力検出センサと変換装置とその製造方法
【課題】 力検出センサにおいて、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くする。
【解決手段】 マイクロホン１０は、平行平型ダイアフラム部２００と、支持部６００、表面側変形部２０２と、裏面側変形部２０３を備えている。平行平型ダイアフラム部２００は、扁平な形状で形成されている。支持部６００は、平行平型ダイアフラム部２００の外側に位置している。表面側変形部２０２は、平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向で相対的に表面側の周辺を支持部６００に接続しており、裏面側変形部２０３は、平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を支持部６００に接続している。平行平型ダイアフラム部２００に力が作用すると、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は、平行平型ダイアフラム部２００が支持部６００に対して平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向に変位する。
【解決手段】 マイクロホン１０は、平行平型ダイアフラム部２００と、支持部６００、表面側変形部２０２と、裏面側変形部２０３を備えている。平行平型ダイアフラム部２００は、扁平な形状で形成されている。支持部６００は、平行平型ダイアフラム部２００の外側に位置している。表面側変形部２０２は、平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向で相対的に表面側の周辺を支持部６００に接続しており、裏面側変形部２０３は、平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を支持部６００に接続している。平行平型ダイアフラム部２００に力が作用すると、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は、平行平型ダイアフラム部２００が支持部６００に対して平行平型ダイアフラム部２００の厚み方向に変位する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力が作用すると作用した力に応じて変位する変位部を備えた力検出センサに関する。本発明の力検出センサを利用すると、変位部の変位量から変位部に作用した力（音圧、外力等）、あるいはその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することができる。本発明は特に、振動する物理量を検出するのに好適な力検出センサに関する。
力を電気信号に変換するセンサは、電気信号を力に変換できることが多い。本発明の力検出センサもその範疇に属し、力を電気信号に変換することもできれば、電気信号を力に変換することもできる。例えばマイクロホンに利用することもできれば、スピーカに利用することもできる。本発明は、一般的にいうと、機械エネルギを電気エネルギに変換する変換装置、あるいは電気エネルギを機械エネルギに変換する変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力が作用すると作用した力に応じて変位する可動電極（変位部の一例）と、変位しない固定電極の組で構成されるコンデンサを備えた力検出センサが開発されている。作用した力に応じて可動電極が変位すると、可動電極と固定電極の間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。コンデンサの静電容量の変化から可動電極に作用した力、あるいはその力を生じせしめた加速度、角加速度等の物理量を検出することができる。
この種の力検出センサが特許文献１に開示されている。特許文献１は、厚層な可動電極を薄層な変形部によって固定電極に対して接続する構造を提案している。特許文献１の力検出センサでは、厚層な可動電極に力が作用すると、薄層な変形部が撓むことによって、厚層な可動電極が固定電極に対して変位する。可動電極は厚く形成されているので、可動電極自体が撓むことが抑制される。これによって、可動電極は固定電極に対して平行移動する。可動電極が固定電極に対して平行移動するので、得られる検出値は直線性に優れたものとなる。
【特許文献１】特開平５−２１５７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが特許文献１の力検出センサを利用して、例えば音波等の振動を伴う物理量を検出しようとすると、以下に説明する課題が存在することが判明してきた。
音波が可動電極に作用すると、可動電極は、１次モード（平行変位モード）で振動するのみならず、高次モードでも振動する。可動電極と変形部の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、２次モードの振動が顕著に現れる。２次モードの振動が顕著になると、可動電極と固定電極が平行でなくなることから、検出値の直線性に悪影響を及ぼす。このため、従来の力検出センサでは、２次モードの振動が顕著に現れる振動数以下の低い振動数の範囲（即ち、１次モードで振動する振動数の範囲）の物理量の検出にしか利用できないという問題があった。
また、可動電極と固定電極の間に電圧を印加し、可動電極を振動させることによって、例えばスピーカーとして利用する場合も、２次モードの振動が顕著に現れる振動数以下の低い振動数の範囲でしか利用できないという問題がある。
本発明は、２次モードの振動が顕著に現れる現象の発生を抑制することができる力検出センサ（一般的にいえば変換装置）を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴は、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることによって、変位部が１次モードで振動する振動数の範囲を広く確保し、ひいては測定可能な振動数又は変位部を振動させることが可能な振動数の範囲を広くすることにある。
作用した力に応じて変形部が感度良く撓むためには、変形部が柔であることが好ましい。一方、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くするためには、変形部は剛であることが好ましい。本発明は、この相反する要求を突破するために、変位部の厚み方向の２箇所以上に変形部を接続する。変位部の厚み方向の２箇所以上に複数の変形部を接続することによって、変位部の厚み方向の１箇所に変形部を接続する場合に比して、変形部の同程度の撓みやすさを確保しながら、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。
【０００５】
本発明は、力を検出するセンサに具現化される。本発明の力検出センサは、少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えている。変位部は、扁平な形状で形成されている。支持部は、変位部の外側に位置している。第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続している。第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続している。変位部に力が作用すると、第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形する。
上記したように、変位部の厚み方向に複数の変形部を接続することによって、一つの変形部を利用して変位部を支持する場合よりも、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部において同等な変位量を確保しながら、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部の変位量を検出することによって、変位部に作用した力（音圧、外力等）、あるいはその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することが可能な力検出センサを得ることができる。広い振動数の範囲で２次モードの振動の発生が顕著に抑制された変位部を備えた力検出センサを得ることができる。
【０００６】
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位する間、第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することが好ましい。
第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することから、第１変形部と第２変形部は変位部に作用した力に応じて良く撓むことができる。力検出センサの感度を向上させることができる。
【０００７】
変位部に対向するとともに支持部に固定されている固定部をさらに備えているのが好ましい。この構造を利用すると、変位部と固定部によってコンデンサを構成することができる。したがって、作用した力に応じて変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位したときに、変位部と固定部によって形成されるコンデンサの静電容量の変化量を検出することが可能になる。コンデンサの静電容量の変化量から可動電極に作用した力（音圧、外力等）、あるいは静電容量の変化量を換算してその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することが可能な力検出センサを得ることができる。
なお、変位部の変位量は、例えば光学的な手法を利用して検出することも可能であり、コンデンサを利用する手法が唯一の手法というわけではない。
【０００８】
第１変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡して形成されているのが好ましい。さらに、第２変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡して形成されているのが好ましい。
変位部の周囲を一巡する変形部によって変位部を支持すると、変位部は厚み方向以外の方向への変位が規制され、変位部が変位するときのバランスを向上させることができる。
【０００９】
第１変形部と変位部の接続箇所と、第２変形部と変位部の接続箇所との間の厚み方向の距離が大きいほど、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部の裏面に第１変形部を接続させ、変位部の表面に第２変形部を接続させることによって、両者の接続箇所の間の厚み方向の距離を大きく確保することができる。変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を顕著に高くすることができる。
【００１０】
変位部は、相対的に厚い板状部材と、その表裏両面に積層されている相対的に薄い膜状部材で構成されたサンドイッチ構造であるのが好ましい。第１変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている表面側膜状部材で構成され、第２変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている裏面側膜状部材で構成されているのが好ましい。
このサンドイッチ構造を採用すると、第１変形部が変位部の裏面に接続し、第２変形部が変位部の表面に接続している構造が得られる。第１変形部と変位部の接続箇所と、第２変形部と変位部の接続箇所の間の厚み方向の距離を大きく確保することができる。これにより、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を顕著に高くすることができる。
また、このサンドイッチ構造は実質的には３つの部材で構成されており、構造自体が簡単化されている。このサンドイッチ構造は製造が容易という利点を有する。
【００１１】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部が主としてシリコン系材料で形成されているのが好ましい。
半導体装置の製造プロセスで使用されている製造技術を利用して、微細な力検出センサを得ることができる。
【００１２】
上記の力検出センサに利用される技術は、一般化すれば、機械エネルギを電気エネルギに変換する変換装置、あるいは電気エネルギを機械エネルギに変換する変換装置に対しても有用である。
即ち、本発明の変換装置は、少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えている。変位部は、扁平な形状で形成されている。支持部は、変位部の外側に位置している。第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続している。第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続している。第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することができる。
【００１３】
本発明者らは、上記の力検出センサ又は変換装置を製造するのに有用な製造方法も創作した。以下の各工程を少なくとも実施することによって、本発明の力検出センサに好適な変位部と変形部を得ることができる。
本発明の製造方法は、基板と第１薄層と厚層が順に積層された積層構造体に対して、厚層を貫通して第１薄層に達するとともに、それぞれが閉じたループを形成する２重トレンチを形成する工程を備えている。その２重トレンチに厚層と異なる材料を充填する工程を備えている。次に、厚層の表面を覆う第２薄層を形成する工程を備えている。その第２薄層を貫通して２重トレンチ間に位置する厚層に達する貫通孔を形成する工程を備えている。さらに、第１薄層と第２薄層とトレンチに充填した材料を実質的にエッチングせず、厚層のみを実質的にエッチングするエッチング剤を用意し、そのエッチング剤を前記貫通孔から供給することによって、２重トレンチ間に位置する厚層を除去する工程を備えている。
厚層の部分領域を除去することによって、第１薄層と第２薄層に挟まれた中空空間が形成される。第１薄層が力検知センサの第１変形部であり、第２薄層が力検知センサの第２変形部となる。第１薄層が中心側に残存した厚層と周辺に位置する積層構造を接続している。第２薄層もまた中心側に残存した厚層と周辺に位置する積層構造を接続している。
上記の製造方法を利用すると、本発明の力検出センサ又は変換装置に好適な変位部と変形部を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の力検出センサによると、変位部の厚み方向に複数の変形部を接続することによって、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を、変形部が一つの場合に比して高くすることができる。したがって、力検出センサ（一般的には変換装置）の変位部が１次モードで振動する振動数の範囲を広く確保することができ、広範囲な振動数の検出が可能になる。本発明の力検出センサは、様々な用途で利用することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、音波を検出するマイクロホン１０の基本的な構造を概略して示す。図１（ａ）はマイクロホン１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に対応する縦断面図である。
マイクロホン１０は、基板１１０と、表面側薄層１２０（層状部材の一例）と、厚層１３０と、裏面側薄層１４０（層状部材の一例）と、介在層５００と、バックプレート３００の積層構造体を利用して形成されている。なお、このマイクロホン１０において、音波が伝播してくる方向はｚ軸の負の側からである。したがって、マイクロホン１０では、ｚ軸の負側が表面側といい、ｚ軸の正側が裏面側ということに留意されたい。
マイクロホン１０は、概略的には支持部６００と中心部７００に区画されていると評価することができる。支持部６００が中心部７００の外側を一巡して形成されている。また、中心部７００は空間部と評価することもできる。中心部７００（空間部）内に、表面側薄層１２０と厚層１３０と裏面側薄層１４０とバックプレート３００の一部が配置されているという評価も可能である。
【００１６】
マイクロホン１０は、作用する音波に応じて変位する平行平板型ダイアフラム部２００（変位部の一例）を備えている。平行平板型ダイアフラム部２００は、表面側薄層接続部２０４と厚層剛体部２０１（板状部材の一例）と裏面側薄層接続部２０５で構成されている。平行平板型ダイアフラム部２００は、中心部７００（空間部）内に配置されている。平行平板型ダイアフラム部２００の外側には、支持部６００が一巡して形成されている。
【００１７】
平行平板型ダイアフラム部２００は、２つの変形部２０２、２０３によって支持部６００から支持されている。表面側変形部２０２（第１変形部の一例）が支持部６００と平行平板型ダイアフラム部２００を接続している。裏面側変形部２０３（第２変形部の一例）が支持部６００と平行平板型ダイアフラム部２００を接続している。より詳しくは、表面側変形部２０２と表面側薄層接続部２０４は、表面側薄層１２０の部分領域である。裏面側変形部２０３と裏面側薄層接続部２０５は、裏面側薄層１４０の部分領域である。即ち、表面側薄層１２０と裏面側薄層１４０の間に、表面側薄層１２０と裏面側薄層１４０よりも面積の小さい厚層剛体部２０１が挟まれたサンドイッチ構造が形成されている。表面側薄層１２０が厚層剛体部２０１の表面に接続し、裏面側薄層１４０が厚層剛体部２０１の裏面に接続している。表面側変形部２０２が、厚層剛体部２０１の周辺を越えて外側に伸びている。裏面側変形部２０３が、厚層剛体部２０１の周辺を越えて外側に伸びている。表面側薄層１２０と厚層剛体部２０１と裏面側薄層１４０を平行平板型ダイアフラムという。
平行平板型ダイアフラム部２００に音波が作用すると、２つの変形部２０２、２０３が撓むことによって、平行平板型ダイアフラム部２００はその音圧に応じて支持部６００に対して変位する。
表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は平行に形成されている。表面側変形部２０２が厚層剛体部２０１に接続箇所と裏面側変形部２０３が厚層剛体部２０１に接続箇所が、平行平板型ダイアフラム部２００の厚み方向（ｚ軸方向）に離れている。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００は扁平な円盤状に形成されている。そして、その平行平板型ダイアフラム部２００を取り囲むように、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が形成されている。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が、平行平板型ダイアフラム部２００に一巡して接続している。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は、平行平板型ダイアフラム部２００に対して対称に形成されている。これにより、平行平板型ダイアフラム部２００は、ｘ−ｙ軸方向の変位が規制されており、ｚ軸方向にバランスよく変位することができる。
【００１９】
平行平板型ダイアフラム部２００の裏面から所定の距離を隔てて、バックプレート３００が対向している。平行平板型ダイアフラム部２００の裏面とバックプレート３００は平行な関係に形成されている。平行平板型ダイアフラム部２００とバックプレート３００によってコンデンサ４００が構成されている。バックプレート３００は、支持部６００に固定されている。バックプレート３００には複数の通気孔２８１が形成されている。
【００２０】
図２は、マイクロホン１０に音波が作用したときの状態図である。
図２に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００に音波が作用すると、その音波の音圧に応じて表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓む。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓むと、平行平板型ダイアフラム２００はバックプレート３００と平行な関係を維持しながらバックプレート３００に対して変位する。作用する音圧に応じて厚みの薄い表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３を撓ませることによって、厚みのある平行平板型ダイアフラム部２００を変位させる。平行平板型ダイアフラム部２００に厚みを持たせることによって、平行平板型ダイアフラム部２００自体の撓みが抑制されていることから、平行平板型ダイアフラム部２００はバックプレート３００と平行な関係を維持しながらバックプレート３００に対して変位する。
例えば、平行平板型ダイアフラム部２００とバックプレート３００の間に容量検出回路を接続して、コンデンサ４００の静電容量の変化量（△Ｃ）を検出すれば、その変化量（△Ｃ）から平行平板型ダイアフラム部２００に作用した音圧、あるいは静電容量の変化量（△Ｃ）を換算してその音圧を生じせしめた音波を検出することができる。
【００２１】
図３に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００がバックプレート３００と平行な関係を維持しながら変位するので、音圧と静電容量の変化量（△Ｃ）の関係は直線性に優れたものとなる。
【００２２】
さらに、マイクロホン１０は、音波のような振動現象を有する物理量を検出するのに有用である、という特徴を備えている。次に、この有用な特徴を図４〜図９を用いて説明する。
図４は、マイクロホン１０の平行平板型ダイアフラム部２００を模式的に示した図である。一方、図５は、マイクロホン１０の比較例であり、変形部が一つの場合の例である。
まず、比較例の場合を説明する。図７（ａ）に示すように、音波が厚層剛体部２１に作用すると、その音波の音圧に応じて変形部２２が撓む。厚層剛体部２１は、音波の音圧の大きさに応じた振幅の１次モード（平行変位モード）で変位するとともに、音波の周波数に応じて振動する。したがって、図７（ｂ）に示すように、厚層剛体部２１及び変形部２２の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、厚層剛体部２１及び変形部２２の複合構造は２次モードによる振動が顕著に現れる。
２次モードの振動が顕著に発生すると、厚層剛体部２１の平行な関係が維持されないことから、検出値の直線性に悪影響を及ぼすことになる。
【００２３】
次に、本実施形態のマイクロホン１０の場合を説明する。なお、本実施形態のマイクロホン１０の特性を比較例の場合と比較して評価するために、平行平板型ダイアフラム部２００の構成は次の条件で設定されている。
図４と図５に示すように、本実施形態の平行平板ダイアフラムの直径D1と比較例のダイアフラムの直径D2を２００μmで同一とし、本実施形態の厚層剛体部２０１の直径d1と比較例の層厚剛体部２１の直径d2を１００μmで同一とし、本実施形態の厚層剛体部２０１の厚さh1と比較例の層厚剛体部２１の厚さh2を１０μmで同一とする。本実施形態の変形部２０２、２０３の厚さt1を１μmとし、比較例の変形部２１の厚さt2を１．２６μmとする。変形部の曲げ剛性は、厚さの３乗に比例することから、変形部を上記の関係に設定することによって、本実施形態の変形部２０２、２０３の合計の曲げ剛性と、比較例の変形部２１の曲げ剛性は実質的に同等となる。例えば、静的な音圧（８０db）を印加すると、本実施形態の厚層剛体部２０１の変位量は４．６０μmであり、比較例の厚層剛体部２１の変位量は４．６３μmであり、実質的に同等である。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、音波が平行平板型ダイアフラム部２００に作用すると、その音波の音圧に応じて表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓むことによって、平行平板型ダイアフラム部２００は、音波の音圧の大きさに応じた振幅の１次モード（平行変位モード）で変位する。実施形態のマイクロホン１０の場合も同様に、図６（ｂ）に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００及び変形部２０２、２０３の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、平行平板型ダイアフラム部２００及び変形部２０２、２０３の複合構造は２次モードによる振動が顕著に現れる。しかしながら、実施形態のマイクロホン１０は、比較例の場合に比して、２次モードの固有振動数が顕著に高くなるのである。
【００２５】
図８と図９に、本実施形態と比較例のダイアフラムの振動特性を示す。
図８に示す本実施形態の２次の固有振動数（図中８ａ）は、図９に示す比較例の２次の固有振動数（図中９ａ）に比して優位に高くなっているのが分かる。具体的には、本実施形態の２次の固有振動数は１９３９kHzであるのに対し、比較例の２次の固有振動数は５８０kHzである。したがって、本実施形態のマイクロホン１０は、比較例に比して、２次モードの振動が現れる周波数以下の低い振動数の範囲（平行変位領域）を広く確保することができるのである。一方、１次の固有振動数に関しては、本実施形態が２７８kHzであり、比較例は２９２kHzである。１次の固有振動数に関しては、両者の差は認められない。
このことから、平行平板ダイアフラム部２００に複数の変形部２０２、２０３を設けることによって、比較例の場合と同程度の変位量を確保しながら、平行平板型ダイアフラム部２００と変形部２０２、２０３によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができるのである。
即ち、本実施形態のマイクロホン１０を利用すると、広い範囲の周波数の音波を検出することが可能になるのである。
【実施例】
【００２６】
図１０〜図１２に、マイクロホン１００の構造を概略して示す。図１０はマイクロホン１００の平面図であり、図１１は図１０のA−B線に対応する縦断面図であり、図１２は図１０のC−O−B線に対応する縦断面図である。なお、本実施例のマイクロホン１００は、上記の実施形態のマイクロホン１０の基本的な構造をより具体的にしたものである。本実施例のマイクロホン１００の構造と上記の実施形態のマイクロホン１０の構造は、その基本的な部分において一致している。以下に、図１３〜図２１を参照して、マクロホン１００の製造方法を説明する。以下の製造方法の説明を通して、実施例のマイクロホン１０の構造を詳しく理解することができる。なお、以下で用いる図１３〜図２１は、図１０のC−O−B線に相当する部分の縦断面図を図示している。
【００２７】
まず、図１３に示すように、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなる基板１００と、シリコン酸化膜からなる表面側薄層１２０と、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなる厚層１３０のSOI基板を用意する。基板１１０と厚層１３０の面方位には（１００）が選択されている。基板１１０の層厚方向の厚みは４００μmであり、厚層１３０の層厚方向の厚みは１０μmである。
フォトリソグラフィー技術とｐ型イオン注入技術と熱処理技術を利用して、厚層１３０の表面に厚層表面膜電極領域１３１（図１３には図示せず。図１０参照）を形成する。なお、この厚層表面膜電極領域１３１は、厚層１３０の電位を固定して、マイクロホン１００の検出値を安定させるためのものである。
【００２８】
次に、図１４に示すように、厚層１３０の表面に、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）法を利用して、シリコン酸化膜（NSG）からなるマスク膜１０１を形成する。マスク膜１０１を形成した後に、フォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング（RIE）技術を利用して、マスク膜１０１に開口を形成する。そのマスク膜１０１の開口からトレンチエッチングを実施して、厚層１３０を貫通して表面側薄層１２０に達するトレンチ１０２を形成する。トレンチ１０２のうちの内側のトレンチ１０２ａが厚層１３０の面内を一巡して連結しており、外側のトレンチ１０２ｂが厚層１３０の面内を一巡して連結している。したがって、厚層１３０の面内に２重のトレンチ１０２ａ、１０２ｂが形成されている。内側のトレンチ１０２ａと外側の１０２ｂに挟まれた領域に、厚層１３０の部分領域１３０ａが形成されている。
【００２９】
次に、図１５に示すように、熱酸化法を利用して、トレンチ１０２内を充填するとともに、厚層１３０の表面を覆う第１裏面側薄層１４０を形成する。次に、第１裏面側薄層１４０の表面に、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第２裏面側薄層１５０を形成する。フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第２裏面側薄層１５０をパターニングする。第２裏面側薄層１５０は、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する部分の一部が除去される。
次に、第２裏面側薄層１５０の表面に、減圧CVD法を利用して、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる可動電極１６０を形成する。フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、可動電極１６０をパターニングする。可動電極１６０は、後にコンデンサを形成する部分と、外部に電気的なコンタクトを取るための配線部分が主に残される。
次に、ここまでで形成された構造体の表面に、プラズマCVD法を利用して、シリコン酸化膜（NSG）からなる第３裏面側薄層１７０を形成する。
【００３０】
次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第１裏面側薄層１４０と第３裏面側薄層１７０を貫通して、厚層１３０の部分領域１３０ａに達する複数の貫通孔１８０を分散して形成する。図１０の平面図に示すように、貫通孔１８０は、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する領域において、放射状に分散して形成されている。
次に、減圧CVD法を利用して、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる犠牲層１９０を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、犠牲層１９０をパターニングする。犠牲層１９０は、後にコンデンサを形成する領域の部分と、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する領域に主に形成される。
【００３１】
次に、図１７に示すように、犠牲層１９０を覆うように、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第１バックプレート２１０を形成する。次に、第１バックプレート２１０の表面に、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる固定電極２２０を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、固定電極２２０をパターニングする。固定電極２２０は、複数の開口が分散して配置されるようにパターニングされる。パターニングされた開口群は、後のエッチング孔群及び通気孔群の位置と対応している。
【００３２】
次に、図１８に示すように、固定電極２２０を覆うように、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第２バックプレート２３０を形成する。
次に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第２バックプレート２３０の一部を除去して固定電極コンタクト部２２１を形成する。同時に、第２バックプレート２３０と第１バックプレート２１０と第３裏面側薄層１７０の一部を除去して可動電極コンタクト部１６１（図１１参照）を形成する。同時に、第２バックプレート２３０と第１裏面側薄層１４０の一部を除去して厚層表面膜電極領域コンタクト部１３２（図１０参照）を形成する。
【００３３】
次に、図１９に示すように、スパッタ法を利用して、ここまでの構造体の表面にアルミニウムを蒸着する。その後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、固定電極配線２４０と可動電極配線２５０（図１１参照）と厚層表面膜電極配線２６０（図１０参照）を形成する。
次に、プラズマCVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第３バックプレート２７０を形成する。
【００３４】
次に、図２０に示すように、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第３バックプレート２７０の一部を除去して、固定電極配線２４０を露出させ固定電極端子２４１を形成し、可動電極配線２５０を露出させ可動電極端子２５１（図１１参照）を形成し、厚層表面膜電極配線２６０を露出させ厚層表面膜電極端子２６１（図１０参照）を形成する。同時に、第３バックプレート２７０と第２バックプレート２３０と第１バックプレート２１０を除去して、犠牲層１９０に達する複数のエッチング孔２８０（後に通気孔となる）を分散して形成する。
【００３５】
次に、図２１に示すように、基板１１０の裏面にPE−SiNからなるマスク膜１１１を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、エッチング開口１１２を形成する。
次に、エッチング開口１１２を通して水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を供給し、基板１１０を異方性エッチングして、エッチング部１１３を形成する。
【００３６】
次に、二弗化キセノン（XeF2）ガスをエッチング孔２８０を通して供給する。二弗化キセノン（XeF2）ガスは、犠牲層１９０に供給されるとともに、貫通孔１８０を介して厚層１３０の部分領域１３０ａにも供給される。したがって、図１２に示すように、犠牲層１９０と厚層１３０の部分領域１３０ａが除去される。これにより、犠牲層１９０が除去された中空空間１９１によって、コンデンサが形成される。さらに、厚層１３０の部分領域１３０ａが除去された中空空間１３５によって、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が得られる。
【００３７】
最後に、基板１１０と第１薄層１２０の裏面に、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる絶縁膜１２１を形成する。絶縁膜１２１は、表面側薄層１２０に引張り応力を加える。これにより、厚層剛体部２０１を平行に保持する効果を向上させることができる。
これらの工程を経て、マイクロホン１００を得ることができる。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）実施形態のマイクロホンの平面図を示す。（ｂ）実施形態のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図２】実施形態のマイクロホンに音波が作用したときの状態図を示す。
【図３】音圧と静電容量の変化の関係を示す。
【図４】（ａ）実施形態の平行平板ダイアフラムの模式的な平面図を示す。（ｂ）実施形態の平行平板ダイアフラムの模式的な断面図を示す。
【図５】（ａ）比較例のダイアフラムの模式的な平面図を示す。（ｂ）比較例のダイアフラムの模式的な断面図を示す。
【図６】（ａ）実施形態の平行平板ダイアフラムの１次モードの変形状態を示す。（ｂ）実施形態の平行平板ダイアフラムの２次モードの変形状態を示す。
【図７】（ａ）比較例のダイアフラムの１次モードの変形状態を示す。（ｂ）比較例のダイアフラムの２次モードの変形状態を示す。
【図８】実施形態の平行平板ダイアフラムの振動特性を示す。
【図９】比較例のダイアフラムの振動特性を示す。
【図１０】実施例のマイクロホンの平面図を示す。
【図１１】実施例のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図１２】実施例のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図１３】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（１）。
【図１４】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（２）。
【図１５】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（３）。
【図１６】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（４）。
【図１７】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（５）。
【図１８】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（６）。
【図１９】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（７）。
【図２０】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（８）。
【図２１】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（９）。
【符号の説明】
【００４０】
１１０：基板
１２０：表面側薄層
１２１：絶縁膜
１３０：厚層
１３１：厚層表面膜電極領域
１３２：厚層表面膜電極領域コンタクト部
１３５：中空空間
１４０：裏面側薄層、第１裏面側薄層
１５０：第２裏面側薄層
１６０：可動電極
１６１：可動電極コンタクト部
１７０：第３裏面側薄層
１８０：貫通孔
１９０：犠牲層
１９１：中空空間
２００：平行平型ダイアフラム部
２０１：厚層剛体部
２０２：表面側変形部
２０３：裏面側変形部
２０４：表面側薄層接続部
２０５：裏面側薄層接続部
２１０：第１バックプレート
２２０：固定電極
２２１：固定電極コンタクト部
２３０：第２バックプレート
２４０：固定電極配線
２４１：固定電極端子
２５０：可動電極配線
２５１：可動電極端子
２７０：第３バックプレート
２８０：エッチング孔
２８１：通気孔
３００：バックプレート
４００：コンデンサ
５００：介在層
６００：中心部
７００：支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力が作用すると作用した力に応じて変位する変位部を備えた力検出センサに関する。本発明の力検出センサを利用すると、変位部の変位量から変位部に作用した力（音圧、外力等）、あるいはその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することができる。本発明は特に、振動する物理量を検出するのに好適な力検出センサに関する。
力を電気信号に変換するセンサは、電気信号を力に変換できることが多い。本発明の力検出センサもその範疇に属し、力を電気信号に変換することもできれば、電気信号を力に変換することもできる。例えばマイクロホンに利用することもできれば、スピーカに利用することもできる。本発明は、一般的にいうと、機械エネルギを電気エネルギに変換する変換装置、あるいは電気エネルギを機械エネルギに変換する変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力が作用すると作用した力に応じて変位する可動電極（変位部の一例）と、変位しない固定電極の組で構成されるコンデンサを備えた力検出センサが開発されている。作用した力に応じて可動電極が変位すると、可動電極と固定電極の間の距離が変化し、コンデンサの静電容量が変化する。コンデンサの静電容量の変化から可動電極に作用した力、あるいはその力を生じせしめた加速度、角加速度等の物理量を検出することができる。
この種の力検出センサが特許文献１に開示されている。特許文献１は、厚層な可動電極を薄層な変形部によって固定電極に対して接続する構造を提案している。特許文献１の力検出センサでは、厚層な可動電極に力が作用すると、薄層な変形部が撓むことによって、厚層な可動電極が固定電極に対して変位する。可動電極は厚く形成されているので、可動電極自体が撓むことが抑制される。これによって、可動電極は固定電極に対して平行移動する。可動電極が固定電極に対して平行移動するので、得られる検出値は直線性に優れたものとなる。
【特許文献１】特開平５−２１５７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが特許文献１の力検出センサを利用して、例えば音波等の振動を伴う物理量を検出しようとすると、以下に説明する課題が存在することが判明してきた。
音波が可動電極に作用すると、可動電極は、１次モード（平行変位モード）で振動するのみならず、高次モードでも振動する。可動電極と変形部の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、２次モードの振動が顕著に現れる。２次モードの振動が顕著になると、可動電極と固定電極が平行でなくなることから、検出値の直線性に悪影響を及ぼす。このため、従来の力検出センサでは、２次モードの振動が顕著に現れる振動数以下の低い振動数の範囲（即ち、１次モードで振動する振動数の範囲）の物理量の検出にしか利用できないという問題があった。
また、可動電極と固定電極の間に電圧を印加し、可動電極を振動させることによって、例えばスピーカーとして利用する場合も、２次モードの振動が顕著に現れる振動数以下の低い振動数の範囲でしか利用できないという問題がある。
本発明は、２次モードの振動が顕著に現れる現象の発生を抑制することができる力検出センサ（一般的にいえば変換装置）を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の特徴は、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることによって、変位部が１次モードで振動する振動数の範囲を広く確保し、ひいては測定可能な振動数又は変位部を振動させることが可能な振動数の範囲を広くすることにある。
作用した力に応じて変形部が感度良く撓むためには、変形部が柔であることが好ましい。一方、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くするためには、変形部は剛であることが好ましい。本発明は、この相反する要求を突破するために、変位部の厚み方向の２箇所以上に変形部を接続する。変位部の厚み方向の２箇所以上に複数の変形部を接続することによって、変位部の厚み方向の１箇所に変形部を接続する場合に比して、変形部の同程度の撓みやすさを確保しながら、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。
【０００５】
本発明は、力を検出するセンサに具現化される。本発明の力検出センサは、少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えている。変位部は、扁平な形状で形成されている。支持部は、変位部の外側に位置している。第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続している。第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続している。変位部に力が作用すると、第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形する。
上記したように、変位部の厚み方向に複数の変形部を接続することによって、一つの変形部を利用して変位部を支持する場合よりも、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部において同等な変位量を確保しながら、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部の変位量を検出することによって、変位部に作用した力（音圧、外力等）、あるいはその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することが可能な力検出センサを得ることができる。広い振動数の範囲で２次モードの振動の発生が顕著に抑制された変位部を備えた力検出センサを得ることができる。
【０００６】
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位する間、第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することが好ましい。
第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することから、第１変形部と第２変形部は変位部に作用した力に応じて良く撓むことができる。力検出センサの感度を向上させることができる。
【０００７】
変位部に対向するとともに支持部に固定されている固定部をさらに備えているのが好ましい。この構造を利用すると、変位部と固定部によってコンデンサを構成することができる。したがって、作用した力に応じて変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位したときに、変位部と固定部によって形成されるコンデンサの静電容量の変化量を検出することが可能になる。コンデンサの静電容量の変化量から可動電極に作用した力（音圧、外力等）、あるいは静電容量の変化量を換算してその力を生じせしめた音波、加速度、角加速度等の物理量を検出することが可能な力検出センサを得ることができる。
なお、変位部の変位量は、例えば光学的な手法を利用して検出することも可能であり、コンデンサを利用する手法が唯一の手法というわけではない。
【０００８】
第１変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡して形成されているのが好ましい。さらに、第２変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡して形成されているのが好ましい。
変位部の周囲を一巡する変形部によって変位部を支持すると、変位部は厚み方向以外の方向への変位が規制され、変位部が変位するときのバランスを向上させることができる。
【０００９】
第１変形部と変位部の接続箇所と、第２変形部と変位部の接続箇所との間の厚み方向の距離が大きいほど、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができる。変位部の裏面に第１変形部を接続させ、変位部の表面に第２変形部を接続させることによって、両者の接続箇所の間の厚み方向の距離を大きく確保することができる。変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を顕著に高くすることができる。
【００１０】
変位部は、相対的に厚い板状部材と、その表裏両面に積層されている相対的に薄い膜状部材で構成されたサンドイッチ構造であるのが好ましい。第１変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている表面側膜状部材で構成され、第２変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている裏面側膜状部材で構成されているのが好ましい。
このサンドイッチ構造を採用すると、第１変形部が変位部の裏面に接続し、第２変形部が変位部の表面に接続している構造が得られる。第１変形部と変位部の接続箇所と、第２変形部と変位部の接続箇所の間の厚み方向の距離を大きく確保することができる。これにより、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を顕著に高くすることができる。
また、このサンドイッチ構造は実質的には３つの部材で構成されており、構造自体が簡単化されている。このサンドイッチ構造は製造が容易という利点を有する。
【００１１】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部が主としてシリコン系材料で形成されているのが好ましい。
半導体装置の製造プロセスで使用されている製造技術を利用して、微細な力検出センサを得ることができる。
【００１２】
上記の力検出センサに利用される技術は、一般化すれば、機械エネルギを電気エネルギに変換する変換装置、あるいは電気エネルギを機械エネルギに変換する変換装置に対しても有用である。
即ち、本発明の変換装置は、少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えている。変位部は、扁平な形状で形成されている。支持部は、変位部の外側に位置している。第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続している。第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続している。第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することができる。
【００１３】
本発明者らは、上記の力検出センサ又は変換装置を製造するのに有用な製造方法も創作した。以下の各工程を少なくとも実施することによって、本発明の力検出センサに好適な変位部と変形部を得ることができる。
本発明の製造方法は、基板と第１薄層と厚層が順に積層された積層構造体に対して、厚層を貫通して第１薄層に達するとともに、それぞれが閉じたループを形成する２重トレンチを形成する工程を備えている。その２重トレンチに厚層と異なる材料を充填する工程を備えている。次に、厚層の表面を覆う第２薄層を形成する工程を備えている。その第２薄層を貫通して２重トレンチ間に位置する厚層に達する貫通孔を形成する工程を備えている。さらに、第１薄層と第２薄層とトレンチに充填した材料を実質的にエッチングせず、厚層のみを実質的にエッチングするエッチング剤を用意し、そのエッチング剤を前記貫通孔から供給することによって、２重トレンチ間に位置する厚層を除去する工程を備えている。
厚層の部分領域を除去することによって、第１薄層と第２薄層に挟まれた中空空間が形成される。第１薄層が力検知センサの第１変形部であり、第２薄層が力検知センサの第２変形部となる。第１薄層が中心側に残存した厚層と周辺に位置する積層構造を接続している。第２薄層もまた中心側に残存した厚層と周辺に位置する積層構造を接続している。
上記の製造方法を利用すると、本発明の力検出センサ又は変換装置に好適な変位部と変形部を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の力検出センサによると、変位部の厚み方向に複数の変形部を接続することによって、変位部と変形部の複合構造によって決定される２次モードの固有振動数を、変形部が一つの場合に比して高くすることができる。したがって、力検出センサ（一般的には変換装置）の変位部が１次モードで振動する振動数の範囲を広く確保することができ、広範囲な振動数の検出が可能になる。本発明の力検出センサは、様々な用途で利用することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、音波を検出するマイクロホン１０の基本的な構造を概略して示す。図１（ａ）はマイクロホン１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に対応する縦断面図である。
マイクロホン１０は、基板１１０と、表面側薄層１２０（層状部材の一例）と、厚層１３０と、裏面側薄層１４０（層状部材の一例）と、介在層５００と、バックプレート３００の積層構造体を利用して形成されている。なお、このマイクロホン１０において、音波が伝播してくる方向はｚ軸の負の側からである。したがって、マイクロホン１０では、ｚ軸の負側が表面側といい、ｚ軸の正側が裏面側ということに留意されたい。
マイクロホン１０は、概略的には支持部６００と中心部７００に区画されていると評価することができる。支持部６００が中心部７００の外側を一巡して形成されている。また、中心部７００は空間部と評価することもできる。中心部７００（空間部）内に、表面側薄層１２０と厚層１３０と裏面側薄層１４０とバックプレート３００の一部が配置されているという評価も可能である。
【００１６】
マイクロホン１０は、作用する音波に応じて変位する平行平板型ダイアフラム部２００（変位部の一例）を備えている。平行平板型ダイアフラム部２００は、表面側薄層接続部２０４と厚層剛体部２０１（板状部材の一例）と裏面側薄層接続部２０５で構成されている。平行平板型ダイアフラム部２００は、中心部７００（空間部）内に配置されている。平行平板型ダイアフラム部２００の外側には、支持部６００が一巡して形成されている。
【００１７】
平行平板型ダイアフラム部２００は、２つの変形部２０２、２０３によって支持部６００から支持されている。表面側変形部２０２（第１変形部の一例）が支持部６００と平行平板型ダイアフラム部２００を接続している。裏面側変形部２０３（第２変形部の一例）が支持部６００と平行平板型ダイアフラム部２００を接続している。より詳しくは、表面側変形部２０２と表面側薄層接続部２０４は、表面側薄層１２０の部分領域である。裏面側変形部２０３と裏面側薄層接続部２０５は、裏面側薄層１４０の部分領域である。即ち、表面側薄層１２０と裏面側薄層１４０の間に、表面側薄層１２０と裏面側薄層１４０よりも面積の小さい厚層剛体部２０１が挟まれたサンドイッチ構造が形成されている。表面側薄層１２０が厚層剛体部２０１の表面に接続し、裏面側薄層１４０が厚層剛体部２０１の裏面に接続している。表面側変形部２０２が、厚層剛体部２０１の周辺を越えて外側に伸びている。裏面側変形部２０３が、厚層剛体部２０１の周辺を越えて外側に伸びている。表面側薄層１２０と厚層剛体部２０１と裏面側薄層１４０を平行平板型ダイアフラムという。
平行平板型ダイアフラム部２００に音波が作用すると、２つの変形部２０２、２０３が撓むことによって、平行平板型ダイアフラム部２００はその音圧に応じて支持部６００に対して変位する。
表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は平行に形成されている。表面側変形部２０２が厚層剛体部２０１に接続箇所と裏面側変形部２０３が厚層剛体部２０１に接続箇所が、平行平板型ダイアフラム部２００の厚み方向（ｚ軸方向）に離れている。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００は扁平な円盤状に形成されている。そして、その平行平板型ダイアフラム部２００を取り囲むように、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が形成されている。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が、平行平板型ダイアフラム部２００に一巡して接続している。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３は、平行平板型ダイアフラム部２００に対して対称に形成されている。これにより、平行平板型ダイアフラム部２００は、ｘ−ｙ軸方向の変位が規制されており、ｚ軸方向にバランスよく変位することができる。
【００１９】
平行平板型ダイアフラム部２００の裏面から所定の距離を隔てて、バックプレート３００が対向している。平行平板型ダイアフラム部２００の裏面とバックプレート３００は平行な関係に形成されている。平行平板型ダイアフラム部２００とバックプレート３００によってコンデンサ４００が構成されている。バックプレート３００は、支持部６００に固定されている。バックプレート３００には複数の通気孔２８１が形成されている。
【００２０】
図２は、マイクロホン１０に音波が作用したときの状態図である。
図２に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００に音波が作用すると、その音波の音圧に応じて表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓む。表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓むと、平行平板型ダイアフラム２００はバックプレート３００と平行な関係を維持しながらバックプレート３００に対して変位する。作用する音圧に応じて厚みの薄い表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３を撓ませることによって、厚みのある平行平板型ダイアフラム部２００を変位させる。平行平板型ダイアフラム部２００に厚みを持たせることによって、平行平板型ダイアフラム部２００自体の撓みが抑制されていることから、平行平板型ダイアフラム部２００はバックプレート３００と平行な関係を維持しながらバックプレート３００に対して変位する。
例えば、平行平板型ダイアフラム部２００とバックプレート３００の間に容量検出回路を接続して、コンデンサ４００の静電容量の変化量（△Ｃ）を検出すれば、その変化量（△Ｃ）から平行平板型ダイアフラム部２００に作用した音圧、あるいは静電容量の変化量（△Ｃ）を換算してその音圧を生じせしめた音波を検出することができる。
【００２１】
図３に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００がバックプレート３００と平行な関係を維持しながら変位するので、音圧と静電容量の変化量（△Ｃ）の関係は直線性に優れたものとなる。
【００２２】
さらに、マイクロホン１０は、音波のような振動現象を有する物理量を検出するのに有用である、という特徴を備えている。次に、この有用な特徴を図４〜図９を用いて説明する。
図４は、マイクロホン１０の平行平板型ダイアフラム部２００を模式的に示した図である。一方、図５は、マイクロホン１０の比較例であり、変形部が一つの場合の例である。
まず、比較例の場合を説明する。図７（ａ）に示すように、音波が厚層剛体部２１に作用すると、その音波の音圧に応じて変形部２２が撓む。厚層剛体部２１は、音波の音圧の大きさに応じた振幅の１次モード（平行変位モード）で変位するとともに、音波の周波数に応じて振動する。したがって、図７（ｂ）に示すように、厚層剛体部２１及び変形部２２の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、厚層剛体部２１及び変形部２２の複合構造は２次モードによる振動が顕著に現れる。
２次モードの振動が顕著に発生すると、厚層剛体部２１の平行な関係が維持されないことから、検出値の直線性に悪影響を及ぼすことになる。
【００２３】
次に、本実施形態のマイクロホン１０の場合を説明する。なお、本実施形態のマイクロホン１０の特性を比較例の場合と比較して評価するために、平行平板型ダイアフラム部２００の構成は次の条件で設定されている。
図４と図５に示すように、本実施形態の平行平板ダイアフラムの直径D1と比較例のダイアフラムの直径D2を２００μmで同一とし、本実施形態の厚層剛体部２０１の直径d1と比較例の層厚剛体部２１の直径d2を１００μmで同一とし、本実施形態の厚層剛体部２０１の厚さh1と比較例の層厚剛体部２１の厚さh2を１０μmで同一とする。本実施形態の変形部２０２、２０３の厚さt1を１μmとし、比較例の変形部２１の厚さt2を１．２６μmとする。変形部の曲げ剛性は、厚さの３乗に比例することから、変形部を上記の関係に設定することによって、本実施形態の変形部２０２、２０３の合計の曲げ剛性と、比較例の変形部２１の曲げ剛性は実質的に同等となる。例えば、静的な音圧（８０db）を印加すると、本実施形態の厚層剛体部２０１の変位量は４．６０μmであり、比較例の厚層剛体部２１の変位量は４．６３μmであり、実質的に同等である。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、音波が平行平板型ダイアフラム部２００に作用すると、その音波の音圧に応じて表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が撓むことによって、平行平板型ダイアフラム部２００は、音波の音圧の大きさに応じた振幅の１次モード（平行変位モード）で変位する。実施形態のマイクロホン１０の場合も同様に、図６（ｂ）に示すように、平行平板型ダイアフラム部２００及び変形部２０２、２０３の複合構造によって決定される２次モード（捩れモード）の固有振動数と、音波の周波数が一致すると、平行平板型ダイアフラム部２００及び変形部２０２、２０３の複合構造は２次モードによる振動が顕著に現れる。しかしながら、実施形態のマイクロホン１０は、比較例の場合に比して、２次モードの固有振動数が顕著に高くなるのである。
【００２５】
図８と図９に、本実施形態と比較例のダイアフラムの振動特性を示す。
図８に示す本実施形態の２次の固有振動数（図中８ａ）は、図９に示す比較例の２次の固有振動数（図中９ａ）に比して優位に高くなっているのが分かる。具体的には、本実施形態の２次の固有振動数は１９３９kHzであるのに対し、比較例の２次の固有振動数は５８０kHzである。したがって、本実施形態のマイクロホン１０は、比較例に比して、２次モードの振動が現れる周波数以下の低い振動数の範囲（平行変位領域）を広く確保することができるのである。一方、１次の固有振動数に関しては、本実施形態が２７８kHzであり、比較例は２９２kHzである。１次の固有振動数に関しては、両者の差は認められない。
このことから、平行平板ダイアフラム部２００に複数の変形部２０２、２０３を設けることによって、比較例の場合と同程度の変位量を確保しながら、平行平板型ダイアフラム部２００と変形部２０２、２０３によって決定される２次モードの固有振動数を高くすることができるのである。
即ち、本実施形態のマイクロホン１０を利用すると、広い範囲の周波数の音波を検出することが可能になるのである。
【実施例】
【００２６】
図１０〜図１２に、マイクロホン１００の構造を概略して示す。図１０はマイクロホン１００の平面図であり、図１１は図１０のA−B線に対応する縦断面図であり、図１２は図１０のC−O−B線に対応する縦断面図である。なお、本実施例のマイクロホン１００は、上記の実施形態のマイクロホン１０の基本的な構造をより具体的にしたものである。本実施例のマイクロホン１００の構造と上記の実施形態のマイクロホン１０の構造は、その基本的な部分において一致している。以下に、図１３〜図２１を参照して、マクロホン１００の製造方法を説明する。以下の製造方法の説明を通して、実施例のマイクロホン１０の構造を詳しく理解することができる。なお、以下で用いる図１３〜図２１は、図１０のC−O−B線に相当する部分の縦断面図を図示している。
【００２７】
まず、図１３に示すように、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなる基板１００と、シリコン酸化膜からなる表面側薄層１２０と、ｎ型不純物を含む単結晶シリコンからなる厚層１３０のSOI基板を用意する。基板１１０と厚層１３０の面方位には（１００）が選択されている。基板１１０の層厚方向の厚みは４００μmであり、厚層１３０の層厚方向の厚みは１０μmである。
フォトリソグラフィー技術とｐ型イオン注入技術と熱処理技術を利用して、厚層１３０の表面に厚層表面膜電極領域１３１（図１３には図示せず。図１０参照）を形成する。なお、この厚層表面膜電極領域１３１は、厚層１３０の電位を固定して、マイクロホン１００の検出値を安定させるためのものである。
【００２８】
次に、図１４に示すように、厚層１３０の表面に、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）法を利用して、シリコン酸化膜（NSG）からなるマスク膜１０１を形成する。マスク膜１０１を形成した後に、フォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング（RIE）技術を利用して、マスク膜１０１に開口を形成する。そのマスク膜１０１の開口からトレンチエッチングを実施して、厚層１３０を貫通して表面側薄層１２０に達するトレンチ１０２を形成する。トレンチ１０２のうちの内側のトレンチ１０２ａが厚層１３０の面内を一巡して連結しており、外側のトレンチ１０２ｂが厚層１３０の面内を一巡して連結している。したがって、厚層１３０の面内に２重のトレンチ１０２ａ、１０２ｂが形成されている。内側のトレンチ１０２ａと外側の１０２ｂに挟まれた領域に、厚層１３０の部分領域１３０ａが形成されている。
【００２９】
次に、図１５に示すように、熱酸化法を利用して、トレンチ１０２内を充填するとともに、厚層１３０の表面を覆う第１裏面側薄層１４０を形成する。次に、第１裏面側薄層１４０の表面に、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第２裏面側薄層１５０を形成する。フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第２裏面側薄層１５０をパターニングする。第２裏面側薄層１５０は、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する部分の一部が除去される。
次に、第２裏面側薄層１５０の表面に、減圧CVD法を利用して、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる可動電極１６０を形成する。フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、可動電極１６０をパターニングする。可動電極１６０は、後にコンデンサを形成する部分と、外部に電気的なコンタクトを取るための配線部分が主に残される。
次に、ここまでで形成された構造体の表面に、プラズマCVD法を利用して、シリコン酸化膜（NSG）からなる第３裏面側薄層１７０を形成する。
【００３０】
次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第１裏面側薄層１４０と第３裏面側薄層１７０を貫通して、厚層１３０の部分領域１３０ａに達する複数の貫通孔１８０を分散して形成する。図１０の平面図に示すように、貫通孔１８０は、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する領域において、放射状に分散して形成されている。
次に、減圧CVD法を利用して、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる犠牲層１９０を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、犠牲層１９０をパターニングする。犠牲層１９０は、後にコンデンサを形成する領域の部分と、厚層１３０の部分領域１３０ａに対応する領域に主に形成される。
【００３１】
次に、図１７に示すように、犠牲層１９０を覆うように、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第１バックプレート２１０を形成する。次に、第１バックプレート２１０の表面に、多結晶シリコン（Poly−Si）からなる固定電極２２０を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、固定電極２２０をパターニングする。固定電極２２０は、複数の開口が分散して配置されるようにパターニングされる。パターニングされた開口群は、後のエッチング孔群及び通気孔群の位置と対応している。
【００３２】
次に、図１８に示すように、固定電極２２０を覆うように、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第２バックプレート２３０を形成する。
次に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第２バックプレート２３０の一部を除去して固定電極コンタクト部２２１を形成する。同時に、第２バックプレート２３０と第１バックプレート２１０と第３裏面側薄層１７０の一部を除去して可動電極コンタクト部１６１（図１１参照）を形成する。同時に、第２バックプレート２３０と第１裏面側薄層１４０の一部を除去して厚層表面膜電極領域コンタクト部１３２（図１０参照）を形成する。
【００３３】
次に、図１９に示すように、スパッタ法を利用して、ここまでの構造体の表面にアルミニウムを蒸着する。その後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、固定電極配線２４０と可動電極配線２５０（図１１参照）と厚層表面膜電極配線２６０（図１０参照）を形成する。
次に、プラズマCVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる第３バックプレート２７０を形成する。
【００３４】
次に、図２０に示すように、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、第３バックプレート２７０の一部を除去して、固定電極配線２４０を露出させ固定電極端子２４１を形成し、可動電極配線２５０を露出させ可動電極端子２５１（図１１参照）を形成し、厚層表面膜電極配線２６０を露出させ厚層表面膜電極端子２６１（図１０参照）を形成する。同時に、第３バックプレート２７０と第２バックプレート２３０と第１バックプレート２１０を除去して、犠牲層１９０に達する複数のエッチング孔２８０（後に通気孔となる）を分散して形成する。
【００３５】
次に、図２１に示すように、基板１１０の裏面にPE−SiNからなるマスク膜１１１を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とRIE法を利用して、エッチング開口１１２を形成する。
次に、エッチング開口１１２を通して水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を供給し、基板１１０を異方性エッチングして、エッチング部１１３を形成する。
【００３６】
次に、二弗化キセノン（XeF2）ガスをエッチング孔２８０を通して供給する。二弗化キセノン（XeF2）ガスは、犠牲層１９０に供給されるとともに、貫通孔１８０を介して厚層１３０の部分領域１３０ａにも供給される。したがって、図１２に示すように、犠牲層１９０と厚層１３０の部分領域１３０ａが除去される。これにより、犠牲層１９０が除去された中空空間１９１によって、コンデンサが形成される。さらに、厚層１３０の部分領域１３０ａが除去された中空空間１３５によって、表面側変形部２０２と裏面側変形部２０３が得られる。
【００３７】
最後に、基板１１０と第１薄層１２０の裏面に、減圧CVD法を利用して、シリコン窒化膜（LP−SiN）からなる絶縁膜１２１を形成する。絶縁膜１２１は、表面側薄層１２０に引張り応力を加える。これにより、厚層剛体部２０１を平行に保持する効果を向上させることができる。
これらの工程を経て、マイクロホン１００を得ることができる。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）実施形態のマイクロホンの平面図を示す。（ｂ）実施形態のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図２】実施形態のマイクロホンに音波が作用したときの状態図を示す。
【図３】音圧と静電容量の変化の関係を示す。
【図４】（ａ）実施形態の平行平板ダイアフラムの模式的な平面図を示す。（ｂ）実施形態の平行平板ダイアフラムの模式的な断面図を示す。
【図５】（ａ）比較例のダイアフラムの模式的な平面図を示す。（ｂ）比較例のダイアフラムの模式的な断面図を示す。
【図６】（ａ）実施形態の平行平板ダイアフラムの１次モードの変形状態を示す。（ｂ）実施形態の平行平板ダイアフラムの２次モードの変形状態を示す。
【図７】（ａ）比較例のダイアフラムの１次モードの変形状態を示す。（ｂ）比較例のダイアフラムの２次モードの変形状態を示す。
【図８】実施形態の平行平板ダイアフラムの振動特性を示す。
【図９】比較例のダイアフラムの振動特性を示す。
【図１０】実施例のマイクロホンの平面図を示す。
【図１１】実施例のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図１２】実施例のマイクロホンの縦断面図を示す。
【図１３】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（１）。
【図１４】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（２）。
【図１５】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（３）。
【図１６】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（４）。
【図１７】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（５）。
【図１８】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（６）。
【図１９】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（７）。
【図２０】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（８）。
【図２１】実施例のマイクロホンの製造工程を示す（９）。
【符号の説明】
【００４０】
１１０：基板
１２０：表面側薄層
１２１：絶縁膜
１３０：厚層
１３１：厚層表面膜電極領域
１３２：厚層表面膜電極領域コンタクト部
１３５：中空空間
１４０：裏面側薄層、第１裏面側薄層
１５０：第２裏面側薄層
１６０：可動電極
１６１：可動電極コンタクト部
１７０：第３裏面側薄層
１８０：貫通孔
１９０：犠牲層
１９１：中空空間
２００：平行平型ダイアフラム部
２０１：厚層剛体部
２０２：表面側変形部
２０３：裏面側変形部
２０４：表面側薄層接続部
２０５：裏面側薄層接続部
２１０：第１バックプレート
２２０：固定電極
２２１：固定電極コンタクト部
２３０：第２バックプレート
２４０：固定電極配線
２４１：固定電極端子
２５０：可動電極配線
２５１：可動電極端子
２７０：第３バックプレート
２８０：エッチング孔
２８１：通気孔
３００：バックプレート
４００：コンデンサ
５００：介在層
６００：中心部
７００：支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力を検出するセンサであって、
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えており、
変位部は、扁平であり、
支持部は、変位部の外側に位置しており、
第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続しており、
第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続しており、
変位部に力が作用すると、第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することを特徴とする力検出センサ。
【請求項２】
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位する間、第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することを特徴とする請求項１の力検出センサ。
【請求項３】
変位部に対向してコンデンサを形成するとともに支持部に固定されている固定部をさらに備え、
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位したときに、前記コンデンサの静電容量が変化することを特徴とする請求項１又は２の力検出センサ。
【請求項４】
第１変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡しており、
第２変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか力検出センサ。
【請求項５】
変位部は、相対的に厚い板状部材と、その表裏両面に積層されている相対的に薄い層状部材で構成され、
第１変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている表面側層状部材で構成され、
第２変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている裏面側層状部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの力検出センサ。
【請求項６】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部が主としてシリコン系材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの力検出センサ。
【請求項７】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えており、
変位部は、扁平であり、
支持部は、変位部の外側に位置しており、
第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続しており、
第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続しており、
第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することを特徴とする変換装置。
【請求項８】
基板と第１薄層と厚層が順に積層された積層構造体に対して、厚層を貫通して第１薄層に達するとともに、それぞれが閉じたループを形成する２重トレンチを形成する工程と、
その２重トレンチに厚層と異なる材料を充填する工程と、
厚層の表面を覆う第２薄層を形成する工程と、
第２薄層を貫通して２重トレンチ間に位置する厚層に達する貫通孔を形成する工程と、
第１薄層と第２薄層とトレンチに充填した材料を実質的にエッチングせず、厚層のみを実質的にエッチングするエッチング剤を、前記貫通孔から供給することによって、２重トレンチ間に位置する厚層を除去する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの力検出センサ又は請求項７の変換装置の製造方法。
【請求項１】
力を検出するセンサであって、
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えており、
変位部は、扁平であり、
支持部は、変位部の外側に位置しており、
第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続しており、
第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続しており、
変位部に力が作用すると、第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することを特徴とする力検出センサ。
【請求項２】
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位する間、第１変形部と第２変形部が平行状態を維持することを特徴とする請求項１の力検出センサ。
【請求項３】
変位部に対向してコンデンサを形成するとともに支持部に固定されている固定部をさらに備え、
変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位したときに、前記コンデンサの静電容量が変化することを特徴とする請求項１又は２の力検出センサ。
【請求項４】
第１変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡しており、
第２変形部と変位部の接続箇所は、変位部の周囲を連続して一巡していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか力検出センサ。
【請求項５】
変位部は、相対的に厚い板状部材と、その表裏両面に積層されている相対的に薄い層状部材で構成され、
第１変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている表面側層状部材で構成され、
第２変形部は、板状部材の周辺を越えて外側に伸びている裏面側層状部材で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの力検出センサ。
【請求項６】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部が主としてシリコン系材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの力検出センサ。
【請求項７】
少なくとも、変位部と、支持部と、第１変形部と、第２変形部を備えており、
変位部は、扁平であり、
支持部は、変位部の外側に位置しており、
第１変形部は、変位部の厚み方向で相対的に表面側の周辺を、支持部に接続しており、
第２変形部は、変位部の厚み方向で相対的に裏面側の周辺を、支持部に接続しており、
第１変形部と第２変形部は、変位部が支持部に対して変位部の厚み方向に変位するように変形することを特徴とする変換装置。
【請求項８】
基板と第１薄層と厚層が順に積層された積層構造体に対して、厚層を貫通して第１薄層に達するとともに、それぞれが閉じたループを形成する２重トレンチを形成する工程と、
その２重トレンチに厚層と異なる材料を充填する工程と、
厚層の表面を覆う第２薄層を形成する工程と、
第２薄層を貫通して２重トレンチ間に位置する厚層に達する貫通孔を形成する工程と、
第１薄層と第２薄層とトレンチに充填した材料を実質的にエッチングせず、厚層のみを実質的にエッチングするエッチング剤を、前記貫通孔から供給することによって、２重トレンチ間に位置する厚層を除去する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの力検出センサ又は請求項７の変換装置の製造方法。
【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】
【公開番号】特開２００６−２４２６８４（Ｐ２００６−２４２６８４Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５７１６３（Ｐ２００５−５７１６３）
【出願日】平成１７年３月２日（２００５．３．２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２日（２００５．３．２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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