JP2012006182A - Liquid jet head, liquid jet apparatus, piezoelectric element, and actuator apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体層とその両側に電極とが設けられた圧電素子、圧電素子を有するアクチュエーター装置、アクチュエーター装置を有する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and electrodes are provided on both sides thereof, an actuator device having the piezoelectric element, a liquid ejecting head having the actuator device, and a liquid ejecting apparatus.
液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。 As a piezoelectric element used in a liquid ejecting head, there is a piezoelectric material that exhibits an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric layer made of a crystallized dielectric material and sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element is mounted on the liquid ejecting head as an actuator device in a flexural vibration mode, for example. As a typical example of a liquid ejecting head, for example, a part of a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so that the ink in the pressure generation chamber is There is an ink jet recording head that pressurizes and ejects ink droplets from nozzle openings.
このような圧電素子を構成する圧電体層(圧電セラミックス)として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が挙げられる(特許文献1参照)。 A piezoelectric material used as a piezoelectric layer (piezoelectric ceramics) constituting such a piezoelectric element is required to have high piezoelectric characteristics, and a typical example is lead zirconate titanate (PZT) (Patent Document 1). reference).
しかしながら、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えば、化学組成がx[(BiaK1-a)TiO3]−(1−x)[BiFeO3](但し、0.3≦x≦0.8,0.4<a<0.6)で表される圧電セラミックスが開示されている(特許文献2参照)。 However, from the viewpoint of environmental problems, there is a demand for a piezoelectric material with a reduced lead content. The piezoelectric material not containing lead, for example, chemical composition x [(Bi a K 1- a) TiO 3] - (1-x) [BiFeO 3] ( where, 0.3 ≦ x ≦ 0.8, A piezoelectric ceramic represented by 0.4 <a <0.6) is disclosed (see Patent Document 2).
この特許文献2に記載された圧電セラミックスは、膜厚が厚い、所謂バルクのものであり、この材料を薄膜にすると、絶縁性が低くリーク電流が発生してしまうため、圧電素子に使用し難いという問題がある。 The piezoelectric ceramic described in Patent Document 2 is a so-called bulk material with a large film thickness. If this material is made into a thin film, insulation is low and leakage current is generated, so that it is difficult to use for piezoelectric elements. There is a problem.
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子や圧電アクチュエーターにおいても同様に存在する。 Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink as well. The same applies to piezoelectric actuators.
本発明はこのような事情に鑑み、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制することができ且つ環境負荷の少ない液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及びアクチュエーター装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, and an actuator device that have high insulating properties and can suppress generation of a leakage current and have a low environmental load. .
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を有する流路形成基板と、該流路形成基板上方に設けられて、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子と、を具備し、前記圧電素子が、(100)面に優先配向し、ペロブスカイト構造を有するランタンニッケル酸化物を主成分とする配向制御層を有する第1電極と、該第1電極上方に形成されて鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含む複合酸化物からなり、(100)面に優先配向した圧電体層と、該圧電体層上方に設けられた第2電極と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電材料を圧電体層とすることにより、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。さらに、ランタンニッケル酸化物からなり(100)面に優先配向した配向制御層上に圧電体層を設けることで、圧電体層を(100)面に優先配向させることができると共に、(100)面に優先配向した圧電体層を用いることで、耐久性及び歪み量を向上することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate having a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and a pressure change in the pressure generating chamber provided above the flow path forming substrate. A first electrode having an orientation control layer mainly composed of a lanthanum nickel oxide having a perovskite structure and preferentially oriented in the (100) plane. A piezoelectric layer formed above the electrode and made of a complex oxide containing iron, manganese, bismuth, titanium, and potassium, preferentially oriented in the (100) plane, and a second electrode provided above the piezoelectric layer; A liquid ejecting head comprising:
In such an embodiment, by using a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing iron, manganese, bismuth, titanium, and potassium as the piezoelectric layer, it is possible to suppress the occurrence of leakage current with high insulation. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced. Furthermore, by providing a piezoelectric layer on an orientation control layer made of lanthanum nickel oxide and preferentially oriented in the (100) plane, the piezoelectric layer can be preferentially oriented in the (100) plane and the (100) plane. By using a piezoelectric layer that is preferentially oriented, the durability and strain can be improved.
ここで、前記配向制御層の厚さが10nm以上であることが好ましい。これによれば、配向制御層上に(100)面に優先配向した圧電体層を容易に形成することができる。 Here, the orientation control layer preferably has a thickness of 10 nm or more. According to this, the piezoelectric layer preferentially oriented in the (100) plane can be easily formed on the orientation control layer.
また、前記圧電体層が、鉄酸マンガン酸ビスマス及びチタン酸ビスマスカリウムを含み、前記鉄酸マンガン酸ビスマスと前記チタン酸ビスマスカリウムのモル比である鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウムが、0.42以上1.5以下であることが好ましい。これによれば、確実にリーク電流の発生を抑制することができる。 Further, the piezoelectric layer contains bismuth ferrate manganate and potassium bismuth titanate, and the bismuth ferrate manganate / bismuth potassium titanate which is the molar ratio of the bismuth ferrate manganate and the bismuth potassium titanate, It is preferable that it is 0.42 or more and 1.5 or less. According to this, generation | occurrence | production of leak current can be suppressed reliably.
また、前記圧電体層は、厚さが2μm以下の薄膜であることが好ましい。これによれば、薄膜の圧電体層を有する液体噴射ヘッドを提供できる。 The piezoelectric layer is preferably a thin film having a thickness of 2 μm or less. According to this, a liquid ejecting head having a thin film piezoelectric layer can be provided.
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。かかる態様では、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制することができる液体噴射ヘッドを有するため、絶縁破壊が防止され信頼性に優れた液体噴射装置となる。 According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect. In this aspect, the liquid ejecting head that has high insulation and can suppress the occurrence of leakage current is provided, so that the liquid ejecting apparatus is prevented from being broken down and having excellent reliability.
また、本発明の他の態様は、(100)面に優先配向し、ペロブスカイト構造を有するランタンニッケル酸化物を主成分とする配向制御層を有する第1電極と、該第1電極上方に形成されて鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含む複合酸化物からなり、(100)面に優先配向した圧電体層と、該圧電体層上方に設けられた第2電極と、を具備することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電材料を圧電体層とすることにより、絶縁性が高くリーク電流の発生を抑制することができる。また、鉛の含有量を抑えられるため、環境への負荷を低減できる。さらに、ランタンニッケル酸化物からなり(100)面に優先配向した配向制御層上に圧電体層を設けることで、圧電体層を(100)面に優先配向させることができると共に、(100)面に優先配向した圧電体層を用いることで、耐久性及び歪み量を向上することができる。
In another aspect of the present invention, a first electrode having an orientation control layer mainly composed of lanthanum nickel oxide having a perovskite structure and preferentially oriented in the (100) plane is formed above the first electrode. A piezoelectric layer made of a composite oxide containing iron, manganese, bismuth, titanium and potassium, and having a (100) plane preferentially oriented, and a second electrode provided above the piezoelectric layer. The piezoelectric element is characterized.
In such an embodiment, by using a piezoelectric layer made of a composite oxide having a perovskite structure containing iron, manganese, bismuth, titanium, and potassium as the piezoelectric layer, it is possible to suppress the occurrence of leakage current with high insulation. Moreover, since the lead content can be suppressed, the burden on the environment can be reduced. Furthermore, by providing a piezoelectric layer on an orientation control layer made of lanthanum nickel oxide and preferentially oriented in the (100) plane, the piezoelectric layer can be preferentially oriented in the (100) plane and the (100) plane. By using a piezoelectric layer that is preferentially oriented, the durability and strain can be improved.
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を変位可能に具備することを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、繰り返し駆動による耐久性及び歪み量を向上したアクチュエーター装置を実現できる。
Furthermore, another aspect of the present invention resides in an actuator device characterized in that the piezoelectric element of the above aspect is displaceably provided.
In this aspect, an actuator device with improved durability and amount of distortion due to repeated driving can be realized.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図であり、図3は図2のA−A′線断面図及びその要部拡大図である。図1〜図3に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the invention, FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ and an enlarged view of a main part thereof. As shown in FIGS. 1 to 3, the flow path forming substrate 10 of the present embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。 A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a manifold part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a manifold that becomes a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。 Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55が形成されている。また、絶縁体膜55上には、酸化チタン等からなり、絶縁体膜55と第1電極60との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。 On the other hand, an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10, and an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50. ing. On the insulator film 55, an adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like and for improving the adhesion between the insulator film 55 and the first electrode 60 is provided.
さらに密着層56上には、第1電極60と、第1電極60の上方に設けられて厚さが2μm以下、好ましくは1〜0.3μmの薄膜である圧電体層70と、圧電体層70の上方に設けられた第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部320という。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、変位可能に設けられた圧電素子300をアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56、第1電極60及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や密着層56を設けなくてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。このような圧電素子300は、酸化アルミニウムの耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜で覆われていてもよい。 Further, on the adhesion layer 56, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 which is provided above the first electrode 60 and has a thickness of 2 μm or less, preferably 1 to 0.3 μm, and a piezoelectric layer The second electrode 80 provided above the 70 is laminated to form the piezoelectric element 300. Here, the term “above” includes not only directly above but also a state in which other members are interposed therebetween. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In this case, a portion that is configured by any one of the patterned electrodes and the piezoelectric layer 70 and in which piezoelectric distortion is generated by applying a voltage to both electrodes is referred to as a piezoelectric active portion 320. In the present embodiment, the first electrode 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. Here, the piezoelectric element 300 provided so as to be displaceable is referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the insulator film 55, the adhesion layer 56, the first electrode 60, and the insulator film provided as necessary function as a diaphragm, but of course not limited thereto. For example, the elastic film 50 and the adhesion layer 56 may not be provided. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm. Such a piezoelectric element 300 may be covered with a protective film made of an insulating material having moisture resistance of aluminum oxide.
第1電極60は、図3(b)に示すように、密着層56上に設けられた白金からなる導電層61と、導電層61上に設けられたランタンニッケル酸化物(LNO)からなりペロブスカイト構造を有する配向制御層62と、を具備する。 As shown in FIG. 3B, the first electrode 60 includes a conductive layer 61 made of platinum provided on the adhesion layer 56 and a perovskite made of lanthanum nickel oxide (LNO) provided on the conductive layer 61. An orientation control layer 62 having a structure.
配向制御層62は、結晶の配向面が疑キュービック表示で(100)面に優先配向している。なお、本発明で「結晶が(100)面に優先配向している」とは、全ての結晶が(100)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、90%以上)が(100)面に優先配向している場合と、を含むものである。本実施形態の配向制御層は、X線回折試験を行った結果、(100)面の配向率は97%以上であった。 In the orientation control layer 62, the crystal orientation plane is preferentially oriented to the (100) plane in a pseudo cubic display. In the present invention, “crystals are preferentially oriented in the (100) plane” means that all crystals are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 90% or more) are ( 100) plane is preferentially oriented. As a result of performing an X-ray diffraction test, the orientation control layer of this embodiment has an orientation rate of (100) plane of 97% or more.
このような配向制御層62は、この配向制御層62上に圧電体層70をエピタキシャル成長により形成した際に、圧電体層70の結晶を(100)面に優先配向させるためのものである。 Such an orientation control layer 62 is for preferentially orienting crystals of the piezoelectric layer 70 in the (100) plane when the piezoelectric layer 70 is formed on the orientation control layer 62 by epitaxial growth.
圧電体層70は、鉄酸マンガン酸ビスマス(例えばBi(Fe,Mn)O3)とチタン酸ビスマスカリウム(例えば(Bi,K)TiO3)とを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる。なお、ペロブスカイト構造、すなわち、ABO3型構造のAサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。このAサイトにBi及びKが、BサイトにFe、Mn及びTiが位置している。すなわち、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとが均一に固溶した固溶体といえる。なお、鉄酸マンガン酸ビスマス(BFM)とチタン酸ビスマスカリウム(BKT)との割合は、BFM/BKT(モル比)が、0.42以上1.5以下であることが好ましく、より好ましくは0.82以上1.5以下である。 The piezoelectric layer 70 is made of a composite oxide having a perovskite structure including bismuth ferrate manganate (for example, Bi (Fe, Mn) O 3 ) and bismuth potassium titanate (for example, (Bi, K) TiO 3 ). In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and the B site is 6-coordinated of oxygen to form an octahedron. Bi and K are located at the A site, and Fe, Mn, and Ti are located at the B site. In other words, the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth ferrate manganate and potassium bismuth titanate can be said to be a solid solution in which bismuth ferrate manganate and bismuth potassium titanate are uniformly dissolved. The ratio of bismuth ferrate manganate (BFM) to potassium bismuth titanate (BKT) is such that BFM / BKT (molar ratio) is 0.42 or more and 1.5 or less, more preferably 0. .82 or more and 1.5 or less.
このように、圧電体層70を構成する圧電材料を、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物とすると、後述する実施例に示すように、絶縁性が高くなりリーク電流を抑制することができる。 As described above, when the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 70 is a complex oxide having a perovskite structure including bismuth ferrate manganate and potassium bismuth titanate, as shown in the examples described later, the insulation properties are as follows. This increases the leakage current.
また、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムとを含む圧電体層70は、結晶の配向面が疑キュービック表示で(100)面に優先配向している。なお、本発明で「結晶が(100)面に優先配向している」とは、全ての結晶が(100)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、90%以上)が(100)面に優先配向している場合と、を含むものである。本実施形態の圧電体層70は、X線回折試験を行った結果、(100)面の配向率は97%以上であった。 In addition, the piezoelectric layer 70 containing bismuth iron manganate and potassium bismuth titanate has a crystal orientation plane preferentially oriented in the (100) plane in a pseudo cubic display. In the present invention, “crystals are preferentially oriented in the (100) plane” means that all crystals are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 90% or more) are ( 100) plane is preferentially oriented. As a result of conducting an X-ray diffraction test, the (100) plane orientation rate of the piezoelectric layer 70 of this embodiment was 97% or more.
このように圧電体層70を(100)面に優先配向させることで、圧電体層70の耐久性及び圧電特性(歪み量)を向上することができる。なお、従来より圧電体層として利用されているチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)では、結晶を優先配向させることで、耐久性及び歪み量を向上することができた。したがって、本発明の新たな圧電材料である鉄酸マンガン酸ビスマス及びチタン酸ビスマスカリウムを含む複合酸化物であっても同様に耐久性及び歪み量を向上することができる。 Thus, by preferentially orienting the piezoelectric layer 70 in the (100) plane, the durability and piezoelectric characteristics (distortion amount) of the piezoelectric layer 70 can be improved. In addition, in lead zirconate titanate (PZT) that has been conventionally used as a piezoelectric layer, durability and strain can be improved by preferentially orienting crystals. Therefore, even if it is a complex oxide containing bismuth iron manganate and potassium bismuth titanate, which is a new piezoelectric material of the present invention, the durability and the amount of strain can be similarly improved.
なお、このような圧電体層70は、後述する実施例に示すように、25℃における比誘電率を300以上、さらには500以上にすることができる。したがって、圧電特性(歪み量)が良好である。 Such a piezoelectric layer 70 can have a relative dielectric constant at 25 ° C. of 300 or more, and more preferably 500 or more, as shown in examples described later. Therefore, the piezoelectric characteristics (distortion amount) are good.
このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。 Each second electrode 80 that is an individual electrode of the piezoelectric element 300 is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extended to the insulator film 55, for example, gold (Au). The lead electrode 90 which consists of etc. is connected.
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、絶縁体膜55及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。 On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the insulator film 55, and the lead electrode 90, a manifold portion 31 constituting at least a part of the manifold 100 is provided. The protective substrate 30 is bonded via an adhesive 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 31 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10, and the manifold 100 is attached to a member (for example, the elastic film 50, the insulator film 55, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30. An ink supply path 14 that communicates with each pressure generating chamber 12 may be provided.
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。 A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。 As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。 The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.
また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。 A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。 In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。 In such an ink jet recording head I of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink, and then driven. In accordance with a recording signal from the circuit 120, a voltage is applied between each of the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generating chamber 12, and the elastic film 50, the insulator film 55, the adhesion layer 56, the first electrode By bending and deforming the electrode 60 and the piezoelectric layer 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.
次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図4〜図8を参照して説明する。なお、図4〜図8は、圧力発生室の長手方向の断面図である。 Next, an example of a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 8 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
まず、図4(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO2)等からなる二酸化シリコン膜51を熱酸化等で形成する。次いで、図4(b)に示すように、弾性膜50上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。 First, as shown in FIG. 4A, a silicon dioxide film 51 made of silicon dioxide (SiO 2 ) or the like constituting the elastic film 50 is formed on the surface of a flow path forming substrate wafer 110, which is a silicon wafer, by thermal oxidation or the like. Form. Next, as shown in FIG. 4B, an insulator film 55 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 50.
次に、図5(a)に示すように、絶縁体膜55上に、酸化チタンからなる密着層56を形成し、密着層56上に第1電極60を形成する。具体的には、絶縁体膜55上に酸化チタン等からなる密着層56を形成した後、密着層56上に白金(Pt)からなる導電層61と、ランタンニッケル酸化物(LNO)からなる配向制御層62とを順次積層することで第1電極60を形成する。なお、密着層56及び導電層61は、スパッタリング法や蒸着法により形成することができる。また、配向制御層62は、スパッタリング法によって形成することができる。 Next, as shown in FIG. 5A, the adhesion layer 56 made of titanium oxide is formed on the insulator film 55, and the first electrode 60 is formed on the adhesion layer 56. Specifically, after an adhesion layer 56 made of titanium oxide or the like is formed on the insulator film 55, a conductive layer 61 made of platinum (Pt) and an orientation made of lanthanum nickel oxide (LNO) are formed on the adhesion layer 56. The first electrode 60 is formed by sequentially stacking the control layer 62. Note that the adhesion layer 56 and the conductive layer 61 can be formed by a sputtering method or an evaporation method. The orientation control layer 62 can be formed by a sputtering method.
次いで、第1電極60上に、圧電体層70を積層する。圧電体層70の製造方法は特に限定されないが、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層70を形成できる。圧電体層70の製造方法は、MOD法やゾル−ゲル法に限定されず、例えば、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法などでもよい。 Next, the piezoelectric layer 70 is stacked on the first electrode 60. The method for manufacturing the piezoelectric layer 70 is not particularly limited. For example, a solution obtained by dissolving and dispersing an organometallic compound in a solvent is applied and dried, and further fired at a high temperature to obtain the piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. The piezoelectric layer 70 can be formed using a chemical solution method such as a MOD (Metal-Organic Decomposition) method or a sol-gel method. The manufacturing method of the piezoelectric layer 70 is not limited to the MOD method or the sol-gel method. For example, the laser ablation method, the sputtering method, the pulse laser deposition method (PLD method), the CVD method, the aerosol deposition method. Etc.
圧電体層70の具体的な形成手順例としては、まず、図5(b)に示すように、第1電極60上に、有機金属化合物、具体的には、Bi、Fe、Mn、Ti、Kを含有する有機金属化合物を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやMOD溶液(前駆体溶液)をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜71を形成する(塗布工程)。 As a specific example of the formation procedure of the piezoelectric layer 70, first, as shown in FIG. 5B, an organometallic compound, specifically, Bi, Fe, Mn, Ti, A sol or MOD solution (precursor solution) containing an organometallic compound containing K at a ratio of the target composition ratio is applied by using a spin coating method or the like to form the piezoelectric precursor film 71 ( Application process).
塗布する前駆体溶液は、Bi、Fe、Mn、Ti、Kをそれぞれ含む有機金属化合物を、各金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。Bi、Fe、Mn、Ti、Kをそれぞれ含む有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Biを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。Feを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。Mnを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガンなどが挙げられる。Tiを含有する有機金属化合物としては、例えばチタニウムイソプロポキシド、2−エチルヘキサン酸チタン、チタン(ジ−i−プロポキシド)ビス(アセチルアセトナート)などが挙げられる。Kを含む有機金属化合物としては、例えば2−エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウム、カリウムアセチルアセトナートなどが挙げられる。 The precursor solution to be coated is prepared by mixing organometallic compounds containing Bi, Fe, Mn, Ti and K so that each metal has a desired molar ratio, and dissolving the mixture using an organic solvent such as alcohol. Or they are dispersed. As an organometallic compound containing Bi, Fe, Mn, Ti, and K, for example, a metal alkoxide, an organic acid salt, a β-diketone complex, and the like can be used. Examples of the organometallic compound containing Bi include bismuth 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Fe include iron 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Mn include manganese 2-ethylhexanoate. Examples of the organometallic compound containing Ti include titanium isopropoxide, titanium 2-ethylhexanoate, titanium (di-i-propoxide) bis (acetylacetonate), and the like. Examples of the organometallic compound containing K include potassium 2-ethylhexanoate, potassium acetate, potassium acetylacetonate, and the like.
次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば100〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度(例えば350〜450℃)に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。 Next, the piezoelectric precursor film 71 is heated to a predetermined temperature (for example, 100 to 200 ° C.) and dried for a predetermined time (drying process). Next, the dried piezoelectric precursor film 71 is degreased by heating it to a predetermined temperature (for example, 350 to 450 ° C.) and holding it for a certain time (degreasing step). The degreasing referred to here is to release the organic component contained in the piezoelectric precursor film 71 as, for example, NO 2 , CO 2 , H 2 O or the like. The atmosphere in the drying process or the degreasing process is not limited, and it may be in the air or in an inert gas.
次に、図5(c)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定温度、例えば600〜800℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜72を形成する(焼成工程)。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。 Next, as shown in FIG. 5C, the piezoelectric precursor film 71 is crystallized by heating to a predetermined temperature, for example, about 600 to 800 ° C., and holding it for a certain period of time, thereby forming the piezoelectric film 72. (Baking process). Also in this firing step, the atmosphere is not limited, and may be in the air or in an inert gas.
なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等が挙げられる。 Examples of the heating apparatus used in the drying process, the degreasing process, and the baking process include an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus and a hot plate that are heated by irradiation with an infrared lamp.
このように、第1電極60上に形成された圧電体膜72は、(100)面に優先配向する配向制御層62上にエピタキシャル成長により形成されるため、配向制御層62と同じ(100)面に優先配向される。 Thus, since the piezoelectric film 72 formed on the first electrode 60 is formed by epitaxial growth on the orientation control layer 62 preferentially oriented on the (100) plane, the same (100) plane as the orientation control layer 62 is formed. Is preferentially oriented.
次に、図6(a)に示すように、圧電体膜72上に所定形状のレジスト(図示無し)をマスクとして例えば第1電極60及び圧電体膜72の1層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。 Next, as shown in FIG. 6A, for example, the first electrode 60 and the first layer of the piezoelectric film 72 are inclined on the piezoelectric film 72 using a resist (not shown) having a predetermined shape as a mask. Pattern simultaneously.
次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜72からなる圧電体層70を形成することで、図6(b)に示すように複数層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、塗布溶液の1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、例えば、10層の圧電体膜72からなる圧電体層70全体の膜厚は約1.1μm程度となる。なお、本実施形態では、圧電体膜72を積層して設けたが、1層のみでもよい。 Next, after peeling off the resist, the above-described coating process, drying process, degreasing process, coating process, drying process, degreasing process, and baking process are repeated a plurality of times according to the desired film thickness, etc. By forming the piezoelectric layer 70 made of the material, a piezoelectric layer 70 having a predetermined thickness composed of a plurality of layers of piezoelectric films 72 is formed as shown in FIG. 6B. For example, when the film thickness of the coating solution per one time is about 0.1 μm, for example, the entire film thickness of the piezoelectric layer 70 composed of the ten piezoelectric films 72 is about 1.1 μm. In the present embodiment, the piezoelectric film 72 is provided by being laminated, but only one layer may be provided.
このように圧電体層70を形成した後は、図7(a)に示すように、圧電体層70上に白金等からなる第2電極80をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室12に対向する領域に圧電体層70及び第2電極80を同時にパターニングして、第1電極60と圧電体層70と第2電極80からなる圧電素子300を形成する。なお、圧電体層70と第2電極80とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト(図示なし)を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、600℃〜800℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層70と第1電極60や第2電極80との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層70の結晶性を改善することができる。 After the piezoelectric layer 70 is formed in this way, as shown in FIG. 7A, a second electrode 80 made of platinum or the like is formed on the piezoelectric layer 70 by sputtering or the like, and each pressure generating chamber 12 is formed. Then, the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 are simultaneously patterned in a region opposite to each other to form the piezoelectric element 300 including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. The patterning of the piezoelectric layer 70 and the second electrode 80 can be performed collectively by dry etching via a resist (not shown) formed in a predetermined shape. Thereafter, post-annealing may be performed in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C. as necessary. Thereby, a good interface between the piezoelectric layer 70 and the first electrode 60 or the second electrode 80 can be formed, and the crystallinity of the piezoelectric layer 70 can be improved.
次に、図7(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングする。 Next, as shown in FIG. 7B, a lead electrode 90 made of, for example, gold (Au) or the like is formed over the entire surface of the flow path forming substrate wafer 110, and then a mask pattern made of, for example, a resist or the like. Patterning is performed for each piezoelectric element 300 via (not shown).
次に、図7(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚さに薄くする。 Next, as shown in FIG. 7C, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is placed on the piezoelectric element 300 side of the flow path forming substrate wafer 110 via an adhesive 35. After the bonding, the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.
次に、図8(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110上に、マスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。 Next, as shown in FIG. 8A, a mask film 52 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape.
そして、図8(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。 Then, as shown in FIG. 8B, the flow path forming substrate wafer 110 is anisotropically etched (wet etching) using an alkaline solution such as KOH through the mask film 52 to form the piezoelectric element 300. Corresponding pressure generating chambers 12, communication portions 13, ink supply passages 14, communication passages 15 and the like are formed.
その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面のマスク膜52を除去した後にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。 Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. Then, after removing the mask film 52 on the surface opposite to the protective substrate wafer 130 of the flow path forming substrate wafer 110, the nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed therein is bonded, and the protective substrate wafer 130 is also formed. The compliance substrate 40 is bonded to the substrate, and the flow path forming substrate wafer 110 or the like is divided into a single chip size flow path forming substrate 10 or the like as shown in FIG. To do.
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
(100)に配向したシリコン基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの二酸化シリコンからなる弾性膜を形成した。次に、弾性膜上に膜厚400nmの酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜を形成した。次に、絶縁体膜上にRFスパッタ法により膜厚40nmのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタンからなる密着層を形成した。
(Example 1)
An elastic film made of silicon dioxide having a thickness of 1070 nm was formed on the surface of the silicon substrate oriented in (100) by thermal oxidation. Next, an insulator film made of zirconium oxide having a thickness of 400 nm was formed on the elastic film. Next, a titanium film having a thickness of 40 nm was formed on the insulator film by RF sputtering, and an adhesion layer made of titanium oxide was formed by thermal oxidation.
次に、密着層上にDCスパッタ法により膜厚130nmの白金からなる導電層を形成した。次に、導電層上に膜厚10nmのランタンニッケル酸化物からなる配向制御層を形成することで、第1電極とした。 Next, a conductive layer made of platinum having a thickness of 130 nm was formed on the adhesion layer by DC sputtering. Next, an orientation control layer made of lanthanum nickel oxide having a thickness of 10 nm was formed on the conductive layer to obtain the first electrode.
この第1電極上に圧電体層を形成した。その手法は以下のとおりである。まず、Bi、K、Fe、Mn、Tiのキシレン、オクタンおよびブタノール溶液を所定の割合で混合して、前駆体溶液を調製した。 A piezoelectric layer was formed on the first electrode. The method is as follows. First, Bi, K, Fe, Mn, Ti xylene, octane and butanol solutions were mixed at a predetermined ratio to prepare a precursor solution.
この前駆体溶液を用いて第1電極が形成された上記基板上に滴下し、3000rpmで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に150℃で2分、350℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、Rapid Thermal Annealing(RTA)で700℃、5分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、計9回の塗布により全体で厚さ900nmの圧電体層を形成した。 The precursor solution was dropped onto the substrate on which the first electrode was formed, and the substrate was rotated at 3000 rpm to form a piezoelectric precursor film (application process). Next, drying and degreasing were performed at 150 ° C. for 2 minutes and at 350 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this application | coating process, drying, and a degreasing process 3 times, it baked at 700 degreeC for 5 minute (s) by Rapid Thermal Annealing (RTA) (baking process). This coating process, drying and degreasing process was repeated 3 times, and then the process of performing a baking process in which baking was performed in a lump was repeated 3 times, and a total of 900 nm thick piezoelectric layers were formed by a total of 9 applications.
その後、圧電体層上に、第2電極としてDCスパッタ法により膜厚100nmの白金膜を形成した後、RTAを用いて650℃、5分間焼成を行うことで、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O3及び(Bi0.5,K0.5)TiO3含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム、すなわちBi(Fe0.97,Mn0.03)O3/(Bi0.5,K0.5)TiO3がモル比で1.50であるものを圧電体層とする圧電素子を形成した。なお、上述したように、BF−BKTとBMとのモル比は、BF−BKT:BM=100:3である。 After that, a platinum film having a film thickness of 100 nm is formed as a second electrode by a DC sputtering method on the piezoelectric layer, and then fired at 650 ° C. for 5 minutes using RTA, whereby Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 and (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 composite oxide having a perovskite structure, which is bismuth iron manganate / potassium bismuth titanate, ie Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 having a molar ratio of 1.50 was formed as a piezoelectric element. In addition, as above-mentioned, the molar ratio of BF-BKT and BM is BF-BKT: BM = 100: 3.
(実施例2)
膜厚が50nmのランタンニッケル酸化物からなる配向制御層を有する第1電極を形成した以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて実施例2の圧電素子を形成した。
(Example 2)
A piezoelectric element of Example 2 was formed by the same material and manufacturing method as Example 1 described above except that the first electrode having an orientation control layer made of lanthanum nickel oxide having a thickness of 50 nm was formed.
(比較例1)
比較のため、ランタンニッケル酸化物を設けていない第1電極とした。すなわち、第1電極として、酸化チタンからなる密着層と、白金からなる導電層とを設けた以外は、上述した実施例1と同じ材料・製造方法にて比較例1の圧電素子を形成した。
(Comparative Example 1)
For comparison, the first electrode without the lanthanum nickel oxide was used. That is, the piezoelectric element of Comparative Example 1 was formed by the same material and manufacturing method as Example 1 described above, except that an adhesion layer made of titanium oxide and a conductive layer made of platinum were provided as the first electrode.
(試験例1)
実施例1、2及び比較例1の圧電素子について、ブルカーAKS社製の「D8 DISCOVER」を用い、X線源にCuKα線を使用したX線回折広角法(XRD)により、室温で圧電体層のX線回折チャートを求めた。この結果を図9に示す。
(Test Example 1)
For the piezoelectric elements of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, a piezoelectric layer was used at room temperature by X-ray diffraction wide angle method (XRD) using “D8 DISCOVER” manufactured by Bruker AKS and using CuKα rays as an X-ray source. The X-ray diffraction chart was obtained. The result is shown in FIG.
図9に示すように、実施例1及び2の圧電体層では、(100)面及び(200)面に由来する回折強度のピーク(2θ)が検出され、その他の配向、例えば、(110)面の回折強度のピークはほとんど検出されなかった。これに対して、比較例1の圧電体層では、(100)面、(200)面、(110)面に由来する回折強度のピークが検出された。この結果から、実施例1及び2のようにランタンニッケル酸化物である配向制御層を10nm以上設け、この配向制御層上に形成した圧電体層は(100)面に優先配向させることができる。なお、配向制御層を50nmよりも厚くしても、配向制御層上の圧電体層を(100)面に優先配向させることができるが、配向制御層が厚すぎると、第1電極全体の厚みが増大し、第1電極が圧電素子の変位を阻害する要因となる可能性や、第1電極の厚さを同じに保つために導電層を薄くすると、導電性が低下するなどの不具合が発生する虞がある。したがって、配向制御層の厚さは、50nm以下が好ましい。ちなみに、実施例1及び2には、(200)面の回折強度のピークが検出されているが、(200)面は(100)面と等価なものである。 As shown in FIG. 9, in the piezoelectric layers of Examples 1 and 2, the diffraction intensity peaks (2θ) derived from the (100) plane and the (200) plane were detected, and other orientations, for example, (110) The peak of diffraction intensity on the surface was hardly detected. In contrast, in the piezoelectric layer of Comparative Example 1, diffraction intensity peaks derived from the (100) plane, (200) plane, and (110) plane were detected. From this result, an alignment control layer made of lanthanum nickel oxide of 10 nm or more is provided as in Examples 1 and 2, and the piezoelectric layer formed on this alignment control layer can be preferentially aligned on the (100) plane. Even if the orientation control layer is thicker than 50 nm, the piezoelectric layer on the orientation control layer can be preferentially oriented in the (100) plane. However, if the orientation control layer is too thick, the thickness of the entire first electrode is increased. The first electrode may be a factor that hinders the displacement of the piezoelectric element, and if the conductive layer is thinned to keep the thickness of the first electrode the same, problems such as a decrease in conductivity occur. There is a risk of doing. Therefore, the thickness of the orientation control layer is preferably 50 nm or less. Incidentally, in Examples 1 and 2, a peak of diffraction intensity of the (200) plane is detected, but the (200) plane is equivalent to the (100) plane.
また、配向制御層を設けることで、圧電体層の配向を制御することができるのは、上述したように、圧電体層として鉄酸マンガン酸ビスマス(例えばBi(Fe,Mn)O3)とチタン酸ビスマスカリウム(例えば(Bi,K)TiO3)とを含む材料を用いたからである。すなわち、圧電体層として鉄酸マンガン酸ビスマス(例えばBi(Fe,Mn)O3)とチタン酸ビスマス(例えばBiTiO3)とを含む材料を用いた場合には、ランタンニッケル酸化物からなる配向制御層を下地として設けたとしても、配向制御層上に形成した圧電体層は優先配向しない。 In addition, by providing the orientation control layer, the orientation of the piezoelectric layer can be controlled, as described above, with bismuth ferrate manganate (for example, Bi (Fe, Mn) O 3 ) as the piezoelectric layer. This is because a material containing bismuth potassium titanate (for example, (Bi, K) TiO 3 ) is used. That is, when a material containing bismuth iron manganate (for example, Bi (Fe, Mn) O 3 ) and bismuth titanate (for example, BiTiO 3 ) is used as the piezoelectric layer, the orientation control is made of lanthanum nickel oxide. Even if the layer is provided as a base, the piezoelectric layer formed on the orientation control layer is not preferentially oriented.
また、上述した実施例1及び2では、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O3/(Bi0.5,K0.5)TiO3がモル比で1.50の圧電体層を例示したが、これ以外のモル比の圧電体層であっても同様に、優先配向したランタンニッケル酸化物からなる配向制御層上に形成することで(100)面に優先配向させることができる。 In Examples 1 and 2 described above, a piezoelectric layer in which Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 is 1.50 in molar ratio. In the same manner, even when the piezoelectric layer has a molar ratio other than this, it can be preferentially oriented in the (100) plane by being formed on the orientation control layer made of preferentially oriented lanthanum nickel oxide. .
(実施例3)
上述した実施例1と同様の材料を用いて、以下の手順により実施例3の圧電素子を形成した。
(Example 3)
Using the same material as in Example 1 described above, the piezoelectric element of Example 3 was formed by the following procedure.
実施例3の圧電素子の形成方法としては、シリコン基板上に弾性膜と、絶縁体膜と、密着層と、導電層及び配向制御層を有する第1電極と、を順次積層形成した。 As a method of forming the piezoelectric element of Example 3, an elastic film, an insulator film, an adhesion layer, a first electrode having a conductive layer and an orientation control layer were sequentially stacked on a silicon substrate.
次に、第1電極上に塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、計9回の塗布により全体で厚さ900nmの圧電体層を形成した。このとき、各焼成工程の後に、焼成した圧電体層の表面を純水によって洗浄する洗浄工程を行うようにした。すなわち、焼成工程と次の塗布工程との間に洗浄工程を行うようにした。なお、最後の焼成工程の後に洗浄工程を行ってもよく、また洗浄工程を行わないようにしても良い。本実施形態では、最後の焼成工程の後に洗浄工程を行わないようにした。 Next, a step of performing a firing step of firing all at once after repeating the coating step, drying and degreasing step three times on the first electrode is repeated three times, and the total thickness of the piezoelectric body is 900 nm by applying nine times. A layer was formed. At this time, after each firing step, a washing step of washing the surface of the fired piezoelectric layer with pure water was performed. That is, the cleaning process is performed between the baking process and the next coating process. Note that the cleaning step may be performed after the final baking step, or the cleaning step may not be performed. In this embodiment, the cleaning process is not performed after the final baking process.
(実施例4)
上述した実施例3と同様の材料を用いて、洗浄工程を行わないようにした以外は同じ製造工程によって実施例4の圧電素子を形成した。
Example 4
The piezoelectric element of Example 4 was formed by the same manufacturing process except that the cleaning process was not performed using the same material as that of Example 3 described above.
(試験例2)
実施例3及び4の圧電素子について、走査電子顕微鏡(SEM)により観察した。その結果を図10に示す。なお、図10(a)は実施例3のSEMであり、図10(b)は実施例4のSEM画像である。
(Test Example 2)
The piezoelectric elements of Examples 3 and 4 were observed with a scanning electron microscope (SEM). The result is shown in FIG. FIG. 10A is an SEM of Example 3, and FIG. 10B is an SEM image of Example 4.
図10(b)に示すように、洗浄工程を行わずに形成した実施例4の圧電体層には焼成工程毎に変質層501が形成されているのに対し、図10(a)に示すように、洗浄工程を行った実施例3の圧電体層には、焼成工程毎に形成される変質層500を抑制することができていることが確認できた。 As shown in FIG. 10 (b), the altered layer 501 is formed in the piezoelectric layer of Example 4 formed without performing the cleaning step for each firing step, whereas FIG. 10 (a) shows. As described above, it was confirmed that the deteriorated layer 500 formed in each firing process could be suppressed in the piezoelectric layer of Example 3 that had undergone the cleaning process.
また、実施例3及び4の圧電素子について、J−E Curveを、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、室温(25℃)で測定した。なお、測定はφ=300μmの電極パターンを使用した。この結果を図11に示す。図11に示すように、洗浄工程を行わずに形成した実施例4の圧電体層は、印加電圧の上昇(又は下降)に伴ってリーク電流(電流密度)が急激に増加し、印加電圧が−20Vを超えたところで絶縁破壊が生じていることが確認された。これに対して、洗浄工程を行って形成した実施例3の圧電体層は、印加電圧に対する電流密度の上昇率が、実施例4に比べて低く、印加電圧が−40V近くに達するまで絶縁破壊は確認されなかった。したがって、実施例3の圧電素子は、実施例4の圧電素子に比べてリーク電流が抑制され、且つ耐電圧が向上する。 For the piezoelectric elements of Examples 3 and 4, J-E Curve was measured at room temperature (25 ° C.) using “4140B” manufactured by Hewlett-Packard Company. The measurement used an electrode pattern with φ = 300 μm. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 11, in the piezoelectric layer of Example 4 formed without performing the cleaning process, the leakage current (current density) increases rapidly as the applied voltage increases (or decreases), and the applied voltage It was confirmed that dielectric breakdown occurred at a temperature exceeding −20V. In contrast, the piezoelectric layer of Example 3 formed by performing the cleaning process has a lower rate of increase in current density with respect to the applied voltage than that of Example 4, and dielectric breakdown until the applied voltage reaches close to −40V. Was not confirmed. Therefore, the piezoelectric element of Example 3 has a reduced leakage current and improved withstand voltage compared to the piezoelectric element of Example 4.
ここで、圧電体層のその他の例について以下に示す。
(サンプル1)
(100)に配向したシリコン基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの二酸化シリコンからなる弾性膜を形成した。次に、弾性膜上にRFスパッタ法により膜厚40nmのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタンからなる密着層を形成した。次に、密着層上にDCスパッタ法により膜厚130nmの白金からなる導電層を形成し、(111)に配向した第1電極とした。
Here, other examples of the piezoelectric layer will be described below.
(Sample 1)
An elastic film made of silicon dioxide having a thickness of 1070 nm was formed on the surface of the silicon substrate oriented in (100) by thermal oxidation. Next, a titanium film having a film thickness of 40 nm was formed on the elastic film by RF sputtering, and an adhesion layer made of titanium oxide was formed by thermal oxidation. Next, a conductive layer made of platinum having a film thickness of 130 nm was formed on the adhesion layer by DC sputtering to form a first electrode oriented in (111).
次いで、第1電極上に圧電体層をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、Bi、K、Fe、Mn、Tiのキシレン、オクタンおよびブタノール溶液を所定の割合で混合して、前駆体溶液を調製した。そしてこの前駆体溶液を酸化チタン膜及び第1電極が形成された上記基板上に滴下し、3000rpmで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に150℃で2分、400℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、Rapid Thermal Annealing(RTA)で650℃、5分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、計9回の塗布により全体で厚さ900nmの圧電体層を形成した。 Next, a piezoelectric layer was formed on the first electrode by spin coating. The method is as follows. First, Bi, K, Fe, Mn, Ti xylene, octane and butanol solutions were mixed at a predetermined ratio to prepare a precursor solution. And this precursor solution was dripped on the said board | substrate with which the titanium oxide film and the 1st electrode were formed, the board | substrate was rotated at 3000 rpm, and the piezoelectric precursor film | membrane was formed (application | coating process). Next, drying and degreasing were performed at 150 ° C. for 2 minutes and at 400 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this application | coating process, drying, and a degreasing process 3 times, it baked at 650 degreeC for 5 minutes by Rapid Thermal Annealing (RTA) (baking process). This coating process, drying and degreasing process was repeated 3 times, and then the process of performing a baking process in which baking was performed in a lump was repeated 3 times, and a total of 900 nm thick piezoelectric layers were formed by a total of 9 applications.
その後、圧電体層上に、第2電極としてDCスパッタ法により膜厚100nmの白金膜を形成した後、RTAを用いて650℃、5分間焼成を行うことで、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O3及び(Bi0.5,K0.5)TiO3含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム、すなわちBi(Fe0.97,Mn0.03)O3/(Bi0.5,K0.5)TiO3がモル比で1.50であるものを圧電体層とする圧電素子を形成した。 After that, a platinum film having a film thickness of 100 nm is formed as a second electrode by a DC sputtering method on the piezoelectric layer, and then fired at 650 ° C. for 5 minutes using RTA, whereby Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 and (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 composite oxide having a perovskite structure, which is bismuth iron manganate / potassium bismuth titanate, ie Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 having a molar ratio of 1.50 was formed as a piezoelectric element.
(サンプル2〜6)
Bi、K、Fe、Mn、Tiのキシレン、オクタンおよびブタノール溶液の混合割合を変更し、表1に示す鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム(モル比)の鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸ビスマスカリウムを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層70とした以外は、サンプル1と同様にして、圧電素子300を形成した。
(Samples 2-6)
The mixing ratio of Bi, K, Fe, Mn and Ti in xylene, octane and butanol solutions was changed, and bismuth ferrate manganate and titanate of bismuth ferrate manganate / potassium titanate (molar ratio) shown in Table 1 A piezoelectric element 300 was formed in the same manner as in Sample 1 except that the composite oxide having a perovskite structure containing bismuth potassium was used as the piezoelectric layer 70.
(サンプル7)
まず、(100)に配向したシリコン基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にスパッタ法により、ジルコニウム膜を作製し、熱酸化することで400nmの酸化ジルコニウム膜を形成した。次に、酸化ジルコニウム膜上にRFスパッタ法により膜厚40nmのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上にDCスパッタ法により(111)に配向した膜厚130nmの白金膜を形成した。次に、白金膜上に所定の形状のフォトレジストを形成し、ドライエッチングによりパターニングを行い、第1電極とした。
(Sample 7)
First, a silicon dioxide film having a thickness of 1070 nm was formed on the surface of a silicon substrate oriented in (100) by thermal oxidation. Next, a zirconium film was formed on the silicon dioxide film by sputtering, and thermally oxidized to form a 400 nm zirconium oxide film. Next, a titanium film with a thickness of 40 nm was formed on the zirconium oxide film by RF sputtering, and the titanium oxide film was formed by thermal oxidation. Next, a platinum film having a thickness of 130 nm oriented in (111) was formed on the titanium oxide film by DC sputtering. Next, a photoresist having a predetermined shape was formed on the platinum film, and patterning was performed by dry etching to form a first electrode.
次いで、第1電極上に圧電体層をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、Bi、K、Fe、Mn、Tiのキシレン、オクタンおよびブタノール溶液を、所定の割合で混合して、前駆体溶液を作製した。そしてこの前駆体溶液を酸化チタン膜及び第1電極が形成された上記基板上に滴下し、3000rpmで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に150℃で2分、400℃で4分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、Rapid Thermal Annealing(RTA)で750℃、5分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を3回繰り返し、計9回の塗布により全体で厚さ900nmの圧電体層を形成した。 Next, a piezoelectric layer was formed on the first electrode by spin coating. The method is as follows. First, Bi, K, Fe, Mn, Ti xylene, octane and butanol solutions were mixed at a predetermined ratio to prepare a precursor solution. And this precursor solution was dripped on the said board | substrate with which the titanium oxide film and the 1st electrode were formed, the board | substrate was rotated at 3000 rpm, and the piezoelectric precursor film | membrane was formed (application | coating process). Next, drying and degreasing were performed at 150 ° C. for 2 minutes and at 400 ° C. for 4 minutes (drying and degreasing process). After repeating this application | coating process, drying, and a degreasing process 3 times, it baked at 750 degreeC for 5 minute (s) by Rapid Thermal Annealing (RTA) (baking process). This coating process, drying and degreasing process was repeated 3 times, and then the process of performing a baking process in which baking was performed in a lump was repeated 3 times, and a total of 900 nm thick piezoelectric layers were formed by a total of 9 applications.
その後、圧電体層上にDCスパッタ法により膜厚100nmの白金膜を作製した。次に、RTAで750℃、5分間熱処理を行った。次に、前記白金膜上に、所定の形状のフォトレジストを形成し、ドライエッチングにより白金および圧電体層をパターニングを行った。その後、スパッタ法にて酸化アルミニウム膜を作製した。次に、所定の形状のフォトレジストを形成、およびドライエッチングによりパターニングを2度行い、酸化アルミニウム膜を所定の形状に加工した。 Thereafter, a platinum film having a thickness of 100 nm was formed on the piezoelectric layer by DC sputtering. Next, heat treatment was performed by RTA at 750 ° C. for 5 minutes. Next, a photoresist having a predetermined shape was formed on the platinum film, and platinum and the piezoelectric layer were patterned by dry etching. Thereafter, an aluminum oxide film was produced by sputtering. Next, a photoresist having a predetermined shape was formed and patterned twice by dry etching to process the aluminum oxide film into a predetermined shape.
その後、この加工したものの上部を有機フィルムにより保護した後、下部を研削機にて所定の厚さに加工し、その後研削面を研磨処理した。次に、耐アルカリ性のハードマスクを形成し、所定の形状にパターン加工した。次に、ウェットエッチングによりシリコンを所定の形状に加工した。その後、有機フィルムを剥離することで、圧電素子および圧力発生室を有する圧電アクチュエーターを作製した。なお、圧電体層は、Bi(Fe0.97,Mn0.03)O3及び(Bi0.5,K0.5)TiO3を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物であって、鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム、すなわちBi(Fe0.97,Mn0.03)O3/(Bi0.5,K0.5)TiO3がモル比で1.22である。 Then, after protecting the upper part of this processed material with an organic film, the lower part was processed to a predetermined thickness with a grinder, and then the ground surface was polished. Next, an alkali resistant hard mask was formed and patterned into a predetermined shape. Next, silicon was processed into a predetermined shape by wet etching. Thereafter, the organic film was peeled off to produce a piezoelectric actuator having a piezoelectric element and a pressure generating chamber. The piezoelectric layer is a complex oxide having a perovskite structure containing Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 and (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 , Bismuth manganate / potassium bismuth titanate, that is, Bi (Fe 0.97 , Mn 0.03 ) O 3 / (Bi 0.5 , K 0.5 ) TiO 3 has a molar ratio of 1.22.
(比較サンプル1)
原料として酸化ビスマス、酸化鉄、炭酸カリウム、酸化チタンの固体粉末を用い、固相法によりセラミックスを作製した。この手法は以下の通りである。まず、前述の原料を、モル比でBi:Fe:K:Ti=70:40:30:60になるように混合した後、前述の混合粉末と等量のエタノールと原料の4倍量のジルコニアボールを加え、24時間混合・粉砕を行った。その後、ジルコニアボールを取り除いた後に、乾燥を行い、混合粉末を得た。この混合粉末を電気炉で700℃に加熱することで、仮焼成粉末を得た。この仮焼成粉にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を2.5重量%添加し混合した後に、プレス成型により直径1mmのペレットを作製した。このペレットを仮焼成粉で被い、700℃で脱バインダー処理を行った後、1060℃で焼成することで、セラミックスペレットを得た。このペレットを研磨した後、スクリーン印刷により銀電極を塗布し、700℃で焼き付けることで、電極を具備したセラミックスを得た。
(Comparative sample 1)
Ceramics were prepared by a solid phase method using bismuth oxide, iron oxide, potassium carbonate, and titanium oxide solid powders as raw materials. This method is as follows. First, the above-mentioned raw materials are mixed so that the molar ratio is Bi: Fe: K: Ti = 70: 40: 30: 60, and then the above-mentioned mixed powder and an equivalent amount of ethanol and four times the amount of zirconia of the raw materials. Balls were added and mixed and ground for 24 hours. Then, after removing the zirconia balls, drying was performed to obtain a mixed powder. This mixed powder was heated to 700 ° C. with an electric furnace to obtain a temporarily fired powder. After adding 2.5% by weight of polyvinyl alcohol (PVA) as a binder to the calcined powder and mixing, pellets having a diameter of 1 mm were produced by press molding. The pellet was covered with pre-fired powder, subjected to binder removal treatment at 700 ° C., and then fired at 1060 ° C. to obtain ceramic pellets. After this pellet was polished, a silver electrode was applied by screen printing and baked at 700 ° C. to obtain a ceramic provided with the electrode.
(試験例2)
サンプル1〜6の圧電素子について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温(25℃)で、圧電体層の粉末X線回折パターンを求めた。その結果、全てのサンプル1〜6において、ABO3型構造に起因するピークと基板由来のピークのみが観測され、異相は観測されなかった。
(Test Example 2)
For the piezoelectric elements of Samples 1 to 6, the powder X-ray diffraction pattern of the piezoelectric layer was obtained at room temperature (25 ° C.) using “D8 Discover” manufactured by Bruker AXS, using CuKα rays as the X-ray source. . As a result, in all the samples 1 to 6, only the peak derived from the ABO 3 type structure and the peak derived from the substrate were observed, and no heterogeneous phase was observed.
(試験例3)
サンプル1〜6の各圧電素子について、J−E Curveを、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、室温(25℃)で測定した。なお、測定はφ=300μmの電極パターンを使用した。この結果、すべての実施例において、電流密度が小さく、リークが抑制されていることが分かる。結果の一例として、サンプル1、サンプル3及びサンプル5の結果を図12に示す。
(Test Example 3)
For each of the piezoelectric elements of Samples 1 to 6, J-E Curve was measured at room temperature (25 ° C.) using “4140B” manufactured by Hewlett-Packard Company. The measurement used an electrode pattern with φ = 300 μm. As a result, in all the examples, it can be seen that the current density is small and the leakage is suppressed. As an example of the results, the results of Sample 1, Sample 3, and Sample 5 are shown in FIG.
(試験例4)
サンプル1〜6の圧電素子について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=400μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzにて、分極量と電界の関係(P−E曲線)を求めた。この結果、全てのサンプルにおいて、強誘電性に由来する良好なヒステリシスを示した。結果の一例として、サンプル1を図13(a)に、サンプル3を図13(b)に、サンプル5を図13(c)に示す。
(Test Example 4)
Regarding the piezoelectric elements of Samples 1 to 6, “FCE-1A” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., using an electrode pattern of φ = 400 μm, and the relationship between the amount of polarization and the electric field (PE curve) at a frequency of 1 kHz at room temperature. Asked. As a result, all samples showed good hysteresis derived from ferroelectricity. As an example of the results, sample 1 is shown in FIG. 13 (a), sample 3 is shown in FIG. 13 (b), and sample 5 is shown in FIG. 13 (c).
また、サンプル1〜6の圧電素子について、試験例4の分極量と電界の関係(P−E曲線)から、抗電界ECを求めた。鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム(モル比)に対して抗電界ECをプロットした図を、図14に示す。図14に示すように、サンプル1〜6全てにおいて、抗電界ECが164kVcm−1未満となっているため、164kVcm−1以上の電界となる電圧を印加すれば、インクジェット式記録ヘッドを駆動できるといえる。例えば、抗電界ECが200kVcm−1未満なので、1μm厚の薄膜では、20Vの電圧(中間電位)で分極可能であり、インクジェット式記録ヘッドを駆動できることが分かる。また、サンプル3及びサンプル4はECが100kVcm−1未満となっているため、この組成近傍では2μm厚の薄膜においても、20Vの中間電位で分極可能であることが分かる。なお、サンプルでは後述する比較サンプル1と比較して、抗電界が大きくなっているが、これは界面、応力、結晶性等の要因によって薄膜で抗電界が大きくなる薄膜特有の現象である。 For the piezoelectric elements of Samples 1 to 6, the coercive electric field E C was obtained from the relationship between the polarization amount and the electric field (P-E curve) in Test Example 4. The diagram plots the coercive field E C with respect to bismuth ferrate manganate / bismuth potassium titanate (molar ratio), shown in Figure 14. As shown in FIG. 14, since the coercive electric field E C is less than 164 kVcm −1 in all the samples 1 to 6, the ink jet recording head can be driven by applying a voltage with an electric field of 164 kVcm −1 or more. It can be said. For example, since the coercive electric field E C is less than 200 kVcm −1 , it can be seen that a thin film having a thickness of 1 μm can be polarized with a voltage (intermediate potential) of 20 V and can drive an ink jet recording head. Also, since the sample 3 and sample 4 is E C has become less than 100KVcm -1, even in a thin film of 2μm thick in this composition vicinity is found to be polarizable in an intermediate potential of 20V. The coercive electric field of the sample is larger than that of the comparative sample 1 described later. This is a phenomenon unique to a thin film in which the coercive electric field is increased in the thin film due to factors such as the interface, stress, and crystallinity.
(試験例5)
サンプル1〜6の各圧電素子について、ヒューレットパッカード社製「4294A」を用い、φ=500μmの電極パターンを使用し、室温(25℃)で周波数1kHzにて、圧電体層の比誘電率を測定した。鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム(モル比)に対して比誘電率εrをプロットした図を、図15に示す。この結果、図15に示すように、比誘電率は300以上と高く、また、サンプル1〜4では500以上であった。また、比誘電率は組成比に対し極大を持っており、BFM/BKT=1.11(サンプル2)のときεr=616、BFM/BKT=1.00(サンプル3)の時εr=628という高い値を示した。これらは鉄酸ビスマス(BFO)の3倍以上の比誘電率である。
(Test Example 5)
For each of the piezoelectric elements of samples 1 to 6, the relative dielectric constant of the piezoelectric layer was measured at a frequency of 1 kHz at room temperature (25 ° C.) using an electrode pattern of φ = 500 μm using “4294A” manufactured by Hewlett-Packard. did. FIG. 15 shows a plot of relative dielectric constant ε r against bismuth iron manganate / potassium bismuth titanate (molar ratio). As a result, as shown in FIG. 15, the relative dielectric constant was as high as 300 or more, and in samples 1 to 4, it was 500 or more. The relative dielectric constant has a maximum with respect to the composition ratio. When BFM / BKT = 1.11 (sample 2), ε r = 616, and when BFM / BKT = 1.00 (sample 3), ε r = It showed a high value of 628. These have a dielectric constant more than three times that of bismuth ferrate (BFO).
(試験例6)
サンプル1〜6の圧電素子について、アグザクト社製の変位測定装置(DBLI)を用い室温(25℃)で、φ=500μmの電極パターンを使用し、周波数1kHzの電圧を印加して、電界誘起歪−電圧の関係を求めた。サンプル1を図16(a)に、サンプル2を図16(b)に、サンプル3を図16(c)に、サンプル4を図16(d)に、サンプル5を図16(e)に、サンプル6を図16(f)に示す。この結果、図16に示すように、全てのサンプルにおいて、良好に変位していた。
(Test Example 6)
For the piezoelectric elements of Samples 1 to 6, an electric field induced strain was applied by applying a voltage of 1 kHz using an electrode pattern of φ = 500 μm at room temperature (25 ° C.) using a displacement measuring device (DBLI) manufactured by Axact. -The voltage relationship was determined. 16 (a), Sample 2 in FIG. 16 (b), Sample 3 in FIG. 16 (c), Sample 4 in FIG. 16 (d), Sample 5 in FIG. 16 (e), Sample 6 is shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 16, all the samples were favorably displaced.
図16に示した測定結果より、最大圧電歪Smaxを最大印加電界Emaxで除す(Smax/Emax)ことにより、圧電定数d33を求めた。鉄酸マンガン酸ビスマス/チタン酸ビスマスカリウム(モル比)に対してd33をプロットした図を、図17に示す。図17より、d33は組成に対し極大を持っており、BFM/BKT=1.11(サンプル2)の時d33=55pmV−1、BFM/BKT=1.00(サンプル3)の時d33=40pmV−1と、試験例5の誘電率の極大と同様の傾向を示した。このことから、誘電率の増加が圧電性の向上に対応していることが分かる。 From the measurement results shown in FIG. 16, the piezoelectric constant d 33 was determined by dividing the maximum piezoelectric strain S max by the maximum applied electric field E max (S max / E max ). The diagram plots the d 33 with respect to bismuth ferrate manganate / bismuth potassium titanate (molar ratio), shown in Figure 17. From FIG. 17, d 33 has a maximum with respect to the composition. When BFM / BKT = 1.11 (sample 2), d 33 = 55 pmV −1 , and when BFM / BKT = 1.00 (sample 3), d 33 A tendency similar to 33 = 40 pmV −1 and the maximum dielectric constant of Test Example 5 was exhibited. From this, it can be seen that an increase in dielectric constant corresponds to an improvement in piezoelectricity.
(試験例7)
サンプル7の圧電体層70に電位差ΔV70を印加した時に発生する、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56、第1電極60、圧電体層70、第2電極80、および保護膜(酸化アルミニウム膜)の相対位置の最大変化幅ΔSを、レーザードップラー変位計を用い、室温(25℃)で測定した。図18に印加電圧を変化させたときの測定結果を示す。縦軸はΔSを圧力発生室12の長手方向の長さL12で除した値(ΔS/L12)であり、これは電圧を印加したときに発生する圧力発生室12の単位長さあたりの変形量を意味する。すなわち、ヘッドの液体吐出能力に相当する。また、無次元数であるため、単位系として形式的にUを使用する。
(Test Example 7)
The elastic film 50, the insulator film 55, the adhesion layer 56, the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, the second electrode 80, and the protective film (which are generated when the potential difference ΔV 70 is applied to the piezoelectric layer 70 of the sample 7) The maximum change width ΔS of the relative position of the (aluminum oxide film) was measured at room temperature (25 ° C.) using a laser Doppler displacement meter. FIG. 18 shows the measurement results when the applied voltage is changed. The vertical axis is a value (ΔS / L 12 ) obtained by dividing ΔS by the length L 12 in the longitudinal direction of the pressure generating chamber 12, which is per unit length of the pressure generating chamber 12 generated when a voltage is applied. Means the amount of deformation. That is, it corresponds to the liquid ejection capability of the head. Moreover, since it is a dimensionless number, U is used formally as a unit system.
図18より、サンプル7はΔV70=20Vにおいて約100μU、40Vでは約200μUという良好なアクチュエーター特性を有することが分かった。それに加え、ΔV70=20〜50Vの領域で、印加電圧に対し良好な直線応答を示しており、印加電圧波形による吐出液滴径制御(MSDT)が容易であることが分かった。 From FIG. 18, it was found that Sample 7 has good actuator characteristics of about 100 μU at ΔV 70 = 20V and about 200 μU at 40V. In addition, in the region of ΔV 70 = 20 to 50 V, a good linear response was exhibited with respect to the applied voltage, and it was found that ejection droplet diameter control (MSDT) by the applied voltage waveform was easy.
(試験例8)
比較サンプル1のセラミックスについて、東陽テクニカ社製「FCE−1A」を用い、シリコンオイル中で、室温で10kHzにて測定し、分極量と電界の関係(P−E曲線)を求めた。結果を図19に示す。図19に示すように、強誘電性に由来する良好なヒステリシスが観測された。なお、抗電界ECは、14kVcm−1であった。
(Test Example 8)
The ceramic of Comparative Sample 1 was measured using “FCE-1A” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd. in silicon oil at room temperature at 10 kHz, and the relationship between the amount of polarization and the electric field (PE curve) was determined. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 19, good hysteresis derived from ferroelectricity was observed. The coercive electric field E C was 14 kVcm −1 .
また、比較サンプル1のセラミックスについて、室温のシリコンオイル中で、3分間、50kVcm−1の直流電界を印加することで、分極処理を行った。なお、分極処理に使用した電界は、図19のP−E曲線より、分極処理に十分な電界である。 Further, the ceramic of Comparative Sample 1 was subjected to polarization treatment by applying a DC electric field of 50 kVcm −1 for 3 minutes in silicon oil at room temperature. In addition, the electric field used for the polarization process is a sufficient electric field for the polarization process from the PE curve in FIG.
この分極処理した比較サンプル1のセラミックスの圧電特性を、中国科学院製「ピエゾd33メーター」を使用し、分極方向の圧電定数(d33)によって評価した。なお、測定は室温で行った。また、上記中国科学院製「ピエゾd33メーター」は、圧力により誘起された分極量を測定することで、圧電定数を測定するものである。この結果、比較サンプル1の圧電定数はd33=36pCN−1であった。これは、特許文献2における電圧印加により誘起された歪から求めた圧電定数の1/5程度の値であり、比較サンプル1のセラミックスは、一般的な分極処理では分極を保持できないことを示している。したがって、インクジェット式記録ヘッドに使用し難いことが分かった。 The piezoelectric characteristics of the ceramic of Comparative Sample 1 subjected to the polarization treatment were evaluated by the piezoelectric constant (d 33 ) in the polarization direction using “Piezo d 33 Meter” manufactured by Chinese Academy of Sciences. The measurement was performed at room temperature. The “Piezo d 33 Meter” manufactured by the Chinese Academy of Sciences measures the piezoelectric constant by measuring the amount of polarization induced by pressure. As a result, the piezoelectric constant of Comparative Sample 1 was d 33 = 36 pCN −1 . This is a value of about 1/5 of the piezoelectric constant obtained from the strain induced by voltage application in Patent Document 2, indicating that the ceramic of Comparative Sample 1 cannot maintain polarization by a general polarization process. Yes. Therefore, it turned out that it is difficult to use for an ink jet recording head.
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the silicon single crystal substrate is exemplified as the flow path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.
また、例えば、上述した実施形態では、圧電素子300として、流路形成基板10上に弾性膜50及び絶縁体膜55を介して第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を有するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、下部電極と上部電極との間の圧電体層の厚さの途中に中間電極を有する構成であってもよい。このような構成では、下部電極の圧電体層との界面に配向制御層を設けてもよく、また、中間電極の上部電極側の圧電体層との界面に、配向制御層を設けてもよく、これらの両方に配向制御層を設けてもよい。ちなみに、下部電極の圧電体層との界面に配向制御層を設けた場合には、下部電極が特許請求の範囲に記載の第1電極に相当し、中間電極が特許請求の範囲に記載の第2電極に相当する。また、中間電極の上部電極側の圧電体層との界面に配向制御層を設けていた場合には、中間電極が特許請求の範囲に記載の第1電極に相当し、上部電極が特許請求の範囲に記載の第2電極に相当する。 For example, in the above-described embodiment, the piezoelectric element 300 includes the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 on the flow path forming substrate 10 via the elastic film 50 and the insulator film 55. However, the present invention is not particularly limited thereto, and for example, an intermediate electrode may be provided in the middle of the thickness of the piezoelectric layer between the lower electrode and the upper electrode. In such a configuration, an orientation control layer may be provided at the interface with the piezoelectric layer of the lower electrode, and an orientation control layer may be provided at the interface with the piezoelectric layer on the upper electrode side of the intermediate electrode. In both cases, an orientation control layer may be provided. Incidentally, when the orientation control layer is provided at the interface between the lower electrode and the piezoelectric layer, the lower electrode corresponds to the first electrode described in the claims, and the intermediate electrode corresponds to the first electrode described in the claims. It corresponds to two electrodes. Further, when the orientation control layer is provided at the interface with the piezoelectric layer on the upper electrode side of the intermediate electrode, the intermediate electrode corresponds to the first electrode recited in the claims, and the upper electrode is claimed. It corresponds to the second electrode described in the range.
さらに、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図20は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 Furthermore, the ink jet recording heads of these embodiments constitute a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge and the like, and are mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 20 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図20に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。 In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 20, the recording head units 1A and 1B having the ink jet recording head I are detachably provided with cartridges 2A and 2B constituting ink supply means, and the recording head units 1A and 1B. Is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.
そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。 The driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
また、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。 The present invention is not limited to a piezoelectric element mounted on a liquid jet head typified by an ink jet recording head, but may be an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, or the like. The present invention can also be applied to a piezoelectric element mounted on the apparatus. The present invention can be similarly applied to a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 マニホールド部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 56 密着層、 60 第1電極、 61 導電層、 62 配向制御層、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子 I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric element holding portion, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 55 insulator film, 56 adhesion layer, 60 first electrode, 61 conductive layer, 62 orientation control layer, 70 piezoelectric layer, 80 Second electrode, 90 Lead electrode, 100 Manifold, 120 Drive circuit, 300 Piezoelectric element
Claims (7)
前記圧電素子が、(100)面に優先配向し、ペロブスカイト構造を有するランタンニッケル酸化物を主成分とする配向制御層を有する第1電極と、
該第1電極上方に形成されて鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含む複合酸化物からなり、(100)面に優先配向した圧電体層と、
該圧電体層上方に設けられた第2電極と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。 A flow path forming substrate having a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and a piezoelectric element provided above the flow path forming substrate and causing a pressure change in the pressure generating chamber,
The piezoelectric element has a first electrode having an orientation control layer mainly composed of lanthanum nickel oxide having a perovskite structure preferentially oriented in the (100) plane;
A piezoelectric layer formed above the first electrode, made of a composite oxide containing iron, manganese, bismuth, titanium and potassium, and preferentially oriented in the (100) plane;
A liquid ejecting head comprising: a second electrode provided above the piezoelectric layer.
該第1電極上方に形成されて鉄、マンガン、ビスマス、チタン及びカリウムを含む複合酸化物からなり、(100)面に優先配向した圧電体層と、
該圧電体層上方に設けられた第2電極と、を具備することを特徴とする圧電素子。 A first electrode having an orientation control layer predominately oriented in the (100) plane and comprising a lanthanum nickel oxide having a perovskite structure as a main component;
A piezoelectric layer formed above the first electrode, made of a composite oxide containing iron, manganese, bismuth, titanium and potassium, and preferentially oriented in the (100) plane;
A piezoelectric element comprising: a second electrode provided above the piezoelectric layer.
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