(57)【要約】【課題】製造コストを増加させることなく、任意の方向に圧力波を発振可能な圧力波発振素子を提供する。【解決手段】基板１と、基板１の水平方向に対して角度θの傾きを持つテーパ形状部を有する電極設置溝３と、電極設置溝３の表面に形成された多孔質層５と、多孔質層５のテーパ形状部及び底面部上それぞれに設けられた金属電極６a、６b及び金属電極６cとを備える。これにより、基板に対して垂直方向のみならず基板水平方向に対し角度θ方向に圧力波を発振させることができる。また、複雑な駆動回路や処理回路を用いることなく基板水平方向に対し角度θ方向に圧力波を発振させることができるので、製造コストを増加させることがない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板表面上に形成された、基板水平方向に対し傾斜角を有する少なくとも一つの電極形成領域と、
前記電極形成領域の表面上に配設された電極とを備え、
前記電極に交流電圧を印加して断続的に暖めることにより、電極が前記電極形成領域表面に対して垂直方向に断続的に伸縮して空気の疎密分布を形成し、電極表面から外部方向へと伝播する圧力波を発振することを特徴とする圧力波発振素子。
【請求項２】
前記半導体基板表面上には、底面部及びテーパ形状部から成る電極配置溝が形成され、前記電極形成領域は電極配置溝の底面部及びテーパ形状部により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力波発振素子。
【請求項３】
同一又は異なる傾斜角を有する電極形成領域を複数備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧力波発振素子。
【請求項４】
前記複数の電極形成領域はアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力波発振素子。
【請求項５】
交流電源を印加する電極を切り替えることにより、圧力波の発振方向を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の圧力波発振素子。
【請求項６】
前記電極形成領域の熱伝導率は、前記基板の熱伝導率より小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の圧力波発振素子。
【請求項７】
前記電極は、高融点金属により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の圧力波発振素子。
【請求項８】
前記高融点金属は、タングステン又はモリブデンであることを特徴とする請求項７に記載の圧力波発振素子。
【請求項９】
半導体基板表面上に電極形成領域を形成するためのマスクパターンを形成する第１の工程と、
前記マスクパターンが形成された半導体基板表面をエッチングし、前記半導体基板表面上に基板水平方向に対し傾斜角を有する少なくとも一つの電極形成領域を形成する第２の工程と、
前記電極形成領域の表面上に電極を形成する第３の工程と
を有することを特徴とする圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の工程は、
前記半導体基板表面上に熱酸化膜を形成し、当該熱酸化膜上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に第１のマスクパターンを形成する工程と、
前記第１のマスクパターンのエッチングレートが前記熱酸化膜よりも大きくなるようにエッチングを行い、傾斜角を有する第２のマスクパターンを形成する工程と
を有することを特徴とする請求項９に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第３の工程は、前記電極形成領域の表面上に熱絶縁層を形成し、熱絶縁層上に前記電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１２】
前記熱絶縁層は、フッ酸溶液中で電気化学エッチングを行うことにより形成することを特徴とする請求項１１に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１３】
表面の結晶方位角が（１００）方向の半導体基板表面に電極形成領域を形成するためのマスクパターンを形成する第１の工程と、
前記マスクパターンが形成された半導体基板表面に対しウエットエッチング処理を施すことにより、基板水平方向に対し傾斜角を有する少なくとも一つの電極形成領域を形成する第２の工程と、
前記電極形成領域の表面上に電極を形成する第３の工程と
を有することを特徴とする圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ウエットエッチング処理は、アルカリ溶液を用いて行うことを特徴とする請求項１３に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１５】
前記アルカリ溶液は、水酸化カリウム、エチレンジアミンピロカテコール又は抱水ヒドラジンのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１４に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第３の工程は、前記電極形成領域に熱絶縁層を形成し、形成された熱絶縁層上に前記電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３から請求項１５のうちいずれか１項に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１７】
前記熱絶縁層は、フッ酸溶液中で電気化学エッチングを行うことにより形成することを特徴とする請求項１６に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１８】
前記電極は、高融点金属により形成されていることを特徴とする請求項９から請求項１７のうちいずれか１項に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【請求項１９】
前記高融点金属は、タングステン又はモリブデンであることを特徴とする請求項１８に記載の圧力波発振素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波を発振する圧力波発振素子及びその製造方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基板表面上に金属電極を備え、交流電圧を印加して、金属電極に周期的な温度変化を与えることにより、金属電極表面から圧力波を発振する圧力波発振素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力波発振素子は、可動部品がないことから振動や外気圧の影響を受けにくく、また、交流電流の周期を調整することにより広い帯域の圧力波を安定的に発振することができる。また、このような圧力波発振素子は、一般的な集積回路技術を利用して容易に製造することができる。
【特許文献１】特開平１１−３００２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来までの圧力波発振素子は、圧力波が金属電極表面に対して垂直な軸方向を中心に広がりながら進行するため、金属電極表面に対して垂直な方向にしか圧力波を発振することができず、任意の方向に圧力波を発振することができない。なお、このような問題を解決するために、複数の圧力波発振素子をアレイ状に配置し、フェーズドアレイ技術を用いることにより、任意の方向に圧力波を発振する方法も考えられるが、この方法によれば、駆動回路、処理回路が複雑になり、製造コストが大きくなる。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造コストを増加させることなく、任意の方向に圧力波を発振可能な圧力波発振素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る圧力波発振素子は、基板表面上に形成された、基板水平方向に対し傾斜角を有する少なくとも一つの電極形成領域と、電極形成領域の表面上に配設された電極とを備え、電極に交流電圧を印加して断続的に暖めることにより、電極が前記電極形成領域表面に対して垂直方向に断続的に伸縮して空気の疎密分布を形成し、電極表面から外部方向へと伝播する圧力波を発振する。また、本発明に係る圧力波発振素子の製造方法は、基板表面上に形成された、基板水平方向に対し傾斜角を有する少なくとも一つの電極形成領域を形成する工程と、電極形成領域の表面上に電極を配設する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る圧力波発振素子及びその製造方法によれば、基板水平方向に対し傾斜した表面上に電極が配設されているので、基板に対して垂直方向のみならず任意の角度に圧力波を発振させることができる。また、本発明に係る圧力波発振素子によれば、複雑な駆動回路や処理回路を用いることなく任意の角度に圧力波を発振させることができるので、製造コストを増加させることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明の実施形態について図面とともに詳述する。
【０００８】
〔圧力波発振素子の構成〕
始めに、本発明の実施例に係る圧力波発振素子の構成について説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施例に係る圧力波発振素子の上面図及び断面図である。図１に示すように本発明の実施例に係る圧力波発振素子は、基板１と、基板１の水平方向に対して角度θの傾きを持つテーパ形状部を有する電極設置溝３と、電極設置溝３の表面に形成された多孔質層５と、多孔質層５のテーパ形状部及び底面部上それぞれに設けられた金属電極６a、６b及び金属電極６cと、エッチングマスク４とを備える。なお、基板１としては、結晶性シリコン基板を用いることが好ましく、その理由としては、結晶性シリコン基板と結晶性シリコン基板をベースとして作製される多孔質層との熱絶縁性が良く、また、従来の半導体プロセス技術を容易に転用できることが挙げられる。
【００１０】
さらに、テーパ形状部の傾斜角度θは基板１の水平方向に対して0°（水平方向）<θ<90°の範囲に設定され、また、テーパ形状部の斜面の長さと電極設置溝３の深さＤは以下に示す数式１を満たすように設計されている。なぜならば、通常、半導体集積回路製造で用いられるシリコン単結晶基板の厚さは500〜800[μm]であるので、圧力波発振素子の機械的強度を保つためである。
【数１】
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【００１１】
そして、このような構成を有する圧力波発振素子は、金属電極６a、６b、６cに交流電圧が印加されるのに応じて、金属電極６a、６b、６cが断続的に暖められ、電極形成領域表面に対して垂直方向に断続的に伸縮することにより空気の疎密分布を形成することにより、金属電極６a、６b、６c周辺から外部方向へと伝播する圧力波を発振する。
【００１２】
〔圧力波発振素子の動作〕
次に、図２，３を参照して、本発明の実施例に係る圧力波発振素子の動作について説明する。
【００１３】
図２，３はそれぞれ、本発明の実施例に係る圧力波発振素子（以下、本願発明素子と略記）と従来の圧力波発振素子（以下、従来素子と略記）から出力される圧力波の進行方向を表す概略図である。
【００１４】
従来素子の場合、圧力波を発振する電極６０は、図３に示すように、水平な基板１０表面上に配置され、圧力波は基板表面に対して垂直方向を中心とした広がりを持ちながら進行していく。従って、従来素子３によれば、例えば、圧力波を利用して物体や物体までの距離を検出する場合には、基板表面に対して垂直方向を中心とした広がりを持つ領域以外を正確に探知することが困難となる。なお、このような問題に対して、複数の従来素子をアレイ状に並べて、各従来素子から出力される圧力波の位相や振幅を変化させることにより、圧力波の進行方向を制御する方法（フェーズドアレイ技術）も考えられるが、この場合、駆動回路や処理回路が複雑になり、製造コストが多くなってしまう。
【００１５】
これに対し、本願発明素子は、上述の通り、基板１の水平方向に対して角度θのテーパ形状部を有する溝型の電極設置溝３を形成し、底面部及びテーパ形状部にそれぞれ金属電極６c及び金属電極６a、６bを配置することにより、図２に示すように、基板１に対して垂直方向のみならず基板１の水平方向に対して角度θの方向にも圧力波を発振する。従って、本願発明素子によれば、従来素子では物体や物体の距離を検知することが困難であった基板表面に対して垂直方向を中心とした広がりを持つ領域以外を検知範囲とすることができる。また、複雑なフェーズドアレイ技術も必要としないため、製造コストを増やすことがない。
【００１６】
〔圧力波発振素子の製造方法〕
次に、本発明の実施例に係る圧力波発振素子の製造方法について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施例に係る圧力波発振素子の製造工程を説明するための断面工程図である。
【００１７】
本発明に係る圧力波発振素子を製造する際は、始めに、図４(a)に示す工程で、本発明素子を作成する基板１を用意する。次に、図４(b)に示す工程で、電極設置溝３を形成するために、端部がテーパ角θのテーパ形状となっているエッチングマスク２を基板１表面に形成する。ここで、端部がテーパ形状のエッチングマスク２を形成する方法を説明する。なお、基板１は結晶性シリコン基板である。
【００１８】
始めに、基板１の上部表面に熱酸化法、化学気相成長法等の方法によりシリコン熱酸化膜を形成する。次に、形成されたシリコン熱酸化膜上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスク２を形成するためのフォトレジストをパターニングする（図示せず）。次に、フォトレジストとシリコン熱酸化膜のエッチングレート比が１以下（フォトレジストのエッチングレートの方が大きい）となるようにドライエッチングを行うと、図４(b)に示されるようにエッチングマスク２の端部をテーパ形状にすることができる。
【００１９】
次に、図４(c)に示す工程で、図４(b)に示す基板表面に対して異方性ドライエッチングを行うことにより、エッチングマスク２のテーパ角と同じ傾斜角θを持つ電極設置溝３を形成する。なお、表面垂直方向が（１００）方向である基板表面に対して、水酸化カリウム、エチレンジアミンピロカテコール、抱水ヒドラジンなどのアルカリ溶液でエッチングを行うことにより、θ＝55°の傾斜角をもつ結晶方位（１１１）面を形成することもできる。
【００２０】
次に、図４(d)に示す工程で、基板１上に形成された電極設置溝３の周縁部にエッチングマスク４をパターニングする。エッチングマスク４のマスク材としては、シリコン窒化膜、炭化珪素膜等を利用することができる。
【００２１】
次に、図４(e)に示す工程で、エッチングにより、基板1の露出面に２[μm]以上の膜厚を有する多孔質層５を形成する。なお、圧力波を効率的に空気層に伝播するためには、多孔質層の厚さをL[m]、多孔質層の熱伝導率をα[W/m/K]、多孔質層の熱容量をC[106J/K/m3]、与えられる各周波数をω[Hz]とすると、多孔質層の厚さLは数式２で与えられる厚さ以上とすることが望ましい。
【数２】
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【００２２】
また、エッチングの方法としては、例えば、フッ酸溶液中で電気化学エッチングする方法が考えられる。また、多孔質層５の熱伝導率は、基板１に用いる結晶性シリコンの熱伝導率の１５０分の１程度の値であるので、後述する交流電源を印加した際に金属電極６a、６b、６cにおいて発生するジュール熱が基板１に拡散しにくくなり、効率的に金属電極を暖めることができる。
【００２３】
次に、図４(f)に示す工程で、多孔質層５上に金属電極６a、６b、６cを蒸着する。なお、金属電極６a、６b、６cの材料としては、高融点金属材料であるタングステンやモリブデンを用いることが好ましい。何故ならば、金属電極６a、６b、６cは、１０００度以上の高温になる場合もあり、高融点金属でなければ強度的に耐えられないからである。また、図４(f)には図示していないが金属電極６a、６b、６cには、各々別に通電可能な端子が接続されている。以上の工程により、図１に示すような圧力波発振素子が形成される。
【００２４】
以上の説明から明らかなように、本実施例による圧力波発振素子によれば、基板１と、基板１の水平方向に対して角度θの傾きを持つテーパ形状部を有する電極設置溝３と、電極設置溝３の表面に形成された多孔質層５と、多孔質層５のテーパ形状部及び底面部上それぞれに設けられた金属電極６a、６b及び金属電極６cとを備える。そして、このような構成によれば、基板水平方向に対し平行な表面上と共に、基板水平方向に対し角度θ傾斜した表面上に金属電極が配設されているので、基板に対して垂直方向のみならず基板水平方向に対し角度θ方向を中心に圧力波を発振させることができる。また、本実施例による圧力波発振素子によれば、複雑な駆動回路や処理回路を用いることなく基板水平方向に対し角度θ方向に圧力波を発振させることができるので、製造コストを増加させることがない。
【００２５】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施例について説明したが、この実施例は本発明の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、図５に示すように、多孔質層５の底面部及び一方のテーパ形状部に金属電極が設置された圧力波発振素子を複数並列に配置することにより圧力波発振素子を形成してもよい。このような構造は、ある任意の方向への圧力波の強度を上げたい場合などに有効であり、また、金属電極同士が対向していないために、圧力波が干渉することもない。
【００２６】
また、図６に示すように、水平領域部又はテーパ領域部にのみ金属電極が配置された圧力波発振素子P、Q、R、S、Tをアレイ上に並べることにより一つのモジュールを形成し、半球円状に圧力波を発振させるようにしてもよい。このような構成によれば、各素子の電極に対する通電タイミングを切り替えることにより、圧力波の発振方向を順次変化させることもできる。さらに、交流電源を印加する電極を切り替えて、圧力波の発振方向を変化させることもでき、例えば、水平領域及びテーパ領域に配置された金属電極に交互に交流電源を印加することにより、基板水平方向に対して、垂直方向及び任意の方向に圧力波を交互に発振することができる。
【００２７】
また、図７に示すように、電極設置溝を形成せず、基板に対して凸部が形成されるように基板１をエッチングし、凸部表面上に形成されたテーパ領域部に金属電極６eを設置してもよい。図７に示す構造によれば、金属電極同士が対向しないので、圧力波が干渉することを防止できる。このように、上記実施例に基づいて当業者等によりなされる他の実施例及び運用技術全ては本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る圧力波発振素子の構造概略図である。
【図２】本発明の実施例に係る圧力波発振素子から出力される圧力波の伝播方向を表わす図である。
【図３】従来の圧力波発振素子から出力される圧力波の伝播方向を表わす図である。
【図４】本発明の実施例に係る圧力波発振素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明に係る圧力波発振素子のその他の構造概略図である。
【図６】本発明に係る圧力波発振素子をモジュール化した場合の概略図である。
【図７】本発明に係る圧力波発振素子のその他の構造概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１、１１：基板
２：エッチングマスク
３：電極設置溝
４、４０：エッチングマスク
５、５０：多孔質層
６a、６b、６c、６０：金属電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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