低電流(1nA)與高電阻(1GΩ)的測試技巧

1、低電流(1G)的測試技巧 劉源是德科技業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Jul 8, 2015研討會議程q 高阻和低電流測量基礎知識q 測量誤差的來源以及修正方法q 調(diào)整儀器設置以得到最佳測量結果q 最后總結和評論Page何謂高電阻？q 為了方便今天的研討會,我們將把高阻測量定義為大于1 GW 的測量。q 此外,高阻表征通常需要低于1納安的電流測量。3輸入一個直流電壓，測量通過待測物(DUT)的電流，并以歐姆定律計算出電阻(R=V/I). 高低VSAImR Rl l電流表待測物電壓源高電阻測量的定義重要的術語重要的術語: Peta (P) = 1015 Tera (T) = 1012 Giga (G) = 109

2、pico (p) = 10-12 femto (f) = 10-15 atto (a) = 10-18 低電流與高阻測量Page超高電阻測量需要皮安表(pA) 或靜電計(eM) /高阻計4什么是皮安表？ 簡單的說這是一個高精度的電流表 可以測量低于10 nA的電流10-1810-1510-1210-910-610-310010310610910121015a(atto)f(femto)p(pico)n(nano)(micro)m(mili)k(kilo)M(Mega)G(Giga)P(Peta)T (Tera) 1 GW W什么是靜電計？ 簡單的說這是一個高性能的萬用表 可以測量 1 G 的電

3、阻型號型號產(chǎn)品類型產(chǎn)品類型電流測量分辨率電流測量分辨率電阻測量電阻測量電壓源電壓源電荷測量分辨率電荷測量分辨率B2981A/83A皮安表0.01 fA無無無無無無B2985A/87A靜電計/高阻計0.01 fA高達10 PW高達1,000 V1 fC低電流與高阻測量Page浮地 / 接地的電阻測量5浮地浮地接地接地高低高低寄生電容漏泄電阻高電流表輸入端共地端口 屏蔽（接地） 保護層共地端口電流表輸入端共地端口低低電流與高阻測量Page測量數(shù)據(jù)問題6在低電流測量時，了解瞬態(tài)信號的性能是非常重要的。因此,重要的是能夠直觀地看到一個測量信號的時域特性時域特性和選擇適當?shù)臏y量點測量點。所有測量都包括一

4、定數(shù)量的不確定性不確定性,但尤其在低電流測量時，測量結果更必需隨機采集 （如平均值平均值和標準偏差標準偏差）。低電流與高阻測量Page噪聲問題 - 1最大的實驗室噪音來源是交流電源線路 7低電流與高阻測量交流電交流電壓壓 (50 or 60 Hz)(50 or 60 Hz)時間時間時間時間測量值測量值拿多個電力線周期(PLC)的平均值可以糾正這個噪音。Page噪聲問題 - 2消除交流噪聲的最佳辦法就是完全的隔離8使使用電池供電用電池供電的測量的測量電池測量儀器連連接到交流電接到交流電源的測量源的測量低電流與高阻測量Page低電流 / 高電阻測量， 很典型的都用靜電計 / 高阻計什么是靜電計的主

5、要特點?9電壓源電流表電壓表濕度傳感器溫度感應器低電流與高阻測量Page低電流測量必須使用三軸線為什么低電流測量時我們需要用三軸電纜和夾具？10BNC (同軸) 線:三軸電纜:泄漏電流:泄漏電流:三軸電纜降低泄漏電流達100,000,000倍。絕緣訊號線導通保護層絕緣訊號線低電流與高阻測量Page外部電纜和夾具問題- 1你怎么知道如果你的電纜和夾具沒問題?11噪聲噪聲夾具/遮蔽盒在低電流測量時，驗證電纜和測試夾具電纜和測試夾具的性能是很重要的。因為這些地方往往是整個測量系統(tǒng)最薄弱的連接。低電流與高阻測量Page外部電纜和夾具問題- 2外部連接完整性的驗證技術12電流表參考DUT目標三軸電纜測試

6、夾具靜電計通過比較參考和目標的電流測量變化,可以獲得相對的品質(zhì)因數(shù)。低電流與高阻測量Page在這研討會所引用的靜電計 電流測量低至 0.01飛安 電阻測量高達 10 P13Keysight B2985A/B2987ADate Noise- Date Noise- 時域視圖實時直方圖視圖0.01 fA (0.00001 pA) 有效分辨率和 0.001 fA 顯示分辨率俱備電池供電操作模式 (B2987A)可選安裝設置完整性檢查功能以測量和記錄設置噪聲水平待測物噪聲數(shù)據(jù)- 低電流與高阻測量研討會議程q 高阻和低電流測量基礎知識q 測量誤差的來源以及修正方法q 調(diào)整儀器設置以得到最佳測量結果q 最

7、后總結和評論Page測量誤差的來源以及修正方法q 電容耦合q 絕緣體的影響q 泄漏電流q 電纜的機電系統(tǒng)噪聲q 外部環(huán)境的噪聲15低電流與高阻測量Page電容耦合噪聲的主要來源電容耦合 - 1q 電容耦合引起的電流噪聲出現(xiàn)在兩個截然不同的方式: 通過外加電壓的變化和通過振動16什么導致電容耦合噪聲？人體活動人體可以保留電荷并施加足夠的電壓。隨機電壓波動: 交流輸電線路 信號線低電流與高阻測量Page電容耦合 - 2q 屏蔽 因為高阻和低電流測量對外部噪聲非常敏感,適當?shù)钠帘纹帘问侵陵P重要的。 一個理想的測試夾具必須完全把待測物包圍在導電材料里。它必須與地面保持一定的電位并確保所有不必要的電線擱

8、置在內(nèi)部測試環(huán)境的外面17如何減少電容耦合效應屏蔽測試夾具測試儀器低電流與高阻測量Page屏蔽測量無屏蔽測量電容耦合 - 318測量實例: 無屏蔽 vs. 屏蔽屏蔽的 100 G演示設備靜電計屏蔽三軸電纜100 G無屏蔽靜電計三軸 鱷魚夾電纜10 fA p-p2 pA p-p低電流與高阻測量Page電容耦合 - 419驗證測試設置的完整性屏蔽測量無屏蔽測量參考(): 在測試設置斷開時的參考噪聲值目標(): 在測試設置連接時的目標噪聲值方差比: 參考值和目標值的方差比更多的噪音更多的噪音擁有一個測試設置完整性檢查功測試設置完整性檢查功能能可讓您以統(tǒng)計學統(tǒng)計學的方式比較您的測試設置噪音水平。低電流

9、與高阻測量Page測量誤差的來源以及修正方法q 電容耦合q 絕緣體的影響q 泄漏電流q 電纜的機電系統(tǒng)噪聲q 外部環(huán)境的噪聲20低電流與高阻測量Page 絕緣體的影響 - 121電電阻測阻測量的設量的設置示例置示例了解您測試系統(tǒng)中使用的絕絕緣緣體屬性體屬性測測試系試系統(tǒng)常用的絕統(tǒng)常用的絕緣緣體體氟塑料或PVC (電纜和電線)PCB (電路板) (待測物連接)塑料連接器 (待測物連接)Triaxial cable靜電計靜電計絕緣體可以對測量結果產(chǎn)生重大影響低電流與高阻測量Page絕緣體的影響 - 222泄漏電流和介質(zhì)吸收泄漏電流介質(zhì)吸收表面電阻率體電阻率等效電路q 泄漏電流是由外加電壓和絕緣體的

10、電阻率而決定。q 重要的關鍵:在施壓大電壓（幾百伏）時，你必須考慮絕緣體的電阻率。由于表面污染會影響表面電阻率，保持絕緣體的表面清潔是必需的。q 當對絕緣體施加電壓時，會導致電荷極化。這會循序轉(zhuǎn)變成衰減電流。q 重要的關鍵:盡量減少絕緣體周圍帶有波動電壓的電線和隔離絕緣體與帶有恒定電壓偏置的信號線。低電流與高阻測量Page絕緣體的影響 - 323前頁的測試設置問題印刷電路板材料的絕緣性能比氟塑料材料還要差。由于電壓源使用單線電纜,介電吸收發(fā)生在其絕緣體中。這種效果可以從電壓沉淀時間的改變而看到。較短的接線模式可以減少表面泄漏電流。然而,進入到電路板的泄漏電流則無法消除。Triaxial cab

11、le靜電計靜電計低電流與高阻測量Page絕緣體的影響 - 424比較理想的設置(i) 通過一個金屬分區(qū)來隔離電壓源線。避免使用印刷電路板(PCB)來連接DUT(iii) 金屬換金屬換圍繞著DUT終端(絕緣）以減少介電吸收效果。(iv) 測試夾具的蓋子是牢固連接到地面。浮動的金屬部分會通過電容耦合轉(zhuǎn)移噪聲。夾具里的每個電纜都穩(wěn)固的連接以減少電容耦合(ii) 電流表的三軸電纜直接連接到DUT的終端。Triaxial cable靜電計靜電計低電流與高阻測量Page絕緣體的影響 - 525Keysight 現(xiàn)成的測試裝置和電纜16339A Component Test Fixture 16339A 組

12、件測試夾具16008B Resistivity Cell 16008B 電阻率夾具16117B/C Test Lead 16117B/C 測試引線N1413A high resistance meter fixture adapterN1413A 高阻計夾具適配器HV Coaxial (高壓同軸）Triaxial （三軸）低電流與高阻測量Page絕緣體的影響 - 6q 16008B測試夾具,可連接B2985/87A靜電計以進行體體電阻電阻率率 / / 表表面電阻率面電阻率測量。q 16008B俱備非常高的絕高的絕緣電阻緣電阻和小的介小的介電吸收電吸收,能提供非常準確的高電阻測量。26Keysi

13、ght 16008B 測試夾具 （電阻率測量）16008B Resistivity Cell典型的測試夾具都常使用印刷電路板來進行內(nèi)部連接低電流與高阻測量Page測量誤差的來源以及修正方法q 電容耦合q 絕緣體的影響q 泄漏電流q 電纜的機電系統(tǒng)噪聲q 外部環(huán)境的噪聲27低電流與高阻測量Page使用保護層技術的好處 (B2985A/87A 例子): 泄漏電流 - 128保護層技術是什么?保護層技術的配置需要使用三軸線三軸線。無保護層的泄漏電流:有保護層的泄漏電流:Vd 少過 100 V (20 V 根據(jù)B2985A/87A的負擔電壓規(guī)格）。當 Vs = 100 V 和 Rleak = Rlk1

14、, 三軸電纜三軸電纜低電流與高阻測量電流表電壓源Page無保護層泄漏電流 - 229保護層技術是如何工作的呢?有保護層高低AImRlDUTIDUTVSIleakRleak高低AImRlDUTIDUTVSIlk2Rlk2Ilk1Rlk1Vd保護層技術通過寄生并聯(lián)電阻路徑來降低泄漏電流。低電流與高阻測量Page泄漏電流 - 330測量實例: 有保護層 vs. 無保護層使用同軸電纜的無保護層測量使用三軸電纜的有保護層測量靜電計線: 16494A 三軸電纜DUT: 斷開靜電計線: 16493B 同軸線(和 N1254A-106 三軸 BNC適配器）DUT: 斷開低電流與高阻測量Page測量誤差的來源以

15、及修正方法q 電容耦合q 絕緣體的影響q 泄漏電流q 電纜的機電系統(tǒng)噪聲q 外部環(huán)境的噪聲31低電流與高阻測量Page來自線纜的機電系統(tǒng)噪聲 - 1q摩擦電效應來自過度彎曲使得線纜屏蔽層與絕緣層產(chǎn)生額外的噪聲漏電流. q壓電體效應來自過度機械壓力使得線纜絕緣層產(chǎn)生額外噪聲漏電流32摩擦電（triboelectric）和壓電體（piezoelectric） 效應機械壓力測試儀器低電流與高阻測量PageKeysight Triaxial三軸線覽(16494A)來自線纜的機電系統(tǒng)噪聲 - 233Keysight低漏電的三軸線纜導體絕緣層半導體材料層半導體材料層內(nèi)部屏蔽層內(nèi)部表皮層外部屏蔽層外部表皮層

16、噪聲電流通過使用低漏電的三軸線纜，以及杜絕線纜彎曲 振動 過度施壓.在線纜的內(nèi)部屏蔽層和絕緣層之間，有一層半導體材料層，用來減小層間摩擦引起的沖放電3Hz, 5cm p-p 振動Electrometer開路低電流與高阻測量Page測量誤差的來源以及修正方法q 電容耦合q 絕緣體的影響q 泄漏電流q 電纜的機電系統(tǒng)噪聲q 外部環(huán)境的噪聲34低電流與高阻測量Page來自外部環(huán)境的噪聲 - 1TemperatureHumidityLight35溫度，濕度和光照q 如果樣品是半導體材料構成，那么由于光照引起的電子空穴對會產(chǎn)生漏電流，影響小電流測量.q 關鍵點: 通過屏蔽罩消除光照的影響q 環(huán)境溫度的變

17、化會影響小電流的測試q 關鍵點: 保持環(huán)境溫度恒定讓測試儀器和樣品盡量遠離溫變裝置儀器需要開機三十分鐘再測試，使儀器內(nèi)部器件足夠時間預熱，才能達到技術指標范圍q 高濕度加上樣品表面污染物，會影響表面絕緣性，導致漏電流增加.q 關鍵點: 降低測試環(huán)境的濕度測試前清潔掉樣品表面的污染物. 低電流與高阻測量Page來自外部環(huán)境的噪聲 - 2qB2985A/87A 有K型溫度/濕度探測器接口，可以連接外部溫度/濕度探測器來監(jiān)視環(huán)境溫度和濕度. q溫度和濕度監(jiān)視數(shù)據(jù)可以與每一次的測量值放在一起輸出，這樣方便準確得比較不同測量值的實際環(huán)境情況是否一致. 36在測量儀器里隨時監(jiān)控溫度和濕度濕度探測器接口溫度

18、探測器接口B2985A/87A 皮安表 靜電計低電流與高阻測量Page平臺搭建的消除誤差總結q 使用屏蔽罩，減小測試平臺周圍的移動，保持安靜 (尤其是人的移動)q 使用保護層和高質(zhì)量的絕緣材料來搭建測試平臺 q 使用低漏電的三軸線纜，杜絕線纜彎曲 振動 過度施壓q 在穩(wěn)定的溫度和濕度環(huán)境下測試 q 保持半導體材料表面干凈，無污染物37針對于高阻值 & 低電流測量低電流與高阻測量研討會議程q 高阻和低電流測量基礎知識q 測量誤差的來源以及修正方法q 調(diào)整儀器設置以得到最佳測量結果q 最后總結和評論Page調(diào)整儀器設置，優(yōu)化測量結果q 儀器的預熱 & 自校準 Self-calibration q

19、延遲時間 Wait (delay) time的設置q 積分時間 Aperture (integration) time的設置q 底噪清零 Offset cancelationq 選擇小電流檔位 10nA range39低電流與高阻測量Page儀器預熱 & 自校準 self-calibration40幾乎所有儀器都需要至少30分鐘預熱來達到最佳狀態(tài)，預熱后才能滿足技術指標。幾乎所有用于低電流測量的儀器都有自校準 self-calibration 功能，在測試前必須完成自校準這一步操作，才能降低儀器的測量底噪。沒有進行預熱 & 自校準的100 G 電阻測量結果（統(tǒng)計直方圖）進行預熱 & 自校準之后

20、的100 G 電阻測量結果（統(tǒng)計直方圖）低電流與高阻測量Page調(diào)整儀器設置，優(yōu)化測量結果q 儀器的預熱 & 自校準 Self-calibration q 延遲時間 Wait (delay) time的設置q 積分時間 Aperture (integration) time的設置q 底噪清零 Offset cancelationq 選擇小電流檔位 10nA range41低電流與高阻測量Page延遲時間 Wait (Delay) Time 的設置 - 142儀器的延遲時間和電介質(zhì)充電在實施數(shù)據(jù)測量前要保證足夠的延遲時間q 影響延遲時間的原因是: 儀器自己的設置時間 樣品在施加電壓跳變的開始瞬間

21、又介電質(zhì)充電現(xiàn)象q 考慮到樣品特性（尤其是大電容）和儀器性能，需要有足夠的延遲時間讓樣品電介質(zhì)充電完成后再實施數(shù)據(jù)測量.施加電壓 (V)時間 (s)數(shù)據(jù)測量延遲時間實際電流 (A)低電流與高阻測量Page延遲時間 Wait (Delay) Time 的設置 - 2q 大多數(shù)品牌儀器定義設置時間為 當?shù)竭_最終施加電壓/電流10%的上升時間為設置時間。而而 B2985A/87A B2985A/87A 采用到達最終施加電壓采用到達最終施加電壓/ /電流電流0.1%0.1%的的上升時間，速度更快上升時間，速度更快q 同時通過減小電介質(zhì)充電, B2985/87A 即使在小電流的高精度的測量檔位上，也能得

22、到很快的設置時間，使得測量速度更快. 43儀器自己的設置時間是如何來的重要！不同品牌儀器之間的設置時間是大不一樣的.低電流與高阻測量Page延遲時間 Wait (Delay) Time 的設置 - 344通過時域來觀察 通過 B2985/87A 的時域功能時域功能.可以判斷到底需要多少延遲時間等待介電質(zhì)充電完成 B2985A/87A 皮安表 靜電計滾動視圖 (時域) 模式 低電流與高阻測量Page調(diào)整儀器設置，優(yōu)化測量結果45q 儀器的預熱 & 自校準 Self-calibration q 延遲時間 Wait (delay) time的設置q 積分時間 Aperture (integratio

23、n) time的設置q 底噪清零 Offset cancelationq 選擇小電流檔位 10nA range低電流與高阻測量Page積分時間 Aperture (Integration) Time 的設置 - 146減小電源線引入的噪聲10 PLC = 10 電源周期1 12 21010可以通過增加數(shù)據(jù)測量的積分時間，在多個電源周期平均測試數(shù)據(jù)，達到減小電源線引入的噪聲.通常電源線引入的噪聲是 最大噪聲來源最大噪聲來源.低電流與高阻測量Page積分時間 Aperture (Integration) Time 的設置 - 2q 如果你在增加了更多PLC的積分時間仍然消除不了電源線引入噪聲，或者

24、你需要在一個PLC的積分時間內(nèi)完成快速測試，使用電池供電的皮安表/靜電計則是你最好的選擇 （例如B2987A）.q 另外，電池供電的B2987A方便你在外場使用.47使用電池供電是減小電源線引入噪聲的最好辦法電池 低電流與高阻測量Page積分時間 Aperture (Integration) Time 的設置 - 348減小偶發(fā)的噪聲尖峰如何減小噪聲什么是 Median Filtering?中值濾波器中值濾波器 median filtering.與純粹增加數(shù)據(jù)測量平均次數(shù)相比，能夠在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)消除偶發(fā)的噪聲尖峰 q中值濾波器 Median Filter如果中值濾波器的采樣點數(shù)是 R, 那

25、么能減小噪聲 exp(-R/2) .q增加PLC的平均如果平均采樣點數(shù)是 N，那么能減小噪聲one-Nth.q例子: 要求增加積分時間減小噪聲到 1/100 中值濾波器 Median Filter 10 倍時間平均 100 倍時間通常用來減小噪聲的數(shù)據(jù)處理技術, 中值濾波器用附近數(shù)據(jù)測量的中值來取代該數(shù)據(jù)測量的值. 快快 1010倍倍Sample number of Median filter: 3低電流與高阻測量Page積分時間 Aperture (Integration) Time 的設置 - 449測量實例: 中值濾波器 Median FilterB2985A/87A 皮安表 靜電計16

26、008A電阻率夾具Median Filter Median Filter 關閉關閉Median Filter Median Filter 開啟開啟B2980A Median Filter B2980A Median Filter 的設置的設置 采樣點數(shù) N= 2 x Rank + 1低電流與高阻測量Page 50調(diào)整儀器設置，優(yōu)化測量結果q 儀器的預熱 & 自校準 Self-calibration q 延遲時間 Wait (delay) time的設置q 積分時間 Aperture (integration) time的設置q 底噪清零 Offset cancelationq 選擇小電流檔位

27、10nA range低電流與高阻測量Page底噪清零 Offset Cancelation51底噪清零 Null 功能 & 底噪補償電阻值小電流測試的底噪清零功能，以及底噪補償電阻值 （如果需要測電阻）能夠用來消除底噪引入的誤差底噪清零 Null 功能底噪補償電阻值q 每套測試系統(tǒng)都有一定的自身引起的底噪電流. q 底噪清零 Null 功能能夠?qū)y試系統(tǒng)自身的底噪從樣品測試數(shù)據(jù)中減掉.開啟指示低電流與高阻測量Page調(diào)整儀器設置，優(yōu)化測量結果總結q 儀器預熱30分鐘后進行自校準 Sel-calibration.q 在數(shù)據(jù)測量前設置足夠的延遲時間 Delay time（尤其大電容）q 增加PLC積分時間 Integration time來減小電源線引入的噪聲. 如果電源線引入噪聲仍然存在，考慮用電池供電的B2985A B2987A.q 開啟底噪清零Null功能，進一步降低底噪影響.q 選擇小電流檔位 10nA range52針對低電流 & 高阻值測量低電流與高阻測量研討會議程q 高阻和低電流測量基礎知識q 測量誤差的來源以及修正方法q 調(diào)整儀器設置以得到最佳測量結果q 最后總結和評論Page總結準確的準確的 低電流低電流 & & 高阻值高阻值 測量需要測量需要: :q 靜電計技術指標能夠測試