JP2005203944A - 光マイクロフォン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高指向性を備え、小型薄型で耐環境性がある光マイクロフォンを提供する。
【解決手段】 回折格子を有し音圧により振動する振動板１１３を有する半導体基板１１と、回折格子に光を照射する発光素子２１と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子２３を有する実装基板１５とを互いに積層し、振動板１１３の変位を電気信号に変換する。半導体基板１１は、透明基板１３を介して半導体基板１１上に貼り合わせられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音声認識などで使われる高機能で小型のマイクロフォンに係り、特に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の手法を用いた光マイクロフォン及びその製造方法に関する。

小型マイクロフォンとして使われているものに、コンデンサマイクロフォンがある。コンデンサマイクロフォンは振動板の振動変位量を下部電極との静電容量の変化から検出している。

又、光マイクロフォンとしては反射型が主流である。発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直表面発光型発光素子と、その周辺に同心円状に受光素子とを配置した構造を採用し、複数の受光素子からの出力を差動信号としてその差分を検出して出力とする光マイクロフォンも提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明では、単一の受光素子を用いて出力信号とした場合に比べて発光素子の温度変化や駆動電流変化等による影響を低減させ、安定な信号出力を得ている。
特開２００１−１６９３９４号公報

コンデンサマイクロフォンは、振動板の振動変位量を下部電極との静電容量の変化から検出しているため、鋭い指向性が実現できない。このため複数のコンデンサマイクロフォンを用い、その遅延和を利用することで単一指向性を実現する「マイクロフォン・アレイ」が必要になる。又、コンデンサマイクロフォンの感度は振動板と下部電極とのギャップが小さければ小さいほど向上するが安定性を欠き、ギャップ形成プロセスにおいて振動板と下部電極とのスィッキングがしばしば問題となり歩留まりの低下を招く大きな要因となっている。

光マイクロフォンは、反射型とすれば、振動板の裏面を開放できるため、全方向から音を取り込み、周囲の騒音を相殺する理想的な８の字型の双指向性が得られる。しかしながら、通常、反射光は入射光と比較して大きな広がりを持つため、振動板の微小な振動変位を反射光強度の大きな差分として観測することは難しく、その解決法として光ファイバや光ガイドといった伝送路を付加するため、コストの増大、システムの巨大化、使用範囲の限定等様々な問題が生じている。

上記問題点を鑑み、本発明は、高指向性を備え、小型薄型で耐環境性がある光マイクロフォン及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）回折格子を有し音圧により振動する振動板を有する半導体基板と、（ロ）回折格子に光を照射する発光素子と、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子を有する実装基板とを互いに積層し、振動板の変位を電気信号に変換する光マイクロフォンであることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は（イ）半導体基板に、回折格子を有する振動板を形成する工程と、（ロ）実装基板に発光素子用凹部及び受光素子用凹部を形成する工程と、（ハ）発光素子用凹部に回折格子に光を照射する発光素子を、受光素子用凹部に回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子をそれぞれ実装する工程と、（ニ）発光素子用凹部及び受光素子用凹部を振動板に対向させ、実装基板を半導体基板上に積層する工程とを含む光マイクロフォンの製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、高指向性を備え、小型薄型で耐環境性がある光マイクロフォン及びその製造方法を提供することができる。

本発明の第１〜第４の実施の形態を説明する前に、これらの実施の形態の基礎となる光マイクロフォンの原理を、説明する。先ず、光マイクロフォンの基本は振動膜上の回折格子による光の回折現象である。厳密には２次元の回折現象を扱わなければならないが、原理説明と概念設計には近似として１次元モデルを用いる。回折格子による干渉縞の強度分布は（１）式で表わされる（荒井敏弘・平井正光著、『光工学入門』 講談社サイエンティフィック参照。）：
Ｉ= I₀(sin β/β)²(sin Nγ/γ)² ・・・・・(１)
ここでパラメータγ，βは、光軸となす角度θ，波長λ，光速ｃ，格子間隔ｈ，格子幅ｂ，格子数Ｎを用いて、以下のように定義される：
γ= k・h・sinθ/2 ・・・・・(２)
β= k・b・sinθ/2 ・・・・・(３)
ここで、ｋ＝ω／ｃ，ω＝２πｃ／λである。（１）式で明らかなように、鋭い明線は、ｎを整数として、（４）式で表わされる方向に現れる：
sinθ＝±ｎλ／ｈ ・・・・・(４)
（４）式で表わされる明線を光検出素子で検出すれば、振動膜の変位に応じた信号が得られる。

詳細は、図面を参照して、以下の本発明の第１〜第４の実施の形態において説明する。

以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下に示す第１〜第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンは、図１（ｂ）に示ように、回折格子を有し下方から入射する音波Φの音圧により振動する振動板１１３を有する半導体基板１１と、回折格子に光を照射する面発光型半導体レーザ（発光素子）２１、回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換するフォトダイオード（受光素子）２３を有する実装基板１５とを互いに積層している。半導体基板１１と実装基板１５とは、ガラス基板（透明基板）１３を介して貼り合わせられている。この結果、実装基板１５、この実装基板１５の下のガラス基板（透明基板）１３、そしてガラス基板（透明基板）１３の下に配置された半導体基板１１とからなる３層構造で、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンを構成し、音圧による振動板１１３の変位を電気信号に変換する。この３層構造は、例えば熱融着技術或いは接着剤で一体化すればよい。

図１（ａ）は、実装基板１５の裏面のパターンを示す平面図である。発光素子用凹部１５５に搭載された発光素子２１は、図１（ａ）に示すように、発光素子２１上のボンディングパッドと配線１５２ｃ，１５２ｄとがボンディングワイヤ１６２ｃ，１６２ｄで接続されている（なお、発光素子２１の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｄを発光素子２１の裏面に導き、発光素子２１の上のボンディングパッドと配線１５２ｃとをボンディングワイヤ１６２ｃで接続すればよい。）。そして、実装基板１５の表面に形成された配線１５２ｃ，１５２ｄを介して、発光素子２１の上のボンディングパッドは、パッド（電極パッド）１５１ｃ，１５１ｄとそれぞれ電気的に接続されている。

同様に、受光素子用凹部１５６に搭載された受光素子２３上のボンディングパッドは、配線１５２ａ，１５２ｂとボンディングワイヤ１６２ａ，１６２ｂで接続されている（なお、受光素子２３の裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｂを受光素子２３の裏面に導き、受光素子２３の上のボンディングパッドと配線１５２ａとをボンディングワイヤ１６２ａで接続すればよい。）。そして、受光素子２３上のボンディングパッドは、図１（ａ）に示すように、実装基板１５の表面に形成された配線１５２ａ，１５２ｂを介して、パッド（電極パッド）１５１ａ，１５１ｂにそれぞれ導かれる。

図１（ｂ）を参照すれば理解できるように、ガラス基板（透明基板）１３の両端付近はパッド１５１ａ〜１５１ｄの一部が顔を出すようになっているので、発光素子２１の駆動用配線と受光素子２３からの信号取り出し配線の電気的接続が可能となる。

実装基板１５の材料としては、有機系の種々な合成樹脂、セラミック、ガラス、半導体等の無機系の材料が使用可能である。有機系の樹脂材料としては、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が、使用可能で、又板状にする際の芯となる基材は、紙、ガラス布、ガラス基材などが使用される。無機系の基板材料として一般的なものはセラミック又は半導体である。又、放熱特性を高めるものとして金属基板、透明な基板が必要な場合には、ガラスが用いられる。セラミック基板の素材としてはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（ＳｉＣ）等が使用可能である。更に、鉄、銅などの金属上に耐熱性の高いポリイミド系の樹脂板を積層して多層化した金属ベースの基板（金属絶縁基板）でも構わない。これらの材料中、実装基板１５に半導体基板を用いれば、発光素子用凹部１５５及び受光素子用凹部１５６を半導体集積回路の製造工程と同様な、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術で簡単に形成できるので好ましい。

半導体基板１１は、図１ではあたかも単層の半導体基板であるかのように例示しているが、
後述するＳＯＩ基板等の複合膜等でも構わない。

図２に示すように、半導体振動膜（振動板）１１３には、マトリクス状に、一定の深さの複数の穴（凹部）Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_i,2，Ｈ_i,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6が配置され、２次元回折格子が構成されている。このような周期的なパターン（２次元回折格子）が形成された半導体振動膜（振動板）１１３は、弾性梁１１５ａ，１１５ｂにより、半導体基板１１に設けられた底部空洞部側壁１１７に固定されている。図１（ａ）に２点鎖線で示したように、平面パターンとして見れば、半導体基板に底部空洞部１７が矩形額縁状の形状で設けられている。そして、図１に示すように、振動板１１３は底部空洞部１７の内部に、矩形のダイアフラム状に配置されている。図１（ａ）では、弾性梁１１５ａ，１１５ｂも２点鎖線で示した。

半導体レーザ（発光素子）２１のビームは、図１に示すように、ガラス基板（透明基板）１３を透過後に半導体振動膜（振動板）１１３の回折格子で回折され、再びガラス基板（透明基板）１３を透過して、フォトダイオード（受光素子）２３で検出される。このとき、図３に示すように、音波Φによる半導体振動膜（振動板）１１３の変位ΔＹに依存してフォトダイオード（受光素子）２３の入射位置がΔＸだけ変化するため、出力信号が時間的に変化する。前提として、回折強度の強い１次回折の明線を用いるとすれば、（４）式でｎ＝１となり、sinθ＝λ／ｈとなる。このとき、音波Φによる半導体振動膜（振動板）１１３のＹ方向の変位ΔＹと、フォトダイオード（受光素子）２３の入射位置のＸ方向の変位ΔＸとは、
ΔＸ＝ΔＹtanθ ・・・・・（５）
の関係になる。変位ΔＸに依存した時間的に変化する信号が、音波信号となる。

（４）式より、発光素子２１と振動板１１３との距離Ｌと発光素子２１と受光素子２３との距離Ｍの間には、次式を近似的に満たさなければならない：
Ｍ／Ｌ＝tanθ ・・・・・（６）
但し、厳密にはガラス基板（透明基板）１３での屈折現象によるビームシフトを考慮する必要がある。

簡単のために、λ／ｈ＝１／２、即ちレーザビームの波長λが格子間隔ｈの半分とすると、sinθ＝０．５である。このとき、tanθ＝１／√３〜０．５７７となるので、（６）式より、Ｍ／Ｌ〜０．５７７が得られる。したがって、発光素子２１と振動板１１３との距離Ｌが２ｍｍの場合、発光素子２１と受光素子２３との距離Ｍは２×０．５７７＝約１．１５ｍｍになるように設計すればよい。又、発光素子２１と振動板１１３との距離Ｌが１ｍｍの場合、発光素子２１と受光素子２３との距離Ｍは、５７７μｍになるように設計すればよい。

このように、（６）式を満足するように設計すれば、本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンは、実装基板１５、ガラス基板（透明基板）１３、半導体基板１１のいずれも６０μｍ〜６００μｍ程度、好ましくは、１００μｍ〜３００μｍ程度の薄膜を３層を貼り合わせた構造とすることが可能であり、小型化、薄型化に好適である。

更に、本発明の第１の実施の形態によれば、振動板の微小な振動変位を反射光強度の大きな差分として観測するが可能で、低コストで、使用範囲の限定が少ない光マイクロフォンが実現できる。このため、高指向性を備え、安定性に優れ、小型薄型で耐環境性があり、且つ製造歩留まりの高い光マイクロフォンが提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンは、以下のような手順で製造可能である。なお、以下に述べる光マイクロフォンの製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンは、実現可能であることは勿論である。

（イ）先ず、単結晶Ｓｉからなる支持基板上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を半導体基板１１として、用意する。 次に、フォトレジスト膜（以下において、単に「フォトレジスト」という。）をＳＯＩ層の表面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、フォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ法等によりＳＯＩ層をエッチングし、振動板１１３のパターンを切り出す。このとき、弾性梁１１５ａ，１１５ｂのパターンも形成される。

（ロ）その後、新たなフォトレジストをＳＯＩ層の表面にスピン塗布する。即ち、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法等を用いて、ＳＯＩ層を選択的に、ＲＩＥ法若しくはＥＣＲイオンエッチング法等によりエッチングして、振動板１１３の表面に図２に示すような微細な穴Ｈ_i-1,1，・・・・・，Ｈ_i,1，Ｈ_i,2，Ｈ_i,3，・・・・・，Ｈ_i+2,6を堀り、反射型の２次元回折格子を形成する。その後、フォトレジストを除去する。

（ハ）その後、更に新たなフォトレジストを全面にスピン塗布する。このフォトレジストにフォトリソグラフィ技術により、振動板１１３の周辺の弾性梁１１５ａと弾性梁１１５ｂとの間の領域を露出する窓部を形成する。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ等により、窓部に露出したＳＯＩ酸化膜を選択的に除去し、窓部の底部に支持基板を露出させる。

（ニ）そして、窓部を介して、単結晶Ｓｉの異方性エッチャント、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等の薬液を導入し、支持基板を選択的に異方性エッチングし、空洞（キャビティ）を振動板１１３の下部に形成する。更に、支持基板を裏面からエッチングし、底部空洞部１７を形成することで、図１及び図２に示すような、回折格子を有する振動板１１３が半導体基板１１の底部空洞部１７内に形成される。

（ホ）一方、実装基板１５として単結晶Ｓｉ基板を用意する。そして、フォトリソグラフィ技術により、フォトレジスト等をマスクとして、実装基板１５としての単結晶Ｓｉ基板を、ＴＭＡＨ等により異方性エッチングを行えば、発光素子用凹部１５５及び受光素子用凹部１５６が、実装基板１５の表面に形成される。その後、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等によりアルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）の金属膜を堆積し、フォトリソグラフィ技術、ＲＩＥ等のエッチング技術等を用いて、金属膜をパターニングして、パッド１５１ａ〜１５１ｄ及び配線１５２ａ〜１５２ｄ等のパターンを形成する。パッド１５１ａ〜１５１ｄ及び配線１５２ａ〜１５２ｄ等のパターンニングには、リフトオフ法を用いてもよく、リフトオフ法と同様なマスクを用いた選択鍍金法でもよい。或いは、スクリーン印刷技術等により、パッド１５１ａ〜１５１ｄ及び配線１５２ａ〜１５２ｄ等のパターンを形成してもよい。

（ヘ）そして、実装基板１５の発光素子用凹部１５５に回折格子に光を照射する発光素子２１を、受光素子用凹部１５６に回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子２３をそれぞれ実装する。図１（ｂ）に示すように、面発光型半導体レーザ（発光素子）２１の光軸を傾斜させるため、発光素子用凹部１５５の底部が実装基板１５の主面に対し傾斜してマウントする。この構造は、異方性エッチングで形成される平坦な底部の発光素子用凹部１５５に、発光素子２１の底部が傾斜するスペーサを挿入して、発光素子２１をマウントすればよい。例えば、発光素子２１をマウントする際の半田や導電性接着剤の形状により、実質的に、発光素子２１の底部が実装基板１５の主面に対し傾斜した構造を実現すればよい。そして、発光素子２１の上のボンディングパッドと配線１５２ｃ，１５２ｄとをボンディングワイヤ１６２ｃ，１６２ｄで接続する。同様に、受光素子２３の上のボンディングパッドと配線１５２ａ，１５２ｂとをボンディングワイヤ１６２ａ，１６２ｂで接続する。

（ト）そして、発光素子用凹部１５５及び受光素子用凹部１５６を振動板１１３に対向させ、透明基板（ガラス基板）１３を介して、図１（ｂ）に示すように、実装基板１５を半導体基板１１上に積層すれば、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンが完成する。

（第２の実施の形態）
発光素子２１は、面発光型半導体レーザに限定されず、端面発光型半導体レーザでもよい。本発明の第２の実施の形態に係る光マイクロフォンは、図４に示ように、３層構造になっていて、上から端面発光型半導体レーザ（発光素子）２１及び受光素子２３とを、それぞれ発光素子用凹部１５５及び受光素子用凹部１５６に有する実装基板１５、ガラス基板（透明基板）１３、そして振動板１１３を有する半導体基板１１である。

この３層構造は、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様に、熱融着技術或いは接着剤で一体化されている。又、振動板１１３には、半導体プロセス技術（エッチング技術やフォトリソグラフィ技術）で周期的なパターン（回折格子）が形成されていることは、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様である。端面発光型半導体レーザ（発光素子）２１のビームは発光素子用凹部１５５の壁に設けられた反射鏡１５９で反射して、ガラス基板（透明基板）１３を透過後に振動板１１３の回折格子で回折され、再びガラス基板（透明基板）１３を透過して、受光素子２３で検出される。

単結晶Ｓｉ基板を実装基板１５に用いれば、ＴＭＡＨ等の異方性エッチングで、発光素子用凹部１５５及び受光素子用凹部１５６を形成した後、発光素子用凹部１５５の側壁に金（Ａｕ）等の高反射率の金属薄膜を真空蒸着やスパッタリング法で堆積すれば、反射鏡１５９が形成できる。但し、異方性エッチングだけでも、発光素子用凹部１５５の側壁は、鏡面となるので、高反射率の金属薄膜の堆積工程は省略可能である。

第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様に、光ビームは振動板１１３の変位に依存して受光素子２３の入射位置が変化するため、出力信号が時間的に変化する。この信号を音声に対応した音波信号となる。

配線１５２ａ〜１５２ｄが半導体基板１１上に形成されている点や光マイクロフォンの製造方法等、他の点は、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様であり、重複した説明は省略する。

本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様に、高指向性を備え、小型薄型で耐環境性がある光マイクロフォンを提供することができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る光マイクロフォンは、図５に示ように、上から面発光型半導体レーザ（発光素子）２１と受光素子２３とを有する実装基板１５、透明テープ（透明基板）１４、そして振動板１１３を有する半導体基板１１の３層構造である。図５（ａ）は、透明テープ（透明基板）１４の裏面より、実装基板１５の裏面を透視した平面図であるが、実装基板１５の平面寸法よりも、透明テープ（透明基板）１４の平面寸法の方が大きく設計されている。

図５に示す３層構造は熱融着技術或いは接着剤で一体化される。振動板１１３には、半導体プロセス技術（エッチング技術やフォトリソグラフィ技術）で周期的なパターン（回折格子）が形成されている。発光素子２１のビームは、透明テープ（透明基板）１４を透過後に振動板１１３の回折格子で回折され、再び透明テープ（透明基板）１４を透過して、受光素子２３で検出される。このとき、図３に示したように、光ビームは振動板１１３の変位に依存して受光素子２３の入射位置が変化するため、出力信号が時間的に変化する。この信号を音声に対応した音波信号となる。

第３の実施の形態に係る光マイクロフォンにおいては、透明テープ（透明基板）１４上にテープ状の実装配線１４１，１４２，１４３，１４４が形成され、実装基板１５の周辺部に設けられたパッド（電極パッド）１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄにそれぞれ電気的に接続されている。そして、発光素子用凹部１５５に搭載された発光素子２１は、図５（ａ）に示すように、発光素子２１上のボンディングパッドとチップ側配線１５４ａ，１５４ｄとがボンディングワイヤ１６４ａ，１６４ｄで接続されている（なお、発光素子２１の裏面が一方の電極になっている場合は、例えばチップ側配線１５４ａを発光素子２１の裏面に導き、発光素子２１の上のボンディングパッドとチップ側配線１５４ｄとをボンディングワイヤ１６４ｄで接続すればよい。）。そして、実装基板１５の表面に形成されたチップ側配線１５４ａ，１５４ｄを介して、発光素子２１の上のボンディングパッドは、パッド（電極パッド）１５３ａ，１５３ｄとそれぞれ電気的に接続されている。

同様に、受光素子用凹部１５６に搭載された受光素子２３上のボンディングパッドは、チップ側配線１５４ｂ，１５４ｃとボンディングワイヤ１６４ｂ，１６４ｃで接続されている（なお、受光素子２３の裏面が一方の電極になっている場合は、例えばチップ側配線１５４ｃを受光素子２３の裏面に導き、受光素子２３の上のボンディングパッドとチップ側配線１５４ｂとをボンディングワイヤ１６４ｂで接続すればよい。）。そして、受光素子２３上のボンディングパッドは、図５（ａ）に示すように、実装基板１５の表面に形成されたチップ側配線１５４ｂ，１５４ｃを介して、パッド（電極パッド）１５３ｂ，１５３ｃにそれぞれ導かれる。これらのパッド１５３ａ〜１５３ｄ及びチップ側配線１５４ａ〜１５４ｄは、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンの製造方法で説明したようなチップ配線技術により形成できる。こうして、発光素子２１の駆動用配線と受光素子２３からの信号取り出し配線の電気的接続が、透明テープ（透明基板）１４上の実装配線１４１，１４２，１４３，１４４を介して可能となる。

光マイクロフォンの製造方法等他の点は、第１及び第２の実施の形態に係る光マイクロフォンと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

本発明の第３の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様に、高指向性を備え、小型薄型で耐環境性がある光マイクロフォンを提供することができる。

（第４の実施の形態）
図６に示すように、本発明の第４の実施の形態においては、複数の発光素子２１Ｂ，２１Ａと、複数の受光素子２３Ｂ，２３Ａにより、異なる共振特性を有する複数の振動板１１３Ｂ，１１３Ａからの振動情報を独立に得ることにより、音声の周波数成分を選択する機能を付加した光マイクロフォンについて説明する。

図６は、実装基板１５の裏面のパターンを示す平面図である。第４の実施の形態に係る光マイクロフォンは、図６に示すように、発光素子用凹部１５５Ｂに高周波用発光素子２１Ｂが、発光素子用凹部１５５Ａに低周波用発光素子２１Ａが、受光素子用凹部１５６Ｂに高周波用受光素子２３Ｂが、受光素子用凹部１５６Ａに低周波用受光素子２３Ａがそれぞれ搭載されている。断面構造の図示は省略するが、基本的には、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンと同様であり、上から発光素子２１Ｂ，２１Ａと受光素子２３Ｂ，２３Ａを実装した実装基板１５、ガラス基板（透明基板）１３、高周波用振動板１１３Ｂ及び低周波用振動板１１３Ａを備える半導体基板１１の３層構造になっている。図６では、２点鎖線で、高周波用振動板１１３Ｂ及び高周波用振動板１１３Ｂより面積の大きな低周波用振動板１１３Ａと、これらを収納する底部空洞部１７の領域を想像線として示している。高周波用の振動領域と、低周波用の振動領域に分かれていれば、高周波用振動板１１３Ｂ及び低周波用振動板１１３Ａは一体化した振動板でもよい。

発光素子用凹部１５５Ｂに搭載された高周波用発光素子２１Ｂは、図６に示すように、高周波用発光素子２１Ｂ上のボンディングパッドと配線１５２ｃ，１５２ｄとがボンディングワイヤ１６２ｃ，１６２ｄで接続されている（なお、高周波用発光素子２１Ｂの裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｄを高周波用発光素子２１Ｂの裏面に導き、高周波用発光素子２１Ｂの上のボンディングパッドと配線１５２ｃとをボンディングワイヤ１６２ｃで接続すればよい。）。そして、実装基板１６の表面に形成された配線１５２ｃ，１５２ｄを介して、高周波用発光素子２１Ｂの上のボンディングパッドは、パッド（電極パッド）１５１ｃ，１５１ｄとそれぞれ電気的に接続されている。

同様に、受光素子用凹部１５６Ｂに搭載された高周波用受光素子２３Ｂ上のボンディングパッドは、配線１５２ａ，１５２ｂとボンディングワイヤ１６２ａ，１６２ｂで接続されている（なお、高周波用受光素子２３Ｂの裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｂを高周波用受光素子２３Ｂの裏面に導き、高周波用受光素子２３Ｂの上のボンディングパッドと配線１５２ａとをボンディングワイヤ１６２ａで接続すればよい。）。そして、高周波用受光素子２３Ｂ上のボンディングパッドは、図６に示すように、実装基板１６の表面に形成された配線１５２ａ，１５２ｂを介して、パッド（電極パッド）１５１ａ，１５１ｂにそれぞれ導かれる。

一方、発光素子用凹部１５５Ａに搭載された低周波用発光素子２１Ａは、図６に示すように、低周波用発光素子２１Ａ上のボンディングパッドと配線１５２ｇ，１５２ｈとがボンディングワイヤ１６２ｇ，１６２ｈで接続されている（なお、低周波用発光素子２１Ａの裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｈを低周波用発光素子２１Ａの裏面に導き、低周波用発光素子２１Ａの上のボンディングパッドと配線１５２ｇとをボンディングワイヤ１６２ｇで接続すればよい。）。そして、実装基板１６の表面に形成された配線１５２ｇ，１５２ｈを介して、低周波用発光素子２１Ａの上のボンディングパッドは、パッド（電極パッド）１５１ｇ，１５１ｈとそれぞれ電気的に接続されている。

同様に、受光素子用凹部１５６Ａに搭載された低周波用受光素子２３Ａ上のボンディングパッドは、配線１５２ｅ，１５２ｆとボンディングワイヤ１６２ｅ，１６２ｆで接続されている（なお、低周波用受光素子２３Ａの裏面が一方の電極になっている場合は、例えば配線１５２ｆを低周波用受光素子２３Ａの裏面に導き、低周波用受光素子２３Ａの上のボンディングパッドと配線１５２ｅとをボンディングワイヤ１６２ｅで接続すればよい。）。そして、低周波用受光素子２３Ａ上のボンディングパッドは、図６に示すように、実装基板１６の表面に形成された配線１５２ｅ，１５２ｆを介して、パッド（電極パッド）１５１ｅ，１５１ｆにそれぞれ導かれる。

これらのパッド１５１ａ〜１５１ｈ及び配線１５２ａ〜１５２ｈは、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンの製造方法で説明したようなチップ配線技術により形成できる。図１（ｅ）と同様に、ガラス基板（透明基板）１３の両端付近は１５１ａ〜１５１ｈの一部が顔を出すようになっているので、高周波用発光素子２１Ｂ及び低周波用発光素子２１Ａの駆動用配線と高周波用受光素子２３Ｂ及び低周波用受光素子２３Ａからの信号取り出し配線の電気的接続が可能となる。

光マイクロフォンの製造方法等他の点は、第１〜第３の実施の形態に係る光マイクロフォンと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。

図６に示す第４の実施の形態に係る光マイクロフォンによれば、図７に示すように、高周波用発光素子２１Ｂと、高周波用受光素子２３Ｂと、高周波用振動板１１３Ｂからの高周波の振動スペクトルＢを得ることができ、低周波用発光素子２１Ａと、低周波用受光素子２３Ａと、低周波用振動板１１３Ａからの低周波の振動スペクトルＡを得ることができる。このように、異なる振動スペクトルの振動情報を得ることにより、音声の周波数成分を選択する機能を付加することができる。なお、複数の発光素子２１Ｂ，２１Ａと、複数の受光素子２３Ｂ，２３Ａにより、一体化した振動板１１３上の異なる共振特性を有する部分からの振動情報を得ることにより、音声の周波数成分を選択する機能を付加するようにしてもよい。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた第１〜第４の実施の形態に係る光マイクロフォンにおいて、受光素子２３として、図８に示すようなフォトダイオードアレイやＣＣＤを用いるようにしてもよい。図８にでは、４つのフォトダイオードＰＤ₁，ＰＤ₂，ＰＤ₃，ＰＤ₄からなるフォトダイオードアレイを例示したが、フォトダイオードの数は４個に限られず、又１次元配列でも、２次元配列でもよい。フォトダイオードアレイやＣＣＤを用いれば、１次回折光だけでなく２次回折光も検出して、感度を向上できる。更に、第４の実施の形態で説明した複数の振動板１１３Ａ，１１３Ｂからの回折光を同時に時系列として検知できる。

又、第１〜第４の実施の形態に係る光マイクロフォンにおいて、透明基板１３，１４に波長選択性を持たせることにより、発光素子２１の波長は透過させるが外部からの背景光は遮断して雑音特性を向上させるようにしてもよい。透明基板１３，１４で光ビームが通過する領域以外の部分の光透過率を低下させて背景光からの雑音を低減させると共に高感度にすることができる。

更に、図９に示すように、透明基板（ガラス基板）１３にマイクロレンズ１３５Ａ及び１３５Ｂを形成しマイクロレンズアレイとし、発光素子２１からの光ビームの狭径化と利用効率を向上させてもよい。マイクロレンズ１３５Ａ及び１３５Ｂは、発光素子２１から振動板１１３に形成された回折格子を経て受光素子２３に至る光路が透明基板（ガラス基板）１３と交わる位置に形成されていれば良く、マイクロレンズ１３５Ａ及び１３５Ｂのいずれか一方を省略することも可能である。第１，第２及び第４の実施の形態では、透明基板１３として通常のガラス基板を用いているので、発光素子２１から出射する光ビーム径は最初小さいが、受光素子（フォトダイオードアレイ）２３に到達する段階ではかなり広がってしまう。したがって、光ビームの一部は受光素子（フォトダイオードアレイ）２３の受感領域からはずれて、感度低下につながる。これに対して図９に示すように、透明基板（ガラス基板）１３にエッチング技術やレーザ加工技術でマイクロレンズ１３５Ａ，１３５Ｂを形成すると、光ビームが狭径化して、高感度になる。これは、光ビーム径が小さくなると、わずかなビーム位置変化でも受光素子（フォトダイオードアレイ）２３で検知できるからである。

更に、一定の場合は、第１〜第４の実施の形態に係る光マイクロフォンにおいて、透明基板１３，１４を省略することも可能である。例えば、図１０（ａ）に示ように、面発光型半導体レーザ（発光素子）２１とフォトダイオード（受光素子）２３を集積化した第２半導体基板１８を実装基板とし、半導体振動膜（振動板）１１３を形成した第１半導体基板１１とを直接接合法で接合した２層構造でも構わない。図１０（ａ）においては、化合物半導体からなる第２半導体基板１８上に形成したエピタキシャル成長層１９を用いて、発光素子２１と受光素子２３とが形成され、発光素子２１と受光素子２３との間を絶縁膜やプロトン（Ｈ⁺）照射による高抵抗領域からなる素子分離領域１８１で電気的に分離されている。第１半導体基板１１は、薄い半導体振動膜（振動板）１１３の機械的強度を考慮すればシリコン（Ｓｉ）が好ましいが、化合物半導体基板でも構わない。但し、第１半導体基板１１の表面から半導体振動膜（振動板）１１３の表面までの深さを、（６）式を満足するように設計する必要があるが、面発光型半導体レーザ（発光素子）２１とフォトダイオード（受光素子）２３との距離はフォトリソグラフィ技術で設計できるので微細化が容易で、小型化・薄膜化に優れた構造である。

発光素子２１は、図１０（ｂ）に示すような、ｎ側ブラッグ反射膜１９１，ｎ側クラッド層１９２，活性層１９３，ｐ側クラッド層，ｐ側ブラッグ反射膜１９５及びｐ側電極１８２等を備える面発光半導体レーザで構成すればよい。受光素子２３としては、図１０（ｂ）に示した面発光半導体レーザをフォトダイオードとして用いれば、面発光半導体レーザと禁制帯幅が同一のフォトダイオードを用いたことになり、波長の共鳴効果により、雑音や迷光の影響を受けない、極めて好感度な光マイクロフォンが実現できる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンの要素である実装基板の裏面から見たパターンを示す平面図で、図１（ｂ）は、第１の実施の形態に係る光マイクロフォンの実装基板、ガラス基板（透明基板）、半導体基板からなる３層構造を説明する模式的な断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンの要素である半導体振動膜（振動板）の表面に形成された２次元回折格子を説明するための模式的な鳥瞰図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光マイクロフォンにおいて、発光素子と振動板との距離と、発光素子と受光素子との距離との間の関係を説明するための模式図である。 図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る光マイクロフォンの要素である実装基板の裏面から見たパターンを示す平面図で、図４（ｂ）は、第２の実施の形態に係る光マイクロフォンの実装基板、ガラス基板（透明基板）、半導体基板からなる３層構造を説明する模式的な断面図である。 図５（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る光マイクロフォンの要素である透明テープ（透明基板）の裏面より、実装基板の裏面を透視した平面図で、図５（ｂ）は、第３の実施の形態に係る光マイクロフォンの実装基板、透明テープ（透明基板）、半導体基板からなる３層構造を説明する模式的な断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光マイクロフォンの要素である実装基板の裏面から見たパターンを示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光マイクロフォンの音声の周波数成分を選択する機能を説明するための周波数スペクトルである。 本発明の他の実施の形態に係る光マイクロフォンのフォトダイオードアレイを説明するための模式的な断面図である。 本発明の更に他の実施の形態に係る光マイクロフォンのマイクロレンズアレイを説明するための模式的な断面図である。 本発明の更に他の実施の形態に係る光マイクロフォンの第１及び第２半導体基板からなる２層構造を説明する模式的な断面図である。

符号の説明

１１…半導体基板（第１半導体基板）
１３…透明基板（ガラス基板）
１４…透明基板（透明テープ）
１５…凹部
１５，１６…実装基板
１７…底部空洞部
１８…第２半導体基板
１９…エピタキシャル成長層
２１…発光素子
２１Ａ…低周波用発光素子
２１Ｂ…高周波用発光素子
２３…受光素子
２３Ａ…低周波用受光素子
２３Ｂ…高周波用受光素子
１１３…振動板
１１３Ａ…低周波用振動板
１１３Ｂ…高周波用振動板
１１５ａ，１１５ｂ…弾性梁
１１７…底部空洞部側壁
１３５Ａ，１３５Ｂ…マイクロレンズアレイ
１４１，１４２，１４３，１４４…実装配線
１５１ａ〜１５１ｈ，１５３ａ〜１５３ｄ…パッド
１５２ａ〜１５２ｈ…配線
１５４ａ〜１５４ｄ…チップ側配線
１６２ａ〜１６２ｈ，１６４ａ〜１６４ｄ…ボンディングワイヤ
１５５，１５５Ａ，１５５Ｂ，１５６，１５６Ａ，１５６Ｂ…凹部
１５９…反射鏡
１８１…素子分離領域
１８２…ｐ側電極
１９１…ｎ側ブラッグ反射膜
１９２…ｎ側クラッド層
１９３…活性層
１９４…ｐ側クラッド層
１９５…ｐ側ブラッグ反射膜
Φ…音波
ＰＤ₁，ＰＤ₂，ＰＤ₃，ＰＤ₄…フォトダイオード

Claims (7)

1. 回折格子を有し音圧により振動する振動板を有する半導体基板と、
   前記回折格子に光を照射する発光素子と、前記回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子を有する実装基板
   とを互いに積層し、前記振動板の変位を電気信号に変換することを特徴とする光マイクロフォン。
2. 前記半導体基板と、前記実装基板とが、透明基板を介して貼り合わせられていることを特徴とする請求項１に記載の光マイクロフォン。
3. 前記実装基板は、
   前記振動板上の異なる共振特性を有する部分の回折格子のそれぞれに光を照射する複数の発光素子と、
   前記異なる共振特性を有する部分の回折格子で回折した光をそれぞれ検知し電気信号に変換する複数の受光素子
   とを備え、音声の周波数成分を選択する機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光マイクロフォン。
4. 前記透明基板は、前記発光素子の波長を透過し、外部からの背景光は遮断する波長選択性を有することを特徴とする請求項２に記載の光マイクロフォン。
5. 前記透明基板は、前記発光素子から前記回折格子を経て前記受光素子に至る光路が前記透明基板と交わる位置にマイクロレンズを有することを特徴とする請求項２又は４に記載の光マイクロフォン。
6. 半導体基板に、回折格子を有する振動板を形成する工程と、
   実装基板に発光素子用凹部及び受光素子用凹部を形成する工程と、
   前記発光素子用凹部に前記回折格子に光を照射する発光素子を、前記受光素子用凹部に前記回折格子で回折した光を検知し電気信号に変換する受光素子をそれぞれ実装する工程と、
   前記発光素子用凹部及び受光素子用凹部を前記振動板に対向させ、前記実装基板を前記半導体基板上に積層する工程
   とを含むことを特徴とする光マイクロフォンの製造方法。
7. 前記積層する工程は、前記半導体基板を透明基板を介して前記半導体基板上に貼り合わせる工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の光マイクロフォンの製造方法。
   

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