一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法
2024-01-21 12:54:15
專利名稱：一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及熱釋電材料的電學性能參數測量，具體是指一種同步測量熱釋電材料偏置電場下介電熱釋電性能的裝置及方法。
背景技術：
熱釋電材料通過吸收紅外輻射，將紅外信號轉換成電信息實現紅外探測，其性能直接決定著非製冷紅外焦平面的性能。採用偏場下工作的熱釋電材料的紅外探測性能比零偏場下的本徵熱釋電材料具有明顯優勢。近些年，國際上非製冷紅外焦平面技術多採用在偏場下工作的熱釋電材料作為敏感元進行紅外探測。熱釋電材料通常用熱釋電係數P與介電常數S、介電損耗tans的比值即優值因子來表示。熱釋電材料比較常用的優值表示方式為 ο⑴其中Fd為探測率優值因子，P為偏場下的熱釋電係數，Cv為定容比熱，ε為偏場下的介電常數，tan δ為偏場下的介電損耗。從公式(I)可以看出，為了使熱釋電材料更好的應用於紅外焦平面中，不同偏場下的e、tanS以及p顯然是必須表徵的參數。由於應用在偏場下的熱釋電材料其工作溫度在相變溫度附近，我們所關注溫度範圍內的P、ε和tanS隨溫度變化非常快，溫度的微小變化就會引起測試結果的不同。因此，必須實現P、ε和tan δ的同步測量，否則就不能準確得到熱釋電材料的探測率優值因子，就不能準確評價熱釋電材料的綜合性能。熱釋電材料偏場下熱釋電係數的測量方法有偏壓下熱釋電係數測量方法及裝置(專利申請號200810077874. I)，該方法是在電流法測試熱釋電係數的基礎上實現偏場下的熱釋電係數測量。偏場下介電性能的測量方法多採用HP 4192A LF Impedance AhalyzerOperation And Service Manual中所述的方法。目前現有的測試方法多將介電性能(ε和tanS)、熱釋電係數(P)分別測試，然後用分別測得的ε、tan δ、ρ再計算得到優值因子，尚無同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法。
發明內容
本發明的目的是提出一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法。通過測量裝置及方法的建立，在溫度變化時實現同步測量材料的介電常數、介電損耗和熱釋電係數。本申請公開了一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置，所述裝置包括LCR電橋⑴、耦合變壓器(2)、直流電壓源(3)、電阻⑷、電容器(5)、樣品(6)、溫度腔⑵、溫度測量儀⑶、測量熱釋電信號用取樣電阻(9)、濾波電容(10)、電壓表(11)、壓敏電阻(12)、限流電阻(13)和二極體(14)，其特徵在於
將耦合變壓器⑵初級的一端與LCR電橋⑴的高電流端相連，初級的另一端接地，耦合變壓器(2)次級的一端與直流電壓源(3)的正極相連，其次級的另一端與限流電阻
(13)相連，直流電壓源(3)的負極接地，電容器(5)的一端與LCR電橋⑴的高電壓端相連，另一端與限流電阻(13)相連；電阻⑷的一端與LCR電橋⑴的高電壓端相連，另一端接地；限流電阻(13)與樣品(6)正極相連，測量熱釋電信號用取樣電阻(9)的一端與樣品
(6)的負極相連，LCR電橋⑴的低電流端與低電壓端相連，樣品(6)的另一端與LCR電橋
(1)的低電流端相連，濾波電容(10)的兩端分別與取樣電阻(9)的兩端相連，二極體(14)的負極與樣品(6)的負極相連，正極與LCR電橋⑴的低電流端相連；電壓表(11)的正極與二極體(14)的負極相連，電壓表(11)的負極與二極體(14)的正極相連，壓敏電阻(12)的一端與低電流端相連，另一端接地，所述樣品(6)置於溫度腔(7)中，溫度測量儀⑶用於測量樣品的實際溫度，將其溫度傳感器無限接近樣品(6)。比較好的是，所述耦合變壓器(2)為I : I的隔直流變壓器。本申請還公開了一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能裝置的方法，其特徵在於，步驟一，測量樣品(6)的有效電極面積A的值及厚度d的值，再將樣品(6)置於溫度腔⑵中；步驟二，開啟所述裝置的電源；步驟三，當溫度腔(7)的溫度變化至所需測量的起始溫度後，通過直流電壓源(3) 將直流電壓加在樣品(6)上；步驟四，待電壓表(11)上的電壓值到穩定後，啟動溫度變溫程序，使之對溫度腔
(7)進行變溫，並記錄下包括時間t、溫度T、LCR電橋⑴測得的電容值C、介電損耗值以及電壓表(11)測得的電壓值V在內的參數；步驟五，將樣品(6)的面積A、樣品厚度d及測得的電容值C代入公式ε =(CXd)/(AX8. 85ΧΙΟ—12)計算，得到樣品(6)的介電常數值；步驟六，將樣品(6)的面積Α、取樣電阻R及測得的電壓值V、時間t和溫度T的數
V
值代入公式I = R計算，得到熱釋電係數值。 dT Axf-
at比較好的是，在步驟二開啟裝置電源後，LCR電橋(I)的高電流端輸出的交流信號通過耦合變壓器(2)傳輸到樣品(6)上，直流電壓源(3)輸出的直流電壓通過耦合變壓器
(2)的次級施加到樣品(6)上，耦合變壓器(2)使測試用的交變信號能夠通過，而使直流偏置電場不會施加到LCR電橋⑴的測試端，以達到保護LCR電橋⑴的高電流端目的；通過電容器(5)隔離直流電壓以保護LCR電橋⑴高電壓端；限流電阻(13)主要用於在樣品(6)擊穿或無意滑落時將整個測試線路的電流限定在一個安全的電流範圍內；當溫度變化時，樣品(6)釋放出的熱釋電電流通過電壓表(11)測量取樣電阻(9)兩端的電壓間接得至IJ，濾波電容(10)和二極體(14)用於在樣品(6)擊穿或是滑落時保護電壓表(11);樣品
(6)未擊穿時，壓敏電阻(12)對於測試線路沒有貢獻，當樣品(6)擊穿或是滑落時，壓敏電阻(12)可以吸收瞬間的大電流而保護LCR電橋⑴的低端。本測量裝置及方法實現了同步測量熱釋電材料偏壓下介電常數、介電損耗和熱釋電係數，主要適用於測量BST等介電-熱釋電模式工作的熱釋電材料在偏壓下的介電性能、熱釋電係數，也適用於測量傳統的PZT等本徵熱釋電材料在偏壓下的介電性能、熱釋電係數，同時可對偏壓下鐵電材料的相變研究提供測試手段及依據。
下面，參照附圖，對於熟悉本技術領域的人員而言，從對本發明方法的詳細描述中，本發明的上述和其他目的、特徵和優點將顯而易見。圖I為本發明的測試裝置結構示意圖；圖2為用本發明的測量裝置及方法測得的熱釋電陶瓷材料在100V/mm偏壓下的介電常數、介電損耗隨溫度變化的關係曲線；圖3為用本發明的測量裝置及方法測得的熱釋電陶瓷材料在100V/mm偏壓下的介·電常數、熱釋電係數隨溫度變化的關係曲線；圖4為用本發明的測量裝置及方法通過測得的熱釋電陶瓷材料在100V/mm偏壓下的介電常數值、介電損耗值、熱釋電係數值，計算得到的探測率優值-溫度變化曲線。
具體實施例方式實施例I :按照圖I進行接線，其中該測試裝置結構圖中包括LCR電橋I、耦合變壓器2、直流電壓源3、電阻4、電容器5、熱釋電陶瓷樣品6、溫度腔7、溫度測量儀8、測量熱釋電信號的取樣電阻9、濾波電容10、電壓表11、壓敏電阻12、限流電阻13、二極體14。將耦合變壓器2的初級一端與LCR電橋I的高電流端相連，初級的另一端接地，耦合變壓器2次級的一端與直流電壓源3的正極相連，次級的另一端與限流電阻13相連；再將直流電壓源3的負極接地。然後，將電容器5的一端與LCR電橋I的高電壓端相連，另一端與耦合變壓器2不接直流電壓源3的次級一端相連；將電阻4的一端與LCR電橋I的高電壓端相連，另一端接地；再將限流電阻13與樣品6正極相連。接著，先將測量熱釋電信號用取樣電阻9的一端與樣品6負極相連,將LCR電橋I的低電流端與低電壓端相連,再將樣品6另一端與LCR電橋I的低電流端相連。之後，將濾波電容10的兩端分別與取樣電阻9的兩端相連，二極體14的負極與樣品6的負極相連，正極與LCR電橋I的低電流端相連；電壓表11的正極與二極體14的負極相連，電壓表11的負極與二極體(14)的正極相連。最後，將壓敏電阻12的一端與低電流端相連，另一端接地。其中，樣品6置於溫度腔7中，溫度測量儀8用於測量樣品的實際溫度，將其溫度傳感器無限接近樣品6。利用上述裝置實現同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的方法包括以下步驟步驟一，按圖I連接好整個測量系統；步驟二，先測量樣品6的有效電極面積A的值及厚度d的值，再將樣品6置於溫度腔7中，本實施例中，熱釋電陶瓷樣品6的電極面積19. 625_2，樣品厚度0. 2_，溫度範圍(TC 40°C，偏置電場為100V/mm ；步驟三，打開測量裝置中各部件的電源，各部件開始工作；其中，LCR電橋I的高電流端輸出的交流信號通過耦合變壓器2傳輸到樣品6上，直流電壓源3輸出的直流電壓通過耦合變壓器2的次級施加到樣品6上，耦合變壓器2使測試用的交變信號能夠通過，而使直流偏置電場不會施加到LCR電橋I的測試端，以達到保護LCR電橋I的高電流端目的。通過電容器5隔離直流電壓以保護LCR電橋I高電壓端。限流電阻13主要用於在樣品6擊穿或無意滑落時將整個測試線路的電流限定在一個安全的電流範圍內。當溫度變化時，樣品6釋放出的熱釋電電流通過電壓表11測量取樣電阻9兩端的電壓間接得到，濾波電容10和二極體14用於在樣品6擊穿或是滑落時保護電壓表11。樣品6未擊穿時，壓敏電阻12對於測試線路沒有貢獻，當樣品6擊穿或是滑落時，壓敏電阻12可以吸收瞬間的大電流而保護LCR電橋I的低端。步驟四，當溫度腔7的溫度變化至所需測量的起始溫度後，通過直流電壓源3將直流電壓加在樣品6上；步驟五，觀察電壓表11上的電壓值，等到其穩定後，再啟動溫度變溫程序，使之對溫度腔7進行變溫，並通過編寫的測試系統軟體記錄下時間t、溫度T、LCR電橋I測得的電容值C、介電損耗值以及電壓表11測得的電壓值V ;步驟六，將樣品面積A、樣品厚度d及測得的電容值C代入公式ε = (CXd)/(AX8. 85X IO-12)計算，得到樣品的介電常數值；步驟七，將樣品面積A、取樣電阻R及測得的電壓值V、時間t和溫度T的數值代入
公式
權利要求
1.一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置，所述裝置包括=LCR電橋(1)、耦合變壓器(2)、直流電壓源(3)、電阻(4)、電容器(5)、樣品(6)、溫度腔(7)、溫度測量儀(8)、測量熱釋電信號用取樣電阻(9)、濾波電容(10)、電壓表(11)、壓敏電阻(12)、限流電阻(13)和二極體(14)， 其特徵在於 將耦合變壓器(2)初級的一端與LCR電橋(I)的高電流端相連，初級的另一端接地，耦合變壓器(2)次級的一端與直流電壓源(3)的正極相連，其次級的另一端與限流電阻(13)相連，直流電壓源(3)的負極接地，電容器(5)的一端與LCR電橋(I)的高電壓端相連，另一端與限流電阻(13)相連；電阻⑷的一端與LCR電橋⑴的高電壓端相連，另一端接地；限流電阻(13)與樣品(6)正極相連，測量熱釋電信號用取樣電阻(9)的一端與樣品(6)的負極相連，LCR電橋⑴的低電流端與低電壓端相連，樣品(6)的另一端與LCR電橋⑴的低電流端相連，濾波電容(10)的兩端分別與取樣電阻(9)的兩端相連，二極體(14)的負極與樣品(6)的負極相連，正極與LCR電橋⑴的低電流端相連；電壓表(11)的正極與二極體(14)的負極相連，電壓表(11)的負極與二極體(14)的正極相連，壓敏電阻(12)的一端與低電流端相連，另一端接地，所述樣品(6)置於溫度腔(7)中，溫度測量儀⑶用於測量樣品的實際溫度，將其溫度傳感器無限接近樣品(6)。
2.根據權利要求I所述的同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置，其特徵在於，所述耦合變壓器(2)為I : I的隔直流變壓器。
3.一種應用權利要求I所述同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能裝置的方法，其特徵在於， 步驟一，測量樣品￠)的有效電極面積A的值及厚度d的值，再將樣品(6)置於溫度腔(7)中； 步驟二，開啟所述裝置的電源； 步驟三，當溫度腔(7)的溫度變化至所需測量的起始溫度後，通過直流電壓源(3)將直流電壓加在樣品(6)上； 步驟四，待電壓表(11)上的電壓值到穩定後，啟動溫度變溫程序，使之對溫度腔(7)進行變溫，並記錄下包括時間t、溫度T、LCR電橋⑴測得的電容值C、介電損耗值以及電壓表(11)測得的電壓值V在內的參數； 步驟五，將樣品(6)的面積A、樣品厚度d及測得的電容值C代入公式ε = (CXd)/(AX8. 85X IO-12)計算，得到樣品(6)的介電常數值； 步驟六，將樣品(6)的面積A、取樣電阻R及測得的電壓值V、時間t和溫度T的數值代 入公式
4.根據權利要求3所述的同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能裝置的方法，其特徵在於， 在步驟二開啟裝置電源後，LCR電橋(I)的高電流端輸出的交流信號通過耦合變壓器(2)傳輸到樣品(6)上，直流電壓源(3)輸出的直流電壓通過耦合變壓器(2)的次級施加到樣品(6)上，耦合變壓器(2)使測試用的交變信號能夠通過，而使直流偏置電場不會施加到LCR電橋⑴的測試端，以達到保護LCR電橋⑴的高電流端目的；通過電容器(5)隔離直流電壓以保護LCR電橋⑴高電壓端；限流電阻(13)主要用於在樣品(6)擊穿或無意滑落時將整個測試線路的電流限定在一個安全的電流範圍內；當溫度變化時，樣品(6)釋放出的熱釋電電流通過電壓表(11)測量取樣電阻(9)兩端的電壓間接得到，濾波電容(10)和二極體(14)用於在樣品(6)擊穿或是滑落時保護電壓表(11);樣品(6)未擊穿時，壓敏電阻(12)對於測試線路沒有貢獻，當樣品(6)擊穿或是滑落時，壓敏電阻(12)可以吸收瞬間的大電流而保護LCR電橋(I)的低端。·
全文摘要
本發明公開了一種同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法，該裝置包括LCR電橋(1)、耦合變壓器(2)、直流電壓源(3)、電阻(4)、電容器(5)、樣品(6)、溫度腔(7)、溫度測量儀(8)、測量熱釋電信號用取樣電阻(9)、濾波電容(10)、電壓表(11)、壓敏電阻(12)、限流電阻(13)和二極體(14)。本發明在實現偏場下介電性能的測試線路中，串聯引入偏場下熱釋電係數的測試線路，採用了一套簡便易行的高準確度的同步測量熱釋電材料偏場下介電熱釋電性能的裝置及方法。本發明的測量裝置最大優點是結構簡單，數據處理簡便，可以同步測得偏置電場下材料的介電常數、介電損耗及熱釋電係數隨溫度的變化關係。
文檔編號G01R27/26GK102890199SQ201110204148
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者曹菲, 董顯林, 王根水, 姚春華, 毛朝梁, 陳學鋒 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所