一種數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 李艷紅

一種數(shù)字化智能四探針測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 李艷紅

直流四探針測(cè)試法通過(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。本文介紹了設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)的智能直流四探針測(cè)試儀，具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，介紹了系統(tǒng)的原理、整體架構(gòu)及各個(gè)模塊的功能，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程。

四探針測(cè)試儀；電阻率；數(shù)字化

1.引言

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

2.工作原理

如圖1探針從左至右依次為1號(hào)探針、2號(hào)探針、3號(hào)探針、4號(hào)探針。當(dāng)1、2、3、4四根探針排成一直線時(shí)，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體上時(shí)，在1、4探針間通過(guò)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(dāng)試樣的電阻率分布均勻，試樣尺寸滿足半無(wú)窮大條件時(shí)

圖1 四探針?lè)y(cè)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(duì)探頭間距進(jìn)行測(cè)定后確定，并提供給用戶。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 整體硬件結(jié)構(gòu)

見(jiàn)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(jī)完成。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)，運(yùn)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(dòng)LCD顯示模塊。

3.2 恒流源電路

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

恒流源電路用基準(zhǔn)源lm385在運(yùn)放的正相輸入端與電源Vcc之間提供一個(gè)較為穩(wěn)定的電位差，利用運(yùn)放虛短虛斷的性質(zhì)使運(yùn)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(gè)固定電阻，因此，固定流過(guò)電阻電流也將保持恒定。通過(guò)繼電器切換電阻實(shí)現(xiàn)輸出電流值的切換。由于運(yùn)放采用OP07輸出功率有限，所以當(dāng)輸出電流較大時(shí)偏差會(huì)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(shí)7805和7905提供+5V和-5V電源為運(yùn)放供電，LM317提供3.3V電源為MSP430供電，所有電源共地。

4.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制邏輯核心，通過(guò)對(duì)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(gè)程序模塊分別如下：

(1)主程序。

(2)初始化程序。其中包括時(shí)鐘初始化程序、端口初始化程序，三個(gè)子模塊。

(3)顯示器驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(cè)量誤差數(shù)字補(bǔ)償程序、恒流源輸出誤差數(shù)字補(bǔ)償程序、數(shù)字濾波程序、十六進(jìn)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(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)量?jī)x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(cè)試儀把傳統(tǒng)數(shù)字四探針測(cè)試儀與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合。在硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上以人性化作為目標(biāo)，操作界面力求簡(jiǎn)明。樣品經(jīng)測(cè)試，滿足使用要求。

[1]劉新福,孫以材,劉東升.四探針技術(shù)測(cè)量薄層電阻的原理及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004(07).

[2]宿昌厚,魯效明.論四探針?lè)y(cè)試半導(dǎo)體電阻率時(shí)的厚度修正[J].計(jì)量技術(shù),2005(08).

[3]孫以材,范兆書(shū),孫新宇,寧秋鳳.電阻率兩種測(cè)試方法間幾何效應(yīng)修正的相關(guān)性[J].半導(dǎo)體技術(shù),2000(05).

李艷紅（1982—），女，湖南長(zhǎng)沙人，大學(xué)本科，湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)助理師，研究方向：電子信息技術(shù)。