專利名稱：薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，特別是涉及將一均勻氣壓加到薄膜形壓電材料的整個(gè)表面而不必考慮薄膜的布局，也不會(huì)引起薄膜的縮短或塑性變形，并能精確測(cè)量薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的一種薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法。
象微處理器和存儲(chǔ)器那樣的電子裝置已經(jīng)小型化，它們的性能得到了改進(jìn)，并且它們的價(jià)格已大大降低。同樣需要使象傳動(dòng)機(jī)構(gòu)那樣的機(jī)械裝置小型化，為了將來(lái)的應(yīng)用需要微型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如在醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，微型機(jī)械裝置基于靜電學(xué)，壓電學(xué)，熱力學(xué)或電磁學(xué)原理。
一壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過壓電效應(yīng)就能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，或通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。也就是說(shuō)，根據(jù)壓電材料的內(nèi)部極性和所加電壓方向由壓電材料的收縮或擴(kuò)展壓電轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。壓電材料的收縮或擴(kuò)展不是由壓電材料的尺寸決定，而是由所加電壓的大小和方向決定的。因此，壓電薄膜可以用來(lái)制造微型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由一擊穿電場(chǎng)或一最大應(yīng)力限定壓電薄膜的最大伸展。這樣，有壓電薄膜的微型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常在低于10伏的低電壓范圍工作。
利用硅技術(shù)能以低成本制造壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。集成在硅基片上的壓電薄膜的各種應(yīng)用已為公知。在大多情況下，ZnO被用作壓電薄膜。然而，鉛鋯酸鹽鈦酸鹽(PZT∶Pb(Zr,Ti)O3)比ZnO具有更好的壓電特性。PZT是鉛鋯酸鹽(PbZrO3)和鉛鈦酸鹽(PbTiO3)的完全固溶體。立方晶結(jié)構(gòu)的PZT在高溫下以仲電相存在。在室溫下根據(jù)Zr和Ti的組份比例，正交晶結(jié)構(gòu)的PZT以反鐵電相存在，三角晶結(jié)構(gòu)的PZT以鐵電相存在，四方晶結(jié)構(gòu)的PZT以電磁相存在。

圖1給出了PZT的一二元相圖。參見圖1，當(dāng)Zr∶Ti的比值為1∶1時(shí)，四方晶相和三角晶相的變晶相區(qū)域(MPB)存在。在MPB時(shí)，PZT有一最大的介電參數(shù)和一最大的壓電參數(shù)。MPB存在于很寬的區(qū)域，在此區(qū)域中四方晶相和三角晶相共存，但不是以某種混合物存在。研究人員并不贊同PZT晶相共存區(qū)域的混合物。各種理論，如熱力學(xué)穩(wěn)定性、組合變化和內(nèi)部應(yīng)力，用來(lái)解釋晶相共存區(qū)域。
今天，各種工藝，如離心覆蓋、金屬有機(jī)化學(xué)蒸汽沉積(OMCVD)以及濺射等都可用來(lái)制造PZT薄膜。據(jù)報(bào)道，由給PZT薄膜施加力測(cè)量從其產(chǎn)生的電荷量便能測(cè)量PZT薄膜的壓電常數(shù)(見鐵電薄膜壓電常數(shù)的測(cè)量，K.Lefki和G.J.M.Dormans，應(yīng)用物理雜志76(3)1994年8月1日，pp1764-1767)。
壓電薄膜的電特性是由彈性系數(shù)、壓電常數(shù)和介電常數(shù)決定的。一般來(lái)說(shuō)，壓電常數(shù)表示壓電材料的電響應(yīng)程度。例如，壓電常數(shù)表示相應(yīng)于所加電場(chǎng)壓電材料的擴(kuò)展和收縮。5301558號(hào)美國(guó)專利(專利權(quán)人為JeffreyA.Livingstone等)公開了多層壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)如壓電常數(shù)、楊氏模量和電容等的測(cè)量裝置。圖2是該多層壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電參數(shù)測(cè)量裝置的剖面圖，圖3是與該測(cè)量裝置連接的控制電路框圖。
參見圖2，測(cè)量裝置10有一壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15，壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15有一外殼18和一組高度為L(zhǎng)1的柱狀壓電元件20。外殼18包括一與其一端接觸的膜層16。外殼18保護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15并用以將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15裝在測(cè)量裝置10上。一組壓電元件20沿軸線25排成一線。每個(gè)壓電元件20形狀象截面積為A的圓盤。金屬電極30交替插入該組壓電元件20中。壓電元件20與所加電能幅度成比例沿軸線擴(kuò)展。這樣，有壓電元件20的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
參見圖2，測(cè)量裝置10有一前板40，一后板45和一中間板50，它們都是由淬火鋼制成。前板40用以放置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15，后板45限定一內(nèi)腔55。有一活塞65的氣缸60放置在內(nèi)腔55中并固定在中間板50上。前板40、中間板50和氣缸60限定了一沿軸線與外殼18排成一線的中心孔。一柱形板70放置在前板40的該中心孔中，與外殼18的膜片16相鄰。例如，柱形板70由高彈性鋼制成，其一端面為拋光面。
一鋼枕75放置在中間板50和氣缸60的中心孔中。鋼枕75的一端與氣缸60的活塞65相連。一動(dòng)力傳感器80放置在鋼枕75的另一端和柱形板70之間。動(dòng)力傳感器80制成圓環(huán)狀，并與軸線25同軸放置。鋼枕75和活塞65沿軸線25成一線限定了一小孔。一光纖傳感器85放置在該小孔中。光纖傳感器85有一傳感頭位于柱形板70的拋光面的中部。如圖2所示，一傳感器套90固定在后板45上。傳感器套90包括一測(cè)微器95用以調(diào)節(jié)傳感頭與柱形板70的距離不變。
參見圖3，一比例壓力調(diào)節(jié)器100與壓縮空氣105連接。比例壓力調(diào)節(jié)器100可控制地將壓縮空氣供給氣缸60。根據(jù)受到的壓縮空氣，比例壓力調(diào)節(jié)器100給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15施加一軸向力。一壓力機(jī)構(gòu)110測(cè)量給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15施加的力并相應(yīng)產(chǎn)生一受力信號(hào)Fn。壓力機(jī)構(gòu)110包括壓力傳感器80和一雙模式放大器115。壓力傳感器80測(cè)量給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15施加的力并相應(yīng)產(chǎn)生一感應(yīng)信號(hào)。雙模式放大器115接收并處理該感應(yīng)信號(hào)，產(chǎn)生有一預(yù)定電壓范圍的該壓力信號(hào)Fn。一光學(xué)部件120測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15的線性位移并相應(yīng)產(chǎn)生一位置信號(hào)Ln。光學(xué)部件120包括傳感器85和與其相連的信號(hào)處理電路125。傳感器85將隨機(jī)光發(fā)射到柱形板70的拋光面并測(cè)量其反射光，相應(yīng)產(chǎn)生一光信號(hào)。信號(hào)處理電路125接收該光信號(hào)并將其變換為該位置信號(hào)，其電壓幅度與該光信號(hào)的幅度成正比。
一高壓電源130將恒定電壓送給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15。感應(yīng)部件135包括一電流探測(cè)器用以測(cè)量通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15的電流和一電壓探測(cè)器用以測(cè)量施加到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15上的電壓。一數(shù)據(jù)采集板140與信號(hào)處理電路125、感應(yīng)部件135、高壓電源130和壓力調(diào)節(jié)器100相連。一臺(tái)計(jì)算機(jī)145通過數(shù)據(jù)采集板140接收各種信號(hào)并確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15的各種特性參數(shù)。計(jì)算機(jī)145也通過數(shù)據(jù)采集板140控制高壓電源130和壓力調(diào)節(jié)器100。一繪圖儀150和一打印機(jī)155與計(jì)算機(jī)145連接用以顯示測(cè)試結(jié)果。
下面描述利用該測(cè)量裝置對(duì)多層傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法。
首先，在測(cè)量壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15的壓電常數(shù)之前將與壓電常數(shù)有關(guān)的各種測(cè)試儀器如壓力機(jī)構(gòu)110、光學(xué)部件120等回位。即沒有力或負(fù)載施加于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15，放大器115調(diào)整到控制壓力信號(hào)Fn幅度為零，與光學(xué)傳感器85相連的信號(hào)處理電路125也回位。然后，氣缸60將預(yù)定壓力，如250磅，加到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15上。高壓電源130在五秒的預(yù)定時(shí)間內(nèi)開始將200伏的電壓加到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15上。計(jì)算機(jī)145控制高壓電源130給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15逐漸加壓，以每100伏逐漸加至900伏。信號(hào)Vm表示加到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15上的電壓幅度。隨著電壓的每次增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15移動(dòng)一定量。光學(xué)傳感器部件120測(cè)定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)15的軸向位移并隨著電壓的每次變化將位置信號(hào)Lm傳送給計(jì)算機(jī)145。計(jì)算機(jī)145采集測(cè)試數(shù)據(jù)并繪出以用作日后分析。一旦獲得數(shù)據(jù)，就能作出分析和計(jì)算。壓電常數(shù)根據(jù)下式?jīng)Q定
其中m是一整數(shù)，表示所加電壓每次增加的測(cè)量數(shù)目，N表示工作或獲得的壓電盤的數(shù)目，0表示初始值，f表示終值。
然而，在上述裝置中，在壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加上預(yù)定壓力和電壓之后，根據(jù)所加電壓測(cè)量壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移來(lái)計(jì)算壓電常數(shù)，因此，利用上述裝置測(cè)得的壓電常數(shù)會(huì)根據(jù)壓電元件的位置和狀態(tài)以及光學(xué)傳感部件的安排情況而變化。并且因?yàn)樵诘碗妷悍秶鷥?nèi)壓電元件的位移量非常小，測(cè)量壓電常數(shù)時(shí)也可能存在誤差。另外，該裝置的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜并且制造成本可能很高。當(dāng)利用該裝置測(cè)量單層壓電薄膜的壓電常數(shù)時(shí)，可能存在單層壓電薄膜的縮短或塑性變形。再者，很難將一恒定壓力施加到單層壓電薄膜的整個(gè)表面上。
因此，為了克服上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，該方法利用氣壓法將一恒定的氣壓加到薄膜形壓電材料的整個(gè)表面而不必考慮薄膜的布局，也不會(huì)引起薄膜的縮短或塑性變形，并能精確測(cè)量薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一實(shí)施例的一種壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法包括以下步驟在形成一底部電極后在該底部電極上形成一薄膜形壓電材料；在所述薄膜形壓電材料上形成一頂部電極；放置一顯微鏡用以測(cè)量在所述頂部電極上的薄膜形壓電材料的位移高度；由一壓力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一氣壓；通過一根導(dǎo)管將所述氣壓加到放置在所述頂部電極和所述底部電極之間的所述薄膜形壓電材料上；改變加到所述薄膜形壓電材料上的所述氣壓；在所述頂部電極連接到一電荷測(cè)量裝置的第一端點(diǎn)和所述底部電極連接到所述電荷測(cè)量裝置的第二端點(diǎn)后測(cè)量由所述薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷；用一計(jì)算機(jī)裝置記錄所述測(cè)量電荷和所述施加氣壓的幅度；以及利用所述測(cè)得的電荷和所述施加氣壓的幅度計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
在一基底形成后在該基底上形成所述的底部電極。形成所述頂部電極的步驟還包括蝕刻所述基底的底部的一部分以露出所述底部電極的一部分從而在所述基底的底部所上形成一開口的一步驟。
使用導(dǎo)電金屬如金、鉑、鉭或鉑鉭合金并利用濺射法或化學(xué)蒸汽沉積法分別形成所述頂部電極和底部電極，利用由溶膠凝膠法產(chǎn)生的鉛鋯酸鹽鈦酸鹽(Pb(Zr,Ti)O3)并利用濺射法或化學(xué)蒸汽沉積法進(jìn)行形成所述薄膜形壓電材料的步驟。
壓縮部件是一真空泵或一臺(tái)壓縮機(jī)，電荷測(cè)量裝置是一電荷放大器或一皮安培計(jì)。
在使所述計(jì)算部件、一壓力測(cè)量?jī)x、所述電荷測(cè)量裝置和所述壓力機(jī)構(gòu)回位后進(jìn)行將所述氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的步驟，通過操縱一釋放閥門調(diào)節(jié)所述氣壓來(lái)進(jìn)行改變施加到所述薄膜形壓電材料上的所述氣壓的步驟。
最好是，計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的步驟還包括在所述計(jì)算機(jī)部件中記錄所述薄膜形壓電材料的位移測(cè)量高度的步驟，在所述計(jì)算機(jī)部件中記錄所述薄膜形壓電材料的直徑和厚度的步驟，計(jì)算由使用所述施加氣壓的大小和所述薄膜形壓電材料的所述直徑和厚度在所述薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力的步驟，以及由使用所述計(jì)算出的應(yīng)力和所述記錄的電荷計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的步驟。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明第二實(shí)施例的一種壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法包括以下步驟在一基底形成后在該基底上形成一底部電極；在該底部電極上形成一薄膜形壓電材料；在該薄膜形壓電材料上形成一頂部電極；形成一應(yīng)變測(cè)量?jī)x用以測(cè)量所述頂部電極上的所述薄膜形壓電材料產(chǎn)生的應(yīng)力；由一壓力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一氣壓；通過一根導(dǎo)管將所述氣壓加到放置在所述頂部電極和所述底部電極之間的所述薄膜形壓電材料上；
由調(diào)節(jié)一釋放閥門改變加到所述薄膜形壓電材料上的所述氣壓；在所述頂部電極連接到一電荷測(cè)量裝置的第一端點(diǎn)和所述底部電極連接到所述電荷測(cè)量裝置的第二端點(diǎn)后測(cè)量由所述薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷；用一計(jì)算機(jī)裝置記錄所述測(cè)量電荷和所述測(cè)量應(yīng)力；用一計(jì)算機(jī)裝置記錄所述薄膜形壓電材料的所述位移的測(cè)量高度；以及利用所述測(cè)得的電荷和所述施加氣壓的幅度計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，一均勻氣壓能夠加到所述薄膜形壓電材料上而不必考慮壓電材料的布局，因?yàn)橹T如一均勻真空氣壓或一均勻氣體氣壓那樣的所述氣壓加到所述壓電材料上。另外，也能防止所述薄膜形壓電材料的縮短或塑性變形。在測(cè)量所述壓電材料產(chǎn)生的電荷時(shí)也能防止所述電荷測(cè)量裝置產(chǎn)生誤差。
通過參照附圖詳細(xì)描述實(shí)施例，本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，在圖中圖1是PZT的二元相圖；圖2是多層壓電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的壓電參數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量裝置的一剖面圖；圖3是與圖2所示測(cè)量裝置相連的控制電路框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，為了測(cè)量所述壓電常數(shù)將一氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的狀態(tài)圖；圖6A-6B表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜形壓電材料的樣品的制造步驟；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置；圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，為了測(cè)量所述壓電常數(shù)將一氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的狀態(tài)圖；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的薄膜形壓電材料的樣品。
下面參照附圖更加詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置。
參見圖4，薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置有一包括一頂部電極305和一底部電極310的薄膜形壓電材料，一基底320，一導(dǎo)管330，一壓力機(jī)構(gòu)340，一釋放閥門350，一顯微鏡380，一壓力測(cè)量?jī)x355，一有一第一端點(diǎn)365和一第二端點(diǎn)370的電荷測(cè)量裝置360以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)裝置390。
在所述薄膜形壓電材料300上形成所述頂部電極305，在所述薄膜形壓電材料下形成所述底部電極310。有頂部電極305和底部電極310的薄膜形壓電材料300與所述基底320連接。所述底部電極310的一部分通過所述基底的一開口顯露出來(lái)。導(dǎo)管330連接到基底320開口的底部。
壓力機(jī)構(gòu)340通過導(dǎo)管330和基底320的開口將一預(yù)定的氣壓施加到薄膜形壓電材料上。釋放閥門350有一連接到導(dǎo)管330和壓力測(cè)量?jī)x350的第一管道和連接到壓力機(jī)構(gòu)340的第二管道。當(dāng)所加氣壓降低或升高時(shí)，利用釋放閥門350能夠測(cè)量薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
顯微鏡380以一定的距離置于頂部電極305之上。當(dāng)所加的氣壓使薄膜形壓電材料變形時(shí)，通過焦距的變化顯微鏡380測(cè)量薄膜形壓電材料的變形高度。壓力測(cè)量?jī)x355與釋放閥門350的第一導(dǎo)管連接并連接到計(jì)算機(jī)裝置390。壓力測(cè)量?jī)x355顯示并測(cè)量施加的氣壓。
電荷測(cè)量裝置360的第一端點(diǎn)365與頂部電極305連接，電荷測(cè)量裝置360的第二端點(diǎn)370與底部電極310連接。通過頂部電極305和底部電極310電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量。計(jì)算機(jī)裝置390有一第一端點(diǎn)與壓力測(cè)量?jī)x355連接，一第二端點(diǎn)與電荷測(cè)量裝置360連接以及一第三端點(diǎn)與顯微鏡380連接。計(jì)算機(jī)裝置控制上述部件并計(jì)算薄膜形壓電材料300的壓電常數(shù)。
下面描述根據(jù)本實(shí)施例的薄膜形壓電材料的樣品的制造步驟。
圖6A-6B給出了根據(jù)本實(shí)施例的薄膜形壓電材料的樣品的制造步驟。在圖6A-6B中，與圖4中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。
參見圖6A，在由硅制成的基底320上形成底部電極310。利用導(dǎo)電金屬如金(Au)、鉑(Pt)、鉭(Ta)或鉑鉭合金(Pt-Ta)并由濺射法或化學(xué)蒸汽沉積(CVD)法形成底部電極310。由濺射法或CVD法在底部電極310上形成薄膜形壓電材料300。利用由溶膠凝膠法產(chǎn)生的鉛鋯酸鹽鈦酸鹽(PZT)形成薄膜形壓電材料300。
利用導(dǎo)電金屬如金(Au)、鉑(Pt)、鉭(Ta)或鉑鉭合金(Pt-Ta)并由濺射法或化學(xué)蒸汽沉積(CVD)法形成頂部電極305。
參見圖6B，為了將氣壓加到薄膜形壓電材料上利用蝕刻在基底320的底部形成一開口，這樣底部電極310的一部分顯露出來(lái)。導(dǎo)管330連接到基底320開口的底部，這樣便制成了薄膜形壓電材料的所述樣品。
下面描述利用根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的裝置測(cè)量薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的方法。
在傳統(tǒng)方法中，為了計(jì)算壓電材料的壓電常數(shù)，在給壓電材料施加一定電壓后測(cè)量壓電材料的位移大小。然而，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，一種氣壓法被用作薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法。在該氣壓法中，當(dāng)給壓電材料施加一定的氣壓后由測(cè)量壓電材料產(chǎn)生的電荷量和應(yīng)力來(lái)計(jì)算壓電常數(shù)。
圖5是根據(jù)本實(shí)施例，為了測(cè)量所述壓電常數(shù)將一氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的狀態(tài)圖。
參見圖5，為了測(cè)量薄膜形壓電材料300的壓電常數(shù)，在一氣壓(P)施加到薄膜形壓電材料300之前使計(jì)算機(jī)裝置390、壓力測(cè)量?jī)x355、電荷測(cè)量裝置360以及壓力機(jī)構(gòu)回位。在基底320上形成有頂部電極305和底部電極310的薄膜形壓電材料300。接著，顯微鏡380置于形成在薄膜形壓電材料300上的頂部電極的上方，利用顯微鏡380的焦距變化測(cè)量薄膜形壓電材料300的位移高度。
電荷測(cè)量裝置360的第一端點(diǎn)365與頂部電極305連接，電荷測(cè)量裝置360的第二端點(diǎn)370與底部端點(diǎn)310連接，用以測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量。這樣，通過頂部電極305和底部電極310電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的微小電荷。最好是，電荷放大器或皮安培計(jì)可以用作電荷測(cè)量裝置360。
隨后，壓力機(jī)構(gòu)340工作用以產(chǎn)生氣壓(P)并將該氣壓(P)加到薄膜形壓電材料300上。最好是，壓力機(jī)構(gòu)340是一真空泵或一壓縮機(jī)。然后，釋放閥門350工作用以改變施加到薄膜形壓電材料300上的氣壓(P)。當(dāng)氣壓(P)加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，該薄膜形壓電材料300向上變形。當(dāng)所加的氣壓(P)變化時(shí)，利用電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量，然后在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄該電荷量。同時(shí)，計(jì)算機(jī)裝置390記錄由壓力測(cè)量?jī)x355測(cè)得的施加氣壓(P)的大小。當(dāng)氣壓(P)加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，在薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生應(yīng)力。在這種情況下，在顯微鏡380測(cè)量薄膜形壓電材料300的位移高度并且在計(jì)算機(jī)裝置中記錄所測(cè)得的高度之后，根據(jù)下式計(jì)算機(jī)裝置計(jì)算在薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生的應(yīng)力σ=f(P,a2,1/h,1/t)=Pa24ht]]>其中σ表示在薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力，P表示氣壓，a表示薄膜形壓電材料的直徑，h表示薄膜形壓電材料的位移高度，t表示薄膜形壓電材料的厚度。
當(dāng)預(yù)定氣壓由壓力機(jī)構(gòu)340通過釋放閥門360、導(dǎo)管330、以及基底320的開口施加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，由電荷測(cè)量裝置360通過頂部電極305、底部電極310以及電荷測(cè)量裝置360的第一和第二端點(diǎn)365、370測(cè)量從薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷。在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄測(cè)得的電荷量。壓力測(cè)量?jī)x350數(shù)字顯示施加氣壓(P)的大小，這樣利用壓力測(cè)量?jī)x350調(diào)整施加氣壓(P)的大小。在計(jì)算機(jī)裝置390中也記錄薄膜形壓電材料300的直徑和厚度。
當(dāng)釋放閥門350改變施加氣壓(P)的大小時(shí)，從薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量隨之變化。電荷測(cè)量裝置360測(cè)量電荷的大小并將測(cè)得的電荷數(shù)值送到計(jì)算機(jī)裝置390。當(dāng)真空泵用作壓力機(jī)構(gòu)340時(shí)，一真空壓力可以施加到薄膜形壓電材料300上。當(dāng)一壓縮機(jī)用作壓力機(jī)構(gòu)340時(shí)，一高壓可以施加到薄膜形壓電材料300上。因此，施加氣壓(P)的范圍可以升高，使精確測(cè)量成為可能。
在傳統(tǒng)裝置中，很難將均勻壓力施加到厚度薄、表面粗糙的壓電材料上，因?yàn)槭莿?dòng)力傳感器將壓力機(jī)械地施加到壓電材料上。當(dāng)施加壓力時(shí)，可能存在薄膜形壓電材料的縮短或塑性變形。因此，當(dāng)測(cè)量壓電常數(shù)時(shí)由于誤差可能存在，很難精確測(cè)量壓電材料的壓電常數(shù)。另外，當(dāng)使用光學(xué)傳感器裝置計(jì)算壓電常數(shù)用以測(cè)量多層壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移時(shí)，壓電常數(shù)值可能根據(jù)光學(xué)傳感器和多層壓電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安置和狀況變化。當(dāng)施加的電壓低時(shí)，由于多層壓電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的位移非常小，測(cè)得的壓電常數(shù)誤差可能存在。
然而，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，可以將一均勻的氣壓(P)施加到薄膜形壓電材料300上而不必考慮壓電材料的布局，這是因?yàn)槟軌驅(qū)⒁徽婵諌毫蛞痪鶆虻臍怏w壓力產(chǎn)生的氣壓施加到薄膜形壓電材料300上。這也能防止薄膜形壓電材料300的縮短或塑性變形。電荷測(cè)量裝置360能夠防止測(cè)量由壓電材料產(chǎn)生的電荷的誤差。
根據(jù)測(cè)得的薄膜形壓電材料300的電荷和應(yīng)力的大小計(jì)算機(jī)裝置390由下式計(jì)算壓電常數(shù)
其中D表示電荷密度，P表示施加的氣壓，Q表示薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量，σ表示薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置。圖7中與圖4相同的標(biāo)號(hào)表示相同部件。
參見圖7，薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量裝置有一包括一頂部電極305和一底部電極310的薄膜形壓電材料300，一基底320，一導(dǎo)管330，一壓力機(jī)構(gòu)340，一釋放閥門350，一應(yīng)變測(cè)量?jī)x400，一壓力測(cè)量?jī)x355，一臺(tái)有一第一端點(diǎn)365和一第二端點(diǎn)370的電荷測(cè)量裝置360以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)裝置390。
在薄膜形壓電材料300上形成頂部電極305，在薄膜形壓電材料300下形成底部電極310。有頂部電極305和底部電極310的薄膜形壓電材料300與基底320連接。通過基底320的一開口底部電極310的一部分顯露出來(lái)。導(dǎo)管330與基底320開口的底部相連。
壓力機(jī)構(gòu)340通過導(dǎo)管330和基底320的開口給薄膜形壓電材料300施加一預(yù)定的氣壓。釋放閥門350有一連接到導(dǎo)管330和壓力測(cè)量?jī)x350的第一管道，以及一連接到壓力機(jī)構(gòu)340的第二管道。當(dāng)施加的氣壓減小或增加時(shí)，利用釋放閥門355能夠測(cè)量薄膜形壓電材料300的壓電常數(shù)。
應(yīng)變測(cè)量?jī)x400連接到頂部電極305。應(yīng)變測(cè)量?jī)x400直接測(cè)量薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生的應(yīng)力。薄膜形壓電材料300的應(yīng)力是由氣壓(P)引起的。壓力測(cè)量?jī)x355連接到釋放閥門350的第一管道并且連接到計(jì)算機(jī)裝置390。壓力測(cè)量?jī)x355顯示并測(cè)量所施加的氣壓。
電荷測(cè)量裝置360的第一端點(diǎn)365與頂部電極305連接，電荷測(cè)量裝置360的第二端點(diǎn)370與底部電極310連接。通過頂部電極305和底部電極310電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量。計(jì)算機(jī)裝置390有一第一端點(diǎn)與壓力測(cè)量?jī)x355連接，一第二端點(diǎn)與電荷測(cè)量裝置360連接以及一第三端點(diǎn)與應(yīng)變測(cè)量?jī)x400連接。計(jì)算機(jī)裝置控制上述部件并計(jì)算薄膜形壓電材料300的壓電常數(shù)。
除應(yīng)變測(cè)量?jī)x400外，根據(jù)本實(shí)施例的薄膜形壓電材料的樣品的制造步驟與第一實(shí)施例的制造步驟相同。
下面描述使用根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的裝置來(lái)測(cè)量薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的一種方法。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，為了測(cè)量所述壓電常數(shù)將一氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的狀態(tài)圖。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，氣體壓力法也被用作薄膜形壓電材料的測(cè)量方法。
參見圖8，為了測(cè)量薄膜形壓電材料300的壓電常數(shù)，在一氣壓(P)施加到薄膜形壓電材料300之前使計(jì)算機(jī)裝置390、壓力測(cè)量?jī)x355、電荷測(cè)量裝置360以及壓力機(jī)構(gòu)340回位。在基底320上形成有頂部電極305和底部電極310的薄膜形壓電材料300。另外，應(yīng)變測(cè)量?jī)x400連接到在薄膜形壓電材料300上形成的頂部電極305上用以直接測(cè)量薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生的應(yīng)力。
電荷測(cè)量裝置360的第一端點(diǎn)365與頂部電極305連接，電荷測(cè)量裝置360的第二端點(diǎn)370與底部端點(diǎn)310連接，用以測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量。這樣，通過頂部電極305和底部電極310電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的微小電荷。最好是，電荷放大器或皮安培計(jì)可以用作電荷測(cè)量裝置360。
隨后，壓力機(jī)構(gòu)340工作用以產(chǎn)生氣壓(P)并將該氣壓(P)加到薄膜形壓電材料300上。最好是，壓力機(jī)構(gòu)340是一真空泵或一壓縮機(jī)。然后，釋放閥門350工作用以改變施加到薄膜形壓電材料300上的氣壓(P)。當(dāng)氣壓(P)加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，該薄膜形壓電材料300向上變形。當(dāng)所加的氣壓(P)變化時(shí)，利用電荷測(cè)量裝置360測(cè)量由薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量，然后在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄該電荷量。當(dāng)氣壓(P)施加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，在薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生應(yīng)力。在這種情況下，在應(yīng)變測(cè)量?jī)x400測(cè)量薄膜形壓電材料300的應(yīng)力并在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄測(cè)得的應(yīng)力后，由下式根據(jù)測(cè)得的薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量和薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力，計(jì)算機(jī)裝置390計(jì)算壓電常數(shù)
其中D表示電荷密度，P表示施加的氣壓，Q表示薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量，σ表示薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力。
當(dāng)預(yù)定的氣壓(P)由壓力機(jī)構(gòu)340通過釋放閥門350、導(dǎo)管330以及基底320的開口施加到薄膜形壓電材料300上時(shí)，由電荷測(cè)量裝置360通過頂部電極305、底部電極310以及電荷測(cè)量裝置360的第一和第二端點(diǎn)365、370測(cè)量薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷。在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄測(cè)得的電荷量。與頂部電極305連接的應(yīng)變測(cè)量?jī)x400也直接測(cè)量薄膜形壓電材料300中產(chǎn)生的應(yīng)力并在計(jì)算機(jī)裝置390中記錄測(cè)得的應(yīng)力。壓力測(cè)量?jī)x350數(shù)字顯示施加氣壓(P)的大小，這樣利用釋放閥門350調(diào)節(jié)所施加氣壓的大小。
當(dāng)釋放閥門350改變施加氣壓(P)的大小時(shí)，從薄膜形壓電材料300產(chǎn)生的電荷量隨之變化。電荷測(cè)量裝置360測(cè)量電荷的大小并將測(cè)得的電荷數(shù)值送到計(jì)算機(jī)裝置390。如果真空泵用作壓力機(jī)構(gòu)340，一真空壓力可以施加到薄膜形壓電材料300上。如果一壓縮機(jī)用作壓力機(jī)構(gòu)340，一高壓可以施加到薄膜形壓電材料300上。因此，施加氣壓(P)的范圍可以升高，使精確測(cè)量成為可能。
在本實(shí)施例中，應(yīng)變測(cè)量?jī)x400與頂部電極305連接。然而，一應(yīng)變測(cè)量?jī)x400a可以與有頂部電極305的薄膜形壓電材料300一體形成，如圖9所示。一絕緣層399置于應(yīng)變測(cè)量?jī)x400a和頂部電極305之間。
然而，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，能將均勻氣壓(P)施加到薄膜形壓電材料300上而不必考慮壓電材料的布局，因?yàn)橛梢环N均勻真空壓力或一種均勻氣體壓力引起的氣壓能夠施加到薄膜形壓電材料300上。另外，還能防止薄膜形壓電材料300的縮短或塑性變形。
雖然本發(fā)明的最佳實(shí)施例已經(jīng)描述，可以理解本發(fā)明并不限于這些最佳實(shí)施例，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出各種變換和修改。
權(quán)利要求
1．一種壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，包括以下步驟在形成一底部電極后在該底部電極上形成一薄膜形壓電材料；在所述薄膜形壓電材料上形成一頂部電極；在所述頂部電極上方放置一顯微鏡用以測(cè)量薄膜形壓電材料的位移高度；由一壓力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一氣壓；通過一根導(dǎo)管將所述氣壓加到放置在所述頂部電極和所述底部電極之間的所述薄膜形壓電材料上；改變加到所述薄膜形壓電材料上的所述氣壓；在所述頂部電極連接到一電荷測(cè)量裝置的第一端點(diǎn)和所述底部電極連接到所述電荷測(cè)量裝置的第二端點(diǎn)后測(cè)量由所述薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷；用一計(jì)算機(jī)裝置記錄所述測(cè)量電荷和所述施加氣壓的幅度；以及利用所述測(cè)得的電荷和所述施加氣壓的計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，在形成一基底后，在該基底上形成所述底部電極。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，形成所述頂部電極的步驟還包括蝕刻所述基底的底部的一部分而在所述基底的底部形成一開口用以顯露所述底部電極的一部分。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，使用導(dǎo)電金屬如金、鉑、鉭或鉑鉭合金并利用濺射法分別形成所述頂部電極和底部電極。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，形成所述薄膜形壓電材料的步驟包括利用由溶膠凝膠法產(chǎn)生的鉛鋯酸鹽鈦酸鹽(Pb(Zr,Ti)O3)并利用濺射法進(jìn)行。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，所述壓力機(jī)構(gòu)是一真空泵或一臺(tái)壓縮機(jī)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，在使所述計(jì)算機(jī)裝置、壓力測(cè)量?jī)x、所述電荷測(cè)量裝置和所述壓力機(jī)構(gòu)回位后進(jìn)行將所述氣壓加到所述薄膜形壓電材料上的步驟。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，改變施加到所述薄膜形壓電材料上的所述氣壓的步驟包括通過操縱一釋放閥門調(diào)節(jié)所述氣壓。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，所述電荷測(cè)量裝置是一電荷放大器或一皮安培計(jì)。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的步驟還包括在所述計(jì)算機(jī)裝置中記錄所述薄膜形壓電材料的所述位移測(cè)量高度；在所述計(jì)算機(jī)裝置中記錄所述薄膜形壓電材料的直徑和厚度；利用所施加氣壓的大小和所述薄膜形壓電材料的所述直徑和厚度計(jì)算所述薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力；以及利用所得的應(yīng)力和所記錄的電荷計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算所述薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力的步驟σ=f(P,a2,1/h,1/t)=Pa24ht]]>其中σ表示在薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力，P表示氣壓，a表示薄膜形壓電材料的直徑，h表示薄膜形壓電材料的位移高度，t表示薄膜形壓電材料的厚度。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法，其中，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算所述薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的步驟
其中D表示電荷密度，P表示施加的氣壓，Q表示薄膜形壓電材料產(chǎn)生的電荷量，σ表示薄膜形壓電材料中產(chǎn)生的應(yīng)力。
全文摘要
一種薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)的測(cè)量方法,在形成一有底部電極和頂部電極的薄膜形壓電材料之后,在頂部電極上放置一顯微鏡并測(cè)量薄膜的位移高度;從壓力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一氣壓并將其施加到薄膜上;一電荷測(cè)量裝置測(cè)量從薄膜產(chǎn)生的電荷;利用測(cè)得的電荷和所施加氣壓的大小計(jì)算薄膜形壓電材料的壓電常數(shù)。用氣壓法將均勻的氣壓加到壓電材料的整個(gè)表面可測(cè)量壓電常數(shù),而不必考慮壓電材料的布局,也不會(huì)引起薄膜形壓電材料的縮短或塑性變形。
文檔編號(hào)G01R29/22GK1220399SQ9710871
公開日1999年6月23日 申請(qǐng)日期1997年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
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