CN201203649Y - 一种虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置 - Google Patents

Abstract

一种虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置属于材料性能测试的领域。本装置由硬件测试平台和虚拟软件控制平台两部分组成。硬件测试平台由X－Y－Z三维移动平台(7)、垂直电极支撑平台(8)、水平电极支撑载物平台(9)，以及弹簧电极组成，主要起到放置待测样品和调整位置的作用，通过调整移动平台满足不同形状尺寸样品的测试需要。虚拟软件控制平台由电压表(5)、电流源表(6)、通用接口总线控制卡(2)和计算机(1)组成。电压表与电流源表之间通过触发电缆(4)连接，它们与计算机的通用接口总线控制卡通过通用接口总线电缆进行连接，从而形成整个虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置。此实用新型测量结果更具可信性，并同时实现了数据的采集与自动处理。

Description

一种虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置

技术领域

本装置属于材料性能测试技术领域，特别适用于半导体以及微电子封装材料等材料电导率测试。

背景技术

材料的电导率是研究和评定材料性能极为重要的一部分，特别是半导体类材料以及微电子封装材料。半导体材料主要是因为掺杂不同浓度和种类的粒子来改变材料的导电率，从而实现其功能，电导率的变化是评价其性能的重要手段，但是掺杂粒子后电导率的变化非常小，而找出一种简便、高效同时具有高的可信度的测试方法是非常重要的。为电子封装材料在服役过程中，由于不同的服役环境作用而使其电气性能发生变化，通过测量其电导率的变化情况得到其可靠性的评估数据也是非常重要的，但是在为电子封装材料本身尺寸非常小，其电导率的变化更小，并且其形状、尺寸也不尽相同，所以也需要一种简便、高效同时具有高的可靠性的测试方法。

中国科学院成都分院土壤研究室专利(90212551.6)提供了一种田间土壤电导率直接测定装置，也适用于实验室溶液、纯水等液体电导率测定的电导率仪，但该电导率仪主要土壤以及液体，且所测量的对象电阻率一般比较大，电极需要插入待测样品，不适用于精确测量；西安电瓷研究所发明了一种污层电导率测量装置(85200823)。该污层电导率测量装置属于电气工程领域，用于高压电力设备外绝缘污秽层湿润条件下的电导率的测量，应用范围具有核大的局限性，并且数据仅仅是显示，而不能采集到计算机进行科学处理；FURUKAWAH专利JP2005291914-A提供了一种自动售货机用的电导率传感器。该装置主要用来测量循环液体的电导率，而不适用于半导体及微电子封装材料。

由于缺乏合适的适应各种形状、尺寸的材料电阻微小变化以及数据自动科学处理的装置，在国内，还没有对不同形状和尺寸的材料电阻率精确测量以及数据自动科学处理的装置。实际上，对于微小电阻变化的测量过程中，接触电阻远大于所测电阻，而采用比较成熟的四电极法测量就很好的避免了接触电阻堆测量结果的影响，测量结果更具可信性；同时对于科学实验而言，数据的采集与自动处理是非常重要的，采用LabVIEW^TM虚拟仪器软件，配合通用接口总线控制卡，可以很好地实现这种功能；同时采用X-Y-Z三维移动平台，可以更好的适应不同形状、不同尺寸的待测样品的要求。因此，开发和研制虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置，精确测量测定半导体类材料以及微电子封装材料的电阻率，对正确评估半导体以及为电子封装材料的电学性能具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型主要针对半导体以及微电子封装材料等材料电导率测试而设计，适用于室温条件下的电导率的测量。

本虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置，其特征在于，它由硬件测试平台和虚拟仪器软件控制平台两大部分构成，其中硬件测试平台由X-Y-Z三维移动平台、垂直电极支撑平台、水平电极支撑载物平台以及弹簧电极构成，虚拟仪器控制平台主要包括电压表、电流源表、通用接口总线控制卡和计算机。待测样品安放在水平电极支撑载物平台上表面，同时由两个水平弹簧电极夹持住端面；垂直弹簧电极固定在垂直电极支撑平台上，从垂直方向与待测样品保持紧密接触；垂直电极支撑平台通过螺钉固定在X-Y-Z三维移动平台的竖直移动模块上，并由竖直移动模块带动使之在X-Y-Z三维方向上移动，以满足不同形状和尺寸样品的要求。同时还在垂直电极支撑平台和水平电极支撑载物平台上的不同位置钻孔放置弹簧电极，以在更大变化范围内满足样品尺寸的要求。其连接关系如下:水平和垂直弹簧电极分别通过导线与电流源表以及电压表相连，电压表与电流源表之间通过触发电缆连接，并分别通过通用接口总线电缆与连在计算机上的通用接口总线控制卡连接在一起。计算机中通用接口总线控制卡通过电压表与电流源表采集实验数据。

本实用新型装置的垂直电极支撑平台和水平电极支撑载物平台特点在于可以通过变换不同的弹簧电极接入点改变电极之间的距离，适应不同尺寸的样品的要求，同时弹簧电极的使用不仅可以更好的夹紧样品，同时可以在小范围内调节电极与样品之间的距离，适应尺寸变化比较小的样品。

另外本实用新型装置购置的X-Y-Z三维移动平台，可以在固定样品以及测量间距的情况下，测量样品不同位置的电导率的变化；同时作为可以大范围移动的装置，能够实现在更大的尺寸范围测量样品的电导率。

本实用新型的另外一个重要的部分在于软件控制测量部分，配合Keithley^TM的2400电流源表、2182电压表以及通用接口总线控制卡来实现实验数据的采集以及处理。具体连接次序为:电流源表通过导线、水平弹簧电极与样品相连，电压表通过导线、垂直弹簧电极与样品连接；电流源表与电压表通过通用接口总线电缆与插入计算机的通用接口总线控制卡相连，电流源表与电压表之间通过触发电缆相连，计算机通用接口总线控制卡采集、处理数据。

本实用新型在可以控制测量的时间间隔以及测量的周期，将测量结果保存并以图表的方式直观的显示出来，从而实现对电导率的测量以及电导率的变化进行观测。

本实用新型测量结果更具可信性，并同时实现了数据的采集与自动处理。

附图说明:

图1测试平台总装示意图

图2垂直电极支撑平台示意图

图3水平电极支撑载物平台示意图

图4实施例1样品电压测量图

图5实施例2样品电压测量图

图中数字所代表的内容:

1-计算机

2-通用接口总线控制卡

3-通用接口总线电缆

4-触发电缆

5-电压表

6-电流源表

7-X-Y-Z三维移动平台

8-垂直电极支撑平台

9-水平电极支撑载物平台

具体实施方式

下面通过附图及相应的具体实施例描述样品的电导率的测试方法和装置，但应理解的是，其中在实施例中关于试样的尺寸、材料类型和相对布置的描述并不意味着将本实用新型限定在所公开的特定形式，本方案仅仅是以示例的方式公开，除非另有特别说明。

虚拟仪器控制的四电极法电导率测量装置由硬件测试平台和虚拟仪器软件控制平台两大部分构成，装配及连接方式如图1所示。其中装置主体主要包括计算机、通用接口总线控制卡、通用接口总线电缆、Keithley2400电流源表、Keithley2182电压表、触发电缆、X-Y-Z三维移动平台、垂直电极支撑平台、水平电极支撑载物平台以及弹簧电极，图2、图3分别为垂直电极支撑平台和水平电极支撑载物平台示意图。

虚拟仪器控制的四电极法电导率测量装置的连接关系如下:通用接口总线控制卡通过计算机的扩展接口插槽与计算机相连；Keithley2400电流源表和Keithley2182电压表通过通用接口总线电缆与通用接口总线控制卡上的通用接口总线接口相连，并分别接到220V电源上；Keithley2400电流源表和Keithley2182电压表之间通过触发电缆相连；弹簧电极通过导线分别与电流源表和电压表相连；其中垂直弹簧电极通过垂直电极支撑平台与X-Y-Z三维移动平台相连，从而实现电极的三维运动，通过X-Y-Z三维移动平台带动与样品接触；水平弹簧电极固定在水平电极支撑载物平台，通过弹簧与待测样品接触；同时通过改变电极在水平电极支撑载物平台上的固定位置，来实现大范围的移动测量；X-Y-Z三维移动平台通过螺钉固定在水平电极支撑载物平台上。

计算机中装入的LabVIEW^TM软件通过所编制的程序控制通用接口总线控制卡通过电压表与电流源表采集实验数据。通过软件控制测量的时间间隔以及测量的周期，将测量结果保存并以图表的方式直观的显示出来，从而实现对电导率的测量以及电导率的变化进行观测。

实施例1:所用的试样是块状金属锡，样品尺寸为:长20mm，宽16mm，厚4.5mm。数据读取点数10个，电极间距10mm，电流为0.02A。

本实施例的具体测试过程如下:将待测样品的表面进行打磨，除去表面的氧化物，并测量其尺寸，把处理好的样品放在水平电极支撑载物平台上，调整弹簧电极的位置使之与样品的表面接触，然后将电流源表和电压表的电源打开，调整到待测状态。打开计算机以及LabVIEW^TM虚拟仪器软件，调出所编制的测量程序，设置测量参数，运行程序进行测量。

由图4可以测出该样品在该试验条件下的电导率为7.3×10⁴/Ω·cm。

纯锡的标准电导率为9.17×10⁴/Ω·cm，考虑到在熔炼过程中会加入的杂质，以及内部会产生气孔，夹渣等缺陷，阻碍了电子沿某一方向的运动，导致电导率降低，所以此测量装置的测量结果比较精确。

实施例2:所用的试样是块状金属铜，样品尺寸为:长17mm，宽12mm，厚3mm。数据读取点数10个，电极间距10mm，电流0.02A。

本实例的具体测试过程如下:将待测样品的表面进行打磨，除去表面的氧化物，并测量其尺寸，把处理好的样品放在水平电极支撑载物平台上，调整弹簧电极的位置使之与样品的表面接触，然后将电流源表和电压表的电源打开，调整到待测状态。打开计算机以及LabVIEW^TM虚拟仪器软件，调出所编制的测量程序，设置测量参数，运行程序进行测量。

由图5可以测出该样品在此实验条件下的电导率为4.05×10⁵/Ω·cm。

纯铜的标准电导率为6.8×10⁵/Ω·cm，经过切割和打磨后的样品会出现过度的位错和缺陷，从而导致测量样品的电导率降低，所以此测量装置的测量结果比较精确。

Claims (1)

1.一种虚拟仪器控制的四电极法电导率测试装置，其特征在于，它由硬件测试平台和虚拟仪器软件控制平台两大部分构成，其中硬件测试平台由X-Y-Z三维移动平台(7)、垂直电极支撑平台(8)、水平电极支撑载物平台(9)、以及弹簧电极构成，虚拟仪器控制平台包括电压表(5)、电流源表(6)、通用接口总线控制卡(2)、计算机(1)；垂直电极支撑平台(8)固定在X-Y-Z三维移动平台(7)的竖直移动模块上；其连接关系如下：水平弹簧电极通过导线与电流源表以及电压表相连；垂直弹簧电极通过导线与电流源表以及电压表相连；电压表与电流源表之间通过触发电缆(4)连接，并分别通过通用接口总线电缆与连在计算机上的通用接口总线控制卡连接在一起。

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