JP7428317B2

JP7428317B2 - Ｍｅｍｓ素子

Info

Publication number: JP7428317B2
Application number: JP2020099816A
Authority: JP
Inventors: 竜平根本
Original assignee: Nisshinbo Micro Devices Inc
Current assignee: Nisshinbo Micro Devices Inc
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: JP2021193785A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子に関する。

近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらにＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。

例えば容量型のＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極膜と、音圧を受けて振動する可動電極膜とを対向配置させ、可動電極膜の変位を容量変化として検出する構成となっている。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

一般的なこの種のＭＥＭＳ素子の断面図を図１０に示す。図１０に示すように、支持基板１上に絶縁膜２を介して可動電極膜３が固定、配置され、可動電極膜３上にスペーサー４を介して固定電極膜５が固定、配置されている。可動電極膜３が音圧等を受けて矢印方向あるいは逆方向に振動すると、固定電極膜５の固定電極と可動電極膜３の可動電極との間で形成されるキャパシタの容量値が変化する。この容量変化を図示しない電極から取り出すことで、可動電極膜３が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。

特開２０１１－５５０８７号公報

ところでこの種のＭＥＭＳ素子では、図１０に示すように音圧等を受ける可動電極膜３は、周囲全体をスペーサー４と支持基板１上の絶縁膜２によって挟持され固定されているため、中央部の変位量は大きいものの、固定部に近づくほど変位量が小さくなってしまう。

可動電極膜３がこのように湾曲して変形すると、可動電極も同様に変形して固定電極に対向するため、平行平板の電極とならず出力信号が小さくなってしまうという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、大きな出力信号を得ることができるＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、支持基板上に、振動膜と、該振動膜の振動に応じた容量変化を検知する第１の電極と第２の電極とを配置したＭＥＭＳ素子において、前記支持基板上に固定された前記振動膜と、第１の電極膜連結部材によって前記振動膜と連結された前記第１の電極を含む第１の電極膜と、前記第１の電極に対向するように配置された前記第２の電極を含む第２の電極膜と、を備え、前記第１の電極膜連結部材は、前記振動膜の上下動に応じて前記第１の電極膜を水平方向に移動させ、前記第１の電極と前記第２の電極とで検知する容量が変化するように前記振動膜と前記第１の電極膜とを連結していることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記第２の電極膜は第２の電極膜連結部材によって前記振動膜に連結され、該第２の電極膜連結部材は、前記振動膜の上下動に応じて前記第１の電極膜が水平方向に移動するとき、該振動膜の上下動に応じて前記第２の電極膜を前記第１の電極膜が移動する方向とは異なる水平方向に移動させ、前記第１の電極と前記第２の電極とで検知する容量が変化するように前記振動膜と前記第２の電極膜とを連結していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、バックチャンバーを備えた前記支持基板上に、前記振動膜と前記第２の電極膜からなる固定電極膜とをスペーサーを介して対向するように配置し、前記振動膜と前記固定電極膜との間のエアギャップ内に、第１の連結部材と第２の連結部材とからなる前記第１の電極膜連結部材に連結した前記第１の電極膜となる第１の可動電極膜を配置し、前記第１の連結部材は、前記振動膜と前記第１の可動電極膜とを連結し、前記第２の連結部材は、前記第１の可動電極膜と、前記固定電極膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、バックチャンバーを備えた前記支持基板上に、前記振動膜と支持膜とをスペーサーを介して対向するように配置し、前記振動膜と前記支持膜との間のエアギャップ内に、第３の連結部材と第４の連結部材とからなる前記第１の電極膜連結部材に連結した前記第１の電極膜となる第１の可動電極膜と、第５の連結部材と第６の連結部材とからなる前記第２の電極膜連結部材に連結した前記第２の電極膜となる第２の可動電極膜とを対向するように配置し、前記第３の連結部材は、前記振動膜と前記第１の可動電極膜とを連結し、前記第４の連結部材は、前記第１の可動電極膜と、前記支持膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結し、前記第５の連結部材は、前記振動膜と前記第２の可動電極膜とを連結し、前記第６の連結部材は、前記第２の可動電極膜と、前記支持膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結していることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記第１の電極膜は、前記水平方向に移動するとともに、垂直方向に移動することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、振動膜が湾曲して変位しても、第１の電極膜と第２の電極膜が平板状態のまま移動するため、大きな出力信号を得ることができる。特に、振動膜の変位の大きい部分と可動電極膜となる電極膜を電極膜連結部材で連結することで、振動膜の大きな変位を電極膜の大きな移動に変換することができ、特性の優れたＭＥＭＳ素子を提供することができる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の電極膜を振動膜に連結するだけでなく第２の電極膜も振動膜に連結し、第１の電極膜が移動する方向と第２の電極膜が移動する方向とを変える構成とすることで、第１の電極膜と第２の電極膜との相対位置が大きく変化し、特性の優れたＭＥＭＳ素子を得ることが可能となる。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の電極膜が水平方向に移動するとともに、第２の電極膜に近づくように垂直方向にも移動させることで、第１の電極と第２の電極とが重なる面積が増すとともに、第１の電極と第２の電極が近づくことで大きな容量変化となり、特性の優れたＭＥＭＳ素子を得ることができる。

本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の電極あるいは第２の電極の形状を変更することで、振動膜の上下動に応じて第１の電極と第２の電極とが重なる面積を線形に変化させ、あるいは非線形に変化させることができる。またその変化量も適宜変更することができ、使用形態に応じた出力信号を容易に得ることができる。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の可動電極の移動を説明する図である。本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の第１の可動電極の移動を説明する図である。本発明の第２の実施例の別のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子の可動電極の移動を説明する図である。一般的なＭＥＭＳ素子を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、振動膜と電極膜とを電極膜連結部材により連結し、振動膜の上下動に応じて電極膜を水平方向に移動させ、電極膜上に配置した電極によって形成されるキャパシタの容量変化を検知する構成としている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。本実施例のＭＥＭＳ素子は、容量変化を検知するために配置される２枚の電極膜の一方の電極膜を、振動膜の振動に応じて水平方向に移動させる構成のＭＥＭＳ素子となる。図１は、第１の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。図１に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上に、熱酸化膜からなる絶縁膜２とＵＳＧ膜からなる第１のスペーサー４ａに挟持された振動膜６が配置されている。さらに第１のスペーサー４ａとＵＳＧ膜からなる第２のスペーサー４ｂに挟持された可動電極膜３（第１の電極膜に相当）が配置され、第２のスペーサー４ｂ上に固定電極膜５（第２の電極膜に相当）が配置されている。可動電極膜３上には可動電極３ａ（第１の電極に相当）が、固定電極膜５上には固定電極５ａ（第２の電極に相当）がそれぞれ対向するように配置されている。

さらに振動膜６と固定電極膜５との間の空間(エアギャップ)内に配置された可動電極膜３は、連結部材７ａ（第１の電極膜連結部材であって第１の連結部材に相当）によって振動膜６に連結されている。この連結は、連結部材７ａの一端を振動膜６の振動の振幅が大きい領域（中央近傍）に連結し、連結部材７ａの他端を可動電極膜３に、連結部材７ａが所定の方向（図１では左方向）に傾くように連結する構造となっている。

図２は、可動電極膜３の平面図である。可動電極３ａを備えた可動電極膜３は、第１のスペーサー４ａと第２のスペーサー４ｂに挟持される周辺部と、弾性のある連結部材７ｂ１（第１の電極膜連結部材であって第２の連結部材に相当）によっても連結されている。図２において５ａ１は図１に示す固定電極５ａが対向配置する位置を示しており、７ａ１は連結部材７ａとの接合位置を示している。このような構造の可動電極膜３は、外圧が加わると弾性のある連結部材７ｂ１が変形して水平方向への移動が可能となっている。

また可動電極膜３は、図１に示すように固定電極膜５との対向面で連結部材７ｂ２（第１の電極膜連結部材であって第２の連結部材に相当）によって固定電極膜５と連結されている。

上記のような構造の本実施例のＭＥＭＳ素子は、図１に示すようにキャビティ８側から音圧等が加わると、振動膜６が振動する。この振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ａを介して可動電極膜３に伝えられる。ここで可動電極膜３には、連結部材７ａと同等で対称の連結部材７ｂ２を配置している。連結部材７ａと対称となる接合位置、長さ、材質等を選定した連結部材７ｂ２を配置することで、可動電極膜３を固定電極膜５側へ変位させる圧力に連結部材７ｂ２が対抗し、可動電極膜３を弾性のある連結部材７ｂ１側に変位させることになる。当然ながら、このとき固定電極膜５は変位しない。

具体的には、振動膜６にキャビティ８側から矢印方向の圧力が加わり振動膜６が振動すると、振動膜６がエアギャップ側に上がる変位(矢印と同じ方向への変位)が生じ、連結部材７ａ、連結部材７ｂ２および連結部材７ｂ１で支持された可動電極膜３は、図面左方向へ水平移動する。その結果、可動電極３ａと固定電極５ａとが重なる面積が増加し、容量値が増加するように変化する。また振動膜６の振動によりキャビティ８側に下がる変位（矢印と逆の方向への変位）が生じると、可動電極膜３は、図面右方向へ水平移動する。その結果、可動電極３ａと固定電極５ａとが重なる面積が減少し、容量値が減少するように変化する。

このように振動膜６の振動による上下動は、可動電極膜３を水平方向へ移動させ、可動電極３ａと固定電極５ａの重なる面積が変化し、容量変化として検知することが可能となる。なお、連結部材７ｂ１と連結部材７ｂ２は必ずしも両方を備える必要はなく、可動電極膜３を固定電極膜５に平行に対向するように支持することができれば、いずれか一方でもよい。また連結部材７ａ、連結部材７ｂ２は、複数設けることも可能である。連結部材７ｂ１の配置や形状、可動電極膜との連結位置等も適宜変更可能である。

連結部材７ａと連結部材７ｂ２は、剛性があり、振動膜６の上下動を可動電極膜３の水平方向の動きとして伝えることができる材料から適宜選択して使用することができる。また単一の材料により構成されることに限定されず、多層構造のような集合体で構成してもよい。

連結部材７ａと連結部材７ｂ２の傾斜した連結構造は、例えば、第１のスペーサー４aおよび第２のスペーサー４ｂを形成する工程において次のように形成することができる。まず、第１のスペーサー４ａとなる犠牲層を形成する際、傾斜面を有する犠牲層を形成して、傾斜面上に連結部材７ａをパターニングする。別の犠牲層を形成して傾斜面を覆い、連結部材７ａの一部を露出して平坦化した第１のスペーサー４ａとなる犠牲層を形成する。その後、露出する連結部材７aに連結するように可動電極膜３および可動電極３ａを形成する。同様に第２のスペーサー４ｂとなる犠牲層を形成する際、傾斜面を有する犠牲層を形成して、傾斜面上に連結部材７ｂ２をパターニングする。別の犠牲層を形成して傾斜面を覆い、連結部材７ｂ２の一部を露出して平坦化した第２のスペーサー４ｂとなる犠牲層を形成する。その後、露出する連結部材７ｂ２に連結する固定電極５ａおよび固定電極膜５を形成する。第１のスペーサー４ａおよび第２のスペーサー４ｂを形成するため、犠牲層を除去することで、傾斜した連結部材７ａ、連結部材７ｂ２を形成することができる。

なお、連結部材７ａと連結部材７ｂ２とが均等に変形しない場合、あるいは連結部材７ｂ２を備えない場合であって、連結部材７ｂ１が可動電極膜３の上下動を完全に抑えることができない場合もある。その場合、容量値が増加する水平方向の移動とともに可動電極３ａと固定電極５ａが近づくように変位し、容量値が減少する水平方向の移動とともに可動電極３ａと固定電極５ａが離れるように変位するように構成すると、より大きな容量変化を得ることができ好ましい。

次に第２の実施例について説明する。本実施例のＭＥＭＳ素子は、容量変化を検知するために配置される２枚の電極膜を、振動膜の振動に応じてそれぞれ水平方向に移動させる構成のＭＥＭＳ素子となる。図３は、第２の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。図３に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上に、熱酸化膜からなる絶縁膜２とＵＳＧ膜からなる第１のスペーサー４ａに挟持された振動膜６が配置されている。さらに第１のスペーサー４ａとＵＳＧ膜からなる第２のスペーサー４ｂに挟持された第１の可動電極膜３１（第１の電極膜に相当）が配置され、第２のスペーサー４ｂ上に第２の可動電極膜３２（（第２の電極膜に相当）が配置されている。第１の可動電極膜３１上には第１の可動電極３１ａ（第１の電極に相当）が、第２の可動電極膜３２上には第２の可動電極３２ａ（第２の電極に相当）がそれぞれ対向するように配置されている。

さらに振動膜６と第１の可動電極膜３１は、連結部材７ｃ（第１の電極膜連結部材であって第３の連結部材に相当）によって連結されている。この連結は、連結部材７ｃの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ｃの他端を第１の可動電極膜３１に、連結部材７ｃが所定の方向（図３では左方向）に傾くように連結する構造となっている。

さらにまた振動膜６と第２の可動電極膜３２は、連結部材７ｅ（第２の電極膜連結部材であって第５の連結部材に相当）によって連結されている。この連結も、連結部材７ｅの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ｅの他端を第２の可動電極膜３２に、連結部材７ｅが所定の方向（図３では右方向）に傾くように連結する構造となっている。

図４は、第１の可動電極膜３１の平面図である。第１の可動電極３１ａを備えた第１の可動電極膜３１は、第１のスペーサー４ａと第２のスペーサー４ｂに挟持される周辺部と、弾性のある連結部材７ｄ（第１の電極膜連結部材であって第４の連結部材に相当）によっても連結されている。図４において３２ａ１は図３に示す第２の可動電極３２ａが対向配置する位置を示している。また、７ｃ１は連結部材７ｃとの接合位置を示し、９は連結部材７ｅが貫通する貫通孔を示している。このような構造の第１の可動電極膜３１は、外圧が加わると弾性のある連結部材７ｄが変形して変位可能となっている。

第２の可動電極膜３２も、第１の可動電極膜３１同様、第２のスペーサー４ｂと接合する周辺部と、弾性のある連結部材７ｆ（第２の電極膜連結部材であって第６の連結部材に相当）によって連結されている。

上記のような構造の本実施例のＭＥＭＳ素子は、図３に示すようにキャビティ８側から音圧等が加わると、振動膜６が振動する。この振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｃを介して第１の可動電極膜３１に伝えられる。同時に、振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｅを介して第２の可動電極膜３２にも伝えられる。ここで、第１の可動電極膜３１が第２の可動電極膜３２側へ変位するより連結部材７ｄ側に変位するように連結部材７ｄを形成することで、第１の可動電極膜３１は水平方向に変位することになる。同様に第２の可動電極膜３２が表面側へ変位するより結部材７ｆ側に変位するように連結部材７ｆを形成することで、第２の可動電極膜３２は水平方向に変位することになる。

具体的には、振動膜６にキャビティ８側から矢印方向の圧力が加わり振動膜６が振動すると、振動膜６がエアギャップ側に上がる変位（矢印と同じ方向への変位）が生じ、連結部材７ｃと連結部材７ｄで支持された第１の可動電極膜３１は、図面左方向へ水平移動する。同時に、連結部材７ｅと連結部材７ｆで支持された第２の可動電極膜３２は、図面右方向へ水平移動する。その結果、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が増加し、容量値が増加するように変化する。また振動膜６の振動によりキャビティ８側に下がる変位（矢印と逆方向への変位）が生じると、第１の可動電極膜３１は図面右方向へ水平移動し、同時に第２の可動電極膜３２は図面左方向へ水平移動する。その結果、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が減少し、容量値が減少するように変化する。本実施例では、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａが、相互に反対方向に移動するため、相対的な移動寸法が大きくなり、容量変化が大きくなる。

このように振動膜６の振動による上下動は、第１の可動電極膜３１と第２の可動電極膜３２をそれぞれ反対の水平方向へ移動させ、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａの重なる面積が変化し、容量変化として検知することが可能となる。なお、連結部材７ｃ、連結部材７ｅの数、配置や形状、第１の可動電極膜３１あるいは第２の可動電極膜３２との接続位置や配置、材質等は適宜変更可能である。連結部材７ｄ、７ｆの配置や形状、第１、第２の可動電極膜３１、３２とのそれぞれの連結位置等も適宜設定可能である。

連結部材７ｃの傾斜した連結構造は、上記第１の実施例で説明した連結部材７ａを形成する方法により形成することができる。一方連結部材７ｅは、第１の可動電極膜３１の貫通孔９を貫通する構造となっている。そこで、連結部材７ｃを形成する際、同時に連結部材７ｅの一部を形成して第１の可動電極膜３１を形成する。その後、第１の可動電極膜３１の一部を除去して貫通孔９を形成し、貫通孔９内に連結部材７ｅの一部を露出させる。この連結部材７ｅに連続するように、上記第１の実施例で説明した連結部材７ｂ２を形成する方法により、連結部材７ｅの他の部分を形成する。あるいは、図５に示すＭＥＭＳ素子のように、貫通孔９を形成する代わりに、接合部材７ｅと接合する第１の可動電極膜の一部を貫通孔形成予定領域内に残し、この第１の可動電極膜３１から独立して残された第１の可動電極膜の一部に接合するように接合部材７ｅを形成することで、第１の可動電極膜の一部を中継部材１０として用いることもできる。

なお、連結部材７ｄが第１の可動電極膜３１の上下動を完全に抑えることができない場合や、連結部材７ｆが第２の可動電極膜３２の上下動を完全に抑えられない場合もある。その場合、容量値が増加する水平方向の移動とともに第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａが近づくように変位し、容量値が減少する水平方向の移動とともに第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａが離れるように変位するように構成すると、より大きな容量変化を得ることができ好ましい。

次に第３の実施例について説明する。本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第２の実施例同様、容量変化を検知するために配置される２枚の電極膜を、振動膜の振動に応じてそれぞれ水平方向に移動させる構成のＭＥＭＳ素子となる。図６は、第３の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。図６に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上に、熱酸化膜からなる絶縁膜２とＵＳＧ膜からなる第１のスペーサー４ａに挟持された振動膜６が配置されている。さらに第１のスペーサー４ａとＵＳＧ膜からなる第２のスペーサー４ｂに挟持された第１の可動電極膜３１（第１の電極膜に相当）が配置され、第２のスペーサー４ｂとＵＳＧ膜からなる第３のスペーサー４ｃに挟持された第２の可動電極膜３２（第２の電極膜に相当）が配置され、第３のスペーサー４ｃ上に支持膜１１が配置されている。第１の可動電極膜３１上には第１の可動電極３１ａ（第１の電極に相当）が、第２の可動電極膜３２上には第２の可動電極３２ａ（第２の電極に相当）がそれぞれ対向するように配置されている。

さらに振動膜６と第１の可動電極膜３１は、連結部材７ｃ（第１の電極膜連結部材であって第３の連結部材に相当）によって連結されている。この連結は、連結部材７ｃの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ｃの他端を第１の可動電極膜３１に、連結部材７ｃが所定の方向（図６では左方向）に傾くように連結する構造となっている。

また第１の可動電極膜３１は、第２の可動電極膜３２との対向面で連結部材７ｄ２（第１の連結部材であって第４の連結部材に相当）によって支持膜１１に連結している。この連結は、連結部材７ｄ２の一端を第１の可動電極膜３１に連結し、連結部材７ｄ２の他端を支持膜１１に、連結部材７ｄ２が所定の方向（図６では右方向）に傾くように連結する構造となっている。なお連結部材７ｄ２は、第２の可動電極膜３２に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

さらにまた振動板６と第２の可動電極膜３２は、連結部材７ｅ（第２の電極膜連結部材であって第５の連結部材に相当）によって連結されている。この連結は、連結部材７ｅの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ｅの他端を第２の可動電極膜３２に、連結部材７ｅが所定の方向（図６では右方向）に傾くように連結する構造となっている。なお連結部材７ｅは、第１の可動電極膜３１に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

また第２の可動電極膜３２は、支持膜１１との対向面で連結部材７ｆ２（第２の電極膜連結部材であって第６の連結部材に相当）によって支持膜１１に連結している。この連結は、連結部材７ｆ２の一端を第２の可動電極膜３２に連結し、連結部材７ｆ２の他端を支持膜１１に、連結部材７ｆ２が所定の方向（図６では左方向）に傾くように連結する構造となっている。

本実施例においても、第１の可動電極３１ａを備えた第１の可動電極膜３１は、第１のスペーサー４ａと第２のスペーサー４ｂに挟持される周辺部と、弾性のある連結部材７ｄ１によっても連結されている。このような構造の第１の可動電極膜３１は、外圧が加わると弾性のある連結部材７ｄ１が変形して変位可能となっている。また第２の電極３２ａを備えた第２の可動電極膜３２は、第２のスペーサー４ｂと第３のスペーサー４ｃに挟持される周辺部と、弾性のある連結部材７ｆ１によって連結されている。このような構造の第２の可動電極膜３２も、外圧が加わると弾性のある連結部材７ｆ１が変形して変位可能となっている。

上記のような構造の本実施例のＭＥＭＳ素子も、上記第２の実施例で説明したＭＥＭＳ素子同様、図６に示すようにキャビティ８側から音圧等が加わると、振動膜６が振動する。この振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｃを介して第１の可動電極膜３１に伝えられる。ここで第１の可動電極膜３１には、連結部材７ｄ２が連結しており、この連結部材７ｄ２の接合位置、長さ、材質等を適宜選定することで、第１の可動電極膜３１を支持膜１１側へ変位させる圧力に連結部材７ｄ２が対抗し、第１の可動電極膜３１は弾性のある連結部材７ｄ１側に変位することになる。同時に、振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｅを介して第２の可動電極膜３２にも伝えられる。ここで第２の可動電極膜３２には、連結部材７ｆ２が連結しており、この連結部材７ｆ２の接合位置、長さ、材質等を適宜選定することで、第２の可動電極膜３２を支持膜１１側へ変位させる圧力に連結部材７ｆ２が対抗し、第２の可動電極膜３２は弾性のある連結部材７ｆ１側に変位することになる。

具体的には、振動膜６にキャビティ８側から矢印方向の圧力が加わり振動膜６が振動すると、振動膜６が振動膜６と支持膜１１との間のエアギャップ側に上がる変位（矢印と同じ方向への変位）が生じ、連結部材７ｃと連結部材７ｄ２で支持された第１の可動電極膜３１は、図面左方向へ水平移動する。同時に連結部材７ｅと連結部材７ｆ２で支持された第２の可動電極膜３２は、図面右方向へ水平移動する。第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａの配置を図４に示す配置と同じとすると、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が増加し、容量値が増加するように変化する。また振動膜６の振動によりキャビティ８側に下がる変位（矢印と逆方向への変位）が生じると、第１の可動電極膜３１は図面右方向へ水平移動し、同時に第２の可動電極膜３２は図面左方向へ水平移動する。その結果、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が減少し、容量値が減少するように変化する。本実施例でも第２の実施例同様、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａが、相互に反対方向に移動するため、相対的な移動寸法が大きくなり、容量変化が大きくなる。

このように振動膜６の振動による上下動は、第１の可動電極膜３１と第２の可動電極膜３２をそれぞれ反対の水平方向へ移動させ、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａの重なる面積が変化し、容量変化として検知することが可能となる。なお連結部材７ｃ、連結部材７ｄ２、連結部材７ｅ、連結部材７ｆ２の数、配置や形状、第１の可動電極膜３１あるいは第２の可動電極膜３２との接続位置や配置、材質等は適宜変更可能である。連結部材７ｄ１、７ｆ１の配置や形状、第１、第２の可動電極膜３１、３２とのそれぞれの接続位置等も適宜設定可能である。

連結部材７ｃの傾斜した形状、連結部材７ｅの傾斜した形状は、上記第３の実施例で説明したように形成することができる。連結部材７ｄ２の傾斜した形状は、連結部材７ｅの一部を形成する際、同時に連結部材７ｄ２の一部を形成し、その後第２の可動電極膜３２の一部を除去して貫通孔を形成し、連結部材７ｄ２の一部を露出させる。この連結部材７d２の一部に連続するように、第３のスペーサー４ｃとなる犠牲層を形成する際、傾斜面を有する犠牲層を形成して、傾斜面状に連結部材７ｄ２の他の部分を形成する。同様に連結部材７f２も形成する。別の犠牲層を形成して傾斜面を覆い、連結部材７ｄ２、連結部材７ｆ２の一部を露出して平坦化した第３のスペーサー４ｃとなる犠牲層を形成する。その後、露出する連結部材７ｄ２、連結部材７ｆ２に連結する支持膜１１を形成する。第１乃至第３のスペーサー４ａ～４ｃを形成するため犠牲層を除去することで、連結部材７ｃ、連結部材７ｄ２、連結部材７ｅ、連結部材７f２を形成することができる。第１の可動電極膜３１、第２の可動電極膜３２に貫通孔を形成する代わりに、中継部材を形成することも可能である。

なお、連結部材７ｃと連結部材７ｄ２、連結部材７ｅと連結部材７ｆの変形の仕方によっては、第１の可動電極膜３１と第２の可動電極膜３２の上下動を完全に抑えることができない場合もある。その場合、容量値が増加する水平方向の移動とともに第１の可動電極３１と第２の可動電極３２が近づくように変位し、容量値が減少する水平方向の移動とともに可動電極３ａと固定電極５ａが離れるように変位するように構成すると、より大きな容量変化を得ることができ好ましい。

次に第４の実施例について説明する。本発明のＭＥＭＳ素子は、上記第２の実施例、第３の実施例同様、容量変化を検知するために配置される２枚の電極膜を、振動膜の振動に応じてそれぞれ水平方向に移動させる構成のＭＥＭＳ素子となる。また、上記第３の実施例と比較して、第１の可動電極膜３１と連結部材７ｃおよび連結部材７ｄ２との接続、第２の可動電極膜３２と連結部材７ｅおよび連結部材７ｆ２との接続を、中継部材１０ａを介して行っている点で相違している。以下、実施例３との相違点について詳細に説明する。

図７に示すように、振動膜６と第１の可動電極膜３１は、連結部材７ｃ（第１の電極膜連結部材であって第３の連結部材に相当）によって連結されている。この連結は、連結部材７ｃの一端は振動膜６に直接連結し、連結部材７ｃの他端は中継部材１０ａを介して第１の可動電極膜３１に、連結部材７ｃが所定の方向（図７では左方向）に傾くように連結する構造となっている。なお連結部材７ｃは、第１の可動電極膜３２に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

また第１の可動電極膜３１は、連結部材７ｄ２（第１の連結部材であって第４の連結部材に相当）によって支持膜１１に連結している。この連結は、連結部材７ｄ２の一端を第１の可動電極膜３１に連結した中継部材１０ａに連結し、連結部材７ｄ２の他端を支持膜１１に、連結部材７ｄ２が所定の方向（図７では右方向）に傾くように連結する構造となっている。なお、連結部材７ｄ２は、第２の可動電極膜３２に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

さらにまた振動膜６と第２の可動電極膜３２は、連結部材７ｅ（第２の電極膜連結部であって第５の連結部材に相当）によって連結されている。この連結も、連結部材７ｅの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ｅの他端を第２の可動電極膜３２に連結した中継部材１０ａに連結し、連結部材７ｅが所定の方向（図７では右方向）に傾くように連結している。なお連結部材７ｅは、第１の可動電極膜３１に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

また第２の可動電極膜３２は、連結部材７ｆ２（第２の連結部材であって第６の連結部材に相当）によって支持膜１１に連結している。この連結は、連結部材７ｆ２の一端を第２の可動電極膜３２に連結した中継部材１０ａに連結し、連結部材７ｆ２の他端を支持膜１１に、連結部材７ｆ２が所定の方向（図７では左方向）に傾くように連結している。なお、連結部材７ｆ２は、第２の可動電極膜３２に形成された貫通孔を貫通するように配置されている。

上記のような構造の本実施例のＭＥＭＳ素子も、上記第３の実施例で説明したＭＥＭＳ素子同様、図７に示すようにキャビティ８側から音圧等が加わると、振動膜６が振動する。この振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｃを介して第１の可動電極膜３１に伝えられる。ここで、第１の可動電極膜３１には中継部材１０ａを介して連結部材７ｄ２が連結しており、連結部材７ｃと連結部材７ｄ２を対称の形状とすることができ、第１の可動電極膜３１を支持膜１１側へ変位させる圧力に連結部材７ｄ２が対抗し、第１の可動電極膜３１を弾性のある連結部材７ｄ１側に変位させることになる。同時に、振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ｅを介して第２の可動電極膜３２にも伝えられる。ここで第２の可動電極膜３２には中継部材１０ａを介して連結部材７ｆ２が連結しており、連結部材７ｅと連結部材７ｆ２を対称の形状とすることができ、第２の可動電極膜３２を支持膜１１側へ変位させる圧力に連結部材７ｆ２が対抗し、第２の可動電極膜３２を弾性のある連結部材７ｆ１側に変位させることになる。

具体的には、振動膜６にキャビティ８側から矢印方向の圧力が加わり振動膜６が振動すると、振動膜６が振動膜６と支持膜１１との間のエアギャップ側に上がる変位（矢印と同じ方向への変位）が生じ、連結部材７ｃと連結部材７ｄ２で支持された第１の可動電極膜３１は、図面左方向へ水平移動する。同時に連結部材７ｅと連結部材７ｆ２で支持された第２の可動電極膜３２は、図面右方向へ水平移動する。第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａの配置を図４に示す配置と同じとすると、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が増加し、容量値が増加するように変化する。また振動膜６の振動によりキャビティ８側に下がる変位（矢印と逆方向への変位）が生じると、第１の可動電極膜３１は図面右方向へ水平移動し、同時に第２の可動電極膜３２は図面左方向へ水平移動する。その結果、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａとが重なる面積が減少し、容量値が減少するように変化する。本実施例でも第２、第３の実施例同様、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａが、相互に反対方向に移動するため、相対的な移動寸法が大きくなり、容量変化が大きくなる。

このように振動膜６の振動による上下動は、第１の可動電極膜３１と第２の可動電極膜３２をそれぞれ反対の水平方向へ移動させ、第１の可動電極３１ａと第２の可動電極３２ａの重なる面積が変化し、容量変化して検知することが可能となる。なお、連結部材７ｃ、連結部材７ｄ２、連結部材７ｅ、連結部材７ｆ２、中継部材１０ａの数、配置や形状、第１の可動電極膜３１あるいは第２の可動電極膜３２との接続位置や配置、材質等は適宜変更可能である。特に本実施例の連結部材は、中継部材１０ａを挟んで対称の形状とすることができ、第１の可動電極膜３１と第２の可動電極膜３２を水平方向に変位しやすくすることができる。連結部材７ｄ１、７ｆ１の配置や形状、第１、第２の可動電極膜３１、３２とのそれぞれの接続位置等も適宜設定可能である。

中継部材１０ａは、第２のスペーサー４ｂとなる犠牲層を形成する工程において、中継部材１０ａを形成する工程を付加して所望の形状に形成することができる。

次に第５の実施例について説明する。上記実施例では、対向する矩形の電極が相互にスライドするように水平方向に移動する場合について説明したが、連結部材の配置によっては電極が相互に回転するように水平移動するように構成することができる。

例えば、図１で説明したＭＥＭＳ素子において、電極が回転するように水平移動する第５の実施例について説明する。図８は、第５の実施例のＭＥＭＳ素子の断面図である。図８に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上に、熱酸化膜からなる絶縁膜２とＵＳＧ膜からなる第１のスペーサー４ａに挟持された振動膜６が配置されている。さらに第１のスペーサー４ａとＵＳＧ膜からなる第２のスペーサー４ｂに挟持された可動電極膜３（第１の電極膜に相当）が配置され、第２のスペーサー４ｂ上に固定電極膜５（第２の電極膜に相当）が配置されている。可動電極膜３上には可動電極３ａ（第１の電極に相当）が、固定電極膜５上には可動電極５ａ（第２の電極に相当）がそれぞれ対向するように配置されている。

さらに振動膜６と固定電極膜５との間の空間（エアギャップ）内に配置された可動電極膜３は、連結部材７ａ（第１の電極膜連結部材であって第１の連結部材に相当）によって振動膜６に連結されている。この連結は、連結部材７ａの一端を振動膜６に連結し、連結部材７ａの他端を可動電極膜３に、連結部材７ａが所定の方向に傾くように連結する。図８に示す例では、１対の連結部材７ａを配置しており、各連結部材７ａは、逆方向に傾くように連結する構造となっている。

図９は、可動電極膜３の平面図である。扇型の可動電極３ａを備えた可動電極膜３は、第１のスペーサー４ａと第２のスペーサー４ｂに挟持される周辺部と、弾性のある連結部材７ｂ１（第１の電極膜連結部材であって第２の連結部材に相当）によって連結されている。図９において５ａ１は図８に示す固定電極５ａが対向配置する位置を示しており、固定電極５ａも扇型としている。７ａ１は、連結部材７ａとの接合位置を示しており、円形の可動電極膜３の中心に対して点対称に配置されている。このような構造の可動電極膜３は、外圧が加わると弾性のある連結部材７ｂ１が変形して回転移動（水平方向への移動）が可能となっている。

また可動電極膜３は、図８に示すように固定電極膜５との対向面で連結部材７ｂ２（第１の電極膜連結部材であって第２の連結部材に相当）によって固定電極膜５と連結される。この連結部材７ｂ２は、それぞれ、連結部材７ａと同等で対称の形状となるように、位置、長さ、材質等を選定して配置される。

上記のような構造の本実施例のＭＥＭＳ素子は、図８示すようにキャビティ８側から音圧等が加わると、振動膜６が振動する。この振動膜６に加わる圧力は、連結部材７ａを介して可動電極膜３に伝えられる。ここで可動電極膜３には、連結部材７ａと対称に連結部材７ｂ２を配置し、さらに連結部材７ａと連結部材７ｂ２の組を可動電極膜３の中心に対して点対称の位置に配置することで、可動電極膜３を固定電極膜５側へ変位させる圧力に連結部材７ｂ２が対抗し、可動電極膜３を回転移動させることになる。

具体的には、振動膜６にキャビティ８側から矢印方向の圧力が加わり振動膜６が振動すると、振動膜６がエアギャップ側に上がる変位（矢印と同じ方向への変位）が生じ、連結部材７ａ、連結部材７ｂ２および連結部材７ｂ１で支持された可動電極膜３は、水平移動する。このとき連結部材７ａと対称に配置された連結部材７ｂ２との組で支持された可動電極膜３には、図９に示す接続位置７ａ１にそれぞれ１８０度異なる矢印方向に変位する圧力が加わり、回転するように水平移動する。その結果、可動電極３ａと固定電極５ａとが重なる面積が増加し、容量値が増加するように変化する。また振動膜６の振動によりキャビティ８側に下がる変位（矢印と逆の方向への変位）が生じると、可動電極膜３は、図９に示す矢印と逆方向に回転するように水平移動する。その結果、可動電極３ａと固定電極５ａとが重なる面積が減少し、容量値が減少するように変化する。

このように振動膜６の振動による上下動は、可動電極膜３を回転するように水平移動させ、可動電極３ａと固定電極５ａの重なる面積が変化し、容量変化として検知することが可能となる。なお、可動電極膜３を固定電極膜５に平行に対向するように支持することができれば、連結部材７ｂ１を除くことで、可動電極膜３を回転方向へ移動しやすくすることも可能である。また、連結部材と可動電極膜等との連結位置や配置、材質等は、適宜変更可能である。

以上、図１に示すＭＥＭＳ素子において可動電極膜が回転するように水平移動する場合について説明したが、図３に示すＭＥＭＳ素子、図５に示すＭＥＭＳ素子、図６に示すＭＥＭＳ素子および図７に示しＭＥＭＳ素子においても可動電極膜が回転するように水平移動するように構成することが可能である。

このように電極膜の形状を変えることで、可動電極３ａと固定電極５ａとが重なる面積の変化を非線形とすることも容易となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、可動電極や固定電極の形状や配置等は、所望の容量変化を検知できるように種々変更可能である。振動膜の上下動を可動電極膜の移動に伝搬させるため連結部材により直接接続する代わりに、振動膜の上下動の大きい部分と中継部材とを配置し、連結部材の一部となる中継部材を介して振動膜と可動電極膜とを接続するようにしてもよい。可動電極の水平移動の移動量、あるいは可動電極の水平移動と垂直移動のそれぞれの移動量は、連結部材を適宜選択することで調整すればよい。なお、上記実施例では振動膜６を絶縁膜２と第１のスペーサー４ａ等とで固定する構造として説明したが、図１、図８に示すＭＥＭＳ素子において振動膜６と固定電極膜５とを反転した構造、図３、図５に示すＭＥＭＳ素子において振動膜６と第２の可動電極膜３２とを反転した構造、図６、図７に示すＭＥＭＳ素子において振動膜６と支持膜１１とを反転した構造とし、振動膜１がスペーサー等を介して支持基板１に固定された構造とすることも可能である。

１：支持基板、２：絶縁膜、３：可動電極膜、３１：第１の可動電極膜、３２：第２の可動電極膜、３ａ：可動電極、３１ａ：第１の可動電極、３２ａ：第２の可動電極、４：スペーサー、４ａ：第１のスペーサー、４ｂ：第２のスペーサー、４ｃ：第３のスペーサー、５：固定電極膜、５ａ：固定電極、６：振動膜、７ａ、７ｂ、７ｃ：連結部材、７ａ１、７ｃ１：連結位置、８：キャビティ、９：貫通孔、１０、１０ａ：中継部材、１１：支持膜

Claims

支持基板上に、振動膜と、該振動膜の振動に応じた容量変化を検知する第１の電極と第２の電極とを配置したＭＥＭＳ素子において、
前記支持基板上に固定された前記振動膜と、
第１の電極膜連結部材によって前記振動膜と連結された前記第１の電極を含む第１の電極膜と、
前記第１の電極に対向するように配置された前記第２の電極を含む第２の電極膜と、を備え、
前記第１の電極膜連結部材は、前記振動膜の上下動に応じて前記第１の電極膜を水平方向に移動させ、前記第１の電極と前記第２の電極とで検知する容量が変化するように前記振動膜と前記第１の電極膜とを連結していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
前記第２の電極膜は第２の電極膜連結部材によって前記振動膜に連結され、
該第２の電極膜連結部材は、前記振動膜の上下動に応じて前記第１の電極膜が水平方向に移動するとき、該振動膜の上下動に応じて前記第２の電極膜を前記第１の電極膜が移動する方向とは異なる水平方向に移動させ、前記第１の電極と前記第２の電極とで検知する容量が変化するように前記振動膜と前記第２の電極膜とを連結していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
バックチャンバーを備えた前記支持基板上に、前記振動膜と前記第２の電極膜からなる固定電極膜とをスペーサーを介して対向するように配置し、
前記振動膜と前記固定電極膜との間のエアギャップ内に、第１の連結部材と第２の連結部材とからなる前記第１の電極膜連結部材に連結した前記第１の電極膜となる第１の可動電極膜を配置し、
前記第１の連結部材は、前記振動膜と前記第１の可動電極膜とを連結し、
前記第２の連結部材は、前記第１の可動電極膜と、前記固定電極膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項２記載のＭＥＭＳ素子において、
バックチャンバーを備えた前記支持基板上に、前記振動膜と支持膜とをスペーサーを介して対向するように配置し、
前記振動膜と前記支持膜との間のエアギャップ内に、第３の連結部材と第４の連結部材とからなる前記第１の電極膜連結部材に連結した前記第１の電極膜となる第１の可動電極膜と、第５の連結部材と第６の連結部材とからなる前記第２の電極膜連結部材に連結した前記第２の電極膜となる第２の可動電極膜とを対向するように配置し、
前記第３の連結部材は、前記振動膜と前記第１の可動電極膜とを連結し、
前記第４の連結部材は、前記第１の可動電極膜と、前記支持膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結し、
前記第５の連結部材は、前記振動膜と前記第２の可動電極膜とを連結し、
前記第６の連結部材は、前記第２の可動電極膜と、前記支持膜あるいは前記スペーサーの少なくともいずれかと、を連結していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
前記第１の電極膜は、前記水平方向に移動するとともに、垂直方向に移動することを特徴とするＭＥＭＳ素子。