[发明专利]压电薄膜、压电器件、液体喷射装置、及制备压电薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电薄膜、压电器件、液体喷射装置及制备压电薄膜的方法，更具体地，涉及在连续驱动中耐久性得到改善的压电薄膜、包括所述压电薄膜的压电器件、包括所述压电器件的液体喷射装置、以及制备所述压电薄膜的方法。

背景技术

将压电薄膜与电极结合得到压电器件已为人所知，所述压电薄膜具有因施加驱动电压而移动(displace)的压电特性，而驱动电压通过所述电极作用在压电薄膜上。

举例来说，日本专利申请公开第11-307833号描述了一种压电器件，在该压电器件中，其中形成压电薄膜的晶体中的(100)取向倾斜5°-20°。使(100)取向倾斜5°-20°不但可提供低电压时的良好压电特性，而且可提供在一定电压范围内高于现有技术压电特性的压电特性。

日本专利申请公开第2008-277672号描述了一种包括含有铁电相的压电薄膜的压电器件，其中电场作用方向形成的角度θm和自极化轴决定的平面法线和[010]轴满足-45°＜θm＜+45，且θm≠0°。据此，该压电器件具有压电性能高的压电薄膜。

然而，在相关技术的PZT(锆钛酸铅)薄膜中，与晶粒边界有关的渗漏和缺陷形成会发生在PZT薄膜的连续驱动中，从而引起绝缘击穿。此外，众所周知PZT在薄膜中有大量的Pb(铅)，其容易在反复施加驱动电压的过程中诱发Pb离子迁移，从而引起电弧放电(arcing)现象。

日本专利申请公开第11-307833号所描述的压电器件只能由溶胶-凝胶方法制备；然而，使用溶胶-凝胶方法制备压电器件时的问题包括不能使薄膜变厚、薄膜厚度方向的组成不规则，以及制备效率差(薄膜形成速度慢)。

当压电薄膜用于喷墨装置时，为了改善喷射效率，要求压电薄膜的厚度不小于2μm。然而，使用溶胶-凝胶方法制备至少2μm厚的PZT薄膜时，可能会由于反复涂敷和烧结步骤所产生的热应力而在PZT薄膜上引起裂纹。因此，难以使用溶胶-凝胶方法制备至少2μm厚的PZT薄膜。此外，使用溶胶-凝胶方法制备PZT薄膜时，会在每次进行烧结结晶时导致水平条纹，并且在压电晶体反复执行与压电效应有关的功能时，条纹缺陷会引发裂纹，从而导致耐久性下降。

发明内容

正是考虑到这些情况才构思了本发明，发明的一个目的是提供能经受长期驱动的压电薄膜、包括所述压电薄膜的压电器件、包括所述压电器件的液体喷射装置、以及制备所述压电薄膜的方法。

为了实现上述目的，本发明涉及一种压电薄膜，其通过汽相沉积方法在所述基板表面上形成，没有产生晶粒边界，该晶粒边界基本上平行于基板表面，并且由层叠引起，其中构成压电薄膜的每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线的倾斜角度不小于6°且不大于36°。

根据本发明的这一方面，不同于使用溶胶-凝胶方法形成压电薄膜，通过汽相沉积方法形成压电薄膜可防止反复层叠和结晶加热步骤产生的热应力所引起的裂纹。此外，压电薄膜的耐久性可以得到改善，因为不会发生反复进行层叠和结晶步骤所形成的水平条纹引起的绝缘击穿。而且，通过使每个晶体的(100)平面的法线与基板表面法线倾的斜角度不小于6°且不大于36°度，压电薄膜的驱动耐久性也可以改善。

优选地，压电薄膜的厚度不小于2μm且不大于20μm。

根据本发明的这一方面，通过将压电薄膜的厚度限定在上述范围内，可以改善压电薄膜的耐久性。如果压电薄膜薄于2μm，不能得到足够好的耐久性，而如果压电薄膜厚于20μm，厚的压电薄膜会因应力而容易破裂。

优选地，压电薄膜的柱状晶体结构朝压电薄膜的厚度方向延伸。

根据本发明的这一方面，可以得到晶体取向均匀的取向膜，从而可以实现高的压电性能。

优选地，压电薄膜的压电常数d₃₁不小于200pC/N。

根据本发明的这一方面，可以得到足够好的压电性能。

优选地，压电薄膜包括至少一种由ABO₃所表示的钙钛矿氧化物，其中A表示至少一种占据A部位、且选自以下组中的元素：Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、Na、Ca、Cd、Mg和K；B表示至少一种占据B部位、且选自以下组中的元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe和Ni；O表示氧；并且A∶B∶O的摩尔比范围应满足能够得到钙钛矿型结构，而1∶1∶3为标准摩尔比。