專利名稱：壓電結(jié)構(gòu)、液體噴射頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
和相關(guān)技術(shù)本發(fā)明涉及一種壓電結(jié)構(gòu)、一種液體噴射頭及其制造方法。
最近，采用液體噴射記錄裝置的打印機(jī)被廣泛用作個人計算機(jī)或類似設(shè)備的打印裝置，這是因為它具有高打印性能、使用方便、費用低或類似特性。液體噴射記錄裝置是下述類型的，在一類型中在熱能作用下，在諸如油墨等的液體內(nèi)產(chǎn)生氣泡，并在因此發(fā)生的壓力波的作用下噴射液滴；在另一種類型中，液滴在靜電力的作用下被吸入并排出；再一種類型是，其中，在諸如壓電元件的振動元件或類似物作用下產(chǎn)生壓力波。
在采用壓電元件的液體噴射裝置中，裝備有與液體供應(yīng)腔液體相通的壓力腔、與壓力腔液體相通的液體噴射頭、與壓力腔相連的壓電元件振動板。借助這種結(jié)構(gòu)，向壓電元件施加預(yù)定電壓以使壓電元件壓縮和膨脹，從而產(chǎn)生振動。這使壓力腔中的液體壓縮并通過液體噴射出口噴射液滴。最近，液體噴射裝置被廣泛使用，并且希望在打印性能、特別是高分辨率、高速打印和/或長型液體噴射頭方面有所改進(jìn)。為了達(dá)到這些要求，試制了高分辨率和高速度的液體噴射頭，它采用了具有高密度噴嘴的多噴嘴噴射頭結(jié)構(gòu)。為了提高密度，需要減小用于噴射液體的壓電元件尺寸。基于低成本同時有高精度的考慮，特別是在長型液體噴射頭的情況下，希望通過半導(dǎo)體薄膜成型工藝來完成制造。
但是，壓電膜是通過將PbO、ZrO2和TiO2粉末成型為片狀、然后烘烤制成的，因而，很難制成不超過10μm的壓電薄膜。因此，壓電薄膜的精細(xì)加工是困難的，這就使壓電元件很難減小尺寸。在壓電膜由烘烤粉末制成的情況下，晶體顆粒邊界的影響是不可忽略的，因此，不能提供優(yōu)異的壓電特性。結(jié)果，由烘烤粉末制成的壓電膜當(dāng)厚度不超過10μm時不能表現(xiàn)出令人滿意的、用于噴射諸如油墨的液體的壓電特性，由于這一原因，用于液體噴射、具有所需特性的小尺寸液體噴頭尚未制造出。
粉末片材在振動板和/或陶制結(jié)構(gòu)元件或類似物上同時烘烤。由此，當(dāng)要得到高密度陶瓷時，由于材料收縮產(chǎn)生的尺寸變化不能忽略。這就限制了尺寸，并且很難設(shè)置大量的液體噴射出口(噴嘴)。
日本公開專利申請11-348285公開了一種結(jié)構(gòu)以及一種采用微觀制造方法制造液體噴射頭的制造方法，該方法采用濺射的半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制連在該申請中，在單晶MgO上完成鉑的取向薄膜成型，并且再疊加一層不包含Zr涂層和PZT涂層的鈣鈦礦。
但是，這種系統(tǒng)具有下述問題(1)單一取向的晶體或單晶PZT不能高重復(fù)性地穩(wěn)定產(chǎn)生；(2)取向的PZT層只能在價格昂貴的單晶MgO單晶基片或類似物上形成，因此，該工藝費用很高。另外，MgO的單晶基片的尺寸受到限制，因此，不能生產(chǎn)大面積的基片。
(3)采用該公開說明書所述的方法，連接出現(xiàn)在壓電元件附近、或者在壓電元件和由粘接材料或類似物構(gòu)成的壓力腔(液體腔)的元件之間的連接部分附近。在微觀加工區(qū)域中，并不足以產(chǎn)生抵抗重復(fù)應(yīng)力或類似內(nèi)力的可靠性。
(4)在公開在上述申請的方法中的振動板，與液體噴射頭中的諸如油墨的液體直接接觸，另外，在加工過程中，振動板與酸、堿或其他化學(xué)劑接觸，因此，不能生產(chǎn)出可靠的液體噴射元件。另外，制造工藝復(fù)雜，液體噴射頭價格昂貴。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種壓電結(jié)構(gòu)，包括振動板；壓電膜；所述振動板包括單晶材料、多晶體材料涂層，摻有與構(gòu)成單晶材料的元素不同的元素的單晶材料，或者摻有與構(gòu)成多晶材料的元素不同的元素的多晶體材料的涂層，并且包括把所述層夾中間的氧化層；所述壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造具有振動板和壓電膜的壓電結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括在硅基片上形成第二氧化層一步，該硅基片具有位于硅涂層上的單晶硅涂層，一氧化層位于其間；在第二氧化層上形成單一取向的晶體或多晶結(jié)構(gòu)的壓電膜一步；在壓電膜上形成一個上電極一步。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種液體噴射頭，包括一個液體噴射出口；一個主體部件的基片部分，它具有一個與所述液體噴射出口液體連通的壓力腔和一個開口；一個與開口相連以堵住開口的壓電結(jié)構(gòu)；所述壓電結(jié)構(gòu)包括一個振動板；一個壓電膜；所述振動板包括單晶材料、多晶體材料，摻有與構(gòu)成單晶材料的元素不同元素的單晶材料，或者摻有與構(gòu)成多晶體材料的元素不同元素的多晶體材料的涂層，并且包括將所述層夾在其間的氧化層，所述壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種液體噴射頭的制造方法，該液體噴射頭包括一個液體噴射出口；一個主體部件的基片部分，它具有一個與所述液體噴射出口液體連通的壓力腔和一個開口；一個與開口相連以便堵住開口的壓電結(jié)構(gòu)；所述制造方法包括在硅基片上形成第二氧化層一步，該硅基片具有位于硅涂層上的單晶硅涂層，氧化層位于其間；在第二氧化層上形成單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)的壓電膜一步。
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成壓電結(jié)構(gòu)并具有單晶或多晶結(jié)構(gòu)的振動板被氧化材料夾持，使得即使在往復(fù)機(jī)械位移的作用下產(chǎn)生微小裂紋，振動板本身的強(qiáng)度仍能維持，并且相對于壓電膜的粘接性能不會降低，從而提供了一種耐用的裝置。
另外，在硅基片上能夠形成具有高壓電系數(shù)的單一取向晶體或單晶壓電膜，因此，具有統(tǒng)一的晶體取向的薄膜能夠在基片上順序成型，這可以制出具有高頻特性、壽命長、電致伸縮/壓電性能好的壓電結(jié)構(gòu)。
通過采用這種壓電結(jié)構(gòu)，能夠具有高的耐用性、高密度、高頻的大噴射動力的裝置，其中各個液體噴射出口的性能一致。另外，通過將壓電元件和振動板或類似物制成薄膜，就可以采用半導(dǎo)體工藝中使用的微觀制造技術(shù)。另外，能夠提供壽命長、電致伸縮/壓電性能好、長度大、可靠性穩(wěn)定的液體噴射頭。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于液體噴射頭的壓電結(jié)構(gòu)的局部截面圖。
圖3是基于根據(jù)本發(fā)明的一實施例制造方法制成的壓電結(jié)構(gòu)的局部截面圖。
圖4是基于根據(jù)本發(fā)明的實施例的制造方法制成的液體噴射頭的局部截面圖。


圖1中，(a)是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所述的液體噴射頭的透視圖，(b)是沿圖(a)中A-A剖開的截面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于液體噴射頭的壓電結(jié)構(gòu)的局部截面圖。
如圖1所示，該實施例中的液體噴射記錄頭1包括多個液體噴射出口(噴嘴)2、多個壓力腔(液體腔)3和為每個壓力腔3提供的壓電結(jié)構(gòu)10。液體噴射出口2以預(yù)定的間隔形成在孔板5上。壓力腔3形成在主體部件的基片部分(液體腔基片)6上，并對應(yīng)于液體噴射出口2。壓力腔3通過液流通道6a與各液體噴射出口2相連。在該實施例中，液體噴射出口2形成在底側(cè)上，它們也可以形成在橫向側(cè)面上。在主體部件的基片部分6的頂側(cè)上，形成有與每一壓力腔3對應(yīng)的開口6b，并且壓電結(jié)構(gòu)10位于主體部件的基片部分6的頂側(cè)的位置上，以便堵住口6b。壓電結(jié)構(gòu)10包括一個振動板11和一個壓電元件12。
如圖2所示，構(gòu)成本實施例的壓電結(jié)構(gòu)10的振動板11包括單晶材料或多晶體材料，它被第一氧化層13和第二氧化層14夾住。構(gòu)成壓電結(jié)構(gòu)10的壓電元件12的壓電膜15由單一取向的晶體或單晶材料制成。在其頂側(cè)和底側(cè)，形成有Au、Pt一類的電極16、17。壓電元件12由壓電膜15和電極16、17構(gòu)成。
通過以這種方式構(gòu)成壓電結(jié)構(gòu)10，單晶、多晶結(jié)構(gòu)的振動板11被氧化物13、14夾持，因此，盡管在微小撞擊的作用下發(fā)生重復(fù)的機(jī)械位移，振動板本身仍不會損壞，并且相對于壓電膜的粘接性不會惡化。因此，其耐用性很高。
對于振動板11，以及位于遠(yuǎn)離壓電膜15一側(cè)的第一氧化層13和位于壓電膜15一側(cè)的第二氧化層14，在振動板11位于其間的情況下，膜的厚度選擇為d1+d2≤D1，其中D1是振動板11的膜厚，d1時第一氧化層13的膜厚，d2時第二氧化層14的膜厚。當(dāng)滿足上述公式時，壓電結(jié)構(gòu)10和液體噴射頭1的耐用性能進(jìn)一步提高。
特別地，振動板11的膜厚(膜厚D1)、第一氧化層13(膜厚d1)、第二氧化層14(膜厚d2)為d1＝5nm-5μm，最好是10nm-3μm；膜厚d2是5nm-3μm，最好是10nm-1μm；膜厚D1是100nm-10μm，最好是500nm-5μm。如果振動板11的膜厚D1超過10μm，則對于液體噴射頭來說，位移量會不足，因此，這對高密度噴嘴排列是不可取的。
在壓電結(jié)構(gòu)的這一實施例中，最好滿足d1+d2+D1≤5×D2，其中D2時壓電膜15的膜厚。當(dāng)滿足d1+d2+D1≤5×D2時，壓電結(jié)構(gòu)內(nèi)的位移足夠大。壓電膜15的特定膜厚D2是500nm-10μm，最好是1μm-5μm。
振動板11的材料是Si，最好是單晶Si。振動板11可以摻有諸如B的元素。對于振動板11，可以采用晶格恒定的Si，以提供單一取向的晶體或單晶構(gòu)成的壓電膜15。
構(gòu)成第一氧化層13上層的材料可以是SiO2，YSZ(釔穩(wěn)定化的氧化鋯)，MgO或類似物，第二氧化層14的材料至少可以是SiO2，YSZ，Al2O3，LaAlO3，Ir2O3，MgO，SRO(SrRuO3)，STO(SrTiO3)或類似物之一。當(dāng)采用SiO2以外的氧化物時，材料具有晶體取向(111)或(100)。當(dāng)氧化層是SiO2和其他氧化物的混合物時，可包含少量所述其他氧化物的金屬元素，以使振動板形成更好的振動性能或類似性能。該金屬元素的含量不要超過10％，最好不要超過5％。
根據(jù)本實施例，用于壓電結(jié)構(gòu)10的壓電膜15的材料可以是，例如PZT[Pb(ZrxTi1-x)O3]，PMN[Pb(MgxNb1-x)O3]，PNN[Pb(NbxNi1-x)O3]，PSN[Pb(ScxNb1-x)O3]，PZN[Pb(ZnxNb1-x)O3]，PMN-PT{(1-y)[Pb(Nb1-x)O3]-y[PbTiO3]}，PSN-PT{(1-y)[Pb{ScxNb1-x}O3]-y[PbTiO3]}，PZN-PT{(1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]}。
這里，x和y不大于1、不小于0。例如，在PMN的情況下，x最好是0.2-0.5；而在PSN的情況下，x最好是0.4-0.7；在PMN-PT的情況下，y最好是0.2-0.4；在PSN-PT的情況下，y最好是0.35-0.5；在PZN-PT的情況下，y最好是0.03-0.35。
在該實施例中，這些材料可形成為單一取向的晶體或單晶膜，因此，性能優(yōu)越。例如，作為用濺射薄膜成型方法制造具有單晶結(jié)構(gòu)的壓電膜的方法中，從薄膜成型溫度快速冷卻的速率不要超過30℃/min。也可以采用其他方法。
壓電膜可以是單一成份的其他結(jié)構(gòu)，或者可以是兩種或多種成份構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)。為了控制晶體結(jié)構(gòu)波動，可以在用不同材料成份構(gòu)成的定位層的薄膜成型后，再進(jìn)行薄膜成型。例如，在PZT構(gòu)成的單晶膜成型的情況下，在初始階段加入Zr元素，因此，最好在PbTiO3定位層的薄膜成型后，再進(jìn)行薄膜成型。它可以是在主要元件中摻有少量元素的成份。單一取向的晶體或單晶的薄膜優(yōu)先取向程度不小于80％，最好不小于85％，更好些的是不小于95％，這可由XRD(X射線衍射裝置)(θ-2θ(平面外)測量)確定。
在美國專利No.5804907中，公開了一個其中用PMN-PT或PZN-PT的單晶壓電膜用作壓電元件的實施例，其中通過TSSG方法(高速溶解生長方法)制成的體晶體構(gòu)件被切割，然后與基片(振動板)相連。該方法并不適于微觀制造，也不可能形成不超過10μm膜厚的壓電膜。另外，必須沿著塊晶體的方向切割，這很麻煩且費時，還有可能使晶體方向錯誤地排列。
根據(jù)本實施例，可以在基片上形成具有順序排列的晶體方向的薄膜，因此，不會產(chǎn)生上述問題。在液體噴射頭的情況下，噴射的振動很小，連接強(qiáng)度很高。另外，薄膜是那種由單一取向的晶體或單晶構(gòu)成的壓電膜，因此，耐用性和壓電特性更優(yōu)。
下面將描述根據(jù)本實施例的壓電結(jié)構(gòu)的特定層結(jié)構(gòu)。層結(jié)構(gòu)表示為“上電極17//壓電膜15//下電極16//第二氧化層14//振動板11//第一氧化層13”(序號如圖2所示)。
例1Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//SiO2該層結(jié)構(gòu)的振動板是Si(100)，夾持振動板的氧化層是MgO(100)和SiO2。下面是另一些例子例2Au//PZT(001)/PT(001)//PT(100)//YSZ(111)/SiO2//Si(111)//SiO2例3Au//PZT(111)/PT(111)//PT(111)//YSZ(100)/SiO2//Si(100)//SiO2例4Pt//PZT(111)/PT(111)//Pt(111)//YSZ(100)/Zr//Si(100)//SiO2例5Pt//PZT(111)/PT(111)//Pt(111)//MgO(111)//Si(100)//SiO2例6Au//PZT(001)//SRO(001)//Si(100)//SiO2
例7Au//PZT(111)//SRO(111)//Si(111)//SiO2例8Au//PZT(111)/PT(111)//PT(111)//YSZ(100)/SiO2//Si(100)//YSZ(100)例9Pt//PZT(001)//SRO(001)/Si(100)//YSZ(100)例10Au//PZT(001)/PT(001)//PT(100)//MgO(100)//Si(100)//YSZ(100)例11Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//YSZ(100)例12Pt//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//Al2O3(100)//Si(100)//SiO2例13Ag//PZT(001)/PT(001)//Pt(100)//LaAlO3(100)//Si(100)//SiO2在例6、7和9中，SRO具有方向傳導(dǎo)性，它也用作第二氧化層14和下電極16。在前述例子中，壓電膜具有用于PZT/PT的PZT疊層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也可以用PMN、PZN、PSN、PNN、PMN-PT、PSN-PT、PZN-PT層結(jié)構(gòu)代替。
例如，下面是可用的替換結(jié)構(gòu)Au//PMN(001)//Pt(100)//MgO(100)//Si(100)//SiO2Pt//PMN-PT(001)//Pt(100)//MgO(100)/SiO2//Si(100)//SiO2Pt//PMN-PT(001)/PT(001)//Pt(100)//YSZ(111)/SiO2//Si(111)//SiO2如前所述，層結(jié)構(gòu)中括號中表示的晶體取向表示了優(yōu)先取向程度不小于80％，最好不小于85％，更好些的是不小于95％的晶體取向。
對于第二氧化層14，根據(jù)制造工藝，可以選擇Si氧化膜的SiO2或其他氧化物(YSZ，MgO，Ir2O3)。例如，在YSZ薄膜成型過程中，使用金屬靶形成YSZ薄膜，就可能抑制SiO2的產(chǎn)量。通過在Si層上進(jìn)行諸如Zr或類似金屬的薄膜成型，可以阻止SiO2的產(chǎn)出。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電結(jié)構(gòu)和液體噴射頭的制造方法。
用于帶有根據(jù)本實施例的振動板和壓電膜的壓電結(jié)構(gòu)的制造方法包括步驟(1)，在硅基片上形成第二氧化層，該硅基片具有位于硅涂層上的單晶硅，一氧化層位于其間；步驟(2)，在第二氧化層上形成單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)的壓電膜；步驟(3)，在壓電膜上形成上電極。
根據(jù)本發(fā)明，用于液體噴射頭的另一種制造方法除了步驟(1)-(3)外，還包括步驟(4)，將壓電膜分離成多個部分；步驟(5)，在壓電膜上形成上電極；步驟(6)，形成所述壓力腔，上述液體噴射頭包括一個液體噴射出口；一個具有壓力腔的主體基部，該壓力腔與所述液體噴射出口液體相通并具有開口；一個連接以便堵住開口的壓電結(jié)構(gòu)。
下面將描述上述每一步驟。在步驟(1)中，具有單晶硅涂層的硅基片可以是SOI(絕緣體上的硅)基片，所述單晶硅涂層位于硅涂層上并且在其間具有氧化層，或者可以在硅基片上形成有單晶氧化膜，在其上可以形成有單晶硅涂層膜。在SOI基片的情況下，例如，硅涂層上的氧化層是SiO2，例如，單晶氧化物是YSZ(100)、YSZ(111)、MgO(100)、MgO(111)、STO(100)、STO(111)或類似物。氧化層的膜厚(d1)是5nm-5μm，最好是10nm-3μm。這些氧化層用作形成壓力腔的步驟(5)中的防蝕層。
形成在單晶硅上的第二氧化層最好先于步驟(2)和/或步驟(3)形成。例如，第二氧化層可以是SiO2、YSZ(100)、YSZ(111)、SRO(001)、SRO(111)、MgO(100)、MgO(111)、Ir2O3(100)、Ir2O3(111)、Al2O3(100)、Al2O3(111)、LaAlO3(100)、LaAlO3(111)、STO(100)，STO(111)或類似物。它們的膜厚(d2)是5nm-3μm，最好是10nm-1μm。
在上述層結(jié)構(gòu)中，在實施例1中第二氧化層是MgO，在實施例2中時為YSZ和SiO2。SiO2可以在作為緩沖膜的YSZ薄膜形成過程中用氧化反應(yīng)制成，或者在薄膜形成之后用加熱處理方法制成。當(dāng)?shù)诙趸瘜影琒iO2時，最好在SiO2中包含有其他氧化層(緩沖層)的少量金屬，其方法最好是采用氧化物靶的濺射工藝，并作為其他氧化層的薄膜成型方法。SiO2層的膜厚可以通過下述方法控制，即選擇自成型YSZ膜的最高溫度開始的降溫工藝、其溫度維持時間、再熱處理的條件和其溫度維持時間。例如，通過在水蒸汽環(huán)境中保持濺射薄膜成形溫度，SiO2的膜厚可以減小。使用金屬Zr靶首先形成金屬層、然后形成YSZ薄膜，可以防止YSZ和Si之間的界面處產(chǎn)生SiO2層。這可以根據(jù)材料和性能來選擇是否要形成SiO2層。
在步驟(2)中，采用諸如PZT，PMN，PZN，PSN，PNN，PMN-PT，PSN-PT，PZN-PT或類似物等任一成份，能夠形成具有單一層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)的壓電膜。壓電膜最好具有單一取向晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
步驟(3)中，在壓電膜上形成上電極可以通過濺射工藝、蒸發(fā)方法、噴鍍方法或類似方法實施。電極材料可以是諸如Au，Pt，Cr，Al，Cu，Ir，Ni的金屬材料，或者是諸如SRO，ITO的導(dǎo)電氧化物。上電極可以是位于壓電膜上的固體電極或者梳狀電極。
在壓電結(jié)構(gòu)的制造方法中，根據(jù)本發(fā)明的實施例，有可能在硅基片上制成具有高壓電系數(shù)的單一取向晶體的或單晶的壓電膜，因此，能夠制成連接強(qiáng)度高和耐用性高的振動板。這樣，就能夠提供具有高頻特性、高耐用性和高電致伸縮性能/壓電性能的壓電結(jié)構(gòu)。
在液體噴射頭的制造方法中，在步驟(4)中分離壓電膜一步是一個圖案形成步驟，其中壓電膜由步驟(2)制成。圖案形成對應(yīng)于液體噴射出口(噴嘴)和壓力腔是分離的。圖案形成方法可以是濕式刻蝕類型、干式刻蝕類型、機(jī)械切割類型或類似類型的。在濕式蝕刻類型和干式刻蝕類型中，借助于對圖案形成的抗蝕處理可以進(jìn)行保護(hù)膜成型，以保護(hù)硅基片。另外，可以在分離的壓電膜之間填充具有低剛性并且并不阻止壓電膜膨脹和收縮的樹脂材料或類似物。
用于形成壓力腔的步驟(5)包括對相對側(cè)的硅涂層處理一步和/或?qū)⒕哂谐尚蛪毫η徊糠值姆蛛x基片與硅基片相連一步。對硅涂層的處理一步可以通過濕式刻蝕、干式刻蝕、機(jī)械加工(噴丸工藝或類似工藝)實施。用于所述具有壓力腔部分的分離基片的基片可以是硅基片、SUS基片、聚合物材料基片或類似物。在采用硅基片、SUS基片或類似物的情況下的連接方法可以是陽極氧化連接方法、活潑金屬焊接方法或者采用粘接材料的方法。當(dāng)采用聚合物材料時，使用抗蝕材料的刻蝕方法是可用的。作為替換形式，預(yù)處理的基片是可用的。壓力腔的形狀可以是矩形、圓形、橢圓形或類似形狀。另外，在側(cè)面噴射的情況下，壓力腔的截面形狀可以是朝噴嘴方向逐漸減小。
形成液體噴射出口的步驟(6)可以包括連接孔板，或者從抗蝕材料或類似物制成液體噴射出口，該孔板上形成有對應(yīng)于各壓力腔部分的液體噴射出口。作為替換形式，當(dāng)疊加了聚合物基片后，可以用激光加工對應(yīng)于壓力腔形成液體噴射出口。在使用抗蝕材料形成液體噴射出口的情況下，可以與步驟(5)同時實施成型操作。步驟(4)、(5)和(6)的順序不是限制性的，并可以最后完成壓電膜(4)的分離一步。
根據(jù)本發(fā)明這一實施例的液體噴射頭的制造方法，與上面描述的壓電結(jié)構(gòu)的情況類似，壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)，因此，最終的振動板具有高的連接強(qiáng)度和耐用性，因此，有可能提供具有高密度、大噴射功率和適于高頻打印的液體噴射頭。
下面對特定的實施例進(jìn)行描述。(實施例1)參見圖3，下面將描述一實施例。圖3是通過根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電結(jié)構(gòu)制造方法制造的壓電結(jié)構(gòu)的局部截面圖。在800℃以下，通過濺射薄膜成型方法，采用SOI基片在單晶硅層上形成YSZ(100)24薄膜，該SOI基片由厚度625μm的硅涂層28、厚度0.2μm的SiO2涂層23和厚度3μm的單晶硅Si(100)涂層21構(gòu)成。此后，形成厚度0.5μm的下電極Pt(111)，并在600℃下形成PT(111)，PZT(111)的壓電膜22。PZT的成份是Pb(Zr0.53Ti0.47)O3。壓電膜22的總膜厚是3.5μm。在所有的薄膜成型步驟中，薄膜成型后的冷卻過程中的溫度上升速度不低于40℃/min。為了控制薄膜的單晶性能，通過該步驟，在YSZ(100)24和Si(100)21之間的界面處形成0.02μm厚的SiO2涂層24a作為第二氧化層。在800℃下形成薄膜的情況下，SiO2涂層的薄膜厚度是0.2μm，然后將其保持在水蒸汽中100min。SiO2中的Y和Zr金屬的含量為4.6％。作為用XRD(X射線衍射裝置)確認(rèn)的結(jié)果，壓電膜22的單晶性具有不低于99％的(111)取向。
在壓電膜22上，蒸發(fā)制做Au上電極27。此后，在第一氧化層23上，通過采用使用TMAH(氫氧三甲胺)的溫法刻蝕，將硅涂層28刻蝕成矩形形狀，其寬度為100μm，長度為2mm。
從上述步驟制成的壓電結(jié)構(gòu)(圖3)看出，上和下電極26、27露出，在35kHz的驅(qū)動頻率、+5V/-5V的驅(qū)動電壓情況下測量位移，并且在中部的位移是0.26μm。在第二氧化層24的厚度為1.0μm的結(jié)構(gòu)的情況下，測量到了0.25μm的最佳位移。
除了壓電膜是具有43％的取向特性的多晶元件外，制造了具有相同結(jié)構(gòu)的壓電結(jié)構(gòu)，其位移是0.04μm。這種變化是巨大的，并且耐用性很低。(實施例2)采用其中單晶硅涂層具有晶體取向(111)的基片，實施濺射薄膜成型，以制造上述層結(jié)構(gòu)中的實施例2的結(jié)構(gòu)。通過采用PZT的晶體取向(001)，耐用性進(jìn)一步提高。在進(jìn)行與實施例1相似的刻蝕工藝之后測量的位移，是0.25μm-0.28μm，這是更可取的。(實施例3)參見圖4，下面將對根據(jù)該實施例的液體噴射頭的制造方法進(jìn)行描述。圖4是通過根據(jù)本發(fā)明實施例的制造方法制造的液體噴射頭的局部截面圖。
使用摻B的單晶Si(100)/SiO2/Si結(jié)構(gòu)(薄膜厚度是2.5μm/1μm/250μm)，MgO(100)34涂層制成0.3μm厚度并位于已摻B的單晶Si(100)上。進(jìn)而，0.4μm厚的Pt(100)和PMN(001)的壓電膜32形成為2.3μm厚。PMN成份由Pb(Mg1/3Nb2/3)O3進(jìn)行調(diào)整。用TEM觀測方法已確定了0.05μm的SiO2層34a成型于MgO34和Si(100)之間的界面上。上電極37上，粘貼上Au。采用C4 F8對Si涂層38進(jìn)行等離子體刻蝕處理以形成壓力腔41。此后，構(gòu)成壓力腔的Si中間基片42和孔板43相連，以提供本實施例的液體噴射頭。
圖4表示出通過該實施例的方法制造的液體噴射頭，其中31表示摻B的單晶硅振動板；32是PMN壓電膜；33是第一氧化層；34、34a是第二氧化層；36是下電極；37是上電極。序號38表示的是形在其中形成有壓力腔41的Si層；42是中間基片；43是在其中形成有液體噴射出口44的孔板。壓力腔41具有60μm的寬度、2.2mm的深度，相鄰壓力腔41之間的間隔是24μm。
采用該液體噴射頭，能夠進(jìn)行油墨噴射測試。在驅(qū)動頻率為35kHz、驅(qū)動電壓+7V/-7V的條件下，確定每秒的最大噴射速度。液滴大小可控制在3pl-26pl。進(jìn)行重復(fù)次數(shù)為109的耐用性測試，其位移量的減小不超過5％。
除了單晶硅層的膜厚分別為10μm和11μm外，制造了兩個相同結(jié)構(gòu)的液體噴射頭。Si涂層為10μm厚的液體噴射頭的位移比Si涂層為2.5μm厚的液體噴射頭的位移小10％，但是能夠噴射高粘度(10cps)的液滴。在采用11μm的液體噴射頭的情況下，位移減小是17％，但是同樣能夠噴射高粘度液滴。但是，其耐用性稍短于采用10μm的液體噴射頭。(實施例4)通過采用PSN-PT(001)的壓電膜對例3中的壓電膜進(jìn)行了改造(其他結(jié)構(gòu)都相同)。建議PSN-PT的成份為0.55[Pb(Sc1/2Nb1/2)O3]-0.45[PbTiO3]。諸如壓力腔或類似物寬度的線度與例3相同。用相同的驅(qū)動條件，可以確定油墨可以以14.3m/秒的速度噴射。另外，當(dāng)壓力腔的寬度改變?yōu)?0μm、壓力腔的長度改變?yōu)?.5mm時，油墨能夠以不低于10m/秒的實用性速度噴射。(實施例5)將實施例4中的壓電膜改變?yōu)镻ZN-PT(001)，其他結(jié)構(gòu)不變，并制造成液體噴射頭。PZN-PT的成份為0.90{Pb(Zn1/3Nb2/3)O3}-0.10{PbTiO3}。壓力腔寬度為60μm的油墨噴射速度為14.1m/sec，這是較佳的。液滴的數(shù)量非常穩(wěn)定。
盡管這里參照公開的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于所述的細(xì)節(jié)，并且本申請意在含蓋在完善目的下、或者在下面的權(quán)利要求范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的諸多改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一壓電結(jié)構(gòu)，包括一個振動板；一個壓電膜；所述振動板包括由單晶材料、多晶材料，摻雜有與構(gòu)成該單晶材料的元素不同的元素的單晶材料，或者摻有與構(gòu)成該多晶材料的元素不同的元素的多晶材料構(gòu)成的一層，還包括將前述層夾于中間的氧化層；所述壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述振動板的膜厚D1和所述氧化層的膜厚d1、d2滿足d1+d2≤D1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述壓電膜的膜厚滿足d1+d2+D1≤5×D2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述壓電膜的成份是PZT、PMN、PNN、PSN、PMN-PT、PNN-PT、PSN-PT、PZN-PT之一，并具有單層結(jié)構(gòu)或者是不同成份的疊層結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電結(jié)構(gòu)，其中，所述氧化層包括SiO2、YSZ、Al2O3、LaAlO3、Ir2O3、MgO、SRO、STO中的至少一種。
6.一種用于制造具有振動板和壓電膜的壓電結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括在硅基片上形成第二氧化層的步驟，該硅基片具有在一硅層上的單晶硅層，一氧化層插入其間；在第二氧化層上形成單一取向的晶體或多晶結(jié)構(gòu)的壓電膜的步驟；在壓電膜上形成一個上電極的步驟。
7.一液體噴射頭，包括一個液體噴射出口；一個主體部件的基片部分，它具有一個與所述液體噴射出口液體連通的壓力腔和一個開口；一個相連的壓電結(jié)構(gòu)以便插堵該開口；所述壓電結(jié)構(gòu)包括一個振動板；一個壓電膜；所述振動板包括由單晶材料、多晶材料，摻有與構(gòu)成該單晶材料的元素不同的元素的單晶材料，或者摻有與構(gòu)成該多晶材料的元素不同的元素的多晶材料構(gòu)成的一層，并且包括將前述層夾在中間的氧化層，所述壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的液體噴射頭，其中，所述振動板的膜厚D1和所述氧化層的膜厚d1、d2滿足d1+d2≤D1。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液體噴射頭，其中，所述壓電膜的膜厚D2滿足d1+d2+D1≤5×D2。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的液體噴射頭，其中，所述壓電膜的成份是PZT、PMN、PNN、PSN、PMN-PT、PNN-PT、PSN-PT、PZN-PT之一，并具有單層結(jié)構(gòu)或者是不同成份的疊層結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的液體噴射頭，其中，所述氧化層包括SiO2、YSZ、Al2O3、LaAlO3、Ir2O3、MgO、SRO、STO中的至少一種。
12.一種液體噴射頭的制造方法，該液體噴射頭包括一個液體噴射出口；一個主體部件的基片部分，它具有一個與所述液體噴射出口液體連通的壓力腔和一個開口；一個相連的壓電結(jié)構(gòu)以堵住開口；所述制造方法包括在硅基片上形成第二氧化層的步驟，該硅基片具有在硅層上的單晶硅層，一個氧化層插入其間；在第二氧化層上形成單一取向的晶體單晶結(jié)構(gòu)的壓電膜的步驟；將壓電膜分離成多個部分的步驟；在壓電膜上形成一個上電極的步驟；和形成所述壓力腔的步驟。
全文摘要
一壓電結(jié)構(gòu),包括:一個振動板;一個壓電膜;該振動板包括由單晶材料、多晶體材料,摻有與構(gòu)成單晶材料的元素不同的元素的單晶材料,或者摻有與構(gòu)成多晶體材料的元素不同的元素的多晶材料構(gòu)成的一層,并且包括將前述層夾在中間的氧化層,該壓電膜具有單一取向的晶體或單晶結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L41/09GK1380187SQ02121709
公開日2002年11月20日 申請日期2002年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月9日
發(fā)明者海野章, 米原隆夫, 福井哲朗, 松田堅義, 和佐清孝 申請人:佳能株式會社, 和佐清孝