壓電器件、壓電致動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、噴墨打印機(jī)裝置和壓電傳感器的制造方法
【專利摘要】根據(jù)本發(fā)明的壓電器件(100)設(shè)置有第一電極膜(5)、設(shè)置在第一電極膜(5)上的第一非金屬導(dǎo)電性中間膜(4)、設(shè)置在第一非金屬導(dǎo)電性中間膜(4)上的壓電膜(3)、設(shè)置在壓電膜(3)上的第二非金屬導(dǎo)電性中間膜(2)、以及設(shè)置在第二非金屬導(dǎo)電性中間膜(2)上的第二電極膜(1)。第一非金屬導(dǎo)電性中間膜(4)的線性膨脹系數(shù)大于第一電極膜(5)和壓電膜(3)的線性膨脹系數(shù)，并且第二非金屬導(dǎo)電性中間膜(2)的線性膨脹系數(shù)大于第二電極膜(1)和壓電膜(3)的線性膨脹系數(shù)。
【專利說明】壓電器件、壓電致動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、噴墨打印機(jī)裝置和壓 電傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種使用壓電材料的壓電器件；以及具有該壓電器件的壓電致動(dòng)器、 硬盤驅(qū)動(dòng)器、噴墨打印機(jī)裝置和壓電傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 近來，替代塊體壓電材料，使用薄膜壓電材料的壓電器件的實(shí)際應(yīng)用越來越廣泛。 這種應(yīng)用的例子包括利用壓電效應(yīng)來將施加在壓電膜上的力轉(zhuǎn)換為電壓的陀螺儀傳感器、 震動(dòng)傳感器、麥克風(fēng)等，或者利用逆壓電效應(yīng)來使施加有電壓的壓電膜變形的致動(dòng)器、噴墨 頭、揚(yáng)聲器、蜂鳴器，諧振器等。
[0003] 壓電材料的厚度的減小能夠縮小壓電器件的規(guī)模以擴(kuò)大應(yīng)用的領(lǐng)域。由于大量的 壓電器件能夠一起制作在基板上，因此量產(chǎn)性會提高。此外，在性能方面有許多優(yōu)點(diǎn)，例如， 在傳感器中使用壓電膜時(shí)靈敏度的改善。然而，從其他膜對壓電膜的外部應(yīng)力和壓電膜本 身的內(nèi)部應(yīng)力會比塊體材料的情況對壓電特性帶來更多影響，并且為此壓電膜需要不同于 塊體材料的應(yīng)力控制技術(shù)。因此，把專注于施加于壓電膜的界面的熱應(yīng)力的控制的壓電特 性的控制方法成為在壓電器件的設(shè)計(jì)中的重要因素。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2003-176176號公報(bào)
[0007] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2006-188414號公報(bào)
[0008] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開1999-097755號公報(bào)
[0009] 專利文獻(xiàn)4 :日本專利第4142128號
[0010] 專利文獻(xiàn)5 :日本特開2009-094449號公報(bào)
[0011] 非專利文獻(xiàn)
[0012] 非專利文獻(xiàn) I :R&D Review of Toyota CRDL Vol. 34 No. I pp 19-24(1999)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0014] 壓電特性當(dāng)中的重要因素之一是矯頑電場Ec。矯頑電場Ec是在自發(fā)極化反轉(zhuǎn)時(shí) 電場的大小，并且當(dāng)將高于該矯頑電場的電場施加于壓電材料時(shí)極化方向開始反轉(zhuǎn)。圖1 示出典型的壓電器件的極化P-電場E的磁滯曲線以及矯頑電場Ec的位置。在利用逆壓電 效應(yīng)即施加有電壓的壓電膜的變形的器件的情況下，在與極化方向相同的方向上實(shí)現(xiàn)了高 位移。
[0015] 圖2示出典型的壓電器件的應(yīng)變X與電場E的關(guān)系（稱為蝴蝶曲線）。從圖2可 見，應(yīng)變方向在矯頑電場Ec時(shí)反轉(zhuǎn)。這意味著即使為了獲得大的應(yīng)變X而增加電場E，極化 方向也將在剛高于矯頑電場Ec時(shí)反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致無法在期望的方向上獲得應(yīng)變X。因此，期 望具有大的矯頑電場Ec的壓電器件以獲得大應(yīng)變x。
[0016] 增強(qiáng)矯頑電場的技術(shù)的其中一種技術(shù)是改變壓電膜的組成（專利文獻(xiàn)1和2)，但 是即使在相同組成的壓電材料的情況下，當(dāng)其形成為薄膜時(shí)，如上所述，因?yàn)橛捎谄骷哪?結(jié)構(gòu)而引起的外部應(yīng)力、由于成膜條件所引起的內(nèi)部應(yīng)力、以及諸如結(jié)晶度和壓電膜的取 向的因素的原因，矯頑電場顯著變化，并且其控制是困難的。當(dāng)通過壓電膜本身的組成的改 變而增加矯頑電場時(shí)，壓電膜的壓電常數(shù)傾向于下降，并且因而難以獲得所期望的位移。
[0017] 也存在有效驅(qū)動(dòng)具有小的矯頑電場的壓電膜的另一種技術(shù)（專利文獻(xiàn)3)，但其要 求預(yù)先測量矯頑電場的精確值，這使得驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜且增加該器件的成本。
[0018] 專利文獻(xiàn)4公開了電介質(zhì)膜形成在硅基板上并且導(dǎo)電性中間膜置于電介質(zhì)膜上 以防止自發(fā)極化的減少的疊層體，但是壓電特性的改善效果僅通過在電介質(zhì)膜上的僅一側(cè) 上淀積中間膜而受到限制。
[0019] 專利文獻(xiàn)5公開了在壓電膜中在壓縮方向上產(chǎn)生應(yīng)力的中間膜設(shè)置在形成在硅 基板上的電極與壓電膜之間的結(jié)構(gòu)，盡管其目的與本發(fā)明的不同。然而，中間膜的線性膨脹 系數(shù)和其他并沒有限制，并且當(dāng)僅在壓電膜的僅一側(cè)上淀積中間膜時(shí)，許多壓電材料無法 實(shí)現(xiàn)作為壓電器件的令人滿意的逆壓電特性。
[0020] 本發(fā)明已經(jīng)考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，并且本發(fā)明的目的在于提供一種能夠容 易地增加壓電器件的矯頑電場的壓電器件。
[0021] 解決問題的技術(shù)手段
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的壓電器件包括第一電極膜；第一非金屬導(dǎo)電性中間膜，其設(shè)置在第 一電極膜上；壓電膜，其設(shè)置在第一非金屬導(dǎo)電性中間膜上；第二非金屬導(dǎo)電性中間膜，其 設(shè)置在壓電膜上；以及第二電極膜，其設(shè)置在第二非金屬導(dǎo)電性中間膜。第一非金屬導(dǎo)電性 中間膜的線性膨脹系數(shù)大于第一電極膜的線性膨脹系數(shù)和壓電膜的線性膨脹系數(shù)，并且第 二非金屬導(dǎo)電性中間膜的線性膨脹系數(shù)大于第二電極膜的線性膨脹系數(shù)和壓電膜的線性 膨脹系數(shù)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，該器件包括非金屬導(dǎo)電性中間膜，其有助于將壓應(yīng)力引入壓電膜， 由此實(shí)現(xiàn)矯頑電場的增加。各個(gè)非金屬導(dǎo)電性中間膜的比電阻（電阻率）可以不大于 0. 1 Ω cm。
[0024] 在根據(jù)本發(fā)明的壓電器件中，第一非金屬導(dǎo)電性中間膜與第二非金屬導(dǎo)電性中間 膜可以與壓電膜直接接觸。
[0025] 該配置使得更容易進(jìn)一步有效地將壓應(yīng)力引入壓電膜，因而有助于進(jìn)一步提高壓 電器件的矯頑電場。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的壓電器件可以配置如下：在第二電極膜的頂面上不存在IOym或更 厚的基板并且在第一電極膜的底面上也不存在10 μ m或更厚的基板。
[0027] 在沒有這樣的基板的情況下，基板的壓電膜上不會受到基板的限制，因而可以在 壓電膜上施加更大的壓應(yīng)力。
[0028] 第一非金屬導(dǎo)電性中間膜和第二非金屬導(dǎo)電性中間膜可以分別是無機(jī)氧化膜。具 有比壓電膜更大的線性膨脹系數(shù)的材料的無機(jī)氧化膜更容易制作，因而通過在高溫下淀積 兩個(gè)無機(jī)氧化膜其后使它們冷卻而更容易在壓電膜上施加壓應(yīng)力。當(dāng)將無機(jī)氧化膜用作 導(dǎo)電性中間膜時(shí)，在高溫下在壓電膜上淀積導(dǎo)電性中間膜或者使導(dǎo)電性中間膜退火變得可 行，這使更大的壓應(yīng)力能夠施加在壓電膜上。這除了導(dǎo)電性中間膜的熱膨脹以外，還通過在 對導(dǎo)電性中間膜退火處理期間加熱和冷卻使壓應(yīng)力能夠引入壓電膜，從而增強(qiáng)矯頑電場增 加的效果。
[0029] 這兩種無機(jī)氧化膜可以具有相同的組成。此外，兩個(gè)導(dǎo)電性中間膜可以具有彼此 大約相等的各個(gè)厚度。該配置允許均勻的壓應(yīng)力從其兩側(cè)施加在壓電膜上。
[0030] 發(fā)明的有益效果
[0031] 本發(fā)明的壓電器件等可以具有比常規(guī)壓電器件更大的矯頑電場。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1是示出典型的壓電器件的極化P-電場E的磁滯曲線和矯頑電場Ec的位置的 圖。
[0033] 圖2是示出典型的壓電器件的應(yīng)變X與電場E的關(guān)系（蝴蝶曲線）的圖。
[0034] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的壓電器件的配置圖。
[0035] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的壓電器件的配置圖。
[0036] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的壓電器件的配置圖。
[0037] 圖6是示出比較例1的壓電器件的膜結(jié)構(gòu)的圖。
[0038] 圖7是使用壓電器件的磁頭組件的配置視圖。
[0039] 圖8是安裝有圖7所示的磁頭組件的硬盤驅(qū)動(dòng)器的配置視圖。
[0040] 圖9是使用壓電器件的噴墨打印機(jī)的配置視圖。
[0041] 圖10是安裝有圖9所示的噴墨打印機(jī)磁頭80的噴墨打印機(jī)裝置的配置視圖。
[0042] 圖11(a)是使用壓電器件的陀螺儀傳感器的配置視圖（平面圖）并且圖11(b)是 沿著圖11(a)的A-A線剖開的橫截面圖。
[0043] 圖12是使用壓電器件的壓力傳感器的配置視圖。
[0044] 圖13是使用壓電器件的脈搏波傳感器的配置視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式將在下面參考附圖詳細(xì)描述。在附圖中，相同或相當(dāng)?shù)?元件將用相同的標(biāo)號來表示。垂直和水平位置關(guān)系如附圖中所示。該描述將在無多余描述 的情況下給出。
[0046] (第一實(shí)施方式）
[0047] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的壓電器件100。壓電器件100具有基板7、 置于基板7上的第一電極膜5、置于第一電極膜5上的第一導(dǎo)電性中間膜4、置于第一導(dǎo)電 性中間膜4上的壓電膜3、形成在壓電膜3上的第二導(dǎo)電性中間膜2、以及形成在第二導(dǎo)電 性中間膜2上的第二電極膜1。
[0048] (基板 7)
[0049] 在基板7是充當(dāng)基底結(jié)構(gòu)的板。這里所使用的基板7可以是例如具有（100)平面 取向的硅基板。基板7可以具有例如IOym至IOOOym范圍內(nèi)的厚度。這里所使用的基 板7也可以是具有不同于該（100)平面的平面取向的硅基板、絕緣上硅片（SOI)基板、石英 玻璃基板、由GaAs等構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體基板、藍(lán)寶石基板、由不銹鋼等構(gòu)成的金屬基板、 MgO基板、或者SrTiO3基板。當(dāng)基板7是導(dǎo)電性材料時(shí)絕緣膜可以置于基板7上。這里所 使用的絕緣膜可以是例如熱氧化硅膜（SiO2)、Si3N4、Zr0 2、Y203、Zn0或Al2O3。絕緣膜的厚度 可以在0. OOlym至LOym的范圍內(nèi)。
[0050] (第一電極膜5)
[0051] 第一電極膜5是導(dǎo)電性膜。第一電極膜5由例如鉬（Pt)制成。第一電極膜5優(yōu) 選具有0. 02 ym至LOym范圍內(nèi)的厚度。當(dāng)厚度小于0. 02 μ m時(shí)，作為電極的功能會變得 不足；當(dāng)厚度大于1. 〇 μ m時(shí)，壓電材料的位移特性會受到阻礙。這里所使用的第一電極膜 5也可以是金屬材料諸如鈕（Pd)、銘（Rh)、金（Au)、釕（Ru)或者銥（Ir)。
[0052] (第一導(dǎo)電性中間膜4)
[0053] 第一導(dǎo)電性中間膜（第一非金屬導(dǎo)電性中間膜）4是非金屬膜。第一導(dǎo)電性中間 膜4的線性膨脹系數(shù)大于第一電極膜5和壓電膜3的線性膨脹系數(shù)。
[0054] 本說明書中的線性膨脹系數(shù)是長度相對于溫度的變化率的平均值，在20°C至 500°C的范圍內(nèi)每單位長度。薄膜的線性膨脹系數(shù)接近于或者略小于塊體材料的值是眾所 周知的（例如，參照非專利文獻(xiàn)1)，并且如果我們知道形成壓電器件的各個(gè)材料的類型，則 能夠適當(dāng)?shù)毓烙?jì)各個(gè)薄膜的線性膨脹系數(shù)的大小關(guān)系。
[0055] 第一導(dǎo)電性中間膜4的線性膨脹系數(shù)優(yōu)選比第一電極膜5和壓電膜3的線性膨脹 系數(shù)大至少〇. 1Χ1(Γ6(1/Κ)。
[0056] 第一導(dǎo)電性中間膜4的厚度優(yōu)選在IOnm至IOOnm的范圍內(nèi)。如果厚度小于10nm， 則可能無法將足夠的壓應(yīng)力施加在壓電膜3上；如果厚度大于100nm，則壓電膜3的結(jié)晶度 會降低。
[0057] 第一導(dǎo)電性中間膜4優(yōu)選為無機(jī)氧化膜。無機(jī)氧化物的例子是導(dǎo)電性金屬氧化 物。在本實(shí)施方式的壓電器件100中，由于電壓經(jīng)由第一電極膜5和第一導(dǎo)電性中間膜4而 施加于壓電膜3,因此具有高比電阻的第一導(dǎo)電性中間膜不是優(yōu)選的。因此，第一導(dǎo)電性中 間膜4的比電阻優(yōu)選不大于0. 1 Ω cm。例如，SrRuO3膜具有約50?100 X KT6 Ω cm的比電阻， SrTiO3膜具有約70?100 X KT6 Ω cm的比電阻，并且LaNiO3膜具有約300?400 X KT6 Ω cm 的比電阻；因此，它們可適當(dāng)?shù)剡m用于第一導(dǎo)電性中間膜4。此外，導(dǎo)電性金屬氧化膜諸如 CaRu03、BaRu0 3、（LaxSivx)CoO3JBa2Cu 3O7 和 La4BaCu5O13 也具有不大于 0. 1 Ω cm 的比電阻，因 而可適當(dāng)?shù)剡m用于第一導(dǎo)電性中間膜4。為了降低導(dǎo)電性的目的，堿金屬元素諸如Li、K或 Na可以添加于第一導(dǎo)電性中間膜4。由于在如下所述的高溫下執(zhí)行壓電膜3的淀積，因此 具有低熔點(diǎn)的金屬材料不適合于第一導(dǎo)電性中間膜4。
[0058] (壓電膜3)
[0059] 在壓電膜3的材料上沒有特別限制，只要其表現(xiàn)出壓電特性即可；壓電膜3用的這 樣的材料的例子包括PZT (鋯鈦酸鉛）、KNN (鈮酸鉀鈉）、BT (鈦酸鋇）、LN (鈮酸鋰）、BNT (鈦 酸鉍鈉）、ZnO (氧化鋅）和AlN(氮化鋁）。壓電膜3的厚度無特別限制，但厚度可以是例 如在約0. 5μπι至5μπι的范圍內(nèi)。
[0060] (第二導(dǎo)電性中間膜（第二非金屬導(dǎo)電性中間膜）2)
[0061] 第二導(dǎo)電性中間膜2是非金屬膜。第二導(dǎo)電性中間膜2的線性膨脹系數(shù)大于第二 電極膜1和壓電膜3的線性膨脹系數(shù)。第二導(dǎo)電性中間膜2的材料可以是列出用于第一導(dǎo) 電性中間膜4的材料的其中之一。第二導(dǎo)電性中間膜2的厚度也可以在描述用于第一導(dǎo)電 性中間膜4的范圍內(nèi)。
[0062] 第二導(dǎo)電性中間膜2的線性膨脹系數(shù)優(yōu)選比第二電極膜1和壓電膜3的線性膨脹 系數(shù)大至少〇. ιχ?(τ6α/κ)。
[0063] 第二導(dǎo)電性中間膜2和第一導(dǎo)電性中間膜4可以具有相同的組成。第二導(dǎo)電性中 間膜2的厚度可以接近于第一導(dǎo)電性中間膜4的厚度。在這種情況下，容易使壓電膜3上 下應(yīng)力大致相等。如果上下應(yīng)力之間有區(qū)別，則該器件會變得彎曲。
[0064] (第二電極膜1)
[0065] 第二電極膜1是導(dǎo)電性膜并且可以由例如鉬（Pt)制成。第二電極膜1可以具有 例如0. 02 μ m至I. 0 μ m范圍內(nèi)的厚度。這里所使用的第二電極膜1由濺射法淀積，并且也 可以是金屬材料諸如鈀（Pd)、銠（Rh)、金（Au)、釕（Ru)或銥（Ir)。第二電極膜1的厚度可 以在與第一電極膜5的范圍相同的范圍內(nèi)。
[0066](膜上的應(yīng)力）
[0067] 在壓電器件100中，第一和第二導(dǎo)電性中間膜4、2在沿著與各個(gè)中間膜4、2接觸 的壓電膜3的表面的方向施加壓應(yīng)力。結(jié)果，可以增加壓電器件100的矯頑電場。壓電膜 3上的壓應(yīng)力的大小無特別限制，但其可以例如在IOMPa至200MPa的范圍內(nèi)。矯頑電場的 增加擴(kuò)大了驅(qū)動(dòng)電壓的范圍，因而提供更大的位移。
[0068] (制造方法）
[0069] 下面將描述上述壓電器件的制造方法的例子。
[0070] 第一電極膜5例如通過濺射形成在基板7上。例如，通過在約400°C?500°C下被 加熱的具有（100)平面取向的硅基板7上濺射而形成Pt膜，由此獲得具有高（100)取向的 第一電極膜5。Pt膜由于它能夠增強(qiáng)其后形成在其上的壓電膜3的取向因此是有利的。第 一電極膜5可以通過前述以外的方法來形成。
[0071] 接著，在第一電極膜5上形成第一導(dǎo)電性中間膜4。第一導(dǎo)電性中間膜4能夠通過 諸如濺射的方法來形成。第一導(dǎo)電性中間膜4優(yōu)選在不小于壓電膜3的居里溫度的溫度下 淀積，原因是其影響壓電膜3的結(jié)晶度。
[0072] 接著，在第一導(dǎo)電性中間膜4上淀積壓電膜3。壓電膜3通過諸如在基板7在約 400°C?600°C下被加熱的條件下濺射的方法來淀積。
[0073] 隨后，在壓電膜3上形成第二導(dǎo)電性中間膜2。第二導(dǎo)電性中間膜2通過諸如在基 板7在約400°C?600°C下被加熱的條件下濺射的方法來淀積。
[0074] 在比室溫更高的高溫下以這種方式在第一導(dǎo)電性中間膜4上淀積壓電膜3和第二 導(dǎo)電性中間膜2之后，在使壓電器件重新回到室溫的處理中根據(jù)它們的線性膨脹之間的差 異，第一和第二導(dǎo)電性中間膜2、4變得比壓電膜3更收縮，以便施加大的壓應(yīng)力到壓電膜3 上。
[0075] 其后，第二電極膜1可以通過諸如濺射的方法形成在第二導(dǎo)電性中間膜25上。這 樣就完成了壓電器件1〇〇。
[0076] 此外，置于基板7上的壓電器件100接著根據(jù)需要通過光刻法圖案化，并且將基板 7進(jìn)一步切割，由此能夠獲得例如具有ImmX2mm的尺寸的可動(dòng)部件的壓電器件100。
[0077] (第二實(shí)施方式）
[0078] 將參考圖4描述根據(jù)第二實(shí)施方式的壓電器件200。本實(shí)施方式的壓電器件200 與壓電器件100的不同點(diǎn)在于：除去第一電極膜5之下作為基底結(jié)構(gòu)的基板7。由于該配 置，第二電極膜1的頂面和第一電極膜5的底面暴露于外部。由于在壓電器件200中沒有 受到基板7的膨脹和壓縮的限制，因此壓電膜3容易具有大得多的壓應(yīng)力。這增強(qiáng)了矯頑 電場的增加的效果。由于該器件按基板7的重量計(jì)算重量變得更輕，因此該器件可以具有 更大的位移。壓電膜3上壓應(yīng)力的大小沒有特別限制，但可以在例如20MPa至400MPa的范 圍內(nèi)。
[0079] 該配置的壓電器件200能夠例如通過如下獲得。首先，以與第一實(shí)施方式相同的 方式在基板7上淀積膜5?1。接著，預(yù)先設(shè)置有金屬膜12的支撐基板7'經(jīng)由樹脂膜11 而接合于第二電極膜1。然后，通過刻蝕除去基板7。其后，置于支撐基板7'上的膜5?1、 11和12例如通過光刻法以所期望的形狀圖案化。最后，通過刻蝕除去支撐基板7'、樹脂膜 11和金屬膜12。
[0080] (第三實(shí)施方式）
[0081] 將參考圖5說明根據(jù)第三實(shí)施方式的壓電器件300。本實(shí)施方式的壓電器件300 與壓電器件100的不同點(diǎn)在于：除去第一電極膜5之下作為基底結(jié)構(gòu)的基板7,并且樹脂膜 11設(shè)置在第二電極膜1上以便與第二電極膜1接觸。膜1-5由具有更低剛度的樹脂膜11 而不是具有高剛度的基板7支撐，其減少了由基板7施加在膜1?5上的應(yīng)力，以便允許從 第一和第二導(dǎo)電性中間膜2、4引入到壓電膜3的更大的壓應(yīng)力，由此增強(qiáng)矯頑電場的增加 的效果。此外，壓電膜3變得更小可能被基板7阻礙位移，這造成實(shí)現(xiàn)更足夠的位移。壓電 膜3上的壓應(yīng)力的大小沒有特別限制，但其可以在例如20MPa至400MPa的范圍內(nèi)。
[0082] 樹脂膜11可以由例如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等制成。該樹脂膜的涂覆厚度可以 在約5μηι至15μηι的范圍內(nèi)。
[0083] 此外，如圖5所示，該器件可以在樹脂膜11上具有金屬膜12。該金屬膜12的材料 可以與第二電極膜1的材料相同，并且可以是例如金屬材料諸如Pt、Ni、PcU In、Rh或Au。 金屬膜12的厚度可以在0. 02μπι至Ι.Ομπι的范圍內(nèi)。
[0084] 該配置的壓電器件300能夠例如通過如下獲得。首先，以與第一實(shí)施方式相同的 方式在基板7上淀積膜5?1。接著，預(yù)先設(shè)置有金屬膜12的支撐基板7'經(jīng)由樹脂膜11 而接合于第二電極膜1。然后，通過刻蝕除去基板7。此后，置于支撐基板7'上的膜5?1、 11和12例如通過光刻法以所期望的形狀圖案化。最后，通過刻蝕除去支撐基板7'。金屬 膜12可以保留而不除去。
[0085] 例如，本發(fā)明的壓電器件適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于利用壓電效應(yīng)的壓電器件諸如陀螺儀傳感 器、震動(dòng)傳感器和麥克風(fēng)，或者利用逆壓電效應(yīng)的壓電器件諸如致動(dòng)器、噴墨頭、揚(yáng)聲器、蜂 鳴器和諧振器，并且特別適合應(yīng)用于利用逆壓電效應(yīng)的壓電器件。
[0086] (作為壓電致動(dòng)器的磁頭組件）
[0087] 圖7是使用壓電器件200的磁頭組件的配置視圖。如該視圖所示，磁頭組件65包 括基板29、負(fù)載梁21、撓性件27、驅(qū)動(dòng)元件的第一和第二壓電器件200、以及具有磁頭元件 29a的滑動(dòng)器29作為主要部件。
[0088] 然后，負(fù)載梁21包括通過使用例如光束焊接等固定于基板29的基端部分21b、從 基端部分21b以錐形形狀延伸的第一和第二葉片彈簧部分21c和21d、形成在第一和第二 葉片彈簧部分21c和21d之間的開口部分21e、以及從第一和第二葉片彈簧部分21c和21d 直線地且以錐形形狀延伸的梁主體部21f。
[0089] 第一和第二壓電器件200彼此之間具有預(yù)定間隙地設(shè)置在是撓性件27的一部分 的配線柔性基板25上。滑動(dòng)器29固定于撓性件27的前端部并且對應(yīng)于第一和第二壓電 器件200的膨脹和收縮旋轉(zhuǎn)。壓電器件的第一電極膜和第二電極膜分別電連接于外部電壓 源。通過在壓電器件200的第一電極和第二電極之間提供電壓而能夠移動(dòng)滑動(dòng)器29,以便 移動(dòng)撓性件27的前端部分。壓電器件200可以由壓電器件100或300代替。
[0090] (硬盤驅(qū)動(dòng)器）
[0091] 圖8是安裝有圖7所示的磁頭組件的硬盤驅(qū)動(dòng)器的配置視圖。硬盤驅(qū)動(dòng)器70包 括作為記錄介質(zhì)的硬盤61以及在外殼67內(nèi)的硬盤61上記錄和再現(xiàn)磁信息的磁頭疊層組 件62。硬盤61通過電機(jī)（未圖示）旋轉(zhuǎn)。
[0092] 磁頭疊層組件62配置成在視圖的深度方向?qū)盈B有由被音圈電機(jī)63繞著支撐軸可 旋轉(zhuǎn)地支撐的致動(dòng)器臂64以及連接于致動(dòng)器臂64的磁頭組件65配置的多個(gè)組件。磁頭 滑動(dòng)器29附著于磁頭組件65的前端部以便面向硬盤61 (參見圖7)。
[0093] 磁頭組件65采用分兩個(gè)步驟移動(dòng)磁頭元件29a (參見圖7)的形式。磁頭元件29a 的較大的運(yùn)動(dòng)通過使用音圈電機(jī)63徹底驅(qū)動(dòng)磁頭組件65和致動(dòng)器臂64來控制，并且其微 細(xì)運(yùn)動(dòng)通過使用第一和/或第二壓電器件200驅(qū)動(dòng)磁頭滑動(dòng)器29來控制。
[0094](作為壓電致動(dòng)器的噴墨打印機(jī)磁頭）
[0095] 圖9是作為使用壓電器件100的壓電致動(dòng)器的另一個(gè)例子的噴墨打印機(jī)磁頭的配 置視圖。
[0096] 壓電致動(dòng)器80通過將壓電器件100層疊在基板81上而配置?；?1形成帶有 噴嘴84的壓力腔83。
[0097] 當(dāng)不提供預(yù)定的噴出信號并且在第一電極膜5與第二電極膜1之間不施加電壓 時(shí)，壓電膜3沒有出現(xiàn)變形。不供應(yīng)噴出信號的壓電膜3所提供的壓力腔83內(nèi)不會出現(xiàn)壓 力變化。此外，墨滴不從其噴嘴84噴射。
[0098] 同時(shí)，當(dāng)提供預(yù)定的噴射信號并且在第一電極膜5與第二電極膜1之間施加恒定 電壓時(shí)，壓電膜3出現(xiàn)變形。絕緣膜（基板）7在供應(yīng)了噴出信號的壓電膜3所提供的壓力 腔83內(nèi)被大幅度地彎曲。因此，在壓力腔83內(nèi)部的壓力立即增加，并且接著墨滴從噴嘴84 噴出。壓電器件100可以由壓電器件200或300代替。
[0099](噴墨打印機(jī)裝置）
[0100] 圖10是安裝有圖9所示的噴墨打印機(jī)磁頭80的噴墨打印機(jī)裝置90的配置視圖。
[0101] 噴墨打印機(jī)裝置90配置成主要包括噴墨打印機(jī)磁頭80、主體91、托盤92和磁頭 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)93。
[0102] 噴墨打印機(jī)裝置90包括黃色、品紅、青色和黑色共四種顏色的墨盒Is、Ic、Im和 Iy，并且配置成允許利用噴墨打印機(jī)磁頭80全彩打印。此外，噴墨打印機(jī)裝置90包括在其 內(nèi)部內(nèi)的專用控制器板97等并且控制噴墨打印機(jī)磁頭80的墨汁噴出時(shí)刻和磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 93的掃描。此外，主體91包括在其背面的托盤92還有在其內(nèi)部內(nèi)的自動(dòng)供紙器（自動(dòng)連 續(xù)供紙機(jī)構(gòu)）96。主體91自動(dòng)遞送記錄紙95并且從其正面的出口 94排出記錄紙95。
[0103] (作為壓電傳感器的陀螺儀傳感器）
[0104] 圖11 (a)是作為使用壓電器件200的壓電傳感器的一個(gè)例子的陀螺儀傳感器的配 置視圖（平面圖）并且圖11(b)是沿圖11(a)中的A-A線截取的橫截面圖。
[0105] 陀螺儀傳感器35是包括基座部分32、連接于基座部分32的一面的兩個(gè)臂33和 34的音叉振動(dòng)器類型的角速度檢測元件。陀螺儀傳感器35通過微機(jī)械加工具有符合音叉 類型振動(dòng)器的形狀的第一電極膜5、第一導(dǎo)電性中間膜4、壓電膜3、第二導(dǎo)電性中間膜2和 第二電極膜1的壓電器件200而獲得。
[0106] -個(gè)臂33的第一主面具有驅(qū)動(dòng)電極膜Ia和lb、以及檢測電極膜Id。同樣地，另 一個(gè)臂34的第一主面具有驅(qū)動(dòng)電極膜Ia和lb、以及檢測電極膜lc。各個(gè)電極膜la、lb、Ic 和Id通過將第二電極膜1刻蝕成預(yù)定的電極形狀而獲得。
[0107] 此外，遍布基座部分32的各個(gè)第二主面（第一主面的背側(cè)的主面）形成的第一電 極膜5以及臂33和34發(fā)揮作為陀螺儀傳感器35的接地電極的功能。
[0108] 這里，定義了將各個(gè)臂33和34的長度方向當(dāng)作Z方向并且將含有兩個(gè)臂33和34 的主面的平面當(dāng)作XZ平面的XYZ正交坐標(biāo)系。
[0109] 當(dāng)將驅(qū)動(dòng)信號提供給驅(qū)動(dòng)電極膜Ia和Ib時(shí)，兩個(gè)臂33和34以面內(nèi)振動(dòng)模式被 激勵(lì)。面內(nèi)振動(dòng)模式是指兩個(gè)臂33和34在平行于兩個(gè)臂33和34的主面的方向上被激勵(lì) 的振動(dòng)模式。例如，當(dāng)一個(gè)臂33在-X方向上以速度Vl被激勵(lì)時(shí)，另一個(gè)臂34在+X方向 以速度V2被激勵(lì)。
[0110] 在這種狀態(tài)下，當(dāng)將角速度ω的旋轉(zhuǎn)施加于繞著作為旋轉(zhuǎn)軸的Z軸的陀螺儀傳感 器35時(shí)，科里奧利力在正交于速度方向的方向上作用于兩個(gè)臂33和34的各個(gè)，并且兩個(gè) 臂33和34開始以面外振動(dòng)模式下被激勵(lì)。面外振動(dòng)模式是指兩個(gè)臂33和34在正交于兩 個(gè)臂33和34的主面的方向上被激勵(lì)的振動(dòng)模式。例如，當(dāng)作用于一個(gè)臂33的科里奧利力 Fl在-Y方向上時(shí)，作用在另一個(gè)臂34的科里奧利力F2在+Y方向上。
[0111] 由于科里奧利力Fl和F2的大小與角速度ω成比例，因此由科里奧利力Fl和F2 引起的臂33和34的機(jī)械變形通過使用壓電膜3而轉(zhuǎn)換成電信號（檢測信號），并且該電信 號從檢測電極膜Ic和Id中被取出，并且接著可以獲得角速度ω。該壓電器件200可以由 壓電器件100或300代替。
[0112] (作為壓電傳感器的壓力傳感器）
[0113] 圖12是作為使用如上所述的壓電器件200的壓電傳感器的第二例子的壓力傳感 器的配置視圖。
[0114] 壓力傳感器40具有支撐壓電器件200并且具有接受壓力的空腔45的支撐體44。 壓力傳感器40的電極膜1和5連接于電流放大器46和電壓測量裝置47。這里，當(dāng)將外力 施加于支撐體44時(shí)，壓電器件200彎曲并且在電壓檢測裝置47中檢測到電壓。壓電器件 200可以由壓電器件100或300代替。
[0115] (作為壓電傳感器的脈搏波傳感器）
[0116] 圖13是作為使用壓電器件200的壓電傳感器的第三例子的脈搏波傳感器的配置 視圖。脈搏波傳感器50具有安裝有發(fā)送壓電器件Tr和接收壓電器件Re的基板51的配置。 在該例子中，將壓電器件200用作發(fā)送壓電器件Tr和接收壓電器件Re。電極56和上表面 電極57形成在基板51上。各個(gè)電極膜1和上表面電極57經(jīng)由配線58而彼此電連接。各 個(gè)電極5和電極56彼此電連接。
[0117] 為了檢測活體的脈搏，首先，脈搏波傳感器50的基板的背面（不安裝壓電器件的 面）與活體接觸。然后，當(dāng)檢測到脈沖時(shí)，特定的驅(qū)動(dòng)電壓信號輸出到發(fā)送壓電器件Tr的 兩個(gè)電極膜1和5。響應(yīng)于輸入到兩個(gè)電極膜1和5中的驅(qū)動(dòng)電壓信號，發(fā)送壓電器件Tr 被激勵(lì)并且產(chǎn)生超聲波，并且發(fā)送活體內(nèi)部的超聲波。發(fā)送到活體內(nèi)的超聲波被血流反射 并且被接收壓電器件Re接收。接收壓電器件Tr將所接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電壓信號并且從 兩個(gè)電極膜1和5輸出電壓信號。該壓電器件200可以由壓電器件100或300代替。
[0118] 本發(fā)明的壓電致動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、噴墨打印機(jī)裝置、以及壓電傳感器可以具有改 善的變形特性。
[0119] 實(shí)施例
[0120] 下面將基于實(shí)施例和比較例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但應(yīng)該注意，本發(fā)明并不限定 于下面的實(shí)施例。
[0121] (實(shí)施例1)
[0122] 如圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的實(shí)施例1的壓電器件100經(jīng)由如下所 描述的步驟制造。
[0123] 將具有（100)平面取向的硅基板7加熱至400°C，并且通過濺射在硅基板7上形成 200nm的Pt膜作為第一電極膜5。然后將硅基板7加熱到550°C，并且通過濺射在Pt膜上 形成15nm的SrRuO 3膜作為導(dǎo)電性中間膜4。接著，當(dāng)將硅基板7保持加熱在550°C時(shí)，通 過濺射在SrRuO3膜上形成2000nm的鈮酸鉀鈉（KNN)膜作為壓電膜3。隨后，通過濺射在鈮 酸鉀鈉膜上形成15nm的BaRuO 3膜作為導(dǎo)電性中間膜2。接著，在室溫下通過濺射在BaRuO3 膜上形成200nm的Pt膜作為第二電極膜1。
[0124] 其后，通過光刻法對在硅基板7上的層疊膜圖案化，并且進(jìn)一步進(jìn)行單片化以制 造具有可動(dòng)部件尺寸為l_X2mm的壓電器件100。
[0125] 除了上述以外，還在與上述相同的條件下在硅基板7上單獨(dú)形成鈮酸鉀鈉（KNN)、 SrRu03、BaRuO3和Pt膜，并且各個(gè)膜的線性膨脹系數(shù)由X射線反射技術(shù)測量。對于各個(gè)導(dǎo) 電性中間膜，也測量電阻率（比電阻）。測量結(jié)果提供在下面。
[0126] KNN :8· 0Χ1(Γ61/Κ
[0127] SrRuO3 :10. 3 X 1(Γ61/Κ，5. 0 X KT5 Ω cm
[0128] BaRuO3 :9. 8 X 1(Γ61/Κ，8· OXKT5Qcm
[0129] Pt :8. 8Χ 1(Γ61/Κ
[0130] 此外，硅基板7的線性膨脹系數(shù)為下面的值。
[0131] Si :2· 6Χ1(Γ61/Κ
[0132] (實(shí)施例2至實(shí)施例14)
[0133] 除了使用由表2和表3中所提供的材料制成的壓電膜3和導(dǎo)電性中間膜2、4來制 造器件100以外，以與實(shí)施例1相同的方式獲得實(shí)施例2至實(shí)施例14的壓電器件100。各 種材料的線性膨脹系數(shù)和電阻率的測量的結(jié)果是也提供在表1至表3中。
[0134] (實(shí)施例15和實(shí)施例16)
[0135] 如圖4所示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的實(shí)施例15和實(shí)施例16的壓電器件200 經(jīng)由如下所描述的步驟制造。
[0136] 以與實(shí)施例1相同的方式通過濺射在硅基板7上淀積膜5?1。其后，具有金屬膜 12的支撐基板7'經(jīng)由環(huán)氧樹脂的樹脂膜11而接合于第二電極膜1。然后通過RIE的刻蝕 工藝除去硅基板7。通過光刻法對支撐基板7'上的層疊膜圖案化以獲得具有可動(dòng)部件的尺 寸為ImmX 2mm的壓電器件，并且除去支撐基板7'、樹脂膜11和金屬膜12以獲得呈長方形 的壓電器件200。
[0137] (比較例1)
[0138] 除了不用導(dǎo)電性中間膜2和4來構(gòu)造器件（參照圖6)以外，以與實(shí)施例1相同的 方式獲得比較例1的壓電器件400。
[0139] (評價(jià)）
[0140] 通過由可從Aixacct購得的鐵電評價(jià)系統(tǒng)TF-1000測量P-E磁滯曲線獲得矯頑電 場。使用激光多普勒測振儀（可從GRAPHTEC公司購得）測量電壓施加于各個(gè)壓電器件的 情況下的位移和矯頑電場。
[0141] 從通過將第一電極膜連接于正電極且將第二電極膜連接于負(fù)電極并且施加頻率 120Hz的±27kV/cm的三角波而測量的PE磁滯曲線中獲得矯頑電場Ec和Vc。同樣通過將 第一電極膜連接于正電極且將第二電極膜連接于負(fù)電極并且施加頻率120Hz的正弦波電 壓（±l〇V)來測量位移值。這些結(jié)果提供在表4中。
[0142] 可以確認(rèn)，具有線性膨脹系數(shù)大于第一電極膜和壓電膜的線性膨脹系數(shù)的第一非 金屬導(dǎo)電性中間膜以及線性膨脹系數(shù)大于第二電極膜和壓電膜的第二非金屬導(dǎo)電性中間 膜的實(shí)施例1至16的壓電器件的矯頑電場Ec+、Vc+和矯頑電場Ec-、Vc-大于不具有第一 和第二非金屬導(dǎo)電性中間膜的比較例1的矯頑電場Ec+、Vc+和矯頑電場Ec_、Vc_。
[0143] 表 1
[0144]

【權(quán)利要求】
1. 一種壓電器件，其中， 包括： 第一電極膜； 第一非金屬導(dǎo)電性中間膜，其設(shè)置在所述第一電極膜上； 壓電膜，其設(shè)置在所述第一非金屬導(dǎo)電性中間膜上； 第二非金屬導(dǎo)電性中間膜，其設(shè)置在所述壓電膜上；以及 第二電極膜，其設(shè)置在在所述第二非金屬導(dǎo)電性中間膜上， 所述第一非金屬導(dǎo)電性中間膜的線性膨脹系數(shù)大于所述第一電極膜的線性膨脹系數(shù) 和所述壓電膜的線性膨脹系數(shù)，并且 所述第二非金屬導(dǎo)電性中間膜的線性膨脹系數(shù)大于所述第二電極膜的線性膨脹系數(shù) 和所述壓電膜的線性膨脹系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中， 所述第一非金屬導(dǎo)電性中間膜和第二非金屬導(dǎo)電性中間膜與所述壓電膜直接接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中， 在所述第二電極膜的頂面上沒有厚度10 以上的基板，并且在所述第一電極膜的底 面上也沒有厚度10 U m以上的基板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其中， 所述第一非金屬導(dǎo)電性中間膜和第二非金屬導(dǎo)電性中間膜分別是無機(jī)氧化膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電器件，其中， 兩個(gè)所述無機(jī)氧化膜具有相同的組成。
6. -種壓電致動(dòng)器，其中， 包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件。
7. -種硬盤驅(qū)動(dòng)器，其中， 包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件。
8. -種噴墨裝置，其中， 包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件。
9. 一種壓電傳感器，其中， 包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件。
【文檔編號】H01L41/08GK104395087SQ201380033316
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月3日
【發(fā)明者】倉知克行, 會田康弘, 佐久間仁志, 前島和彥 申請人:Tdk株式會社