JP2006013961A - 圧力波発生素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板たる半導体基板1と、半導体基板1の厚み方向の一表面側に形成された多孔質層からなる熱絶縁層2と、熱絶縁層2上に形成された薄膜からなる発熱体3と、発熱体3の両端部それぞれの上に形成されたパッド4,4とを備えており、一対のパッド4,4を介した発熱体3への通電に伴う発熱体3と媒体(例えば、空気)との熱交換により圧力波(例えば、超音波など)を発生する。熱絶縁層2を構成する多孔質層は、半導体基板1としてのp形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより形成されており、発熱体3側の高多孔度層21と半導体基板1側の低多孔度層22とにより構成されている。
【選択図】 図1
Description
本実施形態の圧力波発生素子は、図1に示すように、単結晶のp形シリコン基板からなる半導体基板1と、半導体基板1の厚み方向の一表面(図1における上面)側に形成された多孔質層からなる熱絶縁層2と、熱絶縁層2上に形成された薄膜(例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄膜など)からなる発熱体3と、発熱体3の両端部それぞれの上に形成されたパッド4,4とを備えており、一対のパッド4,4を介した発熱体3への通電(電気エネルギの供給)に伴う発熱体3と媒体(例えば、空気)との熱交換により圧力波(例えば、超音波など)を発生する。ここに、半導体基板1の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層2および発熱体3の平面形状も長方形状に形成してある。なお、発熱体3は、熱絶縁層2よりも平面サイズが小さく(熱絶縁層2は発熱体3の外周よりも内側に形成されている)、長辺の長さ寸法を12mm、短辺の長さ寸法を10mmに設定してあるが、これらの寸法は特に限定するものではない。また、本実施形態では、半導体基板1が基板を構成している。
L≒√(2α/ωC)
となり、高多孔度層21の厚みは熱拡散長L以上の値に設定することが望ましい。ここで、発熱体3から発生する圧力波の周波数は上記周波数fに等しい。なお、本実施形態の圧力波発生素子は、一使用例として、発熱体3への電気的な入力の波形の周波数f’を20kHzとし、圧力波として周波数が40kHzの超音波を発生させる超音波発生素子として使用することを想定しており、熱絶縁層2を多孔度が60%の多孔質シリコン層と仮定し、熱伝導率を1W/(m・K)、熱容量を0.7×106J/(m3・K)、周波数fを40kHzとして求めた熱拡散長L=3.37μmに基づいて高多孔度層21の厚さを設定してある。
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は実施形態1と略同じであり、図3に示すように、熱絶縁層2が半導体基板1の厚み方向において発熱体3側に形成された高多孔度層21と、半導体基板1側に形成され半導体基板1に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなった低多孔度傾斜層23とで構成されている点が相違する。ここにおいて、低多孔度傾斜層23は、高多孔度層21との境界で多孔度が連続し、半導体基板1との境界近傍で多孔度が零となるように多孔度の深さプロファイルを設定してある。他の構成は実施形態1と同じなので、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の圧力波発生素子の構成構成は実施形態1と略同じであり、図6に示すように、熱絶縁層2が半導体基板1の厚み方向において発熱体3側から半導体基板1側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっている点が相違する。要するに、熱絶縁層2は、半導体基板1の厚み方向において発熱体3に近い部位ほど多孔度が高く、半導体基板1に近い部位ほど多孔度が低くなっている。ここにおいて、熱絶縁層2は、半導体基板1との境界近傍で多孔度が零となるように多孔度の深さプロファイルを設定してある。他の構成は実施形態1と同じなので説明を省略する。
2 熱絶縁層
3 発熱体
4 パッド
21 高多孔度層
22 低多孔度層
Claims (10)
- 基板と、基板の厚み方向の一表面側に形成された薄膜からなる発熱体と、基板と発熱体との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体への通電に伴う発熱体と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、前記厚み方向において基板側の部分の多孔度が発熱体側の部分の多孔度よりも小さいことを特徴とする圧力波発生素子。
- 前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成された低多孔度層とからなることを特徴とする請求項1記載の圧力波発生素子。
- 前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成され前記基板に近づくほど多孔度が小さくなった低多孔度傾斜層とからなることを特徴とする請求項1記載の圧力波発生素子。
- 前記熱絶縁層は、前記厚み方向における前記高多孔度層と前記低多孔度傾斜層との境界で多孔度が連続していることを特徴とする請求項3記載の圧力波発生素子。
- 前記高多孔度層の厚み寸法を熱拡散長以上の値に設定してなることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の圧力波発生素子。
- 前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側から前記基板側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項1記載の圧力波発生素子。
- 前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記基板との境界近傍で多孔度が零になるように形成されてなることを特徴とする請求項3または請求項6記載の圧力波発生素子。
- 請求項2記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第1の電流密度で第1の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度層の形成用に規定した第2の電流密度で第2の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
- 請求項3記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第1の電流密度で第1の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度傾斜層の形成用に規定した電流密度の減少パターンで第2の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
- 請求項6記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理時の電流密度を時間経過とともに連続的に低下させることを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
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