JP5685621B2

JP5685621B2 - 音響チップ

Info

Publication number: JP5685621B2
Application number: JP2013128388A
Authority: JP
Inventors: 洋魏; ▲ハン▼　守善; 守善 ▲ハン▼
Original assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: CN103841503B; US20140140549A1; JP2014103653A; US9161135B2; CN103841503A; TW201422012A; TWI501656B

Description

本発明は、音響チップに関し、特に熱音響チップに関するものである。

一般的に、音響装置は、信号装置及び音波発生器を含む。信号装置は、信号を音波発生器に伝送する。熱音響装置は、熱音響現象を利用した音響装置の一種であり、導電体に交流電流を流すと熱により音が発生する。導電体に交流電流を流すと、熱音響装置に熱が生じ、周辺の媒体へ伝播される。伝播された熱によって生じた熱膨張及び圧力波によって、音波を発生させることができる。

非特許文献１には、熱音響装置が掲載されている。熱音響装置の音波発生器は、カーボンナノチューブフィルムを利用する。カーボンナノチューブフィルムは、比表面積が高く、単位面積当たりの熱容量（２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋより小さい）は低いため、熱音響装置が発生した音波は強く、熱音響周波数（１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ）は広い。

しかし、この音波発生器は電気エネルギーを熱に転換した後、空気を加熱して、音を発生する。この原理は従来の喇叭のように音を発生させる原理と異なる。従って、熱音響装置を作動させて、音を発生させるために、更に熱音響装置の外部に、独立した駆動回路を設計して、導線などによって熱音響装置に電気的に接続する必要がある。これにより、熱音響装置の使用が不便になり、構造は複雑になり、さらに小型化に不利になる。

中国特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書特開２００４１０７１９６号公報特開２００６１６１５６３号公報

ＬｉｎＸｉａｏｅｔａｌ．，"Ｆｌｅｘｉｂｌｅ，Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ，ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＴｈｉｎＦｉｌｍＬｏｕｄｓｐｅａｋｅｒｓ"，ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８（１２），ｐ．４５３９−４５４５

従って、前記課題を解決するために、本発明は構造が簡単であり、生産し易く、小型化を実現し易く、使用に便利な熱音響装置を提供する。

本発明の音響チップは、基板と、音波発生器と、少なくとも一つの第一電極と、少なくとも一つの第二電極と、集積回路チップと、を含み、前記基板は、第一表面を含み、前記音波発生器は、前記基板の第一表面に設置され、前記少なくとも一つの第一電極及び前記少なくとも一つの第二電極は、間隔をあけて設置され、前記音波発生器と電気的にそれぞれ接続され、前記集積回路チップは前記基板に設置され、第一電極及び第二電極とは電気的に接続され、前記集積回路チップには、少なくとも周波数電気信号の電力増幅回路と直流バイアス回路が集積されている。

前記基板の第一表面に複数の突起及び複数の凹部が形成され、前記複数の突起及び前記複数の凹部は交互に設置され、前記凹部の深さは１００μｍ〜２００μｍである。

前記基板の第二表面に少なくとも一つの凹部が設置され、前記集積回路チップは前記第二表面の少なくとも一つの凹部に設置され、前記基板によって、音波発生器と集積回路チップとは超小型の一体成型構造に集積される。

従来の技術と比べて、本発明の音響チップは、基板によって、音波発生器と集積回路チップとが超小型の一体成型構造に集積されるため、小型化を実現できる。また、前記集積回路チップは、周波数電気信号に対して、電力増幅作用と直流バイアス作用を有し、音響チップを作動でき、別の駆動回路を設計する必要がないため、音響チップの構造は簡単であり、且つ使用に便利である。従って、前記音響チップは、携帯電話、コンピュータ、イヤホンなどの電子素子に用いることができる。

本発明の実施例１における音響チップの構造図である。本発明の実施例１の音響チップにおけるカーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実施例１に利用される非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実施例１に利用されるねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実施例２における音響チップの構造図である。本発明の実施例３における音響チップの構造図である。本発明の実施例４における音響チップの構造図である。本発明の実施例５における音響チップの構造図である。本発明の実施例６における音響チップの構造図である。本発明の実施例６における音響チップの平面図である。本発明の実施例６における音響チップの走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実施例６における有機溶剤で処理した後のカーボンナノチューブワイヤの光学顕微鏡写真である。本発明の実施例６における音響チップの音の発生の効果図である。本発明の実施例６における音響チップの音圧レベル―周波数の曲線図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１を参照すると、本実施例の音響チップ１０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

基板１００は、互いに対向する第一表面１０１及び第二表面１０３を含む。第一電極１０４と第二電極１０６とは、間隔をあけて電気的に絶縁に設置され、音波発生器１０２と電気的に接続される。基板１００が絶縁基板である場合、第一電極１０４及び第二電極１０６は、基板１００の第一表面１０１に直接に設置される。また、音波発生器１０２は、基板１００の第一表面１０１に接触して設置されても良い。又は、第一電極１０４及び第二電極１０６によって、音波発生器１０２を懸架させて設置しても良い。集積回路チップ１０８は、基板１００の表面に設置され、第一電極１０４及び第二電極１０６と電気的に接続される。

基板１００の形状は制限されず、円形、方形、矩形又は他の形状である。基板１００の第一表面１０１及び第二表面１０３は、平面或いは曲面である。基板１００のサイズは制限されず、必要に応じて選択できる。音響チップ１０を製造する際、基板１００のサイズは、集積回路チップ１０８のサイズと基本的に同じであることが好ましい。基板１００の面積は、２５ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２であるが、好ましくは、基板１００の面積は４０ｍｍ^２、６０ｍｍ^２或いは８０ｍｍ^２である。基板１００の厚さは０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。基板１００の材料は制限されず、特定の強度を有する硬質材料或いは軟質材料である。本実施例において、基板１００の材料の抵抗は、音波発生器１０２の抵抗より大きい。音波発生器１０２は、基板１００の第一表面１０１に接触して設置された場合、基板１００の材料は優れた熱絶縁性を有する必要がある。これにより、音波発生器１０２が発生させた過量の熱が基板１００に吸収されることを防止することができる。基板１００の材料はガラス、シリコン、セラミック、石英、ダイヤモンド、ポリマー、酸化ケイ素、金属酸化物或いは木質材料である。本実施例において、基板１００は正方形であり、一辺の長さは８ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍであり、材料はガラスである。また、基板１００の第一表面１０１は平面である。

音波発生器１０２は、単位面積当たりの熱容量が非常に低い。本実施例において、音波発生器１０２の単位面積当たりの熱容量は、２×１０^−４Ｊ／ｃｍ^２・Ｋより小さい。音波発生器１０２は導電構造であり、比表面積が大きく、厚さが薄い。これにより、音波発生器１０２は入力された電気エネルギーを熱に変換し、且つ周辺の媒体と熱を素早く交換することができる。また、音波発生器１０２は、好ましくは自立構造体である。ここで、自立構造体とは、支持体材を利用しないことでも自身の形態を保持できることを示す。つまり、音波発生器１０２は、支持体を利用せず、自身の特定の形状を保持する。これにより、音波発生器１０２は、一部分を懸架して設置できる。また、周辺の媒体と十分に接触でき、熱を伝播することができる。周辺の媒体とは、音波発生器１０２の外部の媒体であり、内部の媒体を含まない。例えば、音波発生器１０２が複数のカーボンナノチューブからなる場合、その周辺の媒体は、各カーボンナノチューブの内の媒体を含まない。

本実施例において、音波発生器１０２は、カーボンナノチューブ構造体を含み、好ましくは、複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ構造体のみを含む。該カーボンナノチューブ構造体は層状構造である。この層状のカーボンナノチューブ構造体の厚さは、好ましくは、０．５ｎｍ〜１ミリメートルである。カーボンナノチューブ構造体の厚さが薄い場合、例えば１０ｎｍ以下である場合、カーボンナノチューブ構造体の透明度が優れる。カーボンナノチューブ構造体は自立構造体であり、カーボンナノチューブ構造体における複数のカーボンナノチューブは分子間力で相互に吸引するため、カーボンナノチューブ構造体は特定の形状を有する。従って、カーボンナノチューブ構造体の一部分は、基板１００に支持され、他の部分は懸架される。即ち、カーボンナノチューブ構造体の少なくとも一部の区域は懸架して設置される。

カーボンナノチューブ構造体は、少なくともカーボンナノチューブフィルム、或いはカーボンナノチューブワイヤ、或いはそれらの組み合わせを含む。カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイを直接引き伸ばして得る。カーボンナノチューブフィルムの厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍであり、カーボンナノチューブフィルムの単位面積当たりの熱容量は１×１０^−６Ｊ／ｃｍ^２・Ｋより小さい。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブの一種又は多種である。単層カーボンナノチューブの直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍであり、二層カーボンナノチューブの直径は１ｎｍ〜５０ｎｍであり、多層カーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブフィルムの長さは制限されず、幅はカーボンナノチューブアレイの幅によって選択できる。

図２を参照すると、カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブによって形成された自立構造体であり、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている。好ましくは、カーボンナノチューブフィルムはカーボンナノチューブのみからなる。複数のカーボンナノチューブにおける大部分のカーボンナノチューブの延伸する方向は、カーボンナノチューブフィルムの表面と基本的に平行である。また、大部分のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。大部分のカーボンナノチューブにおける各カーボンナノチューブは、延伸する方向における隣接するカーボンナノチューブとは、分子間力で端と端とが接続している。また、カーボンナノチューブフィルムは、少数のランダムなカーボンナノチューブを含む。しかし、大部分のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されているため、このランダムなカーボンナノチューブの延伸方向は、大部分のカーボンナノチューブの延伸方向には影響しない。

カーボンナノチューブフィルムは自立構造体である。ここで、自立構造体とは、支持体を利用せず、カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、分子間力で端と端とが互いに接続されて配列することによって、自立構造が実現する。

カーボンナノチューブフィルムにおける多数のカーボンナノチューブは、基本的に絶対に直線状ではなく、やや湾曲しても良い。又は、延伸する方向が完全に配列せず、少しずれても良い。従って、同じ方向に沿って配列されている複数のカーボンナノチューブの中に、並列のカーボンナノチューブが部分接触する可能性がある。

前記複数のカーボンナノチューブは、基板１００の第一表面１０１にほぼ平行である。カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、該複数のカーボンナノチューブフィルムの幅が非常に小さい場合、該複数のカーボンナノチューブフィルムは、同一面上で基板１００の第一表面１０１に設置される。また、カーボンナノチューブ構造体は、相互に重なった多層のカーボンナノチューブフィルムを含み、隣接する二層のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、交差する角度βを有し、この角度βは、０°〜９０°である。カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、特許文献１に掲載されている。

本実施例において、音波発生器１０２は、単層のカーボンナノチューブフィルムである。第一電極１０４及び第二電極１０６によって、基板１００の第一表面１０１に、該単層のカーボンナノチューブフィルムは懸架して設置される。単層のカーボンナノチューブフィルムの厚さは５０ｎｍであり、単層のカーボンナノチューブフィルムの光透過率は６７％〜９５％である。カーボンナノチューブフィルムは強い接着性を有するため、第一電極１０４の表面及び第二電極１０６の表面に直接に接着できる。また、カーボンナノチューブフィルムは、接着剤によって第一電極１０４の表面及び第二電極１０６の表面に固定することができる。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、第一電極１０４から第二電極１０６に向かって延伸する。

更に、カーボンナノチューブフィルムは、第一電極１０４の表面及び第二電極１０６の表面に直接に接着した後、有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムを処理する。試験管を使用して、有機溶剤をカーボンナノチューブフィルムが浸るまで垂らす。該有機溶剤は、揮発性の有機溶剤であり、例えば、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン或いはクロロホルムである。本実施例において、有機溶剤はエタノールである。微視的には、揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける一部分の隣接するカーボンナノチューブが収縮して束になる。また、一部分の隣接するカーボンナノチューブが収縮して束になるため、カーボンナノチューブフィルムの機械強度及び強靭度は増強し、カーボンナノチューブフィルムの表面積は減少し、接着性は小さくなる。巨視的には、カーボンナノチューブフィルムは均一なフィルム構造である。

カーボンナノチューブワイヤは、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ又はねじれ状カーボンナノチューブワイヤである。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤもねじれ状カーボンナノチューブワイヤも自立構造である。図３を参照すると、カーボンナノチューブワイヤが、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤである場合、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。さらに、各カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。有機溶剤によって、図２のカーボンナノチューブフィルムを処理して、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを得る。

有機溶剤によって、カーボンナノチューブフィルムの全ての表面を浸す。その後、揮発性の有機溶剤が揮発すると、表面張力の作用によって、カーボンナノチューブフィルムにおける相互に平行な複数のカーボンナノチューブが、分子間力によって緊密に結合して、カーボンナノチューブフィルムを収縮して、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成する。該有機溶剤は、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン或いはクロロホルムである。有機溶剤によって処理されないカーボンナノチューブフィルムより、有機溶剤によって処理された非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、比表面積が減少し、接着性も小さい。また、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭度が増強し、外力によってカーボンナノチューブワイヤが破壊される可能性を低くする。

図４を参照すると、図２のカーボンナノチューブフィルムの長手方向に沿う対向する両端に対して、相反する力を印加することにより、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。このねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、好ましくは、分子間力によって端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。また、各カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。カーボンナノチューブセグメントの長さ、厚さ、均一性及び形状は制限されない。一本のねじれ状カーボンナノチューブワイヤの長さは制限されず、その直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。更に、有機溶剤によって、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを処理する。有機溶剤によって処理されたねじれ状カーボンナノチューブワイヤは、比表面積が減少し、接着性も小さいが、カーボンナノチューブワイヤの機械強度及び強靭度を増強する。カーボンナノチューブワイヤの製造方法は、特許文献２及び特許文献３に掲載されている。

第一電極１０４及び第二電極１０６は、音波発生器１０２と電気的にそれぞれ接続されて、周波数電気信号を音波発生器１０２に入力する。また、この第一電極１０４及び第二電極１０６によって、前記周波数電気信号をカーボンナノチューブ構造体に入力する。第一電極１０４及び第二電極１０６は、基板１００の第一表面に直接に設置されても良い。又は、第一電極１０４及び第二電極１０６は、支持素子によって、基板１００の第一表面に設置されても良い。第一電極１０４及び第二電極１０６は導電材料からなり、その形状と構造は制限されない。第一電極１０４及び第二電極１０６は、細長いストリップ状、棒状或いは他の形状でも良い。その材料は、金属、導電ポリマー、導電性接着剤、導電ペースト、金属性のカーボンナノチューブ、ＩＴＯ、導電スラリーなどの導電性材料である。カーボンナノチューブは、その軸方向に優れた導電性を有するため、カーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されている際、カーボンナノチューブは、第一電極１０４から第二電極１０６までの方向に沿って延伸するのが好ましい。本実施例において、第一電極１０４及び第二電極１０６は平行して設置される二つの導電スラリー層である。

集積回路チップ１０８を設置する位置に制限はなく、例えば集積回路チップ１０８は基板１００の第一表面１０１に設置し、集積回路チップ１０８は基板１００の第二表面１０３に設置し、或いは集積回路チップ１０８は基板１００の内部に設置することができる。集積回路チップ１０８は、周波数電気信号の電力増幅回路と直流バイアス回路を含む。故に、集積回路チップ１０８は、前記周波数電気信号に対して、電力増幅作用及び直流バイアス作用を有する。これにより、集積回路チップ１０８は、入力された周波数電気信号を増大させた後、音波発生器１０２に入力すると同時に、直流バイアスによって、周波数電気信号の周波数逓倍の問題を解決する。また、集積回路チップ１０８は、包装されたチップ或いは包装されていない裸のチップでも良い。集積回路チップ１０８のサイズ及び形状は制限されない。集積回路チップ１０８は、電力増幅作用と直流バイアス作用を実現するのみであるから、内部回路構造は簡単であり、且つその面積は１ｃｍ^２より小さい、例えば、４９ｍｍ^２、２５ｍｍ^２、９ｍｍ^２或いは９ｍｍ^２より更に小さい。これにより、音響チップ１０は小型化である。本実施例において、集積回路チップ１０８は、接着剤によって、基板１００の第二表面１０３に固定される。また、集積回路チップ１０８は、二つの導線１１０によって、第一電極１０４と第二電極１０６とにそれぞれ電気的に接続される。基板１００が絶縁基板である場合、基板１００に二つの穴を形成し、二つの導線１１０をこの二つの穴に通す。基板１００が導電基板である場合、絶縁材料によって導線１１０を被覆する必要がある。音響チップ１０が作動すると、集積回路チップ１０８は、音波発生器１０２に周波数電気信号を出力し、この出力された周波数電気信号によって、音波発生器１０２は、間欠的に周辺の媒体を加熱し、熱膨張及び圧力波によって、音波を発生させる。

（実施例２）
図５を参照すると、本発明の実施例２は音響チップ２０を提供する。該音響チップ２０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

本実施例２の熱音響装置２０の構造には、実施例１の熱音響装置１０の構造と比べて、次の異なる点がある。本実施例の基板１００の第二表面１０３に凹部１１２が設置され、且つ集積回路チップ１０８が凹部１１２に設置される。凹部１１２は、集積回路チップ１０８を収容することができ、そのサイズと形状に制限はない。これにより、集積回路チップ１０８を容易に設置することができる。また、集積回路チップ１０８を、凹部１１２の側壁によって、凹部１１２に固定することもできる。又は、集積回路チップ１０８を、接着剤によって、凹部１１２の底面に固定することもできる。本実施例において、基板１００は、長方形であり、長さは１ｃｍであり、幅は７ｍｍであり、厚さは１ｍｍであり、その材料は樹脂である。インプリント技術によって、凹部１１２は形成される。凹部１１２の深さは集積回路チップ１０８の厚さよりやや大きい。更に、本実施例において、例えば、樹脂層である保護層（図示せず）を設置して凹部１１２を被覆することによって、集積回路チップ１０８は基板１００の内部に封入されることができる。この場合、集積回路チップ１０８は、包装されていない裸のチップでも良い。

（実施例３）
図６を参照すると、本発明の実施例３は音響チップ３０を提供する。該音響チップ３０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

本実施例３の熱音響チップ３０の構造には、実施例２の熱音響チップ２０の構造と比べて、次の異なる点がある。本実施例の熱音響チップ３０は更に散熱装置１１４を含み、該散熱装置１１４は、集積回路チップ１０８に貼設される。散熱装置１１４は金属片、合金片、カーボンナノチューブ層或いはカーボンナノチューブアレイであり、そのサイズと形状は制限されず、必要によって選択できる。更に、散熱装置１１４と集積回路チップ１０８との間には、導熱ペースト１２０が設置される。これにより、散熱装置１１４と集積回路チップ１０８との熱伝導率を高めることができる。本実施例において、散熱装置１１４は金属散熱片であり、且つ導熱ペースト１２０によって、集積回路チップ１０８に貼設される。

（実施例４）
図７を参照すると、本発明の実施例４は音響チップ４０を提供する。該音響チップ４０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

本実施例４の熱音響チップ４０の構造には、実施例２の熱音響チップ２０の構造と比べて、次の異なる点がある。本実施例の基板１００は金属板或いは合金板であり、音波発生器１０２としたカーボンナノチューブ構造体は、少なくとも二つの絶縁支持体１１６によって、基板１００の第一表面１０１に懸架して設置される。本実施例において、少なくとも二つの絶縁支持体１１６の数が二つである。また、第一電極１０４及び第二電極１０６は、二つの絶縁支持体１１６にそれぞれ設置される。この場合、カーボンナノチューブ構造体が電極及び絶縁支持体によって挟んで固定される。カーボンナノチューブ構造体が生成する熱が、金属板或いは合金板に吸収されて、熱音響効果に影響することを防止するために、カーボンナノチューブ構造体と基板１００の第一表面１０１との距離は１００μｍより大きい。好ましくは、２００μｍである。金属板或いは合金板からなる基板１００は優れた熱伝導性を有するため、熱音響チップ４０は散熱装置を備えなくても、集積回路チップ１０８は、散熱性に優れる。本実施例において、基板１００は、長方形の銅板であり、長さは１ｃｍであり、幅は８ｍｍであり、厚さは２ｍｍである。

（実施例５）
図８を参照すると、本発明の実施例５は音響チップ５０を提供する。該音響チップ５０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

本実施例５の熱音響チップ５０の構造には、実施例４の熱音響チップ４０の構造と比べて、次の異なる点がある。本実施例の金属板或いは合金板の基板１００の第一表面１０１には凹部１１２が設置されている。集積回路チップ１０８は、この凹部１１２に設置される。基板１００の第二表面１０３に、散熱用の複数の凹突構造体１２２が設置されている。凹部１１２以外の第一表面１０１に絶縁支持体１１６が被覆される。第一電極１０４及び第二電極１０６は、絶縁支持体１１６にそれぞれ設置され、この第一電極１０４及び第二電極１０６によって、カーボンナノチューブ構造体は第一表面１０１に懸架して設置される。第二表面１０３に複数の凹突構造体１２２が設置されているので、基板１００の散熱面積を増大し、集積回路チップ１０８の散熱効果を高めることができる。凹突構造体１２２のサイズと形状は必要に応じて選択できる。凹突構造体１２２は、好ましくは互いに間隔をあけて平行に設置されるフィン状の片である。

（実施例６）
図９及び図１０を参照すると、本発明の実施例６は音響チップ６０を提供する。該音響チップ６０は、基板１００と、音波発生器１０２と、第一電極１０４と、第二電極１０６と、集積回路チップ１０８と、を含む。

本実施例６の音響チップ６０の構造には、実施例１の音響チップ１０の構造と比べて、次の異なる点がある。本実施例の基板１００はシリコン片であり、基板１００の第一表面１０１は複数の凹突構造体１２２が設置され、複数の第一電極１０４及び複数の第二電極１０６は、交互に設置され、集積回路チップ１０８は、マイクロ電子加工によって、基板１００に形成され、且つ基板１００と一体成型構造を形成する。

基板１００は、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンである。基板１００はシリコンからなるため、集積回路チップ１０８を基板１００に直接に形成できる。即ち、集積回路チップ１０８における回路、マイクロ電子素子等は、直接基板１００に集積される。電子回路及びマイクロ電子素子の担体である基板１００は、集積回路チップ１０８と一体成型である。集積回路チップ１０８は、導線１１０によって、第一電極１０４及び第二電極１０６と電気的に接続される。導線１１０は、基板１００の内部において、基板１００の第一表面１０１に垂直な方向に沿って基板１００を通る。本実施例において、基板１００は正方形の平面構造であり、一つの辺の長は、０．８ｍｍであり、厚さは０．６ｍｍであり、その材料は単結晶シリコンである。

凹突構造体１２２は複数の突起１２２０及び複数の凹部１２２２を含み、該複数の突起１２２０及び複数の凹部１２２２は交互に設置される。カーボンナノチューブ構造体の一部分は突起１２２０の表面に設置され、他の部分は凹部１２２２によって、懸架して設置される。複数の第一電極１０４及び複数の第二電極１０６は、突起１２２０の表面におけるカーボンナノチューブ構造体の表面に交互に設置される。これにより、カーボンナノチューブ構造体は、基板１００の第一表面１０１に固定される。複数の第一電極１０４は電気的に連接されて、第一櫛歯電極を形成する。複数の第二電極１０６は電気的に連接されて、第二櫛歯電極を形成する。また、複数の第一電極１０４及び複数の第二電極１０６は、カーボンナノチューブ構造体と突起１２２０との間に設置されても良い。図１１を参照すると、第一櫛歯電極の歯部と第二櫛歯電極の歯部とは交互に設置されている。この連接方式によって、隣接する第一電極１０４及び第二電極１０６は一つの熱音響ユニットを形成する。従って、音波発生器１０２は複数の熱音響ユニットを備える。また、該複数の熱音響ユニットは並列であり、音波発生器１０２の駆動電圧を低くする。

複数の凹部１２２２は貫通溝、貫通穴、止まり溝、止まり穴のいずれか一種或いは多種である。また、基板１００の第一表面１０１において、複数の凹部１２２２は、均一に分布され、特定の規律で分布され、アレイ形式で分布され、或いはランダムに分布される。第一表面１０１上において複数の凹部１２２２が延伸する長さは、基板１００の辺の長さ以下である。凹部１２２２の深さは必要に応じて及び基板１００の厚さによって選択できる。好ましくは、凹部１２２２の深さは１００μｍ〜２００μｍである。この際、基板１００は、音波発生器１０２を保護すると同時に、基板１００と音波発生器１０２との距離を確保する。該距離は、作動する際に生成された熱が、基板１００に完全に吸収されることによって周辺の媒体へ伝播されないために音量が低くなることを防止する。また、音波発生器１０２が各音響周波数に優れた音響効果を有することを保証する。

凹部１２２２が延伸する方向における横断面の形状は、Ｖ型、長方形、台形、多辺形、円形或いは他の不規則な形状である。凹部１２２２の最大の幅（つまり、凹部１２２２の横断面の長さの最大値である）は、０．２ｍｍ〜１ｍｍである。本実施例において、凹部１２２２は溝構造であり、その横断面は逆台形である。即ち、溝の幅は、溝が深くなるにつれて狭くなる。逆台形の底面と側面を形成する角度はαであり、該角度αの大小は基板１００の材料に関係している。角度αの大小は基板１００の単結晶シリコンの結晶面の角度と同じである。複数の凹部１２２２は、好ましくは、相互に平行であり、且つ間隔をあけて均一に分布する。隣接する二つの溝の間の距離はｄ１であり、該ｄ１は２０μｍ〜２００μｍである。また、前記ｄ１は、後続のスクリーン印刷方法によって、基板１００の表面に、第一電極１０４及び第二電極１０６を形成すると同時に、エッチングの精確性及び音響効果を高めることを保証する。凹部１２２２の延伸方向は第一電極１０４及び第二電極１０６の延伸方向と平行する。

本実施例において、基板１００の第一表面１０１は、複数の相互に平行し、且つ互いに間隔をあけて均一に分布する複数の逆台形の溝を有する。この逆台形の溝の第一表面１０１上における幅の最大値は０．６ｍｍであり、深さは１５０μｍであり、ｄ１は１００μｍであり、逆台形の角度αは５４．７度である。

集積回路チップ１０８は、基板１００の第二表面１０３と隣接する表面に形成される。集積回路チップ１０８はシリコンに直接に集積できる。従って、集積回路チップ１０８を設置するスペースを最小にできるため、音響チップ６０の体積を減少させることができる。これにより、小型化でき、且つ集積化に有利である。また、凹突構造体１２２によって、基板１００は優れた散熱性を有し、集積回路チップ１０８及び音波発生器１０２が生成する熱を外界に迅速に伝導して、熱音響効果を保証する。

音響チップ６０の製造方法は、先ず、マイクロ電子加工によって、集積回路チップ１０８を集積する。次に、凹突構造体１２２をエッチングする。最後に、カーボンナノチューブ構造体を設置した後、第一電極１０４及び第二電極１０６を設置する。マイクロ電子加工は、エピタキシ、拡散加工、酸化加工、イオン注入加工、エッチング等を含む。カーボンナノチューブ構造体、第一電極１０４及び第二電極１０６を設置する際、高温技術が必要ないため、集積回路チップ１０８が破壊されない。

更に、シリコン基板の第一表面１０１に、絶縁層１１８が設置される。絶縁層１１８は単層構造或いは多層構造である。絶縁層１１８が単層構造である場合、絶縁層１１８は突起１２２０の表面のみに設置される或いは基板１００の第一表面１０１の全てに貼設される。ここで貼設とは、絶縁層１１８が凹部１２２２の底面と側面を被覆し、且つ突起１２２０の表面を被覆することである。即ち、絶縁層１１８は、直接凹部１２２２及び突起１２２０をカバーし、絶縁層１１８の起伏形状と凹部１２２２及び突起１２２０との起伏形状は同じである。これにより、どのような場合であっても、絶縁層１１８は、基板１００と音波発生器１０２とを絶縁させることができる。絶縁層１１８の材料は、シリカ、窒化ケイ素或いはその組み合わせであるが、絶縁層１１８が基板１００と音波発生器１０２と絶縁できれば他の絶縁材料であっても良い。絶縁層１１８の厚さは１０ｎｍ〜２μｍであり、５０ｎｍ、９０ｎｍ或いは１μｍである。また、基板１００の材料が絶縁材料である場合は、絶縁層１１８を設ける必要がない。本実施例において、絶縁層１１８は連続した単層シリコンであり、その厚さは１.２μｍであり、基板１００の第一表面１０１の全てを被覆する。

本実施例において、音波発生器１０２は複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。該複数のカーボンナノチューブワイヤは、互いに間隔をあけて平行に設置され、層状のカーボンナノチューブ構造体を形成する。カーボンナノチューブワイヤの延伸方向は、凹部１２２２の延伸方向と交差して、特定の角度を成す。カーボンナノチューブワイヤにおけるカーボンナノチューブの延伸方向は、カーボンナノチューブワイヤの延伸方向と平行である。これにより、複数のカーボンナノチューブワイヤは、凹部１２２２と対応する位置に懸架して設置される。カーボンナノチューブワイヤの延伸方向は、好ましくは、凹部１２２２の延伸方向と垂直である。隣接するカーボンナノチューブワイヤの距離は１μｍ〜２００μｍである。好ましくは、５０μｍ〜１５０μｍである。本実施例において、隣接するカーボンナノチューブワイヤの距離は１２０μｍであり、カーボンナノチューブワイヤの直径は１μｍである。

複数のカーボンナノチューブワイヤの製造方法は、先ず、カーボンナノチューブフィルムを第一電極１０４及び第二電極１０６に設置し、次に、レーザーによって、カーボンナノチューブフィルムを切断することによって、互いに平行に、且つ間隔をあけて設置された複数のカーボンナノチューブストリップを形成する。最後に、有機溶剤によって、このカーボンナノチューブストリップを収縮して、カーボンナノチューブワイヤを形成する。

図１２を参照すると、有機溶剤によって、前記カーボンナノチューブストリップを処理して、互いに間隔をあけて設置された複数のカーボンナノチューブワイヤを形成する。カーボンナノチューブワイヤの両端は、第一電極１０４と第二電極１０６とにそれぞれ接続される。これにより、音波発生器１０２の駆動電圧を減少させ、音波発生器１０２の安定性を向上させる。図１２において、暗い部分は基板であり、白い部分は電極である。

有機溶剤によって、カーボンナノチューブストリップを処理する過程において、突起１２２０の位置におけるカーボンナノチューブを、絶縁層１１８の表面に固く固定するので、基本的には収縮しない。従って、カーボンナノチューブワイヤは、第一電極１０４及び第二電極１０６とは良く電気的に接続される。カーボンナノチューブストリップを良好にカーボンナノチューブワイヤに収縮することを保証するため、カーボンナノチューブストリップの幅は１０μｍ〜５０μｍである。カーボンナノチューブストリップの幅が、この１０μｍ〜５０μｍより広い場合、カーボンナノチューブストリップを収縮する過程において裂け目ができる可能性があり、熱音響効果に影響する。また、カーボンナノチューブストリップの幅が、１０μｍ〜５０μｍより狭い場合にも、カーボンナノチューブストリップを収縮する過程において、破裂する或いは形成されたカーボンナノチューブワイヤは細いため、熱音響効果に影響する。本実施例において、カーボンナノチューブストリップの幅は３０μｍであり、収縮したカーボンナノチューブワイヤの直径は１μｍであり、隣接するカーボンナノチューブワイヤ間の距離は１２０μｍである。カーボンナノチューブストリップの幅に制限はなく、カーボンナノチューブワイヤが正常に音波を発生させさえすれば、必要に応じてカーボンナノチューブストリップの幅を選択できる。更に、有機溶剤によって処理した後、カーボンナノチューブワイヤは、基板１００の表面に固く貼設され、且つ懸架された部分は張った状態を保持して、作動中においてカーボンナノチューブワイヤが変形しないことを保証する。これにより、カーボンナノチューブワイヤが変形して、熱音響効果に影響することを防止する。

図１３及び図１４を参照すると、凹部１２２２の異なる深さによる音響チップ６０の音波の発生の効果を示している。凹部１２２２の深さは、１００μｍ〜２００μｍであることが好ましい。この際、人の耳でも聞こえる音響周波数に達し、音響チップ６０は熱の波長に優れ、小さいサイズでも熱音響効果に優れている。更に、基板１００は音波発生器１０２を保護すると同時に、基板１００と音波発生器１０２の間に十分な距離が確保される。該距離は、作動する際に発生する熱が、基板１００に完全に吸収されることによって周辺の媒体へ伝播されないために音量が低くなることを防止する。並びに、音波発生器１０２が各音響周波数に対して優れた音響効果を有することを保証する。また、前記凹部１２２２の深さは、音波発生器１０２の音響効果を保証し、凹部１２２２の深さが深すぎるために起こる、音波発生器１０２の音響効果に対する干渉を防止する。

本発明は、基板によって、音波発生器と集積回路チップとは超小型の一体成型構造に集積されるため、音小型化を実現できる。前記集積回路チップは、周波数電気信号に対して、電力増幅作用と直流バイアス作用を有し、音響チップを作動でき、別の駆動回路を設計する必要がないため、音響チップの構造は簡単であり、且つ使用に便利である。従って、前記音響チップは、携帯電話、コンピュータ、イヤホンなどの電子素子に用いることができる。

１０、２０、３０、４０、５０、６０音響チップ
１００基板
１０１第一表面
１０２音波発生器
１０３第二表面
１０４第一電極
１０６第二電極
１０８集積回路チップ
１１０導線
１１４散熱装置
１１６絶縁支持体
１１８絶縁層
１２０導熱ペースト
１２２凹突構造体
１２２０突起
１２２２、１１２凹部

Claims

基板と、音波発生器と、複数の第一電極と、複数の第二電極と、集積回路チップと、を含む音響チップであって、
前記基板が、第一表面を含み、
前記音波発生器が、前記基板の第一表面に設置され、
前記集積回路チップが前記基板に設置され、第一電極及び第二電極と電気的に接続され、
前記集積回路チップには、少なくとも周波数電気信号の電力増幅回路及び直流バイアス回路が集積され、
前記基板の第一表面に複数の突起及び複数の凹部が形成され、前記複数の突起及び前記複数の凹部が交互に設置され、前記凹部の深さが１００μｍ〜２００μｍであり、
前記複数の第一電極及び前記複数の第二電極は、前記突起に対応する位置に交互にそれぞれ設置されて、前記音波発生器と電気的に接続されることを特徴とする音響チップ。
前記音波発生器はカーボンナノチューブ構造体を含むことを特徴とする、請求項１記載の音響チップ。
前記基板の第二表面に少なくとも一つの凹部が設置され、前記集積回路チップが前記第二表面の少なくとも一つの凹部に設置され、前記基板によって、音波発生器と集積回路チップとが超小型の一体成型構造に集積されることを特徴とする、請求項１記載の音響チップ。