压电薄膜、压电元件以及喷墨记录头制造技术

本发明专利技术披露了具有较少不一致部分并保持令人满意压电特性的 压电薄膜、使用该压电薄膜的压电元件以及使用该压电元件的喷墨系 统记录头。在通过溶胶凝胶工艺形成在衬底上并由通式Pb(1-x)Lax(Zr yTi1-y)O3(其中0≤x＜1，0.05≤y≤1)表示的一种钙钛矿晶体的压电薄 膜中，薄膜的膜厚度为大于或等于1000nm并小于或等于4000nm，并 且在压电薄膜任意部分中y的最大值和最小值之间的差值为小于或等 于0.05。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电薄膜、制造所述薄膜的方法、使用本专利技术压电薄膜的压电元件以及喷墨系统记录头。本专利技术具体涉及钙钛矿类型的晶体压电薄膜，其中薄膜中的成分被设定为一致的，并且构成薄膜的晶体的晶系被设定为相同的从而增强压电性能。
技术介绍
压电元件通常包括下部和上部电极，以及保持在这些电极之间的铁电体或仲电态结晶压电陶瓷。关于压电陶瓷，通常为锆钛酸铅(在下文中称之为“PZT”)或镧被加入到PZT中的“PLZT类型的”。例如，在Applied Physics Letters1991，Vol.58，No.11第1161到1163页中已描述了使用PZT的铁电体制品。 作为使用薄膜压电陶瓷的压电元件的应用示例，存在一种喷墨系统记录头。对于用在该应用中以提高机电转换功能(压力促进位移)的压电薄膜来说大约1μm到25μm的膜厚度是必需的。期望膜具有一致性以便于以良好的精确度控制位移(displacement)。 制造金属氧化物类型的压电薄膜的工艺的示例包括溅射工艺、有机金属化学汽相淀积工艺(MOCVD工艺)、溶胶凝胶工艺等。在溶胶凝胶工艺中，包含构成原材料、部分水解材料或部分缩聚材料的每种金属成分的水解成分的弥散溶液(dispersion solution)或溶液被涂覆于衬底上。在涂覆膜被干燥之后，在空气中加热所述膜以便于形成金属氧化物的膜。此外，所述膜在不低于金属氧化物的结晶温度的温度下被烧制，从而形成压电薄膜。 作为用作原材料的水解金属化合物，通常使用金属醇氧化物、或有机金属化合物，诸如部分水解材料或部分缩聚材料。在溶胶凝胶工艺中，可极为便宜并且容易地制成压电薄膜。 作为与溶胶凝胶工艺相似的方法，还存在有机金属分解工艺(MOD工艺)。在MOD工艺中，一种热解有机金属化合物(金属络合物和有机金属酸性盐)，例如包含金属β-二酮络合物或羧化物的溶液被涂覆于衬底。所述溶液例如在空气或氧气中被加热，执行涂覆膜中溶剂的蒸发，以及金属有机化合物的高温分解，从而形成金属氧化物的膜。而且，所述膜在不低于结晶温度的温度下被烧制，并且所述膜结晶化。在本专利技术中，溶胶凝胶工艺、MOD工艺以及混合工艺被称作“溶胶凝胶工艺”。 而且，还描述了使用通过溶胶凝胶工艺形成为膜的压电元件的喷墨系统打印头。例如，在日本专利申请未审定公开号No.H9-92897、日本专利申请未审定公开号No.H10-139594以及日本专利申请未审定公开号No.H10-290035中，已描述了这样一种方法，其中使用溶胶凝胶工艺，包含压电材料的溶胶被多次涂覆到下部电极、重复加热程序、因此形成了用在喷墨系统打印头中的压电元件的压电薄膜。 然而，到现在为止，取决于压电膜(诸如通过溶胶凝胶工艺形成的PZT膜)中的一部分，晶系或取向已不同，或者金属化合物的成分比例已变动。因此，不能轻易地说压电膜的电性能或压电性能可被控制为最优的。
技术实现思路
已提出了本专利技术以解决上述问题，本专利技术的一个目的是提供一种压电薄膜、制造所述薄膜的方法、使用该压电薄膜的压电元件以及使用该压电元件的喷墨系统记录头，其中在所述压电薄膜中成分的一致性较高，其晶系是相同的并且保持了令人满意的压电特性。 为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了通过溶胶凝胶工艺形成在衬底上并由通式Pb(1-x)Lax(ZryTi1-y)O3(其中0≤x＜1，0.05≤y≤1)表示的一种钙钛矿晶体的压电薄膜，其中压电薄膜的膜厚度为大于或等于1000nm并小于或等于4000nm，并且在压电薄膜任意部分中y的最大值和最小值之间的差值为小于或等于0.05。 而且，为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了通过溶胶凝胶工艺形成在衬底上并由通式Pb(1-x)Lax(ZryTi1-y)O3(其中0≤x＜1，0.05≤y≤1)表示的一种钙钛矿晶体的压电薄膜，其中压电薄膜的膜厚度为大于或等于1000nm并小于或等于4000nm，所述压电薄膜的表面包含具有大于或等于200nm的等效圆直径的晶粒、以及具有小于或等于40nm的等效圆直径的晶粒，并且相对于在压电薄膜的表面中观察到的晶粒的总数量，在压电薄膜的表面中观察到的具有小于或等于40nm的等效圆直径的晶粒的数量为大于或等于5％。 而且，为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了一种制造压电薄膜的方法，所述方法包括多次重复步骤(a)以及(b)，其中(a)为将包含钛、锆和铅的原材料溶液涂覆在衬底上从而形成涂覆层的步骤，(b)为在每次形成涂覆层时，在大于或等于400℃并小于或等于700℃的温度下烧制涂覆层从而形成具有大于或等于150nm并小于或等于400nm层厚度的压电层，从而形成其中堆叠有多个压电层的压电薄膜的步骤，其中用于形成第一层压电层的原材料溶液的钛浓度被设定得高于用于形成最后一层压电层的原材料溶液的钛浓度。 另外，为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了一种压电元件，所述压电元件包括保持在下部和上部电极之间的压电薄膜，所述压电薄膜包括上述专利技术中任意一项所涉及的压电薄膜。 另外，为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了一种压电致动器，所述压电致动器包括作为驱动源的本专利技术的压电元件。 另外，为了解决所述问题，依照本专利技术，提供了一种喷墨系统记录头，所述记录头包括油墨排出口；与所述油墨排出口相通的压力腔；构成所述压力腔一部分的振动板；以及用于向设置在所述压力腔外部的振动板传递振动的压电元件，所述油墨排出口通过振动板在所述压力腔中所产生的容积改变排出所述压力腔中的油墨，其中所述压电元件包括本专利技术的压电元件。 依照本专利技术，可提供具有较高的成分一致性并具有较大压电常数的压电薄膜。依照本专利技术，可提供能够制造具有较高的成分一致性并具有较大压电常数的压电薄膜的方法。依照本专利技术，可提供引起大位移的压电元件。而且，依照本专利技术，可提供一种喷墨系统记录头，所述喷墨系统记录头能够容易地控制油墨排出量并且所述喷墨系统记录头在频率随动特性方面较为卓越。 附图说明 图1是示意性地示出了本专利技术所涉及的压电元件的实施例的一个示例的纵向截面图； 图2是本专利技术实施例的一个示例所涉及的压电薄膜的表面上的晶粒的示意图，示意性地示出了所述压电薄膜的表面被具有各种尺寸的晶粒填充； 图3是示意性地示出了一部分喷墨系统记录头的放大竖直截面图，其中本专利技术的压电元件用在致动器中； 图4A是通过扫描电子显微镜获得的示例1的压电薄膜A1表面的电子显微镜照片，而图4B是示出了通过处理晶粒图像所获得的等效圆直径的图表； 图5是示意性地示出了示例5中制备的硅晶片的示例的放大透视图，所述硅晶片的一部分被去除，因此所述硅晶片以这样一种方式被设计，即，可观察到振动的状态； 图6是示意性地示出了示例5中制备的硅晶片的示例的放大纵向截面图，所述硅晶片的一部分被去除，因此所述硅晶片以这样一种方式被设计，即，可观察到振动的状态； 图7是示意性地示出了示例6中制备的喷墨系统记录头的一个示例的一部分的放大竖直截面图； 图8是示意性地示出了示例6中制备的喷墨系统记录头的一个示例的一部分的放大透视图； 图9是示出了通过用扫描电子显微镜处理示例2的压电薄膜B1的表面的晶粒图所获得的等效圆直径分布的图表； 图10是通过透射电子显微镜所获得的示例1的压电薄膜A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由通式Ｐｂ↓［（１－ｘ）］Ｌａ↓［ｘ］（Ｚｒ↓［ｙ］Ｔｉ↓［１－ｙ］）Ｏ↓［３］表示的钙钛矿晶体的压电薄膜，０≤ｘ＜１，０．０５≤ｙ≤１，　其中压电薄膜的膜厚度为大于或等于１０００ｎｍ并小于或等于４０００ｎｍ，　所述压电薄膜的表面包含具有大于或等于２００ｎｍ的等效圆直径的晶粒、以及具有小于或等于４０ｎｍ的等效圆直径的晶粒，并且　相对于在压电薄膜的表面中观察到的晶粒的总数量，在压电薄膜的表面中观察到的具有小于或等于４０ｎｍ的等效圆直径的晶粒的数量为大于或等于５％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：久保田纯，小林本和，襟立信二，内田文生，前田宪二，清水千惠美，
申请(专利权)人：佳能株式会社，富士化学株式会社，
类型：发明
国别省市：JP