對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀及其測試方法
2023-06-01 17:44:41 2
對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀及其測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀及其測試方法，該測試儀包括紅寶石四探針頭、測試架、主機、測量控制系統、測試電壓調節器和恆流源通斷切換開關，主機內包括恆流源電路和電源電路，測試電壓調節器設置在電源電路和四探針頭之間，用於在測試開始前調節四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。恆流源通斷切換開關設置在恆流源電路和四探針頭之間，用於控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面後才接通恆流源電路。本發明還公開了基於上述測試儀的測試方法。本發明可以調節1、4探針的測試電壓，避免發生高壓擊穿，紅寶石四探針頭有恰當曲率半徑和壓力，探針壓力可在25-250g的較大範圍內變化，能夠廣泛應用於測量各種新型薄層材料。
【專利說明】對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及方塊電阻測試儀研究領域，特別涉及一種對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀及其測試方法。
【背景技術】
[0002]塗層與薄膜材料主要是指由擴散層、外延、離子注入、化學氣相或其他澱積工藝在矽襯底上形成的薄層材料，方塊電阻(又稱面電阻)是研製、生產薄層材料過程中必須測量的重要參數。目前國內外常用的薄層材料方塊電阻測試方法是四探針法，其測試裝置一般由四探針頭、測試架、主機、測量控制系統組成。其中測試架包括樣品臺、懸臂，四探針頭固定在懸臂上，可在懸臂上升降，探頭的中心軸線與樣品臺中心對中，主機設置在測試架的一側，包括箱體以及設置在箱體內部的測試電路，四探針頭與測試電路相連，測試電路包括電源電路、恆流源電路。四探測頭還與測量控制系統中的電壓檢測電路相連。測試原理是:薄層材料放置在測試架平臺上，四探針頭的四根等距探針豎直的排成一排，施加適當的壓力使其與被測樣品表面形成歐姆連接，用恆流源給兩個外探針(1、4探針)通一小電流，電壓檢測電路測量內側兩探針(2、3探針)間的電壓，測量控制系統中的處理模塊通過內部的轉換電路將電壓信號換算成方塊電阻值，然後進行顯示。
[0003]但現有的薄層材料方塊電阻測試設備，1、4電流探針兩端電壓往往過大，且缺少測量保護裝置，很容易發生電擊穿現象，對薄層材料造成電氣損傷；另外，探針頭的探針曲率半徑一般做得過小，接觸壓力也過大，會對薄層材料造成壓穿或壓裂的機械損傷。
[0004]因此，需要一種測試電壓可調、探針頭又有恰當曲率半徑和壓力的針對薄層材料進行測量的方塊電阻測試儀及其測試方法。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，該測試儀在測試時對薄層材料無電氣和機械損傷，從而能廣泛應用於測量各種新型薄層材料。
[0006]本發明的另一目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於上述測試儀的測試方法。該方法能夠調節測試電壓以及調節電流，實現無損檢測。
[0007]本發明的目的通過以下的技術方案實現:對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，包括四探針頭、測試架、主機、測量控制系統，主機內包括恆流源電路和電源電路，方塊電阻測試儀還包括測試電壓調節器，測試電壓調節器設置在電源電路和四探針頭之間，用於在測試開始前調節四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。通過設置測試電壓調節器，可以預先調節測試電壓，從而確保薄層材料不會因為電壓過高而被電擊穿。
[0008]具體的，所述測試電壓調節器包括一電位器，該電位器一端與電源電路相連，另一端與其中一個外探針相連。從而可以根據電阻分壓的原理對兩個外探針之間的測試電壓進行調節。[0009]優選的，所述方塊電阻測試儀還包括恆流源通斷切換開關，恆流源通斷切換開關設置在恆流源電路和四探針頭之間，用於控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面後才接通恆流源電路。通過設置恆流源通斷切換開關可以避免在通電的狀態下發生探針針尖與薄層材料表面之間的空氣電擊穿打火現象。
[0010]優選的，所述主機的箱體上設置有人機互動界面，測試電壓調節器調節旋鈕和恆流源通斷切換開關均設置在該界面上，該界面上還同時設置有顯示屏，顯示屏用於對外顯示當前設置的各部件的參數以及測量結果。
[0011]優選的，所述四探針頭為紅寶石四探針頭，通過具有屏蔽功能的四芯電纜線與主機相連。
[0012]更進一步的，所述紅寶石四探針頭包括筒體、筒蓋，在筒體和筒蓋所形成的空腔內設置有錐座、探針、螺旋彈簧、彈簧座、導引柱、導引柱座、調壓螺絲、上導引片、下導引片，所述導引柱座安裝在錐座上，導引柱座上固定設置有若干個導引柱，彈簧座上設有若干個導引通孔，導引柱分別穿過此導引通孔，彈簧座可在導引柱上滑動；上導引片和下導引片分別設置於錐座的上下兩端，4根探針分別穿過上導引片和下導引片後與對應螺旋彈簧通過金屬毛細管拼接在一起，每根螺旋彈簧尾部均固定在彈簧座上；筒蓋固定在筒體上，調壓螺絲穿過筒蓋後壓在彈簧座上，旋進旋出以調節螺旋彈簧的壓力。通過調壓螺絲改變彈簧座的位置，可改變每根螺旋彈簧的壓力，從而實現對探針壓力的調節。
[0013]更進一步的，所述紅寶石四探針頭的探針為碳化鎢硬質合金探針，針尖曲率半徑在25 μ m-900 μ m範圍內，每根探針與每根螺旋彈簧通過毛細管拼接在一起，探針、金屬毛細管與螺旋彈簧構成一個獨立的彈簧探針系統，每個彈簧探針系統的壓力範圍在25-250g之間。
[0014]優選的，所述測試電壓調節器的電壓調節範圍在5V-80V內。從而防止1、4探針兩針尖之間的電壓過高，對待測薄層材料產生電擊穿現象，損壞材料。
[0015]一種基於上述方塊電阻測試儀的測試方法，包括以下步驟:
[0016]( I)開啟主機電源，先通過測試電壓調節器調節兩個外探針之間的測試電壓；然後調節懸臂位置，使紅寶石四探針頭的四根探針完全壓觸在待測薄層材料表面上；
[0017](2)通過恆流源通斷切換開關開啟恆流源電路，並選擇適當的電流值；
[0018](3)測量控制系統中的電壓檢測電路檢測到四根探針中內側兩探針間的電壓，並將電壓值發送到處理模塊，處理模塊將電壓值換算成方塊電阻值，並對方塊電阻值做溫度、直徑、探針間距誤差的自動修正，最終輸出測量結果。
[0019]本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果:
[0020]1、目前國內現有的四探針測試儀，一般只能調節樣品的測試電流，且恆流源不設通斷開關，很容易發生電擊穿現象。本發明通過設置測試電壓調節器、恆流源通斷切換開關，既可調節樣品測試電流，還可調節1、4探針的測試電壓，可在探針接觸薄層材料後再接通適當電壓，保證在探針接近被測薄層材料時不會發生空氣電離(擊穿)，並使加到被測樣片上的電壓不會在觸點處損傷材料，使用安全性更高。能夠廣泛應用於平面顯示器、鋰電池極板、ITO觸控螢幕、金屬氧化物、半導體薄層(外延層、離子注入層、擴散層)、隱身塗層、納米塗層、超薄金屬膜、柔性屏蔽膜等新興功能材料的方塊電阻測量。
[0021]2、目前國內常用的探頭為環氧樹脂或工程塑料製成，具有材料不耐磨、受環境影響大、精度較差的缺點，一般單根探針壓力在125-200g、300-400g的較窄範圍內變化，難以做到IOOg以下。本發明採用了紅寶石四探針頭，由於此四探針頭針外徑與寶石軸套內徑精準配合，因此探針壓力可在25-250g的較大範圍內變化，特別是每根針壓最低可做到25g，可大大較少探頭本身對薄層材料造成壓穿或壓裂的機械損傷的問題。
[0022]3、本發明所用的探針針尖曲率半徑可根據實際使用需要從25 μ m變化到900 μ m,而國內現有四探針頭的探針曲率半徑一般固定在50-80 μ m之間。對於厚度從3nm變化到100 μ m的薄層材料，機械強度相差很大，本發明設計的探頭最小壓力可達25g，針尖最大曲率半徑可到900 μ m，因此在實際應用中可選取更佳的探針曲率半徑和壓力的組合，以保證在測試中不會對薄層材料產生機械損傷，並有穩定的測量信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的測試原理示意圖；
[0024]圖2是本發明主機箱體上人機互動界面外觀示意圖；
[0025]圖3是本發明測試架結構示意圖；
[0026]圖4是本發明紅寶石四探針頭立體結構示意圖；
[0027]圖5是圖4所示紅寶石四探針頭的剖視圖；
[0028]圖6是本發明中測試電壓調節器的結構原理圖。
[0029]其中，1-調壓螺絲；2_筒蓋；3_筒體；4_金屬毛細管；5_上導引片；6_下導引片；7-導引柱座；8_彈黃座；9_探針；10_維座；11_螺旋彈黃；12_導引柱；13_懸臂；14_樣品臺；15_立柱；16_底板。
【具體實施方式】
[0030]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0031]實施例1
[0032]如圖1所示，本實施例對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，包括主機、紅寶石四探針頭、測試架、測量控制系統，所述主機包括箱體和測試電路，測試電路中的電源電路和恆流源電路設置在箱體內。紅寶石四探針頭包括1、2、3、4四個探針，其中1、4探針為外探針，2、3探針為內探針。如圖6所示，測試電壓調節器包括一電位器，本實施例中，該電位器一端與電源電路相連，另一端與其中一個外探針(I探針)相連。恆流源通斷切換開關設置在恆流源電路和四探針頭之間。測量控制系統包括電壓檢測電路和處理模塊，紅寶石四探針頭和電壓檢測電路相連。
[0033]如圖2所示，測試電壓調節器的調節旋鈕(標記有「測試電壓」的旋鈕)和恆流源通斷切換開關(標記有「恆流源」的按鈕)均設置在主機箱體上的人機互動界面上，人機互動界面上還設有若干個顯示屏，分別用於顯示當前設定的電流值、測試電壓值，以及最後計算測量得到的方塊電阻/電阻率值。
[0034]如圖3所示,所述測試架包括懸臂13、樣品臺14、立柱15、底板16,樣品臺14上用於放置待測薄層材料，樣品臺14放置於底板16上，懸臂13通過立柱15固定在底板16的一側，在懸臂13的一端安裝有紅寶石四探針頭，紅寶石四探針頭中心軸線與樣品臺14中心對中，懸臂13可在立柱上上下升降，紅寶石四探針頭與主機通過具有屏蔽作用的四芯電纜線連接在一起。
[0035]如圖4、5所示，本實施例中紅寶石四探針頭包括錐座10、筒體3、筒蓋2、探針9、螺旋彈簧11、彈簧座8、導引柱12、導引柱座7、調壓螺絲1、金屬毛細管4、上導引片5、下導引片6。所述導引柱座7安裝在錐座10上，導引柱12 —端固定在導引柱座7上，導引柱12穿過彈簧座8的四個導引通孔(可根據實際應用進行增減)，彈簧座8能沿導引柱12上下順暢地運動；所述探針9穿過上導引片5和下導引片6，通過金屬毛細管4與螺旋彈簧11拼接在一起，每個螺旋彈簧11尾部均固定在彈簧座8上，筒蓋2固定在筒體3上，調壓螺絲I穿過筒蓋2後壓在彈簧座8上，旋進旋出調壓螺絲I，可改變彈簧座8的相對位置，從而實現對四根探針壓力的調節。
[0036]本實施例中的探針9為4根碳化鎢硬質合金探針，其針尖曲率半徑通過研磨加工技術，可做到25 μ m-900 μ m範圍內。每根探針通過毛細管與螺旋彈簧拼接在一起構成獨立的彈簧系統，螺旋彈簧的壓力調節範圍廣、壽命長，每根探針的壓力可在25-250g範圍內調節。針對不同規格的薄層材料，可在確保測量結果的同時，最大程度地保證其不被壓壞。
[0037]一種基於上述方塊電阻測試儀的測試方法，包括以下步驟:
[0038]( I)開啟主機電源，先通過測試電壓調節器調節兩個外探針之間的測試電壓；然後調節測試架懸臂上的升降手柄，使紅寶石四探針頭的四根探針完全壓觸在待測薄層材料表面上；
[0039](2)通過恆流源通斷切換開關開啟恆流源電路，並選擇適當的電流值；
[0040](3)測量控制系統中的電壓檢測電路檢測到四根探針中內側兩探針間的電壓，並將電壓值發送到處理模塊，處理模塊將電壓值換算成方塊電阻值，並對方塊電阻值做溫度、直徑、探針間距誤差的自動修正，最終輸出測量結果。
[0041]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，包括四探針頭、測試架、主機、測量控制系統，主機內包括恆流源電路和電源電路，其特徵在於，方塊電阻測試儀還包括測試電壓調節器，測試電壓調節器設置在電源電路和四探針頭之間，用於在測試開始前調節四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。
2.根據權利要求1所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述方塊電阻測試儀還包括恆流源通斷切換開關，恆流源通斷切換開關設置在恆流源電路和四探針頭之間，用於控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面後才接通恆流源電路。
3.根據權利要求2所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述主機的箱體上設置有人機互動界面，測試電壓調節器調節旋鈕和恆流源通斷切換開關均設置在該界面上，該界面上還同時設置有顯示屏，顯示屏用於對外顯示當前設置的各部件的參數、以及測量結果。
4.根據權利要求1或2或3所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述四探針頭為紅寶石四探針頭，通過具有屏蔽功能的四芯電纜線與主機相連。
5.根據權利要求4所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述紅寶石四探針頭包括筒體、筒蓋，在筒體和筒蓋所形成的空腔內設置有錐座、探針、螺旋彈簧、彈簧座、導引柱、導引柱座、調壓螺絲、上導引片、下導引片，所述導引柱座安裝在錐座上，導引柱座上固定設置有若干個導引柱，彈簧座上設有若干個導引通孔，導引柱分別穿過此導引通孔，彈簧座可在導引柱上滑動；上導引片和下導引片分別設置於錐座的上下兩端，4根探針分別穿過上導引片和下導引片後與對應螺旋彈簧通過金屬毛細管拼接在一起，每根螺旋彈簧尾部均固定在彈簧座上；筒蓋固定在筒體上，調壓螺絲穿過筒蓋後壓在彈簧座上，旋進旋出以調節螺旋彈簧的壓力。
6.根據權利要求5所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述紅寶石四探針頭的探針為碳化鶴硬質合金探針，針尖曲率半徑在25 μ m-900 μ m範圍內，每根探針與每根螺旋彈簧通過毛細管拼接在一起，探針、金屬毛細管與螺旋彈簧構成一個獨立的彈簧探針系統，每個彈簧探針系統的壓力範圍在25_250g之間。
7.根據權利要求1所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述測試電壓調節器的電壓調節範圍在5V-80V內。
8.根據權利要求1所述的對薄層材料進行無損測量的方塊電阻測試儀，其特徵在於，所述測試電壓調節器包括一電位器，該電位器一端與電源電路相連，另一端與其中一個外探針相連。
9.一種基於權利要求4-6任一項所述方塊電阻測試儀的測試方法,其特徵在於,包括以下步驟: (1)開啟主機電源，先通過測試電壓調節器調節兩個外探針之間的測試電壓；然後調節懸臂位置，使紅寶石四探針頭的四根探針完全壓觸在待測薄層材料表面上； (2)通過恆流源通斷切換開關開啟恆流源電路，並選擇適當的電流值； (3)測量控制系統中的電壓檢測電路檢測到四根探針中內側兩探針間的電壓，並將電壓值發送到處理模塊，處理模塊將電壓值換算成方塊電阻值，並對方塊電阻值做溫度、直徑、探針間距誤差的自動修正，最終輸出測量結果。
【文檔編號】G01R1/073GK103472308SQ201310444506
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】王昕 , 苟永江, 龔紅玉 申請人:廣州市昆德科技有限公司