CN116981339A - 压电元件以及液滴喷出头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够对第一电极的端部的剥离进行抑制的压电元件以及液滴喷出头。本发明的压电元件具备：基板；第一紧贴层，其被形成在基板之上，且包含钛；至少一层以上的第二紧贴层，其被形成在基板之上，且包含氧化钛；第一电极，其被形成在第一紧贴层以及第二紧贴层之上；种子层，其被形成在第一电极以及基板之上，且包含钛；压电体层，其被形成在种子层之上；第二电极，其被形成在压电体层之上，其中，第一电极的端部的至少一部分被形成在第二紧贴层之上。

Description

压电元件以及液滴喷出头
技术领域
本发明涉及一种压电元件以及液滴喷出头。
背景技术
压电元件通常具备基板、具有机电转换特性的压电体层、和对压电体层进行夹持的两个电极。近年来，使用这样的压电元件来作为驱动源的器件(压电元件应用器件)的开发正在盛行。作为压电元件应用器件之一，具有以喷墨式记录头为代表的液体喷射头、以压电MEMS元件为代表的MEMS要素、以超声波传感器等为代表的超声波测量装置、进而还有压电致动器装置等。
作为压电元件的压电体层的材料(压电材料)，已知一种锆钛酸铅(PZT)。但是，近年来，从降低环境负载的观点出发，正在推进抑制了铅的含量的非铅系的压电材料的开发。
作为非铅系的压电材料之一，例如，如专利文献1所示而提出有铌酸钾纳(KNN；(K，Na)NbO3)。
具体而言，在专利文献1中公开了一种如下的压电元件，所述压电元件具备紧贴层和压电体层，其中，所述紧贴层被设置在基板与第一电极之间且包含钛，所述压电体层为薄膜的压电体层，其被设置在第一电极与第二电极之间，且由包含钾、纳及铌的钙钛矿型的复合氧化物而构成。
如上文所述，迄今为止，提出了使用铌酸钾纳(KNN；(K，Na)NbO3)的压电元件(KNN系压电元件)等利用非铅系的压电材料的压电元件。此外，如专利文献1所公开的压电元件那样，一直以来，已知一种为了提高基板与下部电极的紧贴性而在下部电极之上使钛或氧化钛成膜以作为紧贴层的技术。
然而，在于紧贴层之上形成有下部电极的压电元件的情况下，在于下部电极之上使压电体层成膜的过程中，构成紧贴层的钛有可能向下部电极内进行扩散。尤其是，在下部电极的端部中，由于钛向下部电极内进行扩散从而会在下部电极与基板之间产生间隙，进而存在发生下部电极的剥离或产生裂纹的情况。此外，如果裂纹到达至上部电极，则有可能会产生漏电流。此外，伴随着压电元件的驱动，应力会集中在该裂纹上，从而也有可能使压电元件发生破损。
根据这样的情况，需求一种能够对下部电极的剥离进行抑制的压电元件。
另外，这种问题并未被限定于搭载在以喷墨式记录头为代表的液体喷射头上的压电致动器内所使用的压电元件中，在其他压电元件应用器件内所使用的压电元件中也同样存在。
专利文献1：日本特开2018-133458号公报
发明内容
为了解决上述的课题，根据本发明的一个方式，可提供一种压电元件，所述压电元件具备：基板；第一紧贴层，其被形成在所述基板之上，且包含钛；至少一层以上的第二紧贴层，其被形成在所述基板之上，且包含氧化钛；第一电极，其被形成在所述第一紧贴层以及所述第二紧贴层之上；种子层，其被形成在所述第一电极以及所述基板之上，且包含钛；压电体层，其被形成在所述种子层之上；第二电极，其被形成在所述压电体层之上。所述第一电极的端部的至少一部分被形成在所述第二紧贴层之上。
根据本发明的其他方式，可提供一种液滴喷出头，所述液滴喷出头具备：喷嘴板，其形成有将液体作为液滴而喷出的喷嘴；压力室，其与所述喷嘴相连；流道形成基板，其被配置在所述喷嘴板之上，且形成所述压力室的壁面的一部分；振动板，其形成所述压力室的壁面的一部分；上述方式所述的压电元件，其被形成在所述振动板之上；电压施加部，其向所述压电元件施加电压。在所述基板之上具备多个所述压电元件。
附图说明
图1为表示实施方式1的记录装置的概要结构的立体图。
图2为图1的记录装置的液滴喷出头的分解立体图。
图3为图1的记录装置的液滴喷出头的俯视图。
图4为图1的记录装置的液滴喷出头的剖视图。
图5为图4的B-B′线放大剖视图。
图6为图5的压电元件300的放大剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图而对本发明的实施方式进行说明。以下的说明为表示本发明的一个方式的说明，其能够在不脱离本发明的主旨的范围内任意地进行变更。另外，在各个附图中标记了相同符号的部件表示相同的部件，并适当地省略了说明。构成参照符号的文字后的数字通过包含相同文字的参照符号而被参照，且为了对具有相同结构的要素彼此进行区分而被使用。在无需对用包含相同文字的参照符号来表示的要素彼此进行区分的情况下，这些要素分别通过仅包含文字的参照符号而被参照。
在各个附图中，X、Y以及Z表示相互正交的三个空间轴。在本说明书中，将沿着这些轴的方向分别设为第一方向X(X方向)、第二方向Y(Y方向)以及第三方向Z(Z方向)，并将各附图的箭头标记所指向的方向设为正(+)方向、将箭头标记的相反方向设为负(-)方向来进行说明。X方向以及Y方向表示板、层以及膜的面内方向，Z方向表示板、层以及膜的厚度方向或者层叠方向。
此外，在各个附图中所表示的结构要素、即各个部分的形状和大小、板、层及膜厚、相对的位置关系、重复单位等有时会在对本发明进行说明的基础上被夸张地示出。另外，本说明书的“上”这样的术语并不是对结构要素的位置关系为“正上方”的情况进行限定。例如，后文叙述的“基板上的第一电极”或“第一电极上的压电体层”这样的表达不排除在基板与第一电极之间或第一电极与压电体层之间包含其他结构要素的情况。
液滴喷出头
首先，参照附图而对作为具备本发明的实施方式所涉及的液滴喷出头的液体喷射装置的一个示例的喷墨式记录装置进行说明。图1为表示喷墨式记录装置的概要结构的立体图。
如图1所示，在喷墨式记录装置(记录装置)I中，喷墨式记录头单元(头单元)II以可拆装的方式而被设置在盒2A、2B上。盒2A、2B构成了油墨供给单元。头单元II具有后文叙述的多个喷墨式记录头(液滴喷出头)1(参照图2等)，且被搭载于滑架3上。滑架3以相对于轴向而移动自如的方式被设置在滑架轴5上，所述滑架轴5被安装在装置主体4上。这些头单元II和滑架3例如以能够分别喷出黑色油墨组合物以及彩色油墨组合物的方式而构成。
而且，驱动电机6的驱动力经由未图示的多个齿轮以及同步带7而被传递至滑架3，以使搭载了头单元II的滑架3沿着滑架轴5而被移动。另一方面，在装置主体4上设置有作为输送单元的输送辊8，且纸张等作为记录介质的记录薄片S通过输送辊8而被输送。另外，对记录薄片S进行输送的输送单元并不限于输送辊，也可以为带或滚筒等。
在记录头1中，作为压电致动器装置而使用了在后文中详细叙述的压电元件300(参照图2等)。通过使用压电元件300，从而能够避免记录装置I中的各种特性(耐久性和油墨喷射特性等)的降低。
接下来，参照附图而对作为被搭载于液体喷射装置上的液体喷射头的一个示例的液滴喷出头1进行说明。图2为表示液滴喷出头的概要结构的分解立体图。图3为表示液滴喷出头的概要结构的俯视图。图4为图3的A-A′线剖视图。另外，在图2至图4中，分别示出了记录头1的结构的一部分，并被适当地进行了省略。
如附图所示，流道形成基板(基板)10包含硅(Si)。例如，基板10由单晶硅(Si)基板而构成。
在基板10上，形成有通过多个隔壁11而被划分出的压力产生室(压力室)12。压力产生室12沿着共同设置有喷出相同颜色的油墨的多个喷嘴开口21的方向(+X方向)而被排列设置。
在基板10之中的压力产生室12的一端部侧(+Y方向侧)，形成有油墨供给通道13和连通通道14。油墨供给通道13以压力产生室12的一端部侧的开口面积变小的方式而构成。此外，连通通道14在+X方向上具有与压力产生室12大致相同的宽度。在连通通道14的外侧(+Y方向侧)形成有连通部15。连通部15构成了歧管100的一部分。歧管100成为各压力产生室12的共用的油墨室。这样，在基板10上，形成有由压力产生室12、油墨供给通道13、连通通道14以及连通部15所构成的液体流道。
在基板10的一个面(-Z方向侧的面)之上接合有例如SUS制的喷嘴板20。在喷嘴板20上，沿着+X方向而排列设置有喷嘴开口21。喷嘴开口21与各压力产生室12连通。喷嘴板20能够通过粘合剂或热焊接薄膜等而被接合在基板10上。
在基板10的另一个面(+Z方向侧的面)之上形成有振动板50。振动板50例如由形成在基板10之上的弹性膜51、和形成在弹性膜51之上的绝缘体膜(扩散抑制层)52而构成。弹性膜51例如由二氧化硅(SiO2)而构成，扩散抑制层52例如由氧化锆(ZrO2)而构成。
另外，弹性膜51也可以不为与基板10不同的部件。也可以将基板10的+Z方向侧的表层(包含表面)的一部分加工得较薄，并将其作为弹性膜51来使用。在本说明书中，有时将基板10以及振动板50中的一方或双方简称为“基板”。也可以将振动板50作为“基板”来掌握。虽然在后文中所说明的图5中，示出了在基板10的另一个面(+Z方向侧的面)侧的表面上层叠有弹性膜51和扩散抑制层52的示例，但是基板10和弹性膜51也可以被一体化。
在扩散抑制层52以及基板(基板10以及/或者振动板50)之上，隔着紧贴层56而依次形成有第一电极60、压电体层70和第二电极80。紧贴层56由例如氧化钛(TiOX)、钛(Ti)等而构成，并具有使压电体层70与振动板50的紧贴性提高的功能。另外，紧贴层56的详情将在后文中详细叙述。
第一电极60针对每个压力产生室12而被设置。也就是说，第一电极60作为针对每个压力产生室12而独立的单独电极而构成。第一电极60在±X方向上被形成为小于压力产生室12的宽度。此外，第一电极60在±Y方向上被形成为宽于压力产生室12的宽度。即，在±Y方向上，第一电极60的两端部被形成至比振动板50上的与压力产生室12对置的区域更靠外侧为止。在第一电极60的一端部侧(与连通通道14相反的一侧)连接有引线电极90。
此外，在第一电极60与压电体层70之间设置有导电氧化层57(参照图5)。导电氧化层57具有对构成压电体层70的压电体的晶体的取向性进行控制的功能。即，通过设置导电氧化层57，从而能够使构成压电体层70的压电体的晶体向预定的面方位择优取向。导电氧化层57例如由包含铱的材料而构成。
在第一电极60与压电体层70之间、以及第一电极60与压电体层70之间设置有种子层(取向控制层)90。种子层具有对构成压电体层70的压电体的晶体的取向性进行控制的功能。即，通过设置种子层90，从而能够使构成压电体层70的压电体的晶体向预定的面方位择优取向。种子层90由包含钛的材料而构成。
压电体层70被设置于第一电极60与第二电极80之间。压电体层70为薄膜的压电体。压电体层70在±X方向上以与第一电极60的宽度相比而较宽的宽度而形成。此外，压电体层70在±Y方向上以与压力产生室12的±Y方向上的长度相比而较宽的宽度而形成。压电体层70的油墨供给通道13侧(+Y方向侧)的端部被形成至比第一电极60的+Y方向侧的端部更靠外侧为止。也就是说，第一电极60的+Y方向侧的端部通过压电体层70而被覆盖。另一方面，压电体层70的引线电极91侧(-Y方向侧)的端部处于比第一电极60的-Y方向侧的端部更靠内侧(+Y方向侧)处。也就是说，第一电极60的-Y方向侧的端部并未通过压电体层70而被覆盖。
第二电极80跨及+X方向而以在压电体层70以及振动板50上连续的方式被设置。也就是说，第二电极80作为多个压电体层70所共用的共用电极而构成。虽然在本实施方式中第一电极60构成了对应于压力产生室12而被独立设置的单独电极，且第二电极80构成了跨及压力产生室12的排列设置方向而被连续设置的共用电极，但是也可以使第一电极60构成共用电极，且使第二电极80构成单独电极。
在本实施方式中，通过具有机电转换特性的压电体层70的位移，从而使振动板50以及第一电极60进行位移。即，振动板50以及第一电极60实质上具有作为振动板的功能。但是，实际上，由于第二电极80也会通过压电体层70的位移而进行位移，因此振动板50、第一电极60、压电体层70以及第二电极80依次被层叠的区域作为压电元件300的可动部(也称为振动部)而发挥功能。
在形成有压电元件300的基板10(振动板50)上，通过粘合剂35而接合有保护基板30。保护基板30具有歧管部32。通过歧管部32而构成了歧管100的至少一部分。本实施方式的歧管部32在厚度方向(Z方向)上贯穿保护基板30，进而跨及压力产生室12的宽度方向(+X方向)而被形成。而且，歧管部32与基板10的连通部15连通。通过这些结构，从而构成了成为各压力产生室12的共用的油墨室的歧管100。
在保护基板30上，在包含压电元件300的区域中形成有压电元件保持部31。压电元件保持部31具有不会阻碍压电元件300的运动的程度的空间。该空间既可以被密封，也可以不被密封。在保护基板30上，设置有在厚度方向(Z方向)上贯穿保护基板30的贯穿孔33。在贯穿孔33内露出有引线电极91的端部。
虽然作为保护基板30的材料例如可以列举出Si、SOI、玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等，但是更优选为由与基板10的热膨胀率大致相同的材料来形成。
在保护基板30上，固定有作为信号处理部而发挥功能的驱动电路120。驱动电路120能够使用例如电路基板或半导体集成电路(IC：Integrated Circuit)。驱动电路120以及引线电极90通过由插穿贯穿孔33的接合引线等导电性引线所构成的连接配线121而被电连接。驱动电路120能够与打印机控制器200(参照图1)电连接。这样的驱动电路120作为压电致动器装置(压电元件300)的控制单元而发挥功能。
此外，在保护基板30上，接合有由密封膜41以及固定板42而构成的可塑性基板40。密封膜41由刚性较低的材料而构成，固定板42能够由金属等硬质的材料而构成。固定板42的与歧管100对置的区域成为厚度方向(Z方向)上被完全去除了的开口部43。歧管100的一个面(+Z方向侧的面)仅利用具有挠性的密封膜41而被密封。
这样的记录头1以接下来那样的动作而喷出油墨滴。
首先，从与未图示的外部油墨供给单元相连接的油墨导入口将油墨取入，并从歧管100到喷嘴开口21为止而用油墨将内部填满。之后，根据来自驱动电路120的记录信号而向与压力产生室12对应的各个第一电极60和第二电极80之间施加电压，以使压电元件300进行挠曲变形。由此，各压力产生室12内的压力升高，从而使油墨滴从喷嘴开口21被喷出。
压电元件
接下来，参照附图而对作为液滴喷出头1的压电致动器装置而被使用的压电元件300的结构进行说明。
图5为图4的B-B′线放大剖视图。图6为图5的压电元件300的放大剖视图。如附图所示，压电元件300具备：基板10；第一紧贴层56a，其被形成在基板10之上，且包含钛；至少一层以上的第二紧贴层56b，其被形成在基板10之上，且包含氧化钛；第一电极60，其被形成在第一紧贴层56a以及第二紧贴层56b之上；种子层90，其被形成在第一电极60以及基板10之上，且包含钛；压电体层70，其被形成在种子层90之上；第二电极80，其被形成在压电体层70之上。第一电极60的端部60b的至少一部分被形成在第二紧贴层56b之上。
压电元件300在俯视观察时与压力产生室(压力室)12重叠。如图5所示，压电元件300具有紧贴层56、第一电极60、种子层90、压电体层70和第二电极80，这些部件依次在Z方向被层叠。因此，压电元件300在基板10之上依次层叠有紧贴层56、第一电极60、种子层90、压电体层70和第二电极80。
在基板10上，设置有通过多个隔壁11而被划分出的压力产生室12。通过这样的结构，从而形成了压电元件300的可动部。
在基板10之上设置有振动板50。振动板50包括弹性膜51以及扩散抑制层52。
弹性膜51例如由二氧化硅(SiO2)而构成，扩散抑制层52例如由氧化锆(ZrO2)而构成。
扩散抑制层52在Z方向上被配置于基板10与种子层90之间、以及基板10与紧贴层56之间。扩散抑制层52由绝缘材料而构成。扩散抑制层52例如优选为包含锆的绝缘材料。通过作为扩散抑制层52而使用包含锆的材料，从而能够进一步对压电体层70中所包含的碱金属向基板10侧扩散的情况进行抑制。从这样的观点出发，扩散抑制层52更优选为包含氧化锆(ZrO2)。也可以仅由氧化锆(ZrO2)而构成。
在扩散抑制层52上，隔着紧贴层56而依次形成有第一电极60、压电体层70和第二电极80。
如图5所示，紧贴层56具备第一紧贴层56a和第二紧贴层56b，其中，所述第二紧贴层56b以与第一紧贴层56a的宽度方向(X方向)上的至少一端部邻接的方式而被设置。也就是说，第二紧贴层56b被设置在第一电极60的宽度方向(X方向)上的端部的至少一个下方处。另外，虽然在图5以及图6中示出了第二紧贴层56b被设置在第一电极60的宽度方向上的两端部上的示例，但是本实施方式的压电元件300并不限于该结构。例如，也可以在第一电极60的宽度方向上的一个端部上设置有第二紧贴层56b。
第一紧贴层56a例如由金属钛(Ti)而构成，并具有使第一电极60与振动板50的紧贴性提高的功能。另一方面，第二紧贴层56b例如由氧化钛(TiOX)而构成，并具有对构成第一紧贴层56a的钛向第一电极60的扩散进行抑制的功能。金属钛作为易于扩散的元素而被熟知。因此，金属钛为作为紧贴层而优选的材料，另一方面，由于易于扩散到周围，因此有可能使周边要素的特性发生变化。因此，通过在主要作为紧贴层而发挥功能的第一紧贴层56a的端部侧设置包含氧化钛(TiOX)的第二紧贴层56b，从而能够对第一紧贴层56a中的金属钛向周围的扩散进行抑制。
虽然第一紧贴层56a的平均厚度Ta并未被特别限定，但是从确保紧贴性的观点出发，优选为5nm以上。更优选为20nm以上。另一方面，在第一紧贴层56a的平均厚度Ta过大的情况下，钛向周围(尤其是第一电极60侧)的扩散量会增大，从而有可能在第一电极60与压电体层70之间凝集有氧化钛。如果在第一电极60与压电体层70之间凝集有氧化钛，则在该区域中也有可能发生剥离。因此，第一紧贴层56a的厚度Ta优选为100nm以下。更优选为，80nm以下。
优选为，第二紧贴层56b的最大厚度Tb与第一紧贴层56a的平均厚度Ta相比而较厚。也就是说，优选为，第一紧贴层56a的平均厚度Ta与第二紧贴层56b的最大厚度Tb相比而较薄。如上述那样，第二紧贴层56b具有对构成第一紧贴层56a的钛向第一电极60的扩散进行抑制的功能。此外，通过将第二紧贴层56b设置在第一紧贴层56a的端部侧，从而也能够防止构成第一紧贴层56a的钛向压电体层70侧(X方向)进行扩散的情况。为了进一步享有这些效果，从而优选为，第二紧贴层56b的最大厚度Tb与第一紧贴层56a的平均厚度Ta相比而较厚。
优选为，第一紧贴层56a的宽度La宽于第二紧贴层56b的宽度Lb的总计值。如上述那样，包含金属钛的第一紧贴层56a具有使第一电极60与振动板50的紧贴性提高的功能。另一方面，包含氧化钛的第二紧贴层56b虽然元素的扩散抑制功能较为优异，但是关于紧贴性则低于第一紧贴层56a。因此，为了充分地确保第一电极60与振动板50的紧贴性，从而优选为，第一紧贴层56a的宽度La长于第二紧贴层56b的宽度Lb的总计值。
另外，此处所提及的“第一紧贴层56a的宽度La”是指第一电极60的短边侧的X方向上的宽度(最小距离)，“第二紧贴层56b的宽度Lb”是指第一电极60的短边侧的X方向上的宽度(最大距离)。
虽然第二紧贴层56b如上述那样包含氧化钛(TiOX)，但是除了钛以及氧以外，也可以包含例如铁(Fe)、钾(K)等。虽然在后文叙述的制造方法中也会详细说明，但是第二紧贴层56b能够通过如下方式而获得，即，在振动板50上使钛膜、第一电极膜成膜之后进一步涂敷了成为种子层的溶液，然后在氧化性气氛下进行退火处理，并钛膜的一部分氧化。另外，之后，通过涂敷例如KNN系的材料进而进行退火处理，从而能够形成压电体层70。此时，成为种子层的溶液中的铁(Fe)以及KNN系的材料中的钾(K)的一部分有时会向第二紧贴层56b移动。也就是说，有时在第二紧贴层56b中会包含被认为源自种子层的铁(Fe)、以及被认为源自KNN系的材料的钾(K)。铁以及钾等各元素的分布能够进行由SEM实施的观察以及由元素分布分析(元素映射)实施的观察。虽然铁及钾向第二紧贴层56b移动的机理并不明确，但是被认为可能是因为在铁或钾中具有在钛膜的氧化性气氛下的退火处理时促进氧化物的形成的作用。
第一电极60被设置在第一紧贴层56a以及第二紧贴层56b之上。第一电极60被设置在紧贴层56与种子层90之间。第一电极60的形状例如为层状。第一电极60的厚度例如为10nm以上且200nm以下。第一电极60例如为铂(Pt)层、金(Au)层、铱(Ir)层、钌(Ru)层等金属层、这些金属层的导电性氧化物层、镍酸镧(LaNiO3：LNO)层、钌酸锶(SrRuO3：SRO)层等。第一电极60也可以具有将上文所例示出的层层叠了多层所形成的结构。
第一电极60为用于向压电体层70施加电压的、被设置在压电体层70的下方的下部电极。另外，如图5以及图6所示，第一电极60也可以具有从其上表面的端部起向第二紧贴层56b以及振动板50侧倾斜的倾斜部(锥形部)。在第一电极60具有倾斜部的情况下，优选为，第二紧贴层56b被配置在该倾斜部的下方，且此时的第二紧贴层56b的宽度Lb与倾斜部的X方向上的宽度相比而较长。通过设为这样的结构，从而能够进一步对第一紧贴层56a中的钛向周边的扩散进行抑制。
压电体层70隔着种子层90而被设置在基板10之上。压电体层70被设置于第一电极60与第二电极80之间。如图5所示，压电体层70被单独地设置在多个压电元件300中。另外，压电体层70的形态并未被限定于图5，例如也可以为以跨及多个压电元件300而连续的方式延伸的带状。
压电体层70的厚度例如为100nm以上且5μm以下。压电体层70能够通过向第一电极60与第二电极80之间施加电压而进行变形。
压电体层70通过MOD法、溶胶-凝胶法等溶液法(也称为液相法或湿式法)、溅射法等气相法而被形成。本实施方式的压电体层70优选为包含钾(K)、纳(Na)和铌(Nb)的由一般式ABO3所表示的钙钛矿型的复合氧化物。即，压电体层70优选为，包含由下述式(1)所表示的KNN系的复合氧化物而构成的压电材料。
(KX，Na1-X)NbO3···(1)
(0.1≤X≤0.9)
构成压电体层70的压电材料优选为KNN系的复合氧化物，而并未被限定于由上述式(1)所表示的组分。例如，在铌酸钾纳的A点和B点中，也可以包含其他金属元素(添加物)。作为这样的添加物的示例，可以列举出锰(Mn)、锂(Li)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、锆(Zr)、钛(Ti)、铋(Bi)、钽(Ta)、锑(Sb)、铁(Fe)、钴(Co)、银(Ag)、镁(Mg)、锌(Zn)以及铜(Cu)等。
这种添加物也可以包含一个以上。一般情况下，添加物的量相对于成为主要成分的元素的总量而为20％以下，优选为15％以下，更优选为10％以下。虽然通过利用添加物而使各种特性提升从而易于实现结构和功能的多样化，但是从发挥来自KNN的特性的观点出发，优选为KNN存在多于80％。另外，即使在为包含这些其他元素的复合氧化物的情况下，也优选为，以具有ABO3型钙钛矿结构的方式而构成。
此外，在本说明书中，“包含K、Na以及Nb的钙钛矿型的复合氧化物”为“包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物”，而并不仅限定于包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物。即，在本说明书中，“包含K、Na以及Nb的钙钛矿型的复合氧化物”包含作为混合晶体而被表示的压电材料，所述混合晶体包括，包含K、Na以及Nb的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物(例如，上文所例示出的KNN系的复合氧化物)、和具有ABO3型钙钛矿结构的其他复合氧化物。
虽然“其他复合氧化物”在本实施方式的范围内并未被限定，但是优选为不含有铅(Pb)的非铅系压电材料。此外，其他复合氧化物更优选为不含有铅(Pb)以及铋(Bi)的非铅系压电材料。据此，成为生物相容性优异而且环境负载较少的压电元件300。
第二电极80被设置在压电体层70上。如果第二电极80与第一电极60电分离，则进一步也可以被设置在压电体层70的侧面以及基板10(或者振动板50)上。
第二电极80的形状例如为层状。第二电极80的厚度例如为10nm以上且500nm以下。第二电极80为，例如铂(Pt)层、金(Au)层、铱(Ir)层、钌(Ru)层等金属层、这些金属层的导电性氧化物层、镍酸镧层、钌酸锶层等。第二电极80也可以具有将上文所例示出的层层叠多层所形成的结构。另外，第一电极60的材料和第二电极80的材料既可以相同，也可以不同。
第二电极80为用于向压电体层70施加电压的另一个电极。第二电极80作为被设置在压电体层70之上的上部电极而发挥功能。
种子层90被设置在第一电极60以及基板10之上。种子层90被配置在第一电极60与压电体层70之间。图5、6所示，种子层90在俯视观察时跨及与压电体层70相同的区域而被设置。另外，种子层90只要被配置在第一电极60与压电体层70之间即可，也可以被设置在俯视观察时与压电体层70不同的区域中。
种子层90由作为构成要素而包含钛(Ti)的氧化物而构成。更优选为，种子层90优选为由具有作为构成元素而包含铁(Fe)、钛(Ti)以及铅(Pb)的钙钛矿结构的复合氧化物而构成。通过在这样的种子层90之上设置有前述的压电体层70，从而能够使构成压电体层70的复合氧化物向(100)方向择优取向。也就是说，本实施方式中的种子层90作为能够以使压电体层70向(100)方向择优取向的方式进行控制的取向控制层而发挥功能。
种子层90中所包含的复合氧化物例如为PbFeO3和PbTiO3的固态溶体，且由Pb(Fe，Ti)O3来表示。更具体而言，该复合氧化物由下述式(2)来表示。
PbxFeyTi(1-y)Oz···(2)
此处，虽然式(2)中的x只要满足1.00≤x＜2.00的关系即可，但是从适当地获得通过种子层90而提高压电体层70的取向度的效果的观点出发，优选为满足1.00≤x＜1.50的关系，更优选为满足1.10≤x＜1.40的关系。
虽然式(2)中的y只要满足0.10≤y≤0.90的关系即可，但是从适当地获得通过种子层90而提高压电体层70的取向度的效果的观点出发，优选为满足0.20≤y≤0.80的关系，更优选为满足0.40≤y≤0.60的关系。
式(2)中的z典型而言满足z＝3.00的关系。但是，z也可以不满足该关系。
此外，从适当地获得通过种子层90而提高压电体层70的(100)取向度的效果的观点出发，式(2)中的x以及y优选为满足1.3≤(x/y)＜13.0的关系，更优选为满足1.5≤(x/y)＜6.5的关系，进一步优选为满足1.6≤(x/y)＜3.5的关系。
另外，种子层90的构成材料优选为，具有将铅、铁以及钛作为构成元素而包含的钙钛矿结构的复合氧化物。但是，种子层90的构成材料并未被限定于前述的式(2)所表示的复合氧化物，也可以作为构成元素而包含铅、铁以及钛以外的元素。例如，种子层90也可以为，除了包含铅、铁以及钛以外还进一步包含Bi(铋)的复合氧化物。此外，在种子层90中，也可以少量包含杂质等其他元素。
在通过X射线衍射法而对这样的压电体层70进行了分析时，与(100)相对应的峰值强度高于与(110)相对应的峰值强度。即，(100)取向度高于(110)取向度。因此，能够实现优异的位移效率的压电元件300。
虽然种子层90的厚度T1只要能够提高压电体层70的(100)方向的取向度即可而并未被特别限定，但是优选为与压电体层70的厚度T2相比而较薄。在此情况下，与种子层90的厚度T1厚于压电体层70的厚度T2的结构相比，能够提高压电元件300的位移效率。
种子层90的厚度T1优选为处于20nm以上且200nm以下的范围内，更优选为处于50nm以上且150nm以下的范围内，进一步优选为处于70nm以上且130nm以下的范围内。通过使种子层90的厚度T1处于该范围内，从而能够在提高压电元件300的位移效率的同时，利用种子层90而使构成压电体层70的复合氧化物向(100)方向择优取向。
相对于此，如果种子层90的厚度T1过于薄，则会示出通过种子层90而提高压电体层70的取向度的效果降低的趋势。此外，如果种子层90的厚度T1过薄，则第二紧贴层56b有可能贯穿种子层90而向压电体层70露出。另一方面，如果种子层90的厚度T1过于厚，则不仅不能期望通过种子层90而提高压电体层70的(100)取向度的效果的提升，而且还会示出因压电体层70的厚度T2而使压电元件300的位移效率下降的趋势。
此外，在本实施方式的压电元件300中，优选为，在第一电极60与压电体层70之间设置有包含铱的导电氧化层57。导电氧化层57具有对构成压电体层70的压电体的晶体的取向性进行控制的功能。即，通过在第一电极60之上隔着导电氧化层57而设置种子层90，从而能够使构成压电体层70的压电体的晶体更择优地向(100)面取向。通过提高压电体层70的晶体取向性，从而能够高效地利用结构域旋转并提高位移特性。作为导电氧化层57的构成材料，除了铱以外，例如可以列举出钛、镍、铱、铂等各种金属、这些金属的氧化物、或包含铋、铁、钛、铅等的化合物。
此外，通过在第一电极60与压电体层70之间设置包含铱的导电氧化层57，从而能够进一步对压电体层70中所包含的碱金属向第一电极60侧扩散的情况进行抑制。从这样的观点出发，导电氧化层57更优选为包含氧化铱(IrO2)。也可以仅由氧化铱(IrO2)而构成。
在下文中，在与现有结构进行比较的同时，对以上所说明的本实施方式所涉及的压电元件300的特征、作用进行说明。
在现有的第一电极以及紧贴层的周边的结构中，存在如下课题，即，在压电体层的形成时(尤其是氧化性气氛下的退火时)，构成紧贴层的钛的一部会向第一电极层内进行扩散。尤其是，由于紧贴层易于扩散的第一电极的端部的下方区域会因扩散而使紧贴层自身减少，因此会发生第一电极的剥离。尤其是，这样的问题在紧贴层较薄的情况下较为显著。因此，一直以来对如下的技术进行了研究，即：通过将紧贴层设计得较厚来防止第一电极的剥离。但是，在紧贴层较厚的情况下，在压电体层的形成时(尤其是氧化性气氛下的退火时)，构成紧贴层的钛的一部分有时会扩散到第一电极与设置在第一电极之上的导电体层(例如铱电极)之间的界面处，从而使得该界面处形成有氧化钛层。另外，当该氧化钛层的厚度增大时，导电体层有时会剥离。
另一方面，本实施方式的压电元件300具有包含钛的第一紧贴层56a、和被设置在第一电极60的端部的至少一部分的下方的包含氧化钛的第二紧贴层56b。由此，能够对构成第一紧贴层56a的钛的扩散进行抑制，并且能够防止第一电极60的剥离。此外，通过在第一电极60的端部的下方设置第二紧贴层56b，从而能够在利用第一紧贴层56a来确保第一电极60与振动板50的紧贴性的同时，通过第二紧贴层56b而对第一电极60的端部周边的钛的扩散进行抑制。也就是说，不是在紧贴层整体中使用氧化钛，而是通过根据所要求的特性而适当地配置包含金属钛的第一紧贴层56a和包含氧化钛的第二紧贴层56b，从而能够同时实现紧贴性的提升和第一电极的剥离防止。
此外，由于通过在第一电极60的端部的下方设置包含氧化钛的第二紧贴层56b，从而在作为压电体层70而应用了KNN系的材料的情况下也能够对钛向压电体层70侧的扩散进行抑制，因此，能够防止KNN所具有的晶体取向性的劣化。
此外，虽然在上述的实施方式中作为液体喷射头的一个示例而列举出液滴喷出头来进行了说明，但是本发明能够应用于液体喷射头整体中，也能够应用于喷射油墨以外的液体的液体喷射头中。作为其他液体喷射头，例如具有打印机等图像记录装置中所使用的各种记录头、液晶显示器等彩色过滤器的制造中所使用的颜色材料喷射头、有机EL显示器、FED(场发射显示器)等电极形成中所使用的电极材料喷射头、生物芯片制造中所使用的生物体有机物喷射头等。
此外，本发明并不限于被搭载在液体喷射头内的压电元件中，也能够应用于被搭载在其他压电元件应用器件内的压电元件中。作为压电元件应用器件的一个示例，可以列举出超声波器件、电机、压力传感器、焦电元件、强磁性体元件等。此外，利用了这些压电元件应用器件的完成体、例如利用了上述液体等喷射头的液体等喷射装置、利用了上述超声波器件的超声波传感器、将上述电机作为驱动源来利用的自动装置、利用了上述焦电元件的IR传感器、利用了强磁性体元件的强磁性体存储器等也被包含在压电元件应用器件中。
压电元件的制造方法
接下来，对压电元件300的制造方法的一个示例进行说明。
首先，准备包含硅的基板，并通过对基板进行热氧化，从而在其表面上形成由二氧化硅而构成的弹性膜51。
接下来，在弹性膜51之上利用溅射法而形成锆膜，并通过对该锆膜进行热氧化，从而形成扩散抑制层52。由此，获得了由弹性膜51以及扩散抑制层52而构成的振动板50。
接下来，在振动板50之上，通过常用方法(溅射法或蒸镀法等)而使金属钛膜成膜，进而在该金属钛膜之上使第一电极60和导电氧化层57依次成膜。
接下来，对金属钛膜、第一电极60以及导电氧化层57进行图案形成。图案形成例如通过照片平板印刷以及蚀刻而被实施。通过该图案形成，从而使基板的上表面、金属钛膜、第一电极60的侧面以及导电氧化层57的侧面被露出。
接下来，通过旋涂法而将铋、铅、铁以及钛的各自的MOD(metal organicdecomposition：金属有机分解)溶液涂敷在基板以及导电氧化层之上，之后，在150～400℃的温度范围内实施干燥和脱脂。
之后，通过在500℃～750℃且2分钟～5分钟的条件下利用RTA(Rapid ThemalAnnealing：快速热退火)来进行处理，从而形成了种子层90。此时，加热处理可以在O2气体为50～200sccm的氧化性气氛下实施。通过在该条件下形成种子层90，从而使溶液中所包含的钛、和金属钛膜的一部分被氧化，进而在第一电极60的端部的下方形成了包含氧化钛的第二紧贴层56b。此时可认为，通过溶液中所包含的钛、和构成金属钛膜的钛的一部分向第一电极60的端部的下方凝集且被氧化，从而形成了第二紧贴层56b。
接下来，以覆盖种子层90的方式而将压电体膜形成多层。
压电体层70通过这些多层的压电体膜而构成。此外，压电体层70能够通过例如MOD法、溶胶-凝胶法等溶液法(化学溶液法)而形成。通过利用溶液法而形成压电体层70，从而能够提高压电体层70的生产率。利用溶液法而被形成的压电体层70通过将从涂敷前驱体溶液的工序(涂敷工序)起到对前驱体膜进行烧成的工序(烧成工序)为止的一系列工序重复实施多次而被形成。
利用溶液法来形成压电体层70的情况下的具体的步骤例如像接下来那样。
首先，对包含预定的金属络合物的前驱体溶液进行调节。前驱体溶液为，使可以通过烧成而形成包含K、Na以及Nb的复合氧化物的金属络合物在有机溶剂中溶解或分散而形成的液体。此时，也可以进一步对包含Mn等添加物的金属络合物进行混合。
作为包含K的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸钾、醋酸钾等。作为包含Na的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸钠、醋酸钠等。作为包含Nb的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸铌、五乙氧基铌等。在作为添加物而添加了Mn的情况下，作为包含Mn的金属络合物，可以列举出2-乙基己酸锰等。此时，也可以一并使用两种以上的金属络合物。例如，作为包含K的金属络合物，也可以一并使用2-乙基己酸钾和醋酸钾。作为溶剂，可以列举出2-正丁氧基乙醇或正辛烷或它们的混合溶剂等。前驱体溶液也可以包含使含有K、Na、Nb的金属络合物的分散稳定化的添加剂。作为这样的添加剂，可以列举出2-乙基己酸等。
然后，在种子层90之上涂敷上述的前驱体溶液，从而形成前驱体膜(涂敷工序)。
接下来，将该前驱体膜加热至预定温度、例如130℃～250℃左右并使之干燥固定时间(干燥工序)。
接下来，通过将干燥后的前驱体膜加热至预定温度、例如250℃～500℃，并以该温度而保持固定时间，来进行脱脂(脱脂工序)。
作为在干燥工序、脱脂工序以及烧成工序中所使用的加热装置，例如可以列举出通过红外线灯的照射来进行加热的RTA(Rapid Themal Annealing：快速热退火)装置或加热板等。将上述的工序重复实施多次，从而形成由多层的压电体膜而构成的压电体层70。另外，在从涂敷工序起到烧成工序为止的一系列工序中，也可以在将从涂敷工序起到脱脂工序为止重复实施了多次之后，实施烧成工序。
此外，在压电体层70之上形成第二电极80的前后，也可以根据需要而在600℃～800℃的温度范围内实施再加热处理(后退火)。
在烧成工序之后，将由多个压电体膜而构成的压电体层70图像形成为图5所示的形状。图像形成能够通过反应性离子蚀刻、离子铣削等干蚀刻、或者使用了蚀刻液的湿蚀刻来实施。
之后，在压电体层70之上形成第二电极80。第二电极80能够通过与第一电极60相同的方法而形成。
通过以上的工序，从而制造出压电元件300。
在种子层90的形成过程中，在涂敷了铋、铅、铁以及钛的各自的MOD溶液后的氧化性气氛下的退火处理中，可认为位于电极端部的下方的金属钛膜的氧化会被优先地实施。也就是说，根据上述的本实施方式的制造方法，可认为能够对钛向第一电极60与导电氧化层57的界面的扩散以及氧化的程度进行抑制，并且能够同时防止第一电极60以及导电氧化层57的剥离。
符号说明
I…喷墨式记录装置(液体喷射装置)；II…喷墨式记录头单元(头单元)；1…喷墨式记录头(液滴喷出头)；10…基板；12…压力产生室(压力室)；13…油墨供给通道；14…连通通道；15…连通部；20…喷嘴板；21…喷嘴开口；30…保护基板；31…压电元件保持部；32…歧管部；40…可塑性基板；50…振动板；51…弹性膜；52…扩散抑制层；56…紧贴层；56a…第一紧贴层；56b…第二紧贴层；57…导电氧化层；60…第一电极；70…压电体层；80…第二电极；91…引线电极；100…歧管；300…压电元件。

Claims (8)

1.一种压电元件，具备：
基板；
第一紧贴层，其被形成在所述基板之上，且包含钛；
至少一层以上的第二紧贴层，其被形成在所述基板之上，且包含氧化钛；
第一电极，其被形成在所述第一紧贴层以及所述第二紧贴层之上；
种子层，其被形成在所述第一电极以及所述基板之上，且包含钛；
压电体层，其被形成在所述种子层之上；
第二电极，其被形成在所述压电体层之上，
所述第一电极的端部的至少一部分被形成在所述第二紧贴层之上。
2.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述第一紧贴层的平均厚度与所述第二紧贴层的最大厚度相比而较薄。
3.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述第一紧贴层的宽度长于所述第二紧贴层的宽度的总计值。
4.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述第一紧贴层的平均厚度为20nm以上且100nm以下。
5.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述第一电极包含铂或金。
6.如权利要求1所述的压电元件，其中，
在所述第一电极与所述压电体层之间配置有包含铱的导电氧化层。
7.如权利要求1所述的压电元件，其中，
所述压电体层包含钾、纳和铌。
8.一种液滴喷出头，具备：
喷嘴板，其形成有将液体作为液滴而喷出的喷嘴；
压力室，其与所述喷嘴相连；
流道形成基板，其被配置在所述喷嘴板之上，且形成所述压力室的壁面的一部分；
振动板，其形成所述压力室的壁面的一部分；
权利要求1或2所述的压电元件，其被形成在所述振动板之上；
电压施加部，其向所述压电元件施加电压，
在所述基板之上具备多个所述压电元件。
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