CN116390627A - 压电基板、压电元件及液体喷出头 - Google Patents
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Abstract
本申请提供压电基板、压电元件及液体喷出头。该压电基板能够得到即便是在大气气氛中也具有良好的压电特性的压电元件。一种压电基板,包括:基板;第一电极,形成在所述基板上;以及压电体层,形成在所述第一电极上,并包含钾、钠和铌,针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下。
Description
技术领域
本发明涉及压电基板、压电元件及液体喷出头。
背景技术
压电元件在喷墨式打印机的液体喷出头、传感器等各种领域中使用。作为压电体,例如使用铌酸钾钠、锆钛酸铅。压电元件将压电体配置于一对电极之间,通过利用电极对压电体提供电场而进行动作。
例如,在专利文献1中公开了使用包含钾、钠以及铌的压电体且压电体层优先取向于(100)的压电元件。
专利文献1:日本特开2018-160535号公报
但是,专利文献1所记载的压电元件容易产生成膜裂纹。如果水分进入成膜裂纹部则会使压电元件的绝缘性降低,因此,如果在大气气氛中进行动作,则与在干燥气氛中进行动作时相比,存在压电特性降低的情况。
发明内容
本发明所涉及的压电基板的一方面包括:
基板;
第一电极,形成在所述基板上;以及
压电体层,形成在所述第一电极上,并包含钾、钠和铌,
针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下。
本发明所涉及的压电元件的一方面包括上述压电基板以及形成在所述压电体层上的第二电极。
本发明所涉及的液体喷出头的一方面包括:上述压电元件;流路形成基板,设置有通过所述压电元件而容积发生变化的压力产生室;以及喷嘴板,设置有与所述压力产生室连通的喷嘴孔。
附图说明
图1是示意性地示出实施方式所涉及的压电基板的剖视图。
图2是示意性地示出实施方式所涉及的压电元件的剖视图。
图3是示意性地示出实施方式所涉及的液体喷出头的分解立体图。
图4是示意性地示出实施方式所涉及的液体喷出头的俯视图。
图5是示意性地示出实施方式所涉及的液体喷出头的剖视图。
图6是示意性地示出实施方式所涉及的打印机的立体图。
图7是实施例及比较例的X射线衍射测定的2θ扫描结果(100评估)。
图8是针对实施例及比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ扫描结果(111评估)。
图9是实施例的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(100评估)。
图10是比较例的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(100评估)。
图11是针对实施例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(111评估)。
图12是针对比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(111评估)。
图13是针对实施例及比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的(100)相当的面的Psi扫描结果(100评估)。
图14是针对实施例及比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的(111)相当的面的Psi扫描结果(111评估)。
图15是实施例的位移量评估结果。
附图标记说明
2…基体,10…第一电极,20…晶种层,30…压电体层,40…第二电极,100…压电元件,200…液体喷出头,202…引线电极,203…粘接剂,204…连接布线,210…流路形成基板,211…压力产生室,212…分隔壁,213…第一连通通道,214…第二连通通道,215…第三连通通道,216…歧管,217…供给流路,220…喷嘴板,222…喷嘴孔,230…振动板,232…氧化硅层,234…氧化锆层,240…保护基板,242,244…贯通孔,246…开口部,250…电路基板,260…柔性基板,262…封闭层,264…固定板,266…贯通孔,300…打印机,310…头单元,312,314…盒,316…滑架,320…装置主体,322…滑架轴,330…驱动电机,332…正时带,340…输送辊,350…打印机控制器。
具体实施方式
下面,对本发明的实施方式进行说明。下面说明的实施方式是用于说明本发明的例子。本发明不受下面的实施方式的任何限定,其也包括在不变更本发明的宗旨的范围内实施的各种变形方式。需要指出,下面说明的构成并非全部都是本发明的必需的构成。
1.压电基板
本实施方式所涉及的压电基板包括:基板;形成在基板上的第一电极;以及形成在第一电极上且包含钾、钠以及铌的压电体层。
1.1.构成
首先,参照附图对本实施方式所涉及的压电元件进行说明。图1是示意性地示出本实施方式所涉及的压电基板80的剖视图。
如图1所示,压电基板80包括基体2、第一电极10、晶种层20以及压电体层30。
基体2例如是由半导体、绝缘体等形成的平板。基体2可以是单层,也可以是层叠有多个层的层叠体。基体2如果是上表面为平面的形状,则其内部的结构就不受限定,也可以是在内部形成有空间等的结构。基体2例如能够形成为硅基板。
基体2也可以包括振动板,该振动板具有可挠性,在使压电体层30动作时变形。振动板例如是氧化硅层、氧化锆层、或者在氧化硅层上设置有氧化锆层的层叠体等。
第一电极10设置在基体2上。第一电极10设置在基体2与晶种层20之间。第一电极10的形状例如为层状。第一电极10的厚度例如为3nm以上且300nm以下。第一电极10例如是铂层、铱层、钛层、钌层等金属层,只要可以获得充分的导电性,则也可以是它们的导电性氧化物层、镍酸镧(LaNiO3:LNO)层、钌酸锶(SrRuO3:SRO)层等。第一电极10也可以具有层叠有多个上述举例示出的层的结构。
第一电极10可以作为用于向压电体层30施加电压的一方的电极而发挥功能。从压电体层30来看,第一电极10为设置于下方的下部电极。
晶种层20设置在第一电极10上。晶种层20设置在第一电极10与压电体层30之间。需要指出,虽然没有图示,但晶种层20也可以设置于第一电极10及基体2中的至少一方之上。
在第一电极10的上表面设置有上述导电性氧化物层(镍酸镧(LaNiO3:LNO)层、钌酸锶(SrRuO3:SRO)层等)的情况下,也可以将该导电性氧化物层作为晶种层20。此外,即便是在第一电极10的上表面设置有上述的导电性氧化物层的情况下,也可以在其上形成晶种层20。
晶种层20的厚度例如为5nm以上且50nm以下,优选为10nm以上且40nm以下,更优选为20nm以上且30nm以下。如后所述,晶种层20能够作为控制压电体层30的结晶的取向的取向控制而发挥功能。
晶种层20的材质如果是能够控制使压电体层30的材料结晶化时的该结晶的取向的材质,则就没有特别的限定,例如能够举例示出包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物以及包含锶和钛的氧化物等。
晶种层20的材质更优选包含锶和钌。这样一来,更容易使压电体层30的压电体的结晶的取向具有后述的性质。由此,在压电体层30中不易产生缘于热膨胀系数差的应力,更加显著地体现出不易产生破坏/裂纹的效果。
压电体层30设置在晶种层20上。需要指出,虽然没有图示,但压电体层30也可以设置在第一电极10上、晶种层20上以及/或者基体2上。压电体层30的厚度例如为100nm以上且3μm以下。压电体层30通过被施加电压而能够变形。
压电体层30具有钙钛矿结构。压电体层30包含钾(K)、钠(Na)以及铌(Nb)。在本说明书中,有时将包含钾(K)、钠(Na)以及铌(Nb)的材料称为KNN。在压电体层30中,钙钛矿结构的A位点的原子浓度DA与B位点的原子浓度DB之比DA/DB例如为1.01以上且1.10以下,优选为1.02以上且1.06以下。在压电体层30为KNN的情况下,在压电体层30中,钾的原子数与钠的原子数的合计比铌的原子数多例如1%以上且10%以下,优选多2%以上且6%以下。
1.2.压电体的结晶的取向
本实施方式的压电基板80的压电体层30具有如下的特征。即、在压电体层30中,X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度(Full width half maximum)为大于0°且在1.2°以下。
此外,压电体层30的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的(100)面的X射线强度峰的半宽度更优选为0.2°以上且1.1°以下,进一步优选为0.3°以上且1.1°以下。
X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的(100)面的X射线强度峰的半宽度与多个晶粒中的每个晶粒的方向的偏差相关地发生变化。当X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下时,表示KNN的多个晶粒各自朝向的方向比较一致。
压电体层30通过采用这样的晶粒的配置,从而由结晶的取向方向引起的热膨胀系数的差小,不易产生缘于温度变化时的热膨胀系数差的应力,不易产生破坏/裂纹。
此外,压电体层30更优选X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下。此外,优选针对压电体层30的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的(111)面相当的X射线强度峰的半宽度为0.33°以上且0.95°以下。
X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度与结晶中的晶格常数的偏差相关地发生变化。X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度与多个晶粒中的晶格常数的偏差以及一个晶粒中的晶格常数的偏差相关。当X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下时,表示压电体层30中所包含的KNN的晶粒的晶格常数比较均匀。
如果压电体层30中所包含的KNN的晶粒的晶格常数比较均匀,则在将压电基板80作为压电元件时,能够使其位移量更加优良。
1.3.作用效果等
X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度为5°~8°左右的以往的KNN薄膜作为(100)取向的结晶不够致密。为此,容易从结晶的间隙生长具有其它取向的成分、特别是(111)取向的KNN结晶。为此,由结晶的朝向引起的热膨胀系数的差大,由于热处理等的温度变化,在(100)取向成分与(111)取向成分的边界产生缘于热膨胀系数差的应力,容易导致破坏/裂纹。此外,在结晶不够致密的情况下,容易产生大的晶界,但是,在KNN的情况下,作为碱金属的钾、钠易在晶界偏析。偏析的钾、钠不是稳定的状态,容易与大气中的水反应而离子化,有时会成为绝缘不良的原因。如果KNN薄膜的绝缘性差,则介电损耗变大,因而会存在无法发挥充分的压电特性的情况。
针对于此,在实施方式的压电基板80中,X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的压电体层30的(100)面的X射线强度峰的半宽度大于0°且在1.2°以下。在本实施方式的压电基板80中,由于(100)取向的结晶紧密地配置,因而进入(100)取向的KNN结晶之间的(111)取向的KNN结晶的生长受到阻碍,不易引起应力集中。
例如,当针对压电体层30的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的压电体层30的(111)面的X射线强度峰的半宽度大于23°、优选大于25°、更优选大于27°时,进入(100)取向的KNN结晶之间的(111)取向的KNN结晶的生长容易被阻碍。为此,通过结晶生长受到阻碍的(111)取向的KNN成分少量进入(100)取向的KNN结晶之间,从而适度地缓和因(100)取向的KNN结晶与下方的层之间的晶格常数的差异所引起的应变,因而不易产生由晶格常数的不匹配所导致的应力。通过这些机制,本实施方式的压电基板80不易产生破坏/裂纹。
2.压电元件
本实施方式所涉及的压电元件100包括:基体2;第一电极10;晶种层20,形成在第一电极10上;压电体层30,形成在晶种层20上,并包含钾、钠和铌;以及第二电极40,形成在压电体层30上。
首先,参照附图对本实施方式所涉及的压电元件进行说明。图2是示意性地示出本实施方式所涉及的压电元件100的剖视图。
如图2所示,压电元件100包括基体2、第一电极10、晶种层20、压电体层30以及第二电极40。
基体2、第一电极10、晶种层20以及压电体层30均与上述的压电基板80是同样的,故标注同样的附图标记并省略详细的说明。
第二电极40设置在压电体层30上。需要指出,虽然没有图示,但如果第二电极40与第一电极10电性分离,则还可以设置在压电体层30的侧面及基体2上。
第二电极40的形状例如为层状。第二电极40的厚度例如为3nm以上且300nm以下。第二电极40例如是铱层、铂层、钛层、钌层等金属层、它们的导电性氧化物层、镍酸镧层、钌酸锶层等。第二电极40也可以具有层叠有多个上述举例示出的层的结构。
第二电极40是用于与第一电极10成对地向压电体层30施加电压的电极。第一电极10是设置在压电体层30之下的下部电极,第二电极40是设置在压电体层30上的上部电极。
3.压电基板及压电元件的制造方法
接着,参照附图对本实施方式所涉及的压电元件100的制造方法进行说明。
如图1所示,准备基体2。具体而言,通过对硅基板进行热氧化来形成氧化硅层。接着,在氧化硅层上通过溅射法等形成锆层,通过对该锆层进行热氧化来形成氧化锆层。由此,能够形成由氧化硅层及氧化锆层构成的振动板。通过以上的工序,能够准备基体2。
接着,在基体2上形成第一电极10。第一电极10例如通过溅射法、真空蒸镀法等形成。接着,对第一电极10进行图案化。图案化例如通过光刻及蚀刻来进行。
接着,在第一电极10上形成晶种层20。晶种层20例如通过溅射法、真空蒸镀法等形成。接着,对晶种层20进行图案化。图案化例如通过光刻及蚀刻来进行。晶种层20也可以通过溶胶凝胶法、MOD(Metal Organic Deposition:金属有机沉积)等CSD(ChemicalSolution Deposition:化学溶液沉积)法形成。此外,晶种层20的图案形成也可以是在对第一电极10进行图案化之前形成晶种层20,之后和第一电极10一起来进行。
接着,在晶种层20上形成压电体层30。压电体层30通过溶胶凝胶法、MOD(MetalOrganic Deposition)等CSD(Chemical Solution Deposition)法形成。下面,对压电体层30的形成方法进行说明。
首先,例如使包含钾的金属配位化合物(络合物)、包含钠的金属配位化合物(络合物)以及包含铌的金属配位化合物(络合物)溶解或分散于有机溶剂中,调整前体溶液。
作为包含钾的金属配位化合物,例如可列举出2-乙基己酸钾、乙酸钾等。作为包含钠的金属配位化合物,例如可列举出2-乙基己酸钠、乙酸钠等。作为包含铌的金属配位化合物,例如可列举出2-乙基己酸铌、乙醇铌、五乙氧基铌、正丁醇铌(五正丁氧基铌)等。需要指出,也可以并用两种以上的金属配位化合物。例如,作为包含钾的金属配位化合物,也可以并用2-乙基己酸钾和乙酸钾。
作为溶剂,例如可列举出丙醇、丁醇、戊醇、己醇、辛醇、乙二醇、丙二醇、辛烷、癸烷、环己烷、二甲苯、甲苯、四氢呋喃、乙酸、辛酸、2-正丁氧基乙醇、正辛烷、2-乙基正己烷或它们的混合溶剂等。
接着,使用旋涂法等将调整后的前体溶液涂布在晶种层20上形成前体层。接着,例如以130℃以上且250℃以下对前体层进行加热,使其干燥一定时间,进而,例如以300℃以上且450℃以下对干燥后的前体层进行加热并保持一定时间来进行脱脂。接着,例如以550℃以上且800℃以下对脱脂后的前体层进行烧成而使其结晶化,形成结晶层。
然后,重复多次上述的从前体溶液的涂布到前体层的烧成的一系列工序。由此,能够形成由多个结晶层构成的压电体层30。接着,对压电体层30进行图案化。图案化例如通过光刻及蚀刻来进行。需要指出,也可以不重复多次从前体溶液的涂布到前体层的烧成的一系列工序,而是形成由一层的结晶层构成的压电体层30。
前体层的干燥及脱脂所使用的加热装置例如为热板。前体层的烧成所使用的加热装置例如为RTA(Rapid Thermal Annealing:快速热退火)装置。
通过以上的工序,能够制造压电基板80。然后,能够使用压电基板80如下所述地制造压电元件100。
在压电基板80的压电体层30上形成第二电极40。第二电极40例如通过溅射法、真空蒸镀法等形成。接着,对第二电极40进行图案化。图案化例如通过光刻及蚀刻来进行。
通过以上的工序,能够制造压电元件100。
需要指出,第二电极40的图案化及压电体层30的图案化也可以通过相同的工序来进行。此外,在压电体层30由多个结晶层构成的情况下,也可以通过相同的工序对压电体层30的第一层的结晶层以及第一电极10进行图案化。进而,在压电体层30由多个结晶层构成的情况下,也可以通过相同的工序对压电体层30的第一层的结晶层以及第一电极10和晶种层20进行图案化。
4.液体喷出头
接着,参照附图对本实施方式所涉及的液体喷出头进行说明。图3是示意性地示出本实施方式所涉及的液体喷出头200的分解立体图。图4是示意性地示出本实施方式所涉及的液体喷出头200的俯视图。图5是示意性地示出本实施方式所涉及的液体喷出头200的图5的VI-VI线剖视图。需要指出,在图3~图5中,作为相互正交的三个轴,图示出了X轴、Y轴以及Z轴。此外,在图3~图5中,简化压电元件100进行了图示。
如图3~图5所示,液体喷出头200例如包括基体2、压电元件100、喷嘴板220、保护基板240、电路基板250以及柔性基板260。基体2具有流路形成基板210以及振动板230。需要指出,为了方便,在图4中省略了电路基板250的图示。
流路形成基板210例如为硅基板。在流路形成基板210上设置有压力产生室211。压力产生室211被多个分隔壁212划分。压力产生室211通过压电元件100而容积发生变化。
在流路形成基板210的、压力产生室211的+X轴方向的端设置有第一连通通道213及第二连通通道214。第一连通通道213构成为通过从Y轴方向使压力产生室211的+X轴方向的端缩窄,从而其开口面积变小。第二连通通道214的Y轴方向的宽度例如与压力产生室211的Y轴方向的宽度相同。在第二连通通道214的+X轴方向上设置有与多个第二连通通道214连通的第三连通通道215。第三连通通道215构成歧管216的一部分。歧管216成为各压力产生室211的共用的液室。这样,在流路形成基板210上设置有由第一连通通道213、第二连通通道214和第三连通通道215构成的供给流路217以及压力产生室211。供给流路217与压力产生室211连通,向压力产生室211供给液体。
喷嘴板220设置于流路形成基板210的一侧的面。喷嘴板220的材质例如是SUS(Steel Use Stainless:不锈钢)。喷嘴板220例如通过粘接剂、热熔接膜等与流路形成基板210接合。在喷嘴板220上沿Y轴设置有多个喷嘴孔222。喷嘴孔222与压力产生室211连通,喷出液体。
振动板230设置于流路形成基板210的另一侧的面。振动板230例如由设置在流路形成基板210上的氧化硅层232以及设置在氧化硅层232上的氧化锆层234构成。
压电元件100例如设置在振动板230上。压电元件100设置有多个。压电元件100的数量并没有特别的限定。
在液体喷出头200中,通过具有机电转换特性的压电体层30的变形,振动板230及第一电极10发生位移。即、在液体喷出头200中,振动板230及第一电极10实质上具有作为振动板的功能。
第一电极10构成为对应于各压力产生室211而独立的单独电极。第一电极10的Y轴方向的宽度比压力产生室211的Y轴方向的宽度窄。第一电极10的X轴方向的长度比压力产生室211的X轴方向的长度长。在X轴方向上,第一电极10的两端位于夹着压力产生室211的两端的位置。在第一电极10的-X轴方向的端连接有引线电极202。
晶种层20覆盖第一电极10。不过,优选第一电极10的-X轴方向侧的端未被晶种层20覆盖。由于在引线电极202与第一电极10之间未形成有晶种层20,因而能够抑制导电性降低。
压电体层30的Y轴方向的宽度例如比第一电极10的Y轴方向的宽度宽。压电体层30的X轴方向的长度例如比压力产生室211的X轴方向的长度长。第一电极10的+X轴方向的端例如位于压电体层30的+X轴方向的端与压力产生室211的+X轴方向的端之间。第一电极10的+X轴方向的端被压电体层30覆盖。另一方面,压电体层30的-X轴方向的端例如位于第一电极10的-X轴方向侧的端与压力产生室211的+X轴方向的端之间。第一电极10的-X轴方向侧的端未被压电体层30覆盖。
第二电极40例如连续地设置在压电体层30及振动板230上。第二电极40构成为多个压电元件100共用的共用电极。
保护基板240通过粘接剂203与振动板230接合。在保护基板240上设置有贯通孔242。在图示的例子中,贯通孔242在Z轴方向上贯通保护基板240,并与第三连通通道215连通。贯通孔242及第三连通通道215构成作为各压力产生室211的共用的液室的歧管216。进而,在保护基板240上设置有在Z轴方向上贯通保护基板240的贯通孔244。引线电极202的端位于贯通孔244中。
在保护基板240上设置有开口部246。开口部246是用于不阻碍压电元件100的驱动的空间。开口部246可以密封,也可以不密封。
电路基板250设置在保护基板240上。电路基板250中包括用于驱动压电元件100的半导体集成电路(Integrated Circuit:IC)。电路基板250与引线电极202经由连接布线204而电连接。
柔性基板260设置在保护基板240上。柔性基板260具有设置在保护基板240上的封闭层262以及设置在封闭层262上的固定板264。封闭层262是用于封闭歧管216的层。封闭层262例如具有可挠性。在固定板264上设置有贯通孔266。贯通孔266在Z轴方向上贯通固定板264。当从Z轴方向观察时,贯通孔266设置在与歧管216重叠的位置。
5.打印机
接着,参照附图对本实施方式所涉及的打印机进行说明。图6是示意性地示出本实施方式所涉及的打印机300的立体图。
打印机300是喷墨式的打印机。如图6所示,打印机300包括头单元310。头单元310例如具有液体喷出头200。液体喷出头200的数量并没有特别的限定。头单元310以可装卸的方式设置有构成供给单元的盒312、314。搭载有头单元310的滑架316以在轴向上移动自由的方式设置在安装于装置主体320的滑架轴322上,喷出从液体供给单元供给的液体。
这里,液体只要是物质为液相时的状态的材料即可,溶胶、凝胶等那样的液态的材料也包含于液体中。此外,不仅是作为物质的一种状态的液体,由颜料、金属粒子等固体构成的功能材料的粒子溶解、分散或混合于溶剂中而得到的物质等也包含于液体中。作为液体的代表性的例子,可列举出油墨、液晶乳化剂等。油墨包含一般的水性油墨和油性油墨、以及凝胶油墨、热熔性油墨等各种液体状组合物。
在打印机300中,驱动电机330的驱动力经由未图示的多个齿轮及正时带332被传递至滑架316,从而搭载有头单元310的滑架316沿滑架轴322移动。另一方面,在装置主体320设置有使纸等作为被记录介质的片材S相对于液体喷出头200相对移动的作为输送机构的输送辊340。输送片材S的输送机构并不限定于输送辊,也可以是带、滚筒等。
打印机300包括控制液体喷出头200及输送辊340的作为控制部的打印机控制器350。打印机控制器350与液体喷出头200的电路基板250电连接。打印机控制器350例如具备:临时存储各种数据的RAM(Random Access Memory:随机存取存储器)、存储控制程序等的ROM(Read Only Memory:只读存储器)、CPU(Central Processing Unit:中央处理单元)以及产生用于向液体喷出头200供给的驱动信号的驱动信号产生电路等。
需要指出,压电元件100并不限定于用于液体喷出头及打印机,其能够用于大范围的用途。压电元件100例如适合用作超声波电机、振动式除尘装置、压电变压器、压电扬声器、压电泵、压力-电转换设备等的压电致动器。此外,压电元件100例如适合用作超声波检测器、角速度传感器、加速度传感器、振动传感器、倾斜传感器、压力传感器、碰撞传感器、人感传感器、红外线传感器、太赫兹传感器、热探测传感器、热电传感器、压电传感器等的压电方式的传感器元件。此外,压电元件100适合用作铁电存储器(FeRAM)、铁电晶体管(FeFET)、铁电运算电路(FeLogic)、铁电电容器等的铁电元件。此外,压电元件100适合用作波长变换器、光波导、光路调制器、折射率控制元件、电子快门机构等的电压控制型的光学元件。
6.实施例及比较例
下面,通过实施例对本发明进行更具体的说明,但是,本发明并不限定于这些例子。
6.1.基于实施例的薄膜压电元件的制作
如下所述地制作基于实施例的薄膜压电元件。
首先,通过蒸镀法在表面具有(100)面的单晶硅基板上形成表面具有(100)面的氧化锆膜。接着,通过DC溅射法在氧化锆膜上形成表面具有(100)面的铂膜。
接着,通过RF溅射法在铂膜上形成表面具有(100)面的SrRuO3膜。该SrRuO3膜相当于晶种层。接着,通过液相法(化学溶液法)在SrRuO3膜上形成压电体层。下面,对压电体层的形成方法进行说明。
首先,将包含钾的金属配位化合物、包含钠的金属配位化合物、包含铌的金属配位化合物溶解或分散于有机溶剂中来制备前体溶液。采用旋涂法将制备得到的前体溶液涂布在SrRuO3膜上来形成前体层(涂布工序)。接着,以180℃对前体层进行加热并使其干燥一定时间(干燥工序),进而,通过以395℃进行加热并保持一定时间来对干燥后的前体层进行脱脂(脱脂工序)。接着,以750℃对脱脂后的前体层进行加热,并以该温度保持三分钟而使其结晶化(烧成工序)。
通过以上工序,在SrRuO3膜上形成压电体层。需要指出,通过重复四十次上述的从涂布工序到烧成工序的一系列工序,形成1.2μm厚的压电体层。
接着,在压电体层上形成上部电极。上部电极例如通过利用溅射法、真空蒸镀法等的成膜以及利用光刻及蚀刻的图案化而形成。需要指出,在不形成上部电极的情况下实施X射线衍射测定。
6.2.基于比较例的薄膜压电元件的制作
首先,通过使表面具有(112)面的单晶硅基板的表面热氧化,从而形成1170nm的厚度的SiO2的膜。接着,通过DC溅射法制作400nm的厚度的Zr的膜,通过850℃的热处理形成ZrO2膜。在其上通过DC溅射法形成50nm的Pt膜。
接着,和实施例同样地,通过液相法形成压电体层。上部电极的形成及图案化方法和实施例是同样的。需要指出,在不形成上部电极的情况下实施X射线衍射测定。
6.3.压电元件的评估方法
针对实施例及比较例的薄膜压电元件进行了下面的评估。
(1)X射线衍射测定:KNN的(100)的评估
装置:D8 DISCOVER(BrukerAXS公司制)
条件:管球Cu-Kα线、电压50kV、电流100mA
在垂直方向上对KNN膜表面照射X射线
2θ-ω扫描及Psi轴方向的扫描
(2)X射线衍射测定:KNN的(111)的评估
装置:D8 DISCOVER(BrukerAXS公司制)
条件:管球Cu-Kα线、电压50kV、电流100mA
在垂直方向上对KNN膜表面照射X射线
2θ-ω扫描及Psi轴方向的扫描
针对KNN膜表面从垂直方向倾斜54.7°照射X射线
2θ-ω扫描
(3)外观评估(成膜裂纹)
装置:金属显微镜
条件:50倍~1000倍,明视野及暗视野
(4)压电特性(位移量)的评估
装置:NLV-2500(Polytec公司制)、AFB3022C(Textronix公司制)、HDO4024(Lecroy公司制)
条件:50Hz、sin波、VHIGH=2~40V、VLOW=0V(固定)
6.4.压电元件的评估结果
图7示出实施例及比较例的通常的X射线衍射测定的2θ扫描结果(100评估用)。图8示出实施例及比较例的倾斜了54.7°的X射线衍射测定的2θ扫描结果(111评估用)。
当对图7进行观察时,实施例及比较例均在2θ、22.5°附近具有强KNN(100)峰。此外,当对图8进行观察时,实施例及比较例均在2θ、22.5°附近具有KNN(111)相当的峰。由此可知,基本上,实施例、比较例中均得到了具有(100)及(111)这两个取向的KNN膜。
图9示出实施例的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(mapping)(100评估用)。图10示出比较例的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(100评估用)。图11示出针对实施例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(111评估用)。图12示出针对比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω二维点阵(111评估用)。
当对图9及图10进行观察时,可知在实施例与比较例间KNN(100)峰的纵向的扩展大不相同。
图13示出实施例及比较例的X射线衍射测定的(100)面的Psi扫描结果(100评估用)。图13是绘制图9、图10中的KNN(100)峰的纵向的强度变化而得到的图。如图13所示,在实施例与比较例间可以看到大的差异。图13的强度分布的半宽度(FWHM)在实施例中为1.0°,在比较例中为7.3°。
图14示出针对实施例及比较例的KNN膜表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的(111)面相当的Psi扫描结果(111评估用)。图14是绘制图11、图12中的KNN(111)相当的峰的纵向的强度变化而得到的图。如图14所示,虽然在实施例与比较例间没有大的差异,但在实施例中强度略小。图14的强度分布的半宽度(FWHM)在实施例中为24.7°,在比较例中为22.7°。
此外,在实施例中,未产生成膜裂纹,但在比较例中,在将KNN制作为0.67μm的膜的时间点产生了成膜裂纹。进而,实施例的压电特性为d31=76pm/V,但在比较例中,未能完成压电特性的评估。
图15示出实施例的位移量评估结果。察看图15可知,实施例的压电元件在大气中、干空气中均显示出良好的位移特性。
上述的实施方式及变形例为一个例子,并不限定于此。例如,也可以对各实施方式及各变形例进行适当组合。
本发明包括与实施方式中说明的构成实质上相同的构成,例如包括功能、方法及结果相同的构成、或者目的及效果相同的构成。此外,本发明包括替换实施方式中说明的构成的非本质部分而得到的构成。此外,本发明包括起到与实施方式中说明的构成相同的作用效果的构成或者能够达到相同的目的的构成。此外,本发明包括对实施方式中说明的构成附加公知技术而得到的构成。
从上述实施方式及变形例可以导出下面的内容。
压电基板包括:
基板;
第一电极,形成在所述基板上;以及
压电体层,形成在所述第一电极上,并包含钾、钠和铌,
针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下。
根据该压电基板,由于压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下,因而致密地形成结晶面、且具有其它取向的成分少。由此,由结晶的取向方向引起的热膨胀系数的差小,不易产生缘于温度变化时的热膨胀系数差的应力,不易产生破坏/裂纹。此外,即便是在大气气氛中也能够表现出良好的压电特性。
在上述压电基板中,
也可以是X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下。
根据该压电基板,结晶的晶格常数的偏差小,能够使作为压电元件时的位移量更加优良。
在上述压电基板中,
也可以包括:晶种层,配置在所述第一电极与所述压电体层之间,并包含锶以及钌。
根据该压电基板,不易产生缘于热膨胀系数差的应力,更加显著地体现出不易产生破坏/裂纹的效果。
在上述压电基板中,
也可以是针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(111)面的X射线强度峰的半宽度大于23°。
根据该压电基板,能够适度地缓和因晶格常数的差异所引起的应变,因而更加不易产生应力,更加显著地体现出不易产生破坏/裂纹的效果。
在上述压电基板中,
也可以是针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的所述压电体层的(111)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下。
根据该压电基板,不易产生缘于热膨胀系数差的应力,更加显著地体现出不易产生破坏/裂纹的效果。
压电元件包括:上述的压电基板;以及形成在所述压电体层上的第二电极。
根据该压电元件,致密地形成压电体的结晶面、且具有其它取向的成分少。由此,由结晶的取向方向引起的热膨胀系数的差小,不易产生缘于温度变化时的热膨胀系数差的应力,不易产生破坏/裂纹,可靠性高。
液体喷出头包括:上述的压电元件;流路形成基板,设置有通过所述压电元件而容积发生变化的压力产生室;以及喷嘴板,设置有与所述压力产生室连通的喷嘴孔。
根据该液体喷出头,由于采用致密地形成压电体的结晶面且具有其它取向的成分少的压电元件,因而不易产生缘于温度变化时的热膨胀系数差的应力,不易产生破坏/裂纹,可靠性高。
Claims (7)
1.一种压电基板,其特征在于,包括:
基板;
第一电极,形成在所述基板上;以及
压电体层,形成在所述第一电极上,并包含钾、钠和铌,
针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为大于0°且在1.2°以下。
2.根据权利要求1所述的压电基板,其特征在于,
X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的所述压电体层的(100)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下。
3.根据权利要求1或2所述的压电基板,其特征在于,
所述压电基板包括晶种层,所述晶种层配置在所述第一电极与所述压电体层之间,并包含锶和钌。
4.根据权利要求1所述的压电基板,其特征在于,
针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的Psi轴方向的扫描结果中的所述压电体层的(111)面的X射线强度峰的半宽度大于23°。
5.根据权利要求1所述的压电基板,其特征在于,
针对所述压电体层的表面从垂直方向倾斜54.74°照射X射线的X射线衍射测定的2θ-ω扫描结果中的所述压电体层的(111)面的X射线强度峰的半宽度为0.3°以上且0.5°以下。
6.一种压电元件,其特征在于,包括:
权利要求1至5中任一项所述的压电基板;以及
形成在所述压电体层上的第二电极。
7.一种液体喷出头,其特征在于,包括:
权利要求6所述的压电元件;
流路形成基板,设置有通过所述压电元件而容积发生变化的压力产生室;以及
喷嘴板,设置有与所述压力产生室连通的喷嘴孔。
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