纳米发电测试方案

纳米发电测试方案概述：

纳米发电机，是基于规则的氧化锌纳米线，在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为三类：

第一类是压电纳米发电机； 第二类是摩擦纳米发电机； 第三类为热释电纳米发电机。

一般被应用在生物医学，军事，无线通信，无线传感。

纳米发电面临的测试挑战

发电机产生的电流小

由于纳米发电自身的技术特点，在研究过程中需要测试单位面积机械能产生的电能，测试产生的电压，微小的电流及功率信号，电压基本在几伏甚至几十伏， 而电流一般都是 uA 甚至 nA 级别，功率在 mW 甚至uW 级别。如何精确的测试微小电流及功率信号比较困难，对测试仪器精度和稳定性要求非常高。泰克吉时利公司专注于微小电信号测试，史上多位物理学诺贝尔奖获得者都使用和信赖吉时利测试仪器。在纳米发电研究中，吉时利的产品仍是业内的首选，尤其在微小信号测试值得信赖。

发电机的内阻大，开路电压测不准

下图为您介绍了测量灵敏度的理论极限取决于在电路中的电阻所产生的噪声。电压噪声是与电阻、带宽和绝对温度的乘积的平方根成正比的。从图中可见，源电阻限制了电压测量的理论灵敏度，也就是说能准确测量一个 1 源电阻的 1uV 信号时，如果该信号的源电阻变成 1T，则该测量就会变得不可能。因为在源电阻为1M 时对于1uV的测量已经接近理论极限了。这时候采用通常的数字万用表是无法完成这类测量的。了解了这个原理，选择合适的仪器是保证准确测试微小信号前提。(   小信号测试红宝书《低电平手册》)

信号变化快，很难采集电压或者电流峰值

由于机械的拉伸和冲击碰撞运动都是在短时间内完成，而评价一个纳米发电机的性能高低的一个关键因素是其输出的峰值电流和峰值电压，以及峰值功率， 而采用传统的表类由于采样率的不足，就可能导致峰值点采集缺失，从而会误导实验人员，导致错失机遇， 在吉时利的高阻计内置了模拟输出端口，通过将测试信号转化为一个 2V 的模拟电压信号进行实时输出， 这样只需要在外部再加一个高速 / 高 ADC 的采集系统

就可以将快速变化的电流，电压和电量，电阻进行实时采集。

泰克纳米发电测试方案配置：

配置图

信号连接图

微小电流信号测试应用

采用高内阻的静电计 6517+ 数据采集仪 DMM6500+ 纳米发电采集软件来进行微小纳米发电电流数据采集。

纳米发电矩阵应用测试

由于现在纳米发电机中有一部分已经转向实际应用研究，其中之一就有压力传感方向，而矩阵式压力传感器的测试是很多老师和同学比较头疼的一个问题，为了解决这类问题，我们就根据要求搭建了一个测试方案如下：

测试配置：

测试框图

信号连接图

方案优势 :

纳米发电研究领域推荐测试方案

优异的小心测试能力

定制化软件，更快，更简单，更专业

可升级，满足研究将来的测试需求

MEMS 测试概述：

微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical

System)，是一种基于 CMOS 工艺的集成技术。它将传感器 / 微处理器 / 信号处理与控制集于一体，有效缩小了系统的体积，是一种先进的加工技术。

微机电系统是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，其内部结构一般在微米甚至纳米量级， 严格说不是纳米电子器件，但纳米范围的 MEMS - 纳机电系统也日益普及。

MEMS 是由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成微结构系统（右图），涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。

MEMS 主要包括传感，生物，光学，射频四大类，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

MEMS 测试难点 :

MEMS 测试包括晶圆测试和成品测试，测试内容包括电学测试和非电学测试，涉及了声学激励、光学激励、磁学激励、化学激励、生物激励等不同的激励信号。MEMS 电学测试难点如下：

泄露电流是 MEMS 的必测项目。泄漏电流是指MENS 在非工作状态时的电流值，其值大小将决定系统能耗的大小。MEMS 系统的泄漏电流一般都小至 pA 量级，因此在测试泄漏电流时，需要带前置放大器的高精度的源表设备。

电容是 MEMS 的必测项。电容式微传感器是MEMS 系统中常用的传感器，它负责接收外界的信号并转换为电学信号。这个电容值很小，一般为pF 量级。测试设备所能施加的交流频率和电容测量的精度是需要考虑的因素。

电阻是 MEMS 的必测项。电阻式传感器在 MEMS 系统中非常常见，其阻值的变化可以表征外界信号的变化。MEMS 系统中的电阻范围较大，因此测试设备的电压电流动态范围也必须足够大。

MEMES 工艺监控也是 MEMS 测试的重要内容。MEMS 使用 CMOS 工艺进行加工制造，为使系统性能稳定，各步骤工艺必须严格监测。比如载流子浓度，载流子迁移率都能都是需要监测的参数。这需要使用能进行此类测试的电学设备。

测试方案：

硬件：

4200 - SCS

4200 - SMU

4200 - PA

4210 - CVU

4200A - CVIV

4225 PMU，选件，依据脉冲需求定，是否加放大器由最小测试电流定

高功率探针台 / 测试夹具（第三方）

软件

Clarius

测试参数 :

MEMS 输出电容 C

MEMS 输出电阻 R

MEMS 泄露电流 I

方案优势：

集成化的测试系统，直流测试 /CV 测试集于一体，多卡槽灵活配置测试模块；

最小电流测试精度 10fA，最大电压 210V；四线法配置；1pF-1uF 电容测试量程；

自带Clarius 操作软件，图形化设计，简单易懂；丰富的测试库直接用，减少测试配置时间；

附带教学视频，多语言版本，边学边用；

多种切换开关，支持 SMU/CVU 的自动切换，消除换线烦恼；

提供低漏电矩阵开关，为自动化，高密度，大批量测试提供支持；

开放设备底层指令，附带编译软件，支持自编程。