WO2022091178A1 - 静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法 - Google Patents

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WO2022091178A1
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electrostatic transducer
variable
fluctuation
transducer according
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秀治 田中
裕輝夫 鈴木
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国立大学法人東北大学
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the present invention relates to an electrostatic transducer and a method for manufacturing the electrostatic transducer.
  • the electrostatic transducer is one of the basic elements that make up MEMS.
  • the basic operating principle is to install facing electrodes with a gap, apply a bias voltage between them, and detect changes in the relative distance of each electrode as changes in capacitance. .. It is also used as an actuator that applies a voltage between two electrodes and drives one or both of those electrodes by electrostatic attraction. With this electrostatic transducer, it is possible to detect or control minute movements of the MEMS.
  • the senor In order to eliminate the noise caused by gas damping in the electrostatic gap, the sensor should be vacuum-sealed. This is possible and commonly done, for example, with inertial sensors. However, some devices, such as microphones, ultrasonic sensors, mass sensors, and scanning probes, are difficult to evacuate.
  • a capacitance detection unit is placed between two diaphragms, those diaphragms are connected by pillars, and the closed space between each diaphragm is evacuated (for example, patent). See Document 1 or 2).
  • the pillar synchronizes the movements of the two diaphragms and prevents the closed space between the diaphragms from collapsing due to the pressure difference between the atmosphere and the vacuum. As a result, noise due to gas damping is reduced, the SN ratio is increased, and a high voice recognition rate is realized as a microphone.
  • the diaphragm and the capacitance detection unit are separated in the device plane, the latter is arranged in a vacuum space, and the two are connected by a link mechanism (for example, Non-Patent Document 1 or 2).
  • a diaphragm is connected to one end of the link
  • a detection unit is connected to the other end
  • a hinge serving as a support is arranged in the center of the link.
  • the capacitance detection unit is a parallel plate type and moves like a seesaw, that is, in the out-of-plane direction by the link mechanism.
  • Some MEMS microphones utilize the piezoelectric effect.
  • a plate to which pressure is applied forms a cantilever shape of four triangles in which a piezoelectric layer is sandwiched between a pair of electrode layers, and these are arranged in a square shape.
  • Patent Documents 3 to 5 or Non-Patent Document 3 See, for example, Patent Documents 3 to 5 or Non-Patent Document 3.
  • the piezoelectric MEMS microphone when the plate to which the pressure is applied is formed into a diaphragm shape fixed to the periphery, the performance deteriorates due to the stress of the piezoelectric film, and such a configuration is adopted.
  • the piezoelectric transducer has no electrode gap and does not generate noise due to gas damping in the electrode gap, but it generates noise due to the dielectric loss of the piezoelectric film. Therefore, it is as much as the MEMS microphone described in Patent Document 1 or 2. High signal-to-noise ratio of is not obtained.
  • the MEMS microphones described in Patent Documents 1 and 2 have a very high signal-to-noise ratio, but the arrangement of the detection unit for detecting the change in capacitance is limited to the space between the diaphragms. There was a problem that the degree of freedom of the structure was small. Therefore, although this structure is effective for microphones and ultrasonic sensors, there is a problem that it cannot be applied to other sensors such as mass sensors and scanning probes. Further, even when this is used as a microphone, the size of the detection unit is limited to the size of the diaphragm or less, which limits the improvement of the sensitivity or the SN ratio.
  • the size of the diaphragm and the size of the capacitance detection unit are independent, and these sizes can be freely designed according to desired specifications.
  • the link that transmits the movement of the diaphragm to the detection unit is connected from the atmosphere to the vacuum through the diaphragm at the hinge portion, there is a problem that the movement of the link is hindered by the diaphragm and the SN ratio is lowered. there were.
  • the rigidity of the diaphragm will decrease and the link will move more easily in principle, but the pressure difference between the atmosphere and the vacuum will distort the diaphragm, which will cause a sensor error and the distorted diaphragm. After all, the stress makes the link difficult to move, and the SN ratio decreases.
  • the present invention has been made by paying attention to such a problem, and is applicable to various sensors, can obtain a high SN ratio, and has a degree of freedom in the arrangement and structure of a portion for detecting a change in capacitance. It is an object of the present invention to provide an electrostatic transducer and a method for manufacturing the electrostatic transducer.
  • the electrostatic transducer has a support, a fixed portion fixed to the support, and a displacement portion variably provided with respect to the fixed portion. It has a plate and at least a part thereof variably attached together with the variable portion, and has a detecting means provided so that the fluctuation of the variable portion can be detected as a change in capacitance, and the detecting means is vacuum or low pressure. It is characterized by being arranged in the space of.
  • the electrostatic transducer according to the present invention is preferably a MEMS device.
  • the detecting means provided so as to be able to detect the fluctuation of the fluctuation portion of the displacement plate as the change of the capacitance is arranged in a vacuum or a low pressure space, a gas such as air or a gas or a gas such as air can be used. It is not easily affected by damping caused by surrounding fluid such as liquid. Therefore, noise can be reduced and a high SN ratio can be obtained.
  • variable detection unit the other portion of the detecting means
  • It may be arranged in the fluctuating part or in a stable place other than the fluctuating part.
  • the structure of the fluctuation detection unit can be relatively freely configured.
  • the electrostatic transducer according to the present invention can increase the degree of freedom in the arrangement and structure of the detecting means for detecting the change in capacitance.
  • the fluctuation detection unit can be arranged in a place other than the fluctuation unit to separate the fluctuation unit and the fluctuation detection unit, each of them can be independently arranged according to the required performance. It can be designed and has a high degree of freedom in design. For example, the fluctuation part can be made smaller to increase the resistance to excessive pressure input and mechanical impact, and the fluctuation detection part can be made larger to increase the sensitivity. At this time, since the fluctuation detection unit is arranged in a vacuum or low pressure space, it is possible to suppress an increase in noise even if the sensitivity of the fluctuation detection unit is increased.
  • the detection means is arranged in a vacuum or low pressure space, an atmosphere and a vacuum or a reduced pressure space are provided in the middle of the detection means as described in Non-Patent Documents 1 and 2.
  • the portion for detecting the capacitance is a parallel plate type that moves in the out-of-plane direction, but the electrostatic transducer according to the present invention has a portion for detecting the capacitance, for example. It can be designed for structures that move in-plane and out-of-plane, or for both.
  • the fluctuation detection unit is arranged at a place other than the fluctuation portion, for example, one end of the detection means is fixed to the fluctuation portion and the other end extends toward the fixed portion side. It may have an elongated connecting portion and a fluctuation detecting portion connected to the other end of the connecting portion and provided so that fluctuations at the other ends can be detected as fluctuations of the fluctuation portion.
  • the connecting unit can expand the fluctuation of the fluctuation unit and transmit it to the fluctuation detection unit.
  • the fluctuation detection unit may be provided anywhere other than the fluctuation unit, and may be provided on, for example, a fixed portion or a support.
  • the fluctuation detection unit may have any configuration as long as it can detect the fluctuation of the fluctuation unit as a change in capacitance.
  • the fluctuation of the fluctuation unit causes static electricity.
  • the configuration may be such that the spacing and overlap of the electrodes for detecting the capacitance are changed, or may be a differential type configuration.
  • the electrostatic transducer according to the present invention may have a reinforcing portion provided so that the variable portion is uniaxially bent and displaced in the thickness direction of the displacement plate.
  • the uniaxial bending displacement in the thickness direction of the displacement plate can be accurately captured. Further, it is possible to prevent the displacement plate from fluctuating in a direction other than the desired direction and being twisted and damaged.
  • the displacement plate may be provided in a cantilever shape, the fixed portion may be provided on one end side, and the variable portion may be provided on the other end side. Further, the displacement plate may be provided in the shape of a double-sided beam, and the fixing portion may be provided so as to sandwich the variable portion. Further, the displacement plate may be provided in a diaphragm shape, may have the fixing portion on the peripheral edge, and may have the variable portion on the inside of the peripheral edge.
  • the support when the displacement plate is provided in the shape of a cantilever, the support has an opening in the center, and the displacement plate has the variable portion protruding toward the opening side. , May be provided to cover or substantially cover the opening.
  • the electrostatic transducer according to the present invention is composed of a plurality of electrostatic transducers, each of which has each variable portion inside, and each support surrounds the circumference of each variable portion, and each variable portion surrounds a space surrounded by each support. It may be arranged to cover or almost cover. In these cases, it can be used as an electrostatic microphone, for example, like a virtual diaphragm.
  • a gap between the fluctuating portion and the support or a gap between the fluctuating portions of adjacent displacement plates Is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the electrostatic transducer according to the present invention is, for example, an acoustic transducer such as a microphone or an ultrasonic sensor, a mass sensor, a mass detection method or frequency detection type chemical sensor, a displacement sensor, a displacement detection type chemical sensor, a flow rate sensor, or a scanning probe. It can be used as various sensors such as. Further, since the detection means is arranged in a vacuum or low pressure space, it can be used not only in a gas but also in a liquid.
  • the electrostatic transducer according to the present invention can also be used as an actuator instead of a sensor to drive a displacement plate and send sound waves.
  • the method for manufacturing an electrostatic transducer according to the present invention is a method for manufacturing an electrostatic transducer for manufacturing the electrostatic transducer according to the present invention, and the first layer, the second layer, and the third layer are formed on the surface of a base layer.
  • the third layer is processed from the surface side opposite to the second layer to form the structure of the detection means and penetrates to the second layer.
  • the fourth layer and the fifth layer are formed in this order on the surface of the third layer opposite to the second layer, in which one or a plurality of first through holes are formed, and the fifth layer is formed.
  • the third layer constitutes the detection means
  • the detection means The fourth layer and the second layer through the second through hole formed in the fifth layer and the first through hole formed in the third layer so as to be arranged in a vacuum or low pressure space. After removing a part thereof, the second through hole formed in the fifth layer is closed, and the base layer corresponding to the position of the variable portion is removed so that the first layer constitutes a displacement plate. And.
  • the method for manufacturing an electrostatic transducer according to the present invention can suitably manufacture the electrostatic transducer according to the present invention.
  • the electrostatic transducer may be manufactured while forming the first layer to the fifth layer, respectively, and the electrostatic transducer may be manufactured using a commercially available double SOI wafer or SOI wafer. It may be manufactured. Further, when laminating the first layer to the fifth layer, the laminating step of at least one of the layers may be performed by wafer bonding.
  • the first layer, the third layer and the fifth layer are made of silicon (Si), and the second layer and the fourth layer are silicon oxide (SiO 2 ). ) May consist of.
  • the fifth layer is made of silicon and the second through hole formed in the fifth layer is closed by the surface flow of the silicon.
  • the second through hole can be easily closed only by heat treatment.
  • the fifth layer is particularly preferably single crystal silicon.
  • the second through hole formed in the fifth layer may be closed by forming a film of silicon, silicon oxide, silicon nitride (Si x N y ), metal or the like. .. Further, the second through hole may be closed by the surface flow of the silicon by performing a heat treatment after forming a film of silicon on the second through hole.
  • annealing may be performed in an environment having a low hydrogen partial pressure such as a nitrogen atmosphere.
  • hydrogen in the space where the detecting means is arranged can be discharged by diffusion, and the degree of vacuum can be increased.
  • an electrostatic transducer and electrostatic that can be applied to various sensors, can obtain a high signal-to-noise ratio, and can increase the degree of freedom in the arrangement and structure of a portion for detecting a change in capacitance.
  • a method of manufacturing a transducer can be provided.
  • FIG. 3 is a plan view showing a modified example of the electrostatic transducer shown in FIG. 1 in which a plurality of variable portions are arranged in a diaphragm shape.
  • FIG. 7 is a plan view of the electrostatic transducer shown in FIG. 7 with the sealing cover removed.
  • the electrostatic transducer 10 comprises a MEMS device, and includes a support 11, a displacement plate 12, a detection means 13, a sealing frame 14, a reinforcing portion 15, and a sealing cover 16. ing.
  • the support 11 has a rectangular plate shape having a predetermined thickness.
  • the displacement plate 12 has a thin plate shape, has a fixing portion 12a having a rectangular planar shape on one end side, and has a triangular shape on the other end side with one long side of the fixing portion 12a as the base. It has a variable portion 12b.
  • the displacement plate 12 is fixed by attaching one surface of the fixing portion 12a to one surface of the support 11 so that the variable portion 12b protrudes from the support 11.
  • the displacement plate 12 has a cantilever-like shape in which the variable portion 12b provided by extending the fixed portion 12a is variable with respect to the fixed portion 12a.
  • the detection means 13 is provided along the surface of the displacement plate 12 on the opposite side of the support 11 with a space between the detection means 13 and the surface of the displacement plate 12.
  • the detecting means 13 has an elongated connecting portion 21 and a fluctuation detecting portion 22.
  • the connecting portion 21 is arranged at the apex of the variable portion 12b having a triangular shape at one end, and the other end extends to the fixed portion 12a at the center of the bottom of the variable portion 12b.
  • the fluctuation detection unit 22 is arranged in the fixing portion 12a, and is provided so as to mesh with the first comb-toothed electrode 23 connected to the other end of the connecting portion 21 and the first comb-toothed electrode 23. It has an electrode 24.
  • the second comb-toothed electrodes 24 are arranged in a row, and two sets are symmetrically provided on the left and right of the extension line of the connecting portion 21.
  • the first comb-shaped electrodes 23 are provided side by side in a row on the left and right sides of each of the second comb-shaped electrodes 24, and a total of five are provided symmetrically with respect to the extension line of the connecting portion 21.
  • Each of the first comb-shaped electrodes 23 has a support portion 23a extending parallel to the length direction of the connecting portion 21 and left and right of the support portion 23a (three of the first comb-shaped electrodes 23 in the middle). , Or a large number of teeth 23b arranged so as to extend in the direction perpendicular to the length direction of the connecting portion 21 from either the left or right (two of the first comb-shaped electrodes 23 at both ends). And have.
  • the second and fourth first comb-shaped electrodes 23 are spring-shaped connecting portions extending like a spring from the end of the support portion 23a opposite to the connecting portion 21. It has 23c.
  • Each of the second comb-shaped electrodes 24 extends in a direction perpendicular to the length direction of the connecting portion 21 from the support portion 24a extending parallel to the length direction of the connecting portion 21 and from the left and right sides of the supporting portion 24a. It has a large number of teeth 24b arranged in such a manner.
  • the fluctuation detection unit 22 detects the change in the distance between the adjacent teeth as the change in capacitance because the tooth 23b of the adjacent first comb-shaped electrode 23 and the tooth 24b of the second comb-shaped electrode 24 are in mesh with each other. It is configured to do.
  • the sealing frame 14 is provided along the surface of the displacement plate 12 opposite to the support 11 in contact with the surface thereof.
  • the sealing frame 14 is provided at intervals between the connecting portion 21 and the fluctuation detecting portion 22 so as to surround both sides of the connecting portion 21 and the circumference of the fluctuation detecting portion 22. Further, the sealing frame 14 is connected to one end of the connecting portion 21.
  • each spring-shaped connecting portion 23c is connected in the vicinity of two corners of the fixing portion 12a opposite to the fluctuating portion 12b in the portion surrounding the circumference of the fluctuation detecting portion 22.
  • the reinforcing portion 15 is composed of a plurality of pieces, and the length of the connecting portion 21 is formed at predetermined intervals along the length direction of the connecting portion 21 from the sealing frames 14 provided on both sides of the connecting portion 21 toward the outside. It is provided so as to extend in the direction perpendicular to the direction.
  • one end of the connecting portion 21 is fixed to the variable portion 12b of the displacement plate 12 via the first spacer 17. Further, in the detection means 13, the support portion 24a of the second comb-shaped electrode 24 is fixed to the fixing portion 12a of the displacement plate 12 via the first spacer 17. The sealing frame 14 and the reinforcing portion 15 are fixed to the displacement plate 12 via the first spacer 17. In this way, in the electrostatic transducer 10, the fluctuating portion 12b is uniaxially bent and displaced in the thickness direction of the displacement plate 12 by the reinforcing portion 15.
  • one end of the connecting portion 21 fluctuates together with the fluctuating portion 12b, so that the connecting portion 21 bends and the other end of the connecting portion 21 is pulled along the length direction thereof. There is. Further, as a result, the distance between the tooth 23b of the adjacent first comb-shaped electrode 23 and the tooth 24b of the second comb-shaped electrode 24 changes, and the capacitance thereof changes. In this way, the electrostatic transducer 10 can detect the fluctuation of the variable portion 12b as a change in the capacitance. In a specific example shown in FIGS.
  • the fluctuation detecting unit 22 when the connecting portion 21 is bent and pulled, the fluctuation detecting unit 22 has one second comb-teeth shape on the left side and the right side of the extension line of the connecting portion 21.
  • the electrode 24 the distance between the tooth 24b and the tooth 23b of the adjacent first comb-toothed electrode 23 (distance between the teeth for detecting the electrostatic capacity) is widened, and the other two second comb-toothed shapes are widened.
  • the electrodes 24 are configured so that the intervals thereof are narrowed. As a result, the electrostatic transducer 10 is configured to perform differential detection.
  • the sealing cover 16 has a thin plate shape and is shaped so as to cover the detecting means 13, and is sandwiched between the detecting means 13 and the sealing frame 14 so as to sandwich the detecting means 13 and the sealing frame 14 with the displacement plate 12. They are arranged at intervals.
  • the sealing cover 16 is fixed to one end of the connecting portion 21, the supporting portion 24a of the second comb-shaped electrode 24, and the sealing frame 14 via the second spacer 18.
  • a part of the reinforcing portion 15 is composed of a thin plate constituting the sealing cover 16. In this portion, the thin plate constituting the sealing cover 16 is fixed to the displacement plate 12 via the second spacer 18.
  • the detection means 13 is sealed around by a displacement plate 12, a first spacer 17, a sealing frame 14, a second spacer 18, and a sealing cover 16 at intervals. Further, in the electrostatic transducer 10, the space 19 around the detection means 13 is vacuum or low pressure, and the detection means 13 is arranged in the vacuum or low pressure space 19.
  • the electrostatic transducer 10 can be suitably manufactured by the method for manufacturing an electrostatic transducer according to the embodiment of the present invention. That is, as shown in FIGS. 3 and 4, in the method for manufacturing an electrostatic transducer according to the embodiment of the present invention, first, the first layer 31, the second layer 32, and the third layer 33 are formed on the surface of the base layer 30. Are prepared in this order (see FIG. 3A). In the specific example shown in FIG. 3A, the double SOI wafer is used as the laminated body, but the laminated body may be formed by forming each layer into a film.
  • the base layer 30 is a Si layer and a SiO 2 layer
  • the first layer 31 is a Si layer (thickness 0.5 ⁇ m)
  • the second layer 32 is a SiO 2 layer (thickness 0.1 ⁇ m)
  • the third layer 33 is a Si layer (thickness). It corresponds to 0.5 ⁇ m).
  • the third layer 33 is patterned from the surface side opposite to the second layer 32 to form the structure of the detection means 13, the sealing frame 14, and the reinforcing portion 15, and penetrates to the second layer 32. Form one or more first through holes 41 (see FIGS. 3B and 1).
  • the fourth layer 34 and the fifth layer 35 are formed in this order on the surface of the processed third layer 33 opposite to the second layer 32 (see FIGS. 3 (c) and 3 (d)). ..
  • an SOI wafer is bonded to the surface of the third layer 33 by a substrate (see FIG. 3 (c)), and the handle layer 42 of the SOI wafer is bonded.
  • each layer may be formed by forming a film.
  • the fourth layer 34 corresponds to the SiO 2 layer (thickness 0.1 ⁇ m)
  • the fifth layer 35 corresponds to the Si layer (thickness 0.5 ⁇ m).
  • the third layer 33 constitutes the detection means 13, the sealing frame 14, and the reinforcing portion 15, the detection means 13 is arranged in the vacuum or low pressure space 19, and the second layer 32 is the first spacer 17.
  • the second through hole 44 formed in the fifth layer 35 and the first through hole formed in the third layer 33 so that the fourth layer 34 constitutes the second spacer 18 and the fifth layer 35 constitutes the sealing cover 16.
  • the second through hole 44 formed in the fifth layer 35 is closed (FIG. 4 (c)). reference).
  • the fifth layer 35 is made of silicon
  • the surface flow of the silicon of the fifth layer 35 due to the heat treatment in hydrogen by the so-called silicon migration seal (SMS) is the first. 2
  • the through hole 44 is closed. After that, by performing heat treatment in an atmosphere where the hydrogen concentration is sufficiently low, hydrogen gas is discharged from the space 19 in which the detection means 13 is arranged by a heat diffusion phenomenon, and the space 19 is made into a vacuum or a low pressure. ..
  • the structure of the displacement plate 12 is formed in the first layer 31, and the holes 45 for the terminals of the first comb tooth electrode 23 and the second comb tooth electrode 24 of the fluctuation detection unit 22 of the third layer 33 and the like are formed.
  • the second layer 32 to the fifth layer 35 are shaped from the side of the fifth layer 35 (see FIG. 4D) so as to form the first comb-teeth shape in the formed holes 45 for each terminal.
  • Metal terminals 46 electrically connected to the teeth of the electrode 23 and the teeth of the second comb-shaped electrode 24 are formed (see FIG. 4 (e)).
  • the base layer 30 corresponding to the position of the variable portion 12b is removed by deep etching (DRIE) so that the first layer 31 constitutes the displacement plate 12 (see FIG. 4 (f)).
  • the base layer 30 constitutes the support 11. In this way, the electrostatic transducer 10 can be manufactured.
  • the detection means 13 provided so as to be able to detect the fluctuation of the fluctuation portion 12b of the displacement plate 12 as the change in capacitance is arranged in a vacuum or low pressure space 19, so that a gas such as air is provided. It is not easily affected by damping caused by surrounding fluids such as liquids and liquids. Therefore, noise can be reduced and a high SN ratio can be obtained.
  • the fluctuation detection unit 22 is arranged in the fixed portion 12a fixed to the support 11, and the fluctuation of the fluctuation portion 12b is not hindered and is stable. Further, as a result, the structure of the fluctuation detection unit 22 can be relatively freely configured, and the degree of freedom in the arrangement and structure of the detection means 13 for detecting the change in capacitance can be increased. Further, since the fluctuation unit 12b and the fluctuation detection unit 22 can be separated, each can be designed independently according to the required performance, and the degree of freedom in design is high.
  • variable portion 12b is made smaller to increase the resistance to excessive pressure input and mechanical impact, and the number of teeth of the first comb-shaped electrode 23 and the second comb-shaped electrode 24 of the fluctuation detecting unit 22 is increased.
  • the structure can be made to increase the sensitivity. At this time, since the fluctuation detection unit 22 is arranged in the vacuum or low pressure space 19, it is possible to suppress the increase in noise even if the sensitivity of the fluctuation detection unit 22 is increased.
  • the fluctuation detection unit 22 is arranged at a position different from that of the fluctuation unit 12b, it is possible to prevent the fluctuation unit 12b from becoming stiff. Further, the fluctuating portion can be lightened together with the fluctuating portion 12b, and the resonance frequency of the fluctuating portion 12b can be increased. In the electrostatic transducer 10, the reinforcing portion 15 can prevent the variable portion 12b from bending in a direction other than the length direction of the displacement plate 12, so that the uniaxial bending displacement of the displacement plate 12 can be accurately captured. .. Further, it is possible to prevent the displacement plate 12 from fluctuating in a direction other than the desired direction and being twisted and damaged.
  • the electrostatic transducer 10 can easily close the second through hole 44 only by heat treatment due to the surface flow of the silicon of the fifth layer 35, and the detecting means 13 can be arranged in the vacuum or low pressure space 19. At this time, by forming the fifth layer 35 with single crystal silicon, the mechanical properties and the like do not change even if the heat treatment for surface flow is performed, and a high-quality electrostatic transducer can be obtained.
  • the electrostatic transducer 10 is not limited to having a triangular shape in the plane of the variable portion 12b, and may have any shape such as a rectangular shape or an elongated rod shape.
  • the detection means 13 is arranged in the vacuum or low pressure space 19, the atmosphere and the vacuum or decompression space are provided in the middle of the detection means as described in Non-Patent Documents 1 and 2.
  • a structure such as a separating diaphragm is unnecessary, and such a structure does not hinder the movement of the detecting means 13.
  • the electrostatic transducer 10 is composed of four, each with each variable portion 12b inside, and each support 11 surrounds each variable portion 12b with each support 11.
  • the vertices of the triangular variable portions 12b may be concentrated in the central portion of the enclosed space, and the variable portions 12b may be arranged so as to substantially cover the space surrounded by the supports 11.
  • the apex of each triangular variable portion 12b is 90 °, and each variable portion 12b has a slight gap 12c between the side sides of adjacent variable portions 12b. It is placed open. In this case, it can be used as a microphone, for example, virtually like a diaphragm.
  • the gap 12c between the side sides of the adjacent fluctuating portions 12b is preferably 10 ⁇ m or less so as to prevent fluid such as air from leaking and the sensitivity is lowered.
  • the gap 12c may be eliminated to completely cover the space 19 surrounded by each support 11.
  • the number of electrostatic transducers 10 is not limited to four, and may be any number as long as there are a plurality of electrostatic transducers 10.
  • the planar shape of the variable portion 12b is not limited to a triangle and may be any shape as long as it can completely or almost cover the space 19 surrounded by the support 11. ..
  • the electrostatic transducer 10 is composed of one, the support 11 has an opening in the center, and the displacement plate 12 is provided so that the variable portion 12b projects toward the opening side and covers or substantially covers the opening. It may be. Also in this case, it can be used as a microphone, for example, virtually like a diaphragm.
  • the gap between the fluctuating portion 12b and the support 11 is preferably 10 ⁇ m or less so as to prevent fluid such as air from leaking and the sensitivity is lowered. It may be eliminated to completely cover the opening of the support 11.
  • the planar shape of the variable portion 12b may be any shape depending on the shape of the opening of the support 11.
  • the displacement plate 12 may be provided in a double-sided beam shape so as to cover the opening of the support 11, and the fixing portion 12a may be provided so as to sandwich the variable portion 12b. Further, the displacement plate 12 may be provided in a diaphragm shape so as to cover the opening of the support 11, have a fixed portion 12a on the peripheral edge, and have a variable portion 12b inside the peripheral edge.
  • the electrostatic transducer 10 is not limited to the arrangement shown in FIGS. 1 and 2 in that the first comb-shaped electrode 23 and the second comb-shaped electrode 24 are arranged in any arrangement. Further, in the electrostatic transducer 10 shown in FIGS. 1 and 2, when the fluctuation portion 12b fluctuates, the connecting portion 21 bends together with the fluctuation portion 12b, and the first comb-tooth electrode 23 of the fluctuation detection unit 22 has the fluctuation portion 12b. It is configured to move in-plane along the surface, but as shown in FIG. 6, when the variable portion 12b fluctuates, the connecting portion 21 does not bend and is connected to the other end of the connecting portion 21.
  • the variation detection unit 22 may be configured to be movable in the out-of-plane direction along the thickness direction of the displacement plate 12.
  • the variation of the variation unit 12b can be configured to be detected as a change in the overlap of the first comb-tooth electrode 23 and the second comb-tooth electrode 24 in the thickness direction, or with the variation detection unit 22. It can also be configured to be detected as a change in capacitance due to a change in the distance from the fixed portion 12a.
  • the electrostatic transducer 10 does not have a connecting portion 21, and the fluctuation detection unit 22 of the detecting means 13 is arranged side by side along the surface of the fluctuation unit 12b.
  • a plurality of fixed electrodes 51 fixed to the variable portion 12b and each fixed electrode 51 are spaced apart from each other so as to surround the fixed electrodes 51 along the surface of the variable portion 12b.
  • the sealing frame 14 may be provided so as to surround each fixed electrode 51 and the mesh electrode 52 along the peripheral edge of the variable portion 12b.
  • the fluctuation detection unit 22 is provided in the fluctuation unit 12b, but the fluctuation of the fluctuation unit 12b changes the distance between each fixed electrode 51 and the mesh electrode 52, and the capacitance thereof changes. The fluctuation of the part 12b can be detected as the change of the capacitance.
  • the connecting portion 21, the second comb-shaped electrode 24, the spring-shaped connecting portion 23c, and the displacement plate 12 may be connected to each other by using the material of the third layer 33 as the first spacer 17, in which case.
  • the third layer 33 may be formed into a film.
  • the connecting rod 21, the second comb-shaped electrode 24, the spring-shaped connecting portion 23c, and the sealing cover 16 are the fifth layer 35 as the second spacer 18.
  • the fourth layer 34 may be partially etched and then the fifth layer 35 may be formed.
  • the first spacer 17 and the second spacer 18 are controlled to be left, but this method facilitates this.
  • Electrostatic transducer 11 Support 12 Displacement plate 12a Fixed part 12b Fluctuation part 13 Detection means 21 Connecting part 22 Fluctuation detection part 23 First comb tooth electrode 23a Support 23b Tooth 23c Spring connection part 24 Second comb tooth electrode 24a Support part 24b Tooth 14 Sealing frame 15 Reinforcing part 16 Sealing cover 17 1st spacer 18 2nd spacer 19 Space 30 Base layer 31 1st layer 32 2nd layer 33 3rd layer 34 4th layer 35 5th layer 41 1st through hole 42 Handle layer 43 BOX layer 44 2nd through hole 45 hole 46 Metal terminal 51 Fixed electrode 52 Reticulated electrode

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Abstract

【課題】様々なセンサに適用可能で、高いＳＮ比を得ることができ、静電容量の変化を検出する部分の配置および構造の自由度を高めることができる静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法を提供する。 【解決手段】変位板１２が、支持体１１に固定された固定部１２ａと、固定部１２ａに対して変動可能に設けられた変動部１２ｂとを有している。検出手段１３が、少なくとも一部が変動部１２ｂと共に変動可能に取り付けられ、変動部１２ｂの変動を静電容量の変化として検出可能に設けられている。検出手段１３は、真空または低圧の空間１９に配置されている。

Description

静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法
　本発明は、静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法に関する。
　静電トランスデューサは、ＭＥＭＳを構成する基本的な要素の１つである。その基本的な動作原理は、対向する電極を、隙間をあけて設置し、それらの間にバイアス電圧を印可し、各電極の相対距離の変化を静電容量の変化として検出するというものである。これは、２つの電極の間に電圧を印可し、静電引力によってそれらの電極の一方または両方を駆動するアクチュエータとしても用いられる。この静電トランスデューサを用いれば、ＭＥＭＳの微小な動きを検出または制御することができる。
　一方、ＭＥＭＳは微小であるがゆえに、静電トランスデューサによる検出限界はノイズに支配される。様々なノイズのうち、前述の２つの電極の隙間、すなわち静電隙間に存在するガス（空気）によるダンピングを発生源とするものがある。これは、たとえば、静電ＭＥＭＳマイクロフォンで支配的なノイズとなっている。
　静電隙間におけるガスダンピングによるノイズを無くすためには、センサを真空封止すればよい。これは、たとえば、慣性センサでは可能であり、一般的に行われている。しかし、マイクロフォン、超音波センサ、質量センサ、走査プローブなど、真空封止の難しいデバイスもある。
　これらのうち、マイクロフォンについては、静電容量の検出部を２つのダイヤフラムの間に配置し、それらのダイヤフラムをピラーで接続し、各ダイヤフラム間の閉空間を真空にしたものがある（例えば、特許文献１または２参照）。このマイクロフォンでは、ピラーは、２つのダイヤフラムの動きを同期させるとともに、大気と真空との圧力差でダイヤフラム間の閉空間が潰れてしまうのを防ぐ。これによって、ガスダンピングによるノイズを減らし、ＳＮ比を高くし、マイクロフォンとして高い音声認識率を実現している。
　また、他のマイクロフォンでは、ダイヤフラムと静電容量の検出部とをデバイス平面内で分離し、後者を真空空間に配置し、両者をリンク機構で接続したものもある（例えば、非特許文献１または２参照）。このマイクロフォンでは、リンクの一端にはダイヤフラムが、もう一端には検出部が接続され、リンクの中央部に支持部となるヒンジが配置されている。また、静電容量の検出部は平行平板型であり、リンク機構によってシーソーのように、つまり面外方向に動く。
　なお、ＭＥＭＳマイクロフォン（音響トランスデューサ）としては、圧電効果を利用したものもある。例えば、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンとして、圧力を印加される板が、１対の電極層の間に圧電層を挟んだ４つの三角形の片持ち梁状を成し、これらを四角形になるよう配置した構造を有するものがある（例えば、特許文献３乃至５または非特許文献３参照）。圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンでは、圧力を印加される板を周辺固定のダイヤフラム状にすると、圧電膜の応力によって性能が劣化するため、このような構成が採られている。圧電トランスデューサには電極隙間はなく、電極隙間でのガスダンピングを起源とするノイズは発生しないが、圧電膜の誘電損失に起因するノイズが発生するため、特許文献1または2に記載のＭＥＭＳマイクロフォンほどの高ＳＮ比は得られていない。
米国特許第９１８１０８０号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００６６０９９号明細書 特許第５９３６１５４号公報 米国特許第９０５５３７２号明細書 特開２０１１－４１２９号公報
Samer Dagher, Carine Ladner, Stephane Durand and Loic Joet, "NOVEL HINGE MECHANISM FOR VACUUM TRANSDUCTION HIGH PERFORMANCE CAPACITIVE MEMS MICROPHONES," Transducers 2019 - EUROSENSORS XXXIII, Berlin, GERMANY, 23-27 June 2019, p. 663-666 Samer Dagher, Frederic Souchon, Audrey Berthelot, Stephane Durand and Loic Joet, "FIRST MEMS MICROPHONE BASED ON CAPACITIVE TRANSDUCTION IN VACUUM," IEEE MEMS 2020, Vancouver, CANADA, 18-22 January, 2020, p. 838-841 Robert Littrell and Ronald Gagnon, "PIEZOELECTRIC MEMS MICROPHONE NOISE SOURCES," Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop, 2016, p.258-261
　特許文献１および２に記載のＭＥＭＳマイクロフォンは、非常に高いＳＮ比を有しているが、静電容量の変化を検出する検出部の配置が、各ダイヤフラムの間の空間に限定されるため、その構造の自由度が小さいという課題があった。このため、この構造は、マイクロフォンと超音波センサには有効であるが、その他のセンサ、例えば、質量センサや走査プローブには適用できないという課題があった。また、これをマイクロフォンとして用いたときも、検出部の大きさはダイヤフラムの大きさ以下に限られ、これによって感度またはＳＮ比の向上が制限されるという課題もあった。
　非特許文献１および２に記載のＭＥＭＳマイクロフォンは、ダイヤフラムの大きさと静電容量の検出部の大きさとが独立であり、所望の仕様によってこれらの大きさを自由に設計することができる。しかし、ダイヤフラムの動きを検出部に伝えるリンクは、そのヒンジ部にある隔膜を通して大気中から真空中に接続されるため、隔膜によってリンクの動きが妨げられ、ＳＮ比が低下してしまうという課題があった。なお、隔膜を薄くまたは大きくすれば、隔膜の剛性が下がり、原理的にリンクは動きやすくなるが、大気と真空との圧力差で隔膜が歪み、これがセンサの誤差となる上、歪んだ隔膜の応力によって、結局、リンクが動きにくくなり、ＳＮ比が低下してしまう。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、様々なセンサに適用可能で、高いＳＮ比を得ることができ、静電容量の変化を検出する部分の配置および構造の自由度を高めることができる静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る静電トランスデューサは、支持体と、前記支持体に固定された固定部と、前記固定部に対して変動可能に設けられた変動部とを有する変位板と、少なくとも一部が前記変動部と共に変動可能に取り付けられ、前記変動部の変動を静電容量の変化として検出可能に設けられた検出手段とを有し、前記検出手段が、真空または低圧の空間に配置されていることを特徴とする。
　本発明に係る静電トランスデューサは、ＭＥＭＳデバイスであることが好ましい。本発明に係る静電トランスデューサは、変位板の変動部の変動を静電容量の変化として検出可能に設けられた検出手段が、真空または低圧の空間に配置されているため、空気などの気体や液体などの周囲の流体によるダンピング等の影響を受けにくい。このため、ノイズを低減することができ、高いＳＮ比を得ることができる。
　また、変動部の変動を検出するために、検出手段の少なくとも一部が変動部と共に変動可能に取り付けられていればよく、検出手段の他の部分（以下、「変動検出部」という）は、変動部に配置されていても変動部以外の安定した場所に配置されていてもよい。また、変動検出部を、変動部の変動を妨げない位置に配置することにより、変動検出部の構造を比較的自由に構成することができる。このように、本発明に係る静電トランスデューサは、静電容量の変化を検出する検出手段の配置および構造の自由度を高めることができる。
　本発明に係る静電トランスデューサは、変動検出部を変動部以外の場所に配置して、変動部と変動検出部とを分離することができるため、要求される性能に応じて、それぞれを独立に設計することができ、設計の自由度が高い。例えば、変動部を小さくして過大な圧力の入力や機械的な衝撃に対する耐性を高めるとともに、変動検出部を大きくしてその感度を高める構造にすることができる。このとき、変動検出部が真空または低圧の空間に配置されているため、変動検出部の感度を高めてもノイズの増加を抑えることができる。
　また、本発明に係る静電トランスデューサは、検出手段が真空または低圧の空間に配置されているため、非特許文献１および２に記載のような、検出手段の途中に大気と真空または減圧空間とを隔てる隔膜のような構造が不要であり、このような構造よって検出手段の動きが妨げられない。また、非特許文献１および２では、静電容量を検出する部分は面外方向に動く平行平板型であるが、本発明に係る静電トランスデューサは、静電容量を検出する部分を、例えば、面内方向および面外方向のいずれに動く構造にも、あるいは両方に動く構造にも設計することができる。
　本発明に係る静電トランスデューサで、変動検出部を変動部以外の場所に配置する構成として、例えば、前記検出手段は、一端が前記変動部に固定され、他端が固定部側に向かって伸びる細長い連結部と、前記連結部の前記他端に接続され、その他端の変動を前記変動部の変動として検出可能に設けられた変動検出部とを有していてもよい。この場合、連結部により、変動部の変動を拡大して変動検出部に伝えることができる。変動検出部は、変動部以外の場所であればどこに設けられていてもよく、例えば固定部または支持体に設けられていてもよい。
　本発明に係る静電トランスデューサで、変動検出部は、変動部の変動を静電容量の変化として検出可能なものであればいかなる構成であってもよく、例えば、変動部の変動により、静電容量を検出するための電極の間隔や重なりが変化する構成であってもよく、差動型の構成であってもよい。
　本発明に係る静電トランスデューサは、前記変動部が前記変位板の厚み方向に一軸曲げ変位するよう設けられた補強部を有していてもよい。この場合、変位板の厚み方向の一軸曲げ変位を精度良く捉えることができる。また、変位板が所望の方向以外に変動し、捻れて破損するのを防ぐこともできる。
　本発明に係る静電トランスデューサで、前記変位板は片持ち梁状に設けられ、一端側に前記固定部を有し、他端側に前記変動部を有していてもよい。また、前記変位板は両持ち梁状に設けられ、前記変動部を挟むよう前記固定部が設けられていてもよい。また、前記変位板はダイヤフラム状に設けられ、周縁に前記固定部を有し、前記周縁の内側に前記変動部を有していてもよい。
　本発明に係る静電トランスデューサで、変位板が片持ち梁状に設けられている場合、前記支持体は、中央に開口を有し、前記変位板は、前記変動部が前記開口側に突出して、前記開口を覆うよう、または、ほぼ覆うよう設けられていてもよい。または、本発明に係る静電トランスデューサは、複数から成り、それぞれ各変動部を内側にして、各支持体で各変動部の周囲を囲うと共に、各変動部が各支持体で囲まれた空間を覆うよう、または、ほぼ覆うよう配置されていてもよい。これらの場合、仮想的なダイヤフラムのようにして、例えば静電マイクロフォンとして利用することができる。また、変動部が変動する際に、空気などの流体が漏れて感度が低下するのを防ぐよう、前記変動部と前記支持体との隙間、または、隣り合う変位板の前記変動部同士の隙間が、１０μｍ以下であることが好ましい。
　本発明に係る静電トランスデューサは、例えば、マイクロフォンや超音波センサなどの音響トランスデューサ、質量センサ、質量検出方式または周波数検出方式の化学センサ、変位センサ、変位検出方式の化学センサ、流量センサ、走査プローブなどの各種センサとして利用することができる。また、検出手段が、真空または低圧の空間に配置されているため、気体中だけでなく、液体中でも使用することができる。本発明に係る静電トランスデューサを、センサではなくアクチュエータとして用いて変位板を駆動し、音波の送出などに用いることもできる。
　本発明に係る静電トランスデューサの製造方法は、本発明に係る静電トランスデューサを製造するための静電トランスデューサの製造方法であって、基層の表面に、第１層と第２層と第３層とをこの順番で積層した積層体に対し、前記第３層を、前記第２層とは反対の表面側から加工して、前記検出手段の構造を形成すると共に、前記第２層まで貫通する１または複数の第１貫通孔を形成し、加工された前記第３層の前記第２層とは反対の表面に、第４層と第５層とをこの順番で形成し、前記第５層に、前記第４層とは反対の表面側から、前記第４層まで貫通する１または複数の第２貫通孔を形成し、前記第３層が前記検出手段を構成すると共に、前記検出手段が真空または低圧の空間に配置されるよう、前記第５層に形成した前記第２貫通孔、および、前記第３層に形成した前記第１貫通孔を通して、前記第４層および前記第２層の一部を除去した後、前記第５層に形成した前記第２貫通孔を塞ぎ、前記第１層が変位板を構成するよう、前記変動部の位置に対応する前記基層を除去することを特徴とする。
　本発明に係る静電トランスデューサの製造方法は、本発明に係る静電トランスデューサを好適に製造することができる。本発明に係る静電トランスデューサの製造方法は、第１層から第５層をそれぞれ成膜しながら静電トランスデューサを製造してもよく、市販のダブルＳＯＩウエハやＳＯＩウエハを用いて静電トランスデューサを製造してもよい。また、第１層から第５層を積層する際、少なくともいずれか１つの層の積層工程が基板接合（wafer bonding）により行われてもよい。また、本発明に係る静電トランスデューサの製造方法で、例えば、第１層、第３層および第５層は、シリコン（Ｓｉ）から成り、第２層および第４層は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成っていてもよい。
　本発明に係る静電トランスデューサの製造方法で、前記第５層はシリコンから成り、前記第５層に形成した前記第２貫通孔を、前記シリコンの表面流動で塞ぐことが好ましい。この場合、熱処理のみで容易に第２貫通孔を塞ぐことができる。また、第５層は、特に単結晶シリコンであることが好ましい。これにより、表面流動のための熱処理を行っても機械的特性等が変化せず、高品質の静電トランスデューサを製造することができる。
　また、本発明に係る静電トランスデューサの製造方法は、第５層に形成した第２貫通孔を、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、金属などを成膜して塞いでもよい。また、第２貫通孔上にシリコンを成膜した後、熱処理を行うことにより、そのシリコンの表面流動で第２貫通孔を塞いでもよい。
　本発明に係る静電トランスデューサの製造方法は、第２貫通孔を塞いだ後、窒素雰囲気などの水素分圧の低い環境でアニールしてもよい。この場合、検出手段が配置された空間の水素を拡散によって排出することができ、真空度を高めることができる。
　本発明によれば、様々なセンサに適用可能で、高いＳＮ比を得ることができ、静電容量の変化を検出する部分の配置および構造の自由度を高めることができる静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法を提供することができる。
本発明の実施の形態の静電トランスデューサを示す（ａ）平面図、（ｂ）Ａ－Ａ’線断面図である。 図１に示す静電トランスデューサの、封止カバーを取り除いた平面図である。 本発明の実施の形態の静電トランスデューサの製造方法を示す（ａ）～（ｄ）断面図である。 本発明の実施の形態の静電トランスデューサの製造方法の、図３の続きを示す（ａ）～（ｆ）断面図である。 図１に示す静電トランスデューサの、複数を用いて変動部をダイヤフラム状に配置した変形例を示す平面図である。 本発明の実施の形態の静電トランスデューサの、変動検出部が変位板の厚み方向に沿って移動する変形例を示す（ａ）変動部が変動していない状態の断面図、（ｂ）変動部が変動した状態の断面図である。 本発明の実施の形態の静電トランスデューサの、変動検出部が変動部に設けられた変形例を示す（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ－Ｂ’線断面図である。 図７に示す静電トランスデューサの、封止カバーを取り除いた平面図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図８は、本発明の実施の形態の静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法を示している。
　図１および図２に示すように、静電トランスデューサ１０は、ＭＥＭＳデバイスから成り、支持体１１と変位板１２と検出手段１３と封止枠１４と補強部１５と封止カバー１６とを有している。
　支持体１１は、所定の厚みを有する矩形板状を成している。
　変位板１２は、薄い板状を成し、一端側に平面形状が矩形状を成す固定部１２ａを有し、他端側に、固定部１２ａの一方の長辺を底辺とした三角形状を成す変動部１２ｂを有している。変位板１２は、変動部１２ｂが支持体１１から突出するよう、固定部１２ａの一方の表面を、支持体１１の一方の表面に貼り付けて固定されている。これにより、変位板１２は、固定部１２ａを延長して設けられた変動部１２ｂが、固定部１２ａに対して変動可能な片持ち梁状を成している。
　検出手段１３は、変位板１２の支持体１１とは反対側の表面に沿って、その表面との間に間隔をあけて設けられている。検出手段１３は、細長い連結部２１と変動検出部２２とを有している。連結部２１は、一端が三角形状を成す変動部１２ｂの頂点に配置され、他端が変動部１２ｂの底辺の中心の固定部１２ａまで伸びている。変動検出部２２は、固定部１２ａに配置され、連結部２１の他端に接続された第１櫛歯状電極２３と、第１櫛歯状電極２３に噛み合うよう設けられた第２櫛歯状電極２４とを有している。第２櫛歯状電極２４は、一列に並んで、連結部２１の延長線の左右に、２組ずつ対称に設けられている。第１櫛歯状電極２３は、一列に並んで、各第２櫛歯状電極２４の左右に設けられ、連結部２１の延長線に対して対称に、全部で５つ設けられている。
　各第１櫛歯状電極２３は、連結部２１の長さ方向に対して平行に伸びる支持部２３ａと、支持部２３ａの左右（各第１櫛歯状電極２３のうち、真ん中の３つ）、または、左右のいずれか一方（各第１櫛歯状電極２３のうち、両端の２つ）から、それぞれ連結部２１の長さ方向に対して垂直方向に伸びるように並んだ多数の歯２３ｂとを有している。各第１櫛歯状電極２３のうち、２番目および４番目の第１櫛歯状電極２３は、支持部２３ａの連結部２１とは反対側の端部から、バネ状に伸びるバネ状接続部２３ｃを有している。各第２櫛歯状電極２４は、連結部２１の長さ方向に対して平行に伸びる支持部２４ａと、支持部２４ａの左右から、それぞれ連結部２１の長さ方向に対して垂直方向に伸びるように並んだ多数の歯２４ｂとを有している。変動検出部２２は、隣り合う第１櫛歯状電極２３の歯２３ｂと第２櫛歯状電極２４の歯２４ｂとが噛み合っており、隣り合う歯の間隔の変化を静電容量の変化として検出するよう構成されている。
　封止枠１４は、変位板１２の支持体１１とは反対側の表面に沿って、その表面に接して設けられている。封止枠１４は、連結部２１の両側方および変動検出部２２の周囲を囲うよう、連結部２１および変動検出部２２との間に間隔をあけて設けられている。また、封止枠１４は、連結部２１の一端に接続されている。封止枠１４は、変動検出部２２の周囲を囲う部分のうち、固定部１２ａの変動部１２ｂとは反対側の２つの隅の付近で、各バネ状接続部２３ｃが接続されている。
　補強部１５は、複数から成り、連結部２１の両側方に設けられた封止枠１４から外側に向かって、連結部２１の長さ方向に沿って所定の間隔で、連結部２１の長さ方向に対して垂直方向に伸びるよう設けられている。
　検出手段１３は、連結部２１の一端が、第１スペーサ１７を介して変位板１２の変動部１２ｂに固定されている。また、検出手段１３は、第２櫛歯状電極２４の支持部２４ａが、第１スペーサ１７を介して変位板１２の固定部１２ａに固定されている。封止枠１４および補強部１５は、第１スペーサ１７を介して変位板１２に固定されている。こうして、静電トランスデューサ１０は、補強部１５により、変動部１２ｂが変位板１２の厚み方向に一軸曲げ変位するようになっている。
　また、静電トランスデューサ１０は、変動部１２ｂと共に連結部２１の一端が変動することにより、連結部２１が曲がって、連結部２１の他端がその長さ方向に沿って引っ張られるようになっている。また、これにより、隣り合う第１櫛歯状電極２３の歯２３ｂと第２櫛歯状電極２４の歯２４ｂとの間隔が変化して、その静電容量が変化するようになっている。こうして、静電トランスデューサ１０は、変動部１２ｂの変動を静電容量の変化として検出可能になっている。なお、図１および２に示す具体的な一例では、変動検出部２２は、連結部２１が曲がって引っ張られたとき、連結部２１の延長線の左側および右側のそれぞれ１つの第２櫛歯状電極２４では、その歯２４ｂと隣り合う第１櫛歯状電極２３の歯２３ｂとの間隔（静電容量を検出するための歯同士の間隔）が広くなり、他の２つの第２櫛歯状電極２４では、その間隔が狭くなるよう構成されている。これにより、静電トランスデューサ１０は、差動検出がなされるようになっている。
　封止カバー１６は、薄い板状で、検出手段１３を覆うような形状を成しており、変位板１２との間に検出手段１３および封止枠１４を挟むよう、検出手段１３との間に間隔をあけて配置されている。封止カバー１６は、第２スペーサ１８を介して、連結部２１の一端、第２櫛歯状電極２４の支持部２４ａ、および封止枠１４に固定されている。補強部１５の一部は、封止カバー１６を構成する薄い板で構成されている。この部分では、封止カバー１６を構成する薄い板は、第２スペーサ１８を介して変位板１２に固定されている。
　静電トランスデューサ１０は、検出手段１３が、変位板１２、第１スペーサ１７、封止枠１４、第２スペーサ１８、および封止カバー１６により、周囲に間隔をあけて密封されている。また、静電トランスデューサ１０は、検出手段１３の周囲の空間１９が真空または低圧であり、検出手段１３が真空または低圧の空間１９に配置されている。
　静電トランスデューサ１０は、本発明の実施の形態の静電トランスデューサの製造方法により、好適に製造することができる。すなわち、図３および図４に示すように、本発明の実施の形態の静電トランスデューサの製造方法では、まず、基層３０の表面に、第１層３１と第２層３２と第３層３３とをこの順番で積層した積層体を準備する（図３（ａ）参照）。なお、図３（ａ）に示す具体的な一例では、積層体としてダブルＳＯＩウエハを用いているが、積層体は、各層を成膜して形成されてもよい。また、基層３０がＳｉ層およびＳｉＯ２層、第１層３１がＳｉ層（厚み０．５μｍ）、第２層３２がＳｉＯ２層（厚み０．１μｍ）、第３層３３がＳｉ層（厚み０．５μｍ）に対応している。
　次に、第３層３３を、第２層３２とは反対の表面側からパターニング加工して、検出手段１３、封止枠１４および補強部１５の構造を形成すると共に、第２層３２まで貫通する１または複数の第１貫通孔４１を形成する（図３（ｂ）および図１参照）。次に、加工された第３層３３の第２層３２とは反対の表面に、第４層３４と第５層３５とをこの順番で形成する（図３（ｃ）および（ｄ）参照）。なお、図３（ｃ）および（ｄ）に示す具体的な一例では、第３層３３の表面に、ＳＯＩウエハを基板接合し（図３（ｃ）参照）、そのＳＯＩウエハのハンドル層４２とＢＯＸ層４３とを除去することにより、第４層３４と第５層３５とを形成している（図３（ｄ）参照）が、各層を成膜して形成してもよい。また、第４層３４がＳｉＯ２層（厚み０．１μｍ）、第５層３５がＳｉ層（厚み０．５μｍ）に対応している。
　次に、第５層３５に、第４層３４とは反対の表面側から、第４層３４まで貫通する１または複数の第２貫通孔４４を形成する（図４（ａ）および図１参照）。次に、第３層３３が検出手段１３、封止枠１４および補強部１５を構成すると共に、検出手段１３が真空または低圧の空間１９に配置され、さらに第２層３２が第１スペーサ１７、第４層３４が第２スペーサ１８、第５層３５が封止カバー１６を構成するよう、第５層３５に形成した第２貫通孔４４、および、第３層３３に形成した第１貫通孔４１を通して、第４層３４および第２層３２の一部をエッチングにより除去した後（図４（ｂ）参照）、第５層３５に形成した第２貫通孔４４を塞ぐ（図４（ｃ）参照）。なお、図４（ｃ）に示す具体的な一例では、第５層３５がシリコンから成るため、いわゆるシリコンマイグレーションシール（ＳＭＳ）により、第５層３５のシリコンの水素中熱処理による表面流動で、第２貫通孔４４を塞いでいる。また、その後、水素濃度が十分に低い雰囲気中で熱処理を行うことにより、検出手段１３が配置された空間１９から熱拡散現象で水素ガスを排出して、その空間１９を真空または低圧にしている。
　次に、第１層３１に変位板１２の構造を形成すると共に、第３層３３の変動検出部２２の第１櫛歯状電極２３および第２櫛歯状電極２４の端子用の孔４５などを形成するよう、第２層３２から第５層３５を、第５層３５の側から形状加工し（図４（ｄ）参照）、形成した各端子用の孔４５に、第１櫛歯状電極２３の歯および第２櫛歯状電極２４の歯に電気的に接続された金属端子４６をそれぞれ形成する（図４（ｅ）参照）。次に、第１層３１が変位板１２を構成するよう、深掘りエッチング（ＤＲＩＥ）により、変動部１２ｂの位置に対応する基層３０を除去する（図４（ｆ）参照）。なお、基層３０が支持体１１を構成している。こうして、静電トランスデューサ１０を製造することができる。
　静電トランスデューサ１０は、変位板１２の変動部１２ｂの変動を静電容量の変化として検出可能に設けられた検出手段１３が、真空または低圧の空間１９に配置されているため、空気などの気体や液体などの周囲の流体によるダンピング等の影響を受けにくい。このため、ノイズを低減することができ、高いＳＮ比を得ることができる。
　また、静電トランスデューサ１０は、変動検出部２２が、支持体１１に固定された固定部１２ａに配置されており、変動部１２ｂの変動を妨げず、安定している。また、これにより、変動検出部２２の構造を比較的自由に構成することができ、静電容量の変化を検出する検出手段１３の配置および構造の自由度を高めることができる。また、変動部１２ｂと変動検出部２２とを分離することができるため、要求される性能に応じて、それぞれを独立に設計することができ、設計の自由度が高い。例えば、変動部１２ｂを小さくして過大な圧力の入力や機械的な衝撃に対する耐性を高めるとともに、変動検出部２２の第１櫛歯状電極２３および第２櫛歯状電極２４の歯数を増やして感度を高める構造にすることができる。このとき、変動検出部２２が真空または低圧の空間１９に配置されているため、変動検出部２２の感度を高めてもノイズの増加を抑えることができる。
　また、静電トランスデューサ１０は、変動検出部２２が変動部１２ｂとは別の位置に配置されているため、変動部１２ｂが硬くなるのを抑えることができる。また、変動部１２ｂと共に変動する部分を軽くすることができ、変動部１２ｂの共振周波数を高めることができる。静電トランスデューサ１０は、補強部１５により、変動部１２ｂが変位板１２の長さ方向以外の方向に撓むのを抑えることができるため、変位板１２の一軸曲げ変位を精度良く捉えることができる。また、変位板１２が所望の方向以外に変動し、捻れて破損するのを防ぐこともできる。
　また、静電トランスデューサ１０は、第５層３５のシリコンの表面流動により、熱処理のみで容易に第２貫通孔４４を塞ぐと共に、検出手段１３を真空または低圧の空間１９に配置することができる。このとき、第５層３５を単結晶シリコンで構成しておくことにより、表面流動のための熱処理を行っても機械的特性等が変化せず、高品質の静電トランスデューサとすることができる。なお、静電トランスデューサ１０は、変動部１２ｂの平面形状が三角形状のものに限らず、例えば矩形状や細長い棒状など、いかなる形状であってもよい。
　また、静電トランスデューサ１０は、検出手段１３が真空または低圧の空間１９に配置されているため、非特許文献１および２に記載のような、検出手段の途中に大気と真空または減圧空間とを隔てる隔膜のような構造が不要であり、このような構造よって検出手段１３の動きが妨げられない。
　なお、図５に示すように、静電トランスデューサ１０は、４つから成り、それぞれ各変動部１２ｂを内側にして、各支持体１１で各変動部１２ｂの周囲を囲うと共に、各支持体１１で囲まれた空間の中心部に、三角形状の各変動部１２ｂの頂点を集中させて、各変動部１２ｂが各支持体１１で囲まれた空間をほぼ覆うよう配置されていてもよい。図５に示す具体的な一例では、三角形状の各変動部１２ｂの頂点は、９０°であり、各変動部１２ｂは、隣り合う変動部１２ｂの側辺との間に、わずかな隙間１２ｃをあけて配置されている。この場合、仮想的にダイヤフラムのようにして、例えばマイクロフォンとして利用することができる。また、変動部１２ｂが変動する際に、空気などの流体が漏れて感度が低下するのを防ぐよう、隣り合う変動部１２ｂの側辺同士の隙間１２ｃが、１０μｍ以下であることが好ましく、その隙間１２ｃを無くして、各支持体１１で囲まれた空間１９を完全に覆っていてもよい。また、静電トランスデューサ１０は、４つに限らず、複数であればいくつであってもよい。また、変動部１２ｂの平面形状は、支持体１１で囲まれた空間１９を完全に覆う、または、ほぼ覆うことが可能な形状であれば、三角形に限らずどのような形状であってもよい。
　また、静電トランスデューサ１０は、１つから成り、支持体１１が中央に開口を有し、変位板１２は、変動部１２ｂが開口側に突出して、開口を覆うよう、または、ほぼ覆うよう設けられていてもよい。この場合にも、仮想的にダイヤフラムのようにして、例えばマイクロフォンとして利用することができる。また、変動部１２ｂが変動する際に、空気などの流体が漏れて感度が低下するのを防ぐよう、変動部１２ｂと支持体１１との隙間が、１０μｍ以下であることが好ましく、その隙間を無くして、支持体１１の開口を完全に覆っていてもよい。また、変動部１２ｂの平面形状は、支持体１１の開口の形状に応じて、どのような形状であってもよい。なお、変位板１２が、支持体１１の開口を覆うよう両持ち梁状に設けられ、変動部１２ｂを挟むよう固定部１２ａが設けられていてもよい。また、変位板１２が、支持体１１の開口を覆うようダイヤフラム状に設けられ、周縁に固定部１２ａを有し、その周縁の内側に変動部１２ｂを有していてもよい。
　また、静電トランスデューサ１０は、第１櫛歯状電極２３および第２櫛歯状電極２４が図１および図２に示す配置に限らず、どのような配置であってもよい。また、図１および図２に示す静電トランスデューサ１０は、変動部１２ｂが変動したとき、変動部１２ｂと共に連結部２１が曲がり、変動検出部２２の第１櫛歯状電極２３が変動部１２ｂの表面に沿って、面内方向に移動するよう構成されているが、図６に示すように、変動部１２ｂが変動したとき、連結部２１が曲がらず、連結部２１の他端に接続された変動検出部２２が変位板１２の厚み方向に沿って、面外方向に移動可能に構成されていてもよい。この場合、変動部１２ｂの変動を、第１櫛歯状電極２３および第２櫛歯状電極２４の厚さ方向の重なりの変化として検出するよう構成することもでき、あるいは、変動検出部２２と固定部１２ａとの間隔の変化による静電容量の変化として検出するよう構成することもできる。
　また、図７および図８に示すように、静電トランスデューサ１０は、連結部２１を有さず、検出手段１３の変動検出部２２が、変動部１２ｂの表面に沿って並んで配置されて、変動部１２ｂに固定された複数の固定電極５１と、各固定電極５１との間に間隔をあけて、変動部１２ｂの表面に沿って各固定電極５１の周囲を囲うよう配置され、変動部１２ｂに固定されていない網状電極５２とを有し、封止枠１４が変動部１２ｂの周縁に沿って、各固定電極５１および網状電極５２を囲うよう設けられていてもよい。この場合、変動検出部２２は変動部１２ｂに設けられているが、変動部１２ｂの変動により各固定電極５１と網状電極５２との間隔が変化して、その静電容量が変化するため、変動部１２ｂの変動を静電容量の変化として検出することができる。
　また、本発明の実施の形態の静電トランスデューサの製造方法は、図３および図４に示す方法では、第３層３３まで形成した後、第３層３３のみにパターニング加工などを行い（図３（ｂ）参照）、さらに第５層３５まで形成した後、第５層３５に第２貫通孔４４を形成する（図４（ａ）参照）と共に、第４層３４および第２層３２をエッチング加工している（図４（ｂ）参照）が、第２層３２から第５層３５の各層を成膜するたびに、各層をパターニング加工しておき、第５層３５に第２貫通孔４４を形成した後、第４層３４および第２層３２をさらにエッチング加工してもよい。
　さらに、図３および図４に示す方法では、基層３０上に第１層３１、第２層３２および第３層３３を形成した後（図３（ａ）参照）、エッチング加工等を行っているが、連結部２１、第２櫛歯状電極２４およびバネ状接続部２３ｃと、変位板１２とは、第１スペーサ１７として第３層３３の材料を用いて繋がっていてもよく、その場合、第２層３２を部分的にエッチングした後、第３層３３を成膜してもよい。同じことは第４層と第５層とについても言え、連結棒２１、第２櫛歯状電極２４およびバネ状接続部２３ｃと、封止カバー１６とは、第２スペーサ１８として第５層３５の材料を用いて繋がっていてもよく、その場合、第４層３４を部分的にエッチングした後、第５層３５を成膜してもよい。図４（ｂ）の犠牲層エッチングでは、第１スペーサ１７と第２スペーサ１８とを残すように制御するが、この方法によるとそれが容易になる。
　１０　静電トランスデューサ
　１１　支持体
　１２　変位板
　　１２ａ　固定部
　　１２ｂ　変動部
　１３　検出手段
　　２１　連結部
　　２２　変動検出部
　　　２３　第１櫛歯状電極
　　　　２３ａ　支持部
　　　　２３ｂ　歯
　　　　２３ｃ　バネ状接続部
　　　２４　第２櫛歯状電極
　　　　２４ａ　支持部
　　　　２４ｂ　歯
　１４　封止枠
　１５　補強部
　１６　封止カバー
　１７　第１スペーサ
　１８　第２スペーサ
　１９　空間
 
　３０　基層
　３１　第１層
　３２　第２層
　３３　第３層
　３４　第４層
　３５　第５層
　４１　第１貫通孔
　４２　ハンドル層
　４３　ＢＯＸ層
　４４　第２貫通孔
　４５　孔
　４６　金属端子
 
　５１　固定電極
　５２　網状電極
 

Claims (14)

  1. 　支持体と、
    　前記支持体に固定された固定部と、前記固定部に対して変動可能に設けられた変動部とを有する変位板と、
    　少なくとも一部が前記変動部と共に変動可能に取り付けられ、前記変動部の変動を静電容量の変化として検出可能に設けられた検出手段とを有し、
    　前記検出手段が、真空または低圧の空間に配置されていることを
    　特徴とする静電トランスデューサ。
  2. 　前記検出手段は、一端が前記変動部に固定され、他端が固定部側に向かって伸びる細長い連結部と、前記連結部の前記他端に接続され、その他端の変動を前記変動部の変動として検出可能に設けられた変動検出部とを有することを特徴とする請求項１記載の静電トランスデューサ。
  3. 　前記変動検出部は、前記固定部または前記支持体に設けられていることを特徴とする請求項２記載の静電トランスデューサ。
  4. 　前記検出手段は、前記変動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の静電トランスデューサ。
  5. 　前記変動部が前記変位板の厚み方向に一軸曲げ変位するよう設けられた補強部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電トランスデューサ。
  6. 　前記変位板は片持ち梁状に設けられ、一端側に前記固定部を有し、他端側に前記変動部を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電トランスデューサ。
  7. 　前記変位板は両持ち梁状に設けられ、前記変動部を挟むよう前記固定部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電トランスデューサ。
  8. 　前記変位板はダイヤフラム状に設けられ、周縁に前記固定部を有し、前記周縁の内側に前記変動部を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電トランスデューサ。
  9. 　前記支持体は、中央に開口を有し、
    　前記変位板は、前記変動部が前記開口側に突出して、前記開口を覆うよう、または、ほぼ覆うよう設けられていることを
    　特徴とする請求項６記載の静電トランスデューサ。
  10. 　複数から成り、それぞれ各変動部を内側にして、各支持体で各変動部の周囲を囲うと共に、各変動部が各支持体で囲まれた空間を覆うよう、または、ほぼ覆うよう配置されていることを特徴とする請求項６記載の静電トランスデューサ。
  11. 　前記変動部と前記支持体との隙間、または、隣り合う変位板の前記変動部同士の隙間が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項９または１０記載の静電トランスデューサ。
  12. 　ＭＥＭＳデバイスであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の静電トランスデューサ。
  13. 　請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の静電トランスデューサを製造するための静電トランスデューサの製造方法であって、
    　基層の表面に、第１層と第２層と第３層とをこの順番で積層した積層体に対し、前記第３層を、前記第２層とは反対の表面側から加工して、前記検出手段の構造を形成すると共に、前記第２層まで貫通する１または複数の第１貫通孔を形成し、
    　加工された前記第３層の前記第２層とは反対の表面に、第４層と第５層とをこの順番で形成し、
    　前記第５層に、前記第４層とは反対の表面側から、前記第４層まで貫通する１または複数の第２貫通孔を形成し、
    　前記第３層が前記検出手段を構成すると共に、前記検出手段が真空または低圧の空間に配置されるよう、前記第５層に形成した前記第２貫通孔、および、前記第３層に形成した前記第１貫通孔を通して、前記第４層および前記第２層の一部を除去した後、前記第５層に形成した前記第２貫通孔を塞ぎ、
    　前記第１層が変位板を構成するよう、前記変動部の位置に対応する前記基層を除去することを
    　特徴とする静電トランスデューサの製造方法。
  14. 　前記第５層はシリコンから成り、
    　前記第５層に形成した前記第２貫通孔を、前記シリコンの表面流動で塞ぐことを
    　特徴とする請求項１３記載の静電トランスデューサの製造方法。
     
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