專利名稱：壓電元件及其制造方法、電子器件、噴墨器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電元件及其制造方法，還涉及使用相關(guān)壓電元件的電子器件和噴墨器件。
背景技術(shù)：
壓電元件具有因應(yīng)變而產(chǎn)生電場(chǎng)的壓電效應(yīng)和因所施加的電場(chǎng)而產(chǎn)生應(yīng)變的反壓電效應(yīng)。主要由鋯鈦酸鉛(下文中稱為“PZT”)加上極少量的例如以鍶、鋇或鈮為代表的元素形成的壓電元件被用作壓電膜。
傳統(tǒng)上，壓電元件的制造過(guò)程包括混合壓電膜的原材料粉末，對(duì)原材料粉末加壓使之燒結(jié)并對(duì)其機(jī)械加工成為壓電膜，然后將壓電膜夾在電極材料之間來(lái)極化，并以此產(chǎn)生壓電現(xiàn)象。但是，最近，隨著器件越來(lái)越小型化，就必須把壓電元件裝在更薄、更小的區(qū)域上。以PZT為代表的基于氧化物的物質(zhì)的壓電元件是種脆而易碎的材料，并且因此把它做得薄到大約0.1mm就達(dá)到其加工極限，從而它最薄只可制造到約0.1mm。不止于此，在高頻段粘接劑施加的影響也不能忽略。所以，為了在沒(méi)有粘結(jié)過(guò)程的情況下造出更薄的壓電元件，發(fā)展了諸如濺射法、CVD法、氣溶膠沉積法、熱液合成法和溶膠-凝膠法等等的各種膜形成方法，并且已通過(guò)使用這樣的方法嘗試制造出了壓電元件。
具體說(shuō)來(lái)，氣溶膠沉積法具有很高的膜形成速率，并且最近，它作為膜形成方法尤其受到人們的關(guān)注。圖1描繪了氣溶膠沉積設(shè)備的大致概要圖。這種方法是這樣的首先，諸如空氣等的氣體6被提供到其中放有如PZT等材料微粒的氣溶膠形成室1，而后將材料微粒氣溶膠化。然后，已氣溶膠化的微粒由于膜成型室和氣溶膠形成室之間的壓力差而被導(dǎo)入由輸送管3連接的膜成型室(膜形成室)2，材料微粒從輸送管3前邊緣處設(shè)置的噴嘴4被噴至位于載置臺(tái)5上的襯底8上，并在襯底8上形成膜。
此外，作為一種使用壓電元件的電子器件，還有噴墨器件。壓電元件可以用于噴墨器件的噴墨頭。在使用壓電元件的噴墨器件中，已知通過(guò)向使用壓電元件的壓力產(chǎn)生器施加電壓而產(chǎn)生壓力以排出墨水的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的噴墨器件包括具有PZT(鋯鈦酸鉛)等的壓力產(chǎn)生部件、金屬板和陶瓷的疊層的壓力產(chǎn)生器；作為飛行介質(zhì)的墨水和具有墨水排出孔的噴嘴板。在具有這樣的壓力產(chǎn)生器的噴墨器件中，市場(chǎng)上制造了各種噴頭，比如，稱為“Kyzer型”的使用彎曲模式的類型、稱為“活塞型”的直接加壓類型和使用其中移動(dòng)側(cè)壁的剪切模式的類型。
當(dāng)形成薄膜壓電元件時(shí)，有這樣一種方法，其中，首先，在襯底上形成下部電極，然后通過(guò)各種不同的膜形成方法形成壓電膜。隨后，執(zhí)行諸如烘烤過(guò)程、上部電極形成過(guò)程和極化過(guò)程的多個(gè)過(guò)程。為了提供足夠的壓電性能，在壓電膜的膜形成之后需要在幾百攝氏度下進(jìn)行烘烤過(guò)程。這個(gè)烘烤過(guò)程可以促進(jìn)晶粒尺寸的擴(kuò)大和結(jié)晶性的改善，提供更好的壓電性能。此外，烘烤溫度越高，壓電性能就趨向于變得越好。
但是，烘烤也可能造成襯底、電極和壓電膜之間的相互擴(kuò)散的問(wèn)題。具體說(shuō)來(lái)，就如同日本專利申請(qǐng)公開H08-274573所描述的，當(dāng)用Si晶片作為襯底，用Ti和Pt作為電極，并且由PZT來(lái)構(gòu)成壓電膜時(shí)，那么Si、Ti和Pt就擴(kuò)散到PZT膜中，Pb擴(kuò)散到Si晶片中，雖然擴(kuò)散程度根據(jù)烘烤溫度而有所不同。如上面所描述的，如果發(fā)生擴(kuò)散，Pt成分離開PZT膜，其它的雜質(zhì)進(jìn)入到PZT中，這就造成了不能足夠地提高電特性的問(wèn)題。而且，當(dāng)Pb擴(kuò)散到Si晶片中時(shí)，Si晶片就變硬，就造成了如下的問(wèn)題當(dāng)在膜形成以后的后期加工中要求機(jī)械加工時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)械加工。具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)形成噴墨頭時(shí)，其上形成了壓電膜的Si晶片的背面經(jīng)常被切割以形成流動(dòng)路徑；此時(shí)，因?yàn)镻b成分?jǐn)U散進(jìn)Si晶片而使得機(jī)械加工變得困難。
此外，下部電極的材料向PZT中的擴(kuò)散會(huì)發(fā)展，材料的一部分到達(dá)PZT膜的上部，然后由于與烘烤后形成的上部電極的電接觸，PZT膜有可能經(jīng)常不能發(fā)揮壓電元件的作用。當(dāng)PZT膜的膜厚度變得更薄時(shí)，這種傾向就顯得越發(fā)明顯。
此外，還有這樣的問(wèn)題更高的烘烤溫度會(huì)將電極本身氧化，從而產(chǎn)生電阻，使得此電極可能無(wú)法再作為電極來(lái)工作。例如，為了在襯底和Pt之間提供粘合性，使用Ta等作為粘合層有粘合效果(參見日本專利申請(qǐng)公開2001-152360)，但是即使是在大約600℃的較低溫度下也會(huì)產(chǎn)生氧化鉭。此外，提出了用以SrRuO3為代表的導(dǎo)電氧化物膜作為電極(參見參見日本專利申請(qǐng)公開2000-328223和日本專利申請(qǐng)公開2002-016229)，但是電阻率在約700℃下開始升高，然后，超過(guò)800℃時(shí)，電極就變得近似于絕緣膜，因而不太適合作為電極。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種壓電元件的制造方法，通過(guò)該方法，即使在高溫下一起烘烤層疊在襯底上的電極和壓電膜，電極也不會(huì)被氧化，并且抑制了襯底、電極和壓電膜之間的相互擴(kuò)散。此外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有壓電元件的電子器件和噴墨器件，該壓電元件保證了每一層之間的高粘附性，并且還由于該相關(guān)的方法而具有更好的壓電性能。
本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例是一種壓電元件，其至少包括襯底、壓電膜和置于襯底和壓電膜之間的電極，其中該電極包括導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬，并且，在電極的襯底側(cè)，包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬多，而在電極的壓電膜側(cè)，包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬少。此外，在這個(gè)實(shí)施例中，上述電極包括位于襯底側(cè)的導(dǎo)電氧化物層、位于壓電膜側(cè)的包括導(dǎo)電金屬的導(dǎo)電金屬層、和設(shè)置在導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電金屬層之間并通過(guò)混合導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬而形成的混合層，
此外，本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例是一種壓電元件的制造方法，該壓電元件至少包括襯底、壓電膜和置于襯底和壓電膜之間的電極，該方法包括在襯底上設(shè)置電極和在襯底上形成壓電膜之后烘烤該壓電膜，其中電極適配為使得在電極的襯底側(cè)，包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬多，而在電極的壓電膜側(cè)，包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬少。此外，在此實(shí)施例中，上述電極是通過(guò)在襯底上設(shè)置導(dǎo)電氧化物層、位于該導(dǎo)電氧化物層上且通過(guò)混合導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬而形成的混合層以及位于該混合層上的導(dǎo)電金屬層而在襯底上形成的。
此外，本發(fā)明提供了一種使用本發(fā)明的上述壓電器件的電子器件和噴墨器件。
根據(jù)本發(fā)明，襯底和壓電膜之間的電極結(jié)構(gòu)被適配為包括導(dǎo)電氧化物層、導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬的混合層和導(dǎo)電金屬層的層疊結(jié)構(gòu)，使得可以提供襯底和電極之間以及電極和壓電膜之間的界面中的每一個(gè)上的高粘附性。此外，當(dāng)烘烤壓電膜時(shí)，可以抑制各個(gè)層之間元素的相互擴(kuò)散。結(jié)果，可以實(shí)施更高溫度下的烘烤，提供了充分顯示壓電膜的電學(xué)特性的壓電元件。通過(guò)下面(參考附圖)對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將會(huì)變得清楚。
通過(guò)下面參考附圖對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將會(huì)變得清楚。
圖1圖解了本發(fā)明的制造方法中使用的氣溶膠沉積設(shè)備的大致概要圖。
圖2是圖解本發(fā)明的示例中所使用的濺射裝置的室的內(nèi)部的示意圖。
圖3是圖解本發(fā)明的示例中進(jìn)行的粘結(jié)帶剝離測(cè)試所使用的樣本截面的示意圖。
圖4A、4B、4C和4D圖解了本發(fā)明的示例中的壓電元件的制造過(guò)程。
圖5A、5B、5C和5D圖解了本發(fā)明的示例中的壓電元件的制造過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的壓電元件使得設(shè)置在襯底和壓電膜之間的電極被適配為包括導(dǎo)電氧化物層(第一層)、具有導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電金屬(金屬)的混合層(第二層)以及導(dǎo)電金屬層(第三層)的疊層體。于是，優(yōu)選將壓電元件適配為使得導(dǎo)電氧化物是混合層(第二層)的襯底側(cè)(導(dǎo)電氧化物層側(cè))的主要成分，金屬是混合層(第二層)的壓電膜側(cè)(導(dǎo)電金屬層側(cè))的主要成分，隨著從電極的襯底側(cè)接近壓電膜側(cè)，導(dǎo)電氧化物的濃度降低(隨著從壓電膜側(cè)接近襯底側(cè)，金屬的濃度降低)。
此外，在本發(fā)明中，可以模糊地限定第一層、第二層和第三層之間的邊界。也就是說(shuō)，例如，電極可以包括沒(méi)有清晰限定的邊界的一層，并且其具有導(dǎo)電氧化物和金屬的沿其厚度方向的濃度梯度(斜率)。
例如，這個(gè)構(gòu)造的具體示例優(yōu)選可以是這樣的電極至少包括導(dǎo)電氧化物和金屬，導(dǎo)電氧化物是電極的襯底側(cè)的主要成分，金屬是電極的壓電膜側(cè)的主要成分，此外，隨著從電極的襯底側(cè)接近壓電膜側(cè)，導(dǎo)電氧化物的濃度降低(隨著從壓電膜側(cè)接近襯底側(cè)，金屬的濃度降低)。這個(gè)構(gòu)造可以是如下更為優(yōu)選的情況電極在電極的襯底側(cè)只包括導(dǎo)電氧化物，而在電極的壓電膜側(cè)只包括金屬。下文中將主要描述這樣一個(gè)實(shí)施例，其中的電極包括疊層體，該疊層體包括導(dǎo)電氧化物層、具有導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬(金屬)的混合層以及導(dǎo)電金屬層(金屬層)，但是，正如上面所述，本發(fā)明的電極構(gòu)造并不限于這一個(gè)實(shí)施例。也就是說(shuō)，可以實(shí)質(zhì)上不界定構(gòu)成電極的各層之間的邊界或電極包括具有如上所述的濃度梯度的一層的情況也可以落入本發(fā)明的范圍。
在本發(fā)明中，優(yōu)選可以用玻璃、Si晶片、表面上具有諸如SiO2的氧化物質(zhì)層的Si晶片等作為襯底。特別優(yōu)選地，襯底在其表面上包括氧化硅。并且，上述Si晶片在其表面上可以因自然氧化或主動(dòng)(positive)氧化而包括氧化硅。
作為本發(fā)明使用的導(dǎo)電氧化物，優(yōu)選可以使用從特別表示為ABO3鈣鈦礦型的LaNiO3、LaCrO3、SrRuO3、CaRuO3、La1-xSrxCoO3、BaPbO3、La1-xSrxCaxRuO3、La1-xSrxTiO3和SrIrO3及其混合物中選擇的至少一種。這些物質(zhì)可以對(duì)在其表面上具有諸如氧化硅(通常為SiO2)的氧化物質(zhì)的襯底有更好的粘附性。此外，這些導(dǎo)電氧化物具有抑制元素因烘烤而導(dǎo)致的擴(kuò)散的效果。為了實(shí)現(xiàn)上面所描述的擴(kuò)散抑制效果，那些導(dǎo)電氧化物層的厚度優(yōu)選不小于0.1μm并且不大于10μm。
此外，優(yōu)選用Pt族(Pt-group)(Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt)作為導(dǎo)電金屬(金屬)，這是由于其對(duì)PZT等壓電膜有更好的粘附性。此外，Pt族即使在大約900℃下烘烤時(shí)也幾乎不氧化或變得絕緣。采用Pt可能更為優(yōu)選。那些導(dǎo)電金屬層的實(shí)用厚度可以優(yōu)選不小于0.1μm并且不大于10μm。
在本發(fā)明中，在導(dǎo)電氧化物層(第一層)和上面的導(dǎo)電金屬層(第三層)之間，提供了混合層(第二層)，該混合層包含與構(gòu)成第一層的導(dǎo)電氧化物相同的導(dǎo)電氧化物以及與構(gòu)成第三層的金屬相同的金屬。依照這種構(gòu)造，可以增強(qiáng)導(dǎo)電氧化物層和導(dǎo)電金屬層之間的粘附性。具體說(shuō)來(lái)，該混合層被適配為梯度結(jié)構(gòu)(漸變(graded)層)，其中其構(gòu)成成分沿膜厚度方向(第一層和第三層相對(duì)的方向)變化，這樣可以進(jìn)一步增強(qiáng)上文所述的第一層和第三層之間的粘附性。具體說(shuō)來(lái)，在混合層(第二層)中，導(dǎo)電氧化物的濃度在與導(dǎo)電氧化物層的界面處最高，并且朝著與導(dǎo)電金屬層的界面的方向逐漸減小。這樣的混合層的膜厚度可以制成不小于10nm且不大于1μm，以抑制剝離并提供強(qiáng)粘附性。
對(duì)于上述混合層的形成方法，優(yōu)選可以使用這樣一種方法，其中通過(guò)濺射法迫使多個(gè)靶同時(shí)放電。
具體說(shuō)來(lái)，在本發(fā)明中，可以以PZT基氧化物或馳豫體基(relaxor-based)介電材料作為設(shè)置在上述電極上的壓電膜的例子。在它們之中，在PZT基氧化物的情況下，優(yōu)選由Pb(Zry，Ti1-y)O3表示的氧化物，其中y在0.2到0.8的范圍內(nèi)。此外，在馳豫體基介電材料的情況下，從Pb(Mn，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Sc，Ta)O3-PbTiO3、Pb(In，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Yb，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Ni，Nb)O3-PbTiO3及其混合物之中選擇的至少一種可以適用。
上述壓電膜的實(shí)用厚度優(yōu)選不小于1μm并且不大于200μm。
此外，對(duì)于上述壓電膜的膜制造方法，優(yōu)選可以使用氣體沉積法、濺射法、溶膠-凝膠法和CVD法。
通過(guò)在襯底上形成導(dǎo)電氧化物層、混合層和導(dǎo)電金屬層作為電極，隨后形成壓電膜，然后實(shí)施烘烤過(guò)程，可以形成本發(fā)明的壓電元件，以提供具有優(yōu)異的電學(xué)特性的壓電膜。通常，上述電極可以是下部電極，此外，在上述壓電膜上形成上部電極，這就提供了壓電元件。
<例子>
用Si晶片作為襯底8，如下所述形成下部電極。
首先，通過(guò)磁控濺射法在襯底8上形成厚度為300nm的SrRuO3膜。接下來(lái)，形成厚度為大約300nm的具有SrRuO3和Pt的混合層。然后，形成厚度為300nm的Pt層?；旌蠈颖贿m配為具有漸變成分結(jié)構(gòu)，其中Pt所占比例沿著從SrRuO3層到Pt層的方向逐漸增加。如圖2所示，以迫使具有其自己的材料的兩個(gè)靶9、10同時(shí)放電、并且通過(guò)控制施加到每個(gè)靶上的功率來(lái)調(diào)節(jié)襯底8上形成的梯度層的成分的方式，來(lái)適配該梯度層(混合層)。具體說(shuō)來(lái)，SrRuO3靶10的功率在混合層的形成開始時(shí)最大，然后逐漸減小，在混合層的形成結(jié)束時(shí)減小到零。相反，Pt靶9的功率在混合層的形成開始時(shí)被設(shè)置為零，然后逐漸增大，到混合層的形成結(jié)束時(shí)增大到最大值。
作為對(duì)比，以下述結(jié)構(gòu)制造下部電極，其中Ta和Pt分別設(shè)置為距離襯底8為50nm和850nm，而且使厚度完全相等。
然后，在以這種方式形成的下部電極上，通過(guò)氣溶膠沉積法使用圖1所示的設(shè)備形成厚度大約為3到5μm的PZT膜。
此時(shí)，通過(guò)氣溶膠沉積法形成膜的條件如下。
使用的材料來(lái)自SAKAI化學(xué)工業(yè)有限公司的PZT-LQ。
起始微粒尺寸0.2到0.5μm形成膜時(shí)的溫度室溫進(jìn)入氣溶膠形成室的氣流量4cc/分鐘兩室之間的壓力差大約67kPa然后，用研磨機(jī)將此PZT膜研磨至3±0.1μm的膜厚度，提高面內(nèi)分布的均勻性，從而提供壓電膜。
接下來(lái)，將至此已經(jīng)在其上形成了壓電膜的襯底8以及原材料的精細(xì)微粒一同放進(jìn)氧化鋯容器里，而后在電爐中將其全部(甚至包括這個(gè)容器)都在900℃下烘烤。放入原材料的精細(xì)微粒是為了防止Pb因烘烤而離開，并補(bǔ)償Pb從其中離開的部分。
升高和降低溫度的速率設(shè)置為2℃/分鐘，烘烤在900℃下進(jìn)行一小時(shí)。
烘烤過(guò)后，通過(guò)在PZT膜上用磁控濺射法形成50nm的Ta和150nm的Pt提供上部電極。
對(duì)以這種方式形成的壓電元件測(cè)量作為電學(xué)特性的介電常數(shù)和等效壓電常數(shù)(d31)。用來(lái)計(jì)算壓電常數(shù)的變量是通過(guò)向通過(guò)以懸臂的形式切割上述壓電元件而形成的樣品施加電壓而測(cè)量的。此外，從納米壓痕儀(nanoindenter)的測(cè)量結(jié)果得出襯底和壓電膜兩者的楊氏模量。此外，通過(guò)使用SIMS分析電極、壓電膜和襯底各自的成分，來(lái)評(píng)估擴(kuò)散狀態(tài)。
表1示出了各個(gè)結(jié)果。
對(duì)比樣品的電學(xué)特性無(wú)法測(cè)量，這是因?yàn)橄虏侩姌O由于形成壓電膜后的烘烤而擴(kuò)散進(jìn)壓電膜的表面，從而由于上部電極的膜形成造成下部和上部電極之間的泄漏。此外，在通過(guò)SIMS在深度方向上的分析中，觀測(cè)到了Ta擴(kuò)散到壓電膜表面，并且Pb擴(kuò)散到襯底的Si晶片中。
相反地，在本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)中，展現(xiàn)出了高的作為電學(xué)特性的介電常數(shù)和d31的值。此外，通過(guò)SIMS(二次離子質(zhì)譜分析)對(duì)沿深度方向的擴(kuò)散狀態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)電極的成分沒(méi)有擴(kuò)散到PZT中，只有PZT的成分中的Pb擴(kuò)散到電極中，但它沒(méi)有到達(dá)襯底8。
表1
接下來(lái)，為了證實(shí)各層之間的粘附性，對(duì)下面描述的混合層的膜厚度不同的兩種結(jié)構(gòu)的下部電極實(shí)施粘結(jié)帶剝離測(cè)試。這兩種結(jié)構(gòu)中的一種是這樣的在作為襯底8的Si晶片上，按照下述順序?qū)盈B作為導(dǎo)電氧化物層的SrRuO3、接著是SrRuO3和Pt的成分比例具有沿膜厚度方向的梯度的混合層、接著是作為導(dǎo)電金屬層的Pt。另一種結(jié)構(gòu)是這樣的在作為襯底8的Si晶片上，按照下述順序?qū)盈B作為導(dǎo)電氧化物層的SrRuO3、接著是SrRuO3和Ir的成分比例具有沿膜厚度方向的梯度的混合層、接著是作為導(dǎo)電金屬層的Ir。使用粘結(jié)帶測(cè)試這些有著不同的混合層厚度的下部電極的粘附性。這是通過(guò)這樣一種方法來(lái)實(shí)施的在作為襯底8的Si晶片上形成下部電極之后，在切片工藝中在相關(guān)的下部電極中切出為25個(gè)尺寸為5mm×5mm的柵格的形式的凹槽，然后將修補(bǔ)帶粘接到其中切出了凹槽的下部電極上，然后評(píng)估剝離的片數(shù)。圖3示意性地圖解了被切成柵格狀的下部電極的截面。如圖3所示，相關(guān)的下部電極12被切至襯底11，以便完全切割。
SrRuO3的膜厚度設(shè)置為100nm，Pt層和Ir層的膜厚度設(shè)置為100nm，具有梯度的混合層的膜厚度從0變至10μm，并由此進(jìn)行評(píng)估。此外，通過(guò)控制濺射放電的持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)混合層的厚度。表2示出了電極的粘結(jié)帶剝離測(cè)試結(jié)果。
表2
即使在任何一種情形下，當(dāng)混合層的厚度不大于5nm時(shí)，各層之間的粘附性不夠，尤其是當(dāng)沒(méi)有混合層時(shí)，導(dǎo)電氧化物層被從導(dǎo)電金屬層上完全剝離。當(dāng)混合層的厚度不小于10nm且不大于1μm時(shí)，能夠提供強(qiáng)粘附性而不會(huì)出現(xiàn)剝離。
例子2通過(guò)以下方式形成噴墨頭在包括Si襯底的振動(dòng)板上形成壓電元件，然后在FIB過(guò)程中形成流動(dòng)路徑，最后粘接有排出孔的孔板。將參考圖4A、4B、4C、4D、5A、5B、5C和5D來(lái)描述形成過(guò)程。
首先，類似于例1，通過(guò)磁控濺射法在包括石英玻璃的振動(dòng)板(襯底)41上以下述順序形成構(gòu)成導(dǎo)電氧化物層的300nm的SrRuO3、SrRuO3和Pt的成分比例具有沿膜厚度方向的梯度的300nm的混合層、構(gòu)成導(dǎo)電金屬層的300nm的Pt，作為下部電極42。然后，通過(guò)圖1中示出的氣溶膠沉積法，在整個(gè)襯底41上(在導(dǎo)電氧化物層上)形成構(gòu)成壓電膜43的厚度約5μm的PZT膜。然后，在大氣中在900℃下實(shí)施一小時(shí)的烘烤。溫度升高和降低的速率被設(shè)置在2℃/min。隨后，形成用作上部電極的40nm的Ti、160nm的Pt(圖4A)。
接下來(lái)，涂敷正性抗蝕劑以對(duì)上部電極44進(jìn)行蝕刻，產(chǎn)生抗蝕劑圖案45(圖4B)。接下來(lái)，通過(guò)RIE(反應(yīng)離子蝕刻)，上部電極44上暴露的Pt和Ti被蝕刻(圖4C)。接下來(lái)，去除針對(duì)上部電極的抗蝕劑，將針對(duì)PZT的抗蝕劑圖案化以圍繞上部電極44(圖4D)。在這種情況下，用氟硝酸(fluoric nitric acid)蝕刻PZT膜(圖5A)，隨后去除抗蝕劑(圖5B)。接下來(lái)，在FIB過(guò)程中形成流動(dòng)路徑47(圖5C)。清潔后，粘接作為孔板48的具有排出孔的Si襯底，最后，切割襯底41以提供噴墨頭(圖5D)。
在此例中，用SrRuO3作為導(dǎo)電氧化物，用鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電膜，但是并不僅限于此。
此外，在此例中，PZT膜被如上所述圖案化，但當(dāng)使用氣溶膠沉積法形成PZT膜時(shí)，可以使用在噴嘴和襯底之間插入具有孔的掩模的圖案化方法。此外，對(duì)于PZT膜的形成，可以使用濺射法、溶膠-凝膠法和CVD法等中的任何一種。本發(fā)明的壓電元件可以應(yīng)用于使用迄今為止已知的壓電元件的電子器件上。此電子器件可以包括寬范圍的器件，例如，壓電致動(dòng)器、壓力傳感器或噴墨器件。
雖然是結(jié)合示例性的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是需要明白的是，本發(fā)明并不僅限于這些已公開的示例性的實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)賦予最寬的解釋，以涵蓋所有這樣的變型及等效結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，至少包括襯底、壓電膜和設(shè)置在該襯底和該壓電膜之間的電極，其中，該電極包括導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬，在該電極的襯底側(cè)包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬多，在該電極的壓電膜側(cè)包含的導(dǎo)電金屬比導(dǎo)電氧化物多。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中該電極包括位于襯底側(cè)的導(dǎo)電氧化物層、位于壓電膜側(cè)的包括導(dǎo)電金屬的導(dǎo)電金屬層和設(shè)置在該導(dǎo)電氧化物層和該導(dǎo)電金屬層之間并且其中混合了該導(dǎo)電氧化物和該導(dǎo)電金屬的混合層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中，該導(dǎo)電金屬是Pt族。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電元件，其中，該混合層的厚度不小于10nm且不大于1μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中，該導(dǎo)電氧化物的濃度從該電極的襯底側(cè)至壓電膜側(cè)逐漸減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電元件，包括漸變成分結(jié)構(gòu)，在該漸變成分結(jié)構(gòu)中，該混合層中的導(dǎo)電氧化物的比例從混合層與導(dǎo)電氧化物層之間的界面到混合層與導(dǎo)電金屬層之間的界面逐漸減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中，該壓電膜的厚度不小于1μm且不大于200μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中，該導(dǎo)電氧化物屬于ABO3鈣鈦礦型。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的壓電元件，其中，所述ABO3鈣鈦礦型的導(dǎo)電氧化物是從包括LaNiO3、LaCrO3、SrRuO3、CaRuO3、La1-xSrxCoO3、BaPbO3、La1-xSrxCaxRuO3、La1-xSrxTiO3、SrIrO3及其混合物的組中選擇的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電元件，其中，該壓電膜是鋯鈦酸鉛基氧化物和馳豫體基介電材料之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的壓電元件，其中，所述鋯鈦酸鉛基氧化物的主要成分表示為Pb(Zry，Ti1-y)O3，其中y在0.2到0.8的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的壓電元件，其中，所述馳豫體基介電材料是從包括Pb(Mn，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Zn，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Sc，Ta)O3-PbTiO3、Pb(In，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Yb，Nb)O3-PbTiO3、Pb(Ni，Nb)O3-PbTiO3及其混合物的組中選擇的至少一種。
13.一種壓電元件的制造方法，該壓電元件至少包括襯底、壓電膜和設(shè)置在該襯底和該壓電膜之間的電極，該方法包括在襯底上設(shè)置電極，以及在該襯底上形成壓電膜之后烘烤該壓電膜，其中，該電極被適配為使得在該電極的襯底側(cè)包含的導(dǎo)電氧化物比導(dǎo)電金屬多，在該電極的壓電膜側(cè)包含的導(dǎo)電金屬比導(dǎo)電氧化物多。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的壓電元件的制造方法，其中，通過(guò)在襯底上設(shè)置導(dǎo)電氧化物層、位于該導(dǎo)電氧化物層上且其中混合了導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬的混合層以及位于該混合層上的導(dǎo)電金屬層，在襯底上設(shè)置該電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的壓電元件的制造方法，其中，通過(guò)氣體沉積法、濺射法、溶膠-凝膠法或CVD法中的任何一種來(lái)形成壓電膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的壓電元件的制造方法，其中通過(guò)迫使多個(gè)靶同時(shí)放電來(lái)用濺射法形成混合層。
17.一種電子器件，其使用權(quán)利要求1至12中任何一項(xiàng)所述的壓電元件。
18.一種噴墨器件，其使用權(quán)利要求1至12中任何一項(xiàng)所述的壓電元件。
全文摘要
提供了一種壓電元件的制造方法，通過(guò)此方法，即使在高溫下烘烤堆疊在襯底上的電極和壓電膜，電極也不會(huì)氧化，并且可以抑制襯底、電極和壓電膜之間的相互擴(kuò)散。該電極被適配為疊層體，該疊層體從襯底側(cè)起包括導(dǎo)電氧化物層、具有導(dǎo)電氧化物和導(dǎo)電金屬的混合層以及包括導(dǎo)電金屬的導(dǎo)電金屬層，并且上述混合層被適配為漸變成分結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電氧化物的比例在與導(dǎo)電氧化物層的界面處最高，在與導(dǎo)電金屬層的界面處最低。
文檔編號(hào)B41J2/14GK101051668SQ200710091
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者石倉(cāng)淳理, 柴田尚存, 青木活水, 齋藤康行 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社