铁电薄膜电滞回线测量系统设计

摘要

铁电薄膜作为一种功能薄膜在MEMS领域有广泛的应用，例如，PZT薄膜因具有良好的压电、铁电、介电、电光等效应，而被应用于微能源收集器、微加速度计、微力传感器、声表面波器件等MEMS器件的制作。在MEMS器件中，功能薄膜的质量往往决定了器件的性能，因此测量功能薄膜特性参数有着重要的意义。电滞回线是铁电薄膜的重要特性，一方面它能反映材料的铁电特性；另一方面还可以得到其他相关参数，例如，剩余极化强度，它可以用于估计材料的压电系数。国外关于铁电体的特性参数测量研究起步较早，已经设计出许多先进的测量仪器，但是这些仪器价格昂贵。国内很多高校研制了电滞回线测量仪器，但是这些仪器与国外同类型仪器相比普遍存在测量精度差、体积大、适用范围窄的缺点。
　　目前，电滞回线的测量方法主要包括冲击检流计法和Sawyer-Tower电路法，后者由于测量方法简单、成本低等特点，已经成为电滞回线测量的主流方法。本文针对科研工作中对铁电薄膜电滞回线测量的需求，对铁电薄膜的电滞回线测量进行了研究。设计制作了铁电薄膜电滞回线测量系统，该系统产生的激励电压最大幅值为40V，最高频率为1KHz，能适应绝大多数铁电薄膜电滞回线的测量。该测试系统除了可以得到铁电薄膜的电滞回线以外，同时还可以得到材料线性电容、漏电阻、饱和极化强度、剩余极化强度、矫顽电场等参数，并且系统具有数据存储功能。以PZT薄膜为测试材料对系统进行了测试试验，实验结果表明：所测电滞回线的结果是可信的。本文的主要工作如下：
　　①系统的测量方法为Sawyer-Tower电路法，以此为基础设计系统了硬件电路。电路能够完成电滞回线的测量、正弦信号的产生、数据的采集以及系统的供电，根据系统资源需要选定了FPGA核心板。
　　②以QuartusⅡ软件为平台设计了FPGA的时序逻辑。整个时序逻辑包括A/D驱动、FIFO、DDS、串口通信等模块，通过软件自带的仿真功能，对各模块进行功能性仿真。根据所设计的功能模块搭建顶层原理图。
　　③以 LabVIEW为基础设计系统的前面板以及程序框图。前面板完成测量过程的控制、参数的输入与输出、波形的显示、电滞回线的显示等工作。程序框图实现数据通信、数据处理、数据存储、电滞回线的补偿等功能。
　　④根据设计的硬件与软件，结合测试材料以及探针台搭建电滞回线测量系统。系统以PZT薄膜为测试材料，在超净环境下完成电滞回线测量实验。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 电滞回线测试系统研究现状

1.3 电滞回线测量方法

1.4 论文研究内容

1.5 本章小结

2 电滞回线测量系统的总体设计

2.1 系统测量原理

2.2 系统总体结构

2.3 电滞回线补偿原理

2.4 本章小结

3 电滞回线测量系统的硬件电路设计

3.1 电滞回线测量电路

3.2 激励信号发生电路

3.3 数据采集电路

3.4 串口通信电路

3.5 电源电路

3.6 FPGA核心板

3.7 本章小结

4 基于FPGA的时序逻辑设计

4.1 时序逻辑的总体设计

4.2 DDS正弦信号发生器

4.3 A/D驱动模块

4.4 FIFO模块

4.5 串口通信模块

4.6 顶层原理图设计

4.7 本章小结

5 电滞回线测量系统的软件设计

5.1 LabVIEW简介

5.2 前面板设计

5.3 程序框图设计

5.4 本章小结

6 实验与结果分析

6.1 测试材料的制备

6.2 印制电路板的制作

6.3 激励信号的测试

6.4 测量平台的搭建

6.5 铁电薄膜电滞回线测量实验

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录: