專利名稱：多層壓電器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多層壓電致動器件或其他多層壓電器件及其制造方法，更特別地涉及具有優(yōu)異的耐濕性能的多層壓電器件及其制造方法。
近年來，隨著機床、工業(yè)機械、測量機械和其他精密機械精度的提高，強烈要求發(fā)展高精度定位技術，以提獲得高可靠性操作，并能高速運轉。另外，微型機械的發(fā)展導致對發(fā)展微型致動器件的強烈需求。
過去，各種微型致動器件已經公知。然而，因為以下原因，多層壓電致動器件被認為與多層壓電器件一樣有前途。即多層壓電致動器件尺寸小、能進行微位移精密控制、響應速度快、出力大，以及能量轉換率高。
通常，多層壓電致動器件包括許多相間地疊加在一起的壓電層和內電極層。
過去，多層壓電致動器件中的內電極層，如日本未審專利申請(Kokai)No.9-261978中所示，通常包含并不昂貴的銀或銀和鈀的合金。
然而，這種傳統(tǒng)的多層致動器件在高濕度環(huán)境下，壓電層的絕緣性能有下降的趨勢，從而帶來耐久性問題。據信這是因為在高濕度環(huán)境下發(fā)生了電極上銀的遷移(銀的離子化和在電極間的運動)。根據多層壓電致動器件等的應用，有時內部電極的端部不得不暴露在器件的端面。對于這種器件尤其要求耐濕。
另外，日本專利No.2826078公開了一種具有由鉑、鈀、銠、銀-鈀、銀-鉑和鉑-鈀組成的內電極層的多層致動器件。然而，正如該專利所示，當用銀-鈀、銀-鉑，或主要由銀組成的其他金屬作為內電極層時，由于上述原因，電極中的銀在高濕環(huán)境下往往發(fā)生不希望的遷移。另外，如該專利中所示，當單獨使用鉑、鈀或銠，或用它們的合金作為內電極層時，由于器件生產過程中的燒結，使得該電極層與壓電層比較，其收縮性很小，從而使壓電層和內電極層在燒結過程中剝離開，即產生分層。由于這種分層，器件耐濕的可靠性就被破壞。
本發(fā)明的目的是提供一種多層壓電致動器件或其他多層壓電器件，這種器件不會損壞壓電層絕緣性，耐濕性優(yōu)異，并具有高可靠性，本發(fā)明還提供制造這種器件的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的多層壓電器件包括交替疊放的壓電層和內電極層，內電極層以金作為基本成分。
另外，根據本發(fā)明，制造由交替疊放的壓電層和內電極層組成的多層壓電器件的方法包括以下步驟，即在內電極層中用金作為基本成分，在1020～1220℃溫度，更優(yōu)選在1060～1200℃溫度下燒結壓電層和內電極層。
優(yōu)選的，相對內電極層中金屬成分的總量100％(重量)而言，內電極層中金的含量為20～90％(重量)，更優(yōu)選60～90％(重量)，尤其優(yōu)選60～80％(重量)。
優(yōu)選的內金屬層含有金作為基本成分，并優(yōu)選地含有至少一種選自鈀、鉑和銠的元素，更優(yōu)選的至少一種選自鈀和鉑的元素，尤其優(yōu)選的是鈀。相對內電極層中金屬成分的總量100％(重量)而言，內電極層中鈀、鉑和銠的總含量尤其優(yōu)選為10～80％(重量)，更優(yōu)選10～40％(重量)，優(yōu)選20～40％(重量)。特別地，鈀的含量優(yōu)選為20～40％(重量)，更優(yōu)選25～35％(重量)。
優(yōu)選的，內電極層的厚度為1～3μm。
優(yōu)選的，內電極層實際覆蓋的壓電層的面積，即覆蓋率為50～99％，更優(yōu)選70～90％。注意“覆蓋率”表示比率，該比率通過假定在內電極層上的一個實際預定的面積，定義該預定面積為100％，并將內電極層實際覆蓋的壓電層的面積，即覆蓋率表述為百分數得到。如果在內電極層中沒有形成孔等，覆蓋率為100％。
優(yōu)選的，每個壓電層都含有鉛基壓電材料。
優(yōu)選的，鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分
Pba[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a和b滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1，和0.97≤a/b≤1。
另一種方案，鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分(Pb1-uαu)a[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中α是至少一種選自Sr、Ba、Ca和La的元素，β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a、b和u滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1,0.97≤a/b≤1，和0＜u≤0.15。
當單獨使用鉑、鈀或銠，或用它們的合金作為內電極層時，由于器件生產過程中的燒結，使得該電極層與壓電層比較，其收縮性很小，從而使壓電層和內電極層在燒結過程中剝離開，即產生分層。由于這種分層，器件耐濕的可靠性就變差。已經考慮將低熔點金屬和高熔點金屬混合在一起，使得其收縮特性與壓電層相似，從而不容易分層。作為低熔點金屬，可以考慮銀或銅。然而，在含有這些金屬的內電極層中，在高濕度環(huán)境下遷移很容易發(fā)生。
在本發(fā)明的多層壓電器件及其制造方法中，通過指定金作為基本成分，且在內電極層中包含鈀、鉑和/或銠，可保持其與壓電層間的粘性很好，并提高耐濕性能。
在本發(fā)明中，如果內電極層的厚度太薄，內電極層往往容易變得不連續(xù)，而如果厚度太厚，由于在燒結時壓電層和內電極層之間的收縮不同，往往容易發(fā)生分層。另外，如果內電極層的厚度太厚，在致動器件情況下，壓電層的位移往往被阻礙，使得材料被浪費。這樣就導致制造成本增加。
燒結后，內電極層有時形成微孔，從中形成內電極層的金屬漿料中的溶劑發(fā)生逃逸。由于這些微孔等的存在，內電極層實際覆蓋的壓電層面積，即覆蓋率，有時就比設計覆蓋的總面積小。當內電極層燒結時，微孔結合在一起形成大孔，使覆蓋率降低。另外，內電極層也由于暴露在高溫下而收縮。這樣就使孔變得更大。
在本發(fā)明中，通過將內電極層實際覆蓋的壓電層的面積，即覆蓋(覆蓋率)控制在50～99％，優(yōu)選70～90％，可以獲得致動器件的充分位移，抑制分層。如果覆蓋率太小，往往使致動器件得不到充分位移，而如果覆蓋率太大，往往容易發(fā)生分層。
在本發(fā)明中，壓電層的材料不特別限制，但優(yōu)選由具有1000～1250℃的相對低的燒結溫度的鉛基壓電材料組成。通過以這種方式使本發(fā)明成型，壓電層在燒結時的特性就與含有金作為基本成分的內電極層在燒結時的特性相似，就會抑制分層等的發(fā)生。
在本發(fā)明中，燒結溫度優(yōu)選為1020～1220℃，更優(yōu)選1060～1200℃。如果燒結溫度太低，燒結往往就不充分，而如果太高，往往容易發(fā)生電極不連續(xù)，容易使耐濕性降低。
本發(fā)明可用于所有由壓電層和內電極層交替疊放組成的多層壓電器件，但當用于多層壓電致動器件時作用更大。另外，當本發(fā)明用于其中部分內電極層暴露在器件表面的多層壓電致動器件時，效果尤其大。在這些情況下，耐濕性必須特別優(yōu)異。


圖1是根據本發(fā)明一個實施方案的多層壓電致動器件的透視圖。
下面，本發(fā)明將基于圖中的實施方案進行解釋。
圖1是根據本發(fā)明一個實施方案的多層壓電致動器件的透視圖。
如圖1所示，根據本發(fā)明實施方案的多層壓電致動器件2是用作定位例如噴墨打印機頭或硬盤驅動器頭的致動器件。致動器件2由交替疊放的壓電層4和內電極層6a、6b組成。
內電極層6a與在器件2一端提供的外電極8a連接。其他內電極層6b與在器件2另一端提供的外電極8b連接。內電極層6a和6b的側邊暴露在器件2側面。
通過向外電極8a和8b施加直流電壓或交流電壓，電壓就施加到固定在內電極層6a和6b之間的壓電層4上，電能就轉換為機械能，器件2就在相對于電極形成面的水平或垂直方向上移動或振動。
在本發(fā)明的實施方案中，內電極層6a和6b含有金作為基本成分，并含有至少一種選自鈀、鉑和銠的元素，優(yōu)選至少一種選自鈀和鉑的元素，尤其優(yōu)選鈀。優(yōu)選的，相對內電極層6a和6b中金屬成分的總量100％(重量)而言，內電極層6a和6b中金的含量為20～90％(重量)，更優(yōu)選60～90％(重量)，尤其優(yōu)選60～80％(重量)。
壓電層4不特別限制，但在本發(fā)明的實施方案中，優(yōu)選由與含有金的內電極層6a和6b的收縮特性相似的鉛基壓電材料組成。
優(yōu)選的，鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分Pba[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a和b滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1，和0.97≤a/b≤1。
另一方案，鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分(Pb1-uαu)a[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中α是至少一種選自Sr、Ba、Ca和La的元素，β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a、b和u滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1,0.97≤a/b≤1，和0＜u≤0.15。
當上述通式中“x”為0時，壓電性能低，強度也往往變小，因此這不是優(yōu)選的。如果“x”為0.5或更大，會觀察到pervoskite相以及燒綠石相，壓電特性往往降低，因此這也不是優(yōu)選的。另外，如果“y”小于0.1，壓電特性往往降低，因此這不是優(yōu)選的。如果“y”超過0.55，壓電特性同樣發(fā)生降低，因此這同樣也不是優(yōu)選的。另外，如果z小于0.2或大于0.6，壓電特性發(fā)生降低，因此這些不是優(yōu)選的。
另外，如果以上通式中“a”和“b”的比值(a/b)小于0.97，壓電性能往往降低，因此這不是優(yōu)選的，而如果a/b大于1，壓電特性往往降低，且強度降低。另外，當“u”為0時，壓電特性往往降低，因此這不是優(yōu)選的，而如果“u”大于0.5，壓電特性就往往降低且強度降低，因此這些更不是優(yōu)選的。
在本發(fā)明實施方案中，盡管內電極層6a和6b的厚度以及壓電層4的厚度不特別限制，但內電極層6a和6b的厚度優(yōu)選為1～3μm，壓電層4的厚度優(yōu)選為5～50μm。
下面將對圖1中所示多層壓電致動器件2的制造方法進行解釋。
首先，制備壓電層漿料和內電極層漿料。壓電層漿料可以是由壓電材料和有機賦形劑的混合物組成的有機基涂料，或水基涂料。
作為壓電材料的原料，可以使用形成上述成分的壓電材料的氧化物或它們的混合物或化合物的氧化物，但也能適當選擇并混合各種氧化物使之燒結后轉化為上述成分的壓電材料，如碳酸鹽、草酸鹽、硝酸鹽、氫氧化物、有機金屬化合物等。原料中化合物的含量可適當確定，以便在燒結后得到上述壓電成分的組成。
原材料通常以平均粒徑約1.0～5.0μm的粉末形式使用。原材料通過球磨機等進行濕式混合，然后煅燒。煅燒優(yōu)選在800～1100℃溫度下進行約1到3小時。該煅燒可以在大氣環(huán)境下進行，或在比大氣環(huán)境有更高的氧分壓的環(huán)境下進行，或在純氧氣環(huán)境下進行。
然后將這樣得到的煅燒材料用球磨機等進行濕式粉碎。此時，作為漿狀溶劑，優(yōu)選使用乙醇或其他醇，或水和乙醇的混合溶劑。濕式粉碎優(yōu)選得到平均粒徑為0.5～2.0μm的煅燒材料。
通過煅燒然后濕式粉碎得到的粉末用作壓電材料，將該壓電材料分散在有機賦形劑中?！坝袡C賦形劑”由溶解在有機溶劑中的粘合劑組成。用作有機賦形劑的粘合劑不特別限制，可適當選自各種類型的普通粘合劑，如乙基纖維素和聚乙烯醇縮丁醛。另外，使用的有機溶劑不特別限制，可根據印刷方法、壓片方法或其他使用方法，從各種類型的有機溶劑，如萜品醇、丁基卡必醇、丙酮和甲苯中適當選擇。
另外，當制備壓電層漿料時，可將水基涂料、由溶解在水中的水溶性粘合劑或分散劑等組成的水基賦形劑和壓電材料混合。用于水基賦形劑的水溶性粘合劑不特別限制，但可使用例如聚乙烯醇、纖維素、水溶性丙烯?；鶚渲取?br> 內電極層漿料通過混合導電材料制得，所述導電材料包括各種金屬或合金或各種類型的氧化物、有機金屬化合物、樹脂酸鹽等與上述有機賦形劑經燒結后轉化為上述導電材料。
漿料中有機賦形劑的含量不特別限制，但通常的含量是例如粘合劑為1～5％(重量)和溶劑為10～50％(重量)。另外，漿料可根據需要含有所需要的添加劑，添加劑選自各種類型的分散劑、增塑劑、壓電材料、絕緣材料等。這些添加劑的總含量優(yōu)選不超過10％(重量)。
當使用印刷法時，壓電層漿料和內電極層漿料以層狀印刷在PET或其他基材上?；募羟谐深A定形狀，然后從基材上將漿料層剝離，得到生料芯片。
另外，當使用壓片法時，壓電層漿料用于形成生料薄片，內電極層漿料被印刷在上面，然后將這些薄片重疊形成生料芯片。
燒結前，對生料芯片進行處理以除去粘合劑。除去粘合劑的處理可在常規(guī)條件下進行，但優(yōu)選在氧氣分壓高于大氣中氧氣分壓的氣氛下，或在純氧氣氣氛下，于300～700℃溫度下進行。
經過處理除去粘合劑后，將該芯片在1000～1250℃，優(yōu)選的1020～1220℃溫度下燒結0.5～5小時。芯片可以在大氣下燒結，或在氧氣分壓高于大氣中氧氣分壓的氣氛下，或在純氧氣氣氛下燒結。
燒結的內電極層6a和6b有時形成微孔，如由于形成內電極層6a和6b的金屬漿料中溶劑的逃逸形成的孔。由于這些微孔等，內電極層6a和6b實際覆蓋的壓電層4的面積，即覆蓋，有時比設計覆蓋的總面積小。在本發(fā)明實施方案中，內電極層6a和6b實際覆蓋的壓電層4的面積，即覆蓋(覆蓋率)，控制在約50～99％。具體地，覆蓋率通過燒結溫度和漿料中金屬成分的類型和添加量、各種類型的氧化物(包括配料)、有機金屬化合物和樹脂酸鹽等進行控制。
通過將覆蓋率控制在該范圍內，可以得到作為致動器件的充分位移，且可以抑制分層。如果覆蓋率太小，就不能得到作為致動器件2的充分位移，而如果覆蓋率太大，就容易發(fā)生分層。
可以提請注意的是本發(fā)明并不限于上述實施方案，可在本發(fā)明范圍內用各種方式修正。
下面，本發(fā)明將基于詳細的實施例進行解釋，但本發(fā)明不限于這些實施例。
實施例1作為壓電層的最終成分，稱出預定重量的PbO、TiO2、ZrO2、CoO、Nb2O5、SrCO3和WO3作為原材料，以得到由99.4％(重量)的(Pb0.957Sr0.04)((Co1/3Nb2/3)0.01Ti0.458Zr0.532)O3和0.6％(重量)的WO3組成的鉛基壓電材料。接著，用球磨機對這些原材料濕法混合5小時，然后在900℃下煅燒2小時。接著，將所得產物用球磨機研磨15小時，得到壓電材料。將壓電材料分散在有機賦形劑中，得到壓電層漿料，將所得產物通過刮刀方法形成薄片，從而得到壓電生料薄片。作為有機賦形劑中的粘合劑，以100％(重量)壓電組合物計，使用48％(重量)的丙烯酸樹脂。另外，作為有機賦形劑中的有機溶劑，以100％(重量)壓電組合物計，可以使用40％(重量)的二氯甲烷、20％(重量)乙酸乙酯和4％(重量)丙酮。另外，薄片的厚度為20μm。
內電極層漿料通過將下表1中所示的金屬物質單獨或它們的合金或有機金屬化合物或樹脂酸鹽等分散在有機賦形劑中，并用三輥磨捏合來制備。使用乙基纖維素作為有機賦形劑中的粘合劑。另外，使用萜品醇作為有機賦形劑中的有機溶劑。
通過絲網印刷法將內電極層漿料涂覆在壓電生料片上。將這些生料片重疊，然后壓緊，切成預定的尺寸，得到生料芯片。內電極層漿料的涂層厚度為4.2μm。用內電極層漿料涂覆的重疊的壓電生料片的數量為9。
然后，將生料芯片在350℃下處理3小時，以除去粘合劑，然后在1060℃下燒結2小時，得到多層壓電致動器件主體。然后，通過噴砂對該器件端面進行拋光，以暴露內電極側面的端部，然后將金屬漿料印刷在斷面上，作為外電極漿料。所得產物在700℃下烘烤，得到用于耐濕性試驗的試樣。根據本實施例1的試樣的尺寸為3.2×1.6×0.6mm，內電極層厚度為1.8μm，壓電層厚度為15μm。另外，內電極中所含金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=7∶3∶0。另外，測量內電極層的覆蓋率，發(fā)現其等于70％。通過50μm×50μm范圍的電極部分的SEM照片，處理該圖象得到電極實際覆蓋的面積，與總面積比較得到覆蓋率，并用百分比表示。
通過將實施例1的試樣置于85℃和85％RH的高溫、高濕環(huán)境下，施加2KV/mm的直流電壓，測試試樣的絕緣電阻(IR)可靠性。IR降到比初始值低兩位數所需的時間作為試樣的壽命。測量達150小時的IR。將150小時后IR值都不降低兩位數的試樣判斷為良好試樣。測試20個試樣。良好試樣的比例用百分比表示。該比例作為耐濕性試驗存活率。該結果示于表1中。如表1所示，在實施例1中，耐濕性試驗存活率為70％。由于存活率大于60％，總體評價為“良好”。注意在總體評價中，存活率為90％或更高判斷為“很好”，60％或更高的存活率判斷為“良好”，其它為“差”。
表1
材料成分A:(Pb0.957Sr0.04)((Co1/3Nb2/3)0.01Ti0.458Zr0.532)O3,WO3=0.6％(重量)B:(Pb0.95Sr0.04)((Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.42Zr0.48)O3,Ta2O5=0.4％(重量)C:(Pb0.94Sr0.04)((Mg1/3Nb2/3)0.265Ti0.395Zr0.335)O3*1表示由于存在嚴重的電極不連續(xù)，甚至基本的功能也不能得到的狀態(tài)，且電極不接觸。*顯示超出本發(fā)明優(yōu)選范圍的值。
實施例2用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=3∶7∶0，燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為75％，存活率為60％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例3用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=2∶8∶0，燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為85％，存活率為60％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
比較例1用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=0∶10∶0，燒結溫度為1140℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為100％，存活率為10％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。另外，觀察所得試樣的截面，觀察到上面有內電極層和壓電層的分層。
另外，對于Au∶Pt∶Pd=0∶10∶0的電極，需要優(yōu)化電極中的添加劑或燒結程序等，因此制造困難?？稍佻F性差，因此不適于大規(guī)模生產。另外，由于使用鉑，存在制造成本增加和燒結溫度也必須升高的缺點。
比較例2用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Ag∶Pd=7∶3，內電極層厚度為2μm，燒結溫度為1060℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為70％，存活率為0％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。
實施例4用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=7∶3∶0，并使最終獲得的壓電層組合物為鉛基壓電材料，該材料由99.6％(重量)的(Pb0.95Sr0.04)((Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.42Zr0.48)O3和0.4％(重量)的Ta2O5組成。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為70％，存活率為100％。由于存活率至少為90％，總體評價為“很好”。
實施例5用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=7∶1.5∶1.5，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為85％，存活率為100％。由于存活率至少為90％，總體評價為“很好”。
實施例6用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=7∶0∶3，內電極層厚度為1.9μm，且燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為90％，存活率為100％。由于存活率至少為90％，總體評價為“很好”。
實施例7用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=3∶7∶0，內電極層厚度為1.9μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為80％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例8用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=3∶5∶2，使內電極層厚度為2.0μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為90％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例9用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=3∶4∶3，使內電極層厚度為2.0μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為90％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例10用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=2∶8∶0，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為85％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例11用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=2∶7∶1，使內電極層厚度為1.9μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為85％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例12用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=2∶6∶2，使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為90％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
比較例3用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=0∶10∶0，使內電極層厚度為2.0μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為100％，存活率為20％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。另外，觀察所得試樣的截面，觀察到上面有內電極層和壓電層的分層。
比較例4用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Ag∶Pd=7∶3，使內電極層厚度為2.0μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為70％，存活率為10％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。
比較例5用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Ag∶Pd=3∶7，使內電極層厚度為2.1μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為80％，存活率為10％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。
參照實施例1用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使內電極層厚度為0.8μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為30％。觀察到內電極層斷開，耐濕性試驗就不可能進行。因而總體評價為“差”。內電極層斷開相信是由于內電極層厚度小于1μm所致。
實施例13用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使內電極層厚度為1.3μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為60％，存活率為80％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
實施例14用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使內電極層厚度為2.8μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為65％，存活率為70％。由于存活率至少為60％，總體評價為“好”。
參照實施例2用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使內電極層厚度為3.5μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為60％，存活率為20％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。另外，觀察所得試樣的截面，觀察到上面有內電極層和壓電層的分層。相信這是由于內電極層厚度大于3μm所致。
參照實施例3用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使燒結溫度為1180℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為40％，存活率為30％。由于存活率小于50％，總體評價為“差”。相信覆蓋率降到小于50％是由于燒結溫度太高。
實施例15用與實施例1相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=3∶7∶0，并使最終獲得的壓電層組合物為由(Pb0.94Sr0.04)((Mg1/3Nb2/3)0.265Ti0.395Zr0.335)O3組成的鉛基壓電材料，使內電極層厚度為1.9μm，并使燒結溫度為1180℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為80％，存活率為70％。由于存活率大于60％，總體評價為“好”。
實施例16用與實施例15相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=2∶8∶0，使內電極層厚度為1.8μm。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為85％，存活率為70％。由于存活率大于60％，總體評價為“好”。
實施例17用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Pt∶Pd=8∶2∶0，使內電極層厚度為1.9μm，并使燒結溫度為1020℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為60％，存活率為80％。由于存活率大于60％，總體評價為“好”。
實施例18用與實施例4相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是最終得到的內電極層中金屬的重量比為Au∶Rh=7∶3，使內電極層厚度為2.0μm，并使燒結溫度為1100℃。結果示于表1中。如表1中所示，覆蓋率為80％，存活率為80％。由于存活率大于60％，總體評價為“好”。
實施例19到23和參照實施例4到5如表2所示，用與實施例6相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是使內電極層厚度為2.0μm或1.9μm，并在1000～1240℃間改變燒結溫度。結果示于表2中。
如表2中所示，當Au∶Pt∶Pd=7∶0∶3時，可知當燒結溫度為1060～1220℃，優(yōu)選1060～1200℃時，耐濕性提高。
表2
材料組合物A∶(Pb0.957Sr0.04)((Co1/3Nb2/3)0.01Ti0.458Zr0.532)O3,WO3=0.6％(重量)B∶(Pb0.95Sr0.04)((Zn1/3Nb2/3)0.1Ti0.42Zr0.48)O3,Ta2O5=0.4％(重量)C:(Pb0.94Sr0.04)((Mg1/3Nb2/3)0.265Ti0.395Zr0.335)O3*1表示由于存在嚴重的電極不連續(xù)，甚至基本的功能也不能得到的狀態(tài)，且電極不接觸。*顯示超出本發(fā)明優(yōu)選范圍的值。參照實施例6和7用與實施例6相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是Au∶Pt∶Pd=10∶0∶0，內電極層厚度為2.2μm或2.1μm，使燒結溫度如表2中所示為1000℃或1060℃。結果示于表2中。
如表2所示，可知當內電極層中的金屬成分為100％的金時，燒結溫度不得不降低，但電極會發(fā)生不充分燒結或不連續(xù)，因而耐濕性降低。實施例24到26和參照實施例8和9用與實施例6相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是Au∶Pt∶Pd=9∶0∶1，內電極層厚度為2.0μm、2.1μm和2.3μm，使燒結溫度如表2中所示為1000℃到1140℃。結果示于表2中。
如表2中所示，可知當Au∶Pt∶Pd=9∶0∶1時，當燒結溫度為1020℃到1100℃，優(yōu)選1020℃到1060℃時，耐濕性提高。實施例27到30和比較例6用與實施例6相同的方法，得到覆蓋率和耐濕性試驗存活率，不同的是如表2中所示改變Au∶Pt∶Pd之比，內電極層厚度為1.8μm、1.9μm或2.0μm，燒結溫度為1100℃、1140℃、1180℃。結果示于表2中。注意與比較例1到6對比，根據實施例1到30，可以確定能得到這樣的多層壓電致動器件，該器件具有提高的耐濕性試驗存活率、即使在高濕環(huán)境下壓電層的絕緣電阻也不會破壞、優(yōu)異的耐濕性和高可靠性。
另外，通過比較參照實施例1和2和實施例13和14，可以確定當內電極層厚度為1～3μm時，本發(fā)明的效果得到提高。
另外，通過將比較例3和參照實施例3與實施例4到14比較，可以確定當覆蓋率為50～99％時，本發(fā)明的效果得到提高。
另外，通過將參照實施例7和比較例6與實施例26到30比較，可以確定內電極層中金的含量優(yōu)選為20～90％(重量)，更優(yōu)選為60～90％(重量)，尤其優(yōu)選為60～80％(重量)，此時耐濕性尤其得到提高。
另外，通過參照實施例19到26，可以確定燒結溫度為1020～1220℃，更優(yōu)選1060～1200℃。
如上面所解釋的，根據本發(fā)明，能夠提供這樣的多層壓電器件，如多層壓電致動器件，該器件即使在高濕環(huán)境下也不會破壞壓電層的絕緣電阻，具有優(yōu)異的耐濕性和高可靠性。
權利要求
1.一種含有交替疊放的壓電層和內電極層的多層壓電器件，所述內電極層含有作為基本成分的金。
2.如權利要求1的多層壓電器件，其中以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中金的含量為20～90％重量。
3.如權利要求1的多層壓電器件，其中以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中金的含量為60～80％重量。
4.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中所述內電極層含有至少一種選自鈀、鉑和銠的元素。
5.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中內電極層含有至少一種選自鈀和鉑的元素。
6.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中內電極層含有鈀。
7.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中鈀的含量為20～40％重量。
8.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中內電極層的厚度為1～3μm。
9.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中內電極層實際覆蓋的壓電層的面積，即覆蓋率，為50～99％。
10.如權利要求1-3中任何一項所述的多層壓電器件，其中每個壓電層都含有鉛基壓電材料。
11.如權利要求10的多層壓電器件，其中鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分Pba[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a和b滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1，和0.97≤a/b≤1。
12.如權利要求10的多層壓電器件，其中鉛基壓電材料含有以下通式所示的成分(Pbi-uαu)a[(β1,β2)xZryTiz]bO3其中α是至少一種選自Sr、Ba、Ca和La的元素，β1是至少一種選自Zn、Cd、Mg、Ni、Co、Fe、Sc、Cr、Yb、Lu、In、Mn和Sn的元素，β2是至少一種選自Nb、Ta、W、Te和Sb的元素和x、y、z、a、b和u滿足以下關系0＜x＜0.5,0.1≤y≤0.55,0.2≤z≤0.60,x+y+z=1,0.97≤a/b≤1，和0＜u≤0.15。
13.一種制造由交替疊放的壓電層和內電極層組成的多層壓電器件的方法，包括以下步驟在所述內電極層中含有金作為基本成分和在1020～1220℃溫度下燒結壓電層和內電極層。
14.如權利要求13的制造多層壓電器件的方法，其特征在于，以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中金的含量為20～90％重量。
15.如權利要求13的制造多層壓電器件的方法，其特征在于，以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中金的含量為60～80％重量。
16.如權利要求13到15中任一項所述的制造多層壓電器件的方法，其特征在于，在所述內電極層中含有至少一種選自鈀、鉑和銠的元素。
17.如權利要求16的制造多層壓電器件的方法，其特征在于，以內電極層中金屬成分的總重量作為100％重量計，內電極層中鈀的含量為20～40％重量。
全文摘要
一種由交替疊放的壓電層和內電極層組成的多層壓電器件,其中內電極層的厚度為1～3μm,以內電極層中金屬成分的總重量100%重量計,內電極層含有20～90%重量作為基本成分的金,并含有至少一種選自鈀、鉑和銠的元素。
文檔編號H01L41/187GK1313641SQ0013701
公開日2001年9月19日 申請日期2000年9月29日 優(yōu)先權日1999年9月30日
發(fā)明者小島達也, 堀野賢治 申請人:Tdk株式會社