使用MFIA阻抗分析仪进行自动化二维阻抗扫描

简介

很多器件和材料的阻抗都受到频率和其它参数(例如DC偏置电压)的影响。为了能够完整的表征这些样品,我们需要一种能在两个维度下进行参数扫描的阻抗分析仪。通过使用LabOne自带的任意5个API之一,我们可以轻易控制MFIA阻抗分析仪(或者MFLI锁相放大器和MF-IA升级选件)来进行这种全面参数分析。

本文将详细说明如何使用简短的Python 3.7的程序,进行多参数维度的阻抗扫描。

图1: 红光LED作为器件被焊接在MFITF样品载具,并连接到MFIA阻抗分析仪上。

 

背景

在本文中,我们将使用偏置电压作为第二个维度进行扫描。偏置电压对很多呈现非线性I-V的器件至关重要。一个典型的例子就是电化学器件,例如电池和燃料电池。它们随着不同的偏置电压,一般有着比较复杂的物理化学特征(参考文献1)。另一个例子是半导体二极管。半导体连结界面发生的载流子耗尽效应会产生结电容(参考文献2)。这个电容和一般的平板电容器比较类似,但也有个明显的区别,即它的大小可随正向的偏置电压调控,如下方的公式所示:

随着正向的偏置电压(Va)增加,耗尽区的宽度(d)变窄,导致电容增加。最终当此电压逼近内在电势(Vb)之时,公式失效,同时半导体结会变成欧姆特性(线性I-V)。

 

实验步骤

这里我们把一个红光二极管(LED,Digikey 编号C503B-RAN-CZ0C0AA2CT-ND)焊接在MFITF的样品载具,并连接到MFIA阻抗分析仪上,如图1的照片所示。

在运行本文提供的Python代码之前,用户需要下载开源的Python,并从Python Package Index安装最新的免费zhinst python package。苏黎世仪器的下载网站也涵盖了这方面的详尽信息。

本文中的代码是基于Python API的诸多范例中的example_poll_impedance.py文件。在这里我们添加了两个“for”循环,来实现对频率和偏置电压的扫描。

这段代码主要应用了ZiDAQ模组和poll函数功能,使在不同参数下测量到的阻抗能够以嵌套字典的格式存储。用户可以基于此,使用Python或其他软件进行后续的数据分析和绘制。

需要说明的是,其它的扫描参数或者设置参数(例如滤波器带宽,安定时间,测量平均次数等)也可以通过程序进行控制。感兴趣的用户可以参考LabOne API的控制指令日志,如图2所示。该日志可以通过点击LabOne图形用户界面的“show log”按钮进入。用户在图形用户界面进行的每一步操作都可以以节点结构被完整清晰的记录下来。这可以节省用户查找说明书的大量时间。

为了确定该LED的点亮电压,我们首先使用LabOne自带的参数扫描仪在0 V到2.5 V的偏置电压范围内进行了扫描。在测试时我们同时添加了频率为1 kHz的100 mV AC测试信号。严格来说,扫描LED的电流较为安全,因为它能避免产生灾难性故障。而在本文中,扫描电压更简单易行,因为实测电流小于厂商标明的测试电流(20 mA)。

图2: LabOne控制指令日志以Python代码格式呈现。该界面可以通过点击LabOne图形用户界面的“show log”按钮进入。本段代码的作用即为设置偏置电压扫描范围(0 V至2.5 V)并计算阻抗数据。

 

结果

图3展示了LabOne参数扫描仪绘制的阻抗-偏置电压曲线,包括LED的阻抗幅值(蓝色),相位(红色)和推导出的电容(绿色)。在1.0 V以下时,符合理论预期,LED的表现接近电容器。在0 V实测的相位(-89.5°)非常接近-90°,并且随着偏置电压的增加,阻抗幅值缓慢的降低。在此阶段,电容大小也缓慢增加。但当接近点亮电压(1.5 V)时,电容大小脱离了理论预期。

而在超过1.5 V时,阻抗幅值快速减小,在2.5 V时仅为9.6 Ohm。LED此时表现得接近0°相位的电阻(实测值为0.14°)。

图3: 使用LabOne参数扫描仪测量红光LED,显示其在0 V到2.5 V偏置电压范围内的阻抗变化。

 

为了更进一步了解过渡阶段的阻抗,我们设计Python代码来扫描1 kHz至1 MHz的频段,以及1 V至1.7 V的偏置电压范围。如图4所示,测量出的阻抗幅值明显受频率的影响。在点亮电压以下时,随着频率增加,阻抗幅值降低。而在开启电压之上,趋势变得缓慢。

这段代码也可以被用来绘制电容图。因为在点亮电压附近或以上时,公式推导的等效电容会失去物理意义,我们在这里只选取了1.56 V以下的数据。在LabOne的阻抗模组中,我们选取了R||C作为等效电路模型。如此,‘param1’节点即可用来存储器件的等效电容数据。其他的电路参数,例如等效电阻R,电感L,损耗因子D,品质因子Q等,也可以被程序调用并存储在节点中。器件的电容(大小为几pF到几百pF)在此范围内随偏置电压增加而上升,但不受频率影响。这与理论预期相符。

图4:2维阻抗图显示了红光LED器件在不同偏置电压(线性坐标)和频率(对数坐标)下的幅值,相位,和电容大小。

 

通过Python,我们也可以绘制不同偏置电压下的奈奎斯特图。为了更好的显示,我们在这里选取0.07 V的偏置电压间距,效果如图5所示。在1 V时,奈奎斯特曲线(靛青)近似一条无限斜率的直线,这与图4中的-90°的相位相符。而随着偏置电压增加,电阻对整个阻抗的影响变得更大,这会使得曲线变成RC半圆。最终当偏置电压超过点亮电压,LED的阻抗会变得极小,以致于在图5的尺度下近乎不可见。

值得一提的是MFIA(或者带IA选件的MFLI)的用户,也可以通过LabOne的图形用户界面来绘制不同偏置电压的奈奎斯特图,并通过在每次扫频完成之后手工递加偏置电压来完成整个测量。但在这里,使用Python代码可以节约大量的时间。整个过程都被可以被自动化成为简单的一次鼠标点击。

图5:红光LED在不同偏置电压下的奈奎斯特图,即:1 V(靛青),1.07 V(橙色), 1.14 V(绿色), 1.21 V(红色), 1.28 V (紫色)和 1.35 V (棕色)。

 

结论

本文展现了如何使用API来连接和控制MFIA阻抗分析仪,使其能在无需手工调整参数的情况下,进行复杂的数据采集。上图显示了使用频率和偏置电压作为2维扫描参数的结果。其它的参数,比如电压幅值,辅助输出电压,和PID的参数(需要MF-PID升级选件),也可以作为扫描参数。API提供了一种自动化的手段,可以节省用户很多手动的操作。这一点在耗时的低频的阻抗测试中非常有帮助。

想了解更多关于使用API控制MFIA的内容么?敬请垂询苏黎世仪器(电话:+86 21 6487 0285 / 87)。

 

感谢

作者感谢Dr. Paweł Wierzba (Gdansk University of Technology) 提供的建议。

 

参考文献

1. M. Winter and R. J. Brodd. “What are batteries, fuel cells, and supercapacitors?.”  Chemical Reviews (2004): 4245-4270.

2. B. Van Zeghbroeck. Principles of Semiconductor Devices (2011). http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter4/ch4_3.htm#4_3_4

 

特别感谢Timothy Ashworth参与讨论和刘飞提供初始意见