CN100479218C - 压电元件、液体喷射头及其制造方法,液体喷射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高耐受电压和更长的耐久性寿命的压电元件、该压电元件的制造方法、一种液体喷射头、该液体喷射头的制造方法和一种液体喷射设备。该压电元件的制造方法包括如下步骤：通过在下电极上形成压电前驱体膜并且通过随后在650℃到750℃下将所述压电前驱体膜烘焙半个小时到三个小时，来形成压电层，其中在所述压电前驱体膜中包含Pb、Zr和Ti，并且在所述前驱体膜被烘焙之后Pb、Zr和Ti的组成比变为Pb/(Zr+Ti)大于1.0且不超过1.3，并且选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂被掺杂到所述压电前驱体膜；以及在所述压电层上形成上电极。

Description

压电元件、液体喷射头及其制造方法，液体喷射设备

技术领域

本发明涉及包括有下电极、压电层和上电极的压电元件，以及涉及该压电元件的制造方法。具体地，本发明涉及从喷嘴口喷射液滴的液体喷射头，该液体喷射头的制造方法以及用于液体喷射设备的压电元件。

背景技术

具有如下构造的喷墨记录头已经投入了实际使用。根据该构造，与墨滴从此喷出的喷嘴口相连通的压力产生腔的一部分由振动板构成。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。由此，从每个喷嘴口中喷出墨滴。例如以如下方式构造的喷墨记录头属于这样的喷墨记录头。通过使用膜形成技术在振动板的整个表面上形成由压电材料制成的均匀层。然后，通过光刻法将该由压电材料制成的层切割成与压力产生腔相对应的形状。由此，在压力产生腔中分别形成压电元件，以使得压电元件可以彼此相互独立。

包括具有通过抑制其泄漏电流而提高的耐受电压的压电元件已经被提出作为用于该喷墨记录头的压电元件，而泄漏电流是通过设定作为压电层的组分而包含于其中的卤素材料的量来抑制的。(参见例如日本专利特开No.2004-107181的第11页中的权利要求书)

但是，根据日本专利特开No.2004-107181，虽然压电层的泄漏电流可以被抑制，但是压电层的电阻率没有被设定。因此，存在如下问题，即如果电阻率降低，由于泄漏电流增大而导致压电层的耐久性劣化。

应该注意，这样的问题不限于喷墨记录头所代表的液体喷射头以及液体喷射头的制造方法。在其他的压电元件和制造压电元件的方法中也存在类似的问题。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种具有高耐受电压和更长的耐久性寿命的压电元件、制造该压电元件的方法、一种液体喷射头、制造该液体喷射头的方法和液体喷射设备。

用于解决前述问题的本发明的第一方面是一种制造压电元件的方法，其特征在于包括如下步骤：在衬底上形成下电极；通过在所述下电极上形成压电前驱体膜并且通过随后在650℃到750℃下将所述压电前驱体膜烘焙半小时到三小时，来形成压电层，其中在所述压电前驱体膜中包含Pb、Zr和Ti，并且在所述前驱体膜被烘焙之后Pb、Zr和Ti的组成比变为Pb/(Zr+Ti)＝1.0～1.3，并且选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂被掺杂到所述压电前驱体膜；以及在所述压电层上形成上电极。

在第一方面中，通过使得过量的铅被包含在压电层中并且为烘焙设定预定的温度和时间，可以形成具有良好的结晶度和高稳定性的压电元件。

此外，通过掺杂预定的掺杂剂，可以获得具有所期望的电阻率和耐受电压的压电元件，同时延长了其耐久寿命，由此可以提高其可靠性。

本发明的第二方面是如本发明的第一方面的方法，其特征在于掺杂剂量不超过所述压电层的10mol％。

在第二方面中，通过为掺杂剂设定预定的量，可以防止由于过量的掺杂剂导致压电元件的位移特性劣化。

本发明的第三方面是如本发明的第一方面和第二方面中任一项的方法，其特征在于在所述形成压电层的步骤中，通过重复进行压电膜形成步骤来形成所述压电层，所述压电膜形成步骤通过烘焙多层所述压电前驱体膜来形成所述压电膜，并且在每一个压电层形成步骤中用于烘焙所述压电膜的时间长度不少于半个小时，用于所述压电层的烘焙时间的总长度不超过三个小时。

在第三方面中，可以以高精度、良好的结晶度和高可靠性形成具有期望厚度的压电层。

本发明的第四方面是一种制造液体喷射头的方法，其特征在于所述液体喷射头通过使用如第一方面至第三方面中任一项的方法来制造。

在第四方面中，可以获得具有延长的耐久寿命和提高的可靠性的液体喷射头。

本发明的第五方面是一种压电元件，包括：设置在衬底之上的下电极；设置在所述下电极之上的压电层；和设置在所述压电层之上的上电极，所述压电层的特征在于所述压电层包含选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂，并且所述压电层的电阻率不低于20MΩ·cm。

在第五方面中，通过设定压电层的预定电阻率，可以提高其耐受电压，并且延长其耐久寿命。

此外，通过将预定的掺杂剂掺杂到压电层，可以获得具有所期望的电阻率和耐受电压的压电元件，并延长其耐久寿命，由此可以提高其可靠性。

本发明的第六方面是如第五方面的压电元件，其特征在于所述压电层的耐受电压不低于900kV/cm。

在第六方面中，通过设定压电层的预定耐受电压，可以提高其耐久寿命以提高其可靠性。

本发明的第七方面是如第五方面和第六方面中任一项的压电元件，其特征在于所述压电层的泄漏电流不大于1×10^-8A/cm²。

在第七方面中，通过设定压电层的预定泄漏电流，可以延长其耐久寿命以提高其可靠性。

本发明的第八方面是如第五方面至第七方面中任一项的压电元件，其特征在于所述压电层的相对介电常数为750到1500。

在第八方面中，压电层的结晶度被显著提高。因此，可以提供具有优异的位移特性、高耐受电压和更长的耐久寿命的压电层。

本发明的第九方面是如第五方面至第八方面中任一项的压电元件，其特征在于所述压电层的矫顽电场为15到30kV/cm，且剩余极化强度为10到25μC/cm²。

在第九方面中，实现了更加优异的压电层的结晶度，且压电层的位移特性和耐久寿命被进一步提高。

本发明的第十方面是一种压电元件，其特征在于包括：设置在衬底之上的下电极；设置在所述下电极之上的压电层；和设置在所述压电层之上的上电极，其中所述压电元件包含选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂，并且所述压电层的电阻率不低于20MΩ·cm，所述压电元件的特征在于所述压电层的泄漏电流不大于1×10^-8A/cm²，且所述压电层的耐受电压不低于900kV/cm。

在第十方面中，通过设定压电层的预定的电阻率、泄漏电流和耐受电压，可以延长其耐久寿命以提高其可靠性。

此外，通过掺杂预定的掺杂剂，可以获得具有所期望的电阻率和耐受电压的压电元件，同时延长了其耐久寿命，由此可以提高其可靠性。

本发明的第十一方面是一种液体喷射头，其特征在于包括：如第五方面至第十方面中任一项的压电元件；和通道形成衬底，所述压电元件在振动板被置于所述通道形成衬底与所述压电元件之间的情况下被设置到所述通道形成衬底，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。

在第十一方面中，可以获得具有提高的耐久寿命和可靠性的液体喷射头。

本发明的第十二方面是一种液体喷射设备，其特征在于包括如第十一方面的液体喷射头。

在第十二方面的情形中，可以获得具有提高的耐久寿命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透视图。

图2A和2B分别是根据实施例1的记录头的俯视图和剖视图。

图3是示出了压电层的滞后回线(hysteresis loop)的示例的图线。

图4A至图4C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7是示出样品压电元件的位移量和位移减小率的图线。

图8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是根据本发明的第一实施例的喷墨记录头的分解透视图。图2A是图1中所示的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。

在本实施例的情形中，通道形成衬底10由单晶硅衬底制成，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，通过从另一侧各向异性刻蚀通道形成衬底10，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。连通部分13构成储液室100的一部分，所述储液室100是用于压力产生腔12的公共墨水腔。连通部分13与每一个压力产生腔12纵向上的一个端部通过其墨水供应通路14连通。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，并且使墨水从连通部分13流入到压力产生腔12中的通道阻力保持恒定。

喷嘴板20通过被置于其间的胶粘剂、热胶粘膜等固定到通道形成衬底10的开口表面上。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的与墨水供应通路14相反一侧处连通。顺带地，喷嘴板20由厚度为例如0.01至1mm、线性膨胀系数为例如在不高于300℃的温度下2.5～4.5[×10^-6/℃]的玻璃陶瓷或者不锈钢等制成。喷嘴板20的一个表面完全覆盖通道形成衬底10的一个表面，因此起到增强板的作用，用于保护单晶硅衬底不受震动和外力作用。此外，喷嘴板20可以由具有与通道形成衬底10几乎相同的热膨胀系数的材料形成。在本情形中，通道形成衬底10的热变形和喷嘴板20的热变形彼此大致相似。因此，可以通过使用热硬化胶粘剂等容易地将通道形成衬底10和喷嘴板20彼此接合。

另一方面，如上所述，在通道形成衬底10的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由氧化锆(ZrO₂)等制成，并且其厚度为约0.4μm。此外，使用将在后面描述的工艺，通过将其彼此层叠，在此绝缘膜55上形成下电极膜60、压电层70和上电极膜80。每一个压电元件300由下电极膜60、一个压电层70和一个上电极膜80构成。下电极膜60的厚度例如为约0.1～0.5μm。每一个压电层70由锆钛酸铅(PZT)等制成，并且具有例如为约1.0μm的厚度。每一个上电极80由金、铂、铱等制成，并且具有例如为约0.05μm的厚度。

在此，压电元件300是包括下电极膜60、一个压电层70和一个上电极膜80的部分。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“压电主动部分”。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，为了驱动电路和互连线的方便而将其用途颠倒，而不会有什么问题。在这两种情况下，在各个压力产生腔中都分别形成压电主动部分。此外，一个压电元件300和振动板的组合被称为“压电致动器”。振动板依靠压电元件300的驱动而提供位移。顺带地，在前述示例中，弹性膜50、绝缘膜55和下电极膜60共同地充当振动板。

注意，本实施例的压电层70具有至少20MΩ·cm的电阻率。通过使压电层70具有这样的电阻率，可以防止泄漏电流变大，并且可以延长压电层70的耐久寿命。这种压电层70的泄漏电流优选不大于1×10^{- 8}A/cm²。此外，压电层70的耐受电压优选不低于900kV/cm。通过使压电层70具有这样的压电层70的泄漏电流和耐受电压，可以延长压电层70的耐久寿命。

此外，这样的压电层70具有750～1500的相对介电常数。此外，这样的压电层70的特点在于矫顽电场为Ec＝15～30kV/cm(2Ec＝30～60kV/cm)，并且剩余极化强度为Pr＝10～25μC/cm²(2Pr＝20～50μC/cm²)。注意，矫顽电场Ec和剩余极化强度Pr例如是利用如图3所示的压电层的滞后回线(hysteresis loop)的2Er和2Pr得到的值。

对于具有这样的特性的压电层70，其压电常数变得尤其优异，就是说，压电常数d₃₁变为150～250pC/N。因此，提高了压电元件300的位移特性。作为本实施例的这种压电层70，作为示例的是由表现出电机械转换效应并且具有钙钛矿结构的铁电陶瓷材料制成的晶体膜。作为用于压电层70的材料，例如，铁电-压电材料和通过将金属氧化物添加到该铁电-压电材料所得到的材料等是理想的。这样的铁电-压电材料包括锆钛酸铅(PZT)。这样的金属氧化物包括氧化铌、氧化镍和氧化镁。具体地，可以使用钛酸铅(PbTiO₃)、锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)、锆酸铅(PbZrO₃)、钛酸铅镧((Pb，La)TiO₃)、锆钛酸铅镧((Pb，La)(Zr，Ti)O₃)、锆钛酸镁铌酸铅(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O₃)等。在此实施例中，包含Pb(铅)、Zr(锆)和Ti(钛)的材料以满足式Pb/(Zr+Ti)＝1.0～1.3的方式被用于压电层70。因此，过量的铅累积在晶界中以防止泄漏电流变大，由此可以获得预定的泄漏电流。

此外，优选将选自镍(Ni)、锰(Mn)和锶(Sr)的至少一种掺杂剂掺杂到本实施例的压电层70。因此，可以将压电层70的电阻率、泄漏电流、耐受电压、相对介电常数、剩余极化强度、矫顽电场、压电常数等设定为预定的值。将选自镍(Ni)、锰(Mn)和锶(Sr)的至少一种掺杂剂掺杂到压电层70的方法是将压电层70的电阻率、泄漏电流、耐受电压、相对介电常数、剩余极化强度、矫顽电场、压电常数等设定为预定值的方法之一。优选地，掺杂预定量的这样的掺杂剂。这样的掺杂剂的量优选是预定的量，具体来说，不超过其10mol％。在此使用“不超过10mol％”并不是因为将掺杂剂的量减小更多就更好，而是因为大量的掺杂剂导致压电层70位移量的减小来确定最大量。

此外，压电层70形成有一定的厚度，该厚度防止在制造过程中在压电层70中产生裂纹，并且使得压电层70可以充分表现出其位移特性。在此实施例中，例如，压电层70被形成为约1μm到2μm的厚度。

此外，引出电极90被连接到每一个上电极膜80，所述上电极膜80是用于各个压电元件300的单个电极。引出电极90被从相应的墨水供应通路14的端部附近引出，并且延伸到绝缘膜55的顶部。引出电极90由例如金(Au)等制成。

保护板30通过被置于其间的胶粘剂34，被接合到通道形成衬底10的形成有这样的压电元件300的顶面上，换句话说，接合到下电极膜60、弹性膜50和引出电极90上方。保护板30包括构成储液室100的至少一部分的储液室部分31。在本实施例中，储液室部分31以如下方式形成，即储液室部分31沿厚度方向穿透保护板30，并且储液室部分31沿与压力产生腔12的宽度方向相同的方向延伸。如上所述，储液室部分31与通道形成衬底10的连通部分13连通，由此构成储液室100，所述储液室100被用作用于压力产生腔12的公共墨水腔。

此外，压电元件容纳部分32被设置在保护板30的与压电元件300相对的区域。压电元件容纳部分32具有一个空腔，该空腔足够大，而使压电元件300不受阻碍地移动。如果保护板30具有大得足以使压电元件300不受阻碍地移动的空腔，就足够了。空腔是否密封封闭是不重要的。

理想的是，具有与通道形成衬底10相同的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相同的材料的单晶硅衬底形成。

此外，保护板30设置有沿厚度方向穿透保护板30的通孔33。而且，分别从压电元件300引出的引出电极90的端部的附近部分以该附近部分被暴露于通孔33的方式来布置。并且，驱动电路110被固定到保护板30的顶部。驱动电路110驱动沿平行线排列的压电元件300。例如，电路板、半导体集成电路(IC)等可以被用作此驱动电路110。此外，驱动电路110和每一个引出电极90通过连接互连120相互电连接。连接互连120由诸如接合导线之类的导线制成。

此外，柔性板(compliance plate)40被接合到保护板30的顶部。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31的一端由该密封膜41密封封闭。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固定板的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。

用于将墨水供应到储液室100的墨水引入端口44形成在柔性板40的一部分中。柔性板40的该部分处在储液室100的外部，并且位于大致对应于储液室100的沿纵向的中心的位置上。此外，保护板30设置有墨水引入通路35，通过墨水引入通路35，墨水引入端口44和储液室100的侧壁相互连通。

根据本实施例的这样的喷墨记录头从与外部墨水供应装置(没有示出)连接的墨水引入端口44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，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以弯曲状态变形。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。

此后，将参考图4A到图6D提供对于制造这样的喷墨记录头的方法的描述。注意，图4A到图6D是压力产生腔12沿纵向的剖视图。首先，如图4A所示，由单晶硅衬底制成的通道形成衬底10在扩散炉中在约1100℃下被热氧化。由此，在通道形成衬底10的表面上形成二氧化硅膜52，该二氧化硅膜52将在后面变成弹性膜50和保护膜51。随后，如图4B所示，锆(Zr)层被形成在弹性膜50(二氧化硅膜52)上。此后，通过例如在扩散炉中在500℃～1200℃下热氧化锆(Zr)层，形成由氧化锆(ZrO₂)制成的绝缘层55。

接着，如图4C所示，在通道形成衬底10的顶部上整个形成铱、铂等。此后，通过将其图案化成预定形状的方式形成下电极60。

随后，压电层70被形成在下电极60上。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，被称为溶胶的是通过将金属有机物质溶解和分散在催化剂所得到的。涂布和干燥所述溶胶以形成凝胶。然后在更高温度下烘焙该凝胶。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，也可以使用MOD(金属有机物沉积)法等。

用于压电层70的材料是一种含Pb、Zr和Ti的材料。在此实施例中，压电层70由锆钛酸铅(PZT)形成。此外，本实施例的压电层70基于式Pb/(Zr+Ti)＝1.0～1.3来形成。换句话说，压电层70包含不超过30％的过量的铅。通过使得压电层70包含不超过30％的过量的铅，防止了压电层70的泄漏电流变大。此外，将选自锰(Mn)、镍(Ni)和锶(Sr)的至少一种掺杂剂掺杂到压电层70。因此，可以形成具有优异电阻率和耐受电压的压电层70。注意，过量的掺杂剂减小压电层70的位移量。因此，优选的是，掺杂剂的量不超过压电层70的10mol％。在此，这样的锰、镍、锶等掺杂剂可以通过将硝酸锰、硝酸镍或者硝酸锶混合到溶胶中来掺杂。此外，虽然将在下面所详细描述，但被掺杂的掺杂剂也可以存在于通过烘焙形成的压电层70中。

形成压电层70的具体过程如下。如图5A所示，首先，作为PZT前驱体的压电前驱体膜71被形成在下电极膜60上。换句话说，包含金属有机化合物的溶胶(液体溶液)被涂布到已经被形成在通道形成衬底10上的下电极膜60的顶部(在涂布步骤中)。

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。在本实施例中，可以例如通过将压电前驱体膜71在170～180℃下保持8～30分钟来干燥压电前驱体膜71。此外，理想的是，在干燥步骤中温度升高的速率为0.5～1.5℃/秒。顺带地，在这里所提及的“温度升高的速率”被定义为从温度1到温度2的温度改变相对于时间的速率。温度1和温度2以如下方式计算。开始，获得加热开始时的温度(室温)和压电前驱体膜71通过加热达到的温度之间的差。然后，通过将该差的20％加到加热开始时的温度得到温度1。通过将该差的80％加到加热开始时的温度得到温度2。在例如其中温度在50秒中从室温(25℃)升到100℃的情况下，温度升高的速率如下：

(100-25)×(0.8-0.2)/50＝0.9[℃/秒]

随后，通过将已经被干燥的压电前驱体膜71加热到预定温度并将该膜在此温度下保持一定的时间，对压电前驱体膜71进行脱脂。在本实施例的情形中，例如通过将压电前驱体膜71加热到约300～400℃的温度并且将该膜在此温度下保持约10～30分钟，来对该膜进行脱脂。顺带地，在此提及的脱脂的意思是包含在压电前驱体膜71中的有机组分例如以NO₂、CO₂、H₂O等被从其除去。在脱脂步骤中，理想的是，温度升高的速率为0.5～1.5℃/秒。

然后，压电前驱体膜71被加热到预定温度，并且在该温度下保持一定的时间，由此进行结晶。于是，压电膜72被形成(在烘焙步骤中)。在烘焙步骤中，理想的是，压电前驱体膜71被加热到650～750℃的温度。在本实施例中，将压电前驱体膜71在680℃加热30分钟。而且，在烘焙步骤中，理想的是，温度升高的速率不超过15℃/秒。如上所述的，在通过烘焙形成压电膜72的情形中，优选的是，压电前驱体膜71被加热至少30分钟。于是，可以得到具有优异特性的压电膜72。

注意，例如RTP(快速热处理)系统可以被用作用于干燥、脱脂和烘焙步骤的加热系统。RTP系统通过来自热板或者红外线灯的辐射执行热处理。

然后，包括前述的涂布、干燥、脱脂和烘焙步骤的压电层形成步骤被重复多次。在本实施例的情形中，压电层形成步骤被重复十次。这样，如图5C所示，形成包括十层压电膜72的具有预定厚度的压电层70。在其中溶胶每一次涂布的厚度为约0.1μm的情形中，压电膜70的总的膜厚为约1.1μm。

注意，在实际的工艺中，通过烘焙压电前驱体膜71分别形成第一和第二压电膜72。第三和随后的膜以如下方式形成。首先，对于压电前驱体膜71中的每一个执行涂布、干燥和脱脂步骤两次。随后，在烘焙步骤中，一次烘焙两个压电前驱体膜71。换句话说，通过执行六次烘焙，可以形成由十层压电膜72组成的压电层70。在此，优选的是，对于这样的压电层70的总的烘焙时间不超过三小时。这使得形成具有优异特性的压电层70成为可能。

在此，在不同的掺杂剂量被掺杂到压电层70的情况下，测量压电层70的耐受电压、相对介电常数和电阻率。测量结果被示于下面的表1中。

[表1]

如表1所示，因为压电层70通过将掺杂剂掺杂到其的方式来形成，所以，压电层70可以被形成为具有不低于20MΩ·cm的电阻率和不低于900kV/cm的耐受电压。因此，可以延长压电层70的耐久寿命。顺带地，即使掺杂了掺杂剂，压电层70的相对介电常数也可以为750～1500，并且其结晶度可以被显著提高。因此，可以延长压电层70的耐久寿命。

此外，通过根据本实施例的压电层70的制造方法，可以形成泄漏电流不大于1×10^-8A/cm²的压电层70。通过如上所述地设定泄漏电流，可以延长压电层70的耐久寿命。

因此，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15～30kV/cm并且剩余极化强度Pr为约10～25μC/cm²。

此外，在通过图5A到图5C所示的步骤形成压电层70之后，上电极膜80被形成在通道形成衬底10的整个表面上，如图6A所示。上电极膜80由例如铱制成。然后，压电层70和上电极膜80被图案化于分别与多个压力产生腔12相对的多个区域的每一个。于是，形成压电元件300。

以这样的方式所形成的压电层70具有高达150～250(pC/N)的压电常数d₃₁，由此压电元件300的位移特性被显著提高。于是，可以提高喷墨特性。

随后，形成引出电极90。具体地，引出电极90以如下方式被形成。如图6B所示，首先，引出电极90被形成在通道形成衬底10的整个表面上。引出电极90由例如金(Au)等制成。此后，通过使用由光刻胶等制成的掩模图案(没有示出)，在各个压电元件300中图案化引出电极90。

然后，如图6C所示，例如利用胶粘剂34，将保护板30接合到通道形成衬底10的顶部。保护板30容纳这样被图案化的多个压电元件300。顺带地，储液室部分31和压电元件容纳部分32等预先被形成在保护板30中。此外，保护板30由例如厚度为约400μm的单晶硅衬底制成。将保护板30接合到通道形成衬底10明显地增大了所得通道形成衬底10的刚度。

随后，如图6D所示，通过将通道形成衬底10的表面(该表面与其上形成压电元件300的表面相反)上的二氧化硅膜52图案化成预定形状，形成保护膜51。在将保护膜51作为掩模的情况下，使用诸如KOH的碱性溶液对通道形成衬底10进行各向异性刻蚀(湿法刻蚀)。由此，在通道形成衬底10中形成压力产生腔12、连通部分13、墨水供应通路14等。

随后，喷嘴板20被接合到通道形成衬底10的表面，所述表面与保护板30已经被接合到其上的表面相反。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30上。由此，如图1所示的喷墨记录头被形成。

注意，通过前述的多系列的膜形成和各向异性刻蚀，在单个晶片上一次实际形成大量的芯片。在该工艺完成之后，晶片被分割成如图1所示的每一个具有芯片大小的通道形成衬底10。于是，喷墨记录头被形成。

根据本发明，如上所述，构成压电元件300的压电层70中的每一个被形成为具有不低于20MΩ·cm的电阻率。这增大了压电层70的压电常数d₃₁。因此，提高了压电元件300的位移特性。此外，提高了压电层70的结晶度。因此，例如，压电层70的耐受电压可以不低于900kV/cm，同时其泄漏电流可以不大于1×10^-8A/cm²。由此，压电层70的耐久寿命可以被显著延长。

在此，对具有上述特性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7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。在耐久性测试中施加的驱动脉冲为具有50V电压和100kHz频率的正弦波。在位移测量过程中施加的驱动脉冲为具有30V电压和800Hz频率的梯形波。

如图7所示，对于根据本发明的压电元件，其位移量随着承受的脉冲的次数的增加而减小，就是说，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或者MOD法形成了压电层。但是，其并不具体地被限制于此。例如，压电层可以通过溅射法形成。在通过所述的溅射法形成压电膜的情形中，在650～750℃下对压电前驱体膜进行半小时到三小时的后退火就足够了。

此外，在上述的第一实施例中，选自镍(Ni)、锰(Mn)和锶(Sr)的至少一种掺杂剂被掺杂到构成压电元件300的每个压电层70中。但是，其并不具体地被限制于此。即使没有将镍(Ni)、锰(Mn)和锶(Sr)等掺杂到其中，也可以获得具有所期望的特性的压电层70。

此外，根据这些实施例的每一个的喷墨记录头构成了具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装置中。图8是示出了喷墨记录装置的示例的示意性构造图。

如图8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。记录头单元1A和1B被安装到其上的托架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，使得记录头单元1A和1B被安装到其上的托架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、并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，虽然上面在以喷墨记录头作为液体喷射头的示例的情况下描述了第一实施例，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。

Claims (12)

1.一种制造压电元件的方法，包括如下步骤：

在衬底上形成下电极；

通过在所述下电极上形成压电前驱体膜并且通过随后在650℃到750℃下将所述压电前驱体膜烘焙半小时到三小时，来形成压电层，其中在所述压电前驱体膜中包含Pb、Zr和Ti，并且在所述前驱体膜被烘焙之后Pb、Zr和Ti的组成比变为Pb/(Zr+Ti)大于1.0且不超过1.3，并且选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂被掺杂到所述压电前驱体膜；以及

在所述压电层上形成上电极。

2.如权利要求1所述的方法，其中将要掺杂的掺杂剂量不超过所述压电层的10mol％。

3.如权利要求1所述的方法，其中在所述形成压电层的步骤中，通过重复进行压电膜形成步骤来形成所述压电层，所述压电膜形成步骤通过烘焙多层所述压电前驱体膜来形成所述压电膜，并且在每一个压电层形成步骤中用于烘焙所述压电膜的时间长度不少于半个小时，且用于所述压电层的烘焙时间的总长度不超过三个小时。

4.一种制造液体喷射头的方法，其中，所述液体喷射头包括通过使用如权利要求1至3中任一项所述的方法而制造的压电元件。

5.一种压电元件，包括：

设置在衬底之上的下电极；

设置在所述下电极之上的压电层；和

设置在所述压电层之上的上电极，

其中所述压电层包含Pb、Zr和Ti，该Pb、Zr和Ti的组成比Pb/(Zr+Ti)大于1.0且不超过1.3，并且所述压电层包含选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂，以及

其中，所述压电层的电阻率不低于20MΩ·cm。

6.如权利要求5所述的压电元件，其中，所述压电层的耐受电压不低于900kV/cm。

7.如权利要求5所述的压电元件，其中，所述压电层的泄漏电流不大于1×10^-8A/cm²。

8.如权利要求5所述的压电元件，其中，所述压电层的相对介电常数为750到1500。

9.如权利要求5所述的压电元件，其中，所述压电层的矫顽电场为15到30kV/cm，且剩余极化强度为10到25μC/cm²。

10.一种压电元件，包括：

设置在衬底之上的下电极；

设置在所述下电极之上的压电层；和

设置在所述压电层之上的上电极，

其中所述压电层包含选自由锰、镍和锶组成的组中的至少一种掺杂剂，且所述压电层的电阻率不低于20MΩ·cm，以及，

其中所述压电层的泄漏电流不大于1×10^-8A/cm²，且所述压电层的耐受电压不低于900kV/cm，

矫顽电场为15到30kV/cm，且剩余极化强度为10到25μC/cm²。

11.一种液体喷射头，包括：

如权利要求5至10中任一项所述的压电元件；和

通道形成衬底，所述压电元件在振动板被置于所述通道形成衬底与所述压电元件之间的情况下被设置到所述通道形成衬底，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。

12.一种液体喷射设备，包括如权利要求11所述的液体喷射头。

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