JP2008100887A - Raw material powder for film deposition, film structure, method for producing them and piezoelectric element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To promote grain growth and improvement of characteristics upon annealing in a film deposited by an AD (Aerosol Deposition) process, in the production of raw material powder for film deposition used for film deposition by an AD process, by uniformly sticking a grain growth auxiliary to the surface of each base material grain. <P>SOLUTION: In the method for producing raw material powder for film deposition, raw material powder is sprayed toward a substrate, so as to produce raw material used for depositing a film having the composition of the raw material powder. The method comprises: a stage (a) where, using the nitrate or sulfate of a prescribed element, a grain growth auxiliary having a prescribed composition is stuck to the surface of each base material grain including a lead-based piezoelectric material; and a stage (b) where energy is applied to the grain growth auxiliary stuck to the surface of each base material grain, thus the remaining nitrate or sulfate or nitrate ions or sulfate ions which have been comprised therein are decomposed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、原料の粉体を分散させたエアロゾルを基板に向けて吹き付けることによって基板上に原料を堆積させるエアロゾルデポジション(Aerosol Deposition:AD)法において用いられる原料粉、そのような原料粉を用いて製造される膜構造体、及び、それらの製造方法に関する。さらに、本発明は、そのような原料粉を用いて製造される圧電素子に関する。   The present invention relates to a raw material powder used in an aerosol deposition (AD) method in which a raw material is deposited on a substrate by spraying an aerosol in which the raw material powder is dispersed toward the substrate. The present invention relates to a film structure manufactured using the same and a manufacturing method thereof. Furthermore, the present invention relates to a piezoelectric element manufactured using such raw material powder.

近年、微小電気機械システム(MEMS:micro electrical mechanical system)の分野においては、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電圧を印加することにより所定の機能を発現する電子セラミック等の機能性材料を含む素子を、成膜技術を用いて製造する研究が盛んに進められている。   In recent years, in the field of micro electrical mechanical systems (MEMS), electrons that exhibit a predetermined function by applying voltage, such as dielectrics, piezoelectrics, magnetics, pyroelectrics, and semiconductors. Research for manufacturing elements including functional materials such as ceramics by using a film forming technique is actively underway.

一般に、基板の表面に脆性材料の膜を形成する方法として、エアロゾルデポジション法(以下、「AD法」ともいう)が知られている。AD法とは、原料の微小な粉体をガスに分散させることにより生成されたエアロゾルを基板に向けて噴射することによって、原料を基板上に堆積させる成膜方法である。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。なお、AD法は、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。   In general, an aerosol deposition method (hereinafter also referred to as “AD method”) is known as a method for forming a film of a brittle material on the surface of a substrate. The AD method is a film forming method in which a raw material is deposited on a substrate by spraying an aerosol generated by dispersing fine powder of the raw material in a gas toward the substrate. Here, the aerosol refers to solid or liquid fine particles suspended in a gas. The AD method is also called a jet deposition method or a gas deposition method.

AD法においては、高速で噴射された成膜用原料粉が、基板や先に形成された堆積物等の下層に衝突して食い込み、衝突の際に粉体が破砕して生成された破砕面が下層に付着するメカノケミカル反応によって成膜される。そのようなAD法を用いることにより、不純物を含まない、緻密で強固な厚膜を形成することができる。そのため、例えば、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタヘッド、超音波トランスデューサ等の圧電素子に用いられる圧電膜をAD法によって形成することにより、それらの機器の性能を向上させることができると期待されている。   In the AD method, the raw material powder for film formation sprayed at a high speed collides with the substrate and the lower layer such as the previously formed deposit, and the crushing surface generated by crushing the powder at the time of the collision. Is formed by a mechanochemical reaction that adheres to the lower layer. By using such an AD method, a dense and strong thick film that does not contain impurities can be formed. Therefore, for example, it is expected that the performance of these devices can be improved by forming a piezoelectric film used for piezoelectric elements such as piezoelectric actuators, piezoelectric pumps, inkjet printer heads, ultrasonic transducers, etc. by the AD method. Yes.

また、近年においては、AD法において用いられる成膜用原料粉の改良が進められており、これによって、AD法における幾つかの問題点を解決することができると考えられている。それらの問題点の内の1つとして、エアロゾル中に含まれている成膜用原料粉が凝集し、成膜装置を構成しているノズルや配管の内壁に付着して、その結果、基板上に成膜される厚さにむらが生じてしまうという問題点がある。この問題点に対しては、成膜用原料粉の組成材料を工夫することによって、成膜用原料粉の流動性を向上させるという対策が考えられている。さらに、成膜用原料粉の改良は、基板上に成膜される構造物の特性を向上させることにも大きく関係するので、AD法に用いられる成膜用原料粉の製造方法については、様々な技術が開発されている。   In recent years, the film forming raw material powder used in the AD method has been improved, and it is considered that several problems in the AD method can be solved. As one of those problems, the raw material powder for film formation contained in the aerosol aggregates and adheres to the inner walls of the nozzles and pipes constituting the film formation apparatus, and as a result, on the substrate. There is a problem that unevenness occurs in the thickness of the film. In order to solve this problem, it has been considered to improve the fluidity of the film forming raw material powder by devising the composition material of the film forming raw material powder. Furthermore, since the improvement of the raw material powder for film formation is greatly related to improving the characteristics of the structure formed on the substrate, there are various methods for manufacturing the raw material powder for film formation used in the AD method. Technology has been developed.

関連する技術として、下記の特許文献1及び特許文献2には、1種類以上の延性材料を脆性材料微粒子表面にコーティングさせる工程を経て複合微粒子を形成した後、該複合微粒子を基材表面に高速で衝突させる複合構造物の作成方法が記載されている。この複合構造物の作成方法によれば、低い比誘電率を有し、緻密な組織構造を有する複合構造物が生成されることができると記載されている。しかしながら、特許文献1及び特許文献2には、具体例として、延性材料の粉体と脆性材料の粉体とを混ぜ合わせてAD法による成膜を行ったことしか記載されておらず、脆性材料微粒子表面にコーティングされる延性材料を均一に分散させた場合の効果等については記載されていない。   As related technologies, in Patent Document 1 and Patent Document 2 below, composite fine particles are formed through a process of coating one or more types of ductile materials on the surface of brittle material fine particles, and then the composite fine particles are rapidly applied to the substrate surface. Describes a method of creating a composite structure to be collided with. According to this composite structure creation method, it is described that a composite structure having a low relative dielectric constant and a dense structure can be generated. However, Patent Document 1 and Patent Document 2 only describe that a ductile material powder and a brittle material powder are mixed to form a film by an AD method as a specific example. There is no description of the effect of uniformly dispersing the ductile material coated on the surface of the fine particles.

また、下記の特許文献3及び特許文献4には、脆性材料微粒子表面に別の脆性材料をコーティングさせる工程を経て複合微粒子を形成した後、該複合微粒子を基材表面に高速で衝突させる複合構造物の作成方法が記載されている。しかしながら、特許文献3及び特許文献4においても、具体例として、脆性材料の粉体と別の脆性材料の粉体とを混ぜ合わせてAD法による成膜を行ったことしか記載されておらず、脆性材料微粒子表面にコーティングされる別の脆性材料を均一に分散させた場合の効果等については記載されていない。   Patent Document 3 and Patent Document 4 below describe a composite structure in which a composite fine particle is formed through a step of coating a brittle material fine particle surface with another brittle material, and then the composite fine particle collides with the substrate surface at high speed. It describes how to make things. However, also in Patent Document 3 and Patent Document 4, as a specific example, only the film formed by the AD method by mixing the powder of the brittle material and the powder of another brittle material is described, There is no description on the effect of uniformly dispersing another brittle material coated on the surface of the brittle material fine particles.

さらに、下記の特許文献5には、エアロゾルの生成における原料粉の凝縮を抑制するために、母材となる第1の粒子と、該第1の粒子よりも小さい粒径を有し、該第1の粒子の表面を覆うように固着している第2の粒子とを含む成膜用原料粉を用意する工程(a)と、工程(a)において用意された成膜用原料粉を基板に向けて噴射することにより、基板上に成膜用原料粉の組成材料を堆積させる工程(b)とを具備する成膜方法が記載されている。しかしながら、特許文献5には、形成された膜における第2の粒子の組成材料の偏析を防止して特性を改善するための方策は記載されていない。
特開2003−277948号公報(第7、10頁、図4) 国際公開2002/36855(第5頁、図4) 特開2003−277949号公報(第8、10頁、図4) 国際公開2002/34966(第5頁、図4) 特開2005−344171号公報(第5、7頁、図3)
Further, in Patent Document 5 below, in order to suppress the condensation of the raw material powder in the generation of the aerosol, the first particle as a base material and a particle size smaller than the first particle, A step (a) of preparing a film forming raw material powder containing second particles fixed so as to cover the surface of one particle, and the film forming raw material powder prepared in step (a) on the substrate A film forming method including a step (b) of depositing a composition material of film forming raw material powder on a substrate by spraying toward the substrate. However, Patent Document 5 does not describe a measure for preventing the segregation of the composition material of the second particles in the formed film and improving the characteristics.
JP2003-277948A (7th, 10th page, FIG. 4) International Publication 2002/36855 (5th page, FIG. 4) JP2003-277949A (page 8, page 10, FIG. 4) International Publication 2002/34966 (5th page, FIG. 4) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-344171 (5th and 7th pages, FIG. 3)

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、AD法による成膜に用いられる成膜用原料粉の製造において、粒成長助剤を母材粒子の表面に均一に固着させることにより、AD法によって形成される膜のアニール時の粒成長や特性改善を促進することを目的とする。   Therefore, in view of the above points, the present invention provides a method for producing a raw material powder for film formation used in film formation by the AD method. The object is to promote grain growth and property improvement during annealing of the formed film.

上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る成膜用原料粉の製造方法は、原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成するために用いられる原料粉を製造する方法であって、鉛(Pb)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種の元素の硝酸塩又は硫酸塩を用いて、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤を、鉛系圧電材料を含む母材粒子の表面に固着させる工程(a)と、母材粒子の表面に固着した粒成長助剤にエネルギーを加えることによって、残留する硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンを分解する工程(b)とを具備する。 In order to solve the above-mentioned problems, a film forming raw material powder manufacturing method according to one aspect of the present invention is used to form a film having a raw material powder composition by spraying the raw material powder onto a substrate. A method for producing raw material powder, selected from lead (Pb), zinc (Zn), cerium (Ce), copper (Cu), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), and nickel (Ni) Using at least one elemental nitrate or sulfate of lead, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), A grain growth aid containing at least one composition selected from dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ) and nickel oxide (NiO) is fixed to the surface of the base material particle containing the lead-based piezoelectric material. And (b) a step of decomposing remaining nitrates or sulfates or nitrate ions or sulfate ions contained therein by applying energy to the grain growth aid fixed to the surface of the base material particles (b) ).

本発明の1つの観点に係る膜構造体の製造方法は、原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成する膜構造体の製造方法であって、鉛(Pb)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種の元素の硝酸塩又は硫酸塩を用いて、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤を、鉛系圧電材料を含む母材粒子の表面に固着させる工程(a)と、母材粒子の表面に固着した粒成長助剤にエネルギーを加えることによって、残留する硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンを分解する工程(b)と、工程(b)において得られた原料粉をエアロゾル状態にして基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を基板上に直接又は間接的に形成する工程(c)と、膜構造体に対して熱処理を施すことにより、膜中の結晶粒を成長させる工程(d)とを具備する。 A manufacturing method of a film structure according to one aspect of the present invention is a manufacturing method of a film structure in which a film having a composition of raw material powder is formed by spraying the raw material powder toward a substrate. ), Zinc (Zn), cerium (Ce), copper (Cu), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), and at least one element nitrate or sulfate selected from nickel (Ni) Used, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and nickel oxide A step (a) of fixing a grain growth aid containing at least one composition selected from among (NiO) to the surface of the base material particle containing the lead-based piezoelectric material; and a grain fixed to the surface of the base material particle Step (b) for decomposing remaining nitrates or sulfates or nitrate ions or sulfate ions contained therein by applying energy to the growth aid, and the raw material powder obtained in step (b) in an aerosol state The step (c) of forming a film having the composition of the raw material powder directly or indirectly on the substrate by spraying it toward the substrate, and the film structure is subjected to a heat treatment to produce crystals in the film. And (d) growing a grain.

また、本発明の1つの観点に係る成膜用原料粉は、原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成するために用いられる原料粉であって、鉛系圧電材料を含む母材粒子と、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含み、母材粒子の表面を覆うように固着している粒成長助剤とを具備する。 The film forming raw material powder according to one aspect of the present invention is a raw material powder used for forming a film having a composition of raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate, and is a lead-based powder. Base material particles containing a piezoelectric material, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3) And a grain growth aid comprising at least one composition selected from nickel oxide (NiO) and fixed so as to cover the surface of the base material particles.

本発明の1つの観点に係る膜構造体は、原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成することによって製造される膜構造体であって、(a)基板と、(b)基板上に直接又は間接的に形成された膜であって、鉛系圧電材料を含み10nm以上500nm以下の平均粒径を有する結晶粒と、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤とを含む膜とを具備する。 A film structure according to one aspect of the present invention is a film structure manufactured by forming a film having a composition of a raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate, and (a) a substrate And (b) a film formed directly or indirectly on the substrate, including a lead-based piezoelectric material and having an average grain size of 10 nm to 500 nm, lead oxide (PbO), zinc oxide ( ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and at least one selected from nickel oxide (NiO) And a film containing a grain growth aid containing the composition.

さらに、本発明の1つの観点に係る圧電素子は、原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成することによって製造される圧電素子であって、(a)第1の電極と、(b)第1の電極上に形成された圧電体膜であって、鉛系圧電材料を含む結晶粒と、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤とを含む圧電体膜と、(c)圧電体膜上に形成された第2の電極とを具備する。 Furthermore, a piezoelectric element according to one aspect of the present invention is a piezoelectric element manufactured by forming a film having a composition of raw material powder by spraying the raw material powder toward a substrate, and (a) first 1, (b) a piezoelectric film formed on the first electrode, comprising crystal grains containing a lead-based piezoelectric material, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO) 2 ), a grain growth aid comprising at least one composition selected from copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO) And (c) a second electrode formed on the piezoelectric film.

本発明によれば、母材粒子の表面に固着した粒成長助剤にエネルギーを加えて、粒成長助剤を母材粒子の表面に均一に固着させることにより、AD法によって形成される膜のアニール時の粒成長や特性改善を促進することができる。   According to the present invention, energy is applied to the grain growth aid fixed to the surface of the base material particle, and the grain growth aid is uniformly fixed to the surface of the base material particle, thereby forming a film formed by the AD method. It is possible to promote grain growth and property improvement during annealing.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る膜構造体の製造方法を示すフローチャートである。
まず、成膜用原料粉の製造について説明する。ステップS1において、母材粒子の材料である鉛系圧電材料(具体的には、フルウチ化学株式会社製のPNN−PZT)の粉末をIPA(イソプロピルアルコール)等の溶媒に分散させる。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a membrane structure according to an embodiment of the present invention.
First, the production of film forming raw material powder will be described. In step S1, a powder of lead-based piezoelectric material (specifically, PNN-PZT manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.), which is a material of the base material particles, is dispersed in a solvent such as IPA (isopropyl alcohol).

さらに、ステップS2において、所望の焼結助剤の原料を溶媒に溶解して溶液を作成する。焼結助剤の原料としては、鉛(Pb)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種類の元素の硝酸塩又は硫酸塩が用いられる。なお、粉末の凝集を防ぐために、分散剤として界面活性剤を添加しても良い。   Further, in step S2, a desired sintering aid raw material is dissolved in a solvent to prepare a solution. The raw material for the sintering aid is selected from lead (Pb), zinc (Zn), cerium (Ce), copper (Cu), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), and nickel (Ni). In addition, at least one elemental nitrate or sulfate is used. In order to prevent the powder from agglomerating, a surfactant may be added as a dispersant.

ステップS3において、ロータリーエバポレータを用いて、溶液中の溶媒を蒸発させながら、溶液を母材粒子に付着させていく。この過程において、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の微粉末粒子が、焼結助剤の成分として母材粒子に固着してコーティングされる。ただし、硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン(NO )又は硫酸イオン(SO 2+)の一部も、焼結助剤中に残留する。 In step S3, the solution is attached to the base material particles while evaporating the solvent in the solution using a rotary evaporator. In this process, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and oxidation Fine powder particles of nickel (NiO) are fixedly coated on the base material particles as a component of the sintering aid. However, nitrates or sulfates, or some of the nitrate ions (NO 3 + ) or sulfate ions (SO 4 2+ ) contained in them also remain in the sintering aid.

そこで、本実施形態においては、ステップS4において、成膜用原料粉に対して、所定の温度における熱処理(アニール処理)を施す。この熱処理は、成膜用原料粉にエネルギーを加えることによって、ポア(空隙)や膜割れの原因となる硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンを分解して、SO、NO等のガスとして排出することにより、成膜用原料粉を安定な前駆体とすることを目的としている。 Therefore, in this embodiment, in step S4, the film forming raw material powder is subjected to heat treatment (annealing treatment) at a predetermined temperature. In this heat treatment, energy is applied to the raw material powder for film formation to decompose nitrates or sulfates that cause pores or film cracking, or nitrate ions or sulfate ions contained therein, and SO 2. , by discharging a gas, such as NO 2, it is intended to the film-forming raw material powder and stable precursors.

熱処理温度は、温度に対する重量変化を観察するために用いられる示差熱熱重量測定装置(TG/DTA)等を用いて、熱処理における成膜用原料粉の重量変化を測定することにより決定される。本実施形態においては、焼結助剤の原料である硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンが分解する温度に基づいて、アニール温度が、550℃〜650℃、さらに好ましくは600℃に決定されている。   The heat treatment temperature is determined by measuring the weight change of the raw material powder for film formation in the heat treatment using a differential thermogravimetric measuring device (TG / DTA) used for observing the weight change with respect to the temperature. In the present embodiment, the annealing temperature is 550 ° C. to 650 ° C., more preferably based on the temperature at which nitrate or sulfate, which is a raw material of the sintering aid, or nitrate ions or sulfate ions contained therein is decomposed. Is determined at 600 ° C.

ステップS4において、成膜用原料粉に対して熱処理を施す替わりに、成膜用原料粉に電磁波を照射することによってエネルギーを加えるようにしても良い。本願においては、焼結助剤を安定化及び均一化するために、複合微粒子である成膜用原料粉に対してエネルギーを加える各種の処理を「安定化処理」ともいう。   In step S4, instead of heat-treating the film forming raw material powder, energy may be applied by irradiating the film forming raw material powder with electromagnetic waves. In the present application, in order to stabilize and homogenize the sintering aid, various processes for applying energy to the raw material powder for film formation that is a composite fine particle are also referred to as “stabilization process”.

また、ステップS3において、ロータリーエバポレータを用いて焼結助剤を母材粒子にコーティングする実施例の替わりに、次のような方法を用いても良い。これらの方法によっても、実施例と同様の効果を確認できている。
第1の方法として、液化させた焼結助剤を、流動スプレードライ法を用いて母材粒子に吹き付けることにより、焼結助剤を母材粒子にコーティングすることができる。
Further, in step S3, the following method may be used in place of the embodiment in which the base material particles are coated with the sintering aid using a rotary evaporator. Also by these methods, the same effects as those in the example can be confirmed.
As a first method, the sintering aid can be coated onto the base material particles by spraying the liquefied sintering aid onto the base material particles using a fluid spray drying method.

第2の方法として、焼結助剤を気化させ、それを母材粒子に付着させることにより、焼結助剤を母材粒子にコーティングすることができる。例えば、株式会社広築製のバッチ式ロータリーキルンやロータリーチューブ炉を用いて焼結助剤を加熱することにより気化させて、それを母材粒子にコーティングすることができる。あるいは、株式会社奈良機械製作所製のレーザアブレーションシステムを用いて、焼結助剤にレーザ光線を照射することにより気化させて、それを母材粒子にコーティングすることができる。   As a second method, the sintering aid can be coated on the base material particles by vaporizing the sintering aid and attaching it to the base material particles. For example, it is possible to vaporize the sintering aid by heating it using a batch rotary kiln or rotary tube furnace manufactured by Hiroki Co., Ltd., and coat it on the base material particles. Alternatively, using a laser ablation system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd., the sintering aid can be vaporized by irradiating it with a laser beam and coated on the base material particles.

次に、成膜工程について説明する。このようにして製造された成膜用原料粉を用いて、ステップS5において、AD法による成膜が行われる。成膜用原料粉の平均粒径は、AD法によって緻密な膜を形成するために適した粒径である0.1μm以上10μm以下、さらに好ましくは、0.3μm以上1μm以下にすることが望ましい。成膜用原料粉は、基板に衝突することによって破砕されるが、これによって形成されるAD膜の平均粒径は、10nm以上500nm以下となる。   Next, the film forming process will be described. Using the film forming raw material powder thus manufactured, film formation by the AD method is performed in step S5. The average particle size of the raw material powder for film formation is preferably from 0.1 μm to 10 μm, more preferably from 0.3 μm to 1 μm, which is a particle size suitable for forming a dense film by the AD method. . The film forming raw material powder is crushed by colliding with the substrate, and the average particle diameter of the AD film formed thereby is 10 nm or more and 500 nm or less.

その後、ステップS6において、AD膜に対し、800℃の空気雰囲気中においてアニール処理(熱処理)が施される。これにより、AD膜中の結晶粒が成長して粒径が拡大する。本実施形態においては、安定化処理が施された焼結助剤を母材粒子にコーティングして製造された成膜用原料粉を用いることによって、アニール処理において粒界に液相を形成し、アニール温度を低温化して、結晶粒の成長を促進することができる。   Thereafter, in step S6, the AD film is annealed (heat treatment) in an air atmosphere at 800 ° C. As a result, crystal grains in the AD film grow and the grain size increases. In the present embodiment, a liquid phase is formed at the grain boundary in the annealing process by using the film forming raw material powder produced by coating the base material particles with the sintering aid subjected to the stabilization process, Crystal growth can be promoted by lowering the annealing temperature.

図2は、本発明の一実施形態に係る膜構造体の製造方法において用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。図2に示すように、この成膜装置は、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成部1〜4と、成膜部6〜9と、両者を接続しているエアロゾル搬送管5と、各部の動作を制御する制御部10とを含んでいる。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a film forming apparatus used in the method for manufacturing a film structure according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, this film forming apparatus includes aerosol generating units 1 to 4 that generate aerosols, film forming units 6 to 9, an aerosol transport pipe 5 that connects the two, and operations of the respective units. The control part 10 which controls is included.

エアロゾル生成部は、エアロゾル生成室1と、振動台2と、巻上げガスノズル3と、圧力調整ガスノズル4とを含んでいる。エアロゾル生成室1は、成膜用原料粉11が配置される容器であり、ここで、エアロゾルの生成が行われる。また、エアロゾル生成室1は、成膜用原料粉11を攪拌することにより効率的にエアロゾルを生成するために、所定の周波数で振動する振動台2の上に設置されている。   The aerosol generation unit includes an aerosol generation chamber 1, a vibration table 2, a hoisting gas nozzle 3, and a pressure adjusting gas nozzle 4. The aerosol generation chamber 1 is a container in which the raw material powder 11 for film formation is disposed, and here, aerosol generation is performed. The aerosol generation chamber 1 is installed on a vibration table 2 that vibrates at a predetermined frequency in order to efficiently generate aerosol by stirring the film forming raw material powder 11.

巻上げガスノズル3は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室1内に導入することにより、サイクロン流を生成する。それにより、エアロゾル生成室1内に配置された成膜用原料粉11が巻き上げられて分散し、エアロゾルが生成される。   The winding gas nozzle 3 generates a cyclone flow by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generation chamber 1. Thereby, the film-forming raw material powder 11 disposed in the aerosol generation chamber 1 is rolled up and dispersed to generate an aerosol.

圧力調整ガスノズル4は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室1内に導入することにより、エアロゾル生成室1内のガス圧を調整する。それにより、エアロゾル生成室1内の圧力と成膜室6内の圧力との差が調整される。   The pressure adjusting gas nozzle 4 adjusts the gas pressure in the aerosol generating chamber 1 by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generating chamber 1. Thereby, the difference between the pressure in the aerosol generation chamber 1 and the pressure in the film formation chamber 6 is adjusted.

巻上げガスノズル3及び圧力調整ガスノズル4によって導入されるガスの流量は、流量調整部3a及び4aによって調節される。また、巻上げガスノズル3及び圧力調整ガスノズル4によって供給されるキャリアガスとしては、He(ヘリウム)、O(酸素)、N(窒素)、Ar(アルゴン)、若しくは、それらの混合ガス、又は、乾燥空気等が用いられる。なお、図2に示すエアロゾル生成部において、粉体供給装置として一般に知られているパウダーフィーダが用いられても良い。 The flow rate of the gas introduced by the winding gas nozzle 3 and the pressure adjusting gas nozzle 4 is adjusted by the flow rate adjusting units 3a and 4a. The carrier gas supplied by the hoisting gas nozzle 3 and the pressure adjusting gas nozzle 4 is He (helium), O 2 (oxygen), N 2 (nitrogen), Ar (argon), or a mixed gas thereof, or Dry air or the like is used. In addition, in the aerosol production | generation part shown in FIG. 2, the powder feeder generally known as a powder supply apparatus may be used.

エアロゾル搬送管5は、エアロゾル生成部から成膜部に向けてエアロゾルを搬送する経路である。成膜室6において、エアロゾル搬送管5は、エアロゾルを噴射するノズル7に接続されている。   The aerosol transport pipe 5 is a path for transporting the aerosol from the aerosol generating unit toward the film forming unit. In the film forming chamber 6, the aerosol transport pipe 5 is connected to a nozzle 7 for injecting aerosol.

成膜部は、成膜室6と、噴射ノズル7と、基板ステージ8と、排気管9とを含んでいる。成膜室6の内部は、排気管9に接続されている排気ポンプによって排気されており、それによって所定の真空度に保たれている。噴射ノズル7は、所定の形状及び大きさの開口を有しており、エアロゾル生成室1からエアロゾル搬送管5を介して供給される成膜用原料粉のエアロゾルを、基板12に向けて噴射する。なお、噴射ノズル7から噴射されるエアロゾルの速度は、エアロゾル生成室1と成膜室6との間の圧力差によって決定される。   The film forming unit includes a film forming chamber 6, an injection nozzle 7, a substrate stage 8, and an exhaust pipe 9. The inside of the film forming chamber 6 is evacuated by an evacuation pump connected to an evacuation pipe 9, thereby maintaining a predetermined degree of vacuum. The injection nozzle 7 has an opening of a predetermined shape and size, and injects the aerosol of the film forming raw material powder supplied from the aerosol generation chamber 1 through the aerosol transport pipe 5 toward the substrate 12. . The velocity of the aerosol ejected from the ejection nozzle 7 is determined by the pressure difference between the aerosol generation chamber 1 and the film formation chamber 6.

基板12が固定されている基板ステージ8は、噴射ノズル7と基板12との相対位置及び相対速度を制御するための3次元的に移動可能なステージである。この相対速度を調節することにより、1往復あたりに形成される膜の厚さが制御される。また、基板ステージ8には、基板12を所定の温度に保つための加熱ヒータが搭載されていても良い。なお、本実施形態においては、基板ステージ8側を移動させることにより、ノズル7と基板ステージ8との相対位置を変化させているが、基板12の位置を固定してノズル7側を移動させるようにしても良い。   The substrate stage 8 on which the substrate 12 is fixed is a three-dimensionally movable stage for controlling the relative position and relative speed between the spray nozzle 7 and the substrate 12. By adjusting this relative speed, the thickness of the film formed per reciprocation is controlled. The substrate stage 8 may be equipped with a heater for keeping the substrate 12 at a predetermined temperature. In this embodiment, the relative position between the nozzle 7 and the substrate stage 8 is changed by moving the substrate stage 8 side. However, the position of the substrate 12 is fixed and the nozzle 7 side is moved. Anyway.

次に、図2に示す成膜装置の基本的な動作について説明する。
AD法においては、成膜用原料粉として、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やAl(アルミナ)等のセラミック粉が用いられる。図2に示すように、そのような成膜用原料粉11をエアロゾル生成室1に配置すると共に、基板12を基板ステージ8上に配置する。
Next, the basic operation of the film forming apparatus shown in FIG. 2 will be described.
In the AD method, ceramic powder such as PZT (lead zirconate titanate) or Al 2 O 3 (alumina) is used as the raw material powder for film formation. As shown in FIG. 2, such film forming raw material powder 11 is disposed in the aerosol generation chamber 1, and the substrate 12 is disposed on the substrate stage 8.

成膜装置を駆動すると、エアロゾル生成室1において生成されたエアロゾルが、エアロゾル搬送管5を通って成膜室6に導入され、ノズル7から噴射されて基板12に吹き付けられる。このエアロゾル中の成膜用原料粉11が、基板12に衝突してメカノケミカル反応を起こすことによって、基板12上に堆積する。その際に、制御部10の制御の下で、基板ステージ8を所定の速度で移動させることにより、ノズル7によって基板12が走査され、ノズル7と基板12との相対速度に応じたレートで、成膜用原料粉11と同じ組成を有する膜13が形成される。   When the film forming apparatus is driven, the aerosol generated in the aerosol generating chamber 1 is introduced into the film forming chamber 6 through the aerosol transport pipe 5, sprayed from the nozzle 7, and sprayed onto the substrate 12. The film forming raw material powder 11 in the aerosol is deposited on the substrate 12 by colliding with the substrate 12 and causing a mechanochemical reaction. At that time, by moving the substrate stage 8 at a predetermined speed under the control of the control unit 10, the substrate 12 is scanned by the nozzle 7 and at a rate according to the relative speed between the nozzle 7 and the substrate 12. A film 13 having the same composition as the film forming raw material powder 11 is formed.

本実施形態においては、キャリアガスとして酸素ガスが用いられ、また、ガスの流量は、流量調整部3a及び4aによって毎分6リットルに調整される。また、基板12としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)基板上に、スパッタリング法によって50nmの酸化チタン(TiO)と500nmの白金(Pt)とを成膜することにより電極を形成したものが用いられる。そのような基板12上に、室温において、既に説明した成膜装置を用いて膜13が形成される。この場合には、YSZ基板上に電極を介して間接的にAD膜が形成されることになるが、YSZ基板上に直接的にAD膜を形成しても良い。あるいは、複数の電極とAD膜とを繰り返して形成することにより、積層構造体を構成するようにしても良い。 In the present embodiment, oxygen gas is used as the carrier gas, and the gas flow rate is adjusted to 6 liters per minute by the flow rate adjusting units 3a and 4a. Further, as the substrate 12, a substrate in which an electrode is formed by depositing 50 nm of titanium oxide (TiO 2 ) and 500 nm of platinum (Pt) on a YSZ (yttria stabilized zirconia) substrate by a sputtering method is used. It is done. A film 13 is formed on such a substrate 12 at room temperature using the film forming apparatus already described. In this case, the AD film is indirectly formed on the YSZ substrate via the electrode, but the AD film may be directly formed on the YSZ substrate. Alternatively, a laminated structure may be formed by repeatedly forming a plurality of electrodes and an AD film.

ここで、本発明の一実施形態に係る成膜用原料粉について説明する。
本実施形態に係る成膜用原料粉は、脆性材料の粒子(母材粒子)の周りに、これとは異なる脆性材料又は延性材料の焼結助剤(粒成長助剤)がコーティングされている複合粒子である。焼結助剤(粒成長助剤)とは、AD法によって形成した膜(AD膜)をアニール処理する場合に、粒界に液相を形成することによりアニール温度を低温化して結晶粒の成長を促進するための材料であり、低融点であることを特徴としている。
Here, the raw material powder for film formation according to an embodiment of the present invention will be described.
The raw material powder for film formation according to the present embodiment is coated with a brittle material or a ductile material sintering aid (grain growth aid) around the brittle material particles (base material particles). Composite particles. Sintering aid (grain growth aid) is the growth of crystal grains by lowering the annealing temperature by forming a liquid phase at the grain boundary when annealing the film (AD film) formed by the AD method. It is a material for promoting the heat resistance and has a low melting point.

母材粒子の材料としては、鉛系圧電材料が用いられる。例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)や、一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛(PNN−PZT)を用いることができる。さらに好ましくは、このPNN−PZTの組成に対して、(i)化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、(ii)亜鉛(Zn)と、(iii)セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素とが添加されたものが用いられる。ここで、Pb(Ni,Nb)O成分中のNiのモル比は1/3、Nbのモル比は2/3であることが望ましい。(i)〜(iii)の添加により、形成されたAD膜をアニール処理する際の粒成長が促進され、700℃〜900℃の低温アニールで圧電特性が改善される。 A lead-based piezoelectric material is used as the material of the base material particles. For example, PZT (lead zirconate titanate) or ternary lead zirconate titanate (PNN-PZT) represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 can be used. More preferably, with respect to the composition of this PNN-PZT, (i) lead (Pb) in excess of the stoichiometric ratio, (ii) zinc (Zn), (iii) cerium (Ce), ytterbium ( Yb), dysprosium (Dy), and at least one rare earth element selected from nickel (Ni) are used. Here, it is desirable that the molar ratio of Ni in the Pb (Ni, Nb) O 3 component is 1/3 and the molar ratio of Nb is 2/3. The addition of (i) to (iii) promotes grain growth when the formed AD film is annealed, and the piezoelectric characteristics are improved by low-temperature annealing at 700 ° C. to 900 ° C.

焼結助剤の材料としては、例えば、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成が用いられる。焼結助剤を母材粒子の表面に均一にコーティングすることにより、形成されたAD膜をアニール処理する際の粒成長がさらに促進される。 Examples of materials for the sintering aid include lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), and dysprosium oxide (Dy 2 ). O 3 ) and at least one composition selected from nickel oxide (NiO) is used. By uniformly coating the surface of the base material particles with the sintering aid, grain growth is further promoted when the formed AD film is annealed.

図3は、実施例のAD膜のSEM(走査型電子顕微鏡)写真を示す図であり、図4及び図5は、比較例1及び2のAD膜のSEM写真をそれぞれ示す図である。いずれも、800℃におけるアニール処理後のAD膜であるが、図4に示すAD膜においては、成膜用原料粉に対して安定化処理が施されておらず、また、図5に示すAD膜においては、成膜用原料粉に焼結助剤が添加されていない。   FIG. 3 is a view showing SEM (scanning electron microscope) photographs of the AD films of the examples, and FIGS. 4 and 5 are views showing SEM photographs of the AD films of Comparative Examples 1 and 2, respectively. Each of them is an AD film after annealing at 800 ° C., but in the AD film shown in FIG. 4, the raw material powder for film formation is not stabilized, and the AD film shown in FIG. In the film, no sintering aid is added to the raw material powder for film formation.

図3に示すように、安定化処理が施された成膜用原料粉を用いた場合には、AD膜中の粒子が成長し、かつ、AD膜にポアが発生していない良好な状態であることが分かる。一方、図4に示すように、安定化処理が施されていない成膜用原料粉を用いた場合には、部分的に粒子が成長しているが、AD膜に柱状結晶成分が表れると共にポアが発生してしまい、さらに、SEM−EDX分析装置によれば、ZnO等の焼結助剤成分の析出が検出されている。   As shown in FIG. 3, when the film forming raw material powder subjected to the stabilization treatment is used, the particles in the AD film grow and the AD film is in a good state with no pores. I understand that there is. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the film forming raw material powder not subjected to stabilization treatment is used, particles are partially grown, but columnar crystal components appear in the AD film and pores appear. Furthermore, according to the SEM-EDX analyzer, precipitation of a sintering aid component such as ZnO is detected.

また、図5に示すように、焼結助剤が添加されていない成膜用原料粉を用いた場合は、ポアが発生することなく緻密なAD膜を実現しているが、結晶粒の成長が進展していないことが分かる。一般的に、結晶粒の成長が進展しないと、膜構造体の電気特性が良好とならないので、圧電素子等の工業製品に適用することは難しくなる。   Further, as shown in FIG. 5, when the film forming raw material powder to which the sintering aid is not added is used, a dense AD film is realized without generating pores. It can be seen that is not progressing. Generally, if the growth of crystal grains does not progress, the electrical characteristics of the film structure will not be good, and it will be difficult to apply to industrial products such as piezoelectric elements.

図6は、図3に示すAD膜について分極値Pのヒステリシス特性を示す図である。また、図7は、図5に示すAD膜について分極値Pのヒステリシス特性を示す図である。図6に示すように、焼結助剤が添加された成膜用原料粉を用いて生成したAD膜の残留分極値は、32μC/cmである。一方、図7に示すように、焼結助剤が添加されていない成膜用原料粉を用いて生成したAD膜の残留分極値は、14μC/cmであり、図6に示すよりも低いことが分かる。このように、図6及び図7に示す電気特性は、焼結助剤の有無による結晶粒の成長の進展における相違を反映している。 FIG. 6 is a diagram showing hysteresis characteristics of the polarization value P for the AD film shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing hysteresis characteristics of the polarization value P for the AD film shown in FIG. As shown in FIG. 6, the remanent polarization value of the AD film generated using the film forming raw material powder to which the sintering aid is added is 32 μC / cm 2 . On the other hand, as shown in FIG. 7, the remanent polarization value of the AD film produced using the film forming raw material powder to which no sintering aid is added is 14 μC / cm 2 , which is lower than that shown in FIG. I understand that. Thus, the electrical characteristics shown in FIGS. 6 and 7 reflect the difference in the progress of crystal grain growth depending on the presence or absence of the sintering aid.

図8は、図3〜図5に示すAD膜の電気特性を比較する図である。図8に示すように、成膜用原料粉に焼結助剤を添加し、さらに、安定化処理を施すことによって、圧電特性d31、比誘電率、及び、残留分極値の値が高くなることが分かる。一方、焼結助剤を添加して安定化処理を施さない場合には、図4に示すようにポアが多く発生してしまい、電気特性を測定できない場合も発生してしまう。しかしながら、安定化処理を施すことによって、電気特性が飛躍的に向上することが分かる。   FIG. 8 is a diagram comparing the electrical characteristics of the AD films shown in FIGS. As shown in FIG. 8, the piezoelectric characteristics d31, the relative dielectric constant, and the remanent polarization value are increased by adding a sintering aid to the film forming raw material powder and further performing a stabilization treatment. I understand. On the other hand, when the sintering aid is not added and the stabilization treatment is not performed, a large amount of pores are generated as shown in FIG. 4, and the electrical characteristics cannot be measured. However, it can be seen that the electrical characteristics are dramatically improved by performing the stabilization treatment.

図9は、バルクセラミックのSEM写真を示す図である。このバルクセラミックは、本実施形態に係る成膜用原料粉を用いてプレス成形を行い、800℃で焼結を行うことにより製造したものである。しかしながら、図9に示すように、焼結が十分に進まないので、ポアが非常に多く発生してしまい、電気特性を測定することができなかった。   FIG. 9 is a view showing an SEM photograph of the bulk ceramic. This bulk ceramic is manufactured by press molding using the film forming raw material powder according to the present embodiment and sintering at 800 ° C. However, as shown in FIG. 9, since sintering did not proceed sufficiently, pores were generated so much that electrical characteristics could not be measured.

図10は、図9に示すバルクセラミックと、図3及び図5にそれぞれ示す2種類のAD膜とにおいて密度を比較する図である。一般に、構造体における粒子の密度を比較するためのパラメータとして相対密度が用いられる。図10に示すように、バルクセラミックの相対密度が最も低くなっている。これは、AD法により成膜される場合には、衝突により粒子が破砕して平均粒径が数10nm程度まで小さくなるので緻密な膜ができるからである。また、粒子の体積に対する表面積が増加することにより自由エネルギーが増加するので、少量の焼結助剤の添加によっても、結晶粒の成長を大きく促進することができると考えられる。従って、本実施形態に係る成膜用原料粉は、AD法による成膜を行う場合に効果が大きいといえる。また、図3に示すAD膜の密度及び相対密度は、図5に示すAD膜よりも若干低い値となっているが、実用的には、ほぼ同等であるといえる。   FIG. 10 is a diagram comparing the densities of the bulk ceramic shown in FIG. 9 and the two types of AD films shown in FIGS. 3 and 5 respectively. In general, relative density is used as a parameter for comparing the density of particles in a structure. As shown in FIG. 10, the bulk ceramic has the lowest relative density. This is because when the film is formed by the AD method, the particles are crushed by collision and the average particle size is reduced to about several tens of nm, so that a dense film can be formed. Further, since the free energy increases by increasing the surface area relative to the volume of the particles, it is considered that the growth of crystal grains can be greatly promoted even by adding a small amount of a sintering aid. Therefore, it can be said that the film forming raw material powder according to the present embodiment has a great effect when the film is formed by the AD method. Further, although the density and relative density of the AD film shown in FIG. 3 are slightly lower than those of the AD film shown in FIG. 5, it can be said that it is practically equivalent.

次に、本発明の一実施形態に係る成膜用原料粉を用いて製造された圧電素子について説明する。
図11は、本発明の一実施形態に係る成膜用原料粉を用いて製造された圧電素子を示す断面図である。図11に示すように、基板21上に第1の電極22が形成され、第1の電極22上に、本実施形態に係る成膜用原料粉を用いてAD法によって圧電体23が形成され、圧電体23上に第2の電極24が形成されている。ここで、第1の電極22、圧電体23、及び、第2の電極24が、圧電素子25を構成する。第1の電極22と第2の電極24との間に電圧を印加すると、圧電体23が圧電効果により伸縮する。図11に示すような圧電素子25は、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタヘッド、及び、超音波トランスデューサ等、様々な用途に用いられる。
Next, a piezoelectric element manufactured using the film forming raw material powder according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a piezoelectric element manufactured using film forming raw material powder according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, the first electrode 22 is formed on the substrate 21, and the piezoelectric body 23 is formed on the first electrode 22 by the AD method using the film forming raw material powder according to the present embodiment. A second electrode 24 is formed on the piezoelectric body 23. Here, the first electrode 22, the piezoelectric body 23, and the second electrode 24 constitute a piezoelectric element 25. When a voltage is applied between the first electrode 22 and the second electrode 24, the piezoelectric body 23 expands and contracts due to the piezoelectric effect. The piezoelectric element 25 as shown in FIG. 11 is used for various applications such as a piezoelectric actuator, a piezoelectric pump, an inkjet printer head, and an ultrasonic transducer.

図12は、図11に示す圧電素子を振動子として用いた超音波用探触子の内部構造を示す斜視図である。
図12に示すように、超音波用探触子30は、複数の振動子25と、音響整合層31と、バッキング材32とを含んでいる。図12においては、複数の振動子25が2次元アレイ化されているが、これらの振動子25は、図11に示すのと同じ構造を有している。ただし、図12においては、第2の電極24が、2次元アレイ化された複数の振動子25に共通な共通電極として形成されている。
FIG. 12 is a perspective view showing an internal structure of an ultrasonic probe using the piezoelectric element shown in FIG. 11 as a vibrator.
As shown in FIG. 12, the ultrasonic probe 30 includes a plurality of transducers 25, an acoustic matching layer 31, and a backing material 32. In FIG. 12, a plurality of transducers 25 are two-dimensionally arrayed, but these transducers 25 have the same structure as shown in FIG. However, in FIG. 12, the second electrode 24 is formed as a common electrode common to a plurality of transducers 25 arranged in a two-dimensional array.

超音波用探触子30において、振動子25は、超音波診断装置本体から供給される駆動信号に従って圧電効果により超音波を発生して、被検体に超音波を送信する。一方、振動子25は、被検体によって反射された超音波エコーを受信して、圧電効果により超音波エコーを受信信号に変換する。音響整合層31は、振動子25と被検体との間で音響インピーダンスを整合させることにより、超音波の伝播効率を高める。また、バッキング材32は、振動子25から発生する不要な超音波を減衰させる。   In the ultrasonic probe 30, the transducer 25 generates an ultrasonic wave by a piezoelectric effect in accordance with a drive signal supplied from the ultrasonic diagnostic apparatus main body, and transmits the ultrasonic wave to the subject. On the other hand, the transducer 25 receives the ultrasonic echo reflected by the subject, and converts the ultrasonic echo into a reception signal by the piezoelectric effect. The acoustic matching layer 31 increases the propagation efficiency of ultrasonic waves by matching the acoustic impedance between the transducer 25 and the subject. The backing material 32 attenuates unnecessary ultrasonic waves generated from the vibrator 25.

本発明は、原料の粉体を分散させたエアロゾルを基板に向けて吹き付けることによって基板上に原料を堆積させるエアロゾルデポジション法において利用することが可能である。   The present invention can be used in an aerosol deposition method in which a raw material is deposited on a substrate by spraying an aerosol in which the raw material powder is dispersed toward the substrate.

本発明の一実施形態に係る膜構造体の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the film structure which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る膜構造体の製造方法において用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the film-forming apparatus used in the manufacturing method of the film | membrane structure which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例のAD膜のSEM写真を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph of the AD film | membrane of an Example. 比較例1のAD膜のSEM写真を示す図である。6 is a view showing an SEM photograph of an AD film of Comparative Example 1. FIG. 比較例2のAD膜のSEM写真を示す図である。6 is a view showing an SEM photograph of an AD film of Comparative Example 2. FIG. 図3に示すAD膜について分極値Pのヒステリシス特性を示す図である。It is a figure which shows the hysteresis characteristic of the polarization value P about AD film shown in FIG. 図5に示すAD膜について分極値Pのヒステリシス特性を示す図である。It is a figure which shows the hysteresis characteristic of the polarization value P about AD film shown in FIG. 図3〜図5に示すAD膜の電気特性を比較する図である。It is a figure which compares the electrical property of AD film shown in FIGS. バルクセラミックのSEM写真を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph of a bulk ceramic. 図9に示すバルクセラミックと、図3及び図5にそれぞれ示す2種類のAD膜とにおいて密度を比較する図である。FIG. 10 is a diagram comparing the densities of the bulk ceramic shown in FIG. 9 and the two types of AD films shown in FIGS. 3 and 5 respectively. 本発明の一実施形態に係る成膜用原料粉を用いて製造された圧電素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element manufactured using the film-forming raw material powder which concerns on one Embodiment of this invention. 図11に示す圧電素子を振動子として用いた超音波用探触子の内部構造を示す斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing an internal structure of an ultrasonic probe using the piezoelectric element shown in FIG. 11 as a vibrator.

符号の説明Explanation of symbols

1 エアロゾル生成室
2 振動台
3 巻上げガスノズル
3a、4a 圧力調整部
4 圧力調整ノズル
5 エアロゾル搬送管
6 成膜室
7 ノズル
8 基板ステージ
9 排気管
10 制御部
11 成膜用原料粉
12、21 基板
13 膜
22、24 電極
23 圧電体
25 振動子
30 超音波用探触子
31 音響整合層
32 バッキング材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aerosol production | generation chamber 2 Shaking table 3 Hoisting gas nozzle 3a, 4a Pressure adjustment part 4 Pressure adjustment nozzle 5 Aerosol conveyance pipe 6 Deposition chamber 7 Nozzle 8 Substrate stage 9 Exhaust pipe 10 Control part 11 Raw material powder for film formation 12, 21 Substrate 13 Membranes 22, 24 Electrode 23 Piezoelectric body 25 Vibrator 30 Ultrasonic probe 31 Acoustic matching layer 32 Backing material

Claims (14)

原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成するために用いられる原料粉を製造する方法において、
鉛(Pb)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種の元素の硝酸塩又は硫酸塩を用いて、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤を、鉛系圧電材料を含む母材粒子の表面に固着させる工程(a)と、
前記母材粒子の表面に固着した前記粒成長助剤にエネルギーを加えることによって、残留する硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンを分解する工程(b)と、
を具備する成膜用原料粉の製造方法。
In the method of producing raw material powder used for forming a film having the composition of raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate,
A nitrate of at least one element selected from the group consisting of lead (Pb), zinc (Zn), cerium (Ce), copper (Cu), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), and nickel (Ni); Using sulfates, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and A step (a) of fixing a grain growth aid containing at least one composition selected from nickel oxide (NiO) to the surface of the base material particles containing a lead-based piezoelectric material;
A step (b) of decomposing remaining nitrates or sulfates or nitrate ions or sulfate ions contained therein by applying energy to the grain growth aid fixed to the surface of the base material particles;
A method for producing a raw material powder for film formation comprising:
工程(a)が、
一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛と、
前記3成分系ジルコンチタン酸鉛の組成に対して化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、
亜鉛(Zn)と、
セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、及び、ジスプロシウム(Dy)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素と、
を含む母材粒子を用意することを含む、請求項1記載の成膜用原料粉の製造方法。
Step (a) is
A ternary lead zirconate titanate represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 ;
Excess lead (Pb) than the stoichiometric ratio with respect to the composition of the ternary lead zirconate titanate,
Zinc (Zn);
At least one rare earth element selected from cerium (Ce), ytterbium (Yb), and dysprosium (Dy);
The manufacturing method of the raw material powder for film forming of Claim 1 including preparing the base material particle | grains containing these.
工程(c)が、前記母材粒子の表面に固着した前記粒成長助剤を加熱することを含む、請求項1又は2記載の成膜用原料粉の製造方法。   The manufacturing method of the raw material powder for film formation of Claim 1 or 2 with which a process (c) includes heating the said grain growth adjuvant fixed to the surface of the said base material particle. 工程(c)が、前記母材粒子の表面に固着した前記粒成長助剤に電磁波を照射することを含む、請求項1又は2記載の成膜用原料粉の製造方法。   The manufacturing method of the raw material powder for film formation of Claim 1 or 2 with which a process (c) includes irradiating electromagnetic waves to the said grain growth adjuvant fixed to the surface of the said base material particle. 原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成する膜構造体の製造方法において、
鉛(Pb)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、ジスプロシウム(Dy)、及び、ニッケル(Ni)の内から選択された少なくとも1種の元素の硝酸塩又は硫酸塩を用いて、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤を、鉛系圧電材料を含む母材粒子の表面に固着させる工程(a)と、
前記母材粒子の表面に固着した前記粒成長助剤にエネルギーを加えることによって、残留する硝酸塩又は硫酸塩又はそれらに含まれていた硝酸イオン又は硫酸イオンを分解する工程(b)と、
工程(b)において得られた原料粉をエアロゾル状態にして基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を前記基板上に直接又は間接的に形成する工程(c)と、
前記膜構造体に対して熱処理を施すことにより、前記膜中の結晶粒を成長させる工程(d)と、
を具備する膜構造体の製造方法。
In the method of manufacturing a film structure that forms a film having a composition of raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate,
A nitrate of at least one element selected from the group consisting of lead (Pb), zinc (Zn), cerium (Ce), copper (Cu), ytterbium (Yb), dysprosium (Dy), and nickel (Ni); Using sulfates, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and A step (a) of fixing a grain growth aid containing at least one composition selected from nickel oxide (NiO) to the surface of the base material particles containing a lead-based piezoelectric material;
A step (b) of decomposing remaining nitrates or sulfates or nitrate ions or sulfate ions contained therein by applying energy to the grain growth aid fixed to the surface of the base material particles;
(C) forming the film having the composition of the raw material powder directly or indirectly on the substrate by spraying the raw material powder obtained in the step (b) in an aerosol state toward the substrate;
A step (d) of growing crystal grains in the film by performing a heat treatment on the film structure;
The manufacturing method of the film | membrane structure which comprises this.
工程(a)が、
一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛と、
前記3成分系ジルコンチタン酸鉛の組成に対して化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、
亜鉛(Zn)と、
セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、及び、ジスプロシウム(Dy)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素と、
を含む母材粒子を用意することを含む、請求項5記載の膜構造体の製造方法。
Step (a) is
A ternary lead zirconate titanate represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 ;
Excess lead (Pb) than the stoichiometric ratio with respect to the composition of the ternary lead zirconate titanate,
Zinc (Zn);
At least one rare earth element selected from cerium (Ce), ytterbium (Yb), and dysprosium (Dy);
The manufacturing method of the film | membrane structure of Claim 5 including preparing the base material particle | grains containing these.
工程(c)が、10nm以上500nm以下の平均粒径を有する結晶粒を含む膜を形成することを含む、請求項5又は6記載の膜構造体の製造方法。   The method for producing a film structure according to claim 5 or 6, wherein the step (c) includes forming a film containing crystal grains having an average particle diameter of 10 nm to 500 nm. 原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成するために用いられる原料粉において、
鉛系圧電材料を含む母材粒子と、
酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含み、前記母材粒子の表面を覆うように固着している粒成長助剤と、
を具備する成膜用原料粉。
In the raw material powder used to form a film having the composition of the raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate,
Base material particles containing lead-based piezoelectric material;
Lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO) A grain growth aid comprising at least one composition selected from among the above, and fixed so as to cover the surface of the base material particles;
A raw material powder for film formation comprising:
前記母材粒子が、
一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛と、
前記3成分系ジルコンチタン酸鉛の組成に対して化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、
亜鉛(Zn)と、
セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、及び、ジスプロシウム(Dy)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素と、
を含む、請求項8記載の成膜用原料粉。
The base material particles are
A ternary lead zirconate titanate represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 ;
Excess lead (Pb) than the stoichiometric ratio with respect to the composition of the ternary lead zirconate titanate,
Zinc (Zn);
At least one rare earth element selected from cerium (Ce), ytterbium (Yb), and dysprosium (Dy);
The film-forming raw material powder according to claim 8, comprising:
0.1μm以上10μm以下の平均粒径を有する請求項8又は9記載の成膜用原料粉。   The raw material powder for film formation according to claim 8 or 9, which has an average particle size of 0.1 µm or more and 10 µm or less. 原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成することによって製造される膜構造体において、
(a)基板と、
(b)前記基板上に直接又は間接的に形成された膜であって、鉛系圧電材料を含み10nm以上500nm以下の平均粒径を有する結晶粒と、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤とを含む前記膜と、
を具備する膜構造体。
In the film structure manufactured by forming the film having the composition of the raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate,
(A) a substrate;
(B) a film formed directly or indirectly on the substrate, including crystal grains containing a lead-based piezoelectric material and having an average particle diameter of 10 nm to 500 nm, and lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO) ), Cerium oxide (CeO 2 ), copper oxide (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO). A film containing a grain growth aid comprising:
A membrane structure comprising:
前記膜の結晶粒が、
一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛と、
前記3成分系ジルコンチタン酸鉛の組成に対して化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、
亜鉛(Zn)と、
セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、及び、ジスプロシウム(Dy)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素と、
を含む、請求項11記載の膜構造体。
The crystal grains of the film are
A ternary lead zirconate titanate represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 ;
Excess lead (Pb) than the stoichiometric ratio with respect to the composition of the ternary lead zirconate titanate,
Zinc (Zn);
At least one rare earth element selected from cerium (Ce), ytterbium (Yb), and dysprosium (Dy);
The membrane structure according to claim 11, comprising:
原料粉を基板に向けて吹き付けることにより、原料粉の組成を有する膜を形成することによって製造される圧電素子において、
(a)第1の電極と、
(b)前記第1の電極上に形成された圧電体膜であって、鉛系圧電材料を含む結晶粒と、酸化鉛(PbO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化セリウム(CeO)、酸化銅(CuO)、酸化イッテルビウム(Yb)、酸化ジスプロシウム(Dy)、及び、酸化ニッケル(NiO)の内から選択された少なくとも1つの組成を含む粒成長助剤とを含む前記圧電体膜と、
(c)前記圧電体膜上に形成された第2の電極と、
を具備する圧電素子。
In the piezoelectric element manufactured by forming the film having the composition of the raw material powder by spraying the raw material powder toward the substrate,
(A) a first electrode;
(B) A piezoelectric film formed on the first electrode, including crystal grains containing a lead-based piezoelectric material, lead oxide (PbO), zinc oxide (ZnO), cerium oxide (CeO 2 ), oxidation The grain growth aid comprising at least one composition selected from copper (CuO), ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO). A piezoelectric film;
(C) a second electrode formed on the piezoelectric film;
A piezoelectric element comprising:
前記圧電体膜の結晶粒が、
一般式Pb(Ni,Nb)O−PbZrO−PbTiOで表される3成分系ジルコンチタン酸鉛と、
前記3成分系ジルコンチタン酸鉛の組成に対して化学量論比よりも過剰な鉛(Pb)と、
亜鉛(Zn)と、
セリウム(Ce)、イッテルビウム(Yb)、及び、ジスプロシウム(Dy)の内から選択された少なくとも1種の希土類元素と、
を含む、請求項13記載の圧電素子。
The crystal grains of the piezoelectric film are
A ternary lead zirconate titanate represented by the general formula Pb (Ni, Nb) O 3 —PbZrO 3 —PbTiO 3 ;
Excess lead (Pb) than the stoichiometric ratio with respect to the composition of the ternary lead zirconate titanate,
Zinc (Zn);
At least one rare earth element selected from cerium (Ce), ytterbium (Yb), and dysprosium (Dy);
The piezoelectric element according to claim 13, comprising:
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