可用-热释电系数的测量方法.docVIP

——————————————————————————————————————————————— 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　TN384 1　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???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=CfCf 2　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:dT dPS 　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)。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amp;..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dt dPdPTdT ip=A=A=AP(5)i dtdTdtdt 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