[發(fā)明專利]一種壓電薄膜壓電系數(shù)的高通量測量方法

有效

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• 申請日: 2021-11-10
• 公開（公告）號: CN114034942B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設計）人: 周慎杰;吳康輝;張振杰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01R29/22
• 分類號: G01R29/22
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

本發(fā)明涉及一種壓電薄膜壓電系數(shù)的高通量測量方法，屬于壓電系數(shù)測量技術領域，該方法包括過程：制作包含有若干個層合懸臂梁的試件，其中每個層合懸臂梁上依次設置基底層、底部電極層、壓電薄膜層以及頂部電極層；通過底部電極層和頂部電極層給壓電薄膜層施加電壓，同時通過數(shù)字全息系統(tǒng)采集每個層合懸臂梁的變形圖像，獲取每個懸臂梁的最大撓度；根據(jù)層合懸臂梁上基底層結構尺寸和材料參數(shù)、施加的電壓值以及獲得的最大撓度得到每個層合懸臂梁上壓電薄膜的壓電系數(shù)。該方法能夠一次能夠同時測得多個至上百余個壓電薄膜壓電系數(shù)，實現(xiàn)了薄膜材料壓電系數(shù)的高通量測量，為壓電薄膜高通量制備提供了快速有效的壓電性能表征手段。

技術領域

本發(fā)明屬于壓電系數(shù)測量技術領域，具體是涉及一種壓電薄膜壓電系數(shù)的高通量測量方法。

背景技術

壓電薄膜是實現(xiàn)機電能轉換和耦合的一類極其重要的功能結構，壓電薄膜的機電耦合性能對微機械機電能轉換效率有重要影響。壓電系數(shù)是表征壓電薄膜機電耦合性能的重要參數(shù)，依賴于薄膜材料組分和薄膜厚度，高效準確地測量壓電薄膜的壓電系數(shù)對快速制備高性能的壓電薄膜十分重要。

目前，壓電薄膜壓電系數(shù)測量方法主要有基于正壓電效應方法和基于逆壓電效應方法，其中前者是通過對試樣施加交變的機械載荷，測量壓電薄膜產(chǎn)生電荷信息獲得壓電系數(shù)，包括薄膜局部垂直加載、鼓泡氣壓加載和懸臂梁振動加載等；后者是通過對壓電薄膜施加交變的電載荷，測量試件的振動位移獲得壓電系數(shù)，包括激光多普勒測量法和激光干涉測量法。除這兩類只能測量單個樣品的方法外，還有壓電力顯微鏡法和微波顯微鏡法。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)目前這兩種方法都是利用探針掃描陣列試件，逐個測量壓電薄膜樣品，獲得批量樣品的壓電系數(shù)，實現(xiàn)高通量測量。但是，這兩種方法對試件陣列樣品的位置精度要求高，且如果測量百余個試件的話測量周期長。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術存在的測量周期長問題，本發(fā)明提供了一種壓電薄膜壓電系數(shù)的高通量測量方法。該方法能夠一次同時測得多個乃至百余個壓電薄膜的壓電系數(shù)，實現(xiàn)薄膜材料壓電系數(shù)的高通量測量，為壓電薄膜高通量制備提供了快速有效的壓電性能表征手段。

本發(fā)明實施例提供了一種壓電薄膜壓電系數(shù)的高通量測量方法，該方法包括如下過程：

制作包含有若干個層合懸臂梁的試件，其中每個層合懸臂梁上依次設置基底層、底部電極層、壓電薄膜層以及頂部電極層；

給底部電極層和頂部電極層施加電壓，同時通過數(shù)字全息系統(tǒng)采集每個層合懸臂梁的變形圖像，獲取每個層合懸臂梁的最大撓度；

根據(jù)層合懸臂梁上基底層結構尺寸和材料參數(shù)、施加的電壓值以及獲得的最大撓度得到每個層合懸臂梁上壓電薄膜的壓電系數(shù)。

優(yōu)選地，在所述試件上設置公共底部電極和公共頂部電極，其中公共底部電極與每個層合懸臂梁的底部電極層相連接，公共頂部電極與每個層合懸臂梁的頂部電極層相連接，將公共底部電極和公共頂部電極連接同一電源。

優(yōu)選地，給試件上的所有底部電極層和頂部電極層同時施加電壓，使每個層合懸臂梁上壓電薄膜層都處于e₃₁工作模式。

優(yōu)選地，所述數(shù)字全息系統(tǒng)包括圖像分析儀、激光源、分束鏡以及反射鏡，將激光源發(fā)出的激光通過分束鏡分成目標光束和參考光束，其中目標光束照在所述試件上并反射至圖像分析儀，參考光束經(jīng)反射鏡反射至圖像分析儀，所述圖像分析儀通過接收反射回來的目標光束和參考光束得到每個層合懸臂梁的最大撓度變形。

優(yōu)選地，所述基底層選用硅材料，底部電極層和頂部電極層選用鉑或者銀，所述壓電薄膜層的材料組分或厚度成梯度變化。

優(yōu)選地，在制作所述試件的過程中，確保基底層厚度和壓電薄膜層厚度之比大于100。

優(yōu)選地，獲取壓電薄膜的壓電系數(shù)模型，將懸臂梁基底層結構尺寸和材料參數(shù)、施加的電壓值以及獲得的最大撓度輸入到所述模型中獲得壓電薄膜的壓電系數(shù)。