DE102013103404A1 - Method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample - Google Patents

Method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample Download PDF

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    • G01R29/22Measuring piezoelectric properties

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer auf einem elastischen Substrat (2) befindlichen und zwischen Elektroden (3, 4) angeordneten piezoelektrischen Dünnschichtprobe (4) vorgestellt, welches folgende Schritte umfasst: a) Messen eines ersten Wertes für einen longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer ersten Elektrodenmessanordnung, b) Messen mindestens eines zweiten Wertes für denselben longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer zweiten Elektrodenmessanordnung, c) Berechnen der probenspezifischen Größe mittels einer von den gemessenen Werten des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten abhängigen Funktion. Bevorzugt wird auf diese Weise der transversale piezoelektrische Koeffizient ermittelt.A method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample (4) located on an elastic substrate (2) and arranged between electrodes (3, 4) is presented, which comprises the following steps: a) Measuring a first value for a longitudinal piezoelectric coefficient with a first electrode measuring arrangement, b) measuring at least a second value for the same longitudinal piezoelectric coefficient with a second electrode measuring arrangement, c) calculating the sample-specific size by means of a function dependent on the measured values of the longitudinal piezoelectric coefficient. In this way, the transverse piezoelectric coefficient is preferably determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer auf einem elastischen Substrat befindlichen und zwischen Elektroden angeordneten piezoelektrischen Dünnschichtprobe.The invention relates to a method for determining a sample-specific size of a piezoelectric thin-film sample located on an elastic substrate and arranged between electrodes.

Der piezoelektrische Effekt ist das Auftreten von elektrischen Spannungen an der Oberfläche eines Festkörpers bei seiner elastischen Verformung. Beim inversen piezoelektrischen Effekt verformt sich der Festkörper durch Anlegen einer Spannung an seiner Oberfläche. Der Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Materials wird durch die piezoelektrischen Koeffizienten beschrieben, welche Komponenten eines Tensors sind. Es gibt zwei Arten von Koeffizienten, nämlich den piezoelektrischen Verzerrungskoeffizienten dij, welche den Zusammenhang zwischen der mechanischen Verzerrung und dem wirkenden elektrischen Feld beschreiben, und den piezoelektrischen Spannungskoeffizienten eij, welche für den Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung und dem elektrischen Feld stehen. Die Koeffizienten dij und eij sind mittels elastischer Konstanten des piezoelektrischen Materials ineinander umrechenbar.The piezoelectric effect is the occurrence of electrical stress on the surface of a solid when it is elastically deformed. In the inverse piezoelectric effect, the solid deforms by applying a voltage on its surface. The relationship between the mechanical and electrical properties of a piezoelectric material is described by the piezoelectric coefficients which are components of a tensor. There are two types of coefficients, namely the piezoelectric distortion coefficient d ij , which describes the relationship between the mechanical distortion and the acting electric field, and the piezoelectric stress coefficient e ij , which stands for the relationship between the mechanical stress and the electric field. The coefficients d ij and e ij are interconvertible by means of elastic constants of the piezoelectric material.

Festkörper mit piezoelektrischen Eigenschaften weisen eine anisotrope Kristallstruktur mit einer Polarisationsrichtung auf, weshalb Längenänderungen einer Probe im Allgemeinen nicht nur parallel zur Richtung des beteiligten elektrischen Feldes sind. In einem auf eine piezoelektrische Probe bezogenen Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Achsen 1 bis 3 wird die Polarisationsrichtung als Achse 3 bezeichnet. Wesentlich im Zusammenhang mit der Arbeit mit piezoelektrischen Materialien sind der longitudinale piezoelektrische Koeffizient d33 bzw. e33, der den Zusammenhang zwischen einer zur Polarisationsrichtung parallelen elektrischen Feldkomponente und der hierzu ebenfalls parallelen mechanischen Verzerrung beschreibt, und der transversale piezoelektrische Koeffizient d31 bzw. e31, der den Zusammenhang zwischen der zur Polarisationsrichtung parallelen elektrischen Feldkomponente und der hierzu senkrechten mechanischen Verzerrung in Richtung der Achse 1 beschreibt. Piezoelektrische Dünnschichtproben sind in ihren Eigenschaften durch Randbedingungen stark beeinflusst, z. B. durch ihre geometrische Form oder durch ein die Probe haltendes Substrat, so dass die piezoelektrischen Koeffizienten sich von denen in einem entsprechenden Bulkmaterial unterscheiden, also probenspezifisch sind. Man spricht bei den probenspezifischen Koeffizienten von den effektiven piezoelektrischen Koeffizienten, z. B. e31,f.Solids with piezoelectric properties have an anisotropic crystal structure with a direction of polarization, which is why changes in the length of a sample are generally not only parallel to the direction of the electric field involved. In a reference to a piezoelectric sample coordinate system with mutually perpendicular axes 1 to 3, the polarization direction is referred to as axis 3. Essential in connection with the work with piezoelectric materials are the longitudinal piezoelectric coefficients d 33 and e 33 , which describes the relationship between an electric field component parallel to the polarization direction and the mechanical distortion parallel thereto, and the transverse piezoelectric coefficient d 31 or e 31 , which describes the relationship between the electric field component parallel to the polarization direction and the mechanical distortion perpendicular thereto in the direction of the axis 1. Piezoelectric thin-film samples are strongly influenced in their properties by boundary conditions, z. Example, by their geometric shape or by a substrate holding the sample, so that the piezoelectric coefficients are different from those in a corresponding bulk material, so are sample-specific. The sample specific coefficients are referred to as the effective piezoelectric coefficients, e.g. E 31, f .

Für die Herstellung von piezoelektrischen Dünnschichten auf Substraten ist die Kenntnis und Prüfung der piezoelektrischen Koeffizienten von entscheidender Bedeutung. Typische Materialien für piezoelektrische Dünnschichten sind beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Aluminiumnitrid (AlN). Solche Schichten werden insbesondere für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) als Aktoren verwendet. Für derartige Aktoren ist insbesondere der transversale piezoelektrische Koeffizient e31 bzw. d31 wichtig, der eine Biegung einer Struktur, wie z. B. Membrane oder Biegebalken, hervorruft.For the production of piezoelectric thin films on substrates, the knowledge and testing of the piezoelectric coefficients is of crucial importance. Typical materials for piezoelectric thin films are, for example, lead zirconate titanate (PZT) or aluminum nitride (AlN). Such layers are used in particular for microelectromechanical systems (MEMS) as actuators. For such actuators in particular the transverse piezoelectric coefficient e 31 and d 31 is important, the bending of a structure such. As membrane or bending beam causes.

Aus der DE 10 2005 006 958 A1 ist es bekannt, den effektiven transversalen piezoelektrischen Koeffizienten e31,f zu messen, indem eine Probe, welche ein piezoelektrisches Material umfasst, einer Biegebelastung ausgesetzt und die durch die daraus folgende Zug- oder Druckbelastung des piezoelektrischen Materials erzeugte Ladungsmenge ermittelt wird. Die hierfür notwendigen Messstrukturen, z. B. Biegebalken oder Membranen, sind aufwendig herzustellen. Alternativ kann auch durch Biegung von kleinen Proben gemessen werden, was aber eine Zerstörung des Substrats z. B. durch Sägen erfordert.From the DE 10 2005 006 958 A1 For example, it is known to measure the effective transverse piezoelectric coefficient e 31, f by subjecting a sample comprising a piezoelectric material to a bending load and determining the amount of charge generated by the consequent tensile or compressive loading of the piezoelectric material. The necessary measuring structures, z. B. bending beam or membranes are expensive to produce. Alternatively, it can be measured by bending small samples, but this destruction of the substrate z. B. required by sawing.

Aus der DE 10 2005 006 958 A1 ist es des Weiteren bekannt, den longitudinalen effektiven piezoelektrischen Koeffizienten d33,f durch Anlegen eines bestimmten elektrischen Feldes in Polarisationsrichtung und Ermittlung der dadurch erzeugten Dickenänderung in Polarisationsrichtung zu bestimmen. Für die Ermittlung der Dickenänderung kann z. B. die Doppelstrahl-Interferometrie eingesetzt werden.From the DE 10 2005 006 958 A1 It is further known to determine the longitudinal effective piezoelectric coefficient d 33, f by applying a specific electric field in the direction of polarization and determining the change in thickness thereby produced in the direction of polarization. For the determination of the thickness change z. B. the double-beam interferometry can be used.

Aus der vorgenannten Druckschrift ist es des Weiteren bekannt auf ein Substrat, beispielsweise einen Siliziumwafer, eine untere Elektrode aufzubringen und darauf das piezoelektrische Material zu platzieren, welches wiederum von einer oberen Elektrode zumindest zum Teil abgedeckt wird.It is further known from the aforementioned document to apply a lower electrode to a substrate, for example a silicon wafer, and to place the piezoelectric material thereon, which in turn is at least partially covered by an upper electrode.

Von Nicolas Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films an Elastics Substrates; Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20–2009, Seite 681 ff) sind theoretische Modelle bekannt, die unter verschiedenen Randbedingungen aus den bekannten piezoelektrischen Koeffizienten des Bulkmaterials und elastischen Konstanten eine zumindest angenäherte Berechnung von effektiven piezoelektrischen Komponenten einer auf einem Substrat aufgebrachten Dünnschichtprobe ermöglichen sollen. Es werden drei Modelle mit unterschiedlichen Randbedingungen für die Dünnschichtprobe vorgestellt: eine Probe auf einem vollständig starren Substrat als Modell I, eine von einer Elektrode vollständig abgedeckte Probe auf einem elastischen Substrat als Modell II und als Modell III eine Probe mit kleiner Elektrode auf dem elastischen Substrat. Der Offenbarungsgehalt der genannten Schrift von Zachalas wird vollumfänglich einbezogen.From Nicolas Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films on Elastics Substrates; Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20-2009, page 681 ff) For example, theoretical models are known which allow at least approximate calculation of effective piezoelectric components of a thin-film sample applied to a substrate under various boundary conditions from the known piezoelectric coefficients of the bulk material and elastic constants should. Three models with different boundary conditions for the thin-film sample are presented: a sample on a completely rigid substrate as model I, a sample completely covered by an electrode on an elastic substrate as model II and as model III a sample with a small electrode on the elastic substrate , The disclosure of the above-mentioned Zachalas paper is fully incorporated.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine probenspezifische Größe mit geringerem Aufwand und ohne Zerstörung des Substrats durchgeführt werden kann.It is an object of the present invention to provide a novel method of the type mentioned above, with which a sample-specific size can be carried out with less effort and without destroying the substrate.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the dependent claims.

Im Folgenden werden der theoretische Hintergrund sowie eine beispielhafte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren dargestellt.In the following, the theoretical background and an exemplary preferred embodiment of the method according to the invention are illustrated by means of figures.

Es zeigt schematisch:It shows schematically:

1: im seitlichen Querschnitt ein aus dem Stand der Technik bekannter Aufbau einer piezoelektrischen Dünnschichtprobe auf einem Substrat, 1 FIG. 2 is a side cross-sectional view of a prior art structure of a piezoelectric thin film sample on a substrate.

2: ein Diagramm mit Messwerten für d33 in Abhängigkeit von der Elektrodengröße, 2 : a diagram with measured values for d 33 as a function of the electrode size,

3a: einen Teil einer Dünnschichtprobe auf einem Substrat ohne angelegtes elektrisches Feld, 3a : a portion of a thin film sample on a substrate without an applied electric field,

3b: die Struktur gemäß 3a mit angelegtem elektrischen Feld und 3b : the structure according to 3a with applied electric field and

4: in Aufsicht eine Dünnschichtprobe mit einer Vielzahl von oberen Elektroden. 4 in plan view, a thin film sample with a plurality of upper electrodes.

1 zeigt schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Schichtaufbau einer Messstruktur 1 mit einem Substrat 2, einer auf dem Substrat 2 aufgebrachten unteren Elektrode 3, einer Dünnschichtprobe 4 und einer oberen Elektrode 5. Zur Messung des longitudinalen piezoelektrischen Verzerrungskoeffizienten d33 wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt und die dadurch erzeugte Dickenänderung der Dünnschichtprobe 4 in Polarisationsrichtung gemessen. Die Dickenänderung wird bevorzugt an beidseitig der Messstruktur 1 vorgesehenen Messstellen erfasst, von denen eine sich auf der oberen Elektrode 5 befindet. 1 schematically shows a known from the prior art layer structure of a measuring structure 1 with a substrate 2 , one on the substrate 2 applied lower electrode 3 , a thin-film sample 4 and an upper electrode 5 , To measure the longitudinal piezoelectric distortion coefficient d 33 , a voltage is applied between the electrodes and the thickness change of the thin-film sample produced thereby 4 measured in polarization direction. The change in thickness is preferred on both sides of the measuring structure 1 provided measuring points, one of which is located on the upper electrode 5 located.

Die Erfindung nutzt nun die im Stand der Technik nicht dargestellte Erkenntnis, dass für dieselbe Probe bei unterschiedlichen Elektrodenanordnungen unterschiedliche Werte für den an sich selben effektiven longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten gemessen werden. 2 zeigt beispielhaft für eine Dünnschichtprobe 4 aus PZT auf einem Siliziumwafer als Substrat 2 die Messwerte für den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten d33 in Abhängigkeit von der Kantenlänge einer quadratischen Elektrode 5 zusammen mit einem durch die waagerechte Linie dargestellten theoretischen Wert d33theor für den longitudinalen Koeffizienten. Die Erkenntnis war überraschend, dass der Messwert bei einer im Vergleich zur Substratdicke großen Elektrodenstrukturen über dem theoretischen Wert des erwarteten longitudinalen Koeffizienten liegt, bei kleinen Elektrodenstrukturen jedoch darunter.The invention now uses the knowledge not shown in the prior art that different values for the same effective longitudinal piezoelectric coefficient are measured for the same sample with different electrode arrangements. 2 shows an example of a thin-film sample 4 made of PZT on a silicon wafer as a substrate 2 the measured values for the longitudinal piezoelectric coefficient d 33 as a function of the edge length of a square electrode 5 together with a theoretical value d 33theor for the longitudinal coefficient represented by the horizontal line. The finding was surprising that the measured value is greater than the theoretical value of the expected longitudinal coefficient for a large electrode structure compared to the substrate thickness, but lower for small electrode structures.

Dieser Effekt ist vermutlich auf den Einfluss des mit der Dünnschichtprobe 4 fest verbundenen Substrats 2 zurückzuführen. 3a (ohne angelegte elektrische Spannung) und 3b (mit angelegter elektrischer Spannung) zeigen ein vereinfachtes Prinzip der Gesamtverformung von Substrat 2 und eines Teils 6 der Dünnschichtprobe 4. Die Elektroden 3 und 5 (siehe 1) sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der dargestellte Teil 6 der Dünnschichtprobe 4 ist von der hier nicht wiedergegebenen oberen Elektrode 5 abgedeckt. Der nicht dargestellte Teil der Dünnschichtprobe 4, die sich wie in 1 bis zum Rand des Substrats 2 erstrecken kann, ist nicht von einer aktiven oberen Elektrode 5 abgedeckt. Wegen des transversalen Piezokoeffizienten kontrahiert bei Anlegen der Messspannung der unterhalb der in 3a und 3b nicht dargestellten oberen Elektrode 5 der dargestellte Teil 6 der Dünnschichtprobe 4 senkrecht zur Polarisationsrichtung, d. h. parallel zur Schichtfläche. Dadurch erfährt das Substrat 2, wie in 3b dargestellt, im Bereich unterhalb des Teils 6 der Dünnschichtprobe 4 ebenfalls eine Querkompression. Damit beeinflusst aber das Substrat in einer bisher im Stand der Technik nicht beachteten Weise die Messung des longitudinalen Koeffizienten d33.This effect is probably due to the influence of the thin-film sample 4 firmly bonded substrate 2 due. 3a (without applied electrical voltage) and 3b (with applied electrical voltage) show a simplified principle of the overall deformation of substrate 2 and part 6 the thin-film sample 4 , The electrodes 3 and 5 (please refer 1 ) are not shown here for the sake of clarity. The illustrated part 6 the thin-film sample 4 is from the not reproduced upper electrode 5 covered. The unillustrated part of the thin-film sample 4 that feel like in 1 to the edge of the substrate 2 is not from an active upper electrode 5 covered. Because of the transverse piezo coefficient, when the measuring voltage is applied, it contracts below that in 3a and 3b not shown upper electrode 5 the part shown 6 the thin-film sample 4 perpendicular to the polarization direction, ie parallel to the layer surface. As a result, the substrate experiences 2 , as in 3b shown in the area below the part 6 the thin-film sample 4 also a cross-compression. But this affects that Substrate in a hitherto disregarded in the art, the measurement of the longitudinal coefficient d 33rd

Es wurde gefunden, dass die Querkompression des Substrates 2 eine zusätzliche Aufdickung im Bereich unterhalb der Dünnschichtprobe 4 nur bei solchen oberen Elektroden 5 bewirkt, deren Längsausdehnung groß gegen die Dicke des Substrats 2 ist. Bei kleineren oberen Elektroden 5 hingegen kann die Querkompression vermutlich nicht das gesamte Substrat 2 durchdringen, wodurch der Effekt verringert wird oder ausbleibt.It was found that the transverse compression of the substrate 2 an additional thickening in the area below the thin-film sample 4 only with such upper electrodes 5 causes their longitudinal extent large against the thickness of the substrate 2 is. For smaller upper electrodes 5 however, cross-compression probably can not cover the entire substrate 2 penetrate, whereby the effect is reduced or absent.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den oben beschriebenen Effekt der Messung unterschiedlicher Werte für den longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten aus, um eine weitere probenspezifische Größe, bevorzugt den transversalen piezoelektrischen Koeffizienten, mittelbar zu bestimmen. Für die Darstellung des mathematischen Zusammenhangs des Effekts mit dem transversalen Koeffizienten wird bevorzugt das in der Beschreibungseinleitung erwähnte theoretische Modell III aus der Druckschrift von Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films an Elastics Substrates; a. a. O.) zugrunde gelegt.The method according to the invention exploits the above-described effect of measuring different values for the longitudinal piezoelectric coefficient in order to determine indirectly a further sample-specific variable, preferably the transverse piezoelectric coefficient. For the representation of the mathematical relationship of the effect with the transverse coefficient, the theoretical model III mentioned in the introduction to the description of FIG Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films on Elastics Substrates, supra) based on.

Der mathematische Zusammenhang lässt sich wie folgt plausibel herleiten:
Zunächst wird allgemein eine Dickenänderung D des Substrats 2 aus einer mechanischen Querkontraktion des Substrats 2 betrachtet. Hierfür gilt

Figure DE102013103404A1_0002
wobei νSu die Querkontraktionszahl, YSu der Elastizitätsmodul des Substrats 2, ISu die Dicke des Substrats 2 und Tsu die mechanische Spannung im Substrat 2 ist. ist. Es wird angenommen, dass diese Dickenänderung bei Normierung auf die bei der Messung angelegte elektrische Spannung der Differenz zwischen dem festgestellten Messwert und dem erwarteten theoretischen Wert für den longitudinalen Koeffizienten entspricht.The mathematical relationship can be plausibly derived as follows:
First, generally, a thickness change D of the substrate will be made 2 from a mechanical transverse contraction of the substrate 2 considered. For this applies
Figure DE102013103404A1_0002
where ν Su is the transverse contraction number, Y Su is the modulus of elasticity of the substrate 2 , I Su the thickness of the substrate 2 and T su the stress in the substrate 2 is. is. It is assumed that this normalized normalization to the voltage applied during the measurement corresponds to the difference between the observed value and the expected theoretical value for the longitudinal coefficient.

Gemäß den theoretischen Betrachtungen von Zachalas et al . wird für eine auf einem elastischen Substrat aufgebrachte Dünnschichtprobe, die komplett mit einer Elektrode abgedeckt ist, folgende Beziehung angenommen:

Figure DE102013103404A1_0003
wobei IPP die Dicke der piezoelektrischen Schicht, ISu die Dicke des Substrats, TPP die mechanische Spannung in der Dünnschichtprobe und TSu die mechanische Spannung im Substrat ist (siehe Gleichung (14) aus Zachalas et al.; a. a. O., S. 683 ).According to the theoretical considerations of Zachalas et al , For a thin film sample deposited on an elastic substrate, which is completely covered by an electrode, the following relationship is assumed:
Figure DE102013103404A1_0003
where I PP is the thickness of the piezoelectric layer, I Su is the thickness of the substrate, T PP is the stress in the thin film sample, and T Su is the stress in the substrate (see Equation (14)) Zachalas et al .; cit., p. 683 ).

Wird die piezoelektrische Schicht nur zum Teil von der wirkenden Elektrode 5 abgedeckt, muss die obere Gleichung mit einem z. B. empirisch oder über Simulationsrechnungen zu ermittelnden geometrischen Faktor a ergänzt werden, so dass sie lautet

Figure DE102013103404A1_0004
(Vergleiche Zalachas a. a. O., S. 688, die dortige Gleichung 18 ).If the piezoelectric layer only partially from the acting electrode 5 covered, the upper equation with a z. B. empirically or by simulation calculations to be determined geometric factor a, so it reads
Figure DE102013103404A1_0004
(Compare Zalachas loc. Cit., P. 688, the equation 18 there ).

Ersetzt man in Gleichung (1) die Größe TSu gemäß Gleichung (3), ergibt sich:

Figure DE102013103404A1_0005
If, in equation (1), the quantity T Su is replaced by equation (3), the result is:
Figure DE102013103404A1_0005

Aus bekannten Grundgleichungen der Piezoelektrizität ist TPP in erster Nährung gegeben durch

Figure DE102013103404A1_0006
wobei YPP der Elastizitätsmodul, νPP die Querkontraktion der Dünnschichtprobe 4, sowie VPP die angelegte elektrische Spannung ist.From known basic equations of the piezoelectricity T PP is given in first approximation by
Figure DE102013103404A1_0006
where Y PP is the modulus of elasticity, ν PP is the transverse contraction of the thin-film sample 4 , and V PP is the applied voltage.

Gleichung (5) in Gleichung (4) eingesetzt ergibt

Figure DE102013103404A1_0007
wobei d31 der transversale piezoelektrische Verzerrungskoeffizient und e31,f der gesuchte effektive transversale piezoelektrische Spannungskoeffizient ist. Die geometrieabhängige Konstante a hängt von der Elektrodenmessanordnung ab, die sich aus der Ausdehnung der Elektrode 5, insbesondere parallel zur Schicht der Dünnschichtprobe 4, und/oder aus der Platzierung der Messstelle für die Dickenmessung auf der Elektrode 5 ergibt. Die geometrieabhängige Konstante kann durch Referenzmessungen und/oder durch Simulationen genau und spezifisch bestimmt werden. Dies kann z. B. durch die im dargestellten Stand der Technik bekannten Verfahren zur Messung des transversalen Koeffizienten an gleichen Proben erfolgen.Equation (5) inserted into equation (4)
Figure DE102013103404A1_0007
where d 31 is the transverse piezoelectric distortion coefficient and e 31, f is the sought effective transverse piezoelectric stress coefficient. The geometry-dependent constant a depends on the electrode measuring arrangement resulting from the expansion of the electrode 5 , in particular parallel to the layer of the thin-film sample 4 , and / or from the placement of the measuring point for the thickness measurement on the electrode 5 results. The geometry-dependent constant can be determined precisely and specifically by reference measurements and / or by simulations. This can be z. Example, by the known in the prior art method for measuring the transverse coefficient of the same samples.

Es gilt D/VPP = d33,meas – d33,f, woraus sich folgende Abhängigkeit des gemessenen Wertes für den transversalen Koeffizienten von der geometrischen Konstante a ergibt:

Figure DE102013103404A1_0008
D / V PP = d 33, meas - d 33, f , from which the following dependence of the measured value for the transverse coefficient on the geometric constant a results:
Figure DE102013103404A1_0008

Bei zwei Messungen mit zwei verschiedenen Geometrien und entsprechend unterschiedlichen bekannten geometrischen Konstanten a1 und a2 ergeben sich unterschiedliche Messwerte d33,meas1 und d33,meas2 für den transversalen Koeffizienten. Durch einfache Subtraktion ergibt sich:

Figure DE102013103404A1_0009
In two measurements with two different geometries and correspondingly different known geometric constants a 1 and a 2 , different measured values d 33, meas 1 and d 33, meas 2 result for the transverse coefficient. By simple subtraction results:
Figure DE102013103404A1_0009

Somit lässt sich der transversale piezoelektrische Koeffizient e31,f aus den gemessenen Werten sowie den bekannten geometrischen Konstanten a1 und a2 sowie den gut bekannten Größen YSu und νSu bestimmen.Thus, the transverse piezoelectric coefficient e 31, f can be determined from the measured values as well as the known geometric constants a 1 and a 2 as well as the well-known quantities Y Su and ν Su .

Alternativ lassen sich weitere probenspezifische Größen bestimmen, beispielsweise νPP oder YPP bei entsprechender äquivalenter Umformung der Gleichung (8), wenn z. B. bereits der transversale piezoelektrische Koeffizient bekannt ist.Alternatively, further sample-specific quantities can be determined, for example ν PP or Y PP with a corresponding equivalent transformation of equation (8), if z. B. already the transverse piezoelectric coefficient is known.

Die obige Herleitung geht von skalaren Größen und damit von einer isotropen Betrachtung aus. Die skalaren Größen können als Mittelung über den in der Regel gegebenen anisotropen Fall gesehen werden. Eine genauere anisotrope Betrachtung ist in entsprechender Weise möglich und erlaubt auch die Ermittlung von piezoelektrischen Koeffizienten, welche auf andere Achsen bezogen sind, als die in der obigen Herleitung eingesetzten.The above derivation assumes scalar sizes and thus an isotropic view. The scalar quantities can be seen as an average over the usually given anisotropic case. More accurate anisotropic viewing is possible in a similar manner and also allows the determination of piezoelectric coefficients related to other axes than those used in the above derivation.

Die obigen Betrachtungen sind nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt. So kann die obere Elektrode 5 andere als quadratische Formen annehmen. Es ist auch denkbar, die untere Elektrode 3 oder beide Elektroden 3 und 5 in ihrer Geometrie zu verändern. Zusätzlich oder Alternativ dazu kann auch eine andere Messstelle zur Dickenmessung vorgesehen werden. Denkbar wäre es auch, mehrere auf derselben Seite der Dünnschichtprobe 4 befindliche obere Elektroden 3 und/oder untere Elektroden 5, die räumlich getrennt voneinander oder auch vorzugsweise aneinander grenzend gleichzeitig mit Spannung zu beaufschlagen. Die Dünnschichtprobe 4 muss auch nicht die vollständige, der Dünnschichtprobe 4 zugewandte Oberfläche des Substrats 2 abdecken. Letztendlich ist allein entscheidend, den geometrischen Faktor a in geeigneter Weise zu verändern, um mindestens zwei Messungen durchführen zu können.The above considerations are not limited to the illustrated example. So can the upper electrode 5 take other than square forms. It is also possible to use the lower electrode 3 or both electrodes 3 and 5 to change in their geometry. Additionally or alternatively, another measuring point for thickness measurement can be provided. It would also be conceivable to have several on the same side of the thin-film sample 4 located upper electrodes 3 and / or lower electrodes 5 , the spatially separated from each other or preferably adjacent to each other simultaneously to apply voltage. The thin-film sample 4 Nor does the complete, the thin-film sample 4 facing surface of the substrate 2 cover. Ultimately, the only decisive factor is to change the geometric factor a in a suitable manner in order to be able to carry out at least two measurements.

4 zeigt eine Dünnschichtprobe 7 in Aufsicht. Das die Dünnschichtprobe 7 tragende Substrat ist hier nicht gezeigt. Die Dünnschichtprobe 7 weist eine Vielzahl unterschiedlicher oberer Elektroden 8 unterschiedlicher Größe und Geometrie auf. Für eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Messungen können einzelne der Elektroden 8 und/oder Gruppen von Elektroden 8 nacheinander mit Spannung beaufschlagt werden. Es kann eine einzige oder auch eine Mehrzahl von hier nicht sichtbaren unteren Elektroden vorgesehen werden. 4 shows a thin-film sample 7 in supervision. That the thin-film sample 7 supporting substrate is not shown here. The thin-film sample 7 has a plurality of different upper electrodes 8th different size and geometry. For a plurality of measurements according to the invention, individual ones of the electrodes 8th and / or groups of electrodes 8th be energized successively. It can be provided a single or a plurality of not visible here lower electrodes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Messstrukturmeasurement structure
22
Substratsubstratum
33
untere Elektrodelower electrode
44
Dünnschichtprobethin film sample
55
obere Elektrodeupper electrode
66
Teilbereich der DünnschichtprobePart of the thin-film sample
77
Dünnschichtprobethin film sample
88th
obere Elektrodenupper electrodes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005006958 A1 [0005, 0006] DE 102005006958 A1 [0005, 0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Nicolas Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films an Elastics Substrates; Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20–2009, Seite 681 ff) [0008] Nicolas Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films on Elastics Substrates; Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20-2009, page 681 ff) [0008]
  • Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films an Elastics Substrates; a. a. O.) [0023] Zachalas et al. (Effective Piezoelectric Coefficients of Ferroelectric Thin Films on Elastics Substrate, supra). [0023]
  • Zachalas et al [0025] Zachalas et al. [0025]
  • Zachalas et al.; a. a. O., S. 683 [0025] Zachalas et al .; cit., p. 683 [0025]
  • Zalachas a. a. O., S. 688, die dortige Gleichung 18 [0026] Zalachas loc. Cit., P. 688, the equation 18 there [0026]

Claims (6)

Verfahren zur Ermittlung einer probenspezifischen Größe einer auf einem elastischen Substrat (2) befindlichen und zwischen Elektroden (3, 4) angeordneten piezoelektrischen Dünnschichtprobe (4) mit folgenden Schritten: a) Messen eines ersten Wertes für einen longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer ersten Elektrodenmessanordnung, b) Messen mindestens eines zweiten Wertes für denselben longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten mit einer zweiten Elektrodenmessanordnung, c) Berechnen der probenspezifischen Größe mittels einer von den gemessenen Werten des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten abhängigen Funktion.Method for determining a sample-specific size of a material on an elastic substrate ( 2 ) and between electrodes ( 3 . 4 ) piezoelectric thin-film sample ( 4 comprising: a) measuring a first value for a longitudinal piezoelectric coefficient with a first electrode measuring arrangement, b) measuring at least a second value for the same longitudinal piezoelectric coefficient with a second electrode measuring arrangement, c) calculating the sample-specific size by means of one of the measured values of the longitudinal piezoelectric coefficient dependent function. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die probenspezifische Größe ein transversaler piezoelektrischer Koeffizient ist.A method according to claim 1, characterized in that the sample-specific size is a transverse piezoelectric coefficient. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und zweite Elektrodenmessanordnung durch unterschiedliche Größen der probenseitigen Kontaktflächen mindestens einer der Elektroden (3, 4) voneinander unterscheiden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the first and second electrode measuring arrangement by different sizes of the sample-side contact surfaces of at least one of the electrodes ( 3 . 4 ) differ from each other. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und zweite Elektrodenmessanordnung durch eine unterschiedliche Platzierung von Messstellen für eine Dickenmessung auf mindestens einer der Elektroden voneinander unterscheiden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second electrode measuring arrangement differ from each other by a different placement of measuring points for a thickness measurement on at least one of the electrodes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens eine der Probenseiten mindestens zwei Elektroden (3, 4) angebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the sample sides at least two electrodes ( 3 . 4 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als von den beiden Werten des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten abhängige Funktion
Figure DE102013103404A1_0010
oder eine hierzu äquivalente Funktion verwendet wird, wobei e31,f der effektive transversale Piezokoeffizient d33,meas1 der erste gemessene Wert des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten d33,meas2 der zweite gemessene Wert des longitudinalen piezoelektrischen Koeffizienten YSu das Elastizitätsmodul des Substrats (2) νSu die Querkontraktionszahl des Substrats (2) a1 eine bei der ersten Elektrodenmessanordnung gegebene geometrische Konstante a2 eine bei der zweiten Elektrodenmessanordnung gegebene geometrische Konstante ist.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the function dependent on the two values of the longitudinal piezoelectric coefficient
Figure DE102013103404A1_0010
or an equivalent function is used, where e 31, f is the effective transverse piezo coefficient d 33, meas1 is the first measured value of the longitudinal piezoelectric coefficient d 33, meas2 is the second measured value of the longitudinal piezoelectric coefficient Y Su the modulus of elasticity of the substrate ( 2 ) ν Su is the transverse contraction number of the substrate ( 2 ) a 1 is a given during the first electrode measuring arrangement geometric constant a 2 given in the second electrode measuring arrangement geometric constant.
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