特許 6127611 静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6127611

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォン

(51)【国際特許分類】

   H04R 19/04 20060101AFI20170508BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H04R19/04

   H01L29/84 Z

【請求項の数】20

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-52538(P2013-52538)

(22)【出願日】2013年3月14日

(65)【公開番号】特開2014-179812(P2014-179812A)

(43)【公開日】2014年9月25日

【審査請求日】2016年1月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094019

【弁理士】

【氏名又は名称】中野 雅房

(72)【発明者】

【氏名】井上 匡志

(72)【発明者】

【氏名】笠井 隆

(72)【発明者】

【氏名】内田 雄喜

【審査官】 大野 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２３４２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２８４２３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｒ １９／０４

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも上面で開口した空洞を有する基板と、
前記空洞の上面を覆うようにして前記基板の上方に形成された振動電極板と、
前記振動電極板の外周部に間隔をあけて配置されていて、前記振動電極板を静止部材に固定可能にする複数個のアンカーと、
前記振動電極板と対向するように配置された固定電極板とを備え、
前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、隣り合うアンカー間に位置する振動電極板の外縁が、全長にわたって、前記振動電極板の中心から遠い側で隣り合うアンカーの縁に外接する接線よりも外側に位置している静電容量型センサにおいて、
前記振動電極板の前記アンカーに近い領域に１又は２以上の開口が設けられていることを特徴とする静電容量型センサ。

【請求項2】

前記開口は、前記アンカーの位置から、前記アンカーのサイズと同程度もしくは２倍程度離れた位置に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項3】

前記開口は、前記振動電極板を上下に貫通した通孔又はスリットであることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項4】

前記開口の外周縁のうち、当該開口の近傍のアンカーと前記振動電極板の中心とを結ぶ線分からの垂直距離が最も大きな箇所が湾曲していることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項5】

前記開口は、開環状のスリットであることを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型センサ。

【請求項6】

前記スリットは、前記振動電極板の中心側で途切れていることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサ。

【請求項7】

前記スリットの途切れている部分における前記スリットの端どうしの間隔は、当該スリットの近傍のアンカーと前記振動電極板の中心とを結ぶ線分から前記スリットの外周縁までの最大の垂直距離よりも小さいことを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサ。

【請求項8】

前記スリットの端部は、前記スリットに囲まれた領域の内側へ向けて湾曲していることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサ。

【請求項9】

前記スリットで囲まれた領域は、前記振動電極板の一部によって塞がれていることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサ。

【請求項10】

前記開口は、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記アンカーと前記振動電極板の中心を結ぶ直線に関して対称な形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項11】

あるアンカーに近い領域に設けられた複数の前記開口が、当該アンカーの周囲に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項12】

前記振動電極板の開口は、前記基板の上面に垂直な方向から見て前記空洞と重なり合わない位置に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項13】

前記静止部材が前記基板であり、
前記振動電極板は、アンカーを介して前記基板の上方に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項14】

前記アンカーの内部を貫通する導電部によって前記振動電極板と前記基板とが導通していることを特徴とする、請求項１３に記載の静電容量型センサ。

【請求項15】

前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方にバックプレートが形成され、
前記静止部材が前記バックプレートであり、
前記振動電極板は、アンカーを介して前記バックプレートの下面に固定可能になっていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項16】

前記静止部材が前記固定電極板であり、
前記振動電極板は、アンカーを介して前記固定電極板に固定可能になっていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項17】

前記振動電極板は、矩形状をしていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。

【請求項18】

請求項１に記載の静電容量型センサを利用した音響センサであって、
前記バックプレート及び前記固定電極板には、音響振動を通過させるための複数個の音響孔が形成された音響センサ。

【請求項19】

前記開口の上方に位置する前記音響孔は、前記バックプレートの中央部に位置する前記音響孔よりも開口面積が小さいことを特徴とする、請求項１８に記載の音響センサ。

【請求項20】

請求項１８に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的に言うと、本発明は、振動電極板（ダイアフラム）と固定電極板からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型センサに関する。また、本発明は、音響振動を電気信号に変換して出力する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。

【背景技術】

【0002】

図１は従来の音響センサに用いられるダイアフラムの形状を示す平面図である。図１の音響センサはダイアフラム１２を支持するための脚片を有しないものであり、基板１１の上面でアンカー１４によりダイアフラム１２のコーナー部下面を支持している。

【0003】

しかし、図１のようなダイアフラム支持構造では、アンカー近傍のダイアフラムの剛性が高いために音響振動を受けたときのダイアフラムの変位量が小さく、高感度の音響センサを作製することが難しい。

【0004】

また、特許文献１に開示された音響センサ（マイクロフォン）では、ダイアフラムの外周部下面を全周にわたって基板上面に固定し、固定部分の内側に沿ってダイアフラムに複数個の小さな孔を開口している。しかし、このような音響センサでも、ダイアフラムの全周が固定されているので、音響振動を受けたときのダイアフラムの変位量が小さく、高感度の音響センサを作製することが難しい。

【0005】

そのため、ダイアフラムの変位量を大きくして感度を高めるため、ダイアフラムから外側へ向けて脚片（梁）を延出させ、脚片の端をアンカーで支持させるようにした音響センサが従来より提案されている。このような音響センサとしては、たとえば特許文献２に記載されたものや特許文献３に記載されたものがある。

【0006】

図２Ａは、ダイアフラムに設けた脚片をアンカーで支持するようにした音響センサの概略平面図である。ただし、図２Ａでは、バックプレートや固定電極板を除いてダイアフラムを露出させている。

【0007】

図２Ａに示す音響センサでは、基板１１に開口されたチャンバ（図示せず）を覆うようにして基板１１の上面に矩形状のダイアフラム１２が配置されている。ダイアフラム１２のコーナー部からは、対角方向外向きに脚片１３が延出している。チャンバの縁において基板１１の上面には４個のアンカー１４が設けられており、脚片１３の先端部下面はそれぞれアンカー１４によって支持されている。よって、ダイアフラム１２は、基板１１の上面において剛性の小さな脚片１３によって支持されており、音響振動によって上下に大きく変位する構造となっている。

【0008】

しかし、図２Ａのようにダイアフラム１２から外側へ脚片１３を延出させた構造の場合には、脚片１３と脚片１３の間の領域、すなわち図２Ｂにおいてハッチングを施した領域にはダイアフラム１２が存在せず、この領域が有効活用されていない。そのため、ダイアフラムの面積に比較して基板の面積が大きくなり、音響センサを小型化するうえでの阻害要因となっていた。あるいは、同じ基板サイズであればダイアフラムの面積が小さくなり、音響センサの感度が低下する。

【0009】

図２Ａのような支持構造のダイアフラム１２においてその面積を大きくしようとすれば、たとえば図３のように脚片１３と脚片１３の間の領域へダイアフラム１２を延出させることが考えられる。しかし、図３のようなダイアフラム１２であると、脚片１３と脚片１３の間へ延出された部分１２ａは脚片１３により支持された部分（図２Ａのもともとダイアフラム１２であった部分）によって片持ち状に支持されている。そのため、延出部分１２ａは、ダイアフラム１２が固有に持つ反りの影響を受けやすく、上方又は下方へ反り返ったりしやすい。このような反り返りの方向や程度は、生産工程のばらつきで生じるので、図３のような構造のダイアフラムは、音響センサの感度などをばらつかせる原因となる。また、場合によっては、反り返った部分１２ａが基板１１やバックプレートに衝突するおそれがある。

【0010】

また、ダイアフラム１２の面積を大きくするためには、脚片１３の長さを短くすればよい。しかし、脚片１３の長さを短くすると、脚片１３の剛性が高くなるので、ダイアフラム１２の変位量が小さくなり、音響センサの感度が低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１２／００３３８３１号明細書（US 2012/0033831 A1）

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１０／０１５８２７９号明細書（US 2010/0158279 A1）

【特許文献3】米国特許出願公開第２００９／０１９０７８２号明細書（US 2009/0190782 A1）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的とするところは、センササイズを小型化しつつ感度を向上させることのできる音響センサなどの静電容量型センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る静電容量センサとは、少なくとも上面で開口した空洞を有する基板と、前記空洞の上面を覆うようにして前記基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板の外周部に間隔をあけて配置されていて、前記振動電極板を静止部材に固定可能にする複数個のアンカーと、前記振動電極板と対向するように配置された固定電極板とを備え、前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、隣り合うアンカー間に位置する振動電極板の外縁が、全長にわたって、前記振動電極板の中心から遠い側で隣り合うアンカーの縁に外接する接線よりも外側に位置している静電容量型センサにおいて、前記振動電極板の前記アンカーに近い領域に１又は２以上の開口が設けられていることを特徴としている。

【0014】

ここで、開口とは、上下に貫通した通孔やスリットのように周囲をダイアラムに囲まれたものであって、切欠きは含まない。また、前記基板の上面に垂直な方向から見たとき、隣り合うアンカー間に位置する振動電極板の外縁の全長が、前記振動電極板の中心から遠い側で隣り合うアンカーの縁に外接する接線よりも外側に位置しているとは、隣り合うアンカー間に位置する振動電極板の外縁が、前記振動電極板の中心から遠い側で隣り合うアンカーの縁に外接する接線よりも内側に位置しておらず、また振動電極板の外縁が当該接線と交差していないということである。ただし、振動電極板の内側に設けられた通孔やスリットなどの閉じた開口が前記接線に接していたり、交差していたりすることは差し支えない。また、前記アンカーに近い位置とは、たとえば前記アンカーの位置から、前記アンカーのサイズと同程度もしくは２倍程度離れた位置であればよい。

【0015】

本発明の静電容量型センサにあっては、振動電極板の縁を弛ませることなくアンカー間の領域へ振動電極板を広げることができるので、振動電極板の面積を大きくすることができ、センサの感度を向上させることができる。また、アンカーの近傍において振動電極板に開口を設けているので、振動電極板のアンカーによる支持部分の剛性を小さくでき、振動電極板の変位量を大きくできてセンサの感度を向上させることができる。一方、従来のセンサのように振動電極板を支持させるための脚片が外側に向けて突出しないので、センサのサイズを小さくできる。よって、本発明の静電容量型センサによれば、感度が高くてサイズの小さな静電容量型センサを作製することが可能になる。

【0016】

本発明に係る静電容量型センサのある実施態様は、前記開口の外周縁のうち、当該開口の近傍のアンカーと前記振動電極板の中心とを結ぶ線分からの垂直距離が最も大きな箇所が湾曲していることを特徴としている。アンカーと前記振動電極板の中心とを結ぶ線分からの垂直距離が最も大きな箇所は応力が集中しやすいが、この部分を湾曲させておけば応力集中を緩和させることができる。

【0017】

本発明に係る静電容量型センサの別な実施態様は、前記開口が、開環状のスリットであることを特徴としている。かかる実施態様によれば、スリットで囲まれた領域がダイアフラムの一部で塞がれるので、低周波音の感度低下を防ぐことができる。

【0018】

本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記スリットが、前記振動電極板の中央部側で途切れていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、スリットで囲まれた領域が振動電極板の中央部と一緒に変位するので、静電容量の変化に寄与し、センサの感度を向上させることができる。

【0019】

また、前記スリットの途切れている部分における前記スリットの端どうしの間隔は、当該スリットの近傍のアンカーと前記振動電極板の中心とを結ぶ線分から前記スリットの外周縁までの最大の垂直距離よりも小さいことが好ましい。

【0020】

本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記スリットの端部が、前記スリットに囲まれた領域の内側へ向けて湾曲していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、スリット４２の先端部分における応力集中を緩和でき、振動電極板の強度を高めることができる。

【0021】

本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記開口が、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記アンカーと前記振動電極板の中心を結ぶ線分に関して対称な形状を有していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、開口の両側で不均一な応力が発生するのを防ぐことができる。

【0022】

また、あるアンカーに近い領域に設けられた複数の前記開口が、当該アンカーの周囲に配置されていてもよい。

【0023】

本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記振動電極板の開口が、前記基板の上面に垂直な方向から見て前記空洞と重なり合わない位置に設けられていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、振動電極板と基板上面との間の音響抵抗が小さくなりすぎ、低音で感度が低下することを防止できる。

【0024】

また、本発明に係る静電容量型センサにおいては、前記静止部材が前記基板であり、前記振動電極板が、アンカーを介して前記基板の上方に固定されていてもよい。このとき、振動電極板はアンカーを介して前記基板の上に固定されていてもよく、前記基板の上面に設けられた絶縁膜や保護膜の上に固定されていてもよい。あるいは、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方にバックプレートが形成されている場合には、前記静止部材が前記バックプレートであり、前記振動電極板が、アンカーを介して前記バックプレートの下面に固定可能になっていてもよい。また、前記静止部材が前記固定電極板であり、前記振動電極板が、アンカーを介して前記固定電極板に固定可能になっていてもよい。

【0025】

このうち、振動電極板が、アンカーを介して基板の上面に固定されている場合には、前記アンカーの内部を貫通する導電部によって前記振動電極板と前記基板とが導通していてもよい。かかる実施形態によれば、振動電極板から引出配線を延出させて配線を引き回さなくてよいので、センササイズを小さくできる。

【0026】

本発明に係る音響センサは、本発明に係る静電容量型センサを利用し、前記バックプレート及び前記固定電極板には、音響振動を通過させるための複数個の音響孔を形成している。本発明に係る音響センサによれば、音に対する感度が高く、センササイズも小さな音響センサを作製することができる。

【0027】

本発明に係る音響センサのある実施態様は、前記開口の上方に位置する前記音響孔が、前記バックプレートの中央部に位置する前記音響孔よりも開口面積が小さいことを特徴としている。かかる実施態様によれば、開口から音響孔を通って空気が抜けにくくなり、低音域での感度低下を防止できる。

【0028】

本発明に係るマイクロフォンは、本発明に係る音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えている。かかるマイクロフォンによれば、感度を高くし、また小型化も可能になる。

【0029】

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。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】図１は、従来の脚片を有しない音響センサの、バックプレート及び固定電極板を除いた状態の平面図である。

【図2】図２Ａは、従来の脚片を有する音響センサの、バックプレート及び固定電極板を除いた状態の平面図である。図２Ｂは、図２Ａの音響センサにおける無駄な領域を示す図である。

【図3】図３は、図２Ａのダイアフラムを元にして、その面積を広げた比較例を示す平面図である。

【図4】図４Ａは、本発明の実施形態１による音響センサを示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す音響センサからバックプレート及び固定電極板を除いてダイアフラムを露出させた状態を示す平面図である。

【図5】図５Ａは、図４Ａに示す音響センサの拡大断面図である。図５Ｂは、図５ＡのＸ部断面を示す拡大図である。

【図6】図６Ａは、実施形態１のダイアフラムの拡大図である。図６Ｂは、ダイアフラムのコーナー部を示す拡大図である。

【図7】図７は、本発明の実施形態１におけるダイアフラムのコーナー部を示す拡大図である。

【図8】図８Ａは、本発明の実施形態２による音響センサを示す平面図である。図８Ｂは、図８Ａに示す音響センサからバックプレート及び固定電極板を除いてダイアフラムを露出させた状態を示す平面図である。

【図9】図９は、実施形態２の音響センサの断面図である。

【図10】図１０は、実施形態２のダイアフラムの拡大図である。

【図11】図１１Ａは、実施形態２のダイアフラムのコーナー部を示す拡大平面図である。図１１Ｂは、比較例のダイアフラムのコーナー部を示す拡大図である。

【図12】図１２は、本発明の実施形態２の変形例を示す平面図である。

【図13】図１３Ａは、本発明の実施形態３におけるダイアフラムの平面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示すダイアフラムのコーナー部を示す拡大図である。

【図14】図１４は、実施形態３の音響センサにおけるアコースティックホールの構造を示す概略断面図である。

【図15】図１５は、実施形態３の変形例におけるダイアフラムの平面図である。

【図16】図１６Ａは、実施形態３のさらに別な変形例におけるダイアフラムの平面図である。図１６Ｂは、実施形態３のさらに別な変形例におけるダイアフラムの平面図である。

【図17】図１７は、本発明の実施形態４による音響センサの断面図である。

【図18】図１８は、本発明の実施形態５におけるダイアフラムの平面図である。

【図19】図１９は、本発明の実施形態６による音響センサを示す断面図である。

【図20】図２０は、本発明の実施形態７による音響センサを示す断面図である。

【図21】図２１は、本発明に係る音響センサを内蔵したマイクロフォンの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

【0032】

（実施形態１）
以下、図４−図６を参照して本発明の実施形態１による静電容量型センサ、すなわち音響センサ２１を説明する。図４Ａは、本発明の実施形態１による音響センサ２１の平面図である。図４Ｂは、図４Ａの音響センサ２１からバックプレート２８と固定電極板２９を除いてダイアフラム２４を露出させた状態の平面図である。図５Ａは音響センサ２１の断面図である。図５Ｂは、図５ＡのＸ部拡大断面図である。図６Ａは実施形態１のダイアフラムの拡大図、図６Ｂはダイアフラムのコーナー部の拡大図である。

【0033】

この音響センサ２１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型素子である。図５Ａに示すように、この音響センサ２１は、シリコン基板２２（基板）の上面にアンカー２７を介してダイアフラム２４を設け、ダイアフラム２４と対向させてダイアフラム２４の上方に固定電極板２９を設けたものである。

【0034】

シリコン基板２２には、上面から下面に貫通したチャンバ２３（空洞）が開口されている。ダイアフラム２４は、チャンバ２３の上面開口を覆うようにしてシリコン基板２２の上面に配置されている。ダイアフラム２４は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって略矩形状に形成されていてダイアフラム２４自体が振動電極板となっている。

【0035】

図４Ｂに示すように、チャンバ２３の外側において、シリコン基板２２の上面には４個のアンカー２７が配置されている。各アンカー２７は、ダイアフラム２４のほぼ対角方向に位置している。ダイアフラム２４は、外周に近い箇所で各コーナー部の下面を絶縁材料からなるアンカー２７によって支持されている。こうしてダイアフラム２４は、チャンバ２３の上面開口を覆うように配置されており、チャンバ２３の上面開口及びシリコン基板２２の上面から浮いている。

【0036】

また、ダイアフラム２４は、アンカー２７により支持された箇所の近傍で、かつ、アンカー２７により支持された箇所よりも中心側に比較的小さな複数個の通孔２５を開口されている。通孔２５がチャンバ２３と重なるとダイアフラム２４と基板上面との間の音響抵抗（ベントホール抵抗）が小さくなりすぎて低音で感度が低下する（ロールオフ）ので、通孔２５はチャンバ２３と重ならない位置に設ける。通孔２５はダイアフラム２４を上下に貫通している。複数個の通孔２５は、図６Ｂに示すように、アンカー２７の中心とダイアフラム２４の中心を結ぶ線分Ｋと直交する方向に並んでいる。線分Ｋと直交する直線上に並んでいてもよく、湾曲した曲線上に並んでいてもよい。また、複数個の通孔２５は、線分Ｋに関して対称に配置されていることが望ましい。

【0037】

アンカー２７の少なくとも１つは、図５Ｂに示すように貫通孔２７ａを有しており、ダイアフラム２４の一部がスルーホール部３２（導電部）となって貫通孔２７ａ内に埋め込まれ、シリコン基板２２の上面と接触している。シリコン基板２２は導電性を有しているので、かかるスルーホール構造を通じてダイアフラム２４がシリコン基板２２に導通している。また、図４Ａに示すように、シリコン基板２２の上面には電極パッド３４が設けられており、ダイアフラム２４はシリコン基板２２を通して電極パッド３４と導通している。このような構造によれば、ダイアフラム２４から引出配線を引き回す必要がないので、音響センサ２１の小型化に寄与する。

【0038】

図５Ａに示すように、ＳｉＮからなるバックプレート２８の下面には、ポリシリコンからなる固定電極板２９が設けられている。バックプレート２８は、ドーム状に形成されていてその下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム２４を覆っている。固定電極板２９の下面とダイアフラム２４の上面との間には微小なエアギャップ３０（空隙）が形成されている。図４Ａ及び図５Ａに示すように、バックプレート２８の一部からはシリコン基板２２の上面外周へ向けて膨出部２８ａが延出している。固定電極板２９からは、膨出部２８ａの下面に沿って引出配線３３が引き出されている。引出配線３３の先端には膨出部２８ａの上面に設けた電極パッド３５が接続されている。よって、固定電極板２９は電極パッド３５に導通している。

【0039】

バックプレート２８と固定電極板２９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３１（音響孔）が多数穿孔されている。図４Ａに示すように、アコースティックホール３１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３１は、互いに６０°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。

【0040】

この音響センサ２１にあっては、固定電極板２９とダイアフラム２４が、エアギャップ３０を挟んでコンデンサ構造を構成している。そして、音響振動に感応してダイアフラム２４が振動すると、固定電極板２９とダイアフラム２４の間の静電容量が変化し、音響振動が静電容量の変化を通して電気信号に変換される。

【0041】

この音響センサ２１では、図６Ａに示すように、シリコン基板２２の上面に垂直な方向から見たとき、隣り合うアンカー２７間に位置するダイアフラム２４の外縁が、全長にわたって、ダイアフラム２４の中心から遠い側で隣り合うアンカー２７の縁に外接する接線Ｇよりも外側に位置している。言い換えると、ダイアフラム２４の外縁が接線Ｇの内側になく、また接線Ｇと交差していない。ただし、通孔２５やスリット４２などの閉じた開口は、接線Ｇに接していたり、接線Ｇと交差していてもよい。特に、図示例では、ダイアフラム２４は脚片を持たない構造となっている。そのため、同じ広さの基板上面にダイアフラムを設ける場合、図２Ａのような脚片１３を有するダイアフラム１２に比べてダイアフラム２４の面積を広くすることができ、音響センサ２１の感度を向上させることができる。あるいは、ダイアフラムの面積が同じである場合、図２Ａのようなダイアフラム１２では外向きに脚片１３が出ているので、基板サイズ（センササイズ）が大きくなるが、本実施形態の音響センサ２１では脚片を持たないので、基板サイズが大きくならない。

【0042】

また、ダイアフラム２４が振動して変位するとき、アンカー２７により固定された部分の近傍の脚片相当部位２６が大きく変形することになる。この音響センサ２１では、アンカー２７の近傍に複数個の通孔２５を設けているので、アンカー２７の近傍の脚片相当部位２６の剛性を低下させることができる。すなわち、この部位２６には複数個の通孔２５を設けているので、脚片相当部位２６の実質的な幅は、図６Ｂに示す幅ｄ１、ｄ２、ｄ３の和となり、ダイアフラム２４のコーナー部に細い脚片を設けたのと同様になる。この結果、脚片相当部位２６の剛性が低下する。その結果、ダイアフラム２４が振動しやすくなり、ダイアフラム２４の変位量が大きくなるので、音響センサ２１の感度がさらに向上する。

【0043】

また、この音響センサ２１では、アンカー２７間にあるダイアフラム２４の外縁が、全長にわたって、アンカー２７の縁に外接する上記接線Ｇよりも外側にあるので、ダイアフラム２４のうちアンカー２７とアンカー２７の間の領域は、図３のダイアフラム１２の延出部分１２ａのように片持ち状にならず、アンカー２７により外側の縁まで支持される。そのため、ダイアフラム２４のうちアンカー２７とアンカー２７の間の領域は、アンカー２７からの張力（図６Ａに矢印で示す向きの張力）によってピンと張られており、反りや歪みが生じにくい。

【0044】

さらに、この実施形態では、線分Ｋと直交する直線上に複数個の通孔２５が並んでいるので、通孔２５によるダイアフラム面積の減少を抑制しながら、脚片相当部位２６の幅ｄ１＋ｄ２＋ｄ３を効率よく小さくできる。

【0045】

よって、本実施形態のような音響センサ２１によれば、基板上面のダイアフラム設置スペースを有効に活用してダイアフラム面積を広くでき、センササイズの小型化を図りつつ感度を向上させることができる。

【0046】

（変形例）
上記実施形態１では複数個の通孔２５を設けていたが、通孔２５は図７に示すように、１個であってもよい。１個の通孔２５の場合には、アンカー２７の中心とダイアフラム２４の中心を結ぶ線分Ｋと直交する方向に通孔２５が長くなっていることが好ましい。線分Ｋと直交する方向に通孔５が長くなっていると、同じ開口面積を有する円形の通孔と比較して脚片相当部位２６の幅を狭くすることができ、ダイアフラム２４が振動するときの変位量を大きくできる。

【0047】

また、通孔２５の両側の脚片相当部位２６で応力が不均一に発生するのを防止するため、この通孔２５は線分Ｋに関して対称な形状を有していることが望ましい。

【0048】

また、通孔２５の外周縁のうち、アンカー２７の中心とダイアフラム２４の中心を結ぶ線分Ｋからの垂直距離が最も大きい部分は、ダイアフラム２４の変形時に応力が集中しやすい。したがって、この部分で通孔２５の縁が折れ曲がった角になっていることは好ましくない。通孔２５の縁のうち線分Ｋから垂直距離が最も大きい部分を湾曲させて丸味を帯びさせておくことにより、応力集中を緩和させることが望ましい。

【0049】

（実施形態２）
図８Ａは、本発明の実施形態２による音響センサ４１を示す平面図である。図８Ｂは、図８Ａの音響センサ４１からバックプレート２８と固定電極板２９を除いてダイアフラム２４を露出させた状態の平面図である。図９は、実施形態２の音響センサ４１の断面図である。図１０は、音響センサ４１のダイアフラム２４を拡大して示す図である。図１１Ａは、ダイアフラムのコーナー部を拡大して示す図である。図１１Ｂは、図１１Ａのスリットと同じ大きさの通孔２５を示す。

【0050】

実施形態２の音響センサ４１においては、実施形態１の通孔２５に代えてスリット４２を設けている。スリット４２に関する部分以外の点については、以下において特に記載のない限り実施形態１の場合と同様である。したがって、実施形態１と同一構成部分には図面に同一の符号を付すことにより説明を省略する（実施形態３以降についても同様）。

【0051】

実施形態２の音響センサ４１では、図８Ｂ及び図１１Ａに示すように、アンカー２７により支持された箇所の近傍で、かつ、アンカー２７により支持された箇所よりも中心側において、ダイアフラム２４にスリット４２が設けられている。スリット４２は、開環状すなわち略Ｃ字状をしていて、ダイアフラム２４を上下に貫通している。スリット４２は、ダイアフラム２４の中心側の縁で途切れており、スリット４２により囲まれた部分３６は、ダイアフラム２４の中心側の端でスリット４２の外側の領域と連続している。スリット４２がチャンバ２３と重なるとベントホール抵抗が小さくなりすぎて低音で感度が低下する（ロールオフ）ので、スリット４２はチャンバ２３と重ならない位置に設ける。

【0052】

スリット４２の場合にも、図１０に示すように、シリコン基板２２の上面に垂直な方向から見たとき、隣り合うアンカー２７間に位置するダイアフラム２４の外縁が、全長にわたって、ダイアフラム２４の中心から遠い側で隣り合うアンカー２７の縁に外接する接線Ｇよりも外側に位置している。特に、図示例では、ダイアフラム２４は脚片を持たない構造となっている。そのため、同じ広さの基板上面にダイアフラムを設ける場合、図２Ａのような脚片１３を有するダイアフラム１２に比べてダイアフラム２４の面積を広くすることができ、音響センサ４１の感度を向上させることができる。あるいは、ダイアフラムの面積が同じである場合、図２Ａのようなダイアフラム１２では外向きに脚片１３が出ているので、基板サイズ（センササイズ）が大きくなるが、本実施形態の音響センサ４１では脚片を持たないので、基板サイズが大きくならない。

【0053】

また、図１１Ａにおいて、この音響センサ４１では、アンカー２７の近傍にスリット４２を設けているので、アンカー２７の近傍の脚片相当部位２６の剛性を低下させることができる。スリット４２の場合には、スリット４２の内側にもダイアフラム２４の一部が入り込んでいる。しかし、ダイアフラム２４のうちスリット４２に囲まれた部分３６は、アンカー２７からの張力をダイアフラム２４の中心部へ伝える働きをしていない（脚片相当部位２６の剛性に寄与しない）。したがって、ダイアフラム２４を支持するうえでは、図１１Ａのスリット４２の働きは、図１１Ｂのような通孔２５と同じである。よって、ダイアフラム２４を支持する脚片相当部位２６の実質的な幅は、図１１Ａに示すスリット４２の両側の幅ｄ１、ｄ２の和となり、ダイアフラム２４のコーナー部に細い脚片を設けたのと同様になる。この結果、脚片相当部位２６の剛性が低下する。その結果、ダイアフラム２４が振動しやすくなり、ダイアフラム２４の変位量が大きくなるので、音響センサ２１の感度がさらに向上する。

【0054】

また、この音響センサ２１では、アンカー２７間にあるダイアフラム２４の外縁が、全長にわたって、アンカー２７の縁に外接する上記接線Ｇよりも外側にあるので、ダイアフラム２４のうちアンカー２７とアンカー２７の間の領域は、図３のダイアフラム１２の延出部分１２ａのように片持ち状にならず、アンカー２７により外側の縁まで支持される。そのため、ダイアフラム２４のうちアンカー２７とアンカー２７の間の領域は、アンカー２７からの張力（図６Ａに矢印で示す向きの張力）によってピンと張られており、反りや歪みが生じにくい。

【0055】

さらに、スリット４２の場合には、線分Ｋと直交する方向に延びている部分だけではなく、線分Ｋとほぼ平行に延びている部分が重要になる。本実施形態のスリットでは、線分Ｋと直交する方向に延びている湾曲部分と線分Ｋとほぼ平行に延びた湾曲部分の双方を有しているので、脚片相当部位２６の剛性を低下させる効果があり、脚片相当部位２６の変形を大きくして音響センサ４１の感度を向上させることができる。したがって、実施形態２の変形例としては、図１２に示すように先端間が離れた略Ｕ字状のスリットであってもよい。

【0056】

しかし、スリット４２の外周縁のうち、アンカー２７の中心とダイアフラム２４の中心を結ぶ線分Ｋからの垂直距離が最も大きい部分は、ダイアフラム２４の変形時に応力が集中しやすいので、この部分を湾曲させて丸味を帯びさせておくことが好ましい。よって、実施形態２の音響センサ４１では、図１１Ａのように、スリット４２の先端を接近させてスリット４２を略Ｃ字状に形成し、線分Ｋからの垂直距離が最も大きい部分を湾曲させている。

【0057】

また、スリット４２の開放部分は、図１１Ａのようにダイアフラム２４の中心側に位置していることが好ましい。スリット４２の開放部分がダイアフラム２４の外周側に向いている場合には、ダイアフラム２４が振動して変位してもスリット４２に囲まれた部分３６は変位せず、音響センサ４１の感度に寄与しない。これに対し、スリット４２の開放部分がダイアフラム２４の中心側に向いている場合には、ダイアフラム２４が振動して変位したときにスリット４２に囲まれた部分３６も変位して静電容量の変化に寄与する。よって、スリット４２の開放部分をダイアフラム２４の中心側に向けることによって音響センサ４１の感度を向上させることができる。また、スリット４２はチャンバ２３から遠くに位置させることによって低音での感度低下を防ぐことができるので、スリット４２の開放部分をダイアフラム２４の外側へ向けるよりも、ダイアフラム２４の中心側に向ける方が、低音での感度低下を防止することができる。

【0058】

また、実施形態２においては、スリット４２の内側はダイアフラム２４の一部３６によって塞がれているので、ダイアフラム２４に開口を設けることによる低周波音の感度低下を防ぐことができる。

【0059】

よって、実施形態２のような音響センサ４１によれば、基板上面のダイアフラム設置スペースを有効に活用してダイアフラム面積を広くでき、センササイズの小型化を図りつつ感度を向上させることができる。

【0060】

なお、スリット４２の端は、ダイアフラム２４の振動によって亀裂が生じるおそれがある。よって、スリット４２の端は円弧状に丸くしておくか、あるいは円形の孔で終端させておくことが好ましい。

【0061】

また、通孔２５の両側の脚片相当部位２６で応力が不均一に発生するのを防止するため、通孔２５は線分Ｋに関して対称な形状を有していることが望ましい。

【0062】

また、スリット４２は一箇所で途切れていることが好ましい。２箇所でスリット４２が途切れていると、スリット４２に囲まれた部分３６を介してスリット４２よりも外周側の部分とスリット４２よりも内側の部分がつながり、脚片相当部位２６の剛性が高くなるからである。

【0063】

（変形例）
なお、図示しないが、図１１Ａに示したような形状のスリット４２をアンカー２７の近傍に複数個配置してもよい。

【0064】

（実施形態３）
図１３Ａは、本発明の実施形態３による音響センサを説明するための平面図であって、バックプレートと固定電極板を除いてダイアフラム２４を露出させた状態を示す。また、図１３Ｂは、ダイアフラム２４のコーナー部を示す拡大図である。

【0065】

実施形態３の音響センサに用いられるダイアフラム２４では、図１３Ａに示すように、ダイアフラム２４の各コーナー部において、アンカー２７の近くにスリット４２を設けている。実施形態３のスリット４２では、図１３Ｂに示すように、スリット４２の先端部分を内側へ曲げてカールさせている。スリット４２の先端部分は、ダイアフラム２４が変位したときに応力集中が起きやすいので、この部分をカールさせて内側へ巻き込んでおくことによりダイアフラム２４の強度を高めることができる。

【0066】

図１４は、実施形態１−３のすべての音響センサにおけるアコースティックホール３１の構造を示す概略断面図である。スリット４２（通孔２５の場合でも同様である。）の上方に位置するアコースティックホール３１ａは、できるだけ空気が通り抜けにくいように、その直径（開口面積）を小さくしている。スリット４２の上方に位置しないアコースティックホール３１ｂは、ダイアフラム２４のダンピング回避のため空気が逃げやすいように、その直径（開口面積）を比較的大きくしている。したがって、スリット４２（通孔２５）の上方に位置するアコースティックホール３１ａは、他のアコースティックホール３１ｂ、特にバックプレート２８の中央部に位置するアコースティックホール３１ｂよりも小さくなっている。図１４に破線矢印で示すように、スリット４２を通ってアコースティックホール３１から容易に空気が通り抜けると、低音域での感度低下が起きるので、スリット４２の上方に位置するアコースティックホール３１ａを小さくし、低音域での感度低下を防いでいる。

【0067】

（変形例）
図１５は、本発明の実施形態３の変形例におけるバックプレートを示す平面図である。この変形例では、実施形態３において説明した形状のスリット４２をアンカー２７の近傍に２個ずつ形成している。また、図１５に示すように隣り合うコーナー部のスリット４２及びアンカー２７間の領域へチャンバ２３が張り出すようにしてチャンバ２３を広げてもよい。このようにしてチャンバ２３を広げれば、ベントホール抵抗が小さくなる。

【0068】

また、アンカー２７の近傍に３個以上のスリット４２を設けてもよい。

【0069】

また、チャンバ２３は矩形状に限らず、図１６Ａに示すような円板状のものでもよく、図１６Ｂに示すような多角形状のものでもよい。

【0070】

（実施形態４）
図１７は、本発明の実施形態４による音響センサ５１の断面図である。この実施形態においては、バックプレート２８の下面にアンカー２７を設け、アンカー２７の下面にダイアフラム２４の上面を固定してバックプレート２８の下方にダイアフラム２４を吊り下げている。シリコン基板２２の上面にアンカー２７を設ける場合には、アンカー２７の位置にチャンバ２３を形成することができず、アンカー２７によってチャンバ２３の大きさや形状が制約される。これに対し、実施形態４の場合には、アンカー２７の位置にとらわれることなくチャンバ２３の位置や大きさ、形状を決めることが可能になる。特に、アンカー２７の真下にチャンバー２３を形成することも可能になるので、ベントホール付近の設計自由度が増す。

【0071】

（実施形態５）
図１８は、本発明の実施形態５を示す平面図である。実施形態５では、シリコン基板２２に形成されたチャンバ２３の上に、２つのダイアフラム２４ａ、２４ｂが形成されている。それぞれのダイアフラム２４ａ、２４ｂは、各コーナー部の下面をアンカー２７によって支持されており、各アンカー２７の近傍においてダイアフラム２４ａ、２４ｂにはスリット４２（又は通孔２５）が開口されている。図示しないが、ダイアフラム２４ａ、２４ｂの上方には１枚の固定電極板２９が対向している（あるいは、ダイアフラム２４ａ、２４ｂにそれぞれ別個の固定電極板２９が対向していてもよい。）。そして、ダイアフラム２４ａと固定電極板２９によって第１センシング部５６ａが構成されており、ダイアフラム２４ｂと固定電極板２９によって第２センシング部５６ｂが構成されている。よって、図１８のようなダイアフラム２４ａ、２４ｂを用いれば、２個のセンシング部を利用してＳ／Ｎ比の高い音響センサを作製したり、２個のセンシング部の面積を変えることでダイナミックレンジの広い音響センサを作製したりすることが可能になる。

【0072】

このような音響センサにおいて、本願発明のような構成のダイアフラム２４ａ、２４ｂを用いれば、ダイアフラム２４ａ、２４ｂから脚片が延出されていないので、ダイアフラム２４ａとダイアフラム２４ｂを近づけて配置することができる。そのため、小型でダイナミックレンジの広い音響センサを作製することができる。

【0073】

（実施形態６）
図１９は、本発明の実施形態６による音響センサ６１を示す断面図である。この音響センサ６１にあっては、固定電極板２９がドーム状に形成されており、必要な剛性を得られる程度の厚みを有している。固定電極板２９は、絶縁層６２を挟んでシリコン基板２２の上面に設けられており、シリコン基板２２の上方に配設されたダイアフラム２４を覆っている。この実施形態のように、圧力センサは、バックプレートを用いないものであってもよい。

【0074】

（実施形態７）
図２０は、本発明の実施形態４による音響センサ７１を示す断面図である。この音響センサ７１では、シリコン基板２２の上面に絶縁層７２を介して平板状の固定電極板２９を設けている。さらに、固定電極板２９の上方には、固定電極板２９と対向させるようにしてダイアフラム２４が配設されている。ダイアフラム２４につながった脚片２６は、固定電極板２９の上面に設けられたアンカー２７によって支持されている。また、チャンバ２３の上方において、固定電極板２９には複数のアコースティックホール３１が開口されている。この実施形態のように、圧力センサは、ダイアフラムの下方で固定電極板がダイアフラムに対向していてもよい。

【0075】

（マイクロフォンへの応用）
図２１は、本発明に係る音響センサ、たとえば実施形態１の音響センサ２１を内蔵したボトムポート型のマイクロフォン８１の概略断面図である。このマイクロフォン８１は、回路基板８２とカバー８３からなるパッケージ内に音響センサ２１と回路部である信号処理回路８５（ＡＳＩＣ）とを内蔵したものである。音響センサ２１と信号処理回路８５は、回路基板８２の上面に実装されている。回路基板８２には、音響センサ２１内に音響振動を導き入れるための音導入孔８４が開口されている。音響センサ２１は、チャンバ２３の下面開口を音導入孔８４に合わせ、音導入孔８４を覆うようにして回路基板８２の上面に実装されている。したがって、音響センサ２１のチャンバ２３がフロントチャンバとなり、パッケージ内の空間がバックチャンバとなる。

【0076】

音響センサ２１と信号処理回路８５は、ボンディングワイヤ８６によって接続されている。さらに、信号処理回路８５は、ボンディングワイヤ８７によって回路基板８２に接続されている。なお、信号処理回路８５は、音響センサ２１へ電源を供給する機能や、音響センサ２１の容量変化信号を外部へ出力する機能を有する。

【0077】

回路基板８２の上面には、音響センサ２１及び信号処理回路８５を覆うようにしてカバー８３が取り付けられる。パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃から音響センサ２１や信号処理回路８５を保護している。

【0078】

こうして、音導入孔８４からチャンバ２３内に入った音響振動は、音響センサ２１によって検出され、信号処理回路８５によって増幅及び信号処理された後に出力される。このマイクロフォン８１では、パッケージ内の空間をバックチャンバとしているので、バックチャンバの容積を大きくでき、マイクロフォン８１を高感度化することができる。

【0079】

なお、このマイクロフォン８１においては、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔８４をカバー８３の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ２１のチャンバ２３がバックチャンバとなり、パッケージ内の空間がフロントチャンバとなる。

【符号の説明】

【0080】

２１、４１、５１、６１、７１ 音響センサ
２２ シリコン基板
２３ チャンバ
２４ ダイアフラム
２５ 通孔
２７ アンカー
２７ａ 貫通孔
２８ バックプレート
２９ 固定電極板
４２ スリット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】