マイクロフォン
【課題】音圧に対する感度を維持しつつ、小型化および低コスト化を図ることができるマイクロフォンの提供。
【解決手段】複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォン１において、基板の第１の層である下部Ｓｉ層３０から成り、バックチャンバ７が形成された支持枠２と、基板の第２の層である上部Ｓｉ層１０から形成され、バックチャンバ７と対向する位置に弾性支持部４により弾性支持された可動板としての可動部５と、上部Ｓｉ層１０から形成され、可動部５の側面に所定隙間８ａを介して対向している固定部３と、を備える。そして、使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間８ａの可動板厚さ方向の寸法ｈおよび側周面と固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されている。
【解決手段】複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォン１において、基板の第１の層である下部Ｓｉ層３０から成り、バックチャンバ７が形成された支持枠２と、基板の第２の層である上部Ｓｉ層１０から形成され、バックチャンバ７と対向する位置に弾性支持部４により弾性支持された可動板としての可動部５と、上部Ｓｉ層１０から形成され、可動部５の側面に所定隙間８ａを介して対向している固定部３と、を備える。そして、使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間８ａの可動板厚さ方向の寸法ｈおよび側周面と固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話やIC レコーダーなどに用いられているマイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンウエハを用いてマイクロマシニングで作製されるコンデンサ型のマイクロフォンが知られている。このマイクロフォンには、音圧を検知する振動板であるメンブレンとこれに対向するバックプレートが設けられており、メンブレンとバックプレートとの空隙の変化を電気的に検出するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６３９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、携帯電話やIC レコーダーに用いられるマイクロフォンにおいては、一定の性能を満たすと同時に、実装に要する体積の低減と、コストの低減が求められている。しかしながら、従来は、ダイアフラムおよびバックプレートを対向して備える多層構造であるため、複数のスペーサや電極構造を要し、体積低減やコスト低減に対して阻害要因となっている。また、マイクロマシニングで作製されるコンデンサマイクの場合、性能を満たすコンデンサを形成するためには、上述した多層構造において数μm 以下のギャップが求められるようになっており、表面マイクロマシニングに対応した高い製造技術や設備が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォンであって、基板の第１の層から成り、バックチャンバが形成された支持枠と、基板の第２の層から形成され、バックチャンバと対向する位置に弾性支持部により弾性支持された可動板と、第２の層から形成され、所定隙間を介して可動板の側面に対向している固定部と、を備え、使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間の可動板厚さ方向の寸法ｈおよび側周面と固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、可動板と固定部とがコンデンサを形成し、可動板が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載のマイクロフォンにおいて、可動板は、前記コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動板の厚さ方向に位置ズレして配置されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載のマイクロフォンにおいて、可動板および固定部の厚さをＨとし、音圧が作用したときの可動板の最大振幅をξ1としたとき、位置ズレξ0は、ξ1／２≦ξ0＜ｈ−ξ1／２を満足するように設定されている。
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、可動板および固定部の各対向面は、凹凸状に入り込んだ櫛歯形状を成すことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、固定部および可動板の少なくとも一方を複数に分割して、複数のコンデンサを形成したことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、固定部または可動板の表面に、コンデンサにバイアス電圧を印加するための永久帯電膜を形成したものである。
請求項８の発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、支持枠の表面に形成された永久帯電膜と、永久帯電膜と固定部または可動板の一方とを導通する導通部と、を備えたことを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、可動板が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出することを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、可動板に、溝を形成したこと、または直径が間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、音圧に対する感度を維持しつつ、マイクロフォンの小型化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明によるマイクロフォンの第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）はマイクロフォン１の概略構成を示す平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２】マイクロフォン１の動作原理を示す模式図である。
【図３】マイクロフォン１の出力回路を示す図である。
【図４】圧力差を説明する図であり、（ａ）ダイアフラム２３０の裏面側が密封空間となっている場合を示し、（ｂ）はダイアフラム裏面側の空間が半密封状態となっている場合を示す。
【図５】ギャップ内の圧力差の伝播を説明する図である。
【図６】ｈ＝πｃｄ２/６νのグラフを示す図である。
【図７】感度特性を示す図である。
【図８】マイクロフォン１の製造工程を説明する図である。
【図９】マイクロフォン１の製造工程を説明する図であり、図８に示す工程に続く工程を示す。
【図１０】マイクロフォン１の製造工程を説明する図であり、図９に示す工程に続く工程を示す。
【図１１】本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１２】図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図１３】初期ズレξ0がξ0＝０の場合を説明する図であり、（ａ）は入力音波の音圧変化を示し、（ｂ）は固定部３と可動部５との位置関係を示し、（ｃ）は静電容量の変化を示す。
【図１４】初期ズレξ0がξ0≠０の場合を説明する図であり、（ａ）はξ0≧ξ1／２の場合を示し、（ｂ）はξ0＜ξ1／２の場合を示す。
【図１５】第１の変形例を示す図である。
【図１６】第２の変形例を示す図である。
【図１７】第３の変形例を示す図である。
【図１８】本発明によるマイクロフォンの第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１９】マイクロフォンの指向性を説明する図である。
【図２０】第３の実施の形態の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２１】基板上に回路領域が設けられたマイクロフォン１を示す平面図である。
【図２２】エレクトレット部３３を備えるマイクロフォン１の平面図である。
【図２３】固定部３および可動部５の形状に応じた初期ズレξ0の設定を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態のマイクロフォンの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。マイクロフォン１は、支持枠２上に固定された固定部３と、弾性支持部４を介して支持枠２に連結されている可動部５とを備えている。本実施の形態においては、マイクロフォン１は、下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いて、マイクロマシニング技術、或いはフォトリソグラフィ技術により作製される。
【０００９】
支持枠２は下部Ｓｉ層３０から形成され、固定部３，可動部５および弾性支持部４は上部Ｓｉ層１０から形成される。固定部３および弾性支持部４と支持枠２との間には、絶縁層としてのＳｉＯ２層２０が介在している。支持枠２には矩形状の空洞から成るバックチャンバ７が形成されており、可動部５はバックチャンバ７の上方に弾性支持部４により弾性支持されている。固定部３および可動部５には電極６ａ，６ｂが形成されており、後述するように、それらの間にはＤＣ電圧が印加される。
【００１０】
固定部３および可動部５は櫛歯形状部を有していて、固定部３の歯と歯の間に可動部５の歯が入り込むように、固定部３および可動部５は配置されている。本実施の形態では、固定部３と可動部５との間のギャップ８ａ、Ｕ字形状を成す弾性支持部４同士のギャップ８ｄ、可動部５と弾性支持部４との間のギャップ８ｂおよび固定部３と弾性支持部４との間のギャップ８ｃのギャップ寸法は、同一寸法に設定されている。なお、このギャップ寸法は、後述するように所定の寸法に設定されている。ここでは、可動部５および固定部３のバックチャンバ７側を裏面側と称し、反対側を表面側と称することにする。検出すべき音波は表面側に入射する。
【００１１】
図２は、マイクロフォン１の動作原理を示す模式図である。可動部５の側面５００と対向する固定部３の対向面３００との間には上述したギャップ８ａが形成されており、固定部３と可動部５とによってコンデンサＣが形成されることになる。音波が可動部５の表面側に到達して音圧が作用すると、可動部５を弾性支持する弾性支持部４が撓み、可動部５がバックチャンバ７側（ｚ軸マイナス方向）に変位する。その結果、コンデンサＣの静電容量が変化する。このように、本実施の形態のマイクロフォン１はコンデンサ型マイクロフォンを構成しており、可動部５の振動によるコンデンサＣの静電容量変化を電気信号に変換することで音圧を読み取っている。
【００１２】
図３は、マイクロフォン１の出力回路を示す図である。破線で囲まれた部分はマイクロフォン１の静電容量を表しておりＣは固定部３と可動部５との間の静電容量であり、Ｃs1は固定部３側の寄生容量であり、Ｃs2は可動部５側の寄生容量である。固定部３と可動部５との間にはＤＣバイアス電圧Ｖbを印加する。なお、固定部側にエレクトレットを形成し、そのエレクトレットによりバイアス電圧が印加されるようにしても良い。Ｃpはバイパスコンデンサである。
【００１３】
固定部３に対して可動部５が変位すると、グランド側の可動部５の電荷が僅かに変化する。可動部５はＦＥＴ４１のゲートＧに接続されており、ＦＥＴ４１のドレイン・ソース間には、ＦＥＴ４１を動作させるためのドレイン・ソース電圧Ｖdcが印加される。なお、固定部３にＤＣバイアス電圧Ｖbを印加することで、可動部５の電荷の変動を増大させることができる。可動部５の電荷変動は電流変化として増幅され、抵抗Ｒの電圧を読み取ることで、音圧による容量Ｃの変化を電圧変化として検出することができる。なお、図３では可動部側をグランドとし、可動部側にＦＥＴ４１を接続したが、逆に、固定部側をグランドにして固定部側にＦＥＴ４１を設けても良い。
【００１４】
（ギャップ寸法の説明）
従来のコンデンサ型マイクロフォンは、音波による圧力変動を読み取るためのダイアフラムとバックプレートとを有している。ダイアフラムによって空気を遮断し、ダイアフラムの表裏に発生する圧力差によってダイアフラムを振動させる。そして、バックプレートに対してダイアフラムが振動することによる静電容量変化を、電気信号に変換することで音圧を読み取っている。一方、本実施の形態では、従来のコンデンサマイクロフォンでコンデンサを構成するダイアフラムおよびバックプレートを、固定部２および可動部５に置き換えることによって、音圧を検出するようにしている。
【００１５】
一般的に、ダイアフラムの振動により音声を検出するマイクロフォンにおいては、振動板としてのダイアフラムの表裏間に発生する圧力差が重要となる。本実施の形態では、音圧が入射する可動部５は、その表面側と裏面側とがギャップを介して連通している。このような構造において、可動部５の表裏間に十分な圧力差を発生させるためには、隙間のギャップ寸法を最適な値に設定する必要がある。
【００１６】
例えば、図４（ａ）に示すようにダイアフラム２３０の裏面側が密封空間となっていた場合と、図４（ｂ）に示すようにダイアフラム２３０に穴２３０ａが形成されていて、ダイアフラム裏面側の空間が半密封状態となっている場合とを考察する。
【００１７】
空気は流体であり粘性を有するので、物質表面においては空気の速度は０に等しく、表面から離れるにつれて徐々に本来の音速にまで速度は復帰すると考えることができる。 物質表面からみて、 空気が音速未満 （音速の 99％以下）に低下している領域を速度境界層と呼ぶ。流体音場におかれた物体の表面が流体粒子の振動速度に垂直でない場合、その物体の表面に厚さδ= (2ν/ω)０．５の速度境界層が生じる。ここで、速度境界層とは、音速が壁の影響で遅くなっている領域である。ν は空気の動粘性係数、ω は音波の角周波数である。
【００１８】
図４（ｂ）で示すように、音響的にみて充分に大きな穴ないし隙間が空いている半開放系の場合、圧力変動は音速で表裏まで伝わる。 そして音波の一周期における音波を受けた平板の表裏間の圧力差は、音の疎密の度合いに対する平板の厚み分のみが寄与し、力としては非常に弱い。仮に音圧による空気の圧力変動Pを1Pa（94dB時）とすると、厚みが20μmの平板の表裏では、図４（ａ）のように密封ないしそれに近い状態の場合は、 平板に加わる圧力はそのまま最大1Pa分の準正弦波的変動を示す。しかし、図４（ｂ）のように十分に大きな隙間が空いている半開放系の場合は、表裏の圧力差は単純に音波が厚みの分を移動するだけの差のみである。
【００１９】
例えば、常温常圧において、音圧2Pa、周波数1kHzの音波であれば、音は一周期辺り1msであり、その間に圧力変動は一波長分、つまり約34cm分進む。音速の音波の圧力変動が平板の厚さ20μmを通り抜けるのに要する時間は59nsである。圧力変動が正弦波的に変動するとして、疎密変動の各周波数をω、時間をtとすると、表裏の圧力差δPは、
δP=（P0+Psinω(t+59ns）)-(P0＋Psinωt)
で表される。59nsという値は周期1msに対して約17000分の一であり、位相にして約0.021°であるから、この条件下ではδPはPに対して最大でも約2500分の一以下となり、半開放状態では密閉状態に対して明らかに圧力差が小さいことが分かる。そのため、一般に穴が開いていた場合、音波を受ける振動体としては感度が小さすぎ、入力された音波が共振周波数であるような特別な状態のときのみ反応する。
【００２０】
一方、平板上の穴の半径またはギャップの間隔の1/2が速度境界層以下であるなら、その隙間を通る音波は本来よりも遅く伝播されると言える。図５はギャップ内の圧力差の伝播を説明する図である。ギャップ８ａの寸法ｄが充分に狭く、固定部２および可動部５の厚さｈがギャップ寸法ｄに対して充分に厚い場合、ギャップ８ａ内の圧力差の伝播は、広い自由空間に対して遅延が生じる。そのため、圧力変動は音速では伝わらない。
【００２１】
ギャップ寸法ｄの1/2が速度境界層の厚さ以下であるなら、ギャップ内は速度境界層の範囲にある。速度境界層内部においては、空気の速度分布ｕは次式（１）で算出される。ａは粘性などに依存する係数である。ｕはｘ＝ｄ/２のときに最大値ｕmaxとなる。
ｕ＝ａｘ（ｄ−ｘ） …（１）
【００２２】
速度境界層の厚さδは、壁面から速度が音速ｃとなるまでの距離であるから、ギャップ寸法ｄが２δ以上の場合には、ｘ＝δ（＝(２ν/ω)０．５）のときにｕmax＝ｃとなるので、この条件から値ａが求まる。
ｃ＝ａδ（２δ−δ）＝ａδ２ …（２）
ａ＝ｃ/δ２ ＝ωｃ/２ν …（３）
ｕ＝ωｃｘ（ｄ−ｘ）/２ν …（４）
【００２３】
ギャップ寸法ｄが２δよりも小さい場合には、流速ｕはｘ＝０．５ｄにおいて最大となるが、音速ｃよりは小さくなる。よって、ギャップ内において、音波による圧力変動が到達する位置は、音波の周期をｔとすると、一周期あたりについて次式（６）で示す値となる。
ｚ＝ｕｔ＝ｃｔｘ（ｄ−ｘ）/δ２＝（ωｃ/２ν）ｔｘ（ｄ−ｘ） …（５）
ｚmax＝（ωｃ/２ν）ｔ・ｄ/２・ｄ/２
＝ωｃｔｄ２/８ν …（６）
【００２４】
式（６）の値ｚmaxが図５に示す流路長（ギャップの厚さ方向寸法）ｈを超える場合には、圧力変動は一周期毎に裏面側まで届いていることになる。また、圧力変動の先端が裏面側に届くだけでなく、体積的にもギャップの空気を置換するに充分である場合は、拡散して裏面側に回りこみはじめることになる。図５におけるギャップ８ａの奥行き（ｙ方向）単位長さに関して考えると、一周期当たりの音圧変動が占める体積Ｖsは、式（５）を積分することにより式（７）のようになる。一方、ギャップ８ａの部分の体積Ｖdは、奥行き（ｙ方向）単位長さ当たりで考えるとＶd＝ｄｈなので、音波がギャップ８ａを貫通しない条件は式（８）のようになる。
Ｖs＝πｃｄ３/６ν …（７）
ｈ≧πｃｄ２/６ν …（８）
【００２５】
図６は、ｈ＝πｃｄ２/６νのグラフを示したものである。式（８）の条件は、ｈ＝πｃｄ２/６νの曲線の上側の領域（ＯＫ）であり、（ｈ、ｄ）の組み合わせが曲線よりも下側の領域（ＮＧ）に入る場合には、音波がギャップ８ａを貫通してしまうことになる。図１に示す、ギャップ８ａ〜８ｄは、いずれも表面側から裏面側（バックチャンバ７）まで貫通しているので、全てのギャップ８ａ〜８ｄに対して式（８）を満たすように寸法ｈ、ｄを設定する。
【００２６】
なお、式（８）において、音速ｃおよび動粘性係数νは温度に依存する量であるが、マイクロフォン設計に当たっては、マイクロフォンの使用温度範囲内の所定温度を設計温度とし、その設計温度における音速ｃおよび動粘性係数νを使用する。マイクロフォンの一般的な使用条件は温度０〜４０℃、１atm(±10％)と考えられる。例えば、０℃のときの動粘性係数νは13.2×10−６（m２/s）で、５０℃のときには17.7×10−６（m２/s）となる。
【００２７】
図７は感度特性を示す図であり、曲線Ｌ１は本実施の形態のマイクロフォン１の感度特性を示す。この場合、式（８）を満たすように寸法ｈおよびギャップ寸法ｄが設定されている。一方、曲線Ｌ２は、一般的な櫛歯アクチュエータの場合と同様のギャップ寸法とした場合、すなわち、式(８)を満足していない場合である。また、曲線Ｌ３は、一般的なコンデンサマイクロフォンの特性を示す。
【００２８】
ギャップ寸法が式（８）を満たしていない曲線Ｌ２の場合には、可動部の共振点付近では感度が大きくなるが、その他の周波数においては殆ど感度がない。一方、曲線Ｌ１の場合には、可聴帯域（１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）において、一般のコンデンサマイクロフォンと同様の感度が得られている。なお、共振点が可聴帯域に入らないように、可動部５の質量および弾性支持部４のバネ定数を設定する。
【００２９】
次に、図８〜１０を参照して、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板からマイクロフォン１を製造する方法について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００のＳｉ層１０の表面に、マスク層１１およびレジスト層１２を順に形成する。ＳＯＩ基板１００は下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有しており、上部Ｓｉ層１０に固定部３および可動部５が形成され、下部Ｓｉ層３０にバックチャンバ７を有する支持枠２が形成される。マスク層１１は、スパッタリングや真空蒸着法等の公知の成膜方法によって形成されたアルミニウムや窒化シリコン等の膜である。
【００３０】
次に、レジスト層１２に対してフォトリソグラフィによる露光・現像を行って、図８（ｂ）に示すようなレジストパターン１２Ｐを形成する。このレジストパターン１２Ｐには、図１に示す固定部３、可動部５、弾性支持部４などの形状がパターニングされている。その後、レジストパターン１２Ｐをマスクとして混酸液によりマスク層１１をエッチングして、図８（ｃ）に示すように上部Ｓｉ層１０を露出させる。
【００３１】
次に、図８（ｄ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層１０を垂直方向に異方性エッチングし、ＳｉＯ２層２０を露出させる。その後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン１２Ｐおよびマスク層１１を除去する。
【００３２】
次いで、図９（ａ）に示すように、エッチングされた上部Ｓｉ層１０および露出したＳｉＯ２層２０を覆うように、保護用の厚膜レジスト層１５を形成する。その後、図９（ｂ）のように基板１００を表裏反転させて、下部Ｓｉ層３０の上にスパッタリング法や真空蒸着法によりアルミニウム（Ａｌ）層１３を形成する。そして、Ａｌ層１３の上にレジスト層１４を形成し、フォトリソグラフィによりバックチャンバ形成用のレジストパターン１４Ｐを形成する。
【００３３】
次に、レジストパターン１４Ｐをマスクとして用いて、Ａｌ層１３を混酸液によりエッチングしてＡｌパターン１３Ｐを形成する（図９（ｃ）参照）。その後、これらのレジストパターン１４ＰおよびＡｌパターン１３Ｐをマスクとして、下部Ｓｉ層３０をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする（図１０（ａ）参照）。下部Ｓｉ層３０は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングはＳｉＯ２層２０が露出するまで行われる。
【００３４】
エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト層１４，１５およびＡｌ層１３を除去する（図１０（ｂ）参照）。その後、上部Ｓｉ層１０の固定部３となる部分に、真空蒸着法等によりアルミ膜を形成し電極６ａ，６ｂとする（図１０（ｃ）参照）。このようにして、図１に示すマイクロフォン１が形成される。なお、上述した例では、接続端子部分にアルミ膜の電極６ａ，６ｂを形成したが、導通性を高めるために固定部３および可動部５の表面側全体にアルミ膜を形成するようにしても良い。
【００３５】
（変形例）
図１５〜１７は、第１の実施の形態の変形例を示す図である。図１５に示す第１の変形例では、一対の固定部３ａ，３ｂおよび可動部５ａ，５ｂが設けられている。一対の弾性支持部４ｂにより支持された可動部５ａと一対の弾性支持部４ｃにより支持された可動部５ｂとは中央部分で接続されており、その接続部は一対の弾性支持部４ｄで支持されている。可動部５ａと固定部３ａとで構成されるコンデンサは、可動部５ｂと固定部３ｂとで構成されるコンデンサと並列接続されていることになる。このように、固定部および可動部の面積を大きくすることで、マイクロフォン１の感度向上を図ることができる。
【００３６】
図１６は第２の変形例を示す図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の円形領域の拡大図である。固定部３および可動部５の各歯の部分には、さらに小さな櫛歯３１，５１がおのおの形成されており、固定部３の各歯に形成された各櫛歯３１の凸部は、可動部５の各歯に形成された櫛歯５１の凹部に入り込んでいる。このような構造とすることにより、第１の変形例のように固定部および可動部の面積を大きくしなくても、静電容量を大きくすることができ、マイクロフォン１の感度向上を図ることができる。
【００３７】
図１７は第３の変形例を示す図である。第３の変形例では、図１７（ｂ）に示すように、可動部５の各歯に傾斜溝５ａを形成した。このような傾斜溝５ａを形成すると、音波を受けた場合に垂直方向だけでなく水平方向にも可動部５が移動しやすくなり、特に傾斜溝５ａの傾きに対して垂直な方向に対しての感度が向上する。また、傾斜溝５ａを設けることで可動部５が軽量化され、 共振周波数（図７参照）がより高周波に移動し、 特性が安定する。 なお、可動部軽量化のために、式（８）を満たすｄを直径とする貫通孔を可動部５の全域に形成してもよい。
【００３８】
−第２の実施の形態−
図１１〜１２は、本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図である。図１１は上述した図１と同様の図であり、図１２は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示したものである。第２の実施の形態のマイクロフォンも、櫛歯構造の固定部３および可動部５を備える点では第１の実施の形態と同じであるが、図１２のＢ−Ｂ断面図に示すように、弾性支持部４の表面側に、圧縮応力を有する膜（以下では応力膜と称する）４ａが形成されている点が異なる。
【００３９】
一般的に、膜に圧縮応力がある場合には、それを相殺しようと、シリコン側には引張応力が生じる。そのため、膜のある面のほうが伸びる形（円弧の外周側）になり、膜面を凸として曲がることになる。すなわち、弾性支持部４に応力膜４ａとして圧縮応力を持つ膜を形成した場合、弾性支持部４は全体として基板裏面側に向かって曲がることになり、可動部５は図１１に示すように基板裏面側にずれることになる。
【００４０】
なお、図１１，１２に示す例では応力膜４ａとして圧縮応力を有するものを用いたが、引っ張り応力を有するものでも良い。その場合には、弾性支持部４が表面側に撓み、固定部３に対して可動部５が表面側にずれる。
【００４１】
応力膜４ａの例としては、圧縮応力を持つ膜ではポリシリコン膜があり、引張応力を持つ膜ではクロム膜、シリコン窒化膜などがある。ただし、これらの膜も製造方法によっては別方向の応力を持つことがある。例えば、素材ごとの熱膨張係数の違いを利用して、摂氏数百度程度の高熱雰囲気中で成膜し、常温まで冷却することで応力差を発生ないし緩和することができる。また、同じ金属の膜であっても、成膜温度や配向で応力の向きは変わる場合がある。なお、一層の膜で応力膜４ａを形成する代わりに、異種金属膜を複数層成膜することで応力制御する方法もある。
【００４２】
応力膜の形成は、図８（ｄ）のように可動部５が形成された後に行われるが、図１０（ｂ）のようにバックチャンバ７が形成された後であっても良いし、バックチャンバ７を形成する前でも良い。いずれにしても、バックチャンバ７を形成する前に櫛歯（固定部３、可動部５）の全面にＣＶＤまたは酸化により絶縁膜を形成する。そして、弾性支持部４の部分の絶縁膜を除去した後、その部分に応力膜４ａを形成する。応力膜４ａの形成には、スパッタリング法やメッキ法が用いられる。
【００４３】
応力膜４ａの圧縮応力によって弾性支持部４が裏面側に撓み、図１１（ｂ）に示すように、固定部３と可動部５とがｚ方向に互いにずれた構造となる。このように、本実施の形態では、固定部３と可動部５とが、可動部５の振動方向にずれている点に特徴があり、それにより以下に説明するような作用効果を奏する。なお、図１１，１２に示す例では、固定部３に対して可動部５がマイナスｚ方向にξ0だけずれた構造となっているが、初期ズレξ0の方向はプラスｚ方向であっても良い。
【００４４】
図１３は、図１に示したマイクロフォン１のように固定部３と可動部５との間にズレが無い場合（ξ0＝０）を説明する図である。図１３において、（ａ）は入力音波の音圧の変化を示し、（ｂ）は音圧が作用したときの固定部３と可動部５との位置関係を示し、（ｃ）は固定部３と可動部５との間の静電容量の変化を示している。
【００４５】
自由空間における瞬時音圧をｐ0＝Ａsinωｔとした場合、音圧による力は次式（９）で表される。Ｄは空圧係数であって、ギャップ８ａで抜ける等による低下の程度を表しており、実際に可動部５に加わる音圧の割合を示す。また、Ｓaは可動部５の表面側の面積である。
Ｆ＝ＤＳa・Ａsinωｔ …（９）
【００４６】
図１３（ａ）のｔ＝ｔ１においては、Ｆ＝０なので可動部５は変位せず、そのときの静電容量は次式（１０）で表されるようなＣ0となっている。式（１０）においてＬＨは、可動部５の固定部３と対向する面（側面）の面積であり、Ｈは固定部３および可動部５の厚さで、Ｌは櫛歯状に入り組んだ対向面の縁（図１１（ａ）の櫛歯の輪郭線）の長さである。
Ｃ0＝ε0ＬＨ／ｄ …（１０）
【００４７】
音圧により振動する可動部５の振幅ξ1は、次式（１１）で表される。Ｋzは、可動部５のｚ方向のバネ定数である。図１３（ａ）に示すような音波が入力された場合、可動部５はｔ＝ｔ１〜ｔ３においてはマイナスｚ方向へ変位し、ｔ＝ｔ３〜ｔ５においてプラスｚ方向に変位する。ｔ＝ｔ２の変位は（−ξ1／２）であり、ｔ＝ｔ４の変位は（＋ξ1／２）である。
ξ1＝Ｆ／Ｋz＝ＡＤＳa／Ｋz …（１１）
【００４８】
固定部３と可動部５の間の静電容量の変化は、可動部５がｚ軸の正負どちらの方向に変位した場合でも、変位量が等しければ同一となる。そのため、静電容量の変化（動的静電容量Ｃ1）は図１３（ｃ）に示すようになり、式で表すと次式（１２）のようになる。その結果、変則的な倍音成分が生じることになる。
Ｃ1＝Ｃ0−Ｃ2（１−cos２ωｔ）０．５ …（１２）
Ｃ2＝ε0Ｌξ1／２ｄ
【００４９】
次に、図１４に示すように、固定部３と可動部５との間に初期ズレξ0があった場合について考える。この場合、図１４の（ａ），（ｂ）に示すように、初期ズレξ0が、振幅ξ1に対してξ0≧ξ1／２であった場合と、ξ0＜ξ1／２であった場合とで、動的静電容量Ｃ1の変化の様子が異なる。
【００５０】
初期ズレξ0がξ0≧ξ1／２であった場合、図１４（ａ）に示すように、ｔ＝ｔ４のときでも固定部３に対して可動部５がプラスｚ方向に突出しない。すなわち、固定部３に対する可動部５の変位方向は、ゼロまたは常にマイナスｚ方向となっている。図１４（ａ）のｔ＝ｔ１における静電容量はＣ3＝ε0Ｌ(Ｈ−ξ0)／ｄであるので、この場合の動的静電容量Ｃ1は次式（１３）で表され、図１４（ａ）に示すようなサインカーブとなる。ξ0≧ξ1／２なので、Ｃ0−Ｃ3＝ε0Ｌξ0／ｄ≧ε0Ｌξ1／ｄ＝Ｃ2となっている。
Ｃ1＝Ｃ3−Ｃ2・sinωｔ …（１３）
【００５１】
一方、初期ズレξ0がξ0＜ξ1／２であった場合にはＣ0−Ｃ3＜Ｃ2となり、図１４（ｂ）に示すように、ｔ＝ｔ４を含む範囲Ｆにおいては、固定部３に対する可動部５の変位方向はプラスｚ方向となる。そのため、動的静電容量Ｃ1の曲線はサインカーブとはならず、図１４（ｂ）で示すように、範囲ＦにおいてはサインカーブをＣ0の直線に関して反転した形状となっている。すなわち、範囲Ｆの部分の影響による周波数成分が生じることになる。
【００５２】
このようなことから、倍音成分のような余分な周波数成分が生じないようにするためには、初期ズレξ0をξ0≧ξ1／２のように設定する必要がある。さらに、可動部５が振動した場合に、静電容量が常に発生している必要があるので、可動部５の側面の一部と固定部３の側面の一部とが必ず対向していなければならない。すなわち、ξ0＋ξ1／２＜Ｈを満たしていないといけない。よって、初期ズレξ0は次式（１４）を満たすように設定される。なお、このような初期ズレξ0を設定した場合、可動部５の厚さＨと第１の実施の形態で説明した隙間の厚さ方向寸法ｈとの関係は、ｈ＝Ｈ−ξ0である。
ξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２ …（１４）
【００５３】
実際の可動部５は、歪みやウェハの残留応力による反りなどの影響で、図１３に示すように固定部３と同一平面上となることは厳密にはない。音圧による振動の振幅ξ1が、その歪みによるズレξ0に対してξ0≧ξ1／２を満たすような範囲に有れば、静電容量の変化は倍音にならず入力と同じ周波数が出力されることになる。ただし、可動部５の振幅ξ1がξ1／２＞ξ0を満たす程度に大きくなると、倍音が出力されることになる。
【００５４】
なお、音圧による振動の振幅ξ1は、可動部５の大きさが数mm角で、120dB時に1μm以下程度になる。
【００５５】
上述した説明に用いた式はあくまで簡易式であって、実際に考慮すべきパラメータはもっと多い。例えば、印加されるバイアス電圧Ｅが大きいほど、バネ定数Ｋz は静電気力によって増大し、その増大の割合は変位によって変化する。その他、空気抵抗による負スティフネスがある。一方、一般のダイアフラム型マイクロフォンは、その原理上、スクイーズフィルムダンパー効果により、空気抵抗の影響を強くうけることになる。しかし、上述した櫛歯型可動部５の振動を利用したマイクロフォン１の場合は、ギャップｄが狭くなる方向に動くわけではないので、スクイーズフィルムダンパー効果を受けにくく、空気抵抗の影響は比較的小さい。
【００５６】
このように、第２の実施の形態では、可動部５を固定部３に対して振動方向にずらして形成することにより、図１３に示すような倍音成分の発生を抑制することができる。特に、式（１４）を満足するように初期ズレξ0を設定することで、倍音成分の発生を完全に防止することができる。
【００５７】
−第３の実施の形態−
図１８は、本発明によるマイクロフォンの第３の実施の形態を示す図である。上述した第１および第２の実施の形態は、固定部３および可動部５の形状を櫛歯形状としたが、本実施の形態では、従来のマイクロフォンと同様に可動部５を円形とした。可動部５は、４つの弾性支持部４により、円形のバックチャンバ７上に支持されている。可動部５の側周には円弧状の固定部３Ａ〜３Ｄが配置されている。固定部３Ａ〜３Ｄはそれぞれ独立しており、各々の静電容量を個別に検出することができる。すなわち、固定部３Ａ〜３Ｄをグランド側とし、固定部３Ａ〜３Ｄのそれぞれに図３に示したＦＥＴ４１を設けて、各静電容量の変化をそれぞれ検出する。
【００５８】
このような構成とすることにより、指向性を有するマイクロフォンとすることができる。例えば、図１９に示すように可動部５の斜め方向に音源があった場合、可動部５の表面上の位置によって音源からの音波の到達時間や音圧が違うことから、可動部５の法線が音源方向を向くように可動部５が傾く。そして、傾いた状態で音波の出力に応じて可動部５が振動する。そのため、各固定部３Ａ〜３Ｄの静電容量の変化はそれぞれ異なる値となり、これらの静電容量変化の違いから、音源方向を推定することが可能となる。
【００５９】
図１８では、固定部側を４つの固定部３Ａ〜３Ｄに分割したが、図２０に示すように可動部側も複数の可動部５Ａ〜５Ｄに分割し、それぞれが個別に変位できるようにしても良い。なお、図２０に示す例では、可動部５Ａ〜５Ｄと固定部３との対向部分を櫛歯形状としている。各可動部５Ａ〜５Ｄは、支柱４２の中央部分から伸延する弾性支持部４によってそれぞれ支持されている。また、バックチャンバ７の上方に形成される隙間のギャップ寸法ｄは、可動部５Ａ〜５Ｄの周囲の隙間に限らず、弾性支持部４や支柱４２の部分の隙間についても、上述した式（８）を満たすように設定される。
【００６０】
なお、図示は省略するが、図２０の構成において固定部を４分割せずに、可動部のみを４分割するような構成であっても良い。その場には、分割された可動部５Ａ〜５Ｄ毎にＦＥＴ４１を設け、それぞれの容量変化を検出するようにする。
【００６１】
従来のダイアフラム構造のマイクロフォンの場合、ダイアフラムは円形膜状構造が一般的であり一定のサイズを必要とするが、本発明によるマイクロフォンの場合には、ギャップ寸法ｄが式（８）を満たす範囲において、弾性支持部４で支持された可動部５の形状を様々な形状とすることができる。例えば、図２１に示すように、図１に示した櫛歯形状の固定部３および可動部５を、基板上のＬ字形状の領域２００に形成し、余った領域に回路領域２０１を設け、その領域２０１に図３に示した回路やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を形成することが容易に可能となる。
【００６２】
上述した実施の形態では、可動部５の振動を静電容量の変化で検出するコンデンサ型マイクロフォンとしたが、図１や図１８に示した弾性支持部４にピエゾ抵抗素子をイオン注入等により形成して、可動部５の変位によって生じるピエゾ抵抗変化を読み取ることにより、音圧を電気信号に変換するようにしても良い。
【００６３】
また、バイアス電圧Ｖｂをエレクトレット（永久帯電膜）により与える場合には、固定部および可動部の内、グランド側ではない方の上面に絶縁層（例えば、シリコン酸化膜）を形成し、コロナ放電によりその絶縁層を帯電させるようにする。また、イオンを注入する方法でも良い。また、図２２に示すように固定部３と導電部３２によって連結されたエレクトレット部３３を別に形成するようにしても良い。可動部５に対するエレクトレットに関しても、同様の構成とすることが可能である。
【００６４】
上述した実施形態では、ＳＯＩ基板を加工してマイクロフォンを形成したが、ＳＯＩ基板の代わりに、研磨した単結晶シリコン層にテンパックスガラスを陽極酸化にて貼り合わせた二層基板を用いても良い。
【００６５】
上述したように、複数層から成る基板１００をマイクロマシニング技術により加工して形成されるマイクロフォン１において、可動部５と、その側面に所定隙間８ａを介して対向する固定部３とを同一の上部Ｓｉ層１０により形成し、支持枠２のバックチャンバ７に対向する位置に、可動部５を弾性支持部４で弾性支持する構成とした。そして、音速をｃ、空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間８ａの厚さ方向の寸法ｈおよび側面と固定部対向面との間隔ｄを、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定した。その結果、音圧に対する感度を維持しつつ、マイクロフォンの小型化および低コスト化を図ることができる。
【００６６】
なお、可動部５と固定部３とがコンデンサを形成し、可動部５が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出するようにしても良いし、弾性支持部４にピエゾ抵抗素子を配置し、可動部が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出するようにしても良い。
【００６７】
また、可動部５を、コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動部５の厚さ方向に位置ズレして配置することで、倍音成分の発生が抑制される。特に、可動部５および固定部３の厚さをＨとし、音圧が作用したときの可動部５の最大振幅をξ1したときに、位置ズレξ0をξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２が満足されるように設定することで、倍音成分の発生を防止できる。
【００６８】
なお、上述した第２の実施の形態では、可動部５と固定部３の厚さが等しい場合を例に初期ズレξ0を説明したが、図２３（ａ）に示すように可動部５と固定部３との厚さが異なる場合にも、同様に初期ズレξ0を設定すれば良い。すなわち、破線で示すような静電容量が最大となる位置から、初期ズレξ0だけ下方に可動部５をずらせば良い。また、図２３（ｂ）のように、可動部５および固定部３の対向部分のみを全体の厚さよりも薄くし、その薄くした部分を上下（厚さ方向）に初期ズレξ0だけずらすようにしても良い。この場合、寸法Ｈには対向部分の厚さが対応する。
【００６９】
さらに、可動部５および固定部３の各対向面を凹凸状に入り込んだ櫛歯形状とすることで、コンデンサの静電容量を大きくすることができ、マイクロフォンの感度向上を図ることができる。また、固定部３および可動部５の少なくとも一方を複数に分割して複数のコンデンサを形成することにより、マイクロフォンに指向性を与えることができる。
【００７０】
固定部３または可動部５にバイアス電圧を与えることで感度向上を図ることができるが、固定部３または可動部５の表面に永久帯電膜を形成することで、バイアス電圧用の電源を省略することができる。また、図２２のように支持枠２の表面にエレクトレット部３３（永久帯電膜）を形成し、そのエレクトレット部３３と固定部３または可動部５の一方とを導通部３２で導通するようにしても良い。
【００７１】
弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、可動部５が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出するようにしても良い。また、可動部５に、溝（傾斜溝５ａ）または直径が間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成して可動部５の重量を軽減することで、可動部５の共振点が高くなり、共振点を可聴帯域から大きく外すことができる。
【００７２】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１：マイクロフォン、２：支持枠、３，３Ａ〜３Ｄ：固定部、４，４ｂ〜４ｄ：弾性支持部、４ａ：応力膜、５，５Ａ〜５Ｄ：可動部、５ａ：傾斜溝、７：バックチャンバ、８ａ〜８ｄ：ギャップ、１０：上部Ｓｉ層、３０：下部Ｓｉ層、３１，５１：櫛歯、３２：導通部、３３：エレクトレット部、１００：ＳＯＩ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話やIC レコーダーなどに用いられているマイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンウエハを用いてマイクロマシニングで作製されるコンデンサ型のマイクロフォンが知られている。このマイクロフォンには、音圧を検知する振動板であるメンブレンとこれに対向するバックプレートが設けられており、メンブレンとバックプレートとの空隙の変化を電気的に検出するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６３９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、携帯電話やIC レコーダーに用いられるマイクロフォンにおいては、一定の性能を満たすと同時に、実装に要する体積の低減と、コストの低減が求められている。しかしながら、従来は、ダイアフラムおよびバックプレートを対向して備える多層構造であるため、複数のスペーサや電極構造を要し、体積低減やコスト低減に対して阻害要因となっている。また、マイクロマシニングで作製されるコンデンサマイクの場合、性能を満たすコンデンサを形成するためには、上述した多層構造において数μm 以下のギャップが求められるようになっており、表面マイクロマシニングに対応した高い製造技術や設備が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォンであって、基板の第１の層から成り、バックチャンバが形成された支持枠と、基板の第２の層から形成され、バックチャンバと対向する位置に弾性支持部により弾性支持された可動板と、第２の層から形成され、所定隙間を介して可動板の側面に対向している固定部と、を備え、使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間の可動板厚さ方向の寸法ｈおよび側周面と固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、可動板と固定部とがコンデンサを形成し、可動板が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載のマイクロフォンにおいて、可動板は、前記コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動板の厚さ方向に位置ズレして配置されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載のマイクロフォンにおいて、可動板および固定部の厚さをＨとし、音圧が作用したときの可動板の最大振幅をξ1としたとき、位置ズレξ0は、ξ1／２≦ξ0＜ｈ−ξ1／２を満足するように設定されている。
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、可動板および固定部の各対向面は、凹凸状に入り込んだ櫛歯形状を成すことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、固定部および可動板の少なくとも一方を複数に分割して、複数のコンデンサを形成したことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、固定部または可動板の表面に、コンデンサにバイアス電圧を印加するための永久帯電膜を形成したものである。
請求項８の発明は、請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、支持枠の表面に形成された永久帯電膜と、永久帯電膜と固定部または可動板の一方とを導通する導通部と、を備えたことを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、可動板が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出することを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、可動板に、溝を形成したこと、または直径が間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、音圧に対する感度を維持しつつ、マイクロフォンの小型化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明によるマイクロフォンの第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）はマイクロフォン１の概略構成を示す平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２】マイクロフォン１の動作原理を示す模式図である。
【図３】マイクロフォン１の出力回路を示す図である。
【図４】圧力差を説明する図であり、（ａ）ダイアフラム２３０の裏面側が密封空間となっている場合を示し、（ｂ）はダイアフラム裏面側の空間が半密封状態となっている場合を示す。
【図５】ギャップ内の圧力差の伝播を説明する図である。
【図６】ｈ＝πｃｄ２/６νのグラフを示す図である。
【図７】感度特性を示す図である。
【図８】マイクロフォン１の製造工程を説明する図である。
【図９】マイクロフォン１の製造工程を説明する図であり、図８に示す工程に続く工程を示す。
【図１０】マイクロフォン１の製造工程を説明する図であり、図９に示す工程に続く工程を示す。
【図１１】本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１２】図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図１３】初期ズレξ0がξ0＝０の場合を説明する図であり、（ａ）は入力音波の音圧変化を示し、（ｂ）は固定部３と可動部５との位置関係を示し、（ｃ）は静電容量の変化を示す。
【図１４】初期ズレξ0がξ0≠０の場合を説明する図であり、（ａ）はξ0≧ξ1／２の場合を示し、（ｂ）はξ0＜ξ1／２の場合を示す。
【図１５】第１の変形例を示す図である。
【図１６】第２の変形例を示す図である。
【図１７】第３の変形例を示す図である。
【図１８】本発明によるマイクロフォンの第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図１９】マイクロフォンの指向性を説明する図である。
【図２０】第３の実施の形態の変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２１】基板上に回路領域が設けられたマイクロフォン１を示す平面図である。
【図２２】エレクトレット部３３を備えるマイクロフォン１の平面図である。
【図２３】固定部３および可動部５の形状に応じた初期ズレξ0の設定を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態のマイクロフォンの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。マイクロフォン１は、支持枠２上に固定された固定部３と、弾性支持部４を介して支持枠２に連結されている可動部５とを備えている。本実施の形態においては、マイクロフォン１は、下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いて、マイクロマシニング技術、或いはフォトリソグラフィ技術により作製される。
【０００９】
支持枠２は下部Ｓｉ層３０から形成され、固定部３，可動部５および弾性支持部４は上部Ｓｉ層１０から形成される。固定部３および弾性支持部４と支持枠２との間には、絶縁層としてのＳｉＯ２層２０が介在している。支持枠２には矩形状の空洞から成るバックチャンバ７が形成されており、可動部５はバックチャンバ７の上方に弾性支持部４により弾性支持されている。固定部３および可動部５には電極６ａ，６ｂが形成されており、後述するように、それらの間にはＤＣ電圧が印加される。
【００１０】
固定部３および可動部５は櫛歯形状部を有していて、固定部３の歯と歯の間に可動部５の歯が入り込むように、固定部３および可動部５は配置されている。本実施の形態では、固定部３と可動部５との間のギャップ８ａ、Ｕ字形状を成す弾性支持部４同士のギャップ８ｄ、可動部５と弾性支持部４との間のギャップ８ｂおよび固定部３と弾性支持部４との間のギャップ８ｃのギャップ寸法は、同一寸法に設定されている。なお、このギャップ寸法は、後述するように所定の寸法に設定されている。ここでは、可動部５および固定部３のバックチャンバ７側を裏面側と称し、反対側を表面側と称することにする。検出すべき音波は表面側に入射する。
【００１１】
図２は、マイクロフォン１の動作原理を示す模式図である。可動部５の側面５００と対向する固定部３の対向面３００との間には上述したギャップ８ａが形成されており、固定部３と可動部５とによってコンデンサＣが形成されることになる。音波が可動部５の表面側に到達して音圧が作用すると、可動部５を弾性支持する弾性支持部４が撓み、可動部５がバックチャンバ７側（ｚ軸マイナス方向）に変位する。その結果、コンデンサＣの静電容量が変化する。このように、本実施の形態のマイクロフォン１はコンデンサ型マイクロフォンを構成しており、可動部５の振動によるコンデンサＣの静電容量変化を電気信号に変換することで音圧を読み取っている。
【００１２】
図３は、マイクロフォン１の出力回路を示す図である。破線で囲まれた部分はマイクロフォン１の静電容量を表しておりＣは固定部３と可動部５との間の静電容量であり、Ｃs1は固定部３側の寄生容量であり、Ｃs2は可動部５側の寄生容量である。固定部３と可動部５との間にはＤＣバイアス電圧Ｖbを印加する。なお、固定部側にエレクトレットを形成し、そのエレクトレットによりバイアス電圧が印加されるようにしても良い。Ｃpはバイパスコンデンサである。
【００１３】
固定部３に対して可動部５が変位すると、グランド側の可動部５の電荷が僅かに変化する。可動部５はＦＥＴ４１のゲートＧに接続されており、ＦＥＴ４１のドレイン・ソース間には、ＦＥＴ４１を動作させるためのドレイン・ソース電圧Ｖdcが印加される。なお、固定部３にＤＣバイアス電圧Ｖbを印加することで、可動部５の電荷の変動を増大させることができる。可動部５の電荷変動は電流変化として増幅され、抵抗Ｒの電圧を読み取ることで、音圧による容量Ｃの変化を電圧変化として検出することができる。なお、図３では可動部側をグランドとし、可動部側にＦＥＴ４１を接続したが、逆に、固定部側をグランドにして固定部側にＦＥＴ４１を設けても良い。
【００１４】
（ギャップ寸法の説明）
従来のコンデンサ型マイクロフォンは、音波による圧力変動を読み取るためのダイアフラムとバックプレートとを有している。ダイアフラムによって空気を遮断し、ダイアフラムの表裏に発生する圧力差によってダイアフラムを振動させる。そして、バックプレートに対してダイアフラムが振動することによる静電容量変化を、電気信号に変換することで音圧を読み取っている。一方、本実施の形態では、従来のコンデンサマイクロフォンでコンデンサを構成するダイアフラムおよびバックプレートを、固定部２および可動部５に置き換えることによって、音圧を検出するようにしている。
【００１５】
一般的に、ダイアフラムの振動により音声を検出するマイクロフォンにおいては、振動板としてのダイアフラムの表裏間に発生する圧力差が重要となる。本実施の形態では、音圧が入射する可動部５は、その表面側と裏面側とがギャップを介して連通している。このような構造において、可動部５の表裏間に十分な圧力差を発生させるためには、隙間のギャップ寸法を最適な値に設定する必要がある。
【００１６】
例えば、図４（ａ）に示すようにダイアフラム２３０の裏面側が密封空間となっていた場合と、図４（ｂ）に示すようにダイアフラム２３０に穴２３０ａが形成されていて、ダイアフラム裏面側の空間が半密封状態となっている場合とを考察する。
【００１７】
空気は流体であり粘性を有するので、物質表面においては空気の速度は０に等しく、表面から離れるにつれて徐々に本来の音速にまで速度は復帰すると考えることができる。 物質表面からみて、 空気が音速未満 （音速の 99％以下）に低下している領域を速度境界層と呼ぶ。流体音場におかれた物体の表面が流体粒子の振動速度に垂直でない場合、その物体の表面に厚さδ= (2ν/ω)０．５の速度境界層が生じる。ここで、速度境界層とは、音速が壁の影響で遅くなっている領域である。ν は空気の動粘性係数、ω は音波の角周波数である。
【００１８】
図４（ｂ）で示すように、音響的にみて充分に大きな穴ないし隙間が空いている半開放系の場合、圧力変動は音速で表裏まで伝わる。 そして音波の一周期における音波を受けた平板の表裏間の圧力差は、音の疎密の度合いに対する平板の厚み分のみが寄与し、力としては非常に弱い。仮に音圧による空気の圧力変動Pを1Pa（94dB時）とすると、厚みが20μmの平板の表裏では、図４（ａ）のように密封ないしそれに近い状態の場合は、 平板に加わる圧力はそのまま最大1Pa分の準正弦波的変動を示す。しかし、図４（ｂ）のように十分に大きな隙間が空いている半開放系の場合は、表裏の圧力差は単純に音波が厚みの分を移動するだけの差のみである。
【００１９】
例えば、常温常圧において、音圧2Pa、周波数1kHzの音波であれば、音は一周期辺り1msであり、その間に圧力変動は一波長分、つまり約34cm分進む。音速の音波の圧力変動が平板の厚さ20μmを通り抜けるのに要する時間は59nsである。圧力変動が正弦波的に変動するとして、疎密変動の各周波数をω、時間をtとすると、表裏の圧力差δPは、
δP=（P0+Psinω(t+59ns）)-(P0＋Psinωt)
で表される。59nsという値は周期1msに対して約17000分の一であり、位相にして約0.021°であるから、この条件下ではδPはPに対して最大でも約2500分の一以下となり、半開放状態では密閉状態に対して明らかに圧力差が小さいことが分かる。そのため、一般に穴が開いていた場合、音波を受ける振動体としては感度が小さすぎ、入力された音波が共振周波数であるような特別な状態のときのみ反応する。
【００２０】
一方、平板上の穴の半径またはギャップの間隔の1/2が速度境界層以下であるなら、その隙間を通る音波は本来よりも遅く伝播されると言える。図５はギャップ内の圧力差の伝播を説明する図である。ギャップ８ａの寸法ｄが充分に狭く、固定部２および可動部５の厚さｈがギャップ寸法ｄに対して充分に厚い場合、ギャップ８ａ内の圧力差の伝播は、広い自由空間に対して遅延が生じる。そのため、圧力変動は音速では伝わらない。
【００２１】
ギャップ寸法ｄの1/2が速度境界層の厚さ以下であるなら、ギャップ内は速度境界層の範囲にある。速度境界層内部においては、空気の速度分布ｕは次式（１）で算出される。ａは粘性などに依存する係数である。ｕはｘ＝ｄ/２のときに最大値ｕmaxとなる。
ｕ＝ａｘ（ｄ−ｘ） …（１）
【００２２】
速度境界層の厚さδは、壁面から速度が音速ｃとなるまでの距離であるから、ギャップ寸法ｄが２δ以上の場合には、ｘ＝δ（＝(２ν/ω)０．５）のときにｕmax＝ｃとなるので、この条件から値ａが求まる。
ｃ＝ａδ（２δ−δ）＝ａδ２ …（２）
ａ＝ｃ/δ２ ＝ωｃ/２ν …（３）
ｕ＝ωｃｘ（ｄ−ｘ）/２ν …（４）
【００２３】
ギャップ寸法ｄが２δよりも小さい場合には、流速ｕはｘ＝０．５ｄにおいて最大となるが、音速ｃよりは小さくなる。よって、ギャップ内において、音波による圧力変動が到達する位置は、音波の周期をｔとすると、一周期あたりについて次式（６）で示す値となる。
ｚ＝ｕｔ＝ｃｔｘ（ｄ−ｘ）/δ２＝（ωｃ/２ν）ｔｘ（ｄ−ｘ） …（５）
ｚmax＝（ωｃ/２ν）ｔ・ｄ/２・ｄ/２
＝ωｃｔｄ２/８ν …（６）
【００２４】
式（６）の値ｚmaxが図５に示す流路長（ギャップの厚さ方向寸法）ｈを超える場合には、圧力変動は一周期毎に裏面側まで届いていることになる。また、圧力変動の先端が裏面側に届くだけでなく、体積的にもギャップの空気を置換するに充分である場合は、拡散して裏面側に回りこみはじめることになる。図５におけるギャップ８ａの奥行き（ｙ方向）単位長さに関して考えると、一周期当たりの音圧変動が占める体積Ｖsは、式（５）を積分することにより式（７）のようになる。一方、ギャップ８ａの部分の体積Ｖdは、奥行き（ｙ方向）単位長さ当たりで考えるとＶd＝ｄｈなので、音波がギャップ８ａを貫通しない条件は式（８）のようになる。
Ｖs＝πｃｄ３/６ν …（７）
ｈ≧πｃｄ２/６ν …（８）
【００２５】
図６は、ｈ＝πｃｄ２/６νのグラフを示したものである。式（８）の条件は、ｈ＝πｃｄ２/６νの曲線の上側の領域（ＯＫ）であり、（ｈ、ｄ）の組み合わせが曲線よりも下側の領域（ＮＧ）に入る場合には、音波がギャップ８ａを貫通してしまうことになる。図１に示す、ギャップ８ａ〜８ｄは、いずれも表面側から裏面側（バックチャンバ７）まで貫通しているので、全てのギャップ８ａ〜８ｄに対して式（８）を満たすように寸法ｈ、ｄを設定する。
【００２６】
なお、式（８）において、音速ｃおよび動粘性係数νは温度に依存する量であるが、マイクロフォン設計に当たっては、マイクロフォンの使用温度範囲内の所定温度を設計温度とし、その設計温度における音速ｃおよび動粘性係数νを使用する。マイクロフォンの一般的な使用条件は温度０〜４０℃、１atm(±10％)と考えられる。例えば、０℃のときの動粘性係数νは13.2×10−６（m２/s）で、５０℃のときには17.7×10−６（m２/s）となる。
【００２７】
図７は感度特性を示す図であり、曲線Ｌ１は本実施の形態のマイクロフォン１の感度特性を示す。この場合、式（８）を満たすように寸法ｈおよびギャップ寸法ｄが設定されている。一方、曲線Ｌ２は、一般的な櫛歯アクチュエータの場合と同様のギャップ寸法とした場合、すなわち、式(８)を満足していない場合である。また、曲線Ｌ３は、一般的なコンデンサマイクロフォンの特性を示す。
【００２８】
ギャップ寸法が式（８）を満たしていない曲線Ｌ２の場合には、可動部の共振点付近では感度が大きくなるが、その他の周波数においては殆ど感度がない。一方、曲線Ｌ１の場合には、可聴帯域（１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）において、一般のコンデンサマイクロフォンと同様の感度が得られている。なお、共振点が可聴帯域に入らないように、可動部５の質量および弾性支持部４のバネ定数を設定する。
【００２９】
次に、図８〜１０を参照して、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板からマイクロフォン１を製造する方法について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００のＳｉ層１０の表面に、マスク層１１およびレジスト層１２を順に形成する。ＳＯＩ基板１００は下部Ｓｉ層３０，ＳｉＯ２層２０，上部Ｓｉ層１０の３層構造を有しており、上部Ｓｉ層１０に固定部３および可動部５が形成され、下部Ｓｉ層３０にバックチャンバ７を有する支持枠２が形成される。マスク層１１は、スパッタリングや真空蒸着法等の公知の成膜方法によって形成されたアルミニウムや窒化シリコン等の膜である。
【００３０】
次に、レジスト層１２に対してフォトリソグラフィによる露光・現像を行って、図８（ｂ）に示すようなレジストパターン１２Ｐを形成する。このレジストパターン１２Ｐには、図１に示す固定部３、可動部５、弾性支持部４などの形状がパターニングされている。その後、レジストパターン１２Ｐをマスクとして混酸液によりマスク層１１をエッチングして、図８（ｃ）に示すように上部Ｓｉ層１０を露出させる。
【００３１】
次に、図８（ｄ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層１０を垂直方向に異方性エッチングし、ＳｉＯ２層２０を露出させる。その後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン１２Ｐおよびマスク層１１を除去する。
【００３２】
次いで、図９（ａ）に示すように、エッチングされた上部Ｓｉ層１０および露出したＳｉＯ２層２０を覆うように、保護用の厚膜レジスト層１５を形成する。その後、図９（ｂ）のように基板１００を表裏反転させて、下部Ｓｉ層３０の上にスパッタリング法や真空蒸着法によりアルミニウム（Ａｌ）層１３を形成する。そして、Ａｌ層１３の上にレジスト層１４を形成し、フォトリソグラフィによりバックチャンバ形成用のレジストパターン１４Ｐを形成する。
【００３３】
次に、レジストパターン１４Ｐをマスクとして用いて、Ａｌ層１３を混酸液によりエッチングしてＡｌパターン１３Ｐを形成する（図９（ｃ）参照）。その後、これらのレジストパターン１４ＰおよびＡｌパターン１３Ｐをマスクとして、下部Ｓｉ層３０をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする（図１０（ａ）参照）。下部Ｓｉ層３０は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングはＳｉＯ２層２０が露出するまで行われる。
【００３４】
エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト層１４，１５およびＡｌ層１３を除去する（図１０（ｂ）参照）。その後、上部Ｓｉ層１０の固定部３となる部分に、真空蒸着法等によりアルミ膜を形成し電極６ａ，６ｂとする（図１０（ｃ）参照）。このようにして、図１に示すマイクロフォン１が形成される。なお、上述した例では、接続端子部分にアルミ膜の電極６ａ，６ｂを形成したが、導通性を高めるために固定部３および可動部５の表面側全体にアルミ膜を形成するようにしても良い。
【００３５】
（変形例）
図１５〜１７は、第１の実施の形態の変形例を示す図である。図１５に示す第１の変形例では、一対の固定部３ａ，３ｂおよび可動部５ａ，５ｂが設けられている。一対の弾性支持部４ｂにより支持された可動部５ａと一対の弾性支持部４ｃにより支持された可動部５ｂとは中央部分で接続されており、その接続部は一対の弾性支持部４ｄで支持されている。可動部５ａと固定部３ａとで構成されるコンデンサは、可動部５ｂと固定部３ｂとで構成されるコンデンサと並列接続されていることになる。このように、固定部および可動部の面積を大きくすることで、マイクロフォン１の感度向上を図ることができる。
【００３６】
図１６は第２の変形例を示す図である。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の円形領域の拡大図である。固定部３および可動部５の各歯の部分には、さらに小さな櫛歯３１，５１がおのおの形成されており、固定部３の各歯に形成された各櫛歯３１の凸部は、可動部５の各歯に形成された櫛歯５１の凹部に入り込んでいる。このような構造とすることにより、第１の変形例のように固定部および可動部の面積を大きくしなくても、静電容量を大きくすることができ、マイクロフォン１の感度向上を図ることができる。
【００３７】
図１７は第３の変形例を示す図である。第３の変形例では、図１７（ｂ）に示すように、可動部５の各歯に傾斜溝５ａを形成した。このような傾斜溝５ａを形成すると、音波を受けた場合に垂直方向だけでなく水平方向にも可動部５が移動しやすくなり、特に傾斜溝５ａの傾きに対して垂直な方向に対しての感度が向上する。また、傾斜溝５ａを設けることで可動部５が軽量化され、 共振周波数（図７参照）がより高周波に移動し、 特性が安定する。 なお、可動部軽量化のために、式（８）を満たすｄを直径とする貫通孔を可動部５の全域に形成してもよい。
【００３８】
−第２の実施の形態−
図１１〜１２は、本発明によるマイクロフォンの第２の実施の形態を示す図である。図１１は上述した図１と同様の図であり、図１２は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示したものである。第２の実施の形態のマイクロフォンも、櫛歯構造の固定部３および可動部５を備える点では第１の実施の形態と同じであるが、図１２のＢ−Ｂ断面図に示すように、弾性支持部４の表面側に、圧縮応力を有する膜（以下では応力膜と称する）４ａが形成されている点が異なる。
【００３９】
一般的に、膜に圧縮応力がある場合には、それを相殺しようと、シリコン側には引張応力が生じる。そのため、膜のある面のほうが伸びる形（円弧の外周側）になり、膜面を凸として曲がることになる。すなわち、弾性支持部４に応力膜４ａとして圧縮応力を持つ膜を形成した場合、弾性支持部４は全体として基板裏面側に向かって曲がることになり、可動部５は図１１に示すように基板裏面側にずれることになる。
【００４０】
なお、図１１，１２に示す例では応力膜４ａとして圧縮応力を有するものを用いたが、引っ張り応力を有するものでも良い。その場合には、弾性支持部４が表面側に撓み、固定部３に対して可動部５が表面側にずれる。
【００４１】
応力膜４ａの例としては、圧縮応力を持つ膜ではポリシリコン膜があり、引張応力を持つ膜ではクロム膜、シリコン窒化膜などがある。ただし、これらの膜も製造方法によっては別方向の応力を持つことがある。例えば、素材ごとの熱膨張係数の違いを利用して、摂氏数百度程度の高熱雰囲気中で成膜し、常温まで冷却することで応力差を発生ないし緩和することができる。また、同じ金属の膜であっても、成膜温度や配向で応力の向きは変わる場合がある。なお、一層の膜で応力膜４ａを形成する代わりに、異種金属膜を複数層成膜することで応力制御する方法もある。
【００４２】
応力膜の形成は、図８（ｄ）のように可動部５が形成された後に行われるが、図１０（ｂ）のようにバックチャンバ７が形成された後であっても良いし、バックチャンバ７を形成する前でも良い。いずれにしても、バックチャンバ７を形成する前に櫛歯（固定部３、可動部５）の全面にＣＶＤまたは酸化により絶縁膜を形成する。そして、弾性支持部４の部分の絶縁膜を除去した後、その部分に応力膜４ａを形成する。応力膜４ａの形成には、スパッタリング法やメッキ法が用いられる。
【００４３】
応力膜４ａの圧縮応力によって弾性支持部４が裏面側に撓み、図１１（ｂ）に示すように、固定部３と可動部５とがｚ方向に互いにずれた構造となる。このように、本実施の形態では、固定部３と可動部５とが、可動部５の振動方向にずれている点に特徴があり、それにより以下に説明するような作用効果を奏する。なお、図１１，１２に示す例では、固定部３に対して可動部５がマイナスｚ方向にξ0だけずれた構造となっているが、初期ズレξ0の方向はプラスｚ方向であっても良い。
【００４４】
図１３は、図１に示したマイクロフォン１のように固定部３と可動部５との間にズレが無い場合（ξ0＝０）を説明する図である。図１３において、（ａ）は入力音波の音圧の変化を示し、（ｂ）は音圧が作用したときの固定部３と可動部５との位置関係を示し、（ｃ）は固定部３と可動部５との間の静電容量の変化を示している。
【００４５】
自由空間における瞬時音圧をｐ0＝Ａsinωｔとした場合、音圧による力は次式（９）で表される。Ｄは空圧係数であって、ギャップ８ａで抜ける等による低下の程度を表しており、実際に可動部５に加わる音圧の割合を示す。また、Ｓaは可動部５の表面側の面積である。
Ｆ＝ＤＳa・Ａsinωｔ …（９）
【００４６】
図１３（ａ）のｔ＝ｔ１においては、Ｆ＝０なので可動部５は変位せず、そのときの静電容量は次式（１０）で表されるようなＣ0となっている。式（１０）においてＬＨは、可動部５の固定部３と対向する面（側面）の面積であり、Ｈは固定部３および可動部５の厚さで、Ｌは櫛歯状に入り組んだ対向面の縁（図１１（ａ）の櫛歯の輪郭線）の長さである。
Ｃ0＝ε0ＬＨ／ｄ …（１０）
【００４７】
音圧により振動する可動部５の振幅ξ1は、次式（１１）で表される。Ｋzは、可動部５のｚ方向のバネ定数である。図１３（ａ）に示すような音波が入力された場合、可動部５はｔ＝ｔ１〜ｔ３においてはマイナスｚ方向へ変位し、ｔ＝ｔ３〜ｔ５においてプラスｚ方向に変位する。ｔ＝ｔ２の変位は（−ξ1／２）であり、ｔ＝ｔ４の変位は（＋ξ1／２）である。
ξ1＝Ｆ／Ｋz＝ＡＤＳa／Ｋz …（１１）
【００４８】
固定部３と可動部５の間の静電容量の変化は、可動部５がｚ軸の正負どちらの方向に変位した場合でも、変位量が等しければ同一となる。そのため、静電容量の変化（動的静電容量Ｃ1）は図１３（ｃ）に示すようになり、式で表すと次式（１２）のようになる。その結果、変則的な倍音成分が生じることになる。
Ｃ1＝Ｃ0−Ｃ2（１−cos２ωｔ）０．５ …（１２）
Ｃ2＝ε0Ｌξ1／２ｄ
【００４９】
次に、図１４に示すように、固定部３と可動部５との間に初期ズレξ0があった場合について考える。この場合、図１４の（ａ），（ｂ）に示すように、初期ズレξ0が、振幅ξ1に対してξ0≧ξ1／２であった場合と、ξ0＜ξ1／２であった場合とで、動的静電容量Ｃ1の変化の様子が異なる。
【００５０】
初期ズレξ0がξ0≧ξ1／２であった場合、図１４（ａ）に示すように、ｔ＝ｔ４のときでも固定部３に対して可動部５がプラスｚ方向に突出しない。すなわち、固定部３に対する可動部５の変位方向は、ゼロまたは常にマイナスｚ方向となっている。図１４（ａ）のｔ＝ｔ１における静電容量はＣ3＝ε0Ｌ(Ｈ−ξ0)／ｄであるので、この場合の動的静電容量Ｃ1は次式（１３）で表され、図１４（ａ）に示すようなサインカーブとなる。ξ0≧ξ1／２なので、Ｃ0−Ｃ3＝ε0Ｌξ0／ｄ≧ε0Ｌξ1／ｄ＝Ｃ2となっている。
Ｃ1＝Ｃ3−Ｃ2・sinωｔ …（１３）
【００５１】
一方、初期ズレξ0がξ0＜ξ1／２であった場合にはＣ0−Ｃ3＜Ｃ2となり、図１４（ｂ）に示すように、ｔ＝ｔ４を含む範囲Ｆにおいては、固定部３に対する可動部５の変位方向はプラスｚ方向となる。そのため、動的静電容量Ｃ1の曲線はサインカーブとはならず、図１４（ｂ）で示すように、範囲ＦにおいてはサインカーブをＣ0の直線に関して反転した形状となっている。すなわち、範囲Ｆの部分の影響による周波数成分が生じることになる。
【００５２】
このようなことから、倍音成分のような余分な周波数成分が生じないようにするためには、初期ズレξ0をξ0≧ξ1／２のように設定する必要がある。さらに、可動部５が振動した場合に、静電容量が常に発生している必要があるので、可動部５の側面の一部と固定部３の側面の一部とが必ず対向していなければならない。すなわち、ξ0＋ξ1／２＜Ｈを満たしていないといけない。よって、初期ズレξ0は次式（１４）を満たすように設定される。なお、このような初期ズレξ0を設定した場合、可動部５の厚さＨと第１の実施の形態で説明した隙間の厚さ方向寸法ｈとの関係は、ｈ＝Ｈ−ξ0である。
ξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２ …（１４）
【００５３】
実際の可動部５は、歪みやウェハの残留応力による反りなどの影響で、図１３に示すように固定部３と同一平面上となることは厳密にはない。音圧による振動の振幅ξ1が、その歪みによるズレξ0に対してξ0≧ξ1／２を満たすような範囲に有れば、静電容量の変化は倍音にならず入力と同じ周波数が出力されることになる。ただし、可動部５の振幅ξ1がξ1／２＞ξ0を満たす程度に大きくなると、倍音が出力されることになる。
【００５４】
なお、音圧による振動の振幅ξ1は、可動部５の大きさが数mm角で、120dB時に1μm以下程度になる。
【００５５】
上述した説明に用いた式はあくまで簡易式であって、実際に考慮すべきパラメータはもっと多い。例えば、印加されるバイアス電圧Ｅが大きいほど、バネ定数Ｋz は静電気力によって増大し、その増大の割合は変位によって変化する。その他、空気抵抗による負スティフネスがある。一方、一般のダイアフラム型マイクロフォンは、その原理上、スクイーズフィルムダンパー効果により、空気抵抗の影響を強くうけることになる。しかし、上述した櫛歯型可動部５の振動を利用したマイクロフォン１の場合は、ギャップｄが狭くなる方向に動くわけではないので、スクイーズフィルムダンパー効果を受けにくく、空気抵抗の影響は比較的小さい。
【００５６】
このように、第２の実施の形態では、可動部５を固定部３に対して振動方向にずらして形成することにより、図１３に示すような倍音成分の発生を抑制することができる。特に、式（１４）を満足するように初期ズレξ0を設定することで、倍音成分の発生を完全に防止することができる。
【００５７】
−第３の実施の形態−
図１８は、本発明によるマイクロフォンの第３の実施の形態を示す図である。上述した第１および第２の実施の形態は、固定部３および可動部５の形状を櫛歯形状としたが、本実施の形態では、従来のマイクロフォンと同様に可動部５を円形とした。可動部５は、４つの弾性支持部４により、円形のバックチャンバ７上に支持されている。可動部５の側周には円弧状の固定部３Ａ〜３Ｄが配置されている。固定部３Ａ〜３Ｄはそれぞれ独立しており、各々の静電容量を個別に検出することができる。すなわち、固定部３Ａ〜３Ｄをグランド側とし、固定部３Ａ〜３Ｄのそれぞれに図３に示したＦＥＴ４１を設けて、各静電容量の変化をそれぞれ検出する。
【００５８】
このような構成とすることにより、指向性を有するマイクロフォンとすることができる。例えば、図１９に示すように可動部５の斜め方向に音源があった場合、可動部５の表面上の位置によって音源からの音波の到達時間や音圧が違うことから、可動部５の法線が音源方向を向くように可動部５が傾く。そして、傾いた状態で音波の出力に応じて可動部５が振動する。そのため、各固定部３Ａ〜３Ｄの静電容量の変化はそれぞれ異なる値となり、これらの静電容量変化の違いから、音源方向を推定することが可能となる。
【００５９】
図１８では、固定部側を４つの固定部３Ａ〜３Ｄに分割したが、図２０に示すように可動部側も複数の可動部５Ａ〜５Ｄに分割し、それぞれが個別に変位できるようにしても良い。なお、図２０に示す例では、可動部５Ａ〜５Ｄと固定部３との対向部分を櫛歯形状としている。各可動部５Ａ〜５Ｄは、支柱４２の中央部分から伸延する弾性支持部４によってそれぞれ支持されている。また、バックチャンバ７の上方に形成される隙間のギャップ寸法ｄは、可動部５Ａ〜５Ｄの周囲の隙間に限らず、弾性支持部４や支柱４２の部分の隙間についても、上述した式（８）を満たすように設定される。
【００６０】
なお、図示は省略するが、図２０の構成において固定部を４分割せずに、可動部のみを４分割するような構成であっても良い。その場には、分割された可動部５Ａ〜５Ｄ毎にＦＥＴ４１を設け、それぞれの容量変化を検出するようにする。
【００６１】
従来のダイアフラム構造のマイクロフォンの場合、ダイアフラムは円形膜状構造が一般的であり一定のサイズを必要とするが、本発明によるマイクロフォンの場合には、ギャップ寸法ｄが式（８）を満たす範囲において、弾性支持部４で支持された可動部５の形状を様々な形状とすることができる。例えば、図２１に示すように、図１に示した櫛歯形状の固定部３および可動部５を、基板上のＬ字形状の領域２００に形成し、余った領域に回路領域２０１を設け、その領域２０１に図３に示した回路やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を形成することが容易に可能となる。
【００６２】
上述した実施の形態では、可動部５の振動を静電容量の変化で検出するコンデンサ型マイクロフォンとしたが、図１や図１８に示した弾性支持部４にピエゾ抵抗素子をイオン注入等により形成して、可動部５の変位によって生じるピエゾ抵抗変化を読み取ることにより、音圧を電気信号に変換するようにしても良い。
【００６３】
また、バイアス電圧Ｖｂをエレクトレット（永久帯電膜）により与える場合には、固定部および可動部の内、グランド側ではない方の上面に絶縁層（例えば、シリコン酸化膜）を形成し、コロナ放電によりその絶縁層を帯電させるようにする。また、イオンを注入する方法でも良い。また、図２２に示すように固定部３と導電部３２によって連結されたエレクトレット部３３を別に形成するようにしても良い。可動部５に対するエレクトレットに関しても、同様の構成とすることが可能である。
【００６４】
上述した実施形態では、ＳＯＩ基板を加工してマイクロフォンを形成したが、ＳＯＩ基板の代わりに、研磨した単結晶シリコン層にテンパックスガラスを陽極酸化にて貼り合わせた二層基板を用いても良い。
【００６５】
上述したように、複数層から成る基板１００をマイクロマシニング技術により加工して形成されるマイクロフォン１において、可動部５と、その側面に所定隙間８ａを介して対向する固定部３とを同一の上部Ｓｉ層１０により形成し、支持枠２のバックチャンバ７に対向する位置に、可動部５を弾性支持部４で弾性支持する構成とした。そして、音速をｃ、空気の動粘性係数をνとしたときに、所定隙間８ａの厚さ方向の寸法ｈおよび側面と固定部対向面との間隔ｄを、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定した。その結果、音圧に対する感度を維持しつつ、マイクロフォンの小型化および低コスト化を図ることができる。
【００６６】
なお、可動部５と固定部３とがコンデンサを形成し、可動部５が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出するようにしても良いし、弾性支持部４にピエゾ抵抗素子を配置し、可動部が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出するようにしても良い。
【００６７】
また、可動部５を、コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動部５の厚さ方向に位置ズレして配置することで、倍音成分の発生が抑制される。特に、可動部５および固定部３の厚さをＨとし、音圧が作用したときの可動部５の最大振幅をξ1したときに、位置ズレξ0をξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２が満足されるように設定することで、倍音成分の発生を防止できる。
【００６８】
なお、上述した第２の実施の形態では、可動部５と固定部３の厚さが等しい場合を例に初期ズレξ0を説明したが、図２３（ａ）に示すように可動部５と固定部３との厚さが異なる場合にも、同様に初期ズレξ0を設定すれば良い。すなわち、破線で示すような静電容量が最大となる位置から、初期ズレξ0だけ下方に可動部５をずらせば良い。また、図２３（ｂ）のように、可動部５および固定部３の対向部分のみを全体の厚さよりも薄くし、その薄くした部分を上下（厚さ方向）に初期ズレξ0だけずらすようにしても良い。この場合、寸法Ｈには対向部分の厚さが対応する。
【００６９】
さらに、可動部５および固定部３の各対向面を凹凸状に入り込んだ櫛歯形状とすることで、コンデンサの静電容量を大きくすることができ、マイクロフォンの感度向上を図ることができる。また、固定部３および可動部５の少なくとも一方を複数に分割して複数のコンデンサを形成することにより、マイクロフォンに指向性を与えることができる。
【００７０】
固定部３または可動部５にバイアス電圧を与えることで感度向上を図ることができるが、固定部３または可動部５の表面に永久帯電膜を形成することで、バイアス電圧用の電源を省略することができる。また、図２２のように支持枠２の表面にエレクトレット部３３（永久帯電膜）を形成し、そのエレクトレット部３３と固定部３または可動部５の一方とを導通部３２で導通するようにしても良い。
【００７１】
弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、可動部５が変位した際のピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づき音圧を検出するようにしても良い。また、可動部５に、溝（傾斜溝５ａ）または直径が間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成して可動部５の重量を軽減することで、可動部５の共振点が高くなり、共振点を可聴帯域から大きく外すことができる。
【００７２】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１：マイクロフォン、２：支持枠、３，３Ａ〜３Ｄ：固定部、４，４ｂ〜４ｄ：弾性支持部、４ａ：応力膜、５，５Ａ〜５Ｄ：可動部、５ａ：傾斜溝、７：バックチャンバ、８ａ〜８ｄ：ギャップ、１０：上部Ｓｉ層、３０：下部Ｓｉ層、３１，５１：櫛歯、３２：導通部、３３：エレクトレット部、１００：ＳＯＩ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォンであって、
前記基板の第１の層から成り、バックチャンバが形成された支持枠と、
前記基板の第２の層から形成され、前記バックチャンバと対向する位置に弾性支持部により弾性支持された可動板と、
前記第２の層から形成され、所定隙間を介して前記可動板の側面に対向している固定部と、を備え、
使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、前記所定隙間の可動板厚さ方向の寸法ｈおよび前記側周面と前記固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板と前記固定部とがコンデンサを形成し、前記可動板が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出することを特徴とするマイクロフォン。
【請求項３】
請求項２に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板は、前記コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動板の厚さ方向に位置ズレして配置されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項４】
請求項３に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板および前記固定部の厚さをＨとし、音圧が作用したときの前記可動板の最大振幅をξ1としたとき、前記位置ズレξ0は、ξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２を満足するように設定されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板および前記固定部の各対向面は、凹凸状に入り込んだ櫛歯形状を成すことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記固定部および前記可動板の少なくとも一方を複数に分割して、複数のコンデンサを形成したことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記固定部または前記可動板の表面に、コンデンサにバイアス電圧を印加するための永久帯電膜が形成されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記支持枠の表面に形成された永久帯電膜と、
前記永久帯電膜と前記固定部または前記可動板の一方とを導通する導通部と、を備えたことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項９】
請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、
前記弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、
前記可動板が変位した際の前記ピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づいて、音圧を検出することを特徴とするマイクロフォン。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板に、溝を形成したこと、または直径が前記間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成したことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項１】
複数層から成る基板を半導体基板加工技術により加工して形成されるマイクロフォンであって、
前記基板の第１の層から成り、バックチャンバが形成された支持枠と、
前記基板の第２の層から形成され、前記バックチャンバと対向する位置に弾性支持部により弾性支持された可動板と、
前記第２の層から形成され、所定隙間を介して前記可動板の側面に対向している固定部と、を備え、
使用温度範囲内の所定温度における音速をｃおよび空気の動粘性係数をνとしたときに、前記所定隙間の可動板厚さ方向の寸法ｈおよび前記側周面と前記固定部対向面との間隔ｄは、ｈ≧πｃｄ２/６νを満足するように設定されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板と前記固定部とがコンデンサを形成し、前記可動板が変位した際の静電容量変化に基づいて音圧を検出することを特徴とするマイクロフォン。
【請求項３】
請求項２に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板は、前記コンデンサの静電容量が最大となる位置に対して、該可動板の厚さ方向に位置ズレして配置されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項４】
請求項３に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板および前記固定部の厚さをＨとし、音圧が作用したときの前記可動板の最大振幅をξ1としたとき、前記位置ズレξ0は、ξ1／２≦ξ0＜Ｈ−ξ1／２を満足するように設定されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板および前記固定部の各対向面は、凹凸状に入り込んだ櫛歯形状を成すことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記固定部および前記可動板の少なくとも一方を複数に分割して、複数のコンデンサを形成したことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記固定部または前記可動板の表面に、コンデンサにバイアス電圧を印加するための永久帯電膜が形成されていることを特徴とするマイクロフォン。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記支持枠の表面に形成された永久帯電膜と、
前記永久帯電膜と前記固定部または前記可動板の一方とを導通する導通部と、を備えたことを特徴とするマイクロフォン。
【請求項９】
請求項１に記載のマイクロフォンにおいて、
前記弾性支持部にピエゾ抵抗素子を配置し、
前記可動板が変位した際の前記ピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づいて、音圧を検出することを特徴とするマイクロフォン。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロフォンにおいて、
前記可動板に、溝を形成したこと、または直径が前記間隔ｄと同一寸法の貫通孔を形成したことを特徴とするマイクロフォン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−１２４７７１（Ｐ２０１１−１２４７７１Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８０５７９（Ｐ２００９−２８０５７９）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（３９００２２４７１）アオイ電子株式会社 (85)
【Ｆターム（参考）】
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