(57)【要約】  本発明の対象は、圧電特性を有する被膜、および圧電特性を有する被膜の製造方法、殊にエアロゾルデポジション法（ＡＤＭプロセス（Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ））による、圧電特性を有する被膜の製造方法である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電特性を有する被膜において、成膜の間および成膜の後に、５００℃を上回る温度処理が行われていないことを特徴とする、前記圧電特性を有する被膜。
【請求項２】
前記被膜の圧電特性が、室温で形成されるか、または最大３５０℃までの温度での熱処理により形成されることを特徴とする、請求項１記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項３】
粉末状原料のエアロゾルデポジション法により、基材または担体上に被覆が施与されることを特徴とする、請求項２記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項４】
前記被膜が、ＰＺＴまたはＰＺＴ含有材料または鉛不含の圧電セラミックからなることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項５】
前記基材または前記担体が、セラミック、プラスチック、ガラス、金属、半導体または上記の材料からなる複合材からなっていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項６】
前記基材または前記担体が、エアロゾルデポジションに使用される粉末状原料のバルク材料よりも低い硬度を有していることを特徴とする、請求項５記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項７】
前記被膜と前記基材または前記担体との間の接着力が、前記基材または前記担体の表面の微細構造における塑性変形（機械的な付着）により達成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項８】
前記被膜が、１００μｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項９】
前記被膜が、多孔質な構造から稠密な構造までを有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１０】
前記被膜における粒径が、１μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１１】
前記被膜が、成膜プロセス後に、前記基材または前記担体を完全に、または部分的に覆っていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１２】
前記担体に中間層が備えられており、前記中間層の上に前記被膜のデポジションが行われることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１３】
稼動を可能にする電極が、前記被膜の下または上で、面全体に、部分的に、またはインターデジタル構造で配置されていることを特徴とする、請求項１１記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１４】
前記基材または前記担体が、任意の形状を有しており、たとえば湾曲していることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１５】
デポジションの際に、もしくはデポジションに引き続き、前記被膜を構造化または分極することを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の圧電特性を有する被膜。
【請求項１６】
圧電特性を有する被膜の製造方法において、成膜の間および成膜の後に、圧電特性の形成をもたらしうる、５００℃を上回る温度処理は行われないことを特徴とする、前記製造方法。
【請求項１７】
前記被膜の圧電特性が、室温で形成されるか、または最大３５０℃までの温度での熱処理により形成されることを特徴とする、請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
前記被膜の圧電特性が、室温で形成されるか、または最大３５０℃までの温度での熱処理により形成され、原料粉末のエアロゾルデポジション法により、適切な基材または適切な担体上に被覆が施与されることを特徴とする、請求項１６または１７記載の製造方法。
【請求項１９】
前記被膜が、ＰＺＴまたはＰＺＴ含有材料または鉛フリー圧電セラミックからなることを特徴とする、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２０】
前記粉末および／または前記基材もしくは前記担体が、成膜の間に外部の熱源により３５０℃を超える高温に加熱されないことを特徴とする、請求項１６から１９までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２１】
前記基材または前記担体が、セラミック、プラスチック、ガラス、金属、半導体または上記の材料からなる複合材からなっていることを特徴とする、請求項１６から２０までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２２】
前記基材または前記担体が、エアロゾルデポジションに使用される前記原料粉末のバルク材料よりも低い硬度を有していることを特徴とする、請求項２１記載の製造方法。
【請求項２３】
前記被膜と前記基材または前記担体との間の接着力が、とりわけ前記基材または前記担体の表面の微細構造における塑性変形（機械的な付着）により達成されることを特徴とする、請求項１６から２２までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２４】
前記被膜が、１００μｍ未満の厚さを有し、多孔質な構造から稠密な構造までを有し、前記被膜における粒径が、１μｍ未満であることを特徴とする、請求項１６から２３までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２５】
前記被膜が、成膜プロセスの後に、前記基材または前記担体を完全に、または部分的に覆っていることを特徴とする、請求項１６から２４までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２６】
前記担体に、中間層が備えられており、前記中間層の上にデポジションが完全に、または部分的に行われることを特徴とする、請求項１６から２５までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２７】
稼動を可能にする電極が、前記被膜の下または上で、面全体にまたは部分的に配置されていることを特徴とする、請求項１６から２６までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項２８】
稼動を可能にする電極が、前記被膜の下および／または上に、インターデジタル構造で配置されていることを特徴とする、請求項２７記載の製造方法。
【請求項２９】
前記基材または前記担体が、任意の形状を有しており、たとえば湾曲していることを特徴とする、請求項１６から２８までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項３０】
前記被膜を、デポジションの際に、もしくはデポジションに引き続き構造化することを特徴とする、請求項１６から２９までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項３１】
前記被膜を、デポジションの際に、またはデポジションに引き続き分極することを特徴とする、請求項１６から３０までのいずれか１項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電特性を有する被膜、および圧電特性を有する被膜の製造方法、殊にエアロゾルデポジション法（ＡＤ法（Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ））による、圧電特性を有する被膜の製造方法に関する。これまで、圧電特性を有する被膜を製造するためには、５００℃を上回る温度での熱処理（焼結／アニール）を含む方法が知られているのみである。この方法の従来技術は、図１に示されている。図２では、粒子が基材に衝突する際に、より小さな二次粒子に分かれる様子が見て取れる。しかしこれまでは、この二次粒子に分かれた後に、５００℃を上回るアニール工程を実施して、被膜の圧電効果または圧電特性を生み出すことが必要であった。
【０００２】
従って本発明は、圧電特性を有する被膜を提供すること、および先に挙げた問題を有しない圧電特性を有する被膜の製造方法を提供すること、殊に５００℃を上回るアニール工程を省略することを課題としていた。
【０００３】
被膜の施与および／またはアニールを、５００℃未満、好ましくは３５０℃未満、特に好ましくは３００℃未満で行うことができれば、明らかにより多くの適用可能性が存在し、かつ使用することができる基材も明らかにより多くのものが存在する。
【０００４】
前記課題は、圧電特性を有する被膜を提供することにより解決され、ここで成膜の間および成膜後に、５００℃を上回る温度処理は行われていない。好ましくは、被膜の圧電特性は、室温で形成されるか、または最大でも３５０℃までの温度における熱処理（アニール）により形成される。粉末（被膜のための粉末）および／または基材もしくは担体が、成膜の間に外部の熱源により３５０℃を超える温度に加熱されないことが殊に好ましい。以下に記載する、３００℃未満の温度での温度処理が殊に好ましい。
【０００５】
ここで好適には、気体流（キャリアガスは、空気、希ガス、酸素、窒素、水素またはこれらの混合物であってよく、空気が特に好ましい）による粉末状原料のエアロゾルデポジション法により、適切な基材または適切な担体上に被覆が施与される。被覆が施与される基材または担体は、好ましくはセラミック、プラスチック、ガラス、金属、半導体または上記の材料からの複合材からなる。
【０００６】
前記の基材または担体は、好適には、エアロゾルデポジションに使用される粉末状原料のバルク材料より低い硬度を有する。好適には、この被膜は基材または担体の形状または形態とは無関係に設けることができる。基材または担体は、任意の形状を有していてもよく、例えば湾曲していてもよい。
【０００７】
好適には、本発明の圧電特性を有する被膜はセラミック被膜であり、特に好ましくは、この被膜は、ＰＺＴまたはＰＺＴ含有材料または鉛不含の圧電セラミックからなる。この被膜の厚さは、好適には１００μｍ未満の範囲にある。この被膜において、目視または電子顕微鏡により特定される粒径は、好適には１μｍ未満の範囲にある。この被膜はさらに、好適には多孔質な構造から稠密な構造までを有しており、好ましくは理論密度の９５％を上回る。
【０００８】
被膜と基材または担体との間の接着および十分な接着力は、好ましくは、基材または担体の表面の微細構造における塑性変形、いわゆる機械的な定着により達成される。
【０００９】
施与された被膜は、成膜プロセス後に、基材または担体を、好適には完全に、または部分的に覆っている。さらに、基材または担体は、中間層を有することができ、この中間層上で、デポジションが完全に、または部分的に行われてもよい。
【００１０】
好ましい実施形態では、被膜の下および／または上に、被膜の圧電稼動を可能にする電極が面全体に、または部分的に配置されている。例えば、被膜の下および／または上にある電極は、インターデジタル構造で配置されていてよい。
【００１１】
さらに、被膜を構造化または分極することができる。好適にはデポジションの際に、もしくはデポジションに引き続き被膜を構造化するか、またはデポジションの際に、もしくはデポジションに引き続き被膜を分極する。
【００１２】
実施例：ステンレス鋼上のＰＺＴ
エアロゾルデポジション：
エアロゾル発生器内で、ＰＺＴ粉末およびキャリアガスからエアロゾルを作製する。内部で真空ポンプにより負圧が生み出されるデポジション用チャンバ内で、（スロット型の）ノズルにより、被覆すべきステンレス鋼基材上にエアロゾルを噴霧する。エアロゾルボトルとデポジション用チャンバとの間の圧力差に基づいて、エアロゾルは加速され、高速でステンレス鋼基材にぶつかる。ＰＺＴ粒子は、衝突の際に砕けて、基材上に付着したままとなり、図２に示されているように、そこで被膜を形成する。固定して位置決めされたノズルとは対照的に、可動式テーブル上に存在するステンレス鋼基材を動かすことができるので、（大きな）平面状の被覆を行うことができる。
【００１３】
アニール
ＰＺＴ被覆された試料の一部を炉内にて３００℃で約２時間にわたりアニールする。
【００１４】
金属化
分極プロセスのために、ステンレス鋼基材を電極として使用することができる。金属被膜をＰＺＴ被膜上にスパッタリングすることで対電極を作製する。その際、絶縁用のＰＺＴエッジをステンレス鋼基材とスパッタ被膜との間に残すことに留意する必要がある。これは、相応するマスクを使用することで保証することができる。
【００１５】
分極
約３０μｍの厚さのＰＺＴ被膜を台形の電圧シグナルで分極する。
【００１６】
測定結果
分極した被膜について、Ｂｅｒｌｉｎｃｏｕｒｔ−Ｍｅｔｅｒｓを用いてｄ３３値を特定した。試料面の複数箇所で確認されたｄ３３測定値の最小値および最大値は、表１に示されている。
【００１７】
表１：ｄ３３測定値（分極後１日）、ＲＴ：室温（アニールなし）。
【表１】
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【００１８】
圧電に関するデータは、温度が低いにも拘わらず、有用な圧電効果を上記のデポジション条件下で達成できることを示す。
【国際調査報告】
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