壓電元件、壓電致動器、噴墨式記錄頭及噴墨印表機的製作方法

2023-07-01 07:53:51 2

專利名稱：壓電元件、壓電致動器、噴墨式記錄頭及噴墨印表機的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有壓電薄膜的壓電元件、壓電致動器、噴墨式記錄頭、噴墨印表機、表面聲波組件(表面彈性波組件SAW)、頻率濾波器、振蕩器、電子電路、薄膜壓電諧振器、以及電子設備等。
背景技術：
作為可以高畫質、高速列印的印表機，噴墨印表機是眾所周知的。噴墨印表機包括具有容積可變腔體的噴墨式記錄頭，通過一邊掃描該記錄頭一邊從其噴嘴中噴出墨滴的方式來實現列印。在這樣的噴墨印表機中所用的噴墨式記錄頭裡，作為頭致動器，以前，廣泛使用包括以PZT(Pb(Zr，Ti)O3)為代表的壓電薄膜的壓電元件(例如，專利文獻1)。
另外，在表面聲波組件、頻率濾波器、振蕩器、電子電路等的特性改良方面，人們也更希望能夠提供一種用新壓電材料製造的更好產品。
特開2001-223404號公報而且，在噴墨印表機中，人們對高畫質和高速化的要求也越來越高起來。為了滿足這樣的要求，噴墨式記錄頭中的噴嘴的高密度化也是不可欠缺的技術。因此，對於層壓在腔體上的壓電元件(頭致動器)來說，特別是其壓電薄膜的特性，即壓電常數的提高也是必要的。

發明內容
鑑於上述技術問題，本發明的目的在於提供具有壓電薄膜的壓電元件、該壓電薄膜具有高壓電常數的特性，而且提供使用該壓電元件的壓電致動器、噴墨式記錄頭、噴墨印表機、表面聲波組件、頻率濾波器、振蕩器、電子電路、薄膜壓電諧振器、以及電子設備等。
為了達到上述目的，本發明的壓電元件包括在基體上形成的種晶層和在該種晶層上形成的壓電薄膜；該壓電元件的特徵是，該種晶層是由鈣鈦礦型的壓電材料組成的，同時優選定向為假立方晶(100)；該壓電薄膜是由鈣鈦礦型的、優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料組成的。
或者，本發明的壓電元件包括在基體上形成的種晶層和在該種晶層上形成的壓電薄膜；該壓電元件的特徵是，該種晶層是由鈣鈦礦型的壓電材料組成的，同時優選定向為假立方晶(100)；該壓電薄膜是由鈣鈦礦型的、具有斜六方體結構的、同時優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料組成的。
該種晶層優選由Pb(ZrTi)O3來形成。或者，該種晶層具有多個層，對於該多個層中的每個層的組成來說，優選使用不同的構造。或者，該種晶層包括多個層，該多個層中的最下層是PbTiO3，在該最下層之上形成的層優選使用Pb(ZrTi)O3。
此外，該馳豫材料，優選由以下分子式所表示的材料中的至少一種構成。
·(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42)·(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.37)·(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.50)·(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.45)·(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.35)·(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.01＜x＜0.10)·(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.01＜x＜0.09)·(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.38)·(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42)對於這樣的壓電元件，因為馳豫材料構成的壓電薄膜是在優選定向為(100)的種晶層上形成的，所以該壓電薄膜也具有優選定向為假立方晶(100)的良好特性，從而，該壓電薄膜的壓電常數高，對於施加的電壓可以產生更大的變形。
而且，如果使用前述分子式表示的馳豫材料來製做壓電薄膜，其壓電常數將非常高，從而該壓電薄膜可以產生更良好的變形。
另外，上述的所謂「優選定向」，在本發明中是指定向期望定向(100)的是絕大部分(例如，達到90％)、剩餘的定向其他的定向[例如，(111)定向]；當然也包含100％定向期望定向(100)的情況。
此外，上述的壓電元件，在具備容積可變腔體的噴墨式記錄頭中，也可以作為基於其壓電薄膜的變形來引起該腔體容積的變化的元件。
這樣，通過將上述的壓電元件作為噴墨式記錄頭使用的壓電元件(頭致動器)，就可以基於該壓電元件的良好壓電性能，來獲得良好的墨水噴出性能。
本發明的壓電致動器的特徵在於，包括上述的壓電元件。
由於上述壓電元件的良好壓電特性，使用這樣的壓電致動器，就可以得到良好的性能。
本發明的噴墨式記錄頭是包括容積可變腔體的噴墨式記錄頭，其特徵在於使用了上述的壓電元件，作為通過壓電薄膜的變形來使該腔體容積變化的壓電元件。
由於上述壓電元件的良好壓電特性，使用這樣的噴墨式記錄頭，就可以獲得良好的墨水噴出性能。特別是，由於壓電薄膜的壓電常數高，所以施加相同的電壓能產生更大的變形，基於這一特性，要噴出一定量的墨水所需的腔體面積(容積)就能比原來的小，從而可以實現噴嘴的高密度化。
本發明的噴墨印表機，其特徵在於，包括上述的噴墨式記錄頭。
因為具備高性能的、噴嘴高密度化的噴墨式記錄頭，所以使用這樣的噴墨印表機，可以實現高速列印。
本發明的表面聲波組件，其特徵在於在其基板上形成上述的壓電元件。
根據本發明的表面聲波組件，因為壓電元件的壓電薄膜具有良好的壓電特性，所以該表面聲波組件本身也是高性能的。
本發明的頻率濾波器，其特徵在於，它所包括的第一電極是在上述的表面聲波組件所包括的壓電薄膜的上面形成的電極；它所包括的第二電極是這樣的電極，其根據在前述的第一電極上施加的電信號，以在它的壓電薄膜上產生的表面聲波的特定頻率或特定頻帶(band frequency)諧振、並轉化為電信號。
根據本發明的頻率濾波器，因為其壓電薄膜具有良好的壓電特性，從而該壓電薄膜的機電耦合係數高，因此帶寬率寬廣。
本發明的振蕩器，其特徵在於包括振蕩電路，該振蕩電路包括電信號施加電極、諧振電極和電晶體，其中，該電信號施加電極，是在上述的表面聲波組件所具備的壓電薄膜的上面形成的，通過施加電信號而使所述壓電薄膜產生表面聲波的電極；該諧振電極，是在上述壓電薄膜的上面形成的，以該電信號施加電極所產生的表面聲波的特定頻率或特定頻帶諧振的電極。
根據本發明的振蕩器，因為其壓電薄膜的壓電特性良好，該壓電薄膜具有很高的機電耦合係數，因此可以省略擴展線圈，從而簡化電路構成。此外，因為具有由電晶體等構成的振蕩電路，所以就可以通過與電晶體的集成來實現小型化。
本發明的電子電路，其特徵在於，包括上述的振蕩器和對該振蕩器的電信號施加電極施加該電信號的電信號供給元件；並具有從該電信號的頻率分量中選擇特定頻率分量，或變換成特定頻率分量的功能；或具有對該電信號進行預定的調製、預定的解調、或預定的檢波的功能。
根據本發明的電子電路，因為構成配備在振蕩器上的表面聲波組件的壓電薄膜，具有良好的壓電特性，該壓電薄膜具有很高的電器機械耦合係數，因此可以實現與振蕩電路的集成，從而實現小型化與高性能。
本發明的薄膜壓電諧振器，其特徵在於在基體上形成由上述的壓電元件構成的諧振器(諧振子)。
因為該諧振子的壓電薄膜具有高機電耦合係數，因此該薄膜壓電諧振器就能夠用於例如GHz頻帶的高頻領域。
而且，在該薄膜壓電諧振器上，如果在其基體上的與諧振子形成的面相反的面上形成一個通道孔，就成了一個隔膜型薄膜壓電諧振器。
另外，如果在該基體與諧振子之間形成一個氣隙，則成為了一個氣隙型薄膜壓電諧振器。
本發明的電子設備，其特徵在於，包括上述的頻率濾波器、振蕩器、電子電路、薄膜壓電諧振器之中的至少一個。
根據本發明的電子設備，因為壓電薄膜具有良好的壓電特性，該壓電薄膜具有很高的機電耦合係數，因此可以實現小型化與高性能。


圖1是本發明的壓電元件的一個實施例的截面圖。
圖2(a)和圖2(b)是馳豫材料的說明圖。
圖3(a)至圖3(e)是壓電元件的製造工序圖。
圖4是噴墨式記錄頭的概略構成圖。
圖5是噴墨式記錄頭的分解立體圖。
圖6(a)和圖6(b)是頭動作的說明圖。
圖7是本發明的噴墨印表機的概略構成圖。
圖8是本發明所涉及的表面聲波組件的橫截面圖。
圖9是本發明所涉及的頻率濾波器的立體圖。
圖10是本發明所涉及的振蕩器的立體圖。
圖11是該振蕩器應用於VCSO的一個概略圖。
圖12是該振蕩器應用於VCSO的另一個概略圖。
圖13是PLL電路的基本構成方框圖。
圖14是本發明所涉及的電子線路的構成方框圖。
圖15是作為電子設備的實施例的手機的立體圖。
圖16是本發明所涉及的薄膜壓電諧振器的橫截面圖。
圖17是本發明所涉及的薄膜壓電諧振器的橫截面圖。
具體實施例方式
以下，詳細說明本發明。
壓電元件首先，對使用本發明的鐵電薄膜的製造方法得到的、本發明的壓電元件進行說明。
圖1是本發明的壓電元件，特別是構成噴墨式記錄頭用的頭致動器的壓電元件的一個實施例圖。在圖1中符號1表示壓電元件。
而且，該壓電元件也能適用於噴墨式記錄頭用的頭致動器以外的壓電致動器。
該壓電元件1是在由矽(Si)構成的基板2上形成的，其包括在該基板2上形成的彈性膜3、在彈性膜3上形成的下部電極4、在下部電極4上形成的種晶層5、在種晶層5上形成的壓電薄膜6、以及在壓電薄膜6上形成的上部電極7。在本發明中，我們把從基板2到下部電極4的部分稱為基體。
值得注意的是，基板2可以使用(100)定向的單晶矽基板、或者(111)定向的單晶矽基板，甚至是(110)定向的Si基板。而且，當然也可以使用這樣的基板，在該基板的表面形成了熱氧化膜或自然氧化膜等的非晶氧化矽膜。
在基板2上形成的彈性膜3是在用作噴墨式記錄頭的頭致動器的壓電元件中起彈性板作用的膜，該膜是由SiO2或ZrO2等構成的，並具有一定厚度，例如1μm。對於該彈性膜3來說，按照後續說明的那樣蝕刻基板2來形成腔體時，彈性膜3應該起到蝕刻阻止層的作用，因此最好由上述的SiO2或ZrO2等的和Si之間能夠獲得很好的選擇比的材料來構成。值得注意的是，對於該彈性膜3來說，象後續說明的那樣，當基板2作為噴墨式記錄頭中的墨水室基板，並在其上形成多個壓電元件時，也可以作為通用於這些壓電元件的彈性板來形成。
下部電極4是向壓電薄膜6施加電壓的電極之一，例如如圖1所示的那樣，其與壓電薄膜6具有相同的大小，即同上部電極7具有相同的形狀。值得注意的是，對於該下部電極4來說，象後續說明的那樣，當基板2作為噴墨式記錄頭的墨水室基板，並在其上形成多個壓電元件時，為了能對這些壓電元件起到通用電極的作用，下部電極4也可以與作為通用彈性板的彈性薄膜3具有相同的大小。另外，該下部電極4由Pt(白金)、Ir(銥)、IrOx(氧化銥)、Ti(鈦)等構成，厚度在100nm～200nm之間。
種晶層5是由鈣鈦礦型的壓電材料組成的、同時是優選定向為假立方晶(100)的，具體來說，作為鉛系材料，可以列舉鈦酸鉛(PbTiO3)，PZT(Pb(ZrxTiy)O3；x+y＝1)，(Pb(ZrxTiyMz)O3；M＝Nb，Ta，V，x+y+z＝1)等的鈦酸鉛的衍生物；作為非鉛系材料，可以列舉BaTiO3，(BaaAb)(MxTiy)O3(A＝Sr，Ca，a+b＝1，M＝Zr，Hf，x+y＝1)等。這些壓電材料可以在該下部電極4上以液相法或氣相法成膜，特別是通過對成膜時的溫度條件(加熱條件)等進行良好的控制，可以使其優選定向為假立方晶(100)。在此，如前面所描述的那樣，所謂的「優選定向」是指，定向期望定向的(100)的是絕大部分，其餘的定向其他的定向。這樣一來，因為絕大部分定向了期望定向的(100)，當在這樣的種晶層上形成壓電薄膜6時，該壓電薄膜6繼承了種晶層5的結晶結構，從而形成相同的結晶結構，即優選定向(100)。
值得注意的是，從該種晶層5是壓電材料的物質來看，它沒有下部電壓4的功能；卻適合作為壓電薄膜6，雖然很小，卻對功能的發揮、壓電薄膜6的壓電特性有影響(有助於壓電特性的改善)。從而，因為該種晶層5的膜厚一旦過厚，對壓電薄膜6的壓電特性的影響加劇，為了將影響控制在必要的範圍內，該種晶層5的厚度應該小於或等於100nm為好，最好是小於或等於50nm。另外，壓電薄膜6的典型的厚度是300nm到3μm。關於該壓電薄膜6的厚度上限，只要在能夠維持作為薄膜的密著性與結晶定向性的範圍內就可以了，甚至可以允許到10μm。
壓電薄膜6是由馳豫材料構成的，厚度為500nm～1000nm左右，該馳豫材料的特徵在於具有斜六方體結構的鈣鈦礦型、同時優選定向為假立方晶(100)。作為馳豫材料，可以列舉以下分子式所表示的材料。從這些材料中選擇一種或幾種，如後面所述，使用液相法或氣相法來成膜，就可以得到壓電薄膜6。
·(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42，最好，0.20＜x＜0.42)·(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.37，最好，0.20＜x＜0.37)·(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.50，最好，0.30＜x＜0.50)·(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.45，最好，0.20＜x＜0.45)·(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.35，最好，0.20＜x＜0.35)·(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3
(其中，0.01＜x＜0.10，最好，0.03＜x＜0.10)·(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.01＜x＜0.09，最好，0.03＜x＜0.09)·(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.38，最好，0.20＜x＜0.38)·(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42，最好，0.20＜x＜0.42)在這裡，如圖2(a)所示，所謂的馳豫材料，其介電常數峰值的溫度依存度很寬(幅度寬)，並且介電常數為最大值時的溫度值隨頻率的測定而移動。同時，表示出了該材料的壓電常數峰值的溫度依存度也很寬(幅度寬)。與此相反，PZT等的非馳豫材料的壓電材料如圖2(b)所示，介電常數與壓電常數峰值的溫度依存度都非常的尖銳。從而，通過在壓電薄膜6上使用馳豫材料而獲得的壓電元件1，可以在很廣的溫度範圍內具有很好的壓電特性，因此它是一個可靠性高的、特性穩定的器件。
此外，該壓電薄膜6具有鈣鈦礦型的斜六方體結構，同時是優選定向假立方晶(100)的，並且可配置於工程領域，從而具有很高的壓電常數(d31)。如前面所述，這裡「優選定向」是指，定向期望定向的假立方晶(100)的是絕大部分，其餘的定向其他的定向。即，因為壓電薄膜6是在相同優選定向的種晶層5上形成的、並繼承該種晶層5的結晶結構，因此壓電薄膜6與種晶層5相同，也優選定向(100)。
在該壓電薄膜6的形成材料(馳豫材料)中，如前所述，位於材料間的、表示PbTiO3的(PT)側的組成比的x的範圍，特別是其上限值，即在斜六方體結構與四方結構之間相移動時的PbTiO3的(PT)側的組成比的值作為相境界(MPB)。而且，作為該x的範圍來說，相移動時的組成比越小，就更接近斜六方體結構。在此，壓電常數的d常數(d31)在相境界(MPB)附近取最大值。從而，對於上述的x來說，就可以選擇在該MPB時的x值的附近值作為x的下限值。因此，如上所述，雖然本發明允許比較小的值來作為x的值，但是為了得到更高的壓電常數d常數(d31)，優選的範圍值是作為上述的MPB時的x值的附近值。
對於由具有鈣鈦礦型的斜六方體結構的、同時是優選定向假立方晶(100)的馳豫材料構成的壓電薄膜6來說，以前需要很複雜的製造工藝。例如使用雷射切除法，同時並用離子束輔助法等複雜方法，來形成緩衝層，進而通過在該緩衝層上形成鈣鈦礦型的下部電極來形成底層，再在該底層上形成壓電薄膜。採取這樣的工藝的理由在於，在Pt與Ir等現有的壓電材料上形成馳豫材料的密著的薄膜的製造費用小；而且，在SrRuO3等鈣鈦礦型電極上比較容易得到密著的薄膜；此外，為了控制該SrRuO3電極的定向性，雷射切除法與離子束輔助法也是必要的。可是，使用這樣的方法的工藝很複雜，從而也有這樣的問題，即高費用獲得的壓電薄膜的壓電特性也很不穩定。對於PZT或BaTiO3來說，也可以在某種程度地控制定向性的基礎上，在Pt或Ir電極上形成密著的薄膜。而且，在暫時形成的密著的PZT或BaTiO3上，PMN-PT等的馳豫材料也可以通過簡單地層壓形成密著薄膜。因此，在本發明中，如上所述，在事先形成由PZT等構成的種晶層5的基礎上，再在該種晶層之上，形成馳豫材料構成的壓電薄膜6；如後述所述，與氣相法相比工藝簡單的液相法可以更容易形成壓電薄膜6，而且形成壓電特性更好的壓電薄膜6。
上部電極7是用於在壓電薄膜6上施加電壓的另一個電極，與下部電極4一樣，是由Pt(白金)、Ir(銥)、IrOx(氧化銥)、Ti(鈦)、SrRuO3等構成的，厚度在100nm左右。
值得注意的是，對於下部電極4來說，使用像SrRuO3的鈣鈦礦型電極，也在本發明的保護範圍之內。如果在由SrRuO3構成的下部電極4與由馳豫材料構成的壓電薄膜6之間，放置PZT等的種晶層的話，對於製造工藝來說，壓電薄膜6的假立方晶(100)定向性就更容易控制了。
接下來，說明一下有這樣構成的壓電元件1的製造方法。
首先，需要準備作為基板2的，(100)或(110)定向的單晶Si基板、或者(111)定向的單晶Si基板、或者形成了自然氧化膜的非晶氧化矽膜的(100)或(110)定向的Si基板。
其次，如圖3(a)所示，在基板2上形成彈性膜3。關於該彈性膜3的形成，可以根據構成的材料來適當地選擇CVD法、噴射法(sputter method)或蒸鍍法等的氣相法。
接下來，如圖3(b)所示，在彈性膜3上形成由諸如Pt等構成的下部電極4。該Pt因為比較容易優選定向(111)，例如通過採用噴射法等比較容易的方法，也可以讓其在彈性膜3上簡單地定向生長。
接下來，如圖3(c)所示，在該下部電極4之上，形成種晶層5。即，使用旋塗法(spin coat method)或液滴噴出法(droplet dischargemethod)等的眾所周知的塗敷(塗布)法，將前述的鈣鈦礦型的壓電材料的前體溶液塗在下部電極4上，之後，進行燒結等的熱處理，從而得到種晶層5。具體來說，將前體溶液的塗敷步驟、乾燥處理步驟、脫脂熱處理步驟等的一系列步驟反覆實施適當的次數，直到滿足預定的膜厚，最後進行結晶化退火，從而形成種晶層5。在各步驟中的條件如下所述。
對於前體溶液的塗敷步驟來說，使用旋塗法進行前體溶液的塗敷時，首先，在下部電極4上滴下前體溶液。然後進行旋轉操作使滴下的溶液均勻塗在基板的表面。旋轉的次數，例如初始是500rpm左右，接下來，為了不發生塗敷的不均勻，加大旋轉次數至2000rpm左右，然後結束塗敷。對於熱乾燥處理步驟來說，在空氣中使用熱金屬板，在比前體溶液中使用的溶劑的沸點高10℃的溫度下，進行熱處理(乾燥)。對於脫脂熱處理步驟來說，為了分解並除去前體溶液中的有機金屬的配合基，在大氣中使用熱金屬板，在加熱到350℃左右的溫度下進行。對於結晶化退火、即以結晶化為目的的燒結步驟來說，在氧氣中使用快速熱退火(RTA)等方法，在加熱到600℃度左右的溫度下進行。
這樣一來，通過在由(111)定向的Pt構成的下部電極4上形成了種晶層5，鈣鈦礦型的壓電材料就可以以優選定向(100)的狀態來形成。
接下來，如圖3(d)所示，在該種晶層5上形成壓電薄膜6。即，使用旋塗法或液滴噴出法等的眾所周知的塗層法，將前述的鈣鈦礦型的壓電材料的前體溶液塗在種晶層5上，之後，進行燒結等的熱處理，從而得到壓電薄膜6。具體來說，與前述的種晶層5一樣，將前體溶液的塗敷步驟、乾燥處理步驟、脫脂熱處理步驟等的一些列步驟反覆實施適當的次數，直到達到預定的膜厚，最後進行結晶化退火，從而形成壓電薄膜6。各步驟中的條件與種晶層5形成的條件是相同的。
這樣形成的壓電薄膜6，因為是在優選定向為(100)的種晶層5上形成的，因此繼承了該種晶層5的結晶結構，即繼承它的定向，具有相同的結晶構造，即優選定向假立方晶(100)。
在這裡，對於作為種晶層5與壓電薄膜6的形成材料的前體溶液來說，分別包含構成這些種晶層5與壓電薄膜6的壓電材料或鈣鈦礦型材料的構成金屬的有機金屬，即叫做醇金屬或有機酸鹽的有機金屬，把該有機金屬按照各金屬的期望摩爾比進行混合，進而使用乙醇等的有機溶劑，使這些有機金屬溶解或分散，從而製作成上述溶液。此外，在該前體溶液中，根據需要可以適當添加穩定劑等的各種添加劑，而且，為了讓溶液能夠水解或縮聚，添加適量水的同時，也可以添加酸或基本鹼作為催化劑。
其後，如圖3(e)所示，在壓電薄膜6上形成Pt構成的上部電極7，從而得到壓電元件1。對於上部電極7的形成來說，與前述的下部電極4相同，能夠使用噴射法來形成。
在這樣得到的壓電元件1中，由鈣鈦礦型材料構成的壓電薄膜6是在優選定向為(100)的種晶層5上形成的，因此，該壓電薄膜6也具有向假立方晶(100)的良好的優選定向性能，從而，其壓電常數高，對應於施加的電壓能夠產生更大的變形。
(實施例)基於如圖3(a)～(e)所示的製造方法，可以按照以下的方法來製造壓電元件1。
首先，在基板2上，通過彈性膜3，使用噴射法形成(111)定向的Pt構成的下部電極4。
接下來，按照以下的方法，調製Pb(Zr0.6Ti0.4)O3(＝PZT)的前體溶液分別準備乙酸鉛、高酸四丁酯和乙丙酸鈦的各金屬試劑，把這些試劑按照形成PZT所對應的摩爾比來混合，同時，為了能讓這些試劑溶解(分散)於乙二醇丁醚，作為溶液的穩定劑額外添加二乙醇胺，這樣就形成了前體溶液。
然後，使用旋塗法把這樣的前體溶液塗敷在上述的下部電極4上(前體溶液的塗敷步驟)，接下來在以高於溶劑約10℃的高溫度下進行熱處理、除去溶劑(乾燥熱處理步驟)，再通過加熱到350℃左右來分解並除去有機金屬的配合基(脫脂熱處理步驟)，最後，在氧氣中使用快速熱退火(RTA)等方法，通過加熱到600℃度左右的溫度來進行的結晶化，從而形成種晶層5。該種晶層的膜厚是40nm。
接下來，可以按照以下的方法來調製(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(＝PMN-PT)的前體溶液。
分別準備乙酸鉛、高酸四丁酯、乙丙酸鈦和乙酸鎂的各金屬試劑，把這些試劑按照形成PMN-PT所對應的摩爾比來混合，同時，為了能讓這些試劑溶解(分散)於乙二醇丁醚，作為溶液的穩定劑額外添加二乙醇胺，這樣就形成了前體溶液。
然後，使用旋塗法把這樣的前體溶液塗敷在上述的種晶層5上(前體溶液的塗敷步驟)，接下來在高於溶劑約10℃的高溫度下進行熱處理、除去溶劑(乾燥熱處理步驟)，再通過加熱到350℃左右來分解並除去有機金屬的配合基(脫脂熱處理步驟)，最後，在氧氣中使用快速熱退火(RTA)等方法，通過加熱到600℃度的溫度來進行的結晶化，從而形成壓電薄膜6。
在此之後，使用噴射法，在壓電薄膜6上形成由Pt構成的上部電極7，從而得到壓電元件1。
再對這樣獲得的壓電元件1中的壓電薄膜6進行X射線衍射法(XRD)檢查，從而確認是否優選定向(100)，進而確認是否是斜六方體結構。
此外，測定的該壓電薄膜6的壓電常數(d31)高於600pc/N，並且壓電元件1在施加100kv/cm電壓的情況下，洩漏電流少於10-5A/cm2。
更進一步，對壓電元件1在施加300kv/cm的電壓時，測定其反覆操作的耐久性，可以具備109次的可靠的、優良的耐久性。
在這裡，種晶層5也可由多個層來形成。例如，為了達到提高種晶層5的最上面的(100)定向度的目的，可以在Pt電極上只層壓5nm的PbTiO3。這是因為更容易獲得正方晶構造的Ti間距分量的PZT，更容易獲得(001)的優選定向。該PbTiO3的層壓方法，與其使用溶液塗敷方法，不如使用噴射法更容易進行薄膜厚度的控制。接下來，塗敷40nm的Pb(Zr0.6Ti0.4)O3的前體溶液。該合成物範圍(Zr0.6Ti0.4)的PZT容易獲得斜六方體的結構，同時，在正方晶結構的定向(001)的PZT的正上方，以假立方晶的方式，容易優選定向(100)。
還有，使用下表中所示的鈣鈦礦型材料，來製造壓電薄膜6，在測定的壓電常數(d31)中，均有d31＞400pC/N的高壓電特性。
表馳豫材料 電常數d31(pC/N)·0.58Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-0.42PbTiO3500·0.63Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.37PbTiO3400·0.50Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-0.50PbTiO3400·0.55Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-0.45PbTiO3400·0.65Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3600·0.90Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-0.10PbTiO3400
·0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3600·0.62Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.38PbTiO3500·0.58Pb(Co1/2W1/2)O3-0.42PbTiO3400此外，在種晶層5上使用PZT以外的壓電材料，例如BaTiO3，使用PMN-PT作為壓電薄膜6的壓電元件1，其壓電常數(d31)是600pC/N。
噴墨式記錄頭接下來，說明一下使用圖1所示的壓電元件的噴墨式記錄頭。圖4是表示使用圖1所示的壓電元件的噴墨式記錄頭的概略構成的橫截面圖，圖5是該噴墨式記錄頭的分解立體圖。此外，圖4所示的是與通常使用的狀態上下相反的狀態。在這幾個圖中，符號50是噴墨式記錄頭(以下，簡稱為「頭」)。如圖4所示，該頭50包括圖4所示的頭本體57和在其上設置的壓電元件54。值得注意的是，圖4所示的壓電元件54包括在圖1所示的壓電元件1中的下部電極4、種晶層5、壓電薄膜6與上部電極7(參照圖5)，而且，形成這些部分的彈性膜3就是圖4中的彈性板55。另外，基板2也是構成頭本體57的關鍵部分。
即，如圖5所示，該頭50包括噴嘴板51、墨水室基板52、彈性板55、和與彈性板55連接的壓電元件(振動源)54，並且將這些部件放置在基體56中而構成的。此外，該頭50是一個按需型的壓電頭。
噴嘴板51是由不鏽鋼的卷板構成的，並由一系列的起噴出墨水作用的噴嘴511形成的。這些噴嘴511間的間距可以基於列印精度，適當地設定。
在該噴嘴板51上固定(固著)著墨水室基板52。該墨水室基板52是由前述的Si制的基板2構成的，通過噴嘴板51、側壁(隔壁)522以及後述的彈性板55，劃分形成了多個腔體(墨水腔)521、將由墨水盒631供給的墨水臨時存儲的蓄墨池523、以及從蓄墨池523向各腔體521分別供應墨水的供給口524。
如圖4所示，這些腔體521是與各噴嘴511對應配置的，它是通過後述的彈性板55的振動改變各個腔體的容積，進而根據該容積的變化來噴出墨水的。
準備該墨水室基板52的母材，即前述的基板2，例如，它可以使用(110)定向的單晶矽基板(Si基板)。該(110)定向的單晶矽基板因為適於各向異性的蝕刻方法，因此可以簡單的、可靠的形成墨水室基板52。值得注意的是，這樣的單晶矽基板適用於，圖1所示的彈性膜3的形成面、即作為彈性板55的形成面的(110)面。
作為該墨水室基板52的平均厚度、即包含腔體521的厚度，雖然沒有特別的限定，但是還是10～1000μm左右為好，優選100～500μm。另外，作為腔體521的容積，也沒有特別的限定，但是0.1～100nL左右為好，優選0.1～10nL。
另一方面，在墨水室基板52的與噴嘴板51相反側配置彈性板55，然後在彈性板55的與墨水室基板52相反側設置多個壓電元件54。彈性板55是由前述的圖1中的壓電元件1中的彈性膜3形成的。如圖5所示，在該彈性板55上形成貫通彈性板55厚度方向的連通孔531。進而，通過該連通孔531，可以進行從墨水盒631到蓄墨池523的墨水供給。
如上所述，各壓電元件54是通過在下部電極4與上部電極7之間插入壓電薄膜6來構成的，每一個壓電元件都是在各腔體521的幾乎正中央部位設置的。這些壓電元件54電連接在後述的壓電元件驅動電路上，並根據壓電元件驅動電路的信號來動作(振動、變形)的。即，各壓電元件54是作為各個振動源(頭致動器)而起作用的部分，彈性板55是隨著壓電元件54的振動(撓曲)而振動、瞬間提高腔體521的內部壓力而起作用的部分。
基體56是由諸如各種樹脂材料、各種金屬等形成的，如圖4所示的那樣，在該基體56上固定並支持著墨水室基板52。
這樣構成的頭50，在不通過壓電元件驅動電路輸入特定的噴出信號，即，不在壓電元件54的下部電極4與上部電極6之間施加電壓時，則會如圖6(a)所示，壓電薄膜6不會產生變形。因此，彈性板55也不產生變形，在腔體521中的容積也不會變化。從而，不能從噴嘴511噴出墨水。
另一方面，通過壓電元件驅動電路輸入特定的噴出信號時，即，在壓電元件54的下部電極4與上部電極6之間施加一定的電壓(例如30V)時，則會如圖6(b)所示在壓電薄膜6的短軸方向產生撓變。因此，彈性板55也會產生500nm程度的撓變，從而腔體521中的容積也會變化。此時，腔體521內的壓力會瞬間提高，從而從噴嘴511噴出墨水。
即，當施加電壓時，壓電薄膜6的晶體點陣會在垂直表面的方向拉伸、同時在平行表面的方向壓縮。在這樣的狀態下，壓電薄膜6會在表面內產生張應力。從而，基於該應力，使彈性板55彎曲、撓變。腔體521的短軸方向的壓電薄膜6的變位量(絕對值)越大，彈性板55的撓變量就越大，就能更有效地噴出墨水。在本發明中，如前所述，壓電元件54(1)的壓電薄膜6的壓電常數(d31)高，通過施加一定電壓來產生大的變形的方法，彈性板55的變形量變大，從而就能夠更有效的噴出墨水。
在此，所謂的有效率，就意味著用更小的電壓噴出相同量的墨水滴。即，因為能夠簡化驅動電路，同時也能降低功耗，從而能形成更高密度的噴嘴511的間距。另外，因為能縮短腔體521的長軸的長度，所以能夠使該頭整體小型化。
這樣一來，一次的墨水噴出一旦結束，壓電元件驅動電路就停止在下部電極4與上部電極7之間施加電壓。基於此，壓電元件54就能恢復原狀，腔體521的容量就能增加。值得注意的是，此時，墨水受到從後述的墨水盒631到噴嘴511的壓力(向正方向的壓力)。因此，能夠防止空氣從噴嘴511進入墨水室521，滿足墨水噴出量的墨水也就可以從墨水盒631經過蓄墨池523，供給給腔體521。
這樣，對處於打算噴出墨水滴的位置的壓電元件54，通過壓電元件驅動電路，依次輸入噴出信號，這樣就可以列印任意(預定)的文字或圖形等。
為了製造這樣構造的頭50，首先，準備墨水室基板52的母材，即由前述的(110)定向的單晶矽基板(Si基板)構成的基板2。然後，如圖3所示的，在該基板2上形成彈性膜3，再在其下依次形成下部電極4、種晶層5、壓電薄膜6和上部電極7。值得注意的是，如前所述，在此形成的彈性膜3就是彈性板55。
接下來，讓上部電極7、壓電薄膜6、種晶層5、下部電極4，對應於形成的每一個腔體521的位置製作圖案(patterning)，從而如圖4所示，形成數目與腔體521數目相對應的壓電薄膜54。
接下來，對墨水室基板52的母材(基板2)製作圖案，在與上述的壓電元件54對應的位置上形成各自的腔體521的凹部，而且也在特定位置上形成蓄墨池523以及供給口524。
具體來說，在應該形成腔體521、蓄墨池523以及供給口524的位置，形成掩膜層，之後，進行例如平行平板反應性離子蝕刻方式、感應耦合型方式、電子回旋加速諧振方式、螺旋波激發方式、磁電管方式、等離子蝕刻方式、以及粒子束蝕刻方式等的幹蝕刻操作，或者進行5％～40％程度的氫氧化鉀、氫氧化四甲基銨等的高濃度鹼性水溶液的溼蝕刻操作。
在此，當把(110)定向的矽基板用作母材(基板2)時，適於採用上述的高濃度的鹼性水溶液的溼蝕刻(異向性蝕刻)方法。此時，使用該高濃度鹼性水溶液進行溼蝕刻時，可以將彈性膜3作為蝕刻阻止物來起作用，從而，使墨水室基板52的形成更為容易。
這樣一來，通過將母材(基板2)在其厚度方向蝕刻除去一部分直到彈性板55(緩衝層3)露出為止，就能形成墨水室基板52。值得注意的是，此時，未蝕刻而餘下的部分就成為了側壁522，而且，露出了的彈性膜3就變到了可發揮彈性板55功能的狀態。
接下來，將形成了多個噴嘴511的噴嘴板51，按照各噴嘴511與各腔體521的凹部位置對應的原則就位，其狀態為與521接合的狀態。基於此，就形成了多個腔體521、蓄墨池523以及多個供給口524。另外，對於與噴嘴板51的接合，可以使用基於粘合劑的粘合法或融合法等。
在此之後，將墨水室基板52安裝在基體56上，這樣一來就可以得到噴墨式記錄頭50。
在由此方法得到的噴墨式記錄頭50中，壓電元件54具有良好的壓電特性，可以實現高效的噴出，噴嘴511的高密度化也成為了可能，從而，高密度的列印或高速的列印也成為了可能，更進一步，也可以期望該頭整體的小型化。
噴墨印表機接下來，說明一下包括上述的噴墨式記錄頭50的噴墨印表機。值得注意的是，在本發明中，所謂的噴墨印表機，當然包括在紙等上列印的設備，也包含在工業上使用的液滴噴出裝置。
圖7是適用於在紙等上進行列印的、本發明的噴墨印表機的一個實施例的概略構成圖，圖7中的符號600是該噴墨印表機。此外，在以下的說明中，將圖7中的上側稱為「上部」，將下側稱為「下部」。
噴墨印表機600包括裝置本體620，在上部後方具有放置列印紙P的放紙盤621，在下部前方具有輸出列印紙P的輸出口622，以及在上部表面具有操作面板670。
操作面板670由例如液晶顯示屏、有機EL顯示屏、LED指示燈等構成，並且包括顯示錯誤信息等的顯示部件(未圖示)和由各種按鈕構成的操作部(未圖示)。
在裝置本體620的內部，設有包括往復運動的頭單元630的列印裝置640、將列印用紙一張一張送入列印裝置640的送紙裝置650、以及控制列印裝置640和送紙裝置650的控制部660。
通過使用控制部660的控制，送紙裝置650能把列印用紙P一張一張地間斷性地送出。間斷送出的列印用紙P通過頭單元630的下部附近。此時，頭單元630在與列印用紙的送出方向垂直的方向往復運動，進而對列印用紙P進行列印。即，頭單元630的往復運動與列印用紙P的間斷性送出構成了列印中的主掃描與副掃描，進而能夠進行噴墨方式的列印。
列印裝置640包括頭單元630，作為頭單元630的驅動源的運送電動機641，以及接受運送電動機641的旋轉、引起頭單元630往復運動的往復機構642。
頭單元630的下部包括包括多個噴嘴511的前述的噴墨式記錄頭50，給該噴墨式記錄頭50供給墨水的墨水盒631，搭載噴墨式記錄頭50以及墨水盒631的支架632。
值得注意的是，通過使用充填了黃色、藍綠色、紅紫色和黑色等4色的墨水的裝置作為墨水盒631，使全彩色的列印成為可能。在此情況下，在頭單元630中設有對應於各色的噴墨式記錄頭50。
往復運動機構642，包括在兩端支撐架子的架導軸643，也包括與該架導軸643平行延長的調速帶644。
支架632是在架導軸643的支持下往復自由運動的，同時也是被調速帶644的一部分固定著的。
通過運送電動機641的工作，經過滑輪，能夠讓調速帶644正反方向的運動，同時，通過架導軸643的引導，頭單元630進行往復運動。然後，在該往復運動之中，從噴墨式記錄頭50噴出適當的墨水，從而實現向列印用紙的列印。
送紙裝置650，包括作為驅動源的送紙電動機651，也包括隨著送紙電動機651的工作而旋轉的送紙滾筒652。
送紙滾筒652是由隔著列印用紙P的輸送路徑(列印用紙P)上下相對的從動滾筒652a和驅動滾筒652b構成的，驅動滾筒652b與送紙電動機651連接。根據這種結構，送紙滾筒652將在放紙盤621中放置的多張列印用紙P向列印裝置640一張一張地送出。值得注意的是，代替放紙盤621，也可以使用可自由裝卸的、容納列印用紙P的送紙盒。
控制部660按照來自諸如個人計算機或數位照相機等的主計算機的列印數據，通過控制列印裝置640與送紙裝置650等，來實現列印功能。
在該控制部660中，雖然未圖示任何部分，但主要應該包括以下部分存儲控制各部分的控制程序的內存，驅動壓電元件(振動源)54來控制墨水噴出時間的壓電元件驅動電路，驅動列印裝置640(運送電動機641)的驅動電路，驅動送紙裝置650(送紙電動機651)的驅動電路，以及接收來自主計算機的列印數據的通信電路，另外還應該有與以上各部分電連接的、並對各部分進行各種控制的CPU。
同樣，在CPU中，可用於檢測墨水盒631的墨水剩餘量、頭單元630的位置、溫度、溼度等的列印環境的各種傳感器分別電連接。
控制部660，通過通信電路接收列印數據，並將其存儲在內存中。CPU處理這些數據，根據該數據以及來自各種傳感器的輸入數據，向各驅動電路輸出控制信號。通過該控制信號，壓電元件54、列印裝置640以及送紙裝置650分別工作。基於此，在列印用紙P上進行預定的列印。
在這樣的噴墨印表機600中，因為包括前述的高性能的、噴嘴可高密度化的噴墨式記錄頭，因此可以實現高密度列印與高速列印。
值得注意的是，本發明的噴墨印表機600，也能夠作為前述的工業用的液滴噴出裝置。此時，對於噴出的墨水(液狀材料)來說，需要將各種的功能性材料通過溶劑或分解酶調整形成適當的粘度，進而來使用。
此外，本發明的壓電元件不僅適用於上述的噴墨式記錄頭50與噴墨印表機600，也適用於其他的一些設備。
以下，作為這樣設備的例子，參照附圖，說明一下本發明所涉及的表面聲波組件、頻率濾波器、振蕩器、電子電路、薄膜壓電諧振器、以及電子設備等的實施例。
表面聲波組件圖8描述了包括本發明的壓電元件的表面聲波組件的一個實施例，該壓電元件的特徵在於包括圖1所示的種晶層5與壓電薄膜6的壓電元件。
該表面聲波組件包括單晶矽基板11、氧化物薄膜層12、種晶層13、壓電薄膜14、由作為保護膜的氧化物或氮化物構成的保護層15、以及電極16等。電極16是一個轉能型的電極(Inter-DigitalTransducer；以下、簡稱為「IDT電極」)，從上部來觀察，包括後述的圖9及圖10所示的IDT電極141、142、151、152、153等形狀。
為了製造這樣構成的表面聲波組件，首先，需要準備作為單晶矽基板11的(100)單晶矽基板。
接下來，在該單晶矽基板11上，使用雷射切除法來形成諸如IrO2或TiO2的薄膜，作為氧化物薄膜層12。
接下來，在該氧化物薄膜層12上使用形成該壓電元件1時使用的相同的液相法，形成種晶層5，再在其上用液相法形成壓電薄膜14。
接下來，在該壓電薄膜14上，使用雷射切除法來形成作為保護層15的SiO2膜。該保護層15在大氣中保護壓電薄膜14，例如防止大氣中的水分或雜質的影響，同時又能起到控制壓電薄膜14的溫度特性的作用。而且，只要能滿足上述的目的，並不將保護膜的材料限定為SiO2。
然後，在保護層15上形成鋁薄膜，接著通過製作圖案，形成叫做IDT的期望形狀的電極16，從而得到圖8所示的表面聲波組件。
這樣獲得的表面聲波組件，因為壓電薄膜14有良好的壓電特性，因此該表面聲波組件本身也具有高性能。
頻率濾波器圖9描述了本發明的頻率濾波器的一個實施例。
如圖9所示，頻率濾波器包括基板140。使用例如形成圖8所示的表面聲波組件的基板，作為該基板140。即，這樣的基板，在(100)單晶矽基板11上依次層壓形成氧化物薄膜層12、種晶層13、壓電薄膜14、由作為保護膜的氧化物或氮化物形成的保護層15。
在基板140的上面形成IDT電極141、142。IDT電極141、142是由Al或Al合金形成的，其厚度被設定為IDT電極141、142的間距的1/100。此外，為了幹預IDT電極141、142，在基板140的上部形成吸音部143、144。吸音部143、144是吸收在基板140上傳播的表面聲波的部分。在基板140上形成的IDT電極141上連接高頻信號源145，在IDT電極142上連接信號線。
在上述的構成之中，從高頻信號源145輸出高頻信號，該高頻信號施加在IDT電極141上，因此在基板140的表面產生了表面聲波。該表面聲波以約5000m/s的速度，在基板140的表面傳播。從IDT電極141向吸音部143一側傳播的表面聲波被吸音部143吸收，但向IDT電極142側傳播的表面聲波中，由IDT電極141和IDT電極142的間距等決定的特定的頻率或特定的頻帶的表面聲波被轉換成電信號，通過信號線可從端子146a、146b讀出。此外，上述的特定的頻率或特定的頻帶以外的頻率分量，大部分在通過IDT電極142之後被吸音部144所吸收。因此，在供給給本實施例的頻率濾波器所包括的IDT電極141的電信號中，只能獲得特定的頻率或特定的頻帶的表面聲波(過濾)。
振蕩器圖10描述了本發明的振蕩器的一個實施例。
如圖10所示，振蕩器包括基板150。與前述的頻率濾波器一樣，使用形成圖8所示的表面聲波組件的基板，來作為基板150。即，這樣的基板，在(100)單晶矽基板11上依次層壓形成氧化物薄膜層12、種晶層13、壓電薄膜14、由作為保護膜的氧化物或氮化物形成的保護層15。
在基板150的表面形成IDT電極151，進而為了幹預IDT電極151又形成了IDT電極152、153。IDT電極151-153是由Al或Al合金形成的，各自的厚度被設定為IDT電極151-153的各自的間隔的1/100。在構成IDT電極151的一個梳狀電極151a上連接高頻信號源154，另一個的梳狀電極151b上連接信號線。值得注意的是，IDT電極151相當於電信號施加電極，IDT電極152、153相當於諧振電極，它們以由IDT電極151產生的表面聲波的特定的頻率或特定的頻帶的頻率分量諧振。
在上述的構成中，高頻信號源154輸出高頻信號，該高頻信號施加在IDT電極151的一個梳狀電極151a上，因此在基板150的表面上產生了向IDT電極152傳播的表面聲波以及向IDT電極153傳播的表面聲波。而且，該表面聲波的速度為5000m/s左右。這些表面聲波中的特定的頻率分量的表面聲波，在IDT電極152以及IDT電極153處被反射，在IDT電極152與IDT電極153之間形成駐波。通過該特定頻率分量的表面聲波在IDT電極152與IDT電極153上的反覆反射，以該特定頻率分量或特定頻帶的頻率分量諧振，振幅增大了。這些特定頻率分量或特定頻帶的頻率分量的一部分能夠從IDT電極151的另一個梳狀電極151b讀取，IDT電極152與IDT電極153的諧振頻率對應的頻率(或者具有某種程度頻帶的頻率)電信號可以在端子155a和155b處讀取。
圖11是本發明的諧振器(表面聲波元件)適用於VCSO(VoltageControlled SAW Oscillator電壓控制SAW諧振器)情況的一個實施例圖，(a)是側面透視圖，(b)是表面透視圖。
VCSO安裝在金屬制(Al或不鏽鋼)的框體60內部。在基板61上，安裝IC(Integrated Circuit)62以及諧振器63。此時，IC 62是按照外部電路(附圖中沒有圖示)的輸入電壓值，控制對諧振器63施加的頻率值的振動電路。
諧振器63，在基板64上形成IDT電極65a-65c，它的構成與圖10所示的諧振器大體一致。值得注意的是，基板64與上一個例子一樣，如圖8所示的那樣，在(100)單晶矽基板11上依次層壓形成氧化物薄膜12、種晶層13、壓電薄膜14、由作為保護膜的氧化物或氮化物形成的保護層15。
在基板61上，圖形化配線66，用於電連接IC 62與振蕩器63。IC 62與配線66，通過例如金線等的金屬線67連接起來；振蕩器63與配線66，通過例如金線等的金屬線68連接起來；因此，IC 62與振蕩器63通過配線66實現了電連接。
此外，上述的VCSO也可以通過把IC 62與振蕩器(表面聲波組件)63集成在同一塊基板上來形成。
圖12是描述了集成了IC 62與振蕩器63的VCSO的概略圖。值得注意的是，在圖12中，振蕩器63具有省略了圖8所示的表面聲波組件中的第二氧化物薄膜13的結構。
如圖12所示，VCSO是使IC 62與振蕩器63共有單晶矽基板61(11)而形成的。以附圖中沒有表示出來的部件電連接IC 62與振蕩器63所包括的電極65a(16)。在本實施例中，特別採用TFT(薄膜電晶體)來作為構造IC 62的電晶體。
採用TFT來作為構造IC 62的電晶體，在本實施例中，首先，在單晶矽基板61上形成諧振器(表面聲波組件)63，然後，把在另一塊第二基板上形成的TFT遷移到單晶矽基板61上，即能夠在單晶矽基板61上集成TFT和IC 62。從而，即使是在基板上直接形成TFT很困難，或者即使是不適於形成的材料，通過使用該遷移方法，就能夠簡單容易的實現了。關於遷移方法，有很多種方法可以採用，特別是，特開平11-26733號公報所披露的遷移方法更適用。
圖11與圖12所示的VCSO可以作為圖13所示的PLL電路的VCO(Voltage Controlled Oscillator)來使用。在這裡，簡單說明一下PLL電路。
圖13是表示PLL電路基本構成的框圖，如圖13所示，PLL電路包括相位比較器71、低通濾波器72、放大器73以及VCO 74。相位比較器71比較從輸入端70的輸入信號的相位(或頻率)與從VCO 74輸出信號的相位(或頻率)，對應於該兩相位差設置某值作為誤差電壓信號，並輸出。低通濾波器72隻允許從相位比較器71輸出的誤差電壓信號位置的低頻分量通過，放大器73放大低通濾波器72輸出的信號。VCO 74是一個在頻率範圍內頻率連續變化的振蕩器電路，該頻率範圍就是輸入的電壓值所具有的所有的振蕩頻率。
基於以上構造的PLL電路能夠減少由輸入端70輸入的相位(或頻率)與由VCO 74輸出信號相位(或頻率)的差，進而使VCO 74輸出信號的頻率與輸入端70的輸入信號的頻率同步。VCO 74輸出信號的頻率與輸入端70的輸入信號的頻率一旦同步，這之後，除了一定的相位差以外，它將與輸入端70的輸入信號一致，或者是可以輸出跟隨輸入信號變化的信號。
電子電路以及電子設備圖14是本發明的電子電路的一個實施例的電氣構成框圖。而且，圖14所示的電子電路就是在圖15所示的行動電話100內部設置的電路。在此，圖15所示的行動電話100是本發明的電子設備的一個實例，它包括天線101、聽筒102、話筒103、液晶顯示器104以及操作按鈕105等部分。
圖14所示的電子電路具有上述的行動電話100內設置的電子電路的基本構成，即話筒80、發送信號處理電路81、發送混頻器82、發送濾波器83、發送功率放大器84、收發分頻濾波器85、天線86a/86b、低噪音放大器87、接收濾波器88、接收混頻器89、接收信號處理電路90、聽筒91、頻率合成器92、控制電路93、以及輸入/顯示電路94等。此外，現在實用化了的行動電話機因為進行了多次的頻率變換處理，因此其電路構成更加複雜。
話筒80是使用將聲音信號轉化為電信號的麥克風等實現的，相當於圖15所示的行動電話100中的話筒103。發送信號處理電路81是，對話筒80輸入的電信號進行D/A轉換、調製處理等處理的電路。發送混頻器82是用頻率合成器92輸出的信號，來混合發送信號處理電路81輸出的信號的部分。而且，供給給發送混頻器82的信號頻率，例如大約380MHz。發送濾波器83隻讓中間頻率(以下，簡稱為IF)的必要的頻率信號通過，並丟掉不必要頻率的信號。而且，發送濾波器83輸出的信號，經由未圖示的變換電路變換為RF信號。該RF信號的頻率是，例如大約1.9GHz左右。發送功率放大器84放大發送濾波器83輸出的RF信號的能量，並輸出給收發分頻濾波器85。
收發分頻濾波器85將發送功率放大器84輸出的RF信號輸出給天線86a、86b，從天線86a、86b以電波的形式發送出去。而且，收發分頻濾波器85也分隔由天線86a、86b接收到的接收信號，輸出給低噪音放大器87。而且，收發分頻濾波器85輸出的接收信號的頻率，例如2.1GHz左右。低噪音放大器87放大來自收發分頻濾波器85的接收信號。而且，低噪音放大器87輸出的信號，經由未圖示的變換電路被變換成IF信號。
接收濾波器88隻允許上述的IF信號的必要頻率的部分通過，捨棄不必要的頻率的信號，該IF信號通過沒有圖示的的轉換電路轉換。接收混頻器89用頻率合成器92輸出的信號，來混合接收信號處理電路81輸出的信號的部分。而且，供給給接收混頻器89的中間頻率，例如大約190MHz。接收信號處理電路90是，對接收混頻器89輸出的信號進行例如A/D變換處理、解調處理等處理的電路。聽筒91是，由例如將電信號轉化為聲音信號的小型揚聲器等實現的、相當於圖15所示的行動電話100中的聽筒102。
頻率合成器92是生成供給給發送混頻器82的信號(例如頻率約為380MHz的信號)與供給給接收混頻器89的信號(例如頻率約為190MHz的信號)的電路。而且，頻率合成器92，例如包括以760MHz的振動頻率發信的PLL電路，將該PLL電路輸出的信號進行分頻就生成了頻率為380MHz的信號，再分頻就生成了頻率為190MHz的信號。控制電路93通過控制發送信號處理電路81、接收信號處理電路90、頻率合成器92以及輸入/顯示電路94，來實現對該行動電話整體動作的控制。輸入/顯示電路94，對於圖15所示的行動電話100的使用者來說，就是顯示機器狀態、輸入操作者的指示的部分，例如，相當於該行動電話機的液晶顯示部104以及操作按鈕部105。
以上構成的電子電路中，可以使用圖9所示的頻率濾波器來作為發送濾波器83以及接收濾波器88。過濾的頻率(允許通過的頻率)，按照發送混頻器82輸出信號的必要頻率值、或者在接收混頻器89中必要的頻率值，需要在發送濾波器83以及接收濾波器88中分別地設定。此外，在頻率合成器92中設置的PLL電路中，可以設置圖11所示的振蕩器或圖12所示的振蕩器(VCSO)，來作為圖13所示的PLL電路的VCO 74。
薄膜壓電諧振器圖16描述了本發明的薄膜壓電諧振器的一個實施例。圖16中的符號30就是經常應用於通信元件、通信濾波器的隔膜式的薄膜壓電諧振器，該薄膜壓電諧振器30在單晶矽基板的基體31上，通過彈性板32形成諧振子33。
基體31是由(110)定向的厚度約為200μm的單晶矽基板構成的，在它的底面(諧振子32的反面)形成從該基體31底面到正面貫通的通道孔34。
彈性板32，在本實施例中，是使用圖1所示的壓電元件1的彈性薄膜3來構成的，形成於上述的基體31的(110)面上。此外，諧振子33包括圖1所示的壓電元件1中的下部電極4、種晶層5、壓電薄膜6、以及上部電極7。基於以上的構成，薄膜壓電諧振器30就是在基體31上，利用圖1所示的壓電元件1的主要部分(除了基體2以外的部分)構成的。
值得注意的是，關於該彈性板32，例如，首先在基板31上形成200nm左右厚度的氮化矽(SiN)，再在其上形成400nm-3μm左右的二氧化矽(SiO2)，再在其上形成上述的彈性膜3，也可以把這些氮化矽、二氧化矽與彈性膜3的層壓膜(累積層)作為彈性板32。此外，在基體2上形成氮化矽與二氧化矽時，不形成彈性膜3，只由這樣的層壓膜形成彈性板32也是可以的。
下部電極4是由(111)定向的Pt組成的，其厚度為200nm左右。
種晶層5是由鈣鐵礦型的壓電材料構成的，同時優選定向為(100)，具體來說就是由PZT等構成的，其厚度小於或等於0.1μm。
壓電薄膜6是由鈣鐵礦型的、具有斜六面體結構的、同時優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料構成的，其厚度為0.9μm左右。
上部電極7與上述的下部電極4一樣，也是由Pt構成的。只是，該上部電極7，在本實施例中，其厚度為700nm左右。
此外，因為該上部電極7電連接在形成在彈性板32上的電極35，所以由金等構成的配線37通過襯墊36設置。
為製造上述構成的薄膜壓電諧振器30，首先要準備基體31的母材，即前述的(110)定向的單晶矽基板(Si基板)。然後，在該Si基板上形成彈性膜3，再在其上依次形成下部電極4、種晶層5、壓電薄膜6、上部電極7。此外，採用氮化矽、二氧化矽與緩衝層的層壓膜來作為彈性板32時，在彈性膜3形成之前，先按照氮化矽、二氧化矽的順序在Si基板上形成。
接下來，將上部電極7、壓電薄膜6、種晶層5與下部電極4，對應於形成了的通道孔34，分別進行圖形化，從而形成諧振子33。特別是對下部電極4製作圖案時，如圖16所示的，區別於下部電極4的電極35也要同時形成。
接下來，使用蝕刻等方法，把單晶矽基板從其側面加工(製作圖案)，從而形成貫穿該基板的通道孔34。
然後，形成連接上部電極7與電極35之間的襯墊36與配線37，從而就獲得了薄膜壓電諧振器30。
這樣獲得的薄膜壓電諧振器30中，諧振子的壓電薄膜的壓電特性良好，從而具有高的電磁機械耦合係數，因此，就可以應用於例如GHz段的高頻領域，而且可以小型化的同時具有良好的性能。
圖17是本發明的薄膜壓電諧振器的另一個實施例圖，圖17中的符號40就是薄膜壓電諧振器。該薄膜壓電諧振器40與圖16所示的薄膜壓電諧振器30的不同之處主要在於，不形成通道孔，直接在基體41與諧振子42之間形成氣隙43。
即，該薄膜壓電諧振器40是，在(110)定向的單晶矽基板構成的基體41上，形成諧振子42。該諧振子42包括下部電極44、壓電材料層45和上部電極46，並在氣隙43上通過層壓下部電極44、壓電材料層45、上部電極46而形成，其中，下部電極44是由與前述的下部電極4、種晶層5、壓電薄膜6、上部電極7相同的材料構成的，壓電材料層45是由種晶層及壓電薄膜構成的。
在本實施例中，在下部電極44的下面以覆蓋住氣隙43的狀態，來形成彈性膜3，與上一個例子一樣，該彈性膜3就是彈性板47。值得注意的是，關於該彈性板47，可以與上例一樣先在基體41上形成氮化矽與二氧化矽，或者也可以只形成二氧化矽，然後再在其上形成彈性膜3，從而將這些層壓層作為彈性板47。此外，也可以不形成彈性膜3，用氮化矽與二氧化矽的層壓膜、或只用二氧化矽來形成彈性板47。
為製造這樣構成的薄膜壓電諧振器40，首先在基體41使用蒸鍍法等方法使鍺(Ge)等成膜，再使用與氣隙相同的形狀對該膜進行圖形化，從而形成犧牲層。
其次，形成覆蓋了犧牲層的彈性膜3。值得注意的是，在此之前，也可以先形成氮化矽與二氧化矽，或只形成二氧化矽。接下來，可以將這些緩衝層圖形化成預定的形狀。
接下來，形成覆蓋彈性膜3的，構成下部電極44的層，再以幹蝕刻等方法在其上製作圖案，從而形成下部電極44。
接下來，按順序形成覆蓋下部電極44的種晶層以及壓電薄膜層，由這些層壓層形成壓電材料層45的形成層，再以幹蝕刻等方法在其上製作圖案，從而形成壓電材料層45。
接下來，形成覆蓋壓電材料層45的上部電極46的形成層，再以幹蝕刻等方法在其上製作圖案，從而形成上部電極46。值得注意的是，這樣一來，在犧牲層上製作圖案，形成了彈性膜3、下部電極44、壓電材料層45、上部電極46，從而犧牲層的一部分就暴露在外面。
然後，將上述的犧牲層用雙氧水(H2O2)蝕刻，並從基體41上除去，進而形成了氣隙43，從而獲得了薄膜壓電諧振器40。
在這樣獲得的薄膜壓電諧振器40中，諧振器的壓電薄膜的壓電特性良好，因而具有高的電氣機械耦合係數，基於此，可應用於GHz段等的高頻領域，此外，即使小型(薄型)化也能具有良好的性能。
另外，在上述的薄膜壓電諧振器30、40中，通過與適當的感應係數及電容器等組合，也能獲得性能良好的感應濾波器。
以上，對作為本發明實施例的表面聲波組件、頻率濾波器、振蕩器、電子電路、薄膜壓電諧振器以及電子設備(行動電話機100)進行了說明。但是，本發明不限於上述的實施例，在本發明的範圍內可任意地變更。
例如，在前述的實施例中，把行動電話作為電子設備，把行動電話內設的電子電路作為電子電路，並舉例說明。可是本發明不限於行動電話機，它能夠適用於各種移動通信機器以及在其內部設置的電子電路。
再進一步，也不限於移動通信機器，也適用於接收BS及CS廣播的調諧器等的處於固定狀態的通信機器及其內部的電子電路。再進一步，不僅適用於使用以空氣為載波的電波的通信機器，也適用於這樣的電子設備及其內部的電子電路，例如處理在同軸電纜中傳輸的高頻信號或在光纜中傳輸的光信號時使用的HUB等。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。
附圖標記說明1 壓電元件 2 基板3 彈性膜 4 下部電極5 種晶層 6 壓電薄膜7 上部電極 11 單晶矽基板(單晶基板)14 電薄膜 50 噴墨式記錄頭(頭)54 壓電元件 60 噴墨印表機521 腔體
權利要求
1.一種壓電元件，包括在基體上形成的種晶層和在所述種晶層上形成的壓電薄膜，其特徵在於所述種晶層由鈣鈦礦型的壓電材料構成，並且優選定向為假立方晶(100)；所述壓電薄膜由鈣鈦礦型的、優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料構成的。
2.一種壓電元件，包括在基體上形成的種晶層和在所述種晶層上形成的壓電薄膜，其特徵在於所述種晶層由鈣鈦礦型的壓電材料構成，並且優選定向為假立方晶(100)；所述壓電薄膜由鈣鈦礦型的、具有斜六方體結構的、並且優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料構成。
3.根據權利要求1或2所述的壓電元件，其特徵在於所述種晶層由Pb(ZrTi)O3構成。
4.根據權利要求1或2所述的壓電元件，其特徵在於所述種晶層由多個層構成，在所述多個層中，各層的組成不同。
5.根據權利要求1或2所述的壓電元件，其特徵在於所述種晶層由多個層構成，在所述多個層中，最下層是PbTiO3，在所述最下層的上面形成的層是Pb(ZrTi)O3。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的壓電元件，其特徵在於所述馳豫材料由以下分子式所表示的材料中的至少一種構成。·(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42)·(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.37)·(1-x)Pb(Ga1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.50)·(1-x)Pb(Sc1/2Ta1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.45)·(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.35)·(1-x)Pb(Fe1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.01＜x＜0.10)·(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.01＜x＜0.09)·(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.38)·(1-x)Pb(Co1/2W1/2)O3-xPbTiO3(其中，0.10＜x＜0.42)
7.根據權利要求1至6中任一項所述的壓電元件，其中，所述壓電元件，在包括容積可變腔體的噴墨式記錄頭中，通過所述壓電薄膜的變形，使所述腔體的容積改變。
8.一種壓電致動器，其特徵在於包括根據權利要求1至7中任一項所述的壓電元件。
9.一種包括容積可變腔體的噴墨式記錄頭，其特徵在於包括根據權利要求1至7中任一項所述的壓電元件，由其作為通過壓電薄膜的變形來使所述腔體的容積改變的壓電元件。
10.一種噴墨印表機，其特徵在於包括根據權利要求9所述的噴墨式記錄頭。
11.一種表面聲波組件，其特徵在於在其基板上形成根據權利要求1至6中任一項所述的壓電元件。
12.一種頻率濾波器，其特徵在於包括第一電極，所述第一電極形成在根據權利要求11所述的表面聲波組件所述壓電薄膜的上面；以及第二電極，所述第二電極形成在所述壓電薄膜的上面，以施加在所述第一電極上的電信號在所述壓電薄膜上產生的表面聲波的特定頻率或特定頻帶諧振，並將所述特定頻率或所述特定頻帶轉換為電信號。
13.一種振蕩器，其特徵在於包括振蕩電路，所述振蕩電路包括電信號施加電極，所述電信號施加電極形成在根據權利要求11所述的表面聲波組件的所述壓電薄膜的上面，並通過施加的電信號使所述壓電薄膜產生表面聲波；諧振電極，所述諧振電極形成在所述壓電薄膜的上面，以所述電信號施加電極所產生的表面聲波的特定頻率分量或特定頻帶分量諧振；以及電晶體。
14.一種電子電路，其特徵在於包括根據權利要求13所述的振蕩器；以及電信號供給元件，所述電信號供給元件對在所述振蕩器上設置的所述電信號施加電極施加所述電信號，並且，所述電子電路具有從所述電信號的頻率分量中選擇特定頻率分量，或變換成特定頻率分量的功能，或者具有對所述電信號進行預定的調製、預定的解調，或預定的檢波的功能。
15.一種薄膜壓電諧振器，其特徵在於在其基體上形成由根據權利要求1至6中任一項所述的壓電元件構成的諧振器。
16.一種電子設備，其特徵在於包括根據權利要求12所述的頻率濾波器、根據權利要求13所述的振蕩器、根據權利要求14所述的電子電路和根據權利要求15所述的薄膜壓電諧振器中的至少一個。
全文摘要
本發明公開了一種具有高壓電常數的壓電薄膜的壓電元件，以及使用該壓電元件的壓電致動器、噴墨式記錄頭、噴墨印表機、表面聲波組件、頻率濾波器、振蕩器、電子電路、以及電子設備。該壓電元件(1)包括在基體上形成的種晶層(5)和在該種晶層(5)上形成的壓電薄膜(6)。該種晶層(5)是由鈣鈦礦型的壓電材料構成的，同時又是優選定向為假立方晶(100)的。壓電薄膜層(6)是由鈣鈦礦型的、具有斜六方體結構的、同時優選定向為假立方晶(100)的馳豫材料構成的。
文檔編號H03H3/02GK1647923SQ20051000286
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月25日 優先權日2004年1月26日
發明者野口元久, 平井榮樹 申請人:精工愛普生株式會社