專利名稱：具有處于薄膜片材中且基本垂直于襯底的電極的壓電機(jī)構(gòu)的制作方法
具有處于薄膜片材中且基本垂直于襯底的電極的壓電機(jī)構(gòu)相關(guān)申請
本專利申請涉及先前提交的并且目前待決的、名稱為“Piezoelectric actuatorhaving embedded electrodes”的PCT國際專利申請,其于2009年10月30日提交，分配的專利申請?zhí)枮镻CT/US09/62866 (代理人卷號為200902858-1)。
背景技術(shù)：
采用流體噴射裝置噴射流體滴。例如，噴墨打印裝置向媒質(zhì)(如紙)噴射墨水滴以在媒質(zhì)上形成圖像。一種流體噴射裝置是壓電流體噴射裝置。在壓電流體噴射裝置中，利用壓電效應(yīng)機(jī)械地噴射流體滴。具體地，在壓電材料制成的柔性片材中感生出電場，從而導(dǎo)致片材物理地變形。片材的物理變形減小了相鄰腔中流體的體積，從而噴射一個或多個流體滴。


圖1是壓電流體噴射組件的示例性截面?zhèn)纫晥D。圖2是壓電·流體噴射組件的示例性仰視圖。圖3是壓電流體噴射組件的執(zhí)行器的詳細(xì)的示例性截面前視圖。圖4是壓電流體噴射組件的執(zhí)行器的一部分的另一個詳細(xì)的示例性截面前視圖。圖5是壓電流體噴射組件的執(zhí)行器的一部分的比圖3和4更加詳細(xì)的示例性截面前視圖。圖6是壓電流體噴射組件的執(zhí)行器的示例性制造方法的流程圖。圖7是形成壓電執(zhí)行器的電極的示例性添加方法的流程圖。圖8A和8B是描繪圖7方法的示例性性能的視圖。圖9是形成壓電執(zhí)行器的電極的示例性刪減方法的流程圖。圖1OA和IOB是描繪圖9方法的示例性性能的視圖。圖11是在壓電執(zhí)行器的電極上形成金屬層的示例性方法的流程圖。圖12A和12B是描繪圖11方法的示例性性能的視圖。圖13是在電極之間沉積材料以形成壓電執(zhí)行器的薄膜片材的示例性方法的流程圖。圖14是在壓電執(zhí)行器的電極上形成表面電極的示例性方法的流程圖。圖15A和15B是描繪圖14方法的示例性性能的視圖。圖16是示例性典型流體噴射裝置的框圖。
具體實(shí)施例方式如在背景技術(shù)中提到的，在壓電流體噴射裝置中，在壓電材料制成的柔性片材內(nèi)感生出電場會導(dǎo)致片材物理地變形。從片材表面到相鄰腔內(nèi)的流體的這種機(jī)械響應(yīng)傳遞使得流體發(fā)生位移并被加壓，從而噴射出一個或多個流體滴。電場是通過在置于柔性片材上的電極上施加電壓而在片材內(nèi)感生出的。常規(guī)上，電極是以相對置的方式布置在片材上。第一個電極連接到片材的上表面，而下電極連接到片材的下表面。這種電極布置結(jié)構(gòu)在向電極間施加給定電壓時能夠提供來自片材的相對較大的機(jī)械響應(yīng)。然而，制造具有以這種相對置方式布置在片材上的電極的流體噴射裝置意味著必須與電極形成可靠的電連接，這相對較難實(shí)現(xiàn)，會導(dǎo)致較高的制造成本。因此，已經(jīng)嘗試的一種將電極布置在片材上的低成本方案是將兩個電極安置在片材的同一表面上，例如以相間交叉的方式，從而得到所謂的交叉電極(或稱交指型電極)。在電極布置在片材同一表面上的流體噴射裝置中形成連接到兩個電極的電連接較容易實(shí)現(xiàn)，因此導(dǎo)致較低的制造成本。然而，這種電極布置對于向電極間施加的給定電壓，在片材內(nèi)提供的感生機(jī)械響應(yīng)較小。當(dāng)壓電材料是壓電陶瓷時，交叉電極具有另一優(yōu)點(diǎn)。在此情形中，在壓電陶瓷膜的一個表面上不存在電極，這允許使用更大范圍的籽晶材料，以便在薄膜生長時對齊晶體結(jié)構(gòu)。盡管如此，使用這種交叉電極時導(dǎo)致的相對較低的機(jī)械響應(yīng)還是阻礙了目前對交叉電極的應(yīng)用。發(fā)明人已經(jīng)研發(fā)出了一種方案，其中，可將電極布置在片材的同一表面內(nèi)同時仍實(shí)現(xiàn)與將電極以相對置方式布置在片材上時幾乎相同的性能。在本發(fā)明的方案中，交叉電極在壓電陶瓷片材內(nèi)從片材的第一表面(諸如下表面)朝向片材的與第一表面相反的第二表面(諸如上表面)延伸，而不是將交叉電極安置在片材的同一平面上。交叉電極具有至少基本垂直于襯底(諸如隔片)的側(cè)表面，壓電陶瓷片材位于所述襯底上。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與將電極布置在片材的相對側(cè)相比，使電極處于壓電陶瓷片材中仍能提供較容易的電連接以及提供形成這類電連接時較高的可靠性。與將電極布置在片 材的相對側(cè)相比，使得電極在片材的同一表面內(nèi)可以提供在片材中感生的近乎相同或更大的機(jī)械響應(yīng)。交叉電極的側(cè)表面至少基本垂直于襯底(其中壓電陶瓷位于所述襯底上)，這在向電極之間施加電壓時提供了在片材中感生的更加優(yōu)化的電場。具體地，在壓電陶瓷片材內(nèi)從片材的第一表面至少基本上到與第一表面相反的第二表面感生電場。也就是說，電場的大小和方向在整個片材中是空間均勻的。這是因?yàn)殡姌O從片材的第一表面延伸到至少基本上片材的第二表面。此外，電場方向主要平行于壓電陶瓷片材平面，并且最低限度地垂直于片材平面。這是因?yàn)殡姌O至少基本垂直于其上安置有壓電陶瓷的襯底。圖1示出了單晶式壓電流體噴射組件100的示例性截面?zhèn)纫晥D。組件100包括具有出口 104的剛性孔口板102，通過該出口 104噴射流體滴。組件100進(jìn)一步包括具有入口108的柔性隔片106，以接收最終作為滴通過出口 104噴射出的流體。組件100還包括多個剛性側(cè)壁IlOA和110B，統(tǒng)稱為側(cè)壁110，其將孔口板102與隔片106分開。更一般地說，隔片106是襯底。組件100的流體腔112由孔口板102、隔片106和側(cè)壁110限定，以在通過出口 104噴射流體滴之前容納通過入口 108接收的流體。沿隔片106與流體腔112相對地放置壓電執(zhí)行器114。在執(zhí)行器114內(nèi)感生電場，導(dǎo)致執(zhí)行器114物理地變形，這使得隔片106和執(zhí)行器114向腔112彎曲，繼而減小流體腔112的尺寸，因此導(dǎo)致流體滴通過出口 104噴射出。隨后消除電場允許執(zhí)行器114松弛，這使得隔片106和執(zhí)行器114返回未彎曲狀態(tài)。
在圖1中描繪了 X軸116、y軸118和z軸120。x軸116平行于壓電執(zhí)行器114的長度，在圖1中從左指向右。y軸118平行于執(zhí)行器114的寬度，指向圖1的平面。z軸120平行于執(zhí)行器114的高度，在圖1中從下指向上。執(zhí)行器114響應(yīng)執(zhí)行器114內(nèi)的感生電場而產(chǎn)生的物理變形可以導(dǎo)致執(zhí)行器114沿X軸116和沿z軸120收縮，并且沿y軸118膨脹。在圖1中，柔性隔片106包括被安置在壓電執(zhí)行器114任一側(cè)的槽口 122A和122B，統(tǒng)稱為槽口 122。槽口 122允許隔片106沿X軸116更容易地收縮或膨脹。隔片106沿x軸的這種增加的移動減小了沿X軸116對執(zhí)行器114的夾持。如圖1所示，槽口 122未完全穿透隔片106。然而，作為另一例子，槽口 122完全穿透隔片106，在該情形中，可以用柔性密封劑或聚合物膜覆蓋物來密封槽口 122。圖2示出了壓電流體噴射組件100的示例性仰視圖。在圖2中具體描繪了柔性隔片106、入口 108和壓電執(zhí)行器114。執(zhí)行器114包括交叉電極202A和202B，統(tǒng)稱為電極202。電極202被嵌入執(zhí)行器114內(nèi)。在電極202間施加電壓以在執(zhí)行器114內(nèi)感生電場，這導(dǎo)致執(zhí)行器114物理變形。壓電執(zhí)行器114具有平行于X軸116的長度和平行于y軸118的寬度。電極202A具有沿執(zhí)行器114的長度延伸的多個指204A和沿執(zhí)行器114的寬度延伸的條206A，條206A與指204A電連接在一起。同樣，電極202B具有多個指204B以及與指204B電連接在一起的條206B。指204A和204B統(tǒng)稱為指204，條206A和206B統(tǒng)稱為條206。電極202的條206被放置在執(zhí)行器114的相對側(cè)。電極202B的指204B與電極202A的指204A相互交錯，反之亦然。從這個角度來說，電極202B被認(rèn)為與電極202A相互交叉，反之亦然。指202可以彼此等距分隔，以在指202之間的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相同的電場分布，確保執(zhí)行器114均勻變形。圖2還描繪了被統(tǒng)稱為接觸墊片208的接觸墊片208A和208B以及被統(tǒng)稱為導(dǎo)電跡線210的導(dǎo)電跡線210A和210B。導(dǎo)電跡線210A將接觸墊片208A電連接到電極202A，導(dǎo)電跡線210B將接觸墊片208B電連接到電極202B。電壓源212電連接到接觸墊片208，以向電極202提供電壓，并因此在壓電執(zhí)行器114內(nèi)感生電場。還應(yīng)注意，X軸116和y軸118限定的平面平行于隔片106 (即襯底)的表面。如從圖2可見，在電極202和204中間的材料(其是薄膜片材)相比電極202和204占據(jù)此平面更多。在一個例子中，在該平面中薄膜片材的寬度與電極202和204的寬度之比為十比
O圖3詳細(xì)示出了壓電執(zhí)行器114的示例性截面前視圖。此外，在圖3中更詳細(xì)地示出了由虛線圈出的執(zhí)行器114部分。X軸116延伸進(jìn)圖3的平面，并且y軸118在圖3中從左向右延伸。z軸120在圖3中從上向下延伸；因注意，在這方面，圖3中的z軸與圖1的從下向上延伸的z軸不同。執(zhí)行器114包括其中已經(jīng)形成有電極202A和202B的薄膜片材302。作為一個例子，薄膜片材302是厚度不大于10微米的薄膜，而作為另一個例子，片材302是厚度不大于5微米的薄膜。薄膜片材302包括彼此相對的表面316和318。聯(lián)系圖3中用虛線圈出的電極202A來示例性地描述電極202。在圖3的例子中，電極202A從表面316延伸到表面31 8。然而，更一般地，電極202A從表面316朝向表面318延伸。也就是說，作為另一例子，電極202A未到達(dá)表面318，從而使得電極202A的上表面320在表面318的下方。
電極202A包括被統(tǒng)稱為側(cè)表面314的側(cè)表面314A和314B。聯(lián)系側(cè)表面314A來示例性地描述側(cè)表面314。側(cè)表面314A至少基本垂直于隔片106，如上所述，更一般地說，隔片106是襯底。“至少基本垂直”在本文中一般性地表示側(cè)表面314A與隔片106成一角度312，該角度312在70至105度之間，更具體地，側(cè)表面314A與隔片106成一在80至85度之間的角度312。應(yīng)注意，側(cè)表面314A的任何波紋都不影響表面314A的整體方向。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如圖3所示地布置電極202是有利的。具體地，此布置方式在向電極202間施加電壓時，在薄膜片材302內(nèi)提供了更優(yōu)化的電場。首先，在薄膜片材302的x-y平面內(nèi)沿被限定在表面316和表面318之間的片材302的整個高度優(yōu)化地感生出電場。這是因?yàn)殡姌O202從圖3中的表面316延伸到表面318。第二，電場的方向優(yōu)化地主要平行于x_y平面，并且最小程度地垂直于x-y平面。這是因?yàn)殡姌O202具有至少基本垂直于x-y平面的側(cè)表面。圖4詳細(xì)示出了壓電執(zhí)行器114的一部分的另一示例性截面前視圖。在圖4中，與圖3中一樣，電極202的側(cè)表面至少基本垂直于隔片106。然而，在圖4中，電極202從薄膜片材302的表面316朝向薄膜片材318的表面318延伸，但是未延伸到表面318。也就是說，圖4中的電極202未到達(dá)表面318。這與圖3的例子不同，在圖3中，電極202延伸到薄膜片材318的表面318，并因此達(dá)到表面318。圖5比圖3和4更詳細(xì)地示出了壓電執(zhí)行器114的一部分的示例性截面前視圖。在圖5中，與圖3和4中一樣，電極202 的側(cè)表面至少基本垂直于隔片106。在圖5中不例性地描繪了電極202從薄膜片材302的表面316延伸到片材302的表面318 (與圖3中一樣)，或者可以從表面316朝向表面318延伸但未延伸到表面318 (與圖4中一樣)。如圖5所示，可以在電極202(諸如在電極202的側(cè)表面上)上形成金屬層506。金屬層506可以是鉬或其它金屬。金屬層506用于在電極202之間形成薄膜片材302時保護(hù)電極202。例如，電極202可以由鎳形成，在形成薄膜片材302期間鎳潛在地容易與形成薄膜片材302的材料進(jìn)行化學(xué)相互作用。更一般地，金屬層506是導(dǎo)電層，因此也可以是非金屬層，只要它是導(dǎo)電的非金屬層。在圖5中，被統(tǒng)稱為表面電極502的表面電極502A和502B形成在電極202的上表面上。表面電極502有助于將電極202連接到圖2的電壓源212。具體地，表面電極502相比電極202本身或金屬層506更容易連接到圖2的導(dǎo)電跡線210。應(yīng)注意，電極202可以是導(dǎo)電材料(諸如鎳)，或者在一個例子中，電極202是不導(dǎo)電材料，其中電極202被認(rèn)為是電介質(zhì)。在此例子中，電極202可以不導(dǎo)電，其中存在金屬層506 (更一般地說，是導(dǎo)電層)，因?yàn)閷?06本身導(dǎo)電。就是說，當(dāng)電極202上存在層506時，電極202本身不必導(dǎo)電，因?yàn)閷?06導(dǎo)電。表面電極502也導(dǎo)電。然而,如果電極202不導(dǎo)電，則表面電極502必須與層502接觸。在圖5中，介電密封部504形成在薄膜片材302上。介電密封部504保護(hù)薄膜片材302不受在圖1流體噴射組件100中片材302可能暴露于濕氣和流體的影響。介電密封部504是由防止電極202之間發(fā)生電短路(該電短路可以由電解或化學(xué)相互作用造成)的電絕緣材料制成的介電密封部。這種材料的例子包括氧化鋯、氧化鉭和氧化鋁。在圖5的具體例子中，表面電極502完全位于介電密封部504中、薄膜片材302的表面318上。然而，當(dāng)電極202未延伸到薄膜片材302的表面318時，諸如圖4中所描繪的，表面電極502替代地至少部分位于薄膜片材302本身內(nèi)。例如,表面電極502可以完全位于薄膜片材302內(nèi)?；蛘撸∧る姌O502可以部分地位于薄膜片材302內(nèi)，并且部分地位于介電密封部504內(nèi)。圖6示出了制造壓電執(zhí)行器114的示例性方法700。在襯底(諸如柔性隔片106)上首先形成電極202(702)。如已經(jīng)描述的，電極202至少基本垂直于襯底。稍后在詳細(xì)說明中將描述在襯底上制造電極202的兩種不同方案，具體是添加方案和刪減方案?？梢栽陔姌O202上形成金屬層506 (704)。在暴露于電極202間的襯底上不形成金屬層。例如，金屬層可以是鉬。金屬層用于在隨后制造壓電執(zhí)行器114期間保護(hù)電極202并且用作用于確定壓電結(jié)構(gòu)的形成方向的籽晶層。稍后在詳細(xì)說明中將描述可以形成金屬層的一種方案。此外，如上所述，更一般地說，金屬層506是導(dǎo)電層。將壓電材料沉積在至少電極之間的襯底上，以形成薄膜片材302 (706)。例如，所述材料可以是壓電陶瓷材料。其它例子包括鋯鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛鑭。材料被選擇成使得所獲得的薄膜片材302可以響應(yīng)薄膜片材302內(nèi)感生的電場而物理變形，該電場通過在電極202上施加電壓而感生出。稍后在詳細(xì)說明中將描述可沉積材料以形成薄膜片材302的不同方案。將表面電極502至少部分地形成在電極202的上表面上(708)。表面電極502可以是與電極202和/或電極上的金屬層相同或不同的材料，諸如鎳、鉬、金、銅、等等。稍后在詳細(xì)說明中將描述可以形成表面電極502的一個方案。然后，在薄膜片材302上形成介電密封部504 (710)。如上所述，介電密封部的例子包括氧化鋯、氧化鉭和氧化鋁?？梢酝ㄟ^化學(xué)氣相沉積(CVD)、通過除化學(xué)氣相沉積之外的其它沉積技術(shù)或通過除沉積之外的其它成型技術(shù)來形成介電密封部。例如，可使用原子層沉積(ALD)，其是一種CVD。應(yīng)注意，在方法700中，是在形成薄膜片材302前，在襯底上形成電極202。此方案是有利的，因?yàn)樗试S電極202形成有所需的型面，具體是使得電極202具有至少基本垂直于襯底的側(cè)表面。一旦已經(jīng)按需形成電極202，就在相鄰電極202之間形成薄膜片材302。于是，如已經(jīng)描述的，最終電極202有利地從薄膜片材302的表面316朝向片材302的表面318延伸。圖7示出了可在方法700的部分702中在襯底上添加性地形成電極202的示例性方法。在襯底上沉積導(dǎo)電層(802)。導(dǎo)電層用作籽晶層以促進(jìn)隨后的電極202的形成。在導(dǎo)電層上形成圖案化掩膜層(804)。圖案化掩膜層具有與電極202在襯底上的所需位置相對應(yīng)的孔。在這些孔中電化學(xué)沉積導(dǎo)電材料以形成電極202 (806)。在部分802中預(yù)先沉積導(dǎo)電層有助于此電化學(xué)沉積過程。然后去除剩余的圖案化掩膜層(808)，并且去除電極802之間露出的導(dǎo)電層(810 )，諸如通過蝕刻。 圖8A示出了在已經(jīng)示例性執(zhí)行了圖7方法的部分802和804之后形成的壓電執(zhí)行器114。在隔片106上沉積導(dǎo)電層902 (諸如鎳)。在導(dǎo)電層902上形成圖案化掩膜層904。圖案化掩膜層904具有與電極202在襯底上的所需位置相對應(yīng)的孔906。圖案化掩膜層904可以是已經(jīng)被適當(dāng)曝光并利用光刻技 術(shù)顯影的光刻膠，或者可以是另一類型的材料。圖案化掩膜層904的高度與待形成的電極202的所需高度相對應(yīng)。圖8B示出了在已經(jīng)示例性執(zhí)行了圖7方法的部分802、804、806、808和810之后形成的壓電執(zhí)行器114。已經(jīng)在圖8A的圖案化掩膜層904的圖8A的孔906中沉積了導(dǎo)電材料908 (諸如鎳)，之后已經(jīng)去除圖案化掩膜層904。電化學(xué)沉積導(dǎo)電材料908。從而由導(dǎo)電材料908形成電極202。如圖8B所示，一旦已經(jīng)形成電極202，就去除暴露于電極202之間的導(dǎo)電層902。圖9示出了可在方法700的部分702中在襯底上刪減性地形成電極202的示例性方法。在襯底上沉積導(dǎo)電層(1002)。在導(dǎo)電層上形成圖案化掩膜層。圖案化掩膜層具有與襯底上電極202之間的所需空間相對應(yīng)的孔。蝕刻通過孔暴露出的導(dǎo)電層以形成電極202(1006)。然后去除剩余的圖案化掩膜層(1008)。圖1OA示出了在已經(jīng)示例性執(zhí)行圖9方法的部分1002和1004之后形成的壓電執(zhí)行器114。在隔片106上沉積導(dǎo)電層1102 (諸如鎳、鎳釩合金、鉬、銥、釕或其它導(dǎo)電材料)。應(yīng)注意，當(dāng)存在導(dǎo)電層1102時，前面已經(jīng)描述的導(dǎo)電層506不必存在。導(dǎo)電層102的高度與待形成的電極202的所需高度相對應(yīng)。在導(dǎo)電層1102上形成圖案化掩膜層1104。圖案化掩膜層1104具有與隔片106上待形成的電極202之間的所需空間相對應(yīng)的孔。孔1106的寬度和位置與待形成的電極202的上表面之間的空間相對應(yīng)。換言之，圖案化掩膜層1104的寬度和位置與待形成的電極202的上表面保持一致。圖案化掩膜層1104可以是已經(jīng)被適當(dāng)曝光并利用光刻技術(shù)顯影的光刻膠，或者可以是另一類型的材料，諸如氮化硅。

圖1OB示出了在已經(jīng)示例性地執(zhí)行圖9方法的部分1002、1004、1006和1008之后形成的壓電執(zhí)行器114。已經(jīng)蝕刻了通過圖案化掩膜層1104的孔1106暴露出的導(dǎo)電層1102，并且之后已經(jīng)去除了圖案化掩膜層1104。剩余的導(dǎo)電層1102形成電極202。蝕刻的結(jié)果可以是，相比距圖案化掩膜層1104較遠(yuǎn)的導(dǎo)電層1102，距圖案化掩膜層1104較近的導(dǎo)電層1102被蝕刻得更多。這樣，電極202可以具有不嚴(yán)格地垂直于隔片106的側(cè)表面。形成電極202的圖7和9的方法之間的差異，在于圖7的方法是添加性的，圖9的方法是刪減性的。在添加性方法中，在剛好要形成電極202的地方沉積或添加導(dǎo)電材料908，但是不從隔片106去除導(dǎo)電材料908。相反，在刪減性方法中，導(dǎo)電層1102被沉積在整個隔片106上，并且被去除或被刪減，從而使得剩余的導(dǎo)電層1102形成電極202。圖11示出了在圖6的方法700的部分704中在電極202上形成金屬層506的示例性方法。在電極202上以及電極202之間，諸如暴露于電極202之間的襯底上，沉積金屬層506(1202)。在金屬層506上形成圖案化掩膜層(1204)。圖案化掩膜層具有至少與電極202之間的空間相對應(yīng)的孔。圖案化掩膜層還可以具有與電極202的上表面相對應(yīng)的孔。在金屬層506通過圖案化掩膜層中的孔被暴露出的地方去除金屬層506(1206)。然后去除掉剩余的圖案化掩膜層(1208)。如上所述，金屬層506更一般地說是導(dǎo)電層。圖12A示出了在已經(jīng)示例性地執(zhí)行圖11方法的部分1202和1204之后形成的壓電執(zhí)行器114。金屬層506被沉積在電極202之上和之間。如上所述,金屬層506可以是鉬或其它金屬，并且更一般地說是導(dǎo)電層。圖案化掩膜層1304形成在金屬層506上。圖案化掩膜層1304具有與電極202之間的空間相對應(yīng)的孔1306，并且具有與電極202的上表面相對應(yīng)的孔1308。圖案化掩膜層1304可以是已經(jīng)被適當(dāng)曝光并利用光刻技術(shù)顯影的光刻膠，或者可以是另一類型的材料，諸如氮化硅。圖12B示出了在已經(jīng)示例性地執(zhí)行圖11方法的部分1202、1204和1206之后形成的壓電執(zhí)行器114。通過圖案化掩膜層1304的孔1306和1308暴露出的金屬層506已經(jīng)被去除。應(yīng)注意，在圖12B中，在圖案化掩膜層1304末端下的一些金屬層506也已經(jīng)被去除，這是去除金屬層506期間發(fā)生的下部切割產(chǎn)生的結(jié)果。圖13C示出了在已經(jīng)示例性地執(zhí)行圖11方法的部分1202、1204、1206和1208之后形成的壓電執(zhí)行器114。在金屬層506通過掩膜層1304暴露出的地方,金屬層506已經(jīng)被去除，并且已經(jīng)去除了掩膜層1304。結(jié)果是金屬層506還剩余在至少電極202的側(cè)表面上，這是因?yàn)楫?dāng)去除金屬層506的未受保護(hù)部分時這部分金屬層被圖案化掩膜層1304保護(hù)。圖13示出了在圖6的方法700的部分706中形成薄膜片材302的示例性方法?？梢栽陔姌O202之間感生電場(1402)。通過在電極202A和電極202B之間施加電壓來在電極202之間感生電場。在相鄰電極202之間沉積形成薄膜片材302的材料(1404)，并且還可以將該材料沉積在電極202上?？梢园丛S多不同方式實(shí)現(xiàn)這種沉積。例如，可以在高溫(諸如500-700°C)下濺射材料，這增大了材料的離子遷移率，從而形成具有適當(dāng)定向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的薄膜片材302 (1406)。再例如，可以在低溫(諸如25-2000C )下濺射材料，并且之后對該材料進(jìn)行退火和燒結(jié)以增大材料的離子遷移率，從而形成具有適當(dāng)定向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的薄膜片材302 (1408)。又例如，可以在中等溫度(諸如200-500°C)下濺射材料，并且之后對該材料進(jìn)行退火和燒結(jié)以增大材料的離子遷移率，從而形成具有適當(dāng)定向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的薄膜片材302 (1410)。退火和燒結(jié)可以在爐中完成，和/或經(jīng)由快速熱處理過程(RTP)完成，諸如以500-1000°C之間的溫度，優(yōu)選以650-700°C的溫度進(jìn)行。應(yīng)注意，在上一段中描述的溫度范圍是示例性的，并且在其它例子中，可以采用更高或更低的溫度。此外，可以使用除濺射之外的技術(shù)在電極202之間形成薄膜片材302。這類技術(shù)包括氣溶膠沉積、絲網(wǎng)印刷、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積和原子層沉積。其它技術(shù)包括利用激光處理來 提供局部加熱而不加熱襯底本身?？梢栽谝呀?jīng)沉積材料之后且在對材料進(jìn)行退火或燒結(jié)之前在電極202之間感生電場，從而在感生電場的同時對材料進(jìn)行退火或燒結(jié)。再例如，可以在沉積材料之前在電極202之間感生電場，從而仍在感生電場的同時對材料進(jìn)行退火或燒結(jié)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電極之間存在電壓差可在電極202之間更好地形成薄膜片材302。具體地，在薄膜片材302中感生的電場在片材302形成期間促進(jìn)薄膜片材302中的內(nèi)部偶極子對齊。具體地，電場促進(jìn)相鄰電極202之間薄膜片材302沿7軸118 (S卩，至少基本垂直于電極202的側(cè)表面)的極化。當(dāng)薄膜片材302冷卻到其居里溫度以下時，片材302的區(qū)域變得更好地被對齊(即被極化)。因此，薄膜片材302的壓電效率更高。因此在薄膜片材302充分被冷卻之前不去除電場，從而不會導(dǎo)致片材302極化不完全。因此，在薄膜片材形成期間在電極202之間感生電場有助于確保在電極202之間沿圖3的y軸118全面地極化片材302。材料的局部個別區(qū)域可以沿不同和變化的方向定向，但是在薄膜片材302上這些定向的平均整體是沿y軸118的。沿y軸118的極化是有利的，因?yàn)榕c未如此極化薄膜片材302的情形相比這會提供響應(yīng)沿y軸118的給定電場的來自薄膜片材302的d33更大的壓電響應(yīng)。換言之，這種極化相比薄膜片材302未沿y軸118極化的情形可以提供響應(yīng)較低電場的來自薄膜片材302的所需壓電響應(yīng)。不應(yīng)混淆在壓電執(zhí)行器114制造期間的電場感生和制造之后執(zhí)行器114使用期間的電場感生。在前者中，感生電場從而以優(yōu)化材料的極化的方式沉積形成薄膜片材302的該材料。在后者中，感生電場以導(dǎo)致薄膜片材302物理變形，從而例如導(dǎo)致流體滴從包括壓電執(zhí)行器114的流體噴射組件100噴射出。圖14示出了在圖6的方法700的部分708中可以在電極202上形成表面電極502的示例性方法。對薄膜片材302進(jìn)行平坦化(1502)，諸如通過化學(xué)機(jī)械平坦化，以暴露出在形成薄膜片材302時電極202被在方法700的部分706中沉積的材料覆蓋的部分。在薄膜片材302上形成圖案化掩膜層(1504)。圖案化掩膜層具有暴露出電極202的上表面的孔。在圖案化掩膜層的孔中沉積導(dǎo)電材料以形成表面電極502(1506)。導(dǎo)電材料可以是鎳。然后去除圖案化掩膜層(1508)。圖15A示出了在已經(jīng)示例性執(zhí)行圖14方法的部分1502和1504之后形成的壓電執(zhí)行器114。薄膜片材302被平坦化，并且在薄膜片材302上形成圖案化掩膜層1602。圖案化掩膜層1602具有暴露出電極202的上表面的孔1604。圖案化掩膜層1602可以是利用光刻技術(shù)被合適地曝光和顯影的光刻膠，或者它可以是另一類型的材料。圖15B示出了在已經(jīng)示例性執(zhí)行部分1502、1504、1506和1508之后形成的壓電執(zhí)行器114。導(dǎo)電材料已經(jīng)被沉 積在圖案化掩膜層1602的孔1604中，并且之后去除了圖案化掩膜層1602。沉積在孔1604中和剩余在電極202上表面上的導(dǎo)電材料形成表面電極502。圖16示出了基本的示例性流體噴射裝置1700的框圖。流體噴射裝置1700包括控制器1702和壓電流體噴射組件100。控制器1702可被實(shí)現(xiàn)為硬件或者機(jī)器可讀指令與硬件的結(jié)合，并且通過流體噴射組件100以所需方式控制流體滴從裝置1700的噴射。應(yīng)注意，流體噴射裝置1700可以是噴墨打印裝置，其是將墨水噴射到媒質(zhì)(諸如紙)上以在媒質(zhì)上形成可包括文本的圖像的裝置(諸如打印機(jī))。流體噴射裝置1700更一般地是精確地分配流體(諸如墨水、熔化的蠟或聚合物)的流體噴射精確分配裝置。流體噴射裝置1700可以噴射顏料墨水、染料墨水、其它類型的墨水或其它類型的流體。其它類型的流體的例子包括那些具有水性或水溶劑的流體以及那些具有非水性或非水溶劑的流體。然而，可以使用分配基本是液體的流體的任意類型的流體噴射精確分配裝置。因此，流體噴射精確分配裝置是按需滴落裝置，在其中，通過在準(zhǔn)確的具體位置精確地進(jìn)行打印或分配實(shí)現(xiàn)所討論的基本為液體的流體的打印或分配，在被打印或被分配的位置形成或不形成特定圖像。流體噴射精確分配裝置精確地打印或分配基本為液體的流體，后者并非基本上或主要由諸如空氣的氣體組成。這類基本為液體的流體的例子包括噴墨打印裝置中的墨水。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的，基本為液體的流體的其它例子因此包括并非基本上或主要由諸如空氣的氣體或其它類型的氣體組成的藥品、細(xì)胞制品、有機(jī)體、燃料等。最后應(yīng)注意，盡管聯(lián)系作為流體噴射裝置的壓電流體噴射組件的一部分的壓電執(zhí)行器大體描述了一些例子，但是壓電執(zhí)行器不必是流體噴射裝置的壓電流體噴射組件的一部分。例如，已經(jīng)描述的壓電執(zhí)行器可以是并非流體噴射裝置的一部分的壓電流體噴射組件的一部分。此外，已經(jīng)描述的壓電執(zhí)行器甚至可以不是壓電流體噴射組件的一部分或流體噴射裝置的一部分。更一般地，壓電執(zhí)行器可被稱為壓電機(jī)構(gòu)(諸如壓電彎曲構(gòu)件)，其響應(yīng)經(jīng)由在被嵌入執(zhí)行器中的電極上施加電壓而在執(zhí)行器中感生，電場，從而發(fā)生物理變形。這樣，本文描述的壓電執(zhí)行器是一類壓電機(jī)構(gòu)。該壓電機(jī)構(gòu)可進(jìn)一步包括或者是傳感器的一部分。·
權(quán)利要求
1.一種制造壓電機(jī)構(gòu)的方法，包括 在襯底上形成第一電極和第二電極，所述第二電極與所述第一電極相間交叉，所述第一電極和所述第二電極具有至少基本垂直于所述襯底的側(cè)表面； 在所述襯底上以及相鄰的第一電極和第二電極的所述側(cè)表面之間沉積材料以形成薄膜片材，在所述薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的第一表面朝向所述薄膜片材的與所述第一表面相反的第二表面延伸， 其中，所述薄膜片材將響應(yīng)通過在所述第一電極和所述第二電極上施加電壓而在所述薄膜片材中感生的電場物理地變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一電極和所述第二電極被形成在所述襯底上，并且所述材料被沉積在所述襯底上以形成所述薄膜片材，從而使得 沿著與其上形成有所述第一電極和所述第二電極并且其上沉積有所述材料的所述襯底的表面平行的平面，所述薄膜片材相比于所述第一電極和所述第二電極占據(jù)了所述平面的更大部分，并且 沿著所述平面的給定軸線，所述薄膜片材在所述第一和第二電極的側(cè)表面之間被極化并且至少基本垂直于所述第一電極和所述第二電極的側(cè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一電極和所述第二電極的所述側(cè)表面與所述襯底成一角度，該角度在70和105度之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述第一電極和所述第二電極與所述襯底所成的角度在80和85度之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述襯底上以及相鄰的第一電極和第二電極的所述側(cè)表面之間沉積所述材料以形成所述薄膜片材之前，在所述第一電極和所述第二電極上形成導(dǎo)電層，但并不在暴露于所述第一電極和所述第二電極之間的所述襯底上形成導(dǎo)電層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，形成所述導(dǎo)電層包括 在所述第一電極和所述第二電極上并且在暴露于所述第一電極和所述第二電極之間的所述襯底上沉積導(dǎo)電層； 在所述導(dǎo)電層上形成圖案化掩膜層，所述圖案化掩膜層具有與至少所述第一電極和所述第二電極之間的空間相對應(yīng)的孔； 去除所述掩膜層通過所述圖案化掩膜層的所述孔而暴露之處的所述襯底上的所述導(dǎo)電層，由于所述圖案化掩膜層保護(hù)至少在所述第一電極和所述第二電極的所述側(cè)表面上的所述導(dǎo)電層，因此所述導(dǎo)電層剩余在至少所述第一電極和所述第二電極的側(cè)表面上；以及 去除所述圖案化掩膜層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述襯底上沉積所述材料以形成所述薄膜片材包括在所述襯底上沉積所述材料以形成所述薄膜片材，在這一薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的所述第一表面延伸到所述薄膜片材的所述第二表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括至少部分地在所述第一電極和所述第二電極的上表面上形成表面電極，所述表面電極連接到電壓源，通過所述電壓源實(shí)現(xiàn)在所述第一電極和所述第二電極上施加電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，至少部分地在所述第一電極和所述第二電極的上表面上形成所述表面電極包括 對所述薄膜片材進(jìn)行平坦化以暴露所述第一電極和所述第二電極； 在所述薄膜片材上形成圖案化掩膜層，所述圖案化掩膜層具有暴露出所述第一電極和所述第二電極的孔； 在所述圖案化掩膜層的所述孔中沉積導(dǎo)電材料；以及 去除所述圖案化掩膜層，從而使得剩余的所述導(dǎo)電材料形成所述表面電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述襯底上形成所述第一電極和所述第二電極包括 在所述襯底上沉積導(dǎo)電層； 在所述導(dǎo)電層上形成圖案化掩膜層，所述圖案化掩膜層具有與所述第一電極和所述第二電極相對應(yīng)的孔； 在所述孔中電化學(xué)沉積導(dǎo)電材料，從而使得所述導(dǎo)電材料形成所述第一電極和所述第二電極；以及 去除剩余在所述導(dǎo)電層之上的所述圖案化掩膜層， 其中，所述導(dǎo)電層有助于所述導(dǎo)電材料在所述孔內(nèi)的電化學(xué)沉積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述襯底上形成所述第一電極和所述第二電極包括 在所述襯底上沉積導(dǎo)電層； 在所述導(dǎo)電層上形成圖案化掩膜層，所述圖案化掩膜層具有與所述第一電極和所述第二電極之間的空間相對應(yīng)的孔； 對通過所述圖案化掩膜層的所述孔暴露出的所述導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻，從而使得剩余的所述導(dǎo)電層形成所述第一電極和所述第二電極；以及去除剩余在所述導(dǎo)電層之上的所述圖案化掩膜層。
12.—種形成壓電機(jī)構(gòu)的方法,包括 在襯底上形成第一電極和第二電極，所述第二電極與所述第一電極相間交叉，所述第一電極和所述第二電極具有至少基本垂直于所述襯底的側(cè)表面； 在所述第一電極和所述第二電極之間感生出第一電場； 在所述襯底上以及相鄰的第一電極和第二電極的所述側(cè)表面之間沉積材料以形成薄膜片材，在所述薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的第一表面朝向所述薄膜片材的與所述第一表面相反的第二表面延伸，以及 在所述材料已經(jīng)被沉積在所述襯底上之后對所述材料進(jìn)行退火或燒結(jié)， 其中，所述材料中的一種或多種被沉積在所述襯底上并且對所述材料進(jìn)行退火或燒結(jié)，同時在所述第一電極和所述第二電極之間感生所述第一電場， 并且其中，所述薄膜片材將響應(yīng)通過在所述第一電極和所述第二電極上施加電壓而在所述薄膜片材中感生的第二電場物理地變形。
13.—種壓電機(jī)構(gòu),包括 襯底； 所述襯底上的第一電極和第二電極，所述第二電極與所述第一電極相間交叉，所述第一電極和所述第二電極具有至少基本垂直于所述襯底的側(cè)表面；以及所述襯底上的薄膜片材，在所述薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的第一表面朝向所述薄膜片材的與所述第一表面相反的第二表面延伸， 其中，所述薄膜片材將響應(yīng)通過在所述第一電極和所述第二電極施加電壓而在所述薄膜片材中感生的電場物理地變形。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓電機(jī)構(gòu)，其中，所述薄膜片材被極化為至少基本垂直于所述第一電極和所述第二電極的所述側(cè)表面。
15.一種壓電流體噴射組件，包括 具有出口的孔口板，流體滴通過所述出口被噴射出； 隔片，其具有接收流體的入口 ； 將所述孔口板與所述隔片分隔開的多個側(cè)壁； 由所述孔口板、所述隔片和所述側(cè)壁限定的流體腔，以在通過所述出口噴射所述流體滴之前容納通過所述入口接收的所述流體；以及 沿所述隔片布置的壓電執(zhí)行器，所述壓電執(zhí)行器包括 襯底； 所述襯底上的第一電極和第二電極，所述第二電極與所述第一電極相間交叉，所述第一電極和所述第二電極具有至少基本垂直于所述襯底的側(cè)表面；以及 所述襯底上的薄膜片材，在所述薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的第一表面朝向所述薄膜片材的與所述第一表面相反的第二表面延伸，其中，所述薄膜片材將響應(yīng)在所述薄膜片材中感生的電場物理地變形，從而暫時減小所述流體腔的尺寸，以使所述流體滴通過所述出口被噴射出，在所述薄膜片材中感生的電場是通過在所述第一電極和所述第二電極上施加電壓而感生的。
全文摘要
通過在襯底上形成第一電極和第二電極，并且在所述襯底上以及相鄰的第一電極和第二電極的所述側(cè)表面之間沉積材料以形成薄膜片材，來形成壓電執(zhí)行器，在所述薄膜片材中，所述第一電極和所述第二電極從所述薄膜片材的第一表面朝向所述薄膜片材的與所述第一表面相反的第二表面延伸。所述第二電極與所述第一電極相間交叉。所述第一電極和所述第二電極的側(cè)表面具有至少基本垂直于所述襯底。所述薄膜片材將響應(yīng)通過在所述第一電極和所述第二電極上施加電壓而在所述薄膜片材中感生的電場物理地變形。
文檔編號H01L41/047GK103069598SQ201080068874
公開日2013年4月24日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者T.S.克魯斯-烏里貝, P.馬迪洛維奇 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)