外电场下热脉冲法测量聚丙烯薄膜中空间电荷

刘川东,郑飞虎,安振连,张冶文

(1.先进微结构材料教育部重点实验室(同济大学),上海 200092;2.同济大学电气工程系,上海 200092)

0 引言

随着各种商用电容器的发展,电容器介质聚合物薄膜的击穿机理的研究愈显重要,其空间电荷的积累和分布是衡量聚合物击穿性能重要指标之一.对空间电荷的测量,国内外已经进行了广泛深入的研究,常用方法有压力波法PWP(pressure wave propagation),电声脉冲法PEA(pulsed electro-acoustic),热脉冲法TP(thermal pulse)等.压力波法和电声脉冲法常用来测量毫米级的样品,热脉冲法能有效的测量微米级样品(几微米到几十微米).在热脉冲法中,实验数据的分析非常重要.本文中在改进已有热脉冲法实验装置基础上,采用校正的方法在频域内处理数据,实现在外加电场下测量聚丙烯薄膜内部空间电荷分布,使热脉冲法测量聚合物薄膜内部空间电荷分布更加快速有效.

1 实验原理

(1)

通过解一维热传导方程可以得到样品内部的瞬时温度[2]

(2)

(3)

αε是与温度有关的介电常数,αz是样品的热扩散系数,S是样品吸收热量的面积,δT(z,t)表示样品中温度的增量,αP是与温度相关的极化强度.E(z,t)是样品中空间电荷形成的电场,是空间和时间的函数.P(z,t)是样品的极化强度.图1为在外加+100 V电压下聚丙烯薄膜中的热脉冲响应图.对于非极性的聚合物,极化强度P(z,t)=0,αP=0,因此位移电流可以简化为

(4)

式(4)中,A、d、αz对于同一个样品均为常数.为了消除放大器失真的影响,实验将测量到的热响应电流时域信号采用离散的傅里叶逆变换转化到频域,并且结合scale transformation technique[4]得到

I(ω)=K(R-I)I～(ω=2D/z2)K=1/(ΔTA)

(5)

(6)

图1 +100 V外加电压下PP薄膜的热脉冲响应插图显示信号峰值与外加电场的线性拟合

可以看出式(6)右端对于同一样品应为常数.本文中令这一常数等于H,当样品内部没有电荷注入时,内电场等于外电场,测量值与外加电场应为线性关系.图1中的插图是信号峰值与外加电场的拟合,从图中可以看出两者成很好的线性关系,与理论预期相吻合.H可以通过测量相对低电场信号计算得出,(R-I)I～可以由位移电流经过离散的傅里叶变换计算得到,通过与校正系数H作用可以得到样品内部电场分布,根据泊松方程可以计算得到相应电荷分布.因此每次测量只需要给样品加相对低电场(比如10 MV/m)的电压作为校正值,然后再加高电场的电压就可以快速有效地测量样品内部空间电荷的分布,避免了繁琐的众多系数的测量,如热扩散系数、热传导系数的测量等,也避免了一些不必要的偶然误差的引入.

2 实验装置

2.1试样本文中采用法国的聚丙烯薄膜PP(Bollore Polypropylene)作为样品,厚为9.8 μm,面积为5 cm×5 cm,作为样品,双面蒸镀直径为14 mm的圆形铝作为接触电极.

2.2装置实验所用的激光器是Continuum公司的SureliteⅡ-10激光器.低噪声宽带前置电流放大器的带宽为10～180 kHz.示波器是Agilent DSO9104A,所用采样率是10 M Sample/s,实验装置示意图如图2所示.

3 测试流程

图2 热脉冲装置示意图

1)对9.8 μm聚丙烯薄膜样品加-100 V电压,同时保持样品盒中恒定温度60 ℃.

2)将激光脉冲作用于样品表面,产生的位移电流或热释电流通过电流放大器放大.

3)由数字示波器以10 M samples/s的采样率和100次的平均次数记录储存信号.

4)继续给样品加负电压至-1.11 kV,同时保持样品盒中温度不变进行测量.

4 实验实例

为了详细具体说明实验方法的可行性,以下将通过长时间加压测量和加热测量的实例进行分析.

4.1外加电场下测量的原始波形图3是在外加电压-1.11 kV,温度60 ℃时测量的热脉冲响应,即PP原始信号.随着外加电压时间的增加,波形的幅值不断降低,说明样品内正在发生变化.与压力波法和电声脉冲法不同,外加电压下热脉冲法测得的并不是实际电荷分布,必须经过解卷积才能得到电荷分布.根据文献[2]的阐述,将图3的原始信号经过反卷积傅里叶变换转换为频率域信号,除以放大器的频率响应,再通过校准的办法得到样品内部空间电荷的分布.

4.2外加电场下测量后计算得到的电场分布图4是图3原始信号经过傅里叶变换scale transformation technique和校正方法得到的电场分布图,可以看出在加压半个小时后,电场强度变得不均匀,说明内电场与外电场不再相同,并且随着时间的增加在靠近电极1～2 μm处的小峰的幅值逐渐向上移动,样品4.0～9.8 μm处不断变低.整个电场越来越不均匀,在1.0～3.0 μm处尤为明显,表明内外电场差异加大.图5是根据泊松方程将图4经过计算得到的样品内部空间电荷分布,可以看到样品表面1.0～3.0 μm处随着时间增加,负电荷积累越来越多,说明在外加电场下热脉冲法可以测量聚丙烯薄膜内部的空间电荷,也可以实时监测空间电荷在此过程中的积累.

图3 外加电压-1.11 kV,温度60 ℃时测得的PP原始信号

图4 傅里叶变换计算得到的电场分布

4.3温度对电荷注入的影响图6是不同温度下,样品1室温25 ℃,样品2加热60 ℃,样品3加热100 ℃,外加电压-1.11 kV 4 h后去压短路,用热脉冲法测得电场分布.加热60 ℃的样品与室温25 ℃样品相比较,在1.0～5.0 μm处电场的变化很大,且很不均匀,加热100 ℃与加热60 ℃、25 ℃的样品相比较,场强更不均匀,变化更大,这从一个侧面表明升高温度能够明显地增加电荷的注入量和注入深度.

图5 泊松方程计算得到的PP空间电荷分布

图6 热脉冲法测得的不同温度下PP电场分布

5 结论

通过外加电场下的热脉冲法测量聚丙烯薄膜的热释电电流,计算样品中电场分布、空间电荷分布,说明了此种方法在线测量空间电荷的可行性,对不同温度下的电场分布的比较,可以清楚地看出温度对空间电荷的注入有一定影响,升高温度能够明显地增加电荷注入量.外加电场下长时间的测量揭示了电荷在较高温度、较高场强中的动态变化趋势,说明外加电场下热脉冲法测量聚合物薄膜中空间电荷分布的优势.综上所述,此种方法对聚丙烯薄膜的测量较好地吻合了电荷注入聚合物的一般条件和性质,表明外加电场下热脉冲法测量聚丙烯薄膜内部空间电荷分布具有可行性、便捷性.

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[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.