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機械電気変換素子、機械電気変換装置及びその製造方法 新技術説明会

Patent code P120007488
Posted date 2012年5月7日
Application number 特願2010-507250
Patent number 特許第5305304号
Date of filing 平成21年4月7日(2009.4.7)
Date of registration 平成25年7月5日(2013.7.5)
International application number JP2009057145
International publication number WO2009125773
Date of international filing 平成21年4月7日(2009.4.7)
Date of international publication 平成21年10月15日(2009.10.15)
Priority data
  • 特願2008-099674 (2008.4.7) JP
  • 特願2008-271288 (2008.10.21) JP
Inventor
  • 蔭山 健介
Applicant
  • 国立大学法人埼玉大学
Title 機械電気変換素子、機械電気変換装置及びその製造方法 新技術説明会
Abstract この機械電気変換素子は、振動電極(15b)と、振動電極(15b)の下面に設けられた振動電極絶縁フィルム(15a)と、振動電極(15b)に対向したエレクトレット層(13)と、エレクトレット層(13)の上面に接合されたエレクトレット絶縁層(14e)と、エレクトレット層(13)の下面に接した背面電極17とを備える。振動電極絶縁フィルム(15a)とエレクトレット絶縁層(14e)との間に10nm~100μmのマイクロギャップ部を有する。撓みを含めた振動電極(15b)の中心線平均粗さRaが、振動電極(15b)の下面とエレクトレット層(13)の上面との間で定義されるギャップ幅の1/10以下である。
Outline of related art and contending technology

携帯電話などにおいては、省スペースのため、マイクロフォンの小型化が求められている。又、ギターなどの音響機器のピックアップマイクロフォンとして楽器に簡単取り付けできる小型のマイクロフォンが求められている。特に、携帯電話などを防水とするために、小型の防水マイクロフォンの需要がある。

ポリカーボネートなどのある種の高分子化合物は、外部から高い電界を加えると、表面に誘導された電荷が、半永久的に保持されるという性質がある。ヘヴィサイトは、このような半永久的に電荷が保持された状態になっている材料を、「エレクトレット」と名付けた。振動層と一体のコイル(ボイスコイル)が磁界の中で動く構造のダイナミックマイクロフォンに対し、エレクトレットコンデンサマイクロフォン(ECM)は、振動層に近接して平行に、エレクトレットが配置されている。そして、振動層が音で振動するとエレクトレットとの距離が変動するので、エレクトレットの帯電状況が変化して音信号を電気の変動として取り出すことができる。しかしこの信号は非常に小さいので、マイクロフォンユニットに内蔵された電界効果トランジスタで増幅するようになっている。

ECMの性能を向上させるためには、高分子フィルムのエレクトレット量(分極量)を増加させることが必要であるが、コロナ放電を使用して高分子をエレクトレット化する手法では、残留分極量は30μC/m程度が限界となっている。又、ECMの電極間の空間は極めて清浄であることが求められるため、ECMの製造はクリーンルームのような清浄な環境で行われる必要がある。

一方、強誘電材料は、上記のエレクトレットフィルムより1万倍以上もの残留分極を有する材料が存在する。しかし、エレクトレットとして使用するためには、表面に吸着した荷電粒子の影響を取り除く必要がある等の問題がある。

マイクロフォンの小型化を鑑み、半導体基板(シリコン基板)に直接マイクロフォンを実装する小型化が試みられている。例えば、半導体基板の中央部に、半導体基板を選択的に除去したメンブレン領域を備え、導電膜により、下部電極と引出し配線が設け、この下部電極を、メンブレン領域の内側に設けることにより、寄生容量を抑制し、高性能なECMを実現せんとした提案がある(特許文献1参照。)。特許文献1に記載のECMでは、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の端面は、半導体基板と重なるように設けることにより、振動層の共振周波数特性を制御している。

一方、PPやPTFEフィルムを延伸・発泡させ、その後独立気泡内で放電を生じさせてエレクトレットとし、柔軟なマイクロフォンとして、音響機器のピックアップに使用されている。

Field of industrial application

本発明は、機械的振動を電気信号に変換する機械電気変換素子、機械電気変換装置及びその製造方法に関する。

Scope of claims 【請求項1】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動層絶縁層の下面及び前記エレクトレット層の上面の間に接触点となる複数の凸部を有し、前記複数の凸部を介して 前記振動層絶縁層の下面と前記エレクトレット層の上面とが接触することにより、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間に10nm~100μmのマイクロギャップ部を定義し、前記複数の凸部による凹凸と負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さRaが、前記振動電極の前記下面と前記エレクトレット層の上面との間で定義される巨視的なギャップ幅の1/10以下であり、前記振動電極の撓みと前記マイクロギャップでの前記接触点の変形により、前記振動電極が振動することを特徴とする機械電気変換素子。

【請求項2】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動電極の下面及び前記エレクトレット絶縁層の上面の間に接触点となる複数の凸部を有し、前記複数の凸部を介して 前記振動電極の下面と前記エレクトレット絶縁層の上面とが接触することにより、前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間に10nm~100μmのマイクロギャップ部を定義し、前記複数の凸部による凹凸と負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さRaが、前記振動電極の下面と前記エレクトレット層の前記上面との間で定義される巨視的なギャップ幅の1/10以下であり、前記振動電極の撓みと前記マイクロギャップでの前記接触点の変形により、前記振動電極が振動することを特徴とする機械電気変換素子。

【請求項3】
無負荷時において平坦な振動面を有する振動電極と、
前記振動電極の下面に設けられた振動層絶縁層と、
前記振動電極に対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極とを備え、
前記振動層絶縁層の下面及び前記エレクトレット絶縁層の上面の間に接触点となる複数の凸部を有し、前記複数の凸部を介して 前記振動層絶縁層の下面と前記エレクトレット絶縁層の上面とが接触することにより、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間に10nm~100μmのマイクロギャップ部を定義し、前記複数の凸部による凹凸と負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さRaが、前記振動電極の前記下面と前記エレクトレット層の前記上面との間で定義される巨視的なギャップ幅の1/10以下であり、前記振動電極の撓みと前記マイクロギャップでの前記接触点の変形により、前記振動電極が振動することを特徴とする機械電気変換素子。

【請求項4】
前記複数の凸部は、前記振動層絶縁層の下面にスペーサとして設けられた複数の突起であり、前記マイクロギャップ部が前記複数の突起の高さにより制御されることを特徴とする請求項1又は3に記載の機械電気変換素子。

【請求項5】
前記複数の凸部は、前記エレクトレット絶縁層の上面にスペーサとして設けられた複数の突起であり、前記マイクロギャップ部が前記複数の突起の高さにより制御されることを特徴とする請求項2又は3に記載の機械電気変換素子。

【請求項6】
前記複数の凸部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間にスペーサとして設けられた複数の微粒子であり、前記マイクロギャップ部が前記複数の微粒子の粒径により制御されることを特徴とする請求項1に記載の機械電気変換素子。

【請求項7】
前記複数の凸部は、前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間にスペーサとして設けられた複数の微粒子であり、前記マイクロギャップ部が前記複数の微粒子の粒径により制御されることを特徴とする請求項2に記載の機械電気変換素子。

【請求項8】
前記複数の凸部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間にスペーサとして設けられた複数の微粒子であり、前記マイクロギャップ部が前記複数の微粒子の粒径により制御されることを特徴とする請求項3に記載の機械電気変換素子。

【請求項9】
前記複数の凸部は、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間に間に設けられた複数の貫通孔を有するスペーサ層の非貫通部分であり、前記マイクロギャップ部が前記スペーサ層複数の非貫通部分の厚さにより制御されることを特徴とする請求項3に記載の機械電気変換素子。

【請求項10】
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項1又は6に記載の機械電気変換素子。

【請求項11】
前記振動電極と前記エレクトレット絶縁層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項2又は7に記載の機械電気変換素子。

【請求項12】
前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間の周辺部に、前記マイクロギャップ部を囲むスペーサリングを更に備えることを特徴とする請求項3又は8に記載の機械電気変換素子。

【請求項13】
前記振動電極の上面に、音響インピーダンスの整合性を高めるための整合層を更に備えることを特徴とする請求項1~12のいずれか1項に記載の機械電気変換素子。

【請求項14】
前記エレクトレット層は、強誘電体の単結晶若しくは多結晶、又は結晶性高分子のいずれかであることを特徴とする請求項1~13のいずれか1項に記載の機械電気変換素子。

【請求項15】
振動層絶縁層上に振動電極を積層して振動層を構成する工程と、
前記振動層を裏返し、前記振動層絶縁層上にスペーサを設ける工程と、
前記スペーサを介して前記振動層絶縁層上にエレクトレット絶縁層を積層する工程と、
背面電極を有するエレクトレット層を用意する工程と、
前記背面電極を有するエレクトレット層と、前記振動層の上に前記スペーサを介してエレクトレット絶縁層を積層した構造物とを、前記エレクトレット絶縁層と前記エレクトレット層が接するようにしてケースに組み込む工程
とを含み、
前記振動層絶縁層の下面及び前記エレクトレット絶縁層の上面の間に接触点となる複数の凸部を設ける工程を更に含み、
前記複数の凸部を介して 前記振動層絶縁層の下面と前記エレクトレット絶縁層の上面とが接触することにより、前記振動層絶縁層と前記エレクトレット絶縁層との間に10nm~100μmのマイクロギャップ部を定義し、前記複数の凸部による凹凸と負荷時の撓みを含めた前記振動電極の中心線平均粗さRaが、前記振動電極の前記下面と前記エレクトレット層の前記上面との間で定義される巨視的なギャップ幅の1/10以下であり、前記振動電極の撓みと前記マイクロギャップでの前記接触点の変形により、前記振動電極が振動することを特徴とする機械電気変換素子の製造方法。

【請求項16】
振動電極と、
前記振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極と、
前記エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が10nm~40μmのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層と、
前記振動電極と前記背面電極との間に電気的に接続された増幅回路
とを備え、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の1/10以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。

【請求項17】
前記ギャップ絶縁層を複数枚備えることを特徴とする請求項16に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項18】
前記振動電極の下面に設けられた振動電極絶縁フィルムを更に備えることを特徴とする請求項16又は17に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項19】
前記エレクトレット層の上面に接合されたエレクトレット絶縁フィルムを更に備えることを特徴とする請求項16~18のいずれか1項に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項20】
増幅回路を備える基体と、
前記基体の下面に少なくとも一部を接し、前記増幅回路に電気的に接続された下側振動電極、前記下側振動電極との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側エレクトレット層、前記下側エレクトレット層の下面に接した下側背面電極、前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が10nm~40μmの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有するフィルム状下側エレメントと、
前記基体の上面に少なくとも一部を接し、前記増幅回路に電気的に接続された上側背面電極、前記上側背面電極の上面に接した上側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が10nm~40μmの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有するフィルム状上側エレメント とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の1/10以下であることを特徴とする機械電気変換装置。

【請求項21】
前記下側ギャップ絶縁層及び前記上側ギャップ絶縁層を、それぞれ複数枚備えることを特徴とする請求項20に記載の機械電気変換装置。

【請求項22】
増幅回路に接続された共通背面電極と、
前記共通背面電極の下面に接した下側エレクトレット層、下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向した下側振動電極、前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が10nm~40μmの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層を有する下側エレメントと、
前記共通背面電極上面に接した上側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向した上側振動電極、前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部にそれぞれの間隔が10nm~40μmの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層を有する上側エレメント とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の1/10以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。

【請求項23】
振動電極と、
前記振動電極との間にエレメント空間を設けるように対向したエレクトレット層と、
前記エレクトレット層の下面に接した背面電極と、
前記エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が10nm~40μmのマイクロギャップを複数積層するギャップ絶縁層 とを備えるエレメントの複数個を、各エレメントの振動電極及び各エレメントの背面電極がそれぞれ共通電位となるように互いに接続して共通のスペーサフィルム上に配列し、前記背面電極を共通の増幅回路に接続したフィルム状機械電気変換装置であって、
前記各エレメントにおいて、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の1/10以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。

【請求項24】
前記振動電極の平面パターンが前記背面電極の平面パターンとは異なることを特徴とする請求項23に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項25】
前記スペーサフィルム、前記振動電極、前記エレクトレット層、前記背面電極及び前記ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項23又は24に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項26】
増幅回路に接続され、マトリクス状に空隙部を有する内部電極膜と、
前記内部電極膜の下面に接した下側エレクトレット層と、
前記下側エレクトレット層との間に下側エレメント空間を設けるように対向し、前記内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する下側外部電極膜と、
前記下側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記下側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が10nm~40μmの下側マイクロギャップを複数積層する下側ギャップ絶縁層と、
前記内部電極膜上面に接した上側エレクトレット層と、
前記上側エレクトレット層との間に上側エレメント空間を設けるように対向し、前記内部電極膜の平面パターンとは異なる空隙部のパターンを有する上側外部電極膜と、
前記上側エレメント空間の内部を上下方向に分離するように挿入され、前記上側エレメント空間の内部に、それぞれの間隔が10nm~40μmの上側マイクロギャップを複数積層する上側ギャップ絶縁層 とを備え、前記上側マイクロギャップ及び前記下側マイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記下側エレメント空間及び上側エレメント空間のそれぞれのギャップ幅の1/10以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。

【請求項27】
前記内部電極膜、前記下側エレクトレット層、前記上側エレクトレット層、前記下側外部電極膜、前記上側外部電極膜、前記下側ギャップ絶縁層、前記内部電極膜上面に接した上側エレクトレット層、前記上側ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項26に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項28】
前記下側ギャップ絶縁層及び前記上側ギャップ絶縁層を、それぞれ複数枚備えることを特徴とする請求項22,26、27のいずれか1項に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項29】
垂直方向に走行する複数の垂直信号線と、
前記複数の垂直信号線と絶縁され、前記複数の垂直信号線に直交する方向に走行する複数の垂直選択信号配線と、
前記複数の垂直信号線、前記複数の垂直選択信号配線の上方に設けられ、前記複数の垂直信号線と前記複数の垂直選択信号配線が構成する格子のパターンの内部となる位置に、貫通孔をそれぞれ配列したスペーサフィルムと、
センサアレイ部の全面に設けられ、前記スペーサフィルムの上面に接した共通のエレクトレット層と、
前記貫通孔の内部のそれぞれにおいて、前記エレクトレット層の下面の一部に接するように、互いに独立して配列された背面電極と、
前記貫通孔の内部にそれぞれ独立して配列され、前記背面電極、前記複数の垂直信号線のいずれか、前記複数の垂直選択信号配線のいずれかにそれぞれ接続された増幅回路と、
前記貫通孔のそれぞれの上方に、互いに独立したエレメント空間を配列するように、前記エレクトレット層に対向した振動電極と、
前記エレメント空間のそれぞれの内部を上下方向に分離するように挿入され、前記エレメント空間のそれぞれの内部に、それぞれの間隔が10nm~40μmのマイクロギャップを複数積層するように設けられたギャップ絶縁層 とを備え、前記複数のマイクロギャップをそれぞれ定義する面のそれぞれの実効的な表面粗さが、前記エレメント空間のギャップ幅の1/10以下であることを特徴とするフィルム状機械電気変換装置。

【請求項30】
前記複数の垂直信号線、前記複数の垂直選択信号配線、前記スペーサフィルム、前記エレクトレット層、前記背面電極、前記振動電極、前記ギャップ絶縁層が、透明な材料からなることを特徴とする請求項29に記載のフィルム状機械電気変換装置。

【請求項31】
前記ギャップ絶縁層を複数枚備えることを特徴とする請求項29又は30に記載のフィルム状機械電気変換装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2010507250thum.jpg
State of application right 登録
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