基于反鐵電PLZST厚膜相變脈沖電流的溫度傳感方法

夏文新

(洛陽職業(yè)技術(shù)學院，河南洛陽 471000)

反鐵電晶體功能材料由于其奇特的相變行為，及其在能量存儲、信息傳感和能量轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域潛在的廣泛應(yīng)用前景，受到各國研究學者的青睞［1-3］。反鐵電材料在反鐵電態(tài)(AFE)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電態(tài)(FE)的晶體相界附近，具有豐富的結(jié)構(gòu)相，反鐵電體在外場作用下發(fā)生AFE態(tài)與FE態(tài)之間相變，相鄰子晶格偶極子發(fā)生翻轉(zhuǎn)極化釋放電荷，宏觀表現(xiàn)為電流［4］。目前反鐵電材料按組份可主要分為兩大類系，即(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O3(PLZST)和(Pb，La)(Zr，Ti)O3(PLZT)，其中前者在電場環(huán)境處理后存在剩余極化并處于FE態(tài)，且受外場誘導觸發(fā)相變過程中屬FE-AFE相變，其相變電流強度高于后者［5］。

本文針對反鐵電PLZST材料受溫度誘導表現(xiàn)出的優(yōu)異熱電換能特性，提出了一種基于基于反鐵電PLZST厚膜相變脈沖電流效應(yīng)的溫度傳感方法及系統(tǒng)。主要研究了PLZST陶瓷厚膜材料的相變效應(yīng)，分析了其對溫度場的誘導響應(yīng)機制與相變效應(yīng)電流輸出特性，采用高精度電流放大電路實現(xiàn)了溫度傳感信號的后級觸發(fā)應(yīng)用。該系統(tǒng)將為復(fù)雜電磁環(huán)境下的溫度監(jiān)控測試提供了新的技術(shù)途徑。

1 反鐵電PLZST厚膜研究

本文采用的PLZST陶瓷厚膜樣片結(jié)構(gòu)見圖1，為圓形薄片。其中反鐵電PLZST陶瓷厚膜功能材料通過LTCC工藝燒制而成，其厚度約為200 μm，樣片直徑約7．1 mm;在 PLZST 材料兩面濺射電鍍厚約10 μm的Ag電極，電極直徑為7．0 mm。

圖1 反鐵電PLZST陶瓷厚膜結(jié)構(gòu)示意圖

該系列樣片使用前需做高壓極化處理，即將呈反向的相鄰子晶格偶極子翻轉(zhuǎn)為同向，使本樣片晶相處于FE狀態(tài)。

1．1 FE-AFE相變效應(yīng)表述

反鐵電(Pb0．97La0．03)(Zr0．75Sn0．25－xTix)O3(x=0．10，0．105，0．11)材料組分式可簡寫為 PLZST(0．03/0．75/0．25 － x/x)。為分析這三種組分陶瓷厚膜樣片相變對溫度的響應(yīng)，采用 Agilent 4284A阻抗分析儀對材料介電常數(shù)ε進行測試，將樣片放置于線性溫度控制臺上加熱，測試范圍在20～200℃，升溫速率50℃/min，其介電溫譜見圖2。

介電溫譜中的每一個介電峰值與晶體的相界轉(zhuǎn)化相對應(yīng)，表示FE-AFE相變，即PLZST(3/75/15/10)對應(yīng)的相變溫度為105℃，PLZST(3/75/14．5/10．5)為 125 ℃，PLZST(3/75/14/11)為 145℃，與預(yù)期的組分設(shè)計相符合。其中168℃為樣片的居里溫度點，超過此溫度時晶體材料呈現(xiàn)順電態(tài)(PE)。

圖2 PLZST厚膜介電溫譜曲線

1．2 相變電流特性測試

采用Agilent 6517B靜電計測量置于溫度控制臺上的PLZST厚膜樣品的輸出電荷q并做微分運算，得到其受溫度誘導相變產(chǎn)生的電流強度I，如圖3所示。經(jīng)對比，其電流溫譜與介電溫譜吻合，相變電流脈沖溫譜寬度約10℃，由于其較窄的溫度響應(yīng)范圍與較精確的相變溫度，為其面向溫度傳感方向應(yīng)用奠定了有利條件。

圖3 PLZST厚膜相變電流曲線

受樣品電極面積S制約，電流值不能準確反映熱電耦合換能強度關(guān)系，故采用電流密度D(單位A·cm－2)統(tǒng)一表征反鐵電材料熱釋電輸出性能［6，7］，即 D=I/S。PLZST 陶瓷厚膜材料的溫度誘導相變瞬態(tài)脈沖電流強度最大達9．6×10－6A，相對應(yīng)的電流密度約2．5 ×10－5A·cm－2。

2 溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計分析

2．1 信號調(diào)理電路設(shè)計

為利用PLZST陶瓷厚膜產(chǎn)生的電流脈沖信號，設(shè)計了如圖4所示的信號調(diào)理電路，主要由電流/電壓信號轉(zhuǎn)換電路、自動增益控制電路(AGC)和跟隨電路組成，進而產(chǎn)生面向后級應(yīng)用的TTL脈沖觸發(fā)信號。

圖4 相變電流信號調(diào)理電路系統(tǒng)

采用AD549靜電計型運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號［8-10］，該電路模塊輸出電壓幅值V1表示為V1=Ii×R1，式中:Ii為相變電流，R1為反饋電阻。由于相變電流的量級較低，為保證電流-電壓信號放大精度，考慮失調(diào)電壓VOS引起的誤差電流IOS=VOS/RS，式中，RS為陶瓷采樣電阻阻值。已知PLZST厚膜相變電流輸出值為Ii，經(jīng)電流/電壓信號轉(zhuǎn)換電路得到的信號輸出幅值V1=Ii× R1=0．96 V。

針對不同組分PLZST厚膜相變電流輸出幅值及其放大電壓信號幅值的差異，使用基于LM358與場效應(yīng)管的ACG電路對信號幅值進行自動增益控制。增益的自動變化主要取決于FET的漏極電流，此處宏觀表現(xiàn)為源級和漏級兩端的電阻Rds，利用其傳輸特性曲線飽和段斜率或陡峭部分的溝道導納效應(yīng)，實現(xiàn)對LM358二級放大電路增益的負反饋控制，將信號輸出幅值限制在5 V左右。最后通過OPA606的同相跟隨電路輸出具有較強帶載能力的TTL脈沖觸發(fā)信號。

2．2 實驗分析

采用Tektronix TDS1001B數(shù)字示波器測量以PLZST(3/75/15/10)陶瓷厚膜樣品為例的溫度傳感觸發(fā)系統(tǒng)輸出信號，見圖5。其波形與材料相變產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電流相符，幅值約4．8 V，與信號調(diào)理電路的設(shè)計輸出幅值基本匹配。

圖5 TTL脈沖觸發(fā)信號波形

經(jīng)多次重復(fù)試驗，得到脈沖信號幅值為4．8±0．2 V，基本保持穩(wěn)定。該TTL脈沖觸發(fā)輸出信號可適用于模擬/數(shù)字信號的多種觸發(fā)機制，可實現(xiàn)后級系統(tǒng)的帶載驅(qū)動、延時控制和數(shù)字邏輯控制等功能，具有一定的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

采用 LTCC 低溫共燒工藝制備了(Pb0．97La0．03)(Zr0．75Sn0．25－xTix)O3(x=0．10，0．105，0．11)系列組分反鐵電陶瓷厚膜功能材料，其溫度誘導相變電流密度達 10－5A·cm－2量級。實現(xiàn)了基于AD549的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，采用 LM358的AGC電路和OPA606的負載增強電路系統(tǒng)，產(chǎn)生面向后級控制應(yīng)用的TTL脈沖觸發(fā)信號，信號幅值4．8±0．2 V。該基于PLZST厚膜相變電流的溫度傳感方法與系統(tǒng)，為新型功能材料溫度傳感控制提供了一種新的技術(shù)途徑。

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