JPH11183543A - 薄膜形圧電体の圧電定数測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜形圧電体の圧電常数の測定方法を提供す
る。 【解決手段】 下部電極３１０及び上部電極３０５を
形成し、上部電極３０５の上部に薄膜形圧電体３００の
変位の高さを測定する顕微鏡３８０を位置させる。圧力
印加手段から気圧応力を発生させた後、薄膜形圧電体３
００に気圧応力を変化させ、誘導管３３０を通して印加
して薄膜形圧電体３００から発生する電荷量を測定す
る。測定された電荷量、印加される気圧応力の大きさ、
薄膜形圧電体３００の変位の高さ及び寸法をコンピュー
タ手段に記録して薄膜形圧電体３００の圧電定数を計算
する。簡単な構成で精密で信頼性ある薄膜の圧電定数が
測定でき、圧電体薄膜の短絡や塑性変形を誘発せず、薄
膜の表面状態に関係なく対象薄膜の均一の気圧応力を印
加することにより薄膜の圧電常数が測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜形圧電体の圧電
定数測定方法に関するものであり、より詳細には薄膜形
圧電体の圧電定数の測定時、圧電体薄膜の短絡や塑性変
形を誘発せずに薄膜の表面状態に関係なく薄膜の全面に
均一の気圧応力を加えることにより、精密で信頼性ある
薄膜の圧電定数が測定できる薄膜形圧電体の圧電定数測
定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在までマイクロプロセッサ、またはメ
モリ装置などの電子機器を小型化することにより、その
製造単価を顕著に低くでき、その性能が大きく改善され
ている。アクチュエータのような機械装置においてもこ
のような理由で小型化が要求され、医療または生化学的
用途などのような今後の用途のためにもマイクロアクチ
ュエータが必要とされている。一般に、微細機械装置は
静電気的、圧電的、熱的、または電磁気的原理により駆
動すされる。

【０００３】圧電アクチュエータは圧電効果により機械
的エネルギーを電気的エネルギーに変換させたり、逆圧
電効果により電気的エネルギーを機械的エネルギーに変
換する装置である。前記圧電アクチュエータはその内部
の圧電物質が加えられた電場と内部分極の方向により収
縮したり膨張することにより電気的エネルギーを機械的
エネルギーに変化できる。前記圧電物質の膨張、または
収縮は圧電物質の大きさにより決定されることではなく
圧電物質に加えられる電圧の大きさと方向により決定さ
れる。それで、前記マイクロアクチュエータを製作する
ことにより圧電薄膜を使用できる。前記圧電薄膜の最大
膨張長さはその降伏電圧または最大応力により制限でき
る。従って、前記圧電薄膜を含むマイクロアクチュエー
タはほぼ１０Ｖ程度の低い電圧範囲で動作されなければ
ならない。

【０００４】圧電装置は半導体製造工程を利用して低い
単価で製造でき、このような半導体製造工程を利用して
製造された圧電薄膜の多様な応用が既に知られている。
前記圧電薄膜としてはほとんどの場合、酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）が使用される。しかし、バルク(bulk)型ＰＺＴ（le
ad zirconate titanate、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）が
酸化亜鉛より優れた特性を有することが最近では知られ
ている。前記ＰＺＴはＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の完
全固溶体(solid solution)として高温では結晶構造が
立方の常誘電性として存在し、常温ではジルコンとチタ
ンの組成比により結晶構造が斜方の半強誘電体、菱面体
である強誘電体、正方である強誘電体に存在する。

【０００５】このようなＰＺＴの二相状態図(binary ph
ase diagram)を図１に示す。図１を参照すると、ジルコ
ンとチタンの組成比がほぼ１：１である組成から正方状
と菱面体状のＭＰＢ(morphotropic phase boundary)が
あり、ＰＺＴは前記ＭＰＢの組成で最大の誘電特性及び
圧電特性を示す。前記ＭＰＢは特定組成に位置せずに比
較的広い組成範囲にわたって正方状と菱面体状が共存す
る領域になっており、状共存領域は研究者により２〜３
ｍｏｌ％から１５ｍｏｌ％に至るまでそれぞれ異なって
報告されている。このような状共存の原因としては熱力
学的安定性、組成の不均一性、内部応力などの様々な理
論が提示されている。現在ＰＺＴ薄膜はスピンコーティ
ング方法、化学気相蒸着方法またはスパッタリング方法
のような多様な工程を利用して製造できる。

【０００６】前記圧電薄膜の電気的特性は圧電振動子の
弾性定数、圧電定数及び誘電定数などから決定される。
通常圧電定数はセラミック物質の電気的活動もレベルを
示す。例えば、圧電定数は印加された電場に対応するセ
ラミック物質の膨張または収縮程度を示す。このような
多層圧電アクチュエータの圧電定数、ヤング係数及びキ
ャパシタンスなどの特性に対するテスティング装置がJe
ffrey A. Livingstonなどによる米国特許第５，３０
１，５５８号に開示されている。

【０００７】図２は前記米国特許に開示された多層圧電
アクチュエータの圧電特性をテスティングするためのテ
スティング装置の断面図を示したものであり、図３は前
記テスティング装置の回路図を示したものである。

【０００８】図２を参照すると、前記多層圧電アクチュ
エータ１５はハウジング１８とハウジング１８の内部に
Ｌ１の長さを有する円柱形態で積層された複数個の圧電
物質２０を含む。その端部に取り付けられた仕切板１６
を含む前記ハウジング１８は前記アクチュエータ１５を
保護し、アクチュエータ１５を前記テスティング装置１
０に取り付けるとき利用される。前記複数個の圧電物質
２０は軸線２５に沿って整列されており、それぞれの圧
電物質２０はＡの断面積を有するディスクの形状で形成
されている。それぞれの圧電物質２０の間には圧電物質
２０に電気エネルギーを供給するための金属電極３０が
挿入されている。前記圧電物質２０は供給された電気エ
ネルギーの大きさに比例して軸線２５に沿って膨張す
る。従って、圧電物質２０を含むアクチュエータ１５は
電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換させる。

【０００９】また、図２を参照すると、前記テスティン
グ装置１０はそれぞれ鋼鉄でなされた前板４０、後板４
５、及び中間板５０を含む。前板４０は前記アクチュエ
ータ１５を受容し、後板４５はその内部の空洞５５を画
定する。前記空洞５５内にはピストン６５を含む空気シ
リンダ６０が配置され、前記中間板５０に堅く取り付け
られる。前記前板４０、中間板５０、及び空気シリンダ
６０は、前記アクチュエータ１５のハウジング１８と共
に軸線２５に沿って配列された中空を画定する。前記前
板４０の中空内には前記ハウジング１８の仕切板１６と
隣接するようにシリンダ形板７０が配置される。望まし
くは、前記シリンダ形板７０は高張力鋼鉄からなり、そ
の一側断面は研磨された表面を有する。

【００１０】鋼鉄からなるピロー７５は、前記中間板５
０及び空気シリンダ６０の空洞内部に配置される。前記
ピロー７５の一端部は、前記空気シリンダ６０のピスト
ン６５と隣接して配置されている。前記ピロー７５の他
の端部とシリンダ板７０の間にはロードセル８０が配置
される。ロードセル８０はシリンダ形リングの形状を有
し、前記軸線２５に対して同軸線上に配置される。前記
ピロー７５とピストン６５は前記軸線２５に沿って配列
された小さい空洞を画定する。このような小さい空洞内
にはファイバ光センサ８５が配置される。前記センサ８
５は前記シリンダ形板７０の研磨された表面の中間に位
置したセンサヘッドを含む。図２に示すように、センサ
ハウジング９０は前記後板４５に固定取り付けられてい
る。前記センサハウジング９０は前記センサヘッドを前
記シリンダ形板７０に近接に調整可能にするマイクロメ
ータ９５を含む。

【００１１】図３を参照すると、前記空気シリンダ６０
に調節可能に加圧空気を供給する圧力調節器１００は、
加圧空気供給源１０５と連結されている。前記圧力調節
器１００は、収容された加圧空気に対応して、前記アク
チュエータ１５に軸線２５に沿って力を加える。負荷手
段１１０は、前記アクチュエータ１５に加えられた力を
測定し、これに対応してＦｎの応力信号を発生する。前
記負荷手段１１０はロードセル８０と二重モード増幅器
１１５とを含む。前記ロードセル８０は前記アクチュエ
ータ１５に加えられた力を測定し、これに対応する感知
信号を発生する。前記増幅器１１５はこのような感知信
号を収容し、所定の電圧範囲を有するＦｎの応力信号を
発生する。光手段１２０は、前記アクチュエータ１５の
線形変形を測定し、これに対応するＬｎの位置信号を発
生する。前記光手段１２０は、前記センサ８５及びこれ
と関連する信号調節回路部１２５を含む。前記センサ８
５は前記シリンダ形板７０の研磨された表面に任意の光
を放射した後、反射された光を感知し、これに対応する
光信号を発生する。前記信号調節回路部１２５はこのよ
うな光信号を収容し、これを変調して前記光信号に比例
するレベルの電圧を有するＬｎの位置信号を発生する。

【００１２】高電圧電源１３０は、一定レベルの電圧を
前記アクチュエータ１５に供給する。感知手段１３５
は、前記アクチュエータ１５を通して流れる電流を測定
する電流探り針と、前記アクチュエータ１５に供給され
る電圧を測定する電圧探り針とを含む。データ取得部１
４０は多様の信号調節回路部と連結されている。コンピ
ュータ手段１４５は、前記データ取得部１４０を通して
多様な信号を収容し、前記アクチュエータ１５の種々の
特性の性能を決定する。また、前記コンピュータ手段１
４５は、データ取得部１４０を通して高電圧電源１３０
と圧力調節器１００とを調整する。プロッタ１５０及び
プリンタ１５５は、前記コンピュータ手段１４５に連結
され、テスト結果を出力する。

【００１３】以下、前記多層圧電アクチュエータの圧電
特性をテスティングするためのテスティング装置を使用
して多層アクチュエータの圧電定数を測定する方法を説
明する。まず、多層圧電アクチュエータ１５の圧電定数
を測定する前に、圧電定数測定と関連する負荷手段１１
０と、光手段１２０などのテスト機器とを初期化する。
すなわち、前記アクチュエータ１５に、ある力、または
負荷がかからないようにし、増幅器１１５の応力信号Ｆ
ｎの大きさになるようにし、前記光センサ８５と関連し
た信号調節回路部１２５を初期化する。次に、空気シリ
ンダ６０を通してアクチュエータ１５に所定の力、例え
ば、２５０ｌｂｓ．程度の力を加える。続いて、高電圧
電源１３０を通して始めは、所定の電圧、例えば、２０
０Ｖ程度の電圧を５秒間、アクチュエータ１５に供給す
る。前記コンピュータ手段１４５は、高電圧電源１３０
がアクチュエータ１５に１００Ｖないし９００Ｖまでの
電圧を供給するように調節する。前記アクチュエータ１
５に供給される電圧の大きさはＶｍとして示する。

【００１４】従って、アクチュエータ１５は、供給され
る電圧に比例して所定の長さを有して変位を起こす。こ
のとき、光センサ部材１２０がアクチュエータ１５の軸
線２５による変位を測定し、これに対応してそれぞれの
電圧の増加による位置信号Ｌｍのコンピュータ手段１４
５に伝達する。コンピュータ手段１４５はこのようなデ
ータを取得し、次の分析のためにデータをプロットす
る。前記データが取得されると、データは分析及び計算
される。圧電定数は下記の式１により決定される。 圧電定数＝｜（ Ｌｍ＝０）−（ Ｌｍ＝ｆ ）｜／｜（
Ｖｍ＝０）−（ＶＬｍ＝ｆ ）｜×１／Ｎ（式１） 前記式１で、ｍ＝０は始めの測定値を示し、ｍ＝ｆは最
終測定値を示す。また、Ｎは前記アクチュエータ１５を
構成するディスク形圧電物質２０の数を示す。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記多
層圧電アクチュエータの圧電特性をテスティングするた
めのテスティング装置において、前記テスティング装置
は所定の力を多層圧電アクチュエータに印加した後、前
記アクチュエータに対する電圧を供給してこれから発生
する多層圧電体の変位を測定して圧電定数を計算するこ
とにより、圧電体の状態及び位置と光センサ手段の配列
状態などによって圧電定数の測定値が異なる問題点があ
った。また、圧電体は低電圧領域で変位量が大変小さく
てこれによる圧電定数の測定値に誤差が発生する確率が
相当に高く、このような装置はその構成が複雑で製造費
用が高いという問題点があった。また、前記装置は多層
圧電体のみに適用できるために単層薄膜形状の圧電体の
圧電定数を測定するために前記装置を利用する場合、圧
電体に力を加える過程で圧電体が短絡したり圧電体の塑
性変形を誘発しやすく、圧電体全面に均一に応力を印加
しにくいという問題点があった。

【００１６】従って、本発明は以上のような従来技術の
問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は薄
膜形圧電体の圧電定数の測定時、気圧応力印加法を利用
して圧電体薄膜の短絡や塑性変形を誘発せずに、薄膜の
表面状態にも関係なく薄膜の全面に均一の応力を印加す
ることにより精密で信頼性があるように薄膜の圧電定数
を測定できる薄膜形圧電体の圧電定数測定方法を提供す
ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の第１実施例による本発明は、下部電極を形成
した後、前記下部電極の上部に薄膜形圧電体を形成する
過程と、前記薄膜形圧電体の上部に上部電極を形成する
過程と、前記上部電極の上部に前記薄膜形圧電体の変位
の高さを測定する顕微鏡を位置させる過程と、圧力印加
手段から気圧応力を発生する過程と、前記上部電極及び
下部電極が取り付けられた薄膜形圧電体に誘導管を通し
て前記気圧応力を印加する過程と、前記薄膜形圧電体に
印加される気圧応力を変化させる過程と、前記上部電極
を電荷量測定手段の第１端子に連結させ、前記下部電極
を前記電荷量測定手段の第２端子に連結させ前記薄膜形
圧電体から発生する電荷量を測定する過程と、前記電荷
量測定手段により測定された電荷量をコンピュータ手段
に記録する過程と、前記薄膜形圧電体に印加される気圧
応力の大きさを圧力計からコンピュータ手段に記録する
過程と、前記測定された電荷量及び前記測定された気圧
応力を利用してコンピュータ手段を通して前記薄膜形圧
電体の圧電定数を計算する過程を含むことを特徴とする
薄膜形圧電体の圧電定数測定方法を提供する。

【００１８】前記下部電極を形成する過程は基板を提供
する過程後に遂行され、前記上部電極を形成する過程は
前記基板の一部を食刻して前記下部電極の一部を露出さ
せる過程をさらに含む。

【００１９】前記薄膜形圧電体の下部に前記下部電極を
形成する過程及び前記薄膜形圧電体の上部に前記上部電
極を形成する過程は金、白金、タンタル、または白金−
タンタルでなされたグループののうち選択されたある一
つを使用して遂行され、前記薄膜形圧電体を形成する過
程はゾル−ゲル法を使用して製造されたＰＺＴをスパッ
タリング方法を利用して遂行される。

【００２０】前記圧力印加手段で真空ポンプまたは圧縮
機を使用され、前記電荷量測定手段としては電荷増幅器
またはピコ電流計が使用される。

【００２１】前記薄膜形圧電体に気圧応力を印加する過
程は、前記薄膜形圧電体に圧力を印加する前に前記コン
ピュータ手段と、前記圧力計と、前記電荷量測定手段、
そして前記圧力印加手段を初期化する過程後に遂行さ
れ、前記薄膜形圧電体に印加される気圧応力を変化させ
る過程は解除バルブを可動及び停止する過程である。

【００２２】望ましくは、前記測定された電荷量及び前
記測定された気圧応力を利用してコンピュータ手段を通
して前記薄膜形圧電体の圧電定数を計算する過程は、
ａ）前記顕微鏡で測定された前記薄膜形圧電体の変位の
高さを前記コンピュータ手段に記録する過程、ｂ）前記
薄膜形圧電体の直径及び厚さを前記コンピュータ手段に
記録する過程と、ｃ）前記測定された気圧応力及び前記
記録された薄膜形圧電体の直径及び厚さを使用して前記
薄膜形圧電体で発生する応力を計算する過程と、ｄ）前
記計算された応力及び前記測定された電荷量を利用して
前記薄膜形圧電体の圧電定数を計算する過程をさらに含
む。

【００２３】また、前記目的を達成するために本発明の
第２実施例による本発明は、基板を提供した後、基板の
上部に下部電極を形成する過程と、前記下部電極の上部
に薄膜形圧電体を形成する過程と、前記薄膜形圧電体の
上部に上部電極を形成する過程と、前記上部電極の上に
前記薄膜形圧電体に発生する応力を測定するストレイン
ゲージを取り付ける過程と、圧力印加手段から気圧応力
を発生する過程と、前記上部電極及び下部電極が取り付
けられた薄膜形圧電体に誘導管を通して前記気圧応力を
印加する過程と、解除バルブを可動及び停止して前記薄
膜形圧電体に印加される気圧応力を変化させる過程と、
前記上部電極を電荷量測定手段の第１端子に連結させ、
前記下部電極を前記電荷量測定手段の第２端子に連結さ
せ前記薄膜形圧電体から発生する電荷量を測定する過程
と、前記電荷量測定手段により測定された電荷量をコン
ピュータ手段に記録する過程と、前記ストレインゲージ
で測定した前記薄膜形圧電体に発生する応力を前記コン
ピュータ手段に記録する過程と、前記測定された電荷量
及び前記測定された気圧応力を利用してコンピュータ手
段を通して前記薄膜形圧電体の圧電定数を計算する過程
を含むことを特徴とする薄膜形圧電体の圧電定数測定方
法を提供する。

【００２４】このような構成を有する本発明による薄膜
形圧電体の圧電定数測定方法は気圧応力を薄膜形圧電体
に印加することにより薄膜形圧電体の表面状態に関係な
く、均一の圧力を薄膜形圧電体の前面に印加でき、薄膜
形圧電体が短絡されたい、塑性変形が起こることを防止
できる。また、電荷量測定手段及び顕微鏡またはストレ
インゲージを使用して薄膜形圧電体から発生する微少電
荷量及び発生応力を測定することにより、圧電定数の測
定時に誤差が発生することを防止できる。

【００２５】以上のような本発明の目的と別の特徴及び
長所などは次ぎに参照する本発明のいくつかの好適な実
施例に対する以下の説明から明確になるであろう。

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の好適な実施例をより詳細に説明する。図４は本発明の
第１実施例による薄膜形圧電体の圧電上部測定装置の平
面図である。

【００２６】図４を参照すると、本実施例による薄膜形
圧電体の圧電特性測定装置は、上部及び下部に上部電極
３０５及び下部電極３１０がそれぞれ形成された薄膜形
圧電体３００、前記下部電極３１０の一部が露出される
ように下部電極３１０の下部に形成された基板３２０、
基板３２０の下部に密封されるように取り付けられた誘
導管３３０、薄膜形圧電体３００に所定の圧力を加える
ための圧力印加部材３４０、一側から延長された管が前
記誘導管３３０に連結され他側から延長された管が圧力
印加部材３４０に連結され他側から延長された管が圧力
印加部材３４０に連結され薄膜形圧電体３００に印加さ
れる圧力を変化させられる解除バルブ３５０、上部電極
３０５の上に所定の間隔を置いて位置して薄膜形圧電体
３００の変形を測定する顕微鏡３８０、第１端子３６５
が下部電極３１０に連結され第２端子３７０が上部電極
３０５に連結されて前記薄膜形圧電体３００から発生す
る電荷量を測定する電荷量測定部材３６０、一側が解除
バルブ３５０と誘導管３３０との間に連結され他側がコ
ンピュータ手段３９０に連結され薄膜形圧電体３００に
印加される気圧応力Ｐを測定する圧力計３５５、そして
圧力計３５５、顕微鏡３８０及び電荷量測定手段３６０
にそれぞれ連結され前記部材を精密に制御し、薄膜形圧
電体３００の圧電定数を計算するコンピュータ手段３９
０とを含む。

【００２７】以下、本実施例による薄膜形圧電体の試片
(test piece)の製造方法を説明する。図６Ａないし図
６Ｂは本発明の第１実施例による薄膜形圧電体３００の
試片の製造工程図である。図６Ａないし図６Ｂにおい
て、図４と同一の部材に対して同一の参照符号を使用す
る。

【００２８】図６Ａを参照すると、まずシリコンのよう
な異物でなされた基板３２０の上部に導電性を有する
金、白金、タンタル、または白金−タンタルなどを使用
して下部電極３１０を形成する。下部電極３１０は化学
気相蒸着方法またはスパッタリング方法を使用して形成
する。次いで、下部電極３１０の上部に薄膜形圧電体３
００を形成する。薄膜形圧電体３００はゾル−ゲル法で
製造されたＰＺＴまたはＰＬＺＴをスパッタリング方法
または化学気相蒸着方法を使用して所定の厚さを有する
ように形成する。

【００２９】前記薄膜形圧電体３００の上部には上部電
極３０５が形成される。上部電極３０５は導電性を有す
る金属である金、白金、タンタル、または白金−タンタ
ルなどを化学気相蒸着方法またはスパッタリング方法を
使用して形成する。

【００３０】図６Ｂを参照すると、前記薄膜形圧電体３
００に所定の気圧応力を印加できるように、前記基板３
２０の一部を背面食刻して下部電極３１０の一部を露出
させる。次いで、前記基板３２０の下部に薄膜形圧電体
３００に印加される気圧応力の通路になる金属でなされ
た誘導管３３０を取り付ける。

【００３１】以下、本実施例による薄膜形圧電体の圧電
定数測定装置を利用して薄膜形圧電体の圧電定数を求め
る方法を図面を参照して説明する。従来には圧電体に電
圧を印加した後、圧電体がおこす変位を測定して圧電定
数を計算する方法を利用した。これに比べて本発明は、
薄膜形圧電体の圧電定数を求める方法としては薄膜形圧
電体に所定の気圧応力を印加した後、圧電体から発生す
る応力及び電荷量を測定することにより圧電定数を計算
する気圧応力印加法を利用する。

【００３２】図５は薄膜形圧電体３００に気圧応力を印
加した状態を説明する図面である。図５を参照すると、
薄膜形圧電体３００の圧電定数を測定するために、まず
薄膜形圧電体３００に気圧応力Ｐを印加する前にコンピ
ュータ部材３９０、電荷量測定部材３６０、そして圧力
印加部材３４０を含む測定装置を初期化する。次に、薄
膜形圧電体３００上に取り付けられた上部電極３０５の
上部に所定の間隔をおいて顕微鏡３８０を設置する。次
いで、上部電極３０５を電荷量測定部材３６０の第１端
子３６５に連結させ、下部電極３１０を電荷量測定部材
３６０の第２端子３７０に連結させ薄膜形圧電体３００
から発生する微少電荷量を電荷量測定部材３６０が測定
できるようにする。望ましくは、前記薄膜形圧電体３０
０から発生する微少電荷量を測定する電荷量測定部材３
６０は電荷増幅器またはピコ電流計である。

【００３３】次いで、薄膜形圧電体３００に所定の気圧
応力Ｐを印加するために圧力印加部材３４０を稼動させ
る。望ましくは、前記気圧応力Ｐを印加するための圧力
印加部材３４０として真空ポンプまたは圧縮機を使用す
る。次に、解除バルブ３５０を稼動させ薄膜形圧電体３
００に所定の気圧応力Ｐを印加し、このように印加され
る気圧応力Ｐの変化を起こすために解除バルブ３５０を
操作する。前記したように、薄膜形圧電体３００に気圧
応力Ｐが印加されると、薄膜形圧電体３００が上方に変
形をおこす。

【００３４】同時に、前記薄膜形圧電体３００に印加さ
れる気圧応力Ｐを変化させるとき、薄膜形圧電体３００
から発生する電荷量は電荷量測定部材３６０が測定して
コンピュータ部材３９０に記録され、薄膜形圧電体３０
０が受ける気圧応力Ｐの大きさは圧力計３５５からコン
ピュータ手段３９０に記録される。このとき、薄膜形圧
電体３００に発生する応力δの大きさは顕微鏡３８０か
らコンピュータ手段３９０が下記の式２により計算す
る。 δ＝ｆ（Ｐ，ａ２，１／ｈ，１／ｔ）＝Ｐａ²／４ｈｔ （式２） 前記式２のうちＰは圧力計３５５から読んだ気圧応力で
あり、ａは薄膜形圧電体３００の直径であり、ｈは気圧
応力印加時に発生する薄膜形圧電体３００の高さ変化で
あり、そしてｔは薄膜形圧電体３００の厚さを示す。

【００３５】すなわち、圧力印加部材３４０から解除バ
ルブ３５０及び誘導管３３０を通して薄膜形圧電体３０
０に所定の気圧応力Ｐを印加した後、薄膜形圧電体３０
０から発生する電荷量は上部電極３００及び下部電極３
１０を通して電荷量測定部材３６０により測定される。
この測定された電荷量はコンピュータ部材３９０に記録
される。前記薄膜形圧電体３００に印加される気圧応力
Ｐの大きさは圧力計３５５が数値で表示し、これを通し
て薄膜形圧電体３００に印加される気圧応力Ｐが調節で
きる。このとき、薄膜形圧電体３００がおこす変形の大
きさは顕微鏡３８０の焦点距離変化を通してコンピュー
タ手段３９０が認識する。

【００３６】また、解除バルブ３５０を利用して気圧応
力Ｐを始めの値より増加させたり減少させ薄膜形圧電体
３００に印加される気圧応力Ｐの大きさを変化させる度
に薄膜形圧電体３００から発生する大きさが互いに異な
る電荷量を電荷量測定部材３６０が測定してコンピュー
タ手段３９０に伝達する。この場合において、圧力印加
部材３４０として真空部材または圧縮機を使用すると、
気圧応力Ｐだけでなく高圧を印加することが可能で印加
圧力の範囲が増加されるためにより精密の測定ができ
る。従来にはロードセルを通して応力を印加するため
に、その表面状態が一定でなく、厚さが薄い薄膜形圧電
体に均一の応力を印加することが難しかった。また、応
力を印加するとき、薄膜形圧電体が短絡されたり印加さ
れる応力により薄膜形圧電体が塑性変形をおこし正確な
圧電定数を測定することが難しく、応力ヘッドにより圧
電体の薄膜が拘束されることにより、圧電定数の測定値
に誤差が発生する問題点がある。

【００３７】さらに、光センサ部材を利用して多層圧電
体から発生する変位量を測定して圧電定数を計算する場
合、光センサ部材の配列状態と多層圧電体薄膜の状態及
び位置により測定値が異なって現れることがあり、供給
される電圧が低いとき圧電体の変位量は大変小さいため
に、これにより圧電定数の測定値に誤差が含まれる確率
が高い。本発明では気圧応力Ｐを薄膜形圧電体３００に
印加することにより薄膜形圧電体の表面状態に関係なく
均一の圧力を薄膜形圧電体３００の前面に印加でき、薄
膜形圧電体３００が短絡されたり塑性変形が起こること
が防止できる。また、電荷量測定部材３６０を使用して
薄膜形圧電体３００から発生する微少電荷量を測定する
ことにより圧電定数の測定時に誤差が発生することが防
止できる。

【００３８】次いで、前記測定された電荷量及び応力δ
の大きさを基にしてコンピュータ部材３８０が薄膜形圧
電体３００の圧電定数を式２から得た薄膜形圧電体３０
０に発生した応力であるδを利用して下記の式３により
計算する。 圧電定数＝σＤ／σＰ＝Ｑ／σ （式３） 前記式３のうち、Ｄは電荷密度、σは薄膜形圧電体３０
０から発生する応力、Ｐは気圧応力、そしてＱは薄膜形
圧電体３００から発生する電荷量を示す。

【００３９】図７は本発明の第２実施例による薄膜形圧
電体の圧電上部測定装置の平面図である。図７におい
て、図４と同一の部材に対しては同一の参照番号を使用
する。図７を参照すると、本実施例による薄膜形圧電体
の圧電定数測定装置は、上部及び下部に上部電極３０５
及び下部電極３１０がそれぞれ形成された薄膜形圧電体
３００、前記下部電極３１０の一部が露出されるように
下部電極３１０の下部に形成された基板３２０、基板３
２０の下部に取り付けられた誘導管３３０、薄膜形圧電
体３００に所定の圧力を加えるための圧力印加部材３４
０、一側から延長された管が前記誘導管３３０に連結さ
れ他側から延長された管が圧力印加部材３４０に連結さ
れ薄膜形圧電体３００に印加される圧力を変化させられ
る解除バルブ３５０、上部電極３０５上に取り付けられ
薄膜形圧電体３００の変形を測定して可視化するストレ
インゲージ４００、第１端子３６５が下部電極３１０に
連結され、第２端子３７０が上部電極３０５に連結さ
れ、前記薄膜形圧電体３００から発生する電荷量を測定
する電荷量測定部材３６０、一側が解除バルブ３５０と
誘導管３３０との間に連結され他側がコンピュータ手段
３９０に連結され薄膜形圧電体３００に印加される気圧
応力Ｐを測定する圧力計３５５、及び圧力計３５５、ス
トレインゲージ４００及び電荷量測定手段３６０にそれ
ぞれ連結され前記部材を精密に制御し、薄膜形圧電体３
００の圧電定数を計算するコンピュータ手段３９０を含
む。

【００４０】以下、本実施例による薄膜形圧電体の圧電
定数測定装置を利用して薄膜形圧電体の圧電定数を求め
る方法を図面を参照して説明する。図８は本発明の第２
実施例による薄膜形圧電体３００に気圧応力Ｐを印加し
た状態を説明する図面である。図８を参照すると、薄膜
形圧電体３００の圧電定数を測定するために、まず薄膜
形圧電体３００に気圧応力Ｐを印加する前にコンピュー
タ手段３９０、電荷量部材３６０、そして圧力印加部材
３４０を含む測定装置を初期化する。次に、上部電極３
０５上に薄膜形圧電体３００に発生する応力を直接測定
できるストレインゲージ４００を接着剤を使用して取り
付ける。次いで、上部電極３０５を電荷量測定部材３０
６の第１端子３６５に連結させ下部電極３１０を電荷量
測定部材３６０の第２端子３７０に連結させ薄膜形圧電
体３００から発生する微少電荷量を電荷量測定部材３６
０が測定できるようにする。

【００４１】次いで、薄膜形圧電体３００に所定の気圧
応力Ｐを印加するために圧力印加部材３４０を稼動させ
る。次に、解除バルブ３５０を稼動させ薄膜形圧電体３
００に所定の気圧応力Ｐを印加し、このように印加され
る気圧応力Ｐの変化をおこすために解除バルブ３５０を
操作する。前記したように、薄膜形圧電体３００に気圧
応力Ｐが印加されると、薄膜形圧電体３００が上方に変
形をおこす。このとき、前記気圧応力Ｐにより薄膜形圧
電体３００に発生した応力δはストレインゲージ４００
により直接的に測定されコンピュータ部材３９０に伝達
する。

【００４２】次いで、前記測定された電荷量及び応力δ
の大きさを基にしてコンピュータ部材３８０が薄膜形圧
電体３００の圧電定数を前記した式３により計算する。

【００４３】本実施例においては、薄膜形圧電体３００
に発生する応力δを測定するためにストレインゲージ４
００を上部電極３０５の上部に取り付けたが、図９に示
すように、上部電極３０５の上に絶縁層３９９を形成し
た後、絶縁層３９９上に薄膜形圧電体３００の試片と一
体で形成されたストレインゲージ４００ａを使用して薄
膜形圧電体３００に発生する応力が測定できる。

【００４４】

【発明の効果】以上で説明したように、本発明による薄
膜形圧電体の圧電定数を測定する方法において、気圧応
力として真空圧力だけでなく高圧を印加することが可能
で印加圧力の変位が増加されるために、より精密の測定
ができ、その表面状態が一定でなく厚さが薄い薄膜形圧
電体に薄膜形圧電体が短絡されたり印加される応力によ
り薄膜形圧電体が塑性変形をおこすことなく均一の気圧
応力を印加できる。

【００４５】また、応力ヘッドにより圧電体薄膜が拘束
されることにより圧電定数の測定値に誤差が発生する問
題点を解決し、圧電体から発生する変位量を測定して圧
電定数を計算する場合、圧電体薄膜の状態及び位置によ
り測定値が異なって現れることがあり、印加される電圧
が低いとき、圧電体の変位量は大変小さいためにこれに
より、圧電定数の測定値に誤差が発生することが防止で
きる。すなわち、本発明による前記測定装置は気圧応力
を薄膜形圧電体に印加することにより、薄膜形圧電体の
表面状態に関係なく均一の圧力を薄膜形圧電体の前面に
印加でき、薄膜形圧電体が短絡されたり塑性変形がおこ
すことが防止できる。

【００４６】また、電荷量測定手段及び顕微鏡またはス
トレインゲージを使用して薄膜形圧電体から発生する微
少電荷量及び発生応力を測定することにより、圧電定数
の測定時に誤差が発生することを防止できる長所があ
る。

【００４７】本発明を実施例によって詳細に説明した
が、本発明は実施例によって限定されず、本発明が属す
る技術分野において通常の知識を有するものであれば本
発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正また
は変更できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＰＺＴの二相状態図。

【図２】従来の多層圧電アクチュエータの圧電特性テス
ト装置の断面図。

【図３】図２に示した装置の回路図。

【図４】本発明の第１実施例による薄膜形圧電体の圧電
上部測定装置の平面図。

【図５】本発明の第１実施例による薄膜形圧電体に気圧
応力を印加した状態を説明する図面。

【図６】Ａ及びＢからなり、Ａは、本発明の第１実施例
による薄膜形圧電体の試片の製造工程図、Ｂは、本発明
の第１実施例による薄膜形圧電体の試片の製造工程図。

【図７】本発明の第２実施例による薄膜形圧電体の圧電
上部測定装置の平面図。

【図８】本発明の第２実施例による薄膜形圧電体に気圧
応力を印加した状態を説明する図面。

【図９】本発明のまた別の実施例による薄膜形圧電体の
試片の断面図。

【符号の説明】

３００ 薄膜形圧電体 ３０５ 上部電極 ３１０ 下部電極 ３２０ 基板 ３３０ 誘導管 ３４０ 圧力印加部材 ３５０ 解除部材 ３６０ 電荷量測定部材 ３６５ 第１端子 ３７０ 第２端子 ３８０ 顕微鏡 ３９０ コンピュータ手段 ４００ ストレインゲージ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極を形成した後、前記下部電極
   の上部に薄膜形圧電体を形成する過程と、 前記薄膜形圧電体の上部に上部電極を形成する過程と、 前記上部電極の上部に前記薄膜形圧電体の変位の高さを
   測定する顕微鏡を位置させる過程と、 圧力印加手段から気圧応力を発生する過程と、 前記上部電極及び下部電極が取り付けられた薄膜形圧電
   体に誘導管を通して前記気圧応力を印加する過程と、 前記薄膜形圧電体に印加される気圧応力を変化させる過
   程と、 前記上部電極を電荷量測定手段の第１端子に連結させ、
   前記下部電極を前記電荷量測定手段の第２端子に連結さ
   せ前記薄膜形圧電体から発生する電荷量を測定する過程
   と、 前記電荷量測定手段により測定された電荷量をコンピュ
   ータ手段に記録する過程と、 前記薄膜形圧電体に印加される気圧応力の大きさを圧力
   計からコンピュータ手段に記録する過程と、 前記測定された電荷量及び前記測定された気圧応力を利
   用してコンピュータ手段を通して前記薄膜形圧電体の圧
   電定数を計算する過程とを有することを特徴とする薄膜
   形圧電体の圧電定数測定方法。
2. 【請求項２】 前記下部電極を形成する過程は、基板
   を提供する過程後に遂行されることを特徴とする請求項
   １に記載の薄膜形圧電体の圧電定数測定方法。
3. 【請求項３】 前記上部電極を形成する過程は、前記
   基板の一部を食刻して前記下部電極の一部を露出させる
   過程を更に有することを特徴とする請求項２に記載の薄
   膜形圧電体の圧電定数測定方法。
4. 【請求項４】 前記薄膜形圧電体の下部に前記下部電
   極を形成する過程及び前記薄膜形圧電体の上部に前記上
   部電極を形成する過程は、金、白金、タンタル、または
   白金−タンタルでなされたグループののうち選択された
   ある一つを使用して遂行されることを特徴とする請求項
   １に記載の薄膜形圧電体の圧電定数測定方法。
5. 【請求項５】 前記薄膜形圧電体を形成する過程は、
   ゾル−ゲル法を使用して製造されたＰＺＴをスパッタリ
   ング方法を利用して遂行されることを特徴とする請求項
   １に記載の薄膜形圧電体の圧電定数測定方法。
6. 【請求項６】 前記圧力印加手段で真空ポンプまたは
   圧縮機を使用することを特徴とする請求項１に記載の薄
   膜形圧電体の圧電定数測定方法。
7. 【請求項７】 前記薄膜形圧電体に気圧応力を印加す
   る過程は、前記薄膜形圧電体に圧力を印加する前に前記
   コンピュータ手段と、前記圧力計と、前記電荷量測定手
   段と、前記圧力印加手段とを初期化する過程の後に遂行
   されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形圧電体
   の圧電定数測定方法。
8. 【請求項８】 前記薄膜形圧電体に印加される気圧応
   力を変化させる過程は、解除バルブを可動及び停止する
   過程であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形圧
   電体の圧電定数測定方法。
9. 【請求項９】 前記電荷量測定手段として、電荷増幅
   器またはピコ電流計を使用することを特徴とする請求項
   １に記載の薄膜形圧電体の圧電定数測定方法。
10. 【請求項１０】 前記測定された電荷量及び前記測定
    された気圧応力を利用してコンピュータ手段を通して前
    記薄膜形圧電体の圧電定数を計算する過程は、 ａ）前記顕微鏡で測定された前記薄膜形圧電体の変位の
    高さを前記コンピュータ手段に記録する過程と、 ｂ）前記薄膜形圧電体の直径及び厚さを前記コンピュー
    タ手段に記録する過程と、 ｃ）前記測定された気圧応力及び前記記録された薄膜形
    圧電体の直径及び厚さを使用して前記薄膜形圧電体で発
    生する応力を計算する過程と、 ｄ）前記計算された応力及び前記測定された電荷量を利
    用して前記薄膜形圧電体の圧電定数を計算する過程とを
    更に有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形圧
    電体の圧電定数測定方法。
11. 【請求項１１】 前記測定された気圧応力及び前記記
    録された薄膜形圧電体の直径及び厚さを使用して前記薄
    膜形圧電体で発生する応力を計算する過程は、下記の
    式、 δ＝ｆ（Ｐ， ａ²，１／ｈ，１／ｔ）＝Ｐａ²／４ｈｔ （式のうちＰは気圧応力、ａは薄膜形圧電体の直径であ
    り、ｈは気圧応力印加時に発生する薄膜形圧電体の変位
    高さ、そしてｔは薄膜形圧電体の厚さを意味する）によ
    り遂行されることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜
    形圧電体の圧電定数測定方法。
12. 【請求項１２】 前記計算された応力及び前記測定さ
    れた電荷量を利用して前記薄膜形圧電体の圧電定数を計
    算する過程は、下記の式、 圧電定数＝σＤ／σＰ＝Ｑ／σ （式の中、Ｄは電荷密度、σは薄膜形圧電体から発生す
    る応力、Ｐは気圧応力、そしてＱは薄膜形圧電体から発
    生する電荷量を意味する）により遂行されることを特徴
    とする請求項１１に記載の薄膜形圧電体の圧電定数測定
    方法。