定向压电膜制备方法、喷墨打印组件及其制备方法技术

压电器件可以通过如下制备，包括：在基底上放置针状晶种，对基底上的该晶种定向，和从该针状晶种生长压电膜。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电器件
技术介绍
压电膜的应用极其广泛，例如可应用于喷墨打印组件和表面声学器件。当施加电压时喷墨打印组件中的压电膜会发生大的形变。施加电压能够改变该组件的喷射区域中的压电膜的形状，对该组件中的油墨施加喷射压力；紧接着喷射压力将油墨从压油室射出并使油墨沉积在介质上。压电膜可以由锆钛酸铅(“PZT”)组成。压电膜可以用以下方法形成，包括物理气相沉积技术如溅射、化学气相沉积、或者旋涂技术如溶胶-凝胶法。较厚的压电膜的制备可以通过增加沉积时间、重复沉积单层膜以构建较厚膜、或采用常规块状陶瓷制作方法。专利技术概述压电膜可以从定向于基底上的针状晶种制备，所述膜从该针状晶种处生长。相对于从对称晶种或非定向晶种生长的膜，从针状晶种生长的压电膜的d-系数有所提高。晶种是为块状晶体或结晶膜提供晶核的结晶材料，针状晶种是非球形的晶体。一方面，制造压电器件的方法包括在基底上放置针状晶种，对基底上的针状晶种定向，从该针状晶种生长出压电膜。晶种可以通过在基底上沉积而被放置在基底上，通过引入包括该晶种的前体流晶种可以定向于基底上；前体流的引入包括在基底上旋涂或浸涂该前体，所述前体可以是溶胶。晶种的定向包括在基底上旋涂溶胶，压电膜的生长包括形成凝胶。针状晶种可以是单晶，该针状晶种可以具有基本上平行于基底表面的长边。该针状晶种具有的横竖比(aspect ratio)大于1.5∶1、大于2∶1、或大于2.4∶1，该针状晶种可以是片晶。所述方法进一步包括放置第二针状晶种于基底上，对基底上的第二针状晶种定向，从第二针状晶种生长出压电膜。喷墨打印组件中的压电膜可以具有的厚度为0.1到25微米，0.5到10微米，或者0.1到5微米范围内。该压电膜可以极化或淬火，该压电膜可以包括锆钛酸铅。另一方面，喷墨打印组件包括基底和在基底上的压电膜，该膜包括多个在基底上取向基本相同的针状晶种，每个晶种具有基本上平行于基底表面的长边，所述基底可以是硅。喷墨打印组件包括油墨槽和为激活压电膜而布置的电开关(contacts)。压电膜与油墨置于槽里并且在激活时给油墨施加喷射压。另一方面，制作喷墨打印组件的方法包括在表面附近沉积晶种，排列晶种使其长边基本上平行于基底表面，从该针状晶种生长出压电膜。当靠近表面附近时，晶种可以接触或几乎接触该表面，晶体具有长度、厚度，横竖比大于1.1∶1，所述表面是基底的一部分。晶种可以排列成其长边基本上平行于基底表面，其中包括在表面上含该晶种的前体流。晶种可以通过引入含该晶种的前体流进行排列，例如，通过旋涂或浸涂。所述前体可以是溶胶，在该方法中，引入前体流包括旋涂该溶胶。结合下列附图和描述来阐明细节，其它特征和优势将从该描述和附图中，从权利要求中显现出来。附图说明图1是描述包括针状晶种的压电膜的示意图专利技术详述制造压电膜的方法可以包括将针状晶种置于基底上和定向该晶种。该定向后的晶种，最终并入压电膜中，为生长为压电膜的结晶区域的生长提供晶核。对于较厚的压电膜而言，沉积时间可以增加或者重复成膜过程直到得到所需要的膜厚度。参照图1，压电膜18包括沉积在基底10上的针状晶种5，该膜的制备通过在基底上放置针状晶种，对基底上的针状晶种定向，和从该针状晶种生长出压电膜。晶种是为块状晶体或结晶膜提供晶核的结晶材料，针状晶种可以是单晶，针状晶种可以是三元组合物如，锆酸铅和钛酸铅；或四元组合物如，锆钛酸铅或镁铌酸铅。针状晶种是非球形晶体以便于晶体的定向，该针状晶种的尺寸是该晶种的长度、厚度和横竖比，或者长度对厚度的比，横竖比大于1.1∶1。该横竖比可以大于1.5∶1、大于2∶1、或大于2.4∶1；长度为2到50微米、或3到25微米；厚度为0.1到20微米、或0.5到10微米之间。晶种具有较大的横竖比在成膜过程中更易于定向。针状晶种可以是单晶，如那些来自于Crystal Associates(East Hanover，New Jersey，USA)的商品化的单晶。适于制备压电膜的晶种可以是，例如，横竖比为2.5∶1的镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)晶体。在确定的环境下，该针状晶种可以是片晶，具有宽度、厚度和长度，并且长度对厚度的比大于1.5∶1，宽度对厚度的比大于1.5∶1。晶种可以通过前体流定向在基底上，所述前体是晶种的载体，能通过热调节或者化学调节形成压电膜。参照图1，针状晶种5用于为膜生长提供晶核，该针状晶种具有厚边20和长边22，长边基本上与基底10的表面24水平。前体流校直针状晶种使该针状晶种的长边基本与前体流平行；针状晶种能被校直，部分因为流体能转动晶体，使得针状晶种的长边通常与流动方向一致，从而将针状晶种定向。膜的生长可以由定向后的针状晶种提供晶核，在压电膜形成的过程中，晶粒边界膜的生长被加速。在压电膜的结晶过程中种下多个针状晶种，会使压电膜内多处结晶，因而扩展了整个压电膜基体的定向结构。由于针状晶种是定向的，生长基本上在相对于基底表面相同的结晶方向上进行。在通过晶核结晶有序生长膜的过程中，定向的针状晶种使晶体能够准外延生长。结果，膜的压电性能部分达到单晶的水平。相对于从对称晶种或非定向晶种生长的膜，用压电膜的d-系数测量所得的物理性能如弹性和形变性能有所提高。压电膜可以由锆钛酸铅(PZT)组成。锆钛酸铅(PZT)压电薄膜可以通过溶胶凝胶过程施加到基底上。该溶胶凝胶过程可以根据，例如，以下出版物描述的过程进行调整Journal of AppliedPhysics，64(5)2717-2724(1988)中，Yi等，标题为“通过溶胶凝胶过程制备Pb(ZrTi)O3薄膜电的、光的和电-光性能”。用于制备压电膜的前体化合物在溶剂中溶解性强，相容性好，易于转化为其相应的金属氧化物。选择的成膜条件应避免前体化合物有任何显著的升华，从而使压电膜中的金属的比率和前体中的保持不变。例如，PZT膜可以用乙酸铅(Pb(CH3CO2)2·3H2O)，丙醇锆(Zr(C3H7O)4)和异丙醇钛(Ti((CH3)2CHO)4)的混合物形成。例如，在该过程中前体如溶胶可以被制备。例如，该溶胶可以按照表1来制备，其中显示了制备制作PZT膜的溶胶的化学组合物。在该溶胶的制备中，以2g乙酸铅对1mL乙酸的比率把乙酸铅溶解于乙酸中，接着加热该溶液到105℃以除去水，然后除水后的溶液冷却到80℃以下，再滴加丙醇锆和异丙醇钛，例如，先加入丙醇锆接着是异丙醇钛，将混合物放在超声池中搅动直到浓缩的固体溶解，混合物用蒸馏水或丙醇稀释以调节溶胶的粘度和表面张力，然后该溶胶通过薄膜过滤器过滤并储存。表1 通过将溶胶旋涂或浸涂于基底上，该溶胶可以用于定向晶种。膜厚能够通过改变溶胶中化合物的浓度和粘度来改变，化合物的浓度越低，得到的膜越平滑。压电膜的厚度与用于PZT膜的化合物的浓度和粘度有关，厚度为0.1到5微米，引入添加物如乙二醇可以防止裂纹，并提高膜的表面平滑度。基底可以是硅，硅用于薄膜沉积和光致抗蚀过程是一种合适的基底。其中光致抗蚀过程对制造含压电膜的器件十分方便。硅基底具有用作喷墨头的墨盒盘所需要的机械性能、电子性能和热性能；硅也能够通过，例如，集成电路制造技术在同一基底上掺入合适的系统控制元件。针状晶种或者多个针状晶种分散于最终的溶胶中，该溶胶包括10本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造压电膜的方法，包括：　　　　在基底上放置针状晶种；　　　　对基底上的该针状晶种定向；和　　　　从该晶种生长压电膜。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗A霍辛顿，
申请(专利权)人：迪马蒂克斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]