压电薄膜特性参数的测量方法

　　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(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[1-4]等。对MEMS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。

　　目前,对于薄膜压电参数的测量方法有很多种,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,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行了分析和比较。

　　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(PPR),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Δp。同时,与虚地接的电极相连的电荷放大器检测到感生电荷ΔQ,根据计算ΔQ与Δp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±10 pC/N,相对悬臂梁法较差。Gun-Tae Park等[5]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,Dubois等[6]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。