[發明專利]壓電器件、壓電致動器、硬盤驅動器、噴墨打印機裝置和壓電傳感器

在審

• 申請號: 201380033604.X
• 申請日: 2013-07-25
• 公開（公告）號: CN104396039A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 會田康弘;倉知克行;佐久間仁志;前島和彥
• 申請（專利權）人: TDK株式會社
• 主分類號: H01L41/08
• 分類號: H01L41/08;H01L41/053;H01L41/09;B41J2/14;G11B5/48;H01L41/113
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 楊琦

技術領域

本發明涉及使用壓電材料的壓電器件；以及具有該壓電器件的壓電致動器、硬盤驅動器、噴墨打印機裝置和壓電傳感器。

背景技術

近來，替代塊體壓電材料，使用薄膜壓電材料的壓電器件的實際應用越來越廣泛。這種應用的例子包括利用壓電效應來將施加在壓電膜上的力轉換為電壓的陀螺儀傳感器、震動傳感器、麥克風等，或者利用逆壓電效應來使施加有電壓的壓電膜變形的致動器、噴墨頭、揚聲器、蜂鳴器、諧振器等。

壓電材料的厚度的減小能夠縮小壓電器件的規模以擴大應用的領域。由于大量的壓電器件能夠一起制作在基板上，因此量產性會提高。此外，在性能方面有許多優點，例如，在傳感器中使用壓電膜時靈敏度的改善。然而，從其他膜對壓電膜的外部應力和壓電膜本身的內部應力會比塊體材料的情況對壓電特性帶來更多影響，并且為此壓電膜需要不同于塊體材料的應力控制技術。因此，把專注于施加于壓電膜的界面的熱應力的控制的壓電特性的控制方法成為在壓電器件的設計中的重要因素。

引用文獻列表

專利文獻

專利文獻1：日本特開2003-176176號公報

專利文獻2：日本特開2006-188414號公報

專利文獻3：日本特開1999-097755號公報

專利文獻4：日本特開2006-100622號公報

專利文獻5：日本特開2009-094449號公報

發明內容

所要解決的技術問題

壓電特性當中的重要因素之一是矯頑電場Ec。矯頑電場Ec是在自發極化反轉時電場的大小，并且當將高于該矯頑電場的電場施加于壓電材料時極化方向開始反轉。圖1示出典型的壓電器件的極化P-電場E的磁滯曲線以及矯頑電場Ec的位置。在利用逆壓電效應即施加有電壓的壓電膜的變形的器件的情況下，在與極化方向相同的方向上實現了高位移。

圖2示出典型的壓電器件的應變x與電場E的關系(稱為蝴蝶曲線)。從圖2可見，應變方向在矯頑電場Ec時反轉。這意味著即使為了獲得大的應變x而增加電場E，極化方向也將在剛高于矯頑電場Ec時反轉，從而導致無法在期望的方向上獲得應變x。因此，期望具有大的矯頑電場Ec的壓電器件以獲得大應變x。

增強矯頑電場的技術的其中一種技術是改變壓電膜的組成(專利文獻1和2)，但是即使在相同組成的壓電材料的情況下，當其形成為薄膜時，如上所述，因為由于器件的膜結構而引起的外部應力、由于成膜條件所引起的內部應力、以及諸如結晶度和壓電膜的取向的因素的原因，矯頑電場顯著變化，并且其控制是困難的。當通過壓電膜本身的組成的改變而增加矯頑電場時，壓電膜的壓電常數容易下降，并且因而難以獲得所期望的位移。

也存在有效驅動具有小的矯頑電場的壓電膜的另一種技術(專利文獻3)，但其要求預先測量矯頑電場的精確值，這使得驅動電路變得復雜且增加該器件的成本。

專利文獻4公開了以具有比壓電膜的線性膨脹系數更大的線性膨脹系數的中間膜介于振動板與壓電膜之間以便提高壓電特性的結構的壓電器件。在振動板與壓電膜之間設置這樣的膜對減小壓電膜的張應力有效并且同時提高極化和矯頑電場。然而，與壓電器件接觸的電極膜的線性膨脹系數完全沒有被納入考慮。

專利文獻5公開了以在壓電膜中在壓縮方向上產生應力的中間膜設置在形成在硅基板上的電極與壓電膜之間的結構的壓電器件，盡管其目的與本發明的不同。然而，該中間膜需要在壓電膜淀積之前形成。因此，為了確保壓電膜的結晶度，中間膜傾向于對耐熱性溫度和結晶結構造成大幅限制并且對材料的選擇自由度小，從而導致無法有效應用壓應力。

本發明已經考慮到上述現有技術的問題，并且本發明的目的在于提供一種能夠容易地增加壓電器件的矯頑電場的壓電器件。

解決問題的技術手段

根據本發明的壓電器件包括第一電極膜、設置在第一電極膜上的壓電膜、設置在該壓電膜上的第二電極膜、以及設置在第二電極膜上的第二應力控制膜。第二應力控制膜與第二電極膜直接接觸。第二應力控制膜的線性膨脹系數大于第二電極膜和壓電膜的線性膨脹系數。

在該配置的壓電器件中，當使第二電極膜基底從室溫加熱時在第二電極膜上形成第二應力控制膜，并且在形成后，將其冷卻到室溫，由此第二應力控制膜能夠在壓電膜上施加壓應力。同樣地，壓應力還可以以下列方式施加在壓電膜上：在形成第二應力控制膜后，使壓電膜和第二應力控制膜從室溫加熱并接著冷卻到室溫。