(57)【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割されていて、分割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、
前記センシング部どうしを区切るようにして、前記バックプレートに、振動の伝搬を抑制するための隔離部を設けたことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
前記隔離部は、前記バックプレートに形成された１本又は２本以上のスリットであることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項３】
前記バックプレートのスリットは、前記バックプレートの上面から下面まで貫通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４】
前記バックプレートのスリットの終端にノッチを形成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５】
前記ノッチの直径が、前記バックプレートのスリットの幅よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の静電容量型センサ。
【請求項６】
前記バックプレート及び前記固定電極板には、複数個の孔が開口され、
前記バックプレートのスリットは、前記孔を避けて直線状に延び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７】
前記バックプレート及び前記固定電極板には、複数個の孔が開口され、
前記バックプレートのスリットは、前記孔を通過して直線状に延び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８】
前記バックプレート及び前記固定電極板には、複数個の孔が開口され、
前記バックプレートのスリットは、前記孔を通過してジグザグに延び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９】
前記バックプレート及び前記固定電極板には、複数個の孔が開口され、
前記バックプレートのスリットは、前記孔と前記孔の間を結ぶように不連続に形成され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１０】
前記バックプレートに形成された複数のスリットが、前記センシング部どうしを区切るようにして飛び飛びに形成され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１１】
前記隔離部の周辺部分において、前記バックプレートの下面にストッパを突設したことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項１２】
前記振動電極板がスリットによって複数領域に分割されており、
前記隔離部が、前記振動電極板のスリットの直上に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項１３】
請求項１から１２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振動電極板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１４】
請求項１３に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的に言うと、本発明は、振動電極板（ダイアフラム）と固定電極板からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型センサに関する。また、本発明は、音響振動を電気信号に変換して出力する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。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。この基本正弦波形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。
【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、さらに高調波歪みを低減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が複数領域に分割されていて、分割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、前記センシング部どうしを区切るようにして、前記バックプレートに、振動の伝搬を抑制するための隔離部を設けたことを特徴とする。
【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割されているので、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、分割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割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、振動電極板又は固定電極板の分割された各領域毎にそれぞれセンシング部が形成され、センシング部どうしを区切るようにしてバックプレートに、振動の伝搬を抑制するための隔離部が形成されているので、ある領域のセンシング部でダイアフラムがバックプレートに衝突して歪み振動を発生しても、そのバックプレートは他のセンシング部とは隔離部によって分離されているので、歪み振動が他のセンシング部へ伝わりにくい。その結果、あるセンシング部で発生した歪み振動がバックプレートを通じて他のセンシング部へ広がり、他のセンシング部の高調波歪み率を悪化させにくい。特に、本発明の静電容量型センサによれば、高感度側のセンシング部で発生した歪み振動が低感度側のセンシング部へ伝わりにくくなるので、低感度側のセンシング部の高調波歪み率が悪化するのを防ぐことができ、低感度側のセンシング部のダイナミックレンジが狭くなるのを防ぐことができる。
【００１８】
本発明に係る静電容量型センサのある実施態様は、前記隔離部が、前記バックプレートに形成された１本又は２本以上のスリットであることを特徴とする。かかる実施態様によれば、バックプレートの成膜時にバックプレートにスリットを形成するだけでよく、ＭＥＭＳ技術によって容易に隔離部を作製することができる。
【００１９】
本発明に係る静電容量型センサの別な実施態様は、隔離部がバックプレートのスリットである静電容量型センサにおいて、前記バックプレートのスリットが、前記バックプレートの上面から下面まで貫通していることを特徴とする。かかる実施態様によれば、センシング部間で歪み振動がより伝わりにくくなり、高調波歪みの抑制効果がより高くなる。また、バックプレートのスリットが貫通しているので、センシング部内の空気分子をバックプレートのスリットから外部へ逃すことができ、熱雑音によるノイズを低減できる。
【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、隔離部がバックプレートのスリットである静電容量型センサにおいて、前記バックプレートのスリットの終端にノッチを形成していることを特徴とする。かかる実施態様によれば、バックプレートのスリットの終端にノッチを設けているので、バックプレートのスリットの端に応力が集中しにくく、バックプレートのスリットが残留応力や落下衝撃などによって破損しにくくなる。
【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は、前記ノッチの直径が、前記バックプレートのスリットの幅よりも大きいことを特徴とする。ノッチの直径は、バックプレートのスリットの幅よりも大きくしておくことにより、応力集中を緩和する効果が高くなる。
【００２２】
また、前記バックプレート及び前記固定電極板に複数個の孔が開口されている場合には、前記バックプレートのスリットの形態としては、（１）バックプレートのスリットが、前記孔を避けて直線状に延びていてもよく、（２）バックプレートのスリットが、前記孔を通過して直線状に延びていてもよい。また、（３）バックプレートのスリットが、前記孔を通過してジグザグに延びていてもよく、（４）バックプレートのスリットが、前記孔と前記孔の間を結ぶように不連続に形成されていてもよい。
【００２３】
さらに、前記バックプレートに形成された複数のスリットは、前記センシング部どうしを区切るようにして飛び飛びに形成されていてもよい。バックプレートのスリットを飛び飛びに形成すれば、前記センシング部間でバックプレートの強度が低下しにくくなる。
【００２４】
なお、隔離部はバックプレートのスリットに限らず、振動の伝搬を抑制することのできる材料や構造によって形成することができる。
【００２５】
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、前記隔離部の周辺部分において、前記バックプレートの下面にストッパを突設したことを特徴とする。バックプレートに隔離部、たとえばスリットを設けていると、バックプレートにおける隔離部の縁が撓みやすくなり、バックプレートとダイアフラムが固着する恐れがある。したがって、当該実施形態のように、隔離部の周辺部分において、バックプレートの下面にストッパを突設し、バックプレートとダイアフラムが固着しにくくすることが望ましい。
【００２６】
本発明に係る静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記振動電極板がスリットによって複数領域に分割されており、前記隔離部が、前記振動電極板のスリットの直上に位置していることを特徴とする。振動電極板に隔離部が設けられていると、振動電極板のスリット付近は、振動電極板がバックプレートに衝突しやすい箇所と衝突しにくい箇所との境界となる。よって、振動電極板の直上においてバックプレートに隔離部を設けて、衝突しやすい領域から衝突しにくい領域へ衝突による歪み振動が伝わりにくくすることが好ましい。
【００２７】
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振動電極板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。
【００２８】
複数のセンシング部を有する音響センサでは、大きな音圧の音響振動が加わった場合には、感度の高いセンシング部で振動電極板がバックプレートに衝突して歪み振動が発生しやすい。しかし、本発明の音響センサでは、バックプレートに隔離部を設けて歪み振動が感度の低いセンシング部へ伝わりにくくしている。よって、高感度側で発生した歪み振動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、音響センサのダイナミックレンジが狭くなるのを防ぐことができる。
【００２９】
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、高感度側で発生した歪み振動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、マイクロフォンのダイナミックレンジが狭くなるのを防ぐことができる。
【００３０】
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】
【００３１】
【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に示す歪んだ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６Ａ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６Ｂは、図６ＡのＸ部拡大図である。
【図７】図７は、図６Ａに示した音響センサからバックプレートや保護膜などを除いた状態を示す平面図である。
【図８】図８Ａ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８Ｂは、当該マイクロフォンの縦断面図である。
【図９】図９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１０】図１０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】図１１Ａは、図１０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ときの高感度側のバックプレートに発生する振動を示す図である。図１１Ｂは、図１０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ときの低感度側のバックプレートに伝搬する振動を示す図である。図１１Ｃは、低感度側のダイアフラムの振動を示す図である。図１１Ｄは、図１０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ときの高感度側のダイアフラムと固定電極板との間のギャップの変化を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態１による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１３】図１３Ａは、図１２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ときの高感度側のバックプレートに発生する振動を示す図である。図１３Ｂは、図１２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ときの低感度側のバックプレートに伝搬する振動を示す図である。図１３Ｃは、低感度側のダイアフラムの振動を示す図である。図１３Ｄは、図１２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ときの高感度側のダイアフラムと固定電極板との間のギャップの変化を示す図である。
【図１４】図１４は、バックプレートに設けたバックプレートのスリットの長さとダイアフラムの平均変位量との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、バックプレートのスリットの長さ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示す図である。
【図１６】図１６は、バックプレートにバックプレートのスリットを設けていないモデルＩの、圧力印加時における変位量の分布を示す図である。
【図１７】図１７は、バックプレートに長さ３２０μｍのバックプレートのスリットを設けたモデルIIの、圧力印加時における変位量の分布を示す図である。
【図１８】図１８は、バックプレートに長さ５４０μｍのバックプレートのスリットを設けたモデルIIIの、圧力印加時における変位量の分布を示す図である。
【図１９】図１９は、バックプレートに長さ７２０μｍのバックプレートのスリットを設けたモデルIVの、圧力印加時における変位量の分布を示す図である。
【図２０】図２０Ａは、バックプレートのスリットの縁に設けたストッパを示す下面図である。図２０Ｂは、バックプレートのスリットの縁に設けたストッパを示す、バックプレートの断面図である。
【図２１】図２１Ａ及び図２１Ｂは、バックプレートのスリットの種々の形態を示す図である。
【図２２】図２２Ａ及び図２２Ｂは、バックプレートのスリットの種々の形態を示す図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施形態２による音響センサの平面図である。
【図２４】図２４Ａは、図２３の音響センサの固定電極板を示す平面図である。図２４Ｂは、図２３の音響センサのダイアフラムを示す平面図である。
【図２５】図２５Ａは、本発明の実施形態３による音響センサの平面図である。図２５Ｂは、実施形態３の音響センサにおける固定電極板とダイアフラムを示す平面図である。
【図２６】図２６Ａは、本発明の実施形態３の変形例による音響センサを示す平面図である。図２６Ｂは、実施形態３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を示す平面図である。
【図２７】図２７Ａは、本発明の実施形態３の別な変形例による音響センサを示す平面図である。図２７Ｂは、実施形態３の別な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を示す平面図である。
【図２８】図２８は、本発明の実施形態４による音響センサを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。
【００３３】
（実施形態１）
以下、図４−７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６Ａは、音響センサ１１の平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＸ部拡大図である。図７は、バックプレート１８や保護膜３０などを除いた音響センサ１１の平面図であって、シリコン基板１２の上方でダイアフラム１３と固定電極板１９が重なった様子を表している。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
【００３４】
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（空隙）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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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脚片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。
【００３８】
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。
【００３９】
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の上面に設けられた引出配線２７が接続される。さらに、シリコン基板１２の上面には、ダイアフラム１３を囲むようにして帯状の土台部２１が形成されている。アンカー１６ａ、１６ｂ及び土台部２１は、ＳｉＯ２によって形成されている。
【００４０】
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１３ａ、１３ｂ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１３ａ、１３ｂの上面との間には微小なエアギャップ２０（空隙）が形成されている。
【００４１】
固定電極板１９は、第１ダイアフラム１３ａと対向する第１固定電極板１９ａと、第２ダイアフラム１３ｂと対向する第２固定電極板１９ｂとに分割されていて、固定電極板１９ａ、１９ｂどうし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。
【００４２】
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の分割位置は、図示例では一致しているが、ずれていても差し支えない。
【００４３】
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。
【００４４】
図６及び図７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。
【００４５】
バックプレート１８には、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂを区切るようにして隔離部、すなわちバックプレート・スリット３４（以下、ダイアフラムのスリットと混同する恐れがない場合には、単にスリット３４と呼ぶことがある。）が設けられている。スリット３４は、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間を通過しており、バックプレート１８の上面から下面へ貫通している。以下においては、バックプレート１８のうち、スリット３４によって分割された第１音響センシング部２３ａ側の領域をバックプレート１８ａで表し、スリット３４によって分割された第２音響センシング部２３ｂ側の領域をバックプレート１８ｂで表す。また、スリット３４の両端には、直径がスリット３４の幅Ｗよりも大きくて、上下に貫通した円形のノッチ３５（切欠き）が形成されている。なお、図示例では、スリット３４はバックプレート１８の上面から下面へ貫通しているが、スリット３４内にバックプレート１８の一部が残っていてスリット３４の長さ方向と垂直な断面が凹状に形成されていてもよい。図示例では、バックプレート１８ａとバックプレート１８ｂは一部でつながっているが、両バックプレート１８ａ、１８ｂがスリット３４によって完全に分離されていてもよい。
【００４６】
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。
【００４７】
天蓋状をしたバックプレート１８の外周縁からは、全周にわたって保護膜３０が連続的に延出している。保護膜３０は、土台部２１とその外側のシリコン基板表面を覆っている。
【００４８】
保護膜３０の上面には、共通電極パッド３１、第１電極パッド３２ａ、第２電極パッド３２ｂ及び接地電極パッド３３が設けられている。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。
【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８Ａ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８Ｂ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９は、図８に示すＭＥＭＳマイクロフォン４１の回路図である。図９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及び第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）信号として外部に出力される。また、図示しないが、バッファ５８から出力された信号の強度が大きい場合（すなわち、音圧が大きい場合）には、ΣΔ型ＡＤＣ５５の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ＡＤＣ５６の出力がオフになる。したがって、第２音響センシング部２３ｂで検出された音圧の大きな音響振動の電気信号がバッファ５８から出力される。反対に、バッファ５８から出力された信号の強度が小さい場合（すなわち、音圧が小さい場合）には、ΣΔ型ＡＤＣ５６の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ＡＤＣ５５の出力がオフになる。したがって、第１音響センシング部２３ａで検出された音圧の小さな音響振動の電気信号がバッファ５８から出力される。こうして、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が自動的に切り替えられる。
【００６１】
なお、図９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）の音響センシング部と低感度側（大音量側）の音響センシング部との干渉によって低感度側の音響センシング部の高調波歪みが大きくなり、その結果、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。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を防ぐことができる。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、図１０に示すように、第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８ａに衝突することがある。図１０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１８ａ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にバックプレート・スリットが形成されておらず、第１音響センシング部２３ａのバックプレート１８ａと第２音響センシング部２３ｂのバックプレート１８ｂとが連続していて一体に形成されたものである。
【００６４】
図１０のように第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８ａに衝突すると、その衝撃によってバックプレート１８ａの振動が歪み、図１１Ａのような歪み振動を生じる。なお、バックプレートもダイアフラムと同様に音響振動によって振動するが、バックプレートの振幅はダイアフラムの振幅の１／１００程度であるので、図１１には表していない。バックプレート１８ａで発生した歪み振動は、バックプレート１８ｂへ伝達するので、第１ダイアフラム１３ａの衝突によってバックプレート１８ｂにも図１１Ｂのような歪み振動が生じる。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１８ｂに衝突せず、たとえば図１１Ｃのような正弦波振動をしているとする。この第２ダイアフラム１３ｂの正弦波振動にバックプレート１８ｂの歪み振動が加わると、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８ｂと第２ダイアフラム１３ｂの間のギャップ距離は図１１Ｄのように変化することになる。この結果、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する。
【００６５】
これに対し、実施形態１の音響センサ１１の場合には、図１２に示すように、高感度側のバックプレート１８ａと低感度側のバックプレート１８ｂとがスリット３４によって分離されている。そのため、大音圧によって第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８ａに衝突し、図１３Ａのような歪み振動が発生しても、その歪み振動は図１３Ｂに示すようにスリット３４を越えてバックプレート１８ｂに伝わりにくい。その結果、音響振動による第１ダイアフラム１３ａの振動波形が図１３Ｃのようであれば、第２ダイアフラム１３ｂとバックプレート１８ｂの間のギャップ距離は図１１Ｄに示すような同じ波形となる。よって、第１音響センシング部２３ａで歪み振動が発生しても、その歪み振動は第２音響センシング部２３ｂに伝わりにくく、第２音響センシング部２３ｂから出力される信号が歪みを含みにくいので、第２音響センシング部２３ｂの高調波歪み率が悪化しにくくなる。この結果、第１音響センシング部２３ａにおける歪み振動によって音響センサ１１のダイナミックレンジが狭くなることを防止できる。
【００６６】
スリット３４の長さＬ２は、固定電極板１９の幅Ｌ１より短くても歪み振動を遮断する効果は得られるが、第１音響センシング部２３ａ側の振動と第２音響センシング部２３ｂ側の振動を十分に分離し、第２電極パッド３２ｂを歪み振動から十分に遮断するためには、図６に示すように、スリット３４の長さＬ２は、固定電極板１９の幅Ｌ１よりも長いことが望ましい。音響センサ１１のサイズは、長さ１.６ｍｍ、幅１.３５ｍｍ、厚み０.４ｍｍであって、固定電極板１９の幅Ｌ１は約７００μｍであるので、スリット３４は長さＬ２が７００μｍ以上あることが望ましい。また、スリット３４の幅Ｗについては、ＭＥＭＳプロセスによるバックプレート・スリットの加工精度、省スペース化、バックプレート・スリットの対向する壁面どうしの衝突防止などを考慮すれば、約４μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
【００６７】
また、スリット３４は、ダイアフラム１３のスリット１７の直上に位置していることが望ましい。ダイアフラム１３のスリット１７付近は、ダイアフラム１３の変位量の差が大きい場所である。よって、ダイアフラム１３のスリット１７付近は、ダイアフラム１３がバックプレート１８に衝突しやすい箇所（第１ダイアフラム１３ａ）と衝突しにくい箇所（第２ダイアフラム１３ｂ）の境界になるため、この直上にバックプレート・スリット３４を設けて歪みを含んだ振動の伝達を遮るようにするのが好ましい。また、ダイアフラム１３にスリット１７を設けると、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効果がある。よって、ダイアフラム１３のスリット１７を、両音響センシング部２３ａ、２３ｂ間の境界とすることが特性上好ましく、バックプレート１８のスリット３４もスリット１７に合わせることが望ましい。
【００６８】
つぎに、モデルＩ−IVのバックプレート１８において、高感度側のバックプレート１８ａに２００Ｐａの圧力を印加し、そのときにバックプレート１８ａ及びバックプレート１８ｂに生じる変位をシミュレーションにより求め、バックプレート１８ａ側の変位がバックプレート１８ｂ側に伝わっているかどうかを評価した。用いたモデルＩは、幅が約７００μｍの固定電極板１９ａ、１９ｂと直径が１７μｍの多数のアコースティックホール２４を備えたバックプレート１８で、スリット３４の存在しないものである。モデルIIは、幅が約７００μｍの固定電極板１９ａ、１９ｂと直径が１７μｍの多数のアコースティックホール２４を備えたバックプレート１８で、長さが３２０μｍのスリット３４を有するものである。モデルIIIは、幅が約７００μｍの固定電極板１９ａ、１９ｂと直径が１７μｍの多数のアコースティックホール２４を備えたバックプレート１８で、長さが５４０μｍのスリット３４を有するものである。モデルIVは、幅が約７００μｍの固定電極板１９ａ、１９ｂと直径が１７μｍの多数のアコースティックホール２４を備えたバックプレート１８で、長さが７２０μｍのスリット３４を有するものである。
【００６９】
図１６−図１９は、いずれも、バックプレート１８ａに２００Ｐａの圧力を印加した場合の、バックプレート１８ａ、１８ｂにおける変位を白黒の濃淡で表したものである。いずれも、最も黒い領域は変位がゼロで、白くなるに従って次第に変位量が大きくなっている。図１６は、モデルIのバックプレート１８を用いた場合である。図１７は、モデルIIのバックプレート１８を用いた場合である。図１８は、モデルIIIのバックプレート１８を用いた場合である。図１９は、モデルIVのバックプレート１８を用いた場合である。図１６−図１９を比較すれば分かるように、スリット３４が長くなるに従って、バックプレート１８の最大変位箇所が次第にスリット３４側へ移動するとともに、バックプレート１８ｂの変位が次第に小さくなっている。特に、図１９のように、スリット３４の長さがダイアフラム１３ａ、１３ｂの幅よりも大きくなると、バックプレート１８ｂにほとんど変位が生じていない。
【００７０】
図１４は、図１６−図１９の各モデルについて、低感度側のバックプレート１８ｂの平均変位量を比較した図である。図１４によれば、スリット３４が設けられていない場合に比較して、長さ７２０μｍのスリット３４を設けた場合には、バックプレート１８ｂの平均変位量が８２％減少しており、スリット３４による効果の高いことが示されている。
【００７１】
また、図１５は、モデルＩ−IVのバックプレート１８を備えた各音響センサの高調波歪み率をシミュレーションにより求めたものである。図１５によれば、音圧の大きな領域では大きな高調波歪みが発生している。この大音圧域における高調波歪みは、スリットのないモデルＩで最も大きく、モデルII、III、IVとスリット３４の長さが長くなるに従って高調波歪み率が減少している。特に、モデルIVは理想的な高調波歪み率の曲線に近くなっている。ここで、理想的な高調波歪み率とは、バックプレート１８を伝ってバックプレート１８ａからバックプレート１８ｂに歪み振動が伝搬していない場合の高調波歪み率である。
【００７２】
また、スリット３４は、高調波歪み率の改善以外にも、以下のような作用効果をもたらす。ダイアフラム１３ａ、１３ｂと固定電極板１９ａ、１９ｂとの間の空気がギャップ内に閉じ込められていると、空気の揺らぎ（空気分子の熱運動）によって熱雑音が発生し、信号のＳ／Ｎ比が低下する。これに対し、バックプレート１８にスリット３４があいていると、ギャップ内の空気分子がスリット３４から外部へ逃げることができるので、熱雑音によるノイズが低減する。
【００７３】
スリット３４が設けられていない場合には、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂの間には、ＳｉＮからなるバックプレート１８の一部が位置している。しかし、スリット３４を設けた場合には、固定電極板１９ａ、１９ｂ間の物質は空気となり、誘電率が下がる。そのため、スリット３４を設けた場合には、固定電極板１９ａ、１９ｂ間の寄生容量が低減し、音響センサ１１の感度が向上する。
【００７４】
また、実施形態１の音響センサ１１では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、スリット３４の終端に、スリット３４の幅Ｗよりも直径の大きな円形のノッチ３５を設けている。そのため、音響センサ１１の製造プロセスで生じるスリット３４の端部における残留応力や落下衝撃などによる応力集中を緩和し、バックプレート１８の破損を防止することができる。
【００７５】
また、実施形態１の音響センサ１１では、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、スリット３４の縁に沿ってバックプレート１８の下面にストッパ２５を突出させている。バックプレート１８にスリット３４を設けると、スリット３４の周辺が撓みやすくなるので、撓みやすくなったバックプレート１８とダイアフラム１３ａ、１３ｂがスティック（固着）しやすくなる。そのため、スリット３４の縁に沿ってストッパ２５を設け、バックプレート１８とダイアフラム１３ａ、１３ｂのスティックを防止している。
【００７６】
（実施形態１の変形例）
図２１Ａ、図２１Ｂ、図２２Ａ及び図２２Ｂは、スリット３４の種々の形態を示す。図２１Ａは、アコースティックホール２４を避けて略直線状のスリット３４を設けた場合である。かかる形態によれば、アコースティックホール２４を従来どおりの配置に維持したままでスリット３４を設けることができる。図２１Ｂは、アコースティックホール２４を利用して直線状のスリット３４を形成したものである。かかる形態によれば、スリット３４を配置するための面積を省スペース化することができる。図２２Ａは、アコースティックホール２４を利用してジグザグ状のスリット３４を形成したものである。かかる形態によれば、スリット３４を配置するための面積を省スペース化することができる。図２２Ｂは、アコースティックホール２４を利用して傾斜した複数本のスリット３４を区分的に形成したものである。かかる形態によれば、スリット３４の近傍におけるバックプレート１８の剛性を維持しつつ、音響センシング部２３ａ、２３ｂ間においてバックプレート１８の振動による干渉を低減し、高調波歪みを抑制できる。
【００７７】
（実施形態２）
図２３は本発明の実施形態２による音響センサ６１を示す平面図である。図２４Ａは、音響センサ６１の固定電極板１９を示す平面図である。図２４Ｂは、音響センサ６１のダイアフラム１３ａ、１３ｂを示す平面図である。
【００７８】
実施形態２の音響センサ６１においては、図２４Ｂに示すように、ダイアフラム１３は、スリット１７によって完全に２つの領域、すなわち第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂに分離されている。一方、図２４Ａに示すように、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂは、連結部６２によって一体につながっている。バックプレート１８及び固定電極板１９の連結部６２には、図２３及び図２４Ａに示すように、連結部６２の幅よりも長さの短いスリット３４があいている。他の構造は本発明の実施形態１と同様であるので、説明は省略する。
【００７９】
実施形態２のような音響センサ６１にあっても、実施形態１と同様に、第２音響センシング部２３ｂにおける高調波歪み率を小さくすることができる。また、熱雑音を低減する効果や寄生容量を小さする効果も奏する。
【００８０】
（実施形態３）
図２５Ａは本発明の実施形態３による音響センサ７１を示す平面図である。図２５Ｂは、音響センサ７１の固定電極板１９ａ、１９ｂとダイアフラム１３を示す平面図である。
【００８１】
実施形態３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２５Ｂ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は、図２５Ａ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バックプレート・スリット３４を設けられていて、バックプレート１８ａとバックプレート１８ｂに分割されている。このスリット３４は、略環状（一部を欠いた環状）をしていて上下に貫通しているので、バックプレート１８ａとバックプレート１８ｂは一箇所でつながっている。
【００８２】
なお、図２５Ａ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。
【００８３】
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に歪み振動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は、バックプレート１８にスリット３４を設けて分割されているので、第１音響センシング部２３ａから第２音響センシング部２３ｂへ歪み振動が伝わるのを阻害することができ、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。
【００８４】
（実施形態３の変形例）
図２６Ａは本発明の実施形態３の変形例による音響センサ７５を示す平面図である。図２６Ｂは、音響センサ７５の固定電極板１９ａ、１９ｂとダイアフラム１３を示す平面図である。
【００８５】
実施形態３の音響センサ７１では、バックプレート１８ａとバックプレート１８ｂは一部分だけでつながっていて、スリット３４は略環状に形成されている。そのため、内側のバックプレート１８ａは、バックプレート１８ｂに片持ち状に支持されていて不安定になるおそれがある。
【００８６】
このような場合には、図２６Ａに示すように、バックプレート１８に短いスリット３４を飛び飛びに設けて適宜間隔でバックプレート１８ａを支持するようにしてもよい。
【００８７】
また、バックプレート１８ａとバックプレート１８ｂを２〜４箇所でつなぐようにしてもよい。
【００８８】
図２７Ａは本発明の実施形態３の別な変形例による音響センサ７６を示す平面図である。図２７Ｂは、音響センサ７６の固定電極板１９ａ、１９ｂとダイアフラム１３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３の構成を適用したものである。
【００８９】
（実施形態４）
図２８は、本発明の実施形態４による音響センサ７７の構造を示す平面図である。この音響センサ７７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。
【００９０】
この音響センサ７７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。
【００９１】
バックプレート１８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ックプレート・スリット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ックプレート・スリット３４ｂが設けられている。この結果、バックプレート１８は、スリット３４ａ、３４ｂによって、第１音響センシング部２３ａに位置するバックプレート１８ａと、第２音響センシング部２３ｂに位置するバックプレート１８ｂと、第３音響センシング部２３ｃに位置するバックプレート１８ｃに分離されており、互いに独立性が高くなっていて振動が伝搬しにくくなっている。また、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１８ａ、１８ｂ及び１８ｃ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。
【００９２】
この音響センサ７７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７７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７７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で発生した歪み振動がバックプレート１８を通じて第２音響センシング部２３ｂや第３音響センシング部２３ｃに伝わりにくくなり、音響センシング部２３ｂ、２３ｃの音響歪み率が低下する。
【００９３】
（その他）
なお、上記各実施形態においては、第１ダイアフラム１３ａの面積と第２ダイアフラム１３ｂの面積を異ならせることにより、同じ音圧が加わったときの各ダイアフラム１３ａ、１３ｂの変位量を異ならせ、それによって第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの感度を異ならせている。これ以外にも、たとえば第２ダイアフラム１３ｂの膜厚を第１ダイアフラム１３ａの膜厚よりも厚くすることによって第２ダイアフラム１３ｂの変位を小さくし、第２音響センシング部２３ｂの感度を低くしてあってもよい。また、第２ダイアフラム１３ｂの固定ピッチを第１ダイアフラム１３ａの固定ピッチよりも小さくすることによって第２ダイアフラム１３ｂの変位を小さくし、第２音響センシング部２３ｂの感度を低くしてあってもよい。さらに、第１ダイアフラム１３ａを梁構造によって支持することで第１ダイアフラム１３ａの変位を大きくし、第１音響センシング部２３ａの感度を高くしてあってもよい。
【００９４】
また、隔離部としては、バックプレート１８に振動をダンピングさせるための材料、たとえばバックプレート１８よりも質量の大きな材料や柔らかい材料で形成したものであってもよい。
【００９５】
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】
【００９６】
１１、６１、７１、７５−７７      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、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ      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
２４      アコースティックホール
２５      ストッパ
３４、３４ａ、３４ｂ      バックプレート・スリット
３５      ノッチ
４１      マイクロフォン
４２      回路基板
４３      カバー
４４      信号処理回路
４５      音導入孔
【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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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