JP6168283B2 - 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、超音波デバイス、フィルター及びセンサー - Google Patents
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Description
かかる態様では、ビスマスと、アルミニウム、シリコン、クロム及びマンガンから選択される1つの元素との酸化物からなるバッファー層と、複合酸化物層との積層構造の圧電体層とすることにより、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する圧電素子とすることができる。
ここで、前記バッファー層は、ビスマスとアルミニウムを含み、前記圧電体層は、結晶が(111)面に優先配向していることが好ましい。これによれば、結晶が(111)面に優先配向したペロブスカイト構造の圧電体層を容易に作製することができる。
ここで、前記バッファー層は、ビスマスとシリコンを含み、前記圧電体層は、結晶が(110)面に優先配向していることが好ましい。これによれば、結晶が(110)面に優先配向したペロブスカイト構造の圧電体層を容易に作製することができ、圧電体層の結晶性を向上させることができる。
また、前記バッファー層は、ビスマスとマンガンを含み、前記圧電体層は、結晶が(100)面に優先配向していることが好ましい。これによれば、結晶が(100)面に優先配向したペロブスカイト構造の圧電体層を容易に作製することができ、圧電体層の結晶性を向上させることができる。
また、前記バッファー層は、ビスマスとクロムを含み、前記圧電体層は、結晶が(100)面に優先配向していることが好ましい。これによれば、結晶が(100)面に優先配向したペロブスカイト構造の圧電体層を容易に作製することができ、圧電体層の結晶性を向上させることができる。
また、前記何れかの態様に記載のバッファー層は、10nm以下の厚さであることが好ましい。これによれば、バッファー層は、10nm以下と薄いため、電圧が誘電率の低いバッファー層に集中し、圧電体層に印加される電圧が降下する影響を軽減することができ、電圧が効率的に圧電体層に印加され、圧電特性を向上させることができる。
また、前記何れかの態様に記載のバッファー層は、島状に設けられていることが好ましい。これによれば、バッファー層の存在により、圧電体層に印加される電圧が降下する影響をより一層軽減することができ、電圧がさらに効率的に圧電体層に印加され、圧電特性をさらに向上させることができる。
また、前記複合酸化物層は、さらにマンガンを含むことが好ましい。これにより、圧電体層のリーク特性の向上を図ることができる。
本発明の他の態様は、ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドであって、前記何れかの態様に記載の圧電素子を備え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、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドとすることができる。
本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載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、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置とすることができる。
また、本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス、フィルター、又はセンサーにある。かかる態様では、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する超音波デバイス、フィルター、又はセンサーとすることができる。
また、別の態様は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた圧電体層とを備え、前記圧電体層は、ビスマスと、アルミニウム、シリコン、クロム及びマンガンから選択される1つの元素とを含むバッファー層と、前記バッファー層上に設けられたビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物層とからなることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、ビスマスと、アルミニウム、シリコン、クロム及びマンガンから選択される1つの元素とを含むバッファー層と、複合酸化物層との積層構造の圧電体層とすることにより、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する圧電素子とすることができる。
かかる態様では、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドとすることができる。
本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載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、クラックの発生が抑制され、結晶性及び圧電特性に優れた圧電体層を有する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置とすることができる。
図1は、本発明の実施形態1に係る製造方法によって製造され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(a)は図2のA−A′線断面図、図3(b)は図3(a)の要部拡大断面図である。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。
(0<x<0.40)
(Bi1−xBax)(Fe1−xTix)O3 (1’)
(0<x<0.40)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBax)((Fe1−yMy)1−xTix)O3 (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
Crを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸クロム、酢酸クロムなどが挙げられる。
Mnを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸マンガン、酢酸マンガンなどが挙げられる。
まず、(100)単結晶シリコン(Si)基板の表面に熱酸化により膜厚1200nmの酸化シリコン(SiO2)膜を形成した。次に、SiO2膜上にRFマグネトロンスパッター法により膜厚40nmのチタン膜を作製し、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RFマグネトロンスパッター法により、(111)面に配向し厚さ100nmの白金膜(第1電極60)を形成した。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸アルミニウムのn−オクタン溶液を、ビスマスのモル濃度が0.06250mol/Lとなるようにn−オクタンで調製したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約100nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、20nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸アルミニウムのn−オクタン溶液を、ビスマスのモル濃度が0.12500mol/Lとなるようにn−オクタンで調製したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約120nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、40nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸アルミニウムのn−オクタン溶液を、ビスマスのモル濃度が0.25000mol/Lとなるようにn−オクタンで調製したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約160nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、80nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸シリコンのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Si=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであり、第1電極全体の面積に対するバッファー層72の占有面積の割合は、約2割であった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸クロムのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Cr=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであり、第1電極全体の面積に対するバッファー層72の占有面積の割合は、約2割であった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸マンガンのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Mn=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであり、第1電極全体の面積に対するバッファー層72の占有面積の割合は、約2割であった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸イットリウムのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Y=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸ガリウムのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Ga=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸タンタルのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Ta=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸ジルコニウムのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Zr=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸二オブのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Nb=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸亜鉛のn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Zn=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸ニッケルのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Ni=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸銅のn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:Cu=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸バナジウムのn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:V=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層の前駆体溶液として、2−エチルヘキサン酸ビスマス及び2−エチルヘキサン酸ホウ素のn−オクタン溶液を、モル濃度比がBi:B=100:100となるように混合したものを用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、バッファー層72と、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約90nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、バッファー層72と、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。なお、バッファー層72の厚さは、10nmであった。
バッファー層を形成せず、バッファー層の前駆体溶液の代わりに、Bi、Fe、Ba、Ti及びMnを含む圧電材料層と同様の組成の前駆体溶液を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行い、単層の複合酸化物層74からなる厚さ約80nmの圧電体層70を形成した。また、同様の操作により、積層構造の複合酸化物層74からなる厚さ約700nmの圧電体層70を形成した。
実施例1〜7、比較例1〜11の膜厚80nmの複合酸化物層を有する圧電体層について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線回折ピークの測定を行うと共に、X線回折強度を示す2次元マッピングを得た。図9〜図12に、X線回折ピークの測定結果を示す。また、図13〜図16に、実施例7、実施例1〜5、比較例11の圧電体層についてのX線回折の2次元検出器を用いた場合の2次元マッピングを示す。
2次元マッピングでペロブスカイト構造の圧電体がランダム配向している場合と、(110)面に強配向している場合と、どちらも共存している場合とでは、ペロブスカイトの(110)面の回折線が観察される2θ=32°付近において、それぞれ、一様な強度でリング状に回折線が観測される場合がランダム配向している場合である。また、中央部を中心にスポット状に回折線が観測される場合は(110)面に強配向している場合である。さらに、外周部近くでは一様な強度でリング状に回折線が観測され、中央部付近ではスポット状に観測される場合はランダム配向と(110)面の強配向した配向が混在する。一方、その他の強配向の面がある場合はランダム配向でリングができる沿線上で中央部以外の場所にスポットができる場合がある。つまり、(110)面に強配向している場合とは、2θ=32°付近の中央部を中心にスポット状に回折線が観測される場合のことをいう。配向の評価を行う場合は、各面において同様の操作を行った。
実施例1〜7、比較例1〜11の膜厚700nmの圧電体層について、第2電極80を形成していない状態、すなわち、圧電体層が形成された直後の表面を金属顕微鏡により100倍にて観察した。実施例7及び比較例11の結果を図17、図18に示す。
以下の手法で、バッファー層を島状に形成したことによる電圧降下の影響をシミュレーションにより評価した。島状のバッファー層を有する圧電体層を備えた圧電素子に1Vの電圧を印加した場合に、バッファー層にかかる印加電圧を算出した。表2に、計算に用いたパラメータを示す。
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。
Claims (13)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層は、ビスマスと、アルミニウム、シリコン、クロム及びマンガンから選択される1つの元素との酸化物からなるバッファー層と、前記バッファー層上に設けられたビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物層とからなることを特徴とする圧電素子。 - 前記バッファー層は、ビスマスとアルミニウムを含み、
前記圧電体層は、結晶が(111)面に優先配向していることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。 - 前記バッファー層は、ビスマスとシリコンを含み、
前記圧電体層は、結晶が(110)面に優先配向していることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。 - 前記バッファー層は、ビスマスとマンガンを含み、
前記圧電体層は、結晶が(100)面に優先配向していることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。 - 前記バッファー層は、ビスマスとクロムを含み、
前記圧電体層は、結晶が(100)面に優先配向していることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。 - 前記バッファー層は、10nm以下の厚さであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の圧電素子。
- 前記バッファー層は、島状に設けられていることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の圧電素子。
- 前記複合酸化物層は、さらにマンガンを含むことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の圧電素子。
- ノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドであって、
請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 請求項9に記載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。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とするフィルター。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とするセンサー。
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