儀器導線及施加擾動信號幅值對EIS測量結果的影響

準確的EIS測量

Gamry電化學儀器以準確測量EIS著稱。每臺電化學儀器都有準確的阻抗精度圖（ACP）。 ACP闡述了在給定阻抗和頻率條件下的阻抗精度。

為什么制作ACP？?

兩個主要原因：

1. 了解在典型條件下EIS測量儀器的精度范圍和限制因素。
2. 了解儀器導線長度和施加信號幅度對阻抗精度的影響

制作ACP時，首先對開路和短路條件下進行阻抗測量。開路測量描述是指施加擾動振幅下整個電化學系統和儀器導線的電容測量低極限。超出測量極限的阻抗數據，不管數據多么漂亮，都應該被拋棄。原因是測量的結果來自測量的電子系統與線路，不是樣品。好的絕緣涂層EIS結果可以作為一個實例來解釋這個現象。

為了保持線性響應，恒電壓EIS測量的施加信號幅度通常在10 mV rms或更小。為了使EIS結果有效，阻抗測量系統應當具備線性，穩定性和因果性。線性，穩定性和因果性可以使用Gamry內置的Kramers-Kronig函數進行評估。恒電流實驗有點不同，只要電壓響應保持線性，即施加電流振幅足夠大，即滿足Kramers-Kronig評估。

Interface 1000的ACPs

ACPs僅在限制條件下有效。例如，如下圖所示的Interface 1000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。使用更長的儀器導線，由于添加R和C而導致帶寬降低。

圖1. 60 cm儀器導線和施加信號幅值≤10 mV， INTERFACE  1000的阻抗精度圖。

Gamry儀器的標準導線長度是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和10 m長的開路阻抗。 對沒有電極導線的儀器開路也進行了阻抗測量， 如圖2所示。大施加頻率隨著儀器導線長度的增加而降低。 隨著儀器導線長度增加，ACP的電容區域略微減小。 沒有導線的儀器阻抗線位于中間。 還要注意，由于導線的R增加，大阻抗極限由于電纜長度的增加而減小。

圖2.施加信號為10mV和不同儀器導線長度的阻抗圖。 橙色曲線 - 無電纜;
黑色曲線 - 60厘米; 藍色曲線-3米; 紅色曲線 - 10米。

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3所示。使用1、10、100和707 mV rms的信號幅度進行四個開路阻抗測量。 使用60cm電池電纜。 雖較大振幅的測量效果會更好，但實際上，較大的振幅可能使EIS的線性無效。

圖3.使用具有不同施加信號幅度的60 cm電極導線的阻抗測量結果。 藍色鉆石 - 1 mV rms; 紅色方塊 - 10 mV rms; 綠點 - 100 mV rms; 紫色三角形 - 707 mV rms。

圖4給出了典型的動電位電化學掃描曲線。響應在開路電位附件是線性的，但遠離開路會產生非線性響應。

圖4. 不銹鋼430 SS在1M硫酸中的動電位電化學掃描曲線。 掃描速度為0.167mV / s。

一般說來，EIS實驗中，需要使用小幅度的施加信號，例如10 mV。從圖3所示的ACP可以看出，當使用較大的施加信號時，電容極限增加，但有損壞樣品的風險。

第二個重要區域是較低的阻抗限制和帶寬。

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計來確定。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 m長儀器電極導線低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的0.5 mΩ分流器，其實際帶寬未知。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。
藍色 - 60厘米，綠色 - 1.5米，紫色 - 低Z電纜。

總結

許多儀器制造商有時不公布ACP， 或者不提供真實的ACP測量條件來制作ACP。購置儀器時，要確定廠商提供的ACP制作條件，這樣更好滿足試驗研究的條件。

本技術說明的目的是描述儀器導線和施加信號幅度對EIS測量結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信號幅度和實際儀器導線。