CN210401507U - 一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元；采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成；所述数据采集单元包括四个分别测量电阻R₀两端电压，以及电容C₁、C₂和C₃两端电压的数据采集系统，实现通过分别测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压，来计算测试介电材料极化强度随时间的变化，以一次测量得到时域中测试介电材料的极化瞬态。本实用新型能够实现时域宽达十个数量级以上的极化瞬态的一次测量，从而快速和有效研究介电材料的电学性质。

Description

一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置。

背景技术

介电材料在电子器件领域有着广泛的应用。介电材料的电学性质是影响介电材料应用的重要因素。研究介电材料的电学性质可以通过在频域中测量介电材料的介电常数频谱以及在时域中测量介电材料的极化电流随时间的变化。对于线性介电材料来说，频域中的数据和时域中的数据可以通过傅里叶变换互相转换。在频域中的测量，需要系统在每个固定频率达到稳态后才能分别开始测量，特别对于低频的测量所需要的时间更长。在时域中的测量原则上可以通过一次测量获得所有数据。因此，时域中的测量和频域中的测量相比更有优势。通常，在时域中测量介电材料的电学性质是通过测量样品在激励脉冲电压下极化电流随时间的变化。然而，介电材料在电场下的极化电流随时间的变化一般遵循普适定律，即，极化电流随时间呈幂函数衰减，变化数量级可达十以上。极化电流的动态变化范围太大，使得在宽时域中一次测量极化电流随时间的变化难以实现。目前，尚没有商业仪器能够一次测量宽时域中极化电流随时间的变化。

Sayer-Tower电路是测量铁电材料电滞回线的典型电路。在Sayer-Tower电路中，测试样品和一个标准电容串联，通过测量标准电容两端的电压，得到电路中的电荷量，从而计算出样品的极化强度。一般来说，介电材料的极化强度在时域中的变化范围没有极化电流的变化范围大。因此，可以通过一次测量宽时域中极化强度随时间的变化，然后对极化强度取微分得到极化电流。对于长时间范围的测量，一般采用具有高输入阻抗的静电计测量标准电容两端的电压，静电计的输入阻抗和标准电容的乘积构成的RC常数需远比测量时间大以防止电容的自放电。然而，具有高输入阻抗的商业静电计一般具有较长的上升时间，因此不能测量短时间范围的信号。同样地，具有高采样率的数据采集单元一般输入阻抗不够高，在长时间范围测量电容会发生自放电，因此不能测量长时间范围的信号。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，能够实现时域宽达十个数量级以上的极化瞬态的一次测量，如从10^{- 8}s到10³s，从而快速和有效地研究介电材料的电学性质。

为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元；

所述采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成；所述数据采集单元包括四个分别测量电阻R₀两端电压，以及电容C₁、C₂和C₃两端电压的数据采集系统，实现通过分别测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压，来计算测试介电材料极化强度随时间的变化，以一次测量得到时域中测试介电材料的极化瞬态。

所述信号输出系统包括依次连接的计算机、数据采集卡一和电压放大器；所述电压放大器与采样电路连接。

所述采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成是指：测试介电材料、电阻R₀以及电容C₁、C₂和C₃串联后，与信号输出系统并联；其中，电阻R₀、电容C₁和C₂分别与三个开关连接。

测量电阻R₀两端电压的数据采集系统由高频示波器和计算机连接组成，具有采样率高，输入阻抗高的特点。

测量电容C₁和C₂两端电压的数据采集系统分别由前置放大器、数据采集卡二和计算机连接组成，并分别具有输入阻抗R₁和R₂；具有采样率高，输入阻抗较低的特点；

测量电容C₃两端电压的数据采集系统由静电计、数据采集卡三和计算机连接组成，并具有输入阻抗R₃，具有采样率较低，分辨率高，输入阻抗高的特点。

所述电阻R₀的电阻值为50Ω；所述电容C₁、C₂和C₃的电容值至少是测试介电材料电容值的100倍。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型使测试介电材料和电阻R₀及三个标准电容串联，电阻R₀的电阻值为50Ω，标准电容值至少是测试介电材料电容值的100倍，确保测量结果的准确性。采样电路中R₀、C₁和C₂分别连接三个开关，通过计算机的软件程序控制开关依次关闭，四个不同的数据采集系统分别在不同的时间段进行有效测量，从而实现在时域宽达十个数量级以上的极化瞬态的一次测量，如从10^-8s到10³s。

2、本实用新型的测量装置测量短时间段的数据采集单元具有采样率高，输入阻抗较低，测量长时间段的数据采集单元具有采样率较低，输入阻抗高的特点，测量过程中采样率发生变化，数据总量减少。

附图说明

图1是本实用新型改进的Sayer-Tower采样电路；图中测试样品即为测试介电材料；

图2是厚度为300nm的P(VDF-TrFE)聚合物薄膜在脉冲电压下极化强度在时域中的变化以及撤离脉冲电压后样品的去极化强度在时域中的变化示意图；脉冲电压强度为30V。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例

如图1所示，本实用新型时域中介电材料极化瞬态的测量装置包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元。其中，采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成，而数据采集单元包括四个分别测量电阻R₀两端电压，以及电容C₁、C₂和C₃两端电压的数据采集系统，实现通过分别测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压，来计算测试介电材料极化强度随时间的变化，以一次测量得到时域中测试介电材料的极化瞬态。

本实用新型的信号输出系统包括依次连接的计算机、数据采集卡一和电压放大器，电压放大器与采样电路连接。

上述采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成是指：测试介电材料、电阻R₀以及电容C₁、C₂和C₃串联后，与信号输出系统并联；其中，电阻R₀、电容C₁和C₂分别与三个开关连接。

本实用新型测量电阻R₀两端电压的数据采集系统由高频示波器和计算机连接组成，具有采样率高，输入阻抗高的特点。测量电容C₁和C₂两端电压的数据采集系统分别由前置放大器、数据采集卡二和计算机连接组成，并分别具有输入阻抗R₁和R₂；具有采样率高，输入阻抗较低的特点。测量电容C₃两端电压的数据采集系统由静电计、数据采集卡三和计算机连接组成，并具有输入阻抗R₃，具有采样率较低，分辨率高，输入阻抗高的特点。

本实施例将厚度为300nm的P(VDF-TrFE)聚合物薄膜作为测试介电材料分别采用本实用新型的测量装置在脉冲电压下进行测量，以及采用本实用新型的测量装置在撤离脉冲电压后进行测量。其中，电阻R₀的电阻值为50Ω；所述电容C₁、C₂和C₃的电容值至少是测试介电材料电容值的100倍，则输出脉冲电压几乎全部集中在测试介电材料上。该厚度为300nm的P(VDF-TrFE)聚合物薄膜电极面积为9×10^-8m²，激励脉冲电压强度为30V，宽度为100s，电容值为20pF，而采样电路的标准电容值为2nF，输出电压几乎全部加在P(VDF-TrFE)聚合物薄膜上。

其中，采用本实用新型的测量装置在脉冲电压下进行测量的方法是这样的：

第一步，在计算测试介电材料的极化强度值时，通过计算机连接数据采集卡一后再接入电压放大器作为信号输出系统，向采样电路施加脉冲电压。

第二步，三个开关分别在t₀、t₁和t₂时刻关闭时，四个数据采集系统同时测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压：

(1)在t<t₀时间内，测试介电材料的极化强度值为：

其中，U_R为数据采集系统测量电阻R₀两端的电压，A为测试介电材料的有效面积；

(2)经过t₀时刻后，连接电阻R₀的开关关闭，三个数据采集系统分别测量电容C₁、C₂和C₃的两端电压；

在t₀≤t<t₁时间内，测试介电材料的极化强度值为：

其中，U₁为数据采集系统测量电容C₁两端的电压，A为测试介电材料的有效面积；

(3)经过t₁时刻后，连接电容C₁的开关关闭，两个数据采集系统分别测量电容C₂和C₃的两端电压；

在t₁≤t<t₂时间内，测试介电材料的极化强度值为：

其中U₂为数据采集系统测量电容C₂两端的电压；

(4)再经过t₂时刻，连接电容C₂的开关关闭，一个数据采集系统测量电容C₃的两端电压；

当t≥t₂时，测试介电材料的极化强度值为：

其中U₃为数据采集系统测量的电容C₃两端的电压；

上述则为各时间段测试介电材料的极化强度，即为测试介电材料在时域中极化强度随时间的变化。

该装置计算各时间段测试介电材料极化电流的密度：

通过上述公式计算各时间段测试介电材料的极化强度对时间的微分，得到各时间段测试介电材料极化电流的密度，实现一次测量得到在时域中介电材料的极化瞬态。

采用本实用新型的测量装置在撤离脉冲电压后进行测量，方法是这样的：

第一步，在计算测试介电材料的去极化强度值时，通过计算机连接数据采集卡一后再接入电压放大器作为信号输出系统，向采样电路施加脉冲电压；经过一段等待时间后，撤离脉冲电压。

第二步，三个开关分别在t₀、t₁和t₂时刻关闭时，四个数据采集系统同时测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压：

(1)在t<t₀时间内，测试介电材料的去极化强度值为：

其中，U_R为数据采集系统测量电阻R₀两端的电压，A为测试介电材料的有效面积；

(2)经过t₀时刻后，连接电阻R₀的开关关闭，三个数据采集系统分别测量电容C₁、C₂和C₃的两端电压；

在t₀≤t<t₁时间内，测试介电材料的去极化强度值为：

其中，U₁为数据采集系统测量电容C₁两端的电压，A为测试介电材料的有效面积；

(3)经过t₁时刻后，连接电容C₁的开关关闭，两个数据采集系统分别测量电容C₂和C₃的两端电压；

在t₁≤t<t₂时间内，测试介电材料的去极化强度值为：

其中U₂为数据采集系统测量电容C₂两端的电压；

(4)再经过t₂时刻，连接电容C₂的开关关闭，一个数据采集系统测量电容C₃的两端电压；

当t≥t₂时，测试介电材料的去极化强度值为：

其中U₃为数据采集系统测量的电容C₃两端的电压；

上述则为各时间段测试介电材料的去极化强度，即为测试介电材料在时域中去极化强度随时间的变化。

该装置计算各时间段测试介电材料去极化电流的密度：

通过上述公式计算各时间段测试介电材料的去极化强度对时间的微分，得到各时间段测试介电材料去极化电流的密度，实现一次测量得到在时域中介电材料的去极化瞬态。

按照上述测量装置的测量方法得到P(VDF-TrFE)聚合物薄膜在激励脉冲下极化强度在时域中的变化，以及撤离激励脉冲后，P(VDF-TrFE)聚合物薄膜的去极化强度在时域中的变化，如图2所示。该脉冲电压强度为30V。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元；

所述采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成；所述数据采集单元包括四个分别测量电阻R₀两端电压，以及电容C₁、C₂和C₃两端电压的数据采集系统，实现通过分别测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压，来计算测试介电材料极化强度随时间的变化，以一次测量得到时域中测试介电材料的极化瞬态。

2.根据权利要求1所述的时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：所述信号输出系统包括依次连接的计算机、数据采集卡一和电压放大器；所述电压放大器与采样电路连接。

3.根据权利要求1所述的时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：所述采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成是指：测试介电材料、电阻R₀以及电容C₁、C₂和C₃串联后，与信号输出系统并联；其中，电阻R₀、电容C₁和C₂分别与三个开关连接。

4.根据权利要求1所述的时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：测量电阻R₀两端电压的数据采集系统由高频示波器和计算机连接组成。

5.根据权利要求1所述的时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：测量电容C₁和C₂两端电压的数据采集系统分别由前置放大器、数据采集卡二和计算机连接组成，并分别具有输入阻抗R₁和R₂；

测量电容C₃两端电压的数据采集系统由静电计、数据采集卡三和计算机连接组成，并具有输入阻抗R₃。

6.根据权利要求1所述的时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：所述电阻R₀的电阻值为50Ω；所述电容C₁、C₂和C₃的电容值至少是测试介电材料电容值的100倍。

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