變溫_變壓四探針測(cè)試儀的研制及應(yīng)用
0 引 言
高分子半導(dǎo)體、導(dǎo)體是功能高分子材料科學(xué)研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域,其理論探索與應(yīng)用已經(jīng)展示了極為重要的前景。導(dǎo)電高分子材料通常包括導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料/纖維、導(dǎo)電膠黏劑、導(dǎo)電涂料/膜材料等,在太陽(yáng)能利用、光電子器件、信息儲(chǔ)存、分子導(dǎo)線和分子器件,以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。其中壓敏性導(dǎo)電橡膠作為傳感器功能材料,高分子熱敏電阻作為過(guò)熱保護(hù)器件[2-4]等,在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用更為廣泛。因此,有關(guān)導(dǎo)電高分子的壓阻特性[3]和溫阻特性[4-5]的研究常有報(bào)道。但是在常用的電阻率測(cè)試儀器中,高阻計(jì)[6-7]和四探針測(cè)試儀[8-11]都不便于進(jìn)行變溫和變壓測(cè)試。本文通過(guò)制備一種塑料封裝四探針和一種金屬/陶瓷組裝四探針,結(jié)合控溫系統(tǒng)、加壓系統(tǒng),能夠方便地測(cè)試變溫、變壓條件下橡膠等材料的導(dǎo)電性能。
1 常用四探針測(cè)試儀的構(gòu)造及功能
四探針?lè)ㄊ菓?yīng)用最廣泛的測(cè)量半導(dǎo)體電阻率的方法。如圖 1 所示,常規(guī)四探針?lè)ㄊ菍?/SPAN> 4 個(gè)剛性探針與樣品表面呈直線均勻接觸,在 1、4 探針上施加恒定精密直流電流 I,用高精度的電壓表測(cè)量中間2、3 探針的電壓 U。
如果樣品的尺寸( 直徑和厚度) 與探針間距大小相比都可視為無(wú)限大,如當(dāng)樣品直徑 > 40s,樣品厚度d > 5s 時(shí),邊緣效應(yīng)修正因子和厚度效應(yīng)修正因子均為 1[9],則按照下式計(jì)算電阻率:
ρ = 2πs( U / I)
式中,s 為探針間距。
常規(guī)四探針測(cè)量法具有使用簡(jiǎn)便、測(cè)量準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)。如果在該儀器基礎(chǔ)上增加變溫測(cè)試或變壓測(cè)試功能,將進(jìn)一步提高其使用效率,并可以用于導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料等材料的電阻率壓敏和熱敏特性研究。通常將四探針部分與測(cè)試樣品同時(shí)放入控溫箱,通過(guò)改變控溫箱溫度實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)試,具有較大的局限性。本文研制了 2 種四探針及其控溫裝置、加壓裝置,可以方便地實(shí)現(xiàn)變溫、變壓情況下的電阻率測(cè)試。
2 自制四探針的設(shè)計(jì)與制作
2. 1 塑料封裝四探針
選取 α-氰基丙烯酸乙酯水催化加聚產(chǎn)物對(duì) 4 根金屬針進(jìn)行封裝,然后一端連接金屬導(dǎo)線,制成一體式的四探針,其示意圖見(jiàn)圖 2。
制作過(guò)程如下:
( 1) 模具。取絕緣塑料板制作圓柱體模具,其底面直徑為控溫儀內(nèi)腔的直徑,模具高度為 2 cm。
( 2) 四探針的固定。將 4 根金屬針以間距 1 mm分別穿過(guò)絕緣塑料板,并加以固定。
( 3) 制作成型。將α-氰基丙烯酸乙酯水催化加聚產(chǎn)物分次涂覆在模具中,每次涂覆要求少量、均勻,保證無(wú)氣泡。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的涂覆晾干后,4 根金屬針被固定成型。
( 4) 連接導(dǎo)線。將 4 根金屬針的末端分別連上導(dǎo)線,如圖 1 所示。
( 5) 封裝。將制作好的塑料四探針套上金屬外套,塑料封裝四探針制作完成。
2. 2 金屬 /陶瓷組裝四探針
采用鋁、銅材料和陶瓷材料,將金屬針和導(dǎo)線固定,制成探針可上下活動(dòng),能夠承受較大壓力的四探針,其示意圖見(jiàn)圖 3。
制作過(guò)程如下:
( 1) 材料選擇。選擇陶瓷及銅、鋁金屬作為探針的固定材料。
(2) 陶瓷封裝四探針制作。預(yù)制陶瓷部件為2 個(gè)半圓柱體,中間留有4 條導(dǎo)槽,間隔1 mm; 將4 根探針均勻排列在陶瓷導(dǎo)槽中間,用絕緣耐高溫粘合劑固定。
(3) 承壓、固定組件。在探針的末端( 測(cè)試端另一端) 分別加上陶瓷護(hù)套、彈簧,前者主要是為了固定 4 根金屬針,承受向下的壓力,后者可以保護(hù)探針并具有一定的預(yù)壓力; 在這些組件的外面套上與控溫儀內(nèi)腔直徑相同的銅管,進(jìn)一步起到固定、承壓、導(dǎo)熱的作用。
(4) 中空鋁制承壓件。中空鋁制承壓件是由車床加工而成,承壓件的上端是圓盤(pán),主要為在上面加砝碼施加軸向壓力并使受力均勻。承壓件下端是中空管,可方便測(cè)試導(dǎo)線通過(guò)。中空鋁制承壓件、彈簧、探針末端陶瓷都起到保證壓力垂直的作用。
(5) 導(dǎo)線的連接。在導(dǎo)線的外面涂覆絕緣層,由探針末端經(jīng)中空鋁制承壓件導(dǎo)出。金屬/陶瓷組裝四探針制作完成。
( 6) 其他配件設(shè)計(jì)。在 4 根金屬針與陶瓷部件接觸的部位,通過(guò)過(guò)盈配合放置一個(gè)薄鋁環(huán),作用是固定4 根探針,防止陶瓷部件掉落。在中空鋁制承壓件的末端用車床制作成螺紋,在銅套的內(nèi)部也制作成螺紋,使其兩者能嚙合。當(dāng)兩者嚙合后,與彈簧共同作用,使針頭能自由上下伸縮。
將塑料封裝四探針和金屬/陶瓷四探針?lè)湃肟販?/SPAN>/加壓裝置中,兩者在常溫下均能正常使用; 但是在較高溫度下塑料封裝四探針的塑料部分開(kāi)始軟化,直至不能使用,而金屬/陶瓷四探針仍可正常測(cè)試樣品的電阻率。以后的實(shí)驗(yàn)均采用后者進(jìn)行電阻率測(cè)試。
評(píng)論