[发明专利]一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法

说明书

本发明提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元；采样电路由测试介电材料、电阻R₀、电容C₁、C₂和C₃、以及三个开关连接组成；所述数据采集单元包括四个分别测量电阻R₀两端电压，以及电容C₁、C₂和C₃两端电压的数据采集系统，实现通过分别测量电阻R₀的两端电压以及电容C₁、C₂和C₃的两端电压，来计算测试介电材料极化强度随时间的变化，以一次测量得到时域中测试介电材料的极化瞬态。本发明还提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量方法。本发明能够实现时域宽达十个数量级以上的极化瞬态的一次测量，从而快速和有效研究介电材料的电学性质。

技术领域

本发明涉及一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法。

背景技术

介电材料在电子器件领域有着广泛的应用。介电材料的电学性质是影响介电材料应用的重要因素。研究介电材料的电学性质可以通过在频域中测量介电材料的介电常数频谱以及在时域中测量介电材料的极化电流随时间的变化。对于线性介电材料来说，频域中的数据和时域中的数据可以通过傅里叶变换互相转换。在频域中的测量，需要系统在每个固定频率达到稳态后才能分别开始测量，特别对于低频的测量所需要的时间更长。在时域中的测量原则上可以通过一次测量获得所有数据。因此，时域中的测量和频域中的测量相比更有优势。通常，在时域中测量介电材料的电学性质是通过测量样品在激励脉冲电压下极化电流随时间的变化。然而，介电材料在电场下的极化电流随时间的变化一般遵循普适定律，即，极化电流随时间呈幂函数衰减，变化数量级可达十以上。极化电流的动态变化范围太大，使得在宽时域中一次测量极化电流随时间的变化难以实现。目前，尚没有商业仪器能够一次测量宽时域中极化电流随时间的变化。

Sayer-Tower电路是测量铁电材料电滞回线的典型电路。在Sayer-Tower电路中，测试样品和一个标准电容串联，通过测量标准电容两端的电压，得到电路中的电荷量，从而计算出样品的极化强度。一般来说，介电材料的极化强度在时域中的变化范围没有极化电流的变化范围大。因此，可以通过一次测量宽时域中极化强度随时间的变化，然后对极化强度取微分得到极化电流。对于长时间范围的测量，一般采用具有高输入阻抗的静电计测量标准电容两端的电压，静电计的输入阻抗和标准电容的乘积构成的RC常数需远比测量时间大以防止电容的自放电。然而，具有高输入阻抗的商业静电计一般具有较长的上升时间，因此不能测量短时间范围的信号。同样地，具有高采样率的数据采集单元一般输入阻抗不够高，在长时间范围测量电容会发生自放电，因此不能测量长时间范围的信号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法，能够实现时域宽达十个数量级以上的极化瞬态的一次测量，如从10^-8s到10³s，从而快速和有效地研究介电材料的电学性质。进一步地，本发明可以测量铁电材料在极化反转过程中极化强度随时间的变化。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置，其特征在于：包括采样电路、用于提供激励脉冲电压给采样电路的信号输出系统和用于采集采样电路数据的数据采集单元；