薄_厚膜压电参数测量方法的研究进展
薄/厚膜压电参数测量方法的研究进展*
王青萍1,2,姜胜林2,熊龙宇2,曾亦可2
(1 湖北第二师范学院物理与电子信息工程系,武汉430205;2 华中科技大学电子科学与技术系
教育部敏感陶瓷工程研究中心,武汉430074)
摘要 介绍了当前测量薄/厚压电参数的2大类方法:直接测量法(包括Berlincour t 法、圆片弯曲技术、激光干涉法、扫描激光多普勒振动法、原子力显微镜法)和间接测量法(包括体声波响应和表面声波响应法、复合谐振法)。详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况和存在的问题,比较了这些方法的优缺点。结果表明,高分辨率的双束激光干涉和表面扫描振动相结合的方法将是评估压电参数方便、准确和可靠的方法,有望成为将来表征薄/厚膜压电特性的标准方法。
关键词 薄/厚膜 压电参数 测量方法中图分类号:T M282 文献标识码:A
Research Development of Measurement Methods for Piezoelectric
Coefficient of Thin/Thick Film
WANG Qingping
1,2
,JIANG Shenglin 2,XIONG Longyu 2,ZENG Yike
2
(1Physics &Electronics Department,H ubei University of Educat ion,Wuhan 430205;2 Depar tment of Electronic Science and
Technology,Engineer ing Research Centr e for F unctiona l Ceramics MOE,H uazhong University
of Science and T echnology,Wuhan 430074)
Abstr act Two categories of measuring piezoelectr ic propert ies of t hin/thick films are introduced in this paper:direct measur ement(including Belincour t method,wafer flexur e technique,laser interferometer met hod,laser scanning doppler vibr ometer met hod,atomic for ce micr oscopy)and indirect measurement (including bulk acoustic wave and sur face acoustic wave method,composit e resonator s).T he basic pr inciple,measurement char acter ization,a pplicat ion status and problems are illustrated specifically in this paper,the advantages/disadvantages of these techniques are ana 2lyzed for piezoelect ric applications,and the results show that combining the high resolut ion of the interfer ometer and the surface scanning ability of laser scanning vibromet er may lead to a convenient,accurate and reliable met hod for as 2sessing piezoelectr ic coefficient.And this method may be a standar d one for the development tr end of measurement technologies for piezoelelctr ic thin/thick film.
Key wor ds thin/thick f ilm,piezoelectric coefficient,measur ement methods
*国家高技术863计划(2007AA03Z120);国家自然科学基金(60777043)
王青萍:女,1980年生,讲师,硕士研究生 E 2mail:wqphust@https://www.wendangku.net/doc/df573025.html,
0 引言
压电薄/厚膜作为一种很有前景的材料被广泛应用在微机电系统(Micro 2electromechanical syst ems,MEMS)中,比如微致动器、微泵、化学传感器及移动通信中的射频滤波器[1,2]等。对MEMS 器件中压电薄/厚膜的研究有助于新器件的建模和设计,因此准确测量压电薄/厚膜的特性参数十分重要。由于薄/厚膜受衬底材料的影响,其压电特性的表征与体材料有很大的不同。目前,国内对薄/厚膜材料的压电测试表征非常少[3],国外对其已经做了很多工作,建立了很多创新技术。然而,文献报道中数据差异非常大,这意味着很多测试技术是不准确和不可靠的。因此迫切需要提出一种能被人们广泛接受的标准的测量薄/厚膜压电特性参数
的方法。
目前,薄/厚膜压电参数的测量方法有很多种,主要分为直接测量法和间接测量法。前者利用正逆压电效应直接检测由外加电场产生的位移或者施加负载产生的电荷,由此导出d 33或e 31;间接测量法利用诸如体声波[4-7]和表面声波[6-9]等压电效应来研究薄/厚膜的机械特性(应力和应变)与电学特性(电压和电荷)之间的联系。本文主要分析和比较了当前测量薄/厚膜压电特性参数的各种方法。
1 直接测量法
1.1 Berlincourt 法
该技术是在薄/厚膜上下表面分别引出一个电极,对薄/厚膜的上下表面施加一个机械负载后,电极上就会有响应信
号输出。该方法基本上是一种准静态方法,由于响应速率比采样速率高出若干个数量级,所以得到的数据是可靠的。该方法[10]把动态的应力F 加在与极化方向平行的方向上,然后测量应力表面产生的电荷Q ,由此得到纵向压电系数d 33=Q max /F max 或者d 33=d Q /d F 。
这种方法的特点是简单、损耗低、准确性低,而且能在尺度、几何学、频率、温度和驱动压力幅度等相对较大的范围内进行测量。然而,这种方法能否用于表征薄/厚膜的压电特性还值得讨论,因为对于沉积在厚衬底上的薄/厚膜在不产生弯曲效应的情况下很难产生均匀的单轴应力,而这种弯曲效应会通过横向压电效应产生大量的电荷[11],导致测量结果有较大偏差。
1.2 圆片弯曲技术
圆片弯曲技术的原理如图1所示[12]。这种测量d 31的弯曲技术是建立在直接压电效应上的,附有PZT 衬底的弯曲度对薄膜产生同一平面上2个方向的机械应力,受压的薄膜会对电路产生的表面电荷作出反应。加在薄膜上的应力由小偏差版图理论得到,由此得到压电系数的表达式:
D 3=d 31(R 1+R 2)(1)式中:d 31是横向压电系数,D 3是介质电位移,R 1和R 2是加在
薄膜上的应力。
图1 样品弯曲技术原理图
Fig.1 S chematic of the wafer fle xure technique 这种方法的优点是压电薄膜不易破坏,加载更加均匀,能明显减少损耗、降低复杂性,缩短测量d 31的时间,而且样品附在不光滑的硅衬底上,消除了形成毫米尺度悬臂梁的必要。均匀压力法的缺点是它需依赖于数学模型才能产生正确的结果,而且对衬底的尺寸、支架环和测试电容的位置需测量精确。除此之外,样品的装载方式相对复杂,需要使用特殊的夹持装置,如O 型圈或定位圈等。
1.3 激光干涉法
Muensit 等[13]报道的单束激光干涉法采用Michelson 或Mach 2Zehnder 方案,可以检测到活动样品表面的微小位移。图2揭示了Michelson 单光束干涉测量仪的工作原理。首先,一束极化激光经过凸透镜聚焦后分为完全相同的2束。用于检测的一束激光直接照射到覆盖了上电极的样品表面之后反弹回来,另一束激光遇到位于参考臂上的参考镜面后也被反弹。2束反射光在分光镜中复合,在检测平面上生成干涉图样。干涉仪要得到最佳结果就必须使其在最大光灵敏度条件下工作,比如K /4位置,接入反馈回路就可以使系
统的工作点非常接近最佳工作点。当样品在交流信号V 0驱
动下以相对较低的频率振动时,光电二极管捕捉到相应的干涉强度的变化,内置放大器将这一变化放大后进行监控。如果样品的表面位移较小(小于10nm),干涉强度的变化将与表面位移呈线性比例关系。由于干涉测量法对位移有极高的分辨率(小于10-3nm),所以将其应用在超薄的膜片上得到的估算结果仍然保持着良好的可靠性。
图2 单束激光干涉法装置图Fig.2 S chematic drawing of single 2beam
Michelson interferome try
然而,单束激光干涉法有2个致命的缺点:(1)膜片和衬底紧贴在一起致使厚度方向上的振动受到严重抑制;(2)膜片的振动会使衬底弯曲变形,衬底的形变引起的位移可能比膜片本身的位移高出若干个数量级。A.L.Kholk in 等[14]给出了一种估计衬底弯曲效应的算法,并提供了几种降低这种效应的方法。双束激光干涉法[7]
能很好地解决单束激光干涉法的衬底移动和弯曲效应问题,由于入射到样品正反两面的双束激光的光程差保持在干涉的同一信号点上,因此基本上能消除弯曲效应。最后干涉的光强被探测器转换成电信号并经过锁相放大和窄带滤波检测,所测得的输出电压与位移量的关系为:
V out =V dc +(2P
K
)V pp $L(t)(2)
式中:V out 为直流偏置电压;K 为光波长;V pp 为对应于条纹位移的峰峰电压;$L 为电场引起的光程差。由此得到压电薄
膜的逆压电参数[15]
为:
d 33=K V out
2P V pp V in (3)
式中:d 33为逆压电参数;V in 为输入正弦交流信号。
这种方法的优点是分辨率更高,能达到10-14m,是目前被普遍接受的测量压电薄膜d 33的方法。但其缺点有:(1)当薄膜样品随温度变化且空气的折射率不同以及系统不稳定时,该法对噪音非常敏感。一般来说,该方法需要在非常安静的环境下进行。(2)这种方法需要样品表面有很高的反射率,否则会严重影响测量结果。在实践中,通常根据有限元仿真与测试结果证明,当衬底大部分没被箝住时,衬底弯曲是薄膜厚度变化的好几个数量级。这种情况下,直接反射在薄膜上下表面的双束激光的微小变化都会造成严重的测量错误,因此需小心操作才能得到准确的结果。(3)这种方法采用的是单点测量,不能从移动的衬底精确测量薄膜厚度的变化,为测量d 33提供充分的信息;(4)当MEMS 器件比激光波长短或者薄膜的背面接触不良时,这种方法不能应用于MEMS 器件的压电薄膜中。因此很多研究者对其进行了改
进[2-16]
,其中K Yao 等采用激光多普勒振动仪多点测量法大大提高了测量的准确性和可靠性[17]。
1.4 扫描激光多普勒振动法
扫描激光多普勒振动(SLDV )法[18]的原理如图3所示。该原理图包含2个主要器件:扫描头和控制/处理系统。OFV 2056扫描头是改进的Mach 2Zehnder 干涉仪,它能够执行2个空间的表面扫描,与OFV 230012SL DV 控制器一起输出与表面振动成比例的模拟电压,然后将该电压反馈到PSV 2Z 2040功能箱。该功能箱是连接扫描头、LDV (Laser Doppler vibrometer)控制器和数据管理系统的核心元件。数据管理系统能够控制整个电路的数据采集、分析、
存储和传输。
图3 SLDV 测试原理装置图
Fig.3 Test setup of SLDV
这种方法最大的优点是能精确呈现压电效应效果,有非常高的空间分辨率,而且能降低因衬底弯曲和移动问题带来的测量错误,使得测量结果的可靠性和连贯性得到极大的提高,是目前测量压电薄膜参数非常普遍的方法之一。但其缺点是位移分辨率无法与干涉法相比拟,因为它的位移并非直接得到,而是由多普勒频率变化转换而来的。原因有以下几点:(1)位移的分辨率严重依赖于测试频率;(2)由于该系统带宽有限制,在高频范围内随着频率的增加测量的位移数据会降低;(3)磁滞回线的测量很耗时间,由于其每个点都是由位移分辨率的线性扫描得到,因此需多次扫描才能得到完整的磁滞回线。
1.5 原子力显微镜法
原子力显微镜法(AFM)有时也叫作压电力显微镜法(PFM)[19]
,是目前表征压电薄/厚膜及铁电性能最直观最有效的方法,其原理图如图4所示。当压电陶瓷管带动样品在X Y 轴方向扫描时,针尖与样品表面轻轻接触,其作用力引起微悬臂的变形,一束激光照射到微悬臂背面,微悬臂将激光束反射到光电检测器中,检测器不同象限接收到的激光强度差值与微悬臂的变形量会形成一定的比例关系,反馈系统根据检测器电压的变化不断调整压电陶瓷管Z 轴方向的位置,扫描位置作为X 、Y 方向的信号,从而得到样品的表面形貌图像。根据此原理,压电薄膜的纵向压电系数d 33可量化为[3]:
d 33=k s
V L 薄膜
V AC
(4)
式中:k s 为比例系数,且k s =$S 石英/V L 石英=V AC d 11/V L 石英;
$S 石英为晶片的纵向形变;d 11为晶片的给定参数,d 11=2.
3pm/V ;V AC 为加在石英晶片上的交流电压;V L 石英为锁相放
大器输出的石英晶片输出值;V L 薄膜为压电薄膜测试的输出值。
图4 AFM 测量薄膜压电参数装置图
Fig.4 Test setup of piezoelectric coefficient
of thin film for AFM
这种方法的特点是空间分辨率比激光干涉法高,但是灵敏度没有激光干涉法的高,这主要是由于针尖与薄/厚膜之间的电接触较差以及施加应力时压电响应受到了夹持。还有,加在样品上的电场很不均匀,导致测量的d 33有很大的不确定性。为了克服这个缺点,人们把几微米或几十微米的上电极沉积在薄/厚膜的表面,然后重新把交流电压加在针尖和薄/厚膜的低电极上,从而使分布在薄膜厚度方向上的电场和加载的电压均匀。实验表明这种方法测得的压电系数更可靠[19]
。Jungk 等报道了一种可靠的压电力显微镜法,详细分析了测量压电参数时可能碰到的困难并提出了不同的
解决方案[20,21]
。
2 间接测量法
评估薄膜的压电特性有很多间接测量方法,这些方法通过观察薄膜的表面形貌、内部的微观结构组成和其它纳米机电特性来研究压电薄膜的基本特性,需要实验数据来建立薄膜特性与压电特性之间的关系。通常,被观察的样品是有上下电极的压电薄膜,薄膜平贴在某个块体或厚片(衬底)上。这类方法可以称为动态方法。动态方法最常见的困难在于要最终计算出d 33或d 31,因此,必须作一些硬性的假设,并且要获得块体所用材料的某些特性作为参考来进行近似计算。此类方法很多,我们只简要介绍了其中2种典型的方法。
2.1 体声波和表面声波响应法
声波法将生长在衬底上的压电薄膜作为一个换能器,在
交流电场激励下,薄膜上的电极产生体声波(BAV)[4-7]
或表
面声波(SAW)[6-9]
。SAW 在薄膜的表层传播,从一端出发,被另一端的电极接收到。将这种方法和脉冲频率测量法结合起来就可以将发出的信号和收到的信号及时分开,进而确定换能器的转化损耗。随后到达的一系列反射信号常被用于确定衬底的声波传播损耗,从而确定薄膜的耦合因数。通常,声波的穿透深度是波长的几百倍,且由耦合系数决定,而纯剪力点的位移能决定声波在晶体边界法线的反射,在这种情况下,声波的穿透性越强,反射就越完全,因为此时基本上属于一种体声波(BAW)[8]。BAV 沿纵向传播,从上电极出发到达衬底的有限深度处被反射回来。
对于BAW,在纯厚度模态下,d 33或e 33可根据耦合因数k 2
t 式(5)确定:
d /s D
33
(5)
式中:E S33是在很高频率(大于薄/厚膜自然频率)下测得的介电常数;s D33是弹性柔顺系数;上标S和D分别表示稳态和动态模式。由于大的耦合系数能使通信微型器件获得好的频率定义和稳定性及低的功耗,因此很多研究者对其进行了研究,其中文献[5,9]对压电薄膜体声波共振器的耦合因数做了详细阐述,获得了能表征压电薄膜的有效耦合系数。对于SAW,用相似的方法可以得到e31和d31。
这种方法简单直接,得到的数据可靠,准确性高,被广泛应用在IC集成的各种反射振荡器和低噪音放大器中。
2.2复合谐振法
在不考虑电极非常薄的情况下,最初为了研究由1层薄膜和1层衬底组成的双层复合结构而发展出了复合谐振法[22],后来发展到3层、4层的过模谐振法[5]。这种方法适合表征微器件中压电薄膜的物质特性,主要考虑了电极和衬底的效应,其基本原理是薄膜在电的激励下产生体声波(BAW),然后通过压电谐振器的输入阻抗频谱中的信息(比如一系列谐振频率),进而得到压电薄膜的弹性系数和机电特性[23]。事实上,任何模型都得把复合谐振法考虑进去。
4层复合共鸣器的原理图[24]如图5所示,则4层复合的输入阻抗可表示为:
Z in=1
j X C01-k t2
C
(z1+z2)sin C+j2(1-cos C)
(z1+z2)cos C+j(1+z1z2)sin C(6)
式中:C0=E S33S/l是谐振器的静态电容,S是电极的面积,E S33是压电复合层的介电常数,是在大于AlN自然频率的高频下测得的;l是压电复合层的厚度;k2t=d233C D33/E0(E S33)是压电板层的机电耦合系数;C D33=Q V2是弹性柔顺系数;C=X l/V是纵向声波以速度V在压电板层中传播的相移,X是角频率; z1和z2是压电板层两面的声波阻抗,可规一化为Z0=S Q V,Q是板层的密度。通过多次仿真分析,由复合谐振器的一系列谐振频谱,可直接得到3个重要的参数Q、k2t和V,由此得到AlN薄膜的压电系数:
d33=k
2
t E0E S33
C
D
33
(7)
这种方法的优点是:(1)可以通过阻抗测量法直接得到3个重要的参数;(2)测量系统的标准并不重要,只需关注谐振频率的分布就可以了。而且,通过这种方法得到的耦合系数对压电薄膜的损耗并不明显,这就意味着此法可应用在中高损耗和低Q压电薄膜的表征中。缺点是谐振器的电极必须非常薄,能与薄膜的厚度相比拟,这就把这种方法限制在频率为1GH z以下。而且在并行谐振频率范围内必须有足够的谐振点,从而需要衬底对压电薄膜有很大的厚度比率,因此,衬底参数的不准确会对谐振频谱法产生很大的影响,测出的压电参数的准确性就会降低。
图5典型的4层复合共鸣器的结构图
Fig.5A typical four2layer composite resonator
3结语
本文介绍了当前测量薄/厚膜压电参数具有代表性的7种方法,其原理/操作方式、分辨率、可靠性及优缺点各有差异,总结如表1所示。
表1当前薄/厚膜压电参数的各种测量方法
T able1St ate2of2art measuring methods for piez oelectric coefficient of t hin/thick film 方法原理/操作方式可靠性优点/缺点
Berlincourt正压电效应,直接/准静态测量d33低直接,简单,准确性低
圆片弯曲技术正压电效应,直接/非接触,动态d31低加载均匀,设备复杂,准确性低
单束激光干涉逆压电效应,直接/非接触,动态d33高直接,位移分辨率高,数据可靠,有弯曲效应和衬底移动问题
双束激光干涉逆压电效应,直接/非接触,动态d33高
直接,位移分辨率高,数据可靠,
解决了弯曲效应和衬底移动,单点测量,空间分辨率不高
激光扫描多
普勒振动
逆压电效应,直接/非接触,动态d33高位移分辨率较低,频率有限制,可靠性高,空间分辨率高原子力显微镜逆压电效应,接触,动态d33高空间分辨率很高,位移分辨率不高,加载电压不均匀体声波和表面声波正压电效应,间接/非接触,动态d33低简单,直接,准确性高复合谐振逆压电效应,间接/非接触,动态d33低直接,分辨率较低,可靠性差,衬底效应,频率有限制
由表1可以看出,直接方法中的Berlincourt法虽然简单,易于实现,但是准确性低;圆片弯曲技术虽然加载均匀,但是设备复杂,准确性也不高;而激光干涉法中单束激光干涉法的位移分辨率很高,但存在衬底弯曲效应和移动问题;双束激光干涉法虽能克服这2个问题,位移分辨率更高,测量数据更可靠,但是属于单点测量,空间分辨率不高;原子力显微镜法的空间分辨率很高,但是位移分辨率不高,加载电压也不均匀;间接方法中的体声波和表面声波响应法与复合谐振法的可靠性都比较低,因此很少采用。由于测量方法不同,对同种材料测量的结果有很大差异,因此,迫切需要提出一种标准表征薄/厚膜压电特性的测量方法。目前,国际上大多采用高分辨率的双束激光干涉法,Wang等[16]采用高分辨率的双束激光干涉与表面扫描振动相结合的方法,大大提高了测量的准确性和可靠性。这种方法有望成为将来表征
薄/厚膜压电特性的标准方法。
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(责任编辑王炎)
如何进行晶粒度分析
教你如何进行晶粒度分析 金属晶粒的尺寸(或晶粒度)对其在室温及高温下的机械性质有决定性的影响，晶粒尺寸的细化也被作为钢的热处理中最重要的强化途径之一。因此，在金属性能分析中，晶粒尺寸的估算显得十分重要。那么根据一张金相照片我们能从中得到哪些信息呢？ 首先来看看这一段小视频 视频：晶粒度分析 一、晶粒度概述 晶粒度表示晶粒大小的尺度。金属的晶粒大小对金属的许多性能有很大影响。晶粒度的影响，实质是晶界面积大小的影响。晶粒越细小则晶界面积越大，对性能的影响也越大。对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。 二、测定平均晶粒度的基本方法 一般情况下测定平均晶粒度有三种基本方法：比较法、面积法、截点法。具体如下 1、比较法：比较法不需计算晶粒、截矩。与标准系列评级图进行比较，用比较法评估晶粒度时一般存在一定的偏差(±0.5级)。评估值的重现性与再现性通常为±1级。 2、面积法：面积法是计算已知面积内晶粒个数，利用单位面积晶粒数来确定晶粒度级别数。该方法的精确度中所计算晶粒度的函数，通过合理计数可实现±0.25级的精确度。面积法的测定结果是无偏差的，重现性小于±0. 5级。面积法的晶粒度关键在于晶粒界面明显划分晶粒的计数
图：面积法 3、截点法：截点数是计算已知长度的试验线段（或网格）与晶粒界面相交截部分的截点数，利用单位长度截点数来确定晶粒度级别数。截点法的精确度是计算的截点数或截距的函数，通过有效的统计结果可达到±0.25级的精确度。截点法的测量结果是无偏差的，重现性和再现性小于±0.5级。对同一精度水平，截点法由于不需要精确标计截点或截距数，因而较面积法测量快。 同心圆测量线（截点法） 三、金相图具体案例分析 以上只是大致的测定方法太过笼统，如果真的拿到一个具体的微观照片，我们该怎么做呢？下面我们来看一下具体操作与计算方法。
双极性运算放大器参数的测试
实验35双极性运算放大器参数的测试运算放大器（简称运放）是一种直接耦合的高效增益放大器，在外接不同反馈网络后，可具有不同的运算功能。运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、积分等数学运算外，还在自动控制，测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛的应用。 为了更好的使用运算放大器，必须对它的各种参数有一个较为全面地了解。运算放大器结构十分复杂，参数很多，测试方法各异。 本实验的目的是熟悉运算放大器主要参数的测试原理，掌握这些参数的测试方法。 一、实验原理 运算放大器的符号如图，它有两个输入端，一个是反相输入端用“—”表示，另一个位同相输入端，用“+”表示。可以单端输入，也可以双端输入。若把输入信号接在“—”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。若两个输入端同时输入信号电压为V_和V+时，其差动输入信号为V ID=V_—V+。开环输出电压Vo=Avo V ID，Avo 为开环电压放大倍数。 运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。通常是接在输出端和反相输入端之间。 1.开环电压增益 开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其值为输出电压变化量⊿Vo和输入电压变化量⊿V I之比
Avo = ⊿Vo/⊿V I （） 由于Avo 很大，输入信号V I 很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引入了较大的测试误差，实际测试中难以实现。测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。测试原理如图所示。 图 运算放大器符号 直流通过R F 实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。取C F 足够大，以满足R F >>1/ΩC F ，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。这样只要测得交流信号和电压V S 和V O 和，就能得到 206 Avo = Vo/V I = Vo/[R1/(R+R2) Vs]=(R1+R2)/R1?(Vo/V S ) 在讯号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的倍，此时频率为开环带宽。 2.输入偏置电流I IB 当运算放大器的输出电压为零（或规定值）是流入两个输入端偏置电流的平均值，为输入偏置电流I IB 。设两偏置电流为I IB1和I IB2，则
压电陶瓷测量原理..
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
ASTM E112(版本未知) 平均晶粒尺寸测试方法(中文)(非官方)
金属平均晶粒度测定方法 1 范围 1.1 本标准规定了金属组织的平均晶粒度表示及评定方法。这些方法也适用晶粒形状与标准系列评级图相似的非金属材料。这些方法主要适用于单相晶粒组织，但经具体规定后也适用于多相或多组元和试样中特定类型的晶粒平均尺寸的测量 1.2 本标准使用晶粒面积、晶粒直径、截线长度的单峰分布来测定式样的平均晶粒度。这些分布近似正态分布。本标准的测定方法不适用于双峰分布的晶粒度。双峰分布的晶粒度参见标准E1181。测定分布在细小晶粒基体上个别非常粗大的晶粒的方法参见E930。 1.3本标准的测量方法仅适用平面晶粒度的测量，也就是试样截面显示出的二维晶度，不适用于试样三维晶粒，即立体晶粒尺寸的测量。 1.4 试验可采用与一系列标准晶粒度图谱进行对比的方法或者在简单模板上进行计数的方法。利用半自动计数仪或者自动分析晶粒尺寸的软件的方法参见E1382。 1.5本标准仅作为推荐性试验方法，它不能确定受检材料是否接收或适合使用的范围。1.6 测量数值应用SI单位表示。等同的英寸－英镑数值，如需标出，应在括号中列出近似值. 1.7 本标准没有列出所有的安全事项。本标准的使用者应建立适合的安全健康的操作规范和使用局限性。 1.8 章节的顺序如下：
2、参考文献 2.1ASTM标准 E3 金相试样的准备 E7 金相学有关术语 E407 微蚀金属和合金的操作 E562计数法计算体积分数的方法
E691 通过多个实验室比较决定测试方法的精确度的方法 E883 反射光显微照相指南 E930 截面上最大晶粒的评估方法（ALA晶粒尺寸） E1181双峰分布的晶粒度测试方法 E1382 半自动或全自动图像分析平均晶粒度方法 2.2 ASTM附件 2.2.1 参见附录X2 3 术语 3.1 定义－参照E7 3.2 本标准中特定术语的定义： 3.2.1 ASTM晶粒度——G,通常定义为 公式（1） N AE为100倍下一平方英寸（645.16mm2）面积内包含的晶粒个数，也等于1倍下一平方毫米面积内包含的晶粒个数，乘以15.5倍。 3.2.2＝2.1 3.2.3 晶界截点法——通过计数测量线段与晶界相交或相切的数目来测定晶粒度（3点相交认为为1.5各交点） 3.2.4晶粒截点法——通过计数测量线段通过晶粒的数目来测定晶粒度（相切认为0.5个，测量线段端点在晶粒内部认为0.5个） 3.2.5截线长度——测量线段通过晶粒时与晶界相交的两点之间的距离。 3.3 符号
场效应管放大器实验报告
实验六场效应管放大器 一、实验目的 1、了解结型场效应管的性能和特点 2、进一步熟悉放大器动态参数的测试方法 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、信号发生器 三、实验原理 实验电路如下图所示：
图6-1 场效应管是一种电压控制型器件。按结构可分为结型和绝缘栅型两种类型。由于场效应管栅源之间处于绝缘或反向偏置，所以输入电阻很高（一般可达上百兆欧）又由于场效应管是一种多数载流子控制器件，因此热稳定性好，抗辐射能力强，噪声系数小。加之制造工艺较简单，便于大规模集成，因此得到越来越广泛的应用。 1、结型场效应管的特性和参数 场效应管的特性主要有输出特性和转移特性。图6－2所示为N 沟道结 图6－2 3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线 型场效应管3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线。 其直流参数主要有饱和漏极电流I DSS ，夹断电压U P 等；交流参数主要有低频跨导 常数U △U △I g DS GS D m == 表6－1列出了3DJ6F 的典型参数值及测试条件。
表6－1 2、场效应管放大器性能分析 图6－1为结型场效应管组成的共源级放大电路。其静态工作点 2 P GS DSS D )U U (1I I - = 中频电压放大倍数 A V ＝－g m R L ＇＝－g m R D // R L 输入电阻 R i ＝R G ＋R g1 // R g2 输出电阻 R O ≈R D 式中跨导g m 可由特性曲线用作图法求得，或用公式 )U U (1U 2I g P GS P DSS m -- = 计算。但要注意，计算时U GS 要用静态工作点处之数值。 3、输入电阻的测量方法 场效应管放大器的静态工作点、电压放大倍数和输出电阻的测量方法，与实验二中晶体管放大器的测量方法相同。其输入电阻的测量， S D DD g2 g1g1 S G GS R I U R R R U U U -+= -=
压电陶瓷性能参数解析
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
实验5 集成运算放大器参数测试
实验五 集成运算放大器参数测试 一、实验目的： 1．通过对集成运算放大器741参数的测试，了解集成运算放大器组件主要参数的定义和表示方法。 2．掌握运算放大器主要参数的测试方法。 二、实验原理： 集成运算放大器是一种使用广泛的线性集成电路器件，和其它电子器件一样，其特性是通过性能参数来表示的。集成电路生产厂家为描述其生产的集成电路器件的特性，通过大量的测试，为各种型号的集成电路制定了性能指标。运算放大器的性能参数可以使用专用的测试仪器进行测试（“运算放大器性能参数测试仪”），也可以根据参数的定义，采用一些简易的方法进行测试。本次实验是学习使用常规仪表，对运算放大器的一些重要参数进行简易测试的方法。 实验中采用的集成运算放大器型号为741，其引脚排列如图5.1所示。它是一种八脚双列直插式器件，其引脚定义如下： ①、⑤调零端； 图 5.1 741引脚 ②反相输入端； ③同相输入端； ④电源负极； ⑥输出端； ⑦电源正极； ⑧空脚。 以下为主要参数的测试方法： 1．输入失调电压： 理想运算放大器，当输入信号为零时其输出也为零。但在真实的集
成电路器件中，由于输入级的差动放大电路总会存在一些不对称的现象（由晶体管组成的差动输入级，不对称的主要原因是两个差放管的U BE 不相等），使得输入为零时，输出不为零。这种输入为零而输出不为零的现象称为“失调”。为讨论方便，人们将由于器件内部的不对称所造成的失调现象，看成是由于外部存在一个误差电压而造成，这个外部的误差电压叫做“输入失调电压”，记作U IO或V OS。 输入失调电压在数值上等于输入为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍数： 式中：U IO — 输入失调电压 U OO — 输入为零时的输出电压值 A od — 运算放大器的开环电压放大倍数 本次实验采用的失调电压测试电路如图5.2所示。闭合开关K1及K2， 使电阻R B短接，测量此时的输出电压U O1即为输出失调电压，则输入失调电压 图5.2 U IO，I IO测试电路 实际测出的U O1可能为正，也可能为负，高质量的运算放大器U IO一般在1mV以下。 测试中应注意： ①要求电阻R1和R2，R3和R F的阻值精确配对。 2．输入失调电流I IO 当输入信号为的零时，运放两个输入端的输入偏置电流之差称为输入失调电流，记为I IO（有的资料中使用符号I OS）。 式中：I B1，I B2分别是运算放大器两个输入端的输入偏置电流。 输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级的两个晶体管的失配度，由于I B1，I B2本身的数值已很小（μA或nA级），因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图5.2所示，测试分两步进行：1）闭合开关K1及K2，将两个R B短路。在低输入电阻下，测出输出
运放参数解释
运放带宽相关知识！ 一、单位增益带宽GB 单位增益带宽定义为：运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。 二、运放的带宽是表示运放能够处理交流信号的能力（转） 对于小信号，一般用单位增益带宽表示。单位增益带宽，也叫做增益/带宽积能够大致表示运放的处理信号频率的能力。例如某个运放的增益带宽=1MHz，若实际闭环增益=100，则理论处理小信号的最大频率=1MHz/100=10KHz。 对于大信号的带宽，既功率带宽，需要根据转换速度来计算。 对于直流信号，一般不需要考虑带宽问题，主要考虑精度问题和干扰问题。 1、运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。 2、比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。 3、当输出信号幅度很小在0.1Vp-p以下时，主要考虑增益带宽积的影响。 就是Gain Bandwidth=放大倍数*信号频率。 当输出信号幅度很大时，主要考虑转换速率Sr的影响，单位是V/uS。 在这种情况下要算功率带宽，FPBW=Sr/2πVp-p。 也就是在设计电路时要同时满足增益带宽和功率带宽。 运放关于带宽和增益的主要指标以及定义 开环带宽：开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。 单位增益带宽GB：单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽
实验5-集成运算放大器参数测试
实验5-集成运算放大器参数测试
实验五集成运算放大器参数测试 一、实验目的： 1．通过对集成运算放大器741参数的测试，了解集成运算放大器组件主要参数的定义和表示方法。 2．掌握运算放大器主要参数的测试方法。 二、实验原理： 集成运算放大器是一种使用广泛的线性集成电路器件，和其它电子器件一样，其特性是通过性能参数来表示的。集成电路生产厂家为描述其生产的集成电路器件的特性，通过大量的测试，为各种型号的集成电路制定了性能指标。运算放大器的性能参数可以使用专用的测试仪器进行测试（“运算放大器性能参数测试仪”），也可以根据参数的定义，采用一些简易的方法进行测试。本次实验是学习使用常规仪 36
37 表，对运算放大器的一些重要参数进行简易测试的方法。 实验中采用的集成运算放大器型号为741，其引脚排列如图5.1所示。它是一种八脚双列直插式器件，其引脚定义如下： ①、⑤ 调零端； ② 反相输入端； ③ 同相输入端； ④ 电源负极； ⑥ 输出端； ⑦ 电源正极； ⑧ 空脚。 以下为主要参数的测试方法： 1．输入失调电压： 理想运算放大器，当输入信号为零时其输出 图 5.1 -V +V Uo 123 4 5 678UA741(顶视) . .
38 也为零。但在真实的集成电路器件中，由于输入级的差动放大电路总会存在一些不对称的现象（由晶体管组成的差动输入级，不对称的主要原因是两个差放管的U BE 不相等），使得输入为零时，输出不为零。这种输入为零而输出不为零的现象称为“失调”。为讨论方便，人们将由于器件内部的不对称所造成的失调现象，看成是由于外部存在一个误差电压而造成，这个外部的误差电压叫做“输入失调电压”，记作U IO 或V OS 。 输入失调电压在数值上等于输入为零时的输出电压除以运算放大器的开环电压放大倍数： od OO IO A U U 式中：U IO — 输入失调电压 U OO — 输入为零时的输出电压值 A od — 运算放大器的开环电压放大倍数
运算放大器地全参数选择
运算放大器的参数指标 1.开环电压增益Avd 开环电压增益（差模增益）为运算放大器处于开环状态下，对小于200Hz的交流输入信号的放大倍数，即输出电压与输入差模电压之比。它一般为104~106，因此它在电路分析时可以认为无穷大。 2.闭环增益A F 闭环增益是运算放大器闭环应用时的电压放大倍数，其大小与放大电路的形式有关，与放大器本身的参数几乎无关，只取决于输入电组和反馈电阻值的大小。 反相比例放大器，其增益为 A F=－ RI RF 3.共模增益Avc和共模抑制比 当两个输入端同时加上频率小于200Hz的电压信号Vic时，在理想情况下，其输出电压应为零。但由于实际上内部电路失配而输出电压不为零。此时输出电压和输入电压之比成为共模增益Avc。 共模抑制比Kcmr= Avc Avd 共模增益 运算放大器的差模增益， 通常以对数关系表示：Kcmr=20log Avc Avd 共模增益 运算放大器的差模增益 共模抑制比一般在80~120Db范围内，它是衡量放大器对共模信号抑制能力高低的重要指标。这不仅是因为许多应用电路中要求抑制输入信号中夹带的共模干扰，而且因为信号从同相端输入时，其两个输入端将出现较大的共模信号而产生较大的运算误差。
在常温（25℃）下当输入电压为零时，其输出电压不为零。此时将其折算到输入端的电压称为输入失调电压。它一般为±（0.2~15）mV 。这就是说，要使放大器输出电压为零，就必须在输入端加上能抵消Vio 的差值输入电压。 5. 输入偏置电流 在常温（25℃）下输入信号为零（两个输入端均接地）时，两个输入端的基极偏置电流的平均值称为输入偏置电流，即 I IB =2 1( I IB -＋ I IB+) 它一般在10nA~1uA 的范围内，随温度的升高而下降，是反映放大器动态输入电阻大小的重要参数。 6. 输入失调电流I IO 输入失调电流可表示为 I IO =︱I IB -－ I IB+∣ 在双极晶体管输入级运算放大器中，I IO 约为（0.2~0.1）I IB -或（0.2~0.1）I IB+。当I IO 流过信号源内阻时，产生输入失调电压。而且它也是温度的函数。 7. 差模输入电阻R ID 在一般应用电路中，输入阻抗是指差模输入电阻R ID 。它一般为100K Ω~1M Ω，高输入阻抗运算放大器的差模输入电阻可达1013Ω。 8. 温度漂移 输入失调电压、输入失调电流和输入偏置电流等参数均随温度、时间和电源等外界条件的变化而变化。其中输入偏置电流的变化是造成放大器温度漂移的主要原因。对于双极晶体管输入级运算放大器，输入偏置电流随温度上升而变小，数量级为nA 级。
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 S=dE 两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的，即E S D d ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ，它表示应力与所产生的电场的关系，或应变与所引起的电位移的关系。常数 g 与 d 之间有如下关系： εd g = 式中ε为介电系数。在声波测井仪器中，压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数，以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时，由于压电效应和逆压电效应，机械能（或电能）中的一部分要转换成电能（或机械能）。这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示，它是
集成运放的主要参数以及测试方法
集成运放的性能主要参数及国标测试方法 集成运放的性能可用一些参数来表示。 集成运放的主要参数： 1．开环特性参数 （1）开环电压放大倍数Ao。在没有外接反馈电路、输出端开路、在输入端加一个低频小信号电压时，所测出输出电压复振幅与差动输入电压复振幅之比值，称为开环电压 放大倍数。Ao越高越稳定，所构成运算放大电路的运算精度也越高。 （2）差分输入电阻Ri。差分输入电阻Ri是运算放大器的主要技术指标之一。它是指：开环运算放大器在室温下，加在它两个输入端之间的差模输入电压变化量△V i与由它所引起的差模输入电流变化量△I i之比。一般为10k~3M，高的可达1000M以上。 在大多数情况下，总希望集成运放的开环输入电阻大一些好。 （3）输出电阻Ro。在没有外加反馈的情况下，集成运放在室温下其输出电压变化与输出电流变化之比。它实际上就是开环状态下集成运放输出级的输出电阻，其大小反映 了放大器带负载的能力，Ro通常越小越好，典型值一般在几十到几百欧。 （4）共模输入电阻Ric。开环状态下，两差分输入端分别对地端呈现的等效电阻，称为共模输入电阻。 （5）开环频率特性。开环频率特性是指：在开环状态下，输出电压下降3dB所对应的通频带宽，也称为开环-3dB带宽。 2.输入失调特性 由于运算放大器输入回路的不对称性，将产生一定的输入误差信号，从而限制里运算放大器的信号灵敏度。通常用以下参数表示。 （1）输入失调电压Vos。在室温及标称电源电压下，当输入电压为零时，集成运放的输出电位Vo0折合到输入端的数值，即： Vos=Vo0/Ao 失调电压的大小反映了差动输入级元件的失配程度。当集成运放的输入端外接电阻比较小时。失调电压及其漂移是引起运算误差的主要原因之一。Vos一般在mV级，显然它越小越好。 （2）输入失调电流Ios。在常温下，当输入信号为零时，放大器两个输入端的基极偏置电流之差称为输入失调电流。即： Ios=Ib- — Ib+ 式中Ib-、Ib+为放大器内两个输入端晶体管的基极电流。Ios一般在零点几微安到零点零几微安数量级，其值越小越好。失调电流的大小反映了差动输入级两个晶体管B值的失配程度，当集成运放的输入端外接电阻比较大时，失调电流及其漂移将是运算误差的主要原因。（3）输入失调电流温漂dIos。温度波动对运算放大器的参数是有影响的。如温度变化时，不仅能使集成运放两输入晶体管的基极偏置电流Ib-、Ib+发生变化，而且两者的变化率也不相同。也就是输入失调电流Ios将随温度而变化，不能保持为常数。一般 常用的集成运放的dIos指标如下： ●通用I型低增益运放。在+25℃~+85℃范围约为5~20nA/℃，-40℃~+25℃范围约为 20~50nA/℃。 ●通用Ⅱ型中增益运放。dIos约为5~20nA/℃。 ●低漂移运放。dIos约为100PA/℃ （4）输入失调电压温漂dVos。在规定的工作温度范围内，Vos随温度的平均变化率，即：dVos=△Vos/△T一般为1~50uV/℃，高质量的低于0.5uV。由于该指标不像Vos可
几种常用集成运算放大器的性能参数解读
几种常用集成运算放大器的性能参数 1．通用型运算放大器 A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。μ通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 2．高阻型运算放大器 ，IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。Ω这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid＞（109~1012） 3．低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。4．高速型运算放大器 s，BWG＞20MHz。μA715等，其SR=50~70V/μ在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、 5．低功耗型运算放大器 W，可采用单节电池供电。μA。目前有的产品功耗已达微瓦级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10μ由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250 6．高压大功率型运算放大器 A791集成运放的输出电流可达1A。μ运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V， 集成运放的分类 1. 通用型 这类集成运放具有价格低和应用范围广泛等特点。从客观上判断通用型集成运放，目前还没有明确的统一标准，习惯上认为，在不要求具有特殊的特性参数的情况下所采用的集成运放为通用型。由于集成运放特性参数的指标在不断提高，现在的和过去的通用型集成运放的特性参数的标准并不相同。相对而言，在特性
20143修订实验一 晶粒度的测定及评级方法
实验指导书 实验一晶粒度的测定及评级方法 一．实验目的 1. 了解显示和测定钢的奥氏体晶粒度的方法，验证加热温度和保温时间对 奥氏体晶粒大小影响的规律性； 2.掌握钢铁材料晶粒度评级的实验技术。 二．晶粒度的显示及评级方法 1. 晶粒度的定义及晶粒大小的显示方法 在常规讨论中所提到的奥氏体晶粒度具有3个不同概念。它们分别是，起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。起始晶粒度是指：钢刚刚完成奥氏体化过程时所具有的的晶粒度；实际晶粒度，就是从出厂的钢材上截取试样所测得的某一种工艺条件下所获得的晶粒大小；而奥氏体本质晶粒度则是将钢加热到一定温度并保温足够时间后，所具有的奥氏体晶粒大小（目前有逐步取消这个概念的趋势）。 (大多数钢材的奥氏体只能在高温下存在，因此，要测定其大小。通常须要采用下述方法，把高温A氏体的形貌固定并保留下来，以便在室温下评定钢中晶粒的大小) 。借助金相显微镜来测定钢中的晶粒度，其显示方法有氧化法、网状铁素体法、网状珠光体（屈氏体）法、网状渗碳体法、渗碳法、淬硬法等几种： (1)氧化法 氧化法就是利用奥氏体晶界容易氧化这个特点，根据沿晶界分布的氧化物来测定奥氏体晶粒的大小。测定的方法是首先将试样的检验面抛光，随后将抛光面朝上置于炉中。对碳素钢和合金钢，当含碳量小于或等于0.35％时，一般在900±10℃加热1h。含碳量大于0.35％时，一般可在860±10℃加热1h，然后淬如冷水或盐水。根据氧化情况，将试样适当倾斜8-15度进行研磨和抛光，直接在显微镜下测定奥氏体晶粒的大小，(抛光浸蚀后在过渡带内可以看到已氧化的原奥氏体晶界的黑色网络)，为了显示清晰，可用15％的盐酸酒精溶液进行侵蚀。 (2)网状铁素体法
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压
测量放大电路的基本要求
一，测量放大电路的基本要求与类型： 1模拟式测量电路的基本组成 增量码数字式测量电路的基本组成： 测量电路的要求： 1. 精度高：低噪声和高抗干扰能力，低漂移，高稳定性，线性与保证度好 2. 动态性能好:响应快，动态失真小 3. 高的识别和分辨能力 4. 转换灵活：信号的处理与运算量程变化，电量参数转换，模数与数模转换 5. 有合适的输入和输出阻抗 6. 可靠性高 7. 经济性好 隔离放大电路：1.抗干扰 2防止漏电，确保安全 3保护低电压测量电路 低漂移集成运算放大电路：1.输出稳定。两个放大器轮换工作，总有一个进行放大输出。优于由通用运放组成的电路 2.共模抑制能力不强 （减小运算放大器的失调和低频干扰引起的零点漂移） 高共模抑制比放大电路：（用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。 ）1来自传感器的信号通常伴有较大的共模电压2采用差动输入的方法可以抑制共模信号 3一般运放的共模抑制比为80db 左右，4采用若干个运放可以构成具有更高的共模抑制比的放大电路 传感器 量程切换电 路 放大器 解调器 信号分离电路 运算电路 模数转换电路 计算机 显示执行机构 振荡器 电源 电路 传 感 器 显示执行机构 计 算 机 锁 存 器 计 数 器 变换电路 脉冲当量 放 大 器 整形电路 细分电路 辨向电路 指令传感器 电路 手动采样 锁 存 指 令
高输入阻抗电路：某些传感器的输出阻抗很高，如电容式、压电式，达到108Ω。 自举式组合高输入阻抗电路：Ri=(R 1R)/(R - R 1)（当R=R1时输入阻抗无穷大） U O = - R 2/R 1(U i ) 电桥放大电路：由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路 应用场合：应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。 特点：1.增益与桥臂电阻无关2.增益比较稳定3，电源要浮置 4.只有当δ<<1时，uo 才与δ近似呈线形关系 线形电桥放大电路： 特点：1.输出电压uo 与δ呈线形关系 2.共模抑止能力较强 3．量程大 4.灵敏度较低 四．什么是信号调制？ 调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。 解调 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。 调制的功用：在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。 测控系统中常用的信号调制的方法：在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽 u R R R R u o 3 12 3 +-=
集成运算放大器IC的主要参数【经典】
集成运算放大器IC的主要参数 本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料，同时参考了其它相关资料。 集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。 其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。 主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。 这里重点描述——直流指标 输入失调电压VIO：输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±1~10mV之间;采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。 输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)αVIO：输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。 输入偏置电流IIB：输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入偏置电流在±10nA~1μA之间;采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。 输入失调电流IIO：输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻(例如10k?或更大时)，输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。 输入失调电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)：输入偏置电流的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。