CN107367679A - 霍尔效应测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔效应测试系统，包括样品装夹器、信号转换器、恒流源、控制器、采集卡、计算机和磁场产生装置，所述样品装夹器上固定有样品，所述样品的信号线与信号转换器连接，所述信号转换器分别与恒流源、控制器、采集卡连接，所述恒流源、控制器、采集卡均与计算机连接；所述磁场产生装置分别与控制器、采集卡连接。本发明无需人工变换磁场极性，也无需对样品进行特殊处理，测量数据准确、可靠。

Description

霍尔效应测试系统

技术领域

本发明属于半导体测试领域，具体涉及一种霍尔效应测试系统。

背景技术

霍尔效应测试仪是用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数的设备，因这些参数是了解半导体材料电学特性必须预先掌控的，因此霍尔效应测试仪是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。霍尔效应测试仪除了用来测量上述参数之外，还可以判断半导体材料类型，也可应用于LED磊晶层的质量判定，还可以用来判断在HEMT组件中二维电子气是否形成，以及用于太阳能电池片的制程辅助。

目前市面上的霍尔效应测试仪需要对样品进行特殊处理才能测试，比如镀电极，绑定信号线等操作,这些操作要么工艺复杂,要么损坏样品局部性质。而且，需要人工手动调节电流，手动切换磁场方向，这种方式容易产生人为差错，产生一系列问题：（1）人工调节电流引入少子注入或者样品本身发热，引起测试误差。（2）人工控制磁场极性变换容易出错，样品不能居于磁场均匀区域，正反向磁感应强度不同，人工切换磁场时间不确定，容易引起测试误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种霍尔效应测试系统，该系统无需人工变换磁场极性，也无需对样品进行特殊处理，测量数据准确、可靠。

本发明所采用的技术方案是：

一种霍尔效应测试系统，包括样品装夹器、信号转换器、恒流源、控制器、采集卡、计算机和磁场产生装置，所述样品装夹器上固定有样品，所述样品的信号线与信号转换器连接，所述信号转换器分别与恒流源、控制器、采集卡连接，所述恒流源、控制器、采集卡均与计算机连接；所述磁场产生装置分别与控制器、采集卡连接。

按上述方案，所述样品装夹器包括弹簧针、陶瓷限位片、样品底座、PCB板、金手指和样品盖，所述弹簧针位于陶瓷限位片内，与PCB板连接；所述陶瓷限位片置于样品底座内；所述样品底座置于PCB板上；所述PCB板与金手指连接，所述金手指与信号转换器连接；所述样品盖与样品底座铰接。使用时，将样品置于陶瓷限位片内，盖上样品盖，使样品与弹簧针紧密接触。使用非常方便，无需对样品进行特殊处理，也不会对样品造成损坏，确保了测量的准确性。

按上述方案，所述样品装夹器包括陶瓷芯片和金手指，所述陶瓷芯片包括陶瓷基板，在陶瓷基板的正面设有4个信号电极，在陶瓷基板的背面设有4个金属电极，金属电极与信号电极一一对应连接，金属电极与金手指连接。使用时，将薄膜样品置于4个信号电极上即可进行测试，使用非常方便，解决了现有霍尔效应测试系统无法对薄膜材料进行霍尔效应测试的问题，扩大了霍尔效应测试系统的适用范围。

按上述方案，所述磁场产生装置包括滑台、旋转电机、带开口的盒体和盒体内的磁场；所述旋转电机与盒体连接，带动盒体旋转，从而改变磁场极性；所述旋转电机与滑台的滑块连接，滑块带动旋转电机、盒体和盒体内的磁场一起运动；所述旋转电机、滑台与控制器连接。当需要改变磁场极性时，控制器控制滑台的滑块运动，从而带动旋转电机、盒体和磁场运动，使样品离开磁场；旋转电机旋转盒体，改变磁场极性；控制器控制滑块运动，使样品插入盒体的开口进行测试。无需使用人工变换磁场极性，使磁性极性变换准确、可靠，且因采用自动控制，提高了测试效率。

按上述方案，所述磁场产生装置还包括磁场传感器和位移传感器，且磁场传感器和位移传感器与采集卡连接；所述磁场传感器用于采集磁场强度和极性，所述位移传感器用于采集滑台位置信息。磁场传感器和位移传感器的设置能使控制器准确控制滑台，提高测试效率。

按上述方案，所述样品装夹器还包括位移传感器和温度传感器，且该位移传感器和温度传感器与采集卡连接；所述位移传感器用于采集样品的位置信息，所述温度传感器用于采集样品的温度数据。位移传感器和温度传感器的设置能使霍尔效应测试更准确。

按上述方案，所述样品装夹器还包括加热装置，用于对样品进行加热。

本发明中，计算机通过通用串口总线连接控制器、恒流源（吉时利6220），采集卡(安捷伦34970a），用于接收采集卡传来的数据、控制控制器和恒流源工作、计算出霍尔参数。控制器接收计算机的命令，控制电机运动（水平电机、旋转电机）来实现永磁体的极性反转，控制led信号灯指示设备运行状态，控制信号切换器选择信号引脚分布。恒流源接收计算机命令输出恒定电流至信号切换器，通过信号切换选择把信号加载至样品的4根信号线的任意一个引脚上。采集卡通过信号切换器获取样品上的信号电压，同时获取磁感应强度、极性，样品温度，样品位置信号、滑块位置信息，将上述数据传递给计算机。

本发明的有益效果在于：

采用样品装夹器对样品进行固定，无需对样品进行特殊处理，测试时也无需损坏样品，提高了测试效率和准确性；

通过控制器改变磁场产生装置的磁场极性，无需人工操作，既提高了效率，也提高了准确性；

通过控制器控制恒流源的电流输出，提高了测试准确率；

能对薄膜材料进行测试也能对块体材料进行测试，扩大了其适用范围；

样品和信号线一体化设计，不需要单独引出信号线，能够获取稳定的数据信号，确保测试数据的准确性；

通过计算机对数据进行处理分析，从而提高测试精度和测试效率，实现测试过程全自动化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的框图；

图2是磁场产生装置的结构示意图；

图3是样品装夹器的结构示意图；

图4是陶瓷芯片的结构示意图；

图5是计算机的执行步骤；

其中：1、滑台，1-1、滑块，1-2、水平电机，2、安装板，3、旋转电机，4、盒体，5、开口，6、金手指，7、PCB板，8、样品底座，9、陶瓷限位片，10、弹簧针，11、样品盖，12、陶瓷基板，13、信号电极，14、金属电极，15、金线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种霍尔效应测试系统，包括样品装夹器、信号转换器、恒流源、控制器、采集卡、计算机和磁场产生装置，样品装夹器上固定有样品，所述样品的信号线与信号转换器连接，信号转换器分别与恒流源、控制器、采集卡连接，恒流源、控制器、采集卡均与计算机连接；磁场产生装置分别与控制器、采集卡连接。样品装夹器用于夹持样品。信号转换器将恒流源传来的电流数据传递给样品，将从样品那传来的电压数据传递给采集卡。恒流源接收计算机命令输出恒定电流至信号切换器，通过信号切换选择把信号加载至样品的4根信号线的任意一个引脚上。控制器接收计算机的命令，控制电机运动（水平电机、旋转电机）来实现磁场的极性反转，控制led信号灯指示设备运行状态，控制信号切换器选择信号引脚分布。采集卡通过信号切换器获取样品上的信号电压，同时获取磁场产生装置的磁感应强度和极性、样品的温度，样品的位置信号、磁场产生装置的滑块的位置信息，将上述数据传递给计算机。计算机通过通用串口总线连接控制器、恒流源（吉时利6220），采集卡(安捷伦34970a），用于接收采集卡传来的数据、控制控制器和恒流源工作、计算出霍尔参数。

参见图3，样品装夹器包括弹簧针10、陶瓷限位片9、样品底座8、PCB板7、金手指6和样品盖11。弹簧针10位于陶瓷限位片9内，与PCB板7连接；弹簧针10为弹力2N.M的圆形探头探针，能确保样品不被损坏。陶瓷限位片9为蓝宝石限位片，置于样品底座8内，用于对样品进行限位和防止弹簧针10游移。样品底座8置于PCB板7上；PCB板7与金手指6连接，金手指6与信号转换器连接。样品盖11采用高密度的纯钨制成，其与样品底座8铰接。为了改变样品温度，样品底座8上设有加热装置。为了测试样品温度，在样品底座8上设有温度传感器。为了测试样品位置，在样品底座8上设有位移传感器。所述加热装置、温度传感器、位移传感器与采集卡连接。使用时，将样品置于陶瓷限位片9内，盖上样品盖11，使样品与弹簧针10紧密接触，从而将样品的数据信息传递给信号切换器。该样品装夹器用于对块状材料和薄膜材料进行测试。

参见图4，样品装夹器包括陶瓷芯片和金手指6，陶瓷芯片包括陶瓷基板12，在陶瓷基板12的正面设有4个信号电极13，在陶瓷基板12的背面设有4个金属电极14，金属电极14与信号电极13通过金线15一一对应连接，金属电极14与金手指6连接。信号电极13个为一组，分为两组，相邻两组的距离为15mm,同一组的信号电极13的距离为15mm。信号电极13的表面平整度<0.3um，信号电极13的厚度<500nm。金线15的直径为35um，陶瓷基板12的厚度为1.5mm。用户可直接把样品制作（磁控溅射、化学气象沉积、旋涂等）在陶瓷芯片上，既避免了装夹，也避免了信号不稳定，能够快速准确的测量电运输参数。使用时，将薄膜样品置于4个信号电极13上即可进行测试，使用非常方便，解决了现有霍尔效应测试系统无法对薄膜材料进行霍尔效应测试的问题，扩大了霍尔效应测试系统的使用范围。

参见图2，磁场产生装置包括滑台1、旋转电机3、带开口5的盒体4和盒体4内的磁场。滑台1包括滑块1-1、水平电机1-2、滑道，水平电机1-1与控制器连接，水平电机1-2带动滑块1-1在滑道内滑动。旋转电机3与盒体4、控制器连接，带动盒体4旋转，从而改变磁场极性；旋转电机3通过安装板2与滑台1的滑块1-1连接，滑块1-1带动旋转电机3、盒体4和盒体4内的磁场随运动。准确控制滑台，提高测试效率，在盒体4上设有磁场传感器，在滑块1-1上设有位移传感器，该磁场传感器、位移传感器与采集卡连接。当需要改变磁场极性时，控制器控制滑台1的水平电机1-2，水平电机1-2带动滑块1-1运动，从而带动旋转电机3、盒体4和磁场运动，使样品离开磁场；旋转电机3旋转盒体4，改变磁场极性；控制器再次控制水平电机1-2工作，使滑块1-1运动，从而使样品插入盒体4的开口5进行测试。无需使用人工变换磁场极性，使磁性极性变换准确、可靠，且因采用自动控制，提高了测试效率。

本发明中，迁移率大于100样品放置在图3的蓝宝石限位片上，把样品盖压至样品背面，然后将这个样品装夹器放入图2的磁场开孔（盒体4上的开口5）中，同时把样品装夹器上的4个引线接入信号转换器中（将金手指与信号转换器连接）；或

迁移率小于100的样品直接使用图3陶瓷芯片来测试，其可以把样品通过磁控溅射、化学气象沉积、旋涂等方式固定在陶瓷芯片上即可，然后把陶瓷芯片放入图2的磁场开孔中，同时把样品装夹器上的4个引线接入信号转换器中（将金手指与信号转换器连接）。

本发明改进了处理数据方式，利用测试电流和电压最小二乘法进行计算,由原有的静态法改为动态法,消除了系统误差，提高了测试结果的准确性。由于整个过程是由c#编制的程序控制的，所以，按照图5所示程序的执行来说明：

（1）最初是将整个系统的仪表进行初始化，分别对磁场产生装置进行复位、初始化恒流源（吉时利6620）、初始化采集卡（安捷伦34970a）；

（2）恒流源（吉时利6620）受控输出测试过程中所需的样品电流到信号转换器，采集卡（安捷伦34970a）受控于信号转换器返回的信号电压，

（3）获取采集卡（安捷伦34970a）的10组数据求其平均值存放至内存数组中，切换恒流源（吉时利6620）的电流输出，重复步骤（2），获取多组平均值数据，使之与电流采用最小二乘法拟合，使用拟合值进行计算，得出样品的霍尔参数。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种霍尔效应测试系统，其特征在于：包括样品装夹器、信号转换器、恒流源、控制器、采集卡、计算机和磁场产生装置，所述样品装夹器上固定有样品，所述样品的信号线与信号转换器连接，所述信号转换器分别与恒流源、控制器、采集卡连接，所述恒流源、控制器、采集卡均与计算机连接；所述磁场产生装置分别与控制器、采集卡连接。

2.根据权利要求1所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述样品装夹器包括弹簧针、陶瓷限位片、样品底座、PCB板、金手指和样品盖，所述弹簧针位于陶瓷限位片内，与PCB板连接；所述陶瓷限位片置于样品底座内；所述样品底座置于PCB板上；所述PCB板与金手指连接，所述金手指与信号转换器连接；所述样品盖与样品底座铰接。

3.根据权利要求1所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述样品装夹器包括陶瓷芯片和金手指，所述陶瓷芯片包括陶瓷基板，在陶瓷基板的正面设有4个信号电极，在陶瓷基板的背面设有4个金属电极，金属电极与信号电极一一对应连接，金属电极与金手指连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述磁场产生装置包括滑台、旋转电机、带开口的盒体和盒体内的磁场；所述旋转电机与盒体连接，带动盒体旋转，从而改变磁场极性；所述旋转电机与滑台的滑块连接，滑块带动旋转电机、盒体和盒体内的磁场一起运动；所述旋转电机、滑台与控制器连接。

5.根据权利要求4所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述磁场产生装置还包括磁场传感器和位移传感器，且磁场传感器和位移传感器与采集卡连接；所述磁场传感器用于采集磁场强度和极性，所述位移传感器用于采集滑台位置信息。

6.根据权利要求1-3任一项所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述样品装夹器还包括位移传感器和温度传感器，且该位移传感器和温度传感器与采集卡连接；所述位移传感器用于采集样品的位置信息，所述温度传感器用于采集样品的温度数据。

7.根据权利要求1-3任一项所述的霍尔效应测试系统，其特征在于：所述样品装夹器还包括加热装置。