音響センサ
【課題】音響検知素子をベース基板に固定させるための接着剤がバックチャンバを通って這い上がる現象を防止する。また、音響検知素子の下面からのバックチャンバのリークを防止する。さらに、音響検知素子の変形を小さくして、音響センサの感度を向上させる。
【解決手段】音響検知素子３２は、その下面を熱硬化性の接着剤５６によってベース基板３４の上面に接着されている。音響検知素子３２は、素子基板４１の上面に振動電極板４３と振動電極板４３に対向する固定電極板４４を作製されたものである。素子基板４１にはバックチャンバ４５が形成されている。バックチャンバ４５は素子基板４１の上面で開口し、バックチャンバ４５の下面は素子基板４１によって袋状に塞がれている。振動電極板４３は、バックチャンバ４５の上面開口に位置しており、固定電極板４４には音響振動を通過させるための音響孔５５が設けられる。
【解決手段】音響検知素子３２は、その下面を熱硬化性の接着剤５６によってベース基板３４の上面に接着されている。音響検知素子３２は、素子基板４１の上面に振動電極板４３と振動電極板４３に対向する固定電極板４４を作製されたものである。素子基板４１にはバックチャンバ４５が形成されている。バックチャンバ４５は素子基板４１の上面で開口し、バックチャンバ４５の下面は素子基板４１によって袋状に塞がれている。振動電極板４３は、バックチャンバ４５の上面開口に位置しており、固定電極板４４には音響振動を通過させるための音響孔５５が設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された音響検知素子（ＭＥＭＳマイクチップ）と、当該音響検知素子を備えた音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１（ａ）は従来の音響センサの構造を示す概略断面図、図１（ｂ）はカバーを除いた状態における音響センサの概略平面図、図１（ｃ）はカバーを取り付けた状態における音響センサの平面図である。である。この音響センサ１１にあっては、ベース基板１２とカバー１３からなるケーシング内に音響検知素子１４と処理回路部１５（ＩＣチップ）が納められ、ベース基板１２の上面に音響検知素子１４の下面が熱硬化型の接着剤２４で接着され、また処理回路部１５が接着剤によって固定されている。音響検知素子１４は、上下に貫通したバックチャンバ１７を形成されたシリコン基板１６を有し、バックチャンバ１７の上面開口と対向させてシリコン基板１６の上面には薄膜の振動電極板１８が配設され、振動電極板１８と対向するように配設された固定電極板１９によって振動電極板１８を覆っている。振動電極板１８は、四隅を脚部２０によって支持されており、四隅以外の部分をシリコン基板１６の上面で宙空支持されている。また、カバー１３には、ケーシング内に音響振動を導くための開口２１があいており、固定電極板１９には振動電極板１８に音響振動を導くための音響孔２２（アコースティックホール）が複数開口されている。そして、音響振動に共振して振動電極板１８が振動することによって生じる振動電極板１８と固定電極板１９との間の静電容量の変化に基づいて、音響振動を電気信号に変換して出力するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５１０４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（接着剤の這い上がり）
しかしながら、上記のような音響センサ１１では、上下に貫通したバックチャンバ１７を有するシリコン基板１６の下面を熱硬化型の接着剤２４によってベース基板１２の上面に接着していたので、塗布直後の流動状態にある接着剤２４が表面張力によってバックチャンバ１７の壁面に沿って這い上がり、シリコン基板１６の上面に達しやすかった。特に、角柱状や角錐状のバックチャンバ１７の場合には、谷線（すなわち、バックチャンバ１７の側壁面と側壁面との間の角部分）に沿って接着剤２４がシリコン基板１６の上面まで這い上がりやすかった。こうして接着剤２４がシリコン基板１６の上面に這い上がると、シリコン基板１６の上面と振動電極板１８の縁部下面との間の隙間（ベントホール２３）に接着剤２４が入り込み、振動電極板１８の本来シリコン基板１６から浮いていなければならない部分がシリコン基板１６に固着（スティック）して振動電極板１８の振動を抑制するようになる。そのため、接着剤２４の這い上がりによって振動電極板１８とシリコン基板１６が固着すると、固定電極板１９と振動電極板１８との間の距離が広がってしまい、静電容量値が低下してしまう。これにより、音響センサ１１の感度が低下したり、特性が変化したりする原因となっていた。また、接着剤２４の這い上がりを防止しようとすれば、接着剤２４の選択の幅が狭くなるとともにコストが高くつく問題があった。
【０００５】
（熱や外力によるシリコン基板の変形）
上記のような構造の音響センサ１１では、ベース基板１２の材質としてはシリコン基板１６と線膨張係数がほぼ等しくて硬質の材料、たとえばセラミックが好ましい。しかし、セラミック基板は高価で音響センサ１１のコストが高くつくため、一般的には樹脂基板や樹脂多層基板などの有機基板が用いられている。
【０００６】
このような有機基板は音響検知素子１４のシリコン基板１６と線膨張係数がかなり異なるので、処理回路部１５の発熱や外部からの熱によってシリコン基板１６とベース基板１２との間に熱応力が発生し、シリコン基板１６とベース基板１２に反りが発生するおそれがある。そのため、シリコン基板１６の下面をベース基板１２に接着するための接着剤２４として軟質（低ヤング率）の接着剤を用い、ベース基板１２とシリコン基板１６の間に生じる内部応力を軟質の接着剤２４で緩和させるようにしている。
【０００７】
このようにシリコン基板１６とベース基板１２との接着部分は、柔軟な構造となっており、またシリコン基板１６も上下にバックチャンバ１７が貫通していて比較的剛性が低い。そのため、熱応力が発生したり、外力が加わったりすると、シリコン基板１６が変形しやすい。
【０００８】
こうしてシリコン基板１６が変形すると、振動電極板１８と固定電極板１９の距離が小さくなって感度が低下したり、特性が変化することがあり、音響センサ１１が使用不能になる恐れがある。そのため振動電極板１８と固定電極板１９のギャップ距離をあまり小さくできず、音響センサ１１の感度向上のための制約となる。
【０００９】
（振動電極板の脆弱性）
また、シリコン基板１６が変形すると、振動電極板１８に不均一な応力が発生して振動電極板１８の強度が低下する。しかも、音響センサにより微弱な音響振動を検知するためには、振動電極板１８の厚みは非常に薄くしなければならないので、振動電極板は非常に脆弱であり、音響センサの落下などによって振動電極板１８が破損しやすい。そのため、強度を考慮すれば、振動電極板１８の厚みをこれまでよりも薄くすることが難しかった。
【００１０】
（接着不良によるバックチャンバのリーク）
シリコン基板１６やベース基板１２が変形すると、接着剤２４が剥がれて接着不良を起こすおそれがある。また、シリコン基板１６の下面を接着剤２４によって接着する際、接着不良によってシリコン基板１６の下面とベース基板１２の間に隙間が生じる場合がある。そして、このような接着不良が生じると、その隙間から音響振動が入って振動電極板１８の表裏における音圧差を小さくし、音響センサ１１の感度を低下させていた。
【００１１】
本発明は、こ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、音響検知素子をベース基板に固定させるための接着剤がバックチャンバを通って這い上がる現象を防止することにある。また、本発明の別な目的は、音響検知素子の下面からのバックチャンバのリークを防止することにある。さらに、本発明のさらに別な目的は、音響検知素子の変形を小さくして、音響センサの感度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するために、本発明に係る音響検知素子は、バックチャンバを備えた基板と、前記バックチャンバの上面開口に対向させて前記基板の表面に設けた振動電極板と、前記振動電極板に対向し、かつ、音響孔を開口された固定電極板とを備え、前記振動電極板の変位による前記振動電極板と前記固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力する音響検知素子において、前記バックチャンバの下面を前記基板によって袋状に塞いでいることを特徴としている。
【００１３】
本発明の音響検知素子にあっては、バックチャンバの下面が素子基板によって塞がれているので、音響検知素子の下面を接着剤によってベース基板などに接着する場合でも、その接着剤がバックチャンバ内の壁面を這い上がることがない。そのため、接着剤により振動電極板が素子基板に固着（スティック）するのを防止できて、振動電極板の振動特性を安定させることができ、音響センサの感度低下を防ぐとともに信頼性を向上させることができる。
【００１４】
また、音響検知素子をベース基板などに接着する際に音響検知素子の接着不良があっても、バックチャンバの下面から音響振動が入り込むことがなく、バックチャンバのリークによって音響センサの感度低下が起きることがない。よって、センサ製造工程における歩留まりが向上する。
【００１５】
また、素子基板の剛性が向上するので、音響検知素子の耐衝撃性が向上する。特に、落下衝撃によって振動電極板が破損しにくくなるので、振動電極板を薄くでき、音響検知素子の感度が向上する。
【００１６】
さらに、素子基板の剛性が向上するので、熱応力や外力によって音響検知素子が変形しにくくなるので、感度の低下や特性の変化を防ぐことができる。よって、振動電極板と固定電極板の間のギャップを狭くすることができ、音響検知素子の感度を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る音響検知素子のある実施態様は、表裏に貫通した貫通孔を有する主基板の裏面に副基板を接合することによって前記基板を形成し、前記貫通孔の下面を前記副基板で塞ぐことにより前記貫通孔を含む空間によって前記バックチャンバを形成したことを特徴としている。かかる実施態様によれば、貫通孔を形成した主基板を副基板の裏面に接合するだけで下面側が塞がったバックチャンバを作ることができ、製造工程が容易になる。
【００１８】
前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記副基板に前記貫通孔と連通させて凹部を形成し、前記貫通孔と前記凹部によって前記バックチャンバを形成してもよい。かかる態様によれば、バックチャンバが貫通孔だけで構成されている場合よりもバックチャンバの容積を大きくでき、音響検知素子の感度を向上させることができる。
【００１９】
また、前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記主基板と前記副基板が接着剤を用いない方法で接合されていることが望ましい。両基板を接着剤を用いないで接合しているので、接着剤が主基板の貫通孔を這い上がって振動電極板に付着することがなく、音響検知素子の信頼性が高まるとともに製造時の歩留まりが向上する。
【００２０】
また、前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記主基板と前記副基板が互いに線膨張係数がほぼ等しい材質によって形成されていることが望ましい。かかる態様によれば、温度変化によって主基板と副基板の間に反りが発生しにくくなり、振動電極板と固定電極板とのギャップが変化しにくくて音響検知素子の温度特性が安定する。また、反りによって振動電極板が固定電極板に固着（スティック）しにくくなる。
【００２１】
本発明に係る音響センサは、本発明に係る音響検知素子の下面を、接着剤によってベース基板の上面に固着させ、前記音響検知素子を覆うようして前記ベースの上面にカバーを取り付けたことを特徴としている。
【００２２】
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】
【００２３】
【図１】図１（ａ）は従来の音響センサの構造を示す断面図、図１（ｂ）は当該音響センサの、カバーを取り除いた状態の平面図、図１（ｃ）は当該音響センサのカバーを取り付けた状態の平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態１に係る音響センサの概略断面図である。
【図３】図３は、実施形態１の音響センサに用いられている音響検知素子の分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態２に係る音響センサの概略断面図である。
【図５】図５は、実施形態２の音響センサに用いられてる音響検知素子の素子基板を示す分解斜視図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｆ）は、実施形態２に係る音響検知素子の製造工程を示す概略図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、実施形態２に係る音響検知素子の異なる製造工程の一部を示す概略図である。
【図８】図８は、実施形態２の変形例による音響センサの概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３に係る音響センサの概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３の音響センサに用いられている音響検知素子の素子基板を示す分解斜視図である。
【図１１】図１１は、実施形態３における音響検知素子の素子基板の別な形状を示す分解斜視図である。
【図１２】図１２（ａ）は実施形態３の変形例による音響検知素子の概略断面図、図１２（ｂ）はその副基板を示す斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）は実施形態３の別な変形例による音響検知素子の概略断面図、図１３（ｂ）はその副基板を示す斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【図１６】図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（第１の実施形態）
以下、図２及び図３を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１を説明する。図２は音響センサ３１の概略断面図である。この音響センサ３１は、主として音響検知素子３２と回路素子３３（ＩＣチップ）とからなり、音響検知素子３２及び回路素子３３の下面は配線パターンを形成されたベース基板３４の上面に熱硬化型接着剤（熱硬化性樹脂接着剤）で接着されている。音響検知素子３２及び回路素子３３は、ベース基板３４の上面に接合された電磁シールド用のカバー３５によって覆われていて、ベース基板３４とカバー３５によって形成された空間３６内に納められている。
【００２６】
図３は音響検知素子３２の構造を示す分解斜視図である。この音響検知素子３２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製された微小な静電容量型素子（ＭＥＭＳトランスデューサ）であり、シリコン基板である素子基板４１の上面に絶縁被膜４２を介して振動電極板４３を設け、その上に微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板４４を設けたものである。
【００２７】
図２及び図３に示すように、素子基板４１はウェットエッチングによって表面から裏面に向けて凹設されたバックチャンバ４５を有している。バックチャンバ４５は素子基板４１の下面にまで達しておらず、バックチャンバ４５は素子基板４１の上面でのみ開口し、素子基板４１の下面では袋状に塞がっている。また、バックチャンバ４５は内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。素子基板４１のサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角程度（これよりも小さくすることも可能である。）であり、素子基板４１の厚みが４００〜５００μｍ程度である。素子基板４１の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜４２が形成されている。
【００２８】
振動電極板４３は、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板４３はほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅部分には対角方向外側に向けて支持脚４７が延出している。さらに、支持脚４７の一つからは延出部４８が延びている。振動電極板４３は、バックチャンバ４５の上面を覆うようにして素子基板４１の上面に配置され、四隅の各支持脚４７と延出部４８を絶縁被膜４２の上に固定されている。振動電極板４３のうちバックチャンバ４５の上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、支持脚４７及び延出部４８以外の部分）はダイアフラム４９（振動膜）となっており、音響振動（空気振動）に感応して振動する。
【００２９】
固定電極板４４は、窒化膜からなるバックプレート５０の上面に金属薄膜からなる固定電極５１を設けたものである。固定電極板４４は、ダイアフラム４９と対向する領域においては３μｍ程度の微小ギャップをあけてダイアフラム４９を覆っており、固定電極５１はダイアフラム４９と対向してキャパシタを構成している。固定電極板４４の外周部、すなわちダイアフラム４９と対向する領域の外側の部分は、酸化膜等からなる絶縁被膜４２を介して素子基板４１の上面に固定されている。
【００３０】
固定電極５１からは引出し部５２が延出されており、引出し部５２の先端には固定電極５１と導通した電極パッド５３（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板４４には、振動電極板４３の延出部４８に接合して振動電極板４３と導通させる電極パッド５４（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド５３はバックプレート５０の上面に配置しており、電極パッド５４はバックプレート５０の開口を通して延出部４８と接合されている。
【００３１】
固定電極５１及びバックプレート５０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音響孔５５（アコースティックホール）が多数穿孔されている。なお、振動電極板４３は、音響振動や機械的振動に共鳴して振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板４４は音響振動や機械的振動によって励振されない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。
【００３２】
音響検知素子３２は、熱硬化性樹脂からなる接着剤５６によって裏面全体をベース基板３４の上面に接合されている。また、音響検知素子３２の出力信号を処理するための回路素子３３も、熱硬化性樹脂によってベース基板３４の上面に接着されている。音響検知素子３２と回路素子３３はボンディングワイヤにより、あるいはベース基板３４の配線パターンを通じて接続される。
【００３３】
カバー３５は、外部からの電磁ノイズを遮断するために電磁シールド機能を備えている。このためには、カバー３５自体を導電性金属によって形成してもよく、樹脂製のカバーの内面をメッキ等の金属被膜で覆ってもよい。また、カバー３５には開口５７が形成されており、開口５７と音響孔５５の間の空間３６は音響振動を伝搬させるための経路となっている。また、ベース基板３４も接地用の配線パターンの一部が電磁シールドの機能を有している。
【００３４】
この音響センサ３１にあっては、カバー３５の開口５７を通して空間３６内に伝搬した音響振動は、音響孔５５を通って音響検知素子３２内に伝わり、ダイアフラム４９が音響振動によって振動する。ダイアフラム４９が振動すると、ダイアフラム４９と固定電極板４４との間のギャップ距離が変化するので、それによってダイアフラム４９と固定電極５１の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド５３、５４間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音響振動を電気的な信号に変換して検出することができる。
【００３５】
また、音響センサ３１では、バックチャンバ４５の下面が素子基板４１によって塞がれているので、音響検知素子３２の下面を熱硬化性樹脂からなる接着剤５６によってベース基板３４に接着する際、硬化前の流動状態の接着剤５６が表面張力によってバックチャンバ４５内の壁面を這い上がることがない。その結果、従来例のように素子基板４１の上面と振動電極板４３の間の隙間（ベントホール）に接着剤５６が入り込んで振動電極板４３を素子基板４１に固着（スティック）させることがなくなる。よって、音響センサ３１によれば、振動電極板４３の素子基板４１への固着（スティック）を防止してダイアフラム４９の振動特性を安定させることができ、音響センサ３１の感度低下を防ぐとともに信頼性を向上させることができる。また、接着剤５６がバックチャンバ４５を這い上がることがないので、接着剤２４の選択の幅が広くなり、音響センサ３１をローコスト化できる。
【００３６】
さらに、バックチャンバ４５の下面が塞がっているので、かりに音響検知素子３２をベース基板３４に接着する際の接着具合に不良があったとしても、バックチャンバ４５のリークによって音響検知素子３２の下面から音響振動が入り込むことがなく、リークによる音響センサ３１の感度低下を防止できてセンサ製造工程における歩留まりが向上する。
【００３７】
また、素子基板４１に上下に開口（バックチャンバ４５）が貫通していないので、従来の音響センサにおける素子基板に比較して素子基板４１の剛性が高くなる。そのため、振動電極板４３を剛性の高い素子基板４１で支持させることができて音響検知素子３２の耐衝撃性が向上し、落下衝撃によって音響検知素子３２や振動電極板４３が破損しにくくなる。
【００３８】
さらに、素子基板４１の剛性が高くなるので、熱応力が発生したり外力が加わったりした場合でも音響検知素子３２が変形しにくくなる。そのため、振動電極板４３と固定電極板４４のギャップは変化しにくくなり、音響センサ３１の感度低下や特性の変化を防ぐことができる。
【００３９】
その結果、ダイアフラム４９を薄膜化でき、また振動電極板４３と固定電極板４４の間のギャップを狭くすることができ、音響センサ３１の感度向上が可能になる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図４は本発明の実施形態２による音響センサ６１を示す概略断面図である。この音響センサ６１は、実施形態１の音響センサ３１とは素子基板４１の構造が異なっている。図５は、実施形態２における素子基板４１の構造を示す分解斜視図である。
【００４１】
実施形態１では、一枚のシリコン基板を凹状にエッチングすることによって素子基板４１に下面の塞がったバックチャンバ４５を形成していたが、この実施形態２では、図５に示すように、主基板４１ａの裏面に副基板４１ｂを接合して素子基板４１を構成している。主基板４１ａはシリコン基板やＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなり、主基板４１ａには表裏に貫通するバックチャンバ４５が形成されている。副基板４１ｂは表面が平坦な平板となっている。副基板４１ｂは、シリコン基板、ＳＯＩ基板など主基板４１ａと同材質のもの、あるいは、パイレックス（登録商標）や石英等のガラス基板、セラミック基板など主基板４１ａと同程度の線膨張係数（ほぼ２×１０−６〜１０×１０−６／℃）を有するものを用いる。
【００４２】
主基板４１ａと副基板４１ｂの接合方法は、接着剤などの接合材料がバックチャンバ４５を這い上がって主基板４１ａの上面に達しない方法であればよい。例えば、Ｓｉからなる主基板４１ａとＳｉからなる副基板４１ｂの接合面をプラズマ処理等によって活性化し、接合面を重ね合わせた状態で圧力を加えて主基板４１ａと副基板４１ｂを常温接合する方法がある。また、ＳＯＩからなる主基板４１ａのＳｉＯ２面とＳＯＩからなる副基板４１ｂのＳｉＯ２面とを重ね合わせた状態で加熱加圧して主基板４１ａと副基板４１ｂを接合する方法がある。さらに、Ｓｉからなる主基板４１ａとガラスからなる副基板４１ｂを重ね合わせ、両基板４１ａ、４１ｂを加熱加圧しながら電圧を印加して陽極接合する方法がある。また、Ｓｉからなる主基板４１ａの接合面とＳｉからなる副基板４１ｂの接合面にそれぞれＡｕ等の金属薄膜を成膜しておき、両基板４１ａ、４１ｂの接合面どうしを重ね合わせて加熱加圧等を行って両基板４１ａ、４１ｂを接合してもよい。また、Ａｌからなる副基板４１ｂ（あるいは、接合面にＡｌ薄膜を形成されたＳｉ基板からなる副基板４１ｂ）の接合面（Ａｌ表面）を親水化処理した後、当該副基板４１ｂとＳｉからなる主基板４１ａとを重ね合わせて加熱し、水素結合を用いて両基板４１ａ、４１ｂを接合してもよい。あるいは、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、ゴム系接着剤など接着時ににじみ出しや這い上がりの起こりにくい接着剤を用いて主基板４１ａと副基板４１ｂを接合してもよい。
【００４３】
これらの方法によって主基板４１ａと副基板４１ｂを接合すれば、接着剤等の接合材料などがバックチャンバ４５の壁面を這い上がって主基板４１ａの上面に達することがない。また、バックチャンバ４５の貫通した主基板４１ａに副基板４１ｂを接合して素子基板４１を作製するようにすれば、素子基板４１の製造工程が簡単になる。すなわち、実施形態１のような構造では、バックチャンバ４５をエッチングにより形成するためには、バックチャンバ４５の底面にエッチングが達しないよう、エッチング深さを注意深く時間管理しなければならない。これに対し、実施形態２では、バックチャンバ４５が主基板４１ａに貫通すればよいのでバックチャンバ４５のエッチング作業が容易になり、バックチャンバ４５の深さは主基板４１ａの厚みで決まるので、バックチャンバ４５の深さを精度よく制御することができる。
【００４４】
つぎに、この音響検知素子６２の製造工程を説明する。図６（ａ）〜（ｆ）は、音響検知素子６２の製造工程の一例を示す。音響検知素子６２の製造にあたっては、まず主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）の上面に熱酸化法などによって絶縁被膜４２（ＳｉＯ２膜）を成膜し、図６（ａ）に示すように、バックチャンバ開口位置に合わせて開口６３をあけ、その上に犠牲層６４を積層する。さらに、図６（ｂ）に示すように、犠牲層６４の上にポリシリコン薄膜を成膜し、ポリシリコン薄膜を所定形状に形成して振動電極板４３を作製し、さらに振動電極板４３の上に再び犠牲層６４を積層し、犠牲層６４を固定電極板４４内の空間形状にする。ついで、犠牲層６４及び絶縁被膜４２の上に固定電極板４４（バックプレート５０及び固定電極５１）を形成し、固定電極板４４に音響孔５５をあける。この状態を図６（ｃ）に示す。
【００４５】
こうして、主基板４１ａの上に振動電極板４３、犠牲層６４及び固定電極板４４が形成されたら、図６（ｄ）に示すように、主基板４１ａの下面にＳｉＯ２やＳｉＮによってエッチング用マスク６５を成膜し、当該マスク６５にエッチング窓６６をあける。そして、エッチング窓６６を通して主基板４１ａを下面からウェットエッチング又はドライエッチングによって異方性エッチングし、エッチングが主基板４１ａの上面に達したらエッチングを停止し、主基板４１ａにバックチャンバ４５を上下貫通させる。
【００４６】
この後、図６（ｅ）に示すように、下面のエッチング用マスク６５を除去し、前記のような方法によって主基板４１ａの下面に副基板４１ｂ（ウエハ）を接合して素子基板４１とする。ついで、上面の音響孔５５等を通して犠牲層６４にエッチング液を接触させ、図６（ｆ）のように固定電極板４４内の犠牲層６４をエッチング除去し、ダイアフラム４９を固定電極板４４内で主基板４１ａの上面から浮かせ、１枚の主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）上に複数の音響検知素子６２を作製する。ついで、音響検知素子６２を洗浄した後、素子基板４１（接合された２枚のウエハ）をダイシングして音響検知素子６２を切り離し、個別の音響検知素子６２を得る。
【００４７】
また、音響検知素子６２は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような工程で製造してもよい。図７（ａ）は図６（ｄ）と同じものであって、図６（ａ）〜（ｄ）のような工程で主基板４１ａの上面に振動電極板４３、犠牲層６４及び固定電極板４４が設けられ、エッチング窓６６を通して主基板４１ａにバックチャンバ４５が形成されている。
【００４８】
この後、上面の音響孔５５等を通して犠牲層６４にエッチング液を接触させ、図７（ｂ）のように固定電極板４４内の犠牲層６４をエッチング除去し、ダイアフラム４９を固定電極板４４内で主基板４１ａの上面から浮かせ、１枚の主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）上に複数の音響検知素子６２を作製する。ついで、図７（ｃ）に示すように、下面のエッチング用マスク６５を除去し、前記のような方法によって主基板４１ａの下面に副基板４１ｂ（ウエハ）を接合して素子基板４１とする。ついで、音響検知素子６２を洗浄した後、素子基板４１（接合された２枚のウエハ）をダイシングして音響検知素子６２を切り離し、個別の音響検知素子６２を得る。
【００４９】
（第２の実施形態の変形例）
主基板４１ａに設けるバックチャンバ４５の形状は、作製可能なものであればどのようなものであってもよい。例えば、図８に示す変形例の音響センサ６８では、上半分が上方へ向かうほど狭い角錐台状となり、下半分が下方へ向かうほど狭い逆角錐台状となったバックチャンバ４５が形成されている。
【００５０】
（第３の実施形態）
図９は本発明の実施形態３による音響センサ７１を示す概略断面図である。実施例２の音響センサ６１では、主基板４１ａの下面に接合する副基板４１ｂとして表面が平坦なものを用いていたが、実施形態３の音響センサ７１では、図１０に示すように副基板４１ｂにも凹部４５ｂを形成している。すなわち、この音響センサ７１の素子基板４１は、表裏に貫通した貫通孔４５ａを有する主基板４１ａの下面に、上面に凹部４５ｂを形成された副基板４１ｂを接合し、主基板４１ａと副基板４１ｂによって素子基板４１を形成するとともに、互いに連通した貫通孔４５ａと凹部４５ｂによってバックチャンバ４５を構成している。
【００５１】
実施形態３の音響検知素子６２も、実施形態２の場合と同様にして製造することができ、また主基板４１ａと副基板４１ｂの接合方法も実施形態２と同様な方法を用いることができる。
【００５２】
この音響センサ７１では、副基板４１ｂに凹部４５ｂを設けることでバックチャンバ４５の容積をさらに大きくすることができるので、音響センサ７１の感度を向上させることができる。なお、凹部４５ｂは図１０のように角が角張ったものでもよく、図１１のように角が丸くなったものでもよい。
【００５３】
また、凹部４５ｂの上面開口の開口径を貫通孔４５ａの下面開口の開口径よりも大きくすれば凹部４５ｂを大きくでき、ひいてはバックチャンバ４５の容積を大きくできるので、音響検知素子３２の感度をより向上させることができる。
【００５４】
（第３の実施形態の変形例）
実施形態３において主基板４１ａに設けた貫通孔４５ａや副基板４１ｂに設けた凹部４５ｂの形状は、種々のものが可能である。例えば、図１２（ａ）に示した音響検知素子７２では、角柱状の貫通孔４５ａの下面に連通させて図１２（ｂ）のような逆角錐台状の凹部４５ｂを設けている。また、図１３（ａ）に示した音響検知素子７３では、角柱状の貫通孔４５ａの下面に連通させて図１３（ｂ）のような球面状の凹部４５ｂを設けている。
【００５５】
図１２、図１３に示した以外にも種々の変形例が可能である。図１４（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子７４〜７６では、上方へ向かうほど狭くなった角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。また、図１５（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子７７〜７９では、上方へ向かうほど広くなった逆角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。さらに、図１６（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子８０〜８２では、上半分が上方へ向かうほど狭い角錐台状で、下半分が下方へ向かうほど狭い逆角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。
【符号の説明】
【００５６】
３１、６１、６８、７１ 音響センサ
３２、６２、７２〜８２ 音響検知素子
３３ 回路素子
３４ ベース基板
４１ 素子基板
４１ａ 主基板
４１ｂ 副基板
４３ 振動電極板
４４ 固定電極板
４５ バックチャンバ
４５ａ 貫通孔
４５ｂ 凹部
４９ ダイアフラム
５５ 音響孔
５６ 接着剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された音響検知素子（ＭＥＭＳマイクチップ）と、当該音響検知素子を備えた音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１（ａ）は従来の音響センサの構造を示す概略断面図、図１（ｂ）はカバーを除いた状態における音響センサの概略平面図、図１（ｃ）はカバーを取り付けた状態における音響センサの平面図である。である。この音響センサ１１にあっては、ベース基板１２とカバー１３からなるケーシング内に音響検知素子１４と処理回路部１５（ＩＣチップ）が納められ、ベース基板１２の上面に音響検知素子１４の下面が熱硬化型の接着剤２４で接着され、また処理回路部１５が接着剤によって固定されている。音響検知素子１４は、上下に貫通したバックチャンバ１７を形成されたシリコン基板１６を有し、バックチャンバ１７の上面開口と対向させてシリコン基板１６の上面には薄膜の振動電極板１８が配設され、振動電極板１８と対向するように配設された固定電極板１９によって振動電極板１８を覆っている。振動電極板１８は、四隅を脚部２０によって支持されており、四隅以外の部分をシリコン基板１６の上面で宙空支持されている。また、カバー１３には、ケーシング内に音響振動を導くための開口２１があいており、固定電極板１９には振動電極板１８に音響振動を導くための音響孔２２（アコースティックホール）が複数開口されている。そして、音響振動に共振して振動電極板１８が振動することによって生じる振動電極板１８と固定電極板１９との間の静電容量の変化に基づいて、音響振動を電気信号に変換して出力するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００８−５１０４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（接着剤の這い上がり）
しかしながら、上記のような音響センサ１１では、上下に貫通したバックチャンバ１７を有するシリコン基板１６の下面を熱硬化型の接着剤２４によってベース基板１２の上面に接着していたので、塗布直後の流動状態にある接着剤２４が表面張力によってバックチャンバ１７の壁面に沿って這い上がり、シリコン基板１６の上面に達しやすかった。特に、角柱状や角錐状のバックチャンバ１７の場合には、谷線（すなわち、バックチャンバ１７の側壁面と側壁面との間の角部分）に沿って接着剤２４がシリコン基板１６の上面まで這い上がりやすかった。こうして接着剤２４がシリコン基板１６の上面に這い上がると、シリコン基板１６の上面と振動電極板１８の縁部下面との間の隙間（ベントホール２３）に接着剤２４が入り込み、振動電極板１８の本来シリコン基板１６から浮いていなければならない部分がシリコン基板１６に固着（スティック）して振動電極板１８の振動を抑制するようになる。そのため、接着剤２４の這い上がりによって振動電極板１８とシリコン基板１６が固着すると、固定電極板１９と振動電極板１８との間の距離が広がってしまい、静電容量値が低下してしまう。これにより、音響センサ１１の感度が低下したり、特性が変化したりする原因となっていた。また、接着剤２４の這い上がりを防止しようとすれば、接着剤２４の選択の幅が狭くなるとともにコストが高くつく問題があった。
【０００５】
（熱や外力によるシリコン基板の変形）
上記のような構造の音響センサ１１では、ベース基板１２の材質としてはシリコン基板１６と線膨張係数がほぼ等しくて硬質の材料、たとえばセラミックが好ましい。しかし、セラミック基板は高価で音響センサ１１のコストが高くつくため、一般的には樹脂基板や樹脂多層基板などの有機基板が用いられている。
【０００６】
このような有機基板は音響検知素子１４のシリコン基板１６と線膨張係数がかなり異なるので、処理回路部１５の発熱や外部からの熱によってシリコン基板１６とベース基板１２との間に熱応力が発生し、シリコン基板１６とベース基板１２に反りが発生するおそれがある。そのため、シリコン基板１６の下面をベース基板１２に接着するための接着剤２４として軟質（低ヤング率）の接着剤を用い、ベース基板１２とシリコン基板１６の間に生じる内部応力を軟質の接着剤２４で緩和させるようにしている。
【０００７】
このようにシリコン基板１６とベース基板１２との接着部分は、柔軟な構造となっており、またシリコン基板１６も上下にバックチャンバ１７が貫通していて比較的剛性が低い。そのため、熱応力が発生したり、外力が加わったりすると、シリコン基板１６が変形しやすい。
【０００８】
こうしてシリコン基板１６が変形すると、振動電極板１８と固定電極板１９の距離が小さくなって感度が低下したり、特性が変化することがあり、音響センサ１１が使用不能になる恐れがある。そのため振動電極板１８と固定電極板１９のギャップ距離をあまり小さくできず、音響センサ１１の感度向上のための制約となる。
【０００９】
（振動電極板の脆弱性）
また、シリコン基板１６が変形すると、振動電極板１８に不均一な応力が発生して振動電極板１８の強度が低下する。しかも、音響センサにより微弱な音響振動を検知するためには、振動電極板１８の厚みは非常に薄くしなければならないので、振動電極板は非常に脆弱であり、音響センサの落下などによって振動電極板１８が破損しやすい。そのため、強度を考慮すれば、振動電極板１８の厚みをこれまでよりも薄くすることが難しかった。
【００１０】
（接着不良によるバックチャンバのリーク）
シリコン基板１６やベース基板１２が変形すると、接着剤２４が剥がれて接着不良を起こすおそれがある。また、シリコン基板１６の下面を接着剤２４によって接着する際、接着不良によってシリコン基板１６の下面とベース基板１２の間に隙間が生じる場合がある。そして、このような接着不良が生じると、その隙間から音響振動が入って振動電極板１８の表裏における音圧差を小さくし、音響センサ１１の感度を低下させていた。
【００１１】
本発明は、こ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、音響検知素子をベース基板に固定させるための接着剤がバックチャンバを通って這い上がる現象を防止することにある。また、本発明の別な目的は、音響検知素子の下面からのバックチャンバのリークを防止することにある。さらに、本発明のさらに別な目的は、音響検知素子の変形を小さくして、音響センサの感度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するために、本発明に係る音響検知素子は、バックチャンバを備えた基板と、前記バックチャンバの上面開口に対向させて前記基板の表面に設けた振動電極板と、前記振動電極板に対向し、かつ、音響孔を開口された固定電極板とを備え、前記振動電極板の変位による前記振動電極板と前記固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力する音響検知素子において、前記バックチャンバの下面を前記基板によって袋状に塞いでいることを特徴としている。
【００１３】
本発明の音響検知素子にあっては、バックチャンバの下面が素子基板によって塞がれているので、音響検知素子の下面を接着剤によってベース基板などに接着する場合でも、その接着剤がバックチャンバ内の壁面を這い上がることがない。そのため、接着剤により振動電極板が素子基板に固着（スティック）するのを防止できて、振動電極板の振動特性を安定させることができ、音響センサの感度低下を防ぐとともに信頼性を向上させることができる。
【００１４】
また、音響検知素子をベース基板などに接着する際に音響検知素子の接着不良があっても、バックチャンバの下面から音響振動が入り込むことがなく、バックチャンバのリークによって音響センサの感度低下が起きることがない。よって、センサ製造工程における歩留まりが向上する。
【００１５】
また、素子基板の剛性が向上するので、音響検知素子の耐衝撃性が向上する。特に、落下衝撃によって振動電極板が破損しにくくなるので、振動電極板を薄くでき、音響検知素子の感度が向上する。
【００１６】
さらに、素子基板の剛性が向上するので、熱応力や外力によって音響検知素子が変形しにくくなるので、感度の低下や特性の変化を防ぐことができる。よって、振動電極板と固定電極板の間のギャップを狭くすることができ、音響検知素子の感度を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る音響検知素子のある実施態様は、表裏に貫通した貫通孔を有する主基板の裏面に副基板を接合することによって前記基板を形成し、前記貫通孔の下面を前記副基板で塞ぐことにより前記貫通孔を含む空間によって前記バックチャンバを形成したことを特徴としている。かかる実施態様によれば、貫通孔を形成した主基板を副基板の裏面に接合するだけで下面側が塞がったバックチャンバを作ることができ、製造工程が容易になる。
【００１８】
前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記副基板に前記貫通孔と連通させて凹部を形成し、前記貫通孔と前記凹部によって前記バックチャンバを形成してもよい。かかる態様によれば、バックチャンバが貫通孔だけで構成されている場合よりもバックチャンバの容積を大きくでき、音響検知素子の感度を向上させることができる。
【００１９】
また、前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記主基板と前記副基板が接着剤を用いない方法で接合されていることが望ましい。両基板を接着剤を用いないで接合しているので、接着剤が主基板の貫通孔を這い上がって振動電極板に付着することがなく、音響検知素子の信頼性が高まるとともに製造時の歩留まりが向上する。
【００２０】
また、前記主基板と前記副基板を有する前記実施態様においては、前記主基板と前記副基板が互いに線膨張係数がほぼ等しい材質によって形成されていることが望ましい。かかる態様によれば、温度変化によって主基板と副基板の間に反りが発生しにくくなり、振動電極板と固定電極板とのギャップが変化しにくくて音響検知素子の温度特性が安定する。また、反りによって振動電極板が固定電極板に固着（スティック）しにくくなる。
【００２１】
本発明に係る音響センサは、本発明に係る音響検知素子の下面を、接着剤によってベース基板の上面に固着させ、前記音響検知素子を覆うようして前記ベースの上面にカバーを取り付けたことを特徴としている。
【００２２】
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】
【００２３】
【図１】図１（ａ）は従来の音響センサの構造を示す断面図、図１（ｂ）は当該音響センサの、カバーを取り除いた状態の平面図、図１（ｃ）は当該音響センサのカバーを取り付けた状態の平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態１に係る音響センサの概略断面図である。
【図３】図３は、実施形態１の音響センサに用いられている音響検知素子の分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態２に係る音響センサの概略断面図である。
【図５】図５は、実施形態２の音響センサに用いられてる音響検知素子の素子基板を示す分解斜視図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｆ）は、実施形態２に係る音響検知素子の製造工程を示す概略図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、実施形態２に係る音響検知素子の異なる製造工程の一部を示す概略図である。
【図８】図８は、実施形態２の変形例による音響センサの概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態３に係る音響センサの概略断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態３の音響センサに用いられている音響検知素子の素子基板を示す分解斜視図である。
【図１１】図１１は、実施形態３における音響検知素子の素子基板の別な形状を示す分解斜視図である。
【図１２】図１２（ａ）は実施形態３の変形例による音響検知素子の概略断面図、図１２（ｂ）はその副基板を示す斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）は実施形態３の別な変形例による音響検知素子の概略断面図、図１３（ｂ）はその副基板を示す斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【図１６】図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ実施形態３のさらに別な変形例による音響検知素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（第１の実施形態）
以下、図２及び図３を参照して本発明の実施形態１による音響センサ３１を説明する。図２は音響センサ３１の概略断面図である。この音響センサ３１は、主として音響検知素子３２と回路素子３３（ＩＣチップ）とからなり、音響検知素子３２及び回路素子３３の下面は配線パターンを形成されたベース基板３４の上面に熱硬化型接着剤（熱硬化性樹脂接着剤）で接着されている。音響検知素子３２及び回路素子３３は、ベース基板３４の上面に接合された電磁シールド用のカバー３５によって覆われていて、ベース基板３４とカバー３５によって形成された空間３６内に納められている。
【００２６】
図３は音響検知素子３２の構造を示す分解斜視図である。この音響検知素子３２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製された微小な静電容量型素子（ＭＥＭＳトランスデューサ）であり、シリコン基板である素子基板４１の上面に絶縁被膜４２を介して振動電極板４３を設け、その上に微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板４４を設けたものである。
【００２７】
図２及び図３に示すように、素子基板４１はウェットエッチングによって表面から裏面に向けて凹設されたバックチャンバ４５を有している。バックチャンバ４５は素子基板４１の下面にまで達しておらず、バックチャンバ４５は素子基板４１の上面でのみ開口し、素子基板４１の下面では袋状に塞がっている。また、バックチャンバ４５は内周面が垂直面となっていてもよく、テーパー状に傾斜していてもよい。素子基板４１のサイズは、平面視で１〜１.５ｍｍ角程度（これよりも小さくすることも可能である。）であり、素子基板４１の厚みが４００〜５００μｍ程度である。素子基板４１の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜４２が形成されている。
【００２８】
振動電極板４３は、膜厚が１μｍ程度のポリシリコン薄膜によって形成されている。振動電極板４３はほぼ矩形状の薄膜であって、その四隅部分には対角方向外側に向けて支持脚４７が延出している。さらに、支持脚４７の一つからは延出部４８が延びている。振動電極板４３は、バックチャンバ４５の上面を覆うようにして素子基板４１の上面に配置され、四隅の各支持脚４７と延出部４８を絶縁被膜４２の上に固定されている。振動電極板４３のうちバックチャンバ４５の上方で宙空に支持された部分（この実施形態では、支持脚４７及び延出部４８以外の部分）はダイアフラム４９（振動膜）となっており、音響振動（空気振動）に感応して振動する。
【００２９】
固定電極板４４は、窒化膜からなるバックプレート５０の上面に金属薄膜からなる固定電極５１を設けたものである。固定電極板４４は、ダイアフラム４９と対向する領域においては３μｍ程度の微小ギャップをあけてダイアフラム４９を覆っており、固定電極５１はダイアフラム４９と対向してキャパシタを構成している。固定電極板４４の外周部、すなわちダイアフラム４９と対向する領域の外側の部分は、酸化膜等からなる絶縁被膜４２を介して素子基板４１の上面に固定されている。
【００３０】
固定電極５１からは引出し部５２が延出されており、引出し部５２の先端には固定電極５１と導通した電極パッド５３（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板４４には、振動電極板４３の延出部４８に接合して振動電極板４３と導通させる電極パッド５４（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド５３はバックプレート５０の上面に配置しており、電極パッド５４はバックプレート５０の開口を通して延出部４８と接合されている。
【００３１】
固定電極５１及びバックプレート５０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音響孔５５（アコースティックホール）が多数穿孔されている。なお、振動電極板４３は、音響振動や機械的振動に共鳴して振動するものであるから、１μｍ程度の薄膜となっているが、固定電極板４４は音響振動や機械的振動によって励振されない電極であるので、その厚みは例えば２μｍ以上というように厚くなっている。
【００３２】
音響検知素子３２は、熱硬化性樹脂からなる接着剤５６によって裏面全体をベース基板３４の上面に接合されている。また、音響検知素子３２の出力信号を処理するための回路素子３３も、熱硬化性樹脂によってベース基板３４の上面に接着されている。音響検知素子３２と回路素子３３はボンディングワイヤにより、あるいはベース基板３４の配線パターンを通じて接続される。
【００３３】
カバー３５は、外部からの電磁ノイズを遮断するために電磁シールド機能を備えている。このためには、カバー３５自体を導電性金属によって形成してもよく、樹脂製のカバーの内面をメッキ等の金属被膜で覆ってもよい。また、カバー３５には開口５７が形成されており、開口５７と音響孔５５の間の空間３６は音響振動を伝搬させるための経路となっている。また、ベース基板３４も接地用の配線パターンの一部が電磁シールドの機能を有している。
【００３４】
この音響センサ３１にあっては、カバー３５の開口５７を通して空間３６内に伝搬した音響振動は、音響孔５５を通って音響検知素子３２内に伝わり、ダイアフラム４９が音響振動によって振動する。ダイアフラム４９が振動すると、ダイアフラム４９と固定電極板４４との間のギャップ距離が変化するので、それによってダイアフラム４９と固定電極５１の間の静電容量が変化する。よって、電極パッド５３、５４間に直流電圧を印加しておき、この静電容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音響振動を電気的な信号に変換して検出することができる。
【００３５】
また、音響センサ３１では、バックチャンバ４５の下面が素子基板４１によって塞がれているので、音響検知素子３２の下面を熱硬化性樹脂からなる接着剤５６によってベース基板３４に接着する際、硬化前の流動状態の接着剤５６が表面張力によってバックチャンバ４５内の壁面を這い上がることがない。その結果、従来例のように素子基板４１の上面と振動電極板４３の間の隙間（ベントホール）に接着剤５６が入り込んで振動電極板４３を素子基板４１に固着（スティック）させることがなくなる。よって、音響センサ３１によれば、振動電極板４３の素子基板４１への固着（スティック）を防止してダイアフラム４９の振動特性を安定させることができ、音響センサ３１の感度低下を防ぐとともに信頼性を向上させることができる。また、接着剤５６がバックチャンバ４５を這い上がることがないので、接着剤２４の選択の幅が広くなり、音響センサ３１をローコスト化できる。
【００３６】
さらに、バックチャンバ４５の下面が塞がっているので、かりに音響検知素子３２をベース基板３４に接着する際の接着具合に不良があったとしても、バックチャンバ４５のリークによって音響検知素子３２の下面から音響振動が入り込むことがなく、リークによる音響センサ３１の感度低下を防止できてセンサ製造工程における歩留まりが向上する。
【００３７】
また、素子基板４１に上下に開口（バックチャンバ４５）が貫通していないので、従来の音響センサにおける素子基板に比較して素子基板４１の剛性が高くなる。そのため、振動電極板４３を剛性の高い素子基板４１で支持させることができて音響検知素子３２の耐衝撃性が向上し、落下衝撃によって音響検知素子３２や振動電極板４３が破損しにくくなる。
【００３８】
さらに、素子基板４１の剛性が高くなるので、熱応力が発生したり外力が加わったりした場合でも音響検知素子３２が変形しにくくなる。そのため、振動電極板４３と固定電極板４４のギャップは変化しにくくなり、音響センサ３１の感度低下や特性の変化を防ぐことができる。
【００３９】
その結果、ダイアフラム４９を薄膜化でき、また振動電極板４３と固定電極板４４の間のギャップを狭くすることができ、音響センサ３１の感度向上が可能になる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図４は本発明の実施形態２による音響センサ６１を示す概略断面図である。この音響センサ６１は、実施形態１の音響センサ３１とは素子基板４１の構造が異なっている。図５は、実施形態２における素子基板４１の構造を示す分解斜視図である。
【００４１】
実施形態１では、一枚のシリコン基板を凹状にエッチングすることによって素子基板４１に下面の塞がったバックチャンバ４５を形成していたが、この実施形態２では、図５に示すように、主基板４１ａの裏面に副基板４１ｂを接合して素子基板４１を構成している。主基板４１ａはシリコン基板やＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなり、主基板４１ａには表裏に貫通するバックチャンバ４５が形成されている。副基板４１ｂは表面が平坦な平板となっている。副基板４１ｂは、シリコン基板、ＳＯＩ基板など主基板４１ａと同材質のもの、あるいは、パイレックス（登録商標）や石英等のガラス基板、セラミック基板など主基板４１ａと同程度の線膨張係数（ほぼ２×１０−６〜１０×１０−６／℃）を有するものを用いる。
【００４２】
主基板４１ａと副基板４１ｂの接合方法は、接着剤などの接合材料がバックチャンバ４５を這い上がって主基板４１ａの上面に達しない方法であればよい。例えば、Ｓｉからなる主基板４１ａとＳｉからなる副基板４１ｂの接合面をプラズマ処理等によって活性化し、接合面を重ね合わせた状態で圧力を加えて主基板４１ａと副基板４１ｂを常温接合する方法がある。また、ＳＯＩからなる主基板４１ａのＳｉＯ２面とＳＯＩからなる副基板４１ｂのＳｉＯ２面とを重ね合わせた状態で加熱加圧して主基板４１ａと副基板４１ｂを接合する方法がある。さらに、Ｓｉからなる主基板４１ａとガラスからなる副基板４１ｂを重ね合わせ、両基板４１ａ、４１ｂを加熱加圧しながら電圧を印加して陽極接合する方法がある。また、Ｓｉからなる主基板４１ａの接合面とＳｉからなる副基板４１ｂの接合面にそれぞれＡｕ等の金属薄膜を成膜しておき、両基板４１ａ、４１ｂの接合面どうしを重ね合わせて加熱加圧等を行って両基板４１ａ、４１ｂを接合してもよい。また、Ａｌからなる副基板４１ｂ（あるいは、接合面にＡｌ薄膜を形成されたＳｉ基板からなる副基板４１ｂ）の接合面（Ａｌ表面）を親水化処理した後、当該副基板４１ｂとＳｉからなる主基板４１ａとを重ね合わせて加熱し、水素結合を用いて両基板４１ａ、４１ｂを接合してもよい。あるいは、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、ゴム系接着剤など接着時ににじみ出しや這い上がりの起こりにくい接着剤を用いて主基板４１ａと副基板４１ｂを接合してもよい。
【００４３】
これらの方法によって主基板４１ａと副基板４１ｂを接合すれば、接着剤等の接合材料などがバックチャンバ４５の壁面を這い上がって主基板４１ａの上面に達することがない。また、バックチャンバ４５の貫通した主基板４１ａに副基板４１ｂを接合して素子基板４１を作製するようにすれば、素子基板４１の製造工程が簡単になる。すなわち、実施形態１のような構造では、バックチャンバ４５をエッチングにより形成するためには、バックチャンバ４５の底面にエッチングが達しないよう、エッチング深さを注意深く時間管理しなければならない。これに対し、実施形態２では、バックチャンバ４５が主基板４１ａに貫通すればよいのでバックチャンバ４５のエッチング作業が容易になり、バックチャンバ４５の深さは主基板４１ａの厚みで決まるので、バックチャンバ４５の深さを精度よく制御することができる。
【００４４】
つぎに、この音響検知素子６２の製造工程を説明する。図６（ａ）〜（ｆ）は、音響検知素子６２の製造工程の一例を示す。音響検知素子６２の製造にあたっては、まず主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）の上面に熱酸化法などによって絶縁被膜４２（ＳｉＯ２膜）を成膜し、図６（ａ）に示すように、バックチャンバ開口位置に合わせて開口６３をあけ、その上に犠牲層６４を積層する。さらに、図６（ｂ）に示すように、犠牲層６４の上にポリシリコン薄膜を成膜し、ポリシリコン薄膜を所定形状に形成して振動電極板４３を作製し、さらに振動電極板４３の上に再び犠牲層６４を積層し、犠牲層６４を固定電極板４４内の空間形状にする。ついで、犠牲層６４及び絶縁被膜４２の上に固定電極板４４（バックプレート５０及び固定電極５１）を形成し、固定電極板４４に音響孔５５をあける。この状態を図６（ｃ）に示す。
【００４５】
こうして、主基板４１ａの上に振動電極板４３、犠牲層６４及び固定電極板４４が形成されたら、図６（ｄ）に示すように、主基板４１ａの下面にＳｉＯ２やＳｉＮによってエッチング用マスク６５を成膜し、当該マスク６５にエッチング窓６６をあける。そして、エッチング窓６６を通して主基板４１ａを下面からウェットエッチング又はドライエッチングによって異方性エッチングし、エッチングが主基板４１ａの上面に達したらエッチングを停止し、主基板４１ａにバックチャンバ４５を上下貫通させる。
【００４６】
この後、図６（ｅ）に示すように、下面のエッチング用マスク６５を除去し、前記のような方法によって主基板４１ａの下面に副基板４１ｂ（ウエハ）を接合して素子基板４１とする。ついで、上面の音響孔５５等を通して犠牲層６４にエッチング液を接触させ、図６（ｆ）のように固定電極板４４内の犠牲層６４をエッチング除去し、ダイアフラム４９を固定電極板４４内で主基板４１ａの上面から浮かせ、１枚の主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）上に複数の音響検知素子６２を作製する。ついで、音響検知素子６２を洗浄した後、素子基板４１（接合された２枚のウエハ）をダイシングして音響検知素子６２を切り離し、個別の音響検知素子６２を得る。
【００４７】
また、音響検知素子６２は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような工程で製造してもよい。図７（ａ）は図６（ｄ）と同じものであって、図６（ａ）〜（ｄ）のような工程で主基板４１ａの上面に振動電極板４３、犠牲層６４及び固定電極板４４が設けられ、エッチング窓６６を通して主基板４１ａにバックチャンバ４５が形成されている。
【００４８】
この後、上面の音響孔５５等を通して犠牲層６４にエッチング液を接触させ、図７（ｂ）のように固定電極板４４内の犠牲層６４をエッチング除去し、ダイアフラム４９を固定電極板４４内で主基板４１ａの上面から浮かせ、１枚の主基板４１ａ（Ｓｉウエハ）上に複数の音響検知素子６２を作製する。ついで、図７（ｃ）に示すように、下面のエッチング用マスク６５を除去し、前記のような方法によって主基板４１ａの下面に副基板４１ｂ（ウエハ）を接合して素子基板４１とする。ついで、音響検知素子６２を洗浄した後、素子基板４１（接合された２枚のウエハ）をダイシングして音響検知素子６２を切り離し、個別の音響検知素子６２を得る。
【００４９】
（第２の実施形態の変形例）
主基板４１ａに設けるバックチャンバ４５の形状は、作製可能なものであればどのようなものであってもよい。例えば、図８に示す変形例の音響センサ６８では、上半分が上方へ向かうほど狭い角錐台状となり、下半分が下方へ向かうほど狭い逆角錐台状となったバックチャンバ４５が形成されている。
【００５０】
（第３の実施形態）
図９は本発明の実施形態３による音響センサ７１を示す概略断面図である。実施例２の音響センサ６１では、主基板４１ａの下面に接合する副基板４１ｂとして表面が平坦なものを用いていたが、実施形態３の音響センサ７１では、図１０に示すように副基板４１ｂにも凹部４５ｂを形成している。すなわち、この音響センサ７１の素子基板４１は、表裏に貫通した貫通孔４５ａを有する主基板４１ａの下面に、上面に凹部４５ｂを形成された副基板４１ｂを接合し、主基板４１ａと副基板４１ｂによって素子基板４１を形成するとともに、互いに連通した貫通孔４５ａと凹部４５ｂによってバックチャンバ４５を構成している。
【００５１】
実施形態３の音響検知素子６２も、実施形態２の場合と同様にして製造することができ、また主基板４１ａと副基板４１ｂの接合方法も実施形態２と同様な方法を用いることができる。
【００５２】
この音響センサ７１では、副基板４１ｂに凹部４５ｂを設けることでバックチャンバ４５の容積をさらに大きくすることができるので、音響センサ７１の感度を向上させることができる。なお、凹部４５ｂは図１０のように角が角張ったものでもよく、図１１のように角が丸くなったものでもよい。
【００５３】
また、凹部４５ｂの上面開口の開口径を貫通孔４５ａの下面開口の開口径よりも大きくすれば凹部４５ｂを大きくでき、ひいてはバックチャンバ４５の容積を大きくできるので、音響検知素子３２の感度をより向上させることができる。
【００５４】
（第３の実施形態の変形例）
実施形態３において主基板４１ａに設けた貫通孔４５ａや副基板４１ｂに設けた凹部４５ｂの形状は、種々のものが可能である。例えば、図１２（ａ）に示した音響検知素子７２では、角柱状の貫通孔４５ａの下面に連通させて図１２（ｂ）のような逆角錐台状の凹部４５ｂを設けている。また、図１３（ａ）に示した音響検知素子７３では、角柱状の貫通孔４５ａの下面に連通させて図１３（ｂ）のような球面状の凹部４５ｂを設けている。
【００５５】
図１２、図１３に示した以外にも種々の変形例が可能である。図１４（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子７４〜７６では、上方へ向かうほど狭くなった角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。また、図１５（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子７７〜７９では、上方へ向かうほど広くなった逆角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。さらに、図１６（ａ）〜（ｃ）に示した音響検知素子８０〜８２では、上半分が上方へ向かうほど狭い角錐台状で、下半分が下方へ向かうほど狭い逆角錐台状の貫通孔４５ａの下面に連通させて、それぞれ矩形状、逆角錐台状、球面状の凹部４５ｂを設けている。
【符号の説明】
【００５６】
３１、６１、６８、７１ 音響センサ
３２、６２、７２〜８２ 音響検知素子
３３ 回路素子
３４ ベース基板
４１ 素子基板
４１ａ 主基板
４１ｂ 副基板
４３ 振動電極板
４４ 固定電極板
４５ バックチャンバ
４５ａ 貫通孔
４５ｂ 凹部
４９ ダイアフラム
５５ 音響孔
５６ 接着剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックチャンバを備えた基板と、
前記バックチャンバの上面開口に対向させて前記基板の表面に設けた振動電極板と、
前記振動電極板に対向し、かつ、音響孔を開口された固定電極板とを備え、
前記振動電極板の変位による前記振動電極板と前記固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力する音響検知素子において、
前記バックチャンバの下面を前記基板によって袋状に塞いでいることを特徴とする音響検知素子。
【請求項２】
表裏に貫通した貫通孔を有する主基板の裏面に副基板を接合することによって前記基板を形成し、
前記貫通孔の下面を前記副基板で塞ぐことにより前記貫通孔を含む空間によって前記バックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項１に記載の音響検知素子。
【請求項３】
前記副基板に前記貫通孔と連通させて凹部を形成し、前記貫通孔と前記凹部によって前記バックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項４】
前記主基板と前記副基板は、接着剤を用いない方法で接合されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項５】
前記主基板と前記副基板は、互いに線膨張係数がほぼ等しい材質によって形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項６】
請求項１に記載した音響検知素子の下面を、接着剤によってベース基板の上面に固着させ、前記音響検知素子を覆うようして前記ベースの上面にカバーを取り付けたことを特徴とする音響センサ。
【請求項１】
バックチャンバを備えた基板と、
前記バックチャンバの上面開口に対向させて前記基板の表面に設けた振動電極板と、
前記振動電極板に対向し、かつ、音響孔を開口された固定電極板とを備え、
前記振動電極板の変位による前記振動電極板と前記固定電極板の間の静電容量の変化に基づいて電気信号を出力する音響検知素子において、
前記バックチャンバの下面を前記基板によって袋状に塞いでいることを特徴とする音響検知素子。
【請求項２】
表裏に貫通した貫通孔を有する主基板の裏面に副基板を接合することによって前記基板を形成し、
前記貫通孔の下面を前記副基板で塞ぐことにより前記貫通孔を含む空間によって前記バックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項１に記載の音響検知素子。
【請求項３】
前記副基板に前記貫通孔と連通させて凹部を形成し、前記貫通孔と前記凹部によって前記バックチャンバを形成したことを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項４】
前記主基板と前記副基板は、接着剤を用いない方法で接合されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項５】
前記主基板と前記副基板は、互いに線膨張係数がほぼ等しい材質によって形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響検知素子。
【請求項６】
請求項１に記載した音響検知素子の下面を、接着剤によってベース基板の上面に固着させ、前記音響検知素子を覆うようして前記ベースの上面にカバーを取り付けたことを特徴とする音響センサ。
【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】
【公開番号】特開２０１１−１７６５３１（Ｐ２０１１−１７６５３１Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８２８９（Ｐ２０１０−３８２８９）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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