专利名称：音响转换器、及利用该音响转换器的传声器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将声波转换成电信号的音响转换器(acoustictransducer)、及利用该音响转换器的传声器(microphone)。本发明尤其涉及使用MEMS(Micro Electro Mechanical System,微电子机械系统)技术制作的微小尺寸的音响
转换器等。
背景技术：
以往，作为搭载在便携式电话机等中的小型传声器，广泛使用ECM(ElectretCondenser Microphone,驻极体电容传声器)。然而,ECM不耐热,另外,在应对数码化、小型化、高功能·多功能化、省功率这些方面，MEMS传声器较为优异，因此当前MEMS传声器正在·普及。MEMS传声器包含检测声波的音响传感器(音响转换器)、和将来自该音响传感器的检测信号放大并输出至外部的输出IC(Integrated Circuit,集成电路)。所述音响传感器是利用MEMS技术制造的(例如，专利文献I等)。图8表示以往的音响传感器的概略构成，图8的(a)为俯视图，图8的(b)为以图8的(a)的X-X线切断、从箭头方向观察的图。如图8所示，在音响传感器111中，在半导体基板21的上表面设置着振动膜22，进而，以覆盖振动膜22的方式设置着固定膜123。振动膜22为导电体,作为振动电极22a而发挥功能。另一方面，固定膜123包含作为导电体的固定电极123a、和作为用来保护固定电极123a的绝缘体的保护膜123b。振动电极22a及固定电极123a隔着空隙而对向，作为电容器而发挥功能。振动膜22的缘部隔着绝缘层30而安装在半导体基板21上。另外，半导体基板21具有开口部31，该开口部31使该半导体基板21的与振动膜22的中央部对向的区域形成开口。另外，固定膜123具有多个形成着音孔的音孔部32。通常，音孔部32以等间隔规则排列，各音孔部32的音孔的尺寸几乎相等。在具有所述构成的音响传感器111中，来自外部的声波经过固定膜123的音孔部32到达振动膜22。这时，振动膜22由于被施加到达的声波的声压而振动，所以振动电极22a及固定电极123a的间隔发生变化，而使振动电极22a及固定电极123a间的静电电容发生变化。通过将该静电电容的变化转换成电压或电流的变化，音响传感器111可以检测来自外部的声波且将其转换成电信号(检测信号)。在具有所述构成的音响传感器111中，固定膜123上具有多个音孔部32，但该音孔部32除了如上所述使来自外部的声波通过而使其到达振动膜22以外，还发挥如下功能。(I)由于到达固定膜123的声波通过音孔部32，所以会减轻施加在固定膜123上的声压。(2)由于振动膜22及固定膜123间的空气经过音孔部32而出入，所以会减轻热杂音(空气的波动)。另外，由于所述空气所导致的振动膜22的阻尼(damping)被减轻，所以该阻尼所导致的高频特性的劣化也被减轻。
(3)在利用表面微切削加工技术在振动电极22a及固定电极123a之间形成空隙的情况下，可以用作蚀刻孔(etching hole)。(现有技术文献)专利文献I :日本国专利申请公开公报“特开2006-067547号公报” ；2006年3月
9日公开。
发明内容
(本发明要解决的问题)今后，为了使MEMS传声器进一步普及，理想的是提高对于冲击的耐性，降低故障率，或提闻良率。本案发明者等人经过锐意研究，结果着眼于在首孔部广生应力集中，研究出以下发明。本发明是鉴于所述问题点而完成的，其目的在于提供一种提高对于冲击的耐性的音响转换器等。(解决问题的方案)本发明的音响转换器中，在基板的上表面形成有振动膜及固定膜，根据该振动膜中的振动电极和所述固定膜中的固定电极间的静电电容的变化，来将声波转换成电信号；该音响转换器的特征在于为了使所述声波从外部到达所述振动膜，在所述固定膜上形成有多个音孔部；所述固定电极是以缘部的边界不和所述音孔部相交的方式形成的。根据所述构成，在固定电极的缘部不存在和该固定电极的边界相交的音孔部。由此，可以避免该固定电极的缘部因应力集中而破损，因此可以提高对冲击的耐性。(发明的效果)如上所述，本发明的音响转换器是以固定电极的缘部的边界不和音孔部相交的方式形成的，因此可以避免该固定电极的缘部因应力集中而破损，其结果为，发挥可以提高对于冲击的耐性的效果。
图I是表不作为本发明的一实施方式的MEMS传声器中的音响传感器的概略构成的俯视图及剖面图。图2是表示所述MEMS传声器的剖面图。图3是为了说明应力集中的产生位置而表示区块的俯视图及前视图。图4是表不作为本发明的另一实施方式的MEMS传声器中的音响传感器的概略构成的俯视图。图5是表示作为本发明的进而另一实施方式的MEMS传声器中的音响传感器的概略构成、和作为该音响传感器的比较例的以往的音响传感器的概略构成的俯视图。图6是表不作为本发明的其他实施方式的MEMS传声器中的音响传感器的概略构成的俯视图。图7是表示所述音响传感器的振动电极的振动量的俯视图。图8是表示以往的音响传感器的概略构成的俯视图。[附图标记说明]
10MEMS传声器
11音响传感器(音响转换器)
12输出IC
13印刷基板
14盖体
15贯通孔 21半导体基板
22振动膜 22a、22b振动电极
23固定膜 23a、23c~23e 固定电极 23b保护膜
30绝缘层
31开口部
32音孔部 40缘部
50角部
51延伸部
具体实施例方式[实施方式I]参照图I 图3对本发明的一实施方式进行说明。图2是表示本实施方式的MEMS传声器的概略构成的剖面图。如图2所不,MEMS传声器10是以如下方式构成的将音响传感器(音响转换器)11和输出IC12配置在印刷基板13上，且以覆盖音响传感器11及输出IC12的方式设置着盖体14,其中,所述音响传感器11用于检测声波,而所述输出IC12将来自音响传感器11的检测信号(电信号)放大而输出至外部。为了使来自外部的声波到达音响传感器11，在盖体14上形成贯通孔15。音响传感器11是利用MEMS技术制造的。此外，输出IC12是利用半导体制造技术制造的。图I表示本实施方式中的音响传感器11的概略构成，图I的(a)为俯视图，图I的(b)为以图I的(a)的A-A线切断、在箭头方向观察的图。本实施方式的音响传感器11和图8所示的音响传感器111相比，仅固定膜的固定电极的形状不同，而其他构成都相同。此外，对和有关图8所说明的构成具有相同功能的构成标注同一标记,并省略其说明。固定膜23包含作为导电体的固定电极23a、和作为用来保护固定电极23a的绝缘体的保护膜23b。此外，在实施例中，半导体基板21是厚度约为500 μ m、且由单晶硅等生成的半导体。振动膜22是厚度约为O. 7 μ m、且由多晶硅等生成的导电体，作为振动电极22a发挥功能。固定膜23包含固定电极23a和保护膜23b。固定电极23a是厚度约为O. 5 μ m、且由多晶硅等生成的导电体。另一方面，保护膜23b是厚度约为2 μ m、且由氮化硅等生成的绝缘体。另外，振动电极22a和固定电极23a的空隙约为4μπι。和图8所示的以往的固定电极123a相比，本实施方式的固定电极23a是以缘部40 的边界不和音孔部32相交的方式形成的。由此，可以避免固定电极23a的缘部40因应力集中而破损，因此可以提高对于冲击的耐性。关于这点，参照图1、3、8来进行详细说明。一般来说，为了降低寄生电容，理想的是固定电极23a、123a和振动电极22a振动的区域、也就是振动电极22a的中央部对向。另一方面，为了使来自外部的声波效率较佳地传递至振动膜22，理想的是也在固定膜23、123上设置多个音孔部32。因此，如图8所示，在以往的固定膜123中，设置着音孔部32的区域比固定电极123a的区域广，会存在和固定电极123a的边界线相交的音孔部32。对于该音孔部32，较大的应力集中发生作用。关于其原因，参照图3进行说明。图3是为了对应力集中的产生部位进行说明而表不区块的俯视图及如视图。图3的(a)所不的区块200在上表面具有阶部201。另外，图3的(b)所示的区块210具有从上表面贯通到下表面的贯通部211。而且，图3的(c)所示的区块220在上表面具有阶部221，且具有从上表面贯通到下表面的贯通部222。如果对于图3的(a)所示的区块200在图示的左右方向施加应力，那么在阶部201会产生应力集中。另外，如果对于图3的(b)所示的区块210在图示的左右方向施加应力，那么在贯通部211的前部211a及后部211b会产生应力集中。因而，如果对图3的(c)所示的区块220在图示的左右方向施加应力，那么在阶部221及贯通部222相交的区域会产生较强的应力集中。段状在制造音响传感器111时，作为固定膜23、123，生成固定电极23a、123a的层，并以覆盖所生成的固定电极23a、123a的方式生成保护膜23b的层。因此，如图8的(b)、图I的(b)所示，在固定电极23a、123a的缘部140，保护膜23b成为阶梯状。因而，如图8的(b)所示，如果在固定电极123a的缘部140存在音孔部132，那么该音孔部132成为如图3的(c)所示的形状，因此会产生较强的应力集中。因此，以往的音响传感器111会因较强的应力集中而导致固定膜123产生破损，从而使对冲击的耐性下降。对此，本实施方式的固定膜23如图I的(b)所示，由于在固定电极23a的缘部40不存在音孔部32，所以不会产生较强的应力集中。因而，本实施方式的音响传感器11如上所述，可以避免因较强的应力集中而使固定膜23破损，因此可以提高对于冲击的耐性。模拟时，如果将缘部140的边界和音孔部132相交的以往的固定电极123a中的应力集中的程度(应力集中系数)设为1，那么缘部40的边界不和音孔部32相交的本实施方式的固定电极23a中的应力集中的程度约为O. 6。另外，为了使缘部40的边界不和音孔部32相交，如图I所示，本实施方式的固定电极23a成为几乎内接于圆形的振动电极22a的多边形，且其一边和音孔部32的排列方向平行。具体来说，音孔部32的排列方向为图I的A-A线的方向、和从该方向分别向左右旋转60度的两个方向，因此使固定电极23a形成为和这三个方向平行的正六边形。在此情况下，由于以几何学的方式配置，所以固定电极23a的遮罩形状的设计变得容易。另外，本实施方式的音响传感器11和以往的音响传感器111同样地，音孔部32的直径约为16 μ m，相邻的音孔部32的中心彼此的间隔短于音孔部32的直径的两倍。由此，配置着多个孔的直径较大的音孔部32，因此，来自外部的声波经过音孔部32到达振动膜22的效率变佳，可以提高SNR(Signal-to-noise ratio，信噪比)。此外，只要音孔部32的直径约为6 μ m以上，那么可以发挥相同的效果。另外，音孔部32的直径的上限取决于固定膜23的强度及必要的静电电容。·
此外，就音孔部32而言，如果使直径变大或增加配置个数，那么固定膜23的强度会下降，或者振动电极22a及固定电极23a间的静电电容会下降。因而，理想的是，顾及上述这些问题来决定音孔部32的直径及配置个数。此外，和以往的音响传感器111的制造方法相比，本实施方式的音响传感器11的制造方法中仅变更了用来形成固定电极23a的遮罩的形状，其他都和以往的方法相同。也就是说，首先，在成为半导体基板21的单晶硅基板的上表面上形成牺牲层(SiO2)。其次，在该牺牲层上形成多晶硅层并进行蚀刻，由此形成振动膜22。其次，以覆盖振动膜22的方式再次形成牺牲层。其次，以覆盖该牺牲层的方式形成多晶硅层及氮化硅层并进行蚀刻，由此形成包含固定电极23a和保护膜23b的固定膜23。其次，通过对所述单晶硅基板进行蚀刻而形成开口部31。而且，隔着音孔部32而对所述牺牲层进行蚀刻，由此在振动膜22及固定膜23之间形成气隙(air gap)，形成绝缘层30,从而完成音响传感器11。[实施方式2]其次，参照图4对本发明的另一实施方式进行说明。图4是表示本实施方式的音响传感器11的概略构成的俯视图。图4所示的音响传感器11和图I所示的音响传感器11相比，仅固定电极的形状不同，其他构成都相同。如图4所示，和图I所示的固定电极23a相比，本实施方式的固定电极23c为呈阶梯状扩展的形状。在此情况下，和图I所示的固定电极23a相比，由于为与圆形的振动电极22a接近的形状，所以可以减轻静电电容的降低。[实施方式3]其次，参照图5对本发明的进而另一实施方式进行说明。图5的(a)、(b)是分别表示本实施方式的音响传感器11的概略构成、和作为该音响传感器11的比较例的以往的音响传感器111的概略构成的俯视图。图5所示的音响传感器11、111和图I、图8所示的音响传感器11、111相比，音孔部32、132的排列方向不同，因此本实施方式的固定电极的形状不同。而其他构成都相同。和图5的(b)所示的以往的固定电极123a相比，图5的(a)所示的固定电极23d是以缘部40的边界不和音孔部32相交的方式形成的。由此，可以避免固定电极23d的缘部40因应力集中而破损，因此可以提高对冲击的耐性。另外，如图5的(a)、(b)所示，音孔部32、132的排列方向为图示的上下方向、和从该上下方向旋转90度的左右方向，共两个方向。因此，本实施方式的固定电极23d分别和这两个方向、及 将该两个方向2等分的方向(从图示的上下方向向左右分别旋转45度的斜方向)平行。由此，固定电极23d的遮罩形状的设计变得容易。进而，本实施方式的固定电极23d形成为阶梯状，因此成为和圆形的振动电极22a接近的形状，从而可以减轻静电电容的降低。[实施方式4]其次，参照图6、图7对本发明的其他实施方式进行说明。图6是表示本实施方式的音响传感器11的概略构成的俯视图。此外，在该图中，省略了固定膜23的保护膜23b。和图I所示的音响传感器11相比，图6所示的音响传感器11中的振动电极的形状不同，因此，固定电极的形状不同。此外，其他构成都相同。本实施方式的振动电极22b成为正方形的角部50分别从中心向外延伸的形状,利用该延伸部51将该振动电极22b固定在半导体基板21。图7表示特定声波到达所述构成的振动电极22b的情况下的振动电极22b的振动量。在该图中，如果振动量少，那么表示为较暗，如果振动量多，那么表示为较亮。如图所示，振动电极22b的角部50及延伸部51基本上不振动。因而,在本实施方式中，固定电极23e成为省略了振动电极22b中的角部50及延伸部51的形状。本实施方式的固定电极23e如图6所示，以缘部40的边界不和音孔部32相交的方式形成。由此，可以避免固定电极23e的缘部40因应力集中而造成破损，因此可以提高对于冲击的耐性。另外，如图6所示，音孔部32的排列方向是图示的左右方向、和从该左右方向分别旋转60度的方向。因此，本实施方式的固定电极23e分别和这三个方向、及将该三个方向中的相邻的两个方向2等分的方向(从图示的左右方向分别旋转30度的方向和图示的上下方向)平行。由此，固定电极23e的遮罩形状的设计变得容易。进而，本实施方式的固定电极23e在和振动电极22b的角部50的边界处形成为阶梯状，因此成为接近振动电极22b的振动部分的形状，从而可以减轻静电电容的下降。本发明并不限定于所述各实施方式，可以在权利要求所示的范围内进行各种变更，适当组合不同的实施方式中分别揭示的技术方案而获得的实施方式也属于本发明的技术性范围。例如，在所述实施方式中，音孔部32的剖面为圆形，但也可以设为三角形、四边形等任意形状。如上所述，本发明的音响转换器在基板的上表面形成有振动膜及固定膜，根据该振动膜中的振动电极和所述固定膜中的固定电极间的静电电容的变化，来将声波转换成电信号；其特征在于为了使所述声波从外部到达所述振动膜而在所述固定膜上形成有多个音孔部；所述固定电极是以缘部的边界不和所述音孔部相交的方式形成的。根据所述构成，在固定电极的缘部不存在和该固定电极的边界相交的音孔部。由此，可以避免该固定电极的缘部因应力集中而破损，因此可以提高对冲击的耐性。在本发明的音响转换器中，优选的是在所述音孔部规则地排列的情况下，所述固定电极形成为以下所述的形状，该形状是指，沿着所述音孔部的排列方向、和将相邻的两个该排列方向二等分的方向所呈的形状。在此情况下，固定电极的形状的设计变得容易。进而，为了设为与所述振动电极的振动部分相似的形状，所述固定电极优选的是形成为阶梯状。此外，作为所述排列方向的例子，可列举相邻的所述排列方向所呈的角度为60度的情况、或为90度的情况。 在本发明的音响转换器中，优选的是所述音孔部以相邻的音孔部的各中心间的间隔短于所述相邻的音孔部的尺寸之和的方式配置的。另外，在本发明的音响转换器中，优选的是所述音孔部的尺寸为6μπι以上。在此情况下，由于所述音孔部的区域变广，所以来自外部的声波经过所述音孔部到达所述振动膜的效率变佳，从而可以提高SNR(信噪比)。此夕卜，所述音孔部的尺寸的上限取决于固定膜的强度及所需要的静电电容。此外，音响转换器存在如下构成所述固定膜包含所述固定电极和比该固定电极广的保护膜，该保护膜在所述固定电极的缘部的边界呈阶梯状。在此情况下，通过所述阶梯状的形状，在所述固定电极的缘部的边界产生应力集中。由此，优选的是对该音响转换器应 用本发明。此外，只要是包含所述构成的音响转换器、和将来自该音响转换器的电信号放大并输出至外部的输出IC的传声器，那么就可以发挥与上述相同的效果。(产业上的利用可能性)如上所述，本发明的音响转换器是以固定电极的缘部的边界不和音孔部相交的方式形成的，借此，可以避免固定电极的缘部因应力集中而破损，从而可以应用于在固定膜具有音孔部的任意构造的音响传感器中。
权利要求
1.一种音响转换器，在基板的上表面形成有振动膜及固定膜，根据该振动膜中的振动电极和所述固定膜中的固定电极间的静电电容的变化，来将声波转换成电信号；该音响转换器的特征在于 为了使所述声波从外部到达所述振动膜，在所述固定膜上形成有多个音孔部； 所述固定电极是以缘部的边界不和所述音孔部相交的方式形成的。
2.根据权利要求I所述的音响转换器，其特征在于 所述音孔部规则地排列； 所述固定电极形成为以下所述的形状，该形状是指，沿着所述音孔部的排列方向、和将相邻的两个该排列方向分成二等分的方向所呈的形状。
3.根据权利要求2所述的音响转换器，其特征在于 为了形成与所述振动电极的振动部分相似的形状，所述固定电极形成为阶梯状。
4.根据权利要求2或3所述的音响转换器，其特征在于 相邻的所述排列方向所呈的角度为60度。
5.根据权利要求2或3所述的音响转换器，其特征在于 相邻的所述排列方向所呈的角度为90度。
6.根据权利要求I至5中任一权利要求所述的音响转换器，其特征在于 所述音孔部是以相邻的音孔部的各中心间的间隔短于所述相邻的音孔部的尺寸之和的方式配置的。
7.根据权利要求I至6中任一权利要求所述的音响转换器，其特征在于 所述音孔部的尺寸为6 μ m以上。
8.根据权利要求I至7中任一权利要求所述的音响转换器，其特征在于 所述固定膜包含所述固定电极和比该固定电极广的保护膜； 该保护膜在所述固定电极的缘部的边界呈阶梯状。
9.一种传声器，包含权利要求I至8中任一权利要求所述的音响转换器、和将来自该音响转换器的电信号放大并输出至外部的输出1C。
全文摘要
本发明的音响传感器(11)在半导体基板的上表面形成有振动膜(22)及固定膜(23)，根据振动膜(22)中的振动电极(22a)和固定膜(23)中的固定电极(23a)间的静电电容的变化，来检测声波。为了使声波从外部到达振动膜(22)，在固定膜(23)上形成有多个音孔部(32)，固定电极(23a)是以缘部(40)的边界不和音孔部(32)相交的方式形成的。
文档编号H04R19/04GK102918874SQ201180026170
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月27日
发明者笠井隆, 内田雄喜, 堀本恭弘, S·康蒂 申请人:欧姆龙株式会社, 意法半导体股份有限公司