專利名稱：一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵電與壓電材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置及方法。
背景技術(shù)：
自壓電鐵電材料被發(fā)現(xiàn)以來，隨著對(duì)其研究的不斷進(jìn)展，此類材料的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)展。目前鐵電陶瓷材料的應(yīng)用已涉及了橫跨國防科技到日常生活的多個(gè)領(lǐng)域。因此， 壓電鐵電材料研究在材料學(xué)中的重要性也隨之增加。為了改善材料性能以實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用，我們需要從鐵電材料的微觀結(jié)構(gòu)以及各種宏觀性能的產(chǎn)生機(jī)理入手。作為鐵電材料特征性遲滯回線產(chǎn)生的基礎(chǔ)，材料內(nèi)部電疇結(jié)構(gòu)極化反轉(zhuǎn)是研究鐵電材料相關(guān)機(jī)理的有效突破口，而樣品的極化反轉(zhuǎn)曲線極化強(qiáng)度_時(shí)間曲線則對(duì)此研究具有重要意義。通過考察極化反轉(zhuǎn)延遲現(xiàn)象，我們還可以對(duì)鐵電材料疲勞失效機(jī)理進(jìn)行研究，從而促進(jìn)材料可靠性的提高。在研究鐵電材料的電學(xué)性能時(shí)，目前普遍采用Sawyer-Tower電路，即將待測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)電容串聯(lián)，其中標(biāo)準(zhǔn)電容值遠(yuǎn)大于待測(cè)樣品電容值。通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓即可求出待測(cè)樣品的極化強(qiáng)度等電學(xué)量，并由此繪制各種關(guān)系曲線。但是測(cè)試過程中樣品擊穿會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓，可能對(duì)測(cè)試儀器造成損害。目前國內(nèi)尚無測(cè)試極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)中所述鐵電材料性能機(jī)理的研究需要，公開了一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置及方法。所述裝置包括測(cè)試信號(hào)輸出部分1、極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分2和設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分3;其中所述測(cè)試信號(hào)輸出部分1的結(jié)構(gòu)如下直流高壓源101通過高壓開關(guān)102與緩沖電容104連接；信號(hào)發(fā)生器103分別與采集卡303、示波器302、計(jì)算機(jī)301和高壓開關(guān)102 連接；所述極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分2的結(jié)構(gòu)如下待測(cè)樣品201與繼電器組203相連， 限流電阻205的一端接待測(cè)樣品201與繼電器組203的公共節(jié)點(diǎn)，另一端接緩沖電容104 與高壓開關(guān)102的公共節(jié)點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電容202與虛擬地線保護(hù)電路204并聯(lián)，后者與采集卡303、示波器302相連，標(biāo)準(zhǔn)電容202、待測(cè)樣品201和虛擬地線保護(hù)電路204構(gòu)成改進(jìn)的 Sawyer-Tower 電路；所述設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分3的結(jié)構(gòu)如下采集卡303分別與信號(hào)發(fā)生器 103、標(biāo)準(zhǔn)電容202、計(jì)算機(jī)301和示波器302相連，示波器302分別與標(biāo)準(zhǔn)電容202以及計(jì)算機(jī)301相連。所述虛擬地線保護(hù)電路204的結(jié)構(gòu)如下運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端和輸出端相連，其正輸入端接地，其輸出端接第一電阻r1，第二電阻r2與運(yùn)算放大器op的負(fù)輸入端相連，電容cl的一端接第一電阻rl，另一端接地，電容cl和第一電阻rl構(gòu)成rc濾波器，在運(yùn)算放大器op的正、負(fù)輸入端之間并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管d。 所述運(yùn)算放大器op為ad549運(yùn)算放大器。所述標(biāo)準(zhǔn)電容202的電容值為5 μ f，耐壓為2000v。一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一直流高壓源101給出一直流高壓信號(hào)，該信號(hào)被高壓開關(guān)102阻斷；步驟二 信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生方波脈沖控制高壓開關(guān)102閉合固定時(shí)間，通過高壓開關(guān)102的直流高壓信號(hào)經(jīng)緩沖電容104后，施加于待測(cè)樣品201和標(biāo)準(zhǔn)電容202兩端，對(duì)待測(cè)樣品201進(jìn)行極化；步驟三控制繼電器組203使待測(cè)樣品201兩極反轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟一和二，改變信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生固定寬度的方波脈沖寬度和采集卡303的數(shù)據(jù)采集率，示波器302監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器103的產(chǎn)生的方波脈沖信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電容202的電壓信號(hào)，采集卡303通過示波器 302采集待測(cè)樣品201不同反轉(zhuǎn)時(shí)間段下標(biāo)準(zhǔn)電容202的電壓數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生器 103的控制信號(hào)數(shù)據(jù)；步驟四將標(biāo)準(zhǔn)電容202的電壓數(shù)據(jù)和信號(hào)發(fā)生器103的控制信號(hào)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)301中，經(jīng)過計(jì)算處理輸出極化反轉(zhuǎn)曲線的圖像和數(shù)據(jù)文件。所述信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生的方波脈沖寬度為0. OOIs-ioos0所述極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量時(shí)間周期為600s-1000s。本發(fā)明的有益效果是1)采用由待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)線性電容串聯(lián)組成的測(cè)試電路對(duì)極化反轉(zhuǎn)曲線進(jìn)行測(cè)
量，方法簡單直觀。2)直流高壓脈沖的施加通過可在納秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)通斷操作的高壓開關(guān)進(jìn)行， 測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。3)采用采集卡在示波器監(jiān)控電路信號(hào)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了短測(cè)試時(shí)間下的實(shí)時(shí)測(cè)量。4)樣品擊穿后的電壓限制通過虛擬地線電路實(shí)現(xiàn)，這樣防止了較大直流電壓對(duì)示波器等測(cè)試儀器的影響，起到了保護(hù)作用。


圖1 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2 虛擬地線保護(hù)電路示意3 設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集處理過程示意圖；圖4 本發(fā)明實(shí)施例1中的鐵電陶瓷樣品極化反轉(zhuǎn)曲線。圖5 本發(fā)明實(shí)施例2的樣品經(jīng)過不同次數(shù)的疲勞實(shí)驗(yàn)后的極化反轉(zhuǎn)曲線對(duì)比圖。附圖標(biāo)記1_測(cè)試信號(hào)輸出部分2-極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分3-設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而非為了限制本發(fā)明的應(yīng)用范圍。本發(fā)明提供一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)試方法和測(cè)試裝置。本裝置的控制系統(tǒng)源程序使用Labview平臺(tái)編程，通過VISA遠(yuǎn)程控制信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33220A)， 整合采集卡303程序。如圖1所示為測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)試裝置，包括測(cè)試信號(hào)輸出部分1、 極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分2以及設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分3。其中

所述測(cè)試信號(hào)輸出部分1的結(jié)構(gòu)如下直流高壓源101通過高壓開關(guān)102與緩沖電容104連接；信號(hào)發(fā)生器103分別與采集卡303、示波器302、計(jì)算機(jī)301和高壓開關(guān)102 連接；所述極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分2的結(jié)構(gòu)如下待測(cè)樣品201與繼電器組203相連， 限流電阻205的一端接待測(cè)樣品201與繼電器組203的公共節(jié)點(diǎn)，另一端接緩沖電容104 與高壓開關(guān)102的公共節(jié)點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電容202與虛擬地線保護(hù)電路204并聯(lián)，后者與采集卡303、示波器302相連，標(biāo)準(zhǔn)電容202、待測(cè)樣品201和虛擬地線保護(hù)電路204構(gòu)成改進(jìn)的 Sawyer-Tower 電路；所述設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分3的結(jié)構(gòu)如下采集卡303分別與信號(hào)發(fā)生器 103、標(biāo)準(zhǔn)電容202、計(jì)算機(jī)301和示波器302相連，示波器302分別與標(biāo)準(zhǔn)電容202以及計(jì)算機(jī)301相連。所述標(biāo)準(zhǔn)電容202的電容值為5 μ F，耐壓為2000V。如圖2所示，所述虛擬地線保護(hù)電路204的結(jié)構(gòu)如下運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端和輸出端相連，其正輸入端接地，其輸出端接第一電阻R1，第二電阻R2與運(yùn)算放大器OP的負(fù)輸入端相連，電容Cl的一端接第一電阻Rl，另一端接地，電容Cl和第一電阻Rl構(gòu)成RC 濾波器，在運(yùn)算放大器OP的正、負(fù)輸入端之間并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管D。所述運(yùn)算放大器OP為AD549運(yùn)算放大器。極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量過程如下直流高壓源101給出一直流高壓信號(hào)，該信號(hào)被高壓開關(guān)102阻斷，高壓開關(guān)102可在納秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)完成通斷操作；信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生方波脈沖控制高壓開關(guān)102閉合固定時(shí)間，確保高壓開關(guān)102的通斷時(shí)間準(zhǔn)確，通過高壓開關(guān)102的直流高壓信號(hào)經(jīng)緩沖電容104后，施加于待測(cè)樣品201和標(biāo)準(zhǔn)電容202兩端，對(duì)待測(cè)樣品201進(jìn)行極化，緩沖電容104可有效消除開關(guān)通斷造成的信號(hào)波動(dòng)，避免儀器損害并保障測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，限流電阻205可有效地限制通過待測(cè)樣品的電流。控制繼電器組203 使待測(cè)樣品201兩極反轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟一和二，改變信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生固定寬度的方波脈沖寬度和采集卡303的數(shù)據(jù)采集率；如圖3所示，待測(cè)樣品201所帶電量與標(biāo)準(zhǔn)電容202的帶電量相等，即Qx = Qc^而由Q = CV，得到CxVx = C0V0,其中C0和V0分別為標(biāo)準(zhǔn)電容202的電容值及其電壓，Cx和Vx 分別為待測(cè)樣品201的電容值及其電壓。由于Ctl值遠(yuǎn)大于Cx，故實(shí)際施加于標(biāo)準(zhǔn)電容202 兩端的電壓值遠(yuǎn)小于待測(cè)樣品201兩端電壓，以致可以由示波器302進(jìn)行測(cè)量采集，而且待測(cè)樣品201兩端電壓亦可近似認(rèn)為等于信號(hào)輸入部分產(chǎn)生的高壓。根據(jù)Cx = C0V0/VX,因此通過采集卡303將Vtl信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)301并讀出數(shù)值，就可以計(jì)算出待測(cè)樣品201實(shí)時(shí)的電容數(shù)值并進(jìn)而由Ps = Qx/A和Qx = CxVx = CtlVtl(其中Ps為樣品極化強(qiáng)度，Qx為樣品所帶電量，A為樣品電極面積)求出待測(cè)樣品201的極化強(qiáng)度。根據(jù)運(yùn)算放大器的電學(xué)特性，其負(fù)端電壓與正端電壓相等，當(dāng)正端接地時(shí)，負(fù)端電勢(shì)與地電勢(shì)相等，即所謂的虛擬地線。由于虛擬地線保護(hù)電路204與標(biāo)準(zhǔn)電容202并聯(lián)，故輸入端信號(hào)即為標(biāo)準(zhǔn)電容202的電壓信號(hào)。經(jīng)RC濾波器濾波后，通過示波器302在采集端測(cè)量其電勢(shì)即可得到標(biāo)準(zhǔn)電容202兩端電壓。當(dāng)樣品被擊穿，高壓即將通過運(yùn)算放大器OP 時(shí)，并聯(lián)的瞬態(tài)抑制二極管D將會(huì)起到限壓作用，使得實(shí)際通過運(yùn)算放大器OP的電壓不超過瞬態(tài)抑制二極管D的額定數(shù)值，從而起到保護(hù)運(yùn)算放大器OP及后續(xù)測(cè)試儀器的作用。所述信號(hào)發(fā)生器103產(chǎn)生的方波脈沖寬度為0. OOIs-IOOS0每條按照標(biāo)準(zhǔn)流程測(cè)試得到的完整極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量時(shí)間周期為600s-1000s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度要求可自由設(shè)定整條曲線所分段數(shù)以及每段測(cè)量時(shí)的采樣率，測(cè)試自由度高。下面為本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例
實(shí)施例1 測(cè)試樣品使用PIC151(PI Ceramics, Lederhose，Germany)陶瓷樣品，樣品厚度 d =lmm,電極面積S = 0. 7854cm2,該樣品的極化反轉(zhuǎn)曲線如圖4所示。實(shí)施例2 測(cè)試樣品使用PZT-5陶瓷樣品，樣品厚度d = lmm,電極面積S = 1. 7663cm2。測(cè)試前分別對(duì)樣品進(jìn)行l(wèi)h、2h、5h和15h的疲勞實(shí)驗(yàn)(以交流電頻率50Hz計(jì)算，lh、2h、5h和 15h分別對(duì)應(yīng)疲勞循環(huán)次數(shù)1. 8X 105，3. 6X 105，9X IO5和2. 7 X IO5次)。圖5為該樣品經(jīng)過不同次數(shù)的疲勞實(shí)驗(yàn)后的極化反轉(zhuǎn)曲線對(duì)比圖。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置，其特征在于，包括測(cè)試信號(hào)輸出部分(1)、 極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分(2)和設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分(3)；其中所述測(cè)試信號(hào)輸出部分(1)的結(jié)構(gòu)如下直流高壓源(101)通過高壓開關(guān)(102)與緩沖電容(104)連接；信號(hào)發(fā)生器(103)分別與采集卡(303)、示波器(302)、計(jì)算機(jī)(301)和高壓開關(guān)(102)連接；所述極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)量部分(2)的結(jié)構(gòu)如下待測(cè)樣品(201)與繼電器組(203)相連， 限流電阻(205)的一端接待測(cè)樣品(201)與繼電器組(203)的公共節(jié)點(diǎn)，另一端接緩沖電容(104)與高壓開關(guān)(102)的公共節(jié)點(diǎn)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電容(202)與虛擬地線保護(hù)電路(204) 并聯(lián)，后者與采集卡(303)、示波器(302)相連，標(biāo)準(zhǔn)電容(202)、待測(cè)樣品(201)和虛擬地線保護(hù)電路(204)構(gòu)成改進(jìn)的Sawyer-Tower電路；所述設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分(3)的結(jié)構(gòu)如下采集卡(303)分別與信號(hào)發(fā)生器 (103)、標(biāo)準(zhǔn)電容(202)、計(jì)算機(jī)(301)和示波器(302)相連，示波器(302)分別與標(biāo)準(zhǔn)電容 (202)以及計(jì)算機(jī)(301)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置，其特征在于，所述虛擬地線保護(hù)電路(204)的結(jié)構(gòu)如下運(yùn)算放大器(OP)的負(fù)輸入端和輸出端相連，其正輸入端接地，其輸出端接第一電阻(Rl)，第二電阻(R2)與運(yùn)算放大器(OP)的負(fù)輸入端相連， 電容(Cl)的一端接第一電阻(Rl)，另一端接地，電容(Cl)和第一電阻(Rl)構(gòu)成RC濾波器，在運(yùn)算放大器(OP)的正、負(fù)輸入端之間并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管(D)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置，其特征在于，所述運(yùn)算放大器(OP)為AD549運(yùn)算放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)電容(202)的電容值為5 μ F，耐壓為2000V。
5.一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一直流高壓源(101)給出一直流高壓信號(hào)，該信號(hào)被高壓開關(guān)(102)阻斷；步驟二 信號(hào)發(fā)生器(103)產(chǎn)生方波脈沖控制高壓開關(guān)(102)閉合固定時(shí)間，通過高壓開關(guān)(102)的直流高壓信號(hào)經(jīng)緩沖電容(104)后，施加于待測(cè)樣品(201)和標(biāo)準(zhǔn)電容(202) 兩端，對(duì)待測(cè)樣品(201)進(jìn)行極化；步驟三控制繼電器組(203)使待測(cè)樣品(201)兩極反轉(zhuǎn)后重復(fù)步驟一和二，改變信號(hào)發(fā)生器(103)產(chǎn)生固定寬度的方波脈沖寬度和采集卡(303)的數(shù)據(jù)采集率，示波器(302) 監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器(103)的產(chǎn)生的方波脈沖信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電容(202)的電壓信號(hào)，采集卡(303) 通過示波器(302)采集待測(cè)樣品(201)不同反轉(zhuǎn)時(shí)間段下標(biāo)準(zhǔn)電容(202)的電壓數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生器(103)的控制信號(hào)數(shù)據(jù)；步驟四將標(biāo)準(zhǔn)電容(202)的電壓數(shù)據(jù)和信號(hào)發(fā)生器(103)的控制信號(hào)數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)(301)中，經(jīng)過計(jì)算處理輸出極化反轉(zhuǎn)曲線的圖像和數(shù)據(jù)文件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的方法，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生器(103)產(chǎn)生的方波脈沖寬度為0. OOIs-IOOS0
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的方法，其特征在于，所述極化反轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量時(shí)間周期為600s-1000s。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于鐵電與壓電材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的一種測(cè)量鐵電材料極化反轉(zhuǎn)曲線的裝置及方法。該裝置包括測(cè)試信號(hào)輸出部分、極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)試部分及設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集處理部分。通過高壓開關(guān)通斷控制高壓方波脈沖施加于待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)電容組成的串聯(lián)回路中，采集標(biāo)準(zhǔn)電容兩端的電壓信號(hào)并通過計(jì)算機(jī)軟件換算處理得到極化反轉(zhuǎn)曲線。裝置采用虛擬地線技術(shù)對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行過壓保護(hù)。本發(fā)明解決了目前國內(nèi)鐵電壓電材料研究領(lǐng)域中，沒有極化反轉(zhuǎn)曲線測(cè)試儀器的狀況。它擁有性能穩(wěn)定、測(cè)試效率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有較好的自定義性和擴(kuò)展性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易，方便實(shí)用，且安全性高。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102323495SQ201110139829
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者張勇, 梁彤祥, 郭文利, 馬良, 黃春林 申請(qǐng)人:清華大學(xué)