CN1890103A - 制造致动器装置的方法以及液体喷射设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种制造致动器装置的方法和液体喷射装置，其通过防止振动板分离而实现了提高的耐久性和可靠性。该方法包括在衬底的一侧上制造振动板的步骤以及在该振动板上制造由下电极、压电层和上电极构成的压电元件的步骤。振动板制造步骤包括绝缘膜形成子步骤，在该子步骤中通过溅射在衬底的所述一侧上形成锆层，将具有锆层的衬底以200mm/min或更大的速度插入加热到700℃以上的热氧化炉而使锆层热氧化，由此形成氧化锆绝缘膜。

Description

制造致动器装置的方法以及液体喷射设备

技术领域

本发明涉及制造致动器装置的方法以及使用该致动器装置喷射液滴的液体喷射设备，该致动器装置通过用振动板构成压力产生腔的一部分，在此振动板之上形成具有压电层的压电元件并通过压电元件的位移来使振动板变形。

背景技术

一种包括被构造成通过施加电压来产生位移的压电元件在内的致动器装置被用作安装在例如用于喷射液滴的液体喷射设备上的液体喷头的液体喷射装置。对于上述液体喷射设备，已知一种包括喷墨记录头的喷墨记录装置，该喷墨记录头被构造为通过使用振动板构成与喷嘴孔连通的压力产生腔的一部分，通过用压电元件使此振动板变形来对压力产生腔中的墨水施压，从而从喷嘴孔喷射出墨滴。

两种喷墨记录头被投入实用，一种安装有构造成在压电元件的轴向上伸长和收缩的纵向振动模式致动器装置，一种安装有弯曲振动模式的致动器装置。而且，作为应用弯曲振动模式的致动器装置的那一种，例如有一种被构造成按照成膜技术在振动板的整个表面形成均匀压电膜，并按照光刻方法通过将此压电层切割成与压力产生腔相对应的形状而独立于各个压力产生腔来形成压电元件。

作为构造这种压电元件的压电材料层的材料，例如使用锆钛酸铅(PZT)。在此情况下，当焙烧该压电材料层时，压电材料层的铅成分扩散到二氧化硅(SiO₂)膜中，该二氧化硅膜设置在由硅(Si)制成的通道形成衬底的表面上用于构成振动板。所以，有这样的问题，即二氧化硅的熔点由于该铅成分的扩散而降低，并且二氧化硅由于在焙烧压电材料层时的热而熔化。为了解决该问题，例如有这样的技术，其在二氧化硅膜上构成振动板，提供具有预定厚度的氧化锆膜，在此氧化锆层上提供压电材料层，从而防止来自压电材料层的铅成分扩散到二氧化硅膜中(例如参见专利文献1)。

该氧化锆膜例如通过按照溅射方法形成锆膜并随后使此锆层受到热氧化而形成。因此，会存在出现缺陷的问题，例如由于使锆膜受到热氧化时所产生的应力而导致在二氧化锆膜上出现裂纹。同时，如果在通道形成衬底与氧化锆膜之间存在大的应力差，则还会出现这样的问题，即例如由于通道形成衬底的变形等而在通道形成衬底上形成压力产生腔之后使锆膜脱落。

专利文献1：日本未审查专利公布No.11(1999)-204849(图1、图2、第5页)。

发明内容

解决上述问题的本发明第一方面是一种制造致动器装置的方法，包括以下步骤：在衬底的一个表面上形成振动板；以及在所述振动板上形成具有下电极、压电层和上电极的压电元件。在此，所述形成振动板的步骤至少包括绝缘膜形成步骤，即通过按照溅射方法在所述衬底的所述一个表面侧之上形成锆层，并将形成有所述锆层的所述衬底以大于或等于200mm/min的速度插入加热到大于或等于700℃的温度的热氧化炉而使所述锆层热氧化，来形成由氧化锆制成的绝缘膜。

根据第一方面，可以提高绝缘膜的粘附力并可以防止出现绝缘膜剥离等。

本发明的第二方面是根据第一方面的制造致动器装置的方法，其中，加热所述热氧化炉的所述温度被设定在从850℃到1000℃的范围中。

根据第二方面，可以通过设定相对较高的温度来加热热氧化炉来抑制绝缘膜应力的增大，由此防止由应力导致在绝缘膜上出现裂纹。

本发明的第三方面是根据第一或第二方面的制造致动器装置的方法，其中，在将所述衬底插入所述热氧化炉中时所述锆层的温度升高速率被设成大于或等于300℃/min。

根据第三方面，可以通过对锆层设定相对较快的温度升高速率来更可靠地抑制绝缘膜应力的增大，并可以增大绝缘膜的密度。

本发明的第四方面是根据第三方面的制造致动器装置的方法，其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的密度被设成大于或等于5.0g/cm³。

根据第四方面，绝缘膜形成为致密膜。因此，可以有效抑制压电层的铅(Pb)成分扩散到弹性膜中。

本发明的第五方面是根据第一至第四方面中任一项的制造致动器装置的方法，其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的膜厚被设成大于或等于40nm。

根据第五方面，可以可靠抑制压电层的铅(Pb)成分扩散到弹性膜中。

本发明的第六方面是一种制造致动器装置的方法，包括以下步骤：在衬底的一个表面上形成振动板；以及在所述振动板上形成具有下电极、压电层和上电极的压电元件。在此，所述形成振动板的步骤至少包括以下步骤：通过在所述衬底的所述一个表面侧之上形成锆层，并在以预定温度升高速率将所述锆层加热到预定温度的同时使所述锆层热氧化，而形成由氧化锆制成的绝缘膜；以及通过在小于或等于所述锆层的热氧化中的最高温度的温度下使所述绝缘膜退火来调节所述绝缘膜的应力。

根据第六方面，提高了构成振动板的绝缘膜的粘附力。而且，还可以抑制同一晶片中绝缘膜粘附力的不均匀性，并可以制造具有均匀压电元件位移特性的致动器装置。

本发明的第七方面是根据第六方面的制造致动器装置的方法，其中，所述锆层热氧化时的所述温度升高速率被设成大于或等于5℃/sec。

根据第七方面，可以进一步提高绝缘膜的粘附力。而且，因为绝缘膜的密度增大，所以可以抑制压电层的铅(Pb)成分扩散到弹性膜中。

本发明的第八方面是根据第七方面的制造致动器装置的方法，其中，所述锆层热氧化时的所述温度升高速率被设成大于或等于50℃/sec。

根据第八方面，通过将温度升高速率设成大于或等于预定值而使绝缘膜形成为更致密的膜，并且可靠提高了绝缘膜的粘附力。

本发明的第九方面是根据第八方面的制造致动器装置的方法，其中，在所述锆层热氧化时通过RTA方法来加热所述锆层。

根据第九方面，可以通过使用RTA方法在所期望的温度升高速率下加热锆层。

本发明的第十方面是根据第七至第九方面中任一项的制造致动器装置的方法，其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的密度被设成大于或等于5.0g/cm³。

根据第十方面，绝缘膜形成为致密膜。因此，可以有效抑制压电层的铅(Pb)成分扩散到弹性膜中。

本发明的第十一方面是根据第十方面的制造致动器装置的方法，其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的膜厚被设成大于或等于40nm。

根据第十一方面，可以可靠抑制压电层的铅(Pb)成分扩散到弹性膜中。

本发明的第十二方面是根据第六至第十一方面中任一项的制造致动器装置的方法，其中，所述锆层热氧化时的温度被设定在从800℃到1000℃的范围中。

根据第十二方面，可以有利地使锆层热氧化，并可以更加可靠地提高绝缘膜的粘附力。

本发明的第十三方面是根据十二方面的制造致动器装置的方法，其中，所述绝缘膜退火时的温度被设定在从800℃到900℃的范围中。

根据第十三方面，可以在不减小粘附力的情况下调节绝缘膜的应力。

本发明的第十四方面是根据第十三方面的制造致动器装置的方法，其中，所述绝缘膜的退火时间段被调节在从0.5小时到2小时的范围中。

根据第十四方面，可以在不减小粘附力的情况下可靠调节绝缘膜的应力。

本发明的第十五方面是根据第一至第十四方面中任一项的制造致动器装置的方法，其中所述形成振动板的步骤包括在由单晶硅衬底制成的所述衬底的所述一个表面之上形成由二氧化硅(SiO₂)制成的弹性膜的步骤。在此，所述绝缘膜形成在所述弹性膜之上。

根据第十五方面，即使当绝缘膜下方的膜是由二氧化硅制成的弹性膜时，也提高了粘附力。

本发明的第十六方面是根据第一至第十五方面中任一项的制造致动器装置的方法，其中，所述形成压电元件的步骤至少包括在所述振动板之上形成由锆钛酸铅(PZT)制成的压电层的步骤。

根据第十六方面，可以防止压电层的铅成分扩散到振动板中，由此可以有利地形成振动板和压电元件。

本发明的第十七方面是一种液体喷射设备，其包括液体喷头，所述液体喷头应用根据第一至第十六方面中任一项的方法制造的致动器装置作为液体喷射装置。

根据第十七方面，可以提高振动板的耐久性，并可以提高通过压电元件的驱动的振动板的位移量。因此可以实现具有提高的液滴喷射特性的液体喷射设备。

附图说明

图1是根据实施例1的记录头的分解立体图。

图2(a)是根据实施例1的记录头的俯视图，图2(b)是其剖视图。

图3(a)至3(d)是示出根据实施例1的记录头的制造工艺的剖视图。

图4(a)至4(d)是示出根据实施例1的记录头的制造工艺的剖视图。

图5(a)和5(b)是示出根据实施例1的记录头的制造工艺的剖视图。

图6是制造工艺中所使用的扩散炉的示意图。

图7是示出舟加载速度与粘附力之间关系的曲线图。

图8是示出热氧化温度与应力之间关系的曲线图。

图9是示出舟加载速度与应力之间关系的曲线图。

图10是根据本发明实施例的记录装置的示意图。

图11是用于解释粘附力测量位置的视图。

图12是示出温度升高速率与粘附力之间关系的曲线图。

图13(a)至13(c)是示出绝缘膜横截面的SEM图像。

图14是示出退火经过时间与绝缘膜应力之间关系的曲线图。

图15是示出根据对比示例的绝缘膜的粘附力的非均匀性的曲线图。

图16是示出根据示例的绝缘膜的粘附力的非均匀性的曲线图。

标号说明：

10通道形成衬底

12压力产生腔

20喷嘴板

21喷嘴孔

30保护板

31压电元件保持部分

32储液室部分

40柔性板

50弹性膜

55绝缘膜

60下电极膜

70压电层

80上电极膜

100储液室

110通道形成衬底晶片

300压电元件

具体实施方式

下面将通过实施例详细描述本发明。

(实施例1)

图1是示出了根据本发明实施例1的喷墨记录头的分解立体图。图2(a)和图2(b)是图1的俯视图和剖视图。如这些图中所示，在本实施例中通道形成衬底10由具有(110)面取向的单晶硅衬底制成，并且在通道形成衬底10的一个表面上形成厚度为0.5μm到2μm的弹性膜50，该弹性膜50由预先通过热氧化单晶硅衬底而形成的二氧化硅构成。在通道形成衬底10上，沿其宽度方向排列多个压力产生腔12。而且，连通部分13形成在通道形成衬底10的压力产生腔12的纵向外侧区域中，并且连通部分13通过为各个压力产生腔12设置的墨水供应通路14而与各个压力产生腔12连通。在此，连通部分13构成储液室的一部分，该储液室与后述保护板的储液室部分连通并形成对于各个压力产生腔12的公共墨水腔。墨水供应通路14以比压力产生腔12更窄的宽度形成，并使墨水从连通部分13流入压力产生腔12中的通道阻力保持恒定。

同时，通过粘接剂、热熔膜等将喷嘴板20固定到通道形成衬底10的开口表面侧，在喷嘴板20上钻有用于与各个压力产生腔12的墨水供应通路14相反侧的端部附近连通的喷嘴孔21。在此，喷嘴板20例如由厚度在从0.01mm至1mm范围内且线性膨胀系数在低于或等于300℃的温度下从2.5至4.5×[10^-6/℃]范围内的玻璃陶瓷、单晶硅衬底、不锈钢等制成。

同时，如前所述，在此通道形成衬底10与开口表面相反的一侧上形成厚度例如约为1.0μm且由二氧化硅(SiO₂)制成的弹性膜50，并且在此弹性膜50上形成厚度例如约为0.4μm且由氧化锆(ZrO₂)制成的绝缘膜55。而且，在此绝缘膜55上通过后面将描述的工艺按层叠形式形成厚度例如约为0.2μm的下电极膜60、厚度例如约为1.0μm的压电层70和厚度例如约为0.05μm的上电极膜80，从而构成压电元件300。在此，压电元件300指的是包括下电极膜60、压电层70和上电极膜80的部分。一般而言，压电元件300的电极之一被用作公共电极；同时，对各个压力产生腔12图案化另一电极和压电层70。而且，包括这样图案化的一个电极和压电层70的并且被构造成通过对这两个电极施加电压来产生压电应变的部分在此被称为压电活性部分。在此实施例中，下电极膜60用作对于压电元件300的公共电极，而上电极膜80用作压电元件300的单个电极。但是，按照驱动电路和布线的需要可以颠倒该构造。在任一情况下，将对各个压力产生腔形成压电活性部分。而且，压电元件300和通过压电元件300的驱动而产生位移的振动板在此被一起称为压电致动器。注意例如由金(Au)制成的引线电极90被连接到上述各个压电元件300的上电极膜80，并且通过这些引线电极90对各个压电元件300有选择地施加电压。

同时，在压电元件300这一侧上，具有压电元件保持部分31的保护板30被接合到通道形成衬底10，该压电元件保持部分31能够在与压电元件300相对的区域中确保足够的空间以不妨碍压电元件300的移动。压电元件300形成在压电元件保持部分31内，因此压电元件300在几乎不受外部环境影响的状态下被保护。此外，保护板30在与通道形成衬底10的连通部分13相对应的区域中设有储液室部分32。在本实施例中，该储液室部分32在厚度方向上穿透保护板30的同时沿着压力产生腔12的排列方向设置，并且储液室部分32与通道形成衬底10的连通部分13连通以由此构成储液室100，所述储液室100如上所述形成为各个压力产生腔12的公共墨水腔。

同时，在保护板30位于压电元件保持部分31和储液室部分32之间的区域中，设置在厚度方向上穿透保护板30的通孔33。下电极膜60的一部分和引线电极90的尖端部分在此通孔33中露出。尽管未在图中示出，但是从驱动IC延伸出的连接线的一端连接到下电极膜60和引线电极90。

在此，保护板30的材料例如可以包括玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等。但是，优选地用具有与通道形成衬底10的材料基本相同的热膨胀系数的材料形成保护板30。在本实施例中，用作为与通道形成衬底10相同材料的单晶硅衬底形成保护板30。

而且，包括密封膜41和固定板42的柔性板40被接合到保护板30。密封膜41由低刚度的柔性材料(例如，厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)形成，并且用此密封膜41密封储液室部分32的一个表面。同时，固定板42由诸如金属的硬材料(例如，厚度为30μm的不锈钢(SUS))形成。此固定板42与储液室110相对的区域在厚度方向上被完全去除，并形成为开口部分43。所以，储液室110的一个表面仅仅由具有柔性的密封膜41来密封。

在本实施例的上述喷墨记录头中，墨水从未示出的外部墨水供应装置装载。在从储液室100延伸到喷嘴孔21的内部填充墨水之后，根据来自未示出的驱动IC的记录信号，在对应于各个压力产生腔12的上电极膜80和下电极膜60之间施加电压，以使弹性膜50、绝缘膜55、下电极膜60和压电层70发生弯曲变形，由此各个压力产生腔12内的压力增大并且墨滴从喷嘴孔21喷出。

在此，将参考图3(a)至5(b)说明制造上述喷墨记录头的方法。注意图3(a)至5(b)是沿纵向所取的压力产生腔12的剖视图。首先，如图3(a)所示，作为硅晶片的通道形成衬底晶片110在扩散炉中约1100℃下被热氧化，并在其表面上形成构成弹性膜50的二氧化硅膜51。此处在本实施例中，使用具有约625μm的相对较大膜厚的高刚度硅晶片作为通道形成衬底晶片110。

接着，如图3(b)所示，在弹性膜50(二氧化硅膜51)上形成由氧化锆制成的绝缘膜55。更具体而言，按照例如DC溅射方法在弹性膜50上形成预定厚度(在本实施例中等于约300nm)的锆层。然后，将形成有锆层的通道形成衬底晶片110以大于或等于200mm/min的速度插入被加热到高于或等于700℃的热扩散炉中，以使锆层受到热氧化，由此形成由氧化锆制成的绝缘膜55。

如图6所示，用于热氧化锆层的扩散炉200例如包括芯管203和布置在芯管203外侧的加热器204，该芯管203在一端侧上具有颈部201并在另一端上具有用于反应气体的引入端口202。颈部201可以由闸板205打开和关闭。而且在本实施例中，多片形成有锆层的通道形成衬底晶片110被固定到作为固定构件的舟206，然后此舟206以大于或等于200mm/min的速度插入被加热到约900℃的扩散炉200中，然后在关闭闸板205的同时使锆层热氧化约一个小时，以形成绝缘膜55。

该舟206的插入速度(下面称为舟加载速度)至少需要快于200mm/min，但优选地设成大于或等于500mm/min。同时，在将通道形成衬底晶片110插入扩散炉200中时锆层的温度升高速率优选地设成大于或等于300℃/min。因此，优选地响应于扩散炉200的加热温度恰当地调整舟加载速度，以建立此温度升高速率。

如上所述形成有锆层的通道形成衬底晶片110以快于200mm/min的舟加载速度插入被加热到大于或等于700℃的扩散炉200中，以使锆层热氧化。因此，可以将绝缘膜55形成为致密膜，并可以防止绝缘膜55上出现裂纹。而且，因为绝缘膜55的粘附性增强了，所以即使在通过压电元件300的驱动而反复变形的情况下也可以防止绝缘膜55的剥离。

在此，通过在将扩散炉200保持在约900℃的恒定温度下的同时在从20mm/min到1500mm/min的范围中改变舟加载速度来形成氧化锆层(绝缘膜)，并通过在这些氧化锆层上进行刮擦测试来检查粘附力。结果在图7中示出。如图7所示，氧化锆层(绝缘膜)的粘附力随着舟加载速度的增大而增大。当舟加载速度大于200mm/min时，获得至少大于或等于150mN的粘附力。从此结果明显可见，优选地将舟加载速度设成尽可能快，以获得绝缘膜55的粘附力。但是，如果舟加载速度大于200mm/min，则可以形成具有足够粘附力的绝缘膜55。

同时，扩散炉200的加热温度并不具体受限，只要该温度设成大于或等于700℃。但是，优选将该温度设在从850℃到1000℃的范围中。通过将扩散炉200的加热温度设在此温度范围中，绝缘膜55的应力变成弱的张应力，更具体而言变成在从约-100MPa到-250MPa范围中的应力，该应力与诸如弹性膜50之类的其他膜的应力平衡。所以，可以防止可归因于绝缘膜55应力的裂纹出现、绝缘膜55的剥离等。

在此，研究当形成锆层(其在不同溅射温度下形成)时不同热氧化温度下氧化锆层(绝缘膜)的应力的变化。结果在图8中示出。注意在此情况下的舟加载速度稳定为500mm/min。如图8所示，当热氧化温度被设成900℃时，氧化锆层的应力在-200MPa附近，与形成锆层时的溅射温度无关。相反，当热氧化温度被设成约800℃时，与将热氧化温度设成900℃的情况相比，氧化锆层的应力在四分之一(约-50MPa)附近。

如上所述，氧化锆层(绝缘膜)的应力也稍稍受到溅射温度的影响，但是主要根据热氧化温度而变化。就是说，当热氧化温度设得越高，则张应力趋向于变得越大。而且，当热氧化温度(扩散炉的温度)被设定在从约850℃到1000℃的范围中时，绝缘膜55的应力被设定到从约-100MPa到-250MPa的范围中。

在此，热氧化温度(扩散炉的温度)稳定在900℃，并且进一步研究在改变舟加载速度时氧化锆层(绝缘膜)的应力。结果在图9中示出。如图9所示，显然氧化锆层的张应力趋向于随着舟加载速度的增大而变得更小。而且，通过将舟加载速度设成快于200mm/min，氧化锆膜(绝缘膜)的应力变得大于-250MPa，换言之，氧化锆层的张应力变得小于250MPa。

如上所述，通过将扩散炉200的温度设定在从约850℃到1000℃的范围中并将舟加载速度设成快于约200mm/min，可以将绝缘膜55形成为致密的高粘附性膜。此外，绝缘膜55的应力被设定在从约-100MPa到-250MPa的范围中，并与其他膜的应力平衡。所以，可以防止由于应力而导致的在绝缘膜55上出现的裂纹，或者当形成绝缘膜55时或当在后述工艺中形成压力产生腔12时绝缘膜55的剥离等等。

在此，在形成上述绝缘膜55之后，通过如图3(c)所示在绝缘膜55上层叠例如铂和铱来形成下电极膜60，然后将此下电极膜60图案化成预定形状。随后，如图3(d)所示，由例如锆钛酸铅(PZT)制成的压电层70和由例如铱制成的上电极膜80被形成在通道形成衬底晶片110的整个表面上。在此，在本实施例的情形中，利用所谓的溶胶凝胶法形成由锆钛酸铅(PZT)制成的压电层70，该溶胶凝胶法构造成这样来得到由金属氧化物制成的压电层70，即通过涂覆和干燥将所谓的溶胶转变成凝胶，其中溶胶包括溶解和分散在溶剂中的金属有机物质，并随后在高温下焙烧所述凝胶。在此，当压电层70如上所述形成时，有压电层70的铅成分在焙烧时分散到弹性膜50中的危险。但是，因为由氧化锆制成的绝缘膜55设置在压电层70下方，所以可以防止压电层70的铅成分分散到弹性膜50中。

在此，作为压电层70的材料，还可以使用通过将诸如铌、镍、镁、铋或镱之类的金属加入到例如锆钛酸铅(PZT)的铁电压电材料中而形成的驰豫压电体。尽管可以考虑到压电元件的特性、应用等来恰当选择成分，但成分可以是例如PbTiO₃(PT)、PbZrO₃(PZ)、Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)、Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PNN-PT)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃(PIN-PT)、Pb(Sc_1/3Ta_2/3)O₃-PbTiO₃(PST-PT)、Pb(Sc_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PSN-PT)、BiScO₃-PbTiO₃(BS-PT)和BiYbO₃-PbTiO₃(BY-PT)等。同时，制造压电层70的方法不限于溶胶凝胶法，还可以使用例如MOD(金属有机物分解)法。

随后，如图4(a)所示，将压电层70和上电极膜80图案化成面对各个压力产生腔12的区域，由此形成压电元件300。接着，形成引线电极90。更具体地，如图4(b)所示，在通道形成衬底晶片110的整个表面上形成由例如金(Au)等制成的金属层91。此后，例如通过由光刻胶等制成的掩模图案(未示出)对各个压电元件300图案化金属层91，来形成引线电极90。

接着，如图4(c)所示，在压电元件300这一侧上，将作为构成多个保护板30的硅晶片的保护板晶片130接合到通道形成衬底晶片110。在此，此保护板晶片130具有例如约400μm的厚度。所以，通过接合保护板晶片130大大提高了通道形成衬底晶片110的刚度。

随后，如图4(d)所示，将通道形成衬底晶片110抛光到某一厚度，并接着通过氟硝酸湿法刻蚀将通道形成衬底晶片110进一步形成为预定厚度。例如在本实施例中，通道形成衬底晶片110经过刻蚀工艺而实现约70μm的厚度。随后，如图5(a)所示，由例如氮化硅(SiN)制成的掩模膜52被新形成在通道形成衬底晶片110上，并且被图案化成预定形状。然后，通过此掩模膜52对通道形成衬底晶片110进行各向异性刻蚀，在通道形成衬底晶片110中形成压力产生腔12、连通部分13和墨水供应通路14等，如图5(b)所示。

此后，例如通过划片切割并去除通道形成衬底晶片110和保护板晶片130的外周上的多余部分。然后，其上钻有喷嘴孔21的喷嘴板20被接合到通道形成衬底晶片110与保护板晶片130相反的一侧，并且柔性板40被接合到保护板晶片130。然后，将通道形成衬底晶片110等分割成如图1所示的一个芯片大小的通道形成衬底10，由此形成本实施例的喷墨记录头。

在此，按照上述制造方法制造的喷墨记录头构成包括与墨盒等连通的墨水通道在内的记录头单元的一部分，并安装在喷墨记录装置上。图10是示出喷墨记录装置示例的示意图。如图10所示，构成墨水供应装置的盒2A和2B被可拆卸地设置到包括喷墨记录头在内的记录头单元1A和1B。安装这些记录头单元1A和1B的滑架3设置到滑架轴5(其安装到装置主体4)以在轴向上可移动。例如，这些记录头单元1A和1B构造成分别喷射黑色墨水组合物和彩色墨水组合物。而且，当驱动电机6的驱动力通过未示出的多个齿轮和同步带7被传递到滑架3时，安装着记录头单元1A和1B的滑架3沿着滑架轴5移动。同时，装置主体4沿着滑架轴5设有滚筒8，并且作为记录介质的记录片材S在滚筒8上传送，记录片材S由纸等制成并通过未示出的供纸辊供入。

(实施例2)

本实施例是喷墨记录头或具体而言致动器装置的制造方法的另一示例。具体地，尽管本实施例中也以与实施例1(参见图3(a)至图5(b))相同的过程制造喷墨记录头，但制造绝缘膜55的方法是不同的。现在，下面将描述根据本实施例制造绝缘膜55的方法。

更具体而言，首先，类似于上述实施例，按照例如DC溅射方法在弹性膜50上形成厚度约300nm的锆层。此后，在本实施例中，通过用例如RTA设备将形成有此锆层的通道形成衬底晶片110以预定温度升高速率加热到预定温度，而形成绝缘膜55。

优选将如上所述使锆层热氧化的温度升高速率设成大于或等于5℃/sec。特别地，理想的是设定大于或等于50℃/sec的相对较快速率。而且，优选通过如上所述设定相对较快的温度升高速率来将由氧化锆制成的绝缘膜55的密度设成等于5g/cm³。在此，尽管加热锆层的方法并不特别受限，但优选如同本实施例中这样使用RTA(快速热退火)方法。这样，可以设定相对较快的温度升高速率。同时，优选将锆层热氧化时的温度设定在从800℃到1000℃的范围中。在本实施例中，温度被设定为约900℃。

如上所述，通过以相对较快的温度升高速率加热和氧化锆层，可以将绝缘膜55形成为致密膜，从而防止在绝缘膜55上出现裂纹。更具体而言，可以通过将绝缘膜55的密度设成大于或等于5g/cm³，可以可靠地防止在绝缘膜55上出现裂纹。而且，绝缘膜55如上所述形成为致密膜的事实还得到这样的效果，即防止了由PZT制成的压电层70的铅成分通过此绝缘膜55扩散到形成在通道形成衬底晶片110的表面上的弹性膜中。

在此，在下表1所示改变氧化锆层时温度升高速率的同时形成绝缘膜，并且通过在不形成下电极膜的情况下在这些绝缘层上直接形成由PZT制成的压电层来制造多个样品1至5。然后，针对这些样品1至5，研究绝缘膜的密度和压电层的Pb成分扩散到弹性膜(通道形成衬底晶片)中的深度。结果也在下表1中示出。

表1

	氧化温度升高速率(℃/sec)	密度(g/cm3)	Pb扩散深度(nm)
				样品1	0.1	4.13	60
样品2	4.5	4.80	45
				样品3	6.0	5.01	40
样品4	15.0	5.32	40
				样品5	19.0	5.37	40

如上表1所示，绝缘膜的密度与锆层的氧化温度升高速率成比例地变得更高。而且可以确定，当绝缘膜的密度超过5g/cm³时，即当氧化温度升高的速率超过约5℃/sec时，绝缘膜的密度增大停止，并且即使在温度升高的速率被设定成更快时，绝缘膜的密度也几乎保持不变。例如，即使在将温度升高的速率设成约150℃/sec时，绝缘膜的密度也将几乎等于样品5的值。同时，如表1所示，可以确定Pb的扩散深度随着绝缘膜密度的增大而减小。

而且，从此结果明显可见，可以通过将锆层氧化时的温度升高速率设成大于或等于5℃/sec或优选地等于50℃/sec，而将Pb成分进入弹性膜(通道形成衬底晶片)的扩散调节为恒定量，以如本实施例中的那样将绝缘膜的密度控制为等于或大于5g/cm³。此外，可以通过将绝缘膜的厚度设定成等于或大于40nm来可靠地防止Pb成分扩散进入弹性膜(通道形成衬底晶片)。

此外，通过如同本实施例中这样以相对较快的温度升高速率加热锆层实现热氧化，来提高绝缘膜55和弹性膜50之间的粘附力。所以还有以下效果，即，即使在通过压电元件300的驱动进行反复变形的情况下也可以防止绝缘膜55的剥离。

在此，对于不同的温度升高速率研究绝缘膜的粘附力。更具体而言，通过在弹性膜上形成锆层，将除温度升高速率之外的条件设成不变，以及在将温度升高速率设成15、50、100和150℃/sec的同时使锆层热氧化，来形成样品6至9的绝缘膜(氧化锆层)。然后，对这些样品中每个的绝缘膜进行刮擦测试。在此如图11所示，在将通道形成衬底晶片110的中心定义为参考点P0的同时对沿与定向平坦平面110a垂直的方向的y轴上的三个点进行刮擦测试，或更具体而言，分别对通道形成衬底晶片110的中心点P0、在y轴正向上离中心点60mm的位置P1以及在y轴负向上离中心点60mm的位置P2进行刮擦测试。结果在图12中示出。如图12所示，采用15℃/sec的温度升高速率的样品6的绝缘膜具有100mN左右的粘附力。同时，从采用50℃/sec的温度升高速率的样品7的绝缘膜得到200mN左右的粘附力，并且从采用大于或等于100℃/sec的温度升高速率的样品8和样品9的绝缘膜得到300mN左右的极其有利的粘附力。如上所述，在将锆层热氧化时的温度升高速率设定得越快时，绝缘膜对弹性膜的粘附力增大得越多。更具体而言，通过将温度升高速率设成大于或等于50℃/sec或者更具体地大于或等于100℃/sec，可以获得足够的粘附力。

而且在此，在图13(a)至13(c)中示出样品10至12的绝缘膜55的横截面SEM图像，这些样品通过在将除温度升高速率之外的条件设成不变以及将温度升高速率设成4、19和150℃/sec的同时使锆层热氧化而得到。如图13(a)和13(b)所示，当如同样品10和11的绝缘膜55中那样将温度升高速率设成相对较低时，在绝缘膜55与弹性膜50之间的界面上形成由玻璃态物质制成的低密度层。注意在绝缘膜55与弹性膜50之间的界面上观察到的黑色部分是低密度层。在样品10中，如图中的箭头所示，确定了明显存在低密度层。而且，当存在此低密度层时，减小了绝缘膜55对弹性膜50的粘附力。相反，在采用150℃/sec的相对较高温度升高速率的样品12的SEM图像中，如图13(c)所示完全无法确定有低密度层。

从这些结果明显可见，为了获得绝缘膜55的粘附力，优选通过将锆层热氧化时的温度升高速率设成相对较快，或更具体而言将速率设成大于或等于50℃/sec，来避免绝缘膜55与弹性膜50之间的界面上低密度层的存在。

而且，在本发明的制造方法中，如此形成的绝缘膜55在预定温度下进一步进行退火以调节绝缘膜55的应力。更具体而言，通过在小于或等于上述锆层热氧化时的最大温度的温度下(例如在小于或等于900℃的温度下)使绝缘膜55退火，并改变在此情况下诸如温度或时间段之类的条件，来调节绝缘膜55的应力。例如在本实施例中，通过在850℃的加热温度和1小时的加热时间段的条件下使绝缘膜55退火来调节绝缘膜55的应力。热氧化之后绝缘膜55的应力为2.4×10⁸左右的压应力。相反，退火后绝缘膜55的应力变成2.94×10⁸左右的张应力。

如上所述，通过使绝缘膜55退火和进行应力调节来实现包括构成压电元件的各层在内的所有膜之间的应力平衡。所以，可以防止可归因于应力的膜的剥离以及裂纹出现。而且，还可以通过将退火加热温度设成小于或等于锆层热氧化时的最高温度来保持绝缘膜55的粘附力。在此，退火加热温度并不特别受限，只要该温度被设成小于或等于上述最高温度。但是，优选将加热温度设成尽可能高。如上所述，通过诸如加热温度或加热时间段之类的退火条件来确定绝缘膜的应力。因此，通过设定高的加热温度，可以在相对较短的时间内完成应力调节(退火)，由此提高了制造效率。

在此，研究退火前后绝缘膜的应力变化。更具体而言，通过使形成在弹性膜上的锆层在900℃的加热温度和5秒的加热时间段的条件下热氧化来形成绝缘膜。之后，在900℃的加热温度和60分钟的加热时间段的条件下使绝缘膜退火。然后，在退火时，在每个预定经过时间处检查绝缘膜的卷曲量。结果在图14中示出。注意这里所说的卷曲量等价于通道形成衬底晶片在约140mm的跨度中的中心部分处绝缘膜的卷曲量。

如图14所示，退火前绝缘膜的最大卷曲量约等于+30μm。就是说，退火前绝缘膜中出现卷曲使得弹性膜侧凹入。尽管此绝缘膜的卷曲量在约15分钟的退火时间段中变化很大，但是之后卷曲量也在负方向上继续逐渐变化。在从退火经过60分钟之后，绝缘膜产生最大卷曲量等于约-40μm的卷曲使得弹性膜侧凸出。从此结果明显可见，绝缘膜55的应力根据退火时间段而变化。因此，通过控制绝缘膜的退火时间段，可以将绝缘膜55调节到所期望的应力状况。当然，绝缘膜的应力不仅可以通过控制退火时间段，还可以通过控制温度来进行调节。

在此，还可以想到通过在焙烧压电层时退火来进行绝缘膜的应力调节。例如，可以通过修改诸如压电层70的焙烧温度之类的条件来调节绝缘膜的应力。但是，修改诸如压电层的焙烧温度之类的条件并不有利，因为所形成的压电层的物理性质可能改变，并且可能难以获得所期望的特性。

而且，还可以通过上述退火来减小绝缘膜粘附力在通道形成衬底晶片的面内方向上的不均匀性。在此，对未退火的对比示例的绝缘膜和经过退火的示例的绝缘膜研究粘附力的不均匀性。更具体而言，制造其中通过在上述条件下热氧化而在弹性膜上形成绝缘膜的多个样品(对比示例1A、1B和1C)，以及其中在热氧化之后使绝缘膜进一步退火的多个示例(示例1A、1B和1C)。然后，对根据各个示例和对比示例的每个样品在绝缘膜上进行刮擦测试。在此，如前所述，对通道形成衬底晶片110上的三个点(参见图11)进行刮擦测试。结果在图15和图16中示出。

如图15和图16所示，在对比示例1A至1C的样品中，绝缘膜的粘附力存在差别，最大约等于30mN。相反，在示例1A至1C的样品中，绝缘膜的粘附力存在非常小的差别。从此结果明显可见，可以通过热氧化形成绝缘膜并使绝缘膜进一步退火，来防止绝缘膜粘附力对通道形成衬底晶片的面内方向的不均匀性。而且，还可以使各个通道形成衬底晶片之间的绝缘膜粘附力的不均匀性最小。

(其他实施例)

上面已经描述了本发明的各个实施例。但是，注意本发明并不仅限于上述实施例。例如，在上述实施例中，绝缘膜55形成在弹性膜50上。但是，绝缘膜55仅仅需要形成为比弹性膜50更靠近压电层70。例如，另一层可以设置在弹性层50与绝缘层55之间。而且，在上述实施例中，针对液体喷头或喷墨记录头描述了本发明，所述液体喷头或喷墨记录头构造成安装在液体喷射设备上并作为示例包括作为液体喷射装置的致动器装置。但是，本发明的目标是整个广泛范围的致动器装置，且一定可应用于喷出除墨水之外其他液体的液体喷头。在此，其他液体喷头例如可以包括在诸如打印机的图像记录设备中使用的记录头，用于制造液晶显示器等的色彩过滤器的颜料喷头，用于形成有机EL显示器、FED(面发射显示器)等的电极的电极材料喷头，用于制造生物芯片的生物有机材料喷头。而且，本发明不仅可应用于安装在液体喷头上的致动器装置，也可应用于安装在各种装置上的致动器装置。除上述液体喷头之外，用于安装致动器装置的其他装置还可以包括例如传感器。

Claims (17)

1.一种制造致动器装置的方法，包括以下步骤：

在衬底的一个表面上形成振动板；以及

在所述振动板上形成具有下电极、压电层和上电极的压电元件，

其中所述形成振动板的步骤至少包括绝缘膜形成步骤，所述绝缘膜形成步骤通过按照溅射方法在所述衬底的所述一个表面侧之上形成锆层，并将形成有所述锆层的所述衬底以大于或等于200mm/min的速度插入加热到大于或等于700℃的温度的热氧化炉而使所述锆层热氧化，来形成由氧化锆制成的绝缘膜。

2.根据权利要求1所述的制造致动器装置的方法，

其中，加热所述热氧化炉的所述温度被设定在从850℃到1000℃的范围中。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的制造致动器装置的方法，

其中，在将所述衬底插入所述热氧化炉中时所述锆层的温度升高速率被设成大于或等于300℃/min。

4.根据权利要求3所述的制造致动器装置的方法，

其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的密度被设成大于或等于5.Og/cm³。

5.根据权利要求4所述的制造致动器装置的方法，

其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的膜厚被设成大于或等于40nm。

6.一种制造致动器装置的方法，包括以下步骤：

在衬底的一个表面上形成振动板；以及

在所述振动板上形成具有下电极、压电层和上电极的压电元件，

其中所述形成振动板的步骤至少包括以下步骤：

通过在所述衬底的所述一个表面侧之上形成锆层，并在以预定温度升高速率将所述锆层加热到预定温度的同时使所述锆层热氧化，而形成由氧化锆制成的绝缘膜，以及

通过在小于或等于所述锆层的热氧化中的最高温度的温度下使所述绝缘膜退火来调节所述绝缘膜的应力。

7.根据权利要求6所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述锆层热氧化时的所述温度升高速率被设成大于或等于5℃/sec。

8.根据权利要求7所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述锆层热氧化时的所述温度升高速率被设成大于或等于50℃/sec。

9.根据权利要求8所述的制造致动器装置的方法，

其中，在所述锆层热氧化时通过快速热退火方法来加热所述锆层。

10.根据权利要求7至10中任一项所述的制造致动器装置的方法，

其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的密度被设成大于或等于5.0g/cm³。

11.根据权利要求10所述的制造致动器装置的方法，

其中，在所述绝缘膜形成步骤中所述绝缘膜的膜厚被设成大于或等于40nm。

12.根据权利要求6至11中任一项所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述锆层热氧化时的温度被设定在从800℃到1000℃的范围中。

13.根据权利要求12所述的制造致动器装置的方法，

其中，在使所述绝缘膜退火时的温度被设定在从800℃到900℃的范围中。

14.根据权利要求13所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述绝缘膜的退火时间段被调节在从0.5小时到2小时的范围中。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述形成振动板的步骤包括在由单晶硅衬底制成的所述衬底的所述一个表面之上形成由二氧化硅制成的弹性膜的步骤，并且

所述绝缘膜形成在所述弹性膜之上。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的制造致动器装置的方法，

其中，所述形成压电元件的步骤至少包括在所述振动板之上形成由锆钛酸铅制成的所述压电层的步骤。

17.一种液体喷射设备，包括：

液体喷头，应用通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法制造的所述致动器装置作为液体喷射装置。

Images