[發明專利]薄膜壓電元件、壓電致動器、壓電傳感器、硬盤驅動器和噴墨打印機裝置

有效

• 申請號: 201380045724.1
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN104603966B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 佐久間仁志;會田康弘;倉知克行;前島和彥
• 申請（專利權）人: TDK株式會社
• 主分類號: H01L41/187
• 分類號: H01L41/187;H01L41/08;H01L41/316
• 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

本發明涉及使用薄膜壓電材料的薄膜壓電元件；包括薄膜壓電元件的壓電致動器和壓電傳感器；以及包括壓電致動器的硬盤驅動器和噴墨打印機裝置。

背景技術

近年來，使用薄膜壓電材料而非使用塊狀壓電材料的薄膜壓電元件已經日益投入實際應用。例如包括利用了將應用到壓電薄膜的力轉化為電壓的壓電效應的陀螺儀傳感器、震動傳感器、麥克風等，利用通過將電壓施加到壓電膜等而將壓電膜變形的逆壓電效應的致動器、噴墨頭、揚聲器、蜂鳴器、共振器等。

壓電材料薄膜的使用可以減小裝置的尺寸并且由此延伸適用領域，并且還允許許多裝置在襯底上的批量生產，從而提高了批量生產性。此外，當傳感器被制造時，該傳感器在性能上具有許多優點，諸如靈敏度的改進。然而，與塊狀材料相比，薄膜材料對構成元件的其他層的熱膨脹系數，膜的物理性質諸如楊氏模量、從其他層引入的外部應力和由壓電薄膜所擁有的內部應力等的壓電特性具有大的影響，并且因此需要不同于用于塊狀材料的技術的應力控制技術。因此，通過用于壓電膜的應力控制技術控制壓電特性的方法變為在設計薄膜壓電元件中的重要因素。

專利文獻

專利文獻1：日本特開2000-113427

專利文獻2：日本特開2011-029591

發明內容

壓電特性的重要因素之一是矯頑電場Ec。矯頑電場Ec表示自發極化反轉的電場的值，并且極化方向通過將等于此電場或比此電場高的電場施加到壓電材料開始被反轉。圖1示出典型的壓電元件的極化P與電場E的磁滯曲線和矯頑電場Ec的位置。在利用逆壓電效應，即利用當電壓施加于其時的壓電薄膜的變形的元件中，在與極化方向相同的方向上獲得高位移。

圖2示出典型的壓電元件的變形量x和電場E之間的關系(以下稱為“蝴蝶曲線”)。圖2揭示了在作為邊界的矯頑電場Ec的變形的方向是反轉的。也就是說，即使當電場E被增加用于實現大量的變形x，極化方向在超出矯頑電場Ec的時刻是反轉的，并且在期望的方向上的變形量x是無法實現的。因此，為了實現大量的變形x，需要具有大的矯頑電場Ec的壓電元件。

用于增大矯頑電場的方法包括改變壓電薄膜的組成的方法、控制由于膜結構的外部應力的方法、通過控制壓電薄膜的膜沉積條件控制內部應力的方法等。

當壓電薄膜的組成被改變以進一步增大矯頑電場時，壓電常數趨向降低，由此導致難以實現位移。當外部應力通過施加應力控制層等被控制時，該應力控制層包括對于變形量通過控制沉積條件和薄膜的厚度可調節的和與壓電薄膜直接或間接接觸以控制壓電薄膜的變形的量的膜，由于構成層的數量增加，從而增加薄膜壓電元件的制造成本。

關于內部應力的控制，該應力通過控制膜沉積條件，諸如用于形成壓電薄膜的活性氣體的分壓、膜沉積速度、所施加的電源的輸出等，并且因此矯頑電場可以增大，但壓電常數也可能改變。當壓電薄膜包含惰性氣體時，在壓電薄膜中出現內部應力，但是該惰性氣體不與構成壓電薄膜的組成元素反應，對壓電常數的變化幾乎不造成影響。然而，內部應力可以通過改變活性氣體等的分壓產生，但構成元素的反應產物的組成比改變，造成改變壓電特性的大的影響。

為產生較大的內部應力，稀有氣體可盡可能大量地被包含在壓電薄膜的內部的上方。然而，含量的增加可降低壓電薄膜的耐壓，并且從而由于泄漏電流的增加降低薄膜壓電元件的特性。

專利文獻1公開了薄膜磁性裝置的屏蔽膜包含作為稀有氣體元素的氬(Ar)，但旨在增加膜的硬度，以便在制造該裝置的拋光步驟中提高屏蔽薄膜的可加工性。

專利文獻2公開了在整個壓電薄膜之上壓電薄膜均勻地包含低濃度的Ar，以此來控制壓電薄膜的內部應力。

本發明已經完成現有技術的問題的考慮，并且本發明的目的是提供一種具有高矯頑電場的薄膜壓電元件。

為了實現上述目的，根據本發明的薄膜壓電元件包括一對電極層和夾在所述一對電極層之間的壓電薄膜，其中壓電薄膜包含稀有氣體元素并且在壓電薄膜的厚度方向上具有稀有氣體元素的含量的梯度。也就是說，薄膜壓電元件包括具有稀有氣體的含量梯度的壓電薄膜和使所述壓電薄膜夾在其間的所述一對電極層，含量最大值位于在厚度方向上的期望位置。

由于壓電薄膜包含稀有氣體，內部應力可以被引入，并且矯頑電場可以增大。然而，當膜在如上所述的厚度方向上僅僅均勻地包含大量惰性氣體時，泄漏路徑在壓電薄膜中產生，從而降低了耐壓并且增加了漏電流。因此，對于壓電薄膜有必要具有稀有氣體含量的梯度。