CN101074975A - 一种测量薄膜压电系数d33的方法 - Google Patents

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王水兵
李颂战
杨艳芹
严新
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Abstract

本发明涉及一种测量薄膜压电系数d33的方法，在导电系数≤3.0×10－8Ω·cm和厚度≤0.2mm的衬底基片上采用直流溅射法制作下电极；应用磁控溅射法或溶胶－凝胶法在下电极上沉积薄膜样品；采用直流溅射法在薄膜样品上制作上电极；将薄膜样品置于测量仪器上测量其压电系数d33。本发明的方法具有设备简单、经济、实用、测量效率高、测量精度高等优势。此方法可广泛应用于ZnO、AlN、PZT等压电薄膜的压电系数d33的测量。

Description

一种测量薄膜压电系数d33的方法
技术领域
本发明涉及一种测量薄膜压电系数d33的简易方法。
背景技术
压电材料所具有的神奇的压电效应使得其在精密仪器、传感器、制动器等领域的广泛应用，尤其是21世纪以来，压电薄膜在微电子、微机电系统、通信等领域的应用日益广泛、深入。
压电效应分正压电效应和逆压电效应。压电效应是指材料在外加压力的作用下产生电荷(称为正压电效应)或在外加电压的作用下产生机械形变(称为逆压电效应)的现象，两者是同一本质的不同表现形式。压电材料在单位压力作用下产生的电荷或在单位电压作用下产生的形变量被称为压电系数，用来衡量其压电效应的大小。
目前测量材料压电系数的方法分为两大类，分别是利用逆压电效应和正压电效应。
利用逆压电效应测量压电系数时，先在样品上制作电极，然后通过电极向样品施加电压，测量样品的形变，通过公式计算得到压电系数。目前利用逆压电效应测量压电系数的方法有激光干涉法、原子力显微镜法、扫描近场微波显微镜法等，这些测量方法的设备昂贵、操作复杂、而且对环境要求较高。
利用正压电效应测量压电系数时，一般将样品制作成片状，在其两个端面制作电极，然后在材料上施加压力，测量电极上的电荷，得到压电系数。这类方法设备简单、经济、测量效率高，但此类方法对常规薄膜样品的压电系数测量无法进行。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种测量薄膜样品压电系数d33的方法，该方法有效的解决了利用正压电效应测量薄膜样品压电系数d33，而且方法简易。
本发明提供的技术方案是：一种测量薄膜样品压电系数d33的方法，在导电系数≤3.0×10-8Ω·cm和厚度≤0.2mm的衬底基片上采用直流溅射法制作下电极；应用磁控溅射法或溶胶-凝胶法在下电极上沉积薄膜样品；采用直流溅射法在薄膜样品上制作上电极；将薄膜样品置于测量仪器上测量其压电系数d33。
上述所用的衬底基片是导电性较好的而且价格低廉的金属衬底，如铜箔、铝箔等。
上述上、下电极是导电性极好的Pt电极或Au电极。
上述所用测量仪器是压电系数d33测试仪。
本发明在下电极上沉积薄膜样品后，可先对薄膜样品退火处理或不进行退火处理，然后再在薄膜样品制作上电极。
上述退火处理在真空条件下进行。
本发明与现有技术相比是使用常规测量仪器测量薄膜的压电系数d33，无需昂贵的设备和苛刻的测试环境，该方法所用测量设备简易、经济，操作简单，测量效率高。本发明可广泛应用于ZnO、AlN、PZT等压电薄膜的压电系数d33的测量。
附图说明
图1本发明所述测量薄膜压电系数的结构示意图。
图1说明1.上触头，2.上电极，3.ZnO薄膜，4.下电极，5.衬底基片，6.下触头，
       7.压电系数d33测试仪
具体实施方式
本发明的工艺流程如下：
1.选择合适的金属衬底基片。
2.清洗基片，制作下电极。
3.沉积薄膜样品。
4.后期处理薄膜样品。
5.给薄膜样品制作上电极。
6.测量薄膜样品压电系数d33。
实施例1：
如图1所示，选取0.15mm厚的铜箔为衬底基片5。首先用极稀盐酸(1wt％)浸泡30秒，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声仪中充分漂洗，置于氮气箱中用氮气吹干。
采用直流溅射法在铜箔基片5上制作Pt下电极4，厚度约150nm。
应用射频磁控溅射法沉积ZnO薄膜3：以ZnO陶瓷靶材为阴极溅射靶材，溅射系统本底抽真空达1.0×10-5Pa，高纯Ar、O2流量分别是16sccm、8sccm，溅射气压2.7Pa，射频源功率是100W。沉积后的薄膜不经退火处理。
采用直流溅射法给ZnO薄膜样品制备Pt上电极2，厚度约150nm。
参照图1，将做好上电极2的ZnO薄膜样品3置于压电系数d33测试仪上，使压电系数d33测试仪7(中科院声学所，型号：J-3A)的上触头1刚好接触到ZnO薄膜样品的上电极2，下触头6刚好接触到ZnO薄膜样品的衬底基片5下表面，打开压电系数d33测试仪7的电源开关，待仪器稳定后开始测量，从显示窗口读出压电系数为11.9pm/V。
实施例2：
如图1所示，选取0.1mm厚的铝箔为衬底基片5。首先用稀醋酸(1wt％)浸泡10秒，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声仪中充分漂洗，置于氮气箱中用氮气吹干。
采用直流溅射法在铜箔基片5上制作Au下电极4，厚度约150nm。
应用射频磁控溅射法沉积ZnO薄膜3：以ZnO陶瓷靶材为阴极溅射靶材，溅射系统本底抽真空达1.0×10-5Pa，高纯Ar、O2流量分别是16sccm、8sccm，溅射气压2.7Pa，射频源功率是100W。沉积后的薄膜在高真空条件下400℃退火1小时，然后自然冷却至室温。
采用直流溅射法给ZnO薄膜样品制备Au上电极2，厚度约150nm。
参照图1，将做好上电极2的ZnO薄膜样品3置于压电系数d33测试仪7上，使压电系数d33测试仪7的上触头1刚好接触到ZnO薄膜样品上电极2，下触头6刚好接触到ZnO薄膜样品3的衬底基片5下表面，打开压电系数d33测试仪电源开关，待仪器稳定后开始测量，从显示窗口读出压电系数为10.8pm/V。
实施例3：
选取厚度为0.15mm的铜箔为衬底基片5。首先用稀盐酸(3wt％)浸泡30秒，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声仪中充分漂洗，置于氮气箱中用氮气吹干。
采用直流溅射法在铜箔基片5上制作Pt下电极4，厚度约150nm。
应用反应溅射法沉积AlN薄膜3：以金属Al靶为阴极溅射靶材，溅射系统本底抽真空达1.0×10-5Pa，高纯N2流量是16sccm，溅射气压1.5Pa，射频源功率是70W。沉积后的薄膜不经退火处理。
采用直流溅射法给AlN薄膜样品制备Pt上电极2，厚度约150nm。
参照图1，将做好上电极2的AlN薄膜样品置于压电系数d33测试仪7上，使压电系数d33测试仪7的上触头1刚好接触到薄膜样品上电极2，下触头6刚好接触到薄膜样品的衬底基片5下表面，打开压电系数d33测试仪电源开关，待仪器稳定后开始测量，从显示窗口读出压电系数为3.4pm/V。
对于其它薄膜可以参照上述实施例的方法测得其压电系数d33。故不一一赘述。

Claims (6)

1.一种测量薄膜压电系数d33的方法，其特征在于：在导电系数≤3.0×10-8Ω.cm和厚度≤0.2mm的衬底基片上采用直流溅射法制作下电极；应用磁控溅射法或溶胶-凝胶法在下电极上沉积薄膜样品；采用直流溅射法在薄膜样品上制作上电极；将薄膜样品置于测量仪器上测量其压电系数d33。
2.根据权利要求1所述的测量薄膜压电系数d33的方法，其特征是：所述衬底基片为铜箔或铝箔。
3.根据权利要求1或2所述的测量薄膜压电系数d33的方法，其特征是：所用测量仪器是压电系数d33测试仪。
4.根据权利要求1或2所述的测量薄膜压电系数d33的方法，其特征是：所用的上、下电极是Pt电极或Au电极。
5.根据权利要求1或2所述的测量薄膜压电系数d33的方法，其特征是：在下电极上沉积薄膜样品后，先对薄膜样品退火处理，然后再在薄膜样品制作上电极。
6.根据权利要求5所述的测量薄膜压电系数d33的方法，其特征是：退火处理在真空条件下进行。
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