（微电子学与固体电子学专业论文）热释电系数计算机测试系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文着重于研制出一套测量热释电系数的计算$ j t o q u 试系统，用于评价具有不同热 释电系数的热释电材料的性能。由于热释电材料性能的好坏主要取决于热释电系数的 大小，所以同计算机相结合开发一套热释电系数训算机测试系统，将有利于热释电材 料的基础研究与应用研究。 到目前为止，提出了静态法、直接法( 包括热释电电流法和等速升温法) 、电荷 积分法、数字积分法等多种测量热释电系数的基本方法。在本系统中，热释电系数的 测量是基于热释电电流法的，与其它方法相比，热释电电流法既满足了零电场条件， 又能测出连续温区上的热释电电流，准确地反映热释电系数的变化，整个系统由硬件 和软件两部分组成。 系统硬件的主要功能是对热释电材料的热释电电流以及样口i 温度等参数进行测 量，南热释电电流测量模块、温度测量模块和加热炉温度控制模块三大部分组成。热 释电电流测量模块的设计是整个系统的关键，针对信号源的高阻抗、低频和信号弱等 特征，设计j ，低频低噪声p a 级放大电路。加热炉炉体的设计也很关键，针对基于热 释电电流法测量热释电系数时刘样品温度变化的要求，设计了一款瓶状腔体式加热 炉。 本软件系统主要由通讯、数据处理和界面三部分组成，通过两个r s 2 3 2 串 口完成热释电电流和样品温度的采集工作，再利用微机强大的信息处理能力，柬 获得热释电系数与温度的关系，完成对热释电系数的存储、显示、打印等功能。另外， 在数据处理部分利用了滤波算法程序来实现软件抗干扰的功能。 利用该系统对单晶、薄膜、厚膜和陶瓷等多种热释电材料进行了测量，结果都符 合相关报道，经过k 时间的运行，证明该系统达到了实用化要求。 关键字：热释电系数测量p a 级电流放大串1 5 1 通讯 ，华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sf o c u s e do n d e v e l o p i n g ac o m p u t e r - a i d e ds y s t e mf o rm e a s u r i n gt h e p y r o e l c e t r i ec o e f f i c i e n t t h em a g n i t u d eo fp y r o e l e c t f i cc o e f f i c i e n td i r e c t l ya f f e c t st h e p r o p e r t i e so fp y r o e l e c t r i cm a t e r i a l s s oe m p o l d e f i n gt h ec o m p u t e r - a i d e ds y s t e mf o r m e a s u r e i n gp y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n ti sq u i t ei m p o r t a n t i tb e n e f i t st h eb a s i cm a da p p l i c a t i o n r e s e a r c ho f p y r o e l e c t r i cm a t e r i a l s u pt oi i o w ，t h e r ea r ev a r i o u sm e a s u r i n gm e t h o d so ft h ep y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t ，s u c h a st h es t a t i cm e t h o d ，t h ed i r e c tm e t h o d ( i n c l u d e st h ep y r o d e c t r i cc u r r e n tm e t h o da n dt h e c o n s t a n th e a t i n gr a t em e t h o d ) ，t h ec h a r g ei n t e g r a t i o nm c t h o da n dd i g i t a li n t e g r a t i o nm e t h o d a n ds oo ni nt h i ss y s t e m ，t h em e a s u r e m e n to f t h ep y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n ti sf o u n d e do i lt h e p 3 t o e l e c t r i ce n r r e l l tm e t h o di th a sal o to fa d v a n t a g e s t h i sm e t h o dc a nn o to n l ym e e tt h e c o n d i t i o no ft h ez e r oe l e c t r i c f i e l db u ta l s om e a s u r et h ep y r o e l e c t f i cc u r r e n ti nt h e c o n t i n u o u st e m p e r a t u r e r a n g e ，a n dd e t e c tt h ec h a n g eo ft h ep y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n tc o r r e c t l y t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so f t w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ef u n c t i o no ft h eh a r d w a r ei st om e a s u r et h ep y r o e e c t r i cc u r r e n ta n dt h es a m p l e t e m p e r a t u r et h i sp a r tc o n s i s t so f t h r e em o d u l e s ：m e a s u r i n gp y r o e l e c t r i cc u e e n t ，m e a s u r i n g s a m p l et e m p e r a t u r ea n dc o n t r o l l i n gh e a t e rt e n l p e r a t a r e t h em o d u l ed e s i g no fm e a s u r i n g p y r o e l e c t r i cc u r r e t f fi s f o r e m o s tf o rt h em t o l es y s t e mf o rt h ep r o p e r t i e so ft h eh i g h i m p e d a n c e ，l o wf l e q u e n c ya n ds m a l ls i g n a ls o u r c e ，as p e c i a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i to f p l c o a m p e r ec u r r e n ti sd e s i g n e dt h ed e s i g no fh e a t e ri si m p o r t a n tt o o b a s e do nt h et h e o r y o ft h ep y r o e l e c t r i cc u r r e n tm e t h o d ，t h es a m p l et e m p e r a t u r ev a r i e t ym u s tb es y m m e t r i c a l h e a t e ri sd e s i g n e dw i t ha m p u l l a c e o u sh e a t h t h es y s t e ms o f t w a r em a i n l yc o n s i s t so f c o m m u n i c a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r f a c e t h ep y r o e l e c t r i cc u r r e n ta n dt h es a m p l et e m p e r a t u r ec a nb ec o l l e c t e dt h r o u g hr s 2 3 2s e r i a l p o r tt h e np y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n tv e r s u st e m p e r a t u r ec a nb eo b t a i n e du s i n gt h e p o w e r n lc o m p u t e r sd a t a p r o c e s s i n ga b i l i t y s i m u l t a n e i t y f l l o r ef u n c t i o n sc a l lb e a c h i e v e d ，s u c ha ss t o r e ，d i s p l a ya n dp r i n t b e s i d e s ，i nd a t ap r o c e s s i n gp a r t ，t h ef i l t e r i n g a r i t h m e t i cp r o g r a mi su s e dt or e s i s tt h ed i s t u r b s i 【 华中科技大学硕士学位论文 a tl a s t ，b yt l f i s s y s t e m ，m u l t i p l i c a t ep y r o e l e c t f i cm a t e r i a l s ，s u a ha ss i n g l ec r y s t a l ，t h i n f i l m ，t h i c kf i l ma n dc e r a n l i c ，a r em e a s u r e di ts h o w st h a tt h er e s u l t sa g r e ew i t hc o r r e l a t i v e r e p o r t sb yl o n g t i m em n s t h es y s t e mw o r k sw e l l k e y w o r d s ：p y r o c l e e t r i cc o e f f i c i e n t m e a s u r e m e n t p i c o a m p e r ec l l r r e n ta m p l i f i e r s e r i a lp o r tc o m m u n l c a t i o n “ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明应用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 、 学位论文作者签名：j j i l 喃篷 日期：3 年3 月那日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后试用本授权书。 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：预麟照 日期：弦年岁月硝同 。华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 热释电材料的研究概况 约在公元前三百年，人们就发现了热释电效应n 1 。但是热释电的现代名称 p y r o e l e c t r i c i t y 是1 8 2 4 年才由布儒斯特引入的瞳1 。其实，材料的热释电性质早在十九世 纪就有人研究口1 ，不过早期的研究只是对现象的描述上。从十九世纪末开始，随着近 代物理的发展，对不同材料的热释电效应定量和理论的研究才日益增多h 6 1 。1 9 2 0 年 发现酒石酸钾纳的热释电性，1 9 3 5 - 1 9 3 8 年期间发现磷酸二氢钾和磷酸二氢铵具有铁 电性和热释电性，1 9 4 5 年前后前苏联和日本学者发现钙钛矿型钛酸钡的铁电性口1 。长 期以来，科学家们一直致力于热释电材料的研究，一方面是因为热释电效应已成为铁 电物理基础研究的重要工具；另一方面是因为用热释电材料制成的热释电红外探测器 具有无需制冷、可在室温下工作、光谱响应宽等优点阻3 ，已获得广泛应用，进而促进了 热释电效应及其应用的研究，发现并改进了一些重要的热释电材料。 热释电材料主要分为单晶( 如t g s 和l i t a 0 3 ) 、高分子有机聚合物材料( 如p v d f ) 和多晶材料( 如p t , p l t , p z t ) 等。t g s 具有较高的电压响应优值f v ，其热释电系数 p 很大，但是它是一种相当脆的水溶性单晶材料，居里温度较低( 4 9 ) ，有严重的退 极化现象，且易潮解，这样就使其应用受到一定的限制；l i t a 0 3 单晶虽然其热释电系 数p 小，电压响应优值f v 也较小，但与其它材料相比，由于介电损耗t g6 很小，故 探测率优值较高，可用恰克拉斯基法大量生产，已用于压电应用中，它能在很宽的温 度范围内使用，不退极化，化学、物理性能稳定，对湿度不敏感，广泛应用于需要精 确测量的地方；聚偏二氟乙烯p v d f 具有较低的热导系数和介电系数，在同一材料上， 相邻元件之间的热电耦合是最小的，其热释电系数小，但可通过增大面积来增加其敏 感性，缺点是介电损耗大：陶瓷与单晶材料相比，成本低、机械性能和化学性能较稳 定，且便于加工，居里温度高，故在通常条件下不存在退极化问题。此外，可在陶瓷中 进行各种各样的替代和掺杂，极易调节其性能，如热释电系数、介电损耗等。如掺 b i 的p z t 9 4 6 陶瓷在3 5 c 发生相变时，热释电系数有很大的提高，峰值热释电系数 可达到1 2 0 x 1 0 名c c m - 2 k 1 ，而介电常数和介电损耗没有太大的增加，因而具有很高的 优值，其f ，为2 1 9 x 1 0 。1 0 c c m j 1 ；铁电薄膜具有优良的热释电性能，是制备单元和 多元阵列热释电红外探测器的优良材料，人们用溶胶。凝胶技术制备了p b t i 0 3 、 。华中科技大学硕士学位论文 b a t i 0 3 、s r t i 0 3 、p b z r 0 3 、k t n 、k n b 0 3 、p l z t 和p l t 等电子陶瓷粉末和陶瓷材料， 其后又用该技术成功地研制了p z t 、p l t 、l i n b 0 3 等陶瓷薄膜材料，用该技术制备薄 膜，不仅工艺简单，而且薄膜热处理温度低，化学计量比准确，均匀性好，成膜面积 大n 0 1 。 热释电材料的应用涉及各个方面，其中用铁电材料制备的热释电单元及阵列红外 传感器的应用最为广泛，主要应用于军事、航空、航天等尖端技术领域和非接触测温、 入侵报警、家电自动控制等领域n 1 3 ，特别是焦平面热释电红外传感器还可用于观瞄具、 夜视仪、全天候监视器和医疗诊断仪等热成像系统。 1 2 本课题的研究意义 本课题是结合国家“8 6 3 ”计划新材料领域资助项目( 新型铁电薄膜材料及其新一 代非制冷红外探测器阵列的研制，代号为2 0 0 2 a a 3 2 5 0 8 0 ) 而进行的，其目的是研制 一套测量热释电系数的计算机测试系统，用于评价具有不同热释电系数的热释电材料 的性能。 在研究热释电效应的工作中，最基本的工作是测量材料的热释电系数n2 1 ，热释电 系数的大小能直接反应热释电材料性能的优劣，而且热释电系数是评价作为光电探测 器的热释电材料的基本参数之一，因此热释电系数测试方法的研制越来越受到国内外 学者的高度重视。热释电系数的测量方法很多，但由于热释电效应产生的热释电电流 信号非常微弱( p a 级) 且与材料本身其它特性的相关，因此，目前热释电系数的测 量仍未有一个统一的标准。本课题的研究具有重要现实意义。 1 3 本课题的研究现状 国内外许多科研院所和高校都采用了不同的方法测量热释电系数，总的说来可以 分为静态法、直接法、电荷积分法和数字积分法四种测量方法。 早在8 0 多年前，s b o g w s l a v k i 进行了热释电系数的第一次定量计算n3 1 ；1 9 5 6 年， a g c h y n o w e t h ( 奇诺韦思) 采用直接法n 引，通过一束被调制的热辐射在样品上产生 微小的温度变化，测得热释电系数；l a n g 和s t e c k e l 于1 9 6 5 年u 钔，g l a s s 于1 9 6 9 年 n 町采用电荷积分法测得热释电系数，当温度有微小变化时，使样品在一个低阻抗回路 上产生电流，测得热释电系数，但这种方法也有它的局限性，不适合在样品温度变化 太快时使用，此时热释电系数变化太快，测量值不准确；进入8 0 年代，国外有关报 2 。华中科技大学硕士学位论文 道大多采用直接法进行测量，利用皮安表测得热释电电流信号n l l 8 1 。 国内较晚开始从事热释电系数测量研究，中国科学院昆明物理所的邵式平等人采 用直接法和电荷积分法n 羽，用x y 记录仪做p t 曲线，但其热释电系数值及温度值需 从坐标纸上读取，这样精度太低；中山大学的李景德老师采用数值积分电路实现了热 释电系数的定点温度的测量，由于样品上的热释电电荷太少，积分时间过长，导致结 果不准确n9 1 ；9 0 年代，华中科技大学王李等采用热释电电流法测热释电系数，并借助 z 8 0 单片机建立了一套自动测试系统，但在实际运用中精度不高；2 0 0 3 年，中国科学 院上海技术物理研究所提出了一种用于热释电薄膜材料热释电系数的测量装置及方 法，它结合了电压法中以正弦函数周期调制温度的方法和电流法中直接采用电流表 测量热释电电流的方法；2 0 0 5 年，昆明物理研究所提出了一种动态法热释电系数测试 装置位，它结合计算机程序控温和数字纳伏表来获得热释电系数；目前，由于微电流 计的出现，热释电电流直接测量法得到广泛应用，在使样品产生温度变化的方法上， 各有不同，其中利用温度控制器控温在国外有关资料中比较常见，而且利用这些方法 基本能测到热释电系数。本课题在以前工作基础上，利用计算机高速处理数据的能力， 研制出了一套热释电系数计算机自动测量系统。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题的目的在于研究一套热释电系数计算机自动测试系统，在参考了大量文献 的基础上，决定采用热释电电流法进行测量。 热释电电流法的基本思想是同时测出热释电响应电流和样品的温度变化率，通过 它们与热释电系数之间的关系换算出热释电系数与温度的变化关系。 根据以上思路，本系统可分成硬件和软件两个部分进行设计，硬件部分完成热释 电电流和样品温度的测量，软件部分完成协调硬件工作和数据处理两部分的工作。本 课题的主要研究内容是： 1 设计高阻抗、高精度及低噪声p a 级放大电路。样品在温度变化的情况下的等 效电路图如图1 1 所示： 当温度发生变化时，在样品两电极上产生的电荷流动可视为一个与c p 、i 呻并联 的非线性低频( o 5 1 0 0 h z ) 、微弱( o 1 1 0 0 p a ) 的电流源，此电流仅在几个p a 至 十几个p a 范围内，r p 阻值范围可达1 0 9 - - - 1 0 1 2 q ，要测得如此微小的电流，提高测量 精度和稳定性，就需设计高阻抗、高精度及低噪声p a 级放大电路。 。华中科技大学硕士学位论文 r i i 1 i b 虚线框中为样 品等效电路图 图1 1 样品等效电路 2 加热炉设计及温度控制。理想情况下希望样品能够匀速升降温，实际应用中， 尽量让温度接近匀速变化，样品内部温度差减到最小，这需要合理设计加热炉炉体结 构，需要设计一套调温装置。 3 实现计算机与温度表和皮安计之间的通讯。同时读取被测样品当前温度值和 皮安计当前电流测量值，存入数据库中，待处理数据时调用。 4 编制数据处理程序。要实现滤波、运算、绘图和保存等功能，由于被测电流信 号太小，测量易受外界环境干扰，所以需编制滤波剔除程序，提高系统的准确可靠性。 5 研究系统硬件屏蔽问题，使系统运行稳定可靠。 4 华中科技犬学硕士学位论文 2 热释电效应及热释电系数的测量原理 2 1 热释电效应及产生机理 极性晶体由于温度的变化而引起的自发极化强度发生变化的现象，称为热释电效 应乜别，晶体的这种性质称为热释电性。具有热释电性质的晶体称为热释电晶体。 热释电效应是由于温度变化导致极性晶体出现正负电荷重心相对位移，从而在晶 体两端表面产生束缚电荷引起的。晶体的3 2 种对称类型中有2 1 种没有对称中心， 而在具有压电性的2 0 种无对称中心的点群中，有1 0 种还有单一对称轴点群可能产生 自发极化。自发极化的单晶体应该在晶体内部和外部建立自建电场。但自发极化建立 的电场吸引了晶体内部和外部空间的异号电荷，在样品的表面形成了一个表面电荷 层，如图2 1 ( a ) 。这样，自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷所屏蔽， 束缚电荷建立电场被抵消，晶体对外呈现不带电状态。 热释电晶体是压电晶体的一种，具有非中心对称的晶体结构乜制。自然状态( 外电 场为零，应力也为零的情况) 下，在某个方向上正负电荷的中心不重合，从而晶体表 面存在着一定量的极化电荷，即自发极化。也就是说，晶体本身具有自发的电极化。 因此，在与自发极化强度垂直的晶体的两个表面上应该出现面束缚电荷，一面是正的 束缚电荷，另一面是负的束缚电荷。面束缚电荷密度等于自发极化强度。但是平时这 些面束缚电荷常常被晶体内部和外部的自由电荷所中和，因此没有显示出来，如图 2 1 ( a ) 所示，当晶体经受一定频率的温度变化时，由于自由电荷中和面束缚电荷所需 要的时间很长，大约从数秒到数小时，而晶体的自发极化的驰豫时间很短，约为1 0 一 心秒，其体内的自由电荷和外部的杂散电荷来不及中和变化着的面束缚电荷，失去了 电的平衡，如图2 1 ( b ) ，这时，失去了电平衡的晶体表面存在净电荷，即表现出晶体 的自发极化强度，如图2 1 ( c ) 。 热释电效应具备的必要条件是自发极化，自发极化强度与温度有关。随着温度的 升高，自发极化强度降低，如图2 2 所示乜钉。温度升高到时，自发极化消失，此温 度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生相变，从极化晶体变为非极化晶体， 只变为零。其中，图2 2 ( a ) 为铁电体二级相变时自发极化强度与温度的关系。图2 2 ( b ) 为铁电体一级相变时自发极化强度与温度的关系。 ( a ) ( b ) 图2 1 热释电效应的产生机理 只c c 时 ( c ) ( a ) 图2 2 自发极化强度与温度的关系 ( b ) 6 文一一一一一一 脚一一一一一一 洲一露幽删 黼黼麒 一一一猢黼一 兰怖般拍黼黼一一一一一 ：一心一一一 。华中科技大学硕士学位论文 2 2 热释电系数 在恒( 或为零) 电场作用下，当热释电材料在均匀受热过程中受到微小的温度的 变化时，其i h 发极化强度只将发生相应的变化，并为t ( 温度) 和x ( 应变) 的函数。 而石又为丁( 温度) 和x ( 应力) 的函数，即 只= 石( r ，x ) ( 2 - 1 ) x = 厶仃，x ) ( 2 - 2 ) 将上式写为全微分形式，则 d e = ( 妒l a t ) 砸d r + ( a g a x ) 耻d x ( 2 - 3 ) d x = ( 氖a 丁) 肌d t + ( a z a x ) 耻d x ( 2 - 4 ) 当应力恒定时，即d x = o ，e h ( 2 。4 ) 得 d x = ( a x a r ) 舭d t ( 2 - 5 ) 将( 2 5 ) 式代x ( 2 3 ) 式，得 d e = ( 犯a 丁) 坩d r + ( a p , a t ) 邶( a x a d 脚d t ( 2 - 6 ) 在( 2 6 ) 式两边除以d 丁，得 ( d e , id t ) x ，= ( a 只a 丁) 丘+ ( a 只a x ) r ，e ( 苏a r ) x ，e ( 2 - 7 a ) 或写为 只= 只+ 只 ( 2 7 b ) 其中 p x e = 媳| m x 。e 日= ( 理观f )( 2 - 8 ) 昱= 僻t z 上 上式中只为第一热释电系数，表明晶体在均匀受热过程中受到夹持，因温度均匀 变化而引起自发极化强度变化的热释电效应。只为第二热释电系数，表征晶体由于热 膨胀产生应变，应变又通过压电效应导致了附加的热释电效应。( 2 7 a ) 式表示恒应力 恒电场时的热释电效应。这是对自由晶体( 允许晶体自由形变) 而得到的热释电效应。 它是第一热释电效应与第二热释电效应之和。在该情况下，总热释电系数用表示， 它为鼻与足之和。 另外，热释电晶体还呈现第三热释电效应，即晶体处于非均匀加热过程中，由于 。华中科技大学硕士学位论文 温度梯度产生附加应变梯度，又通过压电效应引起自发极化强度发生变化。第三热释 电系数用只表示，因此晶体的总热释电系数为： p = 只e + 只= # + 最+ 只( 2 - 9 ) 一般情况下，热释电系数是在晶体被均匀加热下测得的，则热释电系数为第一热 释电系数只与第二热释电系数最之和。在测量中，应特别注意要减少第三热释电系数， 以防止第三热释电系数对第一第二热释电效应造成的误差。 若要独立测量第一热释电系数，应在夹持状态下( 应变为零) 进行。但通常人们 在实验中测得的热释电系数是两项的总和。要从中分离出第一热释电系数，还要测量 材料的压电、弹性、热膨胀这三个系数。在实际应用中并不计较第一、第二热释电系 数的分离，但在理论研究中这两者的分离有很重要的意义。 绝大多数的热释电材料并不是在所有温度下一直保持单一极轴，而是存在一个相 变温度。在此温度以上，材料的结构点群发生变化：单一极轴消失，失去了热释电性。 在接近相变温度时，由于自发极化消失得特别快，热释电系数也就特别大，在相变温 度时达到一个峰值。因此测量热释电系数对温度的曲线是研究热释电材料的结构，特 别是相变结构和畴结构的十分重要的手段。显然为这个目的而作的热释电系数的测量 应该在夹持状态下进行。 由于自发极化强度是矢量，而温度是标量，因此热释电系数应该是具有三个分量 的矢量。但是对于大多数热释电材料，例如t g s 、l i t a 0 3 、s b n 和p z t 等，它们的 热释电系数只有一个非零的分量，即只有沿极化轴方向的分量不为零。热释电探测器 的两个电极面是垂直极化轴的，因此在通常的情况下，可以把热释电系数作为标量来 处理。因为自发极化强度p 随温度丁的升高而降低，所以热释电系数应该是负数，但 通常只标出数值，而不写负号。 2 3 热释电系数的测量原理及其方法 热释电效应的强弱可用热释电系数p 来表示。热释电系数的定义为 p ：冬 ( 2 1 0 ) 2 茄 u 式中，p 为自发极化强度，丁为样品温度。 测量热释电系数的方法有好几种，早期曾用的是测量不同温度下的电滞回线中的 。华中科技大学硕士学位论文 自发极化强度只，得出只与丁的关系曲线，由曲线斜率求出热释电系数p 的值，这种 方法也称为电反转法。人们自7 0 年代以来，提出了静态法、直接法( 包括热释电电 流法和等速升温法) 、电荷积分法、数字积分法等多种测量热释电系数的基本方法2 。 在此，我们对这些测量方法一一进行介绍和比较。 2 3 1 静态法 利用热释电系数的定义式p ：等，测量不同温度下的电滞回线，即可确定不同 d 温度下的自发极化强度只。作出曲线只- t ( t 为温度) ，由曲线的斜率即可确定热释 电系数啪1 。 但是只有铁电体才具有电滞回线，非铁电体的热释电晶体无法用此方法。另外在 测量电滞回线时，样品必须在外加电压条件下才能翻转，不满足零电场条件。因此静 态法测热释电系数有一定的局限性，其测量也不够准确。 2 3 2 直接法 下电极 表面 图2 3 热释电材料薄片随着温度的改变而产生热释电电流 此方法的原理为：在经极化后的薄片式热释电材料的两面制备电极，就会产生一 个垂直于电极表面( 面积为a ) 的热释电系数分量p ，当外界输入的红外辐射能量被 材料表面层吸收而导致材料的温度发生变化，或者外界环境温度变化导致材料的温度 变化时，其自发极化强度也将发生变化。当样品电极与外电路相连接时，产生的热释 电电流i 。( 如图2 3 所示) 为 铲彳( 鲁) 一d t ) 柏口f ，罂e f t ) 2 1 d 9 。华中科技大学硕士学位论文 式中：a 为材料垂直于极化轴的电极面积。p 为热释电系数，_ d t 为材料温度随 d f 时间的变化率。由上式可知，如果能测得温度变化率和热释电电流，就能获得热释电 系数的大小。 热释电电流的测量电路原理如图2 4 所示， j i l a - - f r l 图2 4 热释电电流的测量电路 如图1 1 所示，样品可以表示为一个电容c p 和一个电阻尺p 并联，在电极上的电 荷则相当于与c p 、r p 的电流源。r 和c l 为测量仪器的输入阻抗。例如：一个高阻 电流计测量热释电电流，当高阻计的输入电阻吼 1 0 6 ) 的场合。但是它的共模抑制( c m m r ) 较低，失调电压和失调漂移较大， 这些缺点大大限制它的使用范围。双极型输入级运算放大器与f e t 输入级的放大器相 比较，具有较高的c m m r 和较低的失调电压漂移。根据热释电电流测量模块低噪声， 高输入阻抗的需要，本系统选用低功耗、高速度的结型场效应管( j f e t ) 作运算放大 。华中科技大学硕士学位论文 器，型号为l f 4 1 1 c ，它的主要特性参数的典型值为：低输入偏置电流( 5 0 p a ) ，低输 入噪声电流( o o l p a i x - h - z z ) ，高输入阻抗( 1 0 1 2 q ) ，高共模抑制比c m r r ( 10 0 d b ) 。 3 5 系统硬件抗干扰措施 在检测系统的电子线路和电子设备中，“干扰”是一种普遍存在的问题。它是检测 过程中的一种无用信号，它的存在会造成检测系统检测出的结果有偏差甚至不能正常 运行。系统中最容易受干扰的部位是电源、接地系统、输入和输出。干扰的耦合方式 主要有以下几种h 刳：( 1 ) 静电电容耦合：由于电路与电路之间存在寄生电容，产生静 电效应从而引起干扰。对于小电流、高电压干扰源产生的干扰主要是通过电容耦合产 生的。( 2 ) 电磁耦合：由于两个电路之间存在互感而产生的干扰。( 3 ) 共阻抗耦合： 当一个电路的电流流经共阻抗时所产生的压降，就会在另一个电路中产生干扰电压。 根据本系统测量过程中的电磁干扰、温度干扰及其他噪声的影响，我们采取了以 下措施来防止干扰。 一、配置去耦电容。在每个芯片的电源与地之间接1 个0 1u f 陶瓷电容，在印刷电路 板的电源输入处也接1 个1 0u f 的钽电容和1 个0 1u f 陶瓷电容，这样可以消除 大部分高频干扰。 二、对于容易产生噪声的部分用地线包围起来，以免产生噪声藕合电压。采用良好的 接地系统，将印刷电路板地线做得短而粗，能使电磁干扰以最短的路径进入地线 而消失。 三、抑制工频干扰。本系统中最容易受工频影响引入干扰的部分是前置转换电路，工 频干扰的消除在模拟电路中可用二阶压控电压源带阻滤波器来实现，本系统中为 了不过多引入元器件，增加干扰源，采用了金属屏蔽罩法来实现抑制工频干扰的 目的，把前置转换电路整个屏蔽在金属罩中，试验证明，此法在本系统中效果显 著。但是它本身存在很多的不足之处：外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保 证高精度；而且长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器件布局受到限制，也不利于 元器件更换和故障定位：最后，由于金属屏蔽罩焊在地上必须与元器件保持一个适 当距离，因此需要占用宝贵的p c b 板空间。所以，只有在元器件有限的电路中才 采用这种方法。 四、屏蔽措施。系统中的电流放大模块被放置在一个金属盒中，并且金属盒子与被屏 蔽电路的零信号基准相接，从而起到抗干扰作用。同时信号的传输线全部采用带 2 9 华中科技大学硕士学位论文 屏蔽层的信号线，并将屏蔽层单端接地，这样就可以避免信号在传输过程中受到 干扰。 五接地措施。采用单点接地，所有强电信号地线都接到一个电源地线上，尽可能地 把地线加粗，降低内阻；所有外部弱电信号用一个公共地线，并与电源地线分开。 3 0 华中科技大学硕士学位论文 4 热释电系数计算机测试系统的软件编程 4 1 概述 本软件系统主要由通讯、数据处理和界面三部分组成：通讯部分主要完成 直接用软件预置控制操作和读取温度、电流实时测量值等工作；数据处理部分 主要完成对测量数据的识别、判断范围、滤波、计算和保存等功能；界面部分 是面向用户的程序操作界面，为全中文界面，采用窗口对话框等技术，支持鼠 标操作，在界面上设置了若干命令按钮，控制测试程序的进行，可以方便地测 量，同时测量数据可直接在屏幕上以文本和图形方式显示，测量完成后，可保 存和打印测量结果，用户界面十分友好。 本测试系统软件采用d e l p h i 7 编写，d e l p h i 是著名的b o r l a n d 公司开发的 可视化软件开发工具，具有以下的特性n 引：基于窗体和面向对象的方法，高速 的编译器，强大的数据库支持，与w i n d o w s 编程紧密结合，强大而成熟的组件 技术，利用简单易学的o b j e c tp a s c a l 语言编程。本软件使用m s c o m m 标准 r s 2 3 2 串口控件实现p c 机与外围设备的通信，使用t i m e r 时钟控件系统实现 对各参数的定时采集，使用动态数据图表d b c h a r t 控件实现实时测量数据曲线 和结果数据曲线的图形显示，另外还有对测量结果进行处理部分，实现整个软 件系统的所有功能。整个系统工作流程图如图4 1 所示。 。华中科技大学硕士学位论文 匝醛避世h螺帐 h 寸匝 匝释蜷氍魁v基是乞笛=_暑口=旨拐皿v 匦群撵群魁卫。州uo-j时。目iiioppj曲日v ，一、 、_ ， o 目 一 搴乞 督訾 薰暑 诞= q 目 导 日 世 枞 蠡 l j 时 智 勺 墉 壮 柑 咪 - - i d 糙 甘毖 迦 删 姆 删 啜 舆 壮米 i 华中科技大学硕士学位论文 4 2 通讯程序的实现 4 2 1r s 2 3 2 串口 r s 2 3 2 c 标准的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准( e l e c t r o n i c i n d u s t r i a la s s o c i a t e - r e c o m m e n d e ds t a n d a r d2 3 2 c ) ，是美国e 认( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发 并于1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。 这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由 于通信设备厂商都生产与r s 一2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目 前已在微机串行通信接口中广泛采用。 r s 2 3 2 c 接口是数据通信中最重要的、而且是完全遵循数据通信标准的一种接口。 它的作用是定义d t e 设备( 终端、计算机、文字处理机和多路复用机等) 和d c e 设 备( 将数字信号转换成模拟信号的调制解调器) 之间的接口。目前较为常用的串口有 9 针串1 2 1 ( d b 9 ) 和2 5 针串口( d b 2 5 ) ，通信距离较近时( 1 2 m ) ，可以用电缆线直接 连接标准r s 2 3 2 端口，若距离较远，需附加调制解调器。最为简单且常用的是三线制 接法( 即两r s 2 3 2 c 接口的发送数据、接收数据和地三线相连) 。 图4 2 为数据通信模型。调制解调器( d c e ) 的一端通过标准插座和传输设备连 接在一起，调制解调器的另一端通过接口与终端( d t e ) 连接在一起。 r s 2 3 2 c 接口 r s 2 3 2 接口 传输设备 图4 2 数据通信模式 r s 2 3 2 c 标准接口有2 5 条线，4 条数据线，1 1 条控制线，3 条定时线，7 条备用和未定义线，常用的只有9 根，它们是6 个控制信号，2 个数据信号， 1 个信号地线： 。华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 联络控制信号线： 6 号线数传机就绪( d a t as e tr e a d y - d s r ) ：有效时( o n 状态) ，表明m o d e m 处于 可以使用的状态。 2 0 号线数据终端就绪( d a t at e r m i n a lr e a d y - d t r ) ：有效时( o n 状态) ，表明数据终 端可以使用。 d t r 和d s r 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。目前有些r s 一2 3 2 c 接口甚至省去了用以指示设备是否准备好的这类信号，认为设备是始终准备好的。可 见这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行 通信，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 4 号线请求发送( r e q u e s tt os e n d r t s ) ：用来表示d t e 请求d c e 发送数据，即 当终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请求发送。它用来控制 m o d e m 发来的串行数据。 5 号线清除发送( c l e a rt os e n d c t s ) ：用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数 据，是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 准备好接收终端传来的数据，并 向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线t x d 发送数据。 这对r t s c t s 请求应答联络信号是用于半双工采用m o d e m 的系统中作发送方 式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需r t s c t s 联 络信号，使其变高。 8 号线数据载体检出( d a t ac a r r i e rd e t e c t i o n d c d ) 线：用来表示d c e 已接通通信 链路，告之d t e 准备接收数据。当本地的m o d e m 收到由通信链路另一端( 远地) 的 m o d e m 送来的载波信号时，使d c d 信号有效，通知终端准备接收，并且由m o d e m 将接收下来的载波信号解调成数字量数据后，沿接收数据线r x d 送到终端。 2 2 号线振铃指示( r i n g i n gi n d i c a t o r - r i ) ：当m o d e m 收到交换台送来的振铃呼叫 信号时，使该信号有效( o n 状态) ，通知终端，已被呼叫。 ( 2 ) 数据发送与接收线： 2 号线发送数据( t r a n s m i t t e dd a t a - t x d ) ：通过t x d 线终端将串行数据发送到 m o d e m 。 3 号线接收数据( r e c e i v e dd a t a - r x d ) ：通过r x d 线终端接收从 m o d e m 发来的串行数据。 ( 3 ) 地线 。华中科技大学硕士学位论文 7 号线信号地( s i g n a lg r o u d s g ) ：。信号地线，无方向。 上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如， 只有当d s r 和d t r 都处于有效( o n ) 状态时，才能在d t e 和d c e 之间进行传送操 作。若d t e 要发送数据，则预先将d t r 线置成有效( o 状态，等c t s 线上收到有 效( o 状态的回答后，才能在t x d 线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的 通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定d c e 已由接收方向改为发送方向， 这时线路才能开始发送。 一般来说，计算机都有一个或多个串行端口，它们依次为c o r a l 、c o r n 2 、，这 些串口还提供了外部设备与计算机进行数据传输和通讯的通道。这些串口在c p u 和 外设之间充当解释器的角色。当字符数据从c p u 发送给外设时，这些字符数据将被 转换成串行比特流数据；当接收数据时，比特流数据被转换为字符数据传递给c p u 。 图4 3 给出了p c 机串口连接器d b 一9 或d b 2 5 的插脚引线分配图。 d b 一9d b - 2 5 s i g n a l p i nn u m b e rp i nn u m b e r d c d ，d a t ac a r r ie rd e te c t18 r x d ，r e ce i v ed a t a23 t x d ，t r a n s m i td a t a32 d t r ，d a t ate r m i n a lr e a d y4 2 0 g n d ，s i g n a lg r o u n d5 7 d s r