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1、可用-热释电系数的测量方法DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.1998.05.015 热门技术 热释电系数的测量方法黄文成(华中理工大学电子科学与技术系 武汉 430074)摘要:描述热释电系数的两种测量方法。其一为电荷积分法,测试系统简单,测量数据准确,且能满足零电场条件下的测量。其二为动态电流法,采用调制热源技术,研究在特定温度条件下热释电材料的动态热释电响应。关键词:热释电系数 电荷积分法 动态电流法 铁电陶瓷分类号:TM22 TN3841 引言热释电材料目前主要用于红外、激光等热释电探测领域,也广泛地使用在各类辐射计,光谱仪,以及红外、激光探测
2、器等方面。而热释电系数是测定红外探测器工作特性的主要参数之一,因此热释电系数的测试方法越来越受到国内外学者的高度重视。测量热释电系数的方法有好几种,早期曾用的方法是测量不同温度下的电滞回线中的自发极化强度PS,得出PS与———————————————————————————————————————————————T的关系曲线,由曲线斜率求出热释电系数Pi的值,这种方法也称为电反转法。人们自70年代以来,提出了静态法、等速加热法、电荷积分法、热动态电流法和介质加热法等多种测量热释电系数的基本方法。其中以电荷积分法〔1,2〕较为简单、准确,且能满足零电场条件的测量。另一种测量方法是
3、动态电流法,采用调制热源技术,研究在特定温度条件下,被测量材料的动态热释电响应〔1～3〕。该测试系统可测量在恒温条件下从铁电陶瓷到聚合物等多种材料的热释电电流响应,还可用于测量钽酸锂和铌酸锂多种几何形状样品的特性。本文主要介绍电荷积分法和热动态电流法的测量原理及其测量系统。(3)A△T式中:△T为时间△t内的温度变化;ip为热释电电流;A为样 Pi=品的电极面积。由式(3)可以看出,只要测出温度△T范围内的热释电电荷△QS,即可确定热释电系数Pi。电荷积分法的测量电路如图1所示。图1 电荷积分法测试电路图中Cx为待测样品,Cf为经过校正的反馈电容。样品在加热过程中所产生的热释
4、电电荷△QS将传输至反馈电容Cf上。由于积分器的输出电压△U为:△U=因此可得热释电系数:△QAP△T=CfCf2 电荷积分法———————————————————————————————————————————————当温度发生变化时,热释电材料的自发极化强度PS随温dPS度的变化率,一般称为热释电系数Pi,即:dTdPS Pi=dT随着温度的变化,样品电极上所引起的电荷为:△QS=idt=∫(AP∫pi Pi=Cf△UA△T(4)将输出电压和热电偶的信号同时记录,可得输出电压与温度的关系曲线△U(T),根据曲线斜率可以确定热释电系数Pi(1)及其与温度的关系曲线Pi(T)
5、。为了减少运算放大器失调及漂移的影响,常常在运算放大器之前加一级差分电路,以提高积分器的输入阻抗及灵敏度。APi△T (2))dt=dtAPdT=∫0i△T3 动态电流法由Byer和Roundy介绍的热释电系数测量方法已被大多数人所接受〔1～4〕。该方法是在测量过程中以极其缓慢的线性速率使样品加热或冷却,以实现块状样品温度随时间的变化为已&..5其中ip=APi收稿日期:dT。由式(2)可求出热释电系数:dt1997-09-30 修回日期:1998-06-15知恒量。已知样品的面积为A,测量直流热释电电流ip,由于dT可认为是常数,因而可直接计算热释电系数Pi。根据d
6、tdPdPTdTip=A=A=AP(5)idtdTdtdt———————————————————————————————————————————————其中,Pi=,PS为样品的极化强度。由于压电噪声源或热dT电噪声源的存在,要精确测定直流热释电电流往往是困难的。因此,在测量热释电材料特性时,一般采用锁定分析仪或数字信号处理技术直接提高信噪比,该技术通常称为Chynoweth方法。3.1 热释电电流测量可用与样品光源斩波频率同步的锁定分析仪直接测量热释电电流。为此,可选用带181型电流预放大器的5208型锁定分析仪。由于181型放大器的增益高达10-9A/V,5208/181型
7、的组合设备具有高灵敏度和低噪声,整体分辨率可达1fA(10-15品吸收,因此,通过光功率计测量光纤的输出功率Po后,根据式(7)可直接算出热释电电流响应: Ri=其中 I0≈ip≈I0oWAZPiA2dcW(8)(9)式(9)中:W为入射功率,Z为样品表面发射率,Pi为热释电系数,d为热释电材料的密度,c为热释电材料的单位热容量,W为样品的厚度,A为样品的电极面积。3.2 测量步骤在样品的两面溅射金层,用银线在样品两面的电极上形成电接触,将样品与玻璃片装配在一起。样品安装方法如图3————
