一种数字化智能四探针测试仪的设计

湖南涉外经济学院实验中心 李艳红

一种数字化智能四探针测试仪的设计

湖南涉外经济学院实验中心 李艳红

直流四探针测试法通过测量材料的电阻率可以得到材料的掺杂浓度等重要信息。本文介绍了设计了一种基于数字化信号处理技术的智能直流四探针测试仪，具有高精度、抗干扰能力强、体积小、功耗低、人机界面友好等特点，介绍了系统的原理、整体架构及各个模块的功能，详细阐述了系统的硬件设计和软件流程。

四探针测试仪；电阻率；数字化

1.引言

传统的直流四探针测试法在测量手段方面使用模拟电压表显示，读数误差较大。测试过程中必须手动调节电流源和电压表档位，读数后需要人工运算得出材料的电阻率，测量周期长，工作效率低[1]，而数字化智能直流四探针测试仪具有可靠性高、精度高、自动化、速度快的优点。全自动数字化直流四探针测试仪采用数字显示解决了读数误差的问题。自动切换电流源和电压表档位；自动运算求出电阻率极大的缩短了测量周期提高了工作效率，能够有效的适应工业发展[2]。文章详细论述了系统的软硬件设计。

2.工作原理

如图1探针从左至右依次为1号探针、2号探针、3号探针、4号探针。当1、2、3、4四根探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体上时，在1、4探针间通过电流I，则在2于3探针间产生电位差V[3]。

材料电阻率：

式中C为探针修正系数，由探针的间距决定。

当试样的电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无穷大条件时

图1 四探针法测量原理图

图2 硬件框图

图3 恒流源电路

式中：S1、S2、S3分别为探针1与2，2与3，3与4之间的距离，探头系数由制造厂商对探头间距进行测定后确定，并提供给用户。

3.硬件设计

3.1 整体硬件结构

见图2硬件框图，硬件上划分为：放大器、A/D转换器、控制逻辑、显示器、恒流源、电源六大模块。

A/D转换、控制逻辑、显示器均使用MSP430F149单片机完成。MSP430系列单片机是一种超低功耗的功能强大的16位单片机，运算速度快，并且内部集成的12位采样速率为200kbps的A/D转换器，满足使用要求，另外可以很方便的驱动LCD显示模块。

3.2 恒流源电路

恒流源电路负责为被测负载提供所需要的电流。要求输出电流稳定、随负载变化小、温度漂移小、噪声小。

恒流源电路用基准源lm385在运放的正相输入端与电源Vcc之间提供一个较为稳定的电位差，利用运放虚短虚断的性质使运放反相输入端与Vcc之间的电位差也保持恒定，然后在其两端之间连接一个固定电阻，因此，固定流过电阻电流也将保持恒定。通过继电器切换电阻实现输出电流值的切换。由于运放采用OP07输出功率有限，所以当输出电流较大时偏差会较大。

3.3 电源电路

图4 电压采样与恒流源控制程序流程图

电源器件采用固定集成稳压模块7805、7905和可调集成稳压模块LM317。7805提供的5V电源为数字芯片供电，同时7805和7905提供+5V和-5V电源为运放供电，LM317提供3.3V电源为MSP430供电，所有电源共地。

4.软件设计

本系统以MSP430单片机为控制逻辑核心，通过对MSP430编程使系统各模块协调工作。本系统中软件部分包含个程序模块分别如下：

(1)主程序。

(2)初始化程序。其中包括时钟初始化程序、端口初始化程序，三个子模块。

(3)显示器驱动程序。其中包括液晶显示模块初始化程序、液晶显示模块指令程序、液晶显示模块数据程序、液晶显示模块状态读取程序、运算结果显示程序。

(4)数据处理程序。其中包括电压换算程序、电压测量误差数字补偿程序、恒流源输出误差数字补偿程序、数字滤波程序、十六进制码BCD码转换程序、ASIC码转换程序。

(5)电压采样与恒流源电路控制程序。其中包括A/D采样程序、放大电路控制程序、恒流源控制程序。

5.结束语

随着科学技术的不断进步，测量仪器智能化已经成为行业发展的方向。本文所研制的智能四探针测试仪把传统数字四探针测试仪与嵌入式系统相结合。在硬件设计上本着减少模拟电路，减少芯片数量的原则，压缩成本提高可靠性。在软件设计上以人性化作为目标，操作界面力求简明。样品经测试，满足使用要求。

[1]刘新福,孙以材,刘东升.四探针技术测量薄层电阻的原理及应用[J].半导体技术,2004(07).

[2]宿昌厚,鲁效明.论四探针法测试半导体电阻率时的厚度修正[J].计量技术,2005(08).

[3]孙以材,范兆书,孙新宇,宁秋凤.电阻率两种测试方法间几何效应修正的相关性[J].半导体技术,2000(05).

李艳红（1982—），女，湖南长沙人，大学本科，湖南涉外经济学院实验中心实验助理师，研究方向：电子信息技术。