KR100416397B1 - Measuring Method for Piezoelectric Characterization of Thin Film Type Materials and Apparatus the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 재료의 압전특성 평가장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판위에 형성된 박형의 압전재료의 압전특성을 평가함에 있어서 종래에는 종방향 압전상수(d33)만을 측정하였으나, 본 발명은 횡방향 압전상수(d31)도 동시에 측정하기 위하여 스텝 1을 위한 컴프레샤와 스텝 2를 위한 진공펌프를 동시에 구비하여 양압과 음압의 기계적 에너지를 압전박막(Sample)에 효과적으로 인가한다. 이때 압전재료로부터 발생하는 전하(charge)를 전하증폭기를 통하여 측정하고 컴퓨터를 이용하여 데이터를 처리함으로써 기판 위에 형성된 박형 압전재료의 종방향 압전상수(d33), 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for evaluating piezoelectric properties of thin film materials, and more particularly, in evaluating the piezoelectric properties of thin piezoelectric materials formed on a substrate, only the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) has been measured. In order to simultaneously measure the directional piezoelectric constant d 31 , a compressor for step 1 and a vacuum pump for step 2 are simultaneously provided to effectively apply mechanical energy of positive pressure and negative pressure to the piezoelectric thin film. In this case, the charge generated from the piezoelectric material is measured through a charge amplifier and the data is processed using a computer to determine the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ) of the thin piezoelectric material formed on the substrate. A device that can measure at the same time.

본 발명은 각종 센서 또는 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 등의 응용에 필수적인 기반기술로써 향후 성장성을 고려할 때 매우 핵심적인 기술로서 박막형 재료의 압전상수 측정장비로써 재료의 측정을 용이하게 하여 압전박막 재료를 이용, 제작되는 각종 센서 또는 MEMS 등의 응용에 필수적인 기반기술을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명은 작은 면적의 시편까지 측정이 가능하며 온도 등 실험조건을 용이하게 조절하여 압전상수를 측정할 수 있다.The present invention is a core technology essential for the application of various sensors or MEMS (Micro-Electro Mechanical System), which is a very important technology in consideration of future growth. It is to provide an essential technology essential for the application of various sensors or MEMS, etc., which are manufactured by using. In addition, the present invention can measure up to a small area of the specimen and can easily measure the piezoelectric constant by controlling the experimental conditions such as temperature.

Description

박막형 재료의 압전특성 평가방법 및 그 장치{Measuring Method for Piezoelectric Characterization of Thin Film Type Materials and Apparatus the Same}Method for evaluating piezoelectric properties of thin film materials and its apparatus {Measuring Method for Piezoelectric Characterization of Thin Film Type Materials and Apparatus the Same}

본 발명은 압전체 박막의 단락(short)이나 소성변형을 유발하지 않으며 박막의 표면 상태(topology)에 관계없이 박막의 전면에 균일한 응력을 인가함으로서 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전상수를 측정할 수 있으며, 간단한 구성을 가짐으로서 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 박막형 압전체의 압전상수를 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention does not cause short circuit or plastic deformation of the piezoelectric thin film and can measure the piezoelectric constant of the thin film accurately and reliably by applying uniform stress to the entire surface of the thin film regardless of the topology of the thin film. The present invention relates to an apparatus capable of measuring the piezoelectric constant of a thin film type piezoelectric body which can be manufactured at low cost by having a simple configuration.

종래의 박막형 압전체의 압전상수 측정장치는 응력인가(Pneumatic loading)시 컴프레샤(compressor)와 진공펌프(vacuum pump)중 하나만 선택하여 사용하는 구조이므로, 기판 위에 형성된 박형의 압전재료의 압전특성을 평가함에 있어서 종방향 압전상수(d33)만을 측정하기 때문에 횡방향 압전상수(d31)를 측정하기 위해서는 별도의 다른 장치를 도입해야하는 문제점이 있었다.The piezoelectric constant measuring device of a conventional thin film type piezoelectric body has a structure in which only one of a compressor and a vacuum pump is used during stress loading, thereby evaluating the piezoelectric properties of a thin piezoelectric material formed on a substrate. Since only the longitudinal piezoelectric constant d 33 is measured, there is a problem that a separate device must be introduced to measure the lateral piezoelectric constant d 31 .

따라서 본 발명은 박막형 재료의 압전특성 평가장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스텝 1(Step 1)을 위한 컴프레샤(compressor)와 스텝 2(Step 2)를 위한 진공펌프를 동시에 구비하여 양압과 음압의 기계적에너지를 압전박막(Sample)에 효과적으로 인가한다. 이때 압전재료로부터 발생하는 전하(charge)를 전하증폭기를 통하여 측정한 후 컴퓨터를 이용하여 데이터를 처리함으로써 기판 위에 형성된 박형 압전재료의 종방향 압전상수(d33), 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.Therefore, the present invention relates to an apparatus for evaluating piezoelectric properties of thin film materials, and more particularly, to provide a positive pressure and a negative pressure by simultaneously providing a compressor for step 1 and a vacuum pump for step 2. Mechanical energy is effectively applied to the piezoelectric thin film (Sample). In this case, the charge generated from the piezoelectric material is measured through a charge amplifier, and then the data is processed using a computer. The longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ) of the thin piezoelectric material formed on the substrate are processed. It relates to a device capable of measuring at the same time.

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 부품에 있어서도 이러한 이유로 소형화가 요구되며, 의료 또는 생화학적 용도 등과 같은 향후의 용도를 위해서도 마이크로 액츄에이터(microactuator)에 대한 필요성이 요구되고 있다. 한편 센서(sensor)와 같은 전자 부품도 소형 경량화 되어가는 추세에 부합하여 발전하고 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 parts such as actuators, and there is a need for microactuators for future applications such as medical or biochemical applications. On the other hand, electronic components such as sensors are also being developed to meet the trend of becoming smaller and lighter. In general, micromechanical devices operate according to electrostatic, piezoelectric, thermal or electromagnetic principles.

압전소자(piezoelectric device)는 압전효과(piezoelectric effect)에 따라 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키거나, 역압전효과(inverse piezoelectric effect)에 의해서 기계적 에너지를 전기적 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)이 사용될 수 있다. 상기 압전 박막의 최대 팽창 길이는 그 항복 전압(breakdown voltage), 또는 최대 응력(stress)에 의해서 제한되며 상기 압전 박막을 포함하는 마이크로 액츄에이터는 대체로 전압에 비례하여 작동되는 특성을 지닌다.Piezoelectric devices (piezoelectric device) is a device that converts electrical energy into mechanical energy according to the piezoelectric effect (piezoelectric effect), or mechanical energy to electrical 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 may 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, and the micro-actuator including the piezoelectric thin film is generally operated in proportion to the voltage.

압전 부품들은 반도체 제조 공정을 이용하여 낮은 단가로 대량생산 할 수 있으며, 이러한 반도체 제조 공정을 이용하여 제조된 압전 박막의 다양한 응용은 이미 알려져 있다.Piezoelectric components can be mass-produced at low cost using a semiconductor manufacturing process, and various applications of piezoelectric thin films manufactured using such semiconductor manufacturing processes are already known.

본 발명은 박막형 압전체의 압전상수를 측정할 때, 스텝 1을 위한 컴프레샤와 스텝 2를 위한 진공펌프를 동시에 구비하여 양압과 음압의 기계적에너지를 압전박막에 효과적으로 인가하여 압전재료의 종방향 압전상수(d33), 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정함으로써, 간단하면서 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전상수 측정장치와 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, when measuring the piezoelectric constant of a thin film piezoelectric body, the compressor for step 1 and the vacuum pump for step 2 are simultaneously provided to effectively apply the positive and negative pressure mechanical energy to the piezoelectric thin film so that the longitudinal piezoelectric constant of the piezoelectric material ( d 33), and an object thereof is to provide a transverse piezoelectric constant (d 31) at the same time measured by, simple, precise and reliable so the thin-film piezoelectric element to measure the piezoelectric constant of the thin film piezoelectric constant measuring apparatus and method.

도 1은 본 발명의 박막형 재료의 압전특성 평가장치의 블럭도이다.1 is a block diagram of an apparatus for evaluating piezoelectric properties of a thin film material of the present invention.

도 2는 Pb(Zr0.5Ti0.5)O3압전박막 재료의 압전상수에 대한 폴링전압의 영향을 나타낸 것이다.2 shows the effect of the falling voltage on the piezoelectric constant of Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 3 piezoelectric thin film material.

도 3은 스텝1의 양압과 스텝2의 음압인가시의 상황을 각각 도시한 것이다.3 shows the situation when the positive pressure of Step 1 and the negative pressure of Step 2 are applied, respectively.

도 4(a)는 스텝1의 양압 인가시의 응력분포를 유한요소법을 이용하여 나타낸 것이다.Fig. 4 (a) shows the stress distribution at the time of applying the positive pressure in step 1 by using the finite element method.

도 4(b)는 스텝2의 음압 인가시의 응력분포를 유한요소법을 이용하여 나타낸 것이다.4 (b) shows the stress distribution at the time of applying the negative pressure in Step 2 by using the finite element method.

도 5는 양압과 음압의 각 상태로부터 측정된 유도전압을 나타낸 것이다.Figure 5 shows the induced voltage measured from each state of positive and negative pressure.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100:컴프레샤 200:주발브100: Compressor 200: Main valve

320:진공펌프 400:압력게이지320: vacuum pump 400: pressure gauge

500:해제발브 510:실드박스500 : release valve 510 : shield box

600:컴퓨터 700:가압탐침600: computer 700: pressure probe

800:전하측정기 900:압전박막800 : charge meter 900 : piezoelectric thin film

XXX: 벤추리밸브XXX: Venturi Valve

본 발명의 박막형 압전체의 압전상수 측정장치는 스텝 1을 위한 컴프레샤와 스텝 2를 위한 진공펌프를 동시에 구비하여 양압과 음압의 기계적 에너지를 압전박막에 효과적으로 전달하고 종방향 압전상수(d33), 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정할 수 있도록 하는 장치로서 다음과 같이 구성되어 있다.The piezoelectric constant measuring apparatus of the thin film type piezoelectric body of the present invention includes a compressor for step 1 and a vacuum pump for step 2 to effectively transfer the mechanical energy of positive and negative pressure to the piezoelectric thin film, and the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ), the transverse An apparatus for allowing simultaneous measurement of the directional piezoelectric constant d 31 is configured as follows.

하단의 박막형 압전체(900)에 소정의 양압을 가하기 위한 컴프레샤(100)와,Compressor 100 for applying a predetermined positive pressure to the thin film type piezoelectric body 900 at the bottom,

상기 박막형 압전체(900)에 소정의 음압을 가하기 위한 진공 펌프(320)와,A vacuum pump 320 for applying a predetermined negative pressure to the thin film type piezoelectric body 900;

가해진 압력을 제어하는 주발브(200)와 컴퓨터(600)에 연결되어 있는 해제발브(500)가 가압탐침(700)과 조합되어 상기 박막형 압전체 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계(400)에 연결되며,A pressure gauge 400 for visualizing and measuring the pressure exerted on the thin film piezoelectric body in combination with the pressure probe 700 is coupled to the main valve 200 and the release valve 500 connected to the computer 600 to control the applied pressure. ),

상기 박막형 압전체에 인접하여 상기 박막형 압전체 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정하게 유지하면서 전기적으로 연결할 수 있도록 하는 가압 탐침(700)과,A pressure probe 700 adjacent to the thin film piezoelectric body to form a predetermined pressure on the thin film piezoelectric body and to be electrically connected while maintaining the pressure constant;

그 일측으로부터 연장된 관이 상기 가압탐침과 상기 압력계 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브(200)와 상기 박막형 압전체 사이에 연결되어 상기 박막형 압전체에 인가되는 압력을 변화시켜 상기 박막형 압전체의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제밸브(500)와,A tube extending from one side thereof is connected between the pressure probe and the pressure gauge, and a tube extending from the other side thereof is connected between the main valve 200 and the thin film type piezoelectric body to change the pressure applied to the thin film type piezoelectric body to change the pressure. A release valve 500 to allow measurement of the piezoelectric constant of

그 일 단자가 상기 박막형 압전체의 상기 하부 전극에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극에 연결되어 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하측정기(800)과, 그 일측이 상기 압력계에 연결되고 타측이 상기 전하량 측정 수단에 연결되어 상기 부재들을 제어하며, 상기 박막형 압전체의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터(600)를 포함하는 박막형 압전체의 압전상수 측정장치를 제공한다.One terminal is connected to the lower electrode of the thin film piezoelectric body, the other terminal is connected to the upper electrode to measure a small amount of charge generated from the thin film type piezoelectric body, and one side thereof is connected to the pressure gauge, The other side is connected to the charge amount measuring means to control the members, and provides a piezoelectric constant measuring apparatus of a thin film type piezoelectric body including a computer 600 for calculating the piezoelectric constant of the thin film type piezoelectric body.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면과 함께 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

<실시예 1><Example 1>

본 발명의 측정 방법을 제공하는 측정원리는 아래의 정압전효과를 나타내는 압전상태 방정식으로부터 유도된다.The measuring principle of providing the measuring method of the present invention is derived from the piezoelectric state equation showing the following positive piezoelectric effect.

D3= d33σ3+ d3112)D 3 = d 33 σ 3 + d 311 + σ 2 )

여기서 D3는 3축 방향으로의 단위면적 당 전하량 즉 전기적 변위(Electric displacement)이며, σ123는 각 방향의 응력 성분을 의미한다.Here, D 3 is the amount of charge per unit area in the triaxial direction, that is, electrical displacement, and σ 1 , σ 2 , σ 3 are stress components in each direction.

측정방법은 스텝 1과 스텝 2로 이루어지는 응력인가 과정을 통하여 각각의 응력 요소(σ123)들을 조절하고 종방향 압전상수인 d33과 횡방향 압전상수인 d31에 관련된 정보를 추출하는 것이다. 스텝 1에서는 종방향 압전상수인 d33을 구하기 위하여 양압을 가하며 스텝 2에서는 횡방향 압전상수인 d31을 도출하기 위하여음압을 인가하는 과정으로 이루어진다. 도 3은 각 스텝의 상황을 도식적으로 보여 주고있다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 양압이 가해지면 오로지 수직응력성분, σ3만이 가해진다. 한편, 음압이 가해질 때 굽힘(bending)이 일어나면서 전하발생에 σ123성분이 기여하게 된다. 일반적으로 음압의 경우에 있어서 발생되는 전하는 양압의 경우보다 더 크며 이 때 이 두 단계사이의 차이는 d31을 도출할 수 있는 중요한 정보가 된다. 도 4(a)(b)는 유한요소법으로 계산된 결과로 상기 가정이 타당함을 검증하고 있다.The measuring method adjusts each stress element (σ 1 , σ 2 , σ 3 ) through a stress application process consisting of steps 1 and 2 , and the information related to the longitudinal piezoelectric constant d 33 and the transverse piezoelectric constant d 31 . To extract it. In step 1, positive pressure is applied to obtain the longitudinal piezoelectric constant d 33 , and in step 2, sound pressure is applied to derive the transverse piezoelectric constant d 31 . 3 schematically shows the situation of each step. As can be seen in the figure, when positive pressure is applied only the vertical stress component, σ 3, is applied. On the other hand, bending occurs when a negative pressure is applied, and σ 1 , σ 2 , and σ 3 components contribute to charge generation. In general, the charge generated in the case of negative pressure is larger than in the case of positive pressure, and the difference between these two stages is important information to derive d 31 . 4 (a) and (b) verify the validity of the assumption as a result calculated by the finite element method.

PZT와 같은 산화티타늄염(perovskite)의 결정구조는 d33, d31그리고 d15의 3개의 독립된 압전상수가 각각 서로 다른 의미를 가지면서 작용하고 있다. 종래의 PZT 박막에 대한 압전상수는 d33의 종방향 압전상수(longitudinal piezoelectric d-coefficient)를 측정하기 위한 연구가 주로 이루어 졌으나, PZT 박막은 종방향의 두께보다는 횡방향의 크기가 월등히 크기 때문에 d31의 횡방향 압전상수(transverse piezoelectric d-coefficient)가 중요하게 작용하는 경우가 매우 많이 나타나게 된다. 따라서 본 발명에서는 동일한 장비를 응용하여 횡방향 압전상수(d31)를 측정하기 위한 새로운 방법을 제공한다.The crystal structure of the titanium oxide salt (perovskite) such as PZT works with three independent piezoelectric constants of d 33 , d 31 and d 15 , respectively. The piezoelectric constant of the conventional PZT thin film has been mainly studied to measure the longitudinal piezoelectric d-coefficient of d 33. However, since the PZT thin film has a larger transverse direction than the longitudinal thickness, d There are many cases where the transverse piezoelectric d-coefficient of 31 is important. Therefore, the present invention provides a new method for measuring the transverse piezoelectric constant (d 31 ) by applying the same equipment.

종래에 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 측정하기 위해서는 서로 다른 두 종류의 장비가 필요하지만 본 발명은 동일한 장비를 이용하여 종방향압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 측정할 수 있는 방법을 개발하였다. 본 발명은 박막에 음압을 인가한 결과와 양압을 인가한 결과와의 차이를 도출해내는 과정으로서 양압이 가해지면 단지 수직응력성분(σ3)만이 작용한다. 한편, 음압이 가해질 때 굽힘(bending)이 일어나면서 전하발생에 응력성분(σ1, σ2, σ3)이 기여하게 된다. 따라서 일반적으로 음압의 경우에 있어서 발생되는 전하는 양압의 경우보다 더 크며 이 때 이 두 과정의 차이로부터 횡방향 압전상수(d31)의 정보를 얻을 수 있음을 발견하였다.Conventionally, two different types of equipment are required to measure the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ), but the present invention uses the same equipment to measure the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 33 ). A method for measuring the direction piezoelectric constant (d 31 ) has been developed. The present invention derives the difference between the result of applying a negative pressure to the result of applying a positive pressure to the thin film. When a positive pressure is applied, only the vertical stress component (σ 3 ) acts. On the other hand, bending occurs when a negative pressure is applied, and stress components σ 1 , σ 2 , and σ 3 contribute to charge generation. Therefore, in general, it is found that the charge generated in the case of negative pressure is larger than that of positive pressure, and the information of the transverse piezoelectric constant d 31 can be obtained from the difference between these two processes.

도 5는 1000pF의 range capacitor에 걸리는 전압으로부터 양압과 음압의 실제 측정결과를 도시한 것이다. 이 결과에서도 음압의 경우가 98.8pC으로 양압의 55.6pC 보다 더 크게 측정되었으며 이 두 결과의 차이가 횡방향 압전상수(d31)을 구하는 단서가 될 수 있음을 확인하였다.Figure 5 shows the actual measurement results of the positive and negative pressure from the voltage applied to the 1000pF range capacitor. This result was in the case of the negative pressure is larger than the measurement of the positive pressure to 55.6pC 98.8pC was confirmed that the difference between the two results may be the clue to obtain the transverse piezoelectric constant (d 31).

정압전효과를 기술하는 상태방정식으로부터, 표준시편과 박막시편에 대하여 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)의 표준상수로 유도하기 위하여 양압과 음압의 두 단계에 대한 수식을 전개하였다. 제 1단계(step 1)와 제 2단계(step 2)는 정확한 측정을 수행하기 위하여 표준시편과 박막시편에 대하여 압전특성 측정을 수행하고 비교하여 결과를 얻는다.제1단계는 d33을 구하기 위해 양압을 가하며 제2단계는 d31을 도출하기 위해 음압을 인가한다.From the state equation describing the positive piezoelectric effect, the equations for the two steps of positive and negative pressures are derived for the standard specimen and the thin-film specimen to the standard constant of the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ). Developed. The first step (step 1) and the step 2 (step 2) is obtained, the result of a piezoelectric property measured and compared against a standard sample and the thin film sample in order to perform accurate measurements. The first step is to obtain the d 33 Positive pressure is applied and the second step applies negative pressure to derive d 31 .

제1단계(step 1)에서 σ3으로만 표현되는 정압전효과의 상태방정식을 다음과 같이 표시할 수 있다.In the first step (step 1), the state equation of the positive piezoelectric effect expressed only as σ 3 can be expressed as follows.

......(5-1) (5-1)

; 표준시편에 양압 인가시의 전기적 변위(Electric displacement); Electric displacement when positive pressure is applied to standard specimen

......(5-2) (5-2)

; 박막시편에 양압 인가시의 전기적 변위(Electric displacement)여기서 (SI)는 표준시편 1단계임을 나타내고, ds 33은 표준시편의 종방향압전상수이며, (FI)는 박막시편의 1단계임을 나타내고, dF 33은 박막시편의 종방향압전상수이며, α는 비례상수이다.위의 두 식으로부터 박막의 dF 33은 이미 알고 있는 벌크의 ds 33으로 부터 계산할 수 있다. 같은 압력일 때, 식(5-1)과 식(5-2)로부터 박막의는 다음과 같다.; Electrical displacement when positive pressure is applied to the thin film specimen, where (SI) represents one stage of the standard specimen, d s 33 represents the longitudinal piezoelectric constant of the standard specimen, and (FI) represents one stage of the thin specimen, d F 33 is the longitudinal piezoelectric constant of the thin film specimen and α is the proportionality constant. From the above two equations, d F 33 of the thin film can be calculated from the known bulk d s 33 . At the same pressure, the thin film can be obtained from equations (5-1) and (5-2). Is as follows.

......(5-3) (5-3)

제2단계(step 2)에서는 정압전효과를 기술하는 상태방정식을 σ123의 항으로 기술할 수 있다.In the second step (step 2), the state equation describing the positive piezoelectric effect can be described in terms of σ 1 , σ 2 , and σ 3 .

......(5-4) (5-4)

;표준시편에 음압인가시의 전기적 변위(Electric displacement)Electrical displacement when negative pressure is applied to the standard specimen

......(5-5) (5-5)

;박막시편에 음압인가시의 전기적 변위(Electric displacement)여기에서 (SII)는 표준시편의 2단계임을 표시하는 것이고, dS 31은 표준시편의 횡방향 압전상수이며, dF 31 는 박막시편의 횡방향압전상수 이며, β는 비례상수이다.여기서 식 (5-4)와 식(5-5)의 우변의 첫번째 항은 각각 식 (5-1)과 식(5-2)로 대입이 가능해 진다. 따라서 식 (5-4)와 식(5-5)는 다음과 같이 정리된다.......(5-6)Electrical displacement when negative pressure is applied to the thin film specimen, where (SII) denotes the second stage of the standard specimen, dS 31Is the lateral piezoelectric constant of the standard specimen, dF 31 Is the lateral piezoelectric constant of the thin film specimen, and β is the proportionality constant, where the first term on the right side of Eqs. (5-4) and (5-5) is Eq. (5-1) and (5-2), respectively. Substitution is possible. Therefore, equations (5-4) and (5-5) are summarized as follows.(5-6)

......(5-7) (5-7)

식(5-7)을 식(5-6)으로 나누어 박막의에 대하여 정리하면Divide the equation (5-7) by the equation (5-6) To sum up

......(5-8) (5-8)

와 같이 된다. 위의 식(5-1∼8)들은 박막시편과 기준시편에 대해 적용될 때 박막시편의 횡방향압전상수와 박막시편의 종방향압전상수가 동시에 얻어지는 과정을 설명하고 있다.Becomes Equations (5-1 to 8) above are the lateral piezoelectric constants of the thin film specimens when applied to the thin film specimens and the reference specimens. Longitudinal Piezoelectric Constant of Thin Film Specimens Describes the process of simultaneously obtaining.

도 4로부터 제1단계에서 발생하는 전하량의 총합이 23.5pC임을 알 수 있으며 제2단계에서 발생하는 전하량의 총합이 51.6pC임을 알 수 있게 된다. 일반적으로 기준시편은 유한요소법을 이용하여 가상의 시편을 설정하고 임의의 압전상수를 입력하여 사용한다. 이 때 기준으로 입력된은 각각 140pC/N, 60pC/N이었다.It can be seen from FIG. 4 that the total amount of charges generated in the first step is 23.5 pC and that the total amount of charges generated in the second step is 51.6 pC. In general, a reference specimen is used to set up a virtual specimen by using the finite element method and input an arbitrary piezoelectric constant. At this time, Wow Were 140pC / N and 60pC / N, respectively.

설정된 표준시편과 도 5의 실측치를 식(5-1)부터 식(5-8)까지에 적용하면,If the set standard specimen and the measured value of Fig. 5 are applied to equations (5-1) to (5-8),

, ,

와 같이 된다.Becomes

<시험예><Test Example>

본 발명의 박막형 압전체의 압전상수 측정장치에 의하여 박막시편과 표준시편을 대상으로 하여 실시예와 동일한 방법으로 상기의 식(5-1 ∼ 5-8)들을 이용하여 측정한 박막시편의 종방향 압전상수()는 331pC/N이며, 횡방향 압전상수()는 -92.2pC/N로서 이들 압전상수를 동시에 측정하였다.Longitudinal piezoelectric piezoelectric specimens of the thin film specimens measured by using the above formulas (5-1 to 5-8) in the same manner as in the examples of the thin film specimen and the standard specimen by the piezoelectric constant measuring apparatus of the thin film type piezoelectric body of the present invention. a constant( ) Is 331 pC / N, and the lateral piezoelectric constant ( ) Were -92.2pC / N and these piezoelectric constants were measured simultaneously.

<실시예 2><Example 2>

본 발명의 다른 실시예로서 도 2에 예시한 벤츄리 밸브(XXX)를 설치하였던 바, 컴프레샤만으로도 0.5 기압정도의 진공을 형성할 수 있어 진공도가 낮아도 되는 경우에는 스텝 2(Step 2)를 위한 진공펌프 없이도 종방향 압전상수 및 횡방향 압전상수를 동시에 측정하였다.As another embodiment of the present invention, the venturi valve (XXX) illustrated in FIG. 2 is installed, and a vacuum of about 0.5 atm can be formed only by the compressor, and when the degree of vacuum is low, the vacuum pump for step 2 Without it, the longitudinal piezoelectric constant and the transverse piezoelectric constant were simultaneously measured.

종래의 박막형 압전체의 압전상수 측정장치는 응력인가(Pneumatic loading)시 컴프레샤(compressor)와 진공펌프(vacuum pump)중 하나만 선택하여 사용하는 구조이므로, 기판 위에 형성된 박형의 압전재료의 압전특성을 평가함에 있어서 종방향 압전상수(d33)만을 측정하기 때문에 횡방향 압전상수(d31)를 측정하기 위해서는 별도의 다른 장치를 도입해야하는 문제점이 있었다. 본 발명은 압전상수로 대표되는 박막형 재료의 압전특성을 평가함에 있어 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 단일 장비 내에서 측정할 수 있는 시스템과 그 측정방법을 제공하여 향후 이 분야의 산업발전에 기반기술로써 차세대 압전특성평가의 표준화 방안을 제시하는 역할을 수행할 것이다.The piezoelectric constant measuring device of a conventional thin film type piezoelectric body has a structure in which only one of a compressor and a vacuum pump is used during stress loading, thereby evaluating the piezoelectric properties of a thin piezoelectric material formed on a substrate. Since only the longitudinal piezoelectric constant d 33 is measured, there is a problem that a separate device must be introduced to measure the lateral piezoelectric constant d 31 . The present invention is to evaluate the piezoelectric properties of the thin film material represented by the piezoelectric constant system and a method for measuring the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ) simultaneously in a single device and a measuring method thereof It will provide the standardization of the next generation piezoelectric characterization as a foundation technology for future industrial development in this field.

Claims (5)

컴프레샤(100)와 진공펌프(300)에 연결되어 양압 또는 음압을 선택적으로 출력하는 주발브(200);A main valve 200 connected to the compressor 100 and the vacuum pump 300 to selectively output a positive pressure or a negative pressure; 상기 주발브(200)와 연결되어 소정의 압력으로 조절하는 해제밸브(500);A release valve 500 connected to the main valve 200 to adjust to a predetermined pressure; 상기 해제밸브(500)에 연결된 가압탐침(700)에 의해 압력을 받는 박막형 압전체(900);A thin film type piezoelectric body 900 which is pressurized by a pressure probe 700 connected to the release valve 500; 상기 박막형 압전체(900)와 전기적으로 연결되어 상기 박막형 압전체(900)로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하량측정기(800); 및A charge amount measuring device (800) electrically connected to the thin film piezoelectric body (900) to measure a minute amount of charge generated from the thin film piezoelectric body (900); And 상기 해제밸브(500)를 제어하고, 상기 전하량측정기(800)의 측정값을 통해 박막형 압전체의 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 계산하여 출력하는 컴퓨터(600)를 포함하는 박막형 압전체의 압전상수 측정장치.The computer 600 which controls the release valve 500 and calculates and outputs the longitudinal piezoelectric constant d 33 and the transverse piezoelectric constant d 31 of the thin film type piezoelectric body through the measured value of the charge amount measuring instrument 800. Piezoelectric constant measuring device of a thin film type piezoelectric body comprising a. 컴프레샤와 진공펌프가 동시에 구비된 압전상수 측정장치를 이용하여 컴프레샤로부터 스텝 1의 양압을 인가한 후, 진공펌프로부터 스텝 2의 음압을 인가하는 단계와,Applying a positive pressure of step 1 from the compressor using a piezoelectric constant measuring device equipped with a compressor and a vacuum pump at the same time, and then applying a negative pressure of step 2 from the vacuum pump, 각각의 응력의 기계적 에너지를 압전박막에 전달하는 단계와,Transferring the mechanical energy of each stress to the piezoelectric thin film, 압전체로부터 발생하는 전하를 전하증폭기를 통하여 측정하는 단계와,Measuring the charge generated from the piezoelectric body through a charge amplifier, 컴퓨터를 이용하여 데이터를 처리함으로써 압전재료의 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전상수 측정방법.And measuring the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ) of the piezoelectric material at the same time by processing data using a computer. 제 2항에 있어서, 스텝 1의 양압 인가시 전기적 변위의 정압전효과를 기술하는 상태방정식(식5-1),(식5-2)과 스텝 2의 음압 인가시 전기적 변위의 정압전효과를 기술하는 상태방정식(식5-4) ,(식5-5)로부터 표준시편 및 박막시편의 압전상수를 표준상수로 유도하는 단계와,The state equation of claim 2, which describes the positive piezoelectric effect of the electrical displacement upon application of the positive pressure in step 1. (Eq. 5-1), Equation 5-2 and state equation describing the positive piezoelectric effect of electrical displacement when applying negative pressure in Step 2 (Eq. 5-4) Inducing piezoelectric constants of the standard specimen and the thin film specimen from the equation (5-5) to the standard constant; 이들 상태방정식들로부터 표준시편과 박막시편의 종방향 압전상수()(식5-3)을 구하는 단계와,From these state equations, the longitudinal piezoelectric constants of the standard and ) (Eq. 5-3), 상기의 스텝 1과 스텝 2에서 표준시편을 기술하는(식5-4)와(식5-1)로부터(식5-6)을 구하고 또한 박막시편을 기술하는(식5-5)와(식5-2)로부터(식5-7)을 구하여(식5-7)과(식5-6)로부터(식5-8)을 만족하는 박막시편의 횡방향 압전상수()를 구하여 종방향 압전상수(d33)와 횡방향 압전상수(d31)를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전상수 측정방법The standard specimens are described in steps 1 and 2 above. (Eq. 5-4) From (Equation 5-1) (5-6) and describe thin film specimens (Eq. 5-5) and From (Equation 5-2) (Eq. 5-7) (Eq. 5-7) From (Eq. 5-6) Transverse piezoelectric constant of thin film specimen satisfying (Equation 5-8) The piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body characterized by simultaneously measuring the longitudinal piezoelectric constant (d 33 ) and the transverse piezoelectric constant (d 31 ) 제 3항에 있어서, 스텝 1에서 σ3로 표현되는 정압전효과는 표준시편에 양압 인가시 전기적 변위의 상태방정식은(식 5-1)이고, 박막시편에 양압 인가시 전기적변위의 상태방정식은(식 5-2)이고, α는 비례상수로서, 표준시편은 동일한 압력하에서 식(5-1)과 식(5-2)로부터 박막시편의 종방향 압력상수()는 식(5-3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전상수 측정방법The method of claim 3, wherein the positive piezoelectric effect expressed by σ 3 in step 1 is a state equation of electrical displacement when positive pressure is applied to a standard specimen. (5-1), the state equation of electrical displacement when positive pressure is applied to the thin film specimen Where α is the proportionality constant, and the standard specimen is the same as the longitudinal pressure constant of the thin film specimen from equation (5-1) and equation (5-2) under the same pressure. ) Is a piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body, which satisfies Equation (5-3) ......(식5-3) (Eq. 5-3) 제 3항에 있어서, 스텝 2에서 σ123로 표현되는 정압전효과는 표준시편에 음압인가시 전기적변위의 상태방정식은(식5-4)이고, 박막시편에 음압인가시 전기적변위의 상태방정식은(식5-5)이고, β는 비례상수로서, 상기의 스텝 1과 스텝 2의 σ3가 동일하다는 가정 하에 표준시편을 기술하는 식(5-4)와 식(5-1)로부터(식5-6)을 구하고 또한 박막시편을 기술하는 식(5-5)와 식(5-2)로부터(식5-7)을 구하여 식(5-7)과 식(5-6)로부터 박막시편의 횡방향 압전상수()는식(5-8)을 만족하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전상수 측정방법The method of claim 3, wherein the positive piezoelectric effect represented by σ 1 , σ 2 , σ 3 in step 2 is a state equation of electrical displacement when negative pressure is applied to the standard specimen. (5-4), the state equation of electrical displacement when negative pressure is applied to the thin film specimen (5-5), and β is a proportional constant, from equations (5-4) and (5-1) describing standard specimens under the assumption that σ 3 in step 1 and step 2 are the same. From equation (5-5) and equation (5-2) describing (5-5) and describing thin film specimens Obtain the lateral piezoelectric constants of the thin film specimens from equations (5-7) and (5-6). ) Piezoelectric constant measuring method of a thin film type piezoelectric body characterized by satisfying formula (5-8)
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