WO2009104389A1 - 静電容量型振動センサ - Google Patents

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WO2009104389A1
WO2009104389A1 PCT/JP2009/000663 JP2009000663W WO2009104389A1 WO 2009104389 A1 WO2009104389 A1 WO 2009104389A1 JP 2009000663 W JP2009000663 W JP 2009000663W WO 2009104389 A1 WO2009104389 A1 WO 2009104389A1
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WO
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electrode plate
acoustic
vibration
hole
vibration sensor
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PCT/JP2009/000663
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English (en)
French (fr)
Inventor
笠井隆
大野和幸
鶴亀宜崇
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オムロン株式会社
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Publication date
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Priority to EP09712468.9A priority patent/EP2182738B1/en
Priority to JP2009554216A priority patent/JP5218432B2/ja
Priority to CN2009801002069A priority patent/CN101785325B/zh
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the present invention relates to a capacitance-type vibration sensor, and more particularly to a micro-size vibration sensor manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology or micro machining technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • Fig. 1 shows the basic structure of a capacitive vibration sensor.
  • the vibration sensor 11 includes a vibration electrode plate 13 disposed on an upper surface of a substrate 12 having an open central portion, and the vibration electrode plate 13 is covered with a fixed electrode plate 14.
  • the fixed electrode plate 14 includes a plurality of vibration electrode plates 13.
  • An acoustic hole 15 (acoustic hole) is opened. Therefore, when the acoustic vibration 16 propagates toward the vibration sensor 11, the acoustic vibration 16 passes through the acoustic hole 15 and vibrates the vibration electrode plate 13.
  • the vibration electrode plate 13 vibrates, the distance between the electrodes between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14 changes, so that a change in electrostatic capacitance between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14 is detected.
  • the acoustic vibration 16 air vibration
  • the acoustic hole 15 has the following function. (1) Function to prevent the sound pressure from being applied to the fixed film (2) Function to reduce the damping of the vibrating electrode plate and improve the high-frequency characteristics (3) Function as an etching hole when creating an air gap In addition, the acoustic hole 15 has a great influence on the function of the vent hole.
  • the functions of the acoustic hole and the vent hole will be described.
  • the vibration electrode plate 13 is forcibly vibrated by the acoustic vibration 16 to detect the acoustic vibration 16.
  • the rigidity of the fixed electrode plate 14 is made higher than that of the vibration electrode plate 13, and the sound pressure is released from the acoustic hole 15 by opening the acoustic hole 15 in the fixed electrode plate 14. It is hard to be vibrated by sound pressure.
  • the air is confined in the air gap 17 (gap) between the vibrating electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14.
  • the air thus confined is compressed or expanded in accordance with the vibration of the vibration electrode plate 13, so that the vibration of the vibration electrode plate 13 is damped by the air.
  • the acoustic hole 15 is provided in the fixed electrode plate 14, the air in the air gap 17 enters and exits through the acoustic hole 15, so that the vibration of the vibration electrode plate 13 is hardly damped, and the vibration sensor 11.
  • the high-frequency characteristics are improved.
  • the sacrifice is made between the substrate 12 and the vibrating electrode plate 13 or between the vibrating electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14. A layer is formed. Then, an etching solution is introduced from the acoustic hole 15 opened in the fixed electrode plate 14 into the sacrificial layer by etching to form an air gap 17 between the vibrating electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14.
  • the substrate 12 is provided with a through hole or a recess so as not to interfere with the vibration of the vibrating electrode plate 13.
  • the recess back chamber 18
  • the back chamber 18 is closed on the lower surface side of the substrate.
  • the back chamber 18 may be different from the atmospheric pressure.
  • the air gap 17 may be different from the atmospheric pressure due to the ventilation resistance of the acoustic hole 15.
  • a pressure difference is generated between the upper surface side (air gap 17) and the lower surface side (back chamber 18) of the vibration electrode plate 13 in accordance with ambient pressure fluctuations, temperature changes, and the like, and the vibration electrode plate 13 bends. 11 measurement errors may occur. Therefore, in the general vibration sensor 11, as shown in FIG. 1, a vent hole 19 is provided in the vibration electrode plate 13 or between the vibration electrode plate 13 and the substrate 12. The pressure difference between the upper surface side and the lower surface side is removed.
  • the ventilation path 20 (shown by an arrow line in FIG. 1) from the acoustic hole 15 through the vent hole 19 to the back chamber 18. Acoustic resistance is reduced. Therefore, low-frequency acoustic vibrations that enter the vibration sensor 11 from the acoustic hole 15 near the vent hole 19 easily pass through the vent hole 19 to the back chamber 18. As a result, the low-frequency acoustic vibration that has passed through the acoustic hole 15 in the vicinity of the vent hole 19 leaks to the back chamber 18 side without vibrating the vibrating electrode plate 13, thereby degrading the low-frequency characteristics of the vibration sensor 11.
  • a stick between the electrode plates may occur during the manufacturing process or use.
  • the stick means a state in which a part or almost the whole of the vibrating electrode plate 13 is fixed to the fixed electrode plate 14 and is not separated.
  • the vibration electrode plate 13 sticks to the fixed electrode plate 14 the vibration of the vibration electrode plate 13 is hindered, so that the vibration vibration cannot be detected by the vibration sensor 11.
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) are schematic diagrams for explaining the cause of the occurrence of a stick in the vibration sensor 11.
  • FIG. Since the vibration sensor 11 is manufactured using a micromachining technology, for example, moisture w enters between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14 in a cleaning process after etching. Even when the vibration sensor 11 is in use, moisture may accumulate between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14 or the vibration sensor 11 may get wet with water.
  • the vibration sensor 11 since the vibration sensor 11 has a minute size, the gap distance between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14 is only a few ⁇ m. Moreover, in order to increase the sensitivity of the vibration sensor 11, the film thickness of the vibration electrode plate 13 is as thin as about 1 ⁇ m, and the spring property of the vibration electrode plate 13 is weak.
  • a stick may occur through a two-stage process as described below.
  • the vibrating electrode In the first stage, as shown in FIG. 3A, when moisture w enters between the vibrating electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14, the vibrating electrode is caused by capillary force P1 or surface tension due to the moisture w. The plate 13 is attracted to the fixed electrode plate 14.
  • the vibrating electrode plate 13 adheres to the fixed electrode plate 14. That state is maintained.
  • an intermolecular force and an inter-surface force acting between the vibrating electrode plate 13 surface and the fixed electrode plate 14 surface are used. There is static electricity. As a result, the vibration electrode plate 13 is held in a state where it adheres to the fixed electrode plate 14, causing a problem that the vibration sensor 11 does not function.
  • the vibrating electrode plate 13 sticks to the fixed electrode plate 14 in the first stage due to the capillary force of the infiltrated moisture.
  • the vibrating electrode plate may be caused by a liquid other than moisture, and a large sound pressure may be generated.
  • the vibrating electrode plate may stick to the fixed electrode plate.
  • the first stage process may occur because the vibration electrode plate is statically attached to the fixed electrode plate.
  • noise generated in the vibration sensor is caused by thermal noise (air molecule fluctuation) in the air gap 17 between the vibration electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14. That is, as shown in FIG. 4A, the air gap between the vibrating electrode plate 13 and the fixed electrode plate 14, that is, the air molecule ⁇ in the semi-sealed space collides with the vibrating electrode plate 13 due to fluctuation.
  • the vibration electrode plate 13 is subjected to a minute force due to the collision with the air molecule ⁇ , and the minute force applied to the vibration electrode plate 13 varies randomly. Therefore, the vibration electrode plate 13 vibrates due to thermal noise, and electric noise is generated in the vibration sensor.
  • noise due to such thermal noise is large, and the S / N ratio is deteriorated.
  • such noise caused by thermal noise can be reduced by providing the acoustic hole 15 in the fixed electrode plate 14 as shown in FIG. I understood.
  • the inventors have found that the noise is reduced as the opening area of the acoustic holes 15 increases and the arrangement interval of the acoustic holes 15 decreases. This is because if the acoustic hole 15 is provided in the fixed electrode plate 14, the air in the air gap 17 easily escapes from the acoustic hole 15, so that the number of air molecules ⁇ colliding with the vibration electrode plate 13 is reduced and noise is reduced. It is thought that it is because it is done.
  • the size of the acoustic hole is uniform in such a vibration sensor, if the opening area of the acoustic hole is increased, the acoustic hole in the vicinity of the vent hole also increases, and the acoustic resistance of the ventilation path including the vent hole decreases. . As a result, there is a problem that the low frequency characteristics of the vibration sensor deteriorate.
  • a vibration sensor manufactured using micromachining technology has the above-mentioned stick problem, and the stick has a correlation with the contact area between the vibration electrode plate and the fixed electrode plate. Therefore, when the opening area of the acoustic hole is reduced by the vibration sensor of Patent Document 1, there is a problem that sticks between the electrode plates are likely to occur.
  • Patent Document 2 Another conventional vibration sensor is disclosed in Patent Document 2 (US Pat. No. 6,535,460).
  • the reference numerals with parentheses shown for the vibration electrode plate (12; vibration sensor of Patent Document 2 are those used in Patent Document 2.
  • the same applies hereinafter) and the fixed electrode plate (40) face each other, and a gap is formed between the vibrating electrode plate and the substrate (30).
  • An annular protrusion (41) is formed on the lower surface of the fixed electrode plate, and a through hole (21) is formed in a circular region inside the protrusion on the fixed electrode plate.
  • a through hole (14) is provided in an annular region outside the ridge of the plate.
  • the through holes (21) on the inner side of the ridges are regularly arranged with an opening area larger than that of the outer through holes and at a smaller interval than that of the outer through holes.
  • the through holes (14) on the outer side of the ridges are formed so that each opening area is smaller than that of the inner through holes, and is more uneven than the inner through holes.
  • the arrangement interval is considerably different between the inner peripheral through-hole (21) and the outer peripheral through-hole (14) provided in the fixed electrode plate, and the outer peripheral through-hole is further different. Since the hole arrangement is not uniform, the etching is not uniform and the etching time is not required in the process of etching the sacrificial layer formed between the vibration electrode plate and the fixed electrode plate in the vibration sensor manufacturing process. There is a problem that becomes longer.
  • FIG. 5 shows a case where the acoustic holes 15 (through holes) are unevenly arranged in the vibration sensor 11 shown in FIG.
  • FIG. 5A is a schematic plan view showing a state in which the sacrificial layer 22 is being removed by etching through the nonuniformly arranged acoustic holes 15, and
  • FIG. 5B is an XX line in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a schematic cross-sectional view showing a state in which the sacrificial layer 22 has been removed by etching through the acoustic holes 15 that are unevenly arranged.
  • the etching rate by the etching solution entering from each acoustic hole 15 is the same, when the acoustic holes 15 are non-uniformly arranged as shown in FIG. 5A, the sacrificial layer 22 is not uniformly etched. As shown in FIG. 5B, the etching of the sacrificial layer 22 proceeds rapidly in the region where the interval between the acoustic holes 15 is narrow, and the etching of the sacrificial layer 22 is performed in the region where the interval between the acoustic holes 15 is wide. Progress is slow.
  • the time until the sacrificial layer 22 is completely etched becomes long, and eventually the time required for etching becomes unnecessarily long.
  • the etching is continued even after the sacrificial layer 22 is etched and the fixed electrode plate 14 and the vibrating electrode plate 13 are exposed. Therefore, as shown in FIG. The etching condition of the plate 14 and the like is increased. As a result, even during the etching process, non-uniform stress is applied to the fixed electrode plate 14 and the like, and the fixed electrode plate 14 and the like may be destroyed.
  • the vibration electrode plate is separated from the substrate except for the wiring lead-out portion.
  • an electrostatic attractive force acting between the vibration electrode plate and the fixed electrode plate is used.
  • the vibration electrode plate is attracted to the fixed electrode plate side and is in contact with the lower surface of the protrusion. Therefore, the air gap between the vibrating electrode plate and the fixed electrode plate is a substantially closed space surrounded by protrusions. Therefore, even if a gap is formed between the vibration electrode plate and the substrate, the lower surface side space (back chamber) and the upper surface side space (air gap) of the vibration electrode plate are separated by a protrusion and communicated with each other. Absent. That is, in the vibration sensor of Patent Document 2, the gap between the vibrating electrode plate and the substrate does not function as a vent hole and is not a vent hole.
  • the inner peripheral side through hole (21) communicates with the air gap and functions as an acoustic hole, but the outer peripheral side through hole (14) does not communicate with the air gap, Does not work. Therefore, in the vibration sensor of Patent Document 2, only the through hole (21) on the inner peripheral side is an acoustic hole, and the vibration sensor of Patent Document 2 has a uniform opening area like the vibration sensor of Patent Document 1.
  • the acoustic holes are regularly arranged.
  • the vibration electrode plate since the vibration electrode plate is attracted to the fixed electrode plate side by electrostatic attraction and comes into contact with the lower surface of the ridge, the vibration electrode plate has its upper surface on the lower surface of the ridge over the entire circumference. There is a problem that the vibration electrode plate is restrained by the contact with the protrusions, and the sensitivity of the vibration sensor is likely to be lowered.
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and its object is to increase the acoustic resistance of the ventilation path passing through the vent hole when the opening area of the acoustic hole is increased. For this reason, the low frequency characteristics of the vibration sensor are reduced, the vent hole is easily clogged with dust, and the dust resistance is reduced. If the opening area of the acoustic hole is reduced, the damping effect of the vibration electrode plate is reduced. The high frequency characteristics of the vibration sensor will decrease, the fixed electrode plate will be subject to sound pressure, the sensor accuracy will decrease, sticking between electrode plates will occur easily, and noise due to thermal noise in the air gap An object of the present invention is to provide a vibration sensor that can solve the contradictory problem of increasing the size.
  • the capacitance type vibration sensor of the present invention includes a substrate having through holes formed on the front and back sides thereof, and includes a vibrating electrode plate that vibrates and vibrates and a fixed electrode plate having a plurality of acoustic holes opened.
  • a capacitive vibration sensor disposed on the surface side of the substrate so as to face the substrate surface side opening of the through hole so as to face the lower surface of the outer peripheral portion of the vibration electrode plate partially on the substrate
  • a vent hole is formed between the front surface of the substrate and the lower surface of the vibration electrode plate, and is formed between the front surface of the vibration electrode plate and the lower surface of the vibration electrode plate.
  • an acoustic hole having an opening area smaller than that of the acoustic hole provided in a region other than the outer peripheral portion in the region is provided in the outer peripheral portion in the region.
  • the opening area of the acoustic hole in the outer peripheral portion is the opening area per acoustic hole.
  • the opening area of the acoustic holes provided outside the outer peripheral part is the opening area per one acoustic hole, and when this opening area is not uniform, the average opening area of the acoustic holes provided outside the outer peripheral part is Point to.
  • the opening area of the acoustic hole provided on the outer periphery of the fixed electrode plate in the region facing the vibration electrode plate is smaller than the outer periphery of the region. Since the acoustic hole having the opening area is provided, the opening area of the acoustic hole can be made relatively small in the outer peripheral portion of the region, that is, in the vicinity of the vent hole, and the air passing through the vent hole from the acoustic hole in the vicinity of the vent hole. The acoustic resistance of the path can be increased, and the low frequency characteristics of the vibration sensor can be improved.
  • the opening area of the acoustic hole can be made relatively small in the vicinity of the vent hole, the vent hole is not easily clogged by dust that has entered from the acoustic hole, and the dust resistance of the vibration sensor is improved. Sensitivity and frequency characteristics are stable.
  • the opening area of the acoustic hole provided in the region other than the outer peripheral portion of the region can be made relatively large, the vibration electrode by air in the air gap between the vibration electrode plate and the fixed electrode plate The damping of the plate can be effectively suppressed, and the high frequency characteristics of the vibration sensor can be improved. Furthermore, since the opening area of the acoustic hole can be made relatively large in a region other than the outer peripheral portion, the fixed electrode plate is hardly subjected to sound pressure, and the sensor accuracy is improved. Furthermore, since the opening area of the acoustic hole can be made relatively large in a region other than the outer peripheral portion, the contact area between the vibrating electrode plate and the fixed electrode plate is reduced, and sticking between the electrode plates is less likely to occur. Furthermore, since the opening area of the acoustic hole can be made relatively large in a region other than the outer peripheral portion, electrical noise due to the thermal noise of the vibration sensor can be reduced.
  • the capacitive vibration sensor of the present invention As a result, according to the capacitive vibration sensor of the present invention, the above-mentioned conflicting problems in the conventional vibration sensor can be solved, the frequency characteristics from low frequency to high frequency are good, and the S / N ratio. Therefore, it is possible to realize a vibration sensor that is excellent in sensor accuracy and that does not easily generate sticks between electrode plates.
  • the vibration is difficult to be suppressed when the vibration electrode plate receives vibration.
  • the sensitivity of the vibration sensor is difficult to decrease.
  • a plurality of small regions having an equal shape and area and regularly arranged are defined in the acoustic hole forming region of the fixed electrode plate.
  • One acoustic hole is arranged in each small region so that the center of the acoustic hole is contained in the region.
  • the acoustic holes can be arranged regularly or almost regularly. Therefore, in the step of etching away the sacrificial layer from the acoustic hole using an etching solution using micromachining technology, the sacrificial layer is removed. Etching can proceed almost uniformly throughout the sacrificial layer.
  • the etching is completed almost simultaneously in each portion of the sacrificial layer, so that the time required for etching can be shortened.
  • the fixed electrode plate and the like are partially and hardly etched, the fixed electrode plate and the like are not easily damaged, and defects of the vibration sensor can be reduced.
  • the diameter of the acoustic hole having a small opening area provided in the outer peripheral portion of the region facing the vibration electrode plate in the fixed electrode plate is 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, Desirably, the diameter of the acoustic hole provided in the region other than the outer peripheral portion is 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the distance between the centers of adjacent acoustic holes is 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the function as an acoustic hole in the outer peripheral portion (for example, the function as an etching hole) is impaired, and the diameter of the acoustic hole in the outer peripheral portion. Is larger than 10 ⁇ m, the acoustic resistance of the ventilation path leading from the outer peripheral acoustic hole to the vent hole becomes too small, so that the low-frequency characteristics are deteriorated and dust easily enters.
  • the diameter of the acoustic hole in the region other than the outer peripheral portion is smaller than 5 ⁇ m, the acoustic resistance of the air gap increases, noise increases, and the function as the acoustic hole becomes insufficient. If the diameter of the acoustic hole in the region is larger than 30 ⁇ m, the area of the electrodes facing each other is reduced, the sensor sensitivity is lowered, and the strength of the fixed electrode plate is too small. Furthermore, if the distance between the centers of adjacent acoustic holes is smaller than 10 ⁇ m, the area of the electrodes facing each other becomes small, the sensitivity of the vibration sensor is lowered, and the strength of the fixed electrode plate may be too small.
  • a slit is opened in a region other than the fixed portion at or near the outer peripheral portion of the vibrating electrode plate.
  • the spring constant of the vibration electrode plate can be lowered to make the vibration sensor high. Sensitivity can be increased.
  • a plurality of holding portions are arranged on the surface of the substrate at intervals from each other, and the lower surface of the outer peripheral portion of the vibrating electrode plate is disposed on the holding portion. It is characterized by being partially supported by.
  • the vibrating electrode plate can be floated from the substrate by supporting the vibrating electrode plate by the holding portion, and a vent hole can be formed between the substrate and the vibrating electrode plate.
  • the means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a capacitive vibration sensor.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing how dust enters the vibration sensor.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic views showing how the vibrating electrode plate and the fixed electrode plate stick.
  • 4A and 4B are schematic diagrams for explaining thermal noise due to air molecules in the air gap.
  • FIGS. 5A, 5B, and 5C are schematic diagrams for explaining how the sacrificial layer is etched when acoustic holes are non-uniformly arranged in the vibration sensor shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the capacitive vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view of the vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view of the vibration sensor according to the first embodiment with a fixed electrode plate removed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining how to arrange the acoustic holes.
  • FIGS. 11A, 11B, and 11C are schematic views showing a step of etching and removing the sacrificial layer laminated between the vibration electrode plate and the fixed electrode plate in the vibration sensor manufacturing process according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the reason why the stick between the electrode plates can be suppressed by the vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the diameter of the inner acoustic hole and the acoustic resistance of the air gap.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the diameter of the inner acoustic hole and the electrode area ratio.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the diameter of the acoustic hole in the outer peripheral portion and the acoustic resistance of the ventilation path.
  • FIG. 16 is a plan view showing a vibration sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view of the vibration sensor according to the second embodiment with the fixed electrode film removed.
  • FIG. 18A is a plan view showing a vibration sensor according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 18B is a schematic sectional view thereof.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the capacitive vibration sensor 31 according to the first embodiment.
  • the right half cross section shows a cross section passing through the fixed portion of the vibration electrode plate, and the left half cross section.
  • fixed part is represented.
  • 7 is an exploded perspective view of the vibration sensor 31
  • FIG. 8 is a plan view of the vibration sensor 31
  • FIG. 9 is a plan view of the vibration sensor 31 with the fixed electrode plate removed.
  • the vibration sensor 31 is a capacitance type sensor.
  • a vibration electrode plate 34 is provided on the upper surface of a silicon substrate 32 via an insulating film 33, and a fixed electrode plate 36 is provided thereon via a minute air gap 35. It is a thing.
  • the vibration sensor 31 is mainly used as an acoustic sensor or a condenser microphone that detects voice or the like, converts it into an electrical signal, and outputs it.
  • the silicon substrate 32 is provided with a prismatic through hole 37 or a truncated pyramid-shaped recess (back chamber).
  • a prismatic through hole 37 is shown.
  • the size of the silicon substrate 32 is 1 to 1.5 mm square (which can be smaller than this) in plan view, and the thickness of the silicon substrate 32 is about 400 to 500 ⁇ m.
  • An insulating film 33 made of an oxide film or the like is formed on the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the vibrating electrode plate 34 is formed of a polysilicon thin film having a thickness of about 1 ⁇ m.
  • the vibrating electrode plate 34 is a substantially rectangular thin film, and fixed portions 38 are formed at four corners thereof.
  • the vibration electrode plate 34 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 32 so as to cover the upper surface opening of the through hole 37 or the recess, and each fixing portion 38 is fixed on the insulating coating 33 via the sacrificial layer 42.
  • a region of the vibration electrode plate 34 that is fixed to the upper surface of the silicon substrate 32 is indicated by hatching.
  • a portion of the vibrating electrode plate 34 supported in the air above the through hole 37 or the recess (in this embodiment, a portion other than the fixed portion 38 and the extending portion 46) is a diaphragm 39 (movable portion).
  • the membrane vibrates in response to sound pressure.
  • the fixed portion 38 is fixed on the holding portion 42 a made of the sacrificial layer 42, the vibration electrode plate 34 is slightly lifted from the upper surface of the silicon substrate 32, and the fixed portions 38 and the fixed portions 38 at the four corners are A gap, that is, a vent hole 45 is formed between the edge of the diaphragm 39 and the upper surface of the silicon substrate 32 on each side between the two.
  • the fixed electrode plate 36 is provided with a fixed electrode 41 made of a metal thin film on the upper surface of an insulating support layer 40 made of a nitride film.
  • the fixed electrode plate 36 is disposed above the vibrating electrode plate 34 and is disposed on the upper surface of the silicon substrate 32 via a sacrificial layer 42 (remaining after the sacrificial layer etching) made of an oxide film or the like outside the region facing the diaphragm 39. It is fixed to.
  • the fixed electrode plate 36 covers the diaphragm 39 with an air gap 35 of about 3 ⁇ m in an area facing the diaphragm 39.
  • the fixed electrode 41 and the support layer 40 are provided with a plurality of acoustic holes (acoustic holes) 43a and 43b through which acoustic vibrations pass so as to penetrate from the upper surface to the lower surface.
  • An electrode pad 44 connected to the fixed electrode 41 is provided at the end of the fixed electrode plate 36. Since the vibrating electrode plate 34 vibrates by sound pressure, it is a thin film of about 1 ⁇ m. However, since the fixed electrode plate 36 is an electrode that does not vibrate by sound pressure, its thickness is, for example, 2 ⁇ m or more. It is so thick.
  • an electrode pad 47 is provided on the opening formed at the end of the support layer 40 and the upper surface around the opening, and the lower surface of the electrode pad 47 is electrically connected to the extending portion 46 of the vibrating electrode plate 34. Therefore, the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode plate 36 are electrically insulated, and the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode 41 constitute a capacitor.
  • the vibration sensor 31 of the first embodiment when acoustic vibrations (air density waves) are incident from the upper surface side, the acoustic vibrations pass through the acoustic holes 43 a and 43 b of the fixed electrode plate 36, and the diaphragm 39. And the diaphragm 39 is vibrated.
  • the diaphragm 39 vibrates, the distance between the diaphragm 39 and the fixed electrode plate 36 changes, whereby the capacitance between the diaphragm 39 and the fixed electrode 41 changes. Therefore, if a DC voltage is applied between the electrode pads 44 and 47 and the change in capacitance is extracted as an electrical signal, the vibration of the sound is converted into an electrical signal and detected. Can do.
  • the vibration sensor 31 is manufactured using a micromachining (semiconductor microfabrication) technique, but the manufacturing method is a known technique, and thus the description thereof is omitted.
  • the acoustic holes 43a and 43b are formed in a region of the fixed electrode plate 36 that faces the vibrating electrode plate 34 (more preferably, a region that faces the diaphragm 39).
  • the acoustic holes 43a and 43b are regularly arranged on the fixed electrode plate 36 according to a regular pattern such as a square shape, a hexagonal shape, or a staggered shape. In the example shown in FIG.
  • the acoustic holes 43a and 43b are arranged in a square shape with a constant pitch p, and the pitch between the acoustic holes 43a, the pitch between the acoustic holes 43b, and between the acoustic holes 43a and 43b.
  • the pitch is equal to each other.
  • An acoustic hole 43b is provided in the outer peripheral portion of the fixed electrode plate 36 facing the vibrating electrode plate 34 or the diaphragm 39 (hereinafter referred to as the facing region), and a region other than the outer peripheral portion of the facing region (that is, the inner side)
  • the acoustic hole 43a is provided in the region), and the opening area of the acoustic hole 43b is smaller than the opening area of the acoustic hole 43a.
  • the outer peripheral portion is, for example, a region within a distance of 100 ⁇ m from a position facing the edge of the vibrating electrode plate 34 (that is, the end of the vent hole 45).
  • the size (opening area) of the acoustic hole 43a is uniform and the size (opening area) of the acoustic hole 43b is uniform, but the size of the acoustic holes 43a and 43b. May vary.
  • the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is preferably 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and the diameter Da of the inner acoustic hole 43a is 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m.
  • the following is desirable (where Da> Db).
  • the distance p (pitch) between the centers of the adjacent acoustic holes 43a and 43b is 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less (where p> Da). The basis for this will be described later.
  • the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion of the opposed region has a smaller opening area than the acoustic hole 43a in the inner region. This is because the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is smaller than any acoustic hole 43a in the inner region. Doesn't mean small.
  • the acoustic holes 43a in the inner region basically have a larger opening area than the acoustic holes 43b in the outer peripheral portion, but the inner region has the same size as the acoustic holes 43b or from the acoustic holes 43b. Even if a small number of small ones are provided, the effect of the vibration sensor 31 of the present embodiment is hardly affected.
  • the opening area of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is smaller than the average value of the opening area of the acoustic hole 43a in the inner region. Good.
  • the pitch p of the acoustic holes 43a and 43b is constant, but it is not always necessary to arrange the acoustic holes 43a and 43b at a constant pitch if the acoustic holes 43a and 43b are distributed almost uniformly. That is, the acoustic holes 43a and 43b may be arranged almost regularly even if they vary from a regular arrangement. The variation from the regular arrangement may be such that the maximum value among the distances between the centers of the acoustic holes 43a and 43b is not more than twice the minimum value. In other words, the arrangement of the acoustic holes 43a and 43b may be determined as follows.
  • the maximum center-to-center distance of the acoustic holes 43a and 43b is d + 2a as in the bottom of FIG. Therefore, if the small area A is determined so as to satisfy the relationship of 2a ⁇ d, the maximum value among the distances between the centers of the acoustic holes 43a and 43b becomes twice or less than the minimum value. If the distance d is 10 ⁇ m or more, the distance p between the centers of the adjacent acoustic holes 43a and 43b is 10 ⁇ m or more, and if the value of d + 2a is 100 ⁇ m or less, the distance between the centers of the adjacent acoustic holes 43a and 43b. The distance p is 100 ⁇ m or more, and the center-to-center distance p between the adjacent acoustic holes 43a and 43b is kept at 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the opening area of the acoustic hole 43 b in the outer peripheral portion is smaller than the opening area of the acoustic hole 43 a in the inner region, so the opening of the acoustic hole 43 b in the vicinity of the vent hole 45.
  • the area becomes smaller.
  • the acoustic resistance of the ventilation path (bass path) from the acoustic hole 43b in the vicinity of the vent hole 45 to the through hole 37 through the vent hole 45 increases, and low-frequency acoustic vibration penetrates through the ventilation path. It becomes difficult to leak to the hole 37 side, and the low frequency characteristic of the vibration sensor 31 is improved.
  • the opening area of the acoustic hole 43b in the vicinity of the vent hole 45 is reduced, it is difficult for dust to enter the inside through the acoustic hole 43b, and the dust resistance of the vibration sensor 31 is improved.
  • the vent hole 45 is less likely to be clogged by dust entering from the acoustic hole 43b (see FIG. 2), and the vibration of the vibration electrode plate 34 is less likely to be blocked by the dust clogged in the vent hole 45.
  • the frequency characteristics are stable.
  • the ratio of the acoustic holes 43b having a small opening area is small, even if the acoustic holes 43b are clogged with dust, the influence of the vibration sensor 31 on noise and high frequency characteristics is small.
  • the opening area of the acoustic hole 43a provided in the inner region is large, the air in the air gap 35 easily enters and exits through the acoustic hole 43a, and between the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode plate 36.
  • the vibration electrode plate 34 is not easily damped by the air in the air gap 35, and the high frequency characteristics of the vibration sensor 31 are improved.
  • the opening area of the acoustic hole 43a is increased, the area of the fixed electrode plate 36 is reduced correspondingly, and the fixed electrode plate 36 is less likely to receive sound pressure. As a result, the fixed electrode plate 36 is less likely to vibrate due to acoustic vibration, and only the vibrating electrode plate 34 vibrates, so that the sensor accuracy of the vibration sensor 31 is improved.
  • the opening area of the acoustic hole is large in most areas of the fixed electrode plate 36 and the thermal noise of the vibration sensor 31 can be reduced, noise due to the thermal noise can be reduced and the S / N ratio of the vibration sensor is improved. (See FIG. 4).
  • the vibration sensor 31 having a good high frequency characteristic, a good S / N ratio, and a good sensor accuracy is manufactured without sacrificing the low frequency characteristic and the dust resistance. be able to.
  • FIG. 11 shows a step of etching and removing the sacrificial layer 42 laminated between the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode plate 36 in the manufacturing process of the vibration sensor 31.
  • FIG. 11A is a schematic plan view showing a state in which the sacrificial layer 42 is being etched away through the acoustic holes 43a and 43b
  • FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 11
  • (c) is a schematic cross-sectional view showing a state in which the sacrificial layer 42 has been removed by etching through the acoustic holes 43a and 43b.
  • the acoustic holes 43 a and 43 b are regularly arranged at almost equal intervals regardless of the size of the opening area. Therefore, the sacrificial layer 42 is formed by allowing the etchant to enter the acoustic holes 43 a and 43 b. 11 (a) and 11 (b), the sacrificial layer 42 is etched almost evenly at the same etching rate, and the etching is finished almost simultaneously in each region of the sacrificial layer 42. As a result, the entire sacrificial layer 42 is etched and removed at the same time, resulting in a short etching time.
  • the fixed electrode plate 36 and the like are partially etched to prevent the thickness from being biased. Therefore, non-uniform stress is applied to the fixed electrode plate 36 and the like during the sacrifice layer etching, so that cracks are hardly generated, and the characteristics of the vibration sensor 31 are stabilized.
  • the acoustic holes 43a and 43b be regularly arranged at a constant pitch, but the maximum distance between the centers of the adjacent acoustic holes 43a and 43b is maximum. If the value is not more than twice the minimum value, even if the arrangement of the acoustic holes 43a and 43b varies somewhat, the non-uniformity of the sacrifice layer etching does not become remarkable.
  • FIGS. 12A and 12B are explanatory views for explaining the reason.
  • the opening area of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is small, and the opening area of the acoustic hole 43a in the inner region is large. Therefore, as shown in FIG. 12A, even when moisture w enters the air gap 35 between the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode plate 36 in the cleaning step after the sacrifice layer etching, etc. ), The water w is quickly dried in the central region of the air gap 35 through the acoustic hole 43a having a large opening area. Therefore, there is no fear that the central region of the vibrating electrode plate 34 is attracted to the fixed electrode plate 36 due to the capillary force of the remaining water w.
  • the vibration electrode plate 34 since the opening area of the acoustic hole 43b is small at the outer periphery of the air gap 35, there is a risk that moisture w may remain.
  • the vibration electrode plate 34 since the vibration electrode plate 34 has the fixing portions 38 at the four corners fixed to the silicon substrate 32, the outer peripheral portion of the vibration electrode plate 34 has a higher spring property than the inner surface. Therefore, as shown in FIG. 12B, the vibrating electrode plate 34 is not easily attracted to the fixed electrode plate 36 by the capillary force f of the moisture w remaining on the outer peripheral portion of the air gap 35.
  • the vibrating electrode plate 34 is unlikely to stick to the fixed electrode plate 36. Therefore, the vibrating electrode plate 34 remains attached to the fixed electrode plate 36 after the moisture w is completely dried. This reduces the risk of sticking.
  • the acoustic holes 43a and 43b are regularly arranged at substantially equal intervals in the vibration sensor 31, the acoustic holes 43a and 43b are excellent in the effect of mitigating thermal noise for the following reasons. How efficiently each acoustic hole can mitigate thermal noise greatly depends on the distance from the acoustic hole as well as the diameter of the acoustic hole. That is, thermal noise increases at locations far from any acoustic hole.
  • the arrangement of the acoustic holes 15 is not uniform as shown in FIG. 5, an air gap region far from any of the acoustic holes 15 is generated, so that the thermal noise cannot be reduced and the noise of the vibration sensor is reduced. It becomes difficult to plan.
  • the acoustic holes 43a and 43b are uniformly arranged as shown in FIG. 11, an air gap region far from any of the acoustic holes 43a and 43b hardly occurs, so that thermal noise can be further reduced. . Therefore, by arranging the acoustic holes 43a and 43b regularly at substantially equal intervals, the acoustic resistance of the ventilation path can be lowered and thermal noise can be further reduced.
  • the diameter Db of the outer acoustic hole 43b is preferably 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the inner acoustic hole 43a has a diameter Da of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m. It is desirable that Da> Db. Further, it is desirable that the distance p between the centers of the adjacent acoustic holes 43a and 43b is 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less (where p> Da). Although this point has already been described, the reason will be explained below.
  • FIG. 13 is a diagram showing the result of calculating the relationship between the diameter Da of the inner acoustic hole 43a and the acoustic resistance of the air gap from the acoustic hole 43a through the vent hole 45 to the through hole 37, and showing the result. is there.
  • FIG. 14 is a diagram showing the result obtained by calculating the relationship between the diameter Da of the inner acoustic hole 43a and the electrode area ratio.
  • FIG. 15 is a diagram showing the result of calculating the relationship between the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion and the acoustic resistance of the ventilation path from the acoustic hole through the vent hole 45 to the through hole 37, and showing the result. is there.
  • FIG. 13 shows that the acoustic resistance of the air gap increases as the diameter Da of the inner acoustic hole 43a decreases.
  • the diameter Da of the acoustic hole 43a is smaller than 5 ⁇ m, the acoustic resistance of the air gap is remarkably increased and the noise of the vibration sensor 31 is increased.
  • the electrode area ratio gradually decreases as the diameter Da of the inner acoustic hole 43a increases.
  • the diameter Da of the acoustic hole 43a is larger than 30 ⁇ m, the area of the electrodes facing each other is remarkably reduced, and the sensitivity of the vibration sensor 31 is lowered. Therefore, the diameter Da of the inner acoustic hole 43a is desirably 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the electrode area ratio decreases as the distance p between the acoustic holes 43a and 43b decreases.
  • the distance p between the acoustic holes 43a and 43b is smaller than 10 ⁇ m, the area of the electrodes facing each other is significantly reduced, and the sensitivity of the vibration sensor 31 is lowered.
  • the acoustic resistance of an air gap becomes large, so that the distance p of the acoustic holes 43a and 43b becomes large.
  • the center distance p between the adjacent acoustic holes 43a and 43b is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the acoustic resistance of the ventilation path decreases as the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion increases.
  • the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is larger than 10 ⁇ m, the acoustic resistance of the ventilation path passing through the vent hole 45 is remarkably reduced, and the low frequency characteristics of the vibration sensor 31 are deteriorated.
  • the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is smaller than 0.5 ⁇ m, it becomes difficult to use the acoustic hole 43b as an inlet for the etching solution. Accordingly, it is desirable that the diameter Db of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • FIG. 16 is a plan view showing a vibration sensor 51 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view of the vibration sensor 51 with the fixed electrode film removed.
  • the vibration sensor 51 the upper portion of the through hole 37 of the silicon substrate 32 is covered with the vibration electrode plate 34, and the outer peripheral portion of the vibration electrode plate 34 is partially fixed to the upper surface of the silicon substrate 32.
  • a region (fixed portion 38) of the vibrating electrode plate 34 that is fixed to the upper surface of the silicon substrate 32 by the holding portion 42 a formed by the sacrificial layer 42 on the upper surface of the silicon substrate 32 is indicated by hatching. .
  • a plurality of slits 52 are opened in the vicinity of the outer peripheral portion inside the outer peripheral portion fixed to the silicon substrate 32.
  • the vibrating electrode plate 34 is partially fixed to the silicon substrate 32 at the outer peripheral portion, and further, the spring property is lowered by the slit 52. Therefore, the region surrounded by the slit 52 is a diaphragm 39, which is small.
  • the diaphragm 39 vibrates in response to the sound pressure.
  • the lower surface of the vibrating electrode plate 34 is slightly higher than the upper surface of the silicon substrate 32, and a gap is formed between the lower surface of the vibrating electrode plate 34 and the upper surface of the silicon substrate 32 between the slit 52 and the through hole 37.
  • the gap serves as a vent hole 45 that allows the slit 52 and the through hole 37 to communicate with each other.
  • the fixed electrode plate 36 is formed so as to cover the vibration electrode plate 34 as in the case of the vibration sensor 31 of the first embodiment, and the acoustic holes 43 a and 43 b are vibration electrodes of the fixed electrode plate 36. They are regularly arranged at a constant pitch in the region facing the plate 34.
  • the opening area of the acoustic hole 43b in the outer peripheral portion is smaller than the opening area of the acoustic hole 43a in the inner region. Therefore, even with this vibration sensor 51, the same operational effects as the vibration sensor 31 of the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 16 and 17 show the circular vibrating electrode plate 34, the outer peripheral portion of the rectangular vibrating electrode plate 34 is partially fixed to the upper surface of the silicon substrate 32 so that the spring property is lowered by the slit. It may be.
  • FIG. 18A is a plan view showing a vibration sensor 61 according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 18B is a schematic sectional view thereof.
  • the electrode plates are formed in the order of the vibrating electrode plate 34 and the fixed electrode plate 36 on the silicon substrate 32.
  • the fixed electrode plate 36 the fixed electrode plate 36
  • the electrode plates may be formed in the order of the vibrating electrode plate 34. Since the other structure is the same as that of the first embodiment, for example, the description is omitted.
  • the acoustic vibration propagated from the through hole 37 of the silicon substrate 32 is propagated to the vibrating electrode plate 34 through the acoustic holes 43a and 43b, and the vibrating electrode plate 34 is vibrated by the acoustic vibration.

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Abstract

　シリコン基板３２には、貫通孔３７が表裏に貫通している。貫通孔３７を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に振動電極板３４を形成し、振動電極板３４の上にエアギャップ３５を挟んで固定電極板３６を形成する。固定電極板３６のうち振動電極板３４に対向する領域においては、当該領域内の外周部に、当該領域内の外周部以外に設けた音響孔４３ａよりも開口面積が小さな音響孔４３ｂを設けている。これらの音響孔４３ａ、４３ｂは開口面積の大小にかかわりなく一定のピッチで規則的に配列する。

Description

静電容量型振動センサ
　本発明は静電容量型振動センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術もしくはマイクロマシニング技術を用いて製作される微小サイズの振動センサに関する。
　図１に静電容量型振動センサの基本的構造を示す。振動センサ１１は、中央部が開口した基板１２の上面に振動電極板１３を配置し、振動電極板１３の上方を固定電極板１４で覆ったものであり、固定電極板１４には複数個の音響孔１５（アコースティックホール）が開口している。しかして、振動センサ１１に向けて音響振動１６が空気伝搬してくると、音響振動１６は音響孔１５を通過して振動電極板１３を振動させる。振動電極板１３が振動すると、振動電極板１３と固定電極板１４との間の電極間距離が変化するので、振動電極板１３と固定電極板１４との間の静電容量の変化を検出することで音響振動１６（空気振動）を電気信号に変換して出力することができる。
　このような振動センサ１１において、音響孔１５は次のような働きを有している。
　　(1)固定膜に音圧が印加されないようにする働き
　　(2)振動電極板のダンピングを軽減して、高周波特性を良好にする働き
　　(3)エアギャップを作製する際のエッチングホールとしての働き
また、音響孔１５は、ベントホールの働きにも大きな影響を有している。以下、音響孔やベントホールの働きなどについて説明する。
（固定膜に音圧が印加されないようにする働き）
　振動センサ１１では、音響振動１６によって振動電極板１３を強制振動させて音響振動１６を検出しているが、振動電極板１３と同時に固定電極板１４も振動すると、音響振動の検出精度が悪くなる。そのため振動センサ１１においては、固定電極板１４の剛性を振動電極板１３よりも高くするとともに、固定電極板１４に音響孔１５をあけることで音圧を音響孔１５から逃がし、固定電極板１４が音圧によって振動させられにくくしている。
（振動電極板のダンピングを軽減して、高周波特性を良好にする働き）
　音響孔１５がないと、振動電極板１３と固定電極板１４との間のエアギャップ１７（間隙）に空気が閉じ込められた状態になる。こうして閉じ込められた空気は、振動電極板１３の振動に伴って圧縮又は膨張させられるので、振動電極板１３の振動が空気によってダンピングされる。これに対し、固定電極板１４に音響孔１５を設けてあると、音響孔１５を通ってエアギャップ１７内の空気が出入りするので、振動電極板１３の振動がダンピングされにくくなり、振動センサ１１の高周波特性が良好となる。
（エアギャップを作製する際のエッチングホールとしての働き）
　表面マイクロマシニング技術により固定電極板１４と振動電極板１３との間にエアギャップ１７を形成する方法では、基板１２と振動電極板１３の間や振動電極板１３と固定電極板１４の間に犠牲層を形成しておく。そして、固定電極板１４に開口した音響孔１５から内部へエッチング液を導入して犠牲層をエッチング除去し、振動電極板１３と固定電極板１４との間にエアギャップ１７を形成している。
（ベントホールと音響孔との関係）
　振動電極板１３の振動と干渉しないよう、基板１２には貫通孔や凹部を設けている。基板１２の上面に凹部（バックチャンバ１８）を設けている場合には、バックチャンバ１８は基板の下面側で塞がれている。貫通孔の場合には、基板の上面から下面に貫通しているが、振動センサを配線基板などに実装することによって貫通孔の下面が配線基板などで塞がれることが多い（従って、貫通孔の場合にも、以下ではバックチャンバ１８と呼ぶことにする。）。そのため、バックチャンバ１８内は大気圧と異なる場合がある。また、音響孔１５の通気抵抗のため、エアギャップ１７内も大気圧と異なる場合がある。
　この結果、周囲の気圧変動や温度変化などに伴って振動電極板１３の上面側（エアギャップ１７）と下面側（バックチャンバ１８）とで圧力差を生じて振動電極板１３が撓み、振動センサ１１の測定誤差となる恐れがある。そのため、一般的な振動センサ１１では、図１に示すように、振動電極板１３に、あるいは振動電極板１３と基板１２との間にベントホール１９を設け、振動電極板１３の上面側と下面側とを連通させ、上面側と下面側との圧力差を除去している。
　しかし、ベントホール１９の近傍に位置する音響孔１５が大きい場合には、その音響孔１５からベントホール１９を通過してバックチャンバ１８に至る通気経路２０（図１に矢印線で示す。）の音響抵抗が小さくなる。そのため、ベントホール１９近傍の音響孔１５から振動センサ１１内に入った低周波の音響振動は、ベントホール１９を通ってバックチャンバ１８へ通り抜け易い。その結果、ベントホール１９近傍の音響孔１５を通った低周波の音響振動は、振動電極板１３を振動させることなくバックチャンバ１８側へ漏れてしまい、振動センサ１１の低周波特性を劣化させる。
　また、図２に示すように、音響孔１５からダスト、微小パーティクル等の塵埃２３が侵入すると、エアギャップやベントホールに塵埃２３が堆積する。しかし、ベントホール１９は一般的にエアギャップに比べて狭いので、ベントホール１９に塵埃２３が入るとベントホール１９が目詰まりを起こし、振動電極板１３の振動が妨げられたり、振動数が変化したりして振動センサの感度や周波数特性が損なわれる恐れがある。
（電極板どうしのスティックについて）
　さらに、図１のような振動センサ１１では、その製造工程や使用中において、電極板どうしのスティックが生じることがある。スティックとは、図３（ｂ）に示すように、振動電極板１３の一部又はほぼ全体が固定電極板１４に固着して離れなくなった状態のことをいう。振動電極板１３が固定電極板１４にスティックすると、振動電極板１３の振動が妨げられるので、振動センサ１１によって音響振動を検出することができなくなる。
　図３（ａ）及び図３（ｂ）は、振動センサ１１にスティックが発生する原因を説明するための概略図である。振動センサ１１は、マイクロマシニング技術を利用して製造されるので、例えばエッチング後の洗浄工程において振動電極板１３と固定電極板１４との間に水分ｗが浸入する。また、振動センサ１１の使用中においても、振動電極板１３と固定電極板１４との間に湿気が溜まったり、振動センサ１１が水に濡れたりする場合がある。
　一方、振動センサ１１は微小な寸法を有しているため、振動電極板１３と固定電極板１４の間のギャップ距離は数μｍしかない。しかも、振動センサ１１の感度を高くするために、振動電極板１３の膜厚は１μｍ程度に薄くなっており、振動電極板１３のバネ性は弱い。
　そのため、このような振動センサ１１では、たとえば以下に説明するように２段階の過程を経てスティックが起きることがある。第１段階においては、図３（ａ）に示したように、振動電極板１３と固定電極板１４との間に水分ｗが浸入したとき、その水分ｗによる毛細管力Ｐ１ないし表面張力によって振動電極板１３が固定電極板１４に引き付けられる。
　そして、第２段階においては、図３（ｂ）に示したように、振動電極板１３と固定電極板１４の間の水分ｗが蒸発した後、振動電極板１３が固定電極板１４にくっついて、その状態が保持される。水分ｗが蒸発した後も振動電極板１３を固定電極板１４に固着させて保持する力Ｐ２としては、振動電極板１３表面と固定電極板１４表面との間に働く分子間力、表面間力、静電気力などがある。その結果、振動電極板１３は固定電極板１４にくっついた状態に保持され、振動センサ１１が機能しなくなるという不具合を生じる。
　なお、ここでは浸入した水分の毛細管力によって第１段階で振動電極板１３が固定電極板１４にくっつく場合を説明したが、水分以外の液体による場合もあり、また、大きな音圧が振動電極板に加わって振動電極板が固定電極板にくっつく場合もある。また、振動電極板が静電気を帯びて固定電極板にくっつくことで、第１段階の過程が起きる場合もある。
（熱雑音によるノイズについて）
　また、本発明の発明者らは、振動センサに生じるノイズは、振動電極板１３と固定電極板１４との間のエアギャップ１７における熱雑音（空気分子の揺らぎ）に起因することを発見した。すなわち、図４（ａ）に示すように、振動電極板１３と固定電極板１４との間のエアギャップ、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは揺らぎによって振動電極板１３に衝突しており、振動電極板１３には空気分子αとの衝突による微小力が加わるとともに振動電極板１３に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、振動電極板１３は熱雑音によって振動し、振動センサに電気ノイズが発生している。特に、感度の高い振動センサ（マイクロフォン）では、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
　本発明の発明者らが得た知見によれば、このような熱雑音に起因するノイズは、図４（ｂ）に示すように固定電極板１４に音響孔１５を設けることで軽減されることが分かった。しかも、音響孔１５の開口面積が大きく、また音響孔１５の配置間隔が狭いほどノイズが軽減されるという知見を得た。これは、固定電極板１４に音響孔１５を設けると、エアギャップ１７内の空気が音響孔１５から逃げ易くなるので、振動電極板１３に衝突する空気分子αの数が減少してノイズが低減されるからであると考えられる。
（従来公知の振動センサ）
　静電容量型の振動センサとしては、例えば特許文献１（特開２００７－２７４２９３号公報）に開示されたコンデンサマイクロフォンがある。この振動センサでは、特許文献１の図１及び図２に示されているように、振動電極板（１２；特許文献１の振動センサに関して示す括弧付きの符号は特許文献１で用いられているものである。以下同じ）と固定電極板（３）とが対向しており、振動電極板の端部にはベントホール（１５）が形成され、固定電極板には、均一な大きさの音響孔（５）が均等に配列している。
　しかし、このような振動センサでは音響孔の大きさが均一であるため、音響孔の開口面積を大きくすると、ベントホール近傍の音響孔も大きくなり、ベントホールを含む通気経路の音響抵抗が小さくなる。その結果、振動センサの低周波特性が劣化する問題がある。
　また、音響孔の開口面積が大きくなると、ベントホール近傍の音響孔からも塵埃が浸入し易くなるので、侵入した塵埃によってベントホールが詰まり易くなり（図２参照）、振動電極膜の振動特性が変化して振動センサの感度や周波数特性が変化し易くなる。
　反対に、特許文献１の振動センサにおいて音響孔の開口面積を小さくすると、振動電極板のダンピング抑制効果が低下するので、振動センサの高周波特性が低下することになる。さらに、音響孔の開口面積が小さくなると、固定電極板が音圧を受け易くなるので、振動センサの精度も低下し易くなる。
　従って、特許文献１の振動センサでは、音響孔の開口面積を大きくすると振動センサの低周波特性が低下したり、塵埃によるセンサの特性変化が大きくなったりし易く、反対に音響孔の開口面積を小さくすると高周波特性が低下したり、固定電極板が音圧を受けることによるセンサ精度の低下が大きくなったりし易いという相反した問題があった。
　さらに、マイクロマシニング技術を利用して作製される振動センサでは上記のようなスティックの問題があり、しかもスティックは振動電極板と固定電極板との接触面積と相関がある。そのため、特許文献１の振動センサで音響孔の開口面積が小さくなった場合には、電極板どうしのスティックが起こり易くなる問題がある。
　また、特許文献１の振動センサにおいて音響孔の開口面積を小さくした場合には、本発明の発明者らが得た知見によれば、振動センサの熱雑音に起因するノイズが大きくなるという問題がある。
（従来公知の別な振動センサ）
　従来の別な振動センサとしては、特許文献２（米国特許第６５３５４６０号明細書）に開示されたものがある。この振動センサでは、特許文献２の図２及び図３に示されているように、振動電極板（１２；特許文献２の振動センサに関して示す括弧付き符号は特許文献２で用いられているものである。以下同じ）と固定電極板（４０）とが対向しており、振動電極板と基板（３０）の間には間隙が形成されている。固定電極板の下面には、円環状の突条（４１）が形成されており、固定電極板のうち突条よりも内側の円形領域には通孔（２１）が形成されており、固定電極板のうち突条よりも外側の円環状領域には通孔（１４）が設けられている。突条よりも内側の通孔（２１）は、一つ一つの開口面積が外側の通孔よりも大きく、しかも、外側の通孔よりも小さな間隔で規則的に配列されている。突条よりも外側の通孔（１４）は、一つ一つの開口面積が内側の通孔よりも小さく、しかも、内側の通孔よりも大きな間隔で不均一に形成されている。
　しかしながら、このような振動センサでは、固定電極板に設けられた内周部の通孔（２１）と外周部の通孔（１４）とで配列の間隔がかなり異なっており、しかも外周部の通孔の配列が不均一となっているため、振動センサの製造工程において振動電極板と固定電極板の間に形成された犠牲層をエッチングする工程において、エッチングが不均一になると共にエッチング所要時間が不必要に長くなる問題がある。
　図５は、図１に示した振動センサ１１において音響孔１５（通孔）を不均一に配置した場合を表している。図５（ａ）は不均一に配置された音響孔１５を通して犠牲層２２をエッチング除去している途中の状態を示す概略平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ－Ｘ線断面図、図５（ｃ）は不均一に配置された音響孔１５を通して犠牲層２２をエッチング除去し終えた状態を示す概略断面図である。
　各音響孔１５から浸入したエッチング液によるエッチング速度は同じであるため、音響孔１５が図５（ａ）のように不均一に配置されている場合には、犠牲層２２のエッチングが不均一に進行し、図５（ｂ）に示すように、音響孔１５間の間隔が狭い領域では犠牲層２２のエッチングが速やかに進行し、音響孔１５間の間隔が広い領域では犠牲層２２のエッチングの進行が遅くなる。そのため、音響孔１５の間隔が広い領域では、犠牲層２２をエッチングし終えるまでの時間が長くなり、結局エッチング所要時間が不必要に長くなる。また、音響孔１５の間隔が狭い領域では、犠牲層２２がエッチングされて固定電極板１４や振動電極板１３が露出した後もエッチングが継続されるので、図５（ｃ）のように固定電極板１４などのエッチング具合が大きくなる。その結果、エッチング工程の途中でも固定電極板１４などに不均一なストレスがかかり、固定電極板１４などが破壊する可能性がある。また、固定電極板１４などが破損に至らない場合であっても、音響孔１５の配置の不均一性のために固定電極板１４などのエッチングされ具合、すなわち部分的な厚みにも偏りが生じ、振動センサの特性不良となる恐れがある。
　従って、特許文献２に記載されている振動センサでも、通孔（２１、１４）の配置が不均一であるためにエッチング具合に偏りが生じ、振動センサの不良発生率が高くなったり、エッチング所要時間が不必要に長くなる問題がある。
　また、特許文献２に記載された振動センサでは、振動電極板はその配線引出し部分を除けば基板と分離しており、振動センサの使用状態では振動電極板と固定電極板の間に働く静電引力で振動電極板が固定電極板側へ吸引され、突条の下面に当接する構造となっている。そのため振動電極板と固定電極板の間のエアギャップは、周囲を突条によって囲まれたほぼ閉じた空間となっている。よって、振動電極板と基板との間に間隙は形成されていても、振動電極板の下面側空間（バックチャンバ）と上面側空間（エアギャップ）とは突条で仕切られていて連通していない。すなわち、特許文献２の振動センサでは、振動電極板と基板の間の間隙はベントホールとしての働きをしておらず、ベントホールではない。
　同様に、内周側の通孔（２１）はエアギャップに通じていて音響孔の働きを有しているが、外周側の通孔（１４）はエアギャップに通じておらず、音響孔の働きを有していない。よって、特許文献２の振動センサでは、内周側の通孔（２１）だけが音響孔となっており、特許文献２の振動センサは、特許文献１の振動センサと同様、均一な開口面積の音響孔を規則的に配列されたものである。
　また、特許文献２の振動センサでは、静電引力で振動電極板が固定電極板側へ吸引されて突条の下面に当接するので、振動電極板はその上面を全周にわたって突条の下面に保持、またはほぼ固定された状態となり、振動電極板の振動が突条との接触によって抑制され、振動センサの感度が低下しやすいという問題がある。
特開２００７－２７４２９３号公報 米国特許第６５３５４６０号明細書
　本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、音響孔の開口面積を大きくすると、ベントホールを通過する通気経路の音響抵抗が小さくなるために振動センサの低周波特性が低下したり、ベントホールに塵埃が詰まり易くなって耐塵埃性が低下したりし、また、音響孔の開口面積を小さくすると、振動電極板のダンピング抑制効果が低下して振動センサの高周波特性が低下したり、固定電極板が音圧を受け易くなってセンサ精度が低下したり、電極板どうしのスティックが起こり易くなったり、エアギャップにおける熱雑音によるノイズが大きくなったりするという互いに相反した問題を解消することのできる振動センサを提供することにある。
　本発明の静電容量型振動センサは、表裏に貫通する貫通孔を形成された基板を備え、振動を受けて膜振動する振動電極板と、複数の音響孔を開口された固定電極板とを対向させて前記貫通孔の基板表面側開口を覆うようにして前記基板の表面側に配置した静電容量型振動センサであって、前記振動電極板の外周部分の下面が部分的に前記基板に固定され、前記振動電極板の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが、前記基板の表面と前記振動電極板の下面の間に形成され、前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域において、当該領域内の外周部に、当該領域内の外周部以外に設けた音響孔よりも開口面積が小さな音響孔が設けられていることを特徴としている。ここで、外周部の音響孔の開口面積とは、音響孔１つあたりの開口面積である。また、外周部以外に設けた音響孔の開口面積とは、音響孔１つあたりの開口面積であり、この開口面積が均一でない場合には、外周部以外に設けた音響孔の平均開口面積を指す。
　本発明の静電容量型振動センサにあっては、固定電極板のうち振動電極板に対向する領域内の外周部に、当該領域内の外周部以外に設けた音響孔の開口面積よりも小さな開口面積の音響孔を設けているので、前記領域の外周部すなわちベントホールの近傍においては音響孔の開口面積を比較的小さくすることができ、ベントホール近傍の音響孔からベントホールを通過する通気経路の音響抵抗を大きくでき、振動センサの低周波特性を良好にすることができる。
　また、ベントホールの近傍においては音響孔の開口面積を比較的小さくすることができるので、音響孔から侵入した塵埃によってベントホールが詰まりにくくなって振動センサの耐塵埃性が向上し、振動センサの感度や周波数特性が安定する。
　その一方で、前記領域の外周部以外の領域に設けられた音響孔の開口面積を比較的大きくすることができるので、振動電極板と固定電極板との間のエアギャップ内の空気による振動電極板のダンピングを効果的に抑制することができ、振動センサの高周波特性を向上させることができる。さらに、外周部以外の領域で音響孔の開口面積を比較的大きくすることができるので、固定電極板が音圧を受けにくくなり、センサ精度が向上する。さらに、外周部以外の領域で音響孔の開口面積を比較的大きくすることができるので、振動電極板と固定電極板の接触面積が小さくなり、電極板どうしのスティックが起こりにくくなる。さらに、外周部以外の領域で音響孔の開口面積を比較的大きくすることができるので、振動センサの熱雑音による電気ノイズを低減することができる。
　この結果、本発明の静電容量型振動センサによれば、従来の振動センサにおける前記のような相反した問題を解消することができ、低周波から高周波まで周波数特性が良好で、Ｓ／Ｎ比も良好で、センサ精度にも優れ、かつ電極板どうしのスティックも発生しにくい振動センサを実現することができる。
　さらに、本発明の静電容量型振動センサにあっては、振動電極板の外周部分の下面が部分的に固定されているので、振動電極板が振動を受けたときにその振動が抑制されにくく、振動センサの感度が低下しにくい構造となっている。
　本発明の静電容量型振動センサのある実施態様においては、前記固定電極板の音響孔形成領域に、均等な形状及び面積を有すると共に規則的に配列された複数の小領域を定め、各小領域内に音響孔の中心が納まるようにして各小領域にそれぞれ１つの音響孔を配置している。かかる振動センサによれば、音響孔を規則的又はほぼ規則的に配列させることができるので、マイクロマシニング技術を利用してエッチング液により音響孔から犠牲層をエッチング除去する工程においては、犠牲層のエッチングを犠牲層全体でほぼ均等に進行させることができる。その結果、犠牲層の各部分でほぼ同時にエッチングが完了するので、エッチング所要時間を短くできる。しかも、固定電極板などが部分的に大きくエッチングされにくくなるので、固定電極板などの破損が生じにくく、振動センサの不良を低減させることができる。
　本発明の静電容量型振動センサにおいては、前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域の外周部に設けた開口面積の小さな音響孔の直径が０.５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記領域内の外周部以外に設けた音響孔の直径が５μｍ以上３０μｍ以下であり、隣接する音響孔どうしの中心間距離が１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。前記領域の外周部における音響孔の直径が０.５μｍよりも小さいと外周部における音響孔としての働き（例えば、エッチング孔としての働き）が損なわれるためであり、また外周部における音響孔の直径が１０μｍよりも大きいと、外周部の音響孔からベントホールに通じる通気経路の音響抵抗が小さくなり過ぎて低周波特性が悪くなったり、塵埃が侵入し易くなるためである。外周部以外の領域における音響孔の直径が５μｍよりも小さいと、エアギャップの音響抵抗が大きくなってノイズが大きくなるとともに、音響孔としての働きが不十分となるためであり、また外周部以外の領域における音響孔の直径が３０μｍよりも大きいと、対向している電極どうしの面積が小さくなってセンサ感度が低下するとともに、固定電極板の強度が小さくなり過ぎるためである。さらに、隣接する音響孔どうしの中心間距離が１０μｍよりも小さいと、対向している電極どうしの面積が小さくなって振動センサの感度が低くなるとともに、固定電極板の強度が小さくなり過ぎる恐れがあり、また隣接する音響孔どうしの中心間距離が１００μｍよりも大きいと、エアギャップの音響抵抗が大きくなってノイズが大きくなったり、犠牲層をエッチング除去する際に犠牲層を均等にエッチングすることが困難になるためである。
　本発明の静電容量型振動センサのさらに別な実施態様においては、前記振動電極板の外周部分又はその近傍において前記固定部分以外の領域にスリットを開口したことを特徴としている。かかる実施態様においては、振動電極板の外周部分又はその近傍において固定部分以外の領域にスリットを開口しているので、振動電極板のバネ定数を下げて柔軟にすることができ、振動センサを高感度化することができる。
　本発明の静電容量型振動センサのさらに別な実施態様においては、複数の保持部を前記基板の表面に互いに間隔をあけて配設し、前記振動電極板の外周部分の下面を前記保持部によって部分的に支持させたことを特徴としている。かかる実施態様においては、保持部で振動電極板を支持することによって振動電極板を基板から浮かせることができ、基板と振動電極板の間にベントホールを形成することができる。
　なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図１は、静電容量型振動センサの基本的構造を示す断面図である。 図２は、振動センサ内に塵埃が浸入する様子を示す概略断面図である。 図３（ａ）（ｂ）は、振動電極板と固定電極板がスティックする様子を示す概略図である。 図４（ａ）（ｂ）は、エアギャップ内の空気分子による熱雑音を説明するための概略図である。 図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図１に示した振動センサにおいて音響孔を不均一に配置した場合に犠牲層がエッチングされる様子を説明する概略図である。 図６は、実施形態１による静電容量型の振動センサを示す模式的な断面図である。 図７は、実施形態１による振動センサの分解斜視図である。 図８は、実施形態１による振動センサの平面図である。 図９は、実施形態１による振動センサの、固定電極板を除いた状態の平面図である。 図１０は、音響孔の配置の仕方を説明する図である。 図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施形態１による振動センサの製造工程において、振動電極板と固定電極板の間に積層されている犠牲層エッチング除去する工程を表す概略図である。 図１２は、実施形態１による振動センサにより、電極板どうしのスティックを抑制することができる理由を説明する図である。 図１３は、内側の音響孔の直径とエアギャップの音響抵抗との関係を表した図である。 図１４は、内側の音響孔の直径と電極面積比との関係を表した図である。 図１５は、外周部の音響孔の直径と通気経路の音響抵抗との関係を表した図である。 図１６は、本発明の実施形態２による振動センサを示す平面図である。 図１７は、実施形態２による振動センサにおいて、振動センサの固定電極膜を除いた状態の平面図である。 図１８（ａ）は、本発明の実施形態３による振動センサを示す平面図であり、図１８（ｂ）はその概略断面図である。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
（第１の実施形態）
　以下、図６～図１２を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。まず、図６は実施形態１による静電容量型の振動センサ３１を示す模式的な断面図であって、右半分の断面では振動電極板の固定部を通る断面を表し、左半分の断面では固定部と固定部との間を通る断面を表す。また、図７は振動センサ３１の分解斜視図であり、図８は振動センサ３１の平面図であり、図９は振動センサ３１の上面の固定電極板を除いた状態における平面図である。
　この振動センサ３１は静電容量型のセンサであり、シリコン基板３２の上面に絶縁被膜３３を介して振動電極板３４を設け、その上に微小なエアギャップ３５を介して固定電極板３６を設けたものである。この振動センサ３１は、おもに音声等を検出して電気信号に変換して出力する音響センサやコンデンサマイクロフォンとして使用される。
　図６及び図７に示すように、シリコン基板３２には、角柱状の貫通孔３７もしくは角錐台状の凹部（バックチャンバ）が設けられている。図では角柱状の貫通孔３７を示している。シリコン基板３２のサイズは、平面視で１～１.５ｍｍ角（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板３２の厚みが４００～５００μｍ程度である。シリコン基板３２の上面には酸化膜等からなる絶縁被膜３３が形成されている。
　振動電極板３４は、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板３４はほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅には固定部３８が形成されている。振動電極板３４は、貫通孔３７又は凹部の上面開口を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置され、各固定部３８が犠牲層４２を介して絶縁被膜３３の上に固定されている。図９では、振動電極板３４のうちシリコン基板３２の上面に固定されている領域を斜線で表している。振動電極板３４のうち貫通孔３７又は凹部の上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、固定部３８と延出部４６以外の部分）はダイアフラム３９（可動部分）となっており、音圧に感応して膜振動する。また、固定部３８が犠牲層４２からなる保持部４２ａの上に固定されているために振動電極板３４はシリコン基板３２の上面からわずかに浮いており、四隅の固定部３８と固定部３８との間の各辺ではダイアフラム３９の縁とシリコン基板３２上面との間に隙間、すなわちベントホール４５が形成されている。
　固定電極板３６は、窒化膜からなる絶縁性支持層４０の上面に金属製薄膜からなる固定電極４１を設けたものである。固定電極板３６は、振動電極板３４の上方に配置され、ダイアフラム３９と対向する領域の外側において酸化膜等からなる犠牲層４２（犠牲層エッチング後に残ったもの）を介してシリコン基板３２の上面に固定されている。固定電極板３６は、ダイアフラム３９と対向する領域においては３μｍ程度のエアギャップ３５をあけてダイアフラム３９を覆っている。
　固定電極４１及び支持層４０には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるための音響孔（アコースティックホール）４３ａ、４３ｂが複数穿孔されている。固定電極板３６の端部には、固定電極４１に導通した電極パッド４４を備えている。なお、振動電極板３４は、音圧により振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板３６は音圧によって振動しない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。
　また、支持層４０の端部にあけられた開口とその周囲上面には電極パッド４７が設けられており、電極パッド４７の下面は振動電極板３４の延出部４６に導通している。よって、振動電極板３４と固定電極板３６とは電気的に絶縁されており、振動電極板３４と固定電極４１によってキャパシタを構成している。
　しかして、実施形態１の振動センサ３１にあっては、上面側から音響振動（空気の疎密波）が入射すると、この音響振動は固定電極板３６の音響孔４３ａ、４３ｂを通過してダイアフラム３９に達し、ダイアフラム３９を振動させる。ダイアフラム３９が振動すると、ダイアフラム３９と固定電極板３６との間の距離が変化するので、それによってダイアフラム３９と固定電極４１の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４４、４７間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音の振動を電気的な信号に変換して検出することができる。
　なお、上記振動センサ３１は、マイクロマシニング（半導体微細加工）技術を用いて製造されるが、その製造方法は公知の技術であるので説明を省略する。
　つぎに、固定電極板３６に設けた音響孔４３ａ、４３ｂの配置について説明する。図８に示すように、音響孔４３ａ、４３ｂは、固定電極板３６のうち振動電極板３４に対向する領域（より好ましくは、ダイアフラム３９に対向する領域）に形成されている。音響孔４３ａ、４３ｂは、正方形状、六方形状、千鳥状などの規則的パターンに従って固定電極板３６に規則的に配列されている。図８に示す例では、音響孔４３ａ、４３ｂを一定のピッチｐで正方形状に配列してあり、音響孔４３ａどうしのピッチ、音響孔４３ｂどうしのピッチ、音響孔４３ａと音響孔４３ｂの間のピッチが互いに等しくなっている。固定電極板３６のうち振動電極板３４又はダイアフラム３９と対向する領域（以下、対向領域という）の外周部には音響孔４３ｂが設けられており、対向領域の外周部以外の領域（つまり、内側の領域）には音響孔４３ａが設けられており、音響孔４３ｂの開口面積は音響孔４３ａの開口面積よりも小さくなっている。なお、外周部とは、例えば振動電極板３４の縁（つまり、ベントホール４５の端）と対向する位置から１００μｍ以内の距離にある領域である。
　図８に示す例では、音響孔４３ａの大きさ（開口面積）は均一になっており、音響孔４３ｂの大きさ（開口面積）も均一になっているが、音響孔４３ａ、４３ｂの大きさは、それぞればらつきがあっても差し支えない。ただし、ほぼ円形の音響孔４３ａ、４３ｂの場合であれば、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂは０.５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましく、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａは５μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい（但し、Ｄａ＞Ｄｂ）。また、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐ（ピッチ）は１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい（但し、ｐ＞Ｄａ）。この根拠については、後述する。
　対向領域のうち外周部の音響孔４３ｂは、内側の領域の音響孔４３ａよりも開口面積が小さくなっているが、これは外周部の音響孔４３ｂが内側の領域の任意の音響孔４３ａよりも小さいことを意味しない。内側の領域の音響孔４３ａは、基本的には、いずれも外周部の音響孔４３ｂより大きな開口面積となっているが、内側の領域にも音響孔４３ｂと同じ大きさ、あるいは音響孔４３ｂよりも小さなものを少数設けてあっても、本実施形態の振動センサ３１の作用効果にはほとんど影響がない。従って、内側の領域の音響孔４３ａの大きさが均一でない場合には、外周部の音響孔４３ｂの開口面積が、内側の領域の音響孔４３ａの開口面積の平均値よりも小さくなっていればよい。
　また、音響孔４３ａ、４３ｂのピッチｐは一定であることが望ましいが、音響孔４３ａ、４３ｂがほぼ均一に分布していれば、必ずしも一定のピッチで配列している必要はない。つまり、音響孔４３ａ、４３ｂは、規則的な配置からばらついていてもほぼ規則的に配列していればよい。規則的な配置からのばらつきは、音響孔４３ａ、４３ｂの中心間距離のうち最大の値が最小の値の２倍以下であればよい。言い換えると、音響孔４３ａ、４３ｂの配置は、下記のようにして決められていればよい。
　すなわち、図１０に示すように、固定電極板３６の音響孔形成領域に、一辺の長さがａの正方形をした小領域Ａをｄの間隔をあけて正方形状に規則的に配置したと想定する。そして、小領域Ａ内に中心が納まるようにして各小領域Ａの任意の位置に一つずつ音響孔４３ａ、４３ｂを適宜配置する。この結果、音響孔４３ａ、４３ｂは制御されたばらつきの範囲内でほぼ規則的に配列されることになる。このような配置では、音響孔４３ａ、４３ｂの最小の中心間距離は図１０の中段のようにｄとなり、音響孔４３ａ、４３ｂの最大の中心間距離は図１０の下段のようにｄ＋２ａとなるので、２ａ＜ｄの関係を満たすように小領域Ａを定めれば、音響孔４３ａ、４３ｂの中心間距離のうち最大の値が最小の値の２倍以下となる。また、間隔ｄを１０μｍ以上にすれば、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐは１０μｍ以上となり、ｄ＋２ａの値を１００μｍ以下にすれば、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐは１００μｍ以上となり、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐが１０μｍ以上１００μｍ以下に保たれる。
（作用効果）
　しかして、この振動センサ３１によれば、外周部の音響孔４３ｂの開口面積が内側の領域の音響孔４３ａの開口面積よりも小さくなっているので、ベントホール４５の近傍における音響孔４３ｂの開口面積が小さくなる。その結果、ベントホール４５近傍の音響孔４３ｂからベントホール４５を通過して貫通孔３７に至る通気経路（低音経路）の音響抵抗が大きくなり、低周波の音響振動が当該通気経路を通って貫通孔３７側へ漏れにくくなり、振動センサ３１の低周波特性が良好となる。
　また、ベントホール４５の近傍における音響孔４３ｂの開口面積が小さくなるので、音響孔４３ｂを通って内部に塵埃が侵入しにくくなり、振動センサ３１の耐塵埃性が向上する。この結果、音響孔４３ｂから侵入した塵埃によってベントホール４５が詰まりにくくなり（図２参照）、ベントホール４５に詰まった塵埃で振動電極板３４の振動が妨げられにくくなって振動センサ３１の感度や周波数特性が安定する。しかも、開口面積の小さな音響孔４３ｂの比率は小さいので、音響孔４３ｂが塵埃で目詰まりしたとしても、振動センサ３１のノイズや高周波特性への影響は小さい。
　その一方、内側の領域に設けられた音響孔４３ａの開口面積が大きいので、音響孔４３ａを通ってエアギャップ３５内の空気が出入りし易くなり、振動電極板３４と固定電極板３６の間のエアギャップ３５内の空気により振動電極板３４がダンピングされにくくなり、振動センサ３１の高周波特性が良好となる。
　さらに、音響孔４３ａの開口面積が大きくなるので、その分だけ固定電極板３６の面積が小さくなり、固定電極板３６が音圧を受けにくくなる。その結果、音響振動によって固定電極板３６が振動しにくくなり、振動電極板３４だけが振動するので、振動センサ３１のセンサ精度が向上する。
　また、固定電極板３６の大部分の領域において音響孔の開口面積が大きくなっていて振動センサ３１の熱雑音を軽減できるので、熱雑音によるノイズを小さくでき、振動センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる（図４参照）。
　この結果、振動センサ３１によれば、低周波特性と耐塵埃性を犠牲にすることなく、良好な高周波特性と、良好なＳ／Ｎ比と、良好なセンサ精度を有する振動センサ３１を製作することができる。
　また、図１１は振動センサ３１の製造工程において、振動電極板３４と固定電極板３６の間に積層されている犠牲層４２をエッチング除去する工程を表している。図１１（ａ）は音響孔４３ａ、４３ｂを通して犠牲層４２をエッチング除去している途中の状態を示す概略平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＹ－Ｙ線断面図、図１１（ｃ）は音響孔４３ａ、４３ｂを通して犠牲層４２をエッチング除去し終えた状態を示す概略断面図である。
　この振動センサ３１にあっては、開口面積の大小にかかわらず音響孔４３ａ、４３ｂをほぼ等間隔で規則的に配列しているので、エッチング液を音響孔４３ａ、４３ｂから浸入させて犠牲層４２に接触させたとき、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、犠牲層４２が等しいエッチング速度でほぼ均等にエッチングされていき、犠牲層４２の各領域でエッチングがほぼ同時に終了する。そして、犠牲層４２の全体がほぼ同時にエッチング除去される結果、エッチング所要時間が短くて済むことになる。
　また、犠牲層４２の全体が均等にエッチングされるので、図１１（ｃ）に示すように、固定電極板３６などが部分的に大きくエッチングされて厚みが偏ることがなくなる。そのため、犠牲層エッチングの途中で固定電極板３６などに不均一なストレスが加わってクラックが生じにくくなり、振動センサ３１の特性が安定する。
　なお、犠牲層４２を均等にエッチングするためには、音響孔４３ａ、４３ｂは一定のピッチで規則的に配列されていることが望ましいが、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離の最大値が最小値の２倍以下となっていれば、音響孔４３ａ、４３ｂの配置が多少ばらついていても犠牲層エッチングの不均一さは顕著にならない。
　また、この振動センサ３１によれば、製造工程中などにおける電極板どうしのスティックの発生を抑制することができる。図１２（ａ）（ｂ）はこの理由を説明する説明図である。振動センサ３１においては、外周部の音響孔４３ｂの開口面積が小さく、内側の領域の音響孔４３ａの開口面積が大きくなっている。そのため、図１２（ａ）に示すように、犠牲層エッチング後の洗浄工程などで振動電極板３４と固定電極板３６との間のエアギャップ３５に水分ｗが浸入した場合でも、図１２（ｂ）に示すように、エアギャップ３５の中心部の領域では開口面積の大きな音響孔４３ａを通して水分ｗが速やかに乾燥する。よって、振動電極板３４の中心部の領域は、残留した水分ｗの毛細管力によって固定電極板３６に引き付けられてくっつく恐れがない。
　一方、エアギャップ３５の外周部では音響孔４３ｂの開口面積が小さいために水分ｗが残る恐れがある。しかし、振動電極板３４は四隅の固定部３８をシリコン基板３２に固定されているので、振動電極板３４の外周部は内側の面に比べてバネ性が高い。そのため、図１２（ｂ）のようにエアギャップ３５の外周部に残留した水分ｗの毛細管力ｆによって振動電極板３４が固定電極板３６に引き付けられにくい。
　よって、エアギャップ３５に水分ｗが浸入しても振動電極板３４が固定電極板３６にくっつきにくいので、水分ｗが完全に乾燥した後に振動電極板３４が固定電極板３６にくっついたままになってスティックを生じる恐れが小さくなる。
　また、振動センサ３１は、音響孔４３ａ、４３ｂがほぼ等間隔で規則的に配列しているので、以下の理由から、音響孔４３ａ、４３ｂにより熱雑音を緩和する効果に優れる。各音響孔が熱雑音をどのくらい効率よく緩和できるかは、音響孔の直径のほか音響孔からの距離に大きく依存している。すなわち、いずれの音響孔からも遠い場所では、熱雑音が大きくなる。ここで、図５のように音響孔１５の配置が不均一であると、いずれの音響孔１５からも遠いエアギャップ領域が発生するので、熱雑音を緩和できず、振動センサの低ノイズ化を図ることが難しくなる。これに対し、図１１のように音響孔４３ａ、４３ｂが均一に配置されていると、いずれの音響孔４３ａ、４３ｂからも遠いエアギャップ領域が生じにくいので、熱雑音をより緩和させることができる。よって、音響孔４３ａ、４３ｂをほぼ等間隔で規則的に配列させることにより、通気経路の音響抵抗を下げることができるとともに、熱雑音をより緩和させることができる。
（音響孔の直径の計算例）
　音響孔４３ａ、４３ｂがほぼ円形の場合であれば、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂは０.５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましく、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａは５μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい（但し、Ｄａ＞Ｄｂ）。また、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐは１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい（但し、ｐ＞Ｄａ）。この点については、すでに述べたが、以下においてはその根拠を説明する。
　図１３は、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａと、音響孔４３ａからベントホール４５を通過して貫通孔３７に至るエアギャップの音響抵抗との関係を計算によって求め、その結果を表した図である。図１４は、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａと電極面積比との関係を計算によって求め、その結果を表した図である。図１５は、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂと、音響孔からベントホール４５を通過して貫通孔３７に至る通気経路の音響抵抗との関係を計算によって求め、その結果を表した図である。なお、音響孔４３ａ、４３ｂが無い場合の固定電極４１の面積をＳoとし、ある直径Ｄａの音響孔４３ａを設けた場合の固定電極４１の面積をＳａとするとき、Ｓａ／Ｓoを電極面積比という。
　図１３によれば、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａが小さくなるに従ってエアギャップの音響抵抗が大きくなっていることが分かる。そして、音響孔４３ａの直径Ｄａが５μｍよりも小さくなると、エアギャップの音響抵抗が著しく大きくなって振動センサ３１のノイズが大きくなってしまう。
　また、図１４に示すように、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａが大きくなるに従って電極面積比は次第に小さくなる。そして、音響孔４３ａの直径Ｄａが３０μｍよりも大きくなると、対向している電極どうしの面積が著しく小さくなり、振動センサ３１の感度が低くなってしまう。
　従って、内側の音響孔４３ａの直径Ｄａは、５μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。
　つぎに、図１４に示すように、音響孔４３ａ、４３ｂどうしの距離ｐが小さくなるほど電極面積比は小さくなる。そして、音響孔４３ａ、４３ｂの距離ｐが１０μｍよりも小さくなると、対向している電極どうしの面積が著しく小さくなり、振動センサ３１の感度が低くなってしまう。
　また、図１３によれば、音響孔４３ａ、４３ｂどうしの距離ｐが大きくなるほどエアギャップの音響抵抗が大きくなることが分かる。そして、音響孔４３ａ、４３ｂどうしの距離ｐが１００μｍよりも大きくなると、エアギャップの音響抵抗が著しく大きくなり、振動センサ３１のノイズが大きくなってしまう。
　従って、隣接する音響孔４３ａ、４３ｂどうしの中心間距離ｐは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。
　さらに、図１５によれば、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂが大きくなるに従って、通気経路の音響抵抗が小さくなることが分かる。そして、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂが１０μｍよりも大きいと、ベントホール４５を通過する通気経路の音響抵抗が著しく小さくなり、振動センサ３１の低周波特性が悪くなる。
　一方、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂが０.５μｍよりも小さくなると、音響孔４３ｂをエッチング液の入り口として使用するのが困難になる。
　従って、外周部の音響孔４３ｂの直径Ｄｂは、０.５μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。
（第２の実施形態）
　図１６は本発明の第２の実施形態による振動センサ５１を示す平面図である。また、図１７は、振動センサ５１の固定電極膜を除いた状態の平面図である。この振動センサ５１にあっては、シリコン基板３２の貫通孔３７の上方を振動電極板３４で覆い、振動電極板３４の外周部をシリコン基板３２の上面に部分的に固定している。図１７では、振動電極板３４のうち、シリコン基板３２の上面の犠牲層４２によって形成された保持部４２ａによりシリコン基板３２の上面に固定されている領域（固定部３８）をハッチングで表している。シリコン基板３２に固定された外周部よりも内側において、外周部の近傍に複数箇所のスリット５２を開口している。振動電極板３４は外周部を部分的にシリコン基板３２に固定されており、さらにスリット５２によってバネ性を低下させられているので、スリット５２で囲まれた領域がダイアフラム３９となっていて、小さな音圧に感応してダイアフラム３９が膜振動するようになっている。
　また、振動電極板３４の下面はシリコン基板３２の上面よりも少し浮いており、スリット５２と貫通孔３７との間では振動電極板３４の下面とシリコン基板３２の上面との間に隙間が形成されており、この隙間がスリット５２と貫通孔３７を連通させるベントホール４５となっている。
　この振動センサ５１でも、実施形態１の振動センサ３１と同様に、固定電極板３６は振動電極板３４を覆うように形成されており、音響孔４３ａ、４３ｂは、固定電極板３６のうち振動電極板３４に対向する領域において一定のピッチで規則的に配列されている。また、外周部の音響孔４３ｂの開口面積は、内側の領域の音響孔４３ａの開口面積よりも小さくなっている。従って、この振動センサ５１にあっても、実施形態１の振動センサ３１と同様な作用効果を奏する。
　なお、図１６及び図１７では円形の振動電極板３４を示しているが、四角形の振動電極板３４の外周部を部分的にシリコン基板３２の上面に固定してスリットでバネ性を低下させるようにしてもよい。
（第３の実施形態）
　図１８（ａ）は本発明の第３の実施形態による振動センサ６１を示す平面図であり、図１８（ｂ）はその概略断面図である。これまで説明した実施形態では、シリコン基板３２の上に振動電極板３４、固定電極板３６の順で電極板を形成したが、図１８に示すようにシリコン基板３２の上に固定電極板３６、振動電極板３４の順で電極板を形成してもよい。その他の構造は、例えば第１の実施形態の場合と同様であるので説明は省略する。この実施形態３の場合には、シリコン基板３２の貫通孔３７から伝搬してきた音響振動を音響孔４３ａ、４３ｂを通して振動電極板３４に伝搬させ、その音響振動で振動電極板３４を振動させる。
符号の説明
　３１、５１、６１　　　振動センサ
　３２　　　シリコン基板
　３４　　　振動電極板
　３５　　　エアギャップ
　３６　　　固定電極板
　３７　　　貫通孔
　３８　　　固定部
　３９　　　ダイアフラム
　４２　　　犠牲層
　４３ａ、４３ｂ　　　音響孔
　４４　　　電極パッド
　４５　　　ベントホール
　４７　　　電極パッド
　５２　　　スリット

Claims (6)

  1. 　表裏に貫通する貫通孔を形成された基板を備え、
    　振動を受けて膜振動する振動電極板と、複数の音響孔を開口された固定電極板とを対向させて前記貫通孔の基板表面側開口を覆うようにして前記基板の表面側に配置した静電容量型振動センサであって、
    　前記振動電極板の外周部分の下面が部分的に前記基板に固定され、
    　前記振動電極板の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが、前記基板の表面と前記振動電極板の下面の間に形成され、
    　前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域において、当該領域内の外周部に、当該領域内の外周部以外に設けた音響孔よりも開口面積が小さな音響孔が設けられていることを特徴とする静電容量型振動センサ。
  2. 　前記固定電極板の音響孔形成領域に、均等な形状及び面積を有すると共に規則的に配列された複数の小領域を定め、各小領域内に音響孔の中心が納まるようにして各小領域にそれぞれ１つの音響孔を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
  3. 　前記固定電極板に設けられた音響孔が規則的に配列していることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型振動センサ。
  4. 　前記固定電極板のうち前記振動電極板に対向する領域の外周部に設けた開口面積の小さな音響孔の直径が０.５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記領域内の外周部以外に設けた音響孔の直径が５μｍ以上３０μｍ以下であり、隣接する音響孔どうしの中心間距離が１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
  5. 　前記振動電極板の外周部分又はその近傍において前記固定部分以外の領域にスリットを開口したことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
  6. 　複数の保持部を前記基板の表面に互いに間隔をあけて配設し、前記振動電極板の外周部分の下面を前記保持部によって部分的に支持させたことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型振動センサ。
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