專利名稱：一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步測量裝置及方法，尤其涉及一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步 測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
電導(dǎo)測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子、化工、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等 領(lǐng)域，例如電子的隧穿特性測量，液體成分分析，生物組織探測等。 通常的方法有測量電流電壓關(guān)系，然后進(jìn)行數(shù)值微分得到電導(dǎo)，但由于電壓源表的精 度較低，且換量程時(shí)候會發(fā)生跳點(diǎn)，嚴(yán)重影響到電導(dǎo)測量結(jié)果。 還有采用鎖定放大技術(shù)[黃志堯等，工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量 裝置，實(shí)用新型專利號CN2814424Y]來實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)信號測量，但 其中電導(dǎo)測量電路板很復(fù)雜，裝置制作存在困難。
此外，樣品電導(dǎo)信號由于受到噪聲干擾往往變化非常微弱，使得通過簡 單提高放大倍數(shù)來改善測量裝置靈敏度不可能實(shí)現(xiàn)微弱信號檢測。人們提出了 測量微分電導(dǎo)[Li， C.H., et al.. Applied Physics Letters, 2004. 85(9): 1544.]來判斷樣品電導(dǎo)信號隨直流電壓的關(guān)系。微分電導(dǎo)就是電導(dǎo)對電壓的導(dǎo) 數(shù)，也即電流對電壓的二階微分；因?yàn)椋粶y電導(dǎo)信號中的噪聲成分不具有相 關(guān)性，對電壓的變化是沒有變化的，其微分結(jié)果為零；而被測電導(dǎo)的微弱變化 通過微分后，卻可以明顯放大，也即電導(dǎo)信號中變化的拐點(diǎn)很容易出現(xiàn)在微分 電導(dǎo)的信號中。這種方法可有效抑制信道噪聲，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)變化的超高分辨率 測量。所以，在此，我們提出一種新的電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置及方

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置及方法，它比
通常的I一V測量方法有更高的精度，利用這套測量裝置和方法，
可以快速的、簡便的判斷電子在輸運(yùn)過程中主要的機(jī)制，以及液 體成分等。
本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的， 一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置包括直流信號 源、交流信號源、運(yùn)算放大器、反饋電阻、傅里葉譜分析儀，其特征是交流信 號源連接運(yùn)算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品后接入運(yùn)算放大器負(fù) 輸入端，運(yùn)算放大器輸出端連接傅里葉譜分析儀，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端與傅里 葉譜分析儀之間連有反饋電阻。
電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量方法為交流信號源和直流信號源通過運(yùn)算放大 器疊加后，共同施加于被測樣品上；然后被測樣品的響應(yīng)電流信號通過反饋電 阻轉(zhuǎn)換成電壓信號；轉(zhuǎn)換后的電壓信號輸入到傅里葉譜分析儀，傅里葉譜分析 儀對輸出電壓信號進(jìn)行傅里葉變換，得到基頻和二次諧波系數(shù)， 計(jì)算后可得到電導(dǎo)與微分電導(dǎo)值。
實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)及微分電導(dǎo)測量電路的輸出電壓為-
7[4(0，...]-樣品直流電壓響應(yīng)電流，
...-樣品基頻響應(yīng)電流，
<formula>formula see original document page 4</formula>樣品二次諧波響應(yīng)電流，
<formula>formula see original document page 4</formula>分別是
交流信號的振幅和周期，以及直流信號的幅值;對進(jìn)行傅里葉變換，可以得到各個(gè)頻率的系數(shù)& ，
^4'K,cos(^)c/,4k,cos(諸t) dt (n=l， 2…)
由于高階微分遠(yuǎn)小于低階微分(即
〉>-
的
和
的
341
v"')》"^
)，那么傅里葉變換下的系數(shù)6，應(yīng)該主要反映的是電流對直
流電壓的一階微分= ，即電導(dǎo)。同理，傅里葉變換下的系數(shù)62應(yīng)該
主要反映的是電流對直流電壓的二階微分(^ = |^)，即微分電導(dǎo)。存在以
d「
下的物理關(guān)系:
6，
1 3
w及,
4 3F2
46，
a2義
基頻和二次諧波系數(shù)得到后，由于交流信號幅值與反饋電阻阻值 已知，根據(jù)上面公式計(jì)算后可得到電導(dǎo)與微分電導(dǎo)值。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、利用交流和直流電壓源通過運(yùn)算放大器疊 加后施加于樣品，可以避免交直流電壓信號的相互影響，從而提 高信噪比；2、可以同步測量樣品電導(dǎo)與微分電導(dǎo)，并可以和直流 電流電壓曲線數(shù)值微分對比，監(jiān)測測量結(jié)果的正確性；3、測量電
路可以同步測量電導(dǎo)與微分電導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)樣品電導(dǎo)變化的超高分辨
率測量；4、測量電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)。


圖l為本發(fā)明的原理方框圖。
圖2為本發(fā)明測量二極管器件在直流電壓為53()y^時(shí)的傅里葉頻譜圖。 圖3為本發(fā)明測量二極管器件的電導(dǎo)與數(shù)值微分二極管電流電壓曲線得到的電導(dǎo)比較圖。
圖4為本發(fā)明測量二極管器件的微分電導(dǎo)圖。
在圖中，1、直流信號源2、交流信號源3、被測樣品4、運(yùn)算放大器5、 反饋電阻6、傅里葉譜分析儀
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的， 一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置 包括直流信號源l、交流信號源2、運(yùn)算放大器4、反饋電阻5、傅里葉譜分析 儀6，其特征是交流信號源2連接運(yùn)算放大器4正輸入端，直流信號源l連接 被測樣品3后接入運(yùn)算放大器4負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器4輸出端連接傅里葉譜 分析儀6，運(yùn)算放大器4負(fù)輸入端與傅里葉譜分析儀6之間連有反饋電阻5。
如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)是傅里葉變換頻率，縱坐標(biāo)為傅里 葉變換系數(shù)，我們利用該系統(tǒng)測量了 二極管(1N4004)樣品正向電 壓下的電學(xué)性質(zhì)。測試結(jié)果如圖2~4;圖2是在直流電壓為530mr 時(shí)，放大器正輸入端接幅值為lOmK、頻率為1000//Z的正弦信號， 并經(jīng)10M1的反饋電阻輸出電壓傅里葉譜分析結(jié)果。由圖可知，輸 出的信號有基頻(1000WZ)、 2次諧波(20007/Z)成分(如圖中箭頭所 示)，而其它頻率成分幾乎沒有出現(xiàn)。說明更高頻率諧波可以忽略 不計(jì)；也即高階微分遠(yuǎn)小于低階微分。根據(jù)基頻和2次諧波傅里 葉譜分析系數(shù)可以得到電導(dǎo)和微分電導(dǎo)。
如圖3所示，橫坐標(biāo)為直流電壓，單位伏，縱坐標(biāo)為電導(dǎo)， 單位西門子；圖中虛線為傅里葉變換求得電導(dǎo)；變換直流電壓的 大小，可以得到不同直流電壓下電導(dǎo)的變化關(guān)系；圖中實(shí)線為二 極管直流電流電壓關(guān)系數(shù)值微分求得電導(dǎo)。對比結(jié)果見圖3。發(fā) 現(xiàn)它們符合較好，都是在直流電壓小于250mr時(shí)，曲線平滑而保持低值，這里有一點(diǎn)區(qū)別，原因是微小交流信號的幅值仍然不夠
小。當(dāng)直流電壓大于300mr后，曲線呈指數(shù)上升趨勢而急劇增大。 這說明此方法的正確性。注意到這里測量到的信號數(shù)值量級大約 在~10—2左右。
如圖4所示，橫坐標(biāo)為直流電壓，單位為伏，縱坐標(biāo)為微分 電導(dǎo)，單位為西門子/伏。由上同步可以得到不同直流電壓下微分 電導(dǎo)的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4。發(fā)現(xiàn)它隨直流電壓的關(guān)系和電導(dǎo)
隨直流電壓的關(guān)系相似，但是注意到信號的數(shù)值量級大約在~1 G_' 左右，這比測量電導(dǎo)信號明顯放大了一個(gè)數(shù)量級以上。說明電導(dǎo) 信號中的微弱變化，通過微分電導(dǎo)的測量，可以明顯放大其中的 變化。
以上實(shí)例說明我們設(shè)計(jì)的電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置及方 法是正確的；且具有一非常顯著的特點(diǎn)，就是利用該方法，我們 可以同時(shí)測量同 一 樣品的電導(dǎo)和微分電導(dǎo)隨直流電壓的變化，且 通過以上方法測量微分電導(dǎo)后，可以實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)信號的放大，實(shí)現(xiàn) 比傳統(tǒng)測量電導(dǎo)的方法提高一個(gè)量級的精度。該裝置與方法將會 在目前電子隧穿，成分分析的研究當(dāng)中得到一定的推廣。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù) 范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范 圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置，它包括直流信號源、交流信號源、運(yùn)算放大器、反饋電阻、傅里葉譜分析儀，其特征是交流信號源連接運(yùn)算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品后接入運(yùn)算放大器負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器輸出端連接傅里葉譜分析儀，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端與傅里葉譜分析儀之間連有反饋電阻。
2. 一種權(quán)利要求l所述的一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量方法，其特征是交流信號源和直流信號源通過運(yùn)算放大器疊加后，共同施加于被測樣品上；然 后被測樣品的響應(yīng)電流信號通過反饋電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號；轉(zhuǎn)換后的電壓信號 輸入到傅里葉譜分析儀，傅里葉譜分析儀對輸出電壓信號進(jìn)行傅里葉變 換，得到基頻和二次諧波系數(shù)，計(jì)算后可得到電導(dǎo)與微分電導(dǎo)值。
全文摘要
一種電導(dǎo)與微分電導(dǎo)同步測量裝置，它包括直流信號源、交流信號源、運(yùn)算放大器、反饋電阻、傅里葉譜分析儀，其特征是交流信號源連接運(yùn)算放大器正輸入端，直流信號源連接被測樣品后接入運(yùn)算放大器負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器輸出端連接傅里葉譜分析儀，運(yùn)算放大器負(fù)輸入端與傅里葉譜分析儀之間連有反饋電阻。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.可以避免交直流電壓信號的相互影響，從而提高信噪比；2.監(jiān)測測量結(jié)果的正確性；3.測量電路可以同步測量電導(dǎo)與微分電導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)樣品電導(dǎo)變化的超高分辨率測量；4.測量電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G01R27/04GK101666828SQ20091018610
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者何興道, 肖文波 申請人:南昌航空大學(xué)