压电薄膜特性参数的测量方法_王青萍
PVDF压电薄膜的力学性能和压电效应实验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
压电薄膜特性参数的测量方法
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
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 Ｓ 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
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
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
基于分区域PVDF压电薄膜的破片多参数测试装置及方法[发明专利]
![基于分区域PVDF压电薄膜的破片多参数测试装置及方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7d4c98f7b7360b4c2f3f64a4.png)
专利名称：基于分区域PVDF压电薄膜的破片多参数测试装置及方法
专利类型：发明专利
发明人：宋萍,王炫权
申请号：CN201811422618.1
申请日：20181127
公开号：CN109307533A
公开日：
20190205
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于分区域PVDF压电薄膜的破片多参数测试装置及方法，测试装置包括第一分区域PVDF压电薄膜、第二分区域PVDF压电薄膜、信号采集模块及上位机；第一分区域PVDF 压电薄膜、第二分区域PVDF压电薄膜相距设定距离，两个压电薄膜均由分区域划分形成的若干压电测量单元构成；信号采集模块输入端分别与第一分区域PVDF压电薄膜、第二分区域PVDF压电薄膜相连，信号采集模块输出端与上位机相连，上位机根据破片穿过第一分区域PVDF压电薄膜和第二分区域PVDF压电薄膜的时间和设定距离得到破片速度，同时，根据各压电测量单元上的破片数量、破损面以及产生的电荷进行多元回归分析，确定破片大小。
本发明能够实现对破片多参数多点实时测试。
申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京理工大学专利中心
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薄_厚膜压电参数测量方法的研究进展
薄/厚膜压电参数测量方法的研究进展*王青萍1,2,姜胜林2,熊龙宇2,曾亦可2(1 湖北第二师范学院物理与电子信息工程系,武汉430205;2 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,武汉430074)摘要 介绍了当前测量薄/厚压电参数的2大类方法:直接测量法(包括Berlincour t 法、圆片弯曲技术、激光干涉法、扫描激光多普勒振动法、原子力显微镜法)和间接测量法(包括体声波响应和表面声波响应法、复合谐振法)。
详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况和存在的问题,比较了这些方法的优缺点。
结果表明,高分辨率的双束激光干涉和表面扫描振动相结合的方法将是评估压电参数方便、准确和可靠的方法,有望成为将来表征薄/厚膜压电特性的标准方法。
关键词 薄/厚膜 压电参数 测量方法中图分类号:T M282 文献标识码:AResearch Development of Measurement Methods for PiezoelectricCoefficient of Thin/Thick FilmWANG Qingping1,2,JIANG Shenglin 2,XIONG Longyu 2,ZENG Yike2(1Physics &Electronics Department,H ubei University of Educat ion,Wuhan 430205;2 Depar tment of Electronic Science andTechnology,Engineer ing Research Centr e for F unctiona l Ceramics MOE,H uazhong Universityof Science and T echnology,Wuhan 430074)Abstr act Two categories of measuring piezoelectr ic propert ies of t hin/thick films are introduced in this paper:direct measur ement(including Belincour t method,wafer flexur e technique,laser interferometer met hod,laser scanning doppler vibr ometer met hod,atomic for ce micr oscopy)and indirect measurement (including bulk acoustic wave and sur face acoustic wave method,composit e resonator s).T he basic pr inciple,measurement char acter ization,a pplicat ion status and problems are illustrated specifically in this paper,the advantages/disadvantages of these techniques are ana 2lyzed for piezoelect ric applications,and the results show that combining the high resolut ion of the interfer ometer and the surface scanning ability of laser scanning vibromet er may lead to a convenient,accurate and reliable met hod for as 2sessing piezoelectr ic coefficient.And this method may be a standar d one for the development tr end of measurement technologies for piezoelelctr ic thin/thick film.Key wor ds thin/thick f ilm,piezoelectric coefficient,measur ement methods*国家高技术863计划(2007AA03Z120);国家自然科学基金(60777043)王青萍:女,1980年生,讲师,硕士研究生 E 2mail:wqphust@0 引言压电薄/厚膜作为一种很有前景的材料被广泛应用在微机电系统(Micro 2electromechanical syst ems,MEMS)中,比如微致动器、微泵、化学传感器及移动通信中的射频滤波器[1,2]等。
薄膜压电性测试
17KHz 0.370mV/V d33=15.43pm/V
9.14KHz 0.344mV/V d33=15.43pm/V
6.4KHz 0.1501mV/V d33=6.26pm/V
Piezoelectric coefficient measurement (Sample 2)
Sample 2
Frequency response of Sample 2
• For piezoelectric thin films:
d33 : the piezoelectric coefficient of a bulk piezoelectric material; d33eff : the effective value of the piezoelectric coefficient when the film is clamped onto a substrate;
Piezoelectric coefficient measurement (Sample 1)
1.Sample 1
17KHz 0.370mV/V
9.14KHz 0.344mV/V
6.4KHz 0.1501mV/V
Piezoelectric coefficient measurement (Sample 1)
S11 = 3.0, S12 =−0.9, and S13 =−0.6 in 10−12 m2 N−1 , d31 = −d33eff/2. d33eff=8.76pm/V for Sample 1 d33eff=7.67pm/V for Sample 2
A.F. Wright, J. Appl. Phys. 82 (1997) 2833.
Piezoelectic coefficient measurement for the thin film
pvdf压电薄膜静态法压电常数d31的测量装置及其测量方法
pvdf压电薄膜静态法压电常数d31的测量装置及其测量方法
PVDF压电薄膜静态法压电常数d31的测量装置包括以下部分：
1. PVDF压电薄膜：PVDF压电薄膜是测量装置的核心部分，其厚度一般为几十微米至几百微米。
2. 电极：电极是用来施加电场的，一般采用金属电极或导电聚合物电极。
3. 电源：电源用来提供电场，一般采用高压电源或信号发生器。
4. 电荷放大器：电荷放大器用来放大PVDF薄膜表面的电荷信号。
5. 数据采集系统：数据采集系统用来记录电荷信号和电场信号，一般采用示波器或数据采集卡。
测量方法：
1. 将PVDF压电薄膜固定在两个电极之间，保证薄膜表面光滑。
2. 施加电场，测量PVDF薄膜表面的电荷信号。
3. 改变电场的方向和大小，测量不同电场下的电荷信号。
4. 根据电荷信号和电场信号计算出PVDF压电薄膜的压电常数d31。
5. 重复以上步骤，取多组数据，计算平均值，提高测量精度。
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---第31卷第 4期压电与 声 光V ol.31 N o. 42009年8月P IEZOEL ECT ECT RICS &A CO U ST O OP T ICSAug. 2009文章编号:1004-2474(2009) 04-0608-05(1. 压电薄膜特性参数的测量方法王青萍, 范跃农 , 姜胜林湖北第二师范学院 物理与电子工程系, 湖北 武汉 430205; 2. 景德镇陶瓷学院 机械电子工程系, 江西 景德镇 333403;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 430074)摘要:随着电子元器件向微型、高灵敏、集成等方向发展, 薄膜材料及器件在微机电( M EM S) 系统中得到广泛应用,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:直接测量法( 包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉法和激光多普勒振动法) 和间接测量法( 传统阻抗分析 法) , 详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况及存在的问题,比较了这些方法的优缺点,并对未来压 电薄膜特性参数的测试表征作了展望。
关键词:压电薄膜; 压电参数;测量方法中图分类号:T N30; T M 282 文献标识码:AMeasurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoel ectric Thin FilmsWANG Qing ping ,FAN Y ue-nong , JIANGShenglin (1. H ub ei University of E ducation , Physics & Electronics Dept. Wuhan 430205, Ch ina; 2. Jingdezhen Ceramic Institute,M ech anis m & Electronics Dept. , Jingdezhen 333403, China; 3. Dept. of Electronic Science and T ech nology,Engin eering Research Centre for Function al Ceramics MOE H uazhong University of Science and T ech nology, W uhan 430074, Chin a)Abstract: F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o-electr omechanical sy stem ( M EM S) systemwit h the develo pment o f micromation, hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices. But the measurementmet ho ds for piezo electric pr operties o f piezoelect ric thin films ar e ver y differ ent fro m those of bulk materials. T wocateg or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper: direct meas-urement(including pneumatic pr essure r ig, cant ilev er method, laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr o-meter met ho d) and indirect measur ement( conventional impedance analy zer ). T he basic pr inciple, measurement char-acter izat ion, applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper, t he adv antag es/disadv antag es o f thesetechniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterizationof piezo electr ic thin f ilms w ere predicted.Key words: piezoelect ric thin film; piezoelectr ic coefficient; measurement methods压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应目前,对于薄膜压电参数的测量方法有很多种,用在微机电系统( MEM S) 中, 比如微致动器、微泵、 本文主要选取几种可靠性较好, 精度较高的方法加 化学传感器及移动通信中的射频滤波器 等。
对 以介绍。
这些方法主要分为直接测量法和间接测量MEM S器件中压电薄膜的研究有助于新器件的建 法两类。
前者利用正逆压电效应, 直接检测到由外 模和设计, 因此, 准确测量压电薄膜的特性参数十分 加电场产生的位移或施加负载产生的电荷,由此可 重要。
由于薄膜受衬底材料的影响, 其压电特性的 导出逆压电参数( d 33 ) 或横向压电系数( e 31 )。
间接 表征与体材料相比有很大的不同。
目前, 国内对薄 测量法利用正压电效应来研究薄膜的机械特性(应膜材料的压电测试表征极少, 国外对薄膜压电参数 力和应变) 和电学特性( 电压和电荷)间的联系。
本 的测试已做了很多工作, 建立了很多创新技术; 然 文主要对当前测量压电薄膜特性参数的各种方法进而,文献报道中数据差异非常大,这意味着很多测试技术是不准确和不可靠的。
因此迫切需要提出一种 1直接测量法能被人们广泛接受的标准的测量压电薄膜特性参数 1. 1 气腔压力法的方法。
气腔压力法是利用气压产生电荷, 看上去简单1,3 2,3 31,3 2,3 3 [14] 行了分析和比较。
第4期王青萍等:压电薄膜特性参数的测量方法609可靠。
其工作原理是在压电薄膜的上下表面分别做电转换方程计算出e31[8]。
出电极,在电极上沉积一薄层硅,用两个O型圈固定住薄膜的两侧。
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(PP R),由于两个空腔与相同的气体通路相连,它们内部的气压时刻保持一致。
向腔内充入(或向腔外排出)高压氮气激发压电效应,从而在薄膜表面和衬底背面都会建立一个静态压力$p。
同时,与虚地接的电极相连的电荷放大器检测到感生电荷$Q,根据计算$Q与$p的曲线斜率就可得到d33。
此法的主要优点是其能产生真实的d33,这在以前的直接测量法中无法做到;而由实验数据显示,该法的精度为?10pC/N,相对悬臂梁法较差。
Gun-T ae P ar k等报道的应力驱动气压加载法对其进行了改进,可同时测量横向和纵向压电系数。
1.2悬臂梁法悬臂梁法是目前应用较多的压电薄膜横向压电系数的测量方法,通常是将压电薄膜及其上下电极集成到硅基悬臂梁上制成压电悬臂梁结构,采用正/逆压电效应测量薄膜的d31或e31。
基于正压电效应,D ubois等测量了压电薄膜的e31,如图1所示。
通过压电叠堆驱动铝探针对悬臂梁尖端加载力使其弯曲,采用电荷放大器测量压电薄膜上下电极产生的电荷,最后将电荷量和悬臂梁尖端位移量代入压电悬臂梁结构的力电转换方程中计算出有效的横向压电系数e31,f。
此法的优点是灵敏度高,响应速度快及可与半导体工艺兼容等;缺点是分辨率不高,且需要制备悬臂梁样品。
1.3激光干涉法M uensit等报道的单束激光干涉法采用M ichelson或Mach-Zehnder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缺点:(1)膜片和衬底紧贴在一起致使厚度方向上的振动受到严重抑制。
(2)膜片的振动会使衬底弯曲变形,衬底的形变引起的位移可能比膜片本身的位移高出若干个数量级。
A.L.K holkin等给出了一种估计衬底弯曲效应的算法,并提供了几种降低此效应的方法。
双束激光干涉法能很好地解决单束激光干涉法的衬底移动和弯曲效应问题。
由于入射到样品正反两面的双束激光的光程差保持在干涉的同一信号点上,因此基本上能消除弯曲效应,其电路原理如图3所示。
图3双束激光干涉法原理图图1基于正压电效应的悬臂梁法[7]由图可见,激光器发出的线偏振光经半波片后偏振方向旋转,使得干涉仪的参考臂和探测臂的光强相等。
其中探测光束被样品表面反射后,再次到达偏振分束器PB1,然后经两个转折棱镜到达P B2。
图2为基于逆压电效应的悬臂梁测量法。
当同理,探测光被P B2反射后入射到样品的另一表在压电薄膜的上下电极间施加正弦电压时,悬臂梁产生压电振动,采用激光多普勒振动仪测量悬臂梁尖端的位移,然后利用基于异质悬臂梁的Smits力-面,入射点正对前一表面的入射点。
探测光被样片再次反射后,到达分束器BS1,与参考光束汇合,产生干涉,干涉的光强被探测器转换成电信号,然后经锁相放大和窄带滤波检测,测得的输出电压与位移量的关系为K[5][6][9][10][11]610 压电与 声 光2009 年由此得到压电薄膜的逆压电参数d 33= KV out /2PV p-p Vin( 2)d 33 = $t /V ac(3)式中Vin 为输入正弦交流信号。
式中$t 为薄膜振动的幅值; V ac 为加在薄膜上的此法的优点是分辨率更高, 能达到10 m, 是 交流电压。
此法的最大优点是能精确呈现压电效应,有非 目前被普遍接受的测量压电薄膜 d 33的方法。
但其缺点是:(1)当薄膜样品随温度变化和空气的折射率在光程中不同,以及电和机械不稳定时,该法对噪音非常敏感。
一般来说,此法需在非常安静的环境下进 行。
(2)此法需要样品表面有很高的反射率, 否则测量结果会受到严重影响。
在通常实践中, 根据有 限元仿真与测试结果证明, 当衬底大部分没被箝住 时,衬底弯曲是薄膜厚度变化的好几个数量级。
这种情况下,直接反射在薄膜上下表面的双束激光的微小变化都会造成严重的测量错误。