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JP2005353876A - Piezoelectric material laminate structure, piezoelectric element, piezoelectric material device, and liquid discharge head - Google Patents

Piezoelectric material laminate structure, piezoelectric element, piezoelectric material device, and liquid discharge head Download PDF

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JP2005353876A
JP2005353876A JP2004173695A JP2004173695A JP2005353876A JP 2005353876 A JP2005353876 A JP 2005353876A JP 2004173695 A JP2004173695 A JP 2004173695A JP 2004173695 A JP2004173695 A JP 2004173695A JP 2005353876 A JP2005353876 A JP 2005353876A
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JP
Japan
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piezoelectric
intermediate layer
electrode
thickness
film
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JP2004173695A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Nojiri
英章 野尻
Norio Kaneko
典夫 金子
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Canon Inc
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Canon Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a piezoelectric element of multilayer structure whose piezoelectric characteristic and response are satisfactory without using PZT etc. containing an adhesive or lead. <P>SOLUTION: A first electrode 2 is deposited on a base body 1, a piezoelectric laminate 5 is formed of 3 layers where an intermediate layer 4 is inserted between piezoelectric bodies 3 made of e.g. zinc oxide and the like, and a second electrode 2 is deposited on it. Regarding the two piezoelectric bodies 3, the polarization directions of crystal are opposite to each other with the intermediate layer 4 inserted therebetween, so that displacement etc. are canceled to obtain satisfactory piezoelectric characteristic. Compared with the case of using an adhesive, the variation of resonance frequencies is reduced to realize a high-definition resonator, liquid discharge head, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ロボット、マイクロアクチュエータ、液体吐出ヘッド、圧電振動子、圧電共振器、フィルタ、超音波トランスデューサ、弾性表面波デバイス、センサなど、各種の圧電体デバイスに幅広く用いられる圧電体積層構造、圧電素子、圧電体デバイスおよび液体吐出ヘッドに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric laminated structure widely used in various piezoelectric devices such as robots, microactuators, liquid ejection heads, piezoelectric vibrators, piezoelectric resonators, filters, ultrasonic transducers, surface acoustic wave devices, sensors, etc. The present invention relates to an element, a piezoelectric device, and a liquid discharge head.

従来の圧電素子に用いられる多層の圧電体積層構造は、セラミック板や単結晶を用いた複数の圧電体を分極処理し、この圧電体同士を分極方向が反対になるように接着剤で接着して積層していく構造となっていた。結晶中で分極方向を反転させる方法としては、ニオブ酸リチウム単結晶にチタンを拡散させることによりチタン拡散部分の分極方向を反転層とする方法が報告されている(非特許文献1参照)。   The multilayer piezoelectric laminated structure used in conventional piezoelectric elements is obtained by polarizing a plurality of piezoelectric bodies using ceramic plates or single crystals and bonding the piezoelectric bodies with an adhesive so that the polarization directions are opposite to each other. It was a structure that was laminated. As a method for reversing the polarization direction in a crystal, a method has been reported in which titanium is diffused in a lithium niobate single crystal so that the polarization direction of the titanium diffusion portion is an inversion layer (see Non-Patent Document 1).

また、圧電体材料に圧電特性の優れているチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた圧電体が、アクチュエータ等の各種の圧電体応用分野で使われている。PZT以外の圧電体材料としては、用途に応じてニオブ酸リチウムやチタン酸ビスマス、水晶、酸化亜鉛、窒化アルミニウム等の無機材料やポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料も実用化されている。
中村他、電子通信学会技術研究報告、CPM86−17(1986)
In addition, a piezoelectric body using lead zirconate titanate (PZT) having excellent piezoelectric characteristics as a piezoelectric material is used in various piezoelectric application fields such as actuators. As piezoelectric materials other than PZT, inorganic materials such as lithium niobate, bismuth titanate, quartz crystal, zinc oxide, and aluminum nitride, and polymer materials such as polyvinylidene fluoride have been put into practical use.
Nakamura et al., IEICE Technical Report, CPM86-17 (1986)

しかしながら、上述したような従来技術では、圧電体としてセラミック板や単結晶を用いているため、デバイスの高周波化に適していなかった。また、個々の圧電体の厚さも通常は10μm以上であるために積層体が大型になり、機械加工が中心であるために半導体の微細加工に比べて精密構造の形成が困難であった。さらに、圧電体の厚さが厚いと共振周波数も低下するため、デバイスの高周波化には不適であり、使用できる駆動周波数を大きくすることができないという問題もあった。   However, the conventional technology as described above uses a ceramic plate or a single crystal as the piezoelectric body, and thus is not suitable for increasing the frequency of the device. Further, since the thickness of each piezoelectric body is usually 10 μm or more, the laminated body becomes large, and since the machining is the center, it is difficult to form a precise structure as compared with the fine processing of the semiconductor. Furthermore, since the resonance frequency is lowered when the piezoelectric body is thick, it is unsuitable for increasing the frequency of the device, and there is a problem that the usable drive frequency cannot be increased.

さらに、圧電体同士を接着剤により積層する方法は、通常、接着剤が有機物であるために高温での使用ができなかった。加えて、接着剤の厚さも分布が大きいために圧電特性のばらつきが生じていた。   Furthermore, the method of laminating piezoelectric bodies with an adhesive cannot normally be used at high temperatures because the adhesive is organic. In addition, since the thickness of the adhesive also has a large distribution, variations in piezoelectric characteristics have occurred.

また、ニオブ酸リチウムにチタンを拡散させる方法は、チタンの拡散と分極方向を反転させるために1000℃以上の高温が必要であるうえに、ニオブ酸リチウム単結晶が非常に高価であり、単結晶の結晶方位も限られる。さらに、チタンの拡散範囲も限定されるために分極方向を反転させた圧電体の厚さの制御に限界もあった。また、ニオブ酸リチウムを用いてチタンを拡散させる方法では、2層構造は作れるが、これ以上の多層化が困難であるという問題もあった。   Further, the method of diffusing titanium into lithium niobate requires a high temperature of 1000 ° C. or more to reverse the diffusion and polarization direction of titanium, and the lithium niobate single crystal is very expensive. The crystal orientation is also limited. Furthermore, since the diffusion range of titanium is also limited, there is a limit in controlling the thickness of the piezoelectric body whose polarization direction is reversed. Further, in the method of diffusing titanium using lithium niobate, a two-layer structure can be formed, but there is a problem that it is difficult to increase the number of layers.

圧電体材料としてのPZTは、アクチュエータをはじめとして各種応用分野で使われているが、地球環境問題からPZTを構成する鉛の使用制限が検討されている。すでに、圧電体応用分野以外では、はんだやレンズ等で鉛を全く含まない材料が使われるようになっている。このように、圧電体応用分野でも圧電特性が優れているだけでは、実用材料とは言えなくなっており、環境負荷の少ない材料で優れた圧電特性を実現することが急務になってきている。   PZT as a piezoelectric material is used in various application fields including actuators, but due to global environmental problems, restrictions on the use of lead constituting PZT are being studied. Already outside the field of piezoelectric application, materials that do not contain lead at all, such as solder and lenses, have come to be used. As described above, in the field of piezoelectric material application, simply having excellent piezoelectric characteristics cannot be said to be a practical material, and there is an urgent need to realize excellent piezoelectric characteristics with a material having a low environmental load.

また、各種の圧電体応用のデバイス製品の小型化も重要であり、このためには圧電体の厚さをより薄くして、機械加工では不可能な微細加工に対応する必要もある。   In addition, miniaturization of device products for various piezoelectric materials is also important. For this purpose, it is necessary to reduce the thickness of the piezoelectric material to cope with fine processing that is impossible by machining.

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、接着剤や環境負荷の大きい圧電体材料を使用することなく優れた圧電特性を実現することができるとともに、機械加工だけでなく微細加工をも可能とする圧電体積層構造、圧電素子、圧電体デバイスおよび液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the conventional technology, and can realize excellent piezoelectric characteristics without using an adhesive or a piezoelectric material having a large environmental load. An object of the present invention is to provide a piezoelectric laminated structure, a piezoelectric element, a piezoelectric device, and a liquid discharge head that enable not only machining but also fine machining.

上記の目的を達成するため、本発明の圧電体積層構造は、一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも1つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「圧電体/中間層/圧電体」となる積層部位が1個または複数設けられており、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the piezoelectric laminated structure of the present invention is a piezoelectric laminated structure having a plurality of piezoelectric bodies and at least one intermediate layer between a pair of electrodes, and a film structure between the electrodes. Is provided with one or a plurality of laminated portions that become “piezoelectric body / intermediate layer / piezoelectric body”, and the piezoelectric bodies through the intermediate layer have polarization directions opposite to each other. .

圧電体同士の界面に中間層を配置した積層構造であり、中間層を介した圧電体同士は互いにその分極方向が反対方向である。従って、電圧印加時に中間層を介した圧電体同士は互いに反対方向に変位することになり、変位も力も改善することができ、同じ膜厚で1層のみで成膜された圧電体と比較して大きな圧電特性を得ることができる。   It has a laminated structure in which an intermediate layer is disposed at the interface between piezoelectric bodies, and the polarization directions of the piezoelectric bodies via the intermediate layer are opposite to each other. Therefore, the piezoelectric bodies through the intermediate layer are displaced in the opposite directions when a voltage is applied, and both the displacement and the force can be improved. Compared with a piezoelectric body formed with only one layer with the same film thickness. Large piezoelectric characteristics can be obtained.

機械的耐久性や性能改善を確実にするためには、圧電体および中間層は、酸化物または窒化物とし、電極は圧電体との密着性が実用上問題なければどんな材料でもよいが、温度などの変動の大きな環境での使用や耐久性を要求するような場合には酸化物を用いることが好ましい。   In order to ensure mechanical durability and performance improvement, the piezoelectric body and the intermediate layer are made of oxide or nitride, and the electrode may be made of any material as long as the adhesion to the piezoelectric body is not a problem in practice. It is preferable to use an oxide when it is required to be used in an environment with large fluctuations or when durability is required.

例えば、圧電体として酸化亜鉛を用いた場合には、一般には金属電極を用いることが多いが、この場合には酸化亜鉛との密着性に課題が残り、電極はがれなどの問題が発生することがある。これを回避するために、酸化亜鉛にドーピング(たとえば、ガリウム)して導電性を付与したものを電極として用いる。この構成により、界面歪の少ない状態で圧電体と電極を積層することが可能である。   For example, when zinc oxide is used as the piezoelectric body, a metal electrode is generally used in many cases. However, in this case, a problem remains in adhesion with zinc oxide, and problems such as electrode peeling may occur. is there. In order to avoid this, an electrode made of zinc oxide doped with conductivity (for example, gallium) to provide conductivity is used. With this configuration, it is possible to stack the piezoelectric body and the electrode with less interface strain.

また、高周波応用分野においても、圧電体の層間に中間層があり、この中間層の存在により圧電体の分極方向が明確になるために、従来の接着剤を用いる場合に比べて、共振周波数のばらつきを少なくすることもできる。その結果、共振の度合いを示すQ値も大幅に改善することが可能である。   Also in the high frequency application field, there is an intermediate layer between the layers of the piezoelectric body, and the presence of this intermediate layer makes the polarization direction of the piezoelectric body clear, so that the resonance frequency is higher than when using a conventional adhesive. Variations can also be reduced. As a result, the Q value indicating the degree of resonance can be greatly improved.

図1の(a)に示すように、基体1に第1の電極2を積層した上に、2層の圧電体3の間に中間層4を挟んだ圧電体積層構造を有する圧電積層体5が形成される。圧電積層体5は、2層の圧電体3の界面に中間層4を配置した積層体であり、中間層4を介した圧電体3同士は、互いにその分極方向が反対方向である。また、圧電積層体5の上には導電性材料からなる第2の電極2が配置される。   As shown in FIG. 1A, a piezoelectric laminate 5 having a piezoelectric laminate structure in which a first electrode 2 is laminated on a substrate 1 and an intermediate layer 4 is sandwiched between two piezoelectric bodies 3. Is formed. The piezoelectric laminate 5 is a laminate in which the intermediate layer 4 is disposed at the interface between the two layers of the piezoelectric bodies 3, and the polarization directions of the piezoelectric bodies 3 through the intermediate layer 4 are opposite to each other. A second electrode 2 made of a conductive material is disposed on the piezoelectric laminate 5.

各圧電体3および中間層4の製造方法としては、各種真空蒸着法、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MOCVD法、MBE法などが一般的に使用できる。また、ゾルゲル法、水熱法、各種メッキ法や焼結法なども使用可能である。図1の(a)は、膜構成「電極/圧電体/中間層/圧電体/電極」を有する圧電体積層構造であるが、中間層を挟んで3層以上の互いに逆向きの分極方向を有する圧電体を積層した膜構成でもよい。   As a manufacturing method of each piezoelectric body 3 and intermediate layer 4, various vacuum deposition methods such as sputtering method, ion plating method, MOCVD method, MBE method and the like can be generally used. Also, a sol-gel method, a hydrothermal method, various plating methods, a sintering method, and the like can be used. FIG. 1A shows a piezoelectric laminated structure having a film configuration “electrode / piezoelectric body / intermediate layer / piezoelectric body / electrode”, but the polarization directions of mutually opposite directions of three or more layers sandwiching the intermediate layer are shown. A film configuration in which piezoelectric bodies having the above structure are stacked may be used.

また、図1の(b)に示すように、上下の電極12とそれぞれ隣接する圧電体13の間に中間層14を加えた膜構成「電極/中間層/圧電体/中間層/圧電体/中間層/電極」を有する圧電積層体15でもよい。さらに、中間層を挟んで3層以上の互いに逆向きの分極方向を有する圧電体を積層し、上下の電極との間にも中間層を介した膜構成でもよい。   Further, as shown in FIG. 1B, a film structure “electrode / intermediate layer / piezoelectric body / intermediate layer / piezoelectric body / with an intermediate layer 14 added between the upper and lower electrodes 12 and the adjacent piezoelectric bodies 13 respectively. The piezoelectric laminate 15 having “intermediate layer / electrode” may be used. Furthermore, a film configuration in which three or more piezoelectric bodies having polarization directions opposite to each other are stacked with the intermediate layer interposed therebetween, and the intermediate layer is interposed between the upper and lower electrodes.

各圧電体の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能であるが、1層分の厚さは20μm未満であることが望ましい。圧電体の厚さは、必ずしも同じ厚さでなくてもよいことは言うまでもない。また、圧電体材料としては、圧電特性を有する酸化物、窒化物であればいかなる材料も使用可能である。さらに、圧電体材料は同一材料である必要もなく、異なる組成、異なる結晶構造、異なる結晶状態を有する圧電体を組み合わせてもよい。ただし、環境問題を考慮すると、圧電体材料には、温度変化等により鉛、水銀、カドミウムやクロム等の重金属等の有害な元素を放出しない安定な材料であることが望ましいことは言うまでもない。   The thickness of each piezoelectric body can be arbitrarily set according to the intended application, but the thickness of one layer is preferably less than 20 μm. Needless to say, the thicknesses of the piezoelectric bodies are not necessarily the same. As the piezoelectric material, any material can be used as long as it is an oxide or nitride having piezoelectric characteristics. Furthermore, the piezoelectric material does not need to be the same material, and piezoelectric materials having different compositions, different crystal structures, and different crystal states may be combined. However, in view of environmental problems, it is needless to say that the piezoelectric material is desirably a stable material that does not release harmful elements such as heavy metals such as lead, mercury, cadmium, and chromium due to temperature changes.

中間層の厚さは、目的の用途に応じて任意に設定可能である。中間層の厚さT1は、積層体を構成する圧電体の中で最も薄い圧電体の膜厚T2に対して、0<T1≦T2の関係を満足することが望ましい。また、中間層に用いられる材料には何ら制限がないが、圧電材料と格子定数あるいは熱膨張係数が類似している材料が好ましい。   The thickness of the intermediate layer can be arbitrarily set according to the intended use. It is desirable that the thickness T1 of the intermediate layer satisfies the relationship of 0 <T1 ≦ T2 with respect to the film thickness T2 of the thinnest piezoelectric body among the piezoelectric bodies constituting the laminated body. The material used for the intermediate layer is not limited, but a material having a lattice constant or a thermal expansion coefficient similar to that of the piezoelectric material is preferable.

電極材料は、導電性材料であれば何でもよいが、酸化物導電性材料が好ましい。代表的な材料は、ガリウムなどをドーピングした酸化亜鉛やITOなどである。   The electrode material may be any conductive material, but an oxide conductive material is preferable. Typical materials are zinc oxide doped with gallium or the like, ITO or the like.

このように、各圧電体は、セラミック板や結晶を用いることなく、真空蒸着法等の薄膜作製技術で製造されるため、各圧電体の厚さを薄くすることができるとともに、主に有機材料からなる接着剤を用いる必要がなくなる。同様に、中間層も、真空蒸着法等で製造されるため、中間層の厚さも薄くすることができる。   As described above, each piezoelectric body is manufactured by a thin film manufacturing technique such as a vacuum deposition method without using a ceramic plate or a crystal, so that the thickness of each piezoelectric body can be reduced and mainly an organic material. There is no need to use an adhesive consisting of Similarly, since the intermediate layer is also manufactured by a vacuum deposition method or the like, the thickness of the intermediate layer can be reduced.

したがって、機械加工では不可能な微細加工に対応することもできるため、機械加工だけでなく、半導体加工技術を利用した微細加工およびレーザー光を利用した加工などを適用して圧電素子を加工することが可能となる。   Therefore, it is possible to cope with microfabrication that is impossible with machining, so that not only machining but also microfabrication using semiconductor processing technology and processing using laser light, etc. are applied to process piezoelectric elements. Is possible.

上記のような圧電素子は、例えば、圧電定数d31を利用する場合、上下の電極に交流電圧を印加すると、中間層を介した圧電体同士の分極方向が反転しているために、中間層を介して圧電体が互いに反対方向に変位することになる。 In the piezoelectric element as described above, for example, when the piezoelectric constant d 31 is used, when an AC voltage is applied to the upper and lower electrodes, the polarization direction of the piezoelectric bodies through the intermediate layer is reversed, so that the intermediate layer The piezoelectric bodies are displaced in directions opposite to each other via the.

このため、圧電体を単独で用いた場合と比較して、変位も力も改善させることが可能であり、優れた圧電特性を実現することができる。特に、複数の圧電体を積層した構造にすることにより、印加電圧に対する変位特性のヒステリシスも緩和され、精密な変位を制御できるアクチュエータとして使用することができる。また、圧電特性が大きく改善されるため、上述のような環境負荷の少ない材料を用いた場合にも、優れた圧電特性を実現することができる。   For this reason, compared with the case where a piezoelectric body is used independently, it is possible to improve both displacement and force, and it is possible to realize excellent piezoelectric characteristics. In particular, by forming a structure in which a plurality of piezoelectric bodies are laminated, the hysteresis of the displacement characteristics with respect to the applied voltage is alleviated, and it can be used as an actuator capable of controlling precise displacement. In addition, since the piezoelectric characteristics are greatly improved, excellent piezoelectric characteristics can be realized even when the above-described material with low environmental load is used.

なお、圧電体の層数は、目的の用途に応じて任意に設定可能である。例えば、高周波を用いる場合には圧電積層体の共振周波数やそのQの値が問題になる。積層体を構成する圧電体の厚さや層数、面積などにより、目的の共振周波数を設定すればよい。このため、上記の膜構成では数十MHzから数百GHzの振動子や共振子を実現することができる。   The number of piezoelectric layers can be arbitrarily set according to the intended application. For example, when a high frequency is used, the resonance frequency of the piezoelectric laminate and the value of Q become a problem. The target resonance frequency may be set according to the thickness, the number of layers, the area, etc. of the piezoelectric body constituting the laminate. For this reason, with the above film configuration, it is possible to realize vibrators and resonators of several tens of MHz to several hundreds of GHz.

図1の膜構成では、いずれも、積層体の厚さ方向に電界を印加する場合であるが、電極は、例えばどちらか一方に所望の配置で設けて面内方向に電界を印加して使用することも可能であることは言うまでもない。   In the film configuration of FIG. 1, all are cases where an electric field is applied in the thickness direction of the laminated body. However, for example, an electrode is provided in one of the desired arrangements and used by applying an electric field in the in-plane direction. It goes without saying that it is also possible to do.

本実施例では、以下のような方法で図1の圧電積層体5を有する圧電素子を作成した。   In this example, a piezoelectric element having the piezoelectric laminate 5 of FIG. 1 was prepared by the following method.

まず、石英ガラス(厚さ0.3mm)である基体1に、スパッタ法で第1の電極2を形成した。本実施例では、ガリウムを3%ドーピングした酸化亜鉛焼結体をターゲットとして200nmの厚さの電極とした。   First, the first electrode 2 was formed on the substrate 1 made of quartz glass (thickness 0.3 mm) by sputtering. In this example, a zinc oxide sintered body doped with 3% gallium was used as a target to form an electrode having a thickness of 200 nm.

次に、酸化亜鉛をターゲット材料としてRFスパッタ法で酸化亜鉛膜を5μm成膜して第1の圧電体3とし、続いて100nmの酸化マグネシウム膜を成膜して中間層4とした。   Next, a zinc oxide film having a thickness of 5 μm was formed by RF sputtering using zinc oxide as a target material to form the first piezoelectric body 3, and then a 100 nm magnesium oxide film was formed to form the intermediate layer 4.

その後、酸化マグネシウム膜の上に、金属亜鉛をターゲット材料としてRFスパッタ法で酸化亜鉛膜を5μm成膜して第2の圧電体3とし、続いて、第2の電極2としてガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜を200nm積層し、圧電積層体5とした。   Thereafter, a zinc oxide film having a thickness of 5 μm is formed on the magnesium oxide film by RF sputtering using metal zinc as a target material to form the second piezoelectric body 3, and subsequently, the second electrode 2 is oxidized by doping with gallium. A zinc film was laminated to 200 nm to obtain a piezoelectric laminate 5.

上記のように作成した圧電素子に電圧を印加して、光変位計により変位を測定した。測定方法は、図2に示すように、圧電積層体5を有する圧電素子を台6上に片持ち支持した状態で、下の電極2にリード線を取り付けて、電源7(本実施例では、5Hz〜50Hzの低周波交流電源を使用)で交流電圧を印加した。このように電圧が印加されると、圧電体3は、圧電体3の横効果により積層方向に垂直、つまり基体1の長手方向に収縮または伸長する。このために圧電積層体5は全体として基体1の長手方向に垂直に屈曲変形する。この変形を光変位計8で検出することにより圧電特性を調べた。本実施例では、圧電積層体5を幅が2mm、長さが10mmになるように機械加工により切断したものを試料として用いた。測定結果を図3に示す。   A voltage was applied to the piezoelectric element produced as described above, and the displacement was measured with an optical displacement meter. As shown in FIG. 2, the measurement method is as follows. In the state where the piezoelectric element having the piezoelectric laminate 5 is cantilevered on the base 6, a lead wire is attached to the lower electrode 2 and a power source 7 (in this embodiment, An AC voltage was applied at a low frequency AC power source of 5 Hz to 50 Hz. When the voltage is applied in this way, the piezoelectric body 3 contracts or expands in the direction perpendicular to the stacking direction, that is, in the longitudinal direction of the substrate 1 due to the lateral effect of the piezoelectric body 3. For this reason, the piezoelectric laminate 5 is bent and deformed perpendicularly to the longitudinal direction of the substrate 1 as a whole. The piezoelectric characteristics were examined by detecting this deformation with the optical displacement meter 8. In this example, the piezoelectric laminate 5 cut by machining so as to have a width of 2 mm and a length of 10 mm was used as a sample. The measurement results are shown in FIG.

また、比較のために、本実施例の圧電積層体5の代わりに、金属亜鉛をターゲット材料として10μmの酸化亜鉛膜を成膜し、1層圧電体を形成した圧電素子、および、酸化亜鉛をターゲット材料として10μmの酸化亜鉛膜を成膜し、1層圧電体を形成した圧電素子についても上記と同様に変位を測定した。金属亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図4に示し、酸化亜鉛をターゲット材料とした場合の測定結果を図5に示す。図4および図5からわかるように、ターゲット材料を金属亜鉛から酸化亜鉛にすることにより、変位の位相が変化していることが確認された。   For comparison, a piezoelectric element in which a zinc oxide film of 10 μm is formed using metal zinc as a target material instead of the piezoelectric laminate 5 of the present embodiment to form a single-layer piezoelectric element, and zinc oxide Displacement was measured in the same manner as described above for a piezoelectric element in which a 10 μm zinc oxide film was formed as a target material and a single-layer piezoelectric body was formed. The measurement result when metallic zinc is used as the target material is shown in FIG. 4, and the measurement result when zinc oxide is used as the target material is shown in FIG. As can be seen from FIG. 4 and FIG. 5, it was confirmed that the phase of displacement was changed by changing the target material from zinc metal to zinc oxide.

本実施例では、図3からわかるように、複数の圧電体の総膜厚が10μmと同じであっても、変位量が約2倍に増大していることが確認された。   In this example, as can be seen from FIG. 3, it was confirmed that even when the total film thickness of the plurality of piezoelectric bodies was the same as 10 μm, the displacement amount increased approximately twice.

図6は、図1の(a)に示した圧電体積層構造を有する薄膜共振子を示すもので、シリコン(100)ウエハーSに酸化シリコン膜1aをRFスパッタ法で2.5μmの厚さで形成し、この酸化シリコン膜1aを圧電体積層構造の基体として使用する。ついで、下電極となる電極2をRFスパッタ法で形成した。材料は、ガリウムをドーピングした酸化亜鉛膜であり、その膜厚は150nmである。この電極2は、成膜後、図示するようにフォトリソグラフ技術によりパターニングした。   FIG. 6 shows a thin film resonator having the piezoelectric laminated structure shown in FIG. 1A. A silicon oxide film 1a is deposited on a silicon (100) wafer S to a thickness of 2.5 μm by RF sputtering. The silicon oxide film 1a is formed and used as a substrate having a piezoelectric layered structure. Next, an electrode 2 as a lower electrode was formed by RF sputtering. The material is a zinc oxide film doped with gallium, and the film thickness is 150 nm. The electrode 2 was patterned by photolithography technique as shown in the figure after film formation.

この電極2の上に圧電積層体5を構成する圧電体と中間層を交互に成膜する。まず、ZnO焼結体をターゲットとして2.2μmの厚さにZnO膜を形成した。ついで、アルミナ膜を0.1μmの厚さに、さらにZn金属をターゲットにしてZnOを2.2μmの厚さで形成した。その後、上電極となる電極2としてCr/Auをそれぞれ10nm/200nmの厚さに形成した。   On the electrode 2, piezoelectric bodies and intermediate layers constituting the piezoelectric laminate 5 are alternately formed. First, a ZnO film was formed to a thickness of 2.2 μm using a ZnO sintered body as a target. Subsequently, an alumina film was formed to a thickness of 0.1 μm, and ZnO was formed to a thickness of 2.2 μm using Zn metal as a target. Then, Cr / Au was formed in the thickness of 10 nm / 200 nm as the electrode 2 used as an upper electrode, respectively.

最後に、シリコン(100)ウエハーSの裏面に酸化シリコン膜を2μm形成し、これをマスクになるようにパターニングしてからEDP液(46%エチレンジアミン+4%ピロカテコール+50%水)でシリコンをエッチングして開口1bを形成し、共振子を作製した。   Finally, a silicon oxide film of 2 μm is formed on the back surface of the silicon (100) wafer S, patterned to serve as a mask, and then etched with EDP solution (46% ethylenediamine + 4% pyrocatechol + 50% water). Thus, an opening 1b was formed to manufacture a resonator.

上下の電極2間に電力を投入して、圧電積層体5の厚み方向の振動モードのアドミタンスを測定すると、図7のような結果であった。共振周波数は466.4MHz、Qは6000であった。この結果は、本実施例の圧電体積層構造が薄膜共振子として充分な機能を示すことを示している。これに対して、ZnO膜を1層とし、その厚さを4.5μm、酸化シリコン膜を2.5μmとした場合には、共振周波数は、466MHzとほぼ同じであったがQは730であった。   When power was supplied between the upper and lower electrodes 2 and the admittance of the vibration mode in the thickness direction of the piezoelectric laminate 5 was measured, the result was as shown in FIG. The resonance frequency was 466.4 MHz and Q was 6000. This result shows that the piezoelectric laminated structure of this example exhibits a sufficient function as a thin film resonator. In contrast, when the ZnO film is one layer, the thickness is 4.5 μm, and the silicon oxide film is 2.5 μm, the resonance frequency is almost the same as 466 MHz, but Q is 730. It was.

図8に示す膜構成の圧電素子を有する共振子を作成した。まず、基体となるエポキシ板に第1の電極22となるAu/CrをRFスパッタ法で形成する。この電極22を所望の形状にパターニングしてから、エポキシ樹脂で、電極部分以外を覆う。ついで、金属アルミニウムをターゲットとして窒化アルミニウム膜の圧電体23を8nm形成する。さらに、中間層24として酸化マグネシウム焼結体を用いて酸化マグネシウム膜を1nm、窒化アルミニウム焼結体をターゲットとして窒化アルミニウム膜の圧電体23を8nmの厚さに形成する。このように、中間層24を挟んで、窒素アルミニウム焼結体、金属アルミニウムをターゲットする圧電体23の成膜を交互に2000回繰り返し行った。この後、Cr/Auの第2の電極22を形成し、最後にエポキシ樹脂を取り除いて、共振子とした。   A resonator having a piezoelectric element having the film configuration shown in FIG. 8 was prepared. First, Au / Cr used as the 1st electrode 22 is formed in the epoxy board used as a base | substrate by RF sputtering method. After patterning the electrode 22 into a desired shape, the portion other than the electrode portion is covered with an epoxy resin. Next, an aluminum nitride film piezoelectric body 23 having a thickness of 8 nm is formed using metal aluminum as a target. Further, a magnesium oxide sintered body is used as the intermediate layer 24 to form a magnesium oxide film with a thickness of 1 nm, and an aluminum nitride sintered body as a target to form an aluminum nitride film piezoelectric body 23 with a thickness of 8 nm. In this way, the film formation of the nitrogen aluminum sintered body and the piezoelectric body 23 targeting metal aluminum was alternately repeated 2000 times with the intermediate layer 24 interposed therebetween. Thereafter, a second electrode 22 of Cr / Au was formed, and finally the epoxy resin was removed to form a resonator.

このようにして作製した共振子のアドミタンス特性を測定すると、図9のようになり、共振周波数が60GHz、Qが60000の共振子が得られた。これに対して、窒化アルミニウム焼結体をターゲットとして窒化アルミニウム膜の単層膜を使用した場合には、共振周波数は同じであったが、Qは590であり、本実施例の方がQを大幅に大きくできることが確認された。   When the admittance characteristics of the resonator manufactured in this way were measured, it was as shown in FIG. 9, and a resonator having a resonance frequency of 60 GHz and Q of 60000 was obtained. In contrast, when a single layer film of an aluminum nitride film was used with an aluminum nitride sintered body as a target, the resonance frequency was the same, but Q was 590. It was confirmed that it could be greatly increased.

図10に示すように、まず、シリコンウエハー30を異方性エッチングして液体供給口30a、液室30b、ノズル30c等を形成し、シリコンウエハー30の表面に基体となる耐熱ガラスの振動板31を陽極接合した。続いて、ガリウムをドーピングした酸化亜鉛の第1の電極32を形成した。さらに、酸化シリコン焼結体をターゲットにして酸化シリコン膜(膜厚0.1μm)の中間層を形成し、ついで、酸化亜鉛焼結体をターゲットにして成膜した酸化亜鉛膜(膜厚6μm)の圧電体、酸化シリコン焼結体をターゲットとして成膜した酸化シリコン膜(膜厚0.1μm)の中間層、金属亜鉛をターゲットにして成膜した酸化亜鉛膜(膜厚7μm)の圧電体、酸化シリコン焼結体をターゲットとした酸化シリコン膜(厚さ0.1μm)の中間層を連続して成膜して、図1の(b)に示す圧電積層体15と同様の圧電積層体35を液室30b上に形成した。その後、第2の電極32としてCr/Auを取り付けた。最後に、フォトリソグラフィーにより幅200μm、長さ3mmにパターニングし、液体吐出ヘッドを作成した。   As shown in FIG. 10, first, the silicon wafer 30 is anisotropically etched to form a liquid supply port 30 a, a liquid chamber 30 b, a nozzle 30 c, and the like, and a diaphragm 31 made of heat-resistant glass serving as a substrate on the surface of the silicon wafer 30. Were anodically bonded. Subsequently, a first electrode 32 of zinc oxide doped with gallium was formed. Further, an intermediate layer of a silicon oxide film (film thickness 0.1 μm) is formed using a silicon oxide sintered body as a target, and then a zinc oxide film (film thickness 6 μm) formed using a zinc oxide sintered body as a target. Piezoelectric material, an intermediate layer of a silicon oxide film (film thickness 0.1 μm) formed using a silicon oxide sintered body as a target, a zinc oxide film (film thickness 7 μm) piezoelectric film formed using metal zinc as a target, An intermediate layer of a silicon oxide film (thickness: 0.1 μm) targeting a silicon oxide sintered body is continuously formed, and a piezoelectric laminate 35 similar to the piezoelectric laminate 15 shown in FIG. Was formed on the liquid chamber 30b. Thereafter, Cr / Au was attached as the second electrode 32. Finally, patterning was performed to a width of 200 μm and a length of 3 mm by photolithography to form a liquid discharge head.

ここで、液体供給口30aから液体(例えば、水、アルコール、カラーインクなど)を供給し、圧電積層体35にパルス電圧を印加したところ、ノズル30cからの液体の吐出が観測された。この時の液体の吐出速度は、液体にイソプロピルアルコールを用いた場合、最高13m/sであった。   Here, when a liquid (for example, water, alcohol, color ink, etc.) was supplied from the liquid supply port 30a and a pulse voltage was applied to the piezoelectric laminate 35, the discharge of the liquid from the nozzle 30c was observed. The liquid discharge speed at this time was a maximum of 13 m / s when isopropyl alcohol was used as the liquid.

これに対して、酸化亜鉛膜を10μmの厚さに成膜して1層圧電体を形成した液体吐出ヘッドを作成し、同様の実験を行ったところ、パルス電圧を印加しても液体の吐出が観測されないことがあり、また、液体の吐出が観測されてもイソプロピルアルコールの吐出速度は最高2m/sであった。   On the other hand, a liquid discharge head in which a zinc oxide film was formed to a thickness of 10 μm to form a single-layer piezoelectric body was prepared, and a similar experiment was conducted. May not be observed, and even when liquid discharge is observed, the discharge speed of isopropyl alcohol is a maximum of 2 m / s.

2つの実施の形態による圧電素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the piezoelectric element by two embodiment. 実施例1による圧電素子の変位測定方法を説明する図である。6 is a diagram for explaining a method for measuring displacement of a piezoelectric element according to Example 1. FIG. 実施例1による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement results of displacement of a piezoelectric element according to Example 1. 一比較例による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement measurement result of the piezoelectric element by one comparative example. 別の比較例による圧電素子の変位測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement measurement result of the piezoelectric element by another comparative example. 実施例2の膜構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a film configuration of Example 2. FIG. 実施例2の高周波応答を示す図である。It is a figure which shows the high frequency response of Example 2. 実施例3の膜構成を示す断面図である。6 is a sectional view showing a film configuration of Example 3. FIG. 実施例3の高周波応答を示す図である。It is a figure which shows the high frequency response of Example 3. 実施例4による液体吐出ヘッドを示す模式断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing a liquid ejection head according to Embodiment 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 基体
1a 酸化シリコン膜
2、12、22、32 電極
3、13、23、33 圧電体
4、14、24、34 中間層
5、15、25、35 圧電積層体
30 シリコンウエハー
30a 液体供給口
30b 液室
30c ノズル
31 振動板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base | substrate 1a Silicon oxide film 2, 12, 22, 32 Electrode 3, 13, 23, 33 Piezoelectric body 4, 14, 24, 34 Intermediate | middle layer 5, 15, 25, 35 Piezoelectric laminated body 30 Silicon wafer 30a Liquid supply port 30b Liquid chamber 30c Nozzle 31 Diaphragm

Claims (7)

一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも1つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「圧電体/中間層/圧電体」となる積層部位が1個または複数設けられており、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする圧電体積層構造。   A piezoelectric laminated structure having a plurality of piezoelectric bodies and at least one intermediate layer between a pair of electrodes, and a laminated portion having a film configuration of “piezoelectric body / intermediate layer / piezoelectric body” between the two electrodes is 1 A piezoelectric laminate structure in which one or a plurality of piezoelectric bodies via the intermediate layer are provided such that their polarization directions are opposite to each other. 一対の電極の間に複数の圧電体と少なくとも3つの中間層を有する圧電体積層構造であって、両電極間に、膜構成が「中間層/圧電体/中間層/圧電体/中間層」となる積層部位が1個または複数設けられおり、前記中間層を介した圧電体同士は、互いにその分極方向が反対方向であることを特徴とする圧電体積層構造。   A piezoelectric laminated structure having a plurality of piezoelectric bodies and at least three intermediate layers between a pair of electrodes, and the film configuration between both electrodes is “intermediate layer / piezoelectric body / intermediate layer / piezoelectric body / intermediate layer”. One or a plurality of laminated parts to be provided are provided, and the piezoelectric bodies via the intermediate layer have polarization directions opposite to each other. 中間層の厚さの最大値が圧電体の厚さの最小値以下であることを特徴とする請求項1または2記載の圧電体積層構造。   3. The piezoelectric layered structure according to claim 1, wherein the maximum thickness of the intermediate layer is not more than the minimum thickness of the piezoelectric body. 圧電体および中間層が酸化物または窒化物であり、少なくとも一方の電極が酸化物であることを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の圧電体積層構造。   4. The piezoelectric laminated structure according to claim 1, wherein the piezoelectric body and the intermediate layer are oxides or nitrides, and at least one of the electrodes is an oxide. 請求項1ないし4いずれか1項記載の圧電体積層構造と、前記圧電体積層構造を支持する基体とを有することを特徴とする圧電素子。   5. A piezoelectric element comprising: the piezoelectric multilayer structure according to claim 1; and a base that supports the piezoelectric multilayer structure. 請求項5記載の圧電素子と、前記圧電素子によって駆動される駆動部を有する圧電体デバイス。   A piezoelectric device comprising the piezoelectric element according to claim 5 and a drive unit driven by the piezoelectric element. 請求項5記載の圧電素子と、前記圧電素子によって加圧される液室を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。   6. A liquid discharge head comprising: the piezoelectric element according to claim 5; and a liquid chamber pressurized by the piezoelectric element.
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JP7492821B2 (en) 2018-12-14 2024-05-30 コーボ ユーエス,インコーポレイティド Bipolar boundary regions in piezoelectric devices

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