CN102890199A - 一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法，该装置包括：LCR电桥(1)、耦合变压器(2)、直流电压源(3)、电阻(4)、电容器(5)、样品(6)、温度腔(7)、温度测量仪(8)、测量热释电信号用取样电阻(9)、滤波电容(10)、电压表(11)、压敏电阻(12)、限流电阻(13)和二极管(14)。本发明在实现偏场下介电性能的测试线路中，串联引入偏场下热释电系数的测试线路，采用了一套简便易行的高准确度的同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法。本发明的测量装置最大优点是结构简单，数据处理简便，可以同步测得偏置电场下材料的介电常数、介电损耗及热释电系数随温度的变化关系。

Description

一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及热释电材料的电学性能参数测量，具体是指一种同步测量热释电材料偏置电场下介电热释电性能的装置及方法。

背景技术

热释电材料通过吸收红外辐射，将红外信号转换成电信息实现红外探测，其性能直接决定着非制冷红外焦平面的性能。采用偏场下工作的热释电材料的红外探测性能比零偏场下的本征热释电材料具有明显优势。近些年，国际上非制冷红外焦平面技术多采用在偏场下工作的热释电材料作为敏感元进行红外探测。热释电材料通常用热释电系数p与介电常数ε、介电损耗tanδ的比值即优值因子来表示。热释电材料比较常用的优值表示方式为：

$F_D=\frac{p}{\mathrm{Cv}\sqrt{\mathrm{\ϵ}\tan \mathrm{\δ}}}---\left(1\right)$

其中F_D为探测率优值因子，p为偏场下的热释电系数，C_v为定容比热，ε为偏场下的介电常数，tanδ为偏场下的介电损耗。从公式(1)可以看出，为了使热释电材料更好的应用于红外焦平面中，不同偏场下的ε、tanδ以及p显然是必须表征的参数。由于应用在偏场下的热释电材料其工作温度在相变温度附近，我们所关注温度范围内的p、ε和tanδ随温度变化非常快，温度的微小变化就会引起测试结果的不同。因此，必须实现p、ε和tanδ的同步测量，否则就不能准确得到热释电材料的探测率优值因子，就不能准确评价热释电材料的综合性能。

热释电材料偏场下热释电系数的测量方法有偏压下热释电系数测量方法及装置(专利申请号：200810077874.1)，该方法是在电流法测试热释电系数的基础上实现偏场下的热释电系数测量。偏场下介电性能的测量方法多采用HP 4192A LF Impedance Ahalyzer Operation And Service Manual中所述的方法。目前现有的测试方法多将介电性能(ε和tanδ)、热释电系数(p)分别测试，然后用分别测得的ε、tanδ、p再计算得到优值因子，尚无同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法。通过测量装置及方法的建立，在温度变化时实现同步测量材料的介电常数、介电损耗和热释电系数。

本申请公开了一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置，所述装置包括：LCR电桥(1)、耦合变压器(2)、直流电压源(3)、电阻(4)、电容器(5)、样品(6)、温度腔(7)、温度测量仪(8)、测量热释电信号用取样电阻(9)、滤波电容(10)、电压表(11)、压敏电阻(12)、限流电阻(13)和二极管(14)，其特征在于：

将耦合变压器(2)初级的一端与LCR电桥(1)的高电流端相连，初级的另一端接地，耦合变压器(2)次级的一端与直流电压源(3)的正极相连，其次级的另一端与限流电阻(13)相连，直流电压源(3)的负极接地，电容器(5)的一端与LCR电桥(1)的高电压端相连，另一端与限流电阻(13)相连；电阻(4)的一端与LCR电桥(1)的高电压端相连，另一端接地；限流电阻(13)与样品(6)正极相连，测量热释电信号用取样电阻(9)的一端与样品(6)的负极相连，LCR电桥(1)的低电流端与低电压端相连，样品(6)的另一端与LCR电桥(1)的低电流端相连，滤波电容(10)的两端分别与取样电阻(9)的两端相连，二极管(14)的负极与样品(6)的负极相连，正极与LCR电桥(1)的低电流端相连；电压表(11)的正极与二极管(14)的负极相连，电压表(11)的负极与二极管(14)的正极相连，压敏电阻(12)的一端与低电流端相连，另一端接地，所述样品(6)置于温度腔(7)中，温度测量仪(8)用于测量样品的实际温度，将其温度传感器无限接近样品(6)。

比较好的是，所述耦合变压器(2)为1∶1的隔直流变压器。

本申请还公开了一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能装置的方法，其特征在于，

步骤一，测量样品(6)的有效电极面积A的值及厚度d的值，再将样品(6)置于温度腔(7)中；

步骤二，开启所述装置的电源；

步骤三，当温度腔(7)的温度变化至所需测量的起始温度后，通过直流电压源(3)将直流电压加在样品(6)上；

步骤四，待电压表(11)上的电压值到稳定后，启动温度变温程序，使之对温度腔(7)进行变温，并记录下包括时间t、温度T、LCR电桥(1)测得的电容值C、介电损耗值以及电压表(11)测得的电压值V在内的参数；

步骤五，将样品(6)的面积A、样品厚度d及测得的电容值C代入公式ε＝(C×d)/(A×8.85×10^-12)计算，得到样品(6)的介电常数值；

步骤六，将样品(6)的面积A、取样电阻R及测得的电压值V、时间t和温度T的数值代入公式

计算，得到热释电系数值。

比较好的是，在步骤二开启装置电源后，LCR电桥(1)的高电流端输出的交流信号通过耦合变压器(2)传输到样品(6)上，直流电压源(3)输出的直流电压通过耦合变压器(2)的次级施加到样品(6)上，耦合变压器(2)使测试用的交变信号能够通过，而使直流偏置电场不会施加到LCR电桥(1)的测试端，以达到保护LCR电桥(1)的高电流端目的；通过电容器(5)隔离直流电压以保护LCR电桥(1)高电压端；限流电阻(13)主要用于在样品(6)击穿或无意滑落时将整个测试线路的电流限定在一个安全的电流范围内；当温度变化时，样品(6)释放出的热释电电流通过电压表(11)测量取样电阻(9)两端的电压间接得到，滤波电容(10)和二极管(14)用于在样品(6)击穿或是滑落时保护电压表(11)；样品(6)未击穿时，压敏电阻(12)对于测试线路没有贡献，当样品(6)击穿或是滑落时，压敏电阻(12)可以吸收瞬间的大电流而保护LCR电桥(1)的低端。

本测量装置及方法实现了同步测量热释电材料偏压下介电常数、介电损耗和热释电系数，主要适用于测量BST等介电-热释电模式工作的热释电材料在偏压下的介电性能、热释电系数，也适用于测量传统的PZT等本征热释电材料在偏压下的介电性能、热释电系数，同时可对偏压下铁电材料的相变研究提供测试手段及依据。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1为本发明的测试装置结构示意图；

图2为用本发明的测量装置及方法测得的热释电陶瓷材料在100V/mm偏压下的介电常数、介电损耗随温度变化的关系曲线；

图3为用本发明的测量装置及方法测得的热释电陶瓷材料在100V/mm偏压下的介电常数、热释电系数随温度变化的关系曲线；

图4为用本发明的测量装置及方法通过测得的热释电陶瓷材料在100V/mm偏压下的介电常数值、介电损耗值、热释电系数值，计算得到的探测率优值-温度变化曲线。

具体实施方式

实施例1：

按照图1进行接线，其中该测试装置结构图中包括LCR电桥1、耦合变压器2、直流电压源3、电阻4、电容器5、热释电陶瓷样品6、温度腔7、温度测量仪8、测量热释电信号的取样电阻9、滤波电容10、电压表11、压敏电阻12、限流电阻13、二极管14。

将耦合变压器2的初级一端与LCR电桥1的高电流端相连，初级的另一端接地，耦合变压器2次级的一端与直流电压源3的正极相连，次级的另一端与限流电阻13相连；再将直流电压源3的负极接地。然后，将电容器5的一端与LCR电桥1的高电压端相连，另一端与耦合变压器2不接直流电压源3的次级一端相连；将电阻4的一端与LCR电桥1的高电压端相连，另一端接地；再将限流电阻13与样品6正极相连。接着，先将测量热释电信号用取样电阻9的一端与样品6负极相连，将LCR电桥1的低电流端与低电压端相连，再将样品6另一端与LCR电桥1的低电流端相连。之后，将滤波电容10的两端分别与取样电阻9的两端相连，二极管14的负极与样品6的负极相连，正极与LCR电桥1的低电流端相连；电压表11的正极与二极管14的负极相连，电压表11的负极与二极管(14)的正极相连。最后，将压敏电阻12的一端与低电流端相连，另一端接地。其中，样品6置于温度腔7中，温度测量仪8用于测量样品的实际温度，将其温度传感器无限接近样品6。

利用上述装置实现同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的方法包括以下步骤：

步骤一，按图1连接好整个测量系统；

步骤二，先测量样品6的有效电极面积A的值及厚度d的值，再将样品6置于温度腔7中，本实施例中，热释电陶瓷样品6的电极面积19.625mm²，样品厚度0.2mm，温度范围：0℃～40℃，偏置电场为100V/mm；

步骤三，打开测量装置中各部件的电源，各部件开始工作；其中，LCR电桥1的高电流端输出的交流信号通过耦合变压器2传输到样品6上，直流电压源3输出的直流电压通过耦合变压器2的次级施加到样品6上，耦合变压器2使测试用的交变信号能够通过，而使直流偏置电场不会施加到LCR电桥1的测试端，以达到保护LCR电桥1的高电流端目的。通过电容器5隔离直流电压以保护LCR电桥1高电压端。限流电阻13主要用于在样品6击穿或无意滑落时将整个测试线路的电流限定在一个安全的电流范围内。当温度变化时，样品6释放出的热释电电流通过电压表11测量取样电阻9两端的电压间接得到，滤波电容10和二极管14用于在样品6击穿或是滑落时保护电压表11。样品6未击穿时，压敏电阻12对于测试线路没有贡献，当样品6击穿或是滑落时，压敏电阻12可以吸收瞬间的大电流而保护LCR电桥1的低端。

步骤四，当温度腔7的温度变化至所需测量的起始温度后，通过直流电压源3将直流电压加在样品6上；

步骤五，观察电压表11上的电压值，等到其稳定后，再启动温度变温程序，使之对温度腔7进行变温，并通过编写的测试系统软件记录下时间t、温度T、LCR电桥1测得的电容值C、介电损耗值以及电压表11测得的电压值V；

步骤六，将样品面积A、样品厚度d及测得的电容值C代入公式ε＝(C×d)/(A×8.85×10^-12)计算，得到样品的介电常数值；

步骤七，将样品面积A、取样电阻R及测得的电压值V、时间t和温度T的数值代入公式

计算，得到热释电系数值。

图2～4给出了该实施例测试结果的三种曲线比较示意图。

其中，图2为热释电陶瓷分步法与同步法测得的介电常数-温度曲线比较，图3为热释电陶瓷分步法与同步法测得的介电损耗-温度曲线比较，图4为热释电陶瓷分步法与同步法测得的热释电系数-温度曲线比较。

本发明的实现是在偏场下介电性能测试的基础上，在连接样品的负极与LCR电桥的低端时串联引入一个取样电阻，选择合适的取样电阻，使其电阻值基本不影响介电性能的测试，同时当温度变化时，样品的热释电电流流过该取样电阻，通过测量取样电阻两端电压即可得到样品的热释电电流，再通过测试软件记录下的时间t、温度T，可以计算得到样品的热释电系数值。

通过分步测试法和本专利的同步法对被测样品的介电常数、介电损耗以及热释电系数进行测试，测试结果表明，同步法结果与分步法结果在热释电系数上表现出了明显的温度偏移，而这种温度偏移对于该类材料在实际应用时会带来重大的不良影响，原因如下：由于该类热释电陶瓷实际工作时，要预先确定恒温器的恒温点，材料工作是在恒温点附近的，恒温点的确定是直接由材料的介电常数、介电损耗以及热释电系数的温度曲线来决定的，这其中，介电常数、介电损耗以及热释电系数的峰值是比较陡的，其对应的具体温度点是决定恒温点的关键，温度的一点点偏移会对结果有很大的影响，而恒温点的偏移直接影响材料工作时的性能，从测得的结果可以看出，在图4中，10℃时，分步法测得的热释电系数为250×10^-8C/cm²K，而同样的温度点，分步法测得的仅为50×10^-8C/cm²K。因此必须通过同步测试，以避免分步测试带来的温度偏移问题，以能够正确选定恒温点使材料工作在最佳状态。

本测量装置及方法实现了同步测量热释电材料偏压下介电常数、介电损耗和热释电系数，主要适用于测量BST等介电-热释电模式工作的热释电材料在偏压下的介电性能、热释电系数，也适用于测量传统的PZT等本征热释电材料在偏压下的介电性能、热释电系数，同时可对偏压下铁电材料的相变研究提供测试手段及依据。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (4)

1.一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置，所述装置包括：LCR电桥(1)、耦合变压器(2)、直流电压源(3)、电阻(4)、电容器(5)、样品(6)、温度腔(7)、温度测量仪(8)、测量热释电信号用取样电阻(9)、滤波电容(10)、电压表(11)、压敏电阻(12)、限流电阻(13)和二极管(14)，

其特征在于：

将耦合变压器(2)初级的一端与LCR电桥(1)的高电流端相连，初级的另一端接地，耦合变压器(2)次级的一端与直流电压源(3)的正极相连，其次级的另一端与限流电阻(13)相连，直流电压源(3)的负极接地，电容器(5)的一端与LCR电桥(1)的高电压端相连，另一端与限流电阻(13)相连；电阻(4)的一端与LCR电桥(1)的高电压端相连，另一端接地；限流电阻(13)与样品(6)正极相连，测量热释电信号用取样电阻(9)的一端与样品(6)的负极相连，LCR电桥(1)的低电流端与低电压端相连，样品(6)的另一端与LCR电桥(1)的低电流端相连，滤波电容(10)的两端分别与取样电阻(9)的两端相连，二极管(14)的负极与样品(6)的负极相连，正极与LCR电桥(1)的低电流端相连；电压表(11)的正极与二极管(14)的负极相连，电压表(11)的负极与二极管(14)的正极相连，压敏电阻(12)的一端与低电流端相连，另一端接地，所述样品(6)置于温度腔(7)中，温度测量仪(8)用于测量样品的实际温度，将其温度传感器无限接近样品(6)。

2.根据权利要求1所述的同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置，其特征在于，所述耦合变压器(2)为1∶1的隔直流变压器。

3.一种应用权利要求1所述同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能装置的方法，其特征在于，

步骤一，测量样品(6)的有效电极面积A的值及厚度d的值，再将样品(6)置于温度腔(7)中；

步骤二，开启所述装置的电源；

步骤三，当温度腔(7)的温度变化至所需测量的起始温度后，通过直流电压源(3)将直流电压加在样品(6)上；

步骤四，待电压表(11)上的电压值到稳定后，启动温度变温程序，使之对温度腔(7)进行变温，并记录下包括时间t、温度T、LCR电桥(1)测得的电容值C、介电损耗值以及电压表(11)测得的电压值V在内的参数；

步骤五，将样品(6)的面积A、样品厚度d及测得的电容值C代入公式ε＝(C×d)/(A×8.85×10^-12)计算，得到样品(6)的介电常数值；

步骤六，将样品(6)的面积A、取样电阻R及测得的电压值V、时间t和温度T的数值代入公式

计算，得到热释电系数值。

4.根据权利要求3所述的同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能装置的方法，其特征在于，

在步骤二开启装置电源后，LCR电桥(1)的高电流端输出的交流信号通过耦合变压器(2)传输到样品(6)上，直流电压源(3)输出的直流电压通过耦合变压器(2)的次级施加到样品(6)上，耦合变压器(2)使测试用的交变信号能够通过，而使直流偏置电场不会施加到LCR电桥(1)的测试端，以达到保护LCR电桥(1)的高电流端目的；通过电容器(5)隔离直流电压以保护LCR电桥(1)高电压端；限流电阻(13)主要用于在样品(6)击穿或无意滑落时将整个测试线路的电流限定在一个安全的电流范围内；当温度变化时，样品(6)释放出的热释电电流通过电压表(11)测量取样电阻(9)两端的电压间接得到，滤波电容(10)和二极管(14)用于在样品(6)击穿或是滑落时保护电压表(11)；样品(6)未击穿时，压敏电阻(12)对于测试线路没有贡献，当样品(6)击穿或是滑落时，压敏电阻(12)可以吸收瞬间的大电流而保护LCR电桥(1)的低端。

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