CN1220399A - 薄膜形压电材料的压电常数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜形压电材料的压电常数的测量方法,在形成一有底部电极和顶部电极的薄膜形压电材料之后,在顶部电极上放置一显微镜并测量薄膜的位移高度;从压力机构产生一气压并将其施加到薄膜上;一电荷测量装置测量从薄膜产生的电荷;利用测得的电荷和所施加气压的大小计算薄膜形压电材料的压电常数。用气压法将均匀的气压加到压电材料的整个表面可测量压电常数,而不必考虑压电材料的布局,也不会引起薄膜形压电材料的缩短或塑性变形。

Description

薄膜形压电材料的 压电常数的 测量方法

本发明涉及一种薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，特别是涉及将一均匀气压加到薄膜形压电材料的整个表面而不必考虑薄膜的布局，也不会引起薄膜的缩短或塑性变形，并能精确测量薄膜形压电材料的压电常数的一种薄膜形压电材料的压电常数的测量方法。

象微处理器和存储器那样的电子装置已经小型化，它们的性能得到了改进，并且它们的价格已大大降低。同样需要使象传动机构那样的机械装置小型化，为了将来的应用需要微型传动机构，例如在医学和生物医学领域。一般来说，微型机械装置基于静电学，压电学，热力学或电磁学原理。

一压电传动机构通过压电效应就能将机械能转换成电能，或通过逆压电效应将电能转换成机械能。也就是说，根据压电材料的内部极性和所加电压方向由压电材料的收缩或扩展压电转换装置将电能转换成机械能。压电材料的收缩或扩展不是由压电材料的尺寸决定，而是由所加电压的大小和方向决定的。因此，压电薄膜可以用来制造微型传动机构。由一击穿电场或一最大应力限定压电薄膜的最大伸展。这样，有压电薄膜的微型传动机构通常在低于10伏的低电压范围工作。

利用硅技术能以低成本制造压电传动机构。集成在硅基片上的压电薄膜的各种应用已为公知。在大多情况下，ZnO被用作压电薄膜。然而，铅锆酸盐钛酸盐(PZT∶Pb(Zr,Ti)O₃)比ZnO具有更好的压电特性。PZT是铅锆酸盐(PbZrO₃)和铅钛酸盐(PbTiO₃)的完全固溶体。立方晶结构的PZT在高温下以仲电相存在。在室温下根据Zr和Ti的组份比例，正交晶结构的PZT以反铁电相存在，三角晶结构的PZT以铁电相存在，四方晶结构的PZT以电磁相存在。图1给出了PZT的一二元相图。参见图1，当Zr∶Ti的比值为1∶1时，四方晶相和三角晶相的变晶相区域(MPB)存在。在MPB时，PZT有一最大的介电参数和一最大的压电参数。MPB存在于很宽的区域，在此区域中四方晶相和三角晶相共存，但不是以某种混合物存在。研究人员并不赞同PZT晶相共存区域的混合物。各种理论，如热力学稳定性、组合变化和内部应力，用来解释晶相共存区域。

今天，各种工艺，如离心覆盖、金属有机化学蒸汽沉积(OMCVD)以及溅射等都可用来制造PZT薄膜。据报道，由给PZT薄膜施加力测量从其产生的电荷量便能测量PZT薄膜的压电常数(见：铁电薄膜压电常数的测量，K.Lefki和G.J.M.Dormans，应用物理杂志76(3)1994年8月1日，pp1764-1767)。

压电薄膜的电特性是由弹性系数、压电常数和介电常数决定的。一般来说，压电常数表示压电材料的电响应程度。例如，压电常数表示相应于所加电场压电材料的扩展和收缩。5301558号美国专利(专利权人为JeffreyA.Livingstone等)公开了多层压电传动机构参数如压电常数、杨氏模量和电容等的测量装置。图2是该多层压电传动机构的压电参数测量装置的剖面图，图3是与该测量装置连接的控制电路框图。

参见图2，测量装置10有一压电传动机构15，压电传动机构15有一外壳18和一组高度为L₁的柱状压电元件20。外壳18包括一与其一端接触的膜层16。外壳18保护传动机构15并用以将传动机构15装在测量装置10上。一组压电元件20沿轴线25排成一线。每个压电元件20形状象截面积为A的圆盘。金属电极30交替插入该组压电元件20中。压电元件20与所加电能幅度成比例沿轴线扩展。这样，有压电元件20的传动机构15将电能转换成机械能。

参见图2，测量装置10有一前板40，一后板45和一中间板50，它们都是由淬火钢制成。前板40用以放置传动机构15，后板45限定一内腔55。有一活塞65的气缸60放置在内腔55中并固定在中间板50上。前板40、中间板50和气缸60限定了一沿轴线与外壳18排成一线的中心孔。一柱形板70放置在前板40的该中心孔中，与外壳18的膜片16相邻。例如，柱形板70由高弹性钢制成，其一端面为抛光面。

一钢枕75放置在中间板50和气缸60的中心孔中。钢枕75的一端与气缸60的活塞65相连。一动力传感器80放置在钢枕75的另一端和柱形板70之间。动力传感器80制成圆环状，并与轴线25同轴放置。钢枕75和活塞65沿轴线25成一线限定了一小孔。一光纤传感器85放置在该小孔中。光纤传感器85有一传感头位于柱形板70的抛光面的中部。如图2所示，一传感器套90固定在后板45上。传感器套90包括一测微器95用以调节传感头与柱形板70的距离不变。

参见图3，一比例压力调节器100与压缩空气105连接。比例压力调节器100可控制地将压缩空气供给气缸60。根据受到的压缩空气，比例压力调节器100给传动机构15施加一轴向力。一压力机构110测量给传动机构15施加的力并相应产生一受力信号Fn。压力机构110包括压力传感器80和一双模式放大器115。压力传感器80测量给传动机构15施加的力并相应产生一感应信号。双模式放大器115接收并处理该感应信号，产生有一预定电压范围的该压力信号Fn。一光学部件120测量传动机构15的线性位移并相应产生一位置信号Ln。光学部件120包括传感器85和与其相连的信号处理电路125。传感器85将随机光发射到柱形板70的抛光面并测量其反射光，相应产生一光信号。信号处理电路125接收该光信号并将其变换为该位置信号，其电压幅度与该光信号的幅度成正比。

一高压电源130将恒定电压送给传动机构15。感应部件135包括一电流探测器用以测量通过传动机构15的电流和一电压探测器用以测量施加到传动机构15上的电压。一数据采集板140与信号处理电路125、感应部件135、高压电源130和压力调节器100相连。一台计算机145通过数据采集板140接收各种信号并确定传动机构15的各种特性参数。计算机145也通过数据采集板140控制高压电源130和压力调节器100。一绘图仪150和一打印机155与计算机145连接用以显示测试结果。

下面描述利用该测量装置对多层传动机构的压电常数进行测量的方法。

首先，在测量压电传动机构15的压电常数之前将与压电常数有关的各种测试仪器如压力机构110、光学部件120等回位。即没有力或负载施加于传动机构15，放大器115调整到控制压力信号Fn幅度为零，与光学传感器85相连的信号处理电路125也回位。然后，气缸60将预定压力，如250磅，加到传动机构15上。高压电源130在五秒的预定时间内开始将200伏的电压加到传动机构15上。计算机145控制高压电源130给传动机构15逐渐加压，以每100伏逐渐加至900伏。信号Vm表示加到传动机构15上的电压幅度。随着电压的每次增加传动机构15移动一定量。光学传感器部件120测定传动机构15的轴向位移并随着电压的每次变化将位置信号Lm传送给计算机145。计算机145采集测试数据并绘出以用作日后分析。一旦获得数据，就能作出分析和计算。压电常数根据下式决定：其中m是一整数，表示所加电压每次增加的测量数目，N表示工作或获得的压电盘的数目，0表示初始值，f表示终值。

然而，在上述装置中，在压电传动机构加上预定压力和电压之后，根据所加电压测量压电传动机构的位移来计算压电常数，因此，利用上述装置测得的压电常数会根据压电元件的位置和状态以及光学传感部件的安排情况而变化。并且因为在低电压范围内压电元件的位移量非常小，测量压电常数时也可能存在误差。另外，该装置的结构也很复杂并且制造成本可能很高。当利用该装置测量单层压电薄膜的压电常数时，可能存在单层压电薄膜的缩短或塑性变形。再者，很难将一恒定压力施加到单层压电薄膜的整个表面上。

因此，为了克服上述缺陷，本发明的目的是提供一种薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，该方法利用气压法将一恒定的气压加到薄膜形压电材料的整个表面而不必考虑薄膜的布局，也不会引起薄膜的缩短或塑性变形，并能精确测量薄膜形压电材料的压电常数。

为了达到上述目的，本发明第一实施例的一种压电材料的压电常数的测量方法包括以下步骤：

在形成一底部电极后在该底部电极上形成一薄膜形压电材料；

在所述薄膜形压电材料上形成一顶部电极；

放置一显微镜用以测量在所述顶部电极上的薄膜形压电材料的位移高度；

由一压力机构产生一气压；

通过一根导管将所述气压加到放置在所述顶部电极和所述底部电极之间的所述薄膜形压电材料上；

改变加到所述薄膜形压电材料上的所述气压；

在所述顶部电极连接到一电荷测量装置的第一端点和所述底部电极连接到所述电荷测量装置的第二端点后测量由所述薄膜形压电材料产生的电荷；

用一计算机装置记录所述测量电荷和所述施加气压的幅度；以及

利用所述测得的电荷和所述施加气压的幅度计算所述薄膜形压电材料的压电常数。

在一基底形成后在该基底上形成所述的底部电极。形成所述顶部电极的步骤还包括蚀刻所述基底的底部的一部分以露出所述底部电极的一部分从而在所述基底的底部所上形成一开口的一步骤。

使用导电金属如金、铂、钽或铂钽合金并利用溅射法或化学蒸汽沉积法分别形成所述顶部电极和底部电极，利用由溶胶凝胶法产生的铅锆酸盐钛酸盐(Pb(Zr,Ti)O₃)并利用溅射法或化学蒸汽沉积法进行形成所述薄膜形压电材料的步骤。

压缩部件是一真空泵或一台压缩机，电荷测量装置是一电荷放大器或一皮安培计。

在使所述计算部件、一压力测量仪、所述电荷测量装置和所述压力机构回位后进行将所述气压加到所述薄膜形压电材料上的步骤，通过操纵一释放阀门调节所述气压来进行改变施加到所述薄膜形压电材料上的所述气压的步骤。

最好是，计算所述薄膜形压电材料的压电常数的步骤还包括在所述计算机部件中记录所述薄膜形压电材料的位移测量高度的步骤，在所述计算机部件中记录所述薄膜形压电材料的直径和厚度的步骤，计算由使用所述施加气压的大小和所述薄膜形压电材料的所述直径和厚度在所述薄膜形压电材料中产生的应力的步骤，以及由使用所述计算出的应力和所述记录的电荷计算所述薄膜形压电材料的压电常数的步骤。

为了达到上述目的，本发明第二实施例的一种压电材料的压电常数的测量方法包括以下步骤：

在一基底形成后在该基底上形成一底部电极；

在该底部电极上形成一薄膜形压电材料；

在该薄膜形压电材料上形成一顶部电极；

形成一应变测量仪用以测量所述顶部电极上的所述薄膜形压电材料产生的应力；

由一压力机构产生一气压；

通过一根导管将所述气压加到放置在所述顶部电极和所述底部电极之间的所述薄膜形压电材料上；

由调节一释放阀门改变加到所述薄膜形压电材料上的所述气压；

在所述顶部电极连接到一电荷测量装置的第一端点和所述底部电极连接到所述电荷测量装置的第二端点后测量由所述薄膜形压电材料产生的电荷；

用一计算机装置记录所述测量电荷和所述测量应力；

用一计算机装置记录所述薄膜形压电材料的所述位移的测量高度；以及

利用所述测得的电荷和所述施加气压的幅度计算所述薄膜形压电材料的压电常数。

因此，根据本发明，一均匀气压能够加到所述薄膜形压电材料上而不必考虑压电材料的布局，因为诸如一均匀真空气压或一均匀气体气压那样的所述气压加到所述压电材料上。另外，也能防止所述薄膜形压电材料的缩短或塑性变形。在测量所述压电材料产生的电荷时也能防止所述电荷测量装置产生误差。

通过参照附图详细描述实施例，本发明的目的和优点更加清楚，在图中：

图1是PZT的二元相图；

图2是多层压电传动结构的压电参数的传统测量装置的一剖面图；

图3是与图2所示测量装置相连的控制电路框图；

图4是根据本发明的第一实施例的薄膜形压电材料的压电常数的测量装置；

图5是根据本发明的第一实施例，为了测量所述压电常数将一气压加到所述薄膜形压电材料上的状态图；

图6A-6B表示根据本发明的第一实施例的薄膜形压电材料的样品的制造步骤；

图7是根据本发明的第二实施例的薄膜形压电材料的压电常数的测量装置；

图8是根据本发明的第二实施例，为了测量所述压电常数将一气压加到所述薄膜形压电材料上的状态图；以及

图9是根据本发明的另一实施例的薄膜形压电材料的样品。

下面参照附图更加详细描述本发明的最佳实施例。

图4是根据本发明的第一实施例的薄膜形压电材料的压电常数的测量装置。

参见图4，薄膜形压电材料的压电常数的测量装置有一包括一顶部电极305和一底部电极310的薄膜形压电材料，一基底320，一导管330，一压力机构340，一释放阀门350，一显微镜380，一压力测量仪355，一有一第一端点365和一第二端点370的电荷测量装置360以及一台计算机装置390。

在所述薄膜形压电材料300上形成所述顶部电极305，在所述薄膜形压电材料下形成所述底部电极310。有顶部电极305和底部电极310的薄膜形压电材料300与所述基底320连接。所述底部电极310的一部分通过所述基底的一开口显露出来。导管330连接到基底320开口的底部。

压力机构340通过导管330和基底320的开口将一预定的气压施加到薄膜形压电材料上。释放阀门350有一连接到导管330和压力测量仪350的第一管道和连接到压力机构340的第二管道。当所加气压降低或升高时，利用释放阀门350能够测量薄膜形压电材料的压电常数。

显微镜380以一定的距离置于顶部电极305之上。当所加的气压使薄膜形压电材料变形时，通过焦距的变化显微镜380测量薄膜形压电材料的变形高度。压力测量仪355与释放阀门350的第一导管连接并连接到计算机装置390。压力测量仪355显示并测量施加的气压。

电荷测量装置360的第一端点365与顶部电极305连接，电荷测量装置360的第二端点370与底部电极310连接。通过顶部电极305和底部电极310电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料产生的电荷量。计算机装置390有一第一端点与压力测量仪355连接，一第二端点与电荷测量装置360连接以及一第三端点与显微镜380连接。计算机装置控制上述部件并计算薄膜形压电材料300的压电常数。

下面描述根据本实施例的薄膜形压电材料的样品的制造步骤。

图6A-6B给出了根据本实施例的薄膜形压电材料的样品的制造步骤。在图6A-6B中，与图4中相同的标号表示相同的部件。

参见图6A，在由硅制成的基底320上形成底部电极310。利用导电金属如金(Au)、铂(Pt)、钽(Ta)或铂钽合金(Pt-Ta)并由溅射法或化学蒸汽沉积(CVD)法形成底部电极310。由溅射法或CVD法在底部电极310上形成薄膜形压电材料300。利用由溶胶凝胶法产生的铅锆酸盐钛酸盐(PZT)形成薄膜形压电材料300。

利用导电金属如金(Au)、铂(Pt)、钽(Ta)或铂钽合金(Pt-Ta)并由溅射法或化学蒸汽沉积(CVD)法形成顶部电极305。

参见图6B，为了将气压加到薄膜形压电材料上利用蚀刻在基底320的底部形成一开口，这样底部电极310的一部分显露出来。导管330连接到基底320开口的底部，这样便制成了薄膜形压电材料的所述样品。

下面描述利用根据本发明的第一实施例的装置测量薄膜形压电材料的压电常数的方法。

在传统方法中，为了计算压电材料的压电常数，在给压电材料施加一定电压后测量压电材料的位移大小。然而，在本发明的第一实施例中，一种气压法被用作薄膜形压电材料的压电常数的测量方法。在该气压法中，当给压电材料施加一定的气压后由测量压电材料产生的电荷量和应力来计算压电常数。

图5是根据本实施例，为了测量所述压电常数将一气压加到所述薄膜形压电材料上的状态图。

参见图5，为了测量薄膜形压电材料300的压电常数，在一气压(P)施加到薄膜形压电材料300之前使计算机装置390、压力测量仪355、电荷测量装置360以及压力机构回位。在基底320上形成有顶部电极305和底部电极310的薄膜形压电材料300。接着，显微镜380置于形成在薄膜形压电材料300上的顶部电极的上方，利用显微镜380的焦距变化测量薄膜形压电材料300的位移高度。

电荷测量装置360的第一端点365与顶部电极305连接，电荷测量装置360的第二端点370与底部端点310连接，用以测量由薄膜形压电材料300产生的电荷量。这样，通过顶部电极305和底部电极310电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料300产生的微小电荷。最好是，电荷放大器或皮安培计可以用作电荷测量装置360。

随后，压力机构340工作用以产生气压(P)并将该气压(P)加到薄膜形压电材料300上。最好是，压力机构340是一真空泵或一压缩机。然后，释放阀门350工作用以改变施加到薄膜形压电材料300上的气压(P)。当气压(P)加到薄膜形压电材料300上时，该薄膜形压电材料300向上变形。当所加的气压(P)变化时，利用电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料300产生的电荷量，然后在计算机装置390中记录该电荷量。同时，计算机装置390记录由压力测量仪355测得的施加气压(P)的大小。当气压(P)加到薄膜形压电材料300上时，在薄膜形压电材料300中产生应力。在这种情况下，在显微镜380测量薄膜形压电材料300的位移高度并且在计算机装置中记录所测得的高度之后，根据下式计算机装置计算在薄膜形压电材料300中产生的应力： $\mathrm{\σ}=f(P,a^2,1/h,1/t)=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{4\mathrm{ht}}$

其中σ表示在薄膜形压电材料中产生的应力，P表示气压，a表示薄膜形压电材料的直径，h表示薄膜形压电材料的位移高度，t表示薄膜形压电材料的厚度。

当预定气压由压力机构340通过释放阀门360、导管330、以及基底320的开口施加到薄膜形压电材料300上时，由电荷测量装置360通过顶部电极305、底部电极310以及电荷测量装置360的第一和第二端点365、370测量从薄膜形压电材料300产生的电荷。在计算机装置390中记录测得的电荷量。压力测量仪350数字显示施加气压(P)的大小，这样利用压力测量仪350调整施加气压(P)的大小。在计算机装置390中也记录薄膜形压电材料300的直径和厚度。

当释放阀门350改变施加气压(P)的大小时，从薄膜形压电材料300产生的电荷量随之变化。电荷测量装置360测量电荷的大小并将测得的电荷数值送到计算机装置390。当真空泵用作压力机构340时，一真空压力可以施加到薄膜形压电材料300上。当一压缩机用作压力机构340时，一高压可以施加到薄膜形压电材料300上。因此，施加气压(P)的范围可以升高，使精确测量成为可能。

在传统装置中，很难将均匀压力施加到厚度薄、表面粗糙的压电材料上，因为是动力传感器将压力机械地施加到压电材料上。当施加压力时，可能存在薄膜形压电材料的缩短或塑性变形。因此，当测量压电常数时由于误差可能存在，很难精确测量压电材料的压电常数。另外，当使用光学传感器装置计算压电常数用以测量多层压电传动机构的位移时，压电常数值可能根据光学传感器和多层压电传动机构的安置和状况变化。当施加的电压低时，由于多层压电传动结构的位移非常小，测得的压电常数误差可能存在。

然而，在本发明的第一实施例中，可以将一均匀的气压(P)施加到薄膜形压电材料300上而不必考虑压电材料的布局，这是因为能够将一真空压力或一均匀的气体压力产生的气压施加到薄膜形压电材料300上。这也能防止薄膜形压电材料300的缩短或塑性变形。电荷测量装置360能够防止测量由压电材料产生的电荷的误差。

根据测得的薄膜形压电材料300的电荷和应力的大小计算机装置390由下式计算压电常数：

其中D表示电荷密度，P表示施加的气压，Q表示薄膜形压电材料产生的电荷量，σ表示薄膜形压电材料中产生的应力。

图7是根据本发明的第二实施例的薄膜形压电材料的压电常数的测量装置。图7中与图4相同的标号表示相同部件。

参见图7，薄膜形压电材料的压电常数的测量装置有一包括一顶部电极305和一底部电极310的薄膜形压电材料300，一基底320，一导管330，一压力机构340，一释放阀门350，一应变测量仪400，一压力测量仪355，一台有一第一端点365和一第二端点370的电荷测量装置360以及一台计算机装置390。

在薄膜形压电材料300上形成顶部电极305，在薄膜形压电材料300下形成底部电极310。有顶部电极305和底部电极310的薄膜形压电材料300与基底320连接。通过基底320的一开口底部电极310的一部分显露出来。导管330与基底320开口的底部相连。

压力机构340通过导管330和基底320的开口给薄膜形压电材料300施加一预定的气压。释放阀门350有一连接到导管330和压力测量仪350的第一管道，以及一连接到压力机构340的第二管道。当施加的气压减小或增加时，利用释放阀门355能够测量薄膜形压电材料300的压电常数。

应变测量仪400连接到顶部电极305。应变测量仪400直接测量薄膜形压电材料300中产生的应力。薄膜形压电材料300的应力是由气压(P)引起的。压力测量仪355连接到释放阀门350的第一管道并且连接到计算机装置390。压力测量仪355显示并测量所施加的气压。

电荷测量装置360的第一端点365与顶部电极305连接，电荷测量装置360的第二端点370与底部电极310连接。通过顶部电极305和底部电极310电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料产生的电荷量。计算机装置390有一第一端点与压力测量仪355连接，一第二端点与电荷测量装置360连接以及一第三端点与应变测量仪400连接。计算机装置控制上述部件并计算薄膜形压电材料300的压电常数。

除应变测量仪400外，根据本实施例的薄膜形压电材料的样品的制造步骤与第一实施例的制造步骤相同。

下面描述使用根据本发明的第二实施例的装置来测量薄膜形压电材料的压电常数的一种方法。

图8是根据本发明的第二实施例，为了测量所述压电常数将一气压加到所述薄膜形压电材料上的状态图。

在本发明的第二实施例中，气体压力法也被用作薄膜形压电材料的测量方法。

参见图8，为了测量薄膜形压电材料300的压电常数，在一气压(P)施加到薄膜形压电材料300之前使计算机装置390、压力测量仪355、电荷测量装置360以及压力机构340回位。在基底320上形成有顶部电极305和底部电极310的薄膜形压电材料300。另外，应变测量仪400连接到在薄膜形压电材料300上形成的顶部电极305上用以直接测量薄膜形压电材料300中产生的应力。

电荷测量装置360的第一端点365与顶部电极305连接，电荷测量装置360的第二端点370与底部端点310连接，用以测量由薄膜形压电材料300产生的电荷量。这样，通过顶部电极305和底部电极310电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料300产生的微小电荷。最好是，电荷放大器或皮安培计可以用作电荷测量装置360。

随后，压力机构340工作用以产生气压(P)并将该气压(P)加到薄膜形压电材料300上。最好是，压力机构340是一真空泵或一压缩机。然后，释放阀门350工作用以改变施加到薄膜形压电材料300上的气压(P)。当气压(P)加到薄膜形压电材料300上时，该薄膜形压电材料300向上变形。当所加的气压(P)变化时，利用电荷测量装置360测量由薄膜形压电材料300产生的电荷量，然后在计算机装置390中记录该电荷量。当气压(P)施加到薄膜形压电材料300上时，在薄膜形压电材料300中产生应力。在这种情况下，在应变测量仪400测量薄膜形压电材料300的应力并在计算机装置390中记录测得的应力后，由下式根据测得的薄膜形压电材料产生的电荷量和薄膜形压电材料中产生的应力，计算机装置390计算压电常数：其中D表示电荷密度，P表示施加的气压，Q表示薄膜形压电材料产生的电荷量，σ表示薄膜形压电材料中产生的应力。

当预定的气压(P)由压力机构340通过释放阀门350、导管330以及基底320的开口施加到薄膜形压电材料300上时，由电荷测量装置360通过顶部电极305、底部电极310以及电荷测量装置360的第一和第二端点365、370测量薄膜形压电材料300产生的电荷。在计算机装置390中记录测得的电荷量。与顶部电极305连接的应变测量仪400也直接测量薄膜形压电材料300中产生的应力并在计算机装置390中记录测得的应力。压力测量仪350数字显示施加气压(P)的大小，这样利用释放阀门350调节所施加气压的大小。

当释放阀门350改变施加气压(P)的大小时，从薄膜形压电材料300产生的电荷量随之变化。电荷测量装置360测量电荷的大小并将测得的电荷数值送到计算机装置390。如果真空泵用作压力机构340，一真空压力可以施加到薄膜形压电材料300上。如果一压缩机用作压力机构340，一高压可以施加到薄膜形压电材料300上。因此，施加气压(P)的范围可以升高，使精确测量成为可能。

在本实施例中，应变测量仪400与顶部电极305连接。然而，一应变测量仪400a可以与有顶部电极305的薄膜形压电材料300一体形成，如图9所示。一绝缘层399置于应变测量仪400a和顶部电极305之间。

然而，在本发明的第二实施例中，能将均匀气压(P)施加到薄膜形压电材料300上而不必考虑压电材料的布局，因为由一种均匀真空压力或一种均匀气体压力引起的气压能够施加到薄膜形压电材料300上。另外，还能防止薄膜形压电材料300的缩短或塑性变形。

虽然本发明的最佳实施例已经描述，可以理解本发明并不限于这些最佳实施例，在本发明的精神和范围之内本领域的技术人员可以作出各种变换和修改。

Claims (12)

1．一种压电材料的压电常数的测量方法，包括以下步骤：

在形成一底部电极后在该底部电极上形成一薄膜形压电材料；

在所述薄膜形压电材料上形成一顶部电极；

在所述顶部电极上方放置一显微镜用以测量薄膜形压电材料的位移高度；

由一压力机构产生一气压；

通过一根导管将所述气压加到放置在所述顶部电极和所述底部电极之间的所述薄膜形压电材料上；

改变加到所述薄膜形压电材料上的所述气压；

在所述顶部电极连接到一电荷测量装置的第一端点和所述底部电极连接到所述电荷测量装置的第二端点后测量由所述薄膜形压电材料产生的电荷；

用一计算机装置记录所述测量电荷和所述施加气压的幅度；以及

利用所述测得的电荷和所述施加气压的计算所述薄膜形压电材料的压电常数。

2．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，在形成一基底后，在该基底上形成所述底部电极。

3．根据权利要求2所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，形成所述顶部电极的步骤还包括蚀刻所述基底的底部的一部分而在所述基底的底部形成一开口用以显露所述底部电极的一部分。

4．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，使用导电金属如金、铂、钽或铂钽合金并利用溅射法分别形成所述顶部电极和底部电极。

5．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，形成所述薄膜形压电材料的步骤包括利用由溶胶凝胶法产生的铅锆酸盐钛酸盐(Pb(Zr,Ti)O₃)并利用溅射法进行。

6．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，所述压力机构是一真空泵或一台压缩机。

7．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，在使所述计算机装置、压力测量仪、所述电荷测量装置和所述压力机构回位后进行将所述气压加到所述薄膜形压电材料上的步骤。

8．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，改变施加到所述薄膜形压电材料上的所述气压的步骤包括通过操纵一释放阀门调节所述气压。

9．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，所述电荷测量装置是一电荷放大器或一皮安培计。

10．根据权利要求1所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，计算所述薄膜形压电材料的压电常数的步骤还包括：

在所述计算机装置中记录所述薄膜形压电材料的所述位移测量高度；

在所述计算机装置中记录所述薄膜形压电材料的直径和厚度；

利用所施加气压的大小和所述薄膜形压电材料的所述直径和厚度计算所述薄膜形压电材料中产生的应力；以及

利用所得的应力和所记录的电荷计算所述薄膜形压电材料的压电常数。

11．根据权利要求10所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，根据下式进行计算所述薄膜形压电材料中产生的应力的步骤： $\mathrm{\σ}=f(P,a^2,1/h,1/t)=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{4\mathrm{ht}}$ 其中σ表示在薄膜形压电材料中产生的应力，P表示气压，a表示薄膜形压电材料的直径，h表示薄膜形压电材料的位移高度，t表示薄膜形压电材料的厚度。

12．根据权利要求11所述的薄膜形压电材料的压电常数的测量方法，其中，根据下式进行计算所述薄膜形压电材料的压电常数的步骤：

其中D表示电荷密度，P表示施加的气压，Q表示薄膜形压电材料产生的电荷量，σ表示薄膜形压电材料中产生的应力。

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