JP2005297374A - 圧電素子アクチュエータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一定の駆動電圧および一定の性能の圧電体厚膜において、大きい変位量が得られる圧電素子アクチュエータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 単結晶のシリコン基板１に、酸化シリコン膜層２、Ｐｔ下部電極３、圧電体厚膜４および上部Ａｕ電極５を順次積層形成する。シリコン基板１の背面側の圧電体厚膜４に対応する位置の部分のシリコン基板１が、ドライエッチングにより完全に除去され、酸化シリコン膜層２が露出して圧力室７が形成され、酸化シリコン膜層２およびＰｔ下部電極が振動板６の役割をする。Ｐｔ下部電極３は、ガラスを含む厚膜電極３ａ、ガラスを含まない厚膜電極３ｂおよび薄膜電極の積層構造より構成し、シリコン基板１のエッチングをアルカリによるウエットエッチングにより行っても良い。
【選択図】図１

Description

この発明は、インク滴を吐出させて印刷を行うインクジェットプリンタ用のインクジェットヘッド等の圧電素子アクチュエータであって、圧電体厚膜により駆動される圧電素子アクチュエータとその製造方法に関する。

従来、例えばインクジェットプリンタのインクジェットヘッドは、インク滴を溜めて吐出させる圧力室に面して設けられた振動板を振動させて、圧力室内のインクに吐出圧力を与えるようにしている。この圧力室の振動板を振動させるのは一般に圧電素子であり、圧力室の位置に対応して振動板の表面に密着して圧電素子が設けられている。従来は、例えば特許文献１に開示されているように、圧力室がジルコニアセラミックスの積層体によって形成され、この上に密着して設けられている圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛系材料を印刷、焼成することによって形成されていた。
特開平６−４００３０号公報 特開平１１―２０７９５７号公報 特開平１１―３１４３７２号公報

しかし、高画質な画像を高速で出力するためのものや、産業用として多数のパターン形成を高速に行うためのインクジェットヘッドにおいては、多数のノズルを高密度に配置する必要があり、圧力室も高密度に多数配置しなければならない。したがって特許文献１に開示されているようなジルコニアセラミックスの積層体では、高密度化に限界があった。そこで、シリコン基板をエッチングにより微細加工することによって、圧力室を形成することが行われている。

シリコン基板上に、チタン酸ジルコン酸鉛系材料を印刷、焼成し、圧電素子を形成することが、特許文献２および特許文献３に開示されているが、実際に１０００℃で、チタン酸ジルコン酸鉛系材料を焼成した場合には、シリコン基板と蒸発した酸化鉛が反応し、シリコン基板表面にガラスが形成されてしまうという問題があった。このため、従来、特許文献２に開示されているように、酸化鉛の蒸発が起きない低温でチタン酸ジルコン酸鉛系材料を焼成することが多く検討されている。しかし、この方法では、十分な圧電特性を示すものを得られていない。したがって、このようなシリコン基板を用いた圧電素子アクチュエータでは、アクチュエータとしての十分な機能が発揮されていない。

そこで、シリコン基板をエッチングにより微細加工することによって圧力室を形成し、別途作製された積層型の圧電素子等を、圧力室の位置に対応して振動板の表面に接着剤で張り合わせ、切断して分割することが行われている。しかし、この方法は、製造コストがかかり、密着性にも問題がある。

さらに、図５に示すような構造のインクジェットヘッドも提案されている。このインクジェットヘッドは、単結晶のシリコン基板１の両面に、酸化シリコン膜層２が形成され、Ｐｔ下部電極３、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜４、およびＡｕ上部電極５が順次形成されている。さらに、その背面側には、シリコン基板１の背面がエッチングされて矩形の空間である圧力室７が形成されている。圧力室７は、表側内壁面と酸化シリコン膜層２との間に、シリコン基板１を所定厚さで残して形成された振動板６が設けられている。そして、別途ドライエッチングにより、ノズル８が形成された単結晶のシリコン基板によるノズル板９が、シリコン基板１の圧力室７の開口を塞いで張り合わせられ、インクジェットヘッド１０が形成されている。

このインクジェットヘッド１０は、酸化シリコン膜層２の表面にＰｔ下部電極３を形成し、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設けて焼成し、圧電体厚膜４を形成し、この後圧電体厚膜４の表面にＡｕ上部電極５を形成するものである。

しかしながら、図５に示すように、シリコン基板１に振動板６及び圧力室７を形成した場合、微細な構造とすることができるが、圧電駆動時の振動板６の変位が小さく、インクの吐出量が少なく、インクジェットヘッドとしての十分な性能が得られないものであった。

この発明は、前記従来の技術の問題点に鑑みて成されたもので、一定の駆動電圧および一定の性能の圧電体厚膜において、比較的大きい変位量が得られ、製造も安価に可能な圧電素子アクチュエータとその製造方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、前記課題に鑑みて鋭意研究した結果、本願発明の圧電素子アクチュエータを発明するに至ったもので、本願発明は、表面に酸化シリコン膜層が形成されたシリコン基板の、背面側の圧電体厚膜に対応する位置の部分のシリコン基板が、エッチングにより完全に除去され、酸化シリコン膜層が圧力室内に露出し、前記酸化シリコン膜層およびＰｔ下部電極が振動板の役割をする圧電素子アクチュエータである。これにより、この発明の圧電素子アクチュエータは、一定の駆動電圧および一定の性能の圧電体厚膜で、従来のシリコン基板の一部を振動板として使用するものよりも、大きい変位量が得られるものである。なお、この発明の圧電素子アクチュエータは、インクジェットヘッド、マイクロポンプ等において、その素子動作部であるマイクロアクチュエータとして利用されるものを言う。

この発明の圧電素子アクチュエータは、単結晶のシリコン基板に、酸化シリコン膜層、Ｐｔ下部電極、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜、及び上部Ａｕ電極が順次積層形成され、シリコン基板の背面側の圧電体厚膜に対応する位置の部分の前記シリコン基板が、エッチングにより完全に除去され、前記酸化シリコン膜層が露出して圧力室が形成され、この圧力室を覆うようにノズル板が設けられたものである。この場合、酸化シリコン膜層およびＰｔ下部電極が振動板の役割をする。

また、この発明の圧電素子アクチュエータの製造方法は、単結晶のシリコン基板に、酸化シリコン膜層、及びＰｔ下部電極を順次積層形成し、圧電体厚膜の形成の前又は後に圧電体厚膜に対応する位置の部分の前記シリコン基板を、前記酸化シリコン膜層が露出する程度にエッチングにより除去する圧電素子アクチュエータの製造方法である。さらに、前記Ｐｔ下部電極は、ガラスを含む厚膜電極、ガラスを含まない厚膜電極、及び薄膜電極の積層構造より構成し、前記シリコン基板のエッチングを、アルカリによるウエットエッチングにより行っても良い。

具体的には、単結晶のシリコン基板に、熱酸化法等により酸化シリコン膜層を形成し、酸化シリコン膜層にＰｔペーストをスクリーン印刷し、乾燥後、１２００〜１３７０℃程度で焼成し下部電極を形成する。次にチタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設け、８００〜９００℃の温度範囲で焼成し、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜を形成する。または、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設け、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成し、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜を形成する。この後、前記圧電体厚膜の表面にＡｕ上部電極を形成する。さらに、前記シリコン基板の背面側を、ドライエッチングにより、酸化シリコン膜層までエッチングし、圧力室を形成するものである。

また、この発明の圧電素子アクチュエータをウエットエッチングにより製造する方法は、単結晶のシリコン基板に、熱酸化法等により酸化シリコン膜層を形成する。この後、酸化シリコン膜層にガラス成分を含むＰｔペーストをスクリーン印刷し、乾燥後、１２００〜１３７０℃程度で焼成する。次に、ガラス成分を含まないＰｔペーストをスクリーン印刷し、乾燥後、１２００〜１３７０℃程度で焼成する。さらにこの上にＰｔ薄膜をスパッタにより形成する。この後にアルカリを用いたウエットエッチングにより、酸化シリコン膜層までシリコンをエッチングする。このような積層構造のＰｔ下部電極に対しては、酸化シリコン膜層までシリコンをエッチングする場合においても、Ｐｔ下部電極の剥離やふくれ等の問題が発生しない。次にチタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設け、８００〜９００℃の温度範囲で焼成し、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜を形成する。この後、前記圧電体厚膜の表面にＡｕ上部電極を形成することによってアクチュエータが完成する。

この発明の圧電素子アクチュエータ構造及びその製造方法によれば、シリコン基板を用いて高密度かつ高精度で圧力室を形成することができ、しかも、従来より低い圧電特性の圧電体厚膜を用いても、アクチュエータとして比較的大きな変位量を得ることができる。特に、インクジェットヘッドに適用した場合には、多数のノズルを高密度に配置したインクジェットヘッドを形成することができる。従って、高画質な画像を高速で出力するためのものや、産業用として多数のパターン形成を高速に行うためのインクジェットヘッドを高精度に作製することができる。

また、この発明の圧電素子アクチュエータの製造方法は、シリコン基板の振動板の表面側に、圧電体厚膜が印刷、焼成によって形成されるので、密着性がよく、組み立て工数が削減されてコストダウンを達成することができる。しかも圧電体厚膜を印刷技術により印刷形成するので、圧電体を限界まで小さく薄く高密度に形成することが可能である。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１、図２は、この発明の圧電素子アクチュエータ及びその製造方法の第一実施形態を示す。この実施形態の圧電素子アクチュエータはインクジェットヘッド１０についてのもので、例えば厚み２００μｍの単結晶のシリコン基板１の両面に、厚み２μｍの酸化シリコン膜層２が形成され、Ｐｔ下部電極３、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜４、およびＡｕ上部電極５が順次形成されている。

また、その背面側には、シリコン基板１の背面がエッチングされて、矩形の空間である圧力室７が形成されている。背面のシリコンは、酸化シリコン膜層２まで除去され、酸化シリコン膜層２が圧力室７内に露出し、酸化シリコン膜層２およびＰｔ下部電極３が振動板６の役割をしている。

そして、別途ドライエッチングにより、ノズル８が形成された単結晶シリコンの基板によるノズル板９が、シリコン基板１の圧力室７の開口を塞いで張り合わせられ、インクジェットヘッド１０が形成されている。なお、圧力室７には図示しないインク流路が形成され、インクが供給される。

次に、この実施形態のインクジェットヘッド１０の製造方法について、図２（ａ）〜（ｆ）を基にして説明する。まず、図２（ａ）に示すように、厚み２００μｍで面方位（１００）の単結晶シリコン基板１を用意し、熱酸化法により厚み２μｍの酸化シリコン膜層２を形成した。次に図２（ｂ）に示すように、Ｐｔペーストをスクリーン印刷し、乾燥後、１２００℃で１時間焼成した。これにより形成されたＰｔ下部電極３の厚みは４μｍであった。

次に図２（ｃ）に示すように、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設け、８５０℃の温度で１時間焼成し、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜４を形成した。圧電体厚膜４は、１回の印刷焼成で厚みが１０μｍの膜を形成することができ、これを３回くりかえすことにより、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜４の厚みを３０μｍとした。

次に、図２（ｄ）に示すように、Ａｕペーストをスクリーン印刷し、８１０℃で１０分の焼成によりＡｕ上部電極５を作製した。そして、図２（ｄ）の状態の試料について、上下電極５，３間に２５ｋＶ／ｃｍの電界を印加し、膜厚方向の歪みを測定することにより、圧電定数を測定したところ、ｄ３３＝１８０ｐＣ／Ｎの値が得られた。

さらに、図２（ｅ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、シリコン基板１の裏側で、圧電体厚膜４に対応した位置を、厚み方向に酸化シリコン層２までドライエッチングし、圧力室７を形成した。

次に、図２（ｆ）に示すように、別途、ＩＣＰドライエッチングによりノズル８が形成された他の単結晶シリコンの基板であるノズル板９を、陽極酸化接合により、圧力室７が形成されたシリコン基板１の裏面に張り合わせて、インクジェットヘッド１０を完成した。

図３により、インクジェットヘッドの圧電アクチュエータ素子の中心部の変位量とシリコン振動板の厚みの関係を示す。駆動電圧は３０Ｖ、周波数は４ｋＨｚである。図３に示すように、図５の従来構造のシリコン基板１を所定厚さで残した振動板においては、厚みが１９μｍの場合は実測値の変位が０．００６μｍ、シリコン振動板厚みが８μｍの場合は変位が０．０１７μｍであった。これに対して本発明構造のシリコン振動板厚みが０μｍの場合は変位が０．０５μｍであり、一定の駆動電圧および一定の性能の圧電体厚膜において、大きい変位量が得られることが確認された。なお図３の●は有限要素法によるシミュレーション結果を示しており、実測値とかなり一致していることがわかる。

この０．０５μｍの変位量は、従来の厚み１０μｍのジルコニア振動板上に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜を用いた圧電厚膜アクチュエータの変位量と同程度であった。この圧電定数ｄ３３は、バルクと同程度のｄ３３＝３８０ｐＣ／Ｎであった。

次に、この発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。ここで前記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して、一部説明を省略する。この実施形態では、シリコン基板１の圧力室７の形成を安価なウエットエッチングで、先に行い、その後にチタン酸ジルコン酸鉛系圧電体厚膜４の形成を行った。ウエットエッチングで、酸化シリコン膜層２までシリコンをエッチングする場合には、Ｐｔ下部電極の剥離やふくれ等の問題が発生する。そこで、この実施形態では、以下の工程を用いた。

まず、図４（ａ）に示すように、厚み２００μｍで面方位（１１０）の単結晶のシリコン基板１に熱酸化法により、厚み２μｍの酸化シリコン膜層２を形成した。

次に、図４（ｂ）に示すように、ガラスを含むペーストをスクリーン印刷し、１２００℃で１時間焼成することにより、シリコン基板との密着性に優れたガラスを含むＰｔ厚膜３ａを形成した。次にガラス成分を含まないＰｔペーストをスクリーン印刷し、１２００℃程度で焼成することにより、圧電体厚膜成分の拡散を防ぐ緻密なＰｔ厚膜３ｂを形成した。さらに、この上にＰｔ薄膜３ｃをスパッタにより形成し、積層構造の下部電極３を形成した。

次に、図４（ｃ）に示すようにＫＯＨ溶液を用いて異方性ウエットエッチングを行い、酸化シリコン膜層２までシリコンを除去した。このような積層構造のＰｔ下部電極３に対しては、酸化シリコン膜層２までシリコンをエッチングする場合においても、Ｐｔ下部電極３の剥離やふくれ等の問題が発生しなかった。これは、ガラスを含むＰｔ厚膜はシリコン基板１との密着性に優れているため、界面へのエッチング液の侵入が起きないためと考えられる。しかし、ガラスを含むＰｔ厚膜は、圧電体厚膜成分の拡散を防ぐ効果が小さいため、この上に形成された圧電体厚膜の圧電性は低下する。そこで、ガラスを含むＰｔ厚膜３ａの上に、ガラスを含まない緻密なＰｔ厚膜３ｂを積層することによって、ＫＯＨ溶液に対するエッチング耐性と圧電体厚膜４の圧電性の維持の両立が可能になった。さらにこの上にＰｔ薄膜３ｃをスパッタにより形成することにより、厚膜の結晶粒界が覆われ、これらの特性がより完全になることも確認された。

次に、図４（ｄ）に示すように、この下部電極３上に、チタン酸ジルコン酸鉛系ペーストをスクリーン印刷し、８５０℃で１時間の焼成を行った。

次に、図４（ｅ）に示すように、Ａｕペーストをスクリーン印刷し、８１０℃１０分の焼成により上部電極５を作製した。

そして、図４（ｆ）に示すように、別途、ＩＣＰドライエッチングによりノズル８が形成された単結晶シリコンの基板によるノズル板９を陽極酸化接合により、シリコン基板１の裏面に張り合わせることによって、インクジェットヘッド１０を完成した。この実施形態によっても、前記実施形態と同様の大きな変位量を得ることができた。

なお、この発明の圧電素子アクチュエータは、前記実施形態に限定されるものではなく、圧電体厚膜は、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜材料をスクリーン印刷法により設け、１２７０〜１３７０℃の温度範囲で焼成し、チタン酸ジルコン酸バリウム系圧電体厚膜を形成するものでも良い。また、この発明の圧電素子アクチュエータは、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの他、圧電素子をマイクロアクチュエータとして利用する医療用や環境分析用のマイクロポンプなどにも利用することができる。

この発明の第一実施形態のインクジェットヘッドの概略を示す縦断面図である。 この実施形態のインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図（ａ）〜（ｆ）である。 シリコン基板に形成したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータ素子の、中心部の変位量とシリコン振動板の厚みの関係を示す図である。 この発明の第二実施形態のインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図（ａ）〜（ｆ）である。 従来のインクジェットヘッドの概略を示す縦断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 酸化シリコン膜層
３ 下部電極
４ 圧電体厚膜
５ 上部電極
６ 振動板
７ 圧力室
８ ノズル
９ ノズル板
１０ インクジェットヘッド

Claims (4)

1. 単結晶のシリコン基板に、酸化シリコン膜層、Ｐｔ下部電極、圧電体厚膜、及び上部Ａｕ電極が順次積層形成され、前記シリコン基板の背面側の前記圧電体厚膜に対応する位置の部分の前記シリコン基板が、エッチングにより完全に除去され、前記酸化シリコン膜層およびＰｔ下部電極が振動板として機能することを特徴とする圧電素子アクチュエータ。
2. 前記Ｐｔ下部電極は、ガラスを含む厚膜電極、ガラスを含まない厚膜電極、及び薄膜電極の積層構造より構成されたことを特徴とする請求項１記載の圧電素子アクチュエータ。
3. 単結晶のシリコン基板に、酸化シリコン膜層、及びＰｔ下部電極を順次積層形成し、圧電体厚膜に対応する位置の部分の前記シリコン基板を、前記酸化シリコン膜層が露出する程度にエッチングにより除去することを特徴とする圧電素子アクチュエータの製造方法。
4. 前記Ｐｔ下部電極は、ガラスを含む厚膜電極、ガラスを含まない厚膜電極、及び薄膜電極の積層構造より構成し、前記シリコン基板のエッチングを、アルカリによるウエットエッチングにより行うことを特徴とする請求項３記載の圧電素子アクチュエータの製造方法。
   
   

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