CN108508273B - 一种直接测量界面接触电阻率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直接测量界面接触电阻率的装置和方法。该装置包括：探针测试平台，用于控制测试探针在待测样品表面进行电压扫描测试，包括：样品测试夹具，用于装夹所述待测样品；电动探针座，用于驱动所述测试探针运动；图像采集器，用于采集所述待测样品的表面图像；基板，用于固定所述样品测试夹具、电动探针座、及图像采集器；电阻测量单元，与所述样品测试夹具相连；控制单元，与所述探针测试平台的所述电动探针座和图像采集器相连，且与所述电阻测量单元相连。本发明高精度的直接测量界面接触电阻率。

Description

一种直接测量界面接触电阻率的装置和方法

技术领域

本发明属于电学性能测量领域，具体地，涉及一种直接测量界面接触电阻率的装置及方法。

背景技术

在电子元器件特别是半导体元器件的制造中，各种材料间的接触电阻率的大小直接影响着元器件的性能，反映器件制造的工艺水平。接触电阻及接触电阻率的测量是各种电子元器件特别是半导体元器件制造及性能表征过程中的一个重要指标，准确、方便、快速测量出接触电阻率是十分必要的。

以热电转换技术为例，作为一种利用赛贝克效应直接将热能转化为电能的能源技术，具有使用寿命长、无噪音、绿色环保等优点，多应用于航天、航空及民用工业等领域的余热回收。

热电器件作为热电转换技术中的核心部件，通常是由一系列P型、N型热电元件通过导流电极采用串并联连接构成的，其内阻包括热电材料的电阻、电极电阻、及热电材料与电极之间的接触电阻，接触电阻是影响热电器件性能的重要参数，直接反映器件制造的工艺水平。

目前高效热电元件多采用分段结构，其内阻不仅包括热电材料的电阻、电极电阻、及热电材料与电极之间的接触电阻，还包括分段热电材料之间的接触电阻，其接触电阻对热电器件输出性能的影响更为明显。

因此，接触电阻可以定量的表示为接触电阻率与接触面积的比值，准确的表征元件的界面接触电阻率，是提高工艺水平和器件性能的重要手段。

目前，四探针法测量电阻率装置主要用于半导体电阻率测量，但不适合具有多层复合结构的元件的接触电阻率的测量。专利文献1公开了一种测算Pb-SnAl层状复合材料界面电阻率的方法，但该方法是一种间接的方式，操作烦琐。对于热电元件来说，其界面通常包括热电材料、阻挡层、过渡层、焊料、及电极等多层复合的三明治结构，各层厚度从微米级到几十微米级，并且热电器件经过高温服役后界面可能会出现扩散行为，现有的测试方法及系统并不能够很好反映出这种变化。因此，为了精确表征热电元件的各界面接触电阻率，亟需开发适用于具有多层复合结构元件的高精度界面接触电阻率测量装置。

现有技术文献：

专利文献1：CN102243274 A。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高精度的直接测量界面接触电阻率的装置及方法。

一方面，本发明提供的一种直接测量界面接触电阻率的装置，包括：探针测试平台，用于控制测试探针在待测样品表面进行电压扫描测试，包括：样品测试夹具，用于装夹所述待测样品；电动探针座，用于驱动所述测试探针运动；图像采集器，用于采集所述待测样品的表面图像；基板，用于固定所述样品测试夹具、电动探针座、及图像采集器；电阻测量单元，与所述样品测试夹具相连；控制单元，与所述探针测试平台的所述电动探针座和图像采集器相连，且与所述电阻测量单元相连。

本发明采用机器视觉和运动控制实现测试探针在待测样品表面精确定位与自动测量，相对现有的四探针测试装置用图像采集器代替人眼工作，定位准，精度高，可重复性好，操作简单，不刮伤样品，且样品尺寸不受限制。本发明尤其能够适用于具有多层复合结构的元件界面接触电阻率测量。

又，本发明中，所述样品测试夹具包括绝缘垫板、第一电极垫块、第一电极、第二电极垫块、第二电极座、及第二电极，所述绝缘垫板位于所述探针测试平台的基板上，所述第一电极和第二电极座分别通过所述第一电极垫块和第二电极垫块固定在所述绝缘垫板上，所述第二电极能伸缩地位于所述第二电极座内，所述第一电极与所述第二电极之间设有一定的间距，所述待测样品安装在所述第一电极与所述第二电极之间。

较佳地，所述第一电极、第二电极为高电导率金属材料，优选铜。

较佳地，所述绝缘垫板为电绝缘，优选电木、陶瓷材料等。

采用以上发明，第一电极和第二电极与样品之间为面接触，调节第一电极与第二电极之间的距离可测量不同规格样品。

较佳地，本发明中，所述直接测量界面接触电阻率的装置还包括用于调节所述待测样品的松紧的调节机构。优选地，所述调节机构包括与所述第二电极相连的弹簧和通过所述弹簧推动所述第二电极对所述待测样品进行松紧调节的调节旋钮。

较佳地，所述直接测量界面接触电阻率的装置还包括使所述第二电极沿着所述第二电极座伸缩调节的导向销。

又，本发明中，所述电动探针座包括探针座垫块、X轴电动滑台、Y轴电动滑台、 Z轴电动滑台、探针支架、及测试探针，所述X轴电动滑台通过所述探针座垫块固定在所述探针测试平台的基板上，所述X轴电动滑台、Y轴电动滑台、及Z轴电动滑台组成空间三维坐标系，所述测试探针通过所述探针支架与所述Z轴电动滑台相连。

较佳地，所述探针支架为电绝缘材料，优选有机玻璃或陶瓷等。

较佳地，所述X轴电动滑台、Y轴电动滑台、及Z轴电动滑台移动分辨率至少为1μm，采用以上发明可提高扫描测试定位精度。

较佳地，所述测试探针优选表面镀金或镀镍弹簧测试针，采用以上发明，可确保测试探针与样品表面接触时压力大小相同，弹性接触可避免样品表面被测试探针刮伤，同时提高探针使用寿命。

又，本发明中，所述图像采集器包括图像采集卡、相机、及光源，所述图像采集卡与所述相机相连，所述相机位于所述待测样品的正上方，通过相机支架固定在所述探针测试平台的基板上，所述光源通过光源支架固定在所述探测试平台的基板上，所述光源照向所述待测样品。

较佳地，所述光源为点光源。

采用以上发明，采用相机采集样品表面图像，并进行图像处理，有效地实现机器视觉定位，相对现有的装置采用显微镜观察，操作更简单，且定位精度高。

又，本发明中，所述电阻测量单元包括可程控电流源和可程控电压表，所述可程控电流源和所述可程控电压表之间采用通用接口总线相连。

又，本发明中，所述控制单元包括内置测量程序的上位机、及运动控制器，所述上位机与所述运动控制器相连，所述运动控制器与所述探针测试平台的电动探针座相连，所述上位机与所述探针测试平台的图像采集器相连，所述上位机与所述电阻测量单元相连。

又，本发明中，所述可程控电流源的正极、可程控电压表的正极与所述样品测试夹具的第一电极相连，所述可程控电流源的负极与所述样品测试夹具的第二电极相连，所述可程控电压表的负极与所述测试探针相连。即、电阻测量单元，采用四线连接形式与所述样品测试夹具相连。

另一方面，本发明还提供一种采用上述直接测量界面接触电阻率的装置进行测量的方法，包括：

步骤1：制备待测样品，并将所述待测样品安装到样品测试夹具上，使待测表面朝上水平放置；

步骤2：采集所述待测样品的表面图像并进行图像处理，在图像上设置扫描路径和扫描步长，然后生成测试探针目标位置；

步骤3：开始扫描测量，测试探针每走一步执行一次电阻测量程序，绘制测试探针扫描路径和电阻值关系图，从图中直接获得界面接触电阻值，然后根据所述待测样品的几何参数，计算得到界面接触电阻率。

此外，重复执行上述步骤2和步骤3可测量样品上不同位置的界面接触电阻率。

综上所述，上述结构能发挥以下有益效果：

本发明采用机器视觉和专用的样品测试夹具，实现测试探针在样品表面精确定位与扫描测试，相对现有的四探针电阻率测试装置更适合多层复合结构元件接触电阻率测量。进一步地，采用相机代替人眼，定位精度高，操作简单，同时采用弹簧测试探针可确保相同的测试压力，不会刮伤样品表面。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的一实施形态的一种直接测量界面接触电阻率的装置的组成示意图；

图2是图1所示装置中的探针测试平台的结构示意图；

图3是图2所示探针测试平台中的样品测试夹具沿对称面的剖面结构图；

图4是图2所示探针测试平台中的电动探针座的结构示意图；

图5是图3所示样品测试夹具与电阻测量单元的电连接示意图；

图6是本发明实施例1中热电元件在室温下扫描路径与电阻值关系曲线图；

附图标记：

1 探针测试平台

2 电阻测量单元

3 控制单元

11 样品测试夹具

12 电动探针座

13 图像采集器

14 基板

21 可程控电流源

22 可程控电压表

111 绝缘垫板

112 第一电极垫块

113 第二电极垫块

114 第一电极

115 第二电极座

116 第二电极

117 压缩弹簧

118 调节旋钮

119 导向销

120 待测样品

121 探针座垫块

122 X轴电动滑台

123 Y轴电动滑台

124 Z轴电动滑台

125 探针支架

126 测试探针。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明本发明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

针对现有技术中精确表征热电元件的各界面接触电阻率的缺陷，本发明提供了一种直接测量界面接触电阻率的装置，包括：探针测试平台，用于控制测试探针在待测样品表面进行电压扫描测试，包括：样品测试夹具，用于装夹所述待测样品；电动探针座，用于驱动所述测试探针运动；图像采集器，用于采集所述待测样品的表面图像；基板，用于固定所述样品测试夹具、电动探针座、及图像采集器；电阻测量单元，采用四线连接形式与所述样品测试夹具相连；控制单元，与所述探针测试平台的所述电动探针座和图像采集器相连，且与所述电阻测量单元相连。

采用本发明的装置，将待测样品安装在样品测试夹具上，采集样品表面图像，在图像上设置扫描路径和扫描步长，执行电阻测量并绘制扫描路径与电阻值的关系曲线图，直接从图中获得界面接触电阻，根据样品几何参数计算界面接触电阻率。本发明更适合具有多层复合结构的元件界面接触电阻率测量，采用机器视觉技术，相对现有的四探针电阻率测试装置定位准，精度高，可重复性好，操作简单，不刮伤样品，且样品尺寸不受限制。

具体地，图1是根据本发明的一实施形态的一种直接测量界面接触电阻率的装置的组成示意图，图2是图1所示装置中的探针测试平台的结构示意图。

如图1 所示，本实施形态的直接测量界面接触电阻率的装置包括探针测试平台1、电阻测量单元2、及控制单元3。

其中，探针测试平台1用于控制测试探针在待测样品表面进行电压扫描测试。具体，如图2所示，该探针测试平台1包括：用于装夹待测样品的样品测试夹具11；用于驱动测试探针做精确运动的高精度的电动探针座12；用于采集待测样品上表面图像的图像采集器13；以及用于固定所述样品测试夹具11、高精度的电动探针座12、和图像采集器13的基板14。

另外，上述电阻测量单元2采用四线连接方式与样品测试夹具11相连，控制单元3与探针测试平台1的电动探针座12、图像采集器13相连，且与电阻测量单元2相连。

进一步地，图3是图2所示探针测试平台1中的样品测试夹具11沿对称面的剖面结构图。如图3所示，该样品测试夹具11可包括绝缘垫板111、第一电极垫块112、第一电极114、第二电极垫块113、第二电极座115、第二电极116。具体地，所述第一电极114、第二电极116为高电导率金属材料，优选铜、镍等。所述绝缘垫板111为电绝缘，优选电木、陶瓷材料等。

绝缘垫板111位于前述探针测试平台1的基板14上，第一电极114和第二电极座115分别通过第一电极垫块112、第二电极垫块113固定在绝缘垫板111上。第二电极116可伸缩地位于第二电极座115内，例如，可通过导向销119使第二电极116可沿着第二电极座115伸缩调节。具体地，如图3所示，导向销例如可以是具有外螺纹的紧定螺钉，拧紧固定在第二电极座上，第二电极上可设有导向槽，导向销与导向槽配合使第二电极能够做直线运动。第一电极114与第二电极116之间设有一定的间距，待测样品120安装在第一电极114与第二电极116之间。

此外，还可包括用于调节待测样品120的松紧的调节机构。在本实施形态中，该调节机构可包括与第二电极116相连的弹簧117和用于推动弹簧117的调节旋钮118。调节旋钮118可通过弹簧117推动第二电极116实现对待测样品120的松紧调节。

采用上述结构，第一电极和第二电极与样品之间为面接触，且调节第一电极与第二电极之间的距离可测量不同规格的样品。

进一步地，图4是图2所示探针测试平台1中的电动探针座12的结构示意图。如图4所示，该高精度的电动探针座12包括探针座垫块121、X轴电动滑台122、Y轴电动滑台123、Z轴电动滑台124、探针支架125、及测试探针126。X轴电动滑台122通过探针座垫块121固定在探针测试平台1的基板14上， X轴电动滑台122、Y轴电动滑台123、及Z轴电动滑台124组成空间三维坐标系，测试探针126通过探针支架125与Z轴电动滑台124相连。

具体地，所述探针支架125可为电绝缘材料，优选有机玻璃或陶瓷等。所述测试探针126为镀金或镀镍测试针。

优选地，所述X轴电动滑台122、Y轴电动滑台123、及Z轴电动滑台124移动分辨率至少为1μm，采用本发明可提高扫描测试定位精度。

优选地，所述测试探针126为弹簧测试针，采用本发明，可确保探针与样品表面接触时压力大小相同，弹性接触可避免样品表面被测试探针刮伤，同时提高探针使用寿命。

进一步地，图像采集器13可包括图像采集卡、相机（例如工业相机）、及光源，所述图像采集卡与所述工业相机相连，所述工业相机位于所述待测样品的正上方，通过相机支架固定在所述探针测试平台的基板上，所述光源通过光源支架固定在所述探针测试平台1的基板14上，所述光源灯光照向所述待测样品。优选地，所述光源为点光源。

采用以上结构，可通过工业相机采集样品表面图像，并进行图像处理，有效地实现机器视觉定位，相对现有的装置采用显微镜观察，操作更简单，且定位精度高。

进一步地，图5是图3所示样品测试夹具与电阻测量单元的电连接示意图。如图5所示，电阻测量单元2包括可程控电流源21和可程控电压表22，可程控电流源21和可程控电压表22之间采用通用接口总线相连。

进一步地，如图5所示，所述可程控电流源21的正极、可程控电压表22的正极与所述样品测试夹具11的第一电极114相连，所述可程控电流源21的负极与所述样品测试夹具11的第二电极116相连，所述可程控电压表22的负极与所述高精度电动探针座的测试探针相连。

进一步地，所述控制单元3可包括内置测量程序的上位机、及运动控制器，所述上位机与所述运动控制器相连，所述运动控制器与所述探针测试平台的高精度电动探针座相连，所述上位机与所述探针测试平台的图像采集单元（在本实施形态中具体为图像采集卡）相连，所述上位机与所述电阻测量单元相连。

采用本发明提供的一种直接测量界面接触电阻率的装置执行的方法的一实施形态，可按如下步骤。

步骤1：制备待测样品，例如可以是长方体形样品。具体地，可将样品两端面及待测表面磨平，用卡尺测量样品横截面实际尺寸。随后可用例如镊子等将样品安装到样品测试夹具上，使待测表面朝上水平放置。具体地，在上述实施形态中，可将待测样品位于第一电极与第二电极之间，然后夹紧样品。

步骤2：采集样品表面图像并进行图像处理，在图像上设置扫描路径和扫描步长，然后生成探针目标位置。

步骤3：开始扫描测量，测试探针每走一步执行一次电阻测量程序，绘制测试探针扫描路径和电阻值关系图，从图中直接获得界面接触电阻值，然后根据样品的几何参数，计算得到界面接触电阻率。并且，重复执行步骤2和步骤3可测量样品上不同位置的界面接触电阻率。

实施例1

以下结合实施例和附图对本发明的一种直接测量界面接触电阻率的装置测量一P型CoSb₃基方钴矿热电元件界面接触电阻率。

步骤1：制备包括热电材料CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂、阻挡层Ti₈₈Al₁₂、及电极Ni的CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂/Ti₈₈Al₁₂/Ni块体，厚度为8mm，切割获得横截面积为3×3mm²的热电元件，两端面及上表面磨平，用卡尺测量实际横截面尺寸为3.02mm和2.98mm，使用镊子将热电元件安装到样品测试夹具上，位于第一电极与所述第二电极之间，使待测表面朝上水平放置，然后夹紧热电元件。

步骤2：采集热电元件表面图像并进行图像处理，在图像上设置扫描路，并设置扫描步长为5μm，然后生成探针目标位置；

步骤3：开始扫描测量，测试探针每走一步执行一次电阻测量程序，绘制测试探针扫描路径和电阻值关系图。

图6是本发明实施例1中热电元件在室温下扫描路径与电阻值关系曲线图。如图6所示，从图中直接获得界面接触电阻值为0.062mΩ，然后根据热电元件的几何参数，计算热电元件的界面电阻率为5.57μΩ.cm²。

以上结合附图详细描述了本发明的实施方式，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。另外说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种直接测量界面接触电阻率的装置，其特征在于，包括：

探针测试平台，用于控制测试探针在待测样品表面进行电压扫描测试，包括：样品测试夹具，用于装夹所述待测样品；电动探针座，用于驱动所述测试探针运动；图像采集器，用于采集所述待测样品的表面图像；基板，用于固定所述样品测试夹具、电动探针座、及图像采集器；

包括可程控电流源和电压表的电阻测量单元，与所述样品测试夹具相连；

控制单元，与所述探针测试平台的所述电动探针座和图像采集器相连，且与所述电阻测量单元相连；

所述图像采集器包括图像采集卡、相机、及光源，所述图像采集卡与所述相机相连，所述相机位于所述待测样品的正上方，通过相机支架固定在所述探针测试平台的基板上，所述光源通过光源支架固定在所述探针测试平台的基板上，所述光源照向所述待测样品；

所述待测样品具有多层复合结构，所述待测样品安装到所述样品测试夹具上时，所述待测样品待测表面朝上，从而通过所述相机采集样品表面图像并在图像上设置扫描路径以生成探针目标位置；

所述样品测试夹具包括绝缘垫板、第一电极垫块、第一电极、第二电极垫块、第二电极座、及第二电极，所述绝缘垫板位于所述探针测试平台的基板上，所述第一电极和第二电极座分别通过所述第一电极垫块和第二电极垫块固定在所述绝缘垫板上，所述第二电极能伸缩地位于所述第二电极座内，所述第一电极与所述第二电极之间设有一定的间距，所述待测样品安装在所述第一电极与所述第二电极之间；

还包括用于调节所述待测样品的松紧的调节机构，所述调节机构包括与所述第二电极相连的弹簧和通过所述弹簧推动所述第二电极对所述待测样品进行松紧调节的调节旋钮；

所述测试探针为弹簧测试针。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括使所述第二电极沿着所述第二电极座伸缩调节的导向销。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电动探针座包括探针座垫块、X轴电动滑台、Y轴电动滑台、Z轴电动滑台、探针支架、及测试探针，所述X轴电动滑台通过所述探针座垫块固定在所述探针测试平台的基板，所述X轴电动滑台、Y轴电动滑台、及Z轴电动滑台组成空间三维坐标系，所述测试探针通过所述探针支架与所述Z轴电动滑台相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可程控电流源和所述可程控电压表之间采用通用接口总线相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括内置测量程序的上位机、及运动控制器，所述上位机与所述运动控制器相连，所述运动控制器与所述探针测试平台的电动探针座相连，所述上位机与所述探针测试平台的图像采集器相连，且所述上位机与所述电阻测量单元相连。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述可程控电流源的正极、可程控电压表的正极与所述样品测试夹具的第一电极相连，所述可程控电流源的负极与所述样品测试夹具的第二电极相连，所述可程控电压表的负极与所述测试探针相连。

7.一种采用根据权利要求1至6中任一项所述的直接测量热电元件界面接触电阻率的装置进行测量的方法，其特征在于，包括：

步骤1：制备待测样品，并将所述待测样品安装到样品测试夹具上，使待测表面朝上水平放置；

步骤2：采集所述待测样品的表面图像并进行图像处理，在图像上设置扫描路径和扫描步长，然后生成测试探针目标位置；

步骤3：开始扫描测量，测试探针每走一步执行一次电阻测量程序，绘制测试探针扫描路径和电阻值关系图，从图中直接获得界面接触电阻值，然后根据所述待测样品的几何参数，计算得到界面接触电阻率。

Images