專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電體膜、噴墨頭、角速度傳感器、壓電發(fā)電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電體膜、噴墨頭、角速度傳感器、壓電發(fā)電元件。
背景技術(shù)：
目前正在開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛(lead-free)壓電材料的一個(gè)例子，如專(zhuān)利文獻(xiàn)I和專(zhuān)利文獻(xiàn)2公開(kāi)的那樣，例如是鈣鈦礦型復(fù)合氧化物(Bi，Na) TiO3 - BaTi03。這種壓電材料被稱(chēng)作 BNT-BT。先行技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特公平4 - 60073號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本特許第4455678號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :國(guó)際公開(kāi)第2010/047049號(hào)專(zhuān)利文獻(xiàn)4 :美國(guó)專(zhuān)利第7870787號(hào)說(shuō)明書(shū)專(zhuān)利文獻(xiàn)5 :中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)第101981718號(hào)說(shuō)明書(shū)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題 本發(fā)明的目的在于提供具有更高的結(jié)晶取向性、更高的壓電常數(shù)和更高的強(qiáng)介電特性的BNT-BT壓電體膜。本發(fā)明的其他目的在于，提供具有該BNT-BT壓電體膜的噴墨頭、角速度傳感器和壓電發(fā)電元件。本發(fā)明的另外的其他目的在于，提供使用該噴墨頭形成圖像的方法、使用該角速度傳感器測(cè)定角速度的方法和使用該壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法。用于解決課題的手段本發(fā)明的壓電體膜包括僅具有(110)取向的第一電極、僅具有(110)取向的(NaxBia5)TiOtl.5x+2.75 — BaTiO3 層、僅具有(110)取向的(Bi，Na)TiO3 — BaTiO3 層和第二電極。X 的值是 O. 29 以上 O. 40 以下，第一電極、(NaxBia5)TiOa5x+2.75 — BaTiO3 層、(Bi, Na)TiO3 - BaTiO3層和第二電極按照此順序?qū)盈B。發(fā)明效果本發(fā)明提供一種具有更高的結(jié)晶取向性、更高的壓電常數(shù)和更高的強(qiáng)介電特性的BNT-BT壓電體膜。


圖1A是示意性地表示本發(fā)明的壓電體膜的實(shí)施方式的截面圖。圖1B是示意性地表示本發(fā)明的壓電體膜的其他實(shí)施方式的截面圖。圖2是表示實(shí)施例1 3和比較例I 4的壓電體膜的X射線(xiàn)衍射線(xiàn)形。圖3是表示實(shí)施例1和比較例I的壓電體膜的P-E磁滯曲線(xiàn)的圖。
圖4示意性地表示本發(fā)明的噴墨頭的一個(gè)例子，是局部地表示該噴墨頭的截面的立體圖。圖5示意性地表示包括圖4所示的噴墨頭中的壓力室部件和致動(dòng)器部的主要部分，是局部地表示該主要部分的截面的分解立體圖。圖6是示意性地表示圖4所示的噴墨頭中的、包括壓力室部件和致動(dòng)器部的主要部分的一個(gè)例子的截面圖。圖7是示意性地表示本發(fā)明的角速度傳感器的一個(gè)例子的立體圖。圖8是表示圖7所示的角速度傳感器中的截面El的截面圖。圖9是示意性地表示本發(fā)明的壓電發(fā)電元件的一個(gè)例子的立體圖。圖10是表示圖9所示的壓電發(fā)電元件中的截面Fl的圖。
具體實(shí)施例方式以下，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。以下的說(shuō)明對(duì)于同樣的部件使用同樣的符號(hào)。因此，省略重復(fù)的說(shuō)明。[壓電體膜]圖1A表示本發(fā)明的壓電體膜的一個(gè)方式。圖1A所示的壓電體膜Ia具有層疊結(jié)構(gòu)16a。層疊結(jié)構(gòu)16a包括僅具有(110)取向的第一電極13、僅具有(110)的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 彡 X 彡 O. 4)14、僅具有(110)取向的(Bi, Na) TiO3 — BaTiO3 層15、第二電極17。第一電極13和第二電極17具有層的形狀。(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3層14是界面層。(Bi, Na) TiO3 一 BaTiO3層15是壓電體層。(Bi，Na)Ti03 —8&1103層15具有小的漏泄電流特性、高結(jié)晶性和高(110)取向性。因此，壓電體膜Ia雖然不含有鉛，但是具有低介電損失特性和與PZT相同的高壓電性能。(關(guān)于第一電極13)僅具有(110)取向的第一電極13的例子是以下的(I)和(2)。(I)鉬(Pt)層、鈀(Pd)層、或者金(Au)層這樣的金屬層、或者(2)氧化鎳(NiO)、氧化釕(Ru02)、氧化銥(Ir02)、釕酸鍶(SrRu03)、或者鎳酸鑭(LaNiO3)這樣的氧化物導(dǎo)電層。優(yōu)選鉬層。另外，2層以上的這些層也能夠使用。(關(guān)于(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層 14)(似!與。.5)110(|.5!￡+2.75— 8&1103層(0.29≤x≤0.4)14在表面具有(110)的面方位。(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層 14 是界面層。(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 ≤ X ≤ O. 4) 14 被夾在第一電極 13 與(Bi1Na)TiO3 — BaTiO3 層 15 之間。(NaxBi0.5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 ≤ X ≤ O. 4)14 是提高(Bi, Na) TiO3 — BaTiO3 層 15 的結(jié)晶取向性、壓電常數(shù)和強(qiáng)介電特性所必需的。詳細(xì)情況請(qǐng)參照后述的實(shí)施例1 3和比較例I 10。表示鈦酸鈉鉍的氧量的“O. 5x+2. 75”可以包含誤差。例如，如果x=0.4，則O. 5X0. 4+2. 75=2. 95。但是，在鈉的含量為O. 4的情況下，鈦酸鈉鉍的氧量不一定與2. 95
完全一致?；趬弘婓w層和界面層所具有的晶格常數(shù)的類(lèi)似性或組成的類(lèi)似性，難以預(yù)測(cè)適合提高(Bi，Na)Ti03 - BaTiO3層15的結(jié)晶取向性、壓電常數(shù)和強(qiáng)介電特性的界面層的組成。即，僅通過(guò)設(shè)置具有與壓電體膜的晶格常數(shù)或組成類(lèi)似的晶格常數(shù)或組成的界面層，不一定能得到這樣的壓電體層。其理由在于，構(gòu)成(Bi，Na)TiO3 — BaTiO3這樣的多元系復(fù)合氧化物的各個(gè)元素(氧除外)具有不同的蒸氣壓，所以一般難以形成具有良好的結(jié)晶性和良好的取向性的由該復(fù)合氧化物構(gòu)成的薄膜。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)(NaxBia5)TiOtl.5x+2.75 — 8&1103層(O. 29彡X彡O. 4) 14使(Bi, Na)TiO3 — BaTiO3層15的結(jié)晶取向性、壓電常數(shù)和強(qiáng)介電特性提聞。(NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 ^ x ^ O. 4) 14 的厚度并未受到限定。只要該厚度是數(shù)個(gè)晶格單位(約2nm)以上，(Bi, Na) TiO3 一 BaTiO3層15的結(jié)晶取向性和壓電常數(shù)就會(huì)提聞。(NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 彡 x 彡 O. 4) 14 具有用化學(xué)式 ABO3 表示的鈣鈦礦型的晶體結(jié)構(gòu)。晶格點(diǎn)(site)A的主要成分是Na、Bi和Ba，晶格點(diǎn)B的主要成分是Ti。(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層(O. 29 ^ x ^ O. 4) 14 可以包含微量的雜質(zhì)。典型的該雜質(zhì)可以是置換Na的K、Li或者銀。根據(jù)需要，還可以在第一電極13與(NaxBia5) TiOtl. 5x+2.75 — BaTiO3層(O. 29彡X彡0.4) 14之間夾著(110)取向?qū)?圖中未示)。(110)取向?qū)永缡荓aNiO3層和 SrRuO3 層。(關(guān)于(Bi,Na) TiO3 — BaTiO3 層 15)(Bi，Na)Ti03 —BaTiO3 層 15 由(Bi, Na) TiO3 — BaTiO3 構(gòu)成。(Bi, Na) TiO3 — BaTiO3層15在表面具有(110)的面方位。
(Bi, Na) TiO3 — 8&1103層15的厚度并沒(méi)有限制。該厚度例如為O. 5 μ m以上、10 μ m以下。即使(Bi1Na)TiO3 — BaTiO3層15薄，該膜也具有低的介電損失特性和高的壓電性倉(cāng)泛。(Bi, Na) TiO3 一 BaTiO3層15具有用化學(xué)式ABO3表示的鈣鈦礦型的晶體結(jié)構(gòu)。晶格點(diǎn)(Site)A和晶格點(diǎn)B，與單獨(dú)或者多種元素的配置相應(yīng)地，分別具有2價(jià)和4價(jià)的平均價(jià)數(shù)。晶格點(diǎn)A是B1、Na和Ba。晶格點(diǎn)B是Ti。(Bi，Na)TiO3 — BaTiO3層15可以包含微量的雜質(zhì)。該雜質(zhì)典型來(lái)講可以是置換晶格點(diǎn)A中的Na的Li和置換K，以及置換Ba的Sr和Ca。該雜質(zhì)典型來(lái)講可以是置換晶格點(diǎn)B中的Ti的Zr。其它的該雜質(zhì)例如可以是Mn、Fe、Nb和Ta。多種雜質(zhì)能夠提高(Bi，Na) TiO3 — BaTiO3層15的結(jié)晶取向性和壓電性能。根據(jù)需要，還可以在(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層 14 和(Bi，Na) TiO3 — BaTiO3層15之間夾著(110)取向?qū)?圖中未示)。(關(guān)于第二電極17)第二電極17由具有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成。該材料的例子是具有低電阻的金屬。該材料可以是NiO、RuO2, Ir03、SrRuO3、或者LaNiO3這樣的氧化物導(dǎo)電體。導(dǎo)電膜17可以由兩種以上的這些材料構(gòu)成。第一電極13和第二電極17用于對(duì)(Bi，Na) TiO3 — BaTiO3層15施加電壓。可以在第二電極17與(Bi，Na) TiO3 — BaTiO3層15之間配置提高兩者的緊貼性的緊貼層。緊貼層的材料的例如為鈦(Ti)、鉭(Ta)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、或者它們的化合物。緊貼層能夠由2種以上的這些材料構(gòu)成。根據(jù)第二電極17與(Bi，Na)TiO3 —BaTiO3層15的緊貼性，能夠省略緊貼層。圖1B表示本發(fā)明的壓電體膜的其他的一個(gè)方式。如圖1B所示，該壓電體膜Ib包括基板11和層疊結(jié)構(gòu)16a。第一電極13被夾在該基板11與(NaxBia5) TiOa 5x+2.75 — BaTiO3層14之間?；?1可以是硅(Si)基板或者氧化鎂(MgO)基板?；?1優(yōu)選是僅具有(110)取向的單晶基板?？梢栽诨?1與第一電極13之間配置提高兩者的緊貼性的緊貼層。緊貼層的材料例如是T1、Ta、Fe、Co、N1、Cr或者它們的化合物。緊貼層能夠由2種以上的這些材料構(gòu)成。根據(jù)基板11與層疊結(jié)構(gòu)16a的緊貼性，能夠省略緊貼層。以下，對(duì)具備上述的壓電體膜的本發(fā)明的噴墨頭、角速度傳感器和壓電發(fā)電元件進(jìn)行說(shuō)明。詳細(xì)參照專(zhuān)利文獻(xiàn)3。專(zhuān)利文獻(xiàn)4和專(zhuān)利文獻(xiàn)5各自是與專(zhuān)利文獻(xiàn)3對(duì)應(yīng)的美國(guó)專(zhuān)利公報(bào)和中國(guó)公開(kāi)公報(bào)。[噴墨頭]以下，參照?qǐng)D4 圖6說(shuō)明本發(fā)明的噴墨頭。圖4表示本發(fā)明的噴墨頭的一個(gè)方式。圖5是表示圖4所示的噴墨頭100中的、包含壓力室部件和致動(dòng)器部的主要部分的分解圖。圖4和圖5中的符號(hào)A表不壓力室部件。壓力室部件A具備在其厚度方向(圖的上下方向)上貫通的貫通孔101。圖5所示的貫通孔101是在壓力室部件A的厚度方向上被切斷的該貫通孔101的一部分。符號(hào)B表示具備壓電體膜和振動(dòng)層的致動(dòng)器部。符號(hào)C表示具備共用液室105和墨水 通路107的墨水通路部件C。壓力室部件A、致動(dòng)器部B和墨水通路部件C以壓力室部件A被致動(dòng)器部B和墨水通路部件C夾著的方式相互接合。在壓力室部件A、致動(dòng)器部B和墨水通路部件C相互接合的狀態(tài)下，貫通孔101形成收納從共用液室105供給來(lái)的墨水(ink，墨液)的壓力室102。致動(dòng)器部B具備的壓電體膜和振動(dòng)層，俯視下與壓力室102重疊。圖4和圖5中的符號(hào)103表示作為壓電體膜的一部分的個(gè)別電極層。如圖4所示，噴墨頭100俯視下，具備鋸齒狀配置的2個(gè)以上的個(gè)別電極層103即壓電體膜。墨水通路部件C具備俯視下條紋狀配置的2個(gè)以上的共用液室105。在圖4和圖5中，各共用液室105俯視下與2個(gè)以上的壓力室102重疊。共用液室105在噴墨頭100中的墨水供給方向(圖4中的箭頭方向)上延伸。墨水通路部件C具備將共用液室105內(nèi)的墨水供給到壓力室102的供給口 106 ;和從噴嘴孔108排出壓力室102內(nèi)的墨水的墨水通路107。通常，I個(gè)供給孔106和I個(gè)噴嘴孔108與I個(gè)壓力室102對(duì)應(yīng)設(shè)置。噴嘴孔108形成于噴嘴板D。噴嘴板D以與壓力室部件A—起夾著墨水通路部件C的方式，與墨水通路部件C接合。圖4中的符號(hào)E表示IC芯片。IC芯片E在致動(dòng)器部B的表面露出的個(gè)別電極層103經(jīng)由焊絲BW電連接。為了使圖4明確，圖4僅表示一部分的焊絲BW。圖5表不包含壓力室部件A和致動(dòng)器部B的主要部分的結(jié)構(gòu)。圖6表不壓力室部件A和致動(dòng)器部B中的、與墨水供給方向(圖4中的箭頭方向)正交的截面。致動(dòng)器部B具備具有被第一電極(個(gè)別電極層103)和第二電極(共用電極層112)夾著的壓電體層15的壓電體膜104 (104a 104d)。一個(gè)個(gè)別電極層103與一個(gè)壓電體膜104a 104d對(duì)應(yīng)設(shè)置。共用電極層112是在壓電體膜104a 104d共用的電極。如圖6中的虛線(xiàn)包圍的方式，上述的壓電體膜104配置于噴墨頭內(nèi)部。該壓電體膜是在題為[壓電體膜]的項(xiàng)目中說(shuō)明的壓電體膜。[使用噴墨頭的圖像形成方法]形成本發(fā)明的圖像的方法，包括在上述的本發(fā)明的噴墨頭中，經(jīng)由第一和第二電極(即個(gè)別電極層和共用電極層)對(duì)壓電體層施加電壓，利用壓電效應(yīng)使振動(dòng)層在該層的膜厚方向上位移、使壓力室的容積變化的工序和利用該位移使墨水從壓力室排出的工序。邊使紙之類(lèi)的圖像形成對(duì)象物與噴墨頭之間的相對(duì)位置變化，邊使對(duì)壓電體層施加的電壓變化，控制來(lái)自噴墨頭的墨水的排出時(shí)刻和排出量，由此在對(duì)象物的表面形成圖像。在本說(shuō)明書(shū)中所使用的用詞“圖像”包含文字。換而言之，利用形成本發(fā)明的圖像的方法，對(duì)紙之類(lèi)的印刷對(duì)象物印刷有文字、畫(huà)、圖形等。在該方法中，能夠獲得具有高表現(xiàn)力的印刷。[角速度傳感器]圖7表示本發(fā)明的角速度傳感器的一個(gè)例子。圖8表示圖7所示的角速度傳感器21a的截面E1。圖7所示的角速度傳感器21a是所謂的音叉型角速度傳感器。這些能夠用于車(chē)輛用導(dǎo)航裝置和數(shù)碼相機(jī)的抖動(dòng)修正傳感器。圖7所示的角速度傳感器21a具備具有振動(dòng)部200b的基板200，和與振動(dòng)部200b接合的壓電體膜208。基板200具備固定部200a ;和從固定部200a在固定的方向上延伸的一對(duì)臂(振動(dòng)部200b)。振動(dòng)部200b所延伸的方向與角速度傳感器21測(cè)定的角速度的旋轉(zhuǎn)中心軸L延伸方向相同。具體來(lái)講，該`方向在圖7中為Y方向。從基板200的厚度方向(圖7中的Z方向)看，基板200具備具有2根的臂(振動(dòng)部200b)的音叉的形狀。構(gòu)成基板200的材料不限定。該材料例如是S1、玻璃、陶瓷、金屬?；?00可以為Si單晶基板?；?00的厚度只要能夠顯現(xiàn)作為角速度傳感器21a的功能就不被限定。更具體來(lái)講，基板200的厚度是O.1mm以上O. 8mm以下。固定部200a的厚度可以與振動(dòng)部200b的厚度不同。壓電體膜208與振動(dòng)部200b接合。該壓電體膜208是在標(biāo)題為[壓電體膜]的項(xiàng)目中說(shuō)明的壓電體膜。如圖7和圖8所示，該壓電體膜208包括第一電極13 (202)、界面層14、壓電體層15和第二電極17 (205)。第二電極205具備包含驅(qū)動(dòng)電極206和傳感電極207的電極組。驅(qū)動(dòng)電極206對(duì)壓電體層15施加使振動(dòng)部200b振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓。傳感電極207通過(guò)施加在振動(dòng)部200b的角速度測(cè)定在振動(dòng)部200b產(chǎn)生的變形。振動(dòng)部200b的振動(dòng)(振蕩)方向通常是其寬度方向(圖7中的X方向)。更具體來(lái)講，在圖7所示的角速度傳感器中，一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極206沿振動(dòng)部200b的長(zhǎng)度方向(圖7的Y方向)設(shè)置在振動(dòng)部200b的寬度方向上的兩個(gè)端部。I根驅(qū)動(dòng)電極206可以設(shè)置在振動(dòng)部200b的寬度方向上的一個(gè)端部。在圖7所示的角速度傳感器中，傳感電極207沿振動(dòng)部200b的長(zhǎng)度方向設(shè)置,且?jiàn)A在一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極206之間。多個(gè)傳感電極207可以設(shè)置振動(dòng)部200b上。通過(guò)傳感電極207測(cè)定的振動(dòng)部200b的變形通常是在其厚度方向(圖7中的Z方向)上的彎曲。在本發(fā)明的角速度傳感器中，從第一電極和第二電極中選擇的一個(gè)電極可以由包含驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極的電極組構(gòu)成。在圖7所示的角速度傳感器21a中，第二電極205由該電極組構(gòu)成。與該角速度傳感器不同，第一電極202可以由該電極組構(gòu)成。連接端子202a、206a和207a分別形成在第一電極202的端部、驅(qū)動(dòng)電極206的端部和傳感電極207的端部。各連接端子的形狀和位置不限定。在圖7中，連接端子設(shè)置在固定部200a上。在圖7所示的角速度傳感器中，壓電體膜208與振動(dòng)部200b和固定部200a雙方接合。但是，只要壓電體膜208能夠使振動(dòng)部200b振動(dòng)，且在振動(dòng)部200b產(chǎn)生的變形能夠通過(guò)壓電體膜208測(cè)定，壓電體膜208的接合的狀態(tài)不被限定。例如，壓電體膜208僅與振動(dòng)部200b接合。本發(fā)明的角速度傳感器能夠具有2個(gè)由一對(duì)振動(dòng)部200b構(gòu)成的振動(dòng)部組。這種角速度傳感器能夠測(cè)定多個(gè)旋轉(zhuǎn)中心軸的角速度，作為2軸或3軸的角速度傳感器發(fā)揮功能。圖7所示的角速度傳感器具有由一對(duì)振動(dòng)部200b構(gòu)成I個(gè)振動(dòng)部組。[角速度傳感器的角速度的測(cè)定方法]測(cè)定本發(fā)明的角速度的方法包括使用本發(fā)明的角速度傳感器，對(duì)壓電體層施加驅(qū)動(dòng)電壓，使基板的振動(dòng)部 振動(dòng)的工序；和對(duì)因施加在振動(dòng)中的振動(dòng)部的角速度而在振動(dòng)部產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)定，由此獲得該角速度的值的工序。對(duì)第一電極和第二電極中的不作為驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極發(fā)揮功能的電極(另一電極)、與驅(qū)動(dòng)電極之間施加驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)壓電體層施加驅(qū)動(dòng)電壓。另一電極和傳感電極對(duì)因角速度而在振動(dòng)中的振動(dòng)部產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)定。以下，對(duì)使用圖7所示的角速度傳感器21a的角速度的測(cè)定方法進(jìn)行說(shuō)明。振動(dòng)部200b的與固有振動(dòng)共振的頻率的驅(qū)動(dòng)電壓，經(jīng)由第一電極202和驅(qū)動(dòng)電極206被施加到壓電體層15，使振動(dòng)部200b振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓例如能夠通過(guò)使第一電極202接地、且使驅(qū)動(dòng)電極206的電位變化而施加(換而言之，驅(qū)動(dòng)電壓是第一電極202與驅(qū)動(dòng)電極206之間的電位差)。具有角速度傳感器21a、音叉的形狀配列的一對(duì)振動(dòng)部200b。通常，分別對(duì)一對(duì)振動(dòng)部200b的各自所具有的各驅(qū)動(dòng)電極206施加正負(fù)相互相反的電壓。由此，能夠使各振動(dòng)部200b以在相互相反方向上進(jìn)行振動(dòng)的模式(與圖7所示的旋轉(zhuǎn)中心軸L對(duì)稱(chēng)地振動(dòng)的模式)振動(dòng)。在圖7所示的角速度傳感器21a中，振動(dòng)部200b在其寬度方向(X方向)上振動(dòng)。通過(guò)僅使一對(duì)振動(dòng)部200b的一個(gè)振動(dòng)，也能夠測(cè)定角速度。但是，為了進(jìn)行高精度的測(cè)定，優(yōu)選以使兩個(gè)振動(dòng)部200b在相互相反方向上進(jìn)行振動(dòng)的模式振動(dòng)。對(duì)振動(dòng)部200b振動(dòng)的角速度傳感器21a，施加其旋轉(zhuǎn)中心軸L的角速度ω時(shí)，各振動(dòng)部200b由于科里奧利力在厚度方向(Z方向)上彎曲。在一對(duì)振動(dòng)部200b以在相互相反方向上進(jìn)行振動(dòng)的模式振動(dòng)的情況下，各振動(dòng)部200b在相互相反朝向彎曲相同變化量。與該彎曲相應(yīng)地，與振動(dòng)部200b接合的電體層15也彎曲，在第一電極202與傳感電極207之間，產(chǎn)生與壓電體層15的彎曲相應(yīng)的、即與生成的科里奧利力對(duì)應(yīng)的電位差。通過(guò)測(cè)定該電位差，能夠測(cè)定施加于角速度傳感器21a的角速度ω。在科里奧利力Fe與角速度ω之間，以下的關(guān)系成立Fc=2mv ω在此，V是振動(dòng)中的振動(dòng)部200b中的振動(dòng)方向的速度。m是振動(dòng)部200b的質(zhì)量。如該式子所示，能夠根據(jù)科里奧利力Fe算出角速度ω。
[壓電發(fā)電元件]圖9表示本發(fā)明的壓電發(fā)電元件的一個(gè)例子。圖10表示圖9所示的壓電發(fā)電元件22a的截面F1。壓電發(fā)電元件22a是將從外部給予的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能的元件。壓電發(fā)電元件22a適合用于根據(jù)車(chē)輛和機(jī)械的動(dòng)力振動(dòng)和行駛振動(dòng)和歩行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)所包含的各種的振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電的自主的電源裝置。圖9所不的壓電發(fā)電兀件22a具備具有振動(dòng)部300b的基板300 ;和與振動(dòng)部300b接合的壓電體膜308?；?00具有固定部300a ;和由從固定部300a在規(guī)定的方向上延伸的梁構(gòu)成的振動(dòng)部300b。構(gòu)成固定部300a的材料能夠與構(gòu)成振動(dòng)部300b的材料相同。但是，這些的材料可以相互不同。由相互不同的材料構(gòu)成的固定部300a可以與振動(dòng)部300b接合。構(gòu)成基板300的材料不限定。該材料例如是S1、玻璃、陶瓷、金屬?；?00可以為Si單晶基板?；?00具有例如O.1mm以上O. 8mm以下的厚度。固定部300a可以具有與振動(dòng)部300b的厚度不同的厚度。振動(dòng)部300b的厚度可以進(jìn)行調(diào)整以使振動(dòng)部300b的共振頻率變化進(jìn)行高效的發(fā)電。錘負(fù)荷306與振動(dòng)部300b接合。錘負(fù)荷306調(diào)整振動(dòng)部300b的共振頻率。錘負(fù)荷306例如是Ni的蒸鍍薄膜。錘負(fù)荷306的材料、形狀和質(zhì)量和錘負(fù)荷306接合的位置，能夠根據(jù)求出的振動(dòng)部300b的共振頻率進(jìn)行調(diào)整。錘負(fù)荷306可以省略。在振動(dòng)部300b的共振頻率未調(diào)整的情況下，不需要錘負(fù)荷306。壓電體膜308與振動(dòng)部300b接合。該壓電體膜308是標(biāo)題為[壓電體膜]的項(xiàng)目中說(shuō)明的壓電體膜。如圖9和圖10所示，該壓電體膜308包括第一電極13 (302)、界面層14、壓電體層15和第二電極17 (305)。在圖9所不的壓電發(fā)電兀件中，第一電極302的一部分露出。該一部分能夠作為連接端子302a發(fā)揮功能。 在圖9所示的壓電發(fā)電元件中，壓電體膜308能夠與振動(dòng)部300b和固定部300a雙方接合。壓電體I旲308可以?xún)H與振動(dòng)部300b接合。本發(fā)明的壓電發(fā)電元件中，通過(guò)具有多個(gè)振動(dòng)部300b，能夠增大產(chǎn)生的電量。通過(guò)使各振動(dòng)部300b具有的共振頻率變化，能夠與由廣頻率成分構(gòu)成的機(jī)械振動(dòng)對(duì)應(yīng)。[使用壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法]通過(guò)對(duì)上述的本發(fā)明的壓電發(fā)電元件給予振動(dòng)，經(jīng)由第一電極和第二電極能夠獲得電力。當(dāng)從外部對(duì)壓電發(fā)電元件22a給予機(jī)械振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)部300b相對(duì)固定部300a開(kāi)始上下彎曲振動(dòng)。該振動(dòng)在作為壓電體層的15中產(chǎn)生壓電效應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)這樣的方式，在夾持壓電體層15的第一電極302與第二電極305之間產(chǎn)生電位差。壓電體層15具有的壓電性能越高，在第一與第二電極之間產(chǎn)生的電位差越大。特別是，振動(dòng)部300b的共振頻率與從外部對(duì)元件給予的機(jī)械振動(dòng)的頻率接近的情況下，振動(dòng)部300b的振幅變大，所以發(fā)電特性提高。因此，優(yōu)選通過(guò)錘負(fù)荷306進(jìn)行調(diào)整，以使振動(dòng)部300b的共振頻率與從外部對(duì)元件給予機(jī)械振動(dòng)的頻率接近。(實(shí)施例)以下，使用實(shí)施例，更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
(實(shí)施例1)在實(shí)施例1中，按照如下方法制作圖1B所示的壓電體膜。首先，在MgO(IlO)單晶基板11上，利用濺射法形成僅具有(110)取向的Pt層。該P(yáng)t層具有250納米厚度。該P(yáng)t層是第一電極13。濺射法的條件如下所述。靶金屬Pt氣體氛圍気氣RF 功率15W基板溫度攝氏300度接著，利用濺射法，在Pt層(第一電極13)上形成僅具有(110)取向的O. 93 (NaxBi0 5) TiO0 5x+2 75 — O. 07BaTi03 層 14 (x=0. 350)。該 O. 93 (NaxBi0 5) TiO0 5x+2 75 —O. 07BaTi03 層 14(χ=0· 350)具有 100 納米的厚度。該 O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5χ+2 75 - O. 07BaTi03層14 (x=0. 350)是界面層。濺射法的條件如下所述。靶與上述相同的組成氣體流量比Ar/02=50/50RF 功率170W 基板溫度攝氏650度此處，利用能量色散X射線(xiàn)分光法(SEM-EDX)來(lái)分析所形成的O. 93 (NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — 0.07BaTi03 層 14 (x=0. 350)的組成。在使用 SEM-EDX 的測(cè)定中，氧這樣的輕元素的分析精度較差，所以該輕元素的準(zhǔn)確的定量困難。但是，可以確認(rèn)所形成的O. 93 (NaxBia5) TiOa5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14 (χ=0· 350)中包含的 Na、B1、Ba 和 Ti 的組成與靶相同。利用濺射法，在O. 93 (NaxBia5) TiOa 5χ+2.75 — O. 07BaTi03 層 14 (x=0. 350)上形成僅具有(110)取向的 O. 93 (Bia5Naa5) TiO3-O. 078&1103層 15。所形成的 O. 93 (Bi。. 5Na。. 5)TiO3 — O. 07BaTi03 層 15 具有 2. 7 微米的厚度。O. 93 (Bi。. 5Naa5) TiO3 — O. 07BaTi03 層 15 是壓電體層。濺射法的條件如下所述。靶與上述相同的組成氣體流量比Ar/02=50/50RF 功率170W基板溫度攝氏650度此處，也利用能量色散X射線(xiàn)分光法(SEM-EDX)來(lái)分析所形成的O. 93 (Bi0.5Na0.5)TiO3 — O. 07BaTi03M 15 的組成?？梢源_認(rèn)所形成的 O. 93 (Bi0.5Na0.5) TiO3 — O. 07BaTi03 層15中包含的Na、B1、Ba和Ti的組成與靶相同。最后，利用蒸鍍法，在O. 93 (Bia5Naa5) TiO3 — O. 07BaTi03層15上形成具有100納米厚度的Au層(第二電極17)。通過(guò)這樣的方式，得到實(shí)施例1的壓電體膜。( X射線(xiàn)衍射分析)所形成的O. 93 (Bia5Naa5) TiO3 — O. 07BaTi03層15用于X射線(xiàn)衍射分析，解析其晶體結(jié)構(gòu)。X射線(xiàn)衍射分析通過(guò)向O. 93 (Bia5Naa5) TiO3 — O. 07BaTi03層15照射X射線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。圖2表示X射線(xiàn)衍射的結(jié)果、即X射線(xiàn)衍射的線(xiàn)形。在實(shí)施例2 3和比較例I 4中，同樣應(yīng)用X射線(xiàn)衍射。圖2不僅表示實(shí)施例1的X射線(xiàn)衍射的結(jié)果，也表示實(shí)施例2 3和比較例I 4的X射線(xiàn)解析的結(jié)果。如圖2所示，除起因于Pt層的反射峰值外，觀察到起因于僅具有(110)取向的O. 93 (Bia5Naa5) TiO3 — O. 078&1103層15的反射峰值。該(110)反射峰值的強(qiáng)度是489，581cps這樣非常高的值。圖2所示的線(xiàn)形表示，實(shí)施例1的O. 93 (Bia5Naa 5) TiO3 —0.078&1103層15具有極高的(110)結(jié)晶取向性。(壓電常數(shù)d31的測(cè)定)壓電體膜的壓電性能，如以下方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。將壓電體膜切出為寬度2mm，加工為懸臂狀。接著，利用激光位移計(jì)來(lái)測(cè)定在第一電極13與第二電極17之間施加電位差使懸臂位移而得到的位移量。接著，將測(cè)定到的位移量轉(zhuǎn)換成壓電常數(shù)d31。實(shí)施例1的壓電體膜的壓電常數(shù)d31是-123pC/N。(漏泄電流的測(cè)定)使用阻抗分析儀測(cè)定IkHz的介電損失(tan δ )。實(shí)施例1的壓電體膜的介電損失(tan δ )是5. 2%。這意味著實(shí)施例1的壓電體膜具有小的漏泄電流特性。(強(qiáng)介電特性的評(píng)價(jià))在第一電極13與第二電極17之間施加電位差，評(píng)價(jià)實(shí)施例1的壓電體膜的強(qiáng)介電特性。圖3表不實(shí)施例1的壓電體膜的P-E磁滯曲線(xiàn)。由圖3可知，實(shí)施例1的壓電體膜具有比后述的比較例I的壓·電體膜好的強(qiáng)介電特性。(實(shí)施例2)除χ=0. 40外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(實(shí)施例3)除χ=0. 29外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例I)除未形成O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5χ+2.75 — O. 07BaTi03 層 14 外，其余按照與實(shí)施例1 同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比較例I的壓電體膜的強(qiáng)介電特性如圖3所示。比較例I的壓電體膜的介電損失(tan δ )是9. 8%。這意味著比較例I的壓電體膜具有大的漏泄電流特性。(比較例2)除取代O. 93 (NaxBia5) TiOa 5χ+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由(Na。. 5BiQ. 5)Ti03 構(gòu)成的界面層外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例3)除x=0. 425外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例4)除x=0. 280外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例5)除取代O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 TiO2 構(gòu)成的界面層夕卜，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例6)除取代O. 93 (NaxBia5) TiOa 5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 Bi4TiO3O12 構(gòu)成的界面層外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例7)除取代O. 93 (NaxBia5) TiOtl.5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 Na2TiO3 構(gòu)成的界面
層外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例8)除取代O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 BaTiO3 構(gòu)成的界面層
夕卜，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例9)除取代O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 Bi4Ti3O12 — BaTiO3 構(gòu)
成的界面層外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(比較例10)除取代O. 93 (NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — O. 07BaTi03 層 14，使用由 Na2TiO3 — BaTiO3 構(gòu)
成的界面層外，其余按照與實(shí)施例1同樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)施例1 3和比較例I 10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在表I中概括表示。[表I]
權(quán)利要求
1.一種壓電體膜，其特征在于，包括 僅具有(110)取向的第一電極；僅具有(110)取向的(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層； 僅具有(110)取向的(Bi，Na) TiO3-BaTiO3層，和 第二電極，其中 X的值是O. 29以上O. 40以下， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5) TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、(Bi1Na)TiO3 — BaTiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B。
2.—種噴墨頭，其特征在于，包括 壓電體膜，其具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層； 與所述壓電體膜接合的振動(dòng)層；和 壓力室部件，其具有收納墨水的壓力室，并且與所述振動(dòng)層的與所述壓電體膜所接合的面相反一側(cè)的面接合， 所述振動(dòng)層與所述壓電體膜接合，使得所述振動(dòng)層響應(yīng)與基于壓電效應(yīng)的所述壓電體膜的變形而在該振動(dòng)層的膜厚方向上位移， 所述振動(dòng)層和所述壓力室部件相互接合，使得所述壓力室的容積響應(yīng)所述振動(dòng)層的位移而變化，并且所述壓力室內(nèi)的墨水響應(yīng)所述壓力室的容積的變化而被排出， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29 彡 X 彡 O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、所述(Bi，Na，Ba)TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B。
3.一種使用噴墨頭形成圖像的方法，其特征在于，包括 準(zhǔn)備所述噴墨頭的工序， 所述噴墨頭具有 壓電體膜，其具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層； 與所述壓電體膜接合的振動(dòng)層；和 壓力室部件，其具有收納墨水的壓力室，并且與所述振動(dòng)層的與所述壓電體膜所接合的面相反一側(cè)的面接合， 所述振動(dòng)層與所述壓電體膜接合，使得所述振動(dòng)層響應(yīng)與基于壓電效應(yīng)的所述壓電體膜的變形而在該振動(dòng)層的膜厚方向上位移， 所述振動(dòng)層和所述壓力室部件相互接合，使得所述壓力室的容積響應(yīng)所述振動(dòng)層的位移而變化，并且所述壓力室內(nèi)的墨水響應(yīng)所述壓力室的容積的變化而被排出， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29 彡 X 彡 O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、所述(Bi，Na，Ba)TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B；和 從所述壓力室排出墨水的工序，通過(guò)經(jīng)由所述第一電極和第二電極對(duì)所述壓電體層施加電壓，基于壓電效應(yīng)，使所述振動(dòng)層在該層的膜厚方向上位移，以使得所述壓力室的容積變化，利用該位移從所述壓力室排出墨水。
4.一種角速度傳感器，其特征在于，包括 具有振動(dòng)部的基板，和 壓電體膜，其與所述振動(dòng)部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29 彡 X 彡 O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、所述(Bi，Na，Ba)TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B， 從所述第一電極和第二電極選擇的一個(gè)電極由電極組構(gòu)成，該電極組包括將使所述振動(dòng)部振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓施加到所述壓電體層的驅(qū)動(dòng)電極；和用于對(duì)因施加在振動(dòng)中的所述振動(dòng)部的角速度而在所述振動(dòng)部產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)定的傳感電極。
5.一種使用角速度傳感器測(cè)定角速度的方法，其特征在于，包括 準(zhǔn)備所述角速度傳感器的工序， 所述角速度傳感器包括 具有振動(dòng)部的基板，和 壓電體膜，其與所述振動(dòng)部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29 彡 X 彡 O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、所述(Bi，Na，Ba)TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B， 從所述第一和第二電極中選擇的一個(gè)電極由包括驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極的電極組構(gòu)成； 經(jīng)由從所述第一和第二電極中選擇的另一個(gè)電極和所述驅(qū)動(dòng)電極將驅(qū)動(dòng)電壓施加到所述壓電體層，由此使所述振動(dòng)部振動(dòng)的工序；和 經(jīng)由所述另一個(gè)電極和所述傳感電極，對(duì)因施加在振動(dòng)中的所述振動(dòng)部的角速度而在所述振動(dòng)部產(chǎn)生的變形進(jìn)行測(cè)定，由此獲得所述施加的角速度的值的工序。
6.—種壓電發(fā)電兀件,其特征在于,包括 具有振動(dòng)部的基板，和 壓電體膜，其與所述振動(dòng)部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29≤ X ≤ O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBia5) TiOtl.5x+2.75 — BaTiO3 層、(Bi, Na, Ba) TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B。
7.一種使用壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法，其特征在于，具備 準(zhǔn)備所述壓電發(fā)電元件的工序， 所述壓電發(fā)電元件具有 具有振動(dòng)部的基板，和 壓電體膜，其與所述振動(dòng)部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層， 所述第一電極僅具有(110)取向， 所述壓電體層包括僅具有(110)取向的(Bi，Na，Ba)TiO3層， 在所述第一電極與所述壓電體層之間，夾著僅具有(110)取向的(NaxBia5)Ti00.5x+2.75 — BaTiO3 層，其中 O. 29 ≤ X ≤ O. 4， 所述第一電極、所述(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75 — BaTiO3 層、所述(Bi，Na，Ba)TiO3 層和第二電極按照此順序?qū)盈B；和 通過(guò)對(duì)所述振動(dòng)部施加振動(dòng)，經(jīng)由所述第一和第二電極獲得電力的工序。
全文摘要
本發(fā)明的壓電體膜依次層疊有僅具有(110)取向的第一電極、僅具有(110)取向的(NaxBi0.5)TiO0.5x+2.75－BaTiO3層、僅具有(110)取向的(Bi,Na)TiO3－BaTiO3層和第二電極，其中x的值是0.29以上0.40以下。本發(fā)明的目的在于提供具有更高的結(jié)晶取向性、更高的壓電常數(shù)和更高的強(qiáng)介電特性的BNT-BT壓電體膜。
文檔編號(hào)H01L41/187GK103053039SQ201280002260
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者田中良明, 張?zhí)尜F圣, 足立秀明, 藤井映志 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社