JP6606439B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Description

本発明はＭＥＭＳ素子、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられるＭＥＭＳ素子に関する。

従来から、マイクロフォン、センサ、アクチュエータ、電子回路、機械要素部品等に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が用いられており、例えば携帯機器の市場においては、ＭＥＭＳ素子のマイクロフォンがエレクトレットコンデンサマイクロフォンに置き換わり、近年では小型化に加えて高感度化の要求が高まっている。

このようなマイクロフォンは、半導体基板上に作製された可動電極と固定電極とが平行平板型コンデンサを形成し、音圧によって可動電極が振動して生じる静電容量変位を電圧変化に変換することにより、音声を電気信号に変換するものである。

図８に、従来のＭＥＭＳマイクロフォンの一例（断面図）が示されており、このマイクロフォンでは、半導体基板６１に絶縁膜６２を介して可動電極（ダイヤフラム）６６が形成されると共に、支持層（犠牲層の一部からなる）６７を介して固定電極６８が設けられる。この固定電極６８と可動電極６６は、平行となるように配置され、上記固定電極６８には、その上に絶縁膜６９を設けられた状態で多数の音孔７１が形成される。

特開２０１４−２３３０５９号公報

ところで、マイクロフォンの感度は、音圧を受けた可動電極６６が変位して生じる静電容量の変化率を大きくすることで向上するが、図８に示されるような一般的なＭＥＭＳマイクロフォンは、可動電極６６の周囲が基板６１や支持層６７等で固定されているため、可動電極６６の中の湾曲のみで静電容量を変化させている。
一方、可動電極６６では、それにかかる引張応力が小さい程、湾曲し易くなって感度は向上するが、逆に圧縮応力に転じてしまうと可動電極６６が撓み、マイクロフォンとして動作しなくなる。そのため、可動電極６６の成膜工程とその後のアニール工程で可能な限り小さな引張応力が維持されるように設定することが重要とされ、可動電極６６に用いる材質も限定されている。

従来のマイクロフォンでは、上述のように可動電極６６の周囲が固定されているため、可動電極６６の全体の変位により静電容量が変化することはなく、可動電極６６の径が小さくなる程、その変位が小さくなり感度が低下するという問題がある。そのため、感度を維持したまま小型化を図ることも困難である。

上記特許文献１に示されるマイクロフォンでは、可動電極の外周にスリットを設けて変位し易くしている。一方、スリット周辺にかかる応力集中を緩和するため、可動電極の厚さを厚くする必要があり、可動電極の変位を妨げてしまっていた。そのため、応力の集中を緩和しつつ、可動電極の変位を妨げない方法が求められている。

また、マイクロフォンにおいて、可動電極６６の周囲が固定される条件で小型化すると、共振周波数が高音域側にシフトし、中低音域の感度が低下してしまう。この中低音域の感度低下を防ぐために空気振動の抵抗成分、所謂音響抵抗を増加させる方法があり、例えば可動電極６６と固定電極６８とのギャップに遮蔽物を設けることで、音響抵抗を増加させることが可能となるが、遮蔽物は静電容量の変化に寄与できるコンデンサの実効面積を減らすため、中低音域の感度低下を防ぐ一方で、音域全体の感度を低下させるという不都合がある。

更に、上記可動電極６６を薄くしたり、固定のための支持部（６２，６７）を減らしたりすることで、可動電極６６は変位し易くなり感度を向上させることができるが、機械的強度が低下して可動電極６６が破壊され易いといった問題が生じる。以上のことから、従来のＭＥＭＳ素子としてのマイクロフォンでは、感度の低下或いは機械的強度の低下のいずれかを伴うために小型化することが困難であった。
このような感度の低下や機械的強度の低下は、上記マイクロフォンに限らず、変位や振動を電気量に変換する他のＭＥＭＳ素子についても同様に解決課題となる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度の低下或いは機械的強度の低下を伴うことなく、小型化が可能となるＭＥＭＳ素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板の支持層に固定された固定電極と、この固定電極に略平行に配置された変位可能な可動電極と、この可動電極の上又は下の位置で上記基板の支持層に固定されたバネ層と、を有し、上記可動電極を、上記バネ層に対し支持体を介して機械的に支持すると共に電気的に接続してなることを特徴とする。
請求項２の発明は、平面視において上記支持体を点状又は線状として複数配置し、上記バネ層には上記点状又は線状の支持体の周りに、少なくとも１巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする。
請求項３の発明は、平面視において上記支持体を上記バネ層の周囲に環状に配置し、上記バネ層には上記環状の支持体の外周に沿って１巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする。

以上の構成によれば、例えばバネ層に形成した渦巻き状スリットの中心部に支持体が設けられ、この支持体を介して可動電極がバネ層に取り付けられることにより、可動電極が渦巻きバネを介してバネ層の上又は下に支持される状態となる。また、この可動電極は支持体（コンタクトとする場合もある）を介してバネ層へ、そして回路部へ電気的に接続される。
この結果、可動電極にかかる基板や支持層等からの応力がなくなると共に、可動電極全体が水平方向だけでなく垂直方向にも変位できる状態となり、例えばマイクロフォンでは、音圧に対する敏感な変位、振動により、良好な感度が得られる。

本発明によれば、可動電極が水平方向及び垂直方向（全方位方向）に変位可能となるため、可動電極の中の変位、振動及び可動電極全体の変位、振動を得ることができ、音圧に対する静電容量の変化率の正確性が担保され、感度も良好となるので、感度の低下或いは機械的強度の低下を伴うことなく、小型化が可能となる

また、渦巻き状スリットを設けることで、支持層からバネ層に与えられる水平方向の応力をスリットが吸収し、可動電極は水平方向へ変位しながらも平板を保つことができる。このため、製膜工程での応力制御の幅が広がり、従来可動電極として使用できなかった機械的強度の高い材質や複合材料を用いることが可能となる。
更に、バネ層の材質、渦巻き状スリット数、スリット形状、スリット幅、巻き数、可動電極の質量を選択することにより、共振周波数の帯域を広く設計することが可能となり、小型化した際の中低音域の感度低下を抑えられるという効果がある。

本発明の第１実施例のＭＥＭＳ素子であるマイクロフォンの構成を示す断面図である。 第１実施例のマイクロフォンの構成を示し、固定電極部分を除いた状態の平面図である。 第１実施例のバネ層の渦巻き状スリットをキャビティ側からみた平面図である。 第１実施例の渦巻き状スリットの部分を示し、図３のＡ−Ａ方向の断面図である。 第１実施例の渦巻き状スリットの変形例を示す平面図である。 第２実施例のマイクロフォン装置の構成を示し、図（Ａ）は固定電極部分を除いた状態の平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の１００部分の拡大図である。 第３実施例のマイクロフォンの構成を示し、固定電極部分を除いた状態の平面図である。 従来例のマイクロフォンの構成を示す断面図である。

図１乃至図４に、第１実施例のＭＥＭＳ素子であるマイクロフォンの構成が示されており、図１に示されるように、マイクロフォンは、中央にキャビティ３０を有する半導体基板１、この基板１上に形成された絶縁膜２、この絶縁膜２上に形成され、中央に開口を有するバネ層（断面を示す斜線は省略）３、このバネ層３の中央部開口３ａの周辺に所定の間隔で配置され（バネ層のホールに接続され）、電気的接続（コンタクト）を兼ねるピン状支持体５、このピン状支持体５が取り付けられる可動電極６が設けられる。この可動電極６は、圧力の作用で変位可能な膜（ダイヤフラム）からなる電極である。

また、上記バネ層３の上方で支持層（犠牲層）７を介して可動電極６と平行に設置される固定電極８、この固定電極８を保持する絶縁膜９が設けられる。上記の固定電極８は、絶縁層９に保持されて支持層７に支持されることで、可動電極６との間にギャップ１０を形成する。上記固定電極８及び絶縁膜９には、複数の音孔１１が設けられる。
そして、実施例では、図２乃至図４に示されるように、バネ層３の中央開口３ａの周辺において上記ピン状支持体（平面視において点状に設けた支持体）５を中心とする円形渦巻き状のスリット１２が複数設けられる。

上記バネ層３、ピン状支持体５及び可動電極６は、音圧を電気信号として取り出すため導電性材料で形成され、バネ層３の外周の一部が図示しない外部電極に接続される。なお、バネ層３、ピン状支持体５において、導電性材料で形成される部分を一部としてもよい。上記固定電極８においても、導電性材料で形成された固定電極８の一部が外周に引き出されて図示しない外部電極に接続される。
また、バネ層３としては、不純物を添加したポリシリコン膜の他に、チタン又はタングステンなどの高融点金属やポリシリコン膜と金属膜を反応させたシリサイド化合物を用い、また表面に導電性があればよいため、例えば窒化膜などの絶縁性膜の上に高融点金属を堆積した積層膜とすることもできる。
上記可動電極６は、平板キャパシタを形成する電極部とピン状支持体５（全部又は一部）が電気的に接続されていればよく、不純物を添加したポリシリコン膜の他に、チタン又はタングステン等の高融点金属、或いは導電性材料の上部に例えば窒化膜などの絶縁性膜を積層したものを用いることができる。

上記バネ層３の中央開口の周囲に設けられた渦巻き状スリット１２は、図３，図４に示されるように、渦巻きバネ部を構成し、この渦巻き状スリット１２の中心に、可動電極６を支持するピン状支持体５を配置することにより、可動電極６を複数の渦巻きバネ部で支持する形となる。この渦巻き状スリット１２は、少なくとも１巻以上の渦巻きで形成すればよく、これによって、水平方向及び垂直方向に変位することが可能となる。

上記マイクロフォンの構成によれば、音圧による空気振動が固定電極８及び絶縁膜９に形成された音孔１１を通って可動電極６へ伝わり、この可動電極６がバネ層３の渦巻き状スリット１２により形成された渦巻きバネ部に支持されることで、可動電極６は固定電極８と平行のままで変位・振動し、この変位・振動により生じる可動電極６と固定電極８との間の静電容量の変化が電気信号に変換される。この場合の可動電極６の変位・振動は、電極の中の振動だけでなく、電極全体の水平方向及び垂直方向の振動も加わったものとなり、これにより音圧を良好な感度で電気信号へ変換できることになる。

また、可動電極６がバネ層３の渦巻き状スリット１２のバネ部で支持されるので、基板１や支持層７等の支持部材（可動電極６の周囲）から可動電極６へ生じる応力が緩和される。即ち、可動電極６が支持層等に直接固定される条件で、可動電極６に圧縮応力がかかる場合は外側へ変位し、可動電極６に引張応力がかかる場合には内側へ変位するが、実施例においては、これらの応力が渦巻き状のスリット１２により吸収され、可動電極６の垂直方向及び水平方向の変位が可能となるため、音圧又は応力のいずれを受けても可動電極６と固定電極８との平行が保たれ、高い感度が維持される。

また、バネ層３の中央部に設けた開口３ａは必須の構成ではないが、実施例では、この開口３ａを形成することによっても応力が緩和されるようにしている。即ち、バネ層３の外周は絶縁膜２と支持層７で固定・支持されており、これらの支持部材から圧縮応力或いは引張応力が与えられるが、中央部に開口３ａを設けることで、バネ層３引いては可動電極６にかかる応力が緩和されるという利点がある。

図５に、第１実施例の渦巻きはスリットの変形例が示されており、図５の渦巻き状スリット１３のように、スリットが中心から徐々に拡がるように設け、バネ層３のスリット間の線幅が太くなる螺旋形のスリットとしてもよい。

図６に、第２実施例のマイクロフォンの構成が示されており、この第２実施例は、全体が弧形となる渦巻きスリットを４箇所に設けたものである。図６（Ａ），（Ｂ）に示されるように、可動電極６の外周部の下側でバネ層３の開口３ａの周囲の位置に、可動電極６とバネ層３を機械的及び電気的に接続するための弧形の支持片（平面視において線状に設けた支持体）１５が設けられており、この弧形支持片１５の周囲に、支持片１５を中心として１巻以上巻かれた渦巻き状スリット１６が形成される。その他の構成は、図１と同様となる。

第１及び第２実施例のマイクロフォンでは、図１に示されるように、音圧によってマイクロフォンに導入される空気は、固定電極８及び絶縁膜９の複数の音孔１１を通って可動電極６の外側から渦巻状スリット１２，１６又は支持体（片）５，１５同士の間を通り、キャビティ３０へ抜ける。
しかし、第２実施例の場合は、４つの渦巻きスリット１６（及び支持片１５）しか設けておらず、支持片間の隙間の数が第１実施例に比べて少なくなっている。従って、音響抵抗が大きくなり、中低音域における感度を増加させることが可能となる。

このような第２実施例においても、バネ層３の渦巻き状スリット１６により、支持片１５に支持された可動電極６が水平方向及び垂直方向に変位・振動することができるため、可動電極６は応力に関係なく、固定電極８との平行が維持されたまま、音圧に対し全面において変位・振動することが可能となる。

図７に、第３実施例のマイクロフォンの構成が示されており、この第３実施例は、全体に１つの渦巻きスリットを設けたものである。図７に示されるように、可動電極６の外周部の下側において、バネ層３の開口３ａの周囲に沿って可動電極６とバネ層３を機械的及び電気的に接続するための１つの環状支持体（平面視において環状に設けた支持体）１７が設けられており、この環状支持体１７の外側に、外周を１周以上巻いた渦巻き状スリット１８が形成される。その他の構成は、図１と同様となる。

第３実施例の構成によれば、第１及び第２実施例のような支持体間の隙間がなく、音圧によって導入された空気は、渦巻き状スリット１８のみからキャビティ３０へ抜けるため、音響抵抗が第１及び第２実施例よりも大きくなり、中低音域における感度を増加させることが可能となる。また、第３実施例においても、バネ層３に設けられた渦巻状スリット１８と環状支持体５により、可動電極６が水平方向および垂直方向に変位することができるため、可動電極６は応力に関係なく、固定電極８との平行が維持されたまま、その全面が音圧に対して変位・振動することができる。

上記各実施例の構成に限らず、バネ層３には形状の異なる渦巻き状スリットを組み合わせて配置することが可能となる。例えば、形状の異なる複数の渦巻き状スリットを設けることにより、マイクロフォン全体を揺する特定周波数の外部振動に可動電極６が共振し、大きな揺れとなって破壊されることを防ぐことができる。なお、形状の異なるスリットは、例えばスリットの渦巻きの大きさ、スリットの幅、巻き数の異なるものを組み合わせて配置してもよい。

上記実施例では、可動電極６をバネ層３の上側（上層）に配置したが、この可動電極６はバネ層３の下側（下層）に配置してもよい。

１，６１…半導体基板、 ２，９，６２，６９…絶縁膜、
３…バネ層、 ５…ピン状支持体、
６，６６…可動電極、 ７，６７…支持層（犠牲層）、
８，６８…固定電極、 １０…ギャップ、
１１，７１…音孔、 １２，１３，１６，１８…渦巻き状スリット、
１５…弧形支持片、 １７…環状支持体、
３０…キャビティ。

Claims (3)

1. 基板の支持層に固定された固定電極と、
   この固定電極に略平行に配置された変位可能な可動電極と、
   この可動電極の上又は下の位置で上記基板の支持層に固定されたバネ層と、を有し、
   上記可動電極を、上記バネ層に対し支持体を介して機械的に支持すると共に電気的に接続してなるＭＥＭＳ素子。
2. 平面視において上記支持体を点状又は線状として複数配置し、上記バネ層には上記点状又は線状の支持体の周りに、少なくとも１巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
3. 平面視において上記支持体を上記バネ層の周囲に環状に配置し、上記バネ層には上記環状の支持体の外周に沿って１巻以上の渦巻き状スリットを形成したことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。

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