TR2023017291A2

TR2023017291A2 - MICRO-OHM RESISTANCE METER

Info

Publication number: TR2023017291A2
Application number: TR2023/017291
Authority: TR
Inventors: Egul Dere Ay; Yakuphano Lu Fahretti̇n
Original assignee: Firat Üni̇versi̇tesi̇ Rektörlüğü
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-01-22

Abstract

Buluş, düşük dirençli, iletken ve süper iletkenlikli malzemelerin elektriksel direnç ve iletkenliklerini, düzeltme katsayı ve fonksiyonu kullanılmadan yüksek doğrulukta ölçen mikro-ohm direnç ölçerle ilgilidir.The invention is related to the micro-ohm resistivity meter, which measures the electrical resistance and conductivity of low-resistance, conductive and superconducting materials with high accuracy without using correction coefficients and functions.

Description

TARIFNAME MIKRO-OHM DIRENÇ ÖLÇER TEKNIK ALAN Bulus, düsük dirençli, iletken ve süper iletkenlikli malzemelerin elektriksel direnç ve iletkenliklerini, düzeltme katsayi ve fonksiyonu kullanilmadan yüksek dogrulukta ölçen mikro-ohm direnç ölçerle ilgilidir. ÖNCEKI TEKNIK Elektrik tasinim isleminde kullanilan malzemelerin elektriksel dirençlerin düsük olmasi gerekir. Bu tür malzemelerin dirençlerinin ölçülmesi için özel gelistirilmis metotlar bulunmaktadir. Bu metotlardan, dört nokta uç metodu, metallerin veya yüksek iletkenlikli malzemelerin iletkenlik, özdirenç ve elektriksel direnç ölçümlerini mili ohm veya mikro ohm olarak ölçmektedir. Bu metotta, bir malzemenin yüzeyine dört elektrot degdirilerek, direnç ölçümü yapilmaktadir. Bir baska metot olan iki nokta uç metodunda ise, malzeme yüzeyine iki uç degdirilerek direnç ölçümü yapilmaktadir. Iki nokta uç metodunda, iki uçtan hem akim uygulanmakta hem de voltaj okunmaktadir. Dolayisiyla, dört nokta uç metodunun düsük direnç ölçümünde cihazin elektrotlarin kontak etkilerini yok etmesi, iki uç metoduna göre daha avantajli bir durum meydana getirmektedir. Dört nokta uç metodunda iki uçtan akim uygulanirken, diger iki uçtan voltaj ölçülerek direnç hesaplanir. Bu metotta, direnci ölçülen malzemenin geometrik sekline bagli olarak düzeltme fonksiyonlari kullanilir. Bununla beraber, farkli geometrik sekiller için dogruluk derecesi yüksek olacak sekilde düzeltme fonksiyonu tanimlamak zordur. Bu sebeple, dört nokta uç metoduyla direnç ölçümünde düzeltme katsayisi ve faktörlerini kullanilmadan ölçümün yapilmasi büyük bir kolaylik saglamaktadir. SEKILLER LISTESI Sekil 1. Mikro-ohm direnç ölçerin sematik görünümü Sekillerde Yer Alan Numaralarin Karsiliklari 1. Akim-voltaj ünitesi 2. Elektronik kontrol kismi Dört nokta basligi Dört nokta standi Yazilim Bilgisayar Mikroohm direnç ölçer BULUSUN DETAYLI AÇILAMASI Mikro-ohm direnç ölçer (7); akim-voltaj ünitesi (1), elektronik kontrol ünitesi (2), dört nokta basligi (3), dört nokta stant (4), yazilim (5) ve bilgisayar (6) bileseninden olusmaktadir. Bulusumuzda mikro-ohm direnç ölçer (7) kullanilarak mikro-ohm mertebesinde metallerin elektriksel direnci ölçülmektedir. Direnç ölçümü dört nokta uç metoduyla yapilmaktadir. Bulusumuzdaki akim-voltaj ünitesi (1), malzemeye akim uygulamak ve malzeme yüzeyinde olusan minimum voltaji bulmak için kullanilir. Akim kaynagi en az 1nA akim üreten akim kaynagindan olusmaktadir. Voltaj ölçer ise en az 80 uV voltaji ölçmektedir. Bulusumuzun elektronik kontrol ünitesi (2) ise elektronik aksamlarini olusturmaktadir. Dört nokta basligi (3), direnci ölçülecek malzemeye dört nokta uç basligi degdirmek için kullanilir. Dört nokta basligi (3) dört tane yayli pinden olusmaktadir. Bu pinler malzeme yüzeyine degince yaylar sayesinde pin uçlari pin kilifi içerisine girmektedirler. Pinler bir PCB (Printed Circuit Board - Baskili Devre Karti) yüzeyine lehimle tutturulmustur. Dört pin arasindaki mesafe en az 2,69 mm'dir. Pin basligi bir mikrometreye tutturulmustur. Mikrometre hareket ettirildiginde, pin basligi, numune tutucusu üzerinde bulunan malzemeye dokundurularak, malzemenin direncini dijital ekranda göstermektedir. Yazilim (5), akim-voltaj ünitesinin (1), malzemeye akim uygulamak ve malzeme yüzeyinde olusan voltaji okumasi sonrasindaki malzemenin tabaka direncini herhangi bir katsayi ile çarpmadan ölçmektedir. Dolayisiyla, yazilim (5) ayni zamanda, malzemenin direnç-akim ölçümünü de yapmaktadir. Bilgisayar (6), direnç ölçümünden elde edilen verileri toplar ve gerekli direnç hesaplamalarini yapmak için kullanilir. Direnç ölçümü, akim kaynagi ve voltaj ölçerden, malzeme yüzeyine degdirilen dört nokta uç ile malzeme yüzeyinde akim taramasi yapilirken, ayni zamanda her akim degerine karsi gelen voltaj degerleri ölçülür ve malzeme için akim-voltaj grafigi çizilir. Elde edilen akim-voltaj grafiginden de direnç hesaplanir. Bulusumuzda, direnç hesaplanmasi yapilirken, herhangi bir düzeltme faktörü kullanmaktadir. Malzemenin direnç degeri, 125:? (1› Ifadesi ile hesaplanmaktadir. Ifadede V ölçülen voltaj ve i malzemeye uygulanan akim degeridir. Malzemenin tabaka direnci teorik olarak Ifadesi ile hesaplanir. Ifadede 4,532 degeri, dört nokta uç metodu için, teorik hesaplanmadan elde edilen bir sabittir. Bulusumuzda ise, dört nokta uç metodu tabaka direnç ölçümünde herhangi bir katsayi kullanilmamakta ve otomatik olarak denklem 2 ile verilen sonuç alinmaktadir. Dolayisiyla, bulusumuzla V/l degeri matematiksel olarak herhangi bir degerle çarpmadan dogrudan sonucu vermektedir. Mikro-ohm direnç ölçer (7)'le, direnç ölçülürken uygulanacak akim degeri kullanici tarafindan bilinemez ve kullanici rastgele akim uygular. Dolayisiyla, kullanici uygulanan akimin dogru olup olmadigini test edemez. Bulusumuzda ise malzemeye akim uygulandiginda, ölçülmesi gereken minimum voltajin dogrulugunun ve malzemeye uygulanacak olan akimin dogrulugunun belirlenmesi ve için 4-pin kare geometrili prob basligi kullanilmaktadir. Bu baslik, yuvarlak bir altlik üzerine çizilen bir kare seklinin köselerine yerlestirilen, 4- yayli pinden olusur. Bulusumuzda kullanilan 4- pin kare geometrili prob basligi, malzemeye uygulanacak akimi belirler. Lineer 4-pin basligi malzemenin akim-voltaj (l-V) karakteristigini ölçerek, malzemenin direncinin ölçülmesini saglamaktadir. Mikro-ohm direnç ölçer (7) ölçülecek voltaji, malzeme uygulanan akim degerinin büyüklügüne göre tespit etmektedir. Malzeme üzerine kare geometrisine sahip dört nokta uçlu basliktan akim uyguladiginda, voltaj ölçülmektedir. Kare geometrili dört nokta uç, karenin iki kenarina baglanmis iki pinden akim uygular ve daha sonra sirasiyla karenin bütün kenarlarindaki gerilimleri ölçerek en düsük gerilimi belirler. Ölçülen gerilme bagli olarak uygulanmasi gereken optimum akim degeri bulunur. Direnç ölçümü en az 5 mV olusturan akim degerinde yapilir. Optimum voltaj bulunduktan sonra direnç ölçümü, akim-voltaj (l-V) ölçümü ile yapilir. Bunun için ko- lineer dört prob baslik kullanilir. Bu baslikta, dört pin lineer bir çizgi üzerinde esit mesafededir. l-V ölçümü yapilirken, en dista bulunan iki pinden akim taramasi yapilirken, içteki iki pinden voltaj ölçülür ve l-V degeri elde edilir. Mikro-ohm direnç ölçer (7)'le akim dis problara uygulanmakta ve iç problardan voltaj kurmaktadir. Problar arasinda mesafe en az 2,569 mm'dir. Bu problarin uzunlugu en az 20 mm'dir. Problara uygulanan akim bir nokta voltaj problari ile kisa devre edilmekte ve problar kisa devre edilen noktadan en az 20 mm sonra tekrar akim problari voltaj problarindan ayrilmaktadir. Bulusumuzla, elektriksel direnci ölçülecek malzemenin geometrisinden bagimsiz ölçüm yapilmaktadir. Bunun için, numune kalinligi (t) ve problar arasi mesafe (s) orani en az t/s0,05 olmalidir. Ek olarak, numune çapi (D) ya da yanal uzunlugu ve problar arasi mesafe (s) orani en az D/s35 olmalidir. TR TR DESCRIPTION MICRO-OHM RESISTANCE METER TECHNICAL FIELD The invention relates to a micro-ohm resistivity meter that measures the electrical resistance and conductivity of low-resistance, conductive and superconducting materials with high accuracy without using correction coefficients and functions. BACKGROUND ART The electrical resistance of the materials used in the electricity transmission process must be low. There are specially developed methods for measuring the resistance of such materials. Among these methods, the four-point lead method measures the conductivity, resistivity and electrical resistance of metals or highly conductive materials in milli ohms or micro ohms. In this method, resistance is measured by touching four electrodes to the surface of a material. In another method, the two-point tip method, resistance is measured by touching the material surface with two tips. In the two-point lead method, current is applied and voltage is read from both ends. Therefore, the device eliminates the contact effects of the electrodes in low resistance measurement of the four-point lead method, which creates a more advantageous situation compared to the two-point method. In the four-point lead method, while current is applied from two ends, resistance is calculated by measuring voltage from the other two ends. In this method, correction functions are used depending on the geometric shape of the material whose resistance is measured. However, it is difficult to define a correction function with high accuracy for different geometric shapes. For this reason, the four-point lead method provides great convenience in measuring resistance without using correction coefficients and factors. LIST OF FIGURES Figure 1. Schematic view of the micro-ohm resistance meter Correspondence of the Numbers in the Figures 1. Current-voltage unit 2. Electronic control part Four-point head Four-point stand Software Computer Micro-ohm resistance meter DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Micro-ohm resistance meter (7) ; It consists of current-voltage unit (1), electronic control unit (2), four-point head (3), four-point stand (4), software (5) and computer (6) components. In our invention, the electrical resistance of metals is measured in the micro-ohm range by using a micro-ohm resistivity meter (7). Resistance measurement is made by the four-point lead method. The current-voltage unit (1) in our invention is used to apply current to the material and find the minimum voltage occurring on the material surface. The current source consists of a current source that produces at least 1nA current. The voltage meter measures a voltage of at least 80 uV. The electronic control unit (2) of our invention constitutes the electronic components. The four-point end cap (3) is used to touch the four-point end cap to the material whose resistance is to be measured. The four point head (3) consists of four spring pins. When these pins touch the material surface, the pin ends enter the pin sheath thanks to the springs. Pins are attached to the surface of a PCB (Printed Circuit Board) by solder. The distance between four pins is at least 2.69 mm. The pin head is attached to a micrometer. When the micrometer is moved, the pin head is touched to the material on the sample holder and the resistance of the material is displayed on the digital screen. The software (5) measures the layer resistance of the material after the current-voltage unit (1) applies current to the material and reads the voltage formed on the surface of the material, without multiplying it with any coefficient. Therefore, the software (5) also performs the resistance-current measurement of the material. The computer (6) collects the data obtained from the resistance measurement and is used to make the necessary resistance calculations. In resistance measurement, current is scanned on the material surface with four point tips touching the material surface from the current source and voltage meter, while at the same time, the voltage values corresponding to each current value are measured and the current-voltage graph is drawn for the material. Resistance is calculated from the obtained current-voltage graph. In our invention, no correction factor is used when calculating resistance. Resistance value of the material, 125:? (It is calculated with the expression 1›. In the expression, V is the measured voltage and i is the current value applied to the material. The layer resistance of the material is calculated theoretically with the expression. In the expression, the value 4.532 is a constant obtained from theoretical calculation for the four-point tip method. In our invention, the four-point tip In this method, no coefficient is used in layer resistance measurement and the result given in equation 2 is automatically obtained. Therefore, with our invention, the V/l value gives the result directly, without multiplying it with any mathematical value, with the micro-ohm resistance meter (7). Its value cannot be known by the user and the user applies random current. Therefore, the user cannot test whether the applied current is correct or not. In our invention, a 4-pin square geometry probe head is used to determine the accuracy of the minimum voltage to be measured and the accuracy of the current to be applied to the material. This cap consists of 4 spring-loaded pins placed in the corners of a square shape drawn on a round base. The 4-pin square geometry probe head used in our invention determines the current to be applied to the material. The linear 4-pin header measures the current-voltage (l-V) characteristic of the material and enables the resistance of the material to be measured. The micro-ohm resistance meter (7) determines the voltage to be measured according to the magnitude of the current applied to the material. When current is applied to the material from a four-point tip head with square geometry, voltage is measured. The square geometry four-point lead applies current through two pins connected to both sides of the square and then determines the lowest voltage by measuring the voltages on all sides of the square respectively. Depending on the measured voltage, the optimum current value to be applied is found. Resistance measurement is made at a current value of at least 5 mV. After the optimum voltage is found, resistance measurement is made by current-voltage (l-V) measurement. For this purpose, four collinear probe heads are used. In this header, the four pins are equidistant on a linear line. When measuring l-V, current is scanned from the outermost two pins, while voltage is measured from the inner two pins and the l-V value is obtained. Current is applied to the external probes with the micro-ohm resistance meter (7) and voltage is established from the internal probes. The distance between probes is at least 2.569 mm. The length of these probes is at least 20 mm. The current applied to the probes is short-circuited with a point voltage probes, and the current probes are separated from the voltage probes again at least 20 mm after the short-circuited point. With our invention, electrical resistance is measured independently of the geometry of the material to be measured. For this, the ratio of sample thickness (t) and inter-probe distance (s) must be at least t/s0.05. In addition, the ratio of sample diameter (D) or lateral length and inter-probe distance (s) must be at least D/s35. TR TR

Claims

STEMS

1. It is a micro-ohm resistance meter (7) with a four-point head (3) consisting of four spring-loaded pins and probes that touch the material to be measured, and its features are; measuring electrical resistance without using correction coefficient and function, - current-voltage unit (1), which has the feature of applying current to the material and finding the minimum voltage formed on the surface of the material, - software that measures the layer resistance of the material without multiplying it by any coefficient and making resistance-current measurement of the material (5 ) is characterized by containing . It is the micro-ohm resistance meter (7) mentioned in claim 1 and its feature is; It is characterized by the use of a 4-pin square geometry probe head to determine the accuracy of the minimum voltage that needs to be measured when current is applied to the material. . It is the micro-ohm resistance meter (7) mentioned in claim 1 and its feature is; It is characterized by the use of a 4-pin square geometry probe head to determine the accuracy of the current to be applied to the material. . It is the micro-ohm resistance meter (7) mentioned in claim 1 and its feature is; It is characterized by the distance between four pins being at least 2.69 mm.