KR101189816B1 - Apparatus and method for measurement of transverse piezoelectric coefficient of piezoelectric thin films by measurement of quantity of electric charge - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 센서(micro sensor) 또는 액츄에이터(actuator) 제작에 사용되는 압전 박막 시편에 대한 인장실험을 통해 변위, 변형률 및 전하량 등을 측정하고 이로부터 압전 박막의 횡방향 압전상수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring the piezoelectric properties of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, and more specifically, through a tensile test on a piezoelectric thin film specimen used for manufacturing a micro sensor or an actuator. The present invention relates to an apparatus and a method for measuring displacement, strain, charge amount, and the like, and measuring a lateral piezoelectric constant of a piezoelectric thin film therefrom.

본 발명에 의하면, 압전 재료로 구성된 박막형 압전체의 횡방향 압전상수를 측정할 때, 굽힘이 아닌 인장방식의 하중을 가하고, 그 과정에서 변형률 및 집적되는 전하량을 측정함으로써, 정밀하고 신뢰성 있게 압전 박막의 압전 상수를 측정할 수 있다. 이로부터 박막형 압전 재료의 횡방향 압전 물성에 대한 다양한 연구가 가능하게 되어 박막형 압전 재료를 사용하는 제품의 성능에 관한 연구를 성숙하게 할 뿐 아니라 압전 제품에 대한 안정적인 신뢰성 평가를 할 수 있다.According to the present invention, when measuring the lateral piezoelectric constant of a thin film piezoelectric material composed of a piezoelectric material, by applying a tensile load rather than bending, and measuring the strain and the amount of charge accumulated in the process, the piezoelectric thin film is precisely and reliably The piezoelectric constant can be measured. From this, various researches on the lateral piezoelectric properties of the thin film piezoelectric material become possible, and not only mature researches on the performance of the product using the thin film piezoelectric material but also stable reliability evaluation of the piezoelectric product can be performed.

압전박막, 횡방향, 물성, 전하량, 인장 Piezoelectric Thin Film, Transverse Direction, Physical Properties, Charge, Tensile

Description

전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT OF TRANSVERSE PIEZOELECTRIC COEFFICIENT OF PIEZOELECTRIC THIN FILMS BY MEASUREMENT OF QUANTITY OF ELECTRIC CHARGE}Apparatus and method for measuring lateral piezoelectric properties of piezoelectric thin film by measuring charge amount TECHNICAL OF ELECTRIC CHARGE

본 발명은 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 센서(micro sensor) 또는 액츄에이터(actuator) 제작에 사용되는 압전 박막 시편에 대한 인장실험을 통해 변위, 변형률 및 전하량 등을 측정하고 이로부터 압전 박막의 횡방향 압전상수를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring the piezoelectric properties of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, and more specifically, through a tensile test on a piezoelectric thin film specimen used for manufacturing a micro sensor or an actuator. The present invention relates to an apparatus and a method for measuring displacement, strain, charge amount, and the like, and measuring a lateral piezoelectric constant of a piezoelectric thin film therefrom.

종래에는 미소구조물의 변형 특성을 파악할 때, 패턴 인식을 이용하여 기계적 또는 열적 하중으로 인한 미소구조물의 변형률을 측정하는데 그쳤다. 그러나 이러한 기계적 측정량에 의한 변형 특성 파악은 미소구조물의 경우에는 그 정밀도에 있어서 한계가 있어 왔다. 이와 관련하여 논문("Piezoelectric thin films: Evaluation of electrical and electromechanical characteristics for MEMS devices", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 54, No.1, Jan. 2007))에서, 압전 박막의 변형시 전하량 측정에 의한 압전 상수를 구하는 방법이 제시되었다. 이에 따른 4 점 굽힘 시험을 이용한 종방향 및 횡방향 압전상수를 측정하는 방법은, 굽힘 시험을 하는 동안 발생하는 전하를 측정하며 데이터 분석을 통하여 압전상수를 계산하게 된다. 그러나 굽힘 시험 중에 발생하는 전하를 측정하여 압전상수를 구하기 위해서는 굽힘 때 발생하는 처짐량이 시편의 길이에 비해서 현격히 낮아야 하는 가정 사항이 존재한다. 즉, 큰 굽힘이 가해지는 경우에는 정확한 값을 측정하기 어려운 문제점이 존재한다.Conventionally, when grasping deformation characteristics of microstructures, pattern recognition is used to measure strains of microstructures due to mechanical or thermal loads. However, the grasp of deformation characteristics by the mechanical measurand has been limited in the precision of the microstructure. In this regard ("Piezoelectric thin films: Evaluation of electrical and electromechanical characteristics for MEMS devices", IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., Vol. 54, No. 1, Jan. 2007), A method of obtaining a piezoelectric constant by measuring the amount of charge during deformation of a piezoelectric thin film has been proposed. According to the method for measuring the longitudinal and transverse piezoelectric constants using the four-point bending test, the piezoelectric constant is calculated through data analysis while measuring the electric charge generated during the bending test. However, in order to obtain the piezoelectric constant by measuring the electric charge generated during the bending test, there is an assumption that the amount of deflection generated during bending should be significantly lower than the length of the specimen. That is, there is a problem that it is difficult to measure the correct value when large bending is applied.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 압전 재료로 구성된 박막형 압전체의 횡방향 압전상수를 측정할 때, 굽힘이 아닌 인장방식의 하중을 가하고, 그 과정에서 변형률 및 집적되는 전하량을 측정함으로써, 정밀하고 신뢰성 있게 압전 박막의 압전 상수를 측정할 수 있게 하며, 이로부터 박막형 압전 재료의 횡방향 압전 물성에 대한 다양한 연구를 가능하게 하여 박막형 압전 재료를 사용하는 제품의 성능에 관한 연구를 성숙하게 할 뿐 아니라 압전 제품에 대한 안정적인 신뢰성 평가를 할 수 있게 하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve such a problem, and when measuring the lateral piezoelectric constant of a thin film piezoelectric body composed of piezoelectric materials, a tensile load is applied, not bending, and the strain and the amount of charge accumulated in the process are measured. This enables accurate and reliable measurement of piezoelectric constants of piezoelectric thin films, thereby enabling various studies on the lateral piezoelectric properties of thin film piezoelectric materials, thereby matured research on the performance of products using thin film piezoelectric materials. Not only that, but also to enable stable reliability evaluation of piezoelectric products.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압전 박막의 횡방향 변형시 발생하는 전하량을 측정하여 이로부터 압전 박막의 횡방향 압전 물성을 측정하는 장치는, 압전 박막을 포함하는 시편에 인장하중을 가하는 인장 구동부; 인장 구동부와 연결되어 상기 시편에 걸리는 인장하중을 측정하는 인장하중 측정부; 시편의 변형률을 측정하는 변형률 측정부; 상기 압전박막에서 발생하는 전하량을 측정하는 전하량 측정부; 및 상기 변형률 측정부에 의해 측정된 변형률 및 상기 전하량 측정부에 의해 측정된 전하량으로부터 횡방향 압전상수를 산출하는 압전상수 산출부를 포함한다.In order to achieve the above object, the device for measuring the amount of charge generated during the transverse deformation of the piezoelectric thin film according to the present invention and measuring the transverse piezoelectric properties of the piezoelectric thin film from the tensile load is applied to the specimen including the piezoelectric thin film. Tensile drive; A tensile load measuring unit connected to the tensile driving unit to measure a tensile load applied to the specimen; A strain measuring unit measuring a strain of the specimen; A charge amount measuring unit measuring a charge amount generated in the piezoelectric thin film; And a piezoelectric constant calculating unit calculating a lateral piezoelectric constant from the strain measured by the strain measuring unit and the amount of charge measured by the charge amount measuring unit.

상기 시편에 포함되는 압전 박막은, 시편 기판에서 인장변형에 따른 변형률(strain)이 일정한 영역에 부착되는 것이 좋다.The piezoelectric thin film included in the specimen may be attached to a region having a constant strain due to tensile strain on the specimen substrate.

상기 인장 구동부는, 상기 시편의 한쪽에 장착되고 고정된 고정 그립; 및 상기 시편의 다른 한쪽에 장착되어 상기 인장 구동부에 의해 가해지는 인장하중에 따라 변위를 일으키는 구동 그립을 포함하는 것이 바람직하다.The tensile drive unit, a fixed grip mounted and fixed to one side of the specimen; And a driving grip mounted on the other side of the specimen to cause displacement in accordance with the tensile load applied by the tensile drive.

상기 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치는 상기 구동 그립의 변위를 이용하여 시편의 인장변형에 의한 변위를 측정하는 변위측정부를 더 포함할 수 있다.An apparatus for measuring lateral piezoelectric properties of the piezoelectric thin film by measuring the charge amount may further include a displacement measuring unit configured to measure a displacement due to tensile deformation of the specimen by using the displacement of the driving grip.

상기 변위 측정부는, 레이저 변위 센서를 이용하여 변위를 측정할 수 있다.The displacement measuring unit may measure the displacement using a laser displacement sensor.

바람직하게, 상기 시편은, 접착제(adhesive)를 이용하여 상기 구동 그립 및 고정 그립에 장착되는 것이 좋다.Preferably, the specimen is mounted to the drive grip and the fixed grip using an adhesive (adhesive).

상기 변형률 측정부는, 두 개의 마이크로스코프(dual microscope)를 통한 이미지 패턴 매칭(pattern matching) 방식에 의해 변형률을 측정할 수 있다.The strain measuring unit may measure the strain by an image pattern matching method through two dual microscopes.

상기 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치는 상기 전하량 측정부에서 측정된 전하량을 증폭하여 상기 압전상수 산출부로 제공하는 전하량 증폭부를 더 포함하는 것이 바람직하다.The lateral piezoelectric property measuring apparatus of the piezoelectric thin film by the charge amount measurement may further include a charge amount amplifier which amplifies the amount of charge measured by the charge amount measuring unit and provides it to the piezoelectric constant calculation unit.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 횡방향 압전 물성 측정 장치가, 압전 박막의 횡방향 변형시 발생하는 전하량을 측정하여 이로부터 압전 박막의 횡방향 압전 물성을 측정하는 방법은, (a) 압전 박막을 포함하는 시편이 장착된 그립에 인장하중을 가하는 단계; (b) 상기 인장하중에 따른 시편의 변형률을 측정하는 단계; (c) 상기 인장변형에 따라 상기 압전박막에서 발생하는 전하량을 측정하는 단계; 및 (d) 상기 측정된 데이터들로부터 횡방향 압전상수를 산출하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, the method of measuring the lateral piezoelectric properties of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge generated when the transverse piezoelectric physical properties measuring device in the transverse deformation of the piezoelectric thin film, (a) Applying a tensile load to a grip equipped with a specimen; (b) measuring the strain of the specimen according to the tensile load; (c) measuring the amount of charge generated in the piezoelectric thin film according to the tensile strain; And (d) calculating a transverse piezoelectric constant from the measured data.

상기 시편에 포함되는 압전 박막은, 시편 기판에서 인장변형에 따른 변형률(strain)이 일정한 영역에 부착되는 것이 좋다.The piezoelectric thin film included in the specimen may be attached to a region having a constant strain due to tensile strain on the specimen substrate.

상기 단계(a) 이후, (a1) 상기 시편의 한쪽은 고정된 그립에 장착된 상태로, 상기 시편의 다른 한쪽에 장착된 구동 그립의 인장변형에 의한 변위를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step (a), (a1) may further include the step of measuring the displacement caused by the tensile deformation of the driving grip mounted on the other side of the specimen, one side of the specimen is mounted on a fixed grip .

상기 단계(a1)의 변위 측정은, 레이저를 구동 그립에 연결된 판에 조사(irradiate)한 후 반사된 신호를 통하여 상기 판과 레이저 변위 센서 사이의 간격변화를 측정함에 의해 행해지는 것이 바람직하다.The displacement measurement of step (a1) is preferably performed by measuring a change in the distance between the plate and the laser displacement sensor through the reflected signal after irradiating the laser to the plate connected to the driving grip.

상기 시편은, 접착제(adhesive)를 이용하여 구동 그립 및 고정 그립에 장착되는 것이 좋다.The specimen may be mounted to the drive grip and the stationary grip using an adhesive.

상기 단계(b)는, (b11) 두 개의 대물렌즈에 의해 측정대상 물상의 두 지점에 대한 상을 얻는 단계; (b12) 상기 단계(b11)에서 얻은 상을 각각에 대한 줌렌즈에 통과시켜 카메라로 촬영하여 영상을 획득하는 단계; 및 (b13) 상기 단계(b12)에서 획득한 영상에서 패턴을 인식하고, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.Step (b) may include: (b11) obtaining images of two points of the object to be measured by two objective lenses; (b12) acquiring an image by passing the image obtained in the step (b11) through a zoom lens for each of the cameras; And (b13) recognizing a pattern in the image acquired in step (b12), and tracking the recognized pattern to calculate a displacement at each position.

상기 단계(c)와 단계(d) 사이에, (c1) 상기 단계(c)에서 측정된 전하량을 증폭하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Between step (c) and step (d), (c1) preferably further comprises amplifying the amount of charge measured in step (c).

본 발명에 의하면, 압전 재료로 구성된 박막형 압전체의 횡방향 압전상수를 측정할 때, 굽힘이 아닌 인장방식의 하중을 가하고, 그 과정에서 변형률 및 집적되 는 전하량을 측정함으로써, 정밀하고 신뢰성 있게 압전 박막의 압전 상수를 측정할 수 있으며, 이로부터 박막형 압전 재료의 횡방향 압전 물성에 대한 다양한 연구를 가능하게 하여 박막형 압전 재료를 사용하는 제품의 성능에 관한 연구를 성숙하게 할 뿐 아니라 압전 제품에 대한 안정적인 신뢰성 평가를 할 수 있게 하는 효과가 있다.According to the present invention, when measuring the lateral piezoelectric constant of a thin piezoelectric material composed of piezoelectric material, a piezoelectric thin film is precisely and reliably applied by applying a tensile load rather than bending, and measuring strain and accumulated charge in the process. It is possible to measure the piezoelectric constants of, which enables various studies on the lateral piezoelectric properties of thin-film piezoelectric materials, which not only matures the performance of products using thin-film piezoelectric materials but also makes them stable for piezoelectric products. It has the effect of enabling reliability evaluation.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors will appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

도 1은 본 발명의 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치(100)의 기능상의 블록도이며, 도 2는 본 발명의 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치(100)의 구조를 나타내는 도면이다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치(100)의 기능 및 구조를 설명한다.1 is a functional block diagram of a lateral piezoelectric physical property measuring apparatus 100 of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge of the present invention, Figure 2 is a transverse piezoelectric physical property measuring apparatus 100 of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge of the present invention (100) It is a figure which shows the structure of). Hereinafter, the function and structure of the lateral piezoelectric property measuring apparatus 100 of the piezoelectric thin film will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

인장 구동부(120)는 인장하중을 만들어내는 액츄에이터(actuator)(121)와 가해진 인장하중을 측정하는 인장하중 측정부, 즉, 로드셀(load cell)(122)을 포함한다. 인장하중을 가하는 액츄에이터(121)로는 DC 모터 액츄에이터를 사용할 수 있으며, 다른 실시예로는 압전 액츄에이터를 사용할 수도 있다. 상기 DC 모터 액츄에이터 또는 압전 액츄에이터는 시편(20)과 직접 연결되어 인장하중을 가하게 된다. 가해진 인장하중의 크기는 시편과 액츄에이터 사이의 로드셀(122)에서 측정된다. The tension driver 120 includes an actuator 121 for generating a tensile load and a tension load measuring unit for measuring the applied tensile load, that is, a load cell 122. As the actuator 121 for applying the tensile load, a DC motor actuator may be used, and in other embodiments, a piezoelectric actuator may be used. The DC motor actuator or piezoelectric actuator is directly connected to the specimen 20 to apply a tensile load. The magnitude of the applied tensile load is measured in the load cell 122 between the specimen and the actuator.

시편(20)에 포함되어 있는 압전 박막(22)(도 3 참조)은, 시편 표점 거리 내에서 변형률(strain)이 일정한 영역(30)에 부착되는 것이 바람직하다.The piezoelectric thin film 22 (see FIG. 3) included in the specimen 20 is preferably attached to the region 30 having a constant strain within the specimen gauge distance.

시편(20)을 장착하는 그립(161,162)은, 시편(20)의 한쪽에 장착되고 고정단(10)에 고정된 고정 그립(161)과 시편(20)의 다른 한쪽에 장착되어 상기 인장 구동부에 의해 가해지는 인장하중에 따라 변위를 일으키는 구동 그립(162)을 포함할 수 있다.The grips 161 and 162 for mounting the specimen 20 are mounted on one side of the specimen 20 and fixed to the fixed end 10 and attached to the other side of the specimen 20 and the tensile drive. It may include a drive grip 162 causing a displacement according to the tensile load applied by the.

변위 및 변형률 측정부(130)는, 레이저 변위 센서(laser displacement sensor)를 이용하여 시편의 변위를 측정하는 변위 측정부(131)와 듀얼 마이크로스코프(dual microscope)를 통한 이미지 패턴 매칭(pattern matching)을 통하여 시편 표점 거리(gage length)의 변형률을 측정하는 변형률 측정부(132)를 포함한다.Displacement and strain measurement unit 130, image pattern matching through a dual microscope and a displacement measuring unit 131 for measuring the displacement of the specimen using a laser displacement sensor (laser displacement sensor) It includes a strain measuring unit 132 for measuring the strain of the specimen gage length through.

전하량 측정부(141)는 시편의 압전 박막의 상, 하부 전극에서 발생하는 전하량을 측정하며, 측정된 전하량을 증폭하여 압전상수 산출부(151)로 전달하기 위한 전하량 증폭부(142)를 더 포함할 수 있다.The charge amount measuring unit 141 measures the amount of charge generated in the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film of the specimen, and further includes a charge amount amplifying unit 142 for amplifying the measured charge amount and transferring it to the piezoelectric constant calculating unit 151. can do.

측정 데이터 처리부(150)는 압전상수 산출부(151), 화면제공부(152) 및 측정데이터 데이터베이스(153)를 포함할 수 있다.The measurement data processor 150 may include a piezoelectric constant calculator 151, a screen provider 152, and a measurement data database 153.

압전상수 산출부(151)는 변위 및 변형률 측정부(130)에서 측정된 변형률 및 전하량 측정부(141)에서 측정된 압전 박막의 전하량으로부터 횡방향 압전상수를 산출한다.The piezoelectric constant calculating unit 151 calculates the lateral piezoelectric constant from the charge amount of the piezoelectric thin film measured by the strain and charge amount measuring unit 141 measured by the displacement and strain measuring unit 130.

화면제공부(152)는 상기 측정된 변형률 및 전하량을 포함하는, 인장변형에 따른 각종 데이터를 화면에 제공한다. 제공되는 화면의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다.The screen providing unit 152 provides the screen with various data according to the tensile strain, including the measured strain and charge amount. One embodiment of the provided screen is shown in FIG. 4.

측정데이터 데이터베이스(153)는 인장변형에 따른 각종 데이터를 저장함으로써, 횡방향 압전상수를 산출하거나 인장변형에 따른 각종 데이터를 화면에 제공하는데 이용된다.The measurement data database 153 stores various data according to the tensile strain, and is used to calculate the transverse piezoelectric constant or provide various data according to the tensile strain on the screen.

도 3은 압전 박막 시편의 구성을 보여주는 평면도(310)와 정면도(320)이다.3 is a plan view 310 and a front view 320 showing the configuration of the piezoelectric thin film specimen.

압전 박막 시편(20)은, 기판(21)과 압전 박막(22), 상부 전극(23) 및 하부 전극(24)으로 이루어진다. 특별히, 압전 박막(22)은 기판(21) 위의 표점 거리에 증착된다. 본 도면은, 인장 하중이 가해질 때 기판(21)이 변형된 모습을 도시하고 있으며, 이는 평면도(310)에 잘 나타나 있다. 압전 박막(22)은 기판에 구속되어 함께 변형하게 된다.The piezoelectric thin film specimen 20 includes a substrate 21, a piezoelectric thin film 22, an upper electrode 23, and a lower electrode 24. In particular, the piezoelectric thin film 22 is deposited at the gauge distance on the substrate 21. This figure shows how the substrate 21 deforms when a tensile load is applied, which is well illustrated in plan view 310. The piezoelectric thin film 22 is constrained to the substrate and deformed together.

도 4는 시편(20)에 인장을 가할 경우에 시편(20)의 일부(401)에 대하여 그 변형률 분포를 유한요소법을 이용하여 나타낸 도면(402)으로서, 유한요소법을 이용하여 작용된 인장하중에 의해 구속된 시편을 구성하는 각각의 요소 내의 응력과 각 절점에서의 변위를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram 402 showing a strain distribution of a portion 401 of the specimen 20 by using the finite element method when the specimen 20 is tensioned. It is a figure which shows the stress in each element and the displacement in each node which comprise the test piece restrained by.

본 도면은 응력 집중 계수(stress concentration factor)가 1.1 이하가 되도록 설계된 경우이며, 시편 표점 거리 내에서 변형률(strain)이 일정하게 분포됨을 확인할 수 있다(403). 압전 박막(22)의 기판으로 가장 빈번히 사용되는 기판(21)은 실리콘(Si) 재료로, 취성(brittle)적인 특성을 지니므로 시편 장착에 핀 홀(pin hole)등을 사용할 경우 응력 집중이 발생하여 홀 주변에서 파괴가 생길 수 있다. 따라서 접착제(adhesive)를 이용하여 시편을 접착하는 방법을 채택하는 것이 바람직하다. 접착제를 통하여 시편(20)은 인장 구동부(120)에 연결된 구동 그립(162)과 고정단(10)에 고정된 고정 그립(161)에 장착된다.This figure is a case where the stress concentration factor is designed to be 1.1 or less, and it can be seen that the strain is uniformly distributed within the specimen gauge distance (403). The substrate 21 most frequently used as the substrate of the piezoelectric thin film 22 is a silicon (Si) material and has a brittle characteristic, so stress concentration occurs when a pin hole is used to mount the specimen. This can cause destruction around the hall. Therefore, it is desirable to adopt a method of adhering the specimen using an adhesive. Through the adhesive, the specimen 20 is mounted to the driving grip 162 connected to the tension driving unit 120 and the fixed grip 161 fixed to the fixed end 10.

인장하중에 의한 시편(20)의 변위는, 레이저 변위 센서(laser displacement sensor)에 의한 변위 측정부(131)를 이용하여 측정할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저는 구동 그립에 연결된 판(40)을 향하게 되며 반사된 신호(50)를 통하여 센서(131)와 판(40) 사이의 간격 변화를 실시간으로 측정하게 된다. 그리고 시편(20)에서 관심을 갖는 표점거리 내에서의 변형률은 듀얼 마이크로스코프(dual microscope)를 통한 이미지 패턴 매칭(pattern matching)을 통하여 측정된다. 시편의 양 끝단이 고정 그립과 구동 그립에 접착되므로 두 개의 마이크로스코프가 비추는 영역의 이동거리에 차이가 발생하므로 변형률은 두 점의 변위차를 이용하여 수학식 1을 통해서 계산된다.The displacement of the specimen 20 due to the tensile load can be measured using the displacement measuring unit 131 by a laser displacement sensor. As shown in FIG. 2, the laser is directed toward the plate 40 connected to the driving grip, and measures the change in distance between the sensor 131 and the plate 40 in real time through the reflected signal 50. In addition, the strain within the gauge distance of interest in the specimen 20 is measured through image pattern matching through a dual microscope. Since both ends of the specimen are adhered to the fixed grip and the driving grip, the difference in the moving distance of the area reflected by the two microscopes causes the strain to be calculated through Equation 1 using the displacement difference between the two points.

Figure 112009039890440-pat00001
Figure 112009039890440-pat00001

미소구조물 변형률 측정방법에 대하여는 이하 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.The microstructure strain measurement method will be described in detail with reference to FIG. 5.

도 5는 미소구조물 변형률 측정방법의 일 실시예를 나타내는 도면이다.5 is a view showing an embodiment of a microstructure strain measurement method.

측정 대상물인 시편(20)에서 서로 이격된 두 지점(501,502)의 영상을 획득할 수 있도록 독립된 두 개의 대물렌즈(511,512)를 포함하고 있다. 대물렌즈(511,512)에서 얻어진 상은 각각 줌렌즈(521,522)를 통해 배율이 조정되어 카메라(531,532)에서 영상을 획득하고, 획득된 영상에서 패턴을 인식하며, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 것에 의해 변형률 측정이 가능하게 된다.Two independent objective lenses 511 and 512 are included to acquire images of two points 501 and 502 spaced apart from each other on the specimen 20 as a measurement target. The images obtained by the objective lenses 511 and 512 are adjusted by the zoom lenses 521 and 522, respectively, to acquire images from the cameras 531 and 532, to recognize patterns in the acquired images, and to track the recognized patterns to detect displacements at each position. Strain measurement is enabled by calculating.

도 6은 시편(20)의 압전 박막(22)에서 발생하는 전하량을 측정하는 방법을 나타내는 평면도(610)와 정면도(620)이다.6 is a plan view 610 and a front view 620 illustrating a method of measuring the amount of charge generated in the piezoelectric thin film 22 of the specimen 20.

도 6에 도시된 대로, 전하를 측정하기 위하여 마이크로 프로브(micro probe), 즉 전하측정 탐침(615)이 사용되며 각각 상부 전극(23) 및 하부 전극(24)에 연결되어 압전 박막(22)에서 발생되는 전하를 측정하게 된다. 또한 전극(23,24)에서 측정된 전하량은 전하량 증폭부(charge amplifier)(142)를 통하여 증폭된 후에 압전상수 산출부(151)로 보내지며, 또한 이러한 데이터는, 인장변형에 따른 데 이터를 화면에 제공하는 화면 제공부(152)에 보내져, 화면을 통해 사용자에게 시각적으로 디스플레이될 수 있다. 도 4에서 그 실시예가 도시되어 있다. 압전상수 산출부(151)는 변형률과 전하 값을 이용하여 압전 박막의 횡방향 압전상수(e31)을 계산하게 된다. 횡방향 압전상수를 측정하기 위해 사용되는 압전 방정식은 다음에서 자세히 설명된다.As shown in FIG. 6, a micro probe, that is, a charge measurement probe 615, is used to measure the charge and is connected to the upper electrode 23 and the lower electrode 24, respectively, in the piezoelectric thin film 22. The charge generated is measured. In addition, the amount of charge measured at the electrodes 23 and 24 is amplified by the charge amplifier 142 and then sent to the piezoelectric constant calculation unit 151, and this data is used to obtain data according to tensile strain. It is sent to the screen providing unit 152 for providing a screen, it can be visually displayed to the user through the screen. In Figure 4 its embodiment is shown. The piezoelectric constant calculator 151 calculates the lateral piezoelectric constant e 31 of the piezoelectric thin film using the strain and the charge value. The piezoelectric equations used to measure the transverse piezoelectric constants are described in detail below.

종 방향으로 분극(poled)된 압전 재료에 대해서 압전 세라믹의 압전 방정식은,For piezoelectric materials polarized in the longitudinal direction, the piezoelectric equation of piezoelectric ceramic is

Figure 112009039890440-pat00002
Figure 112009039890440-pat00002

Figure 112009039890440-pat00003
Figure 112009039890440-pat00003

Figure 112009039890440-pat00004
Figure 112009039890440-pat00004

Figure 112009039890440-pat00005
Figure 112009039890440-pat00005

과 같이 표현된다. 여기서 S i 는 기계적인 변형률을 나타내며 T j 는 응력을 나타낸다. 또한 E k 는 전기적 필드(dielectric field)를, D m 은 유전 변위(dielectric displacement)를 나타낸다. s ij 는 기계적 컴플라이언스 행렬을 나타내며 d jk 는 압전상수 행렬을,

Figure 112009039890440-pat00006
는 유전상수 행렬을 나타낸다.It is expressed as Where S i represents mechanical strain and T j represents stress. In addition, E k represents the electric field ( D m ), D m represents the dielectric displacement (dielectric displacement). s ij denotes the mechanical compliance matrix, d jk denotes the piezoelectric constant matrix,
Figure 112009039890440-pat00006
Denotes the dielectric constant matrix.

본 발명에서와 같은 구조로 시편에 인장 하중을 가할 경우, 시편의 표점 거리 내에서 종방향에 대한 응력은 무시할 수 있으므로(traction-free),When the tensile load is applied to the specimen in the same structure as in the present invention, the stress in the longitudinal direction within the gauge distance of the specimen can be ignored (traction-free),

Figure 112009039890440-pat00007
Figure 112009039890440-pat00007

으로 생각할 수 있으며 전극사이에서 발생한 전하를 버츄얼 그라운드 방법(virtual ground method)를 통하여 측정할 경우 전기적 필드It can be thought of as an electrical field, and the electrical field is measured when the charge generated between the electrodes is measured by the virtual ground method.

Figure 112009039890440-pat00008
Figure 112009039890440-pat00008

으로 가정할 수 있으며 수학식 6과 수학식 7을 적용할 경우 압전 방정식을 간단하게 정리할 수 있다. 수학식 2와 수학식 3을 합할 경우It can be assumed that the piezoelectric equation can be summarized simply by applying the equations (6) and (7). When Equation 2 and Equation 3 are added together

Figure 112009039890440-pat00009
Figure 112009039890440-pat00009

으로 표현할 수 있으며 Can be expressed as

Figure 112009039890440-pat00010
Figure 112009039890440-pat00010

을 활용하여 수학식 9를 수학식 5에 대입하면By substituting Equation 9 into Equation 5 using

Figure 112009039890440-pat00011
Figure 112009039890440-pat00011

으로 나타낼 수 있다.

Figure 112009039890440-pat00012
는 실리콘의 프와송비이다. 압전 박막은 실리콘 기판에 접착되어 기판의 변형을 따르므로, 프와송비로서 실리콘의 프와송비를 사용한다.It can be represented as
Figure 112009039890440-pat00012
Is the Poisson's ratio of silicon. Since the piezoelectric thin film adheres to the silicon substrate and follows the deformation of the substrate, the Poisson's ratio of silicon is used as the Poisson's ratio.

따라서 압전 박막의 횡방향 압전상수 e31 은 다음과 같이 계산할 수 있다.Therefore, the lateral piezoelectric constant of the piezoelectric thin film e 31 Can be calculated as

Figure 112009039890440-pat00013
Figure 112009039890440-pat00013

위에서 종 방향 유전 변위 D 3 는 발생한 전하 Q 를 전하가 집적된 전극의 면적 A 로 나누어서 나타낸다. 따라서 압전 박막 시편의 인장 실험 중에 발생하는 전하 Q 와 시편 표점 거리 내에서의 변형률 S 1 을 측정하면 횡방향 압전상수를 구할 수 있다.From above, the longitudinal dielectric displacement D 3 represents the generated charge Q divided by the area A of the electrode where the charge is integrated. Therefore, the transverse piezoelectric constant can be obtained by measuring the charge Q generated during the tensile test of the piezoelectric thin film specimen and the strain S 1 within the specimen gauge distance.

도 1은 본 발명의 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치의 기능상의 블록도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a functional block diagram of a lateral piezoelectric property measuring apparatus of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge of the present invention.

도 2는 본 발명의 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치의 구조를 나타내는 도면.2 is a view showing the structure of a lateral piezoelectric property measuring apparatus of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge of the present invention.

도 3은 압전 박막 시편의 구성을 보여주는 평면도와 정면도.3 is a plan view and a front view showing the configuration of the piezoelectric thin film specimen.

도 4는 시편에 인장을 가할 경우에 시편의 변형률 분포를 유한요소법을 이용하여 나타낸 도면.4 is a diagram showing a strain distribution of a specimen when the specimen is subjected to tension by using the finite element method.

도 5는 미소구조물 변형률 측정방법의 일 실시예를 나타내는 도면.5 is a view showing an embodiment of a microstructure strain measurement method.

도 6은 압전 박막에서 발생하는 전하를 측정하는 방법을 나타내는 평면도와 정면도.6 is a plan view and a front view showing a method of measuring the charge generated in the piezoelectric thin film.

Claims (15)

압전 박막의 횡방향 변형시 발생하는 전하량을 측정하여 이로부터 압전 박막의 횡방향 압전 물성을 측정하는 장치로서,A device for measuring the amount of charge generated during transverse deformation of a piezoelectric thin film and measuring the transverse piezoelectric properties of the piezoelectric thin film therefrom, 압전 박막이 전극을 매개로 하여 부착된 시편에 인장하중을 가하기 위하여, 상기 시편의 한쪽에 장착되고 고정된 고정 그립과 상기 시편의 다른 한쪽에 장착되어 상기 인장 구동부에 의해 가해지는 인장 하중에 따라 변위를 일으키는 구동 그립을 구비하는 인장 구동부;In order to apply a tensile load to the specimen to which the piezoelectric thin film is attached via an electrode, a fixed grip mounted and fixed on one side of the specimen and a displacement load mounted on the other side of the specimen and applied by the tension driving unit are applied. A tension drive having a drive grip for causing a; 레이저 변위 센서를 이용하여 측정하고 상기 구동 구립의 변위에 기초하여 상기 시편의 인장변형에 의한 변위를 측정하는 변위 측정부;A displacement measuring unit measuring by using a laser displacement sensor and measuring a displacement due to tensile deformation of the test piece based on the displacement of the driving cylinder; 인장 구동부와 연결되어 상기 시편에 걸리는 인장하중을 측정하는 인장하중 측정부;A tensile load measuring unit connected to the tensile driving unit to measure a tensile load applied to the specimen; 두 개의 마이크로스코프(dual microscope)를 통한 이미지 패턴 매칭(pattern matching) 방식에 의해 시편의 변형률을 측정하는 변형률 측정부;A strain measuring unit measuring a strain of the specimen by an image pattern matching method using two microscopes; 상기 압전박막의 상?하부 전극에서 발생하는 전하량을 측정하는 전하량 측정부; 및A charge amount measuring unit measuring a charge amount generated at upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film; And 상기 변형률 측정부에 의해 측정된 변형률 및 상기 전하량 측정부에 의해 측정된 전하량으로부터 아래 식에 따라 횡방향 압전상수를 산출하는 압전상수 산출부A piezoelectric constant calculating unit for calculating a lateral piezoelectric constant from the strain measured by the strain measuring unit and the charge amount measured by the charge amount measuring unit according to the following equation.
Figure 112012015800540-pat00022
Figure 112012015800540-pat00022
 여기서,
Figure 112012015800540-pat00023
는 횡방향 압전상수, Q는 전하, A는 상기 전극의 면적, S1은 상기 변형률 측정부에 의해 측정된 변형률,
Figure 112012015800540-pat00024
는 시편의 프와송비here,
Figure 112012015800540-pat00023
Is the lateral piezoelectric constant, Q is the charge, A is the area of the electrode, S 1 is the strain measured by the strain measuring unit,
Figure 112012015800540-pat00024
The Poisson's Ratio of the Psalms 를 포함하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치.Transverse piezoelectric property measurement apparatus of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge comprising a. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 시편은,The specimen is 실리콘 재질로 이루어지며, 접착제(adhesive)를 이용하여 상기 구동 그립 및 고정 그립에 장착되는 것Made of silicone and mounted to the drive grip and the fixed grip using an adhesive 을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치.Transverse piezoelectric physical property measuring apparatus of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 변형률 측정부는,The strain measuring unit, 두 개의 마이크로스코프(dual microscope)를 통한 이미지 패턴 매칭(pattern matching) 방식에 의해 변형률을 측정하는 것Measuring strain by means of image pattern matching through two dual microscopes 을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치.Transverse piezoelectric physical property measuring apparatus of a piezoelectric thin film by measuring the amount of charge. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 전하량 측정부에서 측정된 전하량을 증폭하여 상기 압전상수 산출부로 제공하는 전하량 증폭부Charge amount amplifier for amplifying the amount of charge measured by the charge amount measuring unit to provide the piezoelectric constant calculation unit 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 장치.Horizontal piezoelectric properties measuring apparatus of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, characterized in that it further comprises. 청구항 1에 따른 횡방향 압전 물성 측정 장치를 이용하여 압전 박막의 횡방향 압전 물성을 측정하는 방법으로서,A method of measuring the transverse piezoelectric properties of a piezoelectric thin film using the transverse piezoelectric property measuring device according to claim 1, (a) 압전 박막을 포함하는 시편이 장착된 그립에 인장하중을 가하는 단계;(a) applying a tensile load to a grip equipped with a specimen comprising a piezoelectric thin film; (b) 상기 인장하중에 따른 시편의 변형률을 측정하는 단계;(b) measuring the strain of the specimen according to the tensile load; (c) 상기 인장변형에 따라 상기 압전박막에서 발생하는 전하량을 측정하는 단계; 및(c) measuring the amount of charge generated in the piezoelectric thin film according to the tensile strain; And (d) 상기 측정된 데이터들로부터 아래 식에 따라 횡방향 압전상수(
Figure 112012015800540-pat00025
)를 산출하는 단계 (d) From the measured data, the transverse piezoelectric constant (
Figure 112012015800540-pat00025
Calculating
Figure 112012015800540-pat00026
Figure 112012015800540-pat00026
 여기서, Q는 전하, A는 상기 전극의 면적, S1은 상기 변형률 측정부에 의해 측정된 변형률,
Figure 112012015800540-pat00027
는 시편의 프와송비Here, Q is charge, A is the area of the electrode, S 1 is the strain measured by the strain measuring unit,
Figure 112012015800540-pat00027
The Poisson's Ratio of the Psalms 를 포함하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.Transverse piezoelectric physical property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge comprising a. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 시편에 포함되는 압전 박막은, 시편 기판에서 인장변형에 따른 변형률(strain)이 일정한 영역에 부착되는 것The piezoelectric thin film included in the specimen is attached to a region of a constant strain due to tensile strain on the specimen substrate 을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.The lateral piezoelectric property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 단계(a) 이후,After step (a), (a1) 상기 시편의 한쪽은 고정된 그립에 장착된 상태로, 상기 시편의 다른 한쪽에 장착된 구동 그립의 인장변형에 의한 변위를 측정하는 단계(a1) measuring a displacement due to tensile deformation of a driving grip mounted on the other side of the specimen, with one side of the specimen mounted on a fixed grip; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.Transverse piezoelectric physical property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, characterized in that it further comprises. 청구항 11에 있어서,The method of claim 11, 상기 단계(a1)의 변위 측정은,The displacement measurement of the step (a1), 레이저를 구동 그립에 연결된 판에 조사(irradiate)한 후 반사된 신호를 통하여 상기 판과 레이저 변위 센서 사이의 간격 변화를 측정함에 의해 행해지는 것By irradiating a laser to a plate connected to a drive grip and then measuring the change in the distance between the plate and the laser displacement sensor through the reflected signal 을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.The lateral piezoelectric property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 시편은,The specimen is 고정된 고정 그립 및 인장변형에 의한 변위를 일으키는 구동 그립에, 접착제(adhesive)를 이용하여 장착되는 것Mounted with an adhesive on a fixed fixed grip and a drive grip causing displacement due to tensile deformation 을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.The lateral piezoelectric property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 단계(b)는,Step (b) is, (b11) 두 개의 대물렌즈에 의해 측정대상 물상의 두 지점에 대한 상을 얻는 단계;(b11) obtaining images of two points of the object to be measured by two objective lenses; (b12) 상기 단계(b11)에서 얻은 상을 각각에 대한 줌렌즈에 통과시켜 카메라로 촬영하여 영상을 획득하는 단계; 및(b12) acquiring an image by passing the image obtained in the step (b11) through a zoom lens for each of the cameras; And (b13) 상기 단계(b12)에서 획득한 영상에서 패턴을 인식하고, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 단계(b13) calculating a displacement at each position by recognizing a pattern in the image acquired in step (b12) and tracking the recognized pattern; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.Transverse piezoelectric property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, characterized in that it comprises a. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 단계(c)와 단계(d) 사이에,Between step (c) and step (d), (c1) 상기 단계(c)에서 측정된 전하량을 증폭하는 단계(c1) amplifying the amount of charge measured in step (c) 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전하량 측정에 의한 압전 박막의 횡방향 압전 물성 측정 방법.Transverse piezoelectric physical property measurement method of the piezoelectric thin film by measuring the amount of charge, characterized in that it further comprises.
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