音響センサ
【課題】音響検知部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高めることにある。
【解決手段】シリコン基板２８に、表裏に貫通する縦孔部３１ａと水平に伸びた横孔部３１ｂからなるバックチャンバ３１を形成する。縦孔部３１ａの上端はシリコン基板２８の上面で開口し、横孔部３１ｂの先端はシリコン基板２８によって塞がれている。シリコン基板２８の上面には、縦孔部３１ａの上面開口を覆うように形成された振動電極板３３ａと振動電極板３３ａに対向する固定電極板３４ａによって音響検知部２９を作製する。音響検知部２９の固定電極板３４ａには、音響振動を通過させるための音響孔４３ａを開口する。また、横孔部３１ｂの上方において、シリコン基板２８の上面に、振動電極板３３ｂと振動電極板３３ｂに対向する固定電極板３４ｂによって振動検知部３０を作製する。
【解決手段】シリコン基板２８に、表裏に貫通する縦孔部３１ａと水平に伸びた横孔部３１ｂからなるバックチャンバ３１を形成する。縦孔部３１ａの上端はシリコン基板２８の上面で開口し、横孔部３１ｂの先端はシリコン基板２８によって塞がれている。シリコン基板２８の上面には、縦孔部３１ａの上面開口を覆うように形成された振動電極板３３ａと振動電極板３３ａに対向する固定電極板３４ａによって音響検知部２９を作製する。音響検知部２９の固定電極板３４ａには、音響振動を通過させるための音響孔４３ａを開口する。また、横孔部３１ｂの上方において、シリコン基板２８の上面に、振動電極板３３ｂと振動電極板３３ｂに対向する固定電極板３４ｂによって振動検知部３０を作製する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は音響センサに関し、具体的には、外部振動ノイズの除去機能を備えたＭＥＭＳ型の音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフォン等に用いられる音響センサは、空気を伝達媒体とする音響振動を検知するものであるが、通常何らかの機器に設置されているため、外来の機械的振動などによりノイズを検知しやすい。
【０００３】
このような外来の機械的振動によるノイズ（外部振動ノイズ）を低減するため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動を検知する音響検知部と機械的振動だけを検知する振動検知部とを組み合わせている。このようなノイズ除去方式のコンデンサマイクとしては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
特許文献１に開示されたコンデンサマイクの構造を図１に示す。このコンデンサマイク１１では、ほぼ同一構造のエレクトレットコンデンサマイクユニットからなる音響検知部１２と振動検知部１３を剛体のホルダ１４に納めている。音響検知部１２と振動検知部１３は、いずれもケーシング１２ａ、１３ａ内に振動検知用の振動膜１５が保持され、振動膜１５に対向して音響孔１６が開口されている。音響検知部１２と振動検知部１３は、ホルダ１４に設けられた隣接する納入部１７、１８内にほぼ平行に納められている。納入部１７に納められた音響検知部１２の音響孔１６は、納入部１７の開口１９によって外部に開放されている。一方、納入部１８に納められた振動検知部１３の音響孔１６はホルダ１４により閉塞されている。
【０００５】
したがって、音響振動は、開口１９を通して音響検知部１２でのみ検知される。また、外来の機械的振動は、ホルダ１４を通じて音響検知部１２と振動検知部１３により検知される。図２（ａ）は音響検知部１２から出力された信号波形（外部振動ノイズの乗った音響振動）の一例を表し、図２（ｂ）は振動検知部１３から出力された信号波形（機械的振
動）の一例を表す。なお、図２においては、音響振動の信号波形は正弦波と仮定している。
【０００６】
このような２種の信号波形を用いて外部振動ノイズを除去するには、一般に差動アンプやノイズキャンセリング回路が用いられる。差動アンプを用いる場合には、図２（ａ）のような外部振動ノイズの乗った音響振動波形と図２（ｂ）のような機械的振動波形を差動アンプに入力し、差動アンプから両信号波形の差分信号を出力させる。図２（ｂ）に示す振動検知部１３の出力波形は、音響検知部１２から出力された音響振動に乗っているノイズ成分と同じであるので、図２（ａ）の信号波形と図２（ｂ）の信号波形の差分信号を出力させれば、外部振動ノイズが除去されて音響振動波形のみを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平４−５３３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなコンデンサマイクでも、音響検知部１２で検知する機械的振動と振動検知部１３で検知する機械的振動との間に位相差（時間的なずれ）があると、ノイズ除去後の信号にかなりのノイズが残る。外来の機械的振動は、ホルダ１４やケーシング１２ａ、１３ａを通じ両検知部１２、１３の振動膜１５に伝わって振動膜１５を振動させるが、振動の伝わってくる方向や伝わり方によって音響検知部１２の振動膜１５に伝わる機械的振動と振動検知部１３の振動膜１５に伝わる機械的振動とで時間的なずれが生じることがある。そのため、振動検知部１３の出力信号を利用して音響検知部１２の出力信号から外部振動ノイズを除去しようとしても、図２（ｃ）のような音響振動波形となりノイズが残る。
【０００９】
また、音響振動に対する感度を向上させるためには、振動膜１５の背後の空間（バックチャンバ）の容積を大きくすればよいが、図１のようなコンデンサマイク１１では、振動膜背後の空間の容積に制限があって当該空間の容積を大きくすることができなかった。
【００１０】
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部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高め、さらに音響検知部のバックチャンバの容積を大きくすることによって音響センサのＳ／Ｎ比を大きくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る音響センサは、一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けた音響センサであって、前記第１のトランスデューサは、前記基板内に形成されたバックチャンバと、前記バックチャンバの上面開口を覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の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ものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向した第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の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ものであり、前記バックチャンバは、その一端が前記第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口し、かつ、前記基板の上面に沿った方向へ伸びた部分を備えていることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る音響センサにあっては、共通の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設けているので、音響センサに機械的振動が加わったとき、第１のトランスデューサの第１の振動電極板に伝わる機械的振動と第２のトランスデューサの第２の振動電極板に伝わる機械的振動との時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。特に、ＭＥＭＳ技術を利用して作製されるトランスデューサの場合には、基板材料としてシリコン等の硬くて弾性率の大きな材料が用いられるので、両トランスデューサの各振動電極板に伝わる機械的振動の時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。よって、第２のトランスデューサで検知した機械的振動を利用して第１のトランスデューサの出力信号から外部振動ノイズを除去する際の振動キャンセル効果が向上し、音響センサのＳ／Ｎ比が向上する。また、ＭＥＭＳ技術を利用してトランスデューサを製造する場合には、共通の基板上に同一工程で第１及び第２の両トランスデューサを作製することができ、音響センサの量産性が向上するとともに両トランスデューサ間の機械的振動に対する感度ばらつきを小さくできる。
【００１３】
また、音響センサが小型になると、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサの機械的振動の時間ずれは小さくなるが、その一方で第１のトランスデューサは、バックチャンバが小さくなるため音響振動に対する感度が低くなる。しかし、本発明の音響センサでは、第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で一端が開口し、かつ、基板の上面に沿った方向へ伸びたバックチャンバを備えているので、バックチャンバの容積を大きくでき、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を向上させることができる。
【００１４】
本発明の第１の実施態様は、前記バックチャンバの他端が、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記第２のトランスデューサが設けられた領域に達していることを特徴としている。かかる実施態様では、一枚の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設け、第１のトランスデューサのバックチャンバを第２のトランスデューサの領域まで延ばしているので、第２のバックチャンバの領域を利用して第１のトランスデューサのバックチャンバを広げることができ、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を高めることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施態様は、前記バックチャンバの他端が前記基板によって塞がれていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、バックチャンバの他端が閉じているので、バックチャンバ側から第１のトランスデューサ内に音響振動が入ることがなく、第１の振動電極板の両面に音響振動が加わって第１のトランスデューサの音響振動に対する感度が低下するのを防ぐことができる。
【００１６】
本発明の第２の実施態様におけるある態様では、前記第２のトランスデューサが、前記基板内にバックチャンバを有していない。かかる態様では、第２の固定電極板に音響振動の通過できる開口があったとしても、第２の振動電極板と基板表面との間のわずかな空間だけが第２のトランスデューサのバックチャンバとなるに過ぎないので、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【００１７】
また、第２の実施態様における別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が通孔を有している。かかる態様では、第２の振動電極板が通孔を有しているので、第２の固定電極板に音響振動の通過できる開口があったとしても、第２の固定電極板を通過した音響振動が第２の振動電極板の一方の面に加わると、同時にその音響振動は通孔を通って第２の振動電極板の他方の面にも加わる。よって、第２の振動電極板の両面に同時に音響振動が加わるので、第２の振動電極板の振動が妨げられ、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【００１８】
また、第２の実施態様におけるさらに別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が、前記基板と前記第２の固定電極板との間の空間に封止されている。かかる態様では、第２の振動電極板に音響振動が伝わらないので、第２のトランスデューサは機械的振動だけを検知する。
【００１９】
本発明の第３の実施態様は、前記バックチャンバの他端が、前記第２の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口していることを特徴としている。かかる実施態様では、第１のトランスデューサのバックチャンバが、第２のトランスデューサの第２の振動電極膜に対向する位置まで延びているので、第１のトランスデューサのバックチャンバの容積を非常に大きくでき、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を大きく向上させることができる。
【００２０】
本発明の第３の実施態様におけるある態様では、開口を有しない前記第２の固定電極板によって、前記第２の振動電極板の位置する側の空間と前記第２の固定電極板よりも外側の空間とを気密的に仕切っている。かかる態様では、第２の振動電極板が開口を有しない第２の固定電極板で覆われるので、第２の振動電極板に音響振動が伝わらない。よって、第２のトランスデューサは、音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知することができる。
【００２１】
第３の実施態様における別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が通孔を有している。かかる態様では、第２の振動電極板が通孔を有しているので、第２の振動電極板の一方の側から音響振動が伝わっても音響振動が通孔を通って第２の振動電極板の他方の面にも加わる。よって、第２の振動電極板の両面に音響振動が加わるので、第２の振動電極板が振動せず、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【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は、特許文献１に開示された音響センサの断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のコンデンサマイクにおける音響検知部の出力波形を示す図、図２（ｂ）は図１のコンデンサマイクにおける振動検知部の出力波形を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の出力波形を用いて図２（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による音響センサの構造を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の音響センサに用いられているセンサ本体の分解斜視図である。
【図５】図５は、実施形態１の音響センサに用いられているシリコン基板の裏面側の斜視図である。
【図６】図６（ａ）は実施形態１の音響センサの音響検知部からの出力波形を示す図、図６（ｂ）は実施形態１の音響センサの振動検知部からの出力波形を示す図、図６（ｃ）は図６（ｂ）の出力波形を用いて図６（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｅ）は、実施形態１によるセンサ本体の製造工程の一部を示す概略断面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態１によるセンサ本体の異なる製造工程を説明する概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態２による音響センサを構成するセンサ本体の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態３による音響センサを構成するセンサ本体の概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態４の音響センサに用いられているセンサ本体の概略断面図である。
【図１２】図１２は、同上のセンサ本体の分解斜視図である。
【図１３】図１３は、実施形態４の音響センサに用いられているシリコン基板の裏面側の斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｅ）は、実施形態４によるセンサ本体の製造工程の一部を示す概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態４によるセンサ本体の別な製造工程を説明する概略断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態５による音響センサに用いられているセンサ本体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３〜図８を参照して本発明の実施形態１による音響センサ２１を説明する。図３は音響センサ２１の概略断面図である。この音響センサ２１は、図３に示すように、主としてセンサ本体２２と回路素子２３、２４（ＩＣチップ）とからなり、センサ本体２２及び回路素子２３、２４の下面は配線パターンを形成された配線基板２５の上面に接着剤で固定されている。センサ本体２２及び回路素子２３、２４は、配線基板２５の上面に接合された電磁シールド用のカバー２６によって覆われていて、配線基板２５とカバー２６によって形成された空間２７内に納められている。
【００２６】
図４はセンサ本体２２の構造を示す分解斜視図である。このセンサ本体２２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製されたＭＥＭＳ素子であり、一枚のシリコン基板２８（基板）に音響検知部２９（第１のトランスデューサ）と振動検知部３０（第２のトランスデューサ）を設けている。音響検知部２９は、シリコン基板２８内にバックチャンバ３１を有しているが、振動検知部３０は、シリコン基板２８内にバックチャンバを有しない。シリコン基板２８のサイズは、平面視で一辺の長さが数ｍｍ以下であり、厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板２８の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜３２が形成されている。
【００２７】
音響検知部２９のためのバックチャンバ３１は、図３に示すように断面Ｌ字形に形成されており、図４及び図５に示すように、その上面は音響検知部２９に対向する位置で開口し、下面は音響検知部２９から振動検知部３０にわたる領域で開口している。以下においては、このバックチャンバ３１のうちシリコン基板２８の表裏に貫通している部分を縦孔部３１ａと呼び、縦孔部３１ａの側面下部から水平に伸びた部分を横孔部３１ｂと呼ぶ。縦孔部３１ａは音響検知部２９の下方に位置しており、横孔部３１ｂは縦孔部３１ａと連通していて振動検知部３０（特に、振動電極板３３ｂ）の設けられている領域の下方に延びている。横孔部３１ｂは、シリコン基板２８の上面に垂直な方向から見たとき、振動検知部３０の設けられている大部分の領域と重なっているが、横孔部３１ｂの面積は振動検知部３０の面積よりも大きくても小さくてもよい。バックチャンバ３１の下面開口は、センサ本体２２の下面を配線基板２５の上面に接着してセンサ本体２２を実装したとき、配線基板２５によって塞がれる。なお、バックチャンバ３１の壁面は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（図８参照）。
【００２８】
図４に示すように、音響検知部２９は、縦孔部３１ａの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ（第１の振動電極板）と固定電極板３４ａ（第１の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。また、振動検知部３０は、シリコン基板２８の上面に振動電極板３３ｂ（第２の振動電極板）と固定電極板３４ｂ（第２の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。すなわち、振動電極板３３ａは、縦孔部３１ａの上面開口を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に設けられ、振動電極板３３ａの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ａが設けられている。また、振動電極板３３ｂは、バックチャンバ３１が開口していない領域においてシリコン基板２８の上面に設けられ、振動電極板３３ｂの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ｂが設けられている。
【００２９】
振動電極板３３ａ、３３ｂ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３３ａ、３３ｂ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３５ａ、３５ｂが延出している。さらに、支持脚３５ａ、３５ｂの一つからは延出部３６ａ、３６ｂが延びている。振動電極板３３ａは、縦孔部３１ａの上面を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の支持脚３５ａと延出部３６ａを絶縁被膜３２の上に固定されている。また、振動電極板３３ｂは、バックチャンバ３１の開口していない領域においてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の支持脚３５ｂと延出部３６ｂを絶縁被膜３２の上に固定されている。振動電極板３３ａ、３３ｂのうち固定されていない部分（この実施形態では、支持脚３５ａ、３５ｂ及び延出部３６ａ、３６ｂ以外の部分）はそれぞれ宙空に浮いたダイアフラム３７ａ、３７ｂ（振動膜）となっている。
【００３０】
固定電極板３４ａ、３４ｂは、いずれも窒化膜からなるバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に金属薄膜からなる固定電極３９ａ、３９ｂを設けたものである。図４に示すように、固定電極板３４ａ、３４ｂは、それぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂ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３７ａ、３７ｂを覆っており、固定電極３９ａ、３９ｂはダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向してキャパシタを構成している。固定電極板３４ａ、３４ｂの外周部、すなわちダイアフラム３７ａ、３７ｂ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３２を介してシリコン基板２８の上面に固定されている。
【００３１】
固定電極３９ａ、３９ｂからは引出し部４０ａ、４０ｂが延出されており、引出し部４０ａ、４０ｂの先端にはそれぞれ固定電極３９ａ、３９ｂと導通した電極パッド４１ａ、４１ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板３４ａ、３４ｂには、振動電極板３３ａ、３３ｂの延出部３６ａ、３６ｂに接合して振動電極板３３ａ、３３ｂと導通させる電極パッド４２ａ、４２ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に配置しており、電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの開口を通して延出部３６ａ、３６ｂに接合している。
【００３２】
固定電極３９ａ及びバックプレート３８ａには、その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４３ａ（アコースティックホール）が穿孔されており、ダイアフラム３７ａとバックチャンバ３１は音響的につながっている。また、固定電極３９ｂ及びバックプレート３８ｂには、その上面から下面に貫通するようにして、貫通孔４３ｂが穿孔されている。貫通孔４３ｂの開口径や配置は、音響検知部２９の音響孔４３ａと同じであってもよく、異なっていてもよい。なお、振動電極板３３ａ、３３ｂ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３４ａ、３４ｂ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。
【００３３】
図３に示すように、配線基板２５の上面には、音響検知部２９の出力信号を処理するための回路素子２３が熱硬化性樹脂によって接着されており、音響検知部２９と回路素子２３はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。同様に、配線基板２５の上面には、振動検知部３０の出力信号を処理するための回路素子２４が熱硬化性樹脂によって接着されており、振動検知部３０と回路素子２４はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。
【００３４】
カバー２６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２６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。カバー２６は、導電性接着剤によって外周下面を配線基板２５に接着されており、カバー２６は配線基板２５の接地パターン（電磁シールド用のパターンを兼ねている。）に電気的に接続されている。また、カバー２６の下面と配線基板２５との間の隙間は、導電性接着剤によって封止されている。また、カバー２６は開口４４を形成されており、開口４４と音響検知部２９の間の空間は音響振動を伝搬させるための経路となっている。
【００３５】
（作用効果）
つぎに、上記のような構造を有する音響センサ２１の作用効果について説明する。この音響センサ２１においては、その開口４４から音響振動（音圧）が伝搬すると、音響孔４３ａから音響検知部２９内に音響振動が入ってダイアフラム３７ａを振動させる。ダイアフラム３７ａが振動すると、ダイアフラム３７ａと固定電極３９ａ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３７ａと固定電極３９ａの間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４１ａ、４２ａ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。
【００３６】
一方、振動検知部３０は、ダイアフラム３７ｂの下面にバックチャンバを有しない（あるいは、振動電極板３３ｂの下面とシリコン基板２８の表面との間に、小さな容積のバックチャンバしか有しない）ので、貫通孔４３ｂから音響振動が入ってもダイアフラム３７ｂが振動せず、音響振動は振動検知部３０で検知されない。
【００３７】
また、この音響センサ２１に機械的振動が加わると、シリコン基板２８を通じて音響検知部２９のダイアフラム３７ａと振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝達するので、音響検知部２９と振動検知部３０の双方で機械的振動が検知される。
【００３８】
したがって、音響検知部２９で音響振動を検知することができるが、音響センサ２１に機械的振動が加わると、音響検知部２９はこの機械的振動も検知する。音響検知部２９では、外来の機械的振動は検知対象ではないので、音響振動と同時に機械的振動が伝わると、音響検知部２９からは図６（ａ）に示すような波形の信号が出力され、音響振動波形に機械的振動に基因するノイズが乗った信号となる。
【００３９】
これに対し、振動検知部３０では機械的振動のみが検知され、振動検知部３０からは図６（ｂ）のような音響検知部２９のノイズに対応する機械的振動が出力される。
【００４０】
よって、たとえば外部の差動アンプに音響検知部２９の出力信号と振動検知部３０の出力信号をそれぞれ入力して音響検知部２９の出力と振動検知部３０の出力との差分信号を出力させるようにすれば、機械的振動によるノイズがキャンセルされて音響振動のみが出力される。しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は、硬くて弾性率の高いＳｉからなる１枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９のダイアフラム３７ａに伝わる機械的振動と振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝わる機械的振動との間の時間的なずれや信号強度の大小が非常に小さくなり、両検知部２９、３０で検知される機械的振動の位相差や減衰がほとんどなくなる。また、音響検知部２９と振動検知部３０は同じ感度で機械的振動を検知するよう構成されている。その結果、音響検知部２９の出力信号からノイズを除去する振動キャンセル効果を高くでき、Ｓ／Ｎ比の良好な音響振動波形を取り出すことが可能になる。
【００４１】
さらに、音響検知部２９は、バックチャンバ３１が振動検知部３０の下方まで延びていてバックチャンバ３１の容積が非常に大きくなっている。バックチャンバの音響コンプライアンスＣcavは、バックチャンバの容積Ｖbcに比例するので、音響検知部２９ではバックチャンバ３１の音響コンプライアンスＣcavを大きくでき、音響検知部２９の感度を高くすることができる。よって、音響検知部２９においては、機械的振動に対する感度は変わらず音響振動に対する感度だけが向上するので、音響検知部２９におけるＳ／Ｎ比が高くなり、ノイズ除去後の出力信号においてもＳ／Ｎ比が向上することになる。
【００４２】
この結果、音響センサ２１によれば、図６（ｃ）に示すように、ノイズの少ないきれいな波形の音響振動を出力させることが可能になる。
【００４３】
（製造方法１）
つぎに、センサ本体２２の製造方法を説明する。図７（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体２２の製造方法を説明する概略断面図である。図７（ａ）よりも前の工程では、シリコン基板２８（ウエハ）の上面に熱酸化法によってＳｉＯ２からなる絶縁被膜３２を成膜し、ダイアフラム３７ａが形成される領域において絶縁被膜３２に開口をあける。ついで、シリコン基板２８の上に犠牲層５５、振動電極板３３ａ、３３ｂ及び犠牲層５５を積層して上下の犠牲層５５間に振動電極板３３ａ、３３ｂを形成する。さらに、これらの上には、犠牲層５５等を覆うようにして固定電極板３４ａ、３４ｂ（バックプレート３８ａ、３８ｂ及び固定電極３９ａ、３９ｂ）を形成し、固定電極板３４ａ、３４ｂにそれぞれ音響孔４３ａと貫通孔４３ｂを開口する。この工程は、公知の工程であるので、詳細は省略する。
【００４４】
この後、図７（ａ）に示すように、シリコン基板２８の下面をＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜からなるエッチングマスク５１で覆い、縦孔部３１ａの開口位置に合わせてエッチングマスク５１にエッチング窓５２をあける。
【００４５】
ついで、エッチング窓５２を通してシリコン基板２８を下面から上方へ向けて垂直に異方性エッチングし、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板２８の上面まで達しないところで（あるいは、横孔部３１ｂの高さと等しい厚み分だけシリコン基板２８を残して）エッチングを停止し、シリコン基板２８の下部に縦孔部３１ａの一部を形成する。このときのエッチング方法は、スパッタリングなどのドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。
【００４６】
さらに、エッチングマスク５１の下面に、フォトレジスト５３を塗布し、フォトレジスト５３に露光しエッチングすることによってバックチャンバ３１の下面開口に対応する領域に開口５４をあける。この開口５４を通してエッチングマスク５１をエッチングし、図７（ｃ）に示すように、エッチングマスク５１のエッチング窓５２をバックチャンバ３１の下面開口と同じ大きさに広げる。
【００４７】
フォトレジスト５３をエッチングマスク５１から剥離した後、エッチング窓５２を通して再びシリコン基板２８を垂直に異方性エッチングし、図７（ｄ）に示すように、縦孔部３１ａがシリコン基板２８の上面に達して縦孔部３１ａが貫通したらエッチングを停止する。この場合のエッチング方法も、ドライエッチングでもよく、ウェットエッチングでもよい。このとき広げられたエッチング窓５２でエッチングされた領域には横孔部３１ｂが形成される。
【００４８】
こうしてシリコン基板２８に縦孔部３１ａと横孔部３１ｂとからなるバックチャンバ３１を設けたら、固定電極板３４ａの音響孔４３ａ、固定電極板３４ｂの貫通孔４３ｂ及びバックチャンバ３１を通して犠牲層５５にエッチャントを接触させて犠牲層５５を除去し、四隅を固定されてシリコン基板２８の表面から浮いた振動電極板３３ａ、３３ｂを形成するとともに、振動電極板３３ａ、３３ｂと固定電極板３４ａ、３４ｂとの間にギャップを設ける。
【００４９】
本実施形態のセンサ本体２２では、このように音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、センサ本体２２を小型化することができる。さらに、上記のようにして音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されるので、音響検知部２９と振動検知部３０を同一工程によって一度に作製することができ、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、センサ本体２２の製造効率が向上する。
【００５０】
（製造方法２）
図８（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体２２の別な製造方法を説明する概略断面図である。この製造方法は、製造方法１とほぼ同じであって、図８（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図７（ａ）〜（ｅ）に対応している。ただし、図８（ｂ）及び図８（ｄ）において縦孔部３１ａ及び横孔部３１ｂをエッチングする工程では、ウェットエッチング又はドライエッチングによって縦孔部３１ａ及び横孔部３１ｂの側面を斜めにエッチングしている。このエッチング方法としては、等方性エッチングを行ってもよく、Ｓｉ結晶の（１１１）面が斜面となって表れるように結晶異方性エッチングを行ってもよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
図９は本発明の実施形態２におけるセンサ本体６１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体６１においては、振動検知部３０の振動電極板３３ｂに複数個の通気孔６２を開口している。その他の構造については、実施形態１と同様である。
【００５２】
センサ本体６１では、振動電極板３３ｂに通気孔６２が明いているので、貫通孔４３ｂから振動検知部３０内に音響振動が入っても、音響振動が通気孔６２を通り抜けて振動電極板３３ｂの両面に加わる結果、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなり、ダイアフラム３７ｂが振動しにくくなる。よって、このような構造によれば、振動検知部３０の音響振動に対する感度がより小さくなり、振動検知部３０で機械的振動だけを検知させることができる。
【００５３】
また、振動電極板３３ｂに通気孔６２が開口しているので、貫通孔４３ｂからエッチング液を侵入させて犠牲層をエッチング除去する際、エッチング液が通気孔６２を通って振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを確実に行え、エッチング時間を短縮することもできる。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１０は本発明の実施形態３におけるセンサ本体７１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体７１においては、振動検知部３０の固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂを設けていない。固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂが明いていないので、振動電極板３３ｂが固定電極板３４ｂ内に密閉されていて音響振動を検知することができず、振動検知部３０はより確実に機械的振動のみを検知することができる。
【００５５】
もっとも、始めから固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂが明いていなければ犠牲層エッチングを行うことができないので、固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂを開口しておいて犠牲層エッチングを行った後で貫通孔４３ｂを塞ぐようにすればよい。
【００５６】
（第４の実施形態）
図１１は本発明の実施形態４による音響センサにおいて、配線基板の上に実装されるセンサ本体８１を示す概略断面図、図１２はその分解斜視図である。また、図１３はセンサ本体８１に用いられているシリコン基板２８の裏面側からの斜視図である。
【００５７】
センサ本体８１では、振動電極板３３ｂの下方においても上下に貫通した縦孔部３１ｃをシリコン基板２８に形成し、横孔部３１ｂによって振動電極板３３ａの下方の縦孔部３１ａと振動電極板３３ｂの下方の縦孔部３１ｃを連通させている。また、振動検知部３０の固定電極板３４ｂには、貫通孔４３ｂその他の孔は開口されていない。センサ本体８１の構造については、これ以外の点は実施形態１の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５８】
このような形態によれば、音響検知部２９のバックチャンバ３１の容積をさらに大きくすることができるので、音響検知部２９の音響振動に対する感度を向上させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５９】
一方、振動検知部３０の固定電極板３４ｂは開口を有していないので、固定電極板３４ｂ側からダイアフラム３７ｂに音響振動が伝わらない。また、音響検知部２９内に入った音響振動は、バックチャンバ３１内を通ってダイアフラム３７ｂに達するまでに減衰し、しかも振動検知部３０のバックチャンバ（ダイアフラム３７ｂの上面と固定電極板３４ｂの下面との間の隙間）は小さな容積しか持たないので、音響振動に対する感度が非常に小さくなる。よって、振動検知部３０は機械的振動だけを検知することができる。
【００６０】
実施形態４のセンサ本体８１にあっても、音響検知部２９のＳ／Ｎ比を大きくし、しかも、一枚のシリコン基板２８に音響検知部２９と振動検知部３０を形成することで機械的振動の時間的なずれ（位相差）を小さくでき、音響検知部２９の出力信号における振動キャンセル効果を高めることができる。
【００６１】
（製造方法３）
つぎに、センサ本体８１の製造方法を説明する。図１４（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体８１の製造方法を説明する概略断面図である。シリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ、３３ｂ、犠牲層５５及び固定電極板３４ａ、３４ｂを形成した後、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板２８の下面をＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜からなるエッチングマスク５１で覆い、縦孔部３１ａ及び３１ｃの開口位置に合わせてエッチングマスク５１にエッチング窓５２をあける。
【００６２】
ついで、エッチング窓５２を通してシリコン基板２８を下面から上方へ向けて垂直に異方性エッチングし、図１４（ｂ）に示すように、シリコン基板２８の上面まで達しないところで（あるいは、横孔部３１ｂの高さと等しい厚み分だけシリコン基板２８を残して）エッチングを停止し、シリコン基板２８の下部に縦孔部３１ａ、３１ｃの一部を形成する。このときのエッチング方法は、スパッタリングなどのドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。
【００６３】
さらに、エッチングマスク５１の下面に、フォトレジスト５３を塗布し、フォトレジスト５３に露光しエッチングすることによってバックチャンバ３１の下面開口に対応する領域に開口５４をあける。この開口５４を通してエッチングマスク５１をエッチングし、図１４（ｃ）に示すように、エッチングマスク５１のエッチング窓５２をバックチャンバ３１の下面開口と同じ大きさに広げる。
【００６４】
フォトレジスト５３をエッチングマスク５１から剥離した後、エッチング窓５２を通して再びシリコン基板２８を異方性エッチングし、図１４（ｄ）に示すように、縦孔部３１ａ、３１ｃがシリコン基板２８の上面に達して縦孔部３１ａ、３１ｃが貫通したらエッチングを停止する。この場合のエッチング方法も、ドライエッチングでもよく、ウェットエッチングでもよい。このとき広げられたエッチング窓５２でエッチングされた領域には横孔部３１ｂが形成される。
【００６５】
こうしてシリコン基板２８に縦孔部３１ａ、横孔部３１ｂ及び縦孔部３１ｃからなるバックチャンバ３１を設けたら、固定電極板３４ａの音響孔４３ａ及びバックチャンバ３１を通して犠牲層５５にエッチャントを接触させて犠牲層５５を除去し、四隅を固定されてシリコン基板２８の表面から浮いた振動電極板３３ａ、３３ｂを形成するとともに、振動電極板３３ａ、３３ｂと固定電極板３４ａ、３４ｂとの間にギャップを設ける。
【００６６】
本実施形態のセンサ本体８１でも、このように音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、センサ本体８１を小型化することができる。さらに、上記のようにして音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されるので、音響検知部２９と振動検知部３０を同一工程によって一度に作製することができ、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、本体センサ８１の製造効率が向上する。
【００６７】
（製造方法４）
図１５（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体８１の別な製造方法を説明する概略断面図である。この製造方法は、製造方法３とほぼ同じであって、図１５（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図１４（ａ）〜（ｅ）に対応している。ただし、図１５（ｂ）及び図１５（ｄ）において縦孔部３１ａ、３１ｃ及び横孔部３１ｂをエッチングする工程では、ウェットエッチング又はドライエッチングによって縦孔部３１ａ、３１ｃ及び横孔部３１ｂの側面を斜めにエッチングしている。このエッチング方法としては、等方性エッチングを行ってもよく、Ｓｉ結晶の（１１１）面が斜面となって表れるように結晶異方性エッチングを行ってもよい。
【００６８】
（第５の実施形態）
図１６は本発明の実施形態５におけるセンサ本体９１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体９１は、実施形態４のセンサ本体８１において、振動検知部３０の振動電極板３３ｂに複数個の通気孔６２を開口したものである。
【００６９】
センサ本体９１では、振動電極板３３ｂに通気孔６２が明いているので、貫通孔４３ｂから振動検知部３０内に音響振動が入っても、音響振動が通気孔６２を通り抜けて振動電極板３３ｂの両面に加わる結果、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなり、ダイアフラム３７ｂが振動しにくくなる。よって、このような構造によれば、振動検知部３０の音響振動に対する感度がより小さくなり、振動検知部３０で機械的振動だけを検知させることができる。
【００７０】
また、振動電極板３３ｂに通気孔６２が開口しているので、貫通孔４３ｂからエッチング液を侵入させて犠牲層をエッチング除去する際、エッチング液が通気孔６２を通って振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを確実に行え、エッチング時間を短縮することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
２１ 音響センサ
２２、６１、７１、８１、９１ センサ本体
２５ 配線基板
２８ シリコン基板
２９ 音響検知部
３０ 振動検知部
３１ バックチャンバ
３１ａ、３１ｃ 縦孔部
３１ｂ 横孔部
３３ａ、３３ｂ 振動電極板
３４ａ、３４ｂ 固定電極板
３７ａ、３７ｂ ダイアフラム
４３ａ 音響孔
４３ｂ 貫通孔
６２ 通気孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は音響センサに関し、具体的には、外部振動ノイズの除去機能を備えたＭＥＭＳ型の音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフォン等に用いられる音響センサは、空気を伝達媒体とする音響振動を検知するものであるが、通常何らかの機器に設置されているため、外来の機械的振動などによりノイズを検知しやすい。
【０００３】
このような外来の機械的振動によるノイズ（外部振動ノイズ）を低減するため、従来のコンデンサマイクでは、音響振動を検知する音響検知部と機械的振動だけを検知する振動検知部とを組み合わせている。このようなノイズ除去方式のコンデンサマイクとしては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００４】
特許文献１に開示されたコンデンサマイクの構造を図１に示す。このコンデンサマイク１１では、ほぼ同一構造のエレクトレットコンデンサマイクユニットからなる音響検知部１２と振動検知部１３を剛体のホルダ１４に納めている。音響検知部１２と振動検知部１３は、いずれもケーシング１２ａ、１３ａ内に振動検知用の振動膜１５が保持され、振動膜１５に対向して音響孔１６が開口されている。音響検知部１２と振動検知部１３は、ホルダ１４に設けられた隣接する納入部１７、１８内にほぼ平行に納められている。納入部１７に納められた音響検知部１２の音響孔１６は、納入部１７の開口１９によって外部に開放されている。一方、納入部１８に納められた振動検知部１３の音響孔１６はホルダ１４により閉塞されている。
【０００５】
したがって、音響振動は、開口１９を通して音響検知部１２でのみ検知される。また、外来の機械的振動は、ホルダ１４を通じて音響検知部１２と振動検知部１３により検知される。図２（ａ）は音響検知部１２から出力された信号波形（外部振動ノイズの乗った音響振動）の一例を表し、図２（ｂ）は振動検知部１３から出力された信号波形（機械的振
動）の一例を表す。なお、図２においては、音響振動の信号波形は正弦波と仮定している。
【０００６】
このような２種の信号波形を用いて外部振動ノイズを除去するには、一般に差動アンプやノイズキャンセリング回路が用いられる。差動アンプを用いる場合には、図２（ａ）のような外部振動ノイズの乗った音響振動波形と図２（ｂ）のような機械的振動波形を差動アンプに入力し、差動アンプから両信号波形の差分信号を出力させる。図２（ｂ）に示す振動検知部１３の出力波形は、音響検知部１２から出力された音響振動に乗っているノイズ成分と同じであるので、図２（ａ）の信号波形と図２（ｂ）の信号波形の差分信号を出力させれば、外部振動ノイズが除去されて音響振動波形のみを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開平４−５３３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなコンデンサマイクでも、音響検知部１２で検知する機械的振動と振動検知部１３で検知する機械的振動との間に位相差（時間的なずれ）があると、ノイズ除去後の信号にかなりのノイズが残る。外来の機械的振動は、ホルダ１４やケーシング１２ａ、１３ａを通じ両検知部１２、１３の振動膜１５に伝わって振動膜１５を振動させるが、振動の伝わってくる方向や伝わり方によって音響検知部１２の振動膜１５に伝わる機械的振動と振動検知部１３の振動膜１５に伝わる機械的振動とで時間的なずれが生じることがある。そのため、振動検知部１３の出力信号を利用して音響検知部１２の出力信号から外部振動ノイズを除去しようとしても、図２（ｃ）のような音響振動波形となりノイズが残る。
【０００９】
また、音響振動に対する感度を向上させるためには、振動膜１５の背後の空間（バックチャンバ）の容積を大きくすればよいが、図１のようなコンデンサマイク１１では、振動膜背後の空間の容積に制限があって当該空間の容積を大きくすることができなかった。
【００１０】
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部と振動検知部との間における機械的振動の伝達効率を向上させることによって音響センサのノイズ除去効果を高め、さらに音響検知部のバックチャンバの容積を大きくすることによって音響センサのＳ／Ｎ比を大きくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る音響センサは、一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けた音響センサであって、前記第１のトランスデューサは、前記基板内に形成されたバックチャンバと、前記バックチャンバの上面開口を覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の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ものであり、前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向した第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の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ものであり、前記バックチャンバは、その一端が前記第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口し、かつ、前記基板の上面に沿った方向へ伸びた部分を備えていることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る音響センサにあっては、共通の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設けているので、音響センサに機械的振動が加わったとき、第１のトランスデューサの第１の振動電極板に伝わる機械的振動と第２のトランスデューサの第２の振動電極板に伝わる機械的振動との時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。特に、ＭＥＭＳ技術を利用して作製されるトランスデューサの場合には、基板材料としてシリコン等の硬くて弾性率の大きな材料が用いられるので、両トランスデューサの各振動電極板に伝わる機械的振動の時間的ずれや機械的振動の信号強度の大小を小さくできる。よって、第２のトランスデューサで検知した機械的振動を利用して第１のトランスデューサの出力信号から外部振動ノイズを除去する際の振動キャンセル効果が向上し、音響センサのＳ／Ｎ比が向上する。また、ＭＥＭＳ技術を利用してトランスデューサを製造する場合には、共通の基板上に同一工程で第１及び第２の両トランスデューサを作製することができ、音響センサの量産性が向上するとともに両トランスデューサ間の機械的振動に対する感度ばらつきを小さくできる。
【００１３】
また、音響センサが小型になると、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサの機械的振動の時間ずれは小さくなるが、その一方で第１のトランスデューサは、バックチャンバが小さくなるため音響振動に対する感度が低くなる。しかし、本発明の音響センサでは、第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で一端が開口し、かつ、基板の上面に沿った方向へ伸びたバックチャンバを備えているので、バックチャンバの容積を大きくでき、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を向上させることができる。
【００１４】
本発明の第１の実施態様は、前記バックチャンバの他端が、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記第２のトランスデューサが設けられた領域に達していることを特徴としている。かかる実施態様では、一枚の基板に第１のトランスデューサと第２のトランスデューサを設け、第１のトランスデューサのバックチャンバを第２のトランスデューサの領域まで延ばしているので、第２のバックチャンバの領域を利用して第１のトランスデューサのバックチャンバを広げることができ、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を高めることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施態様は、前記バックチャンバの他端が前記基板によって塞がれていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、バックチャンバの他端が閉じているので、バックチャンバ側から第１のトランスデューサ内に音響振動が入ることがなく、第１の振動電極板の両面に音響振動が加わって第１のトランスデューサの音響振動に対する感度が低下するのを防ぐことができる。
【００１６】
本発明の第２の実施態様におけるある態様では、前記第２のトランスデューサが、前記基板内にバックチャンバを有していない。かかる態様では、第２の固定電極板に音響振動の通過できる開口があったとしても、第２の振動電極板と基板表面との間のわずかな空間だけが第２のトランスデューサのバックチャンバとなるに過ぎないので、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【００１７】
また、第２の実施態様における別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が通孔を有している。かかる態様では、第２の振動電極板が通孔を有しているので、第２の固定電極板に音響振動の通過できる開口があったとしても、第２の固定電極板を通過した音響振動が第２の振動電極板の一方の面に加わると、同時にその音響振動は通孔を通って第２の振動電極板の他方の面にも加わる。よって、第２の振動電極板の両面に同時に音響振動が加わるので、第２の振動電極板の振動が妨げられ、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【００１８】
また、第２の実施態様におけるさらに別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が、前記基板と前記第２の固定電極板との間の空間に封止されている。かかる態様では、第２の振動電極板に音響振動が伝わらないので、第２のトランスデューサは機械的振動だけを検知する。
【００１９】
本発明の第３の実施態様は、前記バックチャンバの他端が、前記第２の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口していることを特徴としている。かかる実施態様では、第１のトランスデューサのバックチャンバが、第２のトランスデューサの第２の振動電極膜に対向する位置まで延びているので、第１のトランスデューサのバックチャンバの容積を非常に大きくでき、第１のトランスデューサの音響振動に対する感度を大きく向上させることができる。
【００２０】
本発明の第３の実施態様におけるある態様では、開口を有しない前記第２の固定電極板によって、前記第２の振動電極板の位置する側の空間と前記第２の固定電極板よりも外側の空間とを気密的に仕切っている。かかる態様では、第２の振動電極板が開口を有しない第２の固定電極板で覆われるので、第２の振動電極板に音響振動が伝わらない。よって、第２のトランスデューサは、音響振動に対して感度を持たず、機械的振動だけを検知することができる。
【００２１】
第３の実施態様における別な態様では、前記第２のトランスデューサにおける前記第２の振動電極板が通孔を有している。かかる態様では、第２の振動電極板が通孔を有しているので、第２の振動電極板の一方の側から音響振動が伝わっても音響振動が通孔を通って第２の振動電極板の他方の面にも加わる。よって、第２の振動電極板の両面に音響振動が加わるので、第２の振動電極板が振動せず、第２のトランスデューサは音響振動に対して感度を持たなくなり、機械的振動だけを検知する。
【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は、特許文献１に開示された音響センサの断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１のコンデンサマイクにおける音響検知部の出力波形を示す図、図２（ｂ）は図１のコンデンサマイクにおける振動検知部の出力波形を示す図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の出力波形を用いて図２（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態１による音響センサの構造を示す概略断面図である。
【図４】図４は、実施形態１の音響センサに用いられているセンサ本体の分解斜視図である。
【図５】図５は、実施形態１の音響センサに用いられているシリコン基板の裏面側の斜視図である。
【図６】図６（ａ）は実施形態１の音響センサの音響検知部からの出力波形を示す図、図６（ｂ）は実施形態１の音響センサの振動検知部からの出力波形を示す図、図６（ｃ）は図６（ｂ）の出力波形を用いて図６（ａ）の出力波形からノイズを除去した波形を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｅ）は、実施形態１によるセンサ本体の製造工程の一部を示す概略断面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態１によるセンサ本体の異なる製造工程を説明する概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態２による音響センサを構成するセンサ本体の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態３による音響センサを構成するセンサ本体の概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態４の音響センサに用いられているセンサ本体の概略断面図である。
【図１２】図１２は、同上のセンサ本体の分解斜視図である。
【図１３】図１３は、実施形態４の音響センサに用いられているシリコン基板の裏面側の斜視図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｅ）は、実施形態４によるセンサ本体の製造工程の一部を示す概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態４によるセンサ本体の別な製造工程を説明する概略断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態５による音響センサに用いられているセンサ本体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３〜図８を参照して本発明の実施形態１による音響センサ２１を説明する。図３は音響センサ２１の概略断面図である。この音響センサ２１は、図３に示すように、主としてセンサ本体２２と回路素子２３、２４（ＩＣチップ）とからなり、センサ本体２２及び回路素子２３、２４の下面は配線パターンを形成された配線基板２５の上面に接着剤で固定されている。センサ本体２２及び回路素子２３、２４は、配線基板２５の上面に接合された電磁シールド用のカバー２６によって覆われていて、配線基板２５とカバー２６によって形成された空間２７内に納められている。
【００２６】
図４はセンサ本体２２の構造を示す分解斜視図である。このセンサ本体２２はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して作製されたＭＥＭＳ素子であり、一枚のシリコン基板２８（基板）に音響検知部２９（第１のトランスデューサ）と振動検知部３０（第２のトランスデューサ）を設けている。音響検知部２９は、シリコン基板２８内にバックチャンバ３１を有しているが、振動検知部３０は、シリコン基板２８内にバックチャンバを有しない。シリコン基板２８のサイズは、平面視で一辺の長さが数ｍｍ以下であり、厚みが４００〜５００μｍ程度である。シリコン基板２８の上面には酸化膜（ＳｉＯ２膜）等からなる絶縁被膜３２が形成されている。
【００２７】
音響検知部２９のためのバックチャンバ３１は、図３に示すように断面Ｌ字形に形成されており、図４及び図５に示すように、その上面は音響検知部２９に対向する位置で開口し、下面は音響検知部２９から振動検知部３０にわたる領域で開口している。以下においては、このバックチャンバ３１のうちシリコン基板２８の表裏に貫通している部分を縦孔部３１ａと呼び、縦孔部３１ａの側面下部から水平に伸びた部分を横孔部３１ｂと呼ぶ。縦孔部３１ａは音響検知部２９の下方に位置しており、横孔部３１ｂは縦孔部３１ａと連通していて振動検知部３０（特に、振動電極板３３ｂ）の設けられている領域の下方に延びている。横孔部３１ｂは、シリコン基板２８の上面に垂直な方向から見たとき、振動検知部３０の設けられている大部分の領域と重なっているが、横孔部３１ｂの面積は振動検知部３０の面積よりも大きくても小さくてもよい。バックチャンバ３１の下面開口は、センサ本体２２の下面を配線基板２５の上面に接着してセンサ本体２２を実装したとき、配線基板２５によって塞がれる。なお、バックチャンバ３１の壁面は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（図８参照）。
【００２８】
図４に示すように、音響検知部２９は、縦孔部３１ａの上方においてシリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ（第１の振動電極板）と固定電極板３４ａ（第１の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。また、振動検知部３０は、シリコン基板２８の上面に振動電極板３３ｂ（第２の振動電極板）と固定電極板３４ｂ（第２の固定電極板）を対向させて配置することによって構成されている。すなわち、振動電極板３３ａは、縦孔部３１ａの上面開口を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に設けられ、振動電極板３３ａの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ａが設けられている。また、振動電極板３３ｂは、バックチャンバ３１が開口していない領域においてシリコン基板２８の上面に設けられ、振動電極板３３ｂの上方には微小ギャップ（空隙）を介して固定電極板３４ｂが設けられている。
【００２９】
振動電極板３３ａ、３３ｂ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３３ａ、３３ｂ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３５ａ、３５ｂが延出している。さらに、支持脚３５ａ、３５ｂの一つからは延出部３６ａ、３６ｂが延びている。振動電極板３３ａは、縦孔部３１ａの上面を覆うようにしてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の支持脚３５ａと延出部３６ａを絶縁被膜３２の上に固定されている。また、振動電極板３３ｂは、バックチャンバ３１の開口していない領域においてシリコン基板２８の上面に配置され、四隅の支持脚３５ｂと延出部３６ｂを絶縁被膜３２の上に固定されている。振動電極板３３ａ、３３ｂのうち固定されていない部分（この実施形態では、支持脚３５ａ、３５ｂ及び延出部３６ａ、３６ｂ以外の部分）はそれぞれ宙空に浮いたダイアフラム３７ａ、３７ｂ（振動膜）となっている。
【００３０】
固定電極板３４ａ、３４ｂは、いずれも窒化膜からなるバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に金属薄膜からなる固定電極３９ａ、３９ｂを設けたものである。図４に示すように、固定電極板３４ａ、３４ｂは、それぞれダイアフラム３７ａ、３７ｂ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３７ａ、３７ｂを覆っており、固定電極３９ａ、３９ｂはダイアフラム３７ａ、３７ｂと対向してキャパシタを構成している。固定電極板３４ａ、３４ｂの外周部、すなわちダイアフラム３７ａ、３７ｂ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３２を介してシリコン基板２８の上面に固定されている。
【００３１】
固定電極３９ａ、３９ｂからは引出し部４０ａ、４０ｂが延出されており、引出し部４０ａ、４０ｂの先端にはそれぞれ固定電極３９ａ、３９ｂと導通した電極パッド４１ａ、４１ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。さらに、固定電極板３４ａ、３４ｂには、振動電極板３３ａ、３３ｂの延出部３６ａ、３６ｂに接合して振動電極板３３ａ、３３ｂと導通させる電極パッド４２ａ、４２ｂ（Ａｕ膜）が設けられている。電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの上面に配置しており、電極パッド４２ａ、４２ｂはバックプレート３８ａ、３８ｂの開口を通して延出部３６ａ、３６ｂに接合している。
【００３２】
固定電極３９ａ及びバックプレート３８ａには、その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４３ａ（アコースティックホール）が穿孔されており、ダイアフラム３７ａとバックチャンバ３１は音響的につながっている。また、固定電極３９ｂ及びバックプレート３８ｂには、その上面から下面に貫通するようにして、貫通孔４３ｂが穿孔されている。貫通孔４３ｂの開口径や配置は、音響検知部２９の音響孔４３ａと同じであってもよく、異なっていてもよい。なお、振動電極板３３ａ、３３ｂ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３４ａ、３４ｂ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。
【００３３】
図３に示すように、配線基板２５の上面には、音響検知部２９の出力信号を処理するための回路素子２３が熱硬化性樹脂によって接着されており、音響検知部２９と回路素子２３はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。同様に、配線基板２５の上面には、振動検知部３０の出力信号を処理するための回路素子２４が熱硬化性樹脂によって接着されており、振動検知部３０と回路素子２４はボンディングワイヤにより、あるいは配線基板２５の配線パターンを通じて接続される。
【００３４】
カバー２６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２６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。カバー２６は、導電性接着剤によって外周下面を配線基板２５に接着されており、カバー２６は配線基板２５の接地パターン（電磁シールド用のパターンを兼ねている。）に電気的に接続されている。また、カバー２６の下面と配線基板２５との間の隙間は、導電性接着剤によって封止されている。また、カバー２６は開口４４を形成されており、開口４４と音響検知部２９の間の空間は音響振動を伝搬させるための経路となっている。
【００３５】
（作用効果）
つぎに、上記のような構造を有する音響センサ２１の作用効果について説明する。この音響センサ２１においては、その開口４４から音響振動（音圧）が伝搬すると、音響孔４３ａから音響検知部２９内に音響振動が入ってダイアフラム３７ａを振動させる。ダイアフラム３７ａが振動すると、ダイアフラム３７ａと固定電極３９ａ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３７ａと固定電極３９ａの間の静電容量が変化する。よって、電極パッド４１ａ、４２ａ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。
【００３６】
一方、振動検知部３０は、ダイアフラム３７ｂの下面にバックチャンバを有しない（あるいは、振動電極板３３ｂの下面とシリコン基板２８の表面との間に、小さな容積のバックチャンバしか有しない）ので、貫通孔４３ｂから音響振動が入ってもダイアフラム３７ｂが振動せず、音響振動は振動検知部３０で検知されない。
【００３７】
また、この音響センサ２１に機械的振動が加わると、シリコン基板２８を通じて音響検知部２９のダイアフラム３７ａと振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝達するので、音響検知部２９と振動検知部３０の双方で機械的振動が検知される。
【００３８】
したがって、音響検知部２９で音響振動を検知することができるが、音響センサ２１に機械的振動が加わると、音響検知部２９はこの機械的振動も検知する。音響検知部２９では、外来の機械的振動は検知対象ではないので、音響振動と同時に機械的振動が伝わると、音響検知部２９からは図６（ａ）に示すような波形の信号が出力され、音響振動波形に機械的振動に基因するノイズが乗った信号となる。
【００３９】
これに対し、振動検知部３０では機械的振動のみが検知され、振動検知部３０からは図６（ｂ）のような音響検知部２９のノイズに対応する機械的振動が出力される。
【００４０】
よって、たとえば外部の差動アンプに音響検知部２９の出力信号と振動検知部３０の出力信号をそれぞれ入力して音響検知部２９の出力と振動検知部３０の出力との差分信号を出力させるようにすれば、機械的振動によるノイズがキャンセルされて音響振動のみが出力される。しかも、音響検知部２９と振動検知部３０は、硬くて弾性率の高いＳｉからなる１枚のシリコン基板２８の上に形成されているので、音響検知部２９のダイアフラム３７ａに伝わる機械的振動と振動検知部３０のダイアフラム３７ｂに伝わる機械的振動との間の時間的なずれや信号強度の大小が非常に小さくなり、両検知部２９、３０で検知される機械的振動の位相差や減衰がほとんどなくなる。また、音響検知部２９と振動検知部３０は同じ感度で機械的振動を検知するよう構成されている。その結果、音響検知部２９の出力信号からノイズを除去する振動キャンセル効果を高くでき、Ｓ／Ｎ比の良好な音響振動波形を取り出すことが可能になる。
【００４１】
さらに、音響検知部２９は、バックチャンバ３１が振動検知部３０の下方まで延びていてバックチャンバ３１の容積が非常に大きくなっている。バックチャンバの音響コンプライアンスＣcavは、バックチャンバの容積Ｖbcに比例するので、音響検知部２９ではバックチャンバ３１の音響コンプライアンスＣcavを大きくでき、音響検知部２９の感度を高くすることができる。よって、音響検知部２９においては、機械的振動に対する感度は変わらず音響振動に対する感度だけが向上するので、音響検知部２９におけるＳ／Ｎ比が高くなり、ノイズ除去後の出力信号においてもＳ／Ｎ比が向上することになる。
【００４２】
この結果、音響センサ２１によれば、図６（ｃ）に示すように、ノイズの少ないきれいな波形の音響振動を出力させることが可能になる。
【００４３】
（製造方法１）
つぎに、センサ本体２２の製造方法を説明する。図７（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体２２の製造方法を説明する概略断面図である。図７（ａ）よりも前の工程では、シリコン基板２８（ウエハ）の上面に熱酸化法によってＳｉＯ２からなる絶縁被膜３２を成膜し、ダイアフラム３７ａが形成される領域において絶縁被膜３２に開口をあける。ついで、シリコン基板２８の上に犠牲層５５、振動電極板３３ａ、３３ｂ及び犠牲層５５を積層して上下の犠牲層５５間に振動電極板３３ａ、３３ｂを形成する。さらに、これらの上には、犠牲層５５等を覆うようにして固定電極板３４ａ、３４ｂ（バックプレート３８ａ、３８ｂ及び固定電極３９ａ、３９ｂ）を形成し、固定電極板３４ａ、３４ｂにそれぞれ音響孔４３ａと貫通孔４３ｂを開口する。この工程は、公知の工程であるので、詳細は省略する。
【００４４】
この後、図７（ａ）に示すように、シリコン基板２８の下面をＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜からなるエッチングマスク５１で覆い、縦孔部３１ａの開口位置に合わせてエッチングマスク５１にエッチング窓５２をあける。
【００４５】
ついで、エッチング窓５２を通してシリコン基板２８を下面から上方へ向けて垂直に異方性エッチングし、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板２８の上面まで達しないところで（あるいは、横孔部３１ｂの高さと等しい厚み分だけシリコン基板２８を残して）エッチングを停止し、シリコン基板２８の下部に縦孔部３１ａの一部を形成する。このときのエッチング方法は、スパッタリングなどのドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。
【００４６】
さらに、エッチングマスク５１の下面に、フォトレジスト５３を塗布し、フォトレジスト５３に露光しエッチングすることによってバックチャンバ３１の下面開口に対応する領域に開口５４をあける。この開口５４を通してエッチングマスク５１をエッチングし、図７（ｃ）に示すように、エッチングマスク５１のエッチング窓５２をバックチャンバ３１の下面開口と同じ大きさに広げる。
【００４７】
フォトレジスト５３をエッチングマスク５１から剥離した後、エッチング窓５２を通して再びシリコン基板２８を垂直に異方性エッチングし、図７（ｄ）に示すように、縦孔部３１ａがシリコン基板２８の上面に達して縦孔部３１ａが貫通したらエッチングを停止する。この場合のエッチング方法も、ドライエッチングでもよく、ウェットエッチングでもよい。このとき広げられたエッチング窓５２でエッチングされた領域には横孔部３１ｂが形成される。
【００４８】
こうしてシリコン基板２８に縦孔部３１ａと横孔部３１ｂとからなるバックチャンバ３１を設けたら、固定電極板３４ａの音響孔４３ａ、固定電極板３４ｂの貫通孔４３ｂ及びバックチャンバ３１を通して犠牲層５５にエッチャントを接触させて犠牲層５５を除去し、四隅を固定されてシリコン基板２８の表面から浮いた振動電極板３３ａ、３３ｂを形成するとともに、振動電極板３３ａ、３３ｂと固定電極板３４ａ、３４ｂとの間にギャップを設ける。
【００４９】
本実施形態のセンサ本体２２では、このように音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、センサ本体２２を小型化することができる。さらに、上記のようにして音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されるので、音響検知部２９と振動検知部３０を同一工程によって一度に作製することができ、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、センサ本体２２の製造効率が向上する。
【００５０】
（製造方法２）
図８（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体２２の別な製造方法を説明する概略断面図である。この製造方法は、製造方法１とほぼ同じであって、図８（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図７（ａ）〜（ｅ）に対応している。ただし、図８（ｂ）及び図８（ｄ）において縦孔部３１ａ及び横孔部３１ｂをエッチングする工程では、ウェットエッチング又はドライエッチングによって縦孔部３１ａ及び横孔部３１ｂの側面を斜めにエッチングしている。このエッチング方法としては、等方性エッチングを行ってもよく、Ｓｉ結晶の（１１１）面が斜面となって表れるように結晶異方性エッチングを行ってもよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
図９は本発明の実施形態２におけるセンサ本体６１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体６１においては、振動検知部３０の振動電極板３３ｂに複数個の通気孔６２を開口している。その他の構造については、実施形態１と同様である。
【００５２】
センサ本体６１では、振動電極板３３ｂに通気孔６２が明いているので、貫通孔４３ｂから振動検知部３０内に音響振動が入っても、音響振動が通気孔６２を通り抜けて振動電極板３３ｂの両面に加わる結果、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなり、ダイアフラム３７ｂが振動しにくくなる。よって、このような構造によれば、振動検知部３０の音響振動に対する感度がより小さくなり、振動検知部３０で機械的振動だけを検知させることができる。
【００５３】
また、振動電極板３３ｂに通気孔６２が開口しているので、貫通孔４３ｂからエッチング液を侵入させて犠牲層をエッチング除去する際、エッチング液が通気孔６２を通って振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを確実に行え、エッチング時間を短縮することもできる。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１０は本発明の実施形態３におけるセンサ本体７１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体７１においては、振動検知部３０の固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂを設けていない。固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂが明いていないので、振動電極板３３ｂが固定電極板３４ｂ内に密閉されていて音響振動を検知することができず、振動検知部３０はより確実に機械的振動のみを検知することができる。
【００５５】
もっとも、始めから固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂが明いていなければ犠牲層エッチングを行うことができないので、固定電極板３４ｂに貫通孔４３ｂを開口しておいて犠牲層エッチングを行った後で貫通孔４３ｂを塞ぐようにすればよい。
【００５６】
（第４の実施形態）
図１１は本発明の実施形態４による音響センサにおいて、配線基板の上に実装されるセンサ本体８１を示す概略断面図、図１２はその分解斜視図である。また、図１３はセンサ本体８１に用いられているシリコン基板２８の裏面側からの斜視図である。
【００５７】
センサ本体８１では、振動電極板３３ｂの下方においても上下に貫通した縦孔部３１ｃをシリコン基板２８に形成し、横孔部３１ｂによって振動電極板３３ａの下方の縦孔部３１ａと振動電極板３３ｂの下方の縦孔部３１ｃを連通させている。また、振動検知部３０の固定電極板３４ｂには、貫通孔４３ｂその他の孔は開口されていない。センサ本体８１の構造については、これ以外の点は実施形態１の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５８】
このような形態によれば、音響検知部２９のバックチャンバ３１の容積をさらに大きくすることができるので、音響検知部２９の音響振動に対する感度を向上させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５９】
一方、振動検知部３０の固定電極板３４ｂは開口を有していないので、固定電極板３４ｂ側からダイアフラム３７ｂに音響振動が伝わらない。また、音響検知部２９内に入った音響振動は、バックチャンバ３１内を通ってダイアフラム３７ｂに達するまでに減衰し、しかも振動検知部３０のバックチャンバ（ダイアフラム３７ｂの上面と固定電極板３４ｂの下面との間の隙間）は小さな容積しか持たないので、音響振動に対する感度が非常に小さくなる。よって、振動検知部３０は機械的振動だけを検知することができる。
【００６０】
実施形態４のセンサ本体８１にあっても、音響検知部２９のＳ／Ｎ比を大きくし、しかも、一枚のシリコン基板２８に音響検知部２９と振動検知部３０を形成することで機械的振動の時間的なずれ（位相差）を小さくでき、音響検知部２９の出力信号における振動キャンセル効果を高めることができる。
【００６１】
（製造方法３）
つぎに、センサ本体８１の製造方法を説明する。図１４（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体８１の製造方法を説明する概略断面図である。シリコン基板２８の上面に振動電極板３３ａ、３３ｂ、犠牲層５５及び固定電極板３４ａ、３４ｂを形成した後、図１４（ａ）に示すように、シリコン基板２８の下面をＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜からなるエッチングマスク５１で覆い、縦孔部３１ａ及び３１ｃの開口位置に合わせてエッチングマスク５１にエッチング窓５２をあける。
【００６２】
ついで、エッチング窓５２を通してシリコン基板２８を下面から上方へ向けて垂直に異方性エッチングし、図１４（ｂ）に示すように、シリコン基板２８の上面まで達しないところで（あるいは、横孔部３１ｂの高さと等しい厚み分だけシリコン基板２８を残して）エッチングを停止し、シリコン基板２８の下部に縦孔部３１ａ、３１ｃの一部を形成する。このときのエッチング方法は、スパッタリングなどのドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。
【００６３】
さらに、エッチングマスク５１の下面に、フォトレジスト５３を塗布し、フォトレジスト５３に露光しエッチングすることによってバックチャンバ３１の下面開口に対応する領域に開口５４をあける。この開口５４を通してエッチングマスク５１をエッチングし、図１４（ｃ）に示すように、エッチングマスク５１のエッチング窓５２をバックチャンバ３１の下面開口と同じ大きさに広げる。
【００６４】
フォトレジスト５３をエッチングマスク５１から剥離した後、エッチング窓５２を通して再びシリコン基板２８を異方性エッチングし、図１４（ｄ）に示すように、縦孔部３１ａ、３１ｃがシリコン基板２８の上面に達して縦孔部３１ａ、３１ｃが貫通したらエッチングを停止する。この場合のエッチング方法も、ドライエッチングでもよく、ウェットエッチングでもよい。このとき広げられたエッチング窓５２でエッチングされた領域には横孔部３１ｂが形成される。
【００６５】
こうしてシリコン基板２８に縦孔部３１ａ、横孔部３１ｂ及び縦孔部３１ｃからなるバックチャンバ３１を設けたら、固定電極板３４ａの音響孔４３ａ及びバックチャンバ３１を通して犠牲層５５にエッチャントを接触させて犠牲層５５を除去し、四隅を固定されてシリコン基板２８の表面から浮いた振動電極板３３ａ、３３ｂを形成するとともに、振動電極板３３ａ、３３ｂと固定電極板３４ａ、３４ｂとの間にギャップを設ける。
【００６６】
本実施形態のセンサ本体８１でも、このように音響検知部２９及び振動検知部３０としてＭＥＭＳ素子を用いているので、センサ本体８１を小型化することができる。さらに、上記のようにして音響検知部２９と振動検知部３０が一枚のシリコン基板２８の上に形成されるので、音響検知部２９と振動検知部３０を同一工程によって一度に作製することができ、センサ本体２２の製造工程や配線基板２５への実装工程が簡単になり、本体センサ８１の製造効率が向上する。
【００６７】
（製造方法４）
図１５（ａ）〜（ｅ）は、上記センサ本体８１の別な製造方法を説明する概略断面図である。この製造方法は、製造方法３とほぼ同じであって、図１５（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図１４（ａ）〜（ｅ）に対応している。ただし、図１５（ｂ）及び図１５（ｄ）において縦孔部３１ａ、３１ｃ及び横孔部３１ｂをエッチングする工程では、ウェットエッチング又はドライエッチングによって縦孔部３１ａ、３１ｃ及び横孔部３１ｂの側面を斜めにエッチングしている。このエッチング方法としては、等方性エッチングを行ってもよく、Ｓｉ結晶の（１１１）面が斜面となって表れるように結晶異方性エッチングを行ってもよい。
【００６８】
（第５の実施形態）
図１６は本発明の実施形態５におけるセンサ本体９１の構造を示す概略断面図である。このセンサ本体９１は、実施形態４のセンサ本体８１において、振動検知部３０の振動電極板３３ｂに複数個の通気孔６２を開口したものである。
【００６９】
センサ本体９１では、振動電極板３３ｂに通気孔６２が明いているので、貫通孔４３ｂから振動検知部３０内に音響振動が入っても、音響振動が通気孔６２を通り抜けて振動電極板３３ｂの両面に加わる結果、音響振動（音圧）がダイアフラム３７ｂの表裏から加わってダイアフラム３７ｂの表裏で圧力差がなくなり、ダイアフラム３７ｂが振動しにくくなる。よって、このような構造によれば、振動検知部３０の音響振動に対する感度がより小さくなり、振動検知部３０で機械的振動だけを検知させることができる。
【００７０】
また、振動電極板３３ｂに通気孔６２が開口しているので、貫通孔４３ｂからエッチング液を侵入させて犠牲層をエッチング除去する際、エッチング液が通気孔６２を通って振動電極板３３ｂの下面に達しやすくなり、犠牲層エッチングを確実に行え、エッチング時間を短縮することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
２１ 音響センサ
２２、６１、７１、８１、９１ センサ本体
２５ 配線基板
２８ シリコン基板
２９ 音響検知部
３０ 振動検知部
３１ バックチャンバ
３１ａ、３１ｃ 縦孔部
３１ｂ 横孔部
３３ａ、３３ｂ 振動電極板
３４ａ、３４ｂ 固定電極板
３７ａ、３７ｂ ダイアフラム
４３ａ 音響孔
４３ｂ 貫通孔
６２ 通気孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けた音響センサであって、
前記第１のトランスデューサは、前記基板内に形成されたバックチャンバと、前記バックチャンバの上面開口を覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の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ものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向した第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の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ものであり、
前記バックチャンバは、その一端が前記第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口し、かつ、前記基板の上面に沿った方向へ伸びた部分を備えていることを特徴とする音響センサ。
【請求項２】
前記バックチャンバの他端は、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記第２のトランスデューサが設けられた領域に達していることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項３】
前記バックチャンバの他端が前記基板によって塞がれていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の音響センサ。
【請求項４】
前記第２のトランスデューサは、前記基板内にバックチャンバを有しないことを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項５】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板が通孔を有していることを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項６】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板は、前記基板と前記第２の固定電極板との間の空間に封止されていることを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記バックチャンバは、前記第２の振動電極板に対向して他端が前記基板の上面で開口していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の音響センサ。
【請求項８】
開口を有しない前記第２の固定電極板によって、前記第２の振動電極板の位置する側の空間と前記第２の固定電極板よりも外側の空間とを気密的に仕切ったことを特徴とする、請求項７に記載の音響センサ。
【請求項９】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板が通孔を有していることを特徴とする、請求項７に記載の音響センサ。
【請求項１】
一枚の基板に、音響振動及び機械的振動を感知して電気信号を出力する第１のトランスデューサと、機械的振動のみを感知して電気信号を出力する第２のトランスデューサとを設けた音響センサであって、
前記第１のトランスデューサは、前記基板内に形成されたバックチャンバと、前記バックチャンバの上面開口を覆うようにして前記基板の表面に設けた第１の振動電極板と、前記第１の振動電極板に対向し且つ音響孔を開口された第１の固定電極板とを有し、前記第１の振動電極板の変位による前記第１の振動電極板と前記第１の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ものであり、
前記第２のトランスデューサは、前記基板の表面に設けた第２の振動電極板と、前記第２の振動電極板に対向した第２の固定電極板とを有し、前記第２の振動電極板の変位による前記第２の振動電極板と前記第２の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ものであり、
前記バックチャンバは、その一端が前記第１の振動電極板に対向して前記基板の上面で開口し、かつ、前記基板の上面に沿った方向へ伸びた部分を備えていることを特徴とする音響センサ。
【請求項２】
前記バックチャンバの他端は、前記基板の上面に垂直な方向から見て、前記第２のトランスデューサが設けられた領域に達していることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
【請求項３】
前記バックチャンバの他端が前記基板によって塞がれていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の音響センサ。
【請求項４】
前記第２のトランスデューサは、前記基板内にバックチャンバを有しないことを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項５】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板が通孔を有していることを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項６】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板は、前記基板と前記第２の固定電極板との間の空間に封止されていることを特徴とする、請求項３に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記バックチャンバは、前記第２の振動電極板に対向して他端が前記基板の上面で開口していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の音響センサ。
【請求項８】
開口を有しない前記第２の固定電極板によって、前記第２の振動電極板の位置する側の空間と前記第２の固定電極板よりも外側の空間とを気密的に仕切ったことを特徴とする、請求項７に記載の音響センサ。
【請求項９】
前記第２のトランスデューサにおいて、前記第２の振動電極板が通孔を有していることを特徴とする、請求項７に記載の音響センサ。
【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２０１１−１７６５３４（Ｐ２０１１−１７６５３４Ａ）
【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２０１０−３８２９４（Ｐ２０１０−３８２９４）
【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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