JP2009250928A - Ｍｅｍｓ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサ - Google Patents

Abstract

【課題】音波を伝播する媒質の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサを提供すること。
【解決手段】ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０は、シリコン基板１１と、絶縁膜１２及び１３と、電極パッド１４と、粒子速度検出部１５〜１７とを備え、シリコン基板１１は、音波を通過させるための高さ寸法Ｌの４つの凸部及び１つの凹部１１ａを有し、粒子速度検出部１５〜１７は、それぞれ、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により製作され、各凸部間を橋渡しするよう自立して形成された一対の抵抗体のみからなり、一対の抵抗体は、それぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と直交する方向に並べて設けられた構成を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いて形成され、音波を伝播する媒質の粒子速度を検出するＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサに関する。

従来から、ＭＥＭＳ技術を用いて製作され、振動解析や音響解析に利用されるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子が実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。音は媒質（通常は空気）中を伝わる粗密波であり、音の伝播に伴い媒質の粒子が変位している。粒子速度検出素子は、媒質の粒子の速度を電気信号に変換するものである。ここで「粒子」とは、媒質の微小部分を仮想的な粒子として考えるものであり、例えば気体の分子のような特定の実体を指すものではない。

従来のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子（以下、単に「粒子速度検出素子」ということがある。）は、例えば図９に示すような構成を有する。図９（ａ）及び（ｂ）はそれぞれＺ軸方向、Ｘ軸方向から従来の粒子速度検出素子を見た図である。なお、図示したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向は説明の都合上、便宜的に定義した方向である。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、従来の粒子速度検出素子は、シリコン基板１と、音波が通過する空間となるシリコン基板１の凹部１ａと、シリコン基板１の上面の両端を橋渡しするように形成された２つの検出素子３及び４と、検出素子３と外部回路（図示省略）とを接続するための電極パッド７とを備えている。なお、符号２は絶縁膜を示す。

検出素子３は、窒化シリコン等の絶縁体からなる支持体６に白金等の金属膜からなる抵抗体５が積層された構成を有している。支持体６に抵抗体５が積層されているのは、金属膜の抵抗体５だけでは空間に自立することができないためである。検出素子３の大きさは、例えば、Ｙ軸方向の長さが１ｍｍ、Ｘ軸方向の幅は２μｍ、Ｚ軸方向の厚さは０．３μｍ程度である。図示を省略したが、検出素子４も検出素子３と同様に構成されている。また、Ｘ軸方向における検出素子３と４との間隔は、１００μｍ程度である。

次に、従来の粒子速度検出素子の概略の製造工程を図１０に例示する。図中には各工程でのＡ−Ａ'断面も記載している。はじめに、支持体６及び絶縁膜２を形成するために、シリコン基板１の両面に窒化シリコンを堆積する（図１０（ａ））。次に、リフトオフ法により、白金薄膜の抵抗体５を形成する（図１０（ｂ））。次に、適当なマスクを用いて基板表面の不要部の窒化シリコンをエッチングして除去する（図１０（ｃ））。そして、窒化シリコンをマスクとして、シリコン基板をエッチングし、凹部１ａを形成することで完成する（図１０（ｄ））。

次に、粒子速度検出素子の動作について図９を用いて説明する。

２つの検出素子３及び４の抵抗体それぞれに等しい一定の電流を流し、検出素子３及び４を加熱させる。音波にさらされていない定常状態のときは、検出素子３及び４の温度は一定に保たれる。検出素子３がＸ軸方向の音波にさらされると、ある時刻において、例えば検出素子３は媒質によって熱が奪われる。一方、検出素子４は、検出素子３から奪われた熱の一部を、媒質を介して受け取るため、検出素子３と４との間に温度差が生じる。抵抗体は温度変化によりその抵抗値が変化するため、検出素子３及び４の抵抗体に定常状態からの抵抗値差が生じる。この抵抗値差は音の粒子速度にほぼ比例することが確認されており、抵抗値差を検出することで、Ｘ軸方向の粒子速度を測定することができる。一方、Ｙ軸及びＺ軸方向の粒子速度に対しては、検出素子３及び４は同様に温度変化するため、両検出素子間に抵抗値差は生じない。したがって、粒子速度検出素子は指向性を有する。

以上のように、粒子速度検出素子は、検出素子３及び４の抵抗体の抵抗値差に基づいて、音波を伝播する媒質の粒子速度を検出することができるようになっている。この粒子速度検出素子を応用したものとして、例えばマイクロホンや媒体流量計が提案されている（例えば、非特許文献２及び特許文献１参照）。
"AN OVERVIEW OF MICROFLOWN THECNOLOGIES", H.-E. Bree, ACTA ACUSTICA UNITED WITH ACUSTICA, 89 (1),pp.163-172,JAN-FEB 2003. "Add-On Microflown for a High-End Pressure-Gradient Microphone", H.-E. de Bree et al., Proc. 109th AES Convention, Los Angels, 2000 特開平１１−３２６００３号公報

ところで、音の粒子速度は非常に遅く、例えば音波が平面波のときは、音圧が１Ｐａ（非常に大きな音）の音でも粒子速度は２．４ｍｍ／ｓ、音圧が２０μＰａ（人間の最小可聴限界）では粒子速度はわずか０．０４８μｍ／ｓである。また、人間の可聴周波数帯域は、おおよそ２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚといわれている。すなわち、粒子速度検出素子としては、極めて遅い音の粒子速度を広帯域にわたって検出できるものが望ましい。そのためには、音の粒子速度に応じて素早く温度変化するよう、検出素子の熱容量を極めて小さくしなければならない。

しかしながら、従来の粒子速度検出素子は、その構造や製法上の制約により、検出素子が抵抗体と支持体とから構成され、このうち支持体は、発熱に寄与しない無駄な負荷となって検出素子の熱容量を増加させている。このため、従来の粒子速度検出素子では、高い周波数で感度が低下するという課題があった。したがって、例えば、従来の粒子速度検出素子を備えたマイクロホンは、粒子速度検出素子の狭帯域性により、低域周波数帯域の音しか検出できないので、他のマイクロホンと組み合わせて使用されるといった補助的な利用にとどまっていた。

また、前述のように、粒子速度検出素子は指向性を有するため、例えば無指向性マイクロホンのような装置に応用しようとすると、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向（以下、単に「３軸方向」ということがある。）に３個の粒子速度検出素子を組み合わせる、あるいは１個の粒子速度検出素子に３軸方向に３組の検出素子を作り込まなければならず、次のような課題があった。

まず、従来のものでは、３軸方向に３個の粒子速度検出素子を組み合わせようとすると、それらを設けるためのスペースが必要となるので、粒子速度検出素子を備える装置の小型化が困難になるという課題があった。

次に、従来の製造方法によって、１個の粒子速度検出素子に３軸方向に３組の粒子速度検出素子を作り込もうとすると、そのうち１つの軸方向では素子の１本をシリコン基板の表側、もう１本を裏側に形成しなければならない。この場合、基板の厚さが検出素子間隔とならざるを得ず、粒子速度検出素子の性能にとって重要なパラメータである検出素子間隔の設計自由度が制限されるという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、音波を伝播する媒質の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサを提供することを目的とする。

本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子であって、音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる少なくとも一対の第１及び第２の熱授受手段と、前記第１及び前記第２の熱授受手段のそれぞれの一方端を電気的に接続する第１の電極と、前記第１及び前記第２の熱授受手段のそれぞれの他方端を電気的に接続する第２の電極と、前記第１及び前記第２の電極が形成された基板とを備えた構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、熱授受手段が抵抗体のみからなるので、抵抗体が支持体に積層された従来のものよりも、熱授受手段の熱容量を低減することができ、構造も簡素化することができる。また、この構成により、第１の熱授受手段と第２の熱授受手段とを、基板の片面側において所定の軸方向に任意の間隔で並べて設けることができる。

したがって、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、音波を伝播する媒質の粒子速度（以下、単に「音波の粒子速度」ということがある。）を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができる。

また、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、前記第１及び前記第２の熱授受手段が、それぞれ、前記一方端と前記他方端との間において予め定められた方向に湾曲した形状を有するものである構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、第１及び第２の熱授受手段が加熱された際に発生する熱歪の影響を低減することができる。

さらに、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、前記第１及び前記第２の熱授受手段が、それぞれ、前記一方端と前記他方端との間において予め定められた方向に屈曲した形状を有するものである構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、特定方向に指向性を有することとなる。

さらに、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、前記第１及び前記第２の熱授受手段が、それぞれ、前記一方端から前記他方端に至る経路を複数に分岐する分岐部を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、直線形状の１対の検出素子を設ける従来の粒子速度検出素子に比べて、同等の長さの検出部を、より小さなスペースに配置することができるので、装置の小型化を図ることができる。

さらに、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、前記第１及び前記第２の熱授受手段が、それぞれ、互いに直交する３軸の少なくとも１つの軸方向において前記熱を授受するものである構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、音波の粒子速度の３軸方向における各成分のうち少なくとも１つの成分を検出することができる。

本発明の音響センサは、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子と、前記第１及び前記第２の熱授受手段をそれぞれ予め定められた温度に加熱する加熱手段と、前記第１の熱授受手段の温度と前記第２の熱授受手段の温度との差に基づいて前記音波を伝播する媒質の粒子速度を計測する粒子速度計測手段とを備えた構成を有している。

この構成により、本発明の音響センサは、共に抵抗体のみからなる第１及び第２の熱授受手段を有するので、音波の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができる。

本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法であって、音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる少なくとも一対の第１及び第２の熱授受手段を集束イオンビーム化学気相成長法によって生成する工程と、前記第１及び前記第２の熱授受手段におけるそれぞれの一方端を電気的に接続する第１の電極及びそれぞれの他方端を電気的に接続する第２の電極を基板上に形成する工程とを含む構成を有している。

この構成により、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法は、共に抵抗体のみからなる第１及び第２の熱授受手段を生成するので、抵抗体が支持体に積層された従来のものよりも、第１及び第２の熱授受手段の熱容量を低減することができ、構造も簡素化することができる。また、この構成により、第１の熱授受手段と第２の熱授受手段とを、基板の片面側において所定の軸方向に任意の間隔で並べて設けることができる。

したがって、本発明のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法は、音波の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子を提供することができる。

本発明は、音波を伝播する媒質の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができるという効果を有するＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子及びその製造方法並びに音響センサを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態における構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０は、シリコン基板１１と、絶縁膜１２及び１３と、電極パッド１４と、粒子速度検出部１５〜１７とを備えている。

シリコン基板１１は、高さ寸法Ｌの４つの凸部及び１つの凹部１１ａを有し、各凸部間及び凹部１１ａを音波が通過できる構成となっている。各凸部の上面には絶縁膜１２が設けられている。また、シリコン基板１１の下面には絶縁膜１３が設けられている。絶縁膜１２上には電極パッド１４が形成されている。この電極パッド１４は、図示しない外部回路と接続されるものである。

粒子速度検出部１５〜１７は、それぞれ、各凸部間を橋渡しするよう自立して形成された一対の抵抗体のみからなり、一対の抵抗体の各両端は電極パッド１４に接続されている。また、粒子速度検出部１５〜１７には、それぞれ、各電極パッド１４を介し、粒子速度検出部１５〜１７の温度が予め定められた温度になるよう加熱するための電流が流されるようになっている。なお、粒子速度検出部１５〜１７は、それぞれ、本発明に係る熱授受手段を構成する。

ここで、粒子速度検出部１５〜１７のうち、粒子速度検出部１５を例に挙げ、粒子速度検出部１５と電極パッド１４との関係を説明する。

粒子速度検出部１５は、音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる一対の粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂを備えている。また、電極パッド１４は、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂが電気的に接続される電極パッド１４ａ〜１４ｄを備えている。

具体的には、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂのそれぞれの一方端は、電極パッド１４ａ及び１４ｂに電気的にそれぞれ接続されている。また、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂのそれぞれの他方端は、電極パッド１４ｃ及び１４ｄに電気的にそれぞれ接続されている。ここで、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂは、それぞれ、本発明に係る第１及び第２の熱授受手段を構成する。また、電極パッド１４ａ及び１４ｂは、本発明に係る第１の電極を構成する。また、電極パッド１４ｃ及び１４ｄは、本発明に係る第２の電極を構成する。

なお、説明を省略するが、粒子速度検出部１６及び１７のそれぞれと電極パッド１４との関係も、粒子速度検出部１５と電極パッド１４ａ〜１４ｄとの関係と同様である。また、例えば電極パッド１４ｃ及び１４ｄを１つの電極パッドで共通化し、共通化した電極パッドをアースに接続する構成としてもよい。

粒子速度検出部１５を構成する一対の抵抗体は、図中に示すＸ軸方向と直交する方向に並べて設けられている。また、粒子速度検出部１６を構成する一対の抵抗体は、図中に示すＹ軸方向と直交する方向に並べて設けられている。また、粒子速度検出部１７を構成する一対の抵抗体は、図中に示すＺ軸方向と直交する方向に並べて設けられている。この構成により、粒子速度検出部１５〜１７は、それぞれ、音波の粒子速度のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分を検出することができるようになっている。なお、図示したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向は説明の都合上、便宜的に定義した方向である。

粒子速度検出部１５〜１７を構成する一対の抵抗体は、それぞれ、ＦＩＢ−ＣＶＤ（Focused-ion-beam Chemical Vapor Deposition：集束イオンビーム化学気相成長）法により製作されるものである。ＦＩＢ−ＣＶＤ法については、文献「"Free-space-wiring fabrication in nano-space by focused-ion-beam chemical vapor deposition", T.Morita他, J.Vac. Sci. Technol. B 21(6), pp.2737-2741 (2003)」に詳述されているが、以下概要を説明する。

ＦＩＢ−ＣＶＤ法は、真空中で微細なノズルから原料ガスを噴射しつつ、噴射された原料ガスにイオンビームを照射することで局所的に化学反応を起こし、基板上の空間に自立した微細な配線（例えば炭素を主体とする抵抗体）を形成する方法である。この方法によれば、基板とノズル及びイオンビームの相対位置を制御することにより、３次元的に自立して自由な形状の微細な抵抗体（曲線を含む）を形成できるため、従来の製造技術に比べ、粒子速度検出部１５〜１７を形成する自由度が飛躍的に高まる。なお、粒子速度検出部１５〜１７を構成する抵抗体の材料は炭素に限定されるものではなく、抵抗体が自立できる材料であればよい。

次に、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０の動作について図１を用いて説明する。なお、説明を簡単にするため、図１に示すＸ軸の矢印方向に伝播する音波を対象とし、粒子速度検出部１５を構成する粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂを例に挙げて説明する。

まず、電極パッド１４に接続された図示しない電源（加熱手段）により、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂにそれぞれに等しい一定の電流を流し、両者を加熱する。

音波にさらされていない定常状態のとき、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂは、互いに等しい熱を放出すると共に、媒質を介して相手側の熱の一部を互いに等しく受け取るので、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂの温度は一定に保たれる。

次に、粒子速度検出部１５ａ及び１５ｂがＸ軸方向に伝播する音波にさらされると、ある時刻において、例えば粒子速度検出部１５ａは媒質によって熱が奪われ、粒子速度検出部１５ｂは粒子速度検出部１５ａから奪われた熱の一部を、媒質を介して受け取るので、粒子速度検出部１５ａと１５ｂとの間に温度差が生じる。抵抗体は温度変化によりその抵抗値が変化するため、粒子速度検出部１５ａと１５ｂとの間に定常状態からの抵抗値差が生じる。この抵抗値差は音の粒子速度にほぼ比例するので、抵抗値差を検出することにより、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０は、Ｘ軸方向に伝播する音波の粒子速度を検出することができる。

前述の粒子速度検出部１５と同様に、粒子速度検出部１６及び１７も動作する。したがって、粒子速度検出部１５〜１７の各出力を比較したり合成したりすることにより、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０を、例えば粒子速度の方向を求める装置に応用したり、無指向性マイクロホンとして利用したりすることができる。

次に、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０の製造方法について図２を用いて説明する。図２は、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０をＭＥＭＳ技術によって形成する製造工程の説明図であって、図１に示したＡ−Ａ'方向及びＢ−Ｂ'方向における断面を概念的に示した図である。

はじめに、例えば化学気相成長法や熱酸化法により、シリコン基板１１の両面に窒化シリコンや酸化シリコン等の絶縁膜１２及び１３を形成する（図２（ａ））。

次に、例えばフォトリソグラフィ法とエッチング法とを組み合わせて絶縁膜１２及び１３をパターニングし、開口部１２ａ及び１３ａを形成する（図２（ｂ））。

次に、例えばドライエッチングのような異方性の高いエッチング法により、絶縁膜１２及び１３をマスクとしてシリコン基板１１をエッチングし、シリコン基板１１に凹部１１ａ及び段差Ｌの凸部を形成する。凹部１１ａはシリコン基板１１の表と裏からエッチングを行うことにより形成できる（図２（ｃ））。

次に、例えばマスク蒸着法により金属の電極パッド１４を形成する（図２（ｄ））。

次に、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて、電極パッド１４間に炭素を主体とする粒子速度検出部１６を形成する（図２（ｅ））。図示を省略したが、粒子速度検出部１６と同様に、粒子速度検出部１５及び１７も製作することがきる。

なお、シリコンウェハに上記構造を多数作製したものをダイシングによりチップ化する場合は、例えば公知のレーザー方式のダイシング法を用いることにより、粒子速度検出部１５〜１７を破損することなく、チップ化することが可能である。

前述のように、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を使用することで従来不可能であった３次元的に湾曲あるいは屈曲した検出素子が形成可能となる。これにより、基板の片面に１組の検出素子を形成するプロセスと同じ工程でＸＹＺ３組の検出素子を形成することができる。

次に、本発明に係る検出素子（粒子速度検出部１５〜１７）が、従来の検出素子に比べ熱容量を小さくできることを具体的に説明する。

検出素子の単位長さあたりの熱容量ＣＬ（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−１）は［数１］で算出することができる。

［数１］
ＣＬ＝Ｃｖ×検出素子断面積

ここで、Ｃｖは検出素子の単位体積あたりの熱容量（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）を示し、［数２］で表すことができる。なお、Ｃｍはモル熱容量（Ｊ・Ｋ^−１・ｍｏｌ^−１）、Ｍはモル質量（ｋｇ・ｍｏｌ^−１）、ρは密度（ｋｇ・ｍ^−３）を示す。

［数２］
Ｃｖ＝Ｃｍ／Ｍ×ρ

最初に、従来の検出素子の例として以下の構成を考える。なお、ここで例示する数値は、文献「J W van Honschoten他,"Analytic model of a two-wire thermal sensor for flow and sound measurements", J. Micromech. Microeng. 14 (2004) pp.1468-1477.」より抜粋したものである。

（１）従来の検出素子の構成例
抵抗体：白金、厚さ０．１μｍ、幅２μｍ、Ｃｖ（白金）＝２．８５×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）
支持体：窒化シリコン、厚さ０．２μｍ、幅２μｍ、Ｃｖ（窒化シリコン）＝１．６６×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）
上記の値を［数１］に代入すると、単位長さあたりの白金の熱容量ＣＬ（白金）及び窒化シリコンの熱容量ＣＬ（窒化シリコン）は、それぞれ、［数３］及び［数４］に示す値となる。

［数３］
ＣＬ（白金）＝２．８５×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）×０．１×１０^−６（ｍ）×２×１０^−６（ｍ）＝０．５７×１０^−６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−１）

［数４］
ＣＬ（窒化シリコン）＝１．６６×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）×０．２×１０^−６（ｍ）×２×１０^−６（ｍ）＝０．６６×１０^−６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−１）

したがって、従来の検出素子の、単位長さあたりの熱容量ＣＬ（従来素子）は［数５］に示す値となる。

［数５］
ＣＬ（従来素子）＝ＣＬ（白金）＋ＣＬ（窒化シリコン）＝１．２３×１０^−６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−１）

次に、本発明に係る検出素子として以下の構成を考える。ここで、ＦＩＢ−ＣＶＤ法で作製する細線は半径５０ｎｍ程度が一般的であるので、この値を用いる。また、ＦＩＢ−ＣＶＤ法で製作する炭素を主体とした抵抗体のモル熱容量や密度の値は、ダイアモンドの値（理科年表より抜粋）で代用する。

（２）本発明に係る検出素子の構成例
抵抗体：炭素主体材料、半径５０ｎｍ
Ｃｍ（炭素）＝１６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍｏｌ^−１）：ダイアモンドの温度６００Ｋでの値
Ｍ（炭素）＝０．０１２（ｋｇ・ｍｏｌ^−１）：ダイアモンドの値
ρ（炭素）＝３．５×１０^３（ｋｇ・ｍ^−３）：ダイアモンドの値

上記の値を［数２］に代入すると、単位体積あたりの炭素の熱容量Ｃｖ（炭素）は［数６］に示す値となる。

［数６］
Ｃｖ（炭素）＝１６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍｏｌ^−１）／０．０１２（ｋｇ・ｍｏｌ^−１）×３．５×１０^３（ｋｇ・ｍ^−３）＝４．７×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）

次に、この値を［数１］に代入すると、単位長さあたりの本発明に係る検出素子の熱容量ＣＬ（本素子）は［数７］に示す値となる。

［数７］
ＣＬ（本素子）＝４．７×１０^６（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−３）×π×（５０×１０^−９）^２（ｍ^２）＝３．７×１０^−８（Ｊ・Ｋ^−１・ｍ^−１）

（３）比較結果
［数５］に示した従来素子の熱容量と、［数７］に示した本素子の熱容量とを比較すると、本素子における単位長さあたりの熱容量ＣＬが従来素子の１／３３であり、熱容量ＣＬを従来素子よりも非常に小さくできることがわかる。

以上のように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０によれば、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて粒子速度検出部１５〜１７を自立した抵抗体のみで形成する構成としたので、抵抗体が支持体に積層された従来のものよりも、粒子速度検出部１５〜１７の熱容量を低減することができ、構造も簡素化することができる。

また、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０によれば、図１に示すように、粒子速度検出部１５〜１７を基板の片面側において３軸方向に任意の間隔で並べて設ける構成とすることができる。

したがって、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０は、音波の粒子速度を従来よりも広い周波数帯域にわたって検出することができ、かつ、検出素子間隔の設計自由度の確保及び装置の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０によれば、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いることで、基板の片面に３組の粒子速度検出部１５〜１７を容易に形成することができる。この構成により、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０は音響センサ、例えば無指向性マイクロホンに好適に応用することができる。音響センサとしては、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子１０と、３組の粒子速度検出部１５〜１７をそれぞれ予め定められた温度に加熱するよう電流を流す加熱手段としての電源と、粒子速度検出部１５〜１７をそれぞれ構成する各抵抗体の温度差に基づいて音波の粒子速度を計測する粒子速度計測手段とを備える構成とすればよい。

なお、前述の実施の形態において、Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分の音波を検出するものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、図３に示すように、３軸方向のうちの１軸方向、例えばＸ軸方向の音波が通り抜けるようシリコン基板１１に凹部１１ｂを設け、粒子速度検出部１５が音波の粒子速度のＸ軸方向成分を検出する構成としてもよい。

ここで、図４に示すように、粒子速度検出部１５の抵抗体を例えばＺ軸方向に湾曲させて曲線形状とする構成とするのが好ましい。粒子速度検出部１５の抵抗体は通電時には数百度の温度になるため、粒子速度検出部１５の抵抗体には熱歪が発生する。このとき粒子速度検出部１５の抵抗体が曲線形状になっていると、抵抗体の特定の場所に熱歪が集中することがなく、熱歪による抵抗体の断線の可能性を低減することができるからである。

また、本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子を、例えば図５に示す構成とすることもできる。図５に示したＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子は、Ｚ軸方向の音波を通過させる貫通孔１１ｃと２つの凸部とが設けられたシリコン基板１１と、屈曲した形状を有する一対の粒子速度検出部１８とを備えている。一対の粒子速度検出部１８は、それぞれ、前述の粒子速度検出部１５〜１７と同様にＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて製造されたものであって、音波の粒子速度のＸ軸方向成分を検出する検出部１８ａと、Ｙ軸方向成分を検出する検出部１８ｂと、Ｚ軸方向成分を検出する検出部１８ｃとを備えている。

検出部１８ａ〜１８ｃは、それぞれ、音波の粒子速度のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向成分を検出するが、これらは１組の連続した抵抗体であるため、粒子速度検出部１８の出力はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向成分が加算されたものとなる。例えば、粒子速度のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向成分を検出する部分の長さをそれぞれ互いに等しくしておけば、［ＸＹＺ］が［１１１］方向の感度を高くすることができるなど、粒子速度検出部１８の引き回し形状により特殊な指向性を持たせることができる。粒子速度検出素子をシステムに組み込んで使用する場合に粒子速度検出素子の実装方向に制限があることも多く、この場合、予めシリコン基板の特定方向に対して指向性を持たせておくことが有効である。

なお、検出部１８ａ〜１８ｃのそれぞれを、図４に示したように、湾曲させる形状としてもよい。この構成により、検出部１８ａ〜１８ｃのそれぞれが熱歪の影響で断線する可能性を低減することができて好ましい。

以上のように、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により、従来技術では不可能であった湾曲あるいは屈曲した粒子速度検出部を形成することができる。これにより、検出素子が熱歪の影響で断線する可能性を低減することができる、あるいは、基板に対して特定方向に指向性を有する粒子速度検出素子を提供することができる。

（第２の実施の形態）
まず、本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第２の実施の形態における構成について図６を用いて説明する。図６（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子を、それぞれ、Ｚ軸方向及びＸ軸方向から見た図である。なお、図示したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向は説明の都合上、便宜的に定義した方向である。また、第１の実施の形態における説明と重複する説明は省略する。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子２０は、絶縁体基板２１と、電極パッド２２と、粒子速度検出部２３とを備えている。

絶縁体基板２１は、例えばガラスで構成され、音波がＸ軸方向に通過する凹部２１ａを有している。

粒子速度検出部２３は、第１の実施の形態と同様に、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により製作されるものであって、凹部２１ａ上を橋渡しするよう自立して形成された一対の抵抗体のみからなり、一対の抵抗体の各両端は電極パッド２２に接続されている。各電極パッド２２を介し、粒子速度検出部２３の温度が予め定められた温度になるよう加熱するための電流が粒子速度検出部２３に流されるようになっている。

具体的には、粒子速度検出部２３は、音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる一対の粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂを備えている。また、電極パッド２２は、粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂが電気的に接続される電極パッド２２ａ〜２２ｄを備えている。

粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂのそれぞれの一方端は、電極パッド２２ａ及び２２ｂに電気的にそれぞれ接続されている。また、粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂのそれぞれの他方端は、電極パッド２２ｃ及び２２ｄに電気的にそれぞれ接続されている。ここで、粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂは、それぞれ、本発明に係る第１及び第２の熱授受手段を構成する。また、電極パッド２２ａ及び２２ｂは、本発明に係る第１の電極を構成する。また、電極パッド２２ｃ及び２２ｄは、本発明に係る第２の電極を構成する。なお、例えば電極パッド２２ｃ及び２２ｄを１つの電極パッドで共通化し、共通化した電極パッドをアースに接続する構成としてもよい。

粒子速度検出部２３ａ及び２３ｂは、図中に示すＸ軸方向と直交する方向に並べて設けられている。この構成により、粒子速度検出部２３は、音波の粒子速度のＸ軸方向成分を検出することができるようになっている。

次に、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子２０の製造方法について図７を用いて説明する。なお、絶縁体基板２１としてガラス基板を用いる例を挙げる。

はじめに、絶縁体基板２１としてガラス基板を用意し、その両面にフォトレジスト２４を塗布し、フォトリソグラフィ法により基板表面に開口部２４ａを形成する（図７（ａ））。

次に、例えばフッ酸のエッチング液を用いてエッチングを行い、凹部２１ａを形成し、フォトレジスト２４を除去する（図７（ｂ））。

次に、例えばマスク蒸着法を用いて金属の電極パッド２２を形成する（図７（ｃ））。

次に、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて、電極パッド２２間に例えば炭素を主体とする粒子速度検出部２３を形成する（図７（ｄ））。

なお、基板に上記構造を多数作製し、ダイシングによりチップ化する場合は、例えば公知のレーザー方式のダイシング法を用いることにより、粒子速度検出部２３を破損することなく、チップ化することが可能である。

以上のように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子２０によれば、基板として絶縁体基板２１を使用する構成としたので、シリコン基板を使用する構成と比べ、基板表面の絶縁膜、例えば図３に示した絶縁膜１２及び１３が不要となり、構造の簡素化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第３の実施の形態における構成について図８を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施の形態における説明と重複する説明は省略する。

図８（ａ）に示すように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子３０は、絶縁体基板３１と、電極パッド３２と、粒子速度検出部３３及び３４とを備えている。なお、図示したＸ、Ｙ、Ｚ軸方向は説明の都合上、便宜的に定義した方向である。

絶縁体基板３１には、Ｚ軸方向の音波を通過させる開口部３１ａが形成されている。

粒子速度検出部３３及び３４は、第１の実施の形態と同様に、それぞれ、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により製作されるものであって、開口部３１ａ上を橋渡しするよう自立して形成された抵抗体のみからなり、各抵抗体の各両端は電極パッド３２に接続されている。各電極パッド３２を介し、粒子速度検出部３３及び３４の温度が予め定められた温度になるよう加熱するための電流が粒子速度検出部３３及び３４に流されるようになっている。また、電極パッド３２は、粒子速度検出部３３及び３４が電気的に接続される電極パッド３２ａ〜３２ｄを備えている。

詳細には、粒子速度検出部３３は、図８（ｂ）に示すように構成されている。図８（ｂ）はＺ軸方向から粒子速度検出部３３を見た図であって、粒子速度検出部３３は、円状に形成された円状検出部３３ａと、分岐部３３ｄを介して円状検出部３３ａに接続された直線部３３ｂと、分岐部３３ｅを介して円状検出部３３ａに接続された直線部３３ｃとを備えている。なお、粒子速度検出部３３と同様に、粒子速度検出部３４は、円状検出部３４ａと、直線部３４ｂ及び３４ｃとを備えている。

図８（ａ）に示すように、粒子速度検出部３３及び３４のそれぞれの一方端は、電極パッド３２ａ及び３２ｂに電気的にそれぞれ接続されている。また、粒子速度検出部３３及び３４のそれぞれの他方端は、電極パッド３２ｃ及び３２ｄに電気的にそれぞれ接続されている。ここで、粒子速度検出部３３及び３４は、それぞれ、本発明に係る第１及び第２の熱授受手段を構成する。また、電極パッド３２ａ及び３２ｂは、本発明に係る第１の電極を構成する。また、電極パッド３２ｃ及び３２ｄは、本発明に係る第２の電極を構成する。なお、例えば電極パッド３２ｃ及び３２ｄを１つの電極パッドで共通化し、共通化した電極パッドをアースに接続する構成としてもよい。

前述のように、粒子速度検出部３３は、電極パッド３２ａから３２ｃに至る経路を２つに分岐する分岐部３３ｄ及び３３ｅを備えたものである。同様に、粒子速度検出部３４は、電極パッド３２ｂから３２ｄに至る経路を２つに分岐する分岐部を備えたものである。

本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子３０は、粒子速度検出部３３及び３４が、それぞれ、Ｚ軸方向と直交する方向に、円状検出部３３ａと円状検出部３４ａとが対向するよう並べて配置されている。この構成により、ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子３０は、音波の粒子速度のＺ軸方向成分を検出することができる。なお、ここでは、粒子速度検出部３３及び３４を、それぞれ、Ｚ軸方向と直交する方向に対向させて並べた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。

図８（ｃ）は、粒子速度検出部３３の製造方法の一例を示す図である。まず、図８（ｃ）の上側に示すように、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて、円状検出部３３ａの半円部分と、直線部３３ｂ及び３３ｃとを一体に形成する。なお、図示を省略したが、直線部３３ｂ及び３３ｃは、それぞれ、電極パッド３２ａ及び３２ｃに接続されている。次に、図８（ｃ）の下側に示すように、ＦＩＢ−ＣＶＤ法を用いて、円状検出部３３ａの残りの半円部分の両端がそれぞれ分岐部３３ｄ及び３３ｅにおいて接続されるよう形成することにより、粒子速度検出部３３を形成する。なお、粒子速度検出部３４の製造方法は、粒子速度検出部３３の製造方法と同様であるので、説明を省略する。

以上のように、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子３０によれば、粒子速度検出部３３及び３４のそれぞれの一方端から他方端に至る経路を２つに分岐する分岐部を備える構成としたので、直線形状の１対の検出素子を設ける従来の粒子速度検出素子に比べて、同等の長さの検出部を、より小さなスペースに配置することができる。したがって、本実施の形態におけるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子３０は、粒子速度を検出する装置の小型化を図ることができる。

なお、前述の実施の形態において、１つの円状検出部３３ａにおいて２つの分岐部３３ｄ及び３３ｅがあるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の分岐部があってもよい。

また、前述の実施の形態において、粒子速度検出部３３及び３４のそれぞれの一方端から他方端に至る経路を２つに分岐する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、分岐部において検出部が３つ以上に分岐する構成としてもよい。

また、前述の実施の形態において、円状検出部３３ａが１つの円状の経路である例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、２つの同心円状の経路や、楕円形状の経路としてもよい。また、円状検出部３３ａが平面状に形成された例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態における構成を概念的に示す斜視図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態における製造方法を概念的に示す断面図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態において、第１の他の態様の構成を概念的に示す図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態において、第２の他の態様の構成を概念的に示す図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第１の実施の形態において、第３の他の態様の構成を概念的に示す斜視図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第２の実施の形態における構成を概念的に示す図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第２の実施の形態における製造方法を概念的に示す断面図 本発明に係るＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の第３の実施の形態における構成を概念的に示す図 従来の粒子速度検出素子の構成を概念的に示す図 従来の粒子速度検出素子の製造方法を概念的に示す断面図

符号の説明

１０、２０、３０ ＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子
１１ シリコン基板（基板）
１１ａ、１１ｂ、２１ａ 凹部
１１ｃ 貫通孔
１２、１３ 絶縁膜
１２ａ、１３ａ、２４ａ 開口部
１４、２２、３２ 電極パッド
１４ａ、１４ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ 電極パッド（第１の電極）
１４ｃ、１４ｄ、２２ｃ、２２ｄ、３２ｃ、３２ｄ 電極パッド（第２の電極）
１５〜１７、１８、２３ 粒子速度検出部（熱授受手段）
１５ａ、２３ａ、３３ 粒子速度検出部（第１の熱授受手段）
１５ｂ、２３ｂ、３４ 粒子速度検出部（第２の熱授受手段）
１８ａ Ｘ軸方向成分を検出する検出部
１８ｂ Ｙ軸方向成分を検出する検出部
１８ｃ Ｚ軸方向成分を検出する検出部
２１、３１ 絶縁体基板（基板）
２４ フォトレジスト
３１ａ 開口部
３３ａ、３４ａ 円状検出部
３３ｂ、３３ｃ、３４ｂ、３４ｃ 直線部
３３ｄ、３３ｅ 分岐部

Claims (7)

1. ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いて形成されるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子であって、
   音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる少なくとも一対の第１及び第２の熱授受手段と、
   前記第１及び前記第２の熱授受手段のそれぞれの一方端を電気的に接続する第１の電極と、
   前記第１及び前記第２の熱授受手段のそれぞれの他方端を電気的に接続する第２の電極と、
   前記第１及び前記第２の電極が形成された基板とを備えたことを特徴とするＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子。
2. 前記第１及び前記第２の熱授受手段は、それぞれ、前記一方端と前記他方端との間において予め定められた方向に湾曲した形状を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子。
3. 前記第１及び前記第２の熱授受手段は、それぞれ、前記一方端と前記他方端との間において予め定められた方向に屈曲した形状を有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子。
4. 前記第１及び前記第２の熱授受手段は、それぞれ、前記一方端から前記他方端に至る経路を複数に分岐する分岐部を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子。
5. 前記第１及び前記第２の熱授受手段は、それぞれ、互いに直交する３軸の少なくとも１つの軸方向において前記熱を授受するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子と、前記第１及び前記第２の熱授受手段をそれぞれ予め定められた温度に加熱する加熱手段と、前記第１の熱授受手段の温度と前記第２の熱授受手段の温度との差に基づいて前記音波を伝播する媒質の粒子速度を計測する粒子速度計測手段とを備えたことを特徴とする音響センサ。
7. ＭＥＭＳ技術を用いて形成されるＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法であって、
   音波を伝播する媒質と熱を授受する抵抗体のみからなる少なくとも一対の第１及び第２の熱授受手段を集束イオンビーム化学気相成長法によって生成する工程と、
   前記第１及び前記第２の熱授受手段におけるそれぞれの一方端を電気的に接続する第１の電極及びそれぞれの他方端を電気的に接続する第２の電極を基板上に形成する工程とを含むことを特徴とするＭＥＭＳ型熱線式粒子速度検出素子の製造方法。

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