CN106908683A - 一种多功能半导体电学性质快速测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能半导体电学性质快速测试装置及方法，包括多功能样品杆、管式加热炉、双排端子接线板和电学性质测试仪表，多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组镀银端子接线柱连接，再用银线将双排端子接线板两端的三组镀银端子接线柱连接，最后将三组镀银端子接线柱与对应的三个可插拔四端子导线接头用银线连接；同时，电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，该插座可与三个接头当中的任意一个连接，本发明构造简单，成本低，测试样品和测试项目切换快捷方便，同一温度、气氛条件下即可同时完成多个样品的电学性质表征工作，极大缩短测试时间，提高测试效率。

Description

一种多功能半导体电学性质快速测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电学性质测试设备技术领域，具体为一种多功能半导体电学性质快速测试装置及方法。

背景技术

半导体陶瓷材料的直流电学性质表征常采用四端法，该方法利用四条导线与样品连接，连接处粘有等间距的四个电极，外侧两条导线提供恒定电流，内侧两条导线测量电压，通过欧姆定律计算得到材料的本征电阻和体电阻率；该方法的优点在于消除了测试电极与样品间的接触电阻以及导线本身的电阻对样品电阻值的影响，非常适于测试电阻值较小的半导体材料的本征电阻和电阻率。另外，通过自制样品杆，结合程序控温系统和气氛调节系统还可实现一定温度和气氛条件下的直流电学性质测试功能。

半导体陶瓷材料的直流电学性质表征常采用四端法，该方法利用四根探针与样品接触，触点位置粘有等间距的四个电极，两条导线提供恒定电流，两条导线测量电压，通过欧姆定律计算得到材料的本征电阻和体电阻率。四根探针的排列方式主要有两种，一种为四根探针等间距排列成一条直线，简称线形排列；另一种为四根探针等间距排列成正方形，简称方形排列。当待测试样为片状时，两种排布方式都可适用；当待测试样为条状时，则第一种探针排列方式更为方便；该方法的优点在于降低了测试电极与样品间的接触电阻以及导线本身的电阻对样品电阻值的影响，非常适用于测试电阻值较小的半导体材料的本征电阻和电阻率。另外，通过自制样品杆，结合程序控温系统和气氛调节系统还可实现一定温度和气氛条件下的直流电学性质测试功能。

半导体陶瓷材料的交流电学性质表征常采用LCR数字电桥法；LCR数字电桥法具有低阻测量、高阻屏蔽的优点。其结构特点是外侧导体可以作为测试信号电流的回路，当同一电流流过中心导体和外屏蔽导体时，在导体周围无外端磁场发生。由于测试电流不产生磁场，测试样品就不会因自身或耦合电感产生附加测试误差。因此，该方法能使寄生电容和残余电感在测试样品时降至最小，从而保证良好的测试精度。另外，通过自制样品杆，结合程序控温系统和气氛调节系统同样可实现一定温度和气氛条件下的交流电学性质测试功能。

目前针对半导体陶瓷材料的电学测试装置多为自制，一次仅能完成一个样品的性质表征，装置大多结构复杂，测试效率较低，且无法完成同一测试条件下交、直流测试项目的快速切换。

现有半导体陶瓷材料的电学测试装置多为自制，主要存在以下缺点：

A、样品杆存在设计缺陷：

1、测试效率低，测试过程中无法实现待测样品的快速切换。现有半导体陶瓷材料的电学测试样品杆一次仅能完成一个样品的电学性质表征，无法同时考察多样品在同一温度和气氛条件下的电学性质，无法在测试过程中实现待测样品的快速切换。若每个待测样品均配置一台电学测试设备，虽可实现多样品同温度和气氛条件下的电学表征，但一方面无法保证多台测试仪器测试结果的平行性和准确性，另一方面大大增加了多样品电学测试装置的搭建成本。

2、样品紧固结构复杂，具有磁性，高温抗氧化性差。目前半导体陶瓷材料的电学测试样品杆中样品紧固结构主要为金属夹片式或金属弹簧式，样品固定过程比较繁琐。金属紧固结构的材质多为不锈钢，若待测样品为铁磁陶瓷材料，则会磁化紧固装置使其带磁，从而对样品的电学性质测试结果造成严重干扰，无法得到准确测试结果。此外，金属夹片式或弹簧式紧固结构在反复高、低温测试条件下会造成应力疲劳和表面氧化，逐渐失去紧固力度，较易发生应力断裂。

3、尚缺乏兼容交、直流电学测试项目的多功能样品杆。目前半导体陶瓷材料的电学测试装置中样品杆仅能实现单一直流电阻或者单一交流阻抗的测试功能，这是由于两者测试原理的不同导致，直流电阻测试要求测试电极为单面等间距排列，而交流阻抗测试要求测试电极为前后两端排列。因此，现有样品杆无法同时满足交、直流电学性质的同步测定。

B、电学测试项目的切换装置存在设计缺陷：

1、无法实现交、直流电学测试项目的快速切换。由于现有半导体陶瓷材料的电学测试装置无法同时兼容交、直流电学测试功能，因此缺少交、直流电学测试项目的快速切换部件，无法实现测试项目的快速切换。

2、多样品电学测试数据平行性较差，测试效率低。当测试者考察多样品的电学性质时，一方面希望在同一温度或气氛条件下，采用同一测试仪表，这样得到的多样品电学测试数据具有良好的平行性，便于进一步分析对比。另一方面希望在尽可能少的时间内考察尽量多的样品的电学性质，这样可节约测试时间，提高测试效率。然而现有半导体陶瓷材料的电学测试装置无法同时具备以上两个特点。

综上所述，本发明针对样品杆和电学测试项目切换装置进行技术改进，较好地解决了以上两个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能半导体电学性质快速测试装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多功能半导体电学性质快速测试装置，包括多功能样品杆、管式加热炉、双排端子接线板和电学性质测试仪表，所述多功能样品杆设置在管式加热炉中，所述管式加热炉中设有三孔氧化铝隔热砖，所述多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，并通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组第一镀银端子接线柱连接，所述双排端子接线板两端的第一镀银端子接线柱和第二镀银端子接线柱通过银线连接，所述第二镀银端子接线柱分别连接三个接头，所述电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，所述可插拔四端子导线插座与三个接头当中的任意一个接头连接。

优选的，所述多功能样品杆由四孔刚玉管、测试台、连接测试台和四孔刚玉管的连接杆构成；所述四孔刚玉管由矩形管夹固定，所述连接杆由喉箍卡固定；所述测试台包括螺丝、样品台、待测样品、成对刚玉片、可控长度螺丝组成；所述螺丝连接连接杆；所述成对刚玉片包括第一刚玉片、第二刚玉片，所述待测样品设置于样品台上，所述待测样品设置在第一刚玉片与第二刚玉片之间，所述待测样品引出的银丝穿过第二刚玉片，与四孔刚玉管引出的四根银丝相互打结，所述可控长度螺丝设置在成对刚玉片外侧。

优选的，所述管式加热炉包括程序控温管式马弗炉、钢制进气法兰、减压器以及相关气瓶和通气管路；所述钢制进气法兰固定在程序控温管式马弗炉的进气一侧，钢制进气法兰进气嘴经通气管路与气氛混合与流量控制设备连接，气氛混合与流量控制设备通过减压器与相关气瓶连接。

优选的，所述银线的直径为0.7mm；所述银线外包热缩绝缘管。

优选的，所述电学性质测试仪表包括交、直流电学性质快速切换装置，交、直流电学性质快速切换装置由个接线板，第一四端子接线公头、第二四端子接线公头、第三四端子接线公头，四端子接线母头以及若干条导线组成，所述接线板由三排镀银接线柱构成，其中第一、第三两排分别为12个间距为10mm的镀银端子，第二排为6个间距为20mm的镀银端子，所述接线板的第一排12个接线端子分别与第一六孔刚玉管、第二六孔刚玉管、第三六孔刚玉管引出的12条直流测试导线连接，同时第一排的12个接线端子与第三排对应的12个接线端子在接线板底部经导线连接，第三排的12个接线端子通过导线与第一四端子接线公头、第二四端子接线公头、第三四端子接线公头连接；四端子接线母头引出的4条导线分别接入直流电学性质测试设备的电流输出端以及电位测试端，所述接线板的第二排6个接线端子分别与第一六孔刚玉管、第二六孔刚玉管、第三六孔刚玉管引出的6条交流测试导线连接，在第二排6个接线端子引出的导线中，每对对应的交流电压、电流端连接在一个开尔文夹子上。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组镀银端子接线柱连接；

B、再用银线将双排端子接线板两端的三组镀银端子接线柱连接，最后将三组镀银端子接线柱与对应的三个可插拔四端子导线接头用银线连接；银线外包热缩绝缘管，将多功能样品杆置入管式加热炉中，并从右向左通入特定低压气体；

C、电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，该插座可与三个接头当中的任意一个连接；

D、将待测样品置于样品台上，待测样品置于第一刚玉片与第二刚玉片之间，待测样品引出的银丝穿过第二刚玉片，与四孔刚玉管引出的四根银丝相互打结，之后调节可控长度螺丝的长度，使得可控长度螺丝把第一刚玉片和第二刚玉片和待测样品压在样品台上；实现针对某特定样品在特定测试条件下的电学性质表征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可在一定气氛条件以及一定温度范围内实现对多样品的直流、交流电学性质进行同步测试，而测试样品或测试功能的切换仅需将对应的四端子插头、插座进行插拔即可完成；本发明构造简单，成本较低，测试样品和测试功能切换快捷方便，同一温度、气氛条件下即可同时完成多个样品的多种电学性质表征工作，极大缩短测试时间，提高测试效率，并且显著改善测试数据的平行性。该装置适用于表征半导体陶瓷样品在不同温度和确定气氛条件下的交、直流电学性质，在传感、催化、储能、燃料电池等相关领域的新材料电学性能评价方面表现出巨大的商业价值。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的多功能样品杆结构示意图；

图3为本发明的局部结构放大图；

图4为本发明的管式加热炉结构示意图；

图5为本发明的交、直流电学性质快速切换装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种多功能半导体电学性质快速测试装置，包括多功能样品杆1、管式加热炉2、双排端子接线板3和电学性质测试仪表4，多功能样品杆1设置在管式加热炉2中，所述管式加热炉2中设有三孔氧化铝隔热砖5，所述多功能样品杆1的三根刚玉芯用三孔矩形管夹6固定，并通过银线将三个待测样品7与双排端子接线板3的三组第一镀银端子接线柱8连接，所述双排端子接线板3两端的第一镀银端子接线柱8和第二镀银端子接线柱9通过银线连接，所述第二镀银端子接线柱9分别连接三个接头10，所述电学性质测试仪表4的四根导线11与一个可插拔四端子导线插座12连接，所述可插拔四端子导线插座12与三个接头10当中的任意一个接头连接。

本实施例中，多功能样品杆1由四孔刚玉管13、测试台14、连接测试台14和四孔刚玉管13的连接杆15构成；所述四孔刚玉管13由矩形管夹固定，以减小外界对多功能样品杆1的干扰；所述连接杆15由喉箍卡17固定，以保证连接杆15可以调控多功能样品杆1的长度，以适应不同大小的管式加热炉2；所述测试台14包括螺丝18、样品台19、待测样品7、成对刚玉片、可控长度螺丝20组成；所述螺丝18连接连接杆15；所述成对刚玉片包括第一刚玉片21、第二刚玉片22，所述待测样品7设置于样品台19上，所述待测样品7设置在第一刚玉片21与第二刚玉片22之间，所述待测样品7引出的银丝穿过第二刚玉片22，与四孔刚玉管13引出的四根银丝相互打结，待测样品7引出的四根银丝套上小瓷环，达到绝缘的目的；所述可控长度螺丝20设置在成对刚玉片外侧。

本实施例中，所述管式加热炉2包括程序控温管式马弗炉23、钢制进气法兰24、减压器25以及相关气瓶26和通气管路；所述钢制进气法兰24固定在程序控温管式马弗炉23的进气一侧，程序控温管式马弗炉23的恒温区应不少于多功能样品杆的长度，程序控温管式马弗炉炉管23的直径应大于三套多功能样品杆的宽度之和；钢制进气法兰24进气嘴经通气管路与气氛混合与流量控制设备连接，气氛混合与流量控制设备通过减压器25与相关气瓶26连接。

本实施例中，银线的直径为0.7mm；所述银线外包热缩绝缘管。

本实施例中，电学性质测试仪表包括交、直流电学性质快速切换装置，交、直流电学性质快速切换装置由个接线板27，第一四端子接线公头28、第二四端子接线公头29、第三四端子接线公头30，四端子接线母头31以及若干条导线组成，所述接线板27由三排镀银接线柱构成，其中第一、第三两排分别为12个间距为10mm的镀银端子，第二排为6个间距为20mm的镀银端子，所述接线板27的第一排12个接线端子分别与第一六孔刚玉管32、第二六孔刚玉管33、第三六孔刚玉管34引出的12条直流测试导线连接，同时第一排的12个接线端子与第三排对应的12个接线端子在接线板底部经导线连接，第三排的12个接线端子通过导线与第一四端子接线公头28、第二四端子接线公头29、第三四端子接线公头30连接；四端子接线母头31引出的4条导线分别接入直流电学性质测试设备的电流输出端以及电位测试端，所述接线板27的第二排6个接线端子分别与第一六孔刚玉管32、第二六孔刚玉管33、第三六孔刚玉管34引出的6条交流测试导线连接，在第二排6个接线端子引出的导线中，每对对应的交流电压、电流端连接在一个开尔文夹子上。

本发明的使用方法包括以下步骤：

A、多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组镀银端子接线柱连接；

B、再用银线将双排端子接线板两端的三组镀银端子接线柱连接，最后将三组镀银端子接线柱与对应的三个可插拔四端子导线接头用银线连接；银线外包热缩绝缘管，将多功能样品杆置入管式加热炉中，并从右向左通入特定低压气体，保持一段时间使全部样品均处于相同气氛条件下；调整样品杆位置，使全部样品均位于炉体恒温区同一截面上，以保证样品温度的准确性和平行性。

C、电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，该插座可与三个接头当中的任意一个连接；

D、将待测样品置于样品台上，待测样品置于第一刚玉片与第二刚玉片之间，待测样品引出的银丝穿过第二刚玉片，与四孔刚玉管引出的四根银丝相互打结，之后调节可控长度螺丝的长度，使得可控长度螺丝把第一刚玉片和第二刚玉片和待测样品压在样品台上；实现针对某特定样品在特定测试条件下的电学性质表征。

本发明可在一定气氛条件以及一定温度范围内实现对多样品的直流、交流电学性质进行同步测试，而测试样品或测试功能的切换仅需将对应的四端子插头、插座进行插拔即可完成；本发明构造简单，成本较低，测试样品和测试功能切换快捷方便，同一温度、气氛条件下即可同时完成多个样品的多种电学性质表征工作，极大缩短测试时间，提高测试效率，并且显著改善测试数据的平行性。该装置适用于表征半导体陶瓷样品在不同温度和确定气氛条件下的交、直流电学性质，在传感、催化、储能、燃料电池等相关领域的新材料电学性能评价方面表现出巨大的商业价值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种多功能半导体电学性质快速测试装置，包括多功能样品杆、管式加热炉、双排端子接线板和电学性质测试仪表，其特征在于：所述多功能样品杆设置在管式加热炉中，所述管式加热炉中设有三孔氧化铝隔热砖，所述多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，并通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组第一镀银端子接线柱连接，所述双排端子接线板两端的第一镀银端子接线柱和第二镀银端子接线柱通过银线连接，所述第二镀银端子接线柱分别连接三个接头，所述电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，所述可插拔四端子导线插座与三个接头当中的任意一个接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种多功能半导体电学性质快速测试装置，其特征在于：所述多功能样品杆由四孔刚玉管、测试台、连接测试台和四孔刚玉管的连接杆构成；所述四孔刚玉管由矩形管夹固定，所述连接杆由喉箍卡固定；所述测试台包括螺丝、样品台、待测样品、成对刚玉片、可控长度螺丝组成；所述螺丝连接连接杆；所述成对刚玉片包括第一刚玉片、第二刚玉片，所述待测样品设置于样品台上，所述待测样品设置在第一刚玉片与第二刚玉片之间，所述待测样品引出的银丝穿过第二刚玉片，与四孔刚玉管引出的四根银丝相互打结，所述可控长度螺丝设置在成对刚玉片外侧。

3.根据权利要求1所述的一种多功能半导体电学性质快速测试装置，其特征在于：所述管式加热炉包括程序控温管式马弗炉、钢制进气法兰、减压器以及相关气瓶和通气管路；所述钢制进气法兰固定在程序控温管式马弗炉的进气一侧，钢制进气法兰进气嘴经通气管路与气氛混合与流量控制设备连接，气氛混合与流量控制设备通过减压器与相关气瓶连接。

4.根据权利要求1所述的一种多功能半导体电学性质快速测试装置，其特征在于：所述银线的直径为0.7mm；所述银线外包热缩绝缘管。

5.根据权利要求1所述的一种多功能半导体电学性质快速测试装置，其特征在于：所述电学性质测试仪表包括交、直流电学性质快速切换装置，交、直流电学性质快速切换装置由个接线板，第一四端子接线公头、第二四端子接线公头、第三四端子接线公头，四端子接线母头以及若干条导线组成，所述接线板由三排镀银接线柱构成，其中第一、第三两排分别为12个间距为10mm的镀银端子，第二排为6个间距为20mm的镀银端子，所述接线板的第一排12个接线端子分别与第一六孔刚玉管、第二六孔刚玉管、第三六孔刚玉管引出的12条直流测试导线连接，同时第一排的12个接线端子与第三排对应的12个接线端子在接线板底部经导线连接，第三排的12个接线端子通过导线与第一四端子接线公头、第二四端子接线公头、第三四端子接线公头连接；四端子接线母头引出的4条导线分别接入直流电学性质测试设备的电流输出端以及电位测试端，所述接线板的第二排6个接线端子分别与第一六孔刚玉管、第二六孔刚玉管、第三六孔刚玉管引出的6条交流测试导线连接，在第二排6个接线端子引出的导线中，每对对应的交流电压、电流端连接在一个开尔文夹子上。

6.实现权利要求1所述的一种多功能半导体电学性质快速测试装置的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

A、多功能样品杆的三根刚玉芯用三孔矩形管夹固定，通过银线将三个待测样品与双排端子接线板的三组镀银端子接线柱连接；

B、再用银线将双排端子接线板两端的三组镀银端子接线柱连接，最后将三组镀银端子接线柱与对应的三个可插拔四端子导线接头用银线连接；银线外包热缩绝缘管，将多功能样品杆置入管式加热炉中，并从右向左通入特定低压气体；

C、电学性质测试仪表的四根导线与一个可插拔四端子导线插座连接，该插座可与三个接头当中的任意一个连接；

D、将待测样品置于样品台上，待测样品置于第一刚玉片与第二刚玉片之间，待测样品引出的银丝穿过第二刚玉片，与四孔刚玉管引出的四根银丝相互打结，之后调节可控长度螺丝的长度，使得可控长度螺丝把第一刚玉片和第二刚玉片和待测样品压在样品台上；实现针对某特定样品在特定测试条件下的电学性质表征。