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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(zhǎng)沙 410082
摘要：將傳統(tǒng)直流四探針測(cè)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(cè)試儀。該儀器可以自動(dòng)識(shí)別被測(cè)樣品電阻率，并自動(dòng)切換到最佳檔位，操作簡(jiǎn)便工作效率高,具有一定的實(shí)用和開發(fā)價(jià)值。
1 引言
直流四探針測(cè)試法是微電子行業(yè)常用的測(cè)量材料電阻率的方法，通過(guò)測(cè)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(cè)試儀一直是十分重要的測(cè)量?jī)x器。
近年來(lái)，微電子工業(yè)在中國(guó)大陸發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的數(shù)字式直流四探針測(cè)試儀需要手動(dòng)調(diào)節(jié)檔位，測(cè)量周期長(zhǎng)、工作效率低，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，國(guó)內(nèi)需要尋求一種新型的測(cè)試設(shè)備。
本文中介紹的數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀可以自動(dòng)切換量程、自動(dòng)運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)。用戶甚至可以在不了解四探針測(cè)試原理的情況下方便地測(cè)量材料的電阻率。該儀器具有PC機(jī)接口，通過(guò)PC機(jī)可以集中管理且硬件成本低廉。
2 測(cè)試原理
主要依據(jù)范德堡原理（如圖1）,通過(guò)兩根探針提供一個(gè)電流流過(guò)樣品，再用兩根探針測(cè)量樣品上的電位差，最后經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算得到材料的電阻率。四探針測(cè)試儀的測(cè)試?yán)碚撘呀?jīng)相當(dāng)成熟[1]。
3 硬件設(shè)計(jì)
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�(jì)）的性質(zhì)，通過(guò)繼電器切換Radj實(shí)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(dòng)，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(guò)基準(zhǔn)源Dcs1提供一個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓，利用運(yùn)放虛短的性質(zhì)在Radj兩端提供一個(gè)穩(wěn)定的電位差，使通過(guò)Radj兩端的電流穩(wěn)定。通過(guò)繼電器切換Radj實(shí)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(yùn)放驅(qū)動(dòng)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(jī)為核心，通過(guò)一個(gè)儀用差分放大電路完成對(duì)電壓信號(hào)放大與濾波后送到單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的12位ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；再通過(guò)程序判斷并切換測(cè)量量程，直到測(cè)量量程合適，再進(jìn)行數(shù)字濾波與運(yùn)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(cè)試儀不同，本文中介紹的智能四探針測(cè)試儀對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)采樣然后存入單片機(jī)的內(nèi)存中。在運(yùn)算與處理過(guò)程中首先對(duì)連續(xù)采得的多個(gè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除前端放大器沒(méi)有濾除的毛刺與波動(dòng)，然后針對(duì)量程的不同選擇不同的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)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(wèn)題造成的采樣誤差。最后，計(jì)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(cè)試儀它沒(méi)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(jìn)行的電壓量程切換與輸出電流調(diào)節(jié)工作已經(jīng)被機(jī)器自動(dòng)完成，所以這兩個(gè)旋鈕被省略了。儀器在操作上已經(jīng)充分簡(jiǎn)化。
4 結(jié)論
本文中介紹的四探針測(cè)試儀將傳統(tǒng)四探針測(cè)試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合。主要指標(biāo)與功能如下：
功耗小于6W；測(cè)量范圍量程：0.025Ω-2500Ω； 自動(dòng)顯示小數(shù)點(diǎn)和單位；誤差：±0.5%；具有數(shù)字補(bǔ)償功能；自動(dòng)運(yùn)算結(jié)果；自動(dòng)切換量程，超出量程自動(dòng)報(bào)告；具有RS232接口可以和PC連接。
摘自《半導(dǎo)體技術(shù)》
