CN105826460B - 压电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷墨打印装置 - Google Patents

压电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷墨打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于，补偿构成压电薄膜元件的压电薄膜的氧缺陷并且进一步提高压电特性，以及进一步降低漏电流密度。本发明所涉及的压电薄膜元件，其特征在于，所述压电薄膜元件具备一对电极层和被所述一对电极层夹持的压电薄膜，所述一对电极层由Pt(铂)构成，至少在任意一个所述电极层中含有氧化物颗粒，所述氧化物颗粒是构成所述压电薄膜的至少任意一种元素的氧化物颗粒或者Pt的氧化物颗粒。

Description

压电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷 墨打印装置
技术领域
本发明涉及使用压电薄膜的压电薄膜元件；使用该压电薄膜元件的压电致动器和压电传感器；以及具备该压电致动器的硬盘驱动器和喷墨打印装置。
背景技术
近年来，取代块体压电材料而使用压电薄膜的压电元件的实用化正在不断发展。作为一个例子，可以列举作为利用了将被施加到压电薄膜的力转换成电压的压电效应的压电传感器的陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏波传感器、振动传感器(shock sensor)以及麦克风等。另外，作为利用了在将电压施加于压电薄膜的时候压电薄膜发生变形的逆压电效应的压电致动器，可以列举硬盘驱动器磁头组件、喷墨打印头、或者同样利用了逆压电效应的喇叭、蜂鸣器、共振器(resonator)等。
如果对压电材料实施薄膜化，则元件的小型化成为可能，因为随着能够应用的领域变得宽广而能够将多个元件统一制作于基板上，所以量产性提高。另外，做成传感器的情况下的灵敏度的提高等性能方面上的优点也很多。
构成压电薄膜元件的压电薄膜是由所谓溅射或化学气相沉积(CVD)的成膜方法来形成，但是在其成膜过程中会使压电薄膜中发生氧缺陷并且这些结构缺陷会对其压电特性造成很大影响。
在专利文献1中有方案提出控制氧缺陷容易发生的压电薄膜的在电极层界面上的结晶结构并且在膜厚方向上形成结晶结构的状态变化小的压电薄膜，从而能够取得压电特性的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2014-036035号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如专利文献1所示，作为用于提高压电薄膜的压电特性的手法，有控制压电薄膜的结晶结构并补偿氧缺陷的方法。
即，压电薄膜通过构成的元素与氧的最适合的结合状态，从而能够获得更高的压电特性。
可是，即使那样，构成压电薄膜元件的压电薄膜由于溅射或CVD等成膜工序中的氧缺陷的发生、或者由于与所邻接的电极层的反应而使氧缺陷发生，其结果抑制压电特性的提高。
另外，在驱动压电薄膜元件的情况下，该氧缺陷会在压电薄膜的内部产生泄露路径，漏电流密度增加。
本发明是鉴于上述问题而完成，从而补偿构成压电薄膜元件的压电薄膜的氧缺陷，并且压电特性的提高以及漏电流密度的降低成为可能。
解决技术问题的手段
本发明所涉及的压电薄膜元件具备一对电极层和被所述一对电极层夹持的压电薄膜，所述一对电极层由铂(Pt)构成，至少在任意一个所述电极层中含有氧化物颗粒，所述氧化物颗粒是构成所述压电薄膜的至少任意一种元素的氧化物颗粒或者Pt的氧化物颗粒。在此，所谓铂(Pt)是指纯金属的铂或者将铂作为主成分的铂类合金。还有，由该铂构成的电极层可以含有不可避免的杂质。另外，在此所谓主成分是指在含有杂质的电极层内含量最多的元素。
通过在电极层中含有所述氧化物颗粒，从而对于从压电薄膜到电极层的由还原引起的压电薄膜的氧缺陷、或者在成膜工序中的压电薄膜的氧缺陷，通过来自电极层中含有的氧化物颗粒的氧分子的补偿来进一步使压电薄膜的结晶结构最优化，由此压电特性的提高以及漏电流密度的降低成为可能。
另外，所述氧化物颗粒具有分散于所述电极层内的状态，包含所述压电薄膜的膜厚方向的截面上的每单位面积的所述氧化物颗粒的含有比率能够设为5％以上且20％以下。通过制成该构成，从而在电极层内，由所述氧化物颗粒引起的电阻就不会不均匀，并且均匀地向压电薄膜施加电场成为可能。在此，所谓分散的状态是指所述氧化物颗粒不连续地邻接，在一个颗粒的外周不接触别的颗粒的状态。另外，上述含有比率是将所述单位面积内分割成100×100以上的网格，并且用电极层所占的全部网格数来除氧化物颗粒所占的网格数从而求得的值。
进而，在所述电极层中含有的所述氧化物颗粒的含量能够设为5wt％以上且20wt％以下。含量的单位wt％是用电极层的质量来除电极层内的氧化物颗粒的质量从而以百分率进行表示的重量百分率。
在此，如果氧化物颗粒的含量超过20wt％，则由于电极层中施加电场的区域减少而造成压电薄膜上无法施加充足的电场，会有压电特性降低的情况。
另外，如果氧化物颗粒的含量低于5wt％，则由于电极层的氧化导致压电薄膜的还原而造成氧缺陷增加，会有本发明的效果难以产生的倾向。
所述氧化物颗粒的含量在所述电极层的膜厚方向上具有梯度，并且还能够设为其最大值存在于与所述压电薄膜侧的界面层的形态。在此，所谓界面层是指从所述电极层的所述压电薄膜侧的表面开始，构成所述电极层的物质的晶格面间隔的3倍以内的厚度的区域。
所述压电薄膜的氧缺陷因为是起因于来自电极层界面的还原，所以所述氧化物颗粒相对于电极层的膜厚方向在所述压电薄膜侧具有梯度，并且优选在电极层界面侧具有最大值。在该情况下的所述最大值，即包含压电薄膜的膜厚方向的截面上的所述电极层界面侧的每单位面积的所述氧化物颗粒的最大含有比率优选为5％以上且20％以下。另外，所述电极层界面侧的最大含量优选为5wt％以上且20wt％以下。
本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜适合于通过根据其压电特性发生机械性的位移并使压电薄膜的结晶结构最优化从而获得高的压电特性的压电薄膜元件，再有，对于具有与锆钛酸铅(PZT)相比由氧缺陷引起的漏电流密度大的铌酸钾钠类的压电薄膜的压电薄膜元件而言有用。在此，所谓铌酸钾钠类的压电薄膜是指具有钙钛矿结构并且含有铌、钾、钠的金属氧化物的压电薄膜，除了铌、钾、钠之外，还可以含有Li(锂)、Ba(钡)、Sr(锶)、Ta(钽)、Zr(锆)、Mn(锰)、Sb(锑)、Ca(钙)、Cu(铜)等添加物。
发明效果
根据本发明，能够提供一种补偿压电薄膜的氧缺陷并且进一步提高压电特性以及进一步降低漏电流密度成为可能的压电薄膜元件。
另外，在具有通过本发明最优化而得到的压电薄膜的压电薄膜元件中，实现更大的位移量成为可能，并且在使用该压电薄膜元件的压电致动器和压电传感器、以及具备该压电致动器的硬盘驱动器和喷墨打印装置中，谋求性能提高成为可能。
附图说明
图1是本发明所涉及的第1实施方式的压电薄膜元件的构成图。
图2是本发明所涉及的第2实施方式的压电薄膜元件的构成图。
图3是本发明所涉及的压电致动器的结构图。
图4是本发明所涉及的压电传感器的结构图。
图5是本发明所涉及的硬盘驱动器的结构图。
图6是本发明所涉及的喷墨打印装置的结构图。
符号说明
1…基板
2…下部电极层
3…压电薄膜
4…上部电极层
10…压电薄膜元件
200…磁头组件
300…压电致动器
400…陀螺仪传感器
500…压力传感器
600…脉搏波传感器
700…硬盘驱动器
800…喷墨打印装置
具体实施方式
以下参照附图对本发明优选的实施方式进行详细的说明。
(压电薄膜元件)
(第1实施方式)
在图1中表示本实施方式的压电薄膜元件10的构成。
作为基板1，可以采用单晶硅基板、绝缘体上硅(Silicon on Insulator)(SOI)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO基板、SrTiO3基板等，特别是从基板成本或工艺上的处理的观点出发，优选单晶硅基板。基板1的厚度通常为10～1000μm。
在基板1上形成下部电极层2。下部电极层2是由Pt与所含有的氧化物材料的同时成膜来形成，通过Pt靶与氧化物材料靶的二元溅射或由2个材料进行的二元蒸镀中的成膜条件的调节，从而下部电极层2中的氧化物含量的细微调节成为可能，与氧气氛中退火这样的热处理相比，所述氧化物含量的最优控制成为可能。能够将下部电极层2的膜厚设为50～1000nm。在本实施方式中，以一定的成膜条件来形成下部电极层2。
电极层中的氧化物颗粒的含量是通过由透射电子显微镜(TEM)观察电极层的膜厚方向的截面，并由能量色散X射线光谱仪(EDS)从任意面积中所含有的元素分析来算出氧化物颗粒与Pt的比率而获得。对于在本实施方式中的下部电极层2中的氧化物颗粒的含量没有限制，能够设为5wt％以上且20wt％以下。在此，下部电极层2中含有的氧化物颗粒是在电极层内不连续邻接，在一个颗粒的外周不接触别的颗粒，在下部电极层2的膜厚方向上氧化物颗粒与Pt的含有比率为一定的状态。对于在本实施方式中的下部电极层2中的氧化物颗粒的含有比率没有限制，能够将含有比率设为5％以上且20％以下。
再有，在下部电极层2上形成压电薄膜3。压电薄膜3的形成方法是在溅射法中，以氩气与氧气的混合气氛中使用高频电源进行成膜。对于膜厚没有特别限定，能够设定为220nm以上且3000nm以下。
作为如上所述的压电薄膜3，优选具有钙钛矿结构并且不含有铅的铌酸钾钠类的压电薄膜。然后，通过将Li(锂)、Ba(钡)、Sr(锶)、Ta(钽)、Zr(锆)、Mn(锰)、Sb(锑)、Ca(钙)、Cu(铜)等添加元素加到铌酸钾钠类的压电薄膜3，从而压电薄膜3的压电特性的进一步提高或漏电流密度的更进一步降低也成为可能。
接着，在压电薄膜3上形成上部电极层4。上部电极层4与下部电极层2同样地通过Pt与氧化物材料的同时成膜而形成，膜厚能够设为50～1000nm。
接着，由光刻以及干式蚀刻法、湿式蚀刻法对包含压电薄膜3的层叠体以25mm×5mm的尺寸形成图案，最后通过切断加工基板1从而获得单片化的压电薄膜元件10。
还有，也能够通过除去该压电薄膜元件10的基板1来制作只由层叠体构成的压电薄膜元件。另外，也能够对层叠体形成图案之后，以聚酰亚胺等来形成保护膜。
(第2实施方式)
在使压电薄膜元件的压电特性提高以及漏电流抑制进一步提高的情况下，能够制成以下的方式。在图2中表示本实施方式的压电薄膜元件10’的构成。
作为基板1能够采用单晶硅基板、绝缘体上硅(Silicon on Insulator)(SOI)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO基板、SrTiO3基板等，特别是从基板成本或工艺上的处理的观点出发，优选单晶硅基板。基板1的厚度通常为10～1000μm。
在基板1上形成第一下部电极层2a。第一下部电极层2a是由Pt与所含有的氧化物材料的同时成膜来形成，通过Pt靶与氧化物材料靶的二元溅射或由2个材料进行的二元蒸镀中的成膜条件的调节，从而第一下部电极层2a中的氧化物含量的细微调节成为可能，与氧气氛中退火的热处理相比，所述氧化物含量的最优控制成为可能。第一下部电极层2a的膜厚能够设为20～200nm。
接着，在第一下部电极层2a上形成第二下部电极层2b。第二下部电极层2b与第一下部电极层2a同样通过Pt与氧化物材料的同时成膜来形成，通过设定氧化物含量多于第一下部电极层2a的成膜条件，从而与氧气氛中退火的热处理相比，所述氧化物含量的最优控制和漏电流抑制成为可能。第二下部电极层2b的膜厚能够设为30～800nm。
电极层中的氧化物颗粒的含量是通过由透射电子显微镜(TEM)观察电极层的膜厚方向的截面，并由能量色散X射线光谱仪(EDS)从任意面积中所含有的元素分析来算出氧化物颗粒与Pt的比率而获得。对于在本实施方式中的下部电极层2a、2b中的氧化物颗粒的含量没有限制，第一下部电极层2a能够设为5wt％以上且10wt％以下，并且第二下部电极层2b能够设为14wt％以上且20wt％以下。这样，将第二下部电极层2b中的氧化物颗粒的含量进一步增加至多于第一下部电极层2a中的氧化物颗粒的含量，并且作为下部电极层整体而具有组成梯度。在此，在下部电极层2a、2b中所含有的氧化物颗粒在电极层内不连续地邻接，一个颗粒的外周不接触别的颗粒，在下部电极层2a以及2b的各个膜厚方向上氧化物颗粒与Pt的含有比率为一定的状态。对于在本实施方式中的下部电极层2a、2b中的氧化物颗粒的含有比率没有限制，含有比率在第一下部电极层2a中能够设为5％以上且10％以下，并且在第二下部电极层2b中能够设为14％以上且20％以下。
接着，在第二下部电极层2b上形成压电薄膜3。压电薄膜3的结构以及组成等与第1实施方式相同。
接着，在压电薄膜3上形成第一上部电极层4a。第一上部电极层4a通过与第二下部电极层2b同样地由Pt与氧化物材料的同时成膜来形成，膜厚能够设为30～800nm。
进一步，在第一上部电极层4a上形成第二上部电极层4b。第二上部电极层4b与第一下部电极层2a同样地通过由Pt与氧化物材料的同时成膜来形成，并且以氧化物含量成为少于第一上部电极层4a的成膜条件来形成。膜厚能够设为20～200nm。
接着，由光刻以及干式蚀刻法、湿式蚀刻法对包含压电薄膜3的层叠体以25mm×5mm的尺寸来形成图案，最后通过切断加工基板1，从而获得单片化的压电薄膜元件10’。
还有，也能够通过除去该压电薄膜元件10’的基板1来制作只由层叠体构成的压电薄膜元件。另外，也能够对层叠体形成图案之后，以聚酰亚胺等来形成保护膜。
(第3实施方式)
优先使压电薄膜元件的电阻值减少的情况也适于以下的方式。在图2中表示本实施方式的压电薄膜元件10’的构成。
作为基板1，能够采用单晶硅基板、绝缘体上硅(Silicon on Insulator)(SOI)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO基板、SrTiO3基板等，特别是从基板成本或工艺上的处理的观点出发，优选单晶硅基板。基板1的厚度通常为10～1000μm。
在基板1上形成第一下部电极层2a。所述第一下部电极层2a的材料为不含有氧化物材料的Pt，形成方法是溅射法或蒸镀法。第一下部电极层2a的膜厚能够设为20～200nm。
接着，在第一下部电极层2a上形成第二下部电极层2b。第二下部电极层2b通过Pt与所含有的氧化物材料的同时成膜来形成，通过Pt靶与氧化物材料靶的二元溅射或由2个材料进行的二元蒸镀中的成膜条件的调节，从而下部电极层2中的氧化物含量的细微调节成为可能，与氧气氛中退火的热处理相比，氧化物含量的最优控制成为可能。第二下部电极层2b的膜厚能够设为30～800nm。
电极层中的氧化物颗粒的含量是通过由透射电子显微镜(TEM)观察电极层的膜厚方向的截面，并由能量色散X射线光谱仪(EDS)从任意面积中所含有的元素分析来算出氧化物颗粒与Pt的比率而获得。对于在本实施方式中的第二下部电极层2b中的氧化物颗粒的含量没有限制，能够设为5wt％以上且20wt％以下。在此，在第二下部电极层2b中含有的氧化物颗粒是在电极层内不连续邻接，一个颗粒的外周不接触别的颗粒，在第二下部电极层2b的膜厚方向上氧化物颗粒与Pt的含有比率为一定的状态。对于在本实施方式中的第二下部电极层2b中的氧化物颗粒的含有比率没有限制，能够将含有比率设为5％以上且20％以下。再有，如第2实施方式中的第一下部电极层2a以及第二下部电极层2b那样，在本实施方式的第二下部电极层2b中也能够具有组成梯度。
接着，在第二下部电极层2b上形成压电薄膜3。压电薄膜3的结构以及组成等与第1实施方式相同。
接着，在压电薄膜3上形成第一上部电极层4a。第一上部电极层4a与第二下部电极层2b同样地通过Pt与氧化物材料的同时成膜来形成，膜厚能够设为30～800nm。
进一步，在第一上部电极层4a上形成第二上部电极层4b。第二上部电极层4b与第一下部电极层2a同样由Pt构成，并且以溅射法以及蒸镀法等来形成，膜厚能够设为20～200nm。
接着，由光刻以及干式蚀刻法、湿式蚀刻法对包含压电薄膜3的层叠体以25mm×5mm的尺寸来形成图案，最后通过切断加工基板1，从而获得单片化的压电薄膜元件10’。
还有，也能够通过除去该压电薄膜元件10’的基板1来制作只由层叠体构成的压电薄膜元件。另外，也能够对层叠体形成图案之后，以聚酰亚胺等来形成保护膜。
(压电薄膜元件的评价方法)
以上的实施方式的压电薄膜元件10、10’的评价方法如以下所述。
(1)位移量的测定：
在制作好的压电薄膜元件10、10’的上下部电极层2(2b)与4(4a)之间施加700Hz、3Vp-p以及20Vp-p，使用激光多普勒测振仪和示波器来测定压电薄膜元件10、10’的前端部的位移。
(2)漏电流密度的测定：
在将压电薄膜元件10、10’固定于具有由柔性电缆形成的配线的厚度为18μm的不锈钢薄板之后，以施加电压120Hz±27kV/cm对压电薄膜元件10、10’实施通电来测定漏电流密度。
(3)氧化物含量的测定：
由透射电子显微镜(TEM)观察下部电极层2、第二下部电极层2b以及第一上部电极层4a的膜厚方向的截面，并由能量色散X射线光谱仪(EDS)从1μm×1μm的面积中所含有的元素分析以氧化物颗粒的重量百分率(wt％)来算出。
(压电致动器)
图3(a)是作为使用这些压电薄膜元件的压电致动器的一个例子的被搭载于硬盘驱动器(以下也称为HDD)的磁头组件的构成图。如该图所示，磁头组件200作为其主要构成要件，具备：底座9、承重梁11、挠曲(flexure)17、作为驱动元件的第1以及第2压电薄膜元件13、以及具有磁头元件19a的滑块19。
然后，承重梁11具备：由例如束焊接等而粘贴于底座9的基端部11b、从该基端部11b以锥形进行延伸的第1以及第2板簧部11c以及11d、在第1以及第2板簧部11c以及11d之间形成的开口部11e、在第1以及第2板簧部11c以及11d上连续线性地且以锥形进行延伸的梁主部11f等。
第1以及第2压电薄膜元件13具有规定的间隔，分别配置于作为挠曲17的一部分的配线用柔性基板15上。滑块19被固定于挠曲17的前端部，并伴随第1以及第2压电薄膜元件13的伸缩而进行旋转运动。
第1以及第2压电薄膜元件13是由上部电极层、下部电极层、以及被该上部电极层与下部电极层夹持的压电薄膜所构成，作为该压电薄膜，通过使用具有大的位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够获得充分的位移量。
图3(b)是作为使用这些压电薄膜元件的压电致动器的其它例子的喷墨打印头的压电致动器的构成图。
压电致动器300是在基材20上层叠绝缘膜23、下部电极层24、压电薄膜25以及上部电极层26而构成。
在没有提供规定的吐出信号并且在下部电极层24与上部电极层26之间不施加电压的情况下，压电薄膜25不产生变形。在设置有不提供吐出信号的压电薄膜元件的压力室21中不产生压力变化并且墨滴不从该喷嘴27中吐出。
另外，在提供规定的吐出信号并且在下部电极层24与上部电极层26之间施加规定电压的情况下，压电薄膜25产生变形。在设置有提供吐出信号的压电薄膜元件的压力室21中，该绝缘膜23产生大的弯曲。因此，压力室21内的压力瞬间提高，从而墨滴从喷嘴27中吐出。
在此，作为压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够获得充分的位移量。
(压电传感器)
图4(a)是作为使用上述压电薄膜元件的压电传感器的一个例子的陀螺仪传感器的构成图(平面图)，图4(b)是图4(a)的A-A线箭头截面图。
陀螺仪传感器400是具备基部110、连接于基部110的一面的2条臂120、130的音叉振荡器型的角速度检测元件。该陀螺仪传感器400是按照音叉振荡器的形状，将构成上述压电薄膜元件的压电薄膜30、上部电极层31以及下部电极层32进行精密加工而获得，各个部分(基部110以及臂120、130)由压电薄膜元件一体形成。
在一条臂120的第一主面上分别形成驱动电极层31a、31b以及检测电极层31d。同样，在另一条臂130的第一主面上分别形成驱动电极层31a、31b以及检测电极层31c。这些各电极层31a、31b、31c、31d是通过将上部电极层31蚀刻成规定的电极形状而获得。
还有，在基部110以及臂120、130的各自第二主面(第一主面的背面的主面)上以平板状形成的下部电极层32是作为陀螺仪传感器400的接地电极来发挥作用。
在此，在将各条臂120、130的纵向作为Z方向并且将包含2条臂120、130的主面的平面作为XZ平面，由此定义XYZ直角坐标系。
如果将驱动信号提供给驱动电极层31a、31b，则2条臂120、130以面内振动模式进行激振。所谓面内振动模式是指在平行于2条臂120、130的主面的方向上，2条臂120、130进行激振的振动模式。例如，一条臂120在-X方向上以速度V1进行激振的时候，另一条臂130在+X方向上以速度V2进行激振。
如果在该状态下，对于陀螺仪传感器400将Z轴作为旋转轴并施加角速度ω的旋转，则分别对于2条臂120、130而言，在垂直于振动方向的方向上科里奥利力(Coriolisforce)发生作用，并且以面外振动模式开始激振。所谓面外振动模式是指在垂直于2条臂120、130的主面的方向上，2条臂120、130进行激振的振动模式。例如，在作用于一条臂120的科里奥利力F1为-Y方向的时候，作用于另一条臂130的科里奥利力F2为+Y方向。
科里奥利力F1、F2的大小因为与角速度ω成比例，所以用压电薄膜30来将由科里奥利力F1、F2引起的臂120、130的机械性翘曲转换成电信号(检测信号)，并且通过从检测电极层31c、31d取出该信号从而能够求得角速度ω。
作为该压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够获得充分的检测灵敏度。
图4(c)是作为使用上述压电薄膜元件的压电传感器的第二个例子的压力传感器的构成图。
压力传感器500具有用于与受到压力的时候对应的空洞45，并且由支撑压电元件40的支撑体44、电流放大器46、电压测定器47构成。压电薄膜元件40是由共通电极层41和压电薄膜42以及个别电极层43所构成，并且按该顺序而被层叠于支撑体44上。在此，如果受到外力，则压电薄膜元件40会发生弯曲，电压由电压测定器47来进行检测。
作为该压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而就能够获得充分的检测灵敏度。
图4(d)是作为使用上述压电薄膜元件的压电传感器的第三个例子的脉搏波传感器的构成图。
脉搏波传感器600成为将信号发送用压电薄膜元件以及信号接收用压电薄膜元件搭载于基材51上的构成。在此，就信号发送用压电薄膜元件而言，在信号发送用压电薄膜52的厚度方向的两面上形成电极层54a、55a，就信号接收用压电薄膜元件而言，在信号接收用压电薄膜53的厚度方向的两面上也形成电极层54b、55b。另外，在基板51上形成电极56、上面用电极57，电极层54a、54b和上面用电极57分别由配线58来进行电连接。
对于检测生物体脉搏而言，首先使脉搏波传感器600的基板背面(没有搭载压电薄膜元件的面)与生物体接触。于是，在检测脉搏的时候，将特定的驱动用电压信号输出到信号发送用压电薄膜元件的两个电极层54a、55a。信号发送用压电薄膜元件根据被输入到两个电极层54a、55a的驱动用电压信号进行激振并发生超声波，将该超声波信号发送至生物体内。被发送到生物体内的超声波被血流反射，并被信号接收用压电薄膜元件接收。信号接收用压电薄膜元件将接受信号的超声波转换成电压信号，从两个电极层54b、55b输出。
作为该2个压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够获得充分的检测灵敏度。
(硬盘驱动器)
图5是搭载图3(a)所示的磁头组件的硬盘驱动器的构成图。
硬盘驱动器700在框体60内配备作为记录介质的硬盘61、和在其上将磁信息进行记录以及再生的磁头臂组件(head stack assembly)62。硬盘61由省略了图示的马达来旋转。
磁头臂组件62是在图的纵深方向上层叠多个如下的组装体而得到的组件，其中，所述组装体由通过音圈马达63而围绕着支撑轴旋转自如地被支撑的致动臂64、和被连接于该致动臂64的磁头组件65构成。在磁头组件65的前端部以与硬盘61相对的方式来安装滑块19(参照图3(a))。
磁头组件65(200)采用以2个阶段使磁头元件19a(参照图3(a))变动的形式。磁头元件19a的比较大的移动是由取决于音圈马达63的磁头组件65以及致动臂64的全体驱动来控制，微小的移动是由取决于磁头组件65前端部的滑块19的驱动来控制。
在用于该磁头组件65的压电薄膜元件中，作为压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够获得充分的存取性(accessibility)。
(喷墨打印装置)
图6是搭载图3(b)所示的喷墨打印头的喷墨打印装置的构成图。
喷墨打印装置800主要具备喷墨打印头70、主体71、托盘72、磁头驱动机构73而构成。压电致动器300被配备于喷墨打印头70。
喷墨打印装置800以具备黄色、品红色、青色以及黑色共计4种颜色的墨盒并且全色打印为可能的形式而构成。另外，该喷墨打印装置800在内部配备专用的控制板等，并且控制喷墨打印头70的吐墨时机以及磁头驱动机构73的扫描。另外，主体71在背面具备托盘72并且在其内部具备自动供纸器(自动连续供纸机构)76，能够自动送出记录用纸75并且能够从正面的排出口74对记录用纸75实施排纸。
在用于该喷墨打印头70的压电致动器的压电薄膜元件中，作为压电薄膜，通过使用具有大位移量的本发明所涉及的压电薄膜元件的压电薄膜，从而能够提供具有高安全性的喷墨打印装置。
实施例
以下基于实施例以及比较例来进一步具体说明本发明，但本发明并不限定于以下实施例。
(实施例1)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与PtO2靶的二元溅射实现的同时成膜，使下部电极层2一边在硅基板1的晶面取向上外延生长(epitaxial growth)，一边在硅基板1上成膜为200nm。在此，Pt靶以及PtO2靶是用外径φ150mm的溅射靶，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为150W并且PtO2靶的施加输出设为50W，使用氩(Ar)气且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与下部电极层2同样地通过二元溅射以相同的条件将上部电极层4成膜为200nm。
在形成上部电极层4之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例1的压电薄膜元件10。
(实施例2)
在下部电极层2以及上部电极层4的由二元溅射实现的同时成膜中，除了将向PtO2靶施加的高频电源的施加输出设为150W之外，其余均以与实施例1相同的条件来制作实施例2的压电薄膜元件10。
(实施例3)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与PtO2靶的二元溅射实现的同时成膜，使下部电极层2一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为200nm。在此，Pt靶以及PtO2靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且PtO2靶的施加输出设为80W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与下部电极层2同样地通过二元溅射以相同的条件将上部电极层4成膜200nm。
在形成上部电极层4之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例3的压电薄膜元件10。
(实施例4)
在下部电极层2以及上部电极层4上的由二元溅射实现的同时成膜过程中，除了将向PtO2靶施加的高频电源的施加输出设为200W之外，其余均以与实施例3相同的条件制作实施例4的压电薄膜元件10。
(实施例5)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与PtO2靶的二元溅射实现的同时成膜，使第一下部电极层2a一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为75nm。在此，Pt靶以及PtO2靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且PtO2靶的施加输出设为80W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，以由Pt靶与PtO2靶的二元溅射实现的同时成膜，将第二下部电极层2b在第一下部电极层2a上成膜为125nm。在此，Pt靶以及PtO2靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且PtO2靶的施加输出设为200W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与第二下部电极层2b同样地通过二元溅射以相同的条件将第一上部电极层4a成膜为125nm。
再有，与第一下部电极层2a同样地通过二元溅射以相同的条件将第二上部电极层4b成膜为75nm。
在形成第二上部电极层4b之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例5的压电薄膜元件10’。
(实施例6)
除了在第一下部电极层2a以及第二上部电极层4b上的由二元溅射实现的同时成膜过程中，将向PtO2靶施加的高频电源的施加输出设为65W之外，并且除了在第一上部电极层4a以及第二下部电极层2b上的由二元溅射实现的同时成膜过程中，将向PtO2靶施加的高频电源的施加输出设为250W之外，其余均以与实施例5相同的条件制作实施例6的压电薄膜元件10’。
(实施例7)
除了将第一下部电极层2a以及第二上部电极层4b的膜厚做成150nm并且将第二下部电极层2b以及第一上部电极层4a的膜厚做成50nm之外，其余均以与实施例6相同的条件制作实施例7的压电薄膜元件10’。
(实施例8)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与NaNbO3靶的二元溅射实现的同时成膜，使第一下部电极层2a一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为150nm。在此，Pt靶以及NaNbO3靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且NaNbO3靶的施加输出设为75W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，以由Pt靶与NaNbO3靶的二元溅射实现的同时成膜，将第二下部电极层2b在第一下部电极层2a上成膜为50nm。在此，Pt靶以及NaNbO3靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且NaNbO3靶的施加输出设为280W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与第二下部电极层2b同样地通过二元溅射以相同的条件将第一上部电极层4a成膜为50nm。
再有，与第一下部电极层2a同样地通过二元溅射以相同的条件将第二上部电极层4b成膜为150nm。
在形成第二上部电极层4b之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例8的压电薄膜元件10’。
(实施例9)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与KNbO3靶的二元溅射实现的同时成膜，使第一下部电极层2a一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为150nm。在此，Pt靶以及KNbO3靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且KNbO3靶的施加输出设为85W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，以由Pt靶与KNbO3靶的二元溅射实现的同时成膜，将第二下部电极层2b在第一下部电极层2a上成膜为50nm。在此，Pt靶以及KNbO3靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且KNbO3靶的施加输出设为300W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与第二下部电极层2b同样地通过二元溅射以相同的条件将第一上部电极层4a成膜为50nm。
再有，与第一下部电极层2a同样地通过二元溅射以相同的条件将第二上部电极层4b成膜为150nm。
在形成第二上部电极层4b之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例9的压电薄膜元件10’。
(实施例10)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，并以由Pt靶与Nb2O5靶的二元溅射实现的同时成膜，使第一下部电极层2a一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为150nm。在此，Pt靶以及Nb2O5靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且Nb2O5靶的施加输出设为90W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，以由Pt靶与Nb2O5靶的二元溅射实现的同时成膜，将第二下部电极层2b在第一下部电极层2a上成膜为50nm。在此，Pt靶以及Nb2O5靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且Nb2O5靶的施加输出设为320W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与第二下部电极层2b同样地通过二元溅射以相同的条件将第一上部电极层4a成膜为50nm。
再有，与第一下部电极层2a同样地通过二元溅射以相同的条件将第二上部电极层4b成膜为150nm。
在形成第二上部电极层4b之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例10的压电薄膜元件10’。
(实施例11)
将具有(100)晶面取向的厚度为400μm的硅基板1加热到400℃，通过溅射法，作为第一下部电极层2a，使Pt一边在硅基板1的晶面取向上外延生长，一边在硅基板1上成膜为75nm。在此，Pt靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，施加输出设为150W，使用氩(Ar)气且气压设为0.2Pa。
接着，以由Pt靶与PtO2靶的二元溅射实现的同时成膜，将第二下部电极层2b在第一下部电极层2a成膜为125nm。在此，Pt靶以及PtO2靶是用外径φ150mm的溅射靶材，施加电源使用高频电源，Pt靶的施加输出设为250W并且PtO2靶的施加输出设为250W，使用氧(O2)浓度10％的氩氧混合(Ar+O2)气体且气压设为0.2Pa。
接着，将硅基板1加热到550℃，作为压电薄膜3，使用氧(O2)浓度5％的氩氧混合(Ar+O2)气体在0.2Pa的气压下通过溅射法使铌酸钾钠(KNN)外延生长以成膜为2000nm。施加电源是使用高频电源，使用φ150mm的溅射靶材，施加输出设为800W。所使用的溅射靶材的组成为(K0.5Na0.5)NbO3。
接着，与第二下部电极层2b同样地通过二元溅射以相同的条件将第一上部电极层4a成膜为125nm。
再有，与第一下部电极层2a同样地通过二元溅射以相同的条件将第二上部电极层4b成膜为75nm。
在形成第二上部电极层4b之后，由光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对压电薄膜3、下部电极层2以及上部电极层4形成图案，进一步通过切断加工硅基板1，从而制作出可动部分尺寸为25mm×5mm的实施例11的压电薄膜元件10’。
(比较例1)
作为比较例1，不使用氧化物靶而只用Pt靶，使用氩(Ar)气并以0.2Pa的气压通过溅射法将下部电极层以及上部电极层成膜为200nm，除此之外其余均与实施例1同样地制作压电薄膜元件。
(比较例2)
作为比较例2，在由二元溅射实现的同时成膜过程中，将氧化物靶设为并非构成压电薄膜的元素的氧化物的Al2O3靶，将高频电源向Pt靶的施加输出设为180W且向Al2O3靶的施加输出设为70W，并将氩氧混合(Ar+O2)气体的O2浓度设为5％，在这些条件下将下部电极层以及上部电极层成膜为200nm，除此之外其余均与实施例3同样地制作压电薄膜元件。
(比较例3)
作为比较例3，在由二元溅射实现的同时成膜过程中，将氧化物靶设为并非构成压电薄膜的元素的氧化物的Al2O3靶，将高频电源向Pt靶的施加输出设为180W且向Al2O3靶的施加输出设为180W，并将氩氧混合(Ar+O2)气体的O2浓度设为5％，在这些条件下将下部电极层以及上部电极层成膜为200nm，除此之外其余均与实施例3同样地制作压电薄膜元件。
(比较例4)
作为比较例4，在由二元溅射实现的同时成膜过程中，将氧化物靶设为并非构成压电薄膜的元素的氧化物的Cr2O3靶，将高频电源向Pt靶的施加输出设为175W且向Cr2O3靶的施加输出设为60W，并将氩氧混合(Ar+O2)气体的O2浓度设为4％，在这些条件下将下部电极层以及上部电极层成膜为200nm，除此之外其余均与实施例3同样地制作压电薄膜元件。
(比较例5)
作为比较例5，在由二元溅射实现的同时成膜过程中，将氧化物靶设为并非构成压电薄膜的元素的氧化物的Cr2O3靶，将高频电源向Pt靶的施加输出设为175W且向Cr2O3靶的施加输出设为175W，并将氩氧混合(Ar+O2)气体的O2浓度设为4％，在这些条件下将下部电极层以及上部电极层成膜为200nm，除此之外其余均与实施例3同样地制作压电薄膜元件。
在将实施例1～11以及比较例1～5的压电薄膜元件固定于具有由柔性电缆形成的配线的厚度为18μm的不锈钢薄板之后，以施加电压120Hz±27kV/cm对压电薄膜元件实施通电而测定的位移量以及漏电流密度与各个压电薄膜元件的下部电极层的构成一起示于表1中。
[表1]
在比较例1中，因为不含有氧化物颗粒所以位移量比较好，但是能够确认到由压电薄膜与下部电极层的反应而引起的压电薄膜的氧缺陷被促进并且漏电流密度高。
在实施例1中，氧化物颗粒的含有比率相对于含量变小，因而可以认为在下部电极层的膜厚方向上氧化物颗粒不均匀。
在实施例2中，氧化物颗粒的含有比率相对于含量变大，因而可以认为在下部电极层的膜厚方向上氧化物颗粒不均匀。
在实施例3以及4中，氧化物颗粒的含有比率相对于含量比较一致，因而可以认为在下部电极层的膜厚方向上均匀地含有氧化物颗粒。
从实施例1～4以及比较例1来看，认为通过将氧化物颗粒包含于下部电极层而抑制与压电薄膜的下部电极层的反应，减少压电薄膜的氧缺陷，从而能够降低漏电流密度。另外，还认为如果下部电极层内的氧化物颗粒被更加均匀地分散，则能够抑制压电薄膜与下部电极层的反应，并且对于进一步降低漏电流密度有效果。再有，在实施例3以及4中，因为实施例4的漏电流密度以及位移量的结果更为良好，所以确认存在最适合于氧化物颗粒的含量以及含有比率的范围。
在实施例5中，与压电薄膜侧邻接的第二下部电极层的氧化物颗粒的含量多于第一下部电极层，与实施例1～4相比，则可以确认漏电流密度被进一步降低并且位移量也进一步增加。这就可以认为压电薄膜侧的包含于第二下部电极层的氧化物颗粒补偿压电薄膜的氧缺陷并抑制第一下部电极层的氧化物颗粒的含量，降低压电薄膜元件的电阻，从而能够施加更大的电场并且位移量也增加。
再有，在实施例6中，因为发现相对于实施例5的进一步的漏电流密度的降低和位移量的提高，所以确认存在最适合于第一下部电极层和第二下部电极层的氧化物颗粒的含量以及含有比率的范围。
另外，从实施例7可以确认，通过减少与压电薄膜邻接的、氧化物颗粒的含量多于第一下部电极层的第二下部电极层的膜厚，从而进一步使压电薄膜元件的电阻降低并且由更大的电场来使位移量增加。
在实施例8～10中，能够确认氧化物颗粒靶即使分别为NaNbO3靶、KNbO3靶、Nb2O5靶，如果氧化物颗粒的含量与使用PtO2靶的情况相同程度，则也能够获得漏电流密度的降低以及位移量的提高，并且构成压电薄膜的元素的氧化物颗粒也会有相同的效果。
在实施例11中，能够确认因为在第一下部电极层中不含有氧化物颗粒，所以通过降低压电薄膜元件的电阻值而施加更大的电场，因而能够获得位移量的提高，但是氧化物颗粒的含量因为与实施例4相同，所以漏电流密度也与实施例4相同。
在比较例2～5中，在氧化物颗粒靶使用并非构成压电薄膜的元素的氧化物颗粒靶的情况下，认为因为在下部电极层中所含有的氧化物颗粒无法充分补偿压电薄膜的氧缺陷，所以漏电流密度高。另外，能够确认因为下部电极层内的所述氧化物颗粒并非构成压电薄膜的元素的氧化物颗粒，所以不能够使压电薄膜的压电特性提高。
在以上的实施例以及比较例中，使用规定的压电薄膜、电极层材料以及氧化物颗粒来说明本发明的效果，但可以明确，即使是在使用其它各种压电薄膜、电极层材料以及氧化物颗粒的情况下，如果达到如本发明所示氧化物颗粒包含于电极层，则压电薄膜的氧缺陷能够被补偿，并且获得与本发明相同的效果。

Claims (10)

1.一种压电薄膜元件，其特征在于，
所述压电薄膜元件具备一对电极层和被所述一对电极层夹持的压电薄膜，所述压电薄膜为铌酸钾钠类，所述一对电极层由铂Pt构成，至少在任意一个所述电极层中含有氧化物颗粒，所述氧化物颗粒是构成所述压电薄膜的至少任意一种元素的氧化物颗粒或者Pt的氧化物颗粒，并且是选自NaNbO3、KNbO3、Nb2O5和PtO2中的氧化物颗粒。
2.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述氧化物颗粒具有分散于所述电极层内的状态，包含所述压电薄膜的膜厚方向的截面上的每单位面积的所述氧化物颗粒的含有比率为5％以上且20％以下。
3.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
在所述电极层中含有的所述氧化物颗粒的含量为5wt％以上且20wt％以下。
4.如权利要求1所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述氧化物颗粒的含量在所述电极层的膜厚方向上具有梯度，并且其最大值存在于与所述压电薄膜侧的界面层。
5.如权利要求4所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述最大值以包含所述压电薄膜的膜厚方向的截面上的每单位面积的所述氧化物颗粒的含有比率表示为5％以上且20％以下。
6.如权利要求4所述的压电薄膜元件，其特征在于，
所述最大值以在所述电极层中含有的所述氧化物颗粒的含量表示为5wt％以上且20wt％以下。
7.一种压电致动器，其中，
使用权利要求1所述的压电薄膜元件。
8.一种压电传感器，其中，
使用权利要求1所述的压电薄膜元件。
9.一种硬盘驱动器，其中，
具备权利要求7所述的压电致动器。
10.一种喷墨打印装置，其中，
具备权利要求7所述的压电致动器。
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