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四探针电阻率测试仪的设计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    关键词：四探针双电测组合法; 范德堡修正因子;CD4052; 薄膜电阻率
    Abstract
    第一章 绪论
    1.1设计的目的
    1.2 国内外研究进展
    1.2.1 电阻率测量对薄膜材料研究的意义
    1.2.2 电阻率测量技术
    1.3 本章小结
    2.1 四探针基本原理
    2.1.1 体原理
    2.1.2 薄层原理
    2.1.3 测准条件
    2.2 双电测组合法测量原理
    2.3 本章小结
    3.6 本章小结
    4.1 系统设计
    4.2 应用需求分析
    4.3 系统硬件结构设计
    4.3.1 硬件选择
    4.4 本章小结
    5.2 信号采集模块
    5.3 信号处理模块
    5.4 薄膜电阻率的运算模块
    5.5 数据显示模块
    5.7 本章小结
    总结
    LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 毕业设计 题 目 学 生 姓 名 学 号 专 业 班 级 指 导 教 师 学 院 答 辩 日 期
    兰州理工大学毕业设计 摘 要 电阻率是电子材料的重要参考性能数，薄膜电阻率的测量备受关注。采用传统四探 1
    兰州理工大学毕业设计 针高电阻率测量方法测量薄膜电阻率，需要加入较多的修正才能得到精确的结果。因此， 研究薄膜电阻率的测量系统原理、软硬件集成方法等具有很重要的意义和应用价值。 在综合比较各种电阻率测量方法的基础上，本设计采用双电测组合法测量薄膜电阻 率。首先，系统研究双电测组合法薄膜电阻率测量原理，跟据测量要求改进电阻率的计 算方法，极大的简化相关修正，提高测量结果的可靠性和精确度。其次，基于单片机的 Rymaszewski四探针双电测组合法设计了薄膜电阻率自动化测量系统。在8051单片机的 控制下，利用基于CD4052芯片的接口电路实现电流探针，电压探针的自动切换，并通 过单片机控制实现两次电压测量；同时根据两次测量结果编程完成范德堡修正因子的计 算，最终实现薄膜电阻率自动测量和显示，建立基于8051单片机的双电测四探针薄膜电 阻率测量系统。实验结果表明，所设计的自动测量系统不仅可以满足多种薄膜电阻率测 量要求，而且提高了测量精度和自动化程度，同时精简了薄膜电阻率测量过程。 关键词：四探针双电测组合法; 范德堡修正因子;CD4052; 薄膜电阻率 Abstract Attention is mainly paid to the measurement of resistivity--an important property of thin film. Owing to apply traditional four-probe method on film sample resistivity measurement, complex corrections are required in order to acquire an accurate result and sample will easily be scratched during the measuring process when using manual four-probe equipment. Therefore, the measurement theory, software and hardware integration method by 2
    兰州理工大学毕业设计 virtual instrumentation for thin film resistivity automatic system are of important value. In comprehensive comparative measurement method of resistivity, on the basis of the design USES double electrical measurement group legal measuring film resistivity. First, system research double electrical measurement is the legitimate film resistivity measurements of the principle with according to measurement requirements, the calculation method of improving resistivity, greatly simplified related correction, improve the reliability and precision measurement result. Secondly,Based on SCM Rymaszewski four-point probe double electrical measurement group the film resistivity legitimate design automation measuring system. In 8051 under the control of the single chip microcomputer based on CD4052 chip interface circuit implements current probe, voltage probe to switch, and through the single-chip microcomputer control achieve two voltage measurement; And according to two measurement results programmed Vanderbilt correction factor calculation, and finally achieve the film resistivity of automatic measurement and display, based on the single chip microcomputer 8051 double electrical measurement of four probe film resistivity measuring system. The experimental result shows that the design of automatic measurement system can not only meet a variety of film resistivity measurement requirements, and improve the measuring precision and automation degree, and streamline film resistivity measurement process. Keywords: dual electro measurement with four point probes; van der Pauw correction factor ; CD4052; Film resistivity 目录 第一章 绪论 ..................................错误！未定义书签。 1.1 设计的目的 ...................................... 5 1.2 国内外研究进展 ................................. 6 1.2.1 电阻率测量对薄膜材料研究的意义 ............. 6 1.2.2 电阻率测量技术 ............................. 9 3
    兰州理工大学毕业设计 1.3 本章小结 .................................... 15 第二章 四探针电阻率测量原理 .............................16 2.1 四探针基本原理 .............................. 17 2.1.1 体原理 ................................... 17 2.1.2 薄层原理 ................................ 19 2.1.3 测准条件 ................................. 20 2.2 双电测组合法测量原理 ........................ 21 2.3 本章小结 .................................... 23 第三章 单片机控制技术 ................... 错误！未定义书签。 3.1 单片机简介 ....................... 错误！未定义书签。 3.2 单片机的发展 ..................... 错误！未定义书签。 3.3 单片机的定时器，中断系统以及串行口 错误！未定义书签。 3.3.1 单片机的定时器 ............... 错误！未定义书签。 3.3.2 单片机的中断系统及串行口 ..... 错误！未定义书签。 3.4 单片机的人机交互与扩展技术 ....... 错误！未定义书签。 3.4.1 单片机的人机交互技术 ......... 错误！未定义书签。 3.4.2 存储器的扩展与系统扩展技术 ... 错误！未定义书签。 3.5 单片机应用系统开发与设计 ......... 错误！未定义书签。 3.6 本章小结 ................................................. 35 第四章 薄膜电阻率测量系统硬件设计 .......... 错误！未定义书签。 4.1 系统设计 ..................................... 37 4.2 应用需求分析 ................................. 37 4.3 系统硬件结构设计 ............................. 38 4.3.1 硬件选择 ................................. 39 4.3.2 硬件模块设计 .............................40 4.4 本章小结 ..................................... 48 第五章 薄膜电阻率测量系统软件设计 .........错误！未定义书签。 5.1 薄膜电阻率测量系统软件构思 ...... 错误！未定义书签。 5.2 信号采集模块 ................................ 50 4
    兰州理工大学毕业设计 5.3 信号处理模块 ................................ 51 5.4 薄膜电阻率的运算模块 ........................ 52 5.5 数据显示模块 .....................错误！未定义书签。 5.6 薄膜电阻率测量软件 ...............错误！未定义书签。 5.7 本章小结 .................................... 55 第六章 总结与致谢 ................................. 56 总结 ............................................ 56 致谢 ............................................ 57 参考文献 .............................错误！未定义书签。 附 录 ..................................... 错误！未定义书签。 外文翻译 .................................................. 24 第一章 绪论 1.1 设计的目的 电阻率是电子材料的基本参数，电阻率的精确测量对于材料机理研究和性能评价 有着重要的意义。针对不同材料，应该采用不同的方法来进行电阻率测量。肃然目前可 以应用的电阻率测量方法有很多种，但是仍然不能满足新型材料的测量需求。针对新材 料的特点改进原有方法或设计新的测量方法，也是新材料电阻率测量研究的重要组成部 5
    分。 兰州理工大学毕业设计 近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提高，薄 膜的厚度也越来越薄，几百纳米的薄膜超薄膜的广泛研究对 近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提高，膜 的厚度越来越薄，几百纳米的超薄膜的广泛研究对电阻率测量提出了新的要求。对薄膜 这样有平整表面的样品，电阻率测量一般采用四探针法。常见的四探针电阻率测量设备 都是为半导体材料设计的。半导体材料材质坚硬，电阻率范围在 1  cm ～ 10 3  cm 量级， 而薄膜材料不仅是在样品厚度，在样品的材质以及电阻率的范围上都与一般的半导体材 料有着显著的不同。以纳米磁性薄膜为例，厚度只有几百纳米，一般采用溅射、电化学 沉积、气相沉积等方法制作，附着在基底表面，连接十分脆弱，采用四探针法测量电阻 率时，样品极易被针尖划伤，不仅不能完成测量，还会破坏样品；而且它们的电阻率多 在以下， 10 3 cm  超出了一般电阻率测量装置的量程。量程更大精确度更高并且充分考 虑薄膜样品特点的测量系统才能满足薄膜样品电阻率的测量需求。 1.2 国内外研究进展 电阻率是材料的基本参数之一。随着材料科学的不断发展，电阻率测量技术也在 不断进步。 本节首先说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义，接着总结电阻率测量方法， 最后介绍四探针电阻率测量方法的发展历程以及四探针电阻率测量设备的发展状况。 1.2.1 电阻率测量对薄膜材料研究的意义 随着材料应用领域的拓宽，材料电阻率对材料来说也不仅仅只是标识其导电性能 的参数，以纳米磁性薄膜为例说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义。纳米磁性薄膜 也是本研究测量对象的原型。 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在纳米量级的单 层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。与普通薄膜相比，纳米薄膜 具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。因而在军事、重 工业、轻工业、石化等领域表现出了广泛的应用前景。常见的纳米磁性薄膜有微波软磁 薄膜、巨磁阻薄膜等。在这些应用中电阻率都极大的影响着材料的性能。 6
    兰州理工大学毕业设计 1. 软磁薄膜 随着通信技术的飞速发展，对能在 GHz 高频段应用的微磁器件提出越来越迫切的 需求。以高频电感器为代表的微磁器件在技术革新上的主要难题在于缺乏高频下仍能保 持良好性能的磁性材料。另外，通信技术的发展也带来越来越严重的电磁污染，对电磁 波吸收材料提出了更高要求，传统的磁性吸波材料由于材料局限性已难以满足这些应用 需求。因此，研究在微波高频下具有高磁导率、超低磁损耗或高磁损耗的材料都具有重 要意义。 软磁材料可以很好的满足这样的需求。所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易 磁化和退磁的磁性材料。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退磁，而且具 有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁 力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩等。 由于软磁材料一般应用在高频环境下，所以除过导磁率，在实际应用中对材料的 自然共振频率 f FMR 和涡流损耗也需要考虑。对于面内单轴各向异性Hk的薄膜，自然共 振频率 f FMR 为： （1-1） 其中，为旋磁因子，Ms 为饱和磁化强度，H k 为面内单轴各向异性场。在其难 FMR f   4  2  HM k s 轴方向，磁导率实部为：   M4 s H k (1-2) 考虑趋肤效应，涡流损耗截止频率 f EC为：   0 4   f  EC  2 t f （1-3） 其中和t f 分别为薄膜的电阻率和厚度，涡流损耗截止频率 f EC 定义当磁导率实 部下降到起始磁导率值的 2/3 时所对应的频率。可以看出，理想的软磁薄膜不仅应具有 高的饱和磁化强度 M s 和适当的单轴面内各向异性场 H k 以保证高的铁磁共振频率 ，还需要具备小的厚度t f 和高的电阻率以尽可能减少高频下的 f FMR 和高的磁导率 ' 涡流损耗。 7
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