使用三轴电缆进行低电流测量
检测几乎无法察觉的现象和开发新的材料特性是强大的研究工具，但需要在极低电流下进行高精度测量。必须减轻泄漏电流以确保得到有效的结果。三轴电缆允许进行保护式探测，从而可以测量非常小的电流，并且越来越广泛地用于高级应用中。
简介
保护式探测装置已被证明可有效测量皮安级及以下的微小电流。在连接到仅提供 SMA/SMP或 BNC 等同轴连接器的测量设备时，使用正确的适配器对于确保信号的完整性至关重要。
在寻找工业、医学、家庭生活和其他领域挑战的解决方案时，检测几乎无法察觉的现象或开发新的材料特性是强大的工具。对石墨烯或有机材料等材料进行参数测量，表征精密电子器件或薄膜晶体管等结构，以及制造先进的传感系统或精密嵌入式仪器，这些都使得在测量低于 1nA、深至皮安甚至飞安级的电流时，对精度的要求越来越高。
消除泄漏电流
在如此低的电流水平下，通过测试探头周围的绝缘层对地漏电的情况可能会导致严重的测量误差。正确应用的保护式探测提供了一种消除泄漏电流的方法，能够对非常小的电流进行高精度测量。它已经广泛用于半导体晶圆级测试，在后端封装之前筛选零件并表征模具。在这种情况下，半导体测试站或晶圆卡盘等专用设备在设计时就考虑到了保护式探测方法，可在任何需要的地方提供适当的三轴连接和馈通。
目前，随着保护式探测在研究实验室、测试室和其他技术部门中得到更普遍的应用，工程师可能会需要将三轴探头连接到可能配备更通用同轴前面板连接器的示波器、皮安表或静电计等设备上。必须小心选择带有合适连接器和适配器的探头，并确保以正确的方式连接它们。
保护式探测原则
在普通的同轴探头中，当导体处于一定电位且外屏蔽层接地时，很小的泄漏电流可以通过探头主导体与电缆外层电磁屏蔽层之间的绝缘层。如果导体的电位为 100V，绝缘电阻为 1GΩ，则此电流约为 100nA。虽然这可能不会影响毫安甚至微安级的电流测量，但在尝试测量皮安或飞安数量级的电流时，这种量级的漏电会产生强烈干扰。
保护探测通过在主载流导体（也称为力）周围放置一个保护导体（通过电压跟随器或缓冲器以相同电位驱动），使泄漏电流最小化，如图 1 所示。由于理想情况下，力和保护装置之间没有电位差，因此不会有泄漏电流流过两者之间的绝缘层。实际上，合适的缓冲器可能能够将力的电压跟踪到百万分之一以内。如果测量信号为 100V，如前所述，驱动保护装置为 100.000001V，则通过介电层 1GΩ 绝缘层的泄漏电流减少到仅 1fA，而上一个示例中为 100nA。
完成三轴电缆组件后，接地的外部电磁干扰 (EMI) 屏蔽导体通过绝缘层与保护装置分离。虽然小电流可以在保护装置和屏蔽层之间流动，但这是由缓冲电路提供的，因此对测量电流没有影响。
图 1：使用电压跟随器以与力相同的电位驱动保护装置，可防止泄漏电流在力和保护装置之间的电介质中流动。
还应考虑电缆绝缘的电容效应。如果测试计划要求扫描施加的电压，则该寄生电容将吸收与其幅度和施加电压变化率 (Ic = C dV/dt) 成比例的充电电流。
降低扫描速率以降低充电电流，会延长整个测试周期时间，这是不可取的。使用驱动防护装置，如果缓冲器的响应比扫描速率快，则力和防护装置之间的电压保持恒定，从而消除充电电流。
连接到测量设备
在被测设备和所选测量设备之间有多种连接三轴探头的方式。
半导体晶片探测器中的三轴探头包括一个细尖端，该尖端夹在夹头中并与三轴电缆的力导体进行电性连接。可以控制探头臂移动到预设的 X 和 Y 坐标，例如晶片测试点。或者，静态探头可以集成在设计用于固定在晶片卡盘中的夹具中。
现在，更广泛地采用保护式探测，可能会看到静态或可移动的探头被集成到更广泛的测试夹具中。还必须集成用于驱动防护装置的电子设备。如果要在屏蔽盒内进行测量，为了最大限度地减少外部电磁场的影响，可以将探头引到盒子边缘的面板安装连接器上。
探头和测试夹具制造商需要各种配置的高质量三轴电缆和连接器，例如电缆安装连接器或板装连接器，如 Trompeter CBJ157 系列。CBJ157 为电缆的力、防护装置和屏蔽导体提供连接，并提供直型或直角配置。然后，可以将三轴电缆连接在这些连接器和测量仪器前面板上的连接器之间。
如果所选仪器是高性能示波器或皮安计等其他设备，则可以配备非三轴输入连接，例如 BNC、SMA 或推入式 SMP 同轴连接器。当然，这些类型的连接器无法配备正确端接三轴电缆所需的所有导体。
Discover Trompeter's CBJ157 Series
View Product Details使三轴电缆适应同轴电缆连接
可以制造在探头端配备三轴连接器，另一端配备同轴连接器，可以直接连接到测量仪器的适配器电缆。关键问题包括，如何连接驱动防护装置，以及对电流测量精度和用户安全的潜在影响。在同轴连接器端，电缆的外屏蔽层可以直接连接到外部的同轴连接，中心力导体连接到内部信号触点，如图 2 所示。但是，这会使驱动保护装置处于浮动状态，使得这种配置不适合测量极低的电流。
图 2。安全的三轴到同轴连接不适合低电流测量。
或者，三轴电缆的防护装置可以连接到外部同轴连接，如图 3 所示。然而，为了使这一点可接受，外部同轴连接必须隔离，而不是接地。此外，如果待测的测试点的电压高于 SELV 限值，则外部同轴连接器处于相同的电位，因此被认为对用户构成危险。因此，如果要使用带驱动防护装置的三轴探头进行低电流测量，其中电缆连接到仪器的同轴端子，则应使用适当的三轴转同轴适配器，以确保安全性和准确性。
图 3：使用电压跟随器以与力相同的电位驱动保护装置，可防止泄漏电流在力和保护装置之间的电介质中流动。
Trompeter 拥有种类齐全的适配器，用于将三轴电缆连接器转接到同轴电缆连接器，以确保正确端接。
3-0350 隔板安装三轴到 SMP 微型推入式适配器（图 4）是涵盖众多同轴连接器标准（如 SMA、SMP 和 BNC）的范围示例。
图 4：Trompeter 三轴转 BNC 连接器是连接器综合系列的一部分。
结论
用于测量皮安和飞安级电流的保护式探测应用，将从专业的半导体晶圆加工扩展到高科技领域，例如先进材料研究。正确端接驱动防护装置至关重要，必要时使用合适的适配器连接到同轴仪器，以确保测量精度和用户安全。
