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1、华中科技大学 硕士学位论文 改进串口反馈控制型热释电系数测试系统 姓名：杨俊 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：曾亦可 2010-12-30 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 热释电系数是评价热释电材料的热释电性的重要指标，在热释电系数测量没有形 成统一标准的情况下，准确的测量热释电系数在热释电材料研究中显得至关重要。本 文宗旨是在前人研究的基础上，改进原测试系统的不足，研制出一台基于单控制串口 的反馈控制型热释电系数测试系统，实现对热释电系数的准确评价。 新测试系统依然采用直接法，在硬件和软件上对原系统做了大量改进。 硬件上的改进：设计了串口译码电路，实现由单串口
2、控制四路转换的功能；重新 调校了前置转换放大电路，使其对正负电流具备相同的放大范围；放弃了原系统使用 时间继电器控制加热的方式，采用由计算机反馈控温的方法；重新设计了系统的屏蔽 抗干扰体系，减小外界干扰对测量结果的影响。 软件上的改进：按照现代人机交互界面的设计思想，重新设计了测试软件系统， 美化软件界面，完善软件功能，实现了全自动测量；设计了具有针对性的计算机弱反 馈控温算法，为测试样品提供稳定的匀速升温环境；提出了由标准铌酸锂样品的升温 速率拟合待测样品升温速率的方法，弥补了无法测量热释电样品实际升温速率的不 足；改善电流滤波算法，并加入了热释电电流的差错处理机制。 最终完成新测试系统的整
3、体调试， 使用铌酸锂、 钽酸锂单晶对测试系统进行验证， 测试结果符合国际公认标准，并对多种热释电材料进行测试研究，其结果符合国内外 研究报道水平。研究结果表明，本系统达到实用化程度。 关键词：热释电系数；单串口；弱反馈控温算法；升温速率拟合算法；全自动测量 华中科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT The pyroelectic coefficient is the most important indicator to evaluate the pyroelectric effect of pyroelectric materials. In case that there is n
4、o uniform standard for measurement of the pyroelectric coefficient, how to accurately measure the pyroelectric coefficient is critically important in the study of pyroelectric materials. The purpose of this thesis is to improve the lack of the original test system, and develop a new pyroelectric coe
5、fficient testing system with single serial port of computer feedback control for accurate evaluation of pyroelectric coefficient. The new testing system is still using the direct method, and a lot of improvements on the hardware and software have been done on the original system. Improvements of har
6、dware are as follows: (1) designing a serial port decoding circuit to achieve the function of four- way conversion from a single serial control, (2) recalibrating the pre- conversion amplifier circuit to obtain the same positive and negative current zoom range, (3) adopting computer feedback tempera
7、ture control method in replacement of the original heating control means of using the time relay, (4) redesigning the anti- jamming system to reduce interference on the measurement results. Improvements of software are as follows: (1) modifying the structure of testing softwareto achieve user- frien
8、dly computer interface, beautifying software interface, improving the software features, and achieving automatic measurement, (2) designing a targeted computer weak feedback temperature control algorithm to provide a stable uniform heating rate environment for the testing sample, (3) proposing the t
9、heory of using the change rate of the standard lithium niobate sample temperature to fit the other pyroelectric samples and make up the objection that can not measure the rate of temperature change of pyroelectric sample directly, (4) improving the current filtering algorithm and adding the error ha
10、ndling mechanism using the pyroelectric current. 华中科技大学硕士学位论文 III I have completed the overall commissioning of the new test system and verified the functionality of the system with the samples of lithium niobate and lithium tantalate single crystals. The testing results are consistent with internat
11、ionally recognized standards. Many other types of pyroelectric materials have been measured by this new system and the results are in good agreement with the reported values from the domestic and foreign research literatures. Keywords: Pyroelectric coefficient, Single serial- port, Weak feedback alg
12、orithm for temperature control, The fitting Algorithm of heating rate, Automatic measurement 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的
13、规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密?，在_年解密后适用本授权书。 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 本课题的研究背景 早在公元四世纪，人们就从电气石能够吸引一些细小物体的现象中i发现了热释 电效应，在 1824 年，由 Brewsterii第一
14、次将热释电现象命名为 Pyroelectricity，但在其 后的很多年里，热释电效应只是被人们感性的认知。直至二十世纪初，随着大量的热 释电材料的发现和近代物理学的发展，人们对热释电效应的定量分析才增多起来。近 年来，热释电效应的研究已经成为电介质物理研究中重要的一个分支，一方面是由于 铁电体物理基础理论发展的需要，但更主要的原因是热释电材料的应用需求，特别是 在红外探测领域以及热成像技术、热辐射计、光谱仪等方面iii,iv,v,vi,vii。目前，采用热 释电材料制成的非制冷红外探测器件已经广泛的应用在军事、航天、工业、科学研究、 医疗卫生、环境保护等领域，并且以其适应性强、结构简单、价格
15、低廉等优势积极向 民用领域拓展。 1.2 本课题的研究意义 热释电材料的特性对探测器件的性能起到重要影响，例如探测器件的主要参数电 压响应率取决于器件对外界辐射的热响应率和热释电元件对温度的电响应率两个因 素viii，热响应率可以通过在元件上增加额外的吸热涂层来改善，而电响应率则是由元 件材料本身的热释电性所决定，所以热释电材料的研究是热释电探测器件开发的基 础。而热释电系数的研究又是热释电材料研究中最重要工作，一个材料的热释电系数 的大小是评价这个材料的热释电性强弱的直接标准，热释电系数的测量成为国内外学 者在热释电研究中的首要工作。热释电系数的测量方法有很多种，但是由于热释电电 流非常微弱
16、，并受材料本身特点、形状以及环境干扰影响显著，因此，对热释电性的 定量分析比较困难。目前，国内并没有形成有效的热释电系数测量标准。一个有效的 迅速的测量热释电系数的方法显得尤为重要。 华中科技大学硕士学位论文 2 本课题是结合实验室已有的热释电测试设备，为完成热释电参数测试国家标准修 订而进行的。其目的是针对原系统中的不足，研制出一套新热释电参数计算机自动测 试系统，用于准确测量具有不同性能的热释电材料的热释电系数。对于定量分析材料 的热释电性和形成有效可行的热释电系数测试标准有重要意义。 1.3 热释电系数测试研究现状 近年来热释电探测器广泛应用于多个领域，人们对热释电效应的研究也逐渐增 多，发现并改进了多种性能优异的热释电材料。并且随着测试工具的发展，热释电系 数的测试手段也在原有的基础上有所丰富。 国内外科研所和院校主要采用的热释电系数测量方法可以分为静态法、动态直接 法、电荷积分法三种。 1915 年，S.Bogwslavki ix最早利用晶格振动的爱因斯坦模型对热释电系数与温度 的关系给予了非经典的解释；19
