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对薄层材料进行无损测量的方 块 电阻测试仪及其测试方法

阅读：731发布：2024-02-18

专利汇可以提供对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪及其测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪及其测试方法，该测试仪包括红宝石四探针头、测试架、主机、测量控制系统、测试电压调节器和恒流源通断切换开关，主机内包括恒流源电路和电源电路，测试电压调节器设置在电源电路和四探针头之间，用于在测试开始前调节四探针头中两个外探针之间的测试电压。恒流源通断切换开关设置在恒流源电路和四探针头之间，用于控制在探针针尖完全压触在薄层材料表面后才接通恒流源电路。本发明还公开了基于上述测试仪的测试方法。本发明可以调节1、4探针的测试电压，避免发生高压击穿，红宝石四探针头有恰当曲率半径和压力，探针压力可在25-250g的较大范围内变化，能够广泛应用于测量各种新型薄层材料。，下面是对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪及其测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，包括四探针头、测试架、主机、测量控制系统，主机内包括恒流源电路和电源电路，其特征在于，方块电阻测试仪还包括测试电压调节器，测试电压调节器设置在电源电路和四探针头之间，用于在测试开始前调节四探针头中两个外探针之间的测试电压。
2.根据权利要求1所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述方块电阻测试仪还包括恒流源通断切换开关，恒流源通断切换开关设置在恒流源电路和四探针头之间，用于控制在探针针尖完全压触在薄层材料表面后才接通恒流源电路。
3.根据权利要求2所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述主机的箱体上设置有人机交互界面，测试电压调节器调节旋钮和恒流源通断切换开关均设置在该界面上，该界面上还同时设置有显示屏，显示屏用于对外显示当前设置的各部件的参数、以及测量结果。
4.根据权利要求1或2或3所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述四探针头为红宝石四探针头，通过具有屏蔽功能的四芯电缆线与主机相连。
5.根据权利要求4所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述红宝石四探针头包括筒体、筒盖，在筒体和筒盖所形成的空腔内设置有锥座、探针、螺旋弹簧、弹簧座、导引柱、导引柱座、调压螺丝、上导引片、下导引片，所述导引柱座安装在锥座上，导引柱座上固定设置有若干个导引柱，弹簧座上设有若干个导引通孔，导引柱分别穿过此导引通孔，弹簧座可在导引柱上滑动；上导引片和下导引片分别设置于锥座的上下两端，4根探针分别穿过上导引片和下导引片后与对应螺旋弹簧通过金属毛细管拼接在一起，每根螺旋弹簧尾部均固定在弹簧座上；筒盖固定在筒体上，调压螺丝穿过筒盖后压在弹簧座上，旋进旋出以调节螺旋弹簧的压力。
6.根据权利要求5所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述红宝石四探针头的探针为碳化钨硬质合金探针，针尖曲率半径在25μm-900μm范围内，每根探针与每根螺旋弹簧通过毛细管拼接在一起，探针、金属毛细管与螺旋弹簧构成一个独立的弹簧探针系统，每个弹簧探针系统的压力范围在25-250g之间。
7.根据权利要求1所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述测试电压调节器的电压调节范围在5V-80V内。
8.根据权利要求1所述的对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，其特征在于，所述测试电压调节器包括一电位器，该电位器一端与电源电路相连，另一端与其中一个外探针相连。
9.一种基于权利要求4-6任一项所述方块电阻测试仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）开启主机电源，先通过测试电压调节器调节两个外探针之间的测试电压；然后调节悬臂位置，使红宝石四探针头的四根探针完全压触在待测薄层材料表面上；
（2）通过恒流源通断切换开关开启恒流源电路，并选择适当的电流值；
（3）测量控制系统中的电压检测电路检测到四根探针中内侧两探针间的电压，并将电压值发送到处理模块，处理模块将电压值换算成方块电阻值，并对方块电阻值做温度、直径、探针间距误差的自动修正，最终输出测量结果。

说明书全文

对薄层材料进行无损测量的方 块 电阻测试仪及其测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及方块电阻测试仪研究领域，特别涉及一种对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪及其测试方法。

背景技术

[0002] 涂层与薄膜材料主要是指由扩散层、外延、离子注入、化学气相或其他淀积工艺在硅衬底上形成的薄层材料，方块电阻（又称面电阻）是研制、生产薄层材料过程中必须测量的重要参数。目前国内外常用的薄层材料方块电阻测试方法是四探针法，其测试装置一般由四探针头、测试架、主机、测量控制系统组成。其中测试架包括样品台、悬臂，四探针头固定在悬臂上，可在悬臂上升降，探头的中心轴线与样品台中心对中，主机设置在测试架的一侧，包括箱体以及设置在箱体内部的测试电路，四探针头与测试电路相连，测试电路包括电源电路、恒流源电路。四探测头还与测量控制系统中的电压检测电路相连。测试原理是：薄层材料放置在测试架平台上，四探针头的四根等距探针竖直的排成一排，施加适当的压力使其与被测样品表面形成欧姆连接，用恒流源给两个外探针（1、4探针）通一小电流，电压检测电路测量内侧两探针（2、3探针）间的电压，测量控制系统中的处理模块通过内部的转换电路将电压信号换算成方块电阻值，然后进行显示。

[0003] 但现有的薄层材料方块电阻测试设备，1、4电流探针两端电压往往过大，且缺少测量保护装置，很容易发生电击穿现象，对薄层材料造成电气损伤；另外，探针头的探针曲率半径一般做得过小，接触压力也过大，会对薄层材料造成压穿或压裂的机械损伤。

[0004] 因此，需要一种测试电压可调、探针头又有恰当曲率半径和压力的针对薄层材料进行测量的方块电阻测试仪及其测试方法。

发明内容

[0005] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，该测试仪在测试时对薄层材料无电气和机械损伤，从而能广泛应用于测量各种新型薄层材料。

[0006] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于上述测试仪的测试方法。该方法能够调节测试电压以及调节电流，实现无损检测。

[0007] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，包括四探针头、测试架、主机、测量控制系统，主机内包括恒流源电路和电源电路，方块电阻测试仪还包括测试电压调节器，测试电压调节器设置在电源电路和四探针头之间，用于在测试开始前调节四探针头中两个外探针之间的测试电压。通过设置测试电压调节器，可以预先调节测试电压，从而确保薄层材料不会因为电压过高而被电击穿。

[0008] 具体的，所述测试电压调节器包括一电位器，该电位器一端与电源电路相连，另一端与其中一个外探针相连。从而可以根据电阻分压的原理对两个外探针之间的测试电压进行调节。

[0009] 优选的，所述方块电阻测试仪还包括恒流源通断切换开关，恒流源通断切换开关设置在恒流源电路和四探针头之间，用于控制在探针针尖完全压触在薄层材料表面后才接通恒流源电路。通过设置恒流源通断切换开关可以避免在通电的状态下发生探针针尖与薄层材料表面之间的空气电击穿打火现象。

[0010] 优选的，所述主机的箱体上设置有人机交互界面，测试电压调节器调节旋钮和恒流源通断切换开关均设置在该界面上，该界面上还同时设置有显示屏，显示屏用于对外显示当前设置的各部件的参数以及测量结果。

[0011] 优选的，所述四探针头为红宝石四探针头，通过具有屏蔽功能的四芯电缆线与主机相连。

[0012] 更进一步的，所述红宝石四探针头包括筒体、筒盖，在筒体和筒盖所形成的空腔内设置有锥座、探针、螺旋弹簧、弹簧座、导引柱、导引柱座、调压螺丝、上导引片、下导引片，所述导引柱座安装在锥座上，导引柱座上固定设置有若干个导引柱，弹簧座上设有若干个导引通孔，导引柱分别穿过此导引通孔，弹簧座可在导引柱上滑动；上导引片和下导引片分别设置于锥座的上下两端，4根探针分别穿过上导引片和下导引片后与对应螺旋弹簧通过金属毛细管拼接在一起，每根螺旋弹簧尾部均固定在弹簧座上；筒盖固定在筒体上，调压螺丝穿过筒盖后压在弹簧座上，旋进旋出以调节螺旋弹簧的压力。通过调压螺丝改变弹簧座的位置，可改变每根螺旋弹簧的压力，从而实现对探针压力的调节。

[0013] 更进一步的，所述红宝石四探针头的探针为碳化钨硬质合金探针，针尖曲率半径在25μm-900μm范围内，每根探针与每根螺旋弹簧通过毛细管拼接在一起，探针、金属毛细管与螺旋弹簧构成一个独立的弹簧探针系统，每个弹簧探针系统的压力范围在25-250g之间。

[0014] 优选的，所述测试电压调节器的电压调节范围在5V-80V内。从而防止1、4探针两针尖之间的电压过高，对待测薄层材料产生电击穿现象，损坏材料。

[0015] 一种基于上述方块电阻测试仪的测试方法，包括以下步骤：

[0016] （1）开启主机电源，先通过测试电压调节器调节两个外探针之间的测试电压；然后调节悬臂位置，使红宝石四探针头的四根探针完全压触在待测薄层材料表面上；

[0017] （2）通过恒流源通断切换开关开启恒流源电路，并选择适当的电流值；

[0018] （3）测量控制系统中的电压检测电路检测到四根探针中内侧两探针间的电压，并将电压值发送到处理模块，处理模块将电压值换算成方块电阻值，并对方块电阻值做温度、直径、探针间距误差的自动修正，最终输出测量结果。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0020] 1、目前国内现有的四探针测试仪，一般只能调节样品的测试电流，且恒流源不设通断开关，很容易发生电击穿现象。本发明通过设置测试电压调节器、恒流源通断切换开关，既可调节样品测试电流，还可调节1、4探针的测试电压，可在探针接触薄层材料后再接通适当电压，保证在探针接近被测薄层材料时不会发生空气电离（击穿），并使加到被测样片上的电压不会在触点处损伤材料，使用安全性更高。能够广泛应用于平面显示器、锂电池极板、ITO触摸屏、金属氧化物、半导体薄层（外延层、离子注入层、扩散层）、隐身涂层、纳米涂层、超薄金属膜、柔性屏蔽膜等新兴功能材料的方块电阻测量。

[0021] 2、目前国内常用的探头为环氧树脂或工程塑料制成，具有材料不耐磨、受环境影响大、精度较差的缺点，一般单根探针压力在125-200g、300-400g的较窄范围内变化，难以做到100g以下。本发明采用了红宝石四探针头，由于此四探针头针外径与宝石轴套内径精准配合，因此探针压力可在25-250g的较大范围内变化，特别是每根针压最低可做到25g，可大大较少探头本身对薄层材料造成压穿或压裂的机械损伤的问题。

[0022] 3、本发明所用的探针针尖曲率半径可根据实际使用需要从25μm变化到900μm，而国内现有四探针头的探针曲率半径一般固定在50-80μm之间。对于厚度从3nm变化到100μm的薄层材料，机械强度相差很大，本发明设计的探头最小压力可达25g，针尖最大曲率半径可到900μm，因此在实际应用中可选取更佳的探针曲率半径和压力的组合，以保证在测试中不会对薄层材料产生机械损伤，并有稳定的测量信号。
附图说明

[0023] 图1是本发明的测试原理示意图；

[0024] 图2是本发明主机箱体上人机交互界面外观示意图；

[0025] 图3是本发明测试架结构示意图；

[0026] 图4是本发明红宝石四探针头立体结构示意图；

[0027] 图5是图4所示红宝石四探针头的剖视图；

[0028] 图6是本发明中测试电压调节器的结构原理图。

[0029] 其中，1-调压螺丝；2-筒盖；3-筒体；4-金属毛细管；5-上导引片；6-下导引片；7-导引柱座；8-弹簧座；9-探针；10-锥座；11-螺旋弹簧；12-导引柱；13-悬臂；14-样品台；15-立柱；16-底板。

具体实施方式

[0030] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0031] 实施例1

[0032] 如图1所示，本实施例对薄层材料进行无损测量的方块电阻测试仪，包括主机、红宝石四探针头、测试架、测量控制系统，所述主机包括箱体和测试电路，测试电路中的电源电路和恒流源电路设置在箱体内。红宝石四探针头包括1、2、3、4四个探针，其中1、4探针为外探针，2、3探针为内探针。如图6所示，测试电压调节器包括一电位器，本实施例中，该电位器一端与电源电路相连，另一端与其中一个外探针（1探针）相连。恒流源通断切换开关设置在恒流源电路和四探针头之间。测量控制系统包括电压检测电路和处理模块，红宝石四探针头和电压检测电路相连。

[0033] 如图2所示，测试电压调节器的调节旋钮（标记有“测试电压”的旋钮）和恒流源通断切换开关（标记有“恒流源”的按钮）均设置在主机箱体上的人机交互界面上，人机交互界面上还设有若干个显示屏，分别用于显示当前设定的电流值、测试电压值，以及最后计算测量得到的方块电阻/电阻率值。

[0034] 如图3所示，所述测试架包括悬臂13、样品台14、立柱15、底板16，样品台14上用于放置待测薄层材料，样品台14放置于底板16上，悬臂13通过立柱15固定在底板16的一侧，在悬臂13的一端安装有红宝石四探针头，红宝石四探针头中心轴线与样品台14中心对中，悬臂13可在立柱上上下升降，红宝石四探针头与主机通过具有屏蔽作用的四芯电缆线连接在一起。

[0035] 如图4、5所示，本实施例中红宝石四探针头包括锥座10、筒体3、筒盖2、探针9、螺旋弹簧11、弹簧座8、导引柱12、导引柱座7、调压螺丝1、金属毛细管4、上导引片5、下导引片6。所述导引柱座7安装在锥座10上，导引柱12一端固定在导引柱座7上，导引柱12穿过弹簧座8的四个导引通孔（可根据实际应用进行增减），弹簧座8能沿导引柱12上下顺畅地运动；所述探针9穿过上导引片5和下导引片6，通过金属毛细管4与螺旋弹簧11拼接在一起，每个螺旋弹簧11尾部均固定在弹簧座8上，筒盖2固定在筒体3上，调压螺丝1穿过筒盖2后压在弹簧座8上，旋进旋出调压螺丝1，可改变弹簧座8的相对位置，从而实现对四根探针压力的调节。

[0036] 本实施例中的探针9为4根碳化钨硬质合金探针，其针尖曲率半径通过研磨加工技术，可做到25μm-900μm范围内。每根探针通过毛细管与螺旋弹簧拼接在一起构成独立的弹簧系统，螺旋弹簧的压力调节范围广、寿命长，每根探针的压力可在25-250g范围内调节。针对不同规格的薄层材料，可在确保测量结果的同时，最大程度地保证其不被压坏。

[0037] 一种基于上述方块电阻测试仪的测试方法，包括以下步骤：

[0038] （1）开启主机电源，先通过测试电压调节器调节两个外探针之间的测试电压；然后调节测试架悬臂上的升降手柄，使红宝石四探针头的四根探针完全压触在待测薄层材料表面上；

[0039] （2）通过恒流源通断切换开关开启恒流源电路，并选择适当的电流值；

[0040] （3）测量控制系统中的电压检测电路检测到四根探针中内侧两探针间的电压，并将电压值发送到处理模块，处理模块将电压值换算成方块电阻值，并对方块电阻值做温度、直径、探针间距误差的自动修正，最终输出测量结果。

[0041] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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