مدونة عن تم معالجة تحديات الدقة في قياسات التيار المنخفض عالية العوائق

في الهندسة الكهربائية والاختبارات الإلكترونيةالقياس الحالي بمثابة ركيزة أساسية تؤثر دقة مباشرة على موثوقية نتائج التجارب ونجاح التصاميم الهندسيةومع ذلك، عند قياس التيارات الضعيفة (مثل مستويات البيكو أمبير) أو أجهزة العائق العالي، غالبا ما تكون الأساليب التقليدية قصيرة.

يثبت قياس التيار الدقيق أنه أمر بالغ الأهمية في العديد من المجالات التكنولوجية الحديثة - من تصنيف أجهزة أشباه الموصلات إلى اكتساب إشارات المستشعرات الحيوية،من أبحاث علوم المواد إلى تنفيذ الحوسبة الكميةومع ذلك، تواجه هذه القياسات تحديات كبيرة ناجمة عن قيود الأدوات والتداخلات البيئية وخصائص الجهاز.

تظهر طرق قياس التيار التقليدية ، مثل الأساليب القائمة على مقاومة الشونت ، أداءً ضعيفًا في الدوائر عالية العائق أو قياسات التيار الضعيفة.المقاومة الشنت يقدم عبء الجهد الإضافي، مما يغير الحالة الأصلية للدائرة ويؤدي إلى انحرافات في القياس. الضوضاء البيئية وتسريب التيارات وإشارات التداخل المختلفة تعرض النتائج للخطر.

لا تزال أجهزة مقياس الطاقة من نوع الشنت هي النوع الأكثر شيوعًا ، وغالباً ما يتم تنفيذها في أجهزة المليمترا الرقمية (DMM).هذه الأجهزة تحدد التيار عن طريق قياس الجهد المدخل متناسب مع تدفق التيار (الشكل 1)تركز عملياتهم على مقاومة تحويل دقيقة حيث ينتج التيار انخفاض في الجهد الذي يشير إلى الحجم.

بينما تقدم البساطة والتكلفة المنخفضة وسهولة الاستخدام ، تعاني أجهزة قياس الضوء من عائق المدخلات المرتفع نسبيًا. مع انخفاض التيارات المقياسة ، يتم تقليل معدل الضغط.المقاومات الشنت أكبر تصبح ضرورية لإنتاج الجهد القابل للقياس، زيادة المزيد من عائق المدخلات وتأثير الدوائر.هذه الأجهزة تعمل بشكل صحيح فقط عندما تظل مقاومة التحويل أقل بكثير من مقاومة الجهاز قيد الاختبار (DUT) والتيارات المقاسة تتجاوز بشكل كبير مستويات الميكرو أمبير.

يشكل الجهد النهائي لمقياس الأمبير "حمل الجهد". هذا الحمل يسبب انخفاض تيار الحمل إلى مستويات أقل بكثير من مستويات القياس السابقة ، مما يمنع القياس الدقيق.لا تؤثر المقياسات المثالية على تيار الدائرة ولا تظهر مقاومة أو عبء الجهد.

عادةً ما تنتج أجهزة قياس التيار الكهربائي الشنت عبءات الجهد في نطاق مئات الميلي فولت. وتشمل استراتيجيات التخفيف:

• اختيار المقاومات الشنت منخفضة القيمة (يقلل من الحمل ولكن يقلل من الحساسية)
• تنفيذ دوائر التعويضات (التصدي لتأثيرات العبء)
• تطبيق تصحيح الأخطاء (يتعويض من خلال قياس الحمل)

تقترب مقياسات ردود الفعل من الظروف المثالية عن كثب أكثر من أنواع الشنت ويجب استخدامها لقياسات الميكرو أمبير أو عندما يثبت أن عائق المدخلات المنخفض ضروري.بدلا من توليد الجهد النهائي، هذه الأجهزة تنتج الجهد في مسار ردود فعل مكبر التشغيل عالية المكاسب (الشكل 2).

التوتر المدخل يساوي التوتر الخارجي مقسومًا على مكاسب المضخم (عادةً 100000) ، مما يقلل من عبء التوتر إلى مستويات ميكرو فولت.هذه الهندسة المعمارية تقلل من الأخطاء عند قياس التيارات الصغيرة أو التيارات من أجهزة انخفاض العائقأدوات مثل مقاييس الكهرباء كيثلي و picoammeters تستخدم هذه التقنية.

تبين أن قياسات التيار المنخفض عرضة بشكل خاص لمصادر أخطاء مختلفة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الدقة. جميع أجهزة القياس تولد تيارًا ضيقًا يتدفق حتى مع المدخلات المفتوحة.تيار التسرب الخارجي يخلق مصادر خطأ إضافية، مما يجعل الحماية المناسبة والترابطات الحماية ضرورية.

تأثيرات التريبو الكهربائية تنشأ من عدم توازن الشحنات الناجمة عن الاحتكاك بين الموصلات والمعزولات (الشكل 4).الكابلات المتخصصة منخفضة الضوضاء تقلل من هذا التأثير من خلال طبقات العزل الداخلية البولي إيثيلين المغلفة بالجرافيت التي توفر التشحيم وتخلق أسطح مكافئة قابلة للتوصيل لتساوي الشحنات.

يخلق التوتر الميكانيكي المطبق على المواد العازلة البلورية تيارات بييزو كهربائية (الشكل 5). تظهر بعض البلاستيكات التي تحتوي على جيوب تخزين الشحنة سلوكًا مماثلًا.تتضمن استراتيجيات التقليل القضاء على الإجهاد الميكانيكي على العازلات واختيار المواد ذات الآثار الحد الأدنى للطاقة الكهربائية والشحنة.

الملوثات والرطوبة تخلق تيارات الخطأ من خلال التأثيرات الكهروكيميائية عندما تشكل المواد الكيميائية الأيونية "البطاريات" الضعيفة بين الموصلات (الشكل 6).لوحات الدوائر الايبوكسي الشائعة يمكن أن تولد تيارات على مستوى النانو أمبير إذا لم يتم تنظيفها بدقة من المواد الحفرية، التدفق، الزيوت، الأملاح، أو الملوثات الأخرى.

قياسات العوائق العالية (> 1GΩ) تنطوي عادة على تطبيق الجهد الثابت على المقاومة غير المعروفة ، وقياس التيار الناتج باستخدام عداد أمبريات سلسلة ،ثم حساب المقاومة عن طريق قانون أوم (R = V / I)يمثل هذا النهج لتطبيق الجهد (بدلاً من تطبيق التيار) الطريقة المفضلة لأن المقاومات العالية غالباً ما تختلف مع التوتر المطبق.

تشكل تيارات التسرب مصادر أخطاء نموذجية في قياسات العائق العالي ، والتي تنشأ عن مسارات مقاومة عالية غير مرغوب فيها بين دوائر القياس ومصادر الجهد القريبة.وتشمل تقنيات الحد:

• تطبيق تقنيات الحماية المناسبة
• استخدام العازلات النظيفة ذات الجودة العالية
• الحد من الرطوبة

عند قياس المواد عالية المقاومة للغاية ، يمكن أن تسبب تيارات الخلفية أخطاء قياس كبيرة.طريقة القطبية المتغيرة تقضي تقريباً على هذه الآثار من خلال تطبيق جهد التحيز الإيجابي، قياس التيار بعد تأخير محدد سلفا، ثم عكس القطبية وتكرار القياس (الشكل 9). حسابات المقاومة تستخدم المتوسطات المرجحة للقياسات الأخيرة.

التحقق الدقيق من البيانات وتحليل الأخطاء يضمن موثوقية القياس. وتشمل طرق التحقق الشائعة قياسات متكررة، مقارنة مع القيم القياسية،والتحقق من الاتساق ضد القوانين الفيزيائيةتقنيات تحليل الأخطاء تشمل تحليل عدم اليقين وتحليل الحساسية ومحاكاة مونتي كارلو.

قياس التيار الفعال يتطلب تحديد مقاييس أداء الأداة، وإنشاء نماذج أخطاء، وتنفيذ التحقق الدقيق من البيانات،واختيار بنية قياس مناسبةالتطورات المستقبلية في الذكاء الاصطناعي والأتمتة تعد بتعزيز قدرات القياس من خلال تحديد الأخطاء بمساعدة التعلم الآلي وأنظمة الاختبار الآلي.