成果報告書詳細
管理番号20110000001790
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発 ナノシリコンによる広帯域デジタル音源の開発
公開日2012/3/13
報告書年度2009 - 2011
委託先名株式会社カンタム14 国立大学法人東京農工大学 株式会社メムス・コア
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約ナノシリコンで見いだした熱誘起音波発生の特長を生かし、デジタル駆動による広帯域音源の実用化をめざして技術開発を行い、以下の成果を得た。
1.広帯域熱音響素子の開発(担当:株式会社カンタム14)
 ナノシリコンによる熱音響効果に適した素子設計指針を固め、それに沿った素子構造とプロセス条件を決定した。先ず、目標とする100 Hz~100 kHzの周波数範囲で音響出力を得るために必要な素子の基本構造を検討し、その要件を満たすナノシリコン層の厚さ、表面薄膜電極材料などを定めた。次いで、4インチ径シリコン基板を対象に本素子で最も重要なナノシリコン層を形成する陽極酸化システムを開発し、プロセスフローと処理条件を確立した。作製した素子の作製音響特性について実験検証を行い、パルス密度変調によるデジタル駆動において、目標の周波数範囲で音響出力の無共振性を確認した。
2.音源素子の小面積化の開発(担当:株式会社カンタム14)
 原理的に面積依存性の小さな熱音響発生方式で、従来のアナログスピーカより小さな面積でも同等の音圧を得ることを目指し、目標(100 mm2)以下の小面積(2×2 mm2)単一音源で、100Hz~100kHzの周波数帯域での駆動を確認した。
3.音源素子の薄型化の開発(担当:株式会社カンタム14)
 実装空間も含めた音源ユニットの薄型化を目指し、0.3mm厚Si基板で音源構造の製作が可能であることを確認した。デジタル駆動において1kHz以下の周波数範囲をカバーするために必要なナノシリコン層の厚さは100μm程度であり、背面空間も不要であることから、実質的には加工基板の厚さで音源の構成が可能であることを確認した。
4.熱音響素子のデジタル駆動による高効率化技術の開発(担当:東京農工大学)
熱音響素子の駆動方式として、アナログ駆動、デジタル駆動(パルス高変調、パルス密度変調)について駆動回路の試作も含めて総合的に検討し、単一素子において100Hz~100kHzの周波数範囲をパルス密度変調方式で駆動することの有効性を実証した。開放・密閉空間の両者で本方式に特有の周波数依存性を見いだし、それらを理論的にも裏付けた。特に密閉空間では、100Hzにおいて100dB以上の音響出力を得た。
5.熱音響素子の素子プロセス技術の開発(担当:株式会社メムス・コア)
熱音響素子の素子化を4インチ径シリコン基板への一貫プレーナプロセスで実現するため、選択的ナノシリコン化のための絶縁膜マスク材の形成・加工技術、ヒーター電極・ボンディングパッド形成技術、素子ダイシング・パッケージ技術を開発し、300個レベルの熱音響素子の試作を行った。
より広い応用に向けて技術開発を加速するために、事業化への発展を期待して、展示会への出展などを通じて広く開発状況を公開した。また、30社以上の関連企業を対象に開発成果を詳細にデモ・試聴による技術紹介を、数社には音響素子評価サンプルの提供等を行った。
英文要約By research and development for realizing a nanosilicon-based broad-band sound emitter compatible with a digital drive, the objects have been achieved as follows.
(1) Development of Broad-Band Thermo-acoustic Sound Emitter (Quantum14 KK.)
The fundamental design rule of the emitter was established including the anodization process. At first, the requirements for getting a significant acoustic output in the frequency range from 100 Hz to 100 kHz and the corresponding device structure were made clear. It has been confirmed experimentally that the device exhibits a resonance-free acoustic output under a full digital drive of pulse density modulation (PDM) scheme.
(2) Scaling of Thermo-acoustic Sound Emitter (Quantum14 KK.)
The principal hypothesis that the performance of the thermo-acoustic emitter is independent of the device size has been verified experimentally with the devices of 10×10 or smaller one of 2×3 mm2 in the objective frequency range of 100 Hz - 100 kHz.
(3) Development of Thin Thermo-acoustic Sound Emitter (Quantum14 KK.)
It has been experimentally demonstrated that the device thickness can be decreased down to 0.3 mm without affect on the performance.
(4) Development of Digital-Drive Technology (Tokyo University of Agriculture and Technology)
(a) Design and Implementation of Digital Drive Circuit
To confirm the availability for digital driving, a PDM circuit was designed such that the maximum operation frequency of the PDM, the frequency resolution, and frequency range are 2 MHz, 16bits, and 100 Hz - 100 kHz, respectively.
(b) Characteristics under a Digital Drive
It has been demonstrated that under the PDM operation the acoustic output corresponding to the digitized input properly traces the original analog signal in the frequency range of 300 Hz-100 kHz with sufficiently low distortions. The characteristic frequency response, found either in open or closed space, was clarified by a theoretical analysis. Particularly important result is that the digital acoustic output in the closed space is in inverse proportion to the frequency and reaches 100dB at 300 Hz.
(5) Development of Fabrication Process (Mems Core Co.)
The object to establish the fabrication technology of the nanosilicon thermo-acoustic device as a sequential planar process has been attained in a 4-inch silicon-wafer line. Elementary processes are silicon nitride deposition/patterning process for selective anodic oxidation to form nanosilicon layer, metal electrode formation for heater, and device dicing/packaging technologies. About 300 devices were fabricated and served for acoustic evaluation.
In summary, the PDM mode is suitable for driving nanosilicon sound emitter and for reproducing the original analog signal with a low distortion. The samples were supplied to several companies for detailed evaluation of mutual interests toward possible industrial applications.
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