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铁电材料各种电性能参数的准确测量和正确分析是铁电存储器研究中的重要问题。从铁电体的等效电路、电容模型和铁电存储器的工作原理的分析出发,仔细研究测量铁电材料各种电性能的测量电路和参数分析方法,对铁电材料的研究以及铁电存储器的设计、测试和实际应用是有价值和必要的。
本文首先介绍了铁电体的物理基本概念、特点、应用和制备方法,着重讨论了铁电存储器的研究历史进展和结构并概述了影响铁电存储器性能的主要原因。在总结和比较了两种国外铁电材料性能测试仪的基础上讨论了电滞回线测量的各种方法和测试电路,得到了铁电样品的等效电路。通过分析测量电路、测试信号、测试条件和铁电样品材料性能对电滞回线测量的影响,提出一种基于虚地模式的同时采用模拟积分和数字积分(电流直接采样法)的宽范围高性能电滞回线测量电路。总结了铁电材料的脉冲极化参数、漏电流、极化驰豫时间、疲劳、保持、印记、极化开关、介电常数、居罩点的测量原理和方法。通过分析疲劳测量的电路,得到影响疲劳测量速度的主要原因是测试回路的时间常数(R<*>C)。提出要实现20MHz的疲劳测量速度,铁电样品的电容要小于100pF。通过比较、分析极化开关研究方法和铁电存储器的工作原理提出基于铁电存储单元的极化开关研究方法和实现电路。介绍了铁电电容的模型和几种铁电存储单元的工作原理并提出了铁电存储单元的测试方法。
通过对‘传统的智能电子系统设计方法’、‘基于虚拟仪器的模块化设计方法’和‘基于SOC(System on Chip)的电子系统设计方法’的比较,结合铁电材料电性能测量系统的自身的专业化、小批量、更新换代快等特点,提出了一种基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的模块化虚拟仪器的铁电材料电性能测量系统的设计方法并对其功能作了详细分析。
分析了基于FPGA的铁电性能综合测试系统硬件总体设计方案和各个模块的设计方案。提出了基于铁电存储器单元工作方式的铁电薄膜极化开关测试方案和测试电路。提出了一种基于锁相法测定介电常数的方法并提供了实现电路,详细介绍了控温模块中实现0.001℃分辨率测温部分的设计实现,该电路己获得实用新型专利。 介绍了铁电材料电性能综合测试系统软件设计方案,并提供了相关模块的流程图。
介绍了自制的低成本的TD-88A型铁电综合性能测试仪的结构和实现的性能指标以及测试平台的制作方法。用TD-88A型铁电综合性能测试仪对模拟样品、PZT薄膜和PZl、陶瓷样品进行了电滞回线、漏电流、疲劳和保持参数测试。采用信号发生器、存储示波器等辅助设备对本论文提出的基于铁电存储单元工作模式的极化开关测量电路进行了实验验证。结果表明用此方法进行极化开关测试是可行的。本文所述的铁电性能综合测试仪(型号TD-88A)已通过江苏省科技厅科技成果技术鉴定,鉴定结论为达到国内领先水平。