(57)【要約】熱伝導性の基板と基板上の一方の面に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを備えた熱励起音波発生装置であって、熱伝導性の基板の熱伝導率αＳ、その熱容量をＣＳとし、また、断熱層の熱伝導率をαＩ、その熱容量をＣＩとしたときに、１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳ、かつαＳＣＳ≧１００×１０６の開係が成り立つようにし、熱励起による圧力発生装置について、その性能の大きな向上を図ることのできる新しい技術手段とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性の基板と、基板上の一方の面に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを備えた熱励起音波発生装置であって、熱伝導性の基板の熱伝導率をαＳ、その熱容量をＣＳとし、また、断熱層の熱伝導率をαＩ、その熱容量をＣＩとしたときに、
１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳ、かつαＳＣＳ≧１００×１０６
の関係が成り立つことを特徴とする熱励起音波発生装置。
【請求項２】
熱伝導性の基板が、半導体もしくは金属からなることを特徴とする請求項１の熱励起音波発生装置。
【請求項３】
熱伝導性の基板が、セラミックス基板からなることを特徴とする請求項１の熱励起音波発生装置。
【請求項４】
断熱層が、熱伝導性の基板の一方の面に多結晶シリコンをポーラス化して形成したポーラスシリコン層であることを特徴とする請求項１の熱励起音波発生装置
【請求項５】
ポーラスシリコン層は、その中の少くとも一部に柱状構造のシリコングレインを有していることを特徴とする請求項４の熱励起音波発生装置。
【請求項６】
ポーラスシリコン層では、ナノシリコン結晶の表面に絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項４または５の熱励起音波発生装置。
【請求項７】
絶縁膜が、酸化膜であることを特徴とする請求項６の熱励起音波発生装置。
【請求項８】
絶縁膜が、窒化膜であることを特徴とする請求項６の熱励起音波発生装置。
【請求項９】
絶縁膜は、熱処理により形成されたものであることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかの熱励起音波発生装置。
【請求項１０】
絶縁膜は、電気化学的処理により形成されたものであることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかの熱励起音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この出願の発明は、熱励起音波発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、空気に熱を与えることで空気の粗密を作り、音波を発生する装置であって、超音波音音源、スピーカー音源、アクチュエータ等に有用な新しい熱励起音波発生装置に関するものである。
【背景技術】  従来より各種の超音波発生装置が知られており、これら従来の超音波発生装置は、電気火花や流体振動などを用いる特殊なものを除いて、すべて何等かの機械振動を空気の振動へと変換するものである。このような機械振動を用いる方法には動電型・コンデンサ型などもあるが、超音波領域では圧電素子を利用したものが主流である。例えば、圧電材料であるチタン酸バリウムの両面に電極を形成し、電極間に超音波電気信号を印加することで、機械振動を発生させ、空気などの媒質にその振動を伝達して超音波を発生するようにしている。だが、このような機械振動を利用した音波発生装置では、固有の共振周波数を有するために周波数帯域が狭い、周囲の環境（温度、振動）等の影響を受けやすい、微細・アレイ化が困難といった問題があった。
一方、機械振動を全く伴わない、新しい発生原理の圧力波発生装置が提案されている（特開平１１−３００２７４号公報）（Ｎａｔｕｒｅ  ４００（１９９９）８５３−８５５）。この提案では、具体的には、基板と基板上に設けられた熱絶縁層と熱絶縁層上に設けられて電気的に駆動される発熱体薄膜から構成されており、発熱体薄膜から発生した熱が熱伝導率のきわめて小さい多孔質層や高分子層などの熱絶縁層を設けることで、発熱体表面の空気層の温度変化が大きくなるようにして、超音波を発生するようにしている。この提案されたデバイスは、機械振動を伴わないので、周波数帯域が広く、周囲環境の影響を受けにくく、微細・アレイ化も比較的容易であるなどの特徴を有している。このような熱励起による圧力発生装置の発生原理について考えてみると、電気的に駆動される発熱体薄膜に交流電流を印加した場合の表面温度の変化は、熱絶縁層の熱伝導をα、体積あたりの熱容量をＣ、角周波数をωとして、単位面積あたりのエネルギーの出入りｑ（ω）〔Ｗ／ｃｍ２〕があったとき、次式（１）で与えられる。
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また、そのとき発生する音圧は、次式（２）で与えられる。
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すなわち、図５に示すように、超音波周波数の信号を発生する信号源から供給された周波数ｆの電流（図５−ａ）によって、発熱体薄膜から発生する熱（図５−ｂ）が周囲の媒体である空気との熱交換により、空気の温度変化が起こる（図５−ｃ）。これが空気の粗密波を生み出し、周波数２ｆの音波を発生する（図５−ｄ）。
ここで、前記（２）式より、発生する音圧は、単位面積あたりのエネルギーの出入りｑ（ω）、すなわち、入力電力に比例する、熱絶縁層の熱伝導度α、体積あたりの熱容量Ｃが小さいほど大きくなることがわかる。さらに、熱絶縁層と基板の熱的コントラストが重要な役割をする。すなわち、熱伝導率α、体積あたりの熱容量Ｃをもつ熱絶縁層の厚さをＬとし、その下にα、Ｃとも十分に大きな熱伝導性の基板がある場合、次式（３）
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程度の厚み（交流成分の熱拡散長）をとると、発熱の交流成分は断熱し、発熱体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へ効率良く逃すことができる。
しかしながら、上記の熱励起による音波発生装置においては、その多層構成のあり方や具体的な態様についてはその性能向上の観点からは実際的な展望はほとんど拓かれていないのが実情である。そして、上記の音波発生装置においては、機械振動を全く伴わず、多くの特徴を有しているものの、実用的出力を得ようとした場合、入力電力を大きくすることから発生するジュール熱も大きくなり、完全には、直流成分の熱を逃がすことができなくなって、発熱体薄膜の温度変化を大きくすることができなくなるという問題があった。
また、発生する音圧レベルは０．１Ｐａ程度までであって満足できるレベルではない。このため、更なる性能の向上が望まれていた。
そこで、この出願の発明は、機械振動を全く伴わず、多くの特徴を有している熱励起による圧力発生装置について、その性能の大きな向上を図ることのできる新しい技術手段を提供することを課題としている。
【発明の開示】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、熱伝導性の基板と基板上の一方の面に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを備えた熱励起音波発生装置であって、熱伝導性の基板の熱伝導率αＳ、その熱容量をＣＳとし、また、断熱層の熱伝導率をαＩ、その熱容量をＣＩとしたときに、
１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳ、かつαＳＣＳ≧１００×１０６
の関係が成り立つことを特徴とする熱励起音波発生装置を提供する。
また、第２には、熱伝導性の基板が、半導体もしくは金属からなることを特徴とする前記の熱励起音波発生装置を、第３には熱伝導性の基板が、セラミックス基板からなることを特徴とする熱励起音波発生装置を提供する。
以上のとおりのこの出願の発明は、発明者が、上記課題を解決するために、熱絶縁層と基板の熱的コントラストに着目して鋭意研究を重ねた結果から導かれたものであって、前記のとおりの関係が成り立つように、熱伝導性の基板と断熱層の材質を選択することで、性能が向上するという全く予期できなかった新しい知見に基づいて完成されたものである。
そして、この出願の発明は、上記熱励起音波発生装置について、第４には、断熱層が、熱伝導性の基板の一方の面に多結晶シリコンをポーラス化して形成したポーラスシリコン層であることを特徴とする熱励起音波発生装置を提供し、第５には、ポーラスシリコン層は、その中の少くとも一部に柱状構造のシリコングレインを有していることを特徴とする熱励起音波発生装置を提供する。
以上のとおりの発明は、発明者による鋭意研究の結果から導かれたものであって、熱絶縁層として多結晶シリコンをポーラス化させて形成したポーラスシリコン層を用いることで、その部分が効率良く、直流成分の熱を基板側へ逃がす役割をするという全く予期できなかった新しい知見に基づいて完成されたものである。
さらにこの出願の発明は、第６には、ポーラスシリコン層では、ナノシリコン結晶の表面に絶縁膜が形成されていることを特徴とする熱励起音波発生装置を提供し、第７には、絶縁膜が酸化膜であることを特徴とする熱励起音波発生装置を、第８には、絶縁膜が窒化膜であることを特徴とする熱励起音波発生装置を、第９には、絶縁膜は熱処理により形成されたものであることを特徴とする熱励起音波発生装置を、第１０には、絶縁膜は、電気化学的処理により形成されたものであることを特徴とする熱励起音波発生装置を提供する。
これらの発明は、発明者が、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、熱伝導性の基板と、基板上の一方の面に形成されたポーラスシリコン層からなる断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とからなることを特徴とする熱励起音波発生装置において、ポーラスシリコン層のナノシリコン結晶の表面に絶縁膜を形成することで、断熱層としての熱伝導率αを低下することができ、発生音圧を大きくすることができるという全く予期できなかった新しい知見に基づいて完成されたものである。
【図面の簡単な説明】  図１は、この出願の発明の熱励起音波発生装置においてその一実施形態を例示した断面図である。
図２は、αＳＣＳとαＩＣＩとの関係について好ましい範囲を示した図である。
図３は、シリコングレインの柱状構造について示した概要断面図である。
図４は、ナノシリコン結晶の表面に絶縁層が形成された状態について示した概要断面図である。
図５は、周波数と電流、熱、温度、音波との関係について示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】  この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
図１は、この出願の発明の熱励起音波発生装置の一実施形態を例示した断面図である。この図１の例では、熱励起音波発生装置は、熱伝導性の基板（１）と、基板上の一方の面に形成されたポーラスシリコン層からなる断熱層（２）と、断熱層（２）上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜（３）で構成されている。
熱伝導率α、体積あたりの熱容量Ｃをもつ熱絶縁層の厚さをＬとし、その下にα、Ｃとも十分に大きな熱伝導性の基板がある場合、前記の式（３）で表わされる程度の厚み（交流成分の熱拡散長）をとると、発熱の交流成分は断熱し、発熱体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へ効率良く逃すことができる。
この熱の流れをより効率良くするために、図２に示すように、１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳ、かつαＳＣＳ≧１００×１０６の範囲に入るように断熱層、基板の材質を選択して、組み合わせる。ここで、１／１００＜αＩＣＩ／αＳＣＳおよび／またはαＳＣＳ＜１００×１０６で行なった場合、直流成分の熱を十分に基板側へ逃すことができず、発熱体金属薄膜に熱が貯まり、入力に対して十分な温度変化を得ることができず、特性が低下することとなる。また、αＩＣＩ／αＳＣＳ値の下限、及びαＳＣＳの上限に関しては特に限定されないが、最もコントラストのある金属と高性能断熱材の組み合わせの値が実用上の限界となる。
表１に具体的に各種材料のαＣ値を列挙する。
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固体のαＣは、金属、半導体、無機絶縁物、樹脂でおよそ表１に示した範囲の値をとる。ここで、ポーラスシリコンは、例えば、シリコン表面をフッ素酸溶液中で陽極酸化処理することで形成することができるシリコンの多孔体であり、電流密度、処理時間を適宜設定することで、所望の多孔度、深さ（厚み）を得ることができる。ポーラスシリコンは、多孔質材料であり、かつナノオーダーのシリコンの量子効果（フォノン閉じ込め効果）により、シリコンに比べて、熱伝導率、熱容量とも非常に小さい値を示す。
具体的には、表１から、例えば、基板として銅やシリコンを用いた場合、上述のポリイミド、ポーラスシリコン、ポリスチレンフォームなどを断熱層として使えることがわかる。これらの組み合わせは、一例に過ぎず、適宜選択できるものである。ただし、より好ましくは、微細・アレイ化加工などの製造プロセスが容易なものを選択する。
上記断熱層（２）が、ポーラスシリコン層からなるものは、上記のように、シリコン表面をフッ素酸溶液中で陽極酸化処理することで形成することができるが、その際の、電流密度、処理時間を適宜設定することで、所望の多孔度、深さ（厚み）を得ることができる。ポーラスシリコンは、多孔質材料であり、かつナノオーダーのシリコンの量子効果（フォノン閉じ込め効果）により、シリコンに比べて、熱伝導率、熱容量とも非常に小さい値を示す。具体的には、シリコンが熱伝導率α＝１６８Ｗ／ｍＫ、熱容量Ｃ＝１．６７×１０６Ｊ／ｍ３Ｋに対して、多孔度７０％程度のポーラスシリコンは、熱伝導率α＝０．１２Ｗ／ｍＫ、熱容量Ｃ＝０．０６×１０６Ｊ／ｍ３Ｋである。
シリコンとしては、単結晶シリコンではなく、多結晶シリコンを用いることができる。多結晶シリコンは、例えばプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、特に製法は限定されず、触媒ＣＶＤ法により形成してもよいし、プラズマＣＶＤ法でアモルファスシリコンを成膜した後加熱処理としてレーザーアニールを行うことにより多結晶化してもいい。多結晶シリコンを上記陽極酸化法により処理した場合、図３に示すようにグレイン（結晶粒）の集合体である細い柱状構造（２−ａ）が存在し、その間にナノメータオーダーのシリコン微結晶が存在した多孔質構造（２−ｂ）をとることができる。これは、多結晶シリコンの陽極酸化反応が、グレインの境界で優先的に進み、つまり、柱状構造の柱と柱との間を深さ方向に陽極酸化が進行し、陽極酸化後も柱状のシリコングレインが残るためだと考えられる。このような構造をとることにより、マクロな断熱層としての機能は維持しながら、柱状構造の部分で熱を効率良く、基板側へ逃がしてやることが可能となる。
もちろん、この柱状構造のシリコングレインの存在が、陽極酸化の条件によって、その大きさや単位体積当りの割合が変化する。そして、この出願の発明においてはこのようなシリコングレインの存在はより好ましい形態として提示されることになる。
また、この出願の発明者は、ポーラスシリコンの骨格であるシリコンの熱伝導率に比べて、絶縁材料であるＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４の熱伝導率が小さいことに着目した。すなわち、図４に示すように、ポーラスシリコンを形成するナノシリコン結晶の表面にこれらの絶縁膜を形成し、骨格部分の熱伝導率を下げることでポーラスシリコンの熱伝導率αを小さくできることを見出した。ただし、これら絶縁材料の熱容量Ｃは、シリコンに比べて大きいことから、シリコン結晶表面に形成する絶縁膜の厚みはαＣ値が小さくなるように適宜選択する必要がある。
これら絶縁膜の形成方法に関しては、特に限定されないが、例えば、熱処理や電気化学的処理で絶縁膜を形成することが好ましい。熱処理は、酸素雰囲気あるいは窒素雰囲気下で、熱を加えることで行なうことができる。そのときの、温度条件、昇温条件等は、用いる基板の材質などによって適宜選択されるが、例えば、熱酸化処理としては、８００℃〜９５０℃の温度範囲において、０．５〜５時間で行なうことができる。電気化学的酸化処理は、例えば、硫酸水溶液などの電解質溶液中で、基板と対極の間に定電流を所定時間流すことで行なうことができる。そのときの電流値、通電時間等は、形成したい酸化膜の膜厚に応じて適宜選択することができる。
熱伝導性の基板（１）としては、直流成分の熱を逃がすために熱伝導率αの大きな材料を用いることが好ましく、最も好ましくは金属を用いる。例えば、銅、アルミなどの高熱伝導率の基板が選ばれるが、特にこれらに限定はされず、シリコン基板などの半導体基板も用いることが可能である。また、ガラスなどのセラミックス基板も、用いることが可能である。基板の形状としては、放熱効率を良くするために、放熱フィンを裏面に形成してもよい。
次に、発熱体薄膜（３）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、Ｗ，Ｍｏ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，などの金属単体やそれらの積層構造などが用いられ、真空蒸着、スパッタなどで成膜できる。また、膜厚は、熱容量を小さくするためにできるだけ、薄くすることが好ましいが、適当な抵抗にするために、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で選択することができる。
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もとろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【実施例】
【実施例１】  Ｐ型（１００）単結晶シリコン基板（８０−１２０Ωｃｍ）（αＳＣＳ＝２８６×１０６）の裏面に陽極酸化処理時のコンタクト電極として、Ａｌを真空蒸着で３００ｎｍ成膜した。その後、この基板を、ＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１の溶液中で白金を対極として電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２で８分間陽極酸化処理を行い、厚み約５０μｍのポーラスシリコン層（αＩＣＩ＝０．０６×１０６）を形成した。最後に、ポーラスシリコン層上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
【実施例２】  純銅製の基板（厚み１ｍｍ）（αＳＣＳ＝１３９３×１０６）の上面にポリイミドを厚み５０μｍでコーティングした層（αＩＣＩ＝０．２６×１０６）を形成した。最後に、ポリイミド上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
【実施例３】  純銅製の基板（厚み１ｍｍ）（αＳＣＳ＝１３９３×１０６）の上面にスパッタ法によって厚み２μｍのＳｉＯ２層を（αＩＣＩ＝３．２×１０６）を形成した。最後に、ＳｉＯ２上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
（比較例１）
Ｐ型（１００）単結晶シリコン基板（８０−１２０Ωｍ）（αＳＣＳ＝２８６×１０６）の上面にスパッタ法によって厚み２μｍのＡｌ２Ｏ３膜（αＩＣＩ＝９３×１０６）を形成した。最後に、Ａｌ２Ｏ３膜上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
（比較例２）
厚み１．１ｍｍのソーダガラス（αＳＣＳ＝３．２×１０６）の上面にポリスチレンフォームを厚み１００μｍでコーティングした層（αＩＣＩ＝０．００１８×１０６）を形成した。最後に、ポリスチレンフォーム上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
以上の実施例１〜３並びに比較例１〜２の各々において得られた素子の発熱体薄膜に５０ｋＨｚ、１Ｗ／ｃｍ２の電力を供給し、出力音圧を素子から１０ｍｍの距離でマイクで測定した。
その結果を表２に示す。
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実施例１〜３及び比較例１、２の各素子からは、１００ｋＨｚの超音波が発生した。表２より、１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳかつαＳＣＳ≧１００×１０６の組み合わせの時に音圧が大きくなることがわかる。
【実施例４】  厚さ１ｍｍの純鋼製の基板表面にプラズマＣＶＤ法で多結晶ポリシリコンを３μｍの厚さで成膜した。
その後、この基板を、ＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１の溶液中で白金を対極として電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で３分間陽極酸化処理を行い、ポーラスシリコン層を形成した。最後に、ポーラスシリコン層上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。得られた素子のポーラスシリコン層を観察したところ、シリコングレインの柱状構造が観察された。さらに、得られた素子の発熱体薄膜に５０ｋＨｚ、５０Ｗ／ｃｍ２の電力を供給し、出力音圧を素子から１０ｍｍの距離でマイクで測定した。その結果１００ｋＨｚの超音波の発生が確認され、音圧出力は、５．８Ｐａであった。そのときの素子表面の定常温度は、約５０℃であった。
（比較例３）
Ｐ型（１００）単結晶シリコン基板（３−２０Ωｃｍ）の裏面に陽極酸化処理時のコンタクト電極として、Ａｌを真空蒸着で３００ｎｍ成膜した。その後、この基板を、ＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１の溶液中で、白金を対極として電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で３分間陽極酸化処理を行い、厚み約３μｍのポーラスシリコン層を形成した。最後に、ポーラスシリコン層上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。得られた素子のポーラスシリコン層を観察したところ、特にシリコングレインの柱状構造は観察されなかった。さらに、得られた素子の発熱体薄膜に５０ｋＨｚ、５０Ｗ／ｃｍ２の電力を供給し、出力音圧を素子から１０ｍｍの距離でマイクで測定した。その結果１００ｋＨｚの超音波の発生が確認され、音圧出力は、３．５Ｐａであった。そのときの素子表面の定常温度は、約８０℃であった。
以上のことからも、この出願の発明の熱励起音波発生装置では、熱絶縁層として多結晶シリコンをポーラス化させて形成したポーラスシリコン層を用いることで、その部分が効率良く、直流成分の熱を基板側へ逃がすために、高出力時でも、効率良く音波を発生することが可能になることが確認された。
【実施例５】  Ｐ型（１００）単結晶シリコン基板（３−２０Ωｃｍ）の裏面に陽極酸化処理時のコンタクト電極として、Ａｌを真空蒸着で３００ｎｍ成膜した。その後、この基板を、ＨＦ（５５％）：ＥｔＯＨ＝１：１の溶液中で、白金を対極として電流密度２０ｍＡ／ｃｍ２で４０分間陽極酸化処理を行い、厚み約５０μｍのポーラスシリコン層を形成した。その後、酸素雰囲気中で９００℃、１０分間熱酸化処理を行い、ナノシリコン結晶表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜を形成した。最後にポーラスシリコン層上に、発熱体薄膜としてＷをスパッタ法で５０ｎｍの厚みで形成して、５ｍｍ□の面積の素子を作製した。
【実施例６】  実施例５において、熱処理として窒素雰囲気中で処理を行い、Ｓｉ２Ｎ４からなる絶縁膜を形成したこと以外同様にして素子を作製した。
【実施例７】  実施例５において、電気化学的酸化処理を行い、ＳｉＯ２からなる絶縁膜を形成したこと以外同様にして素子を作製した。具体的には１Ｍ硫酸水溶液中で、白金電極を対極として、電流密度５ｍＡ／ｃｍ２で、１０分間処理を行った。
（比較例４）
実施例５において、熱酸化処理を行わなかったこと以外同様にして素子を作製した。
以上の実施例５〜７、比較例４の各々について、ポーラスシリコン層の熱伝導率αおよび熱容量Ｃを光音響法によって測定した。また、得られた素子の発熱体薄膜に５０ｋＨｚ、１Ｗ／ｃｍ２の電力を供給し、出力音圧を素子から１０ｍｍの距離でマイクで測定した。
結果を表３に示した。
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各素子からは、１００ｋＨｚの超音波が発生した。表３より、絶縁層を形成することで、熱容量Ｃは若干増加するものの、熱伝導率が減少し、結果としてαＣの値は小さくなる。そのため、発生する出力音圧が大きくなった。
以上のことから、この出願の発明の熱励起音波発生装置では、熱伝導性の基板と、基板上の一方の面に形成されたポーラスシリコン層からなる断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを有する熱励起音波発生装置においてポーラスシリコン層のシリコン結晶の表面に絶縁膜を形成することで、断熱層としての熱伝導率αを低下することができ、発生音圧を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】  以上詳しく説明したとおり、この出願の発明の熱励起音波発生装置では、熱伝導性の基板と、基板上の一方の面に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを備え、熱伝導性の基板の熱伝導率αＳ、熱容量をＣＳとし、また、断熱層の熱伝導率αＩ、熱容量をＣＩとしたときに、
１／１００≧αＩＣＩ／αＳＣＳ、かつαＳＣＳ≧１００×１０６
の関係が成り立つように熱伝導性の基板と断熱層の材質を選択することで、出力音圧特性を大きく向上させることができる。
また、この出願の発明の熱励起音波発生装置では、熱絶縁層として多結晶シリコンをポーラス化させて形成したポーラスシリコン層を用いることで、柱状構造のシリコングレインが効率良く、直流成分の熱を基板側へ逃がすために、高出力時でも効率良く音波を発生することが可能となる。
そして、この出願の発明の熱励起音波発生装置では、熱伝導性の基板と、基板の一方の面に形成されたポーラスシリコン層からなる断熱層と、断熱層上に形成され、電気的に駆動される金属膜からなる発熱体薄膜とを有する熱励起音波発生装置においてポーラスシリコン層のナノシリコン結晶の表面に絶縁膜を形成することで、断熱層としての熱伝導率αを低下することができ、発生音圧を大きくすることができる。
【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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【国際調査報告】
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