絕緣體的一個(gè)基本特性是電阻率。電阻率可用于確定介質(zhì)擊穿、損耗因數(shù)、水分含量、機(jī)械連續(xù)性和材料的其他重要特性。一些絕緣體如藍(lán)寶石和特氟龍的體積電阻率可高達(dá) 1e16 至 1e18 ohm-cm。
由于涉及的量級(jí)很大，我們與客戶合作的經(jīng)驗(yàn)表明，在測(cè)量絕緣體電阻率時(shí)，正確的測(cè)試方法和儀器至關(guān)重要。我們經(jīng)常看到的一種測(cè)試方法是 ASTM-257，“絕緣材料的直流電阻或電導(dǎo)”。被稱為靜電計(jì)的儀器被用來進(jìn)行這種測(cè)量，因?yàn)樗鼈兡軌驕y(cè)量極小的電流。
讓我們來看看所涉及的內(nèi)容。當(dāng)然，如果您已經(jīng)掌握了這些測(cè)量方法并想了解它是如何完成的，請(qǐng)隨時(shí)跳到這篇文章的末尾，觀看我制作的有關(guān)使用吉時(shí)利 6517B 型靜電計(jì)和 8009 型電阻率測(cè)試室的信息視頻對(duì)于這些測(cè)量。
電阻測(cè)量
有兩種方法可以進(jìn)行電阻測(cè)量。一種是提供電流并測(cè)量電壓降，然后使用歐姆定律計(jì)算電阻。另一種方法是提供電壓，測(cè)量產(chǎn)生的電流，然后計(jì)算電阻。
通常，第一種方法（源電流和測(cè)量電壓）用于測(cè)量低于 1G ohm (1e9 0hms) 的電阻。第二種方法（源電壓和測(cè)量電流）通常用于測(cè)量更高的電阻。
這種方法有兩個(gè)原因。一是電壓系數(shù)。由于施加電壓的大小會(huì)影響材料的電阻率，有時(shí)會(huì)使用幾個(gè)不同的電壓電平來更好地了解材料對(duì)不同電平的反應(yīng)。另一個(gè)原因是大多數(shù)電壓表沒有足夠高的輸入阻抗來避免影響測(cè)量。
例如，如果您正在測(cè)試一個(gè) 1 G 歐姆的樣本，而電壓表的輸入阻抗為 10 G 歐姆，它將使測(cè)量負(fù)載下降 10%。因此，進(jìn)行高電阻測(cè)量需要使用第二種方法（源電壓測(cè)量電流）。
電阻率測(cè)量
電阻率測(cè)量基本上是考慮樣品幾何尺寸的電阻測(cè)量。讓我們來看看兩種不同的電阻率測(cè)量方法。
體積電阻率——體積電阻率是通過樣品的電阻率的量度。這意味著電壓從樣品的一側(cè)施加到樣品的另一側(cè)，并測(cè)量通過樣品的電流。它被定義為通過 1 cm 立方體絕緣材料的電阻，以 ohm-cm 表示。
表面電阻率——表面電阻率是整個(gè)樣品電阻率的量度。它被定義為絕緣體表面的電阻。這意味著在樣品兩端施加電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。
一旦測(cè)量了電阻，就可以計(jì)算電阻率。
體積電阻率可由以下公式確定：
P = AV / tI
其中 V 是施加的電壓
I 是測(cè)得的電流
A 是特定電極排列的防護(hù)電極的有效面積，平方厘米。
T是樣品的平均厚度，單位為cm。
表面電阻率 G, 可以從以下等式計(jì)算。
G = PV / gI
其中 V 是施加的電壓
I 是測(cè)得的電流
P 是所使用的特定布置的保護(hù)電極的有效周長(zhǎng)。
G是電極之間的距離
超高電阻率測(cè)量
既然您對(duì)電阻和電阻率測(cè)量有了基本的了解，那么對(duì)于超高電阻率測(cè)量，您還需要注意什么？事實(shí)證明，相當(dāng)多。之前的所有信息都適用于測(cè)量超高電阻率，但還有我在下面概述的其他注意事項(xiàng)。
設(shè)備選擇
讓我站在前面。并非所有的測(cè)量設(shè)備都是一樣的，正確使用是最重要的。在高電阻率下測(cè)量的電流很容易低于 1pA。標(biāo)準(zhǔn)DMM（數(shù)字萬用表）不具備這種測(cè)量能力。標(biāo)準(zhǔn)電流表也不會(huì)。只有皮安計(jì)或靜電計(jì)具有進(jìn)行這種小電流測(cè)量的靈敏度和精度。
大多數(shù)皮安表的靈敏度遠(yuǎn)低于 1pA。精度約為 0.5pA。大多數(shù)靜電計(jì)的電流靈敏度遠(yuǎn)低于 1fA(1e-15A)，精度約為 3fA(3e-15A)。
這是進(jìn)行超高電阻率測(cè)量的電流測(cè)量所需要的。
當(dāng)然，施加的電壓越高，測(cè)得的電流就越高。但 ASTM-D257 建議施加 500V 的施加電壓。還必須考慮樣品處理高壓的能力。
守衛(wèi)
保護(hù)或保護(hù)是一種技術(shù)，其中電路中的高阻抗點(diǎn)被相同幅度的低阻抗信號(hào)包圍。由于兩點(diǎn)之間沒有電位，電流不能流動(dòng)，因此沒有電流可以泄漏。
這在測(cè)量低于約 10nA (1e-8A) 時(shí)很重要。猜猜看，測(cè)量超高電阻時(shí)，測(cè)量電流將遠(yuǎn)小于 10nA。
靜電計(jì)和皮安計(jì)具有內(nèi)置保護(hù)功能。靜電計(jì)上的三同軸連接器的內(nèi)屏蔽和皮安計(jì)上的 BNC 屏蔽處于保護(hù)電位。此連接需要在整個(gè)配置中圍繞低電流信號(hào)。我應(yīng)該指出，吉時(shí)利 6517B 型靜電計(jì)和 8009 型電阻率室具有這種能力，非常適合超高電阻率測(cè)量。
定時(shí)
讓小電流穩(wěn)定并為測(cè)試電路中的任何電容充電的時(shí)間對(duì)于獲得可重復(fù)和穩(wěn)定的讀數(shù)至關(guān)重要。電阻率越高，電流越小。電流越小，穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。
考慮用 10mA 對(duì)電容器充電至額定電壓。這應(yīng)該需要很少的時(shí)間來完全充電。現(xiàn)在用 10pA 而不是 10mA 的電流給電容器充電。當(dāng)然，完全更換電容器需要更長(zhǎng)的時(shí)間。這與測(cè)量超高電阻率時(shí)的原理相同。電路中有電容，不管它可能有多小。電流越低，電流為電路中的所有東西充電并因此穩(wěn)定所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。
交替極性法
交替極性電阻/電阻率測(cè)試旨在改進(jìn)高電阻/電阻率測(cè)量。不幸的是，由于背景電流，這些測(cè)量容易出現(xiàn)大的誤差。通過使用交流刺激電壓，可以消除背景電流的影響。電阻率越高，樣品中存在背景電流的可能性就越大。
運(yùn)行此測(cè)試時(shí)，V 源將以定時(shí)間隔 (MEAS-TIME) 在兩個(gè)電壓 (V-OFS + V-ALT) 和 (VOFS-V-ALT) 之間交替。在這些交替中的每一個(gè)結(jié)束時(shí)進(jìn)行電流測(cè)量，并在計(jì)算 Icalc 電阻值之后進(jìn)行計(jì)算。Icalc 是最近四次電流測(cè)量的加權(quán)平均值，每一次都在單獨(dú)的交替結(jié)束時(shí)。如果儀表已配置用于電阻率測(cè)量，則電阻值隨后將轉(zhuǎn)換為電阻率值。
作為參考，吉時(shí)利 6517A 和 6517B 型靜電計(jì)以及 6487 型皮安計(jì)/源具有交替極性功能。
測(cè)距
在進(jìn)行電阻率測(cè)量時(shí)，真正的測(cè)量是電流。因此電流測(cè)量范圍至關(guān)重要。如果量程物理設(shè)置為 20mA，電流幅度為 10pA，則測(cè)量將位于量程的最低部分，因此會(huì)受到噪聲和不準(zhǔn)確的影響，甚至可能出現(xiàn)負(fù)值。
注意電流測(cè)量范圍對(duì)于進(jìn)行正確測(cè)量很重要。如果電阻率的大小未知，自動(dòng)量程就很好。但始終監(jiān)控當(dāng)前測(cè)量范圍以獲得最準(zhǔn)確的讀數(shù)。
壓力
電阻率室（例如 Keithley 8009 型）對(duì)樣品施加一定量的壓力，以獲得與樣品的正確連接。根據(jù)樣品的厚度和剛度，壓力的大小可以從 2 磅到 23 磅不等。通常，壓力越高，測(cè)得的電阻率越低。這對(duì)體積電阻率的影響遠(yuǎn)大于表面電阻率。
環(huán)境
環(huán)境溫度和濕度會(huì)影響電阻率測(cè)量。在高濕度環(huán)境下，樣品可能含有更多水分，從而影響測(cè)量。溫度也是一個(gè)因素，但通常對(duì)測(cè)量?jī)x器的影響比對(duì)樣品的影響更大。
如果溫度超出儀器的額定范圍，則必須應(yīng)用溫度系數(shù)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。
為了簡(jiǎn)化測(cè)試環(huán)境的監(jiān)控，吉時(shí)利靜電計(jì)具有內(nèi)置的溫度和濕度測(cè)量功能。
進(jìn)行測(cè)量
既然您了解了進(jìn)行超高電阻率測(cè)量的要求和注意事項(xiàng)，請(qǐng)觀看我之前提到的視頻，了解使用吉時(shí)利 65178B 型靜電計(jì)和 8009 型電阻率測(cè)試室可以輕松地執(zhí)行這些測(cè)量。