(57)【要約】【課題】音波発生装置において、発熱体膜の酸化を抑制して信頼性を向上させつつ、温度変化に対する発熱体膜の抵抗値を安定させる。【解決手段】音波発生装置１は、熱伝導性の基板１０と、基板１０の一方の主面に形成された断熱層１１と、断熱層１１上に形成され、交流成分を含む電流が流されて電気的に駆動される導電性膜からなる発熱体膜１２と、を有している。発熱体膜１２は金属ケイ化物、例えばタングステンシリサイドからなる。発熱体膜１２は、タングステンとケイ素との混合物又はタングステンシリサイドをスパッタリングすることにより成膜され、タングステン原子がケイ素原子を介して互いに結合された結晶構造を有している。発熱体膜１２の膜厚は３００ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波発生装置であって、
熱伝導性の基板と、
前記基板の一方の主面に形成された断熱層と、
前記断熱層上に形成され、交流成分を含む電流が流されて電気的に駆動される導電性膜からなる発熱体膜と、を有し、
前記発熱体膜は金属ケイ化物からなることを特徴とする、音波発生装置。
【請求項２】
前記発熱体膜はタングステンシリサイドからなることを特徴とする、請求項１に記載の音波発生装置。
【請求項３】
前記発熱体膜は、タングステンとケイ素との混合物又はタングステンシリサイドをスパッタリングすることにより成膜され、タングステン原子がケイ素原子を介して互いに結合された結晶構造を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の音波発生装置。
【請求項４】
前記断熱層はナノクリスタルシリコンからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の音波発生装置。
【請求項５】
前記発熱体膜の膜厚は３００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の音波発生装置。
【請求項６】
音波発生装置の製造方法であって、
熱伝導性の基板の一方の主面に断熱層を形成する断熱層形成工程と、
前記断熱層上において、タングステンとケイ素との混合物又はタングステンシリサイドをスパッタリングして、タングステンシリサイドからなる発熱体膜を形成する発熱体膜形成工程と、を有することを特徴とする、音波発生装置の製造方法。
【請求項７】
前記断熱層形成工程において、前記基板の一方の主面を陽極酸化することにより、ナノクリスタルシリコンからなる前記断熱層を形成することを特徴とする、請求項６に記載の音波発生装置の製造方法。
【請求項８】
前記発熱体膜形成工程において、前記発熱体膜はその膜厚が３００ｎｍ以下になるように形成されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の音波発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気に熱を付与することで当該空気に疎密波を形成して、音波を発生する音波発生装置、及び当該音波発生装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、音波を発生する音波発生装置として、例えば機械振動を空気の振動へと変換する装置が用いられている。しかしながら、かかる機械振動を用いる音波発生装置は、固有の共振周波数を有するために周波数帯域が狭い、周囲の環境条件に影響を受けやすい、微細化やアレイ化が困難である等の問題を有していた。
【０００３】
そこで、機械振動を全く行わない新しい発生原理の音波発生装置（音波発生素子）が提案されている（特許文献１）。この音波発生装置は、基板と、基板上の一方の面に形成された断熱層と、断熱層上に設けられた電気的に駆動される発熱体薄膜から構成されている。この熱伝導率の小さい多孔質層や高分子層などの断熱層により発熱体薄膜を基板から熱的に絶縁することによって、発熱体薄膜表面の空気層の温度変化が大きくなるようにしている。そして、発熱体薄膜に交流電流を流して、当該発熱体薄膜に発生する熱が上記空気層に疎密波を形成し、音波を発生させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３９５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載された音波発生装置では、発熱体薄膜には、金属薄膜、例えばタングステンやアルミニウムが用いられている。
【０００６】
本発明者らが評価した結果、このようなタングステンやアルミニウムのみで構成される発熱体薄膜は、使用されるに従ってその表面の酸化が進行し、抵抗値が上昇することが分かった。抵抗値が上昇していけば発熱体薄膜の断線を引き起こし易くなり、音波発生装置の信頼性低下につながる。ここで、このような断線を防ぐために発熱体薄膜の断面積を大きくすることも可能である。しかしながら、音波発生装置は空気に熱を伝えることでその機能を発揮するので、発熱体薄膜自体の熱容量が小さい方が、空気により効率よく熱を伝えることができる。したがって、熱容量を小さく保ちつつ、信頼性の高い発熱体薄膜が要求されることが分かった。
【０００７】
さらに、本発明者らが評価した結果、タングステンやアルミニウムのみで構成される発熱体薄膜は、温度変化に追従して抵抗値も大きく変化することが分かった。抵抗値が不安定だと所望の音圧を出すための制御が困難になる。したがって、温度変化に対して安定した抵抗値を示す発熱体薄膜が求められる。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、音波発生装置において、発熱体膜の酸化を抑制して信頼性を向上させつつ、温度変化に対する発熱体膜の抵抗値を安定させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、音波発生装置であって、熱伝導性の基板と、前記基板の一方の主面に形成された断熱層と、前記断熱層上に形成され、交流成分を含む電流が流されて電気的に駆動される導電性膜からなる発熱体膜と、を有し、前記発熱体膜は金属ケイ化物からなることを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、発熱体膜に金属ケイ化物を用いているので、当該発熱体膜の酸化を抑制することができる。このため、発熱体膜の断線を抑制することができ、音波発生装置の信頼性を向上させることができる。また、発熱体膜の断線を抑制することができるので、発熱体膜を薄膜化することができる。このため、発熱体膜の熱容量を小さく保つことができ、発熱体膜表面の空気に効率よく熱を伝えることができる。そうすると、音波発生装置で発生する音波の音圧を向上させることができる。さらに、本発明者らが鋭意検討したところ、発熱体膜に金属ケイ化物を用いると、当該発熱体膜の抵抗温度係数を小さくできることが分かった。すなわち、温度変化に対する発熱体膜の抵抗値が安定することが分かった。この発熱体膜の抵抗温度係数を小さくできることについては、後述の発明を実施するための形態において詳しく説明するが、例えば抵抗温度係数を０．００４２％／Ｋまで小さくすることができる。そして、このように発熱体膜の抵抗値を安定させることができるので、音波発生装置で発生する音波の音圧を安定させることができる。
【００１１】
前記発熱体膜はタングステンシリサイドからなっていてもよい。
【００１２】
前記発熱体膜は、タングステンとケイ素との混合物又はタングステンシリサイドをスパッタリングすることにより成膜され、タングステン原子がケイ素原子を介して互いに結合された結晶構造を有していてもよい。
【００１３】
前記断熱層はナノクリスタルシリコンからなっていてもよい。
【００１４】
前記発熱体膜の膜厚は３００ｎｍ以下であってもよい。
【００１５】
別な観点による本発明は、音波発生装置の製造方法であって、熱伝導性の基板の一方の主面に断熱層を形成する断熱層形成工程と、前記断熱層上において、タングステンとケイ素との混合物又はタングステンシリサイドをスパッタリングして、タングステンシリサイドからなる発熱体膜を形成する発熱体膜形成工程と、を有することを特徴としている。
【００１６】
前記断熱層形成工程において、前記基板の一方の主面を陽極酸化することにより、ナノクリスタルシリコンからなる前記断熱層を形成してもよい。
【００１７】
前記発熱体膜形成工程において、前記発熱体膜はその膜厚が３００ｎｍ以下になるように形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、音波発生装置において、発熱体膜の酸化を抑制して信頼性を向上させることができる。また、発熱体膜を薄膜化し熱容量を小さくして、音圧を向上させることができる。さらに、温度変化に対する発熱体膜の抵抗値を安定させることができ、音圧を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態にかかる音波発生装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【図２】タングステンシリサイドからなる発熱体膜中の酸化タングステンの濃度を示したグラフである。
【図３】タングステンからなる発熱体膜中の酸化タングステンの濃度を示したグラフである。
【図４】発熱体膜の表面温度と発熱体膜の抵抗値との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる音波装置１の構成の概略を示す縦断面図である。なお、以下の説明で用いる本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面において、各構成要素の寸法は、技術の理解の容易さを優先させるため、必ずしも実際の寸法に対応していない。
【００２１】
音波発生装置１は、基板１０と、基板１０の一方の主面に形成された断熱層１１と、断熱層１１上に形成され、交流成分を含む電流が流されて電気的に駆動させる発熱体膜１２とを有している。
【００２２】
基板１０は、熱伝導性を有している。基板１０の材料には、例えばシリコン（単結晶シリコン）が用いられる。
【００２３】
断熱層１１の材料には、例えばナノクリスタルシリコンが用いられる。ナノクリスタルシリコンの断熱層１１は、多孔質であり且つナノオーダのシリコンの量子効果（フォノン閉じ込め効果）により、例えば単結晶シリコンに比べて、熱伝導率と熱容量を共に非常に小さくできる。また、断熱層１１は少なくとも発熱体膜１２より大きく形成されており、当該断熱層１１上に発熱体膜１２を形成できる。そして、この断熱層１１によって発熱体膜１２は基板１０から熱的に絶縁される。
【００２４】
なお、断熱層１１は、例えばシリコンからなる基板１０の一方の主面を陽極酸化することによって形成される。
【００２５】
発熱体膜１２は、導電性を有している。発熱体膜１２の材料には、金属ケイ化物、本実施の形態ではタングステンシリサイド（ＷＳｉ２）が用いられる。
【００２６】
発熱体膜１２は、例えばスパッタリングによって形成される。具体的には、例えばタングステン（Ｗ）とケイ素（Ｓｉ）の原子数比が１：２になるように、２ケイ化タングステンとケイ素の混合物を形成する。そして、一般的なマグネトロンスパッタ装置において、上記タングステンとケイ素の混合物をスパッタターゲットとして用い、断熱層１１上にタングステンシリサイドを堆積させて発熱体膜１２を形成する。このようにスパッタリングによってタングステンシリサイドの発熱体膜１２を形成することにより、当該発熱体膜１２は、タングステン原子がケイ素原子を介して互いに結合された結晶構造を有する。
【００２７】
また、発熱体膜１２は、スパッタリングによってその膜厚が３００ｎｍ以下になるように形成される。
【００２８】
本実施の形態にかかる音波発生装置１は以上のように構成されている。この音波発生装置１において音波を発生させる際には、発熱体膜１２に交流成分を含む電流を流す。この交流電流によって発熱体膜１２に熱が発生する。発熱体膜１２は断熱層１１によって基板１０から熱的に絶縁されているため、発熱体膜１２で発生した熱によって、当該発熱体膜１２の表層、すなわち発熱体膜１２における断熱層１１と反対側の表層における空気の温度が大きく変化する。そして、この発熱体膜１２に発生する熱が上記空気に疎密波を形成し、図１の矢印に示す方向に音波が発生する。
【００２９】
以上の実施の形態によれば、発熱体膜１２に金属ケイ化物であるタングステンシリサイドを用いているので、当該発熱体膜１２の酸化を抑制することができる。そうすると、発熱体膜１２における導体としての断面積を大きく維持することができるので、発熱体膜１２の抵抗値を小さい値に維持でき、発熱体膜１２の断線を抑制することができる。したがって、音波発生装置１の信頼性を向上させることができる。また、発熱体膜１２の酸化を抑制することで、当該発熱体膜１２の長寿命化を図ることもできる。
【００３０】
ここで、タングステンシリサイドからなる発熱体膜１２の酸化を抑制できることについて、本発明者らによる測定結果を用いて詳しく説明する。
【００３１】
本実施の形態として発熱体膜１２にタングステンシリサイドを用いた場合において、発熱体膜１２に対する交流電流の通電前と通電後において、当該発熱体膜１２中の酸化タングステン（ＷＯ３）の濃度を測定した。発熱体膜１２における通電前とは、音波発生装置１の使用前であって、断熱層１１上に発熱体膜１２を形成した直後の状態である。また、発熱体膜１２における通電後とは、音波発生装置１の使用後であって、周波数が５０ｋｈｚ、ｄｕｔｙ比が５０％、実効値（Ｖｒｍｓ）が６５Ｖの交流電流を発熱体膜１２に流し、７時間を経過した後の状態である。そして、これら通電前と通電後の発熱体膜１２を、飛行時間二次イオン質量分析計（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いてデスプロファイル分析を行った。その測定結果を図２に示す。図２の横軸は発熱体膜１２の表面からの深さを示し、縦軸は発熱体膜１２中の酸化タングステンの濃度を示している。
【００３２】
一方、比較例として発熱体膜にタングステンを用いた場合において、発熱体膜に対する交流電流の通電前と通電後において、当該発熱体膜中の酸化タングステン（ＷＯ３）の濃度を測定した。発熱体膜における通電前とは、音波発生装置の使用前であって、断熱層上に発熱体膜を形成した直後の状態である。また、発熱体膜における通電後とは、音波発生装置の使用後であって、周波数が５０ｋｈｚ、ｄｕｔｙ比が５０％、実効値が１４Ｖの交流電流を発熱体膜に流し、当該発熱体膜が断線した状態である。そして、これら通電前と通電後の発熱体膜を、飛行時間二次イオン質量分析計を用いてデスプロファイル分析を行った。その測定結果を図３に示す。図３の横軸は発熱体膜の表面からの深さを示し、縦軸は発熱体膜中の酸化タングステンの濃度を示している。
【００３３】
図２を参照すると、通電前の発熱体膜１２と通電後の発熱体膜１２において、酸化タングステンの濃度はほとんど変化がないことが分かる。したがって、発熱体膜１２にタングステンシリサイドを用いた場合、当該発熱体膜１２は通電されても経時的に酸化し難いことが分かった。これに対して、図３を参照すると、通電前の発熱体膜に比べて通電後の発熱体膜では、その表面における酸化タングステンの濃度が上昇していることが分かる。すなわち、発熱体膜の表層は酸化されている。したがって、発熱体膜にタングステンを用いた場合、当該発熱体膜は通電されると酸化し易いことが分かった。以上より、発熱体膜１２の酸化を抑制するためには、タングステンシリサイド、すなわち金属ケイ化物を発熱体膜１２に用いるのが有用である。
【００３４】
また、上記実施の形態によれば、発熱体膜１２の酸化を抑制して発熱体膜１２の断線を抑制することができるので、発熱体膜１２を薄膜化、すなわち発熱体膜１２の膜厚を３００ｎｍ以下にすることができる。このため、発熱体膜１２の熱容量を小さく保つことができ、発熱体膜１２の表面の空気に効率よく熱を伝えることができる。そうすると、音波発生装置１で発生する音波の音圧を向上させることができる。また、音波発生装置１で発生する音波のパワー効率（同じ電力に対する音圧）も向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明者らが鋭意検討した結果、発熱体膜１２の膜厚を３００ｎｍ以下にすると、発熱体膜１２の熱容量を十分に小さく保つことができ、音波発生装置１で発生する音波の音圧を十分に向上させ、且つ音波のパワー効率も十分に向上させることができることが分かった。すなわち、発熱体膜１２の膜厚が３００ｎｍ以下であれば、音波発生装置１で発生する音波を所望の音波にできることが分かった。さらに、本発明者らが調べたところ、発熱体膜１２の膜厚は１０ｎｍまで薄くできることが分かった。したがって、発熱体膜１２の膜厚が１０ｎｍであっても、当該発熱体膜１２の酸化を抑制して発熱体膜１２の断線を抑制できることが分かった。
【００３６】
また、上記実施の形態において、本発明者らが鋭意検討したところ、発熱体膜１２に金属ケイ化物であるタングステンシリサイドを用いると、当該発熱体膜１２の抵抗温度係数を小さくできることが分かった。すなわち、温度変化に対する発熱体膜１２の抵抗値が安定することが分かった。そして、このように発熱体膜１２の抵抗値を安定させることができるので、音波発生装置１で発生する音波の音圧を安定させることができる。すなわち、音波発生装置１で発生する音の再現性を安定させることができる。
【００３７】
ここで、発熱体膜１２の抵抗温度係数を小さくできることについて、本発明者らによる測定結果を用いて詳しく説明する。
【００３８】
本発明者らは、本実施の形態として発熱体膜１２にタングステンシリサイドを用いた場合において、発熱体膜１２の抵抗温度係数を測定した。その結果を図４に示す。図４の横軸は発熱体膜１２の表面温度を示し、縦軸は発熱体膜１２の抵抗値を示している。そして、この測定の結果、発熱体膜１２の抵抗温度係数は０．００４２％／Ｋになることが分かった。これに対して、タングステンのバルク値は０．５３％／Ｋであり、アルミニウムのバルク値は０．４２％／Ｋである。したがって、発熱体膜１２にタングステンシリサイド、すなわち金属ケイ化物を用いた場合、抵抗温度係数を極めて小さくできることが分かった。
【００３９】
また、上記実施の形態によれば、発熱体膜１２をスパッタリングによって形成しているので、当該発熱体膜１２を適切な結晶構造を有する膜にすることができる。ここで、タングステンシリサイドの膜を成膜するためには、例えばシリコン上にタングステンを付着させて加熱する、いわゆるシリサイド化を行うことも考えられる。しかしながら、かかるシリサイド化を行う場合、適切に温度調節することが非常に困難であり、その結果、アモルファス等の膜が形成され、適切な結晶構造を有する膜を形成することができない。したがって、スパッタリングを用いることは、発熱体膜１２を適切に結晶化させるのに非常に有用である。
【００４０】
しかも、発熱体膜１２をスパッタリングによって形成する場合、スパッタターゲット中のタングステンとケイ素の原子数比を変更することによって、発熱体膜１２中のタングステンとケイ素の原子数比を任意に設定することができる。このように原子数比を変更することで、発熱体膜１２の抵抗温度係数を所望の値に調節することができる。
【００４１】
なお、以上の実施の形態では、発熱体膜１２を形成する際、タングステンとケイ素との混合物をスパッタリングしていたが、タングステンシリサイドをスパッタリングしてもよい。すなわち、タングステンシリサイドをスパッタターゲットとして用いてもよい。かかる場合でも、発熱体膜１２を適切に結晶化させることができる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、空気に熱を付与することで当該空気に疎密波を形成して、音波を発生する音波発生装置、及び当該音波発生装置の製造方法に有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１    音波発生装置
１０  基板
１１  断熱層
１２  発熱体膜
【図１】
2013126241.tif 000003
【図２】
2013126241.tif 000004
【図３】
2013126241.tif 000005
【図４】
2013126241.tif 000006