压电薄膜元件制造技术

技术编号:19398087 阅读:25 留言:0更新日期:2018-11-10 05:22
一种压电薄膜元件,其包括第一电极、第二电极和位于它们之间的一个或更多个压电薄膜,其中第一电极是具有平均晶粒尺寸大于50nm的铂金属电极,并且其中邻近铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层,其中接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1‑xO3(其中0

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电薄膜元件本公开大体上涉及适于在致动器、传感器、能量收集设备中和在多层电容器中的使用的压电薄膜元件以及制造该元件的方法。本公开特别地但不排他地涉及适于用作微滴沉积装置中的微滴沉积头的致动器的压电薄膜元件、以及包括该元件的致动器、包括致动器的微滴沉积头和包括该微滴沉积头的微滴沉积装置。各种替代流体可由微滴沉积头沉积。例如,微滴沉积头可以喷射墨滴,该墨滴可以行进到纸张或卡片上,或者行进到其他接收介质上,诸如瓷砖或成型制品(例如,罐、瓶等),以形成图像,正如喷墨打印应用中的情况(其中微滴沉积头可以是喷墨打印头,或者更具体地,按需滴定喷墨打印头)。可选地,流体的微滴可用于构建结构,例如,电活性流体可沉积到接收介质(诸如电路板)上,以便能够对电气设备进行原型设计。在另一个示例中,含有流体的聚合物或熔融聚合物可以沉积在连续的层中,以便产生物体的原型模型(如在3D打印中)。在其它应用中,微滴沉积头可适于将含有生物或化学物质的溶液的微滴沉积到接收介质(诸如微阵列)上。适用于这种替代流体的微滴沉积头在结构上通常可以类似于打印头,并具有对所讨论的特定流体进行处理所做出的一些调整。微滴沉积头可以是按需滴定微滴沉积头,其中喷射的微滴图案根据提供给该头的输入数据而变化。适合用作微滴沉积头的致动器的典型压电薄膜元件包括在硅或其他衬底上形成的金属或金属氧化物底部电极、金属顶部电极、以及介于这些电极之间的压电薄膜。压电薄膜可以包括含铅钙钛矿(ABO3),诸如锆钛酸铅(PZT),并且可以通过各种技术形成,包括溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)和化学溶液沉积。然而,最常用的技术是化学溶液沉积,特别是溶胶-凝胶沉积。在化学溶液沉积中,压电薄膜形成为包括多个已经单独形成并一起退火的压电薄膜层的叠层。溶液沉积在底部电极上(例如,通过旋涂)、被干燥并热解以形成对于第一压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理,使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第一压电薄膜层。溶液然后被施加到第一压电薄膜层、被干燥并热解以形成对于第二压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理,使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第二压电薄膜。重复这些后面的步骤,以便在底部电极上获得压电薄膜,该压电薄膜包括具有多个压电薄膜层和具有用于压电元件预期用途的适当厚度的叠层。为了控制压电薄膜层和压电薄膜的厚度,化学溶液沉积可以在热处理之前通过重复施加、干燥和热解溶液来形成多个前体层。这些厚度还取决于溶液的总溶质浓度以及其它参数,诸如溶液的旋涂速率。最后,例如通过溅射金属(诸如铂、铱或钌)和/或通过对金属氧化物(诸如二氧化铱)的反应溅射,在压电薄膜上形成顶部电极。在整个文献中详细描述了使用化学溶液沉积且特别是溶胶-凝胶沉积来形成包含含铅钙钛矿(诸如PZT)的压电薄膜。一个详细描述可以在例如美国专利申请2003/0076007A1(通过引用并入本文)中找到。众所周知,PZT薄膜的压电和机械性质取决于其微结构,特别是压电薄膜层内的晶体(或“晶粒”)的尺寸、形状和取向。特别地,众所周知,用于形成PZT薄膜的溶液中过量的铅含量(通常为10%)对于确保钙钛矿相和避免对压电性能有害的其它(贫铅)相是重要的。还已知的是,当PZT的化学成分接近在四方相和菱形相之间的准同型相界(MPB)处发现的化学成分时(通常为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3),PZT薄膜的压电常数的幅值最大。还已知,当PZT薄膜内的大多数晶体具有作为伪立方(pseudocubic){100}取向的晶体取向时(即,当压电薄膜具有“优选的{100}取向”时),压电元件的压电和机械性质是最佳的。还已知PZT薄膜中的晶体取向受到下面电极和衬底的晶体结构的严重影响,但也取决于用于化学溶液沉积的工艺参数。已知影响压电薄膜中晶体取向的工艺参数包括用于化学溶液沉积的干燥、热解和加热的温度、速率和持续时间。一种对通过化学溶液沉积形成的PZT薄膜中晶体取向控制的方法提供了设置在底部电极上的籽晶层(seedlayer)或缓冲层。形成有明确定义的晶体取向的籽晶层或缓冲层用于在PZT薄膜层形成于籽晶层上时引导其中的晶体取向。当第二PZT薄膜层在这个接触PZT薄膜层上形成时,该接触PZT薄膜层引导该第二PZT薄膜层中的取向(依此类推),使得能够获得具有总体优选取向的PZT薄膜。籽晶层或缓冲层通常包括除PZT之外的钙钛矿型材料。用于在通过化学溶液沉积形成的PZT薄膜中引导伪立方{100}取向的常用籽晶层包括钛酸铅(PT)。然而,通过化学溶液沉积在电极上形成的PZT薄膜层也可用于引导PZT薄膜中的(100)或(110)晶体取向。在这种情况下,PZT薄膜层的厚度对于在该层和PZT薄膜中的(100)或(110)取向至关重要。特别地,EP2525391A2公开了一种通过化学溶液沉积形成具有优选(100)取向的压电薄膜的方法,其中形成在铂电极上的PZT薄膜层充当(100)取向控制层。该溶液具有的溶质含量为12wt%,其中过量铅含量为10mol%。取向控制层的厚度被控制在35nm至150nm之间(且最优地被控制在约65nm)。此外,EP2525393A2公开了一种通过化学溶液沉积形成具有优选(110)取向的压电薄膜的方法,其中形成在铂电极上的PZT薄膜层充当(110)取向控制层。该溶液具有的溶质含量为5wt%,且过量铅含量为10mol%。取向控制层的厚度被控制在5nm与30nm之间。在PZT薄膜的化学溶液沉积中使用PZT薄膜层作为取向控制层一直局限于电极,特别是铂电极,这些电极通过在室温或接近室温下溅射沉积在衬底上。US6682722B1公开了一种基于PZT薄膜层制造用于电容器存储器件的铂底部电极的方法。铂电极是通过将铂金属溅射到被加热到高温(300℃与800℃之间)的衬底(设置有粘附层)上来沉积的。与其中通过在室温或室温附近溅射沉积铂电极的电容器相比,在PZT薄膜中引导{111}取向的铂电极提供了具有更高热稳定性、更低应力和改善的疲劳性能(fatigueperformance)的器件。US7023036B1公开了一种适用于喷墨打印机的致动器中的压电元件,该压电元件包括旨在保护暴露于环境的压电薄膜的部分的保护膜。压电元件包括形成在氧化镁衬底上的铂底部电极和PZT薄膜。通过以650℃溅射铂金属来沉积铂底部电极,该铂底部电极引导PZT薄膜中的(001)取向。EP2846370A1公开了一种包括PZT薄膜的压电元件,其中在铂底部电极上提供了镧钛酸铅(PLT)缓冲层。通过将铂金属溅射到被加热到高温的硅衬底上来沉积铂电极,使得铂电极中的平均晶粒尺寸(grainsize)被控制在50nm和150nm之间。据说铂电极的结晶度和平均晶粒尺寸控制PLT缓冲层和PZT薄膜中的(100)取向。该文献还公开了一种压电元件,其中PZT薄膜直接形成在铂电极上(即,没有缓冲层)。与包括缓冲层的压电元件相比,PZT薄膜被描述为具有(100)和(001)取向和差的压电常数。这些公开的压电元件各自包括高温沉积的铂电极和PZT薄膜,该薄膜是通过在高温下溅射PZT形成的单层。这些公开没有描述或暗示用于直接在高温沉积的铂电极上形成含铅压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电薄膜元件,其包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜,其中所述第一电极是具有大于50nm的平均晶粒尺寸的铂金属电极,并且其中邻近所述铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层,其中接触所述铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1‑xO3的组成的锆钛酸铅(PZT)并且具有大于或等于90%的伪立方{100}取向的水平,其中0

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.16 EP 16160658.7;2016.03.16 GB 1604457.01.一种压电薄膜元件,其包括第一电极、第二电极和位于所述第一电极与所述第二电极之间的一个或更多个压电薄膜,其中所述第一电极是具有大于50nm的平均晶粒尺寸的铂金属电极,并且其中邻近所述铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层,其中接触所述铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的锆钛酸铅(PZT)并且具有大于或等于90%的伪立方{100}取向的水平,其中0<x≤0.60。2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件,其中,接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层具有为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成,其中0<x≤0.40。3.根据任意权利要求1或权利要求2所述的压电薄膜元件,其中,所述铂金属电极具有大于100nm的平均晶粒尺寸。4.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层被施主掺杂剂、受主掺杂剂或等价掺杂剂中的一种或更多种掺杂。5.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,接触所述铂金属电极的所述PZT薄膜层具有10nm与200nm之间的厚度。6.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,所述多个压电薄膜层包括形成在接触所述铂金属电极的所述锆钛酸铅(PZT)薄膜层上的、包括为或大约为PbZrxTi1-xO3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层,其中0<x≤0.60。7.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,所述多个压电薄膜层包括形成在接触所述铂金属电极的所述锆钛酸铅(PZT)薄膜层上的、包括为或大约为PbZr0.52Ti0.48O3的组成的PZT的一个或更多个压电薄膜层。8.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,邻近所述铂金属电极的所述压电薄膜具有大于或等于90%的伪立方{100}取向的水平。9.根据任一前述权利要求所述的压电薄膜元件,其中,所...

【专利技术属性】
技术研发人员:彼得·马迪洛维奇高松远苏珊·特罗利尔麦金斯特里特伦特·博尔曼
申请(专利权)人:赛尔科技有限公司
类型:发明
国别省市:英国,GB

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