CN101788611A

CN101788611A - 电阻率测量装置及方法

Info

Publication number: CN101788611A
Application number: CN201010119759A
Authority: CN
Inventors: 张起祥; 张晓英; 张志军
Original assignee: Huzhou University
Current assignee: Huzhou University
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明公开一种电阻率测量装置及方法，利用涡流变化对半导体材料电阻率的测定。该装置包括：第一测量线圈与所述第一平衡线圈串联连接组成初级线圈，第二测量线圈与所述第二平衡线圈反向串联连接组成次级线圈；初级线圈与正弦波发生器的电源输出端连接，次级线圈与测量电路连接。正弦电流通过初级线圈时，产生交变的磁场，在试样内产生涡流。在次级线圈上产生电压V，它由两部分叠加而成，其一是初级线圈的交变磁场感生的电压V₁，另一部分是试样内电涡流磁场感生的电压V₂，同步检波消除V₁，当该装置的几何尺寸、距离等各参数确定后，试样的电阻率ρ与测量的涡流电压V₂之积ρV₂是一常数，预先用电阻率已知的试样对该装置校正后，测得V2就可测出ρ值。

Description

电阻率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是涉及一种电阻率测量装置及方法。

背景技术

现有对半导体零件电阻率的测量，多采用接触式测量，接触式测量通常是借助于四端电极进行的，在待测的半导体零件试样体积较小或电阻率很低的情况下，会出现较大的误差，也就是测量得到的电阻率会明显高于它的实际电阻率值。另一方面接触式测量的测量电极及被测试样的表面容易污染，形成氧化物，使待测的半导体零件试样和电极难以有良好接触，也会进一步增大测量误差。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施例提供一种电阻率测量装置及方法，利用涡流变化以无接触方式对半导体材料的电阻率进行测量，可以在电阻率很宽的范围内实现对半导体材料电阻率的测定，会避免因接触测量造成的误差。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明实施例提供一种电阻率测量装置，其特征在于，包括：

两个测量线圈、两个平衡线圈、正弦波发生器和测量电路；

所述第一测量线圈与所述第一平衡线圈串联连接组成初级线圈，所述第二测量线圈与所述第二平衡线圈反向串联连接组成次级线圈；两个测量线圈相对设置并间隔一定距离，两个平衡线圈相对设置并间隔一定距离，且两个平衡线圈之间的距离能调节；

所述组成的初级线圈与正弦波发生器的电源输出端连接，所述组成的次级线圈与测量电路连接，测量电路用于检测并处理所述次级线圈中感应出的电压，得出被测试样中产生的涡流电压并对其进行显示。

所述两个测量线圈均为具有10匝绕组的线圈。

所述两个平衡线圈均为具有10匝绕组的线圈。

所述正弦波发生器包括：

振荡器、功率放大器和电流控制器；

所述振荡器的输出端与功率放大器连接，功率放大器的输出端作为电源输出端，功率放大器的一路输出端上设置电流控制器。

所述测量电路包括：

测量信号放大器、同步检波器、指示仪表和同步基准处理器；

所述测量信号放大器经同步检波器与指示仪表连接，同步基准处理器与同步检波器连接。

所述测量信号放大器由前置放大器、中间放大器和调谐放大器依次连接而成。

所述同步检波器由混频器、低通滤波器和连接放大器依次连接而成，所述连接放大器的输出端用于与指示仪表连接。

所述同步基准处理器由放大器、移相器和施密特触发器依次连接而成，所述放大器的输入端用于与所述正弦波发生器的电源输出端连接。

本发明实施例还提供一种电阻率测量方法，包括：

采用上述的测量装置；

将被测试样放置在所述测量装置的两个测量线圈之间，由测量装置的正弦波发生器为测量装置的初级线圈供电；

正弦波发生器的正弦波电流I_P通过初级线圈的第一测量线圈时，产生一个交变的磁场，在被测试样内产生涡流；

在次级线圈的第二测量线圈的输出端子上产生一个电压V，通过测量装置的测量电路对该电压V进行放大器锁定、同步检波处理后得到电压V中被测试样内电涡流磁场感生的分量电压V₂，通过该分量电压V₂与被测试样的电阻率ρ成反比的关系，即可得出该被测试样的电阻率ρ。

所述方法还包括：在测量被测试样之前，通过用已知电阻率的试样对测量装置进行校正。

从上述本发明实施例提供的技术方案中可以看出，本发明实施例通过两个测量线圈、平衡线圈连接后，在正弦波发生器和测量电路的配合下，利用涡流法以无接触方式方便的对材料的电阻率进行测量，克服了通过表面电极接触测量的缺点。该测量装置具有结构简单、测量方便，测量精度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电阻率测量装置中的初级线圈与次级线圈的连接示意图；

图2为本发明实施例的电阻率测量装置的结构示意图；

图中各标号为：1-第一测量线圈；2-第二测量线圈；3-被测试样；1′-第一平衡线圈；2′-第二平衡线圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例提供一种电阻率测量装置，是一种利用涡流法以无接触方式测量材料电阻率的装置，如图1、2所示，该装置包括：两个测量线圈1、2，两个平衡线圈1′、2′，正弦波发生器和测量电路；

其中，所述的第一测量线圈1与第一平衡线圈1′串联连接组成初级线圈，所述的第二测量线圈2与第二平衡线圈2′反向串联连接组成次级线圈；第一测量线圈1与第二测量线圈2相对设置并间隔一定距离，两个测量线圈1、2之间的空间作为放置被测试样3的空间，第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′相对设置并间隔一定距离，且两个平衡线圈1′、2′之间的距离可以调节；实际中，两个测量线圈1、2均采用具有10匝绕组的线圈，两个平衡线圈1′、2′也均采用具有10匝绕组的线圈，两个平衡线圈1′、2′与两个测量线圈1、2之间保持一定距离，以避免测量过程中线圈的磁性造成相互影响；第一测量线圈1与第一平衡线圈1′串联所组成的初级线圈与正弦波发生器的电源输出端连接，第二测量线圈2与第二平衡线圈2′反向串联所组成的次级线圈与测量电路连接，测量电路用于检测并处理次级线圈中感应出的电压，得出被测试样3中产生的涡流电压并对其进行显示，通过得出被测试样中产生的涡流电压可进一步得出被测试样3的电阻率。

上述测量装置中的正弦波发生器如图2所示，包括：振荡器、功率放大器和电流控制器；其中，振荡器的输出与功率放大器连接，功率放大器的输出端作为电源输出端与第一测量线圈1与第一平衡线圈1′串联所组成的初级线圈连接，功率放大器的一路输出上设置电流控制器。

上述测量装置中的测量电路如图2所示，包括：测量信号放大器、同步检波器、指示仪表和同步基准处理器；其中，测量信号放大器经同步检波器与指示仪表连接，同步基准处理器与同步检波器连接。

上述测量装置中的测量信号放大器由前置放大器、中间放大器和调谐放大器依次连接而成；同步检波器由混频器、低通滤波器和连接放大器依次连接而成，连接放大器的输出端用于与指示仪表连接；同步基准处理器由施密特触发器、移相器和放大器依次连接而成，放大器的输入端用于与正弦波发生器的电源输出端连接，施密特触发器的输出端与同步检波器的混频器连接。

上述测量装置测量被测试样3时，将被测试样3放置在第一测量线圈1与第二测量线圈2之间，当正弦波电流I_P通过第一测量线圈1(初级线圈)时，产生了一个交变的磁场，因而在被测试样3内产生了涡流；在第二测量线圈2(次级线圈)的端子上感应出一个电压V，该电压V是由两部分分量电压叠加而成，一部分是由第一测量线圈1的交变磁场感生的电压V₁，另一部分则是被测试样3内电涡流磁场感生的电压V₂，而V₂比V₁在相位上超前90°；

电压V输出至测量电路，两个分量V₁和V₂通过测量电路进行放大器锁定、同步检波后可以消除分量电压V₁，只保留与V₁正交的分量电压V₂，相位鉴别由两个平衡线圈1′、2′组成的补偿器进行精确调整；

这样测得的分量电压V₂显示在测量电路的指示仪表上，由电磁学知识可知，铁磁材料在磁化时产生涡流的大小和其电阻率成反比，所以分量电压V₂的值与被测试样3的电阻率ρ成反比，即当该测量装置的各参数(如各线圈的几何尺寸、线圈之间的距离等)确定后，被测试样的电阻率ρ与测量得到的分量电压V₂之积ρV₂是一常数，因此，可用电阻率已知的标准试样对该测量装置进行校正，求出这一常数值，则在测量电阻率ρ未知的被测试样时，根据测量得到的被测试样在测量装置中因电涡流磁场感生的分量电压V₂的值，利用已测得的常数值，即可得出被测试样的电阻率的数值。

上述测量装置测量被测试样3的电阻率时，可通过两个平衡线圈对测量装置进行补偿：

为了使测量值只包含有电涡流磁场产生的分量电压V₂，应除去由激励磁场产生的分量电压V₁，为了使鉴别准确，V₁的值不能过大，尤其是不到大到与V₂的值相比，并且还要精确地确定分量电压V₁的特征基准相位，这可以通过调整与第一、第二测量线圈1、2连接的第一、第二平衡线圈1′、2′来实现(参见图1)，具体为：

在没有被测试样3时，次级线圈的第二测量线圈2上出现一个电压V_1a，该电压V_1a由初级线圈的第一测量线圈1的激励磁场感生得到；同样，在第二平衡线圈2′上由第一平衡线圈1′的激励磁场感生也得到一个确定的电压V_1b，在电阻和电容的某些影响忽略不计的情况下，在整个次级线圈(第二测量线圈2与第二平衡线圈2′连接而成)上所集的电压之差为V_1a-V_1b(因为第二测量线圈2与第二平衡线圈2′是反接的)，即次级线圈上由激励磁场感生的分量电压V₁是由V_1a-V_1b之差确定的，而V_1a和V_1b，是同相位的(因为第一测量线圈和第一平衡线圈1′的激励磁场是由同一个初级电流I_P供给的)。所以，通过改变第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′之间的距离就可以改变V_1b，使V_1b与V_1a尽量接近，以使V₁＝V_1a-V_1b减小到和V₂相比可以忽略的程度，即在没有被测试样3时，测量电路的指示仪表的值近于零，从而提供了有效的补偿，保证了该测量装置的测量精度。

同时，调节第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′之间的距离，还可以调准同步检波基准的相位，这种调节是通过改变第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′之间的距离使分量电压V₁变化，并且通过调整移相器，使分量电压V₁的变化不再对同步检波的输出信号发生影响。在没有噪声的情况下，调整后输出信号就会等于零。

第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′的另一个作用是能补偿由第一测量线圈1与第二测量线圈2之间的电容耦合产生的影响。在电阻率较大的范围内工作时，在高频下这样的耦合会使待测的分量电压V₂产生干扰分量，此时，在第一平衡线圈1′与第二平衡线圈2′之间放置一个与被测试样3形状基本相同但电阻率较大的金属板，就能补偿第一测量线圈1与第二测量线圈2之间的电容耦合产生的影响。

采用上述的测量装置对被测试样的电阻率进行测量时，具体包括下述步骤：

将被测试样放在所述测量装置的两个测量线圈之间，由测量装置的正弦波发生器为初级线圈供电；

在次级线圈的第二测量线圈的输出端子上产生一个电压V，该电压V包括：第一测量线圈1的交变磁场感生的电压V₁和被测试样3内电涡流磁场感生的电压V₂，通过测量装置的测量电路与两个平衡线圈的配合，对该电压V进行放大器锁定、同步检波处理后得到电压V中被测试样内电涡流磁场感生的分量电压V₂，通过该分量电压V₂与被测试样的电阻率ρ成反比的关系，即可得出该被测试样的电阻率ρ。

所述方法还包括：在测量被测试样之前，通过用已知电阻率的材料试样对测量装置进行校正。

综上所述，本发明实施例提供的测量装置，通过两个测量线圈、两个平衡线圈连接成初级线圈与次级线圈，在与正弦波发生器和测量电路的配合下，可以无接触方式对零件电阻率进行测量，具有结构简单、测量精确的优点，很好的克服了通过表面电极接触测量的缺点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种电阻率测量装置，其特征在于，包括：

两个测量线圈、两个平衡线圈、正弦波发生器和测量电路；

2.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述两个测量线圈均为具有10匝绕组的线圈。

3.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述两个平衡线圈均为具有10匝绕组的线圈。

4.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述正弦波发生器包括：

振荡器、功率放大器和电流控制器；

5.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述测量电路包括：

6.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述测量信号放大器由前置放大器、中间放大器和调谐放大器依次连接而成。

7.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述同步检波器由混频器、低通滤波器和连接放大器依次连接而成，所述连接放大器的输出端用于与指示仪表连接。

8.如权利要求1所述的电阻率测量装置，其特征在于，所述同步基准处理器由放大器、移相器和施密特触发器依次连接而成，所述放大器的输入端用于与所述正弦波发生器的电源输出端连接。

9.一种电阻率测量方法，其特征在于，包括：

采用上述权利要求1所述的测量装置；

10.如权利要求9所述的电阻率测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

在测量被测试样之前，通过用已知电阻率的试样对测量装置进行校正。