多功能铁电材料测试系统的硬件设计与开发作者：高江华史翔杜慧玲
来源：《现代电子技术》2008年第10期
摘要：为了提高铁电材料性能测试设备的集成度、重复性和极化安全性，介绍自行开发的多功能铁电材料测试系统的硬件结构与设计原则和思路，主要包括极化装置的设计与加工、积分放大电路的设计、硬件之间的连接、分析软件的编写、软硬件之间的通讯等。实现在不同温度点下，封闭式安全极化及电滞回线的数据采集与处理。填补了国内中档产品的空白，造价是国外设备的1/3，但精度相当。
关键词：电滞回线；极化装置；积分放大；极化；数据采集
中图分类号： TP274 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)10-021-
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Abstract：In order to improve performance of ferroelectric materials testing equipment,such as integration,reproducibility and safety of polarization,in this paper,the hardware structure and design principle & concept of Multifunctional Ferroelectric Materials Testing System (MFMTS)are introduced,including the polarization device design and machining,the design integrated amplification circuit,the hardware parts connection,the analysis software compilation,the communication link between hardware and software.The system has achieved safe enclosed type polarization and collection & processing of the hysteresis loop data in different temperature.To fill the midrange products gaps in the domestic,
Keywords：
1 引言
铁电材料是一种广泛应用的信息功能材料，其客观的性能参数主要是通过电滞回线来确定的，即对材料施加交变电场时，产生的自发极化强度与外加电场之间的关系[1]，通过这种关系来判断铁电材料性能，对铁电材料各个参数的快速、准确的测试提出了更高的要求，因此铁电材料测试系统的研究尤为重要。本文利用自行设计的系统硬件与Visual Basic 6.0编制的软件协同工作、实现温控仪、极化装置、高压源与计算机的通讯，完成在不同温度点对铁电材料安全的极化以及电滞回线的测量、存贮、显示和铁电性能参数的计算等功能。
2 电滞回线测试系统的组成
电滞回线测试系统主要由高压源、极化装置、积分放大电路、温控仪、数据采集卡及计算机组成，用于测量铁电材料的电滞回线等特性。该铁电测试系统的设计示意图如图1所示。
2.1 工作原理
由计算机控制数据采集卡D/A端口输出模拟信号，经高压源放大器放大后，为激励信号施加于样品，样品所产生的电荷信号由电荷采集电路采样放大，再由数据采集卡A/D端口采集至计算机，根据采集卡输出输入数据和电路中的参数设置，实现数据库对数据的分类存储功能；根据测量原理编制的VB 6.0程序对电滞回线进行线性电容和漏导补偿，得到本征电滞回线。
2.2 高压源
选用TREK可控高压源产生测试材料的高压信号输出。高压源能实现远程控制，可将模拟信号放大100或1 000倍输出给待测样品，而且输出幅度和频率可以调节。电压输出范围为0～±10 kV，输出电流范围0～±2 000 μA，频率在0.01 Hz～1 kHz范围内可调。有最大箝位电压或电流功能，如果电压或电流超出设定值，其强制把电压或电流降到预设值内，安全性能极高。
2.3 极化装置设计与加工
目前已有的极化设备功能较单一，且裸露在空气中极化，安全性差，也没有实现加热系统。本文自行设计、加工极化装置，集诸多功能于一体，实现了计算机远程控制的样品在不同温度点，封闭状态下极化。其功能：极化、可测微位移、可变温、电信号输出/输入端口等。其特点为：
（1）安全极化：极化装置是封闭的，上下电极用导电率低的聚四氟乙烯作为载体，三重TVS过压保护，因此极化较安全。
（2）加载高压极化时可实现变温测试：下电极底部有加热芯片，计算机控制温控仪来实现对芯片的温度控制。
（3）实现恒温测试：温控仪可实现在某一温度范围保持恒定，现将下电极设计成中空柱体，在极化时加入一定量的硅油，由于硅油的热容较大，延长了保温时间，增大了系统的保温范围，温控仪保温范围得到补偿，使得温度恒定在设定值。
（4）小型化：该装置为直径Φ=140 mm，h= 100 mm圆柱体）。