CN113030583A - 精确电阻率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精确电阻率测量装置，包括样品固定装置、测量线路转换装置和数据采集系统；样品固定装置包括磁力吸盘、样品台、探针台、样品和探针，样品台与探针台均置于磁力吸盘上，样品置于样品台上，四个探针台分布于样品台四周，每一探针台上固定安装一根弹簧探针，通过各探针内部的弹簧结构实现探针与样品的点接触；测量线路转换装置包括插板和接线柱，可实现测量线路的快速转换；数据采集系统包括直流恒流源、高精度电压表和计算机操作系统，电表与计算机系统连接以实现数据的自动采集与存储。本发明用磁力吸盘实现样品位置的固定，利用探针减小与样品接触面，提高了检测的准确性；借助弹簧探针的可伸缩性可用于测量不同尺寸样品的电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及材料电性能测试技术领域，具体涉及一种快速准确测量金属和半导体材料电阻率的装置及方法。
背景技术
电阻率是用来表示物质电阻特性的物理量，直接反映了对于电流的阻碍属性，电阻率小，导电性能比较优异，其大小不仅与物质种类有关，而且与温度息息相关，压力对其也有着一定的影响作用；电阻率还可用于计算电导率、热导率以及热电材料的功率因数等。
目前，用于检测电阻率的方法多以vander Pauw(范德堡)为基本原理，范德堡四线法可以精确测量任意形状样品的电阻率，仅要求样品上下表面平行，内部没有裂纹或者孔洞。此外，该方法要求电极触点位置需在样品边缘，且触点面积应远远小于样品面积，否则会产生较大的测量误差，严重降低实验的准确性。现有的范德堡四线法多采用将电极(钛箔、铜箔等)直接焊接在样品边缘，当样品尺寸较小时会导致电极与样品的相对接触面积过大，严重影响实验测量的准确性。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种精确电阻率测量装置及方法，它在完成数据检测的同时尽量提高检测精度，最大限度的简化操作流程，提高检测效率。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种精确电阻率测量装置，包括样品固定装置、测量线路转换装置和数据采集系统；
所述样品固定装置包括磁力吸盘、样品台、探针台、样品和探针，所述样品台与探针台均置于磁力吸盘上，所述样品置于所述样品台上，所述探针台有四个，分布于所述样品台四周，每一探针台上固定安装一根所述探针，探针采用弹簧探针，通过各探针内部弹簧结构实现所述探针与所述样品的点接触；所述磁力吸盘通过调节磁力大小用于固定所述样品台与探针台的位置；
所述测量线路转换装置包括插板和接线柱，所述插板置于试验台，所述接线柱分布于插板上，接线柱与探针一一对应设置，且探针与接线柱之间通过导线进行连接；
所述数据采集系统包括直流恒流源、高精度电压表和计算机操作系统，所述直流恒流源通过导线与接线柱连接，为所述样品提供恒定电流，所述高精度电压表通过导线与接线柱连接，用于采集所述样品电压；所述直流恒流源、高精度电压表分别与所述计算机操作系统连接，实现数据的采集与存储。
上述方案中，所述磁力吸盘、样品台和探针台表面均做电气绝缘处理。
上述方案中，四个探针台沿样品台四周均匀分布。
上述方案中，所述磁力吸盘的上表面设有纵横交错的加深磁力槽，所述样品台置于加深磁力槽的交汇点位置。
上述方案中，所述样品台和探针台为尺寸一致的纯铁块，以保证四个探针与样品接触位置处于同一水平高度。
上述方案中，所述探针包括针杆、套管和弹簧，所述针杆后端插于套管内，针杆前端为针尖式结构，所述弹簧置于套管内，弹簧一端与针杆后端连接、另一端与套管内壁连接；所述针杆与弹簧表面镀金层在防止其氧化的同时提高导电性能。
上述方案中，所述探针通过电绝缘胶水固定在探针台中间。
上述方案中，所述接线柱的数量为四个，四个接线柱与探针一一对应连接的同时还用于与所述直流恒流源及高精度电压表连接。
上述方案中，所述接线柱的数量为八个，其中四个接线柱设于所述插板中间，与四个探针一一对应连接，另外四个接线柱分别设于中间四个接线柱的外侧并与中间对应的接线柱连通，外侧接线柱用于连接所述直流恒流源及高精度电压表。
相应的，本发明还提出一种电阻率测量方法，采用上述精确电阻率测量装置进行，包括以下步骤：
第一步，样品固定装置预处理，首先采用绝缘胶带将磁力吸盘、样品台、探针台表面进行电气绝缘，其次使用电绝缘胶水将探针分别固定于探针台中间；
第二步，测量线路转换装置预处理，包括探针尾部连线、插板连线、以及直流恒流源、高精度电压表连线，首先，将导线焊接在探针尾部并按顺序编号为1-4；其次，将插板中间四个接线柱按顺序编号为1-4，并将探针尾部的导线按照对应编号固定于接线柱；接下来将直流恒流源、高精度电压表与计算机操作系统连接；最后，准备好直流恒流源以及高精度电压表的输入输出线并分别记作I+、I-、U+、U-待用；
第三步，数据采集与处理装置启动，提前在计算机操作系统安装可用于采集高精度电压表数据的软件，正式使用前对直流恒流源预运行以保证稳定的电流输出；
第四步，样品固定，首先固定样品台，并将探针台布置于样品台四周；接下来，将样品置于样品台中间，并移动各探针台使探针与样品接触，在此过程可以施加部分磁力，以防止探针弹力导致的位移；最后，调整磁力吸盘磁力，使各部分位置固定；
第五步，检测过程，根据vander Pauw四线法原理，检测两个相对位置电阻值，用于电阻率计算。
本发明的有益效果在于：
本发明巧用磁力吸盘实现样品位置的固定，利用探针减小与样品接触面积并控制接触位置，提高了检测的准确性；借助探针的可伸缩性使得该装置可以适用于不同直径的样品，借助弹簧弹力确保探针时刻与样品接触，降低实验失误率；通过插板和香蕉插头装置可实现接线方式的快速转换，节约了检测时间。总而言之，该装置具有广泛的应用性，不仅提高了检测效率而且提高了检测速度。
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是本发明精确电阻率测量装置的整体结构图；
图2是图1所示精确电阻率测量装置的样品固定装置的结构图；
图3是图2所示样品固定装置的样品台与探针台的结构图；
图4是图2所示样品固定装置的探针的结构图；
图5是图1所示精确电阻率测量装置的测量线路转换装置的结构图；
图6-7是范德堡四线法原理示意图。
图中：10、样品固定装置；11、磁力吸盘；111、加深磁力槽；112、六角螺孔；12、样品台；13、探针台；14、样品；15、探针；151、针杆；152、套管；153、弹簧；20、测量线路转换装置；21、插板；22、接线柱；30、数据采集系统；31、直流恒流源；32、高精度电压表；33、计算机操作系统；40、导线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种精确电阻率测量装置，包括样品固定装置10、测量线路转换装置20和数据采集系统30。
如图2-3所示，样品固定装置10放置于实验台，其包括磁力吸盘11、样品台12、探针台13、样品14和探针15。样品台12与探针台13均置于磁力吸盘11的上表面，其中，样品台12置于磁力吸盘11的中间位置，样品14置于样品台12上；探针台13有四个，四个探针台13呈十字形分布于样品台12四周，每一探针台13上固定安装一根弹簧探针15，各探针15通过内部弹簧结构实现与样品14的点接触。磁力吸盘11通过调节磁力大小以固定样品台12与探针台13的位置。
如图5所示，测量线路转换装置20包括插板21和接线柱22，插板21置于试验台，接线柱22分布于插板21上，接线柱22与探针15一一对应设置，且探针15与接线柱22之间通过导线40进行连接，通过探针15和导线40实现样品14与接线柱22的连接。
数据采集系统30包括直流恒流源31、高精度电压表32和计算机操作系统33。直流恒流源31置于试验台上，通过导线40与接线柱22连接，为样品14提供恒定电流。高精度电压表32置于试验台上，通过导线40与接线柱22连接，用于采集样品14电压，精确到10-6V。直流恒流源31、高精度电压表32分别与计算机操作系统33连接，计算机操作系统33用于处理高精度电压表32所采集的数据。
进一步优化，本实施例中，磁力吸盘11、样品台12和探针台13表面均做电气绝缘。
进一步优化，本实施例中，磁力吸盘11内置高性能稀土内核，是由稀土金属经磁场充磁后获得的永磁材料，磁力吸盘11正面设有六角螺孔112，是调节磁力大小的开关，通过六角扳手与六角螺孔112配合使用来控制样品台12与探针台13的吸持与释放。磁力吸盘11的上表面设有纵横交错的加深磁力槽111，可以提供比磁力吸盘11表面其他位置更强一点的磁力，样品台12置于纵横加深磁力槽的交汇点位置。
进一步优化，本实施例中，样品台12和探针台13为尺寸一致的纯铁块，以保证四个探针15与样品14接触位置处于同一水平高度，并通过调整磁力吸盘11磁力大小，控制探针15与样品14的相对位置。
进一步优化，本实施例中，探针15为可伸缩式点接触探针，如图4所示，其包括针杆151、套管152和弹簧153，针杆151后端插于套管152内，针杆151前端为针尖式结构以减小探针15与样品14接触面积，提高检测准确性，弹簧153置于套管152内，弹簧153一端与针杆151后端连接、另一端与套管152内壁连接，用于调节探针15总长度。可伸缩式点接触探针一方面可以扩大本发明装置对于样品尺寸的适用范围，另一方面通过压缩弹簧提供接触力确保探针和样品时刻接触，采用点接触式探针针尖极大程度上降低了与样品的接触面积，对于提高检测精度有着重要意义。
进一步优化，本实施例中，针杆151与弹簧153表面均为镀金层在防止其氧化的同时提高导电性能。
进一步优化，本实施例中，探针15通过高绝缘胶水固定在探针台13中间。
进一步优化，本实施例中，测量线路转换装置20还包括与接线柱22配合的香蕉插头，用于连接直流恒流源31和高精度电压表32，并方便其接线位置的互换，以快速达到范德堡四线法对于测量样品两个不同电阻的要求。
进一步优化，本实施例中，将探针及探针台按照时针顺序编为1-4号，同样将插板中间四个接线柱按照时针顺序编为1-4号，并将对应编号的探针与接线柱用导线连接，将直流恒流源输入、输出端分别记为I+、I-，相应的将高精度电压表32输入、输出端分别记为U+、U-，首次测量I12、U43，之后将直流恒流源31以及高精度电压表32的四个接线柱逆时针旋转并记录I23、U14，通过欧姆定律计算两次电阻值，并经公式(1)计算该样品电阻率。
式中，d为样品厚度，R1＝U43/I12，R2＝U14/I23，ρ为样品电阻率，当d、R1、R2已知时，可通过数值求解方法计算电阻率。
需要说明的是，为避免来回拔插导致连接探针的导线脱落，在其他实施例中，可以在1-4号接线柱的外侧分别增设1’-4’号接线柱，中间的1-4号接线柱分别对应连接四根探针，外侧的1’-4’号接线柱用于连接直流恒流源31及高精度电压表32。1号接线柱与1’号接线柱连通，2号接线柱与2’号接线柱连通，3号接线柱与3’号接线柱连通，4号接线柱与4’号接线柱连通。
相应的，本发明还提出采用上述精确电阻率测量装置的电阻率测量方法，包括以下步骤：
第一步，样品固定装置10预处理，首先，考虑到磁力吸盘11、样品台12、探针台13均为导体，为避免其对测量准确度的影响，采用绝缘胶带将其做电气绝缘。其次，使用高绝缘胶水将探针15分别固定于探针台13中间。
第二步，测量线路转换装置20预处理，包括探针15尾部连线、插板21连线、以及直流恒流源31、高精度电压表32连线。首先，将导线40焊接在探针15尾部并按照顺时针顺序编号为1-4。其次，将插板21中间四个接线柱22按照逆时针方向编号为1-4，并将探针15尾部的导线40按照对应编号固定于接线柱22。接下来将直流恒流源31、高精度电压表32与计算机操作系统33连接。最后，准备好直流恒流源31以及高精度电压表32的输入输出线并分别记作I+、I-、U+、U-待用。
第三步，数据采集与处理装置启动，提前在计算机操作系统33安装可用于采集高精度电压表数据的软件，正式使用前需对直流恒流源31预运行以保证稳定的电流输出。
第四步，样品14固定，首先，将样品台12沿表面加深磁力槽放置于磁力线交汇位置，并将探针台13沿表面加深磁力槽布置于样品台12四周。接下来，将样品14置于样品台12中间，并移动各探针台13使探针15与样品14接触，在此过程可以施加部分磁力，以防止探针15弹力导致的位移。最后，调整磁力吸盘11磁力，使各部分位置固定。
第五步，检测过程，根据vander Pauw四线法原理，需检测两个相对位置电阻值，用于电阻率计算。因此，检测过程需调整接线方式，第一次接线方式I+--1、I---2、U---3、U+--4，测量I12、U43，如图6所示；一组数据检测完成后，按照逆时针方向移动I+、I-、U+、U-四根输出线香蕉头相对位置，即I+--2、I---3、U---4、U+--1，如图7所示，为方便之后计算，保持此过程直流恒流源31输出电流恒定，可获得I23、U14，运用欧姆定律计算出R1＝U43/I12、R2＝U14/I23。
第六步，对所获得数据处理，并根据公式(1)计算对应电阻率。
第七步，完成检测过程，关闭仪器，断开香蕉插头接线，整理归位。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种精确电阻率测量装置，其特征在于，包括样品固定装置、测量线路转换装置和数据采集系统；
所述样品固定装置包括磁力吸盘、样品台、探针台、样品和探针，所述样品台与探针台均置于磁力吸盘上，所述样品置于所述样品台上，所述探针台有四个，分布于所述样品台四周，每一探针台上固定安装一根所述探针，探针采用弹簧探针，通过各探针内部弹簧结构实现所述探针与所述样品的点接触；所述磁力吸盘通过调节磁力大小用于固定所述样品台与探针台的位置；
所述测量线路转换装置包括插板和接线柱，所述插板置于试验台，所述接线柱分布于插板上，接线柱与探针一一对应设置，且探针与接线柱之间通过导线进行连接；
所述数据采集系统包括直流恒流源、高精度电压表和计算机操作系统，所述直流恒流源通过导线与接线柱连接，为所述样品提供恒定电流，所述高精度电压表通过导线与接线柱连接，用于采集所述样品电压；所述直流恒流源、高精度电压表分别与所述计算机操作系统连接，实现数据的采集与存储。
2.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述磁力吸盘、样品台和探针台表面均做电气绝缘处理。
3.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，四个探针台沿样品台四周均匀分布。
4.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述磁力吸盘的上表面设有纵横交错的加深磁力槽，所述样品台置于加深磁力槽的交汇点位置。
5.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述样品台和探针台为尺寸一致的纯铁块，以保证四个探针与样品接触位置处于同一水平高度。
6.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述探针包括针杆、套管和弹簧，所述针杆后端插于套管内，针杆前端为针尖式结构，所述弹簧置于套管内，弹簧一端与针杆后端连接、另一端与套管内壁连接；所述针杆与弹簧表面镀金层在防止其氧化的同时提高导电性能。
7.根据权利要求6所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述探针通过电绝缘胶水固定在探针台中间。
8.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述接线柱的数量为四个，四个接线柱与探针一一对应连接的同时还用于与所述直流恒流源及高精度电压表连接。
9.根据权利要求1所述的精确电阻率测量装置，其特征在于，所述接线柱的数量为八个，其中四个接线柱设于所述插板中间，与四个探针一一对应连接，另外四个接线柱分别设于中间四个接线柱的外侧并与中间对应的接线柱连通，外侧接线柱用于连接所述直流恒流源及高精度电压表。
10.一种电阻率测量方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的精确电阻率测量装置进行，包括以下步骤：
第一步，样品固定装置预处理，首先将磁力吸盘、样品台、探针台表面进行电气绝缘处理，其次使用电绝缘胶水将探针分别固定于探针台中间；
第二步，测量线路转换装置预处理，包括探针尾部连线、插板连线、以及直流恒流源、高精度电压表连线，首先，将导线焊接在探针尾部并按顺序编号为1-4；其次，将插板中间四个接线柱按顺序编号为1-4，并将探针尾部的导线按照对应编号固定于接线柱；接下来将直流恒流源、高精度电压表与计算机操作系统连接；最后，准备好直流恒流源以及高精度电压表的输入输出线并分别记作I+、I-、U+、U-待用；
第三步，数据采集与处理装置启动，提前在计算机操作系统安装可用于采集高精度电压表数据的软件，正式使用前对直流恒流源预运行以保证稳定的电流输出；
第四步，样品固定，首先固定样品台，并将探针台布置于样品台四周；接下来，将样品置于样品台中间，并移动各探针台使探针与样品接触，在此过程可以施加部分磁力，以防止探针弹力导致的位移；最后，调整磁力吸盘磁力，使各部分位置固定；
第五步，检测过程，根据vander Pauw四线法原理，检测两个相对位置电阻值，用于电阻率计算。
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2021
- 2021-03-24 CN CN202110312561.5A patent/CN113030583A/zh active Pending
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