外電場(chǎng)下熱脈沖法測(cè)量聚丙烯薄膜中空間電荷

劉川東,鄭飛虎,安振連,張冶文

(1.先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué)),上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系,上海 200092)

0 引言

隨著各種商用電容器的發(fā)展,電容器介質(zhì)聚合物薄膜的擊穿機(jī)理的研究愈顯重要,其空間電荷的積累和分布是衡量聚合物擊穿性能重要指標(biāo)之一.對(duì)空間電荷的測(cè)量,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究,常用方法有壓力波法PWP(pressure wave propagation),電聲脈沖法PEA(pulsed electro-acoustic),熱脈沖法TP(thermal pulse)等.壓力波法和電聲脈沖法常用來(lái)測(cè)量毫米級(jí)的樣品,熱脈沖法能有效的測(cè)量微米級(jí)樣品(幾微米到幾十微米).在熱脈沖法中,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析非常重要.本文中在改進(jìn)已有熱脈沖法實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上,采用校正的方法在頻域內(nèi)處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在外加電場(chǎng)下測(cè)量聚丙烯薄膜內(nèi)部空間電荷分布,使熱脈沖法測(cè)量聚合物薄膜內(nèi)部空間電荷分布更加快速有效.

1 實(shí)驗(yàn)原理

(1)

通過(guò)解一維熱傳導(dǎo)方程可以得到樣品內(nèi)部的瞬時(shí)溫度[2]

(2)

(3)

αε是與溫度有關(guān)的介電常數(shù),αz是樣品的熱擴(kuò)散系數(shù),S是樣品吸收熱量的面積,δT(z,t)表示樣品中溫度的增量,αP是與溫度相關(guān)的極化強(qiáng)度.E(z,t)是樣品中空間電荷形成的電場(chǎng),是空間和時(shí)間的函數(shù).P(z,t)是樣品的極化強(qiáng)度.圖1為在外加+100 V電壓下聚丙烯薄膜中的熱脈沖響應(yīng)圖.對(duì)于非極性的聚合物,極化強(qiáng)度P(z,t)=0,αP=0,因此位移電流可以簡(jiǎn)化為

(4)

式(4)中,A、d、αz對(duì)于同一個(gè)樣品均為常數(shù).為了消除放大器失真的影響,實(shí)驗(yàn)將測(cè)量到的熱響應(yīng)電流時(shí)域信號(hào)采用離散的傅里葉逆變換轉(zhuǎn)化到頻域,并且結(jié)合scale transformation technique[4]得到

I(ω)=K(R-I)I～(ω=2D/z2)K=1/(ΔTA)

(5)

(6)

圖1 +100 V外加電壓下PP薄膜的熱脈沖響應(yīng)插圖顯示信號(hào)峰值與外加電場(chǎng)的線性擬合

可以看出式(6)右端對(duì)于同一樣品應(yīng)為常數(shù).本文中令這一常數(shù)等于H,當(dāng)樣品內(nèi)部沒(méi)有電荷注入時(shí),內(nèi)電場(chǎng)等于外電場(chǎng),測(cè)量值與外加電場(chǎng)應(yīng)為線性關(guān)系.圖1中的插圖是信號(hào)峰值與外加電場(chǎng)的擬合,從圖中可以看出兩者成很好的線性關(guān)系,與理論預(yù)期相吻合.H可以通過(guò)測(cè)量相對(duì)低電場(chǎng)信號(hào)計(jì)算得出,(R-I)I～可以由位移電流經(jīng)過(guò)離散的傅里葉變換計(jì)算得到,通過(guò)與校正系數(shù)H作用可以得到樣品內(nèi)部電場(chǎng)分布,根據(jù)泊松方程可以計(jì)算得到相應(yīng)電荷分布.因此每次測(cè)量只需要給樣品加相對(duì)低電場(chǎng)(比如10 MV/m)的電壓作為校正值,然后再加高電場(chǎng)的電壓就可以快速有效地測(cè)量樣品內(nèi)部空間電荷的分布,避免了繁瑣的眾多系數(shù)的測(cè)量,如熱擴(kuò)散系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)的測(cè)量等,也避免了一些不必要的偶然誤差的引入.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1試樣本文中采用法國(guó)的聚丙烯薄膜PP(Bollore Polypropylene)作為樣品,厚為9.8 μm,面積為5 cm×5 cm,作為樣品,雙面蒸鍍直徑為14 mm的圓形鋁作為接觸電極.

2.2裝置實(shí)驗(yàn)所用的激光器是Continuum公司的SureliteⅡ-10激光器.低噪聲寬帶前置電流放大器的帶寬為10～180 kHz.示波器是Agilent DSO9104A,所用采樣率是10 M Sample/s,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示.

3 測(cè)試流程

圖2 熱脈沖裝置示意圖

1)對(duì)9.8 μm聚丙烯薄膜樣品加-100 V電壓,同時(shí)保持樣品盒中恒定溫度60 ℃.

2)將激光脈沖作用于樣品表面,產(chǎn)生的位移電流或熱釋電流通過(guò)電流放大器放大.

3)由數(shù)字示波器以10 M samples/s的采樣率和100次的平均次數(shù)記錄儲(chǔ)存信號(hào).

4)繼續(xù)給樣品加負(fù)電壓至-1.11 kV,同時(shí)保持樣品盒中溫度不變進(jìn)行測(cè)量.

4 實(shí)驗(yàn)實(shí)例

為了詳細(xì)具體說(shuō)明實(shí)驗(yàn)方法的可行性,以下將通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間加壓測(cè)量和加熱測(cè)量的實(shí)例進(jìn)行分析.

4.1外加電場(chǎng)下測(cè)量的原始波形圖3是在外加電壓-1.11 kV,溫度60 ℃時(shí)測(cè)量的熱脈沖響應(yīng),即PP原始信號(hào).隨著外加電壓時(shí)間的增加,波形的幅值不斷降低,說(shuō)明樣品內(nèi)正在發(fā)生變化.與壓力波法和電聲脈沖法不同,外加電壓下熱脈沖法測(cè)得的并不是實(shí)際電荷分布,必須經(jīng)過(guò)解卷積才能得到電荷分布.根據(jù)文獻(xiàn)[2]的闡述,將圖3的原始信號(hào)經(jīng)過(guò)反卷積傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻率域信號(hào),除以放大器的頻率響應(yīng),再通過(guò)校準(zhǔn)的辦法得到樣品內(nèi)部空間電荷的分布.

4.2外加電場(chǎng)下測(cè)量后計(jì)算得到的電場(chǎng)分布圖4是圖3原始信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換scale transformation technique和校正方法得到的電場(chǎng)分布圖,可以看出在加壓半個(gè)小時(shí)后,電場(chǎng)強(qiáng)度變得不均勻,說(shuō)明內(nèi)電場(chǎng)與外電場(chǎng)不再相同,并且隨著時(shí)間的增加在靠近電極1～2 μm處的小峰的幅值逐漸向上移動(dòng),樣品4.0～9.8 μm處不斷變低.整個(gè)電場(chǎng)越來(lái)越不均勻,在1.0～3.0 μm處尤為明顯,表明內(nèi)外電場(chǎng)差異加大.圖5是根據(jù)泊松方程將圖4經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的樣品內(nèi)部空間電荷分布,可以看到樣品表面1.0～3.0 μm處隨著時(shí)間增加,負(fù)電荷積累越來(lái)越多,說(shuō)明在外加電場(chǎng)下熱脈沖法可以測(cè)量聚丙烯薄膜內(nèi)部的空間電荷,也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間電荷在此過(guò)程中的積累.

圖3 外加電壓-1.11 kV,溫度60 ℃時(shí)測(cè)得的PP原始信號(hào)

圖4 傅里葉變換計(jì)算得到的電場(chǎng)分布

4.3溫度對(duì)電荷注入的影響圖6是不同溫度下,樣品1室溫25 ℃,樣品2加熱60 ℃,樣品3加熱100 ℃,外加電壓-1.11 kV 4 h后去壓短路,用熱脈沖法測(cè)得電場(chǎng)分布.加熱60 ℃的樣品與室溫25 ℃樣品相比較,在1.0～5.0 μm處電場(chǎng)的變化很大,且很不均勻,加熱100 ℃與加熱60 ℃、25 ℃的樣品相比較,場(chǎng)強(qiáng)更不均勻,變化更大,這從一個(gè)側(cè)面表明升高溫度能夠明顯地增加電荷的注入量和注入深度.

圖5 泊松方程計(jì)算得到的PP空間電荷分布

圖6 熱脈沖法測(cè)得的不同溫度下PP電場(chǎng)分布

5 結(jié)論

通過(guò)外加電場(chǎng)下的熱脈沖法測(cè)量聚丙烯薄膜的熱釋電電流,計(jì)算樣品中電場(chǎng)分布、空間電荷分布,說(shuō)明了此種方法在線測(cè)量空間電荷的可行性,對(duì)不同溫度下的電場(chǎng)分布的比較,可以清楚地看出溫度對(duì)空間電荷的注入有一定影響,升高溫度能夠明顯地增加電荷注入量.外加電場(chǎng)下長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量揭示了電荷在較高溫度、較高場(chǎng)強(qiáng)中的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),說(shuō)明外加電場(chǎng)下熱脈沖法測(cè)量聚合物薄膜中空間電荷分布的優(yōu)勢(shì).綜上所述,此種方法對(duì)聚丙烯薄膜的測(cè)量較好地吻合了電荷注入聚合物的一般條件和性質(zhì),表明外加電場(chǎng)下熱脈沖法測(cè)量聚丙烯薄膜內(nèi)部空間電荷分布具有可行性、便捷性.

[1] Mellinger Axel. Unbiased iterative reconstruction of polarization and space-charge profiles from thermal-wave experiments[J]. Measurement Science and Technology,2004,15:1347-1353.

[2] Mellinger Axel, Rajeev Singh, Reimund Gerhard-multhaupt. Fast thermal pluse measurements of space-charge distributions in electret polymers[J]. Review of Scientific Instruments,2005,176,013903:1-5.

[3] Bauer S, Ploss B. Polarization distribution of thermally poled PVDF films measured with a heat wave method(LIMM)[J]. Ferroelectrics,1991,118:363-378.

[4] Bernd Ploss, Rudolf Emmerich, Siegfried Bauer. Thermal wave probing of pyroelectric distributions in the surface region of ferroelectric materials: a new method for the analysis[J]. Journal of Applied Physics,1992,72:5363-5370.