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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: 2019-10-28 14:43:27 (527 ヒット)
またまた、古い話で恐縮です。



35年くらい前になりますが、バブル時代の終わりかけに
某外資系の装置のメンテナンスをしており感じたことは、
あくまでも、私個人の見解ですが
アメリカ式の設計は、日本式の設計とは大きく違うということでした。

一番の設計思想の違いは、部品の使い方ではないでしょうか。
例えば、日本で装置に部品を使用する場合 部品の品質を見て安全率を考え
仕様限度 つまり100%を超えて使うことはまずありえません。

アメリカ式の基本方針は、性能を100%以上引き出す使い方を考える。

製品に安全率があるなら、120%で使えれば120%で使う。

簡単な例で、規定電流 1Aの部品に
日本の設計であれば、発熱を考え0.7〜0.8Aしか流さない。
アメリカの設計であれば、もちろん1A迄流し、壊れない程度なら1.2Aくらいを流す。

もちろん、すべてのアメリカ製品がオーバースペックで設計されているわけではありませんが、
その当時は、同じ市場に出回る計測器を見ていると
高周波の測定器(特にオシロスコープ)は、間違いなくアメリカ製品の性能が、
日本製品を凌駕しておりました。 

アメリカ製には動けば、すごい性能だけれども動かないという装置もありました。
(よく壊れるので、まともに動いたところを見たことが無いという幻の装置でした。)

やはり、15年くらい前にDELLのコンピュータが過剰品質保証にかけるコストを落し
リーズナブルな製品を提供するようなことを言っていました。
いつの間にか、うやむやになったような気がしますが。
やはり、日本では品質が劣るようなイメージがあり受け入れられなかったと思います。

かつて、某S社の製品には10年の寿命をプログラムした部品があり、装置設置後10年で
必ず壊れるという都市伝説もありました。

実際のメカ部品には、通電時間を記録するものは存在します。
この場合、消耗品ということになります。

一番すごかったのは、太陽電池試験装置のキセノンランプで、
数KWのタイプで通電3000時間(125日つまり4ヶ月)で
特性の寿命が来て、10万円以上の部品交換になります。

家電品に限らず、製品が売れ続けてくれないと どのメーカーでもやっていけません。
ただ、壊れやすいという評判がついてしまうと売れなくなってつぶれてしまいます。

誤解が無いように、アメリカ製品でもとんでもない高い品質の製品も存在します。
某社の任意波形発生装置なんとコントロールソフトはDOSという40年前の装置を
未だに実験で使っております。なんにでも、例外はあります。
アメリカは民生品と軍用品では、品質が違います。

長年の経験で、信頼性のある部品を使い続ければ良いのですが
部品メーカーも製造をやめてしまう場合もあります。
代替製品を探すのも一苦労で、同等品すらない場合があります。
何度か痛い目にあってきています。

こうなると、設計の根本からやり直しという場合が発生します。

アナログ回路においては、目標とする性能仕様を達成する部品の選定だけでなく使い方や
メンテナンスを考えて保守部品も検討する必要があるということです。
今回は、ちょっと無理やりまとめた感があるコラムになってしまいました。

投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-23 13:12:46 (508 ヒット)
前回のコラムでつい自分の歴史(ノスタルジー)を語ってしまいました。
後進のエンジニアの一助になればと思い、過去の失敗談を語ります。

少しマニアックすぎますが
最初の強烈な思い出は、某半導体メーカーの製品試作で
大電流用なのでスタックと言って各素子をプレス機で圧力をかけ
接触抵抗を減らして組んで行く作業をほとんど説明なくやらされた時です。





100Aのダイオード(その当時の価格1個 60万円 私の給料のほぼ3倍以上)を4つ使い
ブリッジを組む時プレス機で圧力をかけるのですが、センターだしのピンの長さを間違え
プレス機の圧力をかけた瞬間、『ビシ!』という音とともに素子が見事に割れました。
今でもトラウマになっています。ダイオードと聞くと数10年たっても記憶から消えません。
図面指示を十分に確認せずピンを入れたのは私ですが、

今となって思うことは、設計が悪い。(私だけのせいではない)
ピンの長さが問題なら、すべて同じピンで組めるように設計すべき
240万円の不良と消えないトラウマを作りました。

次も同じような、誤挿入の失敗ですが
とある、分析装置 made in USA
(その当時3000万円くらいしておりました)
の設置に行った時、コントロール・ボックスから出ている
2本のフラット・ケーブル(全く同じPIN数で 同じ色)を
真上にある制御パネルに平行に接続し、電源を入れたとたん
『バチ!』と言って制御パネルから ほんのり煙が立ち上りました。



その場にいた、お客様 私 が凍り付いたその瞬間
アメリカから来ていたエンジニアが、素早く足で装置下側にある
電源スイッチを蹴り飛ばしてOFFにして
私に、『ICxxxの交換が必要だ』ともちろん英語で
さっき煙が上がったことが無かったかのように
冷静な顔で通常作業の続きのように言いました。

結論は、フラットケーブルをクロスにつながないと
制御パネルの電源ラインとグランドが逆さになるので
一番弱いICがヒューズのようにショートモードで焼ける。
ケーブルを繋ぎ直して、ICを交換で修理と設置完了。。。

これも、設計が悪い。(だんじて私だけのせいではない)
設置マニュアルの最初に書いてあると、アメリカのエンジニアに言われましたが
逆挿で壊れるなら、コネクタを変えるべき。
マニュアルに書いてあってサービスパーツが交換用ICはばかげている。

ただ、この時学んだことは、エンジニアは常に冷静であることが重要。
この時のアメリカ人の態度より学びました。まさに顔色一つ変えません。
(鉄面皮とはこのこと)
大騒ぎしても、結果は変わらない。問題をどう収束させるかが重要。

長きに渡るエンジニア人生で、いつまでも記憶に残る失敗です。
どちらも同じで、自分だけのせいではないと思い より深い後悔が残ります。
金額がでかいのも一因であるのは、間違いありません。

私の問題は作業前の確認(図面とマニュアル)ができていなこと。
どちらも、誤挿入による破壊が起こり致命傷になること。

これ以外でも、ネジの長さの違いでのショートや基板損傷など数多くの失敗をしてきました。
ケーブル、ピン ネジの誤挿入は簡単にやりやすく致命傷になりやすい失敗です。

同じ経験をされたエンジニアの方に、悪いのは設計ですが、但し、やってしまうのは
エンジニアの責任ということでしょうか。
投稿者: axis

投稿日時: 2019-10-18 11:33:03 (822 ヒット)
閑話休題 今までの経験してきた技術の歴史を書きたくなってしまいました。
ここでの記述は、すべて筆者個人の歴史です。散文で記載します。
他人にはわかりにくくて、何のことかわからないかもしれません。
お暇なら、お付き合いください。

最初にある電気の測定器の記憶は、
小学生の頃 プラモデル屋さんに船の模型を買いに行った時
電池を測定する電圧計(もちろんアナログ)をおまけで貰いました。
電池しか測れませんし、すぐ壊れた記憶しかありません。
この頃まで、家のテレビとラジオは真空管でした。
テレビが壊れた時、父親の知人が直してくれたことがカッコよく見えました。

小学生の理科の実験で電池を作ったことも薄っすら覚えています。

中学生でオームの法則が試験に出た。
テレビもラジオもトランジスタになっていたような。
父親の検電ドライバーをコンセントに突っ込み光らせて遊ぶ。
その後、コンセントに金属の板を突っ込みショートさせ火花を飛ばす。
ヒューズ交換を覚える。
深夜放送聞くために某社IC700なるラジオを買ってもらう。
初めてICという言葉を聞いた。

学生時代 高電圧の最初授業で、電気を習う限り電気で死ぬなと教えられ
何度か感電はしたが、未だ生きている。
最高11kVで感電したことがあるがエネルギ―が小さかったので致命傷にならず。

横河YEWの電圧計 電流計を使って電気の実験。もちろんアナログの針が振れるので
下の鏡を使って数値を読み取る。

半田ごての先を握って初めてのやけど。右手の平が真っ白。。。

人生初オシロ、岩通シンクロスコープ。テクトロニクスやHP等メジャーは知らず
岩通のシンクロスコープに感激。おそらくトランジスタの波形を見たはず。

実験室でソニーの電卓を使う、表示はニキシー管。

個人用電卓 松下JEシリーズを(通称ブタデン)友人が購入。筆者は計算尺を使用して計算。

翌年、オムロンの関数電卓を5000円で購入。

授業でフォートランを学ぶ。(お約束でヤッホーフォートランランと歌う)

就職し 某社で、半導体モジュールの試作の下請け。大きな電源(100Aクラス)の組立。
太陽電池パネルの試作。低温半田で手が荒れ放題(鉛ですから)

転職し システムのサービスをするため、デジタルマルチメータを会社から支給される。
会社のワープロは、ワープロ部屋がありシャープの書院 
8インチのシングルディスクをロードし机の上の漢字キーを押して文章をつくる。
横でテレックスがガチャガチャパンチカードを打ち出していました。

システムがハングアップするのでノイズアナライザ―なるものを設置し徹夜で監視。
ノイズ波形とハングアップの関係を知る。

アップルコンピュータを知り、日本橋で台湾製コンパチのパイナップルコンピュータを
部品で買って組み立てる。 アップルのゲームソフトがそのまま走りました。

またまた転職 分析器のお仕事をするようになり、赤外分光FTIRとNMRのメンテナンスで化学測定を知る。
X線解析も少し学ぶ。

赤外分光で半導体の素材測定(EPI CO濃度)を知る。

再度転職 某計測器メーカーで、デジタルオシロとデジタイザーのサービスをする。毎日デジタル・オシロの修理。
バンド幅100MHzサンプリング100MS/s メモリ50KW でも 300万円くらいしていましたね。
オプションで FFTとアベレージをつけると400万円 高級外車が買えます。 
BMWが100MS/sで データが取れればBMWを買いますね。 オシロは150Km/hで走りません。

無理やり、携帯電話を持たされる。ノキアを初めて知る。
テクトロがアナログをやめて、デジタル・オシロを出す。

パソコンでパワーマックを買う。その後、世の中はWindows95一色 しばらく頑張るが、Microsoftに屈服。
自作PCにはまる。 現在まで20台くらいは組んでいると思う。それでも Windowsは大嫌い。

毎年、オシロスコープの性能が倍々ゲームで価格据え置き。アッという間に 10GHz 20GS/s 10MW になっていました。

懲りずに転職 微小電圧、微小電流の装置の技術営業で、μV pA 測定をする。ソースメータ―、エレクトロメータ
パラメータ・アナライザを知る。微細加工ナノテクを知る。

この頃は、化合物半導体 高電圧、大電流の測定をする。

システム・インテグレータとしていろいろな太陽電池測定システムをつくる。
2年間は、毎日太陽電池の測定をしていた。


現在、バイオ関係の特殊センサーの計測装置の製作。センサーの測定 定量化を行う。

結局、多大なる失敗の連続
『エンジニア失格 恥の多い人生を送ってきました』

でも、失敗があるかこそ経験豊かなエンジニアが育つと信じています。

このコラムは おそらく、なんのこっちゃで終わるはず。
まあ、アナログ測定に興味があるエンジニアの方に
笑ってもらえれば幸いです。

試験的に少し砕けたコラムにしてみました。
次回は、まともなコラムになる予定
(今まで、まともと信じています)
投稿者: axis

投稿日時: 2014-6-11 12:44:59 (1621 ヒット)
筆者の怠慢で久しぶりの技術コラムですが、

ここ最近の産業動向を見ていると
かつての太陽電池のような開発ブームのような流れがなくこれからの産業を牽引する技術を探しているように思えます。

その中で、次の候補者はロボットもしくはバイオテクノロジーに関わる技術が重要視されるのは間違いないでしょう。

ただ、これから開発を始めるにはやることが複雑で大きすぎる課題です。
最近では、ロボットのAI用ソフト開発で人間との対話もしくは介護の分野に市場を求める動きが活発化しています。
ハード面では、原発事故現場にも入っていけるレスキュー・ロボットが注目されています。
宇宙開発においても、自走式のロボットの需要は高まっています。
ただ、ロボットは、メカの開発と電気制御・ソフト開発の融合が必要です。
過酷な環境に行く場合は、材料開発も必要になってきます。

つまり、半導体の技術の一部を使った太陽電池のような開発とは違いいくつもの技術を集めてこないと最終製品にならないのがロボットです。

また、バイオテクノロジーも範囲が広く簡単に半導体のように量産するものが見つけにくい産業です。
数万人のDNAデータベースなど、とてつもない容量のデータ処理をするソフトの話を聞くようになりましたが、
本当に詳細なDNAのデータを解析する装置は、まだまだコストも高く電気の世界でいう測定器のような高速で高性能とはいかないようです。

筆者の意見ですが、科学者には分析装置(主に化学)を使って測定をするというエンジニアは、ほとんど計測器(電気計測用)を使う人を見たことがありません。
逆に、電気計測をしているエンジニアは分析装置をあまり使いません。

すべての装置が、デジタルになり結果を数値で判断するようになっていますが、分析と計測には何か壁があるように思えます。
今年、アジレントがキーサイトに分社化され、分析と計測が分かれます。やはり市場が違うということなのでしょう。

しかしながら、次世代の求める技術は複数の技術の融合が必要とされています。
産業界の閉塞感は、何か新しい物は無いかを常に求めていますが単独の技術で作れることがないのに探し求めている感じです。
また、簡単に作れるもののブームを待っているようです。


長くなったので次回はもう少し具体例を挙げる技術コラムにいたします。

アクシス・ネットでは、特殊メカの開発・アナログ/デジタル回路開発・ソフト開発を
通じ新しい技術開発に貢献しております。

投稿者: axis

投稿日時: 2012-8-3 15:46:47 (2603 ヒット)
温度制御もいろいろな方法があり、
それぞれの特徴(長所・短所)があります。
ここでは、一般的な特徴について解説します。

1.ペルチェ方式
ペルチェ効果により電流を流すことにより冷却もしくは加熱する。

長所 10-80℃くらいまでなら高速で高精度に温度制御ができる。
短所 ペルチェ素子は、熱交換の素子なので周囲温度により制御の範囲が決まる。
つまり、周囲温度が35℃くらいあるのに10℃以下に温度を下げようとしてもパワーが
足りずに冷えないことや、逆に周囲温度が低い時に温度を上げにくい。

太陽電池セルをJIS規格の25℃で測定する場合等は、ペルチェ方式で冷却をし
IV特性を評価することが多くあります。


2.ヒータ方式
長所 室温−400℃くらいまでの加熱が簡単にできる。
短所 高温たとえば200℃くらいから温度を下げるのに時間がかかる。

3.チラー方式
長所 大きな冷却板を冷やすのには向いている。
短所 水を加熱・冷却をするので比較的時間がかかる。大型の装置になる。

ヒータとチラーを組合せると −10℃〜120℃のシステムができる

4.スターリング冷却
長所 ヘリウムガスを使い−40℃以下の冷却が速い。 
短所 大きな面積の冷却には不向き。 直径100mm程度

5.恒温槽
各大手メーカーがあり性能と価格はほぼ比例します。
品質保証等の数を多く評価する場合は、恒温槽を使用します。

アプリケーションに会わせた適切な温度制御は、
経験豊富なアクシス・ネットにお任せください。
投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-30 0:23:43 (3396 ヒット)
今回は、太陽電池のIV測定について説明します。



太陽電池の測定には、何が必要なのでしょう。

1)効率ηを求めるには、
ソーラーシミュレータ光源 JIS C8912 に準じた装置にて太陽光と同等の光(1kw/m2)を照射し
照度計(ソーラーメーター) 太陽電池の有効面積にかかる太陽光のエネルギー(照度)の測定。
最大電力Pmaxを測定で求めて、最大電力Pmax / 1kw x (面積)で求めます。

Pmaxを求めるには、
太陽電池にバイポーラ電源、電子負荷もしくは計測電源(ソースメータ)を繋ぎ電圧を0Vから開放電圧Vocまで変化させ 電流を測定し、最大電力Pmaxを求めます。

このとき、太陽電池の電圧、電流により最適な測定装置が決まります。

直列に繋がれたものでない限り、電圧は 0.6V程度で数mA - 8A 程度のものがセルとしての発電量になることが多くあります。
太陽電池は、電流素子の測定と言っても良いと思います。
電圧が低く、電流が流れる素子の測定の注意点は、4端子測定でケーブルの誤差を最小にする必要があります。

1SUN (1サンもしくは1ソーラと言い 1kw/m2のこと)の光が照射された時に 太陽電池を短絡、つまり電圧0V印加し 短絡電流Iscを測定します。
これが精度良く測定できることが重要です。 

2)最適な装置とは
電流を精度良く測定するには計測電源が良いのですが、
現実の装置では、20 A までの装置しか 計測電源はありません。
但し、お金をかけても良いのであれば計測電源を並列運転する方法もありますが、コストがかさみます。
10 A以上の測定であれば、微小な測定が必要でなければバイポーラ電源や電子負荷で電圧を変化させて測定することができます。

計測電源の得意な測定範囲は、
数100nA- 10 A /7 V- 20 V (セル)であれば、簡単に測定でき 装置の種類も選ぶことができます。
バイポーラ電源であれば
数10mA- 40A /15V (モジュール)
電子負荷であれば
数10mA- 150A /150V (パネル)
と言った感じで使い分ける必要があります。

この他にも、JIS C8913準じたパラメータを計算する必要がありますが、
測定の精度を決めるのは、電流精度です。

太陽電池の測定システムは、アクシス・ネットにお任せください。

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【AD】太陽電池評価システムのご用命はアクシス・ネットまでお問い合わせくださいませ。
投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-30 0:23:25 (2410 ヒット)
太陽電池のビジネスも、単純な太陽電池の開発のフェーズが終わりつつあり
他の半導体素子がたどった過程をたどっていると言えそうです。

今年の太陽電池の展示会を見ても、太陽電池の開発よりは、
設置工事等 市場に実際に商品として展開する動きが活発化していました。
後は、国が更なる補助金や電気の買い上げ促進をするれば市場拡大も見えてくるようです。

このような状況では、太陽電池の開発で求められるものは 2極化してきます。

1)通常のデバイスとしてのコストを落とした信頼性試験

 開発したデバイスのエージング(加速試験 寿命試験)が重要になってきます。
 信頼試験は、いろいろな条件下(照度 温度など)で多数のサンプルを効率良く
 試験するこが必要です。
 高額な試験装置を何台も並べて、試験データの相関を見るのは、現実的ではありません。
 計測器は校正された正確なものを一台とし、信号の効率の良い多チャンネル切り替え装置があり、
 使いやすいソフトが装置のキーになります。

2)新しい材料を採用した太陽電池の高感度測定

 わずかな違いを計測する場合に必要なものは、高感度の電流測定技術です。
 短絡電流Isc たとえば8A だったものが バックシートの材料の反射率を変えて
 1% 80mA 改善したことを証明するには、そう簡単なことではありません。
 今までも述べましたが、電流測定にて電圧が低い太陽電池の素子では、
 シャント抵抗を使用した測定は適正とは言えません。
 電流 8Aの測定に0.01Ωを入れると80mV の電圧がロスしてしまいます。
 実際の発電電圧が600mVしか発電しないのに短絡電流の測定に80mVの誤差があると
 言うことになってしまいます。
 計測電源を使用した場合は、電圧は1mV以下で短絡電流の測定ができ、
 電流 8A測定に対しても 実質 0.2%の誤差での測定ができます。
 このあたりが測定の限界となりそうです。

最終的には、高精度な測定器を効率よい切り替え器に接続した太陽電池評価システムが必要です。
太陽電池の総合的評価はアクシス・ネットにご相談ください。

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投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-30 0:02:19 (2928 ヒット)
色素増感タイプの太陽電池は、まだまだ研究段階のものが多く
大きさも数mm□−1cm□で 発電量の測定範囲も
電圧 1V 以下 電流10mA 以下になることがほとんどです。

色素増感太陽電池では、 IPCE特性を測定するには大変高額な
装置が必要ですが、キセノンランプを使用した一般的な太陽電池の
評価システムでも測定評価が可能です。

測定のポイントは、

1)計測電源では、4端子測定により電圧100μV 電流100pA分解能で測定ができます。
実質的には、誤差 200μV 100nA 程度の測定が可能です。

2)シャッターの開閉もソフトでコントロールし、測定タイミングを設定できることが重要です。
光が照射されてから、50ms-100msの遅延時間が設定でき、測定時間も15s-25sに設定できる必要があります。

3)IV測定の電圧印加の方向でヒステリシスが発生します。
往復スイープにより平均値でパラメータ計算をする。

4)泥臭い話ですが色素増感の試作品では、ITOなどの透明電極が使われますが、
電極にうまくコンタクトできるがどうかで測定結果が大きく変わります。

直列抵抗が数10Ωで接触抵抗10Ω程度あると効率も曲線因子FFも低く出てしまいます。

適正な治具で良好なコンタクトを確保し、測定条件を調整しやすいソフトで計測電源(ソースメータ)で
測定することが色素増感太陽電池の性能評価には重要です。

アクシス・ネットは、治具製作も含めた総合評価システムを提供します。

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投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-28 0:08:21 (2606 ヒット)
太陽電池測定とシミュレーション

太陽電池の測定でコストがかかるのは、
ソーラーシミュレーター(キセノン光源)で
ランプ寿命は1000時間程度のものがほとんどです。

JIS にて規定されている測定は 1SUN (1kw/m2)の光での測定ですが、
実際には、晴れたり曇ったり部分的な影がでたり、パネルの部分的な故障等、
いろいろな現象が起こります。

パネルの検査では、100msのパルス光源を使用しますが、
いろいろなパターンで最大電力を求める試験は困難を極めます。

通常のDC電源を使用すると、CVモードにて 最大電圧x最大電流=最大電力か
ちょっと高級な電源で電力一定の設定であっても、太陽電池の特性とは違います。

一番良いのは、実際の太陽電池のデータを測定し電源の電流リミッタをそのIVカーブと
同じようにプログラムできればよいのです。
IVカーブの再現には、電源の出力電圧に対して太陽電池と同じ電流リミットが設定できる必要があります。

太陽電池のIV計測システムとアジレントE4360シリーズを組み合わせると
太陽電池の総合的なシミュレーションが可能です。

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投稿者: ueda

投稿日時: 2010-11-28 0:05:13 (4002 ヒット)
CV測定について

太陽電池とは、電気的にはダイオードなのですが
ダイオードの特性評価としては、IV測定によるものが第一です。

薄膜太陽電池では、薄膜の評価方法としてCV測定があります。
半導体計測では、ドーピングの深さの評価に使われますが
薄膜の定量測定ができます。

シリコンの半導体では、測定する周波数は、100kHz 1MHzとなっていましたが
太陽電池では、スイッチングをしないのでさほど高くない周波数での測定でも良いと思います。

測定装置としては、高額な半導体パラメータ・アナライザもありますが、
1MHzまでのダイオードのCV測定であればLCRメータが最適な装置とも言えます。
(筆者としては、アジレントE4980をお勧めします。と言うかこれしかないと思っています)

実際、E4980では、プローバーを使用して100 mV以下の電圧での10pFの測定ができます。

なかなか、技術資料も少ないのですが、薄膜の性能評価としてCV測定は有用です。

特殊な場合も、アクシス・ネットにご相談ください。

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投稿者: ueda

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