KR100240602B1 - Method for measuring piezoelectric constant of thin film shaped piezoelectric material - Google Patents

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Abstract

기압 응력을 인가하여 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전 상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법이 개시된다. 하부 전극 및 상부 전극이 부착된 박막형 압전체를 형성하고, 상부 전극의 상부에 박막형 압전체에 발생하는 응력을 측정하는 스트레인 게이지를 부착하고, 압력 인가 부재로부터 기압 응력을 발생시킨 후, 박막형 압전체에 상기 기압 응력을 변화시키며 유도관을 통하여 인가하여 박막형 압전체로부터 발생하는 전하량을 측정하여 측정된 전하량 및 측정된 응력을 컴퓨터 수단에 기록하여 박막형 압전체의 압전 상수를 계산함으로써, 간단한 구성으로 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전 상수를 측정할 수 있으며, 압전체 박막의 단락이나 소성 변형을 유발하지 않으며 박막의 표면 상태에 관계없이 대상 박막의 전면에 균일한 기압 응력을 인가함으로써 박막의 압전 상수를 측정할 수 있다.Disclosed is a piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body capable of accurately and reliably measuring a piezoelectric constant of a thin film by applying atmospheric pressure stress. After forming the thin film type piezoelectric body with the lower electrode and the upper electrode, attaching a strain gauge for measuring the stress generated in the thin film type piezoelectric material on the upper electrode, generating the atmospheric pressure stress from the pressure applying member, and then applying the air pressure to the thin film type piezoelectric body. By measuring the amount of charge generated from the thin film piezoelectric body by varying the stress and applying it through the induction tube, the measured amount of charge and the measured stress are recorded in a computer means to calculate the piezoelectric constant of the thin film piezoelectric body. The piezoelectric constant can be measured, and the piezoelectric constant of the thin film can be measured by applying a uniform atmospheric stress to the entire surface of the target thin film without causing short circuit or plastic deformation of the piezoelectric thin film.

Description

박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법Piezoelectric constant measurement method of thin film type piezoelectric body

본 발명은 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막형 압전체의 압전 상수의 측정 시, 압전체 박막의 단락(short)이나 소성 변형을 유발하지 않으며 박막의 표면 상태(topology)에 관계없이 박막의 전면에 균일한 기압 응력(pneumatic pressure)을 인가함으로서 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전 상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body, and more particularly, when measuring the piezoelectric constant of a thin film type piezoelectric body, it does not cause short circuit or plastic deformation of the piezoelectric thin film and is related to the surface topology of the thin film. The present invention relates to a piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body capable of accurately and reliably measuring the piezoelectric constant of a thin film by applying a uniform pneumatic pressure to the entire surface of the thin film.

현재까지 마이크로 프로세서(micro processor), 또는 메모리(memory) 장치 등의 전자 기기들을 소형화함으로서 그 제조 단가를 현저히 낮출 수 있었으며, 그 성능이 크게 개선되어 왔다. 액츄에이터(actuator)와 같은 기계 장치에 있어서도 이러한 이유로 소형화가 요구되며, 의료 또는 생화학적 용도 등과 같은 향후의 용도를 위해서도 마이크로 액츄에이터(microactuator)에 대한 필요성이 요구되고 있다. 일반적으로 미세 기계 장치들은 정전기적(electrostatic), 압전적(piezoelectric), 열적(thermal), 또는 전자기적(electromagnetic) 원리에 따라 구동한다.Until now, miniaturization of electronic devices such as microprocessors or memory devices has significantly reduced the manufacturing cost, and the performance has been greatly improved. For this reason, miniaturization is also required for mechanical devices such as actuators, and there is a need for microactuators for future applications such as medical or biochemical applications. Micromechanical devices generally operate in accordance with electrostatic, piezoelectric, thermal, or electromagnetic principles.

압전 액츄에이터(piezoelectric actuator)는 압전 효과(piezoelectric effect)에 따라 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나, 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)에 의해서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 상기 압전 액츄에이터는 그 내부의 압전 물질이 가해진 전기장과 내부 분극의 방향에 따라 수축하거나 팽창함으로서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있게 된다. 상기 압전 물질의 팽창, 또는 수축은 압전 물질의 크기에 따라서 결정되는 것이 아니라 압전 물질에 가해지는 전압의 크기와 방향에 의해 결정된다. 그러므로, 상기 마이크로 액츄에이터를 제작함에 있어서 압전 박막(piezoelectric thin film)을 사용할 수 있다. 상기 압전 박막의 최대 팽창 길이는 그 항복 전압(breakdown voltage) 또는 최대 응력(stress)에 의해서 제한된다. 따라서, 상기 압전 박막을 포함하는 마이크로 액츄에이터는 대체로 10V 정도의 낮은 전압 범위에서 작동되어야 한다.Piezoelectric actuators (piezoelectric actuator) is a device for converting the mechanical energy into electrical energy according to the piezoelectric effect (piezoelectric effect), or the electrical energy into mechanical energy by the inverse piezoelectric effect (inverse piezoelectric effect). The piezoelectric actuator is capable of converting electrical energy into mechanical energy by contracting or expanding in accordance with the direction of the polarization and the electric field to which the piezoelectric material is applied. The expansion or contraction of the piezoelectric material is not determined by the size of the piezoelectric material but by the magnitude and direction of the voltage applied to the piezoelectric material. Therefore, a piezoelectric thin film can be used in manufacturing the micro actuator. The maximum expansion length of the piezoelectric thin film is limited by its breakdown voltage or maximum stress. Therefore, the micro actuator including the piezoelectric thin film should be operated in a low voltage range of about 10V.

압전 장치들은 반도체 제조 공정을 이용하여 낮은 단가로 제조할 수 있으며, 이러한 반도체 제조 공정을 이용하여 제조된 압전 박막의 다양한 응용은 이미 알려져 있다. 상기 압전 박막으로서는 대부분의 경우 산화아연(ZnO)이 사용된다. 그러나, 벌크형(bulk type) PZT(lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O3)가 산화아연보다 더 우수한 압전 특성을 가진다는 사실이 근래에 알려져왔다. 상기 PZT는 PbZrO3와 PbTiO3의 완전 고용체(solid solution)로서 고온에서는 결정 구조가 입방정(cubic)인 상유전상(paraelectric phase)으로 존재하며, 상온에서는 Zr과 Ti의 조성비에 따라 결정 구조가 사방정(orthorhombic)인 반강유전상(antiferroelectric phase), 능면체정(rhombohedral)인 강유전상(ferroelectric phase), 그리고 정방정(tetragonal)인 강유전상으로 존재한다.Piezoelectric devices can be manufactured at low cost using a semiconductor manufacturing process, and various applications of piezoelectric thin films manufactured using such semiconductor manufacturing processes are already known. In most cases, zinc oxide (ZnO) is used as the piezoelectric thin film. However, it has recently been known that bulk type lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has better piezoelectric properties than zinc oxide. The PZT is a complete solid solution (solid solution) of PbZrO 3 and PbTiO 3 high temperature in the crystal structure of the cubic crystal (cubic) of paraelectric phase inversion (paraelectric phase) in the presence, and is the normal temperature determined by the composition ratio of Zr and Ti structure orthorhombic It exists as an orthorhombic antiferroelectric phase, a rhombohedral ferroelectric phase, and a tetragonal ferroelectric phase.

이러한 PZT의 이원 상태도(binary phase diagram)를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조하면, Zr과 Ti의 조성비가 약 1：1인 조성에서 정방정상(tetragonal phase)과 능면체정상(rhombohedral phase)의 상경계(morphotropic phase boundary：MPB)가 있으며, PZT는 상기 상경계(MPB)의 조성에서 최대의 유전 특성(dielectric property) 및 압전 특성을 나타낸다. 상기 상경계는 특정 조성에 위치하지 않고 비교적 넓은 조성 범위에 걸쳐 정방정상과 능면체정상이 공존하는 영역으로 되어 있으며, 상공존 영역(phase coexistent region)은 연구자에 따라 2∼3mol％에서 15mol％에 이르기까지 각기 다르게 보고되어 있다. 이러한 상공존의 원인으로서는 열역학적 안정성(thermodynamic stability), 조성의 불균일성(compositional fluctuation), 내부 응력(internal stress) 등의 여러 가지 이론들이 제시되고 있다. 현재, PZT 박막은 스핀 코팅(spin coating) 방법, 유기금속 화학 기상 증착(Organometallic Chemical Vapor Deposition：OMCVD) 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 등과 같은 다양한 공정을 이용하여 제조할 수 있다.A binary phase diagram of this PZT is shown in FIG. 1. Referring to FIG. 1, there is a tetragonal phase and a rhombohedral phase in a composition having a composition ratio of Zr and Ti of about 1: 1, and PZT is a phase boundary (MPB). It exhibits maximum dielectric and piezoelectric properties in the composition of MPB). The phase boundary is not located in a specific composition but is a region in which a tetragonal phase and a rhombohedral phase coexist over a relatively wide composition range, and the phase coexistent region ranges from 2 to 3 mol% to 15 mol% depending on the researcher. Are reported differently. Many theories such as thermodynamic stability, compositional fluctuation, and internal stress have been suggested as the causes of such coexistence. Currently, PZT thin films can be manufactured using various processes such as spin coating, organometallic chemical vapor deposition (OMCVD), sputtering, and the like.

상기 압전 박막의 전기적 특성은 압전 진동자(vibrator)의 탄성 상수(elastic constant), 압전 상수(piezoelectric constant) 및 유전 상수(dielectric constant)등으로부터 결정된다. 통상 압전 상수는 세라믹 물질의 전기적 활동도 레벨(electrical activity level)을 나타낸다. 예들 들면, 압전 상수는 인가된 전기장에 대응하는 세라믹 물질의 팽창 또는 수축 정도를 나타낸다. 이러한 다층 압전 액츄에이터(multilayer piezoelectric actuator)의 압전 상수, Young's Modulus 및 커패시턴스(capacitance) 등의 특성들에 대한 테스팅(testing) 장치가 미합중국 특허 제5,301,558호(issued to Jeffrey A. Livingston et al.)에 개시되어 있다.Electrical properties of the piezoelectric thin film are determined from an elastic constant, a piezoelectric constant, a dielectric constant, and the like of a piezoelectric vibrator. Piezoelectric constants usually represent the electrical activity level of a ceramic material. For example, piezoelectric constants indicate the degree of expansion or contraction of the ceramic material corresponding to the applied electric field. Testing devices for such characteristics as piezoelectric constants, Young's Modulus and capacitance of such multilayer piezoelectric actuators are disclosed in issued US Patent No. 5,301,558 (issued to Jeffrey A. Livingston et al.). It is.

도 2는 상기 미합중국 특허에 개시된 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치의 단면도를 도시한 것이며, 도 3은 상기 테스팅 장치의 회로도를 도시한 것이다.FIG. 2 shows a cross-sectional view of a testing apparatus for testing piezoelectric properties of a multilayer piezoelectric actuator disclosed in the above-mentioned US patent, and FIG. 3 shows a circuit diagram of the testing apparatus.

도 2를 참조하면, 상기 다층 압전 액츄에이터(15)는 하우징(housing)(18)과 하우징(18)의 내부에 L1의 길이를 갖는 원기둥 형태로 적층된 복수 개의 압전 물질들(20)을 포함한다. 그 단부에 부착된 격판(16)을 포함하는 상기 하우징(18)은 상기 액츄에이터(15)를 보호하며, 액츄에이터(15)를 상기 테스팅 장치(10)에 장착하는 데 이용된다. 상기 복수 개의 압전 물질들(20)은 축선(25)을 따라서 정렬되어 있으며, 각각의 압전 물질들(20)은 A의 단면적을 갖는 디스크(disk)의 형상으로 형성되어 있다. 각각의 압전 물질들(20)의 사이에는 압전 물질들(20)에 전기 에너지를 인가하기 위한 금속 전극들(30)이 삽입되어 있다. 상기 압전 물질들(20)은 인가된 전기 에너지의 크기에 비례하여 축선(25)을 따라 팽창하며, 따라서 압전 물질들(20)을 포함하는 액츄에이터(15)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다.Referring to FIG. 2, the multilayer piezoelectric actuator 15 includes a housing 18 and a plurality of piezoelectric materials 20 stacked in a cylindrical shape having a length of L 1 inside the housing 18. do. The housing 18 comprising a diaphragm 16 attached to its end protects the actuator 15 and is used to mount the actuator 15 to the testing device 10. The plurality of piezoelectric materials 20 are aligned along the axis 25, each piezoelectric material 20 is formed in the shape of a disk having a cross-sectional area of A. Metal electrodes 30 are inserted between the piezoelectric materials 20 to apply electrical energy to the piezoelectric materials 20. The piezoelectric materials 20 expand along the axis 25 in proportion to the magnitude of the applied electrical energy, so that the actuator 15 including the piezoelectric materials 20 converts the electrical energy into mechanical energy.

또한, 도 2를 참조하면, 상기 테스팅 장치(10)는 각기 강철로 이루어진 전판(front plate)(40), 후판(rear plate)(45), 그리고 중간판(intermediate plate)(50)을 포함한다. 전판(40)은 상기 액츄에이터(15)를 수용하고, 후판(45)은 그 내부의 공동(cavity)(55)을 한정한다. 상기 공동(55) 내에는 피스톤(65)을 포함하는 공기 실린더(pneumatic cylinder)(60)가 배치되어 상기 중간판(50)에 견고하게 부착된다. 상기 전판(40), 중간판(50) 및 공기 실린더(60)는 상기 액츄에이터(15)의 하우징(18)과 함께 축선(25)을 따라 배열된 중공(central bore)을 한정한다. 상기 전판(40)의 중공 내에는 상기 하우징(18)의 격판(16)과 인접하도록 실린더형 판(70)이 배치된다. 바람직하게는, 상기 실린더형 판(70)은 고 장력 강철(high tensile steel)로 이루어지며, 그 한 쪽 단면은 연마된 표면(polished surface)을 갖는다.In addition, referring to FIG. 2, the testing apparatus 10 includes a front plate 40, a rear plate 45, and an intermediate plate 50 each made of steel. . The front plate 40 houses the actuator 15, and the rear plate 45 defines a cavity 55 therein. In the cavity 55, a pneumatic cylinder 60 including a piston 65 is disposed and firmly attached to the intermediate plate 50. The front plate 40, the middle plate 50 and the air cylinder 60 define a central bore arranged along the axis 25 together with the housing 18 of the actuator 15. In the hollow of the front plate 40, a cylindrical plate 70 is disposed to be adjacent to the diaphragm 16 of the housing 18. Preferably, the cylindrical plate 70 is made of high tensile steel, one side of which has a polished surface.

강철로 된 필로우(pillow)(75)는 상기 중간판(50) 및 공기 실린더(60)의 공동 내부에 배치된다. 상기 필로우(75)의 일 단부는 상기 공기 실린더(60)의 피스톤(65)과 인접되어 있다. 상기 필로우(75)의 다른 단부와 실린더형 판(70)의 사이에는 로드 셀(load cell)(80)이 배치된다. 로드 셀(80)은 실린더형 링(ring)의 형상을 가지며, 상기 축선(25)에 대하여 동축선 상에 배치된다. 상기 필로우(75)와 피스톤(65)은 상기 축선(25)을 따라 배열된 작은 공동을 한정한다. 이러한 작은 공동 내에는 파이버 광 센서(fiber optic sensor)(85)가 배치된다. 상기 센서(85)는 상기 실린더형 판(70)의 연마된 표면의 중간에 위치한 센서 헤드를 포함한다. 도시한 바와 같이, 센서 하우징(90)은 상기 후판(45)에 고정 부착되어 있다. 상기 센서 하우징(90)은 상기 센서 헤드를 상기 실린더형 판(70)에 근접하게 조정 가능하도록 하는 마이크로미터(micrometer)(95)를 포함한다.A pillow 75 made of steel is disposed inside the cavity of the intermediate plate 50 and the air cylinder 60. One end of the pillow 75 is adjacent to the piston 65 of the air cylinder 60. A load cell 80 is disposed between the other end of the pillow 75 and the cylindrical plate 70. The load cell 80 has the shape of a cylindrical ring and is disposed coaxially with respect to the axis 25. The pillow 75 and the piston 65 define a small cavity arranged along the axis 25. Within this small cavity is a fiber optic sensor 85. The sensor 85 includes a sensor head positioned in the middle of the polished surface of the cylindrical plate 70. As shown, the sensor housing 90 is fixedly attached to the rear plate 45. The sensor housing 90 includes a micrometer 95 that allows the sensor head to be adjusted close to the cylindrical plate 70.

상기 공기 실린더(60)에 조절 가능하게 가압 공기를 공급하는 압력 조절기(pressure regulator)(100)는 가압 공기 공급원(source of pressurized air)(105)과 연결된다. 상기 압력 조절기(100)는 수용된 가압 공기에 대응하여 상기 액츄에이터(15)에 축선(25)을 따라 힘(force)을 가한다. 부하 수단(load means)(110)은 상기 액츄에이터(15)에 인가된 힘을 측정하며, 이에 대응하여 Fn의 응력 신호를 발생시킨다. 상기 부하 수단(110)은 로드 셀(80)과 이중 모드 증폭기(dual mode amplifier)(115)를 포함한다. 상기 로드 셀(80)은 상기 액츄에이터(15)에 인가된 힘을 측정하고 이에 대응하는 감지 신호를 발생시킨다. 상기 증폭기(115)는 이러한 감지 신호를 수용하고 조절하여 소정의 전압 범위를 갖는 Fn의 응력 신호를 발생시킨다. 광 수단(optical means)(120)은 상기 액츄에이터(15)의 선형 변형을 측정하며, 이에 대응하여 Ln의 위치 신호를 발생시킨다. 상기 광 수단(120)은 상기 센서(85) 및 이와 관련된 신호 조절 회로부(125)를 포함한다. 상기 센서(85)는 상기 실린더형 판(70)의 연마된 표면에 임의의 빛을 방사한 후, 반사된 빛을 감지하고 이에 대응하는 광 신호를 발생시킨다. 상기 신호 조절 회로부(125)는 이러한 광 신호를 수용하며, 이를 변조하여 상기 광 신호에 비례하는 레벨의 전압을 갖는 Ln의 위치 신호를 발생시킨다.A pressure regulator 100 for controlably supplying pressurized air to the air cylinder 60 is connected to a source of pressurized air 105. The pressure regulator 100 applies a force along the axis 25 to the actuator 15 in response to the received pressurized air. Load means 110 measures the force applied to the actuator 15 and correspondingly generates a stress signal of F n . The load means 110 comprises a load cell 80 and a dual mode amplifier 115. The load cell 80 measures the force applied to the actuator 15 and generates a detection signal corresponding thereto. The amplifier 115 receives and adjusts this sense signal to generate a stress signal of F n having a predetermined voltage range. Optical means 120 measure the linear deformation of the actuator 15 and correspondingly generate a position signal of L n . The optical means 120 includes the sensor 85 and signal control circuitry 125 associated therewith. The sensor 85 emits arbitrary light on the polished surface of the cylindrical plate 70, then detects the reflected light and generates an optical signal corresponding thereto. The signal adjusting circuit unit 125 receives the optical signal and modulates the optical signal to generate a position signal of L n having a voltage having a level proportional to the optical signal.

고 전압 전원(130)은 일정 레벨의 전압을 상기 액츄에이터(15)에 인가한다. 감지 수단(sensing means)(135)은 상기 액츄에이터(15)를 통하여 흐르는 전류를 측정하는 전류 탐침(current probe)과 상기 액츄에이터(15)에 인가되는 전압을 측정하는 전압 탐침(voltage probe)을 포함한다. 데이타 수득부(140)는 다양한 신호 조절 회로부와 연결되어 있다. 컴퓨터 수단(computer means)(145)은 상기 데이터 수득부(140)를 통해 다양한 신호들을 수용하며, 상기 액츄에이터(15)의 여러 가지 특성들의 성능을 결정한다. 또한, 상기 컴퓨터 수단(145)은 데이터 수득부(140)를 통하여 고 전압 전원(130)과 압력 조절기(100)를 조정한다. 플로터(plotter)(150) 및 프린터(155)는 상기 컴퓨터 수단(145)에 연결되며, 테스트 결과를 출력한다.The high voltage power supply 130 applies a voltage of a predetermined level to the actuator 15. Sensing means 135 comprises a current probe for measuring the current flowing through the actuator 15 and a voltage probe for measuring the voltage applied to the actuator 15. . The data obtaining unit 140 is connected to various signal control circuits. Computer means 145 accepts various signals through the data acquisition unit 140 and determines the performance of various characteristics of the actuator 15. In addition, the computer means 145 adjusts the high voltage power supply 130 and the pressure regulator 100 through the data obtaining unit 140. A plotter 150 and a printer 155 are connected to the computer means 145 and output test results.

이하 상기 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치를 사용하여 다층 액츄에이터의 압전 상수를 측정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of measuring piezoelectric constants of a multilayer actuator using a testing apparatus for testing piezoelectric properties of the multilayer piezoelectric actuator will be described.

먼저 다층 압전 액츄에이터(15)의 압전 상수를 측정하기 전에 압전 상수 측정과 관련된 부하 수단(110)과 광 수단(120) 등의 테스트 기기들을 초기화한다. 즉, 상기 액츄에이터(15)에 어떤 힘, 또는 부하가 걸리지 않도록 하며, 증폭기(115)의 응력 신호(Fn)의 크기가 0이 되도록 하고, 상기 광 센서(85)와 관련된 신호 조절 회로부(125)를 초기화한다. 다음에, 공기 실린더(60)를 통해 액츄에이터(15)에 소정의 힘, 예를 들어 250lbs. 정도의 힘을 가한다. 계속하여, 고 전압 전원(130)을 통하여 처음에는 소정의 전압, 예를 들면 200V 정도의 전압을 5초 동안 액츄에이터(15)에 인가한다. 상기 컴퓨터 부재(145)는 고 전압 전원(130)이 액츄에이터(15)에 100V 내지 900V까지의 전압을 인가하도록 조절한다. 상기 액츄에이터(15)에 인가되는 전압의 크기는 Vm으로 표시한다. 따라서, 액츄에이터(15)는 인가되는 전압에 비례하여 소정의 길이를 갖고 변위를 일으킨다. 이 때, 광 센서 부재(120)가 액츄에이터(15)의 축선(25)에 따른 변위를 측정하며, 이에 대응하여 각각의 전압의 증가에 따른 위치 신호(Lm) 컴퓨터 부재(145)에 전달한다. 컴퓨터 부재(145)는 이러한 데이터를 수득하며, 다음의 분석을 위하여 데이터를 플로트한다. 상기 데이터가 수득되면, 데이터는 분석 및 계산된다. 압전 상수는 하기의 수학식 1에 따라 결정된다.First, before measuring the piezoelectric constant of the multilayer piezoelectric actuator 15, the test devices such as the load means 110 and the optical means 120, which are related to the piezoelectric constant measurement, are initialized. That is, the actuator 15 is not subjected to any force or load, and the magnitude of the stress signal F n of the amplifier 115 is zero, and the signal adjusting circuit unit 125 associated with the optical sensor 85 is fixed. ). Next, a predetermined force, for example 250 lbs., Is applied to the actuator 15 through the air cylinder 60. Apply a force of degree. Subsequently, a predetermined voltage, for example, a voltage of about 200 V, is initially applied to the actuator 15 through the high voltage power supply 130 for 5 seconds. The computer member 145 regulates the high voltage power supply 130 to apply a voltage of 100V to 900V to the actuator 15. The magnitude of the voltage applied to the actuator 15 is represented by V m . Thus, the actuator 15 has a predetermined length and causes displacement in proportion to the voltage applied. At this time, the optical sensor member 120 measures the displacement along the axis 25 of the actuator 15 and correspondingly transmits the position signal L m to the computer member 145 according to the increase of each voltage. . Computer member 145 obtains this data and plots the data for subsequent analysis. Once the data is obtained, the data is analyzed and calculated. The piezoelectric constant is determined according to Equation 1 below.

Figure 1019970075139_B1_M0001
Figure 1019970075139_B1_M0001

상기 수학식 1에서, m=0은 처음의 측정값을 나타내고, m=f는 최종 측정값을 나타낸다. 또한, N은 상기 액츄에이터(15)를 구성하는 디스크형 압전 물질(20)의 수를 나타낸다.In Equation 1, m = 0 represents an initial measurement value, and m = f represents a final measurement value. In addition, N represents the number of disk-like piezoelectric materials 20 constituting the actuator 15.

그러나, 상기 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치에 있어서, 상기 테스팅 장치는 소정의 힘을 다층 압전 액츄에이터에 인가한 후 상기 액츄에이터에 전압을 인가하여 이로부터 발생하는 다층 압전체의 변위를 측정하여 압전 상수를 계산함으로서 압전체의 상태 및 위치와 광 센서 수단의 배열 상태 등에 따라 압전 상수의 측정치가 다르게 나타날 수 있는 문제점이 있었다. 또한, 압전체는 저전압 영역에서 변위량이 매우 작아서 이로 인한 압전 상수의 측정치에 오차가 발생할 확률이 상당히 높으며, 이러한 장치는 그 구성이 복잡하고 제조 비용이 높다는 문제점이 있다. 또한 상기 장치는 다층 압전체에만 적용할 수 있기 때문에 단층 박막 형상의 압전체의 압전 상수를 측정하기 위하여 상기 장치를 이용할 경우, 압전체에 힘을 가하는 과정에서 압전체가 단락(short)되거나 압전체의 소성 변형을 유발하기 쉬우며, 압전체 전면(全面)에 균일하게 응력을 인가하기 어렵다는 문제점이 있었다.However, in a testing apparatus for testing the piezoelectric characteristics of the multilayer piezoelectric actuator, the testing apparatus applies a predetermined force to the multilayer piezoelectric actuator and then applies a voltage to the actuator to measure displacement of the multilayer piezoelectric body generated therefrom. By calculating the piezoelectric constant, there is a problem that the measurement value of the piezoelectric constant may appear differently depending on the state and position of the piezoelectric body and the arrangement state of the optical sensor means. In addition, the piezoelectric element has a very small displacement amount in the low voltage region, so that the error in the measurement of the piezoelectric constant is very high, and such a device has a problem in that its configuration is complicated and its manufacturing cost is high. In addition, since the device can be applied only to a multilayer piezoelectric material, when the device is used to measure the piezoelectric constant of a piezoelectric in a single layer thin film shape, the piezoelectric element may be shorted or plastic deformation of the piezoelectric material may be caused during the application of force to the piezoelectric material. There is a problem that it is easy to do it, and it is difficult to apply stress uniformly to the entire surface of the piezoelectric body.

본 발명의 목적은 박막형 압전체의 압전 상수의 측정시, 기압 응력 인가법(pneumatic loading method)을 이용하여 압전체 박막의 단락이나 소성 변형을 유발하지 않으며 박막의 표면 상태(topology)에 관계없이 박막의 전면에 균일한 응력을 인가함으로서 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전 상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention, when measuring the piezoelectric constant of a thin film type piezoelectric body, does not cause a short circuit or plastic deformation of the piezoelectric thin film using a pneumatic loading method, and irrespective of the topology of the thin film. The present invention provides a piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body which can accurately and reliably measure the piezoelectric constant of a thin film by applying uniform stress thereto.

도 1은 PZT의 이원 상태도이다.1 is a binary state diagram of the PZT.

도 2는 종래의 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성 테스트 장치의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a piezoelectric characteristic test apparatus of a conventional multilayer piezoelectric actuator.

도 3은 도 2에 도시한 장치의 회로도이다.3 is a circuit diagram of the apparatus shown in FIG.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상부 측정 장치의 평면도이다.4 is a plan view of a piezoelectric upper measuring apparatus of a thin film type piezoelectric body according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 압전체에 기압 응력을 인가한 상태를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 5 is a view for explaining a state in which an atmospheric pressure is applied to a thin film type piezoelectric body according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막형 압전체 시편과 일체로 형성된 스트레인 게이지를 설명하기 위한 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a strain gauge formed integrally with a thin film piezoelectric specimen according to another exemplary embodiment of the present invention.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞<Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

300 : 박막형 압전체 305 : 상부 전극300: thin film type piezoelectric 305: upper electrode

310 : 하부 전극 320 : 기판310: lower electrode 320: substrate

330 : 유도관 340 : 압력 인가 부재330: guide pipe 340: pressure applying member

350 : 해제 밸브 355 : 압력계350: release valve 355: pressure gauge

360 : 전하량 측정 부재 365 : 제1 단자360: charge amount measuring member 365: first terminal

370 : 제2 단자 390 : 컴퓨터 부재370: second terminal 390: computer member

400, 400a : 스트레인 게이지400, 400a: strain gauge

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판의 상부에 하부 전극 및 상부 전극이 부착된 박막형 압전체를 형성한 후, 상기 기판의 배면에 상기 하부 전극이 노출되도록 개구부를 형성하여 기압 응력이 인가되는 기압 응력 인가부를 갖는 박막형 압전체 시편을 준비하는 단계; 상기 기압 응력 인가부가 유도관에 대응되고, 상기 기압 응력 인가부 상부의 상부 전극에 상기 박막형 압전체에 발생하는 응력을 측정하는 스트레인 게이지를 부착하고, 상기 상부 전극을 전하량 측정 수단의 제1 단자에 연결시키고 상기 하부 전극을 상기 전하량 측정 수단의 제2 단자에 연결시켜 상기 박막형 압전체 시편을 장착하는 단계; 압력 인가 수단으로부터 기압 응력을 발생시켜 상기 기판의 기압 응력 인가부에 유도관을 통하여 상기 기압 응력을 인가하는 단계; 상기 박막형 압전체에 인가되는 기압 응력을 변화시키는 단계; 상기 기압 응력의 변화에 따라 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 전하량을 측정하는 단계; 상기 전하량 측정 수단에 의해 측정된 전하량 및 상기 스트레인 게이지에 의해 측정된 상기 박막형 압전체에 발생하는 응력을 컴퓨터 수단에 기록하는 단계; 그리고 상기 측정된 전하량 및 상기 측정된 응력을 이용하여 컴퓨터 수단을 통해 상기 박막형 압전체의 압전 상수를 계산하는 단계를 포함하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, after forming a thin film type piezoelectric body with a lower electrode and an upper electrode attached to the upper portion of the substrate, an opening pressure is formed to expose the lower electrode on the back surface of the substrate to apply atmospheric pressure stress Preparing a thin film piezoelectric specimen having a stress applying unit; The air pressure stress applying unit corresponds to an induction pipe, and attaches a strain gauge for measuring stress generated in the thin film piezoelectric body to an upper electrode above the air pressure stress applying unit, and connects the upper electrode to the first terminal of the electric charge measuring means. Mounting the thin film type piezoelectric specimen by connecting the lower electrode to a second terminal of the charge amount measuring means; Generating an atmospheric pressure stress from the pressure applying means, and applying the atmospheric pressure stress to the atmospheric stress applying portion of the substrate through an induction pipe; Changing an atmospheric pressure stress applied to the thin film type piezoelectric body; Measuring an amount of charge generated from the thin film type piezoelectric body according to the change of the atmospheric pressure stress; Recording in the computer means the amount of charge measured by the charge amount measuring means and the stress generated in the thin film type piezoelectric body measured by the strain gauge; And calculating the piezoelectric constant of the thin film piezoelectric body by computer means using the measured charge amount and the measured stress.

본 발명에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법에 의하면, 기압 응력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 수단 및 스트레인 게이지를 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량 및 발생 응력을 측정함으로서 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.According to the piezoelectric constant measuring method of the thin film piezoelectric body according to the present invention, by applying an air pressure stress to the thin film piezoelectric body, a uniform pressure can be applied to the entire surface of the thin film piezoelectric body regardless of the surface state of the thin film piezoelectric body, Deformation can be prevented from occurring. In addition, by measuring the minute charge amount and the generated stress generated from the thin film type piezoelectric body using the charge amount measuring means and the strain gauge, it is possible to prevent the occurrence of an error in the measurement of the piezoelectric constant.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 박막형 압전체의 압전 특성 측정 장치의 평면도를 도시한 것이다.4 is a plan view of a piezoelectric characteristic measuring apparatus for a thin film type piezoelectric body according to the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 압전체의 압전 특성 측정 장치는, 상부 및 하부에 상부 전극(305) 및 하부 전극(310)이 각기 형성된 박막형 압전체(300), 상기 하부 전극(310)의 일부가 노출되도록 하부 전극(310)의 하부에 형성된 기판(320), 기판(320)의 하부에 부착된 유도관(330), 박막형 압전체(300)에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 부재(340), 일측으로부터 연장된 관(pipe)이 상기 유도관(330)에 연결되고 타측으로부터 연장된 관이 압력 인가 부재(340)에 연결되어 박막형 압전체(300)에 인가되는 압력을 변화시킬 수 있는 해제 밸브(release valve)(350), 상부 전극(305) 상에 부착되어 박막형 압전체(300)의 변형을 측정하여 가시화하는 스트레인 게이지(strain gauge)(400), 제1 단자(365)가 하부 전극(310)에 연결되며 제2 단자(370)가 상부 전극(305)에 연결되어 상기 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 전하량을 측정하는 전하량 측정 부재(360), 일측이 해제 밸브(350)와 유도관(330) 사이에 연결되며 타측이 컴퓨터 부재(390)에 연결되어 박막형 압전체(300)에 인가되는 기압 응력(P)을 측정하는 압력계(355), 그리고 압력계(355), 스트레인 게이지(400) 및 전하량 측정 수단(360)에 각기 연결되어 상기 부재들을 정밀하게 제어하며, 박막형 압전체(300)의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 부재(390)를 포함한다.Referring to FIG. 4, an apparatus for measuring piezoelectric characteristics of a thin film type piezoelectric body according to the present invention may include a thin film type piezoelectric body 300 and a lower electrode 310 having upper and lower electrodes 305 and 310 respectively disposed on upper and lower portions thereof. A pressure applying member 340 for applying a predetermined pressure to the substrate 320 formed under the lower electrode 310, the induction pipe 330 attached to the lower portion of the substrate 320, and the thin film type piezoelectric member 300 to expose a portion thereof. ), A pipe extending from one side is connected to the induction pipe 330, and a pipe extending from the other side is connected to the pressure applying member 340 to release a pressure that can change the pressure applied to the thin film type piezoelectric body 300. A release gauge 350, a strain gauge 400 attached to the upper electrode 305 to measure and visualize deformation of the thin film piezoelectric body 300, and a first terminal 365 may include a lower electrode ( 310 is connected to the second terminal 370 is connected to the upper electrode 305 to the foil Charge amount measuring member 360 for measuring the amount of charge generated from the piezoelectric element 300, one side is connected between the release valve 350 and the induction pipe 330, the other side is connected to the computer member 390, the thin film type piezoelectric 300 The pressure gauge 355 for measuring the air pressure stress P applied to the pressure gauge 355 and the pressure gauge 355, the strain gauge 400, and the charge amount measuring means 360 are respectively controlled to precisely control the members, and the thin film type piezoelectric body ( Computer member 390 for calculating the piezoelectric constant of 300.

이하 본 발명에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 이용하여 박막형 압전체의 압전 상수를 구하는 방법을 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of obtaining a piezoelectric constant of a thin film piezoelectric body using the piezoelectric constant measuring device of the thin film piezoelectric body according to the present invention will be described with reference to the drawings.

종래에는 압전체에 전압을 인가한 후 압전체가 일으키는 변위를 측정하여 압전 상수를 계산하는 방법을 이용하였다. 이에 비하여 본 발명은, 박막형 압전체의 압전 상수를 구하는 방법으로서는 박막형 압전체에 소정의 기압 응력을 인가한 후 압전체로부터 발생하는 응력 및 전하량을 측정함으로서 압전 상수를 계산하는 기압 응력 인가법을 이용한다.Conventionally, a method of calculating a piezoelectric constant by measuring a displacement caused by a piezoelectric body after applying a voltage to the piezoelectric body has been used. On the other hand, the present invention uses a method of obtaining a piezoelectric constant of a thin film piezoelectric body by applying a predetermined atmospheric pressure stress to the thin film piezoelectric body and then measuring the amount of stress and charge generated from the piezoelectric body to calculate the piezoelectric constant.

도 5는 본 발명에 따른 박막형 압전체(300)에 기압 응력(P)을 인가한 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 박막형 압전체(300)의 압전 상수를 측정하기 위하여, 먼저 박막형 압전체(300)에 기압 응력(P)을 인가하기 전에 컴퓨터 부재(390), 전하량 측정 부재(360), 그리고 압력 인가 부재(340)를 포함하는 측정 장치를 초기화한다. 다음에, 상부 전극(305) 상에 박막형 압전체(300)에 발생하는 응력을 직접을 측정할 수 있는 스트레인 게이지(400)를 접착제를 사용하여 부착한다. 이어서, 상부 전극(305)을 전하량 측정 부재(360)의 제1 단자(365)에 연결시키고 하부 전극(310)을 전하량 측정 부재(360)의 제2 단자(370)에 연결시켜 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 미소 전하량을 전하량 측정 부재(360)가 측정할 수 있도록 한다. 바람직하게는, 상기 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 미소 전하량을 측정하는 전하량 측정 부재(360)는 전하 증폭기(charge amplifier) 또는 피코 전류계(picoammeter)이다.5 is a view for explaining a state in which the atmospheric pressure stress (P) is applied to the thin film type piezoelectric body 300 according to the present invention. Referring to FIG. 5, in order to measure the piezoelectric constant of the thin film piezoelectric body 300, before applying the atmospheric pressure stress P to the thin film piezoelectric body 300, the computer member 390, the charge amount measuring member 360, and the pressure are applied. The measuring device including the applying member 340 is initialized. Next, a strain gauge 400 capable of directly measuring the stress generated in the thin film piezoelectric body 300 is attached on the upper electrode 305 using an adhesive. Subsequently, the upper electrode 305 is connected to the first terminal 365 of the charge amount measuring member 360 and the lower electrode 310 is connected to the second terminal 370 of the charge amount measuring member 360 to form the thin film type piezoelectric member 300. The charge amount measuring member 360 can measure the amount of micro charges generated from the? Preferably, the charge amount measuring member 360 for measuring the small amount of charge generated from the thin film type piezoelectric member 300 is a charge amplifier or a picoammeter.

계속하여, 박막형 압전체(300)에 소정의 기압 응력(P)을 인가하기 위하여 압력 인가 부재(340)를 가동시킨다. 바람직하게는, 상기 기압 응력(P)을 인가하기 위한 압력 인가 부재(340)로서 진공 펌프(vacuum pimp) 또는 압축기(compressor)를 사용한다. 다음에, 해제 밸브(350)를 가동시켜 박막형 압전체(300)에 소정의 기압 응력(P)을 인가하고 이러한 인가되는 기압 응력(P)의 변화를 일으키기 위하여 해제 밸브(350)를 조작한다. 상술한 바와 같이, 박막형 압전체(300)에 기압 응력(P)이 인가되면, 박막형 압전체(300)가 상방으로 변형을 일으키게 된다. 이 때, 상기 기압 응력(P)으로 인하여 박막형 압전체(300)에 발생한 응력(σ)은 스트레인 게이지(400)에 의해 직접 측정되어 컴퓨터 부재(390)에 기록된다. 즉, 압력 인가 부재(340)로부터 해제 밸브(350) 및 유도관(330)을 통하여 박막형 압전체(300)에 소정의 기압 응력(P)을 인가한 후, 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 전하량은 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)을 통하여 전하량 측정 부재(360)에 의해 측정된다. 이 측정된 전하량은 컴퓨터 부재(390)에 기록된다. 상기 박막형 압전체(300)에 인가되는 기압 응력(P)의 크기는 압력계(355)가 수치로 표시하며, 이를 통하여 박막형 압전체(300)에 인가되는 기압 응력(P)을 조절할 수 있다. 이 때, 상부 전극(305) 상에 부착된 스트레인 게이지(400)가 박막형 압전체(300)에 발생하는 전기적인 신호로부터 응력을 측정하여 컴퓨터 부재(390)에 기록한다. 또한, 해제 밸브(350)를 이용하여 기압 응력(P)을 처음 값보다 증가시키거나 감소시켜 박막형 압전체(300)에 인가되는 기압 응력(P)의 크기를 변화시킬 때마다 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 크기가 서로 다른 전하량을 전하량 측정 부재(360)가 측정하여 컴퓨터 부재(390)에 기록한다. 이 경우에 있어서, 압력 인가 부재(340)로서 진공 펌프 또는 압축기를 사용하면, 기압 응력(P)뿐 아니라 고압을 인가하는 것이 가능하여 인가 압력의 범위가 증가되므로 보다 정밀한 측정을 할 수 있다.Subsequently, the pressure applying member 340 is operated to apply a predetermined atmospheric pressure stress P to the thin film type piezoelectric body 300. Preferably, a vacuum pump or a compressor is used as the pressure applying member 340 to apply the atmospheric pressure P. Next, the release valve 350 is operated to apply a predetermined atmospheric pressure stress P to the thin film type piezoelectric member 300, and operate the release valve 350 to cause a change in the applied atmospheric pressure stress P. FIG. As described above, when the atmospheric pressure P is applied to the thin film type piezoelectric member 300, the thin film type piezoelectric member 300 causes deformation upward. At this time, the stress? Generated in the thin film piezoelectric body 300 due to the air pressure stress P is directly measured by the strain gauge 400 and recorded in the computer member 390. That is, after applying a predetermined atmospheric pressure stress P to the thin film piezoelectric body 300 through the release valve 350 and the induction pipe 330 from the pressure applying member 340, the amount of charge generated from the thin film piezoelectric body 300 is It is measured by the charge measuring member 360 through the upper electrode 300 and the lower electrode 310. This measured charge amount is recorded in the computer member 390. The size of the atmospheric pressure P applied to the thin film piezoelectric member 300 is represented by the pressure gauge 355 as a numerical value, thereby adjusting the atmospheric pressure stress P applied to the thin film piezoelectric member 300. At this time, the strain gauge 400 attached on the upper electrode 305 measures the stress from the electrical signal generated in the thin film type piezoelectric member 300 and writes it to the computer member 390. In addition, the pressure relief P is increased or decreased from the initial value by using the release valve 350 to change the magnitude of the pressure stress P applied to the thin film type piezoelectric member 300 from the thin film type piezoelectric member 300. The amount of charge having different magnitudes is measured by the charge amount measuring member 360 and recorded in the computer member 390. In this case, when the vacuum pump or the compressor is used as the pressure applying member 340, it is possible to apply not only the atmospheric pressure P but also a high pressure, so that the range of the applied pressure is increased, so that more accurate measurement can be performed.

종래에는 로드 셀을 통하여 응력을 인가하기 때문에 그 표면 상태가 일정하기 않고 두께가 얇은 박막형 압전체에 균일한 응력을 인가하기 어려웠다. 또한, 응력을 인가할 때, 박막형 압전체가 단락되거나 인가되는 응력에 의하여 박막형 압전체가 소성 변형을 일으켜 정확한 압전 상수를 측정하는 것이 어려웠으며, 응력 헤드(force head)에 의하여 압전체 박막이 구속됨으로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 더욱이, 광 센서 부재를 이용하여 다층 압전체로부터 발생하는 변위량을 측정하여 압전 상수를 계산할 경우, 광 센서 부재의 배열 상태와 다층 압전체 박막의 상태 및 위치에 따라 측정치가 다르게 나타날 수 있었으며, 인가되는 전압이 낮을 때 압전체의 변위량은 매우 작으므로 이로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 포함될 확률이 높았다. 본 발명에서는 기압 응력(P)을 박막형 압전체(300)에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체(300)의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체(300)가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 부재(360)를 사용하여 박막형 압전체(300)로부터 발생하는 미소 전하량을 측정함으로서 압전 상수의 측정 시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.Conventionally, since stress is applied through a load cell, it is difficult to apply uniform stress to a thin film type piezoelectric body whose surface state is not constant and is thin. In addition, when the stress is applied, it is difficult for the thin film piezoelectric body to plastically deform due to the short-circuit or applied stress, so that it is difficult to accurately measure the piezoelectric constant, and the piezoelectric thin film is constrained by the stress head. There was a problem that an error occurs in the measured value of the constant. Furthermore, when the piezoelectric constant was calculated by measuring the displacement generated from the multilayer piezoelectric body using the optical sensor member, the measured value could be different depending on the arrangement state of the optical sensor member and the state and position of the multilayer piezoelectric thin film. At low values, the displacement of the piezoelectric element is very small, which is why the measurement value of the piezoelectric constant has a high probability of including an error. In the present invention, by applying an atmospheric pressure (P) to the thin film piezoelectric body 300, a uniform pressure can be applied to the entire surface of the thin film piezoelectric body 300 regardless of the surface state of the thin film piezoelectric body, and the thin film piezoelectric body 300 is shorted or Plastic deformation can be prevented from occurring. In addition, by measuring the small amount of charge generated from the thin film type piezoelectric member 300 using the charge amount measuring member 360, it is possible to prevent an error from occurring when measuring the piezoelectric constant.

계속하여, 상기 측정된 전하량 및 응력(σ)의 크기를 바탕으로 컴퓨터 부재(380)가 박막형 압전체(300)의 압전 상수를 하기의 수학식 2에 따라 계산한다.Subsequently, the computer member 380 calculates the piezoelectric constant of the thin film type piezoelectric body 300 according to Equation 2 below based on the measured amount of charge and the magnitude of the stress σ.

Figure 1019970075139_B1_M0002
Figure 1019970075139_B1_M0002

상기 수학식 2에서, D는 전하 밀도(charge density), σ는 박막형 압전체(300)에 발생한 응력, P는 기압 응력, Q는 박막형 압전체(300)로부터 발생한 전하량을 나타낸다.In Equation 2, D denotes a charge density, σ denotes a stress generated in the thin film type piezoelectric body 300, P denotes an atmospheric pressure stress, and Q denotes an amount of charge generated from the thin film type piezoelectric body 300.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막형 압전체 시편과 일체로 형성된 스트레인 게이지를 설명하기 위한 단면도이다. 상술한 본 발명의 일 실시예에서는, 박막형 압전체(300)에 발생하는 응력을 측정하기 위하여 스트레인 게이지(400)를 상부 전극(305)의 상부에 부착하였지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 스트레인 게이지(400a)를 상부 전극(305) 및 하부 전극(310)이 부착된 박막형 압전체(300) 시편에 온-칩(on-chip)화 하여 박막형 압전체(300)에 발생하는 전기적인 신호로부터 응력을 측정할 수 있다. 즉, 스트레인 게이지의 접착 과정 중 발생할 수 있는 오차를 줄이고 접착 공정의 번거로움을 피하기 위하여, 상부 전극(305) 상에 절연층(399)을 형성한 후, 절연층(399) 상에 박막형 압전체(300) 시편과 일체로 형성된 스트레인 게이지(400a)를 사용하여 박막형 압전체(300)에 발생하는 전기적인 신호로부터 응력을 측정할 수 있다.6 is a cross-sectional view illustrating a strain gauge formed integrally with a thin film piezoelectric specimen according to another exemplary embodiment of the present invention. In the above-described embodiment of the present invention, the strain gauge 400 is attached to the upper portion of the upper electrode 305 in order to measure the stress generated in the thin film type piezoelectric element 300, but as shown in FIG. According to another exemplary embodiment of the present invention, the strain gauge 400a is on-chip on a thin film type piezoelectric specimen 300 to which the upper electrode 305 and the lower electrode 310 are attached to the thin film type piezoelectric material 300. The stress can be measured from the electrical signals generated. That is, in order to reduce an error that may occur during the bonding process of the strain gauge and to avoid the cumbersome bonding process, after forming the insulating layer 399 on the upper electrode 305, the thin film type piezoelectric ( The strain may be measured from an electrical signal generated in the thin film piezoelectric body 300 using the strain gauge 400a integrally formed with the specimen.

상술한 본 발명에 따른 박막형 압전체의 압전 상수를 측정하는 방법에 있어서, 기압 응력으로서 진공 압력뿐 아니라 고압을 인가하는 것이 가능하여 인가 압력의 범위가 증가되므로 보다 정밀한 측정을 할 수 있으며, 그 표면 상태가 일정하기 않고 두께가 얇은 박막형 압전체에 박막형 압전체가 단락되거나 인가되는 응력에 의하여 박막형 압전체가 소성 변형을 일으키는 일이 없이 균일한 기압 응력을 인가할 수 있다. 또한, 응력 헤드에 의하여 압전체 박막이 구속됨으로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 발생하는 문제점을 해결하였으며, 압전체로부터 발생하는 변위량을 측정하여 압전 상수를 계산할 경우, 압전체 박막의 상태 및 위치에 따라 측정치가 다르게 나타날 수 있었으며, 인가되는 전압이 낮을 때 압전체의 변위량은 매우 작으므로 이로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 상기 측정 장치는 기압 응력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 부재 및 스트레인 게이지를 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량 및 발생 응력을 측정함으로서 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.In the method for measuring the piezoelectric constant of the thin film type piezoelectric body according to the present invention, it is possible to apply not only a vacuum pressure but also a high pressure as the atmospheric pressure stress, so that the range of the applied pressure is increased, so that a more precise measurement is possible, and the surface state thereof. The uniform piezoelectric stress can be applied to the thin film piezoelectric body which is not constant and the thin film piezoelectric material is shorted or applied to the thin film piezoelectric body without causing plastic deformation. In addition, the problem that an error occurs in the measured value of the piezoelectric constant due to the piezoelectric thin film is constrained by the stress head, and when calculating the piezoelectric constant by measuring the displacement generated from the piezoelectric, measured value according to the state and position of the piezoelectric thin film In this case, the displacement of the piezoelectric body is very small when the applied voltage is low, thereby preventing an error in the measurement value of the piezoelectric constant. That is, the measuring device according to the present invention can apply a uniform pressure to the entire surface of the thin film piezoelectric body regardless of the surface state of the thin film piezoelectric body by applying an air pressure stress to the thin film piezoelectric body, and the thin film piezoelectric short circuit or plastic deformation occurs. You can prevent it. In addition, by measuring the small amount of charge and the generated stress generated from the thin film type piezoelectric body using the charge amount measuring member and the strain gauge, it is possible to prevent the occurrence of an error in the measurement of the piezoelectric constant.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (3)

기판의 상부에 하부 전극 및 상부 전극이 부착된 박막형 압전체를 형성한 후, 상기 기판의 배면에 상기 하부 전극이 노출되도록 개구부를 형성하여 기압 응력이 인가되는 기압 응력 인가부를 갖는 박막형 압전체 시편을 준비하는 단계;After forming a thin film type piezoelectric body with the lower electrode and the upper electrode attached to the upper portion of the substrate, to form an opening to expose the lower electrode on the back surface of the substrate to prepare a thin film type piezoelectric specimen having an air pressure stress applying unit to apply a pressure stress step; 상기 기압 응력 인가부가 유도관에 대응되고, 상기 기압 응력 인가부 상부의 상부 전극에 상기 박막형 압전체에 발생하는 응력을 측정하는 스트레인 게이지를 부착하고, 상기 상부 전극을 전하량 측정 수단의 제1 단자에 연결시키고 상기 하부 전극을 상기 전하량 측정 수단의 제2 단자에 연결시켜 상기 박막형 압전체 시편을 장착하는 단계;The air pressure stress applying unit corresponds to an induction pipe, and attaches a strain gauge for measuring stress generated in the thin film piezoelectric body to an upper electrode above the air pressure stress applying unit, and connects the upper electrode to the first terminal of the electric charge measuring means. Mounting the thin film type piezoelectric specimen by connecting the lower electrode to a second terminal of the charge amount measuring means; 압력 인가 수단으로부터 기압 응력을 발생시켜 상기 기판의 기압 응력 인가부에 유도관을 통하여 상기 기압 응력을 인가하는 단계;Generating an atmospheric pressure stress from the pressure applying means, and applying the atmospheric pressure stress to the atmospheric stress applying portion of the substrate through an induction pipe; 상기 박막형 압전체에 인가되는 기압 응력을 변화시키는 단계;Changing an atmospheric pressure stress applied to the thin film type piezoelectric body; 상기 기압 응력의 변화에 따라 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 전하량을 측정하는 단계;Measuring an amount of charge generated from the thin film type piezoelectric body according to the change of the atmospheric pressure stress; 상기 전하량 측정 수단에 의해 측정된 전하량 및 상기 스트레인 게이지에 의해 측정된 상기 박막형 압전체에 발생하는 응력을 컴퓨터 수단에 기록하는 단계; 그리고Recording in the computer means the amount of charge measured by the charge amount measuring means and the stress generated in the thin film type piezoelectric body measured by the strain gauge; And 상기 측정된 전하량 및 상기 측정된 응력을 이용하여 컴퓨터 수단을 통해 상기 박막형 압전체의 압전 상수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법.And calculating the piezoelectric constant of the thin film piezoelectric body by computer means using the measured charge amount and the measured stress. 제1항에 있어서, 상기 압력 인가 수단으로 진공 펌프 또는 압축기를 사용하며, 상기 전하량 측정 수단으로 전하 증폭기(charge amplifier) 또는 피코 전류계(picoammeter)를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법.The piezoelectric constant measurement method of a thin film type piezoelectric body according to claim 1, wherein a vacuum pump or a compressor is used as the pressure applying means, and a charge amplifier or a picoammeter is used as the charge amount measuring means. . 제1항에 있어서, 상기 박막형 압전체에 기압 응력을 인가하는 단계는, 상기 박막형 압전체에 압력을 인가하기 전에 상기 컴퓨터 수단, 상기 압력계, 상기 전하량 측정 수단, 그리고 상기 압력 인가 수단을 초기화하는 단계 후에 수행되며, 상기 박막형 압전체에 인가되는 기압 응력을 변화시키는 단계는 해제 밸브를 가동 및 정지하는 단계인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 방법.The method of claim 1, wherein applying an atmospheric pressure stress to the thin film piezoelectric body is performed after initializing the computer means, the manometer, the charge amount measuring means, and the pressure applying means before applying pressure to the thin film piezoelectric body. And changing the atmospheric pressure stress applied to the thin film piezoelectric body is a step of starting and stopping a release valve.
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