一种基于阻抗分段法测试离子器件记忆电容的方法

1.本发明涉及记忆电容测试技术领域，尤其是涉及一种基于阻抗分段法测试离子器件记忆电容的方法。


背景技术：

2.记忆电容器(简称忆容器)是一种电容在受到时间相关的扰动时具有滞后性的新型存储元件，其在神经形态计算的降低功耗方面展现出了巨大的发展潜力。目前，对记忆电容性能的测试主要是通过半导体参数分析仪进行的，然而随着离子器件的迅速发展，半导体参数分析仪无法对不同结构离子器件(比如mos结构器件、固体电解质器件等)的复杂电路模型进行准确测试，并且无法有效表征双电层电容、分析离子输运过程。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于阻抗分段法测试离子器件记忆电容的方法，采用阻抗谱测试的方法，通过等效电路图模拟离子输运过程，实现对多种结构离子器件的测试，进而可以有效地表征双电层电容、评估电容特性、研究离子传输机制并构造新型离子器件。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于阻抗分段法测试离子器件记忆电容的方法，包括以下步骤：
5.s1、使用阻抗分析仪对待测的记忆电容器进行不同偏压范围内的阻抗测试，以得到不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图；
6.s2、根据不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图，进一步得到阻抗相角θ与电压v的曲线图，根据不同电压下阻抗相角θ的变化趋势，将阻抗相角θ与电压v的曲线图划分为几段不同的电压范围；
7.s3、使用阻抗分析仪对分段得到的不同电压范围分别进行交流阻抗谱测试，得到对应的nyquist图和bode图；
8.s4、采用zview软件构造不同电压范围内的等效电路图，对步骤s3测试得到的nyquist图进行拟合，得到不同偏压下的电路元件参数值及相应的电容值；
9.s5、将不同偏压对应的电容值绘制在一起，从而得到总电容c和电压v的曲线图，完成对记忆电容器的测试。
10.进一步地，所述步骤s1中偏压范围在-10v～10v以内、频率为10khz。
11.进一步地，所述分段得到的不同电压范围包括相角不变的电压范围v1和相角随电压变化的电压范围v2。
12.进一步地，所述相角不变的电压范围v1内，若相角与-90
°
之间的差值绝对值小于或等于设定的相差阈值，则此时的器件为纯电容状态，器件电容具体为：
13.[0014][0015]
其中，cc为电容值，z为阻抗，f为频率。
[0016]
进一步地，所述步骤s3中进行交流阻抗谱测试的具体过程为：在选择的电压范围中，按照设定的电压间隔施加电压，测试频率为1hz～1mhz。
[0017]
进一步地，所述步骤s4中等效电路图由接触电阻rs、几何电容cs、电荷转移电阻r
ct
、双电层电容c
dl
通过串联或者并联的方式构成。
[0018]
进一步地，所述步骤s4具体包括以下步骤：
[0019]
s41、采用zview软件构造不同电压范围内的等效电路图，根据步骤s3测试得到的交流阻抗谱，对等效电路图的合理性进行判断；
[0020]
s42、针对判断为合理的等效电路图，利用zview软件对等效电路图中各个元件的初始值进行拟合，再根据测试所得的实际数据进行调整，将拟合的误差范围控制在预设的误差阈值以内；如果仅通过调整参数无法将误差范围控制在预设的误差阈值以内，则通过在等效电路中增减电路元件来继续调整电路模型，以将拟合的误差范围控制在预设的误差阈值以内，最后得到等效电路图中各个电路元件的参数值。
[0021]
进一步地，所述步骤s41对等效电路图的合理性进行判断的具体过程为：根据步骤s3测试得到的交流阻抗谱的nyquist图和bode图，器件的等效电路中存在着一个或两个rc并联电路，若此时nyquist图中存在着一个或两个圆弧与之对应，并且bode图也在相应频率下出现了平台区，则判断等效电路图是合理的。
[0022]
进一步地，所述预设的误差阈值为5％。
[0023]
进一步地，所述步骤s5具体包括以下步骤：
[0024]
s51、根据等效电路图，建立器件电容的定义式，结合电路元件的参数值，分别计算得到在在电压范围v1、v2内的电容c1和c2；
[0025]
s52、将v1、v2范围内计算所得的c1、c2绘制成拟合曲线，即可得到总电容c与电压v的曲线图。
[0026]
与现有技术相比，本发明使用阻抗分析仪对以离子输运为记忆机制的记忆电容器进行阻抗测试，然后结合分段法和等效电路图，实现了对不同电压下电容值的分段测量。本发明提出了一种全新的离子器件记忆电容的测试方法，一方面采用阻抗分段法表征离子器的件记忆电容，可以实现对多种结构离子器件(mos结构器件，固体电解质器件等)的测试；另一方面通过等效电路图模拟离子输运过程，便于分析传输过程中的物理化学过程，进而可以有效地表征出双电层电容。
附图说明
[0027]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0028]
图2为离子器件在电压作用下形成双电层电容的示意图；
[0029]
图3为实施例一通过阻抗谱测试的阻抗相角θ与电压v的曲线图；
[0030]
图4为实施例一通过zview拟合后在-1v下的交流阻抗谱图(内嵌图为等效电路图)；
[0031]
图5为实施例一通过阻抗谱测试所得到的总电容c与电压v的曲线图；
[0032]
图6为实施例二通过阻抗谱测试的阻抗相角θ与电压v的曲线图；
[0033]
图7为实施例二通过zview拟合后在-1v下的交流阻抗谱图(内嵌图为等效电路图)；
[0034]
图8为实施例二通过阻抗谱测试所得到的总电容c与电压v曲线图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0036]
如图1所示，一种基于阻抗分段法测试离子器件记忆电容的方法，包括以下步骤：
[0037]
s1、使用阻抗分析仪对待测的记忆电容器进行不同偏压范围内的阻抗测试，以得到不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图，其中，偏压范围在-10v～10v以内、频率为10khz；
[0038]
s2、根据不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图，进一步得到阻抗相角θ与电压v的曲线图，根据不同电压下阻抗相角θ的变化趋势，将阻抗相角θ与电压v的曲线图划分为几段不同的电压范围，具体的，分段得到的不同电压范围包括相角不变的电压范围v1和相角随电压变化的电压范围v2，对于相角不变的电压范围v1，若相角与-90
°
之间的差值绝对值小于或等于设定的相差阈值，则此时的器件为纯电容状态，器件电容具体为：
[0039][0040][0041]
其中，cc为电容值，z为阻抗，f为频率；
[0042]
s3、使用阻抗分析仪对分段得到的不同电压范围分别进行交流阻抗谱测试，得到对应的nyquist图和bode图，具体是在选择的电压范围中，按照设定的电压间隔施加电压、测试频率为1hz～1mhz，其中，阻抗谱测试是通过给系统施加一个频率不同的交流信号，进而测量阻抗与频率、时间、电压等关系的测试方法，目前，阻抗谱大多是通过分析电极过程动力学、双电层和扩散过程，进而研究电极材料、固体电解质；而随着纳米离子器件的发展，阻抗谱在更多的领域得到了应用，例如radislav a.potyrailo等[extraordinary performance of semiconducting metal oxide gas sensors using dielectric excitation,nature electronics,2020,3:280
–
289]利用介电激发下产生的归一化阻抗虚部信号与被检测气体浓度之间的线性关系，排除测试环境温度和湿度等干扰，实现了对气体浓度的精密检测；还比如insang you等[artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics,science,2020,370:961-965]通过计算阻抗谱中的电荷弛豫时间和归一化电容来去除测量过程中温度与应变的耦合效应，实现温度和应变的同时检测；
[0043]
s4、采用zview软件构造不同电压范围内的等效电路图(由接触电阻rs、几何电容cs、电荷转移电阻r
ct
、双电层电容c
dl
通过串联或者并联的方式构成)，对步骤s3测试得到的nyquist图进行拟合，得到不同偏压下的电路元件参数值及相应的电容值；
[0044]
具体的：
[0045]
首先采用zview软件构造不同电压范围内的等效电路图，根据步骤s3测试得到的nyquist图和bode图，对等效电路图的合理性进行判断——根据步骤s3测试得到的交流阻抗谱的nyquist图和bode图，器件的等效电路中存在着一个或两个rc并联电路，若此时
nyquist图中存在着一个或两个圆弧与之对应，并且bode图也在相应频率下出现了平台区，则判断等效电路图是合理的；
[0046]
之后针对判断为合理的等效电路图，利用zview软件对等效电路图中各个元件的初始值进行拟合，再根据测试所得的实际数据进行调整，将拟合的误差范围控制在预设的误差阈值以内；如果仅通过调整参数无法将误差范围控制在预设的误差阈值以内，则通过在等效电路中增减电路元件来继续调整电路模型，以将拟合的误差范围控制在预设的误差阈值以内，最后得到等效电路图中各个电路元件的参数值，本实施例中，预设的误差阈值为5％；
[0047]
s5、将不同偏压对应的电容值绘制在一起，从而得到总电容c和电压v的曲线图，完成对记忆电容器的测试；
[0048]
具体的：
[0049]
s51、根据等效电路图，建立器件电容的定义式，结合电路元件的参数值，分别计算得到在在电压范围v1、v2内的电容c1和c2；
[0050]
s52、将v1、v2范围内计算所得的c1、c2绘制成拟合曲线，即可得到总电容c与电压v的曲线图。
[0051]
将上述技术方案应用于实际，主要包括以下内容：
[0052]
(1)选择一种以离子输运为记忆机制的记忆电容器，作为待测试的记忆电容器；
[0053]
(2)使用阻抗分析仪对步骤(1)所选择的记忆电容器进行不同偏压范围内的阻抗测试，得到不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图；在测试过程中，采用的偏压范围需要在-10v～10v内，频率为10khz(根据具体情况决定)；
[0054]
(3)利用步骤(2)测得的数据绘制出阻抗相角θ与电压v的曲线图，根据不同电压下阻抗相角θ的变化趋势，将阻抗相角θ与电压v的曲线图分为几段不同的电压范围：包括相角基本不变的电压范围v1和相角随电压变化的电压范围v2等；
[0055]
(4)根据步骤(3)所述，在相角保持基本不变的电压范围v1内，存在一种相角接近-90
°
的特殊情况，-90
°
是纯电容的阻抗相角值，所以在相角接近-90
°
的电压区域内，器件可以看做一个纯电容，此时器件的电容可以通过公式cc＝1/2jπfz来得到，其中，z为阻抗，f为频率，
[0056]
(5)使用阻抗分析仪对步骤(3)中通过分段得到的电压范围分别进行交流阻抗谱测试；在测试过程中，在选择的电压范围中施加固定的电压间隔(根据电压范围选择)，测试频率为1hz到1mhz；
[0057]
(6)利用zview软件构造不同电压范围内的等效电路图，对步骤(5)测试得到的交流阻抗谱进行拟合，得到不同偏压下的电路元件参数值，等效电路图一般由接触电阻rs、几何电容cs、电荷转移电阻r
ct
、双电层电容c
dl
等电路元件通过串联或者并联的方式构成；
[0058]
(7)根据步骤(6)中的等效电路图，利用zview软件对各个元件的初始值进行拟合，再根据测试所得的实际数据进行调整，将拟合的误差范围控制在5％以内；在具体拟合过程中，首先根据测试得到的交流阻抗谱的nyquist图和bode图确认等效电路的合理性，具体的标准为：nyquist图中的每一个圆弧都对应着等效电路中的一个电阻r和电容c的并联以及bode图中的一个阻抗平台区域。器件的等效电路中存在着一个或两个rc并联电路，若此时nyquist图中存在着一个或两个圆弧与之对应，并且bode图也在相应频率下出现了平台区，
则判断等效电路图是合理的；
[0059]
此外，如果仅通过调整参数无法将误差范围控制在5％以内，则通过在等效电路中增减电路元件来继续调整电路模型，并最终将拟合的误差范围控制在5％以内，然后得到等效电路图中各个电路元件的参数值；
[0060]
之后建立器件电容的定义式，然后结合电路元件的参数值分别计算出在电压范围v1、v2内的电容c1和c2；
[0061]
(8)将步骤(4)和步骤(7)中计算所得的c1、c2绘制在一起从而得到总电容c与电压v的曲线图。
[0062]
实施例一
[0063]
本实施例的应用过程具体为：
[0064]
(1)选择一个以氧空位迁移为记忆机制的ag/rgo-fe2o3/si(mos结构)记忆电容器；
[0065]
(2)使用阻抗分析仪对步骤(1)所选择的记忆电容器进行不同偏压范围内的阻抗测试，得到不同偏压下电容器阻抗z与电压v的曲线图；在测试过程中，采用的偏压范围为-1v～1v，频率为10khz；
[0066]
(3)利用步骤(2)测得的数据绘制出阻抗相角θ与电压v的曲线图，如图2所示；根据不同电压下相角θ的变化趋势，将整个图像分为几段不同的电压范围；根据图1可以看出，在正电压范围v
正
(0～1v)时，相角θ约为-86
°
，始终接近-90
°
，而在负电压范围v
负
时，相角θ随电压线性变化；所以通过分段法将电压分为v
正
(0～1v)和v
负
(-1～0v)两个范围。
[0067]
(4)根据步骤(3)所述，由于电容器的阻抗相角为-90
°
，所以在相角始终保持接近-90
°
的正电压区域v
正
范围内，器件可以看做一个纯电容，此时器件的电容可以通过公式c
正
＝1/2jπfz来得到，其中z为阻抗，f为频率；计算所得c
正
始终分布于在2.65
×
10-10
c-2.98
×
10-10
c范围内。
[0068]
(5)使用阻抗分析仪对通过步骤(3)确定另一段电压范围v
负
(-1～0v)进行交流阻抗谱测试；在测试过程中，施加电压的间隔为0.2v，分别测量-1v、-0.8v、-0.6v、-0.4v、-0.2v的交流阻抗谱图，其中-1v测试结果如图3所示，测试频率范围为1hz到1mhz。
[0069]
(6)利用zview软件构造v
负
范围内的等效电路图，如图4内嵌所示；对步骤(5)测试得到的交流阻抗谱进行拟合；v
负
范围的等效电路图为接触电阻rs和几何电容cs并联后，又与电荷转移电阻r
ct
和双电层电容c
dl
的并联电路形成串联。
[0070]
(7)根据步骤(6)拟合得到的等效电路图，利用zview软件对各个元件的初始值进行拟合，再根据测试所得的实际数据进行调整，将拟合的误差范围控制在5％以内；得到几何电容cs和双电层电容c
dl
；然后根据电路模型得到在v
负
范围内，c
负
＝cs c
dl
；计算所得c
负
始终分布于在1.30
×
10-8
c-1.36
×
10-8
c范围内。
[0071]
(8)将步骤(4)中在v
正
范围内计算所得的c
正
与步骤(7)中在v
负
范围内计算所得的c
负
绘制在一起，从而得到总电容c与电压v的曲线图，如图5所示。
[0072]
实施例二
[0073]
本实施例的应用过程具体为：
[0074]
(1)选择一个以氢离子迁移为记忆机制的ag/mxene/h3po
4-pva/ag(固体电解质结构)记忆电容器；
[0075]
(2)使用阻抗分析仪对步骤(1)所选择的记忆电容器进行不同偏压范围内的阻抗
测试，得到不同偏压下电容器的阻抗相角θ与电压v曲线图；在测试过程中，采用的偏压范围为-1v～1v，频率为10khz；
[0076]
(3)利用步骤(2)测得的数据绘制出阻抗相角θ与电压v的曲线图，如图6所示；根据不同电压下相角θ的变化趋势，将整个图像分为几段不同的电压范围；根据图6可以看出，在电压范围v1(0.2～1v)时，相角θ约为-79
°
，近似为接近-90
°
的电压状态，而在电压范围v2(-1～0.2v)时，相角θ随电压线性变化；所以可以通过分段法，将电压分为v1(0.2～1v)和v2(-1～0.2v)两个范围。
[0077]
(4)根据步骤(3)所述，由于电容器的阻抗相角为-90
°
，所以在相角始终接近-90
°
的v1范围内，器件可以看做一个纯电容，此时器件的电容可以通过公式c1＝cc＝1/2jπfz来得到，其中z为阻抗，f为频率。
[0078]
(5)使用阻抗分析仪对通过步骤(3)确定的另一段电压范围v2(-1～0.2v)进行交流阻抗谱测试；在测试过程中，施加电压的间隔为0.3v，分别测量-1v、-0.7v、-0.4v、-0.1v、0.2v的交流阻抗谱图，其中-1v测试结果如图7所示，测试频率范围为1hz到1mhz。
[0079]
(6)利用zview软件构造v2范围内的等效电路图，如图7内嵌所示；对步骤(5)测试得到的交流阻抗谱进行拟合；v2范围内的等效电路图为接触电阻rs与电荷转移电阻r
ct
和双电层电容c
dl
的并联电路形成串联。
[0080]
(7)根据步骤(6)拟合得到的等效电路图，利用zview软件对各个元件的初始值进行拟合，再根据测试所得的实际数据进行调整，将拟合的误差范围控制在5％以内，得到双电层电容c
dl
；然后根据等效电路模型得到在v2范围内的总电容c2＝c
dl
。
[0081]
(8)将步骤(4)中在v1范围内计算所得的c1与步骤(7)中在v2范围内计算所得的c2绘制在一起，从而得到总电容c与电压v的曲线图，如图8所示。
[0082]
综上所述，本技术方案提出一种基于阻抗分段法来测试离子器件记忆电容的方法，用于实现对多种结构(mos结构器件，固体电解质器件等)器件的测试。本发明使用阻抗分析仪对以离子输运为记忆机制的记忆电容器进行阻抗测试，然后结合分段法和等效电路图，实现了对不同电压下电容值的分段测量。能够实现对多种结构离子(mos结构器件，固体电解质器件等)器件的测试，进而可以有效地表征双电层电容、评估电容特性、研究离子传输机制并构造新型离子器件。