導(dǎo)電聚合物薄膜電阻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種實(shí)用的導(dǎo)電聚合物薄膜電阻率測量系統(tǒng)。電阻率的測量原理基于四探針法與比率測量法，以低值恒壓激勵代替恒流激勵，使2種方法結(jié)合在一起；然后以ARM7微控制器為系統(tǒng)核心，構(gòu)建了量程自適應(yīng)的半自動式系統(tǒng)架構(gòu)；對電路實(shí)際能達(dá)到的分辨率和設(shè)計(jì)要求分辨率進(jìn)行詳細(xì)的分析；最后測量了系列標(biāo)準(zhǔn)電阻和部分導(dǎo)電聚合物薄膜樣品的電阻率值，與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了時(shí)比，分析了系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：電阻率；四探針；比率測量法；導(dǎo)電聚合物薄膜

0 引言
    導(dǎo)電聚合物材料的電學(xué)特性是通過摻雜來控制其電阻率來改變的。因此精確測量導(dǎo)電聚合物的電阻率具有重要意義。半導(dǎo)體工業(yè)中普遍使用四探針測量儀測量無機(jī)半導(dǎo)體材料的電阻率。而導(dǎo)電聚合物屬于有機(jī)半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電機(jī)理不同，且電阻率區(qū)間跨度較大(為10-3～1010Ω·cm)。使用四探針測量儀無法滿足應(yīng)用要求。目前，進(jìn)行較高電阻率測量時(shí)可以按照國標(biāo)(GB3048.3—83)方法搭建測量電路。但是，該方法對樣品的外形有嚴(yán)格要求，電路搭建費(fèi)時(shí)、耗力；激勵電壓大小難于掌控，電壓過小影響測量精度，電壓過大會導(dǎo)致較大的電流，可能影響樣品特性，且過高的電壓危險(xiǎn)性很大。為了避免壓片、塑型等前處理過程，也為了在寬范圍內(nèi)準(zhǔn)確、安全地測量，這里進(jìn)行了必要的改進(jìn)。

1 測量原理
1．1 四探針電阻測量法
    四探針法可以減小接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響。采用恒壓激勵信號Vs代替原本在1和4探針間的恒流信號。如圖1所示。

    通過樣品的電流：
 
    式中：Rw為導(dǎo)線電阻；Rct為針腳(1，4)接觸電阻；R14為樣品電阻。
    為了求得樣品電流I，需要通過其他途徑得到總電阻Rx。在此引入比率測量法。如圖2所示。

    式中：Vin為輸入的基準(zhǔn)參考電壓(對應(yīng)圖2中的Vs)；Vout為放大電路的輸出電壓；Rf為反饋電阻。
1．2 測量的分辨率
    電阻測量的理論分辨率：
   
    當(dāng)Vin和Rf恒定時(shí)，分辨率隨著待測樣品電阻率的增加而急劇減小。通過以下方式實(shí)現(xiàn)在全量程范圍內(nèi)都保持較高的分辨率：
    (1)在測量較大的Rx時(shí)配給較大的Rf；
    (2)改變激勵信號的電壓值。
    通過程控放大技術(shù)，按照電阻值范圍設(shè)計(jì)了不同的檔位，并針對檔位選擇了不同的激勵信號電壓值，對應(yīng)關(guān)系見表1。
1．3 電流的限制
    半導(dǎo)體材料電阻率測量時(shí)對流過樣品的電流有比較嚴(yán)格的要求：
    (1)電流不能過小，以確保內(nèi)側(cè)探針間電壓可測；
    (2)電流不能過大，以減小熱效應(yīng)對樣品電阻率的影響；
    (3)測量較大電阻率樣品時(shí)，應(yīng)該減小注入電流，以減小少子注入的影響。
    流通電流影響樣品電阻率值，但是通常電阻率不受電流影響的范圍是很廣的，根據(jù)這個范圍的界限可以得出安全操作電流。
    本方法中流經(jīng)測試樣品的電流：
   

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用LPC2148 ARM7芯片為數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制的核心單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．1 控制處理單元
    控制處理單元包括LCD液晶顯示電路、鍵盤輸入電路、串口通信電路、反饋控制電路1和2和微控制器。預(yù)置限流電阻Rc用于限定小電阻率材料測量時(shí)通過的電流，流過的電流可由式(9)計(jì)算得出。全量程范圍內(nèi)可保證測量電流小于2 mA。各參數(shù)與檔位如表1所示。

2．2 信號調(diào)理單元
    包括可控恒壓產(chǎn)生電路、差分放大電路、比率測量電路和模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換電路。恒壓源采用ADR01，產(chǎn)生10 V的基準(zhǔn)電壓輸出，進(jìn)一步得到0．1 V和0．01 V的基準(zhǔn)信號；圖2中內(nèi)側(cè)兩探針間電壓的測量采用AD620差分放大電路及高精度運(yùn)放AD546，通過反饋控制電路2調(diào)節(jié)增益電阻RG來改變輸出信號的幅度；模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用16位的∑-△型AD7705，使用3.401V參考電壓時(shí)測量分辨率到達(dá)52μV／LSB。如圖4所示。

   
2．3 阻值預(yù)判電路
    阻值預(yù)判機(jī)制的引入緣于采用了3個檔位的恒壓激勵信號。為了防止在未知測量電阻的情況下注入過大的電流，必須預(yù)判樣品的電阻值，然后再選擇合適的檔位和激勵信號。該電路基于惠通斯電橋構(gòu)建。如圖5所示。

3 程序設(shè)計(jì)
    依照式(1)，式(3)，式(10)，最終得到的待測電阻計(jì)算公式為：
 
    式中：R1，R2，Rf為已知的增益電阻；Rc為限流電阻；Vg為內(nèi)測兩探針間的電壓；Vo為比率測量電路的輸出電壓值；C為探針平臺的探針系數(shù)。主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試
4．1 測量范圍和精度
    通過對標(biāo)準(zhǔn)精密電阻的測量來考察系統(tǒng)的有效測量范圍和精度極限。選擇相對精度為0．01％的精密E24系列電阻，測量結(jié)果如表3
所示。

    試驗(yàn)測定電阻有效測量范圍為10 Ω～1 000 MΩ，當(dāng)探針系數(shù)C為0．628 cm時(shí)，則電阻率測量范圍為：6．28～6．28×108Ω·cm，相對誤差小于1％。
4．2 對比實(shí)驗(yàn)
    參照國標(biāo)GB3048．3—83方法搭建測量電路，樣品采用在有機(jī)玻璃基底上生長的不同摻雜濃度的炭黑-聚吡咯復(fù)合材料薄膜。控制樣品的電阻率區(qū)間在102～105Ω·cm。隨機(jī)抽取20份樣品進(jìn)行對比測試，結(jié)果如圖7所示。對比發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)得到的測量值與采用標(biāo)準(zhǔn)方法測得的量值很好地相符。

4．3 測量精密度
    選擇不同濃度區(qū)間的3份樣品，每份樣品測量20次，考察系統(tǒng)的測量精密度得到圖8的結(jié)果。
    經(jīng)過20次測量測得A樣品的電阻率平均值為11254．44Ω·cm，標(biāo)準(zhǔn)差為9．77；B樣品的電阻率平均值為6485．34Ω·cm，標(biāo)準(zhǔn)差為8.54；C樣品的電阻率平均值為895．47 Ω·cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1．45。

5 結(jié)語
    提出了四探針與比率測量法結(jié)合的方法用于測量導(dǎo)電聚合物薄膜材料的電阻率；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物薄膜材料電阻率測量系統(tǒng)；最后采用標(biāo)準(zhǔn)電阻和薄膜樣品進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)的有效電阻率測量范圍6．28～6．28×108Ω·cm；測量相對誤差小于1％；系統(tǒng)具有較高的精密度，單個樣品多次測量的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比例小于千分之一。相對于國標(biāo)方法，系統(tǒng)具有操作簡便，安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，可以直接對實(shí)驗(yàn)過程中制備的導(dǎo)電聚合物薄膜材料進(jìn)行測量，提高實(shí)驗(yàn)效率。