電介質(zhì)的電學(xué)性能及測試方法

1、 潘濤電介質(zhì)的電學(xué)性能及測試方法 電介質(zhì)材料的電性包括介電性、壓電性、鐵電性和熱釋電性等。本文著重對介電性、介電常數(shù)的測量方法和熱釋電性、熱釋電性系數(shù)的測量方法進(jìn)行介紹。1 介電性和介電常數(shù)的測量1.1介電性能介電材料（又稱電介質(zhì)）是一類具有電極化能力的功能材料，它是以正負(fù)電荷重心不重合的電極化方式來傳遞和儲存電的作用。極化指在外加電場作用下，構(gòu)成電介質(zhì)材料的內(nèi)部微觀粒子，如原子，離子和分子這些微觀粒子的正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，并沿著外部電場的方向在一定的范圍內(nèi)做短距離移動，從而形成偶極子的過程。極化現(xiàn)象和頻率密切相關(guān)，在特定的的頻率范圍主要有四種極化機(jī)制：電子極化(electronic pol

2、arization，1015Hz)，離子極化(ionicpolarization，10121013Hz)，轉(zhuǎn)向極化(orientation polarization，10111012Hz)和空間電荷極化(space charge polarization，103Hz)。這些極化的基本形式又分為位移極化和松弛極化，位移極化是彈性的，不需要消耗時(shí)間，也無能量消耗，如電子位移極化和離子位移極化。而松弛極化與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動密切相關(guān)，極化的建立需要消耗一定的時(shí)間，也通常伴隨有能量的消耗，如電子松弛極化和離子松弛極化。1.2介電常數(shù)的測量介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，對介電常數(shù)的研究有重要的理論和應(yīng)用意義。

3、電氣工程中的電介質(zhì)問題、電磁兼容問題、生物醫(yī)學(xué)、微波、電子技術(shù)、食品加工和地質(zhì)勘探中，無一不利用到物質(zhì)的電磁特性，對介電常數(shù)的測量提出了要求。目前對介電常數(shù)測量方法的應(yīng)用可以說是遍及民用、工業(yè)、國防的各個(gè)領(lǐng)域。 在食品加工行業(yè)當(dāng)中，儲藏、加工、滅菌、分級 及質(zhì)檢等方面都廣泛采用了介電常數(shù)的測量技術(shù)。例如，通過測量介電常數(shù)的大小，新鮮果蔬品質(zhì)、含水率、發(fā)酵和干燥過程中的一些指標(biāo)都得到間接體現(xiàn)，此外，根據(jù)食品的介電常數(shù)、含水率確定殺菌時(shí)間和功率密度等工藝參數(shù)也是重要的應(yīng)用之一1。在路基壓實(shí)質(zhì)量檢測和評價(jià)中，如果利用常規(guī)的方法，盡管測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但工作量大、周期長、速度慢且對路面造成破壞。由于土

4、體的含水量、溫度及密度都會對其介電特性產(chǎn)生不同程度的影響，因此可以采用雷達(dá)對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行測試以反算出介電常數(shù)的數(shù)值，通過分析介電性得到路基的密度及壓實(shí)度等參數(shù)，達(dá)到快速測量路基的密度及壓實(shí)度的目的2。此外，復(fù)介電常數(shù)測量技術(shù)還在水土污染的監(jiān)測中得到了應(yīng)用3。并且還可通過對巖石介電常數(shù)的測量對地震進(jìn)行預(yù)報(bào)4。上面說的是介電常數(shù)測量在民用方面的部分應(yīng)用，其在工業(yè)上也有重要的應(yīng)用。典型的例子有低介電常數(shù)材料在超大規(guī)模集成電路工藝中的應(yīng)用以及高介電常數(shù)材料在半導(dǎo)體儲存器件中的應(yīng)用。在集成電路工藝中，隨著晶體管密度的不斷增加和線寬的不斷減小，互聯(lián)中電容和電阻的寄生效應(yīng)不斷增大，傳統(tǒng)的絕緣材料二氧化硅被低

5、介電常數(shù)材料所代替是必然的。目前Applied Materials的Black Diamond作為低介電常數(shù)材料，已經(jīng)應(yīng)用于集成電路的商業(yè)化生產(chǎn)5。在半導(dǎo)體儲存器件中，利用高介電常數(shù)材料能夠解決半導(dǎo)體器件尺寸縮小而導(dǎo)致的柵氧層厚度極限的問題，同時(shí)具備特殊的物理特性，可以實(shí)現(xiàn)具有特殊性能的新器件6。在軍事方面，介電常數(shù)測量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和各種特殊材料的制造與檢測當(dāng)中。對介電常數(shù)測量技術(shù)的應(yīng)用可以說是不勝枚舉。介電常數(shù)的測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)和國防各個(gè)領(lǐng)域，并且有發(fā)展的空間和必要性。我們對測量介電常數(shù)的方法進(jìn)行總結(jié)，能更清晰的認(rèn)識測量方法的現(xiàn)狀，為某些應(yīng)用提供一種可能適合的方法，是

6、有一定理論和工程應(yīng)用意義的。 介電常數(shù)的測量按材質(zhì)分類可以分為對固體、液體、氣體以及粉末(顆粒)的測量7。固體電介質(zhì)在測量時(shí)應(yīng)用最為廣泛，通常可以分為對固定形狀大小的固體和對形狀不確定的固體的測量。相對于固體，液體和氣體的測試方法較少。對于液體，可以采用波導(dǎo)反射法測量其介電常數(shù)，誤差在5%左右8。此外國家標(biāo)準(zhǔn)中給出了在90、工頻條件下測量液體損耗角正切及介電常數(shù)的方法9。對于氣體，具體測試方法少且精度都不十分高。文獻(xiàn)10中給出一種測量方法，以測量共振頻率為基礎(chǔ)，在LC串聯(lián)諧振電路中產(chǎn)生震蕩，利用數(shù)字頻率計(jì)測量諧振頻率，不斷改變壓強(qiáng)和記錄當(dāng)前壓強(qiáng)下諧振頻率，最后用作圖或者一元線性回歸法處理數(shù)據(jù)，

7、得到電容變化率進(jìn)而計(jì)算出相對介電常數(shù)。 表1是測量固體介電常數(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)方法(不包括廢止的方法)及其對頻率、介電常數(shù)范圍、材料等情況的要求。如表1所示，國家標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對微擾法和開式腔法的過程做了詳細(xì)介紹，然而對適用頻率和介電常數(shù)的范圍都有所限制。所以在不同材料，不同頻率的情況下，國家標(biāo)準(zhǔn)也給出了相應(yīng)的具體測量方法?？梢姡厦嫠治龅姆椒ú⒉皇强梢噪S便套用的。在不同的系統(tǒng)、測量不同的材料、所要求的頻率不同的情況下，需要對其具體問題具體分析，這樣才能得出最準(zhǔn)確的方法。國家標(biāo)準(zhǔn)測量方法覆蓋的頻率為50 MHz以下和100 MHz到30 GHz，可以說是一個(gè)較廣的頻率覆蓋范圍，但是不同范圍適用的材料和

8、環(huán)境等都有所不同。介電常數(shù)的覆蓋范圍是2到100，接近1的介電常數(shù)和較高介電常數(shù)的測量方法比較稀缺，損耗普遍在103到104的數(shù)量級上。1.3 測量介電常數(shù)的幾種主要方法 從總體來說，目前測量介電常數(shù)的方法主要有集中電路法、傳輸線法、諧振法、自由空間波法等等。其中，傳輸線法、集中電路法、諧振法等屬于實(shí)驗(yàn)室測量方法，測量通常是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，要求具有相應(yīng)的樣品采集技術(shù)。另外對于已知介電常數(shù)材料發(fā)泡后的介電常數(shù)通常用經(jīng)驗(yàn)公式得到10。下面，分別對這幾種方法的原理、特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀等做分別闡述。1.3.1 集中電路法 集中電路法是一種在低頻段將有耗材料填充電容，利用電容各參數(shù)以及測量得到的導(dǎo)納推出介電

9、常數(shù)的一種方法。其原理公式為： eee¢¢=- (1) 其中，Y為導(dǎo)納，A為電容面積，為極板間距離，d0e為空氣介電常數(shù)，為角頻率。 為了測量導(dǎo)納，通常用并聯(lián)諧振回路測出Q值(品質(zhì)因數(shù))和頻率，進(jìn)而推出介電常數(shù)。由于其最高頻率會受到最小電感的限制，這種方法的最高頻率一般是100 MHz。最小電感一般為10 nHz左右。如果電感過小，高頻段雜散電容影響太大。如果頻率過高，則會形成駐波，改變諧振頻率同時(shí)輻射損耗驟然增加。但這種方法并不適用于低損材料。因?yàn)檫@種方法能測得的Q值只有200左右，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得dtan也只在104左右。這種方法不但準(zhǔn)確度不高，而且只能測量較低頻率，

10、在現(xiàn)有通信應(yīng)用要求下已不經(jīng)常應(yīng)用。1.3.2 傳輸線法 傳輸線法是網(wǎng)絡(luò)法的一種，是將介質(zhì)置入測試系統(tǒng)適當(dāng)位置作為單端口或雙端口網(wǎng)絡(luò)。雙端口情況下，通過測量網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)來得到微波的電磁參數(shù)。圖1為雙端口傳輸線法的原理示意圖。 其中，表示空氣樣品的反射系數(shù)，為傳播系數(shù)，l為樣品長度。反射系數(shù)可以表示為é其中f0是無樣品時(shí)傳輸線的截止頻率，對于TEM模其中f0是無樣品時(shí)傳輸線的截止頻率，對于TEM模傳輸線，f0 = 0。g表示為 可以求出： 其中B為反射系數(shù)。 同時(shí)測量傳輸系數(shù)或者反射系數(shù)的相位和幅度，改變樣品長度或者測量頻率，測出這時(shí)的幅度響應(yīng)，聯(lián)立方程組就能夠求出相對介電常數(shù)。 單端口

11、情況下，通過測量復(fù)反射系數(shù)來得到材料的復(fù)介電常數(shù)。因此常見的方法有填充樣品傳輸線段法、樣品填充同軸線終端法和將樣品置于開口傳輸線終端測量的方法11。第一種方法通過改變樣品長度及測量頻率來測量幅度響應(yīng)，求出r。這種方法可以測得傳輸波和反射波極小點(diǎn)隨樣品長度及頻率的變換，同時(shí)能夠避免復(fù)超越方程和的迭代求解。但這一種方法僅限于低、中損耗介質(zhì)，對于高損耗介質(zhì)，樣品中沒有多次反射。傳輸線法適用于r較大的固體及液體，而對于r比較小的氣體不太適用。 早在2002年用傳輸反射法就能夠?qū)崿F(xiàn)對任意厚度的樣品在任意頻率上進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)的穩(wěn)定測量。NRW T/R法(即基于傳輸/反射參數(shù)的傳輸線法)的優(yōu)勢是簡單、精度高

12、并且適用于波導(dǎo)和同軸系統(tǒng)。但該方法在樣品厚度是測量頻率對應(yīng)的半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍時(shí)并不穩(wěn)定。同時(shí)此方法存在著多值問題，通常選擇不同頻率或不同厚度的樣品進(jìn)行測量較浪費(fèi)時(shí)間并且不方便。此外就是對于極薄的材料不能進(jìn)行高精度測量12。反射法測量介電常數(shù)的最早應(yīng)用是Decreton和Gardial在1974年通過測量開口波導(dǎo)系統(tǒng)的反射系數(shù)推導(dǎo)出待測樣品的介電常數(shù)。同軸反射法是反射法的推廣和深化，即把待測樣品等效為兩端口網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量該網(wǎng)絡(luò)的散射系數(shù)，據(jù)此測試出材料的介電常數(shù)。結(jié)果顯示，同軸反射法在測量高損耗材料介電常數(shù)上有一定可行性，可以測量和計(jì)算大多數(shù)高損耗電介質(zhì)的介電常數(shù)，對諧振腔法不能測

13、量高損耗材料介電常數(shù)的情況有非常大的補(bǔ)充應(yīng)用價(jià)值13。2006年又提出了一種測量低損耗薄膜材 料介電常數(shù)的標(biāo)量法。該方法運(yùn)用了傳輸線法測量原理，首先測量待測介質(zhì)損耗，間接得出反射系數(shù)，然后由反射系數(shù)與介電常數(shù)的關(guān)系式推出介質(zhì)的介電常數(shù)。其薄膜可以分為低損耗、高損耗和高反射三類，通過實(shí)驗(yàn)證明了三種薄膜的損耗隨頻率改變基本呈相同的變化趨勢，高頻稍有差別，允許誤差范圍內(nèi)可近似。該方法切實(shí)可行，但不適用于測量表面粗糙的介質(zhì)14。近幾年有人提出了新的確定Ka波段毫米波損耗材料復(fù)介電常數(shù)的磁導(dǎo)率的測量方法并給出了確定樣品的復(fù)介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的散射方程。此方法有下列優(yōu)點(diǎn)：1) 計(jì)算復(fù)介電常數(shù)及磁導(dǎo)率方程組是

14、去耦合的，不需要迭代；2) 被測量的頻率范圍比較寬；3) 與傳統(tǒng)方法相比消除了介電常數(shù)測量對樣品長度和參考面的位置的依賴性；4) 消除了NRW方法在某些頻點(diǎn)測量的不確定性15。還有人將橢圓偏振法的電磁頻譜從可見光、紅外光擴(kuò)展到毫米波段。橢圓偏振法用測量樣品反射波或者投射波相對于入射波偏振狀態(tài)的改變來計(jì)算光電特性和幾何參數(shù)。毫米波橢圓偏振法得到的復(fù)介電常數(shù)的虛部比實(shí)部低，即計(jì)算得到的虛部有一定誤差，但它對橢圓偏振法的進(jìn)一步研究提供了重要的參考依據(jù)16。 1.3.3 諧振法諧振法是將樣品作為諧振結(jié)構(gòu)的一部分來測量介電常數(shù)的方法，分為微擾法、全部填充諧振器空間的方法以及部分填充諧振器空間的方法。全部

15、填充可以用公式(6)來計(jì)算 部分填充主要是為了減小樣品尺寸以及材料對于諧振器參數(shù)的影響，難以進(jìn)行精確地計(jì)算，一般用于矯正。 微擾法要求相對較小的尺寸，并且相對頻偏要小于0.001，這種情況下其具體尺寸形狀可用填充因子s 表示此時(shí)不論形狀尺寸如何，只要得到填充因子s即可方便求出相對介電常數(shù)。利用此方法可以測量幾乎所有的材料的介電常數(shù)，但是在校準(zhǔn)時(shí)要求采用同一形狀。在頻率上區(qū)分，當(dāng)頻率高于1 GHz時(shí)，可以用波導(dǎo)腔測量介電常數(shù)，但是當(dāng)頻率高于10 GHz時(shí)，由于基模腔太小等原因，對于介電常數(shù)的測量提出了新的挑戰(zhàn)。諧振法的具體方法有很多，如：矩形腔法、諧振腔微擾法、微帶線諧振器法、帶狀線諧振器法、介

16、質(zhì)諧振器法、高Q腔法等。近年來對于諧振法又有新的方法不斷出現(xiàn)和改善。 圓柱腔測量介電常數(shù)法是我國在1987年推出的測量介電常數(shù)的方法，經(jīng)過了對測試夾具的研究和開發(fā)及對開縫腔體的研究，測試結(jié)果更為準(zhǔn)確。其頻率測試范圍大約為110 GHz17。此外，關(guān)于開放腔方法的改進(jìn)也非常全面和成熟。開放腔方法中廣泛應(yīng)用了兩塊很大平型金屬板中圓柱介質(zhì)構(gòu)成截止開腔的方法，其對于相對介電常數(shù)r的測量相對準(zhǔn)確，但對于損耗角tan的測量誤差比較大。2006年有人提出截止波導(dǎo)介質(zhì)腔測量介電常數(shù)，可同時(shí)測量微波損耗和介電常數(shù)，但只能夠用來測量相對介電常數(shù)大于10的樣品18。同時(shí)，因?yàn)槠叫邪彘_式腔法會有一部分能量順著饋線和上

17、下金屬板之間的結(jié)構(gòu)傳輸形成輻射損耗，有人提出通過在饋電側(cè)上下金屬板間增加短路板用來阻止輻射損耗，并且設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)系統(tǒng)，可以通過單端口工作，對圓柱形介質(zhì)進(jìn)行測試19。近兩年出現(xiàn)了很多對于開式腔的改進(jìn)和發(fā)展。由三十八所和東南大學(xué)合作的開式腔法自動測量系統(tǒng)，不僅操作簡便，而且其測量的相對介電常數(shù)以及損耗正切的不確定度小于0.17%和20.4%。此外有人提出準(zhǔn)光腔法在毫米波和亞毫米波中的應(yīng)用有高Q值、使用簡便、不損傷薄膜、靈敏度高、樣品放置容易、能檢測大面積介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)均勻性等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，但依然只能在若干分離頻率點(diǎn)上進(jìn)行測量20?？偠灾?，諧振法基本可以測量所有頻率范圍內(nèi)的材料的介電常數(shù)，但是現(xiàn)有方

18、法中對毫米波范圍研究居多；具有單模性能好、Q值高、腔加工和樣品準(zhǔn)備簡單、操作方便以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)；但是對于損耗正切的測量一直不能十分準(zhǔn)確，同時(shí)一般只能在幾個(gè)分離的頻率點(diǎn)上進(jìn)行測量；同時(shí)因?yàn)橹C振頻率和固有品質(zhì)可以較準(zhǔn)確測量，非常適用于對低損耗介質(zhì)材料的測量。諧振法的技術(shù)已經(jīng)比較完善，但是依然有不足之處：如何確保單頻點(diǎn)法的腔長精確性長期被忽略；提取相對介電常數(shù)的超越方程存在多值解；依然有較多誤差源等21。1.3.4 自由空間法 自由空間法其實(shí)也算是傳輸線法。它的原理可以參考線路傳輸法，通過測得傳輸和反射系數(shù)，改變樣品數(shù)據(jù)和頻率來得到介電常數(shù)的數(shù)值。圖2為其示意圖。 自由空間法與傳輸線法有所不同

19、。傳輸線法要求波導(dǎo)壁和被測材料完全接觸，而自由空間法克服了這個(gè)缺點(diǎn)22。自由空間法保存了線路傳輸法可以測量寬頻帶范圍的優(yōu)點(diǎn)。自由空間法要求材料要有足夠的損耗，否則會在材料中形成駐波并且引起誤差。因此，這種方法只適用于高于3 GHz的高頻情況。其最高頻率可以達(dá)到100 GHz。 介電常數(shù)的測量技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，其測量的標(biāo)準(zhǔn)也十分明確。國標(biāo)中能夠測量的頻率范圍已經(jīng)覆蓋50 MHz以下及100 M到30 GHz。但是其對測試材料種類以及介電常數(shù)和損耗角的數(shù)值范圍有明確規(guī)定，使得各種標(biāo)準(zhǔn)能夠應(yīng)用的范圍不是很廣泛。而就測量方法而言，幾種主要的測量方法各有利弊。集中電路法適用于低頻情況；

20、傳輸線法頻率覆蓋范圍較廣，適用于介電常數(shù)較大的材料，其多數(shù)方法對于高損和薄膜等材料不太適用，方法簡單準(zhǔn)確；諧振法只能在有限頻率點(diǎn)下進(jìn)行測量，適用于低損材料，方法簡單準(zhǔn)確、單模性好；自由空間法準(zhǔn)確性相對較差，但是可以實(shí)現(xiàn)實(shí)地測量；六端口網(wǎng)絡(luò)法精度高，六端口網(wǎng)絡(luò)造價(jià)低廉，頻率覆蓋范圍廣，更適用于以后多種多樣的測量情況的需要，但是沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)可以參考。可見并不存在一種方法可以完全代替其他方法，不同的方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的情況下選擇具體的方法是十分有必要的。2 熱釋電效應(yīng)和熱釋電系數(shù)的測量方法2.1熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)類似，熱釋電效應(yīng)也是晶體的一種自然物理效應(yīng)。對于具有自發(fā)式極

21、化的晶體，當(dāng)晶體受熱或冷卻后，由于溫度的變化（T）而導(dǎo)致自發(fā)式極化強(qiáng)度變化（Ps），從而在晶體某一定方向產(chǎn)生表面極化電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。該關(guān)系可有式表示。Ps=PT式中，Ps為自發(fā)式極化強(qiáng)度變化量；T為溫度變化；P為熱釋電系數(shù)。熱釋電效應(yīng)最早在電氣石晶體（Na，Ca）（Mg，F(xiàn)e）3 Al6Si6（O，H，F(xiàn)）3中發(fā)現(xiàn)，該晶體屬三方晶系，具有唯一的三重旋轉(zhuǎn)軸。與壓電晶體一樣，晶體存在熱釋電效應(yīng)的前提是具有自發(fā)式極化，即在某個(gè)方向上存在著固有電矩。但壓電晶體不一定具有熱釋電效應(yīng)，而熱釋電晶體則一定存在壓電效應(yīng)。熱釋電晶體可以分為兩大類。一類具有自發(fā)式極化，但自發(fā)式極化并不會受外電場作用而轉(zhuǎn)

22、向。另一種具有可為外電場轉(zhuǎn)向的自發(fā)式極化晶體，即為鐵電體。由于這類晶體在經(jīng)過預(yù)電極化處理后具有宏觀剩余極化，且其剩余極化隨溫度而變化，從而能釋放表面電荷，呈現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶(LiTaO3等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻，當(dāng)元件受熱時(shí)，則電阻上就有電流流過，在電阻

23、兩端也能得到電壓信號。2.2描述熱釋電系數(shù)的兩種測量方法描述熱釋電系數(shù)的兩種測量方法。其一為電荷積分法, 測試系統(tǒng)簡單, 測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確, 且能滿足零電場條件下的測量。其二為動態(tài)電流法, 采用調(diào)制熱源技術(shù), 研究在特定溫度條件下熱釋電材料的動態(tài)熱釋電響應(yīng)。熱釋電材料目前主要用于紅外、激光等熱釋電探測領(lǐng)域,也廣泛地使用在各類輻射計(jì), 光譜儀, 以及紅外、激光探測器等方面。而熱釋電系數(shù)是測定紅外探測器工作特性的主要參數(shù)之一, 因此熱釋電系數(shù)的測試方法越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。測量熱釋電系數(shù)的方法有好幾種, 早期曾用的方法是測量不同溫度下的電滯回線中的自發(fā)極化強(qiáng)度PS , 得出PS 與T 的關(guān)系

24、曲線, 由曲線斜率求出熱釋電系數(shù)Pi 的值, 這種方法也稱為電反轉(zhuǎn)法。人們自70年代以來, 提出了靜態(tài)法、等速加熱法、電荷積分法、熱動態(tài)電流法和介質(zhì)加熱法等多種測量熱釋電系數(shù)的基本方法。其中以電荷積分法23、24較為簡單、準(zhǔn)確,且能滿足零電場條件的測量。另一種測量方法是動態(tài)電流法,采用調(diào)制熱源技術(shù), 研究在特定溫度條件下, 被測量材料的動態(tài)熱釋電響應(yīng)23、25。該測試系統(tǒng)可測量在恒溫條件下從鐵電陶瓷到聚合物等多種材料的熱釋電電流響應(yīng), 還可用于測量鉭酸鋰和鈮酸鋰多種幾何形狀樣品的特性。本文主要介紹電荷積分法和熱動態(tài)電流法的測量原理及其測量系統(tǒng)。2.2.1 電荷積分法當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí), 熱釋電材

25、料的自發(fā)極化強(qiáng)度PS 隨溫度的變化率dPS/dT,一般稱為熱釋電系數(shù)Pi , 即: (1) 隨著溫度的變化, 樣品電極上所引起的電荷為:其中由式( 2) 可求出熱釋電系數(shù): 式中: T 為時(shí)間 t 內(nèi)的溫度變化; ip 為熱釋電電流; A 為樣品的電極面積。由式( 3) 可以看出, 只要測出溫度 T范圍內(nèi)的熱釋電電荷 QS , 即可確定熱釋電系數(shù)Pi。電荷積分法的測量電路如圖1所示。圖中Cx 為待測樣品, Cf 為經(jīng)過校正的反饋電容。樣品在加熱過程中所產(chǎn)生的熱釋電電荷QS 將傳輸至反饋電容Cf 上。由于積分器的輸出電壓 U為: 因此可得熱釋電系數(shù): 將輸出電壓和熱電偶的信號同時(shí)記錄, 可得輸出

26、電壓與溫度的關(guān)系曲線U ( T ) , 根據(jù)曲線斜率可以確定熱釋電系數(shù)Pi及其與溫度的關(guān)系曲線Pi ( T)。為了減少運(yùn)算放大器失調(diào)及漂移的影響, 常常在運(yùn)算放大器之前加一級差分電路, 以提高積分器的輸入阻抗及靈敏度。2.2.2 動態(tài)電流法由Byer 和Roundy 介紹的熱釋電系數(shù)測量方法已被大多數(shù)人所接受23、26。該方法是在測量過程中以極其緩慢的線性速率使樣品加熱或冷卻, 以實(shí)現(xiàn)塊狀樣品溫度隨時(shí)間的變化為已知恒量。已知樣品的面積為A , 測量直流熱釋電電流ip , 由于dT/dt可認(rèn)為是常數(shù), 因而可直接計(jì)算熱釋電系數(shù)Pi。根據(jù)其中, Pi=dPS/dT, PS 為樣品的極化強(qiáng)度。由于壓

27、電噪聲源或熱電噪聲源的存在, 要精確測定直流熱釋電電流往往是困難的。因此, 在測量熱釋電材料特性時(shí), 一般采用鎖定分析儀或數(shù)字信號處理技術(shù)直接提高信噪比, 該技術(shù)通常稱為Chynoweth方法。2.3 熱釋電電流測量27可用與樣品光源斬波頻率同步的鎖定分析儀直接測量熱釋電電流。為此,可選用帶181型電流預(yù)放大器的5208型鎖定分析儀。由于181型放大器的增益高達(dá)10- 9A /V, 5208 /181型的組合設(shè)備具有高靈敏度和低噪聲, 整體分辨率可達(dá)1f A( 10- 15A) , 5208型分析儀可用于分辨率為1V的情形。由于樣品光源被方波調(diào)制, 處于中頻帶的熱釋電信號也應(yīng)該是方波, 520

28、8型分析儀只對調(diào)制信號的基波正弦分量有響應(yīng)。因此, 可使5208型分析儀讀取由樣品產(chǎn)生的峰值電流。方波可用傅里葉級數(shù)表示為: 由于只有基波分量可測量, 故5208型分析儀指示的有效值與方波振幅I 0 有關(guān), 且: 其中, U5208是5208型分析儀的測量電壓, Ai 是181型放大器的增益, 用這種方法確定的I0 與示波器顯示值相比, 誤差< 1%。5208型分析儀的頻率響應(yīng)范圍為0. 5 Hz 200 k Hz, 平均時(shí)間常數(shù)可達(dá)30 s。對于低頻分析( < 0. 5 Hz) , 可使用HP54201A數(shù)字示波器, HP54201A的顯著特點(diǎn)是允許減小基本噪聲并增強(qiáng)信號。另外,

29、 熱釋電信號具有周期性, 示波器顯示和取樣在時(shí)間上與調(diào)制信號同步。圖2為Chynow eth 測試系統(tǒng)的總體框圖。 樣品光源通過50 /120m多模光纖(波長為842 nm) 對樣品進(jìn)行光照, 來自光纖端部的光功率全部照射在樣品上, 而高發(fā)射率(Z接近于1) 的涂層實(shí)際上可使入射的功率基本上被樣品吸收, 因此, 通過光功率計(jì)測量光纖的輸出功率Po 后, 根據(jù)式( 7) 可直接算出熱釋電電流響應(yīng): 其中 式( 9) 中: W為入射功率, Z為樣品表面發(fā)射率, Pi 為熱釋電系數(shù), d為熱釋電材料的密度, c為熱釋電材料的單位熱容量,W為樣品的厚度, A為樣品的電極面積。2.4 測量步驟在樣品的兩

30、面濺射金層, 用銀線在樣品兩面的電極上形成電接觸, 將樣品與玻璃片裝配在一起。樣品安裝方法如圖3所示。照射樣品的光由光纖通過隔板適配器插入樣品溫控室, 并使樣品通過玻璃片接收光的照射, 同時(shí)確保樣品處于一定的真空度下。入射至樣品的光功率可在光纖末端測量, 并減去玻璃片對光的衰減值。用插入損耗技術(shù)測出上述衰減值為- 0. 27dB。將樣品光照的另一面涂黑, 并使其發(fā)射率接近1。然后校正樣品室內(nèi)的樣品夾具, 使樣品室達(dá)到合適的真空度( < 1. 33Pa)。樣品的溫度可在250 350 K的范圍內(nèi)步進(jìn)變化, 在選定的溫度點(diǎn)處可測量熱釋電電流I 0 , 由式( 8) 和式( 9) 可計(jì)算熱釋電

31、電流響應(yīng)和熱釋電系數(shù)。表1給出T= 292 K時(shí), 用Byer-Roundy 方法( Pi1 ) 和Chy noweth方法( Pi2 ) 測量的熱釋電系數(shù)。 由表1可以看出, 用Chynow eth方法測量的結(jié)果與Byer-Ro undy 結(jié)果相比, 存在一定的差別, 主要原因是由于兩者熱輻射的方法和頻率不同。在Byer-Roundy 方法中, 按預(yù)先確定的速度使樣品均勻加熱, 以產(chǎn)生所需要的溫度變化, 因?yàn)闃悠返膬杀砻姹痪鶆蚣訜? 被測量的電流是熱釋電系數(shù)和樣品溫度變化速率的函數(shù)。而在Ch ynoweth 系統(tǒng)中,樣品的溫度保持恒定, 由于光照,會使樣品的兩個(gè)表面之間出現(xiàn)溫差,而這一點(diǎn)在B

32、yer-Roundy 系統(tǒng)中就不會發(fā)生。例如, 1號樣品的Pi2值是在入射光功率為65. 4 W、斬波頻率為200 Hz條件下測量的結(jié)果。2號樣品相應(yīng)的條件是入射光功率為66. 6W、斬波頻率為35Hz。3號樣品相應(yīng)的條件是入射光功率為67 W、斬波頻率為5 Hz。4號樣品相應(yīng)的條件是入射光功率為64. 8W、斬波頻率為10 Hz。ùéùæöæö-êúêúç÷ç÷êúêúèøè

33、øëûëûG=éùé +-êúêúç÷ç÷êúêúèøèøëûë參考文獻(xiàn)1 趙婷, 周修理, 李艷軍等. 食品物料介電常數(shù)的研究與應(yīng)用J農(nóng)機(jī)化研究，2012,5：233-2362 徐平, 蔡迎春, 王復(fù)明. 介電常數(shù)在路基壓實(shí)質(zhì)量檢測與評價(jià)中的應(yīng)用J. 路基工程, 2008, 2: 26-283 劉永成, 李杰, 田躍等. 復(fù)介

34、電常數(shù)在水土污染監(jiān)測中的應(yīng)用研究J. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2006, 8(29): 34-364 陳有發(fā). 介電常數(shù)在地震預(yù)報(bào)中應(yīng)用的可能性J. 西北地震學(xué)報(bào), 1988, 10(4): 94, 955 趙智彪, 許志, 利定東. 低介電常數(shù)材料在超大規(guī)模集成電路工藝中的應(yīng)用J. 半導(dǎo)體技術(shù)，2004,29（2）：4-6,456 邵天奇, 任天令, 李春曉等. 高介電常數(shù)材料在半導(dǎo)體存儲器件中的應(yīng)用J. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2002, 22(3)：312-3177 張治文, 任越青, 楊百屯等. 粉末介質(zhì)介電常數(shù)的測量J. 絕緣材料通訊，1989，（20:28-32）8 鄧京川, 王魁香, 陸國會. 液體介電常數(shù)的微波測量J. 物理實(shí)驗(yàn)，1996,16（3）：104-1059 SJT 1147-1993，電容器用有機(jī)薄膜介質(zhì)損耗角正切值和介電常數(shù)試驗(yàn)方法S.199310 洪偉年(譯). 泡沫塑料的相對介電常數(shù)J。藤倉電線技報(bào)，1984,129(8):71-7911 張曉萍. 測量復(fù)介電常數(shù)的一種新方法J. 測量復(fù)介電常數(shù)的一種新方法,1997,12(4):60-6212 田步寧, 楊德順, 唐家明等. 傳輸/反射法測量復(fù)介電常