CN113809228B - 压电元件、压电元件应用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在作为压电体层的材料而使用了铌酸钾钠的压电元件中作为压电特性而能够获得更大的位移特性的压电元件以及压电元件应用设备。压电元件(1)具备第一电极(20)、第二电极(40)和被设置在第一电极(20)与第二电极(40)之间的压电体层(30)，其中，压电体层(30)由包括钾(K)、钠(Na)和铌(Nb)的钙钛矿型结构的复合氧化物组成，并且在基于θ‑2θ测量的X射线衍射图谱中，具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电元件以及使用了该压电元件的压电元件应用设备。
背景技术
在专利文献1中，作为压电元件的一种，记载有将铌酸钾钠作为压电体层的材料而使用的压电薄膜元件。此外，在该专利文献中，优选为，由(K1-xNax)NbO3(0＜x＜1)所表示的压电薄膜的结晶结构为准立方晶与斜方晶的相界状态。
然而，在专利文献1所记载的压电薄膜元件中，由于压电薄膜的结晶结构在接近于准立方晶体的情况下为接近于不表现铁电性的立方晶的形状，从而难以显示较大的结构位移。也就是说，作为将铌酸钾钠用作压电体层的材料的压电元件需要进一步的压电特性的提升。
专利文献1：日本特开2011-035370号公报
发明内容
本发明的压电元件具备第一电极、第二电极和被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电体层，其中，所述压电体层由包括钾和钠以及铌的钙钛矿型结构的复合氧化物组成，并且在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰。
本发明的压电元件应用设备具备上述压电元件。
附图说明
图1为示意性表示本发明的实施方式所涉及的压电元件的剖视图。
图2为示意性表示本发明的实施方式所涉及的压电元件的变形例的剖视图。
图3为表示本发明的实施方式所涉及的压电元件的基于θ-2θ测量的X射线衍射结果的曲线图。
图4为示意性表示与(100)面相对应的结晶状态的立体图。
图5为示意性表示与(010)面相对应的结晶状态的立体图。
图6为示意性表示与(001)面相对应的结晶状态的立体图。
图7为使用了本发明的实施方式所涉及的压电元件应用设备的喷墨式印刷头的主要部分剖视图。
具体实施方式
参照图1，对实施方式所涉及的压电元件1的结构进行说明。
压电元件1被构成为，包括基体10、被形成在基体10上的第一电极20、被形成在第一电极20上的压电体层30和被形成在压电体层30上的第二电极40。即，压电元件1具备第一电极20、第二电极40和被设置在第一电极20与第二电极40之间的压电体层30。
另外，在说明中，上方是指，表示使层相对于基体10而进行层压的方向。也就是说，并不是对压电元件1被使用时的朝向进行规定的含义。
基体10能够根据压电元件1的用途来选择，其材料、结构并不特别限定。作为基体10，能够使用绝缘性基板、半导体基板等。作为绝缘性基板，能够使用例如蓝宝石基板、STO基板、塑料基板、玻璃基板等，作为半导体基板，能够使用硅基板等。此外，基体10可以是基板单体或者在基板上层压了其它层的层压体。另外，STO是指SrTiO3。
第一电极20能够使用具有层压了铂族等金属层和导电性复合氧化物层的多层结构的导电层。第一电极20的最上层构成为，作为对成为其上层的压电体层30的结晶取向性进行控制的种子层而发挥功能。或者，如图2所示的那样，也可以在第一电极20上设置取向控制层50。在该情况下，第一电极20可以为金属层或者导电性复合氧化物层的单层体。
第一电极20的最上层还有取向控制层50作为具有与压电体层30同样的结晶结构的结构而设置，并且使压电体层30成为承继了这些种子层的结晶结构的结晶结构。
作为取向控制层50，例如能够使用镍酸镧(LaNiO3)等具有50至100nm的膜厚的钙钛矿型氧化物。
压电体层30由包含钾(K)、钠(Na)和铌(Nb)的钙钛矿型结构的复合氧化物组成。此外，优选为，压电体层30包含锰(Mn)。
具体而言，压电体层30例如通过将组成为K/Na/Nb/Mn＝50.2/50.2/99.5/0.5且厚度30nm的薄膜层压十一层而构成。
此外，压电体层30在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中，具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰。
第二电极40能够由金属层或者导电性复合氧化物层构成。第二电极40也可以为金属层和导电性复合氧化物层的层压体。作为第二电极40的材料，能够使用铂、铱、铝等金属层或者氧化铱等导电性复合氧化物层。
接下来，对压电元件1的形成方法的示例进行说明。
首先，准备基体10。像上述那样根据压电元件1的用途而选择基体10。作为基体10，能够使用例如STO基板、掺铌STO基板、蓝宝石基板。
如图2所示的那样，在于第一电极20上设置取向控制层50的情况下，在第一电极20上形成取向控制层50。作为取向控制层50，例如，在使用镍氧化镧的情况下，能够使用溅射法。
接下来，如图1所示的那样，在第一电极20上，或者，在取向控制层50上，形成通过上述的组成式而表示的压电体层30。
具体而言，首先，以如下的方式进行准备，即，使作为压电体层30的形成材料的前驱体溶液成为所述组成式的组成。
前驱体溶液能够通过如下方式来制作，即，将分别包含成为压电体层30的压电材料的构成金属而成的有机金属化合物以使各金属成为所需的摩尔比的方式进行混合，并且使用乙醇等有机溶剂使这些有机金属化合物溶解、或者分散。作为分别包含压电材料的构成金属而成的有机金属化合物，能够使用金属醇盐或有机酸盐、β-二酮络合物这类的有机金属化合物。
在前驱体溶液中，能够根据需要而添加稳定剂等各种添加剂。而且，在使前驱体溶液发生水解或缩聚的情况下，能够将酸或者碱作为催化剂而与适量的水一起向前驱体溶液中添加。
接下来，将以压电体层30成为所需的组成比的方式被调制出的一层的量的前驱体溶液通过旋涂法而涂敷在第一电极20上。
接下来，施加热处理从而使被涂敷的前驱体溶液结晶化。具体而言，在作为热处理工序而实施了180℃的干燥处理、380℃的脱脂处理后，实施超过居里温度的700℃的烧成处理。之后，回到常温从而完成第一层的结晶化。
接下来，第二层之后至第十一层为止，同样地重复进行从通过旋涂法来涂敷前驱体溶液的工序起施加热处理从而使涂层结晶化并且返回到常温的工序，从而形成压电体层30。如此，通过溶液法而形成压电体层30。
接下来，如图1所示的那样，在压电体层30上形成第二电极40。构成第二电极40的金属层或者导电性复合氧化物层为，例如由众所周知的喷溅法等形成。
接下来，根据需要，实施后退火(post-annealing)处理，从而改善第二电极40与压电体层30的界面、以及压电体层30的结晶性。
通过以上的工序，能够形成压电元件1。
由包含钾(K)、钠(Na)、铌(Nb)的钙钛矿型结构的复合氧化物组成的压电体层虽然易于取向于(100)面，但是本实施方式的压电体层30在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰。也就是说，压电体层30被形成为包含与(100)面相对应的结晶状态、与(010)面相对应的结晶状态和与(001)面相对应的结晶状态这三种状态。通过上述的溶液法而形成的压电体层30通过在形成阶段产生的应力而形成包含这三种状态的结构体。这三种状态在居里温度以上的温度域的情况下以立方晶存在，在降温并成为居里点以下的情况下，根据降温时的应力平衡的状态而成为这三种状态中的某一种状态。也就是说，能够通过制出在居里温度附近应力不均匀的状态而制出这三种状态。作为制出应力不均匀的状态的方法，例如列举有，在压电体层或电极的膜厚上具有分布或者控制压电体的颗粒形状的方法。因此，虽然在压电体的制作方法中没有被规定，但是优选为，关于用于制出这三种状态的制造规格，是基于充分的评价而决定的。
图3为表示压电体层30的基于θ-2θ测量的X射线衍射结果的曲线图。在图3中，横轴表示2θ的值，纵轴表示X射线衍射强度。
如图3所示的那样，在22°＜2θ＜23°的范围内，识别到源自(100)面的第一峰P1、源自(010)面的第二峰P2和源自(001)面的第三峰P3。
此外，第一峰P1的X射线衍射强度大于第三峰P3的X射线衍射强度。也就是说，在压电体层30中，以多于与(001)面相对应的结晶状态的方式而包含与(100)面相对应的结晶状态。
以下，将与(100)面相对应的结晶状态称为第一结晶状态S1、将与(010)面相对应的结晶状态称为第二结晶状态S2、将与(001)面相对应的结晶状态称为第三结晶状态S3。在图4至图6中，示意性地示出呈现钙钛矿结构的结晶的取向的状态。
在将a、b、c设为晶格常数，并且a＜b＜c的情况下，就图4中表示的与(100)面相对应的第一结晶状态S1而言，压电体层30的厚度方向的单位晶格的高度是a。此外，就图5中表示的与(010)面相对应的第二结晶状态S2而言，压电体层30的厚度方向的单位晶格的高度是b，就图6中表示的与(001)面相对应的第三结晶状态S3而言，压电体层30的厚度方向的单位晶格的高度是c。
在此，厚度方向指的是针对于基体10对层进行层压的方向，并且为图4至图6中通过t来表示的方向。
另外，也可以设为，第二峰的X射线衍射强度大于第三峰的X射线衍射强度，并且第一峰的X射线衍射强度大于第二峰的X射线衍射强度。也就是说，在压电体层30中，也可以设为，以多于与(001)面相对应的第三结晶状态S3的方式包含与(010)面相对应的第二结晶状态S2，并且以多于与(010)面相对应的第二结晶状态S2的方式包含与(100)面相对应的第一结晶状态S1。
接下来，对作为使用了压电元件1的压电元件应用设备的示例的压电致动器100进行说明。
压电致动器100例如被使用在喷墨式打印机的喷墨式印刷头中。在下文中，对作为喷墨式印刷头的示例的头110进行说明。
图7为头110的主要部分剖视图，并且着眼于头110具有的多个喷嘴内的一个喷嘴而概念性示出其周边结构。
头110具备喷出油墨的喷嘴111以及以与喷嘴111相对应的方式设置的压力产生部120。
压力产生部120由作为压力产生室而发挥作用的空腔121、振动板122、压电致动器100等构成。
空腔121与喷嘴111连通，且内部被填充油墨。
振动板122构成空腔121的顶面，并且通过振动板122的挠曲而使空腔121的容积也就是内部压力增减。
压电致动器100由压电薄膜101、以覆盖压电薄膜101的下表面的方式而设置的电极102、以覆盖压电薄膜101的上表面的方式而设置的电极103等构成。压电致动器100以在其与空腔121之间夹持振动板122的方式层压设置在振动板122上，并且通过向电极102与电极103之间施加电压而使压电薄膜101发生变形，从而能够使振动板122发生挠曲。
喷嘴111被形成在喷嘴板112上。此外，在以通过喷嘴板112和振动板122而被夹持的方式设置的空腔基板113中，形成有空腔121以及经由油墨供给口114而与该空腔121连通的贮液器115。贮液器115经由油墨供给通道而与油墨罐连通。关于油墨罐，则省略图示。
在压电致动器100中，压电元件1的第一电极20对应于电极102、压电体层30对应于压电薄膜101、第二电极40对应于电极103。另外，压电元件1的基体10因振动板122兼做该基体而被省略。
在由这样的结构组成的压力产生部120中，通过施加使电极102、103之间的电压电平发生变化的驱动信号，从而如图7中箭头标记所示的那样使振动板122进行挠曲振动，从而使空腔121内部的压力发生变化，进而能够使空腔121内部的油墨振动或者使墨滴从喷嘴111被喷出。
根据本实施方式，能够得到以下的效果。
根据压电元件1，在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中，压电体层30具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰。也就是说，压电体层30具有与(100)面相对应的第一结晶状态S1、与(010)面相对应的第二结晶状态S2和与(001)面相对应的第三结晶状态S3。因此，通过第一电极20和第二电极40而在压电体层30的厚度方向上施加电场，除了能够实施从第二结晶状态S2向第三结晶状态S3的位移之外，还能够实施从第一结晶状态S1经过第二结晶状态S2而向第三结晶状态S3的位移。即，根据本压电元件1，作为压电特性而能够得到更大的位移特性。
此外，通过利用溶液法来形成压电体层30而对在形成阶段产生的应力进行应用，从而能够容易地获得在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中示出第一至第三峰这三个峰的结晶状态的压电体层30。也就是说，根据本压电元件1，能够更容易地获得改善了压电特性的压电元件1。
此外，根据压电元件1，源自(100)面的第一峰的X射线衍射强度大于源自(001)面的第三峰的X射线衍射强度。也就是说，在压电体层30中，以多于与(001)面相对应的第三结晶状态S3的方式包含与(100)面相对应的第一结晶状态S1。由于较多地包含从第一结晶状态S1经过第二结晶状态S2向第三结晶状态S3位移的结晶的量，因此作为压电特性而能够获得更大的位移特性。
此外，压电元件1也可以设为，源自(010)面的第二峰的X射线衍射强度大于源自(001)面的第三峰的X射线衍射强度，并且源自(100)面的第一峰的X射线衍射强度大于源自(010)面的第二峰的X射线衍射强度。也就是说，也可以设为，在压电体层30中，以多于与(001)面相对应的第三结晶状态S3的方式包含与(010)面相对应的第二结晶状态S2，并且以多于与(010)面相对应的第二结晶状态S2的方式包含与(100)面相对应的第一结晶状态S1。在较多地包含从第二结晶状态S2向第三结晶状态S3位移的结晶的量，而且，较多地包含从第一结晶状态S1经过第二结晶状态S2向第三结晶状态S3位移的结晶的量的情况下，作为压电特性而能够获得更大的位移特性。
此外，根据压电元件1，由于压电体层30包含Mn，因此能够抑制因压电体层30中的结晶缺陷而引起的耐压的降低。其结果为，能够得到一种压电特性更优秀的压电元件1。
此外，压电致动器100由于具备压电元件1而能够成为特性被进一步改善的压电元件应用设备。也就是说，压电致动器100，作为压电特性而能够获得更大的位移特性。
符号说明
1…压电元件；10…基体；20…第一电极；30…压电体层；40…第二电极；50…取向控制层；100…压电致动器；101…压电薄膜；102…电极；103…电极；110…头；111…喷嘴；112…喷嘴板；113…空腔基板；114…油墨供给口；115…贮液器；120…压力产生部；121…空腔；122…振动板；P1…第一峰；P2…第二峰；P3…第三峰；S1…第一结晶状态；S2…第二结晶状态；S3…第三结晶状态。
Claims (4)
1.一种压电元件，其具备第一电极、第二电极和被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的压电体层，其中，
所述压电体层由包括钾、钠和铌的钙钛矿型结构的复合氧化物组成，并且在基于θ-2θ测量的X射线衍射图谱中，具有源自(100)面的第一峰、源自(010)面的第二峰和源自(001)面的第三峰，
所述第二峰的X射线衍射强度大于所述第三峰的X射线衍射强度，所述第一峰的X射线衍射强度大于所述第二峰的X射线衍射强度。
2.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述压电体层通过溶液法而被形成。
3.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述压电体层包括Mn。
4.一种压电元件应用设备，其具备权利要求1至3中的任意一项所述的压电元件。
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