Date of Award

5-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Prof. Mahmoud F. Al Ahmad

Abstract

The characterization of piezoelectric coefficients, specifically, the extraction of D33 charge constant versus applied voltage profiles plays an important role in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) design and actuation. MEMS structures widely use piezoelectric thin films due to their advantages of possessing high piezoelectric constants and lightweight properties. Hence there is a need for characterizing piezoelectric materials so that one can predict their response during different operating conditions. In this work, a combined electrical and light-based methodology to characterize the voltage dependency profile of d33 is developed. A set of equations are extracted based on the electrical capacitance and light profilometer analysis. These equations are then used to compute the effective d33 numerical values. PZT thin film of 1 μm has been sandwiched between two electrodes and poled with the application of 20 volts/ μm to demonstrate the power of the current approach. The voltage-based capacitance and change in area of the sample were collected at different DC biases. Consequently, d## equation values are computed for parallel and antiparallel cases and their averages are computed to obtain effective d33 as well. These values of d33 are plotted against their corresponding voltages. The results indicate a decrease in the piezoelectric coefficient with an increase in voltage from 1 to 10 volts at 1 KHz. This response, according to previously published articles, is due to the clamping of domain walls under DC bias. Furthermore, the numerical values obtained by the existing conventional methods lie in the computed range obtained by the current technique with an estimated error of ± 14%. It is worth adding that it is quite difficult to absolutely decide which method produces the most representative numerical values due to the substrate clamping effect, probing, resolutions, and accuracy. Such characterization serves as an excellent method to effectively design piezoelectric devices such as actuators, sensors, and filters, that exhibit phenomenal performance.

Arabic Abstract

توصيف معامل الكهربي الحبيبي باستخدام طرق بصرية وكهربائية مجمعة

يلعب توصيف المعاملات الكهربائية الانضغاطية، على وجه التحديد استخلاص ثابت الشحنة 33d مقابل ملفات تعريف الجهد المطبق دورًا مهمًا في تصميم وتشغيل MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة). تستخدم هياكل MEMS على نطاق واسع أغشية رقيقة كهر ضغطية بسبب مزاياها في امتلاك ثوابت كهر ضغطية عالية وخصائص خفيفة الوزن. ومن ثم هناك حاجة لتوصيف المواد الكهر ضغطية بحيث يمكن للمرء أن يتوقع استجابتها خلال ظروف التشغيل المختلفة. في هذا العمل، تم تطوير منهجية مجمعة تعتمد على الكهرباء والضوء لتوصيف ملف تبعية الجهد لـ d33. يتم استخراج مجموعة من المعادلات بناءً على السعة الكهربائية وتحليل مقياس الضوء. ثم يتم استخدام هذه المعادلات لحساب القيم العددية الفعالة .d33 تم وضع غشاء رقيق PZT يبلغ 1 ميكرومتر بين قطبين وقطب باستخدام 20 فولت / ميكرومتر لإثبات قوة النهج الحالي. تم جمع السعة القائمة على الجهد والتغير في مساحة العينة في تحيزات مختلفة للتيار المستمر. وبالتالي، يتم حساب قيم المعادلة d33 للحالات المتوازية والمضادة والمتوازية ويتم حساب متوسطاتها للحصول على d33 الفعال أيضًا. يتم رسم قيم d33 مقابل الفولتية المقابلة لها. أشارت النتائج إلى انخفاض في المعامل الكهر ضغطية مع زيادة الجهد من 1 إلى 10 فولت عند 1 كيلو هرتز. هذه الاستجابة، وفقا لمقالات منشورة سابقا، ترجع إلى تثبيت جدران المجال تحت تحيز التيار المستمر. علاوة على ذلك، تكمن القيم العددية التي تم الحصول عليها بالطرق التقليدية الحالية في النطاق المحسوب الذي تم الحصول عليه بواسطة التقنية الحالية مع خطأ مقدر بـ - 14. تجدر الإشارة إلى أنه من الصعب للغاية تحديد الطريقة التي تنتج القيم العددية الأكثر تمثيلا بسبب تأثير تثبيت الركيزة، والتحقيق، والدقة والدقة. يعمل هذا التوصيف كطريقة ممتازة لتصميم الأجهزة الكهروإجهادية بشكل فعال مثل المشغلات وأجهزة الاستشعار والمرشحات، والتي تعرض أداء استثنائيا.

Download
COinS