(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムと、
前記ダイアフラム上に形成され前記ダイアフラムの振動に応じて電気的特性が変化する１以上の振動検出素子と、
前記ダイアフラムの機械共振周波数で前記ダイアフラムを振動させる振動発生手段とからなり、
前記ダイアフラムが水晶振動子によって構成されており、
前記水晶振動子が前記振動発生手段として兼用される自励振型マイクロフォン。
【請求項２】
前記振動検出素子は、加わる振動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子からなる請求項１に記載の自励振型マイクロフォン。
【請求項３】
前記振動検出素子は、加わる振動に応じて自発分極電荷を発生する圧電素子からなる請求項１に記載の自励振型マイクロフォン。
【請求項４】
シリコンダイアフラムと、
前記シリコンダイアフラムの一部に不純物が拡散されて形成された１以上のピエゾ抵抗素子と、
前記ピエゾ抵抗素子の露出面を覆うように前記シリコンダイアフラムの上に形成された絶縁性薄膜と、
前記絶縁性薄膜を覆うように前記シリコンダイアフラム上に形成され、外部信号に応じて振動する圧電セラミックス層とからなる自励振型マイクロフォン。
【請求項５】
４つの前記ピエゾ抵抗素子がブリッジ回路を構成するように前記シリコンダイアフラム上に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の自励振型マイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はマイクロフォンに関するものであり、特に自励振型マイクロフォンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公知の代表的なマイクロフォンには、コンデンサマイクロフォン及びダイナミックマイクロフォンがある。
【０００３】
コンデンサマイクロフォンは、振動板であるプラスチック製のダイアフラムの上に形成された可動電極とこの可動電極と対向する固定電極とが、ある距離を保って対向するように設けられて平行平板コンデンサを形成する構造を有している。この平行平板コンデンサには予め直流電源が接続されていて電荷が蓄積されている。コンデンサマイクロフォンでは、ダイアフラムに音声が到達すると音圧によってダイアフラムが振動する。すると、ダイアフラムの上に形成された可動電極とこの可動電極と対向して設けられた固定電極との距離が変化して平行平板コンデンサの静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を電気信号に変換して音声信号を得る。
【０００４】
これに対して、ダイナミックマイクロフォンは、音圧によって振動するダイアフラムにボイスコイルが固定されており、このボイスコイルを貫通するように永久磁石が設置された構造を有している。ダイナミックマイクロフォンでは、ダイアフラムに音声が到達すると音圧によってダイアフラムが振動する。すると、ダイアフラムと一緒にボイスコイルが連動して永久磁石より出ている磁束が切られ、ボイスコイルに誘導電流が流れる。そして、この誘導電流に基づいて音声信号を得る。
【０００５】
上述したコンデンサマイクロフォン及びダイナミックマイクロフォンには優れた周波数特性及び小型軽量化が要求されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した要求を満足するに当たっては、以下に記載する問題点が存在する。
【０００７】
まず、コンデンサマイクロフォン及びダイナミックマイクロフォンともに比較的大きなダイアフラムを必要とする。さらに構造が複雑なためマイクロフォン本体の小型化及び軽量化が難しい。
【０００８】
また、ダイアフラムの寸法が大きいために機械的共振点が可聴帯域近傍に現れやすく、周波数特性が共振点に制限されてしまう。さらに液体中において使用する場合は、ダイアフラムが変形不良または動作不良を起こさないように、厚く且つ硬いダイアフラムを用いることになる。これは、マイクロフォンの感度、周波数特性、温度特性等の各種の特性を低下させる。
【０００９】
本発明の目的は、小型軽量化が容易な自励振型マイクロフォンを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の自励振型マイクロフォンは、ダイアフラムと、ダイアフラム上に形成されダイアフラムの振動に応じて電気的特性が変化する１以上の振動検出素子と、ダイアフラムの機械共振周波数でダイアフラムを振動させる振動発生手段とから構成されている。振動検出素子としては、例えば加わる振動に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子を用いることができる。また、振動検出素子としては加わる振動に応じて自発分極電荷を発生する圧電素子を用いることもできる。ダイアフラムを振動発生手段により機械共振周波数で振動をさせるとダイアフラムの内部エネルギーは極大になり（内部インピーダンスが０になり）、ダイアフラムに音圧（外部エネルギー）が加わると音圧の強度に応じてダイアフラムの振動振幅が大きく増幅または増大する。振動検出手段がピエゾ抵抗素子の場合は、ダイアフラムの振動振幅の変化がピエゾ抵抗素子の結晶の電気抵抗の変化として検出される。この電気抵抗の変化に基づく電気信号から機械共振周波数に基づく信号成分を除けば音圧に応じた音声信号を得ることができる。本発明によればダイアフラムを機械共振周波数で振動させておけばよいため、ダイアフラムの径寸法を小さくすることができ、小型化及び軽量化が可能になる。
【００１１】
また、振動検出手段が圧電素子の場合には自発分極電荷を電圧信号または電流信号に変換して同様の処理を行う。
【００１２】
上述したピエゾ抵抗素子は公知の半導体製造技術を用いて形成することができるので、自励振型マイクロフォンの小型軽量化が容易になる。自励振型マイクロフォンのダイアフラムを水晶振動子によって構成し、更にこの水晶振動子を上述した振動発生手段として兼用してもよい。この構成をとることにより、自励振型マイクロフォンを構成する部品の点数が削減され、自励振型マイクロフォンの小型軽量化を更に促進できる。
【００１３】
また、本発明のより具体的な自励振型マイクロフォンは、シリコンダイアフラムと、シリコンダイアフラムの一部に不純物が拡散されて形成された１以上のピエゾ抵抗素子と、ピエゾ抵抗素子の露出面を覆うようにシリコンダイアフラムの上に形成された絶縁性薄膜と、ダイアフラムの機械共振周波数でダイアフラムを振動させる振動発生手段とから構成する。ここでいうシリコンダイアフラムとは、シリコンウェハーから公知の半導体加工技術を用いて形成されたダイアフラムである。ダイアフラムをシリコンダイアフラムとすることで、ダイアフラムの製造工程に公知の半導体製造技術が適用でき、ダイアフラムの小型軽量化及び薄型化が可能になる。シリコンダイアフラムに用いるシリコンウェハーはベアウェハーの状態で予めシリコンウェハーの内部に酸化膜が埋め込まれているＳＩＭＯＸウェハーを用いてもよい。またシリコンウェハーの上に酸化膜を形成し、さらに酸化膜の上にシリコン結晶を成長させたＳＯＩウェハーを用いてもよい。絶縁性薄膜はＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等を用いることができる。
【００１４】
上記の振動発生手段としては、シリコンダイアフラム上に圧電セラミックス層を形成したものでもよい。圧電セラミックス層の両面には電極パターンが形成されているのは勿論である。シリコンダイアフラム上の圧電セラミックス層に周期的パルス電圧が印加されると、圧電セラミックスは圧縮及び伸張を繰り返す。パルス電圧の周期は圧縮及び伸張に伴って振動するシリコンダイアフラムの機械共振周波数になるように定められている。この場合の音声信号の取り出しは前述と同じである。
【００１５】
シリコンダイアフラム上に形成されるピエゾ抵抗素子は、４つでブリッジ回路となるように形成するのが好ましい。このような回路構成を採用すると、出力が最大となるように各ピエゾ抵抗素子を組み合わせことにより、周辺温度の変化に影響を受けることなく音圧を検出することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態の一例である、自励振型マイクロフォンの主要部の構造を概略的に示す縦断面図である。図１に示すように自励振型マイクロフォンは、シリコンウェハーから形成されたダイアフラム部材１を備えている。このダイアフラム部材１は環状のダイアフラムベース部１ａとダイアフラムベース部１ａに支持されたシリコンダイアフラム１ｂとから構成されている。
【００１８】
シリコンダイアフラム１ｂの上には、振動検出素子としての４つのピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄが図２に示すような抵抗ブリッジ回路を構成するように形成されている。４つのピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄの抵抗値はシリコンダイアフラム１ｂがその面方向と直行するように振動したときに抵抗ブリッジ回路から出力される電圧信号ができるだけ大きくなるように定められている。
【００１９】
ピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄの上には、ピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄの露出面を覆うようにシリコンダイアフラム１ｂとベース１ａとの表面にＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳＩＯＮ等からなる絶縁性薄膜３が形成されている。
【００２０】
各ピエゾ抵抗素子を相互に接続する接続パターン及び抵抗ブリッジ回路の接続点と出力電極とを接続するための抵抗接続パターンは図示を省略してある。なお、図示しない抵抗接続パターンも絶縁性薄膜３により覆われている。
【００２１】
４はＩＴＯ等の薄膜導電材料によって形成された下側電極である。下側電極４の上には圧電セラミックス層５が形成されている。さらに圧電セラミックス層５の上にはＡｇ、Ａｕ等からなる上側電極６が形成されている。圧電セラミックス層５は下側電極４と上側電極６との間に分極処理が施されていて、下側電極４と上側電極６との間に所定の周期のパルス電圧が印加されると、圧電セラミックス層５は所定の周波数で振動する。この例では下側電極４と、圧電セラミックス層５と、上側電極６とにより振動発生手段が構成されている。
【００２２】
次に、上述した自励振型マイクロフォンの製造方法を製造工程順に説明する。
【００２３】
まず、シリコンウェハーの下面側から異方性エッチングにより図１に示すように下に向かって開口し、縦断面形状が台形をなすようにダイアフラム凹部１ｃを形成してダイアフラム部材１を形成する。
【００２４】
次に、ダイアフラム部材１の表面全体をＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ化する処理を施す。次に、シリコンダイアフラム１ｂの上に単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン材をエピタキシャル成長させる。そして、エピタキシャル成長させたシリコン内部に不純物を拡散させてピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄを形成する。
【００２５】
次に、各ピエゾ抵抗素子を相互に接続し、また抵抗ブリッジ回路の接続点と出力電極とを接続するために抵抗接続パターン（図示せず）を形成する。抵抗接続パターンは、例えば透明電極（ＩＴＯ）等を用いてスパッタリング法、真空蒸着法等で形成する。
【００２６】
次に、ダイアフラム１ｂの上に形成されたピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄの露出面及び図示しない抵抗接続パターンを覆うようにＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等の絶縁性薄膜３をＣＶＤ法をはじめとする薄膜形成技術を用いて成膜する。
【００２７】
次に、絶縁性薄膜３の上に下側電極４をスパッタリング法や真空蒸着法を形成し、その上に圧電セラミックス層５をスパッタリング法を用いて形成する。最後に、圧電セラミックス層５の上に上側電極６を形成する。なお、図１において４ａ及び６ａは電極部である。
【００２８】
次に、本実施の形態の自励振型マイクロフォンの動作を説明する。本発明の最大の特徴は、圧電セラミックス層５がダイアフラム１ｂをダイアフラム１ｂの機械共振周波数で振動させてダイアフラム１ｂの内部エネルギーを極大の状態としておき、そこに加わる音圧でダイアフラム１ｂの振幅を変化させることにより、増幅した音声信号を得ることにある。
【００２９】
詳細には、図１において、圧電セラミックス層５の両面の電極４及び６にダイアフラム１ｂをその機械共振周波数で上下に振動させるための所定の周波数のパルス電圧を印加する。これにより、圧電セラミックス層５は収縮及び伸張を繰り返し、この収縮及び伸張に伴いシリコンダイアフラム１ｂは機械共振周波数で上下に振動する。シリコンダイアフラム１ｂの振動はピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄにおいて抵抗値の変化として捉えられる。
【００３０】
機械共振周波数で振動しているシリコンダイアフラム１ｂに音声が到達すると、音圧の強弱に応じてシリコンダイアフラム１ｂの振幅が変化する。そしてダイアフラム１ｂの振幅の変化がピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄにおいて抵抗値の変化として捉えられる。音声信号は、機械共振周波数に基づく信号成分を抵抗値の変化に基づく電気信号から除去することにより得られる。
【００３１】
なお、上述したシリコンダイアフラム１ｂの代わりに水晶振動子を用いてもよい。水晶振動子は所定の周波数で変化する電圧が印可されると、この周波数に応じた周波数で振動するため、上述した実施の形態で用いている圧電セラミックス層５からなる振動発生手段を用いなくてもダイアフラム１ｂそれ自体を振動発生手段として兼用することができる。これにより、本発明の自励振型マイクロフォンの構造がより簡素化されるばかりでなく製造工程を少なくすることができる。
【００３２】
なお、上述した製造工程順とは逆に、凹部１ｃの形成を最後にしてもよい。即ち、最初にシリコンウェハー上にピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄを形成し、ピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄの露出面を覆うように絶縁性薄膜３を形成する。その後、シリコンウェハーの下面から異方性エッチングを施して図１に示すような形状の凹部１ｃを形成してもよい。
【００３３】
また、ダイアフラム部材１に用いるシリコンウェハーは、ベアウェハーの状態で酸化膜がウェハーの内部に形成されているようなシリコンウェハー、例えばＳＩＭＯＸウェハーを用いてもよい。また、シリコンウェハーの上に酸化膜を形成し、形成した酸化膜の上にシリコン結晶を所定の厚さに成長させたＳＯＩウェハーを用いてもよい。
【００３４】
前述の通り、シリコンダイアフラム１ｂに形成されたピエゾ抵抗素子２ａ乃至２ｄは、シリコンダイアグラム１ｂ上に形成されたときに、図２に示すような抵抗ブリッジ回路を構成するように形成されている。各々のピエゾ抵抗素子の抵抗値は、音圧によってシリコンダイアフラム１ｂの振幅が変化したときに、ブリッジ回路から出力される電圧信号ができるだけ大きくなるように定められている。
【００３５】
上述した実施の形態では、振動検出素子として４つのピエゾ抵抗素子を用いたが、ピエゾ抵抗素子の数は１以上あればよく、またその回路構成は任意である。また、振動検出素子としては、加わる振動に応じて自発分極電荷を発生する圧電素子を用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイアフラムを機械共振周波数で振動させておけばよいため、ダイアフラムの径寸法を小さくすることができる。これにより、マイクロフォンの小型化及び軽量化が可能になる。また、ダイアフラムを水晶振動子によって構成し、更にこの水晶振動子を振動発生手段として兼用することにより、自励振型マイクロフォンを構成する部品の点数が削減され、自励振型マイクロフォンを更に小型軽量化することができる。さらに本発明によれば、シリコンダイアフラムを機械共振周波数で振動させるので、振動するシリコンダイアフラムの上面と下面との圧力差を検出すれば各種流量計、圧力センサにも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自励振型マイクロフォンの主要部の構造を概略的に示す縦断面図である。
【図２】４つのピエゾ抵抗素子をブリッジ回路としたときの回路図である。
【符号の説明】
１  ダイアフラム部材
１ａ  ダイアフラムベース部
１ｂ  シリコンダイアフラム
１ｃ  ダイアフラム凹部
２ａ〜２ｄ  ピエゾ抵抗素子
３  絶縁性薄膜
４  下側電極
５  圧電セラミックス層
６  上側電極
【図１】
0004302824.tif 000002
【図２】
0004302824.tif 000003