CN110244138A - 一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统及方法，该系统包括待测样品、脉冲激光器、光电触发电路、双面测量光路、加压电路、测量电路；脉冲激光器产生的激光被分为两路，分别进入光电触发电路和双面测量光路中；双面测量光路将激光分两路依次分别入射到正面镀层电极和反面镀层电极；加压电路包括直流高压源，并通过限流电阻施加至电介质薄膜的反面镀层电极上，反面镀层电极还通过耦合电容连接单刀双掷开关的动端，两个不动端分别连接地和保护电路，保护电路与测量电路连接，正面镀层电极接地。与现有技术相比，本发明大大减小了热脉冲法在沿光入射方向上分辨率下降的问题，从整体上提高测量的空间分辨率。

Description

一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电介质薄膜中电荷分布的测量技术，尤其是涉及一种基于热脉冲法的电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统及方法。

背景技术

电介质薄膜具有很多的优点，如良好的绝缘性能、抗机械应力强、耐压耐温高、重量轻等，因此被广泛的用作电容器等电气设备的绝缘介质层。在外加直流高电场下，介质薄膜内部的空间电荷积累现象不容忽视，积累的电荷会使介质内部原本均匀的电场发生畸变，影响电容器等电气设备运行的安全性和可靠性。

热脉冲法是一种测量介质薄膜电场及空间电荷密度的方法，其基本原理是激光脉冲照射到介质薄膜表面的金属化电极上，金属化电极吸收部分光脉冲的能量后转化为热脉冲，热脉冲沿着光入射方向，向介质薄膜内部传导，由于非均匀的温度变化，内部的空间电荷随样品局部形变发生微小位移，引起电极上感应电荷量的变化，从而在外电路中产生微弱的电流，分析电流信号就可获得介质薄膜电场及电荷密度分布。热脉冲法具有在介质薄膜受热表面附近分辨率高的特点，适用于厚度在几微米和几十微米介质薄膜中的电场与电荷分布的测量。

现有技术中，压力波法和电声脉冲法也被广泛的用于测量介质薄膜电场及电荷密度分布。但不同于热脉冲法，压力波法和电声脉冲法是以声波的形式在介质薄膜内部传播。在传播过程中，虽然波形几乎保持不变，但整体分辨率不及热脉冲法的分辨率。一般情况下，压力波法和电声脉冲法的分辨率为数十微米，只适合测量几百微米厚度以上的介质薄膜。

热脉冲法的分辨率与热脉冲传导至介质薄膜内部相应处的脉宽有关，脉宽越窄，分辨率越高。但热脉冲波形在传导过程中表现为脉宽变宽，幅值变低，导致分辨率沿传导方向迅速降低。因此，当只通过对介质薄膜进行单面测量时，测量分辨率在前一半厚度范围内要远高于后一半，不利于后期对数据的分析处理。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术热脉冲法存在沿热传导方向上分辨率下降的缺陷而提供一种介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，包括待测样品、脉冲激光器、光电触发电路、双面测量光路、加压电路、测量电路；所述待测样品包括待测电介质薄膜和设置在待测电介质薄膜两侧的正面镀层电极和反面镀层电极；所述脉冲激光器产生的激光被分为两路，分别进入所述光电触发电路和双面测量光路中；所述光电触发电路包括相互连接的光电二极管和示波器；所述双面测量光路包括多个反射镜，将激光分两路分别入射到所述正面镀层电极和反面镀层电极；所述加压电路包括与反面镀层电极连接的直流高压源，所述正面镀层电极接地，所述反面镀层电极还通过耦合电容连接单刀双掷开关的动端，所述单刀双掷开关的两个不动端分别连接地和保护电路，所述保护电路与测量电路连接。

优选的，所述脉冲激光器产生的激光通过1/9分束镜分为两路，其中一路有10％的激光进入所述光电触发电路，另一路有90％的激光进入双面测量电路。激光脉冲能量调整在可使电介质镀层电极在多次激光的击打下不受损，且信号有较高信噪比为宜。

优选的，所述双面测量电路包括1号、2号、3号、4号四个45°反射镜，1号45°反射镜具有可旋离复位功能并作为双面测量光路的切换点，双面测量电路包括正面测量和反面测量；正面测量时，旋离1号45°反射镜，入射激光直接经过2号45°反射镜入射到所述正面镀层电极；反面测量时，复位1号45°反射镜，入射激光依次经过1号45°反射镜、3号45°反射镜和4号45°反射镜入射到所述反面镀层电极。

优选的，所述直流高压源的输出端设有限流电阻。

优选的，所述限流电阻的阻值远小于待测样品的绝缘电阻。

优选的，所述测量电路包括相互连接的放大器和示波器。

优选的，所述电介质薄膜的正、反面镀层电极由两个圆环电极夹紧，并保证两个圆环电极分别与电介质薄膜的正反面镀层电极同心。

优选的，所述耦合电容的电容值是待测样品的电容值的100倍以上。

一种采用上述电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统的测量方法，包括：

S1、将单刀双掷开关的动端接地；

S2、对待测样品的正、反面镀层电极施加直流高压；

S3、当待测样品中无电流流过时，将单刀双掷开关的动端接测量电路；

S4、脉冲激光器开启，产生的激光分为两路，一路经光电触发电路触发示波器采集信号，另一路依次通过双面测量光路和测量电路得到正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号并由示波器显示；

S5、根据正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号得到各自的电场分布曲线和电荷密度分布曲线，对待测电介质薄膜正、反两面的前50％厚度的电场分布及电荷密度分布分别计算后并进行组合得到测量结果。

优选的，所述步骤S5中，正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号通过反卷积算法先得到电场分布曲线，然后根据泊松方程获得电荷密度分布曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在电介质薄膜电场及电荷密度测量领域，本发明基于单面热脉冲测量技术，提出双面测量方法，大大减小了热脉冲法在沿光入射方向上分辨率下降的问题，从整体上提高测量的空间分辨率，且具有操作简单方便的优点。

2、能够在不翻转样品的情况下实现热脉冲法的在线双面测量，即能实现样品的原位测量，有效地防止了翻转操作对样品薄膜造成的损伤，测量结果准确。

附图说明

图1为本发明的双面测量系统结构示意图；

图2为实施例中数据处理后，单面测量与双面测量结果的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本申请提出一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，包括待测样品、脉冲激光器、光电触发电路、双面测量光路、加压电路、测量电路。

待测样品为双面分别蒸镀有金属化电极的电介质薄膜。可采用磁控溅射或热蒸发的方式金属化电介质薄膜双面电极，得到正面镀层电极和反面镀层电极。双面镀层电极可以是铝、金、银等导电性较好的金属，厚度在尽可能薄的情况下，以不透光为准。电极直径的选择以使电介质薄膜电容量比较小而不造成测量信号失真为原则。本实施例采用8μm的聚酰亚胺薄膜，将其裁剪为尺寸5cm×5cm的大小，并在真空镀膜仪中以热蒸发的方式蒸镀直径为5mm、厚度为180nm的双面铝电极。

测量时，具有双面镀层电极的电介质薄膜被两个黄铜圆环电极夹紧，待测样品的双面镀层电极要与前、后面黄铜圆环电极紧密贴合，并保证电介质薄膜双面镀层电极的中心与两个圆环黄铜接触电极的通光孔中心位于同一轴线上，保证激光垂直击打到电介质薄膜的双面电极上。本实施例采用一对具有通光孔的黄铜圆环电极夹具，具体的，设置在前面的圆环电极为接地电极，后面的圆环电极为加压/测量电极。接地侧黄铜电极装置中与样品接触的电极为小电极，电极直径为5mm，符合样品蒸镀铝电极的直径尺寸，通光孔直径为2mm；加压/测量端圆环电极装置中与样品接触的电极为大电极，电极直径为5cm，通光孔直径为2mm。但样品夹具不局限于本实施例中的样品夹具，只需满足激光能分别垂直击打到电介质薄膜两面的金属化电极上，并保证样品的电容量不至于过大而造成信号失真即可。

脉冲激光器产生的激光通过1/9分束镜分为两路，其中一路有10％的激光进入光电触发电路，另一路有90％的激光进入双面测量电路。本实施例中，脉冲激光器采用Nd:YAG固体激光器，光波长为1064nm，脉冲宽度为6ns左右，到达样品薄膜双面镀层电极上的能量在1.1～2.3mJ左右，可使镀层电极在多次激光的击打下不至受损，且信噪比较好。

光电触发电路包括相互连接的光电二极管和示波器。光电触发电路取1/9分束镜10％的反射光照射到光电二极管上，光电二极管与示波器相连，作为整个测量系统的光触发信号。

双面测量光路由1号、2号、3号、4号四个45°反射镜组成。1号45°反射镜具有可旋离复位功能。1号45°反射镜作为双面测量光路的切换点设置在入射激光的光路上。正面测量光路直接由2号45°反射镜组成，其与1号45°反射镜呈平行放置，且位于前(接地)黄铜圆环电极通光孔的正前方位置，测量时采用其反射光击打电介质薄膜的正面镀层电极；反面测量光路由1号45°反射镜、3号45°反射镜和4号45°反射镜组成，3号45°反射镜与1号45°反射镜呈平行放置，且与4号45°反射镜呈垂直放置，4号45°反射镜位于后(加压/测量)圆黄铜环电极通光孔的正前方，测量时采用4号45°反射镜的反射光来击打电介质薄膜的反面镀层电极。双面测量光路必须保证到达电介质薄膜双面镀层电极上的激光能量大致相同，能量调整在1.1～2.3mJ左右为宜，可使镀层电极在多次激光的击打下不至受损，且信号幅值较高。

加压电路包括直流高压源、限流电阻R、耦合电容C、单刀双掷开关及保护电路。直流高压源通过限流电阻R连接反面镀层电极。限流电阻R可防止待测样品被击穿时因电流过大而对放大器及高压源造成损坏，同时其阻值应远小于样品的绝缘电阻，减小分压效应，使直流高压能完全加到样品两侧。耦合电容C一方面用于隔离直流高压，一方面用于信号耦合。单刀双掷开关位于耦合电容C和保护电路之间，用于接通和断开电容C与测量电路的连接，可在接地和测量之间进行切换。保护电路与测量电路相连，主要起保护测量电路的作用。本实施例中，因为聚酰亚胺薄膜的绝缘电阻在TΩ(10¹²Ω)级别以上，所以电阻R取300MΩ。为了保证样品为一个电流源，要求电容C要比样品电容大100倍以上，本实施例中，电容C采用了20nF的高压陶瓷电容。

测量电路由放大器、示波器组成，放大器具体为前置电流放大器。示波器与前置电流放大器相连，用于显示和记录位移电流信号。本实施例中，放大器采用低噪声前置电流放大器，带宽为DC-300kHz，低频增益为2×10⁶V/A，输入电阻小于10Ω；示波器采用数字示波器，同时作为光电触发电路中的示波器。

本双面测量系统中，除了外部的测量线路，还需要一个屏蔽效果良好的屏蔽盒，如图1所示。

上述电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统的测量方法包括以下步骤：

S1、将单刀双掷开关的动端接地；

S2、对待测样品的双面镀层电极施加直流高压；

S3、当待测样品中无明显电流流过时，将单刀双掷开关的动端接测量电路；

S4、脉冲激光器开启，产生的激光分为两路，一路经光电触发电路触发示波器采集信号，另一路依次通过双面测量光路和测量电路得到正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号并由示波器显示；

S5、根据正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号得到各自的电场分布曲线和电荷密度分布曲线，对待测电介质薄膜正、反两面的前50％厚度的电场分布及电荷密度分布分别计算后并进行组合得到测量结果。

本实施例中，步骤S5中采用尺度变换法对采集到的正、反面触发响应电流信号进行反卷积计算，先获得各自的电场分布，基于泊松方程再获得电荷密度分布，最后对正、反两面前50％电介质薄膜厚度的电场分布及电荷密度分布进行组合。本实施例的反卷积算法不局限于尺度变换法，蒙特卡洛法(Monte Carlo法)、吉洪诺夫正则化法(Tikhonovregularization)等均适用。

本实施例中，测量过程具体如下：

(1)将单刀双掷开关的动端接地；

(2)待测样品的双面金属化电极外加直流高压，其可通过加压电路作用于后面(加压)黄铜圆环电极来实现，前面(接地)黄铜圆环电极经屏蔽盒外壳接地；本实例中给样品施加的直流电场平均为10kV/mm，但施加的电场不局限于10kV/mm，只要其满足合适的信噪比即可。

(3)检测待测样品两侧是否有电流流过，若无，则将单刀双掷开关的动端接保护电路并进行双面测量。

(4)打开脉冲激光器，脉冲激光器发出的激光先平行入射到呈45°放置的1/9分束镜上，取10％反射光用作测量系统的光触发信号；

正面测量时，旋离切换点处具有旋离复位功能的1号45°反射镜，使1/9分束镜90％的透射光直接照射到2号45°反射镜上，经过反射击打到电介质薄膜的正面镀层电极上，脉冲激光被金属靶电极吸收后转化为热脉冲，热脉冲在入射方向上传导并在途径位置处产生热形变，从而产生位移电流，该位移电流经电路中的耦合电容C、单刀双掷开关、保护电路至前置电流放大器并由示波器显示记录；反面测量时，复位切换点处具有旋离复位功能的1号45°反射镜使90％的透射光经1号45°反射镜直接照射到3号45°反射镜上，取其反射光入射到4号45°反射镜上，最后取4号45°反射镜的反射光击打到电介质薄膜的反面镀层电极上，产生的位移电流信号同样经上述电路至电流放大器并由示波器显示记录。

本实施例对8μm聚酰亚胺薄膜施加10kV/mm的电场，得到的单面测量及双面测量电场分布曲线如图2所示。由于实施例对聚酰亚胺薄膜样品施加的是10kV/mm的外加电场，此电场远远小于聚酰亚胺薄膜样品的电荷注入阈值场强，因此样品内部电场应等于外施电场。从图2中可以看出，单面测量的结果在薄膜厚度大于4μm的情况下，电场已逐渐远离10kV/mm的刻度线；而对于双面测量结果而言，在整个样品厚度上，电场基本吻合于10kV/mm的刻度线。由此可以说明本申请所提出的基于热脉冲法的电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统和方法可以有效避免热脉冲在传导方向上分辨率下降的问题，提高了数据采集的正确性。

Claims (10)

1.一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，包括待测样品、脉冲激光器、光电触发电路、双面测量光路、加压电路、测量电路；所述待测样品包括待测电介质薄膜和设置在待测电介质薄膜两侧的正面镀层电极和反面镀层电极；所述脉冲激光器产生的激光被分为两路，分别进入所述光电触发电路和双面测量光路中；所述光电触发电路包括相互连接的光电二极管和示波器；所述双面测量光路包括多个反射镜，将激光分两路分别入射到所述正面镀层电极和反面镀层电极；所述加压电路包括与反面镀层电极连接的直流高压源，所述正面镀层电极接地，所述反面镀层电极还通过耦合电容连接单刀双掷开关的动端，所述单刀双掷开关的两个不动端分别连接地和保护电路，所述保护电路与测量电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述脉冲激光器产生的激光通过1/9分束镜分为两路，其中一路有10％的激光进入所述光电触发电路，另一路有90％的激光进入双面测量电路。

3.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述双面测量电路包括1号、2号、3号、4号四个45°反射镜，1号45°反射镜具有可旋离复位功能并作为双面测量光路的切换点，双面测量电路包括正面测量和反面测量；正面测量时，旋离1号45°反射镜，入射激光直接经过2号45°反射镜入射到所述正面镀层电极；反面测量时，复位1号45°反射镜，入射激光依次经过1号45°反射镜、3号45°反射镜和4号45°反射镜入射到所述反面镀层电极。

4.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述直流高压源的输出端设有限流电阻。

5.根据权利要求4所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述限流电阻的阻值远小于待测样品的绝缘电阻。

6.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述测量电路包括相互连接的放大器和示波器。

7.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述电介质薄膜的正、反面镀层电极由两个圆环电极夹紧，并保证两个圆环电极分别与电介质薄膜的正、反面镀层电极同心。

8.根据权利要求1所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统，其特征在于，所述耦合电容的电容值是待测样品的电容值的100倍以上。

9.一种采用权利要求1～8任一所述的电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

S1、将单刀双掷开关的动端接地；

S2、对待测样品的正、反面镀层电极施加直流高压；

S3、当待测样品中无电流流过时，将单刀双掷开关的动端接测量电路；

S4、脉冲激光器开启，产生的激光分为两路，一路经光电触发电路触发示波器采集信号，另一路依次通过双面测量光路和测量电路得到正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号并由示波器显示；

S5、根据正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号得到各自的电场分布曲线和电荷密度分布曲线，对待测电介质薄膜正、反两面的前50％厚度的电场分布及电荷密度分布分别计算后并进行组合得到测量结果。

10.根据权利要求9所述的一种电介质薄膜中电荷分布的双面原位测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，正面触发响应电流信号、反面触发响应电流信号通过反卷积算法先得到电场分布曲线，然后根据泊松方程获得电荷密度分布曲线。