《铁电材料测试》PPT课件.ppt
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1、第五章第五章 铁电压电材料参数铁电压电材料参数的测量的测量5-1 铁电材料参数的测量铁电材料参数的测量铁电性铁电性:在一定温度范围内具有:在一定温度范围内具有自发极化自发极化,而且其自,而且其自发极化方向可以发极化方向可以因外电场变化而转向因外电场变化而转向,这种特性称为,这种特性称为铁电性铁电性。铁电体铁电体:具有铁电性的晶体材料。:具有铁电性的晶体材料。铁电电畴结构示意图铁电电畴结构示意图 Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜的压电像薄膜的压电像:(a)形貌像;形貌像;(b)面内极化;面内极化;(c)面外极化面外极化 铁电陶瓷的铁电陶瓷的SEM铁电体的电滞回线铁电体的电滞回线 电滞回线是铁电体
2、的重要特征和重要判据之一。电滞回线是铁电体的重要特征和重要判据之一。Ec 随着新型铁电材料的不断涌现,正确地获得材料的随着新型铁电材料的不断涌现,正确地获得材料的电滞回线和铁电参数是人们愈来愈关心的问题之一。电滞回线和铁电参数是人们愈来愈关心的问题之一。自发极化强度自发极化强度Ps剩余极化强度剩余极化强度Pr矫顽场强矫顽场强EC相对介电系数相对介电系数r损耗角正切损耗角正切tg5-1-1 电滞回线的特征和构成电滞回线的特征和构成 铁电体中,除电畴反转过程所导致的极化以外,还存铁电体中,除电畴反转过程所导致的极化以外,还存在着感应极化、铁电体的损耗极化。铁电试样的等值电在着感应极化、铁电体的损耗
3、极化。铁电试样的等值电路如图路如图5-3所示。所示。RxCxiCxsU图图5-1 铁电试样的等效电路铁电试样的等效电路Cxs:与电畴反转过程相对应的:与电畴反转过程相对应的等值电容;等值电容;Cxi:与线性感应极化相对应的:与线性感应极化相对应的等值电容;等值电容;Rx:与试样的漏电导和感应极化:与试样的漏电导和感应极化损耗相对应的等值电阻损耗相对应的等值电阻如果在试样两端加上正弦交变电压如果在试样两端加上正弦交变电压则在试样两端的电荷则在试样两端的电荷Q将由三部分组成:将由三部分组成:Qs:电畴反转过程所提供的电荷电畴反转过程所提供的电荷Qi:感应极化过程所提供的电荷感应极化过程所提供的电荷
4、Qr:电导和感应极化损耗所失去的电荷电导和感应极化损耗所失去的电荷(5-1-1)RxCxiCxsU图图5-1 铁电试样的等效电路铁电试样的等效电路(1)Qs:当电畴的反转速度比电场的变化快时,电畴反转过当电畴的反转速度比电场的变化快时,电畴反转过程所提供的电荷程所提供的电荷Qs为一畸变了的矩形波为一畸变了的矩形波(5-1-2)式中式中 为电畴反转的滞后角,即电畴反转过程所造成的损耗角;为电畴反转的滞后角,即电畴反转过程所造成的损耗角;a、b、c等为相应谐波的振幅修正系数;等为相应谐波的振幅修正系数;、等为相应谐波的相位修正系数。等为相应谐波的相位修正系数。图图5-2 Qs和和Q的波形的波形Qs
5、的波形如图的波形如图5-2a所示。当所示。当abc=1,=1时,时,Qs为一理想的矩形波。这相当于单畴的情况。为一理想的矩形波。这相当于单畴的情况。这时电荷这时电荷Qs与电压与电压U的关系如图的关系如图5-3a所示。这是一个理想所示。这是一个理想的电滞回线的电滞回线。图图5-3 电荷电荷Qs、Qi和和Qr与电压的关系与电压的关系QsQsUUcQiUQrU(a)(b)(c)(2)Qi:感应极化所提供的电荷:感应极化所提供的电荷Qi与电容与电容Cxi和电压和电压U成正比:成正比:Qi为一正弦波。为一正弦波。Qi与与U的关系如图的关系如图5-3b所示,关系曲线为所示,关系曲线为一通过原点的直线。一通
6、过原点的直线。(3)Qr:电导和感应极化损耗所失去的电荷电导和感应极化损耗所失去的电荷。Qr为一余弦波。为一余弦波。Qr与与U的关系如图的关系如图5-3c所示,关系曲线为所示,关系曲线为一椭圆。一椭圆。(5-1-3)(5-1-4)因此,试样两端的全电荷:因此,试样两端的全电荷:如令如令(5-1-5)则则(5-1-6)图图5-4 全电滞回线全电滞回线QUQsUc式中,式中,为电导和感应极化损耗所形成的损耗为电导和感应极化损耗所形成的损耗角。角。全电荷全电荷Q由由Qs、Qi、Qr三部分叠加而成的。三部分叠加而成的。Q和电压和电压U的关系曲线即把图的关系曲线即把图5-3a、b、c所示所示的这三部分叠
7、加起来,得到如图的这三部分叠加起来,得到如图5-4所示的全所示的全电滞回线。电滞回线。目的:研究与电畴反转过程有关的各种现象,即与目的:研究与电畴反转过程有关的各种现象,即与Ps有关的有关的参数参数Qs和与和与EC有关的参数有关的参数UC。只有电荷只有电荷Qs与电压与电压U的关系才真正反映电畴的反转过程。的关系才真正反映电畴的反转过程。试样的全电滞回线包含了试样的全电滞回线包含了Qi和和Qr的影响。的影响。Qi使得使得Qs的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。的饱和支、上升支和下降支发生倾斜。而而Qr使使Qs的饱和支畸变成一个环状端,使测试值偏高。的饱和支畸变成一个环状端,使测试值偏高。当当Qi和
8、和Qr很大时,很大时,Q和和U的关系将与的关系将与Qs和和U的关系相差很大,的关系相差很大,以致淹没了电畴反转过程的特征,形成一个损耗椭圆。以致淹没了电畴反转过程的特征,形成一个损耗椭圆。5-1-2 电滞回线的测定电滞回线的测定 示波器法示波器法(SawyerTower电路法电路法),即用示波器直接观察,即用示波器直接观察电滞回线,其测量线路原理如图电滞回线,其测量线路原理如图5-5所示。所示。示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷示波器垂直偏向板上的电压与铁电体样品上的电荷Q(或极或极化强度化强度P)成正比;成正比;示波器水平偏向板上的电压与加在样品上的电压示波器水平偏向板上的电压与加
9、在样品上的电压(或电场强或电场强度度E)成正比。成正比。如果电容如果电容C0选择合适,那么电压每变化一个周期,可在示选择合适,那么电压每变化一个周期,可在示波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。波器荧光屏上显示出电滞回线图形来。图图5-5 简单的简单的Sawyer-Tower电路电路WCxC0示波器的示波器的X方向方向:外加电压外加电压示波器的示波器的Y方向方向:C0上的电压上的电压Cx:铁电电容铁电电容C0:标准电容标准电容C0 Cx 为了正确测定铁电体的特征参数为了正确测定铁电体的特征参数Qs(或或Ps)及及UC(或或EC),必须把全电荷必须把全电荷Q中的电荷中的电荷 Qi、Qr抵消掉,再测出
10、抵消掉,再测出Qs 与与电压电压U的关系。的关系。消除消除Qr和和Qi的方法很多,下面介绍两种适合于高低的方法很多,下面介绍两种适合于高低损耗测量要求的方法。损耗测量要求的方法。一、电阻补偿法一、电阻补偿法 在标准电容器在标准电容器C0的两端并联一个电阻的两端并联一个电阻R0,如图如图5-6所示。所示。电路要求电路要求:C0 Cx 由于由于C0Cx,外加电压几乎全加在试样上,而电容外加电压几乎全加在试样上,而电容C0两两端的电压加在示波器端的电压加在示波器Y轴上,即轴上,即Y轴上电压与标准电容轴上电压与标准电容C0两两端的电荷成正比。由于串联电容极板上的电荷相等,因此端的电荷成正比。由于串联电
11、容极板上的电荷相等,因此加到加到Y轴上的电压必然与试样轴上的电压必然与试样Cx两端的电荷成正比。两端的电荷成正比。图图5-6 电阻补偿的电阻补偿的Sawyer-Tower电路电路C0:标准电容器标准电容器Cx:铁电试样的电容铁电试样的电容C0 CxUR0R0C0CxiCxsRxR1R2WUCx并联电阻并联电阻R0后,按电流连续原理应有后,按电流连续原理应有:(5-1-7)解微分方程可得:解微分方程可得:(5-1-8)把式把式(5-1-6)代入式代入式(5-1-8),当,当电路达到稳态,这时电压电路达到稳态,这时电压式中式中(5-1-9)比较比较Q和和UR0的表示式的表示式(5-1-6)和式和式
12、(5-1-9)可见,相移可见,相移 、等的存在,使等的存在,使Q和和UR0不能成正比,电压不能成正比,电压UR0不能正确地反映全不能正确地反映全电荷电荷Q的变化规律。的变化规律。如果使相角如果使相角 ,即即:(5-1-10)或或(5-1-11)则式则式(5-1-9)中代表感应极化、电导和感应极化损耗的第二项变成中代表感应极化、电导和感应极化损耗的第二项变成Qi即即UR0与与Qi成正比。这时由于电导和感应极化损耗所造成成正比。这时由于电导和感应极化损耗所造成的相移消失了,的相移消失了,Qr的影响也消失了,电滞回线的端部将变的影响也消失了,电滞回线的端部将变成一条直线。如图成一条直线。如图5-7b
13、所示。所示。图图5-7 不同不同R0下测得的电滞回线下测得的电滞回线比较比较UR0与与Q代表电畴转向的对应代表电畴转向的对应项:项:相移超前了相移超前了(5-1-9)(5-1-6)例如当频率为例如当频率为50Hz,C0=1.0m mF,R01.0M时时,故故 ,在实验误差范围之内在实验误差范围之内。但当试样的电导和感应极化损耗太大,所需并联的电阻但当试样的电导和感应极化损耗太大,所需并联的电阻R0过小过小时时,UR0与与QS相对应的部分在振幅和相位上将发生较大的畸变。相对应的部分在振幅和相位上将发生较大的畸变。这时所测得的这时所测得的Qs和和UC值均将下降。值均将下降。电压电压UR0中与电畴反
14、转过程所提供的中与电畴反转过程所提供的QS相对应的部分发生了畸相对应的部分发生了畸变。但是,当试样的电导和感应极化损耗不很大时,所需并联变。但是,当试样的电导和感应极化损耗不很大时,所需并联的电阻的电阻R0不会太小,这时电压不会太小,这时电压UR0中与中与QS相对应的部分在振幅相对应的部分在振幅和相位上的畸变不大,可以忽略和相位上的畸变不大,可以忽略。由上述可见,由上述可见,电阻补偿法电阻补偿法在理论上虽然有误差,但对于电在理论上虽然有误差,但对于电导和感应极化损耗不很大的样品,实际上损耗完全可以忽略导和感应极化损耗不很大的样品,实际上损耗完全可以忽略不计。不计。电阻补偿法电阻补偿法适用于测定
15、绝大部分小损耗和中等损耗的铁电适用于测定绝大部分小损耗和中等损耗的铁电试样。但不能去除试样。但不能去除Qi的影响,因而不适用于测量铁电性微弱的影响,因而不适用于测量铁电性微弱的样品。的样品。为克服电阻补偿法的不足,我们采用了线性补偿法。图为克服电阻补偿法的不足,我们采用了线性补偿法。图5-8为线性补偿法所用的电路。为线性补偿法所用的电路。二、线性补偿法二、线性补偿法图图5-8 线性补偿电桥原理图线性补偿电桥原理图C01:标准电容标准电容C02:补偿补偿标准标准电容电容RxCcCxiCxsRc差动差动C01C02Y轴轴Cx上电路中标准电容上电路中标准电容C01上的压降上的压降U1和补偿电容和补偿
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