190296. lajstromszámú szabadalom • Számítógéppel vezérelt mérőkészülék, célszerűen ferroelektromos folyadékkristályok spontán polarizációjának méréséhez
1 2 .190 296 A találmány tárgya számítógéppel vezérelt mérőkészülék, célszerűen ferroelektromos folyadékkristályok spontán polarizációjának méréséhez. A ferroelektromos anyagok zérus elektromos térben is rendelkeznek spontán dipólmomentummal. Nem zérus E elektromos térben (1. ábra) ennek megfelelően ezen anyagok P polarizációja két részből tevődik össze. A közönséges dielektrikumoknál is fellépő indukált polarizáció a térrel arányos. A spontán polarizáció ezzel szemben egy Ek kritikus térnél telítésbe kerül, mert a spontán dipólmomentum már beállt a tér irányába. E viselkedésből adódik a ferroelektromos anyagokra jellemző hiszterézis. A maximális Ps spontán polarizáció értéke, amelyet a hiszterézisgörbe telítési szakaszából extrapolálással kaphatunk meg, a ferroelektromos anyagok egyik legfontosabb paramétere. Ismeretére az anyagok minősítéséhez és gyakorlati felhasználásához egyaránt szükség van. A spontán polarizáció mérésekor a vizsgálandó ferroelektromos folyadékkristályt mérőcellákba töltik. A mérőcella egy olyan síkkondenzátor, amely üveglemezek felületére felvitt átlátszó vezetőrétegből kialakított fegyverzetekkel rendelkezik. A mérőcellát Diamant típusú mérőhídba helyezik, melyet szinuszgenerátorral táplálnak (H. Diamant, K. Drenck, R. Pepinsky: Bridge for Accurate Measurement of Ferroelectric Hysteresis, The Review of Scientific Instruments, January, 1957, p. 30—33.) A szinuszgenerátor frekvenciáját úgy kell megválasztani, hogy a ferroelektromos anyag spontán dipólmomentuma követni tudja a tér változását. Nagyon kis frekvenciáknál azonban a minta már gyakorlatilag ohmos ellenállásként viselkedik s igy a híd működésképtelenné válik. A használható frekvenciára ez felső és alsó gyakorlatokat szab. Ferroelektromos folyadékkristályok esetén a generátor frekvenciája az 1-20 Hz tartományba eshet. Mivel ezek a frekvenciák már túl kicsik ahhoz, hogy oszcilloszkóppal vizuális úton pontos méréseket lehessen végezni, a kiértékelést oszcilloszkópról készült fotó alapján végzik, ami kényelmetlen, körülményes eljárás. A hiszterézisgörbe kirajzoltatásához X-Y író nem használható, mivel ehhez az alkalmazott frekvenciák már túl nagyok. A találmánnyal egy olyan mérőkészüléket kívánunk létrehozni elsősorban ferroelektromos folyadékkristályok spontán polarizációjának méréséhez, amely lehetővé teszi, hogy a mérőhíd által szolgáltatott feszültségeket eltérő frekvenciával szintetizáljuk, így a hiszterézisgörbét oszcilloszkópon vagy X-Y írón megjelenítsük, és a kiértékelést gyorsan, pontosan elvégezzük. A találmány szerinti mérőkészülék két fő részből áll: mérőhídból és a mérőhidat a számítógéphez illesztő egységből. A mérőhíd az elektromos térrel és a polarizációval arányos váltakozó feszültségeket szolgáltat. E feszültségekből digitalizálás után adott pillanatban mintát veszünk, értéküket beolvassuk a számítógépbe és tároljuk annak memóriájában, mint a hiszterézisgörbe egy pontjának koordinátáit. Ezután ismét mintát veszünk és a folyamat ismétlődik. Ahhoz, hogy a spontán polarizáció jól számítható legyen, a hiszterézisgörbét kb. 2000 pontból kell összerakni, azaz a gerjesztő szinuszos feszültség egy periódusa alatt kb. 2000 mintavételezést kell elvégezni. Mikor a számítógép memóriáját a hiszterézisgörbe pontjainak koordinátáival feltöltöttük, a beolvasási ciklus véget ér, a spontán pola- 5 rizáció kiszámítható, majd a gép készen áll egy újabb beolvasási ciklusra vagy egyéb feladatok végrehajtására. A találmány szerinti készülék lehetővé teszi, hogy a memóriában tárolt adatokból az eredeti feszültségeket eltérő frekvenciával szintetizáljuk, s így a hiszterézisgörbét oszcilloszkópon, vagy X-Y írón megjelenítsük. A mérőkészülékben a mérőhíd illesztő áramkörön át van összekötve a számítógéppel. Az illesztő áramkör bemenetei analóg-digitális átalakítókon 15 át egy első tárolóra csatlakoznak. Az első tároló kimenetei, valamint egy második tároló adatbemenetei a számítógépre vannak kapcsolva. A második tároló kimenetei analóg-digitális átalakítókon át a mérőkészülék kimeneteivel vannak összekötve. Az 20 illesztő áramkör egy vezérlő egységet tartalmaz, amelynek bemenetei a számítógéppel, kimenetei pedig a tárolók órabemeneteivel vannak összekötve. A találmányt a továbbiakban kiviteli példa és 25 rajzok alapján részletesen ismertetjük. A rajzokon az 1. ábra ferroelektromos anyag polarizációja az elektromos tér függvényében, a 2. ábra egy mérőcella egyik lemeze felülnézetben, 30 a 3. ábra egy mérőcella keresztmetszete, a 4. ábra egy Diamant típusú mérőhíd kapcsolási vázlata, és az 5. ábra egy illesztő áramkör a számítógéppel. 35 Az 1. ábrán látható hiszterézisgörbét a bevezetőben már leírtuk. A 2. és 3. ábrán a találmány szerinti mérőkészülékhez illeszkedő mérőcella lehetséges kiviteli alakja látható. Az átlátszó 1 üveglemezeken maratással 40 az ábra szerinti geometriájú átlátszó vezető óndioxid 2 elektródát alakitunk ki, melyre vezető ragasztóval 3 kontaktust erősítünk fel. A folyadékkristályok orientálásához megfelelő módon előkészített 1 üveglemezeket egymással szembefordítjuk és a 4 45 távtartókkal elválasztva úgy erősítjük össze, hogy a téglalap alakú 2 elektródák pontosan fedésbe kerüljenek. A 2 elektródák közötti teret ezután a vizsgálandó 5 folyadékkristállyal töltjük ki. így olyan síkkondenzátort kapunk, melynek dielektri- 50 kuma a vizsgálandó ferroelektromos folyadékkristály, fegyverzeteinek területe és távolsága ismert. Az átlátszó elektródák lehetővé teszik, hogy mérés közben a molekuláris orientációt optikai módszerekkel ellenőrizhessük. 55 .A,4- ábrán egy Diamant típusú mérőhíd látható. A 11 mérőcellából és ennek kapacitásánál nagyságrendekkel nagyobb 12 referenciakondenzátorból kapacitív feszültségosztót hozunk létre, melyet a 19 szinuszgenerátor táplál. A feszültségosztóra jutó „ teljes X feszültség a kapacitás arányok miatt gyakorlatilag azonos a 11 mérőcellára jutó feszültséggel, ami viszont a 11 mérőcellában lévő E elektromos térrel arányos. Másrészt a 11 mérőcellán és a 12 referenciakondenzátoron a töltés azonos, tehát a 12 referenciakondenzátoron eső Y1 feszültség a 2
