CN104641481B - 薄膜压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器和喷墨打印机装置 - Google Patents

薄膜压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器和喷墨打印机装置 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及的薄膜压电元件包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜、以及配置成将该压电薄膜保持于其间的一对电极膜。

Description

薄膜压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器和喷墨 打印机装置
技术领域
本发明涉及使用薄膜压电材料的薄膜压电元件；包括薄膜压电元件的压电致动器和压电传感器；以及包括压电致动器的硬盘驱动器和喷墨打印机装置。
背景技术
当压电薄膜形成时，为了实现良好的压电特性，膜的结晶性被控制。为了实现高结晶性，压电薄膜通常在单结晶基板上外延生长。
用于制造压电薄膜的一般的方法包括诸如离子电镀法、溅射法、电子束蒸镀法和MOCVD法(金属有机化合物化学气相沉积法)的干法、以及诸如溶胶-凝胶法和MOD法(金属有机化合物分解法)的湿法。
专利文献1公开了压电薄膜的底层，该底层通过溅射法形成。通过使用具有比压电薄膜小的a轴的晶格常数的底层从而增强压电薄膜的c轴取向，其结果使压电薄膜的压电特性增强。
专利文献2公开了由晶粒构成的铌酸碱基压电薄膜，为了实现高的压电常数，晶粒的大多数具有柱状结构，该柱状结构在基板的厚度方向上比在平面方向上具有更长的长度，并且晶粒在基板的平面方向上具有0.1μm以上且1μm以下的平均晶粒直径，。
专利文献3公开了电介质薄膜通过MOCVD法形成，然后，在包含臭氧的氧化性气体的气氛中退火以减少在电介质薄膜的网眼结构中的缺陷，其结果，降低了泄漏电流。
专利文献
专利文献1：日本未经审查的专利申请公开No.11-026296
专利文献2：日本未经审查的专利申请公开No.2008-159807
专利文献3：日本未经审查的专利申请公开No.10-182300
发明内容
如上所述，为了实现铌酸碱基压电薄膜的实用的压电特性，平均晶粒直径需要被控制在适当的范围内。
然而，如果晶粒直径变大，则当在形成于厚度方向(垂直于电极膜)上的晶界发生氧缺陷时，晶界用作电流通道，从而增大电极膜之间的泄漏电流的风险增加。图2A是表示泄漏电流通过比适当范围大的平均晶粒直径而增加了的铌酸碱基压电薄膜的截面的示意图，图2B表示实际观察到的图像。
图2A和2B中所示的薄膜压电元件包括基板101、下部电极102、压电薄膜103和上部电极104，并且压电薄膜103的粒子由晶界106分隔。
其问题是对于薄膜压电元件的制造和其可靠性高度关注的问题。如上所述，通常使用的对策是在沉积之后使压电薄膜退火，但即使当电介质薄膜通过溅射法形成然后进行退火时，也获得一定程度的效果，但难以在膜中的全部晶界消除氧缺陷。因此，成膜之后的退火不是用于减小电极膜之间的泄漏电流的令人满意的对策。
本发明是有鉴于该问题而完成的发明，其目的在于，不使铌酸钾钠基压电薄膜(以下简称为“KNN薄膜”)的压电特性劣化，通过减小电极膜之间的泄漏电流从而可以提高薄膜压电元件的可靠性。
本发明所涉及的薄膜压电元件包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜(KNN薄膜)、以及配置成将压电薄膜保持于其间的一对电极层。当通过晶体生长形成的KNN薄膜具有在该范围内的平均晶粒直径时，在薄膜压电元件中在压电薄膜的上下形成的电极膜之间的泄漏电流能够被减小。铌酸钾钠基压电薄膜是指具有由基本化学式(NaxK1-x)NbO3(0<x<1)表示并且必要时在存在碱金属的A位和存在Nb的B位包含各种添加物的薄膜的组合物。
在此，定义本发明所涉及的平均晶粒直径。具体来说，平均晶粒直径由通过用扫描电子显微镜(以下简称为“SEM”)在以5000倍的图像放大倍数的视野内观察压电薄膜的表面而获得的图像的图像分析来计算。每个晶粒的直径通过将其形状近似为圆形来确定。近似晶粒直径的平均值被视为平均晶粒直径(参考图4)。
再有，本发明所涉及的压电薄膜优选具有下述结构：垂直于电极膜的方向上的截面包含在压电薄膜的厚度方向上存在多个粒子的部分，构成存在多个粒子的部分的晶粒的总截面积的比例是压电薄膜的总截面积的50％以上。
在此，截面是通过用机器或聚焦离子束(以下简称为“FIB”)在压电薄膜的厚度方向上切割包括压电薄膜的层叠体并且其切断面用SEM或透射电子显微镜(以下简称为“TEM”)以10000倍的图像放大倍数观察而获得的表面。所谓“在压电薄膜的厚度方向上存在多个粒子的部分”，是指在图3A和图3B中所示的厚度方向上至少两个粒子被沉积的部分。另外，所谓“构成存在多个粒子的部分的粒子的总截面积”，是指在图3A中所示的粒子A至V的截面积或在图3B中所示的粒子A至I的截面积的总和。图3C表示实际的TEM图像。
在图3A至图3C中所示的本发明所涉及的薄膜压电元件包括基板201、下部电极202、压电薄膜203和上部电极204，并且压电薄膜203的粒子由晶界206分隔。
优选，本发明的压电薄膜包含Mn(锰)。当该薄膜包含Mn时，泄漏电流可以减小，并且可以实现高的压电特性-d31。
另外，优选，本发明的压电薄膜包含Li(锂)、Sr(锶)、Ba(钡)、Zr(锆)和Ta(钽)中的至少三种元素。当该薄膜包含这些元素时，泄漏电流可以减小，并且可以实现高的压电特性-d31。
根据本发明，构成铌酸钾钠基压电薄膜的晶粒的平均晶粒直径可以在预定范围内进行调节，并且由此可以使对于薄膜压电元件而言的两个重要特性、即改进了的压电特性和降低了的电极膜之间的泄漏电流均满足。
本发明所涉及的压电致动器包括具有增加的压电特性和减小的泄漏电流并且可以提高变形特性的薄膜压电元件，本发明所涉及的压电传感器包括具有增加的压电特性和减小的泄漏电流并且可以提高检测灵敏度的薄膜压电元件。因此，可提供高性能的硬盘驱动器和喷墨打印机装置。
附图说明
图1是本发明所涉及的薄膜压电元件的配置图。
图2A是具有高结晶性的压电薄膜的截面结构的示意图。
图2B是截面结构的透射电子显微镜(TEM)的图像。
图3A和图3B分别为本发明所涉及的铌酸钾钠基压电薄膜的截面结构的示意图。
图3C是截面结构的透射电子显微镜(TEM)的图像。
图4是表示本发明所涉及的平均晶粒直径的定义的图。
图5A和5B是本发明所涉及的压电致动器的结构图。
图6A至6D是本发明所涉及的压电传感器的结构图。
图7是本发明所涉及的硬盘驱动器的结构图。
图8是是本发明所涉及的喷墨打印机装置的结构图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地描述本发明的优选的实施方式。
图1表示本发明的一个实施方式所涉及的薄膜压电元件10的配置。
基板1由单结晶硅、蓝宝石、氧化镁等构成，从成本和工艺的可操作性的观点出发，特别优选为单结晶硅。基板1的厚度一般为10至1000μm。
下部电极膜2在基板1上形成。作为材料，优选为Pt(铂)和Rh(铑)。该形成方法是气相沉积法或溅射法。厚度优选为50至1000nm。
压电薄膜3在下部电极膜2上形成。压电薄膜3是具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜。
如果平均晶粒直径小于60nm，则压电特性-d31减小到低于满足薄膜压电元件的实际使用的值，而如果平均晶粒直径超过90nm，则电极膜之间的泄漏电流增大到高于薄膜压电元件的实际使用的上限值。较小的平均晶粒直径使得多个晶粒在压电薄膜3的厚度方向上沉积。这在图3A和图3B中示意性地表示，其中，粒子的晶界在电极膜之间是复杂的，这增加了电极膜之间的晶界的总长度。
在垂直于电极膜的方向上的压电薄膜3的截面包含在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的部分，构成存在多个粒子的部分的粒子的总截面积的比例优选为压电薄膜3的总截面积的50％以上，更优选为70％以上。当在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的部分的总截面对该膜的总截面积的比例在上述范围内时，电极膜之间的晶界是复杂的，以增加晶界的长度，从而减小电极膜之间的泄漏电流。
压电薄膜3优选包含Mn(锰)。在这种情况下，薄膜压电元件10的泄漏电流可以减小，并且可以实现更高的压电特性-d31。通过将Mn(锰)添加到KNN薄膜来降低孔密度和氧空位而改善泄漏电流特性的技术是已知的。
压电薄膜3优选包含Li(锂)、Sr(锶)、Ba(钡)、Zr(锆)和Ta(钽)中的至少三种元素。当薄膜3包含这些元素时，泄漏电流可以减小，并且可以实现更高的压电特性-d31。
压电薄膜3包括容易在沉积工艺中蒸发的K(钾)和Na(钠)作为主要成分，并且上述元素的添加使得在压电薄膜中的碱金属的组成稳定。这样，我们可以恰当地获得压电薄膜的组成。
此外，上述元素的添加倾向于不在高温下的工艺中引起压电薄膜中的去极化，并且可以改善薄膜压电元件的可靠性。
压电薄膜3的厚度没有特别的限制，例如可以是约0.5μm至10μm。
其次，上部电极膜4在压电薄膜3上形成。材料优选为Pt或Rh，这与下部电极膜2相同。厚度优选为50nm至1000nm。
然后，包括压电薄膜3的层叠体通过光刻和干法蚀刻或湿法蚀刻进行图案化，并且最终基板1被切割以产生薄膜压电元件10。基板1可以从薄膜压电元件10移除，产生仅包括层叠体的薄膜压电薄膜。另外，在该层叠体进行图案化之后，保护膜可以使用聚酰亚胺等形成。
用于评估本发明的实施方式所涉及的压电薄膜3的方法如下。
(1)平均晶粒直径的计算：
在形成之后压电薄膜3的表面用扫描电子显微镜(以下简称为“SEM”)在以5000倍的图像放大倍数的视野内观察，然后对得到的图像进行图像分析。每个晶粒的直径通过将其形状近似为圆形来确定。近似晶粒直径的平均值被视为平均晶粒直径(参考图4)。
(2)在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的区域的比例的计算：
在上部电极膜4在压电薄膜3上形成之后，压电薄膜3在压电薄膜3的厚度方向用机器或聚焦离子束(以下简称为“FIB”)切割，并且切割表面用SEM或透射电子显微镜(以下简称为“TEM”)以10000倍的图像放大倍数观察。在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的部分中的晶粒的总截面积被确定，并且将该总截面积除以观察范围内的截面的总面积(参考图3A和图3B)。
(3)电极膜之间的泄漏电流密度的测量：
基板1被切割成5mm×20mm的尺寸以产生薄膜压电元件10，然后其通过在其中的上部电极膜2和下部电极膜4之间施加DC±20V来测量。铁电评估系统TF-1000(由aixACCT公司制造)用作评估装置。电压施加时间为2秒。
(4)压电常数-d31的测量：
在700Hz下3Vp-p和20Vp-p的电压被施加在薄膜压电元件10的上部电极膜2和下部电极膜4之间，并且在薄膜压电元件10的尖端的位移用激光多普勒测振仪和示波器测量。
压电常数-d31可以通过基于下式(1)的计算来确定：
式(1)
hs：Si基板的厚度[400μm]，s11,p：KNN薄膜的弹性柔量[1/104GPa]，s11,s：Si基板的弹性柔量[1/168GPa]，L：驱动部分的长度[13.5mm]，δ：位移，V：施加的电压
(实施例1)
下部电极膜2通过在由单结晶硅构成的基板1上的晶体生长而形成，以形成压电薄膜3(KNN薄膜)的底层。下部电极膜2是Pt膜并且具有50至1000nm的厚度。形成方法是溅射法，并且该膜在500℃下的基板1的加热下形成。
然后，压电薄膜3(KNN薄膜)使用(K，Na)NbO3溅射靶形成。该形成方法是溅射法，并且如下部电极膜2那样，压电薄膜3在基板1处于高温的条件下形成。
基板温度被设定为520℃至460℃。在520℃以下的基板温度，晶体生长受到抑制，从而导致压电薄膜3的平均晶粒直径减小。在460℃以上的设定温度，压电薄膜3的平均晶粒直径能够被防止过度减小，并且可防止压电常数-d31的劣化。
如以上所指出的那样，较小的平均晶粒直径使得多个晶粒在压电薄膜3的厚度方向上沉积。这在图3A和图3B中示意性地表示，其中在电极膜之间粒子的晶界是复杂的，这增加了电极膜之间的晶界的总长度。
本发明的发明人假设泄漏通道的以下的形成机制。对于泄漏通道而言的主要原因在于晶界中氧缺陷。氧缺陷由诸如加热历史、膜沉积期间的氧分压、膜厚度、添加物的量等原因而部分地产生，在所有晶界中分布不均匀。随着晶界的总长度增大，出现氧缺陷的位置与晶界的总长度的比例减小，导致泄露通道减少。假定起因于一个晶界的泄漏通道的发生率是A％，并且在厚度方向上沉积的晶粒的数目是N，则由晶粒导致的连续的泄露通道的风险是AN％。另一方面，如图2A所示，如果结晶性变高，则在电极膜之间沉积的晶粒的数目是1，并且因此起因于晶界的泄漏通道的风险是A％。因为A＞AN是必须的，所以在厚度方向上的多个晶粒的沉积具有降低电极膜之间的泄漏电流的效果。
然而，如上所述，压电特性-d31通过过度减小平均晶粒直径而减小。因此，有必要实现泄漏电流的减小，同时通过将平均晶粒直径控制在适当范围内来保持薄膜压电元件10所需的压电特性。
接着，在压电薄膜3(KNN薄膜)的表面的平均晶粒直径通过上述方法进行测量。
然后，上部电极膜4在压电薄膜3上通过溅射法形成。如下部电极膜2那样，材料优选为Pt膜。厚度为50至1000nm。
接着，包括压电薄膜3的层叠体通过光刻和干法蚀刻或湿法蚀刻进行图案化，并且最终基板1被切割成5mm×20mm的尺寸，产生多个薄膜压电元件10。
所得的薄膜压电元件10中的一个被切割，并且在截面中存在多个粒子的面积的比例通过上述方法确定。另外，电极膜之间的泄漏电流密度和压电常数-d31使用另一个薄膜压电元件10进行测量。从实用观点来看，薄膜压电元件10被要求具有1×10-6A/cm2以下的泄漏电流密度以及70pm/V以上的-d31。
(实施例2)
包含(K，Na)NbO3和在0.1至3.0原子％的范围内添加作为添加物的Mn的溅射靶代替在实施例1中使用的(K，Na)NbO3溅射靶而使用。3.0原子％以下的Mn的添加量趋向于抑制压电薄膜3(KNN薄膜)的-d31的下降，并且0.1原子％以上的Mn的添加量趋向于容易地实现减小电极膜之间的泄漏电流的效果。
基板温度被设定为520℃至480℃。在520℃以下的基板温度，晶体生长受到抑制，从而导致压电薄膜3的平均晶粒直径减小。在480℃以上的设定温度，压电薄膜3的平均晶粒直径可防止过度减小，并且可防止压电常数-d31的劣化。除了溅射靶和基板设定温度以外的条件都与实施例1相同。
(实施例3)
还包含至少三种选自Li、Sr、Ba、Zr、Ta中的添加物并添加作为添加物的溅射靶代替在实施例1中所用的溅射靶(K，Na)NbO3而使用。所添加的元素量的范围是：Li：0.1至3.0原子％，Sr：0.5至6.0原子％，Ba：0.05至0.3原子％，Zr：0.5至6.0原子％，以及Ta：0.01至15原子％。通过设定添加到上述值的每个元素的量的上限，趋向于防止压电常数-d31的劣化。通过设定添加到上述值的每个元素的量的下限，趋向于改善压电常数-d31。另外，锰可以在与实施例2中相同的范围内被添加。
基板温度被设定为520℃至470℃。在520℃以下的基板温度，晶体生长受到抑制，从而导致压电薄膜3(KNN薄膜)的平均晶粒直径减小。在470℃以上的设定温度，压电薄膜3的平均晶粒直径可防止过度减小，并且可防止压电常数-d31的劣化。除了溅射靶和基板设定温度以外的条件都与实施例1相同。
(压电致动器)
图5A是作为包括这些压电元件的压电致动器的一个实施例而安装在硬盘驱动器上的磁头组件的结构图。如该图所示，磁头组件200包括底板9、负载梁11、挠性件17、作为驱动元件的第一和第二压电元件13、以及具有磁头元件19a的滑动器19来作为其中的主要构成。
在这方面，负载梁11包括通过光束焊接等而固定于底板9的基端部11b、从该基端部11b延伸同时前端变细的第一板簧部11c和第二板簧部11d、在第一板簧部11c和第二板簧部11d之间设置的开口部11e、以及在第一板簧部11c和第二板簧部11d之后并且线性延伸同时前端变细的梁主体部11f。
第一和第二压电元件13被设置在作为挠性件17的一部分的布线柔性基板15上，同时保持彼此相距的预定距离。滑动器19被固定在挠性件17的端部，并根据第一和第二压电元件13的膨胀和收缩来旋转。
第一和第二压电元件13由第一电极层、第二电极层以及夹在第一电极层和第二电极层之间的压电层形成。根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为该压电层来获得耐高压性和足够的位移。
图5B是作为包括上述压电元件的压电致动器的另一个实施例的喷墨打印机喷头的压电致动器的结构图。
压电致动器300通过在基板20上层叠绝缘层23、下部电极层24、压电层25和上部电极层26而形成。
在预定的排出信号不被供给并且电压不在下部电极层24和上部电极层26之间施加的情况下，在压电层25中不发生变形。在具有不供给排出信号的压电元件的压力室21中不发生压力变化，并且墨滴不从其中的喷嘴27排出。
另一方面，在预定的排出信号被供给并且一定的电压在下部电极层24和上部电极层26之间被施加的情况下，在压电层25中发生变形。在具有被供给排出信号的压电元件的压力室21中绝缘膜23在很大程度上弯曲。因此，在压力室21中的压力瞬间增加，并且墨滴不从喷嘴27排出。
在这里，根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为该压电层来获得耐高压性和足够的位移。
(压电传感器)
图6A是作为包括上述压电元件的压电传感器的一个实施例的陀螺仪传感器的结构图(平面图)。图6B是沿图6A所示的线A-A截取的截面的截面图。
陀螺仪传感器400是具有基部110和连接到基部110的一个表面的两个臂120和130的音叉振动型角速度检测元件。该陀螺仪传感器400通过微机械加工构成上述压电元件的压电层30、上部电极层31和下部电极层32以符合音叉振动器的形状而获得。各个部分(基部110与臂120和130)由压电元件一体形成。
驱动电极层31a和31b以及检测电极层31d的各个设置在一个臂120的第一主面。同样地，驱动电极层31a和31b以及检测电极层31d的各个设置在另一个臂130的第一主面。这些电极层31a、31b、31c和31d的各个通过将上部电极层31蚀刻成预定的电极形状而获得。
与此同时，设置在基部110与臂120和130的整个第二主面(第一主面的背侧的主面)的下部电极层32起到作为陀螺仪传感器400的接地电极的作用。
在这里，每个臂120和130的长度方向被指定为Z方向，并且包括两个臂120和130的主面的平面被指定为XZ平面，使得XYZ直角坐标系被定义。
当驱动信号被供给到驱动电极层31a和31b时，两个臂120和130以面内振动模式被激励。面内振动模式是指其中两个臂120和130在平行于这两个臂120和130的主面的方向上被激励的振动模式。例如，当一个臂120以速度V1在-X方向上被激励时，另一臂130以速度V2在+X方向上被激励。
在以角速度ω的旋转在该状态下被加到陀螺仪传感器400同时旋转轴被指定为z轴的情况下，该科里奥利力在与速度方向正交的方向上被施加到两个臂120和130的每一个，并且激励以面外振动模式发生。面外振动模式是指其中两个臂120和130在正交于这两个臂120和130的主面的方向上被激发的振动模式。例如，当施加到一个臂120的科里奥利力F1在-Y方向上时，施加到另一个臂130的科里奥利力F2在+Y方向。
科里奥利F1和F2的大小与角速度ω成比例，因此，角速度ω可以通过由压电层30将因科里奥利力F1和F2引起的臂120和130的机械应变转换为电信号(检测信号)并从检测电极层31c和31d提取它们而确定。
根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为该压电层来获得耐高压性和足够的检测灵敏度。
图6C是作为包括上述压电元件的压电传感器的第二实施例的压力传感器的结构图。
压力传感器500具有空腔45以响应压力的施加，另外，由支撑构件44形成以支撑压电元件40、电流放大器46和电压测量仪器47。压电元件40包括以该顺序在支撑构件44上层叠的共用电极层41、压电层42和单独的电极层43。在这里，当施加外力时，压电元件40被弯曲并且电压由电压测量仪器47检测。
根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为该压电层来获得耐高压性和足够的检测灵敏度。
图6D是作为包括上述压电元件的压电传感器的第三实施例的脉冲波传感器的结构图。
脉冲波传感器600被配置成在基板51上配备有发送压电元件和接收压电元件。在这里，在发送压电元件中，电极层54a和55a被设置在厚度方向上的发送压电层52的两个表面上，在接收压电元件中，电极层54b和55b也被设置在厚度方向上的接收压电层53的两个表面上。另外，电极56和上表面电极57被设置在基板51上，其中电极层54b和55b分别由导线而电连接到上表面电极57。
为了检测活体的脉冲，首先，使脉冲波传感器600的基板背面(不配备压电元件的表面)与活体接触。然后，当检测到脉冲时，特定的驱动电压信号被输出到发送压电元件的两个电极层54a和55a。发送压电元件根据输入到这两个电极层54a和55a的驱动电压信号而被激励，以便产生超声波并将超声波发射到活体内。发送到活体的超声波被血流反射并且由接收压电元件接收。接收压电元件将接收到的超声波转换为电压信号并从两个电极层54b和55b输出。
根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为这两个压电层来获得耐高压性和足够的检测灵敏度。
(硬盘驱动器)
图7是配备有在图5A中所示的磁头组件的硬盘驱动器的结构图。
硬盘驱动器700具有用作记录介质的硬盘61和用于将磁信息记录于其上并在机柜60中重新生成的磁头臂组件62。尽管在图中未表示，但硬盘61通过马达而旋转。
在磁头臂组件62中，通过由音圈马达63以围绕连接到该致动器臂64的主轴和磁头组件65而自由旋转的方式支撑的致动器臂64形成的多个组件在图中在深度方向被层叠。磁头滑动器19以与硬盘61相对的方式被附接到磁头组件65的端部(参考图5A)。
至于磁头组件65，磁头元件19a(参考图5A)在两个步骤中上下移动的形式被采用。磁头元件19a的相对大的运动通过基于音圈马达63的磁头组件65和致动器臂64的整个驱动来控制，精细的运动通过由磁头组件65的端部驱动磁头滑动器19来控制。
根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为用于该磁头组件65的该压电元件中的压电层来获得耐高压性和足够的位移。
(喷墨打印机装置)
图8是配备有图5B中所示的喷墨打印机喷头的喷墨打印机装置的结构图。
喷墨打印机装置800被配置成主要包括喷墨打印机喷头70、主体71、托盘72和喷头驱动机构73。
喷墨打印机装置800总计具有四种颜色、黄色、品红、青色和黑色的墨盒，并且被配置成能够执行全彩色打印。另外，该喷墨打印机装置800在内侧具有专用控制器板等，并且喷墨打印机喷头70的喷墨定时和喷头驱动机构73的扫描被控制。与此同时，主体71，在背面具有托盘72并在内侧具有自动供纸器(自动连续进纸机构)76，以便自动发送记录纸75并且从前置递送端口74递送记录纸75。
根据本发明，可以通过使用显示出小的泄漏电流和大的位移的压电层作为用于喷墨打印机喷头70的压电致动器的压电元件中的该压电层来提供具有耐高压性和高安全性的喷墨打印机装置。
实施例
以下，基于实施例和比较例进一步详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例。
(实施例1)
下部电极膜2通过在单结晶硅的基板1上的晶体生长而形成，以形成作为压电薄膜3的KNN薄膜的底层。下部电极膜2包括Pt膜并且具有200nm的厚度。下部电极膜2在基板处于500℃的条件下通过溅射法形成。
然后，KNN薄膜使用(K，Na)NbO3溅射靶来沉积。KNN膜在基板处于520℃的条件下通过溅射法形成。KNN膜的厚度为2.0μm。
为了评估压电薄膜3的平均晶粒直径，压电薄膜3的表面用SEM观察。该膜表面的SEM图像以5000倍的观察放大倍数而取得，然后进行图像分析。每个晶粒的直径通过将该形状近似为圆形来确定。近似晶粒直径的平均值被视为平均晶粒直径。在该实施例中，平均晶粒直径为90nm。
接着，Pt被沉积以形成上部电极膜4。关于下部电极膜2的相同的溅射法用作形成方法，但该基板温度为200℃。该膜的厚度为200nm。
接着，包括压电薄膜3的层叠体通过光刻和干法蚀刻或湿法蚀刻进行图案化，进一步该基板被切割成5mm×20mm的尺寸，产生多个薄膜压电元件10。
在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的面积的比例被确定。为了观察压电薄膜3的截面，薄膜压电元件10的一部分使用FIB而在厚度方向上被切割以便形成切割表面。该切割表面用TEM以10000倍的观察放大倍数观察，以形成截面图像。然后，在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的部分中的晶粒的面积的总和被确定，并且除以观察范围内的截面的总面积以计算在厚度方向存在多个粒子的区域的比例。所得到的比例为42％。
另外，另一个薄膜压电元件10的压电特性-d31被评估。在700Hz下3Vp-p和20Vp-p的电压被施加在薄膜压电元件10的上部电极膜和下部电极膜之间，并且在薄膜压电元件10的尖端的位移用激光多普勒测振仪和示波器测量。压电常数-d31可以通过基于下式(1)的计算来确定：
式(1)
hs：Si基板的厚度[400μm]，s11,p：KNN薄膜的弹性柔量[1/104GPa]，s11,s：Si基板的弹性柔量[1/168GPa]，L：驱动部分的长度[13.5mm]，δ：位移，V：施加的电压
压电常数-d31在3Vp-p下为89(pm/V)并且在20Vp-p下为89(pm/V)。
表1示出在实施例1中压电薄膜3的沉积期间的基板温度、膜厚度、平均晶粒直径、截面中沉积的晶粒对总截面积的面积比例、泄漏电流密度和压电常数-d31。
(实施例2至7和比较例1至3)
薄膜压电元件10被制造并且以与实施例1相同的方式对于其特性进行评估，不同的是压电薄膜3在表1中所示的基板温度下形成。制造条件和评估结果表示于表1。
(实施例8至12以及比较例4和5)
包含0.4原子％的Mn的(K，Na)NbO3溅射靶用于形成压电薄膜3，并且压电薄膜3在表1中所示的基板温度下形成。在与实施例1相同的其他条件下，薄膜压电元件10被制造，并且其特性被评估。制造条件和评估结果表示于表1。
(实施例13至16以及比较例6和7)
包含1.5原子％的Li、0.1原子％的Ba和4原子％的Ta的(K，Na)NbO3溅射靶用于形成压电薄膜3，并且压电薄膜3在表1中所示的基板温度下形成。在与实施例1相同的其他条件下，薄膜压电元件10被制造，并且其特性被评估。制造条件和评估结果表示于表1。
(实施例17至20和比较例8和9)
包含0.4原子％的Mn、1.5原子％的Li、0.1原子％的Ba和4原子％的Ta的(K，Na)NbO3溅射靶用于形成压电薄膜3，并且压电薄膜3在表1中所示的基板温度下形成。在与实施例1相同的其他条件下，薄膜压电元件10被制造，并且其特性被评估。制造条件和评估结果表示于表1。
(实施例21至24和比较例10和11)
包含0.4原子％的Mn、1.5原子％的Li、3.0原子％的Sr、0.1原子％的Ba、3.0原子％的Zr和4原子％的Ta的(K，Na)NbO3溅射靶用于形成压电薄膜3，并且压电薄膜3在表1中所示的基板温度下形成。在与实施例1相同的其他条件下，薄膜压电元件10被制造，并且其特性被评估。制造条件和评估结果表示于表1。
可以确认各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的KNN薄膜和形成为将KNN薄膜保持于其间的一对电极膜的实施例1至24的薄膜压电元件10在20Vp-p下具有比具有超出该范围的平均晶粒直径的比较例1至11更大的压电常数-d31。这通过以下方式实现：对实施例1至24的薄膜压电元件10提供作为实际应用所需的最小值的1.0×10-6A/cm2以下的泄漏电流密度的特性和可以通过将平均晶粒直径控制为60nm以上且90nm以下而获得的压电特性。在3Vp-p具有更大的压电常数-d31的比较例1中，在20Vp-p下压电常数-d31是低的，这是因为压电常数-d31在20Vp-p由于高泄漏电流密度而不能被正常地测量。
还可以确认各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且在截面中具有50％以上的沉积的粒子面积比例的KNN薄膜的实施例2至24的薄膜压电元件10显示出比包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径但在截面中具有50％以下的沉积的粒子面积比例的KNN薄膜的实施例1的薄膜压电元件10低的泄漏电流密度。
将各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且包含Mn的KNN薄膜的实施例8至12的薄膜压电元件10的泄漏电流密度与各自包括具有与实施例8至12中基本相同(±5％)的平均晶粒直径但不包含Mn的KNN薄膜的实施例1至7的薄膜压电元件10的泄漏电流密度进行比较，可以确认实施例8至12的薄膜压电元件10具有较低的泄漏电流密度。
可以进一步确认各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且包含选自Li、Ba、Ta、Sr和Zr中的三种元素的KNN薄膜的实施例13至16的薄膜压电元件10显示出比不包含这些元素的实施例1至12的薄膜压电元件10高的压电常数-d31。在其他三种元素被选择的情况下，获得几乎相同的结果。
可以进一步确认各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且包含Mn、Li、Ba和Ta的KNN薄膜的实施例17至20的薄膜压电元件10显示出比各自包括仅包含Li、Ba和Ta但不包含Mn的KNN薄膜(在具有基本上相同的平均晶粒直径(±5％)的KNN薄膜之间的比较)的实施例13至16的薄膜压电元件10低的电流密度。另外，可以确认实施例17至20具有较高的压电常数-d31。
可以进一步确认各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且包含Mn、Li、Ba、Ta、Sr和Zr的KNN薄膜的实施例21至24的薄膜压电元件10显示出比各自包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径并且包含Mn、Li、Ba和Ta的KNN薄膜的实施例17至20的薄膜压电元件10高的压电常数-d31。
本发明所涉及的压电致动器包括具有增大的矫顽电场的薄膜压电元件并且可以提高变形特性，本发明所涉及的压电传感器包括具有增大的矫顽电场的薄膜压电元件并且可以提高检测灵敏度。因此，可提供高性能的硬盘驱动器和喷墨打印机装置。
[表1]
表1
注释)-d31：从以下的位移和值中计算
Si基板的杨氏模量：168GPa
KNN膜的杨氏模量：104GPa
Si基板的厚度：400μm
薄膜压电元件中的驱动部分的长度：13.5mm。

Claims (7)

1.一种薄膜压电元件，其特征在于，
包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜、以及配置成将所述压电薄膜保持于其间的一对电极膜，
垂直于所述电极膜的方向上的所述压电薄膜的截面结构包含在所述压电薄膜的厚度方向上存在多个粒子的部分，构成存在所述多个粒子的所述部分的粒子的总截面积的比例是所述压电薄膜的总截面积的50％以上90％以下。
2.根据权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于，
所述压电薄膜包含Mn(锰)。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜压电元件，其特征在于，
所述压电薄膜包含选自Li(锂)、Sr(锶)、Ba(钡)、Zr(锆)和Ta(钽)中的至少三种元素。
4.一种压电致动器，其特征在于，
包括权利要求1～3中任意一项所述的薄膜压电元件。
5.一种压电传感器，其特征在于，
包括权利要求1～3中任意一项所述的薄膜压电元件。
6.一种硬盘驱动器，其特征在于，
包括权利要求4所述的压电致动器。
7.一种喷墨打印机装置，其特征在于，
包括权利要求4所述的压电致动器。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6521241B2 (ja) 2015-05-28 2019-05-29 セイコーエプソン株式会社 圧電素子及び圧電素子応用デバイス
JP6578866B2 (ja) * 2015-10-02 2019-09-25 Tdk株式会社 圧電薄膜、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタヘッド
JP6239566B2 (ja) * 2015-10-16 2017-11-29 株式会社サイオクス 圧電薄膜付き積層基板、圧電薄膜素子およびその製造方法
JP2017179416A (ja) 2016-03-29 2017-10-05 Tdk株式会社 圧電磁器スパッタリングターゲット、非鉛圧電薄膜およびそれを用いた圧電薄膜素子
JP6874351B2 (ja) * 2016-12-07 2021-05-19 Tdk株式会社 圧電薄膜積層体、圧電薄膜基板、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置
JP7399752B2 (ja) * 2020-03-05 2023-12-18 住友化学株式会社 圧電膜、圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法
JP7464360B2 (ja) * 2019-07-04 2024-04-09 住友化学株式会社 圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法
JP7319848B2 (ja) * 2019-07-04 2023-08-02 住友化学株式会社 圧電積層体、圧電素子および圧電積層体の製造方法
US20220254988A1 (en) * 2019-07-04 2022-08-11 Sumitomo Chemical Company, Limited Piezoelectric film, piezoelectric layered body, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric layered body
JP7259605B2 (ja) * 2019-07-12 2023-04-18 三菱マテリアル株式会社 圧電体膜および圧電素子

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000307163A (ja) * 1999-04-20 2000-11-02 Seiko Epson Corp 圧電体薄膜素子、及びその製造方法
EP1405836A1 (en) * 2001-06-15 2004-04-07 TDK Corporation Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof
WO2005020341A1 (ja) * 2003-08-21 2005-03-03 Ngk Insulators, Ltd. 圧電／電歪デバイス
EP1965450A2 (en) * 2007-02-27 2008-09-03 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive porcelain composition and piezoelectric/electrostrictive element
CN102132433A (zh) * 2008-08-28 2011-07-20 京瓷株式会社 层叠型压电元件、喷射装置以及燃料喷射系统
CN102157678A (zh) * 2010-01-18 2011-08-17 日立电线株式会社 压电薄膜元件以及压电薄膜设备

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6140746A (en) * 1995-04-03 2000-10-31 Seiko Epson Corporation Piezoelectric thin film, method for producing the same, and ink jet recording head using the thin film
JPH10182300A (ja) 1996-12-18 1998-07-07 Sony Corp 誘電体薄膜のｍｏｃｖｄ方法およびアニール方法
JP3472087B2 (ja) 1997-06-30 2003-12-02 Ｔｄｋ株式会社 膜構造体、電子デバイス、記録媒体および酸化物導電性薄膜の製造方法
US6979938B2 (en) * 2003-06-18 2005-12-27 Xerox Corporation Electronic device formed from a thin film with vertically oriented columns with an insulating filler material
JP5118294B2 (ja) * 2004-09-29 2013-01-16 日本碍子株式会社 圧電／電歪磁器組成物、圧電／電歪体、及び圧電／電歪膜型素子
US7477004B2 (en) * 2004-09-29 2009-01-13 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive porcelain composition, piezoelectric/electrostrictive article, and piezoelectric/electrostrictive film type element
JP4782412B2 (ja) * 2004-12-24 2011-09-28 日本碍子株式会社 圧電／電歪体、圧電／電歪積層体、及び圧電／電歪膜型アクチュエータ
JP2008159807A (ja) 2006-12-22 2008-07-10 Hitachi Cable Ltd 圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子を用いて製造したアクチュエータとセンサ
JP5267225B2 (ja) * 2009-03-09 2013-08-21 Ｔｄｋ株式会社 誘電体素子の製造方法
JP5515675B2 (ja) * 2009-11-20 2014-06-11 日立金属株式会社 圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス
JP5510162B2 (ja) * 2010-07-30 2014-06-04 日立金属株式会社 圧電体薄膜ウェハの製造方法、圧電体薄膜素子、及び圧電体薄膜デバイス
JP5429385B2 (ja) * 2010-08-12 2014-02-26 株式会社村田製作所 圧電薄膜素子の製造方法、圧電薄膜素子及び圧電薄膜素子用部材
DE102010041567A1 (de) * 2010-09-28 2012-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Bleifreier, texturierter piezokeramischer Werkstoff mit Haupt- und Nebenphase und anisometrischen Keimen, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung dazu

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000307163A (ja) * 1999-04-20 2000-11-02 Seiko Epson Corp 圧電体薄膜素子、及びその製造方法
EP1405836A1 (en) * 2001-06-15 2004-04-07 TDK Corporation Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof
WO2005020341A1 (ja) * 2003-08-21 2005-03-03 Ngk Insulators, Ltd. 圧電／電歪デバイス
EP1965450A2 (en) * 2007-02-27 2008-09-03 Ngk Insulators, Ltd. Piezoelectric/electrostrictive porcelain composition and piezoelectric/electrostrictive element
CN102132433A (zh) * 2008-08-28 2011-07-20 京瓷株式会社 层叠型压电元件、喷射装置以及燃料喷射系统
CN102157678A (zh) * 2010-01-18 2011-08-17 日立电线株式会社 压电薄膜元件以及压电薄膜设备

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Publication number Publication date
JP2015534257A (ja) 2015-11-26
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