一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置及测试方法

摘要

一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置及测试方法，其特征在于：包括直流电源、激光器、光电导开关和压敏电阻，光电导开关（4）与所述压敏电阻（5）串联，电源（1）串联保护电阻（2）为储能装置（3）供电且所述储能装置（3）与所述保护电阻（2）的接点与所述光电导开关（4）连接，所述压敏电阻（5）与取样电阻（7）连接且其接点通过衰减器（8）与存储示波器（9）连接；所述激光器（6）为纳秒或皮秒脉冲激光器。本发明测试方法为用直流高压电源（1）供电，用脉冲激光器（6）照射光电导开关（4）激励压敏电阻（5），通过取样电阻（7）和存储示波器（9）测量所述压敏电阻（5）的输出特性，得到压敏电阻超快电脉冲响应的特性表征。

说明书

技术领域

本发明涉及电气元器件性能测试，具体涉一种压敏电阻超快电脉冲响应测试系统和方法。

背景技术

压敏电阻具有非线性优良、响应时间快、功耗低、通流容量大和性价比高等优点，广泛应用于高压、超高压电网及高压电力设备等电力系统电路和信息系统、控制系统的电子线路，对雷电过电压、操作过电压、静电放电及噪声脉冲等进行过电压抑制，起到稳压和瞬态过电压保护的作用。压敏电阻安全可靠性是一切应用的前提，对于压敏电阻脉冲电信号响应特性，多集中于对雷击冲击电流8/20μs脉冲和非标准陡波冲击电流脉冲响应的研究。

目前的测试方法大致有以下几种：

（1）采用脉冲电压提供电脉冲的压敏电阻脉冲激励响应性能测试；（参见2010年第59卷第8期《物理学报》尹桂来等发表的“ZnO压敏陶瓷冲击老化的电子陷阱过程研究”一文）

（2）采用断路开关和电感储能装置提供电脉冲的压敏电阻脉冲激励响应性能测试；（参见2011年第15期《低压电器》孙伟等发表的“ZnO压敏电阻在8/20μs脉冲电流作用下的动态伏安特性分析”和2007年第33卷第4期《高电压技术》魏斌等发表的“超导磁体脉冲冲击下MOV的破坏特性微观分析ZnO压敏陶瓷冲击老化的电子陷阱过程研究”）

（3）采用空气隙放电开关提供电脉冲的压敏电阻脉冲激励响应性能测试。（参见2004年第23卷第4期《电子元件与材料》卢振亚等发表的“ZnO压敏元件雷电流冲击试验残压波形分析”一文）

上述测试方法存在如下不足：

（1）电脉冲激励前压敏电阻所承担电压几乎为零。过压保护应用中，压敏电阻是在加载一定电压下接受电脉冲激励的。实际上，在不同的偏置电场中，压敏电阻材料性质存在一定差异，例如ZnO压敏陶瓷在直流偏置下晶界势垒中的一些空穴将被电子占据，势垒宽度变窄，隧道击穿几率变大。

（2）采用电子学原理工作的脉冲发生器和空气隙放电开关所产生的电脉冲信号的上升时间和脉冲宽度存在局限性，难以产生上升时间为纳秒、亚纳秒和皮秒量级的电脉冲，难以产生脉冲宽度为纳秒、亚纳秒和皮秒量级的电脉冲，无法产生同时满足上升时间和脉冲宽度在上述量级的电脉冲。

（3）现有研究资料表明，电脉冲激励下ZnO压敏电阻在势垒击穿时输出电流中含有容性电流和传导电流，电导电流较容性电流存在时延。但是未见有精确的含有容性电流和电导电流的完整复合波形的测试结果报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置，以解决现有压敏电阻脉冲测试技术中电脉冲激励前压敏电阻无直流偏置，直流偏置下无法向压敏电阻提供电脉冲激励以及缺少能够输出上升沿和脉冲宽度均为纳秒、亚纳秒或皮秒量级脉冲源的问题。

本发明的另一个目的在于提供所述压敏电阻超快电脉冲响应的测试方法。

本发明目的是这样实现的，一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置，包括直流电源、激光器、光电导开关和压敏电阻，所述光电导开关与所述压敏电阻串联，所述直流电源串联保护电阻为储能装置供电且所述储能装置与所述保护电阻的接点与所述光电导开关连接，所述压敏电阻与取样电阻连接且其接点通过衰减器与存储示波器连接；所述激光器为纳秒或皮秒脉冲激光器。

所述光电导开关并联有分压电阻。

所述储能装置为容性储能元件，能储存足够电能满足光电导开关的完整导通放电过程。

所述取样电阻为同轴传输线50欧姆匹配电阻或纯阻性电阻，衰减器为同轴衰减器，通过Q9端口同轴线传输线与存储示波器相连。

本发明的另一个目的是这样实现的，所述压敏电阻超快电脉冲响应测试系统的测试方法，用直流电源供电，用脉冲激光器照射光电导开关激励压敏电阻，通过取样电阻和示波器测量所述压敏电阻的输出特性。

通过光电导开关并联分压电阻调节电脉冲激励前所述压敏电阻的直流分压。

具体包括如下步骤：

1）在取样电阻上串联电流表，在光电导开关暗态下测量电路的直流伏安特性，得到电脉冲激励前压敏电阻直流偏置电压的定标曲线；

2）移除所述电流表，控制激光器输出激光脉冲触发光电导开关产生超快电脉冲激励压敏电阻，压敏电阻输出上升沿和脉冲宽度均为纳秒量级的超快电脉冲信号，通过示波器记录电脉冲波形，得到压敏电阻超快电脉冲响应特性表征。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明光电半导体开关暗态下电阻值较高，与压敏电阻构成直流串联分压电路，超快电脉冲激励前压敏电阻承担一定的直流偏置电压，测试条件更接近于其实际应用于直流电路中瞬态脉冲过压保护时的工作环境，提高了测试结果的真实性和可靠性。

2、本发明采用超快激光脉冲触发光电导开关，能够输出上升沿或脉冲宽度或者二者均为纳秒和亚纳秒量级的电脉冲作为测试的电脉冲激励信号，较现有测试方法更有利于测试压敏电阻材料的电气特性。

3、本发明可以方便地测量到压敏电阻直流偏置电压和电源输出电压对应关系的定标曲线；能够精确测得直流偏压下压敏电阻对超快电脉冲激励的响应过程和压敏电阻输出的含有容性电流和电导电流的完整脉冲波形，得到压敏电阻超快电脉冲响应的特性表征。

附图说明

图1为本发明实施例1测试系统结构示意图；

图2为本发明实施例2分压电阻分压调节测试系统示意图；

图3为本发明实施例1测得的压敏电阻输出的复合型电脉冲波形；

图4为本发明实施例2测得的压敏电阻输出的复合型电脉冲波形；

图中，1.直流电源，2.保护电阻，3.储能装置，4.光电导开关，5.压敏电阻，6.激光器，7.取样电阻，8.衰减器，9.存储示波器，10.分压电阻，11.容性电流脉冲波形A，12.传到电流脉冲波形A，13.容性电流脉冲波形B，14.传到电流脉冲波形B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置，参见图1，包括直流电源1、激光器6、光电导开关4和压敏电阻5，光电导开关4与压敏电阻5串联，直流电源1串联保护电阻2为储能装置3供电，储能装置3与保护电阻2的接点与光电导开关4连接，压敏电阻5与取样电阻7连接且其接点通过衰减器8与存储示波器9连接；激光器6为纳秒或皮秒脉冲激光器，输出光脉冲上升时间和脉冲宽度为纳秒、亚纳秒或皮秒量级。

储能装置3为容性储能元件，可储存足够电能满足光电导开关的完整导通放电，取样电阻7为同轴传输线50欧姆匹配电阻或纯阻性电阻，衰减器8为同轴衰减器，通过同轴线传输线与所述存储示波器9相连。

进一步，参见图2，光电导开关4并联有分压电阻10。

光电导开关（Photoconductive Semiconductor Switches，缩写为PCSS’s）是利用超快脉冲激光器与光电半导体（如Si，GaAs，InP等）相结合而发展起来的一类新型光电子开关器件。与传统开关相比，光电导开关具有响应速度快、时间晃动小、上升时间短、抗干扰能力强等优良特性。芯片材料的高电阻率决定了光电导开关较高的暗态电阻值。在激光脉冲照射下，光电导开关芯片电阻迅速减小并降至很低，同时输出一个超快电脉冲信号，特别是载流子寿命很短的GaAs，InP和SiC等材料制作的光电导开关，导通和关断十分迅速，能够产生高功率的超快电脉冲，适用于压敏电阻超快电脉冲响应性能测试中提供超快电脉冲激励。

本发明采用直流电源1给光电导开关4和压敏电阻5串联电路供电；光电导开关4和压敏电阻5为直流分压关系，暗态下，二者电阻阻值都比较高，一般为几百兆欧甚至更高，而保护电阻2阻值较低，按图1所示测试电路，压敏电阻5和暗态光电导开关4直流偏置电压可分别估算为：U_V=U_SRV/(R_Poff+RV)，U_Poff＝U_SR_V/(R_Poff+R_V)，其中U_S为电源电压，R_V为U_S下压敏电阻5的静态电阻阻值，R_Poff为U_S下光电导开关4的暗态电阻阻值。采用图2的分压电阻10进行分压调节的测试系统可在选定压敏电阻和光电导开关后对二者的分压进行简单调节，根据直流电路分压原理可计算出压敏电阻和暗态光电导开关的直流偏置电压，图2所示测试电路中压敏电阻的直流分压：U_V=U_SR_V/[R_V+R_PoffR₁₀/(R_Poff+R₁₀)]，其中R₁₀为分压电阻10的阻值。

本发明光电导开关4选取GaAs、InP和SiC等载流子寿命较短的光电半导体材料芯片；光电导开关工作模式有线性和非线性两种，线性工作模式下光电导开关输出电脉冲波形与激光脉冲波形相似，上升时间和脉冲宽度可达纳秒、亚纳秒或皮秒量级。本发明选取光电导开关线性工作模式为压敏电阻提供超快电脉冲激励；选取光电导开关非线性工作模式为压敏电阻提供具有超快上升时间和锁定效应的电脉冲激励，电脉冲宽度可达微秒量级。

本发明压敏电阻超快电脉冲响应的测试方法为用直流电源1供电，用脉冲激光器6照射光电导开关4激励压敏电阻5，通过取样电阻7和存储示波器9测量所述压敏电阻5的输出特性。

进一步，通过光电导开关4并联分压电阻10调节超快电脉冲激励前所述压敏电阻5的直流分压。

具体包括如下步骤：

1）在取样电阻7上串联电流表，在光电导开关4暗态下测量电路的直流伏安特性，得到电脉冲激励前压敏电阻5直流偏置电压的定标曲线；

2）移除所述电流表，控制激光器6输出激光脉冲触发光电导开关4产生超快电脉冲激励压敏电阻5，压敏电阻5输出上升沿和脉冲宽度均为纳秒量级的超快电脉冲信号，通过示波器9记录电脉冲波形，得到压敏电阻5超快电脉冲响应特性表征。

本发明采用同轴传输线50欧姆匹配取样电阻，配合同轴衰减器和存储示波器，能够完整精确记录直流偏置电压下ZnO压敏电阻超快电脉冲响应输出的含有容性电流和电导电流的复合型电脉冲波形。

具体操作步骤是：

（1）分别测量压敏电阻直流伏安特性和光电导开关的暗态伏安特性；

（2）选择压敏电阻5和与之相匹配的光电导开关4，具体根据压敏电阻5的直流伏安特性选择相同电流下阻值与压敏电阻5数量级相当的光电导开关4；

（3）选择相关仪器和元件，按图1搭建测试装置；

（4）在取样电阻7上串联高精度电流表，测量暗态下电路的直流伏安特性，计算得到压敏电阻5直流偏置电压；

（5）按图1恢复测试系统，控制激光器6输出单脉冲激光，触发光电导开关4，产生超快电脉冲，激励压敏电阻5，测量压敏电阻5的电流输出特性。

采用图2的有分压电阻10的测试装置可在选定压敏电阻5样品和光电导开关4后对二者的分压进行调节，操作方法同上。

本发明可以精确得到以下压敏电阻超快电脉冲响应特性：

（1）直流偏置电压下压敏电阻脉冲激励的最低响应脉冲幅值低于无直流偏压时的最低响应脉冲幅值；

（2）超快电脉冲激励下压敏电阻可以输出上升沿和超短脉冲宽度均为纳秒量级甚至更快的电流脉冲信号；

（3）超快电脉冲激励下的压敏电阻陶瓷晶界势垒能够被击穿；

（4）超快电脉冲激励下，压敏电阻势垒击穿时输出容性电流和电导电流复合型电脉冲；

（5）压敏电阻在超快电脉冲激励下具有非线性电导特性；

（6）超快电脉冲激励下压敏电阻输出容性电流和电导电流存在峰值时延，本发明可以精确测得；

（7）本发明可以测得压敏电阻材料的势垒电容衰减常数。

实施例1，一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置，如图1所示，包括直流电源1、保护电阻2、储能装置3、光电导开关4及压敏电阻5，光电导开关4和压敏电阻5串联，直流电源1串联保护电阻2为储能装置3供电，储能装置3与保护电阻2的接点与光电导开关4连接，压敏电阻5与取样电阻7连接，压敏电阻5与取样电阻7的接点通过衰减器8与存储示波器9连接；激光器6为纳秒脉冲激光器，输出光脉冲上升时间和脉冲宽度均为纳秒量级。

直流电源1为高压直流电源，电压调节范围0-10kV，调节精度1V；保护电阻2为分压电阻，阻值12MΩ，耐压大于10kV；储能装置3为0.22μF无感电容，耐压大于10kV；光电导开关4芯片为半绝缘砷化镓材料，材料暗态电阻率ρ≥5×10⁷Ω·cm，电子迁移率μ≥5000cm²·V^-1·s^-1，电极间隙2.0mm；ZnO压敏电阻样品5为圆盘状，厚度2.5mm、直径15.0mm，电极间静态电容260pF，直流偏压599V下电流为100μA；光电导开关4和ZnO压敏电阻样品5为直流串联分压接法；激光器6为YAG纳秒脉冲激光器，输出激光波长1064nm；取样电阻7为同轴传输线50Ω匹配电阻，衰减器8为同轴衰减器（型号：TS100-60dB），用同轴线传输线与示波器10（型号：TDS784C）相连。

测试步骤如下：

（1）直流偏置下，分别测量压敏电阻样品小电流伏安特性和光电导开关的暗态伏安特性，测得压敏电阻样品电流小于10μA时阻值约600MΩ，所以选择电极间隙为2.0mm的光电导开关，暗态阻值约500MΩ；按图1搭建测试系统；

（2）在取样电阻上串联6位半高精度电流表，在光电导开关暗态下测量电路的直流伏安特性，得到压敏电阻直流偏置电压的定标曲线，例如，电源电压850V回路电流4μA时，压敏电阻的直流偏置电压为133V；电源电压1007V回路电流5μA时，压敏电阻的直流偏置电压为135V；

（3）按图1恢复测试系统，控制激光器输出单脉冲光能量为10mJ、脉冲上升沿和脉冲宽度为40ns和140ns的激光脉冲触发光电导开关，测得如图3所示电源电压850V下ZnO压敏电阻输出的包含容性电流脉冲波形A11和传导电流脉冲波形A12的典型的复合型电脉冲。

此结果表明：超快电脉冲激励下压敏电阻可以输出上升沿和超短脉冲宽度均为纳秒量的电脉冲；按光电导直流偏压和传输效率测试结果计算，电源电压850V时ZnO压敏电阻的激励电脉冲电压幅值为580V（低于此压敏电阻开启电压），无直流偏压时，采用电压幅值为580V的电脉冲激励此压敏电阻，压敏电阻输出电脉冲中无传导电流脉冲。说明直流偏置电压下压敏电阻脉冲激励的最低响应脉冲幅值低于无直流偏压时的最低响应脉冲幅值。

（4）电源电压由500V升高到2000V，观察到压敏电阻输出电脉冲波形从单脉冲波形演变到复合型脉冲波形，测得复合型电脉冲中传导电流脉冲幅值增长率大于容性电流脉冲幅值增长率。

此结果表明：超快电脉冲激励下的压敏电阻陶瓷晶界势垒能够被击穿；超快电脉冲激励下，压敏电阻势垒击穿时输出容性电流和电导电流复合型电脉冲；压敏电阻在超快电脉冲激励下具有非线性电导特性；超快电脉冲激励下压敏电阻输出容性电流和电导电流存在峰值时延，本实施例测得峰值时延为140ns，压敏电阻材料的势垒电容衰减常数为105ns。

实施例1采用光电导开关和ZnO压敏电流串联分压的直流偏置电路，使ZnO压敏电阻在受到超快电脉冲激励前处于直流偏压下，采用超快激光脉冲触发光电导开关产生了上升沿和脉冲宽度均为纳秒量级的超快电脉冲激励信号，同时采用匹配取样电阻和存储示波器准确记录全过程的完整波形。现有的其他测试方法无法达到上述技术条件和指标。

实施例2，一种压敏电阻超快电脉冲响应的测试装置，如图2所示，与实施例1不同的是，光电导开关4并联有分压电阻10。

其中，直流电源1为0-10kV可调的高压直流电源，调节精度1V；保护电阻2为耐压大于10kV的12MΩ分压电阻；储能装置3为耐压大于10kV的32nF无感电容；半绝缘砷化镓光电导开关4芯片材料暗态电阻率ρ≥5×10⁷Ω·cm，电子迁移率μ≥5000cm²·V^-1·s^-1，电极间隙2.0mm；圆盘状ZnO压敏电阻5厚度3.0mm、直径10.0mm，906V直流偏压下电流为100μA；激光器6为输出激光波长1064nm的YAG纳秒脉冲激光器；取样电阻7为同轴传输线50Ω匹配电阻，衰减器8为同轴衰减器（型号：TS100-60dB），示波器10型号为TDS784C；分压电阻10耐压大于10kV，阻值250MΩ。光电导开关4和分压电阻10并联连接后与ZnO压敏电阻5相串联。

具体测试步骤如下：

（1）分别测量压敏电阻样品小电流伏安特性和光电导开关的暗态伏安特性，选取电流小于10μA时阻值约956MΩ的压敏电阻和电极间隙为2.0mm阻值约500MΩ的光电导开关；按图2搭建测试系统；

（2）在取样电阻上串联6位半高精度电流表，在光电导开关暗态下测量电路的直流伏安特性，得到压敏电阻直流偏置电压的定标曲线，例如，电源电压1260V回路电流2μA时，压敏电阻的直流偏置电压为806V；电源电压1815V回路电流4μA时，压敏电阻的直流偏置电压为813V。

通过电阻的串并联承压计算可知，光电导开关4并联分压电阻10，分压电阻10承担了电路中的部分暗电流，有效调节了ZnO压敏电阻5的直流偏置电压分配。

（3）移除电路中的电流表，按图2恢复测试系统，激光器输出单脉冲光能量12mJ、脉冲上升沿和脉冲宽度为40ns和140ns的激光脉冲触发光电导开关，可以测得直流偏压下压敏电阻5超快电脉冲响应的一些特性，图4为电源电压1260V时ZnO压敏电阻5输出的包含容性电流脉冲波形B13和传导电流脉冲波形B14的复合型电脉冲。直流电源1电压由970V升高到2460V，获得了压敏电阻5输出电脉冲波形由单脉冲波形演变到复合型脉冲波形的测试结果，结果表明复合型电脉冲中传导电流脉冲幅值增长率大于容性电流脉冲幅值增长率。

实施例2在实施例1的基础上引入了分压电阻10，除了具有实施例1的有益效果之外，还具有如下有益效果：给定的电源电压下，选取不同阻值的分压电阻，ZnO压敏电阻5可以获得不同的直流偏置电压，同时光电导开关4的偏置电压也随之变化，即ZnO压敏电阻5获得的超快电脉冲激励的幅值随之发生了变化。