專利名稱：壓電物質(zhì)、壓電元件及使用壓電元件的液體排出頭和液體排出設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電物質(zhì)、壓電元件以及使用壓電元件的液體排出頭和液體排出設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，在便攜式信息裝置領(lǐng)域、化學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域中，壓電致動器作為取代電磁電動機(jī)的新電動機(jī)引起了關(guān)注，這是因為其使得電動
機(jī)的小型化和高致密性(densification )成為可能。壓電致動器在其驅(qū)動時不會產(chǎn)生電磁噪聲，并且不受噪聲影響。此外，作為制造以微機(jī)械為代表的亞毫米級尺寸的設(shè)備的零件，壓電致動器引起了關(guān)注，并且要求小型壓電薄膜元件作為其驅(qū)動源。
對于用于壓電元件的壓電材料，通常，普遍采用以下方式來獲得利用諸如機(jī)械加工和拋光的技術(shù)來以期望的尺寸和厚度精細(xì)地形成燒結(jié)塊(compact)或單晶部件，作為施加了熱處理以獲得作為壓電物質(zhì)的特性的體材料(bulk material)。此外，當(dāng)形成小型壓電薄膜元件時，通常采用以下方法通過使用諸如印刷方法的方法，在諸如金屬或硅的基板上的預(yù)定位置處涂敷并煅燒綠色片狀壓電物質(zhì)，來直接形成壓電薄膜元件。來自綠色片的這種塊(compact)的厚度是幾十到幾百孩i米，在壓電物質(zhì)的上側(cè)和下側(cè)設(shè)置電極，并通過電極施加電壓。
迄今為止，通過使用諸如如上所述的機(jī)械加工或拋光的技術(shù)精細(xì)地形成壓電物質(zhì)作為體材料，或者使用綠色片狀壓電物質(zhì)，制成了用作液體排出頭的小壓電元件。作為使用這種壓電薄膜元件的裝置，例如，存在具有單壓電晶片(unimorph)型壓電薄膜元件結(jié)構(gòu)的液體排出頭。液體排出頭配備有與饋墨室相連通的壓力室，和與壓力室相連
4通的墨排出孔，在壓力室中設(shè)置并且構(gòu)造有接合有壓電元件或者其中
直接形成有壓電元件的振動板(diaphragm)。在這種結(jié)構(gòu)中，通過 產(chǎn)生彎曲振動來壓縮壓力室中的墨，從墨排出口排出墨滴，所述彎曲 振動是通過對壓電元件施加預(yù)定電壓使壓電元件擴(kuò)張和收縮而產(chǎn)生 的。
盡管通過使用上述壓電物質(zhì)的這種操作，彩色噴墨打印機(jī)目前已 經(jīng)普及，但是還需要在它們的打印性能、尤其是更高分辨率、高速打 印方面進(jìn)行增強(qiáng)。因此，已經(jīng)嘗試?yán)闷渲幸后w排出頭已經(jīng)被小型化 的多噴嘴頭結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高分辨率和高速打印。為了對液體排出頭進(jìn)行 小型化，必須對用于排出墨的壓電元件進(jìn)行進(jìn)一步小型化。此外，最 近，將液體排出頭應(yīng)用于諸如布線的直寫(straightwriting)的工業(yè)應(yīng) 用的嘗試也已經(jīng)很活躍。此時，需要以更高分辨率在處理表面上對具 有更多種特性的液體進(jìn)行構(gòu)圖，因此，需要更高性能的液體排出頭。
近年來，由于微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)行如下研究通過將壓 電物質(zhì)形成為薄膜，并且使用已經(jīng)在半導(dǎo)體中使用的精細(xì)處理技術(shù)， 來開發(fā)高度精確的微壓電元件。具體來說，在應(yīng)用于壓電致動器的情 況下，通過諸如'減射方法、化學(xué)氣相淀積方法、溶膠凝膠方法、氣體 淀積方法以及脈沖激光淀積方法之類的膜方法形成的壓電膜的厚度通 常為幾百納米到幾十微米。為該壓電膜設(shè)置電極，并通過這些電極施 力口電壓。
另一方面，對結(jié)合壓電元件的小型化、具有更大壓電性質(zhì)的高性 能壓電材料的研究也很活躍。通常，當(dāng)沿單晶壓電物質(zhì)的固有極化方 向施加電場時，認(rèn)為獲得了高壓電特性，但是最近已經(jīng)進(jìn)行了執(zhí)行稱 為晶疇(domain)工程的晶疇控制作為一種增強(qiáng)壓電物質(zhì)的壓電性的 方法的研究。例如，作為 一 種松弛劑單晶壓電物質(zhì)，已知 (Pb(Zn^Nb2/3)03^x-(PbTi03)x(鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛PZN-PT))。在該松 弛劑單晶壓電物質(zhì)中，報道了通過執(zhí)行晶疇控制實現(xiàn)的壓電常數(shù)的極 大提高。即，在Ceramics Vol. 40， (8)， 2005， P. 600 (參考文件1:非專利
文獻(xiàn)l)中，報道了在該材料中獲得了沿自發(fā)極化方向的壓電常數(shù)(133的
530倍或更大(2500-2800 pC/N)的壓電常數(shù)。
此外，以例如(Pb(Mg^Nb2/3)03h.x-(PbTi03)x (鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛:PMN -PT)為代表的基于松弛劑的單晶壓電物質(zhì)尤其表現(xiàn)出極好的壓電性。在美國專利第5804907號的說明書(專利文獻(xiàn)1)中，描述了當(dāng)沿PMN-PT單晶壓電物質(zhì)的<001>方向施加電場時獲得了大壓電性。該壓電性是通過對PMN-PT (通常說PMN-PT的壓電性很好)的四方晶(tetragonal )與贗立方晶(pueudo cubic )之間的準(zhǔn)同型相界(morphotropic phase boundary, MPB )附近的贗立方晶側(cè)調(diào)節(jié)組分，并且對<100>方向施加電壓來實現(xiàn)的。這在該專利的圖2b的相圖中被示出。
認(rèn)為在通過通常稱為工程晶疇結(jié)構(gòu)的晶疇工程施加電場之后，通過利用可逆晶體的相變換(菱面體晶、贗立方晶->四方晶)，松弛劑單晶材料表現(xiàn)出大的壓電性。
然而，通常，如日本專利第3，397，538號的說明書(專利文獻(xiàn)2)中描述的，這種單晶壓電物質(zhì)是通過PMN-PT的熔劑熔融(flux melting)來合成的。如上所述，需要通過諸如機(jī)械加工和拋光的技術(shù)對這種體狀態(tài)的壓電物質(zhì)進(jìn)行精細(xì)的成形，因此，難以應(yīng)用于高精度的微壓電元件。
然后，已經(jīng)研究了使用諸如濺射方法、化學(xué)氣相淀積方法、溶膠凝膠方法、氣體淀積方法以及脈沖激光淀積方法之類的膜方法將這種壓電物質(zhì)形成為膜。在以下文獻(xiàn)中，已經(jīng)報道了通過PLD方法將PMN國PT薄膜形成為膜。-Applications of Ferroelectrics, 2002, ISAF2002， proceedings of the 13th IEEE International Symposium P133-136(非專利文獻(xiàn)2)。然而，即使它是上述壓電性高的壓電材料，當(dāng)利用它通過薄膜形成方法來形成壓電膜時，仍未實現(xiàn)原本期望的這種高壓電性。
另 一方面，以Pb(ZrxTVx)03 (鋯鈥酸鉛PZT)為代表，日本特開申請第H08-116103號(專利文獻(xiàn)3)描述了一種在通過薄膜形成方法形成表現(xiàn)出極好的鐵電性、熱電性以及壓電性的材料時將晶體取向控制到單晶(001)的方法。日本特開申請第2000-332569號(專利文獻(xiàn)4)和美國專利第6,198,208號說明書(專利文獻(xiàn)5)提出了一種使用其中四方晶結(jié)構(gòu)的取向(100)與取向(001)相混合的卯度晶疇的方法。然而，由于在上述方法中不能使用具有良好特性的MPB區(qū)域，因此尚未實現(xiàn)原本期望的這種高壓電性。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，在執(zhí)行壓電物質(zhì)的有效應(yīng)用時確認(rèn)作為壓電物質(zhì)膜的最優(yōu)材料、晶體結(jié)構(gòu)、取向等是個大的課題。那么，本發(fā)明的一個目的是提供一種解決上述問題并且具有大的壓電性的壓電物質(zhì)和壓電元件。本發(fā)明的另一目的是提供一種壓電物質(zhì)，其適合于展現(xiàn)出均勻并且高的排出性能并且可以按更高的分辨率在經(jīng)處理的表面上執(zhí)行具有更多不同特性的液體的構(gòu)圖的液體排出頭。本發(fā)明的還一目的是提供一種使用該壓電物質(zhì)的液體排出頭和液體排出設(shè)備。
本發(fā)明的一種壓電物質(zhì)是由AB03制成的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物制成的壓電物質(zhì)，其中A的主要組分是Pb， B的主要組分含有Nb、Mg、 Zn、 Sc、 Cd、 Ni、 Mn、 Co、 Yb、 In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti，其特征在于是具有四方晶的a晶疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體。
本發(fā)明的壓電元件是具有基板上的第一電極膜、壓電膜以及第二電極膜的壓電元件，其特征在于上述壓電膜由上述壓電物質(zhì)被形成為具有在1 pm或更厚和10 iam或更薄的范圍內(nèi)的厚度的膜，并且可以由上述第一電極膜和上述第二電極膜沿上述壓電膜的厚度方向施加電場。
本發(fā)明的一種液體排出頭是配備有排出口和用于從所述排出口排出液體的壓電元件的液體排出頭，其特征在于上述壓電元件是具有上述結(jié)構(gòu)的壓電元件。
本發(fā)明的一種液體排出設(shè)備的特征在于具有具有上述結(jié)構(gòu)的液體排出頭。
本發(fā)明的壓電物質(zhì)是由AB 03制成的氧化物制成的壓電物質(zhì)，其中A的主要組分是Pb, B的主要組分含有Nb、 Mg、 Zn、 Sc、 Cd、 Ni、Mn、 Co、 Yb、 In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti，并且被形成為具有四方晶的a晶疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體。通過使用該壓電物質(zhì)，可以獲得采用具有大壓電性的壓電物質(zhì)(壓電膜)的壓電元件。此外，通過使用該壓電物質(zhì)，可以獲得這樣的液體排出頭，即，其展現(xiàn)出均勻并且高排出性能，并且可以按進(jìn)一步更高的分辨率在經(jīng)處理的表面上執(zhí)行具有更多種不同特性的液體的構(gòu)圖。


圖l是用于描述本發(fā)明的壓電膜的雙晶結(jié)構(gòu)的圖。圖2是通過本發(fā)明的壓電膜的X射線衍射進(jìn)行的倒易晶格(reciprocal lattice)映射的示意圖。
圖3是本發(fā)明的單軸晶體的示意圖和通過X射線衍射的正電極的點(diǎn)圖。
圖4是本發(fā)明的單晶體的示意圖和通過X射線衍射的正電極的點(diǎn)圖。
圖5是例示了本發(fā)明中的脈沖MOCVD方法的示例的示意圖。圖6是例示了本發(fā)明中的磁控管濺射(magnetron sputtering)方法
的示例的示意圖。
圖7是本發(fā)明的壓電薄膜元件的截面示意圖。
圖8是液體排出頭的結(jié)構(gòu)的部分示意立體閨。
圖9是沿圖8例示的液體排出頭的寬度方向的截面示意圖。
圖IO是從上面?zhèn)?排出口側(cè))觀察到的圖8所例示的液體排出
頭的示意圖。
圖ll是從上面?zhèn)?排出口側(cè))觀察到的圖8所例示的液體排出頭的示意圖。
圖12是例示了本發(fā)明的液體排出頭的制造工藝示例的示意圖。圖13是例示了本發(fā)明的液體排出頭的制造工藝示例的示意圖。圖14是例示了本發(fā)明的液體排出頭的制造工藝示例的示意圖。圖15A、 15B、 15C、 15D、 15E以及15F是例示了本發(fā)明的液體
8排出頭的制造工藝示例的示意圖。
圖16是例示了一種液體排出設(shè)備的示例的立體圖。圖17是例示了液體排出設(shè)備的示例的立體圖。圖18是例示了壓電特性的一種評估方法的示意圖。圖19是例示了壓電特性的一種評估方法的示意圖。圖20是例示了壓電特性的一種評估方法的示意圖。圖21是例示了在本發(fā)明的脈沖MOCVD膜形成中材料饋送時間序列的示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的壓電物質(zhì)由AB03制成的4丐鈥礦型結(jié)構(gòu)的氧化物制成，其中A的主要組分是Pb， B的主要組分含有Nb、 Mg、 Zn、 Sc、Cd、 Ni、 Mn、 Co、 Yb、 In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti，并且以具有四方晶的a晶疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體為特征。該壓電
物質(zhì)具有作為1微米或更大并且10微米或更小的膜厚度的薄膜的可成形性，并且所獲得的壓電膜可適用于液體排出頭等。
本發(fā)明的壓電元件是一種包括基板上的第一電極膜、壓電膜以及第二電極膜的壓電薄膜元件，并且使用具有上述結(jié)構(gòu)的壓電物質(zhì)膜作為壓電膜。通過從第一和第二電極膜沿壓電膜的厚度方向施加電場，該壓電元件可以獲得壓電性質(zhì)。使用該壓電元件可以制造液體排出頭和液體排出設(shè)備。
作為本發(fā)明的壓電物質(zhì)為何具有大壓電性的原因之一，可以考慮由于施加的電場而產(chǎn)生的晶體相變的可能性。此外，作為另一原因，認(rèn)為發(fā)生了從a晶疇到c晶疇的晶疇變換。此外，由于本發(fā)明的壓電物質(zhì)是具有a晶疇和c晶疇的膜，可以考慮很容易發(fā)生由于施加的電場而導(dǎo)致晶體相變的可能性。通過利用晶疇工程，基于在上述施加的電場之后晶體的相變以及與該電場不水平的晶疇(例如，具有沿大致垂直方向的極化的晶疇)的旋轉(zhuǎn)(變換)，可以獲得比材料原本具有的極化位移要大的壓電位移。然而，需要非常高的能量來表現(xiàn)出這種
9壓電位移。非專利文獻(xiàn)l報道了減小晶疇大小作為通過執(zhí)行晶疇控制來增強(qiáng)壓電性的一個方向是有效的。為此，為了減小被施加晶疇工程的壓電物質(zhì)的壓電位移的能量，重要的是在該壓電物質(zhì)中誘發(fā)了晶體相變和晶疇的旋轉(zhuǎn)的這種晶疇結(jié)構(gòu)。
當(dāng)晶疇大小變小時，晶疇會具有"微小波動"，因此，減小了晶疇工程的壓電位移的能量。具體來說，為了在具有許多薄膜應(yīng)力和晶格缺陷的膜中應(yīng)用晶疇工程以獲得大壓電位移，尤其重要的是在具有這種微小波動的狀態(tài)下對晶疇進(jìn)行控制。這樣，認(rèn)為本發(fā)明的壓電物質(zhì)具有高壓電性的原因是因為發(fā)生了在施加的電場之后晶體的相變，和與該電場不水平的晶疇(例如，具有沿大致垂直方向的極化的晶疇)的旋轉(zhuǎn)(變換)。此外，盡管本發(fā)明的壓電物質(zhì)具有復(fù)雜的晶疇結(jié)構(gòu)，但是認(rèn)為由于存在這些晶疇，在該壓電物質(zhì)中會誘發(fā)晶體相變和晶疇變換，并且減小了晶疇工程的壓電位移的能量，以使得能夠具有高的壓電性。
以下將基于附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行描述。(壓電薄膜元件)
本發(fā)明的壓電元件IO(其中將壓電薄膜制成為薄膜)是一種包括第一電極膜、壓電膜以及第二電極膜的壓電薄膜元件，圖7例示了詳情。圖7是該壓電薄膜元件的截面圖。在該圖中，標(biāo)號6表示第一電極，標(biāo)號7表示壓電膜，標(biāo)號8表示第二電極。盡管將壓電薄膜元件10的截面形狀示出為矩形，但是梯形或倒梯形也是足夠的。所例示的壓電薄膜元件10形成在基板5上，第一電極膜6成為下電極，第二電極膜8成為上電極。電極的上下關(guān)系并不限于此，而是也可以采用第一電極膜6成為上電極的結(jié)構(gòu)。其原因在于在器件制造時的制造方法，并且任一個均可獲得本發(fā)明的效果。此外，在基板5與下電極膜16之間可以存在緩沖層9。
本發(fā)明的壓電薄膜元件10可以如下制成在基板5或形成在基板5上的緩沖層9上形成第一電極膜6，接著在其上形成壓電膜7，進(jìn)而形成第二電極膜8。(壓電膜)
本發(fā)明的壓電膜7由通式AB03制成的具有鈣鈥礦型結(jié)構(gòu)的氧化 物制成，其中A的主要組分是Pb， B的主要組分含有Nb、 Mg、 Zn、 Sc、 Cd、 M、 Mn、 Co、 Yb、 In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti?？?以列舉以下各氧化物材料作為合適的具體示例。
(1)使用以(Pbk， a,)x(Mgm， Nbn， Ti。， PP)y03 (其中，滿足"x/y < 1.5， k + 1 = 1， 0.7 S k《1， 0《1S 0.3， m + n + o + p = l，0.1<m< 0.3， 0.3 < n < 0.5， 0.2 < o < 0.4,并且0《p < 0.3， a含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb 中選擇的任何一種元素，P含有從Pb、 Sc、 In、 Yb、 M、 Ta、 Co、 W、 Fe以及Sn中選擇的任何一種元素)表示的鎂酸鈮酸鈥酸作為主要組分 的氧化物材料。
(2 )使用以(Pbk， a,)x(Scm， Nbn， Ti。， (3p)y03 (其中，滿足1《x/y < 1.5， k + 1 = 1， 0.7《k《1， 0 S 1《0.3， m + n + o + p = l，0.1<m< 0.4, 0.1 < n < 0.4， 0.3<o<0.5并且0Sp〈0.3， a含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb中 選擇的任何一種元素，(3含有從Pb、 Ta、 In、 Yb、 Mg、 Ni、 Co、 W、 Fe以及Sn中選擇的任何一種元素)表示的鈧酸鈮酸鈥酸作為主要組分 的氧化物材料。
(3 )使用以(Pbk, oOx(Znm， Nbn， Ti。， PP)y03 (其中，滿足1 S x/y < 1,5， k + 1 = 1， 0.7《k《1， 0《1《0.3， m + n + o + p = l，0.2<m< 0.4， 0.5 < n < 0.7， 0.05 < o < 0.2以及0《p < 0.3, a含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb 中選擇的任何一種元素，P含有從Pb、 Sc、 In、 Yb、 M、 Ta、 Co、 W、 Fe、 Sn以及Mg中選擇的任何一種元素)表示的鋅酸鈮酸鈥酸作為主要 組分的氧化物材料。
此外，在本發(fā)明的壓電膜中，上述壓電物質(zhì)是具有四方晶的a晶 疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體。對于在此情況下的單軸取向或單 晶體，尤其合適的是<100>取向。此外，對于本發(fā)明的壓電膜，合適的是 壓電物質(zhì)的晶體相具有四方晶，以及贗立方晶、菱面體晶(rhombohedral) 和單斜晶(monoclinic)中的任何一個。
作為本發(fā)明的壓電膜具有大壓電性的原因之一，可以考慮贗立方晶、菱面體晶以及單斜晶體的晶體由于沿膜厚度方向施加的電場而
相變成四方晶晶體的可能性。此外，發(fā)生從a晶疇到c晶疇的晶疇變 換被認(rèn)為是另一原因。再者，由于本發(fā)明的壓電膜是具有a晶疇和c 晶疇的膜，可以考慮容易發(fā)生因施加的電場的晶體相變的可能性。
再者，在本發(fā)明的壓電膜中，合適的是，a晶疇和c晶疇的至少 一部分具有孿晶(其(NON)(N是整數(shù))面成為雙面)的鏡像關(guān)系。這是 因為當(dāng)壓電膜具有這種孿晶時上述晶疇變換變得更容易進(jìn)行。此外， 同時，這是因為它會成為這樣的結(jié)構(gòu)，即，由于孿晶的雙面是{110}, 更容易釋放在制造壓電薄膜元件時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
本發(fā)明中可以使用的孿晶是指這樣的晶體，即，在該晶體中，通 過將其上存在構(gòu)成壓電膜的晶體的面形成為雙面，鏡像關(guān)系保持為真。 作為一個代表性示例，具有如圖1所示的鏡像關(guān)系的晶體是可以由本 發(fā)明使用的孿晶。圖l是其晶體為四方晶并且具有a晶疇和c晶疇的 晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。該c晶疇具有沿與厚度方向相垂直的方向(100) (即，厚度方向的
)的晶軸。此外，a晶疇具有沿與厚度方向存 在一定偏移的方向的(100)(即，沿與膜內(nèi)方向存在一定偏移的方向的
)的晶軸。通過4吏(101)成為雙面，a晶疇與c晶疇存在孿晶的鏡像 關(guān)系。在此情況下的所述一定偏移的量值是從與四方晶的晶格的a軸長 度和c軸長度存在正切關(guān)系的角度的兩倍減去90。的程度。這隨膜應(yīng)力 (membrane stress)等的變化很小。通常，由孿晶產(chǎn)生的上述一定偏移 約為幾度，因為由通式AB03制成的鈣鈦礦復(fù)合氧化物(perovskite multiple oxide )的單位晶格(unit lattice )相對來說接近立方晶。在此， 圖1中的箭頭示出了
與[OOI]相同，但是在四方晶或菱面體晶的情況下應(yīng)當(dāng)區(qū)分它 們。然而，即使是四方晶或菱面體晶，具有鈣鈥礦型結(jié)構(gòu)的晶體也具有 接近立方晶的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)。因此，在本發(fā)明中，以<100>和<111> 對四方晶的[100和
和[OIO，其也是具有<100>單晶體取向的 <100>取向。此外，在本發(fā)明中，例如，當(dāng)諸如四方晶、菱面體晶以及單
斜晶之類的多個晶體相相混合時(混合相)，當(dāng)由孿晶等產(chǎn)生的晶體混合
時，以及當(dāng)存在位錯(dislocation )、缺陷等時，在廣義上將它們視為<100> 取向。這是因為，在晶疇工程表達(dá)方面不缺乏，因為當(dāng)這種相和孿晶相 混合時<100>軸也會從厚度方向傾斜約5°。此外，盡管本發(fā)明中的<100> 取向是指壓電物質(zhì)具有沿厚度方向的<100>單晶體取向，但是，即使晶軸 具有幾度的傾斜(例如，<100>晶軸從厚度方向傾斜約5°)，也將其稱為 <100>取向。此外，本發(fā)明中的{110}是對通常以(110)、 (101)、 (Oll)等表 示的總共6個面的通稱表達(dá)式，其詳情與關(guān)于取向的上述處理的詳情相 同。
通常，例如，當(dāng)晶系是立方晶時，100與001相同，但是在單斜晶、 四方晶或菱面體晶的情況下應(yīng)當(dāng)區(qū)分它們。然而，即使是單斜晶、四方 晶或菱面體晶，具有由PMN-PT表示的鈣鈥礦型結(jié)構(gòu)的晶體也具有接近 立方晶的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)。因此，以<100>和<111>通稱四方晶的[100] 和
和菱面體晶的[111和[1橫1橫1橫。此夕卜，盡管本發(fā)明中的<100> 取向是指壓電膜具有沿厚度方向的<100>單晶體取向，但是它具有約幾度的傾斜范圍。例如，即使<100>晶軸從厚度方向傾斜約5。，也將其稱為 <100>取向。
此外，盡管本發(fā)明中的單軸晶體是指具有沿厚度方向的單晶體取
向的晶體，但是晶體的膜內(nèi)取向并不是特別要緊。例如，<100>單軸晶 體是沿其厚度方向形成有僅具有<100>取向的晶體的膜?？梢允褂脁射 線衍射來確認(rèn)壓電膜是否為單軸晶體。例如，在<100>單軸取向晶體的情 況下，對于在X射線衍射的20/e測量中由壓電膜產(chǎn)生的峰，僅檢測到(L00〉 面(L- 1， 2, 3，.." n: n是整數(shù))(如{100}和{200})的峰。此外，當(dāng)執(zhí)行{110} 非對稱表面的極點(diǎn)測量時，如圖3所示，在示出從中心傾斜約45。的相同 半徑位置上獲得了環(huán)狀圖案。
此外，本發(fā)明中的單晶體是指具有沿膜厚度方向和膜內(nèi)方向的單晶 體取向的晶體。例如，<100>單晶體是由如下晶體制成的膜該晶體的膜 厚度方向只是<100>取向，并且其中沿膜內(nèi)方向的某個方向只是<110>取 向?？梢允褂肵射線衍射來確認(rèn)壓電膜是否為單軸晶體。例如，在<100> 單晶體的情況下，對于在X射線衍射的20/e測量中由壓電膜產(chǎn)生的峰， 僅檢測到(LOO)面(L- 1， 2， 3，.." n: n是整數(shù))(如{100}和{200})的峰。此 外，當(dāng)執(zhí)行{110}非對稱表面的極點(diǎn)測量時，如圖4所示，在示出從中心 傾斜約45。的相同半徑位置上獲得了四重對稱(quarter-symmetrical)斑 點(diǎn)圖案。
此外，在本發(fā)明中，由于以下晶體也是具有單晶體與單軸晶體之間 的中間對稱的晶體，因此在廣義上將其視為單晶體和單軸晶體。(l)例 如，當(dāng)執(zhí)行{110}非對稱表面的極點(diǎn)測量時，在示出從中心傾斜約45°的 相同半徑位置上獲得八重或十二重對稱圖案的晶體。(2)例如，當(dāng)執(zhí)行 {110}非對稱表面的極點(diǎn)測量時，其圖案不是斑點(diǎn)而是橢圓的晶體。類似 的是，在本發(fā)明中，例如，當(dāng)多個晶體相(如單斜晶與四方晶、單斜晶 與菱面體晶、四方晶與菱面體晶，以及所有這些晶體相)相混合時(混 合相)，當(dāng)由孿晶等產(chǎn)生的晶體混合時，以及當(dāng)存在位錯、缺陷等時，在 廣義上將它們視為單晶體和單軸取向晶體。
盡管如上所述可以很容易通過X射線衍射來確認(rèn)壓電膜的晶體取
15向，但是除上述X射線衍射以外，例如，還可以使用TEM等通過截面 觀察來確認(rèn)它。在此情況下，同樣在沿厚度方向柱狀地存在晶體位錯或 者可以確認(rèn)孿晶的情況下，在廣義上將其視為單晶體。
可以通過X射線衍射的倒易空間映射來指定壓電膜的晶體相。例 如，當(dāng)具有<100>取向的壓電膜是立方晶時，獲得了以下倒易晶格點(diǎn)。 即，當(dāng)在倒易空間映射中測量該立方晶的倒易晶格點(diǎn)(004)和(204)時，(004) 倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向 上的量值Qy(204)之間的關(guān)系變成Qy(004) = Qy(204)。因此，可以獲得 (004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格點(diǎn)的x軸 方向上的量值Qx(204)之間的關(guān)系可能變成Qy(004) = 2Qx(204)的這種倒 易晶格點(diǎn)。
此外，例如，當(dāng)具有<100>取向的壓電膜是立方晶時，獲得以下倒 易晶格點(diǎn)。即，當(dāng)在倒易空間映射中測量該立方晶的倒易晶格點(diǎn)(004)和 (204)時，(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格 點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(204)之間的關(guān)系變成Qy(004) = Qy(204)。即， 可以獲得(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格 點(diǎn)的x軸方向上的量值Qx(204)之間的關(guān)系可能變成Qy(004) < 2Qx(204) 的這種倒易晶格點(diǎn)。
此外，例如，當(dāng)具有<100>取向的壓電膜是單斜晶時，獲得了以下 倒易晶格點(diǎn)。即，當(dāng)在倒易空間映射中測量該單斜晶的倒易晶格點(diǎn)(004) 和(204)時，(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶 格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(204)之間的關(guān)系變成以下。Qy(004) > Qy(204)或Qy(004) < Qy(204)。即，可以獲得(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方 向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格點(diǎn)的x軸方向上的量值Qx(204)之間 的關(guān)系可能變成Qy(004)〈2Qx(204)的這種倒易晶格點(diǎn)。同時，即使出現(xiàn) 變成Qy(004) > Qy(204)和Qy(004) < Qy(204)的兩個(204)倒易晶格點(diǎn)也 沒有關(guān)系?？雌饋磉@兩個倒易晶格具有孿晶的關(guān)系。
此外，例如，當(dāng)具有<100>取向的壓電膜是菱面體晶時，獲得了以 下倒易晶格點(diǎn)。即，當(dāng)在倒易空間映射中測量該菱面體晶的(004)和(204)
16時，(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值Qy(004)與(204)倒易晶格點(diǎn)的y 軸方向上的量值Qy(204)之間的關(guān)系變成以下Qy(004) > Qy(204)或 Qy(004) < Qy(204)。即，可以獲得(004)倒易晶格點(diǎn)的y軸方向上的量值 Qy(004)與(204)倒易晶格點(diǎn)的x軸方向上的量值Qx(204)之間的關(guān)系可能 變成Qy(004) 2Qx(204)的這種倒易晶格點(diǎn)。此時，即使出現(xiàn)變成Qy(004) > Qy(204)和Qy(004) < Qy(204)的兩個(204)倒易晶格點(diǎn)也沒有關(guān)系。看起 來這兩個倒易晶格具有孿晶的關(guān)系。
類似的是，同樣，在另一取向或另一晶體相中，可以筒單地通過X 射線衍射的倒易空間映射來指定壓電膜的晶體相。除了上述方法以外， 例如，還可以通過TEM等通過截面觀察執(zhí)行確認(rèn)。這里，倒易空間的y 軸是壓電膜的厚度方向，x軸是壓電膜的膜內(nèi)方向上的某個方向。
可以簡單地通過X射線衍射的倒易空間映射和極點(diǎn)測量來指定 壓電膜的孿晶。例如，在具有<001>取向的壓電膜是四方晶并且具有圖 1所例示的孿晶的情況下，當(dāng)通過倒易空間映射測量{004}空間和{204}空 間時，會出現(xiàn)如圖2所示的衍射。即，如圖2所例示，在由c晶疇產(chǎn)生 的4汙射(204)附近出現(xiàn)了由孿晶的a晶疇產(chǎn)生的f汴射(402)。此時，由 孿晶產(chǎn)生的取向的一些偏移(從{004}空間中c晶疇和a晶疇的倒易空間 原點(diǎn)起的角度偏移)的量值會變成從與四方晶的晶格的a軸長度和c軸 長度具有正切關(guān)系的角度的兩倍減去卯。的程度。
盡管可以容易地通過如上所述的X射線衍射來確認(rèn)壓電膜的孿晶， 但是除上述X射線衍射以外，例如，還可以通過TEM等通過截面觀察 來確認(rèn)它。
(壓電膜的形成方法)
盡管本發(fā)明的壓電膜的形成方法并不受到具體限制，但是對于10 ium或更薄的薄膜，通常，可以使用諸如溶膠凝膠方法、水熱結(jié)晶方法、 氣相淀積方法以及電泳法之類的薄膜形成方法。此外，可以使用諸如濺 射方法、化學(xué)氣相淀積方法(CVD方法)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積 (MOCVD方法)、離子束淀積方法、分子束外延方法以及激光消融(laser ablation)方法之類的薄膜形成方法。在這些薄膜形成方法中，可以執(zhí)行
17通過利用從基4反或底電極起的外延生長的壓電膜形成。
同樣，在上述各種方法中，合適的是，通過作為膜形成方法，尤其
是通過采用圖5所例示的設(shè)備的脈沖MOCVD方法，形成膜來獲得它。
在脈沖MOCVD方法中，合適的是，執(zhí)行起始材料供應(yīng)路線的溫度 控制，使得阻礙管道中的單晶體膜形成的氧化反應(yīng)不會進(jìn)行。此外，在 脈沖MOCVD方法中，合適的是，間歇地供應(yīng)不活潑載氣與起始材料的 混合氣體。此時，通過控制該混合氣體的間歇時間，獲得混合氣體在基 板上的足夠的反應(yīng)時間，因此，可以抑制膜等的損壞。結(jié)果，可以抑制 由于壓電膜中的氧缺乏、鉛缺陷(lead defeet)，構(gòu)成晶格的各組成元素 的晶格點(diǎn)(lattice site)缺陷等而產(chǎn)生的缺陷。合適的是，使用具有高膜 形成率的生產(chǎn)方法作為容易獲得特別是本發(fā)明的晶體結(jié)構(gòu)的方法。為此， 合適的是，使得材料氣體的供應(yīng)量大并且使得02的分壓高，以便可以沒 有缺陷地制成氧化膜。
此外，使用如圖6所例示的設(shè)備的磁控管濺射方法尤其適合作為 膜形成方法。圖6所例示的設(shè)備具有如下的結(jié)構(gòu)，即，其使得能夠布 置靼對，以及在被設(shè)置成面對由這些耙構(gòu)成的空間的位置處的用于形 成膜的基板。將靶對布置在這樣的位置，即，該位置不包括其中投射 沿垂直于靶的濺射面的方向的靶區(qū)的區(qū)域，更合適的是，被布置為有 間隙地平行相對設(shè)置。此外，在各靶背面布置有其極性互不相同的相應(yīng) 磁場生成單元，以接觸相應(yīng)的靶背面。在被設(shè)置成面對由靶形成的空間 的位置上布置有其上在400。C到800。C (包括這兩個值)下加熱的表面 上形成有薄膜的基板。根據(jù)使用具有這種結(jié)構(gòu)的設(shè)備的膜形成，可以形 成如下壓電薄膜元件，即，在該壓電薄膜元件中壓電膜的單位晶格的體 積小于體材料在與壓電膜的溫度和組分相同的溫度和組分下的單位晶格 體積，并且該壓電薄膜元件具有高壓電性。具體來說，在膜方法中的濺
射方法中，在許多情況下，等離子體和y電子對膜的損壞、從濺射氣體 產(chǎn)生并且由磁控管磁場沿基板方向加速的負(fù)離子對膜的損壞等會嚴(yán)重。 結(jié)果，似乎存在由于晶體的氧缺乏、鉛缺陷、構(gòu)成晶格的各組成元素的 晶格點(diǎn)缺陷等而產(chǎn)生的許多缺陷。然而，當(dāng)使用上述濺射方法時，可以抑制等離子體、Y電子以及濺射氣體對膜的損壞等。由此，可以抑制由于 壓電膜中的氧缺乏、鉛缺陷、構(gòu)成晶格的各組成元素的晶格點(diǎn)缺陷等而 產(chǎn)生的缺陷，從而可以容易地形成比體材料的單位晶格體積小并且具有 高壓電性的壓電薄膜元件。
(電極、基板以及緩沖層)
合適的是，本發(fā)明的壓電元件的第一電極(電極膜)或第二電極
(電極膜)與上述壓電物質(zhì)具有良好的粘合，并且由高導(dǎo)電材料制成。
即，合適的是，其由使得上電極膜或下電極膜的比電阻為10_7到l(T2 n.cin的材料制成。盡管在許多情況下這種材料通常是金屬，但是合適的 是使用Pt族的金屬(如Au、 Ag、 Cu、 Ru、 Rb、 Pd、 Os、 Ir或Pt)作 為電極材料。此外，由于包括上述材料的合金材料(如銀膏(silver paste) 或焊料(solder))也具有高電導(dǎo)率，因此使用它也可能是合適的。此外， 導(dǎo)電氧化物材料，如IrO(氧化銥)、SRO(釕酸鍶(strontium ruthenate )) ITO(導(dǎo)電氧化錫)以及BPO(鉛酸鋇)，也適合用作電極材料。此外， 單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)足以用作電極膜。例如，為了增強(qiáng)與基板的粘合， 可以采用諸如Pt/Ti的結(jié)構(gòu)，或者為了從基板或緩沖層起執(zhí)行外延生長， 可以采用諸如SRO/LNO (鎳酸鑭)的結(jié)構(gòu)。
此外，當(dāng)從外延氧化膜起形成本發(fā)明的壓電膜時，更合適的是， 第一電極也是單晶體或外延膜。由于本發(fā)明的壓電膜包括由通式AB03 制成的釣鈦礦復(fù)合氧化物，其晶格常數(shù)為約4人。那么，具有約4A的晶 格常數(shù)的材料適合用作電極材料。例如，具體來說，在上述材料中，Pt 族金屬，如SRO或BPO，是合適的。此外，當(dāng)?shù)谝浑姌O膜含有具有被 賦予<100>取向的鈣鈥礦型結(jié)構(gòu)的氧化物電極膜時，可以容易地制造被賦 予<100>取向的單軸膜或單晶體膜。具體來說，由于SRO具有接近PZT 的晶格常數(shù)的約4 A的晶格常數(shù)，并且膜的單結(jié)晶也很容易，因此更容 易制造外延壓電膜。
此外，合適的是，電極膜的膜厚度約為100到1000 nm,更合適 的是為500 nm或更薄。當(dāng)使電極膜的膜厚度為100 nm或更厚，電極膜 的電阻變得足夠小，當(dāng)為1000 nm或更薄時，不可能阻礙壓電膜元件的壓電性，因此這是合適的。
作為形成壓電膜的基板，在玻璃基板或Si基板上具有緩沖層的 基板是合適的。在本發(fā)明中，盡管除Si基板和玻璃基板以外還可以使 用STO (鈦酸鍶)基板、藍(lán)寶石基板、KTO (鉭酸鉀)基板等，但是 在裝置制造時，玻璃基板和Si基板是合適的。具體來說，如下基板尤 其是合適的，即，該基板具有其一部分(全部由這種Si制成的是足夠 的)由Si制成的(100)的表面，并且在其上形成有緩沖層。當(dāng)例如 使用MgO (氧化鎂)(100)單晶J4l作為J4l時，它變成具有許多c晶 疇的膜或多晶膜。
作為合適的緩沖層，可以列舉具有螢石型結(jié)構(gòu)(fluorite structure) 的氧化物層(如被賦予<100>取向的YSZ (穩(wěn)定氧化鋯)膜)，或具有 鎂氧尖晶石(magnesia spinel)型結(jié)構(gòu)的氧化物層(如被賦予<100>取 向的MgAl204 (鎂氧尖晶石)膜)。此外，可以使用金屬氧化物(如 STO、 MgO以及Ce02 (氧化鈰))來形成它。作為緩沖層，如下的緩 沖層是合適的，即，在該緩沖層上可以形成包括鉤鈦礦型氧化物的膜 (例如，被賦予<100>取向的SRO單晶體膜)，該鈣鈥礦型氧化物可以合 適地用作電極層。例如，具有本發(fā)明的最合適的緩沖層的基板具有<100> 取向的單晶體結(jié)構(gòu)，如LNO(100)/CeO2(100)/YSZ(100)/Si(100)基板?？?以從10 nm到800 nm (包括這兩個值)的范圍選擇緩沖層的膜厚度。
盡管電極膜和緩沖層的形成方法不受特別的限制，但是通?？梢?使用諸如溶膠凝膠方法、水熱(hydrothermal)結(jié)晶方法、氣態(tài)淀積方 法以及電泳法之類的薄膜形成方法來形成1000 nm或更薄的薄膜。此外， 可以4吏用諸如濺射方法、CVD方法、MOCVD方法、離子束淀積方法、 分子束外延方法以及激光消融方法之類的薄膜形成方法來形成它。由于 這些薄膜形成方法使得能夠利用從a或緩沖層起的外延生長來形成壓 電膜，因此變得容易形成外延壓電膜。 (液體排出頭)
接下來，將對本發(fā)明的液體排出頭進(jìn)行描述。
本發(fā)明的液體排出頭包括排出口和用于從該排出口排出液體的壓電元件，并且包括具有上述結(jié)構(gòu)的壓電元件(壓電薄膜元件)作為 這種壓電元件。此外，可以通過以下處理實現(xiàn)將壓電元件集成到液體
排出頭設(shè)置與排出口相連通的分立液體室，使該分立液體室的一部 分包括振動板，然后將壓電薄膜元件布置在對設(shè)置在所述分立液體室 的外部的振動板施加振動的位置。
在該液體排出頭中，通過由振動板產(chǎn)生的所述分立液體室的容積 變化，從排出口排出所述分立液體室中的液體。然后，該液體排出頭 的特征在于以使用具有上述結(jié)構(gòu)的壓電膜的壓電薄膜元件作為上述壓 電薄膜元件。通過使用具有與本發(fā)明有關(guān)的上述結(jié)構(gòu)的壓電薄膜元件， 很容易獲得如下液體排出頭，即，其展現(xiàn)出均勻并且高的排出性能， 并且能夠使包括壓電薄膜元件的排出壓力生成元件的結(jié)構(gòu)模式小型 化。本發(fā)明的液體排出頭可以用于圖像形成設(shè)備，如噴墨打印機(jī)、傳 真機(jī)、復(fù)合機(jī)、復(fù)印機(jī)或排出除墨以外的液體的工業(yè)排出設(shè)備。
以下將參照圖8對本發(fā)明的液體排出頭進(jìn)行描述。圖8是示出本 發(fā)明的液體排出頭的實施例示例的示意圖。圖8所示的該實施例的液體 排出頭包括排出口 11、使排出口 ll和分立液體室13相互連通的連通孔 12、以及向分立液體室13供應(yīng)液體的共用液體室14，液體被沿著該連通 路線被供應(yīng)給排出口 11。分立液體室13的一部分包括振動板15。用于 對振動板15施加振動的壓電薄膜元件10設(shè)置在分立液體室13的外部。 當(dāng)驅(qū)動壓電薄膜元件10時，由壓電薄膜元件10對振動板15施加振動， 并且振動板15引起分立液體室13的容積變化，從而將分立液體室13中 的液體從排出口排出。盡管壓電薄膜元件10在后述圖9所示的實施例中 是矩形的，但是該形狀也可以是橢圓形、圓形以及平行四邊形的。
圖9例示了沿圖8例示的液體排出頭的寬度方向的截面示意圖。 將參照圖9對構(gòu)成本發(fā)明的液體排出頭的壓電薄膜元件10進(jìn)行更詳細(xì) 的描述。盡管壓電薄膜元件10的截面形狀被示出為矩形的，但是梯形或 倒梯形也是可以的。此外，盡管在圖9中第一電極膜6等同于下電極膜 16，并且第二電極膜8等同于上電極膜18,但是構(gòu)成本發(fā)明的壓電薄膜 元件10的第一電極膜6和第二電極膜8可以分別構(gòu)成下電極膜16和上
21電極膜18，反之亦然。這取決于在裝置制造時的制造方法，并且任一情 況都可以獲得本發(fā)明的效果。此外，振動板15可以由構(gòu)成本發(fā)明的壓電 薄膜元件10的基板5來形成。此外，在振動板15與下電極膜16之間可 以具有緩沖層19。
圖10和11是從上面?zhèn)?排出口 11側(cè))觀察到的圖8所例示的 液體排出頭的示意圖。由虛線示出的區(qū)域13表示被施加壓力的分立液 體室13。壓電薄膜元件IO被合適地構(gòu)圖并形成在分立液體室13上。 例如，在圖10中，下電極膜16被引出到壓電物質(zhì)7不存在的部分， 上電極膜18 (未示出)被引出到下電極膜16的相反側(cè)并且連接到驅(qū) 動源。盡管圖10和11例示了下電極膜16被構(gòu)圖的情況，但是如圖9 所例示它可能位于其中不存在壓電物質(zhì)7的部分中。當(dāng)在驅(qū)動壓電薄 膜元件10時在驅(qū)動電路與壓電薄膜元件IO之間沒有例如短路或斷路 麻煩的時，可以根據(jù)目的對壓電物質(zhì)7、下電極膜16以及上電極膜18 進(jìn)行最優(yōu)構(gòu)圖。此外，分立液體室13的形狀被示出為平行四邊形的原 因是因為當(dāng)使用Si (110)14反作為14反采用堿通過濕法蝕刻來制造分立 液體室時它成為這種形狀。除此以外，分立液體室13的形狀可以是矩形 或正方形。通常，盡管在振動板15上按固定間隔制造兩個或更多個分立 液體室13，如圖11所例示，但是可以按交錯布置來設(shè)置分立液體室13, 或者才艮據(jù)目的它們的數(shù)量可以是一個。
振動板15的厚度通常是0.5到10 jim，合適的是1.0到6.0 |um。 當(dāng)存在上述緩沖層19時，緩沖層的厚度也包括在該厚度中。此外，可以 形成除緩沖層以外的多個層。例如，當(dāng)從同一M起形成振動板和分立 液體室時，可以包括所需蝕刻停止層等。分立液體室13的寬度Wa (參 見圖10)通常合適地是30到180 pm。盡管長度Wb (參見圖10)也是 取決于排出液滴的量，但是其通常為0.3到6.0 mm。排出口 11的形狀通 常為圓形或星形，直徑通常為7到30pm。合適的是，排出口ll的截面 形狀是沿連通孔12的方向擴(kuò)展的錐形。連通孔12的長度通常合適的是 0.05》j 0.5 mm。 當(dāng)連通孑L 12的長度是0.5 mm或更頭豆時,液滴的糸,出速 度變得足夠快。此外，當(dāng)它是0.05 mm或更長時，從各排出口排出的液
22滴的排出速度的^t度會合適地變小。此外，形成振動板、分立液體室、 共用液體室、連通孔等(它們構(gòu)成本發(fā)明的液體排出頭)的部件可以是 相同的材料或者是分別不同的材料。例如，當(dāng)它是Si等時，通過使用光 刻法和蝕刻方法，可以按足夠精度對它進(jìn)行處理。此外，作為在不同情
況時選擇的部件，熱膨脹系數(shù)的差異是i x ltrV。c到i x 1(rV。c的材料 是合適的。例如，合適的是，對于SiM選擇sus基板、Ni基板等。
盡管合適的是本發(fā)明的壓電膜是具有<100>取向的外延膜，但是合
適的是本發(fā)明的液體排出頭中的壓電膜的膜內(nèi)方向上的晶體取向具有沿
壓電薄膜元件的縱向方向的<100>取向。此外，該縱向方向是圖10中的 Wb的方向。
(液體排出頭的制造方法)
接下來，將描述本發(fā)明的液體排出頭的制造方法。本發(fā)明的液體
排出頭的制造方法的代表性示例至少具有以下步驟
(1) 形成排出口的步驟。
(2) 形成使得排出口與分立液體室連通的連通孔的步驟。
(3) 形成分立液體室的步驟。
(4) 形成與分立液體室相連通的共用液體室的步驟。
(5) 形成對分立液體室施加振動的振動板的步驟。
(6 )制造本發(fā)明的用于對設(shè)置在分立液體室的外部的振動板施加振動 的壓電薄膜元件的步驟。
具體來說，例如，作為制造本發(fā)明的液體排出頭的第一方法，可 以提到以下描述的方法。首先，通過應(yīng)用步驟(3)，在基板上形成分 立液體室和振動板的一部分，通過應(yīng)用上述步驟(6)在該基板上形成 壓電薄膜元件10。制造其上通過分開地應(yīng)用步驟(2)和(4)形成了 連通孔和共用液體室的基板，以及通過應(yīng)用步驟(1)具有排出口的基 板。接著，將上述基板和這些基板層疊并且形成為一體，從而制成了 液體排出頭。
此外，作為制造本發(fā)明的液體排出頭的第二方法，可以提到以下 描述的方法。首先，分開地制造通過應(yīng)用步驟(3)在其上形成了分立液體室的基板，或其上形成了分立液體室的基板。接著，將壓電薄膜
元件，或振動板和壓電薄膜元件從其上通過應(yīng)用步驟(6)形成了壓電 薄膜元件的基板或其上在步驟(5)和(6)中形成了振動板和壓電薄 膜元件的基板轉(zhuǎn)移到所述基板上。接著，通過應(yīng)用步驟(2)，通過對 基板(壓電薄膜元件，或振動板和壓電薄膜元件被轉(zhuǎn)移到其上)的面 對壓電薄膜元件等的一側(cè)的基板部分進(jìn)行處理來形成分立液體室。進(jìn) 而，類似于上述第一方法，制成了其上形成了連通孔和共用液體室的 基板和其上形成了排出口的基板，然后將這些基板層疊并且形成為一 體，以制成液體排出頭。
作為第一方法，如圖12所例示，首先，類似于壓電薄膜元件的 制造方法，在基板5上設(shè)置壓電薄膜元件10。接著，在對壓電薄膜元 件10進(jìn)行構(gòu)圖的狀態(tài)下在去除基板5的一部分的同時，形成了振動板 15,以形成分立液體室13的一部分。分開地，制成了具有共用液體室 14和連通孔12的基板，進(jìn)而，制成了其上形成有排出口 11的基板。 此外，可以提到將它們層疊并形成一體以形成液體排出頭的制造方法。 作為去除基板5的一部分的方法，可以提到諸如濕法蝕刻方法、干法 蝕刻方法或砂磨法之類的方法。通過以這種方法去除基板5的一部分， 可以執(zhí)行該方法以形成振動板15和分立液體室13的一部分。
作為第二方法，例如，如圖13所例示，首先，類似于壓電薄膜 元件的制造方法，在基板5上設(shè)置壓電薄膜元件10。接著，制成如下 的基板，即，在該基板上，在不對壓電薄膜元件IO進(jìn)行構(gòu)圖的狀態(tài)下 形成振動板15作為壓電薄膜元件上的膜?？梢詧?zhí)行以下制造方法進(jìn) 一步制造提供分立液體室13的基板、提供連通孔12和共用液體室14 的基板、提供排出口 11的基板等，然后將這些基板層疊起來，將振動 板、壓電薄膜元件等從上述基板轉(zhuǎn)移。
此外，如圖14所例示，首先，在基板5上形成壓電薄膜元件10, 并對其進(jìn)行構(gòu)圖以形成壓電薄膜元件。分開地，制造在基板上提供振 動板15并且還提供分立液體室13的一部分的基板、提供共用液體室 14和連通孔12的基板、以及形成排出口 ll的基板?？梢詧?zhí)行如下制
24造方法將這些基板進(jìn)一步層疊起來，將其上的壓電薄膜元件IO從上 述基板轉(zhuǎn)移以形成液體排出頭。
作為在轉(zhuǎn)移時的接合方法，盡管可以采用利用無機(jī)粘合劑或有機(jī) 粘合劑的方法，但是利用無機(jī)材料的金屬接合是更合適的。作為用于 金屬接合的材料，可以有In、 Au、 Cu、 Ni、 Pb、 Ti、 Cr、 Pd等。由 于當(dāng)利用這些材料時可以在300。C或更低的低溫下執(zhí)行接合，并且其熱 膨脹系數(shù)與基板的熱膨脹系數(shù)之差變得很小，因此對壓電薄膜元件的損 壞也很小，同時可以執(zhí)行該接合以防止在被拉長時壓電薄膜元件等的翹 曲產(chǎn)生的問題。
通過處理和形成例如，形成部件(基板)，可以形成第一方法中 的連通孔12和共用液體室14,以及第二方法的分立液體室13、連通 孔12以及共用液體室14。對于該處理，可以采用具有如下步驟的方 法通過光刻法對形成部件(基板)進(jìn)行構(gòu)圖，和通過蝕刻來去除該 部件的一部分。例如，在第二方法的情況下，通過圖15A到15F所例 示的步驟a)到e)來形成分立液體室13、連通孔12以及共用液體室 14。步驟a)例示了用于分立液體室13的掩模的形成步驟，步驟b) 例示了通過從上部起的蝕刻等對分立液體室13(陰影部分表示已處理 部分)進(jìn)行處理的步驟。此外，步驟c)例示了去除用于形成分立液 體室13的掩模、以及形成用于連通孔12和共用液體室14的掩模的步 驟，步驟d)例示了通過從下部起的蝕刻等對連通孔12和共用液體室 14進(jìn)行處理的步驟。此外，步驟e)示意性地例示了去除用于形成連 通孔12和共用液體室14的掩模以形成分立液體室13、連通孔12以 及共用液體室14的狀態(tài)。通過對基板17施加蝕刻處理、機(jī)械加工、 激光處理等來形成排出口 11。步驟f)例示了如下狀態(tài)在步驟e)之 后，將形成有排出口 11的基板17接合到其中形成有分立液體室13、 連通孔12以及共用液體室14的基板。合適的是，其中設(shè)置有排出口 的基板17的表面是防水的。盡管各基板的接合方法與在轉(zhuǎn)移時的接合 方法相同，但是也可以使用陽極氧化接合。
在第二方法中，合適的是，在圖15A到15F的步驟e)或f)的
25狀態(tài)下使用基板5上的壓電薄膜元件IO被轉(zhuǎn)移到的另一基板。在此， 當(dāng)在基板5上的壓電薄膜元件上形成振動板時，在圖15A到15F的步 驟e)或f)的狀態(tài)下將其直接轉(zhuǎn)移到分立液體室13上。此外，當(dāng)在 基板5上的壓電薄膜元件上不形成振動板時，利用樹脂來填充圖15A 到15F的步驟e)或f)的狀態(tài)下的分立液體室13的孔，使振動板形 成為膜，并在通過蝕刻來去除該樹脂并且形成振動板之后對其進(jìn)行轉(zhuǎn) 移。此時，合適的是，使用諸如濺射方法或CVD方法的薄膜形成方 法來形成振動板。此外，壓電薄膜元件10的圖案形成步驟可以在轉(zhuǎn)移 之前或之后。
接下來，將描述本發(fā)明的液體排出設(shè)備。本發(fā)明的液體排出設(shè)備 具有本發(fā)明的上述液^^排出頭。
作為本發(fā)明的液體排出設(shè)備的示例，可以有圖16和17所例示的 噴墨記錄設(shè)備。圖17例示了去除了圖16所例示的液體排出設(shè)備(噴 墨記錄設(shè)備)81的外部組件82到85以及87的狀態(tài)。噴墨記錄設(shè)備 81具有自動饋送部97，自動饋送部97將記錄紙作為記錄介質(zhì)自動饋 送到設(shè)備主體96中。此外，它具有傳送部99，其將從自動饋送部 97發(fā)送的記錄紙引導(dǎo)到預(yù)定記錄位置，并將記錄紙從記錄位置引導(dǎo)到 片材排出口 98;記錄部91，其在傳送到記錄位置的記錄紙上執(zhí)行記錄； 以及恢復(fù)部90，其對記錄部91執(zhí)行恢復(fù)處理。記錄部91包括托架92， 該托架92含有本發(fā)明的液體排出頭，并且在軌道上被往復(fù)傳送。
在這種噴墨記錄設(shè)備中，由從計算機(jī)發(fā)出的電信號在軌道上傳送 托架92,當(dāng)對將壓電物質(zhì)夾在中間的電極施加驅(qū)動電壓時，壓電物質(zhì) 被移位。通過壓電物質(zhì)的這種移位，通過振動板15對各壓電室施加壓 力，并且從排出口 ll排出墨以執(zhí)行打印。
本發(fā)明的液體排出設(shè)備可以按高速均勻地排出液體，并且可以實 現(xiàn)設(shè)備的小型化。
盡管在上述示例中被例示為打印機(jī)，但是本發(fā)明的液體排出設(shè)備 可以被使用作為除噴墨記錄設(shè)備以外的用于傳真機(jī)、復(fù)合機(jī)器、復(fù)印 機(jī)等的工業(yè)液體排出設(shè)備。
26(壓電性質(zhì)的評估)
通過使用單壓電晶片懸臂系統(tǒng)的d31測量方法來執(zhí)行本發(fā)明的壓 電膜元件的壓電性質(zhì)的評估。圖18、 19以及20例示了該測量方法和結(jié) 構(gòu)概要。按照下電極膜16、壓電膜7以及上電極膜18的順序被包括 在基板5上的壓電膜元件10具有單壓電晶片懸臂的構(gòu)造，該懸臂的一 側(cè)由夾具502固定。夾具502的上部502-a由導(dǎo)電材料制成，并且與壓 電膜7的下電極膜16電接觸，以通過電纜504-a與AC電源503的輸出 端子之一(未示出)相連接。AC電源503的輸出端子的另一側(cè)(未示出) 通過電纜504-b連接到上電極膜18，其為使得可以對壓電膜7施加AC 電壓的結(jié)構(gòu)。
壓電膜元件10由于AC電源503提供的電場而擴(kuò)展和收縮。其后， a5彎曲，并且單壓電晶片懸臂以由夾具502固定的一端的一部分為 支點(diǎn)而垂直地振動。其具有如下結(jié)構(gòu)此時使用激光多普勒速度計(LDV) 505對壓電膜元件10的不被夾住的端部的振動進(jìn)行監(jiān)測，并且能夠測量 單壓電晶片懸臂相對于輸入的電場的位移量。此時單壓電晶片懸臂相對 于輸入的電壓V的位移量近似具有公式1的關(guān)系。(J.G. Smith, W. Choi， "The constituent equations of piezoelectric heterogeneous bimorph"， IEEE trans" Ultrason. Ferro. Freq. Control 38 (1991)， 256-270.)盡管在公 式1中不包括下電極膜、上電極膜以及其他緩沖層的物理性質(zhì)值項，但 是當(dāng)基板厚度hs對于這些層的膜厚度來說足夠薄時，可以不考慮這些層 的物理性質(zhì)值，即，膜厚度，因此，公式1在實用上是足夠近似的表達(dá) 式。
公式l
5 = 3d^SuSSnPhS(hS+hP)L2v/K公式l畫l K = (SnS)2(hP)4 + 4SuSSuPhS(hP)3 + 6SuSSnP(hS)2(hP)2 + 4SnSS"P(hS)3hP + (SuP)2(hS)4 公式l畫2
S:懸臂尖端的位移量 V:輸入電壓 L:懸臂長度
27Sus:基板柔度(compliance) (11個分量)
Sup:壓電物質(zhì)柔度(ll個分量)
hs:絲厚度
hp:壓電物質(zhì)厚度
根據(jù)該公式1，可以通過測量單壓電晶片懸臂相對于輸入的電場 的位移量來確定壓電膜元件的d31。 實施例
以下，將利用列舉示例來描述本發(fā)明的壓電元件和使用它的液體 排出頭，及其制造方法。 <示例1>
笫一示例的壓電薄膜元件的制造序列如下。
在對Si {100} J41^面執(zhí)行氫氟酸處理之后，通過濺射方法在800°C 的14l溫度下形成100 nm厚摻Y(jié)的Zr02膜，然后，在800°C的J4l 溫度下形成60nm厚CeO2膜。這兩者均為<100>取向的單晶體膜。進(jìn)一 步，在其上通過'減射方法在850°C的J4l溫度下形成100 nm厚LaNi03 (LNO)膜作為下電極膜。進(jìn)而，在該LNO膜上在600。C的基板溫度下形 成200 nm厚SrRuO3(SRO)膜，并且獲得了具有下電極膜等的基板。該 電極膜和SRO膜是<100>取向的單晶體膜。
在保持650。C的基板溫度下，通過如圖6所例示的系統(tǒng)的RF濺射 方法，形成膜厚度為3.3^1 1的？]\1]\- 1膜，作為上述下電極/緩沖層/基 板上的壓電膜。使靶的Mg、 Nb以及Ti的元素比(Mg/(Mg + Nb)}Target 是0.33，并且使(Ti/(Mg + Nb + 11)}^-是0.42。在濺射氣體Ar/02 = 20/1、 濺射功率9.2 W/cm2以及濺射氣體壓力1.8 Pa的條件下執(zhí)行濺射。
在通過感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射分析設(shè)備進(jìn)行的組分分析 (ICP組分分析)的結(jié)果中，對于壓電膜的PMN-PT的元素比，(Mg/(Mg + 1\1))}是0.33, (Ti/(Mg + Nb + Ti)〉是0.40。此夕卜，根據(jù)X射線衍射的20/9 測量，僅檢測到由PMN-PT的鈣鈥礦結(jié)構(gòu)的(00L)面(L= 1， 2， 3，…，n: n 是整數(shù))產(chǎn)生的反射峰。此外，當(dāng)執(zhí)行非對稱面{202}的正極點(diǎn)測量時， 出現(xiàn)了四重對稱的反射峰。因此，確認(rèn)了該壓電膜是具有<100>取向的PMN-PT鉤鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶體膜。類似的是，通過在300K的溫度下 利用乂射線衍射進(jìn)行的{004}和{204}倒易晶格映射，確認(rèn)了該P(yáng)MN-PT 處于四方晶與贗立方晶的混合相，并且，對于四方晶，存在 a晶疇和c 晶疇。此外，結(jié)果表明a晶疇與c晶疇具有孿晶的鏡像關(guān)系，該孿晶的 雙面是{110}。此外，在壓電膜上通過濺射方法按所列出的順序形成了 4 nm厚Ti膜和150 nm厚Pt膜作為電極膜，以制造第一示例的壓電薄膜 元件。 <示例2>
第二示例的壓電薄膜元件的制造序列如下。
在對Si {100}1^1表面執(zhí)行氫氟酸處理之后，通過濺射方法在800°C 的基板溫度下形成100nm厚摻Y(jié)ZrO2膜，然后，在800。C的基板溫度 下形成60nm厚CeO2膜。這兩者均為<100>取向的單晶體膜。進(jìn)一步， 在其上通過濺射方法在850°C的基板溫度下形成100 nm厚LaM03 (LNO)膜作為下電極膜。進(jìn)而，在該LNO膜上在6t)0。C的基板溫度下形 成200 nm厚SrRuO3(SRO)膜，并且獲得了具有下電極膜等的基板。該 電極膜和SRO膜是<100>取向的單晶體膜。
在保持650°C的基板溫度下，通過如圖6所例示的系統(tǒng)的RF濺射 方法，形成膜厚度為4.2 |um的4元鈮酸鉛-鈥酸鉛(lead scandium niobate-leadtitanate)膜，作為上述下電極/緩沖層/I4l上的壓電膜。使 靶的Sc、 Nb以及Ti的元素比(Sc/(Mg + Nb)harget是0.33，并且使(Ti/(Sc + Nb + Ti)harget是0.39。在濺射氣體Ar/02 = 20/1、濺射功率9.2 W/cm2 以及濺射氣體壓力1.8 Pa的條件下執(zhí)行濺射。
在通過感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射分析設(shè)備進(jìn)行的組分分析 (ICP組分分析)的結(jié)果中，對于壓電膜的鈧鈮酸鉛-鈦酸鉛的元素比， (Sc/(Sc + Nb)〉是0.50， (Ti/(Sc + Nb + Ti"是0.46。此外，根據(jù)X射線衍 射的29/e測量，僅檢測到由PMN-PT的鉤鈥礦結(jié)構(gòu)的(OOL)面(L = 1， 2， 3， ...， n: n是整數(shù))產(chǎn)生的反射峰。此外，當(dāng)執(zhí)行非對稱面{202}的正極點(diǎn) 測量時，以四重對稱出現(xiàn)了反射峰。因此，確認(rèn)了該壓電膜是具有<100> 取向的鈧鈮酸鉛-鈦酸鉛鉤鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶體膜。類似的是，通過在300K的溫度下利用乂射線衍射進(jìn)行的{004}和{204}的倒易晶格映射，確 認(rèn)了該鈧鈮酸鉛-鈦酸鉛處于四方晶與菱面體晶的混合相，并且，對于四 方晶，存在a晶疇和c晶疇。此外，結(jié)果表明a晶疇與c晶疇具有孿晶 的鏡像關(guān)系，該孿晶的雙面是{110}。此外，在壓電膜上通過濺射方法按 所列出的順序形成了 4 nm厚Ti膜和150 nm厚Pt膜作為電極膜，以制 造第二示例的壓電薄膜元件。 <示例3>
在對Si {100}141表面執(zhí)行氫氟酸處理之后，通過濺射方法在800°€ 的基板溫度下形成100nm厚摻Y(jié)ZrO2膜，然后，在800°C的基板溫度 下形成60nm厚CeO2膜。這兩者均為<100>取向的單晶體膜。進(jìn)一步， 在其上通過'減射方法在850°C的基板溫度下形成100 nm厚LaNK)3 (LNO)膜作為下電極膜。進(jìn)而，在該LNO膜上在600°C的^4l溫度下形 成200 nm厚SrRuO3(SRO)膜，并且獲得了具有下電極膜等的J41。該 電極膜和SRO膜是<100>取向的單晶體膜。
通過使用用于間歇執(zhí)行材料饋送的脈沖MOCVD方法，形成鈦酸 鋅鈮酸鉛鉛(Lead zinc niobate-lead titanate )的壓電膜，作為上述下電 ^L/緩沖層Ai4l上的膜。以下詳細(xì)例示了膜形成方法。
使用以下各材料作為起始材料。Pb(thd)2:雙(Bis)(六甲基乙酰 乙酰丙酮)Pb、 Zn(C5H7H2)2:雙(乙?；阴１?Zn、 NbC3H7(C2H5)4: 丙烷基四乙鈮、Ti(C3H70)4:四異丙氧鈥。
對這些材料進(jìn)行加熱，并且相應(yīng)地形成了以氮?dú)庾鳛椴换顫娫詺?的混合氣體。對于該不活潑載氣和起始材料的混合氣體的供應(yīng)路線中 的各材料氣體的摩爾比，其被調(diào)節(jié)成使得這些材料氣體的Zn、 Nb以 及Ti的元素比(Zn/(Zn + Nb))可以變成0.33，并且(Ti/(Mg + Nb + Ti))可 以變成0.12。在膜形成之后，將氧原材料過量地供應(yīng)到膜組分。
通過輪流設(shè)定如下時間來執(zhí)行采用脈沖MOCVD方法的合成和膜 形成通過從噴嘴向用于膜形成的基板噴射不活潑栽氣和起始材料的混 合氣體與氧氣的混合氣體而進(jìn)行膜形成的時間tl;停止供應(yīng)不活潑載氣 與起始材料的混合氣體的時間t2。在該實施例中，對于通過從噴嘴向用
30于膜形成的基板噴射不活潑載氣和起始材料的混合氣體與氧氣的混合氣
體進(jìn)行的膜形成的時間tl和t2，分別設(shè)定兩個級別tll、 t12，以及t21、 t22，并采用圖21所例示的時間序列。將各時間設(shè)定為tll = 12 [sec、t12 =25[sec、t21 = 13 [sec以及t22-18 [sec。在時間tll和tl2中，當(dāng)執(zhí) 行材料饋送時，反應(yīng)室壓力是12.0 [torr，將此時的02分壓設(shè)定為8.0 [torr，在保持;S^L溫度處于670°C下調(diào)節(jié)膜形成時間，并且執(zhí)行膜形成， 使得膜厚度變成2.5 jum。
在通過感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射分析設(shè)備進(jìn)行的組分分析
(ICP組分分析)的結(jié)果中，對于壓電膜的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛的元素比， (Zn/(Mg + Nb)〉是0.33， (Ti/(Zn + Nb + Ti"是0.13。此外，根據(jù)X射線 衍射的26/0測量，僅檢測到從鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛的釣鈦礦結(jié)構(gòu)的(OOL〉面
(L - 1， 2， 3， ...， n: n是整數(shù))產(chǎn)生的反射峰。此外，當(dāng)執(zhí)行非對稱面{202} 的正極點(diǎn)測量時，以四重對稱出現(xiàn)了反射峰。因此，確認(rèn)了該壓電膜是 具有<100>取向的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛鈣鈥礦型結(jié)構(gòu)的單晶體膜。類似的是， 通過在300K的溫度下利用乂射線衍射進(jìn)行的{004}和{204}的倒易晶格映 射，確認(rèn)了該鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛處于四方晶與菱面體晶的混合相，并且， 對于四方晶，存在a晶疇和c晶疇。此外，結(jié)果表明a晶疇與c晶疇具 有孿晶的鏡像關(guān)系，該孿晶的雙面是{110}。此外，在壓電膜上通過賊射 方法按所列出的順序形成了 4 nm厚Ti膜和150 nm厚Pt膜作為電極膜， 以制造第三示例的壓電薄膜元件。 <對比示例1>
第一對比示例的壓電薄膜元件的制造序列如下。 在對Si {100}基;^面執(zhí)行氬氟酸處理之后，通過濺射方法在800°C 的J4l溫度下形成100nm厚摻Y(jié)ZrO2膜，然后，在800。C的基昧溫度 下形成60nm厚CeO2膜。這兩者均為<100>取向的單晶體膜。進(jìn)一步， 在其上通過濺射方法在850°C的基板溫度下形成100 nm厚LaNi03 (LNO)膜作為下電極膜。進(jìn)而，在該LNO膜上在600°C的14反溫度下形 成200 nm厚SrRuO3(SRO)膜，并且獲得了具有下電極膜等的基板。該 電極膜和SRO膜是<100>取向的單晶體膜。在保持600。C的基板溫度下，通過普通RF濺射方法，將膜厚度為 3.0 的PMN-PT形成為膜，作為上述下電^l/緩沖層/基敗上的壓電膜。 使乾的Mg、 Nb以及Ti的元素比(Mg/(Mg + Nb》Target是0.33,并且使 (Ti/(Mg + Nb + Ti)〉Target是0.25。在濺射氣體Ar/02 = 20/1、濺射功率8.5 W/cm2以及濺射氣體壓力1.0 Pa的條件下執(zhí)行濺射。
在通過感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射分析設(shè)備進(jìn)行的組分分析 (ICP組分分析)的結(jié)果中，對于壓電膜的PMN-PT的元素比，{Mg/(Mg + Nb)〉是0.33， {Ti/(Mg + Nb + Ti"是0.23。此外，根據(jù)X射線衍射的29/0 測量，僅檢測到由PMN-PT的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的{0014面(L= 1， 2， 3， ...， n: n 是整數(shù))產(chǎn)生的反射峰。此外，當(dāng)執(zhí)行非對稱面{202}的正極點(diǎn)測量時， 以四重對稱出現(xiàn)了反射峰。因此，確認(rèn)了該壓電膜是具有<100>取向的 PMN-PT鉀鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶體膜。類似的是，通過在300K的溫度下 利用X射線衍射進(jìn)行的{004}和{204}倒易晶格映射，確認(rèn)了該P(yáng)MN-PT 是菱面體晶的。此外，在壓電膜上通過濺射方法按所列出的順序形成了 4 nm厚Ti膜和150 nm厚Pt膜作為電極膜，以制造第一對比示例的壓 電薄膜元件。 <對比示例2>
第二對比示例的壓電薄膜元件的制造序列如下。
在保持600。C的基板溫度下，通過普通RF濺射方法，將膜厚度為 3.0 |um的PMN-PT形成為膜，作為充當(dāng)下電極的摻La SrTi03 {100}基板 上的壓電膜。使靶的Mg、 Nb以及Ti的元素比(Mg/(Mg + Nb)Vrarget是 0.33,并且使《Ti/(Mg + Nb + Ti)〉Target是0.36。在濺射氣體Ar/02 = 20/1、 賊射功率8.5 W/cm2以及濺射氣體壓力1.0 Pa的條件下執(zhí)行'減射。
在通過感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射分析設(shè)備進(jìn)行的組分分析 (ICP組分分析)的結(jié)果中，對于壓電膜的PMN-PT的元素比，{Mg/(Mg + Nb)〉是0.33， {Ti/(Mg + Nb + Ti"是0.35。此外，根據(jù)X射線衍射的20/6 測量，僅檢測到從PMN-PT的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的{001^面(L=l，2，3，..，n:n 是整數(shù))產(chǎn)生的反射峰。此外，當(dāng)執(zhí)行非對稱面{202}的正極點(diǎn)測量時， 以四重對稱出現(xiàn)了反射峰。因此，確認(rèn)了該壓電膜是具有<100>取向的PMN-PT鉤鈦礦型結(jié)構(gòu)的單晶體膜。類似的是，通過在300K的溫度下 利用X射線衍射進(jìn)行的{004}和{204}倒易晶格映射，確認(rèn)了該P(yáng)MN-PT 是四方晶的。然而，盡管確認(rèn)了四方晶的c晶疇，但是未確認(rèn)a晶疇。 此外，在壓電膜上通過濺射方法按所列出的順序形成了 4 nm厚Ti膜和 150 nm厚Pt膜作為電極膜，以制造第二對比示例的壓電薄膜元件。
表l示出了第一、第二以及第三示例、第一和第二對比示例的壓 電薄膜元件的壓電常數(shù)的測量結(jié)果。通過使用單壓電晶片懸臂系統(tǒng)的 (131測量方法來執(zhí)行壓電常數(shù)的評估。d31測量的樣品是如下制成的在 將它們加工成12 mm x 3 mm矩形圖案之后，由切片機(jī)將壓電薄膜元件 的上電極8切割成圖15-3所例示的形狀。此時，對于上電極8，在第一、 第二以及第三示例和第一比較示例的Si {100}基板上的壓電薄膜元件中， 釆用矩形的各邊可能變得平行于Si {100}^4反的<100>方向的這種布置。 此外，在第二比較示例的摻La SrTi03 {100}基板上的壓電薄膜元件中， 采用矩形的各邊可能變得平行于SrTi03 {100}基板的<100>方向的這種 布置。
在該示例的d31確定中，對樣品施加500 Hz正弦波作為輸入信 號電壓，使得可以對壓電薄膜元件10施加0到150 [kV/cm]的電場(每 3 |im的壓電物質(zhì)膜厚度施加0到45 V的電壓)。通過在此條件下測量懸 臂尖端處的對應(yīng)于輸入信號電壓的位移量增量，確定d31。對于電壓的 極性，選擇使得位移在同一電場中最大的極性。采用正弦波作為輸入信 號電壓的原因是因為懸臂尖端處的位移增量消除了振動運(yùn)動的慣性項， 因為懸臂質(zhì)量大。
公式1中使用的物理性質(zhì)值如下。
在第一、第二、第三示例以及第一對比示例中使用Slls = 7.7 x l(T12 [m2/N和Sllp = 59,5 x 1012 [m2/N，在第二對比示例中使用Slls = 3.8 x 10 12 [mVN和S11P = 59.5 x 10 12 [m2/N。
表l
示例1示例2示例3對比示例1對比示例2
壓電常數(shù)(pC/N)-820-920-840-350-490
33如表l所示，第一到第五示例中的壓電薄膜元件也在薄膜中實現(xiàn) 了高壓電性。
<示例4>
接下來，按以下過程制造第 一 示例和第 一 比較示例中的液體排出頭。
除了使用其上形成有500 nm厚外延Si膜和500 nm厚Si02層的 SOI基板以外，類似于第一示例，制造壓電薄膜元件。在對該壓電薄膜 元件的致動器部進(jìn)行構(gòu)圖之后，通過感應(yīng)耦合等離子體方法(ICP方法)， 對處理層(handle layer)的Si ^L進(jìn)行干法蝕刻，形成振動板和分立液 體室。接著，將其上形成有共用液體室和連通孔的另一Si!4l接合到其， 并且將其上進(jìn)一步形成了排出口的基板接合到其上形成了共用液體室和 連通孔的上述Si基板。按此方式，制成了液體排出頭，在其中振動板包 括SK)2層、Si膜、其中摻雜有Y的ZK)2膜、以及Ce02膜。進(jìn)而，以 類似于第四示例地制造其壓電薄膜元件的液體排出頭被制作為第六示例 的液體排出頭，以類似于第二對比示例地制造其壓電薄膜元件的液體排 出頭被制作為第四比較示例的液體排出頭。驅(qū)動信號被施加給并且驅(qū)動 這些液體排出頭，從上電極側(cè)將(j)20 激光束照射在液體排出頭的分立 液體室的中央部分上，并通過激光多普勒位移系統(tǒng)來評估液體排出頭的 位移量。結(jié)果，第四示例中的液體排出頭的位移是0.32nm，即，是大的。
本申請要求2006年7月18日提交的日本專利申請No. 2006-196114的優(yōu)先^L，通過引用將其全部內(nèi)容并入于此。
3權(quán)利要求
1、一種壓電物質(zhì)，其由ABO3制成的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物制成，其中A的主要組分是Pb，B的主要組分含有Nb、Mg、Zn、Sc、Cd、Ni、Mn、Co、Yb、In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti，其特征在于是具有四方晶的a晶疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電物質(zhì)，其中晶體相具有贗立方晶、菱面體晶以及單斜晶中的任一個以及四方晶。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電物質(zhì)，其中所述氧化物由(Pbk, a,)x(Mgm， Nbn， Ti。， pp)y03 (其中滿足1《x/y < 1.5， k + 1 = 1, 0.7 S k S 1， 0《1《0.3， m + n + o + p-l，0.1<m< 0.3, 0.3 < n < 0.5， 0.2 < o < 0.4 以及0《p〈0.3， a含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb中選擇的任 何一種元素，(3含有從Pb、 Sc、 In、 Yb、 M、 Ta、 Co、 \￥、 Fe以及 Sn中選擇的任何一種元素)表示。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電物質(zhì)，其中所述氧化物由(Pbk， a,)x(Sc加，Nbn， Ti。， PP)y03(其中，滿足1 S x/y < 1.5， k + 1 = 1， 0.7 S k S 1， 0《1 ￡ 0.3, m + n + o + p = l，0.1<m< 0.4, 0.1 < n < 0.4, 0.3 < o < 0.5 以及0《p〈0.3, a含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb中選擇的任 何一種元素，P含有從Pb、 Ta、 In、 Yb、 Mg、 Ni、 Co、 W、 Fe以及 Sn中選擇的任何一種元素)表示。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電物質(zhì)，其中所述氧化物由(Pbk， a,)x(Ziim， Nbn， Ti。， pp)y03 (其中，滿足1 S x/y < 1.5, k + 1 = 1， 0.7《k《 1， 0《1《0.3， m + n + o + p = l，0.2<m< 0.4， 0.5 < n < 0.7， 0.05 < o < 0.2，以及0Sp〈0.3， oc含有從La、 Ca、 Ba、 Sr、 Bi以及Sb中選擇 的任何一種元素，P含有從Pb、 Sc、 In、 Yb、 Ni、 Ta、 Co、 W、 Fe、 Sn以及Mg中選擇的任何一種元素)表示。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電物質(zhì)，其中所述a晶疇和c晶疇的至少一部分具有孿晶的鏡像關(guān)系，該孿晶的(N0N) (N是整數(shù))面蜂皮構(gòu)成雙面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電物質(zhì)，其被形成為具有1 nm到 10nm的范圍(包括這兩個值)內(nèi)的厚度的膜。
8、 一種壓電元件，其具有在基板上的第一電極膜、壓電膜以及 第二電極膜，其特征在于該壓電膜包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電物 質(zhì)，并且能夠由所述第一電極膜和所述第二電極膜沿所述壓電膜的厚 度方向施加電場。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電元件，其中所述壓電膜處于<100>取向。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電元件，其中所述第一電極膜包括 具有<100>取向的鈞鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電元件，包括含有其表面是面(100) 的Si的部分作為所述基板，并且使用在所述含有Si的部分上具有緩 沖層的基板。
12、 一種液體排出頭，其包括排出液體的排出口和用于從所述排 出口排出液體的壓電元件，其特征在于所述壓電元件是根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電元件。
13、 一種液體排出設(shè)備，其具有液體排出頭和該液體排出頭被安 裝在其上的安裝部，其特征在于該液體排出頭是根據(jù)權(quán)利要求12所述 的液體排出頭。
全文摘要
一種壓電物質(zhì)，其由ABO₃制成的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物制成，其中A的主要組分是Pb，B的主要組分含有Nb、Mg、Zn、Sc、Cd、Ni、Mn、Co、Yb、In以及Fe中的至少兩種元素以及Ti，其特征在于是具有四方晶的a晶疇和c晶疇的單軸取向晶體或單晶體。
文檔編號C30B29/32GK101490316SQ20078002698
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月18日
發(fā)明者伊?？〔? 武田憲一, 福井哲朗, 舟窪浩 申請人:佳能株式會社;國立大學(xué)法人東京工業(yè)大學(xué)