专利名称：压电致动器及液体喷头的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括压电体及夹持该压电体而配置的一对电极的压电致动器，更具体地，本发明涉及包括作为下部电极的钌酸锶的压电致动器。
背景技术：
压电致动器包括将具有机电换能功能的压电膜夹在两个电极之间的压电元件，并且压电膜由结晶的压电陶瓷构成。作为该压电陶瓷，公知的是具有钙钛矿型晶体结构，并可用化学式ABO3表示的复合氧化物。例如，公知的是将铅(Pb)用作A，将锆(Zr)与钛(Ti)的混合物用作B的锆钛酸铅(PZT)。
以往，一直被用作PZT型压电元件的电极材料的是Pt。Pt由于具有面心立方晶格(FCC)结构这一最密堆积结构，所以自取向性强，因此，若在SiO2那样的非晶材料上沉积，则Pt强烈地在(111)取向上进行取向，从而其上的压电薄膜的取向性也提高。但是，由于取向性很强，所以就有易产生柱状晶体、Pb等易沿着下部基片的晶界扩散的问题。而且Pb与SiO2的粘附性也有问题。
而且，虽然为了改善Pt与SiO2的粘附性而采用Ti、或采用TiN等作为Pb等的扩散阻挡层，但是，这不仅导致了复杂的电极结构，还引起Ti的氧化、Ti向Pt中扩散、和随之而来的PZT的结晶性降低，从而，例如压电特性等的电气性能恶化。
由于Pt电极中有这样的问题，所以，在铁电体存储器等的领域中，正在研究使用例如RuO2和IrO2等的导电性氧化物电极材料。在这些材料中，因为钌酸锶具有与PZT相同的钙钛矿型晶体结构，所以，界面处的粘合性较好，从而易于实现PZT的外延生长，并且还具有作为Pb的扩散阻挡层的优异特性。
但是，当将钌酸锶用作压电元件的下部电极时，构成其下层的物质必须满足作为振动板的物理性质和下述化学性质，即所述化学性质可对钌酸锶的取向进行适当地控制，并确保该物质与衬底和下部电极的粘附性。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电致动器，所述压电致动器包含在将具有(100)取向的钌酸锶用作下部电极时最优的层结构。而且，另一个目的是提供一种具有所述压电致动器的液体喷头。
本发明的压电致动器包括振动板，所述振动板由具有萤石结构的在(100)取向的Si衬底上以立方晶系(100)取向外延生长的氧化钇稳定的氧化锆、CeO2或ZrO2构成；缓冲层，所述缓冲层形成在所述振动板上，由具有层状钙钛矿结构的正方晶系或斜方晶系(001)取向的REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)构成；下部电极，所述下部电极形成在所述缓冲层上，包括具有钙钛矿结构的假立方晶系(100)取向的钌酸锶构成；压电层，所述压电层形成在所述下部电极上，具有菱方晶系(100)取向的钙钛矿结构；上部电极，所述上部电极形成在所述压电层上。
在所述压电致动器中，所述下部电极优选包括至少两层钌酸锶和插入它们之间的铂层或铱层。这样，与只由SRO构成的下部电极相比可以提高韧性，从而可以抑制断裂和裂纹。
在所述压电致动器中，构成所述下部电极的钌酸锶中，至少所述压电层一侧的层优选地具有以SrRuO3表示的组成。这样，可以充分地确保作为下部电极的导电性和压电膜的取向控制。
在所述压电致动器中，所述压电层优选PZT、PMN-PT或PZN-PT。通过这样的压电体，在得到良好压电特性的同时，可以在由钌酸锶构成的下部电极上进行良好的取向控制。
本发明的液体喷头具有上述压电致动器；和压力腔，所述压力腔在所述Si衬底上构成，并且随着所述压电致动器所包括的振动板的振动，其容积可以变化。
本发明的液体喷射装置具有作为液体喷射装置的所述液体喷头。
图1是具有本发明的一个实施方式中的压电致动器的液体喷射装置，即喷墨打印机的结构图；图2是作为液体喷头的喷墨式记录头的分解透视图；图3是对作为根据本发明的制造方法所制造的液体喷头的喷墨式记录头及压电致动器的层结构进行说明的剖面图；图4是示出了本实施方式的压电致动器的制造工序的剖面图；和图5是示出了作为本实施方式的液体喷头的喷墨式记录头的制造工序的剖面图。
具体实施例方式
(喷墨打印机的整体结构)图1是具有本发明的一个实施方式中的压电致动器的液体喷射装置的一个例子，即喷墨打印机的结构图。喷墨打印机主要包括作为本发明的液体喷头的一个例子的喷墨式记录头1、主体2、托盘3、头驱动机构7。
喷墨式记录头1包括墨盒，所述墨盒容纳作为喷射液体的黄、品红、青、黑共计4色的墨水，从而可以进行全色印刷。而且，该喷墨打印机在内部还包括一块专用的控制器板等，所述控制器面板等用来控制喷墨式记录头的喷墨时机及头驱动机构7的扫描。
而且，主体2在其背面设置有托盘3，同时，其内部设置有自动续纸器(自动连续供纸机构)6，用来自动地供给记录用纸5，并从正面的输出口4输出记录用纸5。
(喷墨式记录头的整体结构)图2示出了上述喷墨式记录头的分解透视图。喷墨式记录头1包括压力腔衬底(Si衬底)20、固定在该衬底一个面上的振动板30和固定在该衬底另一个面上的喷嘴板10。所述头1构成随需型(on-demand type)的压电喷头。
压力腔衬底20包括压力腔(腔)21、侧壁(隔板)22、贮液池23及供给口24。压力腔21是为了喷射例如墨水等的液体而将其储存的空间。侧壁22是为了把多个压力腔21彼此分隔开而形成的。贮液池23是将共用的墨水补充给各个压力腔21的流路。供给口24可以将墨水从贮液池23导入各个压力腔21。
喷嘴板10被粘合在压力腔衬底20上，使得所述喷嘴板20的喷嘴11被配置在与压力腔衬底20中所设置的各个压力腔相对应的位置。粘合了喷嘴板10的压力腔衬底20被容纳在盒体25内。
振动板30上设有压电致动器(后述)。振动板30上设有墨水罐口(图中未示出)，从而可将图中未示出的墨水罐中所储藏的墨水提供给贮液池23。
(层结构)图3是对根据本发明的制造方法所制造的液体喷头，即喷墨式记录头及压电致动器的层结构进行说明的剖面图。如图所示，压电致动器是在(100)取向的Si衬底20上层叠振动板30、缓冲层41、下部电极42、压电薄膜43及上部电极44而构成的。
振动板30具有下述功能，即，振动板30随着压电体层的变形而变形，从而瞬间提高压力腔21内部的压力。振动板30由具有萤石结构的以立方晶系(100)取向的氧化钇稳定的氧化锆(yttria-stablized zirconia)、CeO2或ZrO2构成。所述氧化钇稳定的氧化锆、CeO2或ZrO2很容易在(100)Si衬底上以立方晶系(100)取向外延生长，而且也适于使振动板上的缓冲层外延生长。
缓冲层41其自身在振动板30上外延生长，而且还用于使其上的下部电极42外延生长。缓冲层41由REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)构成，并以正方晶系或斜方晶系(001)取向外延生长。而且缓冲层41还具有包括铜和氧的2维网络的层叠结构的层状钙钛矿结构。
下部电极42是用于向压电薄膜层43施加电压的一个电极，并且为了实现作为压力腔衬底20上所形成的多个压电薄膜元件共用的电极的功能，所述下部电极42形成在与振动板30相同的区域。并且，下部电极42可以形成与压电薄膜层43同样的大小，即与上部电极形状相同。下部电极42由导电性金属氧化物，特别是由假立方晶系(100)取向的钌酸锶(SRO)构成。而且，也可以是在两层SRO之间插入了铱层或铂层的结构。通过在两层SRO之间插入了铱层或铂层可以提高韧性，从而可以抑制断裂和裂纹。
SRO具有钙钛矿结构，从而可用Srn+1RunO3n+1(n是1以上的整数)来表示。当n＝1时为Sr2RuO4，当n＝2时为Sr3Ru2O7，当n＝∞时为SrRuO3。当将SRO用作本实施方式中的下部电极时，为了提高导电性及压电薄膜的结晶性，SrRuO3是最优选的。而且，当采用如前所述的在两层SRO之间插入了铱层或铂层的结构时，尤其优选使用SrRuO3作为压电薄膜层一侧的SRO。
压电薄膜层43是具有钙钛矿型晶体结构的压电陶瓷，并以预定的形状形成在下部电极42上。压电薄膜层43的组成优选锆钛酸铅(Pb(Zr、Ti)O3PZT)或铌酸铅镁和钛酸铅的固溶液PMN-PT及铌酸铅锌和钛酸铅的固溶液PZN-PT。而且，其组成并不仅限于此，也可以使用镧改性的钛酸铅((Pb，La)TiO3)、镧改性的锆酸铅((Pb，La)ZrO3)等。PZT等的压电层优选是菱方晶系并且是(100)取向。
上部电极44是用于向压电薄膜层43施加电压的另一个电极，并由具有导电性的材料，如铂(Pt)、铱(Ir)、铝(Al)等构成。在使用铝时，为了防止电蚀还要在其上层叠铱等。
(喷墨式记录头的操作)下面说明上述喷墨式记录头1的操作。在不提供预定的喷出信号也不在压电薄膜元件40的下部电极42和上部电极44之间施加电压的时候，压电薄膜43不产生变形。在设有没有被供给喷出信号的压电薄膜元件40的压力腔21中，不产生压力变化，从而液滴不会从其喷嘴11中喷出。
相反，在提供预定的喷出信号并在压电薄膜元件40的下部电极42和上部电极44之间施加了恒定电压的时候，压电薄膜层43产生变形。在设有被供给了喷出信号的压电薄膜元件40的压力腔21中，其振动板30发生大的弯曲。因此瞬间提高了压力腔21内的压力，从而液滴被从喷嘴11喷出。通过将喷出信号单独提供给在细长头中位于将要进行印刷的位置的压电元件，从而可以印刷想要的文字或图形。
(制造方法)参照图4，结合对作为液体喷头的一个例子的喷墨式记录头的制造工序的描述，说明本实施方式的压电致动器的制造工序。
衬底(S1)本实施方式的压电致动器是将振动板30、缓冲层41、下部电极42、压电薄膜43、上部电极44沉积在如图4(Si)所示的压力腔衬底20上而制成的。压力腔衬底20例如使用直径为100mm、厚度为200μm的(100)取向的硅单晶衬底。
振动板的形成(S2)如图4(S2)所示，通过在(100)Si衬底20上外延生长来形成振动板30，其中，所述振动板30由具有Zr1-xYxO2-0.5x(0≤x≤1)组分的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)或上述CeO2或ZrO2等构成。这样，具有(100)取向的YSZ等的膜就形成了。
YSZ具有2μm以下，例如1μm的厚度。外延形成振动板30的方法除了激光应用法，也可以是分子束外延(MBE)、MOVCD、溅射法等。
缓冲层的形成(S3)如图4(S3)所示，在振动板30上沉积缓冲层41。缓冲层41是将REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)以大约10nm的厚度沉积而成。例如使用激光应用法作为成膜方法。而且该方法并不仅限于此，还可以使用MOCVD法等公知的薄膜制造方法。
下部电极的形成(S4)如图4(S4)所示，在缓冲层41上沉积下部电极42。作为下部电极42，是由上述的SRO、或者SRO/Pt/SRO或SRO/Ir/SRO的层叠结构以约50nm的厚度沉积而成。例如使用激光应用法作为膜沉积方法。而且并不仅限于此，还可以使用MOCVD法等公知的薄膜制造方法。
压电薄膜的形成(S5)继续如图4(S5)所示，在下部电极42上沉积压电薄膜43。在本实施方式中，例如采用溶胶-凝胶法沉积由Pb(Zr0.56Ti0.44)O3组分构成的PZT膜。即，将例如金属醇盐等的金属有机化合物在溶液系统中水解，并进行缩聚，以由此形成压电前驱体膜，其中所述压电前驱体膜是非晶态膜，再通过焙烧使其结晶。
而且，也可以采用MOD(Metal-Organic Deposition，金属有机沉积)法制成由Pb(Zr0.56Ti0.44)O3组分构成的PZT膜。此时，金属醇盐例如可以通过诸如三乙醇胺、二乙醇胺等的链烷醇胺的作用来抑制水解。除了和链烷醇胺的一同使用的金属醇盐之外，不发生水解的金属乙酰丙酮盐同样适于作为MOD法的起始原料。若采用MOD法，沉积工序可以采用与溶胶-凝胶法相同的方法。即，可以利用脱脂工序来形成压电前体膜，再通过焙烧使其结晶。
PZT受SRO下部电极的晶体构造的影响而结晶生长。在本实施方式中，由于PZT沉积在(100)取向的SRO上，所以形成了(100)取向的PZT薄膜。压电薄膜层的厚度例如取0.3μm以上2μm以下。
在由PMN-PT形成压电膜时，其组成是其中晶系是菱方晶系的组成，并且是当向压电体施加电压时能够有效得到场感应弯曲的组成，具体而言，组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x满足0.25≤x≤0.35。尤其优选x＝0.3。
在由PZN-PT形成压电膜时，其组成是其中晶系是菱方晶系的组成，并且是当向压电体施加电压时能够有效得到场感应弯曲的组成，具体而言，组成为(1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3，其中y满足0.035≤y≤0.055时的成分。尤其优选y＝0.045。
PMN-PT、PZN-PT也在SRO上形成呈(100)取向的膜。压电膜的厚度例如取0.3μm以上2μm以下。
上部电极的形成(S6)下面如图4(S6)所示，在压电薄膜43上形成上部电极44。具体地说，作为上部电极44，是由铂(Pt)等以100nm的膜厚通过直流溅射法沉积而成。
(压电致动器的形成)如图5(S7)所示，将压电薄膜43及上部电极44加工成预定的形状，从而形成压电致动器。具体地说，在将光刻胶旋转涂敷在上部电极44上之后，对准将形成压力腔的位置进行曝光·显影从而使光刻胶图案化。将剩下的光刻胶作为掩模，通过离子研磨对上部电极44、压电薄膜43进行刻蚀。通过以上工序，形成了包括压电薄膜元件40的压电致动器。
(喷墨式记录头的形成)如图5(S8)所示，在压力腔衬底20中形成压力腔21。在将(100)取向的Si衬底用作压力腔衬底20时，使用干法刻蚀作为压力腔21的形成方法。没有被刻蚀而剩下的部分成为侧壁22。
最后，如图5(S9)所示，使用树脂等将喷嘴板10粘合在压力腔衬底20上。当喷嘴板10粘合在压力腔衬底20上时，将喷嘴11定位，使其对应于压力腔21的各个空间而配置。通过以上工序，形成了喷墨式记录头。
(其他应用例)本发明可适用于除了上述实施方式以外的各种变形。例如，本发明的压电致动器不仅适用于上述液体喷头，而且可以适用于作为其他的各种致动器，例如诸如STM等的精密定位机构、用于细胞操作的操纵器、用于超声波诊断装置的探针、超声波马达、微型压电泵等。
而且，本发明的液体喷头除了适用于喷墨记录装置所使用的喷墨头以外，还适用于其他各种喷射液体的头，例如喷射含有颜料的液体的头，所述颜料用于液晶显示器等的色彩过滤器的制造；喷射含有电极材料的液体的头，所述电极材料用于形成有机发光显示器、FED(场发射显示器)等的电极；喷射含有生物有机物质的液体的头，所述生物有机物质用于生物芯片的制造，等等。
工业实用性根据本发明，可以提供一种压电致动器，所述压电致动器具有将(100)取向的钌酸锶用作下部电极时最优的层结构。而且，还可以提供一种具有所述压电致动器的液体喷头。
权利要求
1.一种压电致动器，包括振动板，所述振动板由具有萤石结构的在(100)取向的Si衬底上以立方晶系(100)取向外延生长的氧化钇稳定的氧化锆、CeO2或ZrO2构成；缓冲层，所述缓冲层形成在所述振动板上，且由具有层状钙钛矿结构的正方晶系或斜方晶系(001)取向的REBa2Cu3Ox(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)构成；下部电极，所述下部电极形成在所述缓冲层上，由具有钙钛矿结构的假立方晶系(100)取向的钌酸锶构成；压电层，所述压电层形成在所述下部电极上，具有菱方晶系(100)取向的钙钛矿结构；和上部电极，所述上部电极形成在所述压电层上。
2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述下部电极包括至少两层钌酸锶和插入它们之间的铂层或铱层。
3.如权利要求1或2所述的压电致动器，其特征在于，构成所述下部电极的钌酸锶中，至少所述压电层一侧的层具有以SrRuO3表示的组成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的压电致动器，其特征在于，所述压电层是锆钛酸铅、铌酸铅镁和钛酸铅的固溶液、或者铌酸铅锌和钛酸铅的固溶液。
5.一种液体喷头，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的压电致动器；和压力腔，所述压力腔位于所述Si衬底上，并且随着所述压电致动器所包含的所述振动板的振动，其容积可以变化。
6.一种液体喷射装置，其特征在于，包括作为液体喷射部件的如权利要求5所述的液体喷头。
全文摘要
本发明公开了一种压电致动器，具有在将(100)取向的钌酸锶用作下部电极时最合适的层结构。该压电致动器包括振动板(30)，所述振动板(30)由在(100)－Si衬底(20)上外延生长的具有(100)取向的氧化钇稳定的氧化锆、CeO
文档编号B41J2/14GK1579025SQ03801388
公开日2005年2月9日 申请日期2003年5月15日 优先权日2002年5月15日
发明者樋口天光, 岩下节也, 角浩二, 村井正己 申请人:精工爱普生株式会社