图8是是本发明所涉及的喷墨打印机装置的结构图。
【具体实施方式】
[0035] 以下，参考附图，详细地描述本发明的优选的实施方式。
[0036] 图1表示本发明的一个实施方式所涉及的薄膜压电元件10的配置。
[0037] 基板1由单结晶硅、蓝宝石、氧化镁等构成，从成本和工艺的可操作性的观点出 发，特别优选为单结晶硅。基板1的厚度一般为10至1000ym。
[0038] 下部电极膜2在基板1上形成。作为材料，优选为Pt(铂）和Rh(铑）。该形成方 法是气相沉积法或溅射法。厚度优选为50至lOOOnm。
[0039] 压电薄膜3在下部电极膜2上形成。压电薄膜3是具有60nm以上且90nm以下的 平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜。
[0040] 如果平均晶粒直径小于60nm，则压电特性-d31减小到低于满足薄膜压电元件的 实际使用的值，而如果平均晶粒直径超过90nm，则电极膜之间的泄漏电流增大到高于薄膜 压电元件的实际使用的上限值。较小的平均晶粒直径使得多个晶粒在压电薄膜3的厚度方 向上沉积。这在图3A和图3B中示意性地表示，其中，粒子的晶界在电极膜之间是复杂的， 这增加了电极膜之间的晶界的总长度。
[0041] 在垂直于电极膜的方向上的压电薄膜3的截面包含在压电薄膜3的厚度方向上存 在多个粒子的部分，构成存在多个粒子的部分的粒子的总截面积的比例优选为压电薄膜3 的总截面积的50 %以上，更优选为70 %以上。当在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子 的部分的总截面对该膜的总截面积的比例在上述范围内时，电极膜之间的晶界是复杂的， 以增加晶界的长度，从而减小电极膜之间的泄漏电流。
[0042] 压电薄膜3优选包含Mn(锰）。在这种情况下，薄膜压电元件10的泄漏电流可以 减小，并且可以实现更高的压电特性-d31。通过将Mn(锰）添加到KNN薄膜来降低孔密度 和氧空位而改善泄漏电流特性的技术是已知的。
[0043] 压电薄膜3优选包含Li(锂）、Sr(锶）、Ba(钡）、Zr(锆）和Ta(钽）中的至少三种 元素。当薄膜3包含这些元素时，泄漏电流可以减小，并且可以实现更高的压电特性-d31。 [0044] 压电薄膜3包括容易在沉积工艺中蒸发的K(钾）和Na(钠）作为主要成分，并且 上述元素的添加使得在压电薄膜中的碱金属的组成稳定。这样，我们可以恰当地获得压电 薄膜的组成。
[0045] 此外，上述元素的添加倾向于不在高温下的工艺中引起压电薄膜中的去极化，并 且可以改善薄膜压电元件的可靠性。
[0046] 压电薄膜3的厚度没有特别的限制，例如可以是约0. 5ym至10ym。
[0047] 其次，上部电极膜4在压电薄膜3上形成。材料优选为Pt或Rh，这与下部电极膜 2相同。厚度优选为50nm至lOOOnm。
[0048] 然后，包括压电薄膜3的层叠体通过光刻和干法蚀刻或湿法蚀刻进行图案化，并 且最终基板1被切割以产生薄膜压电元件10。基板1可以从薄膜压电元件10移除，产生仅 包括层叠体的薄膜压电薄膜。另外，在该层叠体进行图案化之后，保护膜可以使用聚酰亚胺 等形成。
[0049] 用于评估本发明的实施方式所涉及的压电薄膜3的方法如下。
[0050] (1)平均晶粒直径的计算：
[0051] 在形成之后压电薄膜3的表面用扫描电子显微镜（以下简称为"SEM"）在以5000 倍的图像放大倍数的视野内观察，然后对得到的图像进行图像分析。每个晶粒的直径通过 将其形状近似为圆形来确定。近似晶粒直径的平均值被视为平均晶粒直径（参考图4)。
[0052](2)在压电薄膜3的厚度方向上存在多个粒子的区域的比例的计算：
[0053] 在上部电极膜4在压电薄膜3上形成之后，压电薄膜3在压电薄膜3的厚度方向 用机器或聚焦离子束（以下简称为"FIB"）切割，并且切割表面用SEM或透射电子显微镜 (以下简称为"TEM"）以10000倍的图像放大倍数观察。在压电薄膜3的厚度方向上存在 多个粒子的部分中的晶粒的总截面积被确定，并且将该总截面积除以观察范围内的截面的 总面积（参考图3A和图3B)。
[0054](3)电极膜之间的泄漏电流密度的测量：
[0055] 基板1被切割成5mmX20mm的尺寸以产生薄膜压电元件10,然后其通过在其中的 上部电极膜2和下部电极膜4之间施加DC± 20V来测量。铁电评估系统TF-1000 (由aixACCT 公司制造）用作评估装置。电压施加时间为2秒。
[0056] (4)压电常数-d31的测量：
[0057] 在700Hz下3Vp_p和20Vp_p的电压被施加在薄膜压电元件10的上部电极膜2和下 部电极膜4之间，并且在薄膜压电元件10的尖端的位移用激光多普勒测振仪和示波器测 量。
[0058]压电常数-d31可以通过基于下式（1)的计算来确定：
[0059]
【主权项】
1. 一种薄膜压电元件，其特征在于， 包括具有6〇nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜、以及配置成 将所述压电薄膜保持于其间的一对电极膜。
2. 根据权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于， 垂直于所述电极膜的方向上的所述压电薄膜的截面结构包含在所述压电薄膜的厚度 方向上存在多个粒子的部分，构成存在所述多个粒子的所述部分的粒子的总截面积的比例 是所述压电薄膜的总截面积的50 %以上。
3. 根据权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于， 所述压电薄膜包含Mn(锰）。
4. 根据权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于， 所述压电薄膜包含选自Li (锂）、Sr (锶）、Ba (钡）、Zr (锆）和Ta (钽）中的至少三 种元素。
5. -种压电致动器，其特征在于， 包括权利要求1所述的薄膜压电元件。
6. -种压电传感器，其特征在于， 包括权利要求1所述的薄膜压电元件。
7. -种硬盘驱动器，其特征在于， 包括权利要求5所述的压电致动器。
8. -种喷墨打印机装置，其特征在于， 包括权利要求5所述的压电致动器。
【专利摘要】本发明所涉及的薄膜压电元件包括具有60nm以上且90nm以下的平均晶粒直径的铌酸钾钠基压电薄膜、以及配置成将该压电薄膜保持于其间的一对电极膜。
【IPC分类】H01L41-187, H01L41-08, H01L41-316
【公开号】CN104641481
【申请号】CN201380048271
【发明人】前岛和彦, 仓知克行, 佐久间仁志, 会田康弘, 田中美知
【申请人】Tdk株式会社
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年8月30日
【公告号】DE112013004628T5, US20140084754, WO2014045121A1