專利名稱：壓電元件、液體噴出頭及它們的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有電機(jī)械轉(zhuǎn)換功能的壓電元件、采用該壓電元件的液體噴出頭及它們的制造方法。特別涉及一種可獲得優(yōu)良的耐電壓性及持久性的壓電元件、采用該壓電元件的液體噴出頭及它們的制造方法。
背景技術(shù)：
噴墨式記錄頭等液體噴出頭采用作為墨滴等液滴噴出的驅(qū)動源的壓電元件。該壓電元件一般具有壓電薄膜、及夾著壓電薄膜設(shè)置的上部電極和下部電極而構(gòu)成。
為了在高密度設(shè)置壓電元件的同時(shí)，提高壓電元件的耐電壓性，例如日本專利申請?zhí)亻_2000-198197號公報(bào)公開了以規(guī)定形狀布線形成下部電極，由此形成壓電薄膜的技術(shù)。
但是，上述現(xiàn)有的壓電元件，特別是有時(shí)下部電極端部附近的壓電薄膜的結(jié)晶性不充分，可靠性不夠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電元件及液體噴出頭，下部電極端部附近的壓電薄膜的結(jié)晶性良好，且耐高電壓、可靠性更高。
為解決上述問題，本發(fā)明的壓電元件具有振動板、在前述振動板上形成規(guī)定布線圖案的下部電極、形成在前述下部電極上的壓電薄膜、形成在前述壓電薄膜上的上部電極。而且，在前述壓電薄膜的附近設(shè)有金屬層，該金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離。通過在壓電薄膜的形成區(qū)域的附近設(shè)置金屬層，壓電薄膜的燒成條件變得均一，即使在下部電極的端部附近，壓電薄膜的結(jié)晶性也很好。
上述壓電元件中，最好前述金屬層是由與前述下部電極相同的材料形成的。而且，前述下部電極與和其電隔離的前述金屬層之間的間隔最好在200μm以下。
上述壓電元件中，最好形成前述壓電薄膜，使其覆蓋前述金屬層的至少一部分，從前述上部電極延伸的配線用電極形成在前述金屬層中的被前述壓電薄膜覆蓋住的部分上，通過該壓電薄膜與前述金屬層絕緣。
也可以在前述壓電薄膜的附近還具有第二金屬層，該金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離，且與從前述上部電極延伸的配線用電極導(dǎo)通。
前述壓電元件中，最好前述壓電薄膜形成在位于前述規(guī)定布線圖案上的下部電極上及不存在下部電極的前述振動板上，前述壓電薄膜中形成在前述下部電極上的部分與形成在前述振動板上的部分相比，前者的前述壓電薄膜的層數(shù)更多。
本發(fā)明的液體噴出頭具有上述壓電元件、由于該壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室、與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口。
本發(fā)明的液體噴出裝置具有上述液體噴出頭、驅(qū)動該液體噴出頭的驅(qū)動裝置。
本發(fā)明的壓電元件的制造方法具有在振動板上，將下部電極、前述下部電極附近的金屬層形成規(guī)定的布線圖案的工序、在前述下部電極上形成壓電薄膜的工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，形成前述金屬層，使其與前述下部電極電隔離。
本發(fā)明的另一種壓電元件的制造方法具有在振動板上形成導(dǎo)電膜的成膜工序、在前述導(dǎo)電膜上形成壓電薄膜的壓電體成膜第一工序、對在前述壓電體成膜第一工序中成膜的壓電薄膜及前述導(dǎo)電膜進(jìn)行圖案化，使前述導(dǎo)電膜與下部電極及金屬層分離的工序、在前述圖案化后殘留的壓電薄膜上及除去了壓電薄膜后的前述振動板上進(jìn)一步形成壓電薄膜的壓電體成膜第二工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，其中上述金屬層與該下部電極電隔離且位于前述下部電極附近。
本發(fā)明的液體噴出頭的制造方法包括按照上述方法形成壓電元件的工序、形成由于前述壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室的工序、形成與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口的工序。


圖1是說明使用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式所述的壓電元件的打印機(jī)(液體噴出裝置)的構(gòu)造的立體圖。
圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式所述的液體噴出頭，即噴墨式記錄頭的主要部分的構(gòu)造的分解立體圖。
圖3是表示第一實(shí)施方式所述的噴墨式記錄頭中的壓電元件設(shè)置的詳細(xì)情況的平面圖。
圖4(a)是放大顯示圖3的包圍線iii部分的平面圖，圖4(b)是沿其i-i線所作的截面圖，圖4(c)是沿其ii-ii線所作的截面圖。
圖5是表示第二實(shí)施方式所述的噴墨式記錄頭中的壓電元件設(shè)置的詳細(xì)情況的平面圖。
圖6(a)是放大顯示圖5的包圍線iii部分的平面圖，圖6(b)是沿其i-i線所作的截面圖，圖6(c)是沿其ii-ii線所作的截面圖。
圖7是表示上述噴墨式記錄頭的制造方法的截面模式圖。
圖8是表示上述噴墨式記錄頭的制造方法的截面模式圖。
圖9是表示上述制造方法的變形例的截面模式圖，表示與圖7相對應(yīng)的工序。
另外，圖中的符號20表示壓力室基板，30表示振動板，31表示氧化膜，32表示ZrO2膜，40表示壓電元件，42表示導(dǎo)電層，42a表示內(nèi)側(cè)金屬層，42b表示外側(cè)金屬層，42d表示下部電極，43表示壓電薄膜，44表示上部電極。
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
<1.噴墨打印機(jī)的整體構(gòu)成>
圖1是說明使用本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式所述的壓電元件的液體噴出裝置，即打印機(jī)的構(gòu)造的立體圖。該打印機(jī)的主體2上設(shè)有托盤3、排出口4及操作按鈕9。而主體2的內(nèi)部具有液體噴出頭，即噴墨式記錄頭1、給紙機(jī)構(gòu)6、控制回路8。
噴墨式記錄頭1具有形成在基板上的多個(gè)壓電元件，按照從控制回路8供給的噴出信號，可從噴嘴噴出液體，即墨水。
主體2是打印機(jī)的殼體，在可從托盤3供給紙張5的位置上設(shè)置給紙機(jī)構(gòu)6，可在紙張5上打印地設(shè)置噴墨式記錄頭1。托盤3可向給紙機(jī)構(gòu)6供給打印前的紙張5，排出口4是打印結(jié)束后的紙張5的排出出口。
給紙機(jī)構(gòu)6具有馬達(dá)600、輥601，602、其它圖中未示出的機(jī)械構(gòu)造。馬達(dá)600可與從控制回路8供給的驅(qū)動信號相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)。機(jī)械構(gòu)造可將馬達(dá)600的旋轉(zhuǎn)力傳遞給輥601、602。一旦馬達(dá)600的旋轉(zhuǎn)力傳遞到輥601、602，輥601及602就旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)將放置在托盤3上的紙張5導(dǎo)入并供給，以便記錄頭1可以打印。
控制回路8具有圖中未示出的CPU、ROM、RAM、接口回路等，可通過圖中未示出的連接端子，與從計(jì)算機(jī)供給的打印信息相對應(yīng)地將驅(qū)動信號供給給紙機(jī)構(gòu)6，或?qū)姵鲂盘柟┙o噴墨式記錄頭1。而且，控制回路8與來自操作面板9的操作信號相對應(yīng)地進(jìn)行動作模式的設(shè)定、復(fù)位處理等。
由于本實(shí)施方式的打印機(jī)具有具有后述優(yōu)良的耐電壓性及持久性，且具有良好的打印性能的噴墨式記錄頭，因此成為高性能的打印機(jī)。
<2.噴墨式記錄頭的構(gòu)成>
圖2是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式所述的液體噴出頭，即噴墨式記錄頭的主要部分的構(gòu)造的分解立體圖。
如圖2所示，噴墨式記錄頭由噴嘴板10、壓力室基板20、振動板30構(gòu)成。
壓力室基板20具有壓力室(腔室)21、側(cè)壁22、貯存容器23及供給口24。壓力室21是通過蝕刻硅等的基板，為了噴出墨水等而形成的貯存空間。形成側(cè)壁22，以便分隔壓力室21。貯存容器23成為用于通過供給口24向各壓力室21供給墨水的公共流路。上述壓力室21、側(cè)壁22、貯存容器23、供給口24只是簡略地示出，但是也可以如后述圖3那樣地具有多個(gè)壓力室等。
將噴嘴板10貼合在壓力室基板20的一個(gè)面上，并使其噴嘴11設(shè)置在與設(shè)在壓力室基板20上的各壓力室21相對應(yīng)的位置上。
振動板30是如后所述地疊加氧化膜31和ZrO2膜32而形成的，并將其貼合在壓力室基板20的另一個(gè)面上。在振動板30上設(shè)有圖中未示出的墨水腔連接口，圖中未示出的墨水腔中儲存的墨水可供給到壓力室基板20的貯存容器23。
由噴嘴板10、振動板30及壓力室基板20構(gòu)成的噴出頭單元容納在殼體25中，構(gòu)成噴墨式記錄頭1。
<3.壓電元件的構(gòu)成>
<3-1.第一實(shí)施方式>
圖3是表示第一實(shí)施方式的噴墨式記錄頭中的壓電元件設(shè)置的詳細(xì)情況的平面圖。此處，多個(gè)壓電元件40相互錯(cuò)開地排成2列。例如360dpi(點(diǎn)/英寸)時(shí)，1英寸中的360個(gè)壓電元件40排成第一列，第二列中的360個(gè)壓電元件40設(shè)置在與上述第一列錯(cuò)開1/720英寸的位置上。
壓電元件40的下部電極42d構(gòu)成各列的公共電極。在2列下部電極42d的內(nèi)側(cè)附近形成與下部電極42d和后述的上部電極44均電隔離的內(nèi)側(cè)金屬層42a。并在2列下部電極42d的外側(cè)附近形成與下部電極42d和后述的上部電極44均電隔離的外側(cè)金屬層42b。此處所述的內(nèi)側(cè)金屬層42a、外側(cè)金屬層42b圍住下部電極42d中沒有形成壓電元件40的部分，同時(shí)也圍住壓電元件40。各配線用細(xì)帶電極45從壓電元件40的上部電極開始，不接觸內(nèi)側(cè)金屬層42a地通過內(nèi)側(cè)金屬層42a的上方，向各列的內(nèi)側(cè)延伸。
圖4(a)是放大圖3的包圍線iii部分的平面圖，圖4(b)是沿其i-i線所作的截面圖，圖4(c)是沿其ii-ii線所作的截面圖。
如圖4所示，噴墨頭1的各噴出部是在氧化膜31上依次疊加ZrO2膜32、下部電極42d、壓電薄膜43及上部電極44而構(gòu)成的。
氧化膜31在由例如厚100μm的單晶硅構(gòu)成的壓力室基板20上形成絕緣膜。最好以1.0μm的厚度形成由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的膜。
ZrO2膜32是具有彈性的層，并與氧化膜31形成一體，構(gòu)成振動板30。為了使該ZrO2膜32具備賦予彈性的功能，最好具有200nm以上，800nm以下的厚度。
也可以在ZrO2膜32與下部電極42d之間設(shè)置使兩層緊密接觸的金屬，最好是由鈦或鉻構(gòu)成的緊密接觸層(圖中未示出)。緊密接觸層是為了提高對于壓電元件的設(shè)置面的緊密接觸性能而形成的，因此可確保該緊密接觸性能時(shí)，也可以不形成該層。而且，設(shè)置緊密接觸層時(shí)，最好構(gòu)成10nm以上的厚度。
此處下部電極42d至少是包含Ir的層，例如可構(gòu)成從最下層開始具有包含Ir的層/包含Pt的層/包含Ir的層的多層構(gòu)造。下部電極42d的整體厚度例如為200nm。
下部電極42d的多層構(gòu)造并不限于此，也可以是包含Ir的層/包含Pt的層，或是包含Pt的層/包含Ir的層構(gòu)成的2層構(gòu)造?；蛘邇H由包含Ir的層構(gòu)成也可以。
壓電薄膜43是由壓電性陶瓷的結(jié)晶構(gòu)成的強(qiáng)電介體，最好是鈦鋯酸鉛(PZT)等的強(qiáng)感應(yīng)性壓電性材料，或在其中添加氧化鈮、氧化鎳或氧化鎂等金屬氧化物后得到的物質(zhì)構(gòu)成壓電薄膜?？煽紤]壓電元件的特性、用途等，適宜地選擇壓電薄膜43的組成。具體地說，可適宜地采用鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti)O3)、鋯酸鉛(PbZrO3)、鈦酸鉛鑭((Pb，La)，TiO3)、鋯鈦酸鉛鑭((Pb，La)(Zr，Ti)O3)或鎂鈮酸鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O3)等。而且，通過在鈦酸鉛或鋯酸鉛中適宜地添加鈮(Nb)，可獲得壓電特性優(yōu)良的膜。
將壓電薄膜43的厚度抑制到在制造工序中不產(chǎn)生裂紋的程度，另一方面需要將其厚度增加到呈現(xiàn)出充分的變位特性的程度，壓電薄膜的厚度為例如1000nm以上，1500nm以下。
上部電極44是與下部電極42d成對的電極，最好由Pt或Ir構(gòu)成。上部電極44的厚度最好為50nm。
下部電極42d構(gòu)成各壓電元件的公共電極。與此相對，內(nèi)側(cè)金屬層42a和外側(cè)金屬層42b位于與下部電極42d相同高度的層中，但與下部電極42d分離。其間隔在200μm以下，優(yōu)選在100μm以下，最好在50μm以下。該間隔的下限只要達(dá)到電不導(dǎo)通的程度即可，希望在例如5μm以上。在內(nèi)側(cè)金屬層42a之上，各壓電元件40的壓電薄膜43延伸，在其上形成可與上部電極44導(dǎo)通的配線用細(xì)帶電極45。從而，該第一實(shí)施方式中，利用壓電薄膜43使細(xì)帶電極45與內(nèi)側(cè)金屬層42a絕緣。另外，希望用與下部電極42d同樣的材料形成內(nèi)側(cè)金屬層42a。即使不用同樣的材料形成，也希望其紅外線吸收率與下部電極42d的材料近似。
外側(cè)金屬層42b也位于與下部電極42d相同高度的層中，與下部電極42d及內(nèi)側(cè)金屬層42a分離。其間隔在200μm以下，優(yōu)選在100μm以下，最好在50μm以下。該間隔的下限只要達(dá)到電不導(dǎo)通的程度即可，希望在例如5μm以上。外側(cè)金屬層42b也與細(xì)帶電極45及上部電極44分離。并在外側(cè)金屬層42b上的一部分上形成壓電薄膜43，但上部電極44與外側(cè)金屬層42b不接觸。另外，也希望用與下部電極42d相同的材料來形成外側(cè)金屬層42b。即使不用相同的材料形成，也希望其紅外線的吸收率與下部電極42d的材料近似。
而且，用于向壓力室21供給液體的貯存容器23設(shè)置在比壓電元件40更靠近外側(cè)金屬層42b一側(cè)的位置上。
<3-2.第二實(shí)施方式>
圖5是表示第二實(shí)施方式的噴墨式記錄頭中的壓電元件設(shè)置的詳細(xì)情況的平面圖。具有與第一實(shí)施方式相同的功能的部分用同一符號表示。第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式不同，第二金屬層，即內(nèi)側(cè)金屬層42c分割為與各壓電元件40相對應(yīng)的片段。由于細(xì)帶電極45形成在各內(nèi)側(cè)金屬層42c之上，因此在圖5的平面圖中見不到內(nèi)側(cè)金屬層42c。
圖6(a)是放大圖5的包圍線iii部分的平面圖，圖6(b)是沿其i-i線所作的截面圖，圖6(c)是沿其ii-ii線所作的截面圖。如圖6(b)所示，壓電薄膜43沒有完全覆蓋內(nèi)側(cè)金屬層42c。從而，與上部電極44導(dǎo)通的配線用細(xì)帶電極45可與內(nèi)側(cè)金屬層42c導(dǎo)通。由于內(nèi)側(cè)金屬層42c不與下部電極42d導(dǎo)通，也不與相鄰的內(nèi)側(cè)電極層42c(片段)導(dǎo)通，因此即使與細(xì)帶電極45導(dǎo)通，在電路方面也沒有問題。
<4.噴墨式記錄頭的動作>
以上說明了噴墨式記錄頭1的構(gòu)成，下面說明其打印動作。一旦從控制回路8輸出驅(qū)動信號，給紙機(jī)構(gòu)6工作，紙張5輸送至可通過噴出頭1打印的位置。當(dāng)未從控制回路8供給噴出信號，在壓電元件的下部電極42d與上部電極44之間不施加驅(qū)動電壓時(shí)，壓電薄膜43中不發(fā)生變形。未供給噴出信號的壓電元件所在的壓力室21中不發(fā)生壓力變化，因而不會從其噴嘴11中噴出墨滴。
另一方面，當(dāng)從控制回路8供給噴出信號，從而在壓電元件的下部電極42d與上部電極44之間施加一定的驅(qū)動電壓時(shí)，壓電薄膜43中發(fā)生變形。供給了噴出信號的壓電元件所在的壓力室21中，其振動板30發(fā)生大的變形。因此壓力室21內(nèi)的壓力瞬間增大，從噴嘴11中噴出墨滴。通過個(gè)別地向噴出頭中與圖像數(shù)據(jù)相對應(yīng)的位置上的壓電元件供給噴出信號，可打印任意的文字及圖形。
<5.制造方法>
下面說明本發(fā)明的壓電元件的制造方法。圖7及圖8是表示上述壓電元件及噴墨式記錄頭的制造方法的截面模式圖。圖7及圖8是沿用上述圖3及圖4說明的第一實(shí)施方式的噴墨式記錄頭的構(gòu)成而說明的，但是按照與此相同的順序，也可以制造出圖5及圖6說明的第二實(shí)施方式的噴墨式記錄頭。
氧化膜形成工序(S1)該工序是在包含氧或水蒸氣的氧化性氣氛中對構(gòu)成壓力室基板20的硅基板進(jìn)行高溫處理，形成由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的氧化膜31的工序。除了該工序中常用的熱氧化法以外，也可以使用CVD法。
形成ZrO2膜的工序(S2)這是在位于壓力室基板20的一個(gè)面上的氧化膜31上形成ZrO2膜32的工序。在氧氣氛中對通過濺射法或真空蒸鍍法等而形成了Zr層的材料進(jìn)行高溫處理，從而得到該ZrO2膜32。
形成導(dǎo)電膜的工序(S3)在ZrO2膜32上形成導(dǎo)電膜42，該導(dǎo)電膜42構(gòu)成包含Ir的下部電極。例如，首先形成包含Ir的層，接著形成包含Pt的層，再形成包含Ir的層。
利用濺射法等，分別使Ir或Pt附著在ZrO2膜32上，從而形成構(gòu)成導(dǎo)電膜42的各層。另外，也可以在形成導(dǎo)電膜42之前，通過濺射法或真空蒸鍍法形成由鈦或鉻構(gòu)成的緊密接觸層(圖中未示出)。
形成導(dǎo)電膜后的圖案化工序(S4)形成導(dǎo)電膜之后，為了使其與內(nèi)側(cè)金屬層42a及外側(cè)金屬層42b、下部電極42d分離，首先將導(dǎo)電膜42按所需的形狀進(jìn)行遮罩，對其周圍進(jìn)行蝕刻，從而進(jìn)行圖案化。具體地說，首先通過自旋法、噴涂法等將均勻厚度的保護(hù)膜材料涂敷在導(dǎo)電膜42上(未圖示)，其次，按壓電元件的形狀形成掩模后，進(jìn)行曝光、顯像，在導(dǎo)電膜上形成保護(hù)膜圖案(未圖示)。通過一般使用的離子銑削法或干式蝕刻法等蝕刻除去導(dǎo)電膜的一部分，露出ZrO2膜32，形成內(nèi)側(cè)金屬層42a、外側(cè)金屬層42b、下部電極42d。
進(jìn)而，在前述圖案化工序中，為了除去附著在下部電極表面上的污染物及氧化部分等，可通過逆濺射進(jìn)行清潔(圖中未示出)。
形成Ti核(層)的工序該工序是通過濺射法等，在下部電極42d上形成Ti核(層)(圖中未示出)的工序。形成Ti核(層)是為了以Ti結(jié)晶為核，使PZT成長，結(jié)晶成長從下部電極側(cè)開始，以得到致密的柱狀結(jié)晶。
而且，前述Ti核(層)的平均厚度為3～7nm，最好為4～6nm。
形成壓電前體膜的工序(S5)該工序是通過溶膠凝膠法形成壓電前體膜43’的工序。
首先，通過旋涂法等涂布法將由有機(jī)金屬醇鹽溶液所形成的溶膠涂敷在Ti核上。其次，在一定溫度下，將其干燥一定時(shí)間，使溶媒蒸發(fā)。干燥后，進(jìn)一步在大氣環(huán)境中，以設(shè)定的高溫，按一定的時(shí)間對其進(jìn)行脫脂處理，使配位在金屬中的有機(jī)配位基熱分解，形成金屬氧化物。將該涂敷、干燥、脫脂各工序重復(fù)規(guī)定的次數(shù)、例如2次，疊層形成由2層構(gòu)成的壓電前體膜。通過該干燥和脫脂處理，使溶液中的金屬醇鹽和醋酸鹽經(jīng)過配位基的熱分解而形成金屬、氧、金屬的網(wǎng)絡(luò)。
另外，該工序并不僅限于溶劑凝膠法，也可以采用MOD(金屬有機(jī)沉積)法。
燒成工序(S6)這是在形成壓電前體膜43’后燒成，并使壓電體薄膜結(jié)晶化的工序。通過該燒成，壓電體薄膜43’從非晶形狀態(tài)成為菱形結(jié)晶構(gòu)造，變化成為表示出電機(jī)械轉(zhuǎn)換作用的薄膜，即形成壓電薄膜43。
此處，由于ZrO2膜32比下部電極42d的近紅外線吸收率低，因此，沒有形成下部電極42d的區(qū)域燒成時(shí)的溫度上升比較平緩。但是本實(shí)施方式中，如圖3及圖5所示，由于形成壓電薄膜的區(qū)域被下部電極42d、內(nèi)側(cè)金屬層42a及外側(cè)金屬層42b圍住，因此即使是未形成下部電極42d的區(qū)域，也可以確保充分的溫度上升。其結(jié)果，壓電薄膜的燒成條件均一。從而，壓電薄膜中，特別是下部電極42d的端部附近的結(jié)晶性增強(qiáng)，提高了耐電壓性、持久性。而且，由于晶片整體的燒成條件也可均一化，因此可使壓電元件之間的壓電特性也均一化。
上述形成前體膜(S5)及其燒成(S6)反復(fù)進(jìn)行數(shù)次，可使壓電薄膜43形成所需的膜厚。例如，每一次燒成涂布的前體膜的膜厚為200nm，反復(fù)進(jìn)行6次。
上部電極形成工序(S7)通過電子束蒸鍍法或?yàn)R射法，在壓電薄膜43上形成上部電極44。
壓電薄膜及上部電極圖案化工序(S8)這是將壓電薄膜43及上部電極44按壓電元件的規(guī)定形狀圖案化的工序。具體地說，在上部電極44上旋涂抗蝕劑后，對應(yīng)形成壓力室的位置進(jìn)行曝光、顯影，并形成布線圖案。將殘留的抗蝕劑作為掩模，通過離子銑削等方法腐蝕上部電極44、壓電薄膜43。通過以上的工序形成壓電元件40。
細(xì)帶電極的形成工序(S9)接著形成與上部電極44導(dǎo)通的細(xì)帶電極45。細(xì)帶電極45的材質(zhì)最好是剛性低，電阻的金。此外也可以采用鋁、銅等。細(xì)帶電極45以約0.5μm的膜厚形成膜，此后形成布線圖案，與各上部電極導(dǎo)通并引出配線。
壓力室的形成工序(S10)接著，在形成了壓電元件40的壓力室基板20的另一個(gè)面上進(jìn)行各向異性腐蝕或平行平板型反應(yīng)性離子腐蝕等使用活性氣體的各向異性腐蝕，從而形成壓力室21、貯存容器23、供給口24。沒有腐蝕的殘留部分構(gòu)成側(cè)壁22。另外，貯存容器23形成在外側(cè)金屬層42b的相對位置上，并且形狀比外側(cè)金屬層42b小一圈，并利用激光等形成通孔。
噴嘴板貼合工序(S11)最后用粘接劑將噴嘴板10貼合在腐蝕后的壓力室基板20上。貼合時(shí)要對齊位置，將各噴嘴11設(shè)置在各壓力室21的空間中。再將貼合上噴嘴板10的壓力室基板20裝入圖中未示出的殼體中，制成噴墨式記錄頭1。
<6.制造方法的變形例>
圖9是表示上述制造方法的變形例的截面模式圖，表示與圖7相對應(yīng)的工序。S1～S3的工序與圖7是一樣的，從S6c以后的工序與圖8一樣，因此省略對其的說明。本例中，在S3中形成導(dǎo)電膜42之后，在圖案化之前形成壓電薄膜的第一層43a(S6a)，此后將壓電薄膜的第一層43a及導(dǎo)電膜42一起進(jìn)行圖案化(S6b)。
形成壓電薄膜的第一層的工序(S6a)在S3中形成導(dǎo)電膜42之后，在導(dǎo)電膜42上形成壓電薄膜的第一層43a。形成方法在使例如Ti核(層)的厚度為3～7nm，最好為4～6nm之后，與上述圖7的S5及S6說明的一樣，反復(fù)2次進(jìn)行溶膠的涂布、干燥、脫脂工序，將其燒成，使壓電薄膜的第一層43a形成大約200nm。
圖案化工序(S6b)接著，將上述壓電薄膜的第一層43a及導(dǎo)電膜42以與圖7的S4同樣的形狀圖案化。使導(dǎo)電膜42與下部電極42d、內(nèi)側(cè)金屬層42a、外側(cè)金屬層42b分離。在除去壓電薄膜的第一層43a及導(dǎo)電膜42后的部分，ZrO2膜32露出來。
壓電薄膜的第二層以后的形成工序(S6c)接著，在上述壓電薄膜的第一層43a上及上述露出的ZrO2膜32上形成例如1nm以上，4nm以下的Ti核(層)之后，以與上述第一層同樣的方法形成壓電薄膜的第二層以后的結(jié)構(gòu)。從而，直到形成規(guī)定的厚度，反復(fù)進(jìn)行涂布、干燥、脫脂的工序及燒成的工序。其結(jié)果，在下部電極42d上形成壓電薄膜43，且該壓電薄膜43比上述露出的ZrO2膜32上的層數(shù)更多。例如，在下部電極42d上形成6層，而在上述露出的ZrO2膜32上形成5層壓電薄膜43。
此后的形成上部電極等工序與圖8的S7以后相同。
燒成壓電薄膜時(shí)，有時(shí)產(chǎn)生構(gòu)成下部電極的導(dǎo)電層的組成變化(氧化及從壓電薄膜的擴(kuò)散)及與之相伴的膜厚增加，特別是壓電薄膜的第一層燒成時(shí)，容易引起那樣的情況。如果在導(dǎo)電層的圖案化之后燒成壓電薄膜的第一層，則有可能布線圖案的邊界附近的導(dǎo)電層的膜厚會變得不均勻，產(chǎn)生壓電薄膜的結(jié)晶性下降，或有時(shí)也有可能發(fā)生裂紋，但采用圖9的變形例，可防止這種情況。即，由于在對導(dǎo)電層42進(jìn)行圖案化之前形成壓電薄膜的第一層43a，因此燒成壓電薄膜的第一層43a時(shí)的導(dǎo)電層的組成及膜厚的變化在膜面方向上是均勻的。因此，可確保壓電薄膜的穩(wěn)定的結(jié)晶性，可防止壓電薄膜發(fā)生裂紋。
由于壓電薄膜的第一層43a燒成時(shí)，導(dǎo)電層的組成及膜厚發(fā)生變化，因此燒成壓電薄膜的第二層以后的結(jié)構(gòu)時(shí)，下部電極42d的組成及膜厚的變化小。從而，可得到與壓電薄膜的第一層同樣的良好的結(jié)晶性。特別是，即使在構(gòu)成下部電極的導(dǎo)電層圖案化后，由于壓電薄膜的形成區(qū)域被下部電極42d、內(nèi)側(cè)金屬層42a及外側(cè)金屬層42b圍住，因此壓電薄膜的燒成條件可保持均一。因而，如圖7的S6說明的那樣，由于進(jìn)一步提高了壓電薄膜中，特別是下部電極42d的布線圖案的邊界附近的結(jié)晶性，因此耐電壓性、持久性更好。
<7.試驗(yàn)結(jié)果>
對于每個(gè)按照圖9及圖8說明的變形例的方法制造的圖3及圖4說明的第一實(shí)施方式的噴墨式記錄頭(壓電薄膜為膜厚1.1μm的PZT，下部電極42d與內(nèi)側(cè)金屬層42a及外側(cè)金屬層42b之間的間隔為50μm)及每個(gè)按照原來的方法制造的記錄頭(壓電薄膜為膜厚1.1μm的PZT，下部電極42d與內(nèi)側(cè)金屬層42a及外側(cè)金屬層42b之間的間隔為500μm)，調(diào)查了其耐電壓性及持久性。
關(guān)于耐電壓性，現(xiàn)有的記錄頭在40V～50V下產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)了絕緣破壞的現(xiàn)象(發(fā)生裂紋的地方幾乎都是下部電極端部附近)，而上述實(shí)施方式的記錄頭表現(xiàn)出90～110V的耐電壓性(發(fā)生變形的地方不集中在特定部分，是隨機(jī)的)。
關(guān)于持久性，在35V的驅(qū)動電壓下進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有的記錄頭在10億脈沖的程度下特性惡化，而上述實(shí)施方式的記錄頭可耐受400億脈沖以上的驅(qū)動。由此，確認(rèn)了上述實(shí)施方式的噴墨式記錄頭表現(xiàn)出極大的性能提升。
<8.其它應(yīng)用例子>
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方式而可以進(jìn)行各種變形。例如，由本發(fā)明制造的壓電元件不僅適用于上述噴墨式記錄頭的壓電元件，而且也適用于非易失性半導(dǎo)體存儲裝置、薄膜電容器、熱電檢測器、傳感器、表面彈性波光學(xué)導(dǎo)波管、光學(xué)存儲裝置、空間光調(diào)制器、二極管激光用倍頻器等強(qiáng)電介體裝置、電介體裝置、熱電裝置、壓電裝置及電光裝置的制造。
而且，本發(fā)明的液體噴出頭除了適用于噴墨記錄裝置中使用的噴出墨水的噴出頭以外，還可適用于制造液晶顯示器等的濾色器時(shí)使用的噴出包含色劑的液體的噴出頭、形成有機(jī)EL顯示器及FED(面發(fā)光顯示器)等的電極時(shí)使用的噴出包含電極材料的液體的噴出頭、制造仿生物功能集成電路片時(shí)使用的噴出包含生物有機(jī)物的液體的噴出頭等，噴射各種液體的噴出頭。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.(補(bǔ)正后)一種壓電元件，具有振動板、在前述振動板上形成規(guī)定布線圖案的下部電極、形成在前述下部電極上的壓電薄膜、形成在前述壓電薄膜上的上部電極，其特征在于，在前述壓電薄膜的附近設(shè)有金屬層，該金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離，前述壓電薄膜形成在位于前述規(guī)定布線圖案上的下部電極上及不存在下部電極的前述振動板上，前述壓電薄膜中形成在前述下部電極上的部分與形成在前述振動板上的部分相比，前者的前述壓電薄膜的層數(shù)更多。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，前述金屬層是由與前述下部電極相同的材料形成的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于，前述下部電極與和其電隔離的前述金屬層之間的間隔為200μm以下。
4.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，形成前述壓電薄膜，使其覆蓋前述金屬層的至少一部分，從前述上部電極延伸的配線用電極形成在前述金屬層中的被前述壓電薄膜覆蓋住的部分上，通過該壓電薄膜與前述金屬層絕緣。
5.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，在前述壓電薄膜的附近還具有第二金屬層，該第二金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離，且與從前述上部電極延伸的配線用電極導(dǎo)通。
6.刪除7.(補(bǔ)正后)一種液體噴出頭，其特征在于，具有如權(quán)利要求1～5中任意一項(xiàng)所述的壓電元件、由于該壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室、與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口。
8.一種液體噴出裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求7所述的液體噴出頭、驅(qū)動該液體噴出頭的驅(qū)動裝置。
9.一種壓電元件的制造方法，其特征在于，具有在振動板上，將下部電極、前述下部電極附近的金屬層形成規(guī)定的布線圖案的工序、在前述下部電極上形成壓電薄膜的工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，其中前述金屬層以與前述下部電極電隔離的方式形成。
10.一種壓電元件的制造方法，具有在振動板上形成導(dǎo)電膜的工序、在前述導(dǎo)電膜上形成壓電薄膜的壓電體成膜第一工序、對在前述壓電體成膜第一工序中成膜的壓電薄膜及前述導(dǎo)電膜進(jìn)行圖案化，使前述導(dǎo)電膜與下部電極及金屬層分離的工序、在前述圖案化后殘留的壓電薄膜上及除去了壓電薄膜后的前述振動板上進(jìn)一步形成壓電薄膜的壓電體成膜第二工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，其中上述金屬層與該下部電極電隔離且位于前述下部電極附近。
11.一種液體噴出頭的制造方法，其特征在于，具有按照如權(quán)利要求9或10所述的方法形成壓電元件的工序、形成由于前述壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室的工序、形成與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口的工序。
12.(追加)一種液體噴出頭，其特征在于，具有壓力基板、形成在前述壓力室基板上的壓電元件、形成在設(shè)有該壓電元件的前述壓力室基板的另一個(gè)面上，且為了噴出液體而貯存墨水的壓力室、向該壓力室供給該液體的流路，即貯存容器，其中上述壓電元件具有振動板、在前述振動板上形成規(guī)定布線圖案的下部電極、形成在前述下部電極上的壓電薄膜、形成在前述壓電薄膜上的上部電極，在前述貯存容器的開口部的周圍形成不與前述下部電極電連接的金屬層。
權(quán)利要求
1.一種壓電元件，具有振動板、在前述振動板上形成規(guī)定布線圖案的下部電極、形成在前述下部電極上的壓電薄膜、形成在前述壓電薄膜上的上部電極，其特征在于，在前述壓電薄膜的附近設(shè)有金屬層，該金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電元件，其特征在于，前述金屬層是由與前述下部電極相同的材料形成的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓電元件，其特征在于，前述下部電極與和其電隔離的前述金屬層之間的間隔為200μm以下。
4.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，形成前述壓電薄膜，使其覆蓋前述金屬層的至少一部分，從前述上部電極延伸的配線用電極形成在前述金屬層中的被前述壓電薄膜覆蓋住的部分上，通過該壓電薄膜與前述金屬層絕緣。
5.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，在前述壓電薄膜的附近還具有第二金屬層，該第二金屬層與形成在前述振動板上的金屬層，即前述下部電極電隔離，且與從前述上部電極延伸的配線用電極導(dǎo)通。
6.如權(quán)利要求1～5中任意一項(xiàng)所述的壓電元件，其特征在于，前述壓電薄膜形成在位于前述規(guī)定布線圖案上的下部電極上及不存在下部電極的前述振動板上，前述壓電薄膜中形成在前述下部電極上的部分與形成在前述振動板上的部分相比，前者的前述壓電薄膜的層數(shù)更多。
7.一種液體噴出頭，其特征在于，具有如權(quán)利要求1～6中任意一項(xiàng)所述的壓電元件、由于該壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室、與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口。
8.一種液體噴出裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求7所述的液體噴出頭、驅(qū)動該液體噴出頭的驅(qū)動裝置。
9.一種壓電元件的制造方法，其特征在于，具有在振動板上，將下部電極、前述下部電極附近的金屬層形成規(guī)定的布線圖案的工序、在前述下部電極上形成壓電薄膜的工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，其中前述金屬層以與前述下部電極電隔離的方式形成。
10.一種壓電元件的制造方法，具有在振動板上形成導(dǎo)電膜的工序、在前述導(dǎo)電膜上形成壓電薄膜的壓電體成膜第一工序、對在前述壓電體成膜第一工序中成膜的壓電薄膜及前述導(dǎo)電膜進(jìn)行圖案化，使前述導(dǎo)電膜與下部電極及金屬層分離的工序、在前述圖案化后殘留的壓電薄膜上及除去了壓電薄膜后的前述振動板上進(jìn)一步形成壓電薄膜的壓電體成膜第二工序、在前述壓電薄膜上形成上部電極的工序，其中上述金屬層與該下部電極電隔離且位于前述下部電極附近。
11.一種液體噴出頭的制造方法，其特征在于，具有按照如權(quán)利要求9或10所述的方法形成壓電元件的工序、形成由于前述壓電元件的機(jī)械變位而導(dǎo)致內(nèi)容積變化的壓力室的工序、形成與該壓力室連通并噴出液滴的噴出口的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓電元件及液體噴出頭，該壓電元件具有振動板(30)、在前述振動板上形成規(guī)定布線圖案的下部電極(42d)、形成在前述下部電極上的壓電薄膜(43)、形成在前述壓電薄膜上的上部電極(44)，在前述壓電薄膜的附近設(shè)有金屬層(42b)，該金屬層(42b)與形成在前述振動板上的前述下部電極及前述上部電極電隔離。下部電極與金屬層之間的間隔為200μm以下。由此，即使在下部電極端部附近，壓電薄膜的結(jié)晶性也很好，因此可耐高電壓，可靠性更高。
文檔編號B41J2/055GK1630949SQ0380368
公開日2005年6月22日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者村井正己 申請人:精工愛普生株式會社