專利名稱：壓電器件及其制造方法以及液體噴射頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電器件及制造該壓電器件的方法，尤其涉及由壓電膜構(gòu)成的壓電器件及其制造技術(shù)，以及使用該壓電器件的液體噴射頭，該壓電器件能夠用于多個(gè)目的，例如致動(dòng)器等。
背景技術(shù)：
日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2009-139338公開(kāi)了一種壓電材料膜被層疊以用于壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。該壓力傳感器具有電極層的層積結(jié)構(gòu)，并且壓電膜交替地設(shè)置在基板上，從而形成由兩層或多層壓電膜構(gòu)成的壓電膜層積體。電極包括例如鉬(Pt)、鋁(Al)、鑰(Mo)、氮化鈦(TiN)、釕(Ru)等材料(JP2009-139338中的0034段)，并且每一壓電膜由濺射方法形成(JP2009-139338 中的 0077 段)。
日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.08-116103公開(kāi)了一種雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的壓電致動(dòng)器， 其中電極由鉬或鈀構(gòu)成。該壓電致動(dòng)器具有層積結(jié)構(gòu)，其中第一壓電材料膜(鈦酸鋯鉛 (PZT))層積在用作外電極的鉬電極上，用作內(nèi)電極的另一鉬電極層積在該第一 PZT膜上， 并且第二 PZT膜以及鉬的外電極層積在其上(JP08-116103中的0018段以及圖3)。
日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.09-181368公開(kāi)了一種具有層積結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器器件，其通過(guò)例如濺射方法以及類似方法的膜形成技術(shù)交替地層積壓電體和導(dǎo)電體而制造，并且還公開(kāi)了其的布線方法。在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 09-181368中，描述了與壓電體的材料和電極的材料(鉬、鋁、金或銀)相關(guān)的一般材料。
日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-077438公開(kāi)了一種具有一對(duì)電極和設(shè)置在它們之間的壓電體的壓電器件，其中該壓電體由第一和第二壓電膜構(gòu)成，它們的極化方向彼此反向。 在使基板溫度不同時(shí)連續(xù)地形成該第一和第二壓電膜。通過(guò)沿著壓電體的厚度方向改變成分，實(shí)現(xiàn)了薄膜雙壓電晶片結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容
如上所述，已知這樣的層積結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)濺射方法層積壓電膜，并且電極和壓電膜被交替地形成在層中。然而，如果根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用一般電極材料和壓電材料層積壓電膜時(shí)，存在電極剝離以及壓電膜也剝離的問(wèn)題，并且實(shí)際上難以形成上述的由壓電膜構(gòu)成的層積結(jié)構(gòu)。
例如，在鉬或鈀 電極設(shè)置為中間層(內(nèi)電極)的情形下，如在JP08-116103中的， 在形成壓電膜時(shí)，壓電材料可能剝離或破裂。
作為其它具體例子，在通過(guò)氣相外延方式形成壓電膜時(shí)，基板溫度被設(shè)定為不低于350°C并不高于650°C (基板溫度是壓電材料在氣相外延中直接晶體化生長(zhǎng)的溫度)，如果在形成壓電膜之后在常規(guī)條件下形成Pt、銥(Ir)等的電極，并且接著在該電極上形成另一壓電膜，則存在電極剝離并且壓電膜也剝離的問(wèn)題。
并且，即使在不發(fā)生上面所提到的剝離等情況，在膜形成之后的膜的附著性也不好，并且器件的耐用性也存在問(wèn)題。即使為了提高附著性而使用鈦(Ti)等的附著層，也存在壓電膜實(shí)際上剝離的問(wèn)題。
在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-077438所公開(kāi)的結(jié)構(gòu)中，在壓電體的內(nèi)部部分(在第一和第二壓電膜之間)中不存在任何中間電極。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-077438描述了一般電極材料，例如Pt、Au、Pd、Ag等的電極膜能夠形成在第一和第二壓電膜之間；然而，未涉及上面所提到的剝離的問(wèn)題和由于附著性減小而導(dǎo)致的耐用性的問(wèn)題。
并且，在壓電器件用作致動(dòng)器等的情形下，除了上面所提到的問(wèn)題之外，出于減小驅(qū)動(dòng)電路(驅(qū)動(dòng)器)負(fù)荷的目的，通過(guò)施加盡可能低的電壓來(lái)獲得大位移是期望的。
對(duì)此，日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-077438沒(méi)有任何關(guān)于驅(qū)動(dòng)方法和驅(qū)動(dòng)電壓施加方法的描述，也沒(méi)有表明減小驅(qū)動(dòng)電路負(fù)荷的觀點(diǎn)。此外，在沒(méi)有中間電極的例如日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-077438中所示的結(jié)構(gòu)中，用于產(chǎn)生與致動(dòng)器相同的位移所必需的電壓與單相的相同，并且沒(méi)有提供降低驅(qū)動(dòng)電壓的效果。進(jìn)一步地，因?yàn)榫哂胁煌瑯O化的壓電體彼此直接接觸，因此界面的極化狀態(tài)變得不穩(wěn)定，并且壓電體的極化狀態(tài)的穩(wěn)定性被惡化。此外，存在當(dāng)壓電體被去極化時(shí)沒(méi)有提供用于再極化的器件的問(wèn)題。
本發(fā)明針對(duì)這些情況問(wèn)題而設(shè)計(jì)，其目的在于提供一種壓電器件，該壓電器件增強(qiáng)了通過(guò)層積多個(gè)壓電膜而形成的層積體中的膜的附著性以防止剝離，并且具有高耐用性和可靠性，在于提供具有良好的位移效率(驅(qū)動(dòng)效率)的壓電器件，在于提供能夠制造上面所提到的壓電器件的制造方法，以及在于提供使用上面所提到的壓電器件的液體噴射頭。
為了達(dá)到前面提到的目的，本發(fā)明涉及一種壓電器件，包括基板；層積在基板上方的第一電極；層積在第一電極上方的第一壓電膜；層積在第一壓電膜上方的金屬氧化物膜；層積在金屬氧化物膜上方的金屬膜；層積在金屬膜上方的第二壓電膜；以及層積在第二壓電膜上方的第二電極，其中第一壓電膜的極化方向和第二壓電膜的極化方向彼此不同。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，層積在第一壓電膜上方的金屬氧化物膜用作擴(kuò)散阻擋層，并且從壓電膜向金屬膜的氧原子和壓電材料成分的擴(kuò)散被抑制。因此，可以阻止金屬膜的結(jié)構(gòu)變化和由擴(kuò)散導(dǎo)致的附著性的減小，并且可以獲得在金屬氧化物膜和金屬膜的層積結(jié)構(gòu)(中間層)之間具有牢固附著性的壓電膜層積體。
設(shè)置在第一壓電膜和第二壓電膜之間的金屬膜用作中間電極。在金屬氧化物膜由導(dǎo)電材料構(gòu)成的情形下，中間電極包括金屬氧化物膜和金屬膜。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，第一電極和第二電極可設(shè)定為接地電位，并且向中間電極施加驅(qū)動(dòng)電壓。在該結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電路(驅(qū)動(dòng)器)的負(fù)荷小，并且通過(guò)施加相對(duì)低的驅(qū)動(dòng)電壓能夠獲得大的位移。
進(jìn)一步地，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的這一方面的壓電器件具有這樣的結(jié)構(gòu)，即在該結(jié)構(gòu)中具有不同極化的壓電體與在它們之間的中間電極層積而彼此不直接接觸，因此在具有不同極化的壓電體直接接觸的結(jié)構(gòu)的情形下，能夠避免界面的極化狀態(tài)變得不穩(wěn)定和壓電體的極化狀態(tài)的穩(wěn)定性惡化的問(wèn)題。此外，優(yōu)勢(shì)在于，在壓電體被去極化時(shí)容易通過(guò)利用中間電極而將壓電體再極化。
在解釋 時(shí)，術(shù)語(yǔ)“A層積在B上方”不限于A直接層積在B上而A與B接觸的情形， 而且包括在A和B之間夾置一層或多層其它層的情形，以及A層積在B上方而在A和B之間具有其它層。
該結(jié)構(gòu)能夠制成為重復(fù)這樣的構(gòu)造，即在該構(gòu)造中，金屬氧化物膜和金屬膜的中間層層積在壓電膜上方并且另一壓電膜層積在該中間層上方，從而層積三層或者更多層的壓電膜。在這種情況下，在頂層的壓電膜可解釋為“第二壓電膜”，并且在第二或者更高級(jí)的壓電膜可被解釋為“第二壓電膜”。
優(yōu)選地，由第一壓電膜和第二壓電膜之間的金屬氧化物膜和金屬膜構(gòu)成的中間層中的應(yīng)力和厚度的乘積小于100N/m2。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，由壓電膜和中間層之間的熱膨脹系數(shù)的差異所引起的應(yīng)力所導(dǎo)致的剝離被抑制。
優(yōu)選地，中間層的厚度不小于50nm并且小于250nm。
考慮到中間層的擴(kuò)散阻擋特性，以及對(duì)由壓電膜和中間層之間的熱膨脹系數(shù)的差異所引起的應(yīng)力所導(dǎo)致的剝離的抑制，中間層的厚度設(shè)定為不小于50nm并且小于250nm的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。
優(yōu)選地，金屬氧化物膜包括鉬族的金屬氧化物。
金屬氧化物膜可以具有例如釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)以及鉬 (Pt)的鉬族金屬的任何金屬的任何氧化物。
優(yōu)選地，金屬膜包括鉬族的金屬。
金屬膜可包括各種金屬，并且金屬膜優(yōu)選包括例如Ru、0s、Rh、Ir、Pd、Pt等的鉬族的金屬。在這種情況下，第一電極和第二電極可包括鉬族的金屬。此外，該第一電極和第二電極能夠包括銅族金屬，銅(Cu)、銀(Ag)以及金(Au)。
優(yōu)選地，第一電極和第二電極配置為保持于接地電位；并且包括第一壓電膜和第二壓電膜之間的金屬膜的中間電極配置為用作驅(qū)動(dòng)電極，將使第一壓電膜和第二壓電膜變形的驅(qū)動(dòng)電壓施加至驅(qū)動(dòng)電極。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，通過(guò)正電壓和負(fù)電壓中的一個(gè)能夠?qū)嵤┰擈?qū)動(dòng)控制，并且可以使用廉價(jià)的驅(qū)動(dòng)電路。此外，因?yàn)榈谝浑姌O和第二電極處于接地電位，因此可以省略或簡(jiǎn)化至基板的電流泄漏的應(yīng)對(duì)措施，關(guān)于上部電極的絕緣保護(hù)等。
優(yōu)選地，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓施加到中間電極時(shí)，第一壓電膜和第二壓電膜中的每一個(gè)在與它們的極化方向相同的方向上被施加電場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，通過(guò)在與壓電膜的極化方向相同的方向上施加電場(chǎng)可以獲得大的位移。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的每一個(gè)通過(guò)氣相外延方法形成。
通過(guò)使用由濺射方法代表的氣相外延方法可以獲得具有期望的壓電性能的壓電膜。進(jìn)一步地，壓電膜可容易地生長(zhǎng)在金屬膜上，并可以獲得良好的膜形成。
優(yōu)選地 ，該氣相外延方法為通過(guò)實(shí)施熱膜形成而晶體化的濺射方法。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，因?yàn)榻饘傺趸锬び米鲾U(kuò)散阻擋層，因此，可以阻止在熱膜形成時(shí)來(lái)自低層中的壓電膜的材料成分等擴(kuò)散進(jìn)入金屬膜，并且可以獲得具有高附著性的壓電膜的層積結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的每一個(gè)由鈣鈦礦(perovskite)型氧化物構(gòu)成。
鈣鈦礦型氧化物的壓電器件具有良好的壓電特性，并能夠用于例如致動(dòng)器、傳感器、發(fā)電器件等的各種目的。
優(yōu)選地，第一壓電膜的成分和第二壓電膜的成分彼此不同。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，根據(jù)目的以及必需的特性(性能)可以結(jié)合具有適當(dāng)成分的壓電膜。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的至少一個(gè)由一種或多種由下式表不的I丐鈦礦型氧化物構(gòu)成
Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c，(PX)
其中A為A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；M為選自由V、Nb、Ta和Sb構(gòu)成的組中的至少一種元素；0是氧，滿足O <x<b，0<y<b并且O < (b-x-y)的關(guān)系， 并且A位元素、B位元素和氧的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率為1:1 : 3，但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離該標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，壓電體具有良好的壓電特性，并優(yōu)選作為壓電致動(dòng)器等。
優(yōu)選地,第一壓電膜和第二壓電膜中的一個(gè)由一種或多種表不為PX的I丐鈦礦型氧化物構(gòu)成；并且第一壓電膜和第二壓電膜中的另一個(gè)由一種或多種由下式表不的I丐鈦礦型氧化物構(gòu)成
ABO3, (P)
其中A為A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；B*B位元素并且為選自由T1、 Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 構(gòu)成的組中的至少一種元素，并且A位元素、B位元素和氧的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率為1:1 : 3，但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離該標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的至少一個(gè)由摻雜鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，摻雜Nb的PZT (PNZT)具有良好的壓電特性，并優(yōu)選作為壓電致動(dòng)器等。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的一個(gè)由摻雜鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成；并且第一壓電膜和第二壓電膜中的另一個(gè)由未摻雜銀的材料構(gòu)成。
在PNZT膜中，極化狀態(tài)決定于剛剛完成膜形成后的一個(gè)方向，并且難以在相反的方向上極化。另一方面，在未摻雜Nb的純PZT膜中，可以通過(guò)后處理比較自由地選擇極化方向。難以在兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行極化處理；然而，根據(jù)本發(fā)明的這一方面，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)最小極化處理實(shí)現(xiàn)器件變形，該處理變得簡(jiǎn)單。
優(yōu)選地，第一壓電膜和第二壓電膜中的由摻雜有鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成的一個(gè)的極化方向?yàn)閺幕宄虻诙姌O的方向。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，在膜形成時(shí)的極化狀態(tài)可以原樣利用的情形下，額外的極化處理不是必需的。
優(yōu)選地，未摻雜鈮的材料為純鋯鈦酸鉛。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面， 通過(guò)對(duì)純PZT膜實(shí)施極化處理可以改變極化方向。
優(yōu)選地，第一和第二壓電膜的極化方向平行于各自膜的厚度方向并彼此反向。
為了實(shí)現(xiàn)上面提到的目標(biāo)，本發(fā)明還涉及液體噴射頭，包括作為配置為噴射液體的噴射端口的噴嘴；包含液體并連接至噴嘴的壓力室；以及如權(quán)利要求1所述的壓電器件， 其被設(shè)置為與壓力室相對(duì)應(yīng)并配置為用作噴射能量發(fā)生器件以產(chǎn)生通過(guò)噴嘴噴射壓力室中的液體的能量。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，能夠獲得具有良好噴射效果的液體噴射頭。進(jìn)一步地，能夠減小驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)荷，也能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)的電路結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)上面所提到的目的，本發(fā)明還涉及壓電器件的制造方法，該方法包括在基板上方層積第一電極的第一電極形成步驟；在第一電極上方層積第一壓電膜的第一壓電膜形成步驟；在第一壓電膜上方層積金屬氧化物膜的金屬氧化物膜形成步驟；在金屬氧化物膜上方層積金屬膜的金屬膜形成步驟；在金屬膜上方層積第二壓電膜的第二壓電膜形成步驟；在第二壓電膜上方層積第二電極的第二電極形成步驟；以及使第一壓電膜的極化方向與第二壓電膜的極化方向彼此不同的極化處理步驟。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，可以防止金屬膜的結(jié)構(gòu)變化和由擴(kuò)散導(dǎo)致的附著性的減小，并能夠獲得具有牢固附著性的壓電膜的層積結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，第一壓電膜形成步驟和第二壓電膜形成步驟中的每一個(gè)包括氣相外延方法。
根據(jù)本發(fā)明，能夠防止膜的剝離以及附著性的減小，它們都是在現(xiàn)有技術(shù)中的層積體中遇到的問(wèn)題，并且能夠形成多個(gè)壓電膜的層積體。因此，可以獲得具有高耐久性和可靠性的壓電器件。進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的壓電器件，能夠?qū)崿F(xiàn)位移效率的改進(jìn)并可以通過(guò)相對(duì)低的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以減小驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)荷。


·
參照附圖，下面將解釋本發(fā)明的本質(zhì)以及本發(fā)明其它的目的和優(yōu)點(diǎn)，其中附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部分，其中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的壓電器件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖2A至21是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓電器件的制造方法的解釋性視圖3是不出在第一實(shí)施例中產(chǎn)生的壓電膜的層積體的結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡 (SEM)圖像；
圖4是示出在第一實(shí)施例中產(chǎn)生的壓電膜的X-射線衍射(XRD)特性的視圖5是在第一實(shí)施例中產(chǎn)生的壓電器件的結(jié)構(gòu)視圖。
圖6是示出關(guān)于中間層的厚度和剝離之間的關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果的表；
圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的壓電器件的結(jié)構(gòu)視圖8是在第一和第二實(shí)施例以及第二比較例中的極化方法和驅(qū)動(dòng)電壓的表；以及
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的噴墨頭的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。具體實(shí)施方式

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的壓電器件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。圖1中所示的壓電器件10具有層積結(jié)構(gòu)，其中第一電極14形成用作支撐體的基板12上，第一壓電膜16 形成在其上，并且金屬氧化物膜18、金屬膜20、第二壓電膜22和第二電極24在層中按照這樣的順序進(jìn)一步地形成在其上。
在此，在圖1和其它附圖中，為了便于說(shuō)明，在適當(dāng)?shù)刈兓那闆r下繪出層的膜厚及其比率，并且不必通過(guò)反映實(shí)際的膜厚和比率而被示出。進(jìn)一步地，在本說(shuō)明書中，當(dāng)描述層積結(jié)構(gòu)時(shí)，在基板12的厚度方向上遠(yuǎn)離該基板12的表面的方向表述為“向上”方向。 在圖1中，因?yàn)閴弘娖骷?0被構(gòu)造為在保持基板12水平的狀態(tài)下使得層14至24被依次地層積在基板12的上表面上，這些層的設(shè)置與在設(shè)定重力方向(圖1中的向下的方向)為朝下的方向時(shí)的上下關(guān)系一致。在這種情況下，基板12的姿態(tài)可以為傾斜的或反向的。為了即使在依賴于基板12的姿態(tài)的層積結(jié)構(gòu)的層積方向不必與基于重力方向的向上和向下方向相一致的情形下不混淆地表述層積結(jié)構(gòu)的上下關(guān)系，在基板12的厚度方向上遠(yuǎn)離基板12的表面的方向被表述為向上的方向。例如，即使在圖1中的上側(cè)和下側(cè)被反轉(zhuǎn)的情形下，通過(guò)第一電極14形成在基板12的上表面上方，以及第一壓電膜16層積在第一電極14 的上表面上方這樣的表述來(lái)進(jìn)行描述。
圖1中所示的壓電器件10具有層積結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)壓電膜(第一壓電膜16和第二壓電膜22)與它們之間的中間層26層積在一起。中間層26具有金屬氧化物膜18和金屬膜20的層積結(jié)構(gòu)。第一電極14設(shè)置在兩個(gè)壓電膜16和22的下面，并且第二電極24設(shè)置在頂表面上。
雖然在此示例了兩個(gè)壓電膜16和22，但是在本發(fā)明的實(shí)施中，也可以層積三個(gè)或更多的壓電膜同時(shí)夾置中間層(每一個(gè)對(duì)應(yīng)于圖1中的中間層26)。在這種情形下，中間層 (對(duì)應(yīng)于圖1中的中間層26)形成為替代圖1中的第二電極24，從而形成壓電膜和中間層交替地層積的層積結(jié)構(gòu)。假定壓電膜被層積的級(jí)數(shù)(層積數(shù))為η(其中η為大于I的整數(shù))，則以(η-1)層形成中間層。進(jìn)一步地，第二電極，例如圖1中的第二電極24，形成在頂層的(第η層)的壓電膜上。
基板12的材料沒(méi)有特殊限定，并可以利用各種材料，例如硅(Si)、玻璃、陶瓷、硅氧化物、不銹鋼(SUS)、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、氧化鋁、藍(lán)寶石、SiC, SrTiO3等。進(jìn)一步地，該基板12可以為層積基板，例如絕緣體上硅(SOI)基板，其中SiO2膜和Si活性層依次設(shè)置在硅基板上。
第一電極14可以由例如鉬(Pt)、鋁(Al)、鑰(Mo)、氮化鈦(TiN)、釕(Ru)、金(Au)、 銀(Ag)等的材料構(gòu)成。優(yōu)選地，第一電極14包括鉬族金屬(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)。為了提高與基板12的附著性，還優(yōu)選地，該第一電極14具有Ti或TiW(鈦-鎢)附著層。更進(jìn)一步優(yōu)選地，第一電極14具有設(shè)置在基板12上的附著層和設(shè)置在附著層上的鉬族金屬層的層積結(jié)構(gòu)。
第二電極24可由與第一電極14類似的各種材料構(gòu)成。優(yōu)選地，第二電極24包括鉬族或銅族(Cu、Ag、Au)金屬。進(jìn)一步優(yōu)選地，第二電極24具有Ti或 TiW附著層與設(shè)置在附著層上的鉬族金屬層的層積結(jié)構(gòu)。該第一電極14和第二電極24可由相同的材料構(gòu)成, 或可以由不同的材料構(gòu)成。例如，可以是第一電極14具有TiW/Pt的層積結(jié)構(gòu)而第二電極 24具有TiW/Au的層積結(jié)構(gòu)。第一電極14和第二電極24的厚度沒(méi)有特殊限定，并優(yōu)選在 50nm 和 500nm 之間。
金屬氧化物膜18用作擴(kuò)散阻擋層，其阻止來(lái)自第一層的壓電膜16的氧原子或壓電材料成分的擴(kuò)散。該金屬氧化膜18可以為導(dǎo)電體或絕緣體。優(yōu)選地，該金屬氧化物膜18 包括鉬族或鈦?zhàn)?T1、Zr、Hf)金屬的氧化物。例如，金屬氧化物膜18可以由Ir的氧化物 (被表示為“IrOx”或“Ir-Ο”)，或Ti的氧化物(例如TiO、TiO2等)構(gòu)成。
形成在金屬氧化物膜18上方的金屬膜20起到對(duì)通過(guò)氣相外延方法(濺射方法等)的方式形成第二層的壓電膜22有用的作用。用于本實(shí)施方式的壓電膜難以生長(zhǎng)在氧化物上，但容易生長(zhǎng)在金屬上。因此，優(yōu)選地，金屬膜20設(shè)置在金屬氧化物膜18上，并且壓電膜(第二壓電膜22)形成在金屬膜20上。金屬膜20的材料沒(méi)有特殊限定，并且金屬膜 20優(yōu)選包括鉬族金屬，例如Ir、Pr等。
具有金屬氧化物膜18和金屬膜20的層積結(jié)構(gòu)的中間層26可用作中間電極。在中間層26用作中間電極的情形下，優(yōu)選地，金屬氧化物膜18由導(dǎo)電材料構(gòu)成。即使在金屬氧化物膜18由絕緣材料構(gòu)成的情形下，也可以使用金屬膜20作為中間電極。
中間層26的結(jié)構(gòu)可以為非晶的或晶體的。中間層26的膜的表面粗糙度和結(jié)構(gòu) (圓柱狀結(jié)構(gòu)、顆粒狀結(jié)構(gòu)等)沒(méi)有特殊地限定。進(jìn)一步地，中間層26的晶體的取向和優(yōu)選取向度沒(méi)有限定。優(yōu)選地，中間層26包括氧化物(金屬氧化物膜18);但是，也可以包括氮。
第一壓電膜16和第二壓電膜22的每一個(gè)都是在通過(guò)氣相外延方法的膜形成時(shí)， 通過(guò)升高基板溫度而結(jié)晶化形成。第一壓電膜16和第二壓電膜22的材料沒(méi)有特殊限定， 只要是氧化物壓電體即可。第一壓電膜16和第二壓電膜22可由相同的材料構(gòu)成或可由不同的材料構(gòu)成。在本發(fā)明的實(shí)施中，優(yōu)選地，第一壓電膜16和第二壓電膜22之間的組分不同。
例如，第一壓電膜16和第二壓電膜22中的一個(gè)可以由鈮(Nb)摻雜的鋯鈦酸鉛 (PZT)構(gòu)成而另一個(gè)由不摻雜Nb的PZT構(gòu)成。
此外，第一壓電膜16(第一層)和第二壓電膜22(第二層)之間的極化方向不同。 例如，第一層的極化方向是向下方向(從中間層朝向下部電極的方向)，而第二層的極化方向是向上方向(從中間層朝向上部電極的方向)。同樣可以利用第一層的極化方向是向上方向而第二層的極化方向是向下方向的方案。進(jìn)一步地，不限于第一層的極化方向和第二層的極化方向彼此平行和反向的關(guān)系，也可以利用這些層的極化方向彼此不平行的，例如極化方向是正交的關(guān)系。
為了獲得期望的極化狀態(tài)，通過(guò)在隔著壓電膜的彼此面對(duì)的一對(duì)電極之間施加電壓的方法實(shí)施極化處理。該極化處理可伴隨著熱處理。進(jìn)一步地，例如電暈方法等方法可用作極化處理的方法。在形成壓電膜時(shí)的極化狀態(tài)按照原樣利用的情形下，可省略極化處理。
<對(duì)剝離的原因的調(diào)查>
本發(fā)明人對(duì)在制造現(xiàn)有技術(shù)的壓電膜和電極交替層積的層積體時(shí)發(fā)生的電極和壓電膜的剝離的原因進(jìn)行了調(diào)查，并發(fā)現(xiàn)在形成壓電體時(shí)的膜形成溫度下，氧原子和壓電材料成分(例如，在PZT材料的情形下的鉛(Pb)等)從壓電材料擴(kuò)散進(jìn)入電極，從而導(dǎo)致電極材料的結(jié)構(gòu)變化和附著性的減小以導(dǎo)致剝離。接著，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了阻止電極和壓電膜的剝離以獲得具有高耐用性的器件，阻礙(阻擋)形成在基板上的壓電膜中的壓電材料成分?jǐn)U散進(jìn)入電極層是有用的，并且阻擋氧原子的擴(kuò)散尤其重要。
基于以上所提到的知識(shí)，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在形成第一層的壓電膜(第一壓電膜16)之后，用作擴(kuò)散阻擋層的金屬氧化物膜18形成在該第一層的壓電膜16上方，并由金屬氧化物膜18阻擋來(lái)自該第一層的壓電膜(第一壓電膜16)的擴(kuò)散。進(jìn)一步地,金屬膜20形成在金屬氧化物膜18上方，并且第二層的壓電膜(第二壓電膜22)形成在金屬膜 20上方。換句話說(shuō)，具有金屬氧化物膜和金屬膜的層積結(jié)構(gòu)的中間層夾置在第一層的壓電膜和第二層的壓電膜之間，并且壓電膜設(shè)置在中間層位于其間的層中。通過(guò)重復(fù)上面所提到的步驟，可以層積壓電膜同時(shí)確保牢固的附著性。
<第一實(shí)施例>
圖2A至21是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓電器件的制造過(guò)程的視圖。
步驟1:首先，制備絕緣體上硅(SOI)基板30 (圖2A)。該SOI基板30具有層積結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置用作處理層的Si層301，用作絕緣層(BOX層)的氧化物膜層(SiO2)層302， 以及作為器件層的Si層303?？墒褂闷胀ǖ墓杌?硅晶片)代替SOI基板30。
步驟2 :通過(guò)濺射方法在SOI基板30的Si層303 (圖2B中的上表面)上形成 20nm膜厚的TiW膜，并在其上形成150nm膜厚的Ir膜。從而形成具有20nm膜厚的TiW膜和150nm膜厚的Ir膜的層積結(jié)構(gòu)的下部電極32。
步驟3 :其后，通過(guò)濺射方法的方式在500°C的膜形成溫度下，在下部電極32上形成2 μ m膜厚的純(無(wú)任何摻雜劑)鈦酸鋯鉛膜34 (圖2C)。在PZT膜34的形成中，使用射頻(RF)磁控濺射裝置，膜形成氣體為97. 5vol %的Ar和2. 5vol %的O2的混合氣體，靶是具有Pbh3Zra52Tia48O3組分的材料，并且膜形成壓力為O. 5Pa。
步驟4 :通過(guò)濺射方法的方式在350°C的膜形成溫度下，在PZT膜34上形成50nm 膜厚的Ir-O膜36 (圖2D)。
步驟5 :在該Ir-O膜36上形成20nm膜厚的Ir膜38 (圖2E)。由此形成具有Ir-O 膜36和Ir膜38的層積結(jié)構(gòu)的中間層或電極40。
通過(guò)使用Ir靶的反應(yīng)濺射方法的方式用50 %的Ar和50 %的O2的混合氣體在 O. 5Pa的壓力下執(zhí)行Ir-O膜36的形成。進(jìn)一步地，在形成Ir-O膜36之后，通過(guò)僅使用Ar 氣作為膜形成氣體獲得Ir膜38。
該Ir-O膜36用作阻擋以阻止來(lái)自第一層的PZT膜34中的鉛和氧的擴(kuò)散。進(jìn)一步地，形成在Ir-O膜36上的Ir膜38被插入以降低中間電極的電阻，并用于在與初始(第一)PZT膜的生長(zhǎng)相同的條件下進(jìn)行下一層的另一 PZT膜的生長(zhǎng)。在本實(shí)施例中為了提高附著性和降低電阻率，該Ir-O膜36和Ir膜38的膜形成溫度為350°C ;然而，也可以為室溫或更高的溫度。當(dāng)改變溫度時(shí)通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)也能夠獲得相同的結(jié)果。
步驟6:在形成中間電極40之后，在其上形成鈮(Nb)摻雜的鋯鈦酸鉛膜44(下文中被稱為“PZT”，或者當(dāng)需要與例如沒(méi)有添加Nb等的未摻雜的“純PZT”進(jìn)行區(qū)分 時(shí)， 被稱為“PNZT”)作為第二壓電層(圖2F)。在PZT膜44的形成中，使用射頻(RF)磁控濺射裝置，膜形成氣體為97. 5vol %的Ar和2. 5vol %的O2的混合氣體，靶是具有 Pbh3((Zra52Tia48)a88Nbtll2)O3組分的材料，并且膜形成壓力為2.2m Torr0該第二層的PZT 膜44的膜厚為大約2 μ m。
步驟7 :之后，上部電極46形成在第二層的PZT膜44上(圖2G)。該上部電極46 以與下部電極32相同的方式而構(gòu)造，以使得通過(guò)濺射方法形成20nm膜厚的TiW膜，并且Ir 膜層積在其上以形成150nm的膜厚。上部電極46由此形成為具有20nm的TiW膜和150nm 的Ir膜的層積結(jié)構(gòu)。因此，獲得圖2G所示的層積體。
步驟8:如圖2H所示，通過(guò)蝕刻層積體中的第二層的PZT膜44形成所期望的形狀。在這種情形下，可以應(yīng)用在圖案化Ir-O膜和Ir膜之后形成PZT膜的方案。在以所期望的形狀形成PZT膜44之后，第二電極可被圖案化。
步驟9 :最終，對(duì)于由此獲得的晶片結(jié)構(gòu)，通過(guò)蝕刻等去除SOI基板30的背表面?zhèn)?(下表面?zhèn)?，即Si層301的一部分，同時(shí)留下5 μ m厚度的Si層303 (器件層)作為膜片 (diaphragm),產(chǎn)生如圖21所示的腔體結(jié)構(gòu)。在這種情形下，在圖21中當(dāng)留下SiO2層302 時(shí)，SiO2層302用作蝕刻停止層，并且該膜片由SiO2層302和Si層303構(gòu)成；然而，該膜片可通過(guò)去除SiO2層302而構(gòu)造。
通過(guò)上面所提到的工序,獲得如圖21所示的結(jié)構(gòu)體50。如圖21所示的結(jié)構(gòu)體50 應(yīng)用于例如噴墨頭。通過(guò)蝕刻形成的凹進(jìn)空間48與該墨水室(壓力室)相對(duì)應(yīng)。
〈圖21中的結(jié)構(gòu)與圖1中的結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系>
圖21中的SOI基板30對(duì)應(yīng)于圖1中的基板12。圖21中的下部電極32對(duì)應(yīng)于圖1中的第一電極14。圖2G中的純PZT膜34對(duì)應(yīng)于圖1中的第一壓電膜16，而圖21中的 PZT膜44對(duì)應(yīng)于圖1中的第二壓電膜22。圖21中的Ir-O膜36對(duì)應(yīng)于圖1中的金屬氧化物膜18，以及圖21中的Ir膜38對(duì)應(yīng)于圖1中的金屬膜20。圖21中的上部電極46對(duì)應(yīng)于圖1中的第二電極24。
用于參考，圖3示出在第二層的PZT膜44通過(guò)步驟6形成的狀態(tài)下的膜的層積結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微(SEM)圖像。圖3中所示的層積體通過(guò)步驟I至6而獲得。如圖3中所示，兩個(gè)PZT膜34和44與它們之間的中間電極40被層積得具有牢固的附著性，并且獲得沒(méi)有剝離的良好層積體。
〈XRD 特性〉
圖4示出通過(guò)X-射線衍射(XRD)的方式分析在第一實(shí)施例中所獲得的兩個(gè)壓電膜的層積結(jié)構(gòu)(如圖2G中所示)的結(jié)果。在圖4中，橫軸指示衍射角2 Θ，而縱軸指示衍射強(qiáng)度。在通過(guò)X-射線衍射的方式的晶體結(jié)構(gòu)的分析中，由兩個(gè)壓電膜構(gòu)成的層積體以X-射線從上方一次性地輻射。如所示的，本實(shí)施例中所獲得的PNZT膜表現(xiàn)出高度地集中在PNZT 晶面(100)和(200)上的衍射圖案，并被確認(rèn)為具有作為晶體優(yōu)選取向的(100)和(001) 的高取向壓電膜。根據(jù)第一實(shí)施例中所描述的方法，可以很好地形成具有優(yōu)異的結(jié)晶度而不具有任何異相的壓電膜。
〈膜形成方法〉
作為壓電膜的膜形成方法，氣相外延方法是優(yōu)選的。除了濺射方法之外，可以應(yīng)用各種方法，例如離子鍍方法、金屬有機(jī)化學(xué)氣相(MOCVD)沉積方法、脈沖激光沉積(PLD)方法等。進(jìn)一步地，也可以使用氣相外延方法之外的其它方法(例如，溶膠-凝膠方法等)。
〈壓電材料〉
本實(shí)施方式中優(yōu)選的壓電材料包括由下面的通式所表述的一種或多種類型的鈣鈦礦型氧化物(P)
ABO3, (P)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；B為B位元素并且選自由T1、 Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 構(gòu)成的組中的至少一種元素；O為氧；并且A位元素、B位元素和氧的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率為1:1 : 3,但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離該標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
由上述通式所表述的鈣鈦礦型氧化物可以為含鉛的化合物之一，例如鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯酸鉛、鈦酸鑭鉛、鋯鈦酸鑭鉛、鈦酸鋯鈮酸錳鉛、鈦酸鋯鉛鈮酸鎳、鈦酸鋯鈮酸鋅鉛等，或者它們的混合晶系；或者不含鉛的化合物之一，例如鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鈦酸鉍鈉、鈦酸鉍鉀、鈮酸鈉、鈮酸鉀、鈮酸鋰、鐵酸鉍等，或者它們的混合晶系。
根據(jù)本實(shí)施方式的壓電膜期望包含由下式表示的一種或多種類型的鈣鈦礦型氧化物(PX)
Aa (Zrx, Tiy，Mb_x_y)b0c，(PX)
其中A是A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；M為選自由V、N b、Ta和Sb 構(gòu)成的組中的至少一種元素；滿足0<x<b，0<y<b并且O ( (b-x-y)的關(guān)系；并且 a b C = I I 3是標(biāo)準(zhǔn)，但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離該標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
因?yàn)橛缮厦嫠龅耐ㄊ?P)或(PX)所表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成的壓電膜具有高的壓電應(yīng)變常數(shù)(d31常數(shù))，因此，提供有上面所提到的壓電膜的壓電致動(dòng)器在位移特性上變得優(yōu)異。在這種情況下，由通式(PX)所表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成的壓電膜的壓電常數(shù)變得高于由通式(P)所表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成的壓電膜的壓電常數(shù)。
進(jìn)一步地，提供有由通式(P)或(PX)所表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成的壓電膜的壓電致動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電壓范圍內(nèi)具有優(yōu)異的線性的電壓-位移特性。該壓電材料表現(xiàn)出對(duì)本發(fā)明的實(shí)施有益的壓電特性。
〈壓電膜的極化方向〉
在本實(shí)施例中，第一層的壓電膜34和第二層的壓電膜44由不同的壓電材料制成， 并且各層的壓電膜的極化方向彼此不同。極化方向由電荷分布的偏移所導(dǎo)致的偶極矩的矢量方向(從負(fù)到正的方向)來(lái)定義。
對(duì)于第一層的純PZT膜34，通過(guò)向中間電極40施加+30V并將下部電極32設(shè)定到地電位來(lái)實(shí)施5分鐘的極化處理，以這樣的方式使極化方向?yàn)橄蛳路较?從中間電極40朝向下部電極32的方向)。該極化處理可包括加熱，并且可以是例如電暈方法等另一方法。
另一方面，第二層的PNZT膜44被獲得為這樣的結(jié)構(gòu)，其中極化方向?yàn)樵谄渖系哪ば纬蓵r(shí)的向上方向(從中間電極40朝著上部電極46的方向)。
當(dāng)以與壓電體的極化方向相同的方向向該壓電體施加電場(chǎng)時(shí)，該壓電體基于壓電橫向效應(yīng)而收縮在膜片的表面內(nèi)(d31模式)。當(dāng)形成在該膜片上的壓電膜收縮在膜片的表面內(nèi)時(shí)，該膜片限制了壓電膜的變形。因此，膜片變形以在厚度方向上偏斜(彎曲)。
對(duì)于在第一實(shí)施例中獲得的器件50，圖5用輪廓箭頭示意性地示出了壓電膜34和 44的極化方向。在第一實(shí)施例中獲得的器件50中，當(dāng)上部電極4 6和下部電極32設(shè)定為接地電位并且中間電極40被施加+9V時(shí)，獲得大約82nm的位移。
〈第一比較例〉
作為第一比較例，根據(jù)以下工序制備層積體。在20nm的TiW膜和150nm的Ir膜層積在Si基板上之后，通過(guò)濺射方法在500°C的基板溫度(膜形成溫度)下在其上形成2 μ m 膜厚的PZT膜。在膜形成之后，70nm的Ir膜在350°C下直接形成在PZT膜上。因此，在該第一比較例中的層積體具有這樣的結(jié)構(gòu)，即從第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)(圖1)中省略了用作金屬氧化物膜18的Ir-O膜。
在形成70nm的Ir膜的中間電極之后，第二層的PZT膜直接形成在中間電極上。形成條件與第一層的條件相同，并且以2 μ m厚為目標(biāo)來(lái)形成。
然而，在膜形成步驟之后從膜形成裝置中取出樣品，第二層的PZT膜處于剝離狀態(tài)。這被認(rèn)為是由在形成第二層的PZT膜時(shí)Ir電極被氧化的情況導(dǎo)致的，該Ir電極被化學(xué)地變化以由于來(lái)自第一層的PZT膜的壓電材料成分Pb的擴(kuò)散而改變它的體積，并且該P(yáng)ZT 膜從Ir電極(中間電極)剝離。
嘗試產(chǎn)生Ir膜的中間電極被改變?yōu)镻t膜的中間電極的方案，以及在形成作為附著層的Ti或TiW膜之后形成Ir電極的方案；然而，以與上面所述相同的方式發(fā)生了第二層的壓電膜的剝離。進(jìn)一步地，通過(guò)將第一比較例中用作中間電極的Ir膜的膜厚改變至 50nm、120nm、150nm和250nm來(lái)進(jìn)行相同樣品的產(chǎn)生；然而，在任何情形下都發(fā)生了第二層的壓電膜的剝離。
<中間層(中間電極)的厚度與剝離之間的關(guān)系>
對(duì)于根據(jù)本實(shí)施方式的層積體，研究中間層的厚度與剝離之間的關(guān)系，并獲得了圖6中所示的表中的結(jié)果。圖6中的實(shí)施例A至E的中間層是包括如在第一實(shí)施例中所述的金屬氧化物膜18和金屬膜20的層。中間層可具有例如如圖1中所述的IrOx膜和Ir膜的層積結(jié)構(gòu)，或可具有例如SiO2的絕緣材料膜和例如Ir的金屬膜的層積結(jié)構(gòu)。
在此，通過(guò)改變?nèi)鐖D1至4中所示例的層積結(jié)構(gòu)中的中間層的厚度進(jìn)行試驗(yàn)。如在圖6中的表中的實(shí)施例A至D所示，如果中間層的厚度薄(不大于200nm)，則沒(méi)有剝離發(fā)生。然而，如果中間層的厚度變得極薄，例如，在小于50nm的情形下，將會(huì)發(fā)生例如作為電極電阻變得相對(duì)高的另一問(wèn)題，或者阻止來(lái)自下層(第一層)的PZT的擴(kuò)散的特性下降。
另一方面，如圖6中的表中的比較例所示的，在中間層的厚度不小于250nm的結(jié)構(gòu)中，上部壓電體(第二層)剝離。上部電極被假定為由于在壓電體和中間層等之間的熱膨脹系數(shù)的差異所導(dǎo)致的應(yīng)力而剝離。如在實(shí)施例E中所示的，在中間層的厚度為200nm的情形中觀察到部分剝離的狀態(tài)，然而，可認(rèn)為可以提供實(shí)際上允許的情形。200nm厚度的中間層因此認(rèn)為是可允許水平的閾值(上限)。
基于上面所提到的要點(diǎn)，優(yōu)選地，中間層的厚度不小于50nm并且不大于200nm，更優(yōu)選地不小于50nm并且小于200nm，并進(jìn)一步優(yōu)選地不小于50nm并且不大于150nm。
在上面的描述中，通過(guò)使用中間層的厚度作為參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；然而，應(yīng)力是是否有剝離的主要因素。計(jì)算具有圖6中的表中所示的厚度的中間層的應(yīng)力，具有200nm厚度的中間層中大約為500MPa。換句話說(shuō)，基于在厚度與應(yīng)力之間的關(guān)系來(lái)考慮中間層的優(yōu)選條件，優(yōu)選地，中間層的應(yīng)力和厚度的乘積(應(yīng)力X厚度)不大于ΙΟΟΝ/m2。在這種情形下， 中間層的應(yīng)力可為零。
應(yīng)力和厚度的乘積被認(rèn)為是不依賴于材料的一般指標(biāo)。考慮到對(duì)由熱膨脹系數(shù)之間的差異所導(dǎo)致的應(yīng)力所產(chǎn)生的剝離的抑制以及利用阻止由擴(kuò)`散所導(dǎo)致的剝離的結(jié)構(gòu) (在該結(jié)構(gòu)中，壓電膜層積在包括用作擴(kuò)散阻擋層的金屬氧化物膜的中間層上)，更優(yōu)選地，中間層的應(yīng)力和厚度的乘積小于ΙΟΟΝ/m2，更優(yōu)選地不大于75N/m2。在此，中間層的應(yīng)力和厚度的乘積越小(越接近于O)，則由熱膨脹系數(shù)之間的差異所導(dǎo)致的應(yīng)力的影響越小。 因此，對(duì)于中間層的壓力和厚度的乘積定義優(yōu)選的下限意義不大。
〈第二實(shí)施例〉
圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例獲得的器件的示意圖。在圖7中，與圖5中的那些相同或相似的部件以相同的引用標(biāo)記表示，并省略對(duì)它們的描述。
在第二實(shí)施例中，制備與第一實(shí)施例中獲得的器件50類似的器件70。在第二實(shí)施例中，第一層的壓電膜74由Nb摻雜的PZT(PNZT)構(gòu)成，且第二層的壓電膜76由純PZT 構(gòu)成。換句話說(shuō)，圖7中的PNZT膜74具有與圖5中的PNZT膜44相同的組分，并且圖7中的純PZT膜76具有與圖5中的純PZT膜34相同的組分。以與第一實(shí)施例相同的方式對(duì)純 PZT膜76實(shí)施極化處理，并獲得在圖7中以輪廓線箭頭示出的極化狀態(tài)。更具體地，第一層的壓電體74的極化方向是向上方向，而第二層的壓電體76的極化方向是向下方向。
在如上所述獲得的器件70中，當(dāng)下部電極32和上部電極46設(shè)定為接地電位并且中間電極40被施加-9V時(shí)，獲得大約8 Inm的位移。
〈第二比較例〉
在第二比較例中，制備具有與第一實(shí)施例中的器件50類似的結(jié)構(gòu)的器件，但是第一和第二層的壓電體都由Nb摻雜的PZT(PNZT)構(gòu)成。進(jìn)一步地，第一和第二層的壓電體的極化方向設(shè)定為相同的方向(在此為向上方向)。
對(duì)于第二比較例中的器件，根據(jù)壓電體的極化方向來(lái)選擇電壓施加的最優(yōu)方向， +9V被施加至下部電極，中間電極被接地，而-9V被施加至上部電極。結(jié)果，獲得96nm的位移。然而，驅(qū)動(dòng)電壓的絕對(duì)值為18V，其大于第一和第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電壓。此外，在第二比較例中，對(duì)應(yīng)于正電壓和負(fù)電壓輸出的驅(qū)動(dòng)器是必需的并且變得昂貴。進(jìn)一步地，因?yàn)樯喜亢拖虏侩姌O未處于接地電位，因此存在至基板的漏電流的問(wèn)題，對(duì)上電極的絕緣保護(hù)等是必需的，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
〈極化方向和驅(qū)動(dòng)電壓的總結(jié)〉
圖8是示出第一和第二實(shí)施例以及第二比較例中的極化方法和驅(qū)動(dòng)電壓的表。在圖8中，通過(guò)將位移量除以驅(qū)動(dòng)電壓的絕對(duì)值獲得“位移/電壓”，并表明每單位電壓的位移效率。從圖8中明顯可見(jiàn)的，已知第一和第二實(shí)施例中的器件能夠比第二比較例中的器件更有效率地驅(qū)動(dòng)。
此外，第一和第二實(shí) 施例中的器件可通過(guò)對(duì)應(yīng)于正和負(fù)中的任一極性的電壓輸出的驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且第一和第二實(shí)施例中的器件比第二比較例中的器件廉價(jià)。并且，在第一和第二實(shí)施例中的器件中，因?yàn)樯喜亢拖虏侩姌O處于接地電位，因此可以省略或簡(jiǎn)化對(duì)至基板的電流泄漏的應(yīng)對(duì)措施、對(duì)上部電極的絕緣保護(hù)等。
<應(yīng)用于液體噴射頭的例子>
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的噴墨頭的結(jié)構(gòu)視圖。在圖9中，示例了利用在第一實(shí)施例中參照?qǐng)D5描述的器件結(jié)構(gòu)的噴墨頭作為噴射能量發(fā)生器件；但是，也可利用在第二實(shí)施例中參照?qǐng)D7描述的器件結(jié)構(gòu)。
在圖9中，與如圖5中所示的結(jié)構(gòu)中的那些相同或相似的部件以相同的標(biāo)記表示并省略其描述。圖9中所示的噴墨頭150構(gòu)造為使得噴嘴板152結(jié)合至圖5中所描述的層積結(jié)構(gòu)的Si層104的底表面。用作墨(液體)的噴射端口的噴嘴孔154形成在噴嘴板152 中。墨水填充到空間(壓力室)48中，膜片(硅層303)通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)的方式變形而偏斜， 并且壓力室48的體積改變，從而壓力被改變并且墨滴從噴嘴孔154噴射。因此，在圖9中的噴墨頭150中，如圖5中所述的層積體用作產(chǎn)生用于從噴嘴噴射液體的能量的噴射能量發(fā)生器件。
盡管圖9中未示出，用于將墨供應(yīng)至壓力室48的墨供應(yīng)流動(dòng)通道(公共供應(yīng)通道、獨(dú)立供應(yīng)通道等)形成在硅層301上。進(jìn)一步地，在圖9中，示出噴嘴板152直接結(jié)合到 Si層301的下表面的例子；然而，形成其它流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)的流動(dòng)通道板可設(shè)置在Si層301 和噴嘴板152之間。
圖9示出包括一個(gè)噴嘴孔154、連接至該一個(gè)噴嘴孔154的壓力室48以及對(duì)應(yīng)于壓力室48的噴射能量發(fā)生器件的噴射機(jī)構(gòu)的元件；然而，該噴墨頭150提供有多個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的噴射機(jī)構(gòu)(液滴噴射器件)。
在噴嘴板152的噴射表面(噴嘴表面)中的噴嘴孔的設(shè)置沒(méi)有特殊限定?？梢岳酶鞣N噴嘴設(shè)置，例如噴嘴設(shè)置成一行的一維設(shè)置、噴嘴設(shè)置成兩行的交錯(cuò)設(shè)置、組合三行或更多行噴嘴行的二維設(shè)置等。
下部電極32和上部電極46連接至驅(qū)動(dòng)電路(驅(qū)動(dòng)IC) 160的接地端子，并被設(shè)定到接地電位。中間電極40連接至驅(qū)動(dòng)電路160的驅(qū)動(dòng)電壓輸出端子，并用作驅(qū)動(dòng)電極。該驅(qū)動(dòng)電路160是為了饋送用于使電極之間的壓電膜34和44變形的驅(qū)動(dòng)電源(驅(qū)動(dòng)電壓)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以僅通過(guò)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。因此，相較于第二比較例，可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路160，并且可以實(shí)現(xiàn)具有低成本并且高耐用性和可靠性的噴墨系統(tǒng)。
在圖9中的噴墨頭150中，如果應(yīng)用第二實(shí)施例中的器件替代第一實(shí)施例中的器件，則可以僅通過(guò)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的負(fù)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。
〈作用效果〉
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，由于可以在層積結(jié)構(gòu)中使用壓電膜，因此可以使用壓電膜材料實(shí)現(xiàn)壓電器件的有效的性能改進(jìn)。
例如，對(duì)于用作壓電致動(dòng)器的壓電器件，通過(guò)施加具有相對(duì)低的電壓的驅(qū)動(dòng)電壓能夠獲得大的位移。進(jìn)一步地，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的減小，減輕了包括驅(qū)動(dòng)電路的控制電路的負(fù)荷，并且可以實(shí)現(xiàn)低成本、節(jié)能、耐用性的改進(jìn)等。
〈修改例〉
雖然在第一和第二實(shí)施例中已經(jīng)描述了具有腔體結(jié)構(gòu)的膜片型壓電致動(dòng)器，但是本發(fā)明的應(yīng)用范圍不限于此，并且本發(fā)明能夠應(yīng)用于懸臂結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器。
〈其它應(yīng)用例1>
在上面所提到的實(shí)施方式中，通過(guò)示例噴墨頭的應(yīng)用已經(jīng)給出了說(shuō)明；然而，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不限于此。例如，本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于通過(guò)使用液體功能材料引出各種形狀和圖案的液體噴射頭，例如引出電子電路的布線圖案的布線裝置、各種器件的制造裝 置、 使用樹(shù)脂液體作為用于噴射的功能液體的電阻印刷裝置、濾色器制造裝置、通過(guò)使用用于材料沉積的材料形成微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)形成裝置等，以及使用其的液體噴射裝置(系統(tǒng))。
〈其它應(yīng)用例2>
在上面所提到的實(shí)施方式中，已經(jīng)給出了用于致動(dòng)器的壓電器件的說(shuō)明；然而，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不限于此。本發(fā)明能夠用于為了各種目的而利用的壓電器件，例如傳感器、 發(fā)電器件等。
應(yīng)該理解本發(fā)明不限于所公開(kāi)的特定形式，相反，本發(fā)明覆蓋落入如所附權(quán)利要求所表述的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有變型替代結(jié)構(gòu)以及等同物。
權(quán)利要求
1.一種壓電器件，包括基板；層積在所述基板上方的第一電極；層積在所述第一電極上方的第一壓電膜；層積在所述第一壓電膜上方的金屬氧化物膜；層積在所述金屬氧化物膜上方的金屬膜；層積在所述金屬膜上方的第二壓電膜；以及層積在所述第二壓電膜上方的第二電極，其中，所述第一壓電膜的極化方向與所述第二壓電膜的極化方向彼此不同。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，在由所述第一壓電膜和所述第二壓電膜之間的所述金屬氧化物膜和所述金屬膜構(gòu)成的中間層中的應(yīng)力和厚度的乘積小于100N/m2。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電器件，其中，所述中間層的厚度不小于50nm并且小于 250nmo
4.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述金屬氧化物膜包括鉬族金屬的氧化物。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述金屬膜包括鉬族金屬。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中所述第一電極和所述第二電極配置為保持于接地電位；并且包括所述第一壓電膜和所述第二壓電膜之間的所述金屬膜的中間電極配置為用作驅(qū)動(dòng)電極，將用于使所述第一壓電膜和所述第二壓電膜變形的驅(qū)動(dòng)電壓施加至所述驅(qū)動(dòng)電極。
7.如權(quán)利要求6所述的壓電器件，其中，當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)電壓施加至所述中間電極時(shí)，在與所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的每一個(gè)的極化方向相同的方向上對(duì)所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的每一個(gè)施加電場(chǎng)。
8.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的每一個(gè)通過(guò)氣相外延方法來(lái)形成。
9.如權(quán)利要求8所述的壓電器件，其中，所述氣相外延方法是通過(guò)實(shí)施熱膜形成進(jìn)行晶體化的濺射方法。
10.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的每一個(gè)由鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜的成分與所述第二壓電膜的成分彼此不同。
12.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的至少一個(gè)由一種或多種由下式表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成，Aa (Zrx，Tiy，Mb_x_y)b0c，(PX)其中A為A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；M為選自由V、Nb、Ta和Sb構(gòu)成的組中的至少一種元素；0為氧，滿足O < x<b，0<y<b并且O≤(b-x-y)的關(guān)系，并且A 位元素、B位元素和氧的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率為1:1 : 3，但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離所述標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
13.如權(quán)利要求12所述的壓電器件，其中所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的一個(gè)由一種或多種由PX表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成；并且所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的另一個(gè)由一種或多種由下式表示的鈣鈦礦型氧化物構(gòu)成ABO3, (P)其中A為A位元素并且是包括Pb的至少一種元素；B為B位元素以及選自由T1、Zr、 V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 構(gòu)成的組中的至少一種元素，并且A位元素、B位元素和氧的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率為1:1 : 3，但是該摩爾比率可在能夠獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)偏離所述標(biāo)準(zhǔn)摩爾比率。
14.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的至少一個(gè)由摻雜有鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的一個(gè)由摻雜有鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成；并且所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的另一個(gè)由未摻雜銀的材料構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求15所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜中的由摻雜有鈮的鋯鈦酸鉛構(gòu)成的那一個(gè)的極化方向是從所述基板朝向所述第二電極的方向。
17.如權(quán)利要求15所述的壓電器件，其中，所述未摻雜鈮的材料為純鋯鈦酸鉛。
18.如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中，所述第一壓電膜和所述第二壓電膜的極化方向平行于各自膜的厚度方向并且彼此反向。
19.一種液體噴射頭，包括作為配置為噴射液體的噴射端口的噴嘴；包含所述液體并且連接至所述噴嘴的壓力室；以及如權(quán)利要求1所述的壓電器件，所述壓電器件設(shè)置為與所述壓力室相對(duì)應(yīng)并配置為用作噴射能量發(fā)生器件以產(chǎn)生通過(guò)所述噴嘴噴射所述壓力室中的所述液體的能量。
20.一種壓電器件的制造方法，所述方法包括在基板上方層積第一電極的第一電極形成步驟；在所述第一電極上方層積第一壓電膜的第一壓電膜形成步驟；在所述第一壓電膜上方層積金屬氧化物膜的金屬氧化物膜形成步驟；在所述金屬氧化物膜上方層積金屬膜的金屬膜形成步驟；在所述金屬膜上方層積第二壓電膜的第二壓電膜形成步驟；在所述第二壓電膜上方層積第二電極的第二電極形成步驟；以及使所述第一壓電膜的極化方向和所述第二壓電膜的極化方向彼此不同的極化處理步驟。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述第一壓電膜形成步驟和所述第二壓電膜形成步驟中的每一個(gè)包括氣相外延方法。
全文摘要
一種壓電器件，包括基板；層積在基板上方的第一電極；層積在第一電極上方的第一壓電膜；層積在第一壓電膜上方的金屬氧化物膜；層積在金屬氧化物膜上方的金屬膜；層積在金屬膜上方的第二壓電膜；以及層積在第二壓電膜上方的第二電極，其中第一壓電膜的極化方向和第二壓電膜的極化方向彼此不同。
文檔編號(hào)B41J2/135GK103035835SQ2012104486
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月4日
發(fā)明者藤井隆滿, 菱沼慶一 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社