使用三軸電纜進(jìn)行低電流測量

檢測幾乎察覺不到的現(xiàn)象和利用新的材料特性是研究中的強(qiáng)大工具，但需要在極低的電流下進(jìn)行高精度測量。必須降低漏電流以確保有效的結(jié)果。三軸電纜允許保護(hù)探測，從而可以測量非常小的電流，并且在高級應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。

低電流環(huán)境下的可靠性

經(jīng)過驗證，防護(hù)探測對于測量皮安及以下范圍內(nèi)的微小電流是有效的。使用正確的適配器至關(guān)重要，以確保在連接到僅提供同軸連接器（如 SMA/SMP 或 BNC）的測量設(shè)備時信號完整性。

檢測幾乎察覺不到的現(xiàn)象或利用新的材料特性是尋找解決工業(yè)、醫(yī)學(xué)、家庭生活和其他領(lǐng)域挑戰(zhàn)的解決方案的有力工具。對石墨烯或有機(jī)材料等材料進(jìn)行參數(shù)測量，表征精密電子設(shè)備或薄膜晶體管等結(jié)構(gòu)，以及創(chuàng)建先進(jìn)的傳感系統(tǒng)或精密嵌入式儀器，在測量低于1nA并深入皮安甚至飛安領(lǐng)域的電流時，對精度的需求不斷增加。

消除漏電流

在如此低的電流水平下，通過測試探頭周圍的絕緣層泄漏到地面會導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差。正確應(yīng)用保護(hù)探測提供了一種消除泄漏電流的方法，可以對非常小的電流進(jìn)行高精度測量。它已經(jīng)廣泛用于半導(dǎo)體晶圓級測試，在后端封裝之前篩選零件和表征芯片。在這種情況下，半導(dǎo)體測試站或晶圓卡盤等專用設(shè)備在設(shè)計時考慮了防護(hù)探測，可在需要時提供適當(dāng)?shù)娜S連接和饋通件。

隨著防護(hù)探測現(xiàn)在在研究實驗室、測試室和其他技術(shù)部門中得到越來越普遍的使用，工程師可能會發(fā)現(xiàn)自己需要將三軸探頭連接到示波器、皮安表或靜電計等設(shè)備上，這些設(shè)備可能配備更通用的同軸前面板連接器。必須注意選擇帶有合適連接器和適配器的探頭，并確保它們以正確的方式連接。

保護(hù)探測原理

在普通同軸探頭中，當(dāng)導(dǎo)體處于一定電位并且外部屏蔽接地時，一個小的漏電流可以通過主探頭導(dǎo)體和電纜外部電磁屏蔽之間的絕緣層。如果導(dǎo)體處于100V電位，絕緣電阻為1GΩ，則該電流約為100nA。雖然這可能不會影響毫安甚至微安范圍內(nèi)的電流測量，但在嘗試以皮安或飛安為單位測量電流時，這種幅度的泄漏會受到強(qiáng)烈干擾。

保護(hù)式探測通過將主載流導(dǎo)體（也稱為力）與保護(hù)導(dǎo)體包圍，保護(hù)導(dǎo)體通過電壓跟隨器或緩沖器以相同電位驅(qū)動，從而最大限度地減少泄漏電流，如圖1所示。由于理想情況下力和防護(hù)裝置之間沒有電位差，因此沒有漏電流可以流過兩者之間的絕緣層。在實踐中，合適的緩沖器可能能夠跟蹤百萬分之一以內(nèi)的力電壓。如果像以前一樣，測量信號為100V，而驅(qū)動保護(hù)為100.000001V，則通過介電層1GΩ隔離的漏電流降至僅1fA，而上例為100nA。

完成三軸電纜組件后，接地的外部EMI屏蔽導(dǎo)體通過絕緣層與防護(hù)裝置隔開。雖然防護(hù)裝置和屏蔽層之間可以流過小電流，但這是由緩沖電路提供的，因此對測量的電流沒有影響。

圖 1：使用電壓跟隨器以與力相同的電位驅(qū)動防護(hù)裝置，可防止漏電流在力和防護(hù)裝置之間的電介質(zhì)中流動。

還應(yīng)考慮電纜絕緣的電容效應(yīng)。如果測試計劃要求掃描施加的電壓，則該寄生電容將消耗與其幅度和施加電壓的變化率成比例的充電電流（Ic = C dV/dt）。

放慢掃描速率以降低此充電電流會增加整體測試周期時間，這是不可取的。使用驅(qū)動防護(hù)裝置時，如果緩沖器的響應(yīng)速度比掃描速率快，則力和防護(hù)裝置之間的電壓保持恒定，從而消除充電電流。

連接到測量設(shè)備

有幾種方法可以在被測設(shè)備和所選測量設(shè)備之間連接三軸探頭。

半導(dǎo)體晶圓探頭中的三軸探頭包括一個細(xì)尖端，該尖端夾在夾頭中并與三軸電纜的力導(dǎo)體電連接。可以控制探針臂移動到預(yù)設(shè)的X和Y坐標(biāo)，例如晶圓測試點?；蛘撸o態(tài)探頭可以集成在設(shè)計為固定在晶圓卡盤中的夾具中。

現(xiàn)在，隨著保護(hù)式探頭的廣泛采用，靜態(tài)或可移動探頭可能會被整合到更多種類的測試夾具中。用于驅(qū)動防護(hù)裝置的電子設(shè)備也必須集成。如果要在屏蔽盒內(nèi)進(jìn)行測量，為了盡量減少外部電磁場的影響，可以將探頭帶到盒子邊緣的面板安裝連接器上。

探頭和測試夾具制造商需要各種配置的高質(zhì)量三軸電纜和連接器，例如電纜安裝連接器或板安裝連接器，例如長號CBJ157系列。CBJ157 為電纜的力、防護(hù)和屏蔽導(dǎo)體提供連接，并提供直角或直角配置。然后可以在這些電纜和測量儀器前面板的連接器之間連接三軸電纜。

如果所選儀器是高性能示波器或其他設(shè)備（如皮安表），則可以配備非三軸輸入連接，例如 BNC、SMA 或推入式 SMP 同軸連接器。當(dāng)然，這些類型的連接器并不能提供正確端接三軸電纜所需的所有導(dǎo)體。

使三同軸適應(yīng)同軸連接

可以創(chuàng)建在探頭端具有三軸連接器的適配器電纜，以及用于直接連接到測量儀器的同軸連接器。主要問題包括如何連接驅(qū)動防護(hù)裝置，以及對電流測量精度和用戶安全的潛在影響。在同軸連接器端，電纜的外部屏蔽可以直接連接到外部同軸連接，中心力導(dǎo)體連接到內(nèi)部信號觸點，如圖2所示。然而，這會使驅(qū)動防護(hù)裝置浮動，這使得這種布置不適合測量極低的電流。

圖2.安全的三同軸到同軸電纜連接，不適合低電流測量。

或者，可以將三軸電纜的護(hù)罩連接到外部同軸連接，如圖3所示。但是，為了使這一點可以接受，外部同軸連接必須是隔離的，而不是接地的。此外，如果探測的測試點的電壓高于SELV極限，則外部同軸連接器處于相同的電位，因此被認(rèn)為對用戶構(gòu)成危險。因此，如果要使用帶有驅(qū)動防護(hù)裝置的三軸探頭進(jìn)行低電流測量，其中電纜連接到儀器的同軸端子，則應(yīng)使用適當(dāng)?shù)娜S到同軸適配器以確保安全性和準(zhǔn)確性。

圖 3：使用電壓跟隨器以與力相同的電位驅(qū)動防護(hù)裝置，可防止漏電流在力和防護(hù)裝置之間的電介質(zhì)中流動。

長號擁有全面的適配器，用于將三軸電纜連接器轉(zhuǎn)換為同軸電纜，以確保正確端接。

3-0350 隔板安裝三軸轉(zhuǎn) SMP 微型推入式適配器是跨越眾多同軸連接器標(biāo)準(zhǔn)（如 SMA、SMP 和 BNC）的系列中的一個示例。

守衛(wèi)探測的遠(yuǎn)方

用于測量皮安和飛安范圍內(nèi)的電流的防護(hù)探測的應(yīng)用正在從專門的半導(dǎo)體晶圓加工擴(kuò)展到高科技領(lǐng)域，如先進(jìn)材料研究。正確端接驅(qū)動防護(hù)裝置至關(guān)重要，必要時使用合適的適配器連接同軸儀器，以確保測量精度和用戶安全。

審核編輯：郭婷