[发明专利]一种固体电介质材料陷阱参数测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种固体电介质材料陷阱参数测量装置，其特征在于，包括设置在恒温箱（12）内的三电极电晕充电单元和表面电位衰减测量单元；

所述的三电极电晕充电单元从下到上包括金属圆盘电极（6）、金属网电极（4）和针电极（3），其中金属圆盘电极（6）接地，金属网电极（4）和针电极（3）分别与偏置直流电源（2）和直流充电电源（1）相连接；

所述的表面电位衰减测量单元包括设置在绝缘支架（13）上的电容式静电探头（8），电容式静电探头（8）还依次连接有信号调理模块（9）、数据采集模块（10）以及处理显示模块（11）；

待测的试样（5）设置在金属圆盘电极（6）上，金属圆盘电极（6）下面还与可旋转的金属加热盒（7）相连接；在电荷注入时，试样（5）位于金属网电极（4）的下方；在表面电位衰减检测时，试样旋转至电容式静电探头（8）的下方。

2.如权利要求1所述的固体电介质材料陷阱参数测量装置，其特征在于，所述的金属圆盘电极（6）包括固定连接的铜盘电极和铝盘电极，铜盘电极放置在铝盘电极上，铜盘电极与试样连接的表面抛光处理；试样（5）与铜盘电极通过导电硅脂粘接。

3.如权利要求2所述的固体电介质材料陷阱参数测量装置，其特征在于，所述的铜盘电极的直径为Φ100～120mm，厚度8～10mm；铝盘电极的直径为Φ200～250mm，厚度8～10mm，两者偏心距离为60～80mm；针电极（3）为不锈钢针，针尖曲率半径为3～5μm，金属网电极（4）为铝制圆环绷紧的不锈钢网，其直径为Φ80～100mm。

4.如权利要求1所述的固体电介质材料陷阱参数测量装置，其特征在于，所述的电容式静电探头（8）与试样（5）表面的距离可调，数据采集模块（10）对试样的表面电位衰减进行不间断自动采样和记录。

5.如权利要求1所述的固体电介质材料陷阱参数测量装置，其特征在于，恒温箱（12）内设有温湿度控制装置，温度控制装置包括设置在金属加热盒（7）内的热电偶和设置在恒温箱（12）内的石英红外加热管，热电偶与石英红外加热管并联后与温度控制装置相连接；湿度控制装置包括设置在恒温箱（12）内的干燥剂。

6.一种基于权利要求1所述装置的固体电介质材料陷阱参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将背面涂有导电硅脂的待测试样粘接在金属圆盘电极上，面对金属网电极的一面保持洁净，关闭恒温箱门；

2）对试样预热后，先在金属网电极上施加直流偏置电压，然后给针电极施加直流充电电压，三电极电晕充电单元产生电晕放电对试样注入电荷；在设定的时间注入电荷完毕后，先撤去直流充电电压，后撤去直流偏置电压；

3）在试样表面覆盖铝箔并短路放电，去除表面自由电荷；

4）去除表面自由电荷后，旋转金属圆盘电极，将试样表面电荷注入中心区域移至电容式静电探头正下方，调整电容式静电探头与试样表面距离，试样的表面电位衰减由电容式静电探头得到，然后通过信号调理模块和数据采集模块输入处理显示模块进行采样和记录；通过等温电流衰减理论计算得出试样的出不同能级分布的陷阱密度。

7.如权利要求6所述的固体电介质材料陷阱参数测量方法，其特征在于，所述的预热是将试样在50～60℃下预热20～30min，预热是通过设置在金属加热盒内的热电偶来提供热量。

8.如权利要求6所述的固体电介质材料陷阱参数测量方法，其特征在于，所述的直流偏置电压为+2kV或-2kV，直流充电电压为+10kV或-10kV；

在施加电压后，在针电极的针尖处发生电晕放电，空气被电离而产生带电质点，针尖周围形成电离区；在电场作用下带电离子经金属网电极向试样表面漂移，带电离子在金属网电极与试样之间形成均匀的电荷漂移区，带电离子的电子被试样表面的陷阱态俘获，从而获得均匀的表面带电效果。

9.如权利要求6所述的固体电介质材料陷阱参数测量方法，其特征在于，所述的注入电荷的时间为1～10min，注入电荷完毕后，在试样表面覆盖铝箔并短路放电0.5～1min，去除表面自由电荷；

所述的电容式静电探头与试样表面距离保持为2～3mm，表面电位衰减的采样时间可根据采样要求设计。

10.如权利要求6所述的固体电介质材料陷阱参数测量方法，其特征在于，根据等温电流衰减理论，假设热释放的载流子不再陷阱化，陷阱能级E_t以及等温电流密度J与陷阱密度N_t的关系为：

Et=kTln(γt)J=qdkT2tf0(Et)Nt(Et)---(1)]]>

外施电压撤去后表面电位的衰减与电流密度J的关系为：

J(t)=ϵ0ϵrddVs(t)dt---(2)]]>

其中E_t为陷阱能级，k为Boltzmann常数，T为绝对温度，γ为电子振动频率，t为时间；J为等温电流密度，q为电子电量，d为试样的厚度，f₀(E)为陷阱初始占有率，N_t(E_t)为陷阱能量分布函数；ε₀为真空介电常数，ε_r为介质材料的相对介电常数，V_s(t)为表面电位，电子陷阱的能量以导带底为零点计算，空穴陷阱的能量以价带顶为零点计算；

首先根据式(2)由表面电位计算出等温衰减电流，再根据式(1)即可计算出不同能级分布的陷阱密度。