JP4036866B2 - 音響センサ - Google Patents

Description

本発明は、音響センサに関し、特に半導体基板上に形成された音響センサに関する。

音響振動を検出する半導体センサとして、コンデンサ型シリコンマイクロフォンが提案されている。このマイクロフォンは、ダイアフラム電極とバックプレート電極によってキャパシタが形成されるように、それらを半導体基板上に備えている。このマイクロフォンに音圧がかかると、ダイアフラム電極が振動し、ダイアフラム電極とバックプレート電極との間の距離が変化することによって、キャパシタの静電容量も変化する。さらに、静電容量の変化に起因する電圧の変化を測定し、測定した電圧がマイクロフォンによって受け付けた音声信号に相当する（たとえば、特許文献１参照）。
特表昭６０−５００８４１号公報

コンデンサ型シリコンマイクロフォンは、例えばエレクレット・コンデンサ・マイクロフォンよりも小型・軽量のマイクロフォンを実現できる。本発明者は、以下の課題を認識するに至った。コンデンサ型シリコンマイクロフォンは、エレクレット・コンデンサ・マイクロフォンよりも小型であることに起因して機械的な構造強度が低下しやすい。また、製造過程では、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜を成膜する際に毎回４００度から８００度の温度サイクルを経るので、シリコン基板である半導体基板と、ダイアフラム電極との間に応力差が生じる。その結果、ダイアフラム電極に内部応力や曲げモーメントが生じるので、ダイアフラム電極の感度が低下してしまう。また、ダイアフラム電極とバックプレート電極の周囲部分の静電容量が、感度低下の原因となる。すなわち、感度は、音圧による静電容量の変化量を全体の静電容量で除算した値に相当するが、周囲部分の静電容量は、全体の静電容量を主として増加させるので、実質的な感度低下につながる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、所定の強度を有しつつ、音声信号の検出感度を向上させた音響センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の音響センサは、半導体基板に敷設された音孔を覆うように、半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備える。可動の電極は、少なくともひとつの固定端以外の部分にヒンジ軸が形成されており、当該ヒンジ軸にもとづくヒンジ構造によって半導体基板と係着されている。

「第１面」および「第２面」は、半導体基板におけるふたつの面を便宜的に示したものであり、これらが「上側」と「下側」であってもよく、あるいは「左側」と「右側」であってもよい。

「固定の電極」は、可動の電極と対向してコンデンサを形成すればよく、第１面との配置についての関係は特に限定されない。ここでは、固定の電極は、可動の電極に対し第１面と反対側に設けられていることが望ましい。

「ヒンジ構造」とは、一般的に、ヒンジ軸が回転動作することによって、ヒンジ軸を含む物体が開閉する構造を意味するが、ここでは、ヒンジ軸の自由な移動を制限するような構造であればよく、ヒンジ軸を含む物体のうち、ヒンジ軸以外の部分が固定されているために、物体が開閉できなくてもよいものとする。すなわち、ヒンジ軸を含んだ可動の電極が、上下および左右へ所定以上の移動をすることを制限するものを意味する。

この態様によると、可動の電極は、少なくともひとつの固定端で半導体基板に取り付けられているだけなので、半導体基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、可動の電極の振動をヒンジ構造によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。

可動の電極のヒンジ軸と少なくともひとつの固定端は、半導体基板の第１面の表面において、固定の電極が占めた領域の外側に設けられていてもよい。このような構造とすることによって、静電容量の変化量を同程度にしながらも、全体の静電容量が小さくなるので、実質的な感度を大きくできる。

可動の電極は、固定の電極が占めた領域の外側において、ヒンジ軸と少なくともひとつの固定端が突出した形状を有してもよい。ヒンジ軸と少なくともひとつの固定端が突出しているので、ヒンジ軸と少なくともひとつの固定端が、固定の電極が占めた領域から離れていても、可動の電極と固定の電極で形成されるエアギャップの面積を小さくでき、構造的な強度を改善できる。

可動の電極は、半導体基板の第１面の表面と対向する部分に突起物を設けていてもよい。突起物によって、可動の電極が半導体基板に張り付くことを防止できる。

本発明の別の態様もまた、音響センサである。この音響センサは、半導体基板に穿設した音孔を覆うように、半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備える。可動の電極は、少なくともひとつの固定端以外の部分に鉤部を突設し、当該鉤部によって半導体基板に嵌合されている。

「鉤部」とは、先の曲がった部分に相当するが、先の曲がり方は任意のものでよく、半導体に嵌合可能な形状を有していればよいものとする。例えば、「Ｌ字」状に所定の方向に曲がっていてもよく、「Ｔ字」状に両方に曲がっていてもよい。さらに、円形の形状であってもよい。

この態様によると、可動の電極は、少なくともひとつの固定端によって半導体基板に取り付けられているだけなので、半導体基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、可動の電極の振動を鉤部での嵌合によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。また、固定端以外は、鉤部によって、可動の電極と半導体基板を嵌合しているだけなので、構造を簡易にできる。

可動の電極の鉤部は、半導体基板に設けられた鉤部の受入口に嵌合されていてもよい。この場合、半導体基板に設けられた鉤部の受入口によって、可動の電極に設けられた鉤部を嵌合できる。

本発明のさらに別の態様もまた、音響センサである。この音響センサは、半導体基板に穿設した音孔を覆うように、半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備える。可動の電極は、少なくともひとつの固定端以外の部分に、リング状の先端を有した突出部を突設し、当該リング状の先端を有した突出部によって半導体基板に嵌合されている。

「リング状」とは、円環の形状であるが、その形状は円でなく、四角であってもよいものとする。また、円環のようにつながった構造でなく、その一部分が切れいているような構造であってもよいものとする。つまり、嵌合可能な程度に、引っかけられるような形状であればよいものとする。

この態様によると、可動の電極は、少なくともひとつの固定端によって半導体基板に取り付けられているだけなので、半導体基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、可動の電極の振動をリング状の先端での嵌合によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。

可動の電極の突出部のうち、リング状の先端が、半導体基板に設けられた軸に貫通されることによって、半導体基板に嵌合されていてもよい。この場合、半導体基板に設けられた軸によって、可動の電極に設けられたリング状の先端を嵌合できる。

本発明のさらに別の態様もまた、音響センサである。この音響センサは、半導体基板に穿設した音孔を覆うように、半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備える。可動の電極は、少なくともひとつの固定端以外の部分によって、半導体基板に嵌合されている。

この態様によると、可動の電極は、少なくともひとつの固定端によって半導体基板に取り付けられているだけなので、半導体基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、可動の電極の振動を所定の嵌合によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。

本発明によれば、所定の強度を有しつつ、音声信号の検出感度を向上させた音響センサを提供できる。

（実施例１）
本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。本発明の実施例１は、半導体基板上に形成されたコンデンサ型シリコンマイクロフォンに関する。コンデンサ型シリコンマイクロフォンは、半導体基板に穿設された音孔を覆うように、半導体基板の第１面の表面に、ダイアフラム電極を設け、さらにダイアフラム電極よりも第１面から遠い側にバックプレート電極を設けている。本実施例に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンは、ひとつの固定端によって、ダイアフラム電極が半導体基板に取り付けられている。

さらに、ダイアフラム電極は、縁の部分に複数のヒンジ軸を形成しており、複数のヒンジ軸にもとづくヒンジ構造によって、半導体基板に係着されている。このように、ダイアフラム電極が半導体基板に直接取り付けられている固定端がひとつだけなので、半導体基板との応力差の影響を受けにくくなっている。さらに、固定端以外の部分は、ヒンジ構造によって半導体基板に係着されているので、ダイアフラム電極の動作範囲が制限される。そのため、固定端がひとつだけであっても構造強度の低下を抑えられる。

また、半導体基板を第１面の側から見た場合に、ダイアフラム電極の固定端とヒンジ軸は、バックプレート電極が占める領域の外側に設けられているので、バックプレート電極に対応したダイアフラム電極の部分に対して、音圧による振動を大きくできる。その結果、感度が向上する。さらに、ダイアフラム電極は、固定端とヒンジ軸が突出した形状を有しているので、バックプレート電極が占める領域から離れた位置に固定端とヒンジ軸を設けることができ、感度が上昇する。一方で、ダイアフラム電極が円の形状のままで、バックプレート電極が占める領域から固定端を離した場合と比較して、ダイアフラム電極の面積を小さくできるので、構造強度を改善できる。

図１は、本発明の実施例１に係る音響センサ１００の構成を示す上面図である。図２は、音響センサ１００の第１の断面図であり、図３は、音響センサ１００の第２の断面図である。ここで、図２は、図１の音響センサ１００でのＡ−Ａ’における断面図であり、図３は図１の音響センサ１００でのＢ−Ｂ’における断面図である。ここでは、これらの図によって、音響センサ１００を説明する。

音響センサ１００は、エアギャップ層１０、保護膜１２、バックプレート電極１４、ダイアフラム電極１６、ダイアフラム突起部１８、基板開口部２０、音響ホール２２、ダイアフラム用パッド電極２４、バックプレート用パッド電極２６、ヒンジ固定部２８、架橋部３０、エッチストッパ５０、シリコン基板５２を含む。なお、図２と図３から明らかなように、図１において、エアギャップ層１０等は上面から直接見ることができない。しかしながら、ここでは構造の理解を容易にするために、直接見えない部分も適宜見えるように示してある。また、前述した「第１面」と「第２面」をそれぞれ「上側」と「下側」として説明するが、これに限定されるものではない。

シリコン基板５２は、音響センサ１００の基盤となる。シリコン基板５２には、図２や図３に示されているように、シリコン基板５２の上側から下側に音孔が穿設されている。また、図１に示されているように、音孔の基板開口部２０は、四角形の形状を有している。また、シリコン基板５２の上側の表面は、エッチストッパ５０を備える。

ダイアフラム電極１６は、図２のごとく、シリコン基板５２の断面における音孔を覆うように、シリコン基板５２の上側の表面に少なくともひとつの固定端３２によって取り付けられている。ここでは、ダイアフラム用パッド電極２４が設けられている方向に、固定端３２が設けられている。すなわち、ダイアフラム電極１６は、ひとつの固定端３２によって、シリコン基板５２およびエッチストッパ５０に取り付けられている。図２および図３の音孔の下側から音圧が入力され、音圧によってダイアフラム電極１６は振動できるように、すなわち可動できるように構成されている。

図１においてダイアフラム電極１６は、互いに直交した直径の方向に４箇所突出した部分を有している。４箇所突出した部分のひとつに固定端３２が設けられており、それ以外の３箇所にヒンジ軸３４が形成されている。図２に明らかなように、ヒンジ軸３４、ヒンジ固定部２８、架橋部３０によってヒンジ構造が形成されており、ヒンジ構造によってダイアフラム電極１６はエッチストッパ５０と係着されている。ヒンジ構造は、ヒンジ軸３４がヒンジ固定部２８と架橋部３０によって囲まれて形成されている。すなわち、図２においてヒンジ固定部２８がヒンジ軸３４の左右への移動を制限し、ヒンジ固定部２８に支えられた架橋部３０がヒンジ軸３４の上方への移動を制限している。ヒンジ軸３４の移動がこのように制限されることによって、ダイアフラム電極１６の移動も制限される。

図１に示したように、ダイアフラム電極１６のヒンジ軸３４と固定端３２は、シリコン基板５２の上側の表面において、バックプレート電極１４が占めた領域の外側に設けられている。さらに、前述のごとく、ダイアフラム電極１６のヒンジ軸３４と固定端３２は、バックプレート電極１４が占めた領域の外側において、突出した形状を有する。仮に、突出した形状でなく、かつヒンジ軸３４と固定端３２を図１の位置に設けた場合、ダイアフラム電極１６は、ダイアフラム用パッド電極２４とヒンジ軸３４を直径とする円の形状を有することになる。そのため、エアギャップ層１０とダイアフラム電極１６の面積が大きくなって、強度も弱くなる。ダイアフラム突起部１８は、図３のごとく、ダイアフラム電極１６の中において、シリコン基板５２の上側の表面と対向する部分に設けられている。

バックプレート電極１４は、図２および図３に示したように、ダイアフラム電極１６の上方に設けられて、バックプレート電極１４と共にキャパシタを形成する。当該キャパシタは、音圧によってダイアフラム電極１６が振動すれば、静電容量の値が変化する特性を有する。また、図１のごとく、バックプレート電極１４は、基板開口部２０すなわち音孔の少なくとも一部分を占めるような大きさで設計されている。

保護膜１２は、図２および図３のごとく、バックプレート電極１４およびダイアフラム電極１６を覆うように、形成されている。ここで、保護膜１２およびバックプレート電極１４が、ダイアフラム電極１６との間に作ったスペースをエアギャップ層１０と呼ぶ。また、保護膜１２およびバックプレート電極１４は、複数の音響ホール２２を形成している。

ダイアフラム用パッド電極２４とバックプレート用パッド電極２６は、ダイアフラム電極１６とバックプレート電極１４にそれぞれ接続して、所定の電圧を印加する。また、ダイアフラム電極１６とバックプレート電極１４によるキャパシタの静電容量が変化すれば、ダイアフラム用パッド電極２４とバックプレート用パッド電極２６との間の電位差も変化するので、当該変化した電位差を音声信号として出力する。すなわち、ダイアフラム用パッド電極２４とバックプレート用パッド電極２６は、キャパシタの静電容量の変化を間接的に検出する。出力した音声信号は、図示しない処理部によって処理される。この処理とは、例えば、スピーカによって出力することや、音声信号をデジタル信号に変換してから記憶することなどである。

図４（ａ）−（ｃ）は、音響センサ１００の製造工程を示す。また、図４（ａ）−（ｃ）は、図２と同様に、図１の音響センサ１００でのＡ−Ａ’における断面に対応する。

図４（ａ）の工程１は、シリコン基板５２上に、エッチストッパ５０を成膜する。エッチストッパ５０にはシリコン窒化膜を用いるのが一般的である。シリコン窒化膜を形成する際に用いるガスは、モノシランとアンモニア、ジクロロシランとアンモニアなどであり、成膜温度は３００℃〜６００℃である。

図４（ｂ）の工程２は、エッチストッパ５０の上に第１犠牲膜５４を成膜する。第１犠牲膜５４には、リン（Ｐ）を含むシリコン酸化膜を用いるのが一般的であるが、フッ酸（ＨＦ）に可溶であればどの膜を用いてもよい。この第１犠牲膜５４は後にＨＦによるエッチングで除去するため、最終的な構造体には残らない膜である。第１犠牲膜５４に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて周辺部を除去する。さらには、後において、図示しないダイアフラム電極１６にダイアフラム突起部１８を形成するために、その部分の第１犠牲膜５４を一部エッチングしておく。このエッチングでは、エッチストッパ５０に到達する前に、途中でエッチングをストップさせておく。

図４（ｃ）の工程３は、第１犠牲膜５４の上にダイアフラム電極１６を成膜する。ダイアフラム電極１６には、ポリシリコンを用いるのが一般的であるが、その他の導電性のある材料を用いてもよい。ダイアフラム電極１６に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。

図５（ａ）−（ｃ）は、図４（ａ）−（ｃ）に続く音響センサ１００の製造工程を示す。図５（ａ）の工程４は、ダイアフラム電極１６の上に２〜５μｍ程度の第２犠牲膜５６を成膜する。第２犠牲膜５６は、工程２の第１犠牲膜５４と同様の膜であることが望ましい。この第２犠牲膜５６の膜厚は最終的な電極間のエアギャップ距離となることから、これは容量（Ｃ=ε*Ｓ／ｔ、ε：誘電率、Ｓ：電極面積、ｔ：エアギャップ距離）つまり感度に反映されるとともに、音響センサ１００の構造の強固性にも大きな影響を及ぼす。これは、図示しないエアギャップ層１０が狭すぎるとダイアフラム電極１６と図示しないバックプレート電極１４が引っ付いてしまいセンシングできなくなることを意味している。

そのため、第２犠牲膜５６の膜厚は重要なパラメータである。ヒンジ構造を有する音響センサ１００を考慮すると、そのエアギャップ距離は２〜５μｍが適している。次に、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、周辺の不要部分と図示しないヒンジ固定部２８をエッチストッパ５０までエッチングする。さらに、図示しない架橋部３０はダイアフラム電極１６に到達しないように、途中までエッチングしておく。

図５（ｂ）の工程５は、第２犠牲膜５６の上にバックプレート電極１４を形成する導電膜とヒンジ構造を形成する導電膜を同時に成膜する。機械的強度の観点から、本導電膜はポリシリコンが望ましい。そして、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。本実施例では、バックプレート電極１４を形成する導電膜と、ヒンジ構造を形成する導電膜を、同時に形成しているが、おのおのに異なる膜を成膜しても良い。その場合、より適切な膜種と膜厚をそれぞれに選択できる。

図５（ｃ）の工程６は、バックプレート電極１４の上に保護膜１２であるシリコン窒化膜を成膜する。そして、シリコン窒化膜に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。ここでの不要な部分とは、周辺部だけなくパッド部分と音響ホール２２を含む。

図６（ａ）−（ｃ）は、図５（ａ）−（ｃ）に続く音響センサ１００の製造工程を示す。図６（ａ）の工程７は、パッド部分に、ダイアフラム用パッド電極２４や図示しないバックプレート用パッド電極２６のパッド電極を形成する。パッド電極には、アルミニウム、銅、金などの低抵抗金属膜が特に適している。形成方法としては、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いる方法もあるが、いわゆるメッキレジスト法やレジストエッチオフ法などの技術を適用してもよい。

図６（ｂ）の工程８は、シリコン基板５２の裏面にエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを用いて、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）などのアルカリエッチング液で等方性エッチングを行う。この等方性エッチングは、工程１に成膜したエッチストッパ５０で自動的にエッチングストップされる。その後に、裏面側からこの開口した部分のエッチストッパ５０をエッチング液（例えばリン酸）やドライエッチにより除去する。

図６（ｃ）の工程９は、音響ホール２２および裏面側から、ＨＦを用いて第１犠牲膜５４および第２犠牲膜５６を選択的にエッチングすることにより、第１犠牲膜５４および第２犠牲膜５６を完全に除去する。そうすることで、エアギャップ層１０やヒンジ構造を最終的に形成する。

本発明の実施例によれば、ダイアフラム電極は、ひとつの固定端でシリコン基板に取り付けられているだけなので、シリコン基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、ダイアフラム電極の振動をヒンジ構造によって制限しているので、ひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。また、このような構造とすることによって、静電容量の変化量を同程度にしながらも、全体の静電容量が小さくなるので、実質的な感度を大きくできる。

また、ヒンジ軸とひとつの固定端が突出しているので、ヒンジ軸とひとつの固定端が、バックプレート電極によって占められた領域から離れていても、ダイアフラム電極とバックプレート電極で形成されるエアギャップの面積を小さくでき、構造的な強度を改善できる。また、突起物によって、ダイアフラム電極がシリコン基板に張り付くことを防止できる。また、バックプレート電極は、基盤開口部の一部の領域だけを占めるので、音響センサの感度を高くできる。また、ダイアフラム電極をヒンジ構造によって取り付けているので、ダイアフラム電極の面と平行の移動を制限できる。また、ダイアフラム電極をヒンジ構造によって取り付けているので、ダイアフラム電極の面と平行な方向からの衝撃を受けた場合であっても、ダイアフラム電極がある程度移動することによって、衝撃を吸収できる。

（実施例２）
実施例２は、本発明の実施例１と同様に、半導体基板上に形成されたコンデンサ型シリコンマイクロフォンに関する。実施例１に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンでは、ヒンジ構造によって、ダイアフラム電極が半導体基板に取り付けられている。実施例２に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンでは、ダイアフラム電極に鉤部が突設されており、当該鉤部が半導体基板に嵌合されている。その結果、実施例２に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンは、実施例１に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンよりも、簡易な構成となっている。一方、実施例１と同様に、半導体基板との応力差の影響を受けにくくなっており、固定端がひとつだけであっても構造強度の低下を抑えられる。また、感度が向上し、構造強度を改善できる。

図７は、本発明の実施例２に係る音響センサ１００の構成を示す上面図である。図８は、音響センサ１００の第１の断面図である。図９は、音響センサ１００の第２の断面図である。ここで、図８は、図７の音響センサ１００でのＡ−Ａ’における断面図であり、図９は図７の音響センサ１００でのＢ−Ｂ’における断面図である。音響センサ１００は、図１の音響センサ１００と異なって、鉤部６０、鉤受入口７６を含む。しかしながら、図７の音響センサ１００は、図１の音響センサ１００と同一の部分もあるので、ここでは、両者の違いを中心に説明する。

図７においてダイアフラム電極１６は、互いに直交した直径の方向に４箇所突出した部分を有している。４箇所突出した部分のひとつに固定端３２が設けられており、それ以外の３箇所に鉤部６０が形成されている。図９に明らかなように、鉤部６０が鉤受入口７６に嵌合されていることによって、ダイアフラム電極１６がシリコン基板５２に取り付けられている。これをさらに説明すると、図７のごとく上面図において、ダイアフラム電極１６の突出した部分は、鉤部６０において広くなっている。すなわち、鉤部６０は、Ｔ字型を有している。また、鉤部６０よりも狭くなるように鉤受入口７６がシリコン基板５２の上方に設けられている。保護膜１２のうち、鉤受入口７６より先端の部分は、鉤部６０に対応した形状を有している。すなわち、先端の部分もＴ字型を有している。

このような構成によって、図９において鉤受入口７６が、鉤部６０の左方向、すなわちダイアフラム電極１６のうちのバックプレート電極１４と重なっている領域の方向への移動を制限する。さらに、保護膜１２のうち、鉤部６０を中心にした場合における鉤受入口７６の反対側の壁面が、鉤部６０の右方向、すなわちダイアフラム電極１６に設けられた突出した部分の先端方向への移動を制限する。さらに、図９での鉤部６０の上方に設けられた保護膜１２の部分が、鉤部６０の上方への移動を制限している。鉤部６０の移動がこのように制限されることによって、ダイアフラム電極１６の移動も制限される。また、鉤部６０と少なくともひとつの固定端３２は、シリコン基板５２の上面の表面において、バックプレート電極１４が占めた領域の外側に設けられている。

保護膜１２は、図８および図９のごとく、バックプレート電極１４およびダイアフラム電極１６を覆うように、形成されている。ここで、保護膜１２には、鉤部６０を嵌合するための鉤受入口７６が設けられているが、鉤受入口７６はシリコン基板５２に設けられてもよい。なお、図３のごとく、ダイアフラム電極１６にダイアフラム突起部１８が形成されていてもよい。

図７では、鉤部６０がＴ字型であるとして説明を行なった。しかしながら、鉤部６０は、Ｔ字型以外の形状を有していてもよく、鉤部６０の幅が、鉤受入口７６の幅より広ければよい。図１０（ａ）−（ｂ）は、音響センサ１００の変形例を示す上面図である。これらは、図７のうち、ダイアフラム電極１６から突出した部分の先端付近を示す。図１０（ａ）は、ダイアフラム電極１６から突出した部分において、鉤部６０がひとつの方向だけに広がっている場合である。すなわち、鉤部６０は、逆Ｌ字型を有している。このような場合においても、鉤部６０の幅は、鉤受入口７６の幅よりも広くなっている。

図１０（ｂ）は、ダイアフラム電極１６から突出した部分において、鉤部６０が円形に広がっている場合である。鉤部６０は角を有していないが、一部分の幅が、鉤受入口７６の幅よりも広くなっている。以上の実施例において、鉤部６０は、シリコン基板５２の上面と平行な方向に広がっているとして説明したが、これに限らず例えば、鉤部６０は、シリコン基板５２の上面と垂直な方向に広がっている。すなわち、音響センサ１００の断面図において、鉤部６０は、図７、図１０（ａ）と（ｂ）のような形状を有していてもよい。また、鉤受入口７６は、鉤部６０に応じた形状を有する。鉤部６０がこれらのような形状を有していても、鉤部６０は、鉤受入口７６に嵌合される。

以上において説明した実施例２に係る音響センサ１００の構造は、次のようにまとめられる。ダイアフラム電極１６は、シリコン基板５２等から切り離されており、固定端３２によってシリコン基板５２に固定されている。また、ダイアフラム電極１６がシリコン基板５２に嵌合されることによって、ダイアフラム電極１６の回転方向、高さ方向、半径方向への動きが制限される。また、半径方向の動きの制限は、ある範囲の余裕を持っている。また、ダイアフラム電極１６は、鉤部６０を有しているが、鉤部６０は、高さ方向、水平方向どちらに向いていてもよい。さらに、ダイアフラム電極１６は、鉤部６０を複数有している。

本発明の実施例によれば、ダイアフラム電極は、少なくともひとつの固定端によってシリコン基板に取り付けられているだけなので、シリコン基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、ダイアフラム電極の振動を鉤部での嵌合によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。また、固定端以外は、鉤部によって、ダイアフラム電極と半導体基板を嵌合しているだけなので、構造を簡易にできる。また、シリコン基板に設けられた鉤受入口によって、ダイアフラム電極に設けられた鉤部を嵌合できる。また、このような構造とすることによって、静電容量の変化量を同程度にしながらも、全体の静電容量が小さくなるので、実質的な感度を大きくできる。

また、鉤部とひとつの固定端が突出しているので、鉤部とひとつの固定端が、バックプレート電極によって占められた領域から離れていても、ダイアフラム電極とバックプレート電極で形成されるエアギャップの面積を小さくでき、構造的な強度を改善できる。また、バックプレート電極は、基盤開口部の一部の領域だけを占めるので、音響センサの感度を高くできる。また、ダイアフラム電極を鉤部によって嵌合しているので、ダイアフラム電極の面と平行の移動を制限できる。また、ダイアフラム電極を鉤部によって嵌合しているので、ダイアフラム電極の面と平行な方向からの衝撃を受けた場合であっても、ダイアフラム電極がある程度移動することによって、衝撃を吸収できる。

また、実施例のような構造により、ダイアフラム電極に対して回転方向、高さ方向、半径方向への動きを制限するので、ダイアフラム電極の機械的な強度を改善できる。また、実施例のような構造とすることによりダイアフラム電極がシリコン基板から切り離せ、ダイアフラム電極自身の内部応力や曲げモーメントを低減できる。また、半径方向の動きの制限は、ある範囲の余裕をもっているので、内部応力などを低減できる。また、ノイズの原因となるパックプレート電極とダイアフラム電極の衝突や、落下などの強力な衝撃によってダイアフラム電極が不可逆なほど変位するなど、特性を悪化させるほどの変位を防止できる。

（実施例３）
実施例３は、本発明の実施例１や２と同様に、半導体基板上に形成されたコンデンサ型シリコンマイクロフォンに関する。実施例２に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンでは、ダイアフラム電極に鉤部が突設されており、当該鉤部が半導体基板に嵌合されている。実施例３に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンでは、ダイアフラム電極に突出した部分が設けられており、さらに突出した部分の先端は、リング状の形状を有している。当該リング状の先端に、半導体基板に設けられた軸が貫通することによって、ダイアフラム電極が半導体基板に嵌合されている。実施例３のごとく、本発明は、さまざまな形態に対応する。また、このような実施例３に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンは、実施例１や２に係るコンデンサ型シリコンマイクロフォンと同様の効果を有する。

実施例３に係る音響センサ１００は、図７から図９における音響センサ１００と同様の形状を有する。実施例３に係る音響センサ１００では、図７から図９における音響センサ１００と比較して、突出した部分の先端付近の形状が異なる。そのため、突出した部分の先端付近の形状を説明する。

図１１（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施例３に係る音響センサ１００の構成を示す上面図と断面図である。音響センサ１００は、リング部６２、軸部６４を含む。図１１（ａ）が上面図に相当し、図１１（ｂ）が断面図に相当する。図１１（ａ）および（ｂ）の右側が、突出した部分の先端に対応する。ダイアフラム電極１６の突出された部分の先端には、リング部６２が設けられている。リング部６２の中央部分は、図示のごとく、空いている構造になっている。図１１（ｂ）のごとく、リング部６２の中央部分が、保護膜１２に設けられた軸部６４に貫通されている。なお、軸部６４は、シリコン基板５２に設けられていてもよい。このような構造によって、ダイアフラム電極１６は、シリコン基板５２に嵌合されている。これをさらに説明すると、図１１（ａ）のごとく上面図において、ダイアフラム電極１６の突出した部分におけるリング部６２は、中央部分が穴が設けられている。さらに、穴の部分に軸部６４が設けられていることによって、軸部６４が、シリコン基板５２の上面と平行な方向へのリング部６２の動きを制限する。また、図３のごとく、ダイアフラム電極１６にダイアフラム突起部１８が設けられていてもよい。

このような構成によって、図１１（ｂ）において軸部６４が、リング部６２の左右の方向、すなわちダイアフラム電極１６のうちのバックプレート電極１４と重なっている領域の方向、およびダイアフラム電極１６に設けられた突出した部分の先端方向への移動を制限する。さらに、図１１（ｂ）でのリング部６２の上方に設けられた保護膜１２の部分が、リング部６２の上方への移動を制限している。リング部６２の移動がこのように制限されることによって、ダイアフラム電極１６の移動も制限される。

また、軸部６４と少なくともひとつの固定端３２は、シリコン基板５２の上面の表面において、バックプレート電極１４が占めた領域の外側に設けられている。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に対する変形例であり、リング部６２が完全に環状になっていない。すなわち、リング部６２の一部分が切れていてもよい。リング部６２がこのようになっていても、リング部６２は、軸部６４によって移動が制限される。その結果、図１１（ａ）および（ｂ）と同様の効果が得られる。さらに、軸部６４が鉤部６０のような形状を有していてもよい。リング部６２は、それに応じた形状を有する。

図１２（ａ）−（ｂ）は、音響センサ１００の変形例を示す上面図と断面図である。音響センサ１００は、第１リング部６６、第２リング部６８、第３リング部７０、第４リング部７２を含む。図１２（ａ）および（ｂ）の右側が、ダイアフラム電極１６の突出した部分の先端に対応する。第１リング部６６は、図１１（ａ）のリング部６２に相当する。第１リング部６６は、第３リング部７０に嵌合され、第３リング部７０は、第２リング部６８に嵌合され、第２リング部６８は、第４リング部７２に嵌合される。ここで、第３リング部７０と第４リング部７２は、図１２（ｂ）に示されるように、第１リング部６６のうちの穴が空いた面を９０°回転させた形状を有する。また、第３リング部７０、第４リング部７２は、シリコン基板５２の上方に設けられている。このように、第１リング部６６から第４リング部７２が、ダイアフラム電極１６の突出した部分の先頭方向へ、数珠のようにつながっている。

図１３（ａ）−（ｂ）は、音響センサ１００の別の変形例を示す上面図である。図１３（ａ）は、第１リング部６６、第５リング部７４を含む。図１３（ａ）の右側が、ダイアフラム電極１６の突出した部分の先端に対応する。第５リング部７４は、図示しないシリコン基板５２の上方に設けられている。図示のごとく、第１リング部６６が第５リング部７４に嵌合されることによって、ダイアフラム電極１６は、シリコン基板５２に嵌合される。

図１３（ｂ）は、図１と同様に、音響センサ１００全体の上面図である。ここでは、リング部６２と軸部６４の構造を説明するために、これら以外の部分であって、かつ図１に示した部分、例えば、バックプレート電極１４、ダイアフラム用パッド電極２４、バックプレート用パッド電極２６等は、省略されている。音響センサ１００の円周に沿って、複数のリング部６２が設けられている。さらに、複数のリング部６２のそれぞれにおける中央部分の穴に軸部６４が設けられている。ここで、ひとつのリング部６２と、ひとつの軸部６４との関係は、図１１（ａ）および（ｂ）におけるリング部６２と軸部６４との関係に対応する。

本発明の実施例によれば、ダイアフラム電極は、少なくともひとつの固定端によってシリコン基板に取り付けられているだけなので、シリコン基板との間の応力の差の影響を小さくできる。また、ダイアフラム電極の振動をリング部での嵌合によって制限しているので、少なくともひとつの固定端で取り付けているだけであっても、構造的な強度の低下を抑えられる。また、シリコン基板に設けられた軸部によって、ダイアフラム電極に設けられたリング部を嵌合できる。また、このような構造とすることによって、静電容量の変化量を同程度にしながらも、全体の静電容量が小さくなるので、実質的な感度を大きくできる。

また、リング部とひとつの固定端が突出しているので、リング部とひとつの固定端が、バックプレート電極によって占められた領域から離れていても、ダイアフラム電極とバックプレート電極で形成されるエアギャップの面積を小さくでき、構造的な強度を改善できる。また、バックプレート電極は、基盤開口部の一部の領域だけを占めるので、音響センサの感度を高くできる。また、ダイアフラム電極をリング部によって嵌合しているので、ダイアフラム電極の面と平行の移動を制限できる。また、ダイアフラム電極をリング部によって嵌合しているので、ダイアフラム電極の面と平行な方向からの衝撃を受けた場合であっても、ダイアフラム電極がある程度移動することによって、衝撃を吸収できる。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明の実施例１から３において、固定端３２はひとつであるとした。しかしながらこれに限らず、複数であってもよい。あるいは、固定端３２の面積を大きくしてもよい。本変形例によれば、音響センサ１００の強度を向上できる。つまり、ダイアフラム電極１６がシリコン基板５２に取り付けられていればよい。

本発明の実施例１において、ダイアフラム電極１６は、３つのヒンジ構造とひとつの固定端３２によって、シリコン基板５２に結合している。しかしながらこれに限らず例えば、３つ以外のヒンジ構造であってもよい。本変形例によれば、ダイアフラム電極１６を様々な形状で構成できる。つまり、ダイアフラム電極１６がシリコン基板５２に係着されていればよい。

本発明の実施例１から３において、音響センサ１００は、シリコン基板５２、ダイアフラム電極１６、バックプレート電極１４の順の配置によって構成されている。しかしながらこれに限らず例えば、シリコン基板５２、バックプレート電極１４、ダイアフラム電極１６の順の配置によって構成されてもよい。この場合、シリコン基板５２に設けられた音孔である基板開口部２０から入力された音圧は、バックプレート電極１４に設けられた音響ホール２２を通過して、ダイアフラム電極１６を振動させる。本変形例によれば、さまざまな音響センサ１００の構成に対して、本発明を適用できる。つまり、音圧によってダイアフラム電極１６が振動すればよい。

本発明の実施例１から３の任意の組合せも有効である。このような組合せによれば、実施例１から３の任意の組合せによる効果を得ることができる。

本発明の実施例１に係る音響センサの構成を示す上面図である。 図１の音響センサの第１の断面図である。 図１の音響センサの第２の断面図である。 図４（ａ）−（ｃ）は、図１の音響センサの製造工程を示す図である。 図５（ａ）−（ｃ）は、図４（ａ）−（ｃ）に続く図１の音響センサの製造工程を示す図である。 図６（ａ）−（ｃ）は、図５（ａ）−（ｃ）に続く図１の音響センサの製造工程を示す図である。 本発明の実施例２に係る音響センサの構成を示す上面図である。 図７の音響センサの第１の断面図である。 図７の音響センサの第２の断面図である。 図１０（ａ）−（ｂ）は、図７の音響センサの変形例を示す上面図である。 図１１（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施例３に係る音響センサの構成を示す上面図と断面図である。 図１２（ａ）−（ｂ）は、図１１の音響センサの変形例を示す上面図と断面図である。 図１３（ａ）−（ｂ）は、図１１の音響センサの別の変形例を示す上面図である。

符号の説明

１０ エアギャップ層、 １２ 保護膜、 １４ バックプレート電極、 １６ ダイアフラム電極、 １８ ダイアフラム突起部、 ２０ 基板開口部、 ２２ 音響ホール、 ２４ ダイアフラム用パッド電極、 ２６ バックプレート用パッド電極、 ２８ ヒンジ固定部、 ３０ 架橋部、 ３２ 固定端、 ３４ ヒンジ軸、 ５０ エッチストッパ、 ５２ シリコン基板、 ５４ 第１犠牲膜、 ５６ 第２犠牲膜、 ６０ 鉤部、 ６２ リング部、 ６４ 軸部、 ７６ 鉤受入口、 １００ 音響センサ。

Claims (11)

1. 半導体基板に穿設した音孔を覆うように、前記半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、
   前記可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、
   半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって前記可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備え、
   前記可動の電極は、前記少なくともひとつの固定端以外の部分にヒンジ軸を形成し、当該ヒンジ軸にもとづくヒンジ構造によって前記半導体基板と係着されていることを特徴とする音響センサ。
2. 前記可動の電極のヒンジ軸と少なくともひとつの固定端は、前記半導体基板の第１面の表面において、前記固定の電極が占めた領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の音響センサ。
3. 前記可動の電極は、前記固定の電極が占めた領域の外側において、ヒンジ軸と少なくともひとつの固定端が突出した形状を有することを特徴とする請求項２に記載の音響センサ。
4. 半導体基板に穿設した音孔を覆うように、前記半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、
   前記可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、
   半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって前記可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備え、
   前記可動の電極は、前記少なくともひとつの固定端以外の部分に鉤部を突設し、当該鉤部によって前記半導体基板に嵌合されていることを特徴とする音響センサ。
5. 前記可動の電極の鉤部は、前記半導体基板に設けられた前記鉤部の受入口に嵌合されていることを特徴とする請求項４に記載の音響センサ。
6. 前記可動の電極の鉤部と少なくともひとつの固定端は、前記半導体基板の第１面の表面において、前記固定の電極が占めた領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の音響センサ。
7. 半導体基板に穿設した音孔を覆うように、前記半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、
   前記可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、
   半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって前記可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備え、
   前記可動の電極は、前記少なくともひとつの固定端以外の部分に、リング状の先端を有した突出部を突設し、当該リング状の先端を有した突出部によって前記半導体基板に嵌合されていることを特徴とする音響センサ。
8. 前記可動の電極の突出部のうち、リング状の先端が、前記半導体基板に設けられた軸に貫通されることによって、前記半導体基板に嵌合されていることを特徴とする請求項７に記載の音響センサ。
9. 前記可動の電極の突出部と少なくともひとつの固定端は、前記半導体基板の第１面の表面において、前記固定の電極が占めた領域の外側に設けられていることを特徴とする請求項７または８に記載の音響センサ。
10. 半導体基板に穿設した音孔を覆うように、前記半導体基板の第１面の表面に少なくともひとつの固定端によって取り付けられた可動の電極と、
    前記可動の電極との組み合わせによってキャパシタを形成するように設けられた固定の電極と、
    半導体基板の第２面側から音孔を通して進入した音圧によって前記可動の電極が振動したとき、当該振動によるキャパシタの静電容量の変化を音声信号として出力する出力部を備え、
    前記可動の電極は、前記少なくともひとつの固定端以外の部分によって、前記半導体基板に嵌合されていることを特徴とする音響センサ。
11. 前記可動の電極は、前記半導体基板の第１面の表面と対向する部分に突起物を設けていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の音響センサ。

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