【“源”察秋毫系列】纤维器件及其阵列电学测试方案详解

纤维器件是什么？

纤维器件是一种以纤维为基础结构形态的功能性元件。呈现纤维状，有着细长的外观，直径通常较为细小，长度则根据具体设计和应用需求可长可短。其形状可以是笔直的，也能被加工成具有一定弯曲度或柔韧性的样式，以便更好地适配不同的使用环境和集成要求。常见类型及功能：

● 纤维传感器：能够对周围环境中的物理量（如温度、压力、应变等）或化学量（如特定气体、酸碱度等）产生响应，将这些外界刺激转化为可测量的电信号、光信号等，从而实现检测和监测功能。

● 纤维光电器件：包含纤维发光二极管、纤维光电探测器等。纤维发光二极管可实现发光功能，应用于照明、显示等方面；纤维光电探测器则能接收光信号并进行相应的光电转换，常用于光通信、光学成像等领域。

● 纤维电极：作为电极使用，主要起到导电、传输电信号的作用，在电池、电化学传感器以及生物电信号采集（如心电、脑电检测）等方面有着重要应用，凭借其纤维的柔软特性，可更好地贴合物体表面进行电信号传导。

纤维器件电学测试方法

1）输出电压测试方法

使用电压表或SMU源表等测试设备（如数字多用表的电压测量档等），将电压表的探头与纤维电学器件的两个输出电极相连接，确保连接牢固且接触良好，以减少接触电阻对测量结果的影响。当纤维电学器件处于工作状态（如受到特定刺激，像压电纤维器件受到外力作用、光电器件受到光照等）或在特定的电路环境下运行时，电压表会实时显示出器件两端的电位差，即输出电压值。

2）输出电流测试方法

采用电流表或SMU源表来进行测量。将电流表与纤维电学器件的电路进行串联连接，即让电流从电源流出后，先经过电流表，再通过纤维电学器件，最后回到电源形成完整回路。这样，通过电流表的电流就是纤维电学器件的输出电流。在选择电流表时，要根据预计的电流大小选择合适量程的电流表，以确保测量的准确性和安全性。

3）电导率测试方法

二探针法：需要准备两个探针、电源、电压表或者SMU源表以及用于固定和连接器件的装置等。将两个探针与纤维电学器件紧密接触，其中一个探针连接电源的正极，用于向器件提供电流；另一个探针连接电压表的正极，电压表的负极连接电源的负极。或者使用SMU源表的两探针直接连接器件两端，通过设置源表的输出和测量项目来进行电压电流测试。

通过电源向器件施加一定的直流电流，同时用电压表测量在电流通过器件时，探针两端的电压降。根据欧姆定律先计算出器件在两探针之间的电阻值。然后结合器件在两探针之间的长度、横截面积等几何尺寸信息，利用电导率公式计算出纤维电学器件的电导率。但这种方法存在接触电阻的影响，对于低电导率或高电阻的材料，测量误差可能较大。

二线法与四线法

四探针法：相较于二探针法，四探针法需要额外准备两个探针。将四个探针按照一定的顺序排列并与纤维电学器件紧密接触，通常是外侧两个探针用于提供电流，内侧两个探针用于测量电压。

同样根据欧姆定律先计算出中间部分的电阻值，再结合器件相应的几何尺寸信息，利用电导率公式计算电导率。四探针法通过将测量回路和电流回路分开，有效地消除了接触电阻对测量结果的影响，因此能够更准确地测量纤维电学器件的电导率，尤其适用于对电导率测量精度要求较高的情况，如在研发高性能导电纤维材料时经常采用。

4）电阻测试方法

将万用表置于电阻测量档，根据纤维电学器件的大致电阻范围选择合适的量程。如果不确定器件的电阻范围，可以先从较大量程开始测量，然后根据测量结果逐步调整到合适的量程，以提高测量精度。把万用表的两个表笔与纤维电学器件的两端相连接，确保连接紧密且接触良好。连接好后，万用表会显示出器件的电阻值。

5）耐久性测试方法

对于可充电纤维电学器件（如纤维状锂离子电池）：设置充放电循环测试设备，包括电源、充放电控制器、电压表、电流表等。将纤维状锂离子电池连接到充放电循环测试设备上，按照预定的充放电倍率、温度等条件进行多次充放电循环操作。在每次充放电循环过程中，使用电压表和电流表分别测量电池的输出电压、输出电流等参数，并记录下来。同时，还可以通过其他专业设备（如电池容量测试仪等）测量电池的容量变化情况。通过分析这些参数在多次充放电循环后的变化情况，评估电池在长期使用过程中的耐久性和性能保持情况。

对于可穿戴纤维电学器件（如用于健康监测的压电纤维传感器等）：搭建模拟人体运动的测试装置，将可穿戴纤维电学器件安装在模拟人体运动的测试装置上。在模拟人体运动过程中，使用电压表、电流表等测量仪器测量器件的输出电压、输出电流等参数，并实时监测其电学性能指标的变化情况。通过分析这些参数在模拟人体运动过程中的变化情况，评估器件在承受人体日常活动产生的机械应力条件下的耐久性和性能保持情况。

6）响应速度测试方法（针对不同器件特性的模拟测试法）

对于基于光电效应的纤维电学器件：使用高速示波器、光照强度控制设备等搭建测试环境。首先将纤维电学器件连接到测试环境中，使其处于正常工作状态。然后通过光照强度控制设备快速切换光照条件，例如从强光突然切换到弱光或反之。在光照条件快速变化的同时，使用高速示波器测量器件从接收到光照变化到产生相应输出电压或电流变化的时间间隔。高速示波器可以精确记录下这一过程中的电压或电流波形变化，通过分析波形变化的起始点和终点，确定器件的光电响应速度。

对于基于压电效应的纤维电学器件：使用高速示波器、外力施加设备等搭建测试环境。将纤维电学器件安装在测试环境中，使其处于正常工作状态。然后通过外力施加设备快速施加变化的外力，例如从无外力突然施加到一定大小的压力或反之。在施加外力快速变化的同时，使用高速示波器测量器件从接收到外力变化到产生相应输出电压或电流变化的时间间隔。通过分析波形变化的起始点和终点，确定器件的压电响应速度。

7）阵列测试方法（针对不同输入信号的快速变化测试法）

器件逐一手动测量：对于阵列的测试内容，与单个器件测试类似。对于阵列的测试，除了需要确定单个纤维器件的各项性能参数，还需要掌握阵列整体性能。对于单个纤维器件的各项性能参数评估：需要进行逐一的行列测试，并且更换不同的仪器来测不同的参数。但对于阵列整体性能的掌握，无法使用单一仪器完成。并且该方法繁琐复杂，测试效率低下，耗时长。

矩阵开关自动切换快速测量：对于器件阵列，开关型源表是合适的选择。此类源表内部的开关元件能够快速地进行导通和截止切换，从而实现对输出信号的快速调节，这使得开关型源表可以在短时间内完成不同电压、电流条件的切换，提高测试效率，并且能够模拟被测器件在实际工作中的动态电学环境，如脉冲信号、瞬态信号等。而且开关型源表的多通道支持一个表就可以同时测试多个行与列，实现器件阵列的完整性测试，以评估器件阵列的整体性能。

纤维器件电学测试方案

吉时利作为小信号测量的鼻祖，拥有丰富的产品线可供测试选择，助力纤维器件电学测试。SMU源表系列从2400到2600系列具有高精度10nV电压0.1fA电流测试，具备分析仪、曲线追踪仪和I-V系统功能，成本更低。它提供高度灵活的4象限电压和电流源/载荷，以及精密的电压和电流仪器。这个一体化仪器可以用作 : 精密电源，具有电压和电流回读功能；真正电流源；数字多用表、测量直流电压、电流、电阻和功率，分辨率6½数位；精密电子载荷；触发控制器。

3706A型系统开关带有高性能数字万用表，包含用于插卡的六个插槽，采用紧凑型2U高的机箱，可以轻松地满足中高通道数应用的需求。满载情况下，主机最多可支持576条双线多路复用器通道，实现无与伦比的密度和低廉的每通道成本。可以实现纤维器件阵列测试，并且还可以同时对阵列进行不同参数性能的评估。因此，这是一个紧密集成的开关和测量解决方案，既适用于工作台也适用于机架。

双通道2182A型纳米电压表经过优化，可进行稳定、低噪声的nA级别电压测量，并可靠、可重复地表征低电阻材料和器件。与其他低压测量解决方案相比，它提供更高的测量速度和明显更好的噪声性能。它提供简化的delta模式，可用于与反向电流源（如6220或6221型）结合进行电阻测量。

6220型直流电流源和6221型交流直流电流源兼具易用性和极低电流噪声的特点。低电流源对于从研发到生产的测试环境中的应用至关重要。6220和6221型具有高源精度和内置控制功能，非常适合霍尔测量、使用增量模式的电阻测量、脉冲测量和差分电导测量等应用。

Keithley 6400系列皮安表可以测量10fA至20mA的电流，速度高达每秒1000个读数。6487型皮安表/电压提供比6485更高的精度和更快的上升时间、一个500V源以及一种与电容设备配合使用的阻尼功能。6482型双通道皮安表/电压源提供比6485型或6487型更高的测量分辨率和双独立30V电压偏置源。

Keithley6517B静电计/高阻表是全球科研实验室灵敏测量的标准。6517B把吉时利数十年的弱电测量技术知识融汇到创新的低电流输入放大器中，输入偏置电流<3fA，噪声仅0.75fAp-p，最低电流范围上压降<20μV。对近似理想的电路负荷，电压电路输入阻抗超过200TΩ。这些指标保证了所需的准确度和灵敏度，可以在物理、光学、纳米科技和材料科学等领域准确地进行低电流和高阻抗电压、电阻和电荷测量。内置±1kV电压源拥有扫描功能，简化了绝缘材料上的漏流、击穿和电阻测试及体电阻率（W-cm）和表面电阻率（W/square）测量工作。

DMM7510/6500集高精度、高分辨率数字万用表（DMM）、图形触摸屏显示器和高速、高分辨率数字化器于一身，是一款图形采样万用表。DMM7510具有低噪声输入级和32位A-D转换器，体现了Keithley的低电平测量专长，能提供通常只有计量级仪器才有的直流精度。高灵敏度可让DMM7510测量非常低的电压、电流和电阻，并检测微小变化和信号漂移。

Keithley 4200是一种可以量身定制、全面集成的参数分析仪，提供同步电流电压曲线测试（I-V曲线测试）、电容 - 电压曲线测试（C-V曲线测试）和超快脉冲I-V曲线测量。其直流电流为10aA-1A范围，电压为0.2µV-210V范围，满足水凝胶多种应用场景的不同性能测试。

热门应用案例

案例一：3D打印纤维电极用于通过非对称超级电容器和温度传感器混合集成的全纤维电子设备

本文介绍了一种3D打印的纤维状集成电子设备的开发，该设备结合了纤维状非对称超级电容器（FASC）和纤维状温度传感器（FTS）。FASC器件由3D打印的V2O5/SWCNT和VN/SWCNT纤维制成，并组装成扭曲结构，可提供稳定的输出功率来驱动FTS。基于还原氧化石墨烯（rGo）的FTS具有高灵敏度 , 温度响应度为1.95%°C-1。将能量存储和传感功能集成到单一的纤维状设备中 , 展示了3D打印用于开发先进可穿戴电子设备的潜力。本文使用Keithley 4200参数分析仪来测试该集成电子设备的电气特性。

案例二：基于动态肖特基二极管的自供电多功能智能纺织品

本文介绍了一种基于动态肖特基二极管（DSD）与纤维素纤维集成的自供电多功能智能纺织品的开发。该纺织品被设计用于持续发电并建立内置感知网络 , 可检测双轴运动 , 包括法向力和切向力。纤维素纤维的分层结构为导电聚合物PEDOT:PSS提供了支架，形成DSD结。这些结构作为肖特基二极管 , 可从机械刺激中产生电力，形成一个织物感知元素矩阵。作者还提出了一种缓解策略，以解决由于机械和电化学降解导致的DSD发电机寿命短的问题。所得到的智能纺织品展现出出色的柔韧性、可拉伸性、透气性以及与服装的兼容性，使其成为从日常运动中发电并实现多功能感知的有前景方法。

本文使用Keithley的数字采集万用表DAQ6510来测试开路电压Voc和短路电流密度Usc；使用Keithley的源表SMU2450来进行C-V曲线测试。

案例三：连续生产具有高电子性能的超韧性半导体聚合物纤维

本文介绍了一种称为流增强结晶（FLEX）的新方法，用于连续生产高强度、超韧性的共轭聚合物纤维。这些纤维展现出了出色的机械性能，拉伸强度超过200MPa，韧性超过80MJ/m³，优于许多合成纤维。关键创新在于使用低聚合物溶液浓度和强烈的伸长和剪切流动来分散和排列聚合物链，从而提高了结晶度和机械性能。这些纤维还显示出应变增强的电子性能，使其适用于高性能柔性和可拉伸电子应用，如可穿戴设备、传感器和能源设备。

本文使用Keithley的2636B源表和纳伏表2182A在氮气手套箱中进行电导率测试；使用Keithley的4200参数分析仪进行CP纤维OECT器件表征。

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