静电电容式换能器及声音传感器的制作方法

本申请涉及静电电容式换能器及具有该静电电容式换能器的声音传感器。更具体而言，本发明涉及通过由使用mems技术形成的振动电极膜和背板构成的电容器构造构成的静电电容式换能器及声音传感器。

背景技术：

一直以来，作为小型麦克风，有时利用被称为ecm(electretcondensermicrophone，驻极体电容传声器)的声音传感器。但是，ecm不耐热，另外，在应对数字化及小型化方面，利用mems(microelectromechanicalsystems，微机电系统)技术制造的静电电容式换能器的麦克风(以下，也称为mems麦克风)更为优异，因此，近年来正在采用mems麦克风(例如，参照专利文献1)。

在有些上述静电电容式换能器中，使用mems技术实现将受到压力而振动的振动电极膜隔着空隙与固定电极膜的背板对置配置的形式。这种静电电容式换能器的形式例如通过如下工序能够实现：在硅基板之上形成振动电极膜及覆盖振动电极膜的牺牲层后，在牺牲层之上形成背板，然后去除牺牲层。mems技术因以这种方式应用半导体制造技术，所以可得到极小的静电电容式换能器。

另一方面，使用mems技术制作的静电电容式换能器因由薄膜化的振动电极膜及背板构成，所以在作用过大压力等的情况下振动电极膜可能会大幅变形、破损。这种不良例如在静电电容式换能器内施加了大声压的情况下发生，除此之外，在安装工序中吹空气的情况及该静电电容式换能器坠落的情况下也会发生。

对此，考虑过在振动电极膜设置释放压力的孔，在过大的压力作用时从该孔释放压力，但该措施有时会导致静电电容式换能器的频率特性恶化，特别是在低音域的灵敏度降低等。

另外，下述mems换能器的发明已被人所知，该mems换能器具有振动电极膜和插入部，插入部是用狭缝分隔所述振动电极膜而分离的一区域，插入部通过支承构造以与振动电极膜的其它部分相同的高度被支承于背板或基板。该发明中，振动电极膜响应膜两侧的压力差而位移，扩大与插入部之间的流动路径，从而释放过大的压力(例如，参照专利文献2)。

但是，在上述发明中，插入部和支承部件为不同部件，因此，不仅制造工序复杂化，而且插入部有可能从支承部件脱离而损害功能等，不能说有充分高的可靠性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2011－250170号公报

专利文献2：美国专利第8737171号说明书

专利文献3：美国专利第8111871号说明书

专利文献4：美国专利第8983097号说明书

专利文献5：美国专利第9002037号说明书

技术实现要素：

发明所要解决的课题

本发明是鉴于上述的状况而做出的，其目的在于，提供一种技术，以更为简单的结构，能够在将声音检测时的频率特性维持良好的同时，抑制过大压力作用时的振动电极膜的过度变形，避免振动电极膜破损。

用于解决课题的技术方案

用于解决上述课题的本发明的最大特征在于，在将振动电极膜的位移转换成振动电极膜和背板之间的静电电容的变化的静电电容式换能器中，在振动电极膜受到过大的压力而变形时，通过一体设置于背板的凸状部分和振动电极膜的相对移动，增大由该凸状部分和振动电极膜的一部分之间的间隙形成的空气流路的流路面积，从而释放对振动电极膜施加的压力。

更详细而言，提供一种静电电容式换能器，其具备：

基板，其表面具有开口；

背板，其以与所述基板的开口对置的方式配设；

振动电极膜，其以与所述背板之间隔着空隙与该背板对置的方式配设，

所述静电电容式换能器将所述振动电极膜的位移转换为该振动电极膜和所述背板之间的静电电容的变化，

所述静电电容式换能器的特征在于，还具备：

压力释放流路，其为由所述振动电极膜的一部分和一体设置于所述背板的凸状部分之间的间隙形成的空气的流路，在所述振动电极膜受到压力而变形时，流路面积因该振动电极膜和一体设置于所述背板的凸状部分的相对移动而增大，由此释放对所述振动电极膜施加的压力；

扩张部，其为在形成所述压力释放流路的所述振动电极膜的孔的边缘设置的部分，具有使所述孔的流路面积增大的狭缝。

由此，例如在静电电容式换能器中作用过大的压力而使振动电极膜大幅变形时，通过振动电极膜和一体设置于背板的凸状部分的相对移动及设置于扩张部的狭缝，压力释放流路的流路面积增大。由此，在静电电容式换能器中因过大的压力作用而振动电极膜大幅变形时，能够自动地释放对振动电极膜施加的压力。其结果，能够抑制因过大的压力而造成振动电极膜破损。

另外，据此，因为压力释放流路由振动电极膜的一部分和一体设置于所述背板的凸状部分之间的间隙形成，所以能够利用原本就会因压力的作用而相对移动的部件本身，可简化装置结构。

此外，扩张部可以通过从孔的边缘呈放射状设置的振动电极膜的狭缝形成，也可以通过狭缝或狭缝的组合形成。更具体而言，可以通过构成孔的放射状的狭缝形成，或者，也可以通过构成孔的y字状的狭缝形成。

另外，本发明的凸状部分也可以具有可进入所述狭缝或狭缝的组合的壁构造。由此，能够加大狭缝或狭缝的组合的自由度，可根据声音传感器寻求的频率特性等规格选择各种形状。另外，所述壁构造的宽度也可以为20μm以下。

另外，本发明也可以为声音传感器，其具有前述的静电电容式换能器，将声压转换成所述振动电极膜和所述背板之间的静电电容的变化来进行检测。

此外，上述的用于解决课题的技术方案可以适当地组合使用。

发明效果

根据本发明，静电电容式换能器能够将进行压力检测时的频率特性维持良好的同时，通过抑制过大压力作用时的振动电极膜的过度变形而避免振动电极膜的破损。其结果，能够在更良好地维持静电电容式换能器的性能的同时，提高可靠性。

附图说明

图1是表示通过mems技术制造的现有的声音传感器的一例的立体图。

图2是表示现有的声音传感器的内部构造的一例的分解立体图。

图3是对于过大的压力骤然作用在声音传感器的情况进行说明的图。

图4是对于过大的压力骤然作用在声音传感器的情况的现有的对策进行说明的图。

图5是表示本发明实施例1的声音传感器的振动电极膜及背板附近的图。

图6是用于说明本发明实施例1的压力释放孔及凸部的作用的图。

图7是用于说明本发明实施例1的可动部的作用的图。

图8是表示本发明实施例2的声音传感器的振动电极膜及背板附近的图。

图9是表示本发明实施例3的声音传感器的振动电极膜及背板附近的图。

图10是形成于背板的具有壁构造的凸部和设置于振动电极膜的狭缝状的压力释放孔的剖视立体图。

图11是用于说明形成于背板的具有壁构造的凸部和设置于振动电极膜的狭缝状的压力释放孔的形成工艺的第1图。

图12是用于说明形成于背板的具有壁构造的凸部和设置于振动电极膜的狭缝状的压力释放孔的形成工艺的第2图。

具体实施方式

＜实施例1＞

以下，参照附图对本申请发明的实施方式进行说明。以下所示的实施方式是本申请发明的一个方式，不限定本申请发明的技术范围。此外，本发明可应用于所有的静电换能器，以下对使用静电换能器作为声音传感器的情况进行说明。然而，本发明的声音换能器只要是检测振动电极膜的位移，则也能够用作声音传感器以外的换能器。例如，除压力传感器外，也可以用作加速度传感器或惯性传感器等。另外，也可以用作传感器以外的元件，例如将电信号转换为位移的扬声器等。另外，背板、振动电极膜、后室、基板等的配置是一个例子，它们的位置可以颠倒。

图1是采用mems技术制造的现有的声音传感器1的一例的立体图。另外，图2是声音传感器1的内部构造的一例的分解立体图。声音传感器1是在设置有后室2的硅基板(基板)3的上表面层叠绝缘膜4、振动电极膜(隔膜)5及背板7的层叠体。背板7具有在固定板6上形成固定电极膜8的构造，在固定板6的硅基板3侧配置有固定电极膜8。在背板7的固定板6上整面设置有作为穿孔的多个声孔(图1或图2所示的固定板6的阴影的各点相当于各声孔)。另外，在固定电极膜8的四角当中一角设置有用于取得输出信号的固定电极焊盘10。

在此，硅基板3例如可由单晶硅形成。另外，振动电极膜5例如可由导电性的多晶硅形成。振动电极膜5是大致矩形的薄膜，在进行振动的大致四边形的振动部11的四角设置有固定部12。而且，振动电极膜5以覆盖后室2的方式设置于硅基板3的上表面，在作为锚部的四个固定部12被固定于硅基板3上。振动电极膜5的振动部11感应声压而上下振动。

另外，在四个固定部12以外的部位，振动电极膜5既不与硅基板3接触，也不与背板7接触。因此，能够感应声压而更圆滑地上下振动。另外，在位于振动部11的四角的固定部12当中的一个上设置有振动膜电极焊盘9。设置于背板7的固定电极膜8以与振动电极膜5中除了四角的固定部12外的振动部分对应的方式设置。这是因为，振动电极膜5中的四角的固定部12不与声压感应而振动，振动电极膜5和固定电极膜8之间的静电电容不会发生变化。

在声音达到声音传感器1时，声音通过声孔，对振动电极膜5施加声压。即，声压通过该声孔施加在振动电极膜5上。另外，由于设置了声孔，背板7和振动电极膜5之间的空气间隙中的空气容易向外部逃逸，减轻了热杂音，能够减少噪声。

声音传感器1由于上述的构造，振动电极膜5接收声音而振动，振动电极膜5和固定电极膜8之间的距离产生变化。当振动电极膜5和固定电极膜8之间的距离产生变化时，振动电极膜5和固定电极膜8之间的静电电容产生变化。因此，在与振动电极膜5电连接的振动膜电极焊盘9和与固定电极膜8电连接的固定电极焊盘10之间有直流电压被施加，输出上述静电电容的变化作为电信号，由此能够将声压作为电信号来进行检测。

接着，对在前述的现有的声音传感器1产生的不良进行说明。图3是对过大的压力作用在声音传感器1的情况进行描述的示意图。如图3所示，在过大的压力作用在声音传感器1的情况下，有时大压力从设置于背板7的声孔7a作用在振动电极膜5的振动部11，在振动部11产生大的变形，导致振动电极膜5破损。这种不良例如在过大的空气压作用在声音传感器1的情况外发生，除此之外，还在声音传感器1坠落等的情况下也会发生。

对此，考虑过图4所示的对策。即，如图4(a)所示，对于振动电极膜5，通过设置用于释放作用压力的孔5a，如图4(b)所示，在从声音传感器1的背板7的声孔7a作用过大压力的情况下，通过从孔5a使压力释放，可防止振动电极膜5的破损。然而，在振动电极膜5上设置上述常开放的孔5a时，虽然对压力的耐受性提高，但特别是在低音域的灵敏度下降，即容易产生衰减，具有声音传感器1的频率特性恶化的缺点。

另外，考虑过下述对策：具有振动电极膜和插入部，插入部是用狭缝隔开并分离该振动电极膜的一区域，相对于背板以与振动电极膜的其它部分相同的高度通过支承构造支承插入部。在该对策中，振动电极膜响应膜两侧的压力差而发生位移，通过与插入部之间的流路扩大，释放过大的压力(例如，参照专利文献2)。

但是，在该对策具有以下的缺点。首先，插入部使用非常薄的振动电极膜的一区域构成，因此容易破损。另外，盖状的插入部使用由棒状的不同部件构成的支承构造支承于背板，因此，不仅制造工序复杂，而且插入部可能从支承构造破损脱落。

另外，在该对策中，振动电极膜响应膜两侧的压力差而位移，由此，使该振动电极膜和插入部(插入部是通过狭缝隔开并分离该振动电极膜的一区域)之间的流动路径扩大，释放过大的压力。即，将振动电极膜及称为插入部(插入部是通过狭缝隔开并分离该振动电极膜的一区域)的薄膜彼此之间的间隙用作流路，因此，在受到较大的压力而振动电极膜的振幅增大时，即使是在使用压力范围内，插入部和振动电极膜的位置也偏离成膜厚以上，变成流路稍微扩大的状态，所以声音传感器1的频率特性可能不稳定。

对于上述的缺点，在本实施例中，在振动电极膜上具备释放所施加的压力的孔，而且，在振动电极膜变形前的状态下，背板的一部分(即，形成为凸状的柱构造)贯通孔，堵住至少其一部分，并且，在振动电极膜受压力变形的状态下，通过振动电极膜和背板的相对移动解除背板的柱构造对孔的贯通，使孔的全体露出，由此释放施加在振动电极膜的压力。进而，通过在振动电极膜的孔的边缘设置具有狭缝的扩张部，压力能够释放的范围加大，能够更有效地使压力逃逸。

图5表示本实施例的声音传感器的振动电极膜15及背板17附近的概略图。图5(a)是振动电极膜15的平面图，图5(b)是振动电极膜15及背板17、基板12的截面b－b′的剖视图。如图5(a)所示，在本实施例中，在振动电极膜15的振动部21的中心设置有压力释放孔15b。另外，在振动电极膜15的压力释放孔15b的边缘设置有通过从压力释放孔15b的边缘呈放射状地设置的狭缝15c形成的扩张部15d。

而且，如图5(b)所示，在过大的压力作用在振动电极膜15前的状态下，与背板17一体地设置为凸状的柱构造(即，凸部17b)贯通压力释放孔15b，堵住压力释放孔15b。此外，在通过半导体制造工序形成背板17时，该凸部17b同时作为背板17的一部分而形成。

接着，使用图6对上述的压力释放孔15b及凸部17b的作用进行说明。图6是用于说明本发明实施例1的压力释放孔及凸部的作用的图。图6(a)是表示过大的压力作用在不具有扩张部15d的振动电极膜15的状态。图6(b)是用于说明过大的压力作用在具有扩张部15d的振动电极膜15上，空气从压力释放孔15b及狭缝15c逃逸的情况的图。如图6(a)所示，在不具有扩张部15d的情况下，背板17的凸部17b贯通设置于振动电极膜15的压力释放孔15b而成为堵住的状态，在该状态下，如果从背板17侧对振动电极膜15作用了压力，通过压力释放孔15b的空气的量少，压力不能充分释放。

但是，通过具有扩张部15d，如图6(b)所示，空气不仅通过压力释放孔15b释放，而且空气还通过狭缝15c释放。与图6(a)相比，不仅流路面积增大，而且在从压力释放孔15b分开距离的场所，空气也可以通过。这意味着释放空气的影响范围变大，可进行更有效的空气释放。由此，能够避免振动电极膜15破损。由于狭缝15c为细长的形状，能够防止过度的流路面积的增大所致的频率特性的恶化，且能够在更大的范围促进空气的移动。因为狭缝15c从压力释放孔15b相连，所以虽然是大范围，但能够缓和通过狭缝15c和压力释放孔15c的空气的相互干涉，压力的平衡化的作用加强。

接着，使用图7说明上述的扩张部15d的作用。图7是用于说明本发明实施例1的扩张部15d的作用的图。图7(a)是表示对不具有扩张部15d的振动电极膜15作用过大的压力的状态的图。图7(b)是用于说明对具有扩张部15d的振动电极膜15作用过大的压力，空气从压力释放孔15b及狭缝15c逃逸的情况的图。如图7(a)所示，在不具有扩张部15d的情况下，变成背板17的凸部17b贯通设置于振动电极膜15的压力释放孔15b而堵住的状态，在该状态下，如果从背板17侧对振动电极膜15作用了压力，通过压力释放孔15b的空气量少，压力不能充分释放。

但是，由于具有扩张部15d，如图7(b)所示，空气不仅通过压力释放孔15b释放，而且空气还通过狭缝15c释放。与图7(a)相比，不仅流路面积增大，而且在从压力释放孔15b分开距离的场所也可以通过空气。这意味着释放空气的影响范围加大，可进行更有效的空气释放。由此，能够避免振动电极膜15的破损。由于狭缝15c为细长的形状，能够防止过度的流路面积的增大所致的频率特性的恶化，且能够在更大的范围促进空气的移动。压力释放孔15b的释放面积根据与背板17的凸部17b的相对位置改变，相比之下，因为狭缝15c的流路面积不会改变，所以总是能够进行一定的压力释放。

如上，在本实施例中，在通常动作时，即，在未对振动电极膜15作用过大的压力，振动电极膜15未大幅变形的状态下，凸部17b贯通压力释放孔15b而将其堵住，因此，能够抑制声音传感器10的频率特性恶化。而在过大的压力作用于振动电极膜15，振动电极膜15大幅变形的状态下，凸部17b从压力释放孔15b被拔出(解除凸部17b对压力释放孔15b的贯通)，消除其封堵，所以能够从压力释放孔15b充分释放压力。其结果，能够抑制振动电极膜15的进一步变形，可避免对声音传感器1作用过大的压力所致的振动电极膜15的破损。

而且，在本实施例中，通过一体设置于背板17的凸部17a和设置于振动电极膜15的压力释放孔15b的相对移动来实现上述的功能，因此，能够简化构造，提高可靠性。

＜实施例2＞

接着，说明本发明的实施例2。图8是表示本发明实施例2的声音传感器的振动电极膜25及背板27附近的图。图8(a)是振动电极膜25的平面图，图8(b)是对振动电极膜25及背板27、基板12的截面c－c′的剖视图。如图8(a)所示，在本实施例2中，将由放射状的狭缝构成的压力释放孔25b设置于振动电极膜25的中心部。扩张部25d是构成压力释放孔25b的放射状的狭缝所形成的孔的边缘的部分。而且，凸部27b为一体地以凸状设置于背板27的放射状的壁构造，如图8(b)所示，在对振动电极膜25作用过大的压力之前的状态下，通过凸部27b贯通压力释放孔25b，堵住压力释放孔25b。此外，该凸部27b在通过半导体制造工序形成背板27时，作为背板27的一部分同时形成。

本第二实施例也与第一实施例相同，在振动电极膜25的变形前的状态下，成为背板27的凸部27b贯通压力释放孔25b而堵住的状态，在该状态下，如果从背板27侧对振动电极膜25作用了压力，由于通过压力释放孔25b的空气的量少，压力不能充分释放。而在从背板27侧对振动电极膜25作用了过大的压力的情况下，由于该压力，振动电极膜25向远离背板27的方向变形，凸部27b从压力释放孔25b被拔出(解除贯通)，消除对压力释放孔25的封堵。由此，对振动电极膜25作用着压力的空气从压力释放孔25向图中下侧泄漏，可避免振动电极膜25的破损。

另外，在从背板27的相反侧对振动电极膜25作用了过大的压力的情况下，不仅通过压力释放孔25b释放压力，而且通过狭缝25c释放压力。通过狭缝25c，不仅流路面积增大，而且可以使空气在振动电极板25的大范围通过。这意味着释放空气的影响范围加大，可进行更有效的空气的释放。由此，能够避免振动电极膜25的破损。由于狭缝25c为细长的形状，能够防止过度的流路面积的增大所致的频率特性的恶化，且能够在更大的范围促进空气的移动。因为狭缝25c从压力释放孔25b相连，所以虽然是大范围，但能够缓和通过狭缝25c和压力释放孔25c的空气的相互干涉，压力的平衡化的作用加强。因为将狭缝25c呈轴对称的放射状配置，所以无论来自哪一方向的压力，都能够有效地释放。

另外，一体地设置于背板27的凸部27b为放射状的壁构造，因此，凸部27b实质上呈现加强薄板状的背板27的梁形式，能够实现背板27的强度提高。

＜实施例3＞

接着，对本发明的实施例3进行说明。图9是表示本发明实施例3的声音传感器的振动电极膜35及背板37附近的图。图9(a)是振动电极膜35的平面图，图9(b)是对振动电极膜35及背板37、基板12的截面d－d′的剖视图。如图9(a)所示，在本实施例3中，将由在平面视图中相互以120度的角度间隔设置的y字状的三个狭缝构成的压力释放孔35b设置于振动电极膜35的中心部。扩张部35d是构成压力释放孔35b的y字状的狭缝所形成的部分。而且，凸部37b是一体地以凸状设置于背板37的y字状的壁构造，如图9(b)所示，在对振动电极膜35作用过大的压力之前的状态下，凸部37b贯通压力释放孔35b，从而堵住压力释放孔35b。此外，该凸部37b在通过半导体制造工序形成背板37时，作为背板37的一部分同时形成。

本第三实施例也与第一实施例相同，在振动电极膜35的变形前的状态下，成为背板37的凸部37b贯通压力释放孔35b而将其堵住的状态，在该状态下，如果从背板37侧对振动电极膜35作用了压力，通过压力释放孔35b的空气的量少，压力不能充分释放。而在从背板37侧对振动电极膜35作用了过大的压力的情况下，由于该压力，振动电极膜35向远离背板37的方向变形，凸部37b从压力释放孔35b被拔出(解除贯通)，消除对压力释放孔35封堵。由此，对振动电极膜35作用压力的空气从压力释放孔35向图中下侧泄漏，可避免振动电极膜35的破损。

另外，在从背板37的相反侧对振动电极膜35作用了过大的压力的情况下，不仅通过压力释放孔35b释放压力，而且通过狭缝35c释放压力。通过狭缝35c，不仅流路面积增大，而且可以使空气在振动电极板35的大范围通过。这意味着释放空气的影响范围加大，可进行更有效的空气释放。由此，能够避免振动电极膜25的破损。通过将狭缝35c设为y字状，与放射状的情况相比，能够抑制压力释放孔35b的流路面积，进一步减轻低音域的灵敏度降低，即进一步减轻衰减的发生。或者，即使具有相同的流路面积，因为能够设置距离长的狭缝，所以也能够在更大范围的振动电极板上设置压力释放孔，因此，可进一步避免压力电极膜的破损。

另外，因为一体设置于背板37的凸部37b为y字状的壁构造，所以凸部37b实质上呈现加强薄板状的背板37的梁形式，能够实现背板37的强度提高。

此外，扩张部不限于上述实施例1～实施例3的任一方式，也可以是其它各种方式。

图10表示具有实施例2及实施例3所示的壁构造的凸部47b的背板47、振动电极膜45及压力释放孔45b的剖视立体图。本实施例中，如上所述，压力释放孔45b在平面视图中不是圆形而是狭缝状。另外，凸部47b具有可进入狭缝状的压力释放孔45b的壁构造。图10中示出在狭缝状的压力释放孔45b和具有壁构造的凸部47b的中央部切断振动电极膜45及背板47的图。

在该方式中，因为背板47上的凸部47b的正上方区域为平坦构造，所以不容易产生应力集中等，而且，因为背板47自身的壁厚加厚，所以能够实现背板47的强度提高。

接着，使用本实施例中的图11及图12，对具有实施例2及3中的壁构造的凸部和压力释放孔的形成工艺进行说明。首先，如图11(a)所示，在硅(si)基板53的表面形成氧化硅(sio2)的绝缘层54a，在绝缘层54a之上形成要成为振动电极膜的多晶硅(polysi)膜55。接着，如图11(b)所示，通过蚀刻局部地去除要成为振动电极膜的多晶硅(polysi)膜55，形成成为压力释放孔55b的部分。

接着，如图11(c)所示，在多晶硅(polysi)膜55上形成氧化硅(sio2)的牺牲层54b。接着，如图12(a)所示，对于牺牲层54b中成为具有壁构造的凸部的部分，通过蚀刻去除绝缘层54a及牺牲层54b。

接着，如图12(b)所示，形成成为固定电极的多晶硅(polysi)膜56，进而，形成用于形成背板及具有壁构造的凸部的氮化硅(sin)膜57。此时，用于形成凸部的氮化硅(sin)膜57b成膜的氧化硅(sio2)的绝缘层54a及牺牲层54b之间的狭缝宽度窄，因此，在进行背板57的成膜时，该狭缝完全被氮化硅(sin)膜填埋，凸部57b成为壁状。当狭缝宽度为背板膜厚或牺牲层厚的2倍以内时，狭缝被完全填埋，背板容易变成平坦。在通常尺寸的mems静电电容式换能器的情况下，多为20μm。

而且，通过蚀刻形成声孔57a。接着，如图12(c)所示，通过蚀刻，仅残留振动电极膜55和成为背板57及凸部57b的部分，去除si基板53、绝缘层54a及牺牲层54b。由此，形成背板57中的具有壁构造的凸部57b和振动电极膜55上的压力开放孔55b。

符号说明

1···声音传感器

2···后室

3···(硅)基板

5、15、25、35···振动电极膜

7、17、27、37···背板

15b、25b、35b···压力释放孔

15c、25c、35c···狭缝

15d、25d、35d···扩张部

17b、27b、37b···凸部