压电薄膜元件、压电传感器和振动发电机制造技术

本发明专利技术提供可以降低压电薄膜层的相对介电常数的压电薄膜元件、压电传感器和振动发电机。压电薄膜元件（1）具备：基板、形成于基板上的下部电极层（20）、形成于下部电极层（20）上的组成式为（K1-xNax）NbO3（0.4≤x≤0.7）的钙钛矿结构的铌酸钾钠的压电薄膜层（30）、以及形成于压电薄膜层（30）上的上部电极层（40），压电薄膜层（30）在将极化-电场的磁滞回线与表示电场的x轴的交点设为Ec-和Ec+时，（Ec-+Ec+）/2的值为10.8kV/cm以上，并且，在将极化-电场的磁滞回线与表示极化的y轴的交点设为Pr-和Pr+时，（Pr-+Pr+）/2的值为-2.4μC/cm2以下。

【技术实现步骤摘要】
压电薄膜元件、压电传感器和振动发电机
[〇〇〇1] 本专利技术涉及压电薄膜元件、压电传感器和振动发电机。
技术介绍
压电体根据各种各样的目的而被加工成各种压电元件。压电体作为例如因施加的 电压而使压电元件发生变形的执行器、由压电元件的变形产生电压的压电传感器、因施加 在压电元件上的振动等而发电的振动发电机等功能性电子部件而被广泛利用。 作为用于执行器、压电传感器等用途的压电元件，具有优异的压电特性的、被称为 PZT (锆钛酸铅)的含有Pb的钙钛矿型强电介质被广泛使用。以往，该压电元件的压电体层 是通过将作为氧化物的PZT烧结的烧结法来形成的。 现在，随着各种电子部件的小型化、高性能化的推进，要求压电元件也小型化、高 性能化。可是，通过烧结法制作的压电元件的压电体层，形成压电体层的晶粒变大，从而存 在如果将压电体层的厚度设为10 μ m左右则特性的偏差、劣化变得显著这样的问题。[〇〇〇5] 为了解决该问题，代替烧结法，研究了应用薄膜技术等的压电薄膜层形成方法。例 如，使用了通过溅射法在Si基板上形成的PZT压电薄膜层的压电薄膜元件已经作为高速高 分辨率的喷墨打印头用的执行器、角速度传感器用的压电薄膜元件投入实际应用。 另一方面，具有PZT压电薄膜层的压电薄膜元件含有60?70%左右的Pb，因此，考 虑到对生物体、环境的影响，期待不含Pb的非铅压电薄膜元件的开发。 作为这样的非铅压电薄膜元件，有使用了（KhNajNIA (0〈χ〈1)所表示的KNN (银 酸钾钠）压电薄膜层的元件。（例如，参照专利文献1、2。）。该KNN压电薄膜层具有钙钛矿 结构，作为非铅压电薄膜元件的有力候补而备受期待。 此外还有以下报告：通过溅射法在Si基板上形成的KNN压电薄膜层在（001)面方 位优先取向了且实现了能够实用化的水平的压电常数d 31=-100pm/V (非专利文献1)。 现有技术文献 专利文献 专利文献1 :日本特开2007-184513号公报 专利文献2 :日本特开2008-159807号公报 非专利文献 非专利文献 1 :Jpn. J Appl. Phys. 50 (2011) 041503
技术实现思路
专利技术所要解决的课题 在将压电薄膜元件用于压电传感器、振动发电机时，压电传感器的传感器灵敏度 和振动发电机的发电效率受到压电薄膜层的相对介电常数的影响，具有相对介电常数越小 则传感器灵敏度和发电效率越高的特性。因此，正在寻求具有相对介电常数较小的压电薄 膜层的压电薄膜元件。 可是，在非专利文献1中记载的KNN压电薄膜层虽然满足压电常数d31，但KNN压 电薄膜层的相对介电常数为约1000,存在相对介电常数高这样的问题。 因此，本专利技术的目的在于，提供可以降低压电薄膜层的相对介电常数的压电薄膜 元件、压电传感器和振动发电机。 用于解决课题的方法 为了实现上述目的，本专利技术的一个方式提供以下的压电薄膜元件、压电传感器和 振动发电机。 [1] 一种压电薄膜元件，其具备： 基板， 形成于所述基板上的下部电极层， 形成于所述下部电极层上的组成式为（KhNajNbC^ (0. 4彡X彡0. 7)的钙钛矿结 构的铌酸钾钠的压电薄膜层，以及 形成于所述压电薄膜层上的上部电极层， 所述压电薄膜层，在将极化-电场的磁滞回线与表示电场的X轴的交点设为Ε(Γ和 Ec+、将极化-电场的磁滞回线与表示极化的y轴的交点设为Pr_和Pr+时，（Ec_+Ec+) /2的 值为10. 8kV/cm以上， 并且，（Pr_+Pr+) /2 的值为-2. 4 μ C/cm2 以下。 [2]根据前述[1]所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层的相对介电常数为490以 下。 [3]根据前述[1]或[2]所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层在未进行极化处理 的状态下，在对所述上部电极施加了正的电场时产生收缩方向的压电位移，在对所述上部 电极施加了负的电场时产生伸长方向的压电位移。 [4]根据前述[1]至[3]中任一项所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层的形成中 基板温度在420?480°C的范围。 [5]根据前述[1]至[4]中任一项所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层的形成 中基板温度在420?520°C的范围，在形成了所述压电薄膜层后对所述压电薄膜层实施了 410?500°C的热处理。 [6]根据前述[1]至[5]中任一项所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层由在 (001)面方位优先取向了的钙钛矿结构的假立方晶或正方晶形成，（001)面方位的取向率为 95%以上。 [7]根据前述[1]至[6]中任一项所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层受到来自 所述下部电极层或所述基板的压缩方向的应力。 [8]根据前述[1]至[7]中任一项所述的压电薄膜元件，所述下部电极层由在 (111)面方位优先取向了的Pt形成。 [9] 一种压电传感器，其具备前述[1]至[8]中任一项所述的压电薄膜元件。 [10] -种振动发电机，其具备前述[1]至[8]中任一项所述的压电薄膜兀件。 专利技术效果 根据本专利技术，可以提供可以降低压电薄膜层的相对介电常数的压电薄膜元件、压 电传感器和振动发电机。 【附图说明】 图1是表示本专利技术的实施方式涉及的压电薄膜元件的结构的剖视图。 图2是表示实施例1?11和比较例1?9的压电薄膜元件的结构的剖视图。 图3是用于对极化-电场磁滞回线进行说明的图。 图4是表示对压电薄膜元件进行极化处理前施加了 -10?10kV/cm的电场时的压 电薄膜层的压电位移的特性图，（a)?（c)各自表示实施例1、2、4,（d)、（e)各自表示比较 例 1、5。 图5是表不对压电薄膜兀件进行了施加-100?OkV/cm的电场的极化处理时的压 电薄膜层的压电位移的特性图，（a)?（c)各自表示实施例1、2、4,（d)、（e)各自表示比较 例 1、5。 图6是表不进行了极化处理后对压电薄膜兀件施加了 -10?10kV/cm的电场时的 压电薄膜层的压电位移的特性图，（a)?（c)各自表示实施例1、2、4,（d)、（e)各自表示比 较例1、5。 图7是表不极化-电场磁滞回线和电场位移的特性图，（a)?（i)表不实施例1? 8、11。 图8是表不极化-电场磁滞回线和电场位移的特性图，（a)?（e)表不比较例1、 2、5、6、9〇 附图标号说明 1 :压电薄膜兀件；10 :Si基板；20 :下部电极层；21 :密合层；30 :压电薄膜层；40 : 上部电极层；41 :密合层。 【具体实施方式】 实施方式摘要 本实施方式的压电薄膜元件具备基板、形成于所述Si基板上的下部电极层、形成 于所述下部电极层上的组成式由（KhNaJ Nb03 (0. 4 < X < 0. 7)表示的钙钛矿结构的铌 酸钾钠的压电薄膜层、以及形成于所述压电薄膜层上的上部电极层，所述压电薄膜层在将 极化-电场的磁滞回线与表不电场的X轴的交点设为Er和Ec+、将极化-电场的磁滞回 线与表示极化的y轴的交点设为Pr_和Pr+时，（Ec_+Ec+) /2的值为10. 8kV/cm以上，并且， (Pr>Pr+) /2 的值为-2. 4 μ C/cm2 以下。 [实施方式] 图1是表示本专利技术的实施方式涉及的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电薄膜元件，其具备：基板，形成于所述基板上的下部电极层，形成于所述下部电极层上的组成式为（K1‑xNax）NbO3（0.4≤x≤0.7）的钙钛矿结构的铌酸钾钠的压电薄膜层，以及形成于所述压电薄膜层上的上部电极层，所述压电薄膜层，在将极化‑电场的磁滞回线与表示电场的x轴的交点设为Ec‑和Ec+、将极化‑电场的磁滞回线与表示极化的y轴的交点设为Pr‑和Pr+时，（Ec‑+Ec+）/2的值为10.8kV/cm以上，并且，（Pr‑+Pr+）/2的值为‑2.4μC/cm2以下。

【技术特征摘要】
2013.03.19 JP 2013-056521;2014.01.22 JP 2014-009041. 一种压电薄膜元件，其具备： 基板， 形成于所述基板上的下部电极层， 形成于所述下部电极层上的组成式为（KhNax)Nb03 (0. 4 < X < 0. 7)的钙钛矿结构的 铌酸钾钠的压电薄膜层，以及 形成于所述压电薄膜层上的上部电极层， 所述压电薄膜层，在将极化-电场的磁滞回线与表不电场的X轴的交点设为Ε(Γ和Ec+、 将极化-电场的磁滞回线与表示极化的y轴的交点设为Pf和Pr+时，（Ec>Ec+) /2的值为 10. 8kV/cm 以上，并且，（Pr>Pr+) /2 的值为-2. 4 μ C/cm2 以下。2. 根据权利要求1所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层的相对介电常数为490以下。3. 根据权利要求1或2所述的压电薄膜元件，所述压电薄膜层在未进行极化处理的状 态下，在对所述上部电极层施...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴田宪治，野口将希，末永和史，渡边和俊，堀切文正，
申请(专利权)人：日立金属株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP