JPH11204849A - Piezo-electric actuator - Google Patents

Piezo-electric actuator

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JPH11204849A
JPH11204849A JP823298A JP823298A JPH11204849A JP H11204849 A JPH11204849 A JP H11204849A JP 823298 A JP823298 A JP 823298A JP 823298 A JP823298 A JP 823298A JP H11204849 A JPH11204849 A JP H11204849A
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JP
Japan
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layer
film
piezoelectric actuator
substrate
function layer
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Application number
JP823298A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasutarou Kobata
八州太郎 木幡
Etsuko Fujisawa
悦子 藤沢
Zenichi Akiyama
善一 秋山
Kunihiro Yamanaka
邦裕 山中
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an actuator that can prevent lead diffusion to a board in sintering lead type piezo-electric ceramic material, on the Si board and also has mechanical strength and high reliability. SOLUTION: An electric-mechanical converting element made of a piezo-electric material layer showing an electric-mechanical converting effect between an upper and lower electrode and the electrodes is mounted on a Si board. For an actuator to deform a part of the base 1 according to a given electrical signal, a middle layer 2 having more than one layer is formed between the electric-mechanical converting element. And the middle layer 2 is formed by a mono layer or plural layers composing of a function layer 2a touched with the base 1, an anti-reactive function layer 2b, and a film stress reductive function 2c.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、Si基板上に形成
する圧電素子および圧電素子を用いた圧電アクチュエー
タに関するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a piezoelectric element formed on a Si substrate and a piezoelectric actuator using the piezoelectric element.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電/電歪素子の用途として、加圧室に
圧力を加えてインク滴を吐出する圧電インクジェットヘ
ッドがある。近年、インクジェットヘッドは高集積化が
求められており、半導体プロセスやマイクロマシニング
技術により、エッチング技術が確立されていて、かつ、
コストの安いSi基板に加圧室を形成するアクチュエー
タ構成が考案されている。
2. Description of the Related Art As an application of a piezoelectric / electrostrictive element, there is a piezoelectric ink jet head which applies a pressure to a pressurizing chamber to discharge ink droplets. In recent years, high integration of inkjet heads has been demanded, and etching technology has been established by semiconductor processes and micromachining technology, and
An actuator configuration for forming a pressure chamber on a low-cost Si substrate has been devised.

【0003】特開平8−252914号公報のインクジ
ェットヘッドでは、単結晶Si基板上にSiO2膜を形
成し、弾性膜・圧電/電歪層を積層した後、異方性エッ
チングによりSi基板にインク滴吐出のための加圧室を
形成し、さらに圧電膜直下のSiO2膜をBHFにより
除去し、圧電膜とSi基板の相互拡散による影響を無視
できる構成および製造方法を提案している。
In the ink jet head disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-252914, an SiO 2 film is formed on a single-crystal Si substrate, an elastic film and a piezoelectric / electrostrictive layer are laminated, and ink is applied to the Si substrate by anisotropic etching. A configuration and a manufacturing method have been proposed in which a pressurized chamber for discharging droplets is formed, and the SiO 2 film immediately below the piezoelectric film is removed by BHF, so that the influence of mutual diffusion between the piezoelectric film and the Si substrate can be ignored.

【0004】特願平9−107296号では、単結晶S
i基板上に、部分または完全安定化された酸化ジルコニ
ア膜,酸化セリウム膜等の緻密な鉛拡散防止膜を形成
し、圧電膜直下のSiを残すインクジェットヘッドの構
成を提案している。
Japanese Patent Application No. 9-107296 discloses a single crystal S
There has been proposed an ink jet head configuration in which a dense lead diffusion preventing film such as a partially or completely stabilized zirconia oxide film or a cerium oxide film is formed on an i-substrate, and Si under the piezoelectric film is left.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】電気−機械変換素子の
圧電材料層にはチタン酸ジルコン鉛(以下PZT)等の
鉛系圧電セラミックス材料が多く用いられる。しかし、
例えば、Si基板上にPZTを形成した後、焼結のため
の高温でのアニールを行うと、Si基板上に鉛が拡散
し、Si基板表面に形成しているSiO2の融点降下に
よる融解が発生する。
For the piezoelectric material layer of the electromechanical transducer, lead-based piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT) are often used. But,
For example, if PZT is formed on a Si substrate and then annealing is performed at a high temperature for sintering, lead diffuses on the Si substrate, and melting of SiO 2 formed on the surface of the Si substrate due to a melting point drop occurs. Occur.

【0006】特開平8−252914号公報では、圧電
膜直下のSi基板およびSiO2膜をエッチング等で完
全に取り除いてインク加圧室を形成することにより、上
記問題を解決した発明が開示されているが、この発明で
は弾性膜と電極膜のみで加圧を行うため、機械的強度が
弱くなるという問題がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-252914 discloses an invention which solves the above problem by completely removing the Si substrate and the SiO 2 film immediately below the piezoelectric film by etching or the like to form an ink pressurizing chamber. However, in the present invention, there is a problem that mechanical strength is weakened because pressure is applied only by the elastic film and the electrode film.

【0007】特願平9−107296号では、鉛拡散を
防止する緻密な部分または完全安定化された酸化ジルコ
ニア膜,酸化セリウム膜等からなる中間層を、電気−機
械変換素子と加圧室基板の間に形成し、加圧室部の薄肉
厚部を1〜20μmにすることにより、振動板に求めら
れる機械強度と、電気−機械変換部の歪みの効果的な伝
達を行うことができる発明が開示されている。しかし、
鉛拡散を防ぐため、例えば、エピタキシャル膜のような
緻密で結晶性の良い単層で中間層を形成する場合、欠陥
もピンホールもない完全な単結晶膜ならば、0.1μm
程度でも可能であるが、実際はピンホールや結晶欠陥等
の膜欠陥が発生し、そこからSi基板への鉛拡散が進
む。一方、鉛拡散を防止できる緻密な膜を単層または複
層で厚く形成した場合には、圧電素子焼成等の熱履歴に
よって膜表面からクラックが進み、Si基板への鉛拡散
が発生する。さらに膜応力によるSi振動板のたわみが
発生し、安定したインク滴吐出が難しくなり、ビットご
とにばらつきが生ずるという問題がある。
In Japanese Patent Application No. 9-107296, an intermediate layer composed of a zirconia oxide film, a cerium oxide film, or the like, which is a dense portion for preventing lead diffusion or a fully stabilized film, is used for forming an electromechanical conversion element and a pressure chamber substrate. In this invention, the mechanical strength required for the diaphragm and the distortion of the electro-mechanical converter can be effectively transmitted by forming the thin section of the pressurizing chamber portion to have a thickness of 1 to 20 μm. Is disclosed. But,
In order to prevent lead diffusion, for example, when the intermediate layer is formed of a dense single layer having good crystallinity such as an epitaxial film, a perfect single crystal film having no defects and no pinholes has a thickness of 0.1 μm.
Although it is possible to do so, film defects such as pinholes and crystal defects occur, and lead diffusion from these to the Si substrate proceeds. On the other hand, when a dense film capable of preventing the diffusion of lead is formed as a single layer or a plurality of layers, cracks progress from the film surface due to heat history such as firing of the piezoelectric element, and lead diffusion to the Si substrate occurs. Furthermore, there is a problem that the deflection of the Si diaphragm due to the film stress occurs, it becomes difficult to stably eject ink droplets, and there is a variation in each bit.

【0008】本発明では、基体との密着機能層,反応防
止機能層,膜応力緩和機能層を有する単層または複数層
から、十分な機械的強度を有した信頼性の高い基体界面
中間層を形成し、それと電気−機械変換素子を用いた圧
電アクチュエータを提供することを主なる目的とする。
請求項2の発明は、金属酸化物からなる配向膜、もしく
は基板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である
ことを特徴とする付着力が大きい基体密着機能層を配置
させることで、機械的強度の高い中間層を形成すること
を目的とする。
According to the present invention, a highly reliable intermediate layer having a sufficient mechanical strength is formed from a single layer or a plurality of layers having an adhesion function layer to a substrate, a reaction prevention function layer, and a film stress relaxation function layer. It is a main object of the present invention to provide a piezoelectric actuator formed using the same and an electromechanical transducer.
A second aspect of the present invention is to provide an alignment film made of a metal oxide or a single crystal thin film epitaxially grown on a substrate, and to dispose a substrate adhesion functional layer having a large adhesive force so as to have high mechanical strength. The purpose is to form an intermediate layer.

【0009】請求項3の発明は、反応防止機能層として
緻密な結晶性の良い金属酸化物膜を用いることにより、
圧電材料層と基体間の反応防止効果の高い中間層を形成
することを目的とする。請求項4の発明は、高温で緻密
な反応防止膜,密着機能膜を形成することから生ずる膜
応力を打ち消すまたは緩和する膜応力緩和機能層を配置
させることで、中間層全体の応力を軽減させることを目
的とする。
According to the third aspect of the present invention, a dense metal oxide film having good crystallinity is used as the reaction preventing functional layer.
An object of the present invention is to form an intermediate layer having a high reaction preventing effect between a piezoelectric material layer and a substrate. According to a fourth aspect of the present invention, the stress of the entire intermediate layer is reduced by disposing a film stress relieving layer for canceling or relieving a film stress generated by forming a dense reaction preventing film and an adhesion function film at a high temperature. The purpose is to:

【0010】請求項5の発明は、中間層材料として部分
または完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いるこ
とにより、より靭性・機械的強度の高い中間層を形成す
ることを目的とする。請求項6の発明は、中間層形成に
スパッタリングを用いることにより、より効率的に中間
層を形成するすることを目的とする。
A fifth object of the present invention is to form an intermediate layer having higher toughness and mechanical strength by using a partially or completely stabilized zirconium oxide film as an intermediate layer material. A sixth object of the present invention is to form an intermediate layer more efficiently by using sputtering for forming the intermediate layer.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、基体
上に、上下電極および該電極間に挟まれた電気−機械変
換効果を示す圧電材料層からなり、与えられる電気信号
に応じて基体の一部を変形する電気−機械変換素子部を
配し、基体と電気−機械変換素子部の間に1層以上の中
間層が形成されている圧電アクチュエータにおいて、該
中間層が基体との密着機能層,反応防止機能層,膜応力
緩和機能層を有する単層または複数層から構成される圧
電アクチュエータである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a base material comprising upper and lower electrodes and a piezoelectric material layer sandwiched between the electrodes and exhibiting an electromechanical conversion effect. An electro-mechanical conversion element for deforming a part of the base is provided, and one or more intermediate layers are formed between the base and the electro-mechanical conversion element. The piezoelectric actuator includes a single layer or a plurality of layers having an adhesion function layer, a reaction prevention function layer, and a film stress relaxation function layer.

【0012】請求項2の発明は、請求項1記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記密着機能層の膜厚は、1μ
m以下好ましくは0.1μm以下の金属酸化膜であり、
配向膜もしくは基板に対しエピタキシャル成長した単結
晶薄膜である圧電アクチュエータである。
According to a second aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the first aspect, the thickness of the contact function layer is 1 μm.
m or less, preferably 0.1 μm or less,
The piezoelectric actuator is a single-crystal thin film epitaxially grown on an alignment film or a substrate.

【0013】請求項3の発明は、請求項1記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記反応防止機能層は、1層当
たり膜厚2μm以下好ましくは0.2μm以下の金属酸
化膜であり、XRD回折より求まる結晶子の大きさ50
nm以上の結晶膜からなる圧電アクチュエータである。
According to a third aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the first aspect, the reaction preventing functional layer is a metal oxide film having a thickness of 2 μm or less, preferably 0.2 μm or less per layer, which is determined by XRD diffraction. Crystallite size 50
This is a piezoelectric actuator made of a crystalline film having a thickness of nm or more.

【0014】請求項4の発明は、請求項1記載の圧電ア
クチュエータにおいて、前記膜応力緩和機能層は、1層
当たり膜厚10μm以下好ましくは1μm以下の金属酸
化膜であり、多孔質もしくは非晶質からなる圧電アクチ
ュエータである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the first aspect, the film stress relaxation function layer is a metal oxide film having a thickness of 10 μm or less, preferably 1 μm or less per layer, and is made of a porous or amorphous material. It is a piezoelectric actuator made of quality.

【0015】請求項5の発明は、請求項1乃至4のいず
れかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記中間層
がイットリウム,セリウム,マグネシウム,カルシウム
の酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全
安定化された酸化ジルコニウム膜である圧電アクチュエ
ータである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the piezoelectric actuator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the intermediate layer contains at least one oxide of yttrium, cerium, magnesium, and calcium. This is a piezoelectric actuator that is a stabilized zirconium oxide film.

【0016】請求項6の発明は、請求項5記載の酸化ジ
ルコニウム膜をスパッタリングにより成膜する圧電アク
チェータの中間層の作製方法である。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of forming an intermediate layer of a piezoelectric actuator, wherein the zirconium oxide film according to the fifth aspect is formed by sputtering.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
構成を説明する。図1に本発明が適用可能な圧電素子ユ
ニットの概略図を示す。基体1上に、中間層2と上下電
極3a,3b間に挟まれた電気機械変換効果を示す圧電
材料層4が形成され、電界印加に対して基体の一部を変
形させる。さらに、図2に示すように、基板1の一部に
圧電素子に対応して圧力室5を形成し、ノズルプレート
6を接合した場合、電極への電界印加によってノズル7
から圧力室中のインクが吐出されるインクジェット圧電
ヘッドが構成される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of a piezoelectric element unit to which the present invention can be applied. A piezoelectric material layer 4 exhibiting an electromechanical conversion effect is formed between the intermediate layer 2 and the upper and lower electrodes 3a and 3b on the base 1, and a part of the base is deformed by the application of an electric field. Further, as shown in FIG. 2, when a pressure chamber 5 is formed in a part of the substrate 1 corresponding to the piezoelectric element and the nozzle plate 6 is bonded, the nozzle 7 is applied by applying an electric field to the electrode.
An ink jet piezoelectric head from which the ink in the pressure chamber is ejected from is formed.

【0018】基体1は加工性に優れ、機械的強度が高
く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規
制されるものではなく、Si基体であっても、セラミッ
クスであっても、金属であってもよく、また、複数の材
料による構造体から構成されていてもよい。
The substrate 1 is not particularly limited as long as it is excellent in workability, has high mechanical strength, and is inert at the heat treatment and firing temperatures. , A metal, or a structure made of a plurality of materials.

【0019】電極材料としては熱処理・焼成温度での高
温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族
元素(Pd,Rh,Ir,Ru)などの高温融点貴金属
類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定
性の点からもっとも好ましい。
The electrode material may be any conductor that can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere at a heat treatment / sintering temperature, and may be made of a high-melting-point noble metal such as platinum or a platinum group element (Pd, Rh, Ir, Ru), or an alloy thereof. The electrode material as a main component is most preferable from the viewpoint of stability.

【0020】下部電極層上の圧電材料層4には、PZT
系セラミックスが好ましく、スクリーン印刷法を用い
て、一回の印刷工程で10ないし20μmの膜厚を形成
できる。乾燥後、700〜1000℃の温度で大気中に
て焼成される。
PZT is applied to the piezoelectric material layer 4 on the lower electrode layer.
A system ceramic is preferable, and a film thickness of 10 to 20 μm can be formed by a single printing process using a screen printing method. After drying, it is fired in the air at a temperature of 700 to 1000C.

【0021】中間層2は基体1との密着機能層2a,反
応防止機能層2bおよび膜応力緩和機能層2cから構成
される。反応防止効果を高めるため、反応防止機能層2
bおよび膜応力緩和機能層2cは、図3のように複数積
層されてもよく、また、一つ一つの反応防止機能層,膜
応力緩和機能層は、それぞれの同様の機能を持つ複数膜
から構成されていても良い。密着機能層2aは、機械的
強度の点から、スパッタやCVD等で成膜された緻密で
付着力の高い膜であることが望ましい。膜厚は1μm程
度、膜内の応力分布を生じさせないためには、より好ま
しくは、0.1μm以下であることが好ましい。このた
め本発明の密着機能層の膜厚は、1μm以下好ましくは
0.1μm以下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基
板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜である。
The intermediate layer 2 is composed of a function layer 2a for adhering to the substrate 1, a reaction preventing function layer 2b, and a film stress relieving function layer 2c. In order to enhance the reaction prevention effect, a reaction prevention function layer 2
b and a plurality of film stress relaxation function layers 2c may be laminated as shown in FIG. 3, and each reaction prevention function layer and film stress relaxation function layer is formed of a plurality of films having the same function. It may be configured. The adhesion function layer 2a is desirably a dense and highly adhesive film formed by sputtering, CVD, or the like from the viewpoint of mechanical strength. The film thickness is preferably about 1 μm, and more preferably 0.1 μm or less in order not to cause stress distribution in the film. Therefore, the thickness of the adhesion function layer of the present invention is a metal oxide film having a thickness of 1 μm or less, preferably 0.1 μm or less, and is a single crystal thin film epitaxially grown on an alignment film or a substrate.

【0022】反応防止機能層2bは、電気−機械変換層
を構成するPZTからの鉛拡散を防止するため、スパッ
タやCVD等で成膜された緻密な膜であることが望まし
い。膜厚はやはり1μm程度、より好ましくは0.1μ
m以下であることが好ましい。このため本発明の前記密
着機能層の膜厚は、1μm以下好ましくは0.1μm以
下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基板に対しエピ
タキシャル成長した単結晶薄膜である。膜応力緩和機能
層2cは、緻密な膜に生じた応力を打ち消すかまたは吸
収する、多孔質または非晶質の膜から構成される。スパ
ッタ,CVD,sol−gel法、また印刷法で10μ
m程度形成されても構わないが、機械的強度,生産性,
アクチュエータ特性からスパッタ,CVD等で1μm以
下で成膜されることが好ましい。このため本発明の前記
反応防止機能層は、1層当たり膜厚2μm以下好ましく
は0.2μm以下の金属酸化膜であり、XRD回折より
求まる結晶子の大きさ50nm以上の結晶膜からなる。
中間層材料には、PZT焼成温度において十分耐性を持
ち、鉛に対して反応性が低く、高い機械的強度を有する
金属酸化膜、例えば、MgO,GeO2,Y23,Al2
3,SrTiO3,MgO−Al23や、より高い靭性
を持つイットリウム,セリウム,マグネシウム,カルシ
ウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または
完全安定化された酸化ジルコニウム膜を用いることも好
ましい。また、後述の実施例に示すように、中間層を構
成するすべての機能膜は、生産性の点では同一材料を用
いて、スパッタ等の共通の成膜方法で形成されることが
望ましい。
The reaction prevention function layer 2b is preferably a dense film formed by sputtering, CVD or the like in order to prevent lead diffusion from PZT constituting the electro-mechanical conversion layer. The film thickness is also about 1 μm, more preferably 0.1 μm.
m or less. Therefore, the thickness of the adhesion function layer of the present invention is a metal oxide film having a thickness of 1 μm or less, preferably 0.1 μm or less, and is a single crystal thin film epitaxially grown on an alignment film or a substrate. The film stress relaxation function layer 2c is formed of a porous or amorphous film that cancels or absorbs the stress generated in the dense film. 10μ by sputtering, CVD, sol-gel method and printing method
m, but the mechanical strength, productivity,
From the characteristics of the actuator, it is preferable to form a film with a thickness of 1 μm or less by sputtering or CVD. For this reason, the reaction preventing functional layer of the present invention is a metal oxide film having a thickness of 2 μm or less, preferably 0.2 μm or less per layer, and is composed of a crystal film having a crystallite size of 50 nm or more determined by XRD diffraction.
The intermediate layer material is a metal oxide film having sufficient resistance at the PZT firing temperature, low reactivity with lead, and high mechanical strength, for example, MgO, GeO 2 , Y 2 O 3 , Al 2
Use of a partially or fully stabilized zirconium oxide film containing at least one oxide of O 3 , SrTiO 3 , MgO—Al 2 O 3 or yttrium, cerium, magnesium, or calcium having higher toughness Is also preferred. Further, as shown in Examples described later, it is desirable that all the functional films constituting the intermediate layer are formed from the same material by a common film forming method such as sputtering from the viewpoint of productivity.

【0023】(実施例1)Si(100)基板上に、酸
素とアルゴンを導入しながらRFマグネトロンスパッタ
を用いて、基板温度(850,650,500,150
℃)を変化させて、イットリウムで安定化された酸化ジ
ルコニウム(8mol%Y23−ZrO2)膜(以YS
Z)を厚さ1000Åで成膜した。それぞれの膜の基板
付着力を、引き剥がし法を用いて測定した結果を表1に
示す。成膜時の基板温度が高いほどYSZ膜の結晶性が
よく、それに伴い付着力も向上した。例えば、インクジ
ェットヘッドのような高周波数での駆動に耐え得る機械
的強度が可動部に求められる場合、配向膜または基板に
対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜のような結晶性
の良い付着力の高い膜が好ましい。
Example 1 A substrate temperature (850, 650, 500, 150) was introduced on a Si (100) substrate by RF magnetron sputtering while introducing oxygen and argon.
C.) to obtain a zirconium oxide (8 mol% Y 2 O 3 —ZrO 2 ) film stabilized with yttrium (hereinafter referred to as YS).
Z) was deposited to a thickness of 1000 °. Table 1 shows the results obtained by measuring the substrate adhesion of each film using a peeling method. The higher the substrate temperature at the time of film formation, the better the crystallinity of the YSZ film, and accordingly the adhesive force was also improved. For example, when a movable part is required to have mechanical strength that can withstand driving at a high frequency, such as an ink jet head, a film having good crystallinity and a high adhesive strength such as a single crystal thin film epitaxially grown on an alignment film or a substrate is required. preferable.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】(実施例2)反応防止膜の結晶性と鉛との
反応性の相関を調べるため、Siウェハ(100)上
に、酸素とアルゴンを導入しながらRFマグネトロンス
パッタを用いて、酸化セリウムで安定化させた酸化ジル
コニウム(40mol%CeO2−ZrO2)を成膜した
(基板温度850,650,500,150℃)。作製
されたCeO2−ZrO2/Si膜にPbOペーストを印
刷し、900℃2時間加熱した後、SIMSを用いて深
さ方向の鉛拡散について調ベた。その結果を図4に示
す。その結果、800℃で成膜した場合の鉛拡散深さが
400Å程度で最も小さく、成膜温度が高く、結晶性
(XRD:RC法で評価)の良い膜ほど高い反応防止効
果が得られた。
Example 2 In order to investigate the correlation between the crystallinity of the reaction-preventing film and the reactivity with lead, cerium oxide was introduced onto a Si wafer (100) using RF magnetron sputtering while introducing oxygen and argon. A film of zirconium oxide (40 mol% CeO 2 -ZrO 2 ), which was stabilized by, was formed (substrate temperature: 850, 650, 500, 150 ° C.). A PbO paste was printed on the produced CeO 2 -ZrO 2 / Si film and heated at 900 ° C. for 2 hours, and then the lead diffusion in the depth direction was measured using SIMS. FIG. 4 shows the results. As a result, when the film was formed at 800 ° C., the lead diffusion depth was the smallest at about 400 °, the film formation temperature was higher, and the higher the crystallinity (evaluated by the XRD: RC method), the higher the reaction prevention effect was obtained. .

【0026】(実施例3)次に、膜応力緩和機能層の効
果を調べるため、まず、4インチのSiウェハ(10
0)上に、基板温度850℃、圧力1×10-1Paの成
膜条件で、スパッタによりYSZ(8ol%Y23−Z
rO2)膜を0.1μmエピタキシャル成長させる。その
上に酸素とアルゴンと窒素を導入しながら、基板温度7
50℃、圧力2Pa(Ar:O2:N2=8:1:1)
で、多孔質のYSZ膜を膜厚を変化させて形成する。そ
の上にさらに基板温度850℃、圧力1×10-5Paの
成膜条件で緻密なYSZ膜を0.2μm形成した。YS
Z複合膜の積層されたSiウェハの曲率半径(基板たわ
み量)をニュートン環観察により測定し、膜応力緩和機
能層膜厚と膜応力緩和効果の相関を調べた結果を図5に
示す。多孔質の膜応力緩和機能層を用いない場合に、Y
SZ複合膜に働いていた圧縮応力が、膜応力緩和機能層
を間に形成することで緩和され、Siウェハの基板たわ
みが少なくなった。中間層の機械的強度という点からを
考えると、1層当たりの膜応力緩和機能層の膜厚は1μ
m以下であることが好ましい。
(Embodiment 3) Next, in order to examine the effect of the film stress relaxation function layer, first, a 4-inch Si wafer (10
0), YSZ (8 ol% Y 2 O 3 -Z) was formed by sputtering under a film forming condition of a substrate temperature of 850 ° C. and a pressure of 1 × 10 −1 Pa.
(rO 2 ) film is epitaxially grown to a thickness of 0.1 μm. While introducing oxygen, argon, and nitrogen thereon, the substrate temperature was reduced to 7.
50 ° C., pressure 2 Pa (Ar: O 2 : N 2 = 8: 1: 1)
Then, a porous YSZ film is formed by changing the film thickness. Further, a dense YSZ film having a thickness of 0.2 μm was formed thereon under the conditions of a substrate temperature of 850 ° C. and a pressure of 1 × 10 −5 Pa. YS
FIG. 5 shows the results obtained by measuring the radius of curvature (the amount of deflection of the substrate) of the Si wafer on which the Z composite film was laminated by Newton's ring observation and examining the correlation between the film stress relaxation function layer thickness and the film stress relaxation effect. When a porous film stress relaxation function layer is not used, Y
The compressive stress acting on the SZ composite film was alleviated by forming the film stress relaxation function layer therebetween, and the substrate deflection of the Si wafer was reduced. Considering the mechanical strength of the intermediate layer, the thickness of the film stress relaxation functional layer per layer is 1 μm.
m or less.

【0027】(実施例4)実施例3に記載の単結晶Si
基板上に積層されたYSZ膜において、膜応力緩和機能
層を0.5μmとした中間層/Si基板上に白金ペース
トをスクリーン印刷し、下部電極3aを5μm形成す
る。続いて下部電極上に圧電材料として0.5Pb(N
1/3Nb2/3)O3−0.5Pb(Zr0.7Ti0.3)O3
(以下、PNN−PZTと略す)をスクリーン印刷し、
150℃で30分間乾燥、そして、焼成炉において大気
中で900℃の温度で2時間焼成する。PNN−PZT
焼成後、上部電極3bをスクリーン印刷で銀−パラジウ
ムを焼き付けにより形成して、図1で示した圧電アクチ
ュエータ構成と同様のPNN−PZTキャパシタを作製
する。また、同様のキャパシタを日本ファインセラミッ
クス社製YSZ(セラフレックスA)基板(板厚100
μm)上に形成し、それぞれ比誘電率を測定し比較し
た。その結果、YSZ中間層/Si上に形成したPZT
でもSi基板への鉛拡散は見られず、YSZ基板上に形
成されたPZTとほぼ同程度の比誘電率(εr=200
0)という良好な値が得られた。このことは良好な圧電
特性を示す厚膜PNN−PZTがSi基板上に形成でき
たことを意味する。
Example 4 Single-crystal Si described in Example 3
In the YSZ film laminated on the substrate, a platinum paste is screen-printed on an intermediate layer / Si substrate having a film stress relaxation function layer of 0.5 μm to form a lower electrode 3a of 5 μm. Subsequently, 0.5 Pb (N
i 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -0.5 Pb (Zr 0.7 Ti 0.3 ) O 3
(Hereinafter abbreviated as PNN-PZT) by screen printing,
It is dried at 150 ° C. for 30 minutes, and then fired at 900 ° C. for 2 hours in air in a firing furnace. PNN-PZT
After baking, the upper electrode 3b is formed by baking silver-palladium by screen printing, and a PNN-PZT capacitor similar to the piezoelectric actuator configuration shown in FIG. 1 is manufactured. In addition, a similar capacitor was used for a YSZ (Ceraflex A) substrate manufactured by Nippon Fine Ceramics Co., Ltd.
μm), and the relative dielectric constants were measured and compared. As a result, the PZT formed on the YSZ intermediate layer / Si
However, no lead diffusion into the Si substrate was observed, and the relative dielectric constant (εr = 200) substantially equal to that of PZT formed on the YSZ substrate.
0) was obtained. This means that a thick film PNN-PZT exhibiting good piezoelectric characteristics was formed on the Si substrate.

【0028】(実施例5)中間層形成にスパッタリング
を用いた場合、同一ターゲットで基板温度,ガス圧,ガ
ス値を変化させるだけで容易にエピタキシャル膜,配向
膜,非晶質膜,多孔質膜を成膜することができる。実施
例3に示したように、これらの組み合わせにより各機能
層を連続的に形成することが可能であり、製造効率の点
からスパッタ成膜が好ましい。
(Embodiment 5) When sputtering is used to form an intermediate layer, an epitaxial film, an alignment film, an amorphous film, and a porous film can be easily formed by simply changing the substrate temperature, gas pressure, and gas value with the same target. Can be formed. As shown in Embodiment 3, it is possible to continuously form each functional layer by a combination of these, and a sputter deposition is preferable from the viewpoint of manufacturing efficiency.

【0029】[0029]

【発明の効果】請求項1に対応する効果:本発明を適用
可能な圧電アクチュエータにおいて、基体/電気−機械
変換層間の中間層を密着機能,反応防止機能,膜応力緩
和機能を有する単層または複層で構成することにより、
電気―機械変換層からの鉛拡散を防止し、基体付着力が
強くかつ、中間層の圧縮応力を緩和することができ、そ
れによって信頼性の高い高性能の圧電アクチュエータを
提供すことができる。
According to the first aspect of the present invention, in a piezoelectric actuator to which the present invention can be applied, a single layer having an adhesion function, a reaction prevention function, and a film stress relaxation function is formed by bonding an intermediate layer between a substrate and an electro-mechanical conversion layer. By configuring in multiple layers,
Lead diffusion from the electro-mechanical conversion layer is prevented, the adhesion to the substrate is strong, and the compressive stress of the intermediate layer can be reduced, whereby a highly reliable and high-performance piezoelectric actuator can be provided.

【0030】請求項2に対応する効果:緻密な機械的強
度の高い基体密着層を形成することにより、より信頼性
の高い中間層を備えた圧電アクチュエータを実現するこ
とができる。
According to the second aspect of the present invention, a piezoelectric actuator having a more reliable intermediate layer can be realized by forming a dense substrate adhesion layer having high mechanical strength.

【0031】請求項3に対応する効果:緻密な反応防止
機能層を形成することにより、圧電材料層と基体間の反
応防止効果が高くより信頼性の高い中間層を備えたアク
チェータを実現することができる。
According to a third aspect of the present invention, an actuator having a highly reliable intermediate layer having a high reaction preventing effect between the piezoelectric material layer and the substrate can be realized by forming a dense reaction preventing functional layer. Can be.

【0032】請求項4に対応する効果:多孔質または非
晶質からなる膜応力緩和機能層を形成することにより、
中間層全体の膜応力を緩和し、より信頼性の高い中間層
を備えたアクチュエータを実現することができる。
According to the fourth aspect, by forming a film stress relaxation function layer made of porous or amorphous,
It is possible to reduce the film stress of the entire intermediate layer and to realize an actuator having a more reliable intermediate layer.

【0033】請求項5に対応する効果:中間層材料とし
て安定化または部分安定化された酸化ジルコニウムから
構成することにより、機械的強度,靭性が高い高信頼
性、高性能の中間層を備えたアクチェータを実現するこ
とができる。
According to a fifth aspect of the present invention, the intermediate layer is made of stabilized or partially stabilized zirconium oxide to provide an intermediate layer having high mechanical strength, high toughness, high reliability and high performance. An actuator can be realized.

【0034】請求項6の作用効果:中間層となる酸化ジ
ルコニウム膜をスパッタにより形成することにより、信
頼性が高くコストの安い中間層を作製することができ
る。
According to the sixth aspect, by forming a zirconium oxide film as an intermediate layer by sputtering, an intermediate layer having high reliability and low cost can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明を適用可能な圧電素子ユニットを概略
的に示す図である。
FIG. 1 is a view schematically showing a piezoelectric element unit to which the present invention can be applied.

【図2】 本発明の圧電素子ユニットを用いたインクジ
ェット圧電ヘッドを概略的に示す図である。
FIG. 2 is a view schematically showing an inkjet piezoelectric head using the piezoelectric element unit of the present invention.

【図3】 圧電素子ユニットの他の実施例を示す図1と
同様の図である。
FIG. 3 is a view similar to FIG. 1, showing another embodiment of the piezoelectric element unit.

【図4】 基板の成膜温度と鉛拡散深さの相関を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a correlation between a film formation temperature of a substrate and a lead diffusion depth.

【図5】 膜応力緩和機能層の膜厚と膜応力緩和効果の
相関を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a correlation between a film thickness of a film stress relaxation function layer and a film stress relaxation effect.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基体、2…中間層、2a…密着機能層、2b…反応
防止機能層、2c…膜応力緩和機能層、3…電極、3a
…下電極、3b…上電極、4…圧電材料層、5…圧力
室、6…ノズルプレート、7…ノズル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Intermediate layer, 2a ... Adhesion function layer, 2b ... Reaction prevention function layer, 2c ... Film stress relaxation function layer, 3 ... Electrode, 3a
... lower electrode, 3b ... upper electrode, 4 ... piezoelectric material layer, 5 ... pressure chamber, 6 ... nozzle plate, 7 ... nozzle.

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 41/22 (72)発明者 山中 邦裕 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 41/22 (72) Inventor Kunihiro Yamanaka 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company, Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基体上に、上下電極および該電極間に挟
まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層からなり、
与えられる電気信号に応じて基体の一部を変形する電気
−機械変換素子部を配し、基体と電気−機械変換素子部
の間に1層以上の中間層が形成されている圧電アクチュ
エータにおいて、該中間層が基体との密着機能層,反応
防止機能層,膜応力緩和機能層を有する単層または複数
層から構成されることを特徴とした圧電アクチュエー
タ。
A piezoelectric material layer having an electromechanical conversion effect sandwiched between upper and lower electrodes and said electrodes on a substrate,
An electro-mechanical conversion element portion that deforms a part of the base in accordance with an applied electric signal is arranged, and a piezoelectric actuator in which one or more intermediate layers are formed between the base and the electro-mechanical conversion element portion, A piezoelectric actuator, characterized in that the intermediate layer comprises a single layer or a plurality of layers having a function layer for adhesion to the substrate, a function layer for preventing reaction, and a function layer for reducing film stress.
【請求項2】 請求項1記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記密着機能層の膜厚は、1μm以下好ましくは
0.1μm以下の金属酸化膜であり、配向膜もしくは基
板に対しエピタキシャル成長した単結晶薄膜であること
を特徴とする圧電アクチュエータ。
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thickness of the adhesion function layer is a metal oxide film of 1 μm or less, preferably 0.1 μm or less, and is a single crystal thin film epitaxially grown on an alignment film or a substrate. A piezoelectric actuator, comprising:
【請求項3】 請求項1記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記反応防止機能層は、1層当たり膜厚2μm以
下好ましくは0.2μm以下の金属酸化膜であり、XR
D回折より求まる結晶子の大きさ50nm以上の結晶膜
からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the reaction prevention function layer is a metal oxide film having a thickness of 2 μm or less, preferably 0.2 μm or less per layer.
A piezoelectric actuator comprising a crystal film having a crystallite size of 50 nm or more determined by D diffraction.
【請求項4】 請求項1記載の圧電アクチュエータにお
いて、前記膜応力緩和機能層は、1層当たり膜厚10μ
m以下好ましくは1μm以下の金属酸化膜であり、多孔
質もしくは非晶質からなることを特徴とした圧電アクチ
ュエータ。
4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the film stress relaxation function layer has a thickness of 10 μm per layer.
A piezoelectric actuator, which is a metal oxide film having a thickness of not more than m, preferably not more than 1 μm, and made of porous or amorphous.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電
アクチュエータにおいて、前記中間層がイットリウム,
セリウム,マグネシウム,カルシウムの酸化物を少なく
とも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化
ジルコニウム膜であることを特徴とする圧電アクチュエ
ータ。
5. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the intermediate layer is made of yttrium,
A piezoelectric actuator comprising a partially or completely stabilized zirconium oxide film containing at least one oxide of cerium, magnesium, and calcium.
【請求項6】 請求項5記載の酸化ジルコニウム膜をス
パッタリングにより成膜することを特徴とする圧電アク
チェータの中間層の作製方法。
6. A method for producing an intermediate layer of a piezoelectric actuator, comprising forming the zirconium oxide film according to claim 5 by sputtering.
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