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一种高精度数字源表小电流校准方法


1 引言


在通信 、 半导体 、 计算机 、 汽车的元件与模块制造领域 , 数字 源 表是产品特征分析及生产过程测试中极具实用价值的测试仪器,美国 Keithley 仪器公司推出的 2400/2600 系列高精度数字源表具有低至纳安 、 微安量级的小电流功能 , 可提供六位半分辨率 、 软件仿真 , 融合了精密电压源 、 电流源 、 六位半数字多用表等功能 , 采用特殊参数分析技术 , 满足了很多半导体 、 光电和纳米器件的测试需求 , 应用很广泛。

目前 , 为了满足 “ 测量设备与其校准设备之间的测试不确定度比应不小于4:1 ” 对于计量工作的要求,需要针对高精度数字源 表、 微安量级小电流部分校准点未达到 TUR 计量要求的现状进行研究 。


2 常规测量法


目前,直流小电流实际计量工作中 , 在测量误差均能满足技术要求的情况下 , 通常优先选取标准表法 。 行业内通常使用目前较高水平的 Keithley 6430 源表测试系统进行测试⑷ , 但对于 Keithley 2400/2600 系列数字 源 表来说 , 通过标准表法校准时 , 部分数字 源 表校准点与其校准设备之间的测量不确定度比接近 2:1 ,甚至部分纳安 、 微安量级的最大允许误差与标准器的测量不确定度相当 , 数据详见表 1 , 该表为通过常规标准表法用 Keithley 6430对数字源表 Keithley 2636B 直流电流 源 校准的信息 , “ 允许误差 ” 为测量点的最大允许误差 ; “3 a” 为此点的相对测量不确定度 , 显然小电流测量中会有部分校准点不满足 TUR 的计量要求,该方法存在一定的局限性 。


表 1 数字源表 2636B 直流电流源的部分校准点

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3 电阻采样法


由上述常规测量法的分析不能满足 TUR 计量的要求 , 下面提出一种电阻采样的测量方法 。将高值电阻的电流端钮串接被检源表的输出回路 , 将电流量转换成电压量 , 再将高值电阻的电位端钮接到直流数字电压表的输入端 , 校准框图如图 1 所示&数字电压表的读数 3 与高值电阻的标准值 R 之比即为被检数字源表中电流源功能的标准值 M 同时数字源表会有一个回读值 , 即为该源表的电流表功能的示值I回读。


I=U/R


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图 1 电阻采样法校准框图


该方法操作简单 , 实用 , 但必须适当的选择高值电阻,电阻选择原则有两点: 一个是高值电阻本身的稳定性 , 阻值越高 , 稳性性越差; 另一方面 , 数字电压表在100mV~10 V 量程之间时 , 该数字电压表的技术指标相对较高 , 由数字电压表引入的不确定度会越小。根据此原则, 例如 , 测量 1nA 点时 ,可选 IET 公司的 SRL-100 高值电阻 100MΩ、 Agilent公司型号为16353 的 1GΩ , 10GΩ , 三者测得分别为 0.1V , 1V , 10V , 数字电压表中三者电压的技术指标相当 , 进而通过三只电阻连续三年上级溯源证书可得最大相对变化量分别为 : 1.0 x 10-5, 6.0 x 10-5, 2.0 x 10-4, 即 100M Ω 稳定性更好一些 , 其次1G Ω , 若小电流技术指标相对较高时 , 优先选择100MΩ。根据上述原则, 针对不同电流建议选取的高值电阻见表 2。


表 2 高值电阻的选择

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另外在测量中要考虑 , 高值电阻的功率 , 温度系数 ,注意电磁环境干扰,必要时可采取屏蔽措施。

同时数字电压表的选择要考虑其输人阻抗和零电流的影响。


4 输入阻抗测量与影响分析


根据上述测量方法,测量过程中的影响量有:高值电阻的年稳定性、.上级校准引人的、电阻的温度系数、数字电压表测量电压的技术指标、重复性,另外,由于数字电压表与高值电阻R并联在一个回路中,数字电压表的输人阻抗值不是无穷大,那么它必定会分得一定的电流12,即为零电流,原理图如图2所示。它的影响具体有多大,需要我们研究分析。建立数学模型为


Ix =V/R1+V/R2


式中:Ix——被测标准电流值;R1——高值电阻的实际值;R2——数字电压表的输入阻抗;V——数字电压表示值。

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图 2 电阻采样法对数字源表校准原理图


以型号为Keithley 2636B数字源表1nA点作为对象,选择IET公司的SRL- 100高值电阻100MΩ,则数字电压表将测得电压为100mV,下面将分别分析不同输入阻抗的数字电压表作为标准对数字源表校准的影响,下并详细给出该点的测量不确定度。


4.1数字多用表Fluke 8508A


数字多用表Fluke 8508A说明书中给出200mV ~20V量程的输入阻抗为> 10GΩ,但并没有给出输入阻抗的实际数值,根据测量方法分析,需要测得数字多用表Fluke 8508A在200mV量程下的输入阻抗值。这里我们进行了实际的测试,用源表测试系统Keithley 6430的高阻测量功能采用加流测压的方式对Fluke 8508A的输人阻抗进行测量,测量原理图如图3所示。

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图 3 加流测压对 8508A 输入阻抗测量的框图


采用加流测压法时要求,电压表的输入阻抗与源电阻相比必须足够高,以便使负载误差保持在可以接受的水平, Keithley 6430源表的输入阻抗大于1016Ω,故能够对Fluke 8508A的输人阻抗进行测量,测得值约为20TΩ,现场测量图如图4所示(连接Keithley6430源表线缆的红色夹子为R+,绿色夹子为R- ,黑色夹子为Guard端)。


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图 4用 Keithley6430 测量 Fluke 8508A 输入阻抗示意图


经计算流过Fluke 8508A的电流为5.0E- 15A,假设属于均匀分布,置信因子k= 13,则Fluke8508A输人阻抗引人的标准测量不确定度u得


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计算其它的不确定度分量 ,最后该点的测量不确定度为1.6 x 10-4,查看Keithley 2636B数字源表说明书,可知其1nA点的年技术指标为±(0. 15%Reading + 2pA),即该点最大允许误差为:


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显然满足了TUR4:1的关系,同时增强了对直流小电流的量值传递能力。


4.2其它数字电压表


参照4.1测量方法,其它数字多用表输入阻抗的测试结果及不确定度分析结果见表3。


表 3 不同型号数字电压表输入阻抗的分析

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5试验分析


根据上述1nA点的分析,数字电压表有多个选择,即Fluke 8508A、 Agilent 3458A、 还有Keithley2000都能够满足TUR的计量要求。保证结论的严谨性,下面分别利用三个数字电压表对其它纳安、微安量级的小电流点进行测量与评定。表4给出利用数字多用表Fluke 8508A. Agilent 3458A、Keithley 2000分别测得的Keithley 2636B数字源表部分点的情况,明显都能满足TUR 4:1的关系,同时,不同程度上的提高了小电流的测量能力。数字电压表的选择推荐高输人阻抗,且精度较高的八位半数字多用表Fluke 8508A,根据实验室需求和价格也可选择与Fluke8508A技术指标相当的数字多用表Agilent 3458A,另外KEITHLEY 2000是六位半的数字多用表,它的精度也能够满足校准纳安、微安量级数字源表的要求,但技术指标以及分辨率较前两者差些。


表 4 不同数字电压表对数字源表 2636B 直流电流源部分

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