薄膜壓電元件、壓電致動(dòng)器、壓電傳感器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和噴墨打印機(jī)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用薄膜壓電材料的薄膜壓電元件；包括薄膜壓電元件的壓電致動(dòng)器 和壓電傳感器；以及包括壓電致動(dòng)器的硬盤驅(qū)動(dòng)器和噴墨打印機(jī)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，使用薄膜壓電材料而非使用塊狀壓電材料的薄膜壓電元件已經(jīng)日益投入 實(shí)際應(yīng)用。例如包括利用了將應(yīng)用到壓電薄膜的力轉(zhuǎn)化為電壓的壓電效應(yīng)的陀螺儀傳感 器、震動(dòng)傳感器、麥克風(fēng)等，利用通過(guò)將電壓施加到壓電膜等而將壓電膜變形的逆壓電效應(yīng) 的致動(dòng)器、噴墨頭、揚(yáng)聲器、蜂鳴器、共振器等。
[0003] 壓電材料薄膜的使用可以減小裝置的尺寸并且由此延伸適用領(lǐng)域，并且還允許許 多裝置在襯底上的批量生產(chǎn)，從而提高了批量生產(chǎn)性。此外，當(dāng)傳感器被制造時(shí)，該傳感器 在性能上具有許多優(yōu)點(diǎn)，諸如靈敏度的改進(jìn)。然而，與塊狀材料相比，薄膜材料對(duì)構(gòu)成元件 的其他層的熱膨脹系數(shù)，膜的物理性質(zhì)諸如楊氏模量、從其他層引入的外部應(yīng)力和由壓電 薄膜所擁有的內(nèi)部應(yīng)力等的壓電特性具有大的影響，并且因此需要不同于用于塊狀材料的 技術(shù)的應(yīng)力控制技術(shù)。因此，通過(guò)用于壓電膜的應(yīng)力控制技術(shù)控制壓電特性的方法變?yōu)樵?設(shè)計(jì)薄膜壓電元件中的重要因素。
[0004] 專利文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2000-113427
[0006] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2011-029591

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 壓電特性的重要因素之一是矯頑電場(chǎng)Ec。矯頑電場(chǎng)Ec表示自發(fā)極化反轉(zhuǎn)的電場(chǎng) 的值，并且極化方向通過(guò)將等于此電場(chǎng)或比此電場(chǎng)高的電場(chǎng)施加到壓電材料開始被反轉(zhuǎn)。 圖1示出典型的壓電元件的極化P與電場(chǎng)E的磁滯曲線和矯頑電場(chǎng)Ec的位置。在利用逆 壓電效應(yīng)，即利用當(dāng)電壓施加于其時(shí)的壓電薄膜的變形的元件中，在與極化方向相同的方 向上獲得高位移。
[0008] 圖2示出典型的壓電元件的變形量X和電場(chǎng)E之間的關(guān)系（以下稱為"蝴蝶曲 線")。圖2揭示了在作為邊界的矯頑電場(chǎng)Ec的變形的方向是反轉(zhuǎn)的。也就是說(shuō)，即使當(dāng)電 場(chǎng)E被增加用于實(shí)現(xiàn)大量的變形X，極化方向在超出矯頑電場(chǎng)Ec的時(shí)刻是反轉(zhuǎn)的，并且在期 望的方向上的變形量X是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，為了實(shí)現(xiàn)大量的變形X，需要具有大的矯頑電 場(chǎng)Ec的壓電元件。
[0009] 用于增大矯頑電場(chǎng)的方法包括改變壓電薄膜的組成的方法、控制由于膜結(jié)構(gòu)的外 部應(yīng)力的方法、通過(guò)控制壓電薄膜的膜沉積條件控制內(nèi)部應(yīng)力的方法等。
[0010] 當(dāng)壓電薄膜的組成被改變以進(jìn)一步增大矯頑電場(chǎng)時(shí)，壓電常數(shù)趨向降低，由此導(dǎo) 致難以實(shí)現(xiàn)位移。當(dāng)外部應(yīng)力通過(guò)施加應(yīng)力控制層等被控制時(shí)，該應(yīng)力控制層包括對(duì)于變 形量通過(guò)控制沉積條件和薄膜的厚度可調(diào)節(jié)的和與壓電薄膜直接或間接接觸以控制壓電 薄膜的變形的量的膜，由于構(gòu)成層的數(shù)量增加，從而增加薄膜壓電元件的制造成本。
[0011] 關(guān)于內(nèi)部應(yīng)力的控制，該應(yīng)力通過(guò)控制膜沉積條件，諸如用于形成壓電薄膜的活 性氣體的分壓、膜沉積速度、所施加的電源的輸出等，并且因此矯頑電場(chǎng)可以增大，但壓電 常數(shù)也可能改變。當(dāng)壓電薄膜包含惰性氣體時(shí)，在壓電薄膜中出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力，但是該惰性氣 體不與構(gòu)成壓電薄膜的組成元素反應(yīng)，對(duì)壓電常數(shù)的變化幾乎不造成影響。然而，內(nèi)部應(yīng)力 可以通過(guò)改變活性氣體等的分壓產(chǎn)生，但構(gòu)成元素的反應(yīng)產(chǎn)物的組成比改變，造成改變壓 電特性的大的影響。
[0012] 為產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，稀有氣體可盡可能大量地被包含在壓電薄膜的內(nèi)部的上 方。然而，含量的增加可降低壓電薄膜的耐壓，并且從而由于泄漏電流的增加降低薄膜壓電 元件的特性。
[0013] 專利文獻(xiàn)1公開了薄膜磁性裝置的屏蔽膜包含作為稀有氣體元素的氬（Ar)，但旨 在增加膜的硬度，以便在制造該裝置的拋光步驟中提高屏蔽薄膜的可加工性。
[0014] 專利文獻(xiàn)2公開了在整個(gè)壓電薄膜之上壓電薄膜均勻地包含低濃度的Ar，以此來(lái) 控制壓電薄膜的內(nèi)部應(yīng)力。
[0015] 本發(fā)明已經(jīng)完成現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題的考慮，并且本發(fā)明的目的是提供一種具有高矯 頑電場(chǎng)的薄膜壓電元件。
[0016] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的薄膜壓電元件包括一對(duì)電極層和夾在所述一對(duì) 電極層之間的壓電薄膜，其中壓電薄膜包含稀有氣體元素并且在壓電薄膜的厚度方向上具 有稀有氣體元素的含量的梯度。也就是說(shuō)，薄膜壓電元件包括具有稀有氣體的含量梯度的 壓電薄膜和使所述壓電薄膜夾在其間的所述一對(duì)電極層，含量最大值位于在厚度方向上的 期望位置。
[0017] 由于壓電薄膜包含稀有氣體，內(nèi)部應(yīng)力可以被引入，并且矯頑電場(chǎng)可以增大。然 而，當(dāng)膜在如上所述的厚度方向上僅僅均勻地包含大量惰性氣體時(shí)，泄漏路徑在壓電薄膜 中產(chǎn)生，從而降低了耐壓并且增加了漏電流。因此，對(duì)于壓電薄膜有必要具有稀有氣體含量 的梯度。
[0018] 在根據(jù)本發(fā)明的薄膜壓電元件中，壓電薄膜具有稀有氣體元素含量，其最大值優(yōu) 選地不位于壓電薄膜的任一電極層側(cè)的界面層。另外，壓電薄膜的稀有氣體元素含量?jī)?yōu)選 地在壓電薄膜的電極層側(cè)的界面層之一中具有最小值。其結(jié)果，稀有氣體含量可以在壓電 薄膜的所述一對(duì)電極膜側(cè)的任一側(cè)的區(qū)域中充分降低，從而抑制在電極層側(cè)上產(chǎn)生泄漏路 徑。
[0019] 如果施加到薄膜壓電元件的電場(chǎng)的方向是固定的，則具有低的稀有氣體含量的區(qū) 域可以僅在電極層側(cè)之一設(shè)置。然而，更優(yōu)選地，當(dāng)電場(chǎng)在兩個(gè)方向上被施加時(shí)，在兩個(gè)電 極層側(cè)的界面層中稀有氣體的含量均低。
[0020] 進(jìn)一步地，當(dāng)電極層側(cè)界面層不包含稀有氣體時(shí)，從雜質(zhì)含量來(lái)看壓電薄膜變得 理想，并且在壓電薄膜中的泄漏路徑的產(chǎn)生可被抑制，從而對(duì)于不具有泄漏電流問(wèn)題的薄 膜壓電元件來(lái)說(shuō)成為優(yōu)選的狀態(tài)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的薄膜壓電元件的壓電薄膜優(yōu)選地由鈣鈦礦鐵電材料組成，其可以產(chǎn) 生較高的壓電特性。特別地，具有比鋯鈦酸鉛（PZT)等小的矯頑電場(chǎng)的鈮酸鉀鈉基壓電薄 膜是優(yōu)選的。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的薄膜壓電元件可以在高壓下被驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榕c通常的薄膜壓電元件相 比，矯頑電場(chǎng)可以增大，并且即使用使用逆壓電效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)大位移。根據(jù)本發(fā)明的壓電 致動(dòng)器包括具有增大的矯頑電場(chǎng)并且可以實(shí)現(xiàn)大的位移的薄膜壓電元件，并且根據(jù)本發(fā)明 的壓電傳感器包括具有增大的矯頑電場(chǎng)的薄膜壓電元件并且可改善檢測(cè)靈敏度。因此，可 提供高性能的硬盤驅(qū)動(dòng)器和噴墨打印機(jī)裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是示出典型的壓電元件的極化P與電場(chǎng)E的磁滯曲線和矯頑電場(chǎng)Ec的位置 的圖。
[0024] 圖2是示出典型的壓電元件的變形量X和電場(chǎng)E之間的關(guān)系（以下稱為"蝴蝶曲 線"）的圖。
[0025] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄膜壓電元件的配置（兩個(gè)壓電薄膜）圖。
[0026] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的薄膜壓電元件的配置（五個(gè)壓電薄膜）圖。
[0027] 圖5是示出在本發(fā)明的示例和比較例的壓電薄膜中的氬含量的圖表。
[0028] 圖6A和6B是根據(jù)本發(fā)明的壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0029] 圖7A至7D是根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
[0030] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的硬盤驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的噴墨打印機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 在下文中參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0033] 在附圖中，相同或相應(yīng)的兀件用相同的標(biāo)識(shí)符表不。另外，垂直和水平位置關(guān)系在 附圖中示出。重復(fù)的描述被省略。
[0034]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的薄膜壓電元件100。薄膜壓電元件100包括 襯底7、設(shè)置在襯底7上的第一電極層5、在第一電極層5上形成的壓電薄膜3,以及在壓電 薄膜3上形成的第二電極層1。
[0035] 例如，具有（100)取向的硅襯底可用作襯底7。例如，襯底7具有200ym以上且 IOOOym以下的厚度。而且，具有的取向不同于（100)取向的硅襯底、絕緣體上硅（SOI)襯 底、石英玻璃襯底，由GaAs等構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體襯底