压力波发生装置及其制造方法

专利名称：压力波发生装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种压力波发生装置及其制造方法，该压力波发生装置优选 地应用于例如扬声器和超声波传感器。
背景技术：
在过去，广泛地公知一种利用由压电效应产生的机械振动的超声波发生 装置。作为这种超声波发生装置，例如具有以下结构在由诸如钛酸钡之类 的压电材料制成的晶体的两个表面上形成电极。通过在电极之间加载电能获 得的机械振动在周围介质(例如空气)中产生超声波。然而，由于上述超声 波发生装置具有特有的共振频率，因此存在频带变窄、且易受外部振动或外 部气压波动影响的问题。另一方面，近年来有一种压力波发生装置颇引人注目，这种压力波发生 装置能够在不利用机械振动的情况下在介质中产生诸如超声波之类的压力波。例如在日本公开专利公报第11-300274号中公开的压力波发生装置配置有单晶硅，其被用作基板；多孔硅层，其在该基板上形成以作为热绝缘层； 铝膜，其在该热绝缘层上形成以作为热产生层；以及一对焊盘，其电连接到该热产生层。在这种压力波发生装置中，当电能经由所述焊盘加载至该热产 生层时，响应于驱动输入波形(即，驱动电压波形或驱动电流波形)，在热 产生层中发生温度变化。热产生层的这种温度变化通过热产生层与该装置附近的介质(例如空气)之间的热交换而导致介质以热诱导(thermally induced)方式膨胀和收縮。由此，在介质中产生压力波。然而，当在空气中使用这种热诱导类型的压力波发生装置时，已知存在 着效率随着时间的流逝而降低的现象，该效率被定义为产生的压縮波的声压 相对于输入电力的比率。也就是说，当多孔硅层由于受空气中的氧气和水分 的影响而发生氧化时，该多孔硅层的热绝缘性能下降，因而上述效率降低。在这一点上，当假定驱动上述压力波发生装置的条件(即，加载至热产生层的输入电力)是不变的，则由于热绝缘层的导热率随着时间的流逝而增 大，或者由于热绝缘层的每单位体积热容量随着时间的流逝而增大，因而产 生的压縮波的声压降低。因此，当压力波发生装置被用作反射型超声波传感 器的波发送装置时，最大可测量距离减小(即，检测区域变窄)。由此，存 在着不能检测到目标的可能。另外，当这种压力波发生装置被用作扬声器时， 存在着声压下降的问题。上述多孔硅层随着时间的流逝而改变是与形成多孔 硅层的条件无关的现象。另外，由于作为电阻性元件的热产生层形成在该多孔硅层上，因此当压 力波发生装置长时间使用时，该热产生层部分地与多孔硅层起反应，因此可 能有泄漏电流局部地流经阻抗下降的部分。此外，当经由硅基板形成导电通 路时，会局部流过具有非常大的电流密度的电流。在增大加载到压力波发生 装置上的输入电流以得到大的声压的情况下，容易产生这种现象。结果，压 力波发生装置可能因热产生层烧坏而产生故障。以上说明了由多孔硅制成的热绝缘层的特性由于与空气中的氧气起反应而降低的情况。另一方面，即使当热绝缘层由诸如多孔硅石(porous silica)和多孔铝等非活性材料制成时，热绝缘层仍可能因吸附或粘附空气中的水分 和其它杂质而导致其导热性或每单位体积热容量随着时间的流逝而改变。因此，从解决由周围介质的成分(主要是空气)扩散到热绝缘层中而导 致的各种类型的问题的立场出发，传统的压力波发生装置仍具有很大的改进空间。发明内容因此，考虑到上述问题，本发明主要提供一种压力波发生装置，其能够 防止由热绝缘层长时间改变引起输出下降。也就是说，本发明的压力波发生装置包括基板；热产生层；以及热绝 缘层，该热绝缘层形成在该基板和该热产生层之间。该压力波发生装置配置 为，通过该热产生层在通电时产生的温度变化在周围介质中产生压力波。该 热绝缘层包括多孔层；以及阻挡层，该阻挡层设置在多孔层和热产生层之 间，用于防止介质的成分扩散到多孔层中。根据本发明，由于热绝缘层具有形成在该多孔层的、面对热产生层的一侧上的阻挡层，因此能够防止由于诸如周围介质(例如空气)中的氧气和水 分之类的反应性物质和杂质扩散到该多孔层内、吸入或粘着至该多孔层、或 与该多孔层起反应而引起的热性能的下降。因此可抑制由于该热绝缘层长时 间改变所引起的输出下降。在上述压力波发生装置中，优选为通过膨胀该多孔层的一部分的体积而 形成阻挡层，并且该阻挡层的结构为孔隙率和平均孔径的至少其一比该多孔 层结构的小。在这种情况下，由于该阻挡层的存在，空气中的氧气和水分难以扩散到 多孔层内。因此能够防止由于吸附或粘着氧气和水分以及多孔层的热性能变 化导致导热率或单位体积热容量增大。另外，由于阻挡层与多孔层一体形成，因此能够在两者之间获得良好的界面结构(interface structure)。当阻挡层的 孔隙率较低(即，孔的数目少、或孔径小、或两者均较小)时，能够提高该 阻挡层的机械强度，并具有防止该多孔层的构架损坏的效果。特别地，当多 孔层由机械强度小于单晶硅的机械强度的多孔硅形成时，通过该阻挡层有效 地加强了该多孔硅层。即使当该阻挡层的多孔性基本上与该多孔层的多孔性 相同时，在阻挡层的平均孔径小于多孔层的平均孔径的条件下尽管孔的数目 增大，仍可期望得到同样的效果。当通过使多孔层的一部分的体积膨胀而形成的阻挡层具有多孔结构时， 该阻挡层的结构为多孔层的至少一部分孔与该阻挡层的孔连通。另一方面， 当该阻挡层具有大致上无空隙的致密结构时，其起到密封多孔层的孔的孔密 封层的作用。在本发明中，优选地，多孔层由硅制成，并且该阻挡层包括硅化合物。 在这种情况下，在形成多孔硅层之后，可通过利用氧气或水分使该多孔硅层 的表面层部分氧化、通过与含碳物质起反应使该表面层部分碳化、或通过与 含氮物质起反应使该表面层部分氮化而形成阻挡层。另外，由于在这种情况 下该阻挡层由诸如氧化硅、碳化硅和氮化硅之类的具有化学稳定性的硅化合 物形成，因此具有能够长时间稳定地保持该阻挡层的优点。另外，从防止降低效率(P/Q)的立场出发，所述效率定义为产生的声 压"P"相对于输入电力"Q"的比率，该阻挡层的厚度优选为小于等于由 (2cd/coCi) 1/2确定的热扩散长度(m)，其中"od"是阻挡层的导热率，"Ci"是阻挡层的单位体积热容量(J/ (m3《))，且当加载到热产生层上的驱动 输入波形为正弦波、并且热产生层的温度波动频率"f" (Hz)等于该正弦 波的频率的两倍时，热产生层的温度波动的角频率表示为"co二2兀f(rad/s)"。 在这种情况下，通过相对于由电输入在热产生层中产生的焦耳热来减少由阻 挡层消耗的热量，能够有效地利用位于阻挡层下方的多孔层的高热绝缘性 能。由此，可以将声波产生效率保持在高水平。另外，优选地，多孔层和阻挡层中的至少其一由电绝缘材料制成。在这 种情况下，由于即使在长时间使用之后热产生层和热绝缘层之间也不形成局 部漏电通路(local electrical leakage path)，因此能够提供具有高运行稳定性 的压力波发生装置，该压力波发生装置能够在增大声压的情况下稳定地产生 压力波。作为电绝缘材料，例如优选为使用诸如氧化硅、碳化硅和氮化硅之 类的硅化合物，特别是硅石(silica)，能够通过涂布或诸如CVD之类的气 相沉积方法一次性地形成在大面积的基板上。因此能够实现降低压力波发生 装置的成本。另外，还具有能够容易地实现大型的扬声器和通过相位控制具 有方向性的超声波发生装置的优点。另外，优选地，在多孔层中填充有惰性气体。作为选择，多孔层的内部 优选地保持在减压环境下。在这种情况下，还能够降低诸如空气中的氧气和 水分之类的反应性物质吸附或粘着至多孔层的可能性。本发明还提供一种压力波发生装置的制造方法，该方法包括形成适于实 现上述目的的阻挡层。也就是说，本发明的制造方法的特征在于包括以下步 骤在基板上形成多孔层；在该多孔层上形成阻挡层，用于防止介质的成分 扩散到该多孔层中；以及在该阻挡层上形成热产生层。形成多孔层的步骤的优选实施例包括下列子步骤对基板进行阳极氧化 处理，以在从基板的表面起的一定深度上形成第一多孔层；然后在不同的条 件下对基板进行阳极氧化处理，以在基板中与该第一多孔层相邻地形成第二 多孔层，该阳极氧化处理的条件被确定为使得该第一多孔层的多孔结构为， 所述第一多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一比该第二多孔层的小。在这 种情况下，能够通过仅改变阳极氧化处理的条件而形成孔隙率和平均孔径的 至少其一彼此不同的两种多孔层。另外，能够在多孔层之间获得良好质量的 界面。在这种情况下，第一多孔层为在随后的步骤中形成阻挡层提供了基础。在使用阳极氧化处理形成多孔层的情况下，阳极氧化处理的条件可被确 定为使得该多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一从该基板的表面沿深度 方向逐渐增大。在这种情况下，该多孔层的表面层部分为在随后的步骤中形 成阻挡层提供了基础。作为形成阻挡层的步骤，优选地通过膨胀具有优良的热绝缘性能并形成 在基板上的多孔层的一部分的体积而形成阻挡层。也就是说，通过物理方式 或化学方式改变该多孔层的一部分，使多孔层的构架的外观体积增大，从而 在该多孔层的表面层部分形成用于防止气体扩散到内部的结构。特别地，优 选在存在氧化物气体、碳化物气体和氮化物气体的至少其一的条件下加热该 多孔层的一部分。在这种情况下，由于通过氧化、碳化或氮化使该多孔层的 该部分的构架体积增大，因此能够得到具有化学稳定性的由氧化物、碳化物 和氮化物制成的阻挡层。可选地，可通过在电解质溶液中电化学氧化该多孔层的一部分而形成阻 挡层。特别地，当使用上述的阳极氧化处理形成多孔层时，可以通过在使用 相同的处理装置的情况下仅改变电解质溶液来形成阻挡层。由此能够实现制 造成本的降低。在根据本发明的另一个优选实施例的制造方法中，形成多孔层的步骤包 括下列子步骤在从基板的表面起的一定深度上形成第一多孔层；然后在基 板上与该第一多孔层相邻地形成第二多孔层，使得该第二多孔层的孔隙率和 平均孔径的至少其一比该第一多孔层的大。另一方面，形成阻挡层的步骤包 括减小孔隙率和平均孔径的至少其一的处理。在这种情况下，通过对第一多 孔层执行减小孔隙率和平均孔径的至少其一的处理而形成阻挡层，该第一多 孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一比该第二多孔层的小。因此，能够更有 效地防止空气中的氧气和水分扩散到该第二多孔层内。作为上述的处理，优 选为执行膨胀该第一多孔层的至少一部分的体积的处理。可通过利用激光加热熔化多孔层的一部分代替上述的体积膨胀处理，从 而形成阻挡层。利用加热熔化在多孔层的表面层部分形成致密结构以密封多 孔层的内部。另外，当在惰性气体环境下或在减压环境下进行激光加热处理 时，能够使多孔层的内部保持充满惰性气体的状态或减压的状态，从而将多 孔层的内部与空气中的氧气和水分隔开。


图1是根据本发明的优选实施例的压力波发生装置的示意性剖视图； 图2是示出阳极氧化处理的原理的示意图；图3中的(A)是在基板中形成的第一多孔层的示意性剖视图，并且图3中的(B)是示出该第一多孔层的结构的示意图；图4中的(A)是在基板中与第一多孔层相邻地形成的第二多孔层的示意性剖视图，并且图4中的(B)是示出该第二多孔层的结构的示意图； 图5是示出第一和第二多孔层的孔径和孔容积之间的关系图； 图6中的(A)是通过对第二多孔层执行体积膨胀处理而形成的阻挡层的示意性剖视图，并且图6中的(B)是示出该阻挡层的结构的示意图； 图7是示出第二多孔层和阻挡层的孔径和孔容积之间的关系图； 图8是示出形成热产生层和焊盘的步骤的示意性剖视图； 图9是示出具有阻挡层的压力波发生装置随着时间的流逝的输出稳定性图；图IO是示出在通过应用俄歇电子能谱法(Auger electron spectroscopy)进行评估测试之前，对本实施例的压力波发生装置的热绝缘层的分析结果图。图11是示出在通过应用俄歇电子能谱法进行评估测试之后，对本实施 例的压力波发生装置的热绝缘层的分析结果图；以及图12是示出在通过应用俄歇电子能谱法进行评估测试之后，对传统压 力波发生装置的热绝缘层的分析结果图。
具体实施方式
以下将参照附图根据优选实施例详细说明本发明的压力波发生装置及 其制造方法。如图1所示，本实施例的压力波发生装置具有基板l，其由单晶硅制 成；热产生层3，其由金属薄膜制成；热绝缘层2，其形成在基板l和热产 生层3之间；以及一对焊盘4，其形成在热产生层3的两个端部上。当热产 生层3经由一对焊盘4通电时引起热产生层3的温度变化，该温度变化对周围介质的空气形成热冲击(thermal shock)从而产生压力波。在本实施例中， 巾于将驱动电压波形或驱动电流波形加载到热产生层3上，因此响应于该驱 动输入波形，热产生层3中发生温度变化。热产生层3中的这种温度变化通 过热产生层3与发生装置附近的介质(例如空气)之间的热交换而导致介质 以热诱导方式膨胀和收縮。由此，在介质中产生压力波。在基板l的上表面 的、不具有热绝缘层2的区域上形成由氧化硅膜制成的绝缘膜(未示出)。基板1使用的材料并不局限于特定的某一种材料。当通过后述的阳极氧 化处理而在基板中一体地形成多孔层时，优选地，使用诸如Si， Ge， SiC， GaP， GaAs和InP之类的半导体材料。例如，当基板1由Si制成时，可以 使用单晶硅基板、多晶硅或非晶硅(amorphous silicon)基板作为基板l。另 夕卜，可使用p型或n型掺杂Si基板。对于晶体的表面定向(surface orientation) 不做限定。在本实施例中使用p型单晶硅基板作为基板1。热产生层3可使用高熔点金属材料，例如铱、钽、钼和钨。另外，当不 需要高声压时，可使用不会被氧化腐蚀的贵金属材料，例如铂、钯和金。在 本实施例中，热产生层3由既属于高熔点金属、又属于贵金属的铱制成。此 外，可以使用导电材料作为焊盘4的材料。在本发明中，焊盘4由铝制成。本实施例的热绝缘层2由多孔层20以及形成在多孔层20和热产生层3 之间的阻挡层25构成。形成阻挡层25用于防止空气中的反应性物质(reactive substance)(例如氧气和水分)扩散到多孔层20中，并优选地将外部空气 与多孔层20隔开。通过形成该阻挡层25，即使当压力波发生装置在具有氧 气和反应性物质的环境下长时间使用时，仍能够避免多孔层的热绝缘性下 降，从而提供了一种长时间表现出优良的输出稳定性的压力波发生装置。优选地，多孔层20由与基板1相同的材料制成，或由热绝缘性比基板1 更高的材料制成。另一方面，在能够防止水分和污染物扩散到多孔层20内 的前提下，阻挡层25的材料并不受限制。然而，如下文所述，优选为通过 使基板l的一部分多孔化而形成多孔层20，并且特别地，通过利用这样得到 的多孔层20的一部分来形成阻挡层25。作为实例，多孔层20可由通过使硅 基板l多孔化而得到的多孔硅形成，并且可以通过对该多孔硅层的一部分执 行后述的体积膨胀处理而形成阻挡层25。顺便说一下，为了实现本发明的目的，阻挡层25不必具有非常致密的结构。阻挡层25可以具有满足下列条件的多孔结构。即，当"Ps"是多孔层20的孔隙率，"Rs"是该多孔层20的平均孔径，"Pi"是阻挡层25的孔 隙率，以及"Ri"是阻挡层25的平均孔径时，优选为满足下列条件(1) 一 (3)中的任一个条件(1) Ps〉Pi，并且Rs二Ri(2) Ps=Pi，并且Rs〉Ri(3) Ps〉Pi，并且Rs〉Ri 满足了如上所述的这些条件中的任一个条件，即可得到能够防止反应性物质和污染物扩散到多孔层20内的阻挡层25。当满足条件Ps〉Pi + 10(X)时， 通过利用阻挡层25加强多孔层20，从而能够在整体上提高该热绝缘层2的 机械强度。另外，从更有效地防止气体扩散到多孔层20内的立场出发，优 选为满足条件Rs—0.5nm>Ri。理想地，优选为同时满足上述两个条件。另外，为了更有效地实现本发明的目的，阻挡层25的厚度优选地确定 为不超过由下列等式表示的热扩散长度"D" (m)。D= (2ai/①Ci) 1/2在这里，"D" (m)是阻挡层25的厚度，"od"是该阻挡层的导热率， "Ci"是该阻挡层的单位体积热容量(J/(m3'K))，且"(o" (二2兀f(rad/s)) 是在热产生层3中产生的温度波动的角频率。当加载到该热产生层3上的驱 动输入波形为正弦波时，在热产生层3中产生的理想温度波动的频率"f" (Hz)等于该正弦波的频率的两倍。例如，当期望产生频率为60kHz的压力波时，驱动输入波形的频率可设 定为30kHz。当阻挡层的"cd"大约为1.55 [W/(nvK)]，并且"Ci"大约为 1.01X10，J/(r^K)]时，根据上述等式，热扩散长度"D"(即适于热传递的 厚度)大约为D —2.85X10—6 [m]=2.85pm。因此当阻挡层25的厚度确定为 不超过2.85pm时，位于该阻挡层下方的多孔层表现出良好的热绝缘性能。另外，需要响应于电输入能量的变化而在形成于热绝缘层上的热产生层 中产生温度变化。也就是说，为了发射具有规定频率的声波，需要最小化该 热产生层的热容量，并提高热响应度。为此，该热产生层形成为具有极薄的 厚度，例如在10 200nm的范围内，优选为在20 100nm的范围内。由于 不能够预期这种薄的热产生层能提供屏蔽周围介质(例如空气)的效果，因此通过与热产生层独立地形成阻挡层来提高屏蔽效果。另外，当多孔层20和阻挡层25中的至少其一由电绝缘材料制成时，能 够降低透热率(heat penetration rate)，提高压力波产生效率，并且还能在热 产生层3通电时抑制泄漏电流在热绝缘层2中流动。因此，能够稳定地产生 具有大的声压的压力波。压力波的产生效率被定义为产生的压力波的声压相 对于输入电能的比率值。作为电绝缘材料的实例，这里说明了该多孔层20由多孔硅形成的情况。 从防止空气中的水分吸附到由多孔硅制成的多孔层20的孔中的立场出发， 该多孔层的平均孔径优选为小于等于5nm。由此，能够防止具有孔的热绝缘 层2的体积热容量增大以及压力波产生效率降低。另外，由于水分难以被吸 附到多孔层20的内部，因此能够防止泄漏电流经由吸附的水分流动，并且 即使在高湿度的环境下，也能够稳定地产生具有大的声压的压力波。以下将说明上述压力波发生装置的制造方法。该制造方法主要包括以下步骤在基板1上形成多孔层20;在多孔层20上形成阻挡层25;在阻挡层25上形成热产生层3;以及在热产生层3的两个端部形成一对焊盘4。优选地，通过对p型单晶硅基板l的预定表面区域执行阳极氧化处理来 形成多孔层20。例如，如图2所示，通过将待处理的物体(即，硅基板l) 浸入装在处理容器10中的电解质溶液12 (例如50wt5^的氟化氢水溶液与酒 精以1.2: 1的混合比混合的溶液)内来进行阳极氧化处理。在处理容器10 内，在电解质溶液12中设置连接到电流源16的铂电极14，以面向硅基板l 的、将形成多孔层20的表面。铂电极14被用作阴极，且用于通电的电极被 用作阳极。通过从电流源16流入具有预定电流密度的电流而对硅基板1的 表面执行阳极氧化处理。另外，多孔层20优选地通过以下方式形成在从基板1的表面起的一 定深度上形成第一多孔层P1，然后在基板1上与该第一多孔层P1相邻地形 成第二多孔层P2，该第二多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一比该第一多 孔层的大。在这点上，如后文所述，利用第一多孔层Pl的至少一部分来形 成阻挡层25。尤其优选地，利用阳极氧化处理来形成第一和第二多孔层(Pl， P2)。也就是说，在通过在第一条件下执行阳极氧化处理而在从该基板的表 面起的一定深度上形成第一多孔层Pl之后，通过在不同于第一条件的第二条件下执行阳极氧化处理，在基板1中与该第一多孔层Pl相邻地形成第二 多孔层P2。该阳极氧化处理的第一和第二条件被确定为使得第一多孔层PI 具有这样的结构该第一多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一比该第二多 孔层P2小。以下将更具体地说明通过阳极氧化处理形成第一和第二多孔层(Pl ， P2)的情况。当通过使具有一电流密度(例如5mA/cm2)的电流流过预定时间而 对该基板1的表面执行第一阳极氧化处理时，在从该基板的表面起的必需的 深度上形成具有一孔隙率和一平均孔径的第一多孔层P1，如图3中的(A) 禾口 (B)中所示。然后，通过使电流密度(例如100mA/cm2)与第一阳极氧化处理的电流 密度不同的电流流过预定时间而对该基板1的表面执行第二阳极氧化处理， 从而在基板1中与该第一多孔层Pl相邻地形成第二多孔层P2，该第二多孔 层P2的孔隙率和平均孔径的至少其一比该第一多孔层Pl的大，如图4中的(A)禾B (B)所示。图3中的(B)和图4中的(B)示意性地示出了通过 第二阳极氧化处理形成的第二多孔层P2具有比第一多孔层Pl孔更多(porous)的结构。值得注意的是，第二阳极氧化处理过程在大体上不影响通过第一阳极氧 化处理形成的第一多孔层Pl的孔隙率和平均孔径的情况下进行，因而可直 接在第一多孔层P1的下方形成具有期望厚度的第二多孔层P2。这是因为阳 极氧化处理优先在与电解质溶液接触的基板1的未处理部分进行，而另一方 面难以在己通过阳极氧化处理形成的多孔结构上进行。在上述的处理条件 下，第一多孔层P1的厚度为O.l,，第二多孔层P2的厚度为1.6,。所用 的基板1的厚度为525pm。这些值仅是示例，并不以此限定本发明的范围。 另外，不特别限定电流密度和处理时间。例如，可将电流密度适当设置在l 500mA/cm2的范围内。图5示出了利用气体吸附法测量所获得的第一和第二多孔层(Pl， P2) 中的每一层的孔径分布的结果。第一多孔层Pl的峰值显示大量孔的孔径在 2.73nm左右。另一方面，第二多孔层P2的峰值显示大量孔的孔径在3.39nm 左右。因此，可以理解的是，第一多孔层P1的孔径小于第二多孔层P2的孔 径。此外，通过气体吸附法测量第一和第二多孔层(Pl， P2)中的每一层的孔隙率的结果为第一多孔层P1的孔隙率为64.5%，而第二多孔层P2的孔 隙率为75.8%。因此，第一多孔层P1的孔隙率同样小于第二多孔层P2的孔"因此，当第一多孔层P1形成为使其孔隙率和平均孔径的至少其一、并 且优选为两者均比第二多孔层P2的小时，可以通过随后的步骤形成适于实 现本发明目的的阻挡层。作为形成多孔层20的步骤的另一个优选实施例，阳极氧化处理的条件 可以是连续变化的，以使孔隙率和平均孔径的至少其一从基板表面沿深度方 向增加。在这种情况下，可使得到的多孔层20的表面层部分的孔隙率和平 均孔径的至少其一最小化。在随后的步骤中，在该表面层部分形成阻挡层25。 下面说明形成阻挡层25的步骤。阻挡层25能够通过减小多孔层的表面 层部分的孔隙率和平均孔径的至少其一、优选为减小孔隙率和平均孔径两者 的处理而形成。作为这种处理，优选地采用膨胀该多孔层20的表面层部分 的体积的处理。例如，在膨胀通过第一阳极氧化处理形成的第一多孔层Pl 的体积的情况下，可在有氧化气体存在的条件下对第一多孔层Pl执行加热 处理。如图6中的(A)和(B)所示，由多孔硅制成的第一多孔层P1的体 积通过氧化而膨胀，以便在第二多孔层P2上形成阻挡层25。图6中的(B) 示意性地示出了通过使图3中的(B)中示出的第一多孔层P1的体积膨胀而 减少孔的数量和孔的尺寸，从而变为阻挡层25。另外，图6中的(B)中示 出的剖面线区域27对应于体积膨胀部分。因此，通过第一多孔层P1的体积 膨胀获得的阻挡层25包含诸如氧化硅之类的硅化合物。通过考虑诸如待膨 胀体积的多孔层的材料和多孔层的厚度等参数，能够适当地确定加热处理条 件。例如，第一多孔层P1可通过在高湿度和温度环境下(温度120°C，湿 度85%)氧化而膨胀体积。可选择地，第一多孔层P1可在空气中以大约200 r的温度加热。作为上述体积膨胀处理中引人注目的要点，由于通过在存在反应性气体 的条件下加热来实现体积膨胀，因此从外部供给的绝大多数反应性气体(例 如氧化气体)在通过第一多孔层Pl进入第二多孔层P2之前已被消耗为用于 氧化第一多孔层P2。换句话说，根据这种体积膨胀，能够在大体上不改变第 二多孔层P2的孔隙率和平均孔径的情况下，通过优先地减小第一多孔层Pl的孔隙率和平均孔径的其中之一来形成阻挡层25。由于第一多孔层P1的孔 隙率和平均孔径变小，因此体积膨胀能够优先地在第一多孔层中进行。
图7示出了通过气体吸附法测得的、对第一多孔层Pl执行体积膨胀处
理之前和之后孔容积和孔径之间的关系。如上所述(图5)，在体积膨胀处 理之前，第一多孔层P1的大量孔的孔径在2.73nm左右。另一方面，在通过 体积膨胀处理形成的阻挡层25中，孔径在2.73nm左右的大多数孔消失。也 就是说，可理解的是，孔的容积显著降低，并且大多数初始形成的孔被密封。
形成本发明的阻挡层25的目的是防止压力波发生装置周围的介质(如 空气)中含有的反应性物质或污染物扩散到第二多孔层P2中，该第二多孔 层P2作为第二绝缘层2的多孔层20。从而不需要膨胀第一多孔层Pl的整个 体积。简言之，可通过仅膨胀该第一多孔层Pl的一部分(表面层部分)来 实现该目的。另外，体积膨胀处理并不局限于在存在氧化气体的条件下进行 加热的情况。也可以采用另一种伴有体积膨胀的反应。例如可以利用碳化或 氮化反应使多孔层Pl的至少一部分体积膨胀，该碳化或氮化反应可通过在 存在碳化气体或氮化气体的条件下进行加热来实现。在这种情况下，阻挡层 25包含具有化学稳定性的硅化合物，例如氮化硅或碳化硅。作为选择，可通 过在存在氧化气体、碳化气体和氮化气体中至少两种气体的条件下进行加热 来执行体积膨胀。在这种情况下，阻挡层25可包含碳化硅或氧化硅。
根据上述的体积膨胀处理，具有这样的优点在多孔层20的表面层部 分中或第一多孔层Pl的孔内不填充密封材料的情况下，易于形成相似的阻 挡层。另外，通过体积膨胀处理形成的阻挡层25与多孔层20的第二多孔层 P2—体形成。由此，与通过使用不同材料在多孔层20上形成阻挡层的情况 相比，能够在阻挡层25和多孔层20之间获得提高的界面强度(interface strength)。此外，机械强度低于单晶硅的机械强度的多孔层20的构架能够 利用通过体积膨胀形成的阻挡层25而得到加强。从而，还具有提高由多孔 层20和阻挡层25构成的热绝缘层2的机械强度的优点。
另外，在不损坏热产生层的前提下，可在热产生层形成之后利用穿过热 产生层的气体扩散来执行上述的膨胀第一多孔层Pl的体积的处理。
因此，通过上述的体积膨胀处理获得了许多优点。然而，本发明的体积 膨胀处理并不局限于在存在反应性气体的条件下进行加热的情况。例如，可使多孔层的一部分在用于氧化的电解质溶液中电化学氧化。在这种情况下， 例如可应用1M硫酸水溶液作为电解质溶液来替代用于形成多孔层20的电解
质溶液12。将具有多孔层的基板浸入内部盛有硫酸水溶液的处理容器10中。 基板被用作阳极，并且铂电极14被用作阴极。通过流过具有预定电流密度 (例如10mA/cm2)的电流，能够使多孔层的该部分电化学氧化。在这一点 上，可在阳极和阴极之间的电压增加量达到或超过对应于期望的阻挡层厚度 而确定的预定值(例如15V)时结束电化学氧化。用于形成阻挡层的电解质 溶液并不局限于上文所述。作为选择，可使用通过将诸如硝酸钾之类的氧化 剂溶解在诸如乙二醇之类的有机溶剂中所得到的溶液。
在形成多孔层的步骤中使用的相同的处理装置也被应用于在使多孔层 在电解质溶液中电化学氧化以形成阻挡层的步骤中。简言之，阻挡层的形成 可简单地通过更换电解质溶液来实现。因此，另一个优点是降低生产成本。
作为形成阻挡层25的步骤的另一个变型，阻挡层25可通过利用激光束 加热熔化多孔层20的至少表面层部分来形成。也就是说，可利用激光退火 形成阻挡层。在这种情况下，通过在惰性气体环境下或在真空中执行处理， 能够保持多孔层的孔内部处于充满惰性气体的状态或减压的状态。另外，由 于阻挡层具有致密结构，因此其可起到密封该多孔层的孔的孔密封层的作 用，并保护多孔层不被反应性物质或污染物侵入。
另外，作为形成阻挡层25的步骤的又一个变型，可通过将糊状密封剂 涂覆在多孔层20的表面层部分上，然后向涂覆的密封剂加压来形成阻挡层。
下面简要说明形成热产生层3和焊盘4的步骤。如图8所示，可通过使 用金属掩模利用溅镀或气相沉积法在阻挡层25的表面上形成热产生层3。另 一方面，与形成热绝缘层的情况一样，可通过使用金属掩模利用溅镀或气相 沉积法在热绝缘层3上的预定位置形成焊盘4。在本实施例中，热绝缘层3 由厚度为50nm的铱膜形成。焊盘4由厚度为0.5 pm的铝膜形成。这些数值 仅仅是示例，因此其不限制本发明的范围。
以下介绍为检查阻挡层的形成对压力波发生装置长时间的输出稳定性 的影响而执行的评估测试。在这一评估测试中使用本发明的压力波发生装 置(Dl)，其具有通过膨胀第一多孔层P1而形成的阻挡层25;以及作比较 的压力波发生装置(D2)，其具有仅由第二多孔层P2形成的热绝缘层。这些装置均暴露在温度为120°C、湿度为85%的环境下，然后在每一预定的测 试吋间段测量效率(=声压(Pa) /输入功率(W))。结果如图9所示。如从 该图中所了解的，随着测试时间的推进，作比较的压力波发生装置(D2)的 效率迅速下降。另一方面，在本发明的压力波发生装置(Dl)中，效率降低 量较小，且随着时间的流逝输出稳定性显著提高。在图9中，纵轴的"效率 变化"是通过数学公式[(W — cpl) Apl]X100算出的，其中，"cpl"是评 估测试之前的效率，而"cp2"是评估测试之后的效率。
另外，对于压力波发生装置(Dl)，应用俄歇电子能谱法测量在评估测 试之前和之后的硅(Si)和氧(0)在热绝缘层2的多孔层20的深度方向上 的分布。测量结果如图10和图11所示。类似地，对于压力波发生装置(D2)， 应用俄歇电子能谱法测量在评估测试之前和之后的硅(SO和氧(0)在热 绝缘层2的多孔层20的深度方向上的分布。测量结果如图12所示。从这些 结果中可获知，与不具有阻挡层的作比较的压力波发生装置(D2)相比，本 发明的具有阻挡层25的压力波发生装置(Dl)具有显著的阻止多孔层20的 氧化过程的能力。
在上述实施例中，说明了使用半导体材料作为基板材料的情况。作为选 择，可使用具有高导热率的金属基板。在这种情况下，在金属基板上形成诸 如多孔硅层之类的、比基板具有更高的热绝缘性能的多孔层作为电绝缘层和 热绝缘层，然后，在多孔层的表面层部分上形成阻挡层，以阻止水分和污染 物扩散。 工业适用性
因此，根据本发明，由于通过在多孔层的、面对热产生层的一侧上形成 阻挡层，从而能够阻止诸如空气中的氧气和水分之类的反应性物质以及杂质 扩散到多孔层中。由此，能够提供长时间具有优良的输出稳定性的压力波发 生装置。另外，根据本发明的制造方法，可通过膨胀多孔层的表面层部分的 体积来得到阻挡层的功能，并且与热绝缘层仅由多孔层形成的情况相比，该 方法能够提高热绝缘层的机械强度。
因此，通过解决了传统的用于在没有机械振动的情况下产生诸如超声波 之类的压力波的热诱导型压力波发生装置的问题，本发明具有较高的实用价 值。
权利要求
1.一种压力波发生装置，包括基板；热产生层；以及热绝缘层，所述热绝缘层形成在所述基板和所述热产生层之间，所述压力波发生装置配置为，通过所述热产生层在通电时产生的温度变化在周围介质中产生压力波，其中，所述热绝缘层包括多孔层；以及阻挡层，该阻挡层形成在所述多孔层和所述热产生层之间，用于防止所述介质的成分扩散到所述多孔层中。
2. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述阻挡层通过膨胀所 述多孔层的一部分的体积而形成，并且所述阻挡层的孔隙率和平均孔径的至 少其一比所述多孔层的小。
3. 如权利要求2所述的压力波发生装置，其中所述阻挡层具有多孔结 构，并且所述多孔层的至少一部分孔与所述阻挡层的孔连通。
4. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述多孔层由硅制成， 并且所述阻挡层包括硅化合物。
5. 如权利要求4所述的压力波发生装置，其中所述硅化合物为氧化硅、 碳化硅和氮化硅的至少其一。
6. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述多孔层中填充有惰 性气体。
7. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述多孔层的内部保持在减压环境下。
8. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述阻挡层的厚度小于 等于由(2d/o)Ci) 1/2确定的热扩散长度(m)，其中"od"是所述阻挡层的 导热率，"Ci"是所述阻挡层的单位体积热容量(J/ (m3《))，且当加载 到所述热产生层上的驱动输入波形为正弦波、并且所述热产生层的温度波动 频率"f" (Hz)等于所述正弦波的频率的两倍时，所述温度波动的角频率 表示为"Q)二27tf (rad/s)"。
9. 如权利要求1所述的压力波发生装置，其中所述多孔层和所述阻挡 层中的至少其一由电绝缘材料制成。
10. 如权利要求9所述的压力波发生装置，其中所述电绝缘材料包括硅。
11. 一种压力波发生装置的制造方法，所述压力波发生装置包括基板; 热产生层；以及热绝缘层，所述热绝缘层形成在所述基板和所述热产生层之 间，所述压力波发生装置配置为，通过所述热产生层在通电时产生的温度变 化对周围介质热冲击来产生压力波，其中，该制造方法包括下列步骤； 在所述基板上形成多孔层；在所述多孔层上形成阻挡层，用于防止所述介质的成分扩散到所述多孔 层中；以及在所述阻挡层上形成所述热产生层。
12. 如权利要求11所述的制造方法，其中形成所述多孔层的步骤包括 下列子步骤对所述基板进行阳极氧化处理，以在从所述基板的表面起的一 定深度上形成第一多孔层；然后在不同的条件下对所述基板进行所述阳极氧 化处理，以在所述基板中与所述第一多孔层相邻地形成第二多孔层，并且其中所述阳极氧化处理的条件被确定为使得所述第一多孔层的多孔结构为，所述第一多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一比所述第二多孔层的 小。
13. 如权利要求12所述的制造方法，其中所述阻挡层通过膨胀所述第 一多孔层的至少一部分的体积而形成。
14. 如权利要求11所述的制造方法，其中所述多孔层通过对所述基板 执行阳极氧化处理而形成，并且所述阳极氧化处理的条件被确定为使得所述多孔层的孔隙率和平均孔径的至少其一从所述基板的表面沿深度方向逐渐增大。
15. 如权利要求14所述的制造方法，其中所述阻挡层通过膨胀所述多 孔层的表面层部分的体积而形成。
16. 如权利要求11所述的制造方法，其中所述阻挡层通过膨胀所述多 孔层的一部分的体积而形成。
17. 如权利要求16所述的制造方法，其中在存在氧化气体、碳化气体 和氮化气体的至少其一的条件下加热所述多孔层的该部分以膨胀所述多孔 层的体积。
18. 如权利要求16所述的制造方法，其中通过在电解质溶液中电化学氧化所述多孔层的该部分来膨胀所述多孔层的体积。
19. 如权利要求11所述的制造方法，其中通过利用激光加热来熔化所 述多孔层的一部分而形成所述阻挡层。
20. 如权利要求11所述的制造方法，其中形成所述多孔层的步骤包括 下列子步骤在从所述基板的表面起的一定深度上形成第一多孔层；然后在 所述基板中与所述第一多孔层相邻地形成第二多孔层，并使所述第二多孔层 的孔隙率和平均孔径的至少其一比所述第一多孔层的大，并且其中通过对所述第一多孔层执行减小孔隙率和平均孔径的至少其一的 处理而形成所述阻挡层。
21. 如权利要求20所述的制造方法，其中所述处理是膨胀所述第一多 孔层的至少一部分的体积的处理。
全文摘要
本发明提供一种压力波发生装置，其具有优良的输出长时间稳定性。该压力波发生装置包括基板；加热元件层；和热绝缘层，该热绝缘层设置在该基板和该加热元件层之间。在加热元件层通电时产生的温度变化使周围介质(空气)中产生压力波。热绝缘层包括多孔层；和阻挡层，该阻挡层设置在多孔层和加热元件层之间，用于防止诸如空气中的氧气或水分之类的反应性物质以及杂质扩散到多孔层内。通过形成该阻挡层，能够防止随着时间的流逝由多孔层中的变化引起的压力波发生装置的输出降低。
文档编号B06B1/02GK101273661SQ200680035880
公开日2008年9月24日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月26日
发明者本多由明, 渡部祥文 申请人:松下电工株式会社