鐵電體電特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

鄭 明，李 華，王璞瑞

（北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京100191）

鐵電體電特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

鄭 明，李 華，王璞瑞

（北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京100191）

利用電滯回線發(fā)生器，通過(guò)信號(hào)測(cè)量電路及計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，描繪電滯回線，計(jì)算出待測(cè)鐵電體（壓電陶瓷片）的電特性參量.

電滯回線；鐵電體；壓電陶瓷；單片機(jī)接口

1 引 言

鐵電體是一類用途十分廣泛的電介質(zhì)材料，在通訊、導(dǎo)航、測(cè)控、傳感器等技術(shù)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用.所謂鐵電體，是指具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場(chǎng)而反向的物質(zhì).在一定的溫度范圍內(nèi)，鐵電體的極化強(qiáng)度P不隨外電場(chǎng)E作線性變化，呈現(xiàn)出電滯回線的關(guān)系.

本實(shí)驗(yàn)利用電滯回線發(fā)生器，通過(guò)信號(hào)測(cè)量電路及計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，描繪電滯回線，計(jì)算出待測(cè)鐵電體（壓電陶瓷片）的電特性參量，如剩余極化強(qiáng)度Pr、自發(fā)極化強(qiáng)度Ps及矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec等.

2 電滯回線發(fā)生器

為了研究鐵電體的電特性，通常將鐵電體做成電容器，即在鐵電體的上下兩面鍍銀作為電容器的電極，鐵電體即為充滿其間的電介質(zhì)，研究此電容器的電特性即可達(dá)到目的.圖1為典型的Sawyer－Tower電滯回線發(fā)生器電路［1］.

由信號(hào)源提供的交流信號(hào)經(jīng)升壓變壓器升高后提供給電滯回線發(fā)生器.圖1中Cx為待測(cè)樣品（本實(shí)驗(yàn)選取的是壓電陶瓷），其厚度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直徑d，且Cx?C0.

由圖1可知：由于Cx?C0，故可認(rèn)為加在Cx上的電壓近似為變壓器的輸出電壓V，于是

圖1 電滯回線發(fā)生器電路

綜合式（1）和（2），有

設(shè)Q為C0極板上的電荷，則

因Cx與C0串連，兩電容極板上的電荷相等，此電荷可通過(guò)Cx內(nèi)的電位移D和Cx極板面積S表述為

由式（4）和（5）即可得到

由式（3）和（6）可知，Vx與Vy分別與待測(cè)樣品Cx的電場(chǎng)強(qiáng)度E、電位移D成正比.若將Vx與Vy分別接至示波器的X，Y輸入端，則可在示波器上觀察到電滯回線波形［2－3］.

3 測(cè)量電路

傳統(tǒng)的示波器法，不便于得到待測(cè)鐵電體的各種物理參量.為了定量計(jì)算被測(cè)樣品的電特性參量，需將2路模擬信號(hào)Vx和Vy變換成數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)處理.測(cè)量系統(tǒng)硬件電路的原理框圖如圖2所示.

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖3為待測(cè)信號(hào)Vx（Vy）的調(diào)理電路.由于電滯回線發(fā)生器的輸出Vx和Vy太小，需經(jīng)過(guò)放大方可進(jìn)行A／D處理，所以使其分別通過(guò)由LM324組成的兩級(jí)放大電路將信號(hào)放大.輸入信號(hào)首先通過(guò)由LM324組成的電壓跟隨器，它不僅精度高，而且輸入電阻大，輸出電阻小，所以能真實(shí)地將輸入信號(hào)傳給負(fù)載.輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨器后，經(jīng)由LM324組成的反相放大電路將輸入信號(hào)放大至適合A／D轉(zhuǎn)換的電壓范圍內(nèi).如前所述，電滯回線是通過(guò)比較Vx與Vy而得到，而Vx與Vy均是隨時(shí)間變化的，由于CPU在同一時(shí)刻只能對(duì)某一路信號(hào)進(jìn)行采樣，為了得到同一時(shí)刻的Vx與Vy，就需要利用采樣保持器LF398，通過(guò)對(duì)同一時(shí)刻X與Y兩路信號(hào)采樣保持，CPU經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器件分2次讀出經(jīng)過(guò)保持的信號(hào)，等同于獲得了同一時(shí)刻的Vx與Vy，從而提高了測(cè)量精度.

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

采用8位A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809將采樣后的模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)［4］，它所需要的時(shí)鐘輸入信號(hào)由單片機(jī)的ALE脈沖信號(hào)經(jīng)74LS74分頻后來(lái)提供，如圖4所示.

圖4 A／D轉(zhuǎn)換及通信原理圖

測(cè)量系統(tǒng)的CPU選用89C51，它內(nèi)部集成了可重復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器，既減小了元器件的使用數(shù)量，又便于硬件電路的開發(fā)與升級(jí).RS232串行通信接口電路采用MAX232，用于將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS－232電平，以便測(cè)量系統(tǒng)與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.89C51中的RXD是串行數(shù)據(jù)接收端，TXD是發(fā)送端，MAX232中的R1IN用于接收從主機(jī)通過(guò)串行線傳送的命令數(shù)據(jù)，而T1OUT則用于將已經(jīng)轉(zhuǎn)換成RS－232電平的測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到連接主機(jī)的串行線上.

4 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)測(cè)量裝置軟件使用匯編語(yǔ)言編寫，其軟件流程如圖5所示.

在開機(jī)上電后，首先初始化各控制寄存器與計(jì)數(shù)寄存器，然后進(jìn)入采樣循環(huán)，采樣間隔可由主機(jī)設(shè)置，每次采樣通過(guò)LF398同時(shí)對(duì)Vx與Vy進(jìn)行采樣保持，然后通過(guò)ADC0809分別對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（選通道X、選通道Y），將此組數(shù)據(jù)存放在CPU內(nèi)部RAM緩沖區(qū)，直到采完100組數(shù)據(jù).隨后向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并開始下一輪采樣循環(huán).

實(shí)驗(yàn)中的壓電陶瓷樣品選用鈦酸鋇（Ba－TiO3）制備，為了降低線性感應(yīng)電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在條件容許的范圍內(nèi)盡量減小樣品電極的面積［5］，其電極有效面積為2mm2，樣品厚度0.1mm.主機(jī)軟件采用LabVIEW編寫，主機(jī)接收來(lái)自下位機(jī)（測(cè)量裝置）的數(shù)據(jù)后可以在計(jì)算機(jī)屏幕上繪出電滯回線的圖形，如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算可得到待測(cè)鐵電體材料的電特性參量，其剩余極化強(qiáng)度Pr為5.98×10－6C／cm2，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps為9.67×10－6C／cm2，矯頑場(chǎng)強(qiáng)Ec為3.31kV／cm.

圖5 系統(tǒng)測(cè)量裝置軟件流程

圖6 上位機(jī)繪出的電滯回線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵電體電特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)的研制開發(fā)得到了北京航空航天大學(xué)藍(lán)天新星基金支持.實(shí)際應(yīng)用表明：本文述及的鐵電體電特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，可方便地在微機(jī)屏幕上繪制待測(cè)鐵電體的電滯回線圖形，并可迅速得到其一系列的電特性參量.

［1］ 李遠(yuǎn)，秦自楷，周志剛.壓電與鐵電材料的測(cè)量［M］.北京：科學(xué)出版社，1984：125－132.

［2］ 曾亦可，劉東梅，王培英，等.鐵電薄膜電滯回線測(cè)量研究［J］.功能材料，1998，29（6）：600－603.

［3］ 錢水兔，李光遠(yuǎn).鐵電體的電滯回線演示［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1993，13（6）：244－246.

［4］ 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：259－263.

［5］ Miller S L，Schwank J R，Nasby R D，et al.Modeling ferroelectric capacitor switching with asymmetric nonperiodic input signals and arbitrary initial conditions［J］.J.Appl.Phys.，1991，70（5）：2849－2860.

Experiment of electronic characteristics of ferroelectrics

ZHENG Ming，LI Hua，WANG Pu－rui
（School of Physics and Nuclear Energy Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

The electric hysteresis loop was drawn by electric hysteresis generator，signal measurement circuit and microcontroller interface technology.The electrical characteristic parameters were calculated.

electric hysteresis loop；ferroelectrics；piezoelectric ceramics；microcontroller interface

O482.4

A

1005－4642（2012）10－0006－03

［責(zé)任編輯：任德香］

“第7屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2012－05－31

鄭 明（1977－），男，山東諸城人，北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器.