一種電導與微分電導同步測量裝置及方法
2023-06-02 12:44:21
專利名稱：一種電導與微分電導同步測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種同步測量裝置及方法，尤其涉及一種電導與微分電導同步 測量裝置及方法。
背景技術：
電導測試技術廣泛應用於電子、化工、生物、醫學、環保等 領域，例如電子的隧穿特性測量，液體成分分析，生物組織探測等。 通常的方法有測量電流電壓關係，然後進行數值微分得到電導，但由於電壓源表的精 度較低，且換量程時候會發生跳點，嚴重影響到電導測量結果。 還有採用鎖定放大技術[黃志堯等，工作頻率可調的液體電導測量 裝置，實用新型專利號CN2814424Y]來實現電導信號測量，但 其中電導測量電路板很複雜，裝置製作存在困難。
此外，樣品電導信號由於受到噪聲幹擾往往變化非常微弱，使得通過簡 單提高放大倍數來改善測量裝置靈敏度不可能實現微弱信號檢測。人們提出了 測量微分電導[Li， C.H., et al.. Applied Physics Letters, 2004. 85(9): 1544.]來判斷樣品電導信號隨直流電壓的關係。微分電導就是電導對電壓的導 數，也即電流對電壓的二階微分；因為，被測電導信號中的噪聲成分不具有相 關性，對電壓的變化是沒有變化的，其微分結果為零；而被測電導的微弱變化 通過微分後，卻可以明顯放大，也即電導信號中變化的拐點很容易出現在微分 電導的信號中。這種方法可有效抑制信道噪聲，實現了電導變化的超高解析度 測量。所以，在此，我們提出一種新的電導與微分電導同步測量裝置及方
發明內容
本發明的目的在於提供一種電導與微分電導同步測量裝置及方法，它比
通常的I一V測量方法有更高的精度，利用這套測量裝置和方法，
可以快速的、簡便的判斷電子在輸運過程中主要的機制，以及液 體成分等。
本發明是這樣來實現的， 一種電導與微分電導同步測量裝置包括直流信號 源、交流信號源、運算放大器、反饋電阻、傅立葉譜分析儀，其特徵是交流信 號源連接運算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品後接入運算放大器負 輸入端，運算放大器輸出端連接傅立葉譜分析儀，運算放大器負輸入端與傅裡 葉譜分析儀之間連有反饋電阻。
電導與微分電導同步測量方法為交流信號源和直流信號源通過運算放大 器疊加後，共同施加於被測樣品上；然後被測樣品的響應電流信號通過反饋電 阻轉換成電壓信號；轉換後的電壓信號輸入到傅立葉譜分析儀，傅立葉譜分析 儀對輸出電壓信號進行傅立葉變換，得到基頻和二次諧波係數， 計算後可得到電導與微分電導值。
實現電導及微分電導測量電路的輸出電壓為-
7[4(0，...]-樣品直流電壓響應電流，
...-樣品基頻響應電流，
formula see original document page 4樣品二次諧波響應電流，
formula see original document page 4分別是
交流信號的振幅和周期，以及直流信號的幅值;對進行傅立葉變換，可以得到各個頻率的係數& ，
^4'K,cos(^)c/,4k,cos(諸t) dt (n=l， 2…)
由於高階微分遠小於低階微分(即
〉>-
的
和
的
341
v"')》"^
)，那麼傅立葉變換下的係數6，應該主要反映的是電流對直
流電壓的一階微分= ，即電導。同理，傅立葉變換下的係數62應該
主要反映的是電流對直流電壓的二階微分(^ = |^)，即微分電導。存在以
d「
下的物理關係:
6，
1 3
w及,
4 3F2
46，
a2義
基頻和二次諧波係數得到後，由於交流信號幅值與反饋電阻阻值 已知，根據上面公式計算後可得到電導與微分電導值。
本發明的優點是1、利用交流和直流電壓源通過運算放大器疊 加後施加於樣品，可以避免交直流電壓信號的相互影響，從而提 高信噪比；2、可以同步測量樣品電導與微分電導，並可以和直流 電流電壓曲線數值微分對比，監測測量結果的正確性；3、測量電
路可以同步測量電導與微分電導，實現樣品電導變化的超高分辨
率測量；4、測量電路簡單，容易實現。
圖l為本發明的原理方框圖。
圖2為本發明測量二極體器件在直流電壓為53y^時的傅立葉頻譜圖。 圖3為本發明測量二極體器件的電導與數值微分二極體電流電壓曲線得到的電導比較圖。
圖4為本發明測量二極體器件的微分電導圖。
在圖中，1、直流信號源2、交流信號源3、被測樣品4、運算放大器5、 反饋電阻6、傅立葉譜分析儀
具體實施例方式
如圖1所示，本發明是這樣來實現的， 一種電導與微分電導同步測量裝置 包括直流信號源l、交流信號源2、運算放大器4、反饋電阻5、傅立葉譜分析 儀6，其特徵是交流信號源2連接運算放大器4正輸入端，直流信號源l連接 被測樣品3後接入運算放大器4負輸入端，運算放大器4輸出端連接傅立葉譜 分析儀6，運算放大器4負輸入端與傅立葉譜分析儀6之間連有反饋電阻5。
如圖2所示，圖中橫坐標是傅立葉變換頻率，縱坐標為傅裡 葉變換係數，我們利用該系統測量了 二極體(1N4004)樣品正向電 壓下的電學性質。測試結果如圖2~4;圖2是在直流電壓為530mr 時，放大器正輸入端接幅值為lOmK、頻率為1000//Z的正弦信號， 並經10M1的反饋電阻輸出電壓傅立葉譜分析結果。由圖可知，輸 出的信號有基頻(1000WZ)、 2次諧波(20007/Z)成分(如圖中箭頭所 示)，而其它頻率成分幾乎沒有出現。說明更高頻率諧波可以忽略 不計；也即高階微分遠小於低階微分。根據基頻和2次諧波傅裡 葉譜分析係數可以得到電導和微分電導。
如圖3所示，橫坐標為直流電壓，單位伏，縱坐標為電導， 單位西門子；圖中虛線為傅立葉變換求得電導；變換直流電壓的 大小，可以得到不同直流電壓下電導的變化關係；圖中實線為二 極管直流電流電壓關係數值微分求得電導。對比結果見圖3。發 現它們符合較好，都是在直流電壓小於250mr時，曲線平滑而保持低值，這裡有一點區別，原因是微小交流信號的幅值仍然不夠
小。當直流電壓大於300mr後，曲線呈指數上升趨勢而急劇增大。 這說明此方法的正確性。注意到這裡測量到的信號數值量級大約 在~10—2左右。
如圖4所示，橫坐標為直流電壓，單位為伏，縱坐標為微分 電導，單位為西門子/伏。由上同步可以得到不同直流電壓下微分 電導的變化關係，結果如圖4。發現它隨直流電壓的關係和電導
隨直流電壓的關係相似，但是注意到信號的數值量級大約在~1 G_' 左右，這比測量電導信號明顯放大了一個數量級以上。說明電導 信號中的微弱變化，通過微分電導的測量，可以明顯放大其中的 變化。
以上實例說明我們設計的電導與微分電導同步測量裝置及方 法是正確的；且具有一非常顯著的特點，就是利用該方法，我們 可以同時測量同 一 樣品的電導和微分電導隨直流電壓的變化，且 通過以上方法測量微分電導後，可以實現電導信號的放大，實現 比傳統測量電導的方法提高一個量級的精度。該裝置與方法將會 在目前電子隧穿，成分分析的研究當中得到一定的推廣。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護 範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術 範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範 圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍 為準。
權利要求
1、一種電導與微分電導同步測量裝置，它包括直流信號源、交流信號源、運算放大器、反饋電阻、傅立葉譜分析儀，其特徵是交流信號源連接運算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品後接入運算放大器負輸入端，運算放大器輸出端連接傅立葉譜分析儀，運算放大器負輸入端與傅立葉譜分析儀之間連有反饋電阻。
2. 一種權利要求l所述的一種電導與微分電導同步測量方法，其特徵是交流信號源和直流信號源通過運算放大器疊加後，共同施加於被測樣品上；然 後被測樣品的響應電流信號通過反饋電阻轉換成電壓信號；轉換後的電壓信號 輸入到傅立葉譜分析儀，傅立葉譜分析儀對輸出電壓信號進行傅立葉變 換，得到基頻和二次諧波係數，計算後可得到電導與微分電導值。
全文摘要
一種電導與微分電導同步測量裝置，它包括直流信號源、交流信號源、運算放大器、反饋電阻、傅立葉譜分析儀，其特徵是交流信號源連接運算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品後接入運算放大器負輸入端，運算放大器輸出端連接傅立葉譜分析儀，運算放大器負輸入端與傅立葉譜分析儀之間連有反饋電阻。本發明的優點是1.可以避免交直流電壓信號的相互影響，從而提高信噪比；2.監測測量結果的正確性；3.測量電路可以同步測量電導與微分電導，實現樣品電導變化的超高解析度測量；4.測量電路簡單，容易實現。
文檔編號G01R27/04GK101666828SQ20091018610
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者何興道, 肖文波 申請人:南昌航空大學