CN2747587Y - 铁电材料参数测试仪 - Google Patents

Abstract

一种铁电材料参数测试仪，用于铁电材料的电滞回线、I－V特性和开关特性测量，包括机壳，面板和位于机壳内的电路，所述面板上包括用于与示波器相连的X接线柱、Y接线柱以及接地柱，用于与被测铁电材料相连的一对接线柱，该对接线柱分别与所述X接线柱和Y接线柱短接，所述Y接线柱与接地柱之间串有用于电滞回线测量的标准电容/用于I－V特性和开关特性测量的标准电阻；所述机壳内的电路包括电压源、模拟信号产生电路、功率驱动电路、高压驱动电路、高压选择开关、正矩形脉冲产生电路、负矩形脉冲产生电路、双极性双脉冲合成电路和模拟/脉冲信号选择开关。本测试仪，能够满足一般工程技术人员的实际需要，并且构建成本低。

Description

铁电材料参数测试仪

技术领域

本实用新型涉及材料的物理特性参数的测量设备，尤其涉及铁电材料的电滞回线、I-V特性以及开关特性的测试仪。

背景技术

铁电材料是一种应用广泛的信息功能材料，铁电材料同时具有压电、热释电、电光和非线性光学效应。用铁电材料研制的器件主要有：铁电非易失随机存取存储器、超声换能器、声表面波滤波器、集成光学开关、电光学显示器、铁电相移器、高灵敏度水听器阵列及非致冷热释电红外焦平面阵列等。近十几年，铁电软膜理论、非正常铁电体、弛豫性铁电体以及铁电薄膜/厚膜与半导体芯片集成化等方面的研究取得了很大进展。越来越多的研究者对铁电材料及其器件感兴趣，他们不但研究现有铁电材料的性能及其改良途径而且不断地探索、发掘新的铁电材料。判断某种材料是否具有铁电性，对从事铁电材料研究的科学工作者而言是至关重要的，因为它对实验研究起着指导作用。根据IEEE标准，判断材料是否具有铁电性其关键在于看这种材料是否存在着电滞回线或I-V特性，即当对材料施加交变电场时，材料是否在交变电场的激励下具有自发极化反转现象。为了探索、研究和开发铁电材料及其器件，科学工作者和工程技术人员对铁电材料及其器件的铁电参数的测量提出了要求。以下就现有的铁电材料的电滞回线、I-V特性以及开关特性的测量原理做一简单介绍：

1、电滞回线

电滞回线是铁电材料的重要特征和重要判据之一，通过电滞回线可以求得饱和极化强度P_SA(数值上等于自发极化强度Ps)、剩余极化强度Pr和矫顽场强Ec。当对铁电体施加外电场时，在电场较强的情况下，铁电体的极化强度并不是随外电场作线性变化，而是在一定温度范围内呈双值函数，出现滞后回线的关系，将此称为电滞回线。图1表示了铁电材料的极化强度对电场的关系-电滞回线。

测量电滞回线通常采用Sawyer-Tower电路，如图2(a)所示。其中，Cx为铁电样品，Co为标准电容(积分电容)。等效测量电路如图2(b)所示，若铁电材料所备电极的有效面积足够小，Cxi就可忽略。假设样品的Rx足够大，且Co也取得足够大或信号频率比较高，则理想测量电路如图2(c)所示。由电路和所设条件可得：

CxsUx(t)≈CoUy(t)

Uy(t)≈CxsUx(t)/Co＝Q(t)/Co＝AP(t)/Co

Ux(t)-Uy(t)＝E(t)d≈Ux(t)

其中，A为电极有效面积，d为试样厚度。由上式可知，Uy(t)∝P(t)，Ux(t)∝E(t)，由此即可获得电滞回线。

2、I-V特性

一般而言，大多数铁电材料的铁电参数都是由测量电滞回线来获得的，但是严格来说，判断材料是否具有铁电性还需要看材料是否具有铁电材料所表现出来的I-V特性。因为对某些损耗较大的非铁电体材料，如SiC和ZnO非线性电阻器，由于电导而产生附加位移，在一定情况下也能显示出假电滞回线，但却测不出铁电体I-V特性。只有当一种材料既呈现电滞回线，又有呈现I-V特性曲线时，才可以确定这种材料是铁电材料。因此对I-V特性测量的研究是很重要的，图3给出了铁电材料的I-V特性曲线。

测量I-V特性曲线的电路如图4(a)所示。其中，Cx为铁电样品，R₀为采样电阻，取得很小，约为10-100Ω，其等效电路如图4(b)，由电路可写出：

I(t)≈U(t)/R_X+C_XidU(t)/dt+I_XS(t)

其中，U(t)为三角波电压，U(t)＝Ux(t)，I_XS(t)表示与自发极化反转对应的非线性电流。对于三角波，若只考虑其半个周期则有U(t)＝Kt，从而上式可写为：

I(t)≈Kt/R_X+KC_Xi+I_XS(t)

由上式可知，I(t)由三部分叠加而成，右边前两项为线性部分，第三项为非线性部分。线性部分是由样品的电导和介电损耗引起的，假设样品的Rx足够大，同时铁电材料所备电极的有效面积足够小，则R_X→∞，C_Xi→0，I(t)即能准确反映出自发极化反转过程。由于U(t)＝Ux(t)，I(t)∝Uy(t)，由此即可获得I-V特性曲线。

3、开关特性

铁电材料的开关特性主要反映了电畴的转向，对转向机理作基础研究，一般采用上升时间很短的外施矩形双脉冲电压，而不是采用上升时间长的正弦波或三角波信号。矩形脉冲可保证转向过程中所加的电压恒定，同时也能保证与计算机的存贮读写信号相兼容。

当对铁电材料样品的两电极上施加脉冲电压时，样品会产生随时间变化的电荷，电荷的产生是由于铁电体中单元偶极子的出现与重新调整，且只依赖于偶极矩的总数。铁电体电畴变化过程用加上电场后电畴反转过程所产生的电流脉冲波形来研究。如果把前沿很陡的矩形电压脉冲加到铁电材料上，并保证脉冲的宽度比极化反转所需的时间长，脉冲的振幅足够大，这时流过铁电材料样品瞬时电流的波形如图5所示。其中曲线A是极化被外场反转时的电流情况，曲线B为极化不发生反转时的电流情况。

测量开关特性曲线的电路如图6(a)所示。这是一个微分系统，待测电流是流过R₀上的电流I_R(t)，等效电路如图6(b)所示。由电路可写出：

I_R(t)＝Uy(t)/R₀

I_R(t)＝[U(t)-Uy(t)]/R_X+C_Xid[U(t)-Uy(t)]/dt+I_XS

其中U(t)＝Ux(t)是矩形波电压。对于铁电材料而言，电导是极小的，并且所施加的为阶跃信号，因而式中右边第一项可以忽略，于是有：

I_R(t)＝C_Xid[U(t)-Uy(t)]/dt+I_XS

上式右边第一项为线性介质的贡献，当信号产生突变时，这一部分会产生冲激电流，第二项反映出自发极化反转过程。由于I_R(t)∝Uy(t)，由此即可获得开关特性曲线。

现有技术的铁电材料参数测试，一般采用通用的信号发生器，标准电阻/标准电容和通用的示波器搭建检测平台进行电滞回线、I-V特性以及开关特性等参数的单项测试，尤其是在进行陶瓷或单晶等铁电体材料测试时，由于必须在铁电体的上下电极上施加高电压，以满足达到或超过材料的矫顽电压使其展现铁电性能，这就造成测试非常不方便，并往往不能够实现。另一种是采用成本很高的测试系统，如美国radiant公司生产的RT66A型标准铁电测试系统，可测试和分析铁电材料和压电材料的电滞回线，极化强度，偏压特性，老化特性等参数，是一台薄膜及体材料测试及试验的智能测试仪器。该系统存在的致命缺陷是不能够测量铁电材料的I-V特性以及开关特性等参数，且成本高昂。

如何构建用于铁电材料参数测试的专用仪器，既可满足一般工程技术人员的实际测试需要，又能以较低成本实现，一直以来没有得到好的解决。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足之处，而提出一种能够进行铁电材料的电滞回线、I-V特性以及开关特性测量的、构建成本低的专用测试设备。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：设计制造一种铁电材料参数测试仪，用于铁电材料的电滞回线、I-V特性和开关特性测量，包括机壳，面板和位于机壳内的电路，并且所述面板上包括用于与示波器相连的X接线柱、Y接线柱以及接地柱，用于与被测铁电材料测试夹具相连的一对接线柱，该对接线柱分别与所述X接线柱和Y接线柱短接，所述Y接线柱与接地柱之间串有用于电滞回线测量的标准电容/用于I-V特性和开关特性测量测量的标准电阻；

所述机壳内的电路包括电压源、模拟信号产生电路、功率驱动电路、高压驱动电路、高压选择开关、正矩形脉冲产生电路、负矩形脉冲产生电路、双极性双脉冲合成电路和模拟/脉冲信号选择开关；其中，电压源为电路其它部分提供工作电源，所述模拟信号产生电路的输出送功率驱动电路，该功率驱动电路的输出与高压驱动电路相连；所述正矩形脉冲产生电路和负矩形脉冲产生电路的输出分别送双极性双脉冲合成电路；所述功率驱动电路的输出和高压驱动电路的输出经高压选择开关后，所述双极性脉冲合成电路的输出则直接，经模拟/脉冲信号选择开关后送到X接线柱。

同现有技术相比较，本实用新型的铁电材料参数测试仪，能够满足一般工程技术人员的实际需要，并且构建成本低。

附图说明

图1为现有技术的铁电材料的电滞回线示意图。

图2为现有技术的铁电材料的电滞回线测量电路示意图。

图3为现有技术的铁电材料的I-V特性示意图。

图4为现有技术的铁电材料的I-V特性测量电路示意图。

图5为现有技术的铁电材料的开关特性示意图。

图6为现有技术的铁电材料的开关特性测量电路示意图。

图7为本实用新型铁电材料参数测试仪的电路方框示意图。

图8为所述脉冲产生电路的方框示意图。

图9为所述模拟信号产生电路的电原理图。

图10为所述功率驱动电路的电原理图。

图11为所述脉冲产生电路的电原理图。

图12本实用新型铁电材料参数测试仪的面板布置示意图。

图13为本实用新型应用于电滞回线测量时的接线图。

图14为本实用新型应用于I-V特性测量时的接线图。

图15为本实用新型应用于薄膜材料的开关特性测量时的接线图。

图16为所述升压变压器的原理示意图。

图17为所述升压变压器的各组成部分位置关系示意图。

图18为所述升压变压器的接线过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。

一、设计思路：

测量电滞回线、I-V特性和开关特性是检验一种材料是否为铁电材料的重要手段。测量电滞回线一般采用正弦波和三角波，I-V特性测量使用三角波，而铁电薄膜开关特性的测量要使用上升时间极短的双极性双脉冲来进行。

就测量铁电薄膜材料样品而言，备有上下电极的铁电薄膜样品具有一定的线性电容、漏电导和损耗，所以测量它的铁电性能时，一定要设法降低其线性电容、漏电导和损耗对测量结果的影响。将线性电容降低的最好办法就是在铁电薄膜上制备微电极，但是备有微电极的铁电薄膜自发极化转向所提供的电荷所反映出来的信号较弱，要想测量出这样弱的信号就必须将标准(采样)电容取小，而标准电容取小了则必须提高测试信号的频率以求降低采样电容两端的电压。提高测试信号频率也有利于降低铁电薄膜的漏电导和损耗对测试结果的影响。由于不同的铁电材料具有不同的漏电导和损耗，漏电导与损耗的影响使得Uy(t)与Ux(t)之间存在相位差，若将测试信号的频率展宽在0.01Hz～10kHz的范围，则可调节相位差，对电滞回线和I-V特性进行补偿，弥补了传统测量使用电阻进行补偿的不足，拓展了补偿范围，可测量出漏电导和损耗较大的铁电材料的参数。综上所述，当测试信号的频率展宽在0.01Hz～10kHz的范围能够满足各种铁电材料对测量的要求。

在铁电薄膜的开关特性测量过程中，应使铁电薄膜处于某个初始状态。为达到这个目的就应先给样品施加一段时间正极性的或者负极性的矩形脉冲(视操作者要求而定)以便使样品分别处在正向或负向极化状态，然后再对样品施加双极性双脉冲来测定样品的开关特性。

由于各种因素的影响，铁电材料的电滞回线还会出现不对称，对不对称电滞回线来确定其剩余极化就比较困难，但若用间歇三角波去测量铁电材料的电滞回线就可以确定其剩余极化。

铁电存储器的存贮信号是矩形脉冲，矩形脉冲的特性是电压上升与下降时间快，电压上升后在一段时间间隔内保持恒定。梯形波电压在其峰值也保持一段时间的恒定，这样梯形波电压可近似看作矩形脉冲，因此利用梯形波电压测定铁电材料的老化(疲劳)特性比用正弦和三角波去测定其老化特性更加接近铁电存储器的实际应用情况。

测量铁电体(陶瓷或单晶)材料的电滞回线、I-V特性和开关特性就必须在铁电体的上下电极上施加高电压，以满足达到或超过材料的矫顽电压使其展现铁电性能。由于铁电体材料的极化转向时间比薄膜材料慢，若用高频信号激励，那么在快速变化的电场作用下，极化转向有可能不能跟踪快速变化的电场，这样测得的结果不能反映出实际情况。因此，要求激励信号的频率应当尽可能低，而激励信号电压的幅值应尽可能的高。

由以上讨论可知，要想设计出一台既能测铁电薄膜又能测铁电体材料的电滞回线、I-V特性、开关特性和老化特性的综合测试仪就有必要使测试仪满足以下条件：

(1)能产生正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波、正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲和双极性双脉冲。

(2)保证幅度为0～70Vp-p范围内的正弦波、三角波、间歇三角波和梯形波的频率在0.01Hz～10kHz范围内连续可调，以满足铁电薄膜材料测试要求。

(3)保证幅度为0～4500Vp-p范围内的正弦波、三角波、间歇三角波和梯形波的频率在50Hz～100Hz范围内连续可调，以满足铁电体材料测试要求。

(4)保证正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲和双极性双脉冲的脉冲宽度在0.1～1.0μS范围；正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲Vp(峰值)幅度分别为+15V和-15V；双极性双脉冲的Vp-p(峰-峰值)为16V，且脉冲上升时间在5～50nS范围内，以满足铁电薄膜材料开关特性测试要求。

二、具体实现

到目前为止，铁电材料的测试模式大体有两种：虚地模式和Sawyer-Tower模式，ZT-I型铁电材料参数测试仪采用Sawyer-Tower模式设计。它主要由信号发生器、均衡器、缓冲器、功率驱动器和高压发生器等组成。

如图7和12所示，本实用新型的铁电材料参数测试仪，包括机壳，面板和位于机壳内的电路，并且所述面板上包括用于与示波器相连的X接线柱、Y接线柱以及接地柱，用于与被测铁电材料测试夹具相连的一对接线柱，该对接线柱分别与所述X接线柱和Y接线柱短接，所述Y接线柱与接地柱之间串有用于电滞回线测量的标准电容/用于I-V特性和开关特性测量测量的标准电阻；

所述位于机壳内的电路包括电压源、模拟信号产生电路、功率驱动电路、高压驱动电路、高压选择开关(图中未示出)、正矩形脉冲产生电路、负矩形脉冲产生电路、双极性双脉冲合成电路和模拟/脉冲信号选择开关(图中未示出)；其中，电压源为电路其它部分提供工作电源，所述模拟信号产生电路的输出送功率驱动电路，该功率驱动电路的输出与高压驱动电路相连；所述正矩形脉冲产生电路和负矩形脉冲产生电路的输出分别送双极性双脉冲合成电路；所述功率驱动电路的输出和高压驱动电路的输出经高压选择开关进行选择后经模拟/脉冲信号选择开关后送到X接线柱，以供测量薄膜、厚膜和体材料所需；所述双极性双脉冲合成电路的输出则直接经模拟/脉冲信号选择开关后送到X接线柱。所述高压选择开关为设于面板上的用于被测铁电材料选择的薄膜/陶瓷键。所述模拟/脉冲信号选择开关为设于面板上的模/数键。

以下对各部分电路予以详尽说明：

1、信号发生器

如图9所示，该电路可同时产生正弦波、方波、三角波、梯形波以及间歇三角波，这五种波形均为双极性，频率范围为0.01Hz～10kHz。ICL8038为函数发生器集成芯片，它可同时输出正弦波、方波和三角波，而梯形波的产生则是利用LF356运算放大器的饱和特性将三角波整形而成，间歇三角波则是利用LF356输入端的三角波与其输出端的梯形波相叠加而成的。R₁₀至R₁₇是用以保证各输出波形幅度相等的均衡衰减器，而LM310射级跟随器则是用以降低信号输出阻抗的缓冲级。电路中还包括多路选择开关K1，K1的选择触点分别为悬空或经电容C1/C2/C3/C4与ICL8038的11脚相连，该ICL8038的11脚通过电阻R7与12脚相连，K1的的公共触点与ICL8038的10脚短接；ICL8038的6脚经电位器R2后再经电阻R4和R5分别与4脚和5脚相连；所述正弦波、方波、三角波和梯形波的输出端分别经电阻分压电路调整输出波形幅度，所述提供间歇三角波输出的连接点则直接与多路选择开关K2的一个选择触点相连，K2的公共触点与射级跟随器LM310的输入端相连，该射级跟随器的输出经电位器R18送功率驱动电路。

所述多路选择开关K1为设于面板上的用于0.1Hz～1Hz/1Hz～10Hz/10Hz～100Hz/100Hz～1kHz/1kHz～10kHz波段选择的开关；所述多路选择开关K2为设于面板上的用于正弦波/三角波/间歇三角波/梯形波/正极性矩形脉冲/负极性矩形脉冲/双极性双脉冲输出选择的开关；所述电位器R18的调节端与设于面板上的幅度调节旋钮相连；所述电位器R2的调节端与设于面板上的频率调节旋钮相连。这样一来，通过两个电位器的设置即可实现幅度和频率的调节。

2、功率驱动器

如图10所示，它采用场效应管作末级，且接成漏极输出形式。该功率驱动器中，T₁、T₂组成单端输入、双端输出的差动放大器，T₃、T₄组成双端输入、双端输出的差动放大器，由T₃、T₄的集电极输出大小相同、相位相反的信号去激励功放级。R₅、R₆、R₇、R₈给T₅、T₆以正向偏置，保证T₅和T₆处于合适的工作状态，以克服交越失真。Z₁、Z₂为稳压二极管，它们也保证了T₅、T₆处于合适的工作状态。R₁₁、R₁₂、R₁₃构成直流负反馈，以稳定输出直流零电平。R₁₁、R₁₃构成交流负反馈，以改善放大器的性能。R_e是精密多圈电位器，用以调节输出零电平。该功率驱动器工作在直流功率放大模式，输出功率大约100W。

3、双极性双脉冲发生器

采用CMOS数字电路来设计双极性双脉冲发生器，其电路方框图如图8所示，其具体电路如图11所示，它首先由CMOS晶体振荡器产生一频率为4MHz的振荡波，然后由施密特整形电路整形成4MHz的矩形高频脉冲，再运用分频器得到振荡频率为1MHz的稳定正极性矩形脉冲。同理运用类似电路产生负极性矩形脉冲，再将这两种脉冲分别进行整形、功率驱动，最后叠加得到满足测试要求的双极性双脉冲。图中开关K由设于面板上的锁定键实现。

4、高压发生器

高压部分采用了一个与负载相匹配的升压变压器。变压器通频带的最低工作频率由变压器的初级电感确定，最高工作频率则由变压器的漏感确定，因此为保证变压器有足够宽的通频带，希望变压器的初级电感尽量大，漏感尽量小，通常：Ls/L1＝10^-8～10^-4，其中Ls为变压器的漏感，L1为变压器的初级电感。同时变压器的初级匝数要保证功率驱动电路所必需的负载阻抗，设变压器的次级连接阻抗为Zs，那么从初级来看的等效阻抗是Zp。Zp、Zs与变压器初、次级的匝数关系由下式确定：Zp/Zs＝(n1/n2)²。根据以上原理所设计的升压、匹配变压器采用CD20×40×80型铁心，由0.35mmD20冷轧硅钢卷制成。如图16、17和18所示，所述升压变压器包括初级绕组I、初级绕组II、次级绕组III和次级绕组IV，其中初级绕组I和次级绕组III配对绕制，初级绕组II和次级绕组IV配对绕制，初级绕组I和初级绕组II串联而成变压器的初级，次级绕组III和次级绕组IV串联而成变压器的次级。变压器的各组成部分位置关系如图17所示，其中A指左线包，B指右线包；变压器的接法如图18所示，在图17和18中，带圈端上引，不带圈端下引，“+”表示绕线始端，“-”表示绕线末端，符号相同的均表示为同名端。变压器所用铁芯选用CD25*50*80规格，初级绕组I(45T，Φ0.65)，初级绕组II(35T，Φ0.65)，次级绕组III(3000T，Φ0.25)，次级绕组IV(2200T，Φ0.25)。

以下简单说明使用本测试仪的测量方法：

(1)电滞回线测量

电滞回线的测量一般采用正弦波、三角波信号，精确地测定Pr值应采用间歇三角波信号。接线如图13所示。

测量过程中根据铁电样品的性能，通过仪器可适当选择C₀值及漏导补偿，并可调节信号频率使漏导补偿处于最佳点，从而测出电滞回线。

(2)I-V特性测量

I-V特性测量采用三角波信号。接线如图14所示。

测量过程中根据铁电样品的性能，通过仪器可适当选择R₀值及漏导补偿，并可调节三角波信号的频率使漏导补偿处于最佳点，从而测出I-V特性。

(3)开关特性测量(仅对薄膜而言)

开关特性测量采用正、负矩形脉冲及双极性双脉冲。接线如图15所示。

测量过程中应先给铁电样品施加一段时间正的或者负的矩形脉冲(视操作者要求而定)以便使样品分别处在正向或负向极化状态，然后再对样品施加双极性双脉冲并适当地选择R₀值。通过示波器可观察到铁电样品对第一个脉冲和第二个脉冲会有不同的响应(由铁电样品的极化反转与非反转而产生)，同样对第三个和第四个脉冲也会有不同的响应，即铁电样品的开关特性。

上述图13和14中的漏导补偿开关由面板上的补偿键实现。

三、具体实施方案达到的技术性能、指标

1、主要性能

能够输出正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波、正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲及双极性双脉冲，其中双极性双脉冲之间的时间间隔在一定范围内可调节。

可测量铁电薄膜电滞回线、I-V特性及开关特性；可精确地测出具有非对称电滞回线铁电材料的Pr值；可测铁电体材料的电滞回线及I-V特性。

2、技术参数

(1)铁电薄膜测量频率范围：

第一频段  0.01Hz～1Hz；  第二频段  1Hz～10Hz

第三频段  10Hz～100Hz；  第四频段  100Hz～1kHz

第五频段  1kHz～10kHz

(2)铁电体材料测量频率范围：50Hz～100Hz

(3)铁电薄膜测量输出电压：

正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波均在0～70V_p-p之间连续可调。

正、负矩形脉冲输出分别为+15V_p及-15V_p，双极性双脉冲输出为16V_p-p。

(4)铁电体材料测量输出电压：

正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波均在0～4500V_p-p之间连续可调。

四、具体测试仪的使用方法

本测试仪的面板安排如图12所示，左上方为微安表表头，以显示幅度调节的增大和减小，电源按钮为电源开关，并设有电源指示灯，左边的波段开关中10p、0.1n、1n、10n、0.1u分别是测量电滞回线时标准电容的大小，而10k、1k、0.1k、10Ω分别是测量I-V特性和开关特性时标准电阻的大小，而R档表示此时标准电阻可用右边的R调节旋钮调节。右边的波段开关分别为所选信号的波形，顺时针依次为正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波、正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲及双极性双脉冲，下面六个接线柱中头两个为测试夹具的输入端，用于与被测试样品连接，标有X的接线柱为示波器通道X的输入端，标有Y的接线柱为示波器通道Y的输入端，标有-X Y-的两个接线柱为示波器两个通道的接地端。右上方的5互锁琴键开关用于调节测试频率，分为5个频段(第一频段0.1Hz～1Hz；第二频段1Hz～10Hz；第三频段10Hz～100；第四频段100Hz～1kHz；第五频段1kHz～10kHz)，而在每个频段范围内又可用下面的频率调节旋钮调节。幅度调节旋钮用于调节加载测试材料两端的电压。右下方为4自锁琴键开关，不按下模/数按键可以选择的输入信号为正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波，按下模/数按键可以选择的输入信号为正极性矩形脉冲、负极性矩形脉冲及双极性双脉冲，此时也应按下第一个锁定键以同步获得稳定的双极性双脉冲信号。不按下薄膜/陶瓷键为输入低电压0～70Vp-p而按下薄膜/陶瓷键为输入高电压0～4500Vp-p。按下补偿按钮可以对漏导比较大的薄膜材料进行补偿。

(1)铁电薄膜电滞回线及I-V特性测量与示波器的连接参见图12，把被测铁电材料样品接到面板上的一对接线柱之间，X接线柱、Y接线柱以及接地柱分别与示波器的X轴探头、Y轴探头和接地端相连，之后：

a  打开电源开关，指示灯亮，内部冷却风扇转动。

b  按下频率某一选择档，选择相应测量频段。

c  选择取样电容C₀(测电滞回线)或取样电阻R₀(测I-V特性)。

d  根据测量要求选择相应测量波形。

e  适当调节幅度调节旋钮及频率调节旋钮，要求补偿则按下补偿按钮。

观察示波器上显示出的电滞回线或I-V特性，若需要可重新选择相应频段并调节频率及重新选择C₀或R₀以求测到最佳波形。注意，模/数、锁定及薄膜/陶瓷按钮均不要按下。

(2)铁电体材料电滞回线及I-V特性测量

先将幅度调节旋钮逆时针旋到底，然后按下薄膜/陶瓷按钮。补偿按钮一般不要按下，因为体材料的漏导极小，不需补偿，以免发生电滞回线的过补偿。整个测量过程同(1)。

注意，操作过程要小心，因为样品上输出有高压。频率换档这时不起作用而频率调节旋钮可使用。

(3)铁电薄膜开关特性测量

与示波器的连接方法可参考(1)时，但去掉X轴探头及X轴探头接地端。补偿、薄膜/陶瓷按钮均不要按下，此时频率换挡、频率调节、幅度调节旋钮均不起作用。

按下锁定、模/数按钮，将波形选择置于正矩形脉冲或负矩形脉冲。取样电阻置于R档，将R调节逆时针旋到底，稍等片刻，将波形选择置于双极性双脉冲档，调节R调节旋钮(顺时针R增加)观察示波器上的波形。若波形不佳可调节R，若波形非双极性双脉冲形式可先释放锁定按钮，接着再一次按下，以调节正极性双脉冲与负极性双脉冲之间的时间间隔而获得合适的双极性双脉冲波形。上述过程可多次调节以求测到最佳波形。当测到最佳波形后R值的测定如下：

a  R旋钮不要动。

b  关闭电源开关，去掉接入仪器上的全部连线。

c  用万用表测量接线柱Y及X-Y，即可获得R值。

注意，此时取样电阻位于R档。

以上所述之最佳实施例意在于具体说明本实用新型之设计思路，即构建一成本低的可进行铁电材料的电滞回线、I-V特性以及开关特性测量的专用仪器。本实用新型之实施，并不限于以上最佳实施例所公开的方式，凡基于本实用新型之设计思路，进行简单推演与替换，得到的具体的铁电材料参数测试仪，都属于本实用新型的实施。

Claims (10)

1、一种铁电材料参数测试仪，用于铁电材料的电滞回线、I-V特性和开关特性测量，包括机壳，面板和位于机壳内的电路，其特征在于：

所述面板上包括用于与示波器相连的X接线柱、Y接线柱以及接地柱，用于与被测铁电材料相连的一对接线柱，该对接线柱分别与所述X接线柱和Y接线柱短接，所述Y接线柱与接地柱之间串有用于电滞回线测量的标准电容/用于I-V特性和开关特性测量的标准电阻；

所述机壳内的电路包括电压源、模拟信号产生电路、功率驱动电路、高压驱动电路、高压选择开关、正矩形脉冲产生电路、负矩形脉冲产生电路、双极性双脉冲合成电路和模拟/脉冲信号选择开关；其中，电压源为电路其它部分提供工作电源，所述模拟信号产生电路的输出送功率驱动电路，该功率驱动电路的输出与高压驱动电路相连；所述正矩形脉冲产生电路和负矩形脉冲产生电路的输出分别送双极性双脉冲合成电路；所述功率驱动电路的输出和高压驱动电路的输出经高压选择开关后，所述双极性脉冲合成电路的输出则直接，经模拟/脉冲信号选择开关后送到X接线柱。

2、如权利要求1所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述模拟信号产生电路包括在不同管脚分别产生正弦波、方波和三角波输出的函数发生器集成电路，其型号为ICL8038；还包括利用其饱和特性将三角波整形成梯形波的运算放大器，其输入端与函数发生器集成电路的三角波输出端相连，其输出端产生梯形波，其输入端和输出端间设有把三角波和梯形波叠加以提供间歇三角波输出的连接点；还包括多路选择开关K1，K1的选择触点分别为悬空或经电容C1/C2/C3/C4与ICL8038的11脚相连，该ICL8038的11脚通过电阻R7与12脚相连，K1的的公共触点与ICL8038的10脚短接；所述ICL8038的6脚经电位器R2后再经电阻R4和R5分别与4脚和5脚相连；所述正弦波、方波、三角波和梯形波的输出端分别经电阻分压电路调整输出幅度，所述提供间歇三角波输出的连接点则直接与多路选择开关K2的一个选择触点相连，K2的公共触点与射级跟随器的输入端相连，该射级跟随器的输出经电位器R18送功率驱动电路。

3、如权利要求1所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述功率驱动电路包括由NPN型三极管T₁、T₂组成的双入双出差动放大器，来自模拟信号产生电路的信号送T₁的基极；还包括由PNP型三极管T₃、T₄组成的双入双出差动放大器，T₃和T₄的基极分别与T₁、T₂的集电极相连；还包括由场效应管T₅、T₆组成的末级放大器，T₅的源极与T₆的漏极经电阻相连，T₅的源极信号还送往高压驱动电路。

4、如权利要求1所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述高压驱动电路包括升压变压器。

5、如权利要求4所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述升压变压器包括初级绕组I、初级绕组II、次级绕组III和次级绕组IV；其中初级绕组I和次级绕组III配对绕制，初级绕组II和次级绕组IV配对绕制，初级绕组I和初级绕组II串联而成变压器的初级，次级绕组III和次级绕组IV串联而成变压器的次级。

6、如权利要求1所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述高压选择开关为设于面板上的用于被测铁电材料选择的薄膜/陶瓷键。

7、如权利要求1所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述模拟/脉冲信号选择开关为设于面板上的模/数键。

8、如权利要求2所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述多路选择开关K1为设于面板上的用于0.1Hz～1Hz/1Hz～10Hz/10Hz～100Hz/100Hz～1kHz/1kHz～10kHz波段选择的开关；所述多路选择开关K2为设于面板上的用于正弦波/三角波/间歇三角波/梯形波/正极性矩形脉冲/负极性矩形脉冲/双极性双脉冲输出选择的开关；而所述电位器R18的调节端与设于面板上的幅度调节旋钮相连；所述电位器R2的调节端与设于面板上的频率调节旋钮相连。

9、如权利要求1至8任一所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述面板上还包括用于幅度调节的微安表表头，R调节旋钮，用于测量电滞回线时的10pF/0.1nF/1nF/10nF/0.1uF标准电容或者测量I-V特性和开关特性时10kΩ/1kΩ/0.1kΩ/10Ω标准电阻或者可用R调节旋钮调节标准电阻的阻值的R档的选择开关。

10、如权利要求9所述的铁电材料参数测试仪，其特征在于：所述面板上还包括用于开关特性测量的锁定键和/或用于电滞回线和I-V特性测量漏导补偿选择的补偿键。

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