【“源”察秋毫系列】纖維器件及其陣列電學(xué)測試方案詳解

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)長的外觀，直徑通常較為細(xì)小，長度則根據(jù)具體設(shè)計和應(yīng)用需求可長可短。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)化為可測量的電信號、光信號等，從而實現(xiàn)檢測和監(jiān)測功能。

● 纖維光電器件：包含纖維發(fā)光二極管、纖維光電探測器等。纖維發(fā)光二極管可實現(xiàn)發(fā)光功能，應(yīng)用于照明、顯示等方面；纖維光電探測器則能接收光信號并進(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、傳輸電信號的作用，在電池、電化學(xué)傳感器以及生物電信號采集（如心電、腦電檢測）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)行電信號傳導(dǎo)。

纖維器件電學(xué)測試方法

1）輸出電壓測試方法

使用電壓表或SMU源表等測試設(shè)備（如數(shù)字多用表的電壓測量檔等），將電壓表的探頭與纖維電學(xué)器件的兩個輸出電極相連接，確保連接牢固且接觸良好，以減少接觸電阻對測量結(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)境下運行時，電壓表會實時顯示出器件兩端的電位差，即輸出電壓值。

2）輸出電流測試方法

采用電流表或SMU源表來進(jìn)行測量。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，要根據(jù)預(yù)計的電流大小選擇合適量程的電流表，以確保測量的準(zhǔn)確性和安全性。

3）電導(dǎo)率測試方法

二探針法：需要準(zhǔn)備兩個探針、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。將兩個探針與纖維電學(xué)器件緊密接觸，其中一個探針連接電源的正極，用于向器件提供電流；另一個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)置源表的輸出和測量項目來進(jìn)行電壓電流測試。

通過電源向器件施加一定的直流電流，同時用電壓表測量在電流通過器件時，探針兩端的電壓降。根據(jù)歐姆定律先計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度、橫截面積等幾何尺寸信息，利用電導(dǎo)率公式計算出纖維電學(xué)器件的電導(dǎo)率。但這種方法存在接觸電阻的影響，對于低電導(dǎo)率或高電阻的材料，測量誤差可能較大。

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)備兩個探針。將四個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)兩個探針用于提供電流，內(nèi)側(cè)兩個探針用于測量電壓。

同樣根據(jù)歐姆定律先計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)率公式計算電導(dǎo)率。四探針法通過將測量回路和電流回路分開，有效地消除了接觸電阻對測量結(jié)果的影響，因此能夠更準(zhǔn)確地測量纖維電學(xué)器件的電導(dǎo)率，尤其適用于對電導(dǎo)率測量精度要求較高的情況，如在研發(fā)高性能導(dǎo)電纖維材料時經(jīng)常采用。

4）電阻測試方法

將萬用表置于電阻測量檔，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量，然后根據(jù)測量結(jié)果逐步調(diào)整到合適的量程，以提高測量精度。把萬用表的兩個表筆與纖維電學(xué)器件的兩端相連接，確保連接緊密且接觸良好。連接好后，萬用表會顯示出器件的電阻值。

5）耐久性測試方法

對于可充電纖維電學(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量電池的輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，并記錄下來。同時，還可以通過其他專業(yè)設(shè)備（如電池容量測試儀等）測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，評估電池在長期使用過程中的耐久性和性能保持情況。

對于可穿戴纖維電學(xué)器件（如用于健康監(jiān)測的壓電纖維傳感器等）：搭建模擬人體運動的測試裝置，將可穿戴纖維電學(xué)器件安裝在模擬人體運動的測試裝置上。在模擬人體運動過程中，使用電壓表、電流表等測量儀器測量器件的輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，并實時監(jiān)測其電學(xué)性能指標(biāo)的變化情況。通過分析這些參數(shù)在模擬人體運動過程中的變化情況，評估器件在承受人體日?；顒赢a(chǎn)生的機械應(yīng)力條件下的耐久性和性能保持情況。

6）響應(yīng)速度測試方法（針對不同器件特性的模擬測試法）

對于基于光電效應(yīng)的纖維電學(xué)器件：使用高速示波器、光照強度控制設(shè)備等搭建測試環(huán)境。首先將纖維電學(xué)器件連接到測試環(huán)境中，使其處于正常工作狀態(tài)。然后通過光照強度控制設(shè)備快速切換光照條件，例如從強光突然切換到弱光或反之。在光照條件快速變化的同時，使用高速示波器測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和終點，確定器件的光電響應(yīng)速度。

對于基于壓電效應(yīng)的纖維電學(xué)器件：使用高速示波器、外力施加設(shè)備等搭建測試環(huán)境。將纖維電學(xué)器件安裝在測試環(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，使用高速示波器測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間間隔。通過分析波形變化的起始點和終點，確定器件的壓電響應(yīng)速度。

7）陣列測試方法（針對不同輸入信號的快速變化測試法）

器件逐一手動測量：對于陣列的測試內(nèi)容，與單個器件測試類似。對于陣列的測試，除了需要確定單個纖維器件的各項性能參數(shù)，還需要掌握陣列整體性能。對于單個纖維器件的各項性能參數(shù)評估：需要進(jìn)行逐一的行列測試，并且更換不同的儀器來測不同的參數(shù)。但對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，測試效率低下，耗時長。

矩陣開關(guān)自動切換快速測量：對于器件陣列，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，從而實現(xiàn)對輸出信號的快速調(diào)節(jié)，這使得開關(guān)型源表可以在短時間內(nèi)完成不同電壓、電流條件的切換，提高測試效率，并且能夠模擬被測器件在實際工作中的動態(tài)電學(xué)環(huán)境，如脈沖信號、瞬態(tài)信號等。而且開關(guān)型源表的多通道支持一個表就可以同時測試多個行與列，實現(xiàn)器件陣列的完整性測試，以評估器件陣列的整體性能。

纖維器件電學(xué)測試方案

吉時利作為小信號測量的鼻祖，擁有豐富的產(chǎn)品線可供測試選擇，助力纖維器件電學(xué)測試。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插槽，采用緊湊型2U高的機箱，可以輕松地滿足中高通道數(shù)應(yīng)用的需求。滿載情況下，主機最多可支持576條雙線多路復(fù)用器通道，實現(xiàn)無與倫比的密度和低廉的每通道成本?？梢詫崿F(xiàn)纖維器件陣列測試，并且還可以同時對陣列進(jìn)行不同參數(shù)性能的評估。因此，這是一個緊密集成的開關(guān)和測量解決方案，既適用于工作臺也適用于機架。

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級別電壓測量，并可靠、可重復(fù)地表征低電阻材料和器件。與其他低壓測量解決方案相比，它提供更高的測量速度和明顯更好的噪聲性能。它提供簡化的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。低電流源對于從研發(fā)到生產(chǎn)的測試環(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，非常適合霍爾測量、使用增量模式的電阻測量、脈沖測量和差分電導(dǎo)測量等應(yīng)用。

Keithley 6400系列皮安表可以測量10fA至20mA的電流，速度高達(dá)每秒1000個讀數(shù)。6487型皮安表/電壓提供比6485更高的精度和更快的上升時間、一個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型更高的測量分辨率和雙獨立30V電壓偏置源。

Keithley6517B靜電計/高阻表是全球科研實驗室靈敏測量的標(biāo)準(zhǔn)。6517B把吉時利數(shù)十年的弱電測量技術(shù)知識融匯到創(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、電阻和電荷測量。內(nèi)置±1kV電壓源擁有掃描功能，簡化了絕緣材料上的漏流、擊穿和電阻測試及體電阻率（W-cm）和表面電阻率（W/square）測量工作。

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具有低噪聲輸入級和32位A-D轉(zhuǎn)換器，體現(xiàn)了Keithley的低電平測量專長，能提供通常只有計量級儀器才有的直流精度。高靈敏度可讓DMM7510測量非常低的電壓、電流和電阻，并檢測微小變化和信號漂移。

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試（I-V曲線測試）、電容 - 電壓曲線測試（C-V曲線測試）和超快脈沖I-V曲線測量。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)用場景的不同性能測試。

熱門應(yīng)用案例

案例一：3D打印纖維電極用于通過非對稱超級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)合了纖維狀非對稱超級電容器（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)分析儀來測試該集成電子設(shè)備的電氣特性。

案例二：基于動態(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)計用于持續(xù)發(fā)電并建立內(nèi)置感知網(wǎng)絡(luò) , 可檢測雙軸運動 , 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 , 可從機械刺激中產(chǎn)生電力，形成一個織物感知元素矩陣。作者還提出了一種緩解策略，以解決由于機械和電化學(xué)降解導(dǎo)致的DSD發(fā)電機壽命短的問題。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，使其成為從日常運動中發(fā)電并實現(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結(jié)晶（FLEX）的新方法，用于連續(xù)生產(chǎn)高強度、超韌性的共軛聚合物纖維。這些纖維展現(xiàn)出了出色的機械性能，拉伸強度超過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烈的伸長和剪切流動來分散和排列聚合物鏈，從而提高了結(jié)晶度和機械性能。這些纖維還顯示出應(yīng)變增強的電子性能，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在氮氣手套箱中進(jìn)行電導(dǎo)率測試；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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