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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: 2014-6-11 12:44:59 (618 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 16:20:39 (1562 ヒット)
パワー・デバイスのスイッチング測定

化合物半導体(SiC GaN 等)にて高電圧、高速のスイッチング測定をする場合、数10n
秒程度(100MHz 以上)の応答を正確に時間軸で計測できるものは、オシロスコープにな
り、電圧の測定は帯域的に問題がありません。

問題は、20kV以上の高電圧でのブレークダウン電流測定と
微小なゲート電流 ig とドレイン電流 Idの動特性の測定です。

20kV以上の高電圧を狭いプローバーの中に引き込むと、簡単に放電が起こり
最悪な場合は装置を破壊します。化合物半導体の素子を小さくしようとすれば
絶縁の距離がとれずに放電が起こり測定ができません。

これを防ぐには、絶縁材料を正しく選び放電しない限界距離で測定をする必要があります。
更に、素子の温度を上げる場合も放電がしやすくなるので注意が必要です。

また、動特性では、Qg の測定が必要であればpAレベルを数十n 秒にて正確に測定する必
要があます。Id も、使用する電源の電流応答が、通常のものであれば速いものでも20A に
到達するまで数μ秒かかります。
現状、この2つを測定できる装置は通常製品にございません。
Qg を測定をするには、微小なゲート電流を高速に電圧変換し、オシロスコープで波形を測
定しQg を求めます。
Id は、DC 電源ではなく電流パルス印加にて他のパラメータVds を測定し Tr Td を求める
ことはできます。但し、n 秒オーダーは難しいと思われます。電流の応答がどこまで速く応
答するかを測定系(電流アンプ・電流プローブ)の帯域にて検討する必要があります。

これらの測定は限界を知るプロファッショナルでなければ対応ができません。
実績のあるアクシス・ネットにご相談ください。
投稿者: ueda

投稿日時: 2012-8-3 15:46:47 (1294 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 (1990 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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・太陽電池測定の基礎

【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 (1394 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 (1674 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 (1502 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 (2425 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

投稿日時: 2010-11-17 9:01:37 (10043 ヒット)
(電圧パルスと電流パルス)
通常パルスを測定すると言うと
電圧パルスです。一番簡単な例は、
オシロスコープで波形を見ます。
最近のデジタル・オシロは、パルスパラメータとして
自動計測してくれるものがほとんどです。
昔と比べるとメモリも長くなり、サンプリングも速く
バンド幅も十分広くなっています。
(昔とは、テクトロニクスがアナログのオシロスコープを
やめたころ。コレで筆者の年齢がばれてします。)

さて、よく言われているバンド幅と立上り時間の関係
(立上り時間)= 0.35 /(バンド幅)
簡単に書くと 350MHz/1ns 
 1ns の立上り波形を見る場合350 MHzのバンド幅の測定器が必要です。
 2ns であれば 175MHzが必要です。
後は、サンプリングによるエリアジングが起こらないことが必要です。

方形波の立上りを測定する場合、エッジに最低4点は欲しいので
1ns の立上りを見るには、4GS/s以上が必要です。
10μs間に発生する1nsの立上りパルスを見つける場合、
バンド幅350MHz サンプリング4GS/s メモリー40Kが必要で
ナイキストの定理よりかなり高速のサンプリングが測定には
必要になります。(ナイキストの定理は、また別の機会に説明します)

さて、電圧パルスの測定はこのように3つのことに気をつけるのですが、
これが、電流となるともう一ひねりという感じです。

高速電流をオシロと電流プローブで測定すると
電圧レンジのバンド幅と電流プローブのバンド幅の違い、更に電流アンプの動作時間
(通常 数10ns- 100ns)ずれてしまいます。
電流プローブは、ホール素子を使用して電流により発生する磁界で
電流を測定します。誘導を利用しているので電圧測定よりバンド幅が低いことがあります。
その上、誘導を利用しているので正確に測定できるのは、
10mA程度以上の電流測定となり微小電流測定は難しい。
では、シャント抵抗でオシロで見たらどうなるの?
高速信号(だいたい10MHz以上)では、インピーダンスが問題になり50Ωのマッチングを
取らないと信号が正しく測定できません。
この為、微小電流を電圧に変換するには、インピーダンスの低く帯域のある電流アンプが必要になります。
アクシス・ネットでは、いろいろな電流アンプを開発しております。


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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: 2010-11-17 9:01:06 (2005 ヒット)
(高速電流測定について)
新素材の開発が最近のキーワードになり
化学的には、画期的な素材として開発されても
実際のアプリケーションでの応用時に
電気的な定量解析が必要となります。
実際に測るパラメータは、電圧、電流、
抵抗、容量など基本的な測定です。
ところが、基本的な測定で問題が出た場合が
大きな問題となってしまいます。

その一つが電流測定と言えます。
電流は、電荷が単位時間に移動する量を測定します。
時間がゆっくりか、電荷が多ければ測定する方法は
簡単です。高速な電流信号、10mA 50MHz程度ならば
オシロスコープと電流プローブで測定できます。
しかし、10nA 1MHzという電流信号を測定しようと
するとどうすればよいのでしょう?
シャント抵抗を使うのでしょうか?

10nAを電圧を計測する測定器にあわせ
10mV電圧に変換するには1MΩの抵抗が必要で
1MΩに1MHzが減衰せずに通すことは至難の技と言えます。
そこで、高速の電流電圧変換アンプが必要となります。
10の6乗のゲインで立上り350nsのアンプであれば
高精度に微小電流を測定できます。アクシス・ネットの
電流アンプは、高速電流の測定を可能にします。


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4280A 高感度電流電圧変換アンプ仕様

投稿者: axisnet

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