基于反铁电PLZST厚膜相变脉冲电流的温度传感方法

夏文新

(洛阳职业技术学院，河南洛阳 471000)

反铁电晶体功能材料由于其奇特的相变行为，及其在能量存储、信息传感和能量转化等领域潜在的广泛应用前景，受到各国研究学者的青睐［1-3］。反铁电材料在反铁电态(AFE)转变为铁电态(FE)的晶体相界附近，具有丰富的结构相，反铁电体在外场作用下发生AFE态与FE态之间相变，相邻子晶格偶极子发生翻转极化释放电荷，宏观表现为电流［4］。目前反铁电材料按组份可主要分为两大类系，即(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O3(PLZST)和(Pb，La)(Zr，Ti)O3(PLZT)，其中前者在电场环境处理后存在剩余极化并处于FE态，且受外场诱导触发相变过程中属FE-AFE相变，其相变电流强度高于后者［5］。

本文针对反铁电PLZST材料受温度诱导表现出的优异热电换能特性，提出了一种基于基于反铁电PLZST厚膜相变脉冲电流效应的温度传感方法及系统。主要研究了PLZST陶瓷厚膜材料的相变效应，分析了其对温度场的诱导响应机制与相变效应电流输出特性，采用高精度电流放大电路实现了温度传感信号的后级触发应用。该系统将为复杂电磁环境下的温度监控测试提供了新的技术途径。

1 反铁电PLZST厚膜研究

本文采用的PLZST陶瓷厚膜样片结构见图1，为圆形薄片。其中反铁电PLZST陶瓷厚膜功能材料通过LTCC工艺烧制而成，其厚度约为200 μm，样片直径约7．1 mm;在 PLZST 材料两面溅射电镀厚约10 μm的Ag电极，电极直径为7．0 mm。

图1 反铁电PLZST陶瓷厚膜结构示意图

该系列样片使用前需做高压极化处理，即将呈反向的相邻子晶格偶极子翻转为同向，使本样片晶相处于FE状态。

1．1 FE-AFE相变效应表述

反铁电(Pb0．97La0．03)(Zr0．75Sn0．25－xTix)O3(x=0．10，0．105，0．11)材料组分式可简写为 PLZST(0．03/0．75/0．25 － x/x)。为分析这三种组分陶瓷厚膜样片相变对温度的响应，采用 Agilent 4284A阻抗分析仪对材料介电常数ε进行测试，将样片放置于线性温度控制台上加热，测试范围在20～200℃，升温速率50℃/min，其介电温谱见图2。

介电温谱中的每一个介电峰值与晶体的相界转化相对应，表示FE-AFE相变，即PLZST(3/75/15/10)对应的相变温度为105℃，PLZST(3/75/14．5/10．5)为 125 ℃，PLZST(3/75/14/11)为 145℃，与预期的组分设计相符合。其中168℃为样片的居里温度点，超过此温度时晶体材料呈现顺电态(PE)。

图2 PLZST厚膜介电温谱曲线

1．2 相变电流特性测试

采用Agilent 6517B静电计测量置于温度控制台上的PLZST厚膜样品的输出电荷q并做微分运算，得到其受温度诱导相变产生的电流强度I，如图3所示。经对比，其电流温谱与介电温谱吻合，相变电流脉冲温谱宽度约10℃，由于其较窄的温度响应范围与较精确的相变温度，为其面向温度传感方向应用奠定了有利条件。

图3 PLZST厚膜相变电流曲线

受样品电极面积S制约，电流值不能准确反映热电耦合换能强度关系，故采用电流密度D(单位A·cm－2)统一表征反铁电材料热释电输出性能［6，7］，即 D=I/S。PLZST 陶瓷厚膜材料的温度诱导相变瞬态脉冲电流强度最大达9．6×10－6A，相对应的电流密度约2．5 ×10－5A·cm－2。

2 温度传感系统设计分析

2．1 信号调理电路设计

为利用PLZST陶瓷厚膜产生的电流脉冲信号，设计了如图4所示的信号调理电路，主要由电流/电压信号转换电路、自动增益控制电路(AGC)和跟随电路组成，进而产生面向后级应用的TTL脉冲触发信号。

图4 相变电流信号调理电路系统

采用AD549静电计型运算放大器将电流信号转化为电压信号［8-10］，该电路模块输出电压幅值V1表示为V1=Ii×R1，式中:Ii为相变电流，R1为反馈电阻。由于相变电流的量级较低，为保证电流-电压信号放大精度，考虑失调电压VOS引起的误差电流IOS=VOS/RS，式中，RS为陶瓷采样电阻阻值。已知PLZST厚膜相变电流输出值为Ii，经电流/电压信号转换电路得到的信号输出幅值V1=Ii× R1=0．96 V。

针对不同组分PLZST厚膜相变电流输出幅值及其放大电压信号幅值的差异，使用基于LM358与场效应管的ACG电路对信号幅值进行自动增益控制。增益的自动变化主要取决于FET的漏极电流，此处宏观表现为源级和漏级两端的电阻Rds，利用其传输特性曲线饱和段斜率或陡峭部分的沟道导纳效应，实现对LM358二级放大电路增益的负反馈控制，将信号输出幅值限制在5 V左右。最后通过OPA606的同相跟随电路输出具有较强带载能力的TTL脉冲触发信号。

2．2 实验分析

采用Tektronix TDS1001B数字示波器测量以PLZST(3/75/15/10)陶瓷厚膜样品为例的温度传感触发系统输出信号，见图5。其波形与材料相变产生的瞬态脉冲电流相符，幅值约4．8 V，与信号调理电路的设计输出幅值基本匹配。

图5 TTL脉冲触发信号波形

经多次重复试验，得到脉冲信号幅值为4．8±0．2 V，基本保持稳定。该TTL脉冲触发输出信号可适用于模拟/数字信号的多种触发机制，可实现后级系统的带载驱动、延时控制和数字逻辑控制等功能，具有一定的应用前景。

3 结 论

采用 LTCC 低温共烧工艺制备了(Pb0．97La0．03)(Zr0．75Sn0．25－xTix)O3(x=0．10，0．105，0．11)系列组分反铁电陶瓷厚膜功能材料，其温度诱导相变电流密度达 10－5A·cm－2量级。实现了基于AD549的电流/电压转换电路，采用 LM358的AGC电路和OPA606的负载增强电路系统，产生面向后级控制应用的TTL脉冲触发信号，信号幅值4．8±0．2 V。该基于PLZST厚膜相变电流的温度传感方法与系统，为新型功能材料温度传感控制提供了一种新的技术途径。

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