压电薄膜、压电器件、液体喷射装置、及制备压电薄膜的方法

专利名称：压电薄膜、压电器件、液体喷射装置、及制备压电薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及压电薄膜、压电器件、液体喷射装置及制备压电薄膜的方法，更具体地，涉及在连续驱动中耐久性得到改善的压电薄膜、包括所述压电薄膜的压电器件、包括所述压电器件的液体喷射装置、以及制备所述压电薄膜的方法。
背景技术：
将压电薄膜与电极结合得到压电器件已为人所知，所述压电薄膜具有因施加驱动电压而移动(displace)的压电特性，而驱动电压通过所述电极作用在压电薄膜上。举例来说，日本专利申请公开第11-307833号描述了一种压电器件，在该压电器件中，其中形成压电薄膜的晶体中的(100)取向倾斜5° -20°。使(100)取向倾斜 5° -20°不但可提供低电压时的良好压电特性，而且可提供在一定电压范围内高于现有技术压电特性的压电特性。日本专利申请公开第2008-277672号描述了一种包括含有铁电相的压电薄膜的压电器件，其中电场作用方向形成的角度θπι和自极化轴决定的平面法线和
轴满足-45° < em<+45，且em兴0°。据此，该压电器件具有压电性能高的压电薄膜。然而，在相关技术的PZT (锆钛酸铅)薄膜中，与晶粒边界有关的渗漏和缺陷形成会发生在PZT薄膜的连续驱动中，从而引起绝缘击穿。此外，众所周知PZT在薄膜中有大量的Pb (铅)，其容易在反复施加驱动电压的过程中诱发1 离子迁移，从而引起电弧放电 (arcing) 见象。日本专利申请公开第11-307833号所描述的压电器件只能由溶胶-凝胶方法制备；然而，使用溶胶-凝胶方法制备压电器件时的问题包括不能使薄膜变厚、薄膜厚度方向的组成不规则，以及制备效率差(薄膜形成速度慢)。当压电薄膜用于喷墨装置时，为了改善喷射效率，要求压电薄膜的厚度不小于 2 μ m。然而，使用溶胶-凝胶方法制备至少2 μ m厚的PZT薄膜时，可能会由于反复涂敷和烧结步骤所产生的热应力而在PZT薄膜上引起裂纹。因此，难以使用溶胶-凝胶方法制备至少2 μ m厚的PZT薄膜。此外，使用溶胶-凝胶方法制备PZT薄膜时，会在每次进行烧结结晶时导致水平条纹，并且在压电晶体反复执行与压电效应有关的功能时，条纹缺陷会引发裂纹，从而导致耐久性下降。

发明内容
正是考虑到这些情况才构思了本发明，发明的一个目的是提供能经受长期驱动的压电薄膜、包括所述压电薄膜的压电器件、包括所述压电器件的液体喷射装置、以及制备所述压电薄膜的方法。为了实现上述目的，本发明涉及一种压电薄膜，其通过汽相沉积方法在所述基板表面上形成，没有产生晶粒边界，该晶粒边界基本上平行于基板表面，并且由层叠引起，其中构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。根据本发明的这一方面，不同于使用溶胶-凝胶方法形成压电薄膜，通过汽相沉积方法形成压电薄膜可防止反复层叠和结晶加热步骤产生的热应力所引起的裂纹。此外， 压电薄膜的耐久性可以得到改善，因为不会发生反复进行层叠和结晶步骤所形成的水平条纹引起的绝缘击穿。而且，通过使每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线倾的斜角度不小于6°且不大于36°度，压电薄膜的驱动耐久性也可以改善。优选地，压电薄膜的厚度不小于2 μ m且不大于20 μ m。根据本发明的这一方面，通过将压电薄膜的厚度限定在上述范围内，可以改善压电薄膜的耐久性。如果压电薄膜薄于2 μ m,不能得到足够好的耐久性，而如果压电薄膜厚于 20 μ m，厚的压电薄膜会因应力而容易破裂。优选地，压电薄膜的柱状晶体结构朝压电薄膜的厚度方向延伸。根据本发明的这一方面，可以得到晶体取向均勻的取向膜，从而可以实现高的压电性能。优选地，压电薄膜的压电常数d31不小于200pC/N。根据本发明的这一方面，可以得到足够好的压电性能。优选地，压电薄膜包括至少一种由ABO3K表示的钙钛矿氧化物，其中A表示至少一种占据A部位、且选自以下组中的元素fb、Ba、La、Sr、Bi、Li、Na、Ca、Cd、Mg和K ；B表示至少一种占据B部位、且选自以下组中的元素Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、 Cu、In、Sn、Ga、ai、Cd、!^e*Ni ;0表示氧；并且A B 0的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准摩尔比。还优选，压电薄膜包括至少一种ABO3K表示的钙钛矿氧化物，其中A表示至少一种占据A部位、且包括1 的元素；B表示至少一种占据B部位、且选自以下组中的元素 Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni ；0 表示氧；并且 A B 0的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准摩尔比。还优选压电薄膜包括至少一种Aa(Zrx，Tiy, Mb_x_y)b0。所表示的钙钛矿氧化物，其中 A表示至少一种占据A部位、且包括1 的元素；M表示至少一种金属元素；0<x<b，0<y <b，0彡(b-x-y)；并且a b c的比的范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 :1:3 为标准比。根据本发明的这些方面，通过使用以上提及的钙钛矿氧化物，可以得到具有充足的压电性能的压电薄膜。优选地，占据A部位的1 组分a少于1. 10。根据本发明的这一方面，可以改善压电薄膜的耐久性。如果1 组分a为1. 10或以上，驱动电场会诱发1 离子的迁移，导致容易发生电弧放电的破裂模式(breaking mode), 从而明显降低耐久性。优选地，汽相沉积方法使用等离子体。还优选所述汽相沉积方法包括溅射方法。根据本发明的这些方面，可以有效防止反复层叠和结晶所引起形成水平条纹，并可得到具有柱状晶体结构的压电薄膜。
为了实现上述目的，本发明还涉及压电器件，其包括上述压电薄膜；电极，电场通过该电极作用于压电薄膜。为了实现上述目的，本发明还涉及液体喷射装置，其包括上述压电器件；以及液体喷射元件，液体喷射元件布置成与所述压电器件相邻，并且包括储存液体的液体贮存室；以及液体喷射口，液体通过该液体喷射口从液体贮存室喷出，响应电场对压电薄膜的作用。根据本发明的这些方面，使用上述压电薄膜可以提供能经受长期使用的压电器件和液体喷射装置。为了实现上述目的，本发明还涉及制备压电薄膜的方法，其包括通过汽相沉积方法在基板表面上形成压电薄膜的步骤，所述压电薄膜具有柱状晶体结构，其中构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。根据本发明的这一方面，不同于由溶胶-凝胶方法形成的压电薄膜，由汽相沉积方法形成的压电薄膜可以是厚的，不会引起水平条纹。进而可以防止由于水平条纹引发形成裂纹，结果可以改善耐久性。此外，可以抑制压电薄膜厚度方向的组成变化，这样就可以制备高性能的压电薄膜。溶胶-凝胶方法由于反复进行涂敷、脱脂、和烧结步骤，导致生产率低，而汽相沉积方法因为提高了薄膜形成速度，所以可以改善生产效率。优选地，汽相沉积方法使用等离子体。还优选汽相沉积方法包括溅射方法。根据本发明的这些方面，可以有效防止反复层叠和结晶引起形成水平条纹，并可得到具有柱状晶体结构的压电薄膜。根据本发明的压电薄膜，构成压电薄膜的每个晶体(100)平面的法线相对基板表面的法线方向倾斜预定的角度，其中施加驱动电场。因此，可以改善驱动耐久性。此外，使用汽相沉积方法可以产生厚的压电薄膜而不会引起裂纹。因为没有发生不规则的层叠，所以驱动耐久性可以进一步得到改善，并且可以防止由于使用所述压电薄膜而形成缺陷。


以下参考

本发明的特性、以及其它目的和优点，其中在各图中类似的附图标记表示相同或类似的部件。图1为剖面图，显示了具有压电薄膜的压电器件的结构和根据本发明实施方案的喷墨记录头的结构；图2为具有图1所示喷墨记录头的喷墨记录装置的示意性结构图；图3显示了在实施例1的压电薄膜上通过XRD进行ω扫描测量的结果；图4显示了实施例1的压电薄膜的TEM剖面图像；图5所示为试验结果所得的表；以及图6显示了在比较例1的压电薄膜上通过XRD进行ω扫描测量的结果。
具体实施例方式压电器件和喷墨记录头
以下参考图1来说明具有根据本发明实施方案的压电薄膜的压电器件的结构，以及喷墨记录头(液体喷射装置)的结构。图1为显示喷墨记录头的主要部件的剖面图。为了便于喷墨记录头组件的形象化，图中组件各自合理地采用不同的比例。示意性地，在所述图中本实施方案的喷墨记录头(液体喷射装置)3包括压电致动器2，和连接在压电致动器2下表面上的墨水喷嘴(液体贮存及喷射元件)20。墨水喷嘴20 具有墨水室(液体贮存室)21和墨水喷射口(液体喷射口)22，其中墨水室21储存墨水，墨水则通过喷射口 22从墨水室21喷射到外面。在喷墨记录头3中，作用于压电器件1的电场强度是变化的，这样可扩张或收缩压电器件1，从而控制墨水从墨水室21的喷射时点和喷射量。在图中，压电致动器2通过将隔膜16装配到压电器件1的基板11的下表面而形成。隔膜16随着压电薄膜13的扩张和收缩而振动。通过代替与基板11独立的元件装配隔膜16和墨水喷嘴20，可将一部分基板11加工成隔膜16和墨水喷嘴20。例如，可以刻蚀基板11，在图中从其下表面开始，以形成墨水室21，然后可以通过加工基板11本身而形成隔膜16和墨水喷嘴20。在图中，通过在基板11的上表面上相继放置下电极层12、压电薄膜13、和上电极层14，可形成压电器件1。通过下电极层12和上电极层14，电场沿压电薄膜13的厚度方向作用于压电薄膜13上。压电致动器2处于挠性振动模式。下电极层12与压电薄膜13 —起进行图案化， 这样驱动电压可针对每个墨水室21变化。压电器件1还具有为改变作用于下电极层12的电压而进行驱动控制的驱动器15。对根据本实施方案的压电器件1的基板11没有特别限制，基板11的材料实例包括硅、玻璃、不锈钢(SUS)、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、SrTiO3、氧化铝、蓝宝石、和碳化硅。 层叠基板可以用作基板11，例如在硅基板上相继放置SiA薄膜和Si活性层形成的SOI基板。进一步，在基板11和下电极层12之间可以布置用于改善晶格匹配性能的缓冲层，或布置用于提高基板和电极之间粘合力的粘合层。下电极层12的主要成分的实例包括但不限于例如Au、Pt、Ir、IrO2, RuO2, LaNiO3 和SrRuO3的金属或金属氧化物，及其组合。上电极层14的主要成分的实例包括但不限于上述下电极层12的主要成分的实例，诸如通常用于半导体器件的Al、Ta、Cr和Cu的电极材料，及其组合。下电极层12和上电极层14的厚度优选为50-500nm，但不限于此。构成压电薄膜13的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。通过在6-36°之间调节每个晶体的(100)平面的法线相对基板表面法线的倾斜角，可以实现压电薄膜13高的驱动耐久性。进一步优选，倾斜角不小于10° 且不大于17°。倾斜角可以通过XRD(X射线衍射)分析测得。具体地，在XRD测量中通过进行2 θ固定ω扫描获得所述倾斜角。压电薄膜13由一种或多种由ABO3所表示的钙钛矿氧化物组成，其中A表示至少一种占据A部位并且选自以下组中的元素=HKBaiajiNBLLLNa^aXcUMg和K，并且优选至少一种包括1 的元素；B表示至少一种占据B部位并且选自以下组中的元素Ti、Zr、V、 Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、k、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni ;0 表示氧；并且 A B 0
6的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准摩尔比。结构通式ABO3代表的钙钛矿氧化物实例包括钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)、锆酸铅、钛酸铅镧、钛酸锆酸铅镧、铌酸锆镁-钛酸铅、和铌酸锆镍-钛酸铅。压电薄膜13可以由结构通式ABO3代表的两种或多种钙钛矿氧化物的混合晶体构成。特别优选压电薄膜13由Aa(Zrx，Tiy, Mb_x_y)b0。所代表的一种或多种钙钛矿氧化物构成，其中A表示至少一种占据A部位并且包括1 的元素；M表示至少一种金属元素；0<x <b，0<y<b，0彡(b-x-y)；并且a b c的比的的范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准比。优选占据Aa (Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c 中的 A 部位的 Pb 组分的 a (即 Aa (Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c 中的a)低于1. 10。当占据A部位的1 组分的a为1. 10或以上时，驱动电场会诱发1 离子迁移，导致容易发生电弧放电的破裂模式，从而使耐久性明显降低。因此，优选将1 组分的a控制在低于1. 10。通过控制薄膜形成温度、基板电势、和薄膜形成功率，可以将1 组分的a控制在低于1. 10。1 组分的a可以通过X射线荧光(XRF)分析测得。通过改变占据钙钛矿氧化物中A部位的组分，可以控制构成压电薄膜13的每个晶体的(100)平面的法线相对基板表面法线的倾斜角。优选压电薄膜13为朝非平行于基板表面方向延伸的许多柱状晶体组成的柱状晶体结构，从而可以实现高的压电性能。由朝非平行于基板表面的方向延伸的柱状晶体构成的薄膜结构可以获得晶体取向均勻的取向膜。通过溅射方法或其它非热平衡方法形成薄膜时，可以获得这类薄膜结构。构成压电薄膜13的柱状晶体的平均柱直径优选但不限于不小于30nm且不大于 Ium0如果柱状晶体的平均柱直径太小，可能不会在压电薄膜中发生充分的晶体生长，从而不能实现所要求的压电性能。另一方面，如果柱状晶体的平均柱直径太大，图案化后得到的形状精度可能会降低。优选地，待形成的压电薄膜13的厚度不小于2 μ m且不大于20 μ m。使压电薄膜厚些可以提供高的耐久性。因为根据本实施方案的压电薄膜13通过汽相沉积方法形成，所以可以形成以上提及的厚度范围的压电薄膜，而不会导致晶粒边界。用溶胶-凝胶方法形成薄膜时，需要重复操作涂敷和烧结多次以获得厚膜。反复操作可能会在压电薄膜中产生水平条纹，因此使用所述压电薄膜时会导致裂纹。水平条纹表示的是基本上平行于基板表面、 并且通过层叠而导致的晶粒边界。所述裂纹可能会由于反复操作涂敷和烧结所导致的热应力而发生。因为根据本实施方案的压电薄膜13通过汽相沉积方法形成，可以防止产生由热应力所引起的裂纹和由于条纹缺陷所引发的裂纹，因此可以得到高耐久性的压电薄膜。使用汽相沉积方法形成薄膜时，可以抑制使用溶胶-凝胶方法形成薄膜时观察到的周期性组成变化。因此，不但可以抑制应力，还可以抑制压电薄膜厚度方向分布的薄膜性能所引起的性能下降，所以可以产生高性能的压电薄膜。由于溶胶-凝胶方法通过反复进行涂敷、脱脂和烧结步骤形成薄膜，每次涂敷形成的薄膜厚度为约lOOnm。反复进行这些操作以形成厚的压电薄膜极其耗时。使用汽相沉积方法可以4ym/h的速度进行成膜，所以可改善生产效率。此外，还可以通过增加输入功率而很容易地提升成膜速度。成膜方法形成(制备)压电薄膜的方法的实例包括溅射方法、离子电镀方法、等离子体 CVD(化学蒸气沉积)方法、PLD(脉冲激光沉积)方法、和其它使用等离子体的汽相沉积方法。尤其是，溅射方法或其它非热平衡方法可以产生具有柱状晶体结构的薄膜。根据本发明实施方案，控制形成压电薄膜的条件可以得到层叠结构，在所述层叠结构中，构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线相对基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。如果倾斜角大于36°，钙钛矿型(112)平面的比例会增加，压电性能会下降。本发明人已经发现，使用溅射方法形成压电薄膜时，通过增加促成晶体生长的溅射粒子的能量，每个晶体的(100)平面的法线就可以倾斜到高于一定的水平。例如，通过提高基板温度T，可以提高在基板表面上迁移的溅射粒子的能量。通过降低成膜压力P、靶-基板距离(T-S距离)、和基板电势Vms，可以提高到达基板的溅射粒子的能量。基于该原理，通过调节作为溅射成膜参数的基板温度T、成膜压力P、靶-基板距离 (T-S距离)、和基板电势Vms，可以调节倾斜角。具体地，为了使每个晶体的(100)平面的法线相对基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°，优选在以下范围内形成压电薄膜当A部位没有掺杂1 以外的任何成分时0. 1 ^ P (Pa) ^ 0. 3 ；T-S 距离(mm) = 60 ；-20 < V 基板(V) ( -10 ；并且435 ^ T(°C ) ^ 550,或0. 1 ^ P (Pa) ^ 0. 3 ；T-S 距离(mm) = 60 ；-10 < V 基板(V)彡 15 ；并且515 < T(°C ) < 550,或0. 1 ^ P (Pa) ^ 0. 3 ；T-S 距离(mm) = 40 ；-10 < V 基板(V) ( 15 ；并且475 ^ T(°C ) ^ 550,或0. 1 ^ P (Pa) ^ 0. 3 ；T-S 距离(mm) = 40 ；-10 < V 基板(V)彡 15 ；并且475 彡 T )彡 550。或0. 1 ^ P (Pa) ^ 0. 3 ；
T-S 距离(mm) = 80 ；-20 < V 基板(V)彡 15 ；并且525 彡 T )彡 550。应当注意，在基板电势V·为-20V或更低时形成压电薄膜，以及在形成温度T高于550°C时形成压电薄膜时，晶体形成烧绿石型(pyrochlore)结构，这可防止薄膜粘合。在成膜压力P低于0. 1 时，不会获得稳定的放电。此外，基板电势V·的误差为约士4V，T-S 距离的误差为约5mm。在相同的条件下，当A部位掺杂了 1 以外的任何成分时，晶体的活化能改变，结果是倾斜角也改变。喷墨记录装置以下参考图2说明具有根据本发明实施方案的喷墨记录头3(172M、172K、172C和 172Y)的喷墨记录装置的结构。图2为显示整个装置的图。喷墨记录装置100为直接绘图类型的，也即通过从喷墨头172M、172K、172C和172Y 沉积多种颜色的墨滴到记录介质124(常常为方便起见称为“纸张”)上，形成所要求的彩色图像，所述记录介质124固定在绘图单元116的压力鼓(绘图鼓170)上。喷墨记录装置 100是请求类型的图像形成装置，其使用两种液体的反应(聚集)体系，在沉积墨滴之前将处理液(聚集处理液)涂敷到记录介质IM上，然后使处理液与墨滴反应，以便在记录介质 124上形成图像。如图2所示，喷墨记录装置100主要有送纸单元112、处理液涂敷单元114、绘图单元116、干燥单元118、定影单元120、和排出单元122。〈送纸单元〉送纸单元112为供应记录介质IM到处理液涂敷单元114的机构。记录介质124、 纸片堆在送纸单元112上。送纸单元112配备有托纸盘150，记录介质IM从托纸盘150 — 张接一张地提供给处理液涂敷单元114。〈处理液涂敷单元〉处理液涂敷单元114是将处理液涂敷到记录介质IM的记录表面上的机构。处理液含颜色材料聚集剂，用于聚集绘图单元116沉积的墨水的颜色材料(本实施方案中的颜料)。处理液和墨水之间的接触促进墨水分离成颜色材料和溶剂。如图2所示，处理液涂敷单元114有送纸鼓152、处理液鼓154、和处理液涂敷装置 156。处理液鼓巧4容纳记录介质124，并旋转输送记录介质124。处理液涂敷装置156布置在处理液鼓154的外面，这样可面向处理液鼓154的周边。处理液涂敷装置156由用于贮存处理液的处理液容器、部分浸没于贮存在处理液容器中的处理液中的网纹传墨辊(ani Iox)、和橡皮辊构成，所述橡皮辊压迫在网纹传墨辊和处理液鼓巧4上的记录介质IM上， 用来将处理液输送到记录介质IM上，所述处理液在其量经测定后获得。处理液涂敷装置 156可以在测定处理液的量的同时用所述处理液涂布记录介质124。记录介质IM在用处理液涂敷单元114中的处理液涂敷后，通过中间传输单元 126，从处理液鼓154输送到绘图单元116的绘图鼓170。〈绘图单元〉绘图单元116具有绘图鼓(第二传输机构)170、纸张压辊174、和喷墨记录头172M、172K、172C和 172Y。喷墨记录头172M、172K、172C和172Y每个都优选为全行(full-line)类型的喷墨记录头(喷墨头)，其长度对应于记录介质1 上图像形成区的最大宽度。喷墨记录头 172M、172K、172C和172Y每个的墨水喷射表面都有喷嘴排，其中多个墨水喷嘴沿图像形成区的整个宽度布置。喷墨记录头172M、172K、172C和172Y每个的安装方式都要使其沿垂直于记录介质1 输送方向(绘图鼓170的旋转方向)的方向延伸。喷墨记录头172M、172K、172C和172Y喷射相应颜色的墨滴到紧密固定在绘图鼓 170上的记录介质IM的记录表面上。结果是，墨滴接触到已经在处理液涂敷单元114中涂敷到记录表面上的处理液，因此分散在墨水内的颜色材料(颜料)聚集，形成颜色材料聚集体。这可防止颜色材料在记录介质1 上流动，并在记录介质1 的记录表面上形成图像。其上的图像已经在绘图单元116中形成的记录介质IM然后通过中间传输单元 128，从绘图鼓170输送到干燥单元118的干燥鼓176。〈干燥单元〉干燥单元118是用于干燥包含在因颜色材料聚集作用而分离的溶剂中的水分的机构。如图2所示，干燥单元118有干燥鼓(传输机构)176和溶剂干燥装置178。溶剂干燥装置178的布置应使其面向干燥鼓176的外周边，其由IR(红外线)加热器182和布置在顶加热器182之间的温热空气喷嘴180构成。适当调节从温热空气喷嘴180吹向记录介质124的温热空气的温度和体积，以及每个顶加热器182的温度，可实现多种干燥条件。已经过干燥单元118中干燥过程的记录介质IM通过中间传输单元130，从干燥鼓 176输送到定影单元120的定影鼓184。〈定影单元〉定影单元120由定影鼓184、卤素加热器186、定影辊188、和在线传感器190构成。 定影鼓184旋转时，记录介质124的传送以其记录面朝外，然后记录面通过卤素加热器186 预热，通过定影辊188定影，并通过在线传感器190检测。卤素加热器186的温度控制在预定温度(180°C，例如)，并且记录介质IM在此温度下进行预热。定影辊188是辊式元件，通过施加热和压力到干墨水上，使干墨水中的自分散型热塑性树脂颗粒相互粘合，从而使墨水形成薄膜。定影辊188设计成能施加热和压力到记录介质1 上。在线传感器190是用于测量定影在记录介质IM上的图像的检测图案、 水分量、表面温度、光泽度等的测量装置。可以使用CCD线式传感器作为在线传感器190。〈排出单元〉排出单元122布置在定影单元120之后。排出单元122有排纸托盘192。在排纸托盘192和定影单元120的定影鼓184之间布置有传送鼓194、传送带196、和拉伸辊198，这样其可面向排纸托盘192和定影鼓184。记录介质IM通过传送鼓194传送到传送带196， 然后排出到排纸托盘192。尽管图2说明了鼓式传送类型的喷墨记录装置，本发明并不限于此，其还可以用于带式输送类型的喷墨记录装置等。实施例以下将使用实施例对本发明进行进一步详细描述；然而，本发明并不限于此。
使用溅射方法形成压电薄膜。通过控制到达基板的溅射粒子的能量，即，通过适当设定成膜压力、靶-基板距离(T-幻、基板电压Vs和基板温度，控制构成压电薄膜的晶体 (100)平面的法线的倾斜角。通过改变靶中占据A部位的组分，进一步控制晶体(100)平面的法线的倾斜角。〈实施例1> 在350°C的基板温度下使用溅射方法，在SOI基板上相继形成厚度为30nm的Ti膜和厚度为150nm的Ir膜，获得下电极。在此下电极上形成厚度为4 μ m的Nb掺杂PZT压电薄膜。在以下条件下进行该薄膜的形成。 成膜条件》成膜装置RF溅射装置靶PbuGZi^Jio.J^Nbo.JJ烧结体(占据 B 部位的 Nb 量12mol % )基板温度475 °C靶-基板(T-幻距离60mm成膜压力0.3OPa成膜气体-.kr/02= 97. 5/2. 5 (摩尔比)基板电势V基板=_12V开始成膜后，将基板电势Vms设定在+25V下5分钟，以提供钙钛矿层作为初始层。成膜完成后，用XRD测量方法进行压电薄膜的取向检验，结果是，该薄膜具有 (100)优先取向。随后，将2 θ设定成能出现(200)峰的角度，在XRD测量方法中进行ω扫描。结果在图3中给出。图3中2Θ设定在能出现钙钛矿型PZT (200)平面峰的44. 4°，然后进行扫描。图3显示，当ω为22. 2°时(即，(100)平面的法线平行于基板表面的法线时)，(100)平面平行于基板表面，并且角度(ω-22·2° )表示(100)平面法线的倾斜角。 根据图3可以证实，(200)平面的法线(与(100)平面的法线相同)相对基板表面的法线倾斜12. 6°。(200)平面法线的倾斜角还可以通过旋转样条的Φ扫描测得，并且还可以用极图测量方法。图4显示了所得压电薄膜的ΤΕΜ(透射电子显微法)剖面图。使用离子铣削(ion milling)技术在压电薄膜上进行超薄化处理，可观察得到该图像。所述薄膜具有连续的柱状结构，并且没有在相对薄膜厚度的正交方向上观察到由不规则层叠所引起的晶粒边界。随后，通过汽相沉积在得到的压电薄膜上形成Pt/Ti上电极(Pt :150nm厚，Ti 30nm厚)(其中Ti用作粘合层，而Pt主要用作电极)，对由此得到的材料通过蚀刻方法进行预先确定的图案化。然后，通过加工基板的背表面形成开口的池状结构，制备喷墨记录头。 然后再测量所制得的喷墨记录头的压电常数d31。通过实验评估压电薄膜的驱动耐久性，实验中喷墨记录头在IOOkHz和25Vp-p的正弦波条件下、在40°C的温度和80%的相对湿度气氛中驱动。一旦在压电薄膜中观察到绝缘击穿或位移变差就结束实验，再根据以下基于喷墨记录头驱动次数的标准评估压电薄膜的驱动耐久性好1 X IO11循环次数<驱动耐久性；中1X109循环次数 < 驱动耐久性< IXlO11循环次数；以及差驱动耐久性< IX IO9循环次数、
此外，通过X射线荧光(XRF)分析测量1 的量，即B部位各元素之和为1时得到的比率。结果在图5中显示。甚至在喷墨记录头驱动循环IX IO11次后，实施例1也显示无变化，因此其具有良好的耐久性。〈实施例2_6>使用与实施例1相同的方法在图5所述的条件下制备压电薄膜和喷墨记录头，评估所得压电薄膜和喷墨记录头。<比较例1>使用与实施例1相同的方法在图5所述的条件下制备压电薄膜。成膜完成后，用 XRD测量方法进行压电薄膜取向检验，结果是，薄膜具有(100)优先取向。随后，将2 θ设定成在能出现(200)峰的角度，进行ω扫描。结果在图6中显示。根据图6可以证实，(200) 平面的倾斜角为0°。随后，以与实施例1同样的方法制备喷墨记录头。耐久性试验的结果是，当喷墨记录头驱动循环3Χ IO8次时发生绝缘击穿。〈比较例2禾口3>使用与比较例1相同的方法在图5所述的条件下制备压电薄膜和喷墨记录头，评估得到的压电薄膜和喷墨记录头。根据图5，通过使(100)平面倾斜6°或更多，可实现高的驱动耐久性。1 的量为 1.10或更高时，耐久性下降。〈比较仿Ij4>在350°C的基板温度下使用溅射方法，在SOI基板上相继形成厚度为30nm的Ti膜和厚度为150nm的Ir膜，获得下电极。通过溶胶-凝胶方法在此下电极上形成压电薄膜。更具体地，在500转/分钟下使用旋涂法5秒钟，将含有Pb1J5(Zra46Tia42Nbai2) Ox (浓度0. 5mol/l)的涂敷液涂敷到以上提及的下电极上，然后在2000转/分钟下旋涂15 秒钟，获得基本上恒定的厚度。用涂敷液涂敷下电极后，在250°C下干燥下电极约5分钟。 干燥步骤后，下电极在温度400°C下的气氛中进行脱脂10分钟。重复涂敷、干燥、及脱脂系列步骤5次，获得5个压电层。随后，将层叠的5个层在800°C下通过RTA(快速热退火)热处理方法加热10分钟，促进压电材料的结晶，并改善压电材料的性能。再一次重复5层层叠及加热的系列步骤，获得厚度2 μ m或更厚的PZT薄膜，结果是，在800°C下加热第10层时，整个PZT薄膜中产生了裂纹。因此，不能进行评价。比较例4证实，通过溶胶-凝胶方法难以形成厚的压电薄膜。应当理解，本发明无意限制在所公开的具体形式内，相反，本发明应涵盖落入附后权利要求所代表的本发明的精神和保护范围之内的所有修改、替代构造以及等同物。
权利要求
1.一种压电薄膜，该压电薄膜通过汽相沉积方法在基板表面上形成，没有产生晶粒边界，该晶粒边界基本平行于基板表面，并且是由层叠所引起的，其中构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°，且不大于36°。
2.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜的厚度不小于2μ m,且不大于20 μ m。
3.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜的柱状晶体结构朝压电薄膜的厚度方向延伸。
4.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜的压电常数d31不小于200pC/N。
5.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜包括至少一种由ABO3表示的钙钛矿氧化物， 其中A表示至少一种占据A部位、且选自以下组中的元素Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、Na、Ca、 Cd、Mg和K ；B表示至少一种占据B部位、且选自以下组中的元素Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、 Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、CcUi^e 和 Ni ;0 表示氧；且 A B 0 的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准摩尔比。
6.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜包括至少一种由ABO3表示的钙钛矿氧化物， 其中A表示至少一种占据A部位、且包括1 的元素；B表示至少一种占据B部位、且选自以下组中的元素Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni ； 0表示氧；且A B 0的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准摩尔比。
7.权利要求1的压电薄膜，其中压电薄膜包括至少一种*Aa(Zrx，Tiy，Mb_x_y)b0。所表示的钙钛矿氧化物，其中A表示至少一种占据A部位、且包括1 的元素；M表示至少一种金属元素；0 < χ < b，0 < y < b，0彡(b-x-y)；并且a b c的比的范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1 1 3为标准比。
8.权利要求7的压电薄膜，其中占据A部位的1 组分少于1.10。
9.权利要求1的压电薄膜，其中汽相沉积方法使用等离子体。
10.权利要求1的压电薄膜，其中汽相沉积方法包括溅射方法。
11.一种压电器件，其包括权利要求1的压电薄膜；以及通过其将电场施用于压电薄膜上的电极。
12.一种液体喷射装置，其包括权利要求11的压电器件；以及布置成与压电器件相邻的液体喷射元件，该喷射元件包括贮存液体的液体贮存室；以及液体喷射口，液体响应施用电场的作用通过该喷射口从液体贮存室喷射到压电薄膜。
13.一种制备压电薄膜的方法，其包括通过汽相沉积方法在基板表面上形成压电薄膜的步骤，所述压电薄膜具有柱状晶体结构，其中构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°，且不大于36°。
14.权利要求13的方法，其中汽相沉积方法使用等离子体。
15.权利要求13的方法，其中汽相沉积方法包括溅射方法。
全文摘要
压电薄膜、压电器件、液体喷射装置、及制备压电薄膜的方法。一种压电薄膜，所述压电薄膜通过汽相沉积方法在基板表面上形成，没有产生晶粒边界，该晶粒边界基本上平行于基板表面，并且是由层叠引起的。构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。
文档编号H01L21/20GK102194670SQ20111005714
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月3日
发明者直野崇幸 申请人:富士胶片株式会社