[发明专利]压电薄膜厚度机电耦合系数的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电薄膜性能测试技术领域，尤其涉及一种压电薄膜厚度机电耦合系数的检测方法。

背景技术

压电薄膜的机电耦合系数(或压电常数)是影响基于压电薄膜的传感器、执行器、谐振器等器件性能的重要参数，它与薄膜的制备工艺密切相关。由于薄膜材料总是依托在某种基底上生长，传统较为成熟的机电耦合系数测量技术只适用于块体材料，不适合薄膜材料。

近二十年来，国内外一些研究组采用了不同的方法进行了机电耦合系数(或压电常数)测试，主要利用压电材料的正压电效应或逆压电效应，基于正压电效应的测量方法是在薄膜的上下表面分别引出电极，对薄膜施加某一机械负载使其产生纵向(垂直于薄膜表面)或横向(平行于薄膜表面)的应力后，通过测量其输出的电荷信号或电压信号表征压电薄膜的压电性能。根据机械加载方式的不同，分为法向载荷法、周期性压力法、气压加载法等。基于逆压电效应的测量方法是在薄膜的上下电极间施加电压，测量薄膜的应变。由于压电薄膜产生的变形量非常小，一般在10^-10-10^-12m，因此对测量仪器分辨率的要求很高，一般采用激光干涉法或原子力显微镜法测量微小位移。总体上看，薄膜材料的压电常数测量技术还不成熟，尚未标准化。

将压电薄膜及其上下电极直接制作在基底上，形成高次谐波体声波谐振器，通过测量其阻抗特性来表征压电薄膜的厚度机电耦合系数的方法只需测试电学量，主要包括拟合法和直接法两种。拟合法将测量所得的机电耦合系数分布曲线与理论曲线进行拟合，计算量大；直接法选取谐振器机电耦合系数分布最大处的测试结果来计算压电薄膜的厚度机电耦合系数，计算量小。目前的方法通常采用估算的方法计算耦合系数分布最大处频率，并对此频率下谐振器的机电耦合系数进行测试，从而得到压电薄膜的厚度机电耦合系数，但是估算耦合系数分布最大处频率时通常没有考虑压电薄膜电极的影响，或只考虑压电薄膜与电极厚度比很大的情况(此时通常压电薄膜的厚度不能小于1微米)，使得测量所得值通常不为实际的谐振器机电耦合系数分布最大处，造成了最终厚度机电耦合系数表征得不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电薄膜厚度机电耦合系数的检测方法，通过选取谐振器机电耦合系数分布最大处的测试结果，并利用四层厚度伸缩模式复合谐振器模型计算压电薄膜的厚度机电耦合系数，计算量小，表征结果可靠。

为实现上述目的，本发明提供了一种压电薄膜厚度机电耦合系数的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

测试高次谐波体声波谐振器的电学阻抗特性，得到电学阻抗值；

利用所述电学阻抗值和频率，生成电学阻抗曲线|Z|-f；

根据所述电学阻抗曲线生成机电耦合系数分布数据，所述分布数据中包括高次谐波体声波谐振器机电耦合系数和与所述机电耦合系数相对应的频率；

获取所述机电耦合系数中的第一个机电耦合系数最大值，及所述第一个机电耦合系数最大值对应的第一频率；

采用伸缩模式复合谐振器模型，计算与所述第一频率最接近的谐振的串联谐振频率和并联谐振频率；

根据所述串联谐振频率和并联谐振频率，计算所述谐振的第一机电耦合系数；

根据所述谐振的第一机电耦合系数和所述第一个机电耦合系数最大值，得到压电薄膜的厚度机电耦合系数值。

进一步地，测试所述高次谐波体声波谐振器的电学阻抗特性之前，还包括：将压电薄膜及所述压电薄膜上下电极制作在基底上，生成所述高次谐波体声波谐振器。

所述根据所述电学阻抗曲线生成机电耦合系数分布数据具体为：利用所述电学阻抗曲线选取的频率范围内所有谐振的串联谐振频率和并联谐振频率，计算所述谐振的机电耦合系数，得到机电耦合系数分布数据。

所述伸缩模式复合谐振器模型具体包括：上电极、压电薄膜、下电极和基底四层结构。

所述计算与所述第一频率最接近的谐振的串联谐振频率和并联谐振频率，具体为：

其中，Z为谐振器的阻抗；Z₁、Z₂为压电薄膜上下面的输入声阻抗；

Z₁＝jZ_Ttanθ_T；