JP4649929B2 - 圧力波発生素子 - Google Patents

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。

これに対して、機械的振動を伴わずに熱励起により超音波などの圧力波を発生させることができる圧力波発生装置として、図５に示すように、支持基板１’と、支持基板１’の一表面側に形成された支持基板１’に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな断熱層２’と、断熱層２’上に形成された発熱体層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’と空気との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子が提案されている（特許文献１、２、３）。

図５に示した構成の圧力波発生素子では、発熱体層３’の直下に断熱層２’が形成されているので、発熱体層３’へ例えば交流電源から交流を通電することにより、発熱体層３’へ通電される入力波形に応じて発熱体層３’の温度が変化する一方で、発熱体層３’近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こり、空気の膨張・圧縮の結果、超音波などの圧力波が発生する。なお、図５に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体層３’へ通電する交流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用いることができる。要するに、図５に示した構成の圧力波発生素子では、発熱体層３’へ与える電気的な入力（発熱体層３’へ印加する電圧または発熱体層３’へ供給する電流）の波形を周期波（例えば、正弦波、方形波など）として周期波の周期を変化させることで波形を変化させることによって、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、また、発熱体層３’へ与える電気的な入力の波形を孤立波とすれば、圧力波として単パルス的な粗密波（インパルス音波）を発生させることができる。

ここにおいて、上記特許文献１、２に記載された圧力波発生素子では、支持基板１’が単結晶のシリコン基板により構成されるとともに、断熱層２’がシリコン基板の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層により構成されている。なお、上記特許文献１には、断熱層２’の熱伝導度および熱容量を支持基板１’の熱伝導度および熱容量に比べて小さくすることが望ましく、断熱層２’の熱伝導度と熱容量との積を支持基板１’の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることが好ましいことが記載されている。

また、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子では、発熱体層３’が断熱層２’上で断熱層２’の外周よりも内側に位置しており、発熱体層３’の表面（図５における発熱体層３’の上面）および断熱層２’の一部（発熱体層３’が積層されていない部分）の表面が露出した構造を採用しており、さらに、上記特許文献２には、断熱層２’を多孔質シリコン層により構成する代わりに、多孔質シリコン層に対して急速熱酸化処理を施すことにより断熱層２’を形成した構造も記載されている。また、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、発熱体層３’の表面がＳｉＯ₂膜からなる絶縁保護層により覆われた構造を採用している。また、上記特許文献１，２には発熱体層３’をアルミニウム薄膜により構成した実施例が記載され、上記特許文献３には発熱体層３’を窒化タンタル膜により構成した実施例が記載されている。なお、上記特許文献３の実施例において、発熱体層３’を構成する窒化タンタル膜の膜厚は０．５μｍに設定され、絶縁保護層を構成するＳｉＯ_２膜の膜厚は１．５μｍに設定されている。
特開平１１−３００２７４号公報 特開２００２−１８６０９７号公報 特開平３−１４０１００号公報

ところで、本願発明者らは、図５に示した構成の圧力波発生素子において例えば発熱体層３’のうち圧力波を発生する部分（パッドが形成されず表面が露出している部分）の平面サイズを５ｍｍ□として周波数が６０ｋＨｚの超音波を発生させるような場合、圧力波発生素子から３０ｃｍ離れた位置で、１５Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３’の温度を４００℃程度まで上昇させる必要があり、３０Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３’の温度を１０００℃を超えるような高温まで上昇させる必要があるという実験結果を得た。

そこで、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子において、高出力化のために発熱体層３’の材料として、上記特許文献３の段落〔００３０〕に列挙された多数（４８種類）の金属材料のうちアルミニウム以外の材料を採用することが考えられるが、全ての材料について検討を行うのは、成膜に必要な成膜装置、成膜条件の条件出し、材料の入手などの観点から難しいので、本願発明者らは、手始めとして、アルミニウムに比べて高融点で耐酸化性に優れた金に着目し、発熱体層３’を断熱層２’上の１０ｎｍのクロム膜と当該クロム膜上の４０ｎｍの金膜とで構成して、発熱体層３’への入力電力と出力音圧との関係を調べた。その結果、上記平面サイズを２０ｍｍ□とした場合に、最大出力音圧（絶縁破壊する直前の音圧）として４８Ｐａの音圧が得られた。

しかしながら、工業的な利用を考えた場合に、例えばコストの低減や指向性を低くする目的などで圧力波発生素子のチップサイズの小型化を図ると、圧力波を発生する部分の平面サイズも小さくなって音圧も低下する（例えば、圧力波を発生する部分の平面サイズを５ｍｍ□とすると２０ｍｍ□の場合の１６分の１の音圧となってしまう）ので、発熱体層３’として金を採用した圧力波発生素子に比べて、最大出力音圧の高い圧力波発生素子が必要となると考えられる（つまり、より高出力の圧力波発生素子が必要になると考えられる）。

また、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、断熱層２’としてＳｉＯ₂膜を採用するとともに、発熱体層３’の材料として窒化タンタルを採用しており、窒化タンタルはアルミニウムなどの金属に比べて抵抗が高いので、定電圧で駆動する場合、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子に比べて発熱体層３’へ高電圧を印加する必要が生じて入力電力が高くなってしまう（つまり、低消費電力化が難しい）という不具合があった。また、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子に比べて発熱体層３’の熱容量が大きいので、発熱体層３’へ与える電気的な入力の波形に対する温度変化の応答が遅くなって発熱体層３’の温度が上昇しにくくなり、高出力化および応答速度の高速化が難しいという不具合があった。

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、発熱体層の材料として金を採用する場合に比べて高出力化を図れる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、シリコン基板と当該シリコン基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、前記発熱体層への通電による前記発熱体層の温度変化に伴って前記発熱体層と空気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、前記発熱体層の材料として、ヤング率が１７０ＧＰａを下回らない金属材料を用いてなり、前記断熱層が前記シリコン基板の前記一表面側の所定領域に形成されるとともに、前記発熱体層が前記断熱層上で前記断熱層の外周よりも内側に形成され、前記シリコン基板の前記一表面側で前記所定領域以外の部位に積層された絶縁膜と、前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層と絶縁膜との間に介在し前記断熱層の酸化を防止する保護膜とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、発熱体層の材料として金を採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化を図れる。また、この発明によれば、保護膜により前記断熱層の酸化を防止することができ、前記断熱層の酸化による出力低下を防止することができるとともに信頼性を向上させることができる。
請求項２の発明は、シリコン基板と当該シリコン基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、前記発熱体層への通電による前記発熱体層の温度変化に伴って前記発熱体層と空気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、前記発熱体層の材料として、ヤング率が１７０ＧＰａを下回らない金属材料を用いてなり、前記断熱層が前記シリコン基板の前記一表面側の所定領域に形成されるとともに、前記発熱体層が前記断熱層上で前記断熱層の外周よりも内側に形成され、前記シリコン基板の前記一表面側で前記所定領域以外の部位に積層された絶縁膜と、前記シリコン基板の前記一表面側で前記発熱体層の両端部それぞれと接する形で形成された一対のパッドとを備え、前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層の両端部それぞれと前記絶縁膜との間に前記パッドの一部が介在し、前記発熱体層の周囲であって前記パッドが形成されていない部位には前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層と絶縁膜との間に介在し前記断熱層の酸化を防止する保護膜が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、発熱体層の材料として金を採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化を図れる。また、この発明によれば、各パッドそれぞれの一部および前記保護膜により前記断熱層の酸化を防止することができ、前記断熱層の酸化による出力低下を防止することができるとともに信頼性を向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記金属材料は、ビッカース硬度が１６０Ｈｖを下回らない金属であることを特徴とする。

この発明によれば、耐破壊電力がより高くなり、信頼性の向上を図れる。

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、前記金属材料は、貴金属であることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層の酸化を防止することができるとともに寿命が長くなる。

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、前記保護膜は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料であって且つシリコンよりも高融点の材料により形成されてなることを特徴とする。ここにおいて、シリコンよりも高融点の炭化物としては、例えば、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、ＴｈＣ、ＳｉＣなどがあり、シリコンよりも高融点の窒化物としては、例えば、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄などがあり、シリコンよりも高融点のホウ化物としては、例えば、ＨｆＢ、ＴａＢ、ＺｒＢ、ＴｉＢ、ＮｂＢ、ＷＢ、ＶＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢなどがあり、シリコンよりも高融点のシリサイドとしては、例えば、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＳｉ₂などがある。

この発明によれば、前記保護膜を、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの半導体製造プロセスで利用される一般的な薄膜形成法により形成することができる。

請求項１，２の発明では、発熱体層の材料として金を採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化を図れるという効果がある。また、請求項１，２の発明では、断熱層の酸化による出力低下を防止することができるとともに信頼性を向上させることができるという効果がある。

本実施形態の圧力波発生素子は、図１に示すように、支持基板１の一表面側に発熱体層３が設けられるとともに、支持基板１と発熱体層３との間に断熱層２が設けられ、支持基板１の上記一表面側において発熱体層３の両端部（図１における左右両端部）それぞれと接する一対のパッド４，４が設けられている。

ここにおいて、本実施形態の圧力波発生素子では、断熱層２が支持基板１の上記一表面側の所定領域に形成されるとともに、発熱体層３が断熱層２上で断熱層２の外周よりも内側に形成されており、支持基板１の上記一表面側で上記所定領域以外の部位に積層されたＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜５と、支持基板１の上記一表面側において発熱体層３と絶縁膜５との間に一部が介在し断熱層２の酸化を防止する保護膜６とを備えている。保護膜６は、断熱層２において発熱体層３が積層されていない部位の表面および絶縁膜５を覆うように形成されており、パッド４は発熱体層３上と保護膜６上とに跨る形で形成されている。

本実施形態の圧力波発生素子は、発熱体層３へ与える電気的な入力（発熱体層３へ印加する電圧または発熱体層３へ供給する電流）の波形に応じた発熱体層３の温度変化に伴って発熱体層３と空気との熱交換により圧力波を発生する。なお、支持基板１の外周形状は矩形状であって、断熱層２、発熱体層３それぞれの外周形状も矩形状に形成してある。

ところで、本実施形態では、支持基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板１として用いるシリコン基板の一部である上記所定領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより断熱層２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、断熱層２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。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、例えば、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化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）であることが知られている。なお、本実施形態では、上述のように断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、断熱層２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

保護膜６は、シリコンよりも高融点のＨｆＣにより形成してあるが、保護膜６の材料は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料であり且つシリコンよりも高融点の材料を採用すればよく、シリコンよりも高融点の炭化物としては、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、ＴｈＣ、ＳｉＣなどが採用可能であり、シリコンよりも高融点の窒化物としては、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄などが採用可能であり、シリコンよりも高融点のホウ化物としては、ＨｆＢ、ＴａＢ、ＺｒＢ、ＴｉＢ、ＮｂＢ、ＷＢ、ＶＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢなどが採用可能であり、シリコンよりも高融点のシリサイドとしては、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＴｉＳｉ₂などが採用可能である。なお、発熱体層３の材料については後述する。また、本実施形態の圧力波発生素子では、断熱層２の厚さを２μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、各パッド４，４の厚さを０．５μｍ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。

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、支持基板１として用いるシリコン基板の他表面（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、シリコン基板の一表面側に上記所定領域に対応した部分が開孔された絶縁膜５を形成し、シリコン基板の上記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコン層からなる断熱層２を形成する陽極酸化処理工程を行う。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、電解液として５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液を用い、シリコン基板を主構成とする被処理物を処理槽に入れられた電解液に浸漬し、通電用電極を陽極、シリコン基板の上記一表面側に対向配置された白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度の電流を所定時間だけ流すことにより多孔質シリコン層からなる断熱層２を形成している。

上述の陽極酸化処理工程の後、保護膜６を形成する保護膜形成工程、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を順次行い、最後にダイシング工程を行うことによって、圧力波発生素子が完成する。なお、保護膜形成工程、発熱体層形成工程、およびパッド形成工程では、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く、パターニングは例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術を適宜利用すればよい。

次に、発熱体層３の材料について検討した結果について説明する。

図１の構成の圧力波発生素子に関して、発熱体層３のうち圧力波を発生する部分の平面サイズを２０ｍｍ□とし、発熱体層３の材料として下記表１に示した金属材料のうちＡｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれを採用した圧力波発生素子を試作した。ただし、Ａｕを採用した圧力波発生素子については、発熱体層３を断熱層２上の１０ｎｍのクロム膜と当該クロム膜上の４０ｎｍの金膜とで構成して、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれを採用した圧力波発生素子では、発熱体層３を厚さが５０ｎｍで単一の金属材料からなる金属薄膜により構成してある。なお、表１の各数値は、日本金属学会編「金属データブック」（丸善株式会社、１９８４年１月３０日発行、改訂２版）に基づく値である。

試作した各圧力波発生素子について、発熱体層３への入力電力を種々変化させた場合の出力音圧を測定した結果を図２に示す。図２は、横軸を、周波数が３０ｋＨｚの正弦波の電圧を入力としてピーク値を種々変化させた場合の入力電力のピーク値（最大入力）とし、縦軸を、発熱体層３の表面から３０ｃｍだけ離れた位置で測定した周波数が６０ｋＨｚの超音波の音圧（出力音圧）としてある。

ここにおいて、発熱体層３の材料を、Ａｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれとした場合、最大出力音圧は、それぞれ、４８Ｐａ、１５０Ｐａ、２３６Ｐａ、２２６Ｐａ、２６４Ｐａであった。

上述の結果をまとめると下記表２のようになる。表２には、上記平面サイズを５ｍｍ□にしたと仮定した場合の最大出力音圧の換算値も併せて示してある。

表２から、発熱体層３の材料として、ＰｔまたはＭｏまたはＩｒまたはＷを採用することにより、発熱体層３の材料として金を採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化を図れることが分かる。

ところで、圧力波発生素子から発生する圧力波の指向性を抑えて広い領域に超音波を放出させるには、上記平面サイズを小さくする必要があるが、発生音圧は上記平面サイズに比例するので、上記平面サイズを小さくしすぎると、音圧の絶対量が小さくなってしまう。

音源から発生した圧力波であって対象物にて反射された反射波を検出して対象物までの距離や方向を検出しようとすると、最低でも数Ｐａ程度の音圧が必要であり、例えば、感度が数ｍＶ／Ｐａのディテクタを用いて反射波を検出するには、音源から最低でも８Ｐａ程度の音圧が得られる圧力波を出力させる必要がある。ここで、表２から分かるように、発熱体層３の材料として、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗを採用した圧力波発生素子では、上記平面サイズを５ｍｍ□としても、８Ｐａを超える音圧が得られることが分かる。そこで、本願発明者らは、上記表１の各物理的性質について、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、ＷとＡｕとの相対的な大小関係を比較した結果、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗの全てについてＡｕとの大小関係が同じになる物理的性質としてヤング率が挙げられるという知見を得た。すなわち、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれのヤング率はいずれも、Ａｕのヤング率よりも高い値であり、Ａｕのヤング率が８８ＧＰａであるのに対して、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗのヤング率はそれぞれ、１７０ＧＰａ、３２７ＧＰａ、５７０ＧＰａ、４０３ＧＰａである。したがって、発熱体層３の材料として、ヤング率がＰｔのヤング率である１７０ＧＰａを下回らない金属材料を用いることにより、発熱体層３の材料としてＡｕを採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化を図れる。

また、従来からＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ ２５２４）において「電熱線及び帯の寿命試験方法」が規格化されており、この規格では、寿命試験を定格の１．２倍の出力で行うことが記載されているので、この寿命試験方法に準拠するとすれば、圧力波発生素子の音圧の定格を８Ｐａとした場合、音圧を９．６Ｐａとして寿命試験を行う必要がある。ここにおいて、上記平面サイズが５ｍｍ□の圧力波発生素子についてみれば、最大出力音圧が９．６Ｐａよりも大きな圧力波発生素子における発熱体層３の材料は、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗであり、上記表１から、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗの全てについてＰｔとの大小関係が同じになる物理的性質として硬さ（ここでは、ビッカース硬度）が挙げられるという知見を得た。すなわち、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれのビッカース硬度はいずれも、Ｐｔのビッカース硬度よりも高い値であり、Ｐｔのビッカース硬度が３９Ｈｖであるのに対して、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗそれぞれのビッカース硬度はそれぞれ、１６０Ｈｖ、２００Ｈｖ、３６０Ｈｖである。したがって、発熱体層３の材料として、ヤング率が１７０ＧＰａを下回らず且つビッカース硬度が１６０Ｈｖを下回らない金属材料を用いることにより、発熱体層３の材料としてＡｕ，Ｐｔを採用する場合に比べて、耐破壊電力が高くなって高出力化を図れ、しかも、信頼性を向上させることができる。

ここにおいて、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｗのうち最大出力音圧が最小であったＩｒを用いた圧力波発生素子、最大であったＷを用いた圧力波発生素子それぞれについて、初期駆動時の音圧を１２Ｐａとして数サンプルの寿命試験を行った結果を図３に示す。図３は、横軸が駆動回数、縦軸が音圧（出力音圧）であり、同図中のａ１〜ａ５が発熱体層３の金属材料としてＩｒを用いたサンプルの連続駆動寿命特性、同図中のｂ１〜ｂ３が発熱体層３の金属材料としてＷを用いたサンプルの寿命特性を示している。なお、図３中の下向きの矢印は、ｂ１〜ｂ３それぞれが断線したタイミングを示している。

図３から、寿命特性で比較すれば、最大出力音圧が大きなＷを用いた圧力波発生素子では最大駆動回数が８０００万回であったのに対して、Ｉｒを用いた圧力波発生素子では全てのサンプルについて３億回駆動しても発熱体層３が断線せず音圧が安定していることが分かり、最大出力音圧が大きなＷを用いた圧力波発生素子に比べて、Ｉｒを用いた圧力波発生素子の方がはるかに連続駆動寿命特性が優れていることが分かる。

圧力波発生素子の駆動条件として種々の条件が考えられるが、例えば、１秒間に１回、日中／夜間を問わず連続駆動するような製品の寿命を１０年とすると、３億回程度の駆動回数保証が必要となる。ここで、上述のＷを用いた圧力波発生素子では８０００万回程度しか駆動できなかったのに対して、Ｉｒを用いた圧力波発生素子では、全てのサンプルについて３億６０００万回まで駆動しても断線しないことが確認されている。連続駆動寿命特性に関して、発熱体層３の材料としてＩｒを用いた圧力波発生素子の方がＷを用いた圧力波発生素子に比べて優れている要因としては、Ｗは高融点金属ではあるものの数百℃で酸化が起こりやすいのに対して、Ｉｒは貴金属であり、Ｗに比べて耐酸化性が高く発熱体層３の酸化を防止されることが考えられる。

なお、本実施形態の圧力波発生素子では、支持基板１の上記一表面側に上述の保護膜６を備えているので、断熱層２の酸化を防止することができ、断熱層２の酸化による出力低下を防止することができるとともに信頼性を向上させることができる。ここに、保護膜６の材料として、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料であって且つシリコンよりも高融点の材料を用いることにより、保護膜６を、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの半導体製造プロセスで利用される一般的な薄膜形成法により形成することができる。

ところで、図１に示した例では、保護膜６が支持基板１の上記一表面側において発熱体層３を全周に亙って囲むように形成してあるが、図４に示すように、支持基板１の上記一表面側において発熱体層３の両端部（図４（ｂ）における左右両端部）それぞれと絶縁膜５との間にパッド４，４の一部を介在させ、発熱体層３の周囲であってパッド４，４が形成されていない部位に上述の保護膜６を形成するようにしてもよい。この図４の構成を採用した場合には、各パッド４，４それぞれの一部および保護膜６により断熱層２の酸化を防止することができ、断熱層２の酸化による出力低下を防止することができるとともに信頼性を向上させることができる。

実施形態を示す概略断面図である。 同上の出力特性図である。 同上の寿命特性図である。 同上の他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。 従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 断熱層
３ 発熱体層
４ パッド
５ 絶縁膜
６ 保護膜

Claims (5)

1. シリコン基板と当該シリコン基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、前記発熱体層への通電による前記発熱体層の温度変化に伴って前記発熱体層と空気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、前記発熱体層の材料として、ヤング率が１７０ＧＰａを下回らない金属材料を用いてなり、前記断熱層が前記シリコン基板の前記一表面側の所定領域に形成されるとともに、前記発熱体層が前記断熱層上で前記断熱層の外周よりも内側に形成され、前記シリコン基板の前記一表面側で前記所定領域以外の部位に積層された絶縁膜と、前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層と絶縁膜との間に介在し前記断熱層の酸化を防止する保護膜とを備えることを特徴とする圧力波発生素子。
2. シリコン基板と当該シリコン基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、前記発熱体層への通電による前記発熱体層の温度変化に伴って前記発熱体層と空気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、前記発熱体層の材料として、ヤング率が１７０ＧＰａを下回らない金属材料を用いてなり、前記断熱層が前記シリコン基板の前記一表面側の所定領域に形成されるとともに、前記発熱体層が前記断熱層上で前記断熱層の外周よりも内側に形成され、前記シリコン基板の前記一表面側で前記所定領域以外の部位に積層された絶縁膜と、前記シリコン基板の前記一表面側で前記発熱体層の両端部それぞれと接する形で形成された一対のパッドとを備え、前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層の両端部それぞれと前記絶縁膜との間に前記パッドの一部が介在し、前記発熱体層の周囲であって前記パッドが形成されていない部位には前記シリコン基板の前記一表面側において前記発熱体層と絶縁膜との間に介在し前記断熱層の酸化を防止する保護膜が形成されてなることを特徴とする圧力波発生素子。
3. 前記金属材料は、ビッカース硬度が１６０Ｈｖを下回らない金属であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力波発生素子。
4. 前記金属材料は、貴金属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. 前記保護膜は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料であって且つシリコンよりも高融点の材料により形成されて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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