[发明专利]压电元件及其制造方法、电子器件、喷墨器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电元件及其制造方法，还涉及使用相关压电元件的电子器件和喷墨器件。

背景技术

压电元件具有因应变而产生电场的压电效应和因所施加的电场而产生应变的反压电效应。主要由锆钛酸铅(下文中称为“PZT”)加上极少量的例如以锶、钡或铌为代表的元素形成的压电元件被用作压电膜。

传统上，压电元件的制造过程包括：混合压电膜的原材料粉末，对原材料粉末加压使之烧结并对其机械加工成为压电膜，然后将压电膜夹在电极材料之间来极化，并以此产生压电现象。但是，最近，随着器件越来越小型化，就必须把压电元件装在更薄、更小的区域上。以PZT为代表的基于氧化物的物质的压电元件是种脆而易碎的材料，并且因此把它做得薄到大约0.1mm就达到其加工极限，从而它最薄只可制造到约0.1mm。不止于此，在高频段粘接剂施加的影响也不能忽略。所以，为了在没有粘结过程的情况下造出更薄的压电元件，发展了诸如溅射法、CVD法、气溶胶沉积法、热液合成法和溶胶-凝胶法等等的各种膜形成方法，并且已通过使用这样的方法尝试制造出了压电元件。

具体说来，气溶胶沉积法具有很高的膜形成速率，并且最近，它作为膜形成方法尤其受到人们的关注。图1描绘了气溶胶沉积设备的大致概要图。这种方法是这样的：首先，诸如空气等的气体6被提供到其中放有如PZT等材料微粒的气溶胶形成室1，而后将材料微粒气溶胶化。然后，已气溶胶化的微粒由于膜成型室和气溶胶形成室之间的压力差而被导入由输送管3连接的膜成型室(膜形成室)2，材料微粒从输送管3前边缘处设置的喷嘴4被喷至位于载置台5上的衬底8上，并在衬底8上形成膜。

此外，作为一种使用压电元件的电子器件，还有喷墨器件。压电元件可以用于喷墨器件的喷墨头。在使用压电元件的喷墨器件中，已知通过向使用压电元件的压力产生器施加电压而产生压力以排出墨水的系统。这种系统的喷墨器件包括：具有PZT(锆钛酸铅)等的压力产生部件、金属板和陶瓷的叠层的压力产生器；作为飞行介质的墨水和具有墨水排出孔的喷嘴板。在具有这样的压力产生器的喷墨器件中，市场上制造了各种喷头，比如，称为“Kyzer型”的使用弯曲模式的类型、称为“活塞型”的直接加压类型和使用其中移动侧壁的剪切模式的类型。

当形成薄膜压电元件时，有这样一种方法，其中，首先，在衬底上形成下部电极，然后通过各种不同的膜形成方法形成压电膜。随后，执行诸如烘烤过程、上部电极形成过程和极化过程的多个过程。为了提供足够的压电性能，在压电膜的膜形成之后需要在几百摄氏度下进行烘烤过程。这个烘烤过程可以促进晶粒尺寸的扩大和结晶性的改善，提供更好的压电性能。此外，烘烤温度越高，压电性能就趋向于变得越好。

但是，烘烤也可能造成衬底、电极和压电膜之间的相互扩散的问题。具体说来，就如同日本专利申请公开H08-274573所描述的，当用Si晶片作为衬底，用Ti和Pt作为电极，并且由PZT来构成压电膜时，那么Si、Ti和Pt就扩散到PZT膜中，Pb扩散到Si晶片中，虽然扩散程度根据烘烤温度而有所不同。如上面所描述的，如果发生扩散，Pt成分离开PZT膜，其它的杂质进入到PZT中，这就造成了不能足够地提高电特性的问题。而且，当Pb扩散到Si晶片中时，Si晶片就变硬，就造成了如下的问题：当在膜形成以后的后期加工中要求机械加工时，不能实现精确的机械加工。具体说来，当形成喷墨头时，其上形成了压电膜的Si晶片的背面经常被切割以形成流动路径；此时，因为Pb成分扩散进Si晶片而使得机械加工变得困难。

此外，下部电极的材料向PZT中的扩散会发展，材料的一部分到达PZT膜的上部，然后由于与烘烤后形成的上部电极的电接触，PZT膜有可能经常不能发挥压电元件的作用。当PZT膜的膜厚度变得更薄时，这种倾向就显得越发明显。

此外，还有这样的问题：更高的烘烤温度会将电极本身氧化，从而产生电阻，使得此电极可能无法再作为电极来工作。例如，为了在衬底和Pt之间提供粘合性，使用Ta等作为粘合层有粘合效果(参见日本专利申请公开2001-152360)，但是即使是在大约600℃的较低温度下也会产生氧化钽。此外，提出了用以SrRuO₃为代表的导电氧化物膜作为电极(参见参见日本专利申请公开2000-328223和日本专利申请公开2002-016229)，但是电阻率在约700℃下开始升高，然后，超过800℃时，电极就变得近似于绝缘膜，因而不太适合作为电极。

发明内容