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1、1 绪论1.1课题背景及意义本课题以国家自然科学基金（青年基金）项目“基于MEMS技术的反铁电厚膜微悬臂梁场致效应研究”为背景1-2。研究计划要点：（1）研究制定PLZT反铁电厚膜异质集成及工艺的优化方案，完成PLZT基反铁电厚膜的介电性能测试分析，研究其相变行为特性与规律。（2）硅基反铁电微悬臂梁结构的有限元仿真分析，设计制造反铁电厚膜微悬臂梁驱动构件。（3）完成反铁电厚膜的微驱动构件的响应执行能力的测试与评估。意义：当今，智能仪器3已经成为了仪器发展的必然方向，仪器与计算机的高速稳定通讯及可编程控制是实现智能仪器的基本手段。本课题要完成的任务就是使用SCPI指令，通过VEE软件实现电流、电
2、压、电容这些物理量的自动采集。通过查阅相关资料掌握相关仪器的SCPI指令的编写方法，了解VEE软件的开发环境，以及它在控制仪器设备、测试测量软件的开发及应用方面的优势。本课题的意义在于通过对仪器仪表的编程控制，实现数据的智能采集。1.2主要研究内容本课题主要进行基于虚拟编程语言的电学性能软件测试系统设计与开发，完成以下内容：（1）了解PLZT反铁电材料相变机理及相关测试原理；（2）掌握利用工控软件实现自动测试的方法；（3）掌握VEE虚拟程序语言的设计方法；（4）熟练应用VEE虚拟程序语言；（5）掌握GPIB、RS-232等接口与计算机的通讯方法；（6）编写介电温谱、偏压、频谱、电流电学性能自动
3、测控软件系统。1.3 铁电性与铁电相变在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性4（ferroelectricity）。有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。这类晶体叫反铁电体5-6。反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P-E呈双电滞回线，PbZrO3在E较小时，无电滞回线，当E很大时，出现了双电滞回线。反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。在居里温度附近，也具有介电反常特性7-8。当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发
4、生转变，这一温度是铁电体的居里点。由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。对于一阶相变常伴随有潜热的发生，对于二阶相变则出现比热的突变。铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相（顺电相）的为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度，统称为过渡温度或转变温度。（在此附近时，介电系数常有迅速陡降的现象）。 由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的，一边，以电滞回线中OA曲线在原点的斜率来代表介
5、电系数，即在测量介电系数时，所加的外电场很小。铁电体在过渡温度附近，介电系数具有很大的值，当温度 高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里-外斯定律9： 。式中T0称为特性温度，他一般略低于居里点，C称为居里常数，而 代表电子极化对介电系数的贡献，在过渡温度时，可以忽略。1.4 PLZT材料锆钛酸铅镧陶瓷( PLZT) 是属PZT锆钛酸铅系压电陶瓷。是Haertling GH在1970年用球磨和热压烧结工艺制备了透明的光电陶瓷PLZT10-12。 一种铁电陶瓷光电材料。其光学特性可被电场或者通过拉伸或压缩而改变。用于各种光电存储器和显示设备中。亦称为掺镧锆酸铅钛酸铅。2 虚拟仪器系统与A
6、gilent VEE虚拟仪器技术是20世纪90年代发展并兴起的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和资料分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件。虚拟仪器（VI）的出现是仪器测试测量领域的一个突破，代表着仪器测试测量发展的最新方向和潮流实现了测试测量技术和计算机技术的真正融合，是计算机技术和现代测量技术高速发展共同孕育出的一项新技术。VEE适用于产品的跟踪测试，包括从产品设计、生产及品质控制等一系列的产品制造过程，在VEE先前的版本中，VEE被认为仅仅在产品设计阶段创建快速简单的程序，但随后的VEE 5.0以及VEE 6.0提供了一个速度更快、功能更
7、强大的用户开发环境、界面以及功能控件，使得用户可以更直接地针对产品生产与制造的整个周期。2.1虚拟仪器系统的构成及技术优势虚拟仪器13是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。自1986年美国国家仪器公司（National Instruments,简称NI）提出虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）的概念以来，虚拟仪器这种计算机操作的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用。利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度与速度，其具有
8、灵活方便、成本低廉、效率高等特点，使其成为现代测量系统发展的主流。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于资料分析、过程通信及图形用户接口的软件组成的测控系统，与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、数据结果的表达与输出。与传统仪器相比，虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、技术更新快、功能强大、性价比高、用户可自定义等诸多优点，其优势是显而易见的，表2.1是虚拟仪器与传统仪器相关性能的对照表。虚拟仪器系统14由仪器硬件和应用软件两大部分组成，仪器硬件是计算机的外围部分与计算机构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统
9、相关功能。1.虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统15一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。1） 计算机硬件平台计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等，它是虚拟仪器的硬件基础。2） 测控功能硬件按照测控功能硬件的不同，目前较为常用的虚拟仪器系统是GPIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统。（1）GPIB仪器控制系统。GPIB（General Purpose Interface Bus），即通用接口总线技术，是把程控仪器设备与计算机紧密联系起来，也就是利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组成大型自动测试
10、系统，易于升级，维护方便，仪器功能和面板可自定义，开发和使用相对容易，可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，最大可能地排除人为因素造成的测试测量误差。由于可预先编制好测试程序去实现自动测试，所以提高了测试效率。（2）VXI仪器控制系统。VXI总线（VME Bus Extension For Instrument）是一种高速计算机总线-VEM总线在仪器测试领域应用的扩展，由于具有标准开放、结构紧凑、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用等优点，很快得到广泛应用。在组建大、中规模自动测试测量系统及
11、对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器无法比拟的优势，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。2.虚拟仪器系统的软件构成虚拟仪器系统的软件16一般由三部分构成：设备驱动程序、信号的数字处理程序、虚拟仪器面板程序。（1）设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础，每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的；设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口（API）。（2）信号的数字处理程序主要是对采样信号进行非实时的再现和离线分析。该部分包含了很多信号处理的金典算法，能够对信号数据进行后期的数字信号处理是虚拟仪器的突出优势，也是其应用日益广泛的主要原因之一。（3）虚
12、拟仪器面板程序是虚拟仪器软件的核心，它直接面向用户，是虚拟软件的最上层，可以提供与用户交互的界面，而且能够通过面板上的各种控件来完成控制虚拟仪器的工作；虚拟仪器面板程序的开发环境与虚拟仪器系统功能是否容易实现有着密切的关系。虚拟仪器系统的应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户通过提供直观友好的测控操作接口，丰富的资料分析与处理功能，来完成自动测试任务。对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：（1）传统编程软件进行编写，主要有Mocrosoft公司的Visual Basic与Visual C+、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。（2）
13、用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW以及Lab Windows/CVI等。3.虚拟仪器技术的优势虚拟仪器自创建以来走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过十多年来的不断发展正沿着控制总线与驱动程序的标准化、硬/软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程平台的图形化等方向发展。随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计算机技术的虚拟仪器技术的内容将会更加丰富。美国泰克公司、HP公司以及NI等公司均已开发出或正在致力于开发通过Internet网进行远程测试的开发工具。虚拟仪器技术是现代电子测量仪器发展的主流，其在国际早已进入实用阶段，
14、我国虽然在虚拟仪器的硬件平台和软件平台研制方面起步较晚，但发展迅速，特别是在电子测量、电子工程、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中已取得广泛应用，相信其必将在更多、更广的领域得到应用和普及。2.2 本课题相关智能仪器介绍本节将介绍本课题已用到的相关测控仪器，如Keithley 6517B静电计/高阻计、Agilent 4284A精密LCR测试仪和厦门宇电 AI-708P温控仪。将对这些测控仪器的功能、操作面板等方面进行详细介绍。因为，这些测控仪器是组成虚拟仪器系统的测控功能硬件。吉时利五位半显示的吉时利6517B提供的精度和灵敏度指标是高于其他同类型仪表。Keithley 6517B高
15、阻表/静电计丰富的功能使测量高阻和绝缘材料电阻率变得简单。 吉时利6517B具有425读数/秒的读数率，比同类型的静电计显著的快，可以提供快速、简易的方式测量弱电流。Keithley 6517B的前面板和后面板如下图所示。图2.1 Keithley 6517B的前面板 1 指示器 2 功能键3 量程键4 手柄5 显示键 6 操作键 7 电压源键 8 电压源工作指示灯 9 扫描卡控制键图2.2 Keithley 6517B的后面板 1 输入接头 2 前置放大器输出 3 COMMON端4 机壳地 5 2V输出 6 湿度 7 温度类型K 8 电源输入 9 IEEE-488连接器 10 联锁 11 RS-232串口 12 数字输入/输出 13 互锁连接 14 V-SOURSE HI和LOW 15 扫描卡插槽Agilent 4284A精密LCR测试仪是用于元件和材料测量的价廉物美的仪器。它通过提供精确、高吞吐量的测试方法来改善元件的质量。20Hz到1MHz宽的测频范围和优良的测试信号，使4284A在测试元件时符合最通行的测试标准如IEC/MIL标准（国际电工委员会或美国军用标准），且工作在模拟所使用的工作条件下。无论在研究开发、生产、质量保证中还是进货检验，4284A都能满足全部LCR测量要求。20Hz-1MHz具有8600个以上的测试频率005的基本精
