CN104635065A - 一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜材料压电常数测量装置，属于测量领域。一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：将待测薄膜材料放置在全封闭气腔内，所述全封闭气腔通过压力控制器连接气源，由压力控制器控制全封闭气腔内的压力，所述待测薄膜材料上下两面的电极与设置在全封闭气腔的腔体壁上的连通全封闭气腔内外的导电柱电连接，所述导电柱的外接电线连接电荷放大器，最后连接到数字示波器，所述压力控制器连接有数字压力计，所述全封闭气腔内还设置有热电偶传感器，热电偶传感器连接监控用数字温度计。本发明的测量装置和测量方法测试简单直接，待测薄膜材料在测试中非常稳定，大大提高了测试精度。

Description

一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料压电常数测量装置和测量方法，尤其涉及一种采用气腔压力法的薄膜材料压电常数测量装置及测量方法。

背景技术

压电常数(Piezoelectric Constant)是压电体把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数。它反映压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系。选择不同的自变量，可以得到四组压电常数d、g、e、h，其中较常用的是压电常数d。其中压电常数d₃₃是表征压电材料性能的最常用的重要参数之一，一般陶瓷的压电常数越高，压电性能越好。下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相同。

压电常数测量的基本原理是利用材料的压电效应,包括正压电效应和逆压电效应。即给薄膜施加应力,测量产生的电荷(电压)；或给薄膜施加电压,测量产生的应变,由此推得薄膜的压电系数。

$d_{33}=\left(\frac{{\∂S}_3}{{\∂E}_3}\right)T$ 或 $d_{33}=\left(\frac{{\∂D}_3}{{\∂T}_3}\right)E$

式中S为应变；E:电场；D:电位移；T:应力。X3轴是极化方向,对薄膜而言,它与膜面垂直。

目前薄膜材料压电常数d₃₃的测量方法有多种，包括气腔压力法，悬臂梁法，单束或双束激光干涉法，激光多普勒振动法以及传统的阻抗分析法等，传统的阻抗分析法和悬臂梁法的可靠性太差，激光干涉法的可靠性较高，但是激光干涉有位移分辨率或衬底移动等种种问题，而且测量不方便。采用气腔压力法既能保证一定的可靠性，又简单直接，应用比较多。

目前的气腔压力法薄膜材料压电常数d₃₃测量装置如图1所示,贵在可以简单,直接得到真实的d₃₃,装置工作原理示意图见附图2,但测量实施中存在较多弊端。首先，加压前需用绝缘环压紧束缚薄膜材料的边界,然后对边界以内的薄膜施加一定的气体压力,这与实际工作中受力情况有差异,在边界处会引入切向力；其次,随着腔体内气体压力的增加,绝缘环与薄膜材料的接触面会产生变化,即薄膜材料的受力面积不再为恒定值,使得后续计算产生偏差；再者,目前的气腔压力法测量装置,气体从薄膜的两面分别充入腔体且不互通,易出现两侧腔体压力不均衡,令薄膜产生非垂直方向的形变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置及测量方法，解决现在的测量装置压力不均衡，接触面会产生变化从而影响测量结果的缺陷。

技术方案

一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：将待测薄膜材料放置在全封闭气腔内，所述全封闭气腔通过压力控制器连接气源，由压力控制器控制全封闭气腔内的压力，所述全封闭气腔包括上盖板、中间腔体和下盖板，所述上盖板和中间腔体之间以及中间腔体和下盖板之间设置有密封圈，在所述下盖板上的中间腔体内设置有支撑柱，支撑柱上设置有待测薄膜材料放置平台，平台上有待测薄膜材料放置凹孔，用来放置待测薄膜材料，平台边设置有内导电柱，所述内导电柱分别与所述待测薄膜材料上下两面的电极电连接，内导电柱通过同轴线与设置在腔体壁上的连通全封闭气腔内外的外导电柱电连接，外导电柱的外接线连接电荷放大器，通过电荷放大器连接到数字示波器；所述压力控制器连接有数字压力计，所述全封闭气腔内还设置有热电偶传感器，热电偶传感器连接监控用数字温度计。

所述外导电柱设置在下盖板壁上。

所述中间腔体外的下盖板上设置有水平监控泡，下盖板下方设置有多个支撑底脚，所述支撑底脚上均设置有高度调节螺钉。

所述支撑底脚设置为三个，均匀设置在下盖板下方，每个支撑底脚间夹角为120度。

一种应用如上述的测量装置测量薄膜材料压电常数的测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)打开上盖板，将待测薄膜材料置于全封闭气腔之中，将待测薄膜材料的上下电极引线与内导电柱相连；(2)确认所述内导电柱与外导电柱连接后关闭全封闭气腔；(3)采用氮气瓶作为气源供气，将压力控制器先置于数值A kPa，并向全封闭气腔内实施该压力；(4)记录此时数字压力表的示值P₁kPa，通过待测薄膜材料后，外导电柱连接的电荷放大器的转换倍率k₁，在数字示波器上得到的对应所示的电压值V₁；(5)再将压力控制器置于数值B kPa，并向全封闭气腔内实施该压力，记录此时的数字压力表的示值P₂kPa，通过待测薄膜材料后变化的电荷放大器的转换倍率k₂，数字示波器的所示的电压值V₂；(6)采用以下的公式得到压电常数d₃₃： $d_{33}=\frac{{\mathrm{\ΔH}}_e}{\mathrm{\ΔF}}=\frac{V_2{k}_2-V_1{k}_1}{(P_2-P_1)M},$ 其中M为薄膜材料的面积。

有益效果

本发明的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置和测量方法采用全封闭气腔和压力控制器下的全压力控制，全封闭气腔内的压力均衡，连接到数字示波器进行测试，测试简单直接，待测薄膜材料在测试中非常稳定，大大提高了测试精度。

附图说明

图1为现有气腔压力法压电常数测量装置工作示意图。

图2为材料压电效应原理示意图。

图3为本发明结构工作原理示意图。

图4为本发明的全封闭气腔主视示意图。

图5为本发明的全封闭气腔俯视示意图。

图6为本发明的待测薄膜材料与电荷放大器连接的测量等效电路。

其中：1-待测薄膜材料，2-全封闭气腔，21-上盖板，22-中间腔体，23-下盖板，24-密封圈，25-支撑柱，26-内导电柱，27-外导电柱，28-水平监控泡，29-高度调节螺钉，2a-进气接口,2b-电荷输出接口,3-压力控制器，4-气源，5-电荷放大器，6-数字示波器，7-数字压力计，8-热电偶传感器，9-数字温度计。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

为了克服现在测试装置在边界处会引入切向力,而且待测薄膜材料的受力面积会产生变化,使得后续计算产生偏差，且目前的气腔压力法测量装置,气体从薄膜的两面分别充入腔体且不互通,易出现两侧腔体压力不均衡,令薄膜产生非垂直方向的形变等上述缺点，本发明提出了一种新的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，实现了对薄膜材料压电常数d₃₃的测量，同时本发明装置也可用于薄晶体、成品压电薄膜器件、传感器等的d₃₃的测量，其结构的工作原理如附图3所示。

新的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置是将待测薄膜材料放置在全封闭气腔内，全封闭气腔通过压力控制器连接气源，由压力控制器控制全封闭气腔内的压力，所述待测薄膜材料上下两面的电极与设置在全封闭气腔的腔体壁上的连通全封闭气腔内外的导电柱电连接，所述导电柱的外接电线连接电荷放大器，最后连接到数字示波器，所述全封闭气腔包括上盖板、中间腔体和下盖板，所述上盖板和中间腔体之间以及中间腔体和下盖板之间设置有密封圈，在所述下盖板上的中间腔体内设置有支撑柱，支撑柱上设置有待测薄膜材料放置平台，平台上有待测薄膜材料放置凹孔，用来放置待测薄膜材料，平台边设置有内导电柱，所述内导电柱分别与所述待测薄膜材料上下两面的电极电连接，内导电柱通过同轴线与设置在腔体壁上的连通全封闭气腔内外的外导电柱电连接，外导电柱的外接线连接电荷放大器，通过电荷放大器连接数字示波器；所述压力控制器连接有数字压力计，所述全封闭气腔内还设置有热电偶传感器，热电偶传感器连接监控用数字温度计。其中，全封闭气腔的结构示意见附图4和5。

所述外导电柱设置在下盖板壁上。中间腔体外的下盖板上设置有水平监控泡，下盖板下方设置有多个支撑底脚，所述支撑底脚上均设置有高度调节螺钉。支撑底脚设置为三个，均匀设置在下盖板下方，每个支撑底脚间夹角为120度。

附图6为本发明装置的待测压电薄膜与电荷放大器连接的等效电荷测量电路，待测压电薄膜相当于一个电荷发生器，其等效电容上产生的电荷信号与施加在表面的压力成线性关系，电荷放大器实质上是深度反馈放大电路。图中Ca为压电薄膜等效电容，Cc为连接电缆电容，Ri为放大器的输入电阻，Ci为电荷放大器的输入电容，C_f为放大器的反馈电容,Ra为压电薄膜的绝缘漏电阻，R_f为并联在反馈电容两端的漏电阻。为消除电缆噪声的影响减少零漂，稳定放大器工作状态，R_f选取非常高的电阻1011Ω，以提供直流反馈。

由电荷理论可推得电荷放大器的输出电压为

$U_0=\frac{-\mathrm{j\ωAQ}}{(\frac{1}{R_f}+{\mathrm{j\ωC}}_f)(1+A)+\frac{1}{R_a}+\frac{1}{R_i}+\mathrm{j\ω}(C_a+C_C+C_i)}$

A为运算放大器开环增益,，这里A很大，所以有(1+A)C_f远大于Ca+Cc+Ci，这样Ca，Cc，Ci都可忽略不计，Ra，Ri，R_f相当大，放大器的输出电压为

$U_0=\frac{-\mathrm{AQ}}{(1+A)C_f}\≈-\frac{Q}{C_f}$

于是微弱的电荷变换为与其成正比的电压，可用示波器显示并测量。

测试过程可以按照下列步骤：(1)打开上盖板，将待测薄膜材料置于全封闭气腔之中，将待测薄膜材料的上下电极引线与内导电柱相连；(2)确认所述内导电柱与外导电柱连接后关闭全封闭气腔；(3)采用氮气瓶作为气源供气，将压力控制器先置于数值A kPa，并向全封闭气腔内实施该压力；(4)记录此时数字压力表的示值P1kPa，通过待测薄膜材料后，外导电柱连接的电荷放大器的转换倍率k1，在数字示波器上得到的对应所示的电压值V1；(5)再将压力控制器置于数值B kPa，并向全封闭气腔内实施该压力，记录此时的数字压力表的示值P2kPa，通过待测薄膜材料后变化的电荷放大器的转换倍率k2，数字示波器的所示的电压值V2；(6)采用以下的公式得到压电常数d33： $d_{33}=\frac{{\mathrm{\ΔH}}_e}{\mathrm{\ΔF}}=\frac{V_2{k}_2-V_1{k}_1}{(P_2-P_1)M},$ 式中M为薄膜材料的面积。

Claims (5)

1.一种气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：将待测薄膜材料放置在全封闭气腔内，所述全封闭气腔通过压力控制器连接气源，由压力控制器控制全封闭气腔内的压力，所述全封闭气腔包括上盖板、中间腔体和下盖板，所述上盖板和中间腔体之间以及中间腔体和下盖板之间设置有密封圈，在所述下盖板上的中间腔体内设置有支撑柱，支撑柱上设置有待测薄膜材料放置平台，平台上有待测薄膜材料放置凹孔，用来放置待测薄膜材料，平台边设置有内导电柱，所述内导电柱分别与所述待测薄膜材料上下两面的电极电连接，内导电柱通过同轴线与设置在腔体壁上的连通全封闭气腔内外的外导电柱电连接，外导电柱的外接线连接电荷放大器，通过电荷放大器连接到数字示波器；所述压力控制器连接有数字压力计，所述全封闭气腔内还设置有热电偶传感器，热电偶传感器连接监控用数字温度计。

2.如权利要求1所述的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：所述外导电柱设置在下盖板壁上。

3.如权利要求1所述的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：所述中间腔体外的下盖板上设置有水平监控泡，下盖板下方设置有多个支撑底脚，所述支撑底脚上均设置有高度调节螺钉。

4.如权利要求3所述的气腔压力法薄膜材料压电常数测量装置，其特征在于：所述支撑底脚设置为三个，均匀设置在下盖板下方，每个支撑底脚间夹角为120度。

5.一种应用如权利要求1所述的测量装置测量薄膜材料压电常数的测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)打开上盖板，将待测薄膜材料置于全封闭气腔之中，将待测薄膜材料的上下电极引线与内导电柱相连；(2)确认所述内导电柱与外导电柱连接后关闭全封闭气腔；(3)采用氮气瓶作为气源供气，将压力控制器先置于数值A kPa，并向全封闭气腔内实施该压力；(4)记录此时数字压力表的示值P₁kPa，通过待测薄膜材料后，外导电柱连接的电荷放大器的转换倍率k₁，在数字示波器上得到的对应所示的电压值V₁；(5)再将压力控制器置于数值B kPa，并向全封闭气腔内实施该压力，记录此时的数字压力表的示值P₂kPa，通过待测薄膜材料后变化的电荷放大器的转换倍率k₂，数字示波器的所示的电压值V₂；(6)采用以下的公式得到压电常数d₃₃：其中M为薄膜材料的面积。