JP3894112B2 - Piezoelectric / electrostrictive membrane element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電/電歪膜型素子に係り、中でも屈曲変位を利用するアクチュエータや、流体特性や音圧、微小重量、加速度等のセンサとして、例えばマイクロホンや粘度センサに用いられる圧電/電歪膜型素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電/電歪膜型素子は、従来よりアクチュエータや各種センサとして用いられている。出願人は、特許文献1のように、厚肉部を周縁部に持つ薄肉なダイヤフラム部を有するセラミックスからなる基板に、下部電極及び補助電極と、圧電/電歪膜と、上部電極とを順次積層させた圧電/電歪膜型素子であって、下部電極と補助電極間に、絶縁体からなる結合層を設けることにより、セラミックス基板と圧電/電歪膜とを完全結合状態とした圧電/電歪膜型素子を開発している。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−004135号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この圧電/電歪膜素子の製造過程では、結合層の結合状態を完全結合とするために、焼成条件を厳密に制御する必要があった。そして、微調整の手間をかけることにより、初期の電気的定数を素子個体間でバラツキが無く、電気的定数の経時変化が生じないようにしていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】
そこで、より結合層の結合状態を完全結合とするために、請求項1に係る本発明は、厚肉部を周縁部に持つ薄肉ダイヤフラム部を有するセラミックスからなる基板に、下部電極及び補助電極と、圧電/電歪膜と、上部電極とを順次積層させるとともに、下部電極と補助電極間に、(Bi0.5Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料で形成される結合層を設けた圧電/電歪膜型素子であって、
前記セラミックス基板を、ジルコニアを主成分とする材料で形成すると共に、前記結合層を、(Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 またはこれを主成分とする材料に、SiO 2 、Y 2 O 3 、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物から選ばれた少なくとも1種類を添加してなる材料で形成する一方、
前記セラミックス基板と前記結合層との間に、前記セラミックス基板に含まれる成分及び/または前記結合層に含まれる成分の一部が偏在する偏在層を、1〜5μmの厚みで形成したことを特徴とする圧電/電歪膜型素子である。
これにより、基板材料及び/又は結合層材料との反応性が高まり、結合状態がより安定的に完全結合が得られた。
ここで、セラミックス基板に含まれる成分及び/または結合層に含まれる成分の一部が偏在する偏在層とは、セラミックス基板に含まれる成分の一部が、結合層に偏在している場合、結合層に含まれる成分の一部が、セラミックス基板に偏在している場合、及び前記2つの場合が連続的に若しくは接触して形成されている場合をいう。
また、偏在層の厚みは、1μm以上、5μm以下であることが好ましい。1μm未満では、セラミックス基板と結合層とで完全な結合状態が得られず、結果として素子全体の耐久性が低いものとなってしまい、5μmを越えると、結合層の上部にある圧電膜に悪影響を及ぼし、時間経過により初期の素子性能が得られなくなるからである。
【0006】
また、本発明では、SiO2はガラス成分を形成して結合力が高くなり、添加量も微量であるため、セラミックス基板や圧電/電歪膜に悪影響を及ぼすことはない。一方、基板材料がジルコニアを主成分とするので、ジルコニアに固溶しやすいY2O3、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物の成分は結合力を高めることができる。なお、アルカリ土類金属酸化物は、基板材料がアルミナの場合、アルミナと反応してスピネル形化合物を形成して結合力を高める。
なお、SiO2、Y2O3、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物の各添加量は、酸化物換算で0.05wt%から0.3wt%であることが好ましい。0.05wt%より小さい場合は、結合力を向上させる効果が無く、0.3wt%より多い場合は、基板材料や圧電電歪膜材料に変質を引き起こし、素子特性の変化や素子の強度を低下させるからである。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1には、本発明の圧電/電歪膜型素子の実施形態が、(a)平面と(b)A−A線での縦断面と(c)結合層部分の拡大図とで示されている。かかる圧電/電歪膜型素子は、薄肉のダイヤフラム部3と厚肉部2からなるセラミックス基板1の上に、下部電極4及び補助電極8と、圧電/電歪膜5と、上部電極6とが、通常の膜形成法によって順次積層されてなる一体構造で形成されている。下部電極4と補助電極8との間は、絶縁体からなる結合層7により、圧電/電歪膜5とセラミックス基板1とが完全結合状態で結合され、セラミックス基板1と結合層7との間には、セラミックス基板1に含まれる成分及び/または結合層7に含まれる成分の一部が偏在する偏在層7Aが、1〜5μmの厚みで形成されている。
【0008】
セラミックス基板1の材質としては、耐熱性、化学的安定性、絶縁性を有する材質が好ましい。これは、後述するように下部電極4、圧電/電歪膜5、上部電極6を一体化する際に、熱処理する場合があること、センサ素子としての圧電/電歪膜型素子が液体の特性をセンシングする場合、その液体が導電性や、腐食性を有する場合があるためである。
かかる観点から使用できるセラミックスとしては、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素及びガラス等を例示することができる。これらの内、安定化された酸化ジルコニウムは薄肉ダイヤフラム部3を薄く形成した場合にも機械的強度を高く保てること、靭性に優れることなどから、好適に使用することができる。
【0009】
セラミックス基板1の薄肉ダイヤフラム部3の厚さとしては、圧電/電歪膜の振動を妨げないために、一般に50μm以下、好ましくは30μm以下、さらに好ましくは15μm以下とされる。また、薄肉ダイヤフラム部の表面形状としては、長方形、正方形、三角形、楕円形、真円形等いかなる形状もとりうるが、励起される共振モードを単純化させる必要のあるセンサ素子の応用では、長方形や真円形が必要に応じて選択される。
【0010】
下部電極4は、セラミックス基板1の一方の端から、薄肉ダイヤフラム部3上の、圧電/電歪膜5が形成されるべき大きさと同等に形成されているが、より小さい又はより大きいどちらであっても所定の大きさで形成されればよい。下部電極4の一方の端は、リード用端子として用いられる。一方、補助電極8は、セラミックス基板1の下部電極4とは反対側の端部から、薄肉ダイヤフラム3の上となる所定の位置まで延設されている。補助電極8の一方の端部は、リード用端子として用いられる。
【0011】
下部電極4及び補助電極8は、異なる材質でも、同一の材質でもよく、セラミックス基板1と圧電/電歪膜5とのいずれとも接合性のよい導電性材料が用いられる。具体的には、白金、パラジウム、ロジウム、銀、あるいはこれらの合金を主成分とする電極材料が好適に用いられ、特に、圧電/電歪膜を形成する際に焼結のための熱処理が行われる場合には、白金、及びこれを主成分とする合金が好適に用いられる。
【0012】
下部電極4と補助電極8の形成には、公知の各種の膜形成手法が用いられる。具体的には、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、CVD、イオンプレーティング、メッキ等の薄膜形成手法や、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング等の厚膜形成手法が適宜選択されるが、その中でも特にスパッタリング法及びスクリーン印刷法が好適に選択される。
【0013】
そして、圧電/電歪膜5の形成に先立ち、下部電極4と補助電極8間で、完全結合状態とするための絶縁体からなる結合層7が形成される。絶縁体からなる結合層7としては、(Bi0.5Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料、例えば(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0.08≦x≦0.5)などに、SiO2、Y2O3、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物から選ばれた少なくとも 1種類が添加されてなる材料が好適である。これらの系の場合は、NaやKが遊離し、膜の絶縁性を損なわないようにするために、NaやKを化学量論組成よりも減じた組成とすることが好ましい。たとえばモル比で、1.01≦Bi/Na≦1.08であり、且つ0.92≦(Bi+Na)/Ti≦0.98の範囲にあることが好ましい。また、この範囲にあることにより、圧電膜の異相の生成を抑制できるとともに、素子の特性発現に最適な粒径とすることができる。
結合層7は、酸化ビスマス 酒石酸水素ナトリウム 酸化チタン、酸化ニオブ酒石酸水素カリウムを原料とし、更に添加物成分の酸化物や炭酸塩等を結合層の所定の組成になるように秤量し、エタノール中で、2φのジルコニア玉石を用い、ボールミルで16時間混合した。得られた泥漿を乾燥後、900℃2時間大気中で仮焼し、さらにエタノール中で、2φのジルコニア玉石を用い、ボールミルで粉砕した。粉砕時間は、粉砕後の粉末の比表面積が5〜10m2/gになるよう選択される。ここで、5m2/gより小さい場合には、粉末の活性が低いために、ジルコニアとの反応が進まず偏在層が形成されない。10m2/gより大きい場合には、活性が高すぎ、粉末同士の凝集が生じるため、偏在層が均一に形成できない。
得られた粉末は、バインダー成分としてポリビニルブチラールやエチルセルロースを用い、溶剤としてテルピネオールやブチルカルビトールを加え、トリロールミルで混練し、印刷用ペーストとされる。
【0014】
さらに、圧電/電歪膜5が、後述の(Bi0.5Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料、または(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0≦x≦0.06)またはこれを主成分とする材料で構成される場合には、(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0.08≦x≦0.5)を主成分とする材料で構成された結合層7が、圧電/電歪膜5とセラミックス基板1の双方との密着性が高く、熱処理の際の圧電/電歪膜5及びセラミックス基板1への悪影響を抑制できることから、より好適に用いられる。すなわち、結合層7を(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0.08≦x≦0.5)とすることで、圧電/電歪膜5と同様の成分を有することから、圧電/電歪膜5との密着性が高くなる。また、ガラスを用いた場合に生じ易い異種元素の拡散による問題が少なく、KNbO3を多く含むことから、セラミックス基板との反応性が高く強固な結合が可能となる。また、(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0.08≦x≦0.5)は、圧電特性をほとんど示さないので、使用時に下部電極4と補助電極8に生じる電界に対し、振動や変位及び応力を発生しないため、安定した素子特性を得ることができる。
【0015】
これらの結合層7の形成には、通常の厚膜手法が用いられ、特にスタンピング法、スクリーン印刷法、あるいは形成すべき部分の大きさが数十μm〜数100μm程度の場合にはインクジェット法が好適に用いられる。また、結合層7の熱処理が必要な場合には、次の圧電/電歪膜5の形成前に熱処理されてもよいし、圧電/電歪膜5の形成後同時に熱処理されてもよい。
【0016】
圧電/電歪膜5は、下部電極4、補助電極8及び結合層7に跨るようにして、また、下部電極4を覆う大きさで形成されている。圧電/電歪膜の材料としては、圧電/電歪効果を示す材料であればいずれの材料でもよく、このような材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の鉛系セラミック圧電/電歪材料や、チタン酸バリウム及びこれを主成分とするチタバリ系セラミック強誘電体や、ポリ弗化ビニリデン(PVDF)に代表される高分子圧電体、あるいは(Bi0.5Na0.5)TiO3に代表されるBi系セラミック圧電体、Bi層状セラミックを挙げることができる。もちろん、圧電/電歪特性を改善した、これらの混合物や、固溶体及び、これらに添加物を添加せしめたものが用いられうることは言うまでもない。PZT系圧電体は、圧電特性が高く、高感度検出が可能なセンサの材料として好適に用いられる。また、特に、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛から選ばれた少なくとも1種以上を主成分とする材料で構成されることが、セラミックス基板を構成する材料との反応性が低く、熱処理中の成分の偏析が起き難く、組成を保つための処理が良好に行われ得、目的とする組成、結晶構造が得られやすいことから、より好適に用いられる。
【0017】
また、下部電極4及び補助電極8に白金または白金を主成分とする合金が用いられる場合には、これらとの接合性がより高く、素子の特性ばらつきを少なくし、高い信頼性が得られることから、圧電/電歪材料には(Bi0.5Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料が好適に用いられる。これらの中でも、特に、(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0≦x≦0.06)またはこれを主成分とする材料が、比較的高い圧電特性を有することから、より好適に用いられる。
【0018】
このような圧電/電歪材料は、圧電/電歪膜5として、下部電極4と補助電極8と同様に公知の各種膜形成法により形成される。中でも、低コストの観点からスクリーン印刷が好適に用いられる。
【0019】
これにより形成された圧電/電歪膜5は必要に応じて熱処理され、下部電極4、補助電極8及び結合層7と、一体化される。本発明にあっては、素子の特性ばらつきを抑え、信頼性を高くするために、圧電/電歪膜5と下部電極4及び補助電極8、結合層7の接合性を強固にする必要があるため、(Bi0.5Na0.5)TiO3またはこれを主成分とする材料、特に、(1−x)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xKNbO3(xはモル分率で0≦x≦0.06)またはこれを主成分とする材料を用い、900℃から1400℃好ましくは1000℃から1300℃の温度で熱処理されることが好ましい。PZT系材料を用いた場合にも同様である。この際、高温時に圧電/電歪膜5が不安定にならないように、圧電/電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御を行いながら熱処理することが好ましい。
そして、この熱処理後に、セラミックス基板1と結合層7との間に、セラミックス基板1に含まれる成分及び/または結合層7に含まれる成分の一部が偏在する偏在層7Aを、図1(c)のように1〜5μmの厚みで形成することができる。
【0020】
さらに、このようにして形成された圧電/電歪膜5の上に、上部電極6が、圧電/電歪膜5から補助電極8にまで跨って連続的に形成されている。なお、上部電極6の大きさは、下部電極4及び補助電極8より大きい大きさであってもよいし、同じ大きさでも、又はより小さくてもよい。
この上部電極6の材質としては、圧電/電歪膜5との接合性の高い導電性材料が用いられ、下部電極4及び補助電極8と同様の膜形成法により形成される。
さらに、上部電極6は、膜形成後必要に応じて熱処理され、圧電/電歪膜5及び補助電極8と接合され、一体構造とされる。このような熱処理がかならずしも必要でないことは下部電極4と同様である。
【0021】
なお、下部電極4、結合層7、圧電/電歪膜5、上部電極6が熱処理により接合される場合には、それぞれを形成の都度熱処理してもよいし、それぞれを順次膜形成後、同時に熱処理してもよい。熱処理する際、良好な接合性や構成元素の拡散による変質を抑制するために、熱処理温度が適切に選ばれるのは言うまでもない。また、焼成したセラミックス基板1に、下部電極4等を積層しているが、焼成前のセラミックス基板1に、下部電極4及び結合層7等を積層して焼成することも可能である。これにより、セラミックス基板に含まれる成分の一部が、結合層に偏在している場合と、結合層に含まれる成分の一部が、セラミックス基板に偏在している場合とが連続的に若しくは接触して偏在層を形成することができる。
さらに、図1では空洞部10に貫通孔9を形成しているが、素子が流体に接触する空洞部10以下の構造は、蓋部の無い単純なキャビティ構造等、どのような構造でもよく、限定しない。
【0022】
【実施例】
素子に対し、オフセット+5V、10Vp−p、周波数1kHzの正弦波を、温度40℃、湿度85%の環境条件で印加し、240時間後の故障率を測定した。
【0023】
【表1】
【0024】
基板材料がジルコニアを主成分とし、結合層添加物がSiO2の場合は、添加量を調整し偏在層の厚みが1μm以上、5μm以下であると、300時間後の素子の故障率を低減することできる。
また、基板材料がジルコニアを主成分とし、結合層添加物がY2O3、アルカリ土類金属酸化物であるCaO、希土類金属酸化物であるLa2O3の各場合も、添加量0.1wt%で偏在層の厚みが2μmであると、300時間後の素子の故障率は充分に低減されている。
更に、SiO2とY2O3とを添加量0.1wt%ずつ混合した結合層添加物であっても、300時間後の素子の故障率は充分に低減されている。
また、SiO2、Y2O3、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物の各添加量がは、酸化物換算で0.05wt%から0.3wt%であることが好ましい。0.05wt%より小さい場合は、結合力を向上させる効果が無く、0.3wt%より多い場合、基板材料や圧電電歪幕材料に変質を引き起こし、素子特性の変化や素子の強度を低下させる。
【0025】
【発明の効果】
本発明による圧電/電歪膜型素子にあっては、基板材料と結合層材料との反応性が高まり、セラミックス基板と圧電/電歪膜との結合状態がより安定的な完全結合となる。よって、素子としての耐久性が高まり、振動のばらつきや経時変化が無く、振動における電気的定数の検知により流体特性や液体/気体を判別する素子、あるいは音圧や微小重量、加速度等の測定素子、さらにはアクチュエータ素子として、好適な素子が継続的に得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサ用圧電/電歪膜型素子の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
1・・セラミックス基板、2・・厚肉部、3・・薄肉ダイヤフラム部、4・・下部電極、5・・圧電/電歪膜、6・・上部電極、7・・結合層、7A・・偏在層、8・・補助電極、9・・貫通孔、10・・空洞部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element, and in particular, an actuator that utilizes bending displacement, and a piezoelectric / electrostrictive used in, for example, a microphone or a viscosity sensor as a sensor for fluid characteristics, sound pressure, minute weight, acceleration, etc. The present invention relates to a membrane element.
[0002]
[Prior art]
Piezoelectric / electrostrictive membrane elements have been conventionally used as actuators and various sensors. The applicant, as in Patent Document 1, sequentially forms a lower electrode, an auxiliary electrode, a piezoelectric / electrostrictive film, and an upper electrode on a substrate made of ceramics having a thin diaphragm portion with a thick portion at the periphery. A laminated piezoelectric / electrostrictive film type element, in which a bonding layer made of an insulator is provided between a lower electrode and an auxiliary electrode so that the ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive film are in a completely coupled state. We are developing electrostrictive membrane elements.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-004135
[Problems to be solved by the invention]
In the process of manufacturing the piezoelectric / electrostrictive film element, it is necessary to strictly control the firing conditions in order to make the bonding state of the bonding layer completely bond. Further, by taking the effort of fine adjustment, there is no variation in the initial electrical constant among the individual elements so that the electrical constant does not change with time.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in order to make the bonding state of the bonding layer more complete, the present invention according to claim 1 is directed to a substrate made of ceramics having a thin diaphragm portion having a thick portion at a peripheral portion, a lower electrode and an auxiliary electrode. In addition, the piezoelectric / electrostrictive film and the upper electrode are sequentially laminated, and a bond formed of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 or a material containing this as a main component between the lower electrode and the auxiliary electrode. A piezoelectric / electrostrictive film type element provided with a layer,
The ceramic substrate is formed of a material containing zirconia as a main component, and the bonding layer is made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 or a material containing this as a main component with SiO 2 , Y 2 O. 3. While formed of a material formed by adding at least one selected from alkaline earth metal oxides or rare earth metal oxides,
An uneven distribution layer in which a component contained in the ceramic substrate and / or a part of a component contained in the bonding layer is unevenly distributed is formed between the ceramic substrate and the bonding layer with a thickness of 1 to 5 μm. This is a piezoelectric / electrostrictive film type element.
As a result, the reactivity with the substrate material and / or the bonding layer material was increased, and a complete bond was obtained in a more stable bond state.
Here, the uneven distribution layer in which a component contained in the ceramic substrate and / or a part of the component contained in the bonding layer is unevenly distributed means that when a part of the component included in the ceramic substrate is unevenly distributed in the bonding layer, This refers to the case where a part of the components contained in the layer is unevenly distributed on the ceramic substrate and the case where the two cases are formed continuously or in contact with each other.
Further, the thickness of the uneven distribution layer is preferably 1 μm or more and 5 μm or less. If the thickness is less than 1 μm, a completely bonded state cannot be obtained between the ceramic substrate and the bonding layer. As a result, the durability of the entire device is low. If the thickness exceeds 5 μm, the piezoelectric film above the bonding layer is adversely affected. This is because the initial device performance cannot be obtained over time.
[0006]
Further, in the present invention, SiO 2 forms a glass component to increase the bonding force, and the addition amount is very small, so that the ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive film are not adversely affected. On the other hand, since the substrate material is mainly composed of zirconia, components of Y 2 O 3 , alkaline earth metal oxide, or rare earth metal oxide, which are easily dissolved in zirconia, can increase the binding force. Note that, when the substrate material is alumina, the alkaline earth metal oxide reacts with alumina to form a spinel compound, thereby increasing the bonding strength.
Incidentally, SiO 2, Y 2 O 3 , each addition amount of the alkaline earth metal oxide or rare earth metal oxide is preferably 0.3 wt% from 0.05 wt% in terms of oxide. If it is less than 0.05 wt%, there is no effect of improving the bonding force, and if it is more than 0.3 wt%, the substrate material and the piezoelectric electrostrictive film material are deteriorated, and the device characteristics change and the device strength decreases. It is because it makes it.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an embodiment of a piezoelectric / electrostrictive film type element of the present invention in (a) a plane, (b) a longitudinal section taken along line AA, and (c) an enlarged view of a coupling layer portion. ing. Such a piezoelectric / electrostrictive film type element has a
[0008]
The material of the ceramic substrate 1 is preferably a material having heat resistance, chemical stability, and insulation. This is because, as will be described later, when the
Examples of ceramics that can be used from this viewpoint include stabilized zirconium oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, mullite, aluminum nitride, silicon nitride, and glass. Among these, stabilized zirconium oxide can be preferably used because the mechanical strength can be kept high and the toughness is excellent even when the
[0009]
The thickness of the
[0010]
The
[0011]
The
[0012]
Various known film forming techniques are used to form the
[0013]
Prior to the formation of the piezoelectric /
The
The obtained powder uses polyvinyl butyral or ethyl cellulose as a binder component, terpineol or butyl carbitol as a solvent, and is kneaded with a tri-roll mill to form a printing paste.
[0014]
Further, the piezoelectric /
[0015]
A normal thick film method is used to form these
[0016]
The piezoelectric /
[0017]
Further, when platinum or an alloy containing platinum as a main component is used for the
[0018]
Such a piezoelectric / electrostrictive material is formed as the piezoelectric /
[0019]
The piezoelectric /
Then, after this heat treatment, an unevenly distributed
[0020]
Further, the
As the material of the
Further, the
[0021]
When the
Further, in FIG. 1, the through
[0022]
【Example】
A sine wave with an offset of +5 V, 10 Vp-p, and a frequency of 1 kHz was applied to the device under environmental conditions of a temperature of 40 ° C. and a humidity of 85%, and the failure rate after 240 hours was measured.
[0023]
[Table 1]
[0024]
When the substrate material is zirconia as the main component and the bonding layer additive is SiO 2 , the failure rate of the device after 300 hours is reduced when the addition amount is adjusted and the thickness of the uneven distribution layer is 1 μm or more and 5 μm or less. I can.
In addition, when the substrate material is mainly composed of zirconia, the bonding layer additive is Y 2 O 3 , CaO which is an alkaline earth metal oxide, and La 2 O 3 which is a rare earth metal oxide, the addition amount is also 0. When the thickness of the uneven distribution layer is 2 μm at 1 wt%, the failure rate of the element after 300 hours is sufficiently reduced.
Furthermore, even in the case of a tie layer additive in which SiO 2 and Y 2 O 3 are mixed in increments of 0.1 wt%, the failure rate of the device after 300 hours is sufficiently reduced.
Further, SiO 2, Y 2 O 3 , is in the amount of the alkaline earth metal oxide or rare earth metal oxide is preferably 0.3 wt% from 0.05 wt% in terms of oxide. If it is less than 0.05 wt%, there is no effect of improving the bonding force, and if it is more than 0.3 wt%, the substrate material or the piezoelectric electrostrictive curtain material is deteriorated, and the device characteristics change or the device strength is reduced. .
[0025]
【The invention's effect】
In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the reactivity between the substrate material and the bonding layer material is increased, and the bonding state between the ceramic substrate and the piezoelectric / electrostrictive film becomes a more stable complete bond. Therefore, the durability as an element is increased, there is no variation in vibration or change with time, and an element for discriminating fluid characteristics and liquid / gas by detecting an electrical constant in vibration, or a measuring element for sound pressure, minute weight, acceleration, etc. In addition, suitable elements can be continuously obtained as actuator elements.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a piezoelectric / electrostrictive membrane element for a sensor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ....
Claims (1)
前記セラミックス基板を、ジルコニアを主成分とする材料で形成すると共に、前記結合層を、(Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 またはこれを主成分とする材料に、SiO 2 、Y 2 O 3 、アルカリ土類金属酸化物又は希土類金属酸化物から選ばれた少なくとも1種類を添加してなる材料で形成する一方、
前記セラミックス基板と前記結合層との間に、前記セラミックス基板に含まれる成分及び/または前記結合層に含まれる成分の一部が偏在する偏在層を、1〜5μmの厚みで形成したことを特徴とする圧電/電歪膜型素子。A lower electrode and an auxiliary electrode, a piezoelectric / electrostrictive film, and an upper electrode are sequentially laminated on a substrate made of a ceramic having a thin diaphragm portion having a thick portion at the peripheral portion, and between the lower electrode and the auxiliary electrode, A piezoelectric / electrostrictive film type element provided with a bonding layer formed of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 or a material mainly composed thereof,
The ceramic substrate is formed of a material containing zirconia as a main component, and the bonding layer is made of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 or a material containing this as a main component with SiO 2 , Y 2 O. 3. While formed of a material formed by adding at least one selected from alkaline earth metal oxides or rare earth metal oxides,
An uneven distribution layer in which a component contained in the ceramic substrate and / or a part of a component contained in the bonding layer is unevenly distributed is formed between the ceramic substrate and the bonding layer with a thickness of 1 to 5 μm. A piezoelectric / electrostrictive film type element.
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