對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，包括紅寶石四探針頭、測試架、主機(jī)、測量控制系統(tǒng)、測試電壓調(diào)節(jié)器和恒流源通斷切換開關(guān)，主機(jī)內(nèi)包括恒流源電路和電源電路，測試電壓調(diào)節(jié)器設(shè)置在電源電路和四探針頭之間，用于在測試開始前調(diào)節(jié)四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。恒流源通斷切換開關(guān)設(shè)置在恒流源電路和四探針頭之間，用于控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面后才接通恒流源電路。本實用新型可以調(diào)節(jié)1、4探針的測試電壓，避免發(fā)生高壓擊穿，紅寶石四探針頭有恰當(dāng)曲率半徑和壓力，探針壓力可在25-250g的較大范圍內(nèi)變化，能夠廣泛應(yīng)用于測量各種新型薄層材料。
【專利說明】對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及方塊電阻測試儀研究領(lǐng)域，特別涉及一種對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀。
【背景技術(shù)】
[0002]涂層與薄膜材料主要是指由擴(kuò)散層、外延、離子注入、化學(xué)氣相或其他淀積工藝在硅襯底上形成的薄層材料，方塊電阻(又稱面電阻)是研制、生產(chǎn)薄層材料過程中必須測量的重要參數(shù)。目前國內(nèi)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(jī)、測量控制系統(tǒng)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(jī)設(shè)置在測試架的一側(cè)，包括箱體以及設(shè)置在箱體內(nèi)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、恒流源電路。四探測頭還與測量控制系統(tǒng)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(dāng)?shù)膲毫κ蛊渑c被測樣品表面形成歐姆連接，用恒流源給兩個外探針(1、4探針)通一小電流，電壓檢測電路測量內(nèi)側(cè)兩探針(2、3探針)間的電壓，測量控制系統(tǒng)中的處理模塊通過內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路將電壓信號換算成方塊電阻值，然后進(jìn)行顯示。
[0003]但現(xiàn)有的薄層材料方塊電阻測試設(shè)備，1、4電流探針兩端電壓往往過大，且缺少測量保護(hù)裝置，很容易發(fā)生電擊穿現(xiàn)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(jī)械損傷。
[0004]因此，需要一種測試電壓可調(diào)、探針頭又有恰當(dāng)曲率半徑和壓力的針對薄層材料進(jìn)行測量的方塊電阻測試儀。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種對薄層材料進(jìn)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(jī)械損傷，從而能廣泛應(yīng)用于測量各種新型薄層材料。
[0006]本實用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，包括四探針頭、測試架、主機(jī)、測量控制系統(tǒng)，主機(jī)內(nèi)包括恒流源電路和電源電路，方塊電阻測試儀還包括測試電壓調(diào)節(jié)器，測試電壓調(diào)節(jié)器設(shè)置在電源電路和四探針頭之間，用于在測試開始前調(diào)節(jié)四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。通過設(shè)置測試電壓調(diào)節(jié)器，可以預(yù)先調(diào)節(jié)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。
[0007]具體的，所述測試電壓調(diào)節(jié)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(jù)電阻分壓的原理對兩個外探針之間的測試電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0008]優(yōu)選的，所述方塊電阻測試儀還包括恒流源通斷切換開關(guān)，恒流源通斷切換開關(guān)設(shè)置在恒流源電路和四探針頭之間，用于控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面后才接通恒流源電路。通過設(shè)置恒流源通斷切換開關(guān)可以避免在通電的狀態(tài)下發(fā)生探針針尖與薄層材料表面之間的空氣電擊穿打火現(xiàn)象。
[0009]優(yōu)選的，所述主機(jī)的箱體上設(shè)置有人機(jī)交互界面，測試電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)旋鈕和恒流源通斷切換開關(guān)均設(shè)置在該界面上，該界面上還同時設(shè)置有顯示屏，顯示屏用于對外顯示當(dāng)前設(shè)置的各部件的參數(shù)以及測量結(jié)果。
[0010]優(yōu)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(jī)相連。
[0011]更進(jìn)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(nèi)設(shè)置有錐座、探針、螺旋彈簧、彈簧座、導(dǎo)引柱、導(dǎo)引柱座、調(diào)壓螺絲、上導(dǎo)引片、下導(dǎo)引片，所述導(dǎo)引柱座安裝在錐座上，導(dǎo)引柱座上固定設(shè)置有若干個導(dǎo)引柱，彈簧座上設(shè)有若干個導(dǎo)引通孔，導(dǎo)引柱分別穿過此導(dǎo)引通孔，彈簧座可在導(dǎo)引柱上滑動；上導(dǎo)引片和下導(dǎo)引片分別設(shè)置于錐座的上下兩端，4根探針分別穿過上導(dǎo)引片和下導(dǎo)引片后與對應(yīng)螺旋彈簧通過金屬毛細(xì)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(diào)壓螺絲穿過筒蓋后壓在彈簧座上，旋進(jìn)旋出以調(diào)節(jié)螺旋彈簧的壓力。通過調(diào)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(xiàn)對探針壓力的調(diào)節(jié)。
[0012]更進(jìn)一步的，所述紅寶石四探針頭的探針為碳化鎢硬質(zhì)合金探針，針尖曲率半徑在25 μ m-900 μ m范圍內(nèi)，每根探針與每根螺旋彈簧通過毛細(xì)管拼接在一起，探針、金屬毛細(xì)管與螺旋彈簧構(gòu)成一個獨立的彈簧探針系統(tǒng)，每個彈簧探針系統(tǒng)的壓力范圍在25-250g之間。
[0013]優(yōu)選的，所述測試電壓調(diào)節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)范圍在5V-80V內(nèi)。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(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象，損壞材料。
[0014]一種基于上述方塊電阻測試儀的測試方法，包括以下步驟:
[0015]( 1)開啟主機(jī)電源，先通過測試電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)兩個外探針之間的測試電壓；然后調(diào)節(jié)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；
[0016](2)通過恒流源通斷切換開關(guān)開啟恒流源電路，并選擇適當(dāng)?shù)碾娏髦担?br> [0017](3)測量控制系統(tǒng)中的電壓檢測電路檢測到四根探針中內(nèi)側(cè)兩探針間的電壓，并將電壓值發(fā)送到處理模塊，處理模塊將電壓值換算成方塊電阻值，并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(jié)果。
[0018]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0019]1、目前國內(nèi)現(xiàn)有的四探針測試儀，一般只能調(diào)節(jié)樣品的測試電流，且恒流源不設(shè)通斷開關(guān)，很容易發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。本實用新型通過設(shè)置測試電壓調(diào)節(jié)器、恒流源通斷切換開關(guān)，既可調(diào)節(jié)樣品測試電流，還可調(diào)節(jié)1、4探針的測試電壓，可在探針接觸薄層材料后再接通適當(dāng)電壓，保證在探針接近被測薄層材料時不會發(fā)生空氣電離(擊穿)，并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(yīng)用于平面顯示器、鋰電池極板、ΙΤ0觸摸屏、金屬氧化物、半導(dǎo)體薄層(外延層、離子注入層、擴(kuò)散層)、隱身涂層、納米涂層、超薄金屬膜、柔性屏蔽膜等新興功能材料的方塊電阻測量。
[0020]2、目前國內(nèi)常用的探頭為環(huán)氧樹脂或工程塑料制成，具有材料不耐磨、受環(huán)境影響大、精度較差的缺點，一般單根探針壓力在125-200g、300-400g的較窄范圍內(nèi)變化，難以做到100g以下。本實用新型采用了紅寶石四探針頭，由于此四探針頭針外徑與寶石軸套內(nèi)徑精準(zhǔn)配合，因此探針壓力可在25-250g的較大范圍內(nèi)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(jī)械損傷的問題。
[0021]3、本實用新型所用的探針針尖曲率半徑可根據(jù)實際使用需要從25 μ m變化到900 μ m，而國內(nèi)現(xiàn)有四探針頭的探針曲率半徑一般固定在50-80 μ m之間。對于厚度從3nm變化到100 μ m的薄層材料，機(jī)械強(qiáng)度相差很大，本實用新型設(shè)計的探頭最小壓力可達(dá)25g，針尖最大曲率半徑可到900 μ m,因此在實際應(yīng)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(chǎn)生機(jī)械損傷，并有穩(wěn)定的測量信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的測試結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0023]圖2是本實用新型主機(jī)箱體上人機(jī)交互界面外觀示意圖；
[0024]圖3是本實用新型測試架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本實用新型紅寶石四探針頭立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是圖4所示紅寶石四探針頭的剖視圖；
[0027]圖6是本實用新型中測試電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0028]其中，1-調(diào)壓螺絲；2_筒蓋；3_筒體；4_金屬毛細(xì)管；5_上導(dǎo)引片；6_下導(dǎo)引片；7-導(dǎo)引柱座；8_彈黃座；9_探針；10_維座；11_螺旋彈黃；12_導(dǎo)引柱；13_懸臂；14_樣品臺；15_立柱；16_底板。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0030]實施例1
[0031]如圖1所示，本實施例對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，包括主機(jī)、紅寶石四探針頭、測試架、測量控制系統(tǒng)，所述主機(jī)包括箱體和測試電路，測試電路中的電源電路和恒流源電路設(shè)置在箱體內(nèi)。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(nèi)探針。如圖6所示，測試電壓調(diào)節(jié)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。恒流源通斷切換開關(guān)設(shè)置在恒流源電路和四探針頭之間。測量控制系統(tǒng)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。
[0032]如圖2所示，測試電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)旋鈕(標(biāo)記有“測試電壓”的旋鈕)和恒流源通斷切換開關(guān)(標(biāo)記有“恒流源”的按鈕)均設(shè)置在主機(jī)箱體上的人機(jī)交互界面上，人機(jī)交互界面上還設(shè)有若干個顯示屏，分別用于顯示當(dāng)前設(shè)定的電流值、測試電壓值，以及最后計算測量得到的方塊電阻/電阻率值。
[0033]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上用于放置待測薄層材料，樣品臺14放置于底板16上，懸臂13通過立柱15固定在底板16的一側(cè)，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(jī)通過具有屏蔽作用的四芯電纜線連接在一起。[0034]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(dǎo)引柱12、導(dǎo)引柱座7、調(diào)壓螺絲1、金屬毛細(xì)管4、上導(dǎo)引片5、下導(dǎo)引片6。所述導(dǎo)引柱座7安裝在錐座10上，導(dǎo)引柱12 —端固定在導(dǎo)引柱座7上，導(dǎo)引柱12穿過彈簧座8的四個導(dǎo)引通孔(可根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行增減)，彈簧座8能沿導(dǎo)引柱12上下順暢地運(yùn)動；所述探針9穿過上導(dǎo)引片5和下導(dǎo)引片6，通過金屬毛細(xì)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(diào)壓螺絲I穿過筒蓋2后壓在彈簧座8上，旋進(jìn)旋出調(diào)壓螺絲I，可改變彈簧座8的相對位置，從而實現(xiàn)對四根探針壓力的調(diào)節(jié)。
[0035]本實施例中的探針9為4根碳化鎢硬質(zhì)合金探針，其針尖曲率半徑通過研磨加工技術(shù)，可做到25 μ m-900 μ m范圍內(nèi)。每根探針通過毛細(xì)管與螺旋彈簧拼接在一起構(gòu)成獨立的彈簧系統(tǒng)，螺旋彈簧的壓力調(diào)節(jié)范圍廣、壽命長，每根探針的壓力可在25-250g范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。針對不同規(guī)格的薄層材料，可在確保測量結(jié)果的同時，最大程度地保證其不被壓壞。
[0036]一種基于上述方塊電阻測試儀的測試方法，包括以下步驟:
[0037]( I)開啟主機(jī)電源，先通過測試電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)兩個外探針之間的測試電壓；然后調(diào)節(jié)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；
[0038](2)通過恒流源通斷切換開關(guān)開啟恒流源電路，并選擇適當(dāng)?shù)碾娏髦担?br> [0039](3)測量控制系統(tǒng)中的電壓檢測電路檢測到四根探針中內(nèi)側(cè)兩探針間的電壓，并將電壓值發(fā)送到處理模塊，處理模塊將電壓值換算成方塊電阻值，并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(jié)果。
[0040]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，包括四探針頭、測試架、主機(jī)、測量控制系統(tǒng)，主機(jī)內(nèi)包括恒流源電路和電源電路，其特征在于，方塊電阻測試儀還包括測試電壓調(diào)節(jié)器，測試電壓調(diào)節(jié)器設(shè)置在電源電路和四探針頭之間，用于在測試開始前調(diào)節(jié)四探針頭中兩個外探針之間的測試電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，所述方塊電阻測試儀還包括恒流源通斷切換開關(guān)，恒流源通斷切換開關(guān)設(shè)置在恒流源電路和四探針頭之間，用于控制在探針針尖完全壓觸在薄層材料表面后才接通恒流源電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，所述主機(jī)的箱體上設(shè)置有人機(jī)交互界面，測試電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)旋鈕和恒流源通斷切換開關(guān)均設(shè)置在該界面上，該界面上還同時設(shè)置有顯示屏，顯示屏用于對外顯示當(dāng)前設(shè)置的各部件的參數(shù)、以及測量結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，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(jī)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，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(nèi)設(shè)置有錐座、探針、螺旋彈簧、彈簧座、導(dǎo)引柱、導(dǎo)引柱座、調(diào)壓螺絲、上導(dǎo)引片、下導(dǎo)引片，所述導(dǎo)引柱座安裝在錐座上，導(dǎo)引柱座上固定設(shè)置有若干個導(dǎo)引柱，彈簧座上設(shè)有若干個導(dǎo)引通孔，導(dǎo)引柱分別穿過此導(dǎo)引通孔，彈簧座可在導(dǎo)引柱上滑動；上導(dǎo)引片和下導(dǎo)引片分別設(shè)置于錐座的上下兩端，4根探針分別穿過上導(dǎo)引片和下導(dǎo)引片后與對應(yīng)螺旋彈簧通過金屬毛細(xì)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(diào)壓螺絲穿過筒蓋后壓在彈簧座上，旋進(jìn)旋出以調(diào)節(jié)螺旋彈簧的壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，所述紅寶石四探針頭的探針為碳化鶴硬質(zhì)合金探針，針尖曲率半徑在25 μ m-900 μ m范圍內(nèi)，每根探針與每根螺旋彈簧通過毛細(xì)管拼接在一起，探針、金屬毛細(xì)管與螺旋彈簧構(gòu)成一個獨立的彈簧探針系統(tǒng)，每個彈簧探針系統(tǒng)的壓力范圍在25_250g之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，所述測試電壓調(diào)節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)范圍在5V-80V內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對薄層材料進(jìn)行無損測量的方塊電阻測試儀，其特征在于，所述測試電壓調(diào)節(jié)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。
【文檔編號】G01R27/14GK203479907SQ201320589025
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】王昕 , 茍永江, 龔紅玉 申請人:廣州市昆德科技有限公司