專利名稱：：壓電/電致伸縮元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及壓電/電致伸縮元件及其制造方法，該壓電/電致伸縮元件具有在基板上設(shè)置的電極層和在該電極層上設(shè)置的壓電/電致伸縮層。
背景技術(shù)：
：在壓電/電致伸縮元件中，例如，在以鋯為主要成分的(陶瓷)基板的表面上固著以金屬為主要成分的電極層，在該電極層上固著壓電/電致伸縮層(參見專利文件1)。這樣的壓電/電致伸縮元件可以如下方式來制造，首先在基板的表面上形成能成為所述電極層的第一層的涂層；以及在該第一層上形成含有壓電/電致伸縮材料的第二層(將成為壓電/電致伸縮層)；接著在預(yù)定的溫度下進(jìn)行加熱和燒成，然后冷卻。從開始電極層自身就可以直接形成為第一層，在此情況中，只有在燒成步驟中才形成第二層。另外，作為現(xiàn)有技術(shù)已知有如下文件。專利文獻(xiàn)1:JP-A-2001-284677專利文獻(xiàn)2:JP-A-2006-165007專利文獻(xiàn)3:W02006/109501A1在這樣的壓電/電致伸縮元件中，例如在基板的與電極層和壓電/電致伸縮層相反的一側(cè)設(shè)置流路，則該元件就可以作為流過該流路的流體的傳感器來起作用。例如，該壓電/電致伸縮元件可以被共振，通過共振頻率的微小的變化就可檢測(cè)出流體的存在。這樣，通過利用壓電/電致伸縮元件的振幅和與該壓電/電致伸縮元件相接觸的流體的粘度阻力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以測(cè)量流體的特性，例如密度、濃度和粘度。特別是，當(dāng)該壓電/電致伸縮元件在流體存在的情況下振動(dòng)時(shí)，該壓電/電致伸縮元件受到源于流體的粘度的機(jī)械阻力。這里的壓電/電致伸縮元件的機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)可以被等效電路來替代。因此，壓電/電致伸縮元件的壓電/電致伸縮膜的等效電路的電常數(shù)就隨著施加到壓電/電致伸縮元件的粘度阻力而改變。測(cè)量該電常數(shù)的變化就可測(cè)量流體的特性，例如粘度、密度和濃度。其特性可以被壓電/電致伸縮元件測(cè)量的流體的例子包括液體和氣體。作為測(cè)量目標(biāo)的液體的例子不僅包括僅含有從水、醇、油中選擇的主要介質(zhì)的單一組分液體，還包括在這些介質(zhì)中添加(溶解、混合、分散或者懸浮)另外可溶、難溶或不溶的氣體介質(zhì)而獲得的液體。另外，上述電常數(shù)包括損失系數(shù)、相位、阻抗、電抗、導(dǎo)電性、電納、電感和電容。特別優(yōu)選采用在等效電路的共振頻率附近具有一個(gè)極大或極小變化點(diǎn)的損失系數(shù)或相位。因此，不僅可以測(cè)量流體的粘度，還可以測(cè)量密度或濃度。例如，可以測(cè)量硫酸水溶液中的硫酸濃度。另外，作為檢測(cè)振動(dòng)狀態(tài)改變的指標(biāo)，如果測(cè)量精度或耐久性方面沒有特殊問題的話，可以采用共振頻率的改變來替代上述電常數(shù)。但是，在該類型的壓電/電致伸縮元件中，如果壓電/電致伸縮元件的特性(例如感應(yīng)靈敏度)由于撓性位移量或內(nèi)部應(yīng)力值的增大而改善，則耐久性的問題，例如壓電/電致伸縮層中的開裂等就會(huì)出現(xiàn)。這種情況下，壓電/電致伸縮元件的輸出或共振頻率就會(huì)明顯變得超過響應(yīng)范圍，則該元件不能再用作傳感器。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問題，本發(fā)明的課題是提供一種即使壓電/電致層開裂仍可用作傳感器的壓電/電致伸縮元件。經(jīng)過重復(fù)的研究，通過下述的手段解決了上述課題。即首先，根據(jù)本發(fā)明提供一種壓電/電致伸縮元件，其包括基板、固著于所述基板上的電極層以及固著于所述電極層上的壓電/電致伸縮層，其中所述電極層相對(duì)于所述基板的覆蓋率為98%以下。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中，電極層的覆蓋率優(yōu)選為6598%，更優(yōu)選為7598%。如果覆蓋率小于65%，則不希望地?fù)?dān)心出現(xiàn)電極斷線。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中，電極層的厚度優(yōu)選為5iim以下。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中，電極層的厚度更優(yōu)選為0.15iim，特別優(yōu)選為0.13iim。如果厚度超過5iim，則壓電/電致伸縮層的位移特性會(huì)由于電極層的厚度而受損，如果厚度不足O.liim，則不希望地?fù)?dān)心出現(xiàn)電極斷線。另外，根據(jù)本發(fā)明提供一種壓電/電致伸縮元件的制造方法，其包括在基板上形成含有金屬的第一層使得覆蓋率為98%以下的第一層形成工序；在由第一層形成工序形成的第一層上形成含有壓電/電致伸縮材料的第二層的第二層形成工序；將在其上形成了第一層和第二層的基板進(jìn)行加熱和燒成的燒成工序；以及在所述燒成工序后冷卻在其上形成所述第一層和所述第二層的基板的冷卻工序。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中的制造方法中，第一層的覆蓋率優(yōu)選為6598%，更優(yōu)選為7598%。根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中的制造方法，當(dāng)?shù)谝粚有纬晒ば蚴窃诨迳嫌烧翦?、鍍覆等直接形成金屬電極層時(shí)，該第一層自身就成為電極層?；蛘?，當(dāng)?shù)谝粚有纬晒ば蛐枰缃饘俸坎脊ば颍从糜诘玫阶罱K電極層而進(jìn)行的預(yù)定后續(xù)工序(熱處理等)時(shí)，則該第一層就是實(shí)施預(yù)定后續(xù)工序之前的層(金屬糊涂布層等)。在這種情況下，電極層可以例如在燒成工序中與第二層一起燒成。或者，電極層可以在第二層形成工序之前進(jìn)行的電極層燒成工序中燒成。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中的制造方法中，第一層的厚度優(yōu)選為5ym以下。在根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中的制造方法中，第一層的厚度優(yōu)選為0.15iim，特別優(yōu)選為0.13iim。在本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件中，電極層相對(duì)于基板的覆蓋率為98%以下，因此即使壓電/電致伸縮層中產(chǎn)生裂紋的情況下，其輸出、共振頻率與壓電/電致伸縮層中沒有產(chǎn)生裂紋時(shí)相比沒有太大的變化。如果為98%以上，在產(chǎn)生裂紋時(shí)的輸出或共振頻率會(huì)降低。其推斷的理由是，如果電極層相對(duì)于基板的覆蓋率為98%以下，壓電/電致伸縮層與基板沒有緊密接觸，所以在壓電/電致伸縮層中的裂紋停止于特定階段而不繼續(xù)開裂，因此輸出和共振頻率基本不變化。即，在傳統(tǒng)的壓電/電致伸縮元件中，壓電/電致伸縮4層通過固著于所述壓電/電致伸縮層和所述基板上的電極層與所述基板進(jìn)行接觸。因此，所述裂紋繼續(xù)發(fā)展，由此顯著改變輸出和共振頻率。然而，根據(jù)本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件，假定任何裂紋不會(huì)發(fā)展，由此通常不會(huì)改變輸出和共振頻率。作為其中電極層覆蓋基板的構(gòu)造，該構(gòu)造優(yōu)選為覆蓋的部分和未覆蓋的部分都呈均勻分布，而且該構(gòu)造優(yōu)選未覆蓋的部分不是大范圍連續(xù)的。換而言之，優(yōu)選的構(gòu)造是電極層和空洞都均勻地存在于壓電/電致伸縮層和基板之間。需要說明的是，在本說明書中，當(dāng)從壓電/電致伸縮層側(cè)的方向看基板時(shí)，(電極層相對(duì)于基板的)覆蓋率為由電極層覆蓋的部分的面積(電極層面積)除以電極層的外輪廓(全部)的面積的值。由電極層覆蓋的部分(有電極層的部分)稱為覆蓋部分，在電極層內(nèi)分布的、沒有被電極層覆蓋的部分(沒有電極的部分)稱為未覆蓋部分。覆蓋率=(覆蓋部分/全部面積)X100%。該覆蓋率可通過圖象處理方便地計(jì)算出。圖l為顯示本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件的一個(gè)實(shí)施方式的圖，并且是基板、下部電極層、壓電/電致伸縮層和上部電極層沿垂直于層疊方向的方向的截面圖。圖2是沿圖1中A-A線的截面圖，并且顯示了下部電極層。具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼f明，但本發(fā)明并不能解釋為被限定于此，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，基于本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)，可以進(jìn)行各種的變更、修改和改進(jìn)。例如，附圖表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于附圖所顯示的狀態(tài)或信息。在實(shí)施或驗(yàn)證本發(fā)明時(shí)，可采用與本說明書中記載的相似或等同的技術(shù)手段，但優(yōu)選以下所記載的技術(shù)手段。圖1和圖2中顯示的壓電/電致伸縮元件10包括由振動(dòng)板lla和支撐部lib構(gòu)成的基板11、在基板ll(振動(dòng)板lla)上形成的下部電極層12、在該下部電極層13上形成的壓電/電致伸縮層13以及在該壓電/電致伸縮層13上形成的上部電極層14。在該壓電/電致伸縮元件10中，通過在下部電極12和上部電極14之間施加極化電壓，對(duì)壓電/電致伸縮層13實(shí)施極化處理，極化方向?yàn)閳D1中的垂直方向。在該極化處理后，通過在上部電極14和下部電極12之間施加預(yù)定的驅(qū)動(dòng)電壓，由此壓電/電致伸縮層13膨脹或收縮，并且沿著圖1中的垂直方向變形。通過該膨脹/收縮變形以及由于該膨脹/收縮變形而產(chǎn)生的水平方向的撓性變形，在支撐部llb、llb之間延伸的振動(dòng)板lla發(fā)生變形而彎曲?；?1由陶瓷薄板構(gòu)成。構(gòu)成該基板11的材料，例如優(yōu)選使用氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁或氮化硅。關(guān)于氧化鋯，最優(yōu)選使用含有完全穩(wěn)定化或部分穩(wěn)定化的氧化鋯的材料作為主要成分，這是因?yàn)榧词乖摬牧媳?，該材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度、韌性，并且與下部電極層12和壓電/電致伸縮層13的材料等的反應(yīng)性小。下部電極層12被固著于在基板11的表面，使得空隙15不致密、不均勻，從而覆蓋率為例如85%。這里所說的固著是指除了空隙15的部分外，下部電極層和基板直接切緊密地接合，而不使用粘結(jié)劑。下部電極層12是由金屬為主成分的層，作為主成分的金屬，適合于使用鉑、金、銀、銥、鈀、銠、鉬、鎢以及它們的合金。另外，根據(jù)基板11或壓電/電致伸縮層13的材料的組合以及所屬金屬的類型，可以合適地向下部電極層12中添加用于提高與基板11緊密接觸性的添加劑(例如低熔點(diǎn)玻璃等)。下部電極層12的厚度(例如)為3i！m。壓電/電致伸縮層13被固著在下部電極層13上，該壓電/電致伸縮層13由壓電/電致伸縮材料(壓電陶瓷材料)構(gòu)成。作為該壓電/電致伸縮材料，優(yōu)選使用含有鈣鈦礦型鐵電材料、鎢青銅型鐵電材料、鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電材料等為主要成分的材料。該壓電/電致伸縮層13的厚度優(yōu)選為350iim，更優(yōu)選340iim。作為上述鐵電材料的具體實(shí)例包括鉛系材料，例如鈦酸鉛、鋯酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)、鎂鈮酸鉛(P麗)、鎳鈮酸鉛(PNN)、錳鈮酸鉛、銻錫酸鉛和鋅鈮酸鉛。另外，非鉛系材料的例子包括鈦酸鋇、鈦酸鉍鈉、鈮酸鍶鈉、鈮酸鈉鋇、鈮酸鉀、鈦酸鎳鉍、Ba2NaNb5015、Bi4Ti3013(BIT)、BaNd2Ti4012(BNT)和(Bi。.5Na。.5)Ti03。或者，優(yōu)選使用它們的混合物或固溶體等的復(fù)合材料(例如，PMN-PZ-PT三元固溶體、(Bi。.5Na。.5)Ti03-BaTi03(BNT-BT)系固溶體、(Bi。.5Na。.5)Ti03-BaTi03-SrTi03(BNT-BT-ST)系固溶體、(l_x)(Bi。.5Na。.5)Ti03-xKNb03(x為摩爾分?jǐn)?shù)，0《x《0.06)等)。需要注意的是，在壓電/電致伸縮材料中還可適當(dāng)添加鑭、鋇、鈮、鋅、鈰、鎘、鉻、鈷、鍶、鉍、鐵、釔、鉭、鴇、鎳、錳等的氧化物或其它化合物。壓電/電致伸縮層13中的壓電/電致伸縮材料的例子包括例如Ba、Bi、Na、Ti、K或Nb等元素的氧化物(例如，BaO、Na20、Ti02、K20、Nb205等)、或者在被煅燒時(shí)可變?yōu)檫@些元素的氧化物的化合物(例如氫氧化物、碳酸鹽、草酸鹽、硝酸鹽等)、含有這些多種這些元素的化合物(例如MgNb^)、每種元素的單質(zhì)金屬以及所述元素的合金。這些材料可以單獨(dú)使用，也可以組合其中的兩種或多種。作為形成壓電/電致伸縮層13的方法，可以采用絲網(wǎng)印刷法、浸漬法、涂布法、粗帶法(greensheetprocess)等常規(guī)方法。上部電極層14固著于壓電/電致伸縮層13上。上部電極層14的材質(zhì)和厚度與下部電極層12的基本相同。另外，上部電極層14可以與下部電極層相同，也可以沒有空隙。接著，以制造壓電/電致伸縮元件10為例來說明本發(fā)明的壓力/電致伸縮元件的制造方法。首先，準(zhǔn)備基板11。然后使用絲網(wǎng)印刷法采用含有適量樹脂的電極糊在基板11上形成膜，并且通過燒成使覆蓋率為例如60%(下部電極層形成工序)。作為形成下部電極層12的方法，除了絲網(wǎng)印刷法之外，還可以由離子束、濺射、真空蒸鍍、PVD、離子鍍、CVD、電鍍、噴涂、浸漬等方法。其中，從與基板11和壓電/電致伸縮層13的接合性的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選使用濺射法或絲網(wǎng)印刷法。需要注意的是，將形成的下部電極層12可以在約5001400°C的溫度下進(jìn)行熱處理，并且整體固著于基板11上。該熱處理可以在形成燒成前的壓電/電致伸縮層之前進(jìn)行，也可以與燒成壓電/電致伸縮層的熱處理一起進(jìn)行?？紤]到壓電/電致伸縮特性，當(dāng)用于壓電/電致伸縮層13的壓電/電致伸縮材料在IOO(TC以下的低溫?zé)蓵r(shí)，作為下部電極層12優(yōu)選使用Ag、Au等低熔點(diǎn)的金屬電極。接著，在下部電極層12上形成含有壓電/電致伸縮材料的燒成前的壓電/電致伸縮層(形成燒成前壓電/電致伸縮層的工序)。作為形成燒成前的前壓電/電致伸縮層的方法，例如可以使用絲網(wǎng)印刷法、浸漬法、涂布法、電泳法等。另外，在形成壓電/電致伸縮層時(shí)還可以使用不必進(jìn)行燒成的常規(guī)的方法，例如氣溶膠沉積法、離子束法、濺射法、真空蒸鍍法、離子鍍法、鍍覆法、粗帶法等。然后，將形成的燒成前的壓電/電致伸縮層在約1100130(TC的溫度下進(jìn)行燒成(這里所述的"燒成"不僅包括使用粗帶法等濕法時(shí)通常進(jìn)行的燒成，還包括使用氣溶膠沉積法等干法時(shí)用于組織致密化的熱處理)，從而形成壓電/電致伸縮層13(燒成工序)。然后，在壓電/電致伸縮層13上形成上部電極層14(上部電極層形成工序)。上部電極層14的形成方法依照下部電極層12的形成方法。另外，可以將形成的上部電極層14約在500140(TC的溫度下進(jìn)行熱處理，并且整體固著于壓電/電致伸縮層13上。該熱處理可以在燒成壓電/電致伸縮層之后進(jìn)行，也可以與燒成壓電/電致伸縮層的熱處理一起進(jìn)行?？紤]到壓電/電致伸縮特性，當(dāng)用于壓電/電致伸縮層13的壓電/電致伸縮材料在IOO(TC以下的低溫?zé)蓵r(shí)，作為上部電極層14優(yōu)選使用Ag、Au等低熔點(diǎn)的金屬電極。最后，進(jìn)行冷卻(冷卻工序)，然后在使用前，實(shí)施極化處理。實(shí)施例以下說明確認(rèn)本發(fā)明效果的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，改變?nèi)鐖D1和圖2所示的壓電/電致伸縮元件10中的電極層的覆蓋率，評(píng)價(jià)壓電/電致伸縮元件10的共振頻率的變化率。實(shí)施例1制備壓電/電致伸縮元件IO，其中的下部電極層12的覆蓋率為80%，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(networkanalyzer)檢測(cè)初級(jí)共振頻率。之后，確認(rèn)施加數(shù)分鐘的直流電壓200V在壓電/電致伸縮層13中產(chǎn)生裂紋。然后，根據(jù)產(chǎn)生裂紋前后的共振頻率來得出共振頻率的變化率。其結(jié)果如表l所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>比較例1在壓電/電致伸縮元件10中，下部電極層12的覆蓋率為99%，除此之外，與實(shí)施例1相同，獲得壓電/電致伸縮層13中裂紋產(chǎn)生前后的共振頻率，基于共振頻率得出共振頻率的變化率，結(jié)果如表1所示。考察根據(jù)表1所示的結(jié)果，推測(cè)出在下部電極層12的覆蓋率被設(shè)置為98%以下，并且壓電/電致伸縮層13開裂的情況下，與壓電/電致伸縮層13沒用開裂的情況相比，共振頻率沒有顯著變化。需要注意的是，實(shí)施例1與比較例1都是由以下的條件來制作壓電/電致伸縮元件10。作為振動(dòng)板11a和支撐部lib(基板11)的材料，使用由Y203穩(wěn)定化的Zr02基板，振動(dòng)板的厚度為11Pm。下部電極層12和上部電極14的厚度分別為3m，其材料采用鉑。壓電/電致伸縮層13的材料(壓電/電致伸縮材料)使用鈦酸鉍鈉和鈮酸鉀的固溶體(BNT-KN)，并且該層的厚度為20iim。在下部電極層形成工序中，由絲網(wǎng)印刷法在基板11(振動(dòng)板11a)上形成糊狀鉑的涂層，該涂層干燥后，在約140(TC的溫度下進(jìn)行熱處理，由此形成下部電極層12。在形成燒成前的壓電/電致伸縮層的工序中，通過絲網(wǎng)印刷法在下部電極層12上涂布在粘結(jié)劑中分散BNT-KN粉末而成的漿料，以在下部電極層上形成壓電/電致伸縮材料的涂層。在燒成工序中，在約50(TC的溫度下除去粘結(jié)劑后，接著在IIO(TC加熱3小時(shí)，由此形成壓電/電致伸縮層13。上部電極層形成工序中，與下部電極層形成工序相同，通過絲網(wǎng)印刷法在壓電/電致伸縮層13上形成糊狀的鉑涂布層，干燥該涂布層后，在約80(TC的溫度下進(jìn)行熱處理，由此形成上部電極層14。作為極化電壓，施加直流150V。本發(fā)明的壓電/電致伸縮元件優(yōu)選用作設(shè)置在壓電執(zhí)行器(壓電元件)或各種壓電傳感器(壓電元件)中的壓電/電致伸縮元件，所述壓電執(zhí)行器適用于測(cè)量儀器、光調(diào)制器、光開關(guān)、微閥、輸送裝置、顯示裝置(顯示器、投影儀等)、繪圖裝置、微泵、液滴吐出裝置、微型混合裝置、微型攪拌裝置、微型反應(yīng)裝置等，所述壓電傳感器用于檢測(cè)流體特性、音壓、微小重量、加速度等。10:壓電/電致伸縮元件；11:基板；lla:振動(dòng)板；llb:支撐部；12:下部電極層；13:壓電/電致伸縮層；14:上部電極層。權(quán)利要求一種壓電/電致伸縮元件，其包括基板、固著于所述基板上的電極層以及固著于所述電極層上的壓電/電致伸縮層，其中，所述電極層相對(duì)于所述基板的覆蓋率為98％以下。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓電/電致伸縮元件，其中，所述電極層的厚度為5踐以下。3.—種壓電/電致伸縮元件的制造方法，其包括在基板上形成含有金屬的第一層使得覆蓋率為98%以下的第一層形成工序；在由所述第一層形成工序形成的第一層上形成含有壓電/電致伸縮材料的第二層的第二層形成工序；將其上形成了第一層和第二層的基板進(jìn)行加熱和燒成的燒成工序；以及在燒成工序后冷卻在其上形成了第一層和第二層的基板的冷卻工序。4.根據(jù)權(quán)利要求3的壓電/電致伸縮元件的制造方法，其中，所述第一層的厚度為5iim以下。全文摘要本發(fā)明公開了一種壓電/電致伸縮元件，即使壓電/電致伸縮層開裂，該元件仍可用作傳感器。所提供的壓電/電致伸縮元件10具有基板11、固著于基板11上的下部電極層12以及固著于下部電極層12上的壓電/電致伸縮層13，并且下部電極層12相對(duì)于基板11的覆蓋率為98％以下。文檔編號(hào)H01L41/047GK101794859SQ20101010471公開日2010年8月4日申請(qǐng)日期2010年1月28日優(yōu)先權(quán)日2009年1月29日發(fā)明者后藤直樹,大西孝生,梅田勇治申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社