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アクシス・ネット技術コラム

技術コラムを連載でお届けいたします。
「ケースレー428−PROG型電流電圧変換アンプのエミュレーション・モード搭載したA4280高速電流電圧変換アンプ」の開発現場より、不定期でお送りします。
投稿日時: 2010-11-11 20:23:18 (1869 ヒット)
(偉大なオームの法則)
筆者は、確か小学生高学年で電池を使った実験でオームの法則を習った記憶と
中学1,2年くらいに試験で 電流I 電圧V 抵抗Rの関係を書く問題があったと
遠い記憶にメモリされています。(ゆとり教育ではありません)。

さて、最新の半導体においてもよく使用される導電性膜(ITO等)が
オーミックであるかどうかの評価が必要です。
ITOだけに限らず抵抗を測定することは、簡単であると思われています。
まあ、抵抗を測定するには、一定の電流を流し電圧を測定し
電圧/電流を計算します。

それの何が問題やねん。

銅や金などの純粋な金属であれば電流と電圧は一定の比例関係を示し
その比が抵抗です。温度を考えなければ簡単に測定できるものでしょう。

では、10cmの銅線の抵抗測定をする場合、何が必要なのでしょう。
ちょっと高級なDMM 6桁半の100Ωレンジで4端子測定で出る値は、
測定用のケーブルを使用せず端子を直結しても誤差は、3mΩほどはあります。

銅線の抵抗率は、1.68x10 -8乗Ωm
断面積が1mm2乗で10cm(100mm)1.68x10-2 乗
16.8mΩの誤差 3mΩの測定となります。

問題は、コレだけでなく熱起電力 銅と銅の接触でも0.2μV/℃あり、片方が錆びていれば数1000μV/℃
と温度によって変わります。
100Ωレンジの測定では、1mAの電流を流して測定しているので
電圧として測定している値は、16.8μV 誤差が0.2x20℃ 4μV/1接点なので
へたをすれば数10μV(10mΩ)の誤差がでます。

銅の測定はどうしましょう。

私の経験ではITO膜などでも別の問題があり、低い電圧や速い測定(電圧印加から10ms以内)では、
抵抗値が思ったより高い場合があります。

低い抵抗は、問題があるのはわかりました。絶縁抵抗ではどうでしょう?
10の15乗の測定をしたい場合、1000V印加で10-12乗A(1pA)の測定となります。
最高級のエレクトロメーターで誤差3fA(3x10-15乗A)
普通のエレクトロメータで誤差60fA 
何や簡単そう。
でも2つの問題が待っています。
サンプルを支える治具は、絶縁体といえ10 15乗程度のものほとんどで
エポキシなどは10 13乗程度で サンプルを支える治具が
何でできているかを調べることが重要です。
サンプルよりも高抵抗であってもリークの電流が無視できない場合もあり
コレを防ぐ配線(ガード)を正しくすることが重要です。

もし、高電圧がかけられずに高抵抗を測定する場合は、
更に問題が複雑になります。10Vしかかけれない場合は、
エレクトロメータを使用しても10 15乗の抵抗測定はかなり
難しい測定です。100fAを精度良く測定するということです。
ハムノイズの除去など困難を極めます。

一部の大変高額な半導体パラメータアナライザーで高いオプションをつけて
電流分解能をあげて測定ができる場合もありますが、筆者の経験では、
2端子のデバイスであればエレクトロメータのほうが、絶縁体の測定では
安定しているように思えます。測定する電流計が違うし、ガードが効果良く
きいていると思うのですが。

測定器の限界近くの測定をする場合は、測定器の限界のみならず、治具や配線、周囲環境まで
影響します。
たかが、抵抗されど抵抗といった感じです。

今回の結論は、1Ω−100MΩまでは、上等なDMMで測定できますが、
限界測定は、環境までも問題になります。

更に、抵抗が一定であると考えていますが、材料によってはオーミックではない場合もあります。
電流(電圧)を変化させて電圧(電流)を測定すると抵抗であれば、直線的に比例しますが、
ダイオードのような反応をする場合があります。
異種金属の接触では、ゼーベック効果(わかりやすくいえば熱伝対)がありますが
金属と半導体の接合ではショットキーダイオードの効果があります。
これらの特性を正しく測定するには、電流(電圧)を変化させて電圧(電流)を測定する(IV測定)が
必要です。
逆にいうと 高精度なIV測定で新素材の基礎特性がわかります。  


アクシス・ネットは、それぞれの測定器、治具 測定方法(ソフト)等の
総合システムをご提供いたします。

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・測定速度: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より
・DMM とエレクトロメータ ソースメータ: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より
・4端子法という測定: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より
・DMM とソースメータ: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より
・微小電圧と誤差: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より
・電子計測のツボ: A4280 高速電流電圧変換アンプ開発室より

4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-9 9:11:40 (2274 ヒット)
(1Ωの測定)
またまた忘れそうなので、1Ωの測定を説明します。

最近、2次電池の電極材料の測定という話が増えてきました。
これも、極限の低抵抗測定といえ 1Ω以下の測定と同じ問題が起こります。

何回かこのコラムでも書きましたが、抵抗測定でも
標準的なDMMのレンジの外、 1Ω以下や100MΩ以上の抵抗測定は、
注意が必要です。

1Ωの抵抗に200mΩの測定リードを繋いで2端子測定をすると
1.2Ωとなり、20%の誤差となってしまいます。
これは、通常10mAの電流を1Ωに流して電圧を測定するのですが
測定する電圧計が200mΩの抵抗も合わせた12mVを読んでしまうからで、
4端子法で電流パスとは別に電圧測定の端子を1Ωに当てれば
電圧計の入力抵抗は1M程度以上なので10mVとなり 1Ωの抵抗を正確に
測定することができそうです。

できそうということは、まだ問題があり微小抵抗測定時は、熱起電力が問題になります。
異種金属の接合面でゼーベック効果により温度に依存した電圧が発生します。
20℃であれば数mVの電池になることがあります。
この影響を除去するには、DCの測定であれば電流反転法か ACの4端子法になります。

ACの4端子法のほうが価格が安くできますが、DCの電流反転法のほうが極限の低抵抗測定が可能です。
AC測定は、周波数も電流値の決まった値でしか測定できません。

一番の違いは、ADの分解能と測定精度です。
キーになるのは、DCの測定器は、7桁半のメータで24ビット相当のADを使用して高分解能で高精度の測定が可能です。

尚且つ、電流の値を変えて測定することも可能です。電圧計が許す限りの電流で測定が可能です。
現在販売されている最高性能の電圧計の誤差は 40nV程度なので これを1%の誤差とすると
電圧測定で4μVの測定となります。
1Ωの測定に 1μA もしくは、1μΩの測定であれば1A になり
熱起電力の誤差 数μVがなければ、簡単な測定です。
  
熱起電力のキャンセルには、精度の良い電流を反転させての測定が有用です。

このことを理解した上でコンタクトが確実にできる測定ジグが必要です。
アクシス・ネットはトータルソリューションを提供します。

次回は、オーミックであることについてを予定しています。

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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-9 8:56:22 (1749 ヒット)
(ナイキストの定理)
忘れそうなので、電圧パルスと電流パルスの項で後で説明しますと言った
ナイキストの定理を簡単に説明します。

正確な1MHzのサイン波をを 1MS/s(1メガサンプル/秒)でサンプリングしたら
何が見えるでしょうか? 答えは、直線しか見えません。
トリガが同期していないので、直線が上下するだけです。

周波数成分を検出する最低限のサンプリング速度とはいくらでしょう?
答えは、2倍の2MS/s 以上が必要ですが、ちょうど2倍であれば、まだ直線が現れる可能性があります。
デジタイジングに必要なサンプリングは、サイン波であれば基本周波数の4倍以上
Duty50%の方形波では、10倍以上が最低限必要です。

更に、測定器のバンド幅は、サイン波で2倍くらいで 方形波では5倍くらいあれば良いといえます。

方形波は、5次高調波が通れば形が方形波に見えますが3次高調波までしか通らなければサイン波のように見えます。
サイン波であっても100MHzのサイン波をバンド幅100MHzのオシロでみれば 振幅が70%になります。

ここで、もうひとつ問題です。 1.1MHzのサイン波を1MS/sでサンプリングすると何がみえるでしょう?
正解は、100Hzのサイン波形がはっきり見えます。これをエリアジングと言い入力した波形とは違った波形が見えます。


また、デジタルオシロも最近は、画面更新速度があがり、昔のように取り逃がしが少なくなったようですが、
サンプリングをしている限りサンプリングが追いつかない速いグリッジ(スパイク波形)は、見えません。
アナログオシロであれば、見えると言う方もいるかもしれませんが、遅い信号に乗った速いグリッジは輝度が暗くて見えないと思います。


方形波50MHzの信号を見る場合、バランスの良い測定器は、
5倍の周波数 250MHz以上 10倍のサンプリング 500MS/s で
メモリーも100K以上あり、現象にあったトリガ機能があれば一番測定がしやすい。

やはり、デジタルでトリガ条件で信号をきちんと捕捉したほうが測定が容易であると筆者は思っております。

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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: ueda

投稿日時: 2010-10-29 7:19:21 (1839 ヒット)

(電子計測のツボ)
1.DMM (デジタルマルチメータ)
メリット
なんにでも使えるが、電圧測定が基本。分解能が他の計測器より高い。
デメリット
速度は電源周波数PLCが基本。高速信号の測定に不向き
微小抵抗や微小電流測定には、不向きなことが多い。

2.オシロスコープ
メリット
とりあえず時間軸で波形が見える。いろいろな条件でトリガがかけれる。
差動プローブ、電流プローブなど豊富なオプションがある。
FFT機能があれば、スペアナの代わりになることがある。
デメリット
バンド幅やメモリー長、サンプリングなどの落とし穴がある。

3.計測電源(ソースメータ)
メリット
電源として2つのモード 電圧印加電流測定、電流印加電圧測定ができる。
(4象限の測定が可能)半導体素子の基本測定に向いている。

デメリット
普通の電源より高い。パネル設定がややこしい場合が多い(個人の感想)

4.スペアナ
メリット
変調された高周波の解析が一発でできる。

デメリット
周波数が高くなると、価格もおもいっきり高くなる。

筆者の個人的意見として電子計測3種の神器は、DMM、オシロ、計測電源

高周波が来たら、スペアナ、微小電流ならエレクトロメータ
微小電圧ならナノボルトメータ、記録するならデータロガー

アクシス・ネットは、計測のプロフェッショナル集団です。



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A4280 高速電流電圧変換アンプ
ケースレー428−PROG型電流電圧変換アンプの エミュレーション・モード搭載


4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: axis

投稿日時: 2010-10-29 7:17:53 (1391 ヒット)
(微小電圧と誤差)
新しい素材の開発によって、
往々にてして問題になるのが、素材の定量化(測定方法)です。

単純と思われている直流電圧 電流の測定も
μV 以下や nA 以下を測定する場合注意が必要です。

10μVを測定する場合、誤差が1%で測定すると分解能100nVでは
足りません。10nV分解能 誤差100nVで 1%精度と言えます。

通常100mVレンジのDMMであれば 10nV分解能は7桁半以上(8桁)必要になります。
この時、注意しなければいけないのが熱起電力です。
銅と酸化銅の接点で1℃の温度で約1mV発電します。
つまり銅の配線が錆びていれば、良い電池になります。

こうなっては、デバイスの測定どころではありません。
高感度なDMMであれば、測定端子を入れ替えれば
電圧が大きく変化して熱起電力があることが
分かります。
これを利用して測定する電流を反転し
高精度に微小電圧もしくは微小抵抗を
測定する方法があります。

微小電流100μAにてケーブルの抵抗 数100mΩを
測定することも可能です。

特殊なデバイスの測定はアクシス・ネットにおまかせください。



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A4280 高速電流電圧変換アンプ
ケースレー428−PROG型電流電圧変換アンプの エミュレーション・モード搭載


4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: axis

投稿日時: 2010-10-24 9:53:18 (5960 ヒット)
(DMM とソースメータ)
前回は、DMMとエレクトロメータについて述べましたが、
今回は、計測電源 ソースメータです。

まあ、ソースメータと言われても何のことという方が多いのではないでしょうか?
DMMでお話をしましたが、抵抗測定のときDMMは電流を出力し電圧を測定してます。
ソースメータは、設定した電流を出力し電圧を測定することと、逆に電圧を出力し
電流測定も可能です。
(メーカーとしては、ケースレー ADC−MT 横河電機があります)

ソースメータは、シンクモードもあり4象限の電源ということもできます。
別の意味でいう、バイポーラ電源も同等ですが、バイポーラ電源は電圧電流の精度が違います。

一般的なソースメータは、(と言ってもマイナーな製品ですが)電流分解能はpA
電圧分解能は μV あります。但し、接続がバナナ端子なので実際の測定は数100nA
数100μVが信用できる(1%程度のエラー)と言っても良いと思います。

微小電流の主な誤差は電流ノイズでバナナケーブルなら数10nA程度、
微小電圧測定では、熱起電力が数10μV程度の誤差を生じさせます。

話が少しそれましたが、ソースメータは、電圧もしくは電流を変化させて
電流、電圧を測定します。

何でそんなややこしいことするねん。。。。

例えば、太陽電池 Voc 0.6V Isc 4A Pmax 1.6w 効率15%という特性はどうやって測定するの
一番簡単な方法、発電している太陽電池にソースメータを繋ぎ、
−0.5Vから 0.6V以上(0.8Vくらい)まで電圧を順次変化させ、ソースメータに流れる電流を
測定しIV特性を求め、それから計算します。
時間にして数秒で終わります。

この他にも、半導体の特性試験に特によく使用されています。
このソースメータを同期させFET等の半導体の特性検査をするものに
半導体パラメータアナライザ(半パラ)があります。

アクシス・ネットでは、あらゆる計測器の特性を生かしたシステムをご提供しており
特注システムに対応いたします。


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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様
投稿者: axis

投稿日時: 2010-10-24 9:51:08 (3063 ヒット)
(4端子法という測定)
抵抗測定で4端子法を使った測定は、2端子と何がちがうの?

少し上等なマルチメータには、OUTPUTとSENSEという
赤黒のペアが2つあります。

なんやねんコレ?と思われる方もいるでしょう。
OUTPUTは、電流印加用の出力で
SENSEは、電圧測定用の入力です。

なんで2つに分けるねん。
10Ω以下の抵抗測定を考えます。
OUTPUTから2本の接続ケーブル (1本200mΩ)で
測定する場合、通常10mA程度の電流が流れます。

抵抗では 10Ωx10mA=100mV ケーブルで400mΩx10mA=4mV
合計104mV 誤差4% になります。

上等なDMMのSENSE入力は10GΩあり100mVに対して10pAしか流れません。
400mΩx10pA=4pV 測定器誤差の方が大きい領域です。

つまりケーブルのロスがほとんど誤差になりません。
10Ω以下の測定では4端子測定が必要です。

また同様に微小電圧 例えば太陽電池セルのVocが0.6Vで電流が5Aある場合も
ケーブルでの誤差が大きいので4端子測定が有用です。

アクシス・ネットのシステムは計測の特性をツボを理解したプロ用の
システムです。




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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様

投稿者: axis

投稿日時: 2010-10-24 9:49:04 (3245 ヒット)
(DMM とエレクトロメータ ソースメータ)
人に得意不得意があるように、計測器にも
得意不得意があります。

一番よく使われる測定器はDMM(デジタル・マルチメータ)です。
電圧、抵抗、電流とオームの法則で測定します。
あまりに簡単にデジタルの数字がでてくるので
その数字がすべて正しいと思われますが、
果たしてそうなのでしょか?

DMM(マルチメータ)の計測部は、電圧計しか持っていません。
電圧を測定する場合は、もちろんOKです。
では電流と抵抗はどうやって測定しているのでしょう?

電流は、シャント抵抗を切替えてDMMが読みやすい電圧に
して測定しています。
一般的に20mVレンジが最高感度のDMMでシャント抵抗が10KΩならば、
20μA−1μA程度が測定できるということです。
でも、例えば、1μAしか流れない回路に10KΩを接続して大きな問題に
ならなければ良いのですが、そう都合の良いことばかり起こらないのが世の中です。
例え問題が起こらなくてもDMMで1mVの測定精度はどれくらいでしょうか?

エレクトロメータの測定原理は、電流帰還アンプを使用して微小電流を測定します。
このため、測定器の入力は通常イマジナリー・ショートで理想的には0Vです。
実際には、200μV以下で先ほどのシャント抵抗よりも5分の1です。
微小電流を測定するレンジに十分な分解能と精度を持っています。

抵抗測定での問題とはなんでしょう?
DMMの抵抗測定は、DMMが持っている電流源より電流を出し
やはり電圧を測定して抵抗を計算しています。
生命線は、DMMの電流精度ですが多くの人はあまりこのことと気にしていません。

更に1Ωの測定をDMMで 抵抗が200mΩほどあるケーブルで測定した場合の値とはなんでしょう?

紙面もないの詳しいことは、また次回。。。。
DMMは、電圧計というのが今回の結論でした。



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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様

投稿者: axis

投稿日時: 2010-10-16 18:28:06 (1613 ヒット)

(測定速度)
DC測定では、時間の概念が無いのですが、
実際の計測器では、どうやっているのでしょうか?

微小な信号を測定する場合、厄介な問題なのでハムノイズです。
測定時間に規定がないのでDC測定は、通常積分をしてハムノイズを除去します。
ハムノイズは、電源周波数50Hzか60Hzなので、この1周期分を積分すればハムノイズを
除去できます。単位を1PLC(パワーラインサイクル)20ms もしくは、16.666ms。
つまり、電源ノイズがあるならば、1周期分平均してしまえばノイズが消えるということです。
信号が十分大きい場合は、ハムノイズを無視して高速測定ができます。

ここで問題、高速な微小信号をどうやれば測定できるの?
たとえば、10mV 1GHz オシロスコープで波形を見ましょう。
時間軸なら、理解もしやすい。
変調がかかっていたらどうしましょう?
スペアナで見てみましょう。
エネルギーの変化だから、電流を測定したい!!!
10mA以上100MHz(立上り3.5ns)までなら電流アンプと
オシロしかないね。

電流が10mA以下になったらどうしたらいいの
やはり、高速の電流アンプしかないのです。

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投稿者: axisnet

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