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研究生:游瑞益
研究生(外文):Jui-Yi Yu
論文名稱:PZT薄膜壓電係數及殘留應力之量測
論文名稱(外文):The measurement of PZT thin film piezoelectric coefficient and residual stress
指導教授:劉顯光
指導教授(外文):Hsien-Kuang Liu
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:機械工程學所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:176
中文關鍵詞:PZT壓電係數殘留應力
外文關鍵詞:PZTresidual stresspiezoelectric coefficient
相關次數:
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摘要

本文主要針對PZT薄膜壓電係數及PZT/Pt/Si多層結構PZT之殘留應力進行量測。在壓電係數的量測方面,實驗結果顯示出,壓電微懸臂樑試片(PZT面積) 長寬越大,壓電係數( 及 )數值越小。經由表面輪廓儀(Alpha step 500)量測得到同一批尺寸相同的試片PZT薄膜厚度有差異,造成壓電係數不同。在樑作動頻率為5Hz~40Hz時,對壓電係數沒有影響。長×寬為17×1.5 mm2之樑試片,在極化處理前壓電係數 =1.77 C/m2,經過極化處理後,壓電係數 =3.49C/m2,極化處理有效將壓電係數 提升。在量得PZT壓電薄膜之壓電係數 及以奈米壓痕器量得楊氏係數後,經計算,得到經過極化處理後,壓電係數 是介於8.79 pC/N到33.62 pC/N。
在使用拉曼光譜量測殘留應力方面,在不同退火溫度下,量測PZT薄膜1∼6層厚的試片,都以當PZT薄膜層數為6層時,量測到殘留應力值為最大。當PZT層數相同時,退火溫度越高,量測到PZT薄膜的殘留應力值越高。
Abstract

In this thesis, the piezoelectric coefficient of PZT thin film and the residual stresses of PZT in multi-layer structure PZT/Pt/Si are measured. The experimental result show that the piezoelectric/Si micro cantilever beam with larger length and width result in smaller piezoelectric coefficient ( and ).The same batch PZT specimens show different thickness measured by surface profiler (Alpha step500). The difference of PZT film thickness leads to different piezoelectric coefficient. When the applied frequency on the beam is ranged from 5Hz to 40Hz, there is no influence on piezoelectric coefficient. For the PZT size 17mm×1.5mm, before polarization the piezoelectric coefficient is 1.77C/m2; while the piezoelectric coefficient is 3.49C/m2 after the polarization. The piezoelectric coefficient of specimen indeed is increased by polarization . With piezoelectric coefficient and Young’s module of PZT thin film measured by nano-indentation system, the polarized piezoelectric coefficient d31 is calculated and ranged from 8.79 pC/N to 33.62pC/N.
Residual stresses of PZT thin films with various layers fabricated different sintering temperature are measured by Raman Spectroscopy. The six-layer PZT thin film shows the largest residual stress. The residual stress of PZT thin film increase with increasing sintering temperature.
目錄
中文摘要……………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………...Ⅱ
目錄…………………………………………………………………...Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………Ⅶ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅸ
第一章�緒論
1.1前言…………………………………………………………………1
1.2文獻回顧……………………………………………………………2
1.3研究動機與目的……………………………………………………9

第二章� 基礎理論
2.1 鋯鈦酸鉛 ( PZT ) 之特性簡介…………………………………...12
2.2鐵電薄膜之製程及應用……………………………………………15
2.3溶膠凝膠法之基本原理及鍍膜程序……………………………….20
2.4拉曼光譜基礎理論介紹……………………………………………27
第三章� 殘留應力之量測
3.1拉曼實驗設備………………………………………………………35
3.2殘留應力量測原理及實驗步驟……………………………………36

第四章� PZT微懸臂樑之製程
4.1 PZT薄膜製備……………………………………………………….42
4.2 PZT微懸臂樑之製程……………………………………………….44
4.3 PZT微懸臂樑之極化處理………………………………………….49
4.4 PZT微懸臂樑製程儀器設備……………………………………….49
第五章PZT微臂樑之壓電係數之量測
5.1量測設備…………………………………………………………….64
5.2量測步驟及原理…………………………………………………….65
5.2.1量測步驟…………………………………………………………..65
5.2.2量測原理………………………………………………………….66
5.3側向壓電係數 之計算…………………………………………..70
5.4 參數側向壓電係數 之計算…………………………………...71
5.4.1 PZT壓電薄膜之楊氏係數……………………………………….71
第六章 結果與討論
6.1壓電係數……………………………………………………………83
6.1.1 施加位移量對壓電係數之影響…………………………………83
6.1.2極化處理對壓電係數之影響………………K…K…K……….85
6.1.3頻率對壓電係數之影響………………………………………….88
6.1.4試片尺寸對壓電係數之影響…………………………………….89
6.1.5施加外力對壓電係數之影響……………………………………90
6.1.6 PZT厚度均勻性對壓電係數之影響……………………………91
6.1.7壓電薄膜微結構探討……………………………………………92
6.1.8 參數壓電係數 的計算……………………………………….93
6.2殘留應力……………………………………………………………94
6.2.1 PZT層數對殘留應力之影響…………………………………….95
6.2.2退火溫度對殘留應力之影響…………………………………….97
6.3殘留應力對壓電係數之影響……………………………………….98
參考文獻………………………………………………………………133
附錄A………………………………………………………………….139
附錄B.....................................................................................................152
附錄C.....................................................................................................155
附錄D.....................................................................................................156
附錄E.....................................................................................................157
附錄F.....................................................................................................158


表目錄
表4.1 PZT溶膠薄膜溶質與溶劑配方……………………………….51
表5.1各個文獻量測PZT壓電薄膜之楊氏係數表……………………74
表6.1位移量與各尺寸試片其壓電係數之關係表 (未經極化處理)...99
表6.2位移量與各尺寸試片其壓電係數之關係表(極化25min)…….100
表6.3所有尺寸試片其極化前後的壓電係數 表…………………..101
表6.4極化時間與電容值關係表…………………………………….102
表6.5各種極化電壓與壓電係數 之關係表(極化時間25min)…102
表6.6頻率與壓電係數之關係表(未極化)……………………….103
表6.7頻率與壓電係數之關係表(極化25min)…………………..104
表6.8所有尺寸試片其極化前後的壓電係數 表………………….105
表6.9壓電微懸臂樑施加位移與力量關係表………………………..106
表6.10各尺寸試片施加位移量與力量與壓電係數 三者關係表(未極化)……………………………………………………………………..107
表6.11各尺寸試片位移量與力量負載與壓電係數 三者關係表(極化電壓10V極化處理25min)………………………………………108
表6.12退火溫度500℃試片Raman shift及殘留應力………………109
表6.13退火溫度600℃試片Raman shift及殘留應力………………109
表6.14退火溫度700℃試片Raman shift及殘留應力………………109
表6.15未經退火處理試片Raman shift及殘留應力………………...110


圖目錄
圖2.1 鈣鈦礦結構……………………………………………………...30
圖2.2 PbZrO3-PbTiO3相圖……………………………………………..30
圖2.3 晶格常數對成份之變化情形…………………………………...31
圖2.4 鐵電材料的遲滯迴路…………………………………………...31
圖2.5 以行進波帶動物件移動之原理………………………………...32
圖2.6 光電導記憶元件………………………………………………...32
圖2-7 三種不同級之光散射頻譜(A)………………………………….33
圖2-7 三種不同級之光散射頻譜(B)………………………………….33
圖2-7 三種不同級之光散射頻譜(C)………………………………….33
圖2-8 拉曼散射與雷利散射…………………………………………...34
圖3.1拉曼光譜儀………………………………………………………40
圖3.2拉曼實驗實際進行情況…………………………………………40
圖3.3 PZT/Pt/Si側視圖………………………………………………...41
圖3.4未經過任何處理的矽晶片的拉曼光譜…………………………41
圖4.1 PZT溶凝膠法製作壓電薄膜的流程(1)…………………….52
圖4.1 PZT溶凝膠法製作壓電薄膜的流程(2)……………………..53
圖4.1 PZT溶凝膠法製作壓電薄膜的流程(3)…………………….54
圖4.2第一道光罩圖定義整個下電極圖案……………………………55
圖4.3第二道光罩圖定義下電極露出的圖案…………………………55
圖4.4第三道光罩圖定義上電極圖案…………………………………56
圖4.5實際切割下來的壓電微懸臂樑試片…………………………..56
圖4.6(1)長×寬為22×3.0mm2試片實際照片………………………57
圖4.6(2)長×寬為22×2.0mm2試片實際照片………………………57
圖4.6(3)長×寬為22×1.5mm2試片實際照片………………………58
圖4.6(4)長×寬為17×3.0mm2試片實際照片………………………58
圖4.6(5)長×寬為17×2.0mm2試片實際照片………………………59
圖4.6(6)長×寬為17×1.5mm2試片實際照片……………………….59
圖4.7 氧化擴散系統(Oxidation & Diffusion Furnaces)………………60
圖4.8 旋鍍機(Spin Coater)…………………………………………….60
圖4.9 雙面光罩對準儀(Double-Side Mask Aligner)………………….61
圖4.10濺鍍機(Sputter)…………………………………………………61
圖4.11熱板( Hot Plate)…………………………………………………62
圖4.12管形爐(Tube Furnace)………………………………………….62
圖4.13精密晶圓切割機……………………………………………….63
圖4.14 HP4192A組抗分析儀…………………………………………63
圖5.1 MTS Tytron 250微拉伸試驗機…………………………………75
圖5.2CCD可動式鏡頭…………………………………………………75
圖5.3光源產生器………………………………………………………75
圖5.4夾具………………………………………………………………76
圖5.5 探針座及探針…………………………………………………..76
圖5.6電荷放大器………………………………………………………77
圖5.7示波器……………………………………………………………77
圖5.8 壓電係數量測實驗進行情況…………………………………...78
圖5.9接好線的壓電微懸臂樑試片實際圖……………………………78
圖5.10 懸臂樑試片反覆作動示意圖………………………………….79
圖5.11懸臂樑試片還未施加位移量…………………………………..80
圖5.12懸臂樑試片施加400μm位移量……………………………..80
圖5.13實際示波器顯示電壓圖………………………………………..81
圖5.14奈米壓痕器(nanoindentation)型號:TriboIndenter……….......82
圖5.15實際量測到此 值的畫面……………………………………..82
圖6.1試片長度為17mm其施加位移量與壓電係數 之關係圖(未極化)……………………………………………………………………...111


圖6.2試片長度為17mm其施加位移量與壓電係數 之關係圖(極化25min)………………………………………………………………..111
圖6.3試片長度為22mm其施加位移量與壓電係數 之關係圖(未極化)…………………………………………………………………….112
圖6.4試片長度為22mm其施加位移量與壓電係數 之關係圖(極化25min)………………………………………………………………..112
圖6.5PZT壓電薄膜XRD……………………………………………113
圖6.6 17×1.5mm2試片極化時間與壓電薄膜電容值關係圖(極化電場200Kv/cm)……………………………………………………………113
圖6.7三組長度同為17mm試片之極化時間與壓電係數 關係圖(極化電場200Kv/cm)…………………………………………………..114
圖6.8三組長度同為22mm試片之極化時間與壓電係數 關係圖(極化電場200Kv/cm)…………………………………………………..114
圖6.9所有尺寸試片極化時間與壓電係數 關係圖(極化電場200Kv/cm)……………………………………………………………115
圖6.10 17×1.5mm2試片極化電壓與壓電係數 之關係圖(極化時間25min)……………………………………………………………….115
圖6.11試片寬度與壓電係數 的關係,三組試片長度同為17mm(未極化)…………………………………………………………………..116
圖6.12試片寬度與壓電係數 的關係,三組試片長度同為22mm(未極化)…………………………………………………………………..116
圖6.13試片寬度與壓電係數 的關係,三組試片長度同為17mm(經極化電場200Kv/cm,極化時間25min極化處理)…………………117
圖6.14試片寬度與壓電係數 的關係,三組試片長度同為22mm(經極化電場200Kv/cm,極化時間25min之極化處理)……………….117
圖6.15試片長度與壓電係數 之關係圖(經極化電場200Kv/cm,極化時間25min之極化處理)……………………………………………118
圖6.16試片面積與壓電係數 關係圖(經極化電場200Kv/cm,極化時間25min之極化處理)………………………………………………118
圖6.17長度為17mm試片長度/寬度與壓電係數 關係圖………...119
圖6.18長度為22mm試片長度/寬度與壓電係數 關係圖………..119
圖6.19 17×1.5mm2試片施加力量與壓電係數 關係圖(經極化電場200Kv/cm,極化時間25min之極化處理)……………………………120
圖6.20 Alpha step 量測17×1.5mm2試片PZT膜厚的實際照片……121
圖6.21 Alpha step 500 量測17×1.5mm2試片PZT膜厚的實際照片..122
圖6.22 下電極為Pt/TiO2時的SEM圖【16】………………………123
圖6.23 下電極為Pt/Ta時之SEM圖【16】………………………...123
圖6.24 下電極為Pt/Ti時之SEM圖…………………………………124
圖6.25 退火溫度 500∼700℃ Number of PZT Layer與Raman shift關係圖……………………………………………………………………125
圖6.26 退火溫度500∼700℃Number of PZT Layer上的 Residual stress…………………………………………………………………..125
圖6.27 1∼6層PZT層數其與sintering temperature 與Raman shift 關係圖……………………………………………………………………126
圖6.28 PZT層數與sintering temperature 與Residual stress關係圖.126
圖6.29未經退火處理試片其PZT Layer與Raman shift關係圖…127
圖6.30未經退火處理試片其PZT Layer上的Residual stress關係圖.127
圖6.31 壓電微懸臂樑試片PZT表面之SEM圖(10000倍放大)..128
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