CN1745486A - 压电元件 - Google Patents
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Abstract
一种包括上电极、压电和/或电致伸缩材料和下电极的压电元件，其特征在于，压电和/或电致伸缩材料是由通式ABO3构成的复合氧化物，并且该压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。
Description
技术领域
本发明涉及压电元件和压电作动器，更具体地说，涉及供喷墨记录设备之用的喷墨记录头。
背景技术
近来，作为一种代替电磁电动机的新颖电动机，压电促动器正在便携式信息设备领域，化学工业和医疗领域引起人们的注意，因为它能够在电动机中实现小型化和高密度。另外，在其驱动过程中，压电作动器既不产生电磁噪声，又不受噪声影响。此外，作为生产由微机械代表的亚毫米尺寸的设备的一种技术，压电作动器正在引起人们的注意，作为这种微机械的驱动源，需要微小的压电作动器。
现有的压电元件一般由通过加工块状烧结构件形成的，并设置在衬底，比如金属或硅衬底上的预定位置的压电构件组成。通过把块状烧结构件抛光成所需尺寸和厚度获得压电元件，或者通过从未烧结基板进行冲压，之后进行热处理获得压电元件。这样的块状烧结元件或者由未烧结基板得到的模制元件一般具有几微米或更大的厚度。这样的压电作动器一般具有其中利用粘接材料粘附压电元件和弹性材料的基本结构。
另一方面，除了利用粘接材料的粘附之外，还有一种借助例如溅射或印刷方法，直接在衬底上形成压电元件的已知方法。通常，由印刷法，溅射法，MOCVD法，溶胶-凝胶法或者气相淀积法形成的压电元件具有约数十纳米(数百埃)到数百微米的厚度。另外在任何一种结构中，压电元件具备通过其施加电压的电极。
如上所述，压电元件基本上具有其中利用粘接材料粘附压电元件和衬底的结构，或者其中直接在衬底上形成压电元件的结构。
利用这种压电元件的喷墨记录设备由与供墨盒连通的压力室，和与压力室连通的出墨口形成，其中这样的压力室设有振动板，压电元件附加在或者直接形成在所述振动板上。在这种结构中，对压电元件施加预定电压，在压电元件中造成伸缩，从而导致压缩压力室中的油墨，并从出墨口排出一小滴墨液的弯曲振动。这样的功能目前用在彩色喷墨记录设备中，不过存在提高打印性能，尤其是更高的分辨率和更高的打印速度的要求。为此，正在试验一种具有小型化的喷墨头的多喷嘴头结构，以便获得更高的分辨率和更高的打印速度。为了使喷墨头小型化，必须使排放油墨的压电元件紧致。
通过精细地构造烧结压电构件，例如通过如上所述的切割和抛光，生产这样的紧致压电元件。但是，另外正在研究通过以薄膜的形式形成压电构件，并利用在半导体行业中提出的精细加工技术，产生高精度的超紧致压电元件。另外，为了获得更高的性能，压电构件最好由单晶薄膜或单取向薄膜形成，目前正在积极开发异质外延生长技术。
另一方面，由通式ABO3代表的钙钛矿结构的铁电材料作为压电材料正在引起人们的注意。以PZT为代表的这种材料的铁电性，热电性和压电性优良。另外，以PZN-PT为代表的弛豫(relaxer)型电致伸缩材料被期待作为压电材料，因为它具有优良的压电性。在“Ceramic Yudentai Kogaku”(Gakken-sha，第四版)，p333中解释了PZT材料。另外在日本专利申请特许公开No.2001-328867中描述了弛豫材料(relaxer material)。
但是，已发现即使具有上述高压电性的材料也不能实现预期的高水平的压电性质，即使具有取向特性，或者由单晶形成，并且预期具有更高压电性的压电和/或电致伸缩材料也只导致结晶度的轻微增大，而不会引起和不具有取向特性或者不是由单晶形成的压电和/或电致伸缩材料不同的压电性。另外，还没有确定能够避免主要起因于大压电应变并且当压电性被增大时遇到的压电元件的电极剥落，以及在衬底上直接形成压电元件的情况下遇到薄膜剥落的压电元件。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种配备具有优良压电性的压电和/或电致伸缩材料的压电元件。本发明的另一目的是提供一种具有压电和/或电致伸缩材料与下电极或上电极之间的满意粘接的压电元件。本发明的另一目的是防止当在衬底上直接形成压电元件时的薄膜剥落。本发明的另一目的是提供一种压电作动器和可靠性高的喷墨记录头。
[1]为了实现上述目的，本发明的压电元件的特征在于包括上电极，压电和/或电致伸缩材料和下电极，其中压电和/或电致伸缩材料是由通式ABO3构成的复合氧化物，压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。
作为大量研究的结果，发明人发现压电和/或电致伸缩材料中孪晶的存在允许获得压电性改进的，并且压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力提高的压电元件。
其原因并不清楚，但是估计压电和/或电致伸缩材料中孪晶的存在释放了在利用各种方法制备该材料时产生的内部应力，从而表现出材料本身固有的压电性，并且提供压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间良好的粘合力。
在本发明中，孪晶意味着其中相同压电和/或电致伸缩材料的两个或更多晶体相对于某一晶面或轴对称地邻近并且结合的晶体结构，和具有位于这样的晶面或轴的孪晶畴边界的孪晶。
[2]上述目标可由根据[1]的压电元件实现，其中孪晶的孪晶面选自由{110}代表的组中。
{110}代表通常由(110)、(101)、(011)等表示的六个晶面的集合。另外，孪晶面指的是，如果在{110}两侧的晶格点的离子成镜像关系，那么孪晶面{110就是孪晶面。
[3]上述目标可由根据[1]的压电元件实现，其中孪晶的孪晶面选自由{100}代表的组。
{100}代表通常由(100)、(010)、(001)等表示的六个晶面的集合。另外，在{100}两侧的晶格点的离子成镜像关系的情况下，孪晶面指的就是{100}。
压电和/或电致伸缩材料为四方晶系。
虽然这种孪晶的存在有助于压电和/或电致伸缩材料的改进，或者压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力的提高的原因仍然不清楚，不过估计具有孪晶面(101)的孪晶畴的[100]一般相对于构成四方晶系的压电和/或电致伸缩材料的极化轴方向的[001]形成只有几度的角度或者更小的角度，从而孪晶畴有助于释放内部应力，而不会显著损坏压电和/或电致伸缩材料的固有结构，从而表现出该材料固有的压电性，和提高压电和/或电致伸缩材料与下电极或上电极之间的粘合力，或者在电压施加下孪晶畴的转换或畴壁的位移允许晶格容易地变形，从而表现出大的压电性。
[5]上述目标可由根据[2]的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料为正交晶系。
虽然这种孪晶的存在有助于压电和/或电致伸缩材料的改进，或者压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力的提高的原因仍然不清楚，不过估计具有孪晶面(110)的孪晶畴的[101]一般相对于构成正交晶系的压电和/或电致伸缩材料的极化轴方向的[011]形成仅仅几度或者更小的角度，从而孪晶畴有助于释放内部应力，而不会显著损坏压电和/或电致伸缩材料的固有结构，从而表现出该材料固有的压电性，和提高压电和/或电致伸缩材料与下电极或上电极之间的粘合力，或者在电压施加下孪晶畴的转换或畴壁的位移允许晶格容易地变形，从而表现出大的压电性。
[6]上述目标可由根据[3]的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料为菱形晶系(三角晶系)。
虽然这种孪晶的存在有助于压电和/或电致伸缩材料的改进，或者压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力的提高的原因仍然不清楚，不过估计具有孪晶面(100)的孪晶畴的[-111]一般相对于构成菱形晶系的压电和/或电致伸缩材料的极化轴方向的[111]形成仅仅几度或者更小的角度，从而孪晶畴有助于释放内部应力，而不会显著损坏压电和/或电致伸缩材料的固有结构，从而表现出该材料固有的压电性，和提高压电和/或电致伸缩材料与下电极或上电极之间的粘合力，或者在电压施加下孪晶畴的转换或畴壁的位移允许晶格容易地变形，从而表现出大的压电性。
[7]上述目标可由根据[1]-[6]任意之一的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料具有从0.001～1.0的孪晶率。这种孪晶率的压电和/或电致伸缩材料导致内部应力的释放，从而表现出该材料固有的压电性，和提高压电和/或电致伸缩材料与下电极或上电极之间的粘合力。
在本发明中，孪晶率意味着在压电和/或电致伸缩材料中，晶体中的孪晶畴的比例，借助高分辨率TEM或者X射线衍射，能够确认孪晶的存在或孪晶率。
[8]上述目标可由根据[1]-[7]任意之一的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料具有取向性。
[9]上述目标可由根据[8]的压电元件实现，其中在至少某一轴的方向上，压电和/或电致伸缩材料具有99％或者更高的取向率。
据认为，具有取向性或者为单晶的压电和/或电致伸缩材料一般表现出高的压电性，但是仅仅借助结晶度的增大，压电性不能达到预期的高水平，而是保持和不具有这样的取向性或单晶性的压电和/或电致伸缩材料相同的水平。
另一方面，在孪晶结构的压电和/或电致伸缩材料具有取向性的情况下，能够获得表现出高压电性的压电元件。另外，在具有取向性或者为单晶的压电和/或电致伸缩材料中，与无取向的薄膜相比，与下电极或上电极的粘合力变次，但是，在具有孪晶结构的压电和/或电致伸缩材料具有取向性的情况下，事实上能够获得具有与下电极或上电极的满意粘合力的压电元件。
这种取向性可以是沿某一轴的取向，或者沿所有轴的取向。在压电和/或电致伸缩材料中，优选具有尽可能高的取向性，最好所有轴具有取向率为100％的取向性。
在本发明中，取向率意味着在压电和/或电致伸缩材料中的所有晶粒内，具有沿至少某一轴的相同方向的晶粒的比例，并且借助高分辨率TEM或X射线衍射，能够确认取向性的存在或取向率。
[10]上述目标可由根据[8]或[9]的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料具有{100}的与上电极接触的主晶面。
[11]上述目标可由根据[8]或[9]的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料具有{111}的与上电极接触的主晶面。
[12]上述目标可由根据[8]或[9]的压电元件实现，其中压电和/或电致伸缩材料具有{110}的与上电极接触的主晶面。
主晶面的意思是，在接触不同相的晶面中，具有取向性的压电和/或电致伸缩材料的主晶面，例如，就[001]取向来说，主晶面是(001)。
[13]上述目标可由根据[1]-[12]任意之一的压电元件实现，其中下电极和压电和/或电致伸缩材料直接形成在衬底上。
在压电和/或电致伸缩材料直接形成在衬底上的情况下，压电和/或电致伸缩材料和下电极或衬底之间的薄膜剥落成为问题，但是，具有孪晶结构的压电和/或电致伸缩材料事实上能够提供与下电极或上电极，以及与衬底的粘合力良好的压电元件。此外，直接形成在衬底上的压电元件适合于实现小型化和高密度，因为可使压电和/或电致伸缩材料变薄。
[14]上述目标可由根据[13]的压电元件实现，其中以1～10微米的厚度形成包括压电和/或电致伸缩材料的一层。
就具有孪晶的压电和/或电致伸缩材料来说，优选厚度1微米或更大的膜厚，以便提高压电性。另外假如直接在衬底上形成压电和/或电致伸缩材料，那么在1微米或更大的膜厚下，薄膜剥落可能变成问题，但是，即使在1微米或更大的膜厚下，本发明的压电元件也能够防止薄膜剥落。
[15]上述目标可由采用根据[1]-[13]任意之一的压电元件的压电作动器实现。
本发明的压电作动器配有压电性优良的压电元件。另外，本发明的压电作动器配有表现出压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的良好粘合力的压电元件。此外，本发明的压电作动器配有免于当在衬底上直接形成压电元件时的薄膜剥落的压电元件。于是，能够获得高度可靠的压电作动器，该压电作动器能够容易地在压电元件方面获得更小的尺寸和更高的功能，于是获得高性能的微机械或微传感器。
[16]上述目的可由采用根据[1]-[14]任意之一的压电元件的喷墨记录头实现。
本发明的喷墨记录头配有压电性优良的压电元件。另外，本发明的喷墨记录头配有表现出压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的良好粘合力的压电元件。此外，本发明的喷墨记录头配有免于当在衬底上直接形成压电元件时的薄膜剥落的压电元件。于是，能够获得高度可靠的喷墨记录头，该喷墨记录头能够容易地在压电元件方面获得更小的尺寸和更高的功能，于是能够在各个领域中实现精细并且准确的墨滴控制。
根据本发明，能够获得一种压电元件，它包括上电极，压电和/或电致伸缩材料和下电极，其中压电和/或电致伸缩材料具有孪晶，以释放压电和/或电致伸缩材料的内部应力，从而表现出高压电性。还可获得一种压电元件，它包括上电极，压电和/或电致伸缩材料和下电极，其中压电和/或电致伸缩材料具有孪晶，从而表现出压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的良好粘合力。此外，能够获得一种压电元件，它包括上电极，压电和/或电致伸缩材料和下电极，其中在直接在衬底上形成下电极或压电和/或电致伸缩材料的情况下，压电和/或电致伸缩材料具有孪晶，从而避免当在衬底上直接形成压电元件时的薄膜剥落。另外，利用包括上电极，压电和/或电致伸缩材料和下电极的压电元件，能够获得一种高可靠性的压电作动器或喷墨记录头，其中压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。
附图说明
图1是表示一个实施例中的排液头的透视图。
图2是表示图1中所示的设备中的压电作动器的结构的示意图。
图3是表示图1中所示的排液头的横截面结构的部分切开的局部透视图。
图4是表示利用倒易晶格空间映射定义孪晶率的示意图。
图5是表示利用极点测量定义孪晶率的示意图。
图6是本发明的例1的XRD谱图(2θ/θ测量)。
图7是本发明的例1的XRD谱图((204)正极点)。
图8是本发明的例1的XRD谱图((204)倒易晶格映射)。
图9是本发明的比较例1的XRD谱图((204)倒易晶格映射)。
图10是本发明的比较例1的XRD谱图((-204)倒易晶格映射)。
具体实施方式
下面参考附图，说明本发明的实施例。
图1-3表示了一个实施例的喷墨记录头，其中喷墨记录头M由构成衬底的主体衬底1，多个排液口(喷嘴)2，分别对应于排液口2的多个压力室(液体室)3，和对应于每个压力室3设置的作动器10组成，排液口2间隔预定的间距形成于喷嘴基板4上，而压力室3平行地形成于主体衬底(液体室衬底)1上，从而分别对应于排液口2。
在本实施例中，排液口2形成于下表面上，不过它们也可形成在侧面上。
在主体衬底1的上表面上，对应于每个压力室3形成未表示的小孔，每个作动器10被布置成邻近这样的小孔，并且由振动板11和压电元件15构成，压电元件15由压电和/或电致伸缩材料和一对电极(下电极13和上电极14)形成。
本发明的压电和/或电致伸缩材料不受特别限制，可以是能够构成本发明的压电元件的任何材料，这种材料的优选具体例子包括PZT[Pb(ZrxTi1-x)O3]、PMN[Pb(MgxNb1-x)O3]、PNN[Pb(NbxNi1-x)O3]、PSN[Pb(ScxNb1-x)O3]、PZN[Pb(ZrxNb1-x)O3]、PMN-PT[(1-y)[Pb(MgxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]]、PSN-PT[(1-y)[Pb(ScxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]]、PZN-PT[(1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]]等。例如，PZT是典型的钙钛矿压电材料，PZN-PT和PMN-PT是典型的弛豫电致伸缩材料。上面，x和y都是从1到0的数值。例如，这样的材料可具有称为MPB的晶相边界，通常已知在MPB区域中具有良好的压电性。在MPB区域中，x对于PZT最好在0.4～0.65的范围内，对于PMN最好在0.2～0.5的范围内，对于PSN最好在0.4～0.7的范围内，y对于PMN-PT最好在0.2～0.4的范围内，对于PSN-PT最好在0.35～0.5的范围内，对于PZN-PT最好在0.03～0.35的范围内。
另外，本发明的压电和/或电致伸缩材料可以是不以铅为基础的材料，只要压电和/或电致伸缩材料是由通式ABO3或AB2O3构成的复合氧化物就可，例如BTO(钛酸钡)，SBN(铌酸锶钡)，KNO(铌酸钾)，LNO(铌酸锂)，或者铋基钙钛矿化合物(例如BNT(钛酸铋钠))。这些材料可被归入例如铅基材料，非铅基材料，压电材料，电致伸缩材料等，但是，由于在铅基弛豫型电致伸缩材料中压电性最大，因此最好选择例如PZN-PT或PMN-PT。也可选择包含取代PMN-PT、PZN-PT、PNN-PT或PSN-PT中的Ti的Zr的PMN-PZT、PZN-PZT、PNN-PZT或PSN-PZT。
另外，本发明的压电和/或电致伸缩材料可以具有单一组成或者两种或更多种组成的组合。另外可以采用通过用微量元素掺杂前述主要组分而获得的组成，其典型例子是掺La的PZT或PLZT[(Pb，La)(Z，Ti)O3]。如上所述，本发明的压电和/或电致伸缩材料并不局限于特定材料。最好，压电和/或电致伸缩材料可以是由通式ABO3构成的复合氧化物。
压电和/或电致伸缩材料在形成方法方面不受限制，不过通常通过对利用助熔剂法，拉晶法，或者布里奇曼法制备的压电和/或电致伸缩材料进行抛光以获得所需的尺寸和厚度，或者通过对未烧结板进行冲压并进行热处理，形成压电和/或电致伸缩材料。这样的模制元件的厚度一般约为100微米或者更大。利用这样的压电元件制成的压电作动器具有其中用粘结材料或者借助各种粘接方法，使压电元件与诸如衬底之类的弹性材料粘接在一起的基本结构。
另一方面，就100微米或者更小的模制元件来说，除了上述方法之外，最好借助例如印刷法直接在衬底上形成下电极13和压电和/或电致伸缩材料。在这种情况下，最好在形成压电元件之后进行图案形成。另外，对于厚度10微米或更小的薄膜来说，通常采用诸如溶胶-凝胶法，水热合成法，气相沉积法或者电泳法之类的成膜法，另外最好采用溅射法，CVD法，MOCVD法，离子束沉积法，分子束外延法或者激光烧蚀法。就这样的成膜法来说，由于借助从衬底或下电极的外延生长，在压电和/或电致伸缩材料中能够获得更高的取向，因此能够形成压电性进一步提高的压电元件。
在本发明的压电元件中采用的上电极或下电极最好与前述压电和/或电致伸缩材料具有良好的粘附力，并且具有高的电导率，更具体地说，上电极或下电极最好具有10-7～10-2Ω·cm的电阻率。这样的材料通常是金属，作为电极经常使用的有，例如Au、Ag、Cu或Pt族金属，例如Ru、Rh、Pd、Os、Ir或Pt。另外，包含这种材料的合金，例如银膏或焊料具有高的导电率，最好被用于元件形成。另外作为电极材料，最好采用导电氧化物，例如IrO(氧化铱)，SRO(钌酸锶)，ITO(导电氧化锡)或者BPO(铅酸钡)。
下电极的厚度为10～2000纳米，最好100～1000纳米。构成下电极的材料在形成方法方面没有特别限制，例如，可利用印刷法直接在压电和/或电致伸缩材料之上或之下形成下电极，或者利用印刷法直接在衬底或振动板上形成下电极。另外，在压电和/或电致伸缩材料是10微米或更小的薄膜的情况下，最好利用诸如溶胶-凝胶法，水热合成法，气相沉积法或者电泳法之类的成膜法，或者诸如溅射法，CVD法，MOCVD法，离子束沉积法，分子束外延法或者激光烧蚀法之类的真空成膜法直接在衬底或振动板上形成下电极。由于通过利用从衬底或振动板开始的外延生长，这种成膜法便于在下电极中获得单晶结构和高的取向，因此变得能够形成压电性更高的压电元件。另外，可根据膜厚，恰当地形成上电极。
此外，在下电极和振动板之间，可形成不同于下电极的金属材料或金属氧化物材料作为粘结层。就金属来说，粘结层可由例如Ti、Cr或Ir构成，或者就金属氧化物来说，粘结层可由TiO2或IrO2构成。粘结层的厚度为3～300纳米，最好为3～70纳米。在压电和/或电致伸缩材料和上电极之间可设置类似的粘结层。
压电和/或电致伸缩材料中孪晶的存在允许提高压电性，以及获得具有压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间良好的粘合力的压电元件。
压电和/或电致伸缩材料最好具有四方晶系晶体结构，且孪晶中的孪晶面为(101)。否则压电和/或电致伸缩材料最好具有菱形晶系晶体结构，且孪晶中的孪晶面为(100)。否则压电和/或电致伸缩材料最好具有正交晶系晶体结构，且孪晶中的孪晶面为(110)。
上面，表示了三个例子，但是具有偏离极化轴几度内的晶轴的任何其它孪晶同样有助于提高压电和/或电致伸缩材料的压电性，以及压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力，另外在其它晶系，例如六方晶系或者伪四方晶系(pseudu tetragonal system)中，具有偏离极化轴几度内的晶轴的任何孪晶能够帮助提高压电和/或电致伸缩材料的压电性，以及压电和/或电致伸缩材料和下电极或上电极之间的粘合力。
压电和/或电致伸缩材料优选具有在0.001～1.0范围内的孪晶率，最好具有取向特性。
利用极点测量或者X射线衍射中的倒易晶格空间映射，能够容易地确定压电和/或电致伸缩材料的孪晶率。例如，在(001)取向的四方晶系结构的压电和/或电致伸缩材料具有包括(101)孪晶面的孪晶的情况下，借助倒易晶格空间映射观察非对称晶面例如(204)时，如图4中所示，在起因于(204)的衍射附近，出现起因于孪晶的(402)的衍射。压电和/或电致伸缩材料的孪晶率由(I2+I3)/(I1+I2+I3)定义，其中I1是起因于(204)的衍射的峰值强度，而I2和I3是起因于孪晶的(402)的衍射的峰值强度。
类似地，在(100)取向的菱形晶系结构的压电和/或电致伸缩材料具有包括(010)孪晶面的孪晶的情况下，在借助极点测量观察对称晶面例如(400)时，如图5中所示，在起因于(400)的衍射附近，出现起因于孪晶的(400)的衍射。这种情况下，压电和/或电致伸缩材料的孪晶率由(I2+I3)/(I1+I2+I3)定义，其中I1是起因于(400)的衍射的峰值强度，而I2和I3是起因于孪晶的(400)的衍射的峰值强度。
如前所述，在压电和/或电致伸缩材料具有孪晶的情况下，可通过X射线衍射确认孪晶率，但是除了上面提及的X射线衍射之外，通过例如利用TEM的横截面或表面观察，能够确认压电和/或电致伸缩材料中孪晶的存在。
压电和/或电致伸缩材料优选具有90％或更高的取向率，最好具有99％或更高的取向率。压电和/或电致伸缩材料具有尽可能高的取向性，最好在所有轴向具有取向率为100％的取向性。
压电和/或电致伸缩材料的取向率可由X射线衍射的2θ/θ测量确定。
例如，在压电和/或电致伸缩材料具有[001]取向的四方晶系结构的情况下，当压电和/或电致伸缩材料被这样设置，以致最强地检测到四方晶系晶体的(001)衍射时，取向率由起因于(00L)晶面(L＝0、1、2、...n；n是整数)的所有反射峰值强度的总和与起因于压电和/或电致伸缩材料的所有反射峰值强度的总和的比率定义。但是，包括孪晶畴的孪晶只需要被作为孪晶取向，起因于孪晶的孪晶畴的峰值强度未包含在反射峰值强度的总和中。
借助X射线衍射，能够简单地把起因于孪晶的孪晶畴的峰值强度与其它峰值强度区分开。例如，在压电和/或电致伸缩材料具有带(101)孪晶面的四方晶系结构的情况下，在X射线衍射的2θ/θ测量中，起因于(001)的反射峰值和起因于孪晶畴的(100)的反射峰值并不出现在相同测量轴的相同衍射点上，于是能够容易地区分开。
此外，在压电和/或电致伸缩材料具有90％或更高的取向率的情况下，在X射线衍射的2θ/θ测量中，起因于(001)的反射峰值和起因于孪晶畴的(100)的反射峰值并不出现在相同测量轴的相同衍射点上，于是能够容易地区分开。这种情况下，可沿着某一轴或者在所有轴上存在取向性。
类似地，通过X射线衍射能够确认压电和/或电致伸缩材料在所有轴上以100％的取向率取向。例如，在压电和/或电致伸缩材料具有带(101)孪晶面的四方晶系结构的情况下，当压电和/或电致伸缩材料被这样设置，以致在X射线衍射的2θ/θ测量中最强烈地检测到(001)衍射时，依据在X射线衍射的2θ/θ测量中，只检测到起因于压电和/或电致伸缩材料的(00L)晶面(L＝0、1、2、...n；n是整数)的一个反射峰值，并且在X射线衍射的极点测量中，诸如(204)之类的非对称晶面表现为四次对称(four-times symmetrical)反射峰值的事实，能够容易地确认所有轴上取向率为100％的取向。但是，包括孪晶畴的孪晶只需要作为孪晶取向，起因于孪晶的孪晶畴的反射峰值也可被确认。
借助X射线衍射，能够简单地把起因于孪晶的孪晶畴的峰值强度与其它峰值强度区分开。例如，在压电和/或电致伸缩材料具有带(101)孪晶面的四方晶系结构的情况下，在X射线衍射的2θ/θ测量中，起因于(001)的反射峰值和起因于孪晶畴的(100)的反射峰值并不出现在相同测量轴的相同衍射点上，于是能够容易地区分开。
此外，压电和/或电致伸缩材料具有取向性的情况下，压电和/或电致伸缩材料与上电极接触的主晶面最好是{100}，或者压电和/或电致伸缩材料与上电极接触的主晶面最好是{111}，或者压电和/或电致伸缩材料与上电极接触的主晶面最好是{110}。
主晶面指的是具有取向性的压电和/或电致伸缩材料的取向晶面，例如就[001]取向来说，主晶面是(001)。
由于本发明的压电和/或电致伸缩材料具有孪晶，因此例如就具有[001]取向的四方晶系晶体来说，由于具有(101)孪晶面的孪晶畴的影响，[100]存在于从[001]倾斜几度的方向上，但是，与上电极接触的晶面可以在[001]方向上，或者在四个[100]方向任意之一上，或者在这些方向之间的一个方向上。
类似地，例如在具有[111]取向的四方晶系晶体中，由于孪晶畴的影响，[111]被分成三个方向。就(101)孪晶面来说，分离的方向相互倾斜几度，与上电极接触的晶面可以在这三个[111]方向任意之一上，或者在这些方向之间。
类似地，例如在具有[100]取向的菱形晶系晶体中，由于孪晶畴的影响，[100]被分成四个方向。就(100)孪晶面来说，分离的方向相互倾斜几度，与上电极接触的晶面可以在这四个[100]方向任意之一上，或者在这些方向之间。
类似地，例如在具有[111]取向的菱形晶系晶体中，由于具有(100)孪晶面的孪晶畴的影响，[-111]存在于与[111]倾斜几度的方向上，但是，与上电极接触的晶面可以在[111]方向上，或者在这三个[-111]方向任意之一上，或者在这些方向之间。
从而，在压电和/或电致伸缩材料具有孪晶的情况下，与上电极接触的主晶面可在晶体的取向方向上，或者在由孪晶分开的取向方向中的任意一个上，或者在这些方向之间，于是具有几度的倾斜范围。
本发明的压电元件最好直接形成在衬底上，因为压电元件可被小型化。优选利用直接成膜的成膜工艺，诸如溶胶-凝胶法，水热合成法，气相沉积法或者电泳法之类的成膜法，或者诸如溅射法，CVD法，MOCVD法，离子束沉积法，分子束外延法或激光烧蚀法之类的真空成膜法形成压电元件。这样的成膜方法还便于利用衬底或下电极的结晶性质，控制压电和/或电致伸缩材料的晶体取向，或者便于利用外延生长，获得压电和/或电致伸缩材料的更高取向。
另外，由于本发明的压电元件最好直接形成在衬底上，因此压电和/或电致伸缩材料优选具有1～10微米的厚度，最好具有1～5微米的厚度。在利用薄膜工艺直接形成在衬底上的压电和/或电致伸缩材料的厚度为10微米或更大的压电元件中，压电和/或电致伸缩材料即使具有孪晶结构，由于诸如薄膜剥落之类的困难性，因此对于前面提及的所有压电和/或电致伸缩材料，难以获得高取向性的压电元件。
这种情况下要采用的衬底最好是单晶衬底，例如Si、SrTiO3、(La，Sr)TiO3、MgO、Al2O3、SrRuO3、RuO或Pt，特别是晶格常数与表现出优良铁电性质的铅基压电薄膜，例如PZT或PLZT的晶格常数，或者与诸如PZN-PT之类的电致伸缩材料的晶格常数接近的单晶衬底，例如SrTiO3、(La，Sr)TiO3、MgO或SrRuO3。但是，作为衬底，优选Si衬底，因为能够容易地获得大面积。另外，在采用例如Si衬底的情况下，通过控制衬底和压电和/或电致伸缩材料之间的中间层，或者利用经常用作电极的Pt电极的自然取向，或者控制电极的成膜条件，能够在压电和/或电致伸缩材料中获得单晶状态和高取向，从而提供更高压电性的压电元件。类似地，也可采用非单晶衬底，例如玻璃或不锈钢。
在图1-3中所示的本发明的实施例中图解说明的喷墨记录头M的作动器10是单压电晶片(unimorph)振动器型压电作动器。这种情况下，压电作动器由压电元件15和振动板11构成，振动板11最好由诸如硅之类的半导体，金属，金属氧化物或玻璃组成。上面提及的压电元件可以与振动板连接或者粘合，或者下电极和压电和/或电致伸缩材料可以直接形成在构成衬底的振动板上。另外还可直接在衬底上形成振动板。此外，衬底和主体衬底1可以是相同构件或不同构件。在图1-3中所示的本发明的实施例中图解说明的喷墨记录头M的作动器10中，振动板11最好具有10～300GPa的杨氏模量，以及10微米或更小的厚度。
压电作动器可具有各种其它形式，但是例如在利用叠层振动器的喷墨记录头中，振动板最好具有200微米或更小的厚度。可根据压电作动器的用途，恰当地选择振动板的材料和物理性质。另外，除了用于喷墨记录头的前述压电作动器之外，前述压电元件可被用于微型泵，超声电动机，超声振动器，压电变压器，频率滤波器，压电传感器，压电扬声器，压电中继器，微机械，微反射镜器件等的压电作动器。
通过利用薄膜工艺，依次在衬底上形成全部振动板，下电极，压电元件和上电极，或者形成它们中的一部分，能够减小喷墨记录头的喷嘴的压电作动器的性能波动，获得与下电极或上电极的满意粘合力，并且实现压电元件的小型化和高密度。另外，通过采用压电和/或电致伸缩材料，能够进一步提高压电元件的压电性，从而在压电元件中能够获得进一步的小型化或更高的密度。于是，本实施例特别适合于喷墨记录头。
下面将参考附图，详细说明本发明的压电元件，利用该压电元件的作动器和喷墨记录头。
《例1，比较例1》
生产例1的压电元件的程序如下。
利用助熔剂法制备单晶电致伸缩材料PZN-PT[0.91[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09[PbTiO3]]，把该晶体切割成厚度300微米的薄板，切割方式使得与上电极或下电极接触的主晶面变成(001)。利用Rigaku公司制造的多轴X射线衍射设备Rint-Inplane对这样的电致伸缩材料进行X射线衍射。如图6中所示，2θ/θ测量只检测到起因于(00L)晶面(L＝1、2、3、...、n；n是整数)的反射峰值。另外，如图7中所示，非对称晶面(204)的正极点测量表现出四次对称(4-timessymmetry)的反射峰值。从而，确认电致伸缩材料PZN-PT的薄板以100％的取向率沿所有轴取向。另外，如图8中所示，(204)的倒易晶格空间映射确认例1的电致伸缩材料PZN-PT是具有带(101)孪晶面和约0.6的孪晶率的孪晶的四方晶系晶体。
通过在所述薄板之上和之下溅射，形成Pt/Ti电极，从而获得例1的压电元件。
生产比较例1的压电元件的程序如下。
在和例1不同的温度条件下，利用助熔剂法制备单晶电致伸缩材料PZN-PT[0.91[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09[PbTiO3]]，把该晶体切割成厚度300微米的薄板，切割方式使得与上电极或下电极接触的主晶面变成(001)。对这样的电致伸缩材料进行X射线衍射。2θ/θ测量只检测到起因于(00L)晶面(L＝1、2、3、...、n；n是整数)的反射峰值。另外，非对称晶面(204)的正极点测量表现出四次对称的反射峰值。从而，确认电致伸缩材料PZN-PT的薄板以100％的取向率沿所有轴取向。另外，如图9和10中所示，(204)和(-204)的倒易晶格空间映射确认比较例1的电致伸缩材料PZN-PT是无孪晶的四方晶系晶体。
随后通过在所述薄板之上和之下溅射，形成Pt/Ti电极，从而获得比较例1的压电元件。
表1表示例1和比较例1的压电元件的压电常数测量的结果。
表1
| 例1 | 比较例1 | |
| 孪晶(孪晶率) | 存在(1.0) | 不存在 |
| 压电常数(pC/N) | 2500 | 1800 |
从而，确认与比较例1相比，例1在压电常数方面极好。
《例2、3，比较例2》
生产例2的压电元件的程序如下。
在还用作下电极的掺La的SrTiO3(100)衬底上，在400℃或更高的衬底温度下，利用MO-CVD方法制备厚度3微米的压电材料PZN[Pb(Zr0.55Ti0.45)O3]，对该压电材料PZT进行X射线衍射。2θ/θ测量只检测到起因于(00L)晶面(L＝1、2、3、...、n；n是整数)的反射峰值。另外，非对称晶面(204)的正极点测量出现了四次对称的反射峰值。从而，确认压电PZT膜以100％的取向率沿所有轴取向。另外，对称晶面(004)的正极点测量提供了如图5中简要所示的衍射图，(204)的倒易晶格空间映射显示在α轴上有和衬底基本相同的PZT的衍射点。从而，确认例2的压电材料PZN是具有带(100)孪晶面和约0.8的孪晶率的孪晶的菱形晶系晶体。
随后在所述薄膜上制备Pt/Ti电极，获得例2的压电元件。
生产例3的压电元件的程序如下。
在还用作下电极的掺La的SrTiO3(100)衬底上，在400℃或更高的衬底温度下，利用MO-CVD方法制备厚度3微米的压电材料PZN[Pb(Zr0.45Ti0.55)O3]，对该压电材料进行X射线衍射。2θ/θ测量只检测到起因于(00L)晶面(L＝1、2、3、...、n；n是整数)的反射峰值。另外，非对称晶面(204)的正极点测量显示了四次对称的反射峰值。从而，确认压电PZT膜以100％的取向率沿所有轴取向。另外，(204)的倒易晶格空间映射提供如图4中示意表示的衍射图。从而，确认例3的压电材料PZN是具有带(101)孪晶面和约0.01的孪晶率的孪晶的四方晶系晶体。
随后在所述薄膜上制备Pt/Ti电极，获得例3的压电元件。
生产比较例2的压电元件的程序如下。
在还用作下电极的掺La的SrTiO3(111)衬底上，在400℃或更高的衬底温度下，利用浅射方法制备厚度3微米的压电材料PZN[Pb(Zr0.58Ti0.42)O3]，对该压电材料进行X射线衍射。2θ/θ测量只检测到起因于(00L)晶面(L＝1、2、3、...、n；n是整数)的反射峰值。另外，非对称晶面(204)的正极点测量显示了三次对称的反射峰值。从而，确认压电PZT薄膜是单晶体。另外，对称晶面(004)的正极点测量只提供在α＝90°的一个同心衍射图，(204)的倒易晶格空间映射显示在α轴上有与衬底基本相同的PZT的衍射点。从而，确认比较例2的压电材料PZN是没有孪晶的菱形晶系晶体。
随后在所述薄膜上制备Pt/Ti电极，获得比较例2的压电元件。
表2表示例2及3和比较例2的压电元件的压电常数测量的结果。
表2
| 例2 | 例3 | 比较例1 | |
| 孪晶(孪晶率) | 存在(1.0) | 存在(0.01) | 不存在 |
| 压电常数(pC/N) | 600 | 500 | 300 |
从而，确认与比较例2相比，例2和3在压电常数方面极好。
《例4，比较例3》
生产例4和比较例3的压电元件的程序如下所示。
首先，在构成衬底的主体衬底(Si衬底)上，溅射形成振动板薄膜。在该操作中，在500℃或更高的温度下加热衬底的情况下进行成膜，从而振动板表现出晶体生长，并沿单一方向取向。在振动板上按照类似的方法形成下电极薄膜，从而获得高取向的晶体薄膜。另外，在下电极上形成压电和/或电致伸缩材料的薄膜，从而获得高取向的压电和/或电致伸缩材料。同样通过溅射形成上电极。
随后，在Si衬底上进行湿法各向异性蚀刻，从后侧消除中央部分，从而形成图2中所示的压电作动器。每个压电作动器的振动部分具有5000微米的长度和200微米的宽度。
在例4的压电作动器中，确认压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。另外在比较例3的压电作动器中，确认压电和/或电致伸缩材料不具有孪晶。
例4和比较例3具有下面表示的层组分和厚度，其中()表示取向的优选方向，[]表示膜厚：
上电极Pt[0.25微米]/Ti[0.05微米]//压电材料PZT(001)[3微米]//下电极Pt[0.5微米]/Ti[0.05微米]/振动板YSZ(100)[2微米]/衬底Si(100)[600微米]；其中PZT具有65/35的组分Zr/Ti，YSZ表示氧化钇稳定的氧化锆。
表3表示例4和比较例3中压电材料PZT中孪晶的存在/不存在，当在对每个压电作动器的10kHz频率的渐增应用下，振动幅度被增大时的最大位移，和横切剥落试验的结果。
表3
| 例4 | 比较例3 | |
| 孪晶 | 存在 | 不存在 |
| 位移(微米) | 0.45 | 0.25 |
| 剥落试验 | 优良 | 不好也不坏 |
从而，确认与比较例3相比，例4的压电作动器具有更大的位移和更高的粘合力。
《例5，比较例4》
例4和比较例3的压电作动器分别被用于制备图3中所示的喷墨记录头，作为例5和比较例4。
参见图3，如前所述，层叠在主体衬底上的振动板，下电极，压电和/或电致伸缩材料和上电极具有下述膜厚：上电极0.3微米/压电和/或电致伸缩材料3微米/下电极0.5微米/振动板2微米/衬底600微米。另外，压力室具有90微米的宽度和50微米的壁厚，排液口的密度为180dpi。
如前所述，通过在构成主体衬底的Si衬底上溅射形成振动板，制备压电作动器。
在该操作中，在500℃或更高的温度下加热衬底的条件下进行成膜，从而振动板表现出晶体生长，并且沿单一方向取向。按照类似的方法在振动板上形成下电极薄膜，从而获得高取向的晶体薄膜。另外在下电极上形成压电和/或电致伸缩材料薄膜，从而获得高取向的压电和/或电致伸缩材料。另外通过溅射形成上电极。
随后利用ICP在Si衬底上形成压力室和液体供给通路，分别对应于压力室连接配有排液口的喷嘴板，从而产生喷墨记录头。在例5的压电作动器中，确认压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。另外，在比较例4的压力作动器中，确认压电和/或电致伸缩材料不具有孪晶。
表4表示在施加20V和10kHz的信号时，例5和比较例4的喷墨记录头中的液滴的排放量和排放速度。
表4
| 例5 | 比较例4 | |
| 孪晶 | 存在 | 不存在 |
| 排放量(pl) | 19 | 15 |
| 排放速度(m/sec) | 15 | 12 |
从而，施加20V(10kHz)的信号的例5表现出19pl的排放量和15m/sec的排放速度。另一方面，比较例4表现出15pl的排放量和12m/sec的排放速度，从而孪晶的存在显著地提高了排放性能。
另外在持久性试验中，在107～108排放之后，比较例4的喷墨记录头出现剥落，产生无法排放的喷嘴。另一方面，即使在108排放之后，例5的喷墨记录头也不会形成无法排放的喷嘴。
Claims (16)
1、一种包括上电极、压电和/或电致伸缩材料和下电极的压电元件，其特征在于，压电和/或电致伸缩材料是由通式ABO3构成的复合氧化物，并且该压电和/或电致伸缩材料具有孪晶。
2、按照权利要求1所述的压电元件，其中孪晶具有从{110}代表的组中选择的孪晶面。
3、按照权利要求1所述的压电元件，其中孪晶具有从{100}代表的组中选择的孪晶面。
4、按照权利要求2所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料是四方晶系晶体。
5、按照权利要求2所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料是正交晶系晶体。
6、按照权利要求2所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料是菱形晶系晶体。
7、按照权利要求1所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料具有从0.001～1.0的孪晶率。
8、按照权利要求1所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料具有取向性。
9、按照权利要求8所述的压电元件，其中在至少某一轴的方向上，压电和/或电致伸缩材料具有99％或者更高的取向率。
10、按照权利要求8所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料具有{100}的与上电极接触的主晶面。
11、按照权利要求8所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料具有{111}的与上电极接触的主晶面。
12、按照权利要求8所述的压电元件，其中压电和/或电致伸缩材料具有{110}的与上电极接触的主晶面。
13、按照权利要求1所述的压电元件，其中下电极和压电和/或电致伸缩材料直接形成在衬底上。
14、按照权利要求13所述的压电元件，其中以1～10微米的厚度形成包括压电和/或电致伸缩材料的一层。
15、一种采用按照权利要求1所述的压电元件的压电作动器。
16、一种采用按照权利要求1所述的压电元件的喷墨记录头。
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