音响传感器

阅读:5发布:2021-04-11

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1.一种音响传感器,具有:
基板
相对电极板,其固定在所述基板上并且开设有多个音响孔;
振动电极板,其感应音压,并且与所述相对电极板隔开空隙而设置在所述基板与所述相对电极板之间,其特征在于,
所述音响孔由多个第一音响孔和开口面积比所述第一音响孔大的第二音响孔构成,所述第二音响孔配置在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的可动部分的中央部相对的区域。
2.如权利要求1所述的音响传感器,其特征在于,将所述振动电极板的所述可动部分的宽度设为L时,所述第二音响孔设置在所述相对电极板中的、以与所述可动部分的中心相对的位置为中心的半径为L/4的圆形区域的内部。
3.如权利要求1所述的音响传感器,其特征在于,所述第二音响孔只设有一个。
4.如权利要求3所述的音响传感器,其特征在于,所述第二音响孔设置在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的所述可动部分的中心相对的位置。
5.如权利要求1所述的音响传感器,其特征在于,所述第二音响孔设有多个。
6.如权利要求1所述的音响传感器,其特征在于,所述第一音响孔在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的所述可动部分的中央部相对的区域的配置密度比其外侧区域的配置密度大。

说明书全文

音响传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及音响传感器,特别是涉及用于检测在气体和液体中传播的音压即音响振动的音响传感器。

背景技术

[0002] 作为音响传感器,公开有日本特表2004-506394号公报(专利文献1)和日本特开2005-171763号公报(专利文献2)的技术内容。
[0003] 图1是示意地表示现有的音响传感器11的构造的平面图。在该音响传感器11中,振动电极板12(可动电极)和相对电极板13(固定电极)在基板上隔着微小的间隙(空隙)相对。相对电极板13在基板上向外部露出,振动电极板12被相对电极板13覆盖。在相对电极板13上以均等的间隔配置有以均一的开口面积开设的多个音响孔14(声孔)。
[0004] 由于振动电极板12由薄膜构成,通过了相对电极板13的音响孔14的音压(音响振动)到达振动电极板12时,振动电极板12感应其振动而微小振动。振动电极板12振动的话,振动电极板12与相对电极板13的间距变化,通过检测此时的振动电极板12与相对电极板13之间的电容量变化而由音响传感器11检测音响振动。
[0005] 在上述音响传感器中,在相对电极板上设有音响孔,该音响孔除了使音压通过而使振动电极板振动之外,还具有以下各种功能。
[0006] (1)音压从音响孔释放而不对相对电极板施加音压。
[0007] (2)微小间隙中的空气从音响孔释放,由此防止空气对振动电极板的振动的阻碍。
[0008] (3)利用微细加工(半导体微细加工)技术形成振动电极板与相对电极板之间的微小间隙时,成为蚀刻孔。
[0009] 专利文献1:(日本)特表2004-506394号公报
[0010] 专利文献2:(日本)特开2005-171763号公报
[0011] 专利文献3:(日本)特开2004-128957号公报
[0012] (检查工序中的问题)
[0013] 在这样的音响传感器的制造后的检查工序中,通过计测振动电极板与相对电极板之间的间距和振动电极板的振动特性等来进行音响传感器的检查为好。但是,在专利文献1和专利文献2记载的音响传感器中,由于振动电极板被相对电极板覆盖,故而不能够从表面侧直接检查振动电极板。另外,振动电极板与相对电极板之间的微小间隙在背面侧被振动电极板覆盖,故而从音响传感器的背面侧也不能进行检查。
[0014] 由于在相对电极板上开设有音响孔,故而也考虑通过音响孔计测间距和振动电极板的振动特性等。但是,在专利文献1和专利文献2的音响传感器中,音响孔在相对电极板上以均一的开口直径开设,而且在相对电极板的大致整体上均等地排列,故而不能够增大音响孔的开口直径,直径通常为数μm左右。因此,难以通过这样小的音响孔来检查振动电极板的振动等。
[0015] 另一方面,考虑若充分增大音响孔的开口直径或以高密度配置音响孔,则能够观察振动电极板。但是,若在相对电极板的大致整体设置开口直径大的音响孔,或在相对电极板的大致整体以高密度开设音响孔,则相对电极板实质的电极面积减小,相对电极板的刚性降低,音响传感器的灵敏度下降。
[0016] 因此,在现有技术中,不存在几乎不使传感器灵敏度下降而能够计测间距和振动电极板的特性的音响传感器。
[0017] 另外,在日本特开2004-128957号公报(专利文献3)中公开有如下的音响传感器,即,使相对电极板外周部的音响孔的开口直径比位于相对电极板中心部的音响孔的开口直径大,或者使相对电极板外周部的音响孔的配置密度比中心部的大。但是,在专利文献3中增大外周部的音响孔会导致振动电极板与相对电极板之间的寄生电容量的减小。
[0018] 振动电极板的可动部分的中央最大幅度地振动,故而在计测振动电极板的振动特性时,需要观察振动电极板的中央部。对此,在专利文献3的音响传感器中,由开口直径大的音响孔仅能够观察振动电极板的外周缘(固定部分的附近),不能够有效地观察振动电极板的振动特性。
[0019] (振动电极板的粘固)
[0020] 另外,在电容式音响传感器中,在其制造工序和使用中,如图2所示,振动电极板12会固着在相对电极板13上(以下,为振动电极板的一部分或几乎整体固着在相对电极板上而没有间隙的状态或将其现象称为粘固)。这样,若振动电极板12粘固在相对电极板13上,则妨碍振动电极板12的振动,故而不能够由音响传感器11检测出音响振动。
[0021] 图3(a)及图3(b)是用于说明音响传感器11产生粘固的原因的示意图,将相当于图2的X部的部分放大表示。音响传感器11利用微细加工技术制造,故而例如在蚀刻后的洗净工序中,分w浸入到振动电极板12与相对电极板13之间。另外,在音响传感器11的使用中也存在湿气滞留在振动电极板12与相对电极板13之间或音响传感器11沾水的情况。
[0022] 另一方面,由于音响传感器11为微小结构物,故而振动电极板12与相对电极板13之间的间距仅为数μm。并且,为了提高音响传感器11的灵敏度,振动电极板12的膜厚薄至1μm左右,振动电极板12的弹性变得相当弱。
[0023] 因此,在这样的音响传感器11中,例如以下说明地经过两阶段的过程而产生粘固。在第一阶段,如图3(a)所示,水分w浸入振动电极板12与相对电极板13之间时,通过该水分w产生的毛细管P1乃至表面张力而将振动电极板12向相对电极板13吸附
[0024] 在第二阶段中,在振动电极板12与相对电极板13之间的水分w蒸发之后,振动电极板12粘附在相对电极板13并保持在该状态。作为在水分w蒸发后也将振动电极板12保持固着在相对电极板13上的力P2,具有作用于振动电极板12表面与相对电极板13表面之间的分子间力、表面间力、静电力等。其结果,振动电极板12保持为粘附在相对电极板13上的状态,音响传感器11不能够发挥作用。
[0025] (空气阻尼的问题)
[0026] 另外,在现有的音响传感器中,音响孔小,故而振动电极板振动时,振动电极板与相对电极板之间的微小间隙中的空气不能够从音响孔顺畅地出入。因此,振动电极板被微小间隙中的空气阻碍振动(空气阻尼),使得音响传感器的灵敏度下降。

发明内容

[0027] 本发明是鉴于上述技术课题而作出的,其目的在于提供一种音响传感器,在几乎不使传感器灵敏度下降的情况下能够从相对电极板侧计测振动电极板的振动特性等。
[0028] 为了实现上述目的,本发明的音响传感器具有:基板;相对电极板,其固定在所述基板上并且开设有多个音响孔;振动电极板,其感应音压,并且与所述相对电极隔开空隙而设置在所述基板与所述相对电极板之间,其特征在于,所述音响孔由多个第一音响孔和开口面积比所述第一音响孔大的第二音响孔构成,所述第二音响孔配置在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的可动部分的中央部相对的区域。
[0029] 在本发明的音响传感器中,由于将开口面积大的第二音响孔设置在与振动电极板的可动部分的中央部相对的区域,故而通过相对电极板的第二音响孔能够计测振动电极板与相对电极板之间的间距及振动电极板的振动特性等。并且,能够通过第二音响孔计测振动电极板的中央部,由此,能够精度良好地计测振动电极板的振动特性。
[0030] 另外,在本发明的音响传感器中,由于在相对电极板上设有开口面积比其他音响孔(第一音响孔)大的音响孔(第二音响孔),故而能够将第二音响孔用作图像识别用的标记,图像识别精度提高。
[0031] 另外,在本发明的音响传感器中,由于在相对电极板上设有开口面积较大的第二音响孔,即使水浸入到振动电极板与相对电极板之间,也能够从第二音响孔迅速地蒸发。另外,通过开设第二音响孔可减小相对电极板的电极面积,故而被施加有电压的振动电极板与相对电极板间的静电力也减小。由此,能够减小振动电极板与相对电极板之间的毛细管力并且减轻振动电极膜的粘固。
[0032] 本发明的音响传感器的一方面,设所述振动电极板的所述可动部分的宽度为L时,所述第二音响孔设置在所述相对电极板中的、以与所述可动部分的中心相对的位置为中心的半径L/4的圆形区域的内部。对振动电极板而言,与以振动电极板的中心为中心的半径L/4的圆形区域相比,其外侧区域的挠曲和振动小,与该圆形区域相比,在其外侧不易得到振动电极板等的良好的检查精度。因此,通过在相对电极板的以与振动电极板的中心相对的点为中心的半径L/4的圆形区域的内侧设置第二音响孔,能够通过第二音响孔能够计测振动电极板的挠曲大和振动大的部位。
[0033] 本发明的音响传感器的另一方面,所述第二音响孔设有一个。在本方面中,由于开口面积大的第二音响孔以最小数量形成,故而能够使相对电极板的电极面积最少限度地减少,能够抑制音响传感器的灵敏度降低。
[0034] 另外,本方面的所述第二音响孔若设置在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的所述可动部分的中心相对的位置,则能够通过第二电极孔计测振动电极板的振动最大和挠曲最大的中心,可提高计测精度。
[0035] 本发明的音响传感器的再一方面,所述第二音响孔设有多个。在本方面中,在相对电极板上设有多个开口面积大的第二音响孔,故而浸入到振动电极板与相对电极板之间的水分能够从第二音响孔迅速地蒸发。另外,相对电极板的电极面积也进一步减小,能够减小振动电极板与相对电极板之间的静电力。由此,根据本方面,能够更加有效地减轻振动电极板的粘固。
[0036] 本发明的音响传感器的其他方面,所述第一音响孔在所述相对电极板中的、与所述振动电极板的所述可动部分的中央部相对的区域的配置密度比其外侧区域的配置密度大。在本方面中,在与振动电极板的可动部分的中央部相对的区域,以比其外侧区域更大的密度配置有第一音响孔,故而浸入到振动电极板与相对电极板之间的水分能够从密集的第一音响孔迅速地蒸发。另外,相对电极板的电极面积也进一步减小,能够减小振动电极板与相对电极板之间的静电力。由此,根据本方面,能够更加有效地减轻振动电极板的粘固。
[0037] 本发明中用于解决上述课题的方式具有将以上说明的构成要素适当组合的特征,本发明通过将上述构成要素组合而进行多种变更。附图说明
[0038] 图1是示意地表示现有的音响传感器的构造的平面图;
[0039] 图2是表示现有的音响传感器中振动电极板粘固在相对电极板上的情况的示意剖面图;
[0040] 图3(a)、(b)是说明现有的音响传感器中产生粘固的原因的图;
[0041] 图4是表示本发明第一实施方式的音响传感器的立体图;
[0042] 图5是第一实施方式的音响传感器的分解立体图;
[0043] 图6是沿图4的Y-Y线的剖面图;
[0044] 图7是示意地表示第一实施方式的音响传感器的平面图;
[0045] 图8是说明检查第一实施方式的音响传感器的情况的示意剖面图;
[0046] 图9(a)、(b)是说明第一实施方式的音响传感器可减轻振动电极板的粘固的理由的图;
[0047] 图10是示意地表示本发明第二实施方式的音响传感器的平面图;
[0048] 图11是说明第二实施方式的音响传感器可减轻振动电极板的空气阻尼的理由的图;
[0049] 图12是说明第二实施方式的音响传感器可降低Pull-in电压的理由的图;
[0050] 图13是示意地表示本发明第三实施方式的音响传感器51的平面图。
[0051] 附图标记说明
[0052] 21音响传感器
[0053] 22基板
[0054] 24振动电极板
[0055] 25相对电极板
[0056] 28膜片
[0057] 30固定电极
[0058] 31音响孔
[0059] 36音响孔
[0060] 41音响传感器
[0061] 51音响传感器
[0062] w水分

具体实施方式

[0063] 以下,参照附图说明本发明的优选实施方式。另外,本发明不限于以下的实施方式,在不脱离本发明主旨的范围内可进行各种设计变更。
[0064] (第一实施方式)
[0065] 以下,参照图4~图9说明本发明的第一实施方式。图4是表示第一实施方式的音响传感器21的立体图,图5是其分解立体图,图6是沿图4的Y-Y线的剖面图。
[0066] 该音响传感器21是电容式传感器,在硅基板22的上面隔着绝缘覆膜23而设有振动电极板24,在其上隔着微小间隙(空隙)而设有相对电极板25。
[0067] 在硅基板22上设有棱柱状的贯通孔26或锥梯形的凹部。在图中表示了棱柱状的贯通孔26。硅基板22的尺寸为俯视看1~1.5mm见方(也可以更小),硅基板22的厚度为400~500μm左右。在硅基板22的上面形成有由化膜等构成的绝缘覆膜23。
[0068] 振动电极板24由膜厚为1μm左右的多晶硅薄膜形成。振动电极板24为大致矩形的薄膜,在其四角部分朝向对角方向外侧而延伸出固定部27。振动电极板24覆盖贯通孔26或凹部的上面开口而配置在硅基板22的上面,将各固定部27固定在绝缘覆膜23之上。
在振动电极板24中贯通孔26或凹部的上方被悬空支承的部分(在本实施方式中,固定部
27以外的部分)构成为膜片28,其感应音压而振动。
[0069] 相对电极板25在由氮化膜构成的绝缘性支承层29的上面设有由金属制薄膜构成的固定电极30。相对电极板25配置在振动电极板24之上,在与膜片28相对的区域的外侧,经由由氧化膜等构成的绝缘覆膜33而固定在硅基板22的上面。相对电极板25在与膜片28相对的区域隔开3μm左右的微小间隙而覆盖膜片28。在固定电极30及支承层29上,自上面向下面贯通而穿设有用于使音压(振动)通过的音响孔(声孔)。另外,振动电极板24与音压共鸣而振动,故而构成为1μm左右的薄膜,但相对电极板25是不被音压激振的电极,故而其厚度例如为2μm以上。
[0070] 图7是示意地表示音响传感器21的平面图。在相对电极板25上开设的音响孔由开口面积较小的多个音响孔31(第一音响孔)和开口面积较大的一个音响孔36(第二音响孔)构成,音响孔31,36以等间隔配置成晶格状。在将膜片28的宽度(虽未图示,但是在圆形膜片28的情况下为直径)设为L时,开口面积较大的音响孔36处于相对电极板25中以与膜片28的中心相对的位置为中心的半径r=L/4的圆形区域a的内部。理想的是,音响孔36设置在相对电极板25中与膜片28的中心相对的位置。列举具体数值,膜片28的宽度L为800μm,相对电极板25的宽度W为1000μm。各音响孔31成为直径d为10μm的圆形,音响孔36成为直径D为20μm的圆形,音响孔31、36以p=50μm的间距排列。
[0071] 在相对电极板25的端部设有与固定电极30导通的电极焊盘32。另外,自固定部27延伸的延伸部27a从在支承层29上开设的开口34露出,设于支承层29的端部上面的电极焊盘35通过开口34而与延伸部27a导通。由此,振动电极板24和相对电极板25被电绝缘,由振动电极板24和固定电极30构成电容器。
[0072] 在第一实施方式的音响传感器21中,若从表面侧传递音响振动(空气的疏密波),则该音响振动通过相对电极板25的音响孔31而到达膜片28并使膜片28振动。若膜片28振动,则膜片28与相对电极板25之间的距离变化,由此,膜片28与固定电极30之间的电容量变化。在对电极焊盘32、35之间施加直流电压时,若将该电容量的变化作为电信号来获取,则能够将声音的振动转变成电信号而检测到。
[0073] 如图7所示,该音响传感器21中,位于音响传感器21中央部的音响孔36比其他音响孔31大,故而图像的识别性良好,维修精度提高。例如,该音响传感器21使用微细加工(半导体微细加工)技术进行制造,为数mm见方的微小构造物,故而在安装于电路基板等上时,由摄像照相机拍摄而进行图像识别,使用芯片安装等进行自动安装。此时,中央部的音响孔36的尺寸与其他的音响孔31不同,故而构成为图像识别用的明显标记,由摄像照相机拍摄到的图像的识别性良好,能够精度良好地芯片安装音响传感器21。
[0074] 另外,在音响传感器21制造后的检查工序中,可利用音响孔36进行振动电极板24的各种检查以及计测。例如,如图8所示,将通过音响孔36后的激光α照射到振动电极板24,并且接受由振动电极板24反射回来的激光α,由此,能够由激光多普勒测定计等来计测振动电极板24的振动量和固有频率等。在使用激光进行检查时,音响孔36的直径D为
10μm以上为好。这是因为,若音响孔36的直径D小于10μm,即使激光α通过音响孔36而照射到振动电极板24,反射的激光α碰抵到音响孔36的边缘而不易返回。
[0075] 另外,若使用光学式三次元计测计和测长激光计,则能够通过音响孔36计测相对电极板25与振动电极板24之间的间距。在音响传感器21中,振动电极板24与相对电极板25之间的间距在特性上十分重要,但若使用这些干涉计,则能够检测由振动电极板24和相对电极板25的初始挠曲等引起的间距的异常。在使用这样的干涉计进行检查时,音响孔36的直径D为20μm以上为好。
[0076] 振动电极板24的挠曲和振动在以膜片28的中心为中心的半径L/4的圆形区域a的外侧较小,在圆形区域a的外侧不易得到良好的检查精度。因此,在进行上述这样的检查时,音响孔36设置在以与膜片28的中心相对的点为中心的半径r=L/4的圆形区域a的内侧为好。特别是振动电极板24多为在膜片28的中央部振动量最大,故而在进行振动电极板24的测定时,音响孔36设置在与膜片28的中心相对的位置为好。
[0077] 通过该音响传感器21,能够减轻振动电极板24的粘固。例如,即使在音响传感器21的制造工序中由于水洗而使水分w充满振动电极板24与相对电极板25之间的微小间隙中,在其后的干燥处理中,如图9(a)所示,在开口直径大的音响孔36比其他音响孔31更快地干燥。并且,随着干燥处理时间的经过,如图9(b)所示,在音响孔36的部分不残留水分w,在其他音响孔31也进行水分w的蒸发。这样在最容易粘固的膜片28的中央部,水迅速蒸发,故而膜片28中央部的毛细管力减弱,振动电极板24的粘固减轻。
[0078] (第二实施方式)
[0079] 图10是示意地表示本发明第二实施方式的音响传感器41的平面图。在该音响传感器41中,在相对电极板25上设有多个音响孔36。音响孔36以与音响孔31相同的间距设置,音响孔36、31均等地排列。这是由于,在通过蚀刻开设音响孔31、36时,可均等地进行蚀刻。
[0080] 在该音响传感器41中,也与第一实施方式的情况同样地,多个音响孔36成为图像识别用的标记,能够高精度地进行音响传感器41的图像识别。另外,可通过这些音响孔36,使用激光多普勒测定计、光学式三次元计测计、测长激光计等进行振动电极板24的计测。特别是,由于开设有多个音响孔36,故而可在更宽的范围计测振动电极板24的振动状态等。另外,以与第一实施方式的情况相同的理由,该音响传感器41也将各音响孔36设置在以与膜片28的中心相对的点为中心的半径r=L/4的圆形区域a的内侧为好。另外,若将膜片28的宽度L设为800μm,则圆形区域a的半径r=L/4为200μm。
[0081] 另外,在该音响传感器41中,相对电极板25的开口面积比第一实施方式的大,故而如图11所示,空气容易通过相对电极板25。由此,在振动电极板24振动时,振动电极板24与相对电极板25之间的空气容易通过音响孔36、31而出入。因此,不易引起由于振动电极板24与相对电极板25之间的空气抑制振动电极板24的振动的空气阻尼,音响传感器
41的频率特性(特别是在高频侧的特性)稳定(平坦),频率带域宽。
[0082] 另外,根据该音响传感器41,由于在相对电极板25上开设多个音响孔36而增大相对电极板25的开口面积,故而与第一实施方式的情况同样地(参照图9)减轻振动电极板24的粘固。即,即使音响传感器41在制作工序中由于水洗而被沾湿,滞留在振动电极板24与相对电极板25之间的水分从音响孔36迅速地蒸发,故而膜片28的中央部迅速地干燥,毛细管力减小,振动电极板24的粘固减轻。另外,在该音响传感器41的情况下,使多个音响孔36与膜片28的中央部相对而设置,故而如图12所示,在振动电极板24的位移(挠曲)大的中央部能够减小相对电极板25的电极面积。结果,作用于膜片28的中央部与相对电极板25之间的静电引力K减小,能够进一步减轻粘固且可降低Pull-in电压。
[0083] (第三实施方式)
[0084] 图13是示意地表示本发明第三实施方式的音响传感器51的平面图。在该音响传感器51中,在相对电极板25中与膜片28的中心相对的位置上设有开口直径大的音响孔36。另外,在相对电极板25中以与膜片28的中心相对的点为中心的圆形区域a内,以与圆形区域a外的音响孔31相同的开口直径、且以比圆形区域a外的音响孔31的间距小的间距紧密地设有音响孔31。以与第一实施方式的情况相同的理由,将该圆形区域a的半径r设为r=L/4为好。例如,若与第一实施方式的情况同样地,在圆形区域a的外侧将音响孔
31的间距设为50μm,则在圆形区域a的内部,音响孔31的间距为25μm。
[0085] 在该音响传感器51中,也与第一实施方式的情况同样地,音响孔36成为图像识别用的标记,能够高精度地进行音响传感器51的图像识别。另外,可通过该音响孔36,使用激光多普勒测定计、光学式三次元计测计、测长激光计等进行振动电极板24的计测。
[0086] 另外,在该音响传感器51中,与第二实施方式的情况同样地,相对电极板25的开口面积增大,故而空气容易通过相对电极板25。由此,振动电极板24的振动不易被空气阻碍,音响传感器51的频率特性(特别是在高频侧的特性)稳定(平坦),频率带域宽。
[0087] 另外,根据该音响传感器51,由于在相对电极板25的与膜片28中央部相对的区域设有开口直径大的音响孔36和紧密配置的音响孔31而增大相对电极板25的开口面积,故而与第一实施方式的情况同样地(参照图9),振动电极板24的粘固减轻。即,即使音响传感器51在制作工序中由于水洗而被沾湿,滞留在振动电极板24与相对电极板25之间的水分从音响孔36以及中央部的音响孔31迅速地蒸发,故而膜片28的中央部迅速地干燥,毛细管力减小,振动电极板24的粘固减轻。另外,在该音响传感器51的情况下,使音响孔36和紧密配置的音响孔31与膜片28的中央部相对而设置,故而在振动电极板24的位移(挠曲)大的中央部能够减小相对电极板25的电极面积。结果,作用于膜片28的中央部与相对电极板25之间的静电引力减小,能够进一步减轻粘固并可降低Pull-in电压。
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