壓電薄膜特性參數(shù)的測(cè)量方法

1、-第31卷第4期2009年8月PIEZOELECT ECT RICS & ACOUSTOOPTICSAug. 2009文章編號(hào):1004-2474(2009) 04-0608-05壓電薄膜特性參數(shù)的測(cè)量方法王青萍，范躍農(nóng)，姜?jiǎng)倭?1.湖北第二師范學(xué)院物理與電子工程系，湖北武漢430205;2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程系，江西景德鎮(zhèn)333403;3.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系教育部敏感陶瓷工程研究中心，湖北武漢430074)摘 要:隨著電子元器件向微型、高靈敏、集成等方向發(fā)展，薄膜材料及器件在微機(jī)電(MEMS)系統(tǒng)中得到廣 泛應(yīng)用，而測(cè)量壓電薄膜特性參數(shù)的方法與體材料相比有很大的不同。介紹了

2、當(dāng)前測(cè)量壓電薄膜特性參數(shù)的兩大 類方法:直接測(cè)量法(包括氣腔壓力法、懸臂梁法、，激光干涉法和激光多普勒振動(dòng)法)和間接測(cè)量法(傳統(tǒng)阻抗分析 法)，詳細(xì)分析了這些方法的基本原理、測(cè)試表征、應(yīng)用狀況及存在的問題，比較了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來壓 電薄膜特性參數(shù)的測(cè)試表征作了展望。關(guān)鍵詞:壓電薄膜;壓電參數(shù);測(cè)量方法中圖分類號(hào):TN30;TM282文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AMeasurement Methods forPiezoelectric Coefficient of Piezoelectric Thin FilmsWANGQingping 1，3，F(xiàn)ANYue-nong 2,3, JIANGShengl

3、in 3(1. Hubei UniversityofEducation，Physics & Electronics Dept. Wuhan430205, China; 2. Jingdezhen Ceramic Institute， Mechanism&ElectronicsDept.，Jingdezhen 333403, China; 3. Dept. of Electronic Science and Technology， Engineering Research Centre for Functional Ceramics MOE Huazhong University of Scie

4、nce and T echnology, Wuhan 430074, China)Abstract: Film materials anddevices have been widelyusedinmicro-electromechanicalsystem(MEMS) system withthe development of micromation, high sensitivity and integration of electronic devices. But the measurement methods for piezoelectric properties of piezoe

5、lectric thin films are very different from those of bulk materials. T wo categories of measuring piezoelectric properties of piezoelectric thinfilms were introduced in this paper: directmeas- urement(including pneumatic pressure rig, cantilever method, laser interferometer method andlaser Doppler vi

6、brometer method) and indirect measurement( conventional impedance analyzer). The basic principle, measurement characterization, application status andproblems were all illustrated inthis paper, the advantages/disadvantages ofthese techniques were comparedfor piezoelectric applications andthe future

7、development of measurement characterization of piezoelectric thinfilms were predicted.Keywords: piezoelectric thin film; piezoelectric coefficient; measurement methods壓電薄膜作為一種很有前景的材料被廣泛應(yīng)目前，對(duì)于薄膜壓電參數(shù)的測(cè)量方法有很多種, 用在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中，比如微致動(dòng)器、微泵、 化學(xué)傳感器及移動(dòng)通信中的射頻濾波器 等。對(duì) MEMS器件中壓電薄膜的研究有助于新器件的建 模和設(shè)計(jì),因此,準(zhǔn)確測(cè)量壓電薄膜的特性參數(shù)

8、十分 重要。由于薄膜受襯底材料的影響,其壓電特性的 表征與體材料相比有很大的不同。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)薄 膜材料的壓電測(cè)試表征極少，國(guó)外對(duì)薄膜壓電參數(shù) 的測(cè)試已做了很多工作，建立了很多創(chuàng)新技術(shù);然 而,文獻(xiàn)報(bào)道中數(shù)據(jù)差異非常大，這意味著很多測(cè)試 技術(shù)是不準(zhǔn)確和不可靠的。因此迫切需要提出一種 能被人們廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量壓電薄膜特性參數(shù) 的方法。11.1收稿日期:2009-01-19基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)/八六三0計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2007AA03Z120);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60777043)作者簡(jiǎn)介:王青萍(1980-),女,陜西綏德人,碩士生，主要從事壓電薄膜的性能研究。本文主要選取幾種可靠

9、性較好，精度較高的方法加 以介紹。這些方法主要分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量 法兩類。前者利用正逆壓電效應(yīng)，直接檢測(cè)到由外加電場(chǎng)產(chǎn)生的位移或施加負(fù)載產(chǎn)生的電荷，由此可 導(dǎo)出逆壓電參數(shù)(d33)或橫向壓電系數(shù)(e31)。間接 測(cè)量法利用正壓電效應(yīng)來研究薄膜的機(jī)械特性 (應(yīng) 力和應(yīng)變析和比較特性(電壓和電荷)間的聯(lián)系。本 文主要對(duì)當(dāng)前測(cè)量壓電薄膜特性參數(shù)的各種方法進(jìn)直接測(cè)量法氣腔壓力法氣腔壓力法是利用氣壓產(chǎn)生電荷，看上去簡(jiǎn)單http /Avw.enki .nei偏振分束片|反慎回路C21A74 薄膜出一LicS透鏡心心器廣1我如備可靠。其工作原理是在壓電薄膜的上下表面分別做 出電極，在電極上沉積一薄層硅

10、,用兩個(gè)O型圈固 定住薄膜的兩側(cè)。同時(shí)，用兩個(gè)金屬部件擠壓兩個(gè) O型圈，每個(gè)部件都有一個(gè)空腔，稱之為氣腔壓力加 載法(PPR),由于兩個(gè)空腔與相同的氣體通路相連， 它們內(nèi)部的氣壓時(shí)刻保持一致。向腔內(nèi)充入(或向 腔外排出)高壓氮?dú)饧ぐl(fā)壓電效應(yīng)，從而在薄膜表面 和襯底背面都會(huì)建立一個(gè)靜態(tài)壓力$p。同時(shí)，與虛 地接的電極相連的電荷放大器檢測(cè)到感生電荷 $Q，根據(jù)計(jì)算$Q與$p的曲線斜率就可得到d33。此法的主要優(yōu)點(diǎn)是其能產(chǎn)生真實(shí)的d33,這在以 前的直接測(cè)量法中無法做到;而由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該 法的精度為？ 10pC/N，相對(duì)懸臂梁法較差。Gun- TaePark等報(bào)道的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)氣壓加載法對(duì)其進(jìn) 行了

11、改進(jìn),可同時(shí)測(cè)量橫向和縱向壓電系數(shù)。1.2 懸臂梁法懸臂梁法是目前應(yīng)用較多的壓電薄膜橫向壓電 系數(shù)的測(cè)量方法，通常是將壓電薄膜及其上下電極 集成到硅基懸臂梁上制成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，采用正/ 逆壓電效應(yīng)測(cè)量薄膜的d31或e31?；谡龎弘娦?應(yīng),Dubois等測(cè)量了壓電薄膜的e31,如圖1所示。 通過壓電疊堆驅(qū)動(dòng)鋁探針對(duì)懸臂梁尖端加載力使其 彎曲，采用電荷放大器測(cè)量壓電薄膜上下電極產(chǎn)生 的電荷，最后將電荷量和懸臂梁尖端位移量代入壓 電懸臂梁結(jié)構(gòu)的力電轉(zhuǎn)換方程中計(jì)算出有效的橫向 壓電系數(shù)e31f。圖1基于正壓電效應(yīng)的懸臂梁法71圖2為基于逆壓電效應(yīng)的懸臂梁測(cè)量法1。當(dāng) 在壓電薄膜的上下電極間施加正弦

12、電壓時(shí)，懸臂梁 產(chǎn)生壓電振動(dòng)，采用激光多普勒振動(dòng)儀測(cè)量懸臂梁 尖端的位移,然后利用基于異質(zhì)懸臂梁的Smits力-激光多普勤振動(dòng)儀功率A r發(fā)王器I 電轉(zhuǎn)換方程計(jì)算出81。e31此法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,響應(yīng)速度快及可與半 導(dǎo)體工藝兼容等;缺點(diǎn)是分辨率不高,且需要制備懸 臂梁樣品。1.3激光干涉法Muensit等 報(bào)道的單束激光干涉法采用Michelson或Mach-Zehnder方案，可檢測(cè)到活動(dòng)樣 品表面的微小位移。但單束激光干涉法有兩個(gè)致命 缺點(diǎn)：膜片和襯底緊貼在一起致使厚度方向上的 振動(dòng)受到嚴(yán)重抑制。膜片的振動(dòng)會(huì)使襯底彎曲變形，襯底的形 變引起的位移可能比膜片本身的位移高出若干個(gè)數(shù) 量級(jí)。A

13、.L.Kholkin等 給出了一種估計(jì)襯底彎 曲效應(yīng)的算法，并提供了幾種降低此效應(yīng)的方法。 雙束激光干涉法能很好地解決單束激光干涉法 的襯底移動(dòng)和彎曲效應(yīng)問題。由于入射到樣品正反 兩面的雙束激光的光程差保持在干涉的同一信號(hào)點(diǎn) 上,因此基本上能消除彎曲效應(yīng)，其電路原理如圖所示。QA/4(_P功率放大器I瑣相放大器 豈一：一：示波器圖391雙束激光干涉法原理圖由圖可見,激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)半波片后 偏振方向旋轉(zhuǎn)，使得干涉儀的參考臂和探測(cè)臂的光 強(qiáng)相等。其中探測(cè)光束被樣品表面反射后，再次到 達(dá)偏振分束器PB1，然后經(jīng)兩個(gè)轉(zhuǎn)折棱鏡到達(dá)PB2。 同理，探測(cè)光被PB2反射后入射到樣品的另一表 面,入射點(diǎn)

14、正對(duì)前一表面的入射點(diǎn)。探測(cè)光被樣片 再次反射后，到達(dá)分束器1BS.與參考光束匯合，產(chǎn) 生干涉，干涉的光強(qiáng)被探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后經(jīng) 鎖相放大和窄帶濾波檢測(cè)，測(cè)得的輸出電壓與位移 量的關(guān)系為一 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publi圖2基于逆壓電效應(yīng)的懸臂梁法式中 Vout為直流偏置電壓;K為光波長(zhǎng);Vp-p為對(duì)應(yīng) 于條紋位移的峰-峰電壓;$L為電場(chǎng)引起的光程差。d33= $t/Vac(3)由此得到壓電薄膜的逆壓電參數(shù)1333 KVout/2PVp_pVjn(2)式中vin為輸入正弦交流信號(hào)。此法的優(yōu)點(diǎn)是分辨率更高,能達(dá)到10 14

15、m,是 目前被普遍接受的測(cè)量壓電薄膜d33的方走。但其 缺點(diǎn)是：當(dāng)薄膜樣品隨溫度變化和空氣的折射率在 光程中不同，以及電和機(jī)械不穩(wěn)定時(shí),該法對(duì)噪音非 常敏感。一般來說，此法需在非常安靜的環(huán)境下進(jìn) 彳亍。此法需要樣品表面有很高的反射率，否則 測(cè)量結(jié)果會(huì)受到嚴(yán)重影響。在通常實(shí)踐中,根據(jù)有 限元仿真與測(cè)試結(jié)果證明，當(dāng)襯底大部分沒被箝住 時(shí),襯底彎曲是薄膜厚度變化的好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這 種情況下,直接反射在薄膜上下表面的雙束激光的 微小變化都會(huì)造成嚴(yán)重的測(cè)量錯(cuò)誤。因此需小心操 作才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。此法采用的是單點(diǎn)測(cè)量，這不能從移動(dòng)的 襯底得到精確測(cè)量薄膜厚度的變化，從而為測(cè)量d33 提供充分的信息。當(dāng)M

16、EMS器件比激光波長(zhǎng)短或者薄膜的 背面接觸不良時(shí)，此法不能應(yīng)用于MEMS器件的壓 電薄膜中。因此很多研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),Wang 等14將高分辨率的雙束激光干涉法和表面掃描振 動(dòng)法相結(jié)合，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。1.4 激光多普勒振動(dòng)法圖4為激光多普勒振動(dòng)法(LDV)原理圖15。 激光多普勒振動(dòng)儀包含一個(gè)能把光束傳給樣品的尼 康光學(xué)顯微鏡,振動(dòng)儀通過光纖視神鏈接傳播檢測(cè) 光束。調(diào)整臺(tái)是方便調(diào)整位置和集中檢測(cè)光束于樣 品的表面。其中探測(cè)激光斑點(diǎn)的典型尺寸約為 15Lm,系統(tǒng)分辨率為2pm,帶寬為2MHz(1Hz 2MHz)。樣品(包括電極)和聚集的激光斑點(diǎn)通過圖4激光多普勒振動(dòng)法由圖可見，

17、當(dāng)給薄膜樣品上加交流小信號(hào)電壓(典型值是0.1V)和可變的直流偏置電壓時(shí)，薄膜式中$t為薄膜振動(dòng)的幅值;Vac為加在薄膜上的 交流電壓。此法的最大優(yōu)點(diǎn)是能精確呈現(xiàn)壓電效應(yīng)，有非 常高的空間分辨率，且能降低因襯底彎曲和移動(dòng)問 題帶來的測(cè)量錯(cuò)誤，使得測(cè)量結(jié)果的可靠性和連貫 性得到極大的提高,是目前測(cè)量壓電薄膜參數(shù)非常 普遍的方法之一。但其缺點(diǎn)是位移分辨率無法和干 涉法的相比擬，因?yàn)樗奈灰撇⒎侵苯拥玫?而是由 多普勒頻率變化轉(zhuǎn)換而來。原因有以下幾點(diǎn)：位移的分辨率嚴(yán)重依賴于測(cè)試頻率。由于該系統(tǒng)帶寬有限制，在高頻范圍內(nèi)隨 著頻率的增加，測(cè)量的位移數(shù)據(jù)會(huì)降低。磁滯回線的測(cè)量很耗時(shí)間,因其每個(gè)點(diǎn)都 是位移

18、分辨率的線性掃描得到，因此要多次掃描才 能得到完整的磁滯回線。2 間接測(cè)量法評(píng)估薄膜的壓電特性常采用很多間接測(cè)量的方 法。這些方法通過觀察薄膜的表面形貌、內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)組成和其他納米機(jī)電特性來研究壓電薄 膜的基本特性;需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立薄膜特性和壓電 特性之間的關(guān)系。通常，被觀察的樣品是有上下電 極的壓電薄膜，薄膜平貼在某個(gè)塊體或厚片(襯底) 上,這類方法可稱為動(dòng)態(tài)方法。動(dòng)態(tài)方法最常見的 困難是要計(jì)算出d33或d31,因此，我們必須作一些硬 性的假設(shè)，并要獲得塊體所用材料的某些特性作為 參考來進(jìn)行近似計(jì)算。此類方法很多，我們只對(duì)其 中一種方法作簡(jiǎn)要介紹。2.1傳統(tǒng)阻抗分析法傳統(tǒng)阻抗分析法也叫網(wǎng)絡(luò)

19、分析法，其主要是 根據(jù)圓形復(fù)合器電容的變化通過傳統(tǒng)的阻抗/網(wǎng)絡(luò) 分析法得到薄膜壓電參數(shù)d33。具體原理是圓形復(fù) 合器由夾在兩電極之間的薄膜和圓形硅襯底組成， 復(fù)合器在外加直流偏壓V下與事先定義好的激化 方向有兩種可能:相同或相反,因此復(fù)合器在這兩種 情況下分別有電容C和Ca。定義諧振電容Cr= C/C ,則pzT薄膜的壓電參數(shù)可表示為d P dV 1+ Cr式中T為薄膜厚度;V為加在薄膜上的直流偏壓。此法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，避免了復(fù)雜的準(zhǔn)備工 作,適用于任意幾何形狀的薄膜樣品,能測(cè)量厚度在的微位移通過監(jiān)控系統(tǒng)能被檢測(cè)到,由此得到壓電 系數(shù)的簡(jiǎn)單表達(dá)式幾納米到幾百納米范圍內(nèi)薄膜的壓電參數(shù)，測(cè)出的

20、結(jié)果與很多方法很接近。3結(jié)束語方法，這些方法的原理/操作方式、優(yōu)缺點(diǎn)和可靠性本文介紹了當(dāng)前測(cè)量壓電薄膜特性參數(shù)的5種各不相同，為了分析和比較,特總結(jié)如表1所示。表1當(dāng)前壓電薄膜特性參數(shù)的各種測(cè)量方法方法原理/操作方式可靠性氣腔壓力正壓電效應(yīng)，直接/非接觸，中等懸臂梁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)d33 正壓電效應(yīng),低單束激光干涉直接/非接觸，動(dòng)態(tài)e31 逆壓電效應(yīng)，高雙束激光干涉直接/非接觸，動(dòng)態(tài)d33 逆壓電效應(yīng),高激光多普勒振動(dòng)直接/非接觸，動(dòng)態(tài)d33 逆壓電效應(yīng),高傳統(tǒng)的阻抗分析直接/非接觸，動(dòng)態(tài)d33 正壓電效應(yīng)，動(dòng)態(tài)d”低優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)簡(jiǎn)單,直接,能測(cè)得真實(shí)的d %,數(shù)據(jù)較可靠，分辨率較低直接，簡(jiǎn)單，高分辨

21、率，彎曲產(chǎn)生錯(cuò)誤，假設(shè)加載應(yīng)力均勻直接，非常高的位移分辨率和數(shù)據(jù)可靠性,有彎曲效應(yīng)和襯底移動(dòng)問題直接,非常高的位移分辨率，良好的數(shù)據(jù)可靠性，解決了彎曲效應(yīng)和襯底移動(dòng)，單點(diǎn)測(cè)量,空間分辨率不高位移分辨率較低,頻率有限制，可靠性高,空間分辨率高簡(jiǎn)單，直接，可靠性較低由表可見，各種測(cè)量方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，即使 對(duì)同樣成分的壓電薄膜，不同方法測(cè)量的特性參數(shù) 也很不相同。由于目前缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法， 不同方法測(cè)得的壓電系數(shù)相差很大，因此亟需對(duì)壓 電薄膜特性參數(shù)的測(cè)量提出統(tǒng)一可靠的測(cè)試方法， 以便為壓電MEMS器件的設(shè)計(jì)和性能研究提供有 力依據(jù)。目前，國(guó)際上大多采用位移分辨率極高的 雙束激光干涉法，該法

22、有望成為將來表征壓電薄膜 特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。參考文獻(xiàn)：HUANG Z, WHATMORE R W. A double-beam common path laser interferometer for the measurement of electric field-induced strains of piezoelectric thin films J. Review of Scientific Instruments, 2005, 76, 123906.CHAO Chen, WANG Zh-ihong, ZHU We-iguang. Measurement of longitudin

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