小信号测试仪器和系统的各种应用

循环伏安测量(CV)是一种电位扫描方法，也是最常用的电化学测量技术，其一般采用3电极电池。图1 显示了由一块电化学电池、一块可调的电压源(VS)、一个电流表(AM)和一个电压表(VM)组成的典型的电化学测量电路。电化学电池的三个电极是工作电极(指示电极、研究电极 WE)、基准电极(参比电极 RE)和对电极(辅助电极 CE)。WE和CE之间应用电位可扫描使用的电压源(VS)。RE与WE之间的电位(E)使用电压表测量，然后调节整体电压(VS)，在WE上相对于RE保持希望的电位。得到的与WE之间的电流(i)，使用电流表(AM)测量。

2450-EC和2460-EC电化学实验室系统内的数字源表输出电压、测量电流，特别适合循环伏安测量应用。图2 说明了该仪器的四个端子怎样连接到 3 电极电化学电池上。在源表SMU仪器编程为在远程传感 (4 线 ) 配置中输出电压时，内置传感功能提供了一个反馈电压，将测量这个电压，并与编程电压进行对比。然后调节电压源，直到反馈电压等于编程电压。远程传感功能补偿测试线和被分析物中的电压下跌，确保为工作电极提供编程的电压。

2450-EC和2460-EC电化学实验室系统拥有内置显示器，可以使用循环伏安测量测试脚本自动绘制伏安图。图3显示了仪器生成的伏安图。2450-EC和2460系统包括一个测试脚本，在没有计算机的情况下执行循环伏安测量。它们还包括labview®代码，也可使用计算机来执行循环伏安测量。

2450-EC和2460-EC 电化学实验室系统自带的其它电化学测试脚本有：开路电位测量、电位脉冲和方波及电流测量、电流脉冲和方波及电位测量、计时电流和计时电位。这些系统还包括一条电化学转换电缆，带有一套鳄鱼夹，用户可以简便地连接到仪器和电化学电池。

电化学电池的开路电位 (OCP) 是在基准电极和工作电极之间进行的一项电压测量。测量开路电位要求高阻抗的电压表，在对电池不施加电流或电压的情况下测量电压。由于输入阻抗高，源表SMU仪器特别适合4 线配置下的OCP测量，如图 4 所示。在这一设置下，仪器配置成测量电压，输出0A。如果先测量 OCP，后执行循环伏安测量，那么在测量之间不需要手动重新安装任何测试线，因为仪器可以在内部自动改变功能。2450-EC和2460-EC标配一个测试脚本，可以执行开路电位测量。

电阻系数是量化材料对电流流动反作用力的一个基本指标。确定材料电阻系数的最佳测试方法与涉及的材料类型、电阻幅度和样本的形状有关。

1、导体和半导体 - 输出电流、测量电压通常通过输出电流，在4线配置中测量经过样本的电位，来确定导体或半导体的电阻系数。4线配置最大限度地降低了导线和接触电阻，减少了其对测量准确度的影响。这种配置(图5)使用两条线输出电流，使用另一组线测量经过传导样本的电压下跌。样本中的电压下跌将非常小，因此使用吉时利2182A纳伏表来进行测量。

2、绝缘体 - 应用电位，测量泄漏电流一般通过对未知电阻应用电位，然后测量得到的泄漏电流，来测量绝缘体的电阻系数。这是一种2端测试。体积电阻系数是衡量直接经过材料的泄漏电流的指标。表面电阻系数则是指绝缘体表面的电阻。图6是体积电阻系数和表面电阻系数的电路图。

这些高电阻测量要求仪器能够测量超低电流，并应用电位。6517B静电计/电压源和6487皮安表/ 电压源能够测量高阻抗材料的电阻系数。这些仪器能够测量最低几十或几百毫微安的电流，并拥有一个内置电压源。在测量超高电阻时，一定要正确屏蔽装置和所有线缆，避免静电干扰的影响。

电位测量需要测量两个电极之间的电位，一般是工作电极和基准电极。我们使用高阻抗电压表或静电计测量电位差，因此任何电流流动都可以忽略不计 (i=0)。电位测量用于pH测量及使用离子选择电极进行的电压测量等应用。这些电位测量通常使用两个电极和一个高阻抗电压表进行，如6517B或6514静电计 ( 图7)。

某些传感器基于有机电子器件或纳米结构。选择最优的测试设备对电化学传感器研发至关重要。例如：测量电位传感器的输出可能要求超高阻抗电压表，如静电计，其输出阻抗很高(>1014欧姆)。测试电流测量气体传感器可能需要使用非常灵敏的电流表，如皮安表、静电计或源表 SMU 仪器。

图8 显示了简单的电流测量气体传感器。在气体接触工作电极(WE)时，会发生化学反应，包括氧化或还原反应，具体视传感器而定。在电流测量传感器中，电流在反电极(CE)和工作电极(WE)之间流动。电流输出使用灵敏的电流表测得，其与气体浓度有关。在必要时，可以在传感器中增加第三个电极(即基准电极)应用电位。

为了满足不断提高的清洁能源需求，光伏研究人员正在努力改善电池效率，降低成本。新兴技术包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、甚至3D太阳能电池。分析太阳能电池的电气特点对确定怎样以最小损耗实现电池的最大效率至关重要。

在太阳能电池上执行的部分常见电气测试中，需要相对于应用的DC电压测量电流和电容，并相对于频率或AC电压测量电容。某些测试要求脉冲式电流电压测量。这些测量通常在各种光线强度和温度下进行。可以从这些测量中提取重要的装置参数，包括输出电流、转换效率、最大功率输出、掺杂密度、电阻系数、等等。图 9 是可以从太阳能电池典型的前向偏置I-V电流曲线中提取的多个参数，包括最大电流 (Imax)、短路电流 (Isc)、最大功率(Pmax)、最大电压 (Vmax) 和开路电压 (Voc)。

在进行这些关键电气测量时，4200-SCS参数分析仪之类的仪器可以简化测试和分析。4200-SCS是一种集成系统，包括进行 DC 及超快速I-V 和 C-V 测量的仪器，以及控制软件、图表和数学分析功能。4200-SCS可以进行各种太阳能电池测量，包括 DC 和脉冲电流电压、电容电压、电容频率、驱动电平电容曲线 (DLCP) 和 4 探头电阻系数。

图 10 显示了一块太阳能电池连接到4200-SMU上进行 I-V 测量。四线连接消除了测量电路中的引线电阻。一旦电池连接到输出端子上，4200-SCS的交互软件可以简便地设置电压扫描，自动生成 I-V曲线，如图 11 所示的光伏电池的前向偏置 I-V 曲线。

数字源表 SMU 仪器可以简化电池测试，因为它们能够同时输出和测量电流和电压。这些仪器可以灵活地输出和接收电流，测量电压和电流，为电池充放测试提供了完美的解决方案。对这一测试，源表 SMU 仪器的端子采用 4 线方式连接到电池上 ( 图 12)，以消除引线电阻的影响。

在充放测试中，仪器配置成提供电压，测量电流。尽管仪器配置成提供电压，但它可以在恒定电流模式下运行。图 13显示了充放测试中简化的电路图。电流通常使用恒定电流充电，因此源表SMU仪器配置成把电压源设置为电池的额定电压，把输出极限设置成希望的充电电流。在测试开始时，电池电压小于仪器的电压输出设置。这种电压差会驱动电流，这个电流直接受到用户自定义的电流极限限制。在电流极限范围内，仪器作为恒定电流源工作，直到达到编程的电压。

在电池放电时，源表SMU仪器作为接收装置使用，因为它耗散功率，而不是供电。仪器的电压源设置成低于电池电压，电流极限设置成放电速率。在启用输出时，来自电池的电流流入仪器的Hi端子。结果，电流读数将为负。图14显示了2500mAh电池放电特点的测量结果。

源表SMU仪器和4200-SCS参数分析仪特别适合分析电气装置特点，因为它们可以输出和测量电流和电压。除包含多台 SMU 仪器外，参数分析仪还可以包括一个电容电压单元或脉冲测量单元。可以表征的元器件包括碳纳米结构和装置、传感器、太阳能电池、有机半导体器件和其他结构。

特定应用需要的SMU仪器数量取决于装置的端子数量和要求的测量。在图 15 所示的有机 FET (OFET) 实例中，要求两台SMU仪器分析器件特性。在这种情况下，一台仪器 (SMU1) 连接到栅极端子上，第二台仪器 (SMU2) 连接到器件的漏极端子上。OFET 的源极端子连接到公共位置。通过使用 SMU1 步进栅极电压，使用 SMU2 扫描漏极电压，测量漏极电流，可以确定 OFET 的传递特点。

4200-SCS 参数分析仪在分析器件电气特点方面拥有许多优势。这种可以配置的测试系统能够简化灵敏的电气测量，因为它把多台仪器整合到一个系统中，包括交互软件、图形和分析功能。

电沉积是把一层金属薄膜应用到传导表面的工艺。这一工艺有许多应用，包括装饰涂层、防腐蚀、甚至纳米线和纳米结构铸造。传统上，这一工艺需要在两个电极之间连接一个电流源、一个阴极、一个阳极。电流驱动金属离子从阳极流向阴极，如图17所示。在这个简单的实例中，6220电流源引导Ag+离子从阳极吸收到阴极。

电沉积可能要求使用恒定DC电流或电压，也可能要求沉积时间受控的脉冲式或步进式信号。除提供电流或电压外，特定应用可能要求监测电流或电压。2400系列或2600B系列源表SMU仪器可以自动控制源参数，并监测电路中得到的电流或电位。可以使用从仪器到 2 电极配置的四线控制，消除引线电阻的影响。

北京海洋兴业科技有限公司提供适合各种电化学应用的灵敏设备，包括伏安测量、低电阻系数和高电阻系数测量、电池测试、电位测量、电沉积、电气装置特性分析以及涉及以高精度提供和测量电流和电压及测量电容的其它测试。这些仪器可以远程控制，自动完成测试、同步和定时控制。