(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に形成された振動電極板と、
前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が小さい一部のセンシング部は、その領域におけるバックプレートの剛性が、前記振動電極板の面積が大きい他のセンシング部におけるバックプレートの剛性よりも高くなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
基板の上方に形成された振動電極板と、
前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
前記センシング部はそれぞれ、前記バックプレート及び前記固定電極板に複数個の開口を形成され、
前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における前記開口の開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部における前記開口の開口率よりも小さくなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】
前記バックプレートの開口率は、前記開口の孔径によって調整されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項４】
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が２つの領域に分割されていて２つの前記センシング部が形成され、
振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の孔径の１／２以下であることを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型センサ。
【請求項５】
振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の静電容量型センサ。
【請求項６】
前記バックプレートの開口率は、前記開口の分布密度によって調整されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項７】
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が２つの領域に分割されていて２つの前記センシング部が形成され、
振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチの２倍以上であることを特徴とする、請求項６に記載の静電容量型センサ。
【請求項８】
前記バックプレートの開口率は、前記開口の孔径及び分布密度によって調整されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項９】
基板の上方に形成された振動電極板と、
前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、
前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、
前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、
複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、
前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、
前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっていることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項１０】
前記振動電極板が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成されていることを特徴とする請求項１、２又は９に記載の静電容量型センサ。
【請求項１１】
請求項１、２又は９に記載の静電容量型センサを利用した音響センサであって、
前記バックプレート及び前記固定電極板に、音響振動を通過させるための複数個の開口を形成し、
音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする音響センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型センサ、音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的に言うと、本発明は、振動電極板（ダイアフラム）と固定電極板からなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型センサに関する。また、本発明は、音響振動を電気信号に変換して出力する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサを用いたマイクロフォンに関する。特に、本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作される微小サイズの静電容量型センサや音響センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機などに搭載される小型のマイクロフォンとしては、これまではエレクトレット・コンデンサマイク（Electret Condenser Microphone）が広く使用されてきた。しかし、エレクトレット・コンデンサマイクは熱に弱く、また、デジタル化への対応、小型化、高機能・多機能化、省電力といった点で、ＭＥＭＳマイクロフォンに劣る。そのため、現在では、ＭＥＭＳマイクロフォンが普及しつつある。
【０００３】
ＭＥＭＳマイクロフォンは、音響振動を検出して電気信号（検出信号）に変換する音響センサ（音響トランスデューサ）と、該音響センサに電圧を印加する駆動回路と、音響センサからの検出信号に対し増幅などの信号処理を行って外部に出力する信号処理回路とを備えている。ＭＥＭＳマイクロフォンに用いられる音響センサは、ＭＥＭＳ技術を利用して製造された静電容量型の音響センサである。また、上記駆動回路および上記信号処理回路は、半導体製造技術を利用してＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として一体に製造される。
【０００４】
近時、マイクロフォンは、小さな音圧から大きな音圧までの音を高感度で検出することが求められている。一般に、マイクロフォンの最大入力音圧は、高調波歪み率（Total Harmonic Distortion）によって制限される。これは、大きな音圧の音をマイクロフォンで検出しようとすると、出力信号に高調波歪みが発生し、音質や精度を損ねてしまうためである。よって、高調波歪み率を小さくすることができれば、最大入力音圧を大きくしてマイクロフォンの検出音圧域（以下、ダイナミックレンジという。）を広くすることができる。
【０００５】
しかしながら、一般的なマイクロフォンでは、音響振動の検出感度向上と高調波歪み率の低減とがトレードオフの関係にある。このため、小音量（小音圧）を検出することのできる高感度のマイクロフォンでは、大音量の音が入ってきたときに出力信号の高調波歪み率が大きくなり、そのために最大検出音圧が制限される。これは、高感度のマイクロフォンは出力信号が大きくなり、高調波歪みが発生し易いからである。反対に、出力信号の高調波歪みを低減することによって最大検出音圧を大きくしようとすると、マイクロフォンの感度が悪くなり、小音量の音を高品質で検出することが困難になる。この結果、一般的なマイクロフォンでは、小音量（小音圧）から大音量（大音圧）まで広いダイナミックレンジを持たせることが困難であった。
【０００６】
このような技術的背景のもとで、広いダイナミックレンジを有するマイクロフォンを実現する方法として、検出感度の異なる複数の音響センサを利用したマイクロフォンが検討されている。このようなマイクロフォンとしては、たとえば特許文献１−４に開示されたものがある。
【０００７】
特許文献１、２には、複数の音響センサを設け、複数の音響センサからの複数の信号を、音圧に応じて切り替える、或いは融合させるマイクロフォンが開示されている。このようなマイクロフォンでは、たとえば検出可能な音圧レベル（ＳＰＬ）が約３０ｄＢ−１１５ｄＢである高感度の音響センサと、検出可能な音圧レベルが約６０ｄＢ−１４０ｄＢである低感度の音響センサとを切り替えて利用することにより、検出可能な音圧レベルが約３０ｄＢ−１４０ｄＢであるマイクロフォンを構成できる。また、特許文献３、４には、１つのチップに、独立した複数の音響センサを形成したものが開示されている。
【０００８】
図１Ａは、特許文献１の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。図１Ｂは、特許文献１の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す。また、図２は、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す。いま、許容される高調波歪み率が２０％であるとすれば、高感度の音響センサの最大検出音圧は約１１５ｄＢとなる。また、高感度の音響センサでは、音圧が約３０ｄＢよりも小さくなるとＳ／Ｎ比が劣化するので、その最小検出音圧は約３０ｄＢとなる。よって、高感度の音響センサのダイナミックレンジは、図１Ａに示すように、約３０ｄＢ−１１５ｄＢとなる。同様に、許容される高調波歪み率が２０％であるとすれば、低感度の音響センサの最大検出音圧は約１４０ｄＢとなる。また、低感度の音響センサは高感度の音響センサよりもダイアフラムの面積が小さく、図２に示すようにダイアフラムの平均変位量も高感度の音響センサより小さい。よって、低感度の音響センサの最小検出音圧は、高感度の音響センサよりも大きくなり、約６０ｄＢとなる。その結果、低感度の音響センサのダイナミックレンジは、図１Ｂに示すように、約６０ｄＢ−１４０ｄＢとなる。このような高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせると、検出可能な音圧域は、図１Ｃに示すように、約３０ｄＢ−１４０ｄＢというように広くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３１６９１６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１８３１６７号明細書
【特許文献３】特開２００８−２４５２６７号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／００４７７４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１−４に記載されているマイクロフォンにおいては、複数の音響センサが別々のチップに形成されている場合であっても、複数の音響センサが１つのチップ（基板）に一体に形成されている場合であっても、各音響センサは互いに独立したコンデンサ構造を有している。そのため、これらのマイクロフォンでは、音響特性にバラツキおよびミスマッチングが発生することになる。ここで、音響特性のバラツキとは、チップ間における音響センサどうしの音響特性のズレをいう。また、音響特性のミスマッチングとは、同一チップ内における複数の音響センサどうしの音響特性のズレをいう。
【００１１】
具体的に言えば、各音響センサが別々のチップに形成されている場合では、作製されるダイアフラムの反りや厚みのバラツキなどのため、検出感度に関するチップ間のバラツキが発生する。その結果、音響センサ間の検出感度の差に関するチップ間のバラツキが大きくなる。また、独立した各音響センサが共通のチップに一体に形成されている場合でも、ＭＥＭＳ技術を用いて各音響センサのコンデンサ構造を作製する際に、ダイアフラムと固定電極との間のギャップ距離にバラツキが生じやすい。さらに、バックチャンバおよびベントホールが個別に形成されることになるので、該バックチャンバおよびベントホールによって影響を受ける周波数特性、位相などの音響特性にチップ内のミスマッチングが発生することになる。
【００１２】
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、感度の異なる複数のセンシング部を一体に形成することによってダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、しかも、耐衝撃性も高い静電容量型センサ及び音響センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る第１の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が小さい一部のセンシング部は、その領域におけるバックプレートの剛性が、前記振動電極板の面積が大きい他のセンシング部におけるバックプレートの剛性よりも高くなっていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る第１の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部（可変コンデンサ構造）が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
【００１５】
また、上記複数のセンシング部は、振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
【００１６】
さらに、第１の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部の振動電極板の面積を他のセンシング部の振動電極板の面積と異ならせている。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため振動電極板が大きく変形して振動電極板が破損することがある。このとき、振動電極板が同じ変位量だけ変位したとき、基板上面に垂直な方向から見た面積の小さな振動電極板ほど局所的な変形（曲げ変形）は大きなものとなる。しかし、本発明に係る静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい領域においてバックプレートの剛性を高くしておけば、落下衝撃などによって面積の小さな振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、面積の小さな振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
【００１７】
なお、一部のセンシング部の振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なる場合とは、たとえばセンシング部が２つである場合には、その２つのセンシング部の基板上面に垂直な方向から見た面積が異なっている場合である。また、センシング部が３つ以上である場合には、典型的には、３つのセンシング部の基板上面に垂直な方向から見た面積がそれぞれ異なっている場合である。また、センシング部が３つ以上の場合では、基板上面に垂直な方向から見た面積が同じセンシング部を含んでいてもよい。
【００２１】
本発明に係る第２の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部はそれぞれ、前記バックプレート及び前記固定電極板に複数個の開口を形成され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における前記開口の開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部における前記開口の開口率よりも小さくなっていることを特徴とする。ここで、バックプレートの開口率を調整する方法としては、各開口の孔径（開口面積）を調整する方法、各開口の分布密度（数密度）を調整する方法、各開口の孔径と分布密度の双方を調整する方法などがある。
【００２２】
本発明に係る第２の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部（可変コンデンサ構造）が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
【００２３】
また、上記複数のセンシング部は、同時に作製された振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
【００２４】
さらに、第２の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部のの振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なり、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの開口率が、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの開口率よりも小さくなっているので、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部でバックプレートの剛性が高くなる。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため面積の小さい振動電極板が大きく変形して振動電極板が破損することがある。しかし、本発明に係る第２の静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部においてバックプレートの剛性を高くしているので、落下衝撃などによって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の面積の小さい側のセンシング部における振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
【００２５】
なお、かかる第２の静電容量型センサは、たとえばセンシング部が２つである場合には、その２つのセンシング部の振動電極板の面積が異なっていて、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部はバックプレートの開口率が比較的小さく、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部はバックプレートの開口率が比較的大きくなっている場合である。また、センシング部が３つ以上である場合には、典型的には、３つのセンシング部の開口率がそれぞれ異なっていて、振動電極板の面積が小さいセンシング部ほどバックプレートの開口率が小さくなっている場合である。また、センシング部が３つ以上の場合では、振動電極板の面積が同じセンシング部を含んでいてもよい。
【００２７】
本発明に係る第２の静電容量型センサのある実施態様は、バックプレートにあけた開口の孔径によってバックプレートの開口率を調整した第２の静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が２つの領域に分割されていて２つの前記センシング部が形成され、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の孔径の１／２以下であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における振動電極板の破損を効果的に防止することができる。
【００２８】
また、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の孔径は、１０μｍ以下であることが望ましい。バックプレートの開口と連続させて固定電極板にも開口があいている場合でも、固定電極板と振動電極板との間の電界は開口内に広がるので、センシング部は固定電極板に孔のないコンデンサとみなすことができ、静電容量型センサの感度が向上する。これをフリンジ効果という。しかし、このようなフリンジ効果は、開口の孔径が１０μｍよりも大きくなると期待できなくなる。よって、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの開口の孔径は、１０μｍ以下であることが望ましい。
【００２９】
本発明に係る第２の静電容量型センサのさらに別な実施態様は、バックプレートにあけた開口の分布密度によってバックプレートの開口率を調整した第２の静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が２つの領域に分割されていて２つの前記センシング部が形成され、振動電極板の面積が小さい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が大きい側の前記センシング部における前記開口の配列ピッチの２倍以上であることを特徴とする。振動電極板と固定電極板のうち少なくとも一方が２つの領域に分割されていて２つのセンシング部が形成されている静電容量型センサにおいて、開口の配列ピッチを大きくすることによってバックプレートの剛性を高くする場合、振動電極板の破損を効果的に防止するためには、振動電極板の面積が大きい側のバックプレートにあけた開口の配列ピッチは、振動電極板の面積が小さい側のバックプレートにあけた開口の配列ピッチの２倍以上であることが望ましい。
【００３０】
本発明に係る第３の静電容量型センサは、基板の上方に形成された振動電極板と、前記振動電極板を覆うようにして前記基板の上方に形成されたバックプレートと、前記振動電極板と対向させるようにして前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた静電容量型センサにおいて、前記振動電極板と前記固定電極板のうち少なくとも一方が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成され、複数の前記センシング部から異なる感度の複数の信号が出力され、前記センシング部のうち少なくとも一部のセンシング部は、その振動電極板の面積が他のセンシング部における振動電極板の面積と異なり、前記センシング部のうち前記振動電極板の面積が異なる少なくとも一対のセンシング部は、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっていることを特徴とする。
【００３１】
本発明に係る第３の静電容量型センサによれば、振動電極板および固定電極板の少なくとも一方が分割されているので、振動電極板および固定電極板の間に複数のセンシング部（可変コンデンサ構造）が形成される。したがって、分割された各センシング部からそれぞれ電気信号を出力することができ、音響振動などの圧力変化を複数の電気信号に変換して出力することができる。このような静電容量型センサによれば、たとえば各センシング部の振動電極板毎に面積を異ならせることにより、各センシング部の検知域や感度を異ならせることができ、信号を切り替えたり組み合わせたりすることによって感度を低下させることなく静電容量型センサの検知域を広げることができる。
【００３２】
また、上記複数のセンシング部は、同時に作製された振動電極板又は固定電極板を分割して形成することができるので、別々に作製されていて互いに独立した複数のセンシング部を有する従来技術に比べて、各センシング部どうしの特性バラツキが小さくなる。その結果、各センシング部どうしの検出感度の差に起因する特性バラツキを小さくすることができる。また、各センシング部は、振動電極板と固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの特性に関するミスマッチングを抑えることができる。
【００３３】
さらに、第３の静電容量型センサにおいては、一部のセンシング部の振動電極板の面積が他のセンシング部の振動電極板の面積と異なり、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みが、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部におけるバックプレートの厚みよりも厚くなっているので、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部でバックプレートの剛性が高くなる。静電容量型センサに落下衝撃などが加わって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部におけるバックプレートの剛性が低いと、振動電極板の衝突によってバックプレートが変形し、バックプレートが振動電極板を受け止めることができない。そのため振動電極板が大きく変形して面積の小さい振動電極板が破損することがある。しかし、本発明に係る第３の静電容量型センサの場合には、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部においてバックプレートの剛性を高くしているので、落下衝撃などによって振動電極板が変形してバックプレートに衝突したとき、バックプレートが変形しにくいので、振動電極板がそれ以上変形しなくなる。その結果、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部における振動電極板の破損をより効果的に防止することができる。
【００３４】
なお、かかる第３の静電容量型センサは、たとえばセンシング部が２つである場合には、その２つのセンシング部の振動電極板の面積が異なっていて、振動電極板の面積が小さい側のセンシング部はバックプレートの厚みが比較的厚く、振動電極板の面積が大きい側のセンシング部はバックプレートの厚みが比較的薄くなっている場合である。また、センシング部が３つ以上である場合には、典型的には、３つのセンシング部におけるバックプレートの厚みがそれぞれ異なっていて、振動電極板の面積が小さいセンシング部ほどバックプレートの厚みが厚くなっている場合である。また、センシング部が３つ以上の場合では、振動電極板の面積同じセンシング部を含んでいてもよい。
【００３５】
本発明に係る第１、第２の静電容量型センサのさらに別な実施態様、および本発明に係る第３の静電容量センサのある実施態様は、それぞれ、前記振動電極板が複数領域に分割されていて、分割された各領域毎にそれぞれ前記振動電極板と前記固定電極板からなるセンシング部が形成されていることを特徴とする。これらの実施形態においては、圧力で変位する振動電極を分割して複数のセンシング部を形成しているので、各センシング部の独立性が高くなる。
【００３６】
本発明に係る音響センサは、本発明に係る第１、第２又は第３の静電容量型センサを利用した音響センサであって、前記バックプレート及び前記固定電極板に、音響振動を通過させるための複数個の開口を形成し、音響振動に感応した前記ダイアフラムと前記固定電極板との間の静電容量の変化により、前記センシング部から信号を出力することを特徴とする。かかる音響センサによれば、小音量（小音圧）から大音量（大音圧）までの広いダイナミックレンジ有し、かつ、高感度で高品質の音響センサを作製することができる。しかも、大音量用のセンシング部でバックプレートの剛性を高くしておくことにより、音響センサを落下させた場合などに大音量用のセンシング部の振動電極板が破損するのを防ぐことができ、音響センサの耐衝撃性や耐久性を高めることができる。
【００３７】
本発明に係るマイクロフォンは、本発明に係る音響センサと、前記音響センサからの信号を増幅して外部に出力する回路部とを備えたことを特徴とする。かかるマイクロフォンも、上記音響センサと同様な作用効果を有する。
【００３８】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１Ａは、特許文献１の高感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図１Ｂは、特許文献１の低感度の音響センサにおける高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。図１Ｃは、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサを組み合わせた場合における、高調波歪み率と音圧との関係を示す図である。
【図２】図２は、特許文献１の高感度の音響センサと低感度の音響センサにおけるダイアフラムの平均変位量と音圧との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による音響センサの分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態１による音響センサの断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明の実施形態１による音響センサの平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＸ部拡大図である。
【図６】図６は、図５Ａに示した音響センサからバックプレートや保護膜などを除いた状態を示す平面図である。
【図７】図７Ａは、本発明の実施形態１による音響センサと信号処理回路をケーシング内に納めたマイクロフォンの一部破断した平面図である。図７Ｂは、当該マイクロフォンの縦断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態１によるマイクロフォンの回路図である。
【図９】図９は、マイクロフォンを落下させたときの様子を示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、落下によって比較例によるマイクロフォンが破損する様子を示す概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態１によるマイクロフォンを落下させたときの様子を示す概略断面図である。
【図１２】図１２Ａは、第１及び第２音響センシング部における各アコースティックホールの孔径を変化させたときの、第１固定電極板の変位量を示す図である。図１２Ｂは、第１及び第２音響センシング部における各アコースティックホールの孔径を変化させたときの、第２固定電極板の変位量を示す図である。
【図１３】図１３は、ダイアフラムに大きな空気圧が加わったときに第２ダイアフラムが破損する空気圧（空気耐圧）を、比較例と実施形態１とで比較して示す図である。
【図１４】図１４は、比較例の音響センサのバックプレート及び固定電極板の変位量の分布を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態１の音響センサのバックプレート及び固定電極板の変位量の分布を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態１の変形例を示す平面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態２による音響センサの平面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態３による音響センサの断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態４による音響センサの構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態５による音響センサの構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。特に、以下においては音響センサ及びマイクロフォンを例にとって説明するが、本発明は音響センサ以外に、圧力センサなどの静電容量型センサにも適用できるものである。
【００４１】
（実施形態１）
以下、図３−６を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図３は、本発明の実施形態１による音響センサ１１の分解斜視図である。図４は、音響センサ１１の断面図である。図５Ａは、音響センサ１１の平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＸ部拡大図である。図６は、バックプレート１８や保護膜３０などを除いた音響センサ１１の平面図であって、シリコン基板１２の上方でダイアフラム１３と固定電極板１９が重なった様子を表している。ただし、これらの図は、音響センサ１１のＭＥＭＳによる製造工程を反映したものではない
【００４２】
この音響センサ１１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型素子である。図３及び図４に示すように、この音響センサ１１は、シリコン基板１２（基板）の上面にアンカー１６ａ、１６ｂを介してダイアフラム１３を設け、ダイアフラム１３の上方に微小なエアギャップ２０（空隙）を介して天蓋部１４を配し、シリコン基板１２の上面に天蓋部１４を固定したものである。
【００４３】
単結晶シリコンからなるシリコン基板１２には、表面から裏面に貫通したチャンバ１５（空洞部）が開口されている。図示のチャンバ１５は、（１００）面シリコン基板の（１１１）面及び（１１１）面と等価な面によって形成された傾斜面で壁面が構成されているが、チャンバ１５の壁面は垂直面であってもよい。
【００４４】
ダイアフラム１３は、チャンバ１５の上方を覆うようにしてシリコン基板１２の上方に配置されている。図３及び図６に示すように、ダイアフラム１３は、略矩形状に形成されている。ダイアフラム１３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されていてダイアフラム１３自体が振動電極板となっている。ダイアフラム１３は、短辺と平行な方向に延びた略直線状のスリット１７によって大小２つの領域に分割されている。ただし、ダイアフラム１３はスリット１７によって完全に２分割されているというのではなく、スリット１７の端部付近で機械的及び電気的につながっている。以下においては、スリット１７によって分割された２つの領域のうち、面積の大きな略矩形領域を第１ダイアフラム１３ａと呼び、第１ダイアフラム１３ａよりも面積の小さな略矩形領域を第２ダイアフラム１３ｂと呼ぶ。
【００４５】
第１ダイアフラム１３ａは、シリコン基板１２の上面で、各コーナー部に設けられた脚片２６をアンカー１６ａによって支持されており、シリコン基板１２の上面から浮かせて支持されている。図４に示すように、隣接するアンカー１６ａ間において、第１ダイアフラム１３ａの外周部下面とシリコン基板１２の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール２２ａが形成されている。
【００４６】
第２ダイアフラム１３ｂは、シリコン基板１２の上面で、その両短辺をアンカー１６ｂによって支持されており、シリコン基板１２の上面から浮かせて支持されている。第２ダイアフラム１３ｂの長辺下面とシリコン基板１２の上面との間には、音響振動を通過させるための狭いベントホール２２ｂが形成されている。
【００４７】
第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂは、いずれもシリコン基板１２の上面から等しい高さにある。すなわち、ベントホール２２ａとベントホール２２ｂは等しい高さの隙間となっている。また、ダイアフラム１３には、シリコン基板１２の上面に設けられた引出配線２７が接続される。さらに、シリコン基板１２の上面には、ダイアフラム１３を囲むようにして帯状の土台部２１が形成されている。アンカー１６ａ、１６ｂ及び土台部２１は、ＳｉＯ２によって形成されている。
【００４８】
図４に示すように、天蓋部１４は、ＳｉＮからなるバックプレート１８の下面にポリシリコンからなる固定電極板１９を設けたものである。天蓋部１４はドーム状に形成されていて、その下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム１３ａ、１３ｂを覆っている。天蓋部１４の下面（すなわち、固定電極板１９の下面）とダイアフラム１３ａ、１３ｂの上面との間には微小なエアギャップ２０（空隙）が形成されている。
【００４９】
固定電極板１９は、第１ダイアフラム１３ａと対向する第１固定電極板１９ａと、第２ダイアフラム１３ｂと対向する第２固定電極板１９ｂとに分割されていて、固定電極板１９ａ、１９ｂどうしは電気的に分離している。第１固定電極板１９ａは、第２固定電極板１９ｂよりも大きな面積を有している。第１固定電極板１９ａからは引出配線２８が引き出されており、第２固定電極板１９ｂからは引出配線２９が引き出されている。
【００５０】
エアギャップ２０を挟んで対向する第１ダイアフラム１３ａと第１固定電極板１９ａによってコンデンサ構造の第１音響センシング部２３ａが形成されている。また、エアギャップ２０を挟んで対向する第２ダイアフラム１３ｂと第２固定電極板１９ｂによってコンデンサ構造の第２音響センシング部２３ｂが形成されている。第１音響センシング部２３ａにおけるエアギャップ２０のギャップ距離と、第２音響センシング部２３ｂにおけるエアギャップ２０のギャップ距離は等しい。なお、第１及び第２ダイアフラム１３ａ、１３ｂの分割位置と、第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂの分割位置は、図示例では一致しているが、ずれていても差し支えない。
【００５１】
第１音響センシング部２３ａにおいて、天蓋部１４（すなわち、バックプレート１８と第１固定電極板１９ａ）には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール２４ａ（音響孔）が多数穿孔されている。第２音響センシング部２３ｂにおいて、天蓋部１４（すなわち、バックプレート１８と第２固定電極板１９ｂ）には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール２４ｂ（音響孔）が多数穿孔されている。
【００５２】
図５及び図６に示すように、アコースティックホール２４ａ、２４ｂはそれぞれ規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール２４ａ、２４ｂは、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。アコースティックホール２４ａ、２４ｂは、同じピッチ又は同じ分布密度（数密度）で設けられているが、第１音響センシング部２３ａのアコースティックホール２４ａの１個あたりの開口面積は、第２音響センシング部２３ｂのアコースティックホール２４ｂの１個あたりの開口面積よりも大きくなっている。したがって、バックプレート１８は、第２音響センシング部２３ｂにおける剛性が、第１音響センシング部２３ａにおける剛性よりも大きくなっている。
【００５３】
図４に示すように、第１音響センシング部２３ａでも第２音響センシング部２３ｂでも、天蓋部１４の下面には、円柱状をした微小なストッパ２５（突起）が突出している。ストッパ２５は、バックプレート１８の下面から一体に突出しており、第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂを貫通して天蓋部１４の下面に突出している。ストッパ２５はバックプレート１８と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。このストッパ２５は、静電気力によって各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが各固定電極板１９ａ、１９ｂに固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。
【００５４】
天蓋状をしたバックプレート１８の外周縁からは、全周にわたって保護膜３０が連続的に延出している。保護膜３０は、土台部２１とその外側のシリコン基板表面を覆っている。
【００５５】
保護膜３０の上面には、共通電極パッド３１、第１電極パッド３２ａ、第２電極パッド３２ｂ及び接地電極パッド３３が設けられている。ダイアフラム１３に接続された引出配線２７の他端は、共通電極パッド３１に接続されている。第１固定電極板１９ａから引き出された引出配線２８は、第１電極パッド３２ａに接続され、第２固定電極板１９ｂから引き出された引出配線２９は、第２電極パッド３２ｂに接続されている。また、電極パッド３３は、シリコン基板１２に接続されていて、接地電位に保たれる。
【００５６】
この音響センサ１１にあっては、音響振動がチャンバ１５（フロントチャンバ）に入ると、薄膜である各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが音響振動によって同じ位相で振動する。各ダイアフラム１３ａ、１３ｂが振動すると、各音響センシング部２３ａ、２３ｂの静電容量が変化する。この結果、各音響センシング部２３ａ、２３ｂにおいては、ダイアフラム１３ａ、１３ｂが感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム１３ａ、１３ｂと固定電極板１９ａ、１９ｂの間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。また、異なる使用形態、すなわちチャンバ１５をバックチャンバとする使用形態の場合には、音響振動がアコースティックホール２４ａ、２４ｂを通過して天蓋部１４内のエアギャップ２０に入り、薄膜である各ダイアフラム１３ａ、１３ｂを振動させる。
【００５７】
また、第２ダイアフラム１３ｂの面積は第１ダイアフラム１３ａの面積よりも小さくなっているので、第２音響センシング部２３ｂは中音量〜大音量までの音圧域用の低感度の音響センサとなっており、第１音響センシング部２３ａは小音量〜中音量までの音圧域用の高感度の音響センサとなっている。したがって、両音響センシング部２３ａ、２３ｂをハイブリッド化して後述の処理回路によって信号を出力させることにより音響センサ１１のダイナミックレンジを広げることができる。たとえば、第１音響センシング部２３ａのダイナミックレンジを約３０−１２０ｄＢとし、第２音響センシング部２３ｂのダイナミックレンジを約５０−１４０ｄＢとすれば、両音響センシング部２３ａ、２３ｂを組み合わせることでダイナミックレンジを約３０−１４０ｄＢに広げることができる。また、音響センサ１１を小音量〜中音量までの第１音響センシング部２３ａと中音量〜大音量までの第２音響センシング部２３ｂに分けてあれば、第１音響センシング部２３ａの出力を大音量では使用しないようにでき、第１音響センシング部２３ａは大きな音圧域で高調波歪み率が大きくなっても差し支えない。よって、第１音響センシング部２３ａの小音量に対する感度を高くすることができる。
【００５８】
さらに、この音響センサ１１では、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが同一基板上に形成されている。しかも、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが、ダイアフラム１３を分割した第１ダイアフラム１３ａ及び第２ダイアフラム１３ｂと、固定電極板１９を分割した第１固定電極板１９ａ及び第２固定電極板１９ｂとによって構成されている。すなわち、本来１つのセンシング部となるものを２つに分割して第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂをハイブリッド化しているので、１つの基板に独立した２つのセンシング部を設けた従来例や別々の基板にそれぞれセンシング部を設けた従来例に比較して、第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂは、検出感度に関するバラツキが類似することになる。その結果、両音響センシング部２３ａ、２３ｂ間の検出感度バラツキを小さくできる。また、両音響センシング部２３ａ、２３ｂは、上記ダイアフラムと固定電極板を共用しているので、周波数特性、位相などの音響特性に関するミスマッチングを抑制することができる。
【００５９】
図７Ａは、実施形態１の音響センサ１１を内蔵したマイクロフォン４１の一部破断した平面図であって、カバー４３の上面を除去して内部を表している。図７Ｂは、当該マイクロフォン４１の縦断面図である。
【００６０】
このマイクロフォン４１は、回路基板４２とカバー４３からなるパッケージ内に音響センサ１１と信号処理回路４４（ＡＳＩＣ）を内蔵したものである。音響センサ１１と信号処理回路４４は、回路基板４２の上面に実装されている。回路基板４２には、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔４５が開口されている。音響センサ１１は、チャンバ１５の下面開口を音導入孔４５に合わせ、音導入孔４５を覆うようにして回路基板４２の上面に実装されている。したがって、音響センサ１１のチャンバ１５がフロントチャンバとなっており、パッケージ内の空間がバックチャンバとなっている。
【００６１】
音響センサ１１の電極パッド３１、３２ａ、３２ｂ及び３３は、それぞれボンディングワイヤ４６によって信号処理回路４４の各パッド４７に接続されている。回路基板４２の下面にはマイクロフォン４１を外部と電気的接続するための端子４８が複数個設けられ、回路基板４２の上面には端子４８と導通した各電極部４９が設けられている。回路基板４２に実装された信号処理回路４４の各パッド５０は、それぞれボンディングワイヤ５１によって電極部４９に接続されている。なお、信号処理回路４４のパッド５０は、音響センサ１１へ電源を供給する機能や、音響センサ１１の容量変化信号を外部へ出力する機能を有するものである。
【００６２】
回路基板４２の上面には、音響センサ１１及び信号処理回路４４を覆うようにしてカバー４３が取り付けられる。パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃からマイクロフォン４１を保護している。
【００６３】
こうして、音導入孔４５からパッケージ内に入った音響振動は、音響センサ１１によって検出され、信号処理回路４４によって増幅及び信号処理された後に出力される。このマイクロフォン４１では、パッケージ内の空間をバックチャンバとしているので、バックチャンバの容積を大きくでき、マイクロフォン４１を高感度化することができる。
【００６４】
なお、このマイクロフォン４１においては、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔４５をカバー４３の上面に開口していてもよい。この場合には、音響センサ１１のチャンバ１５がバックチャンバとなり、パッケージ内の空間がフロントチャンバとなる。
【００６５】
図８は、図７に示すＭＥＭＳマイクロフォン４１の回路図である。図８に示すように、音響センサ１１は、音響振動によって容量が変化する高感度の第１音響センシング部２３ａと低感度の第２音響センシング部２３ｂを備えている。
【００６６】
また、信号処理回路４４は、チャージポンプ５２、低感度用アンプ５３、高感度用アンプ５４、ΣΔ（ΔΣ）型ＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）５５、５６、基準電圧発生器５７、およびバッファ５８を備える構成である。
【００６７】
チャージポンプ５２は、低感度用アンプ５３及び高感度用アンプ５４に高電圧ＨＶを印加しており、第２音響センシング部２３ｂから出力された電気信号は低感度用アンプ５３によって増幅され、また第１音響センシング部２３ａから出力された電気信号は高感度用アンプ５４によって増幅される。低感度用アンプ５３で増幅された信号は、ΣΔ型ＡＤＣ５５においてデジタル信号に変換される。同様に、高感度用アンプ５４で増幅された信号は、ΣΔ型ＡＤＣ５６においてデジタル信号に変換される。ΣΔ型ＡＤＣ５５、５６において変換されたデジタル信号は、バッファ５８を介してＰＤＭ（パルス密度変調）信号として外部に出力される。また、図示しないが、バッファ５８から出力された信号の強度が大きい場合（すなわち、音圧が大きい場合）には、ΣΔ型ＡＤＣ５５の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ＡＤＣ５６の出力がオフになる。したがって、第２音響センシング部２３ｂで検出された音圧の大きな音響振動の電気信号がバッファ５８から出力される。反対に、バッファ５８から出力された信号の強度が小さい場合（すなわち、音圧が小さい場合）には、ΣΔ型ＡＤＣ５６の出力がオンに保たれ、ΣΔ型ＡＤＣ５５の出力がオフになる。したがって、第１音響センシング部２３ａで検出された音圧の小さな音響振動の電気信号がバッファ５８から出力される。こうして、音圧に応じて第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが自動的に切り替えられる。
【００６８】
なお、図８の例では、ΣΔ型ＡＤＣ５５、５６にて変換された２つのデジタル信号を混載して、１つのデータ線上に出力しているが、上記２つのデジタル信号を別々のデータ線上に出力してもよい。
【００６９】
ところで、高感度用と低感度用の音響センシング部を設けた音響センサ、あるいはその音響センサを内蔵したマイクロフォンでは、落下させたときの風圧によってダイアフラムが破損する恐れがある。本発明の実施形態１による音響センサ１１によれば、このような破損を防ぐことができる。この理由は次の通りである。
【００７０】
図９は、機器６１に実装されたマイクロフォン４１を地面６２に向けて落下させたときの様子を示す。機器６１には、マイクロフォン４１の音導入孔４５に対応させて貫通孔６３があいている。このようにして機器６１に実装されたマイクロフォン４１を白抜矢印で示す方向へ落下させると、図９に太線矢印で示すように、貫通孔６３及び音導入孔４５からチャンバ１５内に空気が吹き込む。そのため、チャンバ１５内の空気が圧縮されてチャンバ１５内の圧力が高くなり、ダイアフラム１３ａ、１３ｂが上方へ押し上げられる。また、チャンバ１５内に吹き込む空気の風圧や衝撃力によっても、ダイアフラム１３ａ、１３ｂが上方へ押し上げられる。
【００７１】
図１０は、こうしてダイアフラムが押し上げられた比較例の音響センサを表わしている。比較例の音響センサでは、実施形態１の音響センサ１１と異なり、均一なアコースティックホール２４が設けられている。すなわち、第１音響センシング部２３ａのアコースティックホール２４と第２音響センシング部２３ｂのアコースティックホール２４は、同じ分布密度で設けられており、かつ、各アコースティックホール２４の孔径（開口面積）も等しくなっている。第２ダイアフラム１３ｂは第１ダイアフラム１３ａよりも面積が小さいので、圧力が小さい場合には、第２ダイアフラム１３ｂの平均変位量は第１音響センシング部２３ａの平均変位量よりも小さい。しかし、ダイアフラム１３ａ、１３ｂに加わる圧力が大きい場合には、大きく変位した第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂはバックプレート１８のストッパ２５に当たるので、同程度の変位量になる。したがって、第２ダイアフラム１３ｂは面積が小さい分だけ、第１ダイアフラム１３ａよりも変形が大きく、特に第２ダイアフラム１３ｂの周辺部が大きく歪んで大きな内部応力が発生する。しかも、第２音響センシング部２３ｂでも第１音響センシング部２３ａと同じアコースティックホール２４が形成されているので、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８の剛性は第１音響センシング部２３ａにおけるバックプレート１８の剛性と同じように比較的小さい。そのため、変形した第２ダイアフラム１３ｂがバックプレート１８に当たると、第２音響センシング部２３ｂのバックプレート１８も撓み、ますます第２ダイアフラム１３ｂの平均変位量が大きくなる。この結果、比較例の音響センサでは、図１０に示すように、第２ダイアフラム１３ｂが大きく変形して周辺部などが破損しやすい。
【００７２】
第２ダイアフラム１３ｂの変形を小さくして第２ダイアフラム１３ｂが破損しにくくするためには、バックプレート１８の剛性を高くしてダイアフラム１３ａ、１３ｂが当たってもバックプレート１８が変形しにくくすればよい。そのためには、バックプレート１８に設けるアコースティックホール２４の孔径を小さくすればよい。しかし、比較例では、バックプレート１８の全体に同じ孔径のアコースティックホール２４を設けているので、アコースティックホール２４の孔径を小さくすると、第１音響センシング部２３ａにおいて熱雑音の原因である空気分子が逃げにくくなる。そのため、第１音響センシング部２３ａにおいて熱雑音によるノイズが大きくなり、第１音響センシング部２３ａの感度が低下する。
【００７３】
また、バックプレート１８の剛性を高くするためには、バックプレート１８の厚みを大きくする方法も考えられる。しかし、バックプレート１８の厚みを大きくした場合にも、第１音響センシング部２３ａにおいて熱雑音の原因である空気分子が逃げにくくなる。そのため、第１音響センシング部２３ａにおいて熱雑音によるノイズが大きくなり、第１音響センシング部２３ａの感度が低下する。
【００７４】
これに対し、実施形態１の音響センサ１１では、第２音響センシング部２３ｂにおけるアコースティックホール２４ｂの孔径が、第１音響センシング部２３ａにおけるアコースティックホール２４ａの孔径よりも小さい。その結果、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８の剛性を高めることができる。よって、図１１に示すように、落下衝撃や風圧、チャンバ１５内で圧縮された空気などによって第２ダイアフラム１３ｂが変形してバックプレート１８に当っても、第２音響センシング部２３ｂのバックプレート１８が変形しにくくなる。そのため、バックプレート１８によって第２ダイアフラム１３ｂの過度の変形や内部応力を抑制することができ、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防ぐことができる。
【００７５】
一方、第１音響センシング部２３ａでは、アコースティックホール２４ａの孔径を一般的なサイズにしておき、バックプレート１８の厚みも一般的な厚みにしておけば、第１音響センシング部２３ａにおける熱雑音が大きくなることがない。そのため、Ｓ／Ｎ比に対する要求の厳しい第１音響センシング部２３ａ側では、小音量域での感度を低下させることがない。また、第２音響センシング部２３ｂは、ノイズレベルより十分高い出力が得られる大音量域で使用されるため、Ｓ／Ｎ比に対する要求は厳しくなく、アコースティックホール２４ｂの孔径を小さくしても差し支えない。よって、実施形態１の音響センサ１１によれば、小音量側での感度を低下させることなく、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防ぐことが可能になる。
【００７６】
また、音響センサ１１における、アコースティックホール２４ｂの孔径は、アコースティックホール２４ａの孔径の１／２以下であることが望ましい。特に、アコースティックホール２４ｂの孔径は、４μｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。
【００７７】
図１２Ａは、バックプレート１８と固定電極板１９に一定の空気圧（落下時に加わると想定した空気圧）を加えてバックプレート１８と固定電極板１９を変形させた場合における、第１固定電極板１９ａの変位量をシミュレーションにより求めた結果を表している。また、図１２Ｂは、その時の第２固定電極板１９ｂの変位量を表している。図１２Ａ及び図１２Ｂは、アコースティックホール２４ａの孔径をＤ１、アコースティックホール２４ｂの孔径をＤ２としたとき、それぞれＤ１＝１７μｍ、Ｄ２＝１７μｍ（比較例）の場合と、Ｄ１＝１７μｍ、Ｄ２＝６μｍ（実施形態１）の場合とを表している。
【００７８】
図１２Ｂによれば、アコースティックホール２４ｂの孔径Ｄ２を１７μｍから６μｍに小さくすれば、第２固定電極板１９ｂの変位量を１８％減らし、剛性を向上できることが分かる。これにより、落下時の空気圧による第２ダイアフラム１３ｂの変形を抑制することができ、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防止できる。
また、図１２Ａによれば、アコースティックホール２４ｂの孔径Ｄ２を小さくすることで、第１固定電極板１９ａの変位も小さくできることが分かる。
【００７９】
図１３は、孔径Ｄ１とＤ２がいずれも１７μｍである比較例の音響センサにおいて、ダイアフラム１３ａ、１３ｂに次第に大きな圧力を加えてゆき、ダイアフラム１３ｂをストッパ２５に接触させてさらに圧力を加え、第２ダイアフラム１３ｂを破壊させたときの圧力値を示す。また、図１３には、孔径Ｄ１が１７μｍで孔径Ｄ２が６μｍである実施形態１の音響センサ１１において、ダイアフラム１３ａ、１３ｂに次第に大きな圧力を加えてゆき、ダイアフラム１３ｂをストッパ２５に接触させてさらに圧力を加え、第２ダイアフラム１３ｂを破壊させたときの圧力値も示す。図１３によれば、アコースティックホール２４ｂの孔径がアコースティックホール２４ａの孔径と同じ場合には、７８ｋＰａで第２ダイアフラム１３ｂが破壊するが、アコースティックホール２４ｂの孔径を６μｍに小さくすれば、第２ダイアフラム１３ｂの破壊強度が９５ｋＰａくらいまで向上する（２２％の向上）。
【００８０】
図１４は、孔径Ｄ１とＤ２がいずれも１７μｍであるアコースティックホール２４ａ、２４ｂを有するバックプレート１８と固定電極板１９を示した比較例の図である。ここには、バックプレート１８と固定電極板１９に一定の圧力を加えて変形させた場合の各部の変形量を白黒の濃度の違いによって表している。変形量は白いほど変形量が大きく、黒いほど変形量が小さくなっている。
【００８１】
また、図１５は、孔径Ｄ１が１７μｍのアコースティックホール２４ａと孔径Ｄ２が６μｍのアコースティックホール２４ｂを有するバックプレート１８と固定電極板１９を示した実施形態１の図である。ここでも、図１４と同一条件下におけるバックプレート１８と固定電極板１９の各部の変形量を白黒の濃度の違いによって表している。
【００８２】
図１４及び図１５のシミュレーションからも、アコースティックホール２４ｂの孔径を小さくすることによって、第２固定電極板１９ｂ（及び第１固定電極板１９ａ）の変位量を小さくでき、剛性を向上できることが分かる。これにより、落下時の空気圧による第２ダイアフラム１３ｂの変形を抑制し、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防止できる。
【００８３】
また、実施形態１の音響センサ１１及びマイクロフォン４１は、落下時などのダイアフラムの破損を防止できる以外にも、種々の効果を有している。
【００８４】
まず、実施形態１の音響センサ１１は、導入が容易であるという利点がある。すなわち、(i) 第２音響センシング部２３ｂ側におけるアコースティックホール２４ｂの孔径を変更するだけでよいので、第１音響センシング部２３ａの特性（感度やＳ／Ｎ比など）が影響を受けない。(ii) バックプレート１８の膜厚を厚くする必要がないので、バックプレート１８の堆積時間が長くならないので、音響センサの生産性がよい。また、アコースティックホール２４ａ、２４ｂを開口させるためのマスクのデザイン変更だけで済み、容易に設計変更できる。(iii) マスクデザインの変更のみで導入可能である。(iv) また、アコースティックホール２４ａ、２４ｂの配列ピッチを一定にすれば、犠牲層エッチングに必要な時間への変更も軽微である。その結果、従来の生産設備を用いることができ、製造プロセスも増加しないので、容易に導入できる。
【００８５】
また、実施形態１の音響センサ１１によれば、(i) 第２固定電極板１９ｂの電極面積が増加するので、第２音響センシング部２３ｂの出力感度が向上し、（ii) アコースティックホール２４ｂの孔径を小さくすることとフリンジ効果により、孔をあけていない固定電極板を用いた場合と同じ静電容量を実現できるので、音響センサ１１の出力感度を向上させることができる。
【００８６】
実施形態１の音響センサ１１によれば、第２音響センシング部２３ｂにおけるアコースティックホール２４ｂの孔径を小さくすることにより、塵やホコリがアコースティックホール２４ｂから内部に浸入しにくくなる。その結果、塵やホコリがダイアフラムに付着して音響センサ１１の特性を変化させる恐れが少なくなる。
【００８７】
実施形態１の音響センサ１１によれば、バックプレート１８の剛性が高くなるので、音響センサ１１の製造プロセスにより生じる残留応力のバラツキに起因するバックプレート１８の反りが低減し、バックプレート１８の形状が安定する。
【００８８】
実施形態１の音響センサ１１によれば、バックプレート１８の剛性が高くなるので、落下試験などの衝撃に対するバックプレート１８の強度が向上する。
【００８９】
大音量時に第１ダイアフラム１３ａがバックプレート１８に衝突すると、第１音響センシング部２３ａにおいてバックプレート１８に歪みの大きな振動が生じる。バックプレート１８を通じて第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂが干渉し、この歪みの大きな振動が第２音響センシング部２３ｂ側へ伝わると、第２音響センシング部２３ｂにおける高調波歪み率が大きくなり、第２音響センシング部２３ｂの特性が劣化することがある。しかし、実施形態１の音響センサ１１によれば、バックプレート１８の剛性が高くなるので、第１音響センシング部２３ａで発生した歪みの大きな振動が第２音響センシング部２３ｂへ伝わりにくくなる。その結果、第２音響センシング部２３ｂにおける高調波歪み率が改善される。
【００９０】
（実施形態１の変形例）
図１６は、本発明の実施形態１の変形例による音響センサを示す平面図であって、バックプレート１８や保護膜３０などを除いた状態を表わしている。この音響センサのように、ダイアフラム１３は、スリット１７によって第１ダイアフラム１３ａと第２ダイアフラム１３ｂとに完全に分離され、第１固定電極板１９ａと第２固定電極板１９ｂが連結部６４によって一体につながっていてもよい。
【００９１】
（実施形態２）
図１７は、本発明の実施形態２による音響センサ７１を示す平面図である。この音響センサ７１では、第２音響センシング部２３ｂのアコースティックホール２４ｂは、第１音響センシング部２３ａのアコースティックホール２４ａよりも分布密度（数密度）が小さくなっている。すなわち、アコースティックホール２４ｂの配列ピッチは、アコースティックホール２４ａの配列ピッチよりも大きくなっている。アコースティックホール２４ｂの配列ピッチは、アコースティックホール２４ａの配列ピッチの２倍以上であることが好ましい。一方、第１音響センシング部２３ａのアコースティックホール２４ａと第２音響センシング部２３ｂのアコースティックホール２４ｂは同じ孔径を有している。これ以外の点については、当該音響センサ７１は、実施形態１の音響センサ１１と同じ構造を有しているので、説明を省略する。
【００９２】
音響センサ７１においては、アコースティックホール２４ｂの分布密度がアコースティックホール２４ａの分布密度よりも小さくなっているので、アコースティックホール２４ｂの開口率が小さく、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８の剛性が高くなっている。その結果、第２ダイアフラム１３ｂがバックプレート１８に衝突してもバックプレート１８が変形しにくく、第２ダイアフラム１３ｂの変位量ないし変形量も抑制される。その結果、第２ダイアフラム１３ｂに大きな応力が発生しにくくなり、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防ぐことができる。また、アコースティックホール２４ｂの数が少なくなるので、アコースティックホール２４ｂから音響センサ７１内に塵や埃が入り込みにくくなる。
【００９３】
なお、上記音響センサ７１では、アコースティックホール２４ａの孔径とアコースティックホール２４ｂの孔径は等しくなっていたが、アコースティックホール２４ｂの分布密度をアコースティックホール２４ａよりも小さくするとともに、アコースティックホール２４ｂの孔径もアコースティックホール２４ａより小さくしてもよい。
【００９４】
さらには、アコースティックホール２４ｂの全体としての開口率がアコースティックホール２４ａの開口率よりも小さければ、アコースティックホール２４ｂの孔径がアコースティックホール２４ａの孔径よりも小さく、かつ、アコースティックホール２４ｂの分布密度がアコースティックホール２４ａの分布密度より大きくてもよい。反対に、アコースティックホール２４ｂの全体としての開口率がアコースティックホール２４ａの開口率よりも小さければ、アコースティックホール２４ｂの分布密度がアコースティックホール２４ａの分布密度よりも小さく、かつ、アコースティックホール２４ｂの孔径がアコースティックホール２４ａの孔径より大きくてもよい。
【００９５】
（実施形態３）
図１８は、本発明の実施形態３による音響センサ８１を示す断面図である。この音響センサ８１では、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８、すなわちバックプレート１８ｂの厚みが、第１音響センシング部２３ａにおけるバックプレート１８、すなわちバックプレート１８ａの厚みよりも厚くなっている。アコースティックホール２４ａとアコースティックホール２４ｂの分布密度や孔径は同じであってもよい。これ以外の点については、当該音響センサ７１は、実施形態１の音響センサ１１と同じ構造を有しているので、説明を省略する。
【００９６】
音響センサ８１においては、バックプレート１８ｂの厚みがバックプレート１８ａの厚みよりも厚いので、第２音響センシング部２３ｂにおけるバックプレート１８ｂの剛性が高くなっている。その結果、第２ダイアフラム１３ｂがバックプレート１８ｂに衝突してもバックプレート１８ｂが変形しにくく、第２ダイアフラム１３ｂの変位量ないし変形量も抑制される。その結果、第２ダイアフラム１３ｂに大きな応力が発生しにくくなり、第２ダイアフラム１３ｂの破損を防ぐことができる。
【００９７】
（実施形態４）
図１９は、本発明の実施形態４による音響センサ９１の構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。この音響センサ９１は、３つの音響センシング部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを有している。音響センシング部２３ａは、ダイアフラム１３ａと固定電極板１９ａによって構成されたコンデンサ構造である。音響センシング部２３ｃは、ダイアフラム１３ｃと固定電極板１９ｃによって構成されたコンデンサ構造である。音響センシング部２３ａ及び２３ｃは、小音圧域用の高感度のセンシング部である。音響センシング部２３ｂは、ダイアフラム１３ｂと固定電極板１９ｂによって構成されたコンデンサ構造であって、大音圧域用の低感度のセンシング部である。
【００９８】
この音響センサ９１にあっては、シリコン基板１２のチャンバ１５の上方に略矩形状のダイアフラム１３が配設されている。ダイアフラム１３は、２本のスリット１７ａ、１７ｂによって、ほぼ同じ面積を有する略矩形状の第１ダイアフラム１３ａ及び第３ダイアフラム１３ｃと、第１及び第３ダイアフラム１３ａ、１３ｃよりも面積の小さな略矩形状をした第２ダイアフラム１３ｂに分割されている。また、第１ダイアフラム１３ａに対向させて固定電極板１９の一部、すなわち第１固定電極板１９ａが配置されている。同様に、第２ダイアフラム１３ｂに対向させて固定電極板１９の一部、すなわち第２固定電極板１９ｂが配置されている。第３ダイアフラム１３ｃには、固定電極板１９の一部、すなわち第３固定電極板１９ｃが対向している。固定電極板１９ａ、１９ｂ及び１９ｃは、互いに分離しており、ダイアフラム１３を覆うようにしてシリコン基板１２の上面に固定されたバックプレート１８の下面に設けられている。
【００９９】
高感度で小音圧用の音響センシング部２３ａ及び２３ｃにおいては、そのバックプレート１８及び固定電極板１９ａ、１９ｃに多数のアコースティックホール２４ａ及び２４ｃが開口されている。低感度で大音圧用の音響センシング部２３ｂには、そのバックプレート１８及び固定電極板１９ｂに多数のアコースティックホール２４ｂが開口されている。音響センシング部２３ｂのアコースティックホール２４ｂは、音響センシング部２３ａ、２３ｃのアコースティックホール２４ａ、２４ｃよりも開口率が小さくなっており（図１９では、アコースティックホール２４ｂの孔径がアコースティックホール２４ａ、２４ｃの孔径よりも小さくなっているが、ピッチが大きくなっていてもよい。）、音響センシング部２３ｂのバックプレート１８の剛性が音響センシング部２３ａ、２３ｃよりも高くなっている。よって、低感度の音響センシング部２３ｂの耐衝撃性が高くなっている。
【０１００】
この音響センサ９１のように、３つ（あるいは、３つ以上）の音響センシング部を設けた場合には、１つのセンサから３つ（あるいは、３つ以上）の検知信号を出力させることが可能になる。
【０１０１】
（実施形態５）
図２０は、本発明の実施形態５による音響センサ１０１の構造を示す平面図であって、バックプレートや保護膜などを除いた状態を表わしている。この音響センサ１０１も、３つの音響センシング部２３ａ、２３ｂ、２３ｃを有している。音響センシング部２３ａは、ダイアフラム１３ａと固定電極板１９ａによって構成されたコンデンサ構造であって、小音圧域用の高感度のセンシング部である。音響センシング部２３ｂは、ダイアフラム１３ｂと固定電極板１９ｂによって構成されたコンデンサ構造であって、大音圧域用の低感度のセンシング部である。音響センシング部２３ｃは、ダイアフラム１３ｃと固定電極板１９ｃによって構成されたコンデンサ構造であって、中音圧域用の中感度のセンシング部である。
【０１０２】
この音響センサ１０１にあっては、シリコン基板１２のチャンバ１５の上方に略矩形状のダイアフラム１３が配設されている。ダイアフラム１３は、２本のスリット１７ａ、１７ｂによって、略矩形状の第１ダイアフラム１３ａ及と、第１ダイアフラム１３ａよりも面積の小さな略矩形状の第３ダイアフラム１３ｃと、第３ダイアフラム１３ｃよりも面積の小さな略矩形状の第２ダイアフラム１３ｂに分割されている。また、第１ダイアフラム１３ａに対向させて第１固定電極板１９ａが配置されている。同様に、第２ダイアフラム１３ｂに対向させて第２固定電極板１９ｂが配置されている。第３ダイアフラム１３ｃには、第３固定電極板１９ｃが対向している。固定電極板１９ａ、１９ｂ及び１９ｃは、互いに分離しており、ダイアフラム１３を覆うようにしてシリコン基板１２の上面に固定されたバックプレート１８の下面に設けられている。
【０１０３】
高感度で小音圧用の音響センシング部２３ａにおいては、そのバックプレート１８及び固定電極板１９ａに多数のアコースティックホール２４ａが開口されている。低感度で大音圧用の音響センシング部２３ｂと、中間度で中音圧用の音響センシング部２３ｃには、それぞれのバックプレート１８と固定電極板１９ｂ、１９ｃに多数のアコースティックホール２４ｂ、２４ｃが開口されている。音響センシング部２３ｂ、２３ｃのアコースティックホール２４ｂ、２４ｃは、音響センシング部２３ａのアコースティックホール２４ａよりも開口率が小さくなっており（図２０では、アコースティックホール２４ｂ、２４ｃの孔径がアコースティックホール２４ａの孔径よりも小さくなっているが、ピッチが大きくなっていてもよい。）、音響センシング部２３ｂ、２３ｃのバックプレート１８の剛性が音響センシング部２３ａよりも高くなっている。よって、低感度の音響センシング部２３ｂと中感度の音響センシング部２３ｃの耐衝撃性が高くなっている。なお、アコースティックホール２４ｃの開口率は、アコースティックホール２４ａの開口率よりも小さく、かつ、アコースティックホール２４ｂの開口率よりも大きくすることも可能である。
【０１０４】
このような構造の音響センサ１０１によれば、そのダイナミックレンジをさらに広くすることが可能になり、しかも、それによって音響センサ１０１の耐衝撃性が悪化しにくい。
【０１０５】
（その他）
ダイアフラム１３や固定電極板１９を分割する形態は、上記実施形態のようなものに限らない。たとえば、固定電極板１９を、その外周領域とその内側領域とに分割し、外周領域に位置する面積が小さくて略環状をした領域を感度の低い第２固定電極板１９ｂとし、その内側にある領域を感度の高い第１固定電極板１９ａとしてもよい（特願２０１１−００２３１３の図１を参照）。ダイアフラム１３についても同様である。
【０１０６】
なお、上記各実施形態においては、第１ダイアフラム１３ａの面積と第２ダイアフラム１３ｂの面積を異ならせることにより、同じ音圧が加わったときの各ダイアフラム１３ａ、１３ｂの変位量を異ならせ、それによって第１音響センシング部２３ａと第２音響センシング部２３ｂの感度を異ならせている。これ以外にも、たとえば第２ダイアフラム１３ｂの膜厚を第１ダイアフラム１３ａの膜厚よりも厚くすることによって第２ダイアフラム１３ｂの変位を小さくし、第２音響センシング部２３ｂの感度を低くしてあってもよい。また、第２ダイアフラム１３ｂの固定ピッチを第１ダイアフラム１３ａの固定ピッチよりも小さくすることによって第２ダイアフラム１３ｂの変位を小さくし、第２音響センシング部２３ｂの感度を低くしてあってもよい。さらに、第１ダイアフラム１３ａを梁構造によって支持することで第１ダイアフラム１３ａの変位を大きくし、第１音響センシング部２３ａの感度を高くしてあってもよい。
【０１０７】
以上においては、音響センサ及び該音響センサを用いたマイクロフォンについて説明したが、本発明は圧力センサなどの音響センサ以外の静電容量センサについても適用することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１１、７１、８１、９１、１０１      音響センサ
１２      シリコン基板
１３      ダイアフラム
１３ａ      第１ダイアフラム
１３ｂ      第２ダイアフラム
１３ｃ      第３ダイアフラム
１７、１７ａ、１７ｃ      スリット
１８、１８ａ、１８ｂ      バックプレート
１９      固定電極板
１９ａ      第１固定電極板
１９ｂ      第２固定電極板
１９ｃ      第３固定電極板
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ      音響センシング部
２４、２４ａ、２４ｂ      アコースティックホール
２５      ストッパ
４１      マイクロフォン
４２      回路基板
４３      カバー
４４      信号処理回路
４５      音導入孔
【要約】
【課題】ダイナミックレンジが広くてセンシング部間でのミスマッチングも小さく、しかも、耐衝撃性も高い静電容量型センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板１２の上方にダイアフラム１３が配置される。基板１２の上面には、ダイアフラム１３を覆うようにしてバックプレート１８が設けられ、その下面に固定電極板１９が配置される。ダイアフラム１３は、第１及び第２ダイアフラム１３ａ、１３ｂに分割される。同様に、固定電極板１９も第１及び第２固定電極板１９ａ、１９ｂに分割される。第２ダイアフラム１３ｂと第２固定電極板１９ｂで構成された音響センシング部では、バックプレート１８に孔径の小さなアコースティックホール２４ｂが開口され、第１ダイアフラム１３ａと第１固定電極板１９ａによって構成された音響センシング部では、バックプレート１８に孔径の大きなアコースティックホール２４ａが開口される。
【選択図】図３【図１】
0005252104.tif 000002
【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】
0005252104.tif 000009
【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１４】
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【図１５】
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