5个优化您的阻抗测量的小技巧

引言

阻抗测量可能有诸多不同的要求,但是最终共同的目标都一致,即获得最高的准度,精度和可重复性。

本篇博文将指导您如何通过最佳的设置来提升您的阻抗测量结果。当您使用苏黎世仪器的MFIA阻抗分析仪(以及带MF-IA选件的MFLI锁相放大器)进行测量的时候,这些小技巧能帮助您获得最优的结果,并且能节约您宝贵的时间。如果您目前只有MFLI锁相放大器,也可浏览本博文末尾的最后一个章节,“在没有IA选件时如何测量阻抗?”,来进行快速的对比。

我们先来快速预览一下这5个小技巧:

  1. 确保仪器和待测器件之间的接线最佳
  2. 使用用户补偿功能提升测量准度
  3. 选择正确的检测端子配置
  4. 尽可能的使用自动输入量程模式
  5. 优化平衡测量的速度和精度

 

1.确保仪器和待测器件之间的接线最佳

绝大多数的阻抗分析仪都会提供一个对应前端面板校准的基本精度。这里以MFIA阻抗分析仪为例,将一个高精度的1 kOhm电阻(Digikey 编号Y1624-1KCT-ND,在DC时标定为1000.010 Ohm)插入到MFITF阻抗测试夹具并连接到MFIA的前端面板,如图1所示【1】。 在1 mHz到500 kHz的频率范围内,图2中的红色曲线显示了实测的误差仅为(1000.010-999.553)/1000.010 = 0.046%,完全吻合电抗图中对应的精度区间。

图 1: 使用MFIA阻抗分析仪和MFITF夹具测量一个高精度的1 kOhm电阻。

 

现在我们来考虑一个更实际的情况,即使用线缆或者第三方的夹具,来连接仪器前端面板和待测器件。除非进行额外的校准(详见第2条小技巧),测量的准度一般会下降。在图2中,蓝色曲线显示了同样的一个1 kOhm电阻和MFITF夹具,在使用额外的1米长的BNC线缆连接时测量的结果。尽管阻抗幅值很接近,但是相位在500 kHz时却偏移了1.8 deg。


图2: 左:使用LabOne参数扫描仪扫描一个1 kOhm高精度电阻在1 mHz到500 kHz频率范围(参见右图中的红色箭头)内的阻抗变化。 红色曲线为使用MFITF夹具并直接插在MFIA的前端面板,而蓝色曲线显示了使用额外的1米的BNC线缆时的测得的阻抗幅值和相位。右:MFIA的电抗图以及对应的精(准)度区间。

 

2. 使用用户补偿功能提升测量准度

使用夹具和线缆时,将测量平台按照实际实验情况校准十分重要。为了减少其中的寄生阻抗,您可以使用LabOne软件自带的智能补偿功能。一般情况下,推荐您进行短路-负载补偿。其中的短路和负载需要和待测器件有相近的尺寸和接线模式。对于负载,最好使用已知阻值的高精度电阻。

在使用短路-负载补偿过程中,最好先进行负载补偿,再进行短路补偿。这样,就可以在不重新接线的情况下测量基线。一个好的用户补偿设置一般来说可以将串联等效电感(ESL)和串联等效电阻(ESR)分别降低到pH和10 μOhm量级。注意:为了可靠并可重复的达到这个量级,您需要一个设计优异的夹具相匹配【2】。在测量完待测器件之后,您可以重新连接该器件并再次测量。两次测量之间的差值即为重置误差。

图 3:LabOne参数扫描仪显示了短路-负载用户补偿后的基线:ESR(上图,红色曲线)和ESL(下图,绿色曲线)。原图出自【2】。

 

3. 选择正确的检测端子配置

MFIA本身提供了两种端子配置,即2端子检测和4端子检测(又称4探针法或者开尔文测量)。在开始测量前,最好花些时间思考哪种更适合您的待测器件。

大致上,2端子检测更适于高阻抗器件,例如100 kOhm以上,而以下4端子检测更优。4端子的优势在于,它以尽可能的排除接触电阻的影响。当您的器件阻抗本身就很小时,接触电阻带来的误差会非常明显。

另外,LabOne自带的置信功能也能给您一个大致关于何时应该从4端子切换成2端子的提示。如果待测器件的阻抗过低,测出的数值将会用灰色显示,同时会出现警告信息。当然,您也可将这个提示的阈值设置成别的数值或者关掉。下图的例子显示了,当从4端子切换成2端子后,在测量前文提到的1 kOhm电阻时,产生了额外的阻抗幅值和相位误差。

图 4:LabOne绘图仪显示了1米长线缆接线的1 kOhm电阻,在从4端子切换到2端子检测模式时的阻抗和相位变化。切换操作十分简单,仅需要单击红框中对应的按钮。注意此时在右侧对应的等效电路图也会随之改变。在本例中,输入量程设置成了手动挡位以节省换挡所需的时间。

 

4. 尽可能的使用自动输入量程模式

在开始测量前,实际的输入电流是未知的。所以一般来说,最好使用自动输入量程进行阻抗扫描。在扫描过程中,您可以在LabOne参数扫描仪中,添加并同时显示解调出的电流(默认为Demod 1 Sample R)。这可以帮助您了解实际的电流大小,方便选择合适的量程范围。

图5显示了在使用不同电流量程,测量100 pF的电容器时的电流。这里自动量程的表现最佳,因为它能同时避免扫频时产生下溢和溢出现象。如果您的后续实验只需要一个很窄的频段,您就可以根据此图来选择最合适的手动量程范围。

图 5 : 使用不同输入电流量程测量一个100 pF的电容器。红色曲线: 1 μA, 绿色: 10 mA, 蓝色: 自动量程。下溢和溢出区间如图所示。量程调节可以通过红框中的下拉菜单进行。

 

5.优化平衡测量的速度和精度

LabOne自带的扫描仪包含了“阻抗”应用模式。在此模式下进行扫频,测量的带宽会被自动设置成一个较窄且可调的数值。这就保证了测量可以达到高精度,代价是测量时间会稍长。感兴趣的读者可以在《锁相放大器的工作原理》这篇(英文)文章中,找到更多关于测量原理的细节【3】。

在某些应用中,比如微流控【4】,或者深度瞬态能谱(DLTS)【5】,您可能会需要测量快速变化的阻抗。而它们的变化一般会比默认的带宽设置更快。为了能测到这个变化,您可以手动调高测量带宽(在4阶时,最大为200 kHz),代价是略微牺牲信噪比。如图6所示,这种设置可以帮助我们捕捉到10 μs内瞬态电容的数值变化,而不必担心测量带宽方面的限制。

图 6: LabOne截图显示了在阻抗模块高级面板中的测量带宽设置(红框内)。下方的数据采集模块显示了实测的瞬态电压(蓝色曲线),电流(橘色)和电容(绿色)。

 

如何在没有IA选件时测量阻抗?

阻抗是一个相敏的属性,可以通过直接电流-电压法来进行测量【6】。此种方法非常适合于锁相放大器。MFLI锁相放大器本身(不包含MF-MD选件)有1个振荡器和1个解调器。它可以被用来测量电流的幅值和相位,来完成2端子测量。这里,您需要假设仪器输出的电压与待测器件上的实际压降相等。但是实际上因为电流同时也通过了仪器的输入和输出内阻,当待测器件的阻抗过低时,此假设会出问题【7】。

MF-MD选件可以提供最多4个振荡器和解调器。这就意味着4端子检测成为了可能。您只需同时测量电流和电压即可。注意,无论是以上哪种情况,您都要进行后处理,将测量出的电流(和电压)通过欧姆定律转化成为阻抗数值。

如果准度对您的应用十分重要,MF-IA选件会十分有用,因为它可以提供相对于MFLI本身最高20倍的准度。图7显示了在打开和关闭仪器内部校准时,测量出的阻抗幅值变化。后者与使用欧姆定律(即电压除以电流)等同。在使用4端子检测时,我们可以看到不打开仪器校准会有额外5 Ohm的误差。而在使用2端子时,误差可能会更大。另外,如果您使用MF-IA选件,您还能享用前文提及的自动输入量程功能,和内置的实时电流模型(含推导参数)。当您的待测器件有明显的电抗时,这些功能可以给您非常大的帮助。

图7: LabOne 截图显示了前文提到的同一个1 kOhm电阻的阻抗幅值测量。当关闭MFIA内部仪器校准时,实测出的阻抗会变小。切记:在下次测量前,请将内部仪器校准打开。

这里我们使用表格来快速对比一下在三种不同仪器配置时,阻抗测量方面的区别。

仪器配置 2端子测量 4端子测量 内部校准和用户补偿 自动量程 实时阻抗显示
MFLI 是*
MFLI + MF-MD
MFLI + MF-IA

表格 1: MFLI在附带不同选件时在阻抗测量性能上的区别。注意MFLI + MF-IA和MFIA在本质上是同一种仪器。* 四端子检测需要两台MFLI同步测量(MDS),或者MF-MD选件的支持。

结论

本篇博文描述了5种可以帮助您优化阻抗测量的小技巧。您可以在以后的实验中实践一下,并观察实验效果的提升。

如果您有任何问题或者建议,欢迎联系我们。

参考文献

[1] What is the Basic Accuracy of an Impedance Analyzer?

[2] Measuring low ESL and low ESR of a DC-Link Capacitor with the MFIA Impedance Analyzer.

[3] Principles of Lock-in Detection.

[4] Zurich Instruments Microfluidics/Single-Cell Detection & Sorting Application Page.

[5] Zurich Instruments Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) Application Page.

[6] 百度百科词条:阻抗分析仪.

[7] DC I-V Sweeps on the MFIA.