TWI401122B - Pressure wave generating device and temperature adjusting method thereof - Google Patents

Description

壓力波產生裝置及其溫度調整方法

本發明係關於藉由對氣體加熱，使其產生壓力波(疏密波)之壓力波產生裝置及其溫度調整方法。

以往，曾有藉由對氣體週期地加熱，以形成空氣之疏密，使其產生壓力波(疏密波，即音波或超音波)之裝置之提案(例如參照專利文獻1至4)。在專利文獻1所記載之裝置中，在基板上形成作為發熱體之金屬薄膜。電流通至此金屬薄膜而發熱時，可將熱傳導至接觸於金屬薄膜之表面之空氣層。另外，在此裝置中，在發熱體與基板之間形成熱傳導率極小之多孔質層及高分子層。此多孔質層及高分子層成為熱絕緣層，可使發熱體與基板保持熱的絕緣。藉此熱絕緣層，將由金屬薄膜對基板之熱的流失抑制於較小值，並對驅動金屬薄膜之信號之功率，增大在金屬薄膜之表面所生之溫度變化之比率。此結果，可增大傳達至與金屬薄膜接觸之空氣層之壓力波能量，提高音波之產生效率。

又，在專利文獻2中，揭示：使流至發熱體之電流在短時間變化成功率集中之週期性的或非週期性的脈衝狀或猝發波狀，以提高對時間平均投入電力之產生音之時間平均功率之技術。

在專利文獻3中，揭示：在隔熱層之奈米結晶矽形成多數孔，將其多孔度設定於75%以上而提高音壓位準之技 術。又，在專利文獻4中，揭示：將隔熱層之奈米結晶矽之厚度設定為振盪之超音波之頻率所規定之熱擴散長以上且熱擴散長加上5 μm之厚度以下，藉以提高耐電力特性，增大最大產生音壓之技術。

[專利文獻1]日本特開平11-300274號公報

[專利文獻2]日本特開2003-154312號公報

[專利文獻3]日本特開2005-73197號公報

[專利文獻4]日本特開2005-269745號公報

然而，在以如上述藉電力發熱之發熱體(導電體)對空氣加入而產生音波之裝置中，形成該發熱體之金屬薄膜(導體層)有可能因場所而變形，或浮起成中空。又，該金屬薄膜被局部加熱之結果，膜內有時會產生過大之應力或局部地達到金屬之熔點以上之溫度。為增大所產生之音波音壓而提高施加電壓時，金屬薄膜會在短時間斷線。因此，為避免發熱體之斷線，而限制流過之電流。其結果，只能獲得穩定較小之音壓。

本發明係鑑於此種狀況而完成者，其目的在於提供一種作為發熱體之導電體難以斷線，且可增大最大產生音壓之壓力波產生裝置及其溫度調整方法。

為達成上述目的，本發明之第1觀點之壓力波產生裝置(1)之特徵在於包含：熱傳導性之基板(2)；隔熱層(3)，其 係形成於該基板之一方主面；電絕緣體層(5)，其係形成於該隔熱層上；及導體層(4)，其係形成於該電絕緣體層上，藉使含交流成分之電流流通而發熱。

又，本發明之第2觀點之壓力波產生裝置之溫度調整方法，其特徵在於該壓力波產生裝置係包含：熱傳導性之基板(2)；隔熱層(3)，其係形成於該基板之一方主面；及導體層(4)，其係形成於該電絕緣體層上，藉使含交流成分之電流流通而發熱；其溫度調整方法係在該隔熱層上形成電絕緣體層(5)，以調整前述導體層之溫度。

以下，一面參照圖式，一面詳細說明有關本發明之實施型態。又，在圖中，對同一或相當部分附以同一符號，其說明不予重複。在圖1(a)、圖1(b)表示本發明之一實施型態之壓力波產生裝置之構成。在圖1(a)表示連接後述之驅動電路之狀態之壓力波產生裝置之平面圖，在圖1(b)表示圖1(a)之X-X線剖面圖。

本實施型態之壓力波產生裝置1係向圖1(a)之紙面上方產生壓力波(音波)之裝置。如圖1所示，壓力波產生裝置1係包含基板2、隔熱層3、發熱體4及電絕緣體層5。基板2係由整體矽等所形成。在基板2之一方主面(紙面上方側之主面)形成隔熱層3。隔熱層3係多孔質之奈米結晶矽(以下稱nc-Si)。在隔熱層3上，接觸此而形成電絕緣體層5。電絕緣體層5例如係氮化矽(Si₃ N₄ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )等絕緣體之薄膜。而且，在該電絕緣體層5上，接 觸此而形成發熱體4。發熱體4係導電性之金屬，例如金(Au)或鎢(W)等之薄膜。發熱體4係形成以特定間隔蛇行之形狀。在發熱體4之兩端部電性連接驅動電路6。

驅動電路6係將以特定頻率ω間歇驅動之脈衝電壓或交流電壓施加至發熱體4之兩端。發熱體4之發熱量隨著被施加之電壓之變動而變動。如此，將變動之發熱體4之發熱之變動成分稱為「發熱之交流成分」。又，在發熱體4中，也會依其熱容量而產生無助於壓力波之產生之發熱之單純增加成分之直流成分。以下，將此稱為「發熱之直流成分」。在本實施型態中，將隔熱層3之厚度形成為相同於對發熱之直流成分，以隔熱層3之熱傳導率與每單位體積之熱容量所決定之熱擴散長之程度。如此一來，發熱之交流成分對基板2側，會被隔熱層3所隔熱，可使因發熱體4之熱容量而產生之發熱之直流成分有效地向大的熱傳導性之基板2發散。隔熱層3之材質為nc-Si之情形，隔熱層(3)之厚度例如可設定為5 μm~200 μm程度。隔熱層(3)之厚度可依所產生之音波之頻帶適宜地予以變更。

電絕緣體層5之厚度比熱擴散長充分地薄。因此，發熱體4之發熱之交流成分主要會被隔熱層3隔熱於厚度方向。電絕緣體層5會將熱傳導向面方向。又，發熱體4密接於電絕緣體層5。因此，電絕緣體層5具有使發熱體4之溫度分佈保持均勻之作用。

在無電絕緣體層5之以往之構造中，發熱體4直接接觸於隔熱層3。隔熱層3係以多孔質nc-Si形成，故微細地加以觀 察時，發熱體4有與nc-Si之結晶粒直接接觸之部分及未接觸之部分。在與結晶粒接觸之部分及未接觸之部分中，在溫度上升之樣態上會顯現差異。一般，在與nc-Si之結晶粒接觸之部分，溫度之上升較慢，在與nc-Si之結晶粒未接觸之部分，溫度之上升較慢快。其結果，在發熱體4之溫度分佈會發生不均勻，而也有發熱體4之變形、剝離、甚至於導致斷線之情形。

在本實施型態之壓力波產生裝置1中，電絕緣體層5不通電，本身不會發熱，具有使發熱體4之溫度分佈保持均勻之作用。藉此，可緩和發熱體4之局部的熱應力。因此，即使將在以往之壓力波產生裝置中可能導致斷線之電壓施加至發熱體4之情形，也難以發生發熱體4之變形或斷線。其結果，可增大壓力波產生裝置1所產生之音波之音壓。

關於電絕緣體層5，有必要使面內方向之熱傳導度較高，使厚度方向不吸收熱。因此，電絕緣體層5最好以熱傳導度高而比熱小之物質形成較薄厚度。作為電絕緣體層5之材質，例如除了前述之氮化矽(Si₃ N₄ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )以外，可使用氧化鎂(MgO)、鑽石結晶碳(C)、氮化鋁(AlN)或碳化矽(SiC)等。電絕緣體層5之厚度例如為50 nm~200 nm。

作為發熱體4，只要屬於金屬膜，材質並無特別限定。例如可使用鎢(W)、鉬(Mo)、銥(Ir)、金(Au)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)等金屬單體，或該等之積層構造等作為發熱體4。發熱體4係以真空蒸鍍、濺射法等成膜。又， 發熱體4之膜厚為了縮小熱容量，最好儘量地薄化。其膜厚為了保持適當之電阻，可在10 nm~300 nm之範圍內適宜地予以選擇。

其次，說明有關形成壓力波產生裝置1之製程。在圖2A至圖2C中，表示壓力波產生裝置1之製程。首先，如圖2A所示，準備矽晶圓之基板2。而，在其背面，以真空蒸鍍形成例如由鋁薄膜形成之電極層7。而，利用氫氟酸(HF)與乙醇之混合溶液，在以鉑(Pt)為對向電極而形成隔熱層3之部分施以陽極氧化處理。將溶液之成分比、電流密度及處理時間控制於特定值，以形成被多孔質化成希望厚度與粒度之nc-Si之隔熱層3(參照圖2A)。

在圖2B，表示在隔熱層3上形成電絕緣體層5之基板2之剖面圖。如圖2B所示，在基板2之形成隔熱層3之面形成電絕緣體層5。此電絕緣體層5係在基板2上，例如藉電漿CVD堆積無摻雜矽酸玻璃(NSG)等所形成。

在圖2C，表示在電絕緣體層5上形成發熱體4之基板2之剖面圖。如圖2C所示，例如將圖案化成發熱體4之形狀之型板罩S保持於電絕緣體層5上，藉金(Au)之濺射，以特定圖案將發熱體4形成於電絕緣體層5上。

其後，在發熱體4形成連接驅動電路6用之電極等，必要時，施行背面之電極層7之除去、研磨等後(未圖示)，完成壓力波產生裝置1。如以上所說明，壓力波產生裝置1係利用nc-Si層與一般之半導體裝置之製造程序所形成。

(實施例)

其次，一面參照圖3至圖9，一面更詳細地說明有關本發明之壓力波產生裝置之更具體之實施例。以下，一面適宜地比較上述實施型態之壓力波產生裝置1與以往之壓力波產生裝置，一面進行說明。在任一壓力波產生裝置中，均使用基板電阻為5 Ω‧cm之p型Si晶圓作為基板2，nc-Si之隔熱層3之厚度為100 μm。在以往之壓力波產生裝置中，在隔熱層3上以鋁形成發熱體4。對此，在本發明之壓力波產生裝置1中，在隔熱層3上，藉電漿CVD形成作為電絕緣體層5之無摻雜矽酸玻璃(NSG)200 nm之厚度，在其上與以往例同樣地等以鋁形成發熱體4。而，在任一壓力波產生裝置中1，均對發熱體施加被驅動電路6間歇地驅動之脈衝電壓，使其產生音波。

在圖3中，表示對各裝置之輸入之電力之頻率之音壓位準。在圖3之曲線圖中，橫軸表示輸入之電力之頻率(Hz)，縱軸表示音壓(dB)。

在圖3中，以黑圓配上實線表示A.之具有電絕緣體層5之壓力波產生裝置1之音壓之頻率特性。又，以三角配上細實線B表示B.之不具有電絕緣體層5之以往之壓力波產生裝置1之音壓之頻率特性。

又，在未設有電絕緣體層5之以往之壓力波產生裝置中，輸入之電力為1 W之情形，發生發熱體4之斷線。對此，在本發明之壓力波產生裝置1中，即使將輸入之電力提昇至100 W，也未發生發熱體4之斷線。

因此，在粗實線A之「有電絕緣體層」之情形，將輸入 至發熱體4之電力設定為100 W，在細實線B之「無電絕緣體層」之情形，將輸入至發熱體4之電力設定為1 W。由於在「無電絕緣體層」之情形，發熱體4會因1 W之輸入而斷線，故不能輸入1 W以上。

如圖3所示，「有電絕緣體層」之情形與「無電絕緣體層」之情形之最大可輸出音壓之差在1 kHz~20 kHz中達到35 dB以上。為使此等壓力波產生裝置連續動作，任一裝置都必須施行減額，但在使其連續動作之情形之最大音壓差方面，也可視為具有35 dB以上。

另外，在本實施型態之壓力波產生裝置1中，具有音波之指向特性無不均，而可使波面一致之效果。

在圖4中，表示發熱體4之上面圖。無電絕緣體層5之情形，如圖4所示，在發熱體4之屈曲部內側之角部H發熱量會增大，在屈曲部外側之角部L發熱量會變小。發熱量因發熱體4之場所而異時，發熱量大之部分所產生之疏密波之振幅大於發熱量小之部分所產生之疏密波之振幅。因此，會發生似乎以發熱量大之部分為中心產生音波之現象。

其結果，在發熱體4內之發熱量大之各部分分別產生之音波彼此互相干涉，可形成一種如干涉條紋般之音波之強弱。藉此，因場所(與壓力波產生裝置1之距離及方位角之差異)而會使壓力波產生裝置1所產生之音波之音壓發生不均現象。在圖5中，模式地表示因發熱量之差導致音波之擴散樣態之圖。如圖5所示，若為所產生之音波會擴散， 而可形成如干涉條紋般之強弱之裝置，則不適合使用作為例如超音波感應之音源。

對此，在本實施型態之壓力波產生裝置1中，可藉電絕緣體層5使發熱體(導電層)4之溫度分佈保持均勻，故可由發熱體(導電層)4全體以大致相同強度產生音波。圖6係模式地表示本實施型態之壓力波產生裝置1所產生之音波之傳播樣態。如圖6所示，依據本實施型態之壓力波產生裝置1，發熱體4所產生之音波之波面係與發熱體4大致平行地行進，故可獲得在發熱體4之面之法線方向具有單一指向特性之音波。

又，依據本實施型態之壓力波產生裝置1，由於發熱之發熱體4之溫度分佈均勻，故可延長發熱體4之壽命。而，可對發熱體4施加大電壓，故可增大所輸出之音波之最大音壓。另外，依據本實施型態之壓力波產生裝置1，由於發熱之發熱體4之溫度分佈均勻，故可獲得具有單一指向特性之音波。

又，在上述實施型態中所說明之壓力波產生裝置1之構成僅係一例，可任意變更及修正。例如，發熱體4並不限定於圖1所示之發熱體，可設計成各種形狀、型式、大小。例如，也可在同一基板設置複數發熱體4。又，在上述實施型態中，壓力波產生裝置1所產生之壓力波為「音波」，但本發明當然也可適用於產生「超音波」作為壓力波之裝置。

如上所述，依據本發明之壓力波產生裝置，由於發熱之 導電層之溫度分佈均勻，故可延長導電層之壽命。又，發熱之導電層之溫度分佈均勻時，可使大電壓(大電流)流通至發熱體，故可增大壓力波之輸出音壓。

[產業上之可利用性]

本發明之壓力波產生裝置及其溫度調整方法可有用於產生音波及超音波等之空氣之疏密波(壓力波)。

1‧‧‧壓力波產生裝置

2‧‧‧基板

3‧‧‧隔熱層

4‧‧‧發熱體(導體層)

5‧‧‧電絕緣體層

6‧‧‧驅動電路

7‧‧‧電極層

圖1(a)係表示本發明之一實施型態之壓力波產生裝置之構成之平面圖，圖1(b)係表示圖1(a)之壓力波產生裝置之構成之剖面圖。

圖2A係圖1(a)之壓力波產生裝置之製程之說明圖。

圖2B係在隔熱層上形成電絕緣體層之基板之剖面圖。

圖2C係在電絕緣體層上形成發熱體之基板之剖面圖。

圖3係表示電絕緣體層之效果之曲線圖。

圖4係說明發熱量因發熱體之部分而異之圖。

圖5係模式地表示無電絕緣體層之情形之音波之擴散樣態之圖。

圖6係模式地表示有電絕緣體層之情形之音波之傳播樣態之圖。

1‧‧‧壓力波產生裝置

2‧‧‧基板

3‧‧‧隔熱層

4‧‧‧發熱體(導體層)

5‧‧‧電絕緣體層

6‧‧‧驅動電路

Claims (6)

1. 一種壓力波產生裝置，其特徵在於包含：熱傳導性之基板；奈米結晶矽層，其係形成於該基板之一方主面；電絕緣體層，其係藉由堆積而形成於該奈米結晶矽層上；導體層，其係形成於該電絕緣體層上，且外加有含交流成分之電流而發熱。
2. 如請求項1之壓力波產生裝置，其中前述電絕緣體層係含有氮化矽(Si₃ N₄ )、二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鎂(MgO)、鑽石結晶碳(C)、氮化鋁(AlN)或碳化矽(SiC)中之任一個所形成。
3. 如請求項1之壓力波產生裝置，其中前述導體層係含有金(Au)或鎢(W)所形成。
4. 如請求項1之壓力波產生裝置，其中前述奈米結晶矽層之厚度係形成為與相對於壓力波之頻率以前述奈米結晶矽層之熱傳導率與每單位體積之熱容量所決定之熱擴散長大致相同之厚度；前述電絕緣體層之厚度係相對於前述熱擴散長，充分薄至在其厚度方向不吸收熱之程度。
5. 如請求項4之壓力波產生裝置，其中前述隔熱層係奈米結晶矽；前述奈米結晶矽層之厚度係5 μm以上200 μm以下；前述電絕緣體層之厚度係50 nm以上200 nm以下。
6. 一種壓力波產生裝置之溫度調整方法，其特徵在於該壓力波產生裝置係包含：熱傳導性之基板；奈米結晶矽層，其係形成於該基板之一方主面；及導體層，其係藉由流通含交流成分之電流而發熱；該溫度調整方法係在該奈米結晶矽層上、該導體層下藉由堆積而形成電絕緣體層，藉此調整前述導體層之溫度。