专利名称：：压电/电致伸缩元件及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及压电/电致伸縮元件及其制造方法，该压电/电致伸縮元件具有在基板上设置的电极层和在该电极层上设置的压电/电致伸縮层。
背景技术：
：在压电/电致伸縮元件中，例如，在以锆为主要成分的(陶瓷)基板的表面上固着以金属为主要成分的电极层，在该电极层上固着压电/电致伸縮层(参见专利文件1)。这样的压电/电致伸縮元件可以如下方式来制造，首先在基板的表面上形成能成为所述电极层的第一层的涂层；以及在该第一层上形成含有压电/电致伸縮材料的第二层(将成为压电/电致伸縮层)；接着在预定的温度下进行加热和烧成，然后冷却。从开始电极层自身就可以直接形成为第一层，在此情况中，只有在烧成步骤中才形成第二层。另外，作为现有技术已知有如下文件。专利文献1:JP-A-2001-284677专利文献2:JP-A-2006-165007专利文献3:W02006/109501A1在这样的压电/电致伸縮元件中，例如在基板的与电极层和压电/电致伸縮层相反的一侧设置流路，则该元件就可以作为流过该流路的流体的传感器来起作用。例如，该压电/电致伸縮元件可以被共振，通过共振频率的微小的变化就可检测出流体的存在。这样，通过利用压电/电致伸縮元件的振幅和与该压电/电致伸縮元件相接触的流体的粘度阻力之间的对应关系，可以测量流体的特性，例如密度、浓度和粘度。特别是，当该压电/电致伸縮元件在流体存在的情况下振动时，该压电/电致伸縮元件受到源于流体的粘度的机械阻力。这里的压电/电致伸縮元件的机械振动状态可以被等效电路来替代。因此，压电/电致伸縮元件的压电/电致伸縮膜的等效电路的电常数就随着施加到压电/电致伸縮元件的粘度阻力而改变。测量该电常数的变化就可测量流体的特性，例如粘度、密度和浓度。其特性可以被压电/电致伸縮元件测量的流体的例子包括液体和气体。作为测量目标的液体的例子不仅包括仅含有从水、醇、油中选择的主要介质的单一组分液体，还包括在这些介质中添加(溶解、混合、分散或者悬浮)另外可溶、难溶或不溶的气体介质而获得的液体。另外，上述电常数包括损失系数、相位、阻抗、电抗、导电性、电纳、电感和电容。特别优选采用在等效电路的共振频率附近具有一个极大或极小变化点的损失系数或相位。因此，不仅可以测量流体的粘度，还可以测量密度或浓度。例如，可以测量硫酸水溶液中的硫酸浓度。另外，作为检测振动状态改变的指标，如果测量精度或耐久性方面没有特殊问题的话，可以采用共振频率的改变来替代上述电常数。但是，在该类型的压电/电致伸縮元件中，如果压电/电致伸縮元件的特性(例如感应灵敏度)由于挠性位移量或内部应力值的增大而改善，则耐久性的问题，例如压电/电致伸縮层中的开裂等就会出现。这种情况下，压电/电致伸縮元件的输出或共振频率就会明显变得超过响应范围，则该元件不能再用作传感器。
发明内容鉴于上述问题，本发明的课题是提供一种即使压电/电致层开裂仍可用作传感器的压电/电致伸縮元件。经过重复的研究，通过下述的手段解决了上述课题。即首先，根据本发明提供一种压电/电致伸縮元件，其包括基板、固着于所述基板上的电极层以及固着于所述电极层上的压电/电致伸縮层，其中所述电极层相对于所述基板的覆盖率为98%以下。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中，电极层的覆盖率优选为6598%，更优选为7598%。如果覆盖率小于65%，则不希望地担心出现电极断线。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中，电极层的厚度优选为5iim以下。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中，电极层的厚度更优选为0.15iim，特别优选为0.13iim。如果厚度超过5iim，则压电/电致伸縮层的位移特性会由于电极层的厚度而受损，如果厚度不足O.liim，则不希望地担心出现电极断线。另外，根据本发明提供一种压电/电致伸縮元件的制造方法，其包括在基板上形成含有金属的第一层使得覆盖率为98%以下的第一层形成工序；在由第一层形成工序形成的第一层上形成含有压电/电致伸縮材料的第二层的第二层形成工序；将在其上形成了第一层和第二层的基板进行加热和烧成的烧成工序；以及在所述烧成工序后冷却在其上形成所述第一层和所述第二层的基板的冷却工序。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中的制造方法中，第一层的覆盖率优选为6598%，更优选为7598%。根据本发明的压电/电致伸縮元件中的制造方法，当第一层形成工序是在基板上由蒸镀、镀覆等直接形成金属电极层时，该第一层自身就成为电极层。或者，当第一层形成工序需要例如金属糊涂布工序，即用于得到最终电极层而进行的预定后续工序(热处理等)时，则该第一层就是实施预定后续工序之前的层(金属糊涂布层等)。在这种情况下，电极层可以例如在烧成工序中与第二层一起烧成。或者，电极层可以在第二层形成工序之前进行的电极层烧成工序中烧成。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中的制造方法中，第一层的厚度优选为5ym以下。在根据本发明的压电/电致伸縮元件中的制造方法中，第一层的厚度优选为0.15iim，特别优选为0.13iim。在本发明的压电/电致伸縮元件中，电极层相对于基板的覆盖率为98%以下，因此即使压电/电致伸縮层中产生裂纹的情况下，其输出、共振频率与压电/电致伸縮层中没有产生裂纹时相比没有太大的变化。如果为98%以上，在产生裂纹时的输出或共振频率会降低。其推断的理由是，如果电极层相对于基板的覆盖率为98%以下，压电/电致伸縮层与基板没有紧密接触，所以在压电/电致伸縮层中的裂纹停止于特定阶段而不继续开裂，因此输出和共振频率基本不变化。即，在传统的压电/电致伸縮元件中，压电/电致伸縮4层通过固着于所述压电/电致伸縮层和所述基板上的电极层与所述基板进行接触。因此，所述裂纹继续发展，由此显著改变输出和共振频率。然而，根据本发明的压电/电致伸縮元件，假定任何裂纹不会发展，由此通常不会改变输出和共振频率。作为其中电极层覆盖基板的构造，该构造优选为覆盖的部分和未覆盖的部分都呈均匀分布，而且该构造优选未覆盖的部分不是大范围连续的。换而言之，优选的构造是电极层和空洞都均匀地存在于压电/电致伸縮层和基板之间。需要说明的是，在本说明书中，当从压电/电致伸縮层侧的方向看基板时，(电极层相对于基板的)覆盖率为由电极层覆盖的部分的面积(电极层面积)除以电极层的外轮廓(全部)的面积的值。由电极层覆盖的部分(有电极层的部分)称为覆盖部分，在电极层内分布的、没有被电极层覆盖的部分(没有电极的部分)称为未覆盖部分。覆盖率=(覆盖部分/全部面积)X100%。该覆盖率可通过图象处理方便地计算出。图l为显示本发明的压电/电致伸縮元件的一个实施方式的图，并且是基板、下部电极层、压电/电致伸縮层和上部电极层沿垂直于层叠方向的方向的截面图。图2是沿图1中A-A线的截面图，并且显示了下部电极层。具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行适当的说明，但本发明并不能解释为被限定于此，在不脱离本发明的范围内，基于本领域技术人员的知识，可以进行各种的变更、修改和改进。例如，附图表示本发明的优选实施方式，但本发明并不限于附图所显示的状态或信息。在实施或验证本发明时，可采用与本说明书中记载的相似或等同的技术手段，但优选以下所记载的技术手段。图1和图2中显示的压电/电致伸縮元件10包括由振动板lla和支撑部lib构成的基板11、在基板ll(振动板lla)上形成的下部电极层12、在该下部电极层13上形成的压电/电致伸縮层13以及在该压电/电致伸縮层13上形成的上部电极层14。在该压电/电致伸縮元件10中，通过在下部电极12和上部电极14之间施加极化电压，对压电/电致伸縮层13实施极化处理，极化方向为图1中的垂直方向。在该极化处理后，通过在上部电极14和下部电极12之间施加预定的驱动电压，由此压电/电致伸縮层13膨胀或收縮，并且沿着图1中的垂直方向变形。通过该膨胀/收縮变形以及由于该膨胀/收縮变形而产生的水平方向的挠性变形，在支撑部llb、llb之间延伸的振动板lla发生变形而弯曲。基板11由陶瓷薄板构成。构成该基板11的材料，例如优选使用氧化锆、氧化铝、氧化镁、氮化铝或氮化硅。关于氧化锆，最优选使用含有完全稳定化或部分稳定化的氧化锆的材料作为主要成分，这是因为即使该材料薄，该材料具有高的机械强度、韧性，并且与下部电极层12和压电/电致伸縮层13的材料等的反应性小。下部电极层12被固着于在基板11的表面，使得空隙15不致密、不均匀，从而覆盖率为例如85%。这里所说的固着是指除了空隙15的部分外，下部电极层和基板直接切紧密地接合，而不使用粘结剂。下部电极层12是由金属为主成分的层，作为主成分的金属，适合于使用铂、金、银、铱、钯、铑、钼、钨以及它们的合金。另外，根据基板11或压电/电致伸縮层13的材料的组合以及所属金属的类型，可以合适地向下部电极层12中添加用于提高与基板11紧密接触性的添加剂(例如低熔点玻璃等)。下部电极层12的厚度(例如)为3i！m。压电/电致伸縮层13被固着在下部电极层13上，该压电/电致伸縮层13由压电/电致伸縮材料(压电陶瓷材料)构成。作为该压电/电致伸縮材料，优选使用含有钙钛矿型铁电材料、钨青铜型铁电材料、铋层状结构铁电材料等为主要成分的材料。该压电/电致伸縮层13的厚度优选为350iim，更优选340iim。作为上述铁电材料的具体实例包括铅系材料，例如钛酸铅、锆酸铅、锆钛酸铅(PZT)、镁铌酸铅(P丽)、镍铌酸铅(PNN)、锰铌酸铅、锑锡酸铅和锌铌酸铅。另外，非铅系材料的例子包括钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸锶钠、铌酸钠钡、铌酸钾、钛酸镍铋、Ba2NaNb5015、Bi4Ti3013(BIT)、BaNd2Ti4012(BNT)和(Bi。.5Na。.5)Ti03。或者，优选使用它们的混合物或固溶体等的复合材料(例如，PMN-PZ-PT三元固溶体、(Bi。.5Na。.5)Ti03-BaTi03(BNT-BT)系固溶体、(Bi。.5Na。.5)Ti03-BaTi03-SrTi03(BNT-BT-ST)系固溶体、(l_x)(Bi。.5Na。.5)Ti03-xKNb03(x为摩尔分数，0《x《0.06)等)。需要注意的是，在压电/电致伸縮材料中还可适当添加镧、钡、铌、锌、铈、镉、铬、钴、锶、铋、铁、钇、钽、鸨、镍、锰等的氧化物或其它化合物。压电/电致伸縮层13中的压电/电致伸縮材料的例子包括例如Ba、Bi、Na、Ti、K或Nb等元素的氧化物(例如，BaO、Na20、Ti02、K20、Nb205等)、或者在被煅烧时可变为这些元素的氧化物的化合物(例如氢氧化物、碳酸盐、草酸盐、硝酸盐等)、含有这些多种这些元素的化合物(例如MgNb^)、每种元素的单质金属以及所述元素的合金。这些材料可以单独使用，也可以组合其中的两种或多种。作为形成压电/电致伸縮层13的方法，可以采用丝网印刷法、浸渍法、涂布法、粗带法(greensheetprocess)等常规方法。上部电极层14固着于压电/电致伸縮层13上。上部电极层14的材质和厚度与下部电极层12的基本相同。另外，上部电极层14可以与下部电极层相同，也可以没有空隙。接着，以制造压电/电致伸縮元件10为例来说明本发明的压力/电致伸縮元件的制造方法。首先，准备基板11。然后使用丝网印刷法采用含有适量树脂的电极糊在基板11上形成膜，并且通过烧成使覆盖率为例如60%(下部电极层形成工序)。作为形成下部电极层12的方法，除了丝网印刷法之外，还可以由离子束、溅射、真空蒸镀、PVD、离子镀、CVD、电镀、喷涂、浸渍等方法。其中，从与基板11和压电/电致伸縮层13的接合性的观点来看，优选使用溅射法或丝网印刷法。需要注意的是，将形成的下部电极层12可以在约5001400°C的温度下进行热处理，并且整体固着于基板11上。该热处理可以在形成烧成前的压电/电致伸縮层之前进行，也可以与烧成压电/电致伸縮层的热处理一起进行。考虑到压电/电致伸縮特性，当用于压电/电致伸縮层13的压电/电致伸縮材料在IOO(TC以下的低温烧成时，作为下部电极层12优选使用Ag、Au等低熔点的金属电极。接着，在下部电极层12上形成含有压电/电致伸縮材料的烧成前的压电/电致伸縮层(形成烧成前压电/电致伸縮层的工序)。作为形成烧成前的前压电/电致伸縮层的方法，例如可以使用丝网印刷法、浸渍法、涂布法、电泳法等。另外，在形成压电/电致伸縮层时还可以使用不必进行烧成的常规的方法，例如气溶胶沉积法、离子束法、溅射法、真空蒸镀法、离子镀法、镀覆法、粗带法等。然后，将形成的烧成前的压电/电致伸縮层在约1100130(TC的温度下进行烧成(这里所述的"烧成"不仅包括使用粗带法等湿法时通常进行的烧成，还包括使用气溶胶沉积法等干法时用于组织致密化的热处理)，从而形成压电/电致伸縮层13(烧成工序)。然后，在压电/电致伸縮层13上形成上部电极层14(上部电极层形成工序)。上部电极层14的形成方法依照下部电极层12的形成方法。另外，可以将形成的上部电极层14约在500140(TC的温度下进行热处理，并且整体固着于压电/电致伸縮层13上。该热处理可以在烧成压电/电致伸縮层之后进行，也可以与烧成压电/电致伸縮层的热处理一起进行。考虑到压电/电致伸縮特性，当用于压电/电致伸縮层13的压电/电致伸縮材料在IOO(TC以下的低温烧成时，作为上部电极层14优选使用Ag、Au等低熔点的金属电极。最后，进行冷却(冷却工序)，然后在使用前，实施极化处理。实施例以下说明确认本发明效果的实施例。在本实施例中，改变如图1和图2所示的压电/电致伸縮元件10中的电极层的覆盖率，评价压电/电致伸縮元件10的共振频率的变化率。实施例1制备压电/电致伸縮元件IO，其中的下部电极层12的覆盖率为80%，使用网络分析仪(networkanalyzer)检测初级共振频率。之后，确认施加数分钟的直流电压200V在压电/电致伸縮层13中产生裂纹。然后，根据产生裂纹前后的共振频率来得出共振频率的变化率。其结果如表l所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>比较例1在压电/电致伸縮元件10中，下部电极层12的覆盖率为99%，除此之外，与实施例1相同，获得压电/电致伸縮层13中裂纹产生前后的共振频率，基于共振频率得出共振频率的变化率，结果如表1所示。考察根据表1所示的结果，推测出在下部电极层12的覆盖率被设置为98%以下，并且压电/电致伸縮层13开裂的情况下，与压电/电致伸縮层13没用开裂的情况相比，共振频率没有显著变化。需要注意的是，实施例1与比较例1都是由以下的条件来制作压电/电致伸縮元件10。作为振动板11a和支撑部lib(基板11)的材料，使用由Y203稳定化的Zr02基板，振动板的厚度为11Pm。下部电极层12和上部电极14的厚度分别为3m，其材料采用铂。压电/电致伸縮层13的材料(压电/电致伸縮材料)使用钛酸铋钠和铌酸钾的固溶体(BNT-KN)，并且该层的厚度为20iim。在下部电极层形成工序中，由丝网印刷法在基板11(振动板11a)上形成糊状铂的涂层，该涂层干燥后，在约140(TC的温度下进行热处理，由此形成下部电极层12。在形成烧成前的压电/电致伸縮层的工序中，通过丝网印刷法在下部电极层12上涂布在粘结剂中分散BNT-KN粉末而成的浆料，以在下部电极层上形成压电/电致伸縮材料的涂层。在烧成工序中，在约50(TC的温度下除去粘结剂后，接着在IIO(TC加热3小时，由此形成压电/电致伸縮层13。上部电极层形成工序中，与下部电极层形成工序相同，通过丝网印刷法在压电/电致伸縮层13上形成糊状的铂涂布层，干燥该涂布层后，在约80(TC的温度下进行热处理，由此形成上部电极层14。作为极化电压，施加直流150V。本发明的压电/电致伸縮元件优选用作设置在压电执行器(压电元件)或各种压电传感器(压电元件)中的压电/电致伸縮元件，所述压电执行器适用于测量仪器、光调制器、光开关、微阀、输送装置、显示装置(显示器、投影仪等)、绘图装置、微泵、液滴吐出装置、微型混合装置、微型搅拌装置、微型反应装置等，所述压电传感器用于检测流体特性、音压、微小重量、加速度等。10:压电/电致伸縮元件；11:基板；lla:振动板；llb:支撑部；12:下部电极层；13:压电/电致伸縮层；14:上部电极层。权利要求一种压电/电致伸缩元件，其包括基板、固着于所述基板上的电极层以及固着于所述电极层上的压电/电致伸缩层，其中，所述电极层相对于所述基板的覆盖率为98％以下。2.根据权利要求l所述的压电/电致伸縮元件，其中，所述电极层的厚度为5践以下。3.—种压电/电致伸縮元件的制造方法，其包括在基板上形成含有金属的第一层使得覆盖率为98%以下的第一层形成工序；在由所述第一层形成工序形成的第一层上形成含有压电/电致伸縮材料的第二层的第二层形成工序；将其上形成了第一层和第二层的基板进行加热和烧成的烧成工序；以及在烧成工序后冷却在其上形成了第一层和第二层的基板的冷却工序。4.根据权利要求3的压电/电致伸縮元件的制造方法，其中，所述第一层的厚度为5iim以下。全文摘要本发明公开了一种压电/电致伸缩元件，即使压电/电致伸缩层开裂，该元件仍可用作传感器。所提供的压电/电致伸缩元件10具有基板11、固着于基板11上的下部电极层12以及固着于下部电极层12上的压电/电致伸缩层13，并且下部电极层12相对于基板11的覆盖率为98％以下。文档编号H01L41/047GK101794859SQ20101010471公开日2010年8月4日申请日期2010年1月28日优先权日2009年1月29日发明者后藤直树,大西孝生,梅田勇治申请人:日本碍子株式会社