JPH0878748A - 薄膜圧電体素子およびそれを用いたインクジェット記録ヘッド - Google Patents
薄膜圧電体素子およびそれを用いたインクジェット記録ヘッドInfo
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Abstract
法の提供。 【解決手段】 多結晶体よりなる圧電体膜と、該圧電体
膜を挟む二つの電極とを含んでなる、薄膜圧電体素子で
あって、前記圧電体膜の多結晶体の結晶粒径が0.4μ
m以上であり、かつ前記圧電体膜の膜厚以下であるもの
である。また、その製造法は、電極上に圧電体の前駆体
膜を形成する工程と、前駆体膜が形成された前記電極
を、酸素を含む雰囲気中で500〜700℃の温度で加
熱し、前記前駆体膜を結晶化して多結晶体よりなる圧電
体膜とする第1加熱工程と、そして圧電体膜が形成され
た前記電極を、酸素を含む雰囲気中で750〜1200
℃の温度で加熱し、前記圧電体膜の表面から観察される
多結晶体の結晶粒径を0.4μm以上とする第2加熱工
程とを含んでなる。
Description
し、またはその逆を行う薄膜型の圧電体素子に関し、さ
らに詳しくはアクチュエータ、圧力センサ、温度セン
サ、インクジェット記録用ヘッドなどに用いられる薄膜
型の圧電体素子に関する。
(PZT)を主成分とする二成分系またはPZTに第三
成分を加えた三成分系とされている。
結晶粒径に着目し、その粒径を本願発明のような範囲に
制御した例を本発明者等は知らない。
Vol.58, No. 11, 1161-1163には二成分系PZTを用い
た強誘電体が開示されている。しかしながら、この報告
はこの強誘電体の特性を詳細に開示はしているが、圧電
体としての特性の評価は行っていない。
体を開示してはいるが、その圧電体膜の結晶粒径につい
ての記述はない。
c Society, 1973, Vol.56, No.2, 91-96 もまた圧電体
膜を開示している。しかし、この圧電体膜の走査型電子
顕微鏡で観察される結晶粒径は、1.7〜7μm程度と
されている。
晶粒径がその特性に大きく関連するとの知見を得た。さ
らに、その結晶粒径を実現する好適な製造法を確立し
た。
素子およびその製造法の提供をその目的としている。
結晶体よりなる圧電体膜と、該圧電体膜を挟む二つの電
極とを含んでなる、薄膜圧電体素子であって、前記圧電
体膜の多結晶体の結晶粒径が0.4μm以上であり、か
つ前記圧電体膜の膜厚以下であるもの、である。
法は、電極上に圧電体の前駆体膜を形成する工程と、前
駆体膜が形成された前記電極を、酸素を含む雰囲気中で
500〜700℃の温度で加熱し、前記前駆体膜を結晶
化して多結晶体よりなる圧電体膜とする第1加熱工程
と、そして圧電体膜が形成された前記電極を、酸素を含
む雰囲気中で750〜1200℃の温度で加熱し、前記
圧電体膜の表面から観察される多結晶体の結晶粒子を
0.4μm以上とする第2加熱工程とを含んでなるも
の、である。
体膜と、この圧電体膜を挟む二つの電極とから基本的に
なるものである。そして、圧電体膜の多結晶体の結晶粒
径が0.4μm以上であり、かつこの結晶粒径が圧電体
膜の膜厚以下とされてなるものである。
部において観察される結晶粒径であってもよいが、結晶
粒径は圧電体膜の表面から観察するのが簡便である。本
発明の好ましい態様によれば、圧電体膜の結晶粒子同士
は強く結合していることから、圧電体膜の断面に結晶の
輪郭が適切に現れないことがあるからである。
り、かつこの結晶粒径が圧電体膜の膜厚以下とされるこ
とで、良好な特性の圧電体素子が得られる。圧電体素子
の変位量は次の式で表現できるとされている。 変位量=a×d31×V=a×ε33×g31×V (ここで、aは比例定数、d31は圧電定数、ε33は
比誘電率、g31は電圧出力係数、そしてVは印加電圧
を表す) 上記式において、結晶粒径が0.4μm以上であること
で圧電定数d31が大きくなることが確認された。その
理由としては、結晶粒径が上記値を超えることで、比誘
電率ε33が大きくなるものと考えられる。本発明の好
ましい態様によれば、本発明による薄膜圧電体素子は8
0pC/N以上の圧電定数d31を示し、より好ましく
は150pC/N以上を示す。
合し、緻密化することで比誘電率ε33または電圧出力
係数g31を大きくすることができる。結果として変位
量を得ることができるので有利である。
よる薄膜圧電体素子における圧電体の膜厚は1μm〜5
μm程度である。
二成分系とよばれるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を
主成分とするのが好ましい。好ましい具体例としては、
下記の式で表わされる組成を有するものが挙げられる。
る)
わゆる三成分系とよばれる、上記PZTに第三成分(例
えば、マグネシウムニオブ酸鉛)が更に加えられたもの
であってもよい。三成分系の好ましい具体例としては、
下記の式で表わされるものが挙げられる。
PbO+(fMgO)n (ここで、Aは、Mg、Co、Zn、Cd、Mn、およ
びNiからなる群から選択される2価の金属またはS
b、Y、Fe、Sc、Yb、Lu、In、およびCrか
らなる群から選択される3価の金属を表し、Bは、N
b、Ta、およびSbからなる群から選択される5価の
金属またはWおよびTeからなる群から選択される6価
の金属を表し、また a+b+c=1、 0.35≦a≦0.55、 0.25≦b≦0.55、 0.1≦c≦0.4、 0≦e≦0.3、 0≦f≦0.15c、 g=h=1/2、そしてn=0であるが、但し、Aが3
価の金属を表し、かつBが6価の金属を表すことはな
く、またAが2価の金属を表し、かつBが5価の金属を
表す場合、gは1/3を表し、hは2/3を表し、また
AがMgを表し、BがNbを表す場合に限り、nは1を
表す。)
AがMgを表し、BがNbを表し、gが1/3を表し、
そしてhが2/3を表すものが挙げられる。
あることが、結晶粒径を大きくし、圧電体膜を緻密化す
る観点から好ましい。さらに、AがMgを表し、BがN
bを表すとき、MgOが上記範囲にあることで、熱処理
中のPbOの蒸発を防ぎ、またSi基板との反応を抑制
する。さらに、MgOの存在は圧電特性を向上させるペ
ロブスカイト相を安定化する。
いずれにあっても、その圧電特性改善するために、微量
のBa、Sr、La、Nd、Nb、Ta、Sb、Bi、
W、Mo、Ca、などが添加されてもよい。とりわけ、
三成分系にあっては0.10モル%以下のSr、Baの
添加が圧電特性の改善にとり好ましい。また、三成分系
にあっては0.10モル%以下のMn、Niの添加がそ
の焼結性を改善するので好ましい。
いて説明する。図1において、薄膜圧電体素子はシリコ
ン(Si)基板101と、Si熱酸化膜102と、下電
極(例えば、Ptからなる)103と、圧電体膜104
と、上電極105(例えば、Auからなる)とから構成
される。また、本発明の好ましい態様によれば、圧電体
膜104と、下電極103および上電極105との間
に、例えばTiからなる密着層106が設けられてよ
い。圧電体膜の膜厚は、好ましくは0.5〜25μm程
度であり、より好ましくは1〜5μm程度である。さら
に他の膜または層の厚さは適宜決定されてよいが、例え
ばSi基板は10〜1000μm程度、Si熱酸化膜は
0.05〜3μm程度、上電極および下電極は0.05
〜2μm程度が好ましい。
以上とされた以外は、慣用されている種々の薄膜作製手
法を利用して製造されてよい。
リングが挙げられる。すなわち、特定成分のPZT焼結
体をスパッタリングのターゲットとして用い、電極膜上
にスパッタリングによりアモルファス状の圧電体膜前駆
体膜を形成する。
結晶化し、焼結させる。この加熱は酸素雰囲気中(例え
ば、酸素中、または酸素とアルゴンなどの不活性ガスと
の混合ガス中)において、2段階に分けて行われるのが
好ましい。すなわち、第1の加熱工程においては、アモ
ルファス状の前駆体を結晶化させる。そして、第2の加
熱工程おいては、生じた結晶粒を成長させ、さらに結晶
粒同士の焼結を促進させる。具体的には、第1加熱工程
は酸素雰囲気中で前駆体膜を好ましくは500〜700
℃の温度で加熱する。加熱によって前駆体膜を結晶化さ
せる。この第1加熱工程は、前駆体膜が均質に結晶化し
た時点で終了されてよい。続いて、第2加熱工程は、結
晶化した膜を750〜1200℃で加熱する。この加熱
は結晶粒径が少なくとも0.4μm以上となるまで実施
される。より好ましくは結晶粒子同士が緻密に結合する
まで実施される。
て行われてもよく、また第1加熱工程の後、膜を室温ま
で冷却した後、第2加熱工程が行われてもよい。
晶化および結晶粒を成長させ得る限り種々の加熱炉を利
用することができるが、昇温速度の大きな加熱炉を利用
するのが好ましい。例えば、ランプアニール炉の利用が
好ましい。好ましい昇温速度としては、第1および第2
の加熱工程いずれにおいても、50℃/秒以上であり、
より好ましくは100℃/秒以上である。
の上にさらに電極を設け、薄膜圧電体素子とする。
録ヘッド 本発明による薄膜圧電体素子は、その良好な特性を利用
して、種々の用途に用いられてよい。
子として利用することができる。本発明による薄膜圧電
体素子を利用することで、大きな圧力でインクを吐出さ
せることができ、また高い周波数によって駆動が行える
との利点がある。
録ヘッドの好ましい具体例は図2に示されるとおりであ
る。図2(a)は記録ヘッドの上面図であり、図2
(b)は図2(a)のA−A’の断面図である。この記
録ヘッドは、キャビティー203が形成された単結晶S
i基板201からなるチップと、インク流路204およ
びインクだめ205とが形成されたガラス基板202と
が接合されて構成されている。単結晶Si基板201に
は、Si熱酸化膜206と、下電極207と、圧電体膜
208と、上電極209とが形成されてなる。
ンク流路204を通じてキャビティー203に供給され
る。ここで、圧電体膜208に下電極207と上電極2
09とを通じて電圧が印加されると、キャビティー20
3を変形させ、インクに圧力を加える。この圧力によっ
てインクがノズル210より吐出され、インクジェット
記録が行える。さらに、他の好ましいインクジェット記
録ヘッドを図3に示す。この態様では、キャビティー2
03の部分の単結晶Si基板201が一部薄肉部301
として残されている。
るが、本発明はこれら実施例に限定されるものではな
い。
した後、1000℃で、4時間、水蒸気を含む酸素雰囲
気中で加熱して湿式酸化を行い、1μmの厚さの熱酸化
膜を形成した。次に直流マグネトロンスパッタ法によっ
て、膜厚200オングストロームのTi膜と、膜厚20
00オングストロームのPt膜とを連続して形成した。
さらに、スパッタリングターゲットとして組成の制御さ
れたPZTの焼結体を用い、RFマグネトロンスパッタ
リング法によって、Pt膜上に膜厚3μmの圧電体膜前
駆体膜を形成した。この前駆体膜はアモルファス状態で
あった。
で加熱して、前駆体膜を結晶化し、焼結させて圧電体膜
とした。その際の温度条件は、第1加熱工程として酸素
雰囲気中550℃で結晶粒が発生するまで加熱し、さら
にその後第2加熱工程として酸素雰囲気中750℃で結
晶粒径を成長させ、焼結を行った。その際、第2加熱工
程の時間を調整し、結果として結晶粒径の大きさを制御
した。
スパッタ法によって、膜厚200オングストロームのT
i膜と、膜厚2000オングストロームのAu膜とを連
続して形成し、薄膜圧電体素子とした。
(ZrX Ti1-X )O3 +YPbOにおいて、X=0.
52、Y=0.05であった。また、走査型電子顕微鏡
で観察した圧電体膜の表面から観察される結晶粒径は次
の第1表に記載の通りであった。圧電体膜を割って、そ
の断面についても走査型電子顕微鏡で観察したが、結晶
粒が観察されないほど緻密化していた。
た。すなわち、Pt膜およびAu膜間に60Vの電圧を
30分間印加した。その後、圧電定数d31を測定し
た。その値は次の第1表に示されるとおりであった。
た。但し、圧電体膜の組成はPb(ZrX Ti1-X )O
3 +YPbOにおいてXおよびYを次の第2表に記載の
ように変化させた。また、第1加熱工程として550℃
で結晶粒が発生するまで加熱し、さらにその後第2加熱
工程として800℃で結晶粒径を成長させ、焼結を行っ
た。その際、第2加熱工程の時間を調整し、圧電体膜の
表面から観察される結晶粒径が0.4〜1μmの範囲と
なるようにした。
に分極処理し、その後、圧電定数d31を測定した。そ
の値は次の第2表に示される通りであった。
工程中に圧電体膜の剥離が生じてしまった。
た。但し、圧電体膜の組成はPbTia Zrb (Mg
1/3 Nb2/3 )c O3 +ePbO+fMgOにおいて
a、b、c、e、およびfを次の第3表に記載のように
変化させた。また、第1加熱工程として600℃で結晶
粒が発生するまで加熱し、さらにその後第2加熱工程と
して900℃で結晶粒径を成長させ、焼結を行った。そ
の際、第2加熱工程の時間を調整し、圧電体膜の表面か
ら観察される結晶粒径が0.4〜3μmの範囲となるよ
うにした。
に分極処理し、その後、圧電定数d31を測定した。そ
の値は次の第3表に示される通りであった。
熱工程中に圧電体膜の剥離が生じてしまった。
て、第4表に記載の薄膜圧電体素子を製造した。但し、
圧電体膜の組成はPb(ZrX Ti1-X )O3+YPb
OにおいてX=0.45、Y=0.10とした。
第2加熱工程は表中のT2(℃)で行った。但し、試料
番号2については、800℃の第1加熱工程のみとし
た。第1加熱工程と第2加熱工程との間に室温までSi
基板を冷却するか(表中、非連続)、または冷却せず続
けて昇温して加熱を実施した(表中、連続)。
れる結晶粒径は第4表に示される通りであった。
と同様に分極処理し、その後、圧電定数d31を測定し
た。その値は次の第4表に示される通りであった。
の剥離が生じ、また試料番号4は第2加熱工程後、圧電
体膜にクラックが発生した。
て、第5表に記載の薄膜圧電体素子を製造した。但し、
圧電体膜の組成はPbTia Zrb (Mg1/3N
b2/3 )c O3 +ePbO+fMgOにおいてa=0.
45、b=0.45、c=0.1、e=0.1、および
f=0.01とした。
第2加熱工程は表中のT2(℃)で行った。但し、試料
番号2については、800℃の第1加熱工程のみとし
た。第1加熱工程と第2加熱工程との間に室温までSi
基板を冷却するか(表中、非連続)、または冷却せず続
けて昇温して加熱を実施した(表中、連続)。試料番号
1〜8は拡散炉を使用して加熱した。また、試料番号9
および10は大きな昇温速度を設定できるランプアニー
ル炉を用いた。試料番号9の加熱は、第1加熱工程とし
て酸素雰囲気中で室温から550℃まで100℃/秒の
昇温速度で昇温し、550℃で10秒間保持した。室温
まで冷却し、その表面の結晶粒径を観察したところ、
0.3μmであった。第2加熱工程として、試料を酸素
雰囲気中で850℃で1時間加熱した。また、試料番号
10の加熱は、第1加熱工程として酸素雰囲気中で室温
から550℃まで100℃/秒の昇温速度で昇温し、5
50℃で10秒間保持した。その後続けて870℃まで
100℃/秒で加熱し、870℃で10秒間保持し、そ
の後200℃まで自然冷却した後、大気中に取り出し
た。室温まで冷却し、その表面の結晶粒径を観察したと
ころ、0.3μmであった。第2加熱工程として、試料
を酸素雰囲気中で850℃で1時間加熱した。
れる結晶粒径は第5表に示される通りであった。
と同様に分極処理し、その後、圧電定数d31を測定し
た。その値は次の第5表に示される通りであった。
の剥離が生じ、また試料番号4は第2加熱工程後、圧電
体膜にクラックが発生した。
ある。
ェット記録ヘッドの好ましい構造を表す図である。
ェット記録ヘッドの別の好ましい構造を表す図である。
Claims (11)
- 【請求項1】多結晶体よりなる圧電体膜と、該圧電体膜
を挟む二つの電極とを含んでなる、薄膜圧電体素子であ
って、前記圧電体膜の多結晶体の結晶粒径が0.4μm
以上であり、かつ前記圧電体膜の膜厚以下である、薄膜
圧電体素子。 - 【請求項2】前記圧電体膜の膜厚が1μm〜5μmであ
る、請求項1記載の薄膜圧電体素子。 - 【請求項3】前記圧電体膜がジルコン酸チタン酸鉛を主
成分としてなるものである、請求項1記載の薄膜圧電体
素子。 - 【請求項4】前記圧電体膜が下記の式で表わされる組成
を有する、請求項3記載の薄膜圧電体素子。 Pb(ZrX Ti1-X )O3 +YPbO (ここで、0.40≦X≦0.6、0≦Y≦0.3であ
る) - 【請求項5】前記圧電体膜が第三成分をさらに含有して
なるものである、請求項3記載の薄膜圧電体素子。 - 【請求項6】前記第三成分がマグネシウムニオブ酸鉛で
ある、請求項5記載の薄膜圧電体素子。 - 【請求項7】前記圧電体膜が下記の式で表わされる組成
を有する、請求項5記載の薄膜圧電体素子。 PbTia Zrb (Ag Bh )c O3 +ePbO+(f
MgO)n (ここで、 Aは、Mg、Co、Zn、Cd、Mn、およびNiから
なる群から選択される2価の金属またはSb、Y、F
e、Sc、Yb、Lu、In、およびCrからなる群か
ら選択される3価の金属を表し、 Bは、Nb、Ta、およびSbからなる群から選択され
る5価の金属またはWおよびTeからなる群から選択さ
れる6価の金属を表し、また a+b+c=1、 0.35≦a≦0.55、 0.25≦b≦0.55、 0.1≦c≦0.4、 0≦e≦0.3、 0≦f≦0.15c、 g=h=1/2、そしてn=0であるが、 但し、Aが3価の金属を表し、かつBが6価の金属を表
すことはなく、 またAが2価の金属を表し、かつBが5価の金属を表す
場合、gは1/3を表し、hは2/3を表し、 またAがMgを表し、BがNbを表す場合に限り、nは
1を表す。) - 【請求項8】AがMgを表し、BがNbを表し、gが1
/3を表し、そしてhが2/3を表す、請求項7記載の
薄膜圧電体素子。 - 【請求項9】請求項1〜8のいずれか一項に記載の薄膜
圧電体素子の製造法であって、 電極上に圧電体の前駆体膜を形成する工程と、 前駆体膜が形成された前記電極を、酸素を含む雰囲気中
で500〜700℃の温度で加熱し、前記前駆体膜を結
晶化して多結晶体よりなる圧電体膜とする第1加熱工程
と、そして圧電体膜が形成された前記電極を、酸素を含
む雰囲気中で750〜1200℃の温度で加熱し、前記
圧電体膜の表面から観察される多結晶体の結晶粒径を
0.4μm以上とする第2加熱工程とを含んでなる、方
法。 - 【請求項10】第1加熱工程の後、前記電極を冷却する
ことなく続けて第2加熱工程を実施する、請求項9記載
の方法。 - 【請求項11】請求項1〜8のいずれか一項に記載の薄
膜圧電体素子を振動子として用いてなる、インクジェッ
ト記録ヘッド。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16975095A JP3371391B2 (ja) | 1994-07-08 | 1995-07-05 | 薄膜圧電体素子およびそれを用いたインクジェット記録ヘッド |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP15744994 | 1994-07-08 | ||
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Publication Number | Publication Date |
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JPH0878748A true JPH0878748A (ja) | 1996-03-22 |
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ID=26484901
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP16975095A Expired - Lifetime JP3371391B2 (ja) | 1994-07-08 | 1995-07-05 | 薄膜圧電体素子およびそれを用いたインクジェット記録ヘッド |
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Country | Link |
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- 1995-07-05 JP JP16975095A patent/JP3371391B2/ja not_active Expired - Lifetime
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