专利名称：压电/电致伸缩元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及结构为由压电/电致伸缩层和电极层相互交叉堆积成梳状的层叠压电/电致伸缩元件，一种制造压电/电致伸缩元件的方法，具有上述层叠压电/电致伸缩元件的压电/电致伸缩器件以及制造这种压电/电致伸缩器件的方法。
背景技术：
诸如使用压电/电致伸缩层的制动器元件或传感器元件的压电/电致伸缩器件的通过如下所述进行制备。例如，通过印刷的方法在陶瓷衬底上形成由第一电极层制成的线路图。进一步通过印刷的方法在其上形成陶瓷压电/电致伸缩层，然后通过烧结使该层固定。之后，形成由另外的电极层制成的线路图。
压电/电致伸缩器件可以用作制动器元件，其中通过对线路图提供电信号以在压电/电致伸缩层上施加电场，这导致压电/电致伸缩层发生位移。这种器件也可以用作传感器元件。在传感器元件中，根据施加在压电/电致伸缩层上的压力而产生的电信号从线路图输出(例如参见专利文件1)。专利文件1日本专利2001-210887号公报发明内容本发明所解决的问题生产这样的压电/电致伸缩器件的过程包括切割步骤，使用金刚石切刀之类切割加工件以形成众多小块，并除去不需要的部分。
在切割过程中，由于压电/电致伸缩层和陶瓷衬底是高硬度的，其会被沿着切割线整齐地切断。但是，电极层中含有硬度低于陶瓷的金属，因此电极层很难沿着切割线被切断，并易于产生毛刺。
当电极上施加电压时，易于在毛刺的尖端产生放电。放电导致产生过量电流，或者其等离子体会击穿部分压电/电致伸缩层。如果毛刺过长，还可能导致相对的电极层之间的短路。
为了解决上述问题，有必要去除已经形成的毛刺。除刺工序包括对压电/电致伸缩层切割表面进行抛光的工序和选择性蚀刻部分电极层的工序。
但是，抛光工序倾向于提高制造成本。如果电极材料是抗腐蚀材料，例如铂的话，蚀刻工序也会有问题，这就很难对电极材料进行蚀刻。
基于上述的问题，进行了本发明。本发明的目的之一是提供不易于在电极层的尖端产生放电的和能够防止在相对的电极面之间产生短路的压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件。
本发明的另一目的是提供生产压电/电致伸缩元件的方法和生产压电/电致伸缩器件的方法，这些方法能够便利地生产不易于在电极层的尖端产生放电的和能够防止在相对的电极面之间产生短路的压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件。
解决问题的方法根据本发明的压电/电致伸缩元件具有压电/电致伸缩层和电极层堆积成相互交叉的梳状的结构。电极层的每个端部从层叠的压电/电致伸缩层和电极层所所位于的侧表面上压电/电致伸缩层的端面上向外突出，且端部从端面向外突出的距离小于等于电极层之间的压电/电致伸缩层的厚度的一半。
根据本发明的压电/电致伸缩器件至少包括位于陶瓷衬底上层叠的压电/电致伸缩元件，压电/电致伸缩元件具有由压电/电致伸缩层和电极层堆积成相互交叉的梳状的结构，电极层的端部从层叠的压电/电致伸缩层和电极层所位于的侧表面上的压电/电致伸缩层的端面上向外突出，且端部从端面向外突出的距离小于等于电极层之间的压电/电致伸缩层厚度的一半。
由于电极层的端部从层叠的压电/电致伸缩层和电极层所位于的侧表面上的压电/电致伸缩层的端面上向外突出，即使有物体接触到压电/电致伸缩元件的侧表面，也仅是电极的突出端发生弹性变形，压电/电致伸缩层上也不会有颗粒的剥落。
由于电极层的端部是从压电/电致伸缩层的端面向外突出，压电/电致伸缩层从电极层上收缩回来，这样，即使在压电/电致伸缩元件的侧表面上发生放电，放电也不会影响压电/电致伸缩层，从而防止了由于放电的影响而产生的击穿和散射(scattering)。
特别的，如果位于电极层之间的压电/电致伸缩层的表面是凹面的，电极层之间的压电表面的距离将增加以抑制压电/电致伸缩元件侧表面上的绝缘破裂。
但是，如果电极层的端部过于向外突出，当有物体接触到压电/电致伸缩元件的侧表面，电极层会发生变形，这将缩短电极层之间的距离，使得放电易于发生。
如果电极层的端部不从压电/电致伸缩元件的侧表面向外突出，或者突出的距离很短，在组装后的热处理中，则会在压电/电致伸缩层和电极之间形成小的间隙。如果有灰尘颗粒进入这些间隙，将很难被清除，会造成地漏(groundleakage)。如果装配中由超声波清理来清除所进入的灰尘颗粒，就会在间隙中产生空穴，易于造成压电/电致伸缩层和电极层相互脱离。
根据本发明，由于端部从端面向外突出的距离小于等于电极层之间的压电/电致伸缩层的厚度的一半，即使有物体接触到压电/电致伸缩元件的侧表面，电极层也不易于变形，电极层之间的距离也不会变短。在电极层和压电/电致伸缩层之间不会产生间隙，几乎没有任何灰尘颗粒进入。因此上述问题也就不会发生。
根据本发明，由于端部从端面向外突出的距离小于等于电极层之间的压电/电致伸缩层的厚度的一半，在电极层的端部不易于发生放电，也防止了电极层之间发生的短路。
在上述的设计中，该距离优选为在0.5μm～2μm的范围。电极层可以包括金属陶瓷。
根据本发明，制造具有压电/电致伸缩层和电极层堆积成相互交叉的梳状结构的压电/电致伸缩元件的方法包括将宽的压电/电致伸缩层和窄的电极层堆积成相互交叉的梳状的步骤，将这些层烧结成压电/电致伸缩元件块的步骤，将压电/电致伸缩元件块切割成多个压电/电致伸缩元件的步骤，和对压电/电致伸缩元件进行热处理的步骤。压电/电致伸缩元件在热处理温度下经历一定时间的热处理，其中热处理的温度和时间由电极层中所含金属的变形所依从的临界曲线、电极层中所含金属的破裂所依从的临界曲线或者压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线所包围的区域来确定。
根据本发明，制造至少具有在陶瓷衬底上层叠的压电/电致伸缩元件，且压电/电致伸缩元件具有压电/电致伸缩层和电极层堆积成相互交叉的梳状结构的压电/电致伸缩器件的方法，包括将宽的压电/电致伸缩层和宽的电极层在陶瓷衬底上堆积成相互交叉的梳状的步骤，将此装配物烧结成压电/电致伸缩器件块的步骤，将压电/电致伸缩器件块切割成多个压电/电致伸缩器件的步骤，和将压电/电致伸缩器件的压电/电致伸缩元件进行热处理的步骤。压电/电致伸缩元件在热处理温度经历一定时间的热处理，其中热处理温度和时间由电极层中所含金属的变形所依从的临界曲线和电极层中所含金属的破裂所依从的临界曲线或者压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线所包围的区域来确定。
电极层中所含金属的变形所依从的临界曲线是由测量过程的结果得到的，测量过程是使用SEM(扫描电子显微镜)在大于等于1000倍的放大条件下，比较热处理前和热处理后的电极层以确定金属是否变化。压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线的定义如下。当压电/电致伸缩层在大气中处于高温环境时，压电/电致伸缩层中易于挥发的成分，例如PZT(锆钛酸铅)中的Pb会挥发，其结果是压电/电致伸缩层的组成发生改变。如果压电/电致伸缩层在此状态下是稳定的，PZT以外的相(异相)会由于成分的变化而析出。因此，当压电/电致伸缩层分解时就会发生异相的析出。根据本发明，存在一个上限，低于此上限不发生异类相的析出，这种上限就是“压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线”。如果压电/电致伸缩层发生分解并有异相析出，则压电/电致伸缩层的特征值低。因此，优选压电/电致伸缩层不应分解的。
优选在一定温度下对压电/电致伸缩元件进行一定时间的热处理，其中已经进行了热处理的电极层具有这样的结构电极层的各自端部从层叠的压电/电致伸缩层和电极层所位于的侧表面上的压电/电致伸缩层的端面上向外突出，且端部从端面向外突出的距离小于等于电极层之间的压电/电致伸缩层的厚度的一半。特别的，优选在一定温度下进行一定时间热处理的压电/电致伸缩元件的上述突出距离的范围是0.5μm～2μm。
通过上述方法，易于制造不易在电极的尖端发生放电的和防止相对的电极层之间发生短路的压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件。
在将压电/电致伸缩元件块切割成多个压电/电致伸缩元件后，对压电/电致伸缩元件进行热处理，或者在将压电/电致伸缩器件块切割成多个压电/电致伸缩器件后，对压电/电致伸缩器件的压电/电致伸缩元件进行热处理。这样，电极的表面是光滑的，没有毛刺或者毛刺减少。
由于压电/电致伸缩层的晶态被热处理所恢复，热处理前形成的微裂纹能够基本被消除。而且在加工的表面(压电/电致伸缩层和电极层的切割表面)上残留的加工应力也得到消除，从而提高了压电/电致伸缩元件或压电/电致伸缩器件的特性和可靠性。
图1是根据本发明实施方式的压电/电致伸缩器件的透视图。
图2是根据本发明实施方式的压电/电致伸缩器件的压电/电致伸缩元件的放大图。
图3是图2中沿III-III线的断面图。
图4是图3中的局部放大图。
图5是根据第1次修改的压电/电致伸缩器件的压电/电致伸缩元件的放大图。
图6是根据第2次修改的压电/电致伸缩器件的压电/电致伸缩元件的放大图。
图7是对所需陶瓷毛坯板进行层叠的过程示意图。
图8是陶瓷毛坯板层叠成陶瓷毛坯层叠体的方法的示意图。
图9是将陶瓷毛坯层叠体烧结到陶瓷层叠体状态的示意图，在此状态之后，烧结的压电/电致伸缩元件块在陶瓷层叠体上形成(形成压电/电致伸缩器件块的状态)。
图10是根据本实施方式热处理条件的特征图。
图11是发明实施例1(热处理条件600℃，5小时)的电极层的端部和压电/电致伸缩层的端部的形状的特征图。
图12是发明实施例1(热处理条件1000℃，10分钟)的电极层的端部和压电/电致伸缩层的端部的形状的特征图。
图13是第1特例的压电/电致伸缩器件的正视图。
图14是第2特例的压电/电致伸缩器件的正视图。
图15是第3特例的压电/电致伸缩器件的正视图。
具体实施例方式
以下参照图1～15说明根据本发明压电/电致伸缩元件、压电/电致伸缩元件的制造方法、压电/电致伸缩器件和压电/电致伸缩器件的制造方法的实施方式。
本实施方式的压电/电致伸缩器件10包括能将电能和机械能相互转换的压电/电致伸缩元件。因此，压电/电致伸缩器件10最优选作为主动元件，例如各种制动器和振动器，特别适合于使用相反的压电效应和电致伸缩效应的位移元件。而且，压电/电致伸缩器件10还优选作为被动元件，例如加速传感器元件和振动传感器元件。
如图1所示，本实施方式的压电/电致伸缩器件10具有陶瓷衬底16，其上拥有一对相对的薄板部分12a和12b，以及用来支撑薄板部分12a和12b的固定部分14。压电/电致伸缩元件18a和18b分别形成于一对薄板部分12a和12b上之，薄板部分12a和12b分别被压电/电致伸缩元件18a和18b占据了部分表面。
在压电/电致伸缩器材10上，这对薄板部分12a和12b根据压力电致元件18a和18b的驱动来产生位移，或者薄板部分12a和12b的位移由压电/电致伸缩元件18a和18b进行检测。这样，如图1中所表示的器件，制动部分19a和19b由薄板部分12a和12b和压电/电致伸缩元件18a和18b所构成。因此，这对薄板部分12a和12b就作为可以产生振动的振动部分来使用，并由固定部分14所支撑。
这对薄板部分12a和12b的每个末端部分是向内的厚壁状，这个厚壁状部分被用作可以运动的部分，其根据薄板部分12a和12b的位移也产生位移。这对薄板状部分12a和12b的末端部分还用作能夹住和抓住外来物体的物体附着部位。以下称薄板部分12a和12b的末端部分为为可动部分20a和20b。
在可动部分20a和20b相对的端面34a和34b之间可以设置一个间隔(空气)36。可以选择的是，尽管图中未显示，可以在端面34a和34b之间设置与可动部分20a和20b的结构材料相同或者不同的材料制成的多个物体。通过这样的设计，对应可动部分20a和20b相对的端面34a和34b可以用作接触面34a和34b。
可动部分20a和20b也可以不是图1中所示的结构，可以是图13所示的结构，其中薄板部分12a和12b的末端部分并不厚，实际上与薄板部分12a和12b的中间部分的厚度相同。
陶瓷衬底16是陶瓷层叠体。例如数个陶瓷毛坯板层叠在一起并被烧结成陶瓷层叠体。这将在后面进行说明。
如上所述的整合陶瓷体很少随着时间发生改变，因为各部分的连接并不采用粘结。这样各连接部分的可靠性高，这样的结构可以有利于确保刚性。进一步，这样的整合陶瓷体可以由后面所述的陶瓷毛坯板层叠方法简单地生产。
如后所述，在陶瓷衬底16分别制备压电/电致伸缩元件18a和18b，并通过形成薄膜的方法直接形成在陶瓷衬底16上。
每个压电/电致伸缩元件18a和18b包含压电/电致伸缩层22和一对形成于压电/电致伸缩层22的两侧上的电极层24和26构成。这一对电极层24和26中的电极层24至少在成对的薄板部分12a和12b的每一个上形成。
在本发明的实施方式中，压电/电致伸缩层和成对的电极层24和26的每一层均是多层结构的。电极层24和电极层26交替堆积的，这在断面上形成梳子的形态，电极层24和电极层26相互层叠，将压电/电致伸缩层22介于电极层之间。其结果是，压电/电致伸缩元件18a和18b由多级构成，形成多层结构。但本发明并不限定于上述多层结构，在本发明中也可以使用单层的结构。
在图2的放大图中，每个压电/电致伸缩元件18a和18b包括了具有4层结构的压电/电致伸缩层22(第1到第4层分别为压电/电致伸缩层22A到22D)。
特别的，第1线路图50被实质上连续地置于陶瓷衬底16上的薄板部分12a、12b、可动部分20a、20b和固定部分14的侧面。第1线路图50在固定部分14的侧面上并被空气隔断40所分隔，形成24A部分(电极层24的一部分)和另一部分26A(另一电极层26的一部分)。
空气隔断40中填充了作为在第1线路图50中绝缘区域44的绝缘层42。
电极层24是由第1线路图50的24A部分、设置在第1压电/电致伸缩层22A上表面的第2线路图24B和设置在第3压电/电致伸缩层22C上表面的第4线路图构成的梳状结构。
另一电极层26是由第1线路图50的26A部分、设置在第2压电/电致伸缩层22B上表面的第3线路图26B和设置在第4压电/电致伸缩层22D上表面的第5线路图26C构成的梳状结构。
终端28设置在第1线路图50的24A部分、第2线路图24B和第4线路图24C层叠的区域的上表面，另一终端30设置在第5线路图26C的一端，26C位于最上一层。
绝缘区44的优势在于(1)它在压电/电致伸缩元件18a和18b的后端部分46(从空气隔断40的后端到固定部分14的后端的部分)并不使制动器活动(energize)，(2)在终端28的端部不易于发生短路。
如图2所示，根据本发明实施方式的压电/电致伸缩器件10的第1线路图50是一个三层的结构。
具体而言，第1线路图50中，由衬底材料的金属陶瓷和电极材料制成的第1层140被直接置于在陶瓷衬底16上，由电极材料制成的第2层142被置于第1层140上，由压电/电致伸缩材料的金属陶瓷和电极材料制成的第3层144被置于在第2层142上。
进一步，根据本发明的实施方式，位于最表面的另一电极层26的第5线路图26C，由电极材料的树脂酸盐构成。被置于压电/电致伸缩元件18a和18b上的电极层的线路图(第2到第4线路图24B、26B和24C)通过对包括电极材料和压电/电致伸缩材料的金属陶瓷薄膜进行烧结来制造，并且烧结后的第2到第4线路图24B、26B和24C具有各自的导电部分，导电部分的面积大于等于线路图24B、26B和24C的面积的80％。
在这样的设计中，电极材料和压电/电致伸缩材料的体积比优选为4∶6到9∶1，因为第2到第4线路图24B、26B和24C必须为导体层。
如图3和图4所示，根据本实施方式的压电/电致伸缩器件10的压电/电致伸缩元件18a和18b中，电极层24和26的端部24a和26a分别从压电/电致伸缩层22的端面22a向外突出，其中压电/电致伸缩层22位于侧表面150，其中侧表面150是压电/电致伸缩层22和电极层24的层叠结构所面对的。端部24a和26a从端面22a向外突出的距离t等于或小于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22的厚度Ld的一半。突出距离t优选的范围是0.5～2μm。
因此，本发明实施方式具有以下的优势。由于电极层24和26的端部24a和26a分别从压电/电致伸缩层22的端面22a向外突出，其中压电/电致伸缩层22位于侧表面150，其中侧表面150是压电/电致伸缩层22和电极层24的层叠结构所面对的，因此即使有物体进入并接触到压电/电致伸缩元件18a和18b的侧表面，也仅有电极层24和26的突出端部24a和26a发生弹性形变，而不会有颗粒从压电/电致伸缩层22上剥落(不会产生因冲击而引起颗粒剥落)。
由于电极层24和26的端部24a和26a从压电/电致伸缩层22的端面22a向外突出，压电/电致伸缩层从电极层24和26缩回，既使在压电/电致伸缩元件18a和18b的侧表面上发生放电，放电也不会影响压电/电致伸缩层22，从而防止了放电引起的击穿和散射(scattering)。
特别的，由于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22的表面是凹形的，沿着在电极层24和26之间的压电表面距离的增加抑制了压电/电致伸缩元件18a和18b侧表面上发生的绝缘击穿。
但是，如果电极层24和26的端部24a和26a向外过于突出的话，当有物体进入并接触压电/电致伸缩元件18a和18b的侧表面时，电极层24和26会发生变形，这缩短了电极层24和26之间的距离，进而易于发生放电。
如果电极层24和26的端部24a和26a不从压电/电致伸缩元件层22的端面22a向外突出，或者突出距离t很短，则会在装配后的热处理中在压电/电致伸缩层22和电极层24和26之间形成小的间隙。如果有灰尘颗粒进入这些间隙中，就很难被清除，这会造成底面泄漏(ground leakage)。如果装配中由超声波清理来清除收纳的灰尘颗粒，就会在间隙中产生空穴，易于造成压电/电致伸缩层22和电极层24和26相互脱离。
根据本发明，由于端部24a和24b从端面22a向外突出距离t小于等于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22的厚度Ld的一半，即使有物体碰到了压电/电致伸缩元件18a和18b的侧表面，电极层24和26不易于变形，电极层24和26间的距离也不会变短。在电极层24和26和压电/电致伸缩层22之间不会产生间隙，这样就很难有任何灰尘颗粒能够进入。因此上述问题也就不会发生。
根据本发明实施方式，由于端部24a和26a从端面22a向外突出距离t小于等于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22的厚度Ld的一半，因此在电极层24和26的端部24a和26a不易发生放电，这也防止了电极层24和26之间短路的发生。
根据上述实施方式，第1线路图50的24A和26A部分之间的空气隔断40被填充了绝缘层42，后者要厚于第1层140。但是在如图5所示的第1次修改的压电/电致伸缩器件10a中，空气隔断40中填充了绝缘层152，其厚度与第1层140的厚度相同并且大于空气隔断40。
可以选择的是，在如图6所示的第2次修改的压电/电致伸缩器件10b中，空气隔断中仅有空气，而不进行填充。
以下，说明本实施方式的压电/电致伸缩器件10的各主要组成部分。
如上所述，可动部分20a和20b是基于薄板部分12a和12b的驱动量来运行的。根据压电/电致伸缩器件10的应用，在可动部分20a和20b之间可以附加各种物体。例如当压电/电致伸缩器件10被作为位移元件来使用时，则会附加用于遮蔽光线的盾状板之类的物体。特别是，如果压电/电致伸缩器件10被用于硬盘驱动器的磁头的定位时，或者用于环压机(ringing-suppressingmechanism)时，会附加包括磁头、与磁头一起的滑块和与滑块一起的悬架等这些需要被定位的物体。
如上所述，固定部分14支撑薄板部分12a和12b和可动部分20a和20b。例如，当压电/电致伸缩器件10用于定位上述的硬盘驱动器的磁头时，固定部分14被用来支持或者保护例如连接到VCM(音圈马达)的机械臂或者连接到机械臂的悬架或固定板。因此，整个压电/电致伸缩器件10是被固定的。而且，如图1所示，终端28、30和其它用于驱动压电/电致伸缩器件10的物体也可以设置在固定部分14上。
对于可动部分20a、20b和固定部分14的材质没有特别限定，只要材料具有一定的刚性。但是优选使用如上所述的可以应用于陶瓷毛坯板层叠方法的陶瓷。
具体而言，可以使用的材料包含的主要成分是，例如完全稳定化的氧化锆或部分稳定化的氧化锆、氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝或者氧化钛。而且，也可以使用含有上述化合物的混合物作为主要成分的物质。但是，从高硬度和高机械强度的角度考虑，特别优选使用含有完全稳定化的氧化锆作为主要成分，或者部分稳定化的氧化锆作为主要成分的材料。
如上所述，薄板部分12a和12b由压电/电致伸缩元件18a和18b的位移来驱动。每一薄板部分12a和12b具有高弹性的薄板状。薄板部分12a和12b放大了设置在表面的压电/电致伸缩元件18a和18b的扩展位移和收缩位移，并将弯曲的位移传导到可动部分20a和20b。因此，根据弹性和机械强度来选择薄板部分12a和12b的形状和材料质量，使得不因弯曲而破裂。也可以考虑可动部分20a和20b的响应特性和可操控性来适当地选择薄板部分12a和12b的形状和材料质量。
可以优选使用与可动部分20a和20b和固定部分14的陶瓷材料相似的陶瓷材料来制作薄板部分12a和12b。更加优选使用以完全稳定化的氧化锆作为主要成分的材料或者以部分稳定化的氧化锆为主要成分的材料，因为既使由其形成薄壁形状也具有高机械强度，高硬度，并且与压电/电致伸缩层和电极材料的反应性低。
完全稳定化的氧化锆和部分稳定化的氧化锆优选按照如下的完全稳定化和部分稳定化工序。可以完全和/或部分稳定氧化锆的化学化合物包括氧化钇、氧化镱、氧化铈、氧化钙和氧化镁。氧化锆可以由上述至少一种化合物进行稳定化，或由上述化合物的组合进行稳定化。
所需化合物的添加量为，例如如果是氧化钇或氧化镱则为1～30mol％，优选1.5～10mol％，如果是氧化铈则为6～50mol％，优选8～20mol％，如果是氧化钙或氧化镁则为5～40mol％，优选5～20mol％。其中，特别优选氧化钇作为稳定剂，这时，优选氧化钇的添加量为1.5～10mol％，更加优选2～4mol％。还可以添加例如氧化铝、氧化硅和/或过渡金属的氧化物作为烧结助剂之类，添加量为0.05～20重量％。但是，当通过薄膜形成的方法烧结成一体的方法形成压电/电致伸缩元件18a和18b时，优选添加例如氧化铝、氧化镁和/或过渡金属的氧化物作为添加剂。
为了获得高机械强度和稳定的晶体相，需要氧化锆的平均晶粒粒径在0.05～3μm，优选0.05～1μm。如上所述，与可动部分20a、20b和固定部分14相似的陶瓷材料可以用于薄板部分12a和12b，但还是优选使用实质上相同的材料来制造薄板部分12a和12b。这样的优势在于提高连接部分的可靠性和增强压电/电致伸缩器件10的强度并降低了生产的复杂程度。
每一压电/电致伸缩元件18a和18b至少具有一层压电/电致伸缩层22和一对电极层24和26，电极层24和26用来给压电/电致伸缩层22施加电场。压电/电致伸缩元件18a和18b元件18a和18b可以单片(unimorph)形式或双片(bimorph)形式来使用。但是与薄板部分一起使用的单片(unimorph)形式的压电/电致伸缩元件18a和18b，在产生的位移量方面表现出优异的稳定性，而且在降低器件的重量方面具有更多的优势。因此单片(unimorph)形式的压电/电致伸缩元件更适合用于压电/电致伸缩器件10。
优选压电/电致伸缩元件18a和18b在如图1所示的薄板部分12a和12b的侧表面上形成，因为这样可以更顺利地驱动薄板部分12a和12b。
优选使用压电陶瓷材料于压电/电致伸缩层22。也可以使用电致伸缩陶瓷材料、铁电陶瓷材料和反铁电陶瓷材料。如果，例如压电/电致伸缩器件用于定位硬盘驱动器的磁头时，优选使用具有小应变磁滞的压电材料和/或矫顽电场不超过10kV/mm的材料，因为保持可动部分20a和20b的位移量和驱动电压或输出电压之间的线性规律是重要的。
具体而言，压电材料可以包括锆酸铅、钛酸铅、铌酸铅镁、铌酸铅镍、铌酸铅锌、铌酸铅锰、锡酸铅锑、钨酸铅锰、铌酸铅钴、钛酸钡、钛酸钠铋、铌酸钾钠和钽酸锶铋。可以使用这些材料中的一种或多种适当的混合物。
特别是，优选使用包含有锆酸铅、钛酸铅或铌酸铅镁为主要成分的材料，或者包含以钛酸钠铋为主要成分的材料，因为这些材料具有高的机电耦合系数和高的压电常数。而且，当压电/电致伸缩层22被烧结时，这些材料与薄板部分(陶瓷)12a和12b之间的反应性小，因而可以获得具有稳定成分的器件。
在这些压电材料中，可以添加以下一种或者多种的混合物，例如镧、钙、锶、钼、钨、钡、铌、锌、镍、锰、铈、镉、铬、钴、锑、铁、钇、钽、锂、铋和锡。
例如，当作为主要成分的例如锆酸铅、钛酸铅和铌酸铅镁中含有镧和/或锶时，矫顽电场和压电特性是可以调节的。
不希望添加例如能形成玻璃的二氧化硅。如果添加了诸如二氧化硅的材料，会导致在压电/电致伸缩层22的热处理中与压电/电致伸缩材料发生发应，结果会引起成分的改变，压电特性变差。
压电/电致伸缩元件18a和18b成对的电极层24和26由在室温下为固体的且具有优异导电性的金属制成。可以用于电极层对24和26的材料包括诸如铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、铌、钼、钌、钯、铑、银、锡、钽、钨、铱、铂、金和铅等金属及其合金。而且，还可以优选使用通过将与压电/电致伸缩层22或薄板部分12a和12b相同的材料分散于上述的一种金属或合金中而获得的金属陶瓷材料。
根据形成压电/电致伸缩层22的形成方法来选择压电/电致伸缩元件18a和18b的电极层24和26的材料。例如，在薄板部分12a、12b上边形成电极层24之后，在电极层24上烧结形成压电/电致伸缩层22时，对于电极层24就必须使用高熔点金属，其在压电/电致伸缩层22的烧结温度不发生改变。高熔点金属包括铂、钯、铂-钯合金和银-钯合金。但是，最外层电极是在形成压电/电致伸缩层22之后在压电/电致伸缩层22上形成的，可以在相对较低的温度下形成，因此，对于最外层电极可以使用低熔点金属，例如铝、金和银。
电极层24和26的厚度可以是降低压电/电致伸缩元件18a和18b的位移的因素。因此，特别是对于在压电/电致伸缩层22烧结之后形成的电极，优选使用包括结树脂酸金糊、树脂酸铂糊和树脂酸银糊的有机金属糊，通过烧结获得致密的厚膜。
本实施方式中的压电/电致伸缩器件10可以适用于各种传感器，包括超声波传感器、加速传感器、角速率传感器、振动传感器和质量传感器。本实施方式中的压电/电致伸缩器件10还有其它的优势，因为可以通过改变在端面34a和34b或者薄板部分12a和12b所接触的物体的尺寸来简便地调整传感器的灵敏度。
关于制造压力电致器件10的方法，可以使用包括上述的丝网印刷的方法，以及例如浸渍、涂覆和电泳的厚膜形成方法，还有例如粒子束法、溅射法、真空沉积、离子镀法、化学气相沉积(CVD)和进行镀层的方法，在陶瓷层叠体60的表面上形成压电/电致伸缩元件18a和18b。
当使用上述方法中的一种形成压电/电致伸缩元件18a和18b时，压电/电致伸缩元件18a和18b和薄板部分12a和12b可以连接在一起并形成集成体而不需要任何粘结剂。这样可以保证器件的可靠性和灵敏度，并可以加速集成的过程。
本实施方式中，优选压电/电致伸缩元件18a和18b通过厚膜形成方法来形成，原因如下。当使用厚膜形成方法来特别形成压电/电致伸缩层22时，可以使用包含有平均粒径为0.01～5μm，优选0.05～3μm的作为压电陶瓷主要成分的晶粒或粒子的糊、浆、悬浊液、乳浊液或者溶胶。当对如上所述获得的膜进行烧结时，可以获得良好的压电/电致伸缩特性。
电泳法因其可形成高密度和高形状精度的膜而具有优势。丝网印刷法显著地简化了制造步骤，因为薄膜的形成和线路图的形成可以同时进行。
切割陶瓷层叠体60的方法包括机械加工法，例如切片机加工、线切割加工和电子束加工和使用YAG激光、激态原子激光或者相似的激光加工。
以下，参考图7～9说明本实施方式的压电/电致伸缩器件10的制造方法。首先，陶瓷毛坯层叠体58，称之为层叠体，是由对陶瓷毛坯板(参见例如图8)进行层叠而形成的。陶瓷层叠体60，称之为产品，是由对陶瓷毛坯层叠体58进行烧结成一体(参见例如图9)而获得的。陶瓷衬底16，称之为产品，其通过将不需要的部分从陶瓷层叠体60上切割掉，然后集成了可动部分20a和20b，薄板部分12a和12b和固定部分14(参见图1)获得。
在此制造方法中，陶瓷层叠体60被切割成片块单元，这样可以制造大量的压电/电致伸缩器件10。在此方法中，假设多个压电/电致伸缩器件10在垂直方向排布，在侧方向上在一个衬底上各自形成。但是为了简化说明，假设每一压电/电致伸缩器件10是这样制造的首先，将粘合剂、溶剂、分散剂、增塑剂以及其它成分添加并混合到例如氧化锆的陶瓷粉末中，形成浆料。将浆料经过除泡处理，由反向滚筒涂布法或刮匀涂装法形成具有设定厚度的陶瓷毛坯板。
然后，陶瓷毛坯板由例如激光加工或用模具冲压被加工成如图7所示的各种形状，形成多种陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G，构成多个衬底。
陶瓷毛坯板70A到70D是多个(例如，2个)具有窗口100的陶瓷毛坯板，用来形成压电/电致伸缩器件10的具有端面34a和34b的可动部分20a和20b。陶瓷毛坯板102A到102G是多个(例如，4个)毛坯板，与窗口54一起形成至少介于薄板部分12a和12b之间的空间。陶瓷毛坯板的个数只是将陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G进一步层叠，使得陶瓷毛坯板70A到70D和102A到102G位于陶瓷毛坯板72A和72B之间，然后在压力下相互固定，形成陶瓷层叠体58(参见图8)。对陶瓷毛坯板70A到70D、72A、72B和102A到102G进行层叠，同时，陶瓷毛坯板102A到102G位于层叠的毛坯板的中央。
在此过程中，由于窗口100的存在，由压力进行固定时，特定部分可能没有被施加压力。因此，层叠或者压力下固定的次序可以进行调整来避免这样的特定部分的产生。之后，陶瓷毛坯层叠体58被烧结称陶瓷层叠体60(参见图9)。
然后，如图9所示，在陶瓷层叠体60的两个表面上，例如对应陶瓷毛坯板72A和72B相层叠表面的表面，宽的压电/电致伸缩层和宽的压电/电致伸缩层堆积成相互交叉的梳状。之后，对装配体进行烧结，形成在陶瓷层叠体60上的压电/电致伸缩元件块160。这时，形成了具有陶瓷层叠体60和压电/电致伸缩元件块160的压电/电致伸缩器件块162。
在如图9所示的实施例中，压电/电致伸缩元件块160分别形成于陶瓷层叠体160的上下表面。压电/电致伸缩元件160也可以仅形成于陶瓷层叠体60的一个表面。
然后，如图9所示，在形成的压电/电致伸缩器件块162和压电/电致伸缩元件块160上，沿着切割线C1、C2和C3进行切割，然后切掉压电/电致伸缩器件块162的侧面部分和末端部分。在压电/电致伸缩器件块162进行这样的切割时，可以获得具有在陶瓷衬底16上的压电/电致伸缩元件18a、18b和具有相互接触端面34a和34b的可动部分20a和20b的压电/电致伸缩器件10。
压电/电致伸缩器件块162可以先沿着切割线C1和C2进行切割，然后再沿着切割线C3切割，或者先沿着切割线C3切割，然后再沿着切割线C1和C2切割。或者，压电/电致伸缩器件块162可以同时沿着切割线C1、C2和C3切割。面对切割线C3的固定部分14的端面也可以被切掉。
在此之后，对压电/电致伸缩器件10的压电/电致伸缩元件18a和18b进行热处理。压电/电致伸缩元件18a和18b在热处理温度经历一定时间的热处理，热处理温度和时间由电极层24和26中所含金属的变形所依从的临界曲线、电极层24和26中所含金属的破裂所依从的临界曲线或者压电/电致伸缩层22的分解所依从的临界曲线所包围的区域来确定。
电极层24和26中所含金属的变形所依从的临界曲线是由测量过程的结果得到的，测量过程是使用SEM(扫描电子显微镜)在大于等于1000倍的条件下，比较热处理前和热处理后的电极层，以确定金属是否有变化。以下将金属的变形所依从的临界曲线称为“金属变形的下限”。
压电/电致伸缩层22的分解所依从的临界曲线由如下定义。当压电/电致伸缩层22大气中处于高温环境时，压电/电致伸缩层22中的一种易于挥发的成分，例如PZT(锆酸钛酸铅)中的Pt会挥发，导致压电/电致伸缩层22的成分发生变化。如果在此状态下压电/电致伸缩层22是稳定的，PZT以外的相(异类相)根据成分的变化而析出。这样，当压电/电致伸缩层22发生分解时就会产生异类相的析出。根据本发明，存在一个上限，低于此上限就不发生异类相的析出，这一上限就是“压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线”。如果压电/电致伸缩层22发生分解并有异类相析出，则压电/电致伸缩层22的特性低。因此压电/电致伸缩层22不应优选分解的。以下将压电/电致伸缩层的分解所依从的临界曲线称为“压电/电致伸缩层的分解的上限”。
图10显示了当压电/电致伸缩层22由PZT(锆酸钛酸铅)构成时PZT的分解的上限，当电极层24和26由Pt构成时的Pt的变形的下限，当电极层24和26由Au构成时Au的变形的下限和Au破裂的上限。
如果电极层24和26的金属材料由Pt构成，则上述的热处理应优选在热处理温度和一定时间进行，其中热处理温度和时间由Pt变形的下限和PZT分解的上限所包围的区域所决定。
如果电极层24和26的金属材料由Au构成，则上述的热处理应优选在热处理温度和一定时间进行，其中热处理温度和时间由Au变形的下限和Au的破裂的上限所包围的区域所决定。
以下显示一个试验实施例。在此试验实施例中，压电/电致伸缩元件18a和18b的切割表面由SEM(扫描电子显微镜)进行观测，对应于发明实施例1和2。
在发明实施例1中，压电/电致伸缩层22由PZT构成，电极层24和26的金属材料由Pt构成，热处理条件是温度500℃和5小时。这就是说，该热处理是按照图10中P1点所对应的条件进行的。发明实施例1在热处理之后的表面形态显示于图11中。
在发明实施例2中，压电/电致伸缩层22由PZT构成，电极层24和26的金属材料由Pt构成，热处理条件是温度为1000℃和10分钟。这就是说，该热处理是按照图10中P2点所对应的条件进行的。发明实施例2在热处理之后的表面形态显示于图12中。
在图11和图12中，横轴表示从压电/电致伸缩元件18a(和18b)的顶端开始的厚度方向(朝薄板部分12a(和12b)的方向)的距离，竖轴表示在压电/电致伸缩元件18a(和18b)的宽度方向的距离。
在对比实施例中，对没有进行热处理的表面状态进行观测。根据断开后的时间和切割工具，电极层24和26的末端24a和26a均严重向外突出，或者电极层24和26的末端24a和26a并不从压电/电致伸缩层22的端面22a向外突出，或者突出的距离t太小。形成了各种形态，即产生了形态的不同，但不能确定特定的形态。
在图11和12的曲线中，突出部分170表示电极层24和26的端部24a和26a，在电极层24和26的端部24a和24b之间的底部的172部分表示压电/电致伸缩层22的端面22a。从图11和12中可以看出，发明实施例1和2的表面形态基本没有什么区别。在两个发明实施例1和2中，在电极层24和26的末端24a和26a之间的压电/电致伸缩层22的端面22a发生变形，形成凹形。电极层24和26的末端24a和26a的突出距离t等于或小于位于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22的厚度Ld的一半，大约为1μm。
压电/电致伸缩器件10从压电/电致伸缩器件块162上切割下来后在热处理温度进行一定时间的热处理，热处理的温度和时间由电极层24和26所包含的金属的变形所依从的临界曲线和电极层24和26所包含的金属的破裂所依从的临界曲线或压电/电致伸缩层22的分解所依从的临界曲线所包围的区域所决定，进行热处理的电极层24和26的末端24a和26a从侧表面150上的压电/电致伸缩层22的端面22a向外突出，其中侧表面150面对着压电/电致伸缩层22和电极层24和26的层叠状态，末端24a和26a从端面22a向往突出的距离t小于或等于位于电极层24和26之间的压电/电致伸缩层22厚度的一半。
根据上述制造步骤，在压电/电致伸缩元件块160被切割成多个压电/电致伸缩元件18a(和18b)之后，对压电/电致伸缩元件18a(和18b)进行热处理，或者在压电/电致伸缩器件块162被切割成多个压电/电致伸缩器件10之后，对压电点电致器件10的压电/电致伸缩元件18a(和18b)进行热处理。这样，电极层24和26的表面是光滑的，没有毛刺或减少了毛刺。
由于通过热处理压电/电致伸缩层22的结晶状态得以恢复，热处理之前形成的微裂纹就会彻底消失。进而，也可以降低在加工表面(压电/电致伸缩层22和电极层24和26的切割表面)上残留的加工应力。结果是，提高了压电/电致伸缩元件18a和18b或压电/电致伸缩器件10的特性和可靠性。
至于将根据本实施方式的压电/电致伸缩器件10安装到上述各种器件上，优选准备说明书作为安装参照。以下参照图13到15对优选的这种说明书的特例进行说明。
如图13所示，根据第1特例的压电/电致伸缩器件10A与根据本实施方式的压电/电致伸缩器件10基本是相同的结构，区别在于薄板部分12a和12b的顶端部分不是厚的；固定部分14在靠近薄板部分12a和12b的内壁上具有切口(剪切部分)200；薄板部分12a和12b具有各自的底端210(薄板部分12a和12b的顶端212的远端)，从固定部分14的底端面14a向底部突出。这样，在固定部分14的底端面14a上形成两个突起214。
由于固定部分14具有切口200，薄板部分12a和12b的长度实质上被延长，可以进行更大的位移，并且薄板部分变得更适合于降低电力消耗。
突起214的端面214a(在此实施例中对应薄板部分12a和12b的底端210)在压电/电致伸缩器件10A安装时作为连接面，因此可以作为装配压电/电致伸缩器件10A的参考。突起214还可以用作通过图像处理之类的对压电/电致伸缩器件10A定位的参考点。
当压电/电致伸缩器件10A由粘结被安装时，由于突起214增加了接触面积，可以被牢固地固定到位。
为了形成突起214，图7中的陶瓷毛坯板72A的长度可以设置成适当的值，或者陶瓷毛坯板72A的层叠位置可以与其它陶瓷毛坯板相对错位。一般而言，由于陶瓷毛坯板的包括长度、厚度和宽度在内的尺寸的加工具有高精度，可以如上所述提供足够的定位参考。
突起214的端面214a可以是平面或者锥面，或者突起214自身就是点状的。如果端面214a是锥面，它可以和前突表面形成线对线的接触。如果突起214自身就是点状的，它可以和前突表面形成点对点的接触。在本实施例中的两个突起214与前突表面的接触是在两个点上，使得压电/电致伸缩器件10A可以精确和简单地定位。
突起214可以根据压电/电致伸缩器件的应用来改变位置。例如图14显示了根据第2特例的压电/电致伸缩器件10B。压电/电致伸缩器件10B具有两个突起214，位于固定部分14的端面14a上，与根据第1特例的压电/电致伸缩器件10A相比位置更靠中间。突起214可以简单地由改变两组如图7所示的陶瓷毛坯板70A到70D和陶瓷毛坯板102A到102G的长度来形成，或者相对改变这两组陶瓷毛坯板的层叠位置来形成。
图15显示根据第3特例的压电/电致伸缩器件10C。压电/电致伸缩器件10C具有位于固定部分14的底面14a上的切口216，取代突起214。如果各种器件在安装压电/电致伸缩器件10C的位置上具有两条轨道的话，轨道可以插入相应的切口216，从而可以将压电/电致伸缩器件10简单地安装到器件上。压电/电致伸缩器件10C可以这样简单地安装到位。
这些切口可以简单地通过改变图7中所示的陶瓷毛坯板70A和70D的长度来形成，或者通过层叠位置的相对移动来形成。
上述的压电/电致伸缩器件10、10a、10b、10A、10B和10C可以作为包括超声波传感器、加速传感器、角速率传感器、振动传感器和质量传感器在内的各种传感器的传感器元件来使用，也可以用来作为包括各种转换器、各种制动器和频率区域功能部件(过滤器)的在内的活动部分，也可用于振动器、共鸣器、振荡器以及通讯或发电的鉴别器。特别的，压电/电致伸缩器件优选用作个种制动器以调节位移或者位置，或者调解光学设备和精确设备中各种精确元件的角度。
根据本发明的压电/电致伸缩元件、制造压电/电致伸缩元件的方法、压电/电致伸缩器件和制造压电/电致伸缩器件的方法并不限定于上述实施方式，而且可以在不脱离本发明的实质的前提下进行其它的设计。
产业上的应用如上所述，本发明的压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件不易于在电极层顶端产生放电，可以防止相对电极层之间发生短路。
本发明的制造压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件的方法可以简便地制造不易于在电极层顶端产生放电的并可以防止相对电极层之间发生短路的压电/电致伸缩元件和压电/电致伸缩器件。
权利要求
1.一种压电/电致伸缩元件，其具有由压电/电致伸缩层(22)和电极层(24和26)相互层叠形成相互交叉的梳状结构，其中所述电极层(24和26)的端部(24a和26a)分别从位于所述压电/电致伸缩层(22)和所述电极层(24和26)的层叠结构所面对的侧表面150上的所述压电/电致伸缩层(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)从所述端面(22a)向外突出的距离(t)小于或等于位于所述电极层(24和26)之间的所述压电/电致伸缩层(22)的厚度(Ld)的一半。
2.根据权利要求1所述的压电/电致伸缩元件，其特征在于所述距离(t)的范围是0.5～2μm。
3.根据权利要求1或2所述的压电/电致伸缩元件，其特征在于所述电极层(24和26)包含金属陶瓷。
4.一种制造具有压电/电致伸缩层(22)和电极层(24和26)堆积成相互交叉的梳状结构的压电/电致伸缩元件的方法，其包括以下步骤将宽的压电/电致伸缩层和宽的电极层堆积成相互交叉的梳状，并烧结各层形成压电/电致伸缩元件块(160)；切割所述压电/电致伸缩元件块(160)，形成多个压电/电致伸缩元件(18a和18b)；和对所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)进行热处理；其中，所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)在热处理温度下进行一定时间的热处理，热处理温度和时间由所述电极层(24和26)中所含金属的变形所依从的临界曲线和所述电极层(24和26)中所含金属的破裂所依从的临界曲线或者压电/电致伸缩层(22)的分解所依从的临界曲线所包围的区域来确定。
5.一种根据权利要求4所述的制造压电/电致伸缩元件的方法，其中所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)在热处理温度下进行一定时间的热处理，所述被热处理的电极层(24和26)的端部(24a和26a)从位于所述压电/电致伸缩层(22)和所述电极层(24和26)的层叠结构所面对的侧表面150上的所述压电/电致伸缩层(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)从所述端面(22a)向外突出的距离(t)等于或小于位于所述电极层(24和26)之间的所述压电/电致伸缩层(22)的厚度(Ld)的一半。
6.根据权利要求5所述的压电/电致伸缩元件，其特征在于所述距离(t)的范围是0.5～2μm。
7.一种压电/电致伸缩器件，其至少具有位于陶瓷衬底(16)上的层叠压电/电致伸缩元件(18a和18b)，所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)具有压电/电致伸缩层(22)和电极层(24和26)相互层叠形成相互交叉的梳状结构，其中所述电极层(24和26)的端部(24a和26a)分别从位于所述压电/电致伸缩层(22)和所述电极层(24和26)的层叠结构所面对的侧表面150上的所述压电/电致伸缩层(22)的端面(22a)向外突出，所述端部(24a和26a)从所述端面(22a)向外突出的距离(t)等于或小于位于所述电极层(24和26)之间的所述压电/电致伸缩层(22)的厚度(Ld)的一半。
8.一种至少具有位于陶瓷衬底(16)上的层叠压电/电致伸缩元件(18a和18b)的压电/电致伸缩器件的制造方法，其中所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)具有压电/电致伸缩层(22)和电极层(24和26)相堆积，形成相互交叉的梳状的结构，所述制造方法包括以下步骤将宽的压电/电致伸缩层和宽的电极层在陶瓷层叠体(60)上堆积成相互交叉的梳状，并烧结各层形成压电/电致伸缩器件块(162)；切割所述压电/电致伸缩器件块(162)，形成多个压电/电致伸缩器件(160)；和对所述压电/电致伸缩器件(160)的所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)进行热处理；其中，所述压电/电致伸缩元件(18a和18b)在热处理温度下进行一定时间的热处理，热处理温度和时间由所述电极层(24和26)中所含金属的变形所依从的临界曲线和所述电极层(24和26)中所含金属的破裂所依从的临界曲线或者压电/电致伸缩层(22)的分解所依从的临界曲线所包围的区域来确定。
全文摘要
对于每一个压电/电致伸缩元件(18a和18b)，电极层(24和26)的端部(24a和26a)从位于压电/电致伸缩层(22)和电极层(24和26)的层叠结构所面对的侧表面150上的压电/电致伸缩层(22)的端面(22a)向外突出。突出的距离(t)小于或等于电极层(24和26)之间的压电/电致伸缩层(22)的厚度(Ld)的一半。期望突出的距离(t)在0.5μm和 2μm之间。
文档编号H01L41/22GK1784792SQ20048001207
公开日2006年6月7日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年6月6日
发明者池田幸司, 柴田和义 申请人:日本碍子株式会社