JPH01316099A - キャパシティブ音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、膜部材ユニットと、半導体材料製の少なくと
も１つの固定対向電極構造とを有する、キャパシティブ
音響トランスデユーサに関する。

このトランスデユーサは音圧変化を電気信号に変換する
マイクロホンとして機能する。

（従来の技術） 膜部材と少なくとも１つの固定対向電極とを有するキャ
パシティブ・マイクロホン（コンデンサ・マイクロホン
）が公知となっている。この公知のマイクロホンにおい
ては、膜部材には予荷重が加えられており、この予荷重
によってマイクロホン・カプセルの音響特性に影響を与
えることができるようになっている。対向電極には型押
しの流通路が形成されており、この流通路は、一方では
、膜部材と対向電極とにより画成されているエア・キャ
ップからトランスデユーサの背気室へ空気が流出できる
ようにすることを目的としたものであり、他方では、こ
のエア・ギャップ内のダンピング損失を低減することを
目的としたものである。しかしながらこれによって、こ
の公知のマイクロホンの感度は低下しており、また、周
波数応答特性にも悪影響が及んでいる。信号の変換は、
このトランスデューサの相対的な容量の変化を評価する
という方法で行なわれる。

近年の半導体技術の進歩により、マイクロ・メカニクス
的な手段によって、例えばシリコン基板−１−等に、微
小トランスデユーサを製造することか可能となっている
。この技術に関する文献には、”ＫＡＰＡＺＩＴＩＴＩ
ＶＥ　ＳＴＬＴＺＴＵＭＳＥＮＳＯＲＥＮ　ＦＵＥＲｌ
（ＯＥＲ３ＣＨＡＬＬＡＮＷＥＮＤＵＮＧＥＮ″　（音
響用キャパシティブ・シリコン・センサ）という題の論
文があり、コレハ、１９８６年刊、ＶＤＩ−ＶＥＲＬＡ
Ｇ　ｌ５ＢＮ　３−１８−１４１６１０−９に掲載され
ており、この論文にはシリコン・マイクロホンの構成が
記載されている。このトランスデユーサはマイクロ−メ
カニクス技術により製造され、約１．６　ｍｍ　Ｘ　２
　ｍｍ　Ｘ　０．６　＋ｎｍの寸法とされている。実効
膜面ば、窒化ケイ素層で覆われた金属層によって形成さ
れており、この膜面は、それに対向している同じくシリ
コンで作られている対向電極から、間にエア・ギャップ
を挟んで離隔されている。

（発明が解決しようとする課題） 半導体技術を用いて製造された微小マイクロホンは、あ
る重要な欠点を有しており、その欠点は、非常に狭いエ
ア・ギャップにおけるダンピング損失に起因するもので
ある。膜部材が周期的圧力変化により振動させられると
、このエアΦギャップの内部に流動抵抗が発生する。こ
の流動抵抗はエア・キャンプが狭くなるほど大きなもの
となり、その理由は、この損失は主に壁面における摩擦
によって発生するものだからである。この流動抵抗は、
更に周波数によっても変化し、周波数が高くなるほど抵
抗が大きくなり、そのため比較的高い周波数の感度がか
なり低下する。ダンピング損失はエア・キャンプが狭く
なるのにつれて線形に増加するものではないため、上に
説明した種類のマイクロホンに与える悪影響は極めて大
きなものがある。対向電極に通口を形成するという方法
は、この対向電極の寸法が極めて小さいこと、そして現
在そのための技術が確立されていないことのために、実
際的なものではない。上に言及した文献に記載されてい
るマイクロホンは、エア・ギャップの損失の結果、その
感度がＩ　Ｖ　／　Ｐ　ａに対して一６０デシベル以下
に低下しており、また、その周波数応答は数キロヘルツ
までに制約されている。

（課題を達成するための手段） 膜部材と対向電極との間に発生するエア・ギャップ・ダ
ンピングは、対向電極の横方向の寸法を、即ち、エアの
流れの方向に対して直角の方向の寸法を減少させること
によって低減することができる。そのような寸法の減少
によって、トランスデユーサの静的容量（休止時におけ
る容量）もまた減少する。この静的容量の下限は、低周
波回路において得られる信号の振幅を考慮するならば、
１ピコフアラドの付近にある。対向電極の寸法の縮小は
、流動抵抗の減少には寄与するものの、そのような減少
した静的容量には、もはや、２′ 作用しなくなる。

本発明の目的は、以下の如き微小マイクロホンを提供す
ることにある。即ち、その微小マイクロホンは、半導体
技術を用いて製造されるものであって、その膜部材の実
効面が、良好な効率という点に関して、これまでに公知
となっているマイクロホンと同程度に維持されており、
しかも、エア・ギャップの内部に発生するダンピング損
失が、対向電極の好適な構成によって、これまでに公知
となっているマイクロホンの欠点が除去されるほどに低
減されている微小マイクロホンである。

このトランスデユーサの出力信号はそのトランスデユー
サの静的容量の相対的変化によって増すことができると
いう原理に基づくことによって、横方向の寸法を著しく
減少させた対向電極を採用することができ、これは必然
的にダンピング損失を低減させることになる。

本発明に拠れば、膜部材の運動により能動素子の入力容
量を制御すれば、より小さな静的容量を採用することが
できる。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート・チャネルの
容量はｔｏ−１５ファラド程度であり、従って」二に説
明した対向電極の容量である１ピコフアラドの１０００
分の１程度である。電界効果トランジスタのソース−ド
レイン・チャネル構造が膜部材に対向して配置されてい
る場合、必要な対向電極構造の寸法の縮小が行なわれる
ことによって流動損失は著しく低減される。この効果は
、対向電極構造の［１］寸法が実効膜面の寸法の１０分
の１程度になると現れる。

（実施例） 以下に添付図面を参照しつつ、本発明の実施例について
説明する。その説明から、本発明の上記目的、並びに更
なる目的が明らかとなろう。

本発明に係るキャパシティブ音響トランスデユーサの基
本構造が第１図に図示されており、このトランスデユー
サを以下、ＦＥＴマイクロホンと呼称する。例えばアル
ミニウムで金属化した膜である膜部材が、間にエア・ギ
ャップｄＬを挟んでソース−ドレイン・チャネルの上方
に配置されており、このソース−ドレインφチャネルを
以下、対向電極構造と呼称する。この対向電極構造のチ
ャネル部分は好適には酸化物保護層で覆われている。弱
ｐドーピングを施されたシリコン基板が好適にはチャネ
ル領域りを形成しており、また、強ｎドーピングを施さ
れた電極が、好適にはこのＦＥＴのドレインとソースと
を形成している。以上によって、例えばＮチャネル・エ
ンハンスメント形のＦＥＴが形成されている。

膜部材とソース接続体との間には電圧ＵＧＳが印加され
ており、それによってこの電解効果トランジスタの動作
点が設定されている。

このＦＥＴマイクロホンは、ソース回路内において動作
するという有利な構成となっている。これは第３図に、
それに関連する小信号等価回路の回路図と共に示されて
いる。作動電圧ＵＢが、ドレイン抵抗ＲＤを介してマイ
クロホンへ導かれており、このドレイン抵抗ＲＤは、対
向電極を形成しているチップ上に直接一体に形成するこ
ともできる。このマイクロホンの出力電圧Ｕａはドレイ
ン接続体から取り出される。膜部材はソース番こ対して
相対的に、電圧ＵＧＳで予め荷電されてｌ／）る。

第３図の小信号等価回路においては、機械−電気変換コ
ンダクタンスＳｍｅを有する電流源が、膜部材の変位Ｘ
によって制御されている。流入電流がドレイン抵抗ＲＤ
に電圧降下を発生させ、この電圧降下が出力電圧Ｕａに
対応する。

このＦＥＴマイクロホンの周波数応答と感度とを計算す
るために、第２図に、機械的な部分番こついての等何回
路が示されている。Ｒ３（ω）とＭＳ（ω）とは、膜部
材の放射インピーダンスＺｍＳを表わしている。ＭＭは
膜部材の質量を、そしてＣＭは膜部材のコンプライアン
スを表わし、また膜部材は振動速度Ｖｍで振動する。背
気室はコンプライアンスＣｖで表わされる。入力される
力に＝ｐＸＡは、膜部材の面積Ａと、この膜部材の前面
に加わる差圧ｐとから求められる。

放射インピーダンスが周波数に従って変化するため、こ
の等価回路図に関する式の成立する範囲を２つに区別し
ておく必要がある。

約１５５キロヘルツ以下において成り立つ放射インピー
ダンスＺｍＳの式は、以下のとおりである。

Ｚ　　＝Ｒ＋ｊωＭｓ ｓ　　　Ｓ ここで、 Ｒ９＝　　２．２４５ＸＩＯｋｇ　５ｅｃＸωＭ５＝　
　３．１６３Ｘ１０　　　ｋｇである。

約１５５キロヘルツ以上においては、放射インピーダン
スの式は以下のようになる。

Ｚ　　＝Ｒ＋ｊωＭｓ ｓ　　　Ｓ ここで、 Ｒ８＝　　２．８４０ＸｌＯｋｇ／ｓｅｃＭ５＝　（２
４０，５ｋｇ／ｓｅｅ　）　／ωである。

膜部材の動的質量ＭＭとコンプライアンスＣＭとは、以
下の値を持つ。

ＭＭ＝　　７．３８４ＸＩＯｋｇ ＣＭ＝　　１／３０Ｔ　（引張応力Ｔは、Ｎ１口を単位
とし、２０〜２００　Ｎ／ｍの範囲の値である） 背気室（背気室体積＝Ｖ）のコンプライアンスに関して
は以下の式が成り立つ。

Ｃ＝　Ｖ　／　ｐｏ　ＣＡ　ｅ　ｆ　ｆ■ 実効断面積Ａ　ｅｆｆには、膜部材の面積であるＡｅｆ
ｆ＝ａ２が用いられる。背気室はウェハーの厚さに影響
され、このウエノ＼−の厚さが背気室の体積を表わす。

その値は約２８０ミクロンである。

従ってＣＶの値は次のようになる。

ＣＶ＝　　２．８６６Ｘ１０　　ｓｅｃ／ｋｇエア・ギ
ャップの内部のエアの、質量、コンプライアンス、及び
摩擦損失は無視することができる。その理由は、エア・
ギャップの１］、並びにソース−ドレイン・チャネル構
造の巾が、膜部材と背気室の開口との、横方向寸法と比
べて充分に小さいからである。

このＦＥＴマイクロホンの電気的部分からその機械的特
性へのフィードバックは消失しており、その理由は、膜
部材が、電圧ＵＧＳによるエア・ギャップ内の電界を、
低いオーム抵抗で駆動するからである。

これに対して、低周波回路に組込まれた従来のコンデン
サ・マイクロホンでは、トランスデユーサに接続された
回路による、そのトランスデユーサの機械的動きへの影
響を無視することは、不可能である。ブリ・アンプの入
力抵抗と入力容量とは、タンピングを発生させると共に
、変成された「電気的な」コンプライアンスを発生させ
、このことがｊ膜部材の振動運動に影響を及ぼし、ひい
てはトランスデユーサ全体の動きに影響を及ぼす。

機械的インピーダンスＺｍに関しては以下の式％式％ ｖｍ　＝　ｊωＸであり、膜部材の面積がＡであること
から、以下の式が得られる。

ｕ　　＝　　Ｓ　、　ｅＸ　ＲＤ ＝Ｓ　ｍｅ　ＲＤ　Ｖ　ｍ／　Ｊ　（１）＝−５ｍｅＲ
ＤｐＡ／ｊωＺｍ 従ってマイクロホン感度Ｍｅとその周波数特性について
以下の式が得られる。

Ｍ　　＝Ｕ　　／ｐ ｅ　　　　　　　ａ −５ｍｅ　Ｒｏ　Ａ　／　Ｊωｚｍ −−８０８ＲＤＡＣｇｅｓ× １／（１−ω　ＭＣ十ｊωＺ、ｓＣｇｅｓ）　　ｇｅｓ マイクロホン感度は１機械−電気変換コンタクタンスＳ
ｍｅとドレイン抵抗ＲＤとに比例して増大することが分
る。しかしながら、それらの値は任意に増加させること
のできるものではなく、なぜならば、使用可能な作動電
圧ＵＢの大きさと、設定可能な膜部材の最大電圧Ｕｇｓ
（チャネル内の電界強度）とには、」−限があるからで
ある。総合コンプライアンスＣｇｅｓを大きくするため
には、「やわらかな」膜部材（コンプライアンスＣＭが
大きい）と大きな背気室体積（ＣＶ　）とを必要とする
。更にこの点に関しては、ある制約が存在している。超
小型トランスデユーサの膜部材の表面積Ａが非常に小さ
いことから、それに必然的に付随する問題が生じている
のである。

感度Ｍｅの周波数への依存性を、膜部材の機械的応力と
背気室体積とを種々に変化させてグラフに表わしたもの
を、第４図に示す。

本発明に係るキャパシティブ音響トランスデユーサの有
利な構成の具体的な実施例を、第５図に関連して説明す
る。このＦＥＴマイクロホンは２つのチップから成り、
それらのうちの上方のチップは、膜部材２を支持してい
る膜部材ユニットｌとして構成されており、また下方の
チップは、このＦＥＴのソース−ドレイン・チャネル構
造９．１０．１１を支持している対向電極構造３として
構成されている。

膜部材２は、好ましくは厚さが１５０ナノメートルの窒
化ケイ素の層４から成るものとするのが良く、この層４
の機械的応力特性は、製造工程中のイオン注入によって
、変化させることができる。膜部材２は支持フレーム２
．１によって支持されており、この支持フレーム２．１
は、壁面を成して膜部材を囲繞しており、また半導体基
板材料、好ましくはシリコンで、形成されている。蒸着
形成された厚さがｌＯＯナノメー）・ルのアルミニウム
層５がそのＦ面を覆っている。この蒸着形成層はこのＦ
ＥＴのゲートとして機能する。

下方チップには、プラズマ・エツチング法により２つの
細長形状の溝６と７が形成されており、これらの溝６と
７はこのマイクロホンの背気室を形成している。これら
２つの溝の間に、）ｆ］が８０ミクロンのブリッジ部８
が形成されており、このブリッジ部８はＦＥＴのンース
ードレインΦチャネル構造９．１０．１１を支持してい
る。チャネル１０から、膜部材２のアルミニウム層５ま
での距離は２ミクロンである。

対向電極構造３−）、には、詳細には図示していないが
３個の接点パッド１６を載置しており、それらの接点パ
ッドは、ドレイン接点用、ソース接点用、並びに膜部材
のアルミニウム層用のものであり、膜部材のアルミニウ
ム層用のものはゲート接点として機能する。

静的エア圧の補償を行なうための補償用間１１が対向電
極チップの酸化ケイ素の外縁部１２に画成されており、
この補償用開口による静的エア圧の補償は、このマイク
ロホン・カプセルが音響的に密閉された空間を備えた音
圧トランスデユーサとして作動し得る範囲内で、行なわ
れる。

膜部材ユニット１のチップ、並びに対向電極構造３のチ
ップを製造する製造工程は、半導体装置野における当業
者には周知であり、従って本明細書では更に詳細に説明
する必要はない。

上記の２つの半導体チップを接合可能とするために、酸
化ケイ素層１２の上に更にアルミニウム層１３が形成さ
れている。両方のチップ１と３とは、それらの加熱・た
けて互いに接合され、この加熱によって、膜部材ユニッ
ト１のアルミニウム面５と対向電極ユニット３のアルミ
ニウム面１３とが互いに溶着する。

第５図に図示したトランスデユーサは更に、プッシュ・
プル型のトランスデユーサへと拡張することができ、そ
の際には、適切な形状のブリッジ部８を備えた第２の対
向電極構造を、膜部材ユニット１の所与の四部の内部に
設ければ良い。この場合には、膜部材２は、その両面を
金属化して被膜を形成しておく必要がある。

トランスデユーサが、以上に記載したようにプッシュ・
プル型トランスデユーサとして動作すべき場合、または
、別の好適実施態様に従って圧力傾度特性をりＩＩえる
べき場合には、膜部材の背後に形成されている夫々の背
気室を、開口を介して外部音場に連通させる。例えば第
５図には、そのような開口が引用符号１４及び１５で示
されている。

以」二に説明した構成においては、チャネル領域を形成
しでいる対向電極構造には、Ｎチャネル・エンハンスメ
ント形動作原理、ないしはＰチャネル・エンハンスメン
ト形動作原理が採用される。

しかしながら、このチャネル領域については、適当な方
法でデプレッション形動作原理を採用することも可能で
ある。ＦＥＴ回路の動作点は予め定められているため、
ゲート用の特定の予め加えられる重圧は省くことができ
、なぜなら、この電圧は、公知の方式でソース電流回路
に挿入した抵抗によって自己的に発生させることができ
るからである。

集積回路の製造法から分るように、ウェハー上に大量の
同一のユニットを同時に構成し、しかる後にそれらを個
々に切離すという方法を取ることができる。本発明に係
るキャパシティブ音響トランスデューサの製造について
も、ウェハー上に大量の微小マイクロホンを構成するこ
とが可能である。ただしそれらを個々に切離すことをせ
ずに、特に定めた微小マイクロホンのグループ毎に切離
すという方法がある。例えば、隣接した複数のマイクロ
ホンから成る列及びそれらの相互接続並びにそれらを支
持する回路を単一チップ」二に保持することによって、
干渉式指向性マイクロホンを製造することができる。

（発明の効果） 本発明に係るキャパシティブ音響）・ランスデューサの
顕著な利点は、トランスデユーサの音響効率を良好なも
のとするために必要とされる比較的大きな膜部材実効部
分が、その小部分だけを対向電極構造に対向させており
、それによってエア・ギャップ損失を無視し得る程度に
小さなものとしていることである。その結果、第４図か
ら分るように、非常に良好な感度をもつ広い範囲の線形
伝達領域が得られている。更には、このトランスデユー
サの雑音特性が極めて良好となっており、それは、エア
・ギャップ内のダンピングにより発生する雑音成分が、
根本的に極めて低レベルだからである。

キャパシティブ音響トランスデユーサは多くの場合いわ
ゆる低周波回路に組込まれて動作しており、そのため予
め抵抗を入れておく必要があり、この抵抗の熱雑音はそ
の抵抗値が大きくなるほど増大する。しかしながら、周
波数の下限を同一としたままで微小マイクロホンのトラ
ンスデユーサ静的容量を低下させるには、この予め入れ
ておく抵抗の値を増大させる必要があり、これは、従来
の構成では解決し得ない問題であった。

ＦＥＴマイクロホンは、予め抵抗を入れておく必要がな
いため、この雑音成分も非常に小さいのである。

更には、１枚のウェハー上に一緒に形成されて並列に接
続された複数のＦＥＴマイクロホンを、単一マイクロホ
ン・ユニットとして使用することによっても、雑音特性
を向」−させることができる。

以−にに本発明を幾つかの実施例について説明したが、
本発明はそれらの実施例に限定されるものではなく、本
発明の範囲内において、それらの実施例に対して様々な
変更を加え得ることは、明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る音響トランスデユーサの模式図
、 第２図は、機械的部分の等価回路図、 第３図は、小信号等価回路図、 第４図は、周波数応答のグラフ、 第５図は、本発明に係る音響トランスデユーサの一部断
面とした斜視図、そして、 第６図は、ウェハー上の複数の音響トランスデユーサの
例示的な配列を示す図である。 尚、図中、 ｌ・・・・・・膜部材ユニフト、 ２・・・・・・膜部材、 ３・・・・・・対向電極構造、 ４・・・・・・窒化ケイ素層、 ５・・・・・・アルミニウム層、 ６．７・・・溝、 ８・・・・・・ブリッジ部、 ９．１０．１１・・・ソース−ドレイン−チャネル構造 １２・・・酸化ケイ素層、 １３・・・アルミニウム層、 １４．１５・・・開口、 １６・・・接点パッド。 一゛τ−１ −７００＝ ｄＢ　ｒｅ　１　　／Ｐａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、膜部材ユニットと対向電極構造とを構成する２つの
   互いに接合した半導体チップを備え、前記膜部材ユニッ
   トの音響的実効部分が、エア・ギャップを間に挟んで前
   記対向電極構造から離隔しており、 前記膜部材ユニットが半導体基材から成り、且つ、前記
   膜部材ユニットの前記音響的実効部分が、前記対向電極
   構造に対向した導電性表面を有しており、 前記対向電極構造が、ソース−ドレイン構造によって画
   成されたチャネルを備え、前記膜部材ユニットの前記音
   響的実効部分と前記対向電極構造とが、電界効果トラン
   ジスタに相当する系を形成しており、 前記チャネルが幾何学的な巾寸法を有し、前記膜部材ユ
   ニットの前記音響的実効部分が幾何学的な巾寸法を有し
   、前記チャネルの前記巾寸法が、前記膜部材ユニットの
   前記音響的実効部分の前記巾寸法の１０分の１程度の大
   きさである、 ことを特徴とするキャパシティブ音響トランスデューサ
   。 ２、前記膜部材ユニット及び前記対向電極構造の基材が
   シリコンであり、且つ、 前記膜部材ユニットの前記実効面が窒化ケイ素層から成
   り、該窒化ケイ素層にはアルミニウムが蒸着されており
   、且つ、該窒化ケイ素層の機械的引張力がイオン打込み
   によって定められていることを特徴とする、請求項１記
   載のキャパシティブ音響トランスデューサ。３、更に第
   ２対向電極を備え、前記膜部材の前記実効部分の両面が
   、プッシュ・プル型トランスデューサの性質を持つよう
   に金属化されていると共に、その各々の面が、前記対向
   電極構造の１つと対向していることを特徴とする、請求
   項１記載のキャパシティブ音響トランスデューサ。 ４、前記対向電極構造の前記チャネルが、 ＦＥＴのチャネル・エンハンスメント形動作原理に基づ
   いて動作することを特徴とする、請求項１記載のキャパ
   シティブ音響トランスデューサ。 ５、前記対向電極構造の前記チャネルが、 ＦＥＴのチャネル・デプレッション形動作原理に基づい
   て動作することを特徴とする、請求項１記載のキャパシ
   ティブ音響トランスデューサ。 ６、前記対向電極構造が閉塞空間の内部に収容されてお
   り、それにより圧力トランスデューサ特性に影響を及ぼ
   していることを特徴とする、請求項１記載のキャパシテ
   ィブ音響トランスデューサ。 ７、前記チャネルが、圧力傾度特性に影響を及ぼす開口
   を備えた実質的に閉塞された空間に囲繞されていること
   を特徴とする、請求項１記載のキャパシティブ音響トラ
   ンスデューサ。 ８、前記トランスデューサがウェハー上に複数の同様の
   トランスデューサと共に列を成して形成されており、前
   記トランスデューサと前記同様のトランスデューサとが
   互いに電気的に接続されて干渉式指向性マイクロホンを
   形成していることを特徴とする、請求項１記載のキャパ
   シティブ音響トランスデューサ。 ９、前記音響トランスデューサ及び前記同様のトランス
   デューサが、互いに電気的に並列に接続されていること
   を特徴とする、請求項８記載のキャパシティブ音響トラ
   ンスデューサ。 １０、増幅器を含む周辺電気回路と共にウェハー上に形
   成されていることを特徴とする請求項１記載のキャパシ
   ティブ音響トランスデューサ。