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原文传递一种用于fA～pA量级微弱电流的绝缘薄膜测量系统

专利名称：	一种用于fA～pA量级微弱电流的绝缘薄膜测量系统
摘要：	本发明揭示了一种用于fA～pA量级微弱电流的绝缘薄膜测量系统，其中的电学测试装置中的前置跨阻放大器包括有两个CMOS运算放大器、四个CMOS传输门、四个CMOS反相器、六个电阻、两个电容。绝缘薄膜的漏电流大小通常介于数十fA（10‑15A）至数十pA（10‑12A），通过合理选择外围元件，前置跨阻放大器的输出电压可达到数μV至几十μV量级，该输出电压信号再经过中间电压放大器、后端电压放大器依次放大，可被电流测量装置准确测量出来，最终送至计算机进行处理、显示。利用本发明的ASIC独有的处理方式，有效地从信号源中过滤掉了运算放大器自身带来的干扰信号。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南通大学
发明人：	尹海宏;王志亮;宋长青;印川;施天宇
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201910094589.9
公开号：	CN109709152A
代理机构：	南京苏科专利代理有限责任公司
代理人：	陈忠辉
分类号：	G01N27/00(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	226019 江苏省南通市崇川区啬园路9号
主权项：	1.一种用于fA～pA量级微弱电流的绝缘薄膜测量系统，其特征在于：绝缘薄膜测量系统包括包括样品固定装置、电学测试装置和计算机；所述样品固定装置用于放置待测样品并引出两根测试电缆。 2.一种如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：测量系统包括包括样品固定装置、电学测试装置和计算机；所述样品固定装置用于放置待测样品并引出两根测试电缆；电学测试装置用于测量样品的漏电流特性即电压-电流特性曲线，计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据。 3.一种如权利要求1所述的测量系统，测量系统包括包括样品固定装置、电学测试装置和计算机；所述样品固定装置用于放置待测样品并引出两根测试电缆；所述计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据；其特征在于：电学测试装置包括：程序控制电压信号源、前置跨阻放大器、电流测量装置、计算机接口电路、A/D转换器，所述程序控制电压信号源由计算机通过计算机接口电路控制生成和输出测试电压信号，前置跨阻放大器用于放大经过待测样品的微弱电流，前置跨阻放大器输入端通过测试电缆电性连接至待测样品上的两个电极，前置跨阻放大器输出端电性连接至电流测量装置；电流测量装置用于测量经过待测样品的微弱电流，通过A/D转换器将模拟测量结果转换为数字测量结果，并将数字测量结果通过电学测试装置的计算机接口电路反馈至计算机；所述计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据；所述前置跨阻放大器，包括有：用于fA～pA量级微弱电流测量的ASIC、中间电压放大器、后端电压放大器；所述用于fA～pA量级微弱电流测量的ASIC，其特征在于：在所述ASIC内部，包括有两个CMOS运算放大器构成的放大电路、四个CMOS传输门、七个CMOS反相器、三个电阻以及两个电容；所述ASIC具有十个引脚；其中，第一引脚为信号输入引脚，用于输入待测电流；第七引脚为电源地引脚；第十引脚为电源正极引脚；第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚、第六引脚、第八引脚、第九引脚为功能引脚，用于连接ASIC外围元件；第五引脚还作为信号输出引脚，用于输出放大后的电压，并电性连接至中间放大器的输入端；所述ASIC的第七引脚连接至电源地端，所述ASIC的第十引脚连接至电源正端；所述ASIC的第一引脚作为待测电流信号输入端，用于输入待测电流；所述ASIC的第五引脚作为放大电压信号输出端，用于输入放大的电压信号；所述ASIC的第二引脚和第三引脚之间并联接入第一反馈电阻，所述ASIC的第四引脚和第五引脚之间并联接入第二反馈电阻，所述ASIC的第六引脚和电源地端之间串联接入第三反馈电阻；所述ASIC的第八引脚和第九引脚之间并联接入一个MΩ量级的电阻和一个晶体振荡器，该MΩ量级的电阻通过反馈作用将迫使第一CMOS反相器无法正常工作在开关状态，而是处于线性放大区，构成一个放大器，产生振荡，振荡频率取决于晶体振荡器的谐振频率；通过高频轮切电路将放大电路按时间片轮切为两路，其中一路包含有待测信号和各种失调信号，另一路仅包含有各种失调信号，再通过减法电路将两路复而为一，得到待测信号，消除各种失调信号，利用这种方式有效地从信号源中过滤掉各种失调信号。 4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于：在所述ASIC内部，第一CMOS传输门的信号输入端和第三CMOS传输门的信号输入端均电性连接至所述ASIC的第一引脚；第三CMOS传输门的信号输出端电性连接至电源地端；第一CMOS传输门的信号输出端、第一CMOS运算放大器的反相输入端均电性连接至ASIC的第二引脚，第三电阻电性连接在第一CMOS运算放大器的同相输入端与电源地端之间；第一CMOS运算放大器的信号输出端、第二CMOS传输门的信号输入端、第四CMOS传输门的信号输入端均电性连接至所述ASIC的第三引脚；第二CMOS传输门与第一电阻串联，第一电阻的另一端、第二CMOS运算放大器的反相输入端均电性连接至所述ASIC的第四引脚，第一电容电性连接在第二CMOS传输门与第一电阻的共同端及电源地端之间；第二CMOS运算放大器的信号输出端电性连接至所述ASIC的第五引脚；第四CMOS传输门与第二电阻串联，第二电阻的另一端、第二CMOS运算放大器的同相输入端均电性连接至所述ASIC的第六引脚，电源地端电性连接至所述ASIC的第七引脚；第一CMOS反相器、第二CMOS反相器、第三CMOS反相器、第四CMOS反相器、第五CMOS反相器、第六CMOS反相器、第七CMOS反相器依次串联，第一CMOS反相器的输入端电性连接至所述ASIC的第八引脚，第一CMOS反相器的输出端、第二CMOS反相器的输入端均电性连接至所述ASIC的第九引脚；第三CMOS反相器的输出端还电性连接至第三CMOS传输门的反相控制端；第四CMOS反相器的输出端还电性连接至第一CMOS传输门的正相控制端；第六CMOS反相器的输出端还电性连接至第二CMOS传输门的正相控制端；第七CMOS反相器的输出端还电性连接至第四CMOS传输门的反相控制端；电源正端电性连接至所述ASIC的第十引脚。 5.如权利要求3或4所述的测量系统，其特征在于：第五CMOS反相器、第六CMOS反相器之间增加2N个串联的CMOS反相器，N为正整数，N的取值使得所有CMOS反相器的整体响应速度与第一CMOS运算放大器的响应速度匹配。 6.如权利要求3-5任一项所述的测量系统，其特征在于：在实际工作时，第一CMOS反相器的输入端和输出端之间即所述ASIC的第八引脚和第九引脚之间并联接入一个MΩ量级的电阻和一个晶体振荡器，该MΩ量级的电阻使第一CMOS反相器位于线性放大区，构成一个放大器，产生振荡，振荡频率取决于晶体振荡器的谐振频率；晶体振荡器的谐振频率为MHz量级，优选地，晶体振荡器的谐振频率为1-100MHz，更优选地，晶体振荡器的谐振频率为10-100MHz。 7.如权利要求3-6任一项所述的测量系统，其特征在于：所述程序控制电压信号源由计算机通过计算机接口电路控制生成和输出测试电压信号，前置跨阻放大器用于放大经过绝缘薄膜样品的微弱电流，前置跨阻放大器前端依次通过同轴电缆、探针电性通过连接至绝缘薄膜样品上的电极，前置跨阻放大器后端电性连接至电流测量装置；电流测量装置用于测量经过绝缘薄膜样品的微弱电流，通过A/D转换器将模拟测量结果转换为数字测量结果，并将数字测量结果通过电学测试装置的计算机接口电路反馈至计算机。 8.如权利要求3-5任一项所述的测量系统，其特征在于：四个CMOS传输门工作于开关状态；其中，在不考虑各反相器传输时延的情况下，第一CMOS传输门和第二CMOS传输门同时开或关，第三CMOS传输门和第四CMOS传输门同时关或开，并且，第一CMOS传输门和第二CMOS传输门的开关状态，与第三CMOS传输门和CMOS传输门的开关状态总是相反，即第一CMOS传输门和第二CMOS传输门处于导通低阻状态时，第三CMOS传输门和第四CMOS传输门则均处于截止状态，反之亦然。 9.如权利要求3-5任一项所述的测量系统，其特征在于：所述电学测试装置的计算机接口电路为GPIB接口电路，或BNC接口电路，或USB接口电路。 10.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于：所述前置跨阻放大器的输出电压Uo为：其中，Rf1为第一反馈电阻， Rf2为第二反馈电阻， Rf3为第三反馈电阻， R1为第一电阻， R2为第二电阻， R3为第三电阻， Ifilm为绝缘薄膜中待测漏电流。
所属类别：	发明专利