FE-5000 型鐵電測試儀：鐵電材料性能研究的得力工具

摘要

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，鐵電材料以其的性能在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。FE-5000 型鐵電測試儀作為研究鐵電材料性能的關(guān)鍵設(shè)備，在推動(dòng)鐵電材料的深入研究與廣泛應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文將對 FE-5000 型鐵電測試儀進(jìn)行全面且深入的闡述，涵蓋其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)、操作方法、性能測試以及應(yīng)用等多個(gè)方面，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、工程師以及對鐵電材料研究感興趣的人士提供詳盡而實(shí)用的參考資料，助力他們更好地了解和運(yùn)用該測試儀，進(jìn)一步推動(dòng)鐵電材料相關(guān)研究和應(yīng)用的發(fā)展。

關(guān)鍵詞

FE-5000 型；鐵電測試儀；鐵電材料；電滯回線

一、引言

鐵電材料是一類具有自發(fā)極化且其極化方向可隨外電場反轉(zhuǎn)的特殊功能材料。這種獨(dú)的性質(zhì)使得鐵電材料在非易失性存儲(chǔ)器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、壓電換能器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在非易失性鐵電存儲(chǔ)器中，利用鐵電材料的電滯回線特性，可實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取，相比傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，具有更高的存儲(chǔ)密度、更快的讀寫速度以及更好的抗輻射性能；在傳感器領(lǐng)域，鐵電材料對溫度、壓力、電場等外界刺激具有敏感的響應(yīng)，可用于制作高的溫度傳感器、壓力傳感器等。

在鐵電材料的研究和應(yīng)用過程中，準(zhǔn)確測量其各項(xiàng)性能參數(shù)至關(guān)重要。FE-5000 型鐵電測試儀正是為滿足這一需求而精心設(shè)計(jì)制造的儀器。它能夠測量鐵電材料的電滯回線、極化強(qiáng)度、矯頑場、漏電流等關(guān)鍵性能參數(shù)，為研究鐵電材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系、開發(fā)新型鐵電材料以及優(yōu)化鐵電材料的制備工藝提供的數(shù)據(jù)支持。因此，深入了解 FE-5000 型鐵電測試儀的工作原理、性能特點(diǎn)和操作方法，對于充分發(fā)揮其在鐵電材料研究中的作用具有重要意義。

二、工作原理

2.1 鐵電材料的基本特性

鐵電材料的特征是具有電滯回線。當(dāng)對鐵電材料施加外電場時(shí)，其極化強(qiáng)度隨外電場的變化呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。在電場較弱時(shí)，極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度近似成線性關(guān)系；隨著電場強(qiáng)度逐漸增大，極化強(qiáng)度增加的速率加快，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，極化強(qiáng)度趨于飽和，此時(shí)對應(yīng)的極化強(qiáng)度稱為飽和極化強(qiáng)度（Ps）。當(dāng)電場強(qiáng)度從飽和值逐漸減小至零時(shí)，鐵電材料并不會(huì)退極化，而是仍保留一定的極化強(qiáng)度，這一極化強(qiáng)度被稱為剩余極化強(qiáng)度（Pr）。若繼續(xù)反向施加電場，極化強(qiáng)度逐漸減小，直至為零，此時(shí)對應(yīng)的電場強(qiáng)度稱為矯頑電場強(qiáng)度（Ec）。隨著反向電場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，極化強(qiáng)度又會(huì)反向增大，直至達(dá)到反向飽和。如此循環(huán)，極化強(qiáng)度與外電場強(qiáng)度之間形成一個(gè)閉合的曲線，即電滯回線。電滯回線反映了鐵電材料的鐵電特性，其形狀和參數(shù)與鐵電材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷、疇結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。

鐵電材料還具有居里點(diǎn)（Tc）這一重要特性。當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，鐵電材料的鐵電性消失，材料從鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵藭r(shí)材料的極化率遵循居里 - 外斯定律，即χ=T?TcC，其中χ為極化率，C為居里常數(shù)，T為溫度。居里點(diǎn)的存在使得鐵電材料在不同溫度下表現(xiàn)出不同的電學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮溫度對鐵電材料性能的影響。

2.2 FE-5000 型測試儀的測量原理

FE-5000 型鐵電測試儀采用改進(jìn)的 Sawyer - Tower 測量方法來測量鐵電材料的電滯回線及相關(guān)參數(shù)。在傳統(tǒng)的 Sawyer - Tower 電路中，通過將被測鐵電樣品與一個(gè)已知電容C0串聯(lián)，在交流電壓V的作用下，測量C0上的電壓V0，進(jìn)而得到鐵電樣品的極化強(qiáng)度P。然而，這種傳統(tǒng)方法存在一定的局限性，由于外接電容和線路中的寄生電容等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

FE-5000 型測試儀對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，取消了外接電容，采用電荷積分器來直接測量通過鐵電樣品的電荷量。其測量原理如下：將一個(gè)周期性變化的電壓信號V(t)施加到鐵電樣品上，根據(jù)電流的定義I=dtdQ，通過鐵電樣品的電流I(t)與樣品的極化強(qiáng)度變化率成正比。利用電荷積分器對電流進(jìn)行積分，即可得到通過樣品的電荷量Q(t)，進(jìn)而根據(jù)樣品的面積A和厚度d，計(jì)算出極化強(qiáng)度P(t)=AQ(t)。同時(shí)，通過測量施加在樣品上的電壓V(t)，就可以得到極化強(qiáng)度P與電場強(qiáng)度E（E=dV）之間的關(guān)系，即電滯回線。

在實(shí)際測量過程中，為了提高測量的準(zhǔn)確性和，測試儀還采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)和措施。例如，通過高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號進(jìn)行數(shù)字化處理，減少信號傳輸和處理過程中的誤差；利用數(shù)字濾波技術(shù)去除噪聲干擾，提高信號的質(zhì)量；采用自動(dòng)校準(zhǔn)功能，定期對儀器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量結(jié)果的可靠性。此外，測試儀還具備溫度控制功能，能夠在一定溫度范圍內(nèi)控制樣品的溫度，研究鐵電材料的性能隨溫度的變化規(guī)律。通過內(nèi)置的高溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品的溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱或制冷裝置，使樣品溫度保持在設(shè)定值附近，可達(dá) ±1℃。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)布局

FE-5000 型鐵電測試儀整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，各部分功能明確且協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的測量。儀器主要由信號發(fā)生與控制單元、高壓放大單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、溫度控制單元以及樣品測試平臺(tái)等部分組成。

信號發(fā)生與控制單元是儀器的部分之一，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種不同波形（如正弦波、三角波、方波等）和頻率范圍（0.01Hz - 5kHz）的電信號，并對這些信號進(jìn)行的控制和調(diào)節(jié)。用戶可以通過儀器的操作界面或配套的計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活設(shè)置信號的參數(shù)，如電壓幅值、頻率、占空比等。該單元還負(fù)責(zé)與其他單元進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，確保整個(gè)測量過程的順利進(jìn)行。

高壓放大單元的作用是將信號發(fā)生與控制單元產(chǎn)生的低電壓信號放大到足以驅(qū)動(dòng)鐵電樣品的高電壓信號。FE-5000 型測試儀的輸出信號電壓可達(dá) ±5000V（可擴(kuò)展至 10kV），能夠滿足不同鐵電材料在不同測試條件下對高電壓的需求。高壓放大單元采用了先進(jìn)的功率放大技術(shù)和高壓隔離措施，保證了輸出信號的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)有效防止高壓信號對其他單元造成干擾。

數(shù)據(jù)采集與處理單元負(fù)責(zé)對測量過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換和處理。它通過高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并利用數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大、積分等運(yùn)算，終得到鐵電材料的各項(xiàng)性能參數(shù)，如極化強(qiáng)度、電場強(qiáng)度、漏電流等。該單元還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸功能，能夠?qū)y量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，并可通過 USB、以太網(wǎng)等接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

溫度控制單元用于控制樣品測試平臺(tái)的溫度，以研究鐵電材料在不同溫度下的性能變化。它主要由溫度傳感器、加熱裝置、制冷裝置和溫度控制器組成。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品測試平臺(tái)的溫度，并將溫度信號反饋給溫度控制器。溫度控制器根據(jù)設(shè)定的溫度值和反饋的溫度信號，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱裝置或制冷裝置的工作狀態(tài)，使樣品測試平臺(tái)的溫度保持在設(shè)定值附近。該單元的溫度控制范圍為室溫至 200℃，控溫可達(dá) ±1℃，能夠滿足大多數(shù)鐵電材料在不同溫度條件下的測試需求。

樣品測試平臺(tái)是放置被測鐵電樣品的地方，它設(shè)計(jì)精巧，能夠確保樣品與電極之間良好的電氣接觸和機(jī)械穩(wěn)定性。平臺(tái)上配備了高的定位裝置，可方便地調(diào)整樣品的位置和角度，以滿足不同測試要求。同時(shí)，平臺(tái)還具備良好的屏蔽性能，能夠有效減少外界電磁干擾對測量結(jié)果的影響。

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1. 信號發(fā)生器設(shè)計(jì)：信號發(fā)生器是信號發(fā)生與控制單元的部件，F(xiàn)E-5000 型測試儀采用了直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)來產(chǎn)生高、高穩(wěn)定性的電信號。DDS 技術(shù)基于數(shù)字信號處理原理，通過相位累加器、波形存儲(chǔ)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等部件，能夠快速、地生成各種頻率和波形的信號。與傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器相比，DDS 信號發(fā)生器具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足鐵電材料測試對信號和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。例如，在測量鐵電材料的電滯回線時(shí)，需要控制信號的頻率和幅值，以準(zhǔn)確反映材料在不同電場條件下的極化特性。DDS 信號發(fā)生器能夠提供穩(wěn)定且的信號，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2. 高壓放大器設(shè)計(jì)：高壓放大器是實(shí)現(xiàn)高電壓輸出的關(guān)鍵部件，F(xiàn)E-5000 型測試儀的高壓放大器采用了功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為放大元件，并結(jié)合了先進(jìn)的反饋控制技術(shù)。MOSFET 具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地放大信號并輸出高電壓。反饋控制技術(shù)則用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整放大器的輸出電壓，確保輸出信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在高壓放大器的設(shè)計(jì)過程中，還充分考慮了散熱和絕緣問題。采用了高效的散熱片和風(fēng)扇散熱系統(tǒng)，確保放大器在高功率工作狀態(tài)下能夠及時(shí)散熱，避免因過熱而損壞。同時(shí)，對放大器的電路進(jìn)行了嚴(yán)格的絕緣處理，采用高絕緣材料和多層屏蔽結(jié)構(gòu)，有效防止高壓信號的泄漏和干擾，保障操作人員的安全和儀器的正常運(yùn)行。

3. 電荷積分器設(shè)計(jì)：電荷積分器是測量鐵電材料極化強(qiáng)度的部件，其性能直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。FE-5000 型測試儀的電荷積分器采用了高的運(yùn)算放大器和積分電容，并通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)來減小積分誤差。運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗、低失調(diào)電壓、低噪聲等特性，能夠準(zhǔn)確地對通過鐵電樣品的電流進(jìn)行積分。積分電容則選用了穩(wěn)定性高、溫度系數(shù)小的電容，以確保積分過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在電荷積分器的設(shè)計(jì)中，還采用了自動(dòng)歸零技術(shù)，定期對積分器的輸出進(jìn)行歸零操作，消除由于運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓和漂移等因素引起的積分誤差，進(jìn)一步提高測量。例如，在長時(shí)間的測量過程中，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可能會(huì)逐漸變化，導(dǎo)致積分誤差逐漸增大。自動(dòng)歸零技術(shù)能夠每隔一定時(shí)間對積分器進(jìn)行歸零校準(zhǔn)，保證積分結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而提高整個(gè)測量系統(tǒng)的和可靠性。

四、技術(shù)參數(shù)

4.1 電性能參數(shù)

1. 輸出信號電壓：FE-5000 型測試儀的輸出信號電壓范圍為 ±5000V，并且可根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展至 10kV。如此寬的電壓輸出范圍，能夠滿足不同類型鐵電材料在各種測試條件下的需求。對于一些具有較高矯頑場的鐵電材料，需要施加較高的電壓才能使其極化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而完整地測量其電滯回線。例如，某些新型的鐵電陶瓷材料，其矯頑場可能高達(dá)數(shù)千伏每厘米，此時(shí) FE-5000 型測試儀的高電壓輸出能力就能夠充分發(fā)揮作用，確保準(zhǔn)確測量材料的鐵電性能。

2. 測試頻率范圍：儀器的動(dòng)態(tài)電滯回線測試頻率范圍為 0.01Hz - 5kHz。不同頻率的測試信號能夠用于研究鐵電材料在不同電場變化速率下的極化響應(yīng)特性。在低頻段（如 0.01Hz - 0.1Hz），可以研究鐵電材料的靜態(tài)極化行為，觀察材料在緩慢變化的電場作用下的極化過程和電滯回線的形狀；在高頻段（如 1kHz - 5kHz），則可以探究鐵電材料的動(dòng)態(tài)極化響應(yīng)，了解材料在快速變化的電場下的極化弛豫現(xiàn)象以及電滯回線的頻率依賴性。這種寬頻率范圍的測試能力，為深入研究鐵電材料的極化機(jī)制提供了有力的手段。

3. 漏電流測量范圍與分辨率：漏電流是評估鐵電材料性能的重要參數(shù)之一，F(xiàn)E-5000 型測試儀的漏電流測量范圍為 1pA - 20mA，分辨率不低于 0.1pA。高分辨率的漏電流測量能夠檢測鐵電材料在不同電場和溫度條件下的微小漏電流變化。在鐵電材料的應(yīng)用中，漏電流過大可能會(huì)導(dǎo)致器件的功耗增加、性能下降甚至失效。通過準(zhǔn)確測量漏電流，科研人員可以評估鐵電材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為材料的優(yōu)化和器件的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。例如，在鐵電存儲(chǔ)器的研發(fā)過程中，需要嚴(yán)格控制鐵電材料的漏電流，以確保存儲(chǔ)信息的可靠性和穩(wěn)定性。FE-5000 型測試儀的高漏電流測量功能能夠滿足這一需求，幫助研究人員篩選出性能優(yōu)良的鐵電材料。

4.2 溫度參數(shù)

1. 溫度控制范圍：溫度對鐵電材料的性能有著顯著的影響，F(xiàn)E-5000 型測試儀的溫度控制范圍為室溫至 200℃。這一溫度范圍涵蓋了大多數(shù)鐵電材料在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的溫度環(huán)境。在該溫度范圍內(nèi)，通過控制溫度，可以研究鐵電材料的居里點(diǎn)、相變行為以及性能隨溫度的變化規(guī)律。例如，對于一些鐵電陶瓷材料，其居里點(diǎn)可能在 100℃ - 150℃之間，通過在該溫度范圍內(nèi)對材料進(jìn)行測試，可以準(zhǔn)確確定其居里點(diǎn)，并觀察材料在相變過程中的電滯回線變化、極化強(qiáng)度變化等特性，為深入理解材料的物理性質(zhì)提供數(shù)據(jù)支持。

2. 控溫：儀器的控溫可達(dá) ±1℃，這確保了在溫度變化過程中，能夠控制樣品所處的溫度環(huán)境，減少溫度波動(dòng)對測量結(jié)果的影響。在研究鐵電材料的溫度依賴性時(shí)，微小的溫度變化都可能導(dǎo)致材料性能的顯著改變。高的控溫能力使得科研人員能夠在穩(wěn)定的溫度條件下進(jìn)行測量，獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。例如，在研究鐵電材料的熱釋電性能時(shí)，溫度的控制尤為重要。熱釋電系數(shù)與溫度密切相關(guān)，±1℃的控溫能夠保證在測量熱釋電系數(shù)時(shí)，溫度因素對結(jié)果的影響降至，從而提高測量的準(zhǔn)確性。

4.3 其他參數(shù)

1. 測試速度：FE-5000 型測試儀具有快速的測試速度，測量時(shí)間通常小于 5 秒 / 樣品?溫度點(diǎn)。快速的測試速度不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，還能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，便于對鐵電材料的性能進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究。在材料篩選和工藝優(yōu)化過程中，需要對大量的樣品進(jìn)行測試，快速的測試速度能夠大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，提高研究工作的效率。例如，在開發(fā)新型鐵電材料時(shí)，可能需要對不同配方和制備工藝的多個(gè)樣品進(jìn)行性能測試，以篩選出性能的材料。FE-5000 型測試儀的快速測試速度能夠使科研人員在較短的時(shí)間內(nèi)完成大量樣品的測試工作，加快材料研發(fā)的進(jìn)程。

2. 軟件功能：儀器配備了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件，用于控制儀器的操作、采集和分析數(shù)據(jù)。軟件具有直觀的用戶界面，操作簡便，即使是初次使用的用戶也能快速上手。軟件支持多種測試模式，如動(dòng)態(tài)電滯回線測試、靜態(tài)電滯回線測試、脈沖測試、疲勞測試等，用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活選擇。軟件還具備自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析功能，能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，生成各種圖表和報(bào)表，方便用戶直觀地了解鐵電材料的性能。此外，軟件還支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可將測量數(shù)據(jù)以常見的文件格式（如 TXT、XLS 等）導(dǎo)出，便于用戶使用其他數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。例如，在進(jìn)行鐵電材料的疲勞測試時(shí)，軟件能夠自動(dòng)記錄并分析材料在多次極化反轉(zhuǎn)過程中的性能變化，生成疲勞曲線，為研究材料的疲勞特性提供直觀的數(shù)據(jù)展示。

五、操作方法

5.1 測試前準(zhǔn)備

1. 儀器檢查：在使用      FE-5000 型鐵電測試儀之前，首先要對儀器進(jìn)行全面檢查。檢查儀器的外觀是否有損壞、變形，各部件連接是否牢固，電源線是否正常連接。打開儀器電源，觀察儀器的顯示屏是否正常亮起，各指示燈是否顯示正常狀態(tài)。檢查儀器的信號輸出端口、高壓輸出端口等是否有異物堵塞或損壞。同時(shí)，檢查儀器的接地是否良好，確保操作人員的安全。如果發(fā)現(xiàn)儀器存在任何異常情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修或更換部件，確保儀器能夠正常工作。

2. 樣品準(zhǔn)備：對待測鐵電樣品進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。首先，根據(jù)測量要求，選擇合適尺寸和形狀的樣品。對于塊狀鐵電材料，通常要求樣品尺寸為直徑 2 - 100mm，厚度 0.1 - 10mm；對于鐵電薄膜樣品，要確保薄膜的質(zhì)量良好，無明顯缺陷和雜質(zhì)。對樣品的表面進(jìn)行清潔處理，去除表面的油污、灰塵、氧化物等雜質(zhì)，可采用酒精擦拭、超聲波清洗等