JP4742907B2

JP4742907B2 - 圧力波発生素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP4742907B2
Application number: JP2006047479A
Authority: JP
Inventors: 祥文渡部; 由明本多
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007228305A

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疎密波などの圧力波を発生する圧力波発生素子およびその製造方法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、媒質（例えば、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、近年、機械的振動を伴わずに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素子として、単結晶のシリコン基板からなる支持基板と、支持基板の一表面側に形成された多孔質シリコン層からなる熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成されたアルミニウム薄膜からなる発熱体層と、支持基板の上記一表面側において発熱体層と電気的に接続された一対のパッドとを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この圧力波発生素子は、一対のパッドを介して発熱体層へ与えられる駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形に応じた発熱体層の温度変化により媒質（空気）に熱衝撃を与えることで超音波などの圧力波を発生する。なお、上記特許文献１に開示された圧力波発生素子では、熱絶縁層の厚さを発熱体層の温度振動の周波数と熱絶縁層の熱伝導率と熱絶縁層の熱容量とで決まる熱拡散長以上の厚さに設定するとともに、熱絶縁層の熱伝導率および熱容量を支持基板の熱伝導率および体積熱容量に比べて十分に小さくしてあるので、発熱体層で発生した熱が支持基板側へ逃げにくくなり、発熱体層の温度上昇を大きくすることができ、媒質へ熱衝撃を与えることで超音波を発生させることができる。
特開平１１−３００２７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された圧力波発生素子では、支持基板としてシリコン基板を用いており、熱絶縁層が多孔質シリコン層からなるので、発熱体層への通電時に多孔質シリコン層および支持基板それぞれにリーク電流が流れ、特に音圧の大きな圧力波を発生させるために入力電力を大きくすると、多孔質シリコン層に局所的なリークによる大電流が流れ、局所的な発熱による多孔質シリコン層の部分的な破壊が生じ、それに伴い発熱体層が破損することによって素子として機能しなくなる問題があった。

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、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる圧力波発生素子およびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、熱伝導性を有する支持基板と当該支持基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に熱絶縁層が介在し、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により媒質に熱衝撃を与えることで圧力波を発生させる圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、電気的絶縁性を有する材料により形成された多孔質層である多孔質シリカ層からなり、当該多孔質シリカ層の空孔径の平均値が５ｎｍ以下であることを特徴とする。

この発明によれば、熱絶縁層が電気的絶縁性を有する材料により形成された多孔質層からなるので、熱浸透率が小さくて圧力波発生効率が大きいだけでなく、発熱体層への通電時に熱絶縁層にリーク電流が流れるのを抑制することができるから、従来のように熱絶縁層が多孔質シリコン層により構成されている場合に比べて、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。なお、圧力波発生効率は、入力電力に対して発生する圧力波の音圧の比率で定義される値である。

また、この発明によれば、前記熱絶縁層が多孔質シリカ層からなるので、前記熱絶縁層の材料がＳｉＯ_２の場合に比べて、熱伝導率および体積熱容量それぞれを小さくすることができて、熱浸透率を小さくすることができ、前記熱絶縁層の材料が多孔質シリコンの場合に比べてより小さな熱浸透率を実現することが可能で、前記熱絶縁層の断熱性の向上を図れ、圧力波発生効率の向上を図れる。

請求項２の発明は、熱伝導性を有する支持基板と当該支持基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に熱絶縁層が介在し、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により媒質に熱衝撃を与えることで圧力波を発生させる圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、ポリイミド系樹脂もしくはパリレン系樹脂もしくはフッ素樹脂からなる電気的絶縁性を有する有機材料により形成された多孔質層からなることを特徴とする。

この発明によれば、熱絶縁層が電気的絶縁性を有する有機材料により形成されているので、発熱体層への通電時に熱絶縁層にリーク電流が流れるのを抑制することができるから、従来のように熱絶縁層が多孔質シリコン層により構成されている場合に比べて、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。

また、この発明によれば、熱絶縁層の材料として有機材料を用いながらも熱絶縁層の耐熱性を比較的高くすることができ、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。

さらに、この発明によれば、熱絶縁層が、有機材料により形成された多孔質層からなることにより、前記熱絶縁層の断熱性が向上し、さらに大きな音圧の圧力波を安定して発生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、前記支持基板が電気的絶縁性を有す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支持基板にリーク電流が流れるのをより確実に防止することができ、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧力波発生素子の製造方法であって、支持基板の一表面側に熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成工程と、熱絶縁層上に発熱体層を形成する発熱体層形成工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることが可能な圧力波発生素子を提供することができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記熱絶縁層形成工程では、塗布法もしくはＣＶＤ法により前記熱絶縁層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記支持基板のサイズの制約が少なく、より大きな圧力波発生素子の提供や製造コストの低減が可能となる。
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記熱絶縁層形成工程では、塗布法により溶液を前記支持基板の一表面側に塗布してから、該溶液の硬化時に化学反応あるいは、発泡を利用して空孔を発現させた多孔質層からなる前記熱絶縁層を形成することを特徴とする。

請求項１の発明では、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができるという効果がある。

請求項４の発明では、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることが可能な圧力波発生素子を提供することができ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に示すように、熱伝導性を有する支持基板１と、支持基板１の一表面（図１における上面）側に設けられた金属薄膜からなる発熱体層３と、支持基板１の上記一表面側で支持基板１と発熱体層３との間に介在する熱絶縁層２と、支持基板１の上記一表面側で発熱体層３の両端部それぞれと電気的に接続された一対のパッド４，４とを備えている。

本実施形態の圧力波発生素子では、一対のパッド４，４を介した発熱体層３への通電に伴う発熱体層３の温度変化により媒質である空気に熱衝撃を与えることで圧力波を発生させる。すなわち、本実施形態の圧力波発生素子は、発熱体層３へ与える駆動電圧波形もしくは駆動電流波形からなる駆動入力波形に応じた発熱体層３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることにより圧力波を発生させることができるものである。なお、支持基板１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層２、発熱体層３それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。また、本実施形態の圧力波発生素子では、支持基板１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層２の厚さを１．５μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、各パッド４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの各値は一例であって特に限定するものではない。

支持基板１としては、単結晶のシリコン基板を用いている。また、発熱体層３は、高融点金属の一種であるイリジウムにより形成してあるが、発熱体層３の材料はイリジウムに限らず、例えば、タンタル、モリブデン、タングステンなどの他の高融点金属を採用してもよい。また、各パッド４の材料としてはアルミニウムを採用しているが、アルミニウムに限定するものではなく、アルミニウム以外の材料を採用してもよい。

ところで、本実施形態の圧力波発生素子は、熱絶縁層２が電気的絶縁性を有する材料により形成された多孔質層である多孔質シリカ層により構成されている。しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２が電気的絶縁性を有する材料により形成された多孔質層からなるので、熱浸透率が小さくて圧力波発生効率が大きいだけでなく、発熱体層３への通電時に熱絶縁層２にリーク電流が流れるのを抑制することができるから、上記特許文献１に記載された従来の圧力波発生素子のように熱絶縁層が多孔質シリコン層により構成されている場合に比べて、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。なお、圧力波発生効率は、入力電力に対して発生する圧力波の音圧の比率で定義される値（圧力波発生効率＝｛音圧〔Ｐａ〕／入力電力〔Ｗ〕｝）である。

また、本実施形態の圧力波発生素子では、上述のように熱絶縁層２が多孔質シリカ層からなるので、熱絶縁層２の材料として断熱性および電気的絶縁性を有するＳｉＯ_２を採用する場合に比べて、熱伝導率および体積熱容量それぞれを小さくすることができて、熱浸透率を小さくすることができ、上記特許文献１に記載された従来の圧力波発生素子のように熱絶縁層の材料が多孔質シリコンの場合に比べて、熱絶縁層２の熱浸透率をより小さくすることが可能で、熱絶縁層２の断熱性の向上を図れ、圧力波発生効率の向上を図れる。なお、熱絶縁層２を多孔質シリカ層により構成した場合、多孔質シリコン層により構成する場合に比べて、熱伝導率を１０分の１以下、体積熱容量を３分の２以下とすることが可能であり、熱浸透率を大幅に低減することが可能である。

熱絶縁層２を構成する多孔質シリカ層についてさらに説明すれば、空気中の水分が当該多孔質シリカ層の空孔内に吸着するのを抑制するために、空孔径の平均値が５ｎｍ以下であることが望ましい。このように熱絶縁層２を構成する多孔質シリカ層の空孔径の平均値を５ｎｍ以下とすることで、空気中の水分が多孔質シリカ層の空孔内に吸着しにくくなり、熱絶縁層２の空孔を含めた体積熱容量の増大を防止することができて圧力波発生効率の低下を抑制できる。また、多孔質シリカ層の空孔内に水分が吸着して凝集するのを抑制できるから、熱絶縁層２を構成する多孔質層（本実施形態では、多孔質シリカ層）の空孔内に凝集した水分を介してリーク電流が流れるのを防止でき、高湿度雰囲気下においても大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。また、熱絶縁層２の空孔内に吸着した水分による反応生成物に起因して熱絶縁層２の熱浸透率が経時変化するのを防止することができ、出力の経時安定性を向上させることができる。なお、熱絶縁層２を構成する多孔質シリカ層の空孔径の平均値が小さいほど水分は吸着しにくくなるが、小さくなりすぎると断熱性が低くなるので、多孔質シリカ層の空孔径の平均値は、熱絶縁層２の所望の熱浸透率が得られる範囲内でより小さな値であることが好ましい。

以下、本実施形態の圧力波発生素子の製造方法について説明する。

まず、シリコン基板からなる支持基板１の一表面（図１における上面）側に熱絶縁層２を形成する熱絶縁層形成工程を行う。ここにおいて、熱絶縁層形成工程では、塗布法によって熱絶縁層２を形成している。さらに説明すれば、熱絶縁層形成工程では、例えば、シロキサン樹脂あるいは芳香族炭化水素主鎖を有する有機ポリマ樹脂に対して熱分解性化合物、界面活性剤、発泡性化合物のいずれかを溶かした溶液を支持基板１の上記一表面上に回転塗布してから、硬化時に空孔を形成することによって、多孔質シリカ層からなる熱絶縁層２を形成する。なお、塗布法では、溶液の硬化時に化学反応を利用して空孔を発現させる方法を採用してもよい。また、熱絶縁層形成工程における熱絶縁層２の形成方法は、塗布法に限らず、ＣＶＤ法を採用してもよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、熱絶縁層２上に金属薄膜（例えば、イリジウム薄膜）からなる発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行い、続いて、パッド４，４を形成するパッド形成工程を行う。なお、発熱体層形成工程では、メタルマスクなどを利用してスパッタ法や蒸着法などによって発熱体層３を形成すればよく、パッド形成工程でも、メタルマスクなどを利用してスパッタ法や蒸着法などによってパッド４，４を形成すればよい。なお、上述の製造方法では、パッド形成工程が終了するまでの全ての工程をウェハの状態で行っているので、パッド形成工程の終了後にダイシング工程によって所望のチップサイズに分割すればよい。

以上説明した本実施形態の圧力波発生素子の製造方法では、熱絶縁膜形成工程において、多孔質シリカ層からなる熱絶縁層２を塗布法もしくはＣＶＤ法によって形成しているので、支持基板１のサイズ（平面サイズ）の制約が少なく、より大きな圧力波発生素子の提供や製造コストの低減が可能となる。

（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と略同じであって、熱絶縁層２が電気的絶縁性を有する有機材料により形成された多孔質層からなる点が相違し、他の構成は実施形態１と同じである。

しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２が電気的絶縁性を有する有機材料により形成されているので、発熱体層３への通電時に熱絶縁層２にリーク電流が流れるのを抑制することができ、従来のように熱絶縁層が多孔質シリコン層により構成されている場合に比べて、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。また、熱絶縁層２が、有機材料により形成された多孔質層からなるので、熱絶縁層２の断熱性が向上し、さらに大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。

ここにおいて、熱絶縁層２の材料である有機材料として、ポリイミド系樹脂もしくはパリレン系樹脂もしくはフッ素樹脂を用いれば、熱絶縁層２の材料として有機材料を用いながらも熱絶縁層２の耐熱性を比較的高くすることができ、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。下記表１に各種有機材料の耐熱性に関するデータとして融点およびガラス転移温度Ｔｇを示す。

なお、表１には、フッ素樹脂の一例として、テフロン（登録商標）のデータを示してある。

本実施形態の圧力波発生素子の製造方法も実施形態１と略同じであって、熱絶縁層２の形成工程が相違するだけである。本実施形態における熱絶縁層形成工程では、塗布法によって熱絶縁層２を形成するにあたって、炭酸ガスや揮発性液体の代替フロンを例えばポリイミド樹脂に物理的に導入させた後、発泡させることで空孔を形成している。また、ポリイミド樹脂に物理的に導入する流体として、ＣＯ_２の超臨界流体を用いれば、空孔径のばらつきが少なく且つ空孔径の平均値がより小さな多孔質層からなる熱絶縁層２を形成することができる。また、熱絶縁層形成工程における熱絶縁層２の形成方法は、塗布法に限らず、ＣＶＤ法を採用してもよい。

ところで、上記実施形態１，２では、支持基板１としてシリコン基板を用いているが、シリコン基板に代えて電気的絶縁性を有する基板を用いれば、発熱体層３への通電時に支持基板１にリーク電流が流れるのをより確実に防止することができ、より大きな音圧の圧力波を安定して発生させることができる。ここにおいて、電気的絶縁性を有する支持基板１としては、例えば、高い熱伝導性と電気的絶縁性を有する窒化アルミニウム基板のようなセラミック基板、ガラスコートされた金属基板（例えば、Ｃｕ基板）、ＳｉＯ_２膜により被覆されたシリコン基板などを用いればよい。

実施形態１における圧力波発生素子の概略断面図である。同上の圧力波発生素子の製造方法の説明図である。

符号の説明

１支持基板
２熱絶縁層
３発熱体層
４パッド

Claims

熱伝導性を有する支持基板と当該支持基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に熱絶縁層が介在し、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により媒質に熱衝撃を与えることで圧力波を発生させる圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、電気的絶縁性を有する材料により形成された多孔質層である多孔質シリカ層からなり、当該多孔質シリカ層の空孔径の平均値が５ｎｍ以下であることを特徴とする圧力波発生素子。
熱伝導性を有する支持基板と当該支持基板の一表面側に設けられる発熱体層との間に熱絶縁層が介在し、発熱体層への通電に伴う発熱体層の温度変化により媒質に熱衝撃を与えることで圧力波を発生させる圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、ポリイミド系樹脂もしくはパリレン系樹脂もしくはフッ素樹脂からなる電気的絶縁性を有する有機材料により形成された多孔質層からなることを特徴とする圧力波発生素子。
前記支持基板が電気的絶縁性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力波発生素子。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧力波発生素子の製造方法であって、支持基板の一表面側に熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成工程と、熱絶縁層上に発熱体層を形成する発熱体層形成工程とを備えることを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
前記熱絶縁層形成工程では、塗布法もしくはＣＶＤ法により前記熱絶縁層を形成することを特徴とする請求項４記載の圧力波発生素子の製造方法。
前記熱絶縁層形成工程では、塗布法により溶液を前記支持基板の一表面側に塗布してから、該溶液の硬化時に化学反応あるいは、発泡を利用して空孔を発現させた多孔質層からなる前記熱絶縁層を形成することを特徴とする請求項５記載の圧力波発生素子の製造方法。