(57)【要約】マイクロホン振動板のまわりに形成されたペリメータースリットをもつ差動マイクロホンは、裏面の孔を必要とするものにとってかわり、普通のシリコンをミクロ機械加工したマイクロホンである。その差動マイクロホンは、たった１枚のシリコンウェーハの表面を利用するシリコン製作技術を使用して形成される。従来技術におけるマイクロホンの裏面の孔は、一般的には、製造過程でシリコンウェーハの裏面に対して、第二の機械加工作業を施される必要がある。この『第二の作業』によって複雑性が増し、そのように製造されるミクロ機械加工マイクロホンに対するコストが増加してしまう。容量構造部分を形成するくし歯状センサーが差動マイクロホン振動板の一部として製造される。【選択図】図２
2009525635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハの上部表面上に犠牲層を積層するステップと、
前記犠牲層の上部表面上に振動板の材料を積層するステップと、
前記振動板を分離するために、前記振動板材料の層をエッチングするステップと、
少なくとも前記犠牲層の一部分を前記で定義された振動板の下方部分から取り除くステップと、
を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法。
【請求項２】
前記エッチングするステップにおいて、さらに少なくとも前記振動板の周囲部分に、くし歯状センサーを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記シリコンウェーハの上部表面と前記犠牲層の中間に導電層を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンウェーハの上部表面上に犠牲層を積層するステップにおいて、二酸化ケイ素、低温酸化物（ＬＴＯ）、ホスホケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、アルミニウム、フォトレジスト材料、高分子材料からなる群から少なくとも１つの材料の層を積層することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記犠牲層の上部表面上に振動板の材料を積層するステップにおいて、ポリシリコン、シリコン窒化物、金、アルミニウム、銅からなる群から少なくとも１つの材料の層を積層することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
シリコン基板と、
前記シリコンウェーハの上部表面上に積層された犠牲層と、
前記犠牲層の上部表面上に積層された振動板材料層と、
ヒンジによって支えられる前記振動板材料層において、スリットによって分離された振動板と、
前記スリットを介してのみ外部に通じており前記犠牲層の厚みにより定義される深さをもつ前記振動板の下方で取り囲まれたバックボリュームと、
を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン。
【請求項７】
少なくとも前記振動板の周囲に沿って配置された複数のくし歯状センサーを含む、請求項６に記載の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン。
【請求項８】
前記シリコン基板の前記上部表面と前記犠牲層の中間にある電導性を有する層を含む、請求項６に記載の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン。
【請求項９】
前記犠牲層に、二酸化ケイ素、低温酸化物（ＬＴＯ）、ホスホケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、アルミニウム、フォトレジスト材料、高分子材料からなる群から少なくとも１つの材料を含む、請求項６に記載の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン。
【請求項１０】
前記振動板材料層に、ポリシリコン、シリコン窒化物、金、アルミニウム、銅からなる群から少なくとも１つの材料を含む、請求項６に記載の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン。
【請求項１１】
振動板材料層内に形成され、ヒンジによって支えられ、前記振動板の下方部分をバックボリュームで取り囲まれ、横側の面と底面をもち、前記横側の面と底面のうちの１つにバックボリュームと外面部分との間をつなぐ孔をもつことを含んだ小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン内において、
前記振動板と振動板材料層との間に設置されたスリットと、
前記振動板の下方において側面と底面を有し、該側面と底面がスリットを介して外部に通じるバックボリュームと
を含む、差動マイクロホン。
【請求項１２】
基板とトランスデューサーを備え、
前記基板は、表面に犠牲層が積層され、該犠牲層の上に振動板層が配置され、該犠牲層に開口が形成され、少なくとも振動板層下の犠牲層の一部が除去されたことにより、振動板層と基板との間の空間を有する浮動振動板が形成され、該浮動振動板は、該浮動振動板の面とほぼ平行である音響波に反応したときの回転運動の軸を有しており、前記トランスデューサーは、基板に対する音響波によって、浮動振動板の変位に反応して電気信号を生成する、
マイクロホン。
【請求項１３】
前記浮動振動板の別の部分が、音響波に反応して前記浮動振動板の平面が軸周りの方向に移動したとき、浮動振動板の一端と他端が異なる方向に移動する位置に前記軸が設けられた、請求項１２に記載のマイクロホン。
【請求項１４】
音響波に応じた動作によって、前記浮動振動板の裏側の体積がほぼ一定である、請求項１３に記載のマイクロホン。
【請求項１５】
前記浮動振動板の裏にある空間部分が前記犠牲層の深さとほぼ同じ深さである、請求項１２に記載のマイクロホン。
【請求項１６】
前記振動板はそれぞれ差動的に反応する部分をもち、さらに入射する音響波の異なった部分から隔離するための音響障壁を少なくとも１つ含む、請求項１２に記載のマイクロホン。
【請求項１７】
前記開口孔は、空気の流れるスリットを含む、請求項１２に記載のマイクロホン。
【請求項１８】
振幅Ｐ、振動数ωで前記空間の最大線寸法よりも長い波長を有する音響波による、前記浮動振動板の片側に対してはたらくモーメントＭであり、前記浮動振動板は前記軸にそってＬｙの寸法と、前記軸に対して垂直に前記軸から測ってＬｘの寸法をもち、前記音響波の前記浮動振動板を微小な角度に傾かせるモーメントＭがほぼ数式１となる、請求項１２に記載のマイクロホン。
【数１】
2009525635.tif 000048
【請求項１９】
前記トランスデューサーは、音響波に反応して最初に方向指示をおこなう、請求項１２に記載のマイクロホン。
【請求項２０】
音響波によって前記浮動振動板の平面が軸周りの方向に移動したとき、浮動振動板の一端と他端が異なる方向に移動する位置に前記軸が設けられ、
音響波に応じた動作によって、前記浮動振動板の裏側の体積がほぼ一定であり、前記開口孔は、空気の流れるスリットを含み、
振幅P、振動数ωで前記空間の最大線寸法よりも長い波長を有する音響波による、前記浮動振動板の片側に対してはたらくモーメントＭ（モーメントＭは数式１で表される）であり、前記浮動振動板は前記軸にそってLｙの寸法と、前記軸に対して垂直に前記軸から測ってLｘの寸法をもち、前記音響波の前記浮動振動板を微小な角度に傾かせる、請求項１２に記載のマイクロホン。
【数１】
2009525635.tif 000049
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は差動マイクロホンに関し、特に、表面のミクロ機械加工技術を使用して製造可能な裏面に空気圧の逃げ孔がないミクロ機械加工された差動マイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
この製作物は、国立衛生研究所からの次のような許可によって一部をサポートされている。
Ｒ０１ＤＣ００５７６２−０３
米国政府はこの発明における何らかの権利を持ち得る。
【０００３】
本出願は、２００４年９月７日に発行された差動マイクロホンに関する米国特許番号６，７８８，７９６と、２００３年１０月２０に出願された「音響装置用強耐性振動板」に関する米国特許出願番号１０／６８９，１８９と、２００５年８月５日に出願された「くし型センシングマイク」に関する米国特許出願番号１１／１９８，３７０のすべてを本出願に引用して援用する。
【０００４】
従来技術の一般的なミクロ機械加工されたマイクロホンは、一般的にはバックボリュームの空気が振動板の動作を妨害しないようにするためにマイクロホン振動板の裏面に十分な空気量を保つ必要がある。振動板の裏面にある空気は、剛性が基準の空気量に反比例するような線形特性ばねとしての働きがある。この空気量をできるだけ大きくするために、そしてその後、有効剛性を減らすために通常はシリコンチップの裏面からスルーホールが空けられる。この裏面の孔の必要性によって重大な複雑性が増し、先行技術にあるようなミクロ機械加工されたマイクロホンに対して負担費用が増加する。本発明では裏面の孔を必要としないマイクロホンの作製が可能である。その結果として、表面のミクロ機械加工技術のみを使用して本発明のマイクロホンが製造可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術によるマイクロホンの裏面の孔は一般的には製造過程でシリコンチップに第二の機械加工作業を施す必要がある。この第二の作業がそのように製造されたマイクロホンに複雑性とコストを増加させ、生産性を低くしてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、マイクロホン振動板の周囲に形成されたペリメータースリットをもつ差動マイクロホンを提供する。
【０００７】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法は、シリコンウェーハの上部表面上に犠牲層を積層するステップと、前記犠牲層の上部表面上に振動板の材料を積層するステップと、前記振動板を分離するために、前記振動板材料の層をエッチングするステップと、少なくとも前記犠牲層の一部分を前記で定義された振動板の下方部分から取り除くステップと、を含む小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法である。
【０００８】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法は、前記エッチングするステップにおいて、さらに少なくとも前記振動板の周囲部分に、くし歯状センサーを形成するステップを含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法である。
【０００９】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法は、さらに、前記シリコンウェーハの上部表面と前記犠牲層の中間に導電層を形成するステップを含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法である。
【００１０】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法は、前記シリコンウェーハの上部表面上に犠牲層を積層するステップにおいて、二酸化ケイ素、低温酸化物（ＬＴＯ）、ホスホケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、アルミニウム、フォトレジスト材料、高分子材料からなる群から少なくとも１つの材料の層を積層することを含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法である。
【００１１】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法は、前記犠牲層の上部表面上に振動板材料を積層するステップにおいて、ポリシリコン、シリコン窒化物、金、アルミニウム、銅からなる群から少なくとも１つの材料層を積層することを含む、本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンの形成方法である。
【００１２】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンは、シリコン基板と、前記シリコンウェーハの上部表面上に積層された犠牲層と、前記犠牲層の上部表面上に積層された振動板材料層と、ヒンジによって支えられる前記振動板材料層において、スリットによって分離された振動板と、前記スリットを介してのみ外部に通じており前記犠牲層の厚みにより定義される深さをもつ前記振動板の下方で取り囲まれたバックボリュームと、を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンである。
【００１３】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンは、少なくとも前記振動板の周囲に沿って配置された複数のくし歯状センサーを含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンである。
【００１４】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンは、前記シリコン基板の前記上部表面と前記犠牲層の中間にある電導性を有する層を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンである。
【００１５】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンは、前記犠牲層に、二酸化ケイ素、低温酸化物（ＬＴＯ）、ホスホケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、アルミニウム、フォトレジスト材料、高分子材料からなる群から少なくとも１つの材料を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンである。
【００１６】
本発明の小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンは、前記振動板材料層に、ポリシリコン、シリコン窒化物、金、アルミニウム、銅からなる群から少なくとも１つの材料を含む、小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホンである。
【００１７】
本発明の差動マイクロホンは、振動板材料層内に形成され、ヒンジによって支えられ、前記振動板の下方部分をバックボリュームで取り囲まれ、横側の面と底面をもち、前記横側の面と底面のうちの１つにバックボリュームと外面部分との間をつなぐ孔をもつことを含んだ小型で表面をミクロ機械加工された差動マイクロホン内において、前記振動板と振動板材料層との間に設置されたスリットと、前記振動板の下方において側面と底面を有し、該側面と底面がスリットを介して外部に通じるバックボリュームと、を含む、差動マイクロホンである。
【００１８】
本発明のマイクロホンは、基板とトランスデューサーを備え、前記基板は、表面に犠牲層が積層され、該犠牲層の上に振動板層が配置され、該犠牲層に開口が形成され、少なくとも振動板層下の犠牲層の一部が除去されたことにより、振動板層と基板との間の空間を有する浮動振動板が形成され、該浮動振動板は、該浮動振動板の面とほぼ平行である音響波に反応したときの回転運動の軸を有しており、前記トランスデューサーは、基板に対する音響波によって、浮動振動板の変位に反応して電気信号を生成するマイクロホンである。
【００１９】
本発明のマイクロホンは、前記浮動振動板の別の部分が、音響波に反応して前記浮動振動板の平面が軸周りの方向に移動したとき、浮動振動板の一端と他端が異なる方向に移動する位置に前記軸が設けられたマイクロホンである。
【００２０】
本発明のマイクロホンは、音響波に応じた動作によって、前記浮動振動板の裏側の体積がほぼ一定であるマイクロホンである。
【００２１】
本発明のマイクロホンは、前記浮動振動板の裏にある空間部分が前記犠牲層の深さとほぼ同じ深さであるマイクロホンである。
【００２２】
本発明のマイクロホンは、前記振動板はそれぞれ差動的に反応する部分をもち、さらに入射する音響波の異なった部分から隔離するための音響障壁を少なくとも１つ含むマイクロホンである。
【００２３】
本発明のマイクロホンは、前記開口孔は、空気の流れるスリットを含むマイクロホンである。
【００２４】
本発明のマイクロホンは、振幅Ｐ、振動数ωで前記空間の最大線寸法よりも長い波長を有する音響波による、前記浮動振動板の片側に対してはたらくモーメントＭであり、前記浮動振動板は前記軸にそってＬｙの寸法と、前記軸に対して垂直に前記軸から測ってＬｘの寸法をもち、前記音響波の前記浮動振動板を微小な角度に傾かせるモーメントＭがほぼ数式１となるようなマイクロホンである。
【００２５】
【数１】
2009525635.tif 000003
【００２６】
本発明のマイクロホンは、前記トランスデューサーは、音響波に反応して最初に方向指示をおこなうマイクロホンである。
【００２７】
本発明のマイクロホンは、音響波によって前記浮動振動板の平面が軸周りの方向に移動したとき、浮動振動板の一端と他端が異なる方向に移動する位置に前記軸が設けられ、音響波に応じた動作によって、前記浮動振動板の裏側の体積がほぼ一定であり、前記開口孔は、空気の流れるスリットを含み、振幅P、振動数ωで前記空間の最大線寸法よりも長い波長を有する音響波による前記浮動振動板の片側に対してはたらくモーメントＭ（モーメントＭは数式１で表される）であり、前記浮動振動板は前記軸にそってLｙの寸法と、前記軸に対して垂直に前記軸から測ってLｘの寸法をもち、前記音響波の前記浮動振動板を微小な角度に傾かせるマイクロホンである。
【００２８】
【数１】
2009525635.tif 000004
【発明の効果】
【００２９】
音による振動板の動作は、振動板の裏面空間にある空気の純圧縮に帰さないので、微小な裏面の空洞の使用が可能になり、その結果、裏面の孔を作る必要がなくなる。本発明のマイクロホンはシリコンチップの片側のみからの表面機械加工を必要とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、シリコンチップの片面に表面のミクロ機械加工を施すことにより形成されたミクロ機械加工差動マイクロホンに関する。
【００３１】
一般的なマイクロホン振動板の動作は振動板の裏面部分にある空気の純体積の変動による（例えばバックボリューム）。本発明は音響圧によって振動するように設計されたマイクロホン振動板を提供する。従って、本発明はバックボリュームの空気を大幅には圧縮しない。
【００３２】
周囲部分にあるスリットの効果と振動板の裏面のバックボリューム内にある空気の効果を含むマイクロホン振動板の音響反応に関する分析モデルについて詳説する。仮に、振動板が中心軸回りに振動するように設計されているとすれば、その結果、バックボリュームとスリットは音によって引き起こされた反応にごく僅かな効果をもつ。
【００３３】
最初に図１と図２について説明する。ここにはそれぞれ振動板の周囲部分にあるスリットを含むミクロ機械加工されたマイクロホン振動板の上面図と、本発明による差動マイクロホンの横から見た断面構成図が符号１００で示されている。
【００３４】
剛性振動板１０２は、振動板１０２が振動する（例えば、相互に回転する）ための中心軸１０６を形成するヒンジ１０４によって支えられている。空気１０８のバックボリュームはチップ基板１１２に形成される空洞１１０内に形成される。スリット１１４は振動板１０２の周囲部分１０３とチップ基板１１２との間に形成される。
【００３５】
中心軸１０６によって分けられた上面部１１６、１１８へ入射する音圧の違いから生じるネットモーメントによって、振動板１０２は中心軸１０６の回りに回転する。
【００３６】
バックボリューム１０８と、振動板１０２の周囲部分にあるスリット１１４の効果をより容易に調べるために、いくつかの仮定を立てる。中心軸１０６は中心に設置され、振動または位相はずれの動作は部分１１６、１１８の外面への異なった圧力の結果によって生じるように振動板が設計されていると仮定する。振動板１０２は通常は２つの構成部分１１６、１１８への圧力の違いに反応するように設計されているので、マイクロホン１００は差動マイクロホンと呼ばれる。しかしながら、圧力の違いによって生じる動作に加え、振動板１０２は、外面への均一な圧力によって傾かせることも可能である。そのような圧力は、中心軸１０６によって分けられた振動板１０２の両方の構成部分１１６、１１８が、同位相で反応することによる振動板１０２の動作の原因となる。
【００３７】
それぞれの構成部分１１６、１１８の振動板１０２の周りにあるスリット１１４内の空気１０８ａは質量ｍａを持つと仮定する。その結果、振動板１０２は発振器のように反応する。そして、空気１０８、１０８ａの２つの質量をもった差動マイクロホン１００の２つの構成部分１１６、１１８は、図３に示されるように振動板１２０、１２２、１２４、１２６の系として表すことができる。それぞれの振動板は空気１０８（符号１２０）、マイクロホンの構成部分１１６（符号１２２）、マイクロホンの構成部分１１８（符号１２４）、空気１０８ａ（符号１２６）と同一であるとみなされる。それぞれの振動板の反応は次の数式２によって定められている。
【００３８】
【数２】
2009525635.tif 000005
【００３９】
ここで、Ｆｉはそれぞれの振動板１２０、１２２、１２４、１２６に働く真の力であり、Ｘ４、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は振動板１２０、１２２、１２４、１２６それぞれの動作を表す。図４で示されるように、Ｘ１、Ｘ２は振動板の構成部分１１６、１１８それぞれの平均の動作を表し、Ｘ３、Ｘ４はスリット１１４内の空気１０８ａの移動を表す。
【００４０】
スリット１１４をもたない差動マイクロホン（例えば、従来技術の差動マイクロホン）は自由系の２つの角度である回転反応θと並進反応ｘによって数式３、数式４で表すことができる。
【００４１】
【数３】
2009525635.tif 000006
【数４】
2009525635.tif 000007
【００４２】
ここで、Ｆは真の加えられる力であり、Ｍは中心軸回りに生じるモーメントである。ｋ、ｋｉはそれぞれ、振動板１０２の中心と中心軸１０６の交軸に効果を及ぼす機械的剛性と捩り剛性を表す。
【００４３】
ｄを振動板１０２のそれぞれの構成部分１１６、１１８の中心間の距離とすると、Ｘ１、Ｘ２はｘとθを互いに座標軸として一般化されることによって、次の数式５ように表せる。
【００４４】
【数５】
2009525635.tif 000008
【００４５】
このような関係式は行列式で次の数式６ように書いてもよい。
【００４６】
【数６】
2009525635.tif 000009
【００４７】
振動板１０２の裏面にある空気の空洞１１０（図２）の寸法が音の波長よりも十分に短ければ、バックボリューム１０８内の空気圧は、空気の空洞内で空間的に均一となる。このバックボリューム内（例えば、空洞１１０）にある空気１０８は、その後、線形特性ばねとしての働きをする。このばねの剛性を判断するためには、バックボリューム内にある空気１０８の圧力と振動板１０２の変位とが関係をもつ必要がある。バックボリューム１０８内にある空気の質量が一定であると仮定すると、振動板１０２の動作は空洞１１０内にある空気１０８の密度を変化させる。音の密度、すなわち変化密度ρａと音圧ｐとの間にある関係は次の状態方程式である数式７で表される。
【００４８】
【数７】
2009525635.tif 000010
【００４９】
ここで、ｃは音の速度である。
【００５０】
空気の総密度は質量を体積で割ったもの、ρ＝Ｍ/Ｖである。体積が振動板１０２の動作によってΔＶの量だけ変化すると、密度はρ＝Ｍ/(Ｖ+ΔＶ)＝Ｍ/Ｖ(１+ΔＶ/Ｖ)となる。体積の変化は小さいので、テーラー級数で、ρ≒Ｍ/Ｖ(１-ΔＶ/Ｖ)と展開することができる。よって、音の変化密度はρａ＝-ρ0ΔＶ/Ｖとなる。ここで、ρ0＝Ｍ/Ｖである。振動板１０２の外側への動作によって生じるΔＶの変化による体積Ｖでの変化圧力は次の数式８によって示される。
【００５１】
【数８】
2009525635.tif 000011
【００５２】
ここで、Ａは振動板の面積の半分である。
【００５３】
バックボリューム１０８内のこの圧力が振動板１０２に加える力は次の数式９によって示される。
【００５４】
【数９】
2009525635.tif 000012
【００５５】
ここで、Ｋｄ＝ρ0ｃ２Ａ２/Ｖは、単位がＮ/ｍである空気１０８のばね定数と等しい。
【００５６】
空気１０８のバックボリュームによる力は振動板１０２の機械的剛性からの復元力を増加させる。バックボリューム１０８内にある空気を含めると、数式３は次の数式１０となる。
【００５７】
【数１０】
2009525635.tif 000013
【００５８】
数式１０の右辺にある負の記号は、振動板の外面への正方向への圧力が負の方向に力を生じさせるという前提によるものである。数式１０から、共振周波数よりもかなり低い単位時間あたりの振動数での機械感度は、Ｓｍ＝Ａ/(ｋ+Ｋｄ)  ｍ/Ｐａで示される。
【００５９】
スリットである、通気孔１１４内にある空気１０８ａは、振動板１０２の裏面の空間１１０と外面の音場内での圧力変化によって移動させられる。（外面の音場は図には示されていない）。さらに、スリット１１４内を移動する空気の体積の寸法が音の波長よりも十分に小さいと仮定すると、ひとかたまりの質量ｍａとして近似してもよい。スリット１１４内にある空気１０８ａの外側への変位ｘａはバックボリューム１０８内にある空気の体積の変化を生じさせる。数式８に類似する前記に相応する圧力は次の数式１１によって示される。
【００６０】
【数１１】
2009525635.tif 000014
【００６１】
ここで、Ａａは圧力が加えられるスリット１１４の面積である。
【００６２】
さらに、スリット１１４内にある空気１０８ａの移動による圧力は質量に対して復元力を加える。それは次の数式１２によって示される。
【００６３】
【数１２】
2009525635.tif 000015
【００６４】
バックボリューム１０８内の圧力はバックボリューム内の位置とはほとんど無関係なので、スリット１１４内にある空気１０８ａの移動による圧力の変化は振動板１０２に対して力を及ぼす。それは次の数式１３によって示される。
【００６５】
【数１３】
2009525635.tif 000016
【００６６】
同様に振動板の動作は空気１０８の質量に対して力を及ぼす。それは次の数式１４によって示される。
【００６７】
【数１４】
2009525635.tif 000017
【００６８】
数式８、数式１２、数式１３、数式１４から、これらの力は数式２の系における機械的剛性による複元力を増加させるということが確認できる。そして、それぞれの調整のための動作による体積変化は、ΔＶｉ＝ＡｉＸｉとＦｉ＝ＰＡｉによって与えられる。さて、全ての座標での動作による総圧力は次の数式１５によって示される。
【００６９】
【数１５】
2009525635.tif 000018
【００７０】
そして、このモデルにおけるj番目の座標でのこの圧力による力（図３における動作１２０、１２２、１２４、１２６を示す）は次の数式１６によって示される。
【００７１】
【数１６】
2009525635.tif 000019
【００７２】
ここで、Ｋijは数式１７で表される。
【００７３】
【数１７】
2009525635.tif 000020
【００７４】
数式１６は次の数式１８のように書いてもよい。
【００７５】
【数１８】
2009525635.tif 000021
【００７６】
差動マイクロホンの座標θとｘに関して、数式６と数式１８を組合せると、力は次の数式１９のように表される。
【００７７】
【数１９】
2009525635.tif 000022
【００７８】
数式１９は差動マイクロホン１００に及ぼす平均の力と、中心軸１０６に及ぼすネットモーメントに関して書きなおしてもよい。平均の力とモーメントは数式２０によって与えられる。これより、次の数式２１のように表すことができる。
【００７９】
【数２０】
2009525635.tif 000023
【数２１】
2009525635.tif 000024
【００８０】
よって、方程式の系は、数式２２となる。
【００８１】
【数２２】
2009525635.tif 000025
【００８２】
数式２２における座標間で行列［Ｋ´］によって結合することに注目することが重要である。数式６と数式２１から行列［Ｋ´］を構成する値を求めると、振動板の回転θについて決まる方程式は次の数式２３となる。
【００８３】
【数２３】
2009525635.tif 000026
【００８４】
ここで、Ｋijは数式１７で表される。
【００８５】
【数１７】
2009525635.tif 000027
【００８６】
Ａ１＝Ａ２、Ａ３＝Ａ４のように、振動板が対称である場合を示す。結果として、数式２３のｘ、Ｘ３、Ｘ４の係数は０になる。これは、体積Ｖが無関係であること（例えば数式４）と同様に、回転よって決まる方程式が他の座標とは無関係であることの根拠となる。回転もまたスリット１１４の面積とは無関係である。バックボリューム１０８内で作り出された圧力は、空間的に均一なので、振動板１０２に対して、いかなるネットモーメントも生成しないことがその理由である。
【００８７】
【数４】
2009525635.tif 000028
【００８８】
前記解析では、マイクロホン振動板１０２は中心となる中心軸１０６に対して対称であると仮定してきた。前述したように、この場合では、振動板１０２は差動マイクロホン振動板のように動き、そして、１次方向応答性をもつ。しかし、仮に振動板１０２が中心軸１０６について非対称に設計されているとすると、差動マイクロホンから方向性がなくなり、無指向性マイクロホンになる傾向がある。振動板１０２の回転におけるバックボリューム１０８の効果は、前記解析をこの非対称の場合に拡張することによって定められる。
【００８９】
次における式は、音響平面波によってマイクロホン振動板１０２に加えられる力とモーメントによって得られる。平面波によって、振動板１０２に及ぶ圧力は次の数式２４で表すと仮定する。
【００９０】
【数２４】
2009525635.tif 000029

【００９１】
ここで、ｋｘ、ｋｙ、ｋｚは数式２５で表され、角度は図５（図５では、前記数式２５におけるφは、φ＝ｆ、θはθ＝ｑで表される。）で決められている。
【００９２】
【数２５】
2009525635.tif 000030
【００９３】
音の入射によるネットモーメントは次の数式２６で示される。
【００９４】
【数２６】
2009525635.tif 000031
【００９５】
ここで、Ｌx、Ｌｙはそれぞれｘ、ｙ方向の長さである。
【００９６】
モーメントに関する式は、次の数式２７を与えるために、ｘ、ｙ方向について、分けて積分することができる。
【００９７】
【数２７】
2009525635.tif 000032
【００９８】
ｙ座標について積分すると、次の数式２８となり、これより数式２９を得る。
【００９９】
【数２８】
2009525635.tif 000033
【数２９】
2009525635.tif 000034
【０１００】
ｘ成分の部分で積分すると、次の数式３０を示す。
【０１０１】
【数３０】
2009525635.tif 000035
【０１０２】
上記を整理すると、次の数式３１を示す。
【０１０３】
【数３１】
2009525635.tif 000036
【０１０４】
振動板の寸法は、音の波長に関してとても小さいので、サイン関数やコサイン関数の独立変数はとても小さい。これによって、数式３２と近似できる。数式３１の大括弧第２項は、テーラー級数を使用して２次展開される。数式３１で、数式３３を使用すると、数式３４となる。整理すると、次の数式３５が示される。
【０１０５】
【数３２】
2009525635.tif 000037
【数３３】
2009525635.tif 000038
【数３４】
2009525635.tif 000039
【数３５】
2009525635.tif 000040
【０１０６】
真の力は、音の圧力の面積分である数式３６によって与えられる。積分すると、数式３７となる。さらに、微小角度においては、この式は、次の数式３８となる。
【０１０７】
【数３６】
2009525635.tif 000041

【数３７】
2009525635.tif 000042

【数３８】
2009525635.tif 000043
【０１０８】
数式１８、数式２２、数式２３を使用すると数式３９となり
そして、数式４０と表し、数式４１であると仮定すると、次の数式４２となる。
【０１０９】
【数３９】
2009525635.tif 000044
【数４０】
2009525635.tif 000045
【数４１】
2009525635.tif 000046
【数４２】
2009525635.tif 000047
【０１１０】
数式４２を使用すると、圧力の大きさＸ/Ｐとθ/Ｐに関する置換と回転を励起振動数ωの関数として計算できる。
【０１１１】
前記解析に基づいて、仮にバックボリューム１０８内にある空気が粘着性物質内にあると考えると、たとえ裏面の空洞１１０の深さがかなり減らされたとしても、差動マイクロホン振動板１０２の性能は落ちないであろう。したがって、マイクロホン１００は振動板１０２の裏面に裏面通気孔を必要としないで製造される。表面をミクロ機械加工されたマイクロホン振動板の製造工程が図６ａ〜図６ｄで示される。
【０１１２】
図６ａについて説明すると、製造が始まる前のただのシリコンウェーハが示されている。このようなシリコンウェーハは当業者に知られているので、ここではさらに説明はしない。
【０１１３】
図６ｂに示されるように、犠牲層（例えば、二酸化ケイ素）２０２がウェーハ２００の上面に積層される。二酸化ケイ素が犠牲層を形成するのに適しているということが認められているが、他にも多くの適した材料が、当業者に知られている。例えば、低温酸化物（ＬＴＯ）、ホスホケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、アルミニウムが適していることが知られている。同様に、フォトレジスト材料が使用される。他の態様としてポリマー材料が犠牲層２０２の形成に使用される。今後も他の適した材料が存在することが認められるだろう。そのような材料の選択と使用は当業者に知られていると思われるので、ここではさらに説明はしない。したがって、本発明は、特定の犠牲層材料に限られない。それどころか、本発明は、犠牲層を形成するために使用するどのような適する材料をも本発明の方法によりカバーする。また、犠牲層２０２上に、構成材料層（例えば、ポリシリコン）が積層される。ポリシリコンが層２０４の形成に適していると認められてきたが、層２０４は他の材料からも形成できることが今後も認められるであろう。例えば、シリコン窒化物、金、アルミニウム、銅、その他同様の性質をもつ材料が使用されてもよい。したがって、本発明は明細書に記載する目的で選択された特定の材料に限られない。いかなる、そしてすべての同様の適した材料をカバーする。層２０４は最終的に振動板１０２（図２）を形成する。
【０１１４】
図６ｃに示されるように、振動板の材料である層２０４は次に振動板１０２を形成するためにパターニングとエッチングされ、スリット１１４が残る。
【０１１５】
最終的に、図６ｄに示されるように、振動板１０２の下の犠牲層２０２が取り除かれることによって、空洞１１０が残る。犠牲層を取り除くと、マイクロホン振動板１０２は犠牲層２０２の厚みと同じ深さのバックボリューム１０８を有する。マイクロホンが図式的に図７で示される。
【０１１６】
振動板１０２の動作を電気信号に変換するために、２０８（図７）にくし歯状センサーが振動板と一体化されている。そのような、くし歯状に互いにかみ合ったセンサーは、同時係属の米国特許出願である、２００５年８月５日に出願された、くし型センシングマイクロホンに関する米国特許出願番号１１／１９８，３７０の出願において詳しく説明されている。
【０１１７】
他の検出の仕組みとして、図７の基本的なマイクロホンの構造は、コンデンサーの固定電極を形成するバックプレートを形成するために、シリコンチップ２００と追加的な導電層２０４の間に２つの導電層２０６を積層するように僅かに変更されてもよい。これらのバックプレートは振動板の動作の差動容量を検出可能にするために電気的に互いに分離されている。
【０１１８】
上記の構造では、容量の検出を行うのにくし歯状センサー２０８とバックプレート２０６の両方を用いることができることに注目すべきである。この場合、容量の検出装置の電極として役立つことに加え、くし歯状センサーに加えられる電圧は振動板１０２を安定させるために用いられてもよい。くし歯状センサーと振動板の間に加えられる電圧は、電圧崩壊の効果を下げるのに用いられることも可能である。そして、これは、通常のバックプレートを基本とした容量の検出の仕組みにおける共通の設計問題である。
【０１１９】
他の多くの検出器が振動板１０２の動作を電気信号に変換するのに用いられてもよい。したがって、本発明はいかなる特定の振動板の動作検出器に限定されない。特定の動作に必要な条件や動作環境に適合するように修正されたその他の変形や変更は当業者にとっては明白であるので、本発明は、明細書のために選択された例に限定されるものではなく、本発明の真の趣旨と範囲から逸脱しない全ての変形や変更をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明によるミクロ機械加工されたマイクロホン振動板の上面図
【図２】本発明の差動マイクロホンを横から見た断面概略図
【図３】動作表示のない振動板を系として表示した図２の差動マイクロホンの略図
【図４】振動板の動作を表示した図２の差動マイクロホンの略図
【図５】図１の振動板上の入射音波の方向性を示す線図
【図６ａ】本発明の表面をミクロ機械加工されたマイクロホンの本発明による製造ステップでの略図
【図６ｂ】本発明の表面をミクロ機械加工されたマイクロホンの本発明による製造ステップでの略図
【図６ｃ】本発明の表面をミクロ機械加工されたマイクロホンの本発明による製造ステップでの略図
【図６ｄ】本発明の表面をミクロ機械加工されたマイクロホンの本発明による製造ステップでの略図
【図７】図６ｄの犠牲層の一部を取り除いて形成された差動マイクロホンの横からの断面概略図
【図８】図２のマイクロホンに代わる実施の形態の横からの断面概略図
【符号の説明】
【０１２１】
１００  ミクロ機械加工された差動マイクロホン
１０２  振動板
１０３  振動板１０２の周囲部分
１０４  ヒンジ
１０６  中心軸
１０８  バックボリューム
１０８ａ  スリット１１４内にある空気
１１０  空洞
１１２  チップ基板
１１４  スリット
１１６  中心軸１０６によって分けられた振動板の上面部
１１８  中心軸１０６によって分けられた振動板の上面部
１２０  振動板
１２２  振動板
１２４  振動板
１２６  振動板
Ｘ１  振動板１２０の動作
Ｘ２  振動板１２２の動作
Ｘ３  振動板１２４の動作
Ｘ４  振動板１２６の動作
２００  シリコンウェーハ
２０２  犠牲層
２０４  層
２０６  導電層
２０８  くし型フィンガー
【図１】
2009525635.tif 000050
【図２】
2009525635.tif 000051
【図３】
2009525635.tif 000052
【図４】
2009525635.tif 000053
【図５】
2009525635.tif 000054
【図６ａ】
2009525635.tif 000055
【図６ｂ】
2009525635.tif 000056
【図６ｃ】
2009525635.tif 000057
【図６ｄ】
2009525635.tif 000058
【図７】
2009525635.tif 000059
【図８】
2009525635.tif 000060
【国際調査報告】
2009525635.tif 000061
2009525635.tif 000062
2009525635.tif 000063
2009525635.tif 000064