CN118076208A - 压电元件、压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电特性和耐久性优异的压电元件、压电致动器。压电元件具备基板、第一电极、包含钾、钠和铌的薄膜压电体和第二电极。在将薄膜压电体在成膜方向上二等分，并将第一电极侧设为第一区域且将第二电极侧设为第二区域时，在第一区域中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值的得到的值A，小于在薄膜压电体中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值B。

Description

压电元件、压电致动器
技术领域
本发明涉及一种压电元件、压电致动器。
背景技术
一直以来，作为压电元件的压电体层的材料之一，已经研究出了铌酸钾钠(KNN；(K，Na)NbO3)(例如，参照专利文献1)。
由KNN膜构成的KNN压电体层能够通过提高(100)面的结晶取向度来增大应变量。因此，在使用了KNN压电体层的压电元件的开发中，通常使用在(100)面上结晶取向的KNN膜。但是，在(100)面上结晶取向的KNN膜与在(111)面或者(110)面上结晶取向的KNN膜相比较，存在与被形成于KNN膜上的电极的紧贴强度降低的课题。因此，当KNN压电体层的位移量增大时，在电极与KNN膜的界面处有可能发生剥离。
专利文献1：日本特开2016-178253号公报
发明内容
根据本发明的一个方式，提供一种压电元件，该压电元件具备：基板；第一电极，其被成膜在所述基板上；薄膜压电体，其被成膜在所述第一电极上，且包含钾、钠和铌；第二电极，其被成膜在所述薄膜压电体上。在将所述薄膜压电体在成膜方向上二等分，并将所述第一电极侧设为第一区域且将所述第二电极侧设为第二区域时，在所述第一区域中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值A，小于在所述薄膜压电体中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值B。
根据本发明的一个方式，提供一种压电致动器，该压电致动器具备：振动板；第一电极，其被成膜在所述振动板上；薄膜压电体，其被成膜在所述第一电极上，且包含钾、钠和铌；第二电极，其被成膜在所述薄膜压电体上。在将所述薄膜压电体在成膜方向上二等分，并将所述第一电极侧设为第一区域且将所述第二电极侧设为第二区域时，在所述第一区域中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值A，小于在所述薄膜压电体中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值B。
附图说明
图1为示意性地表示压电元件300的剖视图。
图2为表示喷墨式记录装置的概要结构的立体图。
图3为表示喷墨式记录头的概要结构的分解立体图。
图4为表示喷墨式记录头的概要结构的俯视图。
图5为图4的A-A’线剖视图。
图6为实施例和比较例的KNN薄膜表面的AFM像。
图7为实施例和比较例的φ＝0°处的XRD测量结果。
图8为实施例和比较例的φ＝54.74°处的XRD测量结果。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。以下的说明表示本发明的一个方式，其能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行任意变更。另外，在各个附图中标记了相同符号的部件表示相同的部件，且适当地省略说明。构成参照符号的字符之后的数字通过包含相同字符的参照符号而进行参照，并且被用于区分具有同样的结构的要素。在不需要互相区分由包含相同字符的参照符号所示的要素的情况下，这些要素分别通过仅包含字符的参照符号来进行参照。
在各个附图中，X、Y以及Z表示相互正交的三个空间轴。在本说明书中，将沿着这些轴的方向分别设为第一方向X(X方向)、第二方向Y(Y方向)以及第三方向Z(Z方向)，将各图的箭头标记所朝向的方向设为正(+)方向，将箭头标记的相反方向设为负(-)方向进行说明。X方向以及Y方向表示板、层以及膜的面内方向，Z方向表示板、层以及膜的厚度方向或层叠方向。
此外，各个附图中所示的结构要素，即，各部的形状、大小、板、层以及膜的厚度、相对的位置关系、重复单位等，在对本发明进行说明的基础之上有时会夸张地示出。此外，本说明书的“上”这样的用语并不限定于结构要素的位置关系为“正上”。例如，后述的“基板上的第一电极”、“第一电极上的压电体层”这样的表述并不排除在基板与第一电极之间、第一电极与压电体层之间还包含其他的结构要素的情况。
压电元件
首先，参照附图，对本实施方式的压电元件300的结构进行说明。图1为示意性地表示压电元件300的剖视图，且为图5的B-B’线放大剖视图。
如附图所示，压电元件300包括基板2、第一电极60、压电体层(薄膜压电体)70和第二电极80。压电元件300被设置在基板2的上方。在图示的示例中，压电元件300被设置在基板2上。另外，图中所列举出的各要素的厚度均为一个示例，其能够在不变更本发明的主旨的范围内进行变更。
例如，基板2为由半导体、绝缘体等形成的平板。基板2可以为单层，也可以为层叠有多层的结构。关于基板2，只要上表面为平面的形状，则内部的结构未被限定，也可以为在内部形成有空间等的结构。
基板2例如具有能够通过压电体层70的动作而变形的振动板50。即，在本实施方式中，压电元件300为具备振动板50的压电致动器。在图示的示例中，振动板50具有氧化硅层51和被设置于氧化硅层51上的氧化物层52。在图示的示例中，基板2具有硅基板10，振动板50被设置在硅基板10上。
氧化硅层51为包含硅和氧的层，例如为二氧化硅(SiO2)层。氧化硅层51可以具有作为弹性膜的功能。振动板50也可以不具有氧化硅层51。
氧化物层52例如为氧化锆层。由氧化锆(ZrO2)构成的氧化物层52作为扩散抑制层而发挥功能。氧化物层52对压电体层70中所包含的碱金属向硅基板10侧的扩散进行抑制。氧化物层52也可以包含氧化锆以外的氧化物。氧化物层52也能够设为由氧化锆以外的金属氧化物构成的层。
第一电极60被形成在基板2(在图1中，振动板50)上。第一电极60的形状例如为层状或者薄膜状。第一电极60的厚度例如为10nm以上且200nm以下。从Z轴向观察到的第一电极60的平面形状只要为在其与第二电极80相对配置时能够在两者之间配置压电体层70的形状，则未被特别地限定。
作为第一电极60的材质，可以列举出例如镍、铱、铂等各种金属、它们的导电性氧化物(例如，氧化铱等)、锶和钌的复合氧化物(SrRuOx：SRO)、镧和镍的复合氧化物(LaNiOx：LNO)。第一电极60可以为上述所例示的材料的单层结构，也可以为层叠了多种材料的结构。
第一电极60与第二电极80成为一对，并且，第一电极60构成用于对压电体层70施加电压的一个电极(例如，被形成在压电体层70的下方的下部电极)。
第二电极80被形成在压电体层70上。第二电极80以隔着压电体层70而与第一电极60相对的方式进行配置。第二电极80的形状例如为层状或者薄膜状的形状。第二电极80的厚度例如为10nm以上且200nm以下。第二电极80的平面形状只要为在其与第一电极60相对配置时能够在两者之间配置压电体层70的形状，则未被特别地限定。
作为第二电极80的材质，例如，能够应用作为第一电极60的材质而在上文中列举出的材质。但是，为了使压电体层70的杨氏模量相对于第二电极80的杨氏模量之比满足适当的范围，优选为使用铂(Pt)或者铱(Ir)来作为第二电极80的材质。
第二电极80与第一电极60成为一对，并且，第二电极80构成用于对压电体层70施加电压的另一个电极(例如，被形成在压电体层70的上方的上部电极)。
第一电极60以及第二电极80的材料优选为铂(Pt)、铱(Ir)等贵金属或它们的氧化物。第一电极60的材料以及第二电极80的材料只要为具有导电性的材料即可。第一电极60的材料和第二电极80的材料可以相同，也可以不同。
也可以在第一电极60与氧化物层52之间设置紧贴层(未图示)。紧贴层由例如氧化钛(TiOX)、钛(Ti)、氮化硅(SiN)等构成，具有提高压电体层70和振动板50的紧贴性的功能。此外，在使用氧化钛(TiOX)层、钛(Ti)层或者氮化硅(SiN)层作为紧贴层的情况下，紧贴层也具有作为如下的终止层的功能，即，防止在形成压电体层70时作为压电体层70的构成元素的钾以及钠透过第一电极60而到达至硅基板10的情况。另外，紧贴层能够省略。
优选为，在第一电极60与压电体层70之间设置例如晶种层(未图示)。晶种层具有作为对构成压电体层70的压电体的结晶的取向性进行控制的取向控制层的功能。即，通过在第一电极60上设置晶种层，能够使构成压电体层70的压电体的结晶在预定的面取向(例如，(100)面)择优取向。通过提高压电体层的结晶取向性，能够高效地利用畴旋转，并提高位移特性。作为晶种层的材质，可以列举出例如钛、镍、铱、铂等各种金属、它们的氧化物、包含铋、铁、钛、铅等的化合物。
压电体层70以对第一电极60进行覆盖的方式而形成在第一电极60上。压电体层70包括由通式ABO3所示的钙钛矿结构的复合氧化物。在本实施方式中，压电体层70包含由式(KX，Na1-X)NbO3(0.1≤X≤0.9)表示的KNN系的复合氧化物构成的压电材料。
上式所示的复合氧化物为所谓的KNN系的复合氧化物。由于KNN系的复合氧化物是抑制了铅(Pb)等的含有量的非铅系压电材料，因此生物相容性优异，并且环境负荷较小。而且，由于KNN系的复合氧化物即使在非铅系压电材料之中也是压电特性优异的，因此有利于提高各种特性。
此外，关于本实施方式的压电元件300，从通过压电体层70的XRD(X-RayDiffraction：X射线衍射)测量所获得的图谱数据取得的峰值强度满足下述的关系。各自的XRD峰值强度通过对XRD的图谱数据进行峰值分离而取得。
在将压电体层70在成膜方向上二等分，并将第一电极60侧设为第一区域X1且将第二电极80侧设为第二区域X2时，值A小于值B，其中，值A为在第一区域X1中(111)面的XRD峰值强度I1(111)和(110)面的XRD峰值强度I1(110)的合计值除以(100)面的XRD峰值强度I1(100)、(111)面的XRD峰值强度I1(111)和(110)面的XRD峰值强度I1(110)的合计值而得到的值，值B为在压电体层70中(111)面的XRD峰值强度I0(111)和(110)面的XRD峰值强度I0(110)的合计值除以(100)面的XRD峰值强度I0(100)、(111)面的XRD峰值强度I0(111)和(110)面的XRD峰值强度I0(110)的合计值而得到的值。
即，第一区域X1的值A和压电体层70整体的值B满足下列关系式。
式1：A＝{I1(111)+I1(110)}/{I1(100)+I1(111)+I1(110)}
式2：B＝{I0(111)+I0(110)}/{I0(100)+I0(111)+I0(110)}
式3：A＜B
在本实施方式的压电元件300中，下层侧的第一区域X1中的在(111)面或者(110)面上取向的KNN结晶的比例小于压电体层70整体中的在(111)面或者(110)面上取向的KNN结晶的比例。即，压电体层70中的第二电极80侧的部分即第二区域X2与第一区域X1相比，在(111)面或者(110)面上取向的KNN结晶的比例较大。
通过设为这样的结构，能够提高压电体层70的第二区域X2和第二电极80的紧贴性。如在后述的实施例中详细地说明的那样，KNN膜的表面因位于膜表面上的结晶粒的取向不同，而算术平均高度(表面粗糙度)不同。具体而言，在(111)面或者(110)面上取向的KNN结晶与在(100)面上取向的KNN结晶相比，表面处的凹凸高度较大。因此，包含较多在(111)面或(110)面上取向的KNN结晶的第二区域X2的表面与在(111)面或(110)面上取向的KNN结晶较少的膜的表面相比较，算术平均高度变得较大。
由于第二电极80被成膜在算术平均高度较大的第二区域X2的表面上，因此通过表面的凹凸所产生的锚固效应(Anchor Effect)，从而牢固地与压电体层70的表面紧贴。由此，即使在压电体层70的位移量变大的情况下，膜在压电体层70与第二电极80之间的界面处也难以被剥离。
在本实施方式中，压电体层70的与第二电极80之间的界面处的算术平均高度(Sa)优选为0.0032nm以上且0.0080nm以下。通过将压电体层70的算术平均高度(表面粗糙度)设在上述范围内，可以在压电体层70与第二电极80之间的界面处获得良好的紧贴性。当算术平均高度(Sa)小于0.0022nm时，存在压电体层70和第二电极80的紧贴性不足的情况。当算术平均高度超过0.020nm时，由于压电体层70的厚度的偏差较大，因此压电元件300的压电特性的偏差容易变大，从而容易在压电体层70上产生裂纹。
此外，在本实施方式的压电体层70中，下层侧的第一区域X1在(111)面或(110)面上取向的KNN结晶的比例较小，在(100)面上取向的KNN结晶的比例较大。KNN压电体通过在(100)面取向，容易获得良好的压电特性。
根据本实施方式，可以在压电体层70的第一区域X1获得良好的压电特性，在第二区域X2获得与第二电极80的良好的紧贴性。即使增大压电体层70的位移量，也能够抑制薄膜界面处的膜剥离。根据本实施方式，能够获得兼具压电特性和耐久性的压电元件300。
另外，压电体层70整体的值B优选为第一区域X1的值A的四倍以上。根据该结构，能够在第一区域X1与第二区域X2之间增大在(111)面以及(110)面上取向的KNN结晶的比例之差。能够在第一区域X1中增大在压电特性上优异的在(100)面上取向的KNN结晶的比例，且在第二区域X2中增大在紧贴性上优异的在(111)面或者(110)面上取向的KNN结晶的比例。可以进一步提高压电元件300的压电特性和耐久性。
在压电元件300中，压电体层70的算术平均高度以及结晶取向能够通过以下的方法进行测量。
(1)用王水对压电元件300进行湿蚀刻，去除例如由铂构成的第二电极80。由于压电体层70的KNN膜难以在王水中被蚀刻，因此能够在大致维持成膜时的表面状态的情况下使其露出。
(2)利用AFM(Atomic Force Microscopy：原子力显微镜)对露出的压电体层70(KNN膜)的表面进行测量，并计算出算术平均高度(Sa)。此外，利用XRD对压电体层70进行测量，并计算出结晶取向。
(3)在利用蚀刻溶液实施了湿蚀刻后，利用氩气来实施离子铣削，将压电体层70从上侧部分去除。在膜厚成为大约一半时，停止离子铣削。
(4)利用XRD对膜厚减半了的KNN膜的表面进行测量，并计算出结晶取向。
以上，对压电元件300进行了说明，但是构成压电体层70的压电材料只要是KNN系的复合氧化物即可，并不限定于上式(1)所示的组成。例如，在铌酸钾钠的A位、B位，也可以包含其他的金属元素(添加物)。作为这样的添加物的示例，可以列举出锰(Mn)、锂(Li)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、锆(Zr)、钛(Ti)、铋(Bi)、钽(Ta)、锑(Sb)、铁(Fe)、钴(Co)、银(Ag)、镁(Mg)、锌(Zn)以及铜(Cu)等。这些添加物也可以包含一种以上。通过利用添加物，使各种特性提高，从而易于实现结构和功能的多样化。在为包含这些其他的元素的复合氧化物的情况下，也优选被构成为具有ABO3型钙钛矿结构。
此外，在本说明书中，“包含K、Na以及Nb的钙钛矿型的复合氧化物”为“包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物”，并不仅限定于包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物。即，在本说明书中，“包含K、Na以及Nb的钙钛矿型的复合氧化物”包括表示为如下的混晶的压电材料，所述混晶包括包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物(例如，上述所例示的KNN系的复合氧化物)和具有ABO3型钙钛矿结构的其他的复合氧化物。
其他的复合氧化物在本实施方式的范围内未做限定，但优选为不含有铅(Pb)的非铅系压电材料。根据这些，成为生物相容性优异并且环境负荷也少的压电元件300。
压电元件的制造方法
接下来，对图1所示的压电元件300(压电致动器)的制造方法的一个示例进行说明。另外，虽然在下文中，对利用化学溶液法(湿式法)来制造压电体层70的情况进行了说明，但是作为压电体层70的制法并不限定于湿式法，也可以是气相法。
首先，准备硅基板10，并通过对硅基板10进行热氧化，从而在其表面上形成由二氧化硅(SiO2)构成的氧化硅层51。
接下来，在氧化硅层51上，利用原子层沉积法(ALD)来成膜由氧化铝(Al2O3)或者氧化钽(Ta2O5)构成的氧化物层52。成膜温度例如为250℃至350℃。另外，氧化物层52除了利用ALD以外，也能够利用溅射法或蒸镀法等来形成。例如，首先，通过溅射法或者蒸镀法，在氧化硅层51上形成铝膜或者钽膜，并对其进行热氧化，从而获得由氧化铝(Al2O3)或者氧化钽(Ta2O5)构成的氧化物层52。这样，在硅基板10上形成由氧化硅层51和氧化物层52构成的振动板50。
接下来，在氧化物层52上形成由金属钛(Ti)构成的紧贴层。紧贴层能够通过溅射法等来形成。接下来，在紧贴层上形成由铂(Pt)构成的第一电极60。第一电极60能够根据电极材料而适当选择，例如，能够通过溅射法、真空蒸镀法(PVD法)、激光消融法等气相成膜、旋涂法等液相成膜等来形成。
接下来，在第一电极60上形成未图示的晶种层(取向控制层)。晶种层能够利用例如通过对包含金属络合物的溶液(前驱体溶液)进行涂覆干燥进而以高温进行烧成而获得金属氧化物的化学溶液法(湿式法)来形成。作为晶种层的材质，可以列举出例如钛、镍、铱、铂等各种金属、它们的氧化物。
接下来，在第一电极60上形成预定形状的抗蚀剂以作为掩膜，并且同时对紧贴层、第一电极60以及晶种层进行图案形成。紧贴层、第一电极60以及晶种层的图案形成能够通过例如反应性离子刻蚀(RIE：Reactive Ion Etching)、离子铣削等干蚀刻、使用了蚀刻液的湿蚀刻来进行。另外，紧贴层、第一电极60以及晶种层的图案形成中的形状未被特别地限定。
接下来，在第一电极60上形成多层压电体膜。
压电体层70由这些多层压电体膜构成。压电体层70能够利用例如通过对包含金属络合物的溶液(前驱体溶液)进行涂覆干燥进而以高温进行烧成而获得金属氧化物的化学溶液法(湿式法)来形成。此外，也能够通过激光消融法、溅射法、脉冲激光沉积法(PLD法)、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法、气溶胶沉积法等来形成。
在此，湿式法(液相法)是指，通过MOD法、溶胶-凝胶法等化学溶液法等而成膜的方法，且区别于溅射法等气相法的概念。在本实施方式中，只要能够形成包含氧化铝以及/或者氧化钽的压电体层70，则也可以使用气相法。
例如，通过湿式法(液相法)所形成的压电体层70具有通过涂覆前驱体溶液并形成前驱体膜的工序(涂覆工序)、使前驱体膜干燥的工序(干燥工序)、对干燥的前驱体膜进行加热并脱脂的工序(脱脂工序)、以及对脱脂的前驱体膜进行烧成的工序(烧成工序)这一系列工序而形成的多层压电体膜。即，压电体层70通过多次重复从涂覆工序至烧成工序的一系列工序而形成。另外，在上述的一系列工序中，也可以在多次重复从涂覆工序至脱脂工序之后，实施烧成工序。
利用湿式法(液相法)来形成压电体层70时的具体的顺序例如如下所示。
首先，调制包含预定的金属络合物的前驱体溶液。前驱体溶液是将可通过烧成而形成包含K、Na以及Nb的复合氧化物的金属络合物溶解或者分散在有机溶剂中而获得的溶液。此时，也可以进一步混合包含Mn、Li、Cu等添加物的金属络合物。通过在前驱体溶液中混合包含Mn、Li或Cu的金属络合物，能够更加提高所获得的压电体层70的绝缘性。
作为包含钾(K)的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸钾、醋酸钾等。作为包含钠(Na)的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸钠、醋酸钠等。作为包含铌(Nb)的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸铌、五乙氧基铌等。在添加Mn作为添加物的情况下，作为包含Mn的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸锰等。在添加Li作为添加物的情况下，作为包含Li的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸锂等。此时，也可以并用两个种类以上的金属络合物。例如，作为包含钾(K)的金属络合物，也可以并用2-乙基己酸钾和醋酸钾。作为溶剂，可以列举出2-正丁氧基乙醇或正辛烷或者它们的混合溶剂等。前驱体溶液也可以包含使包含K、Na、Nb的金属络合物的分散稳定化的添加剂。作为这样的添加剂，可以列举出2-乙基己酸等。
而且，在形成有氧化硅层51、氧化物层52、以及第一电极60的硅基板10上涂覆上述的前驱体溶液，并形成前驱体膜(涂覆工序)。
接下来，将该前驱体膜加热至预定温度，例如约130℃至250℃，并使其干燥一定时间(干燥工序)。
接下来，通过将干燥的前驱体膜加热至预定温度，例如250℃至450℃，并在该温度下保持一定时间，从而进行脱脂(脱脂工序)。
接下来，将脱脂的前驱体膜加热至预定温度，例如750℃至850℃，并在该温度下保持3至7分钟从而进行烧成，而形成压电体膜(烧成工序)。
作为在干燥工序、脱脂工序以及烧成工序中使用的加热装置，可以列举出例如通过红外线灯的照射进行加热的RTA(Rapid Thermal Annealing：快速热退火)装置、加热板(hot plate)等。多次重复上述的工序，形成由多层压电体膜构成的压电体层70。另外，在从涂覆工序至烧成工序的一系列工序中，也可以在多次重复从涂覆工序至脱脂工序之后，实施烧成工序。
如上所述，本实施方式的压电体层70在第一区域X1和第二区域X2中，KNN结晶的微观结晶取向的分布不同。这样的压电体层70例如能够通过对层叠的压电体膜的每一层的厚度进行控制来制作。通过液相法所形成的KNN膜能够通过调节涂覆条件来对烧成后的压电体膜的每一层的厚度进行控制。若压电体膜的每一层的膜厚变薄，则在(100)面上取向的KNN结晶的比例增加，若压电体膜的每一层的膜厚变厚，则在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的比例增加。利用这种情况，能够使KNN结晶的结晶取向的分布在压电体层70的下层侧(第一电极60侧)与上层侧(第二电极80侧)中不同。
即，在压电体层70的成膜工序中，在形成成为压电体层70的第一区域X1的部分的工序中，使压电体膜的每一层的平均膜厚小于形成成为压电体层70的第二区域X2的部分的工序中的压电体膜的每一层的平均膜厚。由此，能够使在第一区域X1与第二区域X2中结晶取向的分布不同的压电体层70成膜。
使每一层的膜厚不同的两个种类的压电体膜中的较多地包含在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的压电体膜优选为，在第二区域X2之中也位于压电体层70的最表层。由此，在成为与第二电极80的界面的压电体层70的表面处，容易获得所希望的算术平均高度(表面粗糙度)。此外，较多地包含在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的压电体膜与较多地包含在(100)面上取向的KNN结晶的压电体膜相比，在压电特性上较差。通过将较多地包含在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的压电体膜配置在压电体层70的最表层，能够将比其靠下层侧由较多地包含在(100)面上取向的KNN结晶的压电体膜构成，因此容易提高压电体层70整体的压电特性。
由于较多地包含在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的压电体膜为，对压电体层70的表面赋予凹凸而使与第二电极80的紧贴性提高的膜，因此优选为，在可获得压电体层70与第二电极80之间的良好的紧贴性的范围内尽可能地减薄。例如，较多地包含在(011)面或者(111)面上取向的KNN结晶的压电体膜的膜厚也可以设为在压电体层70整体的膜厚的5％至15％的范围内。能够提高较多地包含在(100)面上取向的KNN结晶的压电体膜的比例，从而能够提高压电体层70的压电特性。
此外，也可以在压电体层70上形成第二电极80的前后，根据需要在600℃至800℃的温度范围进行再加热处理(后退火处理)。通过如此进行后退火处理，能够形成压电体层70与第一电极之间的良好的界面以及压电体层70与第二电极80之间的良好的界面。此外，能够改善压电体层70的结晶性，从而能够更加提高压电体层70的绝缘性。
在烧成工序之后，将由多个压电体膜构成的压电体层70图案形成为所希望的形状。图案形成能够通过反应性离子刻蚀、离子铣削等干蚀刻或使用蚀刻液的湿蚀刻来进行。
然后，在压电体层70上形成第二电极80。第二电极80能够通过与第一电极60同样的方法来形成。
通过以上的工序，制造出具备第一电极60、压电体层70和第二电极80的压电元件300。
压电元件应用器件
接下来，参照附图，对本实施方式所涉及的压电元件应用器件的一个示例即作为具备记录头的液体喷射装置的一个示例的喷墨式记录装置进行说明。图2为表示喷墨式记录装置的概要结构的立体图。
如图2所示，在喷墨式记录装置(记录装置)I中，喷墨式记录头单元(头单元)II以能够装拆的方式而被设置在盒2A、2B上。盒2A、2B构成油墨供给单元。头单元II具有多个喷墨式记录头(记录头)1(参照图3等)，并被搭载在滑架3上。滑架3以在被安装于装置主体4上的滑架轴5上相对于轴向移动自如的方式进行设置。这些头单元II、滑架3被构成为例如能够分别喷出黑色油墨组成物以及彩色油墨组成物。
而且，驱动电机6的驱动力经由未图示的多个齿轮以及同步带7而被传递至滑架3，以使搭载了头单元II的滑架3沿着滑架轴5进行移动。另一方面，在装置主体4上设置有作为输送单元的输送辊8，以通过输送辊8来对纸等记录介质(介质)即记录薄片S进行输送。另外，对记录薄片S进行输送的输送单元不限定于输送辊，也可以是带或滚筒等。
在记录头(头芯片)1中，可以使用压电元件300(参照图1)以作为压电致动器装置。通过使用压电元件300，能够抑制记录装置I中的各种特性(压电特性、耐久性以及油墨喷射特性等)的降低。本实施方式的压电元件应用器件通过应用压电元件300而尤其能够提高压电特性和耐久性。
接下来，参照附图，对作为被搭载于液体喷射装置上的头芯片的一个示例的记录头(头芯片)1进行说明。图3为表示喷墨式记录头的概要结构的分解立体图。图4为表示喷墨式记录头的概要结构的俯视图。图5为图4的A-A’线剖视图。另外，图3至图5分别示出了记录头1的结构的一部分，并适当省略。
如附图所示，记录头(头芯片)1具备：喷嘴板20，其具备喷出液滴的喷嘴开口21；压力产生室12，其与喷嘴开口21连通；隔壁11，其被设置在喷嘴板20上，并形成压力产生室12；流道形成基板(硅基板)10，其形成压力产生室12的壁面的一部分；压电元件300，其被设置在硅基板10上；引线电极(电压施加部)90，其对压电元件300施加电压。
在硅基板10上形成有多个隔壁11。多个压力产生室12通过隔壁11来划分。即，在硅基板10上，沿着X方向(喷出相同颜色的油墨的喷嘴开口21并排设置的方向)并排设置有压力产生室12。通过这样的结构，可以形成压电元件300的可动部。作为硅基板10，能够使用例如单晶硅基板。
在硅基板10中的压力产生室12的一端部侧(+Y方向侧)上形成有油墨供给通道13和连通通道14。油墨供给通道13以使压力产生室12的一端部侧的开口的面积变小的方式而构成。此外，连通通道14在+X方向上具有与压力产生室12大致相同的宽度。在连通通道14的外侧(+Y方向侧)形成有连通部15。连通部15构成歧管100的一部分。歧管100成为各压力产生室12共用的油墨室。如此，在硅基板10上形成有由压力产生室12、油墨供给通道13、连通通道14以及连通部15构成的液体流道。
在硅基板10的一个面(-Z方向侧的面)上接合有例如SUS制的喷嘴板20。在喷嘴板20上，沿着+X方向并排设置有喷嘴开口21。喷嘴开口21与各压力产生室12连通。喷嘴板20能够通过粘合剂、热熔膜等与硅基板10接合。
在硅基板10的另一个面(+Z方向侧的面)上形成有振动板50。振动板50通过例如被形成于硅基板10上的氧化硅层51和被形成于氧化硅层51上的氧化物层52而构成。氧化硅层51由例如二氧化硅(SiO2)构成，氧化物层52由例如氧化铝(Al2O3)或者氧化钽(Ta2O5)构成。氧化硅层51也可以不是与硅基板10分体的部件。也可以将硅基板10的一部分加工得较薄，并将其作为氧化硅层51来使用。氧化物层52具有作为如下的终止层的功能，即，防止在形成后述的压电体层70时压电体层70的结构元素即钾以及钠透过第一电极60而到达至硅基板10的情况。
第一电极60针对每个压力产生室12进行设置。也就是说，第一电极60被构成为针对每个压力产生室12而独立的单独电极。第一电极60被形成为，在±X方向上小于压力产生室12的宽度。此外，第一电极60被形成为，在±Y方向上大于压力产生室12的宽度。即，在±Y方向上，第一电极60的两端部被形成至比振动板50上的与压力产生室12相对的区域靠外侧处。在第一电极60的一端部侧(与连通通道14相反的一侧)，连接有对压电元件300施加电压的引线电极(电压施加部)90。
压电体层70被设置在第一电极60与第二电极80之间。压电体层70为薄膜的压电体。压电体层70以在±X方向上大于第一电极60的宽度的宽度而被形成。此外，压电体层70以在±Y方向上大于压力产生室12的±Y方向的长度的宽度而被形成。压电体层70的油墨供给通道13侧(+Y方向侧)的端部被形成至比第一电极60的+Y方向侧的端部靠外侧处。也就是说，第一电极60的+Y方向侧的端部被压电体层70覆盖。另一方面，压电体层70的引线电极90侧(-Y方向侧)的端部处于比第一电极60的-Y方向侧的端部靠内侧(+Y方向侧)处。也就是说，第一电极60的-Y方向侧的端部未被压电体层70覆盖。
第二电极80在+X方向上在压电体层70以及振动板50上连续设置。也就是说，第二电极80作为共用于多个压电体层70的共用电极而构成。虽然在本实施方式中，第一电极60构成与压力产生室12对应而独立设置的单独电极，第二电极80构成在压力产生室12的并排设置方向上连续设置的共用电极，但是也可以是第一电极60构成共用电极，第二电极80构成单独电极。
在本实施方式中，通过具有电-机械转换特性的压电体层70的位移，振动板50以及第一电极60进行位移。即，振动板50以及第一电极60实质上具有作为振动板的功能。但是，实际上，由于第二电极80也因压电体层70的位移而位移，因此振动板50、第一电极60、压电体层70以及第二电极80依次层叠的区域作为压电元件300的可动部(也称为振动部)而发挥功能。
在形成有压电元件300的硅基板10(振动板50)上，通过粘合剂35而接合有保护基板30。保护基板30具有歧管部32。通过歧管部32而构成歧管100的至少一部分。本实施方式的歧管部32将保护基板30在厚度方向(Z方向)上贯穿，且进一步跨及压力产生室12的宽度方向(+X方向)而形成。而且，歧管部32与硅基板10的连通部15连通。通过这些结构，构成成为各压力产生室12的共用的油墨室的歧管100。
在保护基板30上，在包括压电元件300的区域形成有压电元件保持部31。压电元件保持部31具有不阻碍压电元件300的运动的程度的空间。该空间可以被密封，也可以不被密封。在保护基板30上，设置有将保护基板30在厚度方向(Z方向)上贯穿的贯穿孔33。在贯穿孔33内，引线电极90的端部露出。
作为保护基板30的材料，可以列举出例如Si、SOI、玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等，但是更加优选为由与硅基板10的热膨胀率大致相同的材料来形成。
在保护基板30上，固定有作为信号处理部而发挥功能的驱动电路120。驱动电路120能够使用例如电路基板、半导体集成电路(IC：Integrated Circuit)。驱动电路120以及引线电极90通过由穿插过贯穿孔33的接合线等导电线构成的连接配线121而电连接。驱动电路120能够与打印机控制器200(参照图2)电连接。这样的驱动电路120作为压电致动器装置(压电元件300)的控制单元而发挥功能。
此外，在保护基板30上，接合有由密封膜41以及固定板42构成的可塑性基板40。密封膜41由刚性较低的材料构成，固定板42能够由金属等硬质的材料构成。固定板42的与歧管100相对的区域成为在厚度方向(Z方向)上被完全去除了的开口部43。歧管100的一个面(+Z方向侧的面)仅由具有可挠性的密封膜41密封。
这样的记录头1通过如下的动作而将油墨滴喷出。
首先，从与未图示的外部油墨供给单元连接的油墨导入口取入油墨，从歧管100至喷嘴开口21为止将内部用油墨充满。然后，依照来自驱动电路120的记录信号，在与压力产生室12对应的各个第一电极60和第二电极80之间施加电压，使压电元件300挠曲变形。由此，各压力产生室12内的压力升高，油墨滴从喷嘴开口21喷出。
虽然在上述的实施方式中列举出喷墨式记录头来作为液体喷射头的一个示例进行了说明，但是本发明能够应用于液体喷射头整体，也能够应用于喷射油墨以外的液体的液体喷射头中。作为其他的液体喷射头，有例如打印机等图像记录装置中所使用的各种记录头、液晶显示器等的滤色器的制造中的所使用的颜色材料喷射头、有机EL显示器、FED(场致发射显示器)等的电极形成中所使用的电极材料喷射头、生物芯片制造中所使用的生物体有机物喷射头等。
此外，本发明并不限于被搭载于液体喷射头上的压电元件，也能够应用在被搭载于其他的压电元件应用器件上的压电元件中。作为压电元件应用器件的一个示例，可以列举出超声波设备、电动机、压力传感器、热电元件、铁电体元件等。此外，利用了这些压电元件应用器件的完成体，例如，利用了上述液体等喷射头的液体等喷射装置、利用了上述超声波设备的超声波传感器、将上述电动机作为驱动源而利用的机械臂、利用了上述热电元件的IR传感器、利用了铁电体元件的铁电体存储器等也包含在压电元件应用器件中。
特别是，本发明的压电元件优选作为被搭载在传感器上的压电元件。作为传感器，可以列举出例如陀螺传感器、超声波传感器、压力传感器、速度/加速度传感器等。在将本发明的压电元件应用在传感器中的情况下，例如，通过在第一电极60与第二电极80之间设置对从压电元件300输出的电压进行检测的电压检测部，从而能够成为传感器。在这样的传感器的情况下，当压电元件300因某种外部的变化(物理量的变化)而变形时，伴随着该变形而产生电压。通过电压检测部对该电压进行检测，从而能够对各种物理量进行检测。
实施例
以下，通过实施例而更加详细地对本发明进行说明，但是本发明并非被这些实施例进行任何限定的发明。
实施例
溶液制作
将醋酸钾和2-乙基己酸进行混合，并进行了加热搅拌。然后，通过将上述的混合溶液冷却至室温，并添加正辛烷，从而制作出2-乙基己酸钾溶液。同样地，使用醋酸钠、乙氧基铌、醋酸钙、以及醋酸锰，分别制作出2-乙基己酸钠溶液、2-乙基己酸铌溶液、2-乙基己酸钙溶液、以及2-乙基己酸锰溶液。通过对于制作出来的上述各溶液进行电感耦合等离子体(ICP)分析，从而对溶液的浓度进行测量。在后述的前驱体溶液制作工序中，基于测量出来的上述浓度，调制出包含钾、钠、铌以及锰的前驱体溶液。
基板制作
首先，对成为基板的硅基板(6英寸)的表面进行热氧化，而在基板上形成由膜厚1080nm的二氧化硅膜构成的氧化硅层。另外，在氧化硅层上，通过DL溅射法而成膜出400nm的氧化锆膜。接下来，溅射成膜出膜厚50nm的铂膜，以作为下部电极(第一电极)。
前驱体溶液制作
通过对2-乙基己酸钠溶液、2-乙基己酸铌溶液、2-乙基己酸钙溶液、以及2-乙基己酸锰溶液以成为下述的成分比率(原子比)的方式进行混合，从而调制出KNNM前驱体溶液1以及KNNM前驱体溶液2。
KNNM前驱体溶液1：K:Na:Nb:Mn＝40:60:199:1
KNNM前驱体溶液2：K:Na:Nb:Mn＝103:103:199:1
压电体层形成
实施例
接下来，通过以下的顺序，在下部电极上形成了压电体层。
在下部电极上通过旋涂法而涂覆KNNM前驱体溶液1，并形成前驱体膜1。接下来，将前驱体膜1在电热板上加热至180℃而使其干燥(干燥工序)，然后，加热至380℃而进行脱脂(脱脂工序)。接下来，对于脱脂了的前驱体膜，使用RTA(Rapid Thermal Annealing：快速热退火)来实施750℃的加热处理，而形成了膜厚75nm的KNNM薄膜(烧成工序)。
接下来，在上述KNNM薄膜上，除了将涂覆溶液变更为KNNM前驱体溶液2以外，通过同样的工序而成膜出38nm的KNNM薄膜2。进行十六次KNNM薄膜2的成膜工序。然后，通过对KNNM薄膜2制作时的旋涂条件进行变更，制作出42nm的KNNM薄膜2。通过进行两次KNNM薄膜2的成膜工序，制作出约767nm的KNN薄膜。
在本实施例中，在KNN薄膜的成膜途中和成膜后，实施了结晶结构解析。对于进行了九次的KNNM薄膜2的成膜后的膜厚417nm的KNN薄膜的表面和进行了十八次的KNNM薄膜2的成膜后的膜厚767nm的KNN薄膜的表面，而实施了两次结晶结构解析。
此外，在KNN薄膜的成膜后，实施了KNN薄膜表面的表面解析。
进而，在测量表面形状后，将Pt溅射成膜50nm，形成第二电极，而获得了压电元件。然后，将胶带粘贴在Pt膜表面上，对KNN薄膜和Pt膜的紧贴力进行了评价。
比较例
通过对制作KNNM薄膜2时的旋涂条件进行变更，而将每一层的膜厚变更为38nm，并且将成膜工序设为二十次，制作出约815nm的KNN薄膜，除此以外，通过与实施例同样的工序进行了制作并评价。
KNN表面解析
在KNN薄膜制作后，通过AFM对实施例以及比较例的KNN薄膜的表面进行了测量。将测量结果表示在图6中。如图6所示，在实施例的KNN薄膜的表面上，混合存在有平坦的区域和凹凸较大的区域。通过电子背散射衍射(EBSD)法来评价KNN薄膜的表面的结果为，发现平坦的区域的KNN结晶在(100)面上取向，凹凸较大的区域的KNN结晶在(111)面上取向。
另一方面可知，比较例的KNN薄膜的表面与实施例的KNN薄膜的表面相比较，平坦的区域的比例更大。
结构解析
对于实施例的KNN薄膜的结晶结构以及取向性，使用Bruker AXS公司制的X射线衍射装置“D8 Discover”(射线源CuKα、二维检测器GADDS)来对φ＝0°、54.74°处的二维映射图像以及衍射图案进行了测量。在φ＝0°的测量中，X射线以90°的角度对于基板进行照射。即，φ＝0°的测量为与一般的XRD测量同样的测量方法。在将KNN薄膜视为准立方晶的情况下，当以φ＝0°对XRD进行测量时，在(100)取向的KNN薄膜中在2θ＝21°至24°附近处，可以观察到较强的来自(100)面的衍射峰值。在下文中，KNN的结构被视为准立方晶，除非另有特别地注释。但是，这是为了简化说明的表现，并不否定本说明书中的KNN为如正方晶或斜方晶那样的对称性较低的结晶结构。另外，即使本说明书中的KNN为对称性较低的结构，也不会特别地引起矛盾。
将对实施例以及比较例的KNN薄膜以φ＝0°的测量条件进行了XRD测量的结果示出在图7中。在图7的各图中，显示出了以最终膜厚的约一半的膜厚进行了测量的结果和以最终膜厚进行了测量的结果。在图7的各图表中，为了对两个图谱进行比较，在纵向上并列地进行显示，纵轴的峰值强度的数值和图谱的峰值位置未必一致。
在图7所示的全部四个图谱中，在2θ＝22°至23°的位置处观察到(100)取向引起的峰值。此外，在以实施例的最终膜厚进行了测量的图谱中，在2θ＝32°至33°的位置处观察到(110)取向引起的峰值。
KNN薄膜的在φ＝0°的XRD测量中的(111)取向引起的峰值强度非常弱。因此，在将基板倾斜了54.74°的状态下实施了XRD测量。将对实施例以及比较例的KNN薄膜以φ＝54.74°的测量条件进行了XRD测量的结果示出在图8中。在图8的各图中，显示了以最终膜厚的约一半的膜厚进行了测量的结果和以最终膜厚进行了测量的结果。在图8中也将两个图谱为了进行比较而在纵向上并列地进行显示，纵轴的峰值强度的数值和图谱的峰值位置未必一致。
在φ＝54.74°的XRD测量中，在2θ＝21°至24°附近处，观察到(111)取向的KNN的来自(100)的衍射峰值。这是因为(100)面和(111)面所成的角度约为54.74°，并且通过旋涂法而成膜的KNN薄膜在基板面内具有结晶取向的旋转自由度，因此观察到不依赖于(111)的面内取向的(111)取向引起的衍射峰值。
如图8所示，在以实施例的最终膜厚进行了测量的图谱中，在2θ＝21°至24°的位置处观察到(100)取向引起的峰值。由此可知，在实施例的KNN薄膜中，在垂直于表面的取向上存在(111)取向的成分。
将实施例以及比较例的最终膜厚(总膜厚)以及最终膜厚的约一半的膜厚(半膜厚)中的峰值强度的一览示出在表1中。表1中的“强度比”以及“总/半”为通过下式而计算出的值。
(强度比)＝{I(110)+I(111)}/{I(100)+I(110)+I(111)}
(总/半)＝{(强度比)总膜厚}/{(强度比)半膜厚}
已知在压电元件的特性中设为必要的应变量在于(100)面上取向的KNN结晶中变大。如表1所示，在实施例的KNN薄膜中，可以获得低于比较例但是(100)取向较高的峰值强度，确认了为具有充分的压电特性的KNN薄膜。算术平均高度(Sa)的测量范围为KNN薄膜中的边长为1μm的正方形的区域。算术平均高度(Sa)的测量位置在五处进行测量，并计算出各测量位置处的算术平均高度(Sa)的值的最小值的平均值和各测量位置处的算术平均高度(Sa)的值的最大值的平均。实施例的算术平均高度为0.0032nm以上且0.008nm以下，与比较例的算术平均高度相比较大。
表1
电极的紧贴实验
在表2中，对于实施例和比较例，示出了进行电极的紧贴实验的结果。在实施例中，在KNN薄膜上成膜的Pt膜未剥离，相对于此，在比较例中，Pt膜剥离了。在实施例中，存在较多凹凸较大的(110)取向以及(111)取向的结晶粒，通过该凹凸而提高了Pt膜的紧贴性。如表1所示，在实施例的KNN薄膜中，总膜厚的强度比(B)为半膜厚的强度比(A)的四倍以上，与比较例相比显著变大。
表2
电极的膜剥离
实施例 无
比较例 有
符号说明
2…基板；50…振动板；60…第一电极；70…压电体层(薄膜压电体)；80…第二电极；300…压电元件；X1…第一区域；X2…第二区域。

Claims (6)

1.一种压电元件，具备：
基板；
第一电极，其被成膜在所述基板上；
薄膜压电体，其被成膜在所述第一电极上，且包含钾、钠和铌；
第二电极，其被成膜在所述薄膜压电体上，
在将所述薄膜压电体在成膜方向上二等分，并将所述第一电极侧设为第一区域且将所述第二电极侧设为第二区域时，
在所述第一区域中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值A，小于在所述薄膜压电体中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值B。
2.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述值B为所述值A的四倍以上。
3.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述薄膜压电体的算术平均高度为0.0032nm以上且0.008nm以下。
4.一种压电致动器，具备：
振动板；
第一电极，其被成膜在所述振动板上；
薄膜压电体，其被成膜在所述第一电极上，且包含钾、钠和铌；
第二电极，其被成膜在所述薄膜压电体上，
在将所述薄膜压电体在成膜方向上二等分，并将所述第一电极侧设为第一区域且将所述第二电极侧设为第二区域时，
在所述第一区域中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值A，小于在所述薄膜压电体中(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值除以(100)面的XRD峰值强度、(111)面的XRD峰值强度和(011)面的XRD峰值强度的合计值而得到的值B。
5.如权利要求4所述的压电致动器，其中，
所述值B为所述值A的四倍以上。
6.如权利要求4所述的压电致动器，其中，
所述薄膜压电体的算术平均高度为0.0032nm以上且0.008nm以下。
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