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湖南大學(xué) 1.物理系 2.電氣與工程學(xué)院
湖南 長沙 410082
摘要：將傳統(tǒng)直流四探針測試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，研制出數(shù)字化智能四探針測試儀。該儀器可以自動識別被測樣品電阻率，并自動切換到最佳檔位，操作簡便工作效率高,具有一定的實用和開發(fā)價值。
1 引言
直流四探針測試法是微電子行業(yè)常用的測量材料電阻率的方法，通過測量材料的電阻率可以得到材料的摻雜濃度等重要信息。因此，在微電子工業(yè)中四探針測試儀一直是十分重要的測量儀器。
近年來，微電子工業(yè)在中國大陸發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的數(shù)字式直流四探針測試儀需要手動調(diào)節(jié)檔位，測量周期長、工作效率低，已經(jīng)無法適應(yīng)時代發(fā)展，國內(nèi)需要尋求一種新型的測試設(shè)備。
本文中介紹的數(shù)字化智能四探針測試儀可以自動切換量程、自動運算相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶甚至可以在不了解四探針測試原理的情況下方便地測量材料的電阻率。該儀器具有PC機接口，通過PC機可以集中管理且硬件成本低廉。
2 測試原理
主要依據(jù)范德堡原理（如圖1）,通過兩根探針提供一個電流流過樣品，再用兩根探針測量樣品上的電位差，最后經(jīng)過相關(guān)運算得到材料的電阻率。四探針測試儀的測試理論已經(jīng)相當成熟[1]。
3 硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件由放大器、恒流源、控制邏輯、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器與電源6大模塊組成，如圖2。
3.1 恒流源
10mA或100mA電流輸出電路如圖3(a)，利用LM317的Vout端與ADJ端電位差恒為1.25V和ADJ端輸出電流Iadj較�。ǹ梢院雎圆挥嫞┑男再|(zhì)，通過繼電器切換Radj實現(xiàn)輸出電流的切換。
輸出電流與Radj關(guān)系如下：
Iout為輸出電流。
由于，Iadj值在46mA左右波動，所以為了保證精度，該電路僅用于提供10mA或100mA的電流。
0.1mA或1mA電流輸出電路如圖3(b)。通過基準源Dcs1提供一個2.5V基準電壓，利用運放虛短的性質(zhì)在Radj兩端提供一個穩(wěn)定的電位差，使通過Radj兩端的電流穩(wěn)定。通過繼電器切換Radj實現(xiàn)輸出電流的切換。
輸出電流與Radj的關(guān)系如下
Iout為輸出電流。
由于運放驅(qū)動能力有限，該電路僅用于提供1mA或0.1mA電流。
4 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)采集與處理電路。以msp430f149單片機為核心，通過一個儀用差分放大電路完成對電壓信號放大與濾波后送到單片機，利用單片機內(nèi)部集成的12位ADC進行A/D轉(zhuǎn)換；再通過程序判斷并切換測量量程，直到測量量程合適，再進行數(shù)字濾波與運算；最后將電阻、電阻率、方塊電阻與選用的量程顯示在LCD屏上。工作流程如圖4。
與傳統(tǒng)四探針測試儀不同，本文中介紹的智能四探針測試儀對被測對象進行連續(xù)采樣然后存入單片機的內(nèi)存中。在運算與處理過程中首先對連續(xù)采得的多個結(jié)果進行數(shù)字濾波，濾除前端放大器沒有濾除的毛刺與波動，然后針對量程的不同選擇不同的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進行數(shù)字補償處理，校正由于數(shù)據(jù)采集電路本身的偏移和放大倍數(shù)誤差等問題造成的采樣誤差。最后，計算出相應(yīng)的電阻率和方塊電阻并顯示在LCD屏上。
儀器的外觀如圖5，正面的面板上從左到右依次為電源開關(guān)、復(fù)位健、液晶顯示屏和探針插座。相比傳統(tǒng)四探針測試儀它沒有電壓量程旋鈕與輸出電流調(diào)節(jié)旋鈕。由于以往需要人工進行的電壓量程切換與輸出電流調(diào)節(jié)工作已經(jīng)被機器自動完成，所以這兩個旋鈕被省略了。儀器在操作上已經(jīng)充分簡化。
4 結(jié)論
本文中介紹的四探針測試儀將傳統(tǒng)四探針測試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合。主要指標與功能如下：
功耗小于6W；測量范圍量程：0.025Ω-2500Ω； 自動顯示小數(shù)點和單位；誤差：±0.5%；具有數(shù)字補償功能；自動運算結(jié)果；自動切換量程，超出量程自動報告；具有RS232接口可以和PC連接。
摘自《半導(dǎo)體技術(shù)》
