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pA级微弱电流怎么测?探针台屏蔽、接地与三同轴方案

类别:行业动态 | 日期:2026-11-14 09:05:58 | 阅读:1
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器件漏电流、绝缘材料、传感器暗电流——这些测试的共同点是电流在 pA(皮安,10⁻¹² A)量级。很多用户把探针台和源表连好后发现:读数乱跳、不扎针也有电流、白天晚上数据不一样。问题多半不在仪器,而在测试环境。

本文讲清楚 pA 级测量的噪声从哪来、怎么治。

一、先认识你的对手:pA有多难测

1 pA 是什么概念?一根普通同轴电缆的绝缘漏电、空气湿度引起的表面漏电、人体感应——轻松就能达到甚至超过这个量级。测试系统的本底噪声必须比被测电流低一个数量级,即系统本底要压到 0.1 pA 以下。

噪声来源典型量级特征
电缆绝缘漏电pA–nA与施加电压成正比,随湿度增大
工频耦合(50 Hz)pA–μA读数呈规律性摆动
摩擦电效应pA 级移动/弯折电缆时出现
环境光/温度漂移pA 级光电类器件明显,慢漂移

二、屏蔽:把噪声挡在外面

pA 测量的屏蔽层次:

  • 线缆:用低噪声屏蔽电缆,最好三同轴(内屏蔽接 Guard,外屏蔽接地)
  • 样品区:法拉第罩/屏蔽箱把探针台和样品整体罩住,罩体单点接地
  • 开窗:屏蔽箱上的观察窗用金属网屏,光敏测试保留光路时注意屏蔽完整性

三、接地:一个原则,一个环路

接地原则只有一条:整个测试系统单点接地。接地环路是 pA 测量最经典的翻车点:

  • 探针台外壳接地、源表机壳接地、屏蔽箱又单独接地——三处接地电位不同,地电流在回路里流动,耦合进测量
  • 正确做法:探针台外壳与屏蔽箱连接为一体后,只用一根线接到源表的地(或统一接大地一点)
  • 排查方法:断开一处接地看读数是否改善;用隔离变压器给其中一台设备供电也常用

四、三同轴与 Guard:被低估的利器

普通同轴电缆的屏蔽层兼作地,其绝缘介质上的漏电流直接叠加到被测电流里。三同轴结构多了一层:

层接法作用
中心导体信号传输被测电流
内屏蔽接 Guard(保护端)由仪器驱动到与信号近等电位,漏电流被"顶"回去
外屏蔽接地外界干扰屏蔽

Guard 的原理是让内屏蔽与中心导体电位几乎相同,两者之间没有电压差就没有漏电流。皮安计和高端 SMU 的 Guard 端就是为这个设计的——接了三同轴不用 Guard,等于白花一半钱。

五、电缆与操作细节

  • 线缆固定走线,避免测试中移动(摩擦电效应);必须动的时候选低噪线缆
  • 接头保持清洁干燥,必要时用无水乙醇清洁后彻底晾干
  • 高阻测试前让系统"稳定":接好后静置几分钟,读数漂移收敛再正式测
  • 操作者不要触碰测量回路;必要时戴绝缘手套

六、源表小电流量程的使用技巧

技巧说明
量程选择小量程分辨率高但响应慢且易饱和,选"被测值的 2–5 倍"量程,不用自动量程
积分时间加长积分时间(如 1 NPLC → 10 NPLC)或平均多点,能显著压噪,代价是测速变慢
消偏校零测量前做 zero check 与 rel 校零,扣除系统本底
开路检查探针抬起(开路)时的读数即系统本底,本底应远小于被测值

七、排查流程:读数异常时按什么顺序查

  1. 探针开路测本底:本底大 → 屏蔽/接地/线缆问题
  2. 关屏蔽箱门、人离开:读数变化 → 屏蔽不完整或人体耦合
  3. 观察读数是否有 50 Hz 规律摆动 → 工频耦合,查接地环路
  4. 换一根电缆对比 → 定位摩擦电或绝缘漏电问题
  5. 以上都正常后,再怀疑样品或器件本身

常见问题(FAQ)

没有三同轴接口的设备能测 pA 吗?

可以,但难度上升。用高质量低噪同轴电缆 + 完善屏蔽箱 + 加长积分时间,多数场合能压到 1–10 pA 本底。要稳定测 1 pA 以下,三同轴 + Guard 基本是必需配置。

为什么白天和晚上的读数不一样?

两个常见原因:环境湿度昼夜变化改变表面漏电(尤其未接 Guard 的线缆);光照变化引起光敏器件的光电流。前者靠环境控制和 Guard 解决,后者靠遮光。

探针台的金属台面要不要接地?

要接,而且接到屏蔽系统的统一地。台面浮空会感应静电耦合进测量;但注意不要让它形成第二条接地路径——全系统仍然只有一点接地。

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