WO2012114539A1 - 音響センサ及びマイクロフォン - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an acoustic sensor and a microphone. Specifically, the present invention relates to a capacitive acoustic sensor manufactured using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology or a micromachining technology. The present invention also relates to a microphone using the acoustic sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • Microphones are used in various devices such as mobile phones and IC recorders.
  • An acoustic sensor built in such a microphone is required to be improved in S / N ratio and downsized.
  • a method of increasing the sensitivity of the acoustic sensor there is a method of increasing the sensitivity of the acoustic sensor.
  • a method of widening the area of the diaphragm and a method of increasing the displacement amount of the diaphragm by reducing the spring property of the diaphragm can be employed.
  • miniaturization of the acoustic sensor is hindered.
  • the displacement amount of the diaphragm is increased, so that the durability of the acoustic sensor is lowered.
  • the second method for increasing the S / N ratio of the acoustic sensor is to reduce the noise of the acoustic sensor.
  • noise of the capacitive acoustic sensor thermal noise generated in an air gap formed between the diaphragm (movable electrode plate) and the back plate (fixed electrode plate) becomes a problem.
  • the thermal noise in the air gap is noise generated by a mechanism as shown in FIG.
  • the air gap 13 between the diaphragm 11 and the back plate 12, that is, the air molecule ⁇ in the semi-sealed space collides with the diaphragm 11 due to fluctuation (thermal motion).
  • the diaphragm 11 is subjected to a minute force due to the collision with the air molecule ⁇ , and the minute force applied to the diaphragm 11 varies randomly. Therefore, the diaphragm 11 vibrates due to the collision of the air molecules ⁇ , and electrical 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 increases the opening ratio of the acoustic holes 14 opened in the back plate 12 as shown in FIG. 1B, and the air in the air gap 13 passes through the acoustic holes 14. It can be reduced by making it easier to do. It can also be reduced by widening the air gap 13 between the diaphragm 11 and the back plate 12.
  • the opening ratio of the acoustic hole 14 is increased or the air gap 13 is widened, the capacitance of the capacitor constituted by the diaphragm 11 and the back plate 12 is decreased. Therefore, in the method of simply reducing the noise, the sensitivity of the acoustic sensor is reduced at the same time as the noise is reduced, and the S / N ratio of the acoustic sensor cannot be improved.
  • Patent Document 1 discloses a differential detection type microphone for the purpose of improving the S / N ratio.
  • two acoustic sensors 23a and 23b are provided on a single substrate 22, and the upper and lower configurations of the sensors 23a and 23b are reversed. That is, in one acoustic sensor 23a, a fixed plate 25a having an acoustic hole 26a is formed on the diaphragm 24a to constitute a capacitor for acoustic detection. In the other acoustic sensor 23b, a diaphragm 24b is formed on a fixed plate 25b having an acoustic hole 26b to constitute a capacitor for acoustic detection.
  • both the acoustic sensors 23a and 23b output detection signals from the diaphragms 24a and 24b, when both the sensors 23a and 23b detect the same acoustic vibration, the sensors 23a and 23b are detected with a phase shifted by 180 °. A signal is output.
  • the output of the acoustic sensor 23a and the output of the acoustic sensor 23b are input to a signal processing circuit (ASIC) and subtracted in the signal processing circuit.
  • ASIC signal processing circuit
  • Patent Document 2 discloses another conventional microphone.
  • the microphone 31 basically has the same structure as the microphone 21 of Patent Document 1.
  • a plurality of independent acoustic sensors 33a, 33b,... Having the same structure are provided on a common substrate 32. That is, any of the acoustic sensors 33a, 33b,... Is formed with the diaphragm 34 facing the upper surface of the fixed plate 35 having the acoustic holes 36 opened.
  • a signal processing circuit 37 is provided on the upper surface of the substrate 32, and outputs of the respective acoustic sensors 33a, 33b,. To the signal processing circuit 37.
  • the signal processing circuit 37 adds the output of each sensor 33a, 33b,. Is expected to improve.
  • acoustic characteristics other than sensitivity are likely to be shifted between the sensors. For example, frequency characteristics, phase, and the like are affected by the back chamber and vent hole of each sensor, and therefore tend to have different characteristics among the sensors.
  • the present invention has been made in view of the above technical problems, and an object of the present invention is to provide an acoustic sensor capable of improving the S / N ratio of the sensor without hindering downsizing of the sensor. And providing a microphone using the acoustic sensor.
  • An acoustic sensor includes a substrate having a cavity, a thin film diaphragm disposed over the substrate so as to cover the cavity, a movable electrode plate formed on the diaphragm, An acoustic sensor comprising a back plate fixed to the upper surface of the substrate so as to face the diaphragm, and a fixed electrode plate provided on the back plate at a position facing the movable electrode plate, wherein the diaphragm
  • the diaphragm is supported by the substrate or the back plate by the support portion, and the diaphragm has a plurality of points where the displacement amount during vibration becomes a maximum, and the adjacent maximum among the points where the displacement amount becomes a maximum.
  • the support portion is present on a straight line that intersects a line segment connecting the points.
  • the movable electrode plate may be provided on the diaphragm, or the diaphragm itself may be a movable electrode plate.
  • the diaphragm has a plurality of points at which the displacement amount at the time of vibration is maximized, and a line segment connecting adjacent maximum points among the points at which the displacement amount is maximized. Since the support portion exists on the intersecting straight line, the rigidity of the diaphragm on the straight line intersecting with the line segment connecting adjacent local maximum points is increased. Therefore, the vibration of one of the maximum points adjacent to each other does not easily propagate to the other maximum point through a straight line where the displacement amount intersects the line segment connecting the maximum points.
  • capacitors acoustic sensing units in the embodiment
  • capacitors composed of a movable electrode plate and a fixed electrode plate are independent from each other in regions on both sides partitioned by a straight line intersecting a line segment connecting adjacent local maximum points.
  • the capacitors are connected in parallel, noise can be reduced without substantially reducing sensitivity, so the S / N ratio of the acoustic sensor is improved. Can be made. Further, since the diaphragm is only divided into a plurality of regions that can be vibrated independently, downsizing of the acoustic sensor is not hindered.
  • the diaphragm is partially supported by a plurality of the support portions provided on the substrate or the back plate at intervals. According to such an embodiment, the rigidity of the diaphragm can be reduced as compared with the case where the entire circumference of the diaphragm is supported by the support portion, and the sensitivity of the acoustic sensor can be improved.
  • the diaphragm has a plurality of beam portions extending outward, and the beam portions are supported by the support portion. According to such an embodiment, even if the number of support portions of the diaphragm by the support portion increases, the rigidity of the diaphragm is hardly increased, and the sensitivity of the acoustic sensor can be increased.
  • the diaphragm has a rectangular shape.
  • the shape of the diaphragm may be a rectangular shape, a disk shape, or other shapes, but if the shape of the diaphragm is a rectangular shape, the linearity of the output of the acoustic sensor becomes good.
  • the diaphragm is supported by a plurality of the support portions arranged in a lattice shape.
  • the diaphragm is supported by a plurality of the support portions arranged in a lattice shape.
  • the support part For example, in the rectangular diaphragm, four corners are supported by the support part, and the corners and the middle part of the corners are provided only on two opposite sides in one direction of the two directions. What is necessary is just to be supported by the said support part.
  • the region surrounded by the four support points in the diaphragm has a maximum point of displacement, and becomes a region that can vibrate substantially independently.
  • the diaphragm includes a line segment connecting adjacent maximum points among points where the outer peripheral portion is supported by the support portion and the displacement amount is maximum. It is supported by at least three said support parts along the crossing straight line. According to such an embodiment, the rigidity of the diaphragm along the straight line intersecting the line segment connecting the adjacent maximum points can be further increased, and the independence of each region of the diaphragm is further increased.
  • a distance between the support portions located on a straight line intersecting a line segment connecting adjacent maximum points among the points where the displacement amount is a maximum is characterized by being shorter than the distance between the support portions at the corners in the same direction.
  • the entire outer periphery of the diaphragm may be supported by a support provided on the substrate or the back plate. According to such an embodiment, the rigidity of the diaphragm along the straight line intersecting the line segment connecting the adjacent maximum points can be further increased, and the independence of each region of the diaphragm is further increased.
  • Still another embodiment of the acoustic sensor according to the present invention is characterized in that the diaphragm is divided by a slit.
  • the diaphragm can vibrate independently on both sides of the slit, and the area of the diaphragm that vibrates independently can be increased.
  • a slit is formed in the diaphragm on a line connecting any two of the support portions, the independence of the regions of the diaphragm separated by the support portion can be further increased.
  • the slit has a width of 10 ⁇ m or less.
  • the roll-off frequency may be as high as 500 Hz and the low-frequency characteristics may be deteriorated. Therefore, the slit width is 10 ⁇ m or less as in the embodiment. It is desirable that
  • the length of the slit is 1 ⁇ 2 or more of the passing length of the diaphragm in the extending direction of the slit. If the slit length is shorter than 1 ⁇ 2 of the diaphragm width, the discontinuity of displacement between the regions of the diaphragm divided by the slit is impaired, and the effect of reducing noise as a whole becomes worse. It is desirable that it is 1 ⁇ 2 or more of the diaphragm passing length in the extending direction.
  • a gap is formed between the diaphragm and the substrate in at least one place between the adjacent support portions.
  • the space between the support portions can be used as a bench hole.
  • Still another embodiment of the acoustic sensor according to the present invention is characterized in that acoustic vibration reaches the diaphragm through the cavity.
  • the cavity in the semiconductor substrate serves as the front chamber
  • the space outside the acoustic sensor serves as the back chamber. Therefore, the volume of the back chamber can be increased, and the sensitivity of the acoustic sensor can be improved.
  • the microphone according to the present invention includes the acoustic sensor according to the present invention and a circuit for processing a signal output from the acoustic sensor. Since the microphone of the present invention uses the acoustic sensor of the present invention, the S / N ratio of the microphone can be improved.
  • 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. 1A and FIG. 1B are schematic diagrams for explaining thermal noise of an acoustic sensor.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the microphone disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view of the microphone disclosed in Patent Document 2, respectively.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the acoustic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of the acoustic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the shape of the diaphragm in the acoustic sensor of the first embodiment.
  • FIG. 7C are diagrams for explaining the operation of the diaphragm of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an equivalent circuit obtained by simplifying the acoustic sensor.
  • FIG. 9 is an equivalent circuit diagram illustrating a situation in which acoustic vibration or noise is applied to only one acoustic sensing unit.
  • FIG. 10A is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied to only one acoustic sensing unit.
  • FIG. 10B is a waveform diagram illustrating a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied only to the other acoustic sensing unit.
  • FIG. 10A is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied only to the other acoustic sensing unit.
  • FIG. 10C is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic signals are simultaneously applied to both acoustic sensing units.
  • FIG. 11A is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise occurs only in one acoustic sensing unit.
  • FIG. 11B is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise occurs only in the other acoustic sensing unit.
  • FIG. 11C is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise is simultaneously generated in both acoustic sensing units.
  • FIG. 12 is a plan view showing the shape of the diaphragm according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating the operation of the diaphragm according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a plan view showing the shape of a diaphragm in a modification of the second embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing an acoustic sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view showing the shape of the diaphragm in the third embodiment.
  • FIG. 17 is a plan view showing the shape of the diaphragm according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a plan view showing the shape of the diaphragm according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a plan view showing the shape of the diaphragm according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a plan view showing diaphragms having different shapes in the sixth embodiment.
  • FIG. 21 is a plan view showing a diaphragm having a further different shape in the sixth embodiment.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of a microphone according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 23 is a plan view of the microphone of the seventh embodiment with the cover removed.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing microphones having different structures in the seventh embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the acoustic sensor 41 of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view of the acoustic sensor 41.
  • FIG. 6 is a plan view of the acoustic sensor 41 with the canopy 44 removed.
  • the acoustic sensor 41 is a capacitive element manufactured using MEMS technology. As shown in FIG. 4, in the acoustic sensor 41, a diaphragm 43 (vibrating electrode plate) is provided on an upper surface of a silicon substrate 42 (semiconductor substrate) via an anchor 46 (support portion), and a minute air gap 50 is formed thereon. A canopy 44 is provided via (a gap).
  • a back chamber 45 (cavity) penetrating from the front surface to the back surface is opened in the silicon substrate 42 made of single crystal silicon.
  • the inner surface of the back chamber 45 may be a vertical surface, or may be inclined in a tapered shape.
  • a plurality of anchors 46 for supporting the lower surface of the outer peripheral edge of the diaphragm 43 are provided on the upper surface of the silicon substrate 42. Further, a base portion 51 is formed on the upper surface of the silicon substrate 42 so as to surround the diaphragm 43. Anchor 46 and base portion 51 is formed by SiO 2.
  • the diaphragm 43 is formed in a substantially rectangular shape.
  • the diaphragm 43 is formed of a conductive polysilicon thin film, and the diaphragm 43 itself is a movable electrode plate. From the four corners of the diaphragm 43 and the center of the edge of the short side, beam portions 47 protrude.
  • the diaphragm 43 is disposed on the silicon substrate 42 so as to cover the upper portion of the back chamber 45, and six beam portions 47 are supported by the anchors 46.
  • the diaphragm 43 is supported in the air, and a narrow vent hole 52 for allowing acoustic vibrations to pass between the adjacent anchors 46 is between the lower surface of the outer peripheral portion of the diaphragm 43 and the upper surface of the silicon substrate 42. Is formed.
  • a lead wiring 53 extends outward from the diaphragm 43.
  • the diaphragm 43 is supported by the anchors 46 so that the vent holes 52 (voids) are formed between the anchors 46.
  • the canopy 44 is provided with a fixed electrode plate 49 made of polysilicon on the lower surface of a back plate 48 (fixed film) made of SiN.
  • the canopy portion 44 is formed in a dome shape and has a hollow portion below it, and covers the diaphragm 43 with the hollow portion.
  • a minute air gap 50 is formed between the lower surface of the canopy 44 (that is, the lower surface of the fixed electrode plate 49) and the upper surface of the diaphragm 43.
  • the fixed electrode plate 49 and the diaphragm 43 are opposed to each other to constitute a capacitor.
  • acoustic holes 54 acoustic holes
  • the acoustic holes 54 are regularly arranged.
  • the acoustic holes 54 are arranged in a triangular shape along three directions forming an angle of 120 ° with each other, but may be arranged in a rectangular shape or a concentric shape.
  • a cylindrical stopper 55 protrusion protrudes from the bottom surface of the canopy 44.
  • the stopper 55 projects integrally from the lower surface of the back plate 48, penetrates the fixed electrode plate 49, and projects to the lower surface of the canopy 44. Since the stopper 55 is made of SiN like the back plate 48, it has an insulating property.
  • the stopper 55 is for preventing the diaphragm 43 from being fixed to the fixed electrode plate 49 due to electrostatic force and not being separated.
  • the protective film 56 extends continuously from the outer periphery of the canopy-shaped back plate 48 over the entire circumference.
  • the protective film 56 covers the base portion 51 and the outer region.
  • the lead-out wiring 53 is fixed to the base portion 51, and the lead-out wiring 57 extended from the fixed electrode plate 49 is also fixed to the upper surface of the base portion 51.
  • an opening is formed in the protective film 56, and a movable electrode pad 58 is formed on the upper surface of the lead wiring 53 through the opening, and the movable electrode pad 58 is electrically connected to the diaphragm 43 through the lead wiring 53.
  • the fixed electrode pad 59 provided on the upper surface of the back plate 48 is electrically connected to the lead wiring 57 through a through hole and the like, and is further electrically connected to the fixed electrode plate 49.
  • the diaphragm 43 In this acoustic sensor 41, not only the diaphragm 43 is supported at the four corners by the anchor 46, but also the center of the short edge is supported by the anchor 46. That is, the diaphragm 43 is supported in a lattice shape by the six anchors 46. For this reason, the rigidity of the diaphragm 43 increases along the line D (the line indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 7A) connecting the anchors 46, 46 located at the center of each short side of the diaphragm 43, and the line D There is a place where the displacement of the diaphragm 43 is minimized. Therefore, the diaphragm 43 has one region (a region surrounded by four anchors 46 as shown in FIG.
  • the region surrounded by the four anchors 46 (hereinafter referred to as the diaphragm region 43b) can be vibrated independently, and inside the diaphragm regions 43a and 43b. Displacement maximum points G that are largely displaced appear.
  • one acoustic sensing part 60a is comprised by the capacitor which consists of a region which opposes the said area
  • the other acoustic sensing unit 60b is configured by a capacitor including a diaphragm region 43b and a region of the fixed electrode plate 49 facing the region 43b.
  • both the sensing units 60a and 60b are integrally formed at the same location in the canopy 44, have the same structure, the same shape, and the same dimensions, and have substantially the same characteristics.
  • the diaphragm regions 43a and 43b which are thin films, vibrate in the same phase due to the acoustic vibration.
  • the diaphragm regions 43a and 43b vibrate and the gap distances between the diaphragm regions 43a and 43b and the fixed electrode plate 49 change, the capacitances of the acoustic sensing units 60a and 60b change.
  • the acoustic vibration (change in sound pressure) sensed by the diaphragm regions 43a and 43b is caused by a change in capacitance between the diaphragm regions 43a and 43b and the fixed electrode plate 49. And output as an electrical signal.
  • the diaphragm regions 43a and 43b are both connected to the movable electrode pad 58 and the fixed electrode plate 49 is common, the acoustic sensing unit 60a (capacitor) and the acoustic sensing unit 60b (capacitor) are electrically connected. Are connected in parallel.
  • the diaphragm region 43a and the diaphragm region 43b are electrically connected, and the fixed electrode plate 49 is common.
  • the acoustic sensing units 60a and 60b are provided at the same position on the substrate 42, and both the sensing units 60a and 60b detect acoustic vibrations in the same phase. Therefore, even if the diaphragm regions 43a and 43b are substantially independent, the diaphragm 43 as a whole acts as one acoustic sensor 41, and is substantially unchanged from the case where the anchor 46 is not provided at the center of the short side. .
  • the diaphragm regions 43a and 43b are partitioned by a line D having high rigidity and minimum displacement, and can move substantially independently. Therefore, the diaphragm regions 43a and 43b can be independently displaced on both sides of the line D. Therefore, the thermal noise generated in the acoustic sensing unit 60a and the thermal noise generated in the acoustic sensing unit 60b are detected as signals having different phases. Therefore, when noises of both the sensing units 60a and 60b are added together, the noises cancel each other and become smaller. As a result, the S / N ratio of the acoustic sensor 41 is improved.
  • FIG. 8 shows an equivalent circuit in which the acoustic sensor 41 is simplified.
  • the two acoustic sensing units 60a and 60b separated by providing the anchor 46 at the center of the short side can be represented by two variable capacitors CP1 and CP2 connected in parallel.
  • the two variable capacitors CP1 and CP2 have the same performance.
  • signal generation sources such as acoustic vibration and noise are represented by respective AC power sources SG1 and SG2 connected in series to the variable capacitors CP1 and CP2.
  • the acoustic sensing unit 60a is represented by a circuit in which the variable capacitor CP1 and the AC power source SG1 are connected in series
  • the acoustic sensing unit 60b is a circuit in which the variable capacitor CP2 and the AC power source SG2 are connected in series. It is represented by Furthermore, the acoustic sensor 41 is represented by an equivalent circuit in which both series connection circuits are connected in parallel.
  • the characteristic or circuit constant in the equivalent circuit of FIG. 8 is represented by the following symbols.
  • FIG. 9 a situation is considered in which acoustic vibration and noise are added only to the acoustic sensing unit 60a. Since no signal due to acoustic vibration or noise is generated in the acoustic sensing unit 60b, the AC power source SG2 of the acoustic sensing unit 60b is omitted, and it is considered that the capacitance of the variable capacitor CP1 does not change.
  • the sensitivity output output from the acoustic sensing unit 60a is as described above.
  • Sa V ⁇ ⁇ Ca / Ca It becomes.
  • the capacitor CP2 of the acoustic sensing unit 60b is connected in parallel to the acoustic sensing unit 60a, the capacitor CP2 functions as a parasitic capacitance with respect to the acoustic sensing unit 60a and attenuates the sensitivity of the acoustic sensing unit 60a.
  • the sensitivity output Stot output from the acoustic sensor 41 is the sensitivity output Sb of the acoustic sensing unit 60b in the same manner as in FIG. Is halved to the following formula.
  • sensitivity outputs Sa and Sb and noise outputs Na and Nb are simultaneously generated in the acoustic sensing units 60a and 60b as shown in FIG.
  • the sensitivity output is such that the diaphragm regions 43a and 43b that detect acoustic vibrations are arranged in close proximity within the same canopy 44, so that both diaphragm regions 43a and 43b have the same phase and amplitude at the same time. Is vibrating.
  • the variable capacitor CP1 of the acoustic sensing unit 60a and the variable capacitor CP2 of the acoustic sensing unit 60b are connected in parallel.
  • the sensitivity output Stot of the acoustic sensor 41 is the sum of the sensitivity outputs Sa / 2 and Sb / 2 of the acoustic sensing units 60a and 60b obtained above.
  • Stot Sa / 2 + Sb / 2
  • the sensitivity output Stot of the acoustic sensor 41 indicates that there is no difference from the case where the anchor 46 is not provided at the center of the short side of the diaphragm 43.
  • the noise output Ntot output from the acoustic sensor 41 includes the noise output Na / 2 output from the acoustic sensing unit 60a and the noise output Nb / output from the acoustic sensing unit 60b. It is calculated
  • distribution with 2. That is, the following equation is obtained. Stot ⁇ ⁇ (Na / 2) 2 + (Nb / 2) 2 ⁇
  • Na Nb
  • the sensitivity output Stot of the acoustic sensor 41 is added, and the noise output Ntot is obtained by calculation when the variance is added.
  • the S / N ratio of the acoustic sensor 41 is ⁇ (2) Sa / Na, and the S / N ratio is ⁇ (2) compared to the case where the acoustic sensor 41 is not separated into the acoustic sensing units 60a and 60b. ) Times (or 3 dB improvement).
  • the S / N ratio was increased by about +3 dB by separating the acoustic sensing units 60a and 60b.
  • the S / N ratio of the acoustic sensor 41 can be improved by separating the acoustic sensing units 60a and 60b by increasing the anchor 46 and supporting the diaphragm 43 at an extra portion. .
  • FIG. 12 is a plan view showing the structure of the diaphragm 43 according to the second embodiment used for an acoustic sensor. Since the structure of the canopy 44 and other parts are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the diaphragm 43 has a substantially rectangular shape.
  • the diaphragm 43 is supported on the silicon substrate 42 at the center of the edges of the four corners and the long sides by a total of six anchors 46. That is, the short side of the diaphragm 43 is supported at both ends by two anchors 46, and the long side is supported at both ends and the center by three anchors 46.
  • the rigidity of the diaphragm 43 is increased on the line D connecting the anchors 46 located at the center of the long edge, and therefore the displacement on the line D is minimized.
  • the centers of the diaphragm regions 43a and 43b on both sides of the line D become the displacement maximum point G having a large displacement. Therefore, the diaphragm regions 43a and 43b located on both sides of the line D become independent vibration films.
  • these diaphragm regions 43a and 43b and the fixed electrode plate 49 constitute two acoustic sensing units that are independent of each other. As a result, if two acoustic sensing units are connected in parallel, the S / N ratio can be increased in the acoustic sensor of the second embodiment as in the first embodiment.
  • one capacitor structure configured as an integral part is divided into a plurality of parts (acoustic sensing units 60a and 60b) having independent vibration modes. That is, the diaphragm is divided into a plurality of regions, and an independent displacement maximum point G is generated inside each separated region.
  • Embodiments 1 and 2 in a direction orthogonal to a line connecting the displacement maximum points G of the separated diaphragm regions 43a and 43b.
  • An anchor 46 is provided on the predetermined line D to support the diaphragm 43.
  • the rigidity of the diaphragm 43 is increased at the position of the line D connecting the central anchors 46, and the displacement is minimized. Since the line D passes between one displacement maximum point G and the other displacement maximum point G, the displacement from one displacement maximum point G to the other displacement maximum point G as shown by the arrow in FIG. Is difficult to propagate, and the independence of the acoustic sensing unit can be increased.
  • a plurality of acoustic sensing units simultaneously receive sound pressure, they move in the same phase, and can operate independently of self-generated noise.
  • the plurality of acoustic sensing units do not necessarily have the same structure and the same dimensions, but have different structures or different dimensions. May have different characteristics.
  • FIG. 14 is a modification of the second embodiment.
  • a substantially rectangular diaphragm 43 is supported by anchors 46 arranged in a lattice pattern. That is, the short side of the diaphragm 43 is supported by two anchors 46 at both ends, and the long side of the diaphragm 43 is supported by a plurality (four or more) of anchors 46 at both ends and between them. Also in this case, the displacement of the diaphragm 43 becomes small on the line D connecting the anchors 46 facing each other. Therefore, the diaphragm 43 is separated by a plurality of lines D into three rectangular regions 43a, 43b, and 43c having a central portion that is a displacement maximum point G and four corners supported by the anchors 46. .
  • the diaphragm regions 43a, 43b, 43c and the fixed electrode plate 49 constitute a plurality of independent acoustic sensing units.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of an acoustic sensor 62 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view of the diaphragm 43 used in the acoustic sensor 62 of the third embodiment.
  • the diaphragm 43 is not supported by the anchor 46 as in the first embodiment, and is simply placed on the upper surface of the silicon substrate 42.
  • an anchor 63 (supporting part) for contacting the upper surface of the diaphragm 43 protrudes downward from a position facing the diaphragm 43 on the lower surface of the back plate 48. Therefore, when a voltage is applied between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49, the diaphragm 43 is pulled up toward the fixed electrode plate 49 by electrostatic attraction.
  • the diaphragm 43 pulled up is fixed in contact with the lower end surface of the anchor 63, and an air gap 50 is formed between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49.
  • an air gap 50 is formed between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49.
  • the diaphragm 43 has a disk shape as shown in FIG.
  • the anchors 63 protruding from the back plate 48 are arranged at equal intervals along the outer peripheral edge of the diaphragm 43. Further, a plurality of anchors 63 are arranged at regular intervals between a pair of anchors 63 facing each other across the center of the diaphragm 43.
  • the displacement of the diaphragm 43 is minimized along the line D along the plurality of anchors 63 arranged linearly along the diameter of the diaphragm 43, and the displacement maximum points G are respectively provided on both sides of the line D. Occurs.
  • the direction of the anchors 63 aligned in a line on the diameter (the direction of the line D) is orthogonal to the direction connecting the displacement maximum points G. Accordingly, independent diaphragm regions 43a and 43b are formed on both sides of the line D. Therefore, a plurality of independent acoustic sensing units are configured by these diaphragm regions 43 a and 43 b and the fixed electrode plate 49. As a result, even in such an acoustic sensor 62, the S / N ratio can be improved.
  • five anchors 63 are arranged in a direction perpendicular to the direction connecting the displacement maximum points G with respect to the disk-shaped diaphragm 43. That is all you need.
  • three or more anchors may be arranged in a direction orthogonal to the direction connecting the displacement maximum points G.
  • FIG. 17 is a plan view showing the structure of the diaphragm 43 used in the acoustic sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the diaphragm 43 has a shape in which the central portion in the longitudinal direction is constricted inward, and the entire outer periphery is fixed to the silicon substrate 42 by a continuous anchor 46. Since the rigidity of the diaphragm 43 is increased at the narrowed portion, the diaphragms 43a and 43b can be independently vibrated on both sides of the line D along the narrowed direction.
  • Each of the diaphragm regions 43a and 43b has a disc shape with a part missing, and a displacement maximum point G is generated in each of them, and the direction connecting the displacement maximum points G is orthogonal to the line D. Accordingly, even in such a form, the diaphragm regions 43a and 43b and the fixed electrode plate 49 constitute a plurality of independent acoustic sensing units. As a result, even in such an acoustic sensor 62, the S / N ratio can be improved.
  • Embodiments 3 and 4 can also be applied to a rectangular diaphragm.
  • the anchor 46 located at the center of the long side may be brought closer to the inner side of the diaphragm 43.
  • the distance between the anchors 46 located at the center of the long side becomes shorter than that shown in FIG. 12, so that the rigidity of the diaphragm 43 in the direction along the line D becomes higher.
  • FIG. 18 is a plan view showing the structure of the diaphragm 43 used in the acoustic sensor according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the diaphragm 43 has a rhombus shape and is supported by anchors 46 at four corners. In the case of such a diaphragm 43, the displacement of the diaphragm 43 is minimized at the line D located on the diagonal line on the short side of the diamond-shaped diaphragm 43. Further, since the diaphragm 43 has the displacement maximum points G at which the displacement is maximized on both sides of the line D, both sides of the line D are a diaphragm region 43a and a diaphragm region 43b that can vibrate independently. .
  • FIG. 19 is a plan view showing the structure of the diaphragm 43 used in the acoustic sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a slit 64 is provided in the diaphragm 43 along the position of the line D.
  • the length of the slit 64 crosses the width of the diaphragm 43 by 50% or more. That is, it is desirable that the length of the slit 64 has a length of 1 ⁇ 2 or more with respect to the width of the diaphragm 43 on the line extending the slit 64.
  • the slit 64 is provided to isolate the displacement on the diaphragm region 43a side and the displacement on the diaphragm region 43b side so as to be discontinuous. However, if the length of the slit 64 is shorter than 1 ⁇ 2 of the width of the diaphragm 43, This is because the discontinuity of displacement on the diaphragm region 43a side and the diaphragm region 43b side is impaired.
  • the width of the slit 64 is 10 ⁇ m or less. If the width of the slit 64 is too wide, the amount of air leaking from the air gap 50 to the back chamber 45 through the slit 64 increases, the roll-off frequency becomes high, and the low frequency characteristics of the acoustic sensor deteriorate. In particular, when the width of the slit 64 exceeds 10 ⁇ m, the roll-off frequency is remarkably increased, the low frequency characteristics are deteriorated, and the sensitivity of the acoustic sensor 41 is greatly impaired.
  • the position of the slit 64 is not necessarily limited to the position of the line D.
  • a slit 64 may be provided so as to be orthogonal to the line D, and diaphragm regions 43a and 43b may be formed on both sides thereof.
  • a plurality of slits 64 may be provided in the diaphragm 43 to form three or more diaphragm regions 43a, 43b, 43c, 43d.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of a MEMS microphone using the acoustic sensor of each of the above embodiments.
  • FIG. 23 is a plan view of the microphone with the cover removed.
  • the microphone 81 is a package in which an acoustic sensor 65 and a signal processing circuit 84 (ASIC) are built in a package including a circuit board 82 and a cover 83.
  • the acoustic sensor 65 and the signal processing circuit 84 are mounted on the upper surface of the circuit board 82.
  • the electrode pads 58 and 59 of the acoustic sensor 65 are connected to the pads 85a and 85b of the signal processing circuit 84 by bonding wires 91, respectively.
  • a plurality of terminals 88 for electrically connecting the microphone 81 to the outside are provided on the lower surface of the circuit board 82, and electrode portions 89a-89c; 90a, 90b electrically connected to the terminals 88 are provided on the upper surface of the circuit board 82.
  • the 84 pads 86a-86c; 87a, 87b mounted on the circuit board 82 are connected to the electrode portions 89a-89c; 90a, 90b by bonding wires 92, respectively.
  • the pads of the signal processing circuit 84 have a function of supplying power to the acoustic sensor 65 and a function of outputting a capacitance change signal of the acoustic sensor 65 to the outside.
  • a cover 83 is attached to the upper surface of the circuit board 82 so as to cover the acoustic sensor 65 and the signal processing circuit 84.
  • a sound introduction hole 93 for introducing acoustic vibration into the package is opened.
  • the package also has an electromagnetic shielding function, and protects the microphone 81 from external electrical disturbances and mechanical shocks.
  • the acoustic vibration that has entered the package through the sound introduction hole 93 is detected by the acoustic sensor 65 and is output after being subjected to predetermined signal processing by the signal processing circuit 84.
  • the acoustic sensor according to the present invention is used as the acoustic sensor 65, the microphone 81 has a high S / N ratio.
  • FIG. 24 shows a microphone 94 having another structure.
  • the sound introduction hole 93 is opened in the circuit board 82 at a position facing the lower surface of the cavity of the silicon substrate 42, not the cover 83.
  • the cavity of the silicon substrate 42 becomes the front chamber 95, and the space inside the package becomes the back chamber 45. Therefore, according to such an embodiment, the volume of the back chamber 45 can be increased, and the sensitivity of the microphone 81 can be further improved.

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Abstract

センサの小型化を妨げることなくセンサのＳ／Ｎ比を向上させることのできる音響センサを提供する。シリコン基板４２の上面に、可動電極板となるダイアフラム４３が形成される。ダイアフラム４３は矩形状をしており、ダイアフラム４３の４つの隅部と長辺の中央部はアンカー４６によって支持されている。長辺の中央部のアンカー４６どうしを結ぶラインＤ上では、ダイアフラム４３の変位は最小となっている。ラインＤの両側には、それぞれ変位が最大となる変位極大点Ｇが存在し、ラインＤは、変位極大点Ｇどうしを結ぶ方向に対して交差する方向に延びている。

Description

音響センサ及びマイクロフォン
　本発明は音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的には、本発明は、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静電容量型の音響センサに関する。また、当該音響センサを用いたマイクロフォン関する。
　携帯電話、ＩＣレコーダーなど種々の機器においてマイクロフォンが用いられている。このようなマイクロフォンに内蔵されている音響センサにおいては、そのＳ／Ｎ比の向上と小型化が求められている。
　音響センサのＳ／Ｎ比を高くする方法としては、まず第１に、音響センサの感度を高くする方法がある。静電容量型音響センサの感度を高くするためには、ダイアフラムの面積を広くする方法と、ダイアフラムのバネ性を小さくしてダイアフラムの変位量を大きくする方法とが採用可能である。しかし、前者のダイアフラムの面積を広くする方法では、音響センサの小型化が妨げられる。また、後者のようにダイアフラムのバネ性を小さくする方法では、ダイアフラムの変位量が大きくなるために音響センサの耐久性が低下する。
　音響センサのＳ／Ｎ比を高くする第２の方法は、音響センサのノイズを小さくするものである。静電容量型音響センサのノイズとしては、ダイアフラム（可動電極板）とバックプレート（固定電極板）との間に形成されるエアギャップに発生する熱雑音が問題となる。
　エアギャップにおける熱雑音とは、図１（Ａ）に示すような機構により発生するノイズである。図１（Ａ）に示すように、ダイアフラム１１とバックプレート１２との間のエアギャップ１３、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは、揺らぎ（熱運動）によってダイアフラム１１に衝突している。ダイアフラム１１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、ダイアフラム１１に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、ダイアフラム１１は空気分子αの衝突によって振動し、振動センサに電気的なノイズが発生している。特に、感度の高い音響センサ又は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。
　このような熱雑音に起因するノイズは、図１（Ｂ）に示すようにバックプレート１２に開口されている音響孔１４の開口比率を大きくし、エアギャップ１３内の空気が音響孔１４を通過しやすくすることにより軽減できる。また、ダイアフラム１１とバックプレート１２の間のエアギャップ１３を広げることによっても軽減できる。しかし、音響孔１４の開口比率を大きくしたり、エアギャップ１３を広げたりすると、ダイアフラム１１とバックプレート１２によって構成されるキャパシタの静電容量が小さくなる。そのため、単にノイズを小さくするという方法では、ノイズが小さくなると同時に音響センサの感度も低下し、音響センサのＳ／Ｎ比を改善することができなかった。
（従来公知の振動センサ）
　特許文献１には、Ｓ／Ｎ比を向上させることを目的とした差分検知方式のマイクロフォンが開示されている。図２に示すように、このマイクロフォン２１では、一枚の基板２２に２つの音響センサ２３ａ、２３ｂが設けられていて、両センサ２３ａ、２３ｂは上下の構成が反転している。すなわち、一方の音響センサ２３ａでは、ダイアフラム２４ａの上に音響孔２６ａを有する固定プレート２５ａが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。他方の音響センサ２３ｂでは、音響孔２６ｂを有する固定プレート２５ｂの上にダイアフラム２４ｂが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。
　音響センサ２３ａ、２３ｂは、いずれもダイアフラム２４ａ、２４ｂから検知信号が出力されているので、両センサ２３ａ、２３ｂが同じ音響振動を検出すると、両センサ２３ａ、２３ｂからは位相が１８０°ずれた検知信号が出力される。音響センサ２３ａの出力と音響センサ２３ｂの出力は信号処理回路（ＡＳＩＣ）に入力され、信号処理回路内で減算処理される。この結果、両センサ２３ａ、２３ｂによる音響の検出信号は足し合わされることになるので、マイクロフォン２１の検出感度が向上し、Ｓ／Ｎ比の向上が期待される。
　このような差分検知方式のマイクロフォンでは、２つの音響センサが検出する音響検出信号の位相、周波数及び感度が全く同じでなければ、その検出感度が低下する。ところが、同一の基板上に別々に形成された音響センサの特性を同一にすることは困難である。さらに、このマイクロフォンのように両センサ２３ａ、２３ｂでキャパシタの極性が逆になっている場合には、寄生容量のために等価な２つの音響センサ２３ａ、２３ｂを作製することは難しい。そのため実際には、特許文献２のようなマイクロフォンでは、Ｓ／Ｎ比を向上させることは困難であった。
　また、このようなマイクロフォンでは、ミスマッチングに由来するノイズが発生しやすく、Ｓ／Ｎ比の向上に限界がある。
　さらに、信号処理回路に余分な演算機能を付与しなければならないので、信号処理回路の高コスト化を招く。基板上に複数個の音響センサを設けなければならないので、マイクロフォンの小型化が困難になるという不具合も問題となっている。
（従来公知の別な振動センサ）
　特許文献２には、従来の別なマイクロフォンが開示されている。このマイクロフォン３１は、基本的には、特許文献１のマイクロフォン２１と同様な構造を有している。図３（Ａ）に示すように、特許文献２のマイクロフォン３１では、共通の基板３２の上に同じ構造を有する独立した複数個の音響センサ３３ａ、３３ｂ、…が設けられている。すなわち、いずれの音響センサ３３ａ、３３ｂ、…も、音響孔３６を開口された固定プレート３５の上面に対向させてダイアフラム３４が形成されている。さらに、図３（Ｂ）に示すように、基板３２の上面には信号処理回路３７が設けられており、各音響センサ３３ａ、３３ｂ、…の出力は基板３２上に配線された電極引出線３８を通じて信号処理回路３７に接続されている。このマイクロフォン３１の場合には、各音響センサ３３ａ、３３ｂ、…が同じ構造を有しているので、各センサ３３ａ、３３ｂ、…の出力を信号処理回路３７において加算処理することによってＳ／Ｎ比を向上させることが期待される。
　しかし、特許文献２に記載されたマイクロフォンでも、つぎのような問題がある。マイクロフォンの作製プロセスにおいてダイアフラムに発生する反りがばらつくため、各音響センサどうしの感度ばらつきが大きくなりやすい。その一方、このばらつきを小さくしようとすればマイクロフォンの生産性が低下する。また、基板上において各音響センサと信号処理回路とを結ぶ電極引出線の長さが長くなると、マイクロフォンの寄生容量や寄生抵抗が大きくなり、感度などの特性が悪くなる問題がある。
　また、独立した複数個の音響センサを設けているので、各センサどうしの間に感度以外の音響特性のずれが発生しやすくなる。たとえば、周波数特性、位相などは各センサのバックチャンバやベントホールによって影響を受けるので、各センサ間で異なった特性になりやすい。
　特許文献２のマイクロフォンでは、このように各音響センサにおける感度その他の音響特性にばらつきが生じやすいので、実際には、Ｓ／Ｎ比の改善効果を得ることが難しかった。
　また、基板上に複数個の独立した音響センサを並べて配置しなければならないので、マイクロフォンを小型化することができないという不具合があった。
特開２００８－５４３９号公報 米国特許出願公開第２００７／００４７７４６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、センサの小型化を妨げることなくセンサのＳ／Ｎ比を向上させることのできる音響センサと、当該音響センサを用いたマイクロフォンを提供することにある。
　本発明に係る音響センサは、空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うようにして前記基板の上方に配設された薄膜状のダイアフラムと、前記ダイアフラムに形成された可動電極板と、前記ダイアフラムに対向させるようにして前記基板の上面に固定されたバックプレートと、前記可動電極板と対向する位置において前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた音響センサであって、前記ダイアフラムは、支持部によって前記基板又は前記バックプレートに支持されており、前記ダイアフラムは、振動時の変位量が極大となる点を複数箇所に有し、前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上に、前記支持部が存在していることを特徴としている。なお、可動電極板は、ダイアフラムに設けてあってもよく、ダイアフラム自体が可動電極板となっていてもよい。
　本発明の音響センサにあっては、ダイアフラムが振動時の変位量が極大となる点を複数箇所に有していて、変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上に前記支持部が存在しているので、隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上におけるダイアフラムの剛性が高くなる。よって、隣接する極大点どうしのうち一方の極大点の振動が変位量が当該極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線を通過して他方の極大点へ伝播しにくくなる。その結果、隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線によって仕切られた両側の領域において可動電極板と固定電極板で構成されるキャパシタ（実施形態では、音響センシング部）が互いに独立するようになる。
　このような音響センサによれば、前記各キャパシタを並列に接続してあれば、実質的に感度を低下させることなくノイズを低減することが可能になるので、音響センサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、ダイアフラムを独立して振動可能な複数の領域に分割しているだけであるので、音響センサの小型化が妨げられることがない。
　本発明に係る音響センサのある実施態様においては、前記ダイアフラムが、間隔をあけて前記基板又は前記バックプレートに設けられた複数個の前記支持部によって部分的に支持されている。かかる実施態様によれば、支持部によってダイアフラムの全周を支持している場合と比べてダイアフラムの剛性を低くすることができ、音響センサの感度を向上させることができる。
　本発明に係る音響センサの別な実施態様においては、前記ダイアフラムが、外向きに延出された複数個の梁部を有し、前記梁部が前記支持部によって支持されている。かかる実施態様によれば、支持部によるダイアフラムの支持箇所の数が増えてもダイアフラムの剛性が高くなりにくく、音響センサの感度を高くすることができる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、前記ダイアフラムが、矩形状をしている。ダイアフラムの形状は、矩形状、円板状その他の形状であってもよいが、ダイアフラムの形状を矩形状とすれば、音響センサの出力の線形性が良好となる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、前記ダイアフラムが、格子状に配置された複数個の前記支持部によって支持されている。たとえば、前記矩形状をしたダイアフラムが、４箇所の隅部を前記支持部によって支持され、さらに２つの方向の辺のうち一方の方向の対向する２辺においてのみ隅部と隅部の中間部分を前記支持部によって支持されていればよい。かかる実施態様によれば、ダイアフラムにおいて４個の支持点で囲まれた領域がそれぞれ変位の極大点を有し、それぞれ実質的に独立して振動可能な領域となる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、ダイアフラムが、外周部を前記支持部によって支持され、さらに、前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線に沿って少なくとも３個の前記支持部によって支持されている。かかる実施態様によれば、隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線に沿ったダイアフラムの剛性をより高めることができ、ダイアフラムの各領域の独立性がより高くなる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上に位置する前記支持部間の距離が、同じ方向における隅部の支持部どうしの距離よりも短いことを特徴としている。この場合には、前記ダイアフラムの外周部全周が、前記基板又は前記バックプレートに設けられた支持部によって支持されていてもよい。かかる実施態様によれば、隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線に沿ったダイアフラムの剛性をより高めることができ、ダイアフラムの各領域の独立性がより高くなる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様は、前記ダイアフラムが、スリットによって分割されていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、スリットを挟んでその両側でダイアフラムが独立して振動できるようになり、ダイアフラムの独立して振動する領域を増やすことができる。特に、前記支持部のうちいずれか２つの支持部を結ぶ線上において、前記ダイアフラムにスリットを形成すれば、支持部によって分離されたダイアフラムの各領域どうしの独立性をより高めることができる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットの幅が１０μｍ以下となっている。一般的なサイズのＭＥＭＳ音響センサでは、スリットの幅が１０μｍを超えるとロールオフ周波数が５００Ｈｚにもなって低周波特性が悪化することがあるので、スリットの幅は当該実施態様のように１０μｍ以下であることが望ましい。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットの長さが、当該スリットの延長方向における前記ダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上となっている。スリットの長さがダイアフラムの幅の１／２よりも短いと、スリットによって分割されたダイアフラムの各領域間における変位の不連続性が損なわれ、全体としてノイズを低減する効果が悪くなるので、スリットの延長方向におけるダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上であることが望ましい。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様は、隣接する前記支持部の間の少なくとも一箇所において、前記ダイアフラムと前記基板との間に空隙が形成されている。かかる実施態様によれば、支持部間の空隙をベンチホールとして利用することができる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様は、音響振動が前記空洞部を通って前記ダイアフラムに到達することを特徴としている。かかる実施態様によれば、半導体基板内の空洞部がフロントチャンバとなり、音響センサの外部の空間がバックチャンバとなるので、バックチャンバの容積を大きくでき、音響センサの感度を向上させることができる。
　本発明に係るマイクロフォンは、本発明に係る音響センサと、前記音響センサから出力された信号を処理するための回路とを備えたものである。本発明のマイクロフォンは、本発明の音響センサを用いているので、マイクロフォンのＳ／Ｎ比を改善することができる。
　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（Ａ）及び図１（Ｂ）は、音響センサの熱雑音を説明するための概略図である。 図２は、特許文献１に開示されたマイクロフォンの概略説明図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、特許文献２に開示されたマイクロフォンの断面図及び平面図である。 図４は、本発明の実施形態１に係る音響センサの断面図である。 図５は、実施形態１の音響センサの平面図である。 図６は、実施例１の音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、実施形態１のダイアフラムの働きを説明するための図である。 図８は、音響センサを単純化した等価回路を表した図である。 図９は、一方の音響センシング部のみに音響振動やノイズが加わった状況を表した等価回路図である。 図１０（Ａ）は一方の音響センシング部のみに音響振動が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。図１０（Ｂ）は他方の音響センシング部のみに音響振動が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。図１０（Ｃ）は両方の音響センシング部に同時に音響信号が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。 図１１（Ａ）は一方の音響センシング部のみにノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。図１１（Ｂ）は他方の音響センシング部のみにノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。図１１（Ｃ）は両方の音響センシング部に同時にノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。 図１２は、本発明の実施形態２におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１３は、実施形態２のダイアフラムの作用を模式的に説明する図である。 図１４は、実施形態２の変形例におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１５は、本発明の実施形態３に係る音響センサを示す断面図である。 図１６は、実施形態３におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１７は、本発明の実施形態４におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１８は、本発明の実施形態５におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１９は、本発明の実施形態６におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図２０は、実施形態６における異なる形状のダイアフラムを示す平面図である。 図２１は、実施形態６におけるさらに異なる形状のダイアフラムを示す平面図である。 図２２は、本発明の実施形態７に係るマイクロフォンの断面図である。 図２３は、実施形態７のマイクロフォンの、カバーを外した状態の平面図である。 図２４は、実施形態７における異なる構造のマイクロフォンを示す断面図である。
　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）
　図４－図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図４は実施形態１の音響センサ４１を示す断面である。図５は、音響センサ４１の平面図である。また、図６は、音響センサ４１から天蓋部４４を取り除いた状態の平面図である。
　この音響センサ４１はＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型素子である。図４に示すように、音響センサ４１は、シリコン基板４２（半導体基板）の上面にアンカー４６（支持部）を介してダイアフラム４３（振動電極板）が設けられ、その上に微小なエアギャップ５０（空隙）を介して天蓋部４４が設けられている。
　単結晶シリコンからなるシリコン基板４２には、表面から裏面に貫通したバックチャンバ４５（空洞部）が開口されている。バックチャンバ４５は内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。
　ダイアフラム４３の外周縁下面を支持するための複数個のアンカー４６は、シリコン基板４２の上面に設けられている。さらに、シリコン基板４２の上面には、ダイアフラム４３を囲むようにして土台部５１が形成されている。アンカー４６及び土台部５１は、ＳｉＯ２によって形成されている。
　図６に示すように、ダイアフラム４３は、略矩形状に形成されている。ダイアフラム４３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されていてダイアフラム４３自体が可動電極板となっている。ダイアフラム４３の四隅と短辺の縁の中央からは、それぞれ梁部４７が突出している。ダイアフラム４３は、バックチャンバ４５の上方を覆うようにしてシリコン基板４２の上に配置され、アンカー４６によって６箇所の梁部４７を支持されている。よって、ダイアフラム４３は宙空に支持されるととともに、隣接するアンカー４６間においては、音響振動を通過させるための狭いベントホール５２が、ダイアフラム４３の外周部下面とシリコン基板４２の上面との間に形成されている。また、ダイアフラム４３からは外側に向けて引出配線５３が延びている。
　ダイアフラム４３の全周をシリコン基板４２に固定した場合には、ダイアフラム４３の拘束力が強くなり、ダイアフラム４３のバネ性が高くなって音響センサ４１の感度が低下する。そのため、この実施形態では、ダイアフラム４３をアンカー４６によって飛び飛びに支持して、アンカー４６間にベントホール５２（空隙）を形成している。
　天蓋部４４は、ＳｉＮからなるバックプレート４８（固定膜）の下面にポリシリコンからなる固定電極板４９を設けたものである。天蓋部４４は、ドーム状に形成されていてその下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム４３を覆っている。天蓋部４４の下面（すなわち、固定電極板４９の下面）とダイアフラム４３の上面との間には微小なエアギャップ５０（空隙）が形成されている。固定電極板４９とダイアフラム４３は互いに対向していてキャパシタを構成している。
　図５に示すように、天蓋部４４のほぼ全体には、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アコースティックホール５４（音響孔）が多数穿孔されている。図４及び図５に示すように、アコースティックホール５４は規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール５４は、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。
　図４に示すように、天蓋部４４の下面には、円柱状をした微小なストッパ５５（突起）が突出している。ストッパ５５は、バックプレート４８の下面から一体に突出しており、固定電極板４９を貫通して天蓋部４４の下面に突出している。ストッパ５５はバックプレート４８と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。このストッパ５５は、静電気力によってダイアフラム４３が固定電極板４９に固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。
　天蓋状をしたバックプレート４８の外周縁からは、全周にわたって保護膜５６が連続的に延出している。保護膜５６は、土台部５１とその外側の領域を覆っている。
　引出配線５３は土台部５１に固定されており、固定電極板４９から延出された引出配線５７も土台部５１の上面に固定されている。一方、保護膜５６には開口があけられており、当該開口を通して引出配線５３の上面に可動側電極パッド５８が形成され、可動側電極パッド５８は引出配線５３を通じてダイアフラム４３に導通している。また、バックプレート４８の上面に設けられた固定側電極パッド５９は、スルーホールなどを介して引出配線５７に導通し、さらに固定電極板４９に導通している。
　この音響センサ４１では、ダイアフラム４３がその四隅をアンカー４６で支持されているだけでなく、短辺の縁の中央もアンカー４６で支持されている。すなわち、ダイアフラム４３は６個のアンカー４６によって格子状に支持されている。そのため、ダイアフラム４３の各短辺中央に位置するアンカー４６、４６どうしを結ぶラインＤ（図７（Ａ）において一点鎖線で示す線分）に沿ってダイアフラム４３の剛性が高くなり、当該ラインＤ上でダイアフラム４３の変位が最小となる箇所がある。よって、ダイアフラム４３は、このラインＤを挟んで一方の領域（図７（Ｂ）に示すように４個のアンカー４６で囲まれた領域。以下、ダイアフラム領域４３ａという。）と、他方の領域（図７（Ｃ）に示すように４個のアンカー４６で囲まれた領域。以下、ダイアフラム領域４３ｂという。）とが独立して振動することが可能になり、両ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂの内側にそれぞれ大きく変位する変位極大点Ｇが表れる。そして、ダイアフラム領域４３ａと固定電極板４９の当該領域４３ａに対向する領域からなるキャパシタによって一方の音響センシング部６０ａが構成される。また、ダイアフラム領域４３ｂと固定電極板４９の当該領域４３ｂに対向する領域からなるキャパシタによって他方の音響センシング部６０ｂが構成される。しかも、両センシング部６０ａ、６０ｂは、天蓋部４４内の同じ箇所において一体的に形成され、同じ構造、同じ形状、同じ寸法を有していて、実質的に同一の特性を有している。
　この音響センサ４１にあっては、音響振動がアコースティックホール５４を通過して天蓋部４４内のエアギャップ５０に入ると、薄膜であるダイアフラム領域４３ａ、４３ｂが音響振動によって同じ位相で振動する。ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂが振動して各ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂと固定電極板４９との間の各ギャップ距離が変化すると、音響センシング部６０ａ、６０ｂの静電容量が変化する。この結果、各音響センシング部６０ａ、６０ｂにおいては、ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂが感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム領域４３ａ、４３ｂと固定電極板４９の間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。また、ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂはいずれも可動側電極パッド５８につながっており、固定電極板４９は共通しているので、音響センシング部６０ａ（キャパシタ）と音響センシング部６０ｂ（キャパシタ）とは、電気的に並列接続されている。
　この音響センサ４１では、ダイアフラム領域４３ａとダイアフラム領域４３ｂが電気的に導通していて、固定電極板４９が共通となっている。しかも、基板４２上の同じ位置に音響センシング部６０ａ、６０ｂが設けられていて、両センシング部６０ａ、６０ｂは同位相で音響振動を検知する。そのため、ダイアフラム領域４３ａと４３ｂがほぼ独立しているとしても、ダイアフラム４３の全体としてみれば一つの音響センサ４１として作用し、短辺中央にアンカー４６を設けていない場合と実質的に変化がない。
　これに対し、ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂは、剛性が高くて変位が最小となるラインＤで仕切られていて、ほぼ独立して動くことができる。よって、ラインＤの両側においてダイアフラム領域４３ａ、４３ｂは独立して変位することができる。そのため、音響センシング部６０ａに発生する熱雑音と音響センシング部６０ｂに発生する熱雑音とは、異なる位相の信号として検知される。よって、両センシング部６０ａ、６０ｂのノイズを加え合わせると、ノイズが打ち消し合って小さくなる。その結果、音響センサ４１のＳ／Ｎ比が向上する。
　以上においては、音響センサ４１のＳ／Ｎ比が向上する理由を簡単に説明したが、以下においては、等価回路を用いてさらに説明する。図８は、音響センサ４１を単純化した等価回路を表している。短辺中央にアンカー４６を設けることで分離された２つの音響センシング部６０ａ、６０ｂは、並列に接続された２つの可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２で表すことができる。ここで、２つの可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２は同じ性能を有している。さらに、音響振動やノイズなどの信号発生源は、可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２に直列に接続したそれぞれの交流電源ＳＧ１、ＳＧ２で表す。この結果、図８に示すように、音響センシング部６０ａは可変キャパシタＣＰ１と交流電源ＳＧ１を直列に接続した回路で表され、音響センシング部６０ｂは可変キャパシタＣＰ２と交流電源ＳＧ２を直列に接続した回路で表される。さらに、音響センサ４１は、両直列接続回路を並列に接続した等価回路で表される。
　図８の等価回路における特性又は回路定数を、つぎのような記号で表す。
　　　Ｃａ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ１の静電容量
　　　Ｃｂ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ２の静電容量
　　　ΔＣａ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ１の受圧時の静電容量変化
　　　ΔＣｂ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ２の受圧時の静電容量変化
　　　Ｖ［Ｖ］　：音響センサ４１への印加電圧
　　　Ｓａ［Ｖ］　：音響センシング部６０ａの感度出力
　　　Ｓｂ［Ｖ］　：音響センシング部６０ｂの感度出力
　　　Ｎａ［Ｖ］　：音響センシング部６０ａのノイズ出力
　　　Ｎｂ［Ｖ］　：音響センシング部６０ｂのノイズ出力
　　　Ｓａ／Ｎａ　：音響センシング部６０ａのＳ／Ｎ比
　　　Ｓｂ／Ｎｂ　：音響センシング部６０ｂのＳ／Ｎ比
　ここで、感度出力とは、交流電源で発生した音響振動によって音響センシング部（あるいは、可変キャパシタ）から出る信号出力であって、電圧×固定キャパシタの静電容量変化／固定キャパシタの静電容量で表される。したがって、音響センシング部６０ａの感度出力は、
　　　Ｓａ＝Ｖ×（ΔＣａ／２）／（Ｃａ／２）＝Ｖ×ΔＣａ／Ｃａ
となる。同様に、音響センシング部６０ｂの感度出力は、
　　　Ｓｂ＝Ｖ×（ΔＣｂ／２）／（Ｃｂ／２）＝Ｖ×ΔＣｂ／Ｃｂ
となる。
　いま、図９に示すように、音響センシング部６０ａのみに音響振動やノイズが加わった状況を考える。音響センシング部６０ｂでは音響振動やノイズによる信号は発生していないので、音響センシング部６０ｂの交流電源ＳＧ２は省略し、可変キャパシタＣＰ１の静電容量は変化しないと考える。
　まず、交流電源ＳＧ１から音響振動だけが出力されているとすると、音響センシング部６０ａから出力される感度出力は、上記のように、
　　　Ｓａ＝Ｖ×ΔＣａ／Ｃａ
となる。しかし、この音響センシング部６０ａには、音響センシング部６０ｂのキャパシタＣＰ２が並列に接続されているので、キャパシタＣＰ２は音響センシング部６０ａに対しては寄生容量として働き、音響センシング部６０ａの感度を減衰させる。キャパシタＣＰ１とＣＰ２は同じ静電容量を有しているので、音響センサ４１から出力される感度出力（すなわち、信号処理回路へ入力される感度出力）Ｓtotは、次式で表されるように半減する。
　　　Ｓtot＝〔（Ｃａ／２）／｛（Ｃａ／２）＋（Ｃｂ／２）｝〕×Ｓａ
　　　　　 ＝Ｓａ／２
　つぎに、電源ＳＧ１からノイズだけが出力されている場合を考える。この場合も、音響センシング部６０ａから出ているノイズ出力をＮａとすると、音響センシング部６０ａに並列に接続されたキャパシタＣＰ２の影響により、音響センサ４１から出力されるノイズ出力（すなわち、信号処理回路へ入力されるノイズ出力）Ｎtotは、次式で表されるように半減する。
　　　Ｎtot＝〔（Ｃａ／２）／｛（Ｃａ／２）＋（Ｃｂ／２）｝〕×Ｎａ
　　　　　 ＝Ｎａ／２
　図９とは反対に音響センシング部６０ｂのみに音響振動が加わった状況では、図９の場合と同様に考えて、音響センサ４１から出力される感度出力Ｓtotは、音響センシング部６０ｂの感度出力Ｓｂが半減して次式のようになる。
　　　Ｓtot＝〔（Ｃｂ／２）／｛（Ｃｂ／２）＋（Ｃａ／２）｝〕×Ｓｂ
　　　　　 ＝Ｓｂ／２
　また、音響センシング部６０ｂのみにノイズが発生している状況を考えると、音響センシング部６０ａのキャパシタＣＰ１の影響により、音響センサ４１から出力されるノイズ出力Ｎtotは、音響センシング部６０ｂのノイズ出力Ｎｂが半減して次式で表される。
　　　Ｎtot＝〔（Ｃｂ／２）／｛（Ｃｂ／２）＋（Ｃａ／２）｝〕×Ｎｂ
　　　　　 ＝Ｎｂ／２
　つぎに、図８のように、音響センシング部６０ａと６０ｂで同時に感度出力Ｓａ、Ｓｂとノイズ出力Ｎａ、Ｎｂが発生している場合を考える。感度出力とノイズ出力を分けて考える。感度出力は、音響振動を感知する各ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂが同一の天蓋部４４内において極く近接した位置に配置されているので、両ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂは同じ時刻においては同じ位相と振幅で振動している。しかも、音響センシング部６０ａの可変キャパシタＣＰ１と音響センシング部６０ｂの可変キャパシタＣＰ２は並列に接続されている。その結果、音響センサ４１の感度出力Ｓtotは、上で求めた各音響センシング部６０ａ、６０ｂの感度出力Ｓａ／２、Ｓｂ／２の和となる。
　　　Ｓtot＝Ｓａ／２＋Ｓｂ／２
ここで、Ｓａ＝Ｓｂであるから、上式は、
　　　Ｓtot＝Ｓａ
となる。これは、図１０（Ａ）－図１０（Ｃ）に示すように、音響センサ４１では、位相と振幅が同じ２つの信号（図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）の感度出力Ｓａ／２、Ｓｂ／２）が重ね合わされたものが全体の感度出力Ｓtot＝Ｓａ（図１０（Ｃ））として出力されることを表し、音響センサ４１が音響センシング部６０ａと６０ｂに分離されていても、音響センサ４１の感度出力Ｓtotは、ダイアフラム４３の短辺中央にアンカー４６を設けていない場合と変わりがないことを示している。
　一方、ノイズは熱雑音に由来するので、互いに分離している音響センシング部６０ａと６０ｂではそれぞれ独立してランダムにノイズが発生している。このため音響センシング部６０ａのノイズと音響センシング部６０ｂのノイズは、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、位相や振幅の揃っていない独立な信号となっている。よって、音響センサ４１から出力されるノイズ出力Ｎtotは、図１１（Ｃ）に示すように、音響センシング部６０ａから出力されるノイズ出力Ｎａ／２と音響センシング部６０ｂから出力されるノイズ出力Ｎｂ／２との分散を加法する際の演算で求められる。すなわち、次式のようになる。
　　　Ｓtot＝√｛（Ｎａ／２）２＋（Ｎｂ／２）２｝
ここで、Ｎａ＝Ｎｂであるから、上式は、
　　　Ｓtot＝Ｎａ／√（２）
となる。
　上記のように、音響センサ４１の感度出力Ｓtotは加算され、ノイズ出力Ｎtotは分散を加法する際の演算で求められる。その結果、音響センサ４１のＳ／Ｎ比は、√（２）Ｓａ／Ｎａとなり、音響センサ４１を音響センシング部６０ａと６０ｂに分離していない場合と比較すると、Ｓ／Ｎ比は√（２）倍となる（もしくは、３ｄＢ向上する）。試作品によれば、ダイアフラム４３の短辺中央にアンカー４６を設ける前後で感度出力には変化が見られなかったが、ノイズ出力はダイアフラム４３の短辺中央にアンカー４６を設けることによって約３ｄＢ低下した。よって、Ｓ／Ｎ比は、音響センシング部６０ａと６０ｂに分離することによって＋３ｄＢ程度高くなった。
　よって、アンカー４６を増やしてダイアフラム４３を余分な箇所で支持させることによって音響センシング部６０ａと６０ｂに分離することにより、音響センサ４１のＳ／Ｎ比を向上させられることが定量的に示された。
（第２の実施形態）
　つぎに、本発明の実施形態２による音響センサを説明する。図１２は、音響センサに用いられる実施形態２のダイアフラム４３の構造を示す平面図である。天蓋部４４その他の構造は実施形態１と同様であるので、説明は省略する。
　この実施形態では、ダイアフラム４３は略矩形状となっている。ダイアフラム４３は、合計６個のアンカー４６によって四隅と長辺の縁の中央をシリコン基板４２上で支持されている。すなわち、ダイアフラム４３の短辺は２箇所のアンカー４６によって両端を支持されており、長辺は３箇所のアンカー４６によって両端と中央を支持されている。
　このような形態でも、図１３に示すように、長辺の縁の中央に位置するアンカー４６どうしを結んだラインＤの上でダイアフラム４３の剛性が高くなり、したがってラインＤ上で変位が最小となる。また、ラインＤの両側のダイアフラム領域４３ａ及び４３ｂの中心が変位の大きな変位極大点Ｇとなる。よって、ラインＤの両側に位置するダイアフラム領域４３ａ、４３ｂがそれぞれ独立した振動膜となる。さらに、これらのダイアフラム領域４３ａ、４３ｂと固定電極板４９とによって互いに独立した２個の音響センシング部が構成される。この結果、２個の音響センシング部を並列に接続してあれば、実施形態２の音響センサでも、実施形態１の場合と同様に、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。
　本発明の音響センサでは、一体として構成された１つのキャパシタ構造が独立した振動モードを有する複数の部分（音響センシング部６０ａ及び６０ｂ）に分かれている。すなわち、ダイアフラムが複数の領域に分かれていて、分離されている各領域の内部に独立した変位極大点Ｇが生じるように構成されている。
　このために、本発明のある実施形態（たとえば、実施形態１、２）では、図１３に示すように、分離された各ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂの変位極大点Ｇを結ぶ線と直交する方向に定めたラインＤ上にアンカー４６を設けてダイアフラム４３を支持させている。このような構造であれば、中央のアンカー４６どうしを結ぶラインＤの位置ではダイアフラム４３の剛性が高くなって変位が最小となる。そして、一方の変位極大点Ｇと他方の変位極大点Ｇの間をラインＤが通っているので、図１３に矢印で示すように、一方の変位極大点Ｇから他方の変位極大点Ｇへ変位が伝播しにくく、音響センシング部の独立性を高めることができる。このような構造であれば、複数の音響センシング部が同時に音圧を受けた際には互いに同位相の動きをし、また、自己発生雑音に対しては互いに独立して動作することができる。
　ただし、本発明の実施形態においては、必ずしも複数の音響センシング部どうしが同じ構造と同じ寸法を有していなければならないという訳ではなく、異なる構造又は異なる寸法を有していて、音響センシング部どうしが異なる特性を有していても差し支えない。
　図１４は、実施形態２の変形例である。図１４の変形例では、略矩形状をしたダイアフラム４３を格子状に配置したアンカー４６で支持している。すなわち、ダイアフラム４３の短辺は両端を２箇所のアンカー４６で支持されており、ダイアフラム４３の長辺は両端とその間を複数個（４個以上）のアンカー４６で支持されている。この場合も、対向しているアンカー４６どうしを結ぶラインＤ上でダイアフラム４３の変位が小さくなる。よって、ダイアフラム４３は、複数本のラインＤにより、中央部が変位極大点Ｇとなり、かつ、四隅をアンカー４６で支持された３つの矩形状をしたダイアフラム領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃに分離されている。そして、これらのダイアフラム領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃと固定電極板４９によって複数個の独立した音響センシング部が構成される。
　このように音響センシング部の数を増やすと（各ダイアフラム領域の形状や面積は異なっていてもよい。）、音響センサのノイズをより低減させることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させる効果が高くなる。
（第３の実施形態）
　図１５は本発明の実施形態３による音響センサ６２の断面図である。図１６は、実施形態３の音響センサ６２に用いられているダイアフラム４３の平面図である。
　実施形態３の音響センサ６２にあっては、ダイアフラム４３は実施形態１のようにアンカー４６によって支持されておらず、単にシリコン基板４２の上面に置かれているだけである。一方、バックプレート４８の下面のうち、ダイアフラム４３に対向する位置からは、ダイアフラム４３の上面に当接させるためのアンカー６３（支持部）が下方へ向けて突出している。したがって、ダイアフラム４３と固定電極板４９との間に電圧が印加されると、ダイアフラム４３は静電引力によって固定電極板４９へ向けて引き上げられる。上方へ引き上げられたダイアフラム４３はアンカー６３の下端面に当接して固定され、ダイアフラム４３と固定電極板４９との間には一定間隔のエアギャップ５０が形成される。そして、このダイアフラム４３に音響振動が加わると、ダイアフラム４３と固定電極板４９で構成されるキャパシタの静電容量が変化するので、音響振動が検出される。
　ダイアフラム４３は、図１６に示すように円板状をしている。バックプレート４８から突出したアンカー６３は、ダイアフラム４３の外周縁に沿って等間隔で配置されている。さらに、ダイアフラム４３の中心を挟んで向き合っているある一対のアンカー６３間には、複数個のアンカー６３が一定間隔ごとに配列されている。
　このような音響センサ６２では、ダイアフラム４３の直径に沿って直線状に配列された複数個のアンカー６３に沿ったラインＤでダイアフラム４３の変位が最小となり、ラインＤの両側にそれぞれ変位極大点Ｇが生じる。また、直径上に一列に並んだアンカー６３の方向（ラインＤの方向）は、変位極大点Ｇどうしを結ぶ方向と直交している。従って、ラインＤの両側には、独立したダイアフラム領域４３ａ、４３ｂが形成される。よって、これらのダイアフラム領域４３ａ、４３ｂと固定電極板４９によって複数個の独立した音響センシング部が構成される。この結果、このような音響センサ６２においても、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
　なお、図１６に示した図示例では、円板状のダイアフラム４３に対して変位極大点Ｇどうしを結ぶ方向と直交する方向に５個のアンカー６３が並んでいるが、このアンカー６３は４個以上であればよい。また、回転対称でない形状のダイアフラム、たとえば矩形状のダイアフラムの場合には、変位極大点Ｇどうしを結ぶ方向と直交する方向には３個以上のアンカーが並んでいればよい。
（第４の実施形態）
　図１７は、本発明の実施形態４による音響センサに用いられるダイアフラム４３の構造を示す平面図である。このダイアフラム４３は、長手方向の中央部が内側へくびれた形状となっており、連続したアンカー４６によって外周全体がシリコン基板４２に固定されている。くびれて幅が狭くなった箇所ではダイアフラム４３の剛性が高くなるので、くびれた方向に沿ったラインＤの両側が独立して振動可能なダイアフラム領域４３ａ、４３ｂとなる。ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂは、いずれも一部欠けた円板状をしており、それぞれに変位極大点Ｇが生じていて、変位極大点Ｇどうしを結ぶ方向はラインＤと直交している。よって、このような形態でも、ダイアフラム領域４３ａ、４３ｂと固定電極板４９によって複数個の独立した音響センシング部が構成される。この結果、このような音響センサ６２においても、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
　なお、実施形態３及び４は、矩形状のダイアフラムにも適用することができる。また、たとえば実施形態２において、長辺の中央に位置しているアンカー４６をダイアフラム４３の内部側へ寄せてもよい。これにより長辺の中央に位置しているアンカー４６どうしの距離が、図１２に示すものよりも短くなるので、ラインＤに沿った方向におけるダイアフラム４３の剛性がより高くなる。
（第５の実施形態）
　図１８は、本発明の実施形態５による音響センサに用いられるダイアフラム４３の構造を示す平面図である。このダイアフラム４３は菱形をしていて、４箇所の隅部をアンカー４６によって支持されている。このようなダイアフラム４３の場合には、菱形をしたダイアフラム４３の短い側の対角線上に位置するラインＤでダイアフラム４３の変位が最小になる。また、このダイアフラム４３は、ラインＤの両側にそれぞれ変位が最大となる変位極大点Ｇを有しているので、ラインＤの両側が独立に振動可能なダイアフラム領域４３ａ、ダイアフラム領域４３ｂとなっている。
（第６の実施形態）
　図１９は、本発明の実施形態６による音響センサに用いられるダイアフラム４３の構造を示す平面図である。この実施形態では、実施形態２のダイアフラム４３（図１２参照）において、そのラインＤの位置に沿ってダイアフラム４３にスリット６４を設けている。このようにラインＤに沿ってスリット６４を設けると、ダイアフラム領域４３ａとダイアフラム領域４３ｂの独立性がより高くなり、Ｓ／Ｎの改善効果が高くなる。
　このスリット６４の長さは、ダイアフラム４３の幅を５０％以上横断していることが望ましい。すなわち、スリット６４の長さは、スリット６４を延長した線上におけるダイアフラム４３の幅に対して１／２以上の長さを有していることが望ましい。スリット６４は、ダイアフラム領域４３ａ側における変位とダイアフラム領域４３ｂ側における変位を隔絶させて不連続にするために設けているが、スリット６４の長さがダイアフラム４３の幅の１／２よりも短いと、ダイアフラム領域４３ａ側とダイアフラム領域４３ｂ側における変位の不連続性が損なわれるからである。
　また、スリット６４の幅は、１０μｍ以下であることが望ましい。スリット６４の幅が広すぎるとスリット６４を通ってエアギャップ５０からバックチャンバ４５へ漏れる空気量が増大し、ロールオフ周波数が高くなって音響センサの低周波特性が悪化する。特に、スリット６４の幅が１０μｍを超えると著しくロールオフ周波数が高くなって低周波特性が悪化し、音響センサ４１の感度が大きく損なわれるからである。
　ただし、スリット６４の位置は必ずしもラインＤの位置に限らない。たとえば、図２０に示すようにラインＤと直交するようにスリット６４を設けてその両側にダイアフラム領域４３ａ、４３ｂを形成してもよい。また、図２１に示すように、ダイアフラム４３に複数本のスリット６４を設けて３個以上のダイアフラム領域４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを形成してもよい。
（第７の実施形態）
　図２２は上記各実施形態の音響センサを用いたＭＥＭＳマイクロフォンの断面図である。また、図２３は、カバーを外した状態のマイクロフォンの平面図である。
　このマイクロフォン８１は、回路基板８２とカバー８３からなるパッケージ内に音響センサ６５と信号処理回路８４（ＡＳＩＣ）を内蔵させたものである。音響センサ６５と信号処理回路８４は、回路基板８２の上面に実装されている。音響センサ６５の電極パッド５８、５９は、それぞれボンディングワイヤ９１によって信号処理回路８４のパッド８５ａ、８５ｂに接続されている。回路基板８２の下面にはマイクロフォン８１を外部と電気的接続するための端子８８が複数個設けられ、回路基板８２の上面には端子８８と導通した電極部８９ａ－８９ｃ；９０ａ、９０ｂが設けられている。回路基板８２に実装された８４の各パッド８６ａ－８６ｃ；８７ａ、８７ｂは、それぞれボンディングワイヤ９２によって電極部８９ａ－８９ｃ；９０ａ、９０ｂに接続されている。なお、信号処理回路８４のパッドは、音響センサ６５へ電源を供給する機能や、音響センサ６５の容量変化信号を外部へ出力する機能を有するものである。
　回路基板８２の上面には、音響センサ６５及び信号処理回路８４を覆うようにしてカバー８３が取り付けられている。カバー８３の上面には、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔９３が開口されている。また、パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃からマイクロフォン８１を保護している。
　したがって、音導入孔９３からパッケージ内に入った音響振動は、音響センサ６５によって検出され、信号処理回路８４によって所定の信号処理を施された後に出力される。ここで、音響センサ６５として本発明に係る音響センサを用いているので、Ｓ／Ｎ比の高いマイクロフォン８１となっている。
　なお、図２４は別な構造のマイクロフォン９４を示す。このマイクロフォン９４では、音導入孔９３はカバー８３でなく、シリコン基板４２の空洞部の下面に対向する位置において回路基板８２に開口されている。このマイクロフォン９４においては、回路基板８２の音導入孔９３から音響振動が導入されるので、シリコン基板４２の空洞部はフロントチャンバ９５となり、パッケージ内部の空間がバックチャンバ４５となる。よって、このような形態によれば、バックチャンバ４５の体積を大きくすることができ、マイクロフォン８１の感度をさらに向上させることができる。
　最後に述べれば、ダイアフラムにおける変位極大点の表れ方は、アンカー（支持部）の配置だけで決まるものではなく、ダイアフラムの材質や厚み、およびアンカー（支持部）の大きさなどのパラメータによっても決まるものである。
　４１、６１、６２、６５：　音響センサ、　　　４２：　シリコン基板
　４３：　ダイアフラム、　　　　　４３ａ、４３ｂ：　ダイアフラム領域
　４５：　バックチャンバ、　　　　４６、６３：　アンカー
　４８：　バックプレート、　　　　４９：　固定電極板
　６０ａ、６０ｂ：　音響センシング部
　６４：　スリット

Claims (16)

  1. 　空洞部を有する基板と、
    　前記空洞部を覆うようにして前記基板の上方に配設された薄膜状のダイアフラムと、
    　前記ダイアフラムに形成された可動電極板と、
    　前記ダイアフラムに対向させるようにして前記基板の上面に固定されたバックプレートと、
    　前記可動電極板と対向する位置において前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた音響センサであって、
    　前記ダイアフラムは、支持部によって前記基板又は前記バックプレートに支持されており、
    　前記ダイアフラムは、振動時の変位量が極大となる点を複数箇所に有し、
    　前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上に、前記支持部が存在していることを特徴とする音響センサ。
  2. 　前記ダイアフラムは、間隔をあけて前記基板又は前記バックプレートに設けられた複数個の前記支持部によって部分的に支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  3. 　前記ダイアフラムは外向きに延出された複数個の梁部を有し、前記梁部が前記支持部によって支持されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  4. 　前記ダイアフラムは、矩形状をしていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  5. 　前記ダイアフラムは、格子状に配置された複数個の前記支持部によって支持されていることを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
  6. 　前記矩形状をしたダイアフラムは、４箇所の隅部を前記支持部によって支持され、さらに２つの方向の辺のうち一方の方向の対向する２辺においてのみ隅部と隅部の中間部分を前記支持部によって支持されていることを特徴とする、請求項５に記載の音響センサ。
  7. 　前記ダイアフラムは、外周部を前記支持部によって支持され、さらに、前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線に沿って少なくとも３個の前記支持部によって支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  8. 　前記変位量が極大となる点のうち隣接する極大点どうしを結ぶ線分と交差する直線上に位置する前記支持部間の距離が、同じ方向における隅部の支持部どうしの距離よりも短いことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  9. 　前記ダイアフラムの外周部全周が、前記基板又は前記バックプレートに設けられた支持部によって支持されていることを特徴とする、請求項８に記載の音響センサ。
  10. 　前記ダイアフラムが、スリットによって分割されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  11. 　前記支持部のうちいずれか２つの支持部を結ぶ線上において、前記ダイアフラムにスリットが形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の音響センサ。
  12. 　前記スリットの幅が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の音響センサ。
  13. 　前記スリットの長さは、当該スリットの延長方向における前記ダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上であることを特徴とする、請求項１０に記載の音響センサ。
  14. 　隣接する前記支持部の間の少なくとも一箇所において、前記ダイアフラムと前記基板との間に空隙が形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  15. 　音響振動が前記空洞部を通って前記ダイアフラムに到達することを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  16. 　請求項１に記載した音響センサと、前記音響センサから出力された信号を処理するための回路とを備えたマイクロフォン。
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