[發明專利]多層壓電薄膜元件

有效

• 申請號: 201580059541.4
• 申請日: 2015-11-04
• 公開（公告）號: CN107078206B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 彼得·馬迪洛維奇;蘇珊·特羅利爾-麥金斯特里
• 申請（專利權）人: 賽爾科技有限公司
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/083;H01L41/22;H01L41/27
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 張瑞;鄭霞

一種壓電薄膜元件，其具有第一電極、第二電極和在電極之間的壓電薄膜，其中，該薄膜包括具有兩個或更多個壓電薄膜層的層壓體，并且其中，第一薄膜層由一個或多個摻雜劑摻雜和第二膜層由一個或多個摻雜劑摻雜，并且其中，第二薄膜層的至少一個摻雜劑不同于第一薄膜層的一個或多個摻雜劑。

本發明通常涉及適于致動器、傳感器、能量收集設備和多層電容器中的使用的壓電薄膜元件以及制造該元件的方法。特別地，但不排他地，涉及適合用作噴墨打印機中的打印頭的致動器的壓電薄膜元件、以及包括該元件的致動器、包括致動器的打印頭和包括該打印頭的噴墨打印機。

適合用作噴墨打印機中的打印頭的致動器的典型薄膜壓電元件包括在襯底上形成的金屬或金屬氧化物底部電極、金屬頂部電極和插入在頂部和底部電極之間的壓電薄膜。

壓電薄膜可以通過包含濺射、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、脈沖激光沉積(PLD)和原子層沉積(ALD)等的各種技術形成，但是它可以方便地通過諸如溶膠-凝膠(sol-gel)法或金屬有機沉積(MOD)的化學溶液沉積工藝形成。在美國專利申請2003/0076007 A1(通過引用并入本文的)中描述了溶膠-凝膠法。

在溶膠-凝膠法中，將溶膠-凝膠溶液施加到形成在襯底上的底部電極上、干燥并然后熱解，以形成第一前體層。前體層通過加熱退火以形成第一壓電薄膜層。然后將溶膠-凝膠溶液施加到第一層、干燥并熱解，以形成第二前體層。第二前體層通過加熱退火以形成第二壓電薄膜層。重復這些后面的步驟，以便形成具有所需厚度的壓電薄膜層的層壓體，然后在薄膜上形成頂部電極(例如，通過濺射金或銥)。薄膜層的厚度可以相同或不同(如美國專利申請2003/0076007 A1中所述)。

壓電薄膜元件的性能取決于可能難以平衡的元件的壓電、電氣特性和機械特性的復雜相互作用。

通常，期望元件容易極化并且在具有良好電特性(例如，低電流泄漏和高介電擊穿場)的方便施加的電場處顯示相對較大的位移響應。

還期望元件顯示出良好的降解性能，即在這些場(循環)的大量應用中的低的電氣和機械性能損失。

在許多情況下，壓電薄膜的降解起始通常在約10⁹次循環之后開始。若干個公開專門涉及改善鋯鈦酸鉛(PZT)壓電元件的疲勞(或機械故障之前的性能的機械損失)，并且一些公開報告了通過降低施加的電壓或通過用單一摻雜劑(例如，使用La³⁺或Nb⁵⁺)摻雜的在單層膜中超過10⁹個循環的起始。

在J.Mater.Res，2002,17,9,2379-2385(通過引用并入本文)中由Meyers，T，Banerjee，P.，Bose，S.和Bandyopadhyay，A.報告了包含在鉑和金電極之間插入的四個薄膜層的六個不同PZT壓電薄膜元件的疲勞性能。

在具有與每個電極(LPPL和PLLP)相鄰的La³⁺摻雜(L)的或未摻雜(P)薄膜層的薄膜元件及其端層整體對應物(L，P)之間找到相關性。報告了中間層(PP，LL)和層的厚度與對端層的影響相比對元件的鐵電特性的影響非常小。

本發明總體上旨在通過利用由不同摻雜劑摻雜的壓電薄膜元件中獲得的互補效應來提供改進的壓電和介電性能的壓電薄膜元件。

因此，在第一方面，本發明提供一種具有第一電極、第二電極和在電極之間的壓電薄膜的壓電薄膜元件，其中薄膜包括具有兩個或更多個壓電薄膜層的層壓體，且其中第一薄膜層由一個或多個摻雜劑摻雜，且第二薄膜層由一個或多個摻雜劑摻雜，并且其中第二薄膜層的至少一個摻雜劑不同于第一薄膜層中的一個或多個摻雜劑。

如本文所用，包括層壓體的薄膜是逐層形成的薄膜，具體地，通過任何上述方法形成的薄膜。層壓體可以顯示出在相鄰的薄膜層之間界定的界面(例如，當其通過溶膠-凝膠法形成時)，或者它可能不顯示在相鄰的薄膜層之間界定的界面(例如，當其通過PVD工藝形成時)。