JP2006088124A - 圧力波発生素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能な圧力波発生素子を提供する。
【解決手段】支持基板としてのシリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の一表面側に形成された発熱体層３と、半導体基板１の上記一表面側で半導体基板１と発熱体層３との間に介在する多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２と、発熱体層３に接する形で形成された一対のパッド４，４とを備える。発熱体層３の材料としてタングステンを採用するとともに、パッド４，４の材料としてアルミニウムを採用し、半導体基板１の上記一表面側に、発熱体層３への通電時に発熱体層３と反応せず且つ各パッド４，４とは異なる材料からなりパッド４，４の熱を放熱させる一対の放熱層５，５を設けてある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や、超音波や単パルス的な粗密波などの圧力波を発生する圧力波発生素子に関するものである。

従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生素子が広く知られている。この種の超音波発生素子としては、例えば、チタン酸バリウムのような圧電材料からなる結晶の両面に電極を設けた構成のものが知られており、この超音波発生素子では、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、空気などの媒体を振動させて超音波を発生させることができる。

上述のような機械的振動を利用した超音波発生素子は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭い、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやすい、などの問題があった。

一方、近年、機械的振動を伴わずに超音波を発生させることができる素子として、媒体に熱を与える熱励起により空気の粗密を形成する方法を利用した圧力波発生素子が提案されている（例えば、特許文献１）。

この種の圧力波発生素子は、図４に示すように、単結晶の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から所定深さまで形成された多孔質シリコン層からなり半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成されたアルミニウム薄膜からなる発熱体層３とを備え、発熱体層３への交流電流の通電に伴う発熱体層３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波を発生するものである。

ところで、上述の圧力波発生素子では、発熱体層３の膜厚が３０ｎｍ程度に設定されており、発熱体層３への通電を行うためには、図５に示すように、発熱体層３の両端部それぞれに接する一対のパッド４，４を設け、各パッド４，４へ金属細線（ボンディングワイヤ）をワイヤボンディングすればよい。

なお、図５に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体層３に印加する交流電圧（駆動電圧）の周波数を調整することにより、発生する圧力波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、例えば、超音波音源やスピーカの音源として期待されている。
特開平１１−３００２７４号公報

しかしながら、本願発明者らは鋭意研究の結果、上述の圧力波発生素子を強力な超音波が必要な用途に用いる場合には、発熱体層３への通電時に発熱体層３の温度が１０００℃を超える非常に高い温度になるという知見を得た。その知見の一例を図６に示す。図６のグラフの横軸は、周波数が６０ｋＨｚの正弦波電圧を一対のパッド４，４間に印加するにあたって正弦波電圧のピーク値を種々変化させた場合の入力電力の最大値、左側の縦軸は、発熱体層３の表面から３０ｃｍだけ離れた位置で測定した出力音圧、右側の縦軸は、発熱体層３の表面の温度となっており、図６中の「イ」が音圧、「ロ」が温度を示している。

そこで、本願発明者らは、発熱体層３の材料としてタングステンなどの高融点金属を採用した圧力波発生素子について検討したが、上述の圧力波発生素子を強力な超音波が必要な用途に用いる場合には、タングステンを構成材料とする発熱体層３とアルミニウムを構成材料とするパッド４とが反応して部分的な凝集による欠落部が発生したり高抵抗部が発生したりして、電流集中により発熱体層３が断線してしまう問題があるという知見を得た。さらに、発熱体層３と反応したパッド４の材料が熱絶縁層２と反応して熱絶縁層２の一部が破壊されやすくなるという知見を得た。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能な圧力波発生素子を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、支持基板の前記一表面側で発熱体層に接する形で形成された一対のパッドとを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層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、発熱体層への通電時に発熱体層と反応せず且つ各パッドとは異なる材料からなりパッドの熱を放熱させる放熱層を備えることを特徴とする。

この発明によれば、発熱体層への通電時に発熱体層と反応せず且つ各パッドとは異なる材料からなりパッドの熱を放熱させる放熱層を備えているので、発熱体層と各パッドとの境界付近の温度上昇を抑制することができ、発熱体層への通電時に発熱体層と各パッドとが反応することなく各パッドの熱を放熱層を通して外部へ放熱させることができるから、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記放熱層は、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとが接した露出部分それぞれを覆う形で形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの接触抵抗を増大させることなく、前記各パッドの熱を外部へ放熱させることができるとともに放熱面積を比較的広くすることができる。また、前記放熱層を設けたことによる前記発熱体層の温度低下に伴う出力低下を抑制することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記放熱層は、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの間に一部が介在し残りの部分の表面が露出する形で形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの界面付近の熱を前記放熱層の露出した表面を通して外部へ放熱させることができるので、請求項２の発明に比べて前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの反応がより発生しにくくなる。また、請求項２の発明に比べて、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの接触面積を小さくすることができ、無効電力の低減を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記放熱層の材料は、絶縁材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層への通電時に前記放熱層へ電流が流れないので、前記各パッドの熱を効果的に放熱させることができるとともに、前記放熱層へ電流が流れることによる電力損失の発生を防止できる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記支持基板がシリコン基板からなり、前記熱絶縁層が多孔質シリコン層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層の熱伝導率と熱容量との積が前記支持基板の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さく且つ前記熱絶縁層の耐熱性が高いので、発生させる圧力波の高出力化を図れる。

請求項１の発明では、発熱体層の温度上昇に起因した発熱体層の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の圧力波発生素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体基板１と、半導体基板１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に形成された熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された発熱体層３と、半導体基板１の上記一表面側で発熱体層３の両端部（図１（ａ）における左右両端部）それぞれと接する形で形成された一対のパッド４，４と、発熱体層３への通電時に発熱体層３と反応せず且つ各パッド４，４とは異なる材料からなりパッド４，４の熱を放熱させる一対の放熱層５，５とを備えている。本実施形態では、半導体基板１が支持基板を構成している。

なお、本実施形態の圧力波発生素子は、発熱体層３への通電（電気エネルギの供給）に伴う発熱体層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。例えば、交流電源から一対のパッド４，４を介して発熱体層３へ正弦波状の交流電圧を印加した場合には、発熱体層３の温度がジュール熱の発生によって変化し、発熱体層３の温度変化に伴って圧力波（音波）が発生する。

本実施形態の圧力波発生素子では、半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層２を多孔質シリコン層により構成している。ここで、熱絶縁層２を構成する多孔質シリコン層は、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、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、多孔度を変化させることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、多孔度を適宜設定することにより熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。上記特許文献１には、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となることが報告されている。なお、熱絶縁層２は、多孔質シリコン層に限らず、例えば、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などにより構成してもよい。

ここに、半導体基板１は単結晶のｐ形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはアモルファスのｐ形シリコン基板でもよいし、また、ｐ形に限らず、ｎ形あるいはノンドープであってもよく、半導体基板１の種類に応じて陽極酸化処理の条件を適宜変更すればよい。したがって、熱絶縁層２を構成する多孔質半導体層も多孔質シリコン層に限らず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化処理することにより形成した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料からなる多孔質半導体層でもよい。

また、発熱体層３の材料としては、高融点金属の一種であるタングステンを採用しているが、発熱体層３の材料は、タングステンに限らず、融点が１０００℃よりも比較的高い高融点の金属であればよく、例えば、タンタル、モリブデンなどの高融点金属や、イリジウムなどの貴金属を採用してもよい。

また、各パッド４，４は、発熱体層３の端部上と半導体基板１の上記一表面上とに跨るように形成されている。ここに、各パッド４の材料としては、Ａｌを採用している。

また、各放熱層５は、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとが接した露出部分それぞれを覆う形で形成されている。言い換えれば、放熱層５は、パッド４の一表面（図１（ｂ）における上面）の一部上と発熱体層３の表面の一部上とに跨る形で形成されている。ここに、各放熱層５の材料としては、ＳｉＯ_２を採用している。ただし、放熱層５の材料は、ＳｉＯ_２に限らず、発熱体層３およびパッド４それぞれの材料と反応しない材料であればよく、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴａＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＢＮなどの窒化物、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、ＴｈＣ、ＳｉＣなどの炭化物、Ａｌ_２Ｏ_３などのＳｉＯ_２以外の酸化物でもよい。

なお、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２の厚さを１０μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、パッド４の厚さを０．５μｍ、放熱層５の厚さを１．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、パッド４，４の並設方向における放熱層５の幅は０．５ｍｍとしてあり、上記並設方向においてパッド４上に形成される部位の幅と発熱体層３上に形成される部位の幅とが略同じになるようにしてあるが、これらの幅も一例であって特に限定するものではない。

以下、本実施形態の圧力波発生素子の製造方法について簡単に説明する。

まず、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１の他表面（図１（ｂ）における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、図２に示すような陽極酸化処理装置にて陽極酸化処理を行うことで多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理の工程が熱絶縁層形成工程となっており、陽極酸化処理にあたっては、図２に示すように、半導体基板１を主構成とする被処理物Ｃを処理槽Ａに入れられた電解液（例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液）Ｂに浸漬し、その後、電流源２０のマイナス側に配線を介して接続された白金電極２１を電解液Ｂ中において半導体基板１の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極２１を陰極として、電流源２０から陽極と陰極２１との間に所定の電流密度（ここでは、２０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより半導体基板１の上記一表面側に周部以外の部位の厚さが一定の所定厚さ（ここでは、１０μｍ）となる熱絶縁層２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、パッド４，４を形成するパッド形成工程、放熱層５を形成する放熱層形成工程を順次行うことによって、圧力波発生素子が完成する。なお、発熱体層形成工程およびパッド形成工程および放熱層形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

以上説明した本実施形態の圧力波発生素子では、発熱体層３への通電時に発熱体層３と反応せず且つ各パッド４，４とは異なる材料からなりパッド４，４の熱を放熱させる放熱層５，５を備えているので、発熱体層３と各パッド４，４との境界（界面）付近の温度上昇を抑制することができ、発熱体層３への通電時に発熱体層３と各パッド４，４とが反応することなく各パッド４，４の熱を放熱層５，５を通して外部へ放熱させることができるから、発熱体層３の温度上昇に起因した発熱体層３の断線を防止でき長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。ここにおいて、本実施形態では、放熱層５，５を、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとが接した露出部分それぞれを覆う形で形成してあるので、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの接触抵抗を増大させることなく、各パッド４，４の熱を外部へ放熱させることができるとともに放熱面積を比較的広くすることができる。また、放熱層５，５を設けたことによる発熱体層３の温度低下に伴う出力低下を抑制することが可能となる。

また、各放熱層５の材料として上述のＳｉＯ_２などの絶縁材料を採用することにより、発熱体層３への通電時に各放熱層５へ電流が流れないので、各パッド４の熱を効果的に放熱させることができるとともに、各放熱層５へ電流が流れることによる電力損失の発生を防止できる。

ところで、本実施形態では、支持基板としての半導体基板１がシリコン基板により構成され、熱絶縁層２が多孔質シリコン層により構成されており、熱絶縁層２の熱伝導率と熱容量との積が支持基板の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さく（約１／４００）且つ熱絶縁層２の耐熱性が高いので、発生させる圧力波の高出力化を図れるが、上述の放熱層５，５を設けていることで高出力の超音波を長期間にわたって安定して出力させることができる。

（実施形態２）
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、各放熱層５，５の形成位置が異なる。すなわち、本実施形態における各放熱層５，５は、発熱体層３の各端部と各パッド４，４それぞれとの間に一部が介在し残りの部分の表面が露出する形で形成されている。言い換えれば、本実施形態では、放熱層５，５が発熱体層３上で発熱体層３の両端からやや離間した位置に形成され、各パッド４，４が各放熱層５，５の上記一部の上および発熱体層３の両端近傍部分の上および半導体基板１上に跨って形成されている。なお、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。

しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、各放熱層５，５が発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの間に一部が介在し残りの部分の表面が露出する形で形成されているので、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの界面付近の熱を放熱層５，５の露出した表面を通して外部へ放熱させることができるので、実施形態１に比べて発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの反応がより発生しにくくなる。また、実施形態１に比べて、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの接触面積を小さくすることができ、無効電力の低減を図れる。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 同上の製造方法の説明図である。 実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 他の従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。 同上の特性説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 熱絶縁層
３ 発熱体層
４ パッド
５ 放熱層

Claims (5)

1. 支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、支持基板の前記一表面側で発熱体層に接する形で形成された一対のパッドとを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層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、発熱体層への通電時に発熱体層と反応せず且つ各パッドとは異なる材料からなりパッドの熱を放熱させる放熱層を備えることを特徴とする圧力波発生素子。
2. 前記放熱層は、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとが接した露出部分それぞれを覆う形で形成されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
3. 前記放熱層は、前記発熱体層と前記各パッドそれぞれとの間に一部が介在し残りの部分の表面が露出する形で形成されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
4. 前記放熱層の材料は、絶縁材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧力波発生素子。
5. 前記支持基板がシリコン基板からなり、前記熱絶縁層が多孔質シリコン層からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の圧力波発生素子。

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