專利名稱：壓電致動(dòng)器及液體噴頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括壓電體及夾持該壓電體而配置的一對(duì)電極的壓電致動(dòng)器，更具體地，本發(fā)明涉及包括作為下部電極的釕酸鍶的壓電致動(dòng)器。
背景技術(shù)：
壓電致動(dòng)器包括將具有機(jī)電換能功能的壓電膜夾在兩個(gè)電極之間的壓電元件，并且壓電膜由結(jié)晶的壓電陶瓷構(gòu)成。作為該壓電陶瓷，公知的是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)，并可用化學(xué)式ABO3表示的復(fù)合氧化物。例如，公知的是將鉛(Pb)用作A，將鋯(Zr)與鈦(Ti)的混合物用作B的鋯鈦酸鉛(PZT)。
以往，一直被用作PZT型壓電元件的電極材料的是Pt。Pt由于具有面心立方晶格(FCC)結(jié)構(gòu)這一最密堆積結(jié)構(gòu)，所以自取向性強(qiáng)，因此，若在SiO2那樣的非晶材料上沉積，則Pt強(qiáng)烈地在(111)取向上進(jìn)行取向，從而其上的壓電薄膜的取向性也提高。但是，由于取向性很強(qiáng)，所以就有易產(chǎn)生柱狀晶體、Pb等易沿著下部基片的晶界擴(kuò)散的問題。而且Pb與SiO2的粘附性也有問題。
而且，雖然為了改善Pt與SiO2的粘附性而采用Ti、或采用TiN等作為Pb等的擴(kuò)散阻擋層，但是，這不僅導(dǎo)致了復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)，還引起Ti的氧化、Ti向Pt中擴(kuò)散、和隨之而來的PZT的結(jié)晶性降低，從而，例如壓電特性等的電氣性能惡化。
由于Pt電極中有這樣的問題，所以，在鐵電體存儲(chǔ)器等的領(lǐng)域中，正在研究使用例如RuO2和IrO2等的導(dǎo)電性氧化物電極材料。在這些材料中，因?yàn)獒懰徭J具有與PZT相同的鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)，所以，界面處的粘合性較好，從而易于實(shí)現(xiàn)PZT的外延生長，并且還具有作為Pb的擴(kuò)散阻擋層的優(yōu)異特性。
但是，當(dāng)將釕酸鍶用作壓電元件的下部電極時(shí)，構(gòu)成其下層的物質(zhì)必須滿足作為振動(dòng)板的物理性質(zhì)和下述化學(xué)性質(zhì)，即所述化學(xué)性質(zhì)可對(duì)釕酸鍶的取向進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂?，并確保該物質(zhì)與襯底和下部電極的粘附性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種壓電致動(dòng)器，所述壓電致動(dòng)器包含在將具有(100)取向的釕酸鍶用作下部電極時(shí)最優(yōu)的層結(jié)構(gòu)。而且，另一個(gè)目的是提供一種具有所述壓電致動(dòng)器的液體噴頭。
本發(fā)明的壓電致動(dòng)器包括振動(dòng)板，所述振動(dòng)板由具有螢石結(jié)構(gòu)的在(100)取向的Si襯底上以立方晶系(100)取向外延生長的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、CeO2或ZrO2構(gòu)成；緩沖層，所述緩沖層形成在所述振動(dòng)板上，由具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的正方晶系或斜方晶系(001)取向的REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)構(gòu)成；下部電極，所述下部電極形成在所述緩沖層上，包括具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的假立方晶系(100)取向的釕酸鍶構(gòu)成；壓電層，所述壓電層形成在所述下部電極上，具有菱方晶系(100)取向的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；上部電極，所述上部電極形成在所述壓電層上。
在所述壓電致動(dòng)器中，所述下部電極優(yōu)選包括至少兩層釕酸鍶和插入它們之間的鉑層或銥層。這樣，與只由SRO構(gòu)成的下部電極相比可以提高韌性，從而可以抑制斷裂和裂紋。
在所述壓電致動(dòng)器中，構(gòu)成所述下部電極的釕酸鍶中，至少所述壓電層一側(cè)的層優(yōu)選地具有以SrRuO3表示的組成。這樣，可以充分地確保作為下部電極的導(dǎo)電性和壓電膜的取向控制。
在所述壓電致動(dòng)器中，所述壓電層優(yōu)選PZT、PMN-PT或PZN-PT。通過這樣的壓電體，在得到良好壓電特性的同時(shí)，可以在由釕酸鍶構(gòu)成的下部電極上進(jìn)行良好的取向控制。
本發(fā)明的液體噴頭具有上述壓電致動(dòng)器；和壓力腔，所述壓力腔在所述Si襯底上構(gòu)成，并且隨著所述壓電致動(dòng)器所包括的振動(dòng)板的振動(dòng)，其容積可以變化。
本發(fā)明的液體噴射裝置具有作為液體噴射裝置的所述液體噴頭。


圖1是具有本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的壓電致動(dòng)器的液體噴射裝置，即噴墨打印機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是作為液體噴頭的噴墨式記錄頭的分解透視圖；圖3是對(duì)作為根據(jù)本發(fā)明的制造方法所制造的液體噴頭的噴墨式記錄頭及壓電致動(dòng)器的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明的剖面圖；圖4是示出了本實(shí)施方式的壓電致動(dòng)器的制造工序的剖面圖；和圖5是示出了作為本實(shí)施方式的液體噴頭的噴墨式記錄頭的制造工序的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
(噴墨打印機(jī)的整體結(jié)構(gòu))圖1是具有本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的壓電致動(dòng)器的液體噴射裝置的一個(gè)例子，即噴墨打印機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。噴墨打印機(jī)主要包括作為本發(fā)明的液體噴頭的一個(gè)例子的噴墨式記錄頭1、主體2、托盤3、頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7。
噴墨式記錄頭1包括墨盒，所述墨盒容納作為噴射液體的黃、品紅、青、黑共計(jì)4色的墨水，從而可以進(jìn)行全色印刷。而且，該噴墨打印機(jī)在內(nèi)部還包括一塊專用的控制器板等，所述控制器面板等用來控制噴墨式記錄頭的噴墨時(shí)機(jī)及頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)7的掃描。
而且，主體2在其背面設(shè)置有托盤3，同時(shí)，其內(nèi)部設(shè)置有自動(dòng)續(xù)紙器(自動(dòng)連續(xù)供紙機(jī)構(gòu))6，用來自動(dòng)地供給記錄用紙5，并從正面的輸出口4輸出記錄用紙5。
(噴墨式記錄頭的整體結(jié)構(gòu))圖2示出了上述噴墨式記錄頭的分解透視圖。噴墨式記錄頭1包括壓力腔襯底(Si襯底)20、固定在該襯底一個(gè)面上的振動(dòng)板30和固定在該襯底另一個(gè)面上的噴嘴板10。所述頭1構(gòu)成隨需型(on-demand type)的壓電噴頭。
壓力腔襯底20包括壓力腔(腔)21、側(cè)壁(隔板)22、貯液池23及供給口24。壓力腔21是為了噴射例如墨水等的液體而將其儲(chǔ)存的空間。側(cè)壁22是為了把多個(gè)壓力腔21彼此分隔開而形成的。貯液池23是將共用的墨水補(bǔ)充給各個(gè)壓力腔21的流路。供給口24可以將墨水從貯液池23導(dǎo)入各個(gè)壓力腔21。
噴嘴板10被粘合在壓力腔襯底20上，使得所述噴嘴板20的噴嘴11被配置在與壓力腔襯底20中所設(shè)置的各個(gè)壓力腔相對(duì)應(yīng)的位置。粘合了噴嘴板10的壓力腔襯底20被容納在盒體25內(nèi)。
振動(dòng)板30上設(shè)有壓電致動(dòng)器(后述)。振動(dòng)板30上設(shè)有墨水罐口(圖中未示出)，從而可將圖中未示出的墨水罐中所儲(chǔ)藏的墨水提供給貯液池23。
(層結(jié)構(gòu))圖3是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的制造方法所制造的液體噴頭，即噴墨式記錄頭及壓電致動(dòng)器的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明的剖面圖。如圖所示，壓電致動(dòng)器是在(100)取向的Si襯底20上層疊振動(dòng)板30、緩沖層41、下部電極42、壓電薄膜43及上部電極44而構(gòu)成的。
振動(dòng)板30具有下述功能，即，振動(dòng)板30隨著壓電體層的變形而變形，從而瞬間提高壓力腔21內(nèi)部的壓力。振動(dòng)板30由具有螢石結(jié)構(gòu)的以立方晶系(100)取向的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(yttria-stablized zirconia)、CeO2或ZrO2構(gòu)成。所述氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、CeO2或ZrO2很容易在(100)Si襯底上以立方晶系(100)取向外延生長，而且也適于使振動(dòng)板上的緩沖層外延生長。
緩沖層41其自身在振動(dòng)板30上外延生長，而且還用于使其上的下部電極42外延生長。緩沖層41由REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)構(gòu)成，并以正方晶系或斜方晶系(001)取向外延生長。而且緩沖層41還具有包括銅和氧的2維網(wǎng)絡(luò)的層疊結(jié)構(gòu)的層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
下部電極42是用于向壓電薄膜層43施加電壓的一個(gè)電極，并且為了實(shí)現(xiàn)作為壓力腔襯底20上所形成的多個(gè)壓電薄膜元件共用的電極的功能，所述下部電極42形成在與振動(dòng)板30相同的區(qū)域。并且，下部電極42可以形成與壓電薄膜層43同樣的大小，即與上部電極形狀相同。下部電極42由導(dǎo)電性金屬氧化物，特別是由假立方晶系(100)取向的釕酸鍶(SRO)構(gòu)成。而且，也可以是在兩層SRO之間插入了銥層或鉑層的結(jié)構(gòu)。通過在兩層SRO之間插入了銥層或鉑層可以提高韌性，從而可以抑制斷裂和裂紋。
SRO具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，從而可用Srn+1RunO3n+1(n是1以上的整數(shù))來表示。當(dāng)n＝1時(shí)為Sr2RuO4，當(dāng)n＝2時(shí)為Sr3Ru2O7，當(dāng)n＝∞時(shí)為SrRuO3。當(dāng)將SRO用作本實(shí)施方式中的下部電極時(shí)，為了提高導(dǎo)電性及壓電薄膜的結(jié)晶性，SrRuO3是最優(yōu)選的。而且，當(dāng)采用如前所述的在兩層SRO之間插入了銥層或鉑層的結(jié)構(gòu)時(shí)，尤其優(yōu)選使用SrRuO3作為壓電薄膜層一側(cè)的SRO。
壓電薄膜層43是具有鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷，并以預(yù)定的形狀形成在下部電極42上。壓電薄膜層43的組成優(yōu)選鋯鈦酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3PZT)或鈮酸鉛鎂和鈦酸鉛的固溶液PMN-PT及鈮酸鉛鋅和鈦酸鉛的固溶液PZN-PT。而且，其組成并不僅限于此，也可以使用鑭改性的鈦酸鉛((Pb，La)TiO3)、鑭改性的鋯酸鉛((Pb，La)ZrO3)等。PZT等的壓電層優(yōu)選是菱方晶系并且是(100)取向。
上部電極44是用于向壓電薄膜層43施加電壓的另一個(gè)電極，并由具有導(dǎo)電性的材料，如鉑(Pt)、銥(Ir)、鋁(Al)等構(gòu)成。在使用鋁時(shí)，為了防止電蝕還要在其上層疊銥等。
(噴墨式記錄頭的操作)下面說明上述噴墨式記錄頭1的操作。在不提供預(yù)定的噴出信號(hào)也不在壓電薄膜元件40的下部電極42和上部電極44之間施加電壓的時(shí)候，壓電薄膜43不產(chǎn)生變形。在設(shè)有沒有被供給噴出信號(hào)的壓電薄膜元件40的壓力腔21中，不產(chǎn)生壓力變化，從而液滴不會(huì)從其噴嘴11中噴出。
相反，在提供預(yù)定的噴出信號(hào)并在壓電薄膜元件40的下部電極42和上部電極44之間施加了恒定電壓的時(shí)候，壓電薄膜層43產(chǎn)生變形。在設(shè)有被供給了噴出信號(hào)的壓電薄膜元件40的壓力腔21中，其振動(dòng)板30發(fā)生大的彎曲。因此瞬間提高了壓力腔21內(nèi)的壓力，從而液滴被從噴嘴11噴出。通過將噴出信號(hào)單獨(dú)提供給在細(xì)長頭中位于將要進(jìn)行印刷的位置的壓電元件，從而可以印刷想要的文字或圖形。
(制造方法)參照?qǐng)D4，結(jié)合對(duì)作為液體噴頭的一個(gè)例子的噴墨式記錄頭的制造工序的描述，說明本實(shí)施方式的壓電致動(dòng)器的制造工序。
襯底(S1)本實(shí)施方式的壓電致動(dòng)器是將振動(dòng)板30、緩沖層41、下部電極42、壓電薄膜43、上部電極44沉積在如圖4(Si)所示的壓力腔襯底20上而制成的。壓力腔襯底20例如使用直徑為100mm、厚度為200μm的(100)取向的硅單晶襯底。
振動(dòng)板的形成(S2)如圖4(S2)所示，通過在(100)Si襯底20上外延生長來形成振動(dòng)板30，其中，所述振動(dòng)板30由具有Zr1-xYxO2-0.5x(0≤x≤1)組分的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)或上述CeO2或ZrO2等構(gòu)成。這樣，具有(100)取向的YSZ等的膜就形成了。
YSZ具有2μm以下，例如1μm的厚度。外延形成振動(dòng)板30的方法除了激光應(yīng)用法，也可以是分子束外延(MBE)、MOVCD、濺射法等。
緩沖層的形成(S3)如圖4(S3)所示，在振動(dòng)板30上沉積緩沖層41。緩沖層41是將REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)以大約10nm的厚度沉積而成。例如使用激光應(yīng)用法作為成膜方法。而且該方法并不僅限于此，還可以使用MOCVD法等公知的薄膜制造方法。
下部電極的形成(S4)如圖4(S4)所示，在緩沖層41上沉積下部電極42。作為下部電極42，是由上述的SRO、或者SRO/Pt/SRO或SRO/Ir/SRO的層疊結(jié)構(gòu)以約50nm的厚度沉積而成。例如使用激光應(yīng)用法作為膜沉積方法。而且并不僅限于此，還可以使用MOCVD法等公知的薄膜制造方法。
壓電薄膜的形成(S5)繼續(xù)如圖4(S5)所示，在下部電極42上沉積壓電薄膜43。在本實(shí)施方式中，例如采用溶膠-凝膠法沉積由Pb(Zr0.56Ti0.44)O3組分構(gòu)成的PZT膜。即，將例如金屬醇鹽等的金屬有機(jī)化合物在溶液系統(tǒng)中水解，并進(jìn)行縮聚，以由此形成壓電前驅(qū)體膜，其中所述壓電前驅(qū)體膜是非晶態(tài)膜，再通過焙燒使其結(jié)晶。
而且，也可以采用MOD(Metal-Organic Deposition，金屬有機(jī)沉積)法制成由Pb(Zr0.56Ti0.44)O3組分構(gòu)成的PZT膜。此時(shí)，金屬醇鹽例如可以通過諸如三乙醇胺、二乙醇胺等的鏈烷醇胺的作用來抑制水解。除了和鏈烷醇胺的一同使用的金屬醇鹽之外，不發(fā)生水解的金屬乙酰丙酮鹽同樣適于作為MOD法的起始原料。若采用MOD法，沉積工序可以采用與溶膠-凝膠法相同的方法。即，可以利用脫脂工序來形成壓電前體膜，再通過焙燒使其結(jié)晶。
PZT受SRO下部電極的晶體構(gòu)造的影響而結(jié)晶生長。在本實(shí)施方式中，由于PZT沉積在(100)取向的SRO上，所以形成了(100)取向的PZT薄膜。壓電薄膜層的厚度例如取0.3μm以上2μm以下。
在由PMN-PT形成壓電膜時(shí)，其組成是其中晶系是菱方晶系的組成，并且是當(dāng)向壓電體施加電壓時(shí)能夠有效得到場(chǎng)感應(yīng)彎曲的組成，具體而言，組成為(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x滿足0.25≤x≤0.35。尤其優(yōu)選x＝0.3。
在由PZN-PT形成壓電膜時(shí)，其組成是其中晶系是菱方晶系的組成，并且是當(dāng)向壓電體施加電壓時(shí)能夠有效得到場(chǎng)感應(yīng)彎曲的組成，具體而言，組成為(1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，其中y滿足0.035≤y≤0.055時(shí)的成分。尤其優(yōu)選y＝0.045。
PMN-PT、PZN-PT也在SRO上形成呈(100)取向的膜。壓電膜的厚度例如取0.3μm以上2μm以下。
上部電極的形成(S6)下面如圖4(S6)所示，在壓電薄膜43上形成上部電極44。具體地說，作為上部電極44，是由鉑(Pt)等以100nm的膜厚通過直流濺射法沉積而成。
(壓電致動(dòng)器的形成)如圖5(S7)所示，將壓電薄膜43及上部電極44加工成預(yù)定的形狀，從而形成壓電致動(dòng)器。具體地說，在將光刻膠旋轉(zhuǎn)涂敷在上部電極44上之后，對(duì)準(zhǔn)將形成壓力腔的位置進(jìn)行曝光·顯影從而使光刻膠圖案化。將剩下的光刻膠作為掩模，通過離子研磨對(duì)上部電極44、壓電薄膜43進(jìn)行刻蝕。通過以上工序，形成了包括壓電薄膜元件40的壓電致動(dòng)器。
(噴墨式記錄頭的形成)如圖5(S8)所示，在壓力腔襯底20中形成壓力腔21。在將(100)取向的Si襯底用作壓力腔襯底20時(shí)，使用干法刻蝕作為壓力腔21的形成方法。沒有被刻蝕而剩下的部分成為側(cè)壁22。
最后，如圖5(S9)所示，使用樹脂等將噴嘴板10粘合在壓力腔襯底20上。當(dāng)噴嘴板10粘合在壓力腔襯底20上時(shí)，將噴嘴11定位，使其對(duì)應(yīng)于壓力腔21的各個(gè)空間而配置。通過以上工序，形成了噴墨式記錄頭。
(其他應(yīng)用例)本發(fā)明可適用于除了上述實(shí)施方式以外的各種變形。例如，本發(fā)明的壓電致動(dòng)器不僅適用于上述液體噴頭，而且可以適用于作為其他的各種致動(dòng)器，例如諸如STM等的精密定位機(jī)構(gòu)、用于細(xì)胞操作的操縱器、用于超聲波診斷裝置的探針、超聲波馬達(dá)、微型壓電泵等。
而且，本發(fā)明的液體噴頭除了適用于噴墨記錄裝置所使用的噴墨頭以外，還適用于其他各種噴射液體的頭，例如噴射含有顏料的液體的頭，所述顏料用于液晶顯示器等的色彩過濾器的制造；噴射含有電極材料的液體的頭，所述電極材料用于形成有機(jī)發(fā)光顯示器、FED(場(chǎng)發(fā)射顯示器)等的電極；噴射含有生物有機(jī)物質(zhì)的液體的頭，所述生物有機(jī)物質(zhì)用于生物芯片的制造，等等。
工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種壓電致動(dòng)器，所述壓電致動(dòng)器具有將(100)取向的釕酸鍶用作下部電極時(shí)最優(yōu)的層結(jié)構(gòu)。而且，還可以提供一種具有所述壓電致動(dòng)器的液體噴頭。
權(quán)利要求
1.一種壓電致動(dòng)器，包括振動(dòng)板，所述振動(dòng)板由具有螢石結(jié)構(gòu)的在(100)取向的Si襯底上以立方晶系(100)取向外延生長的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、CeO2或ZrO2構(gòu)成；緩沖層，所述緩沖層形成在所述振動(dòng)板上，且由具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的正方晶系或斜方晶系(001)取向的REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)構(gòu)成；下部電極，所述下部電極形成在所述緩沖層上，由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的假立方晶系(100)取向的釕酸鍶構(gòu)成；壓電層，所述壓電層形成在所述下部電極上，具有菱方晶系(100)取向的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；和上部電極，所述上部電極形成在所述壓電層上。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述下部電極包括至少兩層釕酸鍶和插入它們之間的鉑層或銥層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓電致動(dòng)器，其特征在于，構(gòu)成所述下部電極的釕酸鍶中，至少所述壓電層一側(cè)的層具有以SrRuO3表示的組成。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的壓電致動(dòng)器，其特征在于，所述壓電層是鋯鈦酸鉛、鈮酸鉛鎂和鈦酸鉛的固溶液、或者鈮酸鉛鋅和鈦酸鉛的固溶液。
5.一種液體噴頭，其特征在于，包括權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的壓電致動(dòng)器；和壓力腔，所述壓力腔位于所述Si襯底上，并且隨著所述壓電致動(dòng)器所包含的所述振動(dòng)板的振動(dòng)，其容積可以變化。
6.一種液體噴射裝置，其特征在于，包括作為液體噴射部件的如權(quán)利要求5所述的液體噴頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電致動(dòng)器，具有在將(100)取向的釕酸鍶用作下部電極時(shí)最合適的層結(jié)構(gòu)。該壓電致動(dòng)器包括振動(dòng)板(30)，所述振動(dòng)板(30)由在(100)－Si襯底(20)上外延生長的具有(100)取向的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、CeO
文檔編號(hào)B41J2/14GK1579025SQ03801388
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月15日
發(fā)明者樋口天光, 巖下節(jié)也, 角浩二, 村井正己 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社