Tektronix - 电化学测试方法详解
时间：2024-06-13 19:07:12
Keithley是进步前辈电子测试仪器的环球领导者，领有60多年的丈量业余常识。咱们的客户是泛博研讨和工业使用畛域的迷信家和工程师，这些领域中包孕了许多电化学测试。Keithley的产物能够正确地举行电流和电压的丈量。Keithley测试设置装备摆设支撑的电化学学科测试包孕电池和储能、侵蚀迷信、电化学沉积、无机电子学、光电化学、资料研讨、传感器以及半导体资料和器件。
轮回伏安法
轮回伏安法（简称CV）是一种电位扫描法，是最经常使用的电化学丈量手艺，平日应用3电极的蓄电池。图1展示了一个典范的电化学丈量电路，它由蓄电池、可调电压源（VS）、电流表（AM）和电压表（VM）构成。蓄电池的三个电极分别是事情电极 (WE)、参比电极 (RE)和对电极 (CE)。用于电位扫描的电压源（VS） 在WE和CE之间施加。用电压表丈量RE和WE之间的电位(E)，并调解总电压（VS）以坚持WE相对RE的所需电位。用电流表（AM）丈量流入或流出WE的所得电流 (i)。
Keithley SMU 源表能够输入电压和丈量电流，这使得它们异常适宜轮回伏安法使用。图2说了然仪器的四个端子若何连接到3电极电化学电池。
当编程操纵SMU在源电压应用感测（4线）设置时，外部传感供应电压测试的反馈值并与编程配置的电压巨细举行比拟。SMU调解电压源，直到反馈电压即是编程电压。遥感赔偿了测试引线和阐发物电路中的压降，确保将配置电压加载到事情电极上。
2450-EC，2460-EC和2461-EC电化学源表拥有内置显示屏，能够应用其轮回伏安法测试剧本主动绘制伏安图。图3表现了该仪器天生的伏安图形。2450、2460和2461仪器包孕一个测试剧本，能够在没有计算机的情况下施行轮回伏安法。
2450-EC，2460-EC和2461-EC电化学实验室体系中还包括其余电化学测试剧本：开路电压，加载电压脉冲或方波与电流丈量，电流脉冲或方波与电压丈量，电流随时候变迁和电压随时候变迁。这些设置装备摆设还包孕一个带鳄鱼夹的测试电缆，使用户可以或许轻松连贯仪器和被测物。
开路电压
电化学电池的开路电位（OCP）是在参考电极和事情电极之间举行的电压丈量。丈量开路电位需求一个高阻抗的电压表来丈量没有电流或电压施加到电池上的电压。因为其高输出阻抗，SourceMeter SMU仪器在设置为4线制设置时异常适宜OCP丈量，如图4所示。在此配置中，该仪器设置为丈量电压和源0A。如果在举行轮回伏安法以前丈量OCP，则不需要在丈量之间手动从新罗列任何测试引线，由于仪器能够在内部主动转变性能。2450-EC，2460-EC和2461-EC带有施行开路电位丈量的测试剧本。
图4 - 应用电化学体系丈量蓄电池的开路电压
电阻率
电阻率是资料的一种基础特点，它量化了资料与电流的抗衡。肯定资料电阻率的最好手艺取决于所触及资料的范例、电阻的巨细和样品的多少外形。
导体/半导体 — 加电流测电压
导体或半导体的电阻率一般为4线设置，输出电流和丈量样品的电压来肯定的。4线设置最大限度地缩小引线和打仗电阻，以缩小它们对丈量精度的影响。在这类设置中（图5），两根引线用于发生电流，另一组引线用于丈量导电样品上的压降。样品上的压降会异常小，是以应用Keithley 2182A纳伏表举行丈量。
图5 - 应用电流源和纳伏表丈量导电样品
绝缘体 — 加电压测电流
绝缘体的电阻率一般为经由过程对未知电阻施加电压并丈量发生的泄露电流来丈量的。这是一个双端测试。体电阻率是间接丈量经由过程资料的泄露电流。外貌电阻率被界说为绝缘体表面的电阻。图6表现了体积电阻率和外貌电阻率的电路图。
图6 - 体电阻率和外貌电阻率丈量图
这些高电阻丈量需求一种能够测量到异常低电流而且能够施加电压的仪器。6517B和6487都能够丈量高阻资料的电阻率。这些仪器能够丈量低至数十或数百fA 的电流，并具有内置电压源。需求注重的是在丈量异常高的电阻时，必需精确屏障设置装备摆设和测试电缆，以防止静电滋扰的影响。
电压测定
电压/电位测定是丈量两个电极之间的电位，一般为事情电极和参比电极。电位差是用高阻抗电压表或静电计丈量的，是以任何电流都可以疏忽不计（i=0）。电位测定法用于诸如应用离子抉择电极举行pH丈量和电压丈量等使用。这些电位丈量平日应用两个电极和一个高阻抗电压表举行，比方6517B或6514静电计（图7）。
图7 - 静电计丈量两个电极之间的电位差
电化学传感器
电化学传感器用于分歧行业的许多使用包孕环境和气体监测，医疗使用，如测定葡萄糖浓度，以及汽车和农业行业。电化学传感器种种分歧设想 ; 它们可能有两个或三个电极所以电位计、安培计或伏安计。有些传感器是基于无机电子器件或纳米结的。
图8 - SourceMeter SMU仪器丈量2电极安培气体传感器的电流输入
太阳能电池
为了餍足人们干净动力日趋增进需要研讨职员正在起劲进步电池服从下降本钱。新兴手艺包孕染料敏化/燃料感光、仿生以至3D太阳能电池。太阳能电池的电学表征关于肯定若何使电池尽量消耗尽量进步服从相当首要。
通常在太阳能电池举行的一些电学测试包孕丈量电流和电容作为施加直流电压的函数。电容丈量是作为频次交换电压的函数举行的。有些测试需求脉冲电流 - 电压丈量。这些丈量通常在分歧的光强和温度举行。从这些丈量能够掏出首要的器件参数包孕输入电流、转换服从、最大功率输入搀杂密度、电阻率表现了从太阳能电池上典范的正向偏置 I-V 曲线能够提取的几个参数包孕最大电流（Imax）、短路电流（Isc）、最大功率（Pmax）、最大电压(V max )和开路电压（Voc）。
图9 - 光伏电池典范的正向偏置I-V曲线
像4200A-SCS参数分析仪如许的仪器能够举行这些关头的电气丈量时简化测试阐发。4200A-SCS是一个集成体系包孕用于举行直流倏地I-V和C-V丈量的仪器，以及操纵软件，图形和数阐发才能。4200A-SCS能够举行普遍的太阳能电池丈量包孕直流和脉冲电流电压、电容电压、电容频次、驱动级电容阐发 (DLCP) 和四探针电阻率。
图10表现了4200-SMU连贯太阳能电池举行I-V丈量。四线连贯消除了丈量电路的引线电阻。一旦电池连接到输入端子，4200A-SCS的软件能够轻松配置电压扫描主动天生I-V曲线，如图11所示光伏电池的正向偏置I-V曲线。
图10 - 4200-SMU与光伏电池连贯示意图
图11 - 4200A-SCS参数分析仪丈量的太阳能电池正偏I-V特点
可充电电池充电/放电
Keithley能够简化电池测试由于它们可以或许同时加载丈量电流电压能够灵巧配置输入吸取电流，以及丈量响应的电压和电流，使其成为电池充放电轮回测试圆满解决计划。
对于此测试经由过程连贯连接到电池（图12排除引线电阻的影响。
图12 - 源表2460测试电池充放电连贯图
图13 - 充放电电路图
电池一般为应用恒流充电是以咱们设置为电压配置为电池额外电压，并将限定配置为所需的充电电流。在测试开始时，电池电压小于仪器的电压输入配置。这个电压差驱动一个电流，该电流立即被限定在用户界说的电流限值内。当处于电流限定时，仪器作为恒流源事情，直到达到咱们设定的电压程度。
当电池放电时，源表将作为接收器应用由于它是耗散功率而不是输出功率。仪器电压配置为低于电池电压的电平，电流限定配置放电速度输入时，来自电池的电流流入仪器的Hi端子是以，电流读数将为负。图14所示丈量2500mAh电池放电特点效果。
图14应用源表测试2500mAh D芯电池放电特点
电气器件特点
源表和4200A-SCS半导体参数分析仪是电气设置装备摆设表征现实抉择由于它们能够发生丈量电流和电压。4200A-SCS除了包括多个SMU能够包孕电容电压单位CVU或脉冲丈量单位PMU能够表征的组件能够包孕碳纳米布局和器件、传感器、太阳能电池无机半导体器件其余布局。
特定使用所需数目取决于设置装备摆设上的终端数目和所需的测试使用。在图15所示无机场效应管（OFET）示例需求两台 SMU 仪器来表征器件这类情况下， SMU1连接到栅极终端，SMU2连接到器件的漏极终端。OFET的Source端接到common。OFET的传输特点经由过程应用SMU1步进栅极电压应用SMU2扫过漏极电压丈量漏极电流来肯定的。
图15应用4200A-SCS表征OFET I-V特点
4200A-SCS参数分析仪丈量并绘制的OFET传输特点如图16所示。
图16 - 4200A-SCS参数分析仪丈量的OFET传输特点
注 : OFET由肯特州立大学供应
4200A-SCS半导体参数分析仪为电气表征器件供应了许多好处这类设置的测试体系能够简化敏感的电气丈量由于它将多个仪器集成到一个体系包孕交互式软件，图形阐发性能。
电镀/电沉积
电镀是将金属薄膜涂在导电表面上进程。该工艺有许多使用包孕装璜涂层，防腐以至纳米线和纳米布局创造。传统上，该工艺触及连贯两个电极（阳极和阴极）之间的电流源。电流驱动金属离子从阳极流向阴极，如图17所示。在这个简略的例子中，6220电流源使阳极的Ag+离子被吸引到阴极。
图17接纳恒流源举行电镀的电路
电沉积大概需求应用恒定的直流电流或电压或许大概需求脉冲门路旌旗灯号操纵沉积时候。除了供应电流或电压外，特定使用大概还需要监测电流或电压。2400系列或2600B系列能够主动操纵源的参数，以及监控电路发生的电流或电压。四线操纵从仪器到电极两头能够用来排除引线电阻的影响。
｜结语｜
Keithley出产适用于种种电化学使用锐敏设置装备摆设包孕I-V特点测试，低电阻率和高电阻率丈量，电池测试，电位测定法，电沉积，电气器件特点以及其余触及加载丈量电流和电压以及高精度丈量电容的测试。Keithley仪器能够经由过程长途操纵完成自动化测试，多台同步准时操纵。
