压电薄膜特性参数的测量方法

随着电子元器件向微型、高灵敏、集成等方向发展,薄膜材料及器件在微机电(MEMS)系统中得到广泛应用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有很大的不同.介绍了当前测量压电薄膜特性参数的两大类方法:直接测量法(包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉法和激光多普勒振动法)和间接测量法(传统阻抗分析法),详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况及存在的问题,比较了这些方法的优缺点,并对未来压电薄膜特性参数的测试表征作了展望.     

压电陶瓷复材料参数测试方法的研究

要精确地描述压电材料的性能,必须把压电材料的参数作为复数考虑。本文作者研究了目前国内外主要的几种复参数测量方法。间接计算方法有Ｓｍｉｔｓ迭代法、Ｓｈｅｒｉｔ法以及压电谐振分析法等;直接测量法有利用正压电效应的准静态法及利用逆压电效应的激光干涉法。并给出了不同方法的原理、特点及仿真结果。     

薄膜应力测量方法研究

总结了薄膜应力的一些测量方法。将经常使用的方法归纳为激光宏观变形分析法和X射线分析法。介绍了利用测量基片弯曲曲率的激光宏观变形分析法(包括激光干涉法和激光束偏转法)和品格变形的X射线衍射法等测量薄膜应力的理论依据及其测量原理,计算了各种测量方法的测量精度,X射线分析法的精度最高,其次是激光干涉法,而激光束偏转法的精度最低,分析了激光分析法和X射线分析法的优缺点。     

基于激光悬臂梁的纳米薄膜生长厚度原位检测方法

针对现有材料表面镀膜装置缺乏表面质量监控和反馈系统,研制出一套基于激光微悬臂梁的纳米薄膜生长厚度检测系统。该平台由微悬臂梁、激光发射单元、压电陶瓷单元、光电探测器单元、伺服电机和人机界面组成。将检测结果反馈给镀膜系统,及时调整镀膜工艺参数,实现快速表征、精准镀膜。实验表明:该纳米薄膜生长厚度检测平台能够在镀膜过程中实时监控薄膜厚度,精度可达±3 nm。     

基于激光回馈干涉系统的PZT迟滞特性测量

压电陶瓷迟滞特性对精密控制系统的精度具有重要影响,目前PZT迟滞特性的测量方法精度较低或者测量系统复杂,难以实现高精度测量。总结分析了目前测量压电陶瓷特性的方法,并使用基于激光回馈干涉原理的微片激光回馈干涉测量系统,利用物体表面的散射光对压电陶瓷的迟滞特性进行测量和分析。该方法不需靶镜,对被测对象要求较低,测量便捷,测量精度达到纳米量级,对精密控制系统中压电陶瓷的校准测量具有重要意义。     

薄膜应力激光测量方法分析

总结了薄膜应力的一些测量方法.分析了利用测量基片弯曲曲率的激光宏观变形分析法———激光干涉法、激光束偏转法的理论依据及其测量原理,计算了各种测量方法的测量精度.激光干涉法的精度可达0.92%,可测量的最小应力值为15.7MPa;激光束偏转法较低,为2.12%,可测量的最小应力值为25.5MPa,空间分辨率低,约为100μm.     

基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。     

PVDF压电系数d31受温度影响的试验测定

为获得PVDF薄膜压电系数d31在不同温度时的值,采用了准静态拉伸的直接测量技术.简要介绍了准静态拉伸的测量方法及其试验装置,给出了试验结果.通过试验,精确地测定了PVDF在温度范围为-20～+70℃内压电系数d31的值,同时试验也表明,准静态拉伸测量薄膜压电特性的试验方法简单可靠,测量结果合理.     

压电陶瓷频率响应及振动面幅值激光外差测量

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法,开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法,并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线,同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线,进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明,实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz,与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性,这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。     

声表面波滤波器理论研究进展

为使声表面波(SAW)滤波器技术向更高的频段发展,对SAW滤波器的基础理论进行了分析：展示了压电材料压电效应(逆压电效应)的产生机理,并通过例子对比说明压电材料的晶体结构属性。介绍了重要的物理量机电耦合系数以及SAW传播的物理机理;重点推导了SAW在压电介质中的传播性质,并同非压电介质的传播特性进行了对比。得出SAW在压电介质中是非色散波,存在3个方向的质点位移分量;压电薄膜中SAW是色散波,且压电薄膜使得声表面波速度发生变化。     

激发物激光烧蚀法制备铁电和压电薄膜

本文叙述用激发物激光烧蚀法沉积几种铁电和压电薄膜的制备法和性能，并介绍了这些薄膜在微电子学器件和微波声学器件方面的应用。     

PVDF压电系数d31受温度影响的试验测定

为获得PVDF薄膜压电系数d31在不同温度时的值,采用了准静态拉伸的直接测量技术。简要介绍了准静态拉伸的测量方法及其试验装置,给出了试验结果。通过试验,精确地测定了PVDF在温度范围为-20～+70 ℃内压电系数d31的值,同时试验也表明,准静态拉伸测量薄膜压电特性的试验方法简单可靠,测量结果合理。     

PT种子层对PZT薄膜结晶及压电性能的影响

采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在Pt/Si衬底上制备了PbTiO3 (PT)薄膜和Pb (Zrx,Ti1-x)O3(PZT)薄膜,研究了退火温度以及PT种子层对PZT薄膜结晶及压电性能的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,制备的PZT薄膜为纯钙钛矿结构的多晶薄膜,有PT种子层的PZT薄膜晶粒尺寸更大,(110)面取向度更高,结晶性能更好;原子力显微镜(AFM)结果表明,制备的薄膜表面形貌比较平整、均匀、无裂纹;压电力显微镜(PFM)结果表明,压电力显微镜(PFM)结果表明,有PT种子层时,PZT薄膜的平均压电系数d33为128～237 pm/V,无PT种子层时平均压电系数d33为21～29 pm/V。在升温速率为10 ℃/s的退火条件下保温10 min时,随着退火温度的升高,PZT薄膜晶粒尺寸增大,粗糙度增大,(110)面取向度升高,平均压电系数d33增大。PT种子层能够有效的改善PZT薄膜的结晶性能和压电性能。     

压电陶瓷材料电学性能参数测量研究

从双层压电梁在电场作用下的位移响应与电场的关系式出发，借助于试验数据逆推导出压电陶瓷材料的电学性能参数。位移响应的试验数据采用非接触激光测振仪得到。该文方法相对压电参数测量的静态法、动态线路传输法和动态电容法减少了许多中间测量环节和等效处理手段，且易于具体实施，相对于动态位移法又有更好的精度，为压电陶瓷类材料电学性能参数测量提供了一种全新的测量方法。     

变截面压电悬臂梁系统的建模与实验验证

为对变截面压电悬臂梁系统的性能进行预测、分析和优化,该文对部分覆盖压电材料的悬臂梁数学进行了建模和分析。首先根据系统的动能、悬臂梁和压电片的热力学焓等能量关系的描述,应用拉格朗日方程得到系统的机电运动方程;再采用假设模态法并依据压电悬臂梁的边界条件和相容条件,给出系统的模态振型和自然频率的计算方法。实验结果表明,测量得到的一、二阶模态频率与理论模型计算的误差小于1%,测得的频率响应和理论预测吻合,提高了压电悬臂梁模型预测的精度。     

霍耳位移法测量压电陶瓷的压电系数

提出了一种利用霍耳位移传感器测量压电陶瓷的横向压电系数的新方法。该方法利用压电陶瓷的逆压电效应,对压电陶瓷施加一定大小的电压,使其在垂直电场方向上产生微小形变,利用霍耳位移传感器法测量这一微小位移,得到不同电压驱动下压电陶瓷相应的伸长量,通过计算得出该材料的压电系数。实验表明,该方法简单可靠,精确度高,实验结果符合预期。     

面向负载功率的压电悬臂梁研究

基于电路负载阻抗匹配原理,为最大程度利用压电悬臂梁发电装置收集环境振动能量,保证压电悬臂梁外接负载能够正常工作,需要研究压电悬臂梁结构参数对其最佳输出功率以及相对应外接负载匹配阻值的影响。该文通过压电电路分析,研究了基板和压电陶瓷片的长度、厚度、宽度和质量块质量对压电悬臂梁最佳输出功率以及相对应负载匹配阻值的影响。结果表明,一定范围内,增加基板长度、压电陶瓷片厚度、质量块质量可以增加压电悬臂梁外接负载匹配阻值,增加基板厚度、压电陶瓷片长和宽可降低压电悬臂梁外接负载匹配阻值;随着基板长度、压电陶瓷片宽和长、质量块质量的增加,压电悬臂梁最佳输出功率得到显著提高,基板宽度对压电悬臂梁最佳输出功率基本无影响,增加压电陶瓷片的厚度,压电悬臂梁最佳输出功率先增加后降低,存在一个最佳输出功率。     

表面效应对压电纳米梁弯曲行为的影响

基于Euler-Bernouli模型,分析了表面效应对压电纳米梁弯曲行为的影响。基于表面弹性理论和"核壳"模型,采用表面能模型引入表面效应的影响。通过最小势能原理建立起包含表面效应及压电效应的压电纳米梁弯曲行为的控制方程和边界条件。讨论了表面效应对氧化锌悬臂梁结构的压电纳米梁弯曲变形及其产生的感应电荷的影响。结果表明,表面效应使得压电纳米梁的弯曲变形变小,感应电荷量减少。这些结论对设计、校正和测量压电纳米梁及其为基础的纳米器件具有重要的指导意义。     

PVDF薄膜机电特性试验装置设计

与采用悬臂梁或Hopkinson压杆等来研究聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜性能不同,该文针对PVDF压电薄膜在不同载荷和频率范围内机电响应特性问题,设计了一种可全面研究PVDF压电薄膜机电响应特性的试验装置。该装置由激振器加载部分与应变、加速度、动态力测量部分及试验台架组成,利用此装置可实现动态力的快速加载及加载力、应变及PVDF薄膜响应的同步测量。利用该试验装置对PVDF压电薄膜实施了动态加载试验,获得了较稳定的PVDF响应、应变及加载力的试验曲线,证实了该试验装置的可靠性,为PVDF压电薄膜粘弹性和压电特性的研究提供了一种试验手段。     

弯曲振动压电陶瓷换能器

介绍了一种夹心式弯曲振动压电陶瓷换能器，该换能器由压电陶瓷半圆片、前后金属盖板以及预应力螺栓三部分组成，在结构上类似于夹心式纵向振动换能器。从弯曲振动细棒的运动方程出发，得出了夹心式弯曲振动压电换能器的频率设计方程，在此基础上，进行了弯曲振动换能器设计，结果表明，利用本文得出的公式设计换能器，其共振频串的测试值与设计值基本符合。