一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法技术

本发明专利技术涉及一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，属于压电系数测量技术领域，该方法包括过程：制作包含有若干个层合悬臂梁的试件，其中每个层合悬臂梁上依次设置基底层、底部电极层、压电薄膜层以及顶部电极层；通过底部电极层和顶部电极层给压电薄膜层施加电压，同时通过数字全息系统采集每个层合悬臂梁的变形图像，获取每个悬臂梁的最大挠度；根据层合悬臂梁上基底层结构尺寸和材料参数、施加的电压值以及获得的最大挠度得到每个层合悬臂梁上压电薄膜的压电系数。该方法能够一次能够同时测得多个至上百余个压电薄膜压电系数，实现了薄膜材料压电系数的高通量测量，为压电薄膜高通量制备提供了快速有效的压电性能表征手段。手段。手段。

【技术实现步骤摘要】
一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法


[0001]本专利技术属于压电系数测量
，具体是涉及一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法。

技术介绍

[0002]压电薄膜是实现机电能转换和耦合的一类极其重要的功能结构，压电薄膜的机电耦合性能对微机械机电能转换效率有重要影响。压电系数是表征压电薄膜机电耦合性能的重要参数，依赖于薄膜材料组分和薄膜厚度，高效准确地测量压电薄膜的压电系数对快速制备高性能的压电薄膜十分重要。
[0003]目前，压电薄膜压电系数测量方法主要有基于正压电效应方法和基于逆压电效应方法，其中前者是通过对试样施加交变的机械载荷，测量压电薄膜产生电荷信息获得压电系数，包括薄膜局部垂直加载、鼓泡气压加载和悬臂梁振动加载等；后者是通过对压电薄膜施加交变的电载荷，测量试件的振动位移获得压电系数，包括激光多普勒测量法和激光干涉测量法。除这两类只能测量单个样品的方法外，还有压电力显微镜法和微波显微镜法。
[0004]专利技术人发现目前这两种方法都是利用探针扫描阵列试件，逐个测量压电薄膜样品，获得批量样品的压电系数，实现高通量测量。但是，这两种方法对试件阵列样品的位置精度要求高，且如果测量百余个试件的话测量周期长。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的测量周期长问题，本专利技术提供了一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法。该方法能够一次同时测得多个乃至百余个压电薄膜的压电系数，实现薄膜材料压电系数的高通量测量，为压电薄膜高通量制备提供了快速有效的压电性能表征手段。
[0006]本专利技术实施例提供了一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，该方法包括如下过程：
[0007]制作包含有若干个层合悬臂梁的试件，其中每个层合悬臂梁上依次设置基底层、底部电极层、压电薄膜层以及顶部电极层；
[0008]给底部电极层和顶部电极层施加电压，同时通过数字全息系统采集每个层合悬臂梁的变形图像，获取每个层合悬臂梁的最大挠度；
[0009]根据层合悬臂梁上基底层结构尺寸和材料参数、施加的电压值以及获得的最大挠度得到每个层合悬臂梁上压电薄膜的压电系数。
[0010]优选地，在所述试件上设置公共底部电极和公共顶部电极，其中公共底部电极与每个层合悬臂梁的底部电极层相连接，公共顶部电极与每个层合悬臂梁的顶部电极层相连接，将公共底部电极和公共顶部电极连接同一电源。
[0011]优选地，给试件上的所有底部电极层和顶部电极层同时施加电压，使每个层合悬臂梁上压电薄膜层都处于e
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工作模式。
[0012]优选地，所述数字全息系统包括图像分析仪、激光源、分束镜以及反射镜，将激光源发出的激光通过分束镜分成目标光束和参考光束，其中目标光束照在所述试件上并反射至图像分析仪，参考光束经反射镜反射至图像分析仪，所述图像分析仪通过接收反射回来的目标光束和参考光束得到每个层合悬臂梁的最大挠度变形。
[0013]优选地，所述基底层选用硅材料，底部电极层和顶部电极层选用铂或者银，所述压电薄膜层的材料组分或厚度成梯度变化。
[0014]优选地，在制作所述试件的过程中，确保基底层厚度和压电薄膜层厚度之比大于100。
[0015]优选地，获取压电薄膜的压电系数模型，将悬臂梁基底层结构尺寸和材料参数、施加的电压值以及获得的最大挠度输入到所述模型中获得压电薄膜的压电系数。
[0016]本专利技术的有益效果如下：
[0017]本专利技术提出的压电系数测量方法能够通过数字全息系统一次采集多个乃至百余个层合悬臂梁在压电薄膜顶部和底部电极层通电情况下的最大变形挠度，然后将基底层结构尺寸和材料参数、施加的电压值以及获得的层合悬臂梁最大挠度代入压电系数原理模型，从而获得这些压电薄膜的压电系数，实现薄膜材料压电系数的高通量测量，为压电薄膜高通量制备提供了快速有效的压电性能表征手段。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例提供的一种压电薄膜压电系数的测量装置结构示意图；
[0019]图2是本专利技术实施例提供的悬臂梁阵列试件的结构示意图；
[0020]图3是本专利技术实施例提供的试件局部悬臂梁结构示意图；
[0021]图4是本专利技术实施例提供的原理模型预测结果图。
[0022]图中：1、顶部电极层，2、压电薄膜层，3、底部电极层，4、基底层，5、公共底电极，6、公共顶电极，7、悬臂梁阵列试件，8、CCD相机，9、激光源，10、分束镜，11、绝缘块，12、反射镜，13、气浮隔震台，14、直流电源，15、计算机。
具体实施方式
[0023]如图1所示，本专利技术实施例提供了一种压电薄膜压电系数的测量装置，该装置主要包括测试台以及放置在所述测试台上的悬臂梁阵列试件7和数字全息系统，所述悬臂梁阵列试件7上设有若干个水平设置的层合悬臂梁，且每个层合悬臂梁的顶部由上到下分别为顶部电极层1、压电薄膜层2、底部电极层3以及基底层4，其中顶部电极层1和底部电极层3之间分别连接电源正负极，所述数字全息系统利用悬臂梁阵列试件7反射的目标光束与参考光束的干涉获取试件全息图像，并对获得的全息图像进行数据分析，得到每个层合悬臂梁的挠度变形。
[0024]具体地，参见图2和图3所示，本实施例中悬臂梁阵列试件7上的层合悬臂梁的个数可以是数个至百余个，这些层合悬臂梁构成自下而上依次为基底层4、底部电极层3、压电薄膜层2以及顶部电极层1。
[0025]本实施例中公共顶部电极和公共底部电极之间连接直流电源，通过公共顶部电极和公共底部电极给所述压电薄膜层施加电压，使所述压电薄膜层在通电之后会处于e
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工作
模式，进而所述层合悬臂梁处于弯曲变形模式，具体的是当层合悬臂梁上压电薄膜层2受电压产生轴向伸长时，悬臂梁产生弯曲变形。
[0026]优选地，本实施例中的悬臂梁阵列试件7的底部通过绝缘块11固定在工作台上。
[0027]参见图1所示，本实施例中的图像采集系统为数字全息测量系统，该数字全息测量系统主要包括CCD相机8、激光源9、分束镜10以及反光镜12，其中所述CCD相机8放置在所述悬臂梁阵列试件7的正上方，所述激光源9、分束镜10以及反光镜12设置在悬臂梁阵列试件7与CCD相机8之间。
[0028]其中激光源9、分束镜10以及反光镜12同轴放置，分束镜10放置在激光源9与反光镜12之间，且分束镜10设置在悬臂梁阵列试件7的顶部，这样激光源9发出的光束经过分束镜10会分成目标光束和参考光束，其中目标光束可以直接照在所述悬臂梁阵列试件7上，通过悬臂梁阵列试件7反射至CCD相机8内；参考光束可以通过反光镜12发射到CCD相机8内，这样通过CCD相机8可以将目标光束和参考光束对比分析得到全部压电薄膜层2的变形。
[0029]为了对本实施例中基底4上所有的顶部电极层1和底部电极层3同时施加电压，参见图2所示，本实施例中可以在悬臂梁阵列试件7上设置一个公共顶电极6和一个公共底电极5，所述公共顶电极6与每个层合悬臂梁上的顶部电极层1相连接，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，其特征在于，该方法包括如下过程：制作包含有若干个层合悬臂梁的试件，其中每个层合悬臂梁上依次设置基底层、底部电极层、压电薄膜层以及顶部电极层；通过底部电极层和顶部电极层给压电薄膜层施加电压，同时通过数字全息系统采集每个层合悬臂梁的变形图像，获取每个层合悬臂梁的最大挠度；根据层合悬臂梁上基底层结构尺寸和材料参数、施加的电压值以及获得的最大挠度得到每个层合悬臂梁上压电薄膜的压电系数。2.如权利要求1所述的一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，其特征在于，在所述试件上设置公共底部电极和公共顶部电极，其中公共底部电极与每个悬臂梁的底部电极层相连接，公共顶部电极与每个顶部电极层相连接，将公共底部电极和公共顶部电极连接同一电源。3.如权利要求2所述的一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，其特征在于，给试件上的所有底部电极层和顶部电极层同时施加电压，使每个层合悬臂梁上压电薄膜层处于e
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工作模式。4.如权利要求1所述的一种压电薄膜压电系数的高通量测量方法，其特征在于，所述数字全息系统包括图像分析仪、激光源、分束镜以及反射镜，将激光源发出的激光通过分束镜分成目标光束和参考光束，其中目标光束照在所述试件上形成扫描光并返...

【专利技术属性】
技术研发人员：周慎杰，吴康辉，张振杰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：