、音圧がダイアフラム５に印加されるようになる。また、音孔が設けられることにより、バックプレート７とダイアフラム５との間のエアーギャップ中の空気が外部に逃げ易くなり、ノイズを減少することができる。
音響センサ１においては、上述した構造により、音を受けてダイアフラム５の振動部１１が振動し、振動部１１と固定電極膜８との間の距離が変化する。振動部１１と固定電極膜８との間の距離が変化すると、振動部１１と固定電極膜８との間の静電容量が変化する。よって、ダイアフラム５と電気的に接続された振動膜電極パッド９と、固定電極膜８と電気的に接続された固定電極パッド１０との間に直流電圧を印加しておき、上記静電容量の変化を電気的な信号として取り出すことにより、音圧を電気信号として検出することができる。
図３には、本実施例におけるダイアフラム５と固定膜１３を、ダイアフラム５の法線方向から見た図を示す。また、図３において破線で示されているのは、シリコン基板３の開口としてのバックチャンバー２の外形である。図に示すように、ダイアフラム５と固定膜１３の間に形成されているスリット５ａによって、ダイアフラム５の外形が特定される。なお、図３より後の図においては、簡単のため、スリット５ａは一本の線によって表現する。
また、本実施例におけるダイアフラム５の振動部１１の外形は、各辺における中央部１１ａにおいては、バックチャンバー２の外形の内側に形成されており、各辺の両端部１１ｂにおいては、バックチャンバー２の外形の外側に形成されている。換言すると、ダイアフラム５の振動部１１の外形のうち各辺の両端部１１ｂのみを、バックチャンバー２の外側のシリコン基板３と平面視において重なるようにした。
これにより、ダイアフラム５にバックプレート７側から大きな圧力が作用した場合には、バックプレート７と反対方向に変位した振動部１１の各辺の両端部１１ｂがバックチャンバー２の外形付近においてシリコン基板３に当接し、振動部１１のそれ以上の変位を抑制する。これにより、バックチャンバー７側から大きな圧力が作用した場合にも、ダイアフラム５の振動部１１が過剰に変位することで特に支持部１２に応力が集中し破損することを抑制できる。その結果、音響センサ１の入力圧力に対する耐性を高めることが可能となる。
図４は、本実施例におけるダイアフラム５の支持部１２及び振動部１１の両端部１１ｂ付近を拡大した図である。本実施例においては、振動部１１の外形は、各辺における中央部１１ａにおいては、バックチャンバー２の外形の内側に形成されており、各辺の両端部１１ｂにおいては、バックチャンバー２の外形の外側に形成されている。そして、中央部１１ａと両端部１１ｂの間の領域において、振動部１１の外形はバックチャンバー２の外形と交差している。結果として、ダイアフラム５の外形は、支持部１２を挟んだ二つの交点において、バックチャンバー２の外形と交差しており、この部分は本実施例において所定の交差構造に相当する。なお、図４では支持部１２の先端において、アンカー１２ａをハッチングによって表している。
そして、本実施例においては、ダイアフラム５の振動部１１の外形とバックチャンバー２の外形との交点と、振動部１１における異なる辺上に存在し前述の交点と最も近い他の交点とを結んだ線分の長さＢが、ダイアフラム５の支持部１２の幅Ａよりも長くなるように設定されている。これにより、支持部１２は、圧力の印加による変形がし易い状態として高い感度を得つつ、ダイアフラム５の変形時に支持部１２に応力が集中することを抑制することができる。なお、ここにおいて支持部１２の幅Ａは、アンカー寄りに位置するダイアフラム５の幅に相当する。
また、本実施例においては、図５に示すように、ダイアフラム５の振動部１１の外形とバックチャンバー２の外形との交点の近傍に変曲点Ｃを有している。このように、ダイアフラム５の外形とバックチャンバー２の外形との交点の近傍に変曲点Ｃを設けることで、幾何学的には、ダイアフラム５の振動部１１の外形とバックチャンバー２の外形との交点と、振動部１１における異なる辺上に存在し前述の交点と最も近い他の交点とを結んだ線分の長さＢを、ダイアフラム５の支持部１２の幅Ａよりも、より確実に長く設定することが可能となる。
なお、ここで変曲点Ｃは、点である場合と領域である場合とを含む。すなわち、変曲点Ｃは、点の両端で曲線の曲がる方向が逆転する構造であってもよいし、所定の大きさ（または長さ）を有する領域の両端で曲線の曲がる方向が逆転する構造であってもよい。またここで、近傍とは、変曲点が前記交点と同一の点であっても良いし、多少のずれ（例えば、±５０μｍ以下）を有していても良い。
また、本実施例においては、図６に示すように、ダイアフラム５の振動部１１において、バックチャンバー２の外形の外側に形成されている両端部１１ｂの長さＤは、振動部１１の各辺の長さの１／２０以上１／３以下とされている。実験的には、ダイアフラム５の振動部１１において、バックチャンバー２の外形の外側に形成されている両端部１１ｂの長さＤがこの範囲であれば、空気のブラウン運動に起因するノイズの抑制と、ダイアフラム５の過剰な変位の回避とのバランスを良好に維持することができることが分かっている。よって、本実施例によれば、音響センサにおいて、より確実に、高いＳＮ比と、入力圧力に対する耐性とを両立させることが可能となる。
図７は、バックプレート７側から大きな圧力が作用した場合の、ダイアフラム５の支持部１２付近における応力分布を示している。図７（ａ）は、ダイアフラム５の振動部１１の外形の全てが、バックチャンバー２の内側に配置されるようにした場合、図７（ｂ）は、ダイアフラム５の振動部１１の外形の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の中央部１１ａが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合の図、図７（ｃ）は、ダイアフラム５の振動部１１の外形の中央部１１ａが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合の図を示す。
この図に示すように、バックプレート７側から大きな圧力が作用した場合の支持部１２付近の応力分布は、ダイアフラム５の振動部１１の外形の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の中央部１１ａが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合には、振動部１１の外形の全てがバックチャンバー２の外形の内側に配置されるようにした場合と比較して、応力分布がわずかにブロードになり支持部１２における応力集中が緩和されている。
さらに、ダイアフラム５の振動部１１の外形の中央部１１ａが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合には、ダイアフラム５の振動部１１の外形の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の中央部１１ａが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合と比較して、応力分布がさらにブロードになり支持部１２における応力集中が緩和されている。
そして、ダイアフラム５の振動部１１の外形の中央部１１ａが、バックチャンバー２の内側に配置され、振動部１１の各辺の両端部１１ｂが、バックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合には、振動部１１の外形の全てがバックチャンバー２の外形
の内側に配置されるようにした場合と比較して、支持部１２に作用する応力の最大値は６０％まで低減した。
なお、振動部１１の外形の全てがバックチャンバー２の外形の内側に配置されるようにした場合と、ダイアフラム５の振動部１１の外形における各辺の両端部１１ｂがバックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにした場合とで、ＳＮ比に有意差は見られなかった。
上記の実施例においては、ダイアフラム５の振動部１１の外形における各辺の両端部１１ｂがバックチャンバー２の外形の外側に配置され、振動部１１の各辺の中央部１１ａの全てが、バックチャンバー２の外形の内側に配置される場合について説明したが、本発明における振動部１１の形状はこれに限られない。図８には、ダイアフラム５の振動部１１の外形の一部がバックチャンバー２の外形の外側に配置される場合の振動部１１の外形のバリエーションについて示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、バックチャンバー２の外形は単純な四辺形とし、ダイアフラム５の振動部１１の外形の各辺を変形させた例である。
より具体的には、図８（ａ）は、上記の本実施例で説明したとおり、ダイアフラム５の振動部１１の外形における各辺の中央部１１ａの全てがバックチャンバー２の外形の内側に配置され、振動部１１の外形における各辺の両端部１１ｂがバックチャンバー２の外形の外側に配置される例である。それに対し、図８（ｂ）は、ダイアフラム５の振動部１１の外形における各辺の中央部１１ａのさらに一部がバックチャンバー２の外形の外側に配置される例である。
なお、図８（ａ）に示したバリエーションと、図８（ｂ）に示したバリエーションのように、振動部１１の外形における各辺の両端部１１ｂがバックチャンバー２の外形の外側に配置される構成は、支持部１２への応力集中を抑制し、音響センサ１の入力圧力に対する耐性を向上させる効果が大きいことが実験的にも分かってきた。この結果と、図７に示した応力分布の解析結果を踏まえると、支持部１２の近傍における振動部１１の変位を抑制する方が、より効果的に支持部１２への応力集中を抑制できると考えられる。よって、本実施例においては、振動部１１の外形のうち、バックチャンバー２の外形の外側に配置される領域は、支持部１２により近い両端部１１ｂとすることが望ましいと言える。
次に、図９には、ダイアフラム５の振動部１１の外形を単純な四辺形とし、バックチャンバー２の外形の各辺を変形させたバリエーションについて示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）において、バックチャンバー２の外形における各辺の中央部２ａを突出させることで、ダイアフラム５の振動部１１の外形における各辺の中央部が相対的にバックチャンバー２の外形の内側に配置されるようにしている。また、バックチャンバー２の外形の各辺の両端部２ｂを中央部２ａと比較して凹ませることで、振動部１１の外形における各辺の両端部が相対的にバックチャンバー２の外形の外側に配置されるようにしている。
なお、本実施例においては、図１０（ａ）に示すように、固定膜１３は、支持部１２を含めたダイアフラム５の全体を囲うように設けられており、スリット５ａは閉曲線を構成している。これは、例えば図１０（ｂ）に示すように、ダイアフラム５と固定膜１３の間のスリット５ａが固定膜１３の外部に露出した状態においては、製造工程において、スリット５ａの露出部から異物が入り込み、意図しない仕上がりとなる可能性があるためである。
＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について示す。本実施例においては、特に、振動部１１の外形のうち、バックチャンバー２の外形の外側に配置される領域を、各辺の両端部１１ｂすな
わち、支持部１２により近い領域とし、両端部１１ｂには、振動部１１が基板３側に変位した場合に、基板３と当接する凸状のストッパを設けた例について説明する。
図１１には、本実施例における振動部１１、支持部１２、固定膜１３及びバックチャンバー２を法線方向から見た図を示す。図１１（ａ）は全体の平面図、図１１（ｂ）は、支持部１２付近を拡大した図である。また、図１２（ａ）には図１１（ｂ）のＡ-Ａ´断面
を、図１２（ｂ）には、図１１（ｂ）のＢ−Ｂ´断面を示す。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すように、本実施例においては、特に、振動部１１において、外形がバックチャンバー２の外形の外側に配置された領域には、基板３側に凸状となったストッパ５ｂを設けることとした。これにより、バックプレート７側から振動部１１に大きな圧力が作用したことによって、振動部１１がバックチャンバー２側に変位した場合には、ストッパ５ｂを基板３の表面に当接させることができる。これにより、振動部１１が基板３に当接する際の接触面積を小さくすることができ、振動部１１が基板３に当接した状態で固着してしまうことを抑制できる。
＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３について示す。本実施例においては、特に、振動部１１の外形においてバックチャンバー２の最寄りの外形との角度が所定角度以下の領域については、振動部１１の外形とバックチャンバー２の外形との距離を所定距離以上離す例について説明する。
図１３は、振動部１１の外形（すなわち側面図における端面、以下同じ）が、バックチャンバー２の外形（端面）に過剰に近づいた場合の不都合を示す図である。図１３（ａ）は、ダイアフラム５に圧力が作用していない状態における、振動部１１の外形（端面）と、バックチャンバー２の外形（端面）との関係を示す図である。図１３（ｂ）は、ダイアフラム５に圧力が作用した場合に生じ得る現象について示した図である。
すなわち、図１３（ａ）に示すように、振動部１１の外形（端面）とバックチャンバー２の外形（端面）とが近づきすぎた場合には、振動部１１にバックプレート７側から大きな圧力が作用した際に、振動部１１が一旦、バックプレート７とは反対側に変位してバックチャンバー２内に侵入する。そして、初期位置に復帰しようとする際に、振動部１１の外形（端面）がバックチャンバー２の外形（端面）に引っ掛り、初期位置への復帰が不可能になる場合があった。
これに対し本実施例においては、特に、振動部１１の外形（端面）において、最寄りのバックチャンバー２の外形（端面）との法線方向から見た角度が所定角度、例えば３度以下の領域については、振動部１１の外形（端面）をバックチャンバー２の外形（端面）から所定距離、例えば１μｍ以上、あるいは３μｍ以上離して配置することにした。
図１４には、本実施例におけるダイアフラム５、固定膜１３、バックチャンバー２の外形の平面図を示す。図１４から分かるように、本実施例では、振動部１１の外形において、バックチャンバー２の最寄りの外形との角度が３度以下の領域１１ｄ、１１ｅ（一辺についてのみ符号を付与しているが、他の三辺についても同様である）については、必ずバックチャンバー２の外形から１μｍ以上離すこととした。
これによれば、振動部１１の外形が、バックチャンバー２の外形と交差する部分１１ｆ等、バックチャンバー２の最寄りの外形に対して大きな角度を有する領域以外は、振動部１１の外形をバックチャンバー２の外形から端面から１μｍ以上離すことができ、振動部１１にバックプレート７側から大きな圧力が作用した場合に、振動部１１の外形（端面）がバックチャンバー２の外形（端面）に引っ掛かり、初期位置への復帰が不可能になるこ
とを抑制できる。また、そのことにより、振動部１１が屈曲してその中心側の領域がバックプレート７に当たる等の不都合が生じることを回避できる。
なお、本実施例において、振動部１１の外形をバックチャンバー２の外形から端面から１μｍ以上離す領域を、振動部１１の外形において、最寄りのバックチャンバー２の外形との法線方向から見た角度が３度以下の領域としたのは以下の理由による。すなわち、基本的に、バックチャンバー２の外形（端面）とある程度角度を有する振動部１１の外形（端面）は、振動部１１の外形（端面）がバックチャンバー２の外形（端面）と交差する場合を含めて、バックチャンバー２の外形（端面）に引っ掛かり難いと考えられるからである。
また、上記の実施例において、バックチャンバー２の最寄りの外形とは、振動部１１の外形の所定の領域について、当該領域からの距離が最小となるバックチャンバー２の外形としてもよい。また、その外形に対する法線方向から見た垂直線が交差するバックチャンバー２の外形としてもよい。あるいは、振動部１１の法線方向から見た中央部（振動部が四辺形の場合対角線の交点でもよい。振動部が円形の場合は中心でもよい。）から当該領域を通過するように引いた直線が交差するバックチャンバー２の外形としてもよい。
また、本実施例においては、図１４に示すように、振動部１１の外形がバックチャンバー２の外形と交差する場合の交差角度を略４５度とした。この交差角度を３０度以上とすれば、製造バラツキによってバックチャンバー２の外形位置がバラついたとしても、ダイアフラム５の振動部１１の外形のうち、バックチャンバー２の外形の外側に配置されている部分の面積の変化を抑えることができる。換言すると、ダイアフラム５の振動部１１のうちバックチャンバー２の外側のシリコン基板３と平面視において重なる部分の面積を安定化することができる。
＜実施例４＞
次に、本発明の実施例４について示す。本実施例においては、ダイアフラムの振動部の外形が四辺形以外の形状である例について説明する。
図１５には、本実施例におけるダイアフラム５の外形のバリエーションについて示す。図１５（ａ）は、バックチャンバー２の外形及び、ダイアフラム５の振動部１１の外形が略正六角形である例を示す。この場合は、放射状に伸びる支持部１２は各角部に合計６本設けられている。図１５（ｂ）は、バックチャンバー２の外形及び、ダイアフラム５の振動部１１の外形が略正八角形である例を示す。この場合は、放射状に伸びる支持部１２は各角部に合計８本設けられている。図１５（ｃ）は、バックチャンバー２の外形は円形であり、ダイアフラム５の振動部１１の外形は略四辺形で中央部１１ａが円弧状に凸となった形状である例を示す。この場合は、放射状に伸びる支持部１２は実施例１と同様各角部に合計４本設けられている。
このように、振動部の形状及び支持部の数は、基盤の形状や静電容量型センサの仕様に応じて適宜変更することが可能である。なお、図１５から分かるように、本実施例においては、振動部１１の外形は中央部１１ａにおいてバックチャンバー２の外形の内側に配置され、両端部１１ｂにおいてバックチャンバー２の外形の外側に配置されている。しかしながら、振動部１１の外形の何れの部分がバックチャンバー２の外形の外側に配置され、何れの部分がバックチャンバー２の外形の内側に配置されるかについても、静電容量型センサの仕様に応じて適宜変更できることは当然である。
＜実施例５＞
次に、本発明の実施例５について示す。本実施例においては、ダイアフラムの振動部の
外形に、基板の開口部の外形との交点を有する領域と、有しない領域が混在する例について説明する。
図１６には、本実施例におけるダイアフラム５の外形のバリエーションについて示す。図１６（ａ）は、振動部１１が略四辺形であり、四辺形の対向する上下の二辺についてはバックチャンバー２の外形の外側に配置され、対向する左右の二辺については、バックチャンバー２の外形の内側に配置された例である。図１６（ｂ）は、振動部１１が略四辺形であり、四辺形の対向する二つの対角の付近については両端部１１ｂが設けられており、残りの二つの対角については両端部１１ｂが設けられていない例である。図１６（ｃ）は、バックチャンバー２の外形及び、ダイアフラム５の振動部１１の外形が略正八角形であって、両端部１１ｂが設けられた頂角と、両端部１１ｂが設けられていない頂角が交互に設けられた例である。
このように、本発明におけるダイアフラム５は、少なくとも一箇所以上に、ダイアフラム５の法線方向から見てダイアフラム５の外形と基板の開口の外形が交差する交差構造を有していればよく、ダイアフラム５の振動部１１の外形に、バックチャンバー２の外形との交点を有する領域と、有しない領域が混在しているものを含んでいる。
＜実施例６＞
次に、本発明の実施例５について示す。本実施例においては、ダイアフラムの振動部の外形が略円形である例について説明する。
図１７には、本実施例におけるダイアフラム５の振動部１１の外形が円形である場合について示す。この例においては９０度間隔で四つの支持部１２が半径方向に延伸するように設けられている。また、支持部１２と支持部１２の間の曲線部分の両端には両端部１１ｂが設けられており、両端部１１ｂにおいては振動部１１の外形は円形のバックチャンバー２の外形の外側に配置されている。また、支持部１２と支持部１２の間の曲線部分における中央部１１ａにおいては振動部１１の外形は円形のバックチャンバー２の外形の内側に配置されている。なお、図１７のダイアフラム５における支持部１２と支持部１２の間の曲線部分は、本発明における閉曲線を構成する曲線に相当する。
このように、本発明におけるダイアフラム５の振動部１１の外形は、四辺形などの多辺形には限られない。また、本実施例においては、振動部１１の外形が円形である場合について説明したが、振動部１１の外形は円形以外の閉曲面によって形成されても構わない。
なお、上記の実施例においては、ダイアフラム５の支持部１２がアンカー１２ａによって基板３に固定される例について説明したが、本発明において、ダイアフラム５の支持部１２はアンカー１２ａによってバックプレート７に固定されるようにしても構わない。また、上記の実施例においては、本発明を静電容量型センサに適用した例について説明したが、本発明は他のセンサ、例えば、ダイアフラムを圧電効果を有する材質で形成、ダイアフラムの変位を圧電電圧の変化として検出する圧電型センサについても、同様に適用可能である。この場合には、バックプレートは構成として不要になる。
１・・・音響センサ
２・・・バックチャンバー
３・・・（シリコン）基板
５・・・ダイアフラム
５ａ・・・スリット
５ｂ・・・ストッパ
７・・・バックプレート
８・・・固定電極膜
１１・・・振動部
１１ａ・・・中央部
１１ｂ・・・両端部
１２・・・支持部
１３・・・固定膜

Claims (13)

  1. 開口を有する基板と、
    前記基板の開口に対向するように配設されるダイアフラムと、
    前記ダイアフラムを前記基板または他の部材に固定する複数のアンカーと、
    前記ダイアフラムの周囲にスリットを介して配置される固定膜と、
    を備えるＭＥＭＳ構造において、
    前記ダイアフラムの外形は、アンカーに向かって突出する形状を含み、
    前記ダイアフラムの少なくとも一箇所以上に、前記ダイアフラムの法線方向から見て前記ダイアフラムの外形と前記基板の開口の外形が前記アンカーに向かって突出する形状を挟んで二つの交点で交差する所定の交差構造を有し、
    前記交差構造においては、
    前記二つの交点の距離が、前記アンカー寄りに位置する前記ダイアフラムの幅よりも長いことを特徴とする、ＭＥＭＳ構造。
  2. 前記ダイアフラムの外形が、前記交点の近傍において変曲点を有することを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳ構造。
  3. 前記ダイアフラムの外形は、多辺形または略多辺形からなり、
    前記ダイアフラムの外形における一辺のうち、前記基板の開口の外形よりも外側に位置する部分の長さが、前記一辺の長さの１／２０以上かつ１／３以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＭＥＭＳ構造。
  4. 前記ダイアフラムのうち、その外形が前記基板の開口の外側に配置された部分には、前記基板の方向に凸の形状を有し前記ダイアフラムが前記基板側に変位した際に前記基板に当接するストッパが形成されたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造。
  5. 前記固定膜は、前記ダイアフラムを完全に囲い、前記スリットは閉曲線を構成することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ構造。
  6. 前記ダイアフラムの外形のうち、最寄りの前記基板の開口の外形に対する角度が３度以下の領域については、前記基板の開口の外形から１μｍ以上離して配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造。
  7. 前記ダイアフラムの外形が、前記交点において前記基板の開口の外形と交差する際の交差角度が３０度以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造。
  8. 前記固定膜は、前記ダイアフラムを完全に囲い、前記スリットは閉曲線を構成し、
    前記ダイアフラムの外形のうち、法線方向から見て前記基板の開口の内側に配置される部分は、前記多辺形の一辺または前記閉曲線を構成する曲線における中央部に配置され、法線方向から見て前記基板の開口の外側に配置される部分は、前記多辺形の一辺または前記閉曲線を構成する曲線における前記中央部の両側に配置されることを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳ構造。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造と、
    前記ダイアフラムに空隙を介して対向するように配設されるバックプレートと、を備えることを特徴とする、静電容量型センサ。
  10. 前記アンカーは、前記ダイアフラムを前記バックプレートに固定することを特徴とする
    、請求項９に記載の静電容量センサ。
  11. 請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造における前記ダイアフラムが、圧電効果を有することを特徴とする、圧電型センサ。
  12. 請求項９または１０に記載の静電容量型センサを有し、音圧を前記ダイアフラムと前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換して検出する音響センサ。
  13. 請求項１１に記載の圧電型センサを有し、音圧を前記ダイアフラムの圧電電圧の変化に変換して検出する音響センサ。
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