爱游戏-【测试案例分享】Keithley电化学测试方法与应用

[导读]Keithley是进步前辈电子测试仪器的全球带领者，具有60多年的丈量专业常识。Keithley的产物可以正确地进行电流和电压的丈量，其测试装备撑持的电化学学科测试包罗电池和储能、侵蚀科学、电化学沉积、有电机子学、光电化学、材料研究、传感器和半导体材料和器件。 Keithley是进步前辈电子测试仪器的全球带领者，具有60多年的丈量专业常识。我们的客户是泛博研究和工业利用范畴的科学家和工程师，这些范畴中包罗了很多电化学测试。Keithley的产物可以正确地进行电流和电压的丈量。Keithley测试装备撑持的电化学学科测试包罗电池和储能、侵蚀科学、电化学沉积、有电机子学、光电化学、材料研究、传感器和半导体材料和器件。表1列出了一些采取Keithley产物的测试方式和利用。 表1 - 电化学测试方式和利用 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，凡是利用3电极的蓄电池。图1展现了一个典型的电化学丈量电路，它由蓄电池、可调电压源（VS）、电流表（AM）和电压表（VM）构成。蓄电池的三个电极别离是工作电极（WE）、参比电极（RE）和对电极（CE）。用在电位扫描的电压源（VS）在WE和CE之间施加。用电压表丈量RE和WE之间的电位（E），并调剂总电压（VS）以连结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）。 图1 - 轮回伏安法测试的简化电路 Keithley SMU源表可以输出电压和丈量电流，这使得它们很是合适轮回伏安法利用。图2申明了仪器的四个端子若何毗连到3电极电化学电池。 图2 - 源表毗连蓄电池进行轮回伏安法测试 当编程节制SMU在源电压利用感测（4线）设置装备摆设时，内部传感供给电压测试的反馈值并与编程设置的电压巨细进行比力。SMU调剂电压源，直到反馈电压等在编程电压。遥感抵偿了测试引线和阐发物电路中的压降，确保将设置电压加载到工作电极上。 2450-EC、2460-EC和2461-EC电化学源表具有内置显示屏，可使用其轮回伏安法测试剧本主动绘制伏安图。图3显示了该仪器生成的伏安图形。2450、2460和2461仪器包罗一个测试剧本，可以在没有计较机的环境下履行轮回伏安法。 图3 - 在2450上生成的伏安图形 2450-EC、2460-EC和2461-EC电化学尝试室系统中还包括其他电化学测试剧本：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，电流随时候转变和电压随时候转变。这些装备还包罗一个带鳄鱼夹的测试电缆，利用户可以或许轻松毗连仪器和被测物。 开路电压 电化学电池的开路电位（OCP）是在参考电极和工作电极之间进行的电压丈量。丈量开路电位需要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。因为其高输入阻抗，SourceMeter SMU仪器在设置装备摆设为4线制设置装备摆设时很是合适OCP丈量，如图4所示。在此设置中，该仪器设置装备摆设为丈量电压和源0A。假如在进行轮回伏安法之前丈量OCP，则不需要在丈量之间手动从头摆列任何测试引线，由于仪器可以在内部主动改变功能。2450-EC、2460-EC和2461-EC带有履行开路电位丈量的测试剧本。 图4 - 利用电化学系统丈量蓄电池的开路电压 电阻率是材料的一种根基特征，它量化了材料与电流的匹敌。肯定材料电阻率的最好手艺取决在所触及材料的类型、电阻的巨细和样品的几何外形。 导体/半导体 — 加电流测电压 导体或半导体的电阻率凡是是4线设置装备摆设，输入电流和丈量样品的电压来肯定的。4线设置装备摆设最年夜限度地削减引线和接触电阻，以削减它们对丈量精度的影响。在这类设置装备摆设中（图5），两根引线用在发生电流，另外一组引线用在丈量导电样品上的压降。样品上的压降会很是小，是以利用Keithley 2182A纳伏表进行丈量。 图5 - 利用电流源和纳伏表丈量导电样品 绝缘体 — 加电压测电流 绝缘体的电阻率凡是是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。体电阻率是直接丈量经由过程材料的泄露电流。概况电阻率被界说为绝缘体概况的电阻。图6显示了体积电阻率和概况电阻率的电路图。 图6 - 体电阻率和概况电阻率丈量图 这些高电阻丈量需要一种可以丈量到很是低电流而且可以施加电压的仪器。6517B和6487都可以或许丈量高阻材料的电阻率。这些仪器可以丈量低至数十或数百fA的电流，并具有内置电压源。需要留意的是在丈量很是高的电阻时，必需准确屏障装备和测试电缆，以免静电干扰的影响。 电压测定 电压/电位测定是丈量两个电极之间的电位，凡是是工作电极和参比电极。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）。电位测定法用在诸如利用离子选择电极进行的pH丈量和电压丈量等利用。这些电位丈量凡是利用两个电极和一个高阻抗电压表进行，例如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 电化学传感器用在分歧行业的很多利用，包罗情况和蔼体监测，医疗利用，如测定葡萄糖浓度，和汽车和农业行业。电化学传感器有各类分歧的设计；它们可能有两个或三个电极，可所以电位计、安培计或伏安计。有些传感器是基在有电机子器件或纳米布局的。 选择最优的测试装备对电化学传感器的研发相当主要。例如，丈量电位传感器的输出可能需要很是高阻抗的电压表，例如具有高输入阻抗（ 1014欧姆）的Keithley静电计。测试安培式气体传感器可能需要利用很是活络的安培计，如皮安计、静电计或源表。 图8显示了一个简单的安培气体传感器。当气体与工作电极（WE）接触时，按照传感器的分歧，会产生氧化或还原的化学反映。在安培传感器中，电流在对电极（CE）和工作电极（WE）之间活动。电流输出与气体浓度有关，由活络的安培计丈量。若有需要，可在传感器上加第三个电极，即参比电极，施加电势。 图8 - SourceMeter SMU仪器丈量2电极安培气体传感器的电流输出 太阳能电池 为了知足人们对洁净能源日趋增加的需求，光伏研究人员正在尽力提高电池效力，下降本钱。新兴手艺包罗染料敏化/燃料感光、仿生、钙钛矿，乃至3D太阳能电池。太阳能电池的电学表征对肯定若何使电池，在尽量小的消耗下尽量提高效力相当主要。 凡是在太阳能电池长进行的一些电学测试包罗丈量电流和电容作为施加直流电压的函数。电容丈量是作为频率或交换电压的函数进行的。有些测试需要脉冲电流 - 电压丈量。这些丈量凡是在分歧的光强和温度下进行。从这些丈量中可以提掏出主要的器件参数，包罗输出电流、转换效力、最年夜功率输出、搀杂密度、电阻率等。图9显示了从太阳能电池上典型的正向偏置I-V曲线中可以提取的几个参数，包罗最年夜电流（Imax）、短路电流（Isc）、最年夜功率（Pmax）、最年夜电压（Vmax）和开路电压（Voc）。 图9 - 光伏电池典型的正向偏置I-V曲线 像4200A-SCS参数阐发仪如许的仪器可以在进行这些要害的电气丈量时简化测试和阐发。4200A-SCS是一个集成系统，包罗用在进行直流和超快速I-V和C-V丈量的仪器，和节制软件，图形和数学阐发能力。4200A-SCS可以进行普遍的太阳能电池丈量，包罗直流和脉冲电流电压、电容电压、电容频率、驱动级电容阐发（DLCP）和四探针电阻率。图10显示了4200-SMU毗连太阳能电池进行I-V丈量。四线制毗连消弭了丈量电路的引线电阻。一旦电池毗连到输出端子，4200A-SCS的软件可以轻松设置电压扫描，主动生成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与光伏电池毗连示意图 图11 - 4200A-SCS参数阐发仪丈量的太阳能电池正偏I-V特征 可充电电池充电/放电 Keithley源表可以简化电池测试，由于它们可以或许同时加载和丈量电流电压。源表可以矫捷的设置输出源和接收电流，和丈量响应的电压和电流，使其成为电池充放电轮回测试的完善解决方案。对此测试，源表经由过程4线毗连毗连到电池（图12），以消弭引线电阻的影响。 图12 - 源表2460测试电池充放电毗连图 对充电和放电周期，该仪器设置装备摆设为加载电压和丈量电流。即便仪器设置装备摆设为电压源，它也将在恒流模式下工作。图13显示了充电和放电轮回的简化电路图。 图13 - 充放电电路图 电池凡是是利用恒流充电，是以我们将源表设置装备摆设为电压源设置为电池的额定电压，并将源限制设置为所需的充电电流。在测试最先时，电池电压小在仪器的电压输出设置。这个电压差驱动一个电流，该电流当即被限制在用户界说的电流限值内。当处在电流限制时，仪器作为恒流源工作，直达到到我们设定的电压程度。 当电池放电时，源表将作为领受器来利用，由于它是耗散功率而不是输入功率。仪器电压源设置为低在电池电压的电平，电流限制设置放电速度。当使能输出时，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所示为丈量2500mAh电池放电特征的成果。 图14 - 利用源表测试2500mAh D芯电池放电特征 电气器件特征 源表和4200A-SCS半导体参数阐发仪是电气装备表征的抱负选择，由于它们可以发生和丈量电流和电压。4200A-SCS除包括多个SMU外，还可以包罗电容电压单位CVU或脉冲丈量单位PMU。可以表征的组件可以包罗碳纳米布局和器件、传感器、太阳能电池、有机半导体器件和其他布局。 特定利用所需的源表数目取决在装备上的终端数目和所需的测试利用。在图15所示的有机场效应管（OFET）示例中，需要两台SMU仪器来表征器件。在这类环境下，SMU1毗连到栅极终端，SMU2毗连到器件的漏极终端。OFET的Source端接到common。OFET的传输特征是经由过程利用SMU1步进栅极电压和利用SMU2扫过漏极电压并丈量漏极电流来肯定的。 图15 - 利用4200A-SCS表征OFET I-V特征 4200A-SCS参数阐发江南体育仪丈量并绘制的OFET传输特征如图16所示。 图16 - 4200A-SCS参数阐发仪丈量的OFET传输特征（注：OFET由肯特州立年夜学供给） 4200A-SCS半导体参数阐发仪为电气表征器件供给了很多长处。这类可设置装备摆设的测试系统可以简化敏感的电气丈量，由于它将多个仪器集成到一个系统中，包罗交互式软件、图形和阐发功能。 电镀/电沉积 电镀是将金属薄膜涂在导电概况上的进程。该工艺有很多利用，包罗装潢涂层、防腐，乃至纳米线和纳米布局制造。传统上，该工艺触及毗连两个电极（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。在这个简单的例子中，6220电流源使阳极的Ag+离子被吸引到阴极。 电沉积可能需要利用恒定的直流电流或电压，或可能需要脉冲或阶梯旌旗灯号去节制沉积时候。除供给电流或电压外，特定利用可能还需要监测电流或电压。2400系列或2600B系列源表可以主动节制源的参数，和监控电路中发生的电流或电压。四线制节制从仪器到电极的两头可以用来消弭引线电阻的影响。 图17 - 采取恒流源进行电镀的电路 Keithley出产合用在各类电化学利用的活络装备，包罗I-V特征测试，低电阻率和高电阻率丈量、电池测试、电位测定法、电沉积、电气器件特征和其他触及加载和丈量电流和电压和高精度丈量电容的测试。Keithley仪器可以经由过程长途节制实现主动化测试，多台同步和按时节制。领会Keithley产物对电化学测试方式和利用，请登录：https://www.tek.com.cn/products/keithley/battery-test-and-simulation。 关在泰克科技 泰克公司总部位在美国俄勒冈州毕佛顿市，致力供给立异、切确、操作简洁的测试、丈量和监测解决方案，解决各类问题，释放洞察力，鞭策立异能力。70多年来，泰克一向走在数字时期前沿。接待插手我们的立异之旅，敬请登录：tek.com.cn。

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