Kelvin Measurement & SMU.

chan1314

今天想分享kelvin measurement 给大家，也称为 4 wire measurement.普通用电表测量方式是这样：


但是我们的电表经过电线， 那么我们的到的total resistance 就是 cable resistance+ resistor resistance.
如果量很小的电阻， 那么我们就不能得到准确的答案。

这时候我们需要 4 wire measurement (a.k.a kelvin measurement).

简单的说，我们需要的4 条线。 2 条是 current source, 另外 2 条是 volt meter.

和之前有什么差别呢？ 不同的是，我们测量电压的地方不一样。一个是量potential different of the DUT (device under test), 另一个是 DUT + wire resistance.

假设： wire 1 ohm, DUT 1 ohm, drive current 1 AMP.
2 wire measurement :   我们会的得到 R = V/I = 2ohm.
4 wire measurement :  由于我们是直接量在DUT, 我们会的到1V。 那么 R = 1ohm.

比较高级的multimeter 都有 4wire sense 功能。

了解了4 wire sense, 那么哦们就可以说 SMU 了。
SMU 是 source and measure unit.
如同名字， 就是给电然后量。

和普通的 power supply 不一样是， 一个是 2 wire sense, 另一个是 4 wire sense.
普通 power supply output : +, -
SMU : Output High, Output Low, Sense High , Sense Low.
和上面一样， 一个量在instrument 的 output, 另一个是量在 device 的input.

问：有什么差别呢？
答：比如说，我需要 25.2V, 10A. 我在 SMU 和 PSU 设定一样的参数。 一样的电线， 1 meter 长，cable resistance, 0.1ohm.
如果是 PSU, 经过了电线， 我的电压是  25.2 - (10*0.1) = 24.2V
如果是 SMU, 经过了点线， 我的电压是 25.2V.  为什么呢？因为SMU 会自动增加或减少output 电压。 最重要的是，我的output 是我要的电压。

问：那么普通 PSU 也能做到，我只要人手调高一点就能了吧？
答：如果你的load 是一直改变， 那么你就没可能一直调吧。

问：除了feedback, 还有什么东西不一样呢？
答：1. accuracy. PSU 可以在 +-5 ~10%. SMU 在 0.01~0.1%
2. range: SMU 可以从 uV~kV, pA~A.
3. load capacitance: 4 wire measurement 是靠 voltage feedback. capacitance 会造成电压不稳定(oscillation)， capacitance 会影响SMU 的判断。
4。价钱

问：SMU 能拿来做什么呢？
答：普通人是不需要，但是如果我们要测量一个准确的答案， 那么就需要SMU.
比如说：leakage current, breakdown voltage.






reference:
http://www.cirris.com/testing/resistance/fourwire.html

x-pro

我們是拿來測量 motor 的 coil, 單位: miliohm

pic

我在1993年第一次接触这个Force， sense， Kelvin point。
因为是我第一份工作的第2天的training，就是学 Teradyne J273 test system， 那是在已经被TI 收购的National Semiconductor。

J273 是在197X 年的老机器， 他是用来测试零件DUT 的“控制系统”（Test System）。
其中， 他有几个source card，可以把电做Force， 做Sink， 到待测零件去。。还有测量电压， 电流。 最小的测量单位， 如果没有错的话是可以去到uA。  要精确的测量， 就是靠1#楼说的方法了。。

因为用了大量的Force & sense, 测试的电缆都是使用上百条以上的Shield cable， 那个电缆很重的。

其实要说的是， 还要更精确的 4wire measurement，还得使用Shield cable 来传送， 减少电磁干扰。 （如果是荷刻的测量uA， uV）呵呵~

chan1314

triaxial cable 是不错的选择。
现在高级smu的accuracy 已经到 fA 了 。。。 shielded cable ， 需要到guard. 如果用gnd, 那么stray capacitance 会影响。