CN1391100A - 一种用于热释电薄膜材料的热释电系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种用于热释电薄膜材料热释电系数的测量装置及方法。其特征在于：本发明利用了电压法中以正弦函数周期调制样品温度的方法和电流法中利用通用仪器直接测量热释电电流的优点及数字化低频锁相放大器的应用技术，设计一套简便易行的高灵敏度热释电薄膜材料的热释电系数测量装置及方法。测量装置包括：样品台，控制样品台温度的控温电源，温度传感器，恒流源，测量样品的热释电电流的静电计及锁相放大器。本发明的测量装置最大优点是结构简单，数据处理简便，所得信号由锁相放大器处理，测量灵敏度可提高1－2个量级。

Description

一种用于热释电薄膜材料的热释电系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及热释电薄膜材料的电学性能参数测量，具体是指一种用于热释电薄膜材料的热释电系数测量装置及方法。

背景技术

热释电系数是评价作为光电探测器的热释电材料的基本参数之一。热释电材料的热释电系数的测量方法有电压法[N.P.Hartley，J.I.Squire，F.H.Putley，J.Phys.E：Sci.Instru.，5，787(1972)]，电流法[R.L.Byer，C.B.Roundy，Ferroelectrics，Vol 3，333(1972)]及电荷积分法[李景德，雷德铭，沈文彬，物理，Vol 13，407(1984)]等。由于电压法在测量中破坏了零场条件而较少被采用，现在常用的方法为电流法和电荷积分法。热释电薄膜材料的热释电电流信号通常比体材料信号小一到二个量级，其原因是：热释电薄膜材料的热释电电流或电荷正比于样品电极面积。由于薄膜中存在大量缺陷，样品的电极面积不能太大，通常只有4mm²，面积再大些的样品，在经历热释电系数测量前的极化时在达到饱和极化前样品就可能击穿，因而得不到真正的热释电系数。另外由于晶粒尺寸、薄膜应力等原因，薄膜材料的热释电系数要比体材料小。因此随着薄膜技术的发展，对热释电薄膜材料物理性质的研究需要一种具有更高灵敏度、精确测量热释电薄膜材料的热释电系数测量装置。

发明内容

根据热释电电流i_p与热释电系数p’的关系： $i_p={\mathrm{Ap}}^{\′}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}},------\left(1\right)$ 其中A为样品电极面积，T为样品温度，t为时间。设温度随时间的变化函数为f(t)，T＝f(t)，测量热释电材料的温度传感器对温度的响应是线性响应，即，

        V_T＝k₁f(t)。                    (2)此信号经微分电流放大后，再经锁相放大处理得： $S_T=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\frac{{\mathrm{dV}}_T}{\mathrm{dt}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{L}t\right)\mathrm{dt}=\frac{k_1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{L}t\right)\mathrm{dt},-----\left(3\right)$ 其中L为温度调制时间周期，k₁为温度传感器对温度响应的比例系数。热释电电流经电流放大器放大后的电压信号为 $V_{i_p}=k_2{i}_p,-------\left(4\right)$ 该信号经锁相放大器处理，得： $S_{i_p}=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{V}_{i_p}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{L}t\right)\mathrm{dt}=\frac{k_2}{L}{\mathrm{Ap}}^{\′}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{L}t\right)\mathrm{dt},---\left(5\right)$ 其中k₂为静电计对电流的放大倍数。由式(3)和式(5)的比值，可得热释电系数： $p^{\′}=\frac{k_1{S}_{i_p}}{{\mathrm{Ak}}_2{S}_T},---\left(6\right)$

当样品温度是以正弦函数变化的，温度传感器对温度的响应是线性响应，则不需要对温度传感器的信号进行微分放大，而将其直接输入锁相放大器，这时热释电系数为： $p^{\′}=\frac{k_1{S}_{i_p}}{{\mathrm{A\ωk}}_2{S}_T},---\left(7\right)$

其中ω＝2π/L，为温度调制角频率。然后将具体数值代入(7)式就可得到热释电系数p’。

由上述的关系式得知，本发明的测量装置可采用电压法中以正弦函数周期调制样品温度的方法和电流法中利用通用仪器直接测量热释电电流的优点及数字化低频锁相放大器的应用技术，设计一套简便易行的高灵敏度热释电薄膜材料的热释电系数测量装置及方法。

本发明的热释电薄膜材料的热释电系数测量装置，包括：样品台1，控制样品台温度的控温电源2，测量样品温度的温度传感器3，供给温度传感器的恒流源5，测量样品的热释电电流的静电计4以及锁相放大器6。见图1。

所说的样品台1由一导热性能良好的金属块制成，其下面有一个用于控制样品台的平衡点温度的半导体制冷器件101和另一个控制样品台的周期性变化温度的半导体制冷器件102，二个制冷器件叠加而成，其中制冷器件102紧贴金属块下面。

所说的控温电源2由直流电源201和交流电源202两个电源组成。直流电源供给半导体制冷器件101。交流电源由低频发生器和功率放大器构成，其核心元件分别为ICL8038CCPD和LM1875T，供给半导体制冷器件102，电源电流输出范围为0-2安培，平衡点温度控温精度为0.2℃。

所说的温度传感器3为标准铂热敏电阻，该电阻在很大温度范围内与温度成线性关系。

利用所述装置测量热释电薄膜材料的热释电系数方法，包括下列步骤：

a.将样品7置在与样品热接触良好的样品台1上，这样由温度传感器测得样品台的温度就是样品的温度。

b.打开半导体制冷器的冷却水和各仪器电源，调节控温电源2电压，使样品台温度在所需平衡温度点T₀附近做正弦周期变化，调制幅度ΔT视热释电电流大小调节，变化幅度在0.5℃-1℃，调制周期在0.05Hz-0.1Hz。

c.将温度传感器3测得的电压信号送锁相放大器6，得到信号S_T。

d.将静电计4测得的热释电电流信号送锁相放大器6，得到

e.将k₁，k₂，样品面积A，温度调制角频率ω，以及 和S_T的数值代入公式 $p^{\′}=\frac{k_1{S}_{i_p}}{{\mathrm{A\ωk}}_2{S}_T}$ 计算，得热释电系数p’。

本发明的测量装置最大优点是结构简单，数据处理简便，所得信号由锁相放大器处理，测量灵敏度可提高1-2个量级。

附图说明

图1为本发明的测量装置原理图。

图2为提供给温度传感器的1mA恒流源电路图。

图3为供给半导体制冷器102交流电源电路图。

具体实施方式

本发明利用上述的测量装置和方法，对锆钛酸铅热释电薄膜材料的热释电系数进行测量，温度传感器3为标准100Ω铂热敏电阻；供给温度传感器3的恒流源5的电流为1mA；将温度传感器测得电压信号送RS560型锁相放大器6，得到信号S_T＝272μV。将Keithley 617型静电计4测得的信号送锁相放大器6，得到

＝43.1mV。将k₁＝4.46×10^-4V/K，k₂＝10¹⁰V/A，样品面积A＝0.2mm²，温度变化调制角频率ω＝0.314，以及

和S_T的数值代入公式(7)计算，得该薄膜在20℃(由铂电阻温度传感器电压的直流分量读出)温度时热释电系数为p’＝11.2nC/cm²K。

Claims (3)

1.一种用于热释电薄膜材料热释电系数测量装置，包括：样品台(1)，控制样品台温度的控温电源(2)，测量样品温度的温度传感器(3)，供给温度传感器的恒流源(5)，测量样品的热释电电流的静电计(4)以及锁相放大器6，

其特征在于：

所说的样品台(1)由一导热性能良好的金属块制成，其下面有一个用于控制样品台的平衡点温度的半导体制冷器件(101)和另一个控制样品台的周期性变化温度的半导体制冷器件(102)，二个制冷器件叠加而成，其中制冷器件(102)紧贴金属块下面；

所说的控温电源(2)由直流电源(201)和交流电源(202)两个电源组成，直流电源供给半导体制冷器件(101)；交流电源由低频发生器和功率放大器构成，其核心元件分别为ICL8038CCPD和LM1875T，供给半导体制冷器件(102)，电源电流输出范围为0-2安培，平衡点温度控温精度为0.2℃；

2.根据权利要求1一种用于热释电薄膜材料热释电系数测量装置，其特征在于：所说的温度传感器(3)为标准铂热敏电阻。

3.利用权利要求1一种用于热释电薄膜材料热释电系数测量装置的热释电系数测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.将样品(7)置在与样品热接触良好的样品台(1)上；

b.打开半导体制冷器的冷却水和各仪器电源，调节控温电源(2)电压，使样品台温度在所需平衡温度点T₀附近做正弦周期变化，调制幅度ΔT视热释电电流大小调节，变化幅度在0.5℃-1℃，调制周期在0.05Hz-0.1Hz；

c.将温度传感器(3)测得的电压信号送锁相放大器(6)，得到信号S_T；

d.将静电计(4)测得的热释电电流信号送锁相放大器(6)，得到

e.将k₁，k₂，样品面积A，温度调制角频率ω，以及 和S_T的数值代入公式 $p^{\′}=\frac{k_1{S}_{i_p}}{{\mathrm{A\ωk}}_2{S}_T}$ 计算，得热释电系数p’。

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