專利名稱：壓電材料及壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于壓電元件的壓電材料。
背景技術(shù)：
所謂壓電元件，是利用使結(jié)晶應(yīng)變時(shí)帶電或?qū)⒔Y(jié)晶置于電場中時(shí)應(yīng)變 的現(xiàn)象的元件，用于噴墨打印機(jī)等液體噴射裝置中。
這樣的壓電元件使用PZT膜(鈦酸鋯酸鉛、Pb (Z&Ti卜x) 03)等壓 電薄膜。
另一方面，上述PZT膜含有鉛(Pb)，因此，在操作者的安全性及環(huán) 境方面存在問題，從而廣泛進(jìn)行了不含鉛的非鉛類壓電材料的研究開發(fā)。 例如，在下述專利文獻(xiàn)1 3中公示有關(guān)于非鉛類壓電材料。
上述壓電元件中，近年研究開發(fā)了用電極夾持薄膜狀的壓電體層的薄 膜壓電元件。薄膜壓電元件通常通過以下工藝制作—在形成于基板上的電 極上形成數(shù)um以下膜厚的壓電體層，在上述壓電體層上形成上部電極。 該工藝由于通過與半導(dǎo)體工藝相同微細(xì)的工藝進(jìn)行，因此，薄膜壓電元件 和通常的壓電元件比較，具有能夠形成高密度的壓電元件的優(yōu)點(diǎn)。
作為薄膜壓電元件用的壓電材料多使用PZT，但是，對(duì)非鉛壓電材料
的使用也進(jìn)行了研究。
專利文獻(xiàn)l:(日本)特開2004 — 6722號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:(日本)特開2007—266346號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:(日本)特開2007—287745號(hào)公報(bào)
本發(fā)明者進(jìn)行了有關(guān)壓電材料的研究、開發(fā)，探討了非鉛系壓電材料 的采用和非鉛系壓電材料的特性的提高。
作為非鉛壓電材料的代表例，列舉有含有BaTi03及Bi的各種材料(參 照上述專利文獻(xiàn)1及2)。 BaTi03具有大的壓電常數(shù)，但居里溫度低達(dá)120 。C左右，在溫度穩(wěn)定性方面存在問題。含有Bi的各種材料多是具有高的居里溫度的材料，但是，介電常數(shù)、自發(fā)極化量都小且壓電常數(shù)小的材料， 在居里溫度以下具有相變溫度且溫度穩(wěn)定性有問題的材料等多具有各種 的問題。這樣，非鉛壓電材料雖然廣泛被研究開發(fā)，但現(xiàn)實(shí)中既有優(yōu)點(diǎn)又 有缺點(diǎn)。
另外，作為將非鉛壓電材料用于薄膜壓電元件時(shí)的問題點(diǎn)，可例舉出， 含有堿金屬元素的材料中，堿金屬元素的脫離引起的組成偏差以及在
BaTiCb中，在高的溫度下需要結(jié)晶化引起的向下部電極的擴(kuò)散，這都難以 作為壓電元件使用。
BaTi03具有高的居里溫度和大的自發(fā)極化量，除此之外，適用于沒有 容易造成堿金屬元素那種組成偏差的原因的元素的、結(jié)晶化溫度低的薄膜 化的優(yōu)點(diǎn)多，作為強(qiáng)電介質(zhì)存儲(chǔ)器用的材料備受關(guān)注。最近進(jìn)行了將該 BaTi03作為壓電材料使用的嘗試。但是，BaTi03的介電常數(shù)小，因此，作 為單一成分不能期待高的壓電常數(shù)。
于是，對(duì)制作BiFe03和BaTi03的混合晶，想要提高壓電常數(shù)進(jìn)行了 探討(參照上述專利文獻(xiàn)3)。但是，過量地放入BaTi03后，BaTi03成為 支配項(xiàng)，不能產(chǎn)生,BiFe03的高的居里溫度和大的自發(fā)極化量。另外，在 由各種單獨(dú)的材料制作壓電元件的情況下，BiFe03絕緣性容易變差， BaTi03組成難以均勻，因此，存在形成低介電常數(shù)辱且壓電特性損耗這樣 的問題，需要抑制各種材料的缺點(diǎn)的方法和混合比的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的具體方式是提供一種壓電材料，得到以BiFe03及BaTi03為 基礎(chǔ)的、非鉛、容易制作、大的壓電常數(shù)，且得到高的居里溫度。
(1)本發(fā)明的壓電元件，其特征在于，具有第一電極、配置于所 述第一電極上的壓電體膜、配置于所述壓電體膜上的第二電極，其中，構(gòu) 成所述壓電體膜的壓電材料為混合了 100 (l—x) %的25°(:下的自發(fā)極化 量為0.5C/m2以上的材料A以及100x。/。的具有壓電特性且25t:的相對(duì)介電 常數(shù)為1000以上的材料B的壓電材料，將所述材料A的居里溫度設(shè)定為 Tc (A)、將所述材料B的居里溫度設(shè)定為Tc (B)時(shí)，滿足(l一x) Tc (A) +xTc (B) >300°C，且均為非鉛類。 .根據(jù)這樣的構(gòu)成，通過材料A的自發(fā)極化量來提高膜性能，并且能夠 維持高居里溫度。另外，通過材料B能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高。
(2)本發(fā)明的壓電元件，其特征在于，具有第一電極、配置于所
述第一電極上的壓電體膜、配置于所述壓電體膜上的第二電極，其中，構(gòu)
成所述壓電體膜的壓電材料為由Bi (Fe、 Mn) 03和Ba (Zr、 Ti) 03的混 合晶構(gòu)成的壓電材料，用組成式(1—x) Bi (Fe,-yMny) 03—xBa (ZrJ^ -u) 03表示，且0〈x〈0.40、 0.01<y<0.1及0《11<0.16。
根據(jù)這樣的構(gòu)成，能夠維持Bi (Fe卜yMriy) 03的自發(fā)極化量及高居里 溫度，同時(shí)通過Ba (ZruTi,—J 03能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高。這樣，只要 在上述組成范圍內(nèi)，則作為混合的各種材料的壓電材料有用的性能就是優(yōu) 先的，從而能夠提高膜特性。
例如，所述第一電極或第二電極由金屬或?qū)щ娦匝趸锏膯我怀煞只?它們的層疊體構(gòu)成。例如，所述第一電極及第二電極由Pt、 Ir、 Au、 Ti、 Zr、 Fe、 Mn、 Ni、 Co、 Ir02、 Nb: SrTi03、 La: SrTi03、 SrRu03、 LaNi03、 (La、 Sr) Fe03、 (La、 Sr) Co03的任一種或它們的層疊體構(gòu)成。也可以 將這些材料作為所述第一電極或第二電極使用。
例如，所述第一電極、壓電材料膜及第二電極形成于基體上。例如， 所述基體由半導(dǎo)體材料、金屬、陶瓷、玻璃中的任一種構(gòu)成。另外，例如， 構(gòu)成所述基體的材料具有熔點(diǎn)或玻璃化溫度，且熔點(diǎn)及玻璃化溫度為650 "C以上。也可以將這些材料作為形成壓電元件的基體使用。


圖1 (A)是表示實(shí)施方式1的壓電材料的形成方法的工序剖面圖， 圖l (B)是表示對(duì)于調(diào)節(jié)了組成比y的No.l No.9樣品的磁滯特性的好 壞的圖表；
圖2是表示各樣品(No.2 No.5)的磁滯特性的曲線圖； 圖3是表示各樣品(No.6 No.9)的磁滯特性的曲線圖； 圖4是表示對(duì)于調(diào)節(jié)了組成比x的No.lO No.15樣品的磁滯特性的 好壞的圖表；
圖5是表示各樣品(No.lO No.13)的磁滯特性的曲線圖；圖6是表示各樣品(No.14、 No.15)的磁滯特性的曲線圖； 圖7是表示各樣品(No.lO No.12)的壓電常數(shù)(d33[pm/V])的圖表; 圖8是表示對(duì)于調(diào)節(jié)了組成比u的No.l6 No.19樣品的磁滯特性的 好壞的圖表；
圖9是表示各樣品(No.l7 No.19)的磁滯特性的曲線圖10是表示各樣品(No.l6 No.19)的壓電常數(shù)(d33[pm/V])的圖
表；
圖ll是表示各樣品(No.4 No.8、 No.lO No.12)的溫度[°。]和相對(duì) 介電常數(shù)的關(guān)系的曲線圖12是表示樣品No. 12的自發(fā)極化量Ps的二次方[y C/m勺和溫度rC] 的關(guān)系的曲線圖13是匯總各樣品(No.4 No.8、 No.ll、 No.12)的耐熱溫度和居 里溫度的估算值的圖表；
圖14是表示材料A和材料B的混合比和居里溫度的關(guān)系的圖15是表示具有實(shí)施方式3的壓電元件的噴墨式記錄頭(液體噴射 頭)的制造方法的工序剖面圖16是表示具有實(shí)施方式3的壓電元件的噴墨式記錄頭(液體噴射 頭)的制造方法的工序剖面圖17是表示具有實(shí)施方式3的壓電元件的噴墨式記錄頭(液體噴射 頭)的制造方法的工序剖面圖18是表示具有實(shí)施方式3的壓電元件的噴墨式記錄頭(液體噴射 頭)的制造方法的工序剖面圖19是噴墨記錄頭的分解立體圖20是表示噴墨打印機(jī)裝置(液體噴射裝置)的概略的圭要部分立 體圖。
符號(hào)說明
1、 基板
2、 彈性膜
3、 TiAlN膜
4、 Ir膜4A、層疊膜
5、 氧化銥?zāi)?br> 6、 下部電極 9、壓電體膜 11、上部電極 13、引線電極 15、保護(hù)基板 15a、凹部
15b、 15c、開口部 17、掩膜 19、開口部
19a、 19b、 19c、開口區(qū)域
21、噴嘴板
21a、噴嘴孔
23、撓性基板
101A、 101B、噴射頭單元
102A、 102B、墨盒
103、 滑架
104、 噴墨打印機(jī)裝置
105、 滑架軸
106、 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)
107、 同步帶
108、 壓板 PE、壓電元件 S、記錄片材
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。另外，對(duì)于具有 同一功能的零件標(biāo)注同樣或關(guān)聯(lián)的符號(hào)，省略其重復(fù)說明。 〈實(shí)施方式1〉圖1 (A)是表示本實(shí)施方式的壓電材料的形成方法的工序剖面圖。 首先，如圖1 (A)所示，作為基板l,例如準(zhǔn)備硅(Si)基板，在其表面 形成氧化硅膜作為彈性膜(振動(dòng)板)2。該氧化硅膜通過例如熱氧化而形 成膜厚400nm左右。
接著，在彈性膜2上，例如，通過RF濺射法形成膜厚為100nm左右 的TiAlN (氮化鈦鋁)膜3。接著，在TiAlN膜3上，例如通過DC濺射 法形成膜厚為100nm左右的Ir (銥)膜4后，再在其上部通過DC濺射法 形成氧化銥(IrO)膜5。這些層疊膜具有氧化硅膜和下部電極之間的密接 層或防擴(kuò)散層的作用。
接著，在氧化銥?zāi)?上形成例如由白金(Pt)膜等導(dǎo)電性膜構(gòu)成的下 部電極6。 Pt膜通過例如DC濺射法堆積為100nm左右。
接著，在下部電極6上形成絕緣膜(強(qiáng)電介質(zhì)膜、電容絕緣膜、壓電 體膜)9。該壓電體膜9是通過利用旋涂法等涂敷法蔣溶液(原料溶液) 涂敷在基板上后進(jìn)行熱處理(干燥、脫脂、燒成)而形成的，上述溶液(原 料溶液)是在溶劑中溶解了Bi (Fe、 Mn) C^及Ba (Zr、 Ti) 03的構(gòu)成金 屬的化合物(有機(jī)金屬化合物)而成的。 〔實(shí)施例1〕
例如，在Pt膜(6)上，以1500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂涂敷氧化物濃度調(diào)節(jié)為 0.165mol/Kg的Bi (Fe卜yMny) 03的原料溶液，形成前驅(qū)體膜。接著，在 35(TC實(shí)施3分鐘的熱處理，進(jìn)行干燥及脫脂。所謂脫脂是指對(duì)N02、 C02、 H20等進(jìn)行熱分解，使干燥工序后的前驅(qū)體膜中殘存的有機(jī)成分脫離。將 上述涂敷、干燥及脫脂工序重復(fù)十次后，用煤油退火爐以65(TC進(jìn)行10 分鐘的燒成(熱處理)，形成膜厚為400nm左右的Bi(Fe卜yMriy)03膜(9)。 另外，所謂氧化物濃度，是指作為該情況的氧化物即Bi (Fe,-yMny) 03 的濃度。
之后，在Bi (Fe卜yMny) OJ莫(9)上，通過例如DC噴濺法堆積lOOnm 左右的Pt膜作為導(dǎo)電性膜，形成上部電極ll，形成由上部電極ll和下部 電極6夾著Bi (Fe卜yMny) 03膜(9)的結(jié)構(gòu)體(電容器結(jié)構(gòu)、壓電元件 結(jié)構(gòu))。
采用在0 0.1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)了 Bi (Fe卜yMny) 03膜(9)的y的Bi (Fe,-yMny) 03的原料溶液，通過上述條件形成上述結(jié)構(gòu)體(圖1 (A))，考察 絕緣特性。 '
圖l (B)是對(duì)于表示調(diào)節(jié)了組成比y的No.l No,9樣品的磁滯特性 的好壞的圖表。另外，圖2及圖3是表示各樣品的磁滯特性的曲線圖?？v 軸表示極化量(polarization[ix C/cm2])，橫軸表示電壓(Voltage[V])。磁 滯特性通過頻率lkHz的三角波而求出。
如圖1 (B) 圖3所示，得知對(duì)于y^O的樣品No.l而言，發(fā)生短路， 作為絕緣膜不能使用。另外，得知對(duì)于y-O.Ol的樣品No.2和y-0.1的樣 品No.9而言，有漏泄(電流的漏泄成分大)，不能作為絕緣膜使用。另外， y=0.06的樣品No.7和y=0.07的樣品No.8中，發(fā)現(xiàn)稍微有漏泄的傾向。另 一方面，y在0.02 0.05范圍內(nèi)時(shí)，得到良好的磁滯特性(絕緣特性)。
因此得知，作為Mn的含量，優(yōu)選0.0Ky〈0.1范圍，更優(yōu)選的范圍 為0.02《y《0.07范圍，進(jìn)一步優(yōu)選的范圍為0.02《y《0.05范圍。 (實(shí)施例2〕
在本實(shí)施例中，釆用在0 0.5的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)了 (l一x)Bi(Fe,-yMny) 03—xBa (ZruTih) 03膜(9)的x的原料溶液，用與實(shí)施例1同樣的工 藝形成上述結(jié)構(gòu)體(圖1 (A))，考察了絕緣特性。其中，y=0.05、 1!=0固 定。艮口，采用(卜x) Bi (Fe0.95Mn,) 03—xBaTi03的原料溶液，形成 Bi (Fe、 Mn) 03和Ba (Ti) 03的混合晶。
圖4是表示對(duì)于調(diào)節(jié)了組成比x的No.l0 No.15樣品的磁滯特性的 好壞的圖表。另外，圖5及圖6是表示各樣品的磁滯特性的曲線圖。另外， 樣品No.lO和No.6相同。
如圖4 圖6所示，得知對(duì)于x=0.4及x=0.5的樣品No.14及No.15 而言，發(fā)生短路，不能作為絕緣膜使用。另外，對(duì)于它們的樣品而言，是 低Pm。所謂Pm是指施加了規(guī)定的電壓(在此，60V)時(shí)的極化量。另外， 在x=0.3的樣品No.13中，發(fā)現(xiàn)稍微有漏泄的傾向。另一方面，x在0 0.2 范圍內(nèi)時(shí)，得到良好的磁滯特性(絕緣特性)。
因此得知，作為(l一x) Bi (Fe、 Mn) 03和xBa (Zr、 Ti) 03的混 合比，優(yōu)選0〈x〈0.4的范圍，更優(yōu)選的范圍為0<x《0.3范圍，進(jìn)一步 優(yōu)選的范圍為0〈x《0.2范圍。接著，對(duì)上述樣品No.lO No.12進(jìn)行壓電特性的測(cè)定。圖7是表示 各樣品的壓電常數(shù)(d33[pm/V])的圖表。另外，在應(yīng)變量設(shè)定為S、電場 設(shè)定E的情況下，壓電常數(shù)(壓電應(yīng)變常數(shù))d由S卜dijXEi表示。另外， 上述式中的i是應(yīng)變方向，j是電壓施加方向。該壓電常數(shù)d值越大，壓電 體膜的應(yīng)變?cè)酱?。另外，d33是施加電場E3且在其平行方向S3應(yīng)變時(shí)的 壓電應(yīng)變常數(shù)，例如，d3,是施加電場E3且在其垂直方向Sl應(yīng)變時(shí)的壓 電應(yīng)變常數(shù)。"1、 2、 3"分別是.x、 y、 z軸方向的意思。該壓電常數(shù)d33 用雙射束激光多普勒法測(cè)定。
如圖7所示，與乂=0、即未混入Ba(Ti) 03的情況相比，混入的情況 (x=0.1、 x=0.2)這一方壓電常數(shù)提高。另外，與混合比是x-O.l的相比， x-0.2這一方壓電常數(shù)更大。 〔實(shí)施例3〕
在本實(shí)施例中，采用在0 0.12的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)了 (l一x)Bi(Fe,-yMriy) 03—xBa (ZruTi卜u) 03膜(9)的u的(l一x) Bi (Fe卜yMny) 03—xBa (ZruTi-u) 03的原料溶液，用與實(shí)施例1同樣的工藝形成上述結(jié)構(gòu)體(圖 1 (A))，考察了絕緣特性。其中，x=0.2、 y=0.05固定。即，采用0.8Bi (Fe0.95Mn,) O廣0.2Ba (ZrJVu) 03的原料溶液，形成Bi (Fe、 Mn) 03和Ba (Zr、 Ti) 03的混合晶。
圖8是表示對(duì)于調(diào)節(jié)了組成比u的No.l6 No.19樣品的磁滯特性的 好壞的圖表。另外，圖9是表示各樣品的磁滯特性的曲線圖。另外，樣品 No.16禾卩No.12相同。
如圖8 圖9所示，n在0 0.12范圍內(nèi)時(shí)，得到良好的磁滯特性(絕 緣特性)。其中，考察了如下內(nèi)容，在『0.12時(shí)，30V下的Pm比11=0.08 的情況還低若干，因此，u在0.08 0.12之間迎來絕緣特性的峰值，到i^0.16 附近時(shí)，盡管能夠獲得良好的磁滯特性，但是，在Zr增加到0.16以上時(shí)， 作為Ba (Zr、 Ti) 03，居里溫度降低，磁滯特性劣化。
因此得知，作為(1—x) Bi (Fe卜yMny) 03—xBa (ZruTi卜J 03的Zr 的含量，優(yōu)選0《11<0.16的范圍，更優(yōu)選的范圍為0《u《0.12范圍。
接著，對(duì)上述樣品No.l7 No.l9進(jìn)行壓電特性的測(cè)定。圖10是表示 各樣品的壓電常數(shù)(d33[pm/V])的圖表。如圖10所示，u在0.04 0.12范圍內(nèi)的任意情況下都可得到良好的壓電常數(shù)。另外，隨著Zr的含量在 0.04 0.12范圍內(nèi)增加，可發(fā)現(xiàn)壓電常數(shù)有上升的傾向。 (實(shí)施例4〕
下面，為了考察各樣品的居里溫度，調(diào)査了各樣品的溫度rc]和相對(duì)
介電常數(shù)的關(guān)系(圖11)。
如圖11 (A)所示，對(duì)于樣品No.4 No.8，發(fā)現(xiàn)在隨著溫度上升，相 對(duì)介電常數(shù)也上升，但是，不能確認(rèn)其拐點(diǎn)(居里溫度)。另外，如圖11 (B)所示，雖然樣品No.lO No.l2也有同樣的傾向，但不能確認(rèn)拐點(diǎn)(居 里溫度)。這樣，得知如下內(nèi)容，雖然不能確認(rèn)明確的居里溫度，但例如 對(duì)于樣品No.ll及No.l2而言，曲線的最高溫度即得到良好的磁滯特性的 溫度中的最高的溫度(耐熱溫度)是200 225。C，具有高耐熱性。另外， 在樣品No.ll及No.12中，至少暗示了上述耐熱溫度以上的居里溫度。
于是，為了對(duì)居里溫度進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，調(diào)查了樣品No.l2的自發(fā)極 化量Ps的二次方[uC/m勺和溫度[X:]的關(guān)系(圖12)。該曲線圖中得知，x 切片(切片)可與居里溫度近似，大概是32(TC左右的居里溫度。圖13 匯總各樣品的耐熱溫度和居里溫度的估算值。這樣，得知，在上述樣品中， 居里溫度也高，是有用的。
以上，如詳細(xì)所說明，在0<x<0.40、 0.01<y<0.10及0《u<0.16 的范圍內(nèi)，混合、燒成(1—x) Bi (Fe卜yMny) 03禾QxBa (Zr;Ti卜u) 03， 由此，可得到絕緣性及壓電特性良好的膜。另外，能夠提高居里溫度，且 能夠得到也可耐高溫使用的壓電材料。
具體而言，通過調(diào)節(jié)上述的x范圍，能夠形成壓電常數(shù)大，居里溫度 高，另外沒有Ba (Zr、 Ti) 03引起的低介電常數(shù)層導(dǎo)致的特性上的損耗 的壓電材料。
另外，如上所述，通過調(diào)節(jié)y、添加Mn，能夠提高膜的絕緣性，能 夠提高膜特性。
另外，如上所述，通過調(diào)節(jié)u、添加(置換)Zr，可得到比夾緊效果 更大的壓電常數(shù)，另外，能夠?qū)⒕永餃囟染S持在非常高的溫度。
另外，上述x、 y及u是將各元素的化合物(有機(jī)金屬化合物)溶解 于溶劑的溶液(原料溶液)的混合摩爾比，但是，如本實(shí)施例所述，在各
12元素成分的氧化物的蒸氣壓以充分小的溫度進(jìn)行熱處理的情況下，以上述
混合摩爾比組成化合物。對(duì)于這樣的事實(shí)，本發(fā)明者用ICP (Inductively Coupled Plasma高頻感應(yīng)結(jié)合等離子體)發(fā)光分析法等進(jìn)行確認(rèn)。 〈實(shí)施方式2〉
在本實(shí)施方式中，根據(jù)實(shí)施方式l的考察，對(duì)合成非鉛系(鉛自由) 的壓電材料時(shí)的設(shè)計(jì)方針，即，混合兩種材料時(shí)的各材料的特性和混合比 率進(jìn)行研究。
首先，作為一材料(強(qiáng)電介質(zhì)材料)A的特性，選擇25"C的自發(fā)極化 量為0.5C/n^以上的材料。作為另一材料B的特性，選擇25。C的相對(duì)介電 常數(shù)為1000以上的材料。
對(duì)于這些膜，將材料A的居里溫度設(shè)定為Tc (A)、將材料B的居里 溫度設(shè)定為Tc (B)時(shí)，按照(1—x) Tc (A) +xTc (B) ^30(TC的方式 決定x，將材料A以100 (l—x) %、材料B以100x。/。的比例混合。
圖14是表示材料A和材料B的混合比和居里溫度的關(guān)系的圖。艮卩， 如圖14所示，在材料A及材料B完全固溶的情況下，混合比(l一x)和 居里溫度Tc的關(guān)系在從Tc (A)直線變化到Tc (B)時(shí)能夠近似。因此， 認(rèn)為通過選擇混合比以滿足上述式，產(chǎn)生各材料的特性，同時(shí)得到高居里 溫度的材料。
〈實(shí)施方式3〉
下面，對(duì)使用由實(shí)施方式l及2驗(yàn)證后的特性良好的壓電材料的壓電 元件的制造方法進(jìn)行說明。圖15 圖18是表示具有本實(shí)施方式的壓電元 件的噴墨式記錄頭(液體噴射頭)的制造方法的工序剖面圖。圖19是噴 墨記錄頭的分解立體圖。圖20是表示噴墨打印機(jī)(液體噴射裝置)的概 略的主要部分立體圖。
下面，參照?qǐng)D15 圖20，按順序說明壓電元件等的制造方法，同時(shí) 明確其結(jié)構(gòu)。
首先，如圖15 (A)所示，作為基板(基體)1準(zhǔn)備例如硅(Si)基 板，在其表面形成氧化硅膜作為彈性膜(振動(dòng)板)2。該氧化硅膜2例如 通過熱氧化而形成。
接著，如圖15 (B)所示，在彈性膜2上形成上述的TiAlN膜/Ir膜/氧化銥?zāi)さ膶盈B膜。在此，用4A表示該層疊膜。
接著，在層疊膜4A上，例如形成由白金(Pt)膜等導(dǎo)電性膜構(gòu)成的 下部電極6。 Pt膜例如通過DC濺射法堆積。之后，對(duì)下部電極6進(jìn)行構(gòu) 圖(圖15C)。
接著，如圖16 (A)所示，在下部電極6上形成壓電體膜(壓電體、 壓電體層)9。即，如實(shí)施方式l所說明，用旋涂法等涂敷法將調(diào)節(jié)了x、 y及u的上述原料溶液涂敷到基板上后，進(jìn)行熱處理(干燥、脫脂、燒成)， 由此形成壓電體膜9。另外，作為該壓電體膜，也可以使用實(shí)施方式2中 說明了的材料。
下面，如圖16 (B)所示，在壓電體膜9上，通過濺射法堆積例如Pt 作為導(dǎo)電性膜(11)。接著，如圖16 (C)所示，通過將導(dǎo)電性膜構(gòu)圖為 所希望的形狀，由此形成上部電極ll。這時(shí)，導(dǎo)電性膜的下層的壓電體膜 9也同時(shí)構(gòu)圖。其結(jié)果是，形成層疊有下部電極6、壓電體膜9及上部電 極11的壓電元件PE。
另外，作為上述下部電極6及上部電極11，可使用金屬或?qū)щ娦匝趸?物的單一成分或它們的層疊體。具體而言，可使用Pt、 Ir、 Au、 Ti、 Zr、 Fe、 Mn、 Ni、 Co、 Ir02、 Nb: SrTi03、 La: SrTO3、 SrRu03、 LaNi03、 (La、 Sr) Fe03、 (La、 Sr) Co03的任一種或它們的層疊體。這些候補(bǔ)中的金屬 與壓電材料的相互擴(kuò)散被抑制，或者，由于其是壓電材料成分的一個(gè)，故 而相互擴(kuò)散導(dǎo)致的特性的劣化被抑制到最小限度。另外，這些候補(bǔ)中的導(dǎo) 電性氧化物具有和壓電材料同樣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，通過晶粒成長而能夠形成潔 凈的電極/壓電體界面。
接著，如圖17 (A)所示，在壓電元件(上部電極11) PE上，通過 噴濺法堆積例如金(Au)膜作為導(dǎo)電性膜，之后，構(gòu)圖為所希望的形狀， 由此，形成引線電極13。
接著，如圖17 (B)所示，在壓電元件(基板1) PE上裝載保護(hù)基板 15并進(jìn)行接合。該保護(hù)基板15在與壓電元件PE對(duì)應(yīng)的部分具有凹部15a， 另外還具有開口部15b、 15c。
接著，如圖17 (C)所示，對(duì)基板1的背面(和壓電元件PE形成側(cè) 相反一側(cè)的面)進(jìn)行研磨，進(jìn)而通過濕式蝕刻使基板l的膜厚減薄。接著，如圖18 (A)所示，在基板1的背面堆積例如氮化硅膜作為掩 膜17，并構(gòu)圖為所希望的形狀。接著，以該掩膜17為掩模，對(duì)基板l進(jìn) 各向異性蝕刻，由此，在基板1中形成開口部19。該開口部19由開口區(qū) 域19a、 19b、 19c構(gòu)成。接著，通過切割等切除基板1及保護(hù)基板15的 外周部分，并進(jìn)行整形。
接著，如圖18 (B)所示，在基板l的背面接合在與開口區(qū)域19a對(duì) 應(yīng)的位置具有噴嘴孔(噴嘴開口) 21a的噴嘴板21。另外，在保護(hù)基板15 的上部接合后述的撓性基板23，適當(dāng)進(jìn)行分割(劃線)。通過以上的工序， 大致完成了具有多個(gè)壓電元件PE的噴墨式記錄頭。
另外，作為上述基板1，可以使用Si以外的半導(dǎo)體材料、金屬、陶瓷、 玻璃等材料。另外，雖然構(gòu)成基板l的材料具有熔點(diǎn)或玻璃化溫度，只要 熔點(diǎn)及玻璃化溫度為650。C以上，則其也能夠耐受住高溫使用。
這樣，作為壓電體膜9，使用實(shí)施方式1及2中說明了的材料，由此 能夠提高壓電元件的特性。尤其是，通過制成非鉛類，能夠進(jìn)行考慮到環(huán) 境方面的制品制造。
另外，非鉛類壓電材料即含有堿金屬元素的材料類，存在堿金屬元素 的脫離導(dǎo)致的組成偏差、及結(jié)晶化時(shí)的熱引起的向下部電極的擴(kuò)散的問 題，但若是上述材料，則不僅具有高的居里溫度和大的自發(fā)極化量，而且 不是容易造成堿金屬元素那樣的組成偏差的原因的元素，另外，結(jié)晶化溫 度低等，優(yōu)點(diǎn)多，適合作為壓電元件使用。
另外，上述材料可通過溶液工藝而容易地調(diào)節(jié)其組成，另外，也能夠 容易地對(duì)應(yīng)圖案的微細(xì)化。由此，能夠容易地對(duì)應(yīng)后述的頭和打印機(jī)的微 細(xì)化及高精細(xì)化。
圖19是噴墨記錄式頭的分解立體圖，對(duì)于與圖15 圖18對(duì)應(yīng)的部分 標(biāo)注同樣的符號(hào)。
如圖所示，位于壓電元件PE的下部的開口區(qū)域19a成為壓力發(fā)生室， 通過驅(qū)動(dòng)壓電元件PE，彈性膜2變位，從噴嘴孔21a噴出油墨。在此， 將壓電元件PE及彈性膜2—并稱作促動(dòng)器裝置。另外，圖19不過是噴墨 記錄式頭的構(gòu)成之一例，壓電元件PE的形狀及排列方向等其構(gòu)成可以進(jìn) 行適當(dāng)?shù)刈兏?，這是自不必說的。
15另外，圖20是表示噴墨打印機(jī)裝置(液體噴射裝置)104的概略的主 要部分立體圖。如圖所示，上述的噴墨記錄式頭被裝入噴射頭單元101A 及101B中。另外，在噴射頭單元101A及101B上可拆卸地設(shè)置有構(gòu)成油 墨供給裝置的墨盒102A及102B。
另外，該噴射頭單元IOIA、 101B本身裝載于滑架103，并安裝在裝 置主體104上。另外，該滑架103相對(duì)于滑架軸105的軸方向可移動(dòng)地配 置。
驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)106的驅(qū)動(dòng)力通過同步帶107傳遞給滑架103，由此，噴 射頭單元IOIA及101B沿著滑架軸105移動(dòng)。另外，在該裝置104中， 沿著滑架軸105設(shè)置壓板(亍7。，:/) 108，記錄片材(例如，紙)S被輸 送至該壓板108上。通過從噴射頭單元IOIA、 IOIB噴出油墨，對(duì)該記錄 片材S進(jìn)行印刷。
另外，在上述實(shí)施方式中，以噴墨式記錄頭為例進(jìn)行了說明，但是， 本發(fā)明可廣泛適用于液體噴射頭，例如，也可以應(yīng)用于液晶顯示器等濾色 器的制造所使用的色材噴射頭、噴射有機(jī)EL顯示器、FED (面發(fā)光顯示 器)等液體電極材料的液體噴射頭、生物芯片的制造所使用的生物體有機(jī) 物噴射頭等。
另外，在上述實(shí)施方式中，以具有壓電元件的噴墨式記錄頭為例進(jìn)行 了說明，但不限于用于該頭的壓電元件，可以廣泛應(yīng)用于超聲波發(fā)送器等 超聲波裝置及壓力傳感器等。
另外，通過上述實(shí)施方式說明的實(shí)施例及應(yīng)用例可以根據(jù)用途進(jìn)行適 當(dāng)?shù)亟M合，或加以變更或改良而使用，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式的記載。 這樣的組合或加以變更或改良的形態(tài)也屬于本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)，這從專 利要求范圍的記載中可明確。
權(quán)利要求
1、一種壓電元件，其特征在于，其具有第一電極、配置于所述第一電極上的壓電體膜、配置于所述壓電體膜上的第二電極，其中，構(gòu)成所述壓電體膜的壓電材料為混合了100(1-x)％的25℃下的自發(fā)極化量在0.5C/m2以上的材料A以及100x％的具有壓電特性且25℃的相對(duì)介電常數(shù)在1000以上的材料B的壓電材料，在將所述材料A的居里溫度設(shè)定為Tc(A)、將所述材料B的居里溫度設(shè)定為Tc(B)時(shí)，滿足(1-x)Tc(A)+xTc(B)≥300℃，且均為非鉛類。
2、 一種壓電元件，其特征在于，其具有 .第一電極、配置于所述第一電極上的壓電體膜、配置于所述壓電體膜 上的第二電極，構(gòu)成所述壓電體膜的壓電材料為由Bi (Fe、 Mn) Os禾nBa (Zr、 Ti) 03的混合晶構(gòu)成的壓電材料，所述壓電材料由組成式(1-x) Bi (Fe,—yMny) 03-xBa (ZrJVu) 03 表示，且0<乂<0.40、 0.01<y<0.10及0《u<0.16。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于， 所述第一電極及第二電極由金屬或?qū)щ娦匝趸锏膯我怀煞只蛩鼈兊膶盈B體構(gòu)成。
4、 如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于， 所述第一電極或第二電極由Pt、 Ir、 Au、 Ti、 Zr、 Fe、 Mn、 Ni、 Co、Ir02、 Nb: SrTi03、 La: SrTi03、 SrRu03、 LaNi03、 (La、 Sr) Fe03、 (La、 Sr) Co03中的任一種或它們的層疊體構(gòu)成。
5、 如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于， 所述第一電極、壓電材料膜及第二電極形成在基體上。
6、 如權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于， 所述基體由半導(dǎo)體材料、金屬、陶瓷、玻璃中的任一種構(gòu)成。
7、 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于， 構(gòu)成所述基體的材料具有熔點(diǎn)或玻璃化溫度，且熔點(diǎn)及玻璃化溫度為65(TC以上。
8、 一種液體噴射頭，其特征在于， 含有權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的壓電元件。
9、 一種液體噴射裝置，其特征在于， 含有權(quán)利要求8所述的液體噴射頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種特性良好的非鉛系壓電材料。尤其是能夠提高以Bi(Fe、Mn)O₃及Ba(Zr、Ti)O₃為基礎(chǔ)的壓電材料的特性。本發(fā)明的壓電元件的特征在于，具有第一電極(6)、配置于所述第一電極上的壓電體膜(9)、配置于所述壓電體膜上的第二電極(11)，其中，構(gòu)成所述壓電體膜的壓電材料為由Bi(Fe、Mn)O₃和Ba(Zr、Ti)O₃的混合晶構(gòu)成的壓電材料，并由組成式(1-x)Bi(Fe_1-yMn_y)O₃-xBa(Zr_uTi_1-u)O₃表示，且0＜x＜0.40、0.01＜y＜0.1及0≤u＜0.16。根據(jù)這樣的構(gòu)成，能夠維持Bi(Fe_1-yMn_y)O₃的自發(fā)極化量及高居里溫度，通過Ba(Zr_uTi_1-u)O₃能夠?qū)崿F(xiàn)壓電特性的提高。
文檔編號(hào)H01L41/18GK101552317SQ20091012991
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者木島健, 濱田泰彰 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社