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Dokumentenidentifikation DE69909546T2 09.06.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000949693
Titel Piezoelektrisches/elektrostriktives Element
Anmelder NGK Insulators, Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Takeuchi, Yukihisa, Nishikamo-gun, Aichi-pref., 470-0204, JP;
Kimura, Koji, Nagoya-city, Aichi-pref., 457-0022, JP
Vertreter LEINWEBER & ZIMMERMANN, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69909546
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 26.03.1999
EP-Aktenzeichen 993023530
EP-Offenlegungsdatum 13.10.1999
EP date of grant 16.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2004
IPC-Hauptklasse H01L 41/09
IPC-Nebenklasse H01L 41/24   C04B 35/486   B32B 18/00   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische/elektrostriktive Elemente vom Unimorph- und Bimorph-Typ, die als verschiedene Wandler und verschiedene Aktuatoren eingesetzt werden.

Ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element wird auf verschiedenen Gebieten eingesetzt, wie als verschiedene Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie, d. h. elektrischer Energie in mechanische Verlagerung, Kraft oder Schwingung, und umgekehrt, verschiedene Aktuatoren, Frequenzbereichs-Funktionskomponenten umfassend verschiedene Aktuatoren und Filter, verschiedene Anzeigenvorrichtungen, einschließlich Anzeigen, Schallkörper, einschließlich Lautsprecher, Mikrophone und Sensoren, einschließlich Ultraschallsensoren.

Beispielsweise wird ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element offenbart, das einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt vom Filmtyp 5, der aus einem Keramiksubstrat 1 gebildet ist, das als Membran dient, und einen ersten Elektrodenfilm 2, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 3 und einen zweiten Elektrodenfilm 4 umfasst, der auf dem Keramiksubstrat 1 ausgebildet ist (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 3-128681), wie in 1(a) gezeigt, sowie ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element, bei dem ein Keramiksubstrat einen Hohlraum aufweist, der Boden des Hohlraums so gebildet ist, dass er ein dünnwandiger Abschnitt ist, und ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt einstückig an der Außenfläche des dünnwandigen Abschnitts ausgebildet ist (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 5-49270), wie in 1(b) gezeigt.

Darüber hinaus ist ein Keramiksubstrat, bei dem mit Yttriumoxid teilweise stabilisiertes Zirconiumoxid verwendet wird, allgemein als das Keramiksubstrat bekannt, das ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element 7 bildet (offengelegte japanische Patentanmeldungen Nr. 5-29675, 5-97437 und 5-270912); siehe auch EP-A-526048.

Im Fall des obigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements kann jedoch, im Herstellungsverfahren des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements beim Ausbilden eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts 5 auf dem Keramiksubstrat 1 und beim Brennen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts 5 ein Riss an einem spezifischen Abschnitt auftreten, nämlich an einem Keramiksubstrat-Abschnitt nahe dem Rand des ersten Elektrodenfilms 2, wie in den 2(a) und 2(b) gezeigt, insbesondere durch Wärmebehandlung (Brennen) zum einstückigen Verbinden des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 3 mit dem ersten Elektrodenfilm 2 und dem Keramiksubstrat 1 in Abhängigkeit von den Brennbedingungen, und dadurch tritt das Problem auf, dass die Produktionsausbeute gesenkt wird.

Als Ergebnis des Beobachtens der Umgebung des Abschnitts, wo der Riss auftritt, mit einem Elektrodensonden-Mikroanalysator (EPMA) ist festzustellen, dass die Menge an Yttriumoxid, das als Stabilisator für Zirconiumoxid dient, im Vergleich zu anderen Abschnitten gering ist. Der Grund, weshalb weniger Yttriumoxid vorhanden ist, ist zwar nicht bekannt, aber es wird geschätzt, dass, da es sich bei dem obigen Abschnitt um einen Abschnitt handelt, dessen piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 3 das Keramiksubstrat 1 direkt berührt, wenn der piezoelektrische/elektrostriktive Film 3 zum ersten Elektrodenfilm 2 auf dem Keramiksubstrat 1 vorragt, um zu verhindern, dass ein Kurzschluss zwischen den oberen und den unteren Elektroden auftritt, das Yttriumoxid selektiv in den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 3 diffundiert, wenn der Film 3 gesintert und einstückig verbunden wird. Darüber hinaus ist vom Standpunkt der Struktur der Vorrichtung die Umgebung des Rands des ersten Elektrodenfilms 2 des Keramiksubstrats 1 ein Abschnitt, auf den leicht eine große Spannung ausgeübt wird, um den piezoelektrischen/elektrostriktiven Film 3, den ersten Elektrodenfilm 5 und das Keramiksubstrat 1 durch Wärmebehandlung einstückig miteinander zu verbinden. Insbesondere, wenn der Abschnitt die in 1(b) oder 2(b) gezeigte Hohlraumstruktur aufweist, wird geschätzt, dass die Spannung unter der Wärmebehandlung eine Verringerung des Yttriumoxids verursacht, da die Spannung insbesondere in der Hohlraumstruktur hoch wird. Das ist jedoch nicht klar. In jedem Fall wird jedoch stark vermutet, dass Kristallphasen-Transformation von Zirconiumoxid aufgrund der Verringerung des Yttriumoxids herbeigeführt wird und zum Riss führt.

Um das Auftreten eines Risses zu verhindern, wird in Erwägung gezogen, das Keramiksubstrat 1 mit vollständig stabilisiertem Zirconiumoxid herzustellen, das keine Kristallphasen-Transformation verursacht. Das vollständig stabilisierte Zirconiumoxid weist jedoch geringere mechanische Festigkeit auf als teilweise stabilisiertes Zirconiumoxid. Daher tritt jedoch beispielsweise, auch wenn die Dicke des Keramiksubstrats 1 verringert wird, um die Verlagerungseigenschaft eines Aktuators oder die Empfindlichkeit als Sensor gemäß diesem Zweck zu verbessern, das Problem auf, dass die Dicke des Keramiksubstrats 1 nicht wirksam oder ausreichend verringert werden kann.

Daher weist, obwohl das teilweise stabilisierte Zirconiumoxid, insbesondere das teilweise mit 2 bis 4 Mol-% Yttriumoxid stabilisierte Zirconiumoxid überlegene Membran-Eigenschaften hat, das teilweise stabilisierte Zirconiumoxid daher das Problem auf, dass es leicht dazu führt, Kristallphasen-Transformation oder Risse zu verursachen, wenn die Menge an als Stabilisator dienendem Yttriumoxid aufgrund eines beliebigen Faktors verringert wird, während der piezoelektrische/elektrostriktive Film 3 wie oben beschrieben gesintert wird. Darüber hinaus ist das obige Problem einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element zu eigen, das gebildet wird, indem ein Keramiksubstrat, das als Membran dient, mit einem filmartigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt durch Wärmebehandlung ohne Verwendung eines Klebers oder dergleichen einstückig verbunden wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, um die obigen Probleme zu lösen, und ihr Ziel besteht darin, ein piezoelektrisches/elektrostriktives Hochleistungselement mit hochentwickelter Funktionalität bereitzustellen, das die Festigkeit eines Keramiksubstrats (einer Membran) sicherstellt und verhindert, dass ein Riss aufgrund eines inneren Faktors erzeugt wird, während ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Film gebrannt wird.

Das heißt, die vorliegende Erfindung stellt ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element vom Filmtyp bereit, das umfasst: ein Keramiksubstrat mit einem Material, dessen Hauptkomponente Zirconiumoxid ist; und zumindest einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt vom Filmtyp, der einen ersten Elektrodenfilm, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film sowie einen zweiten Elektrodenfilm auf dem Keramiksubstrat umfasst; worin das Keramiksubstrat eine Basisschicht und eine Oberflächenschicht umfasst und die Kristallphase des Zirconiumoxids der Basisschicht eine tetragonale Phase oder eine Mischphase aus tetragonaler Phase und kubischer Phase, tetragonaler Phase und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase ist, und die Kristallphase des Zirconiumoxids der Oberflächenschicht hauptsächlich eine kubische Phase ist und der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt auf der Oberflächenschicht ausgebildet ist.

Im piezoelektrischen/elektrostriktiven Element gemäß vorliegender Erfindung ist das Zirconiumoxid der Oberflächenschicht vorzugsweise mit 6 bis 20 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert. Darüber hinaus ist das Zirconiumoxid der Basisschicht bevorzugt teilweise mit 2 bis 4 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert. Weiters wird die Kristallkorngröße des Zirconiumoxids in der Basisschicht vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1,5 &mgr;m gehalten.

Weiters ist es beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Element gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt, dass das Keramiksubstrat, nur der Abschnitt, der einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt bildet, dünnwandig ist. Wie weiter unten beschrieben, ist gemäß vorliegender Erfindung die Dicke eines Keramiksubstrats vorzugsweise auf 50 &mgr;m oder weniger festgelegt. Daher ist es möglich, den Abschnitt dicker zu machen, wo keine Membran, d. h. kein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt, ausgebildet ist, und dadurch das Keramiksubstrat vorteilhaft als Gesamt-Substrat zu handhaben. Darüber hinaus ist es, auch wenn angrenzend daran Vorrichtungen angeordnet werden, möglich, einen dickwandigen Abschnitt zwischen Elementen anzuordnen, und das ist vorteilhaft, um gegenseitige Beeinflussung zwischen Eigenschaften der Elemente zu verhindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1(a) ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements, und 1(b) ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren herkömmlichen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements.

2(a) ist eine Schnittansicht des Abschnitts mit auftretendem Riss von 1(a) entlang Linie A-A von 1(a), und 2(b) ist eine Schnittansicht des Abschnitts mit auftretendem Riss von 1(b) entlang Linie B-B von 1(b).

3(a) ist eine schematische Schnittansicht eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements gemäß vorliegender Erfindung, und 3(b) ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements gemäß vorliegender Erfindung.

4 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements gemäß vorliegender Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie in den 3(a) und 3(b) gezeigt, umfasst bei einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element gemäß vorliegender Erfindung ein Keramiksubstrat 1 mit einem Material, dessen Hauptkomponente Zirconiumoxid ist, eine Basisschicht 10 und eine Oberflächenschicht 9, und die Oberflächenschicht 9, auf der ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt 5 gebildet ist, umfasst hauptsächlich Zirconiumoxid, dessen Hauptkristallphase eine kubische Phase ist.

Die kubische Phase ist eine stabile Kristallphase und verursacht nicht leicht Phasentransformation, auch wenn Yttriumoxid aufgrund der Brennumgebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts 5 oder der Spannung oder Diffusion, die beim Brennen des Abschnitts 5 verursacht wird, abnimmt. Daher ist es möglich, wirksam das Auftreten eines Risses im Keramiksubstrat 1 nahe dem Rand eines ersten Elektrodenfilms 2 zu verhindern.

Bei einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 7 gemäß vorliegender Erfindung umfasst eine Basisschicht 10 eines Keramiksubstrats 1 hauptsächlich Zirconiumoxid, das eine tetragonale Phase oder eine Mischphase aus tetragonaler und kubischer Phase, tetragonaler und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase ist. Das die tetragonale Phase oder die Mischphase aus tetragonaler und kubischer Phase, tetragonaler und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase hervorragende Zähigkeit und Festigkeit aufweist, ist es möglich, das Keramiksubstrat 1 mit mechanischer Festigkeit auszustatten. Daher wird ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element geschaffen, das hervorragende funktionelle Eigenschaften und Produktivität aufweist. Mit einer Hauptkomponente ist in der vorliegenden Anmeldung eine Komponente mit einem Gewichtsprozentsatz von 85 Gew.-% oder mehr gemeint.

Im Allgemeinen erfolgt die Identifizierung und Verhältnisberechnung einer jeden Kristallphase, die in einem Kristallsystem enthalten ist, nach dem Röntgenbeugungsverfahren oder der Raman-Spektroskopie. Im Fall der vorliegenden Anmeldung wird das Röntgenbeugungsverfahren eingesetzt, um den anteilsmäßigen Gehalt einer jeden Kristallphase gemäß dem Intensitätsverhältnis zwischen typischen Beugungsmaxima von Kristallphasen zu erhalten.

Der anteilsmäßige Gehalt an kubischer Phase wird durch das Gehaltsverhältnis zwischen kubischer Phase und jeder Kristallphase definiert, und der Gehalt an kubischer Phase wird gemäß dem Intensitätsverhältnis zwischen Hauptbeugungsmaxima der Kristallphasen erhalten. Darüber hinaus ist mit "hauptsächlich kubische Phase" gemeint, dass die folgende Beziehung gilt:

Darüber hinaus ist es, wenn es schwierig ist, die Hauptbeugungsmaxima von tetragonaler und kubischer Phase voneinander zu trennen, da die Peaks nahe beieinander liegen, auch möglich, die Intensität eines Beugungsmaximums höherer Ordnung anstelle der Intensität eines Hauptbeugungsmaximums zu verwenden. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, die Intensität des erhaltenen Beugungsmaximums höherer Ordnung entsprechend der Intensität des Hauptbeugungsmaximums zu standardisieren, indem der Wert der Intensität eines Hauptbeugungsmaximums und eines Beugungsmaximums höherer Ordnung verwendet werden, die zuvor durch eine JCPDS-Karte oder dergleichen bekannt sind. Beispielsweise ist es, um einen verhältnismäßigen Gehalt zu erhalten, indem die Beugungsmaxima von kubischer Phase (200) und tetragonaler Phase (002) + tetragonaler Phase (200) verwendet werden, notwendig, anstatt des obigen bedingten Ausdrucks den folgenden Ausdruck zu verwenden, da jede Beugungsmaximum-Intensität als 25 und 43 (Summe aus (002) und (200)) zur Haupt- (111) Beugungsmaximum-Intensität 100 gemäß der JCPDS-Karte erhalten wird.

Jedes Symbol in der obigen Gleichung hat die folgende Bedeutung:

I. M (111): Beugungsintensität von (111) der monoklinen Phase

I. C (111): Beugungsintensität von (111) der kubischen Phase

I. T (111): Beugungsintensität von (111) der tetragonalen Phase I [C + T](111): Synthetische Beugungsintensität von (111) der kubischen Phase und (111) der tetragonalen Phase

I. T (002): Beugungsintensität von (002) der tetragonalen Phase

I. C (200): Beugungsintensität von (200) der kubischen Phase

I. T (200): Beugungsintensität von (200) der tetragonalen Phase

Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 7 gemäß vorliegender Erfindung beträgt die Gesamtdicke (Basisschicht + Oberflächenschicht ) des Keramiksubstrats 1 vorzugsweise 50 &mgr;m oder weniger, mehr bevorzugt 30 &mgr;m oder weniger, und noch mehr bevorzugt 15 &mgr;m oder weniger, um die Schnellreaktionseigenschaft des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements beizubehalten sowie in Hinblick auf das Ausmaß an Verlagerung, die erzeugte Kraft oder die Empfindlichkeit des Elements. Darüber hinaus ist, um für eine ausreichende Festigkeit für ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element zu sorgen und das Auftreten eines Risses wirksam zu verhindern, das Verhältnis zwischen den Dicken der Basisschicht 10 und der Oberflächenschicht 9 vorzugsweise auf 6 : 4 bis 8 : 2 festgelegt.

Damit die Oberflächenschicht 9 eine Kristallphase aufweist, die hauptsächlich eine kubische Phase ist, wird das Zirconiumoxid der Oberflächenschicht vorzugsweise durch die Zugabe von 6 bis 20 Mol-%, mehr bevorzugt 7 bis 10 Mol-%, Yttriumoxid zur Schicht 9 stabilisiert.

Darüber hinaus wird, damit die Basisschicht 10 als Kristallphase eine tetragonale Phase oder eine Mischphase aus tetragonaler und kubischer Phase, tetragonaler und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase aufweist, Zirconiumoxid der Basisschicht 10 vorzugsweise durch die Zugabe von 2 bis 4 Mol-%, mehr bevorzugt 2,5 bis 3,5 Mol-% Yttriumoxid zur Schicht 10 stabilisiert.

Beim piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 7 gemäß vorliegender Erfindung wird die Kristallkorngröße des Zirconiumoxids der Basisschicht 10 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1,5 &mgr;m gehalten, und mehr bevorzugt beträgt die Größe 1,0 &mgr;m oder weniger. Durch Einstellen der Kristallkorngröße auf den obigen Bereich ist es möglich, große Festigkeit auch bei geringer Dicke zu erzielen, und darüber hinaus eine vorbestimmte Kristallphase stabil zu bilden.

Es ist möglich, dem Keramiksubstrat 1 Aluminiumoxid, Titanoxid oder eine Sinterhilfe wie Ton zuzugeben. Wenn jedoch Siliziumoxid (SiO oder SiO2) nach dem Sintern übermäßig in der Basisschicht 10 oder der Oberflächenschicht 9 enthalten ist, nimmt die Reaktion mit einem Material, das einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt bildet, unter Wärmebehandlung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts zu, und es ist schwierig, die Zusammensetzung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts, insbesondere des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films, zu steuern. Daher ist es notwendig, den Gehalt an Siliziumoxid auf weniger als 1 Gew.-% festzulegen.

Im Beispiel von 4 sind eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen (2, 3, 4) auf einem relativ großen Keramiksubstrat 1 ausgebildet. Im Fall von 4 ist es möglich, ein Keramiksubstrat zu verwenden, bei dem nur der Abschnitt, der einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt bildet, dünnwandig ist.

Ein piezoelektrisches/elektrostriktives Elements gemäß vorliegender Erfindung kann wie nachstehend beschrieben hergestellt werden.

Das Keramiksubstrat 1 wird gebildet, indem getrennt grüne Bahnen für Basisschicht und Oberflächenschicht, die aus einem vorbestimmten Material bestehen, jeweils durch Rakel- oder Umkehrwalzenbeschichtung hergestellt werden, sie unter der Ausübung von Wärme und Druck übereinander gelegt werden und sie bei einer Temperatur von 1.200 bis 1.600°C gebrannt werden. Darüber hinaus ist es möglich, das Keramiksubstrat 1 herzustellen, indem eine Oberflächenschicht auf der grünen Bahn für die Basisschicht durch Siebdruck-, Aufspritz- oder Beschichtungsverfahren ausgebildet wird, indem eine Aufschlämmung oder Paste verwendet wird, die als Oberflächenschichtmaterial dient (es ist auch möglich, eine Oberflächenschicht nur auf dem Abschnitt auszubilden, auf dem der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt gebildet ist) und das Keramiksubstrat 1 auf ähnliche Weise zu brennen, oder es ist möglich, das Keramiksubstrat 1 herzustellen, indem eine Basisschicht auf der grünen Bahn für die Oberflächenschicht durch Siebdruck-, Aufspritz- oder Beschichtungsverfahren ausgebildet wird.

Darüber hinaus wird, um aus einem Keramiksubstrat eine Struktur mit einem Hohlraum zu bilden, zusätzlich zur grünen Bahn für die Membran (für Basis- und Oberflächenschichten) eine grüne Bahn, die mit einer durch ihre Dicke hindurch gebildete Öffnung wie einem Loch oder Ausschnitt versehen ist, die als Hohlraum dient, hergestellt, indem ein Formwerkzeug und ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung wie Ultraschall-Bearbeitung hergestellt, um beide grüne Bahnen auf ähnliche Weise übereinanderzulegen, indem Wärme und Druck ausgeübt werden, und sie zu brennen. Weiters ist es möglich, aus dem Keramiksubstrat eine Hohlraumstruktur zu bilden, die mit einem Element versehen ist, um eine Öffnung auf der der Membran gegenüberliegenden Seite zu schließen.

Der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt 5 wird auf dem Keramiksubstrat 1 ausgebildet, indem eines der Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdruck-, Aufspritz-, Tauch-, Beschichtungs- und Elektrophoreseverfahren, oder eines der Dünnfilm-Ausbildungsverfahren, wie Ionenstrahl-, Sputter- Vakuumverdampfungs-, Ionenplattierungs-, CVD- und Plattierungsverfahren eingesetzt wird.

Insbesondere wird vorzugsweise eines der Dickfilm-Ausbildungsverfahren, wie Siebdruck-; Aufspritz-, Tauch-, Beschichtungs- und Elektrophoreseverfahren eingesetzt, um einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film zu bilden. Mit diesen Dickfilm-Ausbildungsverfahren ist es möglich, einen Film auf einem Keramiksubstrat unter Verwendung einer Paste, Aufschlämmung, Emulsion, Suspension oder eines Sols zu bilden, die hauptsächlich Keramikteilchen aus einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material mit einer mittleren Teilchengröße von 0,01 bis 5 &mgr;m, mehr bevorzugt 0,05 bis 3 &mgr;m enthalten und dadurch eine bevorzugte Eigenschaft der Vorrichtung zu erzielen.

Darüber hinaus wird eines der folgenden Verfahren eingesetzt, um den Film in der erwünschten Gestalt auszubilden: ein Verfahren, bei dem ein Muster ausgebildet wird, indem eines aus dem Siebdruckverfahren und dem Photolithographieverfahren, dem Laserbearbeitungsverfahren, wie Excimer- oder YAG, eingesetzt wird, sowie ein Verfahren, bei dem ein Muster ausgebildet wird, indem ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung, wie Ultraschall-Bearbeitung oder Abstechen eingesetzt wird und dadurch unnötige Abschnitte beseitigt werden. Weiters wird als Wärmebehandlungstemperatur zum einstückigen Verbinden des so erhaltenen Films und Keramiksubstrats vorteilhaft eine in einem Bereich von 900 bis 1.400°C, mehr bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 1.000 bis 1.400°C, ausgewählt.

Für den ersten Elektrodenfilm 2, der den piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt 5 bildet, kann jedes beliebige Material eingesetzt werden, so lange das Material ein Leiter ist, der fähig ist, eine hohe Temperatur und eine Oxidationsumgebung wie die obige Wärmebehandlungstemperatur und Brenntemperatur auszuhalten. Beispielsweise ist es auch möglich, eines aus einem einzelnen Metall, einer Legierung, einem Gemisch aus isolierenden Keramikmaterialien und einem Metall, oder eine Legierung und leitende Keramikmaterialien für den ersten Elektrodenfilm 2 zu verwenden. Insbesondere wird es bevorzugt, ein Edelmetall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Platin, Palladium und Rhodium, ein Elektrodenmaterial, das hauptsächlich eine Legierung aus Silber und Palladium, Silber und Platin oder Platin und Palladium enthält, Cermet aus Platin und einem Keramiksubstratmaterial, Cermet aus Platin und einem piezoelektrischen Material und Cermet aus Platin, einem Substratmaterial und einem piezoelektrischen Material zu verwenden. Von den obigen Materialien wird mehr bevorzugt ein Material verwendet, das Platin als Hauptkomponente enthält.

Darüber hinaus tritt, wenn Glas wie Siliziumoxid als Material zum Zugeben zu einer Elektrode verwendet wird, während der Wärmebehandlung einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht leicht eine Reaktion auf, die leicht bewirkt, dass eine Eigenschaft der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Daher wird die Verwendung des Glases vorzugsweise vermieden. Weiters ist es im Fall der Zugabe eines Substratmaterials zu einer Elektrode vorzuziehen, dieses in einem Bereich von 5 bis 30 Vol.-% zuzugeben, und im Fall der Zugabe eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Materials ist es vorzuziehen, dieses in einem Bereich von 5 bis 20 Vol.-% zuzugeben.

Das Material des zweiten Elektrodenfilms 4 unterliegt keiner Einschränkung. Es ist möglich, eines aus dem für den ersten Elektrodenfilm 2 verwendeten Material, Gold, Chrom, Kupfer oder dergleichen, ausgebildet durch Sputtern oder Gold- oder Silberfolie unter Einsatz von Resinatmaterial zu verwenden.

Als Material des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 4, der den piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt 5 bildet, ist es möglich, jedes Material zu verwenden, so lange das Material eine durch elektrisches Feld herbeiführte Beanspruchung, wie einen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Effekt aufweist. Beispielsweise kann das piezoelektrische/elektrostriktive Material entweder ein kristallines Material oder ein amorphes Material sein, und es kann sich um ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches ferroelektrisches Keramik- oder ein anti-ferroelektrisches Keramikmaterial handeln. Weiters kann das piezoelektrische/elektrostriktive Material entweder eine Behandlung zur Vor-Polarisation oder zum Polen erfordern oder keine derartige Behandlung erfordern.

Als piezoelektrische/elektrostriktive Materialien, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, werden spezifisch die folgenden Materialien angeführt: ein Material, dessen Hauptkomponente Bleizirconattitanat (PZT), Bleititanat, Bleizirkonat, Bleimagnesiumniobat (PMN), Bleinickelniobat (PNN), Bleimagnesiumwolframat, Bleimanganniobat, Bleiantimonstannat, Bleizinkniobat, Bleimagnesiumtantalat, Bleinickeltantalat ist, sowie ein Verbundmaterial aus den obigen Materialien.

Darüber hinaus ist es möglich, die Oxide von Lanthan, Barium, Niobium, Zink, Zer, Cadmium, Chrom, Kobalt, Antimon, Eisen, Yttrium, Tantal, Wolfram, Nickel, Mangan, Lithium, Strontium, Magnesium, Kalzium, Wismut, Zinn und eine Verbindung aus diesen Substanzen mit oben genannten Materialien zuzugeben. Darüber hinaus ist es möglich, ein Material auf PLZT-Basis zu verwenden, das durch die Zugabe des Lanthanoxids zu Material auf BZT-Basis erhalten wird.

Es ist besser, die Zugabe von Glas wie Siliziumoxid zu vermeiden, da die Zugabe von Glas leicht eine Reaktion mit einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Material verursacht und es schwierig ist, eine vorbestimmte Materialzusammensetzung beizubehalten.

Darüber hinaus wird den obigen piezoelektrischen/elektrostriktiven Materialien vorzugsweise ein Material, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist, ein Material, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleinickelniobat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist, ein Material, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleinickeltantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist, oder ein Material verwendet, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleimagnesiumtantalat, Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist.

Weiters wird von den obigen Materialien insbesondere bevorzugt das Material verwendet, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat ist, da dieses Material nicht nur eine hohe piezoelektrische Konstante aufweist, sondern unter Wärmebehandlung auch insbesondere geringere Reaktion mit einem Substratmaterial aufweist.

Im Fall eines piezoelektrischen/elektrostriktiven Multikomponentenmaterials werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Eigenschaften in Abhängigkeit von der Zusammensetzung einer Komponente geändert. Wenn jedoch für ein piezoelektrischen/elektrostriktives Element gemäß vorliegender Erfindung ein Ternärsystemmaterial aus Bleimagnesiumniobat, Bleizirkonat und Bleititanat verwendet wird, ist eine Zusammensetzung nahe der Phasengrenze zwischen pseudokubischer Phase, tetragonaler Phase und rhombohedrischer Phase vorzuziehen. Insbesondere wird bevorzugt eine Zusammensetzung verwendet, die 15 bis 50 Mol-% Bleimagnesiumniobat, 10 bis 45 Mol-% Bleizirkonat und 30 bis 45 Mol-% Bleititanat enthält, da die Zusammensetzung eine hohe piezoelektrische Konstante und einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist.

Ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element gemäß vorliegender Erfindung wird vorzugsweise für verschiedene Wandler verwendet, um elektrische Energie in mechanische Energie, d. h. mechanische Verlagerung, Kraft oder Schwingung, und umgekehrt umwandeln, für verschiedene Aktuatoren, funktionelle Frequenzbereichsteile, einschließlich Filter, verschiedener Anzeigenvorrichtungen, einschließlich Anzeigen, Transformatoren, Schallkörper, einschließlich Mikrophone und Lautsprecher, Vibratoren, Resonatoren oder Oszillatoren für Kommunikation oder Antriebskraft, Diskriminatoren, verschiedene Sensoren, einschließlich Ultraschallsensoren, Beschleunigungssensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren, Stoßsensoren und Massesensoren, Gyrometer und darüber hinaus eine Vorrichtung vom unimorphen Typ und eine Vorrichtung vom bimorphen Typ, die für Servoumsetzungsvorrichtungen, impulsgetriebene Motoren, Ultraschallmotoren, piezoelektrische Ventilatoren und piezoelektrische Relais verwendet werden, wie in "From foundation to application of piezoelectric/electrostrictive actuator" von K. Uchino, (herausgegeben von NIPPON KOGYOGIJUTSU CENTER), (MORIKITA SHUPPAN)" beschrieben, und mehr bevorzugt für verschiedene Aktuatoren, Vibratoren, Schallkörper und Anzeigenvorrichtungen verwendet werden.

Darüber hinaus kann ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element gemäß vorliegender Erfindung als Kondensatorvorrichtung vom Filmtyp verwendet werden, da es nicht nur die piezoelektrische/elektrostriktive Eigenschaft, sondern auch die Dielektrizität aufweist.

Ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element gemäß vorliegender Erfindung wird oben auf Basis unimorpher Struktur beschrieben, die einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt nur auf einer Seite eines Keramiksubstrats bildet. Es versteht sich, dass ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element gemäß vorliegender Erfindung auch auf eine bimorphe Struktur angewandt werden kann, die den piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt auf beiden Seiten des Keramiksubstrats bildet. In diesem Fall sind die Keramikschichten auf beiden Seiten des Basisschicht ausgebildet.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

(Beispiel 1)

Es wurde ein 3(b) gezeigtes piezoelektrisches/elektrostriktives Element 7 hergestellt, bei dem ein Keramiksubstrat mit einer Basisschicht und einer Oberflächenschicht gebildet wurde und einen Hohlraum aufwies. Die Basisschicht 10 bestand aus Zirconiumoxid, dessen Kristallphase eine tetragonale Phase war, die durch die Zugabe von 3 Mol-% Yttriumoxid erhalten wurde, und die Oberflächenschicht 9 bestand aus Zirconiumoxid, das durch die Zugabe von 7 Mol-% Yttriumoxid erhalten wurde. Der Wert eines bedingten Ausdrucks ist 0,90. Auf der Oberflächenschicht 9 wurde ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt 5 ausgebildet.

Zunächst wurde durch Siebdrucken eine Oberflächenschicht auf der Oberfläche einer grünen Bahn für eine Basisschicht ausgebildet, wobei ein Pastenmaterial für die Oberflächenschicht verwendet wurde. Die grüne Bahn für die Basisschicht und die Oberflächenschicht wurden so festgelegt, dass die Dicke der Basisschicht 6 &mgr;m betrug und jene der Oberflächenschicht 2 &mgr;m betrug, nachdem sie gebrannt worden waren.

Dann wurde eine Öffnung auf einer grünen Bahn für das Stützelement ausgebildet, um einen Hohlraum mit 0,2 mm × 4 mm auszubilden, und dann wurde die grüne Bahn für das Stützelement und die grüne Bahn für die Basisschicht übereinandergelegt, wobei Wärme und Druck ausgeübt wurden und bei 1.500°C gebrannt wurde.

Dann wurde auf dem Substrat der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt 5 ausgebildet. Ein erster Elektrodenfilm 2 bestand aus Platin, ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Film 3 bestand aus einem Material, dessen Hauptkomponente das Gemisch aus Bleizirkonat, Bleititanat und Bleimagnesiumniobat ist, und ein zweiter Elektrodenfilm 4 bestand aus Gold. Darüber hinaus wurde der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt 5 durch Siebdrucken ausgebildet. Der erste Elektrodenfilm 2 wurde bei 1.300°C gebrannt, der piezoelektrische/elektrostriktive Film 3 wurde bei 1.250°C gebrannt, und der zweite Elektrodenfilm 4 wurde bei 600°C gebrannt. Die Dicke des ersten Elektrodenfilms 2 wurde auf 3 &mgr;m festgelegt, jene des piezoelektrischen/elektrostriktiven Films 3 wurde auf 14 &mgr;m festgelegt, und jene des zweiten Elektrodenfilms 4 wurde auf 0,5 &mgr;m festgelegt.

Es wurden eintausend piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 7 hergestellt, um zu bewerten, ob ein Riss in einem Keramiksubstrat 1 auftrat, indem ein Durchdringungsmittel zur Rissuntersuchung verwendet wurde. Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis des Bewertung.

(Beispiel 2)

Es wurde Zirconiumoxid verwendet, das durch die Zugabe von 10 Mol-% Yttriumoxid zu einer Oberflächenschicht 9 erhalten wurde. 1000 piezoelektrische/elektrostriktive Elemente wurden auf die gleiche Weise wie im Fall von Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Wert eines bedingten Ausdrucks 1 war, um zu beurteilen, ob in einem Keramiksubstrat 1 ein Riss auf die gleiche Weise auftrat wie im Fall von Beispiel 1. Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis der Bewertung.

(Beispiel 3)

Es wurde Zirconiumoxid verwendet, das durch die Zugabe von 6 Mol-% Yttriumoxid zu einer Oberflächenschicht 9 erhalten wurde. 1000 piezoelektrische/elektrostriktive Elemente wurden auf die gleiche Weise wie im Fall von Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Wert eines bedingten Ausdrucks 0,80 war, um zu beurteilen, ob in einem Keramiksubstrat 1 ein Riss auf die gleiche Weise auftrat wie im Fall von Beispiel 1. Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis der Bewertung.

(Vergleichsbeispiel 1)

Es wurde ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element 7, wie in 1(b) gezeigt, hergestellt, bei dem ein Keramiksubstrat mit einer einzelnen Schicht gebildet wurde und einen Hohlraum aufwies. Das Keramiksubstrat bestand aus Zirconiumoxid, dessen Kristallphase eine tetragonale Phase war, die durch die Zugabe von 3 Mol-% Yttriumoxid erhalten wurde. Ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt 5 wurde auf der Oberfläche des Keramiksubstrats 1 auf der gegenüberliegenden Seite zu jener Seite ausgebildet, mit der ein Stützelement 6 verbunden war.

Eine Öffnung wurde auf einer grünen Bahn für das Stützelement ausgebildet, um einen Hohlraum mit 0,2 mm × 4 mm zu bilden, und dann wurden die grüne Bahn für das Stützelement und eine grüne Bahn für das Keramiksubstrat übereinandergelegt, wobei Wärme und Druck ausgeübt wurden, und bei 1.500°C gebrannt. Die Dicke eines Keramiksubstrats nach dem Brennen wurde auf 8 &mgr;m eingestellt.

Dann wurde ein piezoelektrischer/elektrostriktiver Betriebsabschnitt 5 auf dem Keramiksubstrat ausgebildet. Das Material und die Dicke einer jeden Schicht des piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitts 5 waren die gleichen wie jene von Beispiel 1.

1.000 piezoelektrische/elektrostriktive Elemente 7 wurden hergestellt, um auf die gleiche Weise wie im Fall von Beispiel 1 zu beurteilen, ob im Keramiksubstrat 1 ein Riss auftrat. Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis der Bewertung.

Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass die Raten des Auftretens von Rissen der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente der Ausführungsformen im Vergleich zur Rate des Auftretens von Rissen des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements von Vergleichsbeispiel 1 niedrig sind.

Bei einem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element gemäß vorliegender Erfindung umfasst ein Keramiksubstrat eine Basisschicht und eine Oberflächenschicht, und die Oberflächenschicht des Keramiksubstrats, auf der der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt ausgebildet ist, besteht aus dem Material, dessen Hauptkomponente Zirconiumoxid mit einer Kristallphase ist, die hauptsächlich eine kubische Phase ist. Daher tritt im Keramiksubstrat nahe dem Rand eines ersten Elektrodenfilms nicht leicht ein Riss auf. Darüber hinaus ist es, da die Basisschicht des Keramiksubstrats aus dem Material besteht, dessen Hauptkomponente Zirconiumoxid ist, dessen Kristallphase eine tetragonale Phase oder eine Mischphase aus tetragonaler und kubischer Phase, tetragonaler und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase ist, möglich, auch bei geringer Dicke hohe mechanische Festigkeit beizubehalten. Daher ist es möglich, ein piezoelektrisches/elektrostriktives Hochleistungselement bereitzustellen, das die hervorragenden Eigenschaften bezüglich der Funktion als Substrat (Membran) für ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element vom Filmtyp ohne Einschränkung aufweist.

[Tabelle 1 ]

Anspruch[de]
  1. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element, umfassend: ein Keramiksubstrat mit einem Material, dessen Hauptkomponente Zirconiumoxid ist; und

    zumindest einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Betriebsabschnitt vom Filmtyp, der einen ersten Elektrodenfilm, einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Film sowie einen zweiten Elektrodenfilm auf dem Keramiksubstrat umfasst;

    dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat eine Basisschicht und eine Oberflächenschicht umfasst und die Kristallphase des Zirconiumoxids der Basisschicht eine tetragonale Phase oder eine Mischphase aus tetragonaler Phase und kubischer Phase, tetragonaler Phase und monokliner Phase oder tetragonaler, kubischer und monokliner Phase ist, und die Kristallphase des Zirconiumoxids der Oberflächenschicht hauptsächlich eine kubische Phase ist und der piezoelektrische/elektrostriktive Betriebsabschnitt auf der Oberflächenschicht ausgebildet ist.
  2. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, worin das Zirconiumoxid in der Oberflächenschicht mit 6 bis 20 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert ist.
  3. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1 oder 2, worin das Zirconiumoxid in der Basisschicht mit 2 bis 4 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert ist.
  4. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Kristallkorngröße des Zirconiumoxids in der Basisschicht innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1,5 &mgr;m liegt.
  5. Piezoelektrisches/elektrostriktives Element nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin ein Stützelement mit zumindest einer Öffnung, einem Hohlraum, mit dem Keramiksubstrat verbunden ist, um eine Seite der Öffnung mit dem Keramiksubstrat zu verschließen.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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