导电聚合物薄膜电阻率测量系统的设计

导电聚合物材料的电学特性是通过掺杂来控制其电阻率来改变的。因此精确测量导电聚合物的电阻率具有重要意义。半导体工业中普遍使用四探针测量仪测量无机半导体材料的电阻率。而导电聚合物属于有机半导体材料，导电机理不同，且电阻率区间跨度较大(为10-3～1010Ω·cm)。使用四探针测量仪无法满足应用要求。目前，进行较高电阻率测量时可以按照国标(GB3048.3—83)方法搭建测量电路。但是，该方法对样品的外形有严格要求，电路搭建费时、耗力；激励电压大小难于掌控，电压过小影响测量精度，电压过大会导致较大的电流，可能影响样品特性，且过高的电压危险性很大。为了避免压片、塑型等前处理过程，也为了在宽范围内准确、安全地测量，这里进行了必要的改进。

1 测量原理
1．1 四探针电阻测量法
    四探针法可以减小接触电阻和导线电阻的影响。采用恒压激励信号Vs代替原本在1和4探针间的恒流信号。如图1所示。

    通过样品的电流：
 
    式中：Rw为导线电阻；Rct为针脚(1，4)接触电阻；R14为样品电阻。
    为了求得样品电流I，需要通过其他途径得到总电阻Rx。在此引入比率测量法。如图2所示。

    式中：Vin为输入的基准参考电压(对应图2中的Vs)；Vout为放大电路的输出电压；Rf为反馈电阻。
1．2 测量的分辨率
    电阻测量的理论分辨率：
   
    当Vin和Rf恒定时，分辨率随着待测样品电阻率的增加而急剧减小。通过以下方式实现在全量程范围内都保持较高的分辨率：
    (1)在测量较大的Rx时配给较大的Rf；
    (2)改变激励信号的电压值。
    通过程控放大技术，按照电阻值范围设计了不同的档位，并针对档位选择了不同的激励信号电压值，对应关系见表1。

1．3 电流的限制
    半导体材料电阻率测量时对流过样品的电流有比较严格的要求：
    (1)电流不能过小，以确保内侧探针间电压可测；
    (2)电流不能过大，以减小热效应对样品电阻率的影响；
    (3)测量较大电阻率样品时，应该减小注入电流，以减小少子注入的影响。
    流通电流影响样品电阻率值，但是通常电阻率不受电流影响的范围是很广的，根据这个范围的界限可以得出安全操作电流。
    本方法中流经测试样品的电流：
   

2 系统设计
    系统采用LPC2148 ARM7芯片为数学运算和控制的核心单元，系统结构如图3所示。

2．1 控制处理单元
    控制处理单元包括LCD液晶显示电路、键盘输入电路、串口通信电路、反馈控制电路1和2和微控制器。预置限流电阻Rc用于限定小电阻率材料测量时通过的电流，流过的电流可由式(9)计算得出。全量程范围内可保证测量电流小于2 mA。各参数与档位如表1所示。

2．2 信号调理单元
    包括可控恒压产生电路、差分放大电路、比率测量电路和模数(A／D)转换电路。恒压源采用ADR01，产生10 V的基准电压输出，进一步得到0．1 V和0．01 V的基准信号；图2中内侧两探针间电压的测量采用AD620差分放大电路及高精度运放AD546，通过反馈控制电路2调节增益电阻RG来改变输出信号的幅度；模／数转换电路采用16位的∑-△型AD7705，使用3.401V参考电压时测量分辨率到达52μV／LSB。如图4所示。

 

   
2．3 阻值预判电路
    阻值预判机制的引入缘于采用了3个档位的恒压激励信号。为了防止在未知测量电阻的情况下注入过大的电流，必须预判样品的电阻值，然后再选择合适的档位和激励信号。该电路基于惠通斯电桥构建。如图5所示。

3 程序设计
    依照式(1)，式(3)，式(10)，最终得到的待测电阻计算公式为：
 
    式中：R1，R2，Rf为已知的增益电阻；Rc为限流电阻；Vg为内测两探针间的电压；Vo为比率测量电路的输出电压值；C为探针平台的探针系数。主程序流程图如图6所示。

4 系统测试
4．1 测量范围和精度
    通过对标准精密电阻的测量来考察系统的有效测量范围和精度极限。选择相对精度为0．01％的精密E24系列电阻，测量结果如表3
所示。

    试验测定电阻有效测量范围为10 Ω～1 000 MΩ，当探针系数C为0．628 cm时，则电阻率测量范围为：6．28～6．28×108Ω·cm，相对误差小于1％。
4．2 对比实验
    参照国标GB3048．3—83方法搭建测量电路，样品采用在有机玻璃基底上生长的不同掺杂浓度的炭黑-聚吡咯复合材料薄膜。控制样品的电阻率区间在102～105Ω·cm。随机抽取20份样品进行对比测试，结果如图7所示。对比发现，使用该系统得到的测量值与采用标准方法测得的量值很好地相符。