微弱电流校准及注意事项

王一丽 吴敏婕 朱剑平/上海市计量测试技术研究院

0 引言

近年来，微弱电流信号技术的广泛应用，极大地促进了相关技术领域的迅速发展，例如军事侦察、物理学、化学、电化学、生物医学、天文学、地学、磁学等。很多半导体领域的相关公司对于直流微弱电流校准的需求越来越迫切，形成了开展微弱电流校准的紧迫性。本文简单介绍微弱电流的校准方法，并就其校准过程中的注意事项作简要分析。

1 微弱电流的校准方法

一般来说，对于微弱电流校准主要有两种方法。一种是取样电阻法，也叫做分流器法，其根本原理是采用在回路中接入取样电阻的方法，把电流转化成电压来测量（如图1所示）。数字多用电表和指针式电流表通常使用取样电阻法，老式的静电计电缆分布电容较大，采用反馈原理测量的时候往往会引起很多问题，因此也采用取样电阻法。

图1 取样电阻法

另外一种方法是运算放大器电流反馈法，其根本原理是在高增益的运放反馈回路上产生一个压降，该压降与输入电流成一定比例，该压降为运放的输出端（如图2所示），常见于新型的皮安表和静电计中。取样电阻法的缺点是电阻会和信号源内阻串联，减小待测电流的数值，而运算放大器电流反馈法的测量准确度高，对待测量电路几乎没有影响。

图2 运算放大器电流反馈法

2 微弱电流校准的注意事项

在对微弱电流的高准确度校准过程中会引起各种误差，如泄漏电流、偏置电流、摩擦电效应、压电效应、污染和湿度、介质吸收效应、零点漂移等。以下简单分析微弱电流校准中引起的部分误差产生的原因及解决方法。

2.1 泄漏电流

泄漏电流是由测量电路和附近的电压源之间的寄生电阻通路产生的，这种电流能够大大降低微弱电流测量的准确度。为了降低泄漏电流，应当使用高质量的绝缘材料，降低测量环境中的湿度，以及采用保护技术。

2.2 摩擦电效应

摩擦电电流是由导体和绝缘体之间摩擦产生的电荷生成的。这时，摩擦引起自由电子脱离导体，产生电荷不平衡，从而产生电流。“低噪声”电缆能大大降低这种效应，这种电缆通常使用聚乙烯的内层绝缘层，并在外层屏蔽层的内表面涂敷石墨。石墨可起润滑作用，并形成导电的等电位圆柱体，使电荷平衡并尽量降低由电缆运动的摩擦效应所产生的电荷。然而，在受到振动和伸缩作用时，即使是低噪声电缆也会产生一些噪声。所以，所有的连接都要尽量地短，避免温度变化的影响。摩擦电效应也可能在其他绝缘体和导体互相接触摩擦时产生。所以在构建测试夹具和进行微弱电流及高阻抗连接时，尽量减少绝缘体之间及导体之间的接触也是很重要的。

2.3 污染和湿度

当离子化学物质在电路板的两个导体之间产生弱的化学电池时，电化学效应就会产生误差电流。例如，常用的环氧树脂印制电路板，如果没有彻底清洗掉腐蚀加工用的溶液、焊剂或其他的污染物，就可能在两个导体之间产生几个纳安电流。

高湿度和离子污染能够大大降低绝缘电阻。在发生结露或水吸收的情况下，就会出现高湿度，而离子污染则可能由人体的油脂、盐分和焊剂等产生。

这些污染的主要结果是降低绝缘电阻。在高湿度和离子污染的双重作用下，还会形成导电通路，甚至可以形成具有高串联电阻的化学电池。所以，为避免污染和湿度的影响，应当选择抗吸水的绝缘材料，并将湿度保持在适当水平。而且，还要确保所有的绝缘体清洁、不受污染。

2.4 压电效应

压电效应的原理是当在某些材料（如晶体和某些陶瓷）上施加机械应力，晶体的两端就会产生一定强度的电压，这种效应往往可以把晶体用作压力传感器。同样，在晶体两端施加一定强度的电场，晶体本身也会产生一定程度的机械变形，如今一些光学上的电光调制器就是利用这一原理实现的。但是，这种效应在电流测量中是有害的。在塑料上，储存电荷也会引起相似的反应。为了避免压电效应，应尽可能避免使导线和连接点处的绝缘物质受到较大强度的应力，更不要让导线受到交变的机械应力影响。连接测试夹具时，必须选择良好的绝缘物质并使连接结构尽可能坚固。

2.5 介质吸收效应

介质吸收效应是指在绝缘体两端施加电压时，由于介质本身的极化特性，正电荷和负电荷会一定程度地集中到物体的两极。在电荷移动的过程中，会产生一定强度的电流。而当电压移除之后，电荷又会移动重新回到原来的非极化状态，这样也会产生强度逐渐减弱的电流。为了避免这种效应，在电流测量中不应该加过强的电压，否则在某些情况下吸收效应甚至可以持续几分钟到几小时。

3 结语

综上所述，在微弱电流的校准过程中，一定要减少泄漏电流，尽量降低环境湿度，保持环境及电路清洁、无尘杂质等。只有考虑各种干扰因素影响，采取相应的解决措施，减少校准误差，才能获得准确的校准结果。

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