導(dǎo)電聚合物薄膜電阻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種實(shí)用的導(dǎo)電聚合物薄膜電阻率測(cè)量系統(tǒng)。電阻率的測(cè)量原理基于四探針法與比率測(cè)量法，以低值恒壓激勵(lì)代替恒流激勵(lì)，使2種方法結(jié)合在一起；然后以ARM7微控制器為系統(tǒng)核心，構(gòu)建了量程自適應(yīng)的半自動(dòng)式系統(tǒng)架構(gòu)；對(duì)電路實(shí)際能達(dá)到的分辨率和設(shè)計(jì)要求分辨率進(jìn)行詳細(xì)的分析；最后測(cè)量了系列標(biāo)準(zhǔn)電阻和部分導(dǎo)電聚合物薄膜樣品的電阻率值，與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了時(shí)比，分析了系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：電阻率；四探針；比率測(cè)量法；導(dǎo)電聚合物薄膜

0 引言
導(dǎo)電聚合物材料的電學(xué)特性是通過摻雜來控制其電阻率來改變的。因此精確測(cè)量導(dǎo)電聚合物的電阻率具有重要意義。半導(dǎo)體工業(yè)中普遍使用四探針測(cè)量?jī)x測(cè)量無機(jī)半導(dǎo)體材料的電阻率。而導(dǎo)電聚合物屬于有機(jī)半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電機(jī)理不同，且電阻率區(qū)間跨度較大(為10-3～1010Ω·cm)。使用四探針測(cè)量?jī)x無法滿足應(yīng)用要求。目前，進(jìn)行較高電阻率測(cè)量時(shí)可以按照國(guó)標(biāo)(GB3048.3—83)方法搭建測(cè)量電路。但是，該方法對(duì)樣品的外形有嚴(yán)格要求，電路搭建費(fèi)時(shí)、耗力；激勵(lì)電壓大小難于掌控，電壓過小影響測(cè)量精度，電壓過大會(huì)導(dǎo)致較大的電流，可能影響樣品特性，且過高的電壓危險(xiǎn)性很大。為了避免壓片、塑型等前處理過程，也為了在寬范圍內(nèi)準(zhǔn)確、安全地測(cè)量，這里進(jìn)行了必要的改進(jìn)。

1 測(cè)量原理
1．1 四探針電阻測(cè)量法
四探針法可以減小接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響。采用恒壓激勵(lì)信號(hào)Vs代替原本在1和4探針間的恒流信號(hào)。如圖1所示。

通過樣品的電流：

式中：Rw為導(dǎo)線電阻；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，需要通過其他途徑得到總電阻Rx。在此引入比率測(cè)量法。如圖2所示。

式中：Vin為輸入的基準(zhǔn)參考電壓(對(duì)應(yīng)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(cè)量的分辨率
電阻測(cè)量的理論分辨率：

當(dāng)Vin和Rf恒定時(shí)，分辨率隨著待測(cè)樣品電阻率的增加而急劇減小。通過以下方式實(shí)現(xiàn)在全量程范圍內(nèi)都保持較高的分辨率：
(1)在測(cè)量較大的Rx時(shí)配給較大的Rf；
(2)改變激勵(lì)信號(hào)的電壓值。
通過程控放大技術(shù)，按照電阻值范圍設(shè)計(jì)了不同的檔位，并針對(duì)檔位選擇了不同的激勵(lì)信號(hào)電壓值，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。