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1、第13卷第6期光学精密工程Vol.13No.62005年12月OpticsandPrecisionEngineeringDec.2005文章编号10042924X(2005)0620658206基于激光多普勒技术的PZT薄膜压电性能测试研究许晓慧,鲁健,朱龙洋,褚家如(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027)摘要:应用基于激光多普勒技术的微小形变分析方法,并引入数字锁相技术,成功实现了PZT(Pb(Zr,Ti)O3)铁电薄膜的压电性能测试。对商用压电陶瓷在小信号激励下的压电性能测试表明,数字锁相技术的引入能有效抑制系统噪声,并提高激光多普勒系统的位移检测分辨
2、率,使其达到皮米量级。此外,研究了用溶胶2凝胶技术和溶胶2电雾化技术制备得到的PZT薄膜的电压2位移曲线和压电位移“蝴蝶线”,实验结果表明:在5V直流偏置下测得两种方法制备得到的PZT薄膜的d33压电系数分别为218.7pC/N和215.8pC/N,相应的标准偏差分别为12.7和28.6。关键词:PZT铁电薄膜;激光多普勒技术;数字锁相中图分类号:TN247文献标识码:AMeasurementofpiezoelectricpropertiesofPZTfilmsbylaserDopplertechniqueXUXiao2hui,LUJian,ZHULong2yang,CHUJi
3、a2ru(DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China)Abstract:LaserDopplertechniquewasusedtomeasurethepiezoelectricpropertiesofPZT(Pb(Zr,Ti)O3)thinfilms.ThemeasurementofpiezoelectricpropertiesoncommercialPZTbulkindi2catedtha
4、ttheintroductionoflock2intechnique,whichofferedexcellentnoiserejection,raisedthedis2placementresolutionuptopicometerorder.ThenexperimentswereperformedonPZTfilmsderivedbysol2gelmethodandElectricalSprayDeposition(ESD)method.Theobtainedresultsshowthatthepiezoelectriccoefficients(d33)ofthetwofil
5、msare218.7pC/Nand215.8pC/Nrespectively,with5Vdcbias,andthecorrespondingstandarddeviationsare12.7and28.6.Keywords:PZTthinfilm;laserDopplertechnique;digitallock2in[122]合。然而,不同场合的应用对PZT薄膜性能1引言有着不同要求,如用于非挥发性动态随机存储器时,要求PZT薄膜具有优异的极化特性和抗疲劳Pb(Zr,Ti)O3(PZT)作为一种性能优异的铁特性,而用于压电悬臂梁制作时,则要求PZT薄电材料,已经被应用于压电
6、悬臂梁、微镜等许多场膜具有优异的压电性能。此外,用不同方法制备收稿日期:2005208209;修订日期:2005209201.基金项目:教育部博士点基金(No.20030358018)和优秀青年教师资助计划项目。第6期许晓慧,等:基于激光多普勒技术的PZT薄膜压电性能测试研究659得到的PZT铁电薄膜的各项性能差别很大,而同一种方法在不同工艺条件下得到的PZT铁电薄2实验膜,其性能也有较大差别,如不同热处理工艺将对[3]薄膜性能有较大影响。再者,PZT薄膜在外加激光多普勒技术通过检测反射光的相位差来电场驱动下所能获得的最大形变量极小(约为薄检测被测样品的位移。在本实验中所用的激
7、光多膜自身厚度的0.1%),对测试系统的分辨率也提普勒振动计(MLD2821,NEOARKINC.)中,反出了很高要求。因此,PZT薄膜的压电性能表征射光的信号检测通过光外差技术来实现,具体光便成为了基于压电薄膜的微传感器与微驱动器设路如图1所示。He2Ne激光器出射的激光被分计中的关键问题之一。目前,已有很多方法可用于PZT薄膜的压电[4]性能表征。这些方法主要基于两种原理,一是正压电效应,即通过测量由施加于薄膜上的外力引起的压电电荷输出来检测薄膜的压电性能,如[527][829]力负载法
