CN113125867A - 一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，包括：测量待测样品薄膜的实际热响应电流信号，并转化为频域表达式，然后根据预先获取的系统传递函数，对实际热响应电流信号进行校正；系统传递函数的获取包括：对待测样品薄膜进行金属化处理，然后施加低电场，接着对待测样品薄膜一侧的金属电极击打短激光，测量待测样品薄膜的实测热响应电流信号；根据激光和待测样品薄膜材料参数，计算待测样品薄膜的理想位移电流信号；将实测热响应电流信号和理想位移电流信号分别转化为频域表达式，从而计算系统传递函数。与现有技术相比，本发明能降低系统误差对响应信号的干扰，在此基础上进行数据分析可获得更准确的空间电荷分布信息。

Description

一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法

技术领域

本发明涉及薄膜中空间电荷分布测量技术领域，尤其是涉及一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法。

背景技术

聚合物电介质薄膜中的空间电荷分布对其工作表现有至关重要的影响。现有的对空间电荷的测量方法中，热脉冲法具有测量周期短、分辨率高等优点，尤其适合微米级聚合物薄膜的测量。该方法通过对样品施加热脉冲产生热扰动，热脉冲在介质内部传播过程中带动电荷，引发一个可测量的热响应位移电流。

然而，由于测量电路频率响应特性等因素的影响，实验中测量的热响应位移电流信号发生了一定程度的失真，尤其在高频部分特别明显。因此，基于这样的实测信号进行数据分析，计算得到的电场分布曲线在介质表面附近区域出现失真，与实际分布之间存在较大的偏差。在热脉冲数据处理中，必须进行频率响应校准，目前一般通过对放大器进行频响测试以获得其频率响应，再将频域中的响应信号除以放大器的频率响应得到校正后的信号，以此消除测量电路频响特性的影响。然而实验结果显示，对校正后的信号进行数据分析得到的电场分布与实际分布之间仍存在一定程度的偏差，不利于高精度的测量。之所以经过上述频响校准后仍有偏差，主要原因是热脉冲法中使用的前置电流放大器的频响曲线是接近理想情况下或是理论曲线，而实际测量时，被测样品、测试线路和前置电流放大器为主体构成的测试线路，并非是理想线路，测试样品的响应信号也不能视为电流源，而实际可等效为RLC耦合的线路，显然放大器的频响不能反映测试时的真实情况。因此，仅使用放大器的频率响应将无法有效地校准测试数据，对响应信号的校正应考虑包括样品在内的整个测试系统的频率响应对信号的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在仅使用放大器的频率响应将无法有效地校准测试数据的缺陷而提供一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，包括以下步骤：

测量所述待测样品薄膜的实际热响应电流信号，并转化为频域表达式，然后根据预先获取的与所述待测样品薄膜相对应的系统传递函数，对所述实际热响应电流信号进行校正，获取校正后的热响应电流信号；

所述系统传递函数的获取包括以下步骤：

S1：对待测样品薄膜进行金属化处理，然后施加使得待测样品薄膜内部不会发生空间电荷的注入和积累的均匀低电场，接着对待测样品薄膜一侧的金属电极击打短激光，测量待测样品薄膜的实测热响应电流信号；

S2：根据步骤S1中的激光和待测样品薄膜材料参数，计算待测样品薄膜内部的温升分布，从而计算待测样品薄膜的理想位移电流信号；

S3：将所述实测热响应电流信号和理想位移电流信号分别转化为频域表达式，从而计算系统传递函数。

进一步地，所述理想位移电流信号的计算表达式为：

g(x)＝ε₀ε_r(α_ε-α_x)E(x)+P(x)

式中，i(t)为测量电流信号，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，α_ε为待测样品薄膜介电常数的温度系数，α_x为待测样品薄膜的热膨胀系数，ε₀为真空的介电常数，ε_r为待测样品薄膜的相对介电常数，E(x)为待测样品薄膜内部的电场分布，P(x)为极化强度，ΔT(x，t)为待测样品薄膜内部瞬时温升分布。

进一步地，所述系统传递函数的计算表达式为：

H(ω)＝I₀(ω)/I(ω)

式中，H(ω)为系统传递函数，I(ω)为理想位移电流信号的频域表达式，I₀(ω)为实测热响应电流信号的频域表达式。

进一步地，所述校正后的热响应电流信号的计算表达式为：

I′₁(ω)＝I′(ω)/H(ω)

式中，I′₁(ω)为校正后的热响应电流信号，I′(ω)为实际热响应电流信号，H(ω)为系统传递函数。

进一步地，所述全场校正方法还包括根据所述校正后的热响应电流信号，计算校正后待测样品薄膜内部的电场分布，所述校正后待测样品薄膜内部的电场分布的计算表达式为：

式中，g₁(x)为校正后待测样品薄膜内部的电场分布，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，

为校正后的热响应电流信号I′₁(ω)实部与虚部的差值，D为待测样品薄膜的热扩散系数，c为试样的比热容，ρ为待测样品薄膜的密度，η为受辐照电极对光照的吸收率，x为薄膜厚度方向上的位置。

进一步地，通过傅里叶变换进行所述频域表达式的转换。

进一步地，所述对待测样品薄膜进行金属化处理具体为，对所述待测样品薄膜的两侧蒸镀电极。

进一步地，所述待测样品薄膜内部的温升分布的计算过程包括：

在薄膜厚度方向上，将步骤S1中的激光和待测样品薄膜材料参数代入一维热传导方程中，计算所述待测样品薄膜内部的温升分布。

进一步地，所述一维热传导方程的表达式为：

式中，D为待测样品薄膜的热扩散系数，ΔT(x，t)为待测样品薄膜内部瞬时温升分布。

进一步地，所述待测样品薄膜内部的温升分布的计算表达式为：

式中，τ_th为待测样品薄膜与环境温度达到热平衡的时间常数且τ_th＞＞τ，τ＝d²/(π²D)为待测样品薄膜内部达到热平衡的时间常数，d为待测样品薄膜厚度，T₀＝ηq/cρAd为待测样品薄膜内部达到热平衡后的平均温升大小，其中，η为受辐照电极对光照的吸收率，q为辐照激光脉冲的能量大小，c为试样的比热容，ρ为待测样品薄膜的密度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)原响应信号受测量系统的频响特性等系统误差影响，存在一定程度的失真，通过放大器频响的校正不完全；本发明将薄膜内均匀低电场下的响应信号作为测量系统的脉冲响应，并进一步求得整个测量系统的传递函数，然后用该传递函数对响应信号进行校正，降低了系统误差对响应信号的干扰，在此基础上进行数据分析可获得更准确的空间电荷分布信息。

(2)使用不同样品进行实验对应不同的测量系统，每个测量系统都有对应的的传递函数，进一步避免使用同一的只包含放大器频响的传递函数带来的测量误差。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法的一种流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种热响应电流信号校正前的示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种热响应电流信号校正后的示意图；

图中，electric field为电场，thickness为厚度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

本实施例提供一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，包括以下阶段：

数据预先获取阶段，包括以下步骤：

S1：对待测样品薄膜进行金属化处理，然后施加使得待测样品薄膜内部不会发生空间电荷的注入和积累的低电场，此时样品内的内电场等于外电场，即为均匀电场，接着对待测样品薄膜一侧的金属电极击打短激光，测量待测样品薄膜的实测热响应电流信号；

实验中所加为直流电压，求传递函数时所加的电压值较低，确保了在该电压值下薄膜样品不会发生空间电荷的注入，也就是说，此时获得的信号是由除薄膜内部注入的空间电荷以外的其它一切因素比如系统误差等综合作用得到的。本发明正是需要排除这些因素的影响。如果不能保证内部电场均匀，那么获得的信号会受注入空间电荷的影响。系统传递函数本质上是除注入空间电荷以外的其它因素对信号的作用。

S2：根据步骤S1中的激光和待测样品薄膜材料参数，计算待测样品薄膜内部的温升分布，从而计算待测样品薄膜的理想位移电流信号；

具体为：热脉冲法测量薄膜空间电荷的实验中，激光脉冲作用在试样的金属电极上后转化为热量，向待测薄膜介质内传播，当薄膜的厚度远小于其横向尺寸时，试样在表面方向的热扩散可忽略不计，热量在薄膜厚度方向的传播符合一维热传导方程：

将激光以及薄膜材料相关的参数代入一维热传导方程，在测量时间内可将样品两侧视为绝热，计算出试样内部温升分布如下：

式中，τ_th是试样与环境温度达到热平衡的时间常数且τ_th＞＞τ，τ＝d²/(π²D)是试样内部达到热平衡的时间常数，d为试样厚度，T₀＝ηq/cρAd为试样内部达到热平衡后的平均温升大小，其中，η为受辐照电极对光照的吸收率，q为辐照激光脉冲的能量大小，c为试样的比热容，ρ为试样的密度。

将温升分布与S1中的电场值一并代入下式中计算出该实验条件下的理想位移电流信号i(t)；

理想位移电流信号的计算表达式为：

g(x)＝ε₀ε_r(α_ε-α_x)E(x)+P(x)

式中，i(t)为测量电流信号，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，α_ε为待测样品薄膜介电常数的温度系数，α_x为待测样品薄膜的热膨胀系数，ε₀为真空的介电常数，ε_r为待测样品薄膜的相对介电常数，E(x)为待测样品薄膜内部的电场分布，P(x)为极化强度，ΔT(x，t)为待测样品薄膜内部瞬时温升分布。

S3：将所述实测热响应电流信号i₀(t)和理想位移电流信号i(t)进行傅里叶变换，获得它们的频域表达式I₀(ω)和I(ω)；从而计算系统传递函数。

实际获得的响应信号受整个测量系统的频率响应特性的影响，由于它造成的信号失真是测量系统的一种系统误差，因此，实验测得的热脉冲响应信号i₀(t)可以看作理想位移电流i(t)和测量系统的传递函数h(t)的卷积：

在频域上表示为：

I₀(ω)＝I(ω)×H(ω)

设法获得系统的传递函数，那么就可以用该传递函数对该测量系统得到的位移电流信号进行校正，传递函数H(ω)就是测量系统的频率响应特性。

即，所述系统传递函数的计算表达式为：

H(ω)＝I₀(ω)/I(ω)

式中，H(ω)为系统传递函数，I(ω)为理想位移电流信号的频域表达式，I₀(ω)为实测热响应电流信号的频域表达式。

实际计算校正阶段，包括以下步骤：

A1：测量所述待测样品薄膜的实际热响应电流信号，并转化为频域表达式，然后根据预先获取的与所述待测样品薄膜相对应的系统传递函数，对所述实际热响应电流信号进行校正，获取校正后的热响应电流信号；

校正后的热响应电流信号的计算表达式为：

I′₁(ω)＝I′(ω)/H(ω)

式中，I′₁(ω)为校正后的热响应电流信号，I′(ω)为实际热响应电流信号，H(ω)为系统传递函数。

以尺度变换法为例，对理想位移电流信号的计算方程进行求解，得到某电压下校正后样品内部的电场分布：

式中，g₁(x)为校正后待测样品薄膜内部的电场分布，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，

为校正后的热响应电流信号I′₁(ω)实部与虚部的差值，D为待测样品薄膜的热扩散系数，η为受辐照电极对光照的吸收率，c为试样的比热容，ρ为试样的密度，x表示薄膜厚度方向上的位置。

参考图2和图3，为在对响应信号进行全场校正前后，利用尺度变换法，计算得到的电场分布对比结果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量待测样品薄膜的实际热响应电流信号，并转化为频域表达式，然后根据预先获取的与所述待测样品薄膜相对应的系统传递函数，对所述实际热响应电流信号进行校正，获取校正后的热响应电流信号；

所述系统传递函数的获取包括以下步骤：

S1：对待测样品薄膜进行金属化处理，然后施加使得待测样品薄膜内部不会发生空间电荷的注入和积累的直流低电场，接着对待测样品薄膜一侧的金属电极击打短激光，测量待测样品薄膜的实测热响应电流信号；

S2：根据步骤S1中的激光和待测样品薄膜材料参数，计算待测样品薄膜内部的温升分布，从而计算待测样品薄膜的理想位移电流信号；

S3：将所述实测热响应电流信号和理想位移电流信号分别转化为频域表达式，从而计算系统传递函数。

2.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述理想位移电流信号的计算表达式为：

g(x)＝ε₀ε_r(α_ε-α_x)E(x)+P(x)

式中，i(t)为测量电流信号，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，α_ε为待测样品薄膜介电常数的温度系数，α_x为待测样品薄膜的热膨胀系数，ε₀为真空的介电常数，ε_r为待测样品薄膜的相对介电常数，E(x)为待测样品薄膜内部的电场分布，P(x)为极化强度，ΔT(x,t)为待测样品薄膜内部瞬时温升分布。

3.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述系统传递函数的计算表达式为：

H(ω)＝I₀(ω)/I(ω)

式中，H(ω)为系统传递函数，I(ω)为理想位移电流信号的频域表达式，I₀(ω)为实测热响应电流信号的频域表达式。

4.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述校正后的热响应电流信号的计算表达式为：

I′₁(ω)＝I′(ω)/H(ω)

式中，I′₁(ω)为校正后的热响应电流信号，I′(ω)为实际热响应电流信号，H(ω)为系统传递函数。

5.根据权利要求4所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述全场校正方法还包括根据所述校正后的热响应电流信号，计算校正后待测样品薄膜内部的电场分布，所述校正后待测样品薄膜内部的电场分布的计算表达式为：

式中，g₁(x)为校正后待测样品薄膜内部的电场分布，A为待测样品薄膜的受辐射面积，d为待测样品薄膜厚度，

为校正后的热响应电流信号I′₁(ω)实部与虚部的差值，D为待测样品薄膜的热扩散系数，η为受辐照电极对光照的吸收率，c为试样的比热容，ρ为试样的密度，x表示薄膜厚度方向上的位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，通过傅里叶变换进行所述频域表达式的转换。

7.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述对待测样品薄膜进行金属化处理具体为，对所述待测样品薄膜的两侧蒸镀电极。

8.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述待测样品薄膜内部的温升分布的计算过程包括：

在薄膜厚度方向上，将步骤S1中的激光和待测样品薄膜材料参数代入一维热传导方程中，计算所述待测样品薄膜内部的温升分布。

9.根据权利要求8所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述一维热传导方程的表达式为：

式中，D为待测样品薄膜的热扩散系数，ΔT(x,t)为待测样品薄膜内部瞬时温升分布。

10.根据权利要求1所述的一种用于热脉冲法响应信号校正的全场校正方法，其特征在于，所述待测样品薄膜内部的温升分布的计算表达式为：

式中，τ_th为待测样品薄膜与环境温度达到热平衡的时间常数且τ_th＞＞τ，τ＝d²/(π²D)为待测样品薄膜内部达到热平衡的时间常数，d为待测样品薄膜厚度，T₀＝ηq/cρAd为待测样品薄膜内部达到热平衡后的平均温升大小，其中，η为受辐照电极对光照的吸收率，q为辐照激光脉冲的能量大小，c为试样的比热容，ρ为待测样品薄膜的密度。

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