(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳデバイスの高性能化及び高感度化を図る。【解決手段】ＭＥＭＳデバイスは、第１の固定電極となるＳＯＩ層２８を有するＳＯＩ基板と、ＳＯＩ基板の上に設けられた振動電極７を有する振動膜６と、振動膜６の上に設けられた第２の固定電極１４を有する固定膜１３と、ＳＯＩ基板と振動膜６との間に設けられた第１のエアギャップ１１と、振動膜６と固定膜１３との間に設けられた第２のエアギャップ１７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の固定電極となるＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板と、
前記ＳＯＩ基板の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、
前記振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する固定膜と、
前記ＳＯＩ基板と前記振動膜の間に設けられた第１のエアギャップと、
前記振動膜と前記固定膜の間に設けられた第２のエアギャップとを有することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記ＳＯＩ基板は、シリコン基板の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成された第１の固定電極となるＳＯＩ層とから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極との間には接続部が介在しており、  
前記接続部により、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とは接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とは、第１の増幅器に接続され、
前記振動電極は、第２の増幅器に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記第１の固定電極と前記振動電極とは、第１の増幅器に接続され、
前記第２の固定電極と前記振動電極とは、第２の増幅器に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記振動膜は、前記振動電極、引張応力を持つ第３の絶縁膜、圧縮応力を持つ第４の絶縁膜および引張応力を持つ第５の絶縁膜から構成される多層構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記第３の絶縁膜及び前記第５の絶縁膜はシリコン窒化膜であり、
前記第４の絶縁膜はシリコン酸化膜であり、
前記第４の絶縁膜は、エレクトレットを構成することを特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
前記振動膜は、前記振動電極、引張応力を持つ第３の絶縁膜、圧縮応力を持つ第４の絶縁膜、圧縮応力を持つ第５の絶縁膜および引張応力を持つ第６の絶縁膜から構成され、
前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜とは前記振動電極の下側に配置され、
前記第５の絶縁膜と前記第６の絶縁膜とは前記振動電極の上側に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
前記第３の絶縁膜及び前記第５の絶縁膜はシリコン窒化膜であり、
前記第４の絶縁膜及び前記第６の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、
前記第４の絶縁膜は第１のエレクトレットを構成し、前記第６の絶縁膜は第２のエレクトレットを構成することを特徴とする請求項９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
前記第１のエレクトレットと前記第２のエレクトレットとは互いに異なる極性であることを特徴とする請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
シリコン基板の上に設けられた第１の固定電極を有する第１の固定膜と、
前記第１の固定電極の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、
前記振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する第２の固定膜と、
前記第１の固定膜と前記振動膜との間に設けられた第１のエアギャップと、
前記第２の固定膜と前記振動膜との間に設けられた第２のエアギャップとを有しており、
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とは、第１の増幅器に接続され、
前記振動電極は、第２の増幅器に接続されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１３】
前記第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることを特徴とする請求項１２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
シリコン基板の上に設けられた第１の固定電極を有する第１の固定膜と、
前記第１の固定電極の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、
前記振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する第２の固定膜と、
前記第１の固定膜と前記振動膜との間に設けられた第１のエアギャップと、
前記第２の固定膜と前記振動膜との間に設けられた第２のエアギャップとを有しており、
前記第１の固定電極と前記振動電極とは、第１の増幅器に接続され、
前記第２の固定電極と前記振動電極とは、第２の増幅器に接続されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
前記第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１６】
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極の間には接続部が介在しており、  
前記接続部により、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とは互いに接続されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の固定電極と振動電極とを二対有するＭＥＭＳデバイス、例えば音響トランスデューサを構成するＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子部品を小型化、高性能化する手段として、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスが有望視されている。代表的なＭＥＭＳトランスデューサである音響トランスデューサにおいても、高性能化、小型化の要望が高く、非特許文献１に示されるような取り組みがなされている。
【０００３】
非特許文献１においては、２つの固定電極の間に振動電極が配置された構造が開示されている。ここで、下側の固定電極は、Ｐ型多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜の複合膜で構成されている。また、振動電極は、上下をシリコン窒化膜により挟まれたＰ型多結晶ポリシリコンで構成されている。また、上側の固定電極は、Ｐ型多結晶ポリシリコンから構成されている。そして、上側の固定電極と下側の固定電極との間に振動電極を配置することにより、チップ面積を増大することなくギャップ面積を拡大すると同時にギャップ間隔を縮小する技術を開示している。なお、他にも特許文献１のような技術が開示されている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２３７０８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】EUROSENSORS XIV  P. Rombach et al., The First Low Voltage, Low Noise Differential Condenser Silicon Microphone, pp. 213-216
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には、例えば以下のような課題が存在する。
【０００７】
非特許文献１における下側の固定電極は、Ｐ型多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜の複合膜で構成されている。このため、複合膜の内部に応力分布が生じ、固定電極の中央部に上向きの膜変形が生じる。その結果、固定電極全体の形状にばらつきが生じ、振動電極と固定電極との間の距離の制御が困難である。なお、複合膜の内部に応力分布が生じるのは、熱処理による熱履歴にばらつきが生じてしまうためである。ここで、電極間距離のばらつきは音響トランスデューサの感度のばらつき要因となる。従って、電極間距離を制御すること、又は、電極内応力を制御することが重要である。
【０００８】
また、非特許文献１では、上側の固定電極と下側の固定電極との間に振動電極を配置することにより、チップ面積を増大することなくギャップ面積を拡大すると同時にギャップ間隔を縮小する技術を開示している。一般に、ギャップ面積が大きく、ギャップ間隔が小さいほど感度は高くなり、高感度のデバイスを作ることが可能となるが、上側の固定電極と下側の固定電極との間に振動電極を配置するだけでは、高感度化は不十分である。
【０００９】
従って、本発明においては、上記課題を解決することを目的とする。ただし、上記課題のうち、少なくとも一つが解決されればよい。つまり、電極間距離を制御すること、電極内応力を制御すること、及び感度を向上させることの少なくとも一つが可能なＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る第１のＭＥＭＳデバイスは、第１の固定電極を有するＳＯＩ基板と、ＳＯＩ基板の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する固定膜と、ＳＯＩ基板と振動膜の間に設けられた第１のエアギャップと、振動膜と固定膜の間に設けられた第２のエアギャップとを有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成とすることで、第１の固定電極を単層構造とすることができ、低コストに電極内応力を制御することができ、第１の固定電極と振動電極との電極間距離を制御することが可能であるという効果がある。
【００１２】
ここで、第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることが好ましい。
【００１３】
また、ＳＯＩ基板は、シリコン基板の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された第１の固定電極となるシリコン層（以下、ＳＯＩ層と記す）とから構成されることが好ましい。なお、シリコン層には、シリコン原子が大部分含まれており、他の不純物が含まれていても構わない。
【００１４】
また、第１の固定電極と第２の固定電極との間には接続部が介在しており、接続部により、第１の固定電極と第２の固定電極とは接続されていることが好ましい。
【００１５】
また、第１の固定電極と第２の固定電極とは、第１の増幅器に接続され、振動電極は、第２の増幅器に接続されていてもよい。
【００１６】
また、第１の固定電極と振動電極とは、第１の増幅器に接続され、第２の固定電極と振動電極とは、第２の増幅器に接続されていてもよい。
【００１７】
また、振動膜は、振動電極、引張応力を持つ第３の絶縁膜、圧縮応力を持つ第４の絶縁膜および引張応力を持つ第５の絶縁膜から構成される多層構造であってもよい。
【００１８】
また、第３の絶縁膜及び第５の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、第４の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、第４の絶縁膜エレクトレットを構成することが好ましい。
【００１９】
また、振動膜は、振動電極、引張応力を持つ第３の絶縁膜、圧縮応力を持つ第４の絶縁膜、圧縮応力を持つ第５の絶縁膜および引張応力を持つ第６の絶縁膜から構成され、第３の絶縁膜と第４の絶縁膜とは振動電極の下側に配置され、第５の絶縁膜と第６の絶縁膜とは振動電極の上側に配置されていることが好ましい。
【００２０】
また、第３の絶縁膜及び第５の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、第４の絶縁膜及び第６の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、第４の絶縁膜は第１のエレクトレットを構成し、第６の絶縁膜は第２のエレクトレットを構成することが好ましい。
【００２１】
また、第１のエレクトレットと第２のエレクトレットとは互いに異なる極性であることが好ましい。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る第２のＭＥＭＳデバイスは、シリコン基板の上に設けられた第１の固定電極を有する第１の固定膜と、第１の固定電極の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する第２の固定膜と、第１の固定膜と振動膜との間に設けられた第１のエアギャップと、第２の固定膜と振動膜との間に設けられた第２のエアギャップとを有しており、第１の固定電極と第２の固定電極とは、第１の増幅器に接続され、振動電極は、第２の増幅器に接続されていることを特徴とする。
【００２３】
また、第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることが好ましい。
【００２４】
また、シリコン基板の上に設けられた第１の固定電極を有する第１の固定膜と、第１の固定電極の上に設けられた振動電極を有する振動膜と、振動膜の上に設けられた第２の固定電極を有する第２の固定膜と、第１の固定膜と振動膜の間に設けられた第１のエアギャップと、第２の固定膜と振動膜の間に設けられた第２のエアギャップとを有しており、第１の固定電極と振動電極は、第１の増幅器に接続され、第２の固定電極と振動電極は、第２の増幅器に接続されていることを特徴とすることが好ましい。
【００２５】
また、第１の固定電極は、Ｎ型又はＰ型の不純物がドープされたシリコンから構成されることが好ましい。
【００２６】
また、第１の固定電極と第２の固定電極の間には絶縁膜が介在しており、絶縁膜中に形成された接続部により、第１の固定電極と第２の固定電極とは互いに接続されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係るＭＥＭＳデバイスによると、高感度なＭＥＭＳデバイスを提供することができ、ＭＥＭＳデバイスの高性能化と小型化の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの回路構成の説明図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る回路模式図
【図４】本発明の第２の実施形態の一変形例に係るＭＥＭＳデバイスの回路構成の説明図
【図５】本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの回路構成の説明図
【図６】本発明の第３の実施形態に係る回路模式図
【図７】本発明に係るＭＥＭＳデバイスのパッケージ構造を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係るＭＥＭＳデバイスについて説明する。
【００３０】
なお、以下の各実施形態で示す図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾の無い範囲で可能である。また、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、本発明は、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる技術である。ＭＥＭＳデバイスとは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成され、機械信号等を電気信号等に変換する変換素子をさしている。ＭＥＭＳデバイスの例としては、音響トランスデューサ（ＭＥＭＳマイク）、圧力センサ、加速度センサ又は角速度センサなどが挙げられる。以上のことは、本発明に共通していえることである。
【００３１】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの構成について説明する。第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)基板のＳＯＩ層が第１の固定電極として機能している。また、ＳＯＩ基板の上に第１のエアギャップを介して、振動電極が配置されている。また、振動電極の上に第２のエアギャップを介して、第２の固定電極が配置されている。ここで、ＳＯＩ基板は、シリコン基板の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成されたＳＯＩ層から構成されていることが好ましい。また、ＳＯＩ層が第１の固定電極として機能することが好ましい。ここで、ＳＯＩ層は、シリコン原子を主成分とし、他の不純物が含まれていても構わない。なお、シリコン層はＳＯＩ基板の絶縁層下部のシリコン基板部とは異なり、膜厚及び不純物濃度を独立に制御することができる。
【００３２】
本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、ＳＯＩ層を第１の固定電極としているため、第１の固定電極は単層構造となる。そのため、積層構造において、複数の膜の応力バランスを取ることによる膜変形抑制と比較して、容易に且つ低コストに固定電極の膜変形を抑制することができるという効果がある。
【００３３】
ここで、振動電極においても単層構造であることが好ましい。なお、振動電極の上下に絶縁膜を配置することでバランスをとり、振動電極の膜変形を抑制しても構わない。このように、単層構造又は積層構造からなる振動膜の一部を振動電極が構成している。
【００３４】
ここで、第２の固定電極においても単層構造であることが好ましい。なお、第２の固定電極の上下に絶縁膜を配置することでバランスをとり、第２の固定電極の膜変形を抑制しても構わない。このように、単層構造又は積層構造からなる固定膜の一部を第２の固定電極が構成している。
【００３５】
次に、図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの詳細について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの断面図を示している。
【００３６】
図１に示すように、シリコン基板１の上にシリコン酸化膜２が設けられ、該シリコン酸化膜２の上にＳＯＩ層２８が設けられてＳＯＩ基板が構成されている。ＳＯＩ層２８にはＮ型またはＰ型の不純物が高濃度にドープされており、固定電極２４を構成する。ここで、ＳＯＩ基板は、固定電極２４とＳＯＩ基板の周辺部４を残すように除去されており、開口部５が形成されている。
【００３７】
また、ＳＯＩ層２８の上にはエアギャップ１１を介して振動膜６が形成されている。振動膜６は、振動電極を構成する導電膜のみから構成される場合、又は絶縁膜を含む多層膜から構成される場合がある。振動膜６が、特に永久電荷を保持するエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサを構成でき、外部からの電圧供給を不要とすることができる。図１においては、振動膜６は、ほぼ無応力であるポリシリコン膜などの導電膜からなる振動電極７と、その下に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜などからなる絶縁膜８ａと、絶縁膜８ａの下面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つシリコン窒化膜などからなる絶縁膜９と、振動電極７の上に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜などからなる絶縁膜８ｂと、絶縁膜８ｂの上面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つシリコン窒化膜などからなる絶縁膜１０とから構成されている。
【００３８】
なお、振動膜６は、拘束部１２において部分的に支持されており、拘束部１２により、ＳＯＩ基板と機構的に連結されている。拘束部１２は、例えば、シリコン酸化膜３の一部が除去された残存部分に相当する。また、第１のエアギャップ１１は、シリコン酸化膜３の一部が除去された領域に相当し、少なくとも開口部５の上側全体に亘って形成されている。
【００３９】
また、第１の固定電極２４には、第１のエアギャップ１１に通じる複数の孔２５が形成されている。ここで、孔２５は、振動膜６を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
【００４０】
振動膜６の上方には固定膜１３が配置されている。固定膜１３は、固定電極を構成する１つの導電膜のみから構成される場合、又は絶縁膜を含む多層膜から構成される場合がある。固定膜１３が、特に、永久電荷を保持するシリコン酸化膜等からなるエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサを構成でき、外部からの電圧供給を不要にすることができる。図１では、固定膜１３は、ポリシリコン膜などの導電膜からなる固定電極１４と、固定電極１４の下面及び上面（側面を含む）をそれぞれ覆うシリコン窒化膜などからなる絶縁膜１５及び１６とから構成されている。
【００４１】
振動膜６と固定膜１３との間にはエアギャップ１７が形成されており、エアギャップ１７が設けられていない領域のＳＯＩ基板と固定膜１３との間には固定膜１３を支持するための支持部が形成されている。ここで、支持部は、図示するように、もともと振動膜と固定膜の間に形成されていた犠牲層を除去することにより残存した領域２９であっても構わない。図１においては、シリコン酸化膜１８とシリコン酸化膜３が犠牲層としての役割を果たし、除去されて残存したシリコン酸化膜１８の一部とシリコン酸化膜３の一部とが支持部２９を構成している。
【００４２】
また、エアギャップ１７上の固定膜１３には、エアギャップ１７に通じる複数の孔１９が形成されている。ここで、孔１９は、振動膜６を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
【００４３】
また、固定電極２４のパッド部２６、振動電極７のパッド部２０と固定電極１４のパッド部２１が露出するように開口部２７、開口部２２と開口部２３がそれぞれ設けられており、図示は省略しているが、ボンディングワイヤなどを介して外部回路に接続される。
【００４４】
ここで、本実施形態におけるＭＥＭＳデバイスの動作について図１を参照しながら説明する。本実施形態におけるＭＥＭＳデバイスにおいて、振動電極７と固定電極１４とをそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサ構造が形成されている。また、振動電極７と固定電極２４とをそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサ構造が形成されている。
【００４５】
ここで、孔１９または孔２５を通して、振動膜６が圧力を受けると、その圧力に応じて振動膜６が機械的に上下に振動する。例えば、圧力として、音圧を想定することができる。そして、振動膜６が振動すると振動電極７と固定電極１４との電極間距離及び振動電極７と固定電極２４との電極間距離が変化して、コンデンサの容量が変化する。このように、振動膜が振動することによる機械的変化を容量変化として変換することによって、ＭＥＭＳデバイスは変換素子として機能している。
【００４６】
（第２の実施形態）
まず、本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの構成について説明する。第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、シリコン基板の上に第１の固定電極が形成されている。またｓ、第１の固定電極の上に第１のエアギャップを介して、振動電極が配置されている。また、振動電極の上に第２のエアギャップを介して、第２の固定電極が配置されている。ここで、第１の固定電極と第２の固定電極は第１の増幅器に接続し、振動電極は第２の増幅器に接続されている。なお、振動電極の下側には第１のエレクトレットが形成され、振動電極の上側には第２のエレクトレットが形成され、第１のエレクトレットと第２のエレクトレットに帯電している電荷の極性が異なることが好ましい。
【００４７】
ここで、図１において説明したＭＥＭＳデバイスに、第１の増幅器と第２の増幅器とを接続した状態を模式的に表すと図２のようになる。つまり、第１の固定電極のパッド部２６と第１の増幅器１０１とが接続される。また、第２の固定電極のパッド部２１と第１の増幅器１０１とが接続される。また、振動電極のパッド部２０と第２の増幅器１０２とが接続される。
【００４８】
なお、第１の増幅器、第２の増幅器以外の構成については、第１の実施形態と同様である。ただし、第１の実施形態においては、ＳＯＩ基板におけるＳＯＩ層の一部を固定電極として利用しているのに対して、第２の実施形態においては、固定電極の構造を限定する必要は無い。
【００４９】
ここで、第１の固定電極と振動電極との間の容量変化によって第１の固定電極に発生する出力信号を＋Ｓ１とすると、振動電極の出力信号は−Ｓ１と表される。また、第２の固定電極と振動電極との間の容量変化によって第２の固定電極に発生する出力信号を＋Ｓ２とすると、振動電極の出力信号は−Ｓ２と表される。これは、第１のエレクトレットと第２のエレクトレットとに帯電している電荷の極性が異なることを考えると、容易に理解することができる。
【００５０】
ここで、第１の増幅器と第２の増幅器の差を取って出力したＭＥＭＳデバイスの出力感度Ｓｍｉｃは、以下のように表すことができる。なお、第１の増幅器と第２の増幅器との差を取る場合には、それぞれの増幅器を第３の増幅器（差動アンプ）に接続するなどにより、可能である。
【００５１】
Ｓｍｉｃ＝（Ｓ１＋Ｓ２）−（−Ｓ１−Ｓ２）＝２Ｓ１＋２Ｓ２
従って、２つの出力信号Ｓ１とＳ２との和の倍の感度を得ることができる。なお、第１の固定電極と振動電極との間の容量（Ｃｍ１）と第２の固定電極と振動電極との間の容量（Ｃｍ２）とが等しいとすると、Ｓ１とＳ２とは等しくなるので、第１の固定電極と振動電極との間の容量変化、又は第１の固定電極と振動電極との間の容量変化の４倍の感度を得ることができる。なお、Ｃｍ１とＣｍ２とが等しいのは、第１の固定電極と振動電極との間の距離と、第２の固定電極と振動電極との間の距離とがほぼ等しい場合であり、このような距離関係にあることが好ましい。
【００５２】
また、図２の回路図を模式的に記載したものが、図３である。図３においては、上側の固定電極を第１の固定電極とし、下側の固定電極を第２の固定電極として記してある。
【００５３】
（第２の実施形態の一変形例）
第２の実施形態においては、第１の固定電極のパッド部２６と第１の増幅器１０１とが接続されている例を説明した。一方、本変形例のように、第１の固定電極と第２の固定電極とを接続部により接続し、第１の固定電極と第２の固定電極とに共通のパッドを用いても構わない。なお、第１の固定電極と第２の固定電極とは第１の増幅器に接続され、振動電極は第２の増幅器に接続されている。
【００５４】
具体的には、図４を用いて説明する。第１の固定電極２４と第２の固定電極１４とは、Ｃｕ，Ａｌ又は不純物をドープしたポリシリコンなどの導電性材料からなる接続部２００を介して電気的に接続されている。ここで、接続部２００は、第１の固定電極と第２の固定電極との間に形成された支持部を構成する絶縁膜中に形成されていても構わない。このようにすることで、第１の固定電極と第２の固定電極とは、共通のパッド２１を利用することができるので、パッド形成面積が削減されるという効果があり、ＭＥＭＳデバイスを小型化することができるという効果がある。なお、本変形例においては第２の実施形態と同様に、固定電極の構造を限定する必要は無い。
【００５５】
（第３の実施形態）
まず、本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの構成について説明する。第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、シリコン基板の上に第１の固定電極が形成されている。また、第１の固定電極の上に第１のエアギャップを介して、振動電極が配置されている。また、振動電極の上に第２のエアギャップを介して、第２の固定電極が配置されている。ここで、第１の固定電極と振動電極は第１の増幅器に接続し、第２の固定電極と振動電極とは第２の増幅器に接続されている。ここで、振動電極の下側には第１のエレクトレットが形成され、振動電極の上側には第２のエレクトレットが形成され、第１のエレクトレットと第２のエレクトレットとに帯電している電荷の極性が異なることが好ましい。
【００５６】
ここで、図１において説明したＭＥＭＳデバイスに、第１の増幅器１０１と第２の増幅器１０２とを接続した状態を模式的に表すと図５のようになる。つまり、第１の固定電極のパッド部２１と第１の増幅器１０１とが接続される。また、第２の固定電極のパッド部２６と第２の増幅器１０２とが接続される。また、振動電極のパッド部２０と第１の増幅器１０１及び第２の増幅器１０２とが接続される。
【００５７】
なお、第１の増幅器及び第２の増幅器以外の構成については、第２の実施形態と同様であり、説明を省略する。
【００５８】
ここで、第１の固定電極と振動電極との間の容量変化によって第１の固定電極に発生する出力信号を＋Ｓ１とすると、振動電極の出力信号は−Ｓ１と表される。また、第２の固定電極と振動電極との間の容量変化によって第２の固定電極に発生する出力信号を＋Ｓ２とすると、振動電極の出力信号は−Ｓ２と表される。これは、第１のエレクトレットと第２のエレクトレットとに帯電している電荷の極性が異なることを考えると、容易に理解することができる。
【００５９】
ここで、第１の増幅器により、第１の固定電極と振動電極との差分をとり、第２の増幅器により、第２の固定電極と振動電極との差分をとり、両者の和を取って出力したＭＥＭＳデバイスの出力感度Ｓｍｉｃは、以下のように表すことができる。なお、第１の増幅器と第２の増幅器との和を取るには、それぞれの増幅器を第３の増幅器に接続するなどによって可能である。
【００６０】
Ｓｍｉｃ＝｛Ｓ１−（−Ｓ１−Ｓ２）/２｝＋｛Ｓ２−（−Ｓ１−Ｓ２）/２｝
＝２Ｓ１＋２Ｓ２
従って、２つの出力信号Ｓ１とＳ２との和の倍の感度を得ることができる。なお、第１の固定電極と振動電極との間の容量（Ｃｍ１）と第２の固定電極と振動電極との間の容量（Ｃｍ２）とが等しいとすると、Ｓ１とＳ２とは等しくなるので、第１の固定電極と振動電極との間の容量変化、又は第１の固定電極と振動電極との間の容量変化の４倍の感度を得ることができる。なお、Ｃｍ１とＣｍ２とが等しいのは、第１の固定電極と振動電極との間の距離と、第２の固定電極と振動電極との間の距離とがほぼ等しい場合であり、このような距離関係にあることが好ましい。
【００６１】
なお、図５の回路図を模式的に記載したものが、図６である。図６においては、上側の固定電極を第１の固定電極とし、下側の固定電極を第２の固定電極として記してある。
【００６２】
また、本実施形態においても第２の実施形態と同様に、固定電極の構造を限定する必要は無い。
【００６３】
ここで、全ての実施形態に係るＭＥＭＳデバイスをパッケージングした構造について説明する。ＭＥＭＳデバイスを有するパッケージは、他の電子機器への搭載を容易にする。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスとして音響トランスデューサ（ＭＥＭＳマイク）を例として、パッケージ構造について説明する。
【００６４】
他の電子機器（携帯電話、デジタルカメラなど）基板へ搭載可能なパッケージは、ＭＥＭＳデバイス２０１がプリント基板などのような基材２０３に固着されて実装され、カバー２０２で覆われた形状である。なお、図示は省略しているが、ＭＥＭＳデバイスを構成する固定電極、振動電極から出力される出力信号を増幅する増幅器もカバーに覆われるように基材に実装されていることが好ましい。また、カバーにおける基材との接合部分はひさし部２０５となっており、はんだなどの導電性接着材により、カバーにおけるひさし部と基材とは接続していることが好ましい。また、カバーは、導電性の部材から構成されていることが好ましく、接地端子と電子的に接続されることにより、外部からのノイズを遮断する電磁シールドとして機能することが好ましい。ここで、カバーは、単層からなることが好ましいが、導電性部材と絶縁性部材とからなる積層構造を有していても構わない。また、本パッケージは、他の電子機器基板への表面実装が可能なように、基材におけるＭＥＭＳデバイス搭載面と反対側の面に導電性接合部材が形成され、この面において、他の電子機器基板とが接続できることが好ましい。
【００６５】
ここで、図７（ａ）に示すように、音孔２０４が基材２０３に形成され、かつ、ＭＥＭＳデバイスの直下に形成されていることが好ましい。このようにすると、背気室を大きくすることができるからである。音が入ってくる方向（音孔側）と逆側の閉じられた空間が背気室と呼ばれる空間である。背気室が大きいほど音響特性が向上するため、図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳデバイス直下に音孔を配置することが好ましい。
【００６６】
また、図７（ｂ）〜図７（ｄ）のように、音がＭＥＭＳデバイスの上側から入ってくるように、音孔を配置しても構わない。このような構成とすると、背気室は、ＭＥＭＳデバイス自身と基材とで閉じられる空間（ＭＥＭＳデバイスを構成する振動膜直下の空間）となる。そのため、背気室の体積は小さくなってしまい、図７（ａ）ほど音響特性は良くはないが、このような構成でも構わない。なお、図７（ｂ）においては、ＭＥＭＳデバイス直上のカバー中に音孔を形成している。また、図７（ｃ）においては、ＭＥＭＳデバイス直下ではない基材中に音孔を形成している。また、図７（ｄ）においては、ＭＥＭＳデバイス直上ではないカバー中に音孔を形成している。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、ＭＥＭＳデバイスの高性能化と小型化の両立を図ることができ、例えば音響トランスデューサ等に有用である。
【符号の説明】
【００６８】
１      シリコン基板
２      シリコン酸化膜
３      シリコン酸化膜
４      シリコン基板の周辺部
５      開口部（基板除去領域）
６      振動膜
７      振動電極
８ａ    圧縮応力を持つ絶縁膜
８ｂ    圧縮応力を持つ絶縁膜
９      引張応力を持つ絶縁膜
１０    引張応力を持つ絶縁膜
１１    エアギャップ層
１２    拘束部
１３    固定膜
１４    固定電極
１５    絶縁膜
１６    絶縁膜
１７    エアギャップ層
１８    シリコン酸化膜
１９    孔（アコースティックホール）
２０    振動電極のパッド部
２１    固定電極のパッド部
２２    開口部（振動電極パッド）
２３    開口部（固定電極パッド）
２４    固定電極
２５    孔（アコースティックホール）
２６    パッド部（固定電極開口部）
２７    開口部（固定電極パッド）
２８    ＳＯＩ層
２９    固定膜の支持部
１０１  第１の増幅器
１０２  第２の増幅器
２００  接続部
２０１  ＭＥＭＳデバイス
２０２  カバー
２０３  基材
２０４  音孔
２０５  ひさし部
【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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