(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレートと、該プレートの周辺に配された支持部と、前記プレートの２以上の辺において前記プレートおよび前記支持部を繋ぐ連結部と、下部電極、圧電膜、および上部電極がこの順に積層された検出部とを備え、
前記検出部は、前記連結部に積層され、
前記プレートおよび前記連結部が音圧により変形した際の断面変形曲線の変曲点は、前記検出部が積層されていない領域にある
ことを特徴とする圧電式マイクロフォン。
【請求項２】
前記連結部の幅は、前記プレートの幅より狭い
請求項１記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項３】
前記連結部と前記プレートの厚さは、同じである
請求項１または２記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項４】
前記連結部は、矩形である
請求項１から３のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項５】
１組の互いに対向する２辺の各々に前記連結部を有する両持ち梁型である
請求項１から４のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項６】
下記条件式（１）を満足する
請求項１から５のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
Ｌ１／Ｌｐ＜０．３７×（Ｗｔ／Ｗｐ）＋０．２３  …（１）
ただし、
Ｌ１：前記連結部の長さ
Ｌｐ：前記プレートの長さ
Ｗｔ：前記連結部の幅の和
Ｗｐ：前記プレートの幅
【請求項７】
前記プレートの１辺における前記連結部の幅の和は、前記プレートの幅の３０％以上、１００％未満である
請求項１から６のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項８】
前記プレートの１辺における前記連結部の幅の和は、前記プレートの幅の４０％以上、８０％未満である
請求項１から７のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項９】
前記圧電膜は、比誘電率が１０００以上である
請求項１から８のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【請求項１０】
前記圧電膜は、Ｎｂ−ＰＺＴである
請求項１から９のいずれか１項記載の圧電式マイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電式マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、またはノート型パソコンなどに使用される小型のマイクロフォンとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術で作製されたシリコンマイクが広く使われている。シリコンマイクは従来のコンデンサーマイクと比べ、非常に小型（パッケージサイズ約３ｍｍ角以下）である特徴を持つ。このシリコンマイクの検出原理は静電型であり、２層のダイアフラムを持つ構造であるが、ダイアフラム間の空気層によるダンピングが主なノイズ源となり、これ以上大きくＳＮ比を向上させることが難しいという問題がある。【０００３】
そのため、小型のマイクロフォンにおいてＳＮ比をさらに向上させるために、上記の２層ダイアフラム構造を避け、検出原理を圧電式にしたＭＥＭＳマイクが開発されている。（例えば、特許文献１、２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０８３５７２号パンフレット
【特許文献２】特許第４２４９７７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、方形の振動板が両持ち梁型に保持され、振動板上に圧電膜を備える検出部が積層されたマイクロフォンが記載されており、圧電膜の幅を振動板の幅より狭くすることにより高い感度を達成しているとの記載がある。この構成は、検出部の圧電膜並びに電極の応力や剛性が、両持ち梁全体のたわみに強く影響している系なので、圧電膜の幅を狭めて圧電膜における振動を大きくすることにより、感度を高めていると予想される。しかしながら、このような構造の場合、振動板が音圧により変形した際の断面変形曲線の変曲点が、検出部を積層した領域にあると、検出部において上反り部分と下反り部分の両方が含まれてしまい、圧電膜で検知する場合に、各々の領域において発生した検出信号が互いに相殺して感度が下がり、ＳＮ比が低下するという問題がある。【０００６】
特許文献２には、振動板と、その周囲に形成された柔軟なバネ構造部とから成るマイクロフォンが記載されている。この構成は、バネ構造部が充分柔らかいため、振動板の変形がなく、変形発生領域はバネ構造部に限定されている。しかしながら、このような構造の場合、バネ構造部内に上反り部分と下反り部分が含まれるため、圧電膜で検知する場合に、各々の領域において発生した検出信号が互いに相殺して感度が下がり、ＳＮ比が低下するという問題がある。【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高ＳＮ比を達成した圧電式マイクロフォン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】
【０００８】
本発明の圧電式マイクロフォンは、プレートと、プレートの周辺に配された支持部と、プレートの２以上の辺においてプレートおよび支持部を繋ぐ連結部と、下部電極、圧電膜、および上部電極がこの順に積層された検出部とを備え、検出部は、連結部に積層され、プレートおよび連結部が音圧により変形した際の断面変形曲線の変曲点は、検出部が積層されていない領域にあることを特徴とするものである。【０００９】
本発明の圧電式マイクロフォンにおいて、連結部の幅は、プレートの幅より狭いことが好ましい。【００１０】
また、連結部とプレートの厚さは、同じであることが好ましい。【００１１】
また、連結部は、矩形であることが好ましい。【００１２】
また、１組の互いに対向する２辺の各々に連結部を有する両持ち梁型であることが好ましい。【００１３】
また、下記条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｌ１／Ｌｐ＜０．３７×（Ｗｔ／Ｗｐ）＋０．２３  …（１）
ただし、
Ｌ１：連結部の長さ
Ｌｐ：プレートの長さ
Ｗｔ：連結部の幅の和
Ｗｐ：プレートの幅
とする。【００１４】
また、プレートの１辺における連結部の幅の和は、プレートの幅の３０％以上、１００％未満であることが好ましく、プレートの幅の４０％以上、８０％未満であることがより好ましい。【００１５】
また、圧電膜は、比誘電率が１０００以上であることが好ましい。【００１６】
また、圧電膜は、Ｎｂ−ＰＺＴであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧電式マイクロフォンによれば、プレートと、プレートの周辺に配された支持部と、プレートの２以上の辺においてプレートおよび支持部を繋ぐ連結部と、下部電極、圧電膜、および上部電極がこの順に積層された検出部とを備え、検出部は、連結部に積層され、プレートおよび連結部が音圧により変形した際の断面変形曲線の変曲点は、検出部が積層されていない領域にあるものとしたので、検出部において上反り部分と下反り部分の両方が含まれることがなくなり、その結果、各々の領域において発生した検出信号が互いに相殺して感度が下がることがなくなるため、感度が向上し、高ＳＮ比を達成した圧電式マイクロフォンとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図
【図２】図１中のＡ−Ａ´線断面図
【図３】プレートおよび連結部が音圧により変形した際の断面変形曲線を示すグラフ
【図４】第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンのプレート周辺の上面図
【図５】プレートおよび連結部の幅および長さと変曲点の位置との関係を示すグラフ
【図６】第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図
【図７】第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンのさらに他の構成を示す上面図
【図８】プレートの幅に対する連結部の幅の和の比と感度との関係を示すグラフ
【図９】本発明の第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図
【図１０】図９中のＡ−Ａ´線断面図
【図１１】第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図
【図１２】第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンのさらに他の構成を示す上面図
【図１３】本発明の第３の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図
【図１４】図１３中のＡ−Ａ´線断面図
【図１５】第３の実施の形態の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図
【図１６】本発明の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図
【図１７】本発明の圧電式マイクロフォンのさらに他の構成を示す上面図
【図１８】本発明の圧電式マイクロフォンのさらに他の構成を示す上面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図、図２は図１中のＡ−Ａ´線断面図である。
【００２０】
図１、２に示すように、本実施の形態の圧電式マイクロフォン１は、プレート１０ａと、プレート１０ａの周辺に配された支持部１０ｂと、プレート１０ａの２以上の辺においてプレート１０ａおよび支持部１０ｂを繋ぐ連結部１０ｃと、検出部２０とを備える。
【００２１】
図２に示すように、プレート１０ａ、支持部１０ｂ、および連結部１０ｃは、絶縁性のシリコン層１０において一体的に形成されたものである。シリコン層１０の連結部１０ｃの上面には、下部電極２１、圧電膜２２、および上部電極２３がこの順に積層された検出部２０が積層されている。この検出部２０は、連結部１０ｃにおいて発生した振動を、連結部１０ｃと一体的に積層されている圧電膜２２において電気信号に変換し、下部電極２１および上部電極２３から取り出すものである。圧電膜２２としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、Ｎｂ−ＰＺＴ（ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などを用いることが好ましい。
【００２２】
なお、下部電極２１、圧電膜２２、および上部電極２３は、外部の電子基板等への接続を行うためのパッド（接続部）を形成するため、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面のみならず支持部１０ｂの上面にも形成されているが、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面以外の領域では、圧電膜２２と上部電極２３の間に絶縁層２４が積層されており、この絶縁層２４が積層されている領域は検出部２０として機能せず、寄生容量の発生を防いでいる。
【００２３】
また、シリコン層１０の連結部１０ｃの下面には、絶縁層１１を介してシリコン製の橋脚部１２が積層されている。上記のようにプレート１０ａ、支持部１０ｂ、および連結部１０ｃをシリコン層１０により一体的に形成し、連結部１０ｃとプレート１０ａの厚さを同じとした方が、設計・製造が容易となる。
【００２４】
上記のように構成された圧電式マイクロフォン１は、両持ち梁構造を有する。両持ち梁は、音圧を受ける目的の広い面積のプレート１０ａと、それを支持部１０ｂに接続するための、対向する一対２カ所の矩形の連結部１０ｃから成る。
【００２５】
音圧が原因で発生する歪みは、プレート１０ａと連結部１０ｃの両エリアで発生するが特に連結部１０ｃに集中するため、振動検出を行う検出部２０は、感度を最大化するために連結部１０ｃ上に成膜されている。本実施の形態においては、一対２カ所の連結部１０ｃのうち一方のみに検出部２０が積層されている。なお、感度を高めるためには、検出部２０は、連結部１０ｃ上に可能な限り大きく面積を取ることが好ましい。
【００２６】
上記の圧電式マイクロフォン１は、ＭＥＭＳ技術で作製することが可能であるが、１ウェハあたりのデバイス取得数を多くするため、デバイスサイズはできるだけ小さいことが好ましい。一方で、音圧に対して充分な感度を得るためには、音圧を受ける部分の面積が充分大きいことが要求される。これらの相反する要因によりデバイス構造体のサイズが決定し、センサー部（プレート１０ａおよび連結部１０ｃ）は１ｍｍ角以内で設計することが好ましい。
【００２７】
また、１：高い感度、２：広い周波数帯域、３：ウェハプロセス適合性の３点を満たすために、プレート１０ａおよび連結部１０ｃを形成するシリコン層１０の厚みは１〜２０μｍであることが望ましい。また、圧電膜２２の厚みについては、要求感度とプロセスコストの観点から、０．１〜４μｍが望ましい。
【００２８】
本実施の形態の圧電式マイクロフォン１は、さらにプレート１０ａおよび連結部１０ｃが音圧により変形した際の断面変形曲線の変曲点が、検出部２０が積層されていない領域となるように構成されている。
【００２９】
図３にプレートおよび連結部が音圧により変形した際の断面変形曲線を示すグラフを示す。一例として、本実施の形態の圧電式マイクロフォン１では、プレート１０ａの幅は約９４０μｍ、長さは約９４０μｍで、連結部１０ｃの幅は約４００μｍ、長さは約６０μｍとしている。本実施の形態の構成では、プレート１０ａ自身も音圧により変形するので、変曲点を検出部２０が積層されていない領域に発生させることが可能となる。
【００３０】
変曲点が、検出部２０を積層した領域にあると、検出部２０において上反り部分と下反り部分の両方が含まれてしまい、圧電膜２２で検知する場合に、各々の領域において発生した検出信号が互いに相殺して感度が下がり、ＳＮ比が低下するという問題を生じてしまうが、上記のように変曲点が検出部２０が積層されていない領域となるように構成することで、このような問題を無くし、高ＳＮ比を達成した圧電式マイクロフォン１とすることができる。
【００３１】
次に、変曲点がセンサー部において検出部２０が積層されていない領域となるようにするための条件について説明する。図４は第１の実施の形態の圧電式マイクロフォンのプレート周辺の上面図、図５はプレートおよび連結部の幅および長さと変曲点の位置との関係を示すグラフである。なお、このグラフは、有限要素法計算により得られたものである。
【００３２】
図４に示すように、連結部１０ｃの長さをＬ１、プレート１０ａの長さをＬｐ、連結部１０ｃの幅の和をＷｔ、プレート１０ａの幅をＷｐとすると、プレート１０ａおよび連結部１０ｃが同じ材料で、かつ同じ厚みの場合、プレート１０ａおよび連結部１０ｃの幅および長さと変曲点の位置との関係は図５のグラフに示す関係となる。
【００３３】
すなわち、下記条件式（１）を満足することで、変曲点が検出部２０が積層されていない領域となるようにすることができる。
Ｌ１／Ｌｐ＜０．３７×（Ｗｔ／Ｗｐ）＋０．２３  …（１）
【００３４】
なお、図６に示すように、対向する連結部１０ｃを２対以上とした場合でも、条件式（１）の関係は成立する。さらに、図７に示すように、プレート１０ａの形状を円形／楕円形とした場合や、プレート１０ａと連結部１０ｃの材料や厚みを異なるものとした場合においても、変曲点が検出部２０が積層されていない領域となるようにするための条件を適宜設定し対応することが可能である。
【００３５】
次に、プレート１０ａの幅に対する連結部１０ｃの幅の和の比と感度との関係について説明する。図８はプレートの幅に対する連結部の幅の和の比と感度との関係を示すグラフである。なお、以下の説明は、上記図４、６、７に示すいずれの態様でも適用される。
【００３６】
図８のグラフの横軸は、プレート１０ａの片側一辺における連結部１０ｃの幅の和とプレート１０ａの幅の比、縦軸はある音圧を受けたときの圧電膜２２に蓄積されるエネルギーであり、このエネルギーについては、連結部１０ｃの幅の和とプレート１０ａの幅が同じ場合で規格化している。
【００３７】
なお、この関係においては、周波数帯域を維持するために、連結部１０ｃの幅を変化させるのと同時に、プレート１０ａおよび連結部１０ｃの厚みを変化させ、共振周波数を一定にしている。
【００３８】
単純に１つの検出部２０の発生電圧を考えた場合、連結部１０ｃの幅が小さいほど音圧を受けた際の歪みが大きく、発生電圧も大きくなるが、電極面積も小さくなるため、発生電荷量は少なく、蓄積エネルギーも少なくなる。逆に、連結部１０ｃの幅を広げて行くと、１つの検出部２０当たりの発生電圧は下がっていくが、電極面積が広くなり発生電荷量は増加して行く。
【００３９】
図８に示すように、本実施の形態の圧電式マイクロフォン１においては、プレート１０ａの幅に対する連結部１０ｃの幅の和の比が約６０％のときに、蓄積エネルギー量が最大となる。
【００４０】
プレート１０ａの幅に対する連結部１０ｃの幅の和の比が１００％、すなわちプレート１０ａの幅と連結部１０ｃの幅の和が同じ場合の蓄積エネルギー量は最低限確保することが望ましいため、プレートの１辺における連結部１０ｃの幅の和は、プレート１０ａの幅の３０％以上、１００％未満とすることが好ましい。
【００４１】
さらに、プレート１０ａの幅と連結部１０ｃの幅の和が同じ場合の蓄積エネルギー量よりも＋２０％の蓄積エネルギー量があると設計的に余裕ができることから、プレートの１辺における連結部１０ｃの幅の和は、プレートの幅の４０％以上、８０％未満とすることがより好ましい。
【００４２】
次いで、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は本発明の第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図、図１０は図９中のＡ−Ａ´線断面図、図１１は第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図、図１２は第２の実施の形態の圧電式マイクロフォンのさらに他の構成を示す上面図である。
【００４３】
上記第１の実施の形態においては、一対２カ所の連結部１０ｃのうち一方のみに検出部２０が積層されていたが、本実施の形態においては、一対２カ所の連結部１０ｃの両方に検出部３０ａ、３０ｂを積層するとともに、それらを並列接続したものである。ここでは、第１の実施の形態の圧電式マイクロフォン１から変更がない部分についての説明は省略する。
【００４４】
図９、１０に示すように、本実施の形態の圧電式マイクロフォン２は、プレート１０ａと、プレート１０ａの周辺に配された支持部１０ｂと、プレート１０ａの２以上の辺においてプレート１０ａおよび支持部１０ｂを繋ぐ連結部１０ｃと、検出部３０ａ、３０ｂとを備える。図１０に示すように、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面には、下部電極３１、圧電膜３２、および上部電極３３がこの順に積層された検出部３０ａ、３０ｂが積層されている。
【００４５】
下部電極３１、圧電膜３２、および上部電極３３は、外部の電子基板等への接続を行うためのパッド（接続部）を形成するため、また、２つの検出部３０ａ、３０ｂを接続するため、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面のみならずプレート１０ａおよび支持部１０ｂの上面にも形成されているが、シリコン層１０の支持部１０ｂの上面の領域では、圧電膜３２と上部電極３３の間に絶縁層３４が積層されており、また、シリコン層１０のプレート１０ａの上面の領域では、圧電膜３２と上部電極３３の間に絶縁層３５が積層されており、これら絶縁層３４、３５が積層されている領域は検出部３０ａ、３０ｂとして機能せず、寄生容量の発生を防いでいる。
【００４６】
上記のように検出部３０ａ、３０ｂを並列に接続することにより、電気容量を増加させ、配線や後段の増幅回路の寄生容量から受ける影響を低下させることができる。
【００４７】
なお、図１１に示すように、一対２カ所の連結部１０ｃの組合せを複数本配置し、それらを並列接続することで、より高い電気容量を得ることができる。また、プレート１０ａの形状は矩形である必要はなく、図１２に示すように、円形／楕円形、または多角形など、他の形状とすることもできる。
【００４８】
次いで、本発明の第３の実施形態について説明する。図１３は本発明の第３の実施の形態の圧電式マイクロフォンの上面図、図１４は図１３中のＡ−Ａ´線断面図、図１５は第３の実施の形態の圧電式マイクロフォンの他の構成を示す上面図である。
【００４９】
上記第１の実施の形態においては、一対２カ所の連結部１０ｃのうち一方のみに検出部２０が積層されていたが、本実施の形態においては、一対２カ所の連結部１０ｃの両方に検出部４０ａ、４０ｂを積層するとともに、それらを直列接続したものである。ここでは、第１の実施の形態の圧電式マイクロフォン１から変更がない部分についての説明は省略する。
【００５０】
図１３、１４に示すように、本実施の形態の圧電式マイクロフォン３は、プレート１０ａと、プレート１０ａの周辺に配された支持部１０ｂと、プレート１０ａの２以上の辺においてプレート１０ａおよび支持部１０ｂを繋ぐ連結部１０ｃと、検出部４０ａ、４０ｂとを備える。図１４に示すように、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面には、下部電極４１ａ、４１ｂ、圧電膜４２ａ、４２ｂ、および上部電極４３ａ、４３ｂがこの順に積層された検出部４０ａ、４０ｂが積層されている。
【００５１】
下部電極４１ａ、４１ｂ、圧電膜４２ａ、４２ｂ、および上部電極４３ａ、４３ｂは、外部の電子基板等への接続を行うためのパッド（接続部）を形成するため、また、２つの検出部４０ａ、４０ｂを接続するため、シリコン層１０の連結部１０ｃの上面のみならずプレート１０ａおよび支持部１０ｂの上面にも形成されているが、シリコン層１０の支持部１０ｂの上面の領域では、圧電膜４２ａと上部電極４３ａの間に絶縁層４４が積層されており、また、シリコン層１０のプレート１０ａの上面の領域では、圧電膜４２ｂと上部電極４３ｂの間に絶縁層４５が積層されており、これら絶縁層４４、４５が積層されている領域は検出部４０ａ、４０ｂとして機能せず、寄生容量の発生を防いでいる。また、絶縁層４５により下部電極４１ａと４１ｂが絶縁され、さらに、検出部４０ａの下部電極４１ａと検出部４０ｂの上部電極４３ｂが接続されている。
【００５２】
上記のように検出部４０ａ、４０ｂを直列に接続することにより、実質電気容量は下がるが、発生電圧を足し合わせ、感度を上げることができる。直列接続において出力電圧を最大化するためには、検出部の数をできるだけ増やしたいが、そうすると実質電気容量が下がる。寄生容量の影響を抑えるために最低達成したい電気容量があり、その制約下で出力電圧を最大化するためには、音圧を受けた際に圧電膜に蓄積されるエネルギーを最大化することが求められる。
【００５３】
そのため、Ｎｂ−ＰＺＴ（“Preparation of Nb doped PZT film by RF sputtering”,Solid State Communications 149 (2009) 1799-1802）のように比誘電率が１０００以上の高誘電率圧電材料を使うことにより、電気容量的に余裕ができ、直列接続の設計を積極的に活用できるようになる。
【００５４】
また、直列接続により感度を向上させる場合、図１５に示すように、１つの連結部１０ｃにおいて複数の検出部５０を形成し、それらを直列に接続することによっても、感度を上げることができる。
【００５５】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上記態様に限定されるものではなく、例えば、図１６、１７、１８（各々図４、６、７と対応）に示すように、音圧を受けるプレート１０ａについては、より広い面積で音圧を受け感度を増加させるために、連結部１０ｃの形状に変更を加えることなく、プレート１０ａを支持部１０ｂ方向に延長しても良い。さらに、プレート１０ａと支持部１０ｂの隙間を狭くすることで、音圧のプレート１０ａ裏面への廻り込みを減少させ、感度の低下を抑制できる効果も奏する。
【００５６】
また、上記以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行なってもよいのは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１，２，３    圧電式マイクロフォン
１０    シリコン層
１０ａ    プレート
１０ｂ    支持部
１０ｃ    連結部
１１    絶縁層
１２    橋脚部
２０、３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ、５０    検出部
２１、３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ    下部電極
２２、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ    圧電膜
２３、３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ    上部電極
２４，３４、３５、４４、４５    絶縁層
【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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