CN100461481C - 压电元件、使用压电元件的液体喷射头及液体喷射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种其中压电层结晶性被改善且具有均一压电层特性的压电元件、使用该压电元件的液体喷射头以及液体喷射设备。该压电元件包括：设置到衬底的一个表面侧的下电极；压电层，所述压电层由包含铅(Pb)、锆(Zr)和钛(Ti)的压电材料制成，并且设置在所述下电极上；和设置在所述压电层上的上电极，并且在该压电元件中，压电层的相对介电常数为750～1500，压电层的矫顽电场为10～40kV/cm。

Description

压电元件、使用压电元件的液体喷射头及液体喷射设备

技术领域

本发明涉及包括由压电材料形成的压电层的压电元件、使用该压电元件的液体喷射头以及液体喷射设备。

背景技术

压电元件以将压电层置于两个电极之间的方式被构造。所述压电层例如由具有电—机转换功能的压电材料制成。或者，压电层由例如结晶的压电陶瓷构成。

作为使用这样的压电元件的液体喷射头，已经存在具有以下构造的喷墨记录头。根据该构造，与喷嘴口相连通的压力产生腔的一部分由振动板构成，其中墨滴从所述喷嘴口喷出。振动板被压电元件变形，于是每个压力产生腔中的墨水受压。因此，从每个喷嘴口喷出墨滴。两种类型的喷墨记录头已经被投入实用。一种类型使用纵向振动模式的压电致动器，其中压电致动器沿压电元件的纵向伸展和收缩。另一种类型使用弯曲振动模式的压电致动器。

作为使用弯曲振动模式的致动器的喷墨记录头，例如以如下方式形成的喷墨记录头是已知的。通过使用膜形成技术在振动板的整个表面上形成均匀的压电层。然后，通过光刻法将该压电层切割成与压力产生腔相对应的形状。由此，以压电元件可以彼此相互独立的方式在压力产生腔中分别形成压电元件。

此外，作为构造这样的压电元件的压电层(压电膜)，已经存在由锆钛酸铅(PZT)制成的压电层(例如，参见日本专利早期公开公报No.2001-284671)。在此，包括这种压电层的压电元件的各种特性(例如位移特性和耐久性)在很大程度上依赖于压电层的结晶性。并且，在日本专利早期公开公报No.2001-284671中，相对介电常数、矫顽电场等也被调控。但是，不能说在日本专利早期公开公报No.2001-284671中所公开的压电元件具有足够的结晶性。

注意，这样的问题不限于安装在喷墨记录头中的压电元件。无需多言，该问题同样存在于安装在液体喷头中的其他压电元件中。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种其中压电层结晶性被改善并且具有均一压电层特性的压电元件、使用该压电元件的液体喷射头以及液体喷射设备。

用于解决前述问题的本发明的第一方面是一种压电元件，其特征在于包括：下电极，所述下电极设置到衬底的一个表面侧；压电层，所述压电层由包含铅(Pb)、锆(Zr)和钛(Ti)的压电材料制成，并且设置在所述下电极上；和设置在所述压电层上的上电极。该压电层的特征在于所述压电层的相对介电常数为750～1500，所述压电层的矫顽电场为10～40kV/cm。

在第一方面中，压电层的结晶性被显著改善。因此，可以提供具有优异位移特性并且具有高的耐受电压和更长耐久寿命的压电元件。

本发明的第二方面是如本发明第一方面所述的压电元件，其特征在于所述压电层的矫顽电场为20～30kV/cm，所述压电层的剩余极化强度为10～15μC/cm²。

在第二方面中，压电层的结晶性更加优异，并且压电层的位移特性和耐久寿命被进一步改善。

本发明的第三方面是如本发明第一方面所述的压电元件，其特征在于所述压电层的膜厚为0.5～5μm。

在第三方面中，压电层的结晶性被显著改善而不会出现缺陷。

本发明的第四方面是如第一方面所述的压电元件，其特征在于所述压电层的组成比满足Pb/(Zr+Ti)＝1.05～1.5且Zr/Ti＝53/47～75/25的条件。

在第四方面中，通过将压电层的组成比调整到预定范围内，可以进一步改善压电层的结晶性。

本发明的第五方面是如第一方面所述的压电元件，其特征在于所述压电材料是锆钛酸铅。

在第五方面中，可以提供位移特性和耐久性优异的压电元件。

本发明的第六方面是一种液体喷射头，其特征在于包括：如第一方面所述的压电元件；和通道形成衬底，所述压电元件被设置到所述通道形成衬底的一个表面侧，并且与喷嘴口连通的压力产生腔被设置到所述通道形成衬底。

在第六方面中，因为压电元件的位移特性和耐久寿命被提高，所以可以提供具有优异可靠性的液体喷射头。

本发明的第七方面是一种液体喷射设备，其特征在于包括如第六方面所述的液体喷射头。

在第七方面中，可以获得具有优异的耐久性和可靠性的液体喷射设备。

附图说明

图1是示出了根据第一实施例的记录头的示意性构造的分解立体图。

图2A和2B分别是根据第一实施例的记录头的俯视图和剖视图。

图3是示出了压电层的迟滞回线(hysteresis 1oop)的示例的图线。

图4A至图4D是示出根据第一实施例的记录头的制造方法的剖视图。

图5A到图5C是示出根据第一实施例的记录头的制造方法的剖视图。

图6A到图6D是示出根据第一实施例的记录头的制造方法的剖视图。

图7A到图7C是示出根据第一实施例的记录头的制造方法的剖视图。

图8是示出样品压电层的剩余极化强度和矫顽电场的曲线图。

图9是示出样品压电元件的位移量和位移减小率的曲线图。

图10是示出了根据一个实施例的记录装置的示意性构造的视图。

具体实施方式

下面将基于实施例来详细描述本发明。

(第一实施例)

图1是示出根据本发明第一实施例的喷墨记录头的示意性构造的分解立体图。图2A是图1所示喷墨记录头的俯视图，并且图2B是沿图2A的线A-A’所取的喷墨记录头的剖视图。在本实施例中，通道形成衬底10由单晶硅衬底形成，在该单晶硅衬底中，晶体沿<110>面方向取向。如图所示，在通道形成衬底10的两个表面之一上形成弹性膜50。弹性膜50具有0.5到2μm的厚度，并且由预先通过热氧化形成的二氧化硅制成。在通道形成衬底10中，沿压力产生腔12的宽度方向并排地布置多个由分隔壁11隔开的压力产生腔12。连通部分13形成在压力产生腔12的纵向外侧的区域中，压力产生腔12由通道形成衬底10形成。连通部分13与每一个压力产生腔12通过分别为压力产生腔12设置的每一个墨水供应通路14连通。顺带地，连通部分13构成储液室的一部分并同时与将在后面描述的保护衬底的储液室部分连通，所述储液室将是用于每一个压力产生腔12的公共墨水腔。每一个墨水供应通路14以比压力产生腔12的宽度更窄的宽度形成，并由此使墨水从连通部分13流到压力产生腔12的通道阻力保持恒定。

同时，喷嘴板20通过使用胶粘剂、热胶粘膜等，在掩模膜52被置于其间的情况下固定到通道形成衬底10的开口表面。掩模膜52将在后面描述。在喷嘴板20中钻有喷嘴口21。喷嘴口21分别与压力产生腔12在压力产生腔12与墨水供应通路14相反的端部附近连通。顺带地，喷嘴板20由例如玻璃陶瓷、单晶硅衬底、不锈钢等制成。

另一方面，如上所述，在通道形成衬底10与开口表面相反一侧的另一个表面上，形成弹性膜50。弹性膜50的厚度例如为约1.0μm并且由二氧化硅制成。绝缘膜55通过将其层叠在此弹性膜50上而被形成在此弹性膜50上。绝缘膜55厚度约为0.4μm且由氧化锆(ZrO₂)等制成。此外，压电元件300被形成在此绝缘膜55上。每一个压电元件300由下电极膜60、压电层70和上电极膜80构成。下电极膜60的厚度例如为约0.1～0.2μm，压电层70的厚度例如为约0.5～5μm，上电极80的厚度例如为约0.05μm。

一般而言，压电元件300以如下方式被构造。压电元件300的两个电极中的一个被用作公共电极。另一电极以及压电层70按照各个压力产生腔12被图案化。在由已经图案化的压电层70和两个电极中的相应的被图案化的一个构成的部分中，由于对两个电极施加电压而发生压电应变。该部分被称为“压电活性部分”。在本实施例中，下电极膜60被用作压电元件300的公共电极，而上电极膜80用作压电元件300的单个电极。但是，也可以为了驱动电路和互连的方便而将其用途颠倒。在这两种情况下，在各个压力产生腔中都分别形成压电活性部分。

此外，引线电极90被连接到这样的压电元件300的每一个上电极膜80。引线电极90由例如金(Au)等制成。电压通过引线电极90被选择性地施加到每一个压电元件300。

顺带地，构成压电元件300的下电极膜60和上电极膜80中的每一个由如下金属材料制成，所述金属材料中的每一种具有较高的电导率。金属材料例如为铂(Pt)、铱(Ir)等。此外，压电层70由含至少铅(Pb)、锆(Zr)和钛(Ti)的压电材料制成。例如在此实施例中，压电层70由锆钛酸铅(PZT)制成。顺带地，这样的压电层70具有如下特性，即其相对介电常数为750～1500，其矫顽电场为Ec＝10～40kV/cm(2Ec＝20～80kV/cm)。注意，压电层70的矫顽电场Ec例如是利用图3所示的压电层的迟滞回线的2Ec得到的值。

对于具有这样特性的压电层70，其压电常数变得尤其优异。具体地说，压电常数d₃₁为150～250(pC/N)。因此，提高了压电元件300的位移特性。顺带地，因为具有这样的特性的压电层70具有优异的结晶性，所以其诸如耐受电压之类的特性被显著改善。因此，如果压电元件300的位移特性被改善，则同时其耐久寿命被显著提高。此外，因为构成压电元件300的压电层70的特性之间几乎没有变化，所以从各个喷嘴口21喷射墨滴的特性变得均一。

此外，压电层70优选具有Ec＝20～30kV/cm(2Ec＝40～60kV/cm)的矫顽电场和Pr＝10～15μC/cm²(2Pr＝20～30μC/cm²)的剩余极化强度。注意，剩余极化强度Pr例如是利用图3所示的压电层的迟滞回线2Pr得到的值。

此外，优选的是，压电层70满足其组成比为Pb/(Zr+Ti)＝1.0～1.5并且Zr/Ti＝53/47～75/25的条件。此外，压电层70优选具有钙钛矿结构。

在此实施例中，压电层70由锆钛酸铅(PZT)形成。但是，构成压电层70的压电材料包含至少铅(Pb)、锆(Zr)和钛(Ti)就足够了。例如，优选使用通过将诸如氧化铌、氧化镍或者氧化镁的金属氧化物添加到锆钛酸铅(PZT)等得到的压电材料。

此外，保护板30被接合到通道形成衬底10的形成有这样的压电元件300的顶部。换句话说，保护板30利用胶粘剂等被接合到下电极膜60、弹性膜50和引线电极90的顶部。保护板30设有压电元件保持部分31，该压电元件保持部分31具有大到足以使压电元件300不受阻碍地移动的空腔。压电元件保持部分31被设置到与压电元件300相对的区域。注意，压电元件保持部分31具有大到足以使压电元件300不受阻碍地移动的空腔就足够了。空腔是否密封是不重要的。而且，保护板30在与连通部分13相对的区域中设有储液室部分32。如上所述，该储液室部分32在与通道形成衬底10的连通部分13连通的同时构成储液室100。储液室100充当用于压力产生腔12的公共墨水腔。此外，通孔33被设置到保护板30的压电元件保持部分31和储液室部分32之间的区域。通孔33沿厚度方向穿透保护板30。在通孔33中暴露出下电极膜60的一部分和各个引线电极90的末端部分。虽然没有示出，但从驱动IC延伸出的连接配线的端部被连接到下电极膜60和每一个引线电极90。

优选的是，具有与通道形成衬底10相同热膨胀系数的材料被用于这样的保护板30。所述材料的示例包括玻璃、陶瓷材料等。在本实施例中，保护板30由作为与形成通道形成衬底10相同材料的单晶硅衬底形成。

此外，柔性板(compliance plate)40被接合到保护板30的顶部，该柔性板40由密封膜41和固定板42构成。在此，密封膜41由具有较低刚度的柔性材料(例如，厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)制成。储液室部分32的一端由该密封膜41密封。此外，固定板42由诸如金属的硬材料(例如，厚度为30μm等的不锈钢(SUS)等)形成。该固定板42的与储液室100相对的区域是开口部分43，该开口部分43通过沿厚度方向完全去除对应于该区域的部分而得到。因此，储液室100的一端仅仅由柔性的密封膜41来密封。

根据本实施例的这样的喷墨记录头从外部墨水供应装置(没有示出)吸入墨水，并且将从储液室100到喷嘴口21范围内的内部充满墨水。然后，喷墨记录头根据来自驱动电路的记录信号，在对应于压力产生腔12的每一个上电极膜80和下电极膜60之间施加电压。由此，喷墨记录头使弹性膜50、下电极膜60和压电层70弯曲变形。此变形使每一个压力产生腔12内的压力上升，由此从喷嘴口21喷出墨滴。

在此，将参考图4A到图7C提供制造这样的喷墨记录头的方法的描述。注意，图4A到图7C是压力产生腔12沿纵向的剖视图。首先，如图4A所示，以如下方式形成二氧化硅膜51。通道形成衬底用晶片110在扩散炉中约1100℃下被热氧化。由此，在通道形成衬底用晶片110的表面上形成二氧化硅膜51，该二氧化硅膜51将构成弹性膜50。注意在此实施例中，具有625μm的较大厚度和高刚度的硅晶片被用作通道形成衬底用晶片110。

随后，如图4B所示，由氧化锆制成的绝缘膜55被形成在弹性膜50(二氧化硅膜51)上。具体地，通过例如溅射法等，将锆(Zr)层形成在弹性膜50(二氧化硅膜51)上。此后，例如在扩散炉中约500℃～1200℃下热氧化锆层。由此，形成由氧化锆(ZrO₂)制成的绝缘层55。接着，在绝缘膜55上形成由例如铂(Pt)、铱(Ir)等形成的下电极膜60。此后，如图4C所示，下电极膜60被图案化成预定形状。

随后，如图4D所示，通过使用例如溅射法等涂覆钛(Ti)，在下电极膜60和绝缘膜55上形成具有预定厚度的晶种钛层65。随后，压电层70被形成在晶种钛层65上。在此实施例中，压电层70由锆钛酸铅制成。在此，在本实施例中利用被称为溶胶凝胶法的方法形成压电层70。根据溶胶凝胶法，通过将金属有机物质溶解和分散在催化剂中得到所谓溶胶。此溶胶被涂覆和干燥，以转变成凝胶。然后在更高温度下烧结该凝胶。由此得到由金属氧化物制成的压电层70。此外，制造压电层70的方法不限于溶胶凝胶法。例如，可以使用MOD(金属有机物沉积)法等。

用于形成压电层70的示例性过程如下。如图5A所示，作为PZT前驱体的压电前驱体膜71被形成在晶种钛层65上。换句话说，包含金属有机化合物的溶胶(液体溶液)被涂覆到通道形成衬底用晶片110的顶部。随后，在预定温度下加热此压电前驱体膜71，并这样干燥一定的时间。通过蒸发溶胶的溶剂来干燥压电前驱体膜71。此外，在预定温度下，在大气中对压电前驱体膜71脱脂一定的时间。顺带地，在此所称的脱脂是指将由溶胶制成的膜的有机组分例如作为NO₂、CO₂、H₂O等从其除去。

随后，涂覆、干燥、脱脂步骤被重复预定次数，例如两次。因此，以如下方式如图5B所示形成压电膜72。形成每一个都具有预定厚度的多个压电前驱体膜71。随后，压电前驱体膜71在扩散炉中经过热处理，以进行结晶。然后，形成压电膜72。换句话说，压电前驱体膜71被烧结，以使其晶体以晶种钛层65作为晶种生长，由此形成压电膜72。在此，烧结温度优选为650～850℃。例如，压电前驱体膜71在700℃下烧结半小时以形成压电膜72。注意，这样形成的压电膜72的晶体具有<100>面的择优取向。

此外，涂覆、干燥、脱脂和烧结步骤被重复进行多次，以形成具有一定厚度的压电层70。压电层70例如由5层压电膜72形成，如图5C所示。注意，在通过进行多次烧结形成压电层70的情形中，优选的是总的烧结(加热)时间不超过半个小时到3个小时。

因此，通过以此方式形成压电层70，可以稳定地形成具有包括750～1500的相对介电常数和10～40kV/cm的矫顽电场Ec的优选特性的压电层70。注意，在本实施例的条件下形成压电层70的情形中，压电层70的矫顽电场Ec为约20～30(kV/cm)并且剩余极化强度Pr为约10～15(μC/cm²)。

在以此方式形成压电层70之后，上电极膜80被形成在通道形成衬底用晶片110的整个顶部上，如图6A所示。上电极膜80由例如铱制成。随后，如图6B所示，通过在与压力产生腔12相对的区域的每一个中图案化压电层70和上电极膜80，形成压电元件300。

在此，在上述条件下制备了多个压电元件样品。图8示出了测量样品的剩余极化强度(2Pr)和矫顽电场(2Ec)的结果。如图8所示，可以理解，在每一个样品压电层中，剩余极化强度(2Pr)为20～30(μC/cm²)，矫顽电场(2Ec)为40～60(kV/cm)。

此外，如上所述，这样的压电层70具有高至150～250(pC/N)的压电常数d₃₁，由此压电元件300的位移特性被显著改善。此外，压电层70还具有优异的结晶性，因此例如耐受电压之类的特性也被明显改善。

注意，在形成压电元件300之后，形成从压电元件300中的每一个引出的引线电极90。具体地，如图6C所示，引线电极90以如下方式被形成。首先，金属层91被形成在通道形成衬底用晶片110的整个顶表面上。金属层91由例如金(Au)等制成。此后，通过使用由例如光刻胶等制成的掩模图案(没有示出)，在各个压电元件300中图案化金属层91。

然后，如图6D所示，保护板用晶片130被接合到通道形成衬底用晶片110的形成压电元件300一侧的顶部。保护板用晶片130是硅晶片，并且将变成多个保护板30。保护板用晶片130具有例如约400μm的厚度。因此注意，通过将保护板用晶片130接合到通道形成衬底用晶片110，明显增大了通道形成衬底用晶片110的刚度。

随后，如图7A所示，通过抛光通道形成衬底用晶片110然后利用氟硝酸进行湿法刻蚀，使得通道形成衬底用晶片110具有预定的厚度。在此实施例中，通道形成衬底用晶片110经过刻蚀加工，以使通道形成衬底用晶片110具有例如约70μm的厚度。随后，如图7B所示，掩模膜52被新形成在通道形成衬底用晶片110的底表面上，并且被图案化成预定的形状。掩模膜52由例如氮化硅(SiN)制成。此后，通过各向异性刻蚀通道形成衬底用晶片110，压力产生腔12、连通部分13、墨水供应通路14等被形成在通道形成衬底用晶片110中，如图7C所示。

此后，通过划片等方式将通道形成衬底用晶片110和保护板用晶片130两者的周边部分中的多余部分切割并去除。随后，喷嘴板20被接合到通道形成衬底用晶片110的表面，所述表面与保护板用晶片130所接合到的表面相反。在喷嘴板20中钻有喷嘴口21。同时，柔性板40被接合到保护板用晶片130上。此后，通道形成衬底用晶片110等被分割成多个每一个具有如图1所示的芯片大小的通道形成衬底10。由此，形成此实施例的喷墨记录头。

如上所述，根据本发明，形成了构造压电元件并具有750～1500的相对介电常数和10～40kV/cm的矫顽电场的压电层。这增大了压电层70的压电常数d₃₁。因此，压电元件300的位移特性被改善。此外，因为压电层70的结晶性改善，所以例如耐受电压之类的特性被显著改善。因此，压电元件300的位移特性被改善，同时其耐久寿命也被显著延长。

在此，对在上述条件下制备的压电元件的样品进行了耐久性测试，其中，将预定的驱动脉冲连续地施加到该样品300亿次。图9示出了压电元件的位移量和位移减小的检测结果。顺带地，对于样品压电元件，压电层的厚度为1.5μm，下电极膜的厚度为200nm，上电极膜的厚度为50nm。此外，在耐久性测试中施加的驱动脉冲为电压50V和频率100kHz的正弦波。在位移测量过程中施加的驱动脉冲为电压30V和频率800Hz的梯形波。

如图9所示，对于根据本发明的压电元件，位移量随着承受脉冲的次数的增加而减小。换句话说，位移减小率增大。但是，即使在施加300亿次的驱动脉冲之后，位移减小率为相当低的13.3％。从结果明显看出，根据本发明，压电元件(压电层)的耐久性寿命显著提高。

(其他实施例)

上面已经描述了本发明的第一实施例。但是，喷墨记录头的基本构造不限于前述的构造。在上述的第一实施例中，例如通过使用溶胶凝胶法形成压电层。但是，压电层可以通过溅射法、CVD法等形成。在此情形中，在650～750℃下对压电前驱体膜进行烧结。然后，对压电前驱体膜进行半小时到三小时的后退火。由此，可以形成具有类似于第一实施例的特性的压电膜。此外，在构成压电层的多个压电膜中，下方的膜可以通过溅射法或CVD法形成，而上方的膜可以通过溶胶凝胶法、MOD法等形成。

此外，根据这些实施例的每一个喷墨记录头构成了设有与墨盒等连通的墨水通道的记录头单元的一部分，并且被安装在喷墨记录设备中。图10是示出了喷墨记录设备的示例的示意性构造图。如图10所示，包括各自的喷墨记录头的记录头单元1A和1B被可拆卸地设置到构成墨水供应装置的盒2A和2B。其上安装了记录头单元1A和1B的托架3以如下的方式被设置到固定于装置主体4的托架轴5，即托架3可以在所述轴延伸的方向上自由地移动。这些记录头单元1A和1B被指定来分别喷射黑色墨水成分和彩色墨水成分。

此外，来自驱动电机6的驱动动力通过多个没有示出的齿轮和同步带7传递到托架3。由此，使得其上安装了记录头单元1A和1B的托架3沿着托架轴5移动。另一方面，装置主体4设置有沿着托架轴5的滚筒8。作为诸如纸片之类的记录介质且由送纸辊等送入的记录片S被设计为在滚筒8上传输，其中送纸辊未示出。

注意，虽然上面将喷墨记录头作为液体喷射头的示例描述了第一实施例，但是本发明意在宽泛地应用于所有的液体喷射头。不言自明的是本发明可以应用于喷射不同于墨水的液体的任何液体喷射头。喷射不同于墨水的液体的液体喷射头的示例包括：用于诸如打印机的图象记录装置的各种记录头；用于制造液晶显示装置等的色彩过滤器的颜料喷射头；用于形成有机EL显示装置和FED(场发射显示)装置等的电极的电极材料喷射头；用于制造生物芯片的生物有机物质喷射头等。此外，不言自明的是，本发明不仅可以适用于液体喷射头的压电元件，也可以适用于安装在诸如麦克风、发声体、各种振动器、呼叫装置等的其他各种装置中的压电元件。

Claims (6)

1.一种压电元件，包括：

下电极，所述下电极设置到衬底的一个表面侧；

压电层，所述压电层由包含铅、锆和钛的压电材料制成，并且设置在所述下电极上；和

上电极，所述上电极设置在所述压电层上，

其中，所述压电层的相对介电常数为750～1500，所述压电层的矫顽电场为10～40kV/cm，所述压电层的组成比满足Pb/(Zr+Ti)＝1.05～1.5且53/47<Zr/Ti≤75/25的条件。

2.如权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电层的矫顽电场为20～30kV/cm，且所述压电层的剩余极化强度为10～15μC/cm²。

3.如权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电层的膜厚为0.5～5μm。

4.如权利要求1所述的压电元件，其中，所述压电材料是锆钛酸铅。

5.一种液体喷射头，包括：

如权利要求1至4中任一项所述的压电元件；和

通道形成衬底，其中所述压电元件被设置到所述通道形成衬底的一个表面侧，振动板被置于所述通道形成衬底与所述压电元件之间，并且与喷射液滴的喷嘴口连通的压力产生腔被设置到所述通道形成衬底。

6.一种液体喷射设备，包括：

如权利要求5所述的液体喷射头。

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