DE102005006958A1

DE102005006958A1 - Measuring method for determination of piezo-coefficient involves sample comprises piezoelectric material on which bending load is set out causes its bending which is measured and determines the charge quantity present on it

Info

Publication number: DE102005006958A1
Application number: DE200510006958
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Muralt; Klaus Dr. Prume; Thorsten Schmitz
Original assignee: AIXACCT SYSTEMS GmbH
Current assignee: AIXACCT SYSTEMS GmbH
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-17

Abstract

Measuring method involves using sample (6,7,8) comprising piezoelectric material on which bending load is set out through suspension lug or pressure force present on piezoelectrical material. The bending of the sample caused by the bending load is measured and determines the charge quantity present on the piezoelectric material. INDEPENDENT CLAIM are also included for the following: (A) Measuring device; and (B) Sample.

Description

Beim piezoelektrischen Effekt entsteht bei Ausübung von mechanischem Druck auf einen polaren Kristall eine elektrische Spannung. Die umgekehrte Erscheinung, eine Geometrieänderung bei Anlegen einer elektrischen Spannung, wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet.At the piezoelectric effect arises when applying mechanical pressure on a polar crystal an electrical voltage. The reverse Appearance, a geometry change upon application of an electrical voltage is called inverse piezoelectric Effect called.

Die Piezoelektrizität wird beschrieben durch die piezoelektrischen Koeffizienten [DIN EN 50324 – 1 bis 3].The piezoelectricity is described by the piezoelectric coefficients [DIN EN 50324-1 to 3].

Der Effekt findet z. B. Anwendung in Piezofeuerzeugen, in den Schallköpfen von Ultraschallgeräten, in Beschleunigungssensoren, in Einspritzdüsen von Pkw und in Oszillatoren und Resonatoren.Of the Effect finds z. B. Application in piezo lighters, in the transducers of Ultrasound equipment, in acceleration sensors, in passenger car injectors and in oscillators and resonators.

Beispiele für Materialien mit ausgeprägtem piezoelektrischem Effekt sind z. B. Quarz, Bariumtitanat und Bleizirkonat-Titanat (PZT).Examples for materials with pronounced piezoelectric Effect are z. As quartz, barium titanate and lead zirconate titanate (PZT).

Die genaue Kenntnis der Piezokoeffizienten von piezoelektrischen Dünnschichtstrukturen in Abhängigkeit vom Substrat ist insbesondere für Anwendungen in mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS) notwendig. Beispielsweise sind Verfahren bekannt, die den piezoelektrischen Effekt parallel zur Polarisationsrichtung (d₃₃) mit einem Doppelstrahl-Laserinterferometer unter Anlegen eines elektrischen Anregungssignals an die Probe bestimmen: „Electromechanical properties of SrBi₂Ta₂O₉ thin films"; A.L. Kholkin, K.G. Brooks und N.Setter; Applied Physics Letters, 71:2044-6, 1997 und „Short-time piezoelectric measurements in ferroelectric thin films using a double-beam laser interferometer"; Peter Gerber, Andreas Roelofs, Oliver Lohse, Garsten Kügeler, Stephan Tiedke, Ulrich Böttger und Rainer Waser; Rev. Sci. Instrum. 74:2613, 2003.The exact knowledge of the piezo coefficients of piezoelectric thin film structures as a function of the substrate is particularly necessary for applications in microelectromechanical structures (MEMS). For example, methods are known which determine the piezoelectric effect parallel to the direction of polarization (d ₃₃ ) with a double-beam laser interferometer by applying an electrical excitation signal to the sample: "Electromechanical properties of SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ thin films"; AL Kholkin, KG Brooks and N. Setter; Applied Physics Letters, 71: 2044-6, 1997 and "Short-time piezoelectric measurements in ferroelectric thin films using a double-beam laser interferometer"; Peter Gerber, Andreas Roelofs, Oliver Lohse, Garsten Kügeler, Stephan Tiedke, Ulrich Böttger and Rainer Waser; Rev. Sci. Instrum. 74: 2613, 2003.

Ferner sind Verfahren zur Bestimmung der piezoelektrischen Eigenschaft bekannt, bei denen Druck auf die Probe aufgebracht wird und anhand der über die Elektroden abgegriffenen Ladungsmenge die Koeffizienten bestimmt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in „High-piezoelectric behaviour of c-axis-oriented lead zirconate titanate thin films with composition near the morphotropic phase boundary"; Desheng Fu, Hisao Suzuki, Takeshi Ogawa und Kenji Ishikawa; Appl. Phys. Lett., 80:3572-4, 2002 beschrieben.Further are methods for determining the piezoelectric property known in which pressure is applied to the sample and based the over the electrodes tapped charge quantity determines the coefficients become. A corresponding method is for example in "High-piezoelectric behavior of c-axis-oriented lead zirconate titanate thin films with composition near the morphotropic phase boundary "; Desheng Fu, Hisao Suzuki, Takeshi Ogawa and Kenji Ishikawa; Appl. Phys. Lett., 80: 3572-4, 2002 described.

Es hat sich aber gezeigt, dass die so erhaltenen Messwerte zu ungenau sind, dies wird u.a. auf die Art und Weise der Verbiegung des Substrats, auf dem das piezoelektrische Material aufgebracht ist, zurückgeführt, wie bspw. in „Piezoelectric response of thin films determined by charge integration technique: Substrate bending effects"; A. Barzegar, D. Damjanovic, N. Ledermann und P. Muralt; J. Appl. Phys; 93:4756-60, 2003 verdeutlicht ist.It However, it has been shown that the measured values thus obtained are too inaccurate are, this is u.a. in the way of bending the substrate, on which the piezoelectric material is applied, returned as eg in "Piezoelectric response of thin films determined by charge integration technique: Substrate bending effects "; A. Barzegar, D. Damjanovic, N. Ledermann and P. Muralt; J. Appl. Phys; 93: 4756-60, 2003 is clear.

Ein anderes in „Measurement of the effective transverse piezoelectric coefficient e_31,∫ of AIN und Pb(Zr_x, Ti_|-x)O₃ thin films"; M.-A. Dubois, P.Another in "Measurement of the effective transverse piezoelectric coefficient e _{31, ∫} of AIN and Pb (Zr _x , Ti _{| -x} ) O ₃ thin films", M.-A. Dubois, P.

Muralt; Sensors and Actuators 77: 106-12, 1999 beschriebenes Verfahren behandelt die Bestimmung des effektiven Piezokoeffizienten e_31,∫ von piezoelektrischen Dünnschichten. Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass die Beanspruchung des Probenmaterials vergleichsweise ungleichmäßig erfolgt.Muralt; Sensors and Actuators 77: 106-12, 1999 deals with the determination of the effective piezo coefficient e _{31, ∫} of piezoelectric thin films. Disadvantage of this method is that the stress of the sample material is comparatively uneven.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und somit eine verbesserte, genauere Bestimmung der Piezokoeffizienten ermöglicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.It is therefore an object of the present invention, a measuring method as well as an associated one To provide device which avoids the aforementioned disadvantages and thus an improved, more accurate determination of the piezoelectric coefficients allows. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zur Bestimmung eines Piezokoeffizienten, beispielsweise des Piezokoeffizienten e_31f , eine Probe, welche ein piezoelektrisches Material umfasst, so einer Biegebelastung ausgesetzt wird, dass eine Zug- oder Druckbelastung des piezoelektrischen Materials erreicht wird. Die durch die Biegebelastung bewirkte Durchbiegung wird gemessen und die im piezoelektrischen Material erzeugte Ladungsmenge wird ermittelt. Beispielsweise sind zur Bestimmung der Ladungsmenge am piezoelektrischen Material Elektroden angebracht, über die die im Material induzierte Ladung ermittelt wird. Beispielsweise wird die Ladung mittels eines Ladungs- oder Stromverstärkers und nachfolgender Integration bestimmt. Die Durchbiegung wird beispielsweise durch einen hydraulischen Kolben oder pneumatisch bewirkt. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich beispielsweise um Quarz, Bariumtitanat und Bleizirkonat-Titanat (PZT), das in einer Dünnschicht vorliegt.The method according to the invention provides that for determining a piezo coefficient, for example the piezo coefficient e _31f , a sample comprising a piezoelectric material is exposed to a bending load in such a way that a tensile or compressive loading of the piezoelectric material is achieved. The deflection caused by the bending load is measured, and the amount of charge generated in the piezoelectric material is detected. For example, to determine the amount of charge on the piezoelectric material electrodes are attached, via which the charge induced in the material is determined. For example, the charge is determined by means of a charge or current amplifier and subsequent integration. The deflection is effected for example by a hydraulic piston or pneumatically. The piezoelectric material is, for example, quartz, barium titanate and lead zirconate titanate (PZT) present in a thin film.

Aufgrund der gleichmäßigen, definierten Zug- oder Druckbelastung, beispielsweise in der Dünnschicht, werden besonders genaue Messergebnisse erreicht. Die gleichmäßige Beanspruchung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass eine kontinuierliche und gleichmäßige Kraftverteilung auf das piezoelektrische Material einwirkt.by virtue of the uniform, defined train or pressure load, for example in the thin film, become special accurate measurement results achieved. The uniform stress is for example This achieves that a continuous and even force distribution acting on the piezoelectric material.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Zugbelastung des piezoelektrischen Materials durch eine Krafteinwirkung auf eine, das piezoelektrische Material umfassende Probe zwischen zwei Auflagestellen der Probe hervorgerufen. Die Krafteinwirkung erfolgt an zwei, sich in gleichem Abstand zu den Auflagestellen vorgesehenen Einwirkstellen. Dadurch wird je nach Orientierung eine besonders homogene Zugbelastung des piezoelektrischen Materials erreicht, da ein konstanter Biegeradius über der Probe erreicht wird. Ferner lässt sich die aus der Zugbelastung resultierende Dehnung leicht aus der erreichten Durchbiegung bestimmen, da die Dehnung umgekehrt proportional zum Biegeradius ist. Durch diesen, auch aus dem so genannten „Vier-Punkt"-Biegeversuch bekannten, Aufbau ist die Zugspannung bzw. Dehnung aus den geometrischen Vorgaben der Probe und der eingeleiteten Kraft zu bestimmen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Beweglichkeit der Probe senkrecht zur Auflagerichtung der Probe auf den Auflagestellen bzw. senkrecht zur Einwirkrichtung gewährleistet. Durch die in diese Richtung freie Beweglichkeit der Probe wird erreicht, dass keine zusätzlichen, bzw. in weitere Richtungen wirkenden Zugspannungen auftreten und die Ermittlung der Zugbelastung der Probe aus der Durchbiegung und angelegten Kraft beeinträchtigen könnten.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the tensile stress of the piezoelectric material is caused by a force acting on a sample comprising the piezoelectric material between two support points of the sample. The force effect occurs at two, provided at the same distance from the support points Einwirkstellen. As a result, a particularly homogeneous tensile load of the piezoelectric material is achieved depending on the orientation, since a constant bending radius is achieved over the sample. Furthermore, the strain resulting from the tensile load can be easily determined from the achieved deflection, since the elongation is inversely proportional to the bending radius. As a result of this construction, which is also known from the so-called "four-point" bending test, the tensile stress or strain is to be determined from the geometric specifications of the sample and the force introduced The free movement of the sample in this direction ensures that there are no additional tensile forces acting in further directions and the determination of the tensile load of the sample from the deflection and the applied force could affect.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand zwischen den Auflagestellen doppelt so groß ist, wie der Abstand 1, zwischen den Einwirkstellen. Dadurch lässt sich besonders einfach der piezoelektrische Koeffizient e_31,∫ aus der Ladung Q und der Durchbiegung ermitteln. Dabei ist die Biegebeanspruchung der Probe im Bereich zwischen den Auflagestellen besonders konstant.According to a further advantageous embodiment, the distance between the support points is twice as large as the distance 1, between the contact points. This makes it particularly easy to determine the piezoelectric coefficient e _{31, ∫} from the charge Q and the deflection. The bending stress of the sample in the region between the support points is particularly constant.

Die Probe umfasst gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Substrat, wobei die Biegebelastung auf das Substrat eine Zug- oder Druckbelastung des piezoelektrischen Materials bewirkt. Beispielsweise ist das piezoelektrische Material als dünne Beschichtung auf das Substrat, beispielsweise auf einem Siliziumwafer, aufgebracht. Ob es zu einer Zug- oder Druckbelastung des piezoelektrischen Materials kommt, ist im Wesentlichen von dem Ort der Anordnung des Materials bezüglich des Biegeradius des Substrats abhängig. Ist das Material beispielsweise auf der vom Biegeradius wegliegenden, äußeren Fläche des Substrats angebracht, kommt es zur Zugbelastung des piezoelektrischen Materials.The Sample comprises according to a another embodiment a substrate, wherein the bending load on the substrate is a tensile or pressure load of the piezoelectric material causes. For example is the piezoelectric material as a thin coating on the substrate, for example, on a silicon wafer. Whether it's one Tensile or compressive load of the piezoelectric material is essentially of the Location of the material with respect to the bending radius of the substrate dependent. Is the material, for example, on the away from the bending radius, outer surface of the Substrate attached, it comes to the tensile load of the piezoelectric Material.

Die Krafteinwirkung erfolgt gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nicht unmittelbar auf das piezoelektrische Material, d.h. die Einwirkstellen und Auflagestellen sind nicht unmittelbar am piezoelektrischen Material angeordnet. Beispielsweise ist das Substrat auf den von der Krafteinwirkung abliegenden Seiten, d.h. auf der Seite der Auflagestellen mit dem piezoelektrischen Material in Form einer Dünnschicht versehen. Durch diese Form der Anordnung wird erreicht, dass das piezoelektrische Material lediglich einer Zug- oder Druckbeanspruchung unterliegt und keine Kräfte im Bereich der Auflagestellen oder Einwirkstellen auf das piezoelektrische Material zusätzlich einwirken.The Force is applied according to a further advantageous embodiment not directly on the piezoelectric Material, i. the contact points and support points are not arranged directly on the piezoelectric material. For example is the substrate on the sides away from the force, i.e. on the side of the pads with the piezoelectric Material in the form of a thin film Mistake. By this form of arrangement is achieved that the piezoelectric material is subject only to tensile or compressive stress and no powers in the region of the support points or contact points on the piezoelectric material additionally act.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Durchbiegung mittels eines Laserinterferometers bestimmt. Dadurch wird eine besonders genaue Bestimmung der Durchbiegung erreicht. Ferner können auch sehr geringe Durchbiegungen, wie sie bei besonders harten Proben- bzw. Substratmaterialien, wie z.B. Silizium, auftreten, gemessen werden.at In a further advantageous embodiment, the deflection determined by means of a laser interferometer. This will be a particularly accurate Determination of deflection achieved. Furthermore, even very small deflections, as with particularly hard sample or substrate materials, such as e.g. Silicon, occur, are measured.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet die Verwendung eines Doppelstrahl-Laserinterferometers zur Bestimmung der Durchbiegung. Dabei dient ein Laserstrahl als Referenzstrahl und wird kurz vor der Probenoberfläche mit einem Spiegel reflektiert. Dadurch wird die genaue Durchbiegung der Probe zwischen den beiden Krafteinwirkstellen besonders genau bestimmt.A Another advantageous embodiment includes the use of a Double beam laser interferometer to determine the deflection. there a laser beam serves as a reference beam and comes along shortly before the sample surface a mirror reflected. This will cause the exact deflection the sample between the two force contact points particularly accurate certainly.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Krafteinwirkung periodisch. Beispielsweise wird die Durchbiegung mittels sinusförmiger Krafteinwirkung hervorgerufen. Dadurch wird eine sich in der Frequenz der Krafteinwirkung ändernde Ladungsverteilung im piezoelektrischen Material hervorgerufen. Diese kann durch Verwenden eines Lock-In Verstärkers besonders genau bestimmt werden.According to one further advantageous embodiment of the method according to the invention the force is applied periodically. For example, the Deflection by means of sinusoidal Force effect caused. This will change the frequency the force changing Charge distribution in the piezoelectric material caused. These can be determined very accurately by using a lock-in amplifier become.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird an das piezoelektrische Material eine Spannung angelegt und die zugehörige Dickenänderung gemessen. Da die Bestimmung der Dickenänderung unbeeinflusst davon ist, ob eine Durchbiegung vorliegt oder nicht, kann eine derartige Bestimmung besonders leicht mit dem oben beschriebenen Verfahren kombiniert werden.at A further advantageous embodiment is connected to the piezoelectric Material applied a voltage and measured the associated thickness change. Because the provision the thickness change unaffected of which is whether there is a deflection or not, such Determination particularly easy with the method described above be combined.

Die Bestimmung der Dickenänderung erfolgt bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein Doppelstrahl-Laserinterferometer, wodurch die Bestimmung besonders genau und schnell erfolgen kann. Der Laserstrahl trifft beispielsweise auf zwei gegenüberliegende Seiten der Probe auf und kann deren relativen Abstand zueinander bestimmen. Um ein punktgenaues Auftreffen der Laserstrahlen insbesondere im Zentrum der Probe zu gewährleisten, ist beispielsweise ein oder mehrere Umlenkspiegel vorgesehen und/oder sind Teile der Messvorrichtung mit Durchbrüchen versehen. Auch hierbei kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Messung besonders genau und zuverlässig im Zentrum zwischen den Auflagestellen erfolgen.The Determination of the thickness change takes place in a further advantageous embodiment of the method according to the invention through a double-beam laser interferometer, which makes the determination special can be done accurately and quickly. The laser beam hits, for example on two opposite Sides of the sample and their relative distance to each other determine. In order to spot a precise impact of the laser beams in particular to ensure in the center of the sample For example, one or more deflecting mirrors is provided and / or Parts of the measuring device are provided with openings. Also here In an advantageous embodiment, the measurement can be particularly accurate and reliable in the center between the pads.

Das erfindungsgemäße Messverfahren sieht in einer Ausgestaltung vor, dass die Durchbiegung und/oder Dickenänderung im Zentrum zwischen den Auflagestellen bestimmt wird. Werden diese im Zentrum zwischen den Auflagestellen gemessen, stellt dies eine genaue Bestimmung der jeweiligen Größe sicher. Das Zentrum zeichnet sich dadurch aus, dass die punktuelle Oberfläche in diesem Bereich bei der Durchbiegung ihre zur Durchbiegungsrichtung vertikale Ausrichtung beibehält. Wird beispielsweise ein Laserinterferometer zur Bestimmung der Durchbiegung bzw. Dickenänderung verwendet, so ändert sich die Ausrichtung der jeweiligen Reflexionsebene nicht, und die Messung kann so besonders genau und zuverlässig erfolgen.The measuring method according to the invention provides in one embodiment that the deflection and / or thickness change in the center between the Supports is determined. If these are measured in the center between the support points, this ensures an accurate determination of the respective size. The center is characterized by the fact that the punctiform surface in this area during deflection retains its vertical orientation to the deflection direction. If, for example, a laser interferometer is used to determine the deflection or change in thickness, then the orientation of the respective reflection plane does not change, and the measurement can thus be carried out particularly accurately and reliably.

Die piezoelektrischen Koeffizienten nach DIN EN 50324 – 1 bis 3 werden in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt bestimmt: Handelt es sich beispielsweise um ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten Beschichtung aus piezoelektrischem Material, wird mittels der durch das Verfahrenen erhaltenen Ladungsmenge (wie zuvor beschrieben wurde), der Elektrodenfläche A der Probe (senkrecht zur Krafteinwirkung) und dem Quotienten aus der gemessenen Ladungsmenge Q und der bestimmten Dehnung S₁ in der piezoelektrischen Schicht parallel zur Probenoberfläche gemäß der folgenden Formel die effektive Piezokonstante e_31f ermittelt:

The piezoelectric coefficients according to DIN EN 50324-1 to 3 are determined in one embodiment of the method according to the invention as follows: For example, if it is a substrate with a coating of piezoelectric material applied thereto, the amount of charge obtained by the method (as described above , the electrode area A of the sample (perpendicular to the force) and the quotient of the measured charge amount Q and the specific strain S ₁ in the piezoelectric layer parallel to the sample surface are determined according to the following formula, the effective piezo constant e _31f :

Dabei sind ν_Substrat,f die effektive Querdehnungszahl des Substrats an der Oberfläche und S₁₁ ^E und S₁₂ ^E die Nachgiebigkeitskoeffizienten des piezoelektrischen Materials. Die Dehnung S₁ wird im Allgemeinen aus der Durchbiegung ermittelt.Where ν is _{substrate, f is} the effective transverse strain number of the substrate at the surface and S ₁₁ ^E and S ₁₂ ^{E are} the compliance coefficients of the piezoelectric material. The strain S ₁ is generally determined from the deflection.

In einer Ausgestaltung umfasst die Probe einen länglichen quaderförmigen Probenkörper aus einem Substrat (beispielsweise aus Silizium), auf welches das piezoelektrische Material als dünne Beschichtung (Dünnschicht) aufgebracht ist. Die Krafteinleitung erfolgt auf der der piezoelektrischen Beschichtung gegenüberliegenden Seite des Substrats. Durch diese Form der Anordnung wird erreicht, dass das piezoelektrische Material zwischen den Krafteinwirkstellen lediglich einer konstanten Zugspannung ausgesetzt ist.In In one embodiment, the sample comprises an elongated rectangular sample body a substrate (for example of silicon) onto which the piezoelectric Material as thin Coating (thin film) is applied. The force is applied to the piezoelectric Coating opposite Side of the substrate. By this form of arrangement is achieved that the piezoelectric material between the forces of action is only exposed to a constant tensile stress.

Die aus der Zugspannung resultierende Dehnung S₁ der piezoelektrischen Schicht zwischen den Krafteinwirkstellen ergibt sich aus der Probendicke h und der gemessenen Durchbiegung u₃ der Probe:

The strain S _{1 of} the piezoelectric layer between the force application points resulting from the tensile stress results from the sample thickness h and the measured deflection u _{3 of} the sample:

Der piezoelektrische Koeffizient e_31,∫ bestimmt sich dann vorteilhaft allein aus der zu messenden Ladung und der Durchbiegung der Probe und konstanten geometrischen Größen und Matrialparametern:

The piezoelectric coefficient e _{31, ∫} then determined advantageously solely from the measured load and the deflection of the sample and constant geometric sizes and Matrialparametern:

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich der effektive piezoelektrische Koeffizient d_33,f aus der ermittelten Dickenänderung S₃ und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes E₃ bestimmt. Dies bestimmt sich nach den folgenden Formeln:

wobei S₁₁ ^E, S₁₂ ^E, S₁₃ ^E die jeweiligen orientierungsgebundenen Nachgiebigkeitskoeffizienten des piezoelektrischen Materials sind.In one embodiment of the method according to the invention, the effective piezoelectric coefficient d _{33, f} from the determined change in thickness S ₃ and the strength of the applied electric field E ₃ is additionally determined. This is determined by the following formulas:

where S ₁₁ ^E , S ₁₂ ^E , S ₁₃ ^{E are} the respective orientation-related compliance coefficients of the piezoelectric material.

Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Lagerung für eine Probe mit wenigstens zwei Auflagestellen. Die zu lagernde Probe umfasst ein piezoelektrisches Material. Es sind ferner Mittel zur Krafteinwirkung auf die Probe vorgesehen, die so gestaltet sind, dass durch eine Durchbiegung der Probe eine Zugbelastung des piezoelektrischen Materials zwischen den Auflagestellen bewirkt wird. Darüber hinaus sind Mittel zur Bestimmung der Durchbiegung und Mittel zur Bestimmung der im piezoelektrischen Material erzeugten Ladungsmenge vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine besonders gleichmäßige Durchbiegung der Probe und damit Zugbelastung des zugehörigen piezoelektrischen Materials erreicht. Die durch die Biegebelastung bewirkte Durchbiegung wird gemessen und die im piezoelektrischen Material erzeugte Ladungsmenge wird ermittelt. Beispielsweise umfassen die Mittel zur Bestimmung der im piezoelektrischen Material erzeugten Ladungsmenge Elektroden, die am piezoelektrischen Material angebracht sind und die mittels bekannter Bondingmethoden kontaktiert sind. Über diese wird der im Material erzeugte Strom abgegriffen und gegebenenfalls einem Messverstärker zugeführt und integriert. Beispielsweise wird die Ladung mittels der so genannten „virtual ground Method" bestimmt. Die Mittel zur Krafteinwirkung auf die Probe umfassen beispielsweise einen hydraulisch oder pneumatisch betätigten Kolben, einen Aktor, ein magnetisches Stellelement oder einen Stellmotor, der die Durchbiegung der Probe bewirkt.The The invention further relates to a measuring device for carrying out the previously described method. The device comprises a storage for a sample with at least two support points. The sample to be stored comprises a piezoelectric material. There are also means for the action of force provided to the sample, which are designed so that by a Bending the sample a tensile load of the piezoelectric material between the support points is effected. In addition, funds are for Determination of deflection and means of determination in the piezoelectric Material generated amount of charge provided. By the device according to the invention becomes a particularly even deflection the sample and thus tensile load of the associated piezoelectric material reached. The deflection caused by the bending load becomes measured and the amount of charge generated in the piezoelectric material determined. For example, the means for determining the amount of charge generated in the piezoelectric material electrodes, which are attached to the piezoelectric material and by means of known Bonding methods are contacted. About this is the material generated current tapped and optionally fed to a measuring amplifier and integrated. For example, the charge is calculated by means of the so-called "virtual ground method ". The means for applying force to the sample include, for example a hydraulically or pneumatically actuated piston, an actuator, a magnetic actuator or a servomotor, the deflection the sample causes.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel zur Bestimmung der Durchbiegung wenigstens ein Laserinterferometer. Durch die Verwendung eines Laserinterferometers kann die Durchbiegung schnell und mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden.In a further advantageous embodiment of the device according to the invention, the means for determining the deflection comprise at least one laser interferometer. By using a laser interferometer, the deflection be determined quickly and with very high accuracy.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst ein Doppelstrahl-Laserinterferometer zur Bestimmung der Durchbiegung. Dadurch erfolgt die Bestimmung besonders genau. Beispielsweise wird einer der beiden Laserstrahlen als Referenzstrahl verwendet. Durch einen Spiegel, der an den Mitteln zur Krafteinwirkung als Referenzpunkt befestigt ist und der diesen Strahl reflektiert, wird ein Referenzpunkt vorgegeben, demgegenüber die Durchbiegung der Probe ermittelt werden kann.A Another advantageous embodiment of the device comprises a double-beam laser interferometer for determining the deflection. As a result, the determination is made especially accurate. For example, one of the two laser beams used as a reference beam. Through a mirror attached to the means is attached to the force as a reference point and this Beam reflected, a reference point is given, in contrast, the deflection the sample can be determined.

Die Mittel zur Krafteinwirkung weisen gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung einen über zwei Einwirkstellen an der Probe anliegenden Druckkopf auf, wobei die Einwirkstellen in gleichem Abstand zu den Auflagestellen angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders gleichmäßige Durchbiegung der Probe, d.h. eine Durchbiegung mit besonders gleichmäßigem Krümmungsradius der Probe zwischen den Auflagestellen erreicht. Dabei sind keine hohen Anforderungen an die Positionierung der Probe zu stellen, solange ein Aufliegen der Probe auf den Auflagestellen gewährleistet ist. Das beispielsweise auf der Probe aufgebrachte piezoelektrische Material wird dadurch einer besonders gleichmäßigen Zugbeanspruchung ausgesetzt. Beispielsweise handelt es sich bei der Probe um eine rechteckige, im Vergleich zur Länge und Breite dünne Platte eines Siliziumwafers, auf den das piezoelektrische Material in einer homogenen, vergleichsweise dünnen Schicht abgeschieden wurde. Die Abmessungen einer Probe sind typischerweise: Länge= 25mm, Dicke = 0,5 mm und Breite = 3mm.The Means for applying force have according to an advantageous embodiment one over two contact points on the sample adjacent printhead, wherein the contact points arranged at the same distance from the support points are. By this configuration, a particularly uniform deflection the sample, i. a deflection with a particularly uniform radius of curvature reached the sample between the support points. There are none to place high demands on the positioning of the sample, as long as a resting of the sample on the support points guaranteed is. The example applied to the sample piezoelectric Material is thus exposed to a particularly uniform tensile stress. For example, the sample is a rectangular, in comparison to the length and wide thin plate a silicon wafer on which the piezoelectric material in a homogeneous, comparatively thin Layer was deposited. The dimensions of a sample are typically: Length = 25mm, Thickness = 0.5mm and width = 3mm.

Liegt diese Probe in Längsrichtung auf den Auflagestellen und wird in einer Richtung, die senkrecht zur durch die Auflagestellen vorgegebenen Ebene verläuft, d.h. in Richtung der vergleichsweise dünnen Ausdehnung der Probe, durchgebogen, so wird eine vergleichsweise gleichmäßige Zugspannung in Längsrichtung zwischen den Auflagestellen im piezoelektrischen Material erzeugt. Aufgrund eines solchen Aufbaus wird die Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten aus der Durchbiegung nicht nur besonders genau, sondern die Berechnung dieser Koeffizienten vereinfacht sich durch die vereinfachte mathematische Umrechnung der Probendehnung aus der Durchbiegung.Lies this sample in the longitudinal direction on the pads and is in a direction that is vertical extends to the predetermined by the support points level, i. in the direction of the comparatively thin expansion of the sample, bent, so is a comparatively uniform tension longitudinal generated between the support points in the piezoelectric material. Due to such a construction, the determination of the piezoelectric Coefficients from the deflection not only very accurate, but the calculation of these coefficients is simplified by the simplified one mathematical conversion of the sample strain from the deflection.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Einwirkstellen und/oder Auflagestellen linienförmig ausgestaltet. Dadurch wird eine Durchbiegung der Probe quer zur Längsrichtung vermieden. Beispielsweise erstrecken sich die Einwirkstellen und Auflagestellen über die gesamte Breite der Probe.In In another advantageous embodiment, the contact points are and / or support points linear designed. This will cause a deflection of the sample across the longitudinal direction avoided. For example, the contact points and support points extend over the entire width of the sample.

Die Mittel zur Krafteinwirkung umfassen bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine kardanische Lagerung. Beispielsweise ist der Druckkopf als Teil der Mittel zur Krafteinwirkung kardanisch oder über ein Kugelgelenk gegenüber den verbleibenden Teilen dieser Mittel gelagert. Dadurch werden eine Verstellbarkeit des Druckkopfs und damit ein Aufliegen der Einwirkstellen auf der Probe sichergestellt. Darüber hinaus werden die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Probe verringert, da eine abweichende Ausrichtung der Probenoberfläche von der Ebene der Einwirkstellen durch das Kardangelenk ausgeglichen werden kann. Darüber hinaus können Abweichungen in der Oberflächengestaltung beispielsweise durch Fertigungsabweichungen bei der Herstellung der Probe leicht ausgeglichen werden.The Force means comprise in a further advantageous Design of a cardanic storage. For example, the Printhead as part of the means of force gimbal or over Ball joint opposite the remaining parts of these funds. This will be an adjustability of the printhead and thus a resting of the Impact sites on the sample ensured. In addition, the requirements reduced to the positioning accuracy of the sample, as a different Alignment of the sample surface be compensated by the level of contact points through the universal joint can. About that can out Deviations in the surface design for example, by manufacturing deviations in the production the sample can be easily compensated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Mittel zur Krafteinwirkung einen Hohlraum oder transparenten Durchlass auf, durch den die Messung der Durchbiegung erfolgt. Beispielsweise ist der Druckkopf mit einem zentralen Durchbruch versehen. Durch diesen Durchbruch wird beispielsweise der Strahl des Laserinterferometers mit Spiegeln geführt. Nach Passieren des Durchbruchs trifft der Strahl auf die Oberfläche der Probe und ermöglicht mittels Interferenzeffekt die Bestimmung der Durchbiegung. Bei einer weiteren Ausgestaltung sind auch Teile einer mit dem Druckkopf verbundenen Hebelmechanik mit einem Hohlraum ausgestattet, durch den der Laserstrahl geführt ist. Dabei entfallen vorteilhaft optische Mittel zur Umlenkung des Laserstrahls, wie Spiegel oder Prismen in der Nähe des Druckkopfs. Diese können so durch die Bewegung und Erschütterungen während der Messung oder der Probenanbringung dejustiert werden.According to one further advantageous embodiment of the device according to the invention the means for applying force have a cavity or transparent Passage through which the measurement of the deflection takes place. For example the print head is provided with a central opening. By This breakthrough, for example, the beam of the laser interferometer led with mirrors. After passing through the aperture, the jet hits the surface of the Sample and allows by means of Interference effect the determination of the deflection. At another Embodiment are also parts of a connected to the print head Lever mechanism equipped with a cavity through which the laser beam guided is. This advantageously eliminates optical means for deflecting the Laser beam, such as mirrors or prisms near the printhead. These can be so through the movement and shaking while the measurement or the sample attachment are misadjusted.

Die Mittel zur Krafteinwirkung umfassen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einen piezoelektrischen Krafterzeuger. Dadurch kann die Krafteinwirkung genau und reproduzierbar vorgegeben werden. Ferner können die Kosten für die Vorrichtung reduziert werden.The Force means comprise according to a further advantageous Embodiment of a piezoelectric force generator. This allows the Force be precisely and reproducibly specified. Further can the price for the device can be reduced.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht in einer vorteilhaften Ausgestaltung Mittel zur Bestimmung der Dickenänderung der Probe vor. Beispielsweise wird ein Doppelstrahl-Laserinterferometer verwendet um den Abstand zweier gegenüberliegender Flächen der Probe und dessen Änderung zu bestimmen. Durch ein Doppelstrahl-Laserinterferometer kann dieser besonders genau und berührungslos gemessen werden. Die durch die vorgenannten Mittel bestimmte Dickenänderung kann zur Bestimmung des effektiven piezoelektrischen Koeffizienten d_33,f verwendet werden. Die Bestimmung der Dickenänderung ist dabei unbeeinflusst davon, ob eine zusätzliche Biegung der Probe vorliegt oder nicht.The device according to the invention provides in an advantageous embodiment means for determining the change in thickness of the sample. For example, a dual beam laser interferometer is used to determine the distance between two opposing surfaces of the sample and its change. By a double-beam laser interferometer this can be measured very accurately and without contact. The thickness change determined by the aforementioned means can be used to determine the effective piezoelectric coefficient d _{33, f} . The determination of the change in thickness is unaffected by whether there is an additional bending of the sample or not.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Anlegung einer Wechselspannung an das piezoelektrische Material vorgesehen. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der piezoelektrische Koeffizient d_33,f aus der ermittelten Dickenänderung und der Stärke des angelegten elektrischen Feldes bestimmt. Die Wechselspannung kann beispielsweise einen dreiecksförmigen Spannungsverlauf aufweisen.In a further advantageous Ausgestal tion means are provided for applying an AC voltage to the piezoelectric material. In one embodiment of the method according to the invention, the piezoelectric coefficient d _{33, f is} determined from the determined change in thickness and the strength of the applied electric field. The AC voltage may have, for example, a triangular voltage curve.

In einer weiteren Ausgestaltung wird an die Probe eine elektrische Spannung mit dreiecksförmigem Verlauf, die von einer höherfrequenten Sinusschwingung überlagert ist, angelegt, um Nichtlinearitäten aufgrund des Hystereseverhaltens des piezoelektrischen Materials zu bestimmen.In In another embodiment, the sample is an electrical Tension with triangular Course, by a higher-frequency Sine wave superimposed is, applied to nonlinearities due to the hysteresis behavior of the piezoelectric material to determine.

Wenigstens eine der Auflagestellen ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung als elektrische Kontaktierungen für die Probe ausgebildet. Die verbleibenden Kontaktierungen können beispielsweise mittels Kontaktfedern erfolgen. Beispielsweise sind die Auflagestellen elektrisch leitend und kontaktieren durch Auflegen der Probe die auf der Probe angebrachten Elektroden. Dadurch kann bei Messungen mehrerer Proben das Austauschen der Probe schnell vorgenommen werden. Ferner beeinflussen sonstige Kontaktierungen nicht die Durchbiegung bzw. Dickenänderung der Probe, wodurch die Genauigkeit der Messvorrichtung gesteigert wird. Vorteilhaft sind zwei Auflagestellen als elektrische Kontaktierungen ausgestaltet.At least one of the support points is in a further advantageous embodiment formed as electrical contacts for the sample. The remaining Contacting can for example, by means of contact springs. For example the support points electrically conductive and contact by hanging up the sample the electrodes attached to the sample. This can when measuring multiple samples, swapping the sample quickly be made. Furthermore, other contacts influence not the deflection or thickness change of the sample, thereby the accuracy of the measuring device is increased. Advantageous are two support points designed as electrical contacts.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung sieht in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass die Durchbiegung und/oder Dickenänderung im Zentrum zwischen den Auflagestellen bestimmt wird. Werden diese im Zentrum zwischen den Auflagestellen gemessen, stellt dies eine genaue Bestimmung der jeweiligen Größe sicher. Beispielsweise sind die Laserstrahlen der verwendeten Laserinterferometer so ausgerichtet, dass sie in Durchbiegungsrichtung senkrecht auf das Zentrum zwischen den Auflagestellen treffen. Das Zentrum zeichnet sich dadurch aus, dass die punktuelle Oberfläche in diesem Bereich bei der Durchbiegung ihre zur Durchbiegungsrichtung vertikale Ausrichtung beibehält. Wird beispielsweise ein Laserinterferometer zur Bestimmung der Durchbiegung bzw. Dickenänderung verwendet, so ändert sich die Ausrichtung der jeweiligen Reflexionsebene nicht, und die Messung kann so besonders genau und zuverlässig erfolgen.The sees measuring device according to the invention in an advantageous embodiment, that the deflection and / or thickness change is determined in the center between the support points. Be this measured in the center between the pads, this provides one accurate determination of each size safely. For example aligned the laser beams of the laser interferometer used, that they are in the direction of deflection perpendicular to the center between meet the support points. The center is characterized by that the punctual surface in this area at the bend their to the direction of deflection maintains vertical alignment. For example, a laser interferometer to determine the deflection or thickness change used, so changes the orientation of the respective reflection plane is not, and the Measurement can be so very accurate and reliable.

Die Erfindung betrifft ferner eine Probe für die Messvorrichtung gemäß einer der vorher beschriebenen Ausführungsformen. Die Probe umfasst ein Substrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte Bodenelektrode, die teilweise von dem piezoelektrischen Material bedeckt ist. Ferner ist eine das piezoelektrische Material wenigstens teilweise bedeckende Top-Elektrode vorgesehen. Die jeweils freiliegenden Bereiche der Elektroden sind so angeordnet, dass sie mittels der Auflagestellen elektrisch kontaktierbar sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat um einen Siliziumwafer, auf den das piezoelektrische Material aufgebracht ist. Die Elektroden bestehen beispielsweise aus Platinbeschichtungen, die einerseits zwischen piezoelektrischem Material und Substrat und andererseits auf dem piezoelektrischen Material aufgebracht sind. Es hat sich gezeigt, dass Platin eine ausreichend hohe Elastizität (E=17.10¹⁰ N/m²) aufweist, dass es die Messung der piezoelektrischen Koeffizienten nicht beeinflusst.The invention further relates to a sample for the measuring device according to one of the previously described embodiments. The sample comprises a substrate, a bottom electrode deposited on the substrate, which is partially covered by the piezoelectric material. Furthermore, a top electrode which at least partially covers the piezoelectric material is provided. The respectively exposed areas of the electrodes are arranged so that they are electrically contactable by means of the support points. By way of example, the substrate is a silicon wafer onto which the piezoelectric material is applied. The electrodes consist for example of platinum coatings, which are applied on the one hand between the piezoelectric material and the substrate and on the other hand on the piezoelectric material. It has been shown that platinum has a sufficiently high elasticity (E = 17.10 ¹⁰ N / m ² ) that it does not affect the measurement of the piezoelectric coefficients.

Die Probe weist beispielsweise folgende Bemaßungen auf: Länge=25mm, Breite=3mm, Dicke=0,5 mm. Die Dicke des piezoelektrischen Materials auf der Probe beträgt beispielsweise 2 μm.The Sample has the following dimensions, for example: length = 25mm, Width = 3mm, thickness = 0.5mm. The thickness of the piezoelectric material on the sample is for example, 2 microns.

Zu den Figuren:To the figures:

1 ist eine Schnittansicht, die die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung zeigt. 1 is a sectional view showing the device according to the invention in a first embodiment.

2 ist eine Schnittansicht, die die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung zeigt. 2 is a sectional view showing the device according to the invention in a second embodiment.

3a ist eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Probe gemäß einer ersten Ausführungsform. 3a is a plan view of a sample according to the invention according to a first embodiment.

3b ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Probe aus 3a. 3b is a side view of the sample of the invention 3a ,

4a ist eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Probe gemäß einer zweiten Ausführungsform. 4a is a plan view of a sample according to the invention according to a second embodiment.

4b ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Probe aus 4a. 4b is a side view of the sample of the invention 4a ,

Die Schnittansicht in 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung. Die Probe aus piezoelektrischem Material 6, Substrat 8 und dazwischen liegender Elektrodenschicht 7 liegt an den beiden Auflagestellen 4 an. Die piezoelektrische Schicht 6 ist auf ihrer Oberseite ebenfalls mit einer Elektrode versehen, was in dieser Figur nicht dargestellt ist. Details hierzu sind den 3a und 3b zu entnehmen. Es können eine oder mehrere Haltefedern 9 vorgesehen sein, die ein Anliegen der Probe an die Auflagestellen 4 gewährleisten. Die Probe liegt dabei lediglich auf den Auflagestellen 4 an. Eine freie Beweglichkeit der Probe in der durch die Auflagestellen 4 vorgegebenen Ebene ist gewährleistet, damit in dieser Ebene keine ungewollten Spannungen in der Probe insbesondere im piezoelektrischen Material 6 aufgebaut werden, die die Messergebnisse der piezoelektrischen Koeffizienten beeinträchtigen könnten. Es ist ein Hebel 3 vorgesehen der beispielsweise über einen nicht gezeigten Aktor betätigt wird. Mittels eines in einer Zylinderführung 10 geführten Kolbens 11 wird die Verstellung des Hebels 3 auf einen Druckkopf 14 übertragen. Dieser liegt über die Einwirkstellen 5 an der Probe, insbesondere dem Substrat 8 an. Durch die Verstellung des Druckkopfs 14 wird eine Kraft erzeugt, die wiederum eine Durchbiegung des Substrats 8 mit der Elektrodenschicht 7 und damit eine Zugbelastung des piezoelektrischen Materials 6 erreicht. Die Einwirkstellen 5 befinden sich zu den Auflagestellen 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Probe, um nicht auf das piezoelektrische Material 6 unmittelbar mechanisch einzuwirken und durch eine seitliche mechanische Deformation die Messung der piezoelektrischen Koeffizienten zu beeinträchtigen. Die Einwirkstellen 5 befinden sich jeweils zwischen, dabei jeweils mit gleichem Abstand zu den Auflagestellen 4. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Krümmungskurve bei der Durchbiegung erreicht und die Zugbelastung ist entlang der gezeigten Längsrichtung des piezoelektrischen Materials 6 besonders homogen. Die Messungen werden dadurch besonders genau. Die Durchbiegung des Substrats 8 wird mittels eines Laserinterferometers mit Laserstrahl 2 gemessen. Um den Laserstrahl 2 mittig zwischen die Einwirkstellen 5 auf das Substrat 8 auftreffen zu lassen, weisen die Mittel zur Krafteinwirkung, hier der Druckkopf 14 und der Zylinder 11 jeweils einen Durchbruch 12 bzw. 13 auf. Durch diese Durchbrüche 12, 13 erfolgt die Messung der Durchbiegung des Substrats 8. Alternativ können diese auch für das jeweilige Laserlicht transparent ausgebildet sein. Um die bei der Durchbiegung erzeugte Ladungsmenge vom piezoelektrischen Material 6 abzugreifen ist u.a. die Elektrodenschicht 7 vorgesehen, die beispielsweise über eine der leitenden Auflagestellen 4 kontaktiert wird. Die gegenüberliegende Seite des piezoelektrischen Materials 6 kann, wie hier nicht gezeigt ist, durch Kontaktierungsmittel oder ebenfalls mittels einer Elektrode über die verbleibende Auflagestelle kontaktiert werden.The sectional view in 1 shows the device according to the invention in a first embodiment. The sample of piezoelectric material 6 , Substrate 8th and intervening electrode layer 7 lies at the two support points 4 at. The piezoelectric layer 6 is also provided on its upper side with an electrode, which is not shown in this figure. Details are the 3a and 3b refer to. There may be one or more retaining springs 9 be provided, which is a concern of the sample to the support points 4 guarantee. The sample is only on the support points 4 at. A free movement of the sample in through the support points 4 given level is ensured so that in this level no unwanted stresses in the sample, especially in the piezoelectric material 6 can be built, which could affect the measurement results of the piezoelectric coefficients. It is a lever 3 intended to be operated for example via an actuator, not shown. By means of a cylinder guide 10 guided piston 11 becomes the adjustment of the lever 3 on a printhead 14 transfer. This is above the contact points 5 on the sample, especially the substrate 8th at. By adjusting the printhead 14 a force is generated, which in turn causes deflection of the substrate 8th with the electrode layer 7 and thus a tensile load of the piezoelectric material 6 reached. The contact points 5 are located to the support points 4 on the opposite side of the sample so as not to hit the piezoelectric material 6 act directly mechanically and affect the measurement of the piezoelectric coefficients by a lateral mechanical deformation. The contact points 5 are each between, while each with the same distance to the support points 4 , As a result, a particularly uniform curvature curve is achieved during the deflection and the tensile load is along the illustrated longitudinal direction of the piezoelectric material 6 especially homogeneous. The measurements are thus very accurate. The deflection of the substrate 8th is by means of a laser interferometer with laser beam 2 measured. To the laser beam 2 in the middle between the contact points 5 on the substrate 8th have the means to force impact, here the print head 14 and the cylinder 11 each a breakthrough 12 respectively. 13 on. Through these breakthroughs 12 . 13 the measurement of the deflection of the substrate takes place 8th , Alternatively, these can also be made transparent for the respective laser light. To the amount of charge generated by the deflection of the piezoelectric material 6 among other things, the electrode layer is to tap 7 provided, for example, via one of the conductive support points 4 will be contacted. The opposite side of the piezoelectric material 6 can, as not shown here, be contacted by contacting means or also by means of an electrode on the remaining support point.

Diese Seite des piezoelektrischen Materials 6 wird von einem weiteren Laserstrahl 1 getroffen. Durch Interferenzeffekt wird mittels der Laserstrahlen 1 und 2 die Dickenänderung der Probe bestimmt. Diese Dickenänderung wird beispielsweise durch eine elektrische Wechselspannung bewirkt, die über die zuvor beschriebenen Kontaktierungsmittel an das piezoelektrische Material 6 angelegt wird. Die durch die Kraft bewirkte Durchbiegung der Probe kann beibehalten werden, um beispielsweise auch den Einfluss einer zusätzlichen Querdehnung auf den Piezokoeffizienten zu untersuchen.This side of the piezoelectric material 6 is from another laser beam 1 met. By interference effect is by means of laser beams 1 and 2 determines the change in thickness of the sample. This change in thickness is effected, for example, by an electrical alternating voltage which, via the contact means described above, is applied to the piezoelectric material 6 is created. The deflection of the sample caused by the force can be maintained in order, for example, to investigate the influence of an additional transverse strain on the piezo coefficient.

Die Durchbiegung des Substrats zwischen den Einwirkstellen kann besonders genau durch ein Doppelstrahl-Laserinterferometer mit den Laserstrahlen 1 und 2 bestimmt werden, dazu ist optional der bewegliche Spiegel 15 vorgesehen. Dabei wird die Laserstrahl durch einen hinsichtlich des Strahls vorgelagerten Spiegel 15, der als Referenzpunkt dient, reflektiert. Somit dient der reflektierte Strahl 2 als Referenzstrahl. Der Spiegel ist möglichst in der Nähe der Krafteinwirkstellen 5 anzuordnen, um das Messergebnis durch Längenänderungen der Mittel zur Krafteinwirkung nicht nachteilig zu beeinflussen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Spiegel 15 beweglich angeordnet, und kann aus dem Strahl 2 herausgeklappt werden. Dadurch kann der Strahl 2, d.h. das Doppelstrahl-Laserinterferometer vorteilhaft sowohl zur Bestimmung der Durchbiegung als auch zur Bestimmung der Dickenänderung verwendet werden, wodurch die Messung vereinfacht wird.The deflection of the substrate between the contact points can be particularly accurate by a double-beam laser interferometer with the laser beams 1 and 2 be determined, this is optional the movable mirror 15 intended. In this case, the laser beam by a mirror upstream of the beam 15 , which serves as a reference point, reflects. Thus, the reflected beam is used 2 as a reference beam. The mirror is as close as possible to the force impact sites 5 to order, so as not to adversely affect the measurement result by changes in length of the means for applying force. In the embodiment shown, the mirror is 15 movably arranged, and can be out of the beam 2 be unfolded. This allows the beam 2 That is, the double-beam laser interferometer can be advantageously used both for determining the deflection and for determining the change in thickness, thereby simplifying the measurement.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Probe aus piezoelektrischem Material 26 und Substrat 28 liegt an den beiden Auflagestellen 24 an. Die piezoelektrische Schicht 26 ist auf ihren Oberseiten mit Elektroden versehen, was in dieser Figur zu Gunsten der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Details hierzu sind den 3a und 3b zu entnehmen. Es können eine oder mehrere Haltefedern 36 vorgesehen sein, die ein Anliegen der Probe an die Auflagestellen 24 gewährleisten. Die Probe liegt dabei lediglich auf den Auflagestellen 24 an. Eine freie Beweglichkeit der Probe in der durch die Auflagestellen 24 vorgegebenen Ebene ist gewährleistet, damit in dieser Ebene keine ungewollten, mechanischen Spannungen in der Probe insbesondere im piezoelektrischen Material 26 aufgebaut werden, die die Messergebnisse der piezoelektrischen Koeffizienten beeinträchtigen könnten. Es ist ein Hebel 3 vorgesehen der über einen piezoelektrischen Aktor 35 betätigt wird. Mittels eines Hebelgestänges und durch die Gelenke 22, 23 wird die Verstellung des Hebels 3 auf einen Druckkopf 34 übertragen. Dieser liegt über die Einwirkstellen 25 an der Probe, insbesondere dem Substrat 28 an. Durch die Verstellung des Druckkopfs 34 wird eine Kraft erzeugt, die wiederum eine Durchbiegung des Substrats 28 und damit eine Zugbelastung des piezoelektrischen Materials 26 erreicht. Die Einwirkstellen 25 befinden sich jeweils zwischen, dabei jeweils mit gleichem Abstand zu den Auflagestellen 24. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Krümmungskurve bei der Durchbiegung erreicht und die Zugbelastung ist entlang der gezeigten Längsrichtung des piezoelektrischen Materials 26 besonders homogen. Die Messungen werden dadurch besonders genau. Die Durchbiegung des Substrats 28 wird mittels eines Laserinterferometers mit Laserstrahl 2 gemessen. Um den Laserstrahl 2 mittig zwischen den Einwirkstellen 25 auf das Substrat 8 auftreffen zu lassen, weisen die Mittel zur Krafteinwirkung, hier der Druckkopf 34 und das zugehörige Gestänge einen Durchbruch 32 auf. Durch diesen Durchbruch 32 erfolgt die Messung der Durchbiegung des Substrats 28. Alternativ können diese auch für das jeweilige Laserlicht transparent ausgebildet sein. Um die bei der Durchbiegung erzeugte Ladungsmenge vom piezoelektrischen Material 26 abzugreifen, wird das piezoelektrische Material kontaktiert, beispielsweise mittels Elektrodenschichten, die über die leitenden Auflagestellen 24 und/oder über die Kontaktfeder 21 kontaktiert werden. Zur Lagerung des Druckkopfs 34 ist dieser an einer Feder 37 aufgehängt. Die Mittel zur Krafteinwirkung umfassen ferner eine kardanische Lagerung 39 des Kopfes gegenüber der Hebelmechanik. Dadurch werden eine Verstellbarkeit des Druckkopfs 34 und damit ein Aufliegen der Einwirkstellen 25 auf dem Substrat 28 sichergestellt. Darüber hinaus werden die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Probe verringert, da eine abweichende Ausrichtung der Substratoberfläche 28 von der Ebene der Einwirkstellen 25 durch das Kardangelenk 39 ausgeglichen werden kann. Darüber hinaus können Abweichungen in der Oberflächengestaltung beispielsweise durch Fertigungsabweichungen bei der Herstellung der Probe leicht ausgeglichen werden. Ferner ist eine Feder 38 vorgesehen. Diese sorgt für eine Vorspannung der Hebelmechanik und verringert die Gefahr des Abhebens der Einwirkstellen 25 vom Substrat, insbesondere wenn ein periodischer Kraftverlauf auf die Probe einwirkt. 2 shows a second embodiment of the device according to the invention. The sample of piezoelectric material 26 and substrate 28 lies at the two support points 24 at. The piezoelectric layer 26 is provided on its upper sides with electrodes, which is not shown in this figure for the sake of clarity. Details are the 3a and 3b refer to. There may be one or more retaining springs 36 be provided, which is a concern of the sample to the support points 24 guarantee. The sample is only on the support points 24 at. A free movement of the sample in through the support points 24 given level is ensured so that in this level no unwanted, mechanical stresses in the sample, especially in the piezoelectric material 26 can be built, which could affect the measurement results of the piezoelectric coefficients. It is a lever 3 provided via a piezoelectric actuator 35 is pressed. By means of a lever linkage and through the joints 22 . 23 becomes the adjustment of the lever 3 on a printhead 34 transfer. This is above the contact points 25 on the sample, especially the substrate 28 at. By adjusting the printhead 34 a force is generated, which in turn causes deflection of the substrate 28 and thus a tensile load of the piezoelectric material 26 reached. The contact points 25 are each between, while each with the same distance to the support points 24 , As a result, a particularly uniform curvature curve is achieved during the deflection and the tensile load is along the illustrated longitudinal direction of the piezoelectric material 26 especially homogeneous. The measurements are thus very accurate. The deflection of the substrate 28 is by means of a laser interferometer with laser beam 2 measured. To the laser beam 2 in the middle between the contact points 25 on the substrate 8th have the means to force impact, here the print head 34 and the associated linkage one breakthrough 32 on. Through this breakthrough 32 the measurement of the deflection of the substrate takes place 28 , Alternatively, these can also be made transparent for the respective laser light. To the amount of charge generated by the deflection of the piezoelectric material 26 To tap, the piezoelectric material is contacted, for example by means of electrode layers, via the conductive pads 24 and / or via the contact spring 21 be contacted. For storage of the printhead 34 this is on a spring 37 suspended. The means for applying the force further comprise cardanic storage 39 of the head opposite the lever mechanism. This will adjust the printhead 34 and thus a contact of the contact points 25 on the substrate 28 ensured. In addition, the requirements on the positioning accuracy of the sample are reduced, as a different orientation of the substrate surface 28 from the level of exposure sites 25 through the universal joint 39 can be compensated. In addition, deviations in the surface design, for example due to manufacturing deviations in the preparation of the sample can be easily compensated. Further, a spring 38 intended. This ensures a bias of the lever mechanism and reduces the risk of lifting the contact points 25 from the substrate, especially when a periodic force curve acts on the sample.

Die von der Krafteinwirkung abliegende Seite des piezoelektrischen Materials 26 wird von einem weiteren Laserstrahl 1 getroffen. Durch Interferenzeffekt wird mittels der Laserstrahlen 1 und 2 die Dickenänderung der Probe, d.h. des piezoelektrischen Materials 26 bestimmt. Diese Dickenänderung wird beispielsweise durch eine elektrische Wechselspannung bewirkt, die über die zuvor beschriebenen Kontaktierungsmittel an das piezoelektrische Material 26 angelegt wird. Die durch die Kraft bewirkte Durchbiegung der Probe kann beibehalten werden, um beispielsweise auch den Einfluss einer zusätzlichen Querdehnung auf den Piezokoeffizienten zu untersuchen.The side of the piezoelectric material away from the force 26 is from another laser beam 1 met. By interference effect is by means of laser beams 1 and 2 the change in thickness of the sample, ie the piezoelectric material 26 certainly. This change in thickness is effected, for example, by an electrical alternating voltage which, via the contact means described above, is applied to the piezoelectric material 26 is created. The deflection of the sample caused by the force can be maintained in order, for example, to investigate the influence of an additional transverse strain on the piezo coefficient.

Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform kann die Durchbiegung des Substrats zwischen den Einwirkstellen besonders genau durch ein Doppelstrahl-Laserinterferometer mit den Laserstrahlen 1 und 2 bestimmt werden, dazu ist optional der bewegliche Spiegel 16 vorgesehen. Dabei wird der Laserstrahl durch einen hinsichtlich des Strahls vorgelagerten Spiegel 16, der als Referenzpunkt dient, reflektiert. Somit dient der reflektierte Strahl 2 als Referenzstrahl. Der Spiegel ist möglichst in der Nähe der Krafteinwirkstellen 25 anzuordnen, um das Messergebnis durch Längenänderungen der Mittel zur Krafteinwirkung nicht nachteilig zu beeinflussen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Spiegel 16 beweglich angeordnet, und kann aus dem Strahl 2 herausgeklappt werden. Dadurch kann der Strahl 2, d.h. das Doppelstrahl-Laserinterferometer vorteilhaft sowohl zur Bestimmung der Durchbiegung als auch zur Bestimmung der Dickenänderung verwendet werden, wodurch letztlich die Messung vereinfacht wird.Also at the in 2 In the embodiment shown, the deflection of the substrate between the contact points can be particularly accurately by a double-beam laser interferometer with the laser beams 1 and 2 be determined, this is optional the movable mirror 16 intended. In this case, the laser beam by a mirror upstream of the beam 16 , which serves as a reference point, reflects. Thus, the reflected beam is used 2 as a reference beam. The mirror is as close as possible to the force impact sites 25 to order, so as not to adversely affect the measurement result by changes in length of the means for applying force. In the embodiment shown, the mirror is 16 movably arranged, and can be out of the beam 2 be unfolded. This allows the beam 2 In other words, the double-beam laser interferometer can be advantageously used both to determine the deflection and to determine the change in thickness, thereby ultimately simplifying the measurement.

Die 3a und 3b zeigen die Probe in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. 3a ist die Aufsicht auf die Probe und 3b die zugehörige Seitenansicht. Auf ein Substrat 43, beispielsweise Silizium, ist eine schichtförmige Bodenelektrode (BE) 42, beispielsweise aus Platin, vollflächig aufgebracht. Auf einen wesentlichen Teil der Bodenelektrode 42 ist ein piezoelektrisches Material 40 aufgebracht, dessen Unterseite über die Bodenelektrode 42 elektrisch kontaktiert ist. Die Oberseite des piezoelektrischen Materials 40 ist ferner mit einer Top-Elektrode (TE) 41 versehen. Die Probe, bzw. die Elektroden weisen folgende Bemaßungen auf: l = 25mm, l_TE = 10 mm, w_TE = 2 mm, l_BE = 4 mm, w = 3 mm, d = 7,5 mm. Die freiliegenden Flächen der Bodenelektrode bzw. der Topelektrode (in 3a grau hinterlegt) sind so angeordnet, dass diese mittels der Auflagestelle der zuvor beschriebenen Vorrichtungen (Bodenelektrode 42) und mit einer Kontaktfeder (Topelektrode 41) kontaktierbar sind. Darüber hinaus sind die Elektroden so angeordnet, dass die Messung der Ladungsmenge im Bereich der Probe erfolgt, die möglichst homogen gebogen ist. Dieser befindet sich beispielsweise zwischen den Einwirkstellen der zuvorbeschriebenen Vorrichtungen. Durch die Ausgestaltung der Probe kann die Messung der piezoelektrischen Koeffizienten besonders schnell und zuverlässig erfolgen.The 3a and 3b show the sample in a first embodiment of the invention. 3a is the supervision to the sample and 3b the associated side view. On a substrate 43 , for example silicon, is a layered bottom electrode (BE) 42 , For example, made of platinum, applied over the entire surface. On a substantial part of the bottom electrode 42 is a piezoelectric material 40 applied, its bottom over the bottom electrode 42 electrically contacted. The top of the piezoelectric material 40 is also equipped with a top electrode (TE) 41 Mistake. The sample or electrodes have the following dimensions: l = 25 mm, l _TE = 10 mm, w _TE = 2 mm, l _BE = 4 mm, w = 3 mm, d = 7.5 mm. The exposed areas of the bottom electrode or the top electrode (in 3a shaded in gray) are arranged so that these by means of the support point of the devices described above (bottom electrode 42 ) and with a contact spring (top electrode 41 ) are contactable. In addition, the electrodes are arranged so that the measurement of the amount of charge takes place in the region of the sample, which is bent as homogeneously as possible. This is, for example, between the contact points of the previously described devices. Due to the design of the sample, the measurement of the piezoelectric coefficients can be done very quickly and reliably.

Die 4a und 4b zeigen die Probe in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. 4a ist die Aufsicht auf die Probe und 4b die zugehörige Seitenansicht. Die Ausführungsform gemäß den 4a und 4b unterscheidet sich im Wesentlichen durch die zusätzliche Elektrodenfläche 44. Die Probe, bzw. die Elektroden weisen folgende Bemaßungen auf: l = 25mm, l_TE = 10 mm, w_TE = 2 mm, l_BE = 4 mm, w = 3 mm, d = 7,5 mm, l_TE2 = 6 mm, w_TE2 = 0,2 mm. Die freiliegenden Flächen der Bodenelektrode bzw. der Topelektrode (in 4a grau hinterlegt) sind so angeordnet, dass diese nur mittels der Auflagestellen, beispielsweise bei den zuvor beschriebenen Vorrichtungen, kontaktierbar sind. Dadurch kann die Messung der piezoelektrischen Koeffizienten besonders schnell und zuverlässig erfolgen. Die gegenüber der in den 3a und 3b gezeigten Ausgestaltung zusätzliche Elektrodenfläche 44 dient zur Kontaktierung der Probe über eine der beiden Auflagestellen, der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen. Da sich die Eektrodenfläche 44 nicht zwingend in einem Bereich der homogenen Biegung der Probe, beispielsweise zwischen den Krafteinwirkstellen der zuvor beschriebenen Vorrichtungen, befindet, ist, um das Sammeln von Ladungsmengen aus dem piezoelektrischen Material in diesem Bereich weitgehend zu vermeiden, diese Fläche 44 möglichst klein zu halten.The 4a and 4b show the sample in a second embodiment of the invention. 4a is the supervision to the sample and 4b the associated side view. The embodiment according to the 4a and 4b differs essentially by the additional electrode surface 44 , The sample or electrodes have the following dimensions: l = 25 mm, l _TE = 10 mm, w _TE = 2 mm, l _BE = 4 mm, w = 3 mm, d = 7.5 mm, l _TE2 = 6 mm, w _TE2 = 0.2 mm. The exposed areas of the bottom electrode or the top electrode (in 4a shaded in gray) are arranged so that they can be contacted only by means of the support points, for example in the devices described above. As a result, the measurement of the piezoelectric coefficients can be carried out particularly quickly and reliably. The opposite in the 3a and 3b shown embodiment additional electrode surface 44 serves to contact the sample via one of the two support points, which in the 1 and 2 shown devices. As the Eektrodenfläche 44 is not necessarily in a range of homogeneous bending of the sample, for example between the forces of action of the devices described above, is to collect amounts of charge from the piezoelectric material in this area largely to avoid this area 44 keep as small as possible.

Claims

Measuring method for the determination of piezo coefficients, whereby a sample ( 6 . 7 . 8th . 26 . 28 ) comprising a piezoelectric material ( 6 . 26 ) is exposed to a bending load that a tensile or compressive load in the piezoelectric material ( 6 . 26 ), the deflection of the sample caused by the bending load ( 6 . 7 . 8th . 26 . 28 ) and that in the piezoelectric material ( 6 . 26 ) amount of charge is determined.

Measuring method according to claim 1, wherein the bending load of the piezoelectric material ( 6 . 26 ) by a force on one, the piezoelectric material ( 6 . 26 ) comprehensive sample ( 6 . 7 . 8th . 26 . 28 ) between two support points ( 4 . 24 ) of the sample is produced and the force acting on two, at the same distance from the support points intended Einwirkstellen ( 5 . 25 ) he follows.

Measuring method according to the preceding claim, wherein the distance between the support points ( 4 . 24 ) is twice as large as the distance between the contact points ( 5 . 25 ).

Measuring method according to one of the preceding claims, wherein the sample is a substrate ( 8th . 28 ) and the bending load on the substrate a tensile or compressive load of the piezoelectric material ( 6 . 26 ) causes.

Measuring method according to one of the preceding claims, wherein the force action does not act directly on the piezoelectric material ( 6 . 26 ) he follows.

Measuring method according to one of the preceding claims, wherein the deflection with at least one laser interferometer ( 2 ) is determined.

Measuring method according to a of the preceding claims, the force being applied periodically.

Measuring method according to a of the preceding claims, wherein a voltage is applied to the piezoelectric material and the associated thickness change is determined.

Measuring method according to the preceding claim, the associated change in thickness by means of at least one laser interferometer ( 1 . 2 ) is determined.

Measuring method according to one of the preceding claims, wherein the deflection and / or thickness change in the center between the support points ( 4 . 24 ).

Measuring device for carrying out the method according to one of the preceding claims, having at least two support points ( 4 . 24 ) bearing a sample comprising a piezoelectric material ( 6 . 26 ), by means of force ( 3 . 11 . 14 . 34 . 35 ), which are designed in such a way that a bending or compression of the piezoelectric material between the support points ( 4 . 24 ) is provided with means for determining the deflection ( 2 ) and means for determining the amount of charge generated in the piezoelectric material.

Measuring device according to the preceding claim, wherein the means for determining the deflection ( 2 ) comprise at least one laser interferometer or dual beam laser interferometer.

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the means for applying force comprises one of two contact points ( 5 . 25 ) on the sample adjacent printhead ( 14 . 34 ), wherein the distance of the contact points ( 5 . 25 ) is twice as large as the distance to the support points ( 4 . 24 ).

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the contact points ( 5 . 25 ) and / or support points linear ( 4 . 24 ) are formed.

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the means for applying force is a cardanic bearing ( 39 ).

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the means for applying force, in particular the print head ( 14 . 34 ), a cavity ( 12 . 32 ) or transparent passage, through which the measurement of the deflection takes place.

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the means for applying force comprises a piezoelectric force generator ( 35 ).

Measuring device according to one of the preceding device claims with means for determining the change in thickness of the sample, in particular a double-beam laser interferometer ( 1 . 2 ).

Measuring device according to one of the vorherge device claims with means for applying an AC voltage to the piezoelectric material.

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein at least one of the support points ( 4 . 24 ) is formed as electrical contacts for the sample.

Measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the means for determining the deflection and / or the means for determining the change in thickness are designed so that the determination in the center between the support points ( 4 . 24 ) of the sample.

Sample for the measuring device according to one of the preceding device claims, wherein the sample is a substrate ( 43 ), a bottom electrode applied to the substrate ( 42 ) partially formed by a piezoelectric material ( 40 ) and a top electrode which at least partially covers the piezoelectric material ( 41 ), wherein the respective exposed areas of the electrodes are arranged so that they pass through at least one of the support points ( 4 . 24 ) of the device are electrically contacted.