(57)【要約】【課題】簡素かつ小面積の構造で、ダイナミックレンジが広く、幅広い用途に使用に使用可能な音響電気変換素子を提供する。【解決手段】回折格子を備え、音圧により振動する振動板２と、回折格子に光を照射する光源１と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器３とを備える。光検出器３には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いる。光検出器３は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板２の変位の検出を行う。光源１より照射された光が、振動板２に入射すると、振動板２には反射型の回折格子が形成されているので、光源１から照射された光波は振動板２で反射し、フォトダイオードアレイ３の面上で回折像をもたらす。反射型回折格子を備えた振動板２の変位を光学的に光検出器３で検出し、更にこれを電気信号に変換する。【選択図】      図１
2005045463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子を備え、音圧により振動する振動板と、
前記回折格子に光を照射する光源と、
前記回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器とを備え、前記振動板の変位を電気信号に変換することを特徴とする音響電気変換素子。
【請求項２】
前記回折格子は、透過型回折格子又は反射型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の音響電気変換素子。
【請求項３】
前記回折格子は、１次元回折格子又は２次元回折格子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響電気変換素子。
【請求項４】
前記振動板にマトリクス状に配置された複数の穴により２次元回折格子が構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響電気変換素子。
【請求項５】
前記振動板に周期的に配置された複数の溝により１次元回折格子が構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音響電気変換素子。
【請求項６】
１つ又は複数の前記振動板が、支持基板に設けられた固定部に弾性接続部を介して懸架されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の音響電気変換素子。
【請求項７】
前記振動板は、前記支持基板に設けられた空洞部に前記弾性接続部を介して懸架されていることを特徴とする請求項６に記載の音響電気変換素子。
【請求項８】
前記振動板を複数備え、該複数の振動板の中には、互いに異なる共振周波数を有する複数の前記振動板を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の音響電気変換素子。
【請求項９】
前記振動板は、
固定枠と、
該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、前記固定枠が囲む空間に格子を構成するように配置された複数の固定梁と、
前記格子の窓部にそれぞれ配置された複数の振動子と、
前記複数の振動子のそれぞれと前記固定梁とを接続する弾性梁とを備えることを特徴とする請求項１に記載の音響電気変換素子。
【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関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロフォンは、ダイアフラムを或る張力で貼り付けているもので、その振動板の質量やバネ定数によって、共振周波数が一意的に決まってしまっていた。公称では、周波数特性はフラットであると規定されていても、その振動板固有の共振周波数から遠ざかるにつれて、感度が低下する場合があるのは当然の現象である。ダイナミックレンジが広いマイクロフォンを実現する手法として、振動板の大きさやバネ定数が異なる振動板を複数個配置する手法が報告されている（特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
一方、音圧による振動板の振動変位を静電容量として検出するコンデンサマイクロフォンと比較して、音圧によって振動する振動板に光を照射し、その反射光の光強度の変化を振動板の振動変位として検出する光マイクロフォンは、指向性、耐雑音性といった観点から優れた特性が期待されている。しかし、従来の光マイクロフォンは、振動板に気体レーザ、固体レーザ或いは半導体レーザダイオードの出力光を照射し、その反射光の光強度の変化を振動板の振動変位として検出するものであった。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２９２４９８号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−２３１１００号公報
【０００６】
【非特許文献１】
ロッシ著，福田国弥，中井祥夫，加藤利三訳，物理学叢書「光学」，吉岡書店（１９６７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１及び特許文献２において提案された方法では、機械的な構造や寸法の制約による不具合がある。又、実装においても、製品群が増加するため歩留まりの低下が懸念される。
【０００８】
又、従来の光マイクロフォンの構造では、振動板に対して入射する光の入射光学系及び、反射光を所定のフォトディテクタへと導く反射光学系において、高い光学精度が要求される。そのため、入射光及び反射光に任意の光路をとらせるために、光ファイバ、光ガイドが用いられている。又、フォトディテクタ面において、振動板の振動変位に対応する反射光の移動幅を大幅に増大させるため、受光・発光素子の搭載された基板と振動板との間にレンズ素子の設置等の措置をとっている。即ち、従来の光マイクロフォンの集光方式では、振動板から反射される光波は広がるため、微小な振動板の振動変位をフォトディテクタで検知し、光強度の違いを検出するために強い光強度が必要で、このためには光路の補助や補正する要素を必要とした。そのため、発光・受光素子と振動板以外に、高度な位置合わせを行う光学素子や、新たなシステムを必要とし、かつ高精度な光学的アライメントが要求される。したがって、製品としての歩留まりの低下を招く恐れがある。それに付随してシステムとしてのコストも高くなってしまう。又、光ファイバや光ガイドを用いた場合、その使用範囲、用途は一気に限定されてしまう。
【０００９】
本発明は、より簡素かつ小面積の構造で、ダイナミックレンジが広く、幅広い用途に使用可能な音響電気変換素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は（イ）回折格子を備え、音圧により振動する振動板と、（ロ）回折格子に光を照射する光源と、（ハ）回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器とを備え、振動板の変位を電気信号に変換する音響電気変換素子であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の特徴において、光検出器には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板の変位の検出を行う。このため、イメージセンサは、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。
【００１２】
本発明の特徴によれば、回折格子によって回折光が自己結像するので、従来の音響電気変換素子で必要とした、振動板からの反射光を絞るためのレンズ、光波を任意の方向へ導くための光ファイバ或いは光ガイド等の導波路の必要性が無くなる。回折効果により自ら結像するため、イメージセンサ面において、フォーカシングすることができ、高い分解能で検出することができる。又、振動板に対して入射させる入射光の光路に関しても制約が大幅に軽減される。振動板に対する入反射光の光学的な制約が軽減され、シンプルなシステムが構成でき、小型化が可能になり、使用できるアプリケーションが広がる。更に、光検出器にイメージセンサを用いることによって画素上において検出と同時にデジタル変換することも可能であり、Ａ／Ｄコンバータが不要にもなり、応答速度も向上し、回路規模を小さくでき、この結果、デバイスコストの減少もはかれる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２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。
【００１４】
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、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。
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子は、図１に示すように、回折格子を備え、音圧により振動する振動板２と、回折格子に光を照射する光源１と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器３とを備えている。
【００１６】
図１に示す光検出器３には、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器３は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板２の変位の検出を行う。このため、フォトダイオードアレイ３は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。
【００１７】
第１の実施の形態に係る音響電気変換素子においては、光源１より照射された光が、振動板２に入射すると、振動板２には反射型の回折格子が形成されているので、光源１から照射された光波は回折格子で反射し、フォトダイオードアレイ３の面上で回折像をもたらす。この様に、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子は、反射型回折格子を備えた振動板２の変位を光学的に光検出器３で検出し、更にこれを電気信号に変換する。
【００１８】
このため、振動板２は、固定部４ａ，４ｂから弾性接続部５ａ，５ｂで吊るされている。具体的には、図２に示すように、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２が懸架されている。平面パターンとして見れば、固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１の上面に設けられた空洞部９Ｒを囲む額縁状の形状である。そして、振動板２は、図２に示すような断面が舟形の空洞部９Ｒの上部に、ダイアフラム状の蓋として配置されている。
【００１９】
固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積された埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２も埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５からなる積層構造である。
【００２０】
弾性接続部５ａ及び５ｂは、埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４から構成され、素子分離絶縁膜１３の層にポリシリコン接続体２１ａ，２１ｂが埋め込まれている。
【００２１】
振動板２に設けられる反射型の回折格子は、図３（ａ）に示す２次元回折格子でも、図３（ｂ）に示す１次元回折格子でも構わない。図３（ａ）では、振動板２にマトリクス状に配置された複数の穴（凹部）Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６により２次元回折格子が構成された例を示している。又、図３（ｂ）では、振動板２に周期的に配置された複数の溝Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，・・・・・，Ｇ６により１次元回折格子を構成した例を示している。
【００２２】
なお、図４に示すように、複数の振動板Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，Ｑｉ−１，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ，ｊ−１，Ｑｉ，ｊ，Ｑｉ，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ＋１，ｊ−１，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，ｊ＋１，・・・・・をマトリクス状に配列しても良い。図４では、複数の振動板Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，Ｑｉ−１，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ，ｊ−１，Ｑｉ，ｊ，Ｑｉ，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ＋１，ｊ−１，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，ｊ＋１，・・・・・は、支持基板の表面に格子状に形成された固定部４ａ，４ｂに、２本の折れ曲がり構造の弾性接続部５ａ，５ｂを介して懸架されている。弾性接続部５ａはスリット６ａ，６ｂに挟まれて、１箇所のＬ型折れ曲がり部を有している。一方、弾性接続部５ｂはスリット６ａ，６ｂに挟まれて、２箇所のＬ型折れ曲がり部を有している。図２は、図４のＡ−Ａ方向からみた断面図に相当する。
【００２３】
図４において、行方向に配列された振動板Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，Ｑｉ−１，ｊ＋１，・・・・・を相互に弾性的に直結し振動子チェーン（振動子鎖）を構成し，同様に行方向の振動板Ｑｉ，ｊ−１，Ｑｉ，ｊ，Ｑｉ，ｊ＋１，・・・・・で振動子チェーン（振動子鎖）を構成し、振動板Ｑｉ＋１，ｊ−１，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，ｊ＋１，・・・・・で振動子チェーン（振動子鎖）を構成し、これら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すれば、極めて広帯域の音響電気変換素子が提供できる。或いは、列方向に同様な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しても良い。更に、行方向及び列方向に走行する両方の固定部４ａ，４ｂをともに固定梁として機能させ、各振動板Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，Ｑｉ−１，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ，ｊ−１，Ｑｉ，ｊ，Ｑｉ，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ＋１，ｊ−１，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，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板Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，Ｑｉ−１，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ，ｊ−１，Ｑｉ，ｊ，Ｑｉ，ｊ＋１，・・・・・，Ｑｉ＋１，ｊ−１，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，ｊ＋１，・・・・・の共振周波数をすべて異なるようにすれば、極めて広帯域の音響電気変換素子が提供できる。
【００２４】
図１に示す状態で、図２〜図４に示すような構造の回折格子を有する振動板２に音圧が入力されると、振動板２は、弾性接続部５ａ，５ｂと固定部４ａ，４ｂとの境界を支点として振動する。図１で、振動板２が変位する前の回折像を太い実線及び太い破線で示している。振動板２が静止時、即ち音声による入力の無い場合には、光源１より照射された光によって、図１中の太い実線及び太い破線で示すような間隔でフォトダイオードアレイ３の面上に回折像が現れる。
【００２５】
音声による入力があり、振動板２とフォトダイオードアレイ３間との距離ｆが変化すると、フォトダイオードアレイ３の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で示すように、２次元的に変化する。図１中の細い実線及び細い破線は、振動板２の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。
【００２６】
この様に、フォトダイオードアレイ３の上で得られた回折像は、ある同次、同方位の回折像に注目すると振動の前後で、フォトダイオードアレイ３の上で差分が得られる。フォトダイオードアレイ３の上での、回折像の変位を検出することで、振動板２の振動変位として出力する。
【００２７】
第１の実施の形態に係る音響電気変換素子によれば、回折格子によって自己結像する回折光を用いることにより、従来の音響電気変換素子で必要とした、振動板２からの反射光を絞るためのレンズ、光波を任意の方向へ導くための光ファイバ或いは光ガイドといった導波路の設置の必要性が無くなる。光波の回折効果を利用するため、レンズ等を介さなくても自ら結像するため、フォトダイオードアレイ３の表面において、フォーカシングすることができ、高い分解能で検出することができる。又、振動板２に対して入射させる入射光の光路に関しても制約が大幅に軽減される。
【００２８】
振動板２に対する入反射光の光学的な制約が軽減されるため、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子によれば、シンプルなシステムが構成でき、小型化することも可能になり使用できるアプリケーションが広がる。
【００２９】
更に、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子によれば、光検出器３にフォトダイオードアレイ３を用いることによって、画素上において検出と同時にデジタル変換されている。このため、Ａ／Ｄコンバータが不要にもなり、応答速度も向上し、回路規模を小さくできる。図１に示すような、反射型回折格子においては、光源１、フォトダイオードアレイ３の電源、駆動回路、処理回路を同一基板で形成することができる。更に、フォトダイオードアレイ３やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板２を半導体製造プロセスで製造することができる。
【００３０】
この結果、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の製造コストを減少することが可能になる。
図２から容易に理解できるように、振動板２上の回折格子を形成する際、つまり、基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用である。半導体製造プロセスを用いることにより、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき、量産に適している。
【００３１】
又、支持基板１１として用いる半導体基板は様々な物性を有していることから、振動板２の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板２にシリコン（Ｓｉ）を用い（図１５参照。）、光源１に波長λ＝１０００ｎｍ以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみをフォトダイオードアレイ３の上へ回折させるため、フォトダイオードアレイ３への迷光をカットし、結果Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３２】
本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子を説明するにあたって、振動板２が振動することによって、検出面において回折像の変位が変化する現象について、ｙ−ｚ平面からなる２次元回折格子を例にとり説明する。格子面上での二つの直交軸ｙ，ｚを、図５に示すように、穴の並んでいる直線と平行にとり、ｙ軸方向及びｚ軸方向での穴の間隔をそれぞれｈｙ，ｈｚとする。特定の１つの穴の中心を原点にとると、他のすべての穴の座標（ｙ，ｚ）はｈｙ，ｈｚの整数倍となる。
【００３３】
図６に示すように、ｙ−ｚ平面で回折した回折光の方向がｙ軸となす角θｙの余弦（ｃｏｓθｙ）をγｙ＝ｃｏｓθｙとし、回折光の方向がｚ軸となす角θｚの余弦（ｃｏｓθｚ）をγｚ＝ｃｏｓθｚとし、ｙ方向の次数ｋｙを整数とすると：
ｈｙγｙ  ＝ｋｙλ                      （１）
を満たす条件ではｙ軸方向に平行に並んだ穴から生じる擾乱は焦点面に同じ位相で到達する。同様に、ｋｚ（ｚ方向の次数）を整数とすると：
ｈｚγｚ  ＝ｋｚλ                    （２）
を満たす条件ではｚ軸に平行に並んだ穴から生じる擾乱が同位相になる。
【００３４】
回折格子に対して、式（１）と式（２）を同時に満たすような方向に対応する点ではすべての穴から生じる擾乱が同位相になっている。穴が多数存在すると、光の強度は式（１）と式（２）で決まる点の極めて近傍に集中する。したがって、フォトダイオードアレイ３の焦点面上では、暗い背景の上に明るい斑点が矩形格子状に並んだ模様になる。図７（ａ）はこれを示している。斑点の各々は点光源１の別々の像と考えられる。焦点距離をｆａとすると、ｙ軸方向に沿ってこの斑点の間隔ｐｙは：
ｐｙ＝ｆａλ／ｈｙ      （３）
となり、ｚ軸方向に沿っての間隔ｐｚは：
ｐｚ  ＝ｆａλ／ｈｚ      （４）
となる。図７（ａ）で各々の斑点につけた数字はｋｙとｋｚを示している。図７（ｂ）は１次元の回折格子を用いた場合に生じる回折像である。
【００３５】
ここで、光波を検出するフォトダイオードアレイ３側は固定体、一方回折格子を形成した振動板２は可動体であるため、回折格子が形成された振動板２が音圧によって振動するということは、回折格子−フォトダイオードアレイ３間の焦点距離が変化するということになる。つまり、回折格子を形成した振動板２が音圧によって振動し、回折格子の焦点距離が図８に示すように、ｆａからｆｂに変化すると、回折格子に刻まれた格子周期は不変であるから式（３）及び式（４）からフォトダイオードアレイ３上でのｙ軸方向に沿っての斑点の間隔ｐｙｍｄは：
ｐｙｍｄ＝ｆｂλ／ｈｙ      （５）
となり、ｚ軸方向に沿っての間隔ｐｚｍｄは：
ｐｚｍｄ＝ｆｂλ／ｈｚ      （６）
となる。
【００３６】
２次元回折格子が振動し、焦点距離がｆａからｆｂに変化した場合に、フォトダイオードアレイ３の面上において、斑点の間隔も変化した様子を模式的に示したものを図９に示す。なお、０次の回折像（図７（ａ）において０，０と表記されたポイント）は、振動板２が振動し、焦点距離ｆａがｆｂに変化しても変位しない。式（３）、式（４）、式（５）、式（６）で示したように、各々の回折像がフォトダイオードアレイ３の面において２次元的に変位することになる。或る１つの回折像（０次以外の回折像）に注目すると、フォトダイオードアレイ３の面上で、振動板２の振動に対応し、２次元的に変位する挙動を示す。この挙動により、フォトダイオードアレイ３の上では、光波の取り込まれるエリアと、取り込まれないエリアが振動板２の振動に伴って、微小時間毎に変化する。
【００３７】
又、１次元の回折格子が振動し、焦点距離がｆａからｆｂに変化した場合に、フォトダイオードアレイ３の面上において、斑点の間隔も変化した様子を模式的に示したものを図１０に示す。
【００３８】
さて、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子において、任意の時間ｔ＝ｔ１のとき、図１１に示すように、回折像がフォトダイオードアレイ３からなるイメージセンサ上に２次元に配列しているとする。この状態で、音圧が加わったｔ＝ｔ１＋ｔ２のとき、振動板２が下方に沈み込むため、回折像がシフトする。次に、振動板２が反発し、ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３、ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４を経て、最初の位置にｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５後に戻る。これが、１つの入力した音の周波数に対応する振動板２の振動である。
【００３９】
ｔ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５の時間を算出することで、振動板２の振動の周期が得られる。又、フォトダイオードアレイ３のどのセル（フォトダイオード）部分に感度があるかをあらかじめ記憶しておき、振動が加わり、記憶しておいたセル（フォトダイオード）部に再び感度が認められたときに、一回の振動の周期として認識することができる。又、振動板２の一回の振動の周期に対して、時系列的にどのセル（フォトダイオード）に感度があるかを参照することで更に高感度の検出を可能にする。
【００４０】
この様に、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子では、音圧の入力の前後における回折像の変位を微小な間隔で整然と配列されたフォトダイオードアレイ３にて検出し振動板２の変位量に相当する信号を出力する。フォトダイオードアレイ３が設置されている基板に駆動回路、信号処理回路を半導体製造プロセスにより一体化して製造することにより、よりコンパクト、より低コストで提供することができる。又、同一基板で形成することにより、反応性の良いシステムを実現できる。更に、配線に起因する電気抵抗を抑制することが可能となり、電気的に安定となる。
【００４１】
ここで、回折像の２次元的な変位をより高い解像度で検出することを考慮した場合、フォトダイオードアレイ３を構成するそれぞれのフォトダイオードの１つ当たりのセル面積及びセルの相互の間隔が小さくすることが望ましい。
【００４２】
図１２〜図１４を用いて、図２に示した本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する。なお、以下に述べる音響電気変換素子の製造方法は、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。
【００４３】
（イ）まず、図１２（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）１０が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。  次に、単結晶Ｓｉ層１０を、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等の技術により、選択的にエッチング除去する。図１２（ａ）では、あたかも完全にエッチング除去されているように図示されているが、周辺回路形成予定領域等には単結晶Ｓｉ層１０を残留させる。
【００４４】
そして、素子分離絶縁膜１３を化学気相堆積（ＣＶＤ）法等の技術により形成し、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等により図１２（ｂ）に示すように平坦化する。図１２（ｂ）に示す平坦化工程により、周辺回路形成予定領域では、素子分離絶縁膜１３に囲まれて、いわゆる「活性領域」が定義される。
【００４５】
（ロ）次に、図２に示すポリシリコン接続体２１ａ、２１ｂの形成予定領域の素子分離絶縁膜１３を、例えばＲＩＥ法等により選択的にエッチング除去し、図１２（ｃ）に示すような溝部２０ａ、２０ｂを形成する。図示を省略した周辺回路が、通常の標準的なＭＯＳ集積回路の製造方法に同時に作り込まれる。詳細は省略するが、活性領域として露出した単結晶Ｓｉ層１０の表面を熱酸化して、厚さ５０ｎｍ〜１００ｎｍのゲート酸化膜を形成する。この際Ｖｔｈ制御イオン注入を加えても良い。次に、ゲート酸化膜の上の全面にＣＶＤ法によりポリシリコン膜を３００ｎｍ〜６００ｎｍ程度、例えば４００ｎｍ堆積する。この際、溝部２０ａ、２０ｂにもポリシリコン膜が埋め込まれる（図１２（ｄ））。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をエッチングして、ゲート電極及びポリシリコン配線（図示しない）を形成する。その後、フォトレジストを除去し、新たなフォトレジストをゲート電極の表面にスピン塗布する。そして、次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＭＯＳトランジスタ形成領域にイオン注入用開口部を形成し、ポリシリコンゲート電極を露出させる。そして、露出したポリシリコンゲート電極と新たなフォトレジストをマスクとして、自己整合的に、ヒ素イオン（７５Ａｓ＋）をドーズ量１０１５ｃｍ−２のオーダーでイオン注入する。このとき、ポリシリコンゲート電極にもヒ素（７５Ａｓ＋）がイオン注入される。新たなフォトレジストを除去してから、単結晶Ｓｉ層１０を熱処理し、注入した不純物イオンを活性化及び拡散し、単結晶Ｓｉ層１０の活性領域にｎ型ソース領域及びｎ型ドレイン領域を形成する。但し、単結晶Ｓｉ層１０中の活性領域や、その内部のｎ型ソース領域、ｎ型ドレイン領域、ｎ型不純物領域及びｎ型不純物領域等は図示を省略している。溝部２０ａ、２０ｂにポリシリコン膜を埋め込む際には、必要に応じて、エッチバック等の平坦化プロセスを採用する。
【００４６】
（ハ）次に図１３（ｅ）に示すように、素子分離絶縁膜１３の表面に層間絶縁膜１４を全面に形成する。層間絶縁膜１４は図示を省略した周辺回路形成予定領域のポリシリコンゲート電極の上等にも堆積される。層間絶縁膜１４を全面に形成後、層間絶縁膜１４の表面をＣＭＰ法で平坦化する。更に、図１３（ｆ）に示すように、層間絶縁膜１４の上に、ＣＶＤ法を用いてパッシベーション膜１５を形成する。
【００４７】
（ニ）次にフォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法等を用いて、パッシベーション膜１５を選択的にエッチング除去して、反射型の２次元回折格子を構成する穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６を図１３（ｇ）に示すように形成する。この際、図１３（ｇ）に示すように、ポリシリコン接続体２１ａ、２１ｂ及びその周辺部の上方の位置には、溝２２ａ、２２ｂが形成される。
【００４８】
（ホ）次に、溝２２ａ、２２ｂの周辺部の層間絶縁膜１４と素子分離絶縁膜１３と埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２とを、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によりエッチングし、図１４（ｈ）に示すように、溝部２３ａ，２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを形成する。
【００４９】
（ヘ）その後、溝部２３ａ，２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの形成により露出した支持基板（単結晶Ｓｉ）１１の表面の一部を、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１４（ｉ）に示すように、空洞部９Ｒが形成され、本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子が完成する。
【００５０】
図１５に本発明の第１の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る音響電気変換素子の断面構造を示す。図２と同様に、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２が懸架されている。固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１の上面に額縁状に設けられ、振動板２は扁平な空洞部９Ｒの上部の蓋として配置されたダイアフラムである。固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積された埋め込み絶縁膜１２，単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）１０，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２は、単結晶Ｓｉ層１０とパッシベーション膜１５からなる積層構造である。弾性接続部５ａ及び５ｂも単結晶Ｓｉ層１０とパッシベーション膜１５からなる積層構造である。
【００５１】
図１５に示すような反射型の回折格子を有する振動板２を用いても、音圧によって振動した振動板２の振動変位を光で検出する際には、振動板２自身が結像性能を有するため、光路を導くための要素が不要となる。又、フォトダイオードアレイ３によって検出することにより、振動板２の振動変位を２次元的な平面の変位に置き換えることができる。
図１６〜図１７を用いて、第１変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する。なお、以下に述べる音響電気変換素子の製造方法は、一例であり、この一例を含めて、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。
【００５２】
（イ）まず、図１６（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）１０が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。  次に、フォトリソグラフィー技術を用いて素子分離領域を定義し、素子分離領域形成予定の部分の単結晶Ｓｉ層１０を、例えばＲＩＥ法等の技術によりエッチング除去する。そして、図１６（ｂ）に示すように、素子分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）をＣＶＤ法等により埋め込み、ＣＭＰ法等の技術で平坦化する。図１６（ｂ）に示す平坦化工程により、周辺回路形成予定領域では、素子分離絶縁膜１３に囲まれて、いわゆる「活性領域」が定義される（以後の説明では、周辺回路に関する記載を省略する。）。
【００５３】
（ロ）次に、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法等を用いて、単結晶Ｓｉ層１０を選択的にエッチングして、図１６（ｃ）に示すように反射型の２次元回折格子を構成する穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６を形成する。このとき、穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６の底部は、単結晶Ｓｉ層１０の底部より高く形成する。
【００５４】
（ハ）次に、図１６（ｄ）に示すように、フォトレジスト３２を塗布して露光描画によりパターニングし、フォトレジスト３２をエッチングマスクにして単結晶Ｓｉ層１０と埋め込み絶縁膜１２とをＲＩＥ法等によりエッチングし、溝４１ａ、４１ｂを形成する。
【００５５】
（ニ）次に、図１７（ｅ）に示すように、パッシベーション膜１５としてシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）を減圧ＣＶＤ法等により形成し、穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６及び溝４１ａ、４１ｂを埋め込む。更に、フォトレジスト３３を塗布して露光描画によりパターニングし、フォトレジスト３３をエッチングマスクにして、図１７（ｆ）に示すように、パッシベーション膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１５の一部を選択的にエッチング除去する。
【００５６】
（ホ）次に、フォトレジスト３３を除去し、パッシベーション膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１５をエッチングマスクとして用い、分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ及び埋め込み絶縁膜１２としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）のエッチング除去を行えば、図１７（ｇ）に示すように、振動板２の底部に選択的に空洞部９Ｒが形成され、本発明の第１の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る音響電気変換素子が完成する。
【００５７】
図１８に本発明の第１の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る音響電気変換素子の断面構造を示す。図２及び図１５と同様に、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２が懸架されている。固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１の上面に額縁状に設けられ、振動板２は舟形の空洞部９Ｒの上部の蓋として配置されたダイアフラムである。固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積されたシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ａ，１８ｅ，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２は、Ｓｉ３Ｎ４膜１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ｃとパッシベーション膜１５からなる積層構造である。弾性接続部５ａ及び５ｂもＳｉ３Ｎ４膜１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ｂ，１８ｄとパッシベーション膜１５からなる積層構造である。
【００５８】
図１８に示すような反射型の回折格子を有する振動板２を用いても、音圧によって振動した振動板２の振動変位を光で検出する際には、振動板２自身が結像性能を有するため、光路を導くための要素が不要となる。又、フォトダイオードアレイ３によって検出することにより、振動板２の振動変位を２次元的な平面の変位に置き換えることができる。
図１９〜図２１を用いて、第２変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する。なお、以下に述べる音響電気変換素子の製造方法は、一例であり、この一例を含めて、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。
【００５９】
（イ）まず、図１９（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２、単結晶Ｓｉ層１０が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。  次に、フォトリソグラフィー技術を用いて素子分離領域を定義し、素子分離領域形成予定の部分の単結晶Ｓｉ層１０を、例えばＲＩＥ法等の技術によりエッチング除去する。そして、図１９（ｂ）に示すように、素子分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄをＣＶＤ法等により埋め込み、ＣＭＰ法等の技術で平坦化する。この平坦化工程により、周辺回路形成予定領域では、素子分離絶縁膜に囲まれて、いわゆる「活性領域」が定義される（以後の説明では、周辺回路に関する記載を省略する。）。更に、回折格子形成予定領域の単結晶Ｓｉ層１０を、フォトリソグラフィー技術を用いて選択的に除去し、図１９（ｂ）に示す構造を得る。図１９（ｂ）では、あたかも完全に、単結晶Ｓｉ層１０がエッチング除去されているように図示されているが、周辺回路形成予定領域等には単結晶Ｓｉ層１０を残留させる。
【００６０】
（ロ）次に、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法等を用いて、埋め込み絶縁膜１２を選択的にエッチングした後、図１９（ｃ）に示すように、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１７をＣＶＤ法により形成する。
【００６１】
（ハ）次に、Ｓｉ３Ｎ４膜１７の上にポリシリコン層をＣＶＤ法で全面に堆積し、ＣＭＰ法等の技術で図１９（ｄ）に示すように、分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの上面が露出するまで平坦化する。この結果、分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの間に、ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅが埋め込まれる。
【００６２】
（ニ）次に、フォトリソグラフィー技術及びＲＩＥ法等を用いて、埋め込みＳｉ層１８ｃの一部を選択的にエッチングして、図２０（ｅ）に示すように反射型の２次元回折格子を構成する穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６を形成する。このとき、穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６の底部は、単結晶Ｓｉ層１０の底部より高く形成する。更に、パッシベーション膜１５としてＳｉ３Ｎ４膜をＣＶＤ法等により全面に形成し、図２０（ｆ）に示すように、穴Ｈｉ１、Ｈｉ２、・・・・・、Ｈｉ６を埋め込む。
【００６３】
（ホ）次に、図２０（ｇ）に示すように、フォトレジスト３１を塗布して露光描画によりパターニングし、フォトレジスト３１をエッチングマスクにして、分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの上面のパッシベーション膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１５の一部をＲＩＥ法等によりエッチング除去する。
【００６４】
（へ）次に、フォトレジスト３１を除去し、パッシベーション膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１５とＳｉ３Ｎ４膜１７をマスクとして、分離絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ及び埋め込み絶縁膜１２としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）のエッチング除去を行えば、図２１（ｈ）に示すように、振動板２の底部に選択的に空洞部９Ｒが形成される。更に、このエッチングで露出した支持基板（単結晶Ｓｉ）１１の表面の一部を、単結晶Ｓｉの異方性エッチャント、例えばＴＭＡＨ等の薬液を用いて、異方性エッチングを行えば、図２１（ｉ）に示すように、振動板２の下方に空洞部９Ｒが形成され、本発明の第１の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る音響電気変換素子が完成する。
【００６５】
図２２に本発明の第１の実施の形態の更に他の変形例（第３変形例）に係る音響電気変換素子の断面構造を示す。
【００６６】
第３変形例に係る音響電気変換素子は、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）１０が順次積層された、ＳＯＩ基板の表面に設けられている。第３変形例に係る音響電気変換素子の固定部４ａ，４ｂは、単結晶Ｓｉ層１０の上面に設けられた船型の空洞部９Ｒを囲んで額縁状に設けられ、振動板２はこの空洞部９Ｒの上部に上に凸となる平坦なブリッジ構造で構成されている。振動板２はポリシリコン層５０からなるダイアフラムである。ポリシリコン層５０には、穴Ｈｉ１，Ｈｉ２，・・・・・，Ｈｉ６，・・・・・が開口され、反射型の２次元回折格子を構成している。固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、ＳＯＩ基板とその上部のパッシベーション膜５３により構成されている。弾性接続部５ａ及び５ｂは、ブリッジ構造のポリシリコン層５０の端部の傾斜部を利用して構成されている。
【００６７】
図２２に示すような反射型の回折格子を有する振動板２を用いても、音圧によって振動した振動板２の振動変位を光で検出する際には、振動板２自身が結像性能を有するため、光路を導くための要素が不要となる。又、フォトダイオードアレイ３によって検出することにより、振動板２の振動変位を２次元的な平面の変位に置き換えることができる。
図２２に示す第３変形例に係る音響電気変換素子の構造は、前もって、船型の空洞部９Ｒの形状の犠牲酸化膜を埋め込んでおき、その上にポリシリコン層５０を堆積し、２次元回折格子を構成する穴Ｈｉ１，Ｈｉ２，・・・・・，Ｈｉ６，・・・・・を開口した後、穴Ｈｉ１，Ｈｉ２，・・・・・，Ｈｉ６，・・・・・を利用してエッチング液を注入し、犠牲酸化膜を除去すれば簡単に製造できる。
【００６８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る音響電気変換素子は、図２３に示すように、回折格子を備え、音圧により振動する振動板２と、回折格子に光を照射する光源１と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する光検出器３とを備えている。そして、振動板２に透過型回折格子が形成されている点が、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子と異なる点である。振動板２が、固定部４ａ，４ｂから弾性接続部５ａ，５ｂで吊るされている点は、第１の実施の形態に係る音響電気変換素子と同様である。
【００６９】
図２３に示す光検出器３には、第１の実施の形態と同様に、フォトダイオードアレイ等のイメージセンサを用いるのが好ましい。即ち、光検出器３は、光強度の違いを検出するのではなく、回折像の２次元的な像の検出により、２次元的な振動板２の変位の検出を行う。このため、フォトダイオードアレイ３は、回折像を漏れなく検知できるように、回折光に対して十分に広いエリアが確保されている。
【００７０】
本発明の第２の実施の形態に係る音響電気変換素子においては、光源１より照射された光が、振動板２に入射し、振動板２には透過型の回折格子が形成されているので、光源１から照射された光波は振動板２を透過し、フォトダイオードアレイ３の面上で回折像をもたらす。
【００７１】
図２３は、回折格子が形成された振動板２が、音声の入力によって振動し、フォトダイオードアレイ３の上での回折像の変位が変化した様子を示す。振動板２が静止時、即ち音声による入力の無い場合は、光源１より照射された光によって、図２３中の太い実線及び太い破線で示すような間隔でフォトダイオードアレイ３の面上に回折像が現れる。次に、この状態に音圧が入力されると、振動板２は、弾性接続部５ａ，５ｂと基板との境界を支点として振動する。したがって、振動板２とフォトダイオードアレイ３間との距離ｆが変化し、フォトダイオードアレイ３の面上の回折像の間隔が細い実線及び細い破線で２次元的に変化する。図２３中の細い実線及び細い破線は、振動板２の振動に伴い回折像の間隔が変化したことを示している。
【００７２】
ここで、フォトダイオードアレイ３の上で得られた回折像について、ある同次、同方位の回折像に注目すると、振動の前後で、フォトダイオードアレイ３の上で差分が得られる。フォトダイオードアレイ３の上での、回折像の変位を検出することで、振動板２の振動変位として出力する。このとき、振動板２の静止時、又は振動時に限らず、連続した振動板２の振動を検出し出力する。回折格子が形成された振動板２は、入力された音声のあらゆる周波数に対しフラットな特性を示すように設計されているが、振動板２の質量或いは固定面と振動板２を繋ぐ弾性接続部５ａ，５ｂのバネ定数を異ならせた、振動板２を複数設置して、入力された音声の周波数に対して広帯域により高い感度を有する構造にしても良い。
【００７３】
又、フォトダイオードアレイ３やその周辺回路同様、回折格子を形成した振動板２においても、半導体製造プロセスで製造することができる。特に、振動板２上の回折格子を形成する際、つまり基板上に溝・格子を形成するにあたって、半導体製造プロセスを用いることは有用で、任意の格子周期を有する回折格子を再現性良く形成でき量産に適している。又、様々な物性を有していることから、振動板２の質量やバネ定数を容易に変更できる。例えば、振動板２にシリコン（Ｓｉ）を用い、光源１に波長λ＝１０００ｎｍ以下のレーザを使用し、格子の側壁に反射率の高い物質をコートすれば、シリコン部に入射した光は吸収し、格子側壁からの回折光のみをフォトダイオードアレイ３の上へ回折させるため、フォトダイオードアレイ３への迷光をカットし、結果Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００７４】
本発明の第２の実施の形態に係る音響電気変換素子は、具体的には、図２４に示すように、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２が懸架されている。固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１を貫通する空洞部９Ｔを囲んで額縁状に設けられ、振動板２はこの空洞部９Ｔの上部の蓋として配置されたダイアフラムである。
【００７５】
固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積された埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２も埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５からなる積層構造である。
【００７６】
弾性接続部５ａ及び５ｂは、埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４から構成され、素子分離絶縁膜１３の層にポリシリコン接続体２１ａ，２１ｂが埋め込まれている。
【００７７】
振動板２に設けられる透過型の回折格子は、図２５（ａ）に示す２次元回折格子でも、図２５（ｂ）に示す１次元回折格子でも構わない。図２５（ａ）では、振動板２にマトリクス状に配置された複数の穴（貫通孔）Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６により２次元回折格子が構成された例を示している。又、図２５（ｂ）では、振動板２に周期的に配置された複数の溝（スリット）Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，・・・・・，Ｇ６により１次元回折格子を構成した例を示している。
【００７８】
図２４では、埋め込み絶縁膜１２，素子分離絶縁膜１３，層間絶縁膜１４，パッシベーション膜１５からなる積層構造を貫通して、貫通孔Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６が開口され、透過型の２次元回折格子を構成している。
【００７９】
弾性接続部５ａ及び５ｂの水平レベルが振動板２の頂部の水平レベルより低いので、複数の穴（貫通孔）Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６からなる２次元回折格子で回折する光が、弾性接続部５ａ及び５ｂからの反射光と容易に分離でき、Ｓ／Ｎ比の向上、感度の上に有利な構造となっている。弾性接続部５ａ及び５ｂの振動モードは、振動板２の振動モードとは異なるので、弾性接続部５ａ及び５ｂからの反射光は、２次元回折格子で回折する光に対する雑音成分として機能するからである。
【００８０】
図２６に本発明の第２の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る音響電気変換素子の断面構造を示す。図２４と同様に、支持基板１１に設けられた固定部４ａ，４ｂに弾性接続部５ａ，５ｂを介して振動板２が懸架されている。固定部４ａ，４ｂは、支持基板１１の上面に額縁状に設けられ、振動板２は支持基板１１を貫通する空洞部９Ｔの上部の蓋として配置されたダイアフラムである。固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に順に堆積されたシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ａ，１８ｅ，パッシベーション膜１５から構成されている。振動板２は、Ｓｉ３Ｎ４膜１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ｃとパッシベーション膜１５からなる積層構造である。弾性接続部５ａ及び５ｂもＳｉ３Ｎ４膜１７，ポリシリコン層からなる埋め込みＳｉ層１８ｂ，１８ｄとパッシベーション膜１５からなる積層構造である。図２６では、Ｓｉ３Ｎ４膜１７，埋め込みＳｉ層１８ｃとパッシベーション膜１５からなる積層構造を貫通して、貫通孔Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６が開口され、透過型の２次元回折格子を構成している。貫通孔Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６の内壁部にも、パッシベーション膜１５が堆積されている。
【００８１】
図２６に示すような透過型の回折格子を有する振動板２を用いても、音圧によって振動した振動板２の振動変位を光で検出する際には、振動板２自身が結像性能を有するため、光路を導くための要素が不要となる。又、フォトダイオードアレイ３によって検出することにより、振動板２の振動変位を２次元的な平面の変位に置き換えることができる。
図２７に本発明の第２の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る音響電気変換素子の断面構造を示す。この第２変形例に係る音響電気変換素子は、単結晶Ｓｉからなる支持基板１１上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）１２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）１０が順次積層された、ＳＯＩ基板の表面に設けられている。第２変形例に係る音響電気変換素子の固定部４ａ，４ｂは、ＳＯＩ基板を貫通する空洞部９Ｔを囲んで額縁状に設けられ、振動板２はこの空洞部９Ｔの上部に上に凸となる平坦なブリッジ構造で構成されている。振動板２はポリシリコン層５０からなるダイアフラムである。ポリシリコン層５０には、穴Ｈｉ１，Ｈｉ２，・・・・・，Ｈｉ６，・・・・・が開口され、透過型の２次元回折格子を構成している。固定部４ａ及び４ｂはそれぞれ、ＳＯＩ基板とその上部のパッシベーション膜５３により構成されている。弾性接続部５ａ及び５ｂは、ブリッジ構造のポリシリコン層５０の端部の傾斜部を利用して構成されている。
【００８２】
図２７に示すような透過型の回折格子を有する振動板２を用いても、音圧によって振動した振動板２の振動変位を光で検出する際には、振動板２自身が結像性能を有するため、光路を導くための要素が不要となる。又、フォトダイオードアレイ３によって検出することにより、振動板２の振動変位を２次元的な平面の変位に置き換えることができる。
【００８３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２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。
【００８４】
既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、穴や溝等の幾何学的形状による回折格子について述べたが、フォトニック結晶のように屈折率の分布により、１次元又は２次元の回折格子を実現しても良い。
【００８５】
更に、例えば図２８に示すような振動板２としても良い。図２８（ａ）に示す振動板２は、額縁状の固定枠５１と、この固定枠５１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、額縁状の固定枠５１が囲む空間に格子を構成するように配置された複数の固定梁５２と、格子の窓部にそれぞれ配置された複数の振動子Ｘｉ，ｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）と、複数の振動子Ｘｉ，ｊのそれぞれと固定梁５２とを接続する弾性梁ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊ（ｉ＝１〜３，ｊ＝１〜３）とを備える。即ち、それぞれ、一枚の主マスとなるダイアフラム状の振動子Ｘｉ，ｊに、４本の弾性梁ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊで繋がっている。４本の弾性梁ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊは、それぞれ小型の副マスとして機能する。
【００８６】
図２８（ｂ）に示すように、この振動板２には、固定梁５２のエッジｅａ、振動子Ｘｉ，ｊのエッジｅｂ、弾性梁ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊのエッジｅｃから回折格像がそれぞれ検出できる。エッジｅａにおいては、固定梁５２のマスが大きいため周波数の低い帯域に感度を有し、以下振動子Ｘｉ，ｊのエッジｅｂ、弾性梁ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊのエッジｅｃと共振周波数が異なるエレメントが存在するため、広帯域の周波数を所謂一枚の振動板２で構築することが可能となる。即ち、それぞれのエッジｅａ，ｅｂ，ｅｃの関係する質量を考慮すると、エッジｅａ，ｅｂ，ｅｃの共振周波数をｆａ０，ｆｂ０，ｆｃ０とすれば
ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０                            （７）
の関係が得られる。センサ面上では、３種類の異なる配列で並ぶ回折像が現れるが、一番変位の大きな回折像を検出に用いることで、任意の周波数に追随できる。
【００８７】
この様に、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。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、簡素かつ小面積の構造で、ダイナミックレンジが広く、幅広い用途に使用可能な音響電気変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は、反射型の２次元回折格子を示す鳥瞰図、図３（ｂ）は反射型の１次元回折格子を示す鳥瞰図である。
【図４】複数の振動板をマトリクス状に配列した場合の、本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の平面図である。
【図５】２次元回折格子を説明する模式図である。
【図６】回折光の位相の関係を説明する模式図である。
【図７】図７（ａ）は２次元の回折格子を用いた場合に生じる回折像で、図７（ｂ）は１次元の回折格子を用いた場合に生じる回折像である。
【図８】回折格子の焦点距離の変化を説明する模式図である。
【図９】２次元回折格子が振動し、焦点距離がｆａからｆｂに変化した場合に、フォトダイオードアレイの面上における斑点の間隔の変化を模式的に示す図である。
【図１０】１次元回折格子が振動し、焦点距離がｆａからｆｂに変化した場合に、フォトダイオードアレイの面上における斑点の間隔の変化を模式的に示す図である。
【図１１】振動板の振動の周期を求める方法を説明する模式図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その３）。
【図１５】本発明の第１の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態の第１変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図１７】本発明の第１の実施の形態の第１変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図１８】本発明の第１の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図１９】本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その１）。
【図２０】本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その２）。
【図２１】本発明の第１の実施の形態の第２変形例に係る音響電気変換素子の製造方法を説明する工程断面図である（その３）。
【図２２】本発明の第１の実施の形態の更に他の変形例（第３変形例）に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係る音響電気変換素子の構成を示す模式図である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図２５】図２５（ａ）は、透過型の２次元回折格子を示す鳥瞰図、図２５（ｂ）は透過型の１次元回折格子を示す鳥瞰図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態の変形例（第１変形例）に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態の他の変形例（第２変形例）に係る音響電気変換素子の具体的な構造例を示す断面図である。
【図２８】本発明の他の実施の形態に係る音響電気変換素子の平面図である。
【符号の説明】
１…光源
２…振動板
３…光検出器（フォトダイオードアレイ）
４ａ，４ｂ…固定部
５ａ，５ｂ…弾性接続部
９Ｒ，９Ｔ…空洞部
１０…単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
１１…支持基板
１２…埋め込み絶縁膜
１３…素子分離絶縁膜
１４…層間絶縁膜
１４…層間絶縁膜
１５，５３…パッシベーション膜
１６ａ…素子分離絶縁膜
１７…シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ…埋め込みＳｉ層
２０ａ，２０ｂ…溝部
２１ａ，２１ｂ…ポリシリコン接続体
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２１３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，４１ａ，４１ｂ…溝
３１，３２，３３…フォトレジスト
５０…ポリシリコン層
５１…固定枠
５２…固定梁
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，・・・・・，Ｇ６…溝
Ｈｉ−１，１，・・・・・，Ｈｉ，１，Ｈ１，２，Ｈ１，３，・・・・・，Ｈｉ＋２，６…穴（凹部又は貫通孔）
Ｑｉ−１，ｊ−１，Ｑｉ−１，ｊ，・・・・・，Ｑｉ，ｊ−１，・・・・・，Ｑｉ＋１，ｊ，Ｑｉ＋１，ｊ＋１，・・・・・…振動板
Ｘｉ，ｊ…振動子
ｅａ，ｅｂ，ｅｃ…エッジ
ｌａｉ，ｊ，ｌｂｉ，ｊ，ｌｃｉ，ｊ，ｌｄｉ，ｊ…弾性梁
【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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【図１９】
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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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