薄膜电阻率自动测量仪

摘要

本发明提供了一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针、恒流源、电压电流测量模块、控制器和电路切换模块，控制器、恒流源、电路切换模块和电压电流测量模块依次连接构成回路，电路切换模块的另外两端口分别连接控制器和四探针，电路切换模块根据来自控制器的电路切换信号选择四探针中的两根探针作为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源根据来自控制器(1)的电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块测量恒定电流和电势差传送给控制器，控制器计算电阻率。本发明避免了手动方式改变电路连接和探针位置调节，提高了薄膜电阻率测量的速度和精度。

权利要求

1.一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针(6)、恒流源(4)和电压电流测量模块(5)，其特征在于，还包括控制器(1)和电路切换模块(2)，控制器(1)、恒流源(4)、电路切换模块(2)和电压电流测量模块(5)依次连接构成回路，电路切换模块(2)的另外两端口分别连接控制器(1)和四探针(6)，电路切换模块(2)根据来自控制器(1)的电路切换信号选择四探针(6)中的两根探针作为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源(4)根据来自控制器(1)的电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块(5)测量恒定电流和电势差传送给控制器(1)，控制器(1)计算电阻率；

所述电路切换模块(2)包括电流电压接线端子(222)和与其相接的线路切换模块(21)，电流电压接线端子(222)包括电流端子Iin和Iout，电压端子V+和V-，线路切换模块(21)包括第一、第二、第三、第四继电器，电流端子Iin连接所述恒流源(4)和所述四探针(6)的第一探针；

电流端子Iout连接所述恒流源(4)、第一继电器的公共端和电压电流测量模块(5)；

第一继电器的公共端连接电流端子Iout，常开触点连接第二继电器的公共端，常闭触点连接所述四探针(6)的第二探针；

第二继电器的公共端连接第一继电器的常开触点，常闭触点连接第三探针，常开触点连接所述四探针(6)的第四探针；

第三继电器的公共端连接电压端子V+，常闭触点连接第三探针，常开触点连接所述四探针(6)的第二探针；

第四继电器的公共端连接电压端子V-，常闭触点连接第四探针，常开触点连接所述四探针(6)的第三探针；

电压端子V+连接所述电压电流测量模块(5)和第三继电器的公共端；

电压端子V-连接所述电压电流测量模块(5)和第四继电器的公共端；

四个继电器的公共端与常闭触点、常开触点的闭合和断开组合形成三种电路连接方式，具体如下：第一连接方式：四个继电器的公共端连接常闭触点；

第二连接方式：四个继电器的公共端连接常开触点；

第三连接方式：第一、三继电器的公共端连接常开触点，第二、四继电器的公共端连接常闭触点。

2.根据权利要求1所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所述电压电流测量模块(5)采用数字万用表。

3.根据权利要求2所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所述电路切换模块(2)还包括数字万用表接线端子组(221)和第五继电器，数字万用表接线端子组(221)包括三个接线端子，第二接线端子为公共端，其分别与第一，第三接线端子构成电压测量端口和电流测量端口，第一接线端子连接所述电压端子V+，第二接线端子连接所述电压端子V-和第五继电器的常开触点，第三接线端子连接第五继电器的常闭触点和恒流源(4)。

4.根据权利要求1所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所述控制器(1)与四探针(6)之间还接有探针位置调节器(3)，用于根据控制器(1)的位置控制信号调整四探针与样品的相对位置。

5.根据权利要求4所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，所述探针位置调节器(3)包括垂直控制部件、水平控制部件、旋转控制部件、和样品托盘，垂直控制部件用于控制四探针相对于托盘上下移动，水平控制部件用于控制样品托盘相对于四探针水平移动，托盘中部设有用于装载样品的圆盘(39)，旋转控制部件用于控制圆盘绕其中心水平旋转，所述四探针(6)安装于垂直控制部件底端。

6.根据权利要求5所述的薄膜电阻率自动测量仪，其特征在于，

所述垂直控制部件包括立柱(311)，立柱(311)侧壁固定有垂直步进电机(31)，垂直步进电机(31)连接垂直螺棒(33)顶端，在垂直螺棒(33)外沿套有垂直位移滑块(32)，垂直位置控制步进电机(31)通过控制垂直螺棒(33)旋转使得垂直位移滑块(32)沿垂直螺棒(33)上下移动，所述四探针固定于垂直位移滑块(32)底部；

所述水平控制部件包括水平步进电机(34)，水平步进电机(34)与水平螺棒(35)一端相接，水平螺棒(35)外沿套有水平位移滑块(36)，水平步进电机(34)通过控制水平螺棒(35)旋转使得水平位移滑块(36)沿水平螺棒(35)水平移动；水平位移滑块(36)侧壁与所述样品托盘(37)连接，随着样品托盘水平位置滑块(36)的水平移动，样品托盘(37)也作相应水平移动；

所述旋转控制部件包括通过齿轮与所述圆盘(39)相接的旋转步进电机(38)。

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料电阻率的测量技术，特别是涉及薄膜材料电阻率的测量技术。

背景技术

在电子材料研究中，电阻率是评估材料性能的重要参数。例如在纳米吸波材料的研究中，其材料设计的目的在于拓宽吸收频带，吸波性能的好坏与材料电场能量存储与损耗大小密切相关，而材料基本参数中的复介电常数正是用于反映该材料电场能量存储与损耗大小，可以看出电阻率的准确测量是吸波材料设计中的重要步骤。
对于材料电阻测量一般应用四探针法完成。该方法要求测量的样片平坦且近似无穷大，将直流电流通过四探针中的两根探针通入试样，测量另外两根探针间感应的电势差，根据电流值，电势差值以及材料的几何参数计算出电阻率值。一般的四探针电阻率测试设备是为固体半导体材料测量设计，并不完全适合薄膜材料电阻率的测量。薄膜材料相对于固体半导体材料有其独特性，体现在(1)薄膜一般采用溅射镀膜等工艺制作，其自身形状受到限制，而四探针法要求样片平坦且近似无穷大，因此应用传统的四探针测量法测量薄膜材料电阻率需要引入大量的修正，完善的修正体系十分复杂，普通的测量系统不可能完成；(2)薄膜的电阻率一般很小，需要更高的电压测量精度和电流控制精度；(3)薄膜的厚度很薄，在用手动测量系统时样品十分容易被探针尖划伤。
针对薄膜样品的特征，改变理论模型，在传统四探针法的基础上设计了双电测组合法。双电测组合法根据薄膜材料的特点对四探针基本理论模型进行修正；在该方法下需要切换电流、电压探针，不同的电流电压探针选择对应三种不同的电路连接方式，三种连接方式两两组合构成三种组合模式；通过数学变换，在每种模式下可以根据两种连接方式得到的测量结果导出电阻率。理论证明这样的电阻率值是不受尺寸效应影响的，对于理想样片，三种模式下的电阻率值应该一致，而实际测量中，三个测量结果一定会有偏差，偏差主要来源于两个方面：第一，实际样片并非绝对均匀，而各个模式所测量的区域略有差别，通过对比三个测量结果可以研究样片均匀性；第二，测量设备本身的误差，由于是高精度的测量过程，仪器本身的影响会明显的反映在测量结果中，比如某种模式下的电阻率值和其他模式下总是存在差距，一定是与该模式相关的探针或线路存在问题。通过求平均值的方法可以减小这两方面的误差，得到更准确的测量结果。
目前现有技术已出现应用双电测组合法的薄膜电阻率测量装置，但是这些装置在测量过程中需要通过手动改变电路连接方式和探针位置调节，测量速度慢，精度低，恒流源的控制精度和电流电压测量精度在电路结构频繁变化的情况下也无法保证；数据处理过程多用单片机实现，局限了双电测组合法涉及的拟合函数和修正函数的计算精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄膜电阻率自动测量仪，该装置避免了手动方式改变电路连接和探针位置调节，提高了薄膜电阻率测量的速度和精度。
本发明提供了一种薄膜电阻率自动测量仪，包括四探针6、恒流源(4)和电压电流测量模块5，其特征在于，还包括控制器1和电路切换模块2，控制器1、恒流源4、电路切换模块2和电压电流测量模块5依次连接构成回路，电路切换模块2的另外两端口分别连接控制器1和四探针6，电路切换模块2根据来自控制器1的电路切换信号选择四探针6中的两根探针作为电流探针，另外两根探针作为电压探针，恒流源4根据来自控制器1的电流控制信号产生恒定电流，使其通过电流探针，电压探针感应电势差，电压电流测量模块5测量恒定电流和电势差传送给控制器1，控制器1计算电阻率。
作为本发明的进一步改进，所述控制器1与四探针6之间还接有探针位置调节器3，用于根据控制器1的位置控制信号调整四探针与样品的相对位置。
本发明是根据双电测组合法设计的薄膜电阻率自动测量仪，装置中含有电路切换模块，在计算机的控制下电路切换模块中的继电器与电流电压接线端子及四探针断开或连接，从而自动切换电路连接方式，电压电流测量模块测得各连接方式下的探针电流和探针电势差，并传给控制机算计以计算该薄膜样品的电阻率。整个工作过程是在计算机的控制下自动完成，相比现有测量仪测量的速度更快和测量精度更高。

附图说明

图1为本发明结构图；
图2为双电测组合法中三种模式下的探针排布方式；
图3为三种电路连接方式示意图；
图4为电路切换模块结构图；
图5为探针位置调节器结构图；
图6为本发明的软件实现流程图；
图7为进行多次测量得到的结果示意图；
图8为不同测试位置的选择；
图9为不同方法在不同位置测试得到的结果比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的设计基础是双电测组合法，双电测组合法要求测量设备在测量过程中动态的在三种电路连接方式中进行切换，图3给出了电路连接方式示意图，①、②、③和④为探针序号。
图3a所示的电路连接方式表示探针①和②为电流探针，探针③和④为电压探针，图3b所示的电路连接方式表示探针①和④为电流探针，探针③和②为电压探针，图3c所示的电路连接方式表示探针①和③为电流探针，探针②和④为电压探针。
三种连接方式两两组合构成三种模式，通过数学变换，在每种模式下根据两种连接方式得到的测量结果导出电阻率。图3b和图3c所示的电路连接方式对应图2a所示的模式1，图3a和图3b所示的电路连接方式对应图2b所示的模式2，图3a和图3c所示的电路连接方式对应图2c所示的模式3。V24表示图3b对应的电压探针间的电势差，V23表示图3c对应的电压探针间的电势差、V34表示图3a对应的电压探针间的电势差。I12表示图3a对应的电流探针通过的恒定电流，I13表示图3c对应的电流探针通过的恒定电流，I14表示图3a对应的电流探针通过的恒定电流。
基于双电测组合法的测量装置关键之处就在于如何控制图3所示的三种电路连接方式的切换。
如图1所示，本发明包括控制器1，电路切换模块2，四探针6，恒流源4，电压电流测量模块5。工作过程为：首先控制器1向电路切换模块2发送电路切换信号以确定电路连接方式，接着控制器1向恒流源4发出电流控制信号，恒流源4将指定的电流通过电路切换模块2施加在四探针6的电流探针上，营造测量环境，此时电压探针会感应电势差，电压电流测量模块5测量电压探针上的势差和电流探针上的电流值，并将测量结果传递给控制器1；控制器1记录电压值和电流值，向电路切换模块2发送电路切换信号，电压电流测量模块5在新的电路连接方式下再次测量，电压电流测量模块5进行再次测量；直到得到全部三种连接方式下的测量结果后，控制器1关闭恒流源4，并复位电路切换模块2，最后根据三组测量结果计算出电阻率的值。
作为本发明的核心，电路切换模块2包括电流电压接线端子222和线路切换模块21。电流电压接线端子222包括电流端子Iin和Iout，电压端子V+和V-；线路切换模块21包括四个继电器。具体连接方式参见表1和图4，电流端子Iin连接恒流源4和四探针3的第一探针。电流端子Iout连接恒流源4、继电器I的公共端和电压电流测量模块5；继电器I的公共端连接电流端子Iout，常开触点连接继电器II的公共端，常闭触点连接所述四探针6的第二探针；继电器II的公共端连接继电器I的常开触点，常闭触点连接四探针6的第三探针，常开触点连接所述四探针3的第四探针；继电器III的公共端连接电压端子V+，常闭触点连接四探针3的第三探针，常开触点连接所述四探针6的第二探针；继电器IV的公共端连接电压端子V-，常闭触点连接第四探针，常开触点连接所述四探针3的第三探针；电压端子V+连接所述电压电流测量模块5和继电器III的公共端；电压端子V-连接所述电压电流测量模块5和继电器IV的公共端。
        表1 电路切换模块的具体连接方式

三种电路连接方式的切换方法参考表2，通过四个继电器的公共端与常闭触点，常开触点的闭合和断开控制三种电路连接方式的切换，
        表2 电路切换继电器操作法

在本实施例中，电压电流测量模块5采用数字万用表。为了适应数字万用表的测量方式，在电路切换模块2中还增设了数字万用表接线端子组221和继电器V。在数字万用表接线端子组中，第二接线端子为公共端，分别与第一、第三端子构成电压测量端口和电流测量端口，第一接线端子连接电压端子V+，第二接线端子连接电压端子V-和继电器V的常开触点，第三接线端子连接继电器V的常闭触点和恒流源4。
在测量过程中，需要不断调节探针相对样品的位置，为了避免手动操作对样片产生损伤，系统通过软件方式实现。本发明增加探针位置调节器6，用于来自控制器1的位置控制信号调整四探针与样品的相对位置。探针位置调节器3包括垂直控制部件、水平控制部件、旋转控制部件和样品托盘，垂直控制部件用于控制四探针相对于托盘的垂直位置，水平控制部件用于控制样品托盘相对于四探针的水平位置，托盘中部设有用于装载样品的圆盘39，旋转控制部件控制圆盘绕其中心水平旋转。
如图5所示，垂直控制部件包括立柱311，立柱311侧壁固定有垂直步进电机31，垂直步进电机31连接垂直螺棒33顶端，在垂直螺棒33外沿套有垂直位移滑块32，垂直位置控制步进电机31通过控制垂直螺棒33旋转使得垂直位移滑块32沿垂直螺棒33上下移动，四探针固定于垂直位移滑块32底部；
水平控制部件包括水平步进电机34，水平步进电机34与水平螺棒35一端相接，水平螺棒35外沿套有水平位移滑块36，水平步进电机34通过控制水平螺棒35旋转使得水平位移滑块36沿水平螺棒35水平移动；水平位移滑块36侧壁与所述样品托盘37连接，随着样品托盘水平位置滑块36的水平移动，样品托盘37也作相应水平移动；
旋转控制部件包括通过齿轮与所述圆盘39相接的旋转步进电机38。
测量功能由运行在计算机上的软件控制实现，软件流程图如图6所示。测量可以在手动测量和自动测量两种模式下进行。手动模式下用户可以自由控制探针位置，选择测量模式；自动模式下，计算机发出位置控制信号，探针位置控制模块3控制步进电机以调节探针位置。
控制器1获取三种连接模式对应的三组电压电流后，开始计算电阻率，具体过程为：
将三种连接方式下得到的电压电流值转换为测量值：
$R_1=\frac{V_{43}}{I_{12}}$ $R_2=\frac{V_{23}}{I_{14}}$ $R_3=\frac{V_{24}}{I_{13}}$
f1、f2、f3为拟合函数，其与测量值满足式(1)～(3)，
$\frac{R_2}{R_3}=\frac{\ln 2}{f_1}+\mathrm{arsh}\left[2^{-(\frac{1}{f_1}+1)}\right]/\frac{\ln 2}{f_1}-\mathrm{arsh}\left[2^{-(\frac{1}{f_1}+1)}\right]---\left(1\right)$
$\frac{R_1}{R_2}=\frac{\ln 2}{f_2}-\mathrm{arsh}\left[2^{(\frac{1}{f_2}-1)}\right]/\frac{\ln 2}{f_2}+\mathrm{arsh}\left[2^{(\frac{1}{f_2}-1)}\right]---\left(2\right)$
$\frac{R_3}{R_1}=\frac{\ln 2}{f_3}+\mathrm{arsh}\left[2^{(\frac{1}{f_3}-1)}\right]/-\frac{\ln 2}{f_3}+\mathrm{arsh}\left[2^{(\frac{1}{f_3}-1)}\right]---\left(3\right)$
将测量值R1、R2和R3代入式(1)～(3)，确定拟合函数f1、f2、f3。
双电测组合法不能消除样品厚度对电阻率测量的影响。依据薄层原理按照式(4)～(6)得到对电势差V23、V34、V24的厚度修正函数f4、f5、f6。表达式中的n取值越大越接近理想状况
$f_4(W/S)=\frac{2(S/W)\ln 2}{F_{\mathrm{sn}}(W/S)}$其中$F_{\mathrm{sn}}\left(\frac{W}{S}\right)=1+4\underset{n=1}{\overset{1}{\Sigma }}(\frac{1}{\sqrt{{(2\mathrm{nW}/S)}^2+1}}-\frac{1}{\sqrt{{\left(2\mathrm{nW}\right)}^2+4}})---\left(4\right)$
$f_5(W/S)=\frac{3(S/W)\ln (4/3)}{F_{\mathrm{su}}(W/S)}$其中$F_{\mathrm{su}}\left(\frac{W}{S}\right)=1+6\underset{n=1}{\overset{1}{\Sigma }}(\frac{1}{\sqrt{{(2\mathrm{nW}/S)}^2+9}}+\frac{1}{\sqrt{{(2\mathrm{nW}/S)}^2+1}}-\frac{2}{\sqrt{{\left(2\mathrm{nW}\right)}^2+4}}---\left(5\right)$
$f_6(W/S)=\frac{(3/2)(S/W)\ln 3}{F_{\mathrm{per}}(W/S)}$其中$F_{\mathrm{per}}\left(\frac{W}{S}\right)=1+3\underset{n=1}{\overset{1}{\Sigma }}(\frac{1}{\sqrt{{(2\mathrm{nW}/S)}^2+1}}-\frac{1}{\sqrt{{\left(2\mathrm{nW}\right)}^2+9}})---\left(6\right)$
按照式(7)～(8)计算各模式下对应的电阻率：
模式1$\rho =\frac{\pi }{\ln 2}\times \frac{V_{23}{f}_4\left(\alpha \right)+V_{24}{f}_6\left(\alpha \right)}{I}\times f_1\left(\frac{V_{23}{f}_4\left(\alpha \right)}{V_{24}{f}_6\left(\alpha \right)}\right)W---\left(7\right)$
模式2$\rho =\frac{\pi }{\ln 2}\times \frac{V_{23}{f}_4\left(\alpha \right)+V_{34}{f}_5\left(\alpha \right)}{I}\times {\left(\frac{V_{34}{f}_5\left(\alpha \right)}{V_{23}{f}_4\left(\alpha \right)}\right)}^W---\left(8\right)$
模式3$\rho =\frac{\pi }{\ln 2}\times \frac{V_{24}{f}_{64}\left(\alpha \right)-V_{34}{f}_5\left(\alpha \right)}{I}\times f_3\left(\frac{V_{24}{f}_6\left(\alpha \right)}{V_{34}{f}_5\left(\alpha \right)}\right)W---\left(9\right)$
其中α＝W/S
最后将三种模式下求得的电阻率求均值，得到最终的电阻率。
本发明可以直接用于薄膜样品电阻率的测量，以磁性薄膜电阻率的测量为例介绍其运行效果。
磁性薄膜采用溅射镀膜的方法制作，膜很薄且样品大小有限，在应用传统四探针设备进行电阻率测量时非常容易将膜划伤，使测量无法进行；而且不能按照理想样片进行测量，需要引入复杂的尺寸修正。采用双电测组合法可以提高对这种样品的测量精度，应用本发明可以快速自动的得到测量结果。
为验证系统测量的稳定性，对样片进行了多次测量。图7显示的是系统对一片样片连续进行20次测量得到的结果，可以看出，各次测量得到的结果基本保持一致，系统稳定性良好。从测量结果可以看出，双电测组合法中三种模式下得到的电阻率十分接近；Perloff法得到的电阻率值和双电测组合法也比较接近；而传统法得到的电阻率值小于用其他方法得到的值，且有较大差距。这些都可以从理论中得到合理解释。
为验证测量位置对测量结果的影响，现比较在不同测量位置得到的电阻率值。测试所用的样片是长条形的，在中心和边缘处取点进行试验如图8所示，探针序列平行于短边；在样片上任意点取点，探针不平行任意一边。试验结果如图9所示：变更测量位置对双电测组合发影响不大；而传统法和Perloff法得到的电阻率值却有很大的变化。可见双电测组合法相比其他测量方法对样片尺寸有更强的适应性。