特表2024-525348マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-12
(54)【発明の名称】マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサ
(51)【国際特許分類】
H04R 19/04 20060101AFI20240705BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20240705BHJP
【ＦＩ】
H04R19/04
B81B3/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023577622
(86)(22)【出願日】2022-06-14
(85)【翻訳文提出日】2024-01-30
(86)【国際出願番号】 US2022033439
(87)【国際公開番号】W WO2022266102
(87)【国際公開日】2022-12-22
(31)【優先権主張番号】63/210,183
(32)【優先日】2021-06-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/280,003
(32)【優先日】2021-11-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523470544
【氏名又は名称】サウンドスクリート インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001586
【氏名又は名称】弁理士法人アイミー国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ワン－タイ スー
(72)【発明者】
【氏名】モンシン ナワズ
(72)【発明者】
【氏名】メイサム ダエイチン
(72)【発明者】
【氏名】ステファン レイヒー
(72)【発明者】
【氏名】カーリー スタルダー
(72)【発明者】
【氏名】サヒル グプタ
【テーマコード（参考）】
3C081
5D021
【Ｆターム（参考）】
3C081AA13
3C081BA22
3C081BA30
3C081BA33
3C081BA43
3C081BA44
3C081BA45
3C081BA48
3C081BA53
3C081BA72
3C081CA14
3C081DA03
3C081DA06
3C081DA26
3C081DA27
3C081DA29
3C081DA30
3C081DA31
3C081EA02
3C081EA03
3C081EA05
3C081EA21
5D021CC02
(57)【要約】
【課題】マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサを提供する。
【解決手段】マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサは、基板と、基板によって支持された一対の電極とを含む。一対の電極は、バイアス電極－センス電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成される。一対の電極は、第１の方向に垂直な第２の方向に間隙によって互いに離間している。可動電極は片持ち端部を含み、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。
【選択図】図２４
【解決手段】マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサは、基板と、基板によって支持された一対の電極とを含む。一対の電極は、バイアス電極－センス電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成される。一対の電極は、第１の方向に垂直な第２の方向に間隙によって互いに離間している。可動電極は片持ち端部を含み、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。
【選択図】図２４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサであって、基板と、
基板に支持され、バイアス電極－センス電極対として構成されている一対の電極とを備え、
前記一対の電極のうちの可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成され、
前記一対の電極は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に間隙を空けて互いに離間しており、
前記可動電極は、片持ち端部を備え、この片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項2】
前記一対の電極のうちの固定電極は、片持ち端部を有し、この片持ち端部は、前記第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項3】
前記静止偏向は、前記片持ち端部が線形レジームでの動作中に、前記一対の電極の固定電極の中間点に達しないか、または交差しないようにする、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項4】
前記一対の電極の各電極は、それぞれ一組の櫛状フィンガを備え、それぞれの組の櫛状フィンガは並んだ配置で交互配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項5】
前記可動電極は、多孔性プレートを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項6】
前記一対の電極の各電極は、離間されたビームのそれぞれの組を備え、離間されたビームのそれぞれの組は交互配置で配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項7】
前記静止偏向は、前記可動電極の振動運動よりも大きい、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項8】
前記静止偏向は、前記一対の電極間にバイアス電圧を印加することによって得られる平衡位置に対応する、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項9】
前記基板によって支持される導電層をさらに備え、前記導電層は、前記一対の電極を画定するようにパターン化される、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項10】
前記一対の電極のさらなる電極は、前記可動電極の励起中に前記さらなる電極が事実上可動ではないように、前記第２の方向において前記可動電極よりも十分に短い、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項11】
前記静止偏向が前記間隙より大きい、請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項12】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサであって、基板と、
前記基板に支持された導電層とを備え、
前記導電層は、互いに並んで配置された一対の電極を備え、前記一対の電極は、バイアス電極－センス電極対として構成されており、
前記一対の電極のうちの可動電極は、可動電極の励起中に導電層の平面部分に垂直な方向に振動運動するように構成されており、
前記可動電極は片持ち端部を備え、この片持ち端部は、平面部分に対して静止偏向を示すように反っている、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項13】
前記一対の電極のうちの固定電極は片持ち端部を有し、この片持ち端部は、前記第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項14】
前記静止偏向は、前記片持ち端部が線形レジームでの動作中に、前記一対の電極の固定電極の中間点に達しないか、または交差しないようにする、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項15】
前記一対の電極の各電極は、それぞれ一組の櫛状フィンガを備え、前記それぞれの組の櫛状フィンガは並んだ配置で交互配置される、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項16】
前記可動電極の平面部分は、多孔質プレートを備える、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項17】
第１および第２の絶縁体層をさらに備え、前記導電層は、前記第１および第２の絶縁体層の間に配置される、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項18】
前記一対の電極のさらなる電極は、前記可動電極の励起中に前記さらなる電極が事実上可動でないように、前記可動電極よりも十分に短い、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項19】
前記静止偏向は前記導電層の厚さよりも大きい、請求項１２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項20】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサであって、基板と、
前記基板に支持され、バイアス電極－センス電極対として構成されている一対の電極とを備え、
前記一対の電極のうちの可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成されており、
一対の電極のうちのさらなる電極は、前記第１の方向に垂直な第２の方向において間隙によって可動電極から離間され、
前記一対の電極の各々は、片持ち端部を備え、この片持ち端部は第１の方向に沿って静止偏向を呈するように反っている、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項21】
前記一対の電極は、並列配置で配置される、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項22】
前記一対の電極の静止偏向が異なっている、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項23】
前記可動電極の前記静止偏向は、前記可動電極の前記片持ち端部が線形レジームでの動作中に、前記一対の電極の前記さらなる電極の中間点に到達または交差しないようにする、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項24】
前記一対の電極の各電極は、それぞれの組の櫛状フィンガを備え、前記それぞれの組の櫛状フィンガは並んだ配置で交互配置される、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項25】
前記可動電極が多孔質プレートを含む、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項26】
前記さらなる電極は、前記可動電極の励起中に前記さらなる電極が事実上可動ではないように、前記第２の方向において前記可動電極よりも十分に短い、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項27】
前記静止偏向は前記可動電極の前記振動運動よりも大きい、請求項２０に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項28】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）トランスデューサであって、基板と、
前記基板に支持され、測定のためのバイアス電極－センス電極対として構成されている一対の電極とを備え、
前記一対の電極のうちの可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成されており、
前記一対の電極のうちのさらなる電極は、前記第１の方向に垂直な第２の方向において、間隙によって前記可動電極から離間され、
前記可動電極は片持ち端部を備え、この片持ち端部は前記第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っており、
前記さらなる電極は第２の方向において可動電極よりも短い、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項29】
前記一対の電極の各電極はそれぞれの組の櫛状フィンガを備え、それぞれの組の櫛状フィンガは並列配置で交互に配置され、前記可動電極は多孔質プレートを備える、請求項２８に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項30】
前記静止偏向は可動電極の振動運動よりも大きく、前記さらなる電極は、可動電極の励起中にさらなる電極が事実上可動でないように十分に短い、請求項２８に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］
本出願は２０２１年６月１４日に出願され、譲渡された米国仮出願番号６３／２１０，１８３号の「MEMS Flow-Based Microphone」、および２０２１年１１月１６日に出願され、譲渡された米国仮出願番号６３／２８０，００３号の「MEMS Flow-Based Microphone」の利益を主張し、それらの全体の開示内容を参照によりここに明示的に組み入れる。
本出願は２０２１年６月１４日に出願され、譲渡された米国仮出願番号６３／２１０，１８３号の「MEMS Flow-Based Microphone」、および２０２１年１１月１６日に出願され、譲渡された米国仮出願番号６３／２８０，００３号の「MEMS Flow-Based Microphone」の利益を主張し、それらの全体の開示内容を参照によりここに明示的に組み入れる。
【0002】
［技術分野］
本発明は、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）マイクロフォンに関する。
本発明は、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【0003】
指向性マイクロホンは、一方向に進む音に対して高い感度を有し、別方向に進む音に対して低い感度を有するように設計される。このようにして、指向性マイクロフォンは、特定の方向から発する音に対して選択性を有する。さらなる処理能力と組み合わされると、指向性は、音響感知デバイスがそれらの方向に基づいて音源を位置特定し、分離することを可能にする。
【0004】
従来の指向性マイクロフォンは、入ってくる音波の圧力に応答する。入ってくる音に応答して移動するトランスデューサまたは膜は、パッケージ内に封入される。膜は、パッケージを２つの空気容積、前容積および後容積に分割する。マイクロホンパッケージはさらに、２つのサウンドポート（音響ポート）を有する。第１のサウンドポートは、第１の位置において、前部の空気体積を外部の周囲空気に結合する。第２のサウンドポートは、第１の位置からある距離を置いて離間された第２の位置で、空気の後方容積を外部周囲空気に結合する。音波がマイクロフォンを通過すると、音波は、第１のサウンドポートの位置に第１の局所圧力を、第２のサウンドポートの位置に第２の局所圧力を生成する。第１の圧力と第２の圧力との差は、膜に力を加え、膜を振動させる。次いで、膜の振動は、容量性、圧電性、光学的、またはピエゾ抵抗性読み出しなどの様々な変換機構のうちの１つを介して電気信号に変換される。
【0005】
典型的なＭＥＭＳ容量性トランスデューサでは、固定電極またはバックプレートがＭＥＭＳ膜または可動電極の上または下に配置され、膜とともに平行板キャパシタンス構成を形成する。膜が、その表面の対向する側を横切る圧力差に応答して振動することにつれて、固定電極と可動膜との間のギャップは振動的に減少したり増加したりする。これは、特定用途向け回路（ＡＳＩＣ）を使用して電気信号として感知および増幅することができる変化する静電容量に対応する。
【0006】
いくつかの平行板キャパシタ（コンデンサ）の場合、膜がその表面の上下の両方にバックプレートを有するように、第２の固定電極またはバックプレートがあってもよい。この場合、トランスデューサは、膜が振動することにつれて互いに反対方向に変化する２つの静電容量（キャパシタンス）を有する。２つの変化する静電容量間の差を使用して、捕捉された音波に対応する信号を提供することができる。さらに他の場合には、トランスデューサが、外部刺激によって励起されたときに同期して振動する２つの可動膜の間に挟まれた単一の固定電極を有する。ここでも、移動する膜が振動することにつれて、２つの対向する静電容量が生成される。
【発明の概要】
【0007】
本開示の一態様によれば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）トランスデューサは、基板と、基板によって支持される一対の電極とを含み、一対の電極は、バイアス電極－感知（センス）電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成される。一対の電極は、第１の方向に垂直な第２の方向に間隙によって互いに離間している。可動電極は片持ち端部を含み、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。
【0008】
本開示の別の態様によれば、ＭＥＭＳトランスデューサは、基板と、基板によって支持された導電層とを含む。導電層は互いに並んで配置された一対の電極を含み、一対の電極は、バイアス電極－センス電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に導電層の平面部分に垂直な方向に振動運動するように構成される。可動電極は片持ち端部を含み、片持ち端部は、平面部分に対して静止偏向を示すように反っている。
【0009】
本開示のさらに別の態様によれば、ＭＥＭＳトランスデューサは、基板と、基板によって支持される一対の電極とを含み、一対の電極は、バイアス電極－センス電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成される。一対の電極の更なる電極は、第１の方向に垂直な第２の方向において、間隙によって可動電極から離間される。一対の電極の各々は片持ち端部を含み、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。
【0010】
本開示のさらに別の態様によれば、ＭＥＭＳトランスデューサは、基板と、基板によって支持される一対の電極とを含み、一対の電極は、測定のためのバイアス電極－センス電極対として構成される。一対の電極の可動電極は、可動電極の励起中に第１の方向に振動運動するように構成される。一対の電極の更なる電極は、第１の方向に垂直な第２の方向において、間隙によって可動電極から離間される。可動電極は片持ち端部を含み、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。さらなる電極は、第２の方向において可動電極よりも短い。
【0011】
前述の態様のいずれか１つに関連して、本明細書に記載されるトランスデューサは、代替的にまたは追加的に、以下の態様または特徴のうちの１つまたは複数の任意の組合せを含み得るか、またはそれらを伴い得る。一対の電極のうちの固定電極は片持ち端部を有し、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。静止偏向は、片持ち端部が線形レジームでの動作中に、一対の電極の固定電極の中間点に達しないか、または交差しないようなものである。一対の電極の各電極はそれぞれコームフィンガ（櫛状フィンガ）の組を含み、コームフィンガのそれぞれの組は、並列配置で交互に配置される。可動電極は、多孔質プレートを含む。一対の電極の各電極は、離間されたビームのそれぞれの組を含み、離間されたビームのそれぞれの組は、交互配置で配置される。静止偏向は、可動電極の振動運動よりも大きい。静止偏向は、一対の電極間にバイアス電圧を印加することによって得られる平衡位置に対応する。ＭＥＭＳトランスデューサは基板によって支持された導電層をさらに含み、導電層は、一対の電極を画定するようにパターニングされる。一対の電極のさらなる電極は、可動電極の励起中にさらなる電極が事実上可動ではないように、第２の方向において可動電極よりも十分に短い。静止撓み（静止偏向）は、間隙よりも大きい。一対の電極のうちの固定電極は片持ち端部を有し、片持ち端部は、第１の方向に沿って静止偏向を示すように反っている。静止偏向は、片持ち端部が線形レジームでの動作中に、一対の電極の固定電極の中間点に達しないか、または交差しないようなものである。一対の電極の各電極はコームフィンガのそれぞれの組を含み、コームフィンガのそれぞれの組は、並列配置で交互に配置される。可動電極の平面部分は、多孔質プレートを含む。ＭＥＭＳトランスデューサは第１および第２の絶縁体層をさらに含み、導電層は、第１および第２の絶縁体層の間に配置される。一対の電極のさらなる電極は、可動電極の励起中にさらなる電極が事実上可動ではないように、可動電極よりも十分に短い。静止偏向は、導電層の厚さよりも大きい。一対の電極は、並んで配置されている。一対の電極の静止偏向は異なる。可動電極の静止偏向は、可動電極の片持ち端部が線形レジームでの動作中に、一対の電極のさらなる電極の中間点に到達または交差しないようなものである。一対の電極の各電極はコームフィンガのそれぞれの組を含み、コームフィンガのそれぞれの組は、並列配置で交互に配置される。可動電極は、多孔質プレートを含む。さらなる電極は、可動電極の励起中にさらなる電極が事実上可動ではないように、第２の方向において可動電極よりも十分に短い。静止偏向は、可動電極の振動運動よりも大きい。一対の電極の各電極は、それぞれ一組の櫛状フィンガを含む。コームフィンガのそれぞれの組は、並列配置で交互に配置される。可動電極は、多孔質プレートを含む。静止偏向は可動電極の振動運動よりも大きく、さらなる電極は可動電極の励起中にさらなる電極が事実上可動でないように十分に短い。
【0012】
本開示のより完全な理解のために、以下の詳細な説明および添付の図面が参照されるべきである。図面において、同様の要素は、同様の参照番号で識別される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】一例によるＭＥＭＳトランスデューサの断面概略図である。
【図2】一例によるＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図3】一例によるＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）図である。
【図4】別の例によるＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）図である。
【図5】一例による、板状ダイヤフラムを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図7】さらに別の例による、板状ダイヤフラムを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図8】一例によるビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図9】別の例によるビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図10】一例による、異なる長さのビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図11】別の例による、異なる長さのビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図12】さらに別の例による、ビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図13】さらに別の例による、ビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図14】さらに別の例による、ビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図15】さらに別の例による、ビームのアレイを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図16】一例による、増加した領域を有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図17】別の例による、増加した領域を有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図18】さらに別の例による、増加した領域を有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図19】さらに別の例による、増加した領域を有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図20】一例による、複数のキャビティを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図21】別の例による、複数のキャビティを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図22】さらに別の例による、複数のキャビティを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図23】さらに別の例による、複数のキャビティを有するＭＥＭＳトランスデューサの概略上面図である。
【図24】一例による、一対の偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図25】別の例による、絶縁体層によって基板から離間された偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図26】さらに別の例による、様々な長さの偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図27】さらに別の例による、変化する構成の偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図28】さらに別の例による、異なる高さに固定された偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面（または側面）概略図である。
【図30】さらに別の例による、交差偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの断面概略図である。
【図31】さらに別の例による、交互嵌合された偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの上面概略図である。
【図32】さらに別の例による、ダイヤフラム形状の偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの上面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
開示した装置の実施形態は、様々な形態を取り得る。図面に示され、明細書に記載した特定の実施形態は、例示的なものとして理解すべきである。本発明は、本明細書に記載され図示された特定の実施形態に限定されることを意図していない。
【0015】
粘性媒体の測定のための一対の電極を有するトランスデューサについて説明する。一対の電極は、測定のためのバイアス電極－感知電極対として互いに並んで配置されてもよい。以下に説明するように、一対の電極の一方または両方は、静止偏向を有する。例えば、一対の電極の可動電極の片持ち端部は、静止偏向を示すように反らされてもよい。場合によっては、一対の電極の固定電極が静止偏向を示す片持ち端部も有する。固定電極は例えば、可動電極よりも十分に短いことにより、固定電極が周囲の媒体によって事実上可動しないという意味で固定されてもよい。場合によっては、トランスデューサが、一対の電極の各電極が形成または配置される導電層を含む。
【0016】
場合によっては、電極のうちの１つの運動が電極を通過する粘性媒体の流れによる力によって駆動される（例えば、部分的に駆動される）。たとえば、トランスデューサは音響励起または空気流（たとえば、マイクロフォン）に応答し得る。トランスデューサは、空気を通って伝播する音がその移動（または可動）要素を通って流れるように配向されてもよい。空気が移動要素を横切って流れるとき、空気流は要素を励起し、場合によっては、要素の運動を支配する粘性抗力（ｖｉｓｃｏｕｓ ｄｒａｇ ｆｏｒｃｅ）（例えば、摩擦）を誘導する。このタイプの挙動は、ＭＥＭＳ製造技術によって構築された小さな微細構造を使用して得ることができる。移動要素は空気流または抗力と同じ方向に移動するので、トランスデューサまたはセンサは本質的に方向性がある。他の方向に流れる（すなわち、移動要素を通らない）空気は、応答を励起しないか、または少なくとも応答が実質的に減衰される。
【0017】
別の態様によれば、開示されるトランスデューサは、容量センサによって一般に使用されるバックプレートの使用を回避することができる。バックプレートがないと、特定の容量センサが受ける音響損失を最小限に抑えるか、または低くすることができる。
【0018】
開示されたトランスデューサは例えば、スマートフォン、ラップトップ、およびイヤホンなどの様々な消費者デバイスを含む、多種多様なマイクロフォンの応用およびコンテキストにおいて有用であり得る。開示されたトランスデューサの構成は、特定の方向に由来する音を他の方向に由来する音よりも高い感度で聴取することに関心がある任意のデバイスに関連して有用であり得る。
【0019】
マイクロフォンに関連して説明されているが、開示されたトランスデューサは、他の用途および状況において使用され得る。例えば、開示されたトランスデューサは、加速度計、ジャイロスコープ、慣性センサ、圧力センサ、ガスセンサなどに関連して有用である。これらの例では、センサが振動事象（例えば、加速度）を経験すると、トランスデューサが振動し、センサによって捕捉された信号がセンサによって見られる動きの近似値として働く。開示されたトランスデューサは、音波による励起という観点で説明される。しかしながら、代替または追加の刺激は、他の状況において開示されたトランスデューサを励起することができる。
【0020】
ここで図１を参照すると、一例によるセンサ１００が示されている。微小電気機械（ＭＥＭＳ）トランスデューサ、すなわち検知素子１０２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）１０６によって取り付けられるか、または他の方法で支持される。ＰＣＢ１０６は、１つまたは複数の層を含むことができる。センサ１００は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０４をさらに含む。ＡＳＩＣ１０４は、ＭＥＭＳトランスデューサ１０２から電気信号を読み出し、保護グローブトップ１０８によって覆われるように構成される。ＡＳＩＣ１０４はまた、ＰＣＢ１０６に取り付けられ、ワイヤボンド１１０によってＰＣＢ１０６上の導電性トレースに電気的に接続され得る。ＭＥＭＳ１０２およびＡＳＩＣ１０４の両方は、蓋または他のエンクロージャ１１２によってカプセル化される。蓋は、金属、プラスチック、セラミック、または他の材料から構成され得るか、または他の方法でそれを含み得る。ＭＥＭＳ１０２およびＡＳＩＣ１０４はワイヤボンド１１４によって、互いに、または直接ＰＣＢ１０６に電気的に接続され得る。ＭＥＭＳ１０２、ＡＳＩＣ１０４、および蓋１１２はまた、当業者に知られている他の方法を使用して取り付けられてもよい。別の例では、ＭＥＭＳ１０２がフリップチップ技術を使用してＰＣＢ１０６に取り付けられ得る。センサ１００はまた、２つの開口部、すなわちポート１１６および１１８を有する。一例では第１のポート１１６が蓋１１２上に着座することができ、第２のポート１１８はＰＣＢ１０６内に埋め込むことができる。別の例では、第１および第２のポート１１６および１１８が同じ表面（たとえば、ＰＣＢ１０６または蓋１１２）上に着座してもよい。一例では、センサ１００が音響刺激に応答するように（例えば、マイクロフォンとして）構成される。
【0021】
図２は、一例によるＭＥＭＳトランスデューサ２００の動作原理を示す断面（または側面）図である。ＭＥＭＳトランスデューサ２００は、可動（移動と記載することもある）要素（または電極）２０２と、固定電極２０４とを含む。移動要素２０２は、少なくとも側部２０８に固定され、方向２１０に沿って自由に振動する。固定電極２０４は、固定電極が同じ外部刺激を受けたときに、移動電極２０２に対して方向２１０に沿った運動を示さないか、または減少させるように構成される。したがって、固定電極２０４に対する方向２１０に沿った移動要素２０２の位置は、方向２１０に沿った音波に応答して変化する。移動要素２０２は、厚さ２１２を有する。厚さ２１２は移動要素２０２の動きが主に、運動要素が振動する周囲媒体によって支配される（例えば、運動要素は運動要素の周りの空気の動きによって駆動される）ように、十分に小さくてもよい。いくつかの実施例では、移動要素２１２の厚さは２ミクロン（μｍ）未満または３μｍ未満であり得る。可動要素２０２および固定電極２０４はそれぞれ、可動要素２０２と固定電極２０４との間に静電容量が確立されるように、少なくとも１つの導電層を有する。２つの電極が典型的には互いの上に配置される平行板コンデンサとは異なり、可動要素すなわち可動電極２０２は固定電極２０４の側部に配置される。したがって、電極２０２および２０４は、本明細書では並列と呼ばれることがある。
【0022】
移動電極２０２は、いくつかの部分を含む。部分の一部または全部は、片持ち梁式または懸架されてもよい。これらの部分は、アンカーに対する位置に関して特徴付けることができる。この実施例では、移動電極２０２が近位部分と、近位部分から外向きに延びる遠位部分とを含む。遠位部分は振動運動を示す静電容量を確立するために、可動電極と固定電極との間に間隙（ギャップ）を画定する。移動電極２０２の他の部分は、例えば近位部分を含む静電容量に寄与し得る。したがって、本明細書で説明されるいくつかの実施例に関連して示されるように、ギャップは、移動電極２０２の他の部分も静電容量に寄与する程度にかかわらず、静電容量を確立すると見なされ得る。移動電極２０２の遠位部分の長さは、近位部分の長さと比較して特定の比を維持するように設定されてもよい。例えば、遠位部分の長さは、近位部分の長さの２倍、または３倍であってもよい。近位部分の長さは約５０μｍ～約２５０μｍであり得、遠位部分の長さは約５０μｍ～約５００μｍであり得るが、他の量が使用され得る。
【0023】
移動電極２０２の遠位部分は、近位部分に対する静止反りまたは他の撓み（偏向）を有する。この例では、固定電極２０４が移動方向（例えば、固定電極の外側－上側と下側－表面との間の等距離）に中間点２０７を有する。移動電極２０２は、固定電極２０４および中間点２０７に対して、初期または静止たわみ（静止偏向）２０６を有する。図２の実施例では、初期たわみは移動電極の先端部と中間点との間にある。場合によっては、静止偏向が製造中の移動電極２０２の反りから生じ得る。トランスデューサ２００がいかなる音も受けず、平衡状態にあるとき、可動電極２０２は偏向２０６によってオフセットされる。静止偏向は、バイアス電圧の印加後に達成されるが、媒体による励起がない位置に対応し得る。場合によっては、移動電極２０２が中間点２０７の上に初期偏向２０６を有する。他の場合には、移動電極２０２が中間点２０７の下に初期偏向２０６を有する。初期たわみ２０６は、固定電極２０４の高さよりも大きくてもよい。いくつかの実施例では初期偏向２０６が約５μｍ～約５０μｍの範囲内に入ることができるが、他の量を使用することもできる。
【0024】
移動電極２０２と固定電極２０４との間には静電容量が形成される。移動電極２０２が方向２１０に沿った動きを受けると、移動電極２０２と固定電極２０４との間の静電容量が変化し得る。移動電極２０２が固定電極２０４および中間点２０７に近づくにつれて、静電容量は増加する。移動電極２０２が固定電極２０４および中間点２０７から離れるにつれて、静電容量は減少する。次に、移動電極２０２と固定電極２０４との間の静電容量の変化を、移動電極２０２の運動を表す電子信号に変換することができる。
【0025】
初期偏向は、測定結果の線形レジームにおける動作中の振動運動の方向において、可動電極２０２の遠位部分が固定電極２０４（例えば、中間点２０７）、またはトランスデューサの任意の他のバイアスに達しないか、または交差しないようにするか、トランスデューサの電極を感知しないようにする。図２の実施例では線形レジームでの動作中、移動電極２０２の先端部は中間点２０７と交差しない。言い換えれば、初期偏向２０６は、トランスデューサ２００の動作中、非ゼロのままである。線形レジームは、たとえば、圧力（たとえば、約２０ｕＰａ～約１Ｐａ）および周波数（たとえば、約２０Ｈｚ～約２０ｋＨｚ）を含む、ある範囲内に入るある１つまたは複数の特性を有する音波に対応し得る。線形レジームに対応する音波の特定の範囲は、トランスデューサおよび／またはトランスデューサが使用される用途に基づいて変化し得る。例えば、トランスデューサは、典型的な音響環境（例えば、家庭内、屋外、オフィスルーム、車両内など）において音波を受ける場合、線形レジームで動作することができる。典型的な音響環境における音波は、人間の音声、スピーカまたはＴＶからの雑音、車両からの雑音、家電製品からの雑音などを含み得る。トランスデューサが（例えば、スマートスピーカ、会議電話、ＴＶなどにおいて）ラウドスピーカの近くに配置されるいくつかのシナリオでは、線形レジームが１Ｐａを超える音圧レベルを有する音波に対応し得る。場合によっては、線形レジームが１００Ｈｚを超える、または３００Ｈｚを超える周波数を有する音波に対応し得る。音波が上記で特定された範囲のうちの１つまたは複数の範囲外にあるとき、場合によっては、トランスデューサは、可動電極が固定電極に到達し、および／またはそれに交差する非線形レジームで動作することができる。可動電極が固定電極に到達し、および／または交差するとき、マイクロフォンの出力に歪みが存在し得る。トランスデューサが大きな音圧レベルを有する音波にさらされるとき、非線形レジームで動作することを許容し得る。トランスデューサの初期偏向および対応するバイアス電圧は、大音圧にさらされるときのトランスデューサの歪みが最小限に抑えられるか、または低減されるように設定される。例えば、トランスデューサは、１０Ｐａの音圧レベルを有する音波を受けるとき、線形レジームで動作し、その結果、出力が１％～５％以下の全高調波歪みを維持する。
【0026】
電極２０２は、固定電極２０４の上または下に反っていてもよく、または最初に偏向されてもよい。例えば、初期偏向は、電極２０２を方向２１０に沿って支持する基板から（正）または基板に向かって（負）のいずれかであり得る。本明細書に記載される実施例の各々は、そのような正または負の反りを示し得る。
【0027】
固定バイアス電圧は、電極２０２または２０４のうちの１つの上に配置され得る。移動電極２０２が方向２１０に沿って移動することにつれて、これは、バイアス電圧が配置されていない電極２０２または２０４で見られる電荷および／または電圧の変化をもたらし得る。一例では、バイアス電圧が移動電極２０２上に配置され、固定電極２０４が電圧増幅器に接続される。電圧増幅器は、固定電極２０４上の電荷を一定に保持し、移動電極２０２が振動することにつれて固定電極上で見られる電圧変化を増幅する。固定電極２０４は代わりに、電荷増幅器に接続されてもよい。電荷増幅器は、固定電極２０４上の電圧を一定に保持し、移動電極２０２が振動することにつれて固定電極上に見られる電荷変化を増幅する。別の実施例では、バイアス電圧が固定電極２０４上に配置され、移動電極２０２が電圧増幅器に接続されてもよい。電圧増幅器は、移動電極２０２上の電荷を一定に保持し、移動電極が振動するときにそれに見られる電圧変化を増幅する。移動電極２０２は代わりに、電荷増幅器に接続されてもよい。電荷増幅器は、移動電極２０２上の電圧を一定に保持し、移動電極が振動するときに移動電極上で見られる電荷変化を増幅する。使用されるバイアス電圧は、正または負の値を有し得る。バイアス電圧は、ＤＣおよび／またはＡＣ部品をさらに有する可能性がある。いくつかの例ではバイアス電圧が電極２０２または２０４上に配置されるとき、初期偏向２０６は、バイアス電圧の印加を介して達成される平衡位置を反映し得る（たとえば、偏向は固定電極２０４に対して増加または減少し得る）。したがって、経験される初期偏向２０６は、電極２０２および２０４のバイアス電圧および／または機械的特性の振幅に依存し得る。
【0028】
移動要素２０２は、長さ２１４、厚さ２１２、および図の紙面に交差する方向の幅を有する。いくつかの実施例では固定電極２０４が移動要素２０２のすべての側面を取り囲むことができ、要素２０２は運動方向２１０に垂直な方向に静電力を受けることができる。要素２０２はエッジ２０８に固定されるので、要素はその長さ２１４に平行な方向に沿って剛性にされ、その方向の静電力によって著しく影響されない。加えて、要素２０２は、要素２０２がその幅に平行な方向に沿って剛性であり、その方向の静電力によって著しく影響を受けないように構成されてもよい。例えば、要素２０２は、その幅及び／又は厚さ２１２よりも大きい長さ２１４を有することができる。加えて、要素２０２は、その厚さ２１２と同様の、またはそれより大きい幅を有する可能性がある。いくつかの実施例では、移動要素２０２は、バイアス下に置かれたときに方向２１０に発生する静電力のみが要素２０２の平衡位置に影響を及ぼすように構成される。
【0029】
本明細書に記載されるように、移動電極２０２の初期たわみ（偏向）２０６は十分に大きく、したがって移動構造２０２が動作中に振動することにつれてたわみ２０６が常にゼロよりも大きい（または常にゼロよりも小さい）ようになる。例えば、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚの間の周波数を有し、音圧レベルがほぼ、時には１２０ｄＢを超える音波が伝搬する場合、移動電極２０２の偏向２０６は常に正のままであってもよい。したがって、移動電極が固定電極２０４と整列しない。いくつかの実施例では、初期偏向２０６が１０μｍ～５０μｍであり得る。
【0030】
バイアス電圧が移動電極２０２または固定電極２０４のいずれかに印加されると、初期偏向２０６が変化し得る。例えば、最初の偏向２０６は、移動電極２０２と固定電極２０４との間の電位の存在によって減少し得る。初期偏向２０６がゼロでないままであり、移動電極２０２が固定電極２０４と整列しないように、バイアス電圧を使用することができる。いくつかの実施例では、１Ｖ～５０Ｖの間のバイアス電圧が使用され得る。
【0031】
図３は、一例によるトランスデューサ３００の断面（または側面）図を示す。トランスデューサ３００は図２の実施例と同様の方法で動作することができる。トランスデューサ３００は、固定電極層３０８に対して初期偏向３０７を有する可動電極層３０６を含む。移動電極層３０６および固定電極層３０８は、少なくとも片側の絶縁体３０４を介して基板３０２に固定されている。固定電極３０８は、可動電極３０６に対して外部刺激を受けたときに、固定電極がより少ない動きを示すように構成される。外部刺激は、いくつかの実施例では音波であり得る。基板３０２は、シリコン、ガラス、または他の材料から構成され得るか、またはそれを含み得る。絶縁体３０４は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。例えば、絶縁体３０４は、熱酸化物から構成されてもよく、または熱酸化物を含んでもよい。移動電極層３０６及び固定電極層３０８は一層であってもよいし、複数層であってもよい。移動電極層３０６および固定電極層３０８は、導電性であってもよく、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せから構成されてもよく、またはそれらを含んでもよい。例えば、移動電極層３０６および／または固定電極層３０８は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコンから構成され得るか、またはそれらを含み得るか、またはアルミニウム、銅、金、もしくはタングステンなどの金属を含み得る。いくつかの例では、移動電極層３０６および固定電極層３０８が単一層（たとえば、ポリシリコン）と同じ製造ステップ中に堆積される。一例では移動電極層３０６および固定電極層３０８が約５０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲内の厚さを有することができるが、他の厚さを使用することもできる。移動電極層３０６と固定電極層３０８との厚さは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【0032】
一例では、可動電極層３０６にはＤＣおよび／またはＡＣ成分を有し得るバイアス電圧が与えられる。バイアス電圧は、正または負であり得る。固定電極層３０８は、増幅器に接続されている。別の実施例では、固定電極層３０８が、正または負であってもよく、ＤＣおよび／またはＡＣ成分を有するバイアス電圧を与えられ、移動電極層３０６は増幅器に接続される。移動電極層３０６が振動し、固定電極層３０７からの距離が変化すると、増幅器によって信号が生成され、増幅される。
【0033】
図４は、一例によるトランスデューサ４００の断面（または側面）図を示す。トランスデューサ４００は図２の実施例と同様の方法で動作することができる。トランスデューサ４００は、少なくとも１つの移動電極４０６と、移動電極４０６に対して外部刺激を受けた場合により少ない動きを示す少なくとも１つの固定電極４０８とを含む。外部刺激は、いくつかの実施例では基板４０２内のキャビティ４０１を通る空気の流れであり得る。移動電極４０６は、絶縁層４０４を介して少なくとも一方の側で基板４０２に固定され、その長さを横断する軸に沿って振動するように構成される。上述のように、絶縁体４０４は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。例えば、絶縁体４０４は、熱酸化物から構成されてもよく、または熱酸化物を含んでもよい。いくつかの実施例では、基板４０２がシリコンから構成され得るか、またはシリコンを含み得る。
【0034】
図４の実施例では、移動電極４０６が複合層として構成されている。この実施例では、移動電極４０６が少なくとも１つの導電層を有する複数の層を含む。図示の例では移動電極４０６が３つの層４１０、４１４、および４１８を含むが、追加のまたは代替の層が含まれてもよい。一例では、第１の移動電極層４１０および第３の移動電極層４１８が導電性であり、非導電性または絶縁性の第２の移動電極層４１４によって分離される。第２の移動電極層４１４は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。第１の移動電極層４１０および第３の移動電極層４１８は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、またはアルミニウム、金、またはタングステンなどの金属の任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含み得る。別の実施例では、第１の移動電極４１０および第３の移動電極層４１８は絶縁性であり、第２の移動電極層４１４は導電性であり、絶縁層の間に配置される。
【0035】
一例として、前記第１移動電極層４１０は、前記第３移動電極層４１８と電気的に連結され、前記第２移動電極層４１４は絶縁体であり得る。場合によっては、キャビティが第２移動電極層４１４にエッチングされ、第３移動電極層４１８によって充填され、第１移動電極層４１０と接触することができる。別の例では、第１の移動電極層４１０および第３の移動電極層４１８が両方とも非導電性（例えば、絶縁体）であってもよく、一方、第２の移動電極層４１４は導電性である。さらに別の例では、すべての移動電極層４１０、４１４、および４１８は導電性であり、電気的に接続されてもよい。
【0036】
第１の移動電極層４１０の厚さは約５０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲内であってもよいが、他の厚さであってもよい。第２の移動電極層４１４の厚さは約５０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲内であってもよいが、他の厚さであってもよい。第３の移動電極層４１８の厚さは約５０ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲内であってもよいが、他の厚さであってもよい。第１の移動電極層４１０、第２の移動電極層４１４、および／または第３の移動電極層４１８の厚さは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。いくつかの実施例では、第１の移動電極層４１０が第３の移動電極層４１８と同じ厚さである。移動電極４０６は、本明細書に記載されるような初期偏向を有することができる。
【0037】
固定電極４０８は、絶縁層４０４を介して基板４０２の少なくとも一方の側に固定され、同じ外部刺激（例えば、音波）を受けたときに移動電極４０６に対してその動きが低減されるように構成される。いくつかの実施例では、固定電極４０６が複数の側面上に固定されてもよい。固定電極４０８は、少なくとも１つの層が導電性である１つまたは複数の層を含むことができる。一例では、固定電極が少なくとも３つの層４１２、４１６、および４２０を含む。第１の固定電極層４１２および第３の固定電極層４２０は導電性であり、非導電性または絶縁性の第２の固定電極層４１６によって分離され得る。第２固定電極層４１６は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。第１固定電極層４１２および第３固定電極層４２０は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、またはアルミニウム、金、タングステンなどの金属の任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。
【0038】
一例として、第１固定電極層４１２は第３固定電極層４２０と電気的に連結され、第２固定電極層４１６は絶縁体であってもよい。場合によっては、第２固定電極層４１６にキャビティをエッチングし、第３固定電極層４２０を充填して第１固定電極層４１２と接触させることができる。別の例では、第１の固定電極層４１２および第３の固定電極層４２０が両方とも非導電性（例えば、絶縁体）であってもよく、一方、第２の固定電極層４１６は導電性である。さらに別の例では、移動する固定層４１２、４１６、および４２０はすべて、導電性であり、電気的に接続されてもよい。
【0039】
上述のように、移動電極４０６および固定電極４０８は、図２のように、各電極の構成層（または部分）が１つの電位のみを保持するように構成され得る。一例では、移動電極４０６に正または負であり得、ＤＣおよび／またはＡＣ成分を有し得るバイアス電圧が与えられる。次いで、固定電極４０８は、増幅器に接続され得る。別の実施例では、固定電極４０８には正または負であり得、ＤＣおよび／またはＡＣ成分を有し得るバイアス電圧が与えられる。次に、移動電極４０６を増幅器に接続することができる。
【0040】
導電層のうちの１つまたは複数は、移動電極と固定電極との両方を含み得る。いくつかの例では、移動電極４０６および固定電極４０８内の１つまたは複数の層が同じ層内に形成され得る（たとえば、同じ製造ステップ中に堆積される）。例えば、第１移動電極層４１０と第１固定電極層４１２とは同一の層であってもよい。代替的に又は追加的に、移動電極層４１４及び４１８は、それぞれ固定電極層４１６及び４２０と同じ層であってもよい。
【0041】
図３および図４の実施形態は単に説明のために示されており、図２に記載されているように動作するＭＥＭＳトランスデューサの代替的な実施形態を排除するものではない。可動電極および固定電極は、任意の組合せの材料で作られ、任意の数の構成でバイアスされた任意の数の層を含むことができる。
【0042】
上述のように構成された可動電極および固定電極の配列を有するトランスデューサのいくつかの実施例を以下に説明する。移動電極および固定電極のレイアウトおよび配置は様々であるが、それにもかかわらず、電極およびその部分は上述のように構成され得る。例えば、図２～図４に示される図は、以下に説明される実施例の電極構成の一部または一部の簡略図に対応し得る。
【0043】
以下の図は、初期偏向を有する１つまたは複数の移動電極の音響励起に応答するＭＥＭＳトランスデューサの様々な例を説明する。さらに、電極は、並列構成で構成される。
【0044】
図５は、一例による、板状ダイヤフラムを有するトランスデューサ５００の上面概略図を示す。トランスデューサ５００は、１つまたは複数のアンカー５０４によって一端で周囲基板５０１に取り付けられたダイヤフラム５０２を含む。基板５０１はキャビティ５０６を有し、その上にダイヤフラム５０２が配置される。キャビティ５０６は例えば、ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含む、様々な微細加工手法によって形成することができる。ダイヤフラムまたは板５０２は、１つまたは複数の孔５０８を含む。孔は、それらの間に間隔（スペーシング）５０９を有する。このように、ダイヤフラム５０２は、多孔質プレートとして構成されてもよい。ダイヤフラム５０２の自由縁部には、１つ以上のフィンガ５１０が取り付けられている。フィンガ５１０は、フィンガがダイヤフラム５０２と共に移動するように構成される。したがって、ダイヤフラム５０２およびフィンガ５１０は、単一の複合移動構造または電極と考えることができる。移動電極は、少なくとも１つの導電層を含む。
【0045】
トランスデューサ５００は、基板５０１に固定されたフィンガ５１２を有する固定電極を含む。トランスデューサ５００が音波によって励起されると、固定フィンガ５１２は、移動しないか、フィンガ５１０よりも相対的に移動しない。フィンガ５１２は、フィンガ５１０とフィンガ５１２との間に静電容量が形成されるように、少なくとも１つの導電層を含む。ダイヤフラム５０２が振動すると、フィンガ５１０とフィンガ５１２との間のギャップが変化する。これは、他の図に示される実施例に関連して説明されるように、電子信号に変換され得る、フィンガ５１０と５１２との間の静電容量の変化を作り出す。
【0046】
アンカー５０４はダイヤフラム５０２の幅にわたって延在する単一のアンカー、ダイヤフラム５０２の幅未満の幅を有する単一のアンカー、またはダイヤフラム５０２未満の幅を有する複数のアンカーとして構成され得るか、またはそれらを含み得る。アンカー５０２の上面図プロファイルは、長方形、楕円形、三角形、または任意の他の幾何学的形状であり得る。いくつかの実施例では、アンカー５０４のうちの１つまたは複数が、アンカー５０４とダイヤフラム５０２との間の接続点、および／またはアンカー５０２と周囲基板５０１との間の接続点において、フィレットまたは湾曲コーナーを含み得る。いくつかの実施例では、アンカー５０４の厚さは、ダイヤフラム５０２の厚さよりも大きくてもよい。同様に、アンカー５０４のうちの１つまたは複数は、互いに異なる厚さおよび／または幅を有し得る。
【0047】
トランスデューサ５００は、トランスデューサがオーディオ帯域内に第１の共振周波数を有するように設計され得る。例えば、トランスデューサ５００の第１の共振周波数は、約５００Ｈｚ～約５ｋＨｚの範囲に入ることができる。加えて、トランスデューサ５００は、オーディオ帯域の端部に近い、またはオーディオ帯域の外側にある（たとえば、１６ｋＨｚよりも大きい）第２の共振周波数を有し得る。
【0048】
ダイヤフラム５０２は、説明を容易にするために長方形として示されている。ダイヤフラム５０２は、矩形、円形、楕円形、三角形、または任意の他の幾何学的形状である上部プロファイルを有し得る。同様に、キャビティ５０６は、矩形、円形、楕円形、三角形、または任意の他の幾何学的形状である上部プロファイルを有し得る。フィンガ５１０は、ダイヤフラム５０２の自由端の周囲全体、または１つ以上のより小さい小区画を覆うことができる。フィンガ５１０は、ダイヤフラム５０２および／またはフィンガ５１２の厚さとは異なる厚さを有することができる。フィンガ５１０および／または５１２は、矩形、円形、楕円形、三角形、または任意の他の幾何学的形状である上部プロファイルを有し得る。いくつかの実施例ではフィンガ５１０と５１２との間の間隙が約１μｍ～約８μｍの範囲内に入ることができ、フィンガ５１０および５１２の長さは約５０μｍ～約２５０μｍの範囲内に入ることができ、フィンガ５１０および５１２の幅は約１μｍ～約２０μｍの範囲内に入ることができる。他の例では、フィンガ５１０および／または５１２の長さおよび／または幅が互いに対して変化してもよい。例えば、ダイヤフラムの自由側のうちの少なくとも１つのフィンガ５１０および／または５１２は、残りの側部とは異なる長さを有することができる。いくつかの実施例では、ダイヤフラム５０２の周囲に沿った少なくとも１組のフィンガ５１０および５１２の間隙が別の組のフィンガの間隙とは異なり得る。いくつかの実施例では、ダイヤフラム５０２が電気的および／または機械的に結合された２つ以上のダイヤフラムを含んでもよい。
【0049】
いくつかの実施例では、孔５０８の各々の間の間隔５０９が孔５０８の直径に等しくてもよい。他の例では、孔５０８の各々の間の間隔５０９が孔５０８の直径よりも小さくても大きくてもよい。間隔５０９は、孔５０８の直径の比として決定されてもよい。例えば、間隔５０９は、孔５０８の直径の半分、２倍、３倍、または４倍であってもよい。いくつかの実施例では、孔５０８が２μｍ～６０μｍの直径を有してもよく、間隔５０９は２μｍ～１００μｍであってもよい。一例では、孔５０８は４μｍの直径を有し、孔間の間隔５０９は８μｍである。さらに別の例では、孔５０８が互いからサイズおよび／または間隔において変化してもよい。例えば、孔５０８のうちの少なくとも１つは、ダイヤフラム５０２上の別の孔よりも小さくてもよい。孔５０８は、ダイヤフラム５０２の全表面またはダイヤフラム５０２の１つまたは複数のサブセクションを覆うことができる。さらに、孔５０８は、長方形、円形、楕円形、三角形、六角形、または任意の他の幾何学的形状であるプロファイルを有することができる。いくつかの場合において、ダイヤフラム５０２はいかなる孔も有さず（例えば、孔を有さないか、または有孔でない）、したがって、全体的にまたは完全に中実であり得る。
【0050】
図６は、一例による、フィンガが板状ダイヤフラムの１つのエッジに沿ってのみ配置されたトランスデューサ６００の上面概略図を示す。トランスデューサ６００は、１つまたは複数のアンカー６０４によって一端で周囲基板６０１に取り付けられたダイヤフラム６０２を含む。基板６０１はキャビティ６０６を有し、その上にダイヤフラム６０２が配置される。ダイヤフラム６０２は、１つ以上の孔６０８を有する。フィンガ６１０は、アンカー６０４に対向する自由縁部でダイヤフラム６０２に取り付けられ、固定フィンガ６１２と静電容量を形成する。いくつかの実施例ではダイヤフラム６０２が約１００μｍ～約２５０μｍの長さを有することができ、フィンガ６１０は約１００μｍ～約２５０μｍの長さを有する。いくつかの実施例では、フィンガがトランスデューサの全長の４５～６０％を占めることができる。
【0051】
図７は、複数のプレート状ダイヤフラムを含むトランスデューサ７００の上面概略図を示す。トランスデューサ７００は、基板７０１内のキャビティ７０６の上に懸架された少なくとも２つのダイヤフラム７０２および７０４を含む。ダイヤフラム７０２および７０４は導電性トレース７０８によって電気的に結合され、固定フィンガは導電性トレース７１０によって結合される。いくつかの実施例では、トランスデューサ７００が３つ以上のダイヤフラムを含んでもよい。ダイヤフラムは等しい寸法を有してもよく、または少なくとも１つのダイヤフラムは残りのダイヤフラムとは異なる寸法を有する可能性がある。例えば、トランスデューサ７００の少なくとも１つのダイヤフラムは、残りとは異なる共振周波数を有することができる。導電性トレース７０８および／または７１０はまた、センサ７００の各ダイヤフラムがバイアスされ、および／または独立して増幅されるか、または外部に接続されるように分離されてもよい。
【0052】
いくつかの実施例では、トランスデューサ７００のフィンガ７１０および７１２の長さはそれらの間に存在する静電容量を増加させるために増加され得る。図８は、フィンガがダイヤフラム７０２を完全に貫通して延びるトランスデューサ７００の延長部と考えることができる。
【0053】
図８は、一例によるビームのアレイを使用するトランスデューサ８００の上面概略図を示す。トランスデューサ８００は、ビーム８１２間に差し込まれる１つまたは複数のビームのアレイ８１０を含む。トランスデューサ８００のアレイは、キャビティ８０６を有する基板８０１によって支持され、キャビティ上でビーム８１０および８１２が懸架されるる。キャビティ８０６は、エッジ８０２および８０４を有する。一例では、ビーム８１０がエッジ部８０４上の基板に取り付けられたカンチレバー（片持ち式）であり、ビーム８１０とエッジ部８０２との間に空隙が存在するように、キャビティ８０６の対向するエッジ部８０２から距離８１４で終端する。したがって、片持ち式ビームは、固定－フリービーム（固定－自由ビーム）と呼ばれる。片持ち式ビーム８１０の間には、エッジ８０２とエッジ８０４の両方で基板に固定されたビーム８１２がある。したがって、ビーム８１２は、固定－固定ビームと呼ばれる。固定－自由ビーム８１０および固定－固定ビーム８１２は、それらの間に空隙８０８を有する。ビーム８１０および８１２はそれぞれ、本明細書に記載されるようにビーム間に確立されるキャパシタンス（静電容量）が存在するように、少なくとも１つの導電層を有する。トランスデューサ８００は、空気または別の粘性媒体（例えば、ガス）がキャビティ８０６を通過するとき、固定－自由ビーム８１０が固定－固定ビーム８１２よりも多くの動きを受けるように構成される。固定－自由ビームが振動すると、間隙８０８が変化し、本明細書に記載されるように、電子信号に変換され得る静電容量の変化が生じる。
【0054】
いくつかの実施例では、ビーム８１０および８１２の長さは約５０μｍ～約１０００μｍの範囲内にあり得、ビーム８１０および８１２の幅は約１μｍ～約２０μｍの範囲内にあり得、ギャップ８０８は約１μｍ～約２０μｍの範囲内にあり得るが、他の長さ、幅、およびギャップサイズが使用され得る。別の実施例ではトランスデューサ８００の固定－自由ビーム８１０のうちの少なくとも１つの長さ、幅、および／または厚さは、固定－自由ビームのうちの少なくとも１つの他のものとは異なり得る。別の実施例では、トランスデューサ８００の固定－固定ビーム８１２のうちの少なくとも１つの長さ、幅、および／または厚さは、固定－固定ビームのうちの少なくとも１つの他のものとは異なり得る。さらに別の例では、トランスデューサ８００の固定－自由ビーム８１０のうちの少なくとも１つの長さ、幅、および／または厚さは、固定－固定ビーム８１２のうちの少なくとも１つとは異なり得る。さらに別の例では、間隙８０８のうちの少なくとも１つは、トランスデューサ８００内の他の間隙のうちの１つよりも大きくてもよい。ビーム８１０および／または８１２は、矩形、円形、楕円形、三角形、または任意の他の幾何学的形状である上面図プロファイルを有し得る。
【0055】
他の場合には、固定－自由ビーム８１０の代わりに、固定－固定で、キャビティ８０６の両縁部８０２および８０４上の基板８０１に取り付けられてもよい。ビーム８１０は、ビーム８１２よりもコンプライアントであるように構成される。例えば、ビーム８１２は、ビーム８１０よりも大きな厚さを有することができる。
【0056】
図９は、別の実施例によるビームのアレイを使用するトランスデューサ９００の上面概略図を示す。ビーム９１０および９１２は、基板９０１内のキャビティ９０６の上に懸架される。固定－固定ビーム９１２の先端部９１４はキャビティ９０６のエッジ９０４上に延在し、基板９０１の上部に固定される。エッジ９０４と先端部９１４との間の距離は、エッジ９０４を越えて延在するキャビティ９０６の任意のオーバーエッチングが先端部９１４に到達しないように設定されてもよい。固定－固定ビーム９１２は、基板９０１に固定された導電性トレース９１６を介して電気的に接続されている。同様に、各固定－自由ビーム９１０は、基板９０１に固定された導電性トレース９１８を介して電気的に接続されている。導電性トレース９１６および９１８は外部接続が（例えば、ワイヤボンドを介して）行われ得るボンドパッドにさらに接続されてもよい。
【0057】
図１０は、一例による、異なる長さを有するビームのアレイを含むトランスデューサ１０００の上面概略図を示す。トランスデューサ１０００は、基板１００１内のキャビティ１００６の上に懸架された１組の固定－自由ビーム１００２および固定－固定ビーム１００４を含む。カンチレバーアレイ１００２は、別のビーム１０１０よりも長さが短い少なくとも１つのビーム１００８を含むことができる。代替的に又は追加的に、カンチレバーアレイ１００２は、ビーム１０１０よりも長さが長い少なくとも１つのビーム１０１２を含むことができる。一例では、カンチレバーアレイ１００２は、長さが増加する（たとえば、単調に増加する）固定－自由ビームのセットを含み得る。片持ちビームの前のビームに対する各片持ちビームの長さの増加は、等しくても異なっていてもよい。各カンチレバービームの長さは、特定の共振周波数を示すように調整することができる。別の実施例では、ビームの長さの増分変化がランダム化され得る。カンチレバーアレイ１００２内の各ビームは導電性トレース１０１８を介して電気的に接続されてもよく、その結果、トランスデューサ１０００によって励起されたときに見られる静電容量の変化は、すべてのカンチレバービーム１００２の平均である。いくつかの実施例では、トランスデューサ１０００のビームは長さにおいて変化し得、約５０μｍ～約１０００μｍの範囲に入るが、他の長さが使用され得る。
【0058】
図１１は、別の実施例による、異なる長さを有するビームのアレイを含むトランスデューサ１１００の上面概略図を示す。トランスデューサ１１００は、基板１１０１を貫通して形成されたキャビティ１１０６上に懸架された固定－自由ビーム１１０２および固定－固定ビーム１１０４のセットを含む。カンチレバーアレイ１１０２は、ビーム１１１０よりも長さが短い少なくとも１つのビーム１１０８と、ビーム１１１０よりも長さが長い少なくとも１つのビーム１１１２とを含む。いくつかの実施例では、最短ビームが縁部または外側にある状態で、最長ビームがキャビティ１１０６の内部に配置されてもよい。中心ビーム１１１２に対称的に対向するビーム１１０８は、長さが等しくてもよい。キャビティ１１０６の上エッジ部からのビームは、ビームがキャビティ１１０６の中央に配置されるまで長さが増加し、次いで、キャビティ１１０６の他のエッジ部に近づくにつれて長さが減少するように進み得る。いくつかの実施例では、より高い周波数での音響励起がキャビティ１１０６の縁部付近で最大であり得、より低い周波数での音響励起はキャビティ１１０６の中央付近で最大であり得る。アレイ１１０２内の各ビームの長さは、各ビームの共振がキャビティ１１０６内のその位置を通過する周波数に最も高い感度で一致するように設定され得る。
【0059】
図１２は、さらに別の例によるビームのアレイを含むトランスデューサ１２００の上面概略図を示す。トランスデューサ１２００は、基板１２０１を貫通して形成されたキャビティ１２０６上に懸架された固定－自由ビーム１２０２および固定－固定ビーム１２０４のセットを含む。この実施例では、固定－固定ビーム１２０４のアンカー１２０８がキャビティ１２０６の上に懸架される。アンカー１２０８は、アンカーが十分に剛性であり、同じ外部刺激を受けたときに、固定－自由ビーム１２０２に対して著しく移動しないように構成される。例えば、アンカー１２０８は、ビーム１２０２および１２０４よりも大きな幅および／または厚さで構築されてもよい。アンカー１２０８は、キャビティ１２０６のエッジから距離１２１０を置いて配置される。距離１２１０は、アンカー１２０８がキャビティ１２０６のコーナーから十分に遠く、微細加工プロセス中に過度の応力または力を受けないように選択される。
【0060】
トランスデューサ１２００のさらに別の特徴は、ビームのアレイの外側位置に固定－固定ビーム１２１２を使用することである。いくつかの実施例では、トランスデューサ１２００のビームのアレイにわたって分布される静電力が不均一である。アレイ内の外側ビーム１２１２は、他の内側ビームよりも強い静電力を受けることができる。したがって、外側ビームをアレイ内の他の内側ビームよりも高い剛性にすることが有用であり得る。場合によっては、外側ビーム１２１２が固定－固定ビームである。他の場合には、固定－固定ビーム１２１２が、アレイ１２０２および／または１２０４内の残りのビームよりも大きい幅および／または厚さをさらに有することができる。さらに別の例では、アレイ１２１２の外側ビームが、アレイ内の他のビームよりも短い長さを有する固定－自由ビームであってもよい。
【0061】
図１３は、さらに別の例によるビームのアレイを含むトランスデューサ１３００の上面概略図を示す。トランスデューサ１３００は、基板１３０１を貫通して形成されたキャビティ１３０６の上に懸架された、幅１３１４を有する固定－自由ビーム１３０２と固定－固定ビーム１３０４とのセットを含む。固定－自由ビーム１３０２のアレイは、第１及び最後の固定－自由ビーム１３０８を含む。ビーム１３０８の幅は、アレイ１３０２内の残りの固定－自由ビームの幅１３１４よりも大きい。別の実施例では、ビーム１３０８が、アレイ１３０２内の残りの固定－自由ビームとは異なる長さおよび／または厚さを有することができる。
【0062】
図１４は、さらに別の例によるビームのアレイを含むトランスデューサ１４００の上面概略図を示す。トランスデューサ１４００は、基板１４０１を貫通して形成されたキャビティ１４０６の上に懸架された、幅１４１４を有する１組の固定－自由ビーム１４０２と、幅１４１６を有する固定－固定ビーム１４０４とを含む。この実施形態では、固定－自由ビーム１４１４の幅が固定－固定ビーム１４１６の幅よりも大きい。例えば、固定－自由ビーム１４１４の幅は、固定－固定ビーム１４１６の幅の１倍、２倍、３倍、または４倍であってもよい。さらに、または代わりに、アレイ１４０２内の固定－自由ビームの厚さは、アレイ１４０４内の固定－固定ビームの厚さよりも大きい。固定－自由ビームアレイ１４０２は、第１及び最後のビーム１４０８を有する。一例では、ビーム１４０８の幅が幅１４１４よりも大きい。同様に、固定－固定ビームアレイ１４０４は、第１及び最後のビーム１４１２を有する。一例では、ビーム１４１２の幅が幅１４１６よりも大きい。
【0063】
図１５は、さらに別の例によるビームのアレイを含むトランスデューサ１５００の上面概略図を示す。トランスデューサ１５００は、１つまたは複数の態様ではトランスデューサ１４００（図１４）と同様の方法で構成され得る。トランスデューサ１５００は、固定－自由ビーム１５０２の先端部が湾曲している点で異なっていてもよい。代替的に又は追加的に、固定－自由ビーム１５０６の先端部から直接横断する固定－固定ビームアレイ１５０４上の領域１５０８もまた、プロファイルが湾曲している。
【0064】
いくつかの例では、センサの総静電容量、したがって性能を増加させるために、トランスデューサの領域を増加させることが有用であり得る。いくつかの例では、少なくとも１つの側部に固定されたプレートを含むトランスデューサが、より大きい幅（例えば、それらが固定される縁部に平行な方向に延在する）で構築されてもよい。ビームのアレイを含むトランスデューサは、アレイ内のビームの数を増加させるために拡張され得る。しかしながら、これらの構成は、基板内のキャビティを一方向に沿ってのみ比例的に延在させる。いくつかの実施例では、検出素子が固定される縁部に垂直な方向にトランスデューサ領域が増加される構成を有することが有用であり得る。これは、その平面寸法の両方に沿ったセンサ領域の増加を可能にし、基板に形成されたキャビティまたは孔のより良好な対称性を可能にし得る。
【0065】
図１６は、一実施例による、増加した領域を有する板状ダイヤフラムを含むトランスデューサ１６００を示す。トランスデューサ１６００は、基板１６０１内のキャビティ１６０６の上に懸架する共通アンカ１６０８に取り付けられた２つの板状ダイヤフラム１６０２および１６０４を含む。板状のダイヤフラム１６０２および１６０４は、図５～図７に記載されたものと同様であってもよい。ダイヤフラム１６０２および１６０４が音波によって励起されると、ダイヤフラムは互いに同位相で移動することができる。アンカー１６０８は、アンカーが同じ外部刺激を受けるときに、ダイヤフラム１６０２および１６０４の動きに対して著しく動かないように構成される。同様に、固定電極１６１０および１６１２は基板１６０１に固定され、同じ外部刺激を受けるときに、ダイヤフラム１６０２および１６０４の動きに対して大きく動かない。ダイヤフラム１６０２および１６０４が振動することにつれて、ダイヤフラムは、それぞれ電極１６１０および１６１２との静電容量の変化を作り出す。一例では、アンカー１６０８が、各ダイヤフラムが同じ導電層を共有するように、ダイヤフラム１６０２および１６０４を接続する。バイアス電圧が固定電極１６１０および１６１２上に印加されると、電気信号が、アンカー１６０８内の少なくとも１つの導電層から感知され得る。それは、トランスデューサ１６００によって見られる総キャパシタンス変化に近似する。吊り下げられたアンカー１６０８からの信号を感知することによって、感知電極と基板１６０１との間の寄生容量を最小限に抑えることができる。別の実施例では、少なくとも１つのバイアス電圧をアンカ１６０８上に加え、ダイヤフラム１６０２および１６０４によって共有することができる。この場合、トランスデューサ１６００によって見られる総キャパシタンス変化は、基板１６０１の上の導電性トレースを使用して、またはトランスデューサ１６００の外部に固定電極１６１０および１６１２を電気的に接続することによって感知することができる。キャビティのエッジ、または深い（ディープ）反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）ホールは電極１６１０および１６１２のエッジに配置され得、ＤＲＩＥプロセス中のアンダーカットは電極１６１０および１６１２と基板との間の寄生容量を低減するのに役立つ。さらに別の例では、トランスデューサ１６００がダイヤフラム１６０２と固定電極１６１０との間で見られる静電容量変化に対応する第１の出力と、ダイヤフラム１６０４と固定電極１６１２との間で見られる静電容量変化に対応する第２の出力とを含むことができる。これは、ダイヤフラム１６０２および１６０４が互いに対して位相がずれるように、トランスデューサ１６００が構成される実施例において有用であり得る。
【0066】
図１７は、別の実施例による、増加した領域を有する板状ダイヤフラムを含むトランスデューサ１７００の上面概略図を示す。トランスデューサ１７００は、ダイヤフラムが反転されていることを除いて、トランスデューサ１６００と同様である。トランスデューサ１７００では、板状ダイヤフラム１７０２および１７０４が基板１７０１に直接取り付けられ、キャビティ１７０６の上に懸架される。ダイヤフラム１７０２および１７０４のフィンガは、キャビティ１７０６の中心に配置され、吊り下げられたアンカー１７０８の固定フィンガまたは電極と相互嵌合される。アンカー１７０８は、アンカーが同じ外部刺激を受けたときに、ダイヤフラム１７０２および１７０４の動きに対して著しく動かないように、構成される。一例では、導電トレース１７１０がダイヤフラム１７０２および１７０４を接続し、各ダイヤフラムが同じ導電層を共有する。１つまたは複数のバイアス電圧がダイヤフラム１７０２および１７０４上に加えられ、電気信号が、アンカー１７０８内の少なくとも１つの導電層から感知され得る。それは、トランスデューサ１７００によって見られる総キャパシタンス変化に近似する。吊り下げられたアンカー１７０８からの信号変化を感知することによって、感知電極と基板１７０１との間の寄生容量を最小限に抑えることができる。別の実施例では、１つまたは複数のバイアス電圧がアンカー１７０８の１つまたは複数の導電層上に印加され得る。この場合、トランスデューサ１７００によって見られる総キャパシタンス変化は、１７０２、１７０４、または１７１０内の少なくとも１つの導電層によって感知することができる。さらに別の例では、導電性トレース１７１０が、センサ１７００がダイヤフラム１７０２と固定電極１７０８との間で見られる静電容量変化に対応する第１の出力と、ダイヤフラム１７０４と固定電極１７０８との間で見られる静電容量変化に対応する第２の出力とを含むように、除去され得る。
【0067】
図１８は、一例による、増加した領域を有するビームのアレイを含むトランスデューサ１８００の上面概略図を示す。トランスデューサ１８００は、キャビティ１８０６上に懸架され、基板１８０１に固定された２組の固定-自由ビーム１８０２および１８０４を含む。固定-自由ビーム１８０２は、導電トレース１８１０を介して接続され、固定-自由ビーム１８０４は導電トレース１８１２を介して接続される。固定-自由ビーム１８０２および１８０４は、アンカー１８０８に接続され、キャビティ１８０６の上に懸架された固定-固定ビームの間で交互嵌合される。いくつかの実施例では、固定-自由ビーム１８０２および／または１８０４の幅が、固定-固定ビームの幅よりも大きくても小さくてもよい。固定-固定ビームアレイは、第１及び最後のビーム１８１４のセットを有する。いくつかの実施例では、ビーム１８１４の幅が、他の固定-固定ビームおよび／または固定-自由ビーム１８０２および１８０４よりも大きくてもよい。他の例では固定-自由ビーム１８０２のうちの少なくとも１つの長さ、幅、および／または厚さは、固定-自由ビーム１８０４のうちの少なくとも１つとは異なり得る。トランスデューサ１８００のビームアレイは、図８－１５に記載されるものと同様であってもよい。
【0068】
アンカー１８０８およびその関連する固定-固定ビームは、同じ外部刺激を受けたときに、固定-自由ビーム１８０２および１８０４の動きに対して大きく動かないように構成される。固定-自由ビーム１８０２および１８０４が振動することにつれて、ビームは、１８０８および基板に固定された固定-固定ビームとともに静電容量の変化を作り出す。一例では、１つまたは複数のバイアス電圧が固定-固定ビーム上に加えられ、１８１０および／または１８１２において導電層のうちの少なくとも１つから電気信号が感知される。別の実施例では、１つまたは複数のバイアス電圧が１８１０および／または１８１２の少なくとも１つの導電層上に加えられ、電気信号が固定-固定ビーム１８０８内の少なくとも１つの導電層から感知される。吊り下げられたアンカー１８０８を感知することによって、感知電極と基板との間の寄生容量を最小限に抑えることができる。
【0069】
いくつかの実施例では、導電性トレース１８１０および１８１２を電気的に接続して、単一の外部接続を使用して固定-自由ビームの動きを感知することができるようにすることが有用であり得る。図１９は、そのような一実施形態を示す。トランスデューサ１９００は、トランスデューサ１８００と同様に、キャビティ１９０６上に懸架され、それぞれ導電性トレース１９１０および１９１２に接続された、少なくとも２組の固定-自由ビーム１９０２および１９０４を含む。導電性トレース１９１０および１９１２は、固定-自由ビーム１９０２および１９０４が同じ電位を示すように、導電性トレース１９０８によってさらに接続される。
【0070】
ＭＥＭＳトランスデューサの領域が増加することにつれて、基板にエッチングされるキャビティの領域はそれに応じて増加する。場合によっては、１つのより大きいキャビティではなく、基板内の複数のより小さいキャビティをエッチングすることが有用であり得る。これはまた、固定されたアンカーのような過度に長い吊り下げ構造を伴わずに、より多くの領域をカバーするトランスデューサの生成を可能にし得る。
【0071】
図２０は、一例による、複数のキャビティを有する板状ダイヤフラムを含むトランスデューサ２０００を示す。トランスデューサ２０００は、アンカー２０１４によって接続された２つの板状ダイヤフラム２００２および２００４を含む。板状のダイヤフラム２００２および２００４は、図５～７に記載されたものと同様であってもよい。トランスデューサ２０００は、ダイヤフラム２００２が懸架される基板２００１を通る第１のキャビティ２００６と、ダイヤフラム２００４が懸架される基板２００１を通る第２のキャビティ２００８とを含む。ダイヤフラム２００２および２００４を接続するアンカー２０１４も、トランスデューサ２０００の基板２００１に固定される。ダイヤフラム２００２および２００４が音波によって励起されると、ダイヤフラムは振動し、互いに同位相で移動する。固定されたフィンガ、すなわち電極２０１０および２０１２は基板２００１に固定され、同じ外部刺激を受けるとき、ダイヤフラム２００２および２００４の運動に対して著しく移動しない。ダイヤフラム２００２および２００４が振動することにつれて、ダイヤフラムは、それぞれ電極２０１０および２０１２との静電容量の変化を作り出す。一例では、アンカー２０１４が、各ダイヤフラムが同じ導電層を共有するように、ダイヤフラム２００２および２００４を接続する。バイアス電圧が固定電極２０１０および２０１２上に加えられる場合、電気信号は、アンカー２０１４内の少なくとも１つの導電層から感知され、その信号は、トランスデューサ２０００によって見られる総キャパシタンス変化に近似する、別の実施例では、少なくとも１つのバイアス電圧がアンカー２０１４内の導電層上に配置され、ダイヤフラム２００２および２００４によって共有され得る。この場合、センサ２０００によって見られる総静電容量変化は、固定電極２０１０および２０１２を電気的に接続することによって感知することができる。さらに別の例では、トランスデューサ２０００が、ダイヤフラム２００２と固定電極２０１０との間で見られる静電容量変化に対応する第１の出力と、ダイヤフラム２００４と固定電極２０１２との間で見られる静電容量変化に対応する第２の出力とを含むことができる。
【0072】
いくつかの実施例では、第１および第２のキャビティ２００６および２００８が等しい寸法を有し得る。他の例では、第１および第２のキャビティ２００６および２００８が異なる寸法を有し得る。第１のキャビティ２００６および第２のキャビティ２００８は、互いに対して任意の配向を有し得る。例えば、それらは、水平、垂直、または互いに対して対角線的に配置されてもよい。第１および第２のキャビティ２００６および２００８はまた、キャビティ２００６の頂部が水平に配置されたキャビティ２００８の頂部の上または下にあるように、互いからオフセットされ得る。同様に、キャビティ２００６の左縁は、垂直に配置されたキャビティ２００８の左縁の左または右に配置されてもよい。アンカー２０１４によって接続された２つのダイヤフラム２００２および２００４を有するのではなく、トランスデューサ２０００は、キャビティ２００６および２００８の上に個々に懸架された別個のダイヤフラムを含んでもよい。いくつかの実施例では、これらのダイヤフラムが図１６および図１７に記載されるものに類似し得る。これらのダイヤフラムは、トランスデューサ２０００の外部の追加の導電性トレースまたは接続部と接続されてもよい。いくつかの実施例では、トランスデューサ２０００が３つ以上のキャビティを含んでもよい。３つ以上のキャビティは、互いに対して任意の配置で配置されてもよい。例えば、トランスデューサ２０００が４つのキャビティを含む場合、４つのキャビティは、水平線、垂直線、長方形、または十字の形状を形成するように配置され得る。
【0073】
図２１は、一例による、複数のキャビティを有するビームのアレイを含むトランスデューサ２１００の上面概略図を示す。トランスデューサ２１００は、固定-自由ビーム２１０２および２１０４の２つのアレイを含む。固定-自由ビーム２１０２はトレース２１１０を介して接続され、固定-自由ビーム２１０４はトレース２１１２を介して接続される。固定-自由ビームは、アンカー２１１４に接続された固定-固定ビームと相互嵌合される。ビームのアレイは、図８－１５に記載されているものと同様であってもよい。センサ２１００は、固定-自由ビーム２１０２が懸架される基板２１０１を通る第１のキャビティ２１０６と、固定-自由ビーム２１０４が懸架される基板２１０１を通る第２のキャビティ２１０８とを含む。固定-固定ビームを接続するアンカー２１１４は、トランスデューサ２１００の基板２１０１に部分的にまたは完全に固定されてもよい。固定-自由ビーム２１０２および２１０４は、音波によって励起されるので、ビームは振動し、互いに位相を合わせて移動することができる。アンカー２１１４に接続された固定-固定ビームは基板２１０１に固定され、同じ外部刺激を受けるとき、固定-自由ビーム２１０２および２１０４の動きに対して大きく動かない。固定-自由ビーム２１０２および２１０４が振動すると、固定-固定ビームによって静電容量の変化が生じる。電気信号は、前の例で説明した方法のいずれかによって感知され得る。
【0074】
第１のキャビティ２１０６および第２のキャビティ２１０８は等しいまたは異なる寸法を有し、図２０に記載されるように、互いに対して任意の配向を有し得る。固定-固定ビームの１つのアレイがアンカー２１１４に接続されるのではなく、トランスデューサ２１００は、キャビティ２１０６および２１０８の上に個々に懸架される別個の固定-固定ビームアレイを含み得る。いくつかの実施例では、各キャビティ２１０６および２１０８が、図１８～１９に記載されるものに類似するビームのアレイを含み得る。ビームのこれらのアレイは、トランスデューサ２１００の外部の追加の導電性トレースまたは接続部と接続されてもよい。いくつかの実施例では、トランスデューサ２１００が、図２０に記載されるように、任意の向きに配置された３つ以上のキャビティを含んでもよい。
【0075】
図２２は、別の実施例による、複数のキャビティを有する板状ダイヤフラムを含むトランスデューサ２２００の上面概略図を示す。トランスデューサ２２００は、アンカー２２１０に接続された４つの板状ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８を含む。板状ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８は、図７～図９に記載されるものと同様であり得る。トランスデューサ２２００は、ダイヤフラム２２０２および２２０４が懸架される基板２２０１を通る第１のキャビティ２２１２と、ダイヤフラム２２０６および２２０８が懸架される基板２２０１を通る第２のキャビティ２２１４とを含む。ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８を接続するアンカー２２１０の少なくとも一部は、少なくとも１つのキャビティ２２１２および／または２２１４の上に吊り下げられてもよい。アンカー２２１０の少なくとも一部はまた、トランスデューサ２２００の基板２２０１に固定されてもよい。いくつかの実施例では、アンカー２２１０が電気的または機械的に接続された複数のアンカーを含んでもよい。同じ外部刺激によって励起されると、ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８は、互いに同位相で移動することができる。電極２２１６および２２１８は基板に固定されており、同じ外部刺激を受けるとき、ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８に対して著しく移動しない。電極２２１６および２２１８は、導電性トレース２２２０を介してさらに接続され得る。ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８が振動することにつれて、ダイヤフラムは、電極２２１６および２２１８によって静電容量の変化を作り出す。一例では、アンカー２２１０は、各ダイヤフラムが同じ導電層を共有するように、ダイヤフラム２２０２、２２０４、２２０６、および２２０８を接続する。電気信号は、前の例で説明した方法のいずれかによって感知され得る。第１のキャビティ２２０６および第２のキャビティ２２０８は等しいまたは異なる寸法を有することができ、前述のように、互いに対して任意の配向を有することができる。いくつかの実施例では、図１６、図１７、および図２０に記載されるようなトランスデューサは、キャビティ２２１２および／またはキャビティ２２１４の上に懸架されてもよい。いくつかの実施例では、トランスデューサ２２００が３つ以上のキャビティを含んでもよい。３つ以上のキャビティは前の図に関連して説明したように、互いに対して任意の配置で配置されてもよい。
【0076】
図２３は、別の実施例による、複数のキャビティを有するビームのアレイを含むトランスデューサ２３００の上面概略図を示す。トランスデューサ２３００は、基板２３０１に固定された固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８の４つのアレイを含む。ビームアレイ２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８は、図８～図１５に記載されるものと同様であり得る。トランスデューサ２３００は、固定-自由ビームアレイ２３０２および２３０４が吊り下げられる基板２３０１を通る第１のキャビティ２３１２と、固定-自由ビームアレイ２３０６および２３０８が吊り下げられる基板２３０１を通る第２のキャビティ２３１４とを含む。固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８は、アンカー２３１０に接続された固定-固定ビームと相互嵌合される。アンカー２３１０の少なくとも一部は、キャビティ２３１２および／または２３１４の少なくとも１つの上に懸架される。アンカー２３１０の少なくとも一部は、センサ２３００の基板に固定されてもよい。いくつかの実施例では、アンカー２３１０が電気的または機械的に接続された複数のアンカーを含んでもよい。同じ外部刺激によって励起されると、固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８は、互いに同位相で移動することができる。電極２３１６および２３１８は、基板２３０１に固定され、固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８に接続される。電極２３１６および２３１８は、導電性トレース２３２０を介してさらに接続され得る。固定-固定ビームおよびアンカー２３１０は、同じ外部刺激を受けるとき、固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８の動きに対して著しく動かない。固定-自由ビーム２３０２、２３０４、２３０６、および２３０８が振動すると、固定-固定ビームによる静電容量の変化が生じる。一例では、アンカー２３１０が固定-固定ビームを接続し、それらが同じ導電層を共有する。電気信号は、前の例で説明した方法のいずれかによって感知され得る。第１のキャビティ２３０６および第２のキャビティ２３０８は等しいかまたは異なる寸法を有することができ、前述のように、互いに対して任意の配向を有することができる。いくつかの実施例では、図１８、図１９、および図２１に記載されるようなトランスデューサはキャビティ２３１２および／またはキャビティ２３１４の上に懸架されてもよい。いくつかの実施例では、トランスデューサ２３００が３つ以上のキャビティを含んでもよい。３つ以上のキャビティは前述のように、互いに対して任意の配置で配置されてもよい。
【0077】
ここで、複数の偏向電極を有するＭＥＭＳトランスデューサの実施例を説明する。場合によっては、電極が電極の固定された部分が配置される平面から外れて偏向されてもよい。上述のように、偏向は例えば、外部刺激との相互作用の前の静止偏向であってもよい。偏向は、電極のうちの１つにバイアス電圧を印加した後であってもよいし、後でなくてもよい。このような偏向電極の様々な構成および配置について説明する。
【0078】
実施例は、上述の実施例のうちの１つまたは複数と共通するいくつかの態様を有する。例えば、一態様では、実施例が従来のＭＥＭＳセンサによって使用される従来の平行板感知アーキテクチャから逸脱する容量性感知機構を使用する。いくつかの場合には、電極が可動要素の上または下にバックプレートを使用する多くの平行プレート感知アーキテクチャで見られるように、電極間に垂直（例えば、可動要素を支持する基板の平面に対して垂直）重複がないように（例えば、電極の一部分が電極の真上または真下に別の電極の一部分を有しないように）、交互嵌合されるか、または並んで配置される。場合によっては、電極のうちの１つまたは複数が最初に別のものに対して偏向され得る。この場合、複数の電極間に確立されるキャパシタンス（静電容量）は、フリンジキャパシタンスに部分的に起因する寄与を有し得る。１つ以上の電極の初期偏向は、平行プレート電極を有するＭＥＭＳセンサ間に典型的に見られるギャップと比較して大きくてもよい。
【0079】
上述のように、以下に説明するトランスデューサは例えば、様々な民生用電子デバイス、自動車、および測定マイクロフォンを含む、多種多様なマイクロフォン用途および状況において有用であり得る。以下に説明するトランスデューサは、加速度計、ジャイロスコープ、慣性センサ、圧力センサ、ガスセンサなどに関連しても有用である。これらの例では、センサが振動事象（例えば、加速度）を経験すると、トランスデューサが振動し、センサによって捕捉された信号がセンサの動きの近似値として働く。
【0080】
ここで図２４を参照すると、一例によるＭＥＭＳトランスデューサ２４００の断面図が示されている。ＭＥＭＳトランスデューサ２４００は、基板２４０６によって支持された第１の電極２４０２と第２の電極２４０４とを含む。第１の電極２４０２は、少なくとも１つの側に固定され、基板２４０６の平面および第１の電極の長さに垂直な方向２４０８に沿って自由に振動する。基板２４０６は、第１の電極２４０２および第２の電極２４０４を外部空気に結合するキャビティ２４１０を有する。第２の電極２４０４は、少なくとも一方の側に固定される。場合によっては、第２の電極２４０４は、同じ外部刺激（例えば、音波）を受けたときに、第１の電極に対して方向２４０８に沿った運動を示さないか、または減少させるように、構成され得る。したがって、第２の電極２８０４に対する方向２４０８に沿った第１の電極２４０２の位置は、方向２４０８に沿った音響刺激に応答して変化する。この場合、第１の電極２４０２は移動電極と考えられ、第２の電極２４０４は固定電極と考えられる。いくつかの実施例では、第１の電極２４０２の厚さは２ミクロン（μｍ）未満または３μｍ未満であり得る。代替的にまたは追加的に、第１の電極２４０２は、周囲空気の音響インピーダンスにほぼ等しい音響インピーダンスを有し得る。
【0081】
第１の電極２４０２および第２の電極２４０４はそれぞれが少なくとも１つの導電層を有し、それらの間に静電容量が確立される。２つの電極が典型的には互いの上に配置される平行板キャパシタとは異なり、第１の電極２４０２は、第２の電極２４０４の側部に配置される。電極２４０２および２４０４は、並んでいる（side-by-side）と言われる。第２の電極２４０４は、図２４において、第１の電極２４０２の右側に示されている。第２の電極２４０４の少なくとも一部が、第１の電極２４０２の前または後ろに配置されてもよい。
【0082】
第１の電極２４０２は、いくつかの部分を含む。第１の電極２４０２は、基板２４０６によって固定または支持される第１の部分２４１２と、第１の部分２４１２から外側に延在する第２の部分２４１４とを有する。第２の電極２４０４はまた、基板２４０６によって固定または支持される第１の部分２４１６と、第１の部分２４１６から外側に延在する第２の部分２４１８とを有する。第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の第２の部分２４１４および２４１８はそれぞれ、振動運動を示す静電容量を確立するために、第１の電極と第２の電極との間の間隙を画定する。第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の他の部分は例えば、第１の部分２４１２および２４１６を含む静電容量に寄与する。したがって、本明細書で説明されるいくつかの実施例に関連して示されるように、ギャップは、第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の他の部分も静電容量に寄与する程度にかかわらず、静電容量を確立すると見なされ得る。場合によっては、第１の部分２４１２および２４１６の長さは５μｍ～５０μｍであってもよい。第２の部分２４１４および２４１８の長さは５０μｍ～約５００μｍであってもよいが、他の量が使用されてもよい。場合によっては、第２の部分２４１４および２４１８の長さは等しくなくてもよい。他の場合には、第２の部分２４１４および２４１８の長さは等しくてもよい。
【0083】
第１の電極２４０２の第２の部分２４１４は、第１の部分２４１２に対して静止、反り、または他の偏向２４２０を有する。この場合、偏向は、電極２４０２の中間点に対して測定または定義される。偏向は、他の場合、非偏向部分の下面または底面など、電極の任意の非偏向部分に対して画定され得る。同様に、第２の電極２４０４の第２の部分２４１８は、第１の部分２４１６に対して静止、反り、または他の偏向２４２２を有する。場合によっては、静止偏向２４２０および２４２２が、製造中の第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の反りから生じ得る。トランスデューサ２４００がいかなる音も受けず、平衡状態にあるとき、第１の電極２４０２および第２の電極２４０４は、それぞれ、偏向２４２０および２４２２によってオフセットされる。静止偏向はバイアス電圧の印加後に達成されるが、外部励起なしの位置に対応し得る。場合によっては、初期偏向２４２０および２４２２は異なっていてもよい。他の場合には、初期偏向２４２０および２４２２がほぼ等しくてもよい。例えば、第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の長さが異なる場合、静止偏向２４２０および２４２２は異なり得る。より長い長さを有する電極は、より大きな静止偏向を有することができる。第１の電極２４０２および第２の電極２４０４の長さが同じである場合、初期偏向２４２０および２４２２はほぼ等しくてもよい。いくつかの実施例では、初期偏向２４２０および２４２２が約５μｍ～約５０μｍの範囲内に入ることができるが、他の量を使用することもできる。初期偏向は、第１および第２の電極２４０２および２４０４の第２の部分２４１４および２４１８が第１の部分２４１２および２４１６の上にあるようなものであり得る。そのような例では、第１および第２の電極２４０２および２４０４が引張応力下にあり得る。
【0084】
第１の電極２４０２と第２の電極２４０４との間に容量が形成される。第１の電極２４０２が方向２４０８に沿って動きを受けると、第１の電極２４０２と第２の電極２４０４との間の静電容量が変化し得る。第１の電極２４０２が第２の電極２４０４に近づくにつれて、静電容量は増加する。第１の電極２４０２が第２の電極２４０４から離れるにつれて、静電容量は減少する。次いで、第１の電極２４０２と第２の電極２４０４との間の静電容量の変化を、第１の電極２４０２の運動を表す電子信号に変換することができる。
【0085】
固定バイアス電圧は、電極２４０２または２４０４のうちの１つの上に配置され得る。第１の電極２４０２が方向２４０８に沿って移動することにつれて、これは、バイアス電圧がかかっていない電極２４０２または２４０４で見られる電荷および／または電圧の変化をもたらし得る。一例では、バイアス電圧が第１の電極２４０２上にかかり、第２の電極２４０４は、第２の電極上の電荷を一定に保持し、第１の電極が振動するときに第２の電極上で見られる電圧変化を増幅する電圧増幅器に接続される。第２の電極２４０４は代わりに、第２の電極上の電圧を一定に保持し、第１の電極２４０２が振動するときに第２の電極で見られる電荷変化を増幅する電荷増幅器に接続されてもよい。別の実施例では、バイアス電圧が第２の電極２４０２上に印加され、第１の電極２４０２が電圧増幅器に接続される。さらに別の例では、第１の電極２４０２が代わりに、電荷増幅器に接続され得る。使用されるバイアス電圧は、正または負の値を有し得る。バイアス電圧は、ＤＣおよび／またはＡＣ成分をさらに有する可能性がある。いくつかの例では、バイアス電圧が電極２４０２または２４０４上に印加されるとき、初期偏向２４２０および／または２４２２はバイアス電圧の印加によって達成される平衡位置を反映し得る（たとえば、偏向は電極２４０２および２４０４の第１の部分２４１２および２４１６に対して増加または減少し得る）。したがって、経験される初期偏向２４２０および２４２２は、電極２４０２および２４０４のバイアス電圧および／または機械的特性の振幅に依存し得る。いくつかの実施例では、１Ｖ～５０Ｖの間のバイアス電圧が使用され得る。
【0086】
第１の電極２４０２は、その幅および／または厚さよりも大きい長さを有することができる。各電極の長さは、電極がアンカー点から突出する寸法、および間隙が画定される寸法に対応し得る。加えて、第１の電極２４０２は、その厚さと同様の、またはそれよりも大きい幅を有し得る。
【0087】
いくつかの実施例では、基板２４０６がシリコン、ガラス、または他の材料から構成され得るか、またはそれを含み得る。第１の電極２４０２および第２の電極２４０４は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含み得る。たとえば、第１の電極２４０２および／または第２の電極２４０４は、シリコン、ドープシリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコンから構成されるか、またはそれらを含む単層であってもよく、あるいはアルミニウム、銅、金、またはタングステンなどの金属を含んでもよい。他の例では、第１の電極２４０２および／または第２の電極２４０４が、３つの層などの複数の層を含み得る。第１および第２の電極２４０２および２４０４の３つの層は、それぞれ、ポリシリコン、窒化物、およびポリシリコンから構成され得るか、またはそれを含み得る。他の例では、第１および第２の電極２４０２および２４０４がそれぞれ、窒化物、ポリシリコン、および窒化物から構成され得るか、またはそれを含み得る。いくつかの実施例では、第１の電極層および第２の電極層が同じ製造ステップ中に堆積される。一例では、第１の電極２４０２および第２の電極２４０４が、約５０ｎｍ～約２０００ｎｍの範囲内の厚さを有し得るが、他の厚さが使用されてもよい。第１電極２４０２及び第２電極２４０４の厚さは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【0088】
場合によっては、電極と基板との間に絶縁層を配置してもよい。図２５は、一例による１つのそのようなトランスデューサ２５００の断面または側面図を示す。トランスデューサ２５００は、絶縁体２５０８を介して基板２５０６によって支持された第１の電極２５０２および第２の電極２５０４を含む。絶縁体２５０８は、第１および第２の電極２５０２および２５０４と基板２５０６との間に電気的接続がないことを確実にし、製造プロセス中にエッチング停止として作用することもできる。絶縁体２５０８は、シリコン、酸化物、窒化物、またはポリマーの任意の組合せを含む１つまたは複数の層を含むことができる。例えば、絶縁体２５０８は、熱酸化物から構成されてもよく、または熱酸化物を含んでもよい。
【0089】
図２６は、別の実施例によるトランスデューサ２６００の断面図を示す。トランスデューサ２６００は、絶縁体２６０８を介して基板２６０６によって支持された第１の電極２６０２および第２の電極２６０４を含む。基板２６０６は、キャビティ２６１０を有する。第１の電極２６０２は、基板２６０６によって固定または支持される第１の部分２６１２と、第１の部分２６１２から外側に延在する第２の部分２６１４とを有する。第２の電極２６０４はまた、基板２６０６によって固定または支持される第１の部分２６１６と、第１の部分２６１６から外側に延在する第２の部分２６１８とを有する。第１の電極２６０２の第２の部分２６１４は、その第１の部分２６１２に対して静止偏向２６２０を有する。第２の電極２６０４の第２の部分２６１８は、その第１の部分２６１６に対して静止偏向２６２２を有する。
【0090】
第１の電極２６０２の第２の部分２６１４の長さは、第２の電極２６０４の第２の部分２６１８の長さよりも大きい。その結果、静止偏向２６２０は、静止偏向２６２２よりも大きくなり得る。
【0091】
図２７は、さらに別の例によるトランスデューサ２７００の断面図を示す。トランスデューサ２７００は、絶縁体２７０８を介して基板２７０６によって支持された第１の電極２７０２および第２の電極２７０４を含む。基板２７０６は、キャビティ２７１０を有する。第１の電極２７０２は、基板２７０６によって固定または支持される第１の部分２７１２と、第１の部分２７１２から外側に延在する第２の部分２７１４とを有する。第２の電極２７０４はまた、基板２７０６によって固定または支持される第１の部分２７１６と、第１の部分２７１６から外側に延在する第２の部分２７１８とを有する。第１の電極２７０２の第２の部分２７１４は、その第１の部分２７１２に対して静止偏向２７２０を有する。第２の電極２７０４の第２の部分２７１８は、その第１の部分２７１６に対して静止偏向２７２２を有する。
【0092】
第１の電極２７０２の第１の部分２７１２は、支持される基板２７０６から外側に延在し、キャビティ２７１０上に部分的に懸架されるように片持ち梁である。音波などの外部刺激は、第１の電極２７１２の第１の部分を励起し、それを第２の電極２７１６の第１の部分に対して振動させることができる。第１の電極２７１２の第１の部分は、第２の電極２７１６の第１の部分に対して静止偏向を有する可能性があるし、有しなくてもよい。第１の電極２７１４の第２の部分は、第１の部分２７１２に対して静止偏向を有する。いくつかの実施例では、第１の部分２７１２っは、外部音波に対するトランスデューサ２７００の応答を増加させるように構成され得、一方、第２の部分２７１４は、トランスデューサ２７００のキャパシタンスを増加させるように構成され得る。例えば、第１の部分２７１２は、接続されたビームのアレイまたは多孔性プレートを含むことができ、第２の部分２７１４は、容量性フィンガを含むことができる。
【0093】
いくつかの実施例では、第２の電極２７１６の第１の部分が、それによって支持される基板２７０６から外向きに延在するように、追加的にまたは代替的に片持ち梁であり得る。第１の部分は、音波などの外部刺激を受けたときに、第１の電極に対して著しく移動しないように、依然として比較的剛性にされ得る。
【0094】
図２８は、さらに別の例によるトランスデューサ２８００の断面図を示す。トランスデューサ２８００は、絶縁体２８０８を介して基板２８０６に支持される第１の電極２８０２および第２の電極２８０４を含む。第１の電極２８０８は、間隔層２８０９を介して基板２８０６によってさらに支持される。間隔層２８０９は、導電性であっても非導電性であってもよい。基板２８０６は、第１および／または第２の電極２８０２および／または２８０４を周囲空気に結合するキャビティ２８１０を有する。第１の電極２８０２は、基板２８０６によって固定または支持される第１の部分２８１２と、第１の部分２８１２から外側に延在する第２の部分２８１４とを有する。第２の電極２８０４はまた、基板２８０６によって固定または支持される第１の部分２８１６と、第１の部分２８１６から外側に延在する第２の部分２８１８とを有する。第１の電極２８１４の第２の部分は、その第１の部分２８１２に対して静止偏向２８２０を有する。第２の電極２８１８の第２の部分は、その第１の部分２８１６に対して静止偏向２８２２を有する。
【0095】
間隔層２８０９は、第１の電極２８０２の先端（例えば、第２の部分２８１４の自由端）と第２の電極２８０４の先端（例えば、第２の部分２８１８の自由端）との間の間隙２８２４が、間隔層が存在しない場合よりも大きいような厚さを有する。間隔層２８０９が十分に厚いいくつかの実施例では、静止偏向２８２０および／または２８２２が、第２の部分２８１４および／または２８１８がそれぞれ第１の部分２８１２および２８１６に対して静止偏向を有さないように、ゼロであり得る。
【0096】
図２９Ａ～２９Ｃは電極が片持ち梁である（例えば、端部のみに固定される）トランスデューサ２９００の例を示す。図２９Ａは、トランスデューサ２９００の上面図を示す。トランスデューサ２９００は、板状構造２９０２を有する第１の電極と、容量性フィンガ２９０４を有する第２の電極とを含む。第１の電極２９０２および第２の電極２９０４は、基板２９０６によって支持される。第１の電極２９０２は、基板２９０６に固定された第１の部分、すなわちタブ２９０８を含む。第１の電極は、第１の部分２９０８から外側に延在し、基板２９０６内のキャビティ２９１４の上に懸架される第２の部分２９１０をさらに含む。第２の部分２９１０は、第１の部分２９０８に対して静止偏向を有する。いくつかの実施例では、第２の部分２９１０が、多孔質板、または穴および／もしくは容量性フィンガを有する板状構造を含んでもよい。例えば、第２の部分２９１０は、孔２９１１を有する多孔性プレートの外周から延在する容量性フィンガ２９１２を有する可能性がある。多孔質プレート２９１０およびフィンガ２９１２の両方は、本明細書に記載されるように反っていてもよい。
【0097】
基板２９０６は、プレート２９１０を周囲空気に結合するための１つまたは複数のキャビティを有することができる。音波などの外部刺激を受けると、第１の電極２９０２が振動することがある。いくつかの実施例では、第１の電極２９１０の第２の部分が１つまたは複数の多孔質板を含み得る。例えば、第２の部分２９１０は、トレース２９１５を介して電気的に接続された２つの多孔質板を含むことができる。他の例では、第２の部分２９１０が４つの多孔質板を含んでもよい。さらに他の例では、多孔質プレートが代わりに、各それぞれのビームの間に間隙を有するカンチレバービームのアレイであってもよく、またはそれを含んでもよい。カンチレバービーム間の間隙は、孔２９１１に近似するか、またはそれと同様の目的を果たすことができる。アレイ内のビームは、（例えば、グリルのように）機械的に結合されてもよいし、されなくてもよい。いくつかの実施例では、第１の電極２９１０の第２の部分が容量性フィンガ２９１２を含まなくてもよい。
【0098】
他の例では、第２の部分２９１０が穴のない中実プレートを含んでもよい。プレートは、縁部に沿って容量性フィンガを有していても、有していなくてもよい。
【0099】
トランスデューサ２９００の第２の電極２９０４は、第１の部分２９１６および第２の部分２９１８を含み得る。第１の部分は、基板２９０６に固定されてもよく、キャビティ２９１４の上に部分的に吊り下げられてもよい。第２の部分２９１８は、第１の部分２９１６から外向きに延在する容量性フィンガを含んでもよい。第１の部分２９１６は、第１の部分が比較的平坦であるように構成され得る。例えば、第１の部分２９１６は、その対向する端部の両方に固定されるビームであってもよい。容量性フィンガを有する第２の部分２９１８は、第１の部分２９１６に対して静止偏向を有することができる。
【0100】
第１の電極２９１２の第２の部分の容量性フィンガは、第２の電極２９１８の第２の部分の容量性フィンガに対して相互嵌合され得る。いくつかの実施例では、第１の電極２９１０の第２の部分の静止偏向が、第２の電極２９１８の第２の部分の静止偏向よりも大きくてもよい。第２の電極２９１８の第２の部分は、同じ外部刺激を受けたときの第１の電極２９１２の第２の部分の動きと比較して、比較的堅く、著しく動かないように構成され得る。いくつかの実施例では、多孔質または非多孔質板および容量性フィンガを有する第１の電極２９１０の第２の部分が、１００μｍ～７５０μｍの長さを有し得るが、他の長さが使用されてもよい。容量性フィンガを有する第２の電極２９１８の第２の部分は５０μｍ～５００μｍの長さを有し得るが、他の長さが使用されてもよい。
【0101】
図２９Ｂは、図２９Ａにおいて識別されるトランスデューサ２９００の部分Ｂの側面図を描写する。トランスデューサ２９００の第１の電極２９０２および第２の電極２９０４は、絶縁体２９０７を介して基板２９０６によって支持される。基板２９０６は、電極２９０２および２９０４を周囲空気に結合するキャビティ２９１４を有する。第１の電極２９０２は基板２９０６によって固定または支持される第１の部分２９０８と、第１の部分から外側に延在する第２の部分２９１０（例えば、多孔性プレート）とを有する。第２の部分２９１０は、図示のように孔２９１１を含むことができる。第２の電極２９０４はまた、基板２９０６によって固定または支持される第１の部分２９１６と、第１の部分２９１６に対して静止偏向２９２２を伴って第１の部分から外側に延在する第２の部分２９１８とを有する。場合によっては、第１の電極２９０８の第１の部分が、キャビティ２９１４の上に部分的に懸架されてもよい。
【0102】
図２９Ｃは、図２９Ａにおいて識別されるトランスデューサ２９００の部分Ｃの側面図を描写する。第１の電極２９０２の第２の部分２９１０は、その自由端の先端に孔２９１１および容量性フィンガ２９１２を含む。フィンガ２９１２は、第２の電極２９０４の第１の部分２９１６および第２の部分２９１８とのキャパシタンスを確立することができる。第１の電極２９１０の第２の部分は、第１の部分２９０８に対する静止偏向２９２６を有し、フィンガ２９１２は、第２の電極２９１６の第１の部分まで延在する。
【0103】
いくつかの実施例では、第２の部分２９１０は孔２９１１を含まなくてもよい。第２の部分２９１０は、非多孔性であってもよい。
【0104】
図２９Ｂおよび図２９Ｃの側面図は、説明を容易にするために簡略化されている。図に示される１つ以上の特徴は、一定の縮尺で描かれていない場合がある。例えば、吊り下げ部分２９１０の長さは、（例えば、部分２９１８などの他の部分に対して）示されているよりもはるかに長くてもよい。図２９Ｂおよび図２９Ｃに示される偏向の相対量も、一定の縮尺で示されていない場合がある。部分２９１０（例えば、多孔性プレート）によって示されるたわみの量は図示を容易にするために図２９Ｂに示されており、図２９Ｃに示されるフィンガ２９１２よりも大きくたわまない。また、孔２９１１の数は図示を容易にするために（例えば、図２９Ａの描写に対して）減少されている。
【0105】
図３０は、さらに別の例によるトランスデューサ３０００の断面図を示す。トランスデューサ３０００は、絶縁体３００８を介して基板３００６によって支持された第１の電極３００２および第２の電極３００４を含む。基板３００６は、第１および第２の電極３００２および３００４を周囲空気に結合するキャビティ３０１０を有する。第１の電極３００２は、基板３００６によって固定または支持される第１の部分３０１２と、第１の部分３０１２から外側に延在する第２の部分３０１４とを有する。第２の電極３００４はまた、基板３００６によって固定または支持される第１の部分３０１６と、第１の部分３０１６から外側に延在する第２の部分３０１８とを有する。第１の電極３００２の第２の部分３０１４は、その第１の部分３０１２に対して静止偏向３０２０を有する。第２の電極３００４の第２の部分３０１８は、その第１の部分３０１６に対して静止偏向３０２２を有する。
【0106】
第１および第２の電極３００２および３００４は、両方とも、外部刺激を受けたときに方向３０２４に沿って移動するように構成される。したがって、電極３００２および３００４の両方は、移動電極であると言われる。場合によっては、第１および第２の電極３００２および３００４が、同じ外部刺激に対してほぼ同じ量だけ移動する。他の場合には、第１および第２の電極３００２および３００４が同じ外部刺激に対して異なる量を移動する。
【0107】
第１の移動電極３００２は静止偏向３０２０を有し、第２の移動電極３００４は静止偏向３０２２を有し、その結果、電極は、それらが互いに交差する重複領域３０２６を有する。電極３００２と３００４との間には図示しない空隙が存在し、これらは互いに衝突せず、独立して自由に移動する。電極３００２および３００４は互いにかみ合った複数の電極（例えば、カンチレバービームまたは容量性フィンガ）を含むことができる。電極３００２および３００４は、それらの間に静電容量が確立されるように、少なくとも１つの導電層を含む。電極３００２および３００４が基板３００６から離れるにつれて、重複領域３０２６が減少し、したがって、静電容量が減少する。電極３００２および３００４が基板３００６に近づくにつれて、オーバーラップ領域３０２６、したがってキャパシタンスが増加する。次に、変化する静電容量は図１によって説明される方法を用いて電子信号に変換され得る。通常の動作（例えば、線形動作レジーム）の間、重複領域３０２６は、互いに対向する第２の部分３０１４および３０１８の全表面積未満であり得る。言い換えれば、電極３０１４および３０１８の第２の部分は、動作中、常に第１の部分３０１２および３０１６に対していくらかの撓みを維持する。場合によっては、第２の部分３０１４および３０１８の偏向が、動作中、決してゼロにならないか、または第１の部分３０１２および３０１６よりも低くなることはない。言い換えれば、トランスデューサ３０００の動作中、いくつかの実施例では、重複領域３０２６が２つの異なる音響刺激（すなわち、異なる周波数および／または音圧レベルの２つの音波）に対して決して同じではない。
【0108】
第１の移動電極３０２０の静止偏向および第２の移動電極３０２２の静止偏向は、大きさが等しくてもよく、または異なってもよい。いくつかの実施例では、第２の部分３０１４および３０１８の各々に対する静止偏向３０２０および／または３０２２が、それらが基板３００６からさらに離れて延びるにつれて、単調に増加し得る。他の例では、第２の部分３０１４および３０１８の各々に対する静止偏向３０２０および／または３０２２が、それらが基板３００６からさらに離れて延びるにつれて、減少し得る。いくつかの実施例では、静止偏向３０２０および３０２２が反対方向であってもよい。いくつかの実施例では、第１の電極３００２が第２の電極３００４と同一であり、対向する。他の例では、第１の電極３００２が第２の電極３００４とは異なる長さ、幅、厚さ、または全体として異なる設計を有し得る。
【0109】
図３１は、一例によるトランスデューサ３１００を示す。トランスデューサ３１００の第１の電極３１０２および第２の電極３１０４は、基板３１０６によって支持された対向するカンチレバーのアレイである。第１の電極３１０２は、基板３１０６に固定された第１の部分３１０８と、第１の部分から外側に延びる第２の部分３１１０とを有する。第２の部分３１１０は、一方の端部が第１の部分３１０８に取り付けられ、反対側の端部で自由に移動するように片持ち梁である。第２の部分３１１０は、基板３１０６内のキャビティ３１１２の上に懸架される。第２の電極３１０４は、基板３１０６に固定された第１の部分３１１４と、第１の部分から外側に延在し、キャビティ３１１２上に懸架された第２の部分３１１６とを有する。第２の部分３１１６は、一方の端部が第１の部分３１０８に取り付けられ、反対側の端部で自由に移動するように片持ち梁である。第２の部分３１１０および３１１６の各々は、図８に記載されるような静止偏向を有する。音響刺激がカンチレバーアレイ３１１０および３１１６の第２の部分を励起すると、第２の部分は、２組のカンチレバー間の重複領域、したがって静電容量が刺激とともに振動するように、同期して移動する。バイアス電圧は、電極３１０２または３１０４のいずれかにかかり、他方は増幅器に接続される。電極３１０２または３１０４のいずれか一方は、寸法または設計において他方と異なっていてもよい。電極３１０２および／または３１０４は、電極が音響刺激に応答して移動し、その第１の部分に対して静止偏向を有する第２の部分を有するように構成される任意の電極設計と置き換えられてもよい。
【0110】
図３２は、別の実施例によるトランスデューサ３２００を示す。トランスデューサ３２００は、板状のダイヤフラムとして構成され、周囲の基板３２０６によって支持される２つの対向する電極３２０２および３２０４を含む。第１の電極３２０２は、基板３２０６に固定される第１の部分３２０８と、第１の部分から外側に延在し、キャビティ３２１２の上に懸架される第２の部分３２１０とを有する。第２の部分３２１０は、板の自由端から外側に延びる容量性フィンガを有する多孔質板を含む。第２の電極３２０４は、基板３２０６に固定される第１の部分３２１４と、第１の部分から外側に延在し、キャビティ３２１２の上に懸架される第２の部分３２１６とを有する。第２の部分３２１６は、板の自由端から外側に延びる容量性フィンガを有する多孔質板を含む。第２の部分３２１０および３２１６の各々は、図８に記載されるように静止偏向を有する。電極３２０２および３２０４の容量性フィンガは、２つの電極間に静電容量が存在するように互いにかみ合っている。音響刺激が電極３２０２および３２０４を励起すると、電極は、第２の部分３２１０および３２１６の容量性フィンガ間の重なり領域、したがって、静電容量が励起とともに振動するように、同期して移動する。バイアス電圧は、電極３２０２または３２０４のいずれかに印加され、他方は増幅器に接続される。
【0111】
いくつかの実施例では、電極３２０２および３２０４が互いに同一である。他の例では、電極３２０２および３２０４は異なる。例えば、電極３２０２は、互いに異なる共振周波数を有するように、電極３２０４とは異なる長さ、幅、厚さ、および／またはアンカーを有していてもよい。第２の部分３２１０における多孔質板の孔サイズおよび／または間隔は、第２の部分３２１６における多孔質板の孔サイズおよび／または間隔と異なっていてもよい。別の実施例では、第２の部分３２１０の容量性フィンガが、第２の部分３２１６の容量性フィンガとは異なる長さであり得る。電極３２０２または３２０４のうちの１つは、固定-自由カンチレバービームのアレイと完全に置き換えられてもよい。
【0112】
他の例では、第１の電極３２０２および第２の電極３２０４を含むプレートは多孔質でなくてもよい。
【0113】
上記の図の内の任意の１つ又は複数において、上部概略図は、固定電極および可動電極が平坦であるか、または平面であるか（例えば、同じ平面内に配置される）を特定しないが、板状ダイヤフラムおよび固定-自由ビームは、図２に描写され、それに関連して説明されるように、固定電極に対して初期または他の静止偏向を有し得る。静止偏向は、バイアス電圧の付与後であるが外部媒体による励起なしに達成される位置に対応し得る。可動電極の曲率プロファイルは、可動電極の自由端が固定電極の上または下に偏向される限り、任意の形状をとることができる。図２～図４に関連して説明したように、電極をバイアスし、感知する任意の方法を使用することができる。上面図に示されるトランスデューサは例えば、断面図または側面図に示される他の実施例のいずれかに関連して記載されるものを含む、他の実施例に関連して本明細書に記載されるＭＥＭＳトランスデューサの任意の１つまたは複数の特徴を組み込むことができる。
【0114】
上述したのは、音および他の振動刺激を感知するように構成されたトランスデューサである。トランスデューサは、固定電極の横に配置され得る可動電極を含む。可動電極は初期偏向を有する片持ち梁部分（例えば、先端）を有する。動作中、カンチレバー電極の先端または他の部分は、固定電極に達しないか、または交差しないことがある。各電極は同じ電位に保持された任意の数の接続された構造（例えば、アンカー、プレート、フィンガ、ビームなど）を含み得る。場合によっては、固定電極はバイアスされてもよく、カンチレバー電極はセンス電極として増幅器に接続される。他の場合には、カンチレバー電極はバイアスされ、固定電極は増幅器に接続される。
【0115】
前述の例では、ＭＥＭＳトランスデューサが１つまたは複数の移動電極と、１つまたは複数の固定電極とを含む。他の場合には、トランスデューサが再度、並んだ電極を含むが、前述の例の固定電極に代わる１つまたは複数の可動電極を有することができる。
【0116】
上述したように、片持ち電極は、多孔質板を含む場合がある。多孔質プレートは、外周の１つ以上の側部に沿って外側に延在するフィンガを有する可能性がある。あるいは、カンチレバー電極がビームのアレイ（例えば、固定－自由なビーム）を含んでもよい。
【0117】
動作中、移動電極は、電極が偏向される方向を変化させないことがある。例えば、可動電極は、上方に偏向されたままであるか、または下方に偏向されたままである。移動電極は、対向する板または対向する固定－自由なビームであってもよく、またはそれらを含んでもよい
上述のように、本開示の別の態様によれば、開示されたトランスデューサは、複数の電極を画定するようにパターン化された導電層を含む。電極の両方（または全て）は、導電層のパターニングから形成されてもよい。導電層は、電極を形成および／または支持するように構成された層のスタックにおける１つの層であってもよい。同じ導電層が、本明細書に記載される可動電極および固定電極の両方に使用されてもよい。場合によっては、導電層がポリシリコンから構成されてもよく、またはポリシリコンを含んでもよい。代替的または追加的に、導電層はポリシリコン層、絶縁体（すなわち、窒化物層）、およびポリシリコン層などの複数（例えば、３つ）の層であってもよく、またはそれを含んでもよい。この場合、移動電極の２つのポリシリコン層は同電位に保持され、固定電極の２つのポリシリコン層は同電位に保持されてもよい。
上述のように、本開示の別の態様によれば、開示されたトランスデューサは、複数の電極を画定するようにパターン化された導電層を含む。電極の両方（または全て）は、導電層のパターニングから形成されてもよい。導電層は、電極を形成および／または支持するように構成された層のスタックにおける１つの層であってもよい。同じ導電層が、本明細書に記載される可動電極および固定電極の両方に使用されてもよい。場合によっては、導電層がポリシリコンから構成されてもよく、またはポリシリコンを含んでもよい。代替的または追加的に、導電層はポリシリコン層、絶縁体（すなわち、窒化物層）、およびポリシリコン層などの複数（例えば、３つ）の層であってもよく、またはそれを含んでもよい。この場合、移動電極の２つのポリシリコン層は同電位に保持され、固定電極の２つのポリシリコン層は同電位に保持されてもよい。
【0118】
一対以上の電極を有するＭＥＭＳトランスデューサのいくつかの実施例を上述した。各電極対はバイアス電極－センス電極対として構成される。したがって、電極のうちのいずれか１つがバイアス電極として構成されてもよい。したがって、一対の他方の電極は、感知電極として構成される。上述のように、各実施例では、電極対の可動電極が可動電極の励起中に第１の方向（例えば、垂直方向）に振動運動するように構成される。また、上述のように、各実施例において、第１の方向は電極対が間隙によって互いに離間している第２の方向（例えば、水平方向）に垂直である。各実施例では、可動電極が第１の方向（例えば、上方または下方）に沿って反った片持ち端部を有する。場合によっては、一対の両方の電極がそのような静止偏向を示す。
【0119】
本開示は例示のみを意図し、本開示を限定することを意図しない特定の実施例を参照して記載されている。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、実施例に変更、追加、および／または削除を行うことができる。
【0120】
上記の説明は理解を明確にするためだけに与えられたものであり、それから不必要な限定が理解されるべきではない。
【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】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29A】
【図29B】
【図29C】
【図30】
【図31】
【図32】
【国際調査報告】