专利名称：定向压电膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电器件背景技术压电膜的应用极其广泛，例如可应用于喷墨打印组件和表面声学器件。当施加电压时喷墨打印组件中的压电膜会发生大的形变。施加电压能够改变该组件的喷射区域中的压电膜的形状，对该组件中的油墨施加喷射压力；紧接着喷射压力将油墨从压油室射出并使油墨沉积在介质上。压电膜可以由锆钛酸铅(“PZT”)组成。压电膜可以用以下方法形成，包括物理气相沉积技术如溅射、化学气相沉积、或者旋涂技术如溶胶-凝胶法。较厚的压电膜的制备可以通过增加沉积时间、重复沉积单层膜以构建较厚膜、或采用常规块状陶瓷制作方法。
发明概述压电膜可以从定向于基底上的针状晶种制备，所述膜从该针状晶种处生长。相对于从对称晶种或非定向晶种生长的膜，从针状晶种生长的压电膜的d-系数有所提高。
晶种是为块状晶体或结晶膜提供晶核的结晶材料，针状晶种是非球形的晶体。
一方面，制造压电器件的方法包括在基底上放置针状晶种，对基底上的针状晶种定向，从该针状晶种生长出压电膜。晶种可以通过在基底上沉积而被放置在基底上，通过引入包括该晶种的前体流晶种可以定向于基底上；前体流的引入包括在基底上旋涂或浸涂该前体，所述前体可以是溶胶。晶种的定向包括在基底上旋涂溶胶，压电膜的生长包括形成凝胶。
针状晶种可以是单晶，该针状晶种可以具有基本上平行于基底表面的长边。该针状晶种具有的横竖比(aspect ratio)大于1.5∶1、大于2∶1、或大于2.4∶1，该针状晶种可以是片晶。所述方法进一步包括放置第二针状晶种于基底上，对基底上的第二针状晶种定向，从第二针状晶种生长出压电膜。
喷墨打印组件中的压电膜可以具有的厚度为0.1到25微米，0.5到10微米，或者0.1到5微米范围内。该压电膜可以极化或淬火，该压电膜可以包括锆钛酸铅。
另一方面，喷墨打印组件包括基底和在基底上的压电膜，该膜包括多个在基底上取向基本相同的针状晶种，每个晶种具有基本上平行于基底表面的长边，所述基底可以是硅。喷墨打印组件包括油墨槽和为激活压电膜而布置的电开关(contacts)。压电膜与油墨置于槽里并且在激活时给油墨施加喷射压。
另一方面，制作喷墨打印组件的方法包括在表面附近沉积晶种，排列晶种使其长边基本上平行于基底表面，从该针状晶种生长出压电膜。当靠近表面附近时，晶种可以接触或几乎接触该表面，晶体具有长度、厚度，横竖比大于1.1∶1，所述表面是基底的一部分。晶种可以排列成其长边基本上平行于基底表面，其中包括在表面上含该晶种的前体流。晶种可以通过引入含该晶种的前体流进行排列，例如，通过旋涂或浸涂。所述前体可以是溶胶，在该方法中，引入前体流包括旋涂该溶胶。
结合下列附图和描述来阐明细节，其它特征和优势将从该描述和附图中，从权利要求中显现出来。
图1是描述包括针状晶种的压电膜的示意图发明详述制造压电膜的方法可以包括将针状晶种置于基底上和定向该晶种。该定向后的晶种，最终并入压电膜中，为生长为压电膜的结晶区域的生长提供晶核。对于较厚的压电膜而言，沉积时间可以增加或者重复成膜过程直到得到所需要的膜厚度。
参照图1，压电膜18包括沉积在基底10上的针状晶种5，该膜的制备通过在基底上放置针状晶种，对基底上的针状晶种定向，和从该针状晶种生长出压电膜。晶种是为块状晶体或结晶膜提供晶核的结晶材料，针状晶种可以是单晶，针状晶种可以是三元组合物如，锆酸铅和钛酸铅；或四元组合物如，锆钛酸铅或镁铌酸铅。
针状晶种是非球形晶体以便于晶体的定向，该针状晶种的尺寸是该晶种的长度、厚度和横竖比，或者长度对厚度的比，横竖比大于1.1∶1。该横竖比可以大于1.5∶1、大于2∶1、或大于2.4∶1；长度为2到50微米、或3到25微米；厚度为0.1到20微米、或0.5到10微米之间。晶种具有较大的横竖比在成膜过程中更易于定向。针状晶种可以是单晶，如那些来自于Crystal Associates(East Hanover，New Jersey，USA)的商品化的单晶。适于制备压电膜的晶种可以是，例如，横竖比为2.5∶1的镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)晶体。在确定的环境下，该针状晶种可以是片晶，具有宽度、厚度和长度，并且长度对厚度的比大于1.5∶1，宽度对厚度的比大于1.5∶1。
晶种可以通过前体流定向在基底上，所述前体是晶种的载体，能通过热调节或者化学调节形成压电膜。参照图1，针状晶种5用于为膜生长提供晶核，该针状晶种具有厚边20和长边22，长边基本上与基底10的表面24水平。前体流校直针状晶种使该针状晶种的长边基本与前体流平行；针状晶种能被校直，部分因为流体能转动晶体，使得针状晶种的长边通常与流动方向一致，从而将针状晶种定向。
膜的生长可以由定向后的针状晶种提供晶核，在压电膜形成的过程中，晶粒边界膜的生长被加速。在压电膜的结晶过程中种下多个针状晶种，会使压电膜内多处结晶，因而扩展了整个压电膜基体的定向结构。由于针状晶种是定向的，生长基本上在相对于基底表面相同的结晶方向上进行。在通过晶核结晶有序生长膜的过程中，定向的针状晶种使晶体能够准外延生长。结果，膜的压电性能部分达到单晶的水平。相对于从对称晶种或非定向晶种生长的膜，用压电膜的d-系数测量所得的物理性能如弹性和形变性能有所提高。
压电膜可以由锆钛酸铅(PZT)组成。锆钛酸铅(PZT)压电薄膜可以通过溶胶凝胶过程施加到基底上。该溶胶凝胶过程可以根据，例如，以下出版物描述的过程进行调整Journal of AppliedPhysics，64(5)2717-2724(1988)中，Yi等，标题为“通过溶胶凝胶过程制备Pb(ZrTi)O3薄膜电的、光的和电-光性能”。用于制备压电膜的前体化合物在溶剂中溶解性强，相容性好，易于转化为其相应的金属氧化物。选择的成膜条件应避免前体化合物有任何显著的升华，从而使压电膜中的金属的比率和前体中的保持不变。例如，PZT膜可以用乙酸铅(Pb(CH3CO2)2·3H2O)，丙醇锆(Zr(C3H7O)4)和异丙醇钛(Ti((CH3)2CHO)4)的混合物形成。
例如，在该过程中前体如溶胶可以被制备。例如，该溶胶可以按照表1来制备，其中显示了制备制作PZT膜的溶胶的化学组合物。在该溶胶的制备中，以2g乙酸铅对1mL乙酸的比率把乙酸铅溶解于乙酸中，接着加热该溶液到105℃以除去水，然后除水后的溶液冷却到80℃以下，再滴加丙醇锆和异丙醇钛，例如，先加入丙醇锆接着是异丙醇钛，将混合物放在超声池中搅动直到浓缩的固体溶解，混合物用蒸馏水或丙醇稀释以调节溶胶的粘度和表面张力，然后该溶胶通过薄膜过滤器过滤并储存。
表1
通过将溶胶旋涂或浸涂于基底上，该溶胶可以用于定向晶种。膜厚能够通过改变溶胶中化合物的浓度和粘度来改变，化合物的浓度越低，得到的膜越平滑。压电膜的厚度与用于PZT膜的化合物的浓度和粘度有关，厚度为0.1到5微米，引入添加物如乙二醇可以防止裂纹，并提高膜的表面平滑度。
基底可以是硅，硅用于薄膜沉积和光致抗蚀过程是一种合适的基底。其中光致抗蚀过程对制造含压电膜的器件十分方便。硅基底具有用作喷墨头的墨盒盘所需要的机械性能、电子性能和热性能；硅也能够通过，例如，集成电路制造技术在同一基底上掺入合适的系统控制元件。针状晶种或者多个针状晶种分散于最终的溶胶中，该溶胶包括10-90％，或15-30％重量的晶种。含有晶种的最终溶胶敷涂在置于旋涂机顶部的基底上，旋涂过程中溶胶的流动可以使晶种定向，这是通过产生放射状外向流动使得针状晶种随着该放射状外向流动而校直，也使得晶体的长边定向于基本上与基底表面平行。例如，Headway Research Incorporated的光致抗蚀旋涂机，以8500rmp操作20秒，可以用于旋转基底。类似地，膜可以通过在含有该溶胶的槽中浸涂基底而制备基底在控制的速度下从槽中拉出，从槽中拉出基底产生了流动使得针状晶种相对于基底表面校直。
前体沉积后，将其加热到400℃到600℃使材料转变为无机陶瓷膜。在此过程中，溶剂被蒸发、发生失水作用、也发生化合物分解为金属氧化物。该无定型的膜被淬火以使膜致密化，在淬火过程中，膜的结晶品质得以建立。针状晶种通过沿着外延方向结晶并成膜而影响晶体的生长。膜被加热到600℃到1000℃淬火，这一过程进一步在结晶膜中使生长定向。迅速的热淬火可以缩短循环时间并得到小的均匀的颗粒结构。控制气氛能够保持组合物的化学计量。覆盖后的基底以每秒100℃的速率加热到接近1000℃并在此温度保持19秒，然后通过惰性气体环流用约30秒冷却该覆盖后的基底至室温。
通过施加电场可以极化压电膜，极化过程如美国专利No.5,605,659中所描述的，在此将其全部引入作为参考。极化程度依赖于所施加电场的强度和时间。当移去极化电压，膜中的压电区域被校直。由于膜是从定向的晶种生长成的，相对于非定向膜，区域校直增加。
美国专利No.5,265,315中描述了一个压电喷墨打印组件的实例，其全部内容在此引入作为参考。参照图1，带有压电膜18的喷墨盒包括硅基底10，其下表面的安装了一个带孔盘43，基底10的每个油墨槽30上有一个孔31。基底10的上表面有约为0.2微米厚的铂、镍等金属的阻隔层44。在层45中带有为激活压电膜而布置的电开关的电极图案，放置在金属阻隔层44的上面，压电膜18敷涂在电极图案层45上。
带压电膜的喷墨盒的制造方法包括在硅基底10的下表面安装带孔盘43，紧接着约为0.2微米厚的金属阻隔层44敷涂在基底10的上表面，导电性层可以是溅射或真空蒸镀的铝、镍、铬或铂层；电极图案45是通过传统的光致抗蚀法蚀刻的，其中光致抗蚀层旋涂在导电层上，然后透过掩膜用紫外线曝光后并显影，按电极图案选定的区域的抗蚀层被硬化，没有硬化的光致抗蚀层可以被除去。曝光过的金属层被蚀刻，紧接着剥去光致抗蚀层留下导电性的电极图案在层上；其后，压电膜18通过上述过程敷涂在电极图案45的上表面，连续重复敷涂压电材料层以获得所需要的压电膜厚度。电极图案敷涂在压电薄膜的上表面。
为了从墨盒中喷射油墨，需要在电极上施加电压，随着电压的施加，打印组件喷射区域的压电薄膜的形状改变，将油墨槽中的油墨置于喷射压力下；紧接着油墨在喷射压作用下通过开孔从油墨槽中抛射出来并沉积在介质上。美国专利No.5,265,315中描述了制备具有带压电膜的墨盒的喷墨头的典型过程，其在此全部引入作为参考。
其他的实施方式在以下权利要求的范围内。
图例5针状晶种10基底20厚18压电膜22长24基底表面30油墨槽31孔43带孔盘44金属阻隔层45电极图案层
权利要求
1.制造压电膜的方法，包括在基底上放置针状晶种；对基底上的该针状晶种定向；和从该晶种生长压电膜。
2.权利要求1的方法，其中在基底上放置所述晶种包括从溶胶中沉积该晶种于基底上。
3.权利要求1的方法，其中对基底上的所述晶种定向包括在基底上引入包括该晶种的前体流。
4.权利要求3的方法，其中在基底上引入所述前体流包括在基底上旋涂或者浸涂该前体。
5.权利要求3的方法，其中所述前体是溶胶。
6.权利要求3的方法，其中对所述晶种定向包括在基底上旋涂溶胶。
7.权利要求1的方法，其中所述针状晶种是单晶。
8.权利要求1的方法，其中生长所述压电膜包括形成凝胶。
9.权利要求1的方法，进一步包含在基底上放置第二针状晶种，对基底上的该第二晶种定向，并从该第二晶种生长压电膜。
10.权利要求1的方法，其中所述压电膜的厚度是0.1到25微米。
11.权利要求1的方法，进一步包含极化所述压电膜。
12.权利要求1的方法，进一步包含淬火所述压电膜。
13.权利要求1的方法，其中所述压电膜包括锆钛酸铅。
14.权利要求1的方法，其中所述针状晶种是片晶。
15.喷墨打印组件，包含基底；和该基底上的压电膜，该膜包括多个在基底上基本同向定向的针状晶种。
16.权利要求15的喷墨打印组件，其中每个晶种具有基本上平行于基底表面的长边。
17.权利要求15的喷墨打印组件，其中所述晶种的横竖比大于1.5∶1。
18.权利要求17的喷墨打印组件，其中所述横竖比大于2∶1。
19.权利要求17的喷墨打印组件，其中所述横竖比大于2.4∶1。
20.权利要求15的喷墨组件，其中所述压电膜的厚度范围是0.1到25微米。
21.权利要求15的喷墨组件，其中所述压电膜的厚度范围是0.5到10微米。
22.权利要求15的喷墨组件，其中所述压电膜的厚度范围是0.1到5微米。
23.权利要求15的方法，其中所述喷墨打印组件包括油墨槽、为激活压电膜而布置的电开关、和安置的压电膜以在激活时给予槽里的油墨喷射压。
24.制造喷墨打印组件的方法，包括在表面附近沉积晶种，该晶种具有长度、厚度和横竖比大于1.1∶1；排列所述晶种使其长边基本上平行于该表面；和从该晶种生长压电膜。
25.权利要求24的方法，其中所述表面是基底的一部分。
26.权利要求24的方法，其中排列所述晶种使其长边基本上平行于表面包括在该表面上引入包括该晶种的前体流。
27.权利要求26的方法，其中引入所述前体流包括在表面上旋涂或者浸涂该前体。
28.权利要求27的方法，其中所述前体是溶胶。
29.权利要求28的方法，其中引入所述前体流包括在表面上旋涂该溶胶。
30.权利要求24的方法，其中所述横竖比大于2∶1。
全文摘要
压电器件可以通过如下制备，包括在基底上放置针状晶种，对基底上的该晶种定向，和从该针状晶种生长压电膜。
文档编号B28B1/30GK1612954SQ02826935
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月13日 优先权日2001年11月15日
发明者保罗·A·霍辛顿 申请人:斯派克特拉公司