一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术还提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量方法。本发明专利技术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。

A Measuring Device and Method for Transient Polarization of Intermediate Electrical Material in Time Domain

【技术实现步骤摘要】
一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法
本专利技术涉及一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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及测量方法，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10-8s到103s，从而快速和有效地研究介电材料的电学性质。进一步地，本专利技术可以测量铁电材料在极化反转过程中极化强度随时间的变化。为了达到上述目的，本专利技术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。一种时域中介电材料极化瞬态的测量方法，其特征在于：将测试介电材料、电阻R0、电容C1、C2和C3、以及三个开关连接组成采样电路；设置与采用电路并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；第一种测量方法为：信号输出系统施加脉冲时，测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化，实现一次测量得到在时域中介电材料的极化瞬态；或者第二种测量方法为：首先信号输出系统施加脉冲，经过一段等待时间后，撤离信号输出系统的脉冲电压，测量计算得到测试介电材料去极化强度随时间的变化，实现一次测量得到在时域中介电材料的去极化瞬态；或者第三种测量方法为：首先信号输出系统施加一个负脉冲使测试介电材料的极化态反转到负的饱和态，经过一段等待时间后，施加第一个正脉冲使测试介电材料反转到正的极化态，测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化；然后撤离信号输出系统的脉冲电压，经过一段等待时间后，信号输出系统施加第二个正脉冲使介电材料反转到正的极化态，第二个正脉冲与第一个正脉冲具有相同的电压，在第二个正脉冲下测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化；在相同时间段中，将第一个正脉冲下测量计算得到测试介电材料的极化强度减去第二个正脉冲下测量计算得到测试介电材料的极化强度，则得到测试介电材料在极化反转过程中极化强度随时间的变化，实现得到在时域中介电材料在极化反转过程中的极化瞬态；第二种测量方法中介电材料为铁电材料。测量计算得到测试介电材料极化强度/去极化强度随时间的变化是指：通过三个开关分别关闭的时间段分别测量电阻R0的两端电压以及电容C1、C2和C3的两端电压，以计算测试介电材料在时域中极化强度/去极化强度随时间的变化。具体包括以下步骤：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；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，测试介电材料的极化强度值/去极化强度值为：其中，UR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/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，测试介电材料的极化强度值/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，测试介电材料的极化强度值/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极化强度/去极化强度，即为测试介本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。6.一种时域中介电材料极化瞬态的测量方法，其特征在于：将测试介电材料、电阻R0、电容C1、C2和C3、以及三个开关连接组成采样电路；设置与采用电路并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；第一种测量方法为：信号输出系统施加脉冲时，测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化，实现一次测量得到在时域中介电材料的极化瞬态；或者第二种测量方法为：首先信号输出系统施加脉冲，经过一段等待时间后，撤离信号输出系统的脉冲电压，测量计算得到测试介电材料去极化强度随时间的变化，实现一次测量得到在时域中介电材料的去极化瞬态；或者第三种测量方法为：首先信号输出系统施加一个负脉冲使测试介电材料的极化态反转到负的饱和态，经过一段等待时间后，施加第一个正脉冲使测试介电材料反转到正的极化态，测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化；然后撤离信号输出系统的脉冲电压，经过一段等待时间后，信号输出系统施加第二个正脉冲使介电材料反转到正的极化态，第二个正脉冲与第一个正脉冲具有相同的电压，在第二个正脉冲下测量计算得到测试介电材料极化强度随时间的变化；在相同时间段中，将第一个正脉冲下测量计算得到测试介电材料的极化强度减去第二个正脉冲下测量计算得到测试介电材料的极化强度，则得到测试介电材料在极化反转过程中极化强度随时间的变化，实现得到在时域中介电材料在极化反转过程中的极化瞬态；第二种测量方法中介电材料为铁电材料。7.根据权利要求6所述的时域中介电材料极化瞬态的测量方法，其特征在于：测量计...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦满芳，马信洲，刘国华，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44