(57)【要約】【課題】音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られ、これにより、音響信号を直接周波数分析することが可能な音響解析装置を提供する。【解決手段】凹部を備えた支持基板１１ａ、凹部を囲んで配置された固定枠１２、凹部と固定枠１２がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置された複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１、固定枠１２に最近接となる端部振動子と固定枠１２とを接続し、端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁１３を備える。複数の振動子のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、振動子アレイの共振周波数を変化させ、複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により振動子の変位を検知し、音響入力のスペクトル解析を行う。【選択図】      図１
2005043073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子からなる振動子アレイと、
前記複数の振動子のそれぞれに接続された弾性梁と、
前記振動子の変位を検知する変位検知手段と、
前記振動子アレイの共振周波数を変化させる共振周波数制御手段
とを備え、前記変位検知手段の出力により、前記音響入力のスペクトル解析を行うことを特徴とする音響解析装置。
【請求項２】
上面に凹部を備えた支持基板と、
該支持基板の周辺部において、前記凹部を囲んで配置された固定枠と、
前記凹部と前記固定枠がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置され、音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子と、
前記複数の振動子のうち前記固定枠に最近接となる端部振動子と前記固定枠とを接続し、且つ該端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁
とを備え、前記複数の振動子のそれぞれと前記凹部の表面との間に印加する電圧により、前記振動子アレイの共振周波数を変化させ、且つ前記複数の振動子のそれぞれが前記凹部の表面となす容量の変化により前記複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、該検知結果を用いて、前記音響入力のスペクトル解析を行うことを特徴とする音響解析装置。
【請求項３】
前記振動子アレイは、互いに異なる共振周波数の振動子チェーンを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の音響解析装置。
【請求項４】
上面に凹部を備えた支持基板と、
該支持基板の周辺部において、前記凹部を囲んで配置された固定枠と、
前記固定枠に両端部を固定され、行方向及び該行方向に直交する列方向にそれぞれ伸延し、前記凹部と前記固定枠がなす空間に格子を構成するように配置された複数の配線梁と、
前記格子の窓部にそれぞれ配置され、音響入力によりそれぞれ振動し、振動子アレイを構成する複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれと前記配線梁とを接続する弾性梁
とを備え、前記複数の振動子のそれぞれと前記凹部の表面との間に印加する電圧により、前記複数の振動子の共振周波数を変化させ、且つ前記複数の振動子のそれぞれが前記凹部の表面となす容量の変化により前記複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、該検知結果を用いて、前記音響入力のスペクトル解析を行うことを特徴とする音響解析装置。
【請求項５】
前記配線梁と前記弾性梁を介して前記振動子と前記固定枠とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の音響解析装置。
【請求項６】
前記振動子アレイは、互いに異なる共振周波数の振動子を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音響解析装置。
【請求項７】
前記弾性梁は、
前記振動子アレイの一部に用いられる第１弾性梁と、
前記振動子アレイの他の一部に用いられ、且つ前記第１弾性梁とはバネ定数が異なる第２弾性梁
とを含むをことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の音響解析装置。
【請求項８】
前記支持基板には、前記振動子の下方から前記音声入力を印加するように前記支持基板を貫通する裏面溝を備えることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の音響解析装置。
【請求項９】
前記容量の変化に伴う電圧の変化を入力するオペアンプと
該オペアンプの出力と基準電圧とを比較するコンパレータ
とを更に備えることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の音響解析装置。
【請求項１０】
前記オペアンプ及び前記コンパレータが前記固定枠に集積化されていることを特徴とする請求項９に記載の音響解析装置。
【請求項１１】
前記振動子は半導体層を少なくとも一部に有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の音響解析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響電気変換素子に係り、特にこの音響電気変換素子を用いて音響スペクトルを解析する音響解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声認識技術はコンピュータをはじめ、機械と人間のインターフェースとして非常に優れているが、話者或いは語彙、発声の要素よって認識の容易性が異なり、又、周囲のノイズに影響される。このため、認識率を向上させるためには、認識させる話者が、事前にコンピュータに対して学習させる必要があり、不特定多数の会話を認識することは難しい。このため、できるだけ精度の良い音声分析技術が求められている。
【０００３】
標準的な音声認識方法は、図１３に示すように、まず、入力された音声信号はステップＳ１０１の音声分析により特徴を抽出される。そしてステップＳ１０２で、時間軸に対して正規化された後、標準パターン１０４との比較により、ステップＳ１０３において、類似度判定されて、その結果が出力される。このうち、ステップＳ１０１における音声分析はハードウエア的に処理されるため、ハードウエアの能力に依存することになる。一方、音声分析以降のステップＳ１０２やステップＳ１０３はソフトウエア的に処理されるので、アルゴリズムや計算機の能力に依存することになる。
【０００４】
一般的な音声分析システムは、図１４に示すように、マイクロフォン２０１では振動板に入射してきた音波を電気信号に変換し、フィルタ−２０２により１５０Ｈｚ〜８ｋＨｚの音声周波数をフィルタリングした後、Ａ／Ｄコンバータ２０３により２２ｋＨｚ程度のサンプリング・レートでデジタル化される。その後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）装置２０４により求めた、パワースペクトルを用いてスペクトル分析を行っている。したがって、精度の良い音声分析を行うためには高分解能なＡ／Ｄコンバータ２０３及び高性能なＦＦＴ装置２０４が必要となるが、現状ではこれらの要求を十分に満足する装置を得ることは難しい。そこで、直接、音声信号を周波数分析することが考えられ、人間の耳を参考にいくつかの方法が考えられている。
【０００５】
ところで、人間の鼓膜に入射した音波は耳小骨を通じて蝸牛に伝わる。蝸牛は基底板により２つの領域に分離されており、この２つの領域に生じる圧力差を音として感知するが、蝸牛基部では高音域、蝸牛頂部では低音域と、周波数に応じて感知する場所が異なっている。更に、最近の研究では、蝸牛にある外有毛細胞（ＯＨＣ）の働きにより基底板の振動が増幅されるフィードバック機構によって、周波数弁別・選択が可能になることがわかってきた（非特許文献１参照。）。
【０００６】
この蝸牛を模した例として、図１５に示すような周波数分析用メカニカル・フィルタが提案されている（特許文献１参照。）。図１５では、Ｓｉ基板１０１の表面に設けたダイアフラム１１２に入射した音波は横梁（トランスバーサル・ビーム）１１５に伝わる。この横梁１１５は下端をダイアフラム１１２で固定され、上端を終端１１１でＳｉ基板１０１の表面に固定している。横梁１１５には、それぞれ異なる共振周波数を持った振動子（共振器ビーム）１１３がフィッシュボーン形状に接続されており、入射した振動数と一致する振動子（共振器ビーム）１１３が共振し、その振幅を検出することで、周波数分析を行っている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，０７９，２７４明細書
【０００８】
【非特許文献１】
日本音響学会誌、５９巻１号，２００３年，ｐ．４０−４５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１５に示した周波数分析用メカニカル・フィルタでは、入射した音波エネルギーの一部しか振動子（共振器ビーム）１１３に伝わらないため、感度が低下してしまう不具合がある。
【００１０】
更に、従来の音声認識技術では利用者毎に学習過程が必要であり、又、雑音の小さい場所でしか利用できず、このため使い勝手に問題がある。
上記問題点を鑑み、本発明は、音声入力等の音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られ、これにより、音響信号を直接周波数分析することが可能な音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、ノイズを除去することが容易な音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１２】
特に、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善された音響解析装置を提供することを目的とする。又、ノイズのある場所においても、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる音響解析装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子からなる振動子アレイと、（ロ）
複数の振動子のそれぞれに接続された弾性梁と、（ハ）振動子の変位を検知する変位検知手段と、（ニ）振動子アレイの共振周波数を変化させる共振周波数制御手段とを備え、変位検知手段の出力により、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第１の特徴によれば、音声入力等の音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善される。特に、振動子アレイを、人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
本発明の第２の特徴は、（イ）上面に凹部を備えた支持基板と、（ロ）この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠と、（ハ）凹部と固定枠がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置され、音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子と、（ニ）複数の振動子のうち固定枠に最近接となる端部振動子と固定枠とを接続し、且つ端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁とを備え、複数の振動子のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、振動子アレイの共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第２の特徴によれば、第１の特徴と同様に、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音響入力が音声の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られ、音声認識率が改善される。特に、振動子アレイを、マイクロマシン技術を用いて人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
【００１６】
本発明の第３の特徴は、（イ）上面に凹部を備えた支持基板と、（ロ）この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠と、（ハ）固定枠に両端部を固定され、行方向及びこの行方向に直交する列方向にそれぞれ伸延し、凹部と固定枠がなす空間に格子を構成するように配置された複数の配線梁と、（ニ）格子の窓部にそれぞれ配置され、音響入力によりそれぞれ振動し、振動子アレイを構成する複数の振動子と、（ホ）複数の振動子のそれぞれと配線梁とを接続する弾性梁とを備え、複数の振動子のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、複数の振動子の共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行う音響解析装置であることを要旨とする。
【００１７】
本発明の第３の特徴によれば、第１及び第２の特徴と同様に、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られる。このため、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になるとともに、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られ、音声認識率が改善される。特に、マイクロマシン技術を用いて、振動子アレイを、人間の耳と類似な構造にすることにより、音声信号を直接周波数分析することが可能になり、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１９】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２０】
図１の平面パターンに示すように、本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、上面に凹部を備えた支持基板１１ａと、この支持基板１１ａの周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠１２と、凹部と固定枠１２がなす空間に、振動子アレイを構成するように配置され、音響入力によりそれぞれ振動する複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と、複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のうち固定枠１２に最近接となる端部振動子と固定枠１２とを接続し、且つ端部振動子と他の振動子とを相互に接続する弾性梁１３とを備えている。弾性梁１３は、端部振動子に接続された他の振動子と、更に他の振動子とを相互に接続することは勿論である。即ち、弾性梁１３は、それぞれの振動子の相互間を順に接続している。本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、更に、複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、振動子アレイの共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行うインテリジェント・マイクロフォンである。
【００２１】
ここで、支持基板１１ａはシリコン基板等の半導体基板からなる。弾性梁１３は、不純物を添加したポリシリコン（以下において「ドープドポリシリコン」という。）からなる構造を備える。図１では、各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・がそれぞれ、４本の弾性梁１３で懸架されている状態を示す。
【００２２】
図２は、図１のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、ＳＯＩ基板上に作成した各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・・・・・・，Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が、弾性梁１３によって互いに接続された振動子アレイの特定の行を示す（なお、より詳細な断面構造は図１０に示す。）。振動子アレイの特定の行は、見かけ上、１次元の振動子チェーン（振動子鎖）を構成しているが、実際には、図１に示すような２次元の振動子アレイである。振動子アレイを構成する各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層からなる半導体層４３を一部に有する。支持基板１１ａの周辺部の固定枠１２の上部も、図２に示すように、ＳＯＩ層（半導体層）４３から構成されている。半導体基板１１ａは、比抵抗０，０１Ω・ｃｍ〜０，０２Ω・ｃｍの低比抵抗のＳｉ基板で、図２に示したそれぞれの振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａが構成するコンデンサＣｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・・の一方の電極をなしている。ポリシリコン及び絶縁膜からなる各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が、コンデンサＣｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・・の対向する他方の電極をなしている。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る音響解析装置を構成する各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の質量は、約１０−１２ｋｇ程度であり、このときの弾性梁１３のバネ定数ｋは１０−２〜１０２Ｎ／ｍ２程度となっている。
【００２４】
Ｎ個からなる振動子アレイの場合には、１次の横波の固有振動数（基本波振動数）ｆ１は振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の質量ｍと振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・を接続する弾性梁１３のバネ定数ｋ［Ｎ／ｍ２］により：
ｆ１＝１／２π×（ｋ／ｍ）１／２              ・・・・・（１）
と表される。ここで、
ｋ＝Ｅｈｗ３／Ｌ３                                ・・・・・（２）
ｍ＝Ｓｔρ                                      ・・・・・（３）
であって、Ｌ，ｈ，ｗはそれぞれ弾性梁１３の長さ［ｍ］，厚さ［ｍ］、幅［ｍ］であり、Ｓ，ｔは振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の面積［ｍ２］，厚さ［ｍ］であり、Ｅ，ρは弾性梁１３に用いているシリコンのヤング率［Ｐａ］，密度［ｋｇ／ｍ３］である。式（２）から弾性梁１３の長さ，厚さ及び幅を変えることで、バネ定数ｋを変化させることができ、対象周波数範囲を所定の値に設定することができる。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る音響解析装置において、支持基板（半導体基板）１１ａと振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・との間に電圧Ψを印加すると、静電気力により振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が変位し、これにより、振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・を繋いでいる弾性梁１３のバネ定数ｋが：
Δｋ＝ε×Ｓ／ｄ３×Ψ２                    ・・・・・（４）
だけ変化し、振動子アレイの１次の固有振動数（基本波振動数）ｆ１を変化させることができる。ここで、ε、ｄは、空気の誘電率及び支持基板（半導体基板）１１ａと振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・との間の距離である。即ち、本発明の実施の形態に係る音響解析装置の「共振周波数制御手段」は、このように、静電気力により振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・を変位させ、振動子アレイの共振周波数を変化させている。
【００２６】
この状態で更に、音声が入力すると、各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・は音声の入力方向に対して変位する。例えば、特定の話者の音声の基本周波数Ｆ１に振動子アレイの１次の固有振動数ｆ１を設定しておけば、この特定の話者の音声が本発明の実施の形態に係る音響解析装置に入力すれば、この音声入力に対して高感度で応答したスペクトルが得られることになる。
【００２７】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、７個の振動子からなる１次元振動子チェーン（振動子鎖）の横波の振動モードは、基本波モード（基本周波数ｆ１）の場合には、音圧に応じて中央部分が腹となるように中央の振動子Ｖｉ，ｊの変位が大きい。
【００２８】
一方、周波数ｆ２の第２高調波の場合には、１次元振動子チェーンは図４のような横波の振動モードになる。図４では振動子チェーンを構成する中央の振動子Ｖｉ，ｊは節になり、その変位はゼロであるが、左側の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ−２及び右側の振動子Ｖｉ，ｊ＋１，Ｖｉ，ｊ＋２の変位が大きい。図示を省略しているが、周波数ｆ３の第３高調波の場合には、振動子チェーンの中央の振動子Ｖｉ，ｊの変位が大きくなり、左側の振動子Ｖｉ，ｊ−２及び右側の振動子Ｖｉ，ｊ＋２が節になり、その変位はゼロである。そして、左側の振動子Ｖｉ，ｊ−３，Ｖｉ，ｊ−１及び右側の振動子Ｖｉ，ｊ＋１，Ｖｉ，ｊ＋３の変位が大きくなる。
【００２９】
一般には、音声波形は基本波周波数Ｆ１，第２高調波周波数Ｆ２，第３高調波周波数Ｆ３，・・・・・のそれぞれの固有モードの重ね合わせとなる。このため、各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・はそれぞれ固有モードの振幅及び位相情報を持つ。
【００３０】
図９は、本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子の変位を検知する「変位検知手段」、即ち検出回路の一例を表している。図９では、図２に示したそれぞれの振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・・を可変容量コンデンサＣ０で代表して示している。可変容量コンデンサＣ０には電源電圧Ｖｂｉａｓが印加されている。可変容量コンデンサＣ０の電位は、オペアンプ９１の反転入力端子に入力される。オペアンプ９１の反転入力端子と出力端子間にはコンデンサＣ１が接続され、反転入力端子側の寄生抵抗を利用して積分回路（積分器）を構成している。コンデンサＣ１にはスイッチＳＷ１が並列接続されている。オペアンプ９１の出力は、コンパレータ９２の一方の入力端子に接続されている。コンパレータ９２の他方の入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。
【００３１】
振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・・は、振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と支持基板（半導体基板）１１ａ間の距離がΔｄｉ，ｊだけ変化すると、このΔｄｉ，ｊが十分に小さければ、それぞれ：
ΔＣｉ，ｊ＝ε×Ｓ／Δｄｉ，ｊ                          ・・・・・（５）
だけ変動すると近似できる。各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・にはドープドポリシリコンのバネ（弾性梁）１３を通じて配線が施されている。このため、振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の変位に応じて電荷の移動が起こり、各端子からは変位に応じた電圧が発生する。静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・と並列接続されたスイッチＳＷ１を開放すると、静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・の電位の時間積分がオペアンプ９１で開始される。即ち、静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・の電位をオペアンプ９１で時間積分し、その積分出力となる出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとコンパレータ９２で比較する。例えば、図２に示された振動子アレイに基本波周波数Ｆ１が入力された場合には００１１１００、第２高調波周波数Ｆ２が入力された場合には００１１０１１０とデジタル出力される。よって、図９に示すようにコンパレータ９２を用いると、フーリエ変換せず、周波数成分を直接デジタル化することができる。即ち、音声解析に、Ａ／Ｄコンバータ及びＦＦＴが不要となる。なお、特定話者のスペクトルと比較することで、音声認証にも使用することができる。
【００３２】
図２では表面からのみエッチングを行っているため、半導体基板１１ａとしてのシリコン基板を貫通させる穴はないが、図５及び図６のように半導体基板１１ｂ，１１ｃの裏面よりエッチングをすることで貫通穴を作成することも可能である。この場合、振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と半導体基板１１ｂ，１１ｃ間の静電容量Ｃｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・を直接読み取ることが難しくなるため、横方向の静電容量やピエゾ抵抗、或いは光学的に振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の変位を測定する等の手法が採用できる。これによって、半導体基板１１ｂ，１１ｃの裏面からも音波が出入りできるようになり、マイクロフォンの指向性を改善させることができ、周囲の雑音に対して抑圧すること、左右からの入力に対して音源を特定することができるようになる。
【００３３】
図７及び図８は実際の平面パターンを示す。図７に示す本発明の実施の形態に係る音響解析装置は、上面に凹部を備えた支持基板（図示省略）の上に構成されている。即ち、この支持基板の周辺部において、凹部を囲んで配置された固定枠１２と、固定枠１２に両端部を固定され、行方向及びこの行方向に直交する列方向にそれぞれ伸延し、凹部と固定枠１２がなす空間に格子を構成するように配置された複数の配線梁２１と、格子の窓部にそれぞれ配置され、音響入力によりそれぞれ振動し、振動子アレイを構成する複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・と、複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれと配線梁２１とを接続する弾性梁２２とを備えている。図７の水平方向（行方向）の配線梁２１にはワード線が埋め込まれている。それぞれのワード線は、固定枠１２の内部に形成されたワード線ドライバ（図示省略）に接続されている。又、図７の垂直方向（列方向）の配線梁２１にはビット線が埋め込まれている。それぞれのビット線は、固定枠１２の内部に形成されたビット線ドライバ（図示省略）及びセンスアンプ（図示省略）に接続されている。弾性梁２２も、図１０に示すようにドープドポリシリコン膜からなる配線層が含まれている。そして、この配線梁２１と弾性梁２２を介して複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれと固定枠１２とは電気的に接続されている。
【００３４】
そして、複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれと凹部の表面との間に印加する電圧により、複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の共振周波数を変化させ、且つ複数の振動子のそれぞれが凹部の表面となす容量の変化により複数の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・のそれぞれの変位を検知し、この検知結果を用いて、音響入力のスペクトル解析を行い、インテリジェント・マイクロフォンとして機能する。
【００３５】
このインテリジェント・マイクロフォンにおいては、センスアンプの出力が、図９に示したオペアンプ９１に入力され、このオペアンプ９１の出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆとコンパレータ９２で比較される。したがって、固定枠１２の内部にオペアンプ９１及びコンパレータ９２を集積化しても良い。
【００３６】
図７では、配線梁２１がなす格子の窓部にそれぞれ正方形の平面パターンの振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が配置されているが、振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の平面パターンは正方形に限定されるものではない。図７においては、それぞれの振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・のパターンの四隅とこの四隅に対向する配線梁２１の窓の四隅のそれぞれの間にドープドポリシリコンからなる弾性梁２２で接続されている。つまり、それぞれ、４本の弾性梁２２で各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が配線梁２１に対し懸架されている。格子状の配線梁２１は配線機能と同時に弾性体としての機能も有するので、配線梁２１と弾性梁２２とで、図１に示した弾性梁１３と等価な機能を実現している。即ち、配線梁２１と弾性梁２２との全体で図３及び図４に例示した振動モードを可能にしている。
【００３７】
図８のパターンも図７のパターンと同様に、半導体基板の周辺部に設けられた固定枠１２に格子状の配線梁２１が設けられ、この配線梁２１がなす格子の窓部にそれぞれ正方形の平面パターンの振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が配置されている。図８の水平方向（行方向）の配線梁２１には、図７と同様に、ワード線が埋め込まれている。それぞれのワード線は、固定枠１２の内部に形成されたワード線ドライバ（図示省略）に接続されている。又、図８の垂直方向（列方向）の配線梁２１にはビット線が埋め込まれている。図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図が、図１０であり、図１０の配線梁２１にはメタル配線からなるビット線４８が示されている。それぞれのビット線は、固定枠１２の内部に形成されたビット線ドライバ（図示省略）及びセンスアンプ（図示省略）に接続されている。しかし、図８においては、周辺部の振動子・・・・・，Ｖｉ−３，ｊ，・・・・・，Ｖｉ−２，ｊ，・・・・・，Ｖｉ＋２，ｊ，・・・・・Ｖｉ＋３，ｊ，・・・・・のパターンの四辺とこの四辺に対向する配線梁２１の窓の四辺のそれぞれの間は、折れ曲り箇所がなく直線状の第１弾性梁２２ａで接続され、中央部の振動子Ｖｉ−１，ｊ−１，・・・・・，Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・，Ｖｉ＋１，ｊ，・・・・・のパターンの四辺とこの四辺に対向する配線梁２１の窓の四辺のそれぞれの間は、２箇所で９０°に折れ曲った第２弾性梁２２ｂで接続されている。
【００３８】
第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂはそれぞれドープドポリシリコンから構成され、梁の長さ方向に垂直な断面形状も同じである。材料が同一であるので、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのヤング率Ｅ及び密度ρは同じであるが、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂの長さＬが異なるので、式（２）から明らかなように、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのバネ定数ｋは互いに異なる値である。第１弾性梁２２ａ、第２弾性梁２２ｂ及び配線梁２１の全体で、図３及び図４に例示した振動モードを可能にしている。但し、図８に示す構造では中央部と周辺部の第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂのバネ定数ｋが異なるように構成されているため、中央部と周辺部では共振周波数が異なる。マイクロフォンの感度を変化させることができ、周波数帯域（ダイナミックレンジ）を広げることが可能となっている。
【００３９】
図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図である図１０においては、第２弾性梁２２ｂ中にドープドポリシリコン４６が示されている。このドープドポリシリコン４６は、図１０の配線梁２１において、メタル配線（ビット線）４８の下層の配線としても存在する。図１０の断面図には現れていないが、紙面の奥の配線梁２１の内部でコンタクトホールを介して、上層のメタル配線（ビット線）４８と下層のドープドポリシリコン配線４６とは互いに接続されている。このため、ドープドポリシリコン４６からなる配線は、それぞれの振動子・・・・・，Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が検出した容量値を電圧信号として、メタル配線（ビット線）４８に伝達することができる。
【００４０】
図８のＣ−Ｃ方向から見た断面図である図１１及び図１２を用いて、図１０に示す本発明の実施の形態に係る音響解析装置の製造方法を示す。なお、以下に述べる音響解析装置の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００４１】
（イ）まず、図１１（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉからなる半導体基板１１上に埋め込み絶縁膜４２、単結晶Ｓｉ層からなる半導体層（ＳＯＩ層）４３が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。半導体基板１１は、比抵抗０，０１Ω・ｃｍ〜０，０２Ω・ｃｍの低比抵抗のＳｉ基板が好ましい。
【００４２】
（ロ）次に、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、図８に示す配線梁２１，第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂの形成予定領域の半導体層（ＳＯＩ層）４３を、例えばＲＩＥ等の技術により選択的にエッチング除去し、溝部を形成する。この溝部に酸化膜４４をＣＶＤ法等の技術により埋め込み、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等の技術で図１１（ｂ）に示すように平坦化する。
【００４３】
（ハ）更に、半導体層（ＳＯＩ層）４３の表面にＣＶＤ法により、厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍの第１層間絶縁膜４５を形成する。次に、第１層間絶縁膜４５の上の全面にＣＶＤ法によりポリシリコン膜４６を３００ｎｍ〜６００ｎｍ程度、例えば４００ｎｍ堆積する。次にフォトレジスト膜（以下において、単に「フォトレジスト」という。）をポリシリコン膜４６の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等によりポリシリコン膜４６を図１１（ｃ）に示すようにエッチングする。そして、パターニングしたポリシリコン膜４６にヒ素イオン（７５Ａｓ＋）、燐イオン（３１Ｐ＋）或いは硼素イオン（１１Ｂ＋）等の不純物イオンをドーズ量１０１５ｃｍ−２のオーダーでイオン注入する。初めからこれらの不純物を添加したドープドポリシリコン膜４６を第１層間絶縁膜４５の上に堆積した後、図１１（ｃ）に示すようにエッチングしてパターニングしても良い。
【００４４】
（ニ）次に図１２に示すように、ポリシリコン膜４６の表面にＣＶＤ法を用いて、第２層間絶縁膜４７としてノンドープ酸化膜（ＮＳＧ）、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜等の酸化膜を厚さ０．５μｍ〜１．０μｍ程度に形成する。そして、配線梁２１形成予定のパターンの一部に、ポリシリコン膜４６の一部を露出するコンタクトホールを開口する。コンタクトホールの開口は、フォトリソグラフィー技術とＲＩＥ法等によれば良い。そして、この第２層間絶縁膜４７の上に、スパッタリング法又は電子ビーム真空蒸着法等によりチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等からなる金属膜を堆積する。金属膜は、配線梁２１形成予定のパターンの一部に開口されたコンタクトホールの内部にも埋め込まれる。その後、フォトリソグラフィー技術等を用いたメタライゼーション技術により、金属膜をパターニングすれば、図１２（ａ）に示すようなメタル配線４８が形成される。メタル配線４８は、図７及び図８に示した配線梁２１に埋め込まれるワード線及びビット線を構成するが、メタル配線４８とこの下層のポリシリコン膜４６の配線とは、コンタクトホールを介して接続される。更に、メタル配線４８及び第２層間絶縁膜４７の上に、ＣＶＤ法を用いて厚さ１．０μｍ程度のパッシベーション膜４９を形成する。パッシベーション膜４９としては、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、若しくは窒化膜、或いはこれらの複合膜等を使用しても良い。そして、ＣＭＰ法等を用いて図１２（ａ）に示すように平坦化する。
【００４５】
（ホ）更に、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法若しくはＥＣＲイオンエッチング法等で溝部５１を形成し、図１２（ｂ）に示すように、配線梁２１、第１弾性梁２２ａ及び第２弾性梁２２ｂを分離する。
【００４６】
（ヘ）その後、このエッチングで露出した半導体基板１１の表面の一部を、引き続き、単結晶Ｓｉの異方性エッチャント、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等の薬液を用いて、異方性エッチングを行えば、図１０に示すような各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が配線梁２１に対し懸架された構造ができる。更に、半導体基板１１の裏面にＣＶＤ法で酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いてドライ又はウエットで酸化膜をエッチングした後、この酸化膜をマスクとして、ＴＭＡＨなどで半導体基板１１を異方性エッチングすることで裏面溝５２が形成され、図１０に示した本発明の実施の形態に係る音響解析装置が完成する。
【００４７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４８】
例えば、図７で説明した実施の形態の説明においては、配線梁２１が弾性体として機能し、配線梁２１と弾性梁２２との全体で図３及び図４に例示した振動モードを可能にする場合を説明したが、行方向の配線梁２１の剛性を強くし、固定梁として機能させても良い。この場合、行方向に各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が弾性梁を介して相互に結合し、これにより振動子チェーン（振動子鎖）を構成し、各行毎に異なる共振周波数の振動子チェーンになるように弾性梁２２のバネ定数若しくは、振動子の質量を異なるようにすれば、極めて広帯域の音響解析装置が提供できる。
【００４９】
又、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃを、低比抵抗のＳｉ基板とし、それぞれのコンデンサＣｉ，ｊ−１，Ｃｉ，ｊ，Ｃｉ，ｊ＋１，・・・・・に共通の電極となる例を示したが、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ側に、各行に独立したメタル配線等の配線層を設け、各行毎に異なる電位を与え、各行をそれぞれ独立に共振周波数を制御可能なようにして、共振周波数制御手段を構成し、音響解析装置に学習可能な機能を付与させても良い。
【００５０】
或いは、列方向の配線梁２１の剛性を強くし、固定梁として機能させ、列方向に各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・が弾性梁を介して相互に結合し、これにより振動子チェーンを構成し、各列毎に異なる共振周波数の振動子チェーンになるように弾性梁２２のバネ定数若しくは、振動子の質量を異なるようにしても良い。更に、半導体基板１１ａ，１１ｂ，１１ｃ側に、各列に独立した配線層を設け、各列毎に異なる電位を与え、各列をそれぞれ独立に共振周波数を制御可能なように共振周波数制御手段を構成しても良い。
【００５１】
更に、行方向及び列方向の配線梁２１をともに固定梁として機能させ、各振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・を独立に振動させる振動モードも可能である。そして、２次元マトリクスとして配列された個々の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の共振周波数をすべて異なるようにし、或いは、個々の振動子Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・の共振周波数をすべて独立に制御するように共振周波数制御手段を構成し、振動させても良い。
【００５２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、音響入力に対してそれぞれの振動子の振幅及び位相情報が得られ、周波数毎の振幅が解析でき、ノイズの除去が容易になる。この結果、音声入力の場合は、特定の話者に応じたスペクトルが得られて、音声認識率が改善された音響解析装置を提供できる。
【００５４】
更に、本発明によれば、ノイズのある場所においても、特別な学習をさせることなく、不特定多数の会話を認識できる音響解析装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的な平面パターンである。
【図２】図１のＡ−Ａ方向から見た模式的断面図である。
【図３】基本波モード（基本周波数ｆ１）における本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの振動モードを示す模式的断面図である。
【図４】第２高調波（周波数ｆ２）における本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの振動モードを示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の他の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの模式的断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの具体的構造を示す平面パターンである。
【図８】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の振動子アレイの他の具体的構造を示す平面パターンである。
【図９】本発明の実施の形態に係る音響解析装置の検出回路の一例を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態の変形例に係る音響解析装置の振動子アレイの具体的な断面図である。
【図１１】図１０に示した振動子アレイの製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図１２】図１０に示した振動子アレイの製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図１３】従来の音声認識方法を説明するフローチャートである。
【図１４】従来の音声分析システムを説明するブロック図である。
【図１５】従来の周波数分析用メカニカル・フィルタの構造を説明する平面図である。
【符号の説明】
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…半導体基板
１２…固定枠
１３，２２…弾性梁
２１…配線梁
２２ａ…第１弾性梁
２２ｂ…第２弾性梁
４２…絶縁膜
４３…半導体層
４４…酸化膜
４５…第１層間絶縁膜
４６…ポリシリコン膜（ドープドポリシリコン膜）
４７…第２層間絶縁膜
４８…メタル配線
４９…パッシベーション膜
５１…溝部
５２…裏面溝
９１…オペアンプ
９２…コンパレータ
１０１…Ｓｉ基板
１０４…標準パターン
１１１…終端
１１２…ダイアフラム
１１５…横梁
２０１…マイクロフォン
２０３…コンバータ
２０４…ＦＦＴ装置
Ｃ０…可変容量コンデンサ
Ｃ１…コンデンサ
Ｖｂｉａｓ…電源電圧
Ｖｉ，ｊ−１，Ｖｉ，ｊ，Ｖｉ，ｊ＋１，・・・・・…振動子
Ｖｒｅｆ…基準電圧
【図１】
2005043073.tif 000003
【図２】
2005043073.tif 000004
【図３】
2005043073.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005043073.tif 000007
【図６】
2005043073.tif 000008
【図７】
2005043073.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005043073.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005043073.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005043073.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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