阻抗精度圖ACP詳解

電化學(xué)阻抗譜是一個(gè)強(qiáng)大的分析工具，阻抗測試技術(shù)在各研究領(lǐng)域的使用越來越普遍，然而，

        阻抗測試結(jié)果準(zhǔn)確性如何？

        手里的儀器能測多低或多高的阻抗？

        都能在什么頻率范圍內(nèi)測量？

儀器的阻抗精度圖（ACP）可以回答您上述的問題，Gamry電化學(xué)儀器以準(zhǔn)確測量EIS著稱，每臺電化學(xué)工作站都有其準(zhǔn)確的阻抗精度圖（ACP）。 ACP闡述了在給定阻抗和頻率條件下的阻抗測量精度，同時(shí)，給出了獲得這些精度數(shù)值的實(shí)驗(yàn)條件，包括施加交流擾動(dòng)信號的幅度，以及儀器導(dǎo)線長度。

Gamry阻抗精度圖的實(shí)驗(yàn)條件（≤10 mV rms交流擾動(dòng)振幅）是與實(shí)際研究體系通常所用條件相一致的，請注意： 脫離實(shí)驗(yàn)條件，談?wù)撟杩咕鹊母叩褪菦]有意義的！

為什么要制作阻抗精度圖?

兩個(gè)主要原因：

了解在典型條件下EIS測量儀器的精度范圍和限制因素。

了解施加交流擾動(dòng)信號幅度和儀器導(dǎo)線長度和對阻抗精度的影響

制作ACP時(shí)，首先對開路和短路條件下進(jìn)行阻抗測量。開路測量描述是指施加擾動(dòng)振幅下整個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)和儀器導(dǎo)線的電容測量低極限。超出測量極限的阻抗數(shù)據(jù)，不管數(shù)據(jù)多么漂亮，都應(yīng)該被拋棄。原因是測量的結(jié)果來自測量的電子系統(tǒng)與線路，不是樣品。好的絕緣涂層EIS結(jié)果可以作為一個(gè)實(shí)例來解釋這個(gè)現(xiàn)象。

為了保持線性響應(yīng)，恒電壓EIS測量的施加信號幅度通常在10mV rms或更小。為了使EIS結(jié)果有效，阻抗測量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備線性，穩(wěn)定性和因果性。線性，穩(wěn)定性和因果性可以使用Gamry內(nèi)置的Kramers-Kronig函數(shù)進(jìn)行評估。恒電流實(shí)驗(yàn)有點(diǎn)不同，只要電壓響應(yīng)保持線性，即施加電流振幅足夠大，即滿足Kramers-Kronig評估。

Interface 1000電化學(xué)工作站的阻抗精度圖

ACPs僅在限制條件下有效。例如，如下圖所示的Interface1000的ACP，從3 GΩ到小于1mΩ的阻抗可以保證高于99％的測量精度。較低的阻抗極限適合于能量存儲和轉(zhuǎn)換裝置，而較高的阻抗極限適合耐腐蝕材料和良好涂覆的樣品。對于良好涂覆的樣品，電容極限也是有幫助的。使用更長的儀器導(dǎo)線，由于添加R和C而導(dǎo)致帶寬降低。

圖1. Interface1000的阻抗精度圖，采用60cm儀器導(dǎo)線, 施加信號幅值≤10 mV

1. 較大的交流擾動(dòng)振幅可能使EIS的線性無效，或者破壞樣品

改變施加信號幅度也對ACP有影響。幅度的增加提高了信噪比，電容極限更高了，如圖2所示。使用1、10、100和707 mV rms的信號幅度進(jìn)行四個(gè)開路阻抗測量。使用60cm電池電纜。 雖較大振幅的測量效果會更好，但實(shí)際上，較大的振幅可能使EIS的線性無效，或者對樣品造成破壞。

圖1. Interface1000的阻抗精度圖，采用60cm儀器導(dǎo)線, 施加信號幅值≤10 mV

1. 較大的交流擾動(dòng)振幅可能使EIS的線性無效，或者破壞樣品

改變施加信號幅度也對ACP有影響。幅度的增加提高了信噪比，電容極限更高了，如圖2所示。使用1、10、100和707 mV rms的信號幅度進(jìn)行四個(gè)開路阻抗測量。使用60cm電池電纜。 雖較大振幅的測量效果會更好，但實(shí)際上，較大的振幅可能使EIS的線性無效，或者對樣品造成破壞。

圖2. 使用具有不同施加信號幅度的60 cm電極導(dǎo)線的阻抗測量結(jié)果。 藍(lán)色鉆石 - 1 mV rms; 紅色方塊 - 10 mV rms; 綠點(diǎn) - 100 mV rms; 紫色三角形 - 707 mV rms。

圖3給出了典型的動(dòng)電位電化學(xué)掃描曲線。響應(yīng)在開路電位附近是線性的，但遠(yuǎn)離開路會產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

圖3. 不銹鋼430 SS在1M硫酸中的動(dòng)電位電化學(xué)掃描曲線。掃描速度為0.167mV / s。

一般說來，EIS實(shí)驗(yàn)中，需要使用小幅度的施加信號，例如10 mV。從圖2所示的ACP可以看出，當(dāng)使用較大的施加信號時(shí)，電容極限增加，但有損壞樣品的風(fēng)險(xiǎn)。

Gamry儀器的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線長度是60厘米，但也有1.5，3和10米的。 由于開路測量是確定儀器測量電容的極限，因此還測量了3米和10米長的開路阻抗。 對沒有電極導(dǎo)線的儀器開路也進(jìn)行了阻抗測量， 如圖4所示。大施加頻率隨著儀器導(dǎo)線長度的增加而降低。隨著儀器導(dǎo)線長度增加，ACP的電容區(qū)域略微減小。 沒有導(dǎo)線的儀器阻抗線位于中間。 還要注意，由于導(dǎo)線的R增加，大阻抗極限由于電纜長度的增加而減小。

2. 儀器導(dǎo)線長度增加，大施加頻率降低，大阻抗極限減小

Gamry儀器的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線長度是60厘米，但也有1.5，3和10米的。 由于開路測量是確定儀器測量電容的極限，因此還測量了3米和10米長的開路阻抗。 對沒有電極導(dǎo)線的儀器開路也進(jìn)行了阻抗測量， 如圖4所示。大施加頻率隨著儀器導(dǎo)線長度的增加而降低。隨著儀器導(dǎo)線長度增加，ACP的電容區(qū)域略微減小。 沒有導(dǎo)線的儀器阻抗線位于中間。 還要注意，由于導(dǎo)線的R增加，大阻抗極限由于電纜長度的增加而減小。

圖4.施加信號為10mV和不同儀器導(dǎo)線長度的阻抗圖。橙色曲線 - 無電纜;黑色曲線 - 60厘米; 藍(lán)色曲線-3米; 紅色曲線 - 10米。

較低的阻抗測量極限通常由儀器的大施加電流與儀器的設(shè)計(jì)來確定。載流引線與感測引線的分離增加了阻抗測量的帶寬。請注意，1.5 米長儀器電極導(dǎo)線低Z電纜已分離載流和感測引線，從而增加帶寬，如圖5所示。這里測量的曲線是未校準(zhǔn)的0.5 mΩ分流器，其實(shí)際帶寬未知。圖5給出了增加的儀器電極長度對帶寬的影響。

圖5. ACP顯示使用100 mA rms的信號幅度的接口1000上三種不同電纜的阻抗下限。
藍(lán)色 - 60厘米，綠色 - 1.5米，紫色 - 低Z電纜。

總結(jié)

許多儀器制造商有時(shí)不公布ACP， 或者不按照通常的實(shí)驗(yàn)條件來制作阻抗精度圖。購置儀器時(shí)，要確定廠商提供的ACP制作條件，這樣才能更好地滿足試驗(yàn)研究的條件。

本技術(shù)說明的目的是描述儀器導(dǎo)線和施加信號幅度對EIS測量結(jié)果與阻抗精度圖的影響，Gamry所有的ACP制作都提供測量的真實(shí)信號幅度和實(shí)際儀器導(dǎo)線。