小信號測試儀器和系統(tǒng)的各種應用
北京海洋興業(yè)科技有限公司提供適合各種電化學應用的小信號測試靈敏設備，包括伏安測量、低電阻系數(shù)和高電阻系數(shù)測量、電池測試、電位測量、電沉積、電氣裝置特性分析、以及涉及以高精度供應和測量電流和電壓及測量電容的其它測試，這些儀器可以遠程控制，自動完成測試、同步和定時控制。本文從9個方面介紹類似電化學測試的小信號測試儀器和系統(tǒng)的各種應用：
一、使用2450-EC和2460-EC電化學實驗室系統(tǒng)進行循環(huán)伏安測量
循環(huán)伏安測量(CV)是一種電位掃描方法，也是最常用的電化學測量技術，其一般采用3電極電池。圖1 顯示了由一塊電化學電池、一塊可調(diào)的電壓源(VS)、一個電流表(AM)和一個電壓表(VM)組成的典型的電化學測量電路。電化學電池的三個電極是工作電極(指示電極、研究電極 WE)、基準電極(參比電極 RE)和對電極(輔助電極 CE)。WE和CE之間應用電位可掃描使用的電壓源(VS)。RE與WE之間的電位(E)使用電壓表測量，然后調(diào)節(jié)整體電壓(VS)，在WE上相對于RE保持希望的電位。得到的與WE之間的電流(i)，使用電流表(AM)測量。
2450-EC和2460-EC電化學實驗室系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字源表輸出電壓、測量電流，特別適合循環(huán)伏安測量應用。圖2 說明了該儀器的四個端子怎樣連接到 3 電極電化學電池上。在源表SMU儀器編程為在遠程傳感 (4 線 ) 配置中輸出電壓時，內(nèi)置傳感功能提供了一個反饋電壓，將測量這個電壓，并與編程電壓進行對比。然后調(diào)節(jié)電壓源，直到反饋電壓等于編程電壓。遠程傳感功能補償測試線和被分析物中的電壓下跌，確保為工作電極提供編程的電壓。
2450-EC和2460-EC電化學實驗室系統(tǒng)擁有內(nèi)置顯示器，可以使用循環(huán)伏安測量測試腳本自動繪制伏安圖。圖3顯示了儀器生成的伏安圖。2450-EC和2460系統(tǒng)包括一個測試腳本，在沒有計算機的情況下執(zhí)行循環(huán)伏安測量。它們還包括LabVIEW?代碼，也可使用計算機來執(zhí)行循環(huán)伏安測量。
2450-EC和2460-EC 電化學實驗室系統(tǒng)自帶的其它電化學測試腳本有：開路電位測量、電位脈沖和方波及電流測量、電流脈沖和方波及電位測量、計時電流和計時電位。這些系統(tǒng)還包括一條電化學轉換電纜，帶有一套鱷魚夾，用戶可以簡便地連接到儀器和電化學電池。
二、使用2450-EC和2460-EC電化學實驗室系統(tǒng)測量開路電位
電化學電池的開路電位 (OCP) 是在基準電極和工作電極之間進行的一項電壓測量。測量開路電位要求高阻抗的電壓表，在對電池不施加電流或電壓的情況下測量電壓。由于輸入阻抗高，源表SMU儀器特別適合4 線配置下的OCP測量，如圖 4 所示。在這一設置下，儀器配置成測量電壓，輸出0A。如果先測量 OCP，后執(zhí)行循環(huán)伏安測量，那么在測量之間不需要手動重新安裝任何測試線，因為儀器可以在內(nèi)部自動改變功能。2450-EC和2460-EC標配一個測試腳本，可以執(zhí)行開路電位測量。
三、使用靜電計/電壓源和皮安表/ 電壓源進行電阻系數(shù)測量
電阻系數(shù)是量化材料對電流流動反作用力的一個基本指標。確定材料電阻系數(shù)的最佳測試方法與涉及的材料類型、電阻幅度和樣本的形狀有關。
1、導體和半導體 - 輸出電流、測量電壓通常通過輸出電流，在4線配置中測量經(jīng)過樣本的電位，來確定導體或半導體的電阻系數(shù)。4線配置最大限度地降低了導線和接觸電阻，減少了其對測量準確度的影響。這種配置(圖5)使用兩條線輸出電流，使用另一組線測量經(jīng)過傳導樣本的電壓下跌。樣本中的電壓下跌將非常小，因此使用吉時利2182A納伏表來進行測量。
2、絕緣體 - 應用電位，測量泄漏電流一般通過對未知電阻應用電位，然后測量得到的泄漏電流，來測量絕緣體的電阻系數(shù)。這是一種2端測試。體積電阻系數(shù)是衡量直接經(jīng)過材料的泄漏電流的指標。表面電阻系數(shù)則是指絕緣體表面的電阻。圖6是體積電阻系數(shù)和表面電阻系數(shù)的電路圖。
這些高電阻測量要求儀器能夠測量超低電流，并應用電位。6517B靜電計/電壓源和6487皮安表/ 電壓源能夠測量高阻抗材料的電阻系數(shù)。這些儀器能夠測量最低幾十或幾百毫微安的電流，并擁有一個內(nèi)置電壓源。在測量超高電阻時，一定要正確屏蔽裝置和所有線纜，避免靜電干擾的影響。
四、使用靜電計進行電位測量
電位測量需要測量兩個電極之間的電位，一般是工作電極和基準電極。我們使用高阻抗電壓表或靜電計測量電位差，因此任何電流流動都可以忽略不計 (i=0)。電位測量用于pH測量及使用離子選擇電極進行的電壓測量等應用。這些電位測量通常使用兩個電極和一個高阻抗電壓表進行，如6517B或6514靜電計 ( 圖7)。
五、使用皮安表、靜電計或源表進行電化學傳感器測量
某些傳感器基于有機電子器件或納米結構。選擇最優(yōu)的測試設備對電化學傳感器研發(fā)至關重要。例如：測量電位傳感器的輸出可能要求超高阻抗電壓表，如靜電計，其輸出阻抗很高(>1014歐姆)。測試電流測量氣體傳感器可能需要使用非常靈敏的電流表，如皮安表、靜電計或源表 SMU 儀器。
圖8 顯示了簡單的電流測量氣體傳感器。在氣體接觸工作電極(WE)時，會發(fā)生化學反應，包括氧化或還原反應，具體視傳感器而定。在電流測量傳感器中，電流在反電極(CE)和工作電極(WE)之間流動。電流輸出使用靈敏的電流表測得，其與氣體濃度有關。在必要時，可以在傳感器中增加第三個電極(即基準電極)應用電位。
六、使用參數(shù)分析儀測量太陽能電池
為了滿足不斷提高的清潔能源需求，光伏研究人員正在努力改善電池效率，降低成本。新興技術包括染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、甚至3D太陽能電池。分析太陽能電池的電氣特點對確定怎樣以最小損耗實現(xiàn)電池的最大效率至關重要。
在太陽能電池上執(zhí)行的部分常見電氣測試中，需要相對于應用的DC電壓測量電流和電容，并相對于頻率或AC電壓測量電容。某些測試要求脈沖式電流電壓測量。這些測量通常在各種光線強度和溫度下進行。可以從這些測量中提取重要的裝置參數(shù)，包括輸出電流、轉換效率、最大功率輸出、摻雜密度、電阻系數(shù)、等等。圖 9 是可以從太陽能電池典型的前向偏置I-V電流曲線中提取的多個參數(shù)，包括最大電流 (Imax)、短路電流 (Isc)、最大功率(Pmax)、最大電壓 (Vmax) 和開路電壓 (Voc)。
在進行這些關鍵電氣測量時，4200-SCS參數(shù)分析儀之類的儀器可以簡化測試和分析。4200-SCS是一種集成系統(tǒng)，包括進行 DC 及超快速I-V 和 C-V 測量的儀器，以及控制軟件、圖表和數(shù)學分析功能。4200-SCS可以進行各種太陽能電池測量，包括 DC 和脈沖電流電壓、電容電壓、電容頻率、驅動電平電容曲線 (DLCP) 和 4 探頭電阻系數(shù)。
圖 10 顯示了一塊太陽能電池連接到4200-SMU上進行 I-V 測量。四線連接消除了測量電路中的引線電阻。一旦電池連接到輸出端子上，4200-SCS的交互軟件可以簡便地設置電壓掃描，自動生成 I-V曲線，如圖 11 所示的光伏電池的前向偏置 I-V 曲線。
七、使用數(shù)字源表測量充電電池的充放
數(shù)字源表 SMU 儀器可以簡化電池測試，因為它們能夠同時輸出和測量電流和電壓。這些儀器可以靈活地輸出和接收電流，測量電壓和電流，為電池充放測試提供了完美的解決方案。對這一測試，源表 SMU 儀器的端子采用 4 線方式連接到電池上 ( 圖 12)，以消除引線電阻的影響。
在充放測試中，儀器配置成提供電壓，測量電流。盡管儀器配置成提供電壓，但它可以在恒定電流模式下運行。圖 13顯示了充放測試中簡化的電路圖。電流通常使用恒定電流充電，因此源表SMU儀器配置成把電壓源設置為電池的額定電壓，把輸出極限設置成希望的充電電流。在測試開始時，電池電壓小于儀器的電壓輸出設置。這種電壓差會驅動電流，這個電流直接受到用戶自定義的電流極限限制。在電流極限范圍內(nèi)，儀器作為恒定電流源工作，直到達到編程的電壓。
在電池放電時，源表SMU儀器作為接收裝置使用，因為它耗散功率，而不是供電。儀器的電壓源設置成低于電池電壓，電流極限設置成放電速率。在啟用輸出時，來自電池的電流流入儀器的Hi端子。結果，電流讀數(shù)將為負。圖14顯示了2500mAh電池放電特點的測量結果。
八、使用數(shù)字源表和參數(shù)分析儀進行電氣裝置特性分析
源表SMU儀器和4200-SCS參數(shù)分析儀特別適合分析電氣裝置特點，因為它們可以輸出和測量電流和電壓。除包含多臺 SMU 儀器外，參數(shù)分析儀還可以包括一個電容電壓單元或脈沖測量單元。可以表征的元器件包括碳納米結構和裝置、傳感器、太陽能電池、有機半導體器件和其他結構。
特定應用需要的SMU儀器數(shù)量取決于裝置的端子數(shù)量和要求的測量。在圖 15 所示的有機 FET (OFET) 實例中，要求兩臺SMU儀器分析器件特性。在這種情況下，一臺儀器 (SMU1) 連接到柵極端子上，第二臺儀器 (SMU2) 連接到器件的漏極端子上。OFET 的源極端子連接到公共位置。通過使用 SMU1 步進柵極電壓，使用 SMU2 掃描漏極電壓，測量漏極電流，可以確定 OFET 的傳遞特點。
4200-SCS 參數(shù)分析儀在分析器件電氣特點方面擁有許多優(yōu)勢。這種可以配置的測試系統(tǒng)能夠簡化靈敏的電氣測量，因為它把多臺儀器整合到一個系統(tǒng)中，包括交互軟件、圖形和分析功能。
九、使用微小電流源或源表測量分析電沉積或電鍍
電沉積是把一層金屬薄膜應用到傳導表面的工藝。這一工藝有許多應用，包括裝飾涂層、防腐蝕、甚至納米線和納米結構鑄造。傳統(tǒng)上，這一工藝需要在兩個電極之間連接一個電流源、一個陰極、一個陽極。電流驅動金屬離子從陽極流向陰極，如圖17所示。在這個簡單的實例中，6220電流源引導Ag+離子從陽極吸收到陰極。
電沉積可能要求使用恒定DC電流或電壓，也可能要求沉積時間受控的脈沖式或步進式信號。除提供電流或電壓外，特定應用可能要求監(jiān)測電流或電壓。2400系列或2600B系列源表SMU儀器可以自動控制源參數(shù)，并監(jiān)測電路中得到的電流或電位。可以使用從儀器到 2 電極配置的四線控制，消除引線電阻的影響。
總結:
北京海洋興業(yè)科技有限公司提供適合各種電化學應用的靈敏設備，包括伏安測量、低電阻系數(shù)和高電阻系數(shù)測量、電池測試、電位測量、電沉積、電氣裝置特性分析以及涉及以高精度提供和測量電流和電壓及測量電容的其它測試。這些儀器可以遠程控制，自動完成測試、同步和定時控制。
電化學傳感器用于各行各業(yè)的各種應用，包括環(huán)境和氣體監(jiān)測、醫(yī)療應用 ( 如確定葡萄糖濃度 ) 以及汽車和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。電化學傳感器分成各種不同的設計，可以有兩個或三個電極，可以是電位測量傳感器，也可以是電流測量傳感器，還可以是電壓測量傳感器。
