使用三轴电缆进行低电流测量

检测几乎察觉不到的现象和利用新的材料特性是研究中的强大工具，但需要在极低的电流下进行高精度测量。必须降低漏电流以确保有效的结果。三轴电缆允许保护探测，从而可以测量非常小的电流，并且在高级应用中得到更广泛的应用。

低电流环境下的可靠性

经过验证，防护探测对于测量皮安及以下范围内的微小电流是有效的。使用正确的适配器至关重要，以确保在连接到仅提供同轴连接器（如 SMA/SMP 或 BNC）的测量设备时信号完整性。

检测几乎察觉不到的现象或利用新的材料特性是寻找解决工业、医学、家庭生活和其他领域挑战的解决方案的有力工具。对石墨烯或有机材料等材料进行参数测量，表征精密电子设备或薄膜晶体管等结构，以及创建先进的传感系统或精密嵌入式仪器，在测量低于1nA并深入皮安甚至飞安领域的电流时，对精度的需求不断增加。

消除漏电流

在如此低的电流水平下，通过测试探头周围的绝缘层泄漏到地面会导致严重的测量误差。正确应用保护探测提供了一种消除泄漏电流的方法，可以对非常小的电流进行高精度测量。它已经广泛用于半导体晶圆级测试，在后端封装之前筛选零件和表征芯片。在这种情况下，半导体测试站或晶圆卡盘等专用设备在设计时考虑了防护探测，可在需要时提供适当的三轴连接和馈通件。

随着防护探测现在在研究实验室、测试室和其他技术部门中得到越来越普遍的使用，工程师可能会发现自己需要将三轴探头连接到示波器、皮安表或静电计等设备上，这些设备可能配备更通用的同轴前面板连接器。必须注意选择带有合适连接器和适配器的探头，并确保它们以正确的方式连接。

保护探测原理

在普通同轴探头中，当导体处于一定电位并且外部屏蔽接地时，一个小的漏电流可以通过主探头导体和电缆外部电磁屏蔽之间的绝缘层。如果导体处于100V电位，绝缘电阻为1GΩ，则该电流约为100nA。虽然这可能不会影响毫安甚至微安范围内的电流测量，但在尝试以皮安或飞安为单位测量电流时，这种幅度的泄漏会受到强烈干扰。

保护式探测通过将主载流导体（也称为力）与保护导体包围，保护导体通过电压跟随器或缓冲器以相同电位驱动，从而最大限度地减少泄漏电流，如图1所示。由于理想情况下力和防护装置之间没有电位差，因此没有漏电流可以流过两者之间的绝缘层。在实践中，合适的缓冲器可能能够跟踪百万分之一以内的力电压。如果像以前一样，测量信号为100V，而驱动保护为100.000001V，则通过介电层1GΩ隔离的漏电流降至仅1fA，而上例为100nA。

完成三轴电缆组件后，接地的外部EMI屏蔽导体通过绝缘层与防护装置隔开。虽然防护装置和屏蔽层之间可以流过小电流，但这是由缓冲电路提供的，因此对测量的电流没有影响。

图 1：使用电压跟随器以与力相同的电位驱动防护装置，可防止漏电流在力和防护装置之间的电介质中流动。

还应考虑电缆绝缘的电容效应。如果测试计划要求扫描施加的电压，则该寄生电容将消耗与其幅度和施加电压的变化率成比例的充电电流（Ic = C dV/dt）。

放慢扫描速率以降低此充电电流会增加整体测试周期时间，这是不可取的。使用驱动防护装置时，如果缓冲器的响应速度比扫描速率快，则力和防护装置之间的电压保持恒定，从而消除充电电流。

连接到测量设备

有几种方法可以在被测设备和所选测量设备之间连接三轴探头。

半导体晶圆探头中的三轴探头包括一个细尖端，该尖端夹在夹头中并与三轴电缆的力导体电连接。可以控制探针臂移动到预设的X和Y坐标，例如晶圆测试点。或者，静态探头可以集成在设计为固定在晶圆卡盘中的夹具中。

现在，随着保护式探头的广泛采用，静态或可移动探头可能会被整合到更多种类的测试夹具中。用于驱动防护装置的电子设备也必须集成。如果要在屏蔽盒内进行测量，为了尽量减少外部电磁场的影响，可以将探头带到盒子边缘的面板安装连接器上。

探头和测试夹具制造商需要各种配置的高质量三轴电缆和连接器，例如电缆安装连接器或板安装连接器，例如长号CBJ157系列。CBJ157 为电缆的力、防护和屏蔽导体提供连接，并提供直角或直角配置。然后可以在这些电缆和测量仪器前面板的连接器之间连接三轴电缆。

如果所选仪器是高性能示波器或其他设备（如皮安表），则可以配备非三轴输入连接，例如 BNC、SMA 或推入式 SMP 同轴连接器。当然，这些类型的连接器并不能提供正确端接三轴电缆所需的所有导体。

使三同轴适应同轴连接

可以创建在探头端具有三轴连接器的适配器电缆，以及用于直接连接到测量仪器的同轴连接器。主要问题包括如何连接驱动防护装置，以及对电流测量精度和用户安全的潜在影响。在同轴连接器端，电缆的外部屏蔽可以直接连接到外部同轴连接，中心力导体连接到内部信号触点，如图2所示。然而，这会使驱动防护装置浮动，这使得这种布置不适合测量极低的电流。

图2.安全的三同轴到同轴电缆连接，不适合低电流测量。

或者，可以将三轴电缆的护罩连接到外部同轴连接，如图3所示。但是，为了使这一点可以接受，外部同轴连接必须是隔离的，而不是接地的。此外，如果探测的测试点的电压高于SELV极限，则外部同轴连接器处于相同的电位，因此被认为对用户构成危险。因此，如果要使用带有驱动防护装置的三轴探头进行低电流测量，其中电缆连接到仪器的同轴端子，则应使用适当的三同轴到同轴适配器以确保安全性和准确性。

图 3：使用电压跟随器以与力相同的电位驱动防护装置，可防止漏电流在力和防护装置之间的电介质中流动。

长号拥有全面的适配器，用于将三轴电缆连接器转换为同轴电缆，以确保正确端接。

3-0350 隔板安装三轴转 SMP 微型推入式适配器是跨越众多同轴连接器标准（如 SMA、SMP 和 BNC）的系列中的一个示例。

守卫探测的远方

用于测量皮安和飞安范围内的电流的防护探测的应用正在从专门的半导体晶圆加工扩展到高科技领域，如先进材料研究。正确端接驱动防护装置至关重要，必要时使用合适的适配器连接同轴仪器，以确保测量精度和用户安全。

审核编辑：郭婷