多层压电薄膜元件制造技术

一种压电薄膜元件，其具有第一电极、第二电极和在电极之间的压电薄膜，其中，该薄膜包括具有两个或更多个压电薄膜层的层压体，并且其中，第一薄膜层由一个或多个掺杂剂掺杂和第二膜层由一个或多个掺杂剂掺杂，并且其中，第二薄膜层的至少一个掺杂剂不同于第一薄膜层的一个或多个掺杂剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层压电薄膜元件本专利技术通常涉及适于致动器、传感器、能量收集设备和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。特别地，但不排他地，涉及适合用作喷墨打印机中的打印头的致动器的压电薄膜元件、以及包括该元件的致动器、包括致动器的打印头和包括该打印头的喷墨打印机。适合用作喷墨打印机中的打印头的致动器的典型薄膜压电元件包括在衬底上形成的金属或金属氧化物底部电极、金属顶部电极和插入在顶部和底部电极之间的压电薄膜。压电薄膜可以通过包含溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)和原子层沉积(ALD)等的各种技术形成，但是它可以方便地通过诸如溶胶-凝胶(sol-gel)法或金属有机沉积(MOD)的化学溶液沉积工艺形成。在美国专利申请2003/0076007A1(通过引用并入本文的)中描述了溶胶-凝胶法。在溶胶-凝胶法中，将溶胶-凝胶溶液施加到形成在衬底上的底部电极上、干燥并然后热解，以形成第一前体层。前体层通过加热退火以形成第一压电薄膜层。然后将溶胶-凝胶溶液施加到第一层、干燥并热解，以形成第二前体层。第二前体层通过加热退火以形成第二压电薄膜层。重复这些后面的步骤，以便形成具有所需厚度的压电薄膜层的层压体，然后在薄膜上形成顶部电极(例如，通过溅射金或铱)。薄膜层的厚度可以相同或不同(如美国专利申请2003/0076007A1中所述)。压电薄膜元件的性能取决于可能难以平衡的元件的压电、电气特性和机械特性的复杂相互作用。通常，期望元件容易极化并且在具有良好电特性(例如，低电流泄漏和高介电击穿场)的方便施加的电场处显示相对较大的位移响应。还期望元件显示出良好的降解性能，即在这些场(循环)的大量应用中的低的电气和机械性能损失。在许多情况下，压电薄膜的降解起始通常在约109次循环之后开始。若干个公开专门涉及改善锆钛酸铅(PZT)压电元件的疲劳(或机械故障之前的性能的机械损失)，并且一些公开报告了通过降低施加的电压或通过用单一掺杂剂(例如，使用La3+或Nb5+)掺杂的在单层膜中超过109个循环的起始。在J.Mater.Res，2002,17,9,2379-2385(通过引用并入本文)中由Meyers，T，Banerjee，P.，Bose，S.和Bandyopadhyay，A.报告了包含在铂和金电极之间插入的四个薄膜层的六个不同PZT压电薄膜元件的疲劳性能。在具有与每个电极(LPPL和PLLP)相邻的La3+掺杂(L)的或未掺杂(P)薄膜层的薄膜元件及其端层整体对应物(L，P)之间找到相关性。报告了中间层(PP，LL)和层的厚度与对端层的影响相比对元件的铁电特性的影响非常小。本专利技术总体上旨在通过利用由不同掺杂剂掺杂的压电薄膜元件中获得的互补效应来提供改进的压电和介电性能的压电薄膜元件。因此，在第一方面，本专利技术提供一种具有第一电极、第二电极和在电极之间的压电薄膜的压电薄膜元件，其中薄膜包括具有两个或更多个压电薄膜层的层压体，且其中第一薄膜层由一个或多个掺杂剂掺杂，且第二薄膜层由一个或多个掺杂剂掺杂，并且其中第二薄膜层的至少一个掺杂剂不同于第一薄膜层中的一个或多个掺杂剂。如本文所用，包括层压体的薄膜是逐层形成的薄膜，具体地，通过任何上述方法形成的薄膜。层压体可以显示出在相邻的薄膜层之间界定的界面(例如，当其通过溶胶-凝胶法形成时)，或者它可能不显示在相邻的薄膜层之间界定的界面(例如，当其通过PVD工艺形成时)。压电元件可以具有其中压电薄膜插入在第一电极和第二电极之间的电极结构。该结构不需要包括任何中间或其它电极——但是例如当期望包括压电薄膜堆叠的压电元件时，可以提供其它电极。可选择地，压电元件可以具有其中在压电薄膜的一个表面上提供了第一电极和第二电极(例如，作为相邻或交叉对)的电极结构。掺杂剂可以选自由受主掺杂剂、施主掺杂剂和等价掺杂剂组成的掺杂剂类型组。在一个实施例中，薄膜层包含基于具有钙钛矿晶体结构(ABO3)的金属氧化物(例如，PZT)的晶体或微晶。在该实施例中，掺杂剂可以理论上在钙钛矿晶体结构中占据相同或不同的配位点(A位点或B位点)。具体地，第一掺杂剂可以是占据在晶体结构内的B位点(例如，Nb5+)的施主掺杂剂，并且第二掺杂剂可以是也占据在晶体结构内的B位点的受主掺杂剂(例如，Fe3+或Ni2+)。可选择地，第一掺杂剂可以是占据A位点(例如，Nb3+)的施主掺杂剂，并且第二掺杂剂可以是占据B位点的受主掺杂剂(例如，Fe3+或Ni2+)。可选择地，第一掺杂剂可以是占据A位点(例如，La3+)的施主掺杂剂，并且第二掺杂剂可以是占据B位点的受主掺杂剂(例如，Nb5)。层压体还可以包括未掺杂的一个或多个薄膜层和/或由与第一薄膜层的一个或多个掺杂剂和/或第二薄膜层的一个或多个掺杂剂掺杂相同或不同的一个或多个掺杂剂掺杂的一个或多个另外的薄膜层。在一个实施例中，薄膜元件包括层压体，该层压体具有由第一掺杂剂单掺杂的第一薄膜层和由与第一掺杂剂不同的第二掺杂剂单掺杂的第二薄膜层。第二掺杂剂可以具有与第一掺杂剂相同的掺杂剂类型，或者其可以具有与第一掺杂剂不同的掺杂剂类型。具体地，层压体可以包括由第一掺杂剂类型中的第一掺杂剂(例如，施主掺杂剂D)单掺杂的第一薄膜层和由第一掺杂类型中的不同的、第二掺杂剂(例如，施主掺杂剂D')单掺杂的第二薄膜层。层压体可以包括由第一掺杂剂类型的掺杂剂(例如，施主掺杂剂D)单掺杂的第一薄膜层和由不同的、第二掺杂剂类型的掺杂剂(例如，受主掺杂剂A)单掺杂的第二薄膜层。在这些实施例中，层压体还可以包括一个或多个薄膜层，该一个或多个薄膜层是未掺杂的(P)或者由第一掺杂剂类型的掺杂剂(与第一掺杂剂相同或不同的掺杂剂)单掺杂的或由第二掺杂剂类型的掺杂剂(与第二掺杂剂相同或不同的掺杂剂)单掺杂的。可选地或附加地，层压体可以还包括一个或多个薄膜层，该一个或多个薄膜层由与第一掺杂剂类型和第二掺杂剂类型都不同的掺杂剂类型中的掺杂剂单掺杂，例如，由等价掺杂剂(I)单掺杂。可选地或附加地，层压体还可以包括由第一掺杂剂类型和第二掺杂剂类型中的掺杂剂(作为补偿掺杂剂的受主和施主掺杂剂)双掺杂的薄膜层。层压体可以在这些替代方案中采用掺杂的薄膜层的任何布置，但优选它们是被交替掺杂的。具体地，层压体可以包括由相同掺杂剂类型的掺杂剂(例如，-D1-D2-D1-D2-，其中，D1和D2是不同掺杂剂)交替掺杂的两个或更多个薄膜层，或由不同掺杂剂类型的掺杂剂(例如，-A-D-A-D-，其中，A和D是不同掺杂剂)交替掺杂的两个或更多个薄膜层。具体地，层压体可以包括三个、四个、五个、六个或七个或更多个单掺杂的薄膜层，其中，任何两个相邻的薄膜层由不同掺杂剂类型的掺杂剂(例如，-A-D-A-D-A-D-)单掺杂。可选地或附加地，层压体可以包括三个或更多个单掺杂的薄膜层，其中掺杂的任何一个薄膜层与未掺杂的薄膜层相邻，并且其中单掺杂的任何两个相继的薄膜层是由不同掺杂剂类型的掺杂剂交替掺杂的(例如，-A-P-D-P-A-P-D-)。层压体还可以包括四个或更多个薄膜层，其中第一系列相邻薄膜层由第一掺杂剂类型的掺杂剂单掺杂，并且第二系列相邻薄膜层由第二掺杂剂类型的掺杂剂单掺杂(例如，-A-A-D-D-)。层压体可以包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电薄膜元件，其具有第一电极、第二电极和在所述电极之间的压电薄膜，其中，所述薄膜包括具有两个或更多个压电薄膜层的层压体，并且其中，所述第一薄膜层通过一个或多个掺杂剂掺杂以及第二薄膜层通过一个或多个掺杂剂掺杂，并且其中，所述第二薄膜层的至少一个掺杂剂不同于所述第一薄膜层中的所述一个或多个掺杂剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.04 US 62/075,1531.一种压电薄膜元件，其具有第一电极、第二电极和在所述电极之间的压电薄膜，其中，所述薄膜包括具有两个或更多个压电薄膜层的层压体，并且其中，所述第一薄膜层通过一个或多个掺杂剂掺杂以及第二薄膜层通过一个或多个掺杂剂掺杂，并且其中，所述第二薄膜层的至少一个掺杂剂不同于所述第一薄膜层中的所述一个或多个掺杂剂。2.根据权利要求1所述的压电薄膜元件，其中，所述掺杂剂选自由施主掺杂剂、受主掺杂剂和等价掺杂剂组成的掺杂剂类型的组。3.根据权利要求1或权利要求2所述的压电薄膜元件，其中，所述薄膜层包含基于具有钙钛矿晶体结构(ABO3)的金属氧化物的晶体或微晶。4.根据权利要求3所述的压电薄膜元件，其中，所述掺杂剂占据所述钙钛矿晶体结构中的相同或不同的配位点(A位点或B位点)。5.根据前述权利要求中任一项所述的压电薄膜元件，其中，所述层压体还包括一个或多个未掺杂的薄膜层。6.根据前述权利要求中任一项所述的压电薄膜元件，其中，所述层压体包括一个或多个另外的薄膜层，所述一个或多个另外的薄膜层由与所述第一薄膜层中的一个或多个掺杂剂和/或所述第二薄膜层中的掺杂剂相同或不同的一个或多个掺杂剂掺杂。7.根据前述权利要求中任一项所述的压电薄膜元件，其中，所述第一薄膜层通过第一掺杂剂单掺杂，并且所述第二薄膜层通过第二掺杂剂单掺杂。8.根据权利要求7所述的压电薄膜元件，其中，所述第一掺杂剂和所述第二掺杂剂具有相同的掺杂剂类型或具有不同的掺杂剂类型。9.根据权利要求7或权利要求8所述的压电薄膜元件，其中，所述层压体包括由相同或不同掺杂剂类型的掺杂剂单掺杂的一个或多个另外的薄膜层。10.根据权利要求7至9中任一项所述的压电薄膜元件，其中，所述层压体包含两个或更多个薄膜层，所述两个或更多个薄膜层由第一掺杂剂类型的掺杂剂交替掺杂或由第一掺杂剂类型的掺杂剂和第二掺杂剂类型的掺杂剂交替掺杂。11.根据权利要求10所述的压电薄膜元件，其中，任何两个相邻薄膜层由所述第一掺杂剂类型的掺杂剂和所述第二掺杂剂类型的掺杂剂交替掺杂。12.根据权利要求10所述的压电薄膜元件，其中，掺杂的任何一个薄膜层与未掺杂的或掺杂的薄膜层相邻，并且掺杂的任何两个相继的薄膜层通过所述第一掺杂剂类型的掺杂剂和所述第二掺杂剂类型的掺杂剂交替掺杂。13.根据权利要求10所述的压电薄膜元件，其中，所述层压体包括由所述第一掺杂剂类型的掺杂剂掺杂的第一系列相邻薄膜层和由所述第二掺杂剂类型的掺杂剂掺杂的第二系列相邻薄膜层。14.根据权利要求10至13中任一项所述的压电薄膜元件，其中，类似地掺杂的薄膜层界定跨薄膜层的掺杂剂浓度的梯度。15.根据权利要求14所述的压电薄膜，其中，所述掺杂剂浓度从所述第一电极向所述第二电极增加或降低。16.根据权利要求14所述的压电薄膜元件，其中，所述掺杂剂浓度从所述第一电极增加并向所述第二电极降低。17.根据前述权利要求中任一项所述的压电薄膜元件，其中，一个或多个薄膜层界定所述薄膜层内的掺杂剂浓度的梯度。18.一种用于制造压电薄膜元件的方法，所述压电薄膜元件具有第一电极、第二电极和在所述电极之间的压电薄膜，其中，所述方法包括在电极上形成压电薄膜层的第一步骤和在所述薄膜层上形成压电薄膜层的一个或多个另外的步骤，从而形成包括多个压电薄膜层的层压体，其中，第一薄膜层是由一个或多个掺杂剂掺杂的且第二膜层是由一个或多个掺杂剂掺杂的，并且其中，所述第二薄膜层的至少一个掺杂剂不同于所述第一薄膜层的所述一个或多个掺杂剂。19.根据权利要求18所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·马迪洛维奇，苏珊·特罗利尔麦金斯特里，
申请(专利权)人：萨尔技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB