1、低電流(1G)的測試技巧,劉源是德科技業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理,Jul 8, 2015,研討會議程,高阻和低電流測量基礎(chǔ)知識 測量誤差的來源以及修正方法 調(diào)整儀器設(shè)置以得到最佳測量結(jié)果 最后總結(jié)和評論,何謂高電阻？,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。 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).,高電阻測量的定義,重要的術(shù)語: Peta (P) = 1015 Tera (T) = 1012 Giga (G) = 109 pico (p) = 10-12 femto (f) = 10

2、-15 atto (a) = 10-18,低電流與高阻 測量,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,10-18,10-15,10-12,10-9,10-6,10-3,100,103,106,109,1012,1015,a (atto),f (femto),p (pico),n (nano), (micro),m (mili),k (kilo),M (Mega),G (Giga),P (Peta),T (Tera), 10 nA, 1 G,什么是靜電計？ 簡單的說這是一個高性能的萬用表 可以測

3、量 1 G 的電阻,低電流與高阻 測量,浮地 / 接地的電阻測量,5,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(hù)層,共地 端口,電流表輸入端,共地端口,低,低電流與高阻 測量,測量數(shù)據(jù)問題,6,低電流與高阻 測量,噪聲問題 - 1,最大的實(shí)驗(yàn)室噪音來源是交流電源線路,7,低電流與高阻 測量,噪聲問題 - 2,消除交流噪聲的最佳辦法就是完全的隔離,8,使用電池供電的測量,電池,測量儀器,連接到交流電源的測量,低電流與高阻 測量,低電流 / 高電阻測量， 很典型的都用靜電計 / 高阻計,什么是靜電計的主要特點(diǎn)?,9,電壓源,電流表,電壓表,濕度 傳感器,溫度

4、 感應(yīng)器,低電流與高阻 測量,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？,10,BNC (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(dá)100,000,000倍。,絕緣,訊號線,導(dǎo)通保護(hù)層,絕緣,訊號線,低電流與高阻 測量,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(yàn)證電纜和測試夾具的性能是很重要的。因?yàn)檫@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,外部電纜和夾具問題- 2,外部連接完整性的驗(yàn)證技術(shù),12,通過比較參考和目標(biāo)的電流測量變化,可以獲得相對的品

5、質(zhì)因數(shù)。,低電流與高阻 測量,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(dá) 10 P,13,Keysight B2985A/B2987A,Date Noise - -,Date Noise - -,時域視圖,實(shí)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(shè)置完整性檢查功能以測量和記錄設(shè)置噪聲水平,噪聲數(shù)據(jù)- -,低電流與高阻 測量,研討會議程,高阻和低電流測量基礎(chǔ)知識 測量誤差的來源以及修正方法 調(diào)整儀器設(shè)置以得到最佳測量結(jié)果 最后總結(jié)和評論,測量誤差的來源以及修正方法

6、,電容耦合 絕緣體的影響 泄漏電流 電纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 外部環(huán)境的噪聲,15,低電流與高阻 測量,電容耦合噪聲的主要來源,電容耦合 - 1,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(dǎo)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(jī)電壓波動: 交流輸電線路 信號線,低電流與高阻 測量,電容耦合 - 2,屏蔽 因?yàn)楦咦韬偷碗娏鳒y量對外部噪聲非常敏感,適當(dāng)?shù)钠帘问侵陵P(guān)重要的。 一個理想的測試夾具必須完全把待測物包圍在導(dǎo)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置在內(nèi)部測試環(huán)境的外面,17,如何減少電容耦合效應(yīng),測

7、試 儀器,低電流與高阻 測量,屏蔽測量,無屏蔽測量,電容耦合 - 3,18,測量實(shí)例: 無屏蔽 vs. 屏蔽,10 fA p-p,2 pA p-p,低電流與高阻 測量,電容耦合 - 4,19,驗(yàn)證測試設(shè)置的完整性,屏蔽測量,無屏蔽測量,參考(): 在測試設(shè)置斷開時的參考噪聲值 目標(biāo)(): 在測試設(shè)置連接時的目標(biāo)噪聲值 方差比: 參考值和目標(biāo)值的方差比,更多的噪音,擁有一個測試設(shè)置完整性檢查功能可讓您以統(tǒng)計學(xué)的方式比較您的測試設(shè)置噪音水平。,低電流與高阻 測量,測量誤差的來源以及修正方法,電容耦合 絕緣體的影響 泄漏電流 電纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 外部環(huán)境的噪聲,20,低電流與高阻 測量,絕緣體的影響

8、 - 1,21,電阻測量的設(shè)置示例,了解您測試系統(tǒng)中使用的絕緣體屬性,測試系統(tǒng)常用的絕緣體 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,絕緣體可以對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響,低電流與高阻 測量,絕緣體的影響 - 2,22,泄漏電流和介質(zhì)吸收,等效電路,泄漏電流是由外加電壓和絕緣體的電阻率而決定。 重要的關(guān)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。,當(dāng)對絕緣體施加電壓時，會導(dǎo)致電荷極化。這會循序轉(zhuǎn)變成衰減電流。 重要的關(guān)鍵: 盡量減少

9、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,絕緣體的影響 - 3,23,前頁的測試設(shè)置問題,Triaxial cable,靜電計,低電流與高阻 測量,絕緣體的影響 - 4,24,比較理想的設(shè)置,Triaxial cable,靜電計,低電流與高阻 測量,絕緣體的影響 - 5,25,Keysight 現(xiàn)成的測試裝置和電纜,16339A Component Test Fixture 16339A 組件測試夾具,16008B Resistivity Cell 16008B 電阻率夾具,16117B/C Test Lead 16117B/C 測試引線,N14

10、13A high resistance meter fixture adapter N1413A 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,絕緣體的影響 - 6,16008B測試夾具,可連接B2985/87A靜電計以進(jìn)行體電阻率 / 表面電阻率測量。 16008B俱備非常高的絕緣電阻和小的介電吸收,能提供非常準(zhǔn)確的高電阻測量。,26,Keysight 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(jìn)行內(nèi)部連接,低電流與高阻 測量,測量誤差的來源以及修正方法,電

11、容耦合 絕緣體的影響 泄漏電流 電纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 外部環(huán)境的噪聲,27,低電流與高阻 測量,使用保護(hù)層技術(shù)的好處 (B2985A/87A 例子):,泄漏電流 - 1,28,保護(hù)層技術(shù)是什么?,保護(hù)層技術(shù)的配置需要使用三軸線。,無保護(hù)層的泄漏電流:,有保護(hù)層的泄漏電流:,Vd 少過 100 V (20 V 根據(jù)B2985A/87A的負(fù)擔(dān)電壓規(guī)格）。 當(dāng) Vs = 100 V 和 Rleak = Rlk1,三軸電纜,低電流與高阻 測量,電流表,電壓源,無保護(hù)層,泄漏電流 - 2,29,保護(hù)層技術(shù)是如何工作的呢?,有保護(hù)層,高,低,A,Im,Rl,DUT,IDUT,VS,Ileak,Rleak,高

12、,低,A,Im,Rl,DUT,IDUT,VS,Ilk2,Rlk2,Ilk1,Rlk1,Vd,保護(hù)層技術(shù)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,泄漏電流 - 3,30,測量實(shí)例: 有保護(hù)層 vs. 無保護(hù)層,使用同軸電纜的無保護(hù)層測量,使用三軸電纜的有保護(hù)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,測量誤差的來源以及修正方法,電容耦合 絕緣體的影響 泄漏電流 電纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 外部環(huán)境的噪聲,31,低電流與高阻 測量,來自線纜的機(jī)電系統(tǒng)噪

13、聲 - 1,摩擦電效應(yīng)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. 壓電體效應(yīng)來自過度機(jī)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(yīng),機(jī)械壓力,測試 儀器,低電流與高阻 測量,Keysight Triaxial三軸線覽 (16494A),來自線纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 - 2,33,Keysight低漏電的三軸線纜,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(dǎo)體材料層，用來減小層間摩擦引起的沖放電,3Hz, 5cm p-p 振動,Elect

14、rometer,開路,低電流與高阻 測量,測量誤差的來源以及修正方法,電容耦合 絕緣體的影響 泄漏電流 電纜的機(jī)電系統(tǒng)噪聲 外部環(huán)境的噪聲,34,低電流與高阻 測量,來自外部環(huán)境的噪聲 - 1,35,溫度，濕度和光照,如果樣品是半導(dǎo)體材料構(gòu)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. 關(guān)鍵點(diǎn): 通過屏蔽罩消除光照的影響,環(huán)境溫度的變化會影響小電流的測試 關(guān)鍵點(diǎn): 保持環(huán)境溫度恒定 讓測試儀器和樣品盡量遠(yuǎn)離溫變裝置 儀器需要開機(jī)三十分鐘再測試，使儀器內(nèi)部器件足夠時間預(yù)熱，才能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)范圍,高濕度加上樣品表面污染物，會影響表面絕緣性，導(dǎo)致漏電流增加. 關(guān)鍵點(diǎn): 降低測試環(huán)境的

15、濕度 測試前清潔掉樣品表面的污染物.,低電流與高阻 測量,來自外部環(huán)境的噪聲 - 2,B2985A/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. 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(zhǔn)確得比較不同測量值的實(shí)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,溫度探測器接口,B2985A/87A 皮安表 靜電計,低電流與高阻 測量,平臺搭建的消除誤差總結(jié),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) 使用保護(hù)層和高質(zhì)量的絕緣材料來搭建測試平臺 使用低漏電的三軸線纜，杜絕線纜彎曲 振動 過

16、度施壓 在穩(wěn)定的溫度和濕度環(huán)境下測試 保持半導(dǎo)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,高阻和低電流測量基礎(chǔ)知識 測量誤差的來源以及修正方法 調(diào)整儀器設(shè)置以得到最佳測量結(jié)果 最后總結(jié)和評論,調(diào)整儀器設(shè)置，優(yōu)化測量結(jié)果,儀器的預(yù)熱 & 自校準(zhǔn) Self-calibration 延遲時間 Wait (delay) time的設(shè)置 積分時間 Aperture (integration) time的設(shè)置 底噪清零 Offset cancelation 選擇小電流檔位 10nA range,39,低電流與高阻 測量,儀器預(yù)熱 & 自校準(zhǔn) self-ca

17、libration,40,幾乎所有儀器都需要至少30分鐘預(yù)熱來達(dá)到最佳狀態(tài)，預(yù)熱后才能滿足技術(shù)指標(biāo)。 幾乎所有用于低電流測量的儀器都有自校準(zhǔn) self-calibration 功能，在測試前必須完成自校準(zhǔn)這一步操作，才能降低儀器的測量底噪。,沒有進(jìn)行預(yù)熱 & 自校準(zhǔn)的100 G 電阻測量結(jié)果（統(tǒng)計直方圖）,進(jìn)行預(yù)熱 & 自校準(zhǔn)之后的100 G 電阻測量結(jié)果（統(tǒng)計直方圖）,低電流與高阻 測量,調(diào)整儀器設(shè)置，優(yōu)化測量結(jié)果,儀器的預(yù)熱 & 自校準(zhǔn) Self-calibration 延遲時間 Wait (delay) time的設(shè)置 積分時間 Aperture (integration) time的設(shè)

18、置 底噪清零 Offset cancelation 選擇小電流檔位 10nA range,41,低電流與高阻 測量,延遲時間 Wait (Delay) Time 的設(shè)置 - 1,42,儀器的延遲時間和電介質(zhì)充電,在實(shí)施數(shù)據(jù)測量前要保證足夠的延遲時間,影響延遲時間的原因是: 儀器自己的設(shè)置時間 樣品在施加電壓跳變的開始瞬間又介電質(zhì)充電現(xiàn)象 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(shí)施數(shù)據(jù)測量.,實(shí)際電流 (A),低電流與高阻 測量,延遲時間 Wait (Delay) Time 的設(shè)置 - 2,大多數(shù)品牌儀器定義設(shè)置時間為 當(dāng)?shù)竭_(dá)最終施加電壓/電流10

19、%的上升時間為設(shè)置時間。而 B2985A/87A 采用到達(dá)最終施加電壓/電流0.1%的上升時間，速度更快 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，也能得到很快的設(shè)置時間，使得測量速度更快.,43,儀器自己的設(shè)置時間是如何來的,重要！不同品牌儀器之間的設(shè)置時間是大不一樣的.,低電流與高阻 測量,延遲時間 Wait (Delay) Time 的設(shè)置 - 3,44,通過時域來觀察,通過 B2985/87A 的時域功能.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,調(diào)整儀器設(shè)置

20、，優(yōu)化測量結(jié)果,45,儀器的預(yù)熱 & 自校準(zhǔn) Self-calibration 延遲時間 Wait (delay) time的設(shè)置 積分時間 Aperture (integration) time的設(shè)置 底噪清零 Offset cancelation 選擇小電流檔位 10nA range,低電流與高阻 測量,積分時間 Aperture (Integration) Time 的設(shè)置 - 1,46,減小電源線引入的噪聲,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(dá)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.,低電流與高阻 測量,積分時間 Aperture (I

21、ntegration) Time 的設(shè)置 - 2,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）. 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,積分時間 Aperture (Integration) Time 的設(shè)置 - 3,48,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 median filtering.與純粹增加數(shù)據(jù)測量平均次數(shù)相比，能

22、夠在更短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)消除偶發(fā)的噪聲尖峰,中值濾波器 Median Filter 如果中值濾波器的采樣點(diǎn)數(shù)是 R, 那么能減小噪聲 exp(-R/2) . 增加PLC的平均 如果平均采樣點(diǎn)數(shù)是 N，那么能減小噪聲one-Nth. 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(shù), 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 10倍,Sample number of Median filter: 3,低電流與高阻 測量,積分時間 Aperture (Integration) Ti

23、me 的設(shè)置 - 4,49,測量實(shí)例: 中值濾波器 Median Filter,B2985A/87A 皮安表 靜電計,16008A 電阻率夾具,Median Filter 關(guān)閉,Median Filter 開啟,B2980A Median Filter 的設(shè)置,采樣點(diǎn)數(shù) N= 2 x Rank + 1,低電流與高阻 測量,50,調(diào)整儀器設(shè)置，優(yōu)化測量結(jié)果,儀器的預(yù)熱 & 自校準(zhǔn) Self-calibration 延遲時間 Wait (delay) time的設(shè)置 積分時間 Aperture (integration) time的設(shè)置 底噪清零 Offset cancelation 選擇小電流檔

24、位 10nA range,低電流與高阻 測量,底噪清零 Offset Cancelation,51,底噪清零 Null 功能 & 底噪補(bǔ)償電阻值,小電流測試的底噪清零功能，以及底噪補(bǔ)償電阻值 （如果需要測電阻）能夠用來消除底噪引入的誤差,每套測試系統(tǒng)都有一定的自身引起的底噪電流. 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,調(diào)整儀器設(shè)置，優(yōu)化測量結(jié)果總結(jié),儀器預(yù)熱30分鐘后進(jìn)行自校準(zhǔn) Sel-calibration. 在數(shù)據(jù)測量前設(shè)置足夠的延遲時間 Delay time（尤其大電容） 增加PLC積分時間 Integration time

25、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. 開啟底噪清零Null功能，進(jìn)一步降低底噪影響. 選擇小電流檔位 10nA range,52,針對低電流 & 高阻值測量,低電流與高阻 測量,研討會議程,高阻和低電流測量基礎(chǔ)知識 測量誤差的來源以及修正方法 調(diào)整儀器設(shè)置以得到最佳測量結(jié)果 最后總結(jié)和評論,總結(jié),準(zhǔn)確的 低電流 & 高阻值 測量需要: 靜電計技術(shù)指標(biāo)能夠測試到 fA 級電流和 TOhm 級電阻. 夾具 線纜等測試系統(tǒng)漏電流足夠小，同時人員有足夠的低電流 & 高電阻測量知識和經(jīng)驗(yàn)去搭建系統(tǒng). 正確設(shè)置儀器，優(yōu)化測量結(jié)果，讓儀器發(fā)揮最大效能. 強(qiáng)烈推薦靜電計有如下功能: 時域 & 統(tǒng)計直方視圖功能 電池供電能力減小電源線引入的