KR20190013982A - Mems 구조 및, mems 구조를 갖는 정전 용량형 센서, 압전형 센서, 음향 센서 - Google Patents

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야스히로 호리모토
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Abstract

MEMS 기술을 사용하여 제작한 정전 용량형 센서에 있어서, 높은 SN비를 얻는 것이 가능하고, 또한, 입력 압력에 대한 내성을 높이는 것이 가능한 기술을 제공한다. 다이어프램의 변위를 해당 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 정전 용량형 센서에 있어서, 다이어프램 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 기판의 개구의 내측에 배치되도록 하고, 다이어프램 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 기판의 개구의 외측에 배치되도록 했다.

Description

MEMS 구조 및, MEMS 구조를 갖는 정전 용량형 센서, 압전형 센서, 음향 센서
본 발명은, MEMS 구조 및, 해당 MEMS 구조를 갖는 정전 용량형 센서, 압전형 센서와, 해당 정전 용량형 센서 또는 압전형 센서를 갖는 음향 센서에 관한 것이다. 더 구체적으로는, MEMS 기술을 사용하여 형성된 다이어프램을 갖는 정전 용량형 센서, 압전형 센서 및 음향 센서에 관한 것이다.
종래부터, 소형 마이크로 폰으로서 ECM(Electret Condenser Microphone)이라 불리는 음향 센서를 이용한 것이 사용되는 경우가 있었다. 그러나, ECM은 열에 약하고, 또한, 디지털화에의 대응이나 소형화와 같은 점에서, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 사용하여 제조되는 정전 용량형 센서를 이용한 마이크로 폰의 쪽이 우수한 점에서, 근년에는, MEMS 마이크로 폰이 채용되는 경우가 많아지고 있다(예를 들어, 특허문헌 1을 참조).
상기와 같은 정전 용량형 센서에 있어서는, 압력을 받아서 진동하는 다이어프램을, 전극막이 고정된 백 플레이트에 공극을 통해 대향 배치시킨 형태를 MEMS 기술을 사용하여 실현한 것이 있다. 이러한 정전 용량형 센서의 형태는, 예를 들어 실리콘 기판 상에 다이어프램, 및 다이어프램을 덮는 희생층을 형성한 후, 희생층 상에 백 플레이트를 형성하고, 그 후에 희생층을 제거한다고 하는 공정에 의해 실현할 수 있다. MEMS 기술은 이와 같이 반도체 제조 기술을 응용하고 있으므로, 극히 작은 정전 용량형 센서를 얻는 것이 가능하다.
도 18의 (a)에는, 이러한 MEMS 기술을 사용하여 제작한 종래의 정전 용량형 센서(이하, 단순하게 MEMS 센서라고도 한다.)(100)의 부분적인 단면도를 도시한다. 도 18의 (a)에 있어서, 실리콘 기판(101) 상에 다이어프램(102)과 백 플레이트(103)가 형성되어 있다. 종래의 MEMS 센서(100)에서는, 다이어프램(102)과 실리콘 기판(101)이 다이어프램(102)의 법선 방향에서 볼 때 겹쳐 있는 영역 A가 존재한다.
이 경우에는, 영역 A에 있어서 공기의 브라운 운동에 기인한 음향 노이즈가 발생하기 때문에, 정전 용량형 센서로서의 SN비가 저하되어 버리는 경우가 있었다. 이에 반하여, 도 18의 (b)에 도시되는 바와 같이, 다이어프램(112)과 실리콘 기판(111)이 다이어프램(112)의 법선 방향에서 볼 때 겹치지 않는 구조로 했을 경우에는, 다이어프램(112)과 실리콘 기판(101)의 간극으로부터 공기가 빠져나가기 때문에 음향 저항이 저하되고, 정전 용량 센서로서의 감도가 저하되는 경우가 있었다.
이에 반하여, 도 19의 (a)에 도시되는 바와 같이, 다이어프램(122)의 주위에 고정막(124)을 설치하고, 다이어프램(122) 사이에 가는 슬릿(122a)이 생기도록 함으로써, 음향 저항을 확보하는 제안이 이루어지고 있다. 이에 의해, 공기의 브라운 운동에 기인하는 SN비의 저하를 피하면서, 음향 저항의 저하를 억제해 정전 용량 센서로서의 감도를 확보하고 있다.
도 19의 (b)에는, 동일한 목적으로, 고정막(124)이 백 플레이트(123)에 고정된 예에 대해 도시한다. 도 19의 (a)에 도시된 예에서는, 고정막(124)이 산화막에 의해 형성된 앵커(125)를 통해 기판(121)에 고정되어 있지만, 이 앵커(125)가 제조 프로세스의 변동에 의해 소실된 경우에는, 고정막(124)이 기판(121)으로부터 박리되어, 음향 저항을 확보하는 기능을 완수하지 못할 우려가 있다. 도 19의 (b)에서는, 그러한 문제를 피하기 위해서, 고정막(124)을 백 플레이트(123)에 고정하고 있다. 이에 의해, 앵커(125)가 소실되어도 고정막(124)은 백 플레이트(123)에 고정되어 있으므로, 안정적으로 음향 저항을 확보하는 기능을 완수하는 것이 가능하게 된다.
그런데, 상기한 종래 기술과 같이 고정막(124)을 설치한 MEMS 센서(120)에, 다이어프램(122)에 실리콘 기판(121)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우에는, 다이어프램(122)은 백 플레이트(123)측에 변위하고, 백 플레이트(123)에 접촉함으로써 일정량 이상의 변위가 억제된다. 또한, 그 때, 다이어프램(122)과, 고정막(124) 사이의 슬릿(122a)이 넓어지기 때문에, 슬릿(122a)으로부터 공기가 빠져나가서 작용된 압력을 저하시킬 수 있다.
한편, 다이어프램(122)에 백 플레이트(123)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우에는, 다이어프램(122)과 실리콘 기판(121)은 다이어프램(122)의 법선 방향에서 볼 때 겹친 영역이 없기 때문에, 다이어프램(122)은 실리콘 기판(121)의 개구부(백 챔버)(121a)에 침입 가능하게 됨으로써 변위량이 커지고, 다이어프램(122)을 지지하는 빔부(도시하지 않음)에 응력이 집중해 파손될 우려가 있었다.
이러한 문제는, 당해 정전 용량형 센서가 낙하했을 경우 외에, 예를 들어 정전 용량형 센서 내에, 대음향에 의한 음압이 가해졌을 경우나, 실장 공정에서 에어 블로우되었을 경우에도 생길 수 있다.
미국 특허 제5452268호 명세서
본 발명은, 상기와 같은 상황을 감안하여 발명된 것이며, 그 목적은, MEMS 기술을 사용하여 제작한 정전 용량형 센서, 압전형 센서 또는 음향 센서에 있어서, 높은 SN비를 얻는 것이 가능하고, 또한, 입력 압력에 대한 내성을 높이는 것이 가능한 기술을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 개구를 갖는 기판과,
상기 기판의 개구에 대향하도록 배치되는 다이어프램과,
상기 다이어프램을 상기 기판 또는 다른 부재에 고정하는 복수의 앵커와,
상기 다이어프램의 주위에 슬릿을 통해 배치되는 고정막을
구비하는 MEMS 구조에 있어서,
상기 다이어프램의 외형은, 앵커를 향해 돌출되는 형상을 포함하고,
상기 다이어프램의 적어도 1개소 이상에, 상기 다이어프램의 법선 방향에서 볼 때 상기 다이어프램의 외형과 상기 기판의 개구의 외형이 상기 앵커를 향해 돌출되는 형상을 사이에 두고 2개의 교점에서 교차하는 소정의 교차 구조를 갖고,
상기 교차 구조에 있어서는,
상기 2개의 교점의 거리가, 상기 앵커에 가까이 위치하는 상기 다이어프램의 폭보다도 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다이어프램의 적어도 1개소 이상에, 다이어프램의 법선 방향에서 볼 때 다이어프램의 외형과 기판의 개구의 외형이 앵커를 향해 돌출되는 형상을 사이에 두고 2개의 교점에서 교차하는 소정의 교차 구조를 갖는다. 따라서, 법선 방향에서 볼 때, 다이어프램과 기판이란, 일부에 있어서 간극을 갖고 있으며, 다른 일부에 있어서는 겹치도록 배치된다. 그렇게 하면, 다이어프램과 기판이 법선 방향에서 볼 때 겹치는 영역은, 다이어프램 외형의 일부분에 한정되므로, 공기의 브라운 운동에 기인하는 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 한편, 다이어프램과 기판이 법선 방향에서 볼 때 겹치는 영역을 남기고 있는 점에서, 백 플레이트측으로부터 큰 압력이 작용했을 때에도, 당해 영역에 있어서 다이어프램과 기판이 서로 맞닿음으로써, 다이어프램의 과잉의 변위를 피할 수 있다. 그 결과, 정전 용량형 센서나 압전형 센서에 있어서, 높은 SN비와, 입력 압력에 대한 내성을 양립시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에서는, 상기 교차 구조에 있어서의 상기 2개의 교점의 거리가, 상기 앵커에 가까이 위치하는 상기 다이어프램의 폭보다도 길어지도록 했다. 그래서, 앵커 부근의 다이어프램의 폭을 좁게 한 채, 다이어프램의 외형과 기판의 개구의 외형이 교차하는 교점 사이의 다이어프램의 폭을 넓게 할 수 있다.
그렇게 하면, 앵커 부근의 다이어프램의 폭을 좁게 함으로써 음압에 대한 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 교점끼리 사이의 다이어프램의 폭을 넓게 함으로써 다이어프램에 있어서의 응력 집중을 완화할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 외형이, 상기 교점의 근방에 있어서 변곡점을 갖게 해도 된다. 이에 의해, 더 효과적으로, 앵커 부근의 다이어프램의 폭을 좁게 한 채, 다이어프램의 외형과 기판의 개구의 외형이 교차하는 교점 사이의 다이어프램의 폭을 넓게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 외형은, 다변형 또는 대략 다변형으로 이루어지고, 다이어프램의 외형에 있어서의 1변 중, 상기 기판의 개구의 외형보다도 외측에 위치하는 부분의 길이가, 상기 1변의 길이의 1/20 이상 또한 1/3 이하로 해도 된다. 이에 의해, 공기의 브라운 운동에 기인하는 노이즈의 억제와, 다이어프램의 과잉의 변위의 회피와의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다. 그 결과, 정전 용량형 센서나 압전형 센서에 있어서, 보다 확실하게, 높은 SN비와, 입력 압력에 대한 내성을 양립시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램 중, 그 외형이 상기 기판의 개구의 외측에 배치된 부분에는, 상기 기판의 방향으로 볼록 형상을 갖고 상기 다이어프램이 상기 기판측으로 변위했을 때 상기 기판에 맞닿는 스토퍼가 형성되도록 해도 된다.
이것에 의하면, 다이어프램이 기판측으로 변위했을 때, 스토퍼를 기판에 맞닿게 할 수 있고, 다이어프램과 기판의 접촉 면적을 작게 함으로써, 다이어프램이 기판에 고착되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 주위에 슬릿을 통해 배치되는 고정막을 더 구비하게 해도 된다. 그렇게 하면, 다이어프램의 주위로부터 공기가 빠져 나감으로써, 다이어프램에 작용하는 압력이 부주의하게 저하되는 것을 억제할 수 있고, 정전 용량형 센서의 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 여기에서 슬릿의 폭은 3㎛ 미만, 예를 들어 0.2㎛ 내지 0.6㎛로 해도 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 다이어프램의 주위에 슬릿을 통해 배치되는 고정막을 더 구비할 경우에, 고정막은 다이어프램을 완전히 포위하고, 슬릿은 폐곡선을 구성하도록 해도 된다.
이것에 의하면, 슬릿의 단부가 법선 방향에서 볼 때 고정막의 외부에 개방되는 것을 피할 수 있고, 당해 개방 부분으로부터의 이물의 침입을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 외형 중, 가장 가까운 상기 기판의 개구의 외형에 대한 각도가 3도 이하인 영역에 대해서는, 상기 기판의 개구의 외형으로부터 1㎛ 이상 이격하여 배치되도록 해도 된다.
여기서, 다이어프램의 외형과 기판의 개구의 외형이 평행하게 가까운 상태이며 또한, 어느 정도 이상 근접하고 있는 경우에는, 다이어프램이 압력에 의해 변위해 개구에 침입한 후에 초기 위치로 복귀할 때에 다이어프램 외형의 단부가 개구의 단부에 걸려, 다이어프램이 원래의 장소까지 되돌아오지 않게 되어 버리는 경우가 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에 있어서는, 이러한 문제를 방지하기 위해서, 상기 다이어프램의 외형 중, 가장 가까운 상기 기판의 개구의 외형에 대한 각도가 3도 이하인 영역에 대해서는, 상기 기판의 개구의 외형으로부터 1㎛ 이상 이격하여 배치되도록 했다. 이것에 의하면, 다이어프램의 외형 중, 가장 가까운 기판의 개구에 평행하게 가까운 부분에 대해서는, 기판의 외형으로부터 일정 이상 이격하여 배치할 수 있고, 다이어프램의 단부가 기판의 개구 단부에 걸리는 문제를 억제할 수 있다.
또한, 여기에서 가장 가까운 기판의 개구의 외형이란, 다이어프램 외형의 소정의 영역에 대해서, 당해 영역으로부터의 실제의 거리가 최소가 되는 기판의 개구의 외형으로 해도 된다. 또한, 당해 영역에 대한 법선 방향으로부터 본 수직선이 교차되는 기판의 개구의 외형으로 해도 된다. 혹은, 다이어프램의 법선 방향으로부터 본 중앙부(다이어프램이 사변형을 포함하는 형상인 경우 사변형의 대각선 교점이어도 된다. 다이어프램이 원형을 포함하는 형상인 경우는 중심이어도 된다.)로부터 당해 영역을 통과하도록 그은 직선이 교차되는 기판의 개구의 외형으로 해도 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 외형이, 상기 기판의 개구의 외형과 교차할 때의 교차 각도가 30도 이상으로 해도 된다. 그렇게 하면, 제조 변동에 의해 기판의 개구의 외형의 위치가 변동되었다고 한들, 다이어프램의 외형 중, 기판의 개구의 외형의 외측에 배치되어 있는 부분의 면적의 변화를 억제할 수 있다. 환언하면, 다이어프램 중, 개구의 외측의 기판과 평면에서 볼 때 겹치는 부분의 면적을 안정화할 수 있다. 또한, 여기에서 교차 각도란, 기판의 개구의 외형과, 교차하는 다이어프램의 외형이 이루는 각도의 예각측(작은 측)의 각도를 말한다. 또한, 기판의 개구의 외형과 다이어프램의 외형이 수직으로 교차할 경우에는, 교차 각도는 90도가 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램의 외형 중, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치되는 부분은, 상기 다변형의 1변 또는 상기 폐곡선을 구성하는 곡선에 있어서의 중앙부에 배치되고, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되는 부분은, 상기 다변형의 1변 또는 상기 폐곡선을 구성하는 곡선에 있어서의 상기 중앙부의 양측에 배치되도록 해도 된다.
이것에 의하면, 다이어프램이 기판의 개구부측에 변위했을 때, 다이어프램에 있어서의 보다 지지부에 가까운 부분에서 다이어프램의 변위를 규제할 수 있고, 보다 확실하게, 다이어프램의 변위 시의 지지부에 대한 응력 집중을 완화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은, 상기 어느 MEMS 구조와,
상기 다이어프램에 공극을 통해 대향하도록 배치되는 백 플레이트를 구비하는 정전 용량형 센서여도 된다. 또한, 그 경우, 상기 앵커는 상기 다이어프램을 상기 백 플레이트에 고정하도록 해도 된다.
또한 본 발명은, 상기 어느 MEMS 구조에 있어서의 상기 다이어프램이, 압전 효과를 갖는 압전형 센서여도 된다.
또한, 본 발명은, 상기에 기재된 정전 용량형 센서를 갖고, 음압을 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 정전 용량의 변화로 변환하여 검출하는 음향 센서여도 된다. 또한 본 발명은, 상기에 기재된 압전형 센서를 갖고, 음압을 상기 다이어프램의 압전 전압의 변화로 변환하여 검출하는 음향 센서여도 된다. 이것에 의하면, 음향 센서에 대해서, 높은 SN비를 얻는 것이 가능하고, 또한, 입력 압력에 대한 내성을 높이는 것이 가능하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 다이어프램의 변위를 해당 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 정전 용량형 센서 또는, 다이어프램의 변위를 다이어프램의 압전 효과에 의한 압전 전압의 변화로 변환하는 압전형 센서에 있어서,
다이어프램 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 기판의 개구의 내측에 배치되도록 하고, 다이어프램 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 기판의 개구의 외측에 배치되도록 한 것이다.
즉, 개구를 갖는 기판과,
상기 기판의 개구에 대향하도록 배치되는 다이어프램을
구비하고,
상기 다이어프램은, 상기 기판에 고정되어서 해당 다이어프램을 지지하는 지지부와, 압력이 작용함으로써 변위하는 진동부를 갖고,
상기 다이어프램에 있어서의 상기 진동부의 변위를 해당 진동부와 상기 백 플레이트 사이의 정전 용량의 변화로 변환하는 정전 용량형 센서 또는, 상기 다이어프램의 변위를 다이어프램의 압전 효과에 의한 압전 전압의 변화로 변환하는 압전형 센서에 있어서,
상기 진동부의 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치됨과 함께, 상기 진동부의 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 것이라고도 할 수 있다.
그리고, 상기 다이어프램은 대략 사변형의 진동부와, 해당 다이어프램에 4개의 코너부로부터 방사상으로 연장되어 단부에 있어서 상기 기판에 고정되는 지지부를 갖고,
상기 기판의 개구부의 외형은 대략 사변형의 형상을 갖고,
상기 다이어프램의 진동부가 상기 기판의 개구에 대향하도록 배치되어,
상기 진동부의 각 변이 직선과는 다른 형상을 가짐으로써,
상기 진동부의 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치됨과 함께, 상기 진동부의 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 해도 된다.
이 경우는, 예를 들어 상기 진동부의 각 변에, 법선 방향에서 볼 때 요철을 냄으로써, 볼록형의 부분에서는 상기 진동부의 외형이 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 하고, 오목형의 부분에서는 상기 진동부의 외형이 상기 기판의 개구의 내측에 배치되도록 할 수 있다. 이것에 의하면, 보다 용이하게, 다이어프램 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치됨과 함께, 상기 다이어프램 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 할 수 있다. 또한, 다이어프램의 외형과 기판의 개구와의 법선 방향으로부터 본 간극의 폭이나, 겹침의 폭을 용이하게 변경하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 다이어프램은, 대략 사변형의 진동부와, 해당 진동부의 4개의 코너부로부터 방사상으로 연장되어 단부에 있어서 상기 기판에 고정되는 지지부를 갖고,
상기 기판의 개구부의 외형은 대략 사변형의 형상을 갖고,
상기 다이어프램의 진동부가 상기 기판의 개구에 대향하도록 배치되어,
상기 기판의 개구부 각 변이 직선과는 다른 형상을 가짐으로써,
상기 진동부의 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치됨과 함께, 상기 진동부의 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 해도 된다.
이 경우는, 예를 들어 기판의 개구의 각 변에, 법선 방향에서 볼 때 요철을 냄으로써, 볼록형의 부분에서는 상기 진동부의 외형이 상기 기판의 개구의 내측에 배치되도록 하고, 오목형의 부분에서는 상기 진동부의 외형이 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 할 수 있다. 이것에 의해, 보다 용이하게, 진동부의 외형의 일부는, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치됨과 함께, 상기 진동부의 외형의 다른 부분은, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되도록 할 수 있다. 또한, 진동부의 외형과 기판의 개구의 법선 방향으로부터 본 간극의 폭이나, 겹침의 폭을 용이하게 변경하는 것이 가능하다.
또한, 상술한 과제의 해결 수단은 적절히 조합하여 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, MEMS 기술을 사용하여 제작한 정전 용량형 센서, 압전형 센서 또는 음향 센서에 있어서, 높은 SN비를 얻는 것이 가능하고, 또한, 입력 압력에 대한 내성을 높이는 것이 가능하다.
도 1은 MEMS 기술에 의해 제조된 종래의 음향 센서의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는 종래의 음향 센서의 내부 구조의 일례를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램 및 고정막의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램의 지지부 및 진동부의 양단부 부근을 확대한 제1도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램의 지지부 및 진동부의 양단부 부근을 확대한 제2도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램의 지지부 및 진동부의 양단부 부근을 확대한 제3도이다.
도 7은 종래예와 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램의 지지부 부근의 응력 분포를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램 및 고정막의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에서의 다이어프램 및 고정막의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계의 다른 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1과 종래예에서의 다이어프램과 고정막 사이의 슬릿 형상을 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에서의 다이어프램의 형상을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에서의 다이어프램 부근의 단면도이다.
도 13은 종래예에서의 다이어프램의 문제에 대해 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에서의 다이어프램 및 고정막의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계를 도시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에서의 다이어프램의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예 5에서의 다이어프램의 형상 및, 백 챔버의 외형의 관계의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예 6에서의 다이어프램의 형상을 도시하는 도면이다.
도 18은 종래예에서의 음향 센서의 부분적인 단면도이다.
도 19는 다른 종래예에서의 음향 센서의 부분적인 단면도이다.
<실시예 1>
이하, 본원 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에 기재하는 실시 형태는, 본원 발명의 일 형태이며, 본원 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 정전 용량형 센서 전체에 적용하는 것이 가능하지만, 이하에서는, 정전 용량형 센서를 음향 센서로서 사용하는 경우에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명에 관한 정전 용량형 센서는, 다이어프램의 변위를 검출하는 것이라면, 음향 센서 이외의 센서로서도 이용할 수 있다. 예를 들어, 압력 센서 외에, 가속도 센서나 관성 센서 등으로 사용해도 상관없다. 또한, 센서 이외의 소자, 예를 들어 전기 신호를 변위로 변환하는 스피커 등으로 이용해도 상관없다. 또한, 이하에서는 다이어프램의 진동부가 대략 사변형에서 4개의 지지부를 갖고, 기판의 개구의 외형이 대략 사변형의 예를 나타내지만, 다이어프램의 진동부가 사변형 이외의 다변형 또는 원형 등의 폐곡선이고, 복수의 지지부를 갖고, 기판의 개구의 외형이 사변형 이외의 다변형 또는 원형 등의 폐곡선의 경우에도 효과를 얻을 수 있다.
도 1은, MEMS 기술에 의해 제조된 종래의 음향 센서(1)의 일례를 나타낸 사시도이다. 또한, 도 2는, 음향 센서(1)의 내부 구조의 일례를 나타낸 분해 사시도이다. 음향 센서(1)는, 개구로서의 백 챔버(2)가 설치된 실리콘 기판(기판)(3)의 상면에 절연막(4), 고정막(13), 다이어프램(진동 전극판)(5), 및 백 플레이트(7)를 적층한 적층체이다. 백 플레이트(7)는, 고정판(6)에 고정 전극막(8)을 성막한 구조를 갖고 있으며, 고정판(6)의 실리콘 기판(3)측에 고정 전극막(8)이 배치된 것이다. 백 플레이트(7)의 고정판(6)에는 다수의 천공으로서의 음공이 전면적으로 설치되어 있다(도 1이나 도 2에 도시되는 고정판(6)의 망걸이의 각 점이 개개의 음공에 상당한다). 또한, 고정 전극막(8)의 4코너 중 하나에는, 출력 신호를 취득하기 위한 고정 전극 패드(10)가 설치되어 있다.
여기서, 실리콘 기판(3)은, 예를 들어 단결정 실리콘으로 형성할 수 있다. 또한, 다이어프램(5)은, 예를 들어 도전성 다결정 실리콘으로 형성할 수 있다. 다이어프램(5)은 진동하는 대략 사변형의 진동부(11)의 4코너에 방사상(즉, 진동부(11)의 대각선 방향)으로 연장하는 지지부(12)가 배치되는 평면 형상을 갖는다. 그리고, 다이어프램(5)은, 백 챔버(2)를 덮도록 실리콘 기판(3)의 상면에 배치되고, 4개의 지지부(12)의 선단에 있어서 앵커(도시하지 않음)를 통해 실리콘 기판(3)에 고정되어 있다. 다이어프램(5)의 진동부(11)는, 음압에 감응하여 상하로 진동한다. 여기서 지지부(12)는, 앵커를 향해 돌출되는 형상에 상당한다.
또한, 다이어프램(5)은, 4개의 지지부(12) 이외의 개소에 있어서는, 실리콘 기판(3)에도, 백 플레이트(7)에도 접촉하지 않는다. 따라서, 음압에 감응하여 보다 원활하게 진동 가능하게 되었다. 또한, 진동부(11)의 4코너에 있는 지지부(12) 중 하나에 다이어프램 패드(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 백 플레이트(7)에 설치되어 있는 고정 전극막(8)은, 다이어프램(5) 중, 4코너의 지지부(12)를 제외한 진동부(11)에 대향하도록 설치되어 있다.
또한, 다이어프램(5)의 주위에는, 음향 센서(1)의 완성 후에는 다이어프램(5)과 대략 동일 평면을 구성하고, 다이어프램(5)을, 슬릿(5a)을 통해 둘러싸도록 형성된 고정막(13)이 설치되어 있다. 이 고정막(13)은 음압에 감응하여 진동하지 않고, 기판(3)에 고정되어 있다. 이 고정막(13)이 진동부(11)를 상하로 변위시키는 공기가 다이어프램(5)의 주위로부터 누설됨으로써 음향 센서(1)의 감도가 저하되는 것을 억제하고 있다.
음향 센서(1)에 음이 도달하면, 음이 음공을 통과하여, 다이어프램(5)에 음압을 가한다. 즉, 이 음공에 의해, 음압이 다이어프램(5)에 인가되게 된다. 또한, 음공이 설치됨으로써, 백 플레이트(7)와 다이어프램(5) 사이의 에어 갭 중의 공기가 외부로 빠져나가기 쉬워져, 노이즈를 감소할 수 있다.
음향 센서(1)에 있어서는, 상술한 구조에 의해, 음을 받아서 다이어프램(5)의 진동부(11)가 진동하고, 진동부(11)와 고정 전극막(8) 사이의 거리가 변화된다. 진동부(11)와 고정 전극막(8) 사이의 거리가 변화되면, 진동부(11)와 고정 전극막(8) 사이의 정전 용량이 변화된다. 따라서, 다이어프램(5)과 전기적으로 접속된 진동막 전극 패드(9)와, 고정 전극막(8)과 전기적으로 접속된 고정 전극 패드(10) 사이에 직류 전압을 인가해 두고, 상기 정전 용량의 변화를 전기적인 신호로서 취출함으로써, 음압을 전기 신호로서 검출할 수 있다.
도 3에는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)과 고정막(13)을, 다이어프램(5)의 법선 방향으로부터 본 도면을 나타낸다. 또한, 도 3에 있어서 점선으로 나타내고 있는 것은, 실리콘 기판(3)의 개구로서의 백 챔버(2)의 외형이다. 도면에 도시되는 바와 같이, 다이어프램(5)과 고정막(13) 사이에 형성되어 있는 슬릿(5a)에 의해, 다이어프램(5)의 외형이 특정된다. 또한, 도 3보다 이후의 도면에 있어서는, 간단화를 위하여, 슬릿(5a)은 하나의 선에 의해 표현한다.
또한, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형은, 각 변에 있어서의 중앙부(11a)에 있어서는, 백 챔버(2)의 외형의 내측으로 형성되어 있고, 각 변의 양단부(11b)에 있어서는, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 형성되어 있다. 환언하면, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형 중 각 변의 양단부(11b)만을, 백 챔버(2)의 외측 실리콘 기판(3)과 평면에서 볼 때 겹치도록 했다.
이에 의해, 다이어프램(5)에 백 플레이트(7)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우에는, 백 플레이트(7)와 반대 방향으로 변위한 진동부(11)의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형 부근에 있어서 실리콘 기판(3)에 맞닿고, 진동부(11)의 그 이상의 변위를 억제한다. 이에 의해, 백 챔버(7)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우에도, 다이어프램(5)의 진동부(11)가 과잉으로 변위함으로써 특히 지지부(12)에 응력이 집중 파손되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 음향 센서(1)의 입력 압력에 대한 내성을 높이는 것이 가능하게 된다.
도 4는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)의 지지부(12) 및 진동부(11)의 양단부(11b) 부근을 확대한 도면이다. 본 실시예에서는, 진동부(11)의 외형은, 각 변에 있어서의 중앙부(11a)에 있어서는, 백 챔버(2)의 외형의 내측으로 형성되어 있고, 각 변의 양단부(11b)에 있어서는, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 형성되어 있다. 그리고, 중앙부(11a)와 양단부(11b) 사이의 영역에 있어서, 진동부(11)의 외형은 백 챔버(2)의 외형과 교차하고 있다. 결과적으로, 다이어프램(5)의 외형은, 지지부(12)를 사이에 둔 2개의 교점에 있어서, 백 챔버(2)의 외형과 교차하고 있고,이 부분은 본 실시예에 있어서 소정의 교차 구조에 상당한다. 또한, 도 4에서는 지지부(12)의 선단에 있어서, 앵커(12a)를 해칭에 의해 나타내고 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형과 백 챔버(2)의 외형의 교점과, 진동부(11)에 있어서의 상이한 변 상에 존재하고 전술한 교점과 가장 가까운 다른 교점을 연결한 선분의 길이 B가, 다이어프램(5)의 지지부(12)의 폭 A보다도 길어지도록 설정되어 있다. 이에 의해, 지지부(12)는, 압력의 인가에 의한 변형하기 쉬운 상태로서 높은 감도를 얻으면서, 다이어프램(5)의 변형 시에 지지부(12)에 응력이 집중하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 여기에 있어서 지지부(12)의 폭 A는, 앵커에 가까이 위치하는 다이어프램(5)의 폭에 상당한다.
또한, 본 실시예에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형과 백 챔버(2)의 외형의 교점의 근방에 변곡점 C를 갖고 있다. 이와 같이, 다이어프램(5)의 외형과 백 챔버(2)의 외형의 교점의 근방에 변곡점 C를 설치함으로써, 기하학적으로는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형과 백 챔버(2)의 외형의 교점과, 진동부(11)에 있어서의 상이한 변 상에 존재하고 상술한 교점과 가장 가까운 다른 교점을 연결한 선분의 길이 B를, 다이어프램(5)의 지지부(12)의 폭 A보다도, 보다 확실하게 길게 설정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 여기에서 변곡점 C는, 점인 경우와 영역인 경우를 포함한다. 즉, 변곡점 C는, 점의 양단에서 곡선의 구부러지는 방향이 역전되는 구조여도 되고, 소정의 크기(또는 길이)를 갖는 영역의 양단에서 곡선의 구부러지는 방향이 역전되는 구조여도 된다. 또한 여기서, 근방이란, 변곡점이 상기 교점과 동일한 점이어도 되고, 다소의 어긋남(예를 들어, ±50㎛ 이하)을 갖고 있어도 된다.
또한, 본 실시예에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(5)의 진동부(11)에 있어서, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 형성되어 있는 양단부(11b)의 길이 D는, 진동부(11)의 각 변의 길이의 1/20 이상 1/3 이하로 되어 있다. 실험적으로는, 다이어프램(5)의 진동부(11)에 있어서, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 형성되어 있는 양단부(11b)의 길이 D가 이 범위라면, 공기의 브라운 운동에 기인하는 노이즈의 억제와, 다이어프램(5)의 과잉인 변위의 회피와의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 음향 센서에 있어서, 보다 확실하게, 높은 SN비와, 입력 압력에 대한 내성을 양립시키는 것이 가능하게 된다.
도 7은, 백 플레이트(7)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우의,다이어프램(5)의 지지부(12) 부근에 있어서의 응력 분포를 나타내고 있다. 도 7의 (a)는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 모두가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되도록 했을 경우, 도 7의 (b)는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 양단부(11b)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우의 도면, 도 7의 (c)는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우의 도면을 나타낸다.
이 도면에 도시되는 바와 같이, 백 플레이트(7)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우의 지지부(12) 부근의 응력 분포는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 양단부(11b)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우에는, 진동부(11)의 외형 모두가 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되도록 했을 경우와 비교하여, 응력 분포가 더욱 넓어지게 되어 지지부(12)에 있어서의 응력 집중이 완화되어 있다.
또한, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 양단부(11b)가, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우에는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 양단부(11b)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우와 비교하여, 응력 분포가 더욱 넓어지게 되어 지지부(12)에 있어서의 응력 집중이 완화되어 있다.
그리고, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 중앙부(11a)가, 백 챔버(2)의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 양단부(11b)가, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우에는, 진동부(11)의 외형의 모두가 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되도록 했을 경우와 비교하여, 지지부(12)에 작용하는 응력의 최댓값은 60％까지 저감되었다.
또한, 진동부(11)의 외형의 모두가 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되도록 했을 경우와, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 했을 경우에서, SN비에 유의차는 보이지 않았다.
상기 실시예에 있어서는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되고, 진동부(11)의 각 변의 중앙부(11a)의 모두가, 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치될 경우에 대해 설명했지만, 본 발명에 있어서의 진동부(11)의 형상은 이에 한정되지는 않는다. 도 8에는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 일부가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치될 경우의 진동부(11)의 외형의 베리에이션에 대해 나타낸다. 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 백 챔버(2)의 외형은 단순한 사변형으로 하고, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형의 각 변을 변형시킨 예이다.
보다 구체적으로는, 도 8의 (a)는, 상기 본 실시예에서 설명한 대로, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 중앙부(11a)의 모두가 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되고, 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되는 예이다. 그것에 대하여, 도 8의 (b)는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 중앙부(11a)의 일부가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 추가로 배치되는 예이다.
또한, 도 8의 (a)에 나타낸 베리에이션과, 도 8의 (b)에 나타낸 베리에이션과 같이, 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 양단부(11b)가 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되는 구성은, 지지부(12)로의 응력 집중을 억제하고, 음향 센서(1)의 입력 압력에 대한 내성을 향상시키는 효과가 큰 것이 실험적으로도 알려져 왔다. 이 결과와, 도 7에 나타낸 응력 분포의 해석 결과를 근거로 하면, 지지부(12)의 근방에 있어서의 진동부(11)의 변위를 억제하는 쪽이, 더 효과적으로 지지부(12)로의 응력 집중을 억제할 수 있다고 생각된다. 따라서, 본 실시예에서는, 진동부(11)의 외형 중, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되는 영역은, 지지부(12)에 의해 가까운 양단부(11b)로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
다음에, 도 9에는, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형을 단순한 사변형으로 하고, 백 챔버(2)의 외형의 각 변을 변형시킨 베리에이션에 대해 나타낸다. 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 있어서, 백 챔버(2)의 외형에 있어서의 각 변의 중앙부(2a)를 돌출시킴으로써, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 중앙부가 상대적으로 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되도록 하고 있다. 또한, 백 챔버(2)의 외형의 각 변의 양단부(2b)를 중앙부(2a)와 비교하여 오목하게 함으로써, 진동부(11)의 외형에 있어서의 각 변의 양단부가 상대적으로 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되도록 하고 있다.
또한, 본 실시예에서는, 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이, 고정막(13)은, 지지부(12)를 포함한 다이어프램(5)의 전체를 둘러싸도록 설치되어 있고, 슬릿(5a)은 폐곡선을 구성하고 있다. 이것은, 예를 들어 도 10의 (b)에 도시되는 바와 같이, 다이어프램(5)과 고정막(13) 사이의 슬릿(5a)이 고정막(13)의 외부에 노출된 상태에서는, 제조 공정에 있어서, 슬릿(5a)의 노출부로부터 이물이 들어가, 의도하지 않는 마무리가 될 가능성이 있기 때문이다.
<실시예 2>
이어서, 본 발명의 실시예 2에 대해 나타낸다. 본 실시예에서는, 특히, 진동부(11)의 외형 중, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되는 영역을, 각 변의 양단부(11b) 즉, 지지부(12)에 의해 가까운 영역으로 하고, 양단부(11b)에는, 진동부(11)가 기판(3)측에 변위했을 경우에, 기판(3)과 맞닿는 볼록형의 스토퍼를 설치한 예에 대해 설명한다.
도 11에는, 본 실시예에 있어서의 진동부(11), 지지부(12), 고정막(13) 및 백 챔버(2)를 법선 방향으로부터 본 도면을 나타낸다. 도 11의 (a)는 전체의 평면도, 도 11의 (b)는, 지지부(12) 부근을 확대한 도면이다. 또한, 도 12의 (a)에는 도 11의 (b)의 A-A' 단면을, 도 12의 (b)에는, 도 11의 (b)의 B-B' 단면을 나타낸다. 도 11의 (b) 및 도 12의 (b)에 도시되는 바와 같이, 본 실시예에서는, 특히, 진동부(11)에 있어서, 외형이 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치된 영역에는, 기판(3)측에 볼록형이 된 스토퍼(5b)를 설치하는 것으로 했다. 이에 의해, 백 플레이트(7)측으로부터 진동부(11)에 큰 압력이 작용한 것에 의해, 진동부(11)가 백 챔버(2)측에 변위했을 경우에는, 스토퍼(5b)를 기판(3)의 표면에 맞닿게 할 수 있다. 이에 의해, 진동부(11)가 기판(3)에 맞닿을 때의 접촉 면적을 작게 할 수 있고, 진동부(11)가 기판(3)에 맞닿은 상태에서 고착되어 버리는 것을 억제할 수 있다.
<실시예 3>
이어서, 본 발명의 실시예 3에 대해 나타낸다. 본 실시예에서는, 특히, 진동부(11)의 외형에 있어서 백 챔버(2)의 가장 가까운 외형의 각도가 소정 각도 이하인 영역에 대해서는, 진동부(11)의 외형과 백 챔버(2)의 외형의 거리를 소정 거리 이상 이격하는 예에 대해 설명한다.
도 13은, 진동부(11)의 외형(즉 측면도에 있어서의 단부면, 이하 동일)이, 백 챔버(2)의 외형(단부면)에 과잉으로 가까워졌을 경우의 문제를 도시하는 도면이다. 도 13의 (a)는, 다이어프램(5)에 압력이 작용하지 않은 상태에 있어서의, 진동부(11)의 외형(단부면)과, 백 챔버(2)의 외형(단부면)의 관계를 도시하는 도면이다. 도 13의 (b)는, 다이어프램(5)에 압력이 작용한 경우에 생길 수 있는 현상에 대해 도시한 도면이다.
즉, 도 13의 (a)에 도시하는 바와 같이, 진동부(11)의 외형(단부면)과 백 챔버(2)의 외형(단부면)이 지나치게 가까워졌을 경우에는, 진동부(11)에 백 플레이트(7)측으로부터 큰 압력이 작용했을 때에, 진동부(11)가 일단, 백 플레이트(7)와는 반대측에 변위하여 백 챔버(2) 내에 침입한다. 그리고, 초기 위치로 복귀하려고 할 때에 진동부(11)의 외형(단부면)이 백 챔버(2)의 외형(단부면)에 걸려, 초기 위치로의 복귀가 불가능해지는 경우가 있었다.
이에 대해 본 실시예에서는, 특히, 진동부(11)의 외형(단부면)에 있어서, 가장 가까운 백 챔버(2)의 외형(단부면)의 법선 방향으로부터 본 각도가 소정 각도, 예를 들어 3도 이하의 영역에 대해서는, 진동부(11)의 외형(단부면)을 백 챔버(2)의 외형(단부면)으로부터 소정 거리, 예를 들어 1㎛ 이상, 혹은 3㎛ 이상 이격하여 배치하기로 했다.
도 14에는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5), 고정막(13), 백 챔버(2)의 외형의 평면도를 나타낸다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는, 진동부(11)의 외형에 있어서, 백 챔버(2)의 가장 가까운 외형의 각도가 3도 이하인 영역(11d, 11e)(1변에 대해서만 부호를 부여하고 있지만, 다른 3변에 대해서도 동일하다)에 대해서는, 반드시 백 챔버(2)의 외형으로부터 1㎛ 이상 이격하는 것으로 했다.
이것에 의하면, 진동부(11)의 외형이, 백 챔버(2)의 외형과 교차하는 부분(11f) 등, 백 챔버(2)의 가장 가까운 외형에 대해 큰 각도를 갖는 영역 이외는, 진동부(11)의 외형을 백 챔버(2)의 외형으로부터 단부면으로부터 1㎛ 이상 이격할 수 있고, 진동부(11)에 백 플레이트(7)측으로부터 큰 압력이 작용한 경우에, 진동부(11)의 외형(단부면)이 백 챔버(2)의 외형(단부면)에 걸려, 초기 위치로의 복귀가 불가능해지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 그것에 의해, 진동부(11)가 굴곡하여 그 중심측의 영역이 백 플레이트(7)에 해당하는 등의 문제가 생기는 것을 피할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 진동부(11)의 외형을 백 챔버(2)의 외형으로부터 단부면으로부터 1㎛ 이상 이격하는 영역을, 진동부(11)의 외형에 있어서, 가장 가까운 백 챔버(2)의 외형의 법선 방향으로부터 본 각도가 3도 이하인 영역으로 한 것은 이하의 이유에 따른다. 즉, 기본적으로, 백 챔버(2)의 외형(단부면)과 어느 정도 각도를 갖는 진동부(11)의 외형(단부면)은, 진동부(11)의 외형(단부면)이 백 챔버(2)의 외형(단부면)과 교차할 경우를 포함하고, 백 챔버(2)의 외형(단부면)에 걸리기 어렵다고 생각되기 때문이다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 백 챔버(2)의 가장 가까운 외형이란, 진동부(11)의 외형의 소정의 영역에 대해서, 당해 영역으로부터의 거리가 최소가 되는 백 챔버(2)의 외형으로 해도 된다. 또한, 그 외형에 대한 법선 방향으로부터 본 수직선이 교차되는 백 챔버(2)의 외형으로 해도 된다. 혹은, 진동부(11)의 법선 방향으로부터 본 중앙부(진동부가 사변형인 경우 대각선의 교점이어도 된다. 진동부가 원형인 경우는 중심이어도 된다)로부터 당해 영역을 통과하도록 그은 직선이 교차되는 백 챔버(2)의 외형으로 해도 된다.
또한, 본 실시예에서는, 도 14에 도시되는 바와 같이, 진동부(11)의 외형이 백 챔버(2)의 외형과 교차할 경우의 교차 각도를 대략 45도로 했다. 이 교차 각도를 30도 이상으로 하면, 제조 변동에 따라 백 챔버(2)의 외형 위치가 변동되었다고 한들, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형 중, 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되어 있는 부분의 면적 변화를 억제할 수 있다. 환언하면, 다이어프램(5)의 진동부(11) 중 백 챔버(2)의 외측의 실리콘 기판(3)과 평면에서 볼 때 겹치는 부분의 면적을 안정화할 수 있다.
<실시예 4>
이어서, 본 발명의 실시예 4에 대해 나타낸다. 본 실시예에서는, 다이어프램의 진동부의 외형이 사변형 이외의 형상인 예에 대해 설명한다.
도 15에는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)의 외형의 베리에이션에 대해 도시한다. 도 15의 (a)는, 백 챔버(2)의 외형 및, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형이 대략 정육각형인 예를 나타낸다. 이 경우는, 방사상으로 신장하는 지지부(12)는 각 코너부에 합계 6개 설치되어 있다. 도 15의 (b)는, 백 챔버(2)의 외형 및, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형이 대략 정팔각형인 예를 도시한다. 이 경우는, 방사상으로 신장하는 지지부(12)는 각 코너부에 합계 8개 설치되어 있다. 도 15의 (c)는, 백 챔버(2)의 외형은 원형이며, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형은 대략 사변형에서 중앙부(11a)가 원호상으로 볼록해진 형상인 예를 나타낸다. 이 경우는, 방사상으로 신장하는 지지부(12)는 실시예 1과 동일한 각 코너부에 합계 4개 설치되어 있다.
이와 같이, 진동부의 형상 및 지지부의 수는, 기반의 형상이나 정전 용량형 센서의 사양에 따라 적절히 변경하는 것이 가능하다. 또한, 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는, 진동부(11)의 외형은 중앙부(11a)에 있어서 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되고, 양단부(11b)에 있어서 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되어 있다. 그러나, 진동부(11)의 외형의 어느 부분이 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되고, 어느 부분이 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되는 지에 대해서도, 정전 용량형 센서의 사양에 따라 적절히 변경할 수 있는 것은 당연하다.
<실시예 5>
다음에, 본 발명의 실시예 5에 대해 나타낸다. 본 실시예에서는, 다이어프램의 진동부의 외형에, 기판의 개구부의 외형과의 교점을 갖는 영역과, 갖지 않는 영역이 혼재하는 예에 대해 설명한다.
도 16에는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)의 외형의 베리에이션에 대해 도시한다. 도 16의 (a)는, 진동부(11)가 대략 사변형이며, 사변형의 대향하는 상하로 2변에 대해서는 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되고, 대향하는 좌우의 2변에 대해서는, 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치된 예이다. 도 16의 (b)는, 진동부(11)가 대략 사변형이며, 사변형의 대향하는 2개의 대각 부근에 대해서는 양단부(11b)가 설치되어 있고, 나머지의 2개의 대각에 대해서는 양단부(11b)가 설치되지 않은 예이다. 도 16의 (c)는, 백 챔버(2)의 외형 및, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형이 대략 정팔각형이며, 양단부(11b)가 설치된 꼭지각과, 양단부(11b)가 설치되지 않은 꼭지각이 교대로 마련된 예이다.
이와 같이, 본 발명에 있어서의 다이어프램(5)은, 적어도 1개소 이상에, 다이어프램(5)의 법선 방향에서 볼 때 다이어프램(5)의 외형과 기판의 개구의 외형이 교차하는 교차 구조를 갖고 있으면 되며, 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형에, 백 챔버(2)의 외형과의 교점을 갖는 영역과, 갖지 않는 영역이 혼재하고 있는 것을 포함하고 있다.
<실시예 6>
이어서, 본 발명의 실시예 5에 대해 나타낸다. 본 실시예에서는, 다이어프램의 진동부의 외형이 대략 원형인 예에 대해 설명한다.
도 17에는, 본 실시예에 있어서의 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형이 원형인 경우에 대해 나타낸다. 이 예에 있어서는 90도 간격으로 4개의 지지부(12)가 반경 방향으로 연신하도록 설치되어 있다. 또한, 지지부(12)와 지지부(12) 사이의 곡선 부분의 양단에는 양단부(11b)가 설치되어 있고, 양단부(11b)에 있어서는 진동부(11)의 외형은 원형의 백 챔버(2)의 외형의 외측에 배치되어 있다. 또한, 지지부(12)와 지지부(12) 사이의 곡선 부분에 있어서의 중앙부(11a)에 있어서는 진동부(11)의 외형은 원형의 백 챔버(2)의 외형의 내측에 배치되어 있다. 또한, 도 17의 다이어프램(5)에 있어서의 지지부(12)와 지지부(12) 사이의 곡선 부분은, 본 발명에 있어서의 폐곡선을 구성하는 곡선에 상당한다.
이와 같이, 본 발명에 있어서의 다이어프램(5)의 진동부(11)의 외형은, 사변형 등의 다변형에는 한정되지 않는다. 또한, 본 실시예에서는, 진동부(11)의 외형이 원형인 경우에 대해 설명했지만, 진동부(11)의 외형은 원형 이외의 폐곡면에 따라 형성되어도 상관없다.
또한, 상기 실시예에 있어서는, 다이어프램(5)의 지지부(12)가 앵커(12a)에 의해 기판(3)에 고정되는 예에 대해 설명했지만, 본 발명에 있어서, 다이어프램(5)의 지지부(12)는 앵커(12a)에 의해 백 플레이트(7)에 고정되도록 해도 상관없다. 또한, 상기 실시예에 있어서는, 본 발명을 정전 용량형 센서에 적용한 예에 대해 설명했지만, 본 발명은 다른 센서, 예를 들어 다이어프램을 압전 효과를 갖는 재질로 형성, 다이어프램의 변위를 압전 전압의 변화로서 검출하는 압전형 센서에 대해서도, 마찬가지로 적용 가능하다. 이 경우에는, 백 플레이트는 구성으로서 불필요해진다.
1: 음향 센서
2: 백 챔버
3: (실리콘)기판
5: 다이어프램
5a: 슬릿
5b: 스토퍼
7: 백 플레이트
8: 고정 전극막
11: 진동부
11a: 중앙부
11b: 양단부
12: 지지부
13: 고정막

Claims (13)

  1. 개구를 갖는 기판과,
    상기 기판의 개구에 대향하도록 배치되는 다이어프램과,
    상기 다이어프램을 상기 기판 또는 다른 부재에 고정하는 복수의 앵커와,
    상기 다이어프램의 주위에 슬릿을 통해 배치되는 고정막을
    구비하는 MEMS 구조에 있어서,
    상기 다이어프램의 외형은, 앵커를 향해 돌출되는 형상을 포함하고,
    상기 다이어프램의 적어도 1개소 이상에, 상기 다이어프램의 법선 방향에서 볼 때 상기 다이어프램의 외형과 상기 기판의 개구의 외형이 상기 앵커를 향해 돌출되는 형상을 사이에 두고 2개의 교점에서 교차하는 소정의 교차 구조를 갖고,
    상기 교차 구조에 있어서는,
    상기 2개의 교점의 거리가, 상기 앵커에 가까이 위치하는 상기 다이어프램의 폭보다도 긴 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램의 외형이 상기 교점의 근방에 있어서 변곡점을 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램의 외형은, 다변형 또는 대략 다변형으로 이루어지고,
    상기 다이어프램의 외형에 있어서 1변 중, 상기 기판의 개구의 외형보다도 외측에 위치하는 부분의 길이가, 상기 1변의 길이의 1/20 이상 또한 1/3 이하인 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이어프램 중, 그 외형이 상기 기판의 개구의 외측에 배치된 부분에는, 상기 기판의 방향으로 볼록 형상을 갖고 상기 다이어프램이 상기 기판측으로 변위했을 때 상기 기판에 맞닿는 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고정막은 상기 다이어프램을 완전히 둘러싸고, 상기 슬릿은 폐곡선을 구성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이어프램의 외형 중, 가장 가까운 상기 기판의 개구의 외형에 대한 각도가 3도 이하인 영역에 대해서는, 상기 기판의 개구의 외형으로부터 1㎛ 이상 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이어프램의 외형이, 상기 교점에 있어서 상기 기판의 개구의 외형과 교차할 때의 교차 각도가 30도 이상인 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  8. 제3항에 있어서, 상기 다이어프램의 외형 중, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 내측에 배치되는 부분은, 상기 다변형의 1변 또는 상기 폐곡선을 구성하는 곡선에 있어서의 중앙부에 배치되고, 법선 방향에서 볼 때 상기 기판의 개구의 외측에 배치되는 부분은, 상기 다변형의 1변 또는 상기 폐곡선을 구성하는 곡선에 있어서의 상기 중앙부의 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 MEMS 구조.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 MEMS 구조와,
    상기 다이어프램에 공극을 통해 대향하도록 배치되는 백 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 앵커는, 상기 다이어프램을 상기 백 플레이트에 고정하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 센서.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 MEMS 구조에 있어서의 상기 다이어프램이, 압전 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 압전형 센서.
  12. 제9항 또는 제10항에 기재된 정전 용량형 센서를 갖고, 음압을 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 정전 용량의 변화로 변환하여 검출하는 음향 센서.
  13. 제11항에 기재된 압전형 센서를 갖고, 음압을 상기 다이어프램의 압전 전압의 변화로 변환하여 검출하는 음향 센서.
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