(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、しかも、センシング部間における漏れ信号を抑制することができる静電容量型センサを提供する。【解決手段】シリコン基板１２の上方にスリット１７で分割されたダイアフラム１３ａ、１３ｂが配置される。基板１２の上面には、ダイアフラム１３ａ、１３ｂを覆うようにしてバックプレート１８が設けられ、その下面には、ダイアフラム１３ａ、１３ｂに対向させて固定電極板１９が配置される。固定電極板１９は、２つの領域に分離されていて第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとなっている。第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとの間には、両固定電極板１９ａ、１９ｂ間を仕切るようにして、バリア電極３４が設けられている。バックプレート１８及び固定電極板１９ａ、１９ｂには、複数のアコースティックホール２４が開口される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に形成された振動電極板と、
前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分離されていて、分離された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
複数の前記センシング部のうち隣接する少なくとも一対の前記センシング部どうしの間に、前記センシング部間における信号の干渉を防止するためのバリア電極を設けたことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
前記固定電極板が複数領域に分離されており、分離された前記固定電極板どうしの間に前記バリア電極を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記バリア電極は、前記固定電極板と同一平面上に位置していることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記バリア電極は、前記固定電極板と同一材料からなることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記バリア電極は、分離された複数領域の前記固定電極板のうち少なくとも１つの前記固定電極板を囲んでいることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量センサ。
【請求項６】
前記振動電極板が複数領域に分離されており、分離された前記振動電極板どうしの間に前記バリア電極を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量センサ。
【請求項７】
前記バリア電極は、前記振動電極板と同一平面上に位置していることを特徴とする、請求項６に記載の静電容量センサ。
【請求項８】
前記バリア電極は、前記振動電極板と同一材料からなることを特徴とする、請求項６に記載の静電容量センサ。
【請求項９】
前記バリア電極は、分離された複数領域の前記振動電極板のうち少なくとも１つの前記振動電極板を囲んでいることを特徴とする、請求項６に記載の静電容量センサ。
【請求項１０】
前記バリア電極は導電性を有す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】
前記バリア電極は、基準電位、前記振動電極板又は前記固定電極板のうちいずれかと同電位に保た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】
前記バリア電極は、前記振動電極板又は前記固定電極板の、複数に分離された各領域の一辺の長さよりも長いことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項１３】
前記バリア電極は、終端が円弧状に形成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】
前記バリア電極から前記振動電極板へ向けて絶縁性のストッパが突出していることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項１５】
前記固定電極板の、前記バリア電極に沿った領域から前記振動電極板へ向けて絶縁性のストッパが突出していることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項１６】
前記バリア電極及び前記バックプレートを貫通したスリット状開口を、前記バリア電極の長さ方向に沿って前記バリア電極及び前記バックプレートに設けたことを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項１７】
前記バックプレートを貫通したスリット状開口を、前記バリア電極の長さ方向と並行させて前記バックプレートに設けたことを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項１８】
請求項１から１７のうちいずれか１項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孔が形成され、
音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする音響センサ。
【請求項１９】
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と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。特に、本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作される微小サイズの静電容量型センサや音響センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機などに搭載される小型のマイクロフォンとしては、これまではエレクトレット・コンデンサマイク（Electret Condenser Microphone）が広く使用されてきた。しかし、エレクトレット・コンデンサマイクは熱に弱く、また、デジタル化への対応、小型化、高機能・多機能化、省電力といった点で、ＭＥＭＳマイクロフォンに劣る。そのため、現在では、ＭＥＭＳマイクロフォンが普及しつつある。
【０００３】
ＭＥＭＳマイクロフォンは、音響振動を検出して電気信号（検出信号）に変換する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサに電圧を印加する駆動回路と、音響センサからの検出信号に対し増幅などの信号処理を行って外部に出力する信号処理回路とを備えている。ＭＥＭＳマイクロフォンに用いられる音響センサは、ＭＥＭＳ技術を利用して製造された静電容量型の音響センサである。また、上記駆動回路および上記信号処理回路は、半導体製造技術を利用してＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として一体に製造される。
【０００４】
近時、マイクロフォンは、小さな音圧から大きな音圧までの音を高感度で検出することが求められている。一般に、マイクロフォンの最大入力音圧は、高調波歪み率（Total Harmonic Distortion）によって制限される。これは、大きな音圧の音をマイクロフォンで検出しようとすると、出力信号に高調波歪みが発生し、音質や精度を損ねてしまうためである。よって、高調波歪み率を小さくすることができれば、最大入力音圧を大きくしてマイクロフォンの検出音圧域（以下、ダイナミックレンジという。）を広くすることができる。
【０００５】
しかしながら、一般的なマイクロフォンでは、音響振動の検出感度向上と高調波歪み率の低減とがトレードオフの関係にある。このため、小音量（小音圧）の音を検出することのできる高感度のマイクロフォンでは、大音量の音が入ってきたときに出力信号の高調波歪み率が大きくなり、そのために最大検出音圧が制限される。これは、高感度のマイクロフォンは出力信号が大きくなり、高調波歪みが発生し易いからである。反対に、出力信号の高調波歪みを低減することによって最大検出音圧を大きくしようとすると、マイクロフォンの感度が悪くなり、小音量の音を高品質で検出することが困難になる。この結果、一般的なマイクロフォンでは、小音量（小音圧）から大音量（大音圧）の音まで広いダイナミックレンジを持たせることが困難であった。
【０００６】
このような技術的背景のもとで、広いダイナミックレンジを有するマイクロフォンを実現する方法として、検出感度の異なる複数の音響センサを利用したマイクロフォンが検討されている。このようなマイクロフォンとしては、たとえば特許文献１−４に開示されたものがある。
【０００７】
特許文献１、２には、複数の音響センサを設け、複数の音響センサからの複数の信号を、音圧に応じて切り替える、或いは融合させるマイクロフォンが開示されている。このようなマイクロフォンでは、たとえば検出可能な音圧レベル（ＳＰＬ）が約３０ｄＢ−１１５ｄＢである高感度の音響センサと、検出可能な音圧レベルが約６０ｄＢ−１４０ｄＢである低感度の音響センサとを切り替えて利用することにより、検出可能な音圧レベルが約３０ｄＢ−１４０ｄＢであるマイクロフォンを構成できる。また、特許文献３、４には、１つのチップに、独立した複数の音響センサを形成したものが開示されている。
【０００８】
図１Ａは、特許文献１の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。図１Ｂは、特許文献１の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。また、図２は、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す。いま、許容される高調波歪み率が２０％であるとすれば、高感度の音響センサの最大検出音圧は約１１５ｄＢとなる。また、高感度の音響センサでは、音圧が約３０ｄＢよりも小さくなるとＳ／Ｎ比が劣化するので、その最小検出音圧は約３０ｄＢとなる。よって、高感度の音響センサのダイナミックレンジは、図１Ａに示すように、約３０ｄＢ−１１５ｄＢとなる。同様に、許容される高調波歪み率が２０％であるとすれば、低感度の音響センサの最大検出音圧は約１４０ｄＢとなる。また、低感度の音響センサは高感度の音響センサよりもダイアフラムの面積が小さく、図２に示すようにダイアフラムの平均変位量も高感度の音響センサより小さい。よって、低感度の音響センサの最小検出音圧は、高感度の音響センサよりも大きくなり、約６０ｄＢとなる。その結果、低感度の音響センサのダイナミックレンジは、図１Ｂに示すように、約６０ｄＢ−１４０ｄＢとなる。このような高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせると、検出可能な音圧域は、図１Ｃに示すように、約３０ｄＢ−１４０ｄＢというように広くなる。
【０００９】
なお、高調波歪み率とは、以下のように定義される。図３Ａに実線で示す波形は、基本となる周波数ｆ１の正弦波形である。この基本正弦波系をフーリエ変換すると、周波数ｆ１の位置のみにスペクトル成分が現れる。図３Ａの基本正弦波形が何らかの原因で図３Ａに破線で示す波形のように歪んだとする。この歪み波形をフーリエ変換したとき、図３Ｂのような周波数スペクトルが得られたとする。すなわち、歪み波形が周波数ｆ１、ｆ２、…、ｆ５にそれぞれＶ１、Ｖ２、…、Ｖ５のＦＦＴ強度（高速フーリエ変換強度）を有しているとする。このとき、当該歪み波形の高調波歪み率ＴＨＤは、次の数式１で定義される。
【数１】
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【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３１６９１６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１８３１６７号明細書
【特許文献３】特開２００８−２４５２６７号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／００４７７４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１−４に記載されたマイクロフォンにおいては、複数の音響センサが別々のチップに形成されている場合であっても、複数の音響センサが１つのチップ（基板）に一体に形成されている場合であっても、各音響センサは互いに独立したコンデンサ構造を有している。そのため、これらのマイクロフォンでは、音響特性にバラツキおよびミスマッチングが発生することになる。ここで、音響特性のバラツキとは、チップ間における音響センサどうしの音響特性のズレをいう。また、音響特性のミスマッチングとは、同一チップ内における複数の音響センサどうしの音響特性のズレをいう。
【００１２】
具体的に言えば、各音響センサが別々のチップに形成されている場合では、作製されるダイアフラムの反りや厚みのバラツキなどのため、検出感度に関するチップ間のバラツキが発生する。その結果、音響センサ間の検出感度の差に関するチップ間のバラツキが大きくなる。また、独立した各音響センサが共通のチップに一体に形成されている場合でも、ＭＥＭＳ技術を用いて各音響センサのコンデンサ構造を作製する際に、ダイアフラムと固定電極板との間のギャップ距離にバラツキが生じやすい。さらに、バックチャンバおよびベントホールが個別に形成されることになるので、該バックチャンバおよびベントホールによって影響を受ける周波数特性、位相などの音響特性にチップ内のミスマッチングが発生することになる。
【００１３】
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、感度の異なる複数のセンシング部を一体に形成することによってダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、さらにセンシング部間における漏れ信号を抑制することができる静電容量型センサ及び音響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】
【００１４】
本発明に係る静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方（すなわち、前記振動電極板と前記固定電極板のいずれか片方または両方）が複数領域に分離されていて、分離された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部のうち隣接する少なくとも一対の前記センシング部（すなわち、一対以上の前記センシング部）どうしの間に、前記センシング部間における信号の干渉を防止するためのバリア電極を設けたことを特徴としている。
【００１５】
本発明の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分離されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部（可変コンデンサ構造）が形成される。したがって、分離された各センシング部からそれぞれ電気信号が出力され、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば振動電極板毎に面積を異ならせたり、振動電極板毎に変位量を異ならせたりすることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく検知域を広げることができる。
【００１６】
また、上記複数のセンシング部は、同時に作製された振動電極板又は固定電極板を分離して形成されているので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを低減することができる。
【００１７】
また、本発明の静電容量型センサにおいては、複数の前記センシング部のうち隣接する少なくとも一対の前記センシング部どうしの間に、前記センシング部間における信号の干渉を防止するためのバリア電極を設けているので、一方のセンシング部（たとえば高感度側のセンシング部）から他方のセンシング部（たとえば低感度側のセンシング部）へ伝わる漏れ信号をバリア電極からグランドなどへ逃がすことができる。よって、他方のセンシングにおける出力信号の歪みを抑制し、高調波歪み率を低減させることができ、また、漏れ信号による感度の変化を抑制することができる。
【００１８】
本発明に係る静電容量型センサのある実施態様においては、前記固定電極板が複数領域に分離されており、分離された前記固定電極板どうしの間に前記バリア電極を設けたことを特徴とする。固定電極板が複数領域に分離されている場合には、固定電極板を通じてセンシング部間に漏れ信号が伝わるので、このような形態の場合にはバリア電極は固定電極板どうしの間に配置するのが好ましい。
【００１９】
本発明に係る静電容量型センサの別な実施態様においては、前記バリア電極は、前記固定電極板と同一平面上に位置していることを特徴とする。固定電極板が複数領域に分離されている場合、漏れ信号は最短経路で固定電極板間に伝わるので、バリア電極は固定電極板と同一平面上に配置するのが効果的である。また、バリア電極が固定電極板と同一平面上にあれば、固定電極板と同じ材料により、同一工程でバリア電極を作製でき、センサの製造工程が簡略になる。
【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、前記バリア電極が、分離された複数領域の前記固定電極板のうち少なくとも１つの前記固定電極板を囲んでいることを特徴とする。かかる実施態様によれば、一方のセンシング部から他方のセンシング部へ漏れ信号が伝わるのを阻止する効果がより高くなる。
【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においては、前記振動電極板が複数領域に分離されており、分離された前記振動電極板どうしの間に前記バリア電極を設けたことを特徴とする。振動電極板が複数領域に分離されている場合には、振動電極板を通じてセンシング部間に漏れ信号が伝わるので、このような形態の場合にはバリア電極は振動電極板どうしの間に配置するのが好ましい。
【００２２】
本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、前記バリア電極は、前記振動電極板と同一平面上に位置していることを特徴とする。振動電極板が複数領域に分離されている場合、漏れ信号は最短経路で振動電極板間に伝わるので、バリア電極は振動電極板と同一平面上に配置するのが効果的である。また、バリア電極が振動電極板と同一平面上にあれば、振動電極板と同じ材料により、同一工程でバリア電極を作製でき、センサの製造工程が簡略になる。
【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、前記バリア電極が、分離された複数領域の前記振動電極板のうち少なくとも１つの前記振動電極板を囲んでいることを特徴とする。かかる実施態様によれば、一方のセンシング部から他方のセンシング部へ漏れ信号が伝わるのを阻止する効果がより高くなる。
【００２４】
本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、前記バリア電極は、基準電位、前記振動電極板又は前記固定電極板のうちいずれかと同電位に保たれている。特に、グランドなどの基準電位に接続しておくことが望ましい。
【００２５】
バリア電極により振動電極板間に伝わる漏れ信号や固定電極板間に伝わる漏れ信号を遮断するためには、その経路全体にバリア電極を設けることが好ましい。従って、本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、バリア電極は、前記振動電極板又は前記固定電極板の、複数に分離された各領域の一辺の長さよりも長いことが好ましい。
【００２６】
バリア電極の終端は、残留応力や落下衝撃によって応力が集中し、クラックが入ることがある。これを防ぐために、従って、本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、バリア電極の終端を円弧状に形成していることが望ましい。
【００２７】
本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、固定電極板間に設けられた前記バリア電極から前記振動電極板側へ向けて絶縁性のストッパが突出していることを特徴とする。また、前記固定電極板の、前記バリア電極に沿った領域から前記振動電極板側へ向けて絶縁性のストッパが突出していてもよい。分割された固定電極板の下方には、通常固定電極板の分割領域に対向して振動電極板にスリットが設けられており、振動電極板のスリットの縁が固定電極板にスティックし易くなる。よって、バリア電極またはその周辺部からストッパを突出させて振動電極板のスティックを防止することが望ましい。
【００２８】
本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様においては、前記バリア電極及び前記バックプレートを貫通したスリット状開口を、前記バリア電極の長さ方向に沿って前記バリア電極及び前記バックプレートに設けたことを特徴とする。また、前記バックプレートを貫通したスリット状開口を、前記バリア電極の長さ方向と並行させて前記バックプレートに設けてもよい。このようなスリット状開口を設けることにより、隣接する一方のセンシング部のバックプレートから他方のセンシング部のバックプレートへ機械的な振動、特に歪み振動が伝わりにくくなり、振動を受け取った側のセンシング部の高調波歪み率の悪化を抑制することができる。
【００２９】
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孔が形成され、音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする。
【００３０】
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たものであるので、本発明に係る静電容量型センサと同様な作用効果を奏する。特に、一方のセンシング部から他方のセンシング部へ伝わる漏れ信号をバリア電極からグランドなどへ逃がすことができ、他方のセンシングにおける出力信号の歪みを抑制し、高調波歪み率を低減させることができる。また、漏れ信号による感度の変化を抑制することができる。
【００３１】
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たものである。本発明のマイクロフォンでは、高感度側からの漏れ信号によって低感度側のセンシング部の高調波歪みが大きくなるのを防ぐことができ、また、漏れ信号による感度の変化を抑制することができる。
【００３２】
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】
【００３３】
【図１】図１Ａは、特許文献１の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図１Ｂは、特許文献１の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図１Ｃは、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせた場合における、高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。
【図２】図２は、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す図である。
【図３】図３Ａは、基本波形と歪みを含んだ波形を示す図である。図３Ｂは、図３Ａに示す波形の周波数スペクトル図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態１による音響センサの分解斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態１による音響センサの断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態１による音響センサの平面図である。
【図７】図７は、シリコン基板の上に形成されたダイアフラムを示す平面図である。
【図８】図８は、ダイアフラムと対向する固定電極板の構成を示す平面図である。
【図９】図９（Ａ）は、本発明の実施形態１による音響センサと信号処理回路をケーシング内に納めたマイクロフォンの一部破断した平面図である。図９（Ｂ）は、当該マイクロフォンの縦断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態１によるマイクロフォンの回路図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、比較例の音響センサにおいて、高感度側のダイアフラムがバックプレートに衝突した様子を示す概略断面図である。図１１（Ｂ）は、比較例の音響センサにおいて、高感度側の音響センシング部の信号が低感度側の音響センシング部へ漏れて低感度側の音響センシング部の感度が変化している様子を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、バリア電極をバックプレートの上面に設けた音響センサの断面図である。
【図１３】図１３は、バリア電極を設けていない比較例の音響センサとバリア電極を有する実施形態１の音響センサの場合を比較して、音圧と低感度側の音響センシング部の高調波歪み率との関係を表した図である。
【図１４】図１４は、従来例の音響センサにおける感度の周波数特性を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態１による音響センサにおける感度の周波数特性を示す図である。
【図１６】図１６（Ａ）は、本発明の実施形態２による音響センサの断面図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の一部を拡大した図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態３におけるバリア電極と固定電極板の構造を示す平面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態３におけるバリア電極と固定電極板の構造の他例を示す平面図である。
【図１９】図１９（Ａ）は、本発明の実施形態４による固定電極板を示す平面図である。図１９（Ｂ）は、ダイアフラム及びバリア電極の構造を示す平面図である。
【図２０】図２０（Ａ）は、本発明の実施形態４の変形例による固定電極板及びバリア電極を示す平面図である。図２０（Ｂ）は、ダイアフラム及びバリア電極の構造を示す平面図である。
【図２１】図２１（Ａ）は、本発明の実施形態４の別な変形例によるダイアフラム及びバリア電極の構造を示す平面図である。図２１（Ｂ）は、本発明の実施形態４のさらに別な変形例によるダイアフラム及びバリア電極の構造を示す平面図である。
【図２２】図２２（Ａ）は、本発明の実施形態５による音響センサの平面図である。図２２（Ｂ）は、実施形態５の音響センサにおける固定電極板とダイアフラムとバリア電極を示す平面図である。
【図２３】図２３は、図２２（Ａ）に示す音響センサの断面図である。
【図２４】図２４（Ａ）は、本発明の実施形態５の変形例による音響センサの平面図である。図２４（Ｂ）は、実施形態５の変形例による音響センサにおける固定電極板とダイアフラムとバリア電極を示す平面図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施形態６による音響センサの平面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示す音響センサの断面図である。
【図２７】図２７は、本発明の実施形態６の他例による音響センサの平面図である。
【図２８】図２８は、図２７に示す音響センサの断面図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施形態７による音響センサの平面図である。
【図３０】図３０は、実施形態７の音響センサにおける固定電極板の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。特に、以下においては音響センサ及びマイクロフォンを例にとって説明するが、本発明は音響センサ以外に、圧力センサなどの静電容量型センサにも適用できるものである。
【００３５】
（実施形態１）
以下、図４−８を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図４は、本発明の実施形態１による音響センサ１１の分解斜視図である。図５は、音響センサ１１の断面図である。図６は、音響センサ１１の平面図である。図７は、シリコン基板１２の上に形成されたダイアフラム１３を示す平面図である。図８は、ダイアフラムと対向する第１固定電極板１９ａ、第２固定電極板１９ｂ及びバリア電極３４（固定電極板１９の構成）を示す平面図である。ただし、これらの図は、音響センサ１１のＭＥＭＳによる製造工程を反映したものではない
【００３６】
この音響センサ１１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４及び図５に示すように、この音響センサ１１は、シリコン基板１２（基板）の上面にアンカー１６ａ、１６ｂを介してダイアフラム１３を設け、ダイアフラム１３の上方に微小なエアギャップ２０を介して天蓋部１４を配し、シリコン基板１２の上面に固定したものである。
【００３７】
単結晶シリコンからなるシリコン基板１２には、表面から裏面に貫通したチャンバ１５（空洞部）が開口されている。図示のチャンバ１５は、（１００）面シリコン基板の（１１１）面及び（１１１）面と等価な面によって形成された傾斜面で壁面が構成されているが、チャンバ１５の壁面は垂直面であってもよい。
【００３８】
ダイアフラム１３は、チャンバ１５の上方を覆うようにしてシリコン基板１２の上方に配置されている。図４及び図７に示すように、ダイアフラム１３は、略矩形状に形成されている。ダイアフラム１３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されていてダイアフラム１３自体が振動電極板となっている。ダイアフラム１３は、短辺と平行な方向に延びた略直線状のスリット１７によって大小２つの領域に分割されている。ただし、ダイアフラム１３はスリット１７によって完全に２分割されているというのではなく、スリット１７の端部付近で機械的及び電気的につながっている。以下においては、スリット１７によって分割された２つの領域のうち、面積の大きな略矩形領域を第１ダイアフラム１３ａと呼び、第１ダイアフラム１３ａよりも面積の小さな略矩形領域を第２ダイアフラム１３ｂと呼ぶ。
【００３９】
第１ダイアフラム１３ａは、シリコン基板１２の上面で、各コーナー部に設けられた梁部２６をアンカー１６ａによって支持されており、シリコン基板１２の上面から浮かせて支持されている。隣接するアンカー１６ａ間において、第１ダイアフラム１３ａの外周部下面とシリコン基板１２の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール２２ａが形成されている。
【００４０】
第２ダイアフラム１３ｂは、シリコン基板１２の上面で、その両短辺をアンカー１６ｂによって支持されており、シリコン基板１２の上面から浮かせて支持されている。第２ダイアフラム１３ｂの長辺下面とシリコン基板１２の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール２２ｂが形成されている。
【００４１】
第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂは、いずれもシリコン基板１２の上面から等しい高さにある。すなわち、ベントホール２２ａとベントホール２２ｂは等しい高さの隙間となっている。また、ダイアフラム１３には、シリコン基板１２の上面に設けた引出配線２７が接続される。アンカー１６ａ、１６ｂは、ＳｉＯ２によって形成される。
【００４２】
図５に示すように、天蓋部１４は、ＳｉＮからなるバックプレート１８の下面にポリシリコンからなる固定電極板１９を設けたものである。天蓋部１４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１３を覆っている。天蓋部１４の下面（すなわち、固定電極板１９の下面）とダイアフラム１３の上面との間には微小なエアギャップ２０が形成されている。
【００４３】
図８に示すように、固定電極板１９は、第１ダイアフラム１３ａに対向する第１固定電極板１９ａと、第２ダイアフラム１３ｂに対向する第２固定電極板１９ｂとに分離されていて、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとは電気的に分離している。第１固定電極板１９ａは、第２固定電極板１９ｂよりも大きな面積を有している。第１固定電極板１９ａからは引出配線２８が引き出されており、第２固定電極板１９ｂからは引出配線２９が引き出されている。また、バックプレート１８の下面において、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間には導電性材料からなるバリア電極３４が配設されている。バリア電極３４は、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間の間隙部分を一端から他端まで通過している。第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂにはバイアス電圧が付加され、バリア電極３４は基準電位（例えば、グランド電位）に接続される。あるいは、バリア電極３４は固定電極板１９ａ、１９ｂと同じ電位に保ってもよい。
【００４４】
エアギャップ２０を挟んで対向する第１ダイアフラム１３ａと第１固定電極板１９ａによってコンデンサ構造の第１音響センシング部２３ａが形成されている。また、エアギャップ２０を挟んで対向する第２ダイアフラム１３ｂと第２固定電極板１９ｂによってコンデンサ構造の第２音響センシング部２３ｂが形成されている。第１音響センシング部２３ａにおけるエアギャップ２０のギャップ距離と、第２音響センシング部２３ｂにおけるエアギャップ２０のギャップ距離は等しい。なお、第１及び第２ダイアフラム１３ａ、１３ｂの分割位置と、第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂの分離位置は、図示例では一致しているが、ずれていても差し支えない。
【００４５】
第１音響センシング部２３ａにおいて、天蓋部１４（すなわち、バックプレート１８と第１固定電極板１９ａ）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２４（音響孔）が多数穿孔されている。第２音響センシング部２３ｂにおいても、天蓋部１４（すなわち、バックプレート１８と第２固定電極板１９ｂ）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２４（音響孔）が多数穿孔されている。なお、図示例においては、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂで、アコースティックホール２４の孔径とピッチが等しくなっているが、両音響センシング部２３ａ、２３ｂでアコースティックホールの孔径やピッチが異なっている場合もある。
【００４６】
図６及び図８に示すように、アコースティックホール２４は、両音響センシング部２３ａ、２３ｂにおいて、それぞれ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２４は、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。
【００４７】
図５に示すように、第１音響センシング部２３ａでも第２音響センシング部２３ｂでも、天蓋部１４の下面には、円柱状をした微小なストッパ２５（突起）が突出している。ストッパ２５は、バックプレート１８の下面から一体に突出しており、第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂを貫通して天蓋部１４の下面に突出している。ストッパ２５はバックプレート１８と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。このストッパ２５は、静電気力によって各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが各固定電極板１９ａ、１９ｂに固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。
【００４８】
ダイアフラム１３に接続された引出配線２７の他端は、共通電極パッド３１に接続されている。第１固定電極板１９ａから引き出された引出配線２８は、第１電極パッド３２ａに接続され、第２固定電極板１９ｂから引き出された引出配線２９は、第２電極パッド３２ｂに接続されている。また、電極パッド３３は、シリコン基板１２に接続されていて、接地電位に保たれる。図６に示すように、バリア電極３４は、引出線３０によって共通電極パッド３１に接続され、ダイアフラム１３と同じ基準電位に保たれる。あるいはバリア電極３４専用の電極パッドへと接続され、独立して基準電位（例えば、グランド電位）や固定電極板１９ａ、１９ｂと同じ電位に保ってもよい。
【００４９】
この音響センサ１１にあっては、音響振動がチャンバ１５（フロントチャンバ）に入ると、薄膜である各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが音響振動によって同じ位相で振動する。各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが振動すると、各音響センシング部２３ａ、２３ｂの静電容量が変化する。この結果、各音響センシング部２３ａ、２３ｂにおいては、ダイアフラム１３ａ、１３ｂが感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム１３ａ、１３ｂと固定電極板１９ａ、１９ｂの間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。また、異なる使用形態、すなわちチャンバ１５をバックチャンバとする使用形態の場合には、音響振動がアコースティックホール２４ａ、２４ｂを通過して天蓋部１４内のエアギャップ２０に入り、薄膜である各ダイアフラム１３ａ、１３ｂを振動させる。
【００５０】
また、第２ダイアフラム１３ｂの面積は第１ダイアフラム１３ａの面積よりも小さくなっているので、第２音響センシング部２３ｂは中音量〜大音量までの音圧域用の低感度の音響センサとなっており、第１音響センシング部２３ａは小音量〜中音量までの音圧域用の高感度の音響センサとなっている。したがって、両音響センシング部２３ａ、２３ｂをハイブリッド化して後述の処理回路によって信号を出力させることにより音響センサ１１のダイナミックレンジを広げることができる。たとえば、第１音響センシング部２３ａのダイナミックレンジを約３０−１２０ｄＢとし、第２音響センシング部２３ｂのダイナミックレンジを約５０−１４０ｄＢとすれば、両音響センシング部２３ａ、２３ｂを組み合わせることでダイナミックレンジを約３０−１４０ｄＢに広げることができる。また、音響センサ１１を小音量〜中音量までの第１音響センシング部２３ａと中音量〜大音量までの第２音響センシング部２３ｂに分けてあれば、第１音響センシング部２３ａの出力を大音量では使用しないようにでき、第１音響センシング部２３ａは大きな音圧域で高調波歪みが大きくなっても差し支えない。よって、第１音響センシング部２３ａの小音量に対する感度を高くすることができる。
【００５１】
さらに、この音響センサ１１では、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが同一基板上に形成されている。しかも、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが、ダイアフラム１３を分割した第１ダイアフラム１３ａ及び第２ダイアフラム１３ｂと、固定電極板１９を分割した第１固定電極板１９ａ及び第２固定電極板１９ｂとによって構成されている。すなわち、本来１つのセンシング部となるものを２つに分割して第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂをハイブリッド化しているので、１つの基板に独立した２つのセンシング部を設けた従来例や別々の基板にそれぞれセンシング部を設けた従来例に比較して、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂは、検出感度に関するバラツキが類似することになる。その結果、両音響センシング部２３ａ、２３ｂ間の検出感度バラツキを小さくできる。また、両音響センシング部２３ａ、２３ｂは、上記ダイアフラムと固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの音響特性に関するミスマッチングを抑制することができる。
【００５２】
図９Ａは、実施形態１の音響センサ１１を内蔵したマイクロフォン４１の一部破断した平面図であって、カバー４３の上面を除去して内部を表している。図９Ｂは、当該マイクロフォン４１の縦断面図である。
【００５３】
このマイクロフォン４１は、回路基板４２とカバー４３からなるパッケージ内に音響センサ１１と信号処理回路４４（ＡＳＩＣ）を内蔵したものである。音響センサ１１と信号処理回路４４は、回路基板４２の上面に実装されている。回路基板４２には、音響センサ１１内に音響振動を導き入れるための音導入孔４５が開口されている。音響センサ１１は、チャンバ１５の下面開口を音導入孔４５に合わせ、音導入孔４５を覆うようにして回路基板４２の上面に実装されている。したがって、音響センサ１１のチャンバ１５がフロントチャンバとなっており、パッケージ内の空間がバックチャンバとなっている。
【００５４】
音響センサ１１の電極パッド３１、３２ａ、３２ｂ及び３３は、それぞれボンディングワイヤ４６によって信号処理回路４４の各パッド４７に接続されている。回路基板４２の下面にはマイクロフォン４１を外部と電気的接続するための端子４８が複数個設けられ、回路基板４２の上面には端子４８と導通した各電極部４９が設けられている。回路基板４２に実装された信号処理回路４４の各パッド５０は、それぞれボンディングワイヤ５１によって電極部４９に接続されている。なお、信号処理回路４４のパッド５０は、音響センサ１１へ電源を供給する機能や、音響センサ１１の容量変化信号を外部へ出力する機能を有するものである。
【００５５】
回路基板４２の上面には、音響センサ１１及び信号処理回路４４を覆うようにしてカバー４３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１１や信号処理回路４４を保護している。
【００５６】
こうして、音導入孔４５からチャンバ１５内に入った音響振動は、音響センサ１１によって検出され、信号処理回路４４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４１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４１を高感度化することができる。
【００５７】
なお、このマイクロフォン４１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４５をカバー４３の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ１１のチャンバ１５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。
【００５８】
図１０は、図９に示すＭＥＭＳマイクロフォン４１の回路図である。図１０に示すように、音響センサ１１は、音響振動によって容量が変化する高感度側の第１音響センシング部２３ａと低感度側の第２音響センシング部２３ｂを備えている。
【００５９】
また、信号処理回路４４は、チャージポンプ５２、低感度用アンプ５３、高感度用アンプ５４、ΣΔ（ΔΣ）型ＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）５５、５６、基準電圧発生器５７、およびバッファ５８を備える構成である。
【００６０】
チャージポンプ５２は、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂに高電圧ＨＶを印加しており、第２音響センシング部２３ｂから出力された電気信号は低感度用アンプ５３によって増幅され、また第１音響センシング部２３ａから出力された電気信号は高感度用アンプ５４によって増幅される。低感度用アンプ５３で増幅された信号は、ΣΔ型ＡＤＣ５５においてデジタル信号に変換される。同様に、高感度用アンプ５４で増幅された信号は、ΣΔ型ＡＤＣ５６においてデジタル信号に変換される。ΣΔ型ＡＤＣ５５、５６において変換されたデジタル信号は、バッファ５８を介してＰＤＭ（パルス密度変調）信号として１つのデータ線上で外部に出力される。図示しないが、信号の強度に応じて、１つのデータ線上に混載したデジタル信号を選択することにより、音圧に応じて第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの出力を切り替えることができる。
【００６１】
なお、図１０の例では、ΣΔ型ＡＤＣ５５、５６にて変換された２つのデジタル信号を混載して、１つのデータ線上に出力しているが、上記２つのデジタル信号を別々のデータ線上に出力してもよい。
【００６２】
ところで、高感度用と低感度用の音響センシング部を設けた音響センサ、あるいはその音響センサを内蔵したマイクロフォンでは、高感度側（小音量側）の音響センシングと低感度側（大音量側）の音響センシング部との電気的な干渉によって低感度側の音響センサの高調波歪みが大きくなったり、感度が変化したりするおそれがある。本発明の実施形態１による音響センサ１１によれば、このような高調波歪みの増大や感度変化を抑制することができる。この理由は次の通りである。
【００６３】
高感度側の第１ダイアフラム１３ａは、低感度側の第２ダイアフラム１３ｂよりも面積が大きくて柔軟である。そのため、音響センサに大音圧の音響振動が加わった場合には、第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８に衝突することがある。図１１（Ａ）は、比較例の音響センサにおいて、大音圧により第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８に衝突した場合を示す。ここに示す比較例は、バックプレート１８にバリア電極３４を設けていないものである。
【００６４】
図１１（Ａ）のように第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８に衝突すると、その衝撃によって第１ダイアフラム１３ａの振動が歪み、第１音響センシング部２３ａに図１１（Ａ）のような歪んだ出力信号を生じる。一方、第２ダイアフラム１３ｂは第１ダイアフラム１３ａに比べて変位が小さいので、バックプレート１８に衝突せず、たとえば図１１（Ａ）に破線で示すような正弦波振動をしているとする。しかし、第１音響センシング部２３ａで発生した歪んだ出力信号は、第２音響センシング部２３ｂへ伝達するので、第１ダイアフラム１３ａの衝突によって第２音響センシング部２３ｂの出力信号にも歪みが生じる。この結果、図１１（Ａ）に実線で示すように第２音響センシング部２３ｂからの出力信号が歪み、第２音響センシング部２３ｂの高調波歪み率が悪化し、音響センサの最大検出音圧が低下してダイナミックレンジが狭くなるおそれがある。
【００６５】
また、高感度側の第１固定電極板１９ａと低感度側の第２固定電極板１９ｂとは構造的には分離しているが、両固定電極板１９ａ、１９ｂの間の距離が短いので、両固定電極板１９ａ、１９ｂの間には寄生容量Ｃpが生じている。そのため、図１１（Ｂ）に示すようにバリア電極３４が設けられていない比較例の場合には、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間の寄生容量Ｃpを介して高感度側の第１音響センシング部２３ａの出力信号が低感度側の第２音響センシング部２３ｂへ漏れやすい。高感度の第１音響センシング部２３ａで発生した信号の一部が第２音響センシング部２３ｂへ漏れると、低感度の第２音響センシング部２３ｂで発生した信号に漏れ信号が重なり、第２音響センシング部２３ｂから出力される信号が図１１（Ｂ）に破線で示す元々の信号よりも大きくなる。その結果、第２音響センシング部２３ｂでは、そこから出力される信号の感度が設計値と異なったものになる。
【００６６】
これに対し、実施形態１の音響センサ１１の場合には、図８に示すように、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとの間の間隙（リークパスとなっている間隙）に沿って、間隙のほぼ全長にバリア電極３４を配置し、バリア電極３４をグランド電位などの基準電位に接続しているので、高感度側の第１固定電極板１９ａからの漏れ信号を、バリア電極３４を通って基準電位などに逃がすことができる。よって、高感度側の第１音響センシング部２３ａからの歪んだ漏れ信号によって低感度側の第２音響センシング部２３ｂの出力信号が歪んで高調波歪み率が悪化するのを防止することができる。また、高感度側の第１音響センシング部２３ａからの漏れ信号によって低感度側の第２音響センシング部２３ｂの感度が変化するのを防止することができる。
【００６７】
バリア電極３４は、第１固定電極板１９ａや第２固定電極板１９ｂと異なる平面に設けることもできる。すなわち、両固定電極板１９ａ、１９ｂがバックプレート１８の下面に設けられている場合であれば、図１２に示すように、バックプレート１８の上面にバリア電極３４を設けることもできる。しかし、信号は第１固定電極板１９ａから第２固定電極板１９ｂへ漏れ、第１固定電極板１９ａの端と第２固定電極板１９ｂの端との間がリークパスとなっている。そのため、図１２のようにバリア電極３４を第１固定電極板１９ａ、１９ｂと異なる平面に配置していると、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間のリークパスが完全には無くならない。よって、バリア電極３４は、両固定電極板１９ａ、１９ｂと同じ平面に配置することが好ましく、実施形態１の図示例のように固定電極板１９ａ、１９ｂがバックプレート１８の下面に設けられている場合には、バリア電極３４もバックプレート１８の下面に設けることが望ましい。
【００６８】
また、バリア電極３４を第１固定電極板１９ａ及び第２固定電極板１９ｂと同じ平面に設けてあれば、固定電極板１９ａ、１９ｂを作製する工程において同時に、また固定電極板１９ａ、１９ｂと同一材料によりバリア電極３４を作製することができる。よって、バリア電極３４を製造するための追加工程が必要なく、音響センサ１１の生産性が向上する。
【００６９】
バリア電極３４の長さＬ２は、固定電極板１９の幅より短くても漏れ信号をを部分的に遮断する効果は得られるが、十分に漏れ信号を遮断するためには、図８に示すように、バリア電極３４の長さＬ２は、固定電極板１９ａ、１９ｂの幅Ｌ１よりも長いことが必要とされる。たとえば、長さ１.６ｍｍ、幅１.３５ｍｍ、厚み０.４ｍｍの音響センサ１１では、固定電極板１９ａ、１９ｂの幅Ｌ１は約７００μｍであるので、バリア電極３４は長さＬ２が７００μｍ以上あることが望ましい。
【００７０】
また、図８に示すように、バリア電極３４の端は角張らせることなく、円弧状に形成している。バリア電極３４の端が角張っていると、角の部分に応力が集中し、バリア電極３４にクラックが発生しやすくなる。従って、バリア電極３４の端は円弧状に形成してクラックが発生するのを防止することが望ましい。
【００７１】
つぎに、バリア電極３４を設けることによる効果を検証するために行った実験結果について説明する。
【００７２】
図１３は、低感度側の第２音響センシング部２３ｂにおける音圧と高調波歪み率ＴＨＤとの関係を実験により求めた結果の一例を表わしている。図１３において破線はバリア電極３４を有しない比較例の音響センサの場合を表し、実線はバリア電極３４を有する実施形態１の音響センサの場合を表わしている。図１３によれば、バリア電極３４を設けることにより、高調波歪み率を小さくできることが分かる。
【００７３】
図１４は、バリア電極３４を有しない比較例の音響センサにおける第２音響センシング部２３ｂの感度と周波数との関係を実験により求めたものである。図１５は、バリア電極３４を有する実施形態１の音響センサにおける第２音響センシング部２３ｂの感度と周波数との関係を実験により求めたものである。図１４と図１５とを比較すると、本発明の実施形態１の場合（図１５）には、比較例の場合（図１４）と比較して、高調波の歪みによる感度が小さくなっている。これは、バリア電極３４を設けたことにより、第１固定電極板１９ａから第２固定電極板１９ｂへ歪み信号の漏れがなくなり、実施形態１で歪み信号の強度が低下したためである。
【００７４】
（実施形態２）
図１６は本発明の実施形態２による音響センサ６１の断面図である。この実施形態２の音響センサ６１では、バリア電極３４の設けられた箇所又はその周辺から下方へ複数本のストッパ２５が突出している。ストッパ２５の下面は、第１ダイアフラム１３ａ及び第２ダイアフラム１３ｂのスリット１７に沿った領域に対向している。これ以外の点については、実施形態１の構成と同様であるので、説明は省略する（以下の他の実施形態についても同様）。
【００７５】
バリア電極３４は、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間に配置されるが、両固定電極板１９ａ、１９ｂ間の間隙の下方では、ダイアフラム１３にスリット１７が形成されている。ダイアフラム１３にスリット１７を形成することで、ダイアフラム１３を第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂに分割しておけば、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂが独立して振動しやすくなり、また第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの感度差を大きくできる。しかし、ダイアフラム１３にスリット１７を設けていると、スリット１７の縁の変位量が大きくなり、スリット１７の縁がバリア電極３４や固定電極板１９ａ、１９ｂにスティックし易くなる。
【００７６】
実施形態２の音響センサ６１では、バリア電極３４の設けられた箇所又はその周辺にストッパ２５を設けているので、ダイアフラム１３ａ、１３ｂが大きく撓んだ場合には、スリット１７の縁がストッパ２５に当たり、スリット１７の縁がバリア電極３４や固定電極板１９ａ、１９ｂにスティックするのを防ぐことができる。
【００７７】
（実施形態３）
上記実施形態１においては、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間の間隙に沿ってのみバリア電極３４を設けていたが、第１固定電極板１９ａや第２固定電極板１９ｂを囲むようにしてバリア電極３４を設けてもよい。
【００７８】
図１７は、本発明の実施形態３におけるバリア電極と固定電極板の構造を示す平面図である。この実施形態では、第２固定電極板１９ｂを取り囲むようにして、第２固定電極板１９ｂの周囲にバリア電極３４を形成している。また、図示しないが、第１固定電極板１９ａを取り囲むようにして、第１固定電極板１９ａの周囲にバリア電極３４を形成してもよい。
【００７９】
また、図１８に示すように、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの双方を取り囲むようにして、バリア電極３４を設けてもよい。
【００８０】
図１７や図１８に示すように、第１固定電極板１９ａや第２固定電極板１９ｂを取り囲むようにしてバリア電極３４を設ければ、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとの間でより確実に漏れ信号を遮断することができる。
【００８１】
（実施形態４）
図１９（Ａ）は、本発明の実施形態４による固定電極板を示す平面図である。図１９（Ｂ）は、本発明の実施形態４によるダイアフラム及びバリア電極の構造を示す平面図である。実施形態４の音響センサでは、図１９（Ａ）に示すように、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとは連続していて一体に形成されている。一方、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂは分離していて互いに別体となっている。このように第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂとが別体となっている場合には、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂの間にバリア電極３４を設ける。
【００８２】
この場合にも、バリア電極３４の長さは、ダイアフラム１３ａ、１３ｂの幅よりも長くなっていることが望ましい。また、バリア電極３４の端が円弧状に形成されていることが望ましい。さらに、バリア電極３４は、第１ダイアフラム１３ａや第２ダイアフラム１３ｂを囲むように形成されていてもよい。
【００８３】
このようなダイアフラム構造を有する場合にも、第１ダイアフラム１３ａから第２ダイアフラム１３ｂへ漏れ信号が伝わる恐れがあるが、ダイアフラム１３ａ、１３ｂ間にバリア電極３４を設けておくことで、漏れ信号を３４で受けてグランドなどに逃がすことができ、第２音響センシング部２３ｂにおける漏れ信号の影響を除去することができる。
【００８４】
また、図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）は、ダイアフラム１３が第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂに分離されており、固定電極板１９も第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂとに分離されている場合を示す。この場合には、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂの間にバリア電極３４を設け、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間にもバリア電極３４を設ければよい。
【００８５】
図２１（Ａ）は、本発明の実施形態４の別な変形例におけるダイアフラムとバリア電極の構造を示す平面図である。この変形例では、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂの間を通過するようにして、かつ、第２ダイアフラム１３ｂを囲むようにして、第２ダイアフラム１３ｂの周囲にバリア電極３４を設けている。
【００８６】
図２１（Ｂ）は、本発明の実施形態４のさらに別な変形例におけるダイアフラムとバリア電極の構造を示す平面図である。この変形例では、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂの間を通過するようにして、かつ、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂをそれぞれ囲むようにして、第１ダイアフラム１３ａの周囲と第２ダイアフラム１３ｂの周囲にバリア電極３４を設けている。
【００８７】
図２１（Ａ）や図２１（Ｂ）のような変形例によれば、第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂの間でより確実に漏れ信号を遮断することができる。
【００８８】
（実施形態５）
図２２（Ａ）は本発明の実施形態５による音響センサ７１を示す平面図である。図２２（Ｂ）は、音響センサ７１の固定電極板１９ａ、１９ｂとダイアフラム１３とバリア電極３４を示す平面図である。図２３は、実施形態５による音響センサ７１の断面図である。
【００８９】
実施形態５の音響センサ７１においては、略矩形状のダイアフラム１３を用いている。このダイアフラム１３は一体に形成されていて、実施形態１のようなスリット１７は備えていない。バックプレート１８の下面に設けられた固定電極板１９は、図２２（Ｂ）に示すように、外周部の第２固定電極板１９ｂとその内側の第１固定電極板１９ａに完全に分離されている。よって、ダイアフラム１３と第１固定電極板１９ａとによって第１音響センシング部２３ａが構成され、ダイアフラム１３と第２固定電極板１９ｂによって第２音響センシング部２３ｂが構成される。第１固定電極板１９ａの面積は、第２固定電極板１９ｂの面積よりも十分に大きく、第１音響センシング部２３ａが高感度で小音量用のセンシング部となっており、第２音響センシング部２３ｂが低感度で大音量用のセンシング部となっている。また、バックプレート１８の下面には、バリア電極３４が設けられている。バリア電極３４は、図２２（Ｂ）及び図２３に示すように、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの境界部分に沿って延びている。
【００９０】
なお、図２２（Ａ）に示す電極パッド７２は、第２固定電極板１９ｂに導通している。また、電極パッド７３は、第１固定電極板１９ａに導通している。電極パッド７４は、ダイアフラム１３に導通している。電極パッド７５は、バリア電極３４に導通している。あるいは、バリア電極３４は、電極パッド７２、７３もしくは電極パッド７４へと接続され、基準電位（例えば、グランド電位）や固定電極板３２ａ、３２ｂと同じ電位に保たれていてもよい。
【００９１】
この音響センサ７１でも、大音量（大音圧）の音響振動が加わった場合には、変位したダイアフラム１３が内側の第１固定電極板１９ａに衝突することがある。ダイアフラム１３が第１固定電極板１９ａに衝突すると、高感度側の第１音響センシング部２３ａから低感度側の第２音響センシング部２３ｂに歪み信号が伝わる恐れがある。しかし、この音響センサ７１でも、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの間にバリア電極３４を設けているので、第１音響センシング部２３ａから第２音響センシング部２３ｂへ歪み信号が伝わらないようにバリア電極３４からグランドなどに逃がすことができ、第２音響センシング部２３ｂの高調波歪み率を抑制することができる。
【００９２】
図２４（Ａ）は本発明の実施形態５の変形例による音響センサ７６を示す平面図である。図２４（Ｂ）は、音響センサ７６の固定電極板１９ａ、１９ｂとダイアフラム１３とバリア電極３４を示す平面図である。これは、円形のダイアフラム１３を有する音響センサ７６に実施形態５の構成を適用したものである。
【００９３】
（実施形態６）
図２５は、本発明の実施形態７による音響センサ８１を示す平面図である。図２６は、音響センサ８１の断面図である。実施形態７の音響センサ８１では、バリア電極３４の中央を通るようにして、かつ、バリア電極３４の長さ方向に沿って、バックプレート１８を上下に貫通するスリット状開口８２を設けている。
【００９４】
高感度側の第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８に衝突した場合、上記のように第１音響センシング部２３ａから第２音響センシング部２３ｂに電気的な歪み信号が伝わる。この電気的な歪み信号はバリア電極３４によって除去される。しかし、第１ダイアフラム１３ａが衝突したとき、その衝撃によってバックプレート１８の第１ダイアフラム１３ａと対向している領域が歪む。第１音響センシング部２３ａ側と第２音響センシング部２３ｂ側とでバックプレート１８が連続していると、この機械的な歪みはバックプレート１８の第２ダイアフラム１３ｂに伝わり、やはり第２音響センシング部２３ｂにおける出力信号を歪ませ、高調波歪み率を悪化させる。
【００９５】
これに対し、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの間で、バックプレート１８にスリット状開口８２を設けて第１音響センシング部２３ａ側と第２音響センシング部２３ｂ側とでバックプレート１８を分割してあれば、第１音響センシング部２３ａから第２音響センシング部２３ｂに機械的な歪みが伝わりにくくなり、第２音響センシング部２３ｂにおける高調波歪み率の悪化を抑制することができる。
【００９６】
また、スリット状開口８２は、図２７及び図２８に示すように、バリア電極３４と平行に設けてもよい。
【００９７】
（実施形態７）
図２９は、本発明の実施形態７による音響センサ９１の構造を示す平面図である。図３０は、音響センサ９１における固定電極板とバリア電極の構造を示す。この音響センサ９１は、３つの音響センシング部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを有している。第１音響センシング部２３ａは、ダイアフラム１３ａと固定電極板１９ａによって構成されたコンデンサ構造であって、小音量用の高感度のセンシング部である。第２音響センシング部２３ｂは、ダイアフラム１３ｂと固定電極板１９ｂによって構成されたコンデンサ構造であって、大音量用の低感度のセンシング部である。第３音響センシング部２３ｃは、ダイアフラム１３ｃと固定電極板１９ｃによって構成されたコンデンサ構造であって、中音量用の中感度のセンシング部である。
【００９８】
この音響センサ９１にあっては、シリコン基板１２のチャンバ１５の上方に略矩形状のダイアフラム１３が配設されている。ダイアフラム１３は、２本のスリット（図示せず）によって、略矩形状の第１ダイアフラム１３ａと、その両側に位置する略矩形状の第２ダイアフラム１３ｂ及び第３ダイアフラム１３ｃに分割されている。第３ダイアフラム１３ｃの面積は、第１ダイアフラム１３ａの面積よりも小さくなっている。さらに、第２ダイアフラム１３ｂの面積は、第３ダイアフラム１３ｃの面積よりも小さくなっている。また、第１ダイアフラム１３ａに対向させて第１固定電極板１９ａが配置されている。同様に、第２ダイアフラム１３ｂに対向させて第２固定電極板１９ｂが配置されている。第３ダイアフラム１３ｃには、第３固定電極板１９ｃが対向している。固定電極板１９ａ、１９ｂ及び１９ｃは、互いに分離しており、ダイアフラム１３を覆うようにしてシリコン基板１２の上面に固定されたバックプレート１８の下面に設けられている。
【００９９】
バックプレート１８の下面には、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間を通過するようにしてバリア電極３４ａが設けられており、また第１固定電極板１９ａと第３固定電極板１９ｃの間を通過するようにしてバリア電極３４ｂが設けられている。バリア電極３４ａ、３４ｂは、引出線３０によって共通電極パッド３１に接続され、ダイアフラム１３と同じ基準電位に保たれる。あるいはバリア電極３４専用の電極パッドへと接続され、独立して基準電位（例えば、グランド電位）や固定電極板１９ａ、１９ｂ、１９ｃと同じ電位に保ってもよい。さらに、各音響センシング部２３ａ、２３ｂ及び２３ｃにおいて、各バックプレート１８と各固定電極板１９ａ、１９ｂ及び１９ｃにはそれぞれアコースティックホール２４が開口されている。
【０１００】
この音響センサ９１のように、３つ（あるいは、３つ以上）の音響センシング部を設けた場合には、１つの音響センサ９１から３つ（あるいは、３つ以上）の検知信号を出力させることが可能になり、音量センサ９１のダイナミックレンジをさらに広げることができるとともに、各音域でのＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、第１音響センシング部２３ａから第２音響センシング部２３ｂに伝わる歪み信号は、バリア電極３４ａによってグランドなどへ逃がされ、また第１音響センシング部２３ａから第３音響センシング部２３ｃに伝わる歪み信号は、バリア電極３４ｂによってグランドなどへ逃がされる。よって、第２音響センシング部２３ｂや第３音響センシング部２３ｃにおける出力信号の歪みを抑制し、高調波歪み率を低減させることができ、また、漏れ信号による感度の変化を抑制することができる。
【０１０１】
以上においては、音響センサ及び該音響センサを用いたマイクロフォンについて説明したが、本発明は圧力センサなどの音響センサ以外の静電容量センサについても適用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１１、６１、７１、７６、８１、９１      音響センサ
１２      シリコン基板
１３      ダイアフラム
１３ａ      第１ダイアフラム
１３ｂ      第２ダイアフラム
１３ｃ      第３ダイアフラム
１７      スリット
１８      バックプレート
１９      固定電極板
１９ａ      第１固定電極板
１９ｂ      第２固定電極板
１９ｃ      第３固定電極板
２３ａ      第１音響センシング部
２３ｂ      第２音響センシング部
２３ｃ      第３音響センシング部
２５      ストッパ
３４      バリア電極
８２      スリット状開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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