JP4974672B2 - 圧力波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体に熱を加えて粗密波を発生する圧力波発生装置に関する。

空気に周期的に熱を加えることにより空気の粗密を作り、音波を発生する装置が提案されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。特許文献１に記載の技術では、発熱体を薄膜状に形成し、発熱体と基板との間に熱伝導率のきわめて小さい多孔質層を形成するとともに、熱絶縁層を設けて発熱体を基板から熱的に絶縁することにより、発熱体表面の温度変化が大きくなるようにして、超音波発生効率を向上させている。

また、特許文献２には、発熱体電極に印加する電流を、短い時間にパワーが集中している周期的あるいは非周期的パルス状あるいはバースト波状にすることによって、時間平均投入電力に対する発生音の時間平均パワーを高める技術が記載されている。

特許文献３には、断熱層のナノ結晶シリコンに多数の孔を形成し、その多孔度を７５％以上として音圧レベルを高めることが記載されている。また、特許文献４には、断熱層のナノ結晶シリコン層の厚みを、発振する超音波の周波数で規定される熱拡散長以上でかつ熱拡散長に５μｍ加えた厚み以下とすることによって、耐電力特性を向上し、最大発生音圧を大きくすることが記載されている。
特開平１１−３００２７４号公報 特開２００３−１５４３１２号公報 特開２００５−７３１９７号公報 特開２００５−２６９７４５号公報

導電体を電力で発熱させるヒーターで空気に熱を加えることによって音波を発生する装置では、ヒーターを形成する金属薄膜が場所によって変形したり、中空に浮いたりすることがある。金属薄膜が局所的に加熱される結果、過大な応力が生じたり、局所的に金属の融点以上の温度になる場合がある。発生させる音波の音圧を大きくするために印加電圧を高くすると、金属薄膜が短時間で断線してしまう。したがって、ヒーターの断線を避けるために、印加する電流が制限される。その結果、定常的には小さい音圧しか得られなかった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒーターの導電体が断線しにくく、最大発生音圧を大きくできる圧力波発生装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る圧力波発生装置は、熱伝導性の基板と、該基板の一方の主面に形成されたナノ結晶シリコン層と、該ナノ結晶シリコン層の上に堆積させることにより形成された電気絶縁体層と、該電気絶縁体層の上に形成され、屈曲部を含み、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記電気絶縁体層は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、２酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ダイヤモンド結晶炭素（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれか１つを含んで形成される。

また、前記導体層は、金（Ａｕ）又はタングステン（Ｗ）を含んで形成されてもよい。

本発明の圧力波発生装置によれば、発熱する導体層の温度が均一になるので、導体層の寿命が延びる。そして、大電圧（大電流）を印加できるので、出力の最大音圧を大きくすることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。図１は、本発明の一実施の形態に係る圧力波発生装置の構成を示す。図１（ａ）は、駆動回路の接続を含む平面図、図１（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

図１に示すように、圧力波発生装置１は、基板２、断熱層３、発熱体４、絶縁体層５から構成される。発熱体４の両端部に駆動回路６が電気的に接続される。基板２はバルクシリコンなどから形成される。基板２の一方の主面に、多孔質であるナノ結晶シリコン（以下、ｎｃ−Ｓｉという）の断熱層３が形成されている。基板２の断熱層３が形成されている面に、断熱層３の上に接して絶縁体層５が形成されている。絶縁体層５は、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、２酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁体の薄膜で形成される。そして、絶縁体層５の上に接して発熱体４が、導電性の金属、例えば、金（Ａｕ）又はタングステン（Ｗ）などの薄膜で形成されている。

駆動回路６は、発熱体４の両端に所定の周波数ωで間欠するパルス電圧、又は交流電圧を印加する。断熱層３の厚さが、発熱体４に印加される電圧の交流成分に対して、断熱層３の熱伝導率と単位体積当たりの熱容量で決まる熱拡散長と同程度とすると、発熱の交流成分は基板２側へは断熱し、発熱体４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２へ効率良く逃がすことができる。断熱層３の厚さは、ｎｃ−Ｓｉの場合、発生させる音波の周波数にもよるが、例えば、５μｍ〜２００μｍ程度とする。

絶縁体層５の厚さは熱拡散長より充分小さく、発熱体４の発熱の交流成分は断熱層３で厚さ方向に断熱される。絶縁体層５は面の方向には熱を伝導する。発熱体４は絶縁体層５に密着しているので、絶縁体層５は発熱体４の温度を均一にするように作用する。

絶縁体層５がない従来の構造では、発熱体４は断熱層３に直に接している。断熱層３は多孔質のｎｃ−Ｓｉで形成されているので、微細に見ると、発熱体４がｎｃ−Ｓｉの結晶粒に接している部分と接していない部分がある。ｎｃ−Ｓｉの結晶粒に接している部分では温度の上昇が遅く、ｎｃ−Ｓｉの結晶粒に接触していない部分では温度の上昇が早い。その結果、発熱体４の温度にムラが生じて、発熱体４の変形、剥離、さらには断線に到る。

本発明の圧力波発生装置１では、絶縁体層５は電気を通さないので、それ自体は発熱せず、発熱体４の温度を均一にして発熱体４の局部的な熱応力を緩和する。従って、従来の圧力波発生装置では断線に到るような電圧でも、発熱体４の変形や断線が発生しにくくなる。その結果、圧力波発生装置１の発生する音波の音圧を大きくすることが可能になる。

絶縁体層５は、面内方向には熱伝導度が高く、厚さ方向には熱を吸収しないことが望ましい。そこで、熱伝導度が高く比熱の小さい物質で、薄く形成することが望ましい。絶縁体層５の材質としては、例えば、前述の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、２酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）以外に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ダイヤモンド結晶炭素（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いてもよい。絶縁体層５の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とする。

発熱体４としては、金属膜であれば材質は特に限定されない。たとえばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）などの金属単体や、それらの積層構造などを用いることができる。発熱体４は、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のが好ましいが、適当な抵抗とするために１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で選択することができる。

次に、圧力波発生装置１を形成する工程を説明する。図２Ａ乃至図２Ｃは、圧力波発生装置１の製造工程を説明する図である。まず、シリコンウエハの基板２を用意し、裏面に例えばアルミニウムの薄膜から形成される電極層７を真空蒸着などで形成する。そして、フッ酸（ＨＦ）とエタノールの混合溶液を用いて、白金（Ｐｔ）を対向電極として断熱層３を形成する部分に陽極酸化処理を施す。溶液の成分比、電流密度及び処理時間を所定の値に制御して、所望の厚さと粒度に多孔質化したｎｃ−Ｓｉの断熱層３を形成する（図２Ａ参照）。

図２Ｂは、断熱層３の上に絶縁体層５を形成した基板２の断面図である。基板２の断熱層３を形成した面に絶縁体層５を形成する。基板２の上に、例えば、プラズマＣＶＤによってノンドープ・ケイ酸ガラス（ＮＳＧ）等を堆積させて、絶縁体層５とする。

図２Ｃは、絶縁体層５の上に発熱体４を形成した基板２の断面図である。例えば、発熱体４の形状にパターニングしたステンシルマスクＳを絶縁体層５の上に保持して、金（Ａｕ）のスパッタによって、絶縁体層５の上に発熱体４を所定のパターンで形成する。

その後、発熱体４に駆動回路６を接続するための電極などを形成し、必要に応じて裏面の電極層７の除去、研磨などを行う（図示せず）。以上、説明したとおり、圧力波発生装置１は、ｎｃ−Ｓｉ層と一般の半導体装置の製造プロセスを用いて形成することができる。

（実施例）
本発明の圧力波発生装置１と従来の絶縁体層５のない圧力波発生装置とを比較した例を示す。いずれも、基板抵抗が５Ω・ｃｍのｐ型Ｓｉウエハを用い、ｎｃ−Ｓｉの断熱層３の厚さを１００μｍとした。従来の圧力波発生装置は、断熱層３の上にアルミニウムで発熱体４を形成した。本発明の圧力波発生装置１は、断熱層３の上にプラズマＣＶＤによって、ノンドープ・ケイ酸ガラス（ＮＳＧ）を２００ｎｍの厚さに形成し、その上に従来例と同じくアルミニウムで発熱体４を形成した。そして、いずれも発熱体４に間欠するパルス電圧を印加して音波を発生させた。

絶縁体層５のない圧力波発生装置では、印加電力が１Ｗの入力で発熱体４が断線した。本発明の圧力波発生装置１は、印加電力が１００Ｗまで入力することができた。それぞれの、入力周波数に対する音圧レベルを図３に示す。

図３の上の黒丸に太い実線Ａが絶縁体層５を有する場合を示す。図３の下の三角に細い実線Ｂが絶縁体層５のない従来例の場合を示す。太い実線Ａの「絶縁体層あり」は、印加電力が１００Ｗである。細い実線Ｂの「絶縁体層なし」は、印加電力が１Ｗである。「絶縁体層なし」は１Ｗで断線するので、１Ｗ以上入力することができない。

「絶縁体層あり」では１００Ｗまで入力できるのに対して、「絶縁体層なし」では１Ｗまでしか入力できない。最大出力可能音圧の差は、１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにわたって、３５ｄＢ以上である。連続動作させるためには、どちらもディレーティングしなければならないが、連続動作の最大音圧の差は３５ｄＢ以上あるとみてよい。

さらに、本発明の圧力波発生装置１では、音波の指向特性にムラがなく波面がそろうという効果がある。

絶縁体層５がない場合は、図４に示すように、発熱体４の屈曲部の内側の角部Ｈで発熱量が大きく、屈曲部の外側の角部Ｌで発熱量が小さい。発熱体４の場所によって発熱量が異なると、発熱量の大きい部分から発生する粗密波の振幅が発熱量の小さい部分から発生する粗密波の振幅より大きく、発熱量の大きい部分を中心に音波が発生するのと似たような現象を生じる。

その結果、発熱量の大きい部分から発生する音波同士が干渉し、圧力波発生装置からの距離と方位角の違う場所によって、一種の干渉縞のような音波の強弱ができる。図５は、発熱量の差によって音波の広がる様子を模式的に示す。発生する音波が拡がり、しかも、干渉縞のような強弱ができると、例えば、超音波センシングの音源として用いるのに不都合である。

それに対して、本発明の圧力波発生装置１では、絶縁体層５によって発熱体４の温度が均一になるので、発熱体４全体からほぼ同じ強さで音波が発生する。図６に示すように、波面は発熱体４にほぼ平行に進行し、発熱体４の面の法線方向に単一の指向特性を有する音波が得られる。

本発明の圧力波発生装置１によれば、発熱する導体層４の温度が均一になるので、導体層４の寿命が延びる。そして、大電圧（大電流）を印加できるので、出力の最大音圧を大きくすることができる。さらに、単一の指向特性を有する音波が得られる。

なお、実施の形態で説明した圧力波発生装置１の構成は一例であり、任意に変更及び修正が可能である。例えば発熱体４は、図１に限定されず、様々な形状、パターン、大きさとすることができる。

本発明の実施の形態に係る圧力波発生装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る圧力波発生装置の製造工程を説明する図である。 断熱層の上に絶縁体層を形成した基板の断面図である。 絶縁体層の上に発熱体を形成した基板の断面図である。 絶縁体層の効果を示すグラフである。 発熱体の部分によって発熱量が異なることを説明する図である。 絶縁体層がない場合の音波の広がる様子を模式的に示す図である。 絶縁体層がある場合の音波の伝播を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 圧力波発生装置
２ 基板
３ 断熱層
４ 発熱体（導体層）
５ 絶縁体層
６ 駆動回路
７ 電極層

Claims (3)

1. 熱伝導性の基板と、
   該基板の一方の主面に形成されたナノ結晶シリコン層と、
   該ナノ結晶シリコン層の上に堆積させることにより形成された電気絶縁体層と、
   該電気絶縁体層の上に形成され、屈曲部を含み、交流成分を含む電流が印加されて発熱する導体層と、
   を備えることを特徴とする圧力波発生装置。
2. 前記電気絶縁体層は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、２酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ダイヤモンド結晶炭素（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれか１つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発生装置。
3. 前記導体層は、金（Ａｕ）又はタングステン（Ｗ）を含んで形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力波発生装置。

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