JP3845077B2 - 音波発生装置の製造方法 - Google Patents

Description

この出願の発明は、音波発生装置の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、空気に熱を与えることにより空気の粗密を作り、音波を発生する装置であって、超音波音源、スピーカー音源、アクチュエータなどに有用な新しい音波発生装置の製造方法に関するものである。

従来より、各種の音波発生装置が知られており、これらの従来の音波発生装置は、電気火花や流体振動などを用いる特別なものを除いて、すべて何らかの機械振動を空気の振動へと変換するものである。このような機械振動を用いる方法には動電型・コンデンサ型などもあるが、超音波領域では、現在圧電素子を利用したものが主流となっている。たとえば圧電材料であるチタンバリウムの両面に電極を形成し、電極間に超音波電気信号を印加することで機械振動を発生させ、空気などの媒質にその振動を伝達して超音波を発生する。しかしながら、このような機械振動を利用した音波発生装置では、固有の共振周波数を有するために周波数帯域が狭い、周囲の環境（温度、振動）などの影響を受けやすい、微細・アレイ化が困難であるといった問題を有していた。

一方、これまでに、機械振動を全く行わない新しい発生原理の圧力波発生装置が提案されており（特許文献１、特許文献２および非特許文献１）、この提案の圧力波発生装置は、基板と、基板上に設けられた熱絶縁層と、熱絶縁層上に設けられた電気的に駆動される発熱体薄膜から構成されており、発熱体薄膜から熱が発生し、熱伝導率の極めて小さい多孔質層や高分子層などの熱絶縁層を設けておくことで、発熱体表面の空気層の温度変化が大きくなるようにして超音波を発生するものである。このデバイスは機械振動を伴わないため、周波数帯域が広い、周囲環境の影響を受け難い、微細・アレイ化も比較的容易であるなどの特長を有している。

ここで、この熱励起圧力波発生装置の発生原理について考えると、電気的に駆動される発熱体薄膜に交流電流を印加した場合の表面温度の変化Ｔ（ω）は、熱絶縁層の熱伝導度をα、体積当たりの熱容量をＣ、角周波数をωとして単位面積当たりのエネルギーの出入りｑ（ω）[Ｗ／ｃｍ²]があったとき、次式（１）で与えられる。

またそのとき発生する音圧Ｐ（ω）は、次式（２）で与えられる。

すなわち、図３に示すように超音波周波数の信号を発生する信号源から供給された周波数ｆの交流電流（図３（ａ））によって発熱体薄膜から発生する熱（図３（ｂ））が周囲の媒体である空気と熱交換することにより空気の温度変化が起こる（図３（ｃ））。これが空気の粗密波を生み出し、周波数２ｆの音波を発生する（図３（ｄ））のである。

ここで上記の式（２）より、発生する音圧Ｐ（ω）は単位面積当たりのエネルギーの出入りｑ（ω）、すなわち入力電力に比例し、熱絶縁層の熱伝導度α、体積当たりの熱容量Ｃが小さいほど大きくなり、熱伝導度αと熱容量Ｃの積の１／２乗に反比例することがわかる。さらに熱絶縁層と基板の熱的コントラストが重要な役割を果たす。すなわち熱伝導率α、体積当たりの熱容量Ｃを持つ熱絶縁層の厚さをＬとし、その下にα、Ｃとも大きな熱伝導性の基板がある場合、次式（３）

程度の厚み（交流成分の熱拡散長）をとると、発熱の交流成分は断熱し、発熱体の熱容量のため発生する直流成分の熱は、大きな熱伝導性の基板へ効率良く逃すことができる。
特開平１１−３００２７４号公報 特開２００２−１８６０９７号公報 Nature 400（1999）p．835−855

しかしながら、上記の熱励起による圧力波発生装置すなわち音波発生装置においては、機械振動を全く伴わず、多くの特長を有しているものの、実用的な出力音圧を得ようとした場合、発生する音圧レベルは０．１Ｐａ程度までであって満足できる程度のものではなく、そのためさらなる性能の向上が望まれていた。

そこでこの出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、音圧レベルを向上させることのできる、新しい音波発生装置を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、熱導電性の基板と、その基板上の一方の面に形成されたナノ結晶シリコンからなる断熱層と、断熱層上に形成され、金属膜からなり電気的に駆動される発熱体薄膜とを有する音波発生装置の製造方法であって、ナノ結晶シリコンを、陽極酸化処理により単結晶シリコンに多数の孔を形成した後、超臨界乾燥により乾燥させることで形成することを特徴とする音波発生装置の製造方法を提供する。

第２には、第１の発明において、超臨界乾燥を行う前に、ナノ結晶シリコン層中の陽極酸化処理で用いた溶媒を、超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒に予め置換しておくことを特徴とする音波発生装置の製造方法を提供する。

第３には、第２の発明において、超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒として、ナノ結晶シリコン層中の陽極酸化処理で用いた溶媒よりも臨界点の低い化合物からなるものを用いることを特徴とする音波発生装置の製造方法を提供する。

第４には、第１ないし３いずれかの発明において、多孔度が７５％以上のナノ結晶シリコンを形成することを特徴とする音波発生装置の製造方法を提供する。

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、熱導電性の基板と、基板上の一方の面に形成されたナノ結晶シリコン層からなる断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを有する音波発生装置において、断熱層として多孔度が７５％以上のナノ結晶シリコン層を、超臨界乾燥を用いて形成することで、αＣを低下することができ、超音波音源、スピーカー音源、アクチュエータなどに有用な新しい音波発生装置が提供される。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

図１は、この出願の発明の音波発生装置の一実施形態を例示した断面図である。

この図１の例の音波発生装置（１）は、熱導電性の基板（２）と、基板（２）上の一方の面に形成されたナノ結晶シリコンからなる断熱層（３）と、断熱層（３）上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜（４）で構成されており、発熱体薄膜（４）には発熱体薄膜（４）に電流を供給するための信号源（５）が配線接続されている。

この音波発生装置（１）における断熱層（３）は、多数の孔が形成された、多孔度が７５％以上のナノ結晶シリコンからなるものであり、ナノ結晶シリコンは多孔質材料であって、ナノオーダのシリコンの量子効果（フォノン閉じ込め効果）により、単結晶シリコンに比べて熱伝導率、熱容量とも非常に小さい値を示す。

なお、一例として多孔度が６０％程度のナノ結晶シリコンと、単結晶シリコンの熱伝導率αと熱容量Ｃの具体的な数値を表１に示すが、この表１より単結晶シリコンに比べてナノ結晶シリコンの熱伝導率αおよび熱容量Ｃが極めて小さいことが分かる。

ここで、前述の式（２）より、出力音圧Ｐ（ω）が断熱層のαＣ積の１／２乗に反比例することから、断熱層のαＣ積を小さくすることができれば、出力音圧を大きくすることができることがわかり、一般的に多孔質材料の場合、多孔度を大きくすることでαＣを小さくすることが可能である。

ナノ結晶シリコンは、上記のように単結晶シリコンをフッ酸溶液中などで陽極酸化処理することで単結晶シリコン基板に多数の孔が形成されることにより形成されるが、ナノ結晶シリコンの多孔度はその陽極酸化処理の条件によって変化し、陽極酸化処理に用いられるフッ酸濃度を低く、電流密度を大きくすることで多孔度を大きくすることができる。ただし、極端にフッ酸濃度を低くしたり電流密度を大きくしたりすると、いわゆる電解研磨の状態となりナノ結晶シリコン層は形成されないため、フッ酸濃度、電流密度の条件は基板抵抗などに応じて適宜設定する必要がある。

多孔度が４０〜７５％程度のナノ結晶シリコンの場合には、陽極酸化処理で用いるフッ酸エタノール溶液から基板を取り出して大気中に放置して溶媒が乾燥した場合も外観は変化せず、そのミクロ構造も変化しない。一方で、陽極酸化処理条件を変えてナノ結晶シリコンの多孔度を７５％以上に上げた場合には、ナノ結晶シリコンの骨格構造が脆いため、陽極酸化処理で用いた溶媒の乾燥除去時に発生する気化の表面エネルギー（表面張力）によって、そのミクロ構造が収縮破壊されてしまう。そのため、溶液中では多孔度７５％以上の非常に高い多孔度のナノ結晶シリコン層が形成されても、大気中に取り出すことで多孔度は非常に低いものとなってしまう。そこで、この収縮破壊を防ぐため、超臨界乾燥を用いて乾燥を行う。なお超臨界乾燥とは溶媒の臨界点または臨界点よりも高温高圧の雰囲気中で溶媒を徐々に除去する乾燥方法である。超臨界状態においては、溶媒の相転移（気化、凝縮）が起こらないため、溶媒除去時のナノ結晶シリコン構造の破壊収縮が抑制される。このため、超臨界乾燥による乾燥によって得られたナノ結晶シリコンは７５％以上の非常に多孔度の高い構造となる。

次に、高多孔度のナノ結晶シリコンを形成するための超臨界乾燥プロセスについて以下に詳しく説明する。

超臨界乾燥を行う際には、必要に応じてナノ結晶シリコン層中の陽極酸化処理で用いた溶媒を、超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒に予め置換しておく。その際に超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒は、ナノ結晶シリコン層中の溶媒よりも臨界点の低い化合物からなるものを用いることが好ましいが、とくにこれに限定されずナノ結晶シリコン中の溶媒よりも臨界点の高いものであっても良い。

超臨界乾燥の分散媒としては、具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなどのアルコールや、ジクロロジフルオロメタン、液化二酸化炭素、水などの単独系または２種以上の混合系を挙げることができる。

より具体的な超臨界乾燥の方法としては、たとえば陽極酸化処理で用いるエタノール溶媒を、液化二酸化炭素（５０〜６０気圧程度）中に浸漬して、エタノールの全部または一部を、このアルコールよりも臨界点が低い液化二酸化炭素に置換した後、二酸化炭素の単独系または二酸化炭素とエタノールの混合系の超臨界条件下で乾燥する方法、あるいは液化二酸化炭素との置換を行わず、陽極酸化処理において溶媒として使用しているエタノールの超臨界条件下で乾燥する方法などが挙げられる。

以上のような方法を用いることによって、多孔度が７５％以上のナノ結晶シリコンを形成することが可能となるのである。

実際に、多孔度の高いナノ結晶シリコンが得られる陽極酸化処理条件で形成し、超臨界乾燥を行わず自然乾燥した場合（図２（ｂ））と、超臨界乾燥を行った場合（図２（ａ））のナノ結晶シリコン層の写真を比べると、超臨界乾燥を行わず自然乾燥した場合、ナノ結晶シリコン層のミクロ構造が破壊収縮され、厚みが約１９μｍと小さくなり多孔度が低くなっているのに対し、超臨界乾燥を行った場合、ミクロ構造の破壊は起こっておらず、厚みが５０μｍ程度の多孔度の高い構造を形成できている。

次に、熱導電性の基板（２）としては、直流成分の熱を逃すために熱伝導率αの大きな材料を用いることが好ましく、シリコンなどの半導体基板や、金属基板を用いることができる。基板（２）の形状としては、放熱効率を良くするために、放熱フィンを裏面に形成していても良い。

また、発熱体薄膜（４）としては金属であれば材質は特に限定されない。たとえば金、アルミニウム、ニッケル、白金、タングステンなどが用いられ、真空蒸着、スパッタなどで成膜することができる。また膜厚は熱容量を小さくするためにできるだけ薄くすることが好ましいが、適当な抵抗にするために１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で選択することができる。

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

＜実施例１＞
Ｐ型（１００）単結晶シリコン基板（８０〜１２０Ω）の裏面に陽極酸化処理時のコンタクト電極としてＡｌを真空蒸着で３００ｎｍ成膜した。その後、この基板をＨＦ（フッ酸）（５５％）：ＥｔＯＨ（エタノール）＝１：２の溶液中で白金を対極として電流密度１５０ｍＡ／ｃｍ²で８分間陽極酸化処理を行い、厚み約５０μｍのナノ結晶シリコン層を形成した。

次にこの基板を１８℃、５５気圧の液化二酸化炭素中に入れ、ナノ結晶シリコン中のエタノールを液化二酸化炭素に置換する操作を２〜３時間行った。その後、系内を二酸化炭素の超臨界条件である４０℃、８０気圧にし、超臨界乾燥を約５時間行った。そして最後にナノ結晶シリコン層上に発熱体薄膜としてＷ（タングステン）をスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成し、音波発生装置を得た。
＜実施例２＞
陽極酸化処理をＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１．５の溶液中で、白金を対極として電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²で行ったこと以外は実施例１と同様にしてナノ結晶シリコンを形成し、音波発生装置を作製した。
＜実施例３＞
陽極酸化処理を電流密度５０ｍＡ／ｃｍ²で行ったこと以外は実施例２と同様にしてナノ結晶シリコンを形成し、音波発生装置を作製した。
＜比較例１＞
系内の超臨界乾燥を行わず自然乾燥を行ったこと以外、実施例１と同様にしてナノ結晶シリコンを形成し、音波発生装置を作製した。この場合ナノ結晶シリコン層の収縮破壊により表面に亀裂が入り、発熱金属薄膜に給電することは不可能であった。
＜比較例２＞
陽極酸化処理をＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１の溶液中で、白金を対極として電流密度２０ｍＡ／ｃｍ²で行い、系内の超臨界乾燥を行わず自然乾燥を行ったこと以外、実施例１と同様にしてナノ結晶シリコンを形成し、音波発生装置を作製した。
＜比較例３＞
陽極酸化処理を電流密度５０ｍＡ／ｃｍ²で行ったこと以外、比較例２と同様にしてナノ結晶シリコンを形成し、音波発生装置を作製した。

以上の実施例１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例２および比較例３で作製したナノ結晶シリコン層の多孔度を重量法で、また熱伝導率αおよび熱容量Ｃを光音響法によって測定した。また得られた素子の発熱体薄膜に５０ｋＨｚ、１Ｗ／ｃｍ²の電力を供給し、出力音圧を素子から１０ｍｍの距離で、マイクで測定した。その結果を表２に示す。

各素子からは１００ｋＨｚの超音波が発生し、表２より多孔度が高く、超臨界乾燥を行った実施例１〜３によるナノ結晶シリコンは、αＣが小さくなり出力音圧が大きくなったのに対し、超臨界乾燥を行わなかった比較例１〜３によるものは、ナノ結晶シリコン層の収縮により構造破壊が起こり、多孔度も低く、とくに比較例１においては出力音圧を測定することが出来なかった。

この出願の発明の音波発生装置の一例を例示した断面図である。 この出願の発明の音波発生装置に用いるナノ結晶シリコンと比較例のナノ結晶シリコンの状態を示した写真である。 従来およびこの出願の発明の音波発生装置の作用を例示したグラフである。

符号の説明

１ 音波発生装置
２ 基板
３ 断熱層
４ 発熱体薄膜
５ 信号源

Claims (4)

1. 熱導電性の基板と、その基板上の一方の面に形成されたナノ結晶シリコンからなる断熱層と、断熱層上に形成され、金属膜からなり電気的に駆動される発熱体薄膜とを有する音波発生装置の製造方法であって、ナノ結晶シリコンを、陽極酸化処理により単結晶シリコンに多数の孔を形成した後、超臨界乾燥により乾燥させることで形成することを特徴とする音波発生装置の製造方法。
2. 超臨界乾燥を行う前に、ナノ結晶シリコン層中の陽極酸化処理で用いた溶媒を、超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒に予め置換しておくことを特徴とする請求項１記載の音波発生装置の製造方法。
3. 超臨界乾燥の媒体として用いる分散媒として、ナノ結晶シリコン層中の陽極酸化処理で用いた溶媒よりも臨界点の低い化合物からなるものを用いることを特徴とする請求項２記載の音波発生装置の製造方法。
4. 多孔度が７５％以上のナノ結晶シリコンを形成することを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の音波発生装置の製造方法。