JPS6115597B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、電気音響トランスデユーサに関
し、特に能動素子が音響振動を対応する抵抗変化
に変換するシリコンカンチレバーであるマイクロ
ホントランスデユーサに関する。

〔発明の技術的背景〕 最近、機械的に歪によつて半導体の電気抵抗が
変化する現像を利用した半導体歪ゲージトランス
デユーサ素子が機械−電気変換の目的で種種の技
術分野で使用されるようになつている。しかしな
がら、このようなトランスデユーサ素子をマイク
ロホンに使用する場合には種々の解決すべき問題
がある。

その中でも特に重要なものはトランスデユーサ
素子に高い感度を持たせることと、トランスデユ
ーサ素子に過大な負荷が加えられて素子が破壊さ
れないようにすることである。半導体歪ゲージト
ランスデユーサ素子に従来のマイクロホンと同程
度の感度を持たせるためには素子は極めて小さな
ものとすることが必要であり、過大な歪が加えら
れると破壊される。一方マイクロホンの入力レベ
ルは非常に広い範囲で変化する。

したがつて、感度が高く、しかも過負荷に対し
ても破壊されないトランスデユーサ素子を開発す
ることが必要である。

〔発明の概要〕

この発明は、このような事情に鑑みてなされた
ものであつて、トランスデユーサ素子を高感度の
ものに構成すると共に、過大な入力時にトランス
デユーサ素子に過大な力が加えられないようにし
たトランスデユーサを提供するものである。

この発明のトランスデユーサは、複数個の半導
体薄板状部分と歪検知部としてそれらの薄板状部
分を連結している半導体フイラメントと、前記複
数個の半導体薄板状部分を支持している層状構造
の半導体よりなる可撓性支持体とを具備している
トランスデユーサ素子と、このトランスデユーサ
素子の前記半導体フイラメントを引張状態に維持
するためのスプリング手段とを具備している。

また、この発明によれば、可撓性ダイアフラム
と、第一および第二のスプリングによりハウジン
グに固着された上記構成のトランスデユーサ素子
と、前記スプリングに隣接してハウジング上に装
着されかつトランスデユーサ素子を引帳状態にバ
イアスするのに適応したスプリングレバーと、ダ
イアフラム上に装着されかつスプリングレバーに
当接してダイアフラムの音響振動がトランスデユ
ーサ素子に伝達されるようにする支持ピンとを含
むマイクロホントランスデユーサが提供される。

〔発明の実施例〕 つぎに添付図面を参照してこの発明の実施例を
説明する。

第１図を参照すると、トランスデユーサ素子１
１は、英国特許第1211499号明細書に記載されて
いるような、ｐ形不純物によるドーピングと選択
的エツチングとによりｎ形シリコンのウエハから
作られたモノリシツクシリコン構造体であり、こ
の構造体は半導体ウエハで作られた積層体状の薄
板支持体１５と、その上に形成された一対の小形
半導体薄板状部分１３とそれより大きい１個の半
導体薄板状部分１２とを備え、それらの大小の半
導体薄板状部分１２，１３は歪検知部となるシリ
コンの薄板状フイラメント１４によつて連結され
ている。これらの各部分は単一の半導体ウエハか
ら製造することができる。すなわち、Ｎ形の半導
体ウエハの一方の面（下面）はｐ形不純物たとえ
ばボロンで均等にドープされ、他方の面（上面）
はトランスデユーサパターン（半導体薄板状部分
１２，１３とフイラメントにより形成される平面
図形）を形成するためにマスクを通して選択的に
ドープされる。それによつて上面には前記パター
ンのＰ形層が形成される。次にウエハがたとえば
水、エチレンジアミンおよびカテコールの混合液
で選択的にエツチされるとき、ウエハの均等にド
ープした一方の面はエツチされないで、Ｐ形層よ
りなる可撓性の薄板支持体１５の平板状部分１
５′を形成する。他方の面のドープしなかつた部
分はエツチされて特にフイラメント１４の下のＮ
形ウエハ部分は下側のＰ形層に達するまで除去さ
れてＮ形半導体部分１５″，１５で支持された
薄板状部分１２，１３およびそれらを連結するフ
イラメント１４よりなるトランスデユーサ素子が
形成される。完成したトランスデユーサ素子にお
いて支持体１５は大形薄板状部分１２と小形薄板
状部分１３との間の位置にＰ形層１５′のみより
なるヒンジ１６が形成されており、支持体１５を
彎曲させることによつてフイラメント１４に引張
力を加えることができるように構成されている。

第２図に示すように、トランスデユーサ素子は
薄板状部分１３のそれぞれに取付けられた条帯状
スプリング２２を介してマウントブロツク２１上
に支持されている。スプリング２２はまたトラン
スデユーサ素子１１に電気接続を与える。マウン
トブロツク２１はまたＵ字形スプリングレバー２
３を支持し、このスプリングレバー２３はトラン
スデユーサ素子の大きい方の半導体薄板状部分１
２に当接してこれを下方に押す偏倚力を与えるこ
とによつてトランスデユーサ素子に曲げの力を与
えてフイラメント１４を引張状態に維持するよう
に軽く曲げられている。

Ｕ字形スプリングの中央アームは支持ピン２５
を介してダイアフラム２４に結合され、ピン２５
はダイアフラム２４の中央に固定されかつスプリ
ングレバー２３とは連結されず単にこれに当接し
ているだけである。第３および４図に示すよう
に、この構成はダイアフラムの過移動によるトラ
ンスデユーサの過負荷を防止する制限作用を与え
る。ダイアフラムの作用する力がトランスデユー
サ素子の方向に大きすぎる場合には、スプリング
レバー２３は押上げられてトランスデユーサ素子
１１と接触しなくなる（第３図）。前記力が反対
方向に大きすぎる場合には、支持ピン２５はその
移動の一部分の間スプリング２３と接触しない
（第４図）。

使用に際して、ダイアフラムの音響振動はトラ
ンスデユーサの対応した振動を生じさせ、したが
つてブリツジ１４に与えられている歪に変化を生
じさせ、歪も対応した振動変化を生じる。トラン
スデユーサの出力はブリツジの抵抗率の変化とし
て測定される。

シリコンブリツジの寸法はマイクロホントラン
スデユーサの所望感度にしたがつて選定される。
かくして、電話用のカーボンマイクロホンに類似
した特性を有するマイクロホンの場合には、フイ
ラメント１４の全体積は10^-8c.c.程度にしなければ
ならない。トランスデユーサ素子の大きい方の薄
板状部分１２はレバーとして作用し、このレバー
の寸法およびフイラメントのスチフネス
（stiffness）がトランスデユーサのスチフネスを
決定し、これはカーボンマイクロホンに合致させ
るためには10⁷ダイン／cmであるべきである。こ
の装置の電気抵抗はシリコンの抵抗率によつて決
定され、50〜200オームセンチ（ohm・cm）であ
ることが望ましい。

各フイラメント中のボロンの分布は片側から拡
散されるから均等ではなく、この非均等性がシリ
コンの格子定数の局部的低減を起こし、これによ
り歪または予荷重が発生される。また局部的なポ
ロン濃度は最も有利な電気特性を生ずるに必要な
濃度より若干高い。フイラメント中のボロン分布
は下記の３つの方法のうちの１つによつて低減す
ることができる。

１ より高濃度にドープされた部分を除去するよ
うに拡散層の一部を除去する。

２ トランスデユーサを熱処理してボロンが高濃
度にドープされた領域から低度にドープされた
領域へ拡散するようにし、それにより以前より
均等な分布を与える。

３ フイラメントを部分酸化し、ボロンが形成さ
れたシリカ層中へ優先的に拡散するようにす
る。シリカ層は後で除去してもよくまたは環境
に対して保護を与えるために残してもよい。

この形式の典型的なトランスデユーサ素子は全
体の寸法が３mm×1.5mmであり、フイラメントは
厚さ３ミクロン、幅20ミクロン、長さ100ミクロ
ンであり、フイラメントの全体積は1.2×10^-8c.c.
である。一対のこのようなフイラメントのスチフ
ネスは22×10⁷ダイン／cmである。かくして、ト
ランスデユーサ素子の厚さが典型的に250ミクロ
ンであり、かつこの素子が条帯状スプリング２２
の端を越えて2500ミクロン突出して10：１比率の
場合には、全体のスチフネスは2.2×10⁷ダイン／
cmである。

このような構造において、100オームの抵抗を
与えるに必要な抵抗率は３×10^-3ohm・cmであ
る。この抵抗率は10²⁰原子／c.c.のレベルまでボロ
ンでドープしたシリコンによつて達成される。ボ
ロン拡散は高い表面濃度たとえば３×10²⁰原子／
c.c.で行われ、６ミクロンの深さまで行なわれる。
シリコンはついで選択的にエツチングされる。フ
イラメントの部分においてはドープした６ミクロ
ンの厚さの半分がエツチングによつて除去されて
より低度にドープされた部分が残り、同時に転位
を有する表面物質の大部分が除去される。場合に
よつてはフイラメント中の平均ドーピングレベル
は熱酸化によつてさらに低減される。

トランスデユーサ素子の等価回路は第５図に示
されている。２個のシリコンフイラメント１４が
抵抗体Ｒ１，Ｒ２を形成する。トランスデユーサ
素子の固定側には、ｎ形基体によつて互に分離さ
れた２個の薄板状部分１３によつて形成された２
個のｐ形領域があり、これらは共同してラテラル
トランジスタ構造TR１を形成し、そのベースは
順方向バイアスダイオードＤ１を介して抵抗体Ｒ
１，Ｒ２に結合される。この回路は対称的であ
る。すなわち、極性は不感性である。

上述したトランスデユーサは一対のシリコンフ
イラメントを有する。ある場合には単一のフイラ
メントを有するトランスデユーサを使用しうる。
しかし、２個のフイラメントが好ましい。それは
トランスデユーサ素子の固定された側の部分で電
気接続を行うことができるからである。

トランスデユーサフイラメントの結晶配向は一
般に〈110〉方向である。すなわち、この配向を
有するシリコンウエハが一般に入手可能である。
しかしながら、フイラメントが〈111〉方向に配
向されている場合には改良出力が得られる。

マイクロホンダイアフラムの過移動によるトラ
ンスデユーサ素子の過荷重を防止するために種々
の他の構成を使用しうる。すなわち、場合によつ
てはダイアフラムは弾性材料の条帯で作られかつ
中空Ｕ字形断面を有するレバーを介してトランス
デユーサに結合されてもよい。ダイアフラムが過
度に移動するとこのようなレバーは鋼製定規のよ
うによりはむしろ“スナツプ（snap）”してトラ
ンスデユーサ素子に過度の力が加えられるのを防
止する。

別の構成においてはダイアフラムの中央部分が
たとえば皿形スプリングを形成するように成形さ
れる。過荷重がかかるとこのようなダイアフラム
は荷重を除去するように変形する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るカンチレバー形のシリコ
ントランスデユーサ素子の斜視図である。第２図
は第１図のトランスデユーサ素子を使用したマイ
クロホントランスデユーサの斜視図である。第
３，４図は第２図のマイクロホントランスデユー
サの動作を示す。第５図は第１図のトランスデユ
ーサ素子の等価回路を示す。 １１……トランスデユーサ素子、１２，１３…
…薄板状部分、１４……フイラメント、１５……
薄板状部分支持体、１６……ヒンヂ部、２１……
マウントブロツク、２２……スプリング、２３…
…スプリングレバー、２４……ダイアフラム、２
５……支持ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 音響振動により対応する抵抗変化を発生させ
   る形式のマイクロホントランスデユーサにおい
   て、 複数個の半導体薄板状部分と、歪検知部として
   それらの半導体薄板状部分を連結している半導体
   フイラメントと、前記複数個の半導体薄板状部分
   を支持している層状構造の半導体よりなる可撓性
   支持体とを具備している半導体トランスデユーサ
   素子と、 この半導体トランスデユーサ素子の前記フイラ
   メントを引張状態に維持するためのスプリング手
   段とを具備していることを特徴とするマイクロホ
   ントランスデユーサ。 ２ 前記半導体薄板状部分がボロンでドープした
   シリコンから構成されている特許請求の範囲第１
   項記載のトランスデユーサ。 ３ 前記半導体薄板状部分の抵抗率が50〜
   200ohm・cmの範囲内にある特許請求の範囲第１
   項または第２項記載のトランスデユーサ。 ４ ハウジング内に装着された可撓性ダイアフラ
   ムと、 複数個の半導体薄板状部分と、歪検知部として
   それらの半導体薄板状部分を連結している半導体
   フイラメントと、前記複数個の半導体薄板状部分
   を支持している層状構造の半導体よりなる可撓性
   支持体とを具備しているトランスデユーサ素子
   と、 前記トランスデユーサ素子を前記ハウジングに
   固着する第一および第二のスプリングと、 前記トランスデユーサ素子を引張状態にバイア
   スするために前記第１および第２のスプリングに
   近接して前記ハウジング上に装着されたスプリン
   グレバーと、 ダイアフラムの音響振動が前記トランスデユー
   サ素子に伝達されるようにするために前記ダイア
   フラム上に装着されかつ前記スプリングレバー当
   接する支持ピンとを具備しているトランスデユー
   サ。