夏文新

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǔ)、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(guó)研究學(xué)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(chǎng)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(chǎng)環(huán)境處理后存在剩余極化并處于FE態(tài)，且受外場(chǎng)誘導(dǎo)觸發(fā)相變過程中屬FE-AFE相變，其相變電流強(qiáng)度高于后者［5］。

本文針對(duì)反鐵電PLZST材料受溫度誘導(dǎo)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(duì)溫度場(chǎng)的誘導(dǎo)響應(yīng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了溫度傳感信號(hào)的后級(jí)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(cè)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(jiǎn)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(duì)溫度的響應(yīng)，采用 Agilent 4284A阻抗分析儀對(duì)材料介電常數(shù)ε進(jìn)行測(cè)試，將樣片放置于線性溫度控制臺(tái)上加熱，測(cè)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(gè)介電峰值與晶體的相界轉(zhuǎn)化相對(duì)應(yīng)，表示FE-AFE相變，即PLZST(3/75/15/10)對(duì)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(jì)相符合。其中168℃為樣片的居里溫度點(diǎn)，超過此溫度時(shí)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(cè)試

采用Agilent 6517B靜電計(jì)測(cè)量置于溫度控制臺(tái)上的PLZST厚膜樣品的輸出電荷q并做微分運(yùn)算，得到其受溫度誘導(dǎo)相變產(chǎn)生的電流強(qiáng)度I，如圖3所示。經(jīng)對(duì)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(zhǔn)確反映熱電耦合換能強(qiáng)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(dǎo)相變瞬態(tài)脈沖電流強(qiáng)度最大達(dá)9．6×10－6A，相對(duì)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(jì)分析

2．1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為利用PLZST陶瓷厚膜產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的信號(hào)調(diào)理電路，主要由電流/電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)增益控制電路(AGC)和跟隨電路組成，進(jìn)而產(chǎn)生面向后級(jí)應(yīng)用的TTL脈沖觸發(fā)信號(hào)。

圖4 相變電流信號(hào)調(diào)理電路系統(tǒng)

采用AD549靜電計(jì)型運(yùn)算放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)［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(jí)較低，為保證電流-電壓信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換電路得到的信號(hào)輸出幅值V1=Ii× R1=0．96 V。

針對(duì)不同組分PLZST厚膜相變電流輸出幅值及其放大電壓信號(hào)幅值的差異，使用基于LM358與場(chǎng)效應(yīng)管的ACG電路對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行自動(dòng)增益控制。增益的自動(dòng)變化主要取決于FET的漏極電流，此處宏觀表現(xiàn)為源級(jí)和漏級(jí)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(dǎo)納效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LM358二級(jí)放大電路增益的負(fù)反饋控制，將信號(hào)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(qiáng)帶載能力的TTL脈沖觸發(fā)信號(hào)。

2．2 實(shí)驗(yàn)分析

采用Tektronix TDS1001B數(shù)字示波器測(cè)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(hào)，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(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)輸出幅值基本匹配。

圖5 TTL脈沖觸發(fā)信號(hào)波形

經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，得到脈沖信號(hào)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(hào)可適用于模擬/數(shù)字信號(hào)的多種觸發(fā)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)后級(jí)系統(tǒng)的帶載驅(qū)動(dòng)、延時(shí)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(dǎo)相變電流密度達(dá) 10－5A·cm－2量級(jí)。實(shí)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(fù)載增強(qiáng)電路系統(tǒng)，產(chǎn)生面向后級(jí)控制應(yīng)用的TTL脈沖觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)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。

［1］ Kittel C．Theory of Antiferroelectirc Crystal［J］．Physical Review．1951，82(5):729-732．

［2］ 王靜，耿文平，張亞婷，等．前驅(qū)體溶劑對(duì)鉛基反鐵電厚膜介電性能的影響［J］．電子元件與材料，2010，29(9):9-12．

［3］ Hao X H，Zhai J W，Yao X．Preparation of Highly(111)-oriented(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O3(PLZST)Antiferroelectric Thin Films by Modified Sol-gel Process U-sing a Novel Tin Source，Dibutyloxide of Tin ［J］．J．Sol-Gel Sci．Techn．，2007，42(3):365-368．

［4］ Gorecka E，Chandani A D，Ouchi Y，et al．Molecular Orientational Structures in Ferroelectric，F(xiàn)errielectric and Antiferroelectric Smectic Liquid Crystal Phases as Studied by Conoscope Observation ［J］．Jpn．J．Appl．Phys．，1990，29:131-137．

［5］ Shoko Y K，Kelley M K，Park S E，et al．Antiferroelectric-to-Ferroelectric Phase Switching Lead Lanthanum Zirconate Stannate Titanate(PLZST)Ceramics［C］．Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering，1997，3040:110-119．

［6］ 楊玉華，杜妙璇，關(guān)新鋒，等．溫度場(chǎng)和電場(chǎng)調(diào)控硅基反鐵電厚膜相變電流特性研究［J］．功能材料．2012，43(9):212-216．

［7］ Miaoxuan Du，Xiujian Chou，Xinfeng Guan，et al．Phase Transition Current Characterization of(Pb，La)(Zr，Ti)O3 Antiferroelectric Thick Films［C］．2011 World Conference on Engineering and Technology．2011，701-704．

［8］ 彭宵微，何紹群，付國(guó)恩，等．快響應(yīng)低漂移微電流放大器的設(shè)計(jì)與制造［J］．核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29(1):223-226．

［9］ 陶志．基于LM35D的數(shù)顯溫度控制器的設(shè)計(jì)［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，01:13-14．

［10］曹文，張利巍等．利用鎖定放大器測(cè)量低電阻和高電阻［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2012，(04):36-37+41．