CN108780839A - 压电薄膜元件 - Google Patents

压电薄膜元件 Download PDF

Info

Publication number
CN108780839A
CN108780839A CN201780016688.4A CN201780016688A CN108780839A CN 108780839 A CN108780839 A CN 108780839A CN 201780016688 A CN201780016688 A CN 201780016688A CN 108780839 A CN108780839 A CN 108780839A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
thin film
film layer
platinum electrode
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780016688.4A
Other languages
English (en)
Inventor
彼得·马迪洛维奇
高松远
苏珊·特罗利尔-麦金斯特里
特伦特·博尔曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seer Technology Co Ltd
Xaar Technology Ltd
Original Assignee
Seer Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GB1604457.0A external-priority patent/GB2548377A/en
Priority claimed from EP16160658.7A external-priority patent/EP3220431B1/en
Application filed by Seer Technology Co Ltd filed Critical Seer Technology Co Ltd
Publication of CN108780839A publication Critical patent/CN108780839A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/077—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition
    • H10N30/078—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition by sol-gel deposition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1607—Production of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/161—Production of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1642—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by CVD [chemical vapor deposition]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B41J2002/14266—Sheet-like thin film type piezoelectric element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/03—Specific materials used
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种压电薄膜元件，其包括第一电极、第二电极和位于它们之间的一个或更多个压电薄膜，其中第一电极是具有平均晶粒尺寸大于50nm的铂金属电极，并且其中邻近铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层，其中接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1‑xO3(其中0<x≤0.60)的组成的锆钛酸铅(PZT)，并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平。

Description

压电薄膜元件
本公开大体上涉及适于在致动器、传感器、能量收集设备中和在多层电容器中的使用的压电薄膜元件以及制造该元件的方法。
本公开特别地但不排他地涉及适于用作微滴沉积装置中的微滴沉积头的致动器的压电薄膜元件、以及包括该元件的致动器、包括致动器的微滴沉积头和包括该微滴沉积头的微滴沉积装置。
各种替代流体可由微滴沉积头沉积。例如，微滴沉积头可以喷射墨滴，该墨滴可以行进到纸张或卡片上，或者行进到其他接收介质上，诸如瓷砖或成型制品(例如，罐、瓶等)，以形成图像，正如喷墨打印应用中的情况(其中微滴沉积头可以是喷墨打印头，或者更具体地，按需滴定喷墨打印头)。
可选地，流体的微滴可用于构建结构，例如，电活性流体可沉积到接收介质(诸如电路板)上，以便能够对电气设备进行原型设计。
在另一个示例中，含有流体的聚合物或熔融聚合物可以沉积在连续的层中，以便产生物体的原型模型(如在3D打印中)。
在其它应用中，微滴沉积头可适于将含有生物或化学物质的溶液的微滴沉积到接收介质(诸如微阵列)上。
适用于这种替代流体的微滴沉积头在结构上通常可以类似于打印头，并具有对所讨论的特定流体进行处理所做出的一些调整。
微滴沉积头可以是按需滴定微滴沉积头，其中喷射的微滴图案根据提供给该头的输入数据而变化。
适合用作微滴沉积头的致动器的典型压电薄膜元件包括在硅或其他衬底上形成的金属或金属氧化物底部电极、金属顶部电极、以及介于这些电极之间的压电薄膜。
压电薄膜可以包括含铅钙钛矿(ABO3)，诸如锆钛酸铅(PZT)，并且可以通过各种技术形成，包括溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)和化学溶液沉积。然而，最常用的技术是化学溶液沉积，特别是溶胶-凝胶沉积。
在化学溶液沉积中，压电薄膜形成为包括多个已经单独形成并一起退火的压电薄膜层的叠层。
溶液沉积在底部电极上(例如，通过旋涂)、被干燥并热解以形成对于第一压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第一压电薄膜层。
溶液然后被施加到第一压电薄膜层、被干燥并热解以形成对于第二压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第二压电薄膜。
重复这些后面的步骤，以便在底部电极上获得压电薄膜，该压电薄膜包括具有多个压电薄膜层和具有用于压电元件预期用途的适当厚度的叠层。
为了控制压电薄膜层和压电薄膜的厚度，化学溶液沉积可以在热处理之前通过重复施加、干燥和热解溶液来形成多个前体层。这些厚度还取决于溶液的总溶质浓度以及其它参数，诸如溶液的旋涂速率。
最后，例如通过溅射金属(诸如铂、铱或钌)和/或通过对金属氧化物(诸如二氧化铱)的反应溅射，在压电薄膜上形成顶部电极。
在整个文献中详细描述了使用化学溶液沉积且特别是溶胶-凝胶沉积来形成包含含铅钙钛矿(诸如PZT)的压电薄膜。一个详细描述可以在例如美国专利申请2003/0076007A1(通过引用并入本文)中找到。
众所周知，PZT薄膜的压电和机械性质取决于其微结构，特别是压电薄膜层内的晶体(或“晶粒”)的尺寸、形状和取向。
特别地，众所周知，用于形成PZT薄膜的溶液中过量的铅含量(通常为10％)对于确保钙钛矿相和避免对压电性能有害的其它(贫铅)相是重要的。
还已知的是，当PZT的化学成分接近在四方相和菱形相之间的准同型相界(MPB)处发现的化学成分时(通常为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3)，PZT薄膜的压电常数的幅值最大。
还已知，当PZT薄膜内的大多数晶体具有作为伪立方(pseudo cubic){100}取向的晶体取向时(即，当压电薄膜具有“优选的{100}取向”时)，压电元件的压电和机械性质是最佳的。
还已知PZT薄膜中的晶体取向受到下面电极和衬底的晶体结构的严重影响，但也取决于用于化学溶液沉积的工艺参数。
已知影响压电薄膜中晶体取向的工艺参数包括用于化学溶液沉积的干燥、热解和加热的温度、速率和持续时间。
一种对通过化学溶液沉积形成的PZT薄膜中晶体取向控制的方法提供了设置在底部电极上的籽晶层(seed layer)或缓冲层。
形成有明确定义的晶体取向的籽晶层或缓冲层用于在PZT薄膜层形成于籽晶层上时引导其中的晶体取向。当第二PZT薄膜层在这个接触PZT薄膜层上形成时，该接触PZT薄膜层引导该第二PZT薄膜层中的取向(依此类推)，使得能够获得具有总体优选取向的PZT薄膜。
籽晶层或缓冲层通常包括除PZT之外的钙钛矿型材料。用于在通过化学溶液沉积形成的PZT薄膜中引导伪立方{100}取向的常用籽晶层包括钛酸铅(PT)。
然而，通过化学溶液沉积在电极上形成的PZT薄膜层也可用于引导PZT薄膜中的(100)或(110)晶体取向。在这种情况下，PZT薄膜层的厚度对于在该层和PZT薄膜中的(100)或(110)取向至关重要。
特别地，EP 2525391 A2公开了一种通过化学溶液沉积形成具有优选(100)取向的压电薄膜的方法，其中形成在铂电极上的PZT薄膜层充当(100)取向控制层。该溶液具有的溶质含量为12wt％，其中过量铅含量为10mol％。取向控制层的厚度被控制在35nm至150nm之间(且最优地被控制在约65nm)。
此外，EP 2525393 A2公开了一种通过化学溶液沉积形成具有优选(110)取向的压电薄膜的方法，其中形成在铂电极上的PZT薄膜层充当(110)取向控制层。该溶液具有的溶质含量为5wt％，且过量铅含量为10mol％。取向控制层的厚度被控制在5nm与30nm之间。
在PZT薄膜的化学溶液沉积中使用PZT薄膜层作为取向控制层一直局限于电极，特别是铂电极，这些电极通过在室温或接近室温下溅射沉积在衬底上。
US 6682722 B1公开了一种基于PZT薄膜层制造用于电容器存储器件的铂底部电极的方法。铂电极是通过将铂金属溅射到被加热到高温(300℃与800℃之间)的衬底(设置有粘附层)上来沉积的。与其中通过在室温或室温附近溅射沉积铂电极的电容器相比，在PZT薄膜中引导{111}取向的铂电极提供了具有更高热稳定性、更低应力和改善的疲劳性能(fatigue performance)的器件。
US 7023036 B1公开了一种适用于喷墨打印机的致动器中的压电元件，该压电元件包括旨在保护暴露于环境的压电薄膜的部分的保护膜。压电元件包括形成在氧化镁衬底上的铂底部电极和PZT薄膜。通过以650℃溅射铂金属来沉积铂底部电极，该铂底部电极引导PZT薄膜中的(001)取向。
EP 2846370 A1公开了一种包括PZT薄膜的压电元件，其中在铂底部电极上提供了镧钛酸铅(PLT)缓冲层。通过将铂金属溅射到被加热到高温的硅衬底上来沉积铂电极，使得铂电极中的平均晶粒尺寸(grain size)被控制在50nm和150nm之间。据说铂电极的结晶度和平均晶粒尺寸控制PLT缓冲层和PZT薄膜中的(100)取向。
该文献还公开了一种压电元件，其中PZT薄膜直接形成在铂电极上(即，没有缓冲层)。与包括缓冲层的压电元件相比，PZT薄膜被描述为具有(100)和(001)取向和差的压电常数。
这些公开的压电元件各自包括高温沉积的铂电极和PZT薄膜，该薄膜是通过在高温下溅射PZT形成的单层。
这些公开没有描述或暗示用于直接在高温沉积的铂电极上形成含铅压电薄膜的化学溶液沉积的使用。
这种使用更新了PZT薄膜层中晶体取向的控制问题，因为高温沉积的铂电极的结晶度和晶粒尺寸、形态和密度不同于室温沉积的铂电极。
特别地，与室温沉积的铂电极(20nm至50nm)相比，高温沉积的铂电极包括致密、高度结晶的大平均尺寸的晶粒(通常为100nm或更高)。
本公开提供了对通过化学溶液沉积设置在高温沉积的铂电极上的PZT薄膜中的伪立方{100}取向的控制。
现在已经发现，包括为或大约为PbZrxTi1-xO3(其中0<x≤0.60)的组成的PZT的压电薄膜层可以通过化学溶液沉积直接沉积到高温沉积的铂电极上，具有非常高度的伪立方{100}取向，只需控制溶液中过量铅含量的水平。
PZT薄膜层的伪立方{100}取向的水平可以高达98％或甚至100％，并且至少在压电元件中PZT薄膜层通常采用的厚度范围内与PZT薄膜层的厚度无关。
还发现，PZT薄膜层用作对于其它压电薄膜层的取向控制层，特别是为或大约为PbZrxTi1-xO3(其中0<x≤0.60)的组成的PZT薄膜层，它们一个接一个地沉积在PZT薄膜层上。
由在这些叠置的压电薄膜层上的取向控制PZT薄膜层实施的伪立方{100}取向控制的水平可能非常高。PZT薄膜层可以例如提供PZT薄膜，其包括具有大于90％，特别是大于95％的总伪立方{100}取向的两个到六个或更多个PZT薄膜层的叠层。
因此，在第一方面中，本公开提供了一种压电薄膜元件，其包括第一电极、第二电极和位于它们之间的一个或更多个压电薄膜，其中第一电极是具有大于50nm的平均晶粒尺寸的铂金属电极，并且其中邻近铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层，其中接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3(其中0<x≤0.60)的组成的PZT，并且具有大于或等于的90％的伪立方{100}取向的水平。
在一个实施例中，与铂金属电极接触的PZT薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中0<x≤0.40，例如0.10、0.20或0.30。在另一个实施例中，与铂金属电极接触的PZT薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中0.40≤x≤0.60，例如处于或大约为MPB值。MPB值是在PZT的四方相和菱形相之间的准同型相界(MPB)处的x的值。
然而，注意到，对锆钛酸铅的提及包括对掺杂的锆钛酸铅的提及，其中一种或更多种掺杂离子A或B名义上取代Pb(A位点(site))或Zr或Ti(B位点)离子。根据是否存在一种或更多种掺杂离子，MPB值可以从0.52变化。当存在一种或更多种掺杂离子时，MPB值可以与0.52相差例如高达+/-5％或更高。进一步注意到，铅含量可以在保持钙钛矿结构的程度、特别是当存在一种或更多种掺杂离子时是非化学计量的。
接触铂金属电极的PZT薄膜层可以例如包括组成为(Pb1-zAz)(ZrxTi1-x)O3或Pb[Zrx(Ti1-x)1-yBy]O3的锆钛酸铅，其中x可以具有上述值的范围，并且y和z小于或等于0.20。
在一个实施例中，接触铂金属电极的PZT薄膜层具有大于或等于95％、例如98％或甚至100％的伪立方{100}取向的水平。
铂金属电极可具有大于50nm的平均晶粒尺寸。然而，优选地，平均晶粒尺寸大于100nm，例如，150nm、175nm、200nm、250nm、300nm、400nm或500nm。
取决于平均晶粒尺寸的晶粒密度远低于室温沉积的铂电极的密度(大约每平方微米1600个晶粒；平均晶粒尺寸20nm至30nm)。晶粒的密度具体地可以在每平方微米约25晶粒到每平方微米约400晶粒之间的范围内。
在一个实施例中，铂金属电极具有优选的(111)取向。铂金属电极的厚度可以在10nm和200nm之间，特别是50nm、100nm或150nm。
接触铂金属电极的PZT薄膜层可以被施主掺杂剂、受主掺杂剂或等价掺杂剂中的一种或更多种掺杂。该掺杂剂或每种掺杂剂可以以高达20mol％(例如，2mol％、5mol％、10mol％或15mol％)的量存在。
施主掺杂剂可以选自由La3+、Ta5+、V5+、U5+、Nb5+和W6+以及稀土元素的三价离子组成的掺杂剂组。
受主掺杂剂可以选自由Na+、K+、Cs+、Rb+、Cu+、Mn+、Li+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Nb2+、Ni2+、Mn3 +、Y3+以及碱土和稀土元素的二价和三价离子组成的掺杂剂组。
等价掺杂剂可以选自由Mn4+、Hf4+、Sn4+、Mg2+、Ca2+、Sr2+和Ba2+以及碱土金属和稀土金属的其他二价离子组成的掺杂剂组。
在一个实施例中，叠层包括其中所有压电薄膜层都是化学溶液衍生的薄膜层的叠层。
在另一实施例中，叠层包括其中接触铂电极的PZT薄膜层是化学溶液衍生的层并且一个或更多个其他压电薄膜层通过上述其他方法之一且特别是通过低温溅射或金属有机化学气相沉积衍生的叠层。
在这些实施例中，除了接触铂电极的PZT薄膜层之外的一个或更多个压电薄膜层可以包括除PZT之外的钙钛矿。这些层可以例如包括PbMg1/3Nb2/3O3(PMN)、PbNi1/3Nb2/3O3(PNN)、Pb(1-x)/2LaxTiO3、(PLT)、PbZn1/3Nb2/3O3(PZN)或PbTiO3(PT)、无铅钙钛矿(诸如BaTiO3)或其二元或三元混合物(诸如PZT-PMN、PZT-PNN、PZT-PLT或PZN-PT中的一种或更多种。
在一个实施例中，叠层包括在接触铂金属电极的PZT薄膜层上形成的为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的多个PZT薄膜层，其中0<x≤0.60。该叠层具体可以包括其中除了接触铂电极的PZT薄膜层之外的所有PZT薄膜层具有为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的叠层，其中0.40≤x≤0.60，例如在MPB值处或附近。根据是否存在一种或更多种掺杂离子，MPB值可以从0.52变化。当存在一种或更多种掺杂离子时，MPB值可以与0.52相差例如高达+/-5％或更高。
接触铂金属电极的PZT薄膜层的厚度不是特别重要，且例如可以在10nm和200nm之间。在一个实施例中，厚度在40nm和100nm之间，例如45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm或80nm。
注意，接触铂电极的PZT薄膜层用作对于叠层中的一个或更多个其它压电薄膜层的取向控制层，使得薄膜具有总体上优选的伪立方{100}取向。
在一些实施例中，压电薄膜的伪立方{100}取向大于90％，特别是大于95％，例如98％或更多，甚至100％。
第二电极可以包括任何合适的导电材料，并且可以通过本领域已知的任何方法形成在压电薄膜上。例如，它可以通过溅射铂、铱或钌和/或通过对导电氧化物(诸如，氧化铱(IO、IrO2)、铌酸镧(LNO、LaNiO3)或钌酸锶(SRO、SrRuO3))反应溅射来形成。
在一个实施例中，第二电极是顶部电极，且压电薄膜介于第一和第二电极之间。
在该实施例中，可以提供一个或更多个附加压电薄膜和一个或更多个附加电极，使得压电薄膜元件包括交替的压电薄膜和电极的堆叠。附加电极也可以是高温沉积的铂电极，并且附加压电薄膜可以类似于形成在第一电极上的压电薄膜。电极和掺杂布置可以在其他方面类似于美国临时专利申请第63/175，056号(通过引用并入本文)中描述的那些。
在另一个实施例中，在压电薄膜的一个表面上提供了第一电极和第二电极，例如，作为相邻或叉指式对。
在第二方面中，本公开提供了一种用于制造压电薄膜元件的方法，该压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和位于它们之间的一个或更多个压电薄膜，该方法包括在被加热到450℃或以上的预定温度的衬底上形成铂金属电极，以及在铂金属电极上形成包括压电薄膜层的叠层的压电薄膜，其中压电薄膜的形成包括通过化学溶液沉积形成接触铂金属电极的压电薄膜层，该化学溶液沉积使用具有10mol％与40mol％之间的预定过量铅含量的溶液，由此接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅(PZT)(其中，0<x≤0.60)，并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平。
在一个实施例中，化学溶液沉积采用具有10mol％与40mol％之间的预定过量铅含量的溶液，由此接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中0<x≤0.40，例如0.10、0.20或0.30。在另一个实施例中，化学溶液沉积采用具有10mol％与40mol％之间的预定过量铅含量的溶液，由此接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中0.40≤x≤0.60，例如处于MPB值或附近。
注意，本文中对溶液的提及包括对溶胶-凝胶溶液的提及以及对在沉积期间不产生溶胶或凝胶的溶液的提及。还要注意，这些溶液的不同之处仅在于所选择的前体化合物的溶解度，并且用于施加这些溶液和形成压电薄膜层的步骤基本相似。对溶液或对化学溶液衍生的薄膜层的提及将被相应地解释。
还要注意，对溶液中的mol％过量铅含量的提及是对溶液中铅的摩尔数超过了用于形成具有化学计量的量的铅离子的PZT薄膜层所需的摩尔数的提及。
因此，对包括12mol％过量铅含量的溶液的提及是对其中可溶性铅的摩尔数比具有化学计量的量的铅离子的基于PZT的薄膜层所需的铅的摩尔数高12％的溶液的提及。
例如，这种溶液可以说含有对应于Pb1.12Zr0.52Ti0.48O3的铅量，但是该溶液实际上可以提供包括Pb～1.00Zr0.52Ti0.48O3的PZT薄膜层，即，具有的铅量略低于或高于1.00(相差高达5％)。
进一步注意，尽管包括掺杂剂前体化合物的溶液可以提供具有非化学计量的量的铅的掺杂的PZT薄膜层，但该引用也适用于该溶液，只要获得钙钛矿结构。
因此，与不含掺杂剂前体化合物的溶液的过量铅含量相比，包括掺杂剂前体化合物的溶液的预定过量铅含量可以具有不同(例如，更高)mol％的过量铅含量。
接触铂金属电极的PZT薄膜层的形成尤其可以采用具有10mol％与40mol％之间，特别是12mol％与20mol％之间，例如14mol％、16mol％、17mol％或18mol％的预定过量铅含量的溶液。
在一个实施例中，铂金属电极的形成是通过将铂金属溅射到衬底上，该衬底从低温被加热到小于或等于1000℃的温度，特别是小于或等于650℃，例如500℃或600℃。
衬底可以包括硅晶体。硅晶体可以设置有粘附层，例如包括氧化钛、氧化锌、氧化铟或氧化镓中的一种或更多种，用于促进铂金属电极的沉积。硅晶体还可以设置有与粘附层或铂电极层接触的缓冲层(例如，二氧化硅)和/或铅阻挡层(例如，氧化铝、二氧化铪或氧化锆)。
在一个实施例中，与铂电极接触的PZT薄膜层的形成采用溶胶-凝胶溶液，该溶液由商业上可获得的溶胶-凝胶溶液组成，该溶液具有等于或大于10wt％的对于锆钛酸铅的前体化合物的总重量浓度(剩余部分是溶剂，诸如2-甲氧基乙醇)。适合市场上可获得的溶胶-凝胶溶液(三菱材料(Mitsubishi Materials))包括12wt％、15wt％或25wt％的溶胶-凝胶溶液。
在该实施例中，可以通过添加预定重量的铅前体化合物来调节溶胶-凝胶溶液的过量铅含量(其是10mol％)。
在另一个实施例中，接触铂电极的PZT薄膜层的形成采用溶液，该溶液由从零开始至合适的总重量浓度的基于锆钛酸铅的物质的前体化合物组成，其中前体化合物的重量比提供溶液中预定的过量铅含量。
在一个实施例中，接触铂电极的PZT薄膜层的形成采用包括一种或更多种掺杂化合物的溶液，条件是接触铂金属电极的PZT薄膜层被施主掺杂剂、受主掺杂剂或等价掺杂剂中的一种或更多种掺杂。
该溶液可以特别地包括一种或更多种浓度高达20mol％(每种)，例如高达15mol％或10mol％，以及例如2mol％、5mol％和8mol％(每种)的掺杂化合物。
用于形成适合溶液的适合的前体化合物和溶剂是本领域技术人员熟知的，并且例如在EP 2525391 A2中有描述。
注意，对溶液中掺杂化合物的mol％的提及是对溶液中掺杂化合物的摩尔数与用于形成具有化学计量的量的A或B位点离子的未掺杂的PZT薄膜层所需的摩尔数相比的％比率的提及，A位点还是B位点取决于掺杂剂名义上占据这些位点中的哪一个。
掺杂前体化合物可以被添加到上述商用溶液中，或者被制成使得作为对用于形成未掺杂的PZT薄膜层的前体化合物的部分的附加存在，而不是代替该前体化合物的部分。
接触铂金属电极的掺杂的PZT薄膜层的形成可以采用其中预定过量铅含量大于或等于对于接触铂金属电极的未掺杂的PZT薄膜层所采用的溶液的过量铅含量的溶液。
掺杂化合物可以提供接触铂金属电极的PZT薄膜层被选自由La3+、Ta5、V5+、U5+、Nb5+和W6+以及稀土元素的三价离子构成的组的施主掺杂剂来掺杂。
掺杂化合物可以提供接触铂金属电极的PZT薄膜层被选自由Na+、K+、Cs+、Rb+、Cu+、Li+、Cu2+、Co2+、Mn2+、Nb2+、Ni2+、Mn3+、Y3+以及碱土和稀土元素的二价和三价离子构成的组的受主掺杂剂来掺杂。
掺杂化合物可以提供接触铂金属电极的PZT薄膜层被选自由Mn4+、Hf4+、Mg2+、Ca2+、Sr2+和Ba2+以及碱土和稀土元素的其他二价离子构成的组的等价掺杂剂来掺杂。
在一个实施例中，掺杂化合物提供接触铂金属电极的PZT薄膜层被Nb5+掺杂。在该实施例中，溶液可以特别是Pb1.17Nb0.02(Zr0.52Ti0.48)O3。
接触铂电极的PZT薄膜层的形成可以包括通过本领域已知的任何方法且特别是通过旋涂或浸涂来施加溶液。在一个实施例中，接触铂电极的PZT薄膜层的形成包括以1500至6000rpm(例如，1500至3000rpm)之间的速率旋涂12wt％或15wt％的溶胶-凝胶溶液30秒与120秒之间的持续时间，由此获得接触铂金属电极的压电薄膜层的厚度在10nm与200nm之间。优选地，旋转速率被选择以提供在45nm、50nm、55nm、60nm或65nm、和70nm或80nm之间的厚度。
在一个实施例中，该方法还包括通过化学溶液沉积或通过上述其它方法之一、特别是通过低温溅射或金属有机化学气相沉积来形成一个或更多个附加压电薄膜层。
在这些实施例中，该方法可以包括将一个或更多个附加压电薄膜层形成为除PZT之外的钙钛矿，例如PbMg1/3Nb2/3O3(PMN)、PbNi1/3Nb2/3O3(PNN)、Pb(1-x)/2LaxTiO3、(PLT)、PbZn1/3Nb2/3O3(PZN)或PbTiO3(PT)、无铅钙钛矿(诸如BaTiO3)或其二元或三元混合物(诸如PZT-PMN、PZT-PNN、PZT-PLT或PZN-PT)中的一个或更多个。
在一个实施例中，该方法还包括形成包括为或大约为PbZrxTi1-xO3(其中，0<x≤0.60)的组成的锆钛酸铅的一个或更多个附加PZT薄膜层。具体而言，它可以包括通过化学溶液沉积在接触铂金属电极的压电薄膜层上形成一个或更多个附加PZT薄膜层，该附加PZT薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中，0.40≤x≤0.60，例如处于MPB值或其附近。
注意，接触铂电极的PZT薄膜层用作对于一个或更多个附加压电薄膜层的取向控制层，使得薄膜具有总体上优选的伪立方{100}取向。
在一些实施例中，压电薄膜的伪立方{100}取向大于或等于90％，特别是大于95％，例如98％或更多，甚至100％。
一个或更多个附加含铅薄膜层且特别是附加PZT薄膜层的形成可以采用一种或更多种具有预定过量铅含量的溶液，其等于或小于对于接触铂金属电极的PZT薄膜层采用的溶液。
一种或更多种溶液可以包括一种或更多种掺杂化合物，并且一个或更多个附加PZT薄膜层的形成可以采用溶液，条件是该PZT薄膜层包括不同或类似的掺杂层以及可选的未掺杂层。
对于接触铂金属电极的PZT薄膜层采用的溶液的预定过量铅含量将取决于电极的纹理(texture)和厚度，特别是取决于电极的晶粒尺寸和相对密度。
通常，当晶粒尺寸是大的和/或晶界密集时，可以使用较低的过量铅含量。预定过量铅含量还可以取决于任何粘附层的性质及其与铅的亲和力，或者取决于铅阻挡层的存在。
对于构成叠层的含铅薄膜层的每一个采用的溶液的预定过量铅含量在某种程度上还将取决于铅分压(如果使用熔炉)和用于干燥、热解和退火的精确工艺条件。
然而，熔炉中的铅分压和所使用的工艺条件在常规限制内。干燥可以包括加热到60℃和250℃之间的温度，例如100℃和200℃之间持续2或3分钟，并且热解可以包括加热到150℃和500℃之间的温度，例如200℃和400℃之间的温度，特别是加热到350℃持续1至10分钟。然而，干燥和热解可以包括采用合适的温度斜升(ramp)和温度的单个步骤。
退火或结晶步骤可以包括加热到550℃与800℃之间的温度，例如600℃与800℃之间的温度，特别是700℃。退火可以通过在加热到选定温度的熔炉中进行持续时间为30秒至300秒或15分钟至30分钟的快速热处理来完成。
在一个实施例中，该方法包括在衬底上形成铂金属电极，由此获得具有优选(111)取向的铂金属电极。
该方法还可以包括通过溅射铂、铱或钌和/或通过金属氧化物(诸如氧化铱、铌酸镧或钌酸锶)的反应溅射来形成第二电极。
在第三方面中，本公开提供了用于微滴沉积头的致动器，该致动器包括根据本公开的第一方面的压电元件。
在第四方面中，本公开提供了用于微滴沉积装置的微滴沉积头，该微滴沉积头包括根据本公开的第三方面的致动器。微滴沉积头可以是喷墨打印头，特别是按需滴定喷墨打印头。
在第五方面中，本公开提供了微滴沉积装置，其包括根据本公开的第四方面的微滴沉积头。微滴沉积装置可以是喷墨打印机，特别是按需滴定喷墨打印机。
在第六方面中，本发明提供了一种用于在平均晶粒尺寸大于50nm的铂电极上形成伪立方{100}取向的压电薄膜层的溶液，该溶液包含对于锆钛酸铅(PZT)的前体化合物，这些前体化合物按比例提供了为或大约为PbZrxTi1-xO3(其中，0<x≤0.60)的组成的PZT薄膜层，并且过量铅含量大于10mol％且小于或等于40mol％。
该溶液可以特别地包括对于锆钛酸铅(PZT)的前体化合物，这些前体化合物按比例提供了为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的PZT薄膜层，其中0<x≤0.40或0.40≤x≤0.60，例如处于MPB值处或其附近，以及过量铅含量在12mol％与20mol％之间，并且可选地，一种或更多种掺杂化合物各自高达20mol％。
具体地，该溶液可以是Pb1.14Nb0.02(Zr0.52Ti0.48)O3或者Pb1.13Mn0.01(Zr0.52Ti0.48)O3。根据本公开的第一和第二方面，该方面的其它实施例将是明显的。
现在参考以下实验数据和附图详细描述某些实施例，其中：
图1示出了通过将铂金属溅射到保持在室温处的硅衬底上获得的铂电极的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图2示出了通过将铂金属溅射到从低温加热到500℃的硅衬底上获得的铂电极的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图3(a)和(b)示出了根据本公开的压电薄膜元件的两个实施例；
图4示出了压电薄膜的X射线衍射图，该压电薄膜包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的掺杂的和未掺杂的锆钛酸铅(PZT)，该压电薄膜沉积在高温沉积的铂电极上；
图5示出了压电薄膜的X射线衍射图，该压电薄膜包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的掺杂的锆钛酸铅(PZT)，该压电薄膜沉积在高温沉积的铂电极上达到不同水平的厚度；以及
图6示出了根据本公开的压电致动器的一个实施例。
现在参考图1，SEM图像示出了通过溅射铂金属沉积在硅衬底上的铂电极的微结构。硅衬底在整个过程中保持在室温(RT)处。正如可以看到的，铂电极具有非常细的晶粒尺寸，其被确定为大约20nm至30nm。
图2的SEM图像示出了沉积在硅衬底上的铂电极的微结构，该铂电极通过在类似于US 6682722B1中描述的条件下溅射铂金属来提供(参见下面的示例1)。硅衬底在整个过程中保持在500℃的温度处。如可以看出的，与图1的SEM图像中显示的相比，铂电极具有更大的横向晶粒尺寸，其被确定为大约200nm。
对于铂电极的每一个的纹理通过使用开环模式下的Bruker Dimension Icon原子力显微镜(AFM)装置对表面粗糙度R的峰值力敲击模式AFM分析和通过使用Phillips ProMRD 4-Circle XRD装置的摇摆曲线X射线衍射(XRD)测量来确定。
使用Bruker NanoScope软件(v 8.1.5)，使用Bruker ScanAsyst-Air探针(氮化物杆上未涂覆、蚀刻的硅尖端)收集AFM图像。
XRD测量从在2θ扫描中识别的铂111峰值所获得的摇摆曲线确定半极大处全宽(FWHM)。扫描轴为ω，在0.5Hz的频率处步长为0.01°的范围约为4°。
表1
表1示出了Pt 111摇摆曲线FWHM和粗糙度(R)数据，并且沉积在加热的硅衬底上的铂电极与沉积在保持室温处的硅衬底上的铂电极相比具有高得多的结晶度的质量。
现在参考图3(a)，根据本公开的一个实施例的压电薄膜元件10包括通过溅射沉积在硅衬底上的铂金属电极11，该硅衬底设置有TiOx粘附层(未示出)，该硅衬底从低温加热到高于450℃的温度。
设置在电极上的PZT薄膜(12)包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的三个PZT薄膜层(13、14和15)的叠层。例如，通过溅射铂、铱或钌和/或通过二氧化铱的反应溅射，形成设置在叠层上的顶部电极(在图5中显示为26)。
接触铂电极的PZT薄膜层(13；用虚线示出)由溶胶-凝胶沉积形成，其中溶胶-凝胶溶液具有大于10mol％的预定过量铅含量，并且具有等于或大于90％的伪立方{100}取向的水平。上覆的PZT薄膜层(14和15)也通过溶胶-凝胶工艺形成，其中溶胶-凝胶溶液具有等于10mol％的预定过量铅含量，并且具有与PZT薄膜层(13)相似或相同的伪立方{100}取向的水平。
图3(b)示出了压电薄膜元件，该压电薄膜元件与图3(a)中所示的压电薄膜元件的不同之处在于，叠层包括通过混合工艺形成的五个PZT薄膜层。
接触铂电极的PZT薄膜层(13，用虚线示出)由溶胶-凝胶沉积形成，其中溶胶-凝胶溶液具有大于10mol％的预定过量铅含量，并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平。上覆的PZT薄膜层(16至19)通过金属有机化学气相沉积(采用类似的退火步骤)形成，并且具有与PZT薄膜(13)相似或相同的伪立方{100}取向的水平。
现在参考图4，压电薄膜层的X射线衍射图(a)仅显示100和200个衍射峰(标记为*的峰是由于铂电极/硅衬底)，包括PbZr0.52Ti0.48O3组成的锆钛酸铅(PZT)的压电薄膜层通过使用具有铅过量为10mol％的15wt％溶胶-凝胶溶液(Pb1.10Zr0.52Ti0.48O3溶液)沉积到高温沉积的铂电极上。
大约由PbZr0.52Ti0.48O3组成的PZT薄膜层的X射线衍射图(b)也仅显示100和200个衍射峰，该PZT薄膜层通过使用具有铅过量为10mol％和1mol％的锰掺杂化合物的15wt％溶胶-凝胶溶液(Pb1.10Mn0.01(Zr0.52Ti0.48)O3溶液)的溶胶-凝胶工艺已经沉积到高温沉积的铂电极上。
大约由PbZr0.52Ti0.48O3组成的PZT薄膜层的X射线衍射图(c)也仅显示100和200个衍射峰，该PZT薄膜层通过使用具有铅过量为13mol％和1mol％锰掺杂化合物的15wt％溶胶-凝胶溶液(Pb1.13Mn0.01(Zr0.52Ti0.48)O3溶液)的溶胶-凝胶工艺已经沉积到高温沉积的铂电极上。
然而，如可以看出的，当溶胶-凝胶溶液的过量铅含量为13mol％时，与10mol％相比，掺杂的PZT薄膜层中的100和200个衍射峰的强度大得多。
因此，溶胶-凝胶溶液的过量铅含量对于压电薄膜层中的结晶度和伪立方{100}取向的起始至关重要。
现在参考图5，X射线衍射图被示出用于沉积到高温沉积的铂电极上的包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的锆钛酸铅(PZT)的PZT薄膜层。PZT薄膜层通过在30秒期间以四种不同的旋转速率旋涂12wt％的溶胶-凝胶溶液来沉积，该溶液具有过量铅含量为14mol％和2mol％的铌掺杂化合物(Pb1.14Nb0.02(Zr0.52Ti0.48)O3溶液)。
不同的旋转速率(从上到下：(A)3000rpm，(b)4000rpm，(c)5000rpm和(d)6000rpm)导致不同厚度的压电薄膜层(从(d)到(a)为45到80nm)。
如可以看出的，100和200个衍射峰的强度在每个衍射图中都很大，并且具有相当的尺寸(标记为*的峰是由于铂电极/硅衬底产生的)。
换句话说，沉积在高温沉积的铂电极上的压电薄膜层的厚度与该薄膜层中的伪立方{100}取向的水平之间没有直接依赖关系。可以在宽范围的厚度上获得具有高伪立方{100}取向的压电薄膜层。
示例1
PZT薄膜取向控制层在HT-Pt上的形成
铂电极通过在氩气氛(50sccm流速)下对直径250nm且厚度4mm的铂靶(纯度99.99％)的RF磁控溅射(在约1分钟期间以500W DC阴极功率)而沉积到从低温加热至450℃和500℃的温度的硅衬底上(靶-衬底的距离50mm)。沉积速率为且腔室压力为3.8毫托。
通过以3500rpm旋涂45秒，将浓度约为12wt％的锆钛酸铅前体化合物的溶胶-凝胶溶液沉积到电极上，该溶液具有不同的mol％的过量铅含量和不同mol％的掺杂剂浓度。
使用快速热加热(RTA)装置(具有2SLPM O2流量和10℃/秒温度斜坡)，涂层在200℃处在150秒期间被干燥和热解并在700℃处退火1分钟。最终涂层具有的组成为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3且厚度为60nm。
所得的压电薄膜层的伪立方{100}取向的水平通过X射线结晶学来确定，X射线结晶学检查100个衍射峰相对于其他衍射峰的相对强度，并根据Lotgering因子LF100来评估。
表2总结了与在室温下沉积的铂电极上形成的类似厚度的涂层相比的结果。这些涂层是在相似的条件下且以相似的厚度形成的(除了热解在100℃下进行60秒，然后在300℃下进行240秒之外)。高温沉积的铂电极上的涂层的{100}取向的水平总体上是优异的，并且与室温铂电极上形成的那些涂层相比非常好。
*15wt％溶液
(E＝优秀，Lotgering因子LF100大于或等于0.98；M＝混合物，Lotgering因子LF100介于0.50和0.80之间；B＝随机取向或差结晶度)。
表2
图6示出了根据本公开的一个实施例的喷墨打印头中的致动器(20)的部分截面图。除了使用根据本公开的压电薄膜元件之外，致动器和喷墨打印头的结构是常规的。在该实施例中，图3(a)的压电薄膜元件被提供给压力室(22)顶部上的隔膜(21)，该压力室设有喷嘴板(23)。
压力室(22)可以包括具有约70μm的厚度的硅单晶，并且隔膜(21)可以包括包含二氧化硅、氧化锆、氧化钽、硅、氮化硅或氧化铝等中的一个或更多个的薄膜。
厚度约20nm的氧化钛粘附层(24)介于隔膜(21)和铂金属电极(11)之间。
在使用中，通过来自控制电路的信号在电极(11和26)之间施加预定的驱动电压。电压使压电薄膜元件发生变形，从而将隔膜(21)偏转到压力室(22)中并改变其体积。压力室(22)内压力的充分增加使得流体微滴从喷嘴(25)喷出。
本公开提供了一种简单且经济的方式来控制压电薄膜元件中的伪立方{100}取向，该压电薄膜元件包括设置在高温沉积的铂电极上的压电薄膜。
特别地，PZT薄膜取向控制层可以简单地通过化学溶液沉积从获得自现有市售溶胶-凝胶溶液(12wt％、15wt％和25wt％)的溶液获得，而不需要限制其厚度。
本公开提供了一种避免使用钛酸铅作为籽晶层并最小化与非常大的过量铅含量(钛酸铅需要高达40mol％的过量铅含量)相关联的电流泄漏和电容效应(其可能导致压电元件的性能下降)的方法。
直接形成在铂电极上作为取向控制层且不需要控制厚度的PZT薄膜层的使用也可以通过最小化要使用的溶液数量来提供压电元件的更有效的制造。
用于形成与铂电极接触的PZT薄膜层的溶液也可用于形成叠层的一个或更多个其它PZT薄膜层。
本公开提供了压电薄膜元件的某些实施例的详细描述。注意，对于本领域技术人员来说，这里没有详细描述的其他实施例将是明显的。
还要注意，对特定范围的值(例如，平均晶粒尺寸)的提及包括起始值和结束值。
进一步注意，所附权利要求书特别指出了本公开中的发明和所寻求的保护范围。

Claims (15)

1.一种压电薄膜元件，其包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜，其中所述第一电极是具有大于50nm的平均晶粒尺寸的铂金属电极，并且其中邻近所述铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层，其中接触所述铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅(PZT)并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平，其中0<x≤0.60。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层具有为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成，其中0<x≤0.40。
3.根据任意权利要求1或权利要求2所述的压电薄膜元件，其中，所述铂金属电极具有大于100nm的平均晶粒尺寸。
4.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层被施主掺杂剂、受主掺杂剂或等价掺杂剂中的一种或更多种掺杂。
5.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层具有10nm与200nm之间的厚度。
6.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，所述多个压电薄膜层包括形成在接触所述铂金属电极的所述锆钛酸铅(PZT)薄膜层上的、包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层，其中0<x≤0.60。
7.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，所述多个压电薄膜层包括形成在接触所述铂金属电极的所述锆钛酸铅(PZT)薄膜层上的、包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层。
8.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，邻近所述铂金属电极的所述压电薄膜具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平。
9.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件，其中，所述铂金属电极具有优选的(111)取向。
10.一种用于制造压电薄膜元件的方法，所述压电薄膜元件包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜，所述方法包括在被加热到450℃或以上的预定温度的衬底上形成铂金属电极，以及在所述铂金属电极上形成包括压电薄膜层的叠层的压电薄膜，其中所述压电薄膜的形成包括通过化学溶液沉积形成接触所述铂金属电极的压电薄膜层，所述化学溶液沉积使用具有10mol％与40mol％之间的预定过量铅含量的溶液，由此接触所述铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平，其中，0<x≤0.60。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，接触所述铂金属电极的压电薄膜层的形成采用具有10mol％与40mol％之间的预定过量铅含量的溶液，由此接触所述铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅，其中0<x≤0.40。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，所述化学溶液沉积采用具有12mol％与20mol％之间的预定过量铅含量的溶液。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述化学溶液沉积采用在接触所述铂金属电极的压电薄膜层中提供施主掺杂剂、受主掺杂剂或等价掺杂剂中的一种或更多种的溶液。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，还包括通过化学溶液沉积在接触所述铂金属电极的锆钛酸铅(PZT)薄膜层上形成包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层，由此所述压电薄膜具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平，其中0<x≤0.60。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括通过化学溶液沉积在接触所述铂金属电极的锆钛酸铅(PZT)薄膜层上形成包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层，由此所述压电薄膜具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平，其中0.40≤x≤0.60。
CN201780016688.4A 2016-03-16 2017-03-14 压电薄膜元件 Pending CN108780839A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16160658.7 2016-03-16
GB1604457.0A GB2548377A (en) 2016-03-16 2016-03-16 A piezoelectric thin film element
EP16160658.7A EP3220431B1 (en) 2016-03-16 2016-03-16 A piezoelectric thin film element
GB1604457.0 2016-03-16
PCT/GB2017/050696 WO2017158345A1 (en) 2016-03-16 2017-03-14 A piezoelectric thin film element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108780839A true CN108780839A (zh) 2018-11-09

Family

ID=58361039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780016688.4A Pending CN108780839A (zh) 2016-03-16 2017-03-14 压电薄膜元件

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10541360B2 (zh)
JP (1) JP6967008B2 (zh)
CN (1) CN108780839A (zh)
BR (1) BR112018068168A2 (zh)
IL (1) IL261463A (zh)
MX (1) MX2018011197A (zh)
SG (1) SG11201807434QA (zh)
WO (1) WO2017158345A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111029402A (zh) * 2019-11-14 2020-04-17 天津大学 锆钛氧化物栅介质层柔性底栅薄膜晶体管及其制作方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7130950B2 (ja) * 2017-12-13 2022-09-06 セイコーエプソン株式会社 圧電素子及び液体吐出ヘッド
KR102137238B1 (ko) * 2018-08-31 2020-07-23 울산대학교 산학협력단 화학적 용해법에 기반한 황이온 치환 기술
IT202000016861A1 (it) 2020-07-10 2022-01-10 Evoca Spa Erogatore di bicchieri per un distributore automatico di bevande
JP2022073090A (ja) * 2020-10-30 2022-05-17 セイコーエプソン株式会社 液体吐出ヘッドおよびアクチュエーター
US20240065105A1 (en) * 2022-08-17 2024-02-22 Fujifilm Dimatix, Inc. Process of epitaxial grown pzt film and method of making a pzt device

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5453294A (en) * 1991-02-13 1995-09-26 Mitsubishi Materials Corporation Method of controlling crystal orientation of PZT and PLZT thin films on platinum substrates
JPH11220185A (ja) * 1998-02-03 1999-08-10 Agency Of Ind Science & Technol Ｐｚｔ系強誘電体薄膜およびその形成方法ならびに同薄膜を用いた機能素子
WO2000065643A1 (en) * 1999-04-24 2000-11-02 The Secretary Of State For Defence Improvements in or relating to sol gel processing of lead zirconate titanate thin films
CN1419700A (zh) * 2000-03-04 2003-05-21 艾纳尔杰纽斯公司 金属箔上的锆钛酸铅介电薄膜复合材料
CN1452434A (zh) * 2003-05-01 2003-10-29 清华大学 基于夹固振膜结构的微声学器件及其制作方法
CN1779926A (zh) * 2005-10-13 2006-05-31 苏州科技学院 控制锆钛酸铅铁电薄膜择优取向的方法
US20080224571A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, liquid jet head and printer
CN101717272A (zh) * 2009-11-13 2010-06-02 西安交通大学 具有(100)晶粒择优取向的锆钛酸铅厚膜的制备方法
US20100194824A1 (en) * 2009-02-03 2010-08-05 Takami Arakawa Piezoelectric material, method for producing piezoelectric material, piezoelectric device and liquid discharge device
CN102218914A (zh) * 2010-03-18 2011-10-19 精工爱普生株式会社 液滴喷射头及其制造方法以及液滴喷射装置
US20140267509A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric thin film element, inkjet recording head, and inkjet image-forming apparatus
US20150070444A1 (en) * 2013-09-11 2015-03-12 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric actuator, fluid discharge head, and image forming device
US20150266296A1 (en) * 2014-03-18 2015-09-24 Satoshi Mizukami Droplet discharge head, image forming apparatus, polarization processing method of electromechanical transducer, and method of manufacturing droplet discharge head

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6682772B1 (en) 2000-04-24 2004-01-27 Ramtron International Corporation High temperature deposition of Pt/TiOx for bottom electrodes
US7023036B2 (en) 2001-10-02 2006-04-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Ferroelectric element and actuator using the same, and ink jet head and ink jet recording device
US6620237B2 (en) 2001-11-15 2003-09-16 Spectra, Inc. Oriented piezoelectric film
JP4122430B2 (ja) * 2003-03-26 2008-07-23 独立行政法人産業技術総合研究所 強誘電体膜
US7193756B2 (en) 2003-11-26 2007-03-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric element, method for fabricating the same, inkjet head, method for fabricating the same, and inkjet recording apparatus
JP4192794B2 (ja) 2004-01-26 2008-12-10 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、及び電子機器
JP4224708B2 (ja) 2004-05-17 2009-02-18 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、圧電アクチュエーター、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、および電子機器
JP4605349B2 (ja) 2004-07-15 2011-01-05 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電ポンプ、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンター、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、薄膜圧電共振器、および電子機器
JP4492821B2 (ja) 2007-03-13 2010-06-30 セイコーエプソン株式会社 圧電素子
EP2306539A4 (en) 2008-06-27 2013-06-12 Panasonic Corp PIEZOELECTRIC ELEMENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
JP5510663B2 (ja) 2009-09-30 2014-06-04 セイコーエプソン株式会社 液滴噴射ヘッド、液滴噴射装置および圧電素子
JP5660288B2 (ja) * 2010-01-05 2015-01-28 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子並びに液体噴射ヘッドの製造方法
JP5613910B2 (ja) 2011-05-17 2014-10-29 三菱マテリアル株式会社 Ｐｚｔ強誘電体薄膜の製造方法
JP5828293B2 (ja) 2011-05-17 2015-12-02 三菱マテリアル株式会社 Ｐｚｔ強誘電体薄膜の製造方法
US9331605B2 (en) * 2011-05-23 2016-05-03 Konica Minolta, Inc. Lower electrode for piezoelectric element, and piezoelectric element provided with lower electrode
JP5808262B2 (ja) * 2012-01-23 2015-11-10 株式会社サイオクス 圧電体素子及び圧電体デバイス
US9842984B2 (en) 2012-05-01 2017-12-12 Konica Minolta, Inc. Piezoelectric element
JP5943870B2 (ja) * 2013-04-01 2016-07-05 富士フイルム株式会社 圧電体膜

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5453294A (en) * 1991-02-13 1995-09-26 Mitsubishi Materials Corporation Method of controlling crystal orientation of PZT and PLZT thin films on platinum substrates
JPH11220185A (ja) * 1998-02-03 1999-08-10 Agency Of Ind Science & Technol Ｐｚｔ系強誘電体薄膜およびその形成方法ならびに同薄膜を用いた機能素子
WO2000065643A1 (en) * 1999-04-24 2000-11-02 The Secretary Of State For Defence Improvements in or relating to sol gel processing of lead zirconate titanate thin films
CN1419700A (zh) * 2000-03-04 2003-05-21 艾纳尔杰纽斯公司 金属箔上的锆钛酸铅介电薄膜复合材料
CN1452434A (zh) * 2003-05-01 2003-10-29 清华大学 基于夹固振膜结构的微声学器件及其制作方法
CN1779926A (zh) * 2005-10-13 2006-05-31 苏州科技学院 控制锆钛酸铅铁电薄膜择优取向的方法
US20080224571A1 (en) * 2007-03-15 2008-09-18 Seiko Epson Corporation Piezoelectric element, liquid jet head and printer
US20100194824A1 (en) * 2009-02-03 2010-08-05 Takami Arakawa Piezoelectric material, method for producing piezoelectric material, piezoelectric device and liquid discharge device
CN101717272A (zh) * 2009-11-13 2010-06-02 西安交通大学 具有(100)晶粒择优取向的锆钛酸铅厚膜的制备方法
CN102218914A (zh) * 2010-03-18 2011-10-19 精工爱普生株式会社 液滴喷射头及其制造方法以及液滴喷射装置
US20140267509A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric thin film element, inkjet recording head, and inkjet image-forming apparatus
US20150070444A1 (en) * 2013-09-11 2015-03-12 Ricoh Company, Ltd. Piezoelectric actuator, fluid discharge head, and image forming device
US20150266296A1 (en) * 2014-03-18 2015-09-24 Satoshi Mizukami Droplet discharge head, image forming apparatus, polarization processing method of electromechanical transducer, and method of manufacturing droplet discharge head

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PARK C S , KIM S W , PARK G T.: "Orientation Control of Lead Zirconate Titanate Film by Combination of Sol-Gel and Sputtering Deposition", 《JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH》 *
ZHU, W, FUJII, ET AL.: "Influence of Li doping on domain wall motion in Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 films", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111029402A (zh) * 2019-11-14 2020-04-17 天津大学 锆钛氧化物栅介质层柔性底栅薄膜晶体管及其制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019508901A (ja) 2019-03-28
JP6967008B2 (ja) 2021-11-17
IL261463A (en) 2018-11-29
MX2018011197A (es) 2019-05-16
WO2017158345A1 (en) 2017-09-21
BR112018068168A2 (pt) 2019-02-12
US10541360B2 (en) 2020-01-21
US20190074428A1 (en) 2019-03-07
SG11201807434QA (en) 2018-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108780839A (zh) 压电薄膜元件
JP5313792B2 (ja) ペロブスカイト型酸化物、酸化物組成物、酸化物体、圧電素子、及び液体吐出装置
JP5649316B2 (ja) 圧電薄膜、圧電素子および圧電素子の製造方法
JP4808229B2 (ja) 圧電体薄膜、これを用いた圧電体素子、圧電アクチュエータ、インクジェット記録ヘッド
JP6176942B2 (ja) 圧電素子、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置
JP5616126B2 (ja) ペロブスカイト型酸化物、酸化物組成物、酸化物体、圧電素子、及び液体吐出装置
US8075795B2 (en) Piezoelectrics, piezoelectric element, and piezoelectric actuator
JP5623134B2 (ja) ペロブスカイト型酸化物、酸化物組成物、酸化物体、圧電素子、及び液体吐出装置
JP5394765B2 (ja) ペロブスカイト型酸化物膜、強誘電体、圧電素子、液体吐出装置
EP3791433B1 (en) An electrical element comprising a multilayer thin film ceramic member, an electrical component comprising the same, and uses thereof
US9190598B2 (en) Thin film stack
US11910718B2 (en) Multilayered piezoelectric thin film element
JP2004107181A (ja) 圧電体素子形成用組成物、圧電体膜の製造方法、圧電体素子及びインクジェット記録ヘッド
JP7138049B2 (ja) 圧電薄膜素子
JP3847689B2 (ja) バリウム含有ルテニウム酸ストロンチウム電極を用いた圧電体素子、薄膜キャパシタおよびこれらの製造方法並びに該圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッド
CN110092662B (zh) 一种(100)择优取向和高介电常数的锆钛酸铅压电薄膜的制备方法
EP3220431B1 (en) A piezoelectric thin film element
Li et al. Effect of Nb doping on crystalline orientation, electric and fatigue properties of PZT thin films prepared by sol-gel process
GB2548377A (en) A piezoelectric thin film element
WO2019141961A1 (en) A method for fabricating a lead-free thin film element and uses thereof
JP4300765B2 (ja) 配向性強誘電体薄膜素子
JP2017228760A (ja) 圧電体基板及びその製造方法、ならびに液体吐出ヘッド
JP2010241683A (ja) 圧電体膜および圧電アクチュエータ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: Cambridge County, England

Applicant after: XAAR TECHNOLOGY Ltd.

Address before: Britain Camb

Applicant before: XAAR TECHNOLOGY Ltd.

CB02 Change of applicant information
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181109

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication