摘 要：為了提高鐵電材料性能測試設備的集成度、重復性和極化安全性，介紹自行開發(fā)的多功能鐵電材料測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與設計原則和思路，主要包括極化裝置的設計與加工、積分放大電路的設計、硬件之間的連接、分析軟件的編寫、軟硬件之間的通訊等。實現(xiàn)在不同溫度點下，封閉式安全極化及電滯回線的數(shù)據(jù)采集與處理。填補了國內(nèi)中檔產(chǎn)品的空白，造價是國外設備的1/3，但精度相當。

關(guān)鍵詞：電滯回線；極化裝置；積分放大；極化；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TP274 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-021-03

Hardware Design and Development of Multifunctional FerroelectricMaterials Testing System

GAO Jianghua，SHI Xiang，DU Huiling

(Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，710054，China)

Abstract：In order to improve performance of ferroelectric materials testing equipment，such as integration，reproducibility and safety of polarization，in this paper，the hardware structure and design principle concept of Multifunctional Ferroelectric Materials Testing System (MFMTS)are introduced，including the polarization device design and machining，the design integrated amplification circuit，the hardware parts connection，the analysis software compilation，the communication link between hardware and software.The system has achieved safe enclosed type polarization and collection processing of the hysteresis loop data in different temperature.To fill the midrange products gaps in the domestic，the cost is 1/3 of abroad equipment，but the accuracy is considerable.

Keywords：hysteresis loop;polarization device;integrated amplify;polarization;data acquisition

1 引 言 

鐵電材料是一種廣泛應用的信息功能材料，其客觀的性能參數(shù)主要是通過電滯回線來確定的，即對材料施加交變電場時，產(chǎn)生的自發(fā)極化強度與外加電場之間的關(guān)系^[1]，通過這種關(guān)系來判斷鐵電材料性能，對鐵電材料各個參數(shù)的快速、準確的測試提出了更高的要求，因此鐵電材料測試系統(tǒng)的研究尤為重要。本文利用自行設計的系統(tǒng)硬件與Visual Basic 6.0編制的軟件協(xié)同工作、實現(xiàn)溫控儀、極化裝置、高壓源與計算機的通訊，完成在不同溫度點對鐵電材料安全的極化以及電滯回線的測量、存貯、顯示和鐵電性能參數(shù)的計算等功能。

2 電滯回線測試系統(tǒng)的組成

電滯回線測試系統(tǒng)主要由高壓源、極化裝置、積分放大電路、溫控儀、數(shù)據(jù)采集卡及計算機組成，用于測量鐵電材料的電滯回線等特性。該鐵電測試系統(tǒng)的設計示意圖如圖1所示。

2.1 工作原理

由計算機控制數(shù)據(jù)采集卡D/A端口輸出模擬信號，經(jīng)高壓源放大器放大后，為激勵信號施加于樣品，樣品所產(chǎn)生的電荷信號由電荷采集電路采樣放大，再由數(shù)據(jù)采集卡A/D端口采集至計算機，根據(jù)采集卡輸出輸入數(shù)據(jù)和電路中的參數(shù)設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的分類存儲功能；根據(jù)測量原理編制的VB 6.0程序?qū)﹄姕鼐€進行線性電容和漏導補償，得到本征電滯回線。

2.2 高壓源

選用TREK可控高壓源產(chǎn)生測試材料的高壓信號輸出。高壓源能實現(xiàn)遠程控制，可將模擬信號放大100或1 000倍輸出給待測樣品，而且輸出幅度和頻率可以調(diào)節(jié)。電壓輸出范圍為0～±10 kV，輸出電流范圍0～±2 000 μA，頻率在0.01 Hz～1 kHz范圍內(nèi)可調(diào)。有最大箝位電壓或電流功能，如果電壓或電流超出設定值，其強制把電壓或電流降到預設值內(nèi)，安全性能極高。

2.3 極化裝置設計與加工

目前已有的極化設備功能較單一，且裸露在空氣中極化，安全性差，也沒有實現(xiàn)加熱系統(tǒng)。本文自行設計、加工極化裝置，集諸多功能于一體，實現(xiàn)了計算機遠程控制的樣品在不同溫度點，封閉狀態(tài)下極化。其功能：極化、可測微位移、可變溫、電信號輸出/輸入端口等。其特點為：

（1） 安全極化：極化裝置是封閉的，上下電極用導電率低的聚四氟乙烯作為載體，三重TVS過壓保護，因此極化較安全。

（2） 加載高壓極化時可實現(xiàn)變溫測試：下電極底部有加熱芯片，計算機控制溫控儀來實現(xiàn)對芯片的溫度控制。

（3） 實現(xiàn)恒溫測試：溫控儀可實現(xiàn)在某一溫度范圍保持恒定，現(xiàn)將下電極設計成中空柱體，在極化時加入一定量的硅油，由于硅油的熱容較大，延長了保溫時間，增大了系統(tǒng)的保溫范圍，溫控儀保溫范圍得到補償，使得溫度恒定在設定值。

（4） 小型化：該裝置為直徑Φ=140 mm，h= 100 mm圓柱體）。

其部件介紹：a為微位移測試端：裝有彈簧的丁狀活動元件使得上電極更好的與樣品接觸，在此端測試極化時樣品的微位移；b為觸發(fā)式開關(guān)；c為上電極：與部件1組成活動元件組，當加載樣品后上電極彈性收縮，能使樣品與上下電極充分接觸；d為樣品；e為下電極：因空氣的擊穿強度較低，在室溫下只有2 kV/mm，而有機硅油絕緣性好，并且油中的溫度較易保持恒定。所以下電極設計為一個柱形槽，盛放一定量的有機硅油；f為加熱芯片：根據(jù)實驗要求的加熱時間、加熱速度來計算芯片的功率。如果用加熱絲，需將加熱絲環(huán)繞在下電極的外殼，這樣加熱絲就裸露在外壁，容易損毀，對微電信號也容易受到干擾；而設計為圓形加熱芯片，嵌入聚四氟乙烯載體和下電極的之間，由于聚四氟乙烯載體不易導熱減少了熱量的損失，同時也減少了電磁干擾。在芯片和下電極之間加有石棉，防止局部受熱，使下電極受熱較均勻。

2.4 積分放大電路與過壓保護的設計

Sawyer-Tower電路法方法簡單，測量效率高，有利于測量自動化，所以這種方法是電滯回線測量中更為常見的方法^[2]。如圖3所示。圖3就是測量鐵電材料電滯回線的Sawyer-Tower電路，在被測樣品C上串接一個電容量很大的電容C。由于待測樣品本身存在漏導，會造成樣品上的電壓與低頻高壓源的電壓之間產(chǎn)生相位差，為了消除U1和U2之間的相位差，在電容C上并聯(lián)一個電阻W，調(diào)整W的大小便可以使U1和U2的相位相等^[3]。

采用改進的Sawyer-Tower電路，如圖4所示。由于運放積分電路的輸入端就是運放的輸入端，根據(jù)運放的虛地特性，待測樣品的一端與地電位是相同的，因此待測樣品上的電壓等于低頻高壓源的電壓，所以不需要調(diào)相^[4]。

在電滯回線和電致應變的測量中，外電場的電壓非常高通常有幾kV，當樣品擊穿時，這樣的高壓就會加到下一級電路中，這就必須一定的保護措施。一旦樣品擊穿，很容易就會使運放損壞，更為嚴重的是可能造成AD/DA卡的損壞^[5]。因此電路的設計是非常關(guān)鍵的，基于對硬件的保護，采用光電耦合器來連接數(shù)據(jù)采集卡、高壓源的控制端，這就避免了電路的物理連接，只要沒有激勵信號電路就處于斷開狀態(tài)。用TL08x完成對微電荷進行積分、放大，選用程控儀表放大器PGAx對積分電荷再次放大^[6，7]。

對系統(tǒng)中樣品擊穿時出現(xiàn)的瞬態(tài)高壓的抑制就成為提高系統(tǒng)可靠性和安全性的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。所以，現(xiàn)在的設計中，系統(tǒng)的過壓保護在軟件和硬件2個方面都給予考慮。硬件上在樣品電荷輸出加入一個瞬態(tài)抑制二極管TVS（反應時間τ <1.0 μs），在積分放大后也加入一個TVS。 TVS反應時間的計算過程為：

Vmax＝10 kV

t＝1 ms

ΔV＝1×10^-3/(10 000×4)＝0.25×10^-7

其中，Vmax為加到樣品上的測試電壓最大幅值的絕對值；t為最小測試周期；ΔV為在Vmax和t條件下電壓變化1 V時所需要的時間。因此取反應時間小于10^-6s，因而TVS（反應時間小于10^-7s）滿足基本要求。

軟件上不斷檢測A/D轉(zhuǎn)換的實時結(jié)果，當大于某個設置的閾值時，控制關(guān)閉TREK的電源和所有和高壓相關(guān)的繼電器對系統(tǒng)實施軟件保護。

2.5 溫控儀

采用精度等級為0.5級的溫控儀與計算機通過RS 232接口連接，實現(xiàn)了計算機與溫控儀表的半雙工通信。為適應鐵電樣品極化的不同溫度要求，自編軟件可設定溫控儀的升溫速度，實現(xiàn)恒溫控制和實時顯示，并可實現(xiàn)溫度觸發(fā)的預編程測試流程。

溫控儀具有PID自整定功能，與熱電偶、熱電阻等傳感器配合，可對溫度等工業(yè)參數(shù)進行測量和自動調(diào)節(jié)，具有熱電偶冷端自動補償、操作簡便、熱可靠性好、抗干擾能力強、價格低等，測量范圍為-100.0～300.0 ℃，滿足本系統(tǒng)的實驗要求。

2.6 數(shù)據(jù)采集卡

按照實驗測試要求，選用北京阿爾泰公司的PCI 2306多功能數(shù)據(jù)采集卡。該卡具有12 b分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，8雙/16單的模擬輸入通道和4路模擬輸出通道，輸入信號幅度可以經(jīng)儀表放大器(INA128)調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度。在±5 V范圍內(nèi)A/D，D/A轉(zhuǎn)換器輸入。

32位PCI總線，支持PCI 2.1協(xié)議。100 kHz 12位A/D轉(zhuǎn)換器；12位快速D/A轉(zhuǎn)換器；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出；4路D/A轉(zhuǎn)換器；3通道定時/計數(shù)器；支持軟件查詢方式、中斷方式；完全滿足波形發(fā)生、高壓源控制、數(shù)據(jù)采集等功能需求。

2.7 系統(tǒng)的軟件

主要包括：

激勵信號的發(fā)生；高壓源的控制；數(shù)據(jù)采集；圖形實時顯示；參數(shù)計算、處理、存儲；安全報警等。軟件部分設計參見文獻［8，9］。

3 結(jié) 語

自行設計研發(fā)的多功能鐵電測試系統(tǒng)，通過對核心部件樣品極化裝置設計加工、積分放大電路的設計、過壓保護設計，配套設備的選用和改進、利用Visual Basic 6.0編制的軟件協(xié)同工作。實現(xiàn)了鐵電材料在不同溫度點（室溫至300 ℃）、10 kV電壓范圍內(nèi)鐵電材料的極化，以及數(shù)據(jù)采集、存儲、電滯回線圖形繪制等。同時調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊即時獲得樣品的相關(guān)鐵電參數(shù)，也能方便地對各種鐵電材料的性能進行比對；可以對測量結(jié)果進行保存，以備查看；可以將實時測試結(jié)果與以往的測試結(jié)果相比對，因此可以更好、更深入地研究及評價各種不同鐵電材料的電性能。多功能鐵電測試系統(tǒng)計算機接管了整個鐵電材料測試過程，可減少人工干預，既能提高測試的重復性、安全性，又提高了測量的準確性。極化裝置集多種功能為一體，而且留有可擴展插口，以便擴展其功能。此設備填補了國內(nèi)中檔相關(guān)產(chǎn)品的空白，具有廣闊的推廣市場空間。

參 考 文 獻

［1］肖定全.當前鐵電學和鐵電材料研究的幾個問題\\[J\\].壓電與聲光，1996，18(1):45-49.

［2］張良瑩，姚熹.電介質(zhì)物理\\[M\\].西安:西安交通大學出版社，1991.

［3］Scott J F.Ferroelectries\\[J\\].Physics World，1995(2):46-50.

［4］鐘維烈.鐵電體物理學\\[M\\].北京:科學出版社，1998.

［5］陳小剛.電滯回線和場致應變同步測量系統(tǒng)的應用及改進設計\\[D\\].西安：西安科技大學，1999.

［6］曾亦可，劉建設，李興教.鐵電材料電性能測量儀\\[J\\].華中理工大學學報，1993，21(5):29-32.

［7］Bune A V，Zhu Chuangxing，Stephen Ducharme.Piezoeletric and Pyroelectric Properties of Ferroelectric Langmuir-Blodgett Polymer Films\\[J\\].Appl.Phys.，1999，6:600-603.

［8］張智杰.基于VB的數(shù)據(jù)采集卡的應用\\[J\\].今日電子，2003(7):21-22.

［9］李圣才，李春葆.Visual basic6程序設計導學\\[M\\].北京:清華大學出版社，2003.

作者簡介 高江華 男，1980年出生， 陜西府谷人， 碩士研究生。 研究方向為壓電鐵電材料與測試設備的研制開發(fā)。