湖南涉外經(jīng)濟學院實驗中心 李艷紅

一種數(shù)字化智能四探針測試儀的設計

湖南涉外經(jīng)濟學院實驗中心 李艷紅

直流四探針測試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。本文介紹了設計了一種基于數(shù)字化信號處理技術的智能直流四探針測試儀，具有高精度、抗干擾能力強、體積小、功耗低、人機界面友好等特點，介紹了系統(tǒng)的原理、整體架構(gòu)及各個模塊的功能，詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設計和軟件流程。

四探針測試儀；電阻率；數(shù)字化

1.引言

傳統(tǒng)的直流四探針測試法在測量手段方面使用模擬電壓表顯示，讀數(shù)誤差較大。測試過程中必須手動調(diào)節(jié)電流源和電壓表檔位，讀數(shù)后需要人工運算得出材料的電阻率，測量周期長，工作效率低[1]，而數(shù)字化智能直流四探針測試儀具有可靠性高、精度高、自動化、速度快的優(yōu)點。全自動數(shù)字化直流四探針測試儀采用數(shù)字顯示解決了讀數(shù)誤差的問題。自動切換電流源和電壓表檔位；自動運算求出電阻率極大的縮短了測量周期提高了工作效率，能夠有效的適應工業(yè)發(fā)展[2]。文章詳細論述了系統(tǒng)的軟硬件設計。

2.工作原理

如圖1探針從左至右依次為1號探針、2號探針、3號探針、4號探針。當1、2、3、4四根探針排成一直線時，并以一定壓力壓在半導體上時，在1、4探針間通過電流I，則在2于3探針間產(chǎn)生電位差V[3]。

材料電阻率：

式中C為探針修正系數(shù)，由探針的間距決定。

當試樣的電阻率分布均勻，試樣尺寸滿足半無窮大條件時

圖1 四探針法測量原理圖

圖2 硬件框圖

圖3 恒流源電路

式中：S1、S2、S3分別為探針1與2，2與3，3與4之間的距離，探頭系數(shù)由制造廠商對探頭間距進行測定后確定，并提供給用戶。

3.硬件設計

3.1 整體硬件結(jié)構(gòu)

見圖2硬件框圖，硬件上劃分為：放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、顯示器、恒流源、電源六大模塊。

A/D轉(zhuǎn)換、控制邏輯、顯示器均使用MSP430F149單片機完成。MSP430系列單片機是一種超低功耗的功能強大的16位單片機，運算速度快，并且內(nèi)部集成的12位采樣速率為200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器，滿足使用要求，另外可以很方便的驅(qū)動LCD顯示模塊。

3.2 恒流源電路

恒流源電路負責為被測負載提供所需要的電流。要求輸出電流穩(wěn)定、隨負載變化小、溫度漂移小、噪聲小。

恒流源電路用基準源lm385在運放的正相輸入端與電源Vcc之間提供一個較為穩(wěn)定的電位差，利用運放虛短虛斷的性質(zhì)使運放反相輸入端與Vcc之間的電位差也保持恒定，然后在其兩端之間連接一個固定電阻，因此，固定流過電阻電流也將保持恒定。通過繼電器切換電阻實現(xiàn)輸出電流值的切換。由于運放采用OP07輸出功率有限，所以當輸出電流較大時偏差會較大。

3.3 電源電路

圖4 電壓采樣與恒流源控制程序流程圖

電源器件采用固定集成穩(wěn)壓模塊7805、7905和可調(diào)集成穩(wěn)壓模塊LM317。7805提供的5V電源為數(shù)字芯片供電，同時7805和7905提供+5V和-5V電源為運放供電，LM317提供3.3V電源為MSP430供電，所有電源共地。

4.軟件設計

本系統(tǒng)以MSP430單片機為控制邏輯核心，通過對MSP430編程使系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作。本系統(tǒng)中軟件部分包含個程序模塊分別如下：

(1)主程序。

(2)初始化程序。其中包括時鐘初始化程序、端口初始化程序，三個子模塊。

(3)顯示器驅(qū)動程序。其中包括液晶顯示模塊初始化程序、液晶顯示模塊指令程序、液晶顯示模塊數(shù)據(jù)程序、液晶顯示模塊狀態(tài)讀取程序、運算結(jié)果顯示程序。

(4)數(shù)據(jù)處理程序。其中包括電壓換算程序、電壓測量誤差數(shù)字補償程序、恒流源輸出誤差數(shù)字補償程序、數(shù)字濾波程序、十六進制碼BCD碼轉(zhuǎn)換程序、ASIC碼轉(zhuǎn)換程序。

(5)電壓采樣與恒流源電路控制程序。其中包括A/D采樣程序、放大電路控制程序、恒流源控制程序。

5.結(jié)束語

隨著科學技術的不斷進步，測量儀器智能化已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的方向。本文所研制的智能四探針測試儀把傳統(tǒng)數(shù)字四探針測試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合。在硬件設計上本著減少模擬電路，減少芯片數(shù)量的原則，壓縮成本提高可靠性。在軟件設計上以人性化作為目標，操作界面力求簡明。樣品經(jīng)測試，滿足使用要求。

[1]劉新福,孫以材,劉東升.四探針技術測量薄層電阻的原理及應用[J].半導體技術,2004(07).

[2]宿昌厚,魯效明.論四探針法測試半導體電阻率時的厚度修正[J].計量技術,2005(08).

[3]孫以材,范兆書,孫新宇,寧秋鳳.電阻率兩種測試方法間幾何效應修正的相關性[J].半導體技術,2000(05).

李艷紅（1982—），女，湖南長沙人，大學本科，湖南涉外經(jīng)濟學院實驗中心實驗助理師，研究方向：電子信息技術。