压电薄膜特性参数的测量方法_王青萍

Abstract: F ilm mater ials and dev ices have been widely used in micr o- electr omechanical sy stem ( M EM S) system wit h the develo pment o f micromation, hig h sensit ivity and integr ation of electr onic devices. But the measurement met 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 wo categ or ies of measur ing piezoelectric pro per ties o f piezoelect ric thin films wer e intr oduced in this paper: direct measurement( including pneumatic pr essure r ig, cant ilev er method, laser interfer ometer method and laser Do ppler vibr ometer met ho d) and indirect measur ement( conventional impedance analy zer ) . T he basic pr inciple, measurement character izat ion, applicatio n status and problems wer e all illustrated in this paper, t he adv antag es/ disadv antag es o f these techniques wer e co mpar ed fo r piezoelectr ic applicatio ns and the futur e dev elo pment of measurement characterization of piezo electr ic thin f ilms w ere predicted. Key words: piezoelect ric thin film; piezoelectr ic coefficient; measurement methods
[ 5]
电转换方程计算出 [ 8] 。 e31 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. Kholkin 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。
---第 31 卷 第 4 期 20 09 年 8 月
压
电
与
声
光
V ol. 31 N o. 4 Aug. 2009
P IEZOEL ECT ECT RICS &
A CO U ST O OP T ICS
文章编号: 1004- 2474( 2009) 04-0608- 05
压电薄膜特性参数的测量方法
王 青萍 , 范跃农 , 姜胜林
图 2 为基于逆压电效应的悬臂梁测量法
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-
生干涉, 干涉的光强被探测器转换成电信号, 然后经
[ 11] 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
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 1, 3 2, 3 3 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: A
图2 基于逆压电效应的悬臂梁法
式中
[ 12]
V out 为直流偏置电压; K 为光波长; V p-p 为对应
于条纹位移的峰- 峰电压; $L 为电场引起的光程差。
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压
电
与
声
光
200Байду номын сангаас 年
由此得到压电薄膜的逆压电参数 d33 = KV out / 2PV p-p V in 式中 V in 为输入正弦交流信号。
d 33 = $t / V ac ( 2) 式中
( 3)
$t 为薄膜振动的幅值; V ac 为加 在薄膜上的
交流电压。 此法的最大优点是能精确呈现压电效应, 有非 常高的空间分辨率, 且能降低因衬底弯曲和移动问 题带来的测量错误, 使得测量结果的可靠性和连贯 性得到极大的提高, 是目前测量压电薄膜参数非常 普遍的方法之一。但其缺点是位移分辨率无法和干 涉法的相比拟, 因为它的位移并非直接得到, 而是由 多普勒频率变化转换而来。原因有以下几点: ( 1) 位移的分辨率严重依赖于测试频率。 ( 2) 由于该系统带宽有限制, 在高频范围内随 着频率的增加, 测量的位移数据会降低。 ( 3) 磁滞回线的测量很耗时间, 因其每个点都 是位移分辨率的线性扫描得到, 因此要多次扫描才 能得到完整的磁滞回线 。
第4期
王青萍等: 压电薄膜特性参数的测量方法
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可靠。其工作原理是在压电薄膜的上下表面分别做 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 d 33 。 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 ? 10 pC/ N , 相对悬臂梁法较差。GunT ae P ar k 等 报道的应力驱动气压加载法 对其进
压电薄膜作为一种很有前景的材料被广泛应
[ 1 4] 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 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, 建立了很多 创新技术; 然 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 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。 法两类。前者利用正逆压电效应, 直接检测到由外 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( d33 ) 或横向压电系数( e31 ) 。间接 测量法利用正压电效应来研究薄膜的机械特性( 应 行了分析和比较。 力和应变) 和电学特性( 电压和电荷) 间的联系。本 文主要对当前测量压电薄膜特性参数的各种方法进
( 1. 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
Measurement Methods for Piezoelectric Coefficient of Piezoel ectric Thin Films
WANG Qing ping 1, 3, FAN Yue- nong 2, 3, JIANG Sheng lin
3
( 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)
图1 基于正压电效应的悬臂梁法
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强相等。其中探测光束被样品表面反射后, 再次到 。当 达偏振分束器 PB1 , 然后经两个转折棱镜到达 P B2 。 同理, 探 测光被 P B2 反射后 入射到 样品的另 一表 面, 入射点正对前一表面的入射点。探测光被样片
[ 10] 再次反射后, 到达分束器 BS1 , 与参考光束汇合, 产
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1. 1
直接测量法
气腔压力法 气腔压力法是利用气压产生电荷, 看上去简单
收稿日期: 2009-01-19 基金项目: 国家高技术/ 八六三 0 计划基金资助项目( 2007AA03Z120) ; 国家自然科学基金资助项目( 60777043) 作者简介: 王青萍( 1980- ) , 女, 陕西绥德人, 硕士生, 主要从事压电薄膜的性能研究。
[ 6]
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 。
图 39] 双束激光干涉法原理图 [
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
此法的优点是分辨率更高, 能达到 10 - 14 m, 是 目前被普遍接受的测量压电薄膜 d33 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。因此需小心操 作才能得到准确的结果。 ( 3) 此法采用的是单点测量, 这不能从移动的 衬底得到精确测量薄膜厚度的变化, 从而为测量 d33 提供充分的信息。 ( 4) 当 MEM S 器件比激光波长短或者薄膜的 背面接触不良时, 此法不能应用于 MEM S 器件的压 电薄膜中。因此很多研究者对其进行了改进, Wang [ 等14] 将高分辨率的双束激光干涉法和表面 扫描振 动法相结合, 提高了测量的准确性和可靠性。 1. 4 激光多普勒振动法 图 4 为激光多 普勒振 动法 ( LD V ) 原理图 [ 15]。 激光多普勒振动仪包含一个能把光束传给样品的尼 康光学显微镜, 振动仪通过光纤视神链接传播检测 光束。调整台是方便调整位置和集中检测光束于样 品的 表 面。其 中 探 测激 光 斑点 的 典 型尺 寸 约 为 15 Lm, 系统分辨率为 2 pm, 带宽为 2 MH z ( 1 H z~ 2 M H z) 。样品( 包括电极) 和聚集的激光斑点通过 视频显微镜和视频监控系统监控。
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。