[发明专利]压电薄膜元件

说明书

一种压电薄膜元件，其包括第一电极、第二电极和位于它们之间的一个或更多个压电薄膜，其中第一电极是具有平均晶粒尺寸大于50nm的铂金属电极，并且其中邻近铂金属电极的压电薄膜包括具有多个压电薄膜层的叠层，其中接触铂金属电极的压电薄膜层包括为或大约为PbZr_xTi_1‑xO₃(其中0<x≤0.60)的组成的锆钛酸铅(PZT)，并且具有大于或等于90％的伪立方{100}取向的水平。

本公开大体上涉及适于在致动器、传感器、能量收集设备中和在多层电容器中的使用的压电薄膜元件以及制造该元件的方法。

本公开特别地但不排他地涉及适于用作微滴沉积装置中的微滴沉积头的致动器的压电薄膜元件、以及包括该元件的致动器、包括致动器的微滴沉积头和包括该微滴沉积头的微滴沉积装置。

各种替代流体可由微滴沉积头沉积。例如，微滴沉积头可以喷射墨滴，该墨滴可以行进到纸张或卡片上，或者行进到其他接收介质上，诸如瓷砖或成型制品(例如，罐、瓶等)，以形成图像，正如喷墨打印应用中的情况(其中微滴沉积头可以是喷墨打印头，或者更具体地，按需滴定喷墨打印头)。

可选地，流体的微滴可用于构建结构，例如，电活性流体可沉积到接收介质(诸如电路板)上，以便能够对电气设备进行原型设计。

在另一个示例中，含有流体的聚合物或熔融聚合物可以沉积在连续的层中，以便产生物体的原型模型(如在3D打印中)。

在其它应用中，微滴沉积头可适于将含有生物或化学物质的溶液的微滴沉积到接收介质(诸如微阵列)上。

适用于这种替代流体的微滴沉积头在结构上通常可以类似于打印头，并具有对所讨论的特定流体进行处理所做出的一些调整。

微滴沉积头可以是按需滴定微滴沉积头，其中喷射的微滴图案根据提供给该头的输入数据而变化。

适合用作微滴沉积头的致动器的典型压电薄膜元件包括在硅或其他衬底上形成的金属或金属氧化物底部电极、金属顶部电极、以及介于这些电极之间的压电薄膜。

压电薄膜可以包括含铅钙钛矿(ABO₃)，诸如锆钛酸铅(PZT)，并且可以通过各种技术形成，包括溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)和化学溶液沉积。然而，最常用的技术是化学溶液沉积，特别是溶胶-凝胶沉积。

在化学溶液沉积中，压电薄膜形成为包括多个已经单独形成并一起退火的压电薄膜层的叠层。

溶液沉积在底部电极上(例如，通过旋涂)、被干燥并热解以形成对于第一压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第一压电薄膜层。

溶液然后被施加到第一压电薄膜层、被干燥并热解以形成对于第二压电薄膜层的前体层。然后对前体层进行热处理，使得其退火以形成作为晶体薄膜层的第二压电薄膜。

重复这些后面的步骤，以便在底部电极上获得压电薄膜，该压电薄膜包括具有多个压电薄膜层和具有用于压电元件预期用途的适当厚度的叠层。

为了控制压电薄膜层和压电薄膜的厚度，化学溶液沉积可以在热处理之前通过重复施加、干燥和热解溶液来形成多个前体层。这些厚度还取决于溶液的总溶质浓度以及其它参数，诸如溶液的旋涂速率。

最后，例如通过溅射金属(诸如铂、铱或钌)和/或通过对金属氧化物(诸如二氧化铱)的反应溅射，在压电薄膜上形成顶部电极。

在整个文献中详细描述了使用化学溶液沉积且特别是溶胶-凝胶沉积来形成包含含铅钙钛矿(诸如PZT)的压电薄膜。一个详细描述可以在例如美国专利申请2003/0076007A1(通过引用并入本文)中找到。

众所周知，PZT薄膜的压电和机械性质取决于其微结构，特别是压电薄膜层内的晶体(或“晶粒”)的尺寸、形状和取向。