[发明专利]压电/电致伸缩膜元件及其制作方法

说明书

本发明涉及一种单晶、双晶或其他类型的压电或电致伸缩膜元件，该元件产生或探测弯曲、偏移或挠曲形式的位移或力，并且该元件能用于执行器、滤波器、显示器件、变换器、拾音器、发声体(如扬声器)、各种谐振器或振子、传感器、以及其他部件或器件。本文所用的“元件”一词是一种能把电能变换或转换成机械能，即机械力、位移、应变或振动，或者把这样一种机械能变换成电能的元件。

近年来，在比如说光学领域和精密定位或加工操作领域，已经广泛使用并日益需要一种为了调整或控制一个光程长度或一个装置的构件或部件的位置而在微米(μm)数量级上控制其位移的元件，及一种适合于探测一个对象随着电气变化的微小位移的探测元件。为了满足此需要，已经开发了用于执行器或传感器的压电或电致伸缩膜元件，这种元件包含诸如铁电材料之类的压电材料，并利用反压电效应或逆压电效应在对该压电材料施加一个电场时产生一个机械位移，或者利用压电效应以便在施加一个压力或机械应力时产生一个电场。在这些元件中，一种常规的单晶型压电/电致伸缩膜元件已经良好地用于比如说一种扬声器。

已经提出了用于各种目的的陶瓷压电/电致伸缩膜元件，如本发明的受让人提出的日本专利申请第3-128681号和日本专利申请第5-49270号中所公开的那样。所公开的元件的一个实施例有一个陶瓷基片，该基片至少有一个窗口，并与一个薄膜片形成整体，该膜片封闭该窗口或那些窗口以便提供至少一个薄壁膜片部。在该陶瓷基片的每个膜片部的一个外表面上，形成一个压电/电致伸缩单元(下文称为P/E单元)，该单元是一种由一个下电极、一个压电/电致伸缩层(下文称为P/E层)和一个上电极组成的整体叠层结构。此P/E单元通过一种适当的膜形成方法形成在陶瓷基片的有关膜片部上。这样形成的压电/电致伸缩膜元件尺寸较小且较便宜，并可用作一个具有高可靠性的电机转换器。此外，此元件有很快的工作响应，并且通过施加一个低电压，以较大的生成力幅度提供较大的位移量。于是，上述元件有利地用作用于一个执行器、滤波器、显示器件、传感器或其他部件或器件的一个构件。

为了制作如上所述的压电/电致伸缩膜元件，用适当的膜形成方法把每个P/E单元的下电极、P/E层和上电极按此次序叠层于陶瓷基片的膜片部上，并按需要进行热处理(烧制)，以便该P/E单元整体地形成在该膜片部上。本发明的发明人的进一步研究揭示出，该压电/电致伸缩膜元件的压电/电致伸缩特性由于在该P/E单元，更具体地说，该P/E层的形成期间所实施的热处理(烧制)而被劣化。

就是说，在该P/E层的热处理期间，该P/E层经受由于与陶瓷基片的膜片部相接触的P/E层或P/E单元的烧制收缩引起的应力。结果，该P/E层可能由于该应力而并未充分地烧结，而且在烧制之后仍然经受残留在其中的应力。在这种场合，该压电/电致伸缩膜元件不可能表现出它所固有的压电/电致伸缩特性。

为了提高P/E层的烧结性和密度以便改善该膜元件的压电/电致伸缩特性，可以提高该P/E层的烧制温度，或减小在其上支承该P/E层的该膜片部的厚度。然而这些解决办法不足以提高该P/E层的密度，而且在该P/E层烧制之后残留的应力能劣化压电/电致伸缩特性。尤其是，该残余应力会减小该P/E单元驱动时的位移量。此外，该膜片部厚度的减小使制作该陶瓷基片更如困难。

上述常规的解决办法还会引起很大的膜片部偏移量，这造成在该P/E单元驱动时膜片部的位移量减小。特别是，当两个以上相邻的P/E单元同时被驱动时，这些单元的位移量与单个P/E单元被驱动时相比明显减小。由于膜片部的偏移量很大，该压电/电制伸缩膜元件可能在该元件的制作或使用期间损坏，造成工作可靠性降低。

因而本发明的第一个目的在于提供一种压电/电致伸缩膜元件，其中每个P/E单元通过一种膜形成方法形成在一个陶瓷基片的一个薄壁膜片部的外表面上，而且其中形成在该膜片部上的该P/E层表现出很高的烧结性和密度而不受该膜片部的影响，保证该膜元件很高的可靠性和很高的电机械转换效率。

本发明的第二个目的在于提供一种制作这样一种具有如上所述的优秀特性的压电/电致伸缩元件的方法。