低电流(1nA)与高电阻(1GΩ)的测试技巧

低电流(1nA)与高电阻(1GΩ)的测试技巧刘源是德科技业务发展经理Jul8,2015研讨会议程高阻和低电流测量基础知识测量误差的来源以及修正方法调整仪器设置以得到最佳测量结果最后总结和评论Page何谓高电阻？为了方便今天的研讨会,我们将把高阻测量定义为大于1GW的测量。此外,高阻表征通常需要低于1纳安的电流测量。3输入一个直流电压，测量通过待测物(DUT)的电流，并以欧姆定律计算出电阻(R=V/I).𝑅𝑙=𝑉𝑠𝐼𝑚高低VSAImRl电流表待测物电压源高电阻测量的定义重要的术语:Peta(P)=1015Tera(T)=1012Giga(G)=109pico(p)=10-12femto(f)=10-15atto(a)=10-18低电流与高阻测量Page超高电阻测量需要皮安表(pA)或静电计(eM)/高阻计4什么是皮安表？简单的说这是一个高精度的电流表可以测量低于10nA的电流10-1810-1510-1210-910-610-310010310610910121015a(atto)f(femto)p(pico)n(nano)µ(micro)m(mili)k(kilo)M(Mega)G(Giga)P(Peta)T(Tera)10nA1GW什么是静电计？简单的说这是一个高性能的万用表可以测量1GΩ的电阻型号产品类型电流测量分辨率电阻测量电压源电荷测量分辨率B2981A/83A皮安表0.01fA无无无B2985A/87A静电计/高阻计0.01fA高达10PW高达1,000V1fC低电流与高阻测量Page浮地/接地的电阻测量5浮地接地高低高低寄生电容漏泄电阻高电流表输入端共地端口屏蔽（接地）保护层共地端口电流表输入端共地端口低低电流与高阻测量Page测量数据问题6在低电流测量时，了解瞬态信号的性能是非常重要的。因此,重要的是能够直观地看到一个测量信号的时域特性和选择适当的测量点。所有测量都包括一定数量的不确定性,但尤其在低电流测量时，测量结果更必需随机采集（如平均值和标准偏差）。低电流与高阻测量Page噪声问题-1最大的实验室噪音来源是交流电源线路7低电流与高阻测量交流电压(50or60Hz)时间时间测量值拿多个电力线周期(PLC)的平均值可以纠正这个噪音。Page噪声问题-2消除交流噪声的最佳办法就是完全的隔离8使用电池供电的测量电池测量仪器连接到交流电源的测量低电流与高阻测量Page低电流/高电阻测量，很典型的都用静电计/高阻计什么是静电计的主要特点?9电压源电流表电压表湿度传感器温度感应器低电流与高阻测量Page低电流测量必须使用三轴线为什么低电流测量时我们需要用三轴电缆和夹具？10BNC(同轴)线:三轴电缆:泄漏电流:泄漏电流:三轴电缆降低泄漏电流达100,000,000倍。绝缘讯号线导通保护层绝缘讯号线低电流与高阻测量Page外部电缆和夹具问题-1你怎么知道如果你的电缆和夹具没问题?11噪声噪声夹具/遮蔽盒在低电流测量时，验证电缆和测试夹具的性能是很重要的。因为这些地方往往是整个测量系统最薄弱的连接。低电流与高阻测量Page外部电缆和夹具问题-2外部连接完整性的验证技术12电流表参考DUT目标三轴电缆测试夹具静电计通过比较参考和目标的电流测量变化,可以获得相对的品质因数。低电流与高阻测量Page在这研讨会所引用的静电计–电流测量低至0.01飞安–电阻测量高达10PΩ13KeysightB2985A/B2987ADateNoise------------------------DateNoise------------------------时域视图实时直方图视图0.01fA(0.00001pA)有效分辨率和0.001fA显示分辨率俱备电池供电操作模式(B2987A)可选安装设置完整性检查功能以测量和记录设置噪声水平待测物噪声数据------------------------低电流与高阻测量研讨会议程高阻和低电流测量基础知识测量误差的来源以及修正方法调整仪器设置以得到最佳测量结果最后总结和评论Page测量误差的来源以及修正方法电容耦合绝缘体的影响泄漏电流电缆的机电系统噪声外部环境的噪声15低电流与高阻测量Page电容耦合噪声的主要来源电容耦合-1电容耦合引起的电流噪声出现在两个截然不同的方式:通过外加电压的变化和通过振动16什么导致电容耦合噪声？人体活动人体可以保留电荷并施加足够的电压。随机电压波动:交流输电线路信号线𝐼=𝐶𝑑𝑉𝑑𝑡+𝑉𝑑𝐶𝑑𝑡低电流与高阻测量Page电容耦合-2屏蔽因为高阻和低电流测量对外部噪声非常敏感,适当的屏蔽是至关重要的。一个理想的测试夹具必须完全把待测物包围在导电材料里。它必须与地面保持一定的电位并确保所有不必要的电线搁置在内部测试环境的外面17如何减少电容耦合效应屏蔽测试夹具测试仪器低电流与高阻测量Page屏蔽测量无屏蔽测量电容耦合-318测量实例:无屏蔽vs.屏蔽屏蔽的100GΩ演示设备静电计屏蔽三轴电缆100GΩ无屏蔽静电计三轴–鳄鱼夹电缆10fAp-p2pAp-p低电流与高阻测量Page电容耦合-419验证测试设置的完整性屏蔽测量无屏蔽测量参考(σ):在测试设置断开时的参考噪声值目标(σ):在测试设置连接时的目标噪声值方差比:参考值和目标值的方差比更多的噪音拥有一个测试设置完整性检查功能可让您以统计学的方式比较您的测试设置噪音水平。低电流与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法电容耦合绝缘体的影响泄漏电流电缆的机电系统噪声外部环境的噪声20低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-121电阻测量的设置示例了解您测试系统中使用的绝缘体属性测试系统常用的绝缘体氟塑料或PVC(电缆和电线)PCB(电路板)(待测物连接)塑料连接器(待测物连接)Triaxialcable静电计绝缘体可以对测量结果产生重大影响低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-222泄漏电流和介质吸收泄漏电流介质吸收表面电阻率体电阻率等效电路泄漏电流是由外加电压和绝缘体的电阻率而决定。重要的关键:在施压大电压（几百伏）时，你必须考虑绝缘体的电阻率。由于表面污染会影响表面电阻率，保持绝缘体的表面清洁是必需的。当对绝缘体施加电压时，会导致电荷极化。这会循序转变成衰减电流。重要的关键:尽量减少绝缘体周围带有波动电压的电线和隔离绝缘体与带有恒定电压偏置的信号线。低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-323前页的测试设置问题印刷电路板材料的绝缘性能比氟塑料材料还要差。由于电压源使用单线电缆,介电吸收发生在其绝缘体中。这种效果可以从电压沉淀时间的改变而看到。较短的接线模式可以减少表面泄漏电流。然而,进入到电路板的泄漏电流则无法消除。Triaxialcable静电计低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-424比较理想的设置(i)通过一个金属分区来隔离电压源线。避免使用印刷电路板(PCB)来连接DUT(iii)金属换围绕着DUT终端(绝缘）以减少介电吸收效果。(iv)测试夹具的盖子是牢固连接到地面。浮动的金属部分会通过电容耦合转移噪声。夹具里的每个电缆都稳固的连接以减少电容耦合(ii)电流表的三轴电缆直接连接到DUT的终端。Triaxialcable静电计低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-525Keysight现成的测试装置和电缆16339AComponentTestFixture16339A组件测试夹具16008BResistivityCell16008B电阻率夹具16117B/CTestLead16117B/C测试引线N1413AhighresistancemeterfixtureadapterN1413A高阻计夹具适配器HVCoaxial(高压同轴）Triaxial（三轴）低电流与高阻测量Page绝缘体的影响-616008B测试夹具,可连接B2985/87A静电计以进行体电阻率/表面电阻率测量。16008B俱备非常高的绝缘电阻和小的介电吸收,能提供非常准确的高电阻测量。26Keysight16008B测试夹具（电阻率测量）16008BResistivityCell典型的测试夹具都常使用印刷电路板来进行内部连接低电流与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法电容耦合绝缘体的影响泄漏电流电缆的机电系统噪声外部环境的噪声27低电流与高阻测量Page使用保护层技术的好处(B2985A/87A例子):泄漏电流-128保护层技术是什么?保护层技术的配置需要使用三轴线。𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘=𝑉𝑆𝑅𝑙𝑒𝑎𝑘𝐼𝑙𝑘1=𝑉𝑑𝑅𝑙𝑘1无保护层的泄漏电流:有保护层的泄漏电流:Vd少过100μV(20μV根据B2985A/87A的负担电压规格）。当Vs=100V和Rleak=Rlk1,𝑰𝒍𝒌𝟏=𝟏𝟏𝟎𝟔×𝑰𝒍𝒆𝒂𝒌三轴电缆低电流与高阻测量电流表电压源Page无保护层泄漏电流-229保护层技术是如何工作的呢?有保护层𝐼𝑚=𝐼𝐷𝑈𝑇+𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘=𝑉𝑆𝑅𝑙𝑒𝑎𝑘𝐼𝑚=𝐼𝐷𝑈𝑇+𝐼𝑙𝑘1𝐼𝑙𝑘1=𝑉𝑑𝑅𝑙𝑘1高低AImRlDUTIDUTVSIleakRleak高低AImRlDUTIDUTVSIlk2Rlk2Ilk1Rlk1Vd保护层技术通过寄生并联电阻路径来降低泄漏电流。𝑉𝑑≪𝑉𝑆∴𝐼𝑙𝑘1≪𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘低电流与高阻测量Page泄漏电流-330测量实例:有保护层vs.无保护层使用同轴电缆的无保护层测量使用三轴电缆的有保护层测量静电计线:16494A三轴电缆DUT:断开静电计线:16493B同轴线(和N1254A-106三轴–BNC适配器）DUT:断开低电流与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法电容耦合绝缘体的影响泄漏电流电缆的机电系统噪声外部环境的噪声31低电流与高阻测量Page来自线缆的机电系统噪声-1摩擦电效应来自过度弯曲使得线缆屏蔽层与绝缘层产生额外的噪声漏电流.压电体效应来自过度机械压力使得线缆绝缘层产生额外噪声漏电流32摩擦电（triboelectric）和压电体（piezoelectric）效应机械压力测试仪器低电流与高阻测量PageKeysightTriaxial三轴线览(16494A)来自线缆的机电系统噪声-233Keysight低漏电的三轴线缆导体绝缘层半导体材料层内部屏蔽层内部表皮层外部屏蔽层外部表皮层噪声电流通过使用低漏电的三轴线缆，以及杜绝线缆弯曲振动过度施压.在线缆的内部屏蔽层和绝缘层之间，有一层半导体材料层，用来减小层间摩擦引起的冲放电3Hz,5cmp-p振动Electrometer开路低电流与高阻测量Page测量误差的来源以及修正方法电容耦合绝缘体的影响泄漏电流电缆的机电系统噪声外部环境的噪声34低电流与高阻测量Page来自外部环境的噪声-1TemperatureHumidityLight35温度，湿度和光照如果样品是半导体材料构成，那么由于光照引起的电子空穴对会产生漏电流，影响小电流测量.关键点:通过屏蔽罩消除光照的影响环境温度的变化会影响小电流的测试关键点:保持环境温度恒定让测试仪器和样品尽量远离温变装置仪器需要开机三十分钟再测试，使仪器内部器件足够时间预热，才能达到技术指标范围高湿度加上样品表面污染物，会影响表面绝缘性，导致漏电流增加.关键点:降低测试环境的湿度测试前清洁掉样品表面的污染物.低电流与高阻测量Page来自外部环境的噪声-2B2985A/87A有K型温度/湿度探测器接口，可以连接外部温度/湿度探测器来监视环境温度和湿度.温度和湿度监视数据可以与每一次的测量值放在一起输出，这样方便准确得比较不同测量值的实际环境情况是否一致.36在测量仪器里随时监控温度和湿度湿度探测器接口温度探测器接口B2985A/87A皮安表静电计低电流与高阻测量Pa