JP4282079B2 - 圧電体素子及び該素子を備えた液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
特に、本発明では成膜温度を低温に設定出来、膜中の応力を低減した、特性の良い圧電体素子、インクジェットヘッドを得る事が出来る。
(1)SrRuO3(110)/Pt(110)/CeO2(110)/Si
(2)SrRuO3(110)/Ir(110)/CeO2(110)/YSZ(110)/Si
(3)CaRuO3(110)/Pt(110)/CeO2(110)/Si
(4)LaNiO3(110)/Ir(110)/CeO2(110)/Si
(5)CaRuO3(110)/Ir(110)/CeO2(110)/ZrO2(110)/Si
(6)LaSrCoO3(110)/Ru(110)/CeO2(110)/Si
(7)LaSrCoO3(110)/Pt(110)/CeO2(110)/Si
(8)SrRuO3(100)/CeO2(110)/YSZ(110)/Si
上記構成の内、特に好ましい構成は、(1)、(2)及び(7)である。本発明のインクジェットヘッドにおける振動板材料としては面方位が(100)面のSi層を用いるが、これとバッファー層との積層体、あるいはこれとバッファー層及び電極層の積層体が振動板として用いられても良い。
a)工程は第二の基板11上に個別液室に応じたマスク11aを形成した工程、
b)工程はa)工程で設けたマスク11aをエッチングマスクにして、上部からエッチング等により加工を行い個別液室12を設ける工程(斜線部12aは、加工部(個別液室)を意味する)、
c)工程はマスク除去工程および第二の基板のa)工程で設けたマスクと反対側に連通孔2用のマスク11bを作成する工程、
d)工程はc)工程で設けたマスク11bをエッチングマスクに用いてエッチング等により斜線部2a及び4aの加工を行い、連通孔2および共通液室4を形成する工程、
e)工程はc)工程により形成されたマスクの除去により個別液室12、連通孔2、共通液室4が形成された状態を模式的に示した。
f)工程は吐出口1と共通液室の一部が形成された基板とが接合された状態を示す。
まず、面方位が(100)面のSi層が3μm厚で形成され、酸化物層としてB2O3−SiO2層が2μm、ハンドル基板として面方位が(110)面のSi層が625μm厚の構成の基板を準備した。この基板の面方位が(100)面のSi層上に、基板温度250℃、ガス圧0.5Pa、スパッタ法でCeO2層(バッファー層)を50nm成膜した。CeO2層は良好な(110)優先配向であった。この上に基板温度450℃でPt(110)(下部電極層)、続いてSRO(110)膜(下部電極層:ルテニウム酸ストロンチウム)をそれぞれ、30nm、150nm厚で設けた。さらに圧電体層をPb(Zr0.60Ti0.40)O3の組成比で基板温度550℃で3.5μm厚に成膜した。この圧電体層は、(110)優先配向性が95%以上で正方晶と菱面体晶が混在した構成であった。
実施例1で用いた基板の面方位が(100)面のSi層表面をフッ酸処理した後、YがドープされたZrO2層(バッファー層)をスパッタ製法で基板温度300℃で100nm厚で成膜し、続いてCeO2層(バッファー層)を基板温度350℃で60nm成膜した。どちらも(110)優先配向膜であった。この上に下部電極層としてSRO/Irの積層構造を基板温度をそれぞれ、400℃(Ir)と450℃(SRO)で成膜した。どちらも(110)優先配向膜であった。この上にPZT膜(Zr/Ti比=62/38)(圧電体膜)をスパッタで基板温度550℃で3.5μm厚成膜させた。圧電体膜の配向は、(110)優先配向膜で配向率は92%で正方晶と菱面体晶の混在系であった。この後、実施例1と同様に加工してインクジェットヘッド2を得た。
Si(100)第一層/SiO2層/Si(100)第二層構成のSOI基板(各膜厚3μm/1μm/300μm)を用いて、3μm厚のSi(100)第一層上にCeO2(110)(バッファー層)を基板の加熱温度400℃で40nm厚にスパッタ成膜した。この上に下部電極層としてPt(110)を120nm厚、(La,Sr)CoO3(110)を40nm、圧電体層として(110)エピタキシャル膜のPb(Zr0.55,Ti0.45)O3を3.5μm厚に600℃下で成膜した。これに金の上部電極層をパターニング成膜し、上部電極層に沿ってPZT膜を幅47μm、長さ3mmでパターニングした。PZTが残る部位に合うようにSi第二層側をICP法によりSiO2層までエッチング除去し、幅58μm、長さ2.6mmの複数の個別液室3を形成した。
上記ヘッドを、電界強度10000kV/mを掛けて、粘度3.5cpsの液体を吐出させて特性評価を行った。その結果を表1に示した。ここでの液滴量及び吐出速度は、高速度カメラによる液滴サイズ及び移動距離から換算した。上記ヘッドはいずれも耐久性に優れ、108回以上の吐出においても初期吐出時と比べて大きな特性ダウンがない事が確認された。
2 連通孔
3 個別液室
4 共通液室
5 Si(100)層
7 圧電体層
8 上部電極
10 酸化物層
11 基板
12 個別液室
13 上部電極
Claims (10)
- 圧電体層と該圧電体層を挟持する一対の電極層とを含む圧電体素子であって、
Siの(100)面上に、(110)面に優先配向した少なくとも三つの層が積層されており、前記少なくとも三つの層は前記圧電体層と前記一対の電極層の一方の層とを含むことを特徴とする圧電体素子。 - 前記少なくとも三つの層が、バッファー層を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。
- 前記少なくとも三つの層が、蛍石型酸化物層を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。
- 前記圧電体層が、擬立方晶の結晶構造を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の圧電体素子。
- 前記圧電体層が擬立方晶、菱面体晶及び正方晶からなる群より選択された少なくとも二種以上の結晶構造を有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の圧電体素子。
- 前記蛍石型酸化物層が、CeO2及びZrO2の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項3に記載の圧電体素子。
- 前記蛍石型酸化物層が、該蛍石型酸化物層の材料を100℃以上400℃以下で熱処理することによって形成されたものであることを特徴とする請求項3に記載の圧電体素子。
- 前記(110)面に優先配向した前記一対の電極層の一方の層が、ペロブスカイト型酸化物導電層を有する請求項1〜7の何れか1項に記載の圧電体素子。
- 前記Siの(100)面を有する層は、面方位が(110)のSi層に接して設けられた酸化物層に接して設けられていることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の圧電体素子。
- 圧電体層と該圧電体層を挟持する一対の電極層とを含む圧電体素子と、該圧電体素子に対応して圧力室が設けられた圧力室部材と、を備え、前記圧電体素子の変位によって前記圧力室内の液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記圧電体素子が、Siの(100)面上に、(110)面に優先配向した少なくとも三つの層が積層されており、前記少なくとも三つの層は前記圧電体層と前記一対の電極層の一方の層とを含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
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