【“源”察秋毫系列】纖維器件及其陣列電學(xué)測(cè)試方案詳解

纖維器件是什么？

纖維器件是一種以纖維為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形態(tài)的功能性元件。呈現(xiàn)纖維狀，有著細(xì)長(zhǎng)的外觀，直徑通常較為細(xì)小，長(zhǎng)度則根據(jù)具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求可長(zhǎng)可短。其形狀可以是筆直的，也能被加工成具有一定彎曲度或柔韌性的樣式，以便更好地適配不同的使用環(huán)境和集成要求。常見類型及功能：

● 纖維傳感器：能夠?qū)χ車h(huán)境中的物理量（如溫度、壓力、應(yīng)變等）或化學(xué)量（如特定氣體、酸堿度等）產(chǎn)生響應(yīng)，將這些外界刺激轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)、光信號(hào)等，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)功能。

● 纖維光電器件：包含纖維發(fā)光二極管、纖維光電探測(cè)器等。纖維發(fā)光二極管可實(shí)現(xiàn)發(fā)光功能，應(yīng)用于照明、顯示等方面；纖維光電探測(cè)器則能接收光信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換，常用于光通信、光學(xué)成像等領(lǐng)域。

● 纖維電極：作為電極使用，主要起到導(dǎo)電、傳輸電信號(hào)的作用，在電池、電化學(xué)傳感器以及生物電信號(hào)采集（如心電、腦電檢測(cè)）等方面有著重要應(yīng)用，憑借其纖維的柔軟特性，可更好地貼合物體表面進(jìn)行電信號(hào)傳導(dǎo)。

纖維器件電學(xué)測(cè)試方法

1）輸出電壓測(cè)試方法

使用電壓表或SMU源表等測(cè)試設(shè)備（如數(shù)字多用表的電壓測(cè)量檔等），將電壓表的探頭與纖維電學(xué)器件的兩個(gè)輸出電極相連接，確保連接牢固且接觸良好，以減少接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。當(dāng)纖維電學(xué)器件處于工作狀態(tài)（如受到特定刺激，像壓電纖維器件受到外力作用、光電器件受到光照等）或在特定的電路環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，電壓表會(huì)實(shí)時(shí)顯示出器件兩端的電位差，即輸出電壓值。

2）輸出電流測(cè)試方法

采用電流表或SMU源表來進(jìn)行測(cè)量。將電流表與纖維電學(xué)器件的電路進(jìn)行串聯(lián)連接，即讓電流從電源流出后，先經(jīng)過電流表，再通過纖維電學(xué)器件，最后回到電源形成完整回路。這樣，通過電流表的電流就是纖維電學(xué)器件的輸出電流。在選擇電流表時(shí)，要根據(jù)預(yù)計(jì)的電流大小選擇合適量程的電流表，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和安全性。

3）電導(dǎo)率測(cè)試方法

二探針法：需要準(zhǔn)備兩個(gè)探針、電源、電壓表或者SMU源表以及用于固定和連接器件的裝置等。將兩個(gè)探針與纖維電學(xué)器件緊密接觸，其中一個(gè)探針連接電源的正極，用于向器件提供電流；另一個(gè)探針連接電壓表的正極，電壓表的負(fù)極連接電源的負(fù)極?；蛘呤褂肧MU源表的兩探針直接連接器件兩端，通過設(shè)置源表的輸出和測(cè)量項(xiàng)目來進(jìn)行電壓電流測(cè)試。

通過電源向器件施加一定的直流電流，同時(shí)用電壓表測(cè)量在電流通過器件時(shí)，探針兩端的電壓降。根據(jù)歐姆定律先計(jì)算出器件在兩探針之間的電阻值。然后結(jié)合器件在兩探針之間的長(zhǎng)度、橫截面積等幾何尺寸信息，利用電導(dǎo)率公式計(jì)算出纖維電學(xué)器件的電導(dǎo)率。但這種方法存在接觸電阻的影響，對(duì)于低電導(dǎo)率或高電阻的材料，測(cè)量誤差可能較大。

二線法與四線法

四探針法：相較于二探針法，四探針法需要額外準(zhǔn)備兩個(gè)探針。將四個(gè)探針按照一定的順序排列并與纖維電學(xué)器件緊密接觸，通常是外側(cè)兩個(gè)探針用于提供電流，內(nèi)側(cè)兩個(gè)探針用于測(cè)量電壓。

同樣根據(jù)歐姆定律先計(jì)算出中間部分的電阻值，再結(jié)合器件相應(yīng)的幾何尺寸信息，利用電導(dǎo)率公式計(jì)算電導(dǎo)率。四探針法通過將測(cè)量回路和電流回路分開，有效地消除了接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量纖維電學(xué)器件的電導(dǎo)率，尤其適用于對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量精度要求較高的情況，如在研發(fā)高性能導(dǎo)電纖維材料時(shí)經(jīng)常采用。

4）電阻測(cè)試方法

將萬用表置于電阻測(cè)量檔，根據(jù)纖維電學(xué)器件的大致電阻范圍選擇合適的量程。如果不確定器件的電阻范圍，可以先從較大量程開始測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果逐步調(diào)整到合適的量程，以提高測(cè)量精度。把萬用表的兩個(gè)表筆與纖維電學(xué)器件的兩端相連接，確保連接緊密且接觸良好。連接好后，萬用表會(huì)顯示出器件的電阻值。

5）耐久性測(cè)試方法

對(duì)于可充電纖維電學(xué)器件（如纖維狀鋰離子電池）：設(shè)置充放電循環(huán)測(cè)試設(shè)備，包括電源、充放電控制器、電壓表、電流表等。將纖維狀鋰離子電池連接到充放電循環(huán)測(cè)試設(shè)備上，按照預(yù)定的充放電倍率、溫度等條件進(jìn)行多次充放電循環(huán)操作。在每次充放電循環(huán)過程中，使用電壓表和電流表分別測(cè)量電池的輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，并記錄下來。同時(shí)，還可以通過其他專業(yè)設(shè)備（如電池容量測(cè)試儀等）測(cè)量電池的容量變化情況。通過分析這些參數(shù)在多次充放電循環(huán)后的變化情況，評(píng)估電池在長(zhǎng)期使用過程中的耐久性和性能保持情況。

對(duì)于可穿戴纖維電學(xué)器件（如用于健康監(jiān)測(cè)的壓電纖維傳感器等）：搭建模擬人體運(yùn)動(dòng)的測(cè)試裝置，將可穿戴纖維電學(xué)器件安裝在模擬人體運(yùn)動(dòng)的測(cè)試裝置上。在模擬人體運(yùn)動(dòng)過程中，使用電壓表、電流表等測(cè)量?jī)x器測(cè)量器件的輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其電學(xué)性能指標(biāo)的變化情況。通過分析這些參數(shù)在模擬人體運(yùn)動(dòng)過程中的變化情況，評(píng)估器件在承受人體日常活動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力條件下的耐久性和性能保持情況。

6）響應(yīng)速度測(cè)試方法（針對(duì)不同器件特性的模擬測(cè)試法）

對(duì)于基于光電效應(yīng)的纖維電學(xué)器件：使用高速示波器、光照強(qiáng)度控制設(shè)備等搭建測(cè)試環(huán)境。首先將纖維電學(xué)器件連接到測(cè)試環(huán)境中，使其處于正常工作狀態(tài)。然后通過光照強(qiáng)度控制設(shè)備快速切換光照條件，例如從強(qiáng)光突然切換到弱光或反之。在光照條件快速變化的同時(shí)，使用高速示波器測(cè)量器件從接收到光照變化到產(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓或電流變化的時(shí)間間隔。高速示波器可以精確記錄下這一過程中的電壓或電流波形變化，通過分析波形變化的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，確定器件的光電響應(yīng)速度。

對(duì)于基于壓電效應(yīng)的纖維電學(xué)器件：使用高速示波器、外力施加設(shè)備等搭建測(cè)試環(huán)境。將纖維電學(xué)器件安裝在測(cè)試環(huán)境中，使其處于正常工作狀態(tài)。然后通過外力施加設(shè)備快速施加變化的外力，例如從無外力突然施加到一定大小的壓力或反之。在施加外力快速變化的同時(shí)，使用高速示波器測(cè)量器件從接收到外力變化到產(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓或電流變化的時(shí)間間隔。通過分析波形變化的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，確定器件的壓電響應(yīng)速度。

7）陣列測(cè)試方法（針對(duì)不同輸入信號(hào)的快速變化測(cè)試法）

器件逐一手動(dòng)測(cè)量：對(duì)于陣列的測(cè)試內(nèi)容，與單個(gè)器件測(cè)試類似。對(duì)于陣列的測(cè)試，除了需要確定單個(gè)纖維器件的各項(xiàng)性能參數(shù)，還需要掌握陣列整體性能。對(duì)于單個(gè)纖維器件的各項(xiàng)性能參數(shù)評(píng)估：需要進(jìn)行逐一的行列測(cè)試，并且更換不同的儀器來測(cè)不同的參數(shù)。但對(duì)于陣列整體性能的掌握，無法使用單一儀器完成。并且該方法繁瑣復(fù)雜，測(cè)試效率低下，耗時(shí)長(zhǎng)。

矩陣開關(guān)自動(dòng)切換快速測(cè)量：對(duì)于器件陣列，開關(guān)型源表是合適的選擇。此類源表內(nèi)部的開關(guān)元件能夠快速地進(jìn)行導(dǎo)通和截止切換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的快速調(diào)節(jié)，這使得開關(guān)型源表可以在短時(shí)間內(nèi)完成不同電壓、電流條件的切換，提高測(cè)試效率，并且能夠模擬被測(cè)器件在實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)電學(xué)環(huán)境，如脈沖信號(hào)、瞬態(tài)信號(hào)等。而且開關(guān)型源表的多通道支持一個(gè)表就可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)行與列，實(shí)現(xiàn)器件陣列的完整性測(cè)試，以評(píng)估器件陣列的整體性能。

纖維器件電學(xué)測(cè)試方案

吉時(shí)利作為小信號(hào)測(cè)量的鼻祖，擁有豐富的產(chǎn)品線可供測(cè)試選擇，助力纖維器件電學(xué)測(cè)試。SMU源表系列從2400到2600系列具有高精度10nV電壓0.1fA電流測(cè)試，具備分析儀、曲線追蹤儀和I-V系統(tǒng)功能，成本更低。它提供高度靈活的4象限電壓和電流源/載荷，以及精密的電壓和電流儀器。這個(gè)一體化儀器可以用作 : 精密電源，具有電壓和電流回讀功能；真正電流源；數(shù)字多用表、測(cè)量直流電壓、電流、電阻和功率，分辨率6?數(shù)位；精密電子載荷；觸發(fā)控制器。

3706A型系統(tǒng)開關(guān)帶有高性能數(shù)字萬用表，包含用于插卡的六個(gè)插槽，采用緊湊型2U高的機(jī)箱，可以輕松地滿足中高通道數(shù)應(yīng)用的需求。滿載情況下，主機(jī)最多可支持576條雙線多路復(fù)用器通道，實(shí)現(xiàn)無與倫比的密度和低廉的每通道成本?？梢詫?shí)現(xiàn)纖維器件陣列測(cè)試，并且還可以同時(shí)對(duì)陣列進(jìn)行不同參數(shù)性能的評(píng)估。因此，這是一個(gè)緊密集成的開關(guān)和測(cè)量解決方案，既適用于工作臺(tái)也適用于機(jī)架。

雙通道2182A型納米電壓表經(jīng)過優(yōu)化，可進(jìn)行穩(wěn)定、低噪聲的nA級(jí)別電壓測(cè)量，并可靠、可重復(fù)地表征低電阻材料和器件。與其他低壓測(cè)量解決方案相比，它提供更高的測(cè)量速度和明顯更好的噪聲性能。它提供簡(jiǎn)化的delta模式，可用于與反向電流源（如6220或6221型）結(jié)合進(jìn)行電阻測(cè)量。

6220型直流電流源和6221型交流直流電流源兼具易用性和極低電流噪聲的特點(diǎn)。低電流源對(duì)于從研發(fā)到生產(chǎn)的測(cè)試環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。6220和6221型具有高源精度和內(nèi)置控制功能，非常適合霍爾測(cè)量、使用增量模式的電阻測(cè)量、脈沖測(cè)量和差分電導(dǎo)測(cè)量等應(yīng)用。

Keithley 6400系列皮安表可以測(cè)量10fA至20mA的電流，速度高達(dá)每秒1000個(gè)讀數(shù)。6487型皮安表/電壓提供比6485更高的精度和更快的上升時(shí)間、一個(gè)500V源以及一種與電容設(shè)備配合使用的阻尼功能。6482型雙通道皮安表/電壓源提供比6485型或6487型更高的測(cè)量分辨率和雙獨(dú)立30V電壓偏置源。

Keithley6517B靜電計(jì)/高阻表是全球科研實(shí)驗(yàn)室靈敏測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。6517B把吉時(shí)利數(shù)十年的弱電測(cè)量技術(shù)知識(shí)融匯到創(chuàng)新的低電流輸入放大器中，輸入偏置電流<3fA，噪聲僅0.75fAp-p，最低電流范圍上壓降<20μV。對(duì)近似理想的電路負(fù)荷，電壓電路輸入阻抗超過200TΩ。這些指標(biāo)保證了所需的準(zhǔn)確度和靈敏度，可以在物理、光學(xué)、納米科技和材料科學(xué)等領(lǐng)域準(zhǔn)確地進(jìn)行低電流和高阻抗電壓、電阻和電荷測(cè)量。內(nèi)置±1kV電壓源擁有掃描功能，簡(jiǎn)化了絕緣材料上的漏流、擊穿和電阻測(cè)試及體電阻率（W-cm）和表面電阻率（W/square）測(cè)量工作。

DMM7510/6500集高精度、高分辨率數(shù)字萬用表（DMM）、圖形觸摸屏顯示器和高速、高分辨率數(shù)字化器于一身，是一款圖形采樣萬用表。DMM7510具有低噪聲輸入級(jí)和32位A-D轉(zhuǎn)換器，體現(xiàn)了Keithley的低電平測(cè)量專長(zhǎng)，能提供通常只有計(jì)量級(jí)儀器才有的直流精度。高靈敏度可讓DMM7510測(cè)量非常低的電壓、電流和電阻，并檢測(cè)微小變化和信號(hào)漂移。

Keithley 4200是一種可以量身定制、全面集成的參數(shù)分析儀，提供同步電流電壓曲線測(cè)試（I-V曲線測(cè)試）、電容 - 電壓曲線測(cè)試（C-V曲線測(cè)試）和超快脈沖I-V曲線測(cè)量。其直流電流為10aA-1A范圍，電壓為0.2μV-210V范圍，滿足水凝膠多種應(yīng)用場(chǎng)景的不同性能測(cè)試。

熱門應(yīng)用案例

案例一：3D打印纖維電極用于通過非對(duì)稱超級(jí)電容器和溫度傳感器混合集成的全纖維電子設(shè)備

本文介紹了一種3D打印的纖維狀集成電子設(shè)備的開發(fā)，該設(shè)備結(jié)合了纖維狀非對(duì)稱超級(jí)電容器（FASC）和纖維狀溫度傳感器（FTS）。FASC器件由3D打印的V2O5/SWCNT和VN/SWCNT纖維制成，并組裝成扭曲結(jié)構(gòu)，可提供穩(wěn)定的輸出功率來驅(qū)動(dòng)FTS?；谶€原氧化石墨烯（rGo）的FTS具有高靈敏度 , 溫度響應(yīng)度為1.95%°C-1。將能量存儲(chǔ)和傳感功能集成到單一的纖維狀設(shè)備中 , 展示了3D打印用于開發(fā)先進(jìn)可穿戴電子設(shè)備的潛力。本文使用Keithley 4200參數(shù)分析儀來測(cè)試該集成電子設(shè)備的電氣特性。

案例二：基于動(dòng)態(tài)肖特基二極管的自供電多功能智能紡織品

本文介紹了一種基于動(dòng)態(tài)肖特基二極管（DSD）與纖維素纖維集成的自供電多功能智能紡織品的開發(fā)。該紡織品被設(shè)計(jì)用于持續(xù)發(fā)電并建立內(nèi)置感知網(wǎng)絡(luò) , 可檢測(cè)雙軸運(yùn)動(dòng) , 包括法向力和切向力。纖維素纖維的分層結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS提供了支架，形成DSD結(jié)。這些結(jié)構(gòu)作為肖特基二極管 , 可從機(jī)械刺激中產(chǎn)生電力，形成一個(gè)織物感知元素矩陣。作者還提出了一種緩解策略，以解決由于機(jī)械和電化學(xué)降解導(dǎo)致的DSD發(fā)電機(jī)壽命短的問題。所得到的智能紡織品展現(xiàn)出出色的柔韌性、可拉伸性、透氣性以及與服裝的兼容性，使其成為從日常運(yùn)動(dòng)中發(fā)電并實(shí)現(xiàn)多功能感知的有前景方法。

本文使用Keithley的數(shù)字采集萬用表DAQ6510來測(cè)試開路電壓Voc和短路電流密度Usc；使用Keithley的源表SMU2450來進(jìn)行C-V曲線測(cè)試。

案例三：連續(xù)生產(chǎn)具有高電子性能的超韌性半導(dǎo)體聚合物纖維

本文介紹了一種稱為流增強(qiáng)結(jié)晶（FLEX）的新方法，用于連續(xù)生產(chǎn)高強(qiáng)度、超韌性的共軛聚合物纖維。這些纖維展現(xiàn)出了出色的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度超過200MPa，韌性超過80MJ/m3，優(yōu)于許多合成纖維。關(guān)鍵創(chuàng)新在于使用低聚合物溶液濃度和強(qiáng)烈的伸長(zhǎng)和剪切流動(dòng)來分散和排列聚合物鏈，從而提高了結(jié)晶度和機(jī)械性能。這些纖維還顯示出應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)的電子性能，使其適用于高性能柔性和可拉伸電子應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備、傳感器和能源設(shè)備。

本文使用Keithley的2636B源表和納伏表2182A在氮?dú)馐痔紫渲羞M(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試；使用Keithley的4200參數(shù)分析儀進(jìn)行CP纖維OECT器件表征。

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