劉川東,鄭飛虎,安振連,張冶文

(1.先進微結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室(同濟大學),上海 200092;2.同濟大學電氣工程系,上海 200092)

0 引言

隨著各種商用電容器的發(fā)展,電容器介質(zhì)聚合物薄膜的擊穿機理的研究愈顯重要,其空間電荷的積累和分布是衡量聚合物擊穿性能重要指標之一.對空間電荷的測量,國內(nèi)外已經(jīng)進行了廣泛深入的研究,常用方法有壓力波法PWP(pressure wave propagation),電聲脈沖法PEA(pulsed electro-acoustic),熱脈沖法TP(thermal pulse)等.壓力波法和電聲脈沖法常用來測量毫米級的樣品,熱脈沖法能有效的測量微米級樣品(幾微米到幾十微米).在熱脈沖法中,實驗數(shù)據(jù)的分析非常重要.本文中在改進已有熱脈沖法實驗裝置基礎(chǔ)上,采用校正的方法在頻域內(nèi)處理數(shù)據(jù),實現(xiàn)在外加電場下測量聚丙烯薄膜內(nèi)部空間電荷分布,使熱脈沖法測量聚合物薄膜內(nèi)部空間電荷分布更加快速有效.

1 實驗原理

(1)

通過解一維熱傳導方程可以得到樣品內(nèi)部的瞬時溫度[2]

(2)

(3)

αε是與溫度有關(guān)的介電常數(shù),αz是樣品的熱擴散系數(shù),S是樣品吸收熱量的面積,δT(z,t)表示樣品中溫度的增量,αP是與溫度相關(guān)的極化強度.E(z,t)是樣品中空間電荷形成的電場,是空間和時間的函數(shù).P(z,t)是樣品的極化強度.圖1為在外加+100 V電壓下聚丙烯薄膜中的熱脈沖響應圖.對于非極性的聚合物,極化強度P(z,t)=0,αP=0,因此位移電流可以簡化為

(4)

式(4)中,A、d、αz對于同一個樣品均為常數(shù).為了消除放大器失真的影響,實驗將測量到的熱響應電流時域信號采用離散的傅里葉逆變換轉(zhuǎn)化到頻域,并且結(jié)合scale transformation technique[4]得到

I(ω)=K(R-I)I～(ω=2D/z2)K=1/(ΔTA)

(5)

(6)

圖1 +100 V外加電壓下PP薄膜的熱脈沖響應插圖顯示信號峰值與外加電場的線性擬合

可以看出式(6)右端對于同一樣品應為常數(shù).本文中令這一常數(shù)等于H,當樣品內(nèi)部沒有電荷注入時,內(nèi)電場等于外電場,測量值與外加電場應為線性關(guān)系.圖1中的插圖是信號峰值與外加電場的擬合,從圖中可以看出兩者成很好的線性關(guān)系,與理論預期相吻合.H可以通過測量相對低電場信號計算得出,(R-I)I～可以由位移電流經(jīng)過離散的傅里葉變換計算得到,通過與校正系數(shù)H作用可以得到樣品內(nèi)部電場分布,根據(jù)泊松方程可以計算得到相應電荷分布.因此每次測量只需要給樣品加相對低電場(比如10 MV/m)的電壓作為校正值,然后再加高電場的電壓就可以快速有效地測量樣品內(nèi)部空間電荷的分布,避免了繁瑣的眾多系數(shù)的測量,如熱擴散系數(shù)、熱傳導系數(shù)的測量等,也避免了一些不必要的偶然誤差的引入.

2 實驗裝置

2.1試樣本文中采用法國的聚丙烯薄膜PP(Bollore Polypropylene)作為樣品,厚為9.8 μm,面積為5 cm×5 cm,作為樣品,雙面蒸鍍直徑為14 mm的圓形鋁作為接觸電極.

2.2裝置實驗所用的激光器是Continuum公司的SureliteⅡ-10激光器.低噪聲寬帶前置電流放大器的帶寬為10～180 kHz.示波器是Agilent DSO9104A,所用采樣率是10 M Sample/s,實驗裝置示意圖如圖2所示.

3 測試流程

圖2 熱脈沖裝置示意圖

1)對9.8 μm聚丙烯薄膜樣品加-100 V電壓,同時保持樣品盒中恒定溫度60 ℃.

2)將激光脈沖作用于樣品表面,產(chǎn)生的位移電流或熱釋電流通過電流放大器放大.

3)由數(shù)字示波器以10 M samples/s的采樣率和100次的平均次數(shù)記錄儲存信號.

4)繼續(xù)給樣品加負電壓至-1.11 kV,同時保持樣品盒中溫度不變進行測量.

4 實驗實例

為了詳細具體說明實驗方法的可行性,以下將通過長時間加壓測量和加熱測量的實例進行分析.

4.1外加電場下測量的原始波形圖3是在外加電壓-1.11 kV,溫度60 ℃時測量的熱脈沖響應,即PP原始信號.隨著外加電壓時間的增加,波形的幅值不斷降低,說明樣品內(nèi)正在發(fā)生變化.與壓力波法和電聲脈沖法不同,外加電壓下熱脈沖法測得的并不是實際電荷分布,必須經(jīng)過解卷積才能得到電荷分布.根據(jù)文獻[2]的闡述,將圖3的原始信號經(jīng)過反卷積傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻率域信號,除以放大器的頻率響應,再通過校準的辦法得到樣品內(nèi)部空間電荷的分布.

4.2外加電場下測量后計算得到的電場分布圖4是圖3原始信號經(jīng)過傅里葉變換scale transformation technique和校正方法得到的電場分布圖,可以看出在加壓半個小時后,電場強度變得不均勻,說明內(nèi)電場與外電場不再相同,并且隨著時間的增加在靠近電極1～2 μm處的小峰的幅值逐漸向上移動,樣品4.0～9.8 μm處不斷變低.整個電場越來越不均勻,在1.0～3.0 μm處尤為明顯,表明內(nèi)外電場差異加大.圖5是根據(jù)泊松方程將圖4經(jīng)過計算得到的樣品內(nèi)部空間電荷分布,可以看到樣品表面1.0～3.0 μm處隨著時間增加,負電荷積累越來越多,說明在外加電場下熱脈沖法可以測量聚丙烯薄膜內(nèi)部的空間電荷,也可以實時監(jiān)測空間電荷在此過程中的積累.

圖3 外加電壓-1.11 kV,溫度60 ℃時測得的PP原始信號

圖4 傅里葉變換計算得到的電場分布

4.3溫度對電荷注入的影響圖6是不同溫度下,樣品1室溫25 ℃,樣品2加熱60 ℃,樣品3加熱100 ℃,外加電壓-1.11 kV 4 h后去壓短路,用熱脈沖法測得電場分布.加熱60 ℃的樣品與室溫25 ℃樣品相比較,在1.0～5.0 μm處電場的變化很大,且很不均勻,加熱100 ℃與加熱60 ℃、25 ℃的樣品相比較,場強更不均勻,變化更大,這從一個側(cè)面表明升高溫度能夠明顯地增加電荷的注入量和注入深度.

圖5 泊松方程計算得到的PP空間電荷分布

圖6 熱脈沖法測得的不同溫度下PP電場分布

5 結(jié)論

通過外加電場下的熱脈沖法測量聚丙烯薄膜的熱釋電電流,計算樣品中電場分布、空間電荷分布,說明了此種方法在線測量空間電荷的可行性,對不同溫度下的電場分布的比較,可以清楚地看出溫度對空間電荷的注入有一定影響,升高溫度能夠明顯地增加電荷注入量.外加電場下長時間的測量揭示了電荷在較高溫度、較高場強中的動態(tài)變化趨勢,說明外加電場下熱脈沖法測量聚合物薄膜中空間電荷分布的優(yōu)勢.綜上所述,此種方法對聚丙烯薄膜的測量較好地吻合了電荷注入聚合物的一般條件和性質(zhì),表明外加電場下熱脈沖法測量聚丙烯薄膜內(nèi)部空間電荷分布具有可行性、便捷性.

[1] Mellinger Axel. Unbiased iterative reconstruction of polarization and space-charge profiles from thermal-wave experiments[J]. Measurement Science and Technology,2004,15:1347-1353.

[2] Mellinger Axel, Rajeev Singh, Reimund Gerhard-multhaupt. Fast thermal pluse measurements of space-charge distributions in electret polymers[J]. Review of Scientific Instruments,2005,176,013903:1-5.

[3] Bauer S, Ploss B. Polarization distribution of thermally poled PVDF films measured with a heat wave method(LIMM)[J]. Ferroelectrics,1991,118:363-378.

[4] Bernd Ploss, Rudolf Emmerich, Siegfried Bauer. Thermal wave probing of pyroelectric distributions in the surface region of ferroelectric materials: a new method for the analysis[J]. Journal of Applied Physics,1992,72:5363-5370.