CN108352439B - 压电器件以及压电器件的制造方法 - Google Patents

压电器件以及压电器件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明具有烧结体(4)，所述烧结体(4)在优选厚度为90μm以下的形成得极薄的压电陶瓷基体(1)的两主面形成有第一导体部(2)以及第二导体部(3)，并且第一导体部(2)包含具有给定图案的多个导电膜(2a、2b)。在形成了导电膜(2a、2b)的压电陶瓷基体(1)的主面上形成有绝缘膜(5)，使得导电膜(2a、2b)的一部分露出。绝缘膜(5)的延展性与导电膜(2a、2b)相等或大于导电膜(2a、2b)。由此，即使被施加外力，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，在不导致功能下降的情况下实现具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件及其制造方法。

Description

压电器件以及压电器件的制造方法
技术领域
本发明涉及压电器件以及压电器件的制造方法，更详细地，涉及具有被薄层化为极薄的压电陶瓷基体的压电器件及其制造方法。
背景技术
如今，以压电陶瓷材料为主体的压电器件被广泛使用于致动器、各种传感器类。例如，在压电致动器中，输入的电能通过逆压电效应变换为机械能，能够应用该原理来高精度地控制各种电子设备的驱动。此外，在压电传感器中，输入的机械能通过压电效应变换为电能而被检测到电信号，能够应用该原理来测定压力值、加速度等各种数据。
而且，近年来，要求实现小型且高性能的压电器件，正积极地进行将压电陶瓷薄层化的压电器件的研究、开发。
例如，在专利文献1提出了一种压电器件，即，如图12所示，其包括：第一电极101；形成在该第一电极101的上方以及侧方的第一压电体层102；覆盖该第一压电体层102的侧面而形成的多孔质体层103；以及形成在该第一压电体层102以及所述多孔质体层103的上方的第二电极104，多孔质体层103含有构成第一压电体层102的至少一种金属元素。
在该专利文献1中，绝缘层105介于多孔质体层103与第二电极104之间，使得绝缘层105的侧面相对于多孔质体层103的上表面成为倾斜状，绝缘层105包含杨氏模量比第二电极104小的绝缘性材料。
此外，在该专利文献1中，使用溅射法等薄膜形成法、镀敷法等，进而使用光刻技术，由此，在包含半导体等的平板形状的基板106上对第一电极101、第一压电体层102、多孔质体层103、绝缘层105以及第二电极104依次进行成膜，由此制作了压电器件。
而且，在该专利文献1中，欲通过使得第一压电体层102的侧面与基板106的上表面的连接部分不被第二电极104所覆盖，并且使杨氏模量比第二电极104小的绝缘层105介于多孔质体层103与第二电极104之间，从而抑制应力集中于第二电极104，防止在覆盖绝缘层105的角部的第二电极104产生裂缝。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-33866号公报(权利要求1、3、4、段落[0008]、[0014]～[0017]、[0072]～[0084]等)
发明内容
发明要解决的课题
然而，专利文献1在基板106上对第一电极101、压电体层102、第二电极104等依次进行成膜，因此适合于在基板106上集成了各种电子部件等的MEMS(Micro ElectroMechanical Systems；微机电系统)用途，但是并不适合于不需要基板的弯曲位移型等的压电部件用途。在该情况下，虽然也可以考虑在将压电体层102等压电器件的构成要素成膜在基板106上之后，对基板106进行研磨而去除的方法，但是，成膜的压电体层102等构成构件的机械强度差，由基板106来确保压电器件的刚性，因此在研磨过程中容易产生裂缝、层间剥离、元件变形等结构缺陷。
因此，可认为，为了得到不需要基板的压电器件，优选用烧结体来形成主要部分，而不是用薄膜形成法、镀敷法来形成。在该情况下，如图13所示，压电器件的主要部分由在薄层的压电陶瓷基体107的两主面形成了第一导体部108以及第二导体部109的烧结体构成。而且，能够通过第一导体部108以及第二导体部109确保压电陶瓷基体107的机械强度，因此，例如，即使将一端固定于支承板110并将另一端设为自由端而在箭头X方向上施加外力，由于第一导体部108以及第二导体部109的延展性，在压电陶瓷基体107也不会产生局部的应力集中，只不过是在固定端附近产生比较小的应力。因此，可以认为，例如在第一导体部108上形成电极层时，即使对压电陶瓷基体107施加外力，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生。
另一方面，在将压电陶瓷基体107薄层化了的这种压电器件中，如图14所示，对第一导体部108以及第二导体部109中的任一导体部，例如，第一导体部108实施图案化处理而进行使用的情况较多。在该情况下，第一导体部108被分割为具有给定图案的多个导电膜108a、108b，因此产生以下的问题。
即，在导电膜108a与导电膜108b的间隙，压电陶瓷基体107会露出于表面，因此若从箭头X方向施加外力，则如图15所示，应力集中在导体膜108a与压电陶瓷基体107相接的角部Z。而且，如双点划线所示，产生以角部Z为起点并贯通压电陶瓷基体107的裂缝110，有可能在压电陶瓷基体107产生结构缺陷。关于导体膜108b，也大致相同。
像这样，在第一导体部108由具有给定图案的多个导电膜108a、108b形成的情况下，成为压电陶瓷基体107的一部分露出于表面的状态，因此在压电陶瓷基体107产生局部的应力集中的概率变高。此外，在压电陶瓷基体具有具备内部导体的层叠构造且所述压电陶瓷基体的两主面由陶瓷材料形成的情况下，也会产生与上述同样的问题。因此，若在电极层形成工序等中对压电陶瓷基体107施加外力，则起因于上述的应力集中而有可能产生元件变形，或者导致裂缝、层间剥离等结构缺陷。
本发明是鉴于这样的情形而完成的，其目的在于，提供：即使被施加外力，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，不会导致驱动性能的下降，具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件；以及即使在制造过程中被施加外力，也能够抑制产生变形、结构缺陷的压电器件的制造方法。
用于解决课题的技术方案
本发明人对在压电陶瓷基体的两主面赋予导体部并且一个主面的导体部具备多个导电膜的烧结体进行了潜心研究，并进行了应力分析，结果得到了如下见解，即，通过使延展性与导电膜相等或大于导电膜的绝缘膜介于导电膜与导电膜的间隙，使得导电膜的至少一部分露出，从而能够缓解在压电陶瓷基体产生的应力集中，由此，即使对压电陶瓷基体施加外力，也不会导致驱动性能的下降，能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷。
本发明是基于这些见解而完成的，本发明涉及的压电器件的特征在于，具有烧结体，所述烧结体在压电陶瓷基体的两主面形成有导体部，并且所述导体部中的至少一个主面的导体部具备具有给定图案的多个导电膜，在形成了所述导电膜的所述压电陶瓷基体的主面上形成有绝缘膜，使得所述导电膜的至少一部分露出，所述绝缘膜的延展性与所述导电膜相等或大于所述导电膜。
由此，压电陶瓷基体被多个导电膜以及绝缘膜保护，因此能够缓解在压电陶瓷基体产生局部的应力集中。因此，即使对压电陶瓷基体施加外力，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，能够在不导致驱动性能的下降的情况下得到具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件。此外，由于导体部是烧结体(烧结金属)，所以压电陶瓷基体与导体部的界面具有至少50nm以上的凹凸，因此，能够通过锚固效应使压电陶瓷基体与导体部的密接力更牢固。
此外，在材料的延展性与杨氏模量之间存在相关关系，延展性大的材料杨氏模量小，延展性小的材料杨氏模量大，因此能够用杨氏模量来评价材料的延展性。
即，在本发明的压电器件中，所述绝缘膜的杨氏模量优选与所述导电膜相等或小于所述导电膜。
此外，施加了应力时的挠曲量与被施加了应力的材料的杨氏模量成反比，并与厚度的三次方成反比。因此，在绝缘膜形成得比导电膜厚，结果刚性增加的情况下，通过使用杨氏模量低的绝缘膜，从而能够避免作为压电器件的驱动性能的下降。
即，本发明的压电器件优选在所述绝缘膜的平均厚度ts、所述导电膜的平均厚度tm、所述绝缘膜的杨氏模量Es、以及所述导电膜的杨氏模量Em之间数学式(1)的关系成立。
(ts/tm)3＜Em/Es…(1)
此外，在本发明的压电器件中，所述压电陶瓷基体的平均厚度优选为90μm以下，且优选为4μm以上。
由此，能够得到具有平均厚度为90μm以下且4μm以上的极薄的压电陶瓷基体的箔状的烧结体，即使不通过薄膜形成法、镀敷法等在基板上对薄膜进行成膜，也能够得到薄层且小型化的加工性良好的压电器件。
进而，在本发明的压电器件中，所述压电陶瓷基体优选具有具备内部导体的层叠构造。
由此，即使在压电陶瓷基体具有层叠构造的情况下，也能够缓解在压电陶瓷基体产生局部的应力集中，能够得到具有良好的机械强度的所希望的压电器件。
此外，作为形成延展性与导电膜相等或大于导电膜的绝缘膜的材料，例如能够举出有机化合物。
即，在本发明的压电器件中，优选所述绝缘膜以有机化合物为主成分。
此外，在本发明的压电器件中，优选所述压电陶瓷基体包含至少含有铌以及碱金属元素的钙钛矿型化合物，所述导体部优选包含贱金属材料。
由此，能够容易地得到减轻了环境负担的低价格的压电器件。
进而，在本发明的压电器件中，优选在所述导电膜上层叠有多个电极层。
由此，即使在导电膜的图案复杂的情况下，也能够在无需在意导电膜与电极层的位置关系的情况下进行多层布线化，此外，由于压电陶瓷基体被绝缘膜保护，所以能够得到韧性强、机械强度良好且设计自由度大的压电器件。
此外，本发明涉及的压电器件的制造方法的特征在于，包括：烧成工序，在压电陶瓷片的两主面呈片状赋予导电性材料或制作压电陶瓷片和成型为片状的导电性材料的层叠体，对所述压电陶瓷片和所述导电性材料进行共烧(co-fire)，在压电陶瓷基体的两主面形成导体部；图案化工序，对所述导体部中的至少一个导体部实施图案化处理而形成多个导电膜，得到烧结体；以及绝缘膜形成工序，准备具有与所述导电性材料相等或大于所述导电性材料的延展性的绝缘性材料，在所述压电陶瓷基体上赋予所述绝缘性材料，使得所述导电膜的至少一部分露出，形成绝缘膜。
由此，即使在制造过程中被施加外力，也能够抑制产生变形、结构缺陷，能够得到具有所希望的驱动性能的高性能的箔状的压电器件。
此外，在本发明的压电器件的制造方法中，优选所述绝缘性材料的杨氏模量与所述导电性材料相等或小于所述导电性材料。
进而，在本发明的压电器件的制造方法中，所述绝缘性材料优选包含有机化合物。
此外，本发明的压电器件的制造方法优选包括在所述导电膜上形成多个电极层的电极层形成工序。
由此，在制造过程中不会在绝缘膜、导电膜与压电陶瓷基体之间产生层间剥离或者在压电陶瓷基体产生裂缝等，能够在无需在意导电膜与电极层的位置关系的情况下进行多层布线化。
发明效果
根据本发明的压电器件，具有烧结体，所述烧结体在压电陶瓷基体的两主面形成有导体部，并且所述导体部中的至少一个主面的导体部具备具有给定图案的多个导电膜，在形成了所述导电膜的所述压电陶瓷基体的主面上形成有绝缘膜，使得所述导电膜的至少一部分露出，所述绝缘膜的延展性与所述导电膜相等或大于所述导电膜，因此压电陶瓷基体被多个导电膜以及绝缘膜保护，因此即使被施加外力，也能够缓解在压电陶瓷基体产生局部的应力集中，能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，能够在不导致驱动性能的下降的情况下得到机械强度良好且加工性良好的压电器件。
根据本发明的压电器件的制造方法，由于包括上述的烧成工序、图案化工序、以及绝缘膜形成工序，所以即使在制造过程中被施加外力，也能够抑制产生变形、结构缺陷，能够容易地得到具有所希望的驱动性能的高性能的压电器件。
附图说明
图1是示意性地示出本发明涉及的压电器件的一个实施方式(第一实施方式)的剖视图。
图2是用于说明载荷与挠曲的关系的图。
图3是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(1/6)。
图4是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(2/6)。
图5是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(3/6)。
图6是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(4/6)。
图7是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(5/6)。
图8是示出第一实施方式的制造方法的制造顺序的制造工序图(6/6)。
图9是示意性地示出本发明涉及的压电器件的第二实施方式的剖视图。
图10是示出第二实施方式的制造方法的主要部分的剖视图。
图11是在实施例1中使用的有限元分析模型的示意剖视图。
图12是在专利文献1记载的压电器件的主要部分剖视图。
图13是示意性地示出在压电陶瓷基体的两主面形成了第一导体部以及第二导体部的烧结体的剖视图。
图14是说明对第一导体部实施了图案化处理的情况下的课题的剖视图。
图15是图14的Y部分的放大剖视图。
具体实施方式
接着，详细说明本发明的实施方式。
图1是示意性地示出本发明涉及的压电器件的一个实施方式(第一实施方式)的剖视图。
该压电器件具有烧结体4，该烧结体4在压电陶瓷基体1的两主面形成有第一导体部2以及第二导体部3，并且第一导体部2具备具有给定图案的多个导电膜(在图1中为导电膜2a、2b)。导电膜2a、2b以及第二导体部3是烧结金属。具体地，压电陶瓷基体1例如是长度为3.0cm、宽度为4.0cm程度且厚度为例如15μm程度的形成为极薄的块体陶瓷。
此外，在形成了导电膜2a、2b的压电陶瓷基体1的主面上形成有绝缘膜5，使得导电膜2a、2b的一部分露出。即，绝缘膜5与导电膜2a、2b相比形成为厚膜，压电陶瓷基体1的整个区域以及导电膜2a、2b的一部分被所述绝缘膜5所被覆，使得形成露出面6a、6b。
在导电膜2a、2b的露出面6a、6b层叠有电极层7a、7b，进而，在该电极层7a、7b以引线接合方式连接有由Cu等形成的导线8a、8b。
具体地，电极层7a、7b具有与导电膜2a、2b的露出面6a、6b相接的引出电极层9a、9b和形成在该引出电极层9a、9b上的布线电极层1Oa、10b。即，本压电器件通过导电膜2a、2b、引出电极层9a、9b、以及布线电极层10a、10b进行多层布线化，导电膜2a、2b与导线8a、8b电连接。
绝缘膜5由延展性与导电膜2a、2b相等或大于导电膜2a、2b的绝缘性材料形成。之所以像这样用具有与导电膜2a、2b相等或大于导电膜2a、2b的延展性的绝缘性材料来形成绝缘膜5，是基于以下的理由。
在本第一实施方式中，如上所述，压电陶瓷基体1极薄地形成为例如15μm程度，导电膜2a、2b也分别为2μm程度，烧结体4形成为总共也不过为19μm程度的箔状。
因此，在第一导体部2由相互分离的具有给定图案的多个导电膜2a、2b构成的情况下，露出了压电陶瓷基体1的部位的韧性特别差。因此，像在[发明要解决的课题]一项中也叙述过的那样，若在电极层形成工序等中对压电陶瓷基体1施加外力，则有可能导致压电陶瓷基体1的变形，或者应力集中在导电膜2a、2b的角部与压电陶瓷基体1的接触部分，以该接触部分为起点朝向压电陶瓷基体1的内部产生裂缝，或者产生层间剥离。
因此，在本实施方式中，在压电陶瓷基体1以及导电膜2a、2b上形成绝缘膜5，使得导电膜2a、2b的一部分露出，由该绝缘膜5对压电陶瓷基体1进行保护，缓解了应力集中于陶瓷基体1的表面露出部分，特别是与导电膜2a、2b的接触部分。
不过，若用延展性比导电膜2a、2b小的绝缘性材料形成绝缘膜5，则压电器件自身的刚性变高，因此，例如在作为压电致动器进行使用的情况下会导致位移量的下降，在作为压电传感器进行使用的情况下会导致感测能力的下降等，有可能导致驱动性能的下降，作为压电器件不能发挥所希望的功能。另一方面，若将延展性小的绝缘性材料薄膜化，则作为压电器件的综合性的刚性下降，因此，有可能由于应力集中而在绝缘膜5自身产生裂缝，且该裂缝有可能发展到压电陶瓷基体1。
因此，在本实施方式中，用延展性与导电膜2a、2b相等或大于导电膜2a、2b的绝缘膜5对压电陶瓷基体1进行被覆，使得导电膜2a、2b的一部分露出。而且，由此不会导致驱动性能的下降，即使被施加外力，也能够抑制在压电陶瓷基体1产生局部的应力集中，能够避免产生裂缝、层间剥离等结构缺陷，能够得到具有良好的加工性的压电器件。
此外，绝缘膜5的延展性能够用杨氏模量来评价。即，在由形变(拉伸变形)产生的应力σ与形变ε之间存在相关关系，能够用应力σ相对于形变ε之比，即，杨氏模量(＝σ/ε)来评价延展性。具体地，若延展性(形变ε)大，则杨氏模量变小，若延展性(形变ε)小，则杨氏模量变大。
因此，若在压电陶瓷基体1上形成包含杨氏模量小的绝缘性材料的绝缘膜5，则绝缘膜5的延展性变大，因此压电器件的刚性，即，反作用力也变小，压电陶瓷基体1被绝缘膜5保护，并且即使被施加外力，应力也会被绝缘膜5吸收，能够抑制产生局部的应力集中。而且，由此能够抑制在压电陶瓷基体1产生裂缝、层间剥离等结构缺陷，能够得到良好的机械强度。
另一方面，若使用杨氏模量大的绝缘膜5，则反作用力(压电器件的刚性)变大。即，若绝缘膜5的杨氏模量变得与导电膜2a、2b的杨氏模量相等，则反作用力(压电器件的刚性)变得与在压电陶瓷基体1的主面的整个区域形成了第一导体部2的情况相等。而且，若绝缘膜5具有比导电膜2a、2b的杨氏模量大的杨氏模量，则在压电陶瓷基体1、绝缘膜5产生的应力反而增加，并且反作用力，即，压电器件的刚性变得过高，有可能导致位移量、感测能力的下降等驱动性能的下降。
换言之，若绝缘膜5的杨氏模量与导电膜2a、2b的杨氏模量相等或小于导电膜2a、2b的杨氏模量，则由于绝缘膜5的延展性，即使对压电陶瓷基体1施加外力，也能够缓解局部的应力集中，不会导致驱动性能的下降，能够抑制在压电陶瓷基体1产生结构缺陷。
因此，绝缘膜5的杨氏模量需要设为与导电膜2a、2b相等或小于导电膜2a、2b。
作为形成这样的绝缘膜5的绝缘性材料，只要是杨氏模量与导电膜2a、2b相等或小于导电膜2a、2b且延展性大的绝缘性材料，就没有特别限定，通常，能够使用以环氧树脂、聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂等有机化合物为主成分(例如，50vol％以上)的绝缘性材料。而且，杨氏模量(延展性)能够通过使上述的有机化合物含有适当的添加物来进行调整。
像这样，本实施方式具有烧结体4，该烧结体4在压电陶瓷基体1的两主面形成有第一导体部2以及第二导体部3，并且第一导体部2具备具有给定图案的多个导电膜2a、2b，在形成了导电膜2a、2b的压电陶瓷基体1的主面上形成有绝缘膜5，使得导电膜2a、2b的至少一部分露出，绝缘膜5的延展性与所述导电膜相等或大于所述导电膜，因此即使被施加外力，也能够抑制产生裂缝、层间剥离等结构缺陷，能够在不导致驱动性能的下降的情况下得到具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件。
此外，因为包含引出电极层9a、9b以及布线电极层10a、10b的电极层7a、7b层叠于导电膜2a、2b，所以即使在导电膜的图案复杂的情况下，也能够在无需在意导电膜2a、2b和引出电极层9a、9b、布线电极层10a、10b的位置关系的情况下进行多层布线化。进而，由于压电陶瓷基体1被绝缘膜5保护，所以能够得到韧性强、机械强度良好且设计自由度大的压电器件。
另外，在本实施方式中，如上所述，压电陶瓷基体1的厚度例示性地记载为15μm，但是只要形成为极薄，就没有特别限定。而且，从得到具有所希望的烧结性、小型低高度的压电器件的观点出发，平均厚度优选为90μm以下。更优选为4μm以上。
此外，作为形成压电陶瓷基体1的压电陶瓷材料，没有特别限定，例如能够使用含有Nb和Li、K、Na等碱金属的铌酸碱类复合氧化物、含有Pb、Ti等的钛酸铅(PT)类复合氧化物、含有Pb、Ti、Zr等的锆钛酸铅(PZT)类复合氧化物等、以用通式ABO3表示的钙钛矿型化合物为主成分(例如，90摩尔％以上)的各种复合氧化物，根据需要，还优选含有Ca、Mn、Ta、Yb等稀土类元素等各种添加物。
不过，若考虑环境负担的减轻等，优选使用不含有Pb的非Pb类材料，例如以铌酸碱类的钙钛矿型化合物为主成分的压电陶瓷材料。
此外，作为形成第一导体部2以及第二导体部3的导电性材料，能够使用能够与压电陶瓷材料进行共烧的材料。例如，在由铌酸碱类复合氧化物形成压电陶瓷基体1的情况下，从成本方面考虑，优选使用能够在还原环境下与铌酸碱类复合氧化物进行共烧的以Ni、Cu、或者它们的合金等贱金属材料为主成分的导电性材料。此外，在由PT类、PZT类等Pb类复合氧化物形成压电陶瓷基体1的情况下，优选使用Cu，但是在难以与贱金属材料进行共烧的情况下，能够使用以Ag、Pd、Ag-Pd等贵金属材料为主成分的导电性材料。
此外，关于形成电极层7a、7b(引出电极层9a、9b以及布线电极层10a、10b)的电极材料，只要是具有良导电性且机械强度、耐热性良好的材料，就没有特别限定，例如，能够使用Cu、Ti、Ni、Au、Sn、Al。
此外，本发明优选在绝缘膜5的平均厚度ts、导电膜2a、2b的平均厚度tm、绝缘膜5的杨氏模量Es、以及导电膜2a、2b的杨氏模量Em之间数学式(1)的关系成立。
(ts/tm)3＜Em/Es…(1)
由此，即使在像图1那样使绝缘膜5的平均厚度ts比导电膜2a、2b的平均厚度tm厚的情况下，也能够避免驱动性能下降。
即，如图2所示，在用支点12a、12b(支点间距离L)对长边方向上的长度为a、短边方向上的宽度为b、厚度为t的矩形物体11的两端进行支承并对中央施加载荷P而产生了应力σ的情况下，若将杨氏模量设为E，则挠曲δ可用数学式(2)来表示。
[数学式1]
Figure BDA0001642047540000111
根据该数学式(2)可明确，在对矩形物体11施加载荷P而产生了应力σ的情况下，挠曲δ与矩形物体11的杨氏模量E成反比，并与厚度t的三次方成反比。
因此，若像图1那样使绝缘膜5的平均厚度ts比导电膜2a的平均厚度tm厚，则刚性增加，但是通过对绝缘膜5使用杨氏模量小的绝缘性材料，从而能够避免驱动性能的下降。
具体地，如上述数学式(1)所示，优选使绝缘膜5相对于导电膜2a、2b的平均厚度之比(ts/tm)的三次方，即，(ts/tm)3小于绝缘膜5相对于导电膜2a、2b的杨氏模量之比(Es/Em)的倒数，优选选择具有这样的杨氏模量的绝缘性材料。
接着，参照图3～图8对上述压电器件的制造方法进行详述。
另外，在图5～图8中，(a)示出了在各制造工序中得到的中间制造物的俯视图，(b)示出了这些俯视图的A-A～D-D的各向视剖视图。
首先，准备陶瓷生原料。例如，在由铌酸碱类化合物形成压电陶瓷基体1的情况下，准备K化合物、Na化合物、Li化合物、Nb化合物等，在由PZT类化合物形成压电陶瓷基体1的情况下，准备Pb化合物、Ti化合物、Zr化合物等，根据需要，准备各种添加物。
接着，称量陶瓷生原料，使得成为给定的调配摩尔比，将该称量物投入到内部有PSZ球等粉碎介质的罐磨机，在存在溶剂的情况下使罐磨机旋转给定时间，以湿式充分进行混合粉碎，并进行干燥，然后，进行预烧处理而得到陶瓷原料粉末。
接着，在将该陶瓷原料粉末揉碎之后，将有机粘合剂、有机溶剂、分散剂、增塑剂与粉碎介质一起再次投入到罐磨机，一边使该罐磨机旋转一边以湿式充分进行混合粉碎，得到陶瓷浆料。
接着，使用刮刀法对陶瓷浆料进行成型加工，制作压电陶瓷片13，使得烧成后的厚度优选为90μm以下(图3(b))。
同样地，准备Ni、Cu等导电性材料，将该导电性材料与有机粘合剂、有机溶剂、分散剂、增塑剂一起投入到内部有粉碎介质的罐磨机，一边使罐磨机旋转一边以湿式充分进行湿式混合，制作导电性浆料。接着，使用刮刀法，对导电性浆料进行成型加工，制作第一导电性片14a以及第二导电性片14b，使得烧成后的厚度优选为1～40μm(图3(a)、图3(c))。
接着，用第一导电性片14a以及第二导电性片14b夹持压电陶瓷片13，然后进行烧成，制作在压电陶瓷基体1的两主面形成了导体部(第一导体部2、第二导体部3)的共烧结(co-sinter)体16(图4)。导体部是烧结金属。
接着，使用光刻技术对第一导体部2实施图案化处理，制作具有给定图案的多个导电膜2a～2d，得到烧结体4(图5(a)、图5(b))。
即，在第一导体部2的表面涂敷光致抗蚀剂，然后进行预烘烤，然后将具有给定图案的掩模配置在上方，照射紫外线进行曝光，将掩模图案转印至光致抗蚀剂。接着，对其进行显影，然后用纯水清洗。然后，将其浸渍到氯化铁溶液等蚀刻液中进行湿式蚀刻。接着，使用剥离溶液将进行了显影的光致抗蚀剂剥离，由此制作相互分离的给定图案的多个导电膜2a～2d。
接着，在压电陶瓷基体1以及导电膜2a～2d上形成绝缘膜5，使得导电膜2a～2d的一部分露出(图6(a)、图6(b))。
即，例如，准备含有感光性环氧树脂等感光性绝缘性材料的绝缘性溶液。接着，使用旋涂法等涂敷法，在压电陶瓷基体1以及导电膜2a～2d上涂敷绝缘性溶液，然后进行预烘烤，经由给定图案的掩模进行曝光、显影。接着，对其进行后烘烤，形成具有露出了导电膜2a～2d的一部分的露出面6a～6d的绝缘膜5。
接着，在导电膜2a、2b上制作引出电极层9a～9d(图7(a)、图7(b))。
即，首先，在形成了绝缘膜5的烧结体4的表面使用溅射法等薄膜形成法形成导电层，然后使用上述的光刻技术形成给定图案的引出电极层9a～9d。
接着，在引出电极层9a～9d的上表面给定部位制作布线电极层10a～10d。即，在形成了引出电极层9a～9d的烧结体4的表面通过镀敷法等形成导电层，然后使用上述的光刻技术在引出电极层9a～9d的上表面给定部位呈连接盘状形成布线电极层10a～10d。
然后，在该布线电极层10a～10d以引线接合方式连接Cu等的导线，由此，制作了压电器件。
像这样，根据本制造方法，包括：在压电陶瓷片13的两主面赋予导电性片14a、14b，将压电陶瓷片13和导电性片14a、14b进行共烧，在压电陶瓷基体1的两主面形成第一导体部2以及第二导体部3的烧成工序；对第一导体部2实施图案化处理而形成多个导电膜2a～2d，得到烧结体4的图案化工序；以及准备具有与所述导电性材料相等或大于所述导电性材料的延展性的绝缘性材料，在压电陶瓷基体1上赋予所述绝缘性材料，使得导电膜2a、2b的一部分露出，形成绝缘膜5的绝缘膜形成工序，因此，即使在制造过程中被施加外力，也能够抑制产生变形、结构缺陷，能够得到具有所希望的驱动性能的高性能的薄状的压电器件。
此外，由于在导电膜2a、2b上形成了引出电极层9a～9d以及布线电极层10a～10d，所以在制造过程中绝缘膜5、导电膜2a～2d不会从压电陶瓷基体1发生层间剥离，也不会在压电陶瓷基体1产生裂缝等，能够在无需在意引出电极层9a～9d、布线电极层10a～10d与导电膜2a、2b的位置关系的情况下进行多层布线化。
图9是示意性地示出本发明涉及的压电器件的第二实施方式的剖视图。
在本第二实施方式中，压电陶瓷基体21被设为具备内部导体22的层叠构造，关于该压电陶瓷基体21的厚度，与第一实施方式同样地，优选极薄地形成为90μm以下，更优选形成为4μm以上。
具体地，内部导体22具有埋设于极薄的陶瓷板23的平面导体24、25和与该平面导体24、25连接的多个过孔导体26～28。
而且，本第二实施方式的压电器件也与第一实施方式同样地，具有烧结体31，该烧结体31在压电陶瓷基体21的两主面形成有第一导体部29以及第二导体部30，并且第一导体部29具备具有给定图案的多个导电膜29a、29b。此外，在形成了导电膜29a、29b的压电陶瓷基体21的主面上形成有绝缘膜32，使得导电膜29a、29b的一部分露出。
此外，包含引出电极33a、33b以及布线电极34a、34b的电极层35a、35b层叠于导电膜29a、29b的露出面36a、36b，进而，在布线电极层34a、34b以引线接合方式连接有由Cu等形成的导线37a、37b。
而且，在本第二实施方式中，导电膜29a经由过孔导体27与平面导体25电连接，该平面导体25经由过孔导体26与第一导体部30电连接。此外，导电膜29b经由过孔导体28与平面导体24电连接。
即使在像本第二实施方式那样压电陶瓷基体21具有具备内部导体22的层叠构造的情况下，90μm以下的形成得极薄的压电陶瓷基体21也与第一实施方式同样地被导电膜29a、29b以及绝缘膜32保护。因此，即使被施加外力，也能够缓解在压电陶瓷基体21产生局部的应力集中，能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，能够在不导致驱动性能的下降的情况下得到机械强度良好且加工性良好的压电器件。
另外，本第二实施方式的压电陶瓷基体21能够通过如图10所示的方法来制造。
首先，通过与第一实施方式同样的方法、顺序制作压电陶瓷片38、39以及导电性片40、41、42。接着，将压电陶瓷片38、39以及导电性片41冲裁成给定形状，形成贯通孔43a～43e。然后，交替地层叠压电陶瓷片38、39和导电性片40～42。具体地，以导电性片42、压电陶瓷片38、导电性片41、压电陶瓷片39、导电性片40的顺序依次进行层叠(图10(a))。在层叠时，在形成于压电陶瓷片38、39的贯通孔43a、43b、43e填充Cu等导电性材料，形成过孔导通孔44～46。此时，贯通孔配置为，平面导体24、25相互电绝缘。
接着，以给定压力对导电性片40、42的主面进行加压、压接。这样，导电性片40～42经由过孔导通孔44～46电连接，由此形成层叠体47(图10(b))。
不过，在像压电陶瓷片38、39的厚度为例如5μm、导电性片40～42的厚度为例如10μm那样导电性片40～42的厚度与压电陶瓷片38、39的厚度相比充分厚的情况下，即使不在压电陶瓷片38、39的贯通孔43a、43b、43e填充导电性材料，在压接时也会被挤出到压电陶瓷片40、42的贯通孔43a、43b、43e而导通。同样地，在压电陶瓷片38、39的厚度与导电性片40～42的厚度相比充分厚的情况下，存在压接时导电性片41的贯通孔43c、43d被陶瓷填充的情况。另外，无论导电性片41的贯通孔43c、43d被陶瓷填充还是不被填充，都不会对压电器件的基本特性造成影响。
然后，能够通过与上述第一实施方式同样的方法、顺序制造压电器件。
即，对层叠体47进行共烧，接着，对第一导体部29实施图案化处理而形成导电膜29a、29b，得到烧结体31(图10(c))。
即，准备具有与导电性材料相等或大于导电性材料的延展性的绝缘性材料，在压电陶瓷基体21上赋予所述绝缘性材料，使得导电膜29a、29b的一部分露出，形成绝缘膜32。而且，然后依次形成引出电极层33a、33b、布线电极层34a、34b。而且，由此，即使在制造过程中被施加外力，也能够抑制产生变形、结构缺陷，能够得到具有所希望的驱动性能的高性能的薄状的压电器件。
另外，本发明并不限定于上述实施方式。例如，虽然在上述实施方式中，在共烧结体16的制作过程中分别制作压电陶瓷片和导电性片，用导电性片夹持压电陶瓷片，并进行加压成型，然后进行烧成，但是也可以在压电陶瓷片的两主面涂敷了导电性膏剂之后进行烧成，或者也可以进行旋涂而将含有导电性材料的溶液涂敷于压电陶瓷片的两主面，然后使其热固化，并进行烧成。
此外，虽然在本实施方式中，绝缘膜形成为多个各导电膜的一部分露出，但是导电膜只要至少一部分露出即可，也可以使导电膜的整个表面露出。
此外，虽然在上述实施方式中对第一导体部实施了图案化处理，但是也可以除了第一导体部以外还对第二导体部实施图案化处理。
接着，对本发明的实施例进行具体说明。
实施例1
制作压电器件的分析模型(模型0、模型1、模型2)，使用有限元法进行应力分析，并进行了仿真。
模型0是参考例的分析模型，如图11(a)所示，在压电陶瓷基体51的两主面整个区域赋予包含Ni(杨氏模量：201GPa)的第一导体部52以及第二导体部53，一端固定于支承板54，另一端设为自由端。压电陶瓷基体51的长度m为1mm，厚度n1为1μm，第一导体部52以及第二导体部53的厚度n2以及n3均为2μm。
模型1是本发明范围外的分析模型，如图11(b)所示，在压电陶瓷基体51的一个主面上赋予了厚度n2为2μm的相互分离的包含Ni的两个导电膜55a、55b。此外，在压电陶瓷基体51的另一个主面，与模型0同样地在主面整个区域赋予了第二导体部53。另外，该模型1也是一端固定于支承板54，另一端设为自由端。
如图11(c)所示，模型2在上述模型1的基础上，在压电陶瓷基体1上的未赋予导电膜55a、55b的部位赋予了绝缘膜56a～56c(杨氏模量：0.5～210GPa)。
将这些模型0～2的各分析模型呈矩阵状进行单元分割，输入Ni(导电膜)和绝缘膜的杨氏模量、形状数据、以及约束条件(在导体部53的下侧最远离固定端的点)，通过有限元法基于这些输入数据按每个分析模型计算反作用力(约束点反作用力)、压电陶瓷基体51以及绝缘膜56a～56c的各最大应力。
表1示出模型0～2的分析结果。
[表1]
Figure BDA0001642047540000171
*为本发明范围外
**为参考例
在编号9(模型0)中，反作用力为6.93×10-5N。此外，压电陶瓷基体51的最大应力产生在图11(a)所示的固定端附近的点P，但是低至3.8MPa。即，可知最大应力低至3.8MPa，即使被施加外力，也不易产生裂缝、层间剥离等结构缺陷。
在编号1(模型1)中，由于第一导体部55的一部分被去除，压电陶瓷基体51的表面露出一部分，所以刚性低，且反作用力成为2.44×10-5N，比编号9(模型0)小。
然而，在压电陶瓷基体51与导电膜55a、55b的角部的接点Q产生大的应力，压电陶瓷基体51的最大应力增大至23.1MPa(参照图11(b))。即，在编号1(模型1)中，最大应力与编号9相比大幅增加，在被施加了外力的情况下，应力集中于点Q，可认为容易产生裂缝等结构缺陷。
另一方面，在编号2～7(模型2)中，在压电陶瓷基体51的未赋予导电膜55a、55b的部位赋予了绝缘膜56a～56c，因此与模型1(编号2)相比，刚性变高，反作用力变大。然而，虽然在图11(c)所示的接点Q附近示出最大应力，但是压电陶瓷基体51的最大应力比模型1(编号1)小，可知也能够抑制绝缘膜56a～56c的最大应力，能够缓解应力集中。
特别是，在编号2、3中，绝缘膜56a～56c的杨氏模量小至0.5GPa、1.0GPa，且延展性优异，因此绝缘膜56a～56c的最大应力分别小至0.307MPa、0.597MPa，可知几乎不产生应力集中。
此外，根据编号2～7的分析结果明确可知，随着杨氏模量变大，延展性下降，因此刚性变高，反作用力变大，绝缘膜56a～56c的最大应力成为增加倾向，但是压电陶瓷基体51的最大应力下降。
此外，在编号8(模型2)中，与编号2～7同样地，在压电陶瓷基体51的未赋予导电膜55a、55b的部位赋予了绝缘膜56a～56c，但是绝缘膜56a～56c的杨氏模量比作为导电膜55a、55b的Ni的杨氏模量(＝201GPa)大，因此绝缘膜56a～56c的延展性比导电膜55a、55b的延展性低，因此压电陶瓷基体51以及绝缘膜56a～56c的最大应力成为增加倾向，并且刚性变高，反作用力大于导电膜55a、55b，因此可知有可能导致驱动性能的下降。
即，即使在模型2的情况下，也需要像编号2～7那样，使绝缘膜56a～56c的杨氏模量与导电膜55a、55b的杨氏模量相等或小于导电膜55a、55b的杨氏模量。
实施例2
(试样的制作)
作为陶瓷生原料，准备了K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、MnCO3、以及Yb2O3。
接着，对各陶瓷生原料进行了称量，使得组成式满足[100{0.98(K0.45Na0.53Li0.02)NbO3-0.02CaZrO3}+3ZrO2+5MnO+0.5YbO1.5]。
接着，将这些称量物投入到内部有PSZ球的罐磨机，将乙醇作为溶剂使罐磨机旋转大约90小时，并以湿式进行了混合粉碎。然后，对得到的混合物进行干燥，然后以900℃的温度进行预烧，得到了用上述组成式表示的陶瓷原料粉末。
接着，在将该陶瓷原料粉末揉碎之后，与有机粘合剂、作为有机溶剂的丙酮、分散剂、增塑剂一起投入到内部有PSZ球的罐磨机，一边使该罐磨机旋转一边以湿式充分进行混合粉碎，得到了陶瓷浆料。然后，使用刮刀法，对陶瓷浆料进行成型加工，使得烧成后的厚度成为15μm，由此制作了压电陶瓷片。
此外，准备了杨氏模量为201GPa的Ni粉末。然后，将该Ni粉末与有机粘合剂、作为有机溶剂的丙酮、分散剂、增塑剂一起投入到内部有PSZ球的罐磨机，一边使罐磨机旋转一边以湿式充分进行混合，得到了导电性浆料。然后，使用刮刀法，对导电性浆料进行成型加工，使得烧成后的厚度成为2μm，由此制作了导电体片。
接着，在用一对导电体片夹持压电陶瓷片而进行了层叠之后，进行等静压加压，然后，在与Ni-NiO的平衡氧分压相比向还原侧调整了0.5位而使得Ni不会氧化的还原性环境下，以1000～1160℃的温度烧成两小时，得到了在压电陶瓷基体的两主面分别形成了第一导体部以及第二导体部的共烧结体。
接着，使用光刻技术对第一导体部进行加工，制作了具有给定图案的四个导电膜。
即，在第一导体部的表面涂敷了光致抗蚀剂之后，进行预烘烤，然后，将具有给定图案的掩模配置于上方，对该抗蚀剂掩模照射紫外线进行曝光，将掩模图案转印至光致抗蚀剂。接着，在对其进行显影之后，用纯水进行了清洗。然后，将其浸渍于作为蚀刻液的氯化铁溶液进行湿式蚀刻，形成给定图案的四个导电膜，由此得到了烧结体。
接着，在压电陶瓷基体以及各导电膜上形成了包含杨氏模量为3GPa的环氧树脂的绝缘膜，使得各导电膜的一部分露出。
即，进行旋涂而将含有感光性环氧树脂的环氧溶液涂敷到压电陶瓷基体以及导电膜上。接着，在对其进行预烘烤之后，经由给定图案的掩模进行曝光，并进行显影，然后进行后烘烤，形成了绝缘膜，使得各导电膜的一部分露出而具有露出面。另外，绝缘膜的厚度从压电陶瓷基体的表面起为大约2.4μm。
接着，使用溅射法，在形成了绝缘膜的烧结体形成厚度为大约1.9μm的由包含镍和铜的合金形成的导电层，然后，使用上述的光刻技术，形成了给定图案的引出电极层。
接着，在引出电极层的表面通过镀敷法形成包含Ni、Au的导电层，然后使用上述的光刻技术，在引出电极上的给定部位呈连接盘状制作布线电极层，由此制作了实施例2的试样。
(试样的评价)
用SEM对试样的剖面进行了观测，结果确认了未产生裂缝、层间剥离。即，可知，尽管本试样的压电陶瓷基体的厚度为15μm，是90μm以下，极薄，但是仍能够得到所希望的烧结体，并且即使在制造过程中施加负荷，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，可得到具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件。
此外，绝缘膜的厚度ts为2.4μm，导电膜的厚度tm为2μm，因此(ts/tm)3为1.73。另一方面，绝缘膜的杨氏模量Es为3GPa，构成导电膜的Ni的杨氏模量为201GPa，因此(Em/Es)为67，(ts/tm)3＜(Em/Es)成立。
即，可知，即使绝缘膜的厚度变大，通过选择具有适当的杨氏模量的绝缘性材料，从而也能够抑制刚性变高，能够避免导致作为压电器件的驱动性能的下降。
实施例3
(试样的制作)
通过与实施例2同样的方法、顺序，制作烧成后的厚度为90μm的压电陶瓷片以及烧成后的厚度为2μm的导电体片，将用一对导电体片夹持了这些压电陶瓷片的层叠体层叠6层，然后通过与实施例2同样的方法、顺序制作了实施例3的试样。
(试样的评价)
用SEM对试样的剖面进行了观测，结果确认了未产生裂缝、层间剥离。即，确认了：尽管本试样的压电陶瓷基体的厚度为90μm，是极薄的，但是与实施例2同样地，仍能够得到所希望的烧结体，并且即使在制造过程中施加负荷，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，能够得到具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件。
另外，本试样也与实施例2同样地，绝缘膜的厚度ts为2.4μm，导电膜的厚度tm为2μm，因此(ts/tm)3为1.73。另一方面，绝缘膜的杨氏模量Es为3GPa，构成导电膜的Ni的杨氏模量为201GPa，因此(Em/Es)为67，显然，(ts/tm)3＜(Em/Es)成立。
实施例4
(试样的制作)
通过与实施例2同样的方法、顺序，制作烧成后的厚度为4μm的压电陶瓷片以及烧成后的厚度为2μm的导电体片，用一对导电体片夹持这些压电陶瓷片并进行层叠，然后通过与实施例2同样的方法、顺序，制作了实施例4的试样。
(试样的评价)
用SEM对试样的剖面进行了观测，结果确认了未产生裂缝、层间剥离。即，确认了：尽管本试样的压电陶瓷基体的厚度为4μm，是90μm以下，极薄，但是与实施例2同样地，仍能够得到所希望的烧结体，并且即使在制造过程中施加负荷，也能够抑制裂缝、层间剥离等结构缺陷的产生，能够得到具有良好的机械强度且加工性良好的压电器件。
另外，本试样也与实施例2以及实施例3同样地，绝缘膜的厚度ts为2.4μm，导电膜的厚度tm为2μm，因此(ts/tm)3为1.73。另一方面，绝缘膜的杨氏模量Es为3GPa，构成导电膜的Ni的杨氏模量为201GPa，因此(Em/Es)为67，显然(ts/tm)3＜(Em/Es)成立。
产业上的可利用性
即使施加外力，也能够抑制产生裂缝、层间剥离等结构缺陷，在不导致驱动性能的下降的情况下实现具有良好的机械强度且加工性良好的薄状的压电器件。
附图标记说明
1：压电陶瓷基体；
2：第一导体部(导体部)；
2a、2b：导电膜；
3：第二导体部(导体部)；
4：烧结体；
5：绝缘膜；
7a、7b：外部电极；
13：压电陶瓷片；
14a：第一导电性片(导电性材料)；
14b：第二导电性片(导电性材料)；
21：压电陶瓷基体；
22：内部导体；
38：压电陶瓷片；
39：压电陶瓷片；
40：导电性片；
41：导电性片；
42：导电性片；
47：层叠体。

Claims (15)

1.一种压电器件，其特征在于，
具有烧结体，所述烧结体在压电陶瓷基体的两主面形成有导体部，并且所述导体部中的至少一个主面的导体部具备具有给定图案的多个导电膜，
在形成了所述导电膜的所述压电陶瓷基体的主面上形成有绝缘膜，使得所述导电膜的至少一部分露出，
所述绝缘膜的延展性与所述导电膜相等或大于所述导电膜，
在所述绝缘膜的平均厚度ts、所述导电膜的平均厚度tm、所述绝缘膜的杨氏模量Es、以及所述导电膜的杨氏模量Em之间，如下关系成立：
(ts/tm)3＜Em/Es。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，
所述绝缘膜的杨氏模量与所述导电膜相等或小于所述导电膜。
3.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述压电陶瓷基体的平均厚度为90μm以下。
4.根据权利要求3所述的压电器件，其特征在于，
所述压电陶瓷基体的平均厚度为4μm以上。
5.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述压电陶瓷基体具有具备内部导体的层叠构造。
6.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述绝缘膜以有机化合物为主成分。
7.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述压电陶瓷基体包含至少含有铌以及碱金属元素的钙钛矿型化合物。
8.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
所述导体部包含贱金属材料。
9.根据权利要求1或2所述的压电器件，其特征在于，
在所述导电膜上层叠有多个电极层。
10.一种压电器件的制造方法，其特征在于，包括：
烧成工序，制作压电陶瓷片和导电性材料的层叠体，对所述压电陶瓷片和所述导电性材料进行共烧，在压电陶瓷基体的两主面形成导体部；
图案化工序，对所述导体部中的至少一个导体部实施图案化处理而形成多个导电膜，得到烧结体；以及
绝缘膜形成工序，准备具有与所述导电性材料相等或大于所述导电性材料的延展性的绝缘性材料，在所述压电陶瓷基体上赋予所述绝缘性材料，使得所述导电膜的至少一部分露出，形成绝缘膜，
选择所述导电性材料以及所述绝缘性材料，形成所述导电膜以及所述绝缘膜，使得在所述绝缘膜的平均厚度ts、所述导电膜的平均厚度tm、所述绝缘膜的杨氏模量Es、以及所述导电膜的杨氏模量Em之间，如下关系成立：
(ts/tm)3＜Em/Es。
11.根据权利要求10所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
在所述烧成工序中，所述层叠体通过在压电陶瓷片的两主面呈片状赋予导电性材料来制作。
12.根据权利要求10所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
在所述烧成工序中，所述层叠体通过交替地层叠所述压电陶瓷片和成型为片状的所述导电性材料并以给定压力进行加压、压接来制作。
13.根据权利要求10～12中的任一项所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
所述绝缘性材料的杨氏模量与所述导电性材料相等或小于所述导电性材料。
14.根据权利要求10～12中的任一项所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
所述绝缘性材料包含有机化合物。
15.根据权利要求10～12中的任一项所述的压电器件的制造方法，其特征在于，
包括：电极层形成工序，在所述导电膜上形成多个电极层。
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