压电薄膜特性参数的测量方法

Ａｂ ｔ ａ ｔ ｉ ｍａ ｅ ｉｌ ａ ｄ ｄ ｖｃ ｓ ｈ ｖ ｅ ｎ ｗｉ ｅｙ ｕ ｅ ｎ ｍｉｒ — ｌｃ ｒ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｙ ｔ ｍ （ Ｅ ຫໍສະໝຸດ Baidu ｙ ｔ ｍ ｓｒ ｃ ：Ｆ ｌ ｍ ｔ ｒａ ｓ ｎ ｅ ｉｅ ａ ｅ ｂ ｅ ｄ ｌ ｓ ｄ ｉ ｃ ｏ ｅｅ ｔｏ ｃ ａ ｉａ ｓ ｓ ｅ Ｍ Ｍ ）ｓ ｓ ｅ
ｔ ｃ ｉ ｅ ｒ ｏ ｐａ ｅ ｏｒｐｉｚ ｌｃ ｒｃ ａ ｌｃ ｔｏｎ ｎ ｈｅｆ ｔ ｅ ｄｅ ｅｏｐ ｅ ｆｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉａ ｉｎ ｅ ｈｎｑｕ ｓ ｗｅ ｅ ｃ ｍ ｒ ｄ ｆ ｅ ｏｅｅ ｔｉ ｐｐ ｉａ ｉ ｓ ａ ｄ ｔ ｕ ｕｒ ｖ ｌ ｍ ｎｔｏ ａ ｕ ｅ ｎｔｃ ａ ａ ｔｒｚ ｔｏ ｏ ｅ ｏｅｅ ｔｉ ｈｉ ｉ ｓ ｗ ｅ ｅ ｐ ｅ ｉｔ ｄ． ｆｐｉｚ ｌｃ ｒｃ ｔ ｎ ｆｌ ｒ ｒ ｄｃ ｅ ｍ Ｋ ｅ ｒ ： ｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｈｉ ｉｍ ； ｐｅ ｏｅｅ ｔｉ ｏ ｆ ｉｉｎ ； ｍ ｅ ｓ ｅ ｅ ｅ ｈｏ ｙ ｗｏ ｄｓ ｐ ｅ ｏ ｌ ｃｒｃ ｔ ｎ ｆｌ ｉｚ ｌｃ ｒｃ ｃ ｅ ｆｃｅ ｔ ａ ｕｒ ｍ ｎｔｍ ｔ ｄｓ
电薄 膜 特 性 参数 的测 试 表 征 作 了展 望 。
关 键 词 ： 电 薄膜 ； 电参 数 ； 量 方 法 压 压 测
中 图分 类号 ： ３ ； Ｍ２ ２ ＴＮ Ｏ Ｔ ８
文献标识码 ： Ａ
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｅ ｈｏ ｓ ｆ ｒ Ｐｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｅ ｆｃ ｅ ｔｏ ｅ ０ ｌ ｃ ｒｃ Ｔｈｉ ｌ ａ ｕ ｅ ｎｔＭ ｔ ｄ ｏ ｅ ０ ｌｃ ｒ ｃ Ｃｏ ｆ ｉ ｉ ｎ ｆ Ｐｉ ｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｎ Ｆｉｍｓ
ｗ ｉｈ ｔ ｅ ｅｌｐｍ ｅ ｔｏｆｍ ｉｒ ｍ ａ ｉ ｔ ｈｅ ｄ ｖ ｏ ｎ ｃ ｏ ｔｏｎ， ｈｉ ｅ ｓｔｖｔ ｎｄ ｉ ｅ ｒ ｔｏｎ ｏｆ ｅｅ ｔｏ ｃ ｄ ｖｉｅ ． Ｂｕ ｔ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｇｈ ｓ ｎ ｉｉ ｉｙ ａ ｎｔ ｇ ａ ｉ ｌｃ ｒ ｎｉ ｅ ｃ ｓ ｔ ｈｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｎｔ
压 电薄膜 作为 一 种 很 有前 景 的材 料 被广 泛 应
用在微 机 电系 统 （ ＭＳ 中 ， ＭＥ ） 比如 微 致动 器 、 泵 、 微
目前 ， 于薄膜压 电参 数 的测 量方法 有很多种 ， 对 本 文主要 选取几 种 可靠 性 较好 ， 精度 较 高 的方 法加
以介 绍 。这些方 法主要 分为 直接测 量法 和间接测量 法两类 。前 者利用 正 逆 压 电效 应 ， 接检 测 到 由外 直 加 电场 产生 的位移 或 施 加 负载 产 生 的 电荷 ， 由此 可 导 出逆 压 电参 数 （ 。） ｄ 。 或横 向压 电系数 （。） ｅ 。间接
化学传 感器及 移 动 通信 中的 射频 滤 波 器ｌ 等 。对 １
ＭＥ ＭＳ器件 中压 电薄 膜 的研 究有 助 于新 器 件 的 建 模 和设计 ， 因此 ， 准确测 量压 电薄膜 的特性参 数十 分
重 要 。由于薄膜 受衬 底 材 料 的影 响 ， 其压 电特 性 的 表 征与体材 料相 比有很 大 的 不 同。 目前 ， 国内对 薄 膜材 料 的压 电测试 表 征极 少 ， 国外 对 薄膜 压 电参 数
的测 试 已做 了很 多 工 作 ， 立 了很 多 创新 技 术 ； 建 然
测量法利 用正 压 电效应 来 研 究 薄膜 的机 械 特 性 （ 应
力 和应变 ） 电学特 性 （ 和 电压 和 电荷 ） 的联 系 。本 间 文 主要对 当前测 量压 电薄膜 特性参 数 的各 种方法进 行 了分析 和 比较 。
收稿 日期 ： ０ ９Ｏ — ９ ２ ０ 一 １ １ 基 金项 目 ： 家高 技 术 “ 六 三 ” 划基 金 资 助 项 目（０ ７ 国 八 计 ２ ０ ＡＡ０ Ｚ ２ ） 国 家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（０ ７ ０ ３ ３ １ｏ ； ６７７４） 作 者简 介 ： 青 萍 （９ ０） 女 ， 西 绥 德 人 ． 王 １８ 一， 陕 硕士 生 ， 要从 事 压 电薄 膜 的 性 能研 究 。 主
Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｓ ａ ｃ ｎ ｒ ｏｒＦｕ ｃ ｉ ｎ ｌ ｒ ｍ ｉｓ Ｍ ＯＥ Ｈｕ ｚ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｇ ｎ ｅ ｉｇ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｃｅ ｔ ｅ ｆ ｎ ｔｏ ａ Ｃｅ ａ ｃ ａ ｈ ｎ ｉ ｅ ｓ ｔ ｆＳ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｗ ｕ ａ ３ ０ ４，Ｃｈ ｎ ） ｈ ｎ４ ０ ７ ｉ ａ
ｕ ｅ ｎ （ｎ ｌ ｄ ｎ ｎ ｕ ｔｃｐ ｅ ｓ ｒ ｉ ｒ ｍｅ ｔ ｉ ｃｕ ｉｇ ｐ ｅ ｍａ ｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ｒ ｇ，ｃ ｎ ｉ ｖ ｒｍｅ ｈ ｄ ａ ｅ ｔ ｒｅ ｏ ｔ ｒｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｌ ｓ ｒ Ｄ ｐ ｌ ｒｖｂ ｏ ａ ｔ ｅ ｅ ｔ ｏ ，ｌｓ ｒ ｉ ｅ ｆ ｒ ｍｅ ｅ ｔ ｏ ｎ ａ ｅ ｏ ｐ ｅ ｉ ｒ — ｌ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ｏ ） ｎ ｎ ｉｅ ｔｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｌ ｍｐ ｄ ｎ ｅ ａ ａｙ ｅ ） Ｔｈ ａ ｉ ｐ ｉｃ ｐ ｅ ｔ ｒｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｉ ｄ ｒ ｃ ａ ｕ ｅ ｎ （ ｏ ｖ ｎ ｉ ａ ｉ ｅ ａ ｃ ｎ ｌ ｚ ｒ ． ｅ ｂ ｓｃ ｒｎ ｉ ｌ ，ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｃ ａ — ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｈ ｒ
ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｉｚ ｅｅ ｔｉ ｒ ｐ ｒ ｉｓｏ ｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｉ ｒ ｅ ｙ ｄ ｆｅ ｅ ｔｆｏ ｔ ｏ ｅ ｏ ｕ ｋ ｍａ ｅ ｉ ｌ．Ｔｗｏ ｔ ｏ ｓ ｆ ｒｐ ｅ ｏ ｌｃ ｒ ｐ ｏ ｅ ｔ ｆｐ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃ ｈ ｎ ｆ ｍｓ ａ ｅ ｖ ｒ ｉ ｒ ｎ ｒ ｍ ｈ ｓ ｆ ｂ ｌ ｔ ｒａｓ ｃ ｅ ｌ ｆ
它们 内部 的气压 时刻 保 持 一 致 。 向腔 内充 人 （ 向 或
Ｍ ｕｎ ｉ 等 ｒ 报 道 的 单 束 激 光 干 涉 法 采 用 ｅ ｓｔ ９ Ｍｉ ｅｓｎ或 Ｍａ ｈＺ ｈ ｄ ｒ ｃ ｌ ｈ ｏ ｔ — ｅ ｎ ｅ 方案 ， 可检 测 到 活动 样 品表面 的微 小位 移 。但 单 束激光 干涉 法有 两个致 命
第 ４ 期
王 青 萍 等 ： 电 薄膜 特性 参 数 的测 量 方 法 压
６９ ０
可 靠 。其工 作原 理是在 压 电薄膜 的上下表 面分 别做 出电极 ， 电极 上 沉 积 一 薄 层 硅 ， 两 个 ０ 型 圈 固 在 用
电转 换方 程计 算 出 Ｌ 。 ８ ］
此 法 的优 点 是灵 敏 度 高 ， 应速 度 快 及可 与 半 响
摘
要： 随着 电子 元 器 件 向 微 型 、 灵 敏 、 成 等 方 向 发 展 ， 膜 材 料及 器 件 在 微 机 电 （ ＭＳ 系 统 中 得 到 广 高 集 薄 ＭＥ ）
泛应 用 ， 而测 量 压 电薄 膜 特 性参 数 的方 法 与 体 材 料 相 比 有 很 大 的不 同 。介 绍 了当 前 测 量 压 电 薄 膜 特 性 参 数 的 两 大 类 方 法 ： 接 测 量 法 （ 括 气 腔 压 力 法 、 臂 梁 法 、 光 干 涉 法 和 激 光 多普 勒 振 动 法 ） 间 接 测 量 法 （ 统 阻抗 分 析 直 包 悬 激 和 传 法 ） 详 细 分 析 了 这些 方 法 的基 本 原 理 、 试 表 征 、 用 状 况 及 存 在 的 问 题 ， ， 测 应 比较 了这 些 方 法 的优 缺 点 ， 对 未 来 压 并
第 ３ 卷第 ４ １ 期 ２ ０ 年８ ０ ９ 月
压
电
与
声
光
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ４ １３ ．
Ａｕｇ ２ ０９ ． ０
ＰＩ ＯＥＬＥ ＥＺ ＣＴＥＣＴＲＩ ＆ ＡＣ０ＵＳ ＣＳ Ｔ００Ｐ ＣＳ ＴＩ
文章 编 号 ：０ ４ ２ ７ （ ０ ９ ０ — ６ ８０ １ ０ — ４ ４ ２ ０ ） ４０ ０ — ５
ＷＡＮＧ ｎ － ｉ ｇ～，Ｆ Ｑｉ ｇｐｎ ＡＮ ｅｎ ｎ ２ ， Ｉ Ｙｕ－ ｏ ｇ Ｊ ＡＮＧ Ｓ ｅ ｇｌ 。 ｈ ｎ －ｉ ｎ
（ ． Ｈ ｕ ｅ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＥｄ ｃ ｔ １ ｂｉ ｉｅｓｔ ｏ ｕ ａ ｉ ｙ ｏｎ，Ｐｈ ｓｃ ｙ ｉｓ Ｅｌｃｒ ｎｃ ｐ ．Ｗ ｕ ａ ３ ２ ５，Ｃｈｎ ；２ ｉｇ ｅ ｈ ｎ Ｃｅａ ｃＩ ｔｔ ｔ ｅ ｔｏ ｉｓＤｅ ｔ ｈ ｎ４ ０ ０ ｉａ ．Ｊｎ ｄ ｚ ｅ ｒ ｍｉ ｎｓｉｕｅ。 Ｍ ｅ ｈ ｎｓ ＆Ｅｌｃｒ ｎｃ ｐ ．．Ｊｎ ｅｈ ｎ ３ ３ ０ ｃ ａ ｉｍ ｅｔｏ ｉｓＤｅ ｔ ｉｇｄ ｚ ｅ ３ ４ ３。Ｃｈｎ ；３ ｉａ ．Ｄｅ ｔ ｏ ｅ ｔｏ ｉ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｏｏ 。 ｐ． ｆＥｌｃｒ ｎｃＳ ｉｎ ｅａ ｄＴｅｈｎ ｌｇｙ
ａ ｔｒ ａｉｎ ｐ ｌ ａｉｎｓａ ｕ ｎ ｒ ｂｅ ｒ ｌ ｉｕ ｔａｅ ｎｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓ ｄｓ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｈ ｓ ｃｅｉ ｔ ，ａ ｐｉ ｔ ｔｔ ｓａ ｄ ｐｏ ｌｍｓｗｅ ｅａｌｌ ｓｒ ｔｄ ｉ ｈｓ ａ ｅ ，ｔｅａ ｖ ｎａ ｅ／ ｉａ ｖ ｎａ ｅ ｆｔｅ ｅ ｚ ｏ ｃ ｏ ｌ
ｃ ｔ ｇ ｉ ｓｏ ｅ ｓ ｉ ｇ ｐｉｚ ｅｅ ｔｉ ｏｐ ｒ ｉｓｏ ｅ ｏｅｅ ｔｉ ｈｉ ｉｍ ｓｗ ｅ ｅ ｉ ｒ ｄｕｃ ｄ ｉ ｈｉ ａ ｒ ａｅ ｏｒｅ ｆｍ ａ ｕｒｎ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃｐｒ ｅ ｔｅ ｆｐｉｚ ｌ ｃ ｒｃ ｔ ｎ ｆｌ ｒ ｎｔｏ ｅ ｎ ｔ ｓ ｐ ｐｅ ：ｄｉｅ ｔｍ ｅ ｓ ｒ ｃ ａ —
缺点 ：
腔外 排 出） 高压 氮气 激 发压 电效应 ， 而在 薄膜表 面 从
和衬 底背 面都会 建立 一个 静 态压力 Ａ ｐ。同时 ， 与虚
而 ， 献报道 中数据差 异非 常大 ， 意味着 很多 测试 文 这 技术是 不准确 和不可靠 的 。因此迫切 需要 提 出一 种 能被人们 广泛 接受 的标 准 的测 量压 电薄膜 特性参 数
的方法 。
１ 直 接 测 量 法
１ １ 气 腔 压 力 法 ．
气 腔 压力 法是 利 用气 压 产生 电荷 ， 看上 去简 单
压 电薄膜 特 性 参数 的测量 方法
王 青 萍 ， 跃农 ， 胜林 。 。 范 姜
（．湖北 第 二 师 范 学 院 物 理 与 电 子工 程 系 ， 北 武 汉 ４ ０ ０ ；．景 德镇 陶 瓷学 院 机 械 电子 工 程 系 ， 西 景 德镇 ３ ３ ０ ； １ 湖 ３ ２ ５２ 江 ３ ４ ３ ３ ．华 中 科 技 大学 电 子 科学 与 技 术 系 教 育 部 敏 感 陶 瓷工 程 研 究 中心 ， 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ４
导体 工艺 兼容 等 ； 缺点是 分 辨率不 高 ， 需要 制备 悬 且
臂梁 样 品 。
１ ３ 激 光 干 涉 法 ．
定 住薄 膜 的两侧 。同 时 ， 用两 个金 属 部 件 挤 压 两个 Ｏ 型圈 ， 每个 部件 都有一 个空 腔 ， 称之 为气 腔压力 加
载 法 （Ｐ ， Ｐ Ｒ） 由于两个 空腔 与相 同 的气体 通 路相 连 ，