壓電薄膜特性參數的測量方法

1、-第31卷第4期2009年8月PIEZOELECT ECT RICS & ACOUSTOOPTICSAug. 2009文章編號:1004-2474(2009) 04-0608-05壓電薄膜特性參數的測量方法王青萍，范躍農，姜勝林(1.湖北第二師范學院物理與電子工程系，湖北武漢430205;2.景德鎮(zhèn)陶瓷學院機械電子工程系，江西景德鎮(zhèn)333403;3.華中科技大學電子科學與技術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電(MEMS)系統(tǒng)中得到廣 泛應用，而測量壓電薄膜特性參數的方法與體材料相比有很大的不同。介紹了

2、當前測量壓電薄膜特性參數的兩大 類方法:直接測量法(包括氣腔壓力法、懸臂梁法、，激光干涉法和激光多普勒振動法)和間接測量法(傳統(tǒng)阻抗分析 法)，詳細分析了這些方法的基本原理、測試表征、應用狀況及存在的問題，比較了這些方法的優(yōu)缺點，并對未來壓 電薄膜特性參數的測試表征作了展望。關鍵詞:壓電薄膜;壓電參數;測量方法中圖分類號:TN30;TM282文獻標識碼:AMeasurement Methods forPiezoelectric Coefficient of Piezoelectric Thin FilmsWANGQingping 1，3，FANYue-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目前，對于薄膜壓電參數的測量方法有很多種, 用在微機電系統(tǒng)(MEMS)中，比如微致動器、微泵、 化學傳感器及移動通信中的射頻濾波器 等。對 MEMS器件中壓電薄膜的研究有助于新器件的建 模和設計,因此,準確測量壓電薄膜的特性參數

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,國內對薄 膜材料的壓電測試表征極少，國外對薄膜壓電參數 的測試已做了很多工作，建立了很多創(chuàng)新技術;然 而,文獻報道中數據差異非常大，這意味著很多測試 技術是不準確和不可靠的。因此迫切需要提出一種 能被人們廣泛接受的標準的測量壓電薄膜特性參數 的方法。11.1收稿日期:2009-01-19基金項目：國家高技術/八六三0計劃基金資助項目(2007AA03Z120);國家自然科學基金資助項目(60777043)作者簡介: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量法和間接測量 法兩類。前者利用正逆壓電效應，直接檢測到由外加電場產生的位移或施加負載產生的電荷，由此可 導出逆壓電參數(d33)或橫向壓電系數(e31)。間接 測量法利用正壓電效應來研究薄膜的機械特性 (應 力和應變析和比較特性(電壓和電荷)間的聯系。本 文主要對當前測量壓電薄膜特性參數的各種方法進直接測量法氣腔壓力法氣腔壓力法是利用氣壓產生電荷，看上去簡單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O型圈固 定住薄膜的兩側。同時，用兩個金屬部件擠壓兩個 O型圈，每個部件都有一個空腔，稱之為氣腔壓力加 載法(PPR),由于兩個空腔與相同的氣體通路相連， 它們內部的氣壓時刻保持一致。向腔內充入(或向 腔外排出)高壓氮氣激發(fā)壓電效應，從而在薄膜表面 和襯底背面都會建立一個靜態(tài)壓力$p。同時，與虛 地接的電極相連的電荷放大器檢測到感生電荷 $Q，根據計算$Q與$p的曲線斜率就可得到d33。此法的主要優(yōu)點是其能產生真實的d33,這在以 前的直接測量法中無法做到;而由實驗數據顯示，該 法的精度為？ 10pC/N，相對懸臂梁法較差。Gun- TaePark等報道的應力驅動氣壓加載法對其進 行了

11、改進,可同時測量橫向和縱向壓電系數。1.2 懸臂梁法懸臂梁法是目前應用較多的壓電薄膜橫向壓電 系數的測量方法，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構，采用正/ 逆壓電效應測量薄膜的d31或e31。基于正壓電效 應,Dubois等測量了壓電薄膜的e31,如圖1所示。 通過壓電疊堆驅動鋁探針對懸臂梁尖端加載力使其 彎曲，采用電荷放大器測量壓電薄膜上下電極產生 的電荷，最后將電荷量和懸臂梁尖端位移量代入壓 電懸臂梁結構的力電轉換方程中計算出有效的橫向 壓電系數e31f。圖1基于正壓電效應的懸臂梁法71圖2為基于逆壓電效應的懸臂梁測量法1。當 在壓電薄膜的上下電極間施加正弦

12、電壓時，懸臂梁 產生壓電振動，采用激光多普勒振動儀測量懸臂梁 尖端的位移,然后利用基于異質懸臂梁的Smits力-激光多普勤振動儀功率A r發(fā)王器I 電轉換方程計算出81。e31此法的優(yōu)點是靈敏度高,響應速度快及可與半 導體工藝兼容等;缺點是分辨率不高,且需要制備懸 臂梁樣品。1.3激光干涉法Muensit等 報道的單束激光干涉法采用Michelson或Mach-Zehnder方案，可檢測到活動樣 品表面的微小位移。但單束激光干涉法有兩個致命 缺點：膜片和襯底緊貼在一起致使厚度方向上的 振動受到嚴重抑制。膜片的振動會使襯底彎曲變形，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數 量級。A

13、.L.Kholkin等 給出了一種估計襯底彎 曲效應的算法，并提供了幾種降低此效應的方法。 雙束激光干涉法能很好地解決單束激光干涉法 的襯底移動和彎曲效應問題。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點 上,因此基本上能消除彎曲效應，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)出的線偏振光經半波片后 偏振方向旋轉，使得干涉儀的參考臂和探測臂的光 強相等。其中探測光束被樣品表面反射后，再次到 達偏振分束器PB1，然后經兩個轉折棱鏡到達PB2。 同理，探測光被PB2反射后入射到樣品的另一表 面,入射點

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

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

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

17、當給薄膜樣品上加交流小信號電壓(典型值是0.1V)和可變的直流偏置電壓時，薄膜式中$t為薄膜振動的幅值;Vac為加在薄膜上的 交流電壓。此法的最大優(yōu)點是能精確呈現壓電效應，有非 常高的空間分辨率，且能降低因襯底彎曲和移動問 題帶來的測量錯誤，使得測量結果的可靠性和連貫 性得到極大的提高,是目前測量壓電薄膜參數非常 普遍的方法之一。但其缺點是位移分辨率無法和干 涉法的相比擬，因為它的位移并非直接得到,而是由 多普勒頻率變化轉換而來。原因有以下幾點：位移的分辨率嚴重依賴于測試頻率。由于該系統(tǒng)帶寬有限制，在高頻范圍內隨 著頻率的增加，測量的位移數據會降低。磁滯回線的測量很耗時間,因其每個點都 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 間接測量法評估薄膜的壓電特性常采用很多間接測量的方 法。這些方法通過觀察薄膜的表面形貌、內部的微觀結構組成和其他納米機電特性來研究壓電薄 膜的基本特性;需要實驗數據建立薄膜特性和壓電 特性之間的關系。通常，被觀察的樣品是有上下電 極的壓電薄膜，薄膜平貼在某個塊體或厚片(襯底) 上,這類方法可稱為動態(tài)方法。動態(tài)方法最常見的 困難是要計算出d33或d31,因此，我們必須作一些硬 性的假設，并要獲得塊體所用材料的某些特性作為 參考來進行近似計算。此類方法很多，我們只對其 中一種方法作簡要介紹。2.1傳統(tǒng)阻抗分析法傳統(tǒng)阻抗分析法也叫網絡

19、分析法，其主要是 根據圓形復合器電容的變化通過傳統(tǒng)的阻抗/網絡 分析法得到薄膜壓電參數d33。具體原理是圓形復 合器由夾在兩電極之間的薄膜和圓形硅襯底組成， 復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。此法的特點是簡單直接，避免了復雜的準備工 作,適用于任意幾何形狀的薄膜樣品,能測量厚度在的微位移通過監(jiān)控系統(tǒng)能被檢測到,由此得到壓電 系數的簡單表達式幾納米到幾百納米范圍內薄膜的壓電參數，測出的

20、結果與很多方法很接近。3結束語方法，這些方法的原理/操作方式、優(yōu)缺點和可靠性本文介紹了當前測量壓電薄膜特性參數的5種各不相同，為了分析和比較,特總結如表1所示。表1當前壓電薄膜特性參數的各種測量方法方法原理/操作方式可靠性氣腔壓力正壓電效應，直接/非接觸，中等懸臂梁靜態(tài)和動態(tài)d33 正壓電效應,低單束激光干涉直接/非接觸，動態(tài)e31 逆壓電效應，高雙束激光干涉直接/非接觸，動態(tài)d33 逆壓電效應,高激光多普勒振動直接/非接觸，動態(tài)d33 逆壓電效應,高傳統(tǒng)的阻抗分析直接/非接觸，動態(tài)d33 正壓電效應，動態(tài)d”低優(yōu)點/缺點簡單,直接,能測得真實的d %,數據較可靠，分辨率較低直接，簡單，高分辨

21、率，彎曲產生錯誤，假設加載應力均勻直接，非常高的位移分辨率和數據可靠性,有彎曲效應和襯底移動問題直接,非常高的位移分辨率，良好的數據可靠性，解決了彎曲效應和襯底移動，單點測量,空間分辨率不高位移分辨率較低,頻率有限制，可靠性高,空間分辨率高簡單，直接，可靠性較低由表可見，各種測量方法各有其優(yōu)缺點，即使 對同樣成分的壓電薄膜，不同方法測量的特性參數 也很不相同。由于目前缺乏統(tǒng)一標準的測試方法， 不同方法測得的壓電系數相差很大，因此亟需對壓 電薄膜特性參數的測量提出統(tǒng)一可靠的測試方法， 以便為壓電MEMS器件的設計和性能研究提供有 力依據。目前，國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 特性參數的標準方法。參考文獻：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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