压电元件、喷墨头、角速度传感器及其制法、喷墨式记录装置制造方法及图纸

一种压电元件（２０），在硅基板（１）上形成第一电极层，该第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，在该第一电极层（２）上形成由菱面体晶系或正方晶系的钙钛矿型氧化物（ＰＺＴ等）构成的压电体层（３），使该压电体层（３）优先取向于（００１）面。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种呈现机电变换功能的压电元件、使用该压电元件的喷墨头、角速度传感器及它们的制造方法、以及配备上述喷墨头来作为打印单元的喷墨式记录装置。
技术介绍
通常，压电材料是将机械能变换为电能、或将电能变换为机械能的材料。作为该压电材料的代表，有钙钛矿型结晶构造的钛酸锆酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)(下面称为PZT)。在该PZT中，得到最大压电位移的方向在正方晶系的情况下是<001>方向(c轴方向)，在菱面体晶系的情况下是<111>方向。但是，因为多数压电材料是由结晶粒子的集合体构成的多晶体，所以各结晶粒子的结晶轴朝向任意方向。因此，自发极化Ps也任意排列。但是，随着近年来电子设备的小型化，也强烈要求使用压电材料的压电元件小型化。另外，为了满足该要求，与目前用于多种用途的烧结体相比，趋于以可显著减小体积的薄膜形态来使用压电元件，对这种压电元件的薄膜化研究开发盛行。例如，在正方晶系PZT的情况下，自发极化Ps朝向c轴方向，所以为了即使薄膜化也可实现高的压电特性，必需沿垂直于基板表面的方向对齐构成PZT薄膜的结晶的c轴。为了实现这种对齐，目前使用由按照使结晶方位(100)面在表面露出的方式切割的NaCl型结晶构造的氧化镁(MgO)构成的单晶基板，在该基板上，通过溅射法，形成取向于(100)面的Pt电极薄膜，作为下部电极，并在该Pt电极上，以600-700℃的温度下，沿垂直于该表面的方向形成c轴取向的结晶性好的PZT薄膜(例如参照Journal ofApplied Physics vol.65 No.4(1989年2月15日，美国物理学会发行)pp1666-1670、特开平10-209517号公报)。上述方法的特征在于使用MgO单晶基板，由此，实现优先沿着具有高压电特性的结晶方向而结晶取向的压电薄膜，但因为该MgO单晶是价格非常高的材料，所以在批量生产利用具有由该方法形成的压电薄膜的压电元件的工业制品中，存在成本问题。因此，作为在硅等廉价基板上形成压电材料的结晶取向膜的方法，进行各种研究。例如，作为控制PZT等的压电体层的结晶的优先取向面的方法，在特开2001-88294号公报中公开了如下制造方法(溶胶·凝胶法)在基板表面形成以氧化锆为主要成分的底层，在该底层上形成含有铱的下部电极，在该下部电极上层叠极薄的钛层，在该钛层上形成构成发现压电特性的强电介质的、包含金属元素及氧元素的非晶压电体前驱体薄膜，通过在高温下热处理该非晶薄膜的方法使之结晶，变化为具有压电性的压电体薄膜，示出此时通过控制钛层的膜厚，可控制压电体薄膜的结晶取向性。但是，在上述特开2001-88294号公报中公开的方法由于是利用作为不使用高价MgO单晶基板的方法而优越的溶胶·凝胶法来形成压电体薄膜，所以，难以像在MgO单晶基板上形成压电体薄膜的情况那样得到成膜时结晶取向的结晶性好的膜。因此，暂时形成非结晶的压电体前驱体薄膜，并最后对每个基板热处理包含该膜的层叠膜，则结晶轴可在对应的方向上优先取向。因此，在溶胶·凝胶法中，一旦工业上批量生产压电元件，则在去除有机物的脱脂工序中，由于体积变化而容易在非结晶的压电体前驱体薄膜中产生裂纹，另外，在高温加热非结晶压电体前驱体薄膜而使之结晶化的工序中，也由于结晶变化而容易产生裂纹或与下部电极的膜剥离，并且，因为有成膜后的后热处理工序，所以工序数变多，往往存在生产率变低的问题。另一方面，在上述特开2001-88294号公报中，通过作为暂时形成非结晶薄膜、利用由结晶化热处理等形成的后处理而变化成结晶薄膜并进行合成的方法的溶胶·凝胶法(也包含MOD法)以外的方法、即不是利用热处理的结晶化工序而直接形成结晶薄膜的成膜法、例如溅射法、激光打磨法、CVD法，尝试取向控制代表强电介质薄膜的PZT膜，但除溶胶·凝胶法外不能进行取向控制。理由在于在溶胶·凝胶法中从下部电极侧向上部电极侧缓慢进行PZT膜的结晶，相反，在CVD法或溅射法等中，随机进行PZT膜的结晶，结晶无规律，难以取向控制。
技术实现思路
鉴于此作出本专利技术，目的在于以低成本得到压电特性好、可靠性高的压电元件。为了实现上述目的，在本专利技术中，由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成电极层，在该电极层上形成由菱面体晶系或正方晶系的钙钛矿型氧化物构成的压电体层，使该压电体层优先取向于(001)面。具体而言，本专利技术的压电元件具备第一电极层、设置在该第一电极层上的压电体层、和设置在该压电体层上的第二电极层，其中，上述第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，上述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成。通过上述结构，若在第一电极层上通过溅射法等形成压电体层，则即使第一电极层是(111)面取向等，第一电极层也用作结晶取向控制层，压电体层也容易取向于(001)面(在菱面体晶系的情况下，因为(100)面与(001)面相同，所以包含该菱面体晶系的(100)面取向)中。即，变为压电体层直接底层的第一电极层由钴、镍、铁、锰及铜等所谓比较容易化学吸收氧的金属原子与难以氧化的贵金属原子(例如铂原子)的合金材料构成，所以推测该第一电极层的表面变为在贵金属原子中点状散布着上述金属原子的平滑面。在该第一电极层上例如通过溅射法形成由PZT等钙钛矿型结晶构造氧化物(优选铅元素相比化学量理论组成而过剩)构成的压电体层时，为了使该氧化物的氧量稳定，将氧混合在惰性氩气中，作为溅射气体，但该氧气原子首先吸附在点状散布在上述第一电极层的平滑表面上的钴等金属原子上。该吸附在NaCl型结晶构造中引起稳定的配位构造，并在其上延续结晶生长具有相同配位的金属原子(例如铅)与氧原子关系的钙钛矿型结晶构造的氧化物。此时，因为成膜时的氧分压较低，成膜气氛气中氧少，所以难以出现仅氧原子排列成层状的现象(此时(111)面生长)，从而，认为金属原子与氧原子交互排列成层状的(001)面容易生长。但是，虽然压电膜在贵金属原子上也生长，但这里结晶面随机的粒子的集合体压电膜生长(其中也存在(001)面取向的结晶粒子)。另外，在使用硅等基板的情况下，通常第一电极层为(111)面取向，所以对于压电体层，在第一电极层的表面部中不存在上述钴等金属原子的部分的上侧区域中，变为(001)面以外的面取向(例如(111)面取向)，并变为非结晶。但是，如上所述，在包含氧的成膜气氛气下，(001)面容易生长，所以能在上述金属原子上的压电膜的(001)面的结晶生长速度快，以逆圆锥形状横向扩展，同时，在抑制取向于该(001)面以外的结晶生长速度慢的面中结晶粒子(例如(111)取向的粒子等)生长的状态下产生膜生成，所以认为最终整体变为(001)面取向的压电膜。即，上述(001)面取向区域在与压电体层层厚方向垂直的截面中的面积从第一电极层侧向其相反侧(第二电极层侧)变大，在压电体层厚度为20nm左右的阶段中，基本上表面整体变为(001)面取向的区域。结果，若设压电体层为例如0.5微米以上的膜厚，则压电体层大部分变为(001)面取向的区域，足以得到90％以上的(001)面取向度。可如此控制压电体层的结晶取向在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电元件，具备：第一电极层、设置在该第一电极层上的压电体层、和设置在该压电体层上的第二电极层，其特征在于：所述第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，所述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶 系的（００１）面的钙钛矿型氧化物构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2002-6-20 2002-180273;JP 2002-6-20 2002-1802921.一种压电元件，具备第一电极层、设置在该第一电极层上的压电体层、和设置在该压电体层上的第二电极层，其特征在于所述第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，所述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成。2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于在第一电极层与压电体层之间设置有由优先取向于立方晶系或正方晶系的(100)面或(001)面的钙钛矿型氧化物构成的取向控制层。3.根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于取向控制层由钛酸镧铅或向钛酸镧铅中添加镁和锰至少之一来构成。4.根据权利要求2所述的压电元件，其特征在于取向控制层由含有锶的钙钛矿型氧化物构成。5.根据权利要求4所述的压电元件，其特征在于取向控制层含有钛酸锶。6.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一电极层中的贵金属是从铂、铱、钯及钌的组中选择的至少一种。7.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一电极层中的从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属的含量在0以上26摩尔％以下。8.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一电极层设置在基板上，在所述基板与第一电极层之间设置有用于提高该基板与第一电极层附着性的附着层。9.根据权利要求8所述的压电元件，其特征在于附着层由从钛、钽及钼的组中选择的一种构成。10.一种喷墨头，具备依次层叠第一电极层、压电体层和第二电极层而得的压电元件；在该压电元件的第二电极层侧的面处设置的振动层；和压力室部件，该压力室部件接合在该振动层的与压电元件相反侧的面上，并具有容纳墨水的压力室，通过所述压电元件的压电体层的压电效应来使所述振动层沿层厚方向位移，喷出所述压力室内的墨水，其特征在于所述压电元件的第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，所述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成。11.根据权利要求10所述的喷墨头，其特征在于在压电元件的第一电极层与压电体层之间设置有由优先取向于立方晶系或正方晶系的(100)面或(001)面的钙钛矿型氧化物构成的取向控制层。12.一种喷墨头，具备依次层叠第一电极层、压电体层和第二电极层而得的压电元件；在该压电元件的第一电极层侧的面处设置的振动层；和压力室部件，该压力室部件接合在该振动层的与压电元件相反侧的面上，并具有容纳墨水的压力室，通过所述压电元件的压电体层的压电效应来使所述振动层沿层厚方向位移，喷出所述压力室内的墨水，其特征在于所述压电元件的第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，所述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成。13.根据权利要求12所述的喷墨头，其特征在于在压电元件的第一电极层与压电体层之间设置有由优先取向于立方晶系或正方晶系的(100)面或(001)面的钙钛矿型氧化物构成的取向控制层。14.一种角速度传感器，具备基板，该基板具有固定部、和从该固定部沿规定方向延伸的至少一对振动部，在该基板的至少各振动部上依次层叠有第一电极层、压电体层和第二电极层，该各振动部上的第二电极层被布图形成使该振动部沿振动部宽度方向振动的至少一个驱动电极、和检测该振动部厚度方向变形的至少一个检测电极，其特征在于所述第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成，所述压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成。15.根据权利要求14所述的角速度传感器，其特征在于在第一电极层与压电体层之间设置有由优先取向于立方晶系或正方晶系的(100)面或(001)面的钙钛矿型氧化物构成的取向控制层。16.一种压电元件的制造方法，其特征在于包含如下工序通过溅射法在基板上形成第一电极层的工序，该第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成；通过溅射法在所述第一电极层上形成压电体层的工序，该压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成；和在所述压电体层上形成第二电极层的工序。17.一种压电元件的制造方法，其特征在于包含如下工序通过溅射法在基板上形成第一电极层的工序，该第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成；通过溅射法在所述第一电极层上形成取向控制层的工序，该取向控制层由优先取向于立方晶系或正方晶系的(100)面或(001)面的钙钛矿型氧化物构成；通过溅射法在所述取向控制层上形成压电体层的工序，该压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成；和在所述压电体层上形成第二电极层的工序。18.一种喷墨头的制造方法，该喷墨头具备依次层叠第一电极层、压电体层和第二电极层而得的压电元件，通过该压电元件的压电体层的压电效应来使振动层沿层厚方向位移，喷出压力室内的墨水，其特征在于，包含如下工序通过溅射法在基板上形成第一电极层的工序，该第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成；通过溅射法在所述第一电极层上形成压电体层的工序，该压电体层由优先取向于菱面体晶系或正方晶系的(001)面的钙钛矿型氧化物构成；在所述压电体层上形成第二电极层的工序；在所述第二电极层上形成振动层的工序；在所述振动层的与第二电极层相反侧的面上接合用于形成压力室的压力室部件的工序；和在所述接合工序后，去除所述基板的工序。19.一种喷墨头的制造方法，该喷墨头具备依次层叠第一电极层、取向控制层、压电体层和第二电极层而得的压电元件，通过该压电元件的压电体层的压电效应来使振动层沿层厚方向位移，喷出压力室内的墨水，其特征在于，包含如下工序通过溅射法在基板上形成第一电极层的工序，该第一电极层由从钴、镍、铁、锰及铜的组中选择的至少一种金属与贵金属的合金构成；通过溅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：鸟井秀雄，藤井映志，友泽淳，村田晶子，高山良一，平泽拓，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]