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导电聚合物薄膜电阻率测量系统的设计

时间:05-02 来源:21IC 点击:
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。

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    通过样品的电流:
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    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。
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    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:
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    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:
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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。

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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。

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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。

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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。

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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:
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    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。

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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。

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    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。

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