KR101511825B1 - 정전용량형 진동 센서 - Google Patents

Abstract

공동부(37)를 갖는 실리콘 기판(32)의 상면에는, 진동을 받아 막진동하는 진동 전극판(34)을 마련하고 있다. 또한, 진동 전극판(34)의 상방에, 두께 방향으로 관통한 복수의 음향구멍(43)이 개구한 고정 전극판(36)을 마련하고, 진동 전극판(34)과 고정 전극판(36)을 대향시키고 있다. 공동부(37)의 주위에서는, 실리콘 기판(32)의 상면과 진동 전극판(34)의 하면 사이에, 진동 전극판(34) 및 고정 전극판(36) 사이의 에어 갭(35)과 상기 공동부(37)를 연통시키는 벤트 홀(45)을 마련하고 있다. 벤트 홀(45)에 대응하는 영역에서, 진동 전극판(34)에는 복수의 관통구멍 형상을 한 공기 도피부(42)가 개구하고 있다.

Description

정전용량형 진동 센서{CAPACITANCE TYPE VIBRATION SENSOR}

본 발명은 정전용량형 진동 센서에 관한 것으로, 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술 또는 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제작되는 미소(微小) 사이즈의 진동 센서에 관한 것이다.

(진동 센서의 기본 구조)

도 1에 정전용량형 진동 센서의 기본적 구조를 도시한다. 진동 센서(11)는, 중앙부에 공동부(12)를 갖는 기판(13)의 상면에 진동 전극판(14)을 배치하고, 진동 전극판(14)의 상방을 고정 전극판(15)으로 덮은 것이다. 고정 전극판(15)에는 복수 개의 음향구멍(16)(어코스틱 홀)이 상하로 관통하고 있다. 또한, 공동부(12)의 주위에서는, 기판(13)의 상면과 진동 전극판(14)의 하면 사이에 벤트 홀(17)을 마련하고 있고, 벤트 홀(17)에 의해 진동 전극판(14) 및 고정 전극판(15) 사이의 공간(이하, 에어 갭(18)이라고 기술한다)과 공동부(12)를 연통시키고 있다. 이와 같은 구조의 진동 센서(콘덴서 마이크로폰)로서는, 특허 문헌 1에 개시된 것이 있다.

그러나, 진동 센서(11)를 향하여 음향 진동(19)이 공기 전반(傳搬)하여 오면, 음향 진동(19)은 음향구멍(16)을 통과하여 에어 갭(18) 내로 퍼지고, 진동 전극판(14)을 진동시킨다. 진동 전극판(14)이 진동하면, 진동 전극판(14)과 고정 전극판(15) 사이의 전극간 거리가 변화하기 때문에, 진동 전극판(14)과 고정 전극판(15) 사이의 정전용량의 변화를 검출함으로써 음향 진동(19)(공기 진동)을 전기 신호로 변환하여 출력할 수 있다.

(벤트 홀의 작용)

이와 같은 진동 센서(11)에서는, 기판(13)의 표면이 진동 전극판(14)의 진동과 간섭하지 않도록, 기판(13)에 공동부(12)를 마련하고 있다. 공동부(12)는, 도 1과 같이 기판(13)을 상하로 관통하고 있는 경우도 있다면, 기판(13)의 하면에서 막혀서 오목부로 되어 있는 경우도 있다. 관통한 공동부(12)의 경우에도, 진동 센서(11)를 배선 기판 등에 실장함에 의해 관통구멍의 하면이 배선 기판 등으로 막히는 일이 많다. 그 때문에, 이 공동부(12)는 백 챔버라고 불리는 일이 있다.

공동부(12)의 하면은 실질적으로 막혀 있는 일이 많기 때문에, 공동부(12) 내의 압력은 대기압과 다른 경우가 있다. 또한, 음향구멍(16)의 통풍 저항 때문에, 에어 갭(18) 내도 대기압과 다른 경우가 있다. 이 결과, 주위의 대기압 변동이나 온도 변화 등에 의해, 진동 전극판(14)의 상면측(에어 갭(18))과 하면측(공동부(12))에서 압력차가 생겨서 진동 전극판(14)이 휘어서, 진동 센서(11)에 측정 오차가 생길 우려가 있다.

그 때문에, 일반적인 진동 센서(11)에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 진동 전극판(14)과 기판(13) 사이에 벤트 홀(17)을 마련하여 진동 전극판(14)의 상면측과 하면측을 연통시키고 있다. 그 결과, 에어 갭(18)과 공동부(12) 사이의 압력차가 제거되어, 진동 센서(11)의 측정 정밀도가 향상한다.

또한, 벤트 홀(17)을 마련함으로써, 진동 전극판(14)의 기판(13)에의 고정 부위의 면적을 작게 할 수 있기 때문에, 진동 전극판(14)을 유연하게 할 수가 있고, 센서 감도를 향상시킬 있다.

특허 문헌 1: 일본 특표2004-506394호 공보

(열 잡음(熱雜音)에 의한 노이즈에 관해)

상기한 바와 같은 진동 센서에서는, 출력 신호에 노이즈가 포함되어 있고, 센서 출력의 S/N비를 저하시키고 있다. 본 발명의 발명자들은, 진동 센서의 노이즈의 원인을 추급(追及)한 결과, 진동 센서에 생기는 노이즈는, 진동 전극판과 고정 전극판 사이의 에어 갭에서의 열 잡음(공기분자의 요동)에 기인하는 것을 발견하였다. 즉, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 진동 전극판(14)과 고정 전극판(15) 사이의 에어 갭(18), 즉 준(準)밀폐 공간 내에 있는 공기 분자(α)는 요동에 의해 진동 전극판(14)에 충돌하고 있다. 진동 전극판(14)에는 공기 분자(α)와의 충돌에 의한 미소력(微小力)이 가하여짐과 함께 진동 전극판(14)에 가하여지는 미소력이 랜덤하게 변동하고 있다. 그 때문에, 진동 전극판(14)은 열 잡음에 의해 미소 진동하고, 진동 센서에 전기 노이즈가 발생하고 있다. 특히, 감도가 높은 진동 센서(마이크로폰)에서는, 이와 같은 열 잡음에 기인하는 노이즈가 크고, S/N비가 나빠진다.

그래서, 본 발명의 발명자들은, 진동 전극판과 고정 전극판 사이의 에어 갭 내에서 발생하고 있는 열 잡음(공기분자)을 음향구멍으로부터 놓아주어, 그것에 의해 열 잡음에 의한 노이즈를 작게 하는 것을 제안하였다(일본 특원2008-039048).

그러나, 그 후의 연구에 의해, 열 잡음에 의한 노이즈는 에어 갭(18) 내뿐만 아니라 벤트 홀(17) 내에서도 발생하고 있고, 게다가, 벤트 홀(17) 내의 열 잡음에 의한 노이즈도 노이즈 성분의 상당한 비율을 차지하고 있을 알았다. 특히 벤트 홀(17)은 에어 갭(18)에 비하여 갭이 작기 때문에, 열 잡음에 의한 노이즈가 발생하기 쉬운 상황에 있다.

따라서 벤트 홀을 갖는 진동 센서에서는, 벤트 홀에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감시킬 필요가 있다. 그리고, 이 열 잡음에 의한 노이즈를 작게 하는 방법으로서는, 벤트 홀의 간극(갭)을 넓게 하거나, 벤트 홀의 통풍 방향에서의 길이를 짧게 하거나 하여, 열 잡음의 원인이 되는 공기 분자가 벤트 홀(17)로부터 달아나기 쉽도록 하는 방법이 있다.

(저주파 특성과 음향 저항과의 관계)

다음에, 진동 센서의 저주파 특성에 관해 기술한다. 기판과 진동 전극판 사이에 마련한 벤트 홀은, 전술한 바와 같이 진동 전극판의 상면측과 하면측을 연통시켜서 그 압력차를 작게 하는 작용을 하고 있다. 그러나, 벤트 홀의 간극이 큰 경우에는, 그 부근의 음향구멍으로부터 벤트 홀을 통과하여 기판의 공동부에 이르는 경로(도 1에 화살표 선(20)으로 도시한다)의 음향 저항이 작아진다. 게다가, 저주파 진동은, 고주파 진동에 비하여 벤트 홀을 통과하기 쉽기 때문에, 음향구멍을 통과하여 에어 갭 내에 전반하여 온 진동중 저주파 진동은 벤트 홀을 통과하여 공동부측으로 누설되기 쉬워진다. 그 결과, 벤트 홀 부근의 음향구멍을 통과한 저주파의 음향 진동은, 진동 전극판을 진동시키는 일 없이 공동부측으로 누설되어 버려, 진동 센서의 저주파 특성을 열화시키게 된다.

센서 감도의 주파수 특성에 있어서, 그것보다도 주파수가 작아지면 센서 감도가 저하되기 시작하는 한계 주파수를 롤오프 주파수(fL)라고 한다. 진동 센서의 롤오프 주파수(fL)는, 다음 수식 1로 표시된다.

1/fL=2π·Rv(Cbc+Csp) … (수식 1)

단, Rv : 벤트 홀의 음향 저항(저항 성분)

Cbc : 기판의 공동부의 음향 컴플라이언스

Csp : 진동 전극판의 스티프네스 정수

이다.

따라서 저주파 영역에서의 센서 감도의 저하를 작게 하기 위해서는, 롤오프 주파수(fL)를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, fL=50Hz 정도로 하는 것이 바람직하다.

상기 수식 1에 의하면, 롤오프 주파수(fL)를 작게 하여 진동 센서의 저주파 특성의 저하를 작게 하기 위해서는, 벤트 홀의 음향 저항(Rv)의 값을 크게 하면 좋음을 알 수 있다.

벤트 홀의 음향 저항(Rv)은, 예를 들면 다음 수식 2로 표시된다.

Rv=(8·μ·t·A²)/(Sv²) … (수식 2)

단, μ : 공기의 점성 계수

t : 벤트 홀의 통풍 방향의 길이

A : 다이어프램의 면적

Sv : 벤트 홀의 단면적

이다.

따라서 음향 저항(Rv)을 충분히 크게 하여 롤오프 주파수(fL)를 작게 하기 위해서는, 벤트 홀의 통풍 방향의 길이(t)를 길게 하던지, 벤트 홀의 단면적(Sv)을 작게 하면 좋다.

(열 잡음에 의한 노이즈와 저주파 특성과의 관계)

이상의 논의를 정리하면, 다음과 같은 결론이 된다. 벤트 홀에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감시키기 위해서는, 벤트 홀의 간극을 넓게 하거나, 벤트 홀의 통풍 방향에서의 길이를 짧게 하면 좋다. 한편, 진동 센서의 저주파 특성이 나빠지지 않도록 하기 위해서는, 벤트 홀의 통풍 방향의 길이(t)를 길게 하던지, 벤트 홀의 단면적(Sv)을 작게 하면 좋다.

그러나, 벤트 홀의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감시키기 위해, 벤트 홀의 간극을 넓게 하거나, 벤트 홀의 통풍 방향에서의 길이를 짧게 하면, 진동 센서의 저주파 특성이 나빠진다. 반대로, 저주파 특성의 저하를 막기 위해, 벤트 홀의 통풍 방향의 길이(t)를 길게 하거나, 벤트 홀의 단면적(Sv)을 작게 하거나 하면, 벤트 홀의 열 잡음에 의한 노이즈가 증가하고, 진동 센서의 S/N비가 나빠진다.

이와 같은 이유에 의해, 종래의 진동 센서와 같은 구조에서는, 진동 센서의 저(低)노이즈화와 양호한 저주파 특성은 트레이드 오프의 관계에 있고, 저노이즈이며 양호한 저주파 특성을 갖는 진동 센서를 제작하는 것은 곤란하였다.

본 발명은, 이와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적으로 한 바는, 벤트 홀에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감시킬 수 있고, 또한, 양호한 저주파 특성을 얻을 수 있는 정전용량형 진동 센서를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 진동 센서는, 공동부를 갖는 기판과, 상기 기판의 상면측에서 상기 공동부에 대향시켜서 배치된, 진동을 받아 막진동(膜振動)하는 진동 전극판과, 상기 진동 전극판에 대향시켜서 배치되고, 두께 방향으로 관통한 복수의 음향구멍을 개구한 고정 전극판을 구비한 정전용량형 진동 센서로서, 상기 공동부의 주위 중 적어도 일부에서, 상기 기판의 상면과 상기 진동 전극판의 하면 사이에, 상기 진동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이의 공간과 상기 공동부를 연통시키는 공기 경로부를 가지며, 상기 진동 전극판 또는 상기 기판의 상기 공기 경로부에 면하는 부위에, 당해 공기 경로부의 공기를 상기 진동 전극판의 두께 방향으로 놓아주기 위한 공기 도피부(逃げ部)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 정전용량형 진동 센서에서는, 진동 전극판 또는 기판의 공기 경로부에 면하는 부위에, 공기 경로부의 공기를 진동 전극판의 두께 방향으로 놓아주기 위한 공기 도피부를 마련하고 있기 때문에, 공기 경로부 내의 열 잡음 내지 공기 분자를 공기 도피부에 놓아줄 수 있다. 따라서, 본 발명의 정전용량형 진동 센서에 의하면, 공기 경로부에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감시킬 수 있고, 진동 센서의 S/N비를 향상시킬 있다. 게다가, 공기 도피부를 공기 경로부에 마련하고 있을 뿐이기 때문에, 공기 경로부 자체의 단면적을 크게 하는 경우와 같이 음향 저항이 저하되기 어렵고, 진동 센서의 저주파 특성의 저하를 작게 할 수 있다. 이 결과, 저(低)노이즈이고, 또한, 양호한 저주파 특성을 갖는 진동 센서를 얻을 수 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 진동 센서의 어느 실시 양태에서는, 상기 공기 도피부가, 상기 진동 전극판에 마련한 관통구멍인 것을 특징으로 하고 있다. 진동 전극판에 마련한 관통구멍에 의해 공기 도피부를 형성하고 있으면, 공기 경로부의 공기 분자를 진동 전극판과 고정 전극판 사이의 공간에 효율적으로 놓아줄 수 있다.

또한, 상기 관통구멍의 직경은, 상기 음향구멍의 직경보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하다. 공기 도피부인 관통구멍의 직경이 음향구멍의 직경에 비하여 커지면, 공기 경로부의 음향 저항이 너무 작아져서 진동 센서의 저주파 특성이 나빠지기 때문이다.

또한, 상기 관통구멍은, 상기 진동 전극판에 수직한 방향에서 보아, 상기 음향구멍과 겹치지 않는 위치에 배설되어 있는 것이 바람직하다. 음향구멍과 공기 도피부의 위치가 겹치면, 음향구멍으로부터 들어온 저주파 진동이 공기 도피부를 통과하기 쉬워질 우려가 있기 때문이다.

본 발명에 관한 정전용량형 진동 센서의 다른 실시 양태는, 상기 공기 도피부가, 상기 기판에 마련한 구멍 또는 홈인 것을 특징으로 하고 있다. 공기 도피부는, 공기 통로 부내의 열 잡음의 원인인 공기 분자를 놓아줄 수 있으면 좋기 때문에, 구멍과 같이 개개로 독립한 것이라도 좋고, 홈과 같이 어느 방향으로 늘어나 있는 것이어도 좋기 때문이다.

또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명하는 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다.

도 1은 정전용량형 진동 센서의 기본적 구조를 도시하는 단면도.
도 2(a)는 열 잡음에 의한 노이즈를 설명하기 위한 도면. 도 2(b)는 에어 갭(35)에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감하는 방법을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 정전용량형의 진동 센서를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 4는 실시 형태 1의 진동 센서의 분해 사시도.
도 5는 실시 형태 1의 진동 센서의 평면도.
도 6은 실시 형태 1에서 고정 전극판을 제외한 상태의 평면도.
도 7은 실시 형태 1의 진동 센서의 작용 효과를 설명하기 위한 도면.
도 8은 실시 형태 1의 변형예에 의한 진동 센서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도.
도 9(a)는 본 발명의 실시 형태 2에 의한 진동 센서의 일부를 도시하는 확대 단면도, 도 9(b)는 공동부의 주위에 위치하는 실리콘 기판의 일부를 도시하는 평면도.
도 10은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 진동 센서의 일부를 도시하는 확대 단면도.
도 11은 실시 형태 3의 진동 센서에 이용되고 있는 실리콘 기판을 도시하는 평면도.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞은 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 설계 변경할 수 있다.

(제 1의 실시 형태)

이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제 1의 실시 형태를 설명한다. 도 3은 실시 형태 1에 의한 정전용량형의 진동 센서(31)를 도시하는 모식적인 단면도이다. 도 4는 진동 센서(31)의 분해 사시도이다. 또한, 도 5는 진동 센서(31)의 평면도이다. 도 6은 진동 센서(31)의 상면의 고정 전극판을 제외한 상태에서의 평면도이다. 도 7은 본 실시 형태의 작용 효과를 설명하기 위한 도면으로, 진동 센서(31)의 단면의 일부를 도시하고 있다.

이 진동 센서(31)는 정전용량형의 센서이고, 실리콘 기판(32)의 상면에 절연 피막(33)을 통하여 진동 전극판(34)을 마련하고, 그 위에 미소한 에어 갭(35)을 통하여 고정 전극판(36)을 마련한 것이다. 이 진동 센서(31)는, 주로 음성 등을 검출하여 전기 신호로 변환하여 출력하는 음향 센서나 콘덴서 마이크로폰으로서 사용된다.

도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)에는, 공동부(37)(백 챔버)가 마련되어 있다. 도 3의 공동부(37)에서는, 두께 방향으로 공동부 단면적이 변화하는 각형(角形)의 관통구멍으로 되어 있다. 단, 공동부(37)의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니고, 각주(角柱)형상의 관통구멍이나 오목부라도 좋다. 실리콘 기판(32) 사이즈는, 평면으로 보아 1 내지 1.5mm각(이보다도 작게 하는 것도 가능하다.)이고, 실리콘 기판(32)의 두께가 400 내지 500㎛ 정도이다. 실리콘 기판(32)의 상면에는 산화막 등으로 이루어지는 절연 피막(33)이 형성되어 있다.

진동 전극판(34)은, 막두께가 1㎛ 정도의 폴리실리콘 박막에 의해 형성되어 있다. 진동 전극판(34)은 거의 사각형 형상의 박막이고, 그 네 모퉁이에는 고정부(38)가 마련되어 있다. 진동 전극판(34)은, 공동부(37)의 상면 개구를 덮도록 하여 실리콘 기판(32)의 상면에 배치되고, 각 고정부(38)가 희생(犧牲)층(도시 생략)을 통하여 절연 피막(33)의 위에 고정되어 있다. 도 6에서는, 진동 전극판(34) 중 실리콘 기판(32)의 상면에 고정되어 있는 영역을 사선으로 나타내고 있다. 진동 전극판(34) 중 공동부(37)의 상방에서 주공(宙空)에 지지된 부분(이 실시 형태에서는, 고정부(38)와 연출부(46) 이외의 부분)은 다이어프램(39)(가동부분)으로 되어 있고, 음압에 감응하여 막진동한다. 또한, 고정부(38)가 희생층의 위에 고정되어 있기 때문에, 진동 전극판(34) 주변의 고정부(38) 사이의 영역은 실리콘 기판(32)의 상면부터 약간의 들떠 있고, 진동 전극판(34)의 4변에 위치하는 영역, 즉 고정부(38)와 고정부(38) 사이의 영역에서는, 진동 전극판(34)의 하면과 실리콘 기판(32)의 상면 사이에 간극, 즉 벤트 홀(45)(공기 경로부)이 형성되어 있다. 벤트 홀(45)의 간극의 크기(ε)는, 1 내지 2㎛ 정도로 되어 있다.

진동 전극판(34)의 벤트 홀(45)을 구성하는 영역, 즉 진동 전극판(34)과 실리콘 기판(32)이 상하로 겹쳐 있는 영역에서, 진동 전극판(34)의 언저리(緣)에는 복수의 공기 도피부(42)가 마련되어 있다. 당해 실시 형태에서는, 공기 도피부(42)는, 진동 전극판(34)을 상하로 관통하는 통공(通孔)으로 되어 있다. 벤트 홀(45)의 음향 저항이 너무 작아지지 않도록, 공기 도피부(42)의 직경은 후술하는 음향구멍(43)의 직경보다도 상당히 작게 하고 있다. 예를 들면, 음향구멍(43)의 직경이 약 18㎛(평균치)임에 대해, 공기 도피부(42)의 직경은 약 3㎛(평균치)이 되어 있고, 약 1/6의 사이즈로 되어 있다.

또한, 공기 도피부(42)는, 진동 전극판(34)의 벤트 홀(45)을 구성하는 영역에 거의 균등하게 분산시켜 마련하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 통풍 방향의 길이(t)=60㎛의 벤트 홀(45)에 대해, 직경 약 3㎛의 공기 도피부(42)를 2열로 형성하고 있다. 또한, 고정 전극판(36)의 한 변의 길이(L)는 700㎛이고, 이 변에 따라 p=32㎛의 간격으로 공기 도피부(42)를 배열하고 있다.

단, 공기 도피부(42)는 도 6과 같이 2열로 마련하여야 하는 것은 아니고, 공기 도피부(42)의 통풍 방향의 길이(t)나 공기 도피부(42)의 직경 등에 따라, 1열로 형성하여도 좋고, 3열 이상이라도 좋다. 다만, 너무 공기 도피부(42)가 조밀하게 되면, 벤트 홀(45)의 음향 저항이 저하될 우려가 있기 때문에, 적당한 상한치는 존재한다. 또한, 공기 도피부(42)는 규칙적으로 배열하지 않아도 좋고, 거의 균등하면 랜덤하게 배치하여도 좋다.

고정 전극판(36)은, 질화막으로 이루어지는 절연성 지지층(40)의 상면에 금속제 박막으로 이루어지는 고정 전극(41)을 마련한 것이다. 고정 전극판(36)은, 진동 전극판(34)의 상방에 배치되고, 다이어프램(39)과 대향하는 영역의 외측에서 실리콘 기판(32)의 위에 고정되어 있다. 고정 전극판(36)은, 다이어프램(39)과 대향하는 영역에서는 3㎛ 정도 두께의 에어 갭(35)을 벌리고 다이어프램(39)을 덮고 있다.

고정 전극(41) 및 지지층(40)에는, 상면부터 하면으로 관통하도록 하여, 음향 진동을 통과시키기 위한 음향구멍(43)(어코스틱 홀)이 복수 천공되어 있다. 고정 전극판(36)의 단부에는, 고정 전극(41)에 도통한 전극 패드(44)를 구비하고 있다. 또한, 진동 전극판(34)은, 음압에 의해 진동하는 것이기 때문에, 1㎛ 정도의 박막으로 되어 있지만, 고정 전극판(36)은 음압에 의해 진동하지 않는 전극이기 때문에, 그 두께는 예를 들면 2㎛ 이상과 같이 두껍게 되어 있다.

또한, 지지층(40)의 단부에 뚫린 개구와 그 주위 상면에는 전극 패드(47)가 마련되어 있고, 전극 패드(47)의 하면은 진동 전극판(34)의 연출부(46)에 도통하고 있다. 따라서, 진동 전극판(34)과 고정 전극판(36)은 전기적으로 절연되어 있고, 진동 전극판(34)과 고정 전극(41)에 의해 커패시터를 구성하고 있다.

그리하여, 실시 형태 1의 진동 센서(31)에서는, 상면측부터 음향 진동(공기의 소밀파)이 입사하면, 이 음향 진동은 고정 전극판(36)의 음향구멍(43)을 통과하여 다이어프램(39)에 달하고, 다이어프램(39)을 진동시킨다. 다이어프램(39)이 진동하면, 다이어프램(39)과 고정 전극판(36) 사이의 거리가 변화하기 때문에, 그에 의해 다이어프램(39)과 고정 전극(41) 사이의 정전용량이 변화한다. 따라서, 전극 패드(44, 47) 사이에 직류 전압을 인가하여 두고, 이 정전용량의 변화를 전기적인 신호로서 취출하도록 하면, 소리의 진동을 전기적인 신호로 변환하여 출력할 수 있다.

벤트 홀(45)은, 진동 전극판(34)의 상면측에 위치하는 에어 갭(35)과, 하면측에 위치하는 공동부(37)를 통기(通氣)시켜서 진동 전극판(34)의 상면측과 하면측에서 압력차가 생기기 어렵게 하여, 진동 센서(31)의 측정 정밀도를 향상시키고 있다. 또한, 벤트 홀(45)의 간극(ε)을 좁게 하고, 또한, 음향구멍(43)의 개구경을 작게 함에 의해, 도 1에 도시하는 바와 같은 공기 도피부(42)를 통과하는 저주파 진동의 경로(β)의 음향 저항을 작게 하고 있다. 그 때문에, 저주파 진동이 공기 도피부(42)를 통과하여 공동부(37)에 누설되기 어렵게 되어 있어, 진동 센서(31)의 저주파 특성을 양호하게 하고 있다. 또한, 음향구멍(43)의 개구경을 작게 할 때에는, 음향구멍 전체의 개구경을 작게 하는 것이 아니라, 일본 특원2008-039048에 기재하고 있는 바와 같이, 주변부의 음향구멍(43)만 개구경을 작게 하고, 그 내측의 음향구멍(43)은 그보다도 큰 개구경으로 하는 것이 바람직하다. 개구경이 작은 음향구멍(43)의 직경은, 0.5㎛ 이상 10㎛ 이하가 바람직하고, 개구경이 큰 음향구멍(43)의 직경은, 5㎛ 이상 30㎛ 이하가 바람직하다. 위에 예시한 음향구멍(43)의 직경이 약 18㎛이라고 하는 값은, 개구경이 큰 음향구멍(43)의 것이다.

또한, 벤트 홀(45)에서는, 진동 전극판(34)에 작은 공기 도피부(42)를 개구하고 있기 때문에, 벤트 홀(45) 내의 열 잡음(특히, 평균 자유 공정이 긴 공기 분자(α))을 공기 도피부(42)로 놓아줄 수 있고, 또는 공기 도피부(42)로부터 다시 에어 갭(35)으로 놓아줄 수 있다. 그 결과, 진동 전극판(34)에 충돌하는 공기 분자(α)를 감소시킬 수가 있어서 열 잡음에 의한 노이즈를 저감할 수 있다.

게다가, 공기 도피부(42)는 벤트 홀(45) 내에 부분적으로 마련되어 있을 뿐이기 때문에, 벤트 홀(45)을 통과하는 경로(β)의 음향 저항이 작아지기 어렵다. 게다가, 공기 도피부(42)의 직경이 작아서 공기 도피부(42)의 음향 저항이 크기 때문에, 도 1에 도시하는 경로(γ)와 같이 공기 도피부(42)를 통과하는 단락(短絡)한 경로에서, 저주파 진동이 공동부(37)에 누설되는 일도 없다. 따라서, 본 실시 형태의 진동 센서(31)에 의하면, 노이즈를 저감시키기 위해 마련한 공기 도피부(42)에 의해, 진동 센서(31)의 저주파 특성을 저하시키는 일이 없고, 저노이즈이며 양호한 저주파 특성을 갖는 진동 센서(31)를 제작하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 진동 센서(31)는, 마이크로 머시닝(반도체 미세 가공) 기술을 이용하여 제조되지만, 그 제조 방법은 공지의 기술이기 때문에 설명을 생략한다.

(제 1의 실시 형태의 변형예)

도 8은 실시 형태 1의 변형예에 의한 진동 센서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도이다. 이 변형예에서는, 진동 전극판(34)에 수직한 방향에서 본 때, 음향구멍(43)과 공기 도피부(42)가 겹치지 않도록, 공기 도피부(42)를 배치하고 있다. 바람직하게는, 수직 방향에서 본 때, 음향구멍(43)과 공기 도피부(42)가 접하는 일 없이, 어느 정도의 거리를 유지하고 있는 것이 바람직하다.

진동 전극판(34)에 수직한 방향에서 본 때, 음향구멍(43)과 공기 도피부(42)가 겹치지 않도록 공기 도피부(42)를 배치하면, 도 8에 도시하는 경로(γ)와 같이 저주파 진동이 공기 도피부(42)에 이르는 경로 길이가 길어진다. 따라서 경로(γ)에서의 저주파 진동의 음향 저항을 크게 할 수 있고, 그 결과 진동 센서의 저주파 특성의 저하를 작게 할 수 있다.

또한, 공기 도피부(42)는 벤트 홀(45)의 내측에 가깝게 마련하는 것이 바람직하다. 즉, 도 8에 도시하는 공기 도피부(42)와 같이, 공기 도피부(42)는 공동부(37)의 언저리로부터 떨어진 위치에 마련한 것이 바람직하다. 공동부(37)의 언저리에 가까운 위치에 공기 도피부(42)를 마련하면, 공기 도피부(42)를 통과한 경로의 음향 저항이 작아져서, 저주파 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다.

(제 2의 실시 형태)

도 9(a)는 실시 형태 2에 의한 진동 센서의 일부를 도시하는 확대 단면도, 도 9(b)는 공동부(37)의 주위에 위치하는 실리콘 기판(32)의 일부를 도시하는 평면도이다. 이 실시 형태에서는, 벤트 홀(45)이 마련되어 있는 위치에서, 기판(32)에 공기 도피부(51, 52)를 마련하고 있다. 공기 도피부(51)는, 실리콘 기판(32)을 상하로 관통하는 관통구멍으로 되어 있고, 공기 도피부(51)는 바닥이 있는 움푹한 곳(즉, 한쪽이 막힌 구멍)으로 되어 있다.

관통구멍 형상의 공기 도피부(51)인 경우에는, 실시 형태 1의 공기 도피부(42)와 마찬가지로, 벤트 홀(45)의 음향 저항을 그다지 저하시키는 일 없이 열 잡음에 의한 노이즈를 저감할 수 있다.

패임 형상의 공기 도피부(52)의 경우도, 움푹한 곳을 마련함으로써 움푹한 곳의 저면과 진동 전극판(34)의 하면과의 거리가 길어지기 때문에, 패임 형상의 공기 도피부(52)의 저면에서 되튀긴 공기 분자(α)가 진동 전극판(34)에 충돌하는 확률이 작아진다. 그 결과, 관통구멍 형상의 공기 도피부(51)와 마찬가지로, 열 잡음에 의한 노이즈를 저감할 수 있다. 게다가, 공기 도피부(52)는 패임 형상이기 때문에, 공기 도피부(52)를 통과하여 저주파 진동이 누설되는 일은 없고, 또한 공기 도피부(52)는 벤트 홀(45) 내에 부분적으로 마련되어 있을 뿐이다. 따라서 벤트 홀(45)의 음향 저항도 크게 저하되는 일이 없고, 노이즈 저감을 위해 벤트 홀(45) 내에 패임 형상의 공기 도피부(52)를 마련하고 있어도, 진동 센서의 저주파 특성이 저하되기 어려운 구조로 된다.

또한, 제 1의 실시 형태에서, 관통구멍 형상의 공기 도피부(42)에 대신하여, 관통하지 않는 패임 형상의 공기 도피부를 진동 전극판(34)의 하면에 마련하여도 좋다. 또한, 제 2의 실시 형태에서, 공기 도피부(42)를 전부 관통구멍으로 하여도 좋고, 전부 움푹한 곳으로 하여도 좋다.

(제 3의 실시 형태)

도 10은 실시 형태 3에 의한 진동 센서의 일부를 도시하는 확대 단면도, 도 11은 당해 진동 센서에 이용되고 있는 실리콘 기판(32)의 평면도이다. 이 실시 형태에서는, 벤트 홀(45) 내에서, 공동부(37)의 주위를 둘러싸도록 하여, 실리콘 기판(32)의 상면에 홈 형상을 한 공기 도피부(61)를 마련하고 있다. 도시한 예에서는, 2개의 공기 도피부(61)를 마련하고 있지만, 1개라도 좋고, 음향 저항이 너무 작아지지 않는 한도라면 3개 이상이라도 좋다. 또한, 공기 도피부(61)의 홈은 고리형상일 필요는 없고, 각 변에 따르고 각각 직선형상의 홈을 형성하고 있어도 좋다.

이와 같은 실시 형태로도, 실시 형태 1, 2의 경우와 마찬가지로 벤트 홀(45) 내에서의 열 잡음에 의한 노이즈를 저감할 수 있고, 게다가, 양호한 저주파 특성을 저하시키기 어렵게 할 수 있다.

또한, 벤트 홀(45) 내에서, 진동 전극판(34)의 하면에 홈 형상의 공기 도피부(42)를 마련하는 것도 가능하다.

31 : 진동 센서 32 : 실리콘 기판
33 : 절연 피막 34 : 진동 전극판
35 : 에어 갭 36 : 고정 전극판
37 : 공동부 38 : 고정부
39 : 다이어프램 40 : 지지층
41 : 고정 전극 42 : 공기 도피부
43 : 음향구멍 45 : 벤트 홀
51, 52, 61 : 공기 도피부

Claims (4)

1. 공동부를 갖는 기판의 상면측에, 진동을 받아 막진동하는 진동 전극판을 상기 공동부에 대향시켜 배치하고, 두께 방향으로 관통한 복수의 음향구멍이 개구한 고정 전극판을 상기 진동 전극판에 대향시켜 배치한 정전용량형 진동 센서로서,
   상기 공동부의 주위 중 일부에서, 상기 기판의 상면과 상기 진동 전극판의 하면 사이에, 상기 진동 전극판 및 상기 고정 전극판 사이의 공간과 상기 공동부를 연통시키는 공기 경로부를 가지며,
   상기 진동 전극판 또는 상기 기판의 상기 공기 경로부에 면하는 부위에, 해당 공기 경로부의 공기를 상기 진동 전극판의 두께 방향으로 놓아주기 위한 공기 도피부가 형성되고,
   상기 진동 전극판의 각 모퉁이에 고정부를 마련하고, 상기 공기 도피부는 인접하는 상기 고정부 사이의 영역에 형성되고,
   상기 공기 도피부는, 상기 진동 전극판에만 마련한 관통구멍으로서,
   상기 관통구멍은, 상기 진동 전극판에 수직한 방향에서 보아, 상기 음향구멍과 겹치지 않는 위치에 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 진동 센서.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 관통구멍의 직경이 상기 음향구멍의 직경보다도 작은 것을 특징으로 하는 정전용량형 진동 센서.
4. 삭제

Images