專利名稱：靜電電容式振動傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電電容式振動傳感器，特別是涉及使用MEMS (MicroElectro Mechanical System)技術(shù)或細微加工技術(shù)所制作的微型尺寸的振動傳感器。
背景技術(shù)：
圖1表示靜電電容式振動傳感器的基本結(jié)構(gòu)。振動傳感器11在中央部開口的基 板12的上表面配置振動電極板13并用固定電極板14將振動電極板13的上方覆蓋，在固 定電極板14上開設(shè)有多個音響孔15(聲孔)。但是，若音響振動16向振動傳感器11空氣 傳播時，音響振動16通過音響孔15而使振動電極板13振動。振動電極板13振動時，振動 電極板13與固定電極板14之間的電極間距離發(fā)生變化，因此，通過檢測振動電極板13與 固定電極板14之間的靜電容的變化，可以將音響振動16(空氣振動)轉(zhuǎn)換為電信號進行輸 出。 在這種振動傳感器11中，音響孔15具有如下的作用
(1)不將聲壓施加在固定膜上的作用
(2)減輕振動電極板的衰減，使高頻率特性良好的作用
(3)作為制作氣隙時的蝕刻孔的作用。 另外，音響孔15也對通風(fēng)孔的作用產(chǎn)生較大影響。以下，對音響孔15及通風(fēng)孔的 作用等進行說明。(不將聲壓施加在固定膜上的作用) 在振動傳感器11中，通過音響振動16而強制地使振動電極板13振動并檢測音響 振動16，固定電極板14也與振動電極板13同時振動時，音響振動的檢測精度變差。因此， 在振動傳感器11中，使固定電極板14的剛性比振動電極板13高，通過在固定電極板14上 開設(shè)音響孔15，而將聲壓從音響孔15釋放，固定電極板14很難因聲壓而產(chǎn)生振動。
(減輕振動電極板的衰減，使高頻率特性良好的作用) 沒有音響孔15時，成為將空氣封入在振動電極板13與固定電極板14之間的氣隙 17(間隙)內(nèi)的狀態(tài)。這樣封入的空氣隨著振動電極板13的振動而被壓縮或膨脹，故而振 動電極板13的振動由于空氣而被衰減。對此，在固定電極板14上設(shè)有音響孔15時，氣隙 17中的空氣通過音響孔15而進出，故而很難使振動電極板13的振動衰減，振動傳感器11 的高頻率特性良好。(作為制作氣隙時的蝕刻孔的作用) 在利用表面微細加工技術(shù)在固定電極板14與振動電極板13之間形成氣隙17的 方法中，在基板12與振動電極板13之間、及振動電極板13與固定電極板14之間形成有保 護層，并且，從在固定電極板14開設(shè)的音響孔15向內(nèi)部導(dǎo)入蝕刻液而將保護層蝕刻除去， 在振動電極板13與固定電極板14之間形成有氣隙17。
(通風(fēng)孔和音響孔的關(guān)系) 以不與振動電極板13的振動相干涉的方式在基板12上設(shè)有貫通孔及凹部。在基板12的上表面設(shè)有凹部(背室18)的情況下，背室18被基板的下表面?zhèn)榷伦?。貫通孔雖 然從基板的上表面向下表面貫通，但由于將振動傳感器安裝在配線基板等上，貫通孔的下 表面多會由配線基板等堵住(因此，以下也將貫通孔稱為背室18)。因此，背室18內(nèi)有時與 大氣壓不同。另外，由于音響孔15的通氣阻力，故而氣隙17內(nèi)有時也與大氣壓不同。
其結(jié)果是，伴隨周圍氣壓變動及溫度變化等，在振動電極板13的上表面?zhèn)?氣隙 17)和下表面?zhèn)?背室18)產(chǎn)生壓力差而使振動電極板13撓曲，可能成為振動傳感器11的 測定誤差。因此，在一般的振動傳感器11中，如圖1所示，在振動電極板13上或在振動電 極板13與基板12之間設(shè)置通風(fēng)孔19，使振動電極板13的上表面?zhèn)群拖卤砻鎮(zhèn)冗B通，消除 上表面?zhèn)扰c下表面?zhèn)鹊膲毫Σ睢?但是，在位于通風(fēng)孔19附近的音響孔15大的情況下，從該音響孔15通過通風(fēng)孔 19到達背室18的通氣路徑20(圖1中由箭頭標(biāo)記表示)的聲阻變小。因此，從通風(fēng)孔19 附近的音響孔15進入振動傳感器11內(nèi)的低頻音響振動容易通過通風(fēng)孔19穿越背室18。 其結(jié)果是，通過通風(fēng)孔19附近的音響孔15的低頻音響振動不會使振動電極板13振動，而 向背室18側(cè)泄漏，使振動傳感器11的低頻特性變差。 另外，如圖2所示，灰塵、微小粒子等塵埃23從音響孔15侵入時，塵埃23堆積在 氣隙及通風(fēng)孔上。但是，通風(fēng)孔19 一般比氣隙窄，故而塵埃23進入通風(fēng)孔19時會引起通 風(fēng)孔19堵塞，妨礙振動電極板13的振動，或使振動頻率變化，會損害振動傳感器的靈敏度 及頻率特性。(關(guān)于電極板彼此的粘附) 另外，在圖1這樣的振動傳感器11中，在其制造工序及使用中，往往產(chǎn)生電極板彼 此間的粘附。所謂粘附是指，如圖3(b)所示，振動電極板13的局部或大致整體固著在固定 電極板14上不能分離的狀態(tài)。振動電極板13粘附在固定電極板14上時，會妨礙振動電極 板13的振動，因此，不能利用振動傳感器11檢測出音響振動。 圖3(a)及圖3(b)是用于說明在振動傳感器11中產(chǎn)生粘附的原因的示意圖。振 動傳感器11利用微細加工技術(shù)制造，因此，例如在蝕刻后的洗凈工序中，水份w浸入振動電 極板13與固定電極板14之間。另外，在振動傳感器ll的使用中，會有濕氣滯留在振動電 極板13與固定電極板14之間、或振動傳感器11被水浸濕的情況。 另一方面，振動傳感器11具有微小尺寸，因此，振動電極板13與固定電極板14之 間的間距僅為數(shù)Pm。并且，為了提高振動傳感器11的靈敏度，使振動電極板13的膜厚減 薄至1 y m左右，振動電極板13的彈性弱。 因此，在這種振動傳感器11中，例如以下說明地，會經(jīng)過兩階段的過程產(chǎn)生粘附。 在第一階段中，如圖3(a)所示，水份w浸入到振動電極板13與固定電極板14之間時，因該 水份w產(chǎn)生的毛細管力Pl以及表面張力，將振動電極板13吸附在固定電極板14上。
在第二階段中，如圖3(b)所示，振動電極板13與固定電極板14之間的水份w蒸 發(fā)后，振動電極板13附著在固定電極板14上并保持該狀態(tài)。作為在水份蒸發(fā)后也將振動 電極板13固著并保持在固定電極板14上的力P2，具有作用在振動電極板13表面與固定電 極板14表面之間的分子力、表面間力、靜電力等。其結(jié)果，振動電極板13保持為附著在固 定電極板14的狀態(tài)，導(dǎo)致振動傳感器11不能發(fā)揮作用。 另外，在此對因浸入的水份的毛細管力，而在第一階段中將振動電極板13附著在固定電極板14上的情況進行了說明，但也有除水份以外的液體引起附著的情況，還有對振 動電極板施加大的聲壓而使振動電極板附著在固定電極板上的情況。另外，由于振動電極 板帶靜電而固定電極板上也會導(dǎo)致第一階段過程的產(chǎn)生。
(關(guān)于熱雜音產(chǎn)生的噪音) 另外，本發(fā)明的發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)在振動傳感器產(chǎn)生的噪音是由振動電極板13與固 定電極板14之間的氣隙17中的熱雜音(空氣分子的震動)引起的。S卩，如圖4(a)所示， 處于振動電極板13與固定電極板14之間的氣隙即準(zhǔn)密閉空間內(nèi)的空氣分子a因震動而 撞擊振動電極板13，在振動電極板13上施加由與空氣分子a的撞擊產(chǎn)生的微小力，并且施 加在振動電極板13上的微小力隨機地變動。因此，振動電極板13因熱雜音而產(chǎn)生振動，在 振動傳感器上產(chǎn)生電噪音。特別是，在靈敏度高的振動傳感器(麥克風(fēng))中，由這種熱雜音 引起的噪音變大，S/N比變差。 本發(fā)明的發(fā)明者們根據(jù)得到的結(jié)論判明，如圖4(b)所示，通過在固定電極板14上
設(shè)置音響孔15來減輕這種由熱雜音引起的噪音。并且，得到音響孔15的開口面積越大、進
而音響孔15的配置間隔越窄，則越減輕噪音的結(jié)論。這是因為，在固定電極板14上設(shè)置音
響孔15時，氣隙17內(nèi)的空氣易從音響孔15釋放，與振動電極板13撞擊的空氣分子a的
數(shù)量減少，噪音降低。(以往公知的振動傳感器) 作為靜電電容式振動傳感器，例如有專利文獻1 (日本特開2007-274293號公報) 公開的電容式麥克風(fēng)。在該振動傳感器中，如專利文獻l的圖l及圖2所示，振動電極板 (12 :涉及專利文獻1的振動傳感器所示的帶括號的符號是專利文獻1中所使用的符號，以 下同)和固定電極板(3)相對向，在振動電極板的端部形成有通風(fēng)孔(15)，在固定電極板上 均等地排列有大小均一的音響孔(5)。 但是，在這種振動傳感器中，由于音響孔的大小均一，故而擴大音響孔的開口面積 時，通風(fēng)孔附近的音響孔也變大，包含通風(fēng)孔的通氣路徑的聲阻減小。其結(jié)果，具有振動傳 感器的低頻特性變差的問題。 另外，若增大音響孔的開口面積，則塵埃也容易從通風(fēng)孔附近的音響孔侵入，容易 由侵入的塵埃堵塞通風(fēng)孔(參照圖2)，容易使振動電極膜的振動特性變化、振動傳感器的 靈敏度及頻率特性變化。 相反，在專利文獻1的振動傳感器中，若縮小音響孔的開口面積，則振動電極板的 衰減抑制效果降低，因此，振動傳感器的高頻特性降低。另外，若縮小音響孔的開口面積，固 定電極板易承到聲壓，振動傳感器的精度也容易降低。 因此，在專利文獻1的振動傳感器中存在下述問題，若擴大音響孔的開口面積，則 振動傳感器的低頻特性降低，或塵埃造成的傳感器的特性變化容易變大；相反，若縮小音響 孔的開口面積，則高頻特性容易降低，或固定電極板受到聲壓而容易導(dǎo)致加速傳感器精度 的降低。 另外，在利用細微加工技術(shù)所制作的振動傳感器中，具有上述的粘附的問題，并 且，粘附和振動電極板與固定電極板之間的接觸面積相關(guān)。因此，在專利文獻l的振動傳感 器中，音響孔的開口面積減小時，存在易引起電極板彼此粘附的問題。 另外，在專利文獻1的振動傳感器中，縮小音響孔的開口面積時，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明者們得到結(jié)論，存在振動傳感器的熱雜音引起的噪音變大的問題。 [OO37](以往公知的其它振動傳感器) 作為以往的其它振動傳感器，具有專利文獻2 (美國專利第6535460號說明書)公 開的傳感器。在這種傳感器中，如專利文獻2的圖2及圖3所示，振動電極板(12 ;關(guān)于專利 文獻2的振動傳感器所示的帶括弧的符號為專利文獻2中使用的符號，以下同)和固定電 極板(40)相對向，在振動電極板與基板(30)之間形成有間隙。在固定電極板的下表面形 成有圓環(huán)狀的突條(41)，在固定電極板中比突條更靠內(nèi)側(cè)的圓形區(qū)域形成有通孔(21)，在 固定電極板中比突條更靠外側(cè)的圓環(huán)狀區(qū)域設(shè)有通孔(14)。比突條更靠內(nèi)側(cè)的通孔(21) 的各個開口面積都比外側(cè)的通孔大，并且，以比外側(cè)的通孔小的間隔有規(guī)則地排列。比突條 更靠外側(cè)的通孔(14)的各個開口面積都比內(nèi)側(cè)的通孔小，并且，以比內(nèi)側(cè)的通孔大的間隔 不均等地形成。 但是，在這種振動傳感器中，設(shè)于固定電極板的內(nèi)周部的通孔(21)和外周部通孔 (14)排列的間隔相差很大，并且外周部的通孔的排列不均等，因此，在振動傳感器的制造工 序中，在對形成于振動電極板與固定電極板之間的保護層進行蝕刻的工序中，具有蝕刻不 均等并且蝕刻所需時間不必要地變長的問題。 圖5表示在圖1所示的振動傳感器11中不均等地配置音響孔15 (通孔)的情況。 圖5(a)是表示通過不均等地配置的音響孔15蝕刻去除保護層22的中途狀態(tài)的示意平面 圖，圖5(b)是表示圖5(a)的X-X線剖面圖，圖5(c)是表示通過不均等地配置的音響孔15 蝕刻去除保護層22后的狀態(tài)的示意剖面圖。 由于從各音響孔15浸入的蝕刻液的蝕刻速度相同，因此，在音響孔15如圖5(a) 不均等地配置時，保護層22的蝕刻不均一地進行，如圖5(b)所示，在音響孔15間的間隔狹 窄的區(qū)域，保護層22的蝕刻快速地進行，在音響孔15間的間隔寬的區(qū)域，保護層22的蝕刻 進行得慢。因此，在音響孔15的間隔寬的區(qū)域，完成對保護層22蝕刻的時間變長，結(jié)果，蝕 刻所需時間不必要地變長。另外，在音響孔15的間隔窄的區(qū)域，保護層22被蝕刻而露出固 定電極板14及振動電極板13后，仍繼續(xù)被蝕刻，因此，如圖5(c)所示地固定電極板14等 的蝕刻程度變大。其結(jié)果，即使在蝕刻工序的途中，固定電極板14等也承受不均等的應(yīng)力， 固定電極板14等有可能被破壞。另外，即使固定電極板14等沒有達到破損程度的情況下， 由于音響孔15配置的不均等性，固定電極板14等被蝕刻的程度、即局部的厚度產(chǎn)生偏差， 會產(chǎn)生振動傳感器的特性不良。 因此，即使是專利文獻2記載的振動傳感器中，由于通孔(21、14)的配置不均等， 在蝕刻程度上產(chǎn)生偏差，存在振動傳感器的不良發(fā)生率增加，或者蝕刻所需時間不必要地 變長的問題。 另外，在專利文獻2記載的振動傳感器中，其結(jié)構(gòu)為振動電極板若除去其配線引 出部分則與基板分離，在振動傳感器的使用狀態(tài)下，通過在振動電極板與固定電極板之間 作用的靜電引力將振動電極板向固定電極板側(cè)吸引，與突條的下表面抵接。因此，振動電極 板與固定電極板之間的氣隙成為周圍被突條包圍的大致密閉的空間。因此，即使在振動電 極板與基板之間形成間隙，振動電極板的下表面?zhèn)瓤臻g(背室)和上表面?zhèn)瓤臻g(氣隙) 也被突條間隔開而不連通。即，在專利文獻2的振動傳感器中，振動電極板與基板之間的間 隙不起到作為通風(fēng)孔的作用，因此不是通風(fēng)孔。
同樣地，內(nèi)周側(cè)的通孔(21)與氣隙連通而具有音響孔的作用，但外周側(cè)的通孔 (14)不與氣隙連通，所以沒有起到音響孔的作用。因此，在專利文獻2的振動傳感器中，只 有內(nèi)周側(cè)的通孔(21)成為音響孔，專利文獻2的振動傳感器和專利文獻1的振動傳感器一 樣，為有規(guī)則地排列有開口面積均一的音響孔的傳感器。 另外，在專利文獻2的振動傳感器中，通過靜電引力將振動電極板向固定電極板 側(cè)吸引而使其與突條的下表面抵接，因此，振動電極板的上表面整個一周被突條的下表面 保持或者大致固定，振動電極板的振動由于與突條的接觸而被抑制，存在容易使振動傳感 器的靈敏度降低的問題。 專利文獻1 :(日本)特開2007-274293號公報
專利文獻2 :(美國)專利第6535460號說明書

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述的技術(shù)課題而作出的，其目的在于提供一種振動傳感器，能夠 消除如下這類相互相反的問題若擴大音響孔的開口面積，則通過通風(fēng)孔的通氣路徑的聲 阻變小，因此，振動傳感器的低頻特性降低，或在通風(fēng)孔易堵塞塵埃而使耐塵埃性降低；另 外，若縮小音響孔的開口面積，則振動電極板的衰減抑制效果降低，振動傳感器的高頻率特 性降低，或固定電極板易受到聲壓而傳感器精度降低，或者容易引起電極板彼此的粘附，或 者氣隙的熱雜音產(chǎn)生的噪音增大。 本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器，其具備基板，在該基板上形成有貫通表面及背
面的貫通孔，所述靜電電容式振動傳感器以如下的方式配置在所述基板的表面?zhèn)龋珺卩，使受
到振動而進行膜振動的振動電極板與開設(shè)有多個音響孔的固定電極板相對向，并且將所述
貫通孔的基板表面?zhèn)乳_口覆蓋，其特征在于，所述振動電極板的外周部分的下表面被部分
地固定在所述基板上，在所述基板的表面和所述振動電極板的下表面之間形成有用于使所
述振動電極板的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗B通的通風(fēng)孔，在所述固定電極板中與所述振動電極板相
對向的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的外周部設(shè)有音響孔，該音響孔的開口面積比在所述區(qū)域內(nèi)的外
周部以外設(shè)置的音響孔的開口面積小。在此，外周部的音響孔的開口面積是指每一個音響
孔的開口面積。另外，設(shè)置于外周部以外的音響孔的開口面積是指每一個音響孔的開口面
積，在該開口面積不均等時，是指設(shè)置于外周部以外的音響孔的平均開口面積。 本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器中，由于在固定電極板中與振動電極板相對向的
區(qū)域內(nèi)的外周部設(shè)有音響孔，該音響孔的開口面積比在所述區(qū)域內(nèi)的外周部以外設(shè)置的音
響孔的開口面積小，因此，在所述區(qū)域的外周部即通風(fēng)孔附近可減小音響孔的開口面積，能
夠增大從通風(fēng)孔附近的音響孔通過通風(fēng)孔的通氣路徑的聲阻，可以使振動傳感器的低頻特
性良好。 另外，由于可以在通風(fēng)孔附近使音響孔的開口面積較小，因此，通風(fēng)孔不易被從音 響孔侵入的塵埃堵塞，振動傳感器的耐塵埃性提高，振動傳感器的靈敏度及頻率特性穩(wěn)定。
另一方面，由于可以使在所述區(qū)域的外周部以外的區(qū)域設(shè)置的音響孔的開口面積 較大，能夠有效地抑制振動電極板與固定電極板之間的氣隙內(nèi)的空氣造成的振動電極板的 衰減，可以提高振動傳感器的高頻特性。另外，由于能夠在外周部以外的區(qū)域使音響孔的開 口面積較大，故而固定電極板不易受到聲壓，傳感器精度提高。另外，由于能夠在外周部以外的區(qū)域使音響孔的開口面積較大，故而振動電極板與固定電極板的接觸面積減小，不易 引起電極板彼此的粘附。另外，由于能夠在外周部以外的區(qū)域使音響孔的開口面積較大，故 而可以降低振動傳感器的由熱雜音產(chǎn)生的電噪音。 其結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器，能夠解決現(xiàn)有的振動傳感器的上 述相反的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻至高頻的頻率特性良好、S/N比良好、傳感器精度也優(yōu)異且電 極板彼此的粘附也難以產(chǎn)生的振動傳感器。 另外，本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器中，由于振動電極板的外周部分的下表面 被局部地固定，所以振動電極板受到振動時，難以抑制該振動，振動傳感器的靈敏度不易降 低。 本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器的一方面中，在所述固定電極板的音響孔形成區(qū) 域設(shè)立具有均等形狀及均等面積且規(guī)則地排列的多個小區(qū)域，以音響孔的中心置于各小區(qū) 域內(nèi)的方式在各小區(qū)域內(nèi)分別配置有一個音響孔。根據(jù)這樣的振動傳感器，由于可以使音 響孔規(guī)則或大致規(guī)則地排列，因此，在利用微細加工技術(shù)用蝕刻液從音響孔蝕刻去除保護 層的工序中，能夠在整個保護層大致均等地進行保護層的蝕刻。其結(jié)果是，在保護層的各部 分大致同時完成蝕刻，故而可以縮短蝕刻所需的時間。并且，固定電極板等難以局部地大范 圍地被蝕刻，因此固定電極板等不易破損生，可以降低振動傳感器的不良。
在本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器中，優(yōu)選在所述固定電極板中與所述振動電極 板相對向的區(qū)域的外周部設(shè)置的開口面積小的音響孔的直徑為0. 5 ii m 10 ii m，在所述區(qū) 域內(nèi)的外周部以外設(shè)置的音響孔的直徑為5 ii m 30 ii m，鄰接的音響孔彼此的中心間距為 10 ii m 100 ii m。這是因為，所述區(qū)域的外周部的音響孔的直徑小于0. 5 ii m時，作為外周 部的音響孔的作用(例如作為蝕刻孔的作用)被破壞，另外，若外周部的音響孔的直徑大 于10 ii m，則從外周部的音響孔通過通風(fēng)孔的通氣路徑的聲阻變得過小而使低頻特性變差， 或者塵埃容易侵入。若外周部以外的區(qū)域的音響孔的直徑小于5ym，則氣隙的聲阻變大， 噪音變大，并且作為音響孔的作用不充分，另外，若外周部以外的區(qū)域的音響孔的直徑大于 30iim，則相對向的電極彼此的面積變小，傳感器靈敏度降低，并且固定電極板的強度過低。 另外，鄰接的音響孔彼此的中心間距小于10ym時，相對向的電極彼此的面積變小，振動傳 感器的靈敏度降低，并且會使固定電極板的強度過低，另外，鄰接的音響孔彼此的中心間距 大于lOOiim時，氣隙的聲阻變大，噪音變大，或者蝕刻去除保護層時難以均等地蝕刻保護層。 在本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器的另一方面中，在所述振動電極板的外周部分 或其附近，在所述固定部分以外的區(qū)域開設(shè)有縫隙。在該方面中，在振動電極板的外周部分 或其附近，在固定部分以外的區(qū)域開設(shè)有縫隙，因此，可以使振動電極板的彈性常數(shù)減小而 變得柔軟，能夠使振動傳感器高靈敏度化。 在本發(fā)明的靜電電容式振動傳感器的又一方面中，在所述基板的表面相互隔開間 隔而配設(shè)多個保持部，利用所述保持部局部地支承所述振動電極板的外周部分的下表面。 在該方面中，利用保持部支承振動電極板，由此，可使振動電極板從基板浮起，可在基板與 振動電極板之間形成通風(fēng)孔。 另外，本發(fā)明的用于解決上述課題的方式具有將以上說明的構(gòu)成要素適當(dāng)組合的 特征，本發(fā)明通過將上述結(jié)構(gòu)要素適當(dāng)組合而可進行多種變更。


圖1是表示靜電電容式振動傳感器的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖； 圖2是表示在振動傳感器內(nèi)侵入塵埃的情況的示意剖面圖； 圖3(a) 、 (b)是表示振動電極板和固定電極板粘附的情況的示意圖； 圖4(a)、 (b)是用于說明氣隙內(nèi)的空氣分子造成的熱雜音的示意圖； 圖5 (a) 、 (b) 、 (c)是說明在圖1所示的振動傳感器中不均等地配置音響孔時保護
層被蝕刻的情況的示意圖； 圖6是表示第一實施方式的靜電電容式振動傳感器的示意剖面圖；
圖7是第一實施方式的振動傳感器的分解立體圖；
圖8是第一實施方式的振動傳感器的平面圖； 圖9是第一實施方式的振動傳感器的、去除了固定電極板的狀態(tài)的平面圖；
圖10是說明音響孔的配置的方式的圖； 圖11 (a) 、 (b) 、 (c)是表示在第一實施方式的振動傳感器的制造工序中，層積在振 動電極板與固定電極板之間的保護層蝕刻去除的工序的示意圖； 圖12是說明第一實施方式的振動傳感器能夠抑制電極板彼此的粘附的理由的



平面圖
剖面圖.
圖13是表示內(nèi)側(cè)的音響孔的直徑和氣隙的聲阻的關(guān)系的圖14是表示內(nèi)側(cè)的音響孔的直徑和電極面積比的關(guān)系的圖15是表示外周部的音響孔的直徑和通氣路徑的聲阻的關(guān)系的圖16是表示本發(fā)明第二實施方式的振動傳感器的平面圖17是在第二實施方式的振動傳感器中去除振動傳感器的固定電極膜的狀態(tài)的 圖18(a)是表示本發(fā)明第三實施方式的振動傳感器的平面圖，圖18(b)是其示意
附圖標(biāo)記說明
31、51、61 振動傳感器
32硅基板
34振動電極板
35氣隙
36固定電極板
37貫通孔
38固定部
39膜片
42保護層
43a、43b 音響孔44電極焊盤
45通風(fēng)孔
47電極焊盤
52 縫隙
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。但是，本發(fā)明不限于以下的實 施方式，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)可以進行各種設(shè)計變更。
(第一實施方式) 以下，參照圖6 圖12說明本發(fā)明的第一實施方式。首先，圖6是表示第一實施 方式的靜電電容式振動傳感器31的示意剖面圖，右半部分的截面表示通過振動電極板的 固定部的截面，左半部分的截面表示通過固定部與固定部之間的截面。另外，圖7是振動傳 感器31的分解立體圖，圖8是振動傳感器31的平面圖，圖9是振動傳感器31上表面的除 去固定電極板后的狀態(tài)的平面圖。 該振動傳感器31是靜電電容式傳感器，在硅基板32上表面經(jīng)由絕緣覆膜33設(shè)置
有振動電極板34，在其上經(jīng)由微小的氣隙35設(shè)有固定電極板36。該振動傳感器31主要作
為檢測聲音等并將其轉(zhuǎn)換成電信號而輸出的音響傳感器及麥克風(fēng)使用。 如圖6及圖7所示，在硅基板32上設(shè)有棱柱狀的貫通孔37或角錐梯形的凹部(背
室)。圖中表示棱柱狀的貫通孔37。硅基板32的尺寸平面看為1 1.5mm見方(也可以
比其小)，硅基板32的厚度為400 500 ii m左右。在硅基板32的上表面形成有由氧化膜
等構(gòu)成的絕緣覆膜33。 振動電極板34由膜厚1 ii m左右的多晶硅薄膜形成。振動電極板34為大致矩形 的薄膜，在其四角形成有固定部38。振動電極板34覆蓋貫通孔37或凹部的上表面開口而 配置在硅基板32的上表面，各固定部38經(jīng)由保護層42固定在絕緣覆膜33上。圖9中，用 斜線表示振動電極板34中被固定在硅基板32上表面的區(qū)域。振動電極板34中在貫通孔 37或凹部的上方被懸空地支承的部分(在該實施方式中除固定部38和延伸部46以外的部 分)成為膜片39(可動部分)，其感應(yīng)聲壓而進行膜振動。另外，由于固定部38固定在由保 護層42構(gòu)成的保持部42a上，所以振動電極板34從硅基板32的上表面稍微浮起，在四角 的固定部38和固定部38之間的各邊，在膜片39的邊緣與硅基板32的上表面之間形成有 間隙、即通風(fēng)孔45。 固定電極板36在由氮化膜構(gòu)成的絕緣性支承層40的上表面設(shè)有由金屬制薄膜構(gòu) 成的固定電極41。固定電極板36配置在振動電極板34的上方，在與膜片39相對向的區(qū)域 的外側(cè)，經(jīng)由氧化膜等構(gòu)成的保護層42(保護層蝕刻后殘存的部分)固定在硅基板32的上 表面。固定電極板36在與膜片39相對向的區(qū)域，間隔3 ii m左右的氣隙35覆蓋膜片39。
在固定電極41和支承層40上，從上表面貫通下表面而穿設(shè)有多個用于使音響振 動通過的音響孔(聲孔)43a、43b。在固定電極板36的端部具備與固定電極41導(dǎo)通的電極 焊盤44。另外，振動電極板34在聲壓的作用下產(chǎn)生振動，故而為lym左右的薄膜，但由于 固定電極板36是在聲壓的作用下不振動的電極，所以其厚度例如為2ym以上這種厚度。
另外，在支承層40的端部開設(shè)的開口和在其周圍上表面設(shè)有電極焊盤47，電極焊 盤47的下表面與振動電極板34的延出部46導(dǎo)通。因此，振動電極板34和固定電極板36 被電絕緣，利用振動電極板34和固定電極41構(gòu)成電容器。 在第一實施方式的振動傳感器31中，音響振動(空氣的疏密波)從上表面?zhèn)冗M入時，該音響振動通過固定電極板36的音響孔43a、43b到達膜片39，使膜片39振動。膜片39振動時，因膜片39與固定電極板36之間的距離產(chǎn)生變化，由此，膜片39與固定電極41之間的靜電電容發(fā)生變化。因此，如果在電極焊盤44、47之間施加有直流電壓，將該靜電電容的變化作為電信號取出，則就能將音響振動轉(zhuǎn)換為電信號而進行檢測。
另外，上述振動傳感器31使用微細加工(半導(dǎo)體微細加工)技術(shù)制造，因其制造方法是公知的技術(shù)，故而省略說明。 接著，對設(shè)置在固定電極板36的音響孔43a、43b的配置進行說明。如圖8所示，音響孔43a、43b形成在固定電極板36中與振動電極板34相對向的區(qū)域(更優(yōu)選與膜片39相對向的區(qū)域)。音響孔43a、43b以正方形、六邊形、鋸齒狀等規(guī)則的圖形在固定電極板36上有規(guī)則地排列。在圖8所示的例子中，將音響孔43a、43b以一定的間距正方形地排列，音響孔43a彼此的間距、音響孔43b彼此的間距、音響孔43a與音響孔43b之間的間距彼此相等。在固定電極板36中與振動電極板34或膜片39相對向的區(qū)域(以下，稱為對置區(qū)域)的外周部設(shè)有音響孔43b，在對置區(qū)域外周部以外的區(qū)域(g卩，內(nèi)側(cè)區(qū)域)設(shè)有音響孔43a，且音響孔43b的開口面積比音響孔43a的開口面積小。另外，所謂外周部是指處于例如距與振動電極板34的邊緣(即通風(fēng)孔45的端部)相對向的位置lOOym以內(nèi)的距離的區(qū)域。
在圖8所示的示例中，音響孔43a的大小(開口面積)均等，音響孔43b的大小(開口面積)也均等，但音響孔43a、43b的大小即使分別具有偏差也無妨。但是，如果是大致圓形的音響孔43a、43b的情況下，優(yōu)選外周部的音響孔43b的直徑Db為0. 5 y m 10 y m，優(yōu)選內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑Da為5 ii m 30 ii m(其中，Da > Db)。另外，優(yōu)選鄰接的音響孔43a、43b彼此的中心間距離p(間距)為10iim 100iim(其中，p >Da)。關(guān)于該依據(jù)在后文說明。 對置區(qū)域中外周部的音響孔43b的開口面積比內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a小，這并不意味著外周部的音響孔43b比內(nèi)側(cè)區(qū)域的任意的音響孔43a小。內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積基本上都比外周部的音響孔43b大，但即使在內(nèi)側(cè)區(qū)域也設(shè)有少量與音響孔43b相同大小或比音響孔43b小的音響孔，對本實施方式的振動傳感器31的作用效果也幾乎沒有影響。因此，內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的大小不均等時，只要外周部的音響孔43b的開口面積比內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積的平均值小即可。 另外，優(yōu)選音響孔43a、43b的間距p為一定，只要音響孔43a、43b大致均等地分布，就不一定必須以一定的間距排列。即，音響孔43a、43b即使不是嚴格意義上的規(guī)則配置，只要大致規(guī)則地排列即可。自規(guī)則配置的偏差，只要音響孔43a、43b的中心間距離中的最大值是最小值的2倍以下即可。換言之，音響孔43a、43b只要如下設(shè)定即可。
g卩，如圖10所示，設(shè)想在固定電極板36的音響孔形成區(qū)域隔開間隔d將形成邊長為a的正方形小區(qū)域A規(guī)則地配置成正方形。而且，使中心處于小區(qū)域A內(nèi)而在各個小區(qū)域A的任意位置適當(dāng)配置有一個音響孔43a、43b。其結(jié)果是，音響孔43a、43b在所控制的偏差的范圍內(nèi)大致規(guī)則地排列。在這樣的配置中，音響孔43a、43b的最小中心間距如圖10的中段那樣地為d，音響孔43a、43b的最大中心間距如圖10的下段那樣地為d+2a，因此，若以滿足2a< d的關(guān)系的方式設(shè)定小區(qū)域A，則音響孔43a、43b的中心間距中的最大值為最小值的2倍以下。另外，若將間隔d設(shè)定為10 ii m以上，則相鄰的音響孔43a、43b彼此的中心間距p為10 ii m以上，若將d+2a的值設(shè)定為100 ii m以下，則相鄰的音響孔43a、43b彼此的中心間距p為100iim以上，鄰接的音響孔43a、43b彼此的中心間距p保持在10 y m 100iim。(作用效果) 根據(jù)該振動傳感器31，由于外周部的音響孔43b的開口面積比內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積小，故而通風(fēng)孔45附近的音響孔43b的開口面積變小。其結(jié)果是，從通風(fēng)孔45附近的音響孔43b通過通風(fēng)孔45到達貫通孔37的通氣路徑(低聲路徑)的聲阻變大，低頻的音響振動難以通過該通氣路徑向貫通孔37側(cè)泄漏，振動傳感器31的低頻率特性良好。 另夕卜，由于通風(fēng)孔45附近的音響孔43b的開口面積變小，故而塵埃不易通過音響孔43b侵入內(nèi)部，振動傳感器31的耐塵埃性提高。其結(jié)果是，從音響孔43b侵入的塵埃不易堵塞通風(fēng)孔45(參照圖2)，很難因在通風(fēng)孔45堵塞的塵埃妨礙振動電極板34的振動，振動傳感器31的靈敏度及頻率特性穩(wěn)定。而且，由于開口面積小的音響孔43b的比例小，所以即使音響孔43b被塵埃堵塞，對振動傳感器31的噪音及高頻率特性的影響也很小。
另一方面，由于設(shè)于內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積大，故而氣隙35內(nèi)的空氣容易通過音響孔43a而出入，很難因振動電極板34與固定電極板36之間的氣隙35內(nèi)的空氣使振動電極板34衰減，振動傳感器31的高頻率特性良好。 另外，由于音響孔43a的開口面積變大，故而固定電極板36的面積相應(yīng)地減小，固定電極板36很難受到聲壓。其結(jié)果是，固定電極板36很難因音響振動而振動，只有振動電極板34振動，因此，振動傳感器31的傳感精度提高。 另外，在固定電極板36的大部分區(qū)域，音響孔的開口面積增大，能夠減輕振動傳感器31的熱雜音，因此，能夠減輕熱雜音產(chǎn)生的噪音，可提高振動傳感器的S/N比(參照圖4)。 其結(jié)果是，根據(jù)振動傳感器31，可以制作不會犧牲低頻特性和耐塵埃性而具有良好的高頻特性、良好的S/N比、良好的傳感精度的振動傳感器31。 另外，圖11表示在振動傳感器31的制造工序中，蝕刻去除在振動電極板34與固定電極板36之間層積的保護層42的工序。圖11 (a)是表示通過音響孔43a、43b蝕刻去除保護層42的中途狀態(tài)的示意平面圖，圖ll(b)是圖ll(a)的Y-Y線剖面圖，圖ll(c)是表示通過音響孔43a、43b蝕刻去除保護層42后的狀態(tài)的示意剖面圖。 該振動傳感器31中，無論開口面積大小如何，都以大致相等的間隔有規(guī)則地排列音響孔43a、43b，因此，使蝕刻液從音響孔43a、43b浸入而與保護層42接觸時，如圖ll(a)、(b)所示，保護層42以相等的蝕刻速度大致均一地被蝕刻，在保護層42的各區(qū)域蝕刻大致同時完成。而且，保護層42的整體大致同時被蝕刻去除，其結(jié)果，蝕刻所需時間縮短。
另外，由于保護層42的整體均一地被蝕刻，故而如圖ll(c)所示，固定電極板36等不會局部地被較大蝕刻，厚度不會不均衡。因此，在保護層蝕刻的途中，不易在固定電極板36等上施加不均一的應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，振動傳感器31的特性穩(wěn)定。
另外，為了將保護層42均等地蝕刻，優(yōu)選將音響孔43a、43b以一定的間距規(guī)則地排列，但若鄰接的音響孔43a、43b彼此的中心間距的最大值是最小值的2倍以下，則音響孔43a、43b的配置即使稍有偏差，保護層蝕刻的不均一也不明顯。 另外，根據(jù)該振動傳感器31，能夠抑制制造工序中等的電極板彼此的粘附的產(chǎn)生。圖12(a)、(b)是說明該理由的說明圖。在振動傳感器31中，外周部的音響孔43b的開口面積變小，內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積變大。因此，如圖12(a)所示，在保護層蝕刻后的清洗工序等中，即使水份w浸入振動電極板34與固定電極板36之間的氣隙35，如圖12(b)所示，在氣隙35的中心部區(qū)域也可以通過開口面積大的音響孔43a將水份w快速地干燥。因此，振動電極板34的中心部區(qū)域不會因殘留的水份w的毛細管力而被吸附在固定電極板36上。 另一方面，在氣隙35的外周部，因音響孔43b的開口面積小，故而水份w會殘存。但是，由于振動電極板34將四角的固定部38固定在硅基板32上，故而振動電極板34的外周部的彈性比內(nèi)側(cè)的面高。因此，如圖12(b)所示，很難因在氣隙35的外周部殘留的水份w的毛細管力f而將振動電極板34吸附在固定電極板36上。 因此，即使水份w浸入氣隙35，振動電極板34也不易附著在固定電極板36上，所以在水份w完全干燥后，振動電極板34附著在固定電極板36上而產(chǎn)生粘附的可能性變小。
另外，振動傳感器31將音響孔43a、43b大致等間隔地規(guī)則排列，所以，根據(jù)以下的理由，通過音響孔43a、43b緩和熱雜音的效果優(yōu)異。各音響孔將熱雜音有效地緩和多少，除了音響孔的直徑以外，很大程度取決于音響孔之間的距離。即，在遠離任何的音響孔的部位，熱雜音變大。在此，如圖5所示，音響孔15的配置不均等時，產(chǎn)生遠離任何音響孔15的氣隙區(qū)域，因此，不能緩和熱雜音，很難實現(xiàn)振動傳感器的低噪音化。對此，如圖ll所示，將音響孔43a、43b均一地配置時，難以產(chǎn)生遠離任何音響孔43a、43b的氣隙區(qū)域，故而能夠進一步緩和熱雜音。因此，通過使音響孔43a、43b大致等間隔地規(guī)則排列，能夠降低通氣路徑的聲阻，并且可以進一步緩和熱雜音。
(音響孔的直徑計算例) 若音響孔43a、43b大致為圓形，則優(yōu)選外周部的音響孔43b的直徑Db為0. 5iim 10 ii m，優(yōu)選內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑Da為5 y m 30 y m(其中，Da > Db)。另外，優(yōu)選鄰接的音響孔43a、43b彼此的中心間距p為10iim 100 y m(其中，p > Da)。關(guān)于該點雖然已進行了說明，但以下對其依據(jù)進行說明。 圖13是通過計算求出內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑和從音響孔43a通過通風(fēng)孔45到達貫通孔37的氣隙的聲阻之間關(guān)系并表示其結(jié)果的圖。圖14是通過計算求出內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑Da和電極面積比之間關(guān)系并表示其結(jié)果的圖。圖15是通過計算求出外周部的音響孔43b的直徑Db和從音響孔通過通風(fēng)孔45到達貫通孔37的通氣路徑的聲阻的關(guān)系并表示其結(jié)果的圖。另外，將沒有音響孔43a、43b時的固定電極41的面積設(shè)為So，將設(shè)有一定直徑Da的音響孔43a時的固定電極41的面積設(shè)為Sa時，電極面積比為Sa/So。
由圖13可知，隨著內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑Da的減小，氣隙的聲阻增大。而且，音響孔43a的直徑Da小于5 y m時，氣隙的聲阻顯著增大，振動傳感器31的噪音變大。
另外，如圖14所示，隨著內(nèi)側(cè)的音響孔43a的直徑Da變大，電極面積比逐漸變小。而且，音響孔43a的直徑Da大于30 y m時，相對向的電極彼此的面積顯著變小，振動傳感器31的靈敏度降低。 因此，優(yōu)選內(nèi)側(cè)音響孔43a的直徑Da為5 ii m 30 ii m。 接著，如圖14所示，音響孔43a、43b彼此的距離p越小，電極面積比越小。而且，音響孔43a、43b的距離p小于10 ii m時，相對向的電極彼此的面積顯著變小，振動傳感器31的靈敏度降低。 另外，由圖13可知，音響孔43a、43b彼此的間距p越大，氣隙的聲阻越大。而且，音響孔43a、43b彼此的距離p大于100 y m時，氣隙的聲阻顯著增大，振動傳感器31的噪音變大。 因此，優(yōu)選鄰接的音響孔43a、43b彼此的中心間距p為10 ii m 100 ii m。
另夕卜，由圖15可知，隨著外周部的音響孔43b的直徑Db的變大，通氣路徑的聲阻變小。而且，外周部的音響孔43b的直徑Db大于10iim時，通過通風(fēng)孔45的通氣路徑的聲阻顯著變小，振動傳感器31的低頻特性變差。 另一方面，外周部的音響孔43b的直徑Db小于0. 5 ii m時，很難將音響孔43b用作蝕刻液的入口。 因此，優(yōu)選外周部的音響孔43b的直徑Db為O. 5iim 10 y m。
(第二實施方式) 圖16是表示本發(fā)明第二實施方式的振動傳感器51的平面圖。另外，圖17是振動傳感器51的除了固定電極膜的狀態(tài)的平面圖。該振動傳感器51中，由振動電極板34覆蓋硅基板32的貫通孔37的上方，將振動電極板34的外周部局部地固定在硅基板32的上表面。在圖17中，用陰影表示振動電極板34中、利用由硅基板32上表面的保護層42形成的保持部42a固定在硅基板32的上表面的區(qū)域(固定部38)。在比固定于硅基板32的外周部靠近內(nèi)側(cè)，在外周部附近開設(shè)有多處縫隙52。振動電極板34將外周部局部地固定在硅基板32上，另外，因縫隙52使彈性下降，因此縫隙52包圍的區(qū)域為膜片39，感應(yīng)小的聲壓而使膜片39進行膜振動。 另外，振動電極板34的下表面自硅基板32的上表面稍有浮起，在縫隙52和貫通孔37之間，在振動電極板34的下表面與硅基板32的上表面之間形成有間隙，該間隙為連通縫隙52和貫通孔37的通風(fēng)孔45。 在該振動傳感器51中，也與第一實施方式的振動傳感器31同樣地，固定電極板36覆蓋振動電極板34而形成，音響孔43a、43b在固定電極板36中與振動電極板34相對向的區(qū)域以一定間距規(guī)則地排列。另外，外周部的音響孔43b的開口面積比內(nèi)側(cè)區(qū)域的音響孔43a的開口面積小。因此，該振動傳感器51中，也起到與第一實施方式的振動傳感器31同樣的作用效果。 另夕卜，在圖16及圖17中表示圓形的振動電極板34，但也可以將四邊形的振動電極板34的外周部局部地固定在硅基板32的上表面并利用縫隙使彈性降低。
(第三實施方式) 圖18(a)是表示本發(fā)明第三實施方式的振動傳感器61的平面圖，圖18(b)是其示意剖面圖。以上說明的實施方式中，在硅基板32之上以振動電極板34、固定電極板36的順序形成電極板，但如圖18所示，在硅基板32之上也可以以固定電極板36、振動電極板34的順序形成電極板。其它的結(jié)構(gòu)例如因與第一實施方式的情況同樣，故而說明省略。在該第三實施方式的情況中，將從硅基板32的貫通孔37傳播來的音響振動通過音響孔43a、43b傳遞給振動電極板34，在其音響振動作用下使振動電極板34振動。
權(quán)利要求
一種靜電電容式振動傳感器，其具備基板，在該基板上形成有貫通表面及背面的貫通孔，所述靜電電容式振動傳感器以如下的方式配置在所述基板的表面?zhèn)?，即，使受到振動而進行膜振動的振動電極板與開設(shè)有多個音響孔的固定電極板相對向，并且將所述貫通孔的基板表面?zhèn)乳_口覆蓋，其特征在于，所述振動電極板的外周部分的下表面被部分地固定在所述基板上，在所述基板的表面和所述振動電極板的下表面之間形成有用于使所述振動電極板的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗B通的通風(fēng)孔，在所述固定電極板中與所述振動電極板相對向的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的外周部設(shè)有音響孔，該音響孔的開口面積比在所述區(qū)域內(nèi)的外周部以外設(shè)置的音響孔的開口面積小。
2. 如權(quán)利要求1所述的靜電電容式振動傳感器，其特征在于，在所述固定電極板的音 響孔形成區(qū)域設(shè)立具有均等的形狀及均等的面積且規(guī)則地排列的多個小區(qū)域，以音響孔的 中心置于各小區(qū)域內(nèi)的方式在各小區(qū)域內(nèi)分別配置有一個音響孔。
3. 如權(quán)利要求2所述的靜電電容式振動傳感器，其特征在于，設(shè)于所述固定電極板的 音響孔規(guī)則地排列。
4. 如權(quán)利要求1所述的靜電電容式振動傳感器，其特征在于，在所述固定電極板中與 所述振動電極板相對向的區(qū)域的外周部設(shè)置的開口面積小的音響孔的直徑為0.5ym 10 ii m，在所述區(qū)域內(nèi)的外周部以外設(shè)置的音響孔的直徑為5 ii m 30 ii m，鄰接的音響孔彼 此的中心間距為10 ii m 100 ii m。
5. 如權(quán)利要求1所述的靜電電容式振動傳感器，其特征在于，在所述振動電極板的外 周部分或其附近，在所述固定部分以外的區(qū)域開設(shè)有縫隙。
6. 如權(quán)利要求1所述的靜電電容式振動傳感器，其特征在于，在所述基板的表面相互 隔開間隔而配設(shè)有多個保持部，利用所述保持部局部地支承所述振動電極板的外周部分的 下表面。
全文摘要
一種靜電電容式振動傳感器。在硅基板(32)上貫通表面及背面而形成有貫通孔(37)。覆蓋貫通孔(37)而在硅基板(32)的上表面形成振動電極板(34)，在振動電極板(34)之上隔著氣隙(35)而形成固定電板(36)。在固定電極板(36)中與振動電極板(34)相對的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的外周部設(shè)有音響孔(43b)，其比在該區(qū)域內(nèi)的外周部以外設(shè)置的音響孔(43a)的開口面積小。這些音響孔(43a、43b)無論其開口面積大小如何，都以一定的間距有規(guī)則地排列。
文檔編號H04R19/04GK101785325SQ20098010020
公開日2010年7月21日 申請日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
發(fā)明者大野和幸, 笠井隆, 鶴龜宜崇 申請人:歐姆龍株式會社