压电薄膜特性参数的测量方法

1、-第31卷第4期2009年8月PIEZOELECT ECT RICS & ACOUSTOOPTICSAug. 2009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(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(MEMS)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

2、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:TN30;TM282文献标识码: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(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 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

8、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。11.1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。本文主要选取几种可靠

9、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 力和应变析和比较特性(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http /Avw.enki .nei偏振分束片|反慎回路C21A74 薄膜出一LicS透镜心心器广1我如备可靠。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

10、,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$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- TaePark等报道的应力驱动气压加载法对其进 行了

11、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e31f。图1基于正压电效应的悬臂梁法71图2为基于逆压电效应的悬臂梁测量法1。当 在压电薄膜的上下电极间施加正弦

12、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-激光多普勤振动仪功率A r发王器I 电转换方程计算出81。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Muensit等 报道的单束激光干涉法采用Michelson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：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。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

13、.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，其电路原理如图所示。QA/4(_P功率放大器I琐相放大器 岂一：一：示波器图391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 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PB2。 同理，探测光被PB2反射后入射到样品的另一表 面,入射点

14、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1BS.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 量的关系为一 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publi图2基于逆压电效应的悬臂梁法式中 Vout为直流偏置电压;K为光波长;Vp-p为对应 于条纹位移的峰-峰电压;$L为电场引起的光程差。d33= $t/Vac(3)由此得到压电薄膜的逆压电参数1333 KVout/2PVp_pVjn(2)式中vin为输入正弦交流信号。此法的优点是分辨率更高,能达到10 14

15、m,是 目前被普遍接受的测量压电薄膜d33的方走。但其 缺点是：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 彳亍。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。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。当M

16、EMS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MEMS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(LDV)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 15Lm,系统分辨率为2pm,带宽为2MHz(1Hz 2MHz)。样品(包括电极)和聚集的激光斑点通过图4激光多普勒振动法由图可见，

17、当给薄膜样品上加交流小信号电压(典型值是0.1V)和可变的直流偏置电压时，薄膜式中$t为薄膜振动的幅值;Vac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：位移的分辨率严重依赖于测试频率。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。磁滞回线的测量很耗时间,因其每个点都 是位移

18、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。2 间接测量法评估薄膜的压电特性常采用很多间接测量的方 法。这些方法通过观察薄膜的表面形貌、内部的微观结构组成和其他纳米机电特性来研究压电薄 膜的基本特性;需要实验数据建立薄膜特性和压电 特性之间的关系。通常，被观察的样品是有上下电 极的压电薄膜，薄膜平贴在某个块体或厚片(衬底) 上,这类方法可称为动态方法。动态方法最常见的 困难是要计算出d33或d31,因此，我们必须作一些硬 性的假设，并要获得块体所用材料的某些特性作为 参考来进行近似计算。此类方法很多，我们只对其 中一种方法作简要介绍。2.1传统阻抗分析法传统阻抗分析法也叫网络

19、分析法，其主要是 根据圆形复合器电容的变化通过传统的阻抗/网络 分析法得到薄膜压电参数d33。具体原理是圆形复 合器由夹在两电极之间的薄膜和圆形硅衬底组成， 复合器在外加直流偏压V下与事先定义好的激化 方向有两种可能:相同或相反,因此复合器在这两种 情况下分别有电容C和Ca。定义谐振电容Cr= C/C ,则pzT薄膜的压电参数可表示为d P dV 1+ Cr式中T为薄膜厚度;V为加在薄膜上的直流偏压。此法的特点是简单直接，避免了复杂的准备工 作,适用于任意几何形状的薄膜样品,能测量厚度在的微位移通过监控系统能被检测到,由此得到压电 系数的简单表达式几纳米到几百纳米范围内薄膜的压电参数，测出的

20、结果与很多方法很接近。3结束语方法，这些方法的原理/操作方式、优缺点和可靠性本文介绍了当前测量压电薄膜特性参数的5种各不相同，为了分析和比较,特总结如表1所示。表1当前压电薄膜特性参数的各种测量方法方法原理/操作方式可靠性气腔压力正压电效应，直接/非接触，中等悬臂梁静态和动态d33 正压电效应,低单束激光干涉直接/非接触，动态e31 逆压电效应，高双束激光干涉直接/非接触，动态d33 逆压电效应,高激光多普勒振动直接/非接触，动态d33 逆压电效应,高传统的阻抗分析直接/非接触，动态d33 正压电效应，动态d”低优点/缺点简单,直接,能测得真实的d %,数据较可靠，分辨率较低直接，简单，高分辨

21、率，弯曲产生错误，假设加载应力均匀直接，非常高的位移分辨率和数据可靠性,有弯曲效应和衬底移动问题直接,非常高的位移分辨率，良好的数据可靠性，解决了弯曲效应和衬底移动，单点测量,空间分辨率不高位移分辨率较低,频率有限制，可靠性高,空间分辨率高简单，直接，可靠性较低由表可见，各种测量方法各有其优缺点，即使 对同样成分的压电薄膜，不同方法测量的特性参数 也很不相同。由于目前缺乏统一标准的测试方法， 不同方法测得的压电系数相差很大，因此亟需对压 电薄膜特性参数的测量提出统一可靠的测试方法， 以便为压电MEMS器件的设计和性能研究提供有 力依据。目前，国际上大多采用位移分辨率极高的 双束激光干涉法，该法

22、有望成为将来表征压电薄膜 特性参数的标准方法。参考文献：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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