Using Triaxial Cables for Low-Current Measurements (Verwendung von Triaxialkabeln für Schwachstrommessungen)

Verwendung von Triaxialkabeln für Schwachstrommessungen

Kaum wahrnehmbare Phänomene aufzuspüren und neue Materialeigenschaften auszunutzen sind mächtige Werkzeuge in der Forschung, erfordern aber hochgenaue Messungen bei extrem niedrigen Strömen. Der Leckstrom muss abgeschwächt werden, um gültige Ergebnisse zu gewährleisten. Triaxialkabel ermöglichen ein geschütztes Sondieren, was die Messung sehr kleiner Ströme ermöglicht und in fortgeschrittenen Anwendungen immer häufiger verwendet wird.

Einführung

Geschütztes Sondieren hat sich bewährt und ist effektiv zum Messen winziger Ströme im Picoampere-Bereich und darunter. Die Verwendung der richtigen Adapter ist entscheidend, um die Signalintegrität beim Anschluss an Messgeräte zu gewährleisten, die nur über Koaxialanschlüsse wie SMA/SMP oder BNC verfügen.

Kaum wahrnehmbare Phänomene zu erkennen oder neue Materialeigenschaften zu nutzen, sind mächtige Werkzeuge bei der Suche nach Lösungen für die Herausforderungen in Industrie, Medizin, Haushalt und anderen Bereichen. Die Durchführung parametrischer Messungen an Materialien wie Graphen oder organischen Materialien, die Charakterisierung elektronischer Präzisionsbauteile oder -strukturen wie Dünnfilmtransistoren und die Entwicklung fortschrittlicher Sensorsysteme oder eingebetteter Präzisionsinstrumente erhöhen die Anforderungen an die Genauigkeit bei der Messung von Strömen unter 1nA und bis in den Picoampere- oder sogar Femtoampere-Bereich.

Leckstrom beseitigen

Bei solch niedrigen Strompegeln kann ein Erdschluss durch die Isolierung, die die Prüfspitzen umgibt, zu ernsthaften Messungenauigkeiten führen. Richtig angewendetes geschütztes Sondieren stellt ein Mittel zum Eliminieren von Leckströmen dar, um eine hochgenaue Messung sehr kleiner Ströme zu ermöglichen. Es wird bereits häufig beim Testen von Halbleitern auf Waferebene verwendet, um Teile zu screenen und Chips vor dem Back-End-Packaging zu charakterisieren. In diesem Zusammenhang sorgen dedizierte Geräte wie Halbleiterteststationen oder Wafer-Chucks, die im Hinblick auf geschütztes Sondieren entwickelt wurden, für ordnungsgemäße triaxiale Verbindungen und Durchführungen, wo immer sie benötigt werden.

Da in Forschungslabors, Testhäusern und anderen technischen Abteilungen immer häufiger geschützte Sonden verwendet werden, müssen Ingenieure manchmal Triaxialsonden an Geräte wie Oszilloskope, Picoammeter oder Elektrometer anschließen, die mit allgemeineren Koaxialanschlüssen auf der Vorderseite ausgestattet sind. Es muss darauf geachtet werden, Sonden mit geeigneten Anschlüssen und Adaptern auszuwählen und sicherzustellen, dass sie richtig angeschlossen werden.

Geschützte Sondierungsprinzipien

Bei einer gewöhnlichen Koaxialsonde kann, wenn der Leiter auf einem bestimmten Potential liegt und die äußere Abschirmung geerdet ist, ein kleiner Leckstrom durch die Isolierung zwischen dem Hauptleiter der Sonde und der äußeren elektromagnetischen Abschirmung des Kabels fließen. Wenn der Leiter auf einem Potential von 100 V liegt und der Isolationswiderstand 1 GΩ beträgt, beträgt dieser Strom etwa 100 nA. Obwohl sich dies möglicherweise nicht auf Strommessungen im Milliampere- oder sogar Mikroamperebereich auswirkt, stören Leckagen dieser Größenordnung stark, wenn versucht wird, Ströme in der Größenordnung von Picoampere oder Femtoampere zu messen.

Geschütztes Sondieren minimiert Leckströme, indem es den hauptstromführenden Leiter (auch als Kraft bezeichnet) mit einem Schutzleiter umgibt, der auf demselben Potenzial durch einen Spannungsfolger oder Puffer getrieben wird, wie in Abbildung 1gezeigt. Da es im Idealfall keinen Potentialunterschied zwischen der Kraft und der Schutzvorrichtung gibt, kann kein Leckstrom durch die Isolierung zwischen den beiden fließen. In der Praxis kann ein geeigneter Puffer die Kraftspannung mit einer Genauigkeit von einem Teil in einer Million verfolgen. Wenn das gemessene Signal wie zuvor bei 100 V liegt und die angesteuert Schutzvorrichtung bei 100,000001 V, reduziert sich der Leckstrom, der durch die 1GΩ-Isolierung der dielektrischen Schicht fließt, auf nur 1fA, verglichen mit 100 nA im vorherigen Beispiel.

Der geerdete äußere EMI-Abschirmungsleiter wird durch eine Isolierschicht von der Schutzvorrichtung getrennt, um die Triaxialkabelbaugruppe zu vervollständigen. Obwohl zwischen Schutzvorrichtung und Abschirmung ein kleiner Strom fließen kann, wird dieser von der Pufferschaltung geliefert und hat daher keinen Einfluss auf den gemessenen Strom.

Die kapazitiven Effekte der Kabelisolierung sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Wenn der Testplan erfordert, dass die angelegte Spannung gewobbelt wird, zieht diese parasitäre Kapazität einen Ladestrom proportional zu ihrer Größe und der Änderungsrate der angelegten Spannung (Ic = C dV/dt).

Eine Verlangsamung der Wobbelrate zur Verringerung dieses Ladestroms erhöht die Gesamttestzykluszeit, was nicht wünschenswert ist. Bei einer angetriebener Schutzvorrichtung bleibt die Spannung zwischen der Kraft und der Schutzvorrichtung konstant und eliminiert so den Ladestrom, vorausgesetzt, die Reaktion des Puffers ist schnell im Vergleich zur Sweep-Rate.

Anschluss an Messgeräte

Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Triaxialsonde zwischen dem Prüfling und dem gewählten Messgerät anzuschließen.

Triaxialsonden in einem Halbleiterwaferprüfgerät umfassen eine feine Spitze, die in eine Spannzange geklemmt und elektrisch mit dem Kraftleiter eines Triaxialkabels verbunden ist. Die Sondenarme können so gesteuert werden, dass sie sich zu voreingestellten X- und Y-Koordinaten bewegen, wie z. B. Wafer-Testpunkten. Alternativ können statische Sonden in eine Halterung integriert werden, die dafür ausgelegt ist, in einem Wafer-Spannfutter gehalten zu werden.

Eine breitere Einführung geschützter Sonden kann nun dazu führen, dass statische oder bewegliche Sonden in eine größere Vielfalt von Testhalterungen integriert werden. Auch die Elektronik zur Ansteuerung der Schutzeinrichtung muss integriert werden. Wenn Messungen innerhalb eines abgeschirmten Gehäuses durchgeführt werden sollen, können die Sonden zur Minimierung der Auswirkungen externer elektromagnetischer Felder zu Schalttafelanschlüssen am Rand des Gehäuses geführt werden.

Hersteller von Tastköpfen und Prüfvorrichtungen benötigen hochwertige Triaxialkabel und Steckverbinder in verschiedenen Konfigurationen, wie z Trompeter CBJ157-Serie. Der CBJ157 bietet Anschlüsse für die Kraft-, Schutz- und Schirmleiter des Kabels und ist in geraden oder rechtwinkligen Konfigurationen erhältlich. Zwischen diesen und den Anschlüssen an der Frontplatte des Messgeräts können dann Triaxialkabel angeschlossen werden.

Wenn das gewählte Instrument ein Hochleistungsoszilloskop oder ein anderes Gerät wie ein Picoamperemeter ist, kann es mit nicht-triaxialen Eingangsanschlüssen wie BNC, SMA oder Push-Fit SMP koaxiale Anschlüsse ausgestattet sein. Natürlich stellen diese Arten von Verbindern nicht alle Leiter bereit, die zum ordnungsgemäßen Abschließen eines Triaxialkabels erforderlich sind.

Anpassung von Triax- an Koax-Verbindungen

Es ist möglich, Adapterkabel herzustellen, die einen Triaxialstecker am Sondenende und einen Koaxialstecker zum direkten Anschluss an das Messgerät haben. Zu den wichtigsten Bedenken gehören der Anschluss der angetriebenen Schutzvorrichtung und die möglichen Auswirkungen auf die Genauigkeit der Strommessung und die Benutzersicherheit. Am Ende des Koaxialsteckers könnte die äußere Abschirmung des Kabels direkt mit dem äußeren Koaxialanschluss verbunden werden und der zentrale Kraftleiter mit dem inneren Signalkontakt verbunden werden, wie in Abbildung 2dargestellt. Dies lässt jedoch den angesteuerten Schutz erdfrei, was diese Anordnung zum Messen extrem niedriger Ströme ungeeignet macht.

Alternativ kann der Schutz des Triaxialkabels mit dem äußeren Koaxialanschluss verbunden werden, wie in Abbildung 3gezeigt. Damit dies jedoch akzeptabel ist, muss die äußere Koaxialverbindung isoliert und nicht geerdet sein. Wenn der abgetastete Testpunkt eine Spannung über dem SELV-Grenzwert hat, liegt außerdem der äußere Koaxialstecker auf dem gleichen Potential und wird daher als Gefahr für den Benutzer angesehen. Wenn daher Niederstrommessungen mit einer Triaxialsonde mit angetriebener Schutzvorrichtung durchgeführt werden sollen, bei der das Kabel an Koaxialanschlüsse am Instrument angeschlossen wird, sollten geeignete Triax-zu-Koax-Adapter verwendet werden, um sowohl Sicherheit als auch Genauigkeit zu gewährleisten.

Trompeter verfügt über ein umfassendes Sortiment an Adaptern zum Umwandeln von Triaxial-Kabelsteckern in Koaxialkabel, um einen korrekten Abschluss zu gewährleisten.

Das 3-0350 Schottmontage triaxial-zu-SMP Miniatur-Steckadapter (Abbildung 4.) ist ein Beispiel für dasSortiment, das zahlreiche Standards für Koaxialsteckverbinder umfasst, wie z. B. SMA, SMP, und BNC.

Fazit

Anwendungen für geschütztes Sondieren zum Messen von Strömen im Picoampere- und Femtoampere-Bereich erstrecken sich über die spezialisierte Halbleiterwaferverarbeitung hinaus auf Hightech-Bereiche wie die fortgeschrittene Materialforschung. Der ordnungsgemäße Abschluss der angetriebenen Schutzvorrichtung ist von entscheidender Bedeutung. Verwenden Sie bei Bedarf geeignete Adapter für koaxiale Instrumentenanschlüsse, um die Messgenauigkeit und die Benutzersicherheit zu gewährleisten.