CN114325053A - 一种四探针电阻率及方阻测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四探针电阻率及方阻测试仪，包括电源模块、单片机模块、USB通讯模块、恒流源模块、人机交互模块、四探针探头、电流显示、电压显示。人机交互模块通过USB通讯模块与单片机模块进行通讯连接，再控制恒流源为四探针探头选择合适探测电流；四探针探头按压于待测材料表面，根据电流显示、电压显示得到的数据计算待测材料的电阻率和方阻。本发明根据检测材料的情况，自动快速选择合适的电流，并计算材料电阻率、方阻，无需人工介入，与工业生产线智能结合，提高了材料的检查率和生产效率。本发明采用固定间隔触发信号控制，在固定的周期内自动完成由正向反向流通的切换，进行2次测量，可进一步提高材料的检测精度。

Description

一种四探针电阻率及方阻测试仪

技术领域

本发明涉及半导体材料电阻率、导电薄膜材料方阻测量技术领域，具体涉及一种四探针电阻率及方阻测试仪。

背景技术

在半导体材料单晶硅、多晶硅、锗单晶，导电薄膜的生产过程中，这些材料的电阻率或者方阻都是一项极其重要的参数，相关制造厂商或者需求单位都需要这些参数结果来评估这些材料的质量，这些基础材料的质量直接影响到整个下游生产链中产品的性能。目前国内这种测量设备主要是手动形式的，即依靠等待检测探头按压于材料表面后，需要在测试设备上手动选择合适的电流后，才进行后续测量工序，无法与材料自动生产线有效结合起来，降低了相关制造厂商的生产效率或者检测的全覆盖性，因此与生产线结合起来的智能型电阻率/方阻测试仪对整个产业链极其重要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种四探针电阻率及方阻测试仪。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种四探针电阻率及方阻测试仪，包括电源模块、单片机模块、USB通讯模块、恒流源模块、人机交互模块、四探针探头、电流显示、电压显示；

所述单片机模块通过USB通讯模块与人机交互模块进行通讯连接；所述单片机模块通过与恒流源模块的电流选择档位相连接，所述恒流源模块与四探针探头连接；

所述四探针探头设置于仪器外部，以按压式接触于待测材料的表面；

所述电流显示、电压显示用于显示四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值，并发送至单片机模块；

所述人机交互模块用于根据相关参数自动通过单片机模块为四探针探头选择合适的探测电流，并根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的电阻率或方阻；

所述电源模块分别与单片机模块、恒流源模块、USB通讯模块相连，用于提供工作电源。

作为优选的技术方案，所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流导通方向切换，具体为：单片机模块采用固定间隔触发信号控制，在固定的周期内完成由正向流通变成反向流通的2次切换，进行2次测量。

作为优选的技术方案，所述恒流源模块通过含有屏蔽线的线缆与四探针探头相连接。

作为优选的技术方案，所述恒流源模块包括二极管V1，二极管V2，三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，7个控制端口，控制端口1与二极管V1的正端连接，控制端口2与二极管V2的负端连接，控制端口3与三极管VT1和电阻R2连接，控制端口4与电阻R3连接，控制端口5二极管V3的负端连接，控制端口6与二极管V3的正端连接，控制端口7与电阻R4连接；控制端口1和控制端口2接外接电流调节滑动电阻，控制端口3和控制端口4接供电电源，控制端口7接外接电路的地线，控制端口5和控制端口6分别与外接电路上的5个回路上的精密电阻10kΩ、1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω连接上实现电流的0.01mA档、0.1mA档、1mA档、10mA档、100mA档的区分。

作为优选的技术方案，所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流档位切换，具体为：单片机模块通过通讯协议控制的5个控制端口与恒流源模块的5个电流选择档位相连接，需要使用某个电流档位时，对应的控制端口即输出高电平信号，触发该电流档功能。

作为优选的技术方案，所述四探针探头与电流显示、电压显示形成互联关系，四探针头前部设有用于与材料的检测区域接触的直排式4根探针①②③④，①④探针用于流通电流，②③探针用于的测量接触区域电压，四探针探头与待测材料接触区域的当前电流值通过电流显示呈现，电压值通过电压显示呈现，形成一组对应关系的数据并发送至单片机模块。

作为优选的技术方案，所述人机交互模块根据相关参数自动选择合适的探测电流具体为：

在进行材料检测时，任意选择一恒流源输出档位，通过电流显示得到一组数值，数值乘以档位即得当前材料的检测电流；判断电压显示的对应数值是否在3.00～～50.00mv的范围内，如超出区间范围则判为电流档位不合适，选择其他档位进行检测，从而实现自动选择合适的探测电流。

作为优选的技术方案，所述根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的电阻率具体为：

其中，ρ为待测材料的电阻率，V为接触区域的电压值，I为接触区域的电流值，W为被测样片的厚度值，F_sp为探针间距修正系数，F(W/S)为厚度修正系数，F(S/D)为直径修正系数，F_t为温度修正系数。

作为优选的技术方案，所述根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的方阻具体为：

其中，R为待测材料的方阻，ρ为待测材料的电阻率，V为接触区域的电压值，I为接触区域的电流值，F_sp为探针间距修正系数，F(W/S)为厚度修正系数且取1，F(S/D)为直径修正系数，F_t为温度修正系数。

作为优选的技术方案，所述电源模块为单片机模块提供+5V电源，为USB模块提供+5V电源，为恒流源模块提供+12V和+85V电源，为四探针探头提供+85V测量电源。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明通过单片机模块和人机交互模块实现与材料制造商的自动生产线有效的结合，检测设备放置于生产线的固定区域，当生产线传送的制造材料到达指定检测区域，探头按压于材料表面，单片机模块和人机交互模块根据检测材料的情况，自动快速选择合适的电流，无需人工介入，然后给出材料电阻率或者方阻值，根据生产线的传送材料的速度，设定每个材料的检测时间，实现对每一个材料的检测需求，而不需要采用抽样检测法，提高了材料的检查率和生产效率。

(2)在人机交互模块中，设置半导体材料电阻率质量需求，根据需求参数直接反馈指令给自动生产线的机械手，实现不满足需求材料直接进入下一道工序。

(3)通过单片机模块采用固定间隔触发信号控制，自动实现检测电流的流通方向切换，在固定的周期内完成由正向流通变成反向流通的2次切换，通过正反向电流导通方向的切换完成2次测量，可进一步提高材料的检测精度，改善了过去手动测试设备在这个过程需要人工按压机械按钮才能实现的功能，进一步提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明四探针电阻率及方阻测试仪的架构示意图；

图2为本发明单片机模块的电路示意图；

图3为本发明四探针探头的外部结构示意图；

图4为本发明电源模块的电路示意图；

图5为本发明恒流源模块的电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种四探针电阻率及方阻测试仪，包括：电源模块、单片机模块、USB通讯模块、恒流源模块、人机交互模块、四探针探头、待测材料、电流显示、电压显示以及测量结果；

所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流导通方向切换，具体为：单片机模块采用固定间隔触发信号控制，在固定的周期内完成由正向流通变成反向流通的2次切换，进行2次测量。

所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流档位切换，具体为：单片机模块通过通讯协议控制的5个控制端口与恒流源模块的5个电流选择档位相连接，5个电流档分别为①档0.01mA、②档0.1mA、③档1mA档、④档10mA档、⑤档100mA档，实现5个控制端口与5个电流档端口①②③④⑤分别连接，检测上需要使用某个电流档位时，对应的控制端口即输出高电平信号，触发该电流档功能，恒流源模块通过含有屏蔽线的线缆与四探针探头相连接，四探针探头置放于仪器外部；

单片机模块通过USB通讯模块与人机交互模块建立通讯，实现人机交互模块反馈电流导通方向切换、电流档位切换控制指令给单片机模块；USB通讯模块采用USB转RS232接口的标准转换器连接线，即同一条数据线一端是usb连接头，另一端为rs232连接头，将电脑的USB接口仿真成传统的RS-232串口，然后于232串口端钱连接隔离器，从而实现数据稳定通讯。图2为用于数据线usb转rs232接口后的连接通讯的为通讯串口rs232及隔离模块电路、该单片机所采用的的芯片型号及实现功能的外围电路串口，其中供电电源的插口采用的是usb端口模式。

如图3所示，四探针探头在测量使用中按压于待测材料的表面；四探针探头与电流显示、电压显示形成互联关系，四探针探头前部含有直排式4根探针①②③④用于与待测材料的检测区域接触，①④探针用于流通电流，②③探针用于测量接触区域电压，四探针探头与待测材料接触区域的当前电流值通过电流显示呈现，电压值通过电压显示呈现，并形成一组对应关系的数据；

如图4所示，电源模块为单片机模块、恒流源模块、USB通讯模块提供工作电源。电源模块为单片机模块提供+5V电源，为USB模块提供+5V电源，为恒流源模块提供+12V和+85V电源，为四探针探头16提供+85V测量电源。

如图5所示，恒流源模块包含二极管V1，二极管V2，三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，7个控制端口，7个端口与外围电路连接上后可实现电流0.0001mA～100mA的恒定输出；

恒流源模块全部器件焊接好，采用高绝缘固体胶塑封起来，外部只留7个控制端口，控制端口1与二极管V1的正端连接，控制端口2与二极管V2的负端连接，控制端口3与三极管VT1和电阻R2连接，控制端口4与电阻R3连接，控制端口5二极管V3的负端连接，控制端口6与二极管V3的正端连接，控制端口7与电阻R4连接；控制端口1和控制端口2接外接电流调节滑动电阻，控制端口3和控制端口4接供电电源，控制端口7接外接电路的地线，控制端口5和控制端口6分别与外接电路上的5个回路上的精密电阻10kΩ、1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω连接上实现电流5档区分，与精密电阻10kΩ的回路连接上是电流在0.01mA档，通过滑动电流调节滑动电阻可实现0.001～0.01mA内某一电流值的恒定输出，与精密电阻1kΩ的回路连接上是电流在0.1mA档，通过滑动电流调节滑动电阻可实现0.01～0.1mA内某一电流值的恒定输出，与精密电阻100Ω的回路连接上是电流在1mA档，通过滑动电流调节滑动电阻可实现0.1～1mA内某一电流值的恒定输出，与精密电阻10Ω的回路连接上是电流在10mA档，通过滑动电流调节滑动电阻可实现1～10mA内某一电流值的恒定输出，与精密电阻1Ω的回路连接上是电流在100mA档，通过滑动电流调节滑动电阻可实现10～100mA内某一电流值的恒定输出，单片机模块自动根据待测材料在检测时需要使用的电流档位，使外接电路上对应的回路连接上，即可实现电流5个档位的自动选择，提供恒定电流输出。

人机交互模块根据相关参数自动选择合适的探测电流具体为：

在检测相关材料时，首先可随意手动调节恒流源模块，通过电流显示得出一组数值，该组数值的可调节范围在0.2000～1.0500区间，即数值乘以当前被测材料所自动选择的合适电流档位的数值，就是被测材料的测量电流，eg：显示数值为0.4532，自动选择的电流档位10mA，那么当前材料的检测电流为4.325mA。当使用某一电流进行材料检测时，电压显示得出对应的数值关系，通过判断电压显示当前的数值范围是否在3.00～～50.00mv区间范围内，数值在区间内表示电流档位合适，超出区间范围表示电流档位不合适，来实现在5档电流档中自动选择最合适的当前材料的电流档。

更进一步的，本实施例根据企业生产的材料电阻率或方阻的范围概率特征，默认使用1mA档，然后依据1mA/10mA/100mA/0.01mA/0.1mA的循环进行换挡判断，由于电流档位发生变化，对应的电压数值也会发生变化，从而实现自动选择电流。

电流显示和电压显示为人机交互模块提供数据读取依据。

当四探针探头按压于材料表面时，根据人机交互模块采集到操作人员置入的待测材料的检测人员、检测材料编号、检测温度、检测材料允许偏差范围等信息后，电流显示和电压显示就可以显示出待测材料四探针所接触区域对应关系的电流值和电压值，并及时传输给单片机模块，最终在人机交互模块中根据单片机采集到的数据，根据运算原理公式(1)(3)，自动显示出待测材料的电阻率或者方阻测量值，得到测量结果，最后可实现根据材料需求反馈指令给生产线机械手。

恒流源模块通过含有屏蔽线的线缆与四探针探头相连接，测量时在人机交互模块中置入待测材料的检测人员、检测材料编号、检测温度、检测材料允许偏差范围等参数，四探针探头按压于材料表面，人机交互模块反馈相关参数给单片机模块，再控制恒流源模块选择合适的电流档位，输出合适的恒定电流值，电流显示和电压显示显示出当前材料的1、4探针流通的电流值和2、3探针的电压值，这2组数值及时传输给单片机模块，人机交互模块根据相关测量参数，给出待测材料的电阻率或者方阻。

具体电阻率ρ的运算原理公式如下：

具体方阻R的运算原理计算公式如下：

由于扩散层很薄,当厚度W趋近于0时，F(W/S)趋近1，即：

其中，R为待测材料的方阻，ρ为待测材料的电阻率，

V为测得的接触区域的电压值，单位为mV；

I为测得的接触区域的电流值，单位为mA；

W为被测样片的厚度值，单位为cm；

F_sp为探针间距修正系数，四探针出厂鉴定参数；

F(W/S)为厚度修正系数，数值国标中可查；

F(S/D)为直径修正系数，数值国标中可查；

F_t为温度修正系数，数值国标中可查。

材料的电阻率或者方阻测量结果显示出来后，人机交互模块与自动生产线的机械手结合，制造商根据材料需求，实现人机交互模块直接反馈指令给自动生产线的机械手，实现不满足需求材料直接进入其他生产工序。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，包括电源模块、单片机模块、USB通讯模块、恒流源模块、人机交互模块、四探针探头、电流显示、电压显示；

所述单片机模块通过USB通讯模块与人机交互模块进行通讯连接；所述单片机模块通过与恒流源模块的电流选择档位相连接，所述恒流源模块与四探针探头连接；

所述四探针探头设置于仪器外部，以按压式接触于待测材料的表面；

所述电流显示、电压显示用于显示四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值，并发送至单片机模块；

所述人机交互模块用于根据相关参数自动通过单片机模块为四探针探头选择合适的探测电流，并根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的电阻率或方阻；

所述电源模块分别与单片机模块、恒流源模块、USB通讯模块相连，用于提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流导通方向切换，具体为：单片机模块采用固定间隔触发信号控制，在固定的周期内完成由正向流通变成反向流通的2次切换，进行2次测量。

3.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述恒流源模块通过含有屏蔽线的线缆与四探针探头相连接。

4.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述恒流源模块包括二极管V1，二极管V2，三极管VT1，三极管VT2，三极管VT3，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，7个控制端口，控制端口1与二极管V1的正端连接，控制端口2与二极管V2的负端连接，控制端口3与三极管VT1和电阻R2连接，控制端口4与电阻R3连接，控制端口5二极管V3的负端连接，控制端口6与二极管V3的正端连接，控制端口7与电阻R4连接；控制端口1和控制端口2接外接电流调节滑动电阻，控制端口3和控制端口4接供电电源，控制端口7接外接电路的地线，控制端口5和控制端口6分别与外接电路上的5个回路上的精密电阻10kΩ、1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω连接上实现电流的0.01mA档、0.1mA档、1mA档、10mA档、100mA档的区分。

5.根据权利要求4所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述人机交互模块根据用户指令控制单片机模块进行电流档位切换，具体为：单片机模块通过通讯协议控制的5个控制端口与恒流源模块的5个电流选择档位相连接，需要使用某个电流档位时，对应的控制端口即输出高电平信号，触发该电流档功能。

6.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述四探针探头与电流显示、电压显示形成互联关系，四探针头前部设有用于与材料的检测区域接触的直排式4根探针①②③④，①④探针用于流通电流，②③探针用于的测量接触区域电压，四探针探头与待测材料接触区域的当前电流值通过电流显示呈现，电压值通过电压显示呈现，形成一组对应关系的数据并发送至单片机模块。

7.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述人机交互模块根据相关参数自动选择合适的探测电流具体为：

在进行材料检测时，任意选择一恒流源输出档位，通过电流显示得到一组数值，数值乘以档位即得当前材料的检测电流；判断电压显示的对应数值是否在3.00～～50.00mv的范围内，如超出区间范围则判为电流档位不合适，选择其他档位进行检测，从而实现自动选择合适的探测电流。

8.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的电阻率具体为：

其中，ρ为待测材料的电阻率，V为接触区域的电压值，I为接触区域的电流值，W为被测样片的厚度值，F_sp为探针间距修正系数，F(W/S)为厚度修正系数，F(S/D)为直径修正系数，F_t为温度修正系数。

9.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述根据四探针探头与待测材料接触区域的电流值和电压值计算待测材料的方阻具体为：

其中，R为待测材料的方阻，ρ为待测材料的电阻率，V为接触区域的电压值，I为接触区域的电流值，F_sp为探针间距修正系数，F(W/S)为厚度修正系数且取1，F(S/D)为直径修正系数，F_t为温度修正系数。

10.根据权利要求1所述的一种四探针电阻率及方阻测试仪，其特征在于，所述电源模块为单片机模块提供+5V电源，为USB模块提供+5V电源，为恒流源模块提供+12V和+85V电源，为四探针探头提供+85V测量电源。

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