(57)【要約】  本発明は、微小電気機械システムでの用途に好適な圧電／電歪特性を示す誘電体である多層薄膜セラミック部材を備える電気素子に関する。一態様では、本発明は、微小電気機械システムで使用するための電気素子であって、電気素子は、  ｉ）  大部分がペルブスカイト相（ＡＢＸ３）からなるセラミック材料の複数の層で形成される薄膜セラミック部材であって、前記薄膜セラミック部材は、第一の面と反対側の第二の面とが厚さ方向に離間している、薄膜セラミック部材と、  ｉｉ）  薄膜セラミック部材に隣接して配置される第一および第二の電極であって、動作中に、第一の電極と第二の電極との間および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、互いに対して、第一または第二の電極のうちの一方はより高電位な電極であり、第一および第二の電極の他方はより低電位な電極である、第一および第二の電極と、を備え、  薄膜セラミック部材は、  Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくはまたは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つまたは複数の遷移金属イオン、でドープされる、セラミック材料の第一の層と、  セラミック材料の第一の層に対して定義される一つまたは複数の金属イオンのいずれかでもドープされていないセラミック材料の第二の層と、を備え、  セラミック材料の前記第一の層は、  ａ）  第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも薄膜セラミック部材の第一または第二の面のうちの一方に隣接して配置される、または  ｂ）  より低電位な電極である第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置される、電気素子を提供する。
2021524153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システムで使用するための電気素子であって、前記電気素子は、
ｉ）  大部分がペルブスカイト相からなるセラミック材料の複数の層で形成される薄膜セラミック部材であって、前記薄膜セラミック部材は、第一の面と反対側の第二の面とが厚さ方向に離間している、薄膜セラミック部材と、
ｉｉ）  前記薄膜セラミック部材に隣接して配置される第一および第二の電極であって、動作中に、前記第一の電極と前記第二の電極との間および前記薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、互いに対して、前記第一または第二の電極のうちの一方はより高電位な電極であり、前記第一および第二の電極の他方はより低電位な電極である、第一および第二の電極と、を備え、
前記薄膜セラミック部材は、
セラミック材料の第一の層であって、Ｉ）前記セラミック材料の前記ペロブスカイト結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）前記セラミック材料の前記ペロブスカイト結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる、前記セラミック材料の第一の層と、
セラミック材料の前記第一の層に対して定義される前記一つまたは複数の金属イオンのいずれかでもドープされていないセラミック材料の第二の層と、を備え、
セラミック材料の前記第一の層は、
ａ）  前記第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも前記薄膜セラミック部材の前記第一もしくは第二の面のうちの一方に隣接して配置される、または、
ｂ）  前記より低電位な電極である前記第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は前記薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、前記薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置される、電気素子。
【請求項２】
セラミック材料の前記第一の層は、前記第一および第二の電極の両方と接触するように、前記薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置され、第一および第二の電極は両方とも前記薄膜セラミック部材の前記第一または第二の面のうちの一つに隣接して配置される、請求項１に記載の電気素子。
【請求項３】
第一および第二の電極は交互嵌合しており、好ましくは、前記第一および第二の交互嵌合した電極はそれぞれ、複数の電極フィンガーを備える、請求項２に記載の電気素子。
【請求項４】
セラミック材料の前記第一の層は、セラミック材料の前記第二の層よりも低い電位の電極である前記第一または第二の電極の前記一つと接触するように、前記薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置され、第一および第二の電極は前記薄膜セラミック部材がその間に挿入される、請求項１に記載の電気素子。
【請求項５】
セラミック材料の前記第一の層の前記厚さは、前記薄膜セラミック部材の総厚の１％〜１０％、好ましくは前記薄膜セラミック部材の前記総厚の２％〜８％、より好ましくは、前記薄膜セラミック部材の前記総厚の３％〜５％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項６】
セラミック材料の前記第一の層の前記厚さは、１０〜２００ｎｍ、より好ましくは２０〜１００ｎｍ、より好ましくは４０〜８０ｎｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項７】
セラミック材料の前記第一の層中のＩ）およびＩＩ）による前記一つまたは複数の金属イオンの総濃度は、０．１〜１０ａｔ％、好ましくは０．５〜５ａｔ％、より好ましくは１〜３ａｔ％、最も好ましくは１．５〜２．５ａｔ％である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項８】
セラミック材料の前記第一の層は、ｉ）Ａｇ、Ｃｏ  Ｃｕ、Ｍｎ、Ｒｅのイオン、およびそれらの組み合わせ、またはｉｉ）Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖのイオン、およびそれらの組み合わせ、から選択される一つまたは複数のイオンでドープされる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項９】
セラミック材料の前記第一の層は、ドーパントとして、Ｃｕ、Ｃｏおよび／またはＭｎのイオンから選択される一つまたは複数のイオンを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１０】
セラミック材料の前記第一の層は、ドーパントとして一つまたは複数のＭｎイオンを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１１】
前記第一の層は、前記列挙された元素のうちの一つのみの元素の一つまたは複数のイオンでドープされる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１２】
前記セラミック材料は、鉛、チタン、ジルコニウム、ニオブ、および／または亜鉛イオンを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１３】
前記セラミック材料は、Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３（０≦ｘ≦１）および／またはＰｂ［（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）ｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３（０＜ｘ＜０．９）から選択される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１４】
前記セラミック材料は鉛を含まず、ビスマス、ナトリウムおよび／またはカリウムイオンを含み、好ましくは、セラミック材料は、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３、Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３、ＢｉＦｅＯ３、およびそれらの組み合わせを含む固溶体のうちの一つまたは複数から選択される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１５】
セラミック材料の少なくとも前記第一の層の、好ましくは前記セラミック材料の全ての層の前記セラミック材料は、前記ペロブスカイト結晶構造の前記Ｂサイトを占める一つまたは複数のチタンイオンを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１６】
前記セラミック材料が以下の式（Ｉ）：
（Ｉ）：Ｘａ−ｙＢ−ｚ１Ｃ１−ｚ２Ｃ２
の固溶体であり、式中、Ａは第一のビスマス系ペロブスカイト成分であり、Ｂは第二のビスマス系ペロブスカイト成分であり、Ｃ１およびＣ２はドーパントペロブスカイト成分であり、ｘ＋ｙ＋ｚ１＋ｚ２＝１、ｘ，ｙ≠０；（ｚ１＋ｚ２）≧０である、請求項１〜１２、１４および１５のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項１７】
式（Ｉ）のＡは（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、ならびに式（Ｉ）のＢは（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３であり、好ましくは、式（Ｉ）のＣ１および／またはＣ２は、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＺｒＯ３、Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、Ｂｉ（Ｚｎ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、Ｂｉ（Ｎｉ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＮａＮｂＯ３、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３、（Ｂｉ０．５Ｌｉ０．５）ＴｉＯ３、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＨｆＯ３、および（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＨｆＯ３から選択される、請求項１６に記載の電気素子。
【請求項１８】
式（Ｉ）の前記固溶体セラミック材料は、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３および（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３−Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３から選択される、請求項１６または１７に記載の電気素子。
【請求項１９】
前記固溶体セラミック材料は前記式（Ｉａ）：
（Ｉａ）：ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｙ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３−ｚ１ＳｒＨｆＯ３−ｚ２ＳｒＺｒＯ３
（式中、ｘ＋ｙ＋ｚ１＋ｚ２＝１、ｘ，ｙ≠０、（ｚ１＋ｚ２）＞０である）を有する、請求項１６または１７に記載の電気素子。
【請求項２０】
前記セラミック部材は、セラミック材料の第三の層をさらに備え、これは、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のセラミック材料の前記第一の層について定義されている通りであり、セラミック材料の前記第二の層は、前記セラミック部材内のセラミック材料の前記第一の層と第三の層との間に介在する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の電気素子。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載の少なくとも一つの電気素子を備え、および前記少なくとも一つの電気素子が上に配置される基材層をさらに備える、電気部品。
【請求項２２】
液滴堆積装置で使用されるアクチュエータ部品である、請求項２１に記載の電気部品。
【請求項２３】
請求項２２に記載のアクチュエータ部品を備える、液滴堆積ヘッド。
【請求項２４】
請求項２３に記載の液滴堆積ヘッドを備える、液滴堆積装置。
【請求項２５】
第一の電極と第二の電極との間に、および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、電気素子の前記第一および第二の電極に隣接して配置される多層薄膜セラミック部材に層としてドープされたセラミック材料を組み込むことにより、電気素子の寿命中央値を増加させるために、電気素子に使用される多層薄膜セラミック部材の層としてドープされたセラミック材料を組み込むことにより、電界下での電気素子の寿命の中央値を延ばすために、Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）前記セラミック材料の前記ペロブスカイト結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされた大部分が前記ペロブスカイト結晶構造からなるセラミック材料の用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システムでの用途に対して好適にする圧電／電歪特性を示す誘電体である多層薄膜セラミック部材を備える電気素子に関する。特に、多層薄膜セラミック部材は、電気部品の電極に対して配置されるドープされたセラミック材料の層を備える。ドープされたセラミック材料の層は、Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つまたは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つまたは複数の非遷移金属イオンおよび／または優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる。本発明はまた、電気素子を備える電気部品、および電気素子におけるセラミック材料のこのようなドープ層の用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜セラミック部材を備える電気部品は、アクチュエータ、センサー、環境発電素子、積層コンデンサーとして幅広い用途で利用されている。アクチュエータ材料として機能する薄膜セラミック部材は、例えば、機械的リレー、デジタルカメラ、インクジェットプリンターを含む多くのデバイス用に電界誘導歪みを生成するために必要とされる。アクチュエータ材料の組成及び結晶構造は、アクチュエータの特性を決定するために重要である。一般的なアクチュエータ材料は、外部電界に曝される場合、形状が物理的に変化する圧電材料を含む。しかし、圧電効果を示さない誘電体材料もまた、アクチュエータとして応用される可能性がある。
【０００３】
原則として、全ての誘電体材料は電歪を示し、それは電界の印加下で形状が変化することを特徴とする。電歪は、外部電界に曝された場合、結晶格子内のイオンの変位によって引き起こされ、正イオンは電界の方向に変位し、負イオンは反対方向に変位する。この変位はバルク材料全体にわたって蓄積し、電界方向に全体的な巨視的歪み（伸縮）をもたらす。
【０００４】
アクチュエータ材料の重要な性能特性には、デバイス動作における有効圧電係数ｄ３３＊、ｄ３３＊の温度依存性、およびｄ３３＊の長期安定性が含まれる。アクチュエータ材料のもう一つの重要な特性は、アクチュエータ材料の使用可能な寿命である。アクチュエータは特定の用途ではますます過酷な条件下で動作する必要があるため、寿命をさらに改善することが継続的に求められている。このような寿命の改善は、上記のような他のデバイスで使用される薄膜セラミックにおいても非常に望ましい。
【０００５】
米国特許出願公開第２０１７／００２１６２４号は、収縮に関してトップ電極の近くのアクチュエータ材料を拘束するようにアクチュエータ部品のトップ電極上に受動層を組み込むことによりインクジェットプリントヘッドにおけるアクチュエータ寿命の改善を記載している。この配置は、作動電圧に曝されていない場合にアクチュエータ材料にバイアス電圧を印加する必要をなくすと言われ、このことは消費電力を低減し、期待される寿命を延ばすと考えられる。
【０００６】
米国特許第８，１７９，０２７号は、弾性材料、例えばシリコーン系材料を適用して、電子デバイスのアクチュエータを覆うことを記載している。弾性材料は、内部に形成されるマイクロクラックを介して電極間および挿入された圧電材料を貫く金属イオンの移動を阻害し、そうでなければアクチュエータの故障につながると言われている。したがって、コーティングの適用は、電子デバイスの使用可能な寿命を延ばすと言われている。
【０００７】
米国特許出願第２００６／０５５２８８号は、微少外乱が制御可能なクラックの成長領域を提供するような方法で、アクチュエータ構造内への微少外乱の組み込み、さもなければアクチュエータの故障につながるアクチュエータ構造の他の領域での制御不能なクラックの成長を防ぐと記載する。
【０００８】
様々な電子デバイス、例えばアクチュエータ、センサー、環境発電素子および積層コンデンサーで使用される薄膜セラミックの使用可能な寿命を改善するための代替手段を提供する必要がある。本発明は、多層薄膜セラミック部材内に、および電気素子における電極の位置に対する多層薄膜セラミック部材の厚さにわたる特定の領域に、薄膜セラミック材料の特定のドープ層を提供することは、電気素子における薄膜セラミック部材の使用可能な寿命の実質的な改善をもたらす、という発見に基づく。
【発明の概要】
【０００９】
したがって、第一の態様では、本発明は微小電気機械システムで使用するための電気素子を提供し、微小電気機械システムは、
ｉ）  大部分がペルブスカイト（ＡＢＸ３）相からなるセラミック材料の複数の層で形成される薄膜セラミック部材であって、当該薄膜セラミック部材は、第一の面と反対側の第二の面とが厚さ方向に離間している、薄膜セラミック部材と、
ｉｉ）  薄膜セラミック部材に隣接して配置される第一および第二の電極であって、動作中に、第一の電極と第二の電極との間および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、互いに対して、第一または第二の電極の一方はより高電位な電極であり、第一および第二の電極の他方はより低電位な電極である、第一および第二の電極と、を備え、
薄膜セラミック部材は、
Ｉ）  セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる、セラミック材料の第一の層と、
セラミック材料の第一の層に対して定義された一つまたは複数のいかなる金属イオンでもドープされていないセラミック材料の第二の層と、を備え、
セラミック材料の当該第一の層は、
ａ）  第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも薄膜セラミック部材の第一もしくは第二の面の一方に隣接して配置される、または、
ｂ）  より低電位な電極である第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置される。
【００１０】
本発明はまた、本明細書に記載の電気要素を備えるアクチュエータ部品、ならびにアクチュエータ部品を備える液滴堆積装置を提供する。
【００１１】
本発明はさらに、電気素子に使用される多層薄膜セラミック部材の層としてドープされたセラミック材料を組み込むことにより、電界下での電気素子の寿命の中央値を延ばすために、Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つまたは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされた大部分がペロブスカイト（ＡＢＸ３）相からなるセラミック材料の用途を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、フィールドダウン構成で動作する本発明の実施形態による電気部品の断面図である。
【図２】図２は、フィールドアップ構成で動作する本発明の実施形態による電気部品の断面図である。
【図３】図３は、フィールドダウン構成で動作し、三つのセラミック層を備える本発明の実施形態による電気部品の断面図である。
【図４】図４は、一対の電極が薄膜セラミック部材の片側に設けられている、本発明の実施形態による電気部品の断面図である。
【図５】図５は、一対のくし形電極が薄膜セラミック部材の片側に設けられ、各電極は三つの電極指を有する、本発明の実施形態による電気部品の上面図である。
【図６】図６は、セラミック材料のドープ層が多層薄膜セラミック部材の中心に配置される電気部品の断面図である。
【００１３】
図面は原寸に比例したものではなく、特定の特徴がより明瞭に見えるように誇張されたサイズで示されている場合があることに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
電気素子での用途を意図した多層薄膜セラミック部材における特に有利な特性は、薄膜セラミック材料のドープ層を多層内に組み込むことによって得られることができることが本発明者らによって見出された。さらに、有益な効果は、薄膜セラミック材料のドープ層が、電気素子の電極の位置に対して薄膜セラミック部材の厚さにわたって特定の領域に確実に配置されることに依存していることも分かった。本発明は、少なくとも第一および第二の電極が提供され、それらの間におよび薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されるならば、考えられる全ての電極構成と互換性がある。
【００１５】
特に、本発明者らは、本明細書に記載の方法で多層薄膜セラミック部材を備える電気部品を構成することにより、電気素子におけるセラミック部材の寿命中央値（ｔ５０）が実質的に延びることを見出した。以下でより詳細に説明するように、これは特に、ｉ）電気素子の薄膜セラミック部材の使用可能な寿命（例えば、電界下での寿命中央値（ｔ５０））を延長することと、ｉｉ）厳しい動作条件（例えば、高電界／高電圧）に曝される電気要素に、より優れた復元力と安定性を提供することと、ｉｉｉ）継続的な使用により性能が徐々に低下する電気部品の性能を修復するために利用可能な回復プロセスを不要にすることと、ｉｖ）修復できない故障した電気部品に関連する廃棄物を削減することと、ｖ）特に、電界方向が薄膜セラミック材料のドープ層に向かって多層内に向けて操作される場合、以前は許容できない寿命をもたらしていた電気素子で使用するための特定のセラミック材料の商業的実現可能性を向上させることと、に有利である。
【００１６】
本明細書において、薄膜セラミック部材に関する「寿命中央値（ｔ５０）」への言及は、以下に詳述するように、高加速寿命試験（ＨＡＬＴ）条件下で、試験試料の５０％が故障する前に、薄膜セラミック部材の試料が本明細書に記載の電気素子の部品として電界に曝されることができる期間を指すことが意図される。この状況での故障は、例えば、電場へ連続的に曝された後に、電気素子の薄膜セラミック部材について検出される最小漏れ電流密度の１００倍の閾値を超える薄膜セラミック部材の漏れ電流値に基づいて特徴付けられる。漏れ電流は、例えば、Ｋｅｉｔｈｌｅｙピコ電流計を使用して測定されてもよく、これは、直流（ＤＣ）源としても機能してもよく、Ｌａｂｖｉｅｗベースのソフトウェアを使用して、様々な試料対時間の漏れ電流を監視することができる。例えば、試料は容易に入手できる２４ピンのデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）に入れることができ、トップ電極はパッケージのコンタクトパッドに金属（例えば、Ａｕ）ワイヤでワイヤボンディングできる。薄膜セラミック材料の試料の寿命中央値（ｔ５０）は、セラミック材料試料を高温（例えば、２００℃）で直流（ＤＣ）電界（例えば、３００ｋＶ／ｃｍ）に曝す高加速寿命試験（ＨＡＬＴ）を使用して測定されることができる。
【００１７】
本明細書において、第一および第二の電極の文脈における「高電位電極」および「低電位電極」への言及は、二つの電極間のポテンシャルエネルギーの相対的な差を示し、これは、動作中に第一と第二の電極間に電位差が存在することを意味する。したがって、第一および第二の電極の両方は、二つの電極間に確立された電位差がある場合、正または負の電位を有することが可能である。電極の一つは、接地電極であってもよい。当業者によって理解されるように、電界の方向は、高電位電極から低電位電極へである。
【００１８】
本発明に従って使用される多層薄膜セラミック部材を形成するために使用されるセラミック材料の層は、結晶質であり、また大部分がペルブスカイト結晶相（すなわち、５０体積％超）からなる。このようなセラミック材料は、本明細書に記載の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用途で有用な圧電および／または電歪特性を示す。このようなセラミック材料には、従来の圧電材料およびリラクサー強誘電体材料が含まれる。
【００１９】
主結晶相の格子寸法、およびセラミック材料の物理的および化学的特性は、組成の関数である。格子の対称性は、組成が変化するにつれて構造の均一な歪みによって当該組成範囲内で変化する可能性がある。好ましい実施形態では、多層薄膜セラミック部材を形成するセラミック材料の層は、少なくとも７０体積％、より好ましくは少なくとも８０体積％、さらにより好ましくは少なくとも９０体積％、さらにより好ましくは少なくとも９５体積％のペロブスカイト結晶相を含む。最も好ましくは、多層薄膜セラミック部材を形成するセラミック材料の層は、実質的に均質（すなわち、相が純粋）であり、ペロブスカイト結晶相のみを有する。
【００２０】
本発明によれば、本発明の電気素子で使用される薄膜セラミック部材は、セラミック材料の複数の層から形成される（すなわち、薄膜セラミック部材は多層である）。特に、薄膜セラミック部材は、薄膜セラミック材料の第一および第二の層を備える。以下でより詳細に説明するように、セラミック材料の第一および第二の層はそれぞれ、例えば、薄膜堆積プロセスの複数の繰り返しから生じるいくつかの重ねられた副層から形成されてもよい。
【００２１】
薄膜セラミック部材で使用される第一の層は、Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つまたは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる。
【００２２】
イオンの上記二つの群のうちの最初のものに関して、ヤーン・テラー変形はしばしば八面体複合体で見られ、八面体軌道のエネルギーレベルの正味の変化を説明し（ｔｇおよびｅｇ）、これにより、軌道および電子縮退が取り除かれ、分子軸の一つに沿った変形が生じ、複合体の全体的のエネルギーが低下する。歪みは通常、結合の伸びという形をとるが、収縮を引き起こす場合もある。ペロブスカイトのヤーン・テラー変形を誘発することができる金属イオンは知られており、例えば、Ｌｕｆａｓｏ，Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｗ．  およびＷｏｏｄｗａｒｄ，Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｍ．，“Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ，Ｃａｔｉｏｎ  Ｏｒｄｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ  Ｔｉｌｔｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ（ペロブスカイトにおけるヤーン・テラー変形、陽イオンオーダリング、および八面体傾斜）”（２００４），Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｆａｃｕｌｔｙ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ．３に記載されている。ペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な金属イオンの具体的な例としては、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＲｅイオンが含まれる。そのようなイオンの具体的な例としては、Ａｇ２＋、Ｃｒ２＋、Ｃｕ２＋、およびＭｎ３＋が挙げられる。理解されるように、本発明に関連して、異なる元素のイオンを含む上記のイオンの組み合わせを使用することができる。
【００２３】
薄膜セラミック材料のドープされた第一の層で使用できる別の群の金属イオンは、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する非遷移金属イオンまたは優先的に還元を受ける遷移金属イオンである。ペロブスカイト構造「ＡＢＸ３」では、「Ａ」と「Ｂ」は異なるサイズのカチオンであり、Ｘは両方のカチオンに結合するアニオンである。当業者によって理解されるように、複数のカチオンがペロブスカイト構造のＡサイトまたはＢサイトを占めることができることが理解される。一例として、周知のペロブスカイト、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）では、ＡサイトのカチオンはＰｂ２＋に対応し、ＢサイトのカチオンはＴｉ４＋およびＺｒ４＋に対応し、ＸはＯ２−に対応する。本発明によれば、より低い酸化状態を有する非遷移金属イオン、またはＢサイトカチオンよりも優先して（すなわち、この例ではＴｉ４＋およびＺｒ４＋よりも優先して）還元する遷移金属イオンが、本発明による第一のセラミック層中のドーパント金属イオンとして使用されることができる。理解されるように、金属イオンがＢサイトカチオンよりも優先的に還元される場合、これは、金属元素が複数の酸化状態を有することを必要とする。さらに、また理解されるように、その場合、ドーパント金属イオンは、より低い酸化状態へ還元を受けることができる酸化状態でも提供されなければならない。この群における非遷移金属イオンは、アルカリ金属イオン（Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂイオン）、アルカリ土類金属イオン（ＳｒおよびＢａイオン）ならびにポスト遷移金属イオンを含む。この群の遷移金属イオンは、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、ＮｉおよびＶイオンを含む。還元を受けることができるイオンの具体的な例としては、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｃｒ６＋、Ｃｕ２＋、Ｆｅ３＋、Ｍｎ３＋、Ｍｎ４＋、Ｍｏ３＋、Ｍｏ４＋、Ｍｏ５＋、Ｍｏ６＋、Ｎｉ２＋、Ｎｉ３＋、Ｎｉ４＋、Ｖ３＋、Ｖ４＋、およびＶ５＋が挙げられる。理解されるように、本発明に関連して、異なる元素のイオンを含む上記のイオンの組み合わせを使用することができる。
【００２４】
セラミック材料の第一の層のドーパント金属イオンとして使用されることができる遷移金属イオンは、ｉ）ペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能であり、ｉｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンよりも優先的に還元され、またはｉｉｉ）ｉ）およびｉｉ）の両方の特性を有する。これらの特性の両方を有するこのような金属イオンの好ましい例としては、Ｃｒ、Ｃｕ、およびＭｎイオン、好ましくはＣｒ２＋、Ｃｕ２＋、およびＭｎ３＋から選択されるものが挙げられる。
【００２５】
いかなる理論に拘束されるものではないが、上記のドーパント金属イオンは、それらが含まれるセラミック材料の特性を修正して、本発明に関連する有益な特性を与えると考えられる。大部分が本発明によるペロブスカイト結晶相からなる薄膜セラミック材料は、ペロブスカイト（ＡＢＸ３）の成分Ｘの空孔を有することができる。薄膜セラミック材料がＡＢＯ３システムに基づく場合、例えば、セラミック材料は、還元性雰囲気下で、このような材料を含む電気素子の動作中に形成されることができる酸素空孔を有することができる。酸素空孔には効果的な正電荷があり、可動性がある。電界下では、他の電極に対して低い電位に保たれている電極に向かって（すなわち、高電位電極に向かって）移動する傾向があり、これは性能に悪影響を与える可能性がある。特に、このような酸素空孔の移動は、時間依存性の抵抗劣化による圧電薄膜の劣化の原因であると考えられる。特定の状況で薄膜セラミックの性能を回復することは可能であるが（例えば、例えば酸素下での回復アニールによって酸素空孔を排除することにより）、このような回復プロセスが性能を維持するために必要とされることは望ましくない。
【００２６】
アクセプタードーパントは、本発明に従って使用されることができる薄膜セラミック材料にさらなる酸素空孔を生成することが知られている。したがって、このようなアクセプタードーパントの使用は、一般的に、それらを含む薄膜セラミック材料の寿命に悪影響を与えると予想される。しかし、本発明に従って使用される特定のドーパントは、酸素空孔の集団を増加させながら、セラミック材料のペロブスカイト構造（ＡＢＸ３）における酸素空孔の移動度を局所的に低減することによって全体的に有益な効果を発揮すると考えられる。例えば、ヤーン・テラーイオンは、Ｘの空孔を優先的に引き付け、このような空孔の移動を低減することができる。したがって、本発明によるドーパントの存在は、セラミック材料の機械的／電気的疲労および故障に寄与する酸素空孔移動に関連する問題を克服し、そうでなければ、克服しないと考えられる。
【００２７】
あるいは、またはさらに、還元（すなわち、酸化状態の減少）を受けたペロブスカイト構造のＢサイトカチオンが、劣化したセラミック材料中に存在することが本発明者らによって見出されたことも分かった。このようなＢサイトカチオンを選択して優先的に還元を受けるセラミック材料の第一の層にドーパント遷移金属イオンを含めることによって、寿命中央値（ｔ５０）は延長されることができると考えられる。還元に対するこのような選好は、特定のＢサイトカチオンとドーパント金属イオンとの電子親和力の比較、ならびに還元後に生成される還元されたドーパントイオンの安定性に基づいて、当業者によって容易に評価されることができる。例えば、電子親和力は密度汎関数理論と結合クラスターシングルダブルおよびトリプル（ＣＣＳＤ（Ｔ））アプローチを使用して計算されることができる。それらは、通常の方法で実験的に測定されることもできる。一例として、（例えば、ＰＺＴの場合のように）ペロブスカイト結晶構造のＢサイトに本来はＴｉ４＋イオンを含む劣化したペロブスカイトセラミック材料において、Ｔｉ３＋イオンが広く認められることが見出された。このようなイオン、例えばそれぞれＭｎ２＋およびＭｎ３＋に優先的に還元を受けるＭｎ３＋またはＭｎ４＋イオンを選択して優先的に還元を受けるセラミック材料の第一の層にドーパントの一つまたは複数の金属イオンを含むことは、セラミック材料中のＴｉ４＋イオンの母集団がそれほど影響を受けないことを意味する。次に、セラミック部材の寿命中央値（ｔ５０）が延長されることがわかった。
【００２８】
寿命中央値（ｔ５０）の延長に関する同様の効果は、Ｂサイトカチオンよりも低い酸化状態を有する非遷移金属イオンがドーパントとして使用される場合にも観察される。これは、それらがＢサイトカチオンの還元の発生率を低下させる、または抑制する可能性があるためである。そのような非遷移ドーパント金属イオンの例としては、アルカリ金属イオン（Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂイオン）、アルカリ土類金属イオン（ＳｒおよびＢａイオン）、ならびにポスト遷移金属イオンが挙げられる。
【００２９】
したがって、別の態様では、本発明はまた、第一の電極と第二の電極との間に、および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立され得るように、電気素子の第一および／もしくは第二の電極に隣接して配置される多層薄膜セラミック部材に層として、ドープされたセラミック材料を組み込むことによって、電気素子の寿命中央値（ｔ５０）を増加させるために、Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされたセラミック材料の使用を提供する。一つまたは複数の遷移金属イオンの特定の例としては、Ａｇ、Ｃｏ、ＣＲ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、Ｖのイオンおよびそれらの組み合わせが挙げられる。電気素子は、本明細書で定義された通りであることができ、薄膜セラミック材料の第一の層は上記のドープされたセラミック材料に対応する。
【００３０】
さらに別の態様では、本発明は微小電気機械システムで使用するための電気素子を提供し、微小電気機械システムは、
ｉ）  大部分がペルブスカイト（ＡＢＸ３）相からなるセラミック材料の複数の層で形成される薄膜セラミック部材であって、当該薄膜セラミック部材は、第一の面と反対側の第二の面とが厚さ方向に離間している、薄膜セラミック部材と、
ｉｉ）  薄膜セラミック部材に隣接して配置される第一および第二の電極であって、動作中に、第一の電極と第二の電極との間および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、互いに対して、第一または第二の電極の一方はより高電位な電極であり、第一および第二の電極の他方はより低電位な電極である、第一および第二の電極と、を備え、
薄膜セラミック部材は、
Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる、セラミック材料の第一の層と、
セラミック材料の第一の層に対して定義された一つまたは複数のいかなる金属イオンでもドープされていないセラミック材料の第二の層と、を備え、
セラミック材料の少なくとも第一の層、好ましくはセラミック部材の全ての層は、ペロブスカイト結晶構造（ＡＢＸ３）のＢサイトを占める一つまたは複数のチタンイオン（例えば、Ｔｉ４＋イオンの形態）を含み、
および
セラミック材料の当該第一の層は、
ａ）  第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも薄膜セラミック部材の第一もしくは第二の面の一方に隣接して配置される、または、
ｂ）  より低電位な電極である第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、薄膜セラミック部材の厚さの上に配置される。
【００３１】
薄膜セラミック材料の第一の層へのドーピングは、薄膜セラミック材料の圧電／電歪特性に一般的に悪影響を与えるので、薄膜セラミック部材の全体的な圧電／電歪性能を維持するために、セラミック材料の第一の層がドープされる上記の一つまたは複数のイオンのいずれでもドープされていない薄膜セラミック材料の第二の層を備える。さらに、驚くべきことに、これらの層の組み合わせを有利に使用して、電気部品内でのその使用可能な寿命を実質的に延長しながら、薄膜セラミック部材に関連する圧電／電歪性能に関して十分に利益を増大できることが見出された。
【００３２】
上記の利点の組み合わせを達成するために、多層薄膜セラミック部材の特定の領域にセラミック材料のドープされた第一の層を配置することが重要であることが本発明者らによって見出された。具体的には、セラミック材料の第一の層は、
ａ）  第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも薄膜セラミック部材の第一または第二の面の一方に隣接して配置される、または
ｂ）  低電位電極である第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は、薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置される。
【００３３】
「薄膜セラミック部材の厚さにわたって」という表現は、薄膜セラミック部材の厚さ方向に実質的に垂直に延在する第一の層は、厚さ方向に離間して配置される多層セラミック部材の第一の面または反対側の第二の面の一つに配置されることを意味することを目的としている。その結果、電極は、電極構成に関係なく、セラミック膜部材に隣接して配置されるので、セラミック材料の第一の層は、常に少なくとも低電位電極、および本明細書に記載のいくつかの電極構成の両方の電極と接触する。
【００３４】
セラミック部材の第一の層と電極との間に、（例えば、非セラミックのポリマー層を含む）別の材料の層が配置されることはできない。本明細書で前述したように、電気部品内の薄膜セラミック部材および電極の構成は、本発明の利点を達成するために重要である。電気要素は、薄膜セラミック部材が第一の電極と第二の電極との間に挿入される電極構成を有することができる。あるいは、それは、第一および第二の電極が、例えば、隣接するまたは相互嵌合する一対の電極として、薄膜セラミック部材の第一または第二の面のうちの一つの上に提供される電極構成を有することができる。しかし、薄膜セラミック部材の構造、および多層セラミック部材内の第一の層の位置は、電極の特定の配置に依存する。
【００３５】
第一および第二の電極が、薄膜セラミック部材がその間に挿入される実施形態では、薄膜材料の第一の層は、電極間の電界の方向に基づいて配置される。特に、この電極構成において本発明の恩恵を受けるために、ドーパントを含む薄膜材料の第一の層は、電界が向けられる電極（すなわち、低電位電極）に隣接して配置される。このような配置では、薄膜セラミック材料の第一の層は低電位電極と薄膜セラミック材料の第二の層との間に介在し、次に薄膜セラミック材料の第二の層は高電位電極と薄膜セラミック材料の第一の層との間に介在する。
【００３６】
第一および第二の電極が薄膜セラミック部材の第一または第二の面の一つに設けられる実施形態では、薄膜材料の第一の層は電極への近接度に基づいて配置される。特に、この電極構成において本発明の恩恵を受けるために、ドーパントを含む薄膜材料の第一の層が電極に隣接して配置される。このような配置では、薄膜セラミック材料の第一の層は電極と薄膜セラミック材料の第二の層との間に介在する。第一および第二の電極が、薄膜セラミック部材の第一または第二の面のうちの一つに設けられる場合、第一および第二の電極は、隣接する対であってもよく、または好ましくは交互嵌合してもよく、より好ましくは第一および第二の交互嵌合する電極はそれぞれ複数の電極指を備える。
【００３７】
その他の実施形態では、セラミック部材は、セラミック部材の厚さにわたって配置されるセラミック材料の第三の層を、セラミック材料の第二の層に隣接して配置されるように備えることができ、セラミック材料の第二の層は、セラミック材料の第一と第三層との間に介在する。セラミック材料の第三の層は、セラミック材料のドープされた第一の層について定義された通りであることができる（したがって、以下でより詳細に説明するように、単にセラミック材料の第二の層の別のサブレイヤーに対応しないにすぎない）。したがって、セラミック材料の第三の層が存在する場合、セラミック材料の第二の層は、二つのドープされた層（すなわち、セラミック材料の第一および第三の層）の間に介在する。理解されるように、セラミック部材が上で定義される第三の層を備え、セラミック部材が第一と第二の電極との間に介在する場合、第一および第二の電極の両方はそれぞれ、第一または第三のドーパント層のうちの一つの形態で、セラミック材料のドープされた層と接触してもよい。それにもかかわらず、本明細書で前述のように、セラミック部材が第一と第二の電極との間に介在する本発明の利点を達成するために、セラミック材料の第一のドープされた層が、より低い電位の電極である第一および第二の電極のうちの一つと接触することだけが必要であることが見出された。しかし、本明細書に記載のように第一および第三のドープ層を有することは、セラミック部材が第一と第二の電極との間に介在する特定の別の利点を有することができる。特に、この配置では、電界の方向は、結果に関係なく反転することができる（すなわち、以下により詳細に説明されるように、「フィールドアップ」構成と「フィールドダウン」構成との間で変更される）、本発明の恩恵が確実に達成されるように、材料の第一または第三のドープ層のいずれかが常により低い電位の電極と接触するであろう。したがって、この配置は、電気素子に印加される電界の方向を自由に切り替えることができることが望ましい場合に、寿命中央値（ｔ５０）を延長するのに特に有利である。
【００３８】
別の態様では、本発明はまた、本明細書に記載の少なくとも一つの電気素子を備え、少なくとも一つの電気素子が配置される基材層をさらに備える電気部品を提供する。そして電気部品が、薄膜セラミック部材が電極の間に介在する電極構成を備える電気素子を備える場合、第一および第二の電極は、基材の位置に対するそれらの位置に応じて概念的にトップ電極または底部電極であると見なされることができる（底部電極は基材に隣接している）。このような配置では、底部電極は基材と薄膜セラミック部材との間に介在し、トップ電極は、薄膜セラミック部材の底部電極と反対側に隣接して配置される。
【００３９】
電気部品がトップ電極および底部電極を備える場合、電気部品は「フィールドアップ」または「フィールドダウン」構成で動作されることができる。その点については、図１および２を参照のこと。図１は、フィールドダウン構成で動作する本発明の実施形態による電気部品の断面図を示す。フィールドダウン構成では、電界の方向（矢印によって示される）は、上部電極（０１）から底部電極（０２）へであり（すなわち、トップ電極は高電位電極であり、底部電極は低電位電極である）、底部電極（０２）は基材（１０）上に置かれる。本発明によれば、ドープされた薄膜セラミック材料（０６）の第一の層は、動作がフィールドダウン構成にある場合、底部（低電位）電極に隣接して配置され、一方、薄膜セラミック材料（０４）の第二の層はトップ電極に隣接して配置される。
【００４０】
対照的に、図２は、フィールドアップ構成で動作する本発明の実施形態による電気部品の断面図を示す。フィールドアップ構成では、電界の方向（矢印によって示される）は、基材（１０）の上に置かれている底部電極（０２）からトップ電極（０１）へである（すなわち、底部電極は高電位電極であり、トップ電極は低電位電極である）。本発明によれば、ドープされた薄膜セラミック材料（０６）の第一の層は、動作がフィールドアップ構成にある場合、トップ（低電位）電極（０１）に隣接して配置され、一方、薄膜セラミック材料（０４）の第二の層は底部（高電位）電極（０２）に隣接して配置される。
【００４１】
図３は、フィールドダウン構成で動作する本発明の別の実施形態による電気部品の断面図を示す。特に、電界の方向（矢印によって示される）は、トップ電極（０１）から、基材（１０）の上に載っている底部電極（０２）へである（すなわち、トップ電極はより高電位な電極であり、底部電極はより低電位な電極である）。図１に図示する実施形態とは対照的に、図３に図示する実施形態は、セラミック材料の第一の層（０６）およびセラミック材料の第二の層（０４）に加えて、セラミック材料の第三の層（０８）を備える。セラミック材料の第三の層（０８）は、トップ電極（すなわち、この構成では、より高電位な電極）に隣接して配置され、セラミック材料の第一の層（０６）と同様の方法でドープされる。この実施形態は、セラミック材料の第一および第二の層のみを備える図１に示される実施形態と実質的に同じ方法で、寿命中央値（ｔ５０）を延長するという点で同じ利点を達成する。これは、図１および図３による両方の実施形態では、セラミック材料の第一の層がこれらのフィールドダウン構成でより低電位な電極である底部電極（０２）と接触するためである。
【００４２】
図３はフィールドダウン構成での動作を示すが、なお本発明の利益を得ながら、電界の方向は反転する（つまり、フィールドアップ構成で動作するように）ことができる。これは、材料の第一または第三のドープ層の一つが常により低電位な電極と接触するためである（この場合、それぞれフィールドダウン構成で概念上「第一の」および「第三の」層であったものが、フィールドアップ構成内の「第三の」および「第一の」層となる）。したがって図３の構造は、電気素子に印加される電界の方向を自由に切り替えることができることが望ましい場合、寿命中央値（ｔ５０）の延長に特に有利である。
【００４３】
図４を参照すると、本発明の電気部品も、第一の電極（０１）および第二の電極（０２）が、厚さ方向に離間している薄膜セラミック部材の二つの対向する面のうちの一つに隣接して配置されるように、配置されることができる。この場合、薄膜セラミック材料の第一の層（０６）は、電極（０１、０２）に隣接して配置される。図４に示されている概略電界線からわかるように、他の実施形態でのように、薄膜セラミック材料の第一の層（０６）は、電界が配向される（低電位）電極（０１）に隣接して配置され、それにより、使用可能な寿命を延ばすという本発明の利点をもたらす。
図５は図４によって表される類似の構成を有する電気部品の上面図を示す。図５は、薄膜セラミック部材の単一面（この場合はトップ面）上に設けられる１対の第一（０１）および第二（０２）のくし形電極を示し、電極の各々は三つの電極フィンガーを備える。
【００４４】
図６は、構成が本発明によるものではない、薄膜セラミック部材が介在するトップ電極（０１）および底部電極（０２）を有する電気部材の断面図を示す。ドープされたセラミック材料の第一の層（０６）は、第一の層（０６）を介在させる薄膜セラミック材料の第二の層（０４）と、トップ電極（０１）および底部電極（０２）の両方と備える多層薄膜セラミック部材の中心内に配置される。図６は、フィールドダウン構成での動作を示しているが、フィールドアップでもフィールドダウン構成でも、低電位電極と接触するドープされたセラミック材料の第一の層（０６）はない。その結果、以下の実施例でより詳細に示されるように、図６の構成は、本発明の利益を達成することができない。
【００４５】
上記のように、セラミック材料の第一の層は、本明細書において特定される金属イオンのうちの一つまたは複数でドープされる。本明細書で使用する用語「ドープされた」または「ドーパント」は、例えば、セラミック材料全体の相に材料の影響を全く与えることなく、セラミック材料の性能または工学的特性を修正するために、セラミック材料の調製に使用される前駆体成分を含むことによって、セラミック材料中に取り入れられるイオン成分（ならびに典型的には、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属およびポスト遷移金属から選択される金属イオン）を指す。
【００４６】
薄膜セラミック材料の第一の層は、本明細書で説明した一つまたは複数の遷移金属イオンおよび／または非遷移金属イオンの任意の好適な総濃度を含むことができる。これらの金属イオンから選択されるドーパント金属イオンの好適な濃度範囲は、０．１〜１０ａｔ％である。理解されるように、濃度の上限は、セラミック材料への一つまたは複数のドーパントイオンの溶解度により決まる。好ましい実施形態では、セラミック材料の第一の層の上記で定義された一つまたは複数のドーパント金属イオンの濃度は、０．５〜５ａｔ％、より好ましくは１〜３ａｔ％、最も好ましくは１．５〜２．５ａｔ％の範囲である。
【００４７】
理解されるように、第一の層のために画定されるセラミック材料の第三の層が存在する場合、一つまたは複数のドーパント金属イオンの濃度範囲は、上記の第一の層と同じであることができる。
【００４８】
セラミック材料の第二の層は、セラミック材料のペルブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態をもつ一つもしくは複数の非遷移金属、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属、ではドープされないが、セラミック材料の第一の層の場合のように、必要に応じてセラミック材料の第二の層および／もしくはセラミック部材全体の特性を修正するために、セラミック材料の第二の層が一つもしくは複数の代替ドーパントでドープされることが可能である。したがって、当然のことながら第一の層（および存在する場合は第三の層）もまた、本明細書に記載の特定されたものに対する一つまたは複数の代替ドーパントでさらにドープされることができる。例えば、本明細書に記載の特定のものに対する代替ドーパントを使用して、粒径およびドメイン移動度を修正する、または（例えば、過剰な電荷キャリアを補償することによって）抵抗率、およびいくつかの特性の温度依存性を改善することができる。このような代替ドーパントの例としては、Ｍｇ、ＮｂおよびＣａのイオンが挙げられる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、本発明のセラミック材料の第二の層は、セラミック材料の第一の層に関連して説明したように、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つまたは複数の金属イオン、および／またはセラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態である、もしくは優先的に還元される一つもしくは複数の金属イオン、から選択されない一つまたは複数の代替ドーパント金属イオンを、１０ａｔ％未満、好ましくは５ａｔ％未満、より好ましくは２ａｔ％未満、さらにより好ましくは０．５ａｔ％未満含む。いくつかの実施形態では、本発明のセラミック材料の第二の層は、ドーパント金属イオンを全く含まない。
【００５０】
いくつかの実施形態では、本明細書に前述のように、本発明のセラミック材料の第一の層は、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、セラミック材料の（ＡＢＸ３）ペロブスカイト結晶構造のＢサイトカチオンと比べて、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオンへの、別の代替ドーパントイオンを全く含まない。
【００５１】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第一の層は、Ａｇ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、およびＶのうちの一つのみからの一つまたは複数のイオンでドープされる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第一の層は、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、およびＲｅのイオン、ならびにそれらの組み合わせから選択される一つまたは複数のイオンでドープされる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第一の層は、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖのイオン、ならびにそれらの組み合わせから選択される一つまたは複数のイオンでドープされる。
【００５４】
好ましい実施形態では、セラミック材料の第一の層は、一つまたは複数のＣｕ、Ｃｒおよび／またはＭｎのイオンをドーパントとして含む。
【００５５】
特に好ましい実施形態では、セラミック材料の第一の層は、ドーパントとしてＭｎの一つまたは複数のイオン、例えば、Ｍｎ２＋、Ｍｎ３＋およびＭｎ４＋イオンを含み、より好ましくはＡｇ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、およびＶの他のドーパントイオンが存在せず、さらにより好ましくは他のドーパントイオンが全く存在しない場合である。
【００５６】
本発明によってもたらされる有益な効果は、第一および第二の層、および存在する場合は第三の層の広範囲の相対的な厚さに対して達成可能である。しかし、セラミック部材の圧電／電歪性能と使用可能な寿命とのバランスをとるために、セラミック部材の厚さの大部分は、薄膜セラミック材料の第二の層によってもたらされることが好ましい。
【００５７】
セラミック材料の第一の層の厚さは、好適には薄膜セラミック部材の総厚の１％〜３０％の範囲であることができる。好ましい実施形態では、セラミック材料の第一の層は、薄膜セラミック部材の総厚の１％〜１０％、より好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の２％〜８％、最も好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の３％〜５％である。
【００５８】
したがって、別の態様では、本発明は、
ｉ）  大部分がペルブスカイト（ＡＢＸ３）相からなるセラミック材料の複数の層で形成される薄膜セラミック部材であって、当該薄膜セラミック部材は、第一の面と反対側の第二の面とが厚さ方向に離間している、薄膜セラミック部材と、
ｉｉ）  薄膜セラミック部材に隣接して配置される第一および第二の電極であって、動作中に、第一の電極と第二の電極との間および薄膜セラミック部材にわたって電位差が確立されることができるように、互いに対して、第一または第二の電極の一方はより高電位な電極であり、第一および第二の電極の他方はより低電位な電極である、第一および第二の電極と、を備える微小電気機械システムで使用するための電気要素を提供し、
薄膜セラミック部材は、
Ｉ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つまたは複数の遷移金属イオン、ならびに／または、ＩＩ）セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のＢサイトカチオンと比較して、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、でドープされる、セラミック材料の第一の層と、
セラミック材料の第一の層に対して定義された一つまたは複数のいかなる金属イオンでもドープされていないセラミック材料の第二の層と、を備え、
セラミック材料の第一の層は、薄膜セラミック部材の総厚の１％〜１０％、より好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の２％〜８％、最も好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の３％〜５％であり、
セラミック材料の当該第一の層は、
ａ）  第一および第二の電極の両方と接触し、第一および第二の電極は両方とも薄膜セラミック部材の第一もしくは第二の面の一方に隣接して配置される、または、
ｂ）  より低電位な電極である第一または第二の電極のうちの一つと接触し、第一および第二の電極は薄膜セラミック部材がその間に挿入されるように、薄膜セラミック部材の厚さにわたって配置される。
【００５９】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第一の層の厚さは、１０〜２００ｎｍ、好ましくは２０〜１００ｎｍ、より好ましくは４０〜８０ｎｍの範囲である。
【００６０】
セラミック材料の第二の層の厚さは、好適には薄膜セラミック部材の総厚の７０％〜９９％の範囲とすることができる。好ましい実施形態では、セラミック材料の第二の層は、薄膜セラミック部材の総厚の９０％〜９９％、より好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の９２％〜９８％、最も好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の９３％〜９５％の範囲である。
【００６１】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第二の層の厚さは、７５〜５００ｎｍ、好ましくは１００〜３００ｎｍ、より好ましくは１２５〜２００ｎｍの範囲である。
【００６２】
存在する場合、セラミック材料の第三の層の厚さは、好適には薄膜セラミック部材の総厚の１％〜３０％の範囲とすることができる。好ましい実施形態では、セラミック材料の第三の層は、薄膜セラミック部材の総厚の１％〜１０％、より好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の２％〜８％、最も好ましくは薄膜セラミック部材の総厚の３％〜５％である。
【００６３】
いくつかの実施形態では、セラミック材料の第三の層の厚さは、セラミック部材に存在する場合、１０から２００ｎｍ、好ましくは２０から１００ｎｍ、より好ましくは４０から８０ｎｍの範囲である。
【００６４】
薄膜セラミック部材を形成するセラミック材料の第一および第二の層、ならびに存在する場合セラミック材料の第三の層は、例えば薄膜堆積プロセスの複数のラウンドの結果として、複数のサブレイヤーをそれぞれ備えることができる。したがって、言い換えれば、セラミック材料の第一および第二の層、および存在する場合第三の層のそれぞれは、サブレイヤーの積層とすることができる。いくつかの実施形態では、セラミック材料の第一の層は、ドープされたセラミック材料の複数のサブレイヤーの積層であり、第一の層は、好ましくは２〜１０のサブレイヤーの積層、より好ましくは３〜５のサブレイヤーの積層である。いくつかの実施形態では、セラミック材料の第二の層は、セラミック材料の複数のサブレイヤーの積層であり、第二の層は、好ましくは２〜１０のサブレイヤーの積層、より好ましくは３〜５のサブレイヤーの積層である。いくつかの実施形態では、存在する場合、セラミック材料の第三の層は、セラミック材料の複数のサブレイヤーの積層であり、第二の層は、好ましくは２〜１０のサブレイヤーの積層、より好ましくは３〜５のサブレイヤーの積層である。代替的な実施形態では、第一の層（および、存在する場合、第三層）は、好ましくはスピンコーティングされたセラミック材料の単層のみを備え、サブレイヤーの積層に相当しない。
【００６５】
理解される通り、第一もしくは第二の層、または存在する場合は第三の層のうちの一つのサブレイヤーのそれぞれのセラミック材料の組成は、同一であっても異なっていてもよい。例えば、一つのサブレイヤーの組成は、電極に対するセラミック部材内のその位置に基づいて選択されることができる。例えば、サブレイヤーが、その上に適用される別のサブレイヤーをテクスチャリングするためのシード層として使用されることが意図される場合、このような層の組成は、その機能のために最適化されることができ、一方、別のサブレイヤーは異なる組成を有すことができる。第一または第二の層が複数のサブレイヤーの積層である場合、各サブレイヤーの組成は、実質的に同じもしくは同一であってもよく、またはサブレイヤーごとに変化してもよい。
【００６６】
いくつかの実施形態では、第一の層または第二の層は、複数のサブ層のラミネートであり、各サブレイヤーのＡｇ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、およびＶのイオンから選択される一つまたは複数の金属ドーパントイオンの濃度は、実質的に同じ（例えば、層間で±２％以内の濃度差）または同一である。別の実施形態では、ドーパントイオンの濃度は、サブレイヤー全体にわたる濃度勾配を提供するように（例えば、電極に隣接して配置される最上サブレイヤーまたは最下サブレイヤーに向かって濃度を増加させる）、サブレイヤーのそれぞれにおいて修正されることができる。しかし、理解される通り、このような濃度勾配を確立することは、サブレイヤー間のドーパントイオン移動を減らすための膜形成プロセスにおける特定のアニール温度の使用に依存する場合がある。当業者は、このようなドーパントイオンの移動を調整（または操作）するために、好適な処理条件を選択することができる。
【００６７】
本明細書に上記のように、本発明による薄膜セラミック部材の調製に使用される薄膜セラミック材料は、大部分がペロブスカイト結晶相からなり、それを微小電気機械システムでの使用に好適ものにする圧電／電歪特性を示す誘電体である。ペロブスカイト構造「ＡＢＸ３」では、「Ａ」と「Ｂ」は異なるサイズのカチオンであり、Ｘは両方のカチオンに結合するアニオンである。当業者によって理解されるように、複数のカチオンがペロブスカイト構造のＡサイトまたはＢサイトを占めることができることが理解される。ペルブスカイトのＸアニオンは典型的には酸素イオンであるが、Ｓ、Ｓｅ、Ｆ、ＣｌおよびＩのアニオンからも選択されることができる。
【００６８】
当業者によって理解されるように、セラミック部材の第一および第二の層のセラミック材料は、異なっていても同じであってもよい。したがって、いくつかの実施形態では、セラミック部材の第二の層のセラミック材料は、セラミック材料のペロブスカイト（ＡＢＸ３）結晶構造のヤーン・テラー変形が可能な一つもしくは複数の遷移金属イオン、ならびに／またはセラミック材料の（ＡＢＸ３）ペロブスカイト結晶構造のＢサイトカチオンと比べて、より低い酸化状態を有する一つもしくは複数の非遷移金属イオン、および／もしくは優先的に還元を受ける一つもしくは複数の遷移金属イオン、のない場合にのみ、第一の層と異なることができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、本発明の電気素子のセラミック材料は、鉛、チタン、ジルコニウム、ニオブ、および／または亜鉛イオンを含む。本発明に従って使用されることができる鉛系セラミック材料の例としては、Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３（０≦ｘ≦１）、Ｐｂ［（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）ｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３、０＜ｘ＜１、およびＰｂ［（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）ｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３、（０＜ｘ＜１）が挙げられる。いくつかの実施形態では、少なくともセラミック部材の第一の層のセラミック材料は、チタンイオンを含み、好ましくはチタンイオンがペロブスカイト結晶構造のＢサイトを占める（例えば、Ｔｉ４＋イオンの形態で）。
【００７０】
いくつかの実施形態では、電気素子のセラミック材料は鉛を含まず、好ましくはビスマス、ナトリウム、および／またはカリウムイオンを含む。このような鉛を含まないセラミック材料の例としては、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３、Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、および（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３、ＢｉＦｅＯ３ならびにそれらの組み合わせを含む固溶体が挙げられる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、ビスマス系固溶体は、薄膜セラミック部材の第一または第二の層となるように、それぞれ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、Ｃｏ、およびＶのイオンから選択される一つまたは複数のイオンによってドープされるかまたはドープされない電気素子のセラミック材料として使用される。
【００７２】
本明細書で使用される用語「固溶体」は、化合して、構成化合物の元素の組み合わせからなる新しい結晶性固体または結晶格子を形成する二つ以上の結晶性固体の混合物を指す。固溶体は、構成化合物の比率またはモル比の部分的または完全な範囲にわたって存在し、構成化合物の少なくとも一つは、概念的には「溶媒」相（すなわち、固溶体の主要なモル分率に対応する構成化合物）であると見なされることができる。
【００７３】
好ましい実施形態では、ビスマス系固溶体が、式（Ｉ）：ｘＡ−ｙＢ−ｚ１Ｃ１−ｚ２Ｃ２（式中、Ａは第一のビスマス系ペロブスカイト成分に対応し、Ｂは第二のビスマス系ペロブスカイト成分であり、Ｃ１およびＣ２は任意のドーパントペロブスカイト成分であり、ｘ＋ｙ＋ｚ１＋ｚ２＝１；ｘ，ｙ≠０；および（ｚ１＋ｚ２）≧０）を有する電気素子のセラミック材料として使用される。当業者によって理解されるように、ドーパントペロブスカイト成分Ｃ１およびＣ２は、上述の第一の薄膜セラミック層に添加される一つまたは複数のドーパントイオンとは異なる。本発明に従って使用されるドーパントイオンは、セラミック材料のペロブスカイト構造のＡサイトまたはＢサイトを占めることができるが、多成分固溶体の一部として別個のペロブスカイト成分を形成しない。
【００７４】
式（Ｉ）のペロブスカイト成分ＡおよびＢは、固溶体セラミック材料の主要なモル比率（すなわち、５０モル％を超える）に対応する。言い換えれば、（ｘ＋ｙ）＞０．５。好ましい実施形態では、（ｘ＋ｙ）＞０．６、より好ましくは（ｘ＋ｙ）＞０．７、さらにより好ましくは（ｘ＋ｙ）＞０．７５、さらにより好ましくは（ｘ＋ｙ）＞０．８である。
【００７５】
任意の異なるドーパントペロブスカイト成分Ｃ１およびＣ２は、より少ないモル分率（すなわち、５０ｍｏｌ％未満）の式（Ｉ）の固溶体セラミック材料として共に存在し、一般的に、固溶体セラミック材料の微細構造を修正するために組み込まれ、例えば強誘電性および圧電性を最適化する。言い換えれば、（Ｃ１＋Ｃ２）＜０．５。好ましい実施形態では、（Ｃ１＋Ｃ２）＜０．２、より好ましくは（Ｃ１＋Ｃ２）＜０．１５、さらにより好ましくは（Ｃ１＋Ｃ２）＜０．１０である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、式（Ｉ）のＡは（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、および式（Ｉ）のＢは（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３である。関連する実施形態では、式（Ｉ）の固溶体セラミック材料が（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３（“ＢＮＴ−ＢＫＴ”）であるように、（Ｃ１＋Ｃ２）＝０である。
【００７７】
いくつかの実施形態では、式（Ｉ）のＣ１および／またはＣ２は、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＺｒＯ３、Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、Ｂｉ（Ｚｎ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、Ｂｉ（Ｎｉ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＮａＮｂＯ３、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３、（Ｂｉ０．５Ｌｉ０．５）ＴｉＯ３、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＨｆＯ３、および（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＨｆＯ３から互いに独立して選択される。関連する実施形態では、式（Ｉ）の固溶体セラミック材料は、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３−Ｂｉ（Ｍｇ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ３（“ＢＮＴ−ＢＫＴ−ＢＭＴ”）である。
【００７８】
他の実施形態では、ビスマス系固溶体セラミック材料は、式（Ｉａ）による組成を有する：
（Ｉａ）：ｘ（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｙ（Ｂｉ０．５Ｋ０．５）ＴｉＯ３−ｚ１ＳｒＨｆＯ３−ｚ２ＳｒＺｒＯ３、
ｘ＋ｙ＋ｚ１＋ｚ２＝１；ｘ，ｙ≠０；（ｚ１＋ｚ２）＞０
【００７９】
好ましい実施形態では、式（Ｉａ）において、０．２５≦ｘ≦０．６５、より好ましくは０．３５≦ｘ≦０．５５、最も好ましくは０．４０≦ｘ≦０．５０である。
【００８０】
好ましい実施形態では、式（Ｉａ）において、０．２５≦ｙ≦０．７５、より好ましくは０．３５≦ｙ≦０．５５、最も好ましくは０．４０≦ｙ≦０．５０（Ｉａ）である。
【００８１】
好ましい実施形態では、式（Ｉａ）において、０．０１≦（ｚ１＋ｚ２）≦０．１５、より好ましくは０．０２≦（ｚ１＋ｚ２）≦０．１０、最も好ましくは０．０４≦（ｚ１＋ｚ２）≦０．０８である。
【００８２】
好ましい実施形態では、式（Ｉａ）において０．４０≦ｘ≦０．５０；０．４０≦ｙ≦０．５０、および０．０２≦（ｚ１＋ｚ２）≦０．１０である。
【００８３】
他の実施形態では、ＳｒＨｆＯ３およびＳｒＺｒＯ３のうちの一つのみが固溶体中に存在するように、ｚ１およびｚ２のうちの一つは０である。
【００８４】
本発明の電気素子に使用される第一および第二の電極は、特に限定されない。好適には、第一および／または第二の電極は、白金、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、またはそれらの組み合わせの層である。いくつかの実施形態では、第一および第二の電極の両方は白金を含む。白金は、その高い導電性と高い化学的安定性、および高温の酸素環境での酸化耐性により、特に好ましい。
【００８５】
第一および第二の電極が、薄膜セラミック部材がその間に挿入されるトップ電極および底部電極であるいくつかの実施形態では、トップ電極は、酸化イリジウムを、好ましくはイリジウム金属と組み合わせて含む。酸化イリジウムは、下にある薄膜セラミック層の酸素空孔を中和することができ、したがって、本発明の寿命延長特性を高めることができる。
【００８６】
セラミック部材の調製
薄膜微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用途の製品の調製には、通常、化学前駆体を使用する化学溶液の堆積、または固体焼結もしくはホットプレスセラミックターゲットを使用するスパッタリング（例えば、ＲＦマグネトロンスパッタリング）を含む。
【００８７】
本発明の電気素子のセラミック部材は、当業者が適切な量の前駆体、典型的には前駆体酸化物または炭酸塩を使用することに精通している任意の好適な固体合成方法によって調製されることができる。一般に、セラミック材料を製造するための従来の固相合成法は、粉末前駆体を粉砕し、続いて成形し、か焼して所望のセラミック製品を製造することを含む。粉砕は湿式または乾式粉砕のいずれかであってもよい。高エネルギー振動ミリングを、例えば、出発粉末を混合するために、ならびにか焼後の粉砕のために使用することができる。湿式粉砕を用いる場合、粉末を好適な液体（例えば、エタノールもしくは水、またはそれらの組み合わせ）と混合し、そして好適な高密度粉砕媒体（例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）ビーズ）を用いて湿式粉砕する。粉砕した粉末をか焼し、そしてバインダーと混合して、所望の形状（例えば、ペレット）に成形し、そして焼結して高い焼結密度を有するセラミック製品を製造する。
【００８８】
セラミック部材はまた、任意の好適な堆積方法によって製造されることができる。たとえば、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）（プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）および有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）を含む）、およびゾルゲル堆積を含む化学溶液堆積（ＣＳＤ）は、適切な前駆体を用いて使用されることができる。好ましくは、ゾルゲル堆積は、薄膜セラミック部材を製造するために使用される。
【００８９】
好適な前駆体の例としては、酢酸鉛三水和物、酸化鉛、チタン（ＩＶ）イソプロポキシド、チタンブトキシド、ビスマスアセテート、硝酸ビスマス、２−エチルヘキ酸ビスマス、酢酸バリウム、硝酸バリウム、２−エチルヘキサン酸バリウム、酢酸ナトリウム三水和物、硝酸ナトリウム、酢酸カリウム、硝酸カリウム、酢酸マグネシウム四水和物、硝酸マグネシウム、酢酸亜鉛、および硝酸亜鉛が挙げられる。これらの方法で好適に用いることができる好適な溶媒は、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、及び１−ブタノール）及び有機酸（例えば、酢酸及びプロピオン酸）を含む。これらの方法で好適に用いることができる好適な安定剤としては、アセチルアセトン及びジエタノールアミンを含む。
【００９０】
特定のカチオンの高い揮発性を補償するために、前駆体溶液は、それに添加される過剰量のカチオンを用いて調製されることができる。過剰なカチオンの使用は、ＣＳＤで調製されるＰＺＴ薄膜で一般的である（例えば、溶液の化学的性質に応じて、最大２０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％の過剰なＰｂ２＋を追加することができる）。鉛系薄膜の調製における過剰カチオンの使用もまた、寿命を改善することが知られており、したがって、寿命をさらに延長するために本発明と組み合わせて使用されることもできる。ビスマス、ナトリウム、およびカリウムイオンは全て、特にペロブスカイト結晶化の典型的なプロセス温度で揮発性であることもよく知られている。Ｋ２ＯおよびＮａ２Ｏの蒸気圧は特に高く、ＰｂＯの蒸気圧と同等である。したがって、同様の方法で、本発明の鉛を含有しない実施形態に関連して使用されるビスマスカチオン前駆体溶液、ならびに他のカチオン、具体的にはナトリウムおよびカリウムを含むものの前駆体溶液は、過剰なカチオンを含むことができ、当業者は使用する過剰なカチオンの適切なレベルを決定することが可能である。
【００９１】
したがって、前駆体溶液中の過剰なカチオンの使用は、得られる膜の伝導に対する耐久性／耐性に有利であることができる所望の化学量論が達成されることを確実にするのに有益である可能性がある。化学量論的な不均衡がある場合、空間電荷制限電流に寄与する点欠陥が発生する可能性がある。理解されるように、漏れ／破壊に対する耐性を改善することは、次に、所望の程度の変位を達成するために、より高い場を適用することを必要とすることができる。
【００９２】
上述のような基材を備える電気部品の製造において、前駆体溶液は、当業者が知っている任意の適切な手段によって堆積されることができる。そのような手段には、化学溶液堆積プロセスで一般的に利用されるディップコーティングまたはスピンコーティング、好ましくはスピンコーティングが含まれる。
【００９３】
ディップコーティングは、前駆体溶液の容器中に基材を浸漬し、通常は一定の速度で基材が引き出されながら、前駆体溶液を基材上に堆積させることを含む。前駆体溶液の容器から基材が引き出される速度は、コーティングの厚さを効果的に決定し、より速い引き出しは、より厚いコーティングを生じさせる。対照的に、スピンコーティングは、典型的には、スピンコート装置の使用を含み、ディスペンサーの近くで基材を固定および回転させ、ディスペンサーから前駆体溶液を、回転中または回転が開始する直前に基材上に分配することができる。
【００９４】
典型的には、スピンコーティングが使用される場合の堆積および回転、またはディップコーティングが使用される場合の浸漬および引き出しは、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１５〜２００ｎｍ、より好ましくは２０〜１００ｎｍの厚さを有するコーティング層を提供するように行われる。以下でより詳細に説明するように、本発明による多層セラミック部材を形成するように複数の層を堆積することができ、第一および第二の層は積層構造を提供する複数のサブレイヤーから形成されることができる。層／サブレイヤーの厚さは、堆積プロセス、例えばスピンコーティングのスピン速度またはディップコーティングの引き出し速度などの、ならびに溶媒の粘度、揮発性、および前駆体溶液の濃度に依存することが理解されるであろう。
【００９５】
薄膜セラミック材料の第一および第二の層が複数のサブレイヤーを含む場合、追加の各サブレイヤーは、以前に配置されたサブレイヤー上に直接形成され、その間に介在する層はない。ただし、以下でより詳細に説明するように、以前に堆積された層が少なくとも乾燥および熱分解、および場合によっては結晶化も受けている。あるいは、本明細書に記載の第一および第二の薄膜層はそれぞれ、十分な厚さを有する単一の堆積層のみから形成されることができる。
【００９６】
前駆体溶液の堆積は、通常、室温（例えば、２０℃）から１００℃の温度まで行われる。より高い堆積温度は、堆積時に前駆体溶液の溶媒のほぼ同時の蒸発をもたらす可能性がある。
【００９７】
当業者が知っているように、乾燥および熱分解を容易にするために、前駆体溶液が堆積される基材を加熱することが可能である。例えば、通常、加熱された基材の使用に依存するスプレー熱分解を使用することができる。
【００９８】
ベア基材に堆積する前に、通常、基材を洗浄して残留物や汚れを除去する。基材表面上の残留有機物を除去するには、通常、低分子量揮発性化合物、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、および／またはアセトンで洗浄した後、基材を加熱して揮発性化合物を蒸発させる。超音波浴およびプラズマエッチングを含む他の技術もまた、基材洗浄プロセスの一部として信頼されることができる。
【００９９】
本発明の一態様で電気部品に使用されることができる基材の性質は、特に限定されない。例としては、例えば、本発明の実施形態において底部電極も提供するように金属化されることができるシリコンウェーハが含まれる。例えば、Ｍ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ金属化ウェーハが好ましいが、Ｍは白金、イリジウム、またはルテニウムから選択される金属であり、好ましくは白金である。ステンレス鋼、ガラス、ＭｇＯ、およびサファイアも、電気部品の基材またはその層として使用されることができる。基材は、微小電気機械システム用途への適合性を保持していれば、任意の数の構成層を備えることができる。
【０１００】
いくつかの実施形態では、基材は、ｉ）下部電極として機能する金属もしくは金属酸化物層、またはｉｉ）導電性下部電極を提供する金属層でコーティングされた非金属層である、ダイアフラムである。好ましい実施形態では、ダイアフラムは、白金、イリジウム、酸化イリジウム、またはルテニウム、より好ましくは白金の層である。
【０１０１】
前駆体溶液の堆積の後に、セラミック材料を含むアモルファス層を形成するために、薄膜の形成は、通常、乾燥して前駆体溶液の溶媒を除去し、熱分解して前駆体化合物の反応を引き起こすことを含む。続いて、結晶化工程は、アモルファス層を、大部分がペロブスカイト相、好ましくは少なくとも９０体積％のペロブスカイト相、より好ましくは少なくとも９５体積％のペロブスカイト相、さらにより好ましくは少なくとも９８体積％のペロブスカイト相、そして最も好ましくは１００体積％のペロブスカイト相、からなる薄膜に変換する。理解される通り、乾燥および熱分解は、単一の工程で実行されてもよく、または別個のサブ工程として実施されてもよい。その後、前駆体層の結晶化は、結晶化温度／アニーリング温度に（すなわち、最初にアモルファスのコーティング層の微細構造の変化が可能である温度に）加熱することによって行われる。
【０１０２】
得られるアモルファスコーティング層の形態および／または多孔性、または高温での材料の分解に潜在的な影響がない限り、乾燥および熱分解の条件は特に限定されない。一般的に、乾燥の最低温度は、前駆体溶液中に存在する最低沸点溶媒によって決定される。同様に、熱分解工程の最低温度は、最も低い熱分解温度を有する前駆体に依存する。乾燥が行われ得る好適な温度は、６０℃〜２５０℃、好ましくは１００℃〜２００℃であり、および好適には１〜５分間、好ましくは２〜３分間である。熱分解を行うことができる好適な温度は、１５０℃〜５００℃、好ましくは２５０℃〜４５０℃、より好ましくは３００℃〜３７５℃であり、および好適には１〜１０分間、好ましくは２分〜８分間、より好ましくは３〜５分間である。
【０１０３】
使用できる典型的な結晶化温度は６００℃〜８００℃である。本明細書で使用する用語「結晶化温度」または「アニール温度」は、アモルファス堆積層が加熱される温度、およびその温度でアモルファスから結晶相への転移が可能な温度（すなわち、材料のアニール温度）を意味することを意図する。
【０１０４】
ラピッドサーマルプロセス（ＲＴＰ）は、半導体プロセスだけでなく、薄膜および厚膜を含むシートまたはディスクの形状である物体の制御された加熱にも使用できる汎用性の加熱方法である。加熱は、通常、強力な加熱ランプからの放射線を透過させるために、典型的には石英を含む透明部分を備える一つまたは複数の壁を有するチャンバー内で行われる。ハロゲンランプ、赤外線ランプ、または紫外線ランプからの放射線は、ＲＴＰにおける熱源を好適に提供することができる。好ましくは、タングステンハロゲンランプが使用される。ＲＴＰは、本発明の電気素子の薄膜セラミック部材の調製に使用されることができる。
【０１０５】
セラミック材料は薄膜として製造されるため、薄膜に関連する引張応力は、電界誘起歪および有効圧電係数ｄ３３＊の大きさに影響を与える可能性があることが理解されるであろう。当業者は、本発明のセラミック材料に関連する電界誘起歪の最大の利益を得るために、製造される薄膜に関連する残留引張応力の程度を測定し、（例えば、熱アニールを利用して応力を軽減することによって、デバイス構造を設計して所望の応力状態を達成することによって、及び膜厚を調整することによって）このような応力を制御するための措置を講じることができる。
【０１０６】
理解されるように、この方法はまた、例えば、セラミック材料が、以下に更に詳細に説明される液滴堆積装置のアクチュエータ部品の薄膜形成部分として製造される場合に利用されることができる。当業者は、本発明のセラミック材料に関連する可逆的相転移が電界に確実に応答できるように、アクチュエータ部品の構成から生じる固有応力に対応するか、または緩和することができる。したがって、液滴堆積装置に適用するので、当業者は、セラミック部材を備えるアクチュエータ素子に吐出波形を印加することによって引き起こされる電界誘起歪みの増減が、液滴を吐出するのに十分であることを確実にすることができる。一例では、これは吐出波形の好適な設計によって達成されることができる。例えば、これは例えば吐出波形に好適な振幅（例えば、好適なピーク・ピーク間の振幅）を特定すること、および／または（特有の相転移が最大及び最小電圧値の間の変化に応じて生じる）好適な最大及び最小電圧値を特定することを含むことができる。このように設計された吐出波形は、可逆的相転移を誘発するのに必要な条件に及ぼす、固有応力が有する影響に適応するか、または軽減する可能性がある。
【０１０７】
有効圧電係数（ｄ３３＊）、電気機械歪応答、および分極ヒステリシス測定は、例えば干渉計を備えたＡｉｘＡＣＣＴ圧電特性評価システムを備える、当業者によく知られている任意の好適な測定装置を使用して実行されることができる。
【０１０８】
本発明による電気素子は、様々なアクチュエータ部品の作動要素として使用されることができる。例えば、このようなアクチュエータ部品は、液滴堆積装置に使用されることができる。液滴堆積装置は、従来の印刷用途、例えばインクジェット印刷技術、ならびに３Ｄプリンティング及び他の材料堆積またはラピッドプロトタイピング技術の両方において広く使用されている。
【０１０９】
したがって、別の態様では、本発明は、上で定義された電気素子を備える液滴堆積装置で使用するためのアクチュエータ部品を提供する。関連する態様では、本発明はまた、アクチュエータ部品を含む液滴堆積装置を提供する。
【０１１０】
液滴堆積装置での使用に好適なアクチュエータ部品は、例えば、複数の流体チャンバーを備えることができ、チャンバーは一つまたは複数の列に配置されてもよく、各チャンバーはそれぞれアクチュエータ素子及びノズルを備えている。作動素子は、複数のチャンバーから対応するノズルの一つを通って流体を吐出させるように作動可能である。作動素子は、上述のように、作動素子に電界を印加するように構成され、それによって変形され、したがって液滴を吐出させる第一および第二の電極を備える。本発明の利益の達成を妨げないなら（つまり、セラミック材料の第一の層と電極を介在させないなら）、絶縁層、半導体層、導電層、および／または不動態化層を含む別の層も存在することができる。このような層を、任意の好適な製造技術、例えば堆積／機械加工技術、例えば蒸着技術、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＡＬＤ、レーザーアブレーション等を用いて設けることができる。さらに、フォトリソグラフィ技法（例えば、スパッタリング及び／又はエッチングの間にマスクをもたらすこと）等の任意の好適なパターニング技法が、必要に応じて使用されてもよい。
【０１１１】
例えば、作動素子はアクチュエータ部品の流体チャンバーのうちの一つを画定する壁を変形させることによって機能することができる。そして、このような変形は、チャンバー内の流体の圧力を増加させ、それによってノズルからの流体の液滴を吐出させることができる。このような壁は、任意の好適な材料、例えば金属、合金、誘電体材料、および／または半導体材料を含むことができる膜層の形態であってもよい。好適な材料の例としては、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ケイ素（Ｓｉ）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）が挙げられる。作動素子は、本明細書に記載のセラミック材料を薄膜の形態で備えることができる。このような薄膜はスパッタリング、ゾルゲル、化学溶液堆積（ＣＳＤ）、エアロゾル堆積、及びパルスレーザ堆積技術を含む当業者に周知の異なる技術を用いて多層を含めて製造することができる。
【０１１２】
液滴堆積装置は、典型的には、アクチュエータ部品と、アクチュエータ部品に取り付けられた一つまたは複数のマニホールド構成要素と、を備える液滴堆積ヘッドを備える。かかる液滴堆積ヘッドは、加えて、又は代わりに、例えば、アクチュエータ構成要素により提供される電気トレースによって作動素子に電気的に接続されている駆動回路を含んでもよい。このような駆動回路は、液体チャンバーの選択された群から液滴を吐出させる駆動電圧信号を作動素子に供給することができ、選択された群は、ヘッドによって受信された入力データの変化によって変化する。
【０１１３】
多様な用途の材料要求に合致させるために、広範囲の代替流体が、本明細書に記載される液滴堆積ヘッドにより堆積され得る。たとえば、液滴堆積ヘッドは、一枚の紙もしくはカード、または他の受容媒体、たとえば、織物もしくは箔もしくは成形物品（たとえば、缶、ボトル等）に移動し得るインクの液滴を吐出して、（液滴堆積ヘッドがインクジェットプリントヘッドであり得、より具体的には、ドロップオンデマンドのインクジェットプリントヘッドであり得る）インクジェット印刷用途の場合と同様に、画像を形成し得る。
【０１１４】
あるいは、流体の液滴を使用して構造体を構築することができ、たとえば電気的に活性な流体を受容媒体、たとえば回路基板上に堆積させて電気デバイスのプロトタイピングを可能にすることができる。別の例では、（３Ｄ印刷の場合のように）物体のプロトタイプモデルを生成するように、ポリマー含有流体または溶融ポリマーを、連続した層で堆積し得る。さらに他の用途では、液滴堆積ヘッドは、生体物質または化学物質を含有する溶液の液滴をマイクロアレイなどの受容媒体上に堆積するように適合されうる。
【０１１５】
問題の特定の流体を扱えるようにいくつかの改造を行うと、このような別の流体に好適な液滴堆積ヘッドは、プリントヘッドと概して構造が同様であることができる。使用可能な液滴堆積ヘッドはドロップオンデマンド液滴堆積ヘッドを含む。かかるヘッドにおいて、吐出された液滴のパターンは、ヘッドに提供される入力データによって異なる。
【０１１６】
ここで、本発明は本発明を例示することを意図し、決して限定することを意図しない以下の実施例を参照することにより説明される。
【実施例】
【０１１７】
一般的な調製方法
底部電極とトップ電極の間に介在する、ニオブをドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＮＺＴ）およびマンガンをドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＭＺＴ）を含む多層薄膜セラミック部材を備える電気部品を、試験用に調製した。全ての薄膜は、（本発明によるセラミック材料の第二の層に対応するバルク膜を形成するために使用される）ＰＮＺＴのために、および（本発明によるドープされたセラミック材料の第一の層に対応する）ＰＭＺＴのために好適な前駆体溶液を使用するゾルゲル堆積によって堆積された。ＰＮＺＴの第二の層を調製するための前駆体溶液には、好適な過剰鉛が使用された。同様に、ＰＭＺＴ膜層では好適な鉛過剰が使用され、これは、異なる試料間で化学量論を可能な限り維持するために、ドーパントの濃度によって変化させた。
【０１１８】
トップ電極に隣接して配置されたＰＭＺＴ層を備える試料の場合、１５ｗｔ％のＰＮＺＴ前駆体溶液を使用して、底部電極として白金めっきされたシリコン上に、下にあるＰＮＺＴフィルム層が形成された。続いて、ＰＭＺＴ層は、異なる濃度のＭｎドーパントイオンを有し、異なる膜厚で、異なるＰＭＺＴ前駆体溶液を用いて、異なる試料のＰＮＺＴバルク膜層上に堆積された。代わりに、ＰＭＺＴ層が底部電極に隣接して配置される場合（薄膜セラミック部材を形成するためのシード層）、同じ白金めっきされたシリコン底部電極が使用され、ＰＭＺＴシード層の上にＰＮＺＴ膜が形成された。全ての場合において、白金トップ電極が使用された。
【０１１９】
全ての溶液は、５００ｒｐｍで動的ディスペンスを使用して３５００ｒｐｍで４５秒間基材上にスピンコーティングされた。スピンコーティング後、膜を１００℃で１分間乾燥し、３００℃で４分間熱分解した。最後に、試料を高速サーマルアニーラー（ＲＴＡ）で、７００°Ｃで１分間、２ＳＬＰＭのＯ２フロー下で、１０℃／ｓの加熱速度で結晶化した。
【０１２０】
Ｍｎドーパントの酸化状態の変化は、調製プロセス中および結晶化後に観察された。それにもかかわらず、存在するさまざまなＭｎイオンの最大の集団は、３＋／４＋の酸化状態に起因した。
【０１２１】
高加速寿命試験（ＨＡＬＴ）
ＨＡＬＴは、Ｋｅｉｔｈｌｅｙピコ電流計を直流（ＤＣ）源および漏れ電流測定ツールとして使用して実行された。２０個のコンデンサー試料は２４ピンデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）に配置された。トップ電極は、Ａｕワイヤでパッケージのコンタクトパッドにワイヤボンディングされた。Ｌａｂｖｉｅｗベースのソフトウェアは、試料全体の漏れ電流を時間に対して監視した。ＨＡＬＴ測定は、３００ｋＶ／ｃｍのＤＣ電界で２００℃の温度で行われ、試験された試料の寿命中央値の継続時間が確認された。
【０１２２】
実施例１
多くの薄膜セラミックを、上記の一般的な調製方法に従って調製した。各試料について、ＰＮＺＴのバルク膜（前駆体溶液の組成：１１４／２／５２／４８）は、１．５μｍの膜厚で底部電極に隣接して堆積され、ＰＭＺＴのトップ層（前駆体溶液組成：１１４／ｘ／５２／４８、ここで、ｘ＝１、２または３）は、ＰＮＺＴのバルク膜とトップ電極との間に介在するように、ＰＮＺＴ層上に堆積された。ＰＭＺＴのトップ層は、約６０〜７０ｎｍの膜厚を備え、そして１ａｔ％〜３ａｔ％まで変化するドーパントＭｎイオン濃度を有する。比較の目的ために、薄膜セラミック部材としてＰＮＺＴのみを含む試料も試験された。
【０１２３】
試料は、フィールドアップ構成（トップ電極が低電位電極であることを意味する）またはフィールドダウン構成（底部電極が低電位電極であることを意味する）のいずれかで動作された。ＨＡＬＴ分析は、試験される各薄膜セラミック組成／構成に対して調製された２０の試料に対して実行され、試料の５０％が故障するのにかかった時間に基づいて、寿命中央値（ｔ５０）の期間が評価された。この文脈での故障は、電気素子の薄膜セラミック部材について検出される最小漏れ電流密度の１００倍の閾値を超える薄膜セラミック部材の漏れ電流値に基づいて定義される。ＨＡＬＴ分析の結果を以下の表１に示す：
【表１】
2021524153.tif 000003
【０１２４】
表１の結果は、低電位電極と第二の層（バルクＰＮＺＴ層）との間に本発明による第一の層（ＰＭＺＴ層）を設けることに関連する寿命中央値（ｔ５０）の改善を示す。
【０１２５】
予想通り、フィールドダウン構成で動作されたＰＭＺＴのトップ層を持たない純粋なＰＮＺＴバルク膜は、フィールドアップ構成で動作された純粋なＰＮＺＴと比較して、より長い寿命中央値（ｔ５０）（２７．２時間対１４．４時間）を与えた。上述のように、フィールドアップ構成での動作は、フィールドダウン構成での動作よりも寿命中央値が短いことが歴史的に知られている。しかし、表１の結果からわかるように、トップ電極（フィールドアップ構成で動作した場合、低電位電極）に隣接するＰＭＺＴトップ層を含むことにより、フィールドアップ構成では寿命中央値（ｔ５０）を実質的に増加させ、単に代わりにフィールドダウン構成でＰＮＺＴだけからなる試料を使っただけの動作に関連する増加をはるかに超えている。特に、フィールドアップ構成で動作する３ａｔ％ＰＭＺＴのトップ層を有する試料によって与えられる寿命中央値（ｔ５０）は、フィールドダウン構成で動作するＰＮＺＴだけからなる試料の継続時間の３倍を超える。
【０１２６】
実施例２
実施例１の実験は、ＰＭＺＴ含有試料がそれぞれ２ａｔ％のＭｎイオンドーパント濃度を有し、ＰＭＺＴのトップ層の厚さが約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの間で変化したことを除いて、実質的に繰り返された。試料のＨＡＬＴ分析は、ＰＭＺＴのトップ層の厚さの変化が寿命中央値（ｔ５０）に及ぼす影響を評価するために完了した。結果は、比較のためにＰＮＺＴだけからなる試料の結果とともに以下の表２に示される。
【０１２７】
【表２】
2021524153.tif 000004
【０１２８】
表２の結果はまた、低電位電極と第二の層（バルクＰＮＺＴ層）との間に本発明による第一の層（ＰＭＺＴ層）を設けることに関連する寿命中央値（ｔ５０）の改善を示す。フィールドアップ構成では、トップ電極は、ＰＭＺＴのトップ層に隣接する低電位電極である。示すように、フィールドアップ構成で動作するＰＭＺＴのトップ層の存在は、異なるトップ層の厚さにわたって寿命中央値を大幅に延長する。対照的に、ＰＭＺＴのトップ層が設けられる、動作がフィールドダウン構成である場合、寿命の中央値（ｔ５０）の改善に関して利点は観察されない。これは、底部電極がフィールドダウン構成の低電位電極であるため、ＰＭＺＴのトップ層が低電位電極に隣接して配置されていないためである。その結果、代わりに低電位電極に隣接して配置されるのはＰＮＺＴのバルク膜である。
【０１２９】
これらの結果は、薄膜セラミック部材が電極間に介在する場合、寿命中央値（ｔ５０）を延長することにおいて本発明の利益を生じさせるためには、ドープされたセラミック材料の第一の層の位置は低電位電極（すなわち、電界が向けられる電極）に隣接していなければならないことを確認している。
【０１３０】
実施例３
多くの薄膜セラミックを、上記の一般的な調製方法に従って調製した。各サンプルについて、ＰＭＺＴ薄膜が底部電極に隣接して堆積された。したがって、ＰＭＺＴ層はまた、その上に堆積されるバルク膜をテクスチャリングするためのシード層として機能するので、ＰＭＺＴのカチオン比は、シード層としての性能を優先するように、前の実施例で使用された組成物から修正された（前駆体溶液組成物：１１９／１／４４／５６または１２０／２／４４／５６）。ＰＭＺＴのシード層は、約６０〜７０ｎｍの膜厚を備え、そして１ａｔ％または２ａｔ％のドーパントＭｎイオン濃度を有していた。ＰＭＺＴシード層とトップ電極との間に介在するように、厚さ１．５μｍのＰＮＺＴをＰＭＺＴシード層上に堆積させた。
【０１３１】
試料を、フィールドアップ構成（トップ電極が低電位電極であることを意味する）またはフィールドダウン構成（底部電極が低電位電極であることを意味する）のいずれかで動作させた。ＨＡＬＴ分析は、試験される各薄膜セラミック組成／構成に対して調製された２０の試料に対して実行され、試料の５０％が故障するのにかかった時間に基づいて、寿命中央値（ｔ５０）の期間が評価された。この文脈での故障は、電気素子の薄膜セラミック部材について検出される最小漏れ電流密度の１００倍の閾値を超える薄膜セラミック部材の漏れ電流値に基づいて定義される。ＨＡＬＴ分析の結果は、比較のためにＰＮＺＴだけからなる試料の結果とともに以下の表３に示される。
【表３】
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【０１３２】
表３の結果は、低電位電極と第二の層（バルクＰＮＺＴ層）との間に本発明による第一の層を設けることに関連する寿命中央値（ｔ５０）の改善を示す。フィールドアップ構成では、トップ電極は、この実施例ではＰＮＺＴバルク層に隣接する低電位電極である。代わりに、ＰＭＺＴシード層は底部（高電位）電極に隣接して配置される。その結果、示すように、寿命中央値（ｔ５０）はほとんど改善しない。対照的に、フィールドダウン構成で動作するＰＭＺＴシード層の存在は、２％ＭｎドープＰＺＴ試料で示されるように寿命中央値（ｔ５０）を大幅に延長する（ＰＮＺＴだけからなる試料の２７．２時間に対して９４．６時間のｔ５０）。フィールドダウン構成での動作は、ＰＭＺＴシード層が低電位電極に隣接して配置されることを意味するために、この改善がもたらせられる。
【０１３３】
実施例４
ＰＭＺＴ層の位置へ及ぼす寿命の依存性を確認するために、薄膜スタックの中心で厚さ方向にＰＭＺＴ層を有する試料も準備して試験された。約７５０ｎｍの厚さのＰＮＺＴ（前駆体溶液組成：１１４／２／５２／４８）の層が底部電極上に堆積され、続いて２ａｔ％ＭｎドープＰＺＴ（前駆体溶液組成：１１４／５２／４８）層が７０ｎｍの厚さに堆積された。続いて、約７５０ｎｍの厚さのＰＮＺＴの別の層が、ＰＭＺＴが底部電極およびトップ電極の両方に隣接するように、ＰＭＺＴ層のトップ上に堆積された。
【０１３４】
前の実施例と同じ方法でＨＡＬＴ分析を実行し、結果を以下の表４に、比較のために、同じドーパント濃度および厚さを有する、ＰＭＺＴのトップ層を有する（実施例１ならびに２）ならびにＰＭＺＴシード層（実施例３）を有する薄膜セラミック部材使用した試料について得られた結果とともに示す。
【表４】
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【０１３５】
上記の結果は、ドープされたセラミック材料の第一の層（すなわち、ＰＭＺＴ層）が低電位電極に隣接して配置されていない場合、寿命中央値（ｔ５０）に改善がないことを示している。フィールドアップでもフィールドダウンでもない構成において、ＰＭＺＴ層は低電位電極に隣接して配置され、低電位電極とＰＭＺＴ層はＰＮＺＴの層が間に挿入される場合、ＰＮＺＴだけからなるバルク膜試料と比較して、どちらの構成でも寿命中央値（ｔ５０）の改善は観察されない。これは、ＰＭＺＴ層がトップ層またはシード層として提供され、それぞれフィールドアップまたはフィールドダウン構成で動作する場合とは完全に対照的であり、これにより、表４の比較結果に示すように、ＰＮＺＴだけからなるバルク膜試料と比較して寿命中央値（ｔ５０）が大幅に向上する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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