CN1170990A - 压电薄膜元件 - Google Patents

Abstract

压电薄膜型元件包括接续地整体设在堆在陶瓷基片(12)上构成的压电工作层,一个单一的平薄膜型下电极(16),一压电层(18)和包括多个交替设置的条形电极(20a,20b)上的电极(20)。下电极(16)为第一电极,上电极(20)为第二电极。第一、二电极及压电层(18)构成第一压电工作装置,而第二电极及压电层(18)构成第二压电工作装置。上述压电工作层上没堆着其它的压电层。这样压电薄膜型元件可充分利用压电工作段的工作性能,作用好,尺寸紧凑及可在低电压下工作。

Description

压电薄膜元件

本发明涉及压电薄膜型元件的改进。更具体地，本发明提供了一种机构或结构，其可以改进元件把电能转为机械能也就是把电能转为机械位移，力或振动，或从后者转变为前者的工作特点。

现时，在光学，精密制造等领域中，有要求使用位移元件来在亚微米数量级调节光道的长度或位置，还要求使用探测元件在把位移转成电变化后测出微小的位移。

为了满足这些要求，已发展了用于致动器的压电/电致伸缩元件，它利用当电场加到铁电物质之类的压电材料上时引起的反的压电作用产生的位移，和用于传感器，其使用与上面反转的现象(压电作用)。

在其中，例如作为扬声器，最好采用一种包括例如已知的单变体类型的压电/电致伸缩元件结构。

在这种技术中，本申请人已经先建议了由陶瓷材料制成的压电(/电致伸缩)薄膜型元件，它可优选地用于各种应用中，例如在日本专利公开No.3-128681和5-49270中有说明。

以前建议的压电薄膜型元件有下面的结构，也就是，元件包括一个陶瓷基片，其有至少一个窗口(空心空间)，并包括整体设的一个薄壁薄膜段以盖住及封住窗口而形成至少一个薄壁的壁段。在陶瓷基片的薄膜段的外表面上，元件还包括一个薄膜形的压电工作层，它包括下电极、压电层、及上电极的组合，其中压电工作层按照薄膜成型方法，整体地形成及堆积。

通过电作用的横向作用(特别电场感生应变)，也就是相应上电极和下电极之间的电能的施加，沿与电场方向垂直方向带来的应变，压电薄膜型元件被操作引起例如位移，力和振动。

压电薄膜型元件有下面的优秀的特点。也就是，用作具有高可靠性的紧凑及便宜的电-机械转换元件以提供低工作电压下大的位移，其中响应速度快，产生的力大。已知这种压电薄膜型元件可有用地例如用作致动器、滤波器、显示器及传感器的构成元件。

另一方面，US 2540194的说明书中公开了一种压电致动器，其结构中沿压电层的宽度方向延伸的条形电极设成沿压电层纵向的条形结构。条形电极相互分开预定的间隔距离，设在具有预定厚度的纵向板形的压电层表面上。

该致动器如下工作。也就是不同的电压交替地施加到设成如上所述的条形结构的条形电极上，使得条形电极之间加上预定的电场。因而通过在条形电极之间延伸的压电层部分带来的压电作用(电场感应应变)的垂直作用，也就是与电场方向平行的作用，会产生位移、力或振动，或有相反的转换。

但是，任一种普通的压电元件或压电薄膜元件只使用下列作用的一种；也就是由包括压电层及设在沿其厚度方向两边的两个电极的压电工作层带来的压电作用的横的作用(与电场方向垂直的方向的作用)，及由包括压电层及设在其一边的条形电极的压电工作层带来的压电作用的垂直作用(沿与电场平行方向的方向的作用)。从得到有紧凑尺寸的元件，及提高元件性能的目的看，充分显示及改进这种元件的压电工作层的工作特点是非常有利的。

上述日本专利公开No.5-49270在附图(图14)中也公开了一种压电致动器，其中条形电极及压电层接续和整体地设在和堆在陶瓷基片上构成一个压电工作层(激励段)，和一个薄膜型电极，一压电层及一薄膜型电极连续地整体地设在和堆积在其上以整体地构成另一个压电工作层(激励段)。

但是，在各种意义上在现有技术中所公开的结构只是通过简单地把两个压电工作段叠及堆在一起形成一个单元而得到。因此，当然要求有两个压电层，对压电层不可避免地有极厚的整个厚度。当一个压电工作层工作时，由于存在另一个压电工作层，而使其操作受限制及妨碍。因此普通的技术存在问题。例如，难以充分地显示各压电工作层的工作特点。

基于上述情况的背景，本发明的目的是提供一种有极好作用的压电薄膜型元件，其有紧凑的尺寸及可在低电压下工作，可以充分利用压电工作层的工作特点。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种压电薄膜型元件，其结构包括一个陶瓷基片，和一个薄膜型压电工作层，所述的工作层包括设在所述的陶瓷基片的至少一表面的至少一部分上成层状结构的单一压电层，和分别整体设在沿所述的压电层的厚度方向的两侧的第一和第二电极，其中在所述的压电工作层上没有叠着其它的压电工作层；所述的压电薄膜型元件包括：

使用单一的平薄膜型电极层形成的所述的第一电极；

至少一部分使用多个条形电极形成的所述的第二电极，

由所述的第一和第二电极构成的第一压电工作装置；和

由所述的压电层和所述的第二电极的多个条形电极构成的第二压电工作装置。

在如上构造的本发明的压电薄膜型元件中，压电作用的横向作用由第一压电工作装置有效地显示出，而压电作用的垂直作用由第二压电工作装置有效地显示出。

因此，当上述元件例如用作致动器及振动器，通过由沿宽度方向插入压电层的电极(第一和第二电极)之间的电场引起的电场感生应变的横向作用，及由沿平面方向插入压电层的多个条形电极(第二电极)之间的电场引起的电场感生应变的垂直作用，可得到相对成薄膜的陶瓷基片的沿上下方向的位移和振动。另外，可利用通过结合由垂直作用及横向作用提供的作用得到结合的位移振幅和结合的振动振幅。因此可得到明显的位移特点和振动特点。换言之，这意味可用更低的工作电压得到相当于普通装置得到的位移的一些位移。

作为普通的压电薄膜型元件，也就是使用一个压电层的一个压电作用的元件，有企图想得到与本发明相当的工作，其通过沿与压电层极化方向相反的方向加上一电场以增加位移及振动的振幅。但是，沿与极化方向相反的方向加上的电场被极化-反转的电场限制(也称为“临界电场”或“反电场”)。因此，在普通技术的情形下，必然很难得到任意足够的位移及产生的力。另外，普通技术还有一问题，就是由于加上接近极化-反转电场的电场而引起位移的稳定性问题。

但是，原则上，本发明的压电元件不限于上述的极化反转电流。加上电场的电极由加上的电能有选择地工作。因此可靠性高，可得到稳定的工作。

特别，在本发明中，要求使用不大于10KV/cm的极化-反转电场(反电场)的压电材料形成压电层。当使用由这种压电材料构成压电层，加上电场时可比较容易地及立即达到极化。因此，可以有效地显示本发明的特点。另外，通过选择形成压电层的压电材料可省去极化过程，这在用本发明元件前要进行的。当然除了上述致动器及振动器外，这种作用可等同地用于例如发声体及显示元件。

另一方面，当本发明的结构用于滤波器等，可只通过选择电极，同时一般用一个压电层构成一个激励段及一接收段。因此，这一结构提供了有紧凑尺寸的元件。另外，本发明的元件可相等地构成及用作变量器。

如上所述，普通元件中还没有用过的压电层的特点可通过使用本发明的压电薄膜型元件的结构巧妙地得到，与普通有相当功能的元件比，可进一步减小尺寸，降低电耗及改进功能。

在本发明的压电薄膜型元件的一个最佳实施例中，使用了一种结构，陶瓷基片设成一薄壁薄膜段，并且所述的压电工作层整体地设在所述的薄膜段的外表面。

本发明的压电薄膜型的另一个最佳实施例中，使用了一种结构，其中陶瓷基片具有至少一个空心空间，成为从外面包容所述的空心空间的壁部的所述的陶瓷基片的一部分设成一薄壁薄膜段，和压电工作层整体地设在所述的薄膜段的外表面。

在上述最佳实施例中，最好所述的多个条形电极分成两个不同的组，各包括交替地电极，使各所述的交替的电极沿纵向分别在两端中的一端相互连接，以构成两个梳形电极。最好，所述的陶瓷基片由含含有作为主要成分的完全稳定的或部分稳定的氧化锆材料构成。

为了使按照上述构成的本发明用比较低的工作电压得到大的位移，要求压电层厚度不大于100μm。要求压电工作层的厚度不大于150μm。

当第二压电工作装置工作时，最好考虑把电场包在不用作电极的下导电薄膜(第一电极)上。因此要求满足下列公式：0.3≤x/y≤6，式中x是压电层的厚度，而y是多个条形电极之间的距离。

为了使按照上述构成的本发明的压电薄膜元件得到高的速度响应及大的位移，最好薄膜段厚度不大于50μm。另外，当元件使用作为一个致动器的探测段，为了改进压电工作层的工作特点，及得到大的位移及大的产生的力，最好构成至少陶瓷基片薄膜段的晶体的平均尺寸为0.1-2μm。

当然在本发明中的压电作用不仅包括压电作用，还有反压电作用及电致伸缩作用，而基于这些作用的压电工作装置也包括电致伸缩工作装置。

参照作为说明性实例示出本发明的最佳实施例的附图进行的说明可以更明白本发明的上述及其它目的，特点及优点，附图中：

图1A示意地示出了一个剖面图，其作为实例示出了把本发明的压电薄膜型元件用作位移件的一个代表性实施例(下面称为“按照代表性实施例的压电薄膜型元件”)；

图1B示意地示出了一个剖面图，示出了按照代表性实施例的压电薄膜型元件的第二压电工作装置在工作的状态；

图1C示意地示出了一个剖面图，示出了按照代表性实施例的压电薄膜型元件的第一压电工作装置在工作的状态；

图2A是在按照代表性实施例的压电薄膜型元件的第二压电工作装置在工作的状态得到的位移及电场之间关系的图表；

图2B是在按照代表性实施例的压电薄膜型元件的第一压电工作装置在工作的状态得到的位移及电场之间关系的图表；

图2C是在按照代表性实施例的压电薄膜型的元件的第一和第二压电工作装置在工作的状态得到的位移和电场之间关系的图表；

图3A是示出按照第一实施例的压电薄膜型元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图；

图3B是示出按照第一实施例的压电薄膜型元件(基于使用板型陶瓷基片的板)的局部透视图；

图4A是示出按照第二实施例的压电薄膜型元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图；

图4B是示出按照第二实施例的压电薄膜型元件(基于使用板型陶瓷基片的板)的局部透视图；

图5A是示出按照第三实施例的压电薄膜型元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图；

图5B是示出按照第三实施例的压电薄膜型元件(基于使用板型陶瓷基片的板)的局部透视图；

图6A是示出按照第四实施例的压电薄膜元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图；

图6B是示出按照第四实施例的压电薄膜元件(基于使用板型陶瓷基片的板)的局部透视图；

图7是示出按照第五实施例的压电薄膜元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图；

图8A是示出按照第六实施例的压电薄膜元件(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的局部透视图。

图8B是示出按照第六实施例的压电薄膜元件(基于使用板型陶瓷基片的板)的局部透视图；

图9是示出按照第七实施例的压电薄膜元件的局部透视图；

图10A是图9所示的压电薄膜型元件(基于使用其中有三个空心的空间的陶瓷基征的板)沿A-A线剖切的剖视图；

图10B是图9所示的压电薄膜型元件(基于使用其中有三个空心的空间的陶瓷基片的板)沿B-B线剖切的剖视图；

图11A是图9所示的压电薄膜型元件(基于使用板型陶瓷基片的板)沿A-A线剖切的剖面图；

图11B是图9所示的压电薄膜型元件(基于使用板型陶瓷基片的板)沿B-B线剖切的剖面图；

图12A示出按照本发明的压电薄膜型元件的另一实施例(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的部分透视图；

图12B示出按照本发明的压电薄膜型元件的另一实施例(基于使用板型陶瓷基片的板)的部分透视图；

图13A示出按照本发明的压电薄膜型元件的又一实施例(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的部分透视图；

图13B示出按照本发明的压电薄膜型元件的又一实施例(基于使用板型陶瓷基片的板)的部分透视图；

图14A示出按照本发明的压电薄膜型元件的再一个实施例(基于使用有空腔结构的陶瓷基片)的部分透视图；

图14B示出按照本发明的压电薄膜型元件的再一个实施例(基于使用板型陶瓷基片的板)的部分透视图；

图15是示出本发明的压电薄膜型元件的改型实施例的剖面图，特别作为实例示出只设在薄壁段上的薄膜型压电工作段。

如上所述，本发明通过提供设在一陶瓷基片上的第一压电层和两个不同的电极(第一和第二电极)而构成，使得通过把不同的电极加到单一压电层上而可以使用两者的作用及特点而改进了工作特点及改善了功能。

下面参照图1-5说明所示的实施例，包括代表性的单个实施例及单独的实施例，其中本发明的压电薄膜型元件用作例如位移元件(下面简单地称为“按照代表性实施例的压电薄膜型元件”和“按照本发明的压电薄膜型元件”)。

如图1A所示，按照代表性实施例的压电薄膜型元件设有陶瓷基片2。陶瓷基片2中有空心的空间4。构成从外面包容空心空间4的壁部的，陶瓷基片2的薄壁部分标为薄壁段2a，其起膜片的作用。在薄壁段2a的外表面紧接着设成整体地堆着下电极6，压电层8及上电极10。如此构成一薄膜型的压电工作层。下电极6设成具有一单一的平的薄膜结构。上电极10包括多个条型电极10a，10b。因此，在该实施例中，下电极6相应第一电极，而上电极10相应第二电极。

如图1B所示，在按照代表性实施例的压电薄膜型元件上加上电能使构成上电极10的多个条型电极交替地作为正负电极。当多个条型电极之间加上预定的电场，薄壁段2A相应压电作用，也就是在本实施例中电场产生的垂直的应变作用，而沿第一方向(如图2B中箭头方向，使条型电极10a，10b面向自由空间的方向)位移。图2A示出了位移量与垂直作用提供的电场之间的关系。

另一方面，如图1C所示，当上电极10(条型电极10a，10b的全部或选择的一个)允许有同样的极性，把电场加在上电极10及下电极6之间，则薄壁段2a相应于压电作用，这就是在该实施例中电场产生的横向的应变作用，而沿第二方向(参见图1C中箭头，与条型电极10a，10b面向自由空间的方向相反的方向)位移。图2示出了位移量及横向作用提供的电场之间的关系。

如上所述，在图1C的情形下，第一压电工作装置由下电极6，压电层8，和上电极10构成。另一方面，在图1B情形下，第二压电工作装置由压电层8和构成上电极的多个条型电极10a，10b构成。

因此，通过使用单一的压电层8，通过控制施加电能或电压加到上电极10和下电极6可任意产生沿第一和第二方向的位移或力。例如，位移和力可以在结合图2A和2B所示的位移得到的区域中表示。使用普通的压电薄膜型元件还没有得到这一作用。

当使用压电材料时，考虑与图2C中位移区域(a)相应的极化作用产生一残余应变。相应地，通过换向把极化方向转动90°，该残余应变可用作位移。如上所述，例如，在位移的情形下，由垂直及横向作用得到的组合的位移，通过使用垂直作用带来的位移、力和振动及由施加在单一压电层8上的横向作用带来的位移、力和振动而得到。与现有的只用垂直或横向作用之一的普通技术相比，可以显著地改进特点。另外，从保持位移状态的观点通过使用位移区域(a)，按照本发明的压电薄膜型元件可构成一记忆元件。

下面参照图3A及下面的附说明按照本发明的压电薄膜型元件的代表性结构的几个实施例(单个实施例)。在图3A及下面的附图中的几个实施例强调的表示是厚度、长度、宽度等以便容易地理解各层的堆成的结构。应该明白这些表示与实际尺寸不相当。

首先，按照图3A所示的第一实施例的压电薄膜型元件包括一个具有一个单一的平的薄膜型形状的下电极16，及也有单一的平的薄膜型形状的压电层18及包括多个条形电极20a，20b的一个薄膜型上电极20，它们以图1A所示实施例的同样的方式紧接着设成整体地堆在薄壁陶瓷基片12的一个表面上。这样构成一个薄膜型压电工作层。

陶瓷基片12中有一个空心的空间14。构成从外面包容空心空间14的壁段的，陶瓷基片12的薄壁部分设为薄壁段12a，用作膜片段。在薄壁段12a的外表面整体地设有薄膜型压电工作层。压电工作层由连续堆成整体的下电极16、压电极19，上电极20(条形电极20a，20b)构成使得压电工作层在位于空心空间14的两侧的，陶瓷基片12的薄壁段12a，12b之间以跨着的方式延伸。

构成上电极20的多个条形电极20a，20b以条形结构交替设置，并相互隔开预定的距离。在上电极20上不再堆上附加的压电层或附加的压电工作层。

因此，按照图3A所示的第一实施例的压电薄膜型元件如下构成。也就是，使用压电作用的横向作用的第一压电工作装置包括下电极16，压电层18，上电极20。使用压电作用的垂直作用的第二压电工作装置包括压电层18，及上电极20的多个条型电极20a，20b。按照这种设置，用单一的压电层18可有两种压电作用。因此可以改进压电薄膜型元件的特点。

或者，如图3B所示，例如可在板型陶瓷基片板12上设薄膜型压电工作段。在这种设置中，通过使用另外设的支承件(未示出)支承板型陶瓷基片12，可提供与上述膜片段作用相当的作用。

按照图4A，4B所示的第二实施例的压电薄膜型元件的特点在于构成上电极20的多个条型电极20a，20b分成两组，各包括交替的条型电极，各交替的条型电极20a，20b分别沿纵向在一端相连使得构成两个梳形电极。

也就是说，通过在沿纵向相同的第一侧的端连接交替设置的条形电极20a构成第一梳形电极。另外，通过在与条形电极20a的第一侧的端相对的第二侧上的端连接相应条形电极20a交替设置的条形电极20b构成第二梳形电极。特别，例如，采用如此梳形电极结构得到如下优点。也就是说，可以很方便地把电能供到多个条形电极20a的一组或多个条形电极20b的一组。

图5A，5B所示的第三实施例的压电薄膜型元件具有下面的特点。也就是，下电极16设在具有薄的厚度并沿纵向设的陶瓷基片12上。压电层18设成使其沿宽度方向盖住下电极16。构成上电极20的条形电极20a，20b设成分别沿宽度方向搭在压电层18上。

也就是，压电层18设计成沿陶瓷基片12的宽度方向比下电极16长，而上电极20设计成沿陶瓷基片12的宽度方向比压电层18更长。在该实施例中，相对于下电极16，压电层18或上电极20(条形电极20a，20b)产生位置偏差，也能防止上下电极20，16形成短路。

按照本发明的压电薄膜型元件并不限于有上述单变体结构的元件，而是也可构成如图6A，6B所示的具有双变体结构的元件。

也就是说，在如图6A，6B所示的第四实施例的压电薄膜型元件中，一个压电工作层整体地设在陶瓷基片12的一个表面上，它包括具有与第一实施例同样结构(见图3A，3B)的一个下电极16，一压电层18及一个上电极20(条形电极20a，20b)。在陶瓷基片12的另一表面还整体地设有另一压电工作层，它包括与上述压电工作层同样结构的一个下电极116，一压电层118，和一上电极120(条形电极120a，120b)。当上述双变体型的压电薄膜型元件工作时，基于各自的压电工作层的两个压电工作装置的工作模式受到控制。例如，当压电薄膜型元件用作位移元件，控制使得设在陶瓷基片12两侧的任一压电工作层起作用以引起沿相同方向的位移、力、或振动。

按照图7的第五实施例的压电薄膜型元件的特点在于陶瓷基片12有一空腔结构。也就是，陶瓷基片12内具有一空腔结构、构成从外面包容空心空间14的壁部的，陶瓷基片的薄壁部分构成一薄壁段12a，用作膜片段。与图3A，3B实施例相等的薄膜型压电工作层整体地设在薄壁段12a的外表面。压电工作层包括整体接续堆着的一下电极16，一压电层18和一上电极20(条形电极20a，20b)，使得压电工作层在位于空心空间14的两侧的，陶瓷基片12的薄壁段12a，12b之间跨过延伸。提供了所谓的桥形梁结构。

按照图8A所示的第六实施例的压电薄膜型元件使用有由空心空间14形成的空腔结构的陶瓷基片12，包括沿宽度方向设在中间部分的薄壁段12a，和设在薄壁段12a两侧的厚壁段12b，12b。在陶瓷基片12的薄壁段12a整体地设两个压电工作层使得两个压电工作层的端部分别设在厚壁段12b上。

也就是说，各压电工作层从厚壁段12b延伸到陶瓷基片12的薄壁段12a。在这种设置中，各压电工作层由接续设的，成整体堆着的下电极16，压电层18，上电极20(条形电极20a，20b)构成。控制压电工作层使得它们相对于薄壁段12a沿同样的方向工作。

或者，如图8B所示，例如可由一板形陶瓷基片12形成薄膜形压电工作段。在这种设置中，通过用另外设的支承件(未示出)支承板形陶瓷基片12可提供与上述膜片作用相当的作用。

图9，10A，10B示出按照第七实施例的压电薄膜型元件。如图明显可见，在陶瓷基片12中设有三个空心空间14。各空心空间14通过连通孔与外面连通。如图4所示的结构的薄膜型压电工作层整体地设在陶瓷基片12的薄壁段12a的各外表面上，而薄壁段12上分别借助空心空间14形成。

也就是说，通过接续地设置和堆着下电极16，压电层18和上电极20可使压电工作层有一个整体结构。构成上电极20的条形电极20a，20b按照图4A，4B实施例的同样方式设成。

或者，如图11B所示，例如，薄膜型压电工作段可设在一板形陶瓷基片12上。在这种设置中，使用另外设的支承件(未示出)支承板形陶瓷基片12可提供与上述膜片相当的作用。

在按照本发明的上述实施例的压电薄膜型元件中，各包括多个条形电极20a，20b的上电极20设成有相同尺寸的条形结构。但是，条形电极20a，20b的宽度可以适当地选择。例如，如图12A，12B所示，电极的宽度可以交替地改变使得条形电极20a的宽度比条形电极20b的宽度大。这种电极结构使得本发明用于滤波器时，可以方便地调节波段，而本发明用于各种换能器时可方便得到一位移量。

按照本发明的压电薄膜型元件也可以有如图13A，13B所示的结构。也就是说，上电极20由各有螺旋结构的两个条形电极20a，20b构成。一个条形电极20a和另一个条形电极20b设成使它们由螺旋的中心沿径向向外方向看是交替地设置的。

按照本发明的压电薄膜型元件也可以有如图14A、14B所示的结构。也就是说薄膜压电工作层构成使得上电极20的一个预定部分由多个条形电极20a，20b构成，而上电极的另一部分设成一单一的平薄膜型电极段20c。压电工作层整体地设在陶瓷基板12上。在图14A，14B所示的实施例中，条形电极20a，20b分别设成梳形电极。通过上电极20的这种结构，可得到下面的优点。也就是，例如当元件用作致动器或振动器时，很容易平衡由电场感生的应变的横向作用产生的位移和产生的力，和由电场感生的应力的垂直作用产生的位移和产生的力之间的平衡。

如上所述，本发明的压电薄膜型元件可具体作成各种形式，可以在不超出本发明精神或主要特点的范围内作出各种改型、改变及改进。应该明白这些都属于本发明的范围。

例如，在上面实施例中，在构成上电极20的多个条形电极20a，20b之间设有空间。但是当条形电极20a，20b之间的空间装入形成压电层18的压电材料，也是没有问题的。或者，可采用一种结构，其中下电极16及上电极20倒过来设置。或者，上电极20设成一个单一的平薄膜形电极层，和至少下电极16的一部分设有多个条形电极。在这种设置中，由平薄膜形的电极层构成的上电极20相应于第一电极，而由多个条形电极构成的下电极16相应于第二电极。

更具体地，本发明的压电薄膜型电极如下制造。

首先，说明形成构成本发明压电薄膜型元件的陶瓷基片(2，12)的材料。可用作形成陶瓷基片(2，12)的材料包括绝缘材料及介电材料，只要它们有高的机械强度，它们可经受约1400℃的热处理(下面要说明)，并且它们堆起来与压电工作层成整体而不要使用任何粘结剂之类。甚至当材料是氧化物构成的陶瓷材料，或者是非氧化物构成的陶瓷材料，总没有问题。

为了得到优秀的工作性能，例如大的位移，大的产生的力，和快的响应速度，那些优选地采用的包括含有作为主要成分的，在满足上述的材料中，至少氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化铝和氮化硅中的任一种。特别，推荐作为主要成分的使用含氧化铝和/或氧化锆的陶瓷材料。在它们之中，作为主要材料特别有利的是使用用氧化钇，氧化镱，氧化锶，氧化钙和氧化镁中选出的至少一种化合物完全或部分稳定的氧化锆，这是因为有下面的原因。也就是，这些材料可以得到高的韧性和高的机械强度，即使基片具有薄的厚度也如此。另外，这种材料在与在薄膜成形方法中用的压电材料一起热处理时受到小的应力。而且，这种材料显示与上述的压电材料有小的化学反应性。

最好加入上述化合物用来稳定氧化锆，在氧化钇或氧化镱的情形下其量为1摩尔百分比-30摩尔百分比，在氧化锶的情形下其量为6摩尔百分比-40摩尔百分比，在氧化钙和氧化镁的情形下为5摩尔百分比-40摩尔百分比。特别、最好用氧化钇作为稳定剂。在这种情形下，最好加入不小于1.5摩尔百分比及不大于6摩尔百分比，更优选地为不小于2摩尔百分比及不大于4摩尔百分比。当以上述范围把氧化钇加入氧化锆中，得到的氧化锆的结晶相是部分稳定的。因此可以得到有优秀的基片特点的基层。

稳定的氧化锆可加有烧结辅助剂，如粘土、氧化铝和氧化钛。但是，要求调节成分及辅助剂的量使得烧结后得到的基片不含有不小于1％的氧化硅(SiO₂，SiO)，这是因为下面的原因。也就是，如果基片中含有过量的氧化硅，那么在与压电材料一起热处理时易于发生反应，难以控制成分。

陶瓷基片2，12最后以烧结形式提供。当陶瓷基片2，12烧结时可使用一种方法，其中在形成本发明的压电薄膜型元件之前预先进行烧结形成基片，或用一个方法，其中在按照后面说明的薄膜形成工艺形成压电工作层后，使用未烧结的基片材料板进行烧结。特别，最好使用其中陶瓷基片2，12预先烧结形成基片的方法，因为可减少元件的弯曲，及得到要求的图案尺寸精度。

从高的可靠性观点看，最好用下面的方法制造有如图1，图3A等所示的空腔结构。也就是说，通过使用一模子或按照超声之类的机械处理，在未烧结板中形成用于形成空心空间4，14的开口孔。用于制造薄壁段2a，12a的薄的未烧结板堆在设有开口孔的未烧结的板上并热粘接在其上。接着焙烧及集成。

对陶瓷基片2，12要求设有本发明压电薄膜型元件的压电工作层的部分至少一部分设成薄壁段2a，12a。要求薄壁段2a，12a的厚度一般不大于50μm，优选地不大于30μm，更优选的为不大于15μm，以得到压电薄膜型元件高的速度响应及大的位移。

要求薄壁段2a，12a一般设成晶体的平均颗粒尺寸为0.1-2μm，优选的为不大于1μm，使得其上设的压电工作层的工作特点提高，例如当元件用作致动器或探测器时可得到大的位移及大的产生的力。

也要求如图3B，图4B等所示的板型陶瓷基片12一般厚度为不大于50μm，优选地为不大于30μm，更优选地为不大于15μm，以便得到压电薄膜型元件的快的反应及大的位移。

要求用作致动器部分的陶瓷基片12的至少一部分一般构成为晶体的平均颗粒直径为0.1-2μm，更优选地为不大于1μm，使得设在该部分上的压电工作层的工作特点可以提高，例如当元件用作致动器或探测器部分时，可以得到在原位移及大的产生的力。

最好采用各种薄膜成形工艺，以便形成如在本发明的压电薄膜型元件中那样，包括预定的下电极16，压电层18，和设在陶瓷基片2，12上的至少一表面上的上电极20。合适的选择包括厚膜成形技术，如幕涂，喷涂，浸涂和涂复，以及薄膜成形技术，如离子束、溅镀、真空沉积、离子涂复、CVD及电镀。

特别，当形成压电层18时，最好使用厚膜成形工艺，使用例如幕涂、喷涂、浸涂和涂复。按照厚膜成形工艺，通过使用含有作为主要成分有平均颗粒尺寸为0.01-5μm，优选的为0.05-3μm的压电材料的陶瓷颗粒的浆料或涂料，可把薄膜形成在陶瓷基片上。因此可以得到好的元件特点。

采用了下面的技术以使薄膜具有要求的形状。也就是，用于这一目的包括使用例如幕涂方法或光刻法形成图案的工艺。另外，也可采用基于例如激光和YAG的激光加工方法或超声加工的机械加工方法移去不必要的部分形成图案的技术。因此得到了下电极16，压电层18和上电极20的各自形状。

可在以后要说明的热处理前或后形成图案。从容易形成图案及图案的精度的观点出发，要求在热处理前形成图案。

元件的结构及其中制出的薄膜型压电层的形状并没有限制，根据使用可用任意形状。例如，在用三角形及四边形、如圆，椭圆及环的圆形结构、梳形结构、格子结构及结合上述结构得到的专门结构的情况下都没有问题。

各按照上述工艺设在陶瓷基片2，12上的薄膜6，8，10，16，18，20在每次各薄膜形成时可进行热处理使得可得到与基片成整体的结构。或者也可以在全部薄膜形成后同时进行热处理使得各薄膜与基片整体地连接在一起。

在某些情形下，当按照上述的薄膜形成工艺形成电极薄膜时，对于成整体不必要求热处理。例如，在上电极薄膜10，20形成前，偶然使用例如绝缘树脂把绝缘涂料涂到元件的周边，以保证上电极薄膜10，20和下电极薄膜6，16之间的绝缘。在这种情形下，使用不要求热处理的溅涂或电镀来形成上电极薄膜10，20。

在某些温度下进行热处理以使陶瓷基片和如上所述的各薄膜成整体。对于热处理一般采用约900-1400℃的温度。优选地，选用1000-1400℃的温度。当压电层8，18进行热处理，最好同时使用压电材料的蒸发源来控制气氛的情形下进行热处理，使在高温时，压电层的成分不会不稳定。

还推荐使用一种方法，其中适当的覆盖元件放在压电层8，18上使得其表面不直接暴露到焙烧气氛中。在种情形下用的覆盖材料包括与基片类似的材料(例如作为主成分，含有氧化铝，氧化锆或氧化镁)。作为焙烧时使用的焙烧台，最好采用例如包括含有作为主成分的氧化铝、氧化锆或氧化镁的材料的台，与覆盖元件是同样的。

构成上述压电工作层的下电极薄膜6，16的材料没有专门限制，只要材料是可经受热处理温度及在焙烧温度的高温下的氧化气氛的导体。例如，材料可以是的简单的金属或合金。当材料是绝缘陶瓷和金属或合金或介电陶瓷的混合物，就没有问题。

更优选的，合适使用包括高熔点贵金属，如铂、钯和铑；电极材料的主成分包括银-钯合金，铝-铂合金，和铂-钯合金；包括铂和压电材料的金属陶瓷材料；包括铂、基片材料及压电材料的金属陶瓷材料。最好，更要求及优选地用含铂作为主成分的材料。

如果如氧化硅之类的玻璃作为加到电极中的材料，在与压电层8，18一起热处理时会发生反应，容易成为元件特性恶化的原因。因此，要求避免使用玻璃。基片材料可加到电极中最好为约5-30％(体积)，而压电材料可加到电极中最好为约5-20％(体积)。

另一方面，形成上电极10，20的材料没有专门限制。没有问题可用的包括上述的电极材料，以及包括金、铬或铜的溅涂薄膜，及包括金或银的用树脂浸透的印刷薄膜。

使用如上所述的导电材料形成的电极薄膜一般不大于20μm，优选地不大于5μm。特别，上电极薄膜10，20最好设有厚度不大于1μm，优选地不大于0.5μm。

按照本发明的压电薄膜型元件包括含有如上形成的下电极6，16，压电层8，18和上电极10，20的薄膜压电工作层，其中下电极和上电极中任一个的至少一部分由多个条形电极构成以提供条形结构。

在条形电极(所示实施例中为10a，10b，20a，20b)之间的距离合适地选择。难以限定地确定该距离。但是，实际的是距离一般不大于100μm，优选地为不大于50μm，特别是不大于20μm，以便在低电压下产生大的位移。

条形电极10a，10b，20a，20b的间距要求大于200μm，优选地为不大于100μm，特别要求不大于40μm，以便在低电压下产生大的位移。

对于制造构成本发明的压电薄膜型元件的压电工作层的压电层8，18的压电材料可采用任何材料，只要材料有压电作用，特别是电场感生的应变。例如，材料可以是结晶材料或无定形材料。当材料是半导体材料、电介质陶瓷材料、或铁电陶瓷材料时是没有问题的。材料可以是需要极性处理的材料，或不需要极性处理的材料。特别，按照本发明，在不要求极性处理的压电材料，或要求极性处理的材料的情形下，最好使用不大于10KV/cm的极性倒转的磁场(与电场相反)的压电材料。因此压电薄膜型元件的特点可以有效地显示出。

具体地，本发明可用的压电材料最好包括例如含锆钛酸铅(PZT系统)为主要成分的材料，含钛酸铅为主要成分的材料，含锆酸铅为主要成分的材料，含主要成分为镁铌酸铅(PMN系统)的材料，含镍铌酸铅(PNN系统)为主要成分的材料，含镁钨酸铅为主要成分的材料，含镁铌酸铅为主要成分的材料，含锡酸铅锑为主要成分的材料，含钽酸铅镍为主要成分的材料。含钽酸铅镁为主要成分的材料，含钽酸铅镍为主要成分的材料，及上述材料的复合材料。

没有任何问题，上述材料可以加入氧化物添加剂，或其它类似的化合物，例如镧、钡、铌、锌、铈、镉、铬、钴、锑、铁、铱、钽、钙、镍、镁、锂、锶、镁、铅和铋。例如，最好通过例如把镧和氧化物加到由PZT系统作为主成分的材料中得到的PLZT系统的材料。

具有不大于10KV/cm的反电场的材料，它们从上述压电材料中选出并在调整成分后应用，包括例如PZT系统，PMN系统，钛化铅和PMN的混合系统，PLZT系统，通过把钡加到含PZT系统为主要成分的材料中得到的PBZT系统，和由基于PZT系统的三个成分(例如，含主要成分为铌酸铅镁，锆酸铅和钛酸铅的材料，和含主要成分为铌酸铅镍，钛酸铅和锆酸铅的材料)的系统。

特别，PMN系统、PMN混合系统、PLZT系统、PBZT系统可用作压电材料而不用加任何专门的极化处理。

在上述压电材料中，最好使用含主要成分为镁铌酸盐、锆酸铅及钛酸铅的材料、含主要成分为镍铌酸盐，镁铌酸铅，钛酸铅的材料，含主要成分为钽酸镍铅、铌酸铅镁、锆酸铅、和钛酸铅的材料，或主要成分为钽酸铅镁、铌酸铅镁、和钛酸铅的材料。

特别，最好使用含主要成分为铌酸铅镁、锆酸铅和钛酸铅的材料，这有下面的原因。因为这些材料不仅有高的压电常数，并且在热处理时与基片材料有低的反应性。

也就是，例如图5A，5B所示的在陶瓷基片12和压电层18之间的连接状态可被抑制到如此惰性，使得对压电工作层必要的性能不施加影响。另外，成分的偏析很少发生，保持成分的处理可适当地进行，并且很容易得到一个目标成分及得到目标的晶体结构。因此，推荐上述材料作为按照薄膜成形技术，如幕印法，喷涂、浸涂及涂覆方法，形成压电层的材料。

当多成分系统的压电材料使用时，压电特点根据组元的成分改变。但是，在对本发明压电薄膜型元件优选采用的铌酸铅镁-锆酸铅-钛酸铅三组元系统的材料的情形下，最好使用假立方晶体-正方晶体-菱形晶体的相界附近的成分。特别，特别采用包括下面成分；铌酸铅镁：15摩尔百分比-50摩尔百分比，锆酸铅：10摩尔百分比-45摩尔百分比，和钛酸铅：30摩尔百分比-45摩尔百分比，因为它有高的压电常数，及高的电化学耦合系数。

最好使用上述压电材料形成的压电层8，18一般厚度不大于100μm，优选地为不大于50μm，更优选地为约3μm-40μm，以便得到例如在比较低的工作电压下大的位移。包括下电极6，16，上电极10，20，再加上压电层8，18的薄膜型压电工作层一般厚度为不大于150μm，最好不大于50μm。

更有效地考虑把电场卷绕在下导电薄膜6，16上，在第二压电工作装置工作时该薄膜不用作电极。因此，要求合适地控制上述压电层8，18的厚度x(图1A)与条形上电极之间的距离Y(图1A)的比率。最好该比X/Y落在下面的范围：

0.3≤X/Y≤6

另外，要求根据压电层18的厚度及电极之间的距离，合适地控制加到各压电工作装置来操作元件。

在按照本发明的压电薄膜型元件(基于使用具有空腔结构的陶瓷基片)的上述实施例中，一部分薄膜型压电工作段与一部分厚壁陶瓷基片12段重合。或者，例如，如图15代表及示出，允许形成薄膜形压电工作段仅仅在薄壁段12a上。

如上得到的本发明的压电薄膜型元件可用到单变化类型元件和双变化类型元件，用于把电能转变为机械位移，力和振动，或者进行反方向转变，包括：例如各种换能器，各种致动器、频率区-作用元件(滤波器)，各种显示装置(显示器)，变压器，麦克风，发声体(喇叭或类似的)，振动器，共振器，用于通讯及产生电能的振荡器，监频器，如超声传感器，加速传感器，角速度传感器，及冲击传感器之类的各种传感器，及伺服位移元件，脉冲驱动电动机，超声电动机，压电风扇，和由Kenii Vchino在“压电/电致伸缩的致动器：从基础到应用”(日本工业技术中心编，Morikita-Synppan出版)中说的压电继电器。优选地，按照本发明的压电薄膜型元件最好例如用于各种致动器，振动器发声体和显示装置。

按照本发明的压电薄膜型元件也具有介电性能加上压电特点(包括电致伸缩特点)。因此，压电薄膜型元件也可用作薄膜型电容器元件。当也有铁电性能的材料用作压电材料，压电薄膜型元件也可用作释放电子元件。

如上述说明中清楚，按照本发明，第一和第二压电工作装置通过使用第一压电层构成。压电薄膜型元件的整个工作显示是两个压电工作装置工作的结合的形式。因此，充分使用了压电作用，与基于使用普通的单一压电工作装置的情形相比，也明显地改进了压电薄膜型元件的元件特点。结果，得到的压电薄膜型元件具有极好的功能，有紧凑的形状，可在低电压下工作。

特别，当本发明的压电薄膜型元件用作致动器及振动器的位移元件，可以显著地增加位移的振幅，振动的振幅，及使用压电作用，特别是电场-感生的应变的横向作用及垂直作用的力。因此可以显著地改善位移特点，振动特点和力的特点。

已经基于一些实施例专门地说明了本发明的压电薄膜型元件。但是，本发明不限于上述实施例，并不能认为基于这些实施例，应该明白本专业技术人员可以进行各种改变、修改、及改型而没有偏离本发明精神和主要特点。

Claims (13)

1.一种压电薄膜型元件，其结构包括一个陶瓷基片(2，12)，和一个薄膜型压电工作层，所述的工作层包括设在所述的陶瓷基片(2，12)的至少一表面的至少一部分上成层状结构的单一压电层(8，18)，和分别整体设在沿所述的压电层(8，18)的厚度方向的两侧的第一和第二电极(6，6，10，20)，其中在所述的压电工作层上没有叠着其它的压电工作层；所述的压电薄膜型元件包括：

使用单一的平薄膜型电极层形成的所述的第一电极(6，16)；

至少一部分使用多个条形电极形成的所述的第二电极(10，20)，

由所述的第一和第二电极(6，16，10，20)构成的第一压电工作装置；和

由所述的压电层(8，18)和所述的第二电极(10，20)的多个条形电极构成的第二压电工作装置。

2.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的压电层(8，18)由具有不大于10KV/cm的反电场的压电材料形成。

3.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的陶瓷基片(2，12)设成一薄壁薄膜段，并且所述的压电工作层整体地设在所述的薄膜段的外表面。

4.按照权利要求3的压电薄膜型元件，其特征在于所述的薄膜的厚度不大于50μm。

5.按照权利要求3的压电薄膜元件，其特征在于构成所述的陶恣基片(2，12)的所述的薄膜段的晶体的平均尺寸为0.1-2μm。

6.按照权利要求的压电薄膜型元件，其特征在于；

所述的陶瓷基片(2，12)具有至少一个空心空间(4，14)；

成为从外面包容所述的空心空间(4，14)的壁部的所述的陶瓷基片的一部分设成一薄壁薄膜段(2a，12a)；和

所述的压电工作层整体设在所述的薄膜段(2a，12a)的外表面。

7.按照权利要求6的压电薄膜型元件，其特征在于所述的薄膜段(2a，12a)的厚度为不大于50μm。

8.按照权利要求6的压电薄膜型元件，其特征在于构成所述的陶瓷基片(2，12)的至少所述的薄膜段(2a，12a)的晶体平均尺寸为0.1-2μm。

9.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的多个条形电极(10a，10b，20a，20b)分成两个不同的组，各包括交替的电极，使各所述的交替的电极沿纵向分别在两端中的一端相互连接，以构成两个梳形电极。

10.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的陶瓷基片(2，12)由含有作为主要成分的完全稳定或部分稳定的氧化锆的材料构成。

11.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的压电层(8，18)厚度为不大于100μm。

12.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于所述的压电工作层厚度为不大于150μm。

13.按照权利要求1的压电薄膜型元件，其特征在于它满足下列公式：

0.3≤x/y≤6

其中，x是所述的压电层(8，18)的厚度，而y是所述的条形电极(10a，10b)之间的距离。

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