CN108172682A - 压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、以及压电薄膜元件 - Google Patents

压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、以及压电薄膜元件 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种位移量大并且位移量的温度依存性小的压电薄膜层叠体。压电薄膜层叠体(100)具备第一电极层(3)、被层叠于第一电极层(3)的第一中间层(4)、被层叠于第一中间层(4)的第二中间层(5)、被层叠于第二中间层(5)的压电薄膜(6)，第一中间层(4)含有K、Na以及Nb，第二中间层(5)为使压缩方向的应力产生于压电薄膜(6)的层，压电薄膜(6)含有(K,Na)NbO3。

Description

压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、以及压电薄膜元件
技术领域
本发明涉及压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、压电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头、以及喷墨打印装置。
背景技术
现在，利用了压电组合物的压电薄膜元件在广阔领域被使用。就利用了正压电效应的压电薄膜元件而言，如果将应力施加于压电组合物并使压电组合物形变的话则发生与压电组合物的形变量成比例的电压。利用了正压电效应的压电薄膜元件例如是陀螺仪传感器(gyro sensor)、压力传感器、脉搏传感器、震动传感器、麦克风等。另外，就利用了逆电压效应的压电元件而言如果将电压施加于压电组合物的话则与电压大小成比例的机械性形变将会产生于压电组合物。利用了逆压电效应的压电薄膜元件例如是致动器、硬盘驱动器磁头滑块、喷墨打印头、扬声器、蜂鸣器、谐振器(resonator)等。
对于压电薄膜元件等电子元件来说要求由温度引起的特性变化要小。如果由温度引起的特性变化大的话，则在电子元件的温度发生变化的情况下变得不能够获得所希望的特性。另外，为了补正电子元件的特性变化而有必要将控制电路追加到装置中，因而装置的制造成本会变高。
因为电子元件的小型化以及高性能化正在不断发展，所以对于压电薄膜元件来说也要求小型化以及高性能化。然而，在对以一般性的固相合成法进行制作的块体(bulk)材料(压电组合物)实行减薄的情况下，越对块体材料实行减薄则块体材料的厚度越接近与块体材料的构成粒子的粒子直径。其结果变得不能够无视特性不良的发生等所带来的影响。因此，近年来一直盛行着与使用以溅射法为代表的气相沉积法的压电薄膜制作技术相关的研究开发。由压电薄膜元件的薄膜化而可期待压电薄膜元件会有所提高。例如，高精度的位移量控制由压电薄膜元件的薄膜化而成为可能，或者传感灵敏度有所提高。另外，由压电薄膜元件的薄膜化而能够在基板上一统制作出多个压电薄膜元件。其结果压电薄膜元件的量产性就会有所提高，并且量产成本降低。
一直以来，作为代表性的压电组合物可以使用钙钛矿(perovskite)型的氧化物即锆钛酸铅[PZT：Pb(Zr,Ti)O3]。例如，如日本特开平10-286953号公报所记载的压电薄膜元件那样通过将各种各样的副成分或者添加物添加到PZT从而广泛地开发对应于多种多样的需求的压电组合物。
然而，如果PZT被暴露于酸雨中的话则污染环境的铅会从PZT中溶出。因此，从对环境的考虑而最好不使用铅，因而无铅(Lead-free)的压电组合物的开发就是一个重要的技术问题。
在日本特开2007-19302号公报中公开有作为无铅压电组合物的铌酸钾钠[KNN：(K,Na)NbO3]等。KNN即使是在压电组合物中也具有比较高的居里点(Tc)，并且能够期待能够获得良好的压电特性。
在日本特开2009-94449公报以及美国专利申请公开2014/0035439号说明书中公开有通过将使压缩方向的应力产生于压电薄膜的中间膜设置于电极层与压电薄膜之间从而使压电薄膜元件的特性提高的技术。
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，使用KNN的现有的压电薄膜元件的位移量不够充分大。另外，现有的压电薄膜元件的位移量容易伴随于温度变化而变动，并且压电薄膜元件的工作不稳定。
本发明就是借鉴了以上所述的技术问题而做出的不懈努力之结果，其目的在于提供一种位移量大并且位移量的温度依存性小的压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、压电薄膜元件、使用了压电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头、以及喷墨打印装置。
解决技术问题的手段
本发明所涉及的压电薄膜层叠体具备第一电极层、被层叠于第一电极层的第一中间层、被层叠于第一中间层的第二中间层、被层叠于第二中间层的压电薄膜，第一中间层含有K、Na以及Nb，第二中间层为使压缩方向的应力产生于压电薄膜的层，压电薄膜含有(K,Na)NbO3。
在本发明所涉及的上述压电薄膜层叠体中，第二中间层可以含有无机氧化物。
在本发明所涉及的上述压电薄膜层叠体中，第二中间层可以含有钙钛矿型的无机氧化物。
在本发明所涉及的上述压电薄膜层叠体中，第二中间层可以含有选自SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3、以及LaNiO3中的至少一种钙钛矿型的无机氧化物。
本发明所涉及的压电薄膜基板包含上述压电薄膜层叠体和基板，第一电极层位于基板与第一中间层之间。
本发明所涉及的压电薄膜元件包含上述压电薄膜层叠体和第二电极层，第一中间层和第二中间层以及压电薄膜位于第一电极层与第二电极层之间。
本发明所涉及的压电致动器具备上述压电薄膜元件。
本发明所涉及的压电传感器具备上述压电薄膜元件。
本发明所设计的磁头组件具备上述压电致动器。
本发明所涉及的磁头悬臂组件具备上述磁头组件。
本发明所涉及的硬盘驱动器具备上述磁头悬臂组件。
本发明所涉及的打印头具备上述压电致动器。
本发明所涉及的喷墨打印装置具备上述打印头。
发明的效果
根据本发明就能够提供一种位移量大并且位移量的温度依存性小的的压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、压电薄膜元件、使用了压电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头、以及喷墨打印装置。
附图说明
图1A是本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜层叠体的示意图(层叠方向上的压电薄膜层叠体的截面图)。图1B是本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜基板的示意图(层叠方向上的压电薄膜基板的截面图)。图1C是本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜元件的示意图(层叠方向上的压电薄膜元件的截面图)。图1D是本发明的一个实施方式所涉及的压电薄膜元件的示意图(层叠方向上的压电薄膜元件的截面图)。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的磁头组件的示意图。
图3是本发明的一个实施方式所涉及的压电致动器的示意图。
图4是本发明的一个实施方式所涉及的陀螺仪传感器的示意图(平面图)。
图5是沿着图4所表示的陀螺仪传感器的A-A线的箭视剖面图。
图6是本发明的一个实施方式所涉及的压力传感器的示意图。
图7是本发明的一个实施方式所涉及的脉搏传感器的示意图。
图8是本发明的一个实施方式所涉及的硬盘驱动器的示意图。
图9是本发明的一个实施方式所涉及的喷墨打印装置的示意图。
图10是表示压电薄膜元件的位移量的测定方法的示意图。
具体实施方式
以下是参照附图并就本发明的优选的一个实施方式进行详细说明。还有，在附图中对于相同或者同等的要素标注相同的符号标。图1A、1B、1C、1D以及10所表示的X和Y以及Z是指互相垂直的3个坐标轴。当说明要重复的时候省略对其说明。本发明并不限定于以下所述实施方式。
(压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、压电薄膜元件)
如图1A所示，本发明所涉及的压电薄膜层叠体100具备第一电极层3、被层叠于第一电极层3表面的第一中间层4、被层叠于第一中间层4表面的第二中间层5、被层叠于第二中间层5表面的压电薄膜6。总之，第一中间层4的一部分或者全体重叠于第一电极层3的表面，第二中间层5的一部分或者全体重叠于第一中间层4的表面，压电薄膜6的一部分或者全体重叠于第二中间层5的表面。第一中间层4含有K、Na以及Nb。第二中间层5为使压缩方向的应力产生于压电薄膜6的层。在此，所谓压缩方向换言之可以是平行于压电薄膜6表面的方向(X方向)。另外所谓压缩方向也换言之可以是垂直于压电薄膜6厚度方向(层叠方向即Z方向)的方向。压电薄膜6含有(K,Na)NbO3。
如图1B所示，本实施方式所涉及的压电薄膜基板101包含基板1、绝缘层2、上述压电薄膜层叠体100。第一电极层3位于基板1与第一中间层4之间。绝缘层2被层叠于基板1的表面。第一电极层3被层叠于绝缘层2的表面。绝缘层2的一部分或者全体也可以重叠于基板1的表面。第一电极层3的一部分或者全体可以重叠于绝缘层2的表面。压电薄膜基板101也可以不具备绝缘层2。在没有绝缘层2的情况下，基板1可以接触于第一电极层3的表面。压电薄膜基板101可以是被单片化之前的状态(例如晶圆)。另外，压电薄膜基板101也可以是被单片化之后的状态(例如芯片)。
如图1C所示，本实施方所涉及的压电薄膜元件102包含基板1、绝缘层2、上述压电薄膜层叠体100、第二电极层7。换言之，压电薄膜元件元件102包含上述压电薄膜基板101、第二电极层7。第一中间层4和第二中间层5以及压电薄膜6位于第一电极层3与第二电极层7之间。第二电极层7被层叠于压电薄膜6的表面。第二电极层7的一部分或者全体可以重叠于压电薄膜6的表面。压电薄膜元件102也可以不具备基板1。压电薄膜元件102也可以不具备绝缘层2。
如图1D所示，压电薄膜元件102的变形例即压电薄膜元件103包含基板1、上述压电薄膜层叠体100、与压电薄膜层叠体100所具备的第二中间层5a不同的第二中间层5b、与压电薄膜层叠体100所具备的第一中间层4a不同的第一中间层4b、第二电极层7。另外的第二中间层5b被层叠于压电薄膜6的表面。另外的第一中间层4b被层叠于另外的第二中间层5b的表面。第二电极层7被层叠于另外的第一中间层4b的表面。另外的第二中间层5b的一部分或者全体可以重叠于压电薄膜6的表面。另外的第一中间层4b的一部分或者全体可以重叠于另外的第二中间层5b的表面。第二电极层7的一部分或者全体可以重叠于另外的第一中间层4b的表面。压电薄膜元件103也可以不具备基板1。压电薄膜元件103也可以具备绝缘层2。
压电薄膜层叠体100的位移量大于使用了KNN的现有压电薄膜层叠体的位移量。压电薄膜层叠体100的位移量的温度依存性小于使用了KNN的现有压电薄膜层叠体的位移量的温度依存性。压电薄膜基板101的位移量大于使用了KNN的现有压电薄膜基板的位移量。压电薄膜基板101的位移量的温度依存性小于使用了KNN的现有压电薄膜基板的位移量的温度依存性。压电薄膜元件102,103的位移量大于使用了KNN的现有压电薄膜元件的位移量。压电薄膜元件102,103的位移量的温度依存性小于使用了KNN的现有压电薄膜元件的位移量的温度依存性。
本发明人认为压电薄膜层叠体100的位移量大并且压电薄膜层叠体100的位移量的温度依存性小的理由如以下所述。通过压电薄膜层叠体100具备第二中间层5从而在压电薄膜6上产生压缩方向的应力。其结果为通过稳定压电薄膜6厚度方向(Z方向)的取向轴从而伴随于温度变化的位移量的变动被抑制，并且位移量也变大。但是，只就第二中间层5而言，位移量不会变得充分大。但是，通过与压电薄膜6同样地设置包含K、Na以及Nb的第一中间层4，从而由第二中间层5与压电薄膜6之间的结晶结构或结晶取向的差异造成的影响减轻。其结果为随着位移量变得更大而伴随于温度变化的位移量的变动被进一步抑制。还有，压电薄膜层叠体100的位移量大并且压电薄膜层叠体100的位移量的温度依存性小的理由并不限定于以上所述的理由。
基板1例如可以是硅基板(例如单晶硅基板)、SOI(Silicon on Insulator)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO基板、SrTiO3基板等。作为基板1从成本低且容易处理的观点出发优选为硅基板。在基板1为硅基板的情况下，绝缘层2或者第一电极层3进行重叠的基板1的表面的面方位(平面取向)既可以是(100)，也可以是与(100)不同的面方位(平面取向)。基板1的厚度例如可以是10～1000μm。
绝缘层2对基板1和第一电极层3实行电绝缘。在基板1没有导电性的情况下，压电薄膜基板101或者压电薄膜元件102也可以不具备绝缘层2。在基板1具有导电性的情况下，压电薄膜元件103也可以具有绝缘层2。绝缘层2例如可以是硅的热氧化膜(SiO2)、Si3N4、ZrO2、Y2O3、ZnO、Al2O3等。绝缘层2的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、热氧化法、印刷法、旋涂法、溶胶凝胶法等。绝缘层2的厚度例如可以是10～1000nm。
第一电极层3例如可以由选自Pt(白金)、Pd(钯)、Rh(铑)、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、Mo(钼)、Ti(钛)、Ta(钽)、以及Ni(镍)当中的至少一种金属构成。第一电极层3例如可以由SrRuO3(钌酸锶)或者LaNiO3(镍酸镧)等导电性金属氧化物构成。第一电极层3也可以作为基板来行使其功能。在第一电极层3作为基板来行使其功能的情况下，压电薄膜元件102,103也可以不具备基板1。第一电极层3的厚度例如可以是20～1000nm。在第一电极层3的厚度为20nm以上的情况下，第一电极层3的功能容易变得充分。在第一电极层3的厚度为1000nm以下的情况下，压电薄膜6的位移特性容易提高。
第一电极层3的形成方法例如可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法、溶胶凝胶法等。在由溅射法来形成第一电极层3的情况下，可以在Ar(氩)气体中形成第一电极层3。气压可以是0.1～1.0Pa。施加电源可以是高频电源或者直流电源。施加电源的输出可以是0.5～1.0W/cm2。在基板1为硅基板并且第一电极层3为Pt膜的情况下，由溅射法将Pt膜形成于被加热到400～500℃程度的硅基板的表面[(100)面]。
第一中间层4含有K、Na以及Nb。第一中间层4可以由含有K、Na以及Nb的氧化物构成。第一中间层4除了K、Na以及Nb之外还可以进一步含有其他元素。所谓其他元素例如可以是Li(锂)、Ba(钡)、Sr(锶)、Ta(钽)、Zr(锆)、Mn(锰)、Sb(锑)、Ca(钙)、以及Cu(铜)。在第一中间层4含有其他元素的情况下，第一中间层4中的K、Na以及Nb的含量总计可以是80摩尔％以上。在压电薄膜元件103中，第一中间层4a的组成既可以与另外的第一中间层4b的组成相同又可以不同。第一中间层4的厚度T1例如可以是3～100nm。第一中间层4a的厚度既可以与另外的第一中间层4b的厚度相同又可以不同。
第一中间层4的形成方法例如可以是溅射法。在由溅射法来形成第一中间层4的情况下，可以在Ar以及O2(氧)的混合气体中形成第一中间层4。溅射靶含有K、Na以及Nb。溅射靶可以含有(K,Na)NbO3。作为溅射靶可以使用与被用于压电薄膜6形成的溅射靶相同的物质。第一中间层4用的溅射靶中的K以及Na的摩尔比可以与压电薄膜6用的溅射靶中的K以及Na的摩尔比相同。第一中间层4用的溅射靶中的K以及Na的摩尔比也可以与压电薄膜6用的溅射靶中的K以及Na的摩尔比不同。施加电源可以是高频电源。
第二中间层5使压缩方向的应力产生于压电薄膜6。第二中间层5的线膨胀率可以高于第一电极层3的线膨胀率，也可以高于压电薄膜6的线膨胀率。第二中间层5的线膨胀率如果高于第一电极层3以及压电薄膜6各自的线膨胀率，则容易在压电薄膜6上产生压缩方向的应力。所谓线膨胀率例如可以是在20～500℃范围内的每1K温度变化量的长度(厚度)的变化率的平均值。线膨胀率例如可以由以下所述的方法来求得。测定在物体的温度为TLK(例如293K)的时候的物体长度(厚度)LL(单位：m)。物体的长度(厚度)的测定方法例如可以是X射线反射率法。使物体温度从TLK上升至THK(例如773K)。测定在物体温度为THK的时候的物体长度(厚度)LH(单位：m)。根据以下所述的数学式A从LH以及LL计算出线膨胀率α(单位：1/K)。第二中间层5的线膨胀率可以比第一电极层3的线膨胀率以及压电薄膜6的线膨胀率当中的最大值高0.1×10-6(1/K)以上。第二中间层5的线膨胀率例如可以是8.0×10-6～20.0×10-6(1/K)。还有，第一电极层3的线膨胀率例如可以是3.0×10-6～15.0×10-6(1/K)。压电薄膜6的线膨胀率例如可以是3.0×10-6～11.0×10-6(1/K)。一般来说众所周知薄膜中的线膨胀率与块体(bulk)材料的值相比相对同等或稍稍低一点[参照“丰田中央研究所R&D回顾(review)”，1999，Vol.34，No.1，p.19-24]。因此，如果知道压电薄膜元件的各层的组成的话则能够充分推定各层彼此的线膨胀率的大小关系。
α＝[(LH-LL)/LL]×[1/(TH-TL)] (A)
第二中间层5可以含有无机氧化物。第二中间层5可以只由无机氧化物来进行构成。在第二中间层5含有无机氧化物的情况下，第二中间层5的线膨胀率容易变得高于压电薄膜6的线膨胀率。另外，通过在高温下形成第二中间层5之后进行冷却，从而容易将压缩方向的应力提供给压电薄膜6。包含于第二中间层5的无机氧化物可以含有选自Ca、Ti、Cr、Mn、Co、Fe、Ni、Sr、Ru、La、Zn、In、Sn、Y、Ba、Cu、Al当中的至少一种。第二中间层5可以含有钙钛矿(Perovskite)型的无机氧化物。第二中间层5可以只由钙钛矿型的无机氧化物构成。在第二中间层5含有钙钛矿型的无机氧化物的情况下，压电薄膜6也因为含有钙钛矿型的无机氧化物[(K,Na)NbO3]，所以由第二中间层5与压电薄膜6之间的结晶结构或结晶取向的差异造成的影响减轻。其结果为随着位移量容易变大而位移量的温度依存性容易变得更小。包含于第二中间层5中的钙钛矿型的无机氧化物例如可以是SrRuO3、SrTiO3、LaNiO3、CaRuO3、BaRuO3、La0.5Sr0.5CoO3、SrRu0.95Mn0.05O3、LaAlO3、YAlO3等。第二中间层5可以包含选自SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3以及LaNiO3当中的至少一种钙钛矿型的无机氧化物。在此情况下，位移量容易变得更大。第二中间层5也可以含有非钙钛矿型的无机氧化物。第二中间层5可以含有作为非钙钛矿型的无机氧化物的例如La4BaCu5O13、YBa2Cu3O7等。在压电薄膜元件103中，第二中间层5a的组成既可以与另外的第二中间层5b的组成相同又可以不同。
第二中间层5的厚度T2例如可以是5～100nm。在T2为5nm以上的情况下，第二中间层5的一部分难以中间断裂，并且容易充分地将压缩应力提供给压电薄膜6。在T2为100nm以下的情况下，第二中间层5的晶格常数难以发生变化，并且压电薄膜6的结晶性容易提高。第二中间层5a的厚度既可以与另外的第二中间层5b的厚度相同又可以不同。
第二中间层5的形成方法例如可以是溅射法。在由溅射法来形成第二中间层5的情况下，可以在Ar以及O2(氧)的混合气体中形成第二中间层5。溅射靶可以含有以上所述的无机氧化物。溅射靶可以含有以上所述的钙钛矿型的无机氧化物。施加电源可以是高频电源。
压电薄膜6含有钙钛矿型的(K,Na)NbO3。(K,Na)NbO3换言之可以是以下述化学式(1)进行表示的氧化物。压电薄膜6可以只由(K,Na)NbO3构成。
(K1-xNax)NbO3(1)
[上述化学式(1)中x为0＜x＜1]
压电薄膜6的面方位(平面取向)可以在压电薄膜6的厚度方向上优选进行取向。优先进行取向的面方位(平面取向)可以是选自(001)、(110)以及(111)当中的任意一个面方位(平面取向)。
压电薄膜6除了(K,Na)NbO3之外也可以进一步包含其他元素。其他元素例如可以是Li、Ba、Sr、Ta、Zr、Mn、Sb、Ca、以及Cu等。压电薄膜6的至少一部分可以是具有钙钛矿结构(ABO3)的结晶相、非晶相、或者该结晶相与非晶相进行混合的混合相当中的任意一个。在此，钙钛矿结构的A位可以是选自Li、Na、K、La、Sr、Ba、Ca、Nd、以及Bi当中的至少一种元素。钙钛矿结构的B位可以是选自Zr、Ti、Mn、Mg、Nb、Sn、Sb、Ta、以及In当中的至少一种元素。在压电薄膜6含有其他元素的情况下，压电薄膜6中的(K,Na)NbO3的含量可以是80摩尔％以上。
压电薄膜6的厚度Tp例如可以是0.2～5μm。
压电薄膜6的形成方法例如可以是溅射法。在由溅射法来形成压电薄膜6的情况下，可以在Ar以及O2的混合气体中形成压电薄膜6。气体压力可以是0.1～1.0Pa。溅射靶含有(K,Na)NbO3。施加电源可以是高频电源。施加电源的输出可以是2.5～5.5W/cm2。
第二电极层7的组成可以与第一电极层3的组成相同。第二电极层7的厚度例如可以是20～1000nm。在第二电极层7的厚度为20nm以上的情况下，第二电极层7的功能容易变得充分。在第二电极层7的厚度为1000nm以下的情况下，压电薄膜6的位移特性容易提高。第二电极层7也可以是作为上述第一电极层3来使用的多个金属以及导电性金属氧化物的层叠体。
第二电极层7的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法、溶胶凝胶法。在由溅射法来形成第二电极层7的情况下，可以在Ar气中形成第二电极层7。气压可以是0.1～1.0Pa。施加电源可以是高频电源或者直流电源。施加电源的输出可以是0.5～1.0W/cm2。
压电薄膜元件102,103可以由以下所述顺序来进行制作。首先，将具有与压电薄膜层叠体100相同的层叠结构以及组成的层叠体形成于晶圆(切断加工前的基板1)上。接着，由光刻、干式蚀刻、以及湿式蚀刻等方法来加工晶圆上的层叠体，并形成具有规定尺寸的图形。图形尺寸例如可以是15mm×3mm。再有，通过切断晶圆从而获得被单片化的多个压电薄膜元件102,103。基板1也可以从压电薄膜元件102,103进行除去。在此情况下，压电薄膜元件102,103的位移量容易进一步变大。
压电薄膜元件102,103的表面的至少一部分或者全体可以被保护膜覆盖。由保护膜的覆盖例如就能够提高压电薄膜元件102,103的可靠性或者耐久性(例如耐湿性)。保护膜的材料例如可以是聚酰亚胺。
压电薄膜元件102,103可以进一步具备电信号的输入部以及输出部当中的至少任意一方。在此情况下，变得能够实行电信号的输入以及输出那样，并且能够利用正压电效应以及逆压电效应当中的至少任意一方。
压电薄膜层叠体100和压电薄膜基板101以及压电薄膜元件102,103的用途可涉及许多方面。压电薄膜元件102,103例如可以被用于压电致动器。本实施方式所涉及的压电致动器在位移特性以及温度特性方面表现优异。压电致动器例如也可以被用于磁头组件、磁头悬臂组件、或者硬盘驱动器。压电致动器例如也可以被用于打印头、或者喷墨打印装置。压电薄膜元件102,103例如也可以被用于压电传感器。本实施方式所涉及的压电传感器在位移特性以及传感器灵敏度的温度特性方面表现优异。压电传感器例如可以是陀螺仪传感器(gyro sensor)、压力传感器、脉搏传感器、或者震动传感器(shock sensor)。压电薄膜元件102,103例如也可以被适用到麦克风。
以下将详细说明压电薄膜层叠体100、压电薄膜基板101、以及压电薄膜元件102,103的用途的具体例子。
(压电致动器)
图2表示被搭载于硬盘驱动器(HDD)的磁头组件200。磁头组件200具备底板9、负载杆(load beam)11、挠曲部(flexure)17、第1以及第2压电薄膜元件13、以及滑块19。第1以及第2压电薄膜元件13是滑块19用的驱动元件。滑块19具有磁头元件19a。
负载杆11具备被固定于底板9的基端部11b、从该基端部11b进行延伸的第1板簧部11c以及第2板簧部11d、被形成于板簧部11c与板簧部11d之间的开口部11e、连续于板簧部11c以及11d并进行直线延伸的杆主部11f。第1板簧部11c以及第2板簧部11d成为前端变细。杆主部11f也成为前端变细。
第1以及第2压电薄膜元件13持有规定间隔并被配置于挠曲部17的一部分即配线用挠性基板15上。滑块19被固定于挠曲部17的前端部，并且伴随于第1以及第2压电薄膜元件13的伸缩进行旋转运动。
图3表示打印头用的压电致动器300。压电致动器300是通过层叠基材20、绝缘膜23、下部电极层24(第一电极层)、第一中间层28、第二中间层29、压电薄膜25、上部电极层26(第二电极层)来构成的。所谓下部电极层换言之可以是以上所述的第一电极层。所谓上部电极层换言之可以是以上所述的第二电极层。
在没有提供规定的吐出信号并且电压没有被施加于下部电极层24与上部电极层26之间的情况下，压电薄膜25不会发生变形。在相邻于吐出信号没有被提供的压电薄膜25的压力室21内不会发生压力变化，并且墨滴不会从其喷嘴27吐出。
另外，在规定的吐出信号被提供并且一定电压被施加于下部电极层24与上部电极层26之间的情况下，压电薄膜25发生变形。绝缘膜23因为由压电薄膜25的变形而发生大弯曲，所以压力室21内的压力瞬间提高并且墨滴从喷嘴27吐出。
(压电传感器)
图4以及图5表示压电传感器的一种即陀螺仪传感器400。陀螺仪传感器400具备基部110、连接于基部110的一面的一对臂部120以及130。一对臂部120以及130为音叉振荡器。总之，陀螺仪传感器400为音叉振荡器型的角速度检测元件。该陀螺仪传感器400是通过将构成以上所述的压电薄膜元件的压电薄膜30、上部电极层31(第二电极层)、下部电极层32(第一电极层)、第一中间层33、以及第二中间层34加工成音叉型振荡器的形状来获得的。基部110和臂部120以及130与压电薄膜元件成一体化。所谓下部电极层换言之可以是以上所述的第一电极层。所谓上部电极层换言之可以是以上所述的第二电极层。
在一方臂部120的第一主面上形成驱动电极层31a以及31b、检测电极层31d。同样，在另一方臂部130的第一主面上形成驱动电极层31a以及31b、检测电极层31c。各个电极层31a、31b、31c、31d是通过由蚀刻将上部电极层31加工成规定电极的形状来获得的。
下部电极层32被形成于基部110、臂部120以及130各自的第二主面(第一主面的背面)全体。下部电极层32是作为陀螺仪传感器400的接地电极来行使其功能的。
通过将臂部120以及130各自的长边方向规定为Z方向并且将包含臂部120以及130的主面的平面规定为XZ平面，从而定义XYZ直角坐标系。
如果将驱动信号提供给驱动电极层31a、31b的话则两个臂部120以及130以面内振动模式进行激励振动。所谓面内振动模式是指在平行于两个臂部120以及130的主面的方向上两个臂部120以及130进行激励振动的模式。例如，当一方臂部120在-X方向上以速度V1进行激励振动的时候，另一方臂部130在+X方向上以速度V2进行激励振动。
在此状态下，如果将Z轴作为旋转轴的角速度ω的旋转加到陀螺仪传感器400，则相对于臂部120以及130各自在垂直于速度方向的方向上科里奥利力(Coriolis force)进行作用。其结果为臂部120以及130以面外振动模式开始激励振动。所谓面外振动模式是指在垂直于两个臂部120以及130的主面的方向上两个臂部120以及130进行激励振动的模式。例如，当作用于一方臂部120的科里奥利力F1为-Y方向的时候，作用于另一方臂部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，所以由压电薄膜30来将由科里奥利力F1、F2引起的臂部120以及130的机械形变转换成电信号(检测信号)，并通过从检测电极层31c、31d取出该检测信号从而求得角速度ω。
图6表示压电传感器的一种即压力传感器500。压力传感器500是由压电薄膜元件40、支撑压电薄膜元件40的支撑体41、电流放大器48、电压测定器49构成。压电薄膜元件40是通过层叠共用电极层43(第一电极层)、第一中间层44、第二中间层45、压电薄膜46、个别电极层47(第二电极层)来构成的。所谓共用电极层换言之可以是以上所述的第一电极层。所谓个别电极层换言之可以是以上所述的第二电极层。被共用电极层43和支撑体41包围的空腔42对应于压力。如果在压力传感器500上施加外力的话则压电薄膜元件40弯曲，并且在电压测定器49上检测出电压。
图7表示压电传感器的一种即脉搏传感器600。脉搏传感器600是由支撑体51、重叠于支撑体51的绝缘层52、重叠于绝缘层52的压电薄膜元件50、电压测定器58构成。在支撑体51没有导电性的情况下也可以没有绝缘层52。压电薄膜元件50是通过层叠共用电极层53(第一电极层)、第一中间层54、第二中间层55、压电薄膜56、个别电极层57(第二电极层)来构成。所谓共用电极层换言之可以是以上所述的第一电极层。所谓个别电极层换言之可以是以上所述的第二电极层。如果使脉搏传感器600的支撑体51的背面(压电薄膜元件50没有被搭载的面)接触于生物体的动脉上的话则支撑体51和压电薄膜元件50在由生物体的脉搏引起的压力条件下发生弯曲，并在电压测定器58上检测出电压。
(硬盘驱动器)
图8表示图2所表示的磁头组件被搭载的硬盘驱动器700。图8的磁头组件65与图2的磁头组件200相同。
硬盘驱动器700具备框体60、被设置于框体60内的硬盘61(记录媒体)、磁头悬臂组件(head stack assembly)62。硬盘61是由电动机来进行旋转。磁头悬臂组件62将磁信息数据记录到硬盘61，并播放被硬盘61记录的磁信息数据。
磁头悬臂组件62具有音圈电动机63、被支承轴支撑的致动器臂部64、被连接于致动器臂部64的磁头组件65。致动器臂部64由音圈电动机63而围绕支承轴自如地进行旋转。致动器臂部64被分成多个臂部，磁头组件65分别被连接到各个臂部。总之，多个臂部以及磁头组件65沿着支承轴被层叠。滑块19以与硬盘61进行相对的形式被安装于磁头组件65的前端部。
磁头组件65(200)以2个阶段来使磁头元件19a变动。磁头元件19a的比较大的移动是由凭靠音圈电动机63的磁头组件65以及致动器64的全体的驱动来进行控制的。磁头元件19a的微小移动是由位于磁头组件65前端部的滑块19的驱动来进行控制的。
(喷墨打印装置)
图9表示喷墨打印装置800。喷墨打印装置800具备打印头70、主体71、托盘72、墨头驱动机构73。图9的打印头70具有图3所表示的压电致动器300。
喷墨打印装置800具备黄、品红、青色、黑总计4种颜色的墨盒。凭靠喷墨打印装置800的全彩印刷是可能的。在喷墨打印装置800的内部搭载有专用的控制器板等。控制器板等控制打印头70的墨吐出时机、以及墨头驱动机构73的扫描。托盘72被设置于主体71的背面，自动送纸器(auto sheet feeder)(自动连续供纸机构)76被设置于托盘72的一端侧。自动送纸器76自动送出记录用纸75，并从正面的排出口74排出记录用纸75。
以上已就本发明的优选的实施方式作了说明，但是本发明并不一定限定于以上所述的实施方式。只要是在不脱离本发明宗旨的范围内本发明的各种各样的变更都是可能的，这等变更例子当然也包含于本发明。
[实施例]
以下是由实施例来进一步更详细地说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。
(实施例1)
在真空腔室内，将由Pt构成的第一电极层3形成于硅基板(切断加工起前的基板1)的表面。第一电极层3被形成的硅基板的表面的面方位(平面取向)为(100)。硅基板的厚度为400μm。第一电极层3是由溅射法来进行形成。第一电极层3的形成过程中的硅基板的温度被维持在400℃。第一电极层3的厚度被调整到200nm。
在真空腔室内，将含有K、Na、Nb以及O的第一中间层4形成于第一电极层3的表面。第一中间层4是由溅射法进行形成。第一中间层4的形成过程中的硅基板的温度被维持在550℃。作为真空腔室内的气氛是使用Ar以及O2的混合气体。混合气体中的O2的浓度如果将混合气体全体积作为基准的话则为5体积％。混合气体的气压被维持在0.2Pa。作为溅射靶是使用(K0.5Na0.5)NbO3。溅射靶的尺寸为φ150mm。作为溅射的施加电源是使用高频电源。施加输出被调整到800W。第一中间层4的厚度被调整在50nm。
在真空腔室内，将由SrRuO3构成的第二中间层5形成于第一中间层4的表面。第二中间层5是由溅射法来进行形成。第二中间层5的形成过程中的硅基板的温度被维持在600℃。作为真空腔室内的气氛是使用Ar以及O2的混合气体。混合气体中的O2的浓度如果将混合气体全体积作为基准的话则为2.5体积％。混合气体的气压被维持在0.2Pa。溅射靶的尺寸为φ150mm。作为溅射的施加电源是使用高频电源。施加输出被调整到150W。第二中间层5的厚度被调整在15nm。
在真空腔室内，将由(K，Na)NbO3构成的压电薄膜6形成于第二中间层5的表面。压电薄膜6是由溅射法来进行形成。压电薄膜6的形成过程中的硅基板的温度被维持在550℃。作为真空腔室内的气氛是使用Ar以及O2的混合气体。混合气体中的O2的浓度如果将混合气体全体积作为基准的话则为5体积％。作为溅射靶是使用(K0.5Na0.5)NbO3。溅射靶的尺寸为φ150mm。作为溅射的施加电源是使用高频电源。施加输出被调整到800W。压电薄膜6的厚度被调整在2μm。由以上所述方法获得实施例1的压电薄膜基板111。
在真空腔室内，将由Pt构成的第二电极层7形成于包含于压电薄膜基板111的压电薄膜6的表面。第二电极层7是由溅射法来进行形成。真空腔室内的温度被维持在室温。第二电极层7的厚度被调整到200nm。
由光刻、干式蚀刻以及湿式蚀刻来对第二电极层7、压电薄膜6、第二中间层5、第一中间层4、以及第一电极层3实行图形化。接着，切断硅基板。由以上所述方法来获得实施例1的压电薄膜元件112。实施例1的压电薄膜元件112的可动部分的尺寸为15mm×3mm。
[线膨胀率的测定]
由以下所述的方法制作线膨胀率测定用的各个试样，分开来个别测定实施例1的第一电极层3、第二中间层5以及压电薄膜6各自的线膨胀率。
由与上述相同的方法将第一电极层3直接形成于硅基板的表面。由与上述相同的方法实行第一电极层3的图形化。切断硅基板并获得试样。试样的尺寸为15mm×3mm。使用该试样并由X射线反射率法来测定第一电极层3的线膨胀率。实施例1的第一电极层3的线膨胀率为8.8×10-6(1/K)。
由与上述相同的方法将第二中间层5直接形成于硅基板的表面。由与上述相同的方法实行第二中间层5的图形化。切断硅基板并获得试样。试样的尺寸为15mm×3mm。使用该试样并由X射线反射率法来测定第二中间层5的线膨胀率。将实施例1的第二中间层5的线膨胀率表示于表1中。
由与上述相同的方法将压电薄膜6直接形成于硅基板的表面。由与上述相同的方法实行压电薄膜6的图形化。切断硅基板并获得试样。试样的尺寸为15mm×3mm。使用该试样并由X射线反射率法来测定压电薄膜6的线膨胀率。实施例1的压电薄膜6的线膨胀率为8.0×10-6(1/K)。
[位移量的测定]
由以下所述方法来测定实施例1的压电薄膜元件112的在25℃时的位移量Dis25℃(单位：nm)。如图10所示，所谓位移量是指在由夹子80来固定压电薄膜元件112的一端并将电压施加于第一电极层3与第二电极层7之间的时候压电薄膜元件112的没有被固定的一侧的前端部伴随于压电薄膜元件112的变形而在压电薄膜元件112的厚度方向(层叠方向即Z方向)上进行移动的距离(位移量Dis)。施加于第一电极层3与第二电极层7之间的交流电压的频率为10Hz。交流电压为1.5V±1.5V的正弦波形。在施加交流电压期间，压电薄膜元件112的温度被维持在25℃。使用激光多普勒测振仪和示波器来测定实施例1的Dis25℃。将实施例1的Dis25℃表示于表1中。
根据以下所述基准评价实施例1的压电薄膜元件112的位移特性。将实施例1的位移特性的评价表示于表1中。位移量如果是350nm以上的话则被认为没有实用性问题，但是优选更高的位移量。
A：Dis25℃为550nm以上
B：Dis25℃为450nm以上550nm未满
C：Dis25℃为350nm以上450nm未满
[位移量的变化率的计算]
由以下所述方法计算出实施例1的位移量的变化率ΔDis(单位：％)。在25～120℃的范围内使实施例1的压电薄膜元件112的温度变化，并由与实施例1的Dis25℃的测定方法相同的方法来测定各个温度条件下的压电薄膜112的位移量。测定25～120℃条件下的压电薄膜元件112的位移量的最大值DisMax(单位：nm)。根据下述数学式(B)求得实施例1的ΔDis。将实施例1的ΔDis表示于表1中。
ΔDis＝(DisMax-Dis25℃)/Dis25℃×100 (B)
根据以下所述标准评价实施例1的压电薄膜112的温度特性。将实施例1的温度特性的评价表示于表1中。
A：ΔDis为20％以下
B：ΔDis超过20％
(实施例2～12)
在实施例2～12的第二中间层5的形成过程中，取代在实施例1的第二中间层5的形成过程中所使用的溅射靶而使用具有分别由表1所表示的组成的溅射靶。其结果在实施例2～12中形成具有与分别由表1所表示的溅射靶相同的组成的第二中间层5。除了以上所述方面之外都是由与实施例1相同的方法来分别制作实施例2～12的压电薄膜元件112。
由与实施例1相同的方法来测定实施例2～12各自的第二中间层5的线膨胀率。将实施例2～12各自的第二中间层5的线膨胀率表示于表1中。还有，实施例2～12各自的第一电极层3因为与实施例1的第一电极层3相同，所以实施例2～12各自的第一电极层3的线膨胀率与实施例1的第一电极层3的线膨胀率相等。实施例2～12各自的压电薄膜6因为与实施例1的压电薄膜6相同，所以实施例2～12各自的压电薄膜6线膨胀率与实施例1的压电薄膜6的线膨胀率相等。
由与实施例1相同的方法来实行实施例2～12各自的位移量的测定、以及位移特性的评价。将实施例2～12各自的Dis25℃以及位移特性的评价表示于表1中。
由与实施例1相同的方法来实行实施例2～12各自的位移量的变化率的计算以及温度特性的评价。将实施例2～12各自的ΔDis以及温度特性的评价表示于表1中。
(比较例1)
在比较例1中，不形成第一中间层4以及第二中间层5。总之，在比较例1中将压电薄膜6直接形成于第一电极层3的表面。除了以上所述方面之外都是由与实施例1相同的方法来分别制作比较例1的压电薄膜元件。
比较例1的第一电极3因为与实施例1的第一电极层3相同，所以比较例1的第一电极层3的线膨胀率与实施例1的第一电极层3的线膨胀率相等。比较例1的压电薄膜6因为与实施例1的压电薄膜6相同，所以比较例1的压电薄膜6的线膨胀率与实施例1的压电薄膜6的线膨胀率相等。
由与实施例1相同的方法来实行比较例1的位移量的测定以及位移特性的评价。将比较例1的Dis25℃以及位移特性的评价表示于表1中。
由与实施例1相同的方法来实行比较例1的位移量的变化率的计算以及温度特性的评价。将比较例1的ΔDis以及温度特性的评价表示于表1中。
(比较例2)
在比较例2中，不形成第一中间层4。总之，在比较例2中，将第二中间层5直接形成于第一电极层3的表面。处理以上所述方面之外都是由与实施例1相同的方法来制作比较例2的压电薄膜元件。
由与实施例1相同的方法来测定比较例2的第二中间层5的线膨胀率。将比较例2的第二中间层5的线膨胀率表示于表1。还有，比较例2的第一电极层3因为与实施例1的第一电极层3相同，所以比较例2的第一电极层3的线膨胀率与实施例1的第一电极层3的线膨胀率相等。比较例2的压电薄膜6因为与实施例1的压电薄膜6相同，所以比较例2的压电薄膜6的线膨胀率与实施例1的压电薄膜6的线膨胀率相等。
由与实施例1相同的方法来实行比较例2的位移量的测定以及位移特性的评价。将比较例2的Dis25℃以及位移特性的评价表示于表1中。
由与实施例1相同的方法来实行比较例2的位移量的变化率的计算以及温度特性的评价。将比较例2的ΔDis以及温度特性的评价表示于表1中。
[表1]
如表1所示，与不具备第一中间层4以及第二中间层5的比较例1相比，具备第二中间层5的比较例2的位移量相对较大。与比较例1的位移量的变化率相比，比较例2的位移量的变化率较低。与不具备第一中间层4的比较例2相比，具备第一中间层4以及第二中间层5的实施例1的位移量相对较大。与比较例2的位移量的变化率相比，实施例1的位移量的变化率相对较低。
本发明人认为实施例的位移量变大并且实施例的位移量的变化率降低的机理如同以下所述。第二中间层5的线膨胀率因为高于第一电极层3以及压电薄膜6各自的线膨胀率，所以在压电薄膜6上产生压缩方向的应力。其结果为通过压电薄膜6的厚度方向(Z方向)的取向轴稳定化从而位移量的变化率降低并且位移量也变大。但是，只就第二中间层5而言，位移量的提高是不充分的。但是，通过与压电薄膜6相同地设置含有K、Na以及Nb的第一中间层4，从而由第二中间层5与压电薄膜6之间的结晶结构或结晶取向的差异造成的影响减轻。其结果为随着位移量变得更大而位移量的变化率进一步降低。
如表1所示，即使分别将实施例1的第二中间层5变更成实施例2～12的第二中间层5，实施例与比较例相比相对来说也会在位移特性以及温度特性方面表现优异。
如表1所示，第二中间层5是由无机氧化物构成的实施例1～12在位移特性以及温度特性方面表现优异。第二中间层是由SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3、以及LaNiO3构成的实施例1以及3～5与实施例2以及6～12相比相对来说在位移特性方面表现比较优异。
产业上的利用可能性
根据本发明就能够提供一种位移量大并且位移量的温度依存性小的压电薄膜层叠体、压电薄膜基板、压电薄膜元件、使用了压电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头、以及喷墨打印装置。
符号说明
100.压电薄膜层叠体
101.压电薄膜基板
102,103.压电薄膜元件
1.基板
2.绝缘层
3.第一电极层
4,4a,4b.第一中间层
5,5a,5b.第二中间层
6.压电薄膜
7.第二电极层
200.磁头组件
9.底板
11.负载杆(load beam)
11b.基端部
11c.第1板簧部
11d.第2板簧部
11e.开口部
11f.杆主部
13.压电薄膜元件
15.挠性基板
17.挠曲部(flexure)
19.滑块
19a.磁头元件
300.压电致动器
20.基材
21.压力室
23.绝缘膜
24.下部电极层(第一电极层)
25.压电薄膜
26.上部电极层(第二电极层)
27.喷嘴
28.第一中间层
29.第二中间层
400.陀螺仪传感器
110.基部
120,130.臂部
30.压电薄膜
31.上部电极层(第二电极层)
31a,31b.驱动电极层
31c,31d.检测电极层
32.下部电极层(第一电极层)
33.第一中间层
34.第二中间层
500.压力传感器
40.压电薄膜元件
41.支撑体
42.空腔
43.共用电极层(第一电极层)
44.第一中间层
45.第二中间层
46.压电薄膜
47.个别电极层(第二电极层)
48.电流放大器
49.电压测定器
600.脉搏传感器
50.压电薄膜元件
51.支撑体
52.绝缘层
53.共用电极层(第一电极层)
54.第一中间层
55.第二中间层
56.压电薄膜
57.个别电极层(第二电极层)
58.电压测定器
700.硬盘驱动器
60.框体
61.硬盘
62.磁头悬臂组件
63.音圈电动机
64.致动器
65.磁头组件
800.喷墨打印装置
70.打印头
71.主体
72.托盘
73.墨头驱动机构
74.排出口
75.记录用纸
76.自动送纸器(auto sheet feeder)(自动连续供纸机构)
111.压电薄膜基板
112.压电薄膜元件
80.夹子

Claims (13)

1.一种压电薄膜层叠体，其特征在于：
具备：
第一电极层；
层叠于所述第一电极层的第一中间层；
层叠于所述第一中间层的第二中间层；以及
层叠于所述第二中间层的压电薄膜，
所述第一中间层含有K、Na以及Nb，
所述第二中间层为使压缩方向的应力产生于所述压电薄膜的层，
所述压电薄膜含有(K,Na)NbO3。
2.如权利要求1所述的压电薄膜层叠体，其特征在于：
所述第二中间层含有无机氧化物。
3.如权利要求1所述的压电薄膜层叠体，其特征在于：
所述第二中间层含有钙钛矿型的无机氧化物。
4.如权利要求1所述的压电薄膜层叠体，其特征在于：
所述第二中间层含有选自SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3以及LaNiO3中的至少一种钙钛矿型的无机氧化物。
5.一种压电薄膜基板，其特征在于：
包含：
权利要求1～4中任意一项所述的压电薄膜层叠体；以及
基板，
所述第一电极层位于所述基板与所述第一中间层之间。
6.一种压电薄膜元件，其特征在于：
包含：
权利要求1～4中任意一项所述的压电薄膜层叠体；以及
第二电极层，
所述第一中间层和所述第二中间层以及所述压电薄膜位于所述第一电极层与所述第二电极层之间。
7.一种压电致动器，其特征在于：
具备权利要求6所述的压电薄膜元件。
8.一种压电传感器，其特征在于：
具备权利要求6所述的压电薄膜元件。
9.一种磁头组件，其特征在于：
具备权利要求7所述的压电致动器。
10.一种磁头悬臂组件，其特征在于：
具备权利要求9所述的磁头组件。
11.一种硬盘驱动器，其特征在于：
具备权利要求10所述的磁头悬臂组件。
12.一种打印头，其特征在于：
具备权利要求7所述的压电致动器。
13.一种喷墨打印装置，其特征在于：
具备权利要求12所述的打印头。
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