WO2014041942A1 - 音響トランスデューサ - Google Patents

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WO2014041942A1
WO2014041942A1 PCT/JP2013/071829 JP2013071829W WO2014041942A1 WO 2014041942 A1 WO2014041942 A1 WO 2014041942A1 JP 2013071829 W JP2013071829 W JP 2013071829W WO 2014041942 A1 WO2014041942 A1 WO 2014041942A1
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WO
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diaphragm
gap
electrode film
edge
substrate
Prior art date
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PCT/JP2013/071829
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English (en)
French (fr)
Inventor
匡志 井上
隆 笠井
Original Assignee
オムロン株式会社
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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
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or 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 an acoustic transducer that converts acoustic vibration into an electrical signal or converts an electrical signal into acoustic vibration, and more particularly to an acoustic transducer such as an acoustic sensor or a speaker manufactured using MEMS technology.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a conventional acoustic sensor manufactured using MEMS technology.
  • a conductive diaphragm 14 (vibrating electrode film) is provided on the upper surface of the silicon substrate 13.
  • the silicon substrate 13 has a back chamber 12 penetrating vertically.
  • the upper surface of the back chamber 12 is covered with a diaphragm 14.
  • a dome-shaped protective film 15 is formed on the upper surface of the silicon substrate 13 so as to surround the diaphragm 14.
  • a fixed electrode film 16 is formed at a position of the protective film 15 facing the diaphragm 14.
  • the diaphragm 14 and the fixed electrode film 16 constitute a capacitor for converting acoustic vibration into an electric signal.
  • the protective film 15 and the fixed electrode film 16 are provided with a large number of acoustic holes 17 for allowing acoustic vibration (sound) to pass therethrough.
  • the diaphragm 14 is formed in parallel with the upper surface of the silicon substrate 13 in a region where the silicon substrate 13 and the diaphragm 14 face each other.
  • a gap between the silicon substrate 13 and the diaphragm 14 hereinafter, this gap is referred to as a vent hole 18.
  • the height of is constant.
  • the vent hole of the acoustic sensor functions as an acoustic resistance of acoustic vibration that enters through the acoustic hole and exits into the back chamber, and has an important function to ensure sensitivity in the low frequency range.
  • the vent hole since the air in the vent hole has a character as a viscous fluid, the vent hole also functions as a source of noise (thermal noise).
  • the noise in the vent hole is mainly due to mechanical resistance (this is called the film damping effect) due to the viscosity of air existing in the gap (bent hole) between the edge of the diaphragm and the upper surface of the silicon substrate. It is. That is, when the diaphragm is to be displaced in the direction (upward) in which the diaphragm is peeled from the substrate, a resistance force that prevents the diaphragm from moving upward is generated due to the viscosity of the air in the vent hole. On the other hand, when the diaphragm is to be displaced in the direction in which the diaphragm is pressed against the substrate (downward), a resistance force that prevents the diaphragm from moving downward is generated. The noise generated due to the mechanical resistance component at this time is the noise of the vent hole.
  • the vent hole 18 is separated from the upper surface of the silicon substrate 13 as shown by a solid line 14 in FIG. 2A.
  • the height H may be increased.
  • the overlap length (the width W of the vent hole 18) between the diaphragm 14 and the upper surface of the silicon substrate 13 is shortened by retracting the edge of the diaphragm 14 toward the center. May be.
  • FIG. 3 is a diagram showing the sensitivity of the acoustic sensor, in which the horizontal axis represents the frequency (frequency) of the acoustic vibration, and the vertical axis represents the sensitivity. If the curve indicated by a broken line in FIG.
  • a sensitivity-frequency characteristic (hereinafter referred to as a frequency characteristic) when the diaphragm 14 is at the position indicated by the broken line in FIG. 2A or FIG.
  • a frequency characteristic a sensitivity-frequency characteristic
  • the sensitivity of the acoustic sensor is lowered in the low sound range (low frequency sound region) as shown by the frequency characteristic indicated by the solid line in FIG.
  • the width W of the vent hole 18 is shortened as shown by the solid line in FIG. 2B
  • the sensitivity of the acoustic sensor is lowered in the low sound range as shown by the frequency characteristic shown by the solid line in FIG. That is, if the noise of the acoustic sensor is reduced, the sensitivity is lowered in the low sound range, and the flat region in the frequency characteristics is narrowed.
  • the diaphragm 14 is moved closer to the upper surface of the silicon substrate 13 and the vent hole 18 is moved.
  • the height H may be reduced and the acoustic resistance in the vent hole 18 may be increased.
  • the acoustic resistance may be increased by increasing the width W of the vent hole 18.
  • noise generated in the vent hole 18 is increased, and the S / N ratio of the acoustic sensor is deteriorated.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the S / N ratio (vertical axis) and the roll-off frequency in the acoustic sensor as shown in FIG.
  • the roll-off frequency fr is a frequency where the sensitivity has decreased by -3 dB compared to the sensitivity when the frequency is 1 kHz.
  • the lower the roll-off frequency fr the flatter the sensitivity is.
  • the frequency characteristics are improved by extending to the side.
  • FIG. 4 shows that when the roll-off frequency is decreased, the S / N ratio decreases, and when the S / N ratio is increased, the roll-off frequency increases and the sensitivity in the low sound range decreases.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing a part of another conventional acoustic sensor manufactured using the MEMS technology.
  • FIG. 5B is an enlarged perspective view showing a part of the diaphragm used in the acoustic sensor of FIG. 5A.
  • a plurality of stoppers 22 are provided on the lower surface of the diaphragm 14. The stopper 22 prevents the edge of the diaphragm 14 from sticking to the upper surface of the silicon substrate 13 and moving.
  • Patent Document 2 Such an acoustic sensor is disclosed in Patent Document 2, for example.
  • the distance between the stopper 22 and the upper surface of the silicon substrate 13 is smaller than the distance between the lower surface of the edge of the diaphragm 14 and the upper surface of the silicon substrate 13. It seems that the sensitivity of the acoustic sensor 21 in the low sound range can be increased.
  • the stopper 22 is for preventing the diaphragm 14 from sticking to the silicon substrate 13 and has a thin columnar shape and is provided only sparsely at intervals. Therefore, the stopper 22 has no effect of preventing acoustic vibration from passing through the vent hole 18, and the effect of increasing the acoustic resistance and improving the sensitivity of the acoustic sensor 21 is not recognized.
  • JP 2010-056745 A International Publication No. 2002/015636 Pamphlet (WO2002 / 015636) (Japanese Patent Publication No. 2004-506394)
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and an object of the present invention is to suppress the generation of noise in the vent hole and to make the frequency characteristics in the low frequency range flatter. It is an object to provide an acoustic transducer that can be used.
  • the acoustic transducer according to the present invention is A substrate having a cavity open at the top surface; It is disposed above the substrate so as to cover the cavity, and a gap is formed between the upper surface of the substrate around the cavity, and a part of the gap is more than the other part of the gap in the gap.
  • the linearly extending portion is not limited to a linear extension, and may be curved or bent. Moreover, it does not interfere with not only one direction but branching in two or more directions.
  • the gap in the gap where the upper surface of the substrate and the lower surface of the vibrating electrode film face each other, the gap is narrower than the remaining portion of the gap in the linearly extending portion. Therefore, the acoustic resistance can be increased at a portion where the interval is narrowed in the gap, and the decrease in sensitivity in the low sound range can be suppressed. Moreover, since the gap is wide in the remaining portion, noise can be reduced and the S / N ratio can be improved. Therefore, according to the acoustic transducer of the present invention, an acoustic transducer having a high S / N ratio and good frequency characteristics can be produced.
  • a portion where the gap formed between the upper surface of the substrate and the lower surface of the vibrating electrode film is narrow is in a direction perpendicular to the edge of the vibrating electrode film. It is desirable to extend in other directions. In particular, if the portion where the gap formed between the upper surface of the substrate and the lower surface of the vibrating electrode film is narrow extends in a direction parallel to the edge of the vibrating electrode film, the acoustic resistance is increased. This has a great effect on improving the frequency characteristics.
  • An embodiment of the acoustic transducer of the present invention is characterized in that the gap interval at the edge of the vibrating electrode film is narrower than the gap interval at the edge of the upper surface opening of the cavity. According to such an embodiment, the vibration electrode film can be easily processed because the portion of the vibration electrode film facing the substrate may be deformed.
  • Another embodiment of the acoustic transducer of the present invention is characterized in that a cross section of a portion of the vibrating electrode film facing the upper surface of the substrate is curved so that an edge of the vibrating electrode film approaches the upper surface of the substrate. And according to this embodiment, by controlling the internal stress of the vibrating electrode film, the portion of the vibrating electrode film facing the upper surface of the substrate can be easily deformed, and the manufacture of the acoustic transducer is facilitated.
  • the cross section of the portion of the vibrating electrode film facing the upper surface of the substrate may be bent so that the edge of the vibrating electrode film approaches the upper surface of the substrate. Further, the gap between the gap at the edge of the upper surface opening of the cavity and the gap between the gap at the edge of the vibrating electrode film is intermediate between the edge of the upper surface opening of the cavity and the edge of the vibrating electrode film. The gap between the positions may be narrower.
  • a stopper is projected on the lower surface of the portion of the vibrating electrode film facing the upper surface of the substrate, and the protruding length of the stopper is set to the base end of the stopper and the vibration. It is larger than the height difference from the lowest end of the electrode film. According to such an embodiment, it is possible to prevent the stopper from colliding with the substrate to prevent contact with the vibrating electrode film, and it is possible to prevent the vibrating electrode film from sticking to the substrate and not being separated.
  • a convex portion is provided on the upper surface of the substrate in a region facing the vibrating electrode film on the upper surface of the substrate, and the upper surface of the substrate and the lower surface of the vibrating electrode film are formed by the convex portion.
  • the gap between the gaps is narrowed. According to such an embodiment, it is only necessary to provide a convex portion on the upper surface of the substrate, so that the degree of freedom in design and manufacturing is increased.
  • 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 a part of a conventional acoustic sensor.
  • 2A is a cross-sectional view showing a state in which the position of the diaphragm is moved upward in the acoustic sensor shown in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing a state in which the edge of the diaphragm is retracted toward the center in the acoustic sensor shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship (frequency characteristics) between the sensitivity and frequency of the acoustic sensor.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the S / N ratio and the roll-off frequency in the acoustic sensor as shown in FIG. FIG.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing a part of another conventional acoustic sensor.
  • FIG. 5B is a perspective view in which a part of the diaphragm used in the acoustic sensor of FIG. 5A is broken.
  • FIG. 6 is a plan view of the acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line XX of FIG.
  • FIG. 8 is a plan view showing a diaphragm formed on the upper surface of the silicon substrate.
  • FIG. 9 is a perspective view with a part broken away showing the vicinity of the beam portion of the diaphragm formed on the upper surface of the silicon substrate.
  • 10 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the vent hole in FIG. FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating frequency characteristics of the acoustic sensor.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the S / N ratio and the roll-off frequency in the acoustic sensor.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the package internal volume and the frequency characteristics.
  • FIG. 14 is a view for explaining the definition of the package internal volume.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a comparative example.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing a part of an acoustic sensor according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a part of the diaphragm used in the modification shown in FIG. FIG.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a part of an acoustic sensor according to another modification of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a part of an acoustic sensor according to still another modified example of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view showing a part of the acoustic sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • 20B is an enlarged cross-sectional view of the edge of the diaphragm of the acoustic sensor shown in FIG. 20A.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a part of the diaphragm used in the acoustic sensor shown in FIG. 20A.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view showing a part of an acoustic sensor according to another modification of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a part of an acou
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing a part of an acoustic sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing another form of Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 24 is a plan view showing a diaphragm provided on the upper surface of the silicon substrate according to the fourth embodiment of the present invention.
  • an acoustic sensor will be described as an example.
  • the present invention is not limited to an acoustic sensor, and can also be applied to a speaker manufactured using MEMS technology.
  • the present invention is not limited to the following embodiments, and various design changes can be made without departing from the gist of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing the acoustic sensor 31 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line XX of FIG.
  • FIG. 8 is a plan view showing the shape of the diaphragm 33 formed on the upper surface of the silicon substrate 32.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a part of the diaphragm 33 formed on the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the acoustic sensor 31 is a capacitive sensor manufactured using MEMS technology.
  • a diaphragm 33 (vibrating electrode film) is formed on the upper surface of a silicon substrate 32 (substrate), and above the diaphragm 33 via a minute air gap (air gap).
  • a back plate 34 is provided.
  • a chamber 35 (cavity) penetrating from the front surface to the back surface is opened in the silicon substrate 32 made of single crystal silicon.
  • the chamber 35 is a back chamber or a front chamber depending on the usage of the acoustic sensor 31.
  • the wall surface of the chamber 35 may be a vertical surface, or may be inclined in a tapered shape.
  • the diaphragm 33 is formed of a conductive polysilicon thin film. As shown in FIG. 8, the diaphragm 33 is formed in a substantially rectangular shape, and a beam portion 36 extends horizontally from the corner toward the diagonal direction. The diaphragm 33 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 32 so as to cover the upper surface of the chamber 35, and the lower surface of the beam portion 36 is supported by an anchor 38 as shown in FIG. 9. Therefore, the diaphragm 33 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 32 in a state of being floated from the upper surface of the silicon substrate 32.
  • a vent hole 37 is formed between the lower surface of the diaphragm 33 and the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the vent hole 37 is a portion between the beam portion 36 and the beam portion 36 where the diaphragm 33 faces the upper surface of the silicon substrate 32 (around the chamber 35) (hereinafter, this portion is referred to as an edge portion of the diaphragm 33).
  • vent hole 37 below each edge of the diaphragm 33 is short in the width direction (direction perpendicular to the edge of the upper surface opening of the chamber 35) and longer in the length direction (direction parallel to the edge of the upper surface opening of the chamber 35). ing.
  • the edge of the diaphragm 33 that is, the edge located between the beam 36 and the beam 36 is the end of the edge (hereinafter referred to as the outermost edge of the diaphragm 33).
  • the edge of the diaphragm 33 is the end of the edge (hereinafter referred to as the outermost edge of the diaphragm 33).
  • FIG. 10 is an enlarged view of a portion where the vent hole 37 in FIG. 7 is formed. Since the deformed portion 42 of the diaphragm 33 is curved so as to bulge on the upper surface side, the gap between the silicon substrate 32 and the diaphragm 33 is narrower than the other portions, ie, a portion extending linearly, that is, the deformed portion 42.
  • the height of the gap 37b in the outer peripheral portion of the vent hole 37 located below is the height of the vent hole 37 located below the other portion of the vent hole 37, that is, the flat portion other than the deformed portion 42 of the diaphragm 33. It is smaller than the height of the gap 37a in the inner peripheral portion.
  • the height of the vent hole 37 that is, the distance between the lower surface of the diaphragm 33 and the upper surface of the silicon substrate 32 is higher than the height h 2 of the vent hole 37 at the edge of the upper surface opening of the chamber 35.
  • the height h1 of the vent hole 37 is smaller.
  • a region where the height of the vent hole 37 is large, such as the gap 37a in the inner peripheral portion located below the substantially flat region of the diaphragm 33 is the height of the vent hole 37, such as the gap 37b in the curved outer peripheral portion. It is desirable that the area is sufficiently wider than a region having a small area.
  • the stress gradient in the thickness direction of the diaphragm 33 may be controlled. That is, in the conventional manufacturing process of the acoustic sensor, a sacrificial layer (not shown) is formed on the upper surface of the silicon substrate 32, and a diaphragm 33 is formed on the upper surface of the polysilicon 33. Ions such as phosphorus) and B (boron) are implanted and annealing is performed. When the acoustic sensor 31 is manufactured in such a manufacturing process, an internal stress gradient can be generated in the thickness direction of the diaphragm 33 by, for example, an ion implantation and annealing process.
  • a stress gradient of 10 MPa / ⁇ m or more is generated in the thickness direction of the diaphragm 33 such that the lower surface has a stronger tensile stress than the upper surface of the diaphragm 33. This is because if the stress gradient is smaller than this, the edge of the diaphragm 33 cannot be sufficiently curved.
  • edge part of the diaphragm 33 does not need to extend smoothly along the length direction of the vent hole 37, as shown in FIG.8 and FIG.9.
  • the edge of the diaphragm 33 may be wavy regularly or irregularly along the length direction of the vent hole 37, or may be bent.
  • the back plate 34 is provided with a fixed electrode film 40 made of polysilicon on the lower surface of a protective film 39 made of SiN.
  • the protective film 39 is formed in a substantially rectangular dome shape.
  • the lower surface of the protective film 39 has a hollow portion, and the diaphragm 33 is covered with the hollow portion.
  • the fixed electrode film 40 is provided so as to face the diaphragm 33.
  • a minute air gap is formed between the lower surface of the back plate 34 (that is, the lower surface of the fixed electrode film 40) and the upper surface of the diaphragm 33.
  • the fixed electrode film 40 and the diaphragm 33 are opposed to each other, and constitute a capacitor for detecting acoustic vibration and converting it into an electric signal.
  • the back plate 34 has a large number of acoustic holes 41 (acoustic holes) that allow acoustic vibrations to pass therethrough so as to penetrate from the upper surface to the lower surface.
  • acoustic holes 41 are regularly arranged.
  • the acoustic holes 41 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 43 protrudes from the lower surface of the back plate 34.
  • the stopper 43 is provided to prevent the diaphragm 33 from sticking (adhering) to the back plate 34.
  • the stopper 43 protrudes integrally from the lower surface of the protective film 39, passes through the fixed electrode film 40, and lowers the lower surface of the back plate 34. Protruding.
  • the stopper 43 is made of SiN like the protective film 39, and thus has an insulating property.
  • an electrode pad 44 that is electrically connected to the diaphragm 33 and an electrode pad 45 that is electrically connected to the fixed electrode film 40 are provided on the upper surface of the acoustic sensor 31.
  • the diaphragm 33 which is a thin film vibrates due to the acoustic vibration.
  • the electrostatic capacitance between the diaphragm 33 and the fixed electrode film 40 changes.
  • the acoustic vibration (change in sound pressure) sensed by the diaphragm 33 becomes a change in capacitance between the diaphragm 33 and the fixed electrode film 40, and is output as an electrical signal.
  • the height of the vent hole 37 is a part of the vent hole 37, that is, in this embodiment, a part on the outer peripheral side of the vent hole 37 (hereinafter, a gap in the outer peripheral part). 37b.) And smaller in the remaining portion of the vent hole 37 located on the inner peripheral side than the outer peripheral gap 37b (hereinafter, referred to as the inner peripheral gap 37a). ing. Therefore, the acoustic resistance is large in a part of the vent hole 37 and the acoustic resistance is small in the area where the vent hole 37 remains.
  • the overall acoustic resistance of the vent hole 37 is equivalent to an acoustic resistance having a large resistance value in a partial region and an acoustic resistance having a small resistance value in the remaining region connected in series.
  • the acoustic resistance is determined by the acoustic resistance having a large resistance value.
  • the overall acoustic resistance can be increased by reducing the height of the vent hole 37 in the gap 37b in the outer peripheral portion, and the frequency characteristics in the low sound range of the acoustic sensor 31 are flatter. Can be.
  • the acoustic sensor 31 of the first embodiment when the position of the entire diaphragm 33 is moved upward, the height of the vent hole 37 is increased in the gap 37a in the inner peripheral portion, so that the film damping effect is suppressed.
  • the noise of the acoustic sensor 31 can be reduced and the S / N ratio can be improved.
  • the overall acoustic resistance of the vent hole 37 is increased, and a sufficient sound pressure difference can be generated between the front and back of the diaphragm 33. Therefore, as shown by a broken line in FIG. 11, the sensitivity in the low sound range is improved, and the frequency characteristic can be flattened even in the low sound range. Therefore, according to the first embodiment, the acoustic sensor 31 with low noise and good frequency characteristics can be produced.
  • a solid curve a shown in FIG. 12 is a relationship between the S / N ratio and the roll-off frequency in a general acoustic sensor having a flat diaphragm, and is the same as the curve shown in FIG. If the vertical position of this diaphragm is not changed and only its edge is curved downward, the distance between the diaphragm edge and the upper surface of the silicon substrate is reduced, so that the acoustic resistance in the vent hole is increased. . As a result, the relationship between the S / N ratio and the roll-off frequency is as shown by a thin broken line curve b shown in FIG.
  • the curve b at this time is close to that obtained by horizontally translating the low-frequency portion of the solid curve a to the low frequency side, and the roll-off frequency is reduced by ⁇ . Further, when the diaphragm whose end edge is curved downward is moved upward, noise is reduced and the S / N ratio is improved. In other words, the relationship between the S / N ratio and the roll-off frequency is such that the curve b is translated upward, as indicated by a thick broken curve c shown in FIG. Even if the roll-off frequency is somewhat increased by moving the diaphragm upward, the reduction in the roll-off frequency by bending the edge of the diaphragm is better.
  • the S / N ratio is increased and the frequency characteristics in the low frequency range are compared with the case of using the original flat diaphragm. Can be made equal to or more flat than the original frequency characteristics.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the package internal volume and the frequency characteristics.
  • the volume in the package refers to the volume of the space in the package that is not occupied by the acoustic sensor or the signal processing circuit when the acoustic sensor is housed in the package together with the signal processing circuit or the like.
  • the acoustic sensor 31 and the signal processing circuit 47 are housed in the package 46 and mounted on the bottom surface in the package 46.
  • the acoustic sensor 31 has a chamber 35 communicating with the sound introduction hole 48 of the package 46, and the chamber 35 is a front chamber.
  • a region outside the acoustic sensor 31 and the signal processing circuit 47 in the space in the package 46 is a back chamber 49, and this dot-like pattern is drawn.
  • the volume of the area is the volume inside the package. The larger the package, the larger the inner volume of the package. Even if the size of the package is the same, the larger the acoustic sensor and signal processing circuit, the smaller the inner capacity of the package.
  • FIG. 13 shows frequency characteristics when the package internal capacity is 0.6 mm 3 , 2.5 mm 3 , and 5 mm 3 .
  • the sensitivity in the low sound range is significantly reduced as the package volume decreases. Accordingly, it is important to suppress the deterioration of the frequency characteristics without increasing the noise as the acoustic sensor becomes more compact, and thus the necessity of the present invention increases.
  • FIG. 15 shows a cross-sectional view of a comparative example.
  • the entire diaphragm 33 is brought close to the upper surface of the silicon substrate 32, the edge of the diaphragm 33 is curved so as to swell toward the lower surface side, and the edge of the diaphragm 33 is separated from the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the diaphragm 33 is brought close to the upper surface of the silicon substrate 32 in order to increase the acoustic resistance
  • the height of the vent hole 37 is reduced in most regions of the vent hole 37, and noise is increased. To do. Therefore, in the case of the comparative example, it is difficult to achieve both low noise and good frequency characteristics. Therefore, when the deformed portion 42 is formed by bending, it is important to curve the edge of the diaphragm 33 toward the upper surface side of the silicon substrate 32.
  • the tip portion of the edge portion is bent substantially at a right angle along the edge portion of the diaphragm 33 toward the upper surface of the substrate.
  • the distance between the tip of the deformed portion 42 and the upper surface of the substrate is shortened by the deformed portion 42 bent at a substantially right angle. That is, the gap 37c between the lower surface of the deformed portion 42 and the upper surface of the silicon substrate 32 is a portion of the gap between the silicon substrate 32 and the diaphragm 33 that is narrower than the other portions and extends linearly. Yes.
  • a gap 37d under a flat region other than the deformed portion 42 of the diaphragm 33 is the other portion having a relatively wide gap.
  • the height of the vent hole 37 can be increased in the majority of the vent hole 37, and the height of the vent hole 37 can be decreased only in the narrow portion of the deformed portion 42, thus reducing noise.
  • the effect of reducing the decrease in sensitivity in the low sound range becomes significant.
  • the edge of the diaphragm 33 is bent stepwise to form the deformed portion 42.
  • the gap 37c between the lower surface of the deformed portion 42 and the upper surface of the silicon substrate 32 is a part of the gap between the silicon substrate 32 and the diaphragm 33 that is narrower than the other portions and extends linearly. It has become.
  • a gap 37d under a flat region other than the deformed portion 42 of the diaphragm 33 is the other portion having a relatively wide gap.
  • the acoustic resistance can be increased as compared with the modified examples of FIGS.
  • FIG. 19 shows the deformed portion 42 formed by bending the vicinity of the edge of the diaphragm 33 into a bag shape.
  • the gap 37c between the lower surface of the deformed portion 42 and the upper surface of the silicon substrate 32 is a part of the gap between the silicon substrate 32 and the diaphragm 33 that is narrower than the other portions and extends linearly. It has become.
  • a gap 37d under a flat region other than the deformed portion 42 of the diaphragm 33 is the other portion having a relatively wide gap.
  • the height of the vent hole 37 at the edge of the upper surface opening of the chamber 35 and the height of the vent hole 37 at the edge of the diaphragm 33 are large, and the intermediate between the edge of the upper surface opening of the chamber 35 and the edge of the diaphragm 33 is large. In the portion, the height of the vent hole 37 is small.
  • the deformed portion 42 does not necessarily extend parallel to the edge of the diaphragm 33, and may extend in a direction inclined with respect to the edge of the diaphragm 33. However, since the acoustic resistance cannot be increased if the deformed portion 42 extends in a direction orthogonal to the edge of the diaphragm 33, it is desirable that the deformed portion 42 extends in a direction not orthogonal to the edge of the diaphragm 33.
  • the deformed portion 42 does not need to extend linearly, may extend so as to be curved, or may extend while being bent, and the extending direction may be branched.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view showing a part of the acoustic sensor 51 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 20B is an enlarged cross-sectional view of the vent hole 37 portion.
  • FIG. 21 is an enlarged perspective view showing a corner portion of the diaphragm 33 formed on the upper surface of the silicon substrate 32.
  • columnar stoppers 52 for preventing the diaphragm 33 from sticking to the upper surface of the silicon substrate 32 and sticking to the lower surface of the edge of the diaphragm 33 are projected at appropriate intervals. Since the other configuration of the acoustic sensor 51 is substantially the same as that of the acoustic sensor 31 of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment and description thereof is omitted.
  • the stopper 52 that is close to the edge of the diaphragm 33 has a protrusion length h4 of the stopper 52 that is the base end of the stopper 52 and the lowermost end (edge) of the diaphragm 33. It is larger than the height difference h3.
  • FIG. 22 is a sectional view showing a part of the acoustic sensor 61 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the acoustic sensor 61 uses a diaphragm 33 having a flat edge as a whole.
  • a convex portion 62 is formed on the upper surface of the silicon substrate 32 at a position facing the edge of the diaphragm 33.
  • the convex portion 62 extends along the length direction of the vent hole 37 or along a direction parallel to the edge of the diaphragm 33. In this embodiment, the height of the vent hole 37 is smaller than the others at the position where the convex portion 62 is provided.
  • the gap 37e between the upper surface of the convex part 62 and the lower surface of the diaphragm 33 is a part of the gap between the silicon substrate 32 and the diaphragm 33 that is narrower than the other part and extends linearly.
  • a gap 37f between the diaphragm 33 and a region other than the region where the protrusions 62 are formed on the upper surface of the silicon substrate 32 is the other part having a relatively wide gap. Therefore, the acoustic resistance is increased at the convex portion 62 to prevent the sensitivity from being lowered in the low sound range, and at the same time, the height of the vent hole 37 is increased at a location where the convex portion 62 is not provided, thereby reducing noise.
  • the convex portion 62 may be provided at the end on the side in contact with the upper surface opening of the chamber 35 as in the acoustic sensor 63 shown in FIG.
  • the convex portion 62 may be provided between the end on the edge side of the diaphragm 33 and the end on the side in contact with the upper surface opening of the chamber 35.
  • FIG. 24 shows a diaphragm 33 provided on the upper surface of the silicon substrate 32 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a deformed portion 42 having a cross-sectional shape as shown in FIG. 19 extends in a direction inclined with respect to the edge of the diaphragm 33.
  • the present invention can also be applied to MEMS speakers. Although the signal conversion directions of the speaker and the acoustic sensor (microphone) are opposite to each other, the basic configuration of the speaker and the acoustic sensor is almost the same, and thus the description of the speaker is omitted.

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Abstract

　シリコン基板３２には、上下に貫通したチャンバ３５が開口される。シリコン基板３２の上面には、チャンバ３５を覆うようにしてダイアフラム３３が配設される。空隙を隔ててダイアフラム３３の上方には固定電極膜４０が配設され、固定電極膜４０は保護膜３９によって保持される。また、シリコン基板３２の上面におけるチャンバ３５の周囲領域とダイアフラム３３の縁部下面との間にはベントホール３７（隙間）が形成される。基板上面におけるチャンバ３５の周囲領域とダイアフラム３３の縁部下面とが向かい合った領域のうち、ある方向に延びた一部領域において、基板上面におけるチャンバ３５の周囲領域とダイアフラム３３の縁部下面との間に形成されたベントホール３７の高さを狭くする。

Description

音響トランスデューサ
　本発明は、音響振動を電気信号に変換し、あるいは電気信号を音響振動に変換する音響トランスデューサに関し、特にＭＥＭＳ技術を用いて製造される音響センサやスピーカ等の音響トランスデューサに関する。
　図１は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される従来の音響センサの一部分を示す断面図である。この音響センサ１１では、シリコン基板１３の上面に、導電性を有するダイアフラム１４（振動電極膜）が設けられている。シリコン基板１３は、上下に貫通したバックチャンバ１２を有している。このバックチャンバ１２の上面は、ダイアフラム１４によって覆われている。さらに、シリコン基板１３の上面には、ダイアフラム１４を囲むようにしてドーム状の保護膜１５が形成されている。保護膜１５の、ダイアフラム１４と向かい合う位置には、固定電極膜１６が形成されている。ダイアフラム１４と固定電極膜１６により、音響振動を電気信号に変換するためのキャパシタが構成されている。保護膜１５及び固定電極膜１６には、音響振動（音）を通過させるためのアコースティックホール１７が多数開口されている。
　図１に示す音響センサ１１では、ダイアフラム１４は、シリコン基板１３とダイアフラム１４が向かい合う領域において、シリコン基板１３の上面と平行に形成されている。特に、シリコン基板１３の上面と平行で、バックチャンバ１２の上面開口の縁と直交する方向においては、シリコン基板１３とダイアフラム１４の間の隙間（以下においては、この隙間をベントホール１８という。）の高さは一定となっている。このような音響センサは、たとえば特許文献１に開示されている。
　音響センサのベントホールは、アコースティックホールから入ってバックチャンバへ抜ける音響振動の音響抵抗として機能し、低音域での感度を確保するために重要な働きを有する。一方、ベントホール内の空気は、粘性流体としての性格を有しているため、ベントホールはノイズ（熱雑音）の発生源としても働く。
　ベントホールのノイズは、主に、ダイアフラムの縁部とシリコン基板の上面との間の隙間（ベントホール）に存在する空気の粘性に起因する機械抵抗（これはフィルムダンピング効果と呼ばれる。）によるものである。すなわち、ダイアフラムが基板から引き剥がされる方向（上方向）へ変位しようとする場合には、ベントホール内の空気の粘性のためにダイアフラムの上方への動きを妨げる抵抗力が生じる。反対に、ダイアフラムが基板に押し付ける方向（下方向）へ変位しようとする場合には、ダイアフラムの下方への動きを妨げる抵抗力が生じる。このときの機械抵抗成分が原因となって生じるノイズがベントホールのノイズである。
　図１のような音響センサ１１において、ベントホール１８におけるノイズの発生を抑制しようとすれば、図２Ａに実線で示すダイアフラム１４のように、ダイアフラム１４をシリコン基板１３の上面から離してベントホール１８の高さＨを大きくすればよい。あるいは、図２Ｂに実線で示すダイアフラム１４のように、ダイアフラム１４の縁を中心方向へ引っ込めて、ダイアフラム１４とシリコン基板１３の上面とのオーバーラップ長さ（ベントホール１８の幅Ｗ）を短くしてもよい。
　しかし、ベントホール１８の高さＨを大きくした場合でもベントホール１８の幅Ｗを短くした場合でも、ベントホール１８の音響抵抗が小さくなる。そのため、ベントホール１８を通って音響振動がバックチャンバ１２へ漏れやすくなり、音響センサ１１の感度が低音域において低下する。図３は音響センサの感度を示す図であって、横軸は音響振動の周波数（振動数）を示し、縦軸は感度を表わす。図３において破線で示す曲線は、ダイアフラム１４が図２Ａ又は図２Ｂにおいて破線で示す位置にあるときの感度－周波数特性（以下、周波数特性という。）であるとすると、図２Ａに実線で示すようにベントホール１８の高さＨを大きくすると、図３に実線で示す周波数特性のように音響センサの感度が低音域（低周波数音域）で低下する。図２Ｂに実線で示すようにベントホール１８の幅Ｗを短くした場合も、図３に実線で示す周波数特性のように音響センサの感度が低音域で低下する。つまり、音響センサのノイズを低減しようとすると、低音域で感度が低下してしまい、周波数特性においてフラットな領域が狭くなる。
　これとは反対に、音響センサの周波数特性を良好にするためには（すなわち、周波数特性において、フラットな領域を広くするためには）、ダイアフラム１４をシリコン基板１３の上面に近づけてベントホール１８の高さＨを小さくし、ベントホール１８における音響抵抗を大きくすればよい。あるいは、ベントホール１８の幅Ｗを長くして音響抵抗を大きくしてもよい。しかし、この場合には、ベントホール１８において発生するノイズが増加し、音響センサのＳ／Ｎ比が悪くなる。
　このように、従来の音響センサでは、ノイズを低減して高Ｓ／Ｎ比を得ることと、低音域でもほぼフラットな周波数特性を得ることとはトレードオフの関係にあり、両立させることは困難であった。図４は、図１のような音響センサにおけるＳ／Ｎ比（縦軸）とロールオフ周波数との関係を表した図である。一般的に、ロールオフ周波数ｆrとは、周波数が１ｋＨｚのときの感度に比べて－３dＢだけ感度が落ちた箇所の周波数であって、ロールオフ周波数ｆrが小さいほど感度のフラットな領域が低音域側へ伸びて周波数特性が良好になる。図４は、ロールオフ周波数を小さくするとＳ／Ｎ比が低下し、Ｓ／Ｎ比を大きくするとロールオフ周波数が大きくなって、低音域における感度が低下することを示している。
　つぎに、図５Ａは、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される従来の別な音響センサの一部分を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａの音響センサに用いられるダイアフラムの一部を示す拡大斜視図である。この音響センサ２１では、ダイアフラム１４の下面に複数個のストッパ２２が設けられている。このストッパ２２は、ダイアフラム１４の縁部がシリコン基板１３の上面にくっついて動かなくなることを防ぐものである。このような音響センサは、たとえば特許文献２に開示されている。
　この音響センサ２１によれば、ストッパ２２とシリコン基板１３の上面との距離が、ダイアフラム１４の縁部下面とシリコン基板１３の上面との距離よりも小さくなっているので、ストッパ２２によって音響抵抗を高くでき、低音域における音響センサ２１の感度を高められるように思える。しかし、このストッパ２２はダイアフラム１４がシリコン基板１３にくっつくのを防ぐためのものであって、細い柱状の形態となっていて、間隔をあけてまばらにしか設けられていない。そのため、ストッパ２２には、音響振動がベントホール１８を通り抜けるのを妨げる効果はなく、音響抵抗を大きくして音響センサ２１の感度を向上させる効果は認められない。
特開２０１０－０５６７４５号公報 国際公開第２００２／０１５６３６号パンフレット（WO2002/015636）（特表２００４－５０６３９４号公報）
　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、ベントホールにおけるノイズの発生を抑制し、かつ、低音域における周波数特性をより平坦にすることができる音響トランスデューサを提供することにある。
　本発明に係る音響トランスデューサは、
　上面で開口した空洞を有する基板と、
　前記空洞を覆うようにして前記基板の上方に配設され、前記空洞の周囲において前記基板の上面との間に隙間が形成され、前記隙間において前記隙間のうち一部分が前記隙間の他の部分よりも狭くなっており、狭くなっている前記隙間の一部分が線状に延びるように形成された振動電極膜と、
　空隙を隔てて前記振動電極膜の上方に配設された固定電極膜と、
を備えたことを特徴とする。
　ここで、線状に延びた部分は、直線状に延びている場合に限らず、湾曲又は屈曲していてもよい。また、１方向に限らず、２方向以上に分岐して延びていても差し支えない。
　本発明の音響トランスデューサにあっては、基板上面と振動電極膜下面が向かい合った隙間において、その線状に延びた部分で、前記隙間の間隔が、前記隙間のうちの残りの部分よりも狭くなっているので、前記隙間のうち間隔が狭くなった部分で音響抵抗を大きくすることができ、低音域における感度の低下を抑制できる。また、残りの部分では前記隙間の間隔が広くなっているので、ノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。よって、本発明の音響トランスデューサによれば、Ｓ／Ｎ比が高くて、かつ、周波数特性の良好な音響トランスデューサを作製することができる。
　前記音響トランスデューサにおいて、音響抵抗を大きくするためには、前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔が狭くなった部分は、前記振動電極膜の端縁と直交する方向以外の方向へ延びていることが望ましい。特に、前記基板上面と前記振動電極膜下面との間に形成された隙間の間隔が狭くなった部分が、前記振動電極膜の端縁と平行な方向へ延びていれば、音響抵抗を大きくして周波数特性を良好にするのに大きな効果がある。
　本発明の音響トランスデューサにおけるある実施態様は、前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔よりも、前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする。かかる実施態様によれば、振動電極膜の前記基板と向かい合う部分を変形させればよいので、振動電極膜の加工が容易になる。
　本発明の音響トランスデューサにおける別な実施態様は、前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が湾曲していることを特徴とする。かかる実施態様によれば振動電極膜の内部応力を制御することにより容易に振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分を変形させることでき、音響トランスデューサの製造が容易になる。
　また、前記振動電極膜は、その端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が屈曲していてもよい。さらには、前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔および前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔よりも、前記空洞の上面開口の縁と前記振動電極膜の端縁との中間の位置における前記隙間の間隔の方が狭くなっていてもよい。
　本発明に係る音響トランスデューサのさらに別な実施態様では、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の下面にストッパを突設し、前記ストッパの突出長さを、前記ストッパの基端と前記振動電極膜の最下端との高低差よりも大きくしている。かかる実施態様によれば、ストッパが基板に衝突することで振動電極膜に接触するのを防ぐことができ、振動電極膜が基板にくっついて離れなくなるのを防ぐことができる。
　本発明に係る音響トランスデューサのさらに別な実施態様では、前記基板上面の前記振動電極膜と向かい合う領域において、前記基板の上面に凸部を設け、前記凸部によって前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔を狭めたことを特徴とする。かかる実施態様によれば、基板の上面に凸部を設けるだけでよいので、設計及び製造上の自由度が高くなる。
　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、従来の音響センサの一部分を示す断面図である。 図２Ａは、図１に示す音響センサにおいて、ダイアフラムの位置を上方へ移動させた状態を示す断面図である。図２Ｂは、図１に示す音響センサにおいて、ダイアフラムの端縁を中心方向へ引っ込めた状態を示す断面図である。 図３は、音響センサの感度と周波数との関係（周波数特性）を示す図である。 図４は、図１のような音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数との関係を表した図である。 図５Ａは、別な従来の音響センサの一部を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａの音響センサに用いられているダイアフラムの一部を破断した斜視図である。 図６は、本発明の実施形態１による音響センサの平面図である。 図７は、図６のＸ－Ｘ線断面図である。 図８は、シリコン基板の上面に形成されたダイアフラムを示す平面図である。 図９は、シリコン基板の上面に形成されたダイアフラムの梁部近傍を示す一部を破断した斜視図である。 図１０は、図７におけるベントホールの近傍を拡大して示す断面図である。 図１１は、音響センサの周波数特性を示す図である。 図１２は、音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数との関係を表した図である。 図１３は、パッケージ内容積と周波数特性との関係を表した図である。 図１４は、パッケージ内容積の定義を説明するための図である。 図１５は、比較例の断面図である。 図１６は、本発明の実施形態１の変形例による音響センサの一部を示す断面図である。 図１７は、図１６に示す変形例に用いられているダイアフラムの一部を示す斜視図である。 図１８は、本発明の実施形態１の別な変形例による音響センサの一部を示す断面図である。 図１９は、本発明の実施形態１のさらに別な変形例による音響センサの一部を示す断面図である。 図２０Ａは、本発明の実施形態２による音響センサの一部を示す断面図である。図２０Ｂは、図２０Ａに示す音響センサのダイアフラムの縁部を拡大した断面図である。 図２１は、図２０Ａに示す音響センサに用いられているダイアフラムの一部を示す斜視図である。 図２２は、本発明の実施形態３による音響センサの一部を示す断面図である。 図２３は、本発明の実施形態３の別な形態を示す断面図である。 図２４は、本発明の実施形態４であって、シリコン基板の上面に設けられたダイアフラムを示す平面図である。
　３１、５１、６１、６３　　　音響センサ
　３２　　　シリコン基板
　３３　　　ダイアフラム
　３５　　　チャンバ
　３７　　　ベントホール
　３７ａ　　　内周部分の隙間（隙間の他の部分）
　３７ｂ　　　外周部分の隙間（隙間の一部分）
　３７ｃ、３７ｅ　　　隙間（隙間の一部分）
　３７ｄ、３７ｆ　　　隙間（隙間の他の部分）
　４０　　　固定電極膜
　４２　　　変形部分
　５２　　　ストッパ
　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。以下においては、音響センサを例にとって説明するが、本発明は音響センサに限るものでなく、ＭＥＭＳ技術を利用して製造されるスピーカなどにも適用することができる。また、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。
（実施形態１）
　図６及び図７を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１の構造を説明する。図６は本発明の実施形態１の音響センサ３１を示す平面図である。図７は、図６のＸ－Ｘ線断面図である。図８は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３の形状を表した平面図である。図９は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３の一部を示す斜視図である。
　この音響センサ３１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型センサである。音響センサ３１においては、図７に示すように、シリコン基板３２（基板）の上面にダイアフラム３３（振動電極膜）が形成されており、微小なエアギャップ（空隙）を介してダイアフラム３３の上方にバックプレート３４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３２には、表面から裏面に貫通したチャンバ３５（空洞）が開口されている。このチャンバ３５は、音響センサ３１の使用形態によって、バックチャンバとなり、あるいはフロントチャンバとなるものである。チャンバ３５は壁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３３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る。ダイアフラム３３は、図８に示すように、略矩形状に形成されていて、そのコーナーからはそれぞれ対角方向へ向けて水平に梁部３６が延出している。ダイアフラム３３は、チャンバ３５の上面を覆うようにしてシリコン基板３２の上面に配置され、図９に示すように梁部３６の下面がアンカー３８により支持されている。よって、ダイアフラム３３は、シリコン基板３２の上面から浮かせた状態でシリコン基板３２の上面に配置されている。
　チャンバ３５の周囲においてダイアフラム３３の下面とシリコン基板３２の上面との間には、音響振動又は空気を通過させるための高さ方向に狭い隙間、すなわちベントホール３７が形成されている。ベントホール３７は、梁部３６と梁部３６の間において、ダイアフラム３３がシリコン基板３２の上面（チャンバ３５の周囲）と向かい合っている部分（以下、この部分をダイアフラム３３の縁部という。）に沿って形成されている。ダイアフラム３３の各縁部の下のベントホール３７は幅方向（チャンバ３５の上面開口の縁と直交する方向）に短く、長さ方向（チャンバ３５の上面開口の縁と平行な方向）に長くなっている。
　図７及び図９に示すように、ダイアフラム３３の縁部、すなわち梁部３６と梁部３６の間に位置する縁部は、その縁部の端（以下、ダイアフラム３３の縁部のうち最も外側の端を、ダイアフラム３３の端縁という。）がシリコン基板３２の上面に向かって近づくように円弧状に湾曲しており、この湾曲部分が変形部分４２となっている。よって、各辺のベントホール３７のほぼ全長にわたって変形部分４２が形成されている。
　図１０は、図７におけるベントホール３７が形成された部分を拡大した図である。ダイアフラム３３の変形部分４２が上面側で膨らむように湾曲しているので、前記シリコン基板３２とダイアフラム３３との間の隙間が他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分、すなわち変形部分４２の下に位置するベントホール３７の外周部分の隙間３７ｂの高さは、ベントホール３７の前記他の部分、すなわちダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな部分の下に位置するベントホール３７の内周部分の隙間３７ａの高さよりも小さくなっている。特に、ベントホール３７の高さ、すなわちダイアフラム３３の下面とシリコン基板３２の上面との間の間隔は、チャンバ３５の上面開口の縁におけるベントホール３７の高さｈ２よりも、ダイアフラム３３の端縁におけるベントホール３７の高さｈ１の方が小さくなっている。なお、ダイアフラム３３のほぼフラットな領域の下に位置する内周部分の隙間３７ａのようにベントホール３７の高さが大きな領域は、湾曲した外周部分の隙間３７ｂのようにベントホール３７の高さが小さい領域よりも十分に広く面積を有していることが望ましい。
　ダイアフラム３３の縁部を上記のように湾曲させるためには、ダイアフラム３３の厚み方向における応力勾配を制御すればよい。すなわち、音響センサの従来の製造工程において、シリコン基板３２の上面に犠牲層（図示せず）を成膜し、その上にポリシリコンによってダイアフラム３３を成膜した後、ダイアフラム３３の全面にＰ（燐）やＢ（ホウ素）などのイオンを注入し、アニールを行う。このような製造工程で音響センサ３１を作製すると、たとえばイオン注入及びアニール工程によってダイアフラム３３の厚み方向に内部応力の勾配を発生させることができる。このとき、ダイアフラム３３の上面側よりも下面側の方が、より強い引張応力が発生すると、ダイアフラム３３の縁部が上面側で膨らむように湾曲して変形部分４２となる。変形部分４２以外の領域でもダイアフラム３３を湾曲させるように内部応力が発生するが、ダイアフラム３３の四隅はアンカー３８に固定されているので、ダイアフラム３３の変形部分４２以外の領域はピンと張られていてほぼ平らに保たれる。
　ダイアフラム３３の内部においては、ダイアフラム３３の上面よりも下面の方がより強い引張応力を持つようにして、ダイアフラム３３の厚み方向で１０ＭＰａ／μｍ以上の応力勾配を生じさせることが望ましい。応力勾配がこれよりも小さいと、ダイアフラム３３の縁部を十分に湾曲させることができないからである。
　なお、ダイアフラム３３の縁部は、図８や図９に示すようにベントホール３７の長さ方向に沿って滑らかに延びていなくてもよい。ダイアフラム３３の縁部が、ベントホール３７の長さ方向に沿って規則的に、あるいは不規則に波打っていてもよく、また撓んでいても差し支えない。
　バックプレート３４は、ＳｉＮからなる保護膜３９の下面にポリシリコンからなる固定電極膜４０を設けたものである。図６及び図７に示すように、保護膜３９は、略矩形ドーム状に形成されている。保護膜３９の下面には空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム３３を覆っている。固定電極膜４０は、ダイアフラム３３と対向するように設けられている。
　バックプレート３４の下面（すなわち、固定電極膜４０の下面）とダイアフラム３３の上面との間には微小なエアギャップ（空隙）が形成されている。固定電極膜４０とダイアフラム３３は互いに対向しており、音響振動を検知して電気信号に変換するためのキャパシタを構成している。
　バックプレート３４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４１（音響孔）が多数穿孔されている。図６に示すように、アコースティックホール４１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４１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７に示すように、バックプレート３４の下面には、円柱状をした微小なストッパ４３が突出している。ストッパ４３は、ダイアフラム３３がバックプレート３４にスティック（固着）するのを防ぐために設けられており、保護膜３９の下面から一体に突出しており、固定電極膜４０を通過してバックプレート３４の下面に突出している。ストッパ４３は保護膜３９と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。
　また、図６に示すように、音響センサ３１の上面には、ダイアフラム３３と電気的に導通した電極パッド４４と、固定電極膜４０と電気的に導通した電極パッド４５が設けられている。
　上記のように構成された音響センサ３１においては、音響振動がアコースティックホール４１を通過してバックプレート３４とダイアフラム３３との間のエアギャップに入ると、薄膜であるダイアフラム３３が音響振動によって振動する。ダイアフラム３３が振動してダイアフラム３３と固定電極膜４０との間のギャップ距離が変化すると、ダイアフラム３３と固定電極膜４０との間の静電容量が変化する。この結果、この音響センサ３１においては、ダイアフラム３３が感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム３３と固定電極膜４０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。
　この音響センサ３１においては、図１０に示すように、ベントホール３７の高さが、ベントホール３７の一部分、すなわちこの実施形態ではベントホール３７のうち外周側の部分（以下においては外周部分の隙間３７ｂということがある。）で小さく、ベントホール３７のうち外周部分の隙間３７ｂよりも内周側に位置する残りの部分（以下においては内周部分の隙間３７ａということがある。）で大きくなっている。そのため、ベントホール３７の一部領域で音響抵抗が大きく、ベントホール３７の残る領域で音響抵抗が小さくなっている。ベントホール３７の全体としての音響抵抗は、一部領域における抵抗値の大きな音響抵抗と残る領域における抵抗値の小さな音響抵抗とが直列に接続されたものと等価であるから、ベントホール３７の全体としての音響抵抗は抵抗値の大きな音響抵抗によって決まる。その結果、音響センサ３１においては、外周部分の隙間３７ｂにおけるベントホール３７の高さを小さくすることで全体としての音響抵抗を大きくすることができ、音響センサ３１の低音域における周波数特性をよりフラットにすることができる。
　ダイアフラムの位置を上方へ移動させてベントホールの高さを大きくした場合、平らなダイアフラムの場合では、ベントホールにおけるノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる反面、図１１に実線で示す周波数特性のように低音域において感度が低下し、周波数特性のフラットな領域が低音域側で狭くなる（前記図３の説明を参照）。
　これに対し、実施形態１の音響センサ３１では、ダイアフラム３３全体の位置を上方へ移動させた場合、内周部分の隙間３７ａではベントホール３７の高さが高くなるので、フィルムダンピング効果を抑制し、音響センサ３１のノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、外周部分の隙間３７ｂで音響抵抗が大きくなる結果、ベントホール３７の全体としての音響抵抗も大きくなり、ダイアフラム３３の表裏間で十分な音圧差を生じさせることができる。そのため、図１１に破線で示すように低音域における感度が向上し、低音域においても周波数特性をフラットにすることができる。よって、実施形態１によれば、低ノイズで、かつ、周波数特性も良好な音響センサ３１を作製することができる。
　また、図１２に示すＳ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係図を用いて説明することもできる。図１２に示す実線のカーブａは、平らなダイアフラムを有する一般的な音響センサにおけるＳ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係であって、図４に示したカーブと同じものである。このダイアフラムの上下方向の位置を変化させないで、その端縁だけを下方へ向けて湾曲させると、ダイアフラムの端縁とシリコン基板の上面との距離が小さくなるので、ベントホールにおける音響抵抗が大きくなる。その結果、Ｓ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係は、図１２に示す細破線のカーブｂのようになる。すなわち、このときのカーブｂは、実線のカーブａの低音域部分を低周波数側へ水平に平行移動させたものに近くなり、ロールオフ周波数がδだけ小さくなる。さらに、端縁を下方へ向けて湾曲させたダイアフラムを上方へ移動させると、ノイズが小さくなってＳ／Ｎ比が向上する。すなわち、Ｓ／Ｎ比とロールオフ周波数の関係は、カーブｂが上方へ平行移動したようになり、図１２に示す太破線のカーブｃのようになる。ダイアフラムを上方へ移動させたことによってロールオフ周波数が多少大きくなったとしても、ダイアフラムの端縁を曲げたことによるロールオフ周波数の減少の方が勝っている。よって、ダイアフラムを上方へ移動させるとともに、ダイアフラムの端縁を下方へ湾曲させることにより、元の平らなダイアフラムを用いていた場合と比較して、Ｓ／Ｎ比を高くすると同時に低音域における周波数特性を元の周波数特性と同等、もしくはよりフラットに近づけることが可能になる。
　図１３は、パッケージ内容積と周波数特性との関係を表した図である。ここでパッケージ内容積とは、音響センサを信号処理回路などとともにパッケージ内に納めたときの、パッケージ内の空間のうち音響センサや信号処理回路などによって占められていない部分の容積を指す。例えば、図１４では、パッケージ４６内に音響センサ３１と信号処理回路４７を納め、パッケージ４６内の底面に実装している。また、音響センサ３１はパッケージ４６の音導入孔４８にチャンバ３５を連通させてあり、チャンバ３５がフロントチャンバとなっている。このパッケージ４６内の空間のうちで音響センサ３１及び信号処理回路４７の外側の領域（図１４においてドット状のパターンを描いた領域）はバックチャンバ４９となっており、このドット状パターンを描いた領域の容積がパッケージ内容積である。パッケージが大きくなればパッケージ内容積も大きくなり、パッケージの大きさが同じであっても音響センサや信号処理回路が大きくなればパッケージ内容量は小さくなる。
　図１３は、パッケージ内容量が０.６ｍｍ３、２.５ｍｍ３、５ｍｍ３の場合のそれぞれの周波数特性を表している。図１３から分かるように、音響センサ３１をパッケージ内に納めた場合には、パッケージ内容積が小さくなるほど低音域における感度の低下が著しくなる。従って、音響センサの小型パッケージ化が進むにつれてノイズを大きくすることなく周波数特性の悪化を抑制することが重要になるので、本発明の必要性が高くなる。
　図１５は、比較例の断面図を表わしている。この比較例では、ダイアフラム３３の全体をシリコン基板３２の上面に近づけ、ダイアフラム３３の縁部を下面側へ膨らむように湾曲させ、ダイアフラム３３の端縁がシリコン基板３２の上面から離れるようにしている。このような比較例の場合には、音響抵抗を高くするためにダイアフラム３３をシリコン基板３２の上面に近づけると、ベントホール３７の大半の領域でベントホール３７の高さが小さくなり、ノイズが増加する。よって、比較例の場合には、低ノイズ化と良好な周波数特性を両立させることは困難である。従って、変形部分４２を湾曲によって形成する場合には、ダイアフラム３３の端縁をシリコン基板３２の上面側へ向けて湾曲させることが重要である。
　つぎに、実施形態１においてダイアフラムの縁部と基板上面との間の距離を一部分で狭くする構造としては、上記のようにダイアフラムの縁部を円弧状に湾曲させる以外にも種々の形態が可能である。
　図１６及び図１７に示す変形例では、ダイアフラム３３の縁部に沿って当該縁部の先端部分を基板上面へ向けて略直角に屈曲させている。この変形例では、略直角に屈曲させた変形部分４２で、変形部分４２の先端と基板上面との距離が短くなっている。すなわち、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。このような形状であれば、ベントホール３７の大部分でベントホール３７の高さを大きくし、変形部分４２の狭い箇所だけでベントホール３７の高さを小さくすることができるので、ノイズを低減しながら低音域における感度の低下を小さくする効果が顕著になる。
　また、図１８に示す変形例は、ダイアフラム３３の端縁をステップ状に屈曲させて変形部分４２を形成したものである。この変形例でも、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。この変形例では、図１６及び図１７の変形例に比べて音響抵抗を大きくできる。
　また、図１９は、ダイアフラム３３の端縁近傍を袋状に屈曲させて変形部分４２を形成したものである。この変形例でも、変形部分４２の下面とシリコン基板３２の上面との間の隙間３７ｃが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、ダイアフラム３３の、変形部分４２以外の平らな領域の下の隙間３７ｄが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。この変形例では、チャンバ３５の上面開口の縁におけるベントホール３７の高さと、ダイアフラム３３の端縁におけるベントホール３７高さが大きく、チャンバ３５の上面開口の縁とダイアフラム３３の端縁との中間部分においてベントホール３７の高さが小さくなっている。
　上記のような各変形例においても、上記実施形態１の音響センサ３１と同様な作用効果を得ることができる。
　なお、上記変形部分４２は必ずしもダイアフラム３３の端縁と平行に延びていなくてもよく、ダイアフラム３３の端縁に対して傾いた方向へ延びていてもよい。ただし、変形部分４２がダイアフラム３３の端縁と直交する方向に延びていると音響抵抗を大きくできないので、変形部分４２はダイアフラム３３の端縁と直交しない方向に延びていることが望ましい。
　また、変形部分４２は直線状に延びている必要はなく、湾曲するように延びていたり、屈曲しながら延びていたりしてもよく、延びる方向が分岐していても差し支えない。
（実施形態２）
　図２０Ａは本発明の実施形態２による音響センサ５１の一部を示す断面図である。また、図２０Ｂはベントホール３７の部分を拡大した断面図である。図２１は、シリコン基板３２の上面に形成されたダイアフラム３３のコーナー部分を拡大して示す斜視図である。この音響センサ５１では、ダイアフラム３３の縁部下面に、ダイアフラム３３がシリコン基板３２の上面にくっついて固着するのを防ぐための柱状をしたストッパ５２を適宜間隔で突出させている。音響センサ５１のその他の構成は、実施形態１の音響センサ３１とほぼ同一であるので、同一構成部分には実施形態１と同じ符号を付して説明を省略する。
　ダイアフラム３３の縁部下面に突出させたストッパ５２のうちダイアフラム３３の端縁に近いストッパ５２では、ストッパ５２の突出長さｈ４が、そのストッパ５２の基端とダイアフラム３３の最下端（端縁）との高低差ｈ３よりも大きくなっている。この条件を満たすようにストッパ５２を形成することにより、ダイアフラム３３の最下端がシリコン基板３２の上面にくっついて固着するのを防ぐことができる。
（実施形態３）
　図２２は本発明の実施形態３による音響センサ６１の一部を示す断面図である。この音響センサ６１では、全体が平らな縁部を有するダイアフラム３３を用いている。一方、ダイアフラム３３の端縁と対向する位置において、シリコン基板３２の上面には凸部６２が形成されている。この凸部６２はベントホール３７の長さ方向に沿って、あるいはダイアフラム３３の端縁と平行な方向に沿って延びている。この実施形態では、凸部６２を設けた位置においてベントホール３７の高さが他よりも小さくなっている。すなわち、凸部６２の上面とダイアフラム３３の下面との間の隙間３７ｅが、シリコン基板３２とダイアフラム３３の間の隙間のうち、他の部分よりも狭くて線状に延びた一部分となっている。また、シリコン基板３２上面の、凸部６２が形成されている領域以外の領域とダイアフラム３３との間の隙間３７ｆが、隙間の比較的広い前記他の部分となっている。従って、凸部６２において音響抵抗を大きくして低音域における感度低下を防ぐと同時に、凸部６２の設けられていない箇所でベントホール３７の高さを大きくしてノイズを低減している。
　また、凸部６２は、図２３に示す音響センサ６３のように、チャンバ３５の上面開口と接する側の端に設けてもよい。あるいは、ダイアフラム３３の端縁側の端とチャンバ３５の上面開口と接する側の端の中間に凸部６２を設けてもよい。
（実施形態４）
　図２４は、本発明の実施形態４であって、シリコン基板３２の上面に設けられたダイアフラム３３を示す。この実施形態では、たとえば図１９に示したような断面形状の変形部分４２が、ダイアフラム３３の端縁に対して傾いた方向に延びている。
　なお、本発明はＭＥＭＳスピーカにも適用することができる。スピーカと音響センサ（マイクロフォン）とは信号の変換方向が反対になるが、スピーカと音響センサの基本的な構成はほぼ同じであるので、スピーカーについては説明を省略する。

Claims (9)

  1. 　上面で開口した空洞を有する基板と、
    　前記空洞を覆うようにして前記基板の上方に配設され、前記空洞の周囲において前記基板の上面との間に隙間が形成され、前記隙間において前記隙間のうち一部分が前記隙間の他の部分よりも狭くなっており、狭くなっている前記隙間の一部分が線状に延びるように形成された振動電極膜と、
    　空隙を隔てて前記振動電極膜の上方に配設された固定電極膜と、
    を備えたことを特徴とする音響トランスデューサ。
  2. 　前記隙間の間隔が狭くなった前記部分は、前記振動電極膜の端縁と直交する方向以外の方向へ延びていることを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
  3. 　前記隙間の間隔が狭くなった前記部分は、前記振動電極膜の端縁と平行な方向へ延びていることを特徴とする、請求項２に記載の音響トランスデューサ。
  4. 　前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔よりも、前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
  5. 　前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が湾曲していることを特徴とする、請求項４に記載の音響トランスデューサ。
  6. 　前記振動電極膜の端縁が前記基板の上面に近づくように、前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の断面が屈曲していることを特徴とする、請求項４に記載の音響トランスデューサ。
  7. 　前記空洞の上面開口の縁における前記隙間の間隔および前記振動電極膜の端縁における前記隙間の間隔よりも、前記空洞の上面開口の縁と前記振動電極膜の端縁との中間の位置における前記隙間の間隔の方が狭いことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
  8. 　前記振動電極膜の前記基板上面と向かい合う部分の下面にストッパを突設し、前記ストッパの突出長さを、前記ストッパの基端と前記振動電極膜の最下端との高低差よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
  9. 　前記基板上面の前記振動電極膜と向かい合う領域において、前記基板の上面に凸部を設け、前記凸部によって前記基板上面と前記振動電極膜下面の間に形成された隙間の間隔を狭めたことを特徴とする、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
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