WO2012114535A1 - 音響センサ及びマイクロフォン - Google Patents

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    • H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
    • H10W90/753—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between laterally-adjacent chips

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic sensor and a microphone. Specifically, the present invention relates to a capacitive acoustic sensor manufactured using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology or a micromachining technology. The present invention also relates to a microphone using the acoustic sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • Microphones are used in various devices such as mobile phones and IC recorders.
  • An acoustic sensor built in such a microphone is required to be improved in S / N ratio and downsized.
  • a method of increasing the sensitivity of the acoustic sensor there is a method of increasing the sensitivity of the acoustic sensor.
  • a method of widening the area of the diaphragm and a method of increasing the displacement amount of the diaphragm by reducing the spring property of the diaphragm can be employed.
  • miniaturization of the acoustic sensor is hindered.
  • the displacement amount of the diaphragm is increased, so that the durability of the acoustic sensor is lowered.
  • the second method for increasing the S / N ratio of the acoustic sensor is to reduce the noise of the acoustic sensor.
  • noise of the capacitive acoustic sensor thermal noise generated in an air gap formed between the diaphragm (movable electrode plate) and the back plate (fixed electrode plate) becomes a problem.
  • the thermal noise in the air gap is noise generated by a mechanism as shown in FIG.
  • the air gap 13 between the diaphragm 11 and the back plate 12, that is, the air molecule ⁇ in the semi-sealed space collides with the diaphragm 11 due to fluctuation (thermal motion).
  • the diaphragm 11 is subjected to a minute force due to the collision with the air molecule ⁇ , and the minute force applied to the diaphragm 11 varies randomly. Therefore, the diaphragm 11 vibrates due to the collision of the air molecules ⁇ , and electrical noise is generated in the vibration sensor.
  • noise due to such thermal noise is large and the S / N ratio is deteriorated.
  • Such noise caused by thermal noise increases the opening ratio of the acoustic holes 14 opened in the back plate 12 as shown in FIG. 1B, and the air in the air gap 13 passes through the acoustic holes 14. It is reduced by making it easy to do. It can also be reduced by widening the air gap 13 between the diaphragm 11 and the back plate 12.
  • the opening ratio of the acoustic hole 14 is increased or the air gap 13 is widened, the capacitance of the capacitor constituted by the diaphragm 11 and the back plate 12 is decreased. Therefore, in the method of simply reducing the noise, the sensitivity of the acoustic sensor is reduced at the same time as the noise is reduced, and the S / N ratio of the acoustic sensor cannot be improved.
  • Patent Document 1 discloses a differential detection type microphone for the purpose of improving the S / N ratio.
  • the microphone 21 as shown in FIG. 2, two acoustic sensors 23a and 23b are provided on a single substrate 22, and the upper and lower configurations of the sensors 23a and 23b are reversed. That is, in one acoustic sensor 23a, a fixed plate 25a having an acoustic hole 26a is formed on the diaphragm 24a to constitute a capacitor for acoustic detection. In the other acoustic sensor 23b, a diaphragm 24b is formed on a fixed plate 25b having an acoustic hole 26b to constitute a capacitor for acoustic detection.
  • both the acoustic sensors 23a and 23b output detection signals from the diaphragms 24a and 24b, when both the sensors 23a and 23b detect the same acoustic vibration, the sensors 23a and 23b are detected with a phase shifted by 180 °. A signal is output.
  • the output of the acoustic sensor 23a and the output of the acoustic sensor 23b are input to a signal processing circuit (ASIC) and subtracted in the signal processing circuit.
  • ASIC signal processing circuit
  • Patent Document 2 discloses another conventional microphone.
  • the microphone 31 basically has the same structure as the microphone 21 of Patent Document 1.
  • a plurality of independent acoustic sensors 33a, 33b,... Having the same structure are provided on a common substrate 32 as shown in FIG. That is, any of the acoustic sensors 33a, 33b,... Is formed with the diaphragm 34 facing the upper surface of the fixed plate 35 having the acoustic holes 36 opened.
  • a signal processing circuit 37 is provided on the upper surface of the substrate 32, and outputs of the respective acoustic sensors 33a, 33b,. To the signal processing circuit 37.
  • the signal processing circuit 37 adds the output of each sensor 33a, 33b,. Is expected to improve.
  • acoustic characteristics other than sensitivity are likely to be shifted between the sensors. For example, frequency characteristics, phase, and the like are affected by the back chamber and vent hole of each sensor, and therefore tend to have different characteristics among the sensors.
  • the present invention has been made in view of the above technical problems, and an object of the present invention is to provide an acoustic sensor capable of improving the S / N ratio of the sensor without hindering downsizing of the sensor. And providing a microphone using the acoustic sensor.
  • An acoustic sensor includes a substrate having a cavity, a thin film diaphragm disposed over the substrate so as to cover the cavity, a movable electrode plate formed on the diaphragm,
  • An acoustic sensor comprising: a back plate fixed to the upper surface of the substrate so as to face the diaphragm; and a fixed electrode plate provided on the back plate at a position facing the movable electrode plate, the diaphragm and
  • the movable electrode plate is substantially divided into a plurality of regions, and a plurality of capacitors connected in parallel are constituted by the divided movable electrode plates and the fixed electrode plate.
  • the movable electrode plate may be provided on the diaphragm, or the diaphragm itself may be a movable electrode plate.
  • the diaphragm is substantially divided into a plurality of regions, the capacitance and sensitivity to acoustic vibration are substantially unchanged from those before the diaphragm is divided. .
  • each divided area of the diaphragm can move almost independently, each area displaces discontinuously independently of the thermal noise, and adding the noise in each area cancels the noise. Together, it gets smaller. As a result, the S / N ratio of the acoustic sensor is improved.
  • the diaphragm is divided into a plurality of regions and the sound is detected in each region, downsizing of the acoustic sensor is not hindered.
  • An embodiment of the acoustic sensor according to the present invention is characterized in that the diaphragm and the movable electrode plate are divided by slits.
  • the openings of the diaphragm and the movable electrode plate are widened, air easily passes through the diaphragm and the movable electrode plate, and the low frequency characteristics of the acoustic sensor are deteriorated.
  • the diaphragm and the movable electrode plate are divided by the slits, the opening for dividing the diaphragm and the movable electrode plate can be narrowed, the deterioration of the low frequency characteristics of the acoustic sensor is prevented, and the sensitivity is reduced. Can be prevented.
  • the slit is formed at a position passing through the maximum displacement portion of the diaphragm.
  • the slit is provided so as to pass through the maximum displacement portion of the diaphragm, the effect of improving the S / N ratio of the acoustic sensor can be increased.
  • each region of the diaphragm divided by the slits has a maximum displacement portion across the slit.
  • each area of the divided diaphragm has a maximum displacement portion across the slit, so that the effect of improving the S / N ratio of the acoustic sensor can be increased.
  • the slit is located on a line segment connecting any two support portions of the support portions of the diaphragm.
  • the slit is formed on the line segment connecting the support portions of the diaphragm, the displacement of the end of the slit can be reduced, and the stress concentration at the end of the slit can be reduced.
  • the slit is partially interrupted, and each region of the diaphragm located on both sides of the slit is an interrupted portion of the slit. May be partially connected through.
  • the width of the slit is 10 ⁇ m or less.
  • the roll-off frequency may be as high as 500 Hz and the low-frequency characteristics may be deteriorated. Therefore, the slit width is 10 ⁇ m or less as in the embodiment. It is desirable that
  • the length of the slit is 1 ⁇ 2 or more of the passing length of the diaphragm in the extending direction of the slit. If the slit length is shorter than 1 ⁇ 2 of the diaphragm width, the discontinuity of displacement between the regions of the diaphragm divided by the slit is impaired, and the effect of reducing noise as a whole becomes worse. It is desirable that it is 1 ⁇ 2 or more of the diaphragm passing length in the extending direction.
  • the shape of the diaphragm is not particularly limited, but it is desirable to use a circular or rectangular diaphragm in view of the characteristics of the acoustic sensor.
  • Still another embodiment of the acoustic sensor according to the present invention is such that the diaphragm is supported by the substrate or the back plate at a plurality of positions of the diaphragm, and at least one of the support positions between adjacent support positions. It is characterized in that voids are formed at the locations.
  • the diaphragm is partially fixed, so that the spring property of the diaphragm is reduced. It can be prevented from becoming high, and the sensitivity of the acoustic sensor can be prevented from being lowered.
  • gap between support locations can be utilized as a bench hole.
  • Still another embodiment of the acoustic sensor according to the present invention is characterized in that acoustic vibration reaches the diaphragm through the cavity.
  • the cavity in the substrate becomes the front chamber, and the space outside the acoustic sensor becomes the back chamber. Therefore, the volume of the back chamber can be increased, and the sensitivity of the acoustic sensor can be improved.
  • the microphone according to the present invention includes the acoustic sensor according to the present invention and a circuit for processing a signal output from the acoustic sensor. Since the microphone of the present invention uses the acoustic sensor of the present invention, the S / N ratio of the microphone can be improved.
  • the means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .
  • FIG. 1A and FIG. 1B are schematic diagrams for explaining thermal noise of an acoustic sensor.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the microphone disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 3A and 3B are a cross-sectional view and a plan view of the microphone disclosed in Patent Document 2, respectively.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the acoustic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of the acoustic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the shape of the diaphragm in the acoustic sensor of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit obtained by simplifying the acoustic sensor.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are schematic diagrams for explaining thermal noise of an acoustic sensor.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the microphone disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 3A and 3B are
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing a situation in which acoustic vibration and noise are applied to only one acoustic sensing unit.
  • FIG. 9A is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied to only one acoustic sensing unit.
  • FIG. 9B is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied only to the other acoustic sensing unit.
  • FIG. 9C is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic signals are simultaneously applied to both acoustic sensing units.
  • FIG. 9A is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acoustic sensor when acoustic vibration is applied to only one acoustic sensing unit.
  • FIG. 9B is a waveform diagram showing a sensitivity signal output from the acous
  • FIG. 10A is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise occurs only in one acoustic sensing unit.
  • FIG. 10B is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise occurs only in the other acoustic sensing unit.
  • FIG. 10C is a waveform diagram showing a noise signal output from the acoustic sensor when noise is simultaneously generated in both acoustic sensing units.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the roll-off frequency.
  • FIG. 12 is a plan view showing an acoustic sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 13 is a plan view showing the shape of the diaphragm in the acoustic sensor of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing an acoustic sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view of the acoustic sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of an acoustic sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view showing the shape of a diaphragm in the acoustic sensor of the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a plan view of an acoustic sensor according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 19 is a plan view illustrating the shape of a diaphragm in the acoustic sensor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 20 is a plan view showing the shape of a diaphragm in a modification of the fifth embodiment.
  • FIG. 21 is a plan view showing the shape of the diaphragm in the acoustic sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a plan view showing different shapes of the diaphragm in the acoustic sensor of the sixth embodiment.
  • FIG. 23 is a plan view showing the shape of a diaphragm in an acoustic sensor according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of a microphone according to Embodiment 8 of the present invention.
  • FIG. 25 is a plan view of the microphone of the eighth embodiment with the cover removed.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view showing microphones having different structures in the eighth embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the acoustic sensor 41 of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view of the acoustic sensor 41.
  • FIG. 6 is a plan view of the acoustic sensor 41 with the canopy 44 removed.
  • the acoustic sensor 41 is a capacitive element manufactured using MEMS technology. As shown in FIG. 4, in the acoustic sensor 41, a diaphragm 43 (vibrating electrode plate) is provided on an upper surface of a silicon substrate 42 (semiconductor substrate) via an anchor 46, and a minute air gap (gap) 50 is formed thereon. The canopy 44 is fixed through the gap.
  • a back chamber 45 (cavity) penetrating from the front surface to the back surface is opened in the silicon substrate 42 made of single crystal silicon.
  • the inner surface of the back chamber 45 may be a vertical surface, or may be inclined in a tapered shape.
  • a plurality of anchors 46 for supporting the lower surface of the outer peripheral edge of the diaphragm 43 are provided on the upper surface of the silicon substrate 42 at substantially equal intervals. Further, a base portion 51 is formed on the upper surface of the silicon substrate 42 so as to surround the diaphragm 43. Anchor 46 and base portion 51 is formed by SiO 2.
  • the diaphragm 43 is formed in a substantially circular shape.
  • the diaphragm 43 is formed of a conductive polysilicon thin film, and the diaphragm 43 itself is a movable electrode plate.
  • the diaphragm 43 is disposed on the silicon substrate 42 so as to cover the back chamber 45 and is supported on the substrate 42 at substantially equal intervals by an anchor 46. Therefore, the diaphragm 43 is supported in the air, and a narrow vent hole 52 for allowing acoustic vibrations to pass between the adjacent anchors 46 is between the lower surface of the outer peripheral portion of the diaphragm 43 and the upper surface of the silicon substrate 42. Is formed. Further, a strip-like lead wiring 53 extends outward from the diaphragm 43.
  • the diaphragms 43 are supported at equal intervals by the anchors 46 as described above, and the vent holes 52 (voids) are formed between the anchors 46.
  • the diaphragm 43 is equally divided into two by a narrow linear slit 47 whose position is determined so as to pass through the center which is the maximum displacement point. However, the diaphragm 43 is not completely divided into two by the slit 47 but is mechanically and electrically connected in the vicinity of the end of the slit 47.
  • diaphragms 43a and 43b the two semicircular regions of the diaphragm 43 divided by the slit 47. Both diaphragms 43a and 43b are formed in the same shape and the same dimensions.
  • the canopy 44 is provided with a fixed electrode plate 49 made of polysilicon on the lower surface of a back plate 48 (fixed film) made of SiN.
  • the canopy portion 44 is formed in a dome shape and has a hollow portion below it, and covers the diaphragm 43 with the hollow portion.
  • a minute air gap 50 is formed between the lower surface of the canopy 44 (that is, the lower surface of the fixed electrode plate 49) and the upper surface of the diaphragm 43.
  • the fixed electrode plate 49 and the diaphragm 43 are opposed to each other to constitute a capacitor.
  • acoustic holes 54 for passing acoustic vibrations are drilled in almost the entire canopy 44 so as to penetrate from the upper surface to the lower surface. As shown in FIGS. 4 and 5, the acoustic holes 54 are regularly arranged. In the illustrated example, the acoustic holes 54 are arranged in a triangular shape along three directions forming an angle of 120 ° with each other, but may be arranged in a rectangular shape or a concentric shape.
  • a cylindrical stopper 55 protrusion protrudes from the bottom surface of the canopy 44.
  • the stopper 55 projects integrally from the lower surface of the back plate 48, penetrates the fixed electrode plate 49, and projects to the lower surface of the canopy 44. Since the stopper 55 is made of SiN like the back plate 48, it has an insulating property.
  • the stopper 55 is for preventing the diaphragm 43 from being fixed to the fixed electrode plate 49 due to electrostatic force and not being separated.
  • the protective film 56 extends continuously from the outer periphery of the canopy-shaped back plate 48 over the entire circumference.
  • the protective film 56 covers the base portion 51 and the outer region.
  • the lead-out wiring 53 is fixed to the base portion 51, and the lead-out wiring 57 extended from the fixed electrode plate 49 is also fixed to the upper surface of the base portion 51.
  • an opening is formed in the protective film 56, and a movable electrode pad 58 is formed on the upper surface of the lead wiring 53 through the opening, and the movable electrode pad 58 is electrically connected to the diaphragm 43 through the lead wiring 53.
  • the fixed electrode pad 59 provided on the upper surface of the back plate 48 is electrically connected to the lead wiring 57 through a through hole and the like, and is further electrically connected to the fixed electrode plate 49.
  • the diaphragm 43 is divided into a diaphragm 43a and a diaphragm 43b. Therefore, between the common canopy portion 44 and the back chamber 45, one acoustic sensing portion 60a is constituted by a capacitor formed of a region facing the diaphragm 43a in the diaphragm 43a and the fixed electrode plate 49. Further, the other acoustic sensing unit 60b is configured by a capacitor formed of a region facing the diaphragm 43b in the diaphragm 43b and the fixed electrode plate 49. In addition, both the sensing units 60a and 60b are integrally formed at the same location in the canopy 44, have the same structure, the same shape, and the same dimensions, and have substantially the same characteristics.
  • the diaphragms 43a and 43b which are thin films, vibrate in the same phase due to the acoustic vibration.
  • the diaphragms 43a and 43b vibrate and the gap distances between the diaphragms 43a and 43b and the fixed electrode plate 49 change, the capacitances of the sensing units 60a and 60b change.
  • the acoustic vibration (change in sound pressure) sensed by the diaphragms 43a and 43b becomes a change in the capacitance between the diaphragms 43a and 43b and the fixed electrode plate 49, Output as a typical signal.
  • the diaphragms 43a and 43b are both connected to the movable electrode pad 58 and the fixed electrode plate 49 is common, the acoustic sensing unit 60a (capacitor) and the acoustic sensing unit 60b (capacitor) are electrically connected. Are connected in parallel.
  • the diaphragm 43a and the diaphragm 43b are electrically connected, and the fixed electrode plate 49 is common.
  • the acoustic sensing units 60a and 60b are provided at the same position on the substrate 42, and both the sensing units 60a and 60b detect acoustic vibrations in the same phase. Therefore, even if the diaphragms 43 a and 43 b are separated by the slit 47, the capacitance and sensitivity to the acoustic vibration of the acoustic sensor 41 are not substantially changed from those before the slit 47 is formed.
  • the diaphragms 43a and 43b are divided by the slit 47 and can move substantially independently, the displacement of the diaphragms 43a and 43b on both sides of the slit 47 can be discontinuous. Therefore, the thermal noise generated in the acoustic sensing unit 60a and the thermal noise generated in the acoustic sensing unit 60b are detected as signals having different phases. Therefore, when noises of both the sensing units 60a and 60b are added together, the noises cancel each other and become smaller. As a result, the S / N ratio of the acoustic sensor 41 is improved.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit in which the acoustic sensor 41 is simplified.
  • the two acoustic sensing units 60a and 60b separated by the slit 47 can be represented by two variable capacitors CP1 and CP2 connected in parallel.
  • the two variable capacitors CP1 and CP2 have the same performance.
  • signal generation sources such as acoustic vibration and noise are represented by respective AC power sources SG1 and SG2 connected in series to the variable capacitors CP1 and CP2.
  • the acoustic sensing unit 60a is represented by a circuit in which the variable capacitor CP1 and the AC power source SG1 are connected in series
  • the acoustic sensing unit 60b is a circuit in which the variable capacitor CP2 and the AC power source SG2 are connected in series. It is represented by Furthermore, the acoustic sensor 41 is represented by an equivalent circuit in which both series connection circuits are connected in parallel.
  • the characteristic or circuit constant in the equivalent circuit of FIG. 7 is represented by the following symbols.
  • FIG. 8 a situation is considered in which acoustic vibration and noise are added only to the acoustic sensing unit 60a. Since no signal due to acoustic vibration or noise is generated in the acoustic sensing unit 60b, the AC power source SG2 of the acoustic sensing unit 60b is omitted, and it is considered that the capacitance of the variable capacitor CP1 does not change.
  • the sensitivity output output from the acoustic sensing unit 60a is as described above.
  • Sa V ⁇ ⁇ Ca / Ca It becomes.
  • the capacitor CP2 of the acoustic sensing unit 60b is connected in parallel to the acoustic sensing unit 60a, the capacitor CP2 functions as a parasitic capacitance with respect to the acoustic sensing unit 60a and attenuates the sensitivity of the acoustic sensing unit 60a.
  • the sensitivity output Stot output from the acoustic sensor 41 is the sensitivity output Sb of the acoustic sensing unit 60b in the same manner as in FIG. Is halved to the following formula.
  • sensitivity outputs Sa and Sb and noise outputs Na and Nb are simultaneously generated in the acoustic sensing units 60a and 60b as shown in FIG.
  • the sensitivity output is such that the diaphragms 43a and 43b that detect acoustic vibrations are arranged in close proximity within the same canopy 44, so that both diaphragms 43a and 43b vibrate with the same phase and amplitude at the same time. is doing.
  • the variable capacitor CP1 of the acoustic sensing unit 60a and the variable capacitor CP2 of the acoustic sensing unit 60b are connected in parallel.
  • the sensitivity output Stot of the acoustic sensor 41 is the sum of the sensitivity outputs Sa / 2 and Sb / 2 of the acoustic sensing units 60a and 60b obtained above.
  • Stot Sa / 2 + Sb / 2
  • the acoustic sensor 41 has two signals having the same phase and amplitude (sensitivity output Sa / 2 in FIGS. 9A and 9B).
  • the noise output Ntot output from the acoustic sensor 41 includes the noise output Na / 2 output from the acoustic sensing unit 60a and the noise output Nb / output from the acoustic sensing unit 60b, as shown in FIG. It is calculated
  • required by the calculation at the time of adding the variance with 2. That is, the following equation is obtained. Stot ⁇ ⁇ (Na / 2) 2 + (Nb / 2) 2 ⁇
  • Na Nb
  • the sensitivity output Stot of the acoustic sensor 41 is added, and the noise output Ntot is obtained by calculation when the variance is added.
  • the S / N ratio of the acoustic sensor 41 becomes ⁇ (2) Sa / Na, and the S / N ratio becomes ⁇ (2) times as compared with the case where the slit 47 is not provided (or improved by 3 dB). To do).
  • the noise output decreased by 3 dB by providing the slit 47. Therefore, the S / N ratio was increased by +3 dB by providing the slit 47.
  • the S / N ratio of the acoustic sensor 41 can be improved by providing the diaphragm 47 with the slit 47.
  • the length L of the slit 47 (see FIG. 6) desirably crosses the width of the diaphragm 43 by 50% or more. That is, it is desirable that the length L of the slit 47 is 1 ⁇ 2 or more of the width of the diaphragm 43 on the line extending the slit 47.
  • the slit 47 is provided to isolate the displacement on the diaphragm 43a side and the displacement on the diaphragm 43b side so as to be discontinuous.
  • the diaphragm 47 is provided. This is because the discontinuity of displacement on the 43a side and the diaphragm 43b side is impaired.
  • the width W of the slit 47 (see FIG. 6) is preferably 10 ⁇ m or less. This is because if the width W of the slit 47 is too wide, the amount of air leaking from the air gap 50 to the back chamber 45 through the slit 47 increases, the roll-off frequency is increased, and the low frequency characteristics of the acoustic sensor 41 are deteriorated. As shown in FIG. 11, the roll-off frequency Froll-off is a frequency at which the sensitivity output is lowered by a certain decibel on the low frequency side.
  • Froll-off 1 / 1 / (Rventholl / Cbackchamber) Therefore, when the width W of the slit 47 is increased, the acoustic resistance Rventhole is decreased, the roll-off frequency Froll-off is increased, and the low frequency characteristics of the acoustic sensor 41 are deteriorated.
  • the acoustic resistance Rventhole is also affected by the length L of the slit 47.
  • the roll-off frequency Froll-off is 50 Hz or less, and when the width of the slit 47 is 10 ⁇ m, the roll-off is performed.
  • the frequency Froll-off is 500 Hz.
  • the width W of the slit 47 is 10 ⁇ m or less. It is desirable.
  • the resultant force of the pressure applied to each part of the diaphragm due to thermal noise acts on the maximum displacement location of the diaphragm if the diaphragm has rigidity. Since the maximum displacement position of the diaphragm 43 before the slit 47 is formed is at the center thereof, the slit 47 is formed so as to pass through the center of the diaphragm 43, and each of the divided diaphragms 43a and 43b It is desirable to have maximum displacement points on both sides.
  • the diaphragms 43a and 43b have the same shape and the same dimensions, and the acoustic sensing units 60a and 60b have substantially the same characteristics.
  • the present invention is not necessarily limited to such an embodiment.
  • the diaphragm 43a and the diaphragm 43b have different shapes or different dimensions, and the acoustic sensing unit 60a and the acoustic sensing unit 60b have different characteristics. You can do it.
  • FIG. 12 shows a plan view of an acoustic sensor 61 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 13 is a plan view of the acoustic sensor 61 with the canopy 44 removed.
  • a plurality of (three in the illustrated example) slits 47 are provided in the diaphragm 43, and the diaphragm 43 is divided into three or more regions (four regions in the illustrated example), which are substantially independent.
  • a plurality of diaphragms 43a, 43b,... are provided.
  • the diaphragms 43a, 43b,... And a common fixed electrode plate 49 constitute a plurality of acoustic sensing units 60a, 60b,.
  • the acoustic sensor 61 according to the second embodiment has a larger number of divisions of the diaphragm 43 than the acoustic sensor 41 according to the first embodiment. Even when the number of slits 47 is increased and the number of divisions of the diaphragm 43 is increased in this way (the shape and area of each diaphragm 43a, 43b,... May be different), the sound is sounded for the same reason as in the first embodiment.
  • the S / N ratio of the sensor 61 can be increased. Further, if the number of divisions of the diaphragm 43 is increased, the effect of further reducing the noise of the acoustic sensor 61 and improving the S / N ratio becomes higher.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of an acoustic sensor 62 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view of the acoustic sensor 62 according to the third embodiment.
  • the diaphragm 43 is not supported by the anchor 46 as in the first embodiment, and is simply placed on the upper surface of the silicon substrate 42.
  • a protrusion 71 for contacting the upper surface of the diaphragm 43 is projected downward from a position on the lower surface of the back plate 48 facing the outer peripheral portion of the diaphragm 43. Therefore, when a voltage is applied between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49, the diaphragm 43 is pulled up toward the fixed electrode plate 49 by electrostatic attraction.
  • the diaphragm 43 pulled upward is in contact with and fixed to the lower end surface of the protrusion 71, and an air gap 50 is formed between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49.
  • an air gap 50 is formed between the diaphragm 43 and the fixed electrode plate 49.
  • the diaphragm 43 is provided with one (or a plurality of) slits 47, and the two diaphragms 43a and 43b and the fixed electrode plate 49 form two acoustic sensing units 60a and acoustic sensing. Part 60b is configured. Therefore, even in this acoustic sensor 62, the S / N ratio of the acoustic sensor 62 is improved in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of the acoustic sensor 63 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view of the acoustic sensor 63 with the canopy 44 removed.
  • This acoustic sensor 63 uses a rectangular diaphragm 34.
  • a prismatic back chamber 45 is opened in the silicon substrate 42, and a diaphragm 43 is disposed on the upper surface of the silicon substrate 42 so as to cover the upper surface opening of the back chamber 45.
  • Legs 72 are provided at the four corners of the diaphragm 43, and each leg 72 is fixed to the diaphragm 43 by an anchor 46 provided on the upper surface of the silicon substrate 42.
  • the diaphragm 43 is divided into diaphragms 43 a and 43 b by diagonal slits 47.
  • the canopy 44 is also formed in a substantially rectangular shape so as to cover the rectangular diaphragm 43.
  • the broken line in FIG. 17 represents the amount of displacement when the diaphragm 43 is displaced by acoustic vibration, as a contour line, and the amount of displacement increases toward the center.
  • the center is the maximum displacement portion, and if the slit 47 is formed so as to pass through the maximum displacement portion of the diaphragm 43, the S / N ratio improvement effect of the acoustic sensor 63 is achieved. Can be increased.
  • FIG. 18 is a plan view of an acoustic sensor 64 according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 19 is a plan view of the acoustic sensor 64 with the canopy 44 removed.
  • a slit 47 is formed from end to end of the diaphragm 43 so as to pass through the center of the diaphragm 43. Therefore, the diaphragm 43 is completely separated into two diaphragms 43 a and 43 b by the slit 47. The diaphragms 43a and 43b thus separated are connected by a bifurcated lead-out wiring 53 formed on the upper surface of the silicon substrate.
  • the lead wires 53a and 53b may be separately provided in the diaphragms 43a and 43b.
  • the lead wires 53a and 53b may be connected outside the acoustic sensor or may be connected in a signal processing circuit (ASIC).
  • the slit 47 When providing the slit 47 in the diaphragm 43, it is preferable to provide the diaphragm 43 so as to pass through the maximum displacement portion of the diaphragm 43, but the direction of the slit 47 is not particularly limited.
  • the slits 47 are provided in the direction connecting the fixed portions of the rectangular diaphragm 43, that is, in the diagonal direction of the diaphragm 43, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the slit 47 may be formed in a direction parallel to the side of the rectangular diaphragm 43. In this case, since the center of the left and right vent holes 52 is connected, the divided diaphragms 43a and 43b are both supported in a cantilever shape.
  • the slit 47 may be inclined from a diagonal direction of the diaphragm 43 or a direction parallel to the side.
  • the diaphragms formed on both sides of the slit may be partially connected through the slit.
  • one slit 47 is partially interrupted, and the two slits 47 are arranged in a straight line. Therefore, the diaphragms 43 a and 43 b located on both sides of the slit 47 are partially connected through the interrupted portion of the slit 47. Even if it is such a form, if the length of the part in which the slit 47 is interrupted is not so long, there is no problem.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of a MEMS microphone using the acoustic sensor of each of the above embodiments.
  • FIG. 25 is a plan view of the microphone with the cover removed.
  • the microphone 81 is a package in which an acoustic sensor 65 and a signal processing circuit 84 (ASIC) are built in a package including a circuit board 82 and a cover 83.
  • the acoustic sensor 65 and the signal processing circuit 84 are mounted on the upper surface of the circuit board 82.
  • the electrode pads 58 and 59 of the acoustic sensor 65 are connected to the pads 85a and 85b of the signal processing circuit 84 by bonding wires 91, respectively.
  • a plurality of terminals 88 for electrically connecting the microphone 81 to the outside are provided on the lower surface of the circuit board 82, and electrode portions 89a-89c; 90a, 90b electrically connected to the terminals 88 are provided on the upper surface of the circuit board 82.
  • the 84 pads 86a-86c; 87a, 87b mounted on the circuit board 82 are connected to the electrode portions 89a-89c; 90a, 90b by bonding wires 92, respectively.
  • the pads of the signal processing circuit 84 have a function of supplying power to the acoustic sensor 65 and a function of outputting a capacitance change signal of the acoustic sensor 65 to the outside.
  • a cover 83 is attached to the upper surface of the circuit board 82 so as to cover the acoustic sensor 65 and the signal processing circuit 84.
  • a sound introduction hole 93 for introducing acoustic vibration into the package is opened.
  • the package also has an electromagnetic shielding function, and protects the microphone 81 from external electrical disturbances and mechanical shocks.
  • the acoustic vibration that has entered the package through the sound introduction hole 93 is detected by the acoustic sensor 65 and is output after being subjected to predetermined signal processing by the signal processing circuit 84.
  • the acoustic sensor according to the present invention is used as the acoustic sensor 65, the microphone 81 has a high S / N ratio.
  • FIG. 26 shows a microphone 94 having another structure.
  • the sound introduction hole 93 is opened in the circuit board 82 at a position facing the lower surface of the cavity of the silicon substrate 42, not the cover 83.
  • the cavity of the silicon substrate 42 becomes the front chamber 95, and the space inside the package becomes the back chamber 45. Therefore, according to such an embodiment, the volume of the back chamber 45 can be increased, and the sensitivity of the microphone 81 can be further improved.

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Abstract

　センサの小型化を妨げることなくセンサのＳ／Ｎ比を向上させることのできる音響センサを提供する。シリコン基板４２にバックチャンバ４５を上下に開口する。当該基板４２の上面には、バックチャンバ４５を覆うようにして、可動電極板となる薄膜状のダイアフラム４３を形成する。基板４２の上面には、ダイアフラム４３を覆うようにしてバックプレート４８を固定し、バックプレート４８の下面に固定電極板４９を設ける。さらに、スリット４７によってダイアフラム４３を複数領域に分割し、複数に分割された各ダイアフラム４３ａ、４３ｂと固定電極板４９によって複数個の並列に接続されたキャパシタ（音響センシング部６０ａ、６０ｂ）を構成している。

Description

音響センサ及びマイクロフォン
　本発明は音響センサ及びマイクロフォンに関する。具体的には、本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術もしくはマイクロマシニング技術を用いて製作される静電容量型の音響センサに関する。また、当該音響センサを用いたマイクロフォン関する。
　携帯電話、ＩＣレコーダーなど種々の機器においてマイクロフォンが用いられている。このようなマイクロフォンに内蔵されている音響センサにおいては、そのＳ／Ｎ比の向上と小型化が求められている。
　音響センサのＳ／Ｎ比を高くする方法としては、まず第１に、音響センサの感度を高くする方法がある。静電容量型音響センサの感度を高くするためには、ダイアフラムの面積を広くする方法と、ダイアフラムのバネ性を小さくしてダイアフラムの変位量を大きくする方法とが採用可能である。しかし、前者のダイアフラムの面積を広くする方法では、音響センサの小型化が妨げられる。また、後者のようにダイアフラムのバネ性を小さくする方法では、ダイアフラムの変位量が大きくなるために音響センサの耐久性が低下する。
　音響センサのＳ／Ｎ比を高くする第２の方法は、音響センサのノイズを小さくするものである。静電容量型音響センサのノイズとしては、ダイアフラム（可動電極板）とバックプレート（固定電極板）との間に形成されるエアギャップに発生する熱雑音が問題となる。
　エアギャップにおける熱雑音とは、図１（Ａ）に示すような機構により発生するノイズである。図１（Ａ）に示すように、ダイアフラム１１とバックプレート１２との間のエアギャップ１３、すなわち準密閉空間内にある空気分子αは、揺らぎ（熱運動）によってダイアフラム１１に衝突している。ダイアフラム１１には空気分子αとの衝突による微小力が加わるとともに、ダイアフラム１１に加わる微小力がランダムに変動している。そのため、ダイアフラム１１は空気分子αの衝突によって振動し、振動センサに電気的なノイズが発生している。特に、感度の高い音響センサ又はマイクロフォンでは、このような熱雑音に起因するノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
　このような熱雑音に起因するノイズは、図１（Ｂ）に示すようにバックプレート１２に開口されている音響孔１４の開口比率を大きくし、エアギャップ１３内の空気が音響孔１４を通過しやすくすることにより軽減される。また、ダイアフラム１１とバックプレート１２の間のエアギャップ１３を広げることによっても軽減される。しかし、音響孔１４の開口比率を大きくしたり、エアギャップ１３を広げたりすると、ダイアフラム１１とバックプレート１２によって構成されるキャパシタの静電容量が小さくなる。そのため、単にノイズを小さくするという方法では、ノイズが小さくなると同時に音響センサの感度も低下し、音響センサのＳ／Ｎ比を改善することができなかった。
（従来公知の振動センサ）
　特許文献１には、Ｓ／Ｎ比を向上させることを目的とした差分検知方式のマイクロフォンが開示されている。このマイクロフォン２１では、図２に示すように、一枚の基板２２に２つの音響センサ２３ａ、２３ｂが設けられていて、両センサ２３ａ、２３ｂは上下の構成が反転している。すなわち、一方の音響センサ２３ａでは、ダイアフラム２４ａの上に音響孔２６ａを有する固定プレート２５ａが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。他方の音響センサ２３ｂでは、音響孔２６ｂを有する固定プレート２５ｂの上にダイアフラム２４ｂが形成されていて音響検知用のキャパシタが構成されている。
　音響センサ２３ａ、２３ｂは、いずれもダイアフラム２４ａ、２４ｂから検知信号が出力されているので、両センサ２３ａ、２３ｂが同じ音響振動を検出すると、両センサ２３ａ、２３ｂからは位相が１８０°ずれた検知信号が出力される。音響センサ２３ａの出力と音響センサ２３ｂの出力は信号処理回路（ＡＳＩＣ）に入力され、信号処理回路内で減算処理される。この結果、両センサ２３ａ、２３ｂによる音響の検出信号は足し合わされることになるので、マイクロフォン２１の検出感度が向上し、Ｓ／Ｎ比の向上が期待される。
　このような差分検知方式のマイクロフォンでは、２つの音響センサが検出する音響検出信号の位相、周波数及び感度が全く同じでなければ、その検出感度が低下する。ところが、同一の基板上に別々に形成された音響センサの特性を同一にすることは困難である。さらに、このマイクロフォンのように両センサ２３ａ、２３ｂでキャパシタの極性が逆になっている場合には、寄生容量のために等価な２つの音響センサ２３ａ、２３ｂを作製することは難しい。そのため実際には、特許文献２のようなマイクロフォンでは、Ｓ／Ｎ比を向上させることは困難であった。
　また、このようなマイクロフォンでは、ミスマッチングに由来するノイズが発生しやすく、Ｓ／Ｎ比の向上に限界がある。
　さらに、信号処理回路に余分な演算機能を付与しなければならないので、信号処理回路の高コスト化を招く。基板上に複数個の音響センサを設けなければならないので、マイクロフォンの小型化が困難になるという不具合も問題となっている。
（従来公知の別な振動センサ）
　特許文献２には、従来の別なマイクロフォンが開示されている。このマイクロフォン３１は、基本的には、特許文献１のマイクロフォン２１と同様な構造を有している。特許文献２のマイクロフォン３１では、図３（Ａ）に示すように、共通の基板３２の上に同じ構造を有する独立した複数個の音響センサ３３ａ、３３ｂ、…が設けられている。すなわち、いずれの音響センサ３３ａ、３３ｂ、…も、音響孔３６を開口された固定プレート３５の上面に対向させてダイアフラム３４が形成されている。さらに、図３（Ｂ）に示すように、基板３２の上面には信号処理回路３７が設けられており、各音響センサ３３ａ、３３ｂ、…の出力は基板３２上に配線された電極引出線３８を通じて信号処理回路３７に接続されている。このマイクロフォン３１の場合には、各音響センサ３３ａ、３３ｂ、…が同じ構造を有しているので、各センサ３３ａ、３３ｂ、…の出力を信号処理回路３７において加算処理することによってＳ／Ｎ比を向上させることが期待される。
　しかし、特許文献２に記載されたマイクロフォンでも、つぎのような問題がある。マイクロフォンの作製プロセスにおいてダイアフラムに発生する反りがばらつくため、各音響センサどうしの感度ばらつきが大きくなりやすい。その一方、このばらつきを小さくしようとすればマイクロフォンの生産性が低下する。また、基板上において各音響センサと信号処理回路とを結ぶ電極引出線の長さが長くなると、マイクロフォンの寄生容量や寄生抵抗が大きくなり、感度などの特性が悪くなる問題がある。
　また、独立した複数個の音響センサを設けているので、各センサどうしの間に感度以外の音響特性のずれが発生しやすくなる。たとえば、周波数特性、位相などは各センサのバックチャンバやベントホールによって影響を受けるので、各センサ間で異なった特性になりやすい。
　特許文献２のマイクロフォンでは、このように各音響センサにおける感度その他の音響特性にばらつきが生じやすいので、実際には、Ｓ／Ｎ比の改善効果を得ることが難しかった。
　また、基板上に複数個の独立した音響センサを並べて配置しなければならないので、マイクロフォンを小型化することができないという不具合があった。
特開２００８－５４３９号公報 米国特許出願公開第２００７／００４７７４６号明細書
　本発明は、上記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、センサの小型化を妨げることなくセンサのＳ／Ｎ比を向上させることのできる音響センサと、当該音響センサを用いたマイクロフォンを提供することにある。
　本発明に係る音響センサは、空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うようにして前記基板の上方に配設された薄膜状のダイアフラムと、前記ダイアフラムに形成された可動電極板と、前記ダイアフラムに対向させるようにして前記基板の上面に固定されたバックプレートと、前記可動電極板と対向する位置において前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた音響センサであって、前記ダイアフラム及び前記可動電極板が複数領域に実質的に分割されていて、分割された各可動電極板と前記固定電極板によって複数個の並列に接続されたキャパシタが構成されていることを特徴としている。なお、可動電極板は、ダイアフラムに設けてあってもよく、ダイアフラム自体が可動電極板となっていてもよい。
　本発明の音響センサにあっては、ダイアフラムが複数領域に実質的に分割されているだけであるので、音響振動に対する静電容量や感度は、ダイアフラムが分割される前と実質的に変化がない。一方、ダイアフラムの分割された各領域はほぼ独立して動くことができるので、各領域は熱雑音に対しては独立して不連続に変位し、各領域のノイズを加え合わせると、ノイズが打ち消し合って小さくなる。その結果、音響センサのＳ／Ｎ比が向上する。しかも、ダイアフラムを複数領域に分割して各領域で音響を検知しているので、音響センサの小型化が妨げられることがない。
　本発明に係る音響センサのある実施態様は、前記ダイアフラム及び前記可動電極板をスリットによって分割したことを特徴としている。ダイアフラム及び可動電極板の開口が広くなるとダイアフラム及び可動電極板を空気が通過して漏れやすくなり、音響センサの低周波特性が悪くなる。この実施態様では、ダイアフラム及び可動電極板をスリットによって分割しているので、ダイアフラム及び可動電極板を分割するための開口を狭くでき、音響センサの低周波特性の劣化を防止し、感度の低下を防ぐことができる。
　スリットを形成された音響センサの別な実施態様においては、前記スリットが、前記ダイアフラムの最大変位箇所を通過する位置に形成されていることを特徴としている。かかる実施態様では、ダイアフラムの最大変位箇所を通過するようにスリットを設けているので、音響センサのＳ／Ｎ比改善効果を大きくできる。
　スリットを形成された音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットによって分割された前記ダイアフラムの各領域が、前記スリットを挟んでそれぞれ最大変位箇所を有していることを特徴としている。かかる実施態様では、分割されたダイアフラムの各領域が、スリットを挟んでそれぞれ最大変位箇所を有しているので、音響センサのＳ／Ｎ比改善効果を大きくできる。
　スリットを形成された音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットが、前記ダイアフラムの支持箇所のうちいずれか２つの支持箇所を結ぶ線分上に位置していることを特徴としている。この実施態様に置いては、ダイアフラムの支持箇所を結ぶ線分上にスリットを形成しているので、スリットの端の変位を小さくでき、スリットの端における応力集中を小さくすることができる。
　また、スリットを形成された音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットが部分的に途切れていて、当該スリットを挟んでその両側に位置するダイアフラムの各領域どうしが当該スリットの途切れた部分を通して部分的につながっていてもよい。
　スリットを形成された音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットの幅が１０μｍ以下であることを特徴としている。一般的なサイズのＭＥＭＳ音響センサでは、スリットの幅が１０μｍを超えるとロールオフ周波数が５００Ｈｚにもなって低周波特性が悪化することがあるので、スリットの幅は当該実施態様のように１０μｍ以下であることが望ましい。
　スリットを形成された音響センサのさらに別な実施態様においては、前記スリットの長さが、当該スリットの延長方向における前記ダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上であることを特徴としている。スリットの長さがダイアフラムの幅の１／２よりも短いと、スリットによって分割されたダイアフラムの各領域間における変位の不連続性が損なわれ、全体としてノイズを低減する効果が悪くなるので、スリットの延長方向におけるダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上であることが望ましい。
　本発明に係る音響センサにおいては、ダイアフラムの形状は特に限定されないが、音響センサの特性上からは、円形状や矩形状のダイアフラムを用いることが望ましい。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様は、前記ダイアフラムが、その縁を複数箇所で前記基板又は前記バックプレートに支持されており、当該支持箇所のうち隣接する支持箇所の間の少なくとも一箇所に空隙が形成されていることを特徴としている。ダイアフラムの全周を固定した場合には、ダイアフラムのバネ性が高くなって音響センサの感度が低下しやすくなるが、当該実施態様ではダイアフラムを部分的に固定しているので、ダイアフラムのバネ性が高くなるのを防ぐことができ、音響センサの感度低下を防ぐことができる。また、支持箇所間の空隙は、ベンチホールとして利用することができる。
　本発明に係る音響センサのさらに別な実施態様は、音響振動が前記空洞部を通って前記ダイアフラムに到達することを特徴としている。かかる実施態様によれば、基板内の空洞部がフロントチャンバとなり、音響センサの外部の空間がバックチャンバとなるので、バックチャンバの容積を大きくでき、音響センサの感度を向上させることができる。
　本発明に係るマイクロフォンは、本発明に係る音響センサと、前記音響センサから出力された信号を処理するための回路とを備えたものである。本発明のマイクロフォンは、本発明の音響センサを用いているので、マイクロフォンのＳ／Ｎ比を改善することができる。
　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１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、音響センサの熱雑音を説明するための概略図である。 図２は、特許文献１に開示されたマイクロフォンの概略説明図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、特許文献２に開示されたマイクロフォンの断面図及び平面図である。 図４は、本発明の実施形態１に係る音響センサの断面図である。 図５は、実施形態１の音響センサの平面図である。 図６は、実施例１の音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図７は、音響センサを単純化した等価回路を表した図である。 図８は、一方の音響センシング部のみに音響振動やノイズが加わった状況を表した等価回路図である。 図９（Ａ）は一方の音響センシング部のみに音響振動が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。図９（Ｂ）は他方の音響センシング部のみに音響振動が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。図９（Ｃ）は両方の音響センシング部に同時に音響信号が加わったときに音響センサから出力される感度信号を示す波形図である。 図１０（Ａ）は一方の音響センシング部のみにノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。図１０（Ｂ）は他方の音響センシング部のみにノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。図１０（Ｃ）は両方の音響センシング部に同時にノイズが発生したときに音響センサから出力されるノイズ信号を示す波形図である。 図１１は、ロールオフ周波数を説明する図である。 図１２は、本発明の実施形態２に係る音響センサを示す平面図である。 図１３は、実施形態２の音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１４は、本発明の実施形態３に係る音響センサを示す断面図である。 図１５は、実施形態３の音響センサの平面図である。 図１６は、本発明の実施形態４に係る音響センサの分解斜視図である。 図１７は、実施形態４の音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図１８は、本発明の実施形態５に係る音響センサの平面図である。 図１９は、実施形態５の音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図２０は、実施形態５の変形例におけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図２１は、本発明の実施形態６に係る音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図２２は、実施形態６の音響センサにおけるダイアフラムの異なる形状を示す平面図である。 図２３は、本発明の実施形態７に係る音響センサにおけるダイアフラムの形状を示す平面図である。 図２４は、本発明の実施形態８に係るマイクロフォンの断面図である。 図２５は、実施形態８のマイクロフォンの、カバーを外した状態の平面図である。 図２６は、実施形態８における異なる構造のマイクロフォンを示す断面図である。
　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。
（第１の実施形態）
　図４－図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図４は実施形態１の音響センサ４１を示す断面図である。図５は、音響センサ４１の平面図である。また、図６は、音響センサ４１から天蓋部４４を取り除いた状態の平面図である。
　この音響センサ４１はＭＥＭＳ技術を利用して作製された静電容量型素子である。図４に示すように、音響センサ４１は、シリコン基板４２（半導体基板）の上面にアンカー４６を介してダイアフラム４３（振動電極板）が設けられ、その上に微小なエアギャップ（空隙）５０を介して天蓋部４４が固定されている。
　単結晶シリコンからなるシリコン基板４２には、表面から裏面に貫通したバックチャンバ４５（空洞部）が開口されている。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。
　ダイアフラム４３の外周縁下面を支持するための複数個のアンカー４６は、シリコン基板４２の上面にほぼ等間隔に設けられている。さらに、シリコン基板４２の上面には、ダイアフラム４３を囲むようにして土台部５１が形成されている。アンカー４６及び土台部５１は、ＳｉＯ２によって形成されている。
　図６に示すように、ダイアフラム４３は、略円形状に形成されている。ダイアフラム４３は、導電性を有するポリシリコン薄膜によって形成されていてダイアフラム４３自体が可動電極板となっている。ダイアフラム４３は、バックチャンバ４５の上方を覆うようにしてシリコン基板４２の上に配置され、アンカー４６によって基板４２上でほぼ等間隔に支持されている。よって、ダイアフラム４３は宙空に支持されるととともに、隣接するアンカー４６間においては、音響振動を通過させるための狭いベントホール５２が、ダイアフラム４３の外周部下面とシリコン基板４２の上面との間に形成されている。また、ダイアフラム４３からは外側に向けて帯板状の引出配線５３が延びている。
　ダイアフラム４３の全周をシリコン基板４２に固定した場合には、ダイアフラム４３の拘束力が強くなり、ダイアフラム４３のバネ性が高くなって音響センサ４１の感度が低下する。そのため、上記のようにダイアフラム４３をアンカー４６によって等間隔に支持して、アンカー４６間にベントホール５２（空隙）を形成している。
　ダイアフラム４３は、その最大変位箇所である中央を通過するように位置を定められた幅の狭い直線状のスリット４７により、均等に２分割されている。ただし、ダイアフラム４３はスリット４７によって完全に２分割されているというのではなく、スリット４７の端部付近で機械的及び電気的につながっている。以下においては、スリット４７によって分割されたダイアフラム４３の２つの半円形をした領域をそれぞれダイアフラム４３ａ、４３ｂと呼ぶことにする。両ダイアフラム４３ａ、４３ｂは、同一形状かつ同一寸法に形成されている。
　天蓋部４４は、ＳｉＮからなるバックプレート４８（固定膜）の下面にポリシリコンからなる固定電極板４９を設けたものである。天蓋部４４は、ドーム状に形成されていてその下に空洞部分を有しており、その空洞部分でダイアフラム４３を覆っている。天蓋部４４の下面（すなわち、固定電極板４９の下面）とダイアフラム４３の上面との間には微小なエアギャップ５０（空隙）が形成されている。固定電極板４９とダイアフラム４３は互いに対向していてキャパシタを構成している。
　天蓋部４４のほぼ全体には、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アコースティックホール５４（音響孔）が多数穿孔されている。図４及び図５に示すように、アコースティックホール５４は規則的に配列されている。図示例では、アコースティックホール５４は、互いに１２０°の角度を成す３方向に沿って三角形状に配列されているが、矩形状や同心円状などに配置されていてもよい。
　図４に示すように、天蓋部４４の下面には、円柱状をした微小なストッパ５５（突起）が突出している。ストッパ５５は、バックプレート４８の下面から一体に突出しており、固定電極板４９を貫通して天蓋部４４の下面に突出している。ストッパ５５はバックプレート４８と同じくＳｉＮからなるので、絶縁性を有する。このストッパ５５は、静電気力によってダイアフラム４３が固定電極板４９に固着して離れなくなるのを防ぐためのものである。
　天蓋状をしたバックプレート４８の外周縁からは、全周にわたって保護膜５６が連続的に延出している。保護膜５６は、土台部５１とその外側の領域を覆っている。
　引出配線５３は土台部５１に固定されており、固定電極板４９から延出された引出配線５７も土台部５１の上面に固定されている。一方、保護膜５６には開口があけられており、当該開口を通して引出配線５３の上面に可動側電極パッド５８が形成され、可動側電極パッド５８は引出配線５３を通じてダイアフラム４３に導通している。また、バックプレート４８の上面に設けられた固定側電極パッド５９は、スルーホールなどを介して引出配線５７に導通し、さらに固定電極板４９に導通している。
　この音響センサ４１では、ダイアフラム４３がダイアフラム４３ａとダイアフラム４３ｂに２分割されている。そのため、共通の天蓋部４４とバックチャンバ４５の間において、ダイアフラム４３ａと固定電極板４９のうちダイアフラム４３ａに対向する領域からなるキャパシタによって一方の音響センシング部６０ａが構成されている。また、ダイアフラム４３ｂと固定電極板４９のうちダイアフラム４３ｂに対向する領域からなるキャパシタによって他方の音響センシング部６０ｂが構成されている。しかも、両センシング部６０ａ、６０ｂは、天蓋部４４内の同じ箇所において一体的に形成され、同じ構造、同じ形状、同じ寸法を有していて、実質的に同一の特性を有している。
　この音響センサ４１にあっては、音響振動がアコースティックホール５４を通過して天蓋部４４内のエアギャップ５０に入ると、薄膜であるダイアフラム４３ａ、４３ｂが音響振動によって同じ位相で振動する。ダイアフラム４３ａ、４３ｂが振動して各ダイアフラム４３ａ、４３ｂと固定電極板４９との間のギャップ距離が変化すると、各センシング部６０ａ、６０ｂの静電容量が変化する。この結果、各センシング部６０ａ、６０ｂにおいては、ダイアフラム４３ａ、４３ｂが感知している音響振動（音圧の変化）がダイアフラム４３ａ、４３ｂと固定電極板４９の間の静電容量の変化となり、電気的な信号として出力される。また、ダイアフラム４３ａ、４３ｂはいずれも可動側電極パッド５８につながっており、固定電極板４９は共通しているので、音響センシング部６０ａ（キャパシタ）と音響センシング部６０ｂ（キャパシタ）とは、電気的に並列接続されている。
　この音響センサ４１では、ダイアフラム４３ａとダイアフラム４３ｂが電気的に導通していて、固定電極板４９が共通となっている。しかも、基板４２上の同じ位置に音響センシング部６０ａと６０ｂが設けられていて、両センシング部６０ａ、６０ｂは同位相の音響振動を検知する。そのため、スリット４７によってダイアフラム４３ａ、４３ｂどうしが分離されていても、音響センサ４１の音響振動に対する静電容量や感度は、スリット４７を形成する前と実質的に変化がない。
　これに対し、ダイアフラム４３ａと４３ｂはスリット４７により分割されていてほぼ独立して動くことができるので、スリット４７の両側においてはダイアフラム４３ａ、４３ｂの変位は不連続となることができる。そのため、音響センシング部６０ａに発生する熱雑音と音響センシング部６０ｂに発生する熱雑音とは、異なる位相の信号として検知される。よって、両センシング部６０ａ、６０ｂのノイズを加え合わせると、ノイズが打ち消し合って小さくなる。その結果、音響センサ４１のＳ／Ｎ比が向上する。
　以上においては、音響センサ４１のＳ／Ｎ比が向上する理由を簡単に説明したが、以下においては、等価回路を用いてさらに説明する。図７は、音響センサ４１を単純化した等価回路を表している。スリット４７で分離された２つの音響センシング部６０ａ、６０ｂは、並列に接続された２つの可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２で表すことができる。ここで、２つの可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２は同じ性能を有している。さらに、音響振動やノイズなどの信号発生源は、可変キャパシタＣＰ１、ＣＰ２に直列に接続したそれぞれの交流電源ＳＧ１、ＳＧ２で表す。この結果、図７に示すように、音響センシング部６０ａは可変キャパシタＣＰ１と交流電源ＳＧ１を直列に接続した回路で表され、音響センシング部６０ｂは可変キャパシタＣＰ２と交流電源ＳＧ２を直列に接続した回路で表される。さらに、音響センサ４１は、両直列接続回路を並列に接続した等価回路で表される。
　図７の等価回路における特性又は回路定数を、つぎのような記号で表す。
　　　Ｃａ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ１の静電容量
　　　Ｃｂ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ２の静電容量
　　　ΔＣａ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ１の受圧時の静電容量変化
　　　ΔＣｂ／２［Ｆ］　：可変キャパシタＣＰ２の受圧時の静電容量変化
　　　Ｖ［Ｖ］　：音響センサ４１への印加電圧
　　　Ｓａ［Ｖ］　：音響センシング部６０ａの感度出力
　　　Ｓｂ［Ｖ］　：音響センシング部６０ｂの感度出力
　　　Ｎａ［Ｖ］　：音響センシング部６０ａのノイズ出力
　　　Ｎｂ［Ｖ］　：音響センシング部６０ｂのノイズ出力
　　　Ｓａ／Ｎａ　：音響センシング部６０ａのＳ／Ｎ比
　　　Ｓｂ／Ｎｂ　：音響センシング部６０ｂのＳ／Ｎ比
　ここで、感度出力とは、交流電源で発生した音響振動によって音響センシング部（あるいは、可変キャパシタ）から出る信号出力であって、電圧×固定キャパシタの静電容量変化／固定キャパシタの静電容量で表される。したがって、音響センシング部６０ａの感度出力は、
　　　Ｓａ＝Ｖ×（ΔＣａ／２）／（Ｃａ／２）＝Ｖ×ΔＣａ／Ｃａ
となる。同様に、音響センシング部６０ｂの感度出力は、
　　　Ｓｂ＝Ｖ×（ΔＣｂ／２）／（Ｃｂ／２）＝Ｖ×ΔＣｂ／Ｃｂ
となる。
　いま、図８に示すように、音響センシング部６０ａのみに音響振動やノイズが加わった状況を考える。音響センシング部６０ｂでは音響振動やノイズによる信号は発生していないので、音響センシング部６０ｂの交流電源ＳＧ２は省略し、可変キャパシタＣＰ１の静電容量は変化しないと考える。
　まず、交流電源ＳＧ１から音響振動だけが出力されているとすると、音響センシング部６０ａから出力される感度出力は、上記のように、
　　　Ｓａ＝Ｖ×ΔＣａ／Ｃａ
となる。しかし、この音響センシング部６０ａには、音響センシング部６０ｂのキャパシタＣＰ２が並列に接続されているので、キャパシタＣＰ２は音響センシング部６０ａに対しては寄生容量として働き、音響センシング部６０ａの感度を減衰させる。キャパシタＣＰ１とＣＰ２は同じ静電容量を有しているので、音響センサ４１から出力される感度出力（すなわち、信号処理回路へ入力される感度出力）Ｓtotは、次式で表されるように半減する。
　　　Ｓtot＝〔（Ｃａ／２）／｛（Ｃａ／２）＋（Ｃｂ／２）｝〕×Ｓａ
　　　　　 ＝Ｓａ／２
　つぎに、電源ＳＧ１からノイズだけが出力されている場合を考える。この場合も、音響センシング部６０ａから出ているノイズ出力をＮａとすると、音響センシング部６０ａに並列に接続されたキャパシタＣＰ２の影響により、音響センサ４１から出力されるノイズ出力（すなわち、信号処理回路へ入力されるノイズ出力）Ｎtotは、次式で表されるように半減する。
　　　Ｎtot＝〔（Ｃａ／２）／｛（Ｃａ／２）＋（Ｃｂ／２）｝〕×Ｎａ
　　　　　 ＝Ｎａ／２
　図８とは反対に音響センシング部６０ｂのみに音響振動が加わった状況では、図８の場合と同様に考えて、音響センサ４１から出力される感度出力Ｓtotは、音響センシング部６０ｂの感度出力Ｓｂが半減して次式のようになる。
　　　Ｓtot＝〔（Ｃｂ／２）／｛（Ｃｂ／２）＋（Ｃａ／２）｝〕×Ｓｂ
　　　　　 ＝Ｓｂ／２
　また、音響センシング部６０ｂのみにノイズが発生している状況を考えると、音響センシング部６０ａのキャパシタＣＰ１の影響により、音響センサ４１から出力されるノイズ出力Ｎtotは、音響センシング部６０ｂのノイズ出力Ｎｂが半減して次式で表される。
　　　Ｎtot＝〔（Ｃｂ／２）／｛（Ｃｂ／２）＋（Ｃａ／２）｝〕×Ｎｂ
　　　　　 ＝Ｎｂ／２
　つぎに、図７のように、音響センシング部６０ａと６０ｂで同時に感度出力Ｓａ、Ｓｂとノイズ出力Ｎａ、Ｎｂが発生している場合を考える。感度出力とノイズ出力を分けて考える。感度出力は、音響振動を感知する各ダイアフラム４３ａ、４３ｂが同一の天蓋部４４内において極く近接した位置に配置されているので、両ダイアフラム４３ａ、４３ｂは同じ時刻においては同じ位相と振幅で振動している。しかも、音響センシング部６０ａの可変キャパシタＣＰ１と音響センシング部６０ｂの可変キャパシタＣＰ２は並列に接続されている。その結果、音響センサ４１の感度出力Ｓtotは、上で求めた各音響センシング部６０ａ、６０ｂの感度出力Ｓａ／２、Ｓｂ／２の和となる。
　　　Ｓtot＝Ｓａ／２＋Ｓｂ／２
ここで、Ｓａ＝Ｓｂであるから、上式は、
　　　Ｓtot＝Ｓａ
となる。これは、図９（Ａ）－図９（Ｃ）に示すように、音響センサ４１では、位相と振幅が同じ２つの信号（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の感度出力Ｓａ／２、Ｓｂ／２）が重ね合わされたものが全体の感度出力Ｓtot＝Ｓａ（図９（Ｃ））として出力されることを表し、スリット４７を設けても音響センサ４１の感度出力Ｓtotはスリット４７を設ける前と変わりがないことを示している。
　一方、ノイズは熱雑音に由来するので、スリット４７によって互いに分離している音響センシング部６０ａと６０ｂではそれぞれ独立してランダムにノイズが発生している。このため音響センシング部６０ａのノイズと音響センシング部６０ｂのノイズは、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、位相や振幅の揃っていない独立な信号となっている。よって、音響センサ４１から出力されるノイズ出力Ｎtotは、図１０（Ｃ）に示すように、音響センシング部６０ａから出力されるノイズ出力Ｎａ／２と音響センシング部６０ｂから出力されるノイズ出力Ｎｂ／２との分散を加法する際の演算で求められる。すなわち、次式のようになる。
　　　Ｓtot＝√｛（Ｎａ／２）２＋（Ｎｂ／２）２｝
ここで、Ｎａ＝Ｎｂであるから、上式は、
　　　Ｓtot＝Ｎａ／√（２）
となる。
　上記のように、音響センサ４１の感度出力Ｓtotは加算され、ノイズ出力Ｎtotは分散を加法する際の演算で求められる。その結果、音響センサ４１のＳ／Ｎ比は、√（２）Ｓａ／Ｎａとなり、スリット４７を設けていない場合と比較すると、Ｓ／Ｎ比は√（２）倍となる（もしくは、３ｄＢ向上する）。試作品によれば、スリット４７を形成する前後で感度出力には変化が見られなかったが、ノイズ出力はスリット４７を設けることによって３ｄＢ低下した。よって、Ｓ／Ｎ比は、スリット４７を設けることによって＋３ｄＢ高くなった。
　よって、ダイアフラム４３にスリット４７を設けることによって音響センサ４１のＳ／Ｎ比を向上させられることが定量的に示された。
　つぎに、ダイアフラム４３に設けるスリット４７の長さ及び幅について考える。スリット４７の長さＬ（図６参照）は、ダイアフラム４３の幅を５０％以上横断していることが望ましい。すなわち、スリット４７の長さＬは、スリット４７を延長した線上におけるダイアフラム４３の幅に対して１／２以上の長さを有していることが望ましい。スリット４７は、ダイアフラム４３ａ側における変位とダイアフラム４３ｂ側における変位を隔絶させて不連続にするために設けられるが、スリット４７の長さＬがダイアフラム４３の幅の１／２よりも短いと、ダイアフラム４３ａ側とダイアフラム４３ｂ側における変位の不連続性が損なわれるからである。
　また、スリット４７の幅Ｗ（図６参照）は、１０μｍ以下であることが望ましい。スリット４７の幅Ｗが広すぎるとスリット４７を通ってエアギャップ５０からバックチャンバ４５へ漏れる空気量が増大し、ロールオフ周波数が高くなって音響センサ４１の低周波特性が悪化するからである。ロールオフ周波数Ｆroll-offとは、図１１に示すように、低周波数側で感度出力が一定デシベル低下したところの周波数である。一般的にロールオフ周波数Ｆroll-offは、ベントホール５２の音響抵抗Ｒventholeと、バックチャンバ４５内の空気のコンプライアンスＣbackchamber（＝空気バネ定数）に反比例し、次式で表される。
　　　Ｆroll-off ∝ １／（Ｒventholl・Ｃbackchamber）
従って、スリット４７の幅Ｗが大きくなると音響抵抗Ｒventholeが小さくなり、ロールオフ周波数Ｆroll-offが高くなり、音響センサ４１の低周波特性が悪くなる。音響抵抗Ｒventholeはスリット４７の長さＬにも影響されるが、例えばスリット４７の幅Ｗが１μｍであればロールオフ周波数Ｆroll-offは５０Ｈｚ以下であり、スリット４７の幅が１０μｍになるとロールオフ周波数Ｆroll-offは５００Ｈｚにもなる。このようにスリット４７の幅が１０μｍを超えると著しくロールオフ周波数が高くなって低周波特性が悪化し、音響センサ４１の感度が大きく損なわれてしまうので、スリット４７の幅Ｗは１０μｍ以下であることが望ましい。
　また、熱雑音によってダイアフラムの各部分に加わる圧力の合力は、ダイアフラムが剛性を有するとすれば、ダイアフラムの最大変位箇所に働く。スリット４７を形成する前のダイアフラム４３の最大変位箇所はその中心にあるから、スリット４７はダイアフラム４３の中心を通過するように形成し、分割された各ダイアフラム４３ａ、４３ｂがスリット４７を挟んでその両側にそれぞれ最大変位箇所を有するようにすることが望ましい。
　なお、上記実施形態１では、もっとも好ましい実施形態として、ダイアフラム４３ａ、４３ｂどうしを同じ形状及び同じ寸法とし、音響センシング部６０ａ、６０ｂが互いに実質的に同じ特性を持つようにしていた。しかし、本発明は、必ずしもこのような実施形態に限られるものではなく、ダイアフラム４３ａとダイアフラム４３ｂが異なる形状又は異なる寸法を有していて、音響センシング部６０ａと音響センシング部６０ｂが異なる特性を有していても差し支えない。
（第２の実施形態）
　図１２に本発明の実施形態２による音響センサ６１の平面図を示す。図１３は、天蓋部４４を除いた状態における音響センサ６１の平面図である。
　実施形態２の音響センサ６１では、ダイアフラム４３に複数本（図示例では３本）のスリット４７を設けて、ダイアフラム４３を３領域以上（図示例では４領域）に分割し、実質的に独立した複数個のダイアフラム４３ａ、４３ｂ、…を設けている。そして、各ダイアフラム４３ａ、４３ｂ、…と共通の固定電極板４９とによって複数個の音響センシング部６０ａ、６０ｂ、…（キャパシタ）を構成している。
　実施形態２の音響センサ６１は、実施形態１の音響センサ４１よりもダイアフラム４３の分割数を大きくしたものである。このようにスリット４７を増やしてダイアフラム４３の分割数を増加させた場合にも（各ダイアフラム４３ａ、４３ｂ、…の形状や面積が異なっていてもよい。）、実施形態１と同様な理由により音響センサ６１のＳ／Ｎ比を高くできる。さらに、ダイアフラム４３の分割数を増加させれば、それだけますます音響センサ６１のノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させる効果が高くなる。
（第３の実施形態）
　図１４は本発明の実施形態３による音響センサ６２の断面図である。図１５は、実施形態３の音響センサ６２の平面図である。
　実施形態３の音響センサ６２にあっては、ダイアフラム４３は実施形態１のようにアンカー４６によって支持されておらず、単にシリコン基板４２の上面に置かれているだけである。一方、バックプレート４８の下面のうち、ダイアフラム４３の外周部に対向する位置からは、ダイアフラム４３の上面に当接させるための突起７１が下方へ向けて突出させられている。したがって、ダイアフラム４３と固定電極板４９との間に電圧が印加されると、ダイアフラム４３は静電引力によって固定電極板４９へ向けて引き上げられる。上方へ引き上げられたダイアフラム４３は突起７１の下端面に当接して固定され、ダイアフラム４３と固定電極板４９との間には一定間隔のエアギャップ５０が形成される。そして、このダイアフラム４３に音響振動が加わると、ダイアフラム４３と固定電極板４９で構成されるキャパシタの静電容量が変化するので、音響振動が検出される。
　また、ダイアフラム４３には、１本（複数本であってもよい。）のスリット４７が設けられており、分割されたダイアフラム４３ａ、４３ｂと固定電極板４９によって２つの音響センシング部６０ａ、音響センシング部６０ｂが構成されている。よって、この音響センサ６２にあっても、実施形態１の場合と同様にして、音響センサ６２のＳ／Ｎ比が向上させられる。
（第４の実施形態）
　図１６は、本発明の実施形態４による音響センサ６３の分解斜視図である。図１７は、音響センサ６３の、天蓋部４４を取り除いた状態の平面図である。
　この音響センサ６３は、矩形のダイアフラム３４を用いたものである。シリコン基板４２には角柱状のバックチャンバ４５が開口されており、バックチャンバ４５の上面開口を覆うようにしてシリコン基板４２の上面にダイアフラム４３が配置されている。ダイアフラム４３の四隅には脚部７２が設けられており、ダイアフラム４３は、シリコン基板４２の上面に設けられたアンカー４６によって各脚部７２が固定されている。ダイアフラム４３は、対角方向のスリット４７によってダイアフラム４３ａと４３ｂに分割されている。天蓋部４４も、矩形状のダイアフラム４３を覆うように略矩形状に形成されている。
　図１７の破線は、ダイアフラム４３が音響振動で変位しているときの変位量を等高線で表したものであり、中心に近づくほど変位量が大きくなっている。このように四隅を固定されたダイアフラム４３では、中心が最大変位箇所となっており、ダイアフラム４３の最大変位箇所を通過するようにスリット４７を形成すれば、音響センサ６３のＳ／Ｎ比改善効果を大きくできる。
（第５の実施形態）
　図１８は、本発明の実施形態５による音響センサ６４の平面図である。図１９は、音響センサ６４の、天蓋部４４を取り除いた状態の平面図である。
　この音響センサ６４では、ダイアフラム４３の中心を通過するようにして、ダイアフラム４３の端から端までスリット４７を形成している。したがって、ダイアフラム４３は、スリット４７によって２つのダイアフラム４３ａと４３ｂに完全に分離されている。こうして分離された両ダイアフラム４３ａ、４３ｂは、シリコン基板４２の上面に形成された二股状の引出配線５３によって接続されている。
　このようにダイアフラム４３ａ、４３ｂを完全に分離させるようにすれば、音響センシング部６０ａ、６０ｂどうしの独立性が高くなる。
　なお、ダイアフラム４３をスリット４７によって完全に分割する場合、図２０に示すように、各ダイアフラム４３ａ、４３ｂに別々に引出配線５３ａ、５３ｂを設けてもよい。この引出配線５３ａ、５３ｂは、音響センサの外部で接続してもよく、信号処理回路（ＡＳＩＣ）内で接続してもよい。
（第６の実施形態）
　ダイアフラム４３にスリット４７を設ける場合には、ダイアフラム４３の最大変位箇所を通過するように設けることが好ましいが、スリット４７の方向については特に限定されるものではない。たとえば、実施形態４の音響センサ６３では、矩形状のダイアフラム４３の固定箇所を結ぶ方向、すなわちダイアフラム４３の対角方向にスリット４７を設けたが、必ずしもこれに限るものではない。図２１に示すように、矩形状のダイアフラム４３の辺と平行な方向にスリット４７を形成してもよい。この場合には、左右のベントホール５２の中央を結ぶ方向となるので、分割されたダイアフラム４３ａ、４３ｂはいずれも片持ち梁状に支持されることになる。
　また、図２２に示すように、スリット４７は、ダイアフラム４３の対角方向や辺に平行な方向から傾いていても差し支えない。
　図２１や図２２のように、スリット４７の方向がダイアフラム４３の固定箇所を向いていない場合には、分割されたダイアフラム４３ａ、４３ｂは片持ち梁状に支持される。そのためスリット４７の端の変位が大きくなり、スリット４７の端に応力集中が発生しやすくなる。応力集中が大きくなると、ダイアフラム４３が応力集中の影響を受けて破損しやすくなる。これに対し、実施形態４のようにスリット４７が対角方向を向いている場合には、スリット４７の端の変位が小さくなるので、スリット４７の端における応力集中も小さくなる。したがって、図２１や図２２のようなスリット４７の配置も可能であるが、スリット４７は実施形態４のようにダイアフラム４３の固定箇所どうしを結ぶ方向に設けることが望ましい。
（第７の実施形態）
　スリットの両側に形成される各ダイアフラムは、スリットを通過して一部つながっていても差し支えない。たとえば、図２３に示す実施形態では、１本のスリット４７が部分的に途切れていて、２本のスリット４７が直線状に並んだようになっている。したがって、スリット４７を挟んでその両側に位置するダイアフラム４３ａ、４３ｂどうしは、スリット４７の途切れた部分を通して部分的につながっている。このような形態であっても、スリット４７の途切れている部分の長さがあまり長くなければ問題ない。
（第８の実施形態）
　図２４は上記各実施形態の音響センサを用いたＭＥＭＳマイクロフォンの断面図である。また、図２５は、カバーを外した状態のマイクロフォンの平面図である。
　このマイクロフォン８１は、回路基板８２とカバー８３からなるパッケージ内に音響センサ６５と信号処理回路８４（ＡＳＩＣ）を内蔵させたものである。音響センサ６５と信号処理回路８４は、回路基板８２の上面に実装されている。音響センサ６５の電極パッド５８、５９は、それぞれボンディングワイヤ９１によって信号処理回路８４のパッド８５ａ、８５ｂに接続されている。回路基板８２の下面にはマイクロフォン８１を外部と電気的接続するための端子８８が複数個設けられ、回路基板８２の上面には端子８８と導通した電極部８９ａ－８９ｃ；９０ａ、９０ｂが設けられている。回路基板８２に実装された８４の各パッド８６ａ－８６ｃ；８７ａ、８７ｂは、それぞれボンディングワイヤ９２によって電極部８９ａ－８９ｃ；９０ａ、９０ｂに接続されている。なお、信号処理回路８４のパッドは、音響センサ６５へ電源を供給する機能や、音響センサ６５の容量変化信号を外部へ出力する機能を有するものである。
　回路基板８２の上面には、音響センサ６５及び信号処理回路８４を覆うようにしてカバー８３が取り付けられている。カバー８３の上面には、パッケージ内に音響振動を導き入れるための音導入孔９３が開口されている。また、パッケージは電磁シールドの機能を有しており、外部からの電気的な外乱や機械的な衝撃からマイクロフォン８１を保護している。
　したがって、音導入孔９３からパッケージ内に入った音響振動は、音響センサ６５によって検出され、信号処理回路８４によって所定の信号処理を施された後に出力される。ここで、音響センサ６５として本発明に係る音響センサを用いているので、Ｓ／Ｎ比の高いマイクロフォン８１となっている。
　なお、図２６は別な構造のマイクロフォン９４を示す。このマイクロフォン９４では、音導入孔９３はカバー８３でなく、シリコン基板４２の空洞部の下面に対向する位置において回路基板８２に開口されている。このマイクロフォン９４においては、回路基板８２の音導入孔９３から音響振動が導入されるので、シリコン基板４２の空洞部はフロントチャンバ９５となり、パッケージ内部の空間がバックチャンバ４５となる。よって、このような形態によれば、バックチャンバ４５の体積を大きくすることができ、マイクロフォン８１の感度をさらに向上させることができる。
　４１、６１－６５：　音響センサ、　　　４２：　シリコン基板、
　４３、４３ａ、４３ｂ：　ダイアフラム、　　　４４：　天蓋部、
　４５：　バックチャンバ、　　　４６：　アンカー、
　４７：　スリット、　　　４９：　固定電極板、
　５０：　エアギャップ、　　　５２：　ベントホール、
　６０ａ、６０ｂ：　音響センシング部、　　　８１、９４：　マイクロフォン、
　８２：　回路基板、　　　８３：　カバー、　　　８４：　信号処理回路

Claims (13)

  1. 　空洞部を有する基板と、
    　前記空洞部を覆うようにして前記基板の上方に配設された薄膜状のダイアフラムと、
    　前記ダイアフラムに形成された可動電極板と、
    　前記ダイアフラムに対向させるようにして前記基板の上面に固定されたバックプレートと、
    　前記可動電極板と対向する位置において前記バックプレートに設けた固定電極板とを備えた音響センサであって、
    　前記ダイアフラム及び前記可動電極板が複数領域に実質的に分割されていて、分割された各可動電極板と前記固定電極板によって複数個の並列に接続されたキャパシタが構成されていることを特徴とする音響センサ。
  2. 　前記ダイアフラム及び前記可動電極板は、スリットによって分割されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  3. 　前記スリットは、前記ダイアフラムの最大変位箇所を通過する位置に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  4. 　前記スリットによって分割された前記ダイアフラムの各領域は、前記スリットを挟んでそれぞれ最大変位箇所を有していることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  5. 　前記スリットは、前記ダイアフラムの支持箇所のうちいずれか２つの支持箇所を結ぶ線分上に位置していることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  6. 　前記スリットが部分的に途切れていて、当該スリットを挟んでその両側に位置するダイアフラムの各領域どうしが当該スリットの途切れた部分を通して部分的につながっていることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  7. 　前記スリットの幅が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  8. 　前記スリットの長さは、当該スリットの延長方向における前記ダイアフラムの差し渡し長さの１／２以上であることを特徴とする、請求項２に記載の音響センサ。
  9. 　前記ダイアフラムが円形状であることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  10. 　前記ダイアフラムが矩形状であることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  11. 　前記ダイアフラムは、その縁を複数箇所で前記基板又は前記バックプレートに支持されており、当該支持箇所のうち隣接する支持箇所の間の少なくとも一箇所に空隙が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  12. 　音響振動が前記空洞部を通って前記ダイアフラムに到達することを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  13. 　請求項１に記載した音響センサと、前記音響センサから出力された信号を処理するための回路とを備えたマイクロフォン。
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