導電聚合物薄膜電阻率測量系統的設計

摘要：介紹一種實(shí)用的導電聚合物薄膜電阻率測量系統。電阻率的測量原理基于四探針?lè )ㄅc比率測量法，以低值恒壓激勵代替恒流激勵，使2種方法結合在一起；然后以ARM7微控制器為系統核心，構建了量程自適應的半自動(dòng)式系統架構；對電路實(shí)際能達到的分辨率和設計要求分辨率進(jìn)行詳細的分析；最后測量了系列標準電阻和部分導電聚合物薄膜樣品的電阻率值，與標準方法進(jìn)行了時(shí)比，分析了系統各項指標。
關(guān)鍵詞：電阻率；四探針；比率測量法；導電聚合物薄膜

0 引言
導電聚合物材料的電學(xué)特性是通過(guò)摻雜來(lái)控制其電阻率來(lái)改變的。因此精確測量導電聚合物的電阻率具有重要意義。半導體工業(yè)中普遍使用四探針測量?jì)x測量無(wú)機半導體材料的電阻率。而導電聚合物屬于有機半導體材料，導電機理不同，且電阻率區間跨度較大(為10-3～1010Ω·cm)。使用四探針測量?jì)x無(wú)法滿(mǎn)足應用要求。目前，進(jìn)行較高電阻率測量時(shí)可以按照國標(GB3048.3—83)方法搭建測量電路。但是，該方法對樣品的外形有嚴格要求，電路搭建費時(shí)、耗力；激勵電壓大小難于掌控，電壓過(guò)小影響測量精度，電壓過(guò)大會(huì )導致較大的電流，可能影響樣品特性，且過(guò)高的電壓危險性很大。為了避免壓片、塑型等前處理過(guò)程，也為了在寬范圍內準確、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?lè )梢詼p小接觸電阻和導線(xiàn)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(guò)樣品的電流：

式中：Rw為導線(xiàn)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(guò)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為輸入的基準參考電壓(對應圖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Vin和Rf恒定時(shí)，分辨率隨著(zhù)待測樣品電阻率的增加而急劇減小。通過(guò)以下方式實(shí)現在全量程范圍內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(guò)程控放大技術(shù)，按照電阻值范圍設計了不同的檔位，并針對檔位選擇了不同的激勵信號電壓值，對應關(guān)系見(jiàn)表1。