CN100377878C - 压电元件、压电致动器、喷墨式记录头及喷墨打印机 - Google Patents

压电元件、压电致动器、喷墨式记录头及喷墨打印机 Download PDF

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    • H03H2003/023Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks the resonators or networks being of the membrane type

Abstract

本发明公开了一种具有高压电常数的压电薄膜的压电元件,以及使用该压电元件的压电致动器、喷墨式记录头、喷墨打印机、表面声波组件、频率滤波器、振荡器、电子电路、以及电子设备。该压电元件(1)包括在基体上形成的种晶层(5)和在该种晶层(5)上形成的压电薄膜(6)。该种晶层(5)是由钙钛矿型的压电材料构成的,同时又是优选定向为假立方晶(100)的。压电薄膜层(6)是由钙钛矿型的、具有斜六方体结构的、同时优选定向为假立方晶(100)的驰豫材料构成的。

Description

压电元件、压电致动器、喷墨式记录头及喷墨打印机
技术领域
本发明涉及具有压电薄膜的压电元件、压电致动器、喷墨式记录头、喷墨打印机、表面声波组件(表面弹性波组件:SAW)、频率滤波器、振荡器、电子电路、薄膜压电谐振器、以及电子设备等。
背景技术
作为可以高画质、高速打印的打印机,喷墨打印机是众所周知的。喷墨打印机包括具有容积可变腔体的喷墨式记录头,通过一边扫描该记录头一边从其喷嘴中喷出墨滴的方式来实现打印。在这样的喷墨打印机中所用的喷墨式记录头里,作为头致动器,以前,广泛使用包括以PZT(Pb(Zr,Ti)O3)为代表的压电薄膜的压电元件(例如,专利文献1)。
另外,在表面声波组件、频率滤波器、振荡器、电子电路等的特性改良方面,人们也更希望能够提供一种用新压电材料制造的更好产品。
[专利文献1]特开2001-223404号公报
而且,在喷墨打印机中,人们对高画质和高速化的要求也越来越高起来。为了满足这样的要求,喷墨式记录头中的喷嘴的高密度化也是不可欠缺的技术。因此,对于层压在腔体上的压电元件(头致动器)来说,特别是其压电薄膜的特性,即压电常数的提高也是必要的。
发明内容
鉴于上述技术问题,本发明的目的在于提供具有压电薄膜的压电元件、该压电薄膜具有高压电常数的特性,而且提供使用该压电元件的压电致动器、喷墨式记录头、喷墨打印机、表面声波组件、频率滤波器、振荡器、电子电路、薄膜压电谐振器、以及电子设备等。
为了达到上述目的,本发明的压电元件包括在基体上形成的种晶层和在该种晶层上形成的压电薄膜;该压电元件的特征是,该种晶层是由钙钛矿型的压电材料组成的,同时优选定向为假立方晶(100);该压电薄膜是由钙钛矿型的、优选定向为假立方晶(100)的驰豫材料组成的。
或者,本发明的压电元件包括在基体上形成的种晶层和在该种晶层上形成的压电薄膜;该压电元件的特征是,该种晶层是由钙钛矿型的压电材料组成的,同时优选定向为假立方晶(100);该压电薄膜是由钙钛矿型的、具有斜六方体结构的、同时优选定向为假立方晶(100)的驰豫材料组成的。
该种晶层优选由Pb(ZrTi)O3来形成。或者,该种晶层具有多个层,对于该多个层中的每个层的组成来说,优选使用不同的构造。或者,该种晶层包括多个层,该多个层中的最下层是PbTiO3,在该最下层之上形成的层优选使用Pb(ZrTi)O3
此外,该驰豫材料,优选由以下分子式所表示的材料中的至少一种构成。
·(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.42)
·(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.37)
·(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.50)
·(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.45)
·(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.35)
·(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.01<x<0.10)
·(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.01<x<0.09)
·(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.38)
·(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.42)
对于这样的压电元件,因为驰豫材料构成的压电薄膜是在优选定向为(100)的种晶层上形成的,所以该压电薄膜也具有优选定向为假立方晶(100)的良好特性,从而,该压电薄膜的压电常数高,对于施加的电压可以产生更大的变形。
而且,如果使用前述分子式表示的驰豫材料来制做压电薄膜,其压电常数将非常高,从而该压电薄膜可以产生更良好的变形。
另外,上述的所谓“优选定向”,在本发明中是指定向期望定向(100)的是绝大部分(例如,达到90%)、剩余的定向其他的定向[例如,(111)定向];当然也包含100%定向期望定向(100)的情况。
此外,上述的压电元件,在具备容积可变腔体的喷墨式记录头中,也可以作为基于其压电薄膜的变形来引起该腔体容积的变化的元件。
这样,通过将上述的压电元件作为喷墨式记录头使用的压电元件(头致动器),就可以基于该压电元件的良好压电性能,来获得良好的墨水喷出性能。
本发明的压电致动器的特征在于,包括上述的压电元件。
由于上述压电元件的良好压电特性,使用这样的压电致动器,就可以得到良好的性能。
本发明的喷墨式记录头是包括容积可变腔体的喷墨式记录头,其特征在于使用了上述的压电元件,作为通过压电薄膜的变形来使该腔体容积变化的压电元件。
由于上述压电元件的良好压电特性,使用这样的喷墨式记录头,就可以获得良好的墨水喷出性能。特别是,由于压电薄膜的压电常数高,所以施加相同的电压能产生更大的变形,基于这一特性,要喷出一定量的墨水所需的腔体面积(容积)就能比原来的小,从而可以实现喷嘴的高密度化。
本发明的喷墨打印机,其特征在于,包括上述的喷墨式记录头。
因为具备高性能的、喷嘴高密度化的喷墨式记录头,所以使用这样的喷墨打印机,可以实现高速打印。
本发明的表面声波组件,其特征在于在其基板上形成上述的压电元件。
根据本发明的表面声波组件,因为压电元件的压电薄膜具有良好的压电特性,所以该表面声波组件本身也是高性能的。
本发明的频率滤波器,其特征在于,它所包括的第一电极是在上述的表面声波组件所包括的压电薄膜的上面形成的电极;它所包括的第二电极是这样的电极,其根据在前述的第一电极上施加的电信号,以在它的压电薄膜上产生的表面声波的特定频率或特定频带(band frequency)谐振、并转化为电信号。
根据本发明的频率滤波器,因为其压电薄膜具有良好的压电特性,从而该压电薄膜的机电耦合系数高,因此带宽率宽广。
本发明的振荡器,其特征在于包括振荡电路,该振荡电路包括电信号施加电极、谐振电极和晶体管,其中,该电信号施加电极,是在上述的表面声波组件所具备的压电薄膜的上面形成的,通过施加电信号而使所述压电薄膜产生表面声波的电极;该谐振电极,是在上述压电薄膜的上面形成的,以该电信号施加电极所产生的表面声波的特定频率或特定频带谐振的电极。
根据本发明的振荡器,因为其压电薄膜的压电特性良好,该压电薄膜具有很高的机电耦合系数,因此可以省略扩展线圈,从而简化电路构成。此外,因为具有由晶体管等构成的振荡电路,所以就可以通过与晶体管的集成来实现小型化。
本发明的电子电路,其特征在于,包括上述的振荡器和对该振荡器的电信号施加电极施加该电信号的电信号供给元件;并具有从该电信号的频率分量中选择特定频率分量,或变换成特定频率分量的功能;或具有对该电信号进行预定的调制、预定的解调、或预定的检波的功能。
根据本发明的电子电路,因为构成配备在振荡器上的表面声波组件的压电薄膜,具有良好的压电特性,该压电薄膜具有很高的电器机械耦合系数,因此可以实现与振荡电路的集成,从而实现小型化与高性能。
本发明的薄膜压电谐振器,其特征在于在基体上形成由上述的压电元件构成的谐振器(谐振子)。
因为该谐振子的压电薄膜具有高机电耦合系数,因此该薄膜压电谐振器就能够用于例如GHz频带的高频领域。
而且,在该薄膜压电谐振器上,如果在其基体上的与谐振子形成的面相反的面上形成一个通道孔,就成了一个隔膜型薄膜压电谐振器。
另外,如果在该基体与谐振子之间形成一个气隙,则成为了一个气隙型薄膜压电谐振器。
本发明的电子设备,其特征在于,包括上述的频率滤波器、振荡器、电子电路、薄膜压电谐振器之中的至少一个。
根据本发明的电子设备,因为压电薄膜具有良好的压电特性,该压电薄膜具有很高的机电耦合系数,因此可以实现小型化与高性能。
附图说明
图1是本发明的压电元件的一个实施例的截面图。
图2(a)和图2(b)是驰豫材料的说明图。
图3(a)至图3(e)是压电元件的制造工序图。
图4是喷墨式记录头的概略构成图。
图5是喷墨式记录头的分解立体图。
图6(a)和图6(b)是头动作的说明图。
图7是本发明的喷墨打印机的概略构成图。
图8是本发明所涉及的表面声波组件的横截面图。
图9是本发明所涉及的频率滤波器的立体图。
图10是本发明所涉及的振荡器的立体图。
图11是该振荡器应用于VCSO的一个概略图。
图12是该振荡器应用于VCSO的另一个概略图。
图13是PLL电路的基本构成方框图。
图14是本发明所涉及的电子线路的构成方框图。
图15是作为电子设备的实施例的手机的立体图。
图16是本发明所涉及的薄膜压电谐振器的横截面图。
图17是本发明所涉及的薄膜压电谐振器的横截面图。
具体实施方式
以下,详细说明本发明。
压电元件
首先,对使用本发明的铁电薄膜的制造方法得到的、本发明的压电元件进行说明。
图1是本发明的压电元件,特别是构成喷墨式记录头用的头致动器的压电元件的一个实施例图。在图1中符号1表示压电元件。
而且,该压电元件也能适用于喷墨式记录头用的头致动器以外的压电致动器。
该压电元件1是在由硅(Si)构成的基板2上形成的,其包括在该基板2上形成的弹性膜3、在弹性膜3上形成的下部电极4、在下部电极4上形成的种晶层5、在种晶层5上形成的压电薄膜6、以及在压电薄膜6上形成的上部电极7。在本发明中,我们把从基板2到下部电极4的部分称为基体。
值得注意的是,基板2可以使用(100)定向的单晶硅基板、或者(111)定向的单晶硅基板,甚至是(110)定向的Si基板。而且,当然也可以使用这样的基板,在该基板的表面形成了热氧化膜或自然氧化膜等的非晶氧化硅膜。
在基板2上形成的弹性膜3是在用作喷墨式记录头的头致动器的压电元件中起弹性板作用的膜,该膜是由SiO2或ZrO2等构成的,并具有一定厚度,例如1μm。对于该弹性膜3来说,按照后续说明的那样蚀刻基板2来形成腔体时,弹性膜3应该起到蚀刻阻止层的作用,因此最好由上述的SiO2或ZrO2等的和Si之间能够获得很好的选择比的材料来构成。值得注意的是,对于该弹性膜3来说,象后续说明的那样,当基板2作为喷墨式记录头中的墨水室基板,并在其上形成多个压电元件时,也可以作为通用于这些压电元件的弹性板来形成。
下部电极4是向压电薄膜6施加电压的电极之一,例如如图1所示的那样,其与压电薄膜6具有相同的大小,即同上部电极7具有相同的形状。值得注意的是,对于该下部电极4来说,象后续说明的那样,当基板2作为喷墨式记录头的墨水室基板,并在其上形成多个压电元件时,为了能对这些压电元件起到通用电极的作用,下部电极4也可以与作为通用弹性板的弹性薄膜3具有相同的大小。另外,该下部电极4由Pt(白金)、Ir(铱)、IrOx(氧化铱)、Ti(钛)等构成,厚度在100nm~200nm之间。
种晶层5是由钙钛矿型的压电材料组成的、同时是优选定向为假立方晶(100)的,具体来说,作为铅系材料,可以列举钛酸铅(PbTiO3),PZT(Pb(ZrxTiy)O3;x+y=1),(Pb(ZrxTiyMz)O3;M=Nb,Ta,V,x+y+z=1)等的钛酸铅的衍生物;作为非铅系材料,可以列举BaTiO3,(BaaAb)(MxTiy)O3(A=Sr,Ca,a+b=1,M=Zr,Hf,x+y=1)等。这些压电材料可以在该下部电极4上以液相法或气相法成膜,特别是通过对成膜时的温度条件(加热条件)等进行良好的控制,可以使其优选定向为假立方晶(100)。在此,如前面所描述的那样,所谓的“优选定向”是指,定向期望定向的(100)的是绝大部分,其余的定向其他的定向。这样一来,因为绝大部分定向了期望定向的(100),当在这样的种晶层上形成压电薄膜6时,该压电薄膜6继承了种晶层5的结晶结构,从而形成相同的结晶结构,即优选定向(100)。
值得注意的是,从该种晶层5是压电材料的物质来看,它没有下部电压4的功能;却适合作为压电薄膜6,虽然很小,却对功能的发挥、压电薄膜6的压电特性有影响(有助于压电特性的改善)。从而,因为该种晶层5的膜厚一旦过厚,对压电薄膜6的压电特性的影响加剧,为了将影响控制在必要的范围内,该种晶层5的厚度应该小于或等于100nm为好,最好是小于或等于50nm。另外,压电薄膜6的典型的厚度是300nm到3μm。关于该压电薄膜6的厚度上限,只要在能够维持作为薄膜的密着性与结晶定向性的范围内就可以了,甚至可以允许到10μm。
压电薄膜6是由驰豫材料构成的,厚度为500nm~1000nm左右,该驰豫材料的特征在于具有斜六方体结构的钙钛矿型、同时优选定向为假立方晶(100)。作为驰豫材料,可以列举以下分子式所表示的材料。从这些材料中选择一种或几种,如后面所述,使用液相法或气相法来成膜,就可以得到压电薄膜6。
·(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.42,最好,0.20<x<0.42)
·(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.37,最好,0.20<x<0.37)
·(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.50,最好,0.30<x<0.50)
·(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.45,最好,0.20<x<0.45)
·(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.35,最好,0.20<x<0.35)
·(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.01<x<0.10,最好,0.03<x<0.10)
·(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.01<x<0.09,最好,0.03<x<0.09)
·(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.38,最好,0.20<x<0.38)
·(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3
(其中,0.10<x<0.42,最好,0.20<x<0.42)
在这里,如图2(a)所示,所谓的驰豫材料,其介电常数峰值的温度依存度很宽(幅度宽),并且介电常数为最大值时的温度值随频率的测定而移动。同时,表示出了该材料的压电常数峰值的温度依存度也很宽(幅度宽)。与此相反,PZT等的非驰豫材料的压电材料如图2(b)所示,介电常数与压电常数峰值的温度依存度都非常的尖锐。从而,通过在压电薄膜6上使用驰豫材料而获得的压电元件1,可以在很广的温度范围内具有很好的压电特性,因此它是一个可靠性高的、特性稳定的器件。
此外,该压电薄膜6具有钙钛矿型的斜六方体结构,同时是优选定向假立方晶(100)的,并且可配置于工程领域,从而具有很高的压电常数(d31)。如前面所述,这里“优选定向”是指,定向期望定向的假立方晶(100)的是绝大部分,其余的定向其他的定向。即,因为压电薄膜6是在相同优选定向的种晶层5上形成的、并继承该种晶层5的结晶结构,因此压电薄膜6与种晶层5相同,也优选定向(100)。
在该压电薄膜6的形成材料(驰豫材料)中,如前所述,位于材料间的、表示PbTiO3的(PT)侧的组成比的x的范围,特别是其上限值,即在斜六方体结构与四方结构之间相移动时的PbTiO3的(PT)侧的组成比的值作为相境界(MPB)。而且,作为该x的范围来说,相移动时的组成比越小,就更接近斜六方体结构。在此,压电常数的d常数(d31)在相境界(MPB)附近取最大值。从而,对于上述的x来说,就可以选择在该MPB时的x值的附近值作为x的下限值。因此,如上所述,虽然本发明允许比较小的值来作为x的值,但是为了得到更高的压电常数d常数(d31),优选的范围值是作为上述的MPB时的x值的附近值。
对于由具有钙钛矿型的斜六方体结构的、同时是优选定向假立方晶(100)的驰豫材料构成的压电薄膜6来说,以前需要很复杂的制造工艺。例如使用激光切除法,同时并用离子束辅助法等复杂方法,来形成缓冲层,进而通过在该缓冲层上形成钙钛矿型的下部电极来形成底层,再在该底层上形成压电薄膜。采取这样的工艺的理由在于,在Pt与Ir等现有的压电材料上形成驰豫材料的密着的薄膜的制造费用小;而且,在SrRuO3等钙钛矿型电极上比较容易得到密着的薄膜;此外,为了控制该SrRuO3电极的定向性,激光切除法与离子束辅助法也是必要的。可是,使用这样的方法的工艺很复杂,从而也有这样的问题,即高费用获得的压电薄膜的压电特性也很不稳定。对于PZT或BaTiO3来说,也可以在某种程度地控制定向性的基础上,在Pt或Ir电极上形成密着的薄膜。而且,在暂时形成的密着的PZT或BaTiO3上,PMN-PT等的驰豫材料也可以通过简单地层压形成密着薄膜。因此,在本发明中,如上所述,在事先形成由PZT等构成的种晶层5的基础上,再在该种晶层之上,形成驰豫材料构成的压电薄膜6;如后述所述,与气相法相比工艺简单的液相法可以更容易形成压电薄膜6,而且形成压电特性更好的压电薄膜6。
上部电极7是用于在压电薄膜6上施加电压的另一个电极,与下部电极4一样,是由Pt(白金)、Ir(铱)、IrOx(氧化铱)、Ti(钛)、SrRuO3等构成的,厚度在100nm左右。
值得注意的是,对于下部电极4来说,使用像SrRuO3的钙钛矿型电极,也在本发明的保护范围之内。如果在由SrRuO3构成的下部电极4与由驰豫材料构成的压电薄膜6之间,放置PZT等的种晶层的话,对于制造工艺来说,压电薄膜6的假立方晶(100)定向性就更容易控制了。
接下来,说明一下有这样构成的压电元件1的制造方法。
首先,需要准备作为基板2的,(100)或(110)定向的单晶Si基板、或者(111)定向的单晶Si基板、或者形成了自然氧化膜的非晶氧化硅膜的(100)或(110)定向的Si基板。
其次,如图3(a)所示,在基板2上形成弹性膜3。关于该弹性膜3的形成,可以根据构成的材料来适当地选择CVD法、喷射法(sputter method)或蒸镀法等的气相法。
接下来,如图3(b)所示,在弹性膜3上形成由诸如Pt等构成的下部电极4。该Pt因为比较容易优选定向(111),例如通过采用喷射法等比较容易的方法,也可以让其在弹性膜3上简单地定向生长。
接下来,如图3(c)所示,在该下部电极4之上,形成种晶层5。即,使用旋涂法(spin coat method)或液滴喷出法(droplet dischargemethod)等的众所周知的涂敷(涂布)法,将前述的钙钛矿型的压电材料的前体溶液涂在下部电极4上,之后,进行烧结等的热处理,从而得到种晶层5。具体来说,将前体溶液的涂敷步骤、干燥处理步骤、脱脂热处理步骤等的一系列步骤反复实施适当的次数,直到满足预定的膜厚,最后进行结晶化退火,从而形成种晶层5。在各步骤中的条件如下所述。
对于前体溶液的涂敷步骤来说,使用旋涂法进行前体溶液的涂敷时,首先,在下部电极4上滴下前体溶液。然后进行旋转操作使滴下的溶液均匀涂在基板的表面。旋转的次数,例如初始是500rpm左右,接下来,为了不发生涂敷的不均匀,加大旋转次数至2000rpm左右,然后结束涂敷。对于热干燥处理步骤来说,在空气中使用热金属板,在比前体溶液中使用的溶剂的沸点高10℃的温度下,进行热处理(干燥)。对于脱脂热处理步骤来说,为了分解并除去前体溶液中的有机金属的配合基,在大气中使用热金属板,在加热到350℃左右的温度下进行。对于结晶化退火、即以结晶化为目的的烧结步骤来说,在氧气中使用快速热退火(RTA)等方法,在加热到600℃度左右的温度下进行。
这样一来,通过在由(111)定向的Pt构成的下部电极4上形成了种晶层5,钙钛矿型的压电材料就可以以优选定向(100)的状态来形成。
接下来,如图3(d)所示,在该种晶层5上形成压电薄膜6。即,使用旋涂法或液滴喷出法等的众所周知的涂层法,将前述的钙钛矿型的压电材料的前体溶液涂在种晶层5上,之后,进行烧结等的热处理,从而得到压电薄膜6。具体来说,与前述的种晶层5一样,将前体溶液的涂敷步骤、干燥处理步骤、脱脂热处理步骤等的一些列步骤反复实施适当的次数,直到达到预定的膜厚,最后进行结晶化退火,从而形成压电薄膜6。各步骤中的条件与种晶层5形成的条件是相同的。
这样形成的压电薄膜6,因为是在优选定向为(100)的种晶层5上形成的,因此继承了该种晶层5的结晶结构,即继承它的定向,具有相同的结晶构造,即优选定向假立方晶(100)。
在这里,对于作为种晶层5与压电薄膜6的形成材料的前体溶液来说,分别包含构成这些种晶层5与压电薄膜6的压电材料或钙钛矿型材料的构成金属的有机金属,即叫做醇金属或有机酸盐的有机金属,把该有机金属按照各金属的期望摩尔比进行混合,进而使用乙醇等的有机溶剂,使这些有机金属溶解或分散,从而制作成上述溶液。此外,在该前体溶液中,根据需要可以适当添加稳定剂等的各种添加剂,而且,为了让溶液能够水解或缩聚,添加适量水的同时,也可以添加酸或基本碱作为催化剂。
其后,如图3(e)所示,在压电薄膜6上形成Pt构成的上部电极7,从而得到压电元件1。对于上部电极7的形成来说,与前述的下部电极4相同,能够使用喷射法来形成。
在这样得到的压电元件1中,由钙钛矿型材料构成的压电薄膜6是在优选定向为(100)的种晶层5上形成的,因此,该压电薄膜6也具有向假立方晶(100)的良好的优选定向性能,从而,其压电常数高,对应于施加的电压能够产生更大的变形。
(实施例)
基于如图3(a)~(e)所示的制造方法,可以按照以下的方法来制造压电元件1。
首先,在基板2上,通过弹性膜3,使用喷射法形成(111)定向的Pt构成的下部电极4。
接下来,按照以下的方法,调制Pb(Zr0.6Ti0.4)O3(=PZT)的前体溶液:分别准备乙酸铅、高酸四丁酯和乙丙酸钛的各金属试剂,把这些试剂按照形成PZT所对应的摩尔比来混合,同时,为了能让这些试剂溶解(分散)于乙二醇丁醚,作为溶液的稳定剂额外添加二乙醇胺,这样就形成了前体溶液。
然后,使用旋涂法把这样的前体溶液涂敷在上述的下部电极4上(前体溶液的涂敷步骤),接下来在以高于溶剂约10℃的高温度下进行热处理、除去溶剂(干燥热处理步骤),再通过加热到350℃左右来分解并除去有机金属的配合基(脱脂热处理步骤),最后,在氧气中使用快速热退火(RTA)等方法,通过加热到600℃度左右的温度来进行的结晶化,从而形成种晶层5。该种晶层的膜厚是40nm。
接下来,可以按照以下的方法来调制(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(=PMN-PT)的前体溶液。
分别准备乙酸铅、高酸四丁酯、乙丙酸钛和乙酸镁的各金属试剂,把这些试剂按照形成PMN-PT所对应的摩尔比来混合,同时,为了能让这些试剂溶解(分散)于乙二醇丁醚,作为溶液的稳定剂额外添加二乙醇胺,这样就形成了前体溶液。
然后,使用旋涂法把这样的前体溶液涂敷在上述的种晶层5上(前体溶液的涂敷步骤),接下来在高于溶剂约10℃的高温度下进行热处理、除去溶剂(干燥热处理步骤),再通过加热到350℃左右来分解并除去有机金属的配合基(脱脂热处理步骤),最后,在氧气中使用快速热退火(RTA)等方法,通过加热到600℃度的温度来进行的结晶化,从而形成压电薄膜6。
在此之后,使用喷射法,在压电薄膜6上形成由Pt构成的上部电极7,从而得到压电元件1。
再对这样获得的压电元件1中的压电薄膜6进行X射线衍射法(XRD)检查,从而确认是否优选定向(100),进而确认是否是斜六方体结构。
此外,测定的该压电薄膜6的压电常数(d31)高于600pc/N,并且压电元件1在施加100kv/cm电压的情况下,泄漏电流少于10-5A/cm2
更进一步,对压电元件1在施加300kv/cm的电压时,测定其反复操作的耐久性,可以具备109次的可靠的、优良的耐久性。
在这里,种晶层5也可由多个层来形成。例如,为了达到提高种晶层5的最上面的(100)定向度的目的,可以在Pt电极上只层压5nm的PbTiO3。这是因为更容易获得正方晶构造的Ti间距分量的PZT,更容易获得(001)的优选定向。该PbTiO3的层压方法,与其使用溶液涂敷方法,不如使用喷射法更容易进行薄膜厚度的控制。接下来,涂敷40nm的Pb(Zr0.6Ti0.4)O3的前体溶液。该合成物范围(Zr0.6Ti0.4)的PZT容易获得斜六方体的结构,同时,在正方晶结构的定向(001)的PZT的正上方,以假立方晶的方式,容易优选定向(100)。
还有,使用下表中所示的钙钛矿型材料,来制造压电薄膜6,在测定的压电常数(d31)中,均有d31>400pC/N的高压电特性。
表:
  驰豫材料   电常数d<sub>31</sub>(pC/N)
  ·0.58Pb(Sc<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.42PbTiO<sub>3</sub>·0.63Pb(In<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.37PbTiO<sub>3</sub>·0.50Pb(Ga<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.50PbTiO<sub>3</sub>·0.55Pb(Sc<sub>1/2</sub>Ta<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.45PbTiO<sub>3</sub>·0.65Pb(Mg<sub>1/3</sub>Nb<sub>2/3</sub>)O<sub>3</sub>-0.35PbTiO<sub>3</sub>·0.90Pb(Fe<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.10PbTiO<sub>3</sub>   500400400400600400
  ·0.91Pb(Zn<sub>1/3</sub>Nb<sub>2/3</sub>)O<sub>3</sub>-0.09PbTiO<sub>3</sub>·0.62Pb(Ni<sub>1/3</sub>Nb<sub>2/3</sub>)O<sub>3</sub>-0.38PbTiO<sub>3</sub>·0.58Pb(Co<sub>1/2</sub>W<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-0.42PbTiO<sub>3</sub>   600500400
此外,在种晶层5上使用PZT以外的压电材料,例如BaTiO3,使用PMN-PT作为压电薄膜6的压电元件1,其压电常数(d31)是600pC/N。
喷墨式记录头
接下来,说明一下使用图1所示的压电元件的喷墨式记录头。图4是表示使用图1所示的压电元件的喷墨式记录头的概略构成的横截面图,图5是该喷墨式记录头的分解立体图。此外,图4所示的是与通常使用的状态上下相反的状态。在这几个图中,符号50是喷墨式记录头(以下,简称为“头”)。如图4所示,该头50包括图4所示的头本体57和在其上设置的压电元件54。值得注意的是,图4所示的压电元件54包括:在图1所示的压电元件1中的下部电极4、种晶层5、压电薄膜6与上部电极7(参照图5),而且,形成这些部分的弹性膜3就是图4中的弹性板55。另外,基板2也是构成头本体57的关键部分。
即,如图5所示,该头50包括喷嘴板51、墨水室基板52、弹性板55、和与弹性板55连接的压电元件(振动源)54,并且将这些部件放置在基体56中而构成的。此外,该头50是一个按需型的压电头。
喷嘴板51是由不锈钢的卷板构成的,并由一系列的起喷出墨水作用的喷嘴511形成的。这些喷嘴511间的间距可以基于打印精度,适当地设定。
在该喷嘴板51上固定(固着)着墨水室基板52。该墨水室基板52是由前述的Si制的基板2构成的,通过喷嘴板51、侧壁(隔壁)522以及后述的弹性板55,划分形成了多个腔体(墨水腔)521、将由墨水盒631供给的墨水临时存储的蓄墨池523、以及从蓄墨池523向各腔体521分别供应墨水的供给口524。
如图4所示,这些腔体521是与各喷嘴511对应配置的,它是通过后述的弹性板55的振动改变各个腔体的容积,进而根据该容积的变化来喷出墨水的。
准备该墨水室基板52的母材,即前述的基板2,例如,它可以使用(110)定向的单晶硅基板(Si基板)。该(110)定向的单晶硅基板因为适于各向异性的蚀刻方法,因此可以简单的、可靠的形成墨水室基板52。值得注意的是,这样的单晶硅基板适用于,图1所示的弹性膜3的形成面、即作为弹性板55的形成面的(110)面。
作为该墨水室基板52的平均厚度、即包含腔体521的厚度,虽然没有特别的限定,但是还是10~1000μm左右为好,优选100~500μm。另外,作为腔体521的容积,也没有特别的限定,但是0.1~100nL左右为好,优选0.1~10nL。
另一方面,在墨水室基板52的与喷嘴板51相反侧配置弹性板55,然后在弹性板55的与墨水室基板52相反侧设置多个压电元件54。弹性板55是由前述的图1中的压电元件1中的弹性膜3形成的。如图5所示,在该弹性板55上形成贯通弹性板55厚度方向的连通孔531。进而,通过该连通孔531,可以进行从墨水盒631到蓄墨池523的墨水供给。
如上所述,各压电元件54是通过在下部电极4与上部电极7之间插入压电薄膜6来构成的,每一个压电元件都是在各腔体521的几乎正中央部位设置的。这些压电元件54电连接在后述的压电元件驱动电路上,并根据压电元件驱动电路的信号来动作(振动、变形)的。即,各压电元件54是作为各个振动源(头致动器)而起作用的部分,弹性板55是随着压电元件54的振动(挠曲)而振动、瞬间提高腔体521的内部压力而起作用的部分。
基体56是由诸如各种树脂材料、各种金属等形成的,如图4所示的那样,在该基体56上固定并支持着墨水室基板52。
这样构成的头50,在不通过压电元件驱动电路输入特定的喷出信号,即,不在压电元件54的下部电极4与上部电极6之间施加电压时,则会如图6(a)所示,压电薄膜6不会产生变形。因此,弹性板55也不产生变形,在腔体521中的容积也不会变化。从而,不能从喷嘴511喷出墨水。
另一方面,通过压电元件驱动电路输入特定的喷出信号时,即,在压电元件54的下部电极4与上部电极6之间施加一定的电压(例如30V)时,则会如图6(b)所示在压电薄膜6的短轴方向产生挠变。因此,弹性板55也会产生500nm程度的挠变,从而腔体521中的容积也会变化。此时,腔体521内的压力会瞬间提高,从而从喷嘴511喷出墨水。
即,当施加电压时,压电薄膜6的晶体点阵会在垂直表面的方向拉伸、同时在平行表面的方向压缩。在这样的状态下,压电薄膜6会在表面内产生张应力。从而,基于该应力,使弹性板55弯曲、挠变。腔体521的短轴方向的压电薄膜6的变位量(绝对值)越大,弹性板55的挠变量就越大,就能更有效地喷出墨水。在本发明中,如前所述,压电元件54(1)的压电薄膜6的压电常数(d31)高,通过施加一定电压来产生大的变形的方法,弹性板55的变形量变大,从而就能够更有效的喷出墨水。
在此,所谓的有效率,就意味着用更小的电压喷出相同量的墨水滴。即,因为能够简化驱动电路,同时也能降低功耗,从而能形成更高密度的喷嘴511的间距。另外,因为能缩短腔体521的长轴的长度,所以能够使该头整体小型化。
这样一来,一次的墨水喷出一旦结束,压电元件驱动电路就停止在下部电极4与上部电极7之间施加电压。基于此,压电元件54就能恢复原状,腔体521的容量就能增加。值得注意的是,此时,墨水受到从后述的墨水盒631到喷嘴511的压力(向正方向的压力)。因此,能够防止空气从喷嘴511进入墨水室521,满足墨水喷出量的墨水也就可以从墨水盒631经过蓄墨池523,供给给腔体521。
这样,对处于打算喷出墨水滴的位置的压电元件54,通过压电元件驱动电路,依次输入喷出信号,这样就可以打印任意(预定)的文字或图形等。
为了制造这样构造的头50,首先,准备墨水室基板52的母材,即由前述的(110)定向的单晶硅基板(Si基板)构成的基板2。然后,如图3所示的,在该基板2上形成弹性膜3,再在其下依次形成下部电极4、种晶层5、压电薄膜6和上部电极7。值得注意的是,如前所述,在此形成的弹性膜3就是弹性板55。
接下来,让上部电极7、压电薄膜6、种晶层5、下部电极4,对应于形成的每一个腔体521的位置制作图案(patterning),从而如图4所示,形成数目与腔体521数目相对应的压电薄膜54。
接下来,对墨水室基板52的母材(基板2)制作图案,在与上述的压电元件54对应的位置上形成各自的腔体521的凹部,而且也在特定位置上形成蓄墨池523以及供给口524。
具体来说,在应该形成腔体521、蓄墨池523以及供给口524的位置,形成掩膜层,之后,进行例如平行平板反应性离子蚀刻方式、感应耦合型方式、电子回旋加速谐振方式、螺旋波激发方式、磁电管方式、等离子蚀刻方式、以及粒子束蚀刻方式等的干蚀刻操作,或者进行5%~40%程度的氢氧化钾、氢氧化四甲基铵等的高浓度碱性水溶液的湿蚀刻操作。
在此,当把(110)定向的硅基板用作母材(基板2)时,适于采用上述的高浓度的碱性水溶液的湿蚀刻(异向性蚀刻)方法。此时,使用该高浓度碱性水溶液进行湿蚀刻时,可以将弹性膜3作为蚀刻阻止物来起作用,从而,使墨水室基板52的形成更为容易。
这样一来,通过将母材(基板2)在其厚度方向蚀刻除去一部分直到弹性板55(缓冲层3)露出为止,就能形成墨水室基板52。值得注意的是,此时,未蚀刻而余下的部分就成为了侧壁522,而且,露出了的弹性膜3就变到了可发挥弹性板55功能的状态。
接下来,将形成了多个喷嘴511的喷嘴板51,按照各喷嘴511与各腔体521的凹部位置对应的原则就位,其状态为与521接合的状态。基于此,就形成了多个腔体521、蓄墨池523以及多个供给口524。另外,对于与喷嘴板51的接合,可以使用基于粘合剂的粘合法或融合法等。
在此之后,将墨水室基板52安装在基体56上,这样一来就可以得到喷墨式记录头50。
在由此方法得到的喷墨式记录头50中,压电元件54具有良好的压电特性,可以实现高效的喷出,喷嘴511的高密度化也成为了可能,从而,高密度的打印或高速的打印也成为了可能,更进一步,也可以期望该头整体的小型化。
喷墨打印机
接下来,说明一下包括上述的喷墨式记录头50的喷墨打印机。值得注意的是,在本发明中,所谓的喷墨打印机,当然包括在纸等上打印的设备,也包含在工业上使用的液滴喷出装置。
图7是适用于在纸等上进行打印的、本发明的喷墨打印机的一个实施例的概略构成图,图7中的符号600是该喷墨打印机。此外,在以下的说明中,将图7中的上侧称为“上部”,将下侧称为“下部”。
喷墨打印机600包括装置本体620,在上部后方具有放置打印纸P的放纸盘621,在下部前方具有输出打印纸P的输出口622,以及在上部表面具有操作面板670。
操作面板670由例如液晶显示屏、有机EL显示屏、LED指示灯等构成,并且包括显示错误信息等的显示部件(未图示)和由各种按钮构成的操作部(未图示)。
在装置本体620的内部,设有包括往复运动的头单元630的打印装置640、将打印用纸一张一张送入打印装置640的送纸装置650、以及控制打印装置640和送纸装置650的控制部660。
通过使用控制部660的控制,送纸装置650能把打印用纸P一张一张地间断性地送出。间断送出的打印用纸P通过头单元630的下部附近。此时,头单元630在与打印用纸的送出方向垂直的方向往复运动,进而对打印用纸P进行打印。即,头单元630的往复运动与打印用纸P的间断性送出构成了打印中的主扫描与副扫描,进而能够进行喷墨方式的打印。
打印装置640包括:头单元630,作为头单元630的驱动源的运送电动机641,以及接受运送电动机641的旋转、引起头单元630往复运动的往复机构642。
头单元630的下部包括:包括多个喷嘴511的前述的喷墨式记录头50,给该喷墨式记录头50供给墨水的墨水盒631,搭载喷墨式记录头50以及墨水盒631的支架632。
值得注意的是,通过使用充填了黄色、蓝绿色、红紫色和黑色等4色的墨水的装置作为墨水盒631,使全彩色的打印成为可能。在此情况下,在头单元630中设有对应于各色的喷墨式记录头50。
往复运动机构642,包括在两端支撑架子的架导轴643,也包括与该架导轴643平行延长的调速带644。
支架632是在架导轴643的支持下往复自由运动的,同时也是被调速带644的一部分固定着的。
通过运送电动机641的工作,经过滑轮,能够让调速带644正反方向的运动,同时,通过架导轴643的引导,头单元630进行往复运动。然后,在该往复运动之中,从喷墨式记录头50喷出适当的墨水,从而实现向打印用纸的打印。
送纸装置650,包括作为驱动源的送纸电动机651,也包括随着送纸电动机651的工作而旋转的送纸滚筒652。
送纸滚筒652是由隔着打印用纸P的输送路径(打印用纸P)上下相对的从动滚筒652a和驱动滚筒652b构成的,驱动滚筒652b与送纸电动机651连接。根据这种结构,送纸滚筒652将在放纸盘621中放置的多张打印用纸P向打印装置640一张一张地送出。值得注意的是,代替放纸盘621,也可以使用可自由装卸的、容纳打印用纸P的送纸盒。
控制部660按照来自诸如个人计算机或数字照相机等的主计算机的打印数据,通过控制打印装置640与送纸装置650等,来实现打印功能。
在该控制部660中,虽然未图示任何部分,但主要应该包括以下部分:存储控制各部分的控制程序的内存,驱动压电元件(振动源)54来控制墨水喷出时间的压电元件驱动电路,驱动打印装置640(运送电动机641)的驱动电路,驱动送纸装置650(送纸电动机651)的驱动电路,以及接收来自主计算机的打印数据的通信电路,另外还应该有与以上各部分电连接的、并对各部分进行各种控制的CPU。
同样,在CPU中,可用于检测墨水盒631的墨水剩余量、头单元630的位置、温度、湿度等的打印环境的各种传感器分别电连接。
控制部660,通过通信电路接收打印数据,并将其存储在内存中。CPU处理这些数据,根据该数据以及来自各种传感器的输入数据,向各驱动电路输出控制信号。通过该控制信号,压电元件54、打印装置640以及送纸装置650分别工作。基于此,在打印用纸P上进行预定的打印。
在这样的喷墨打印机600中,因为包括前述的高性能的、喷嘴可高密度化的喷墨式记录头,因此可以实现高密度打印与高速打印。
值得注意的是,本发明的喷墨打印机600,也能够作为前述的工业用的液滴喷出装置。此时,对于喷出的墨水(液状材料)来说,需要将各种的功能性材料通过溶剂或分解酶调整形成适当的粘度,进而来使用。
此外,本发明的压电元件不仅适用于上述的喷墨式记录头50与喷墨打印机600,也适用于其他的一些设备。
以下,作为这样设备的例子,参照附图,说明一下本发明所涉及的表面声波组件、频率滤波器、振荡器、电子电路、薄膜压电谐振器、以及电子设备等的实施例。
表面声波组件
图8描述了包括本发明的压电元件的表面声波组件的一个实施例,该压电元件的特征在于包括图1所示的种晶层5与压电薄膜6的压电元件。
该表面声波组件包括:单晶硅基板11、氧化物薄膜层12、种晶层13、压电薄膜14、由作为保护膜的氧化物或氮化物构成的保护层15、以及电极16等。电极16是一个转能型的电极(Inter-DigtalTransducer:以下、简称为“IDT电极”),从上部来观察,包括后述的图9及图10所示的IDT电极141、142、151、152、153等形状。
为了制造这样构成的表面声波组件,首先,需要准备作为单晶硅基板11的(100)单晶硅基板。
接下来,在该单晶硅基板11上,使用激光切除法来形成诸如IrO2或TiO2的薄膜,作为氧化物薄膜层12。
接下来,在该氧化物薄膜层12上使用形成该压电元件1时使用的相同的液相法,形成种晶层5,再在其上用液相法形成压电薄膜14。
接下来,在该压电薄膜14上,使用激光切除法来形成作为保护层15的SiO2膜。该保护层15在大气中保护压电薄膜14,例如防止大气中的水分或杂质的影响,同时又能起到控制压电薄膜14的温度特性的作用。而且,只要能满足上述的目的,并不将保护膜的材料限定为SiO2
然后,在保护层15上形成铝薄膜,接着通过制作图案,形成叫做IDT的期望形状的电极16,从而得到图8所示的表面声波组件。
这样获得的表面声波组件,因为压电薄膜14有良好的压电特性,因此该表面声波组件本身也具有高性能。
频率滤波器
图9描述了本发明的频率滤波器的一个实施例。
如图9所示,频率滤波器包括基板140。使用例如形成图8所示的表面声波组件的基板,作为该基板140。即,这样的基板,在(100)单晶硅基板11上依次层压形成氧化物薄膜层12、种晶层13、压电薄膜14、由作为保护膜的氧化物或氮化物形成的保护层15。
在基板140的上面形成IDT电极141、142。IDT电极141、142是由Al或Al合金形成的,其厚度被设定为IDT电极141、142的间距的1/100。此外,为了干预IDT电极141、142,在基板140的上部形成吸音部143、144。吸音部143、144是吸收在基板140上传播的表面声波的部分。在基板140上形成的IDT电极141上连接高频信号源145,在IDT电极142上连接信号线。
在上述的构成之中,从高频信号源145输出高频信号,该高频信号施加在IDT电极141上,因此在基板140的表面产生了表面声波。该表面声波以约5000m/s的速度,在基板140的表面传播。从IDT电极141向吸音部143一侧传播的表面声波被吸音部143吸收,但向IDT电极142侧传播的表面声波中,由IDT电极141和IDT电极142的间距等决定的特定的频率或特定的频带的表面声波被转换成电信号,通过信号线可从端子146a、146b读出。此外,上述的特定的频率或特定的频带以外的频率分量,大部分在通过IDT电极142之后被吸音部144所吸收。因此,在供给给本实施例的频率滤波器所包括的IDT电极141的电信号中,只能获得特定的频率或特定的频带的表面声波(过滤)。
振荡器
图10描述了本发明的振荡器的一个实施例。
如图10所示,振荡器包括基板150。与前述的频率滤波器一样,使用形成图8所示的表面声波组件的基板,来作为基板150。即,这样的基板,在(100)单晶硅基板11上依次层压形成氧化物薄膜层12、种晶层13、压电薄膜14、由作为保护膜的氧化物或氮化物形成的保护层15。
在基板150的表面形成IDT电极151,进而为了干预IDT电极151又形成了IDT电极152、153。IDT电极151-153是由Al或Al合金形成的,各自的厚度被设定为IDT电极151-153的各自的间隔的1/100。在构成IDT电极151的一个梳状电极151a上连接高频信号源154,另一个的梳状电极151b上连接信号线。值得注意的是,IDT电极151相当于电信号施加电极,IDT电极152、153相当于谐振电极,它们以由IDT电极151产生的表面声波的特定的频率或特定的频带的频率分量谐振。
在上述的构成中,高频信号源154输出高频信号,该高频信号施加在IDT电极151的一个梳状电极151a上,因此在基板150的表面上产生了向IDT电极152传播的表面声波以及向IDT电极153传播的表面声波。而且,该表面声波的速度为5000m/s左右。这些表面声波中的特定的频率分量的表面声波,在IDT电极152以及IDT电极153处被反射,在IDT电极152与IDT电极153之间形成驻波。通过该特定频率分量的表面声波在IDT电极152与IDT电极153上的反复反射,以该特定频率分量或特定频带的频率分量谐振,振幅增大了。这些特定频率分量或特定频带的频率分量的一部分能够从IDT电极151的另一个梳状电极151b读取,IDT电极152与IDT电极153的谐振频率对应的频率(或者具有某种程度频带的频率)电信号可以在端子155a和155b处读取。
图11是本发明的谐振器(表面声波元件)适用于VCSO(VoltageControlled SAW Oscillator:电压控制SAW谐振器)情况的一个实施例图,(a)是侧面透视图,(b)是表面透视图。
VCSO安装在金属制(Al或不锈钢)的框体60内部。在基板61上,安装IC(Integrated Circuit)62以及谐振器63。此时,IC 62是按照外部电路(附图中没有图示)的输入电压值,控制对谐振器63施加的频率值的振动电路。
谐振器63,在基板64上形成IDT电极65a-65c,它的构成与图10所示的谐振器大体一致。值得注意的是,基板64与上一个例子一样,如图8所示的那样,在(100)单晶硅基板11上依次层压形成氧化物薄膜12、种晶层13、压电薄膜14、由作为保护膜的氧化物或氮化物形成的保护层15。
在基板61上,图形化配线66,用于电连接IC 62与振荡器63。IC 62与配线66,通过例如金线等的金属线67连接起来;振荡器63与配线66,通过例如金线等的金属线68连接起来;因此,IC 62与振荡器63通过配线66实现了电连接。
此外,上述的VCSO也可以通过把IC 62与振荡器(表面声波组件)63集成在同一块基板上来形成。
图12是描述了集成了IC 62与振荡器63的VCSO的概略图。值得注意的是,在图12中,振荡器63具有省略了图8所示的表面声波组件中的第二氧化物薄膜13的结构。
如图12所示,VCSO是使IC 62与振荡器63共有单晶硅基板61(11)而形成的。以附图中没有表示出来的部件电连接IC 62与振荡器63所包括的电极65a(16)。在本实施例中,特别采用TFT(薄膜晶体管)来作为构造IC 62的晶体管。
采用TFT来作为构造IC 62的晶体管,在本实施例中,首先,在单晶硅基板61上形成谐振器(表面声波组件)63,然后,把在另一块第二基板上形成的TFT迁移到单晶硅基板61上,即能够在单晶硅基板61上集成TFT和IC 62。从而,即使是在基板上直接形成TFT很困难,或者即使是不适于形成的材料,通过使用该迁移方法,就能够简单容易的实现了。关于迁移方法,有很多种方法可以采用,特别是,特开平11-26733号公报所披露的迁移方法更适用。
图11与图12所示的VCSO可以作为图13所示的PLL电路的VCO(Voltage Controlled Oscillator)来使用。在这里,简单说明一下PLL电路。
图13是表示PLL电路基本构成的框图,如图13所示,PLL电路包括相位比较器71、低通滤波器72、放大器73以及VCO 74。相位比较器71比较从输入端70的输入信号的相位(或频率)与从VCO 74输出信号的相位(或频率),对应于该两相位差设置某值作为误差电压信号,并输出。低通滤波器72只允许从相位比较器71输出的误差电压信号位置的低频分量通过,放大器73放大低通滤波器72输出的信号。VCO 74是一个在频率范围内频率连续变化的振荡器电路,该频率范围就是输入的电压值所具有的所有的振荡频率。
基于以上构造的PLL电路能够减少由输入端70输入的相位(或频率)与由VCO 74输出信号相位(或频率)的差,进而使VCO 74输出信号的频率与输入端70的输入信号的频率同步。VCO 74输出信号的频率与输入端70的输入信号的频率一旦同步,这之后,除了一定的相位差以外,它将与输入端70的输入信号一致,或者是可以输出跟随输入信号变化的信号。
电子电路以及电子设备
图14是本发明的电子电路的一个实施例的电气构成框图。而且,图14所示的电子电路就是在图15所示的移动电话100内部设置的电路。在此,图15所示的移动电话100是本发明的电子设备的一个实例,它包括天线101、听筒102、话筒103、液晶显示器104以及操作按钮105等部分。
图14所示的电子电路具有上述的移动电话100内设置的电子电路的基本构成,即话筒80、发送信号处理电路81、发送混频器82、发送滤波器83、发送功率放大器84、收发分频滤波器85、天线86a/86b、低噪音放大器87、接收滤波器88、接收混频器89、接收信号处理电路90、听筒91、频率合成器92、控制电路93、以及输入/显示电路94等。此外,现在实用化了的移动电话机因为进行了多次的频率变换处理,因此其电路构成更加复杂。
话筒80是使用将声音信号转化为电信号的麦克风等实现的,相当于图15所示的移动电话100中的话筒103。发送信号处理电路81是,对话筒80输入的电信号进行D/A转换、调制处理等处理的电路。发送混频器82是用频率合成器92输出的信号,来混合发送信号处理电路81输出的信号的部分。而且,供给给发送混频器82的信号频率,例如大约380MHz。发送滤波器83只让中间频率(以下,简称为IF)的必要的频率信号通过,并丢掉不必要频率的信号。而且,发送滤波器83输出的信号,经由未图示的变换电路变换为RF信号。该RF信号的频率是,例如大约1.9GHz左右。发送功率放大器84放大发送滤波器83输出的RF信号的能量,并输出给收发分频滤波器85。
收发分频滤波器85将发送功率放大器84输出的RF信号输出给天线86a、86b,从天线86a、86b以电波的形式发送出去。而且,收发分频滤波器85也分隔由天线86a、86b接收到的接收信号,输出给低噪音放大器87。而且,收发分频滤波器85输出的接收信号的频率,例如2.1GHz左右。低噪音放大器87放大来自收发分频滤波器85的接收信号。而且,低噪音放大器87输出的信号,经由未图示的变换电路被变换成IF信号。
接收滤波器88只允许上述的IF信号的必要频率的部分通过,舍弃不必要的频率的信号,该IF信号通过没有图示的的转换电路转换。接收混频器89用频率合成器92输出的信号,来混合接收信号处理电路81输出的信号的部分。而且,供给给接收混频器89的中间频率,例如大约190MHz。接收信号处理电路90是,对接收混频器89输出的信号进行例如A/D变换处理、解调处理等处理的电路。听筒91是,由例如将电信号转化为声音信号的小型扬声器等实现的、相当于图15所示的移动电话100中的听筒102。
频率合成器92是生成供给给发送混频器82的信号(例如频率约为380MHz的信号)与供给给接收混频器89的信号(例如频率约为190MHz的信号)的电路。而且,频率合成器92,例如包括以760MHz的振动频率发信的PLL电路,将该PLL电路输出的信号进行分频就生成了频率为380MHz的信号,再分频就生成了频率为190MHz的信号。控制电路93通过控制发送信号处理电路81、接收信号处理电路90、频率合成器92以及输入/显示电路94,来实现对该移动电话整体动作的控制。输入/显示电路94,对于图15所示的移动电话100的使用者来说,就是显示机器状态、输入操作者的指示的部分,例如,相当于该移动电话机的液晶显示部104以及操作按钮部105。
以上构成的电子电路中,可以使用图9所示的频率滤波器来作为发送滤波器83以及接收滤波器88。过滤的频率(允许通过的频率),按照发送混频器82输出信号的必要频率值、或者在接收混频器89中必要的频率值,需要在发送滤波器83以及接收滤波器88中分别地设定。此外,在频率合成器92中设置的PLL电路中,可以设置图11所示的振荡器或图12所示的振荡器(VCSO),来作为图13所示的PLL电路的VCO 74。
薄膜压电谐振器
图16描述了本发明的薄膜压电谐振器的一个实施例。图16中的符号30就是经常应用于通信元件、通信滤波器的隔膜式的薄膜压电谐振器,该薄膜压电谐振器30在单晶硅基板的基体31上,通过弹性板32形成谐振子33。
基体31是由(110)定向的厚度约为200μm的单晶硅基板构成的,在它的底面(谐振子32的反面)形成从该基体31底面到正面贯通的通道孔34。
弹性板32,在本实施例中,是使用图1所示的压电元件1的弹性薄膜3来构成的,形成于上述的基体31的(110)面上。此外,谐振子33包括图1所示的压电元件1中的下部电极4、种晶层5、压电薄膜6、以及上部电极7。基于以上的构成,薄膜压电谐振器30就是在基体31上,利用图1所示的压电元件1的主要部分(除了基体2以外的部分)构成的。
值得注意的是,关于该弹性板32,例如,首先在基板31上形成200nm左右厚度的氮化硅(SiN),再在其上形成400nm-3μm左右的二氧化硅(SiO2),再在其上形成上述的弹性膜3,也可以把这些氮化硅、二氧化硅与弹性膜3的层压膜(累积层)作为弹性板32。此外,在基体2上形成氮化硅与二氧化硅时,不形成弹性膜3,只由这样的层压膜形成弹性板32也是可以的。
下部电极4是由(111)定向的Pt组成的,其厚度为200nm左右。
种晶层5是由钙铁矿型的压电材料构成的,同时优选定向为(100),具体来说就是由PZT等构成的,其厚度小于或等于0.1μm。
压电薄膜6是由钙铁矿型的、具有斜六面体结构的、同时优选定向为假立方晶(100)的驰豫材料构成的,其厚度为0.9μm左右。
上部电极7与上述的下部电极4一样,也是由Pt构成的。只是,该上部电极7,在本实施例中,其厚度为700nm左右。
此外,因为该上部电极7电连接在形成在弹性板32上的电极35,所以由金等构成的配线37通过衬垫36设置。
为制造上述构成的薄膜压电谐振器30,首先要准备基体31的母材,即前述的(110)定向的单晶硅基板(Si基板)。然后,在该Si基板上形成弹性膜3,再在其上依次形成下部电极4、种晶层5、压电薄膜6、上部电极7。此外,采用氮化硅、二氧化硅与缓冲层的层压膜来作为弹性板32时,在弹性膜3形成之前,先按照氮化硅、二氧化硅的顺序在Si基板上形成。
接下来,将上部电极7、压电薄膜6、种晶层5与下部电极4,对应于形成了的通道孔34,分别进行图形化,从而形成谐振子33。特别是对下部电极4制作图案时,如图16所示的,区别于下部电极4的电极35也要同时形成。
接下来,使用蚀刻等方法,把单晶硅基板从其侧面加工(制作图案),从而形成贯穿该基板的通道孔34。
然后,形成连接上部电极7与电极35之间的衬垫36与配线37,从而就获得了薄膜压电谐振器30。
这样获得的薄膜压电谐振器30中,谐振子的压电薄膜的压电特性良好,从而具有高的电磁机械耦合系数,因此,就可以应用于例如GHz段的高频领域,而且可以小型化的同时具有良好的性能。
图17是本发明的薄膜压电谐振器的另一个实施例图,图17中的符号40就是薄膜压电谐振器。该薄膜压电谐振器40与图16所示的薄膜压电谐振器30的不同之处主要在于,不形成通道孔,直接在基体41与谐振子42之间形成气隙43。
即,该薄膜压电谐振器40是,在(110)定向的单晶硅基板构成的基体41上,形成谐振子42。该谐振子42包括下部电极44、压电材料层45和上部电极46,并在气隙43上通过层压下部电极44、压电材料层45、上部电极46而形成,其中,下部电极44是由与前述的下部电极4、种晶层5、压电薄膜6、上部电极7相同的材料构成的,压电材料层45是由种晶层及压电薄膜构成的。
在本实施例中,在下部电极44的下面以覆盖住气隙43的状态,来形成弹性膜3,与上一个例子一样,该弹性膜3就是弹性板47。值得注意的是,关于该弹性板47,可以与上例一样先在基体41上形成氮化硅与二氧化硅,或者也可以只形成二氧化硅,然后再在其上形成弹性膜3,从而将这些层压层作为弹性板47。此外,也可以不形成弹性膜3,用氮化硅与二氧化硅的层压膜、或只用二氧化硅来形成弹性板47。
为制造这样构成的薄膜压电谐振器40,首先在基体41使用蒸镀法等方法使锗(Ge)等成膜,再使用与气隙相同的形状对该膜进行图形化,从而形成牺牲层。
其次,形成覆盖了牺牲层的弹性膜3。值得注意的是,在此之前,也可以先形成氮化硅与二氧化硅,或只形成二氧化硅。接下来,可以将这些缓冲层图形化成预定的形状。
接下来,形成覆盖弹性膜3的,构成下部电极44的层,再以干蚀刻等方法在其上制作图案,从而形成下部电极44。
接下来,按顺序形成覆盖下部电极44的种晶层以及压电薄膜层,由这些层压层形成压电材料层45的形成层,再以干蚀刻等方法在其上制作图案,从而形成压电材料层45。
接下来,形成覆盖压电材料层45的上部电极46的形成层,再以干蚀刻等方法在其上制作图案,从而形成上部电极46。值得注意的是,这样一来,在牺牲层上制作图案,形成了弹性膜3、下部电极44、压电材料层45、上部电极46,从而牺牲层的一部分就暴露在外面。
然后,将上述的牺牲层用双氧水(H2O2)蚀刻,并从基体41上除去,进而形成了气隙43,从而获得了薄膜压电谐振器40。
在这样获得的薄膜压电谐振器40中,谐振器的压电薄膜的压电特性良好,因而具有高的电气机械耦合系数,基于此,可应用于GHz段等的高频领域,此外,即使小型(薄型)化也能具有良好的性能。
另外,在上述的薄膜压电谐振器30、40中,通过与适当的感应系数及电容器等组合,也能获得性能良好的感应滤波器。
以上,对作为本发明实施例的表面声波组件、频率滤波器、振荡器、电子电路、薄膜压电谐振器以及电子设备(移动电话机100)进行了说明。但是,本发明不限于上述的实施例,在本发明的范围内可任意地变更。
例如,在前述的实施例中,把移动电话作为电子设备,把移动电话内设的电子电路作为电子电路,并举例说明。可是本发明不限于移动电话机,它能够适用于各种移动通信机器以及在其内部设置的电子电路。
再进一步,也不限于移动通信机器,也适用于接收BS及CS广播的调谐器等的处于固定状态的通信机器及其内部的电子电路。再进一步,不仅适用于使用以空气为载波的电波的通信机器,也适用于这样的电子设备及其内部的电子电路,例如处理在同轴电缆中传输的高频信号或在光缆中传输的光信号时使用的HUB等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
附图标记说明
1压电元件     2基板
3弹性膜       4下部电极
5种晶层       6压电薄膜
7上部电极     11单晶硅基板(单晶基板)
14压电薄膜    50喷墨式记录头(头)
54压电元件    60喷墨打印机
521腔体

Claims (16)

1.一种压电元件,包括在基体上形成的种晶层和在所述种晶层上形成的压电薄膜,其特征在于:
所述种晶层由钙钛矿型的压电材料构成,并且定向为假立方晶(100);
所述压电薄膜由钙钛矿型的、定向为假立方晶(100)的驰豫材料构成的。
2.根据权利要求1所述的压电元件,其特征在于:
所述压电薄膜由钙钛矿型的、具有斜六方体结构的、并且定向为假立方晶(100)的驰豫材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的压电元件,其特征在于:
所述种晶层由Pb(ZrTi)O3构成。
4.根据权利要求1或2所述的压电元件,其特征在于:
所述种晶层由多个层构成,在所述多个层中,各层的组成不同。
5.根据权利要求1或2所述的压电元件,其特征在于:
所述种晶层由多个层构成,在所述多个层中,最下层是PbTiO3,在所述最下层的上面形成的层是Pb(ZrTi)O3
6.根据权利要求1或2所述的压电元件,其特征在于:
所述驰豫材料由以下分子式所表示的材料中的至少一种构成:
a)(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.42;
b)(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.37;
·c)(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.50;
·d)(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.45;
e)(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.35;
·f)(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.01<x<0.10;
·g)(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
其中,0.01<x<0.09;
h)(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.38;
i)(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3
其中,0.10<x<0.42。
7.根据权利要求1或2所述的压电元件,其中,
所述压电元件,在包括容积可变腔体的喷墨式记录头中,通过所述压电薄膜的变形,使所述腔体的容积改变。
8.一种压电致动器,其特征在于包括:
根据权利要求1至7中任一项所述的压电元件。
9.一种包括容积可变腔体的喷墨式记录头,其特征在于:
包括根据权利要求1至7中任一项所述的压电元件,由所述的压电元件作为通过压电薄膜的变形来使所述腔体的容积改变的压电元件。
10.一种喷墨打印机,其特征在于包括:
根据权利要求9所述的喷墨式记录头。
11.一种表面声波组件,其特征在于:
在其基板上形成根据权利要求1至6中任一项所述的压电元件。
12.一种频率滤波器,其特征在于包括:
第一电极,所述第一电极形成在根据权利要求11所述的表面声波组件的所述压电薄膜的上面;以及
第二电极,所述第二电极形成在所述压电薄膜的上面,以施加在所述第一电极上的电信号在所述压电薄膜上产生的表面声波的特定频率或特定频带谐振,并将所述特定频率或所述特定频带转换为电信号。
13.一种振荡器,其特征在于包括:
振荡电路,所述振荡电路包括:
电信号施加电极,所述电信号施加电极形成在根据权利要求11所述的表面声波组件的所述压电薄膜的上面,并通过施加的电信号使所述压电薄膜产生表面声波;
谐振电极,所述谐振电极形成在所述压电薄膜的上面,以所述电信号施加电极所产生的表面声波的特定频率分量或特定频带分量谐振;以及
晶体管。
14.一种电子电路,其特征在于包括:
根据权利要求13所述的振荡器;以及
电信号供给元件,所述电信号供给元件对在所述振荡器上设置的所述电信号施加电极施加所述电信号,
并且,所述电子电路具有从所述电信号的频率分量中选择特定频率分量,或变换成特定频率分量的功能,或者具有对所述电信号进行预定的调制、预定的解调,或预定的检波的功能。
15.一种薄膜压电谐振器,其特征在于:
在其基体上形成由根据权利要求1至6中任一项所述的压电元件构成的谐振器。
16.一种电子设备,其特征在于:
包括根据权利要求12所述的频率滤波器、根据权利要求13所述的振荡器、根据权利要求14所述的电子电路、和根据权利要求15所述的薄膜压电谐振器中的至少一个。
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