薄膜电阻率测量系统设计

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实验报告薄膜材料磁电阻效应实验

薄膜材料磁电阻效应实验一、实验目的1. 了解磁性薄膜材料科学及磁电子学的一些基本概念和基础知识；2. 了解MR 、AMR 、GMR 等相关基本概念；3. 了解和学会利用四探针法测量磁性薄膜磁电阻的鱼原理和方法；4. 分析利用四探针法测量磁电阻可能的实验误差来源。

二、实验原理1. 磁性薄膜的磁电阻效应（MRE ）磁电阻效应MRE 是指物质在磁场的作用下电阻会发生变化的物理现象。

表征磁电阻效应大小的物理量为MR ，其定义为：00100%MR ρρρρρ-∆==⨯ （1）其中0ρ、ρ分别代表不加磁场和加了磁场以后的电阻率大小。

磁电阻效应按照产生的磁电阻大小以及机理不同可以分为：正常磁电阻效应（OMR ）、各向异性磁电阻效应（AMR ）、巨磁电阻效应（GMR ）和超巨磁电阻效应（CMR ）等。

（1）正常磁电阻效应（OMR ）正常磁电阻效应(OMR)为普遍存在于所有金属中的磁场电阻效应，它由英国物理学家W.Thomson 于1856年发现。

其特点是：a .磁电阻MR >0b .各向异性，但//ρρ⊥> (⊥ρ和//ρ分别表示外加磁场与电流方向垂直及平行时的电阻率) c .当磁场不高时，MR 正比于H 2OMR 来源于磁场对电子的洛伦兹力，该力导致载流体运动发生偏转或产生螺旋运动，因而使电阻升高。

大部分材料的OMR 都比较小。

以铜为例，当H=10-3T 时，铜的OMR 仅为4⨯10-8%。

（2）各向异性磁电阻效应（AMR ）在居里点以下，铁磁金属的电阻率随电流I 与磁化强度M 的相对取向而异，称之为各向异性磁电阻效应。

即⊥ρ≠//ρ。

各向异性磁电阻值通常定义为：0///)(/ρρρρρ⊥-=∆=AMR （2）低温5K 时，铁、钴的各向异性磁电阻值约为1%，而坡莫合金(Ni 81Fe 19)为15%，室温下坡莫合金的各向异性磁电阻值仍有2~3%。

图1所示为厚度为200 nm 的NiFe 单层薄膜的磁电阻（MR ）变化曲线。

低真空条件下制备的银薄膜的电阻率特性及结构_吴平

第27卷第3期2007年3月物理实验PH YSICS EXPERIMENT ATIONV ol.27 N o.3 M ar.,2007收稿日期:2006-09-29;修改日期:2006-12-15基金项目:北京科技大学国家工科物理基础课程教学基地项目;北京科技大学教研基金项目;中国高等教育学会/十一五0教育科学研究规划项目作者简介:吴平(1962-),女,安徽望江人,北京科技大学应用科学学院物理系教授,博士生导师,博士,主要从事功能薄膜材料、软物质研究以及物理实验的教学与研究.低真空条件下制备的银薄膜的电阻率特性及结构吴平,邱宏,赵云清,姜德怀,张蓓,赵雪丹,黄筱玲,潘礼庆,田跃(北京科技大学应用科学学院物理系,北京100083)摘要:研究了在2.2Pa 低真空条件下用直流溅射法制备的银薄膜的电阻率特性和薄膜结构.实验表明,薄膜厚度对薄膜电阻率有显著影响,随膜厚的增加薄膜电阻率降低,在膜厚大于200nm 时趋于稳定,电阻率为2.54@10-88#m.薄膜表面和晶粒间界对传导电子的散射导致了银薄膜电阻率的尺寸效应.研究结果表明,可以在2.2Pa 的低真空条件下制备金属银薄膜,将银靶用于目前大学物理实验课中金属薄膜制备及金属薄膜电阻率测量实验是可行的.关键词:银薄膜;电阻率;结构中图分类号:O 484 文献标识码:A 文章编号:1005-4642(2007)03-0003-041 引言北京科技大学物理系编排的金属薄膜制备及物性测量系列研究性实验已成为全校理工科本科生大学物理实验课程的重要组成部分[1~4],2004年/金属薄膜制备及电阻率测量系列实验装置0获第三届全国高校物理实验教学仪器评比一等奖.我校大学物理实验课每次课为3学时,所面向的学生为每学年数千人的理工科一、二年级学生,因此对薄膜样品制备装置操作的复杂性、获得真空所需要的时间以及仪器成本都有所限制.基于以上因素,笔者所设计的薄膜制备实验装置[5]的真空由机械泵获得,系统极限真空在2~3Pa.要在这样的低真空度下获得金属薄膜,只能使用惰性金属.金是最为理想的材料,但是在大范围实验教学当中以金作为靶材,实验耗材费用相当高.金属银也具有较强的化学惰性,在空气中不氧化,且价格比金低很多.银是可见和近红外光区的重要光学材料[6],用银与不同金属、半导体、绝缘体复合,可研制和开发具有独特性能的光电功能薄膜,如IT O/A g/IT O 多层膜[7].在制备IT O/Ag/IT O 多层膜时,ITO 要在充氧的条件下蒸镀,因而对银薄膜的电阻率和电子的迁移率都有影响,所以低真空条件下制备的银薄膜的导电性、光学性质、应力[8]以及微结构也是银薄膜应用中需要研究的基础课题[9].本文研究了低真空条件下用直流溅射法制备的银薄膜的电阻率特性和结构,探讨了银用于大学物理实验课中金属薄膜制备及金属薄膜电阻率测量实验的可行性.2 样品制备与测量所用银靶直径60mm,厚0.5mm,纯度为99.99%.靶与衬底间的距离为40mm.衬底为普通玻璃,尺寸约为2.5cm @2.5cm.镀膜前,将玻璃衬底放在丙酮中超声清洗5m in,然后放在无水乙醇中超声清洗5min,最后用吹风机热风吹干.用机械泵将镀膜室的真空抽到2.2Pa 后,向镀膜室内充入氩气,氩气压强为4.0Pa,溅射电压为1000V,溅射电流为5mA.通过控制溅射时间来控制膜厚.在室温下分别制备了沉积时间为4,6,10,15,20,30,40min 的银薄膜,用四探针法测量了银薄膜电阻率,用场发射扫描电子显微镜观察了银薄膜的表面和断面形貌.3 实验结果3.1 银薄膜的沉积速率图1~2为不同时间沉积银薄膜样品表面与(a)4min (b)6min (c)10min (d)20min (e)40min图1 不同沉积时间制备的银薄膜表面场发射扫描电子显微镜照片(a)4min(b)6min(c)10min(d)20min(e)40min图2 不同沉积时间制备的银薄膜断面场发射扫描电子显微镜照片4物理实验第27卷断面的场发射扫描电子显微镜照片.从图1~2中可以看出,随着沉积时间的增加,银薄膜厚度增加,晶粒长大,但晶粒大小不均匀,有些晶粒较大,有些晶粒较小.利用扫描电子显微镜照片中的标尺对银薄膜表面形貌照片进行测量,得到4,6,10,15,20,30,40min 沉积的银薄膜的平均晶粒尺寸分别为21,29,59,71,98,126,207nm.图3给出由断面图测出的不同沉积时间制备的银薄膜的厚度.可以看到,银薄膜厚度与沉积时间呈较好的线性关系.对实验测量数据进行拟合,得到银薄膜的厚度d (nm)与沉积时间t (min)的关系为d =11.1t ,(1)即沉积速率为11.1nm /min.图3 银薄膜厚度随沉积时间的变化3.2 银薄膜的电阻率用四探针法在室温测量了不同沉积时间银薄膜的欧姆特性.银薄膜电阻率可由下式计算[1]:Q =P ln 2Rd ,(2)其中d 是银薄膜的厚度.图4给出了所制备的银薄膜的电阻率随薄膜厚度的变化.从图4可以看出,银薄膜的电阻率随膜厚的增加而降低.在膜厚小于200nm 时,银薄膜的电阻率随膜厚的增图4 银薄膜电阻率随薄膜厚度的变化加下降较快;当膜厚大于200nm 时,随薄膜厚度的增加,薄膜电阻率变化平缓,趋近一稳定值,约为2.54@10-88#m.4 讨论银薄膜是以岛状模式生长的[10].在薄膜生长初期阶段,薄膜呈岛状结构,薄膜处于不连续状态,对这种薄膜的导电机制多数是用热发射和隧道发射理论来解释[11];随着薄膜的生长,长大的岛彼此之间相互接触,但岛之间还有沟道和孔穴存在;当薄膜继续生长到超过一定厚度时,岛之间的沟道和孔穴也被后来沉积的原子所填充,最终形成连续薄膜.但这一厚度随银薄膜的制备方法和制备条件的不同而不同[12].从图1(a)和2(a)可以看出,在本文的制备条件下,沉积4min 时银薄膜已经形成连续薄膜了.唐兆麟等[13]在真空室内原位测量了磁控溅射超薄铝膜的电阻率和薄膜厚度之间的关系,发现薄膜的不同厚度阶段,具有不同的导电特性,并提出对于连续薄膜,表面和晶界对传导电子的散射是构成薄膜电阻率尺寸效应的原因.对于很薄的薄膜,与表面散射相比,晶界散射是对电阻率的主要贡献[14~15].图4显示了银薄膜电阻率的尺寸效应.从图1~2以及测量得到的平均晶粒尺寸可以看出,在银薄膜较薄时,晶粒尺寸较小,薄膜中晶粒间界较多,晶粒间界对传导电子的散射对银薄膜电阻率有显著的影响.另一方面,块体银材料中自由电子的平均自由程约为52~57nm[16],因此当薄膜较薄时,如薄膜的厚度小于块体银材料中自由电子的平均自由程时,薄膜厚度方向的2个界面对自由电子的散射使得薄膜中自由电子的平均自由程小于块体材料中自由电子平均自由程,因而也会使薄膜的电阻率增大.由于晶粒间界散射及薄膜表面散射两方面因素的共同作用,使得银薄膜较薄时电阻率较大.当银薄膜厚度较厚时,如大于块体银材料中自由电子平均自由程时,薄膜表面对在电场作用下的自由电子的定向运动的影响变得不重要,同时晶粒长大,晶粒间界减少,晶粒间界对传导电子的散射也减小,从而薄膜电阻率下降,并逐渐趋于稳定值.具体考察由图1~2所测的薄膜厚度和平均晶粒尺寸可以看到,4min 和6min 沉积的银薄膜,其平均晶粒尺寸分别为21nm 和29nm ,膜厚分别为28nm 和75nm ,晶粒尺寸和5第3期吴平,等:低真空条件下制备的银薄膜的电阻率特性及结构膜厚小于或接近块体银材料中自由电子的平均自由程,因此晶粒间界和薄膜表面都对薄膜的电阻率影响较大;对于10m in沉积的银薄膜,其平均晶粒尺寸为59nm,与块体银材料中自由电子的平均自由程相当,而膜厚已为150nm,超过块体银材料中自由电子的平均自由程,因而晶粒间界对传导电子的散射是重要的,而薄膜表面的散射已变得不重要,所以电阻率有较为显著的下降.当沉积时间超过10min时,晶粒平均尺寸和银薄膜的厚度均超过了块体银材料中自由电子的平均自由程,这时晶粒间界和薄膜表面对传导电子的散射都变得不重要了,因此薄膜具有较小的电阻率,并达到稳定值.对于银块体材料Q= 1.49@10-88#m[16],在本文条件下制备的银薄膜的电阻率稳定值为2.54@10-88#m,约是银块体材料的1.7倍.薄膜材料的电阻率高于块体材料的电阻率主要是由于在薄膜中存在着大量缺陷,如空位、杂质原子、晶粒间界等,其密度远远高于块体材料内的缺陷密度,从而使薄膜材料中的缺陷对传导电子的散射概率高于块体材料内缺陷对传导电子的散射概率,导致了薄膜材料的电阻率高于块体材料的电阻率.5结论在2.2Pa低真空度下,制备了厚度为28~ 440nm的银薄膜,薄膜电阻率随膜厚的增加而下降,在膜厚大于200nm后,薄膜电阻率趋于稳定,稳定值约为2.54@10-88#m.实验结果表明,可以在低真空条件下制备金属银薄膜,将银用于大学物理实验课中金属薄膜制备及金属薄膜电阻率测量实验是可行的.参考文献:[1]吴平.大学物理实验教程[M].北京:机械工业出版社,2005.[2]吴平,邱宏,黄筱玲,等.金属薄膜制备及物性测量系列实验[J].大学物理,2006,25(5):39~41. [3]邱宏,吴平,王凤平,等.把/四探针测量金属薄膜电阻率0引入普通物理实验[J].大学物理,2004,23(5):59~61.[4]黄筱玲,田跃,邱宏.将溅射镀膜及薄膜生长动态监测技术引入普通物理实验[J].物理实验,2005,25(5):28~30.[5]黄筱玲,田跃,邱宏,等.一种薄膜生长过程原位动态特性监测实验仪器[P].专利号:Z L03200903.8.[6]何玉平,孙兆奇,李爱侠,等.Si基片上A g膜的微结构及光学常数研究[J].真空科学与技术,2002,22(1):69~72.[7]李扬,王立铎,常春,等.氧化铟锡/银/氧化铟锡多层膜作为阳极的柔性有机电致发光器件[J].科学通报,2004,49(9):850~853.[8]吴平,邱宏,姜德怀,等.用干涉方法测量薄膜应力[J].物理实验,2006,26(9):7~9.[9]K loppel A,Kr ieg seis W,M eyer B K,et al.De-pendence o f the electr ical and o pt ical behavio ur o fIT O-silver-IT O multilay ers on the silver pro per ties[J].T hin So lid Films,2000,365:139~146. [10]唐伟忠.薄膜材料制备原理、技术及应用[M].北京:冶金工业出版社,1998.106.[11]薛增泉,吴德全,李浩.薄膜物理[M].北京:电子工业出版社,1991.292.[12]徐静江,唐晋发.极薄银膜光学常数的研究[J].光学学报,1988,8(10):954~960.[13]唐兆麟,黄荣芳,闻立时.超薄铝膜电导特性的原位测量研究[J].金属学报,1996,32(3):308~312.[14]de Vr ies J W C.Resistiv ity o f thin A u films as afunction of gr ain diameter and temperature[J].Jo ur nal of P hy sics F:M etal P hy sics,1987,17(9):1945~1952.[15]范平,伍瑞锋,赖国燕.连续金属薄膜的电阻率研究[J].真空科学与技术,1999,19(6):445~451. [16]田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册[M].北京:机械工业出版社,1991. 3.(下转第13页)6物理实验第27卷Effect of height of a sandpile on the angle of reposeZHOU Ying 1,ZHA NG Guo -qin2(1.Co lleg e of Phy sics and Electron,T aizhou University,Linhai 317000,China;2.Zhejiang Water Conservancy and H y dropow er Co lleg e,H angzhou 310018,China))Abstract:We have investigated experimentally how the height of a sandpile affects the angle of repose and have found that the ang le o f repo se depends o n the height o f sandpile,the data are fitted by ex ponential decay w hen the chute is horizontal.T he exponential decay can also be found w hen the an -g le of slope of the chute is v ar ied w ithin 0b ~11b thoug h the value of the ang le of repose is different.We have investigated five gr anules w ith different diameters and hav e found that the angle of repose ex -hibits ex ponential decay w ith the height of the sandpile.Key words:g ranular m atter;avalanche;angle o f repose[责任编辑:任德香](上接第6页)Characteristics of resistivity and structure ofsilver films deposited in low vacuumWU Ping,QIU H ong,ZH AO Yun -qing,JIA NG De -huai,ZHANG Bei,ZHA O Xue -dan,H UA NG Xiao -ling,PAN L-i qing,T IAN Yue(Departm ent of Physics,School of Applied Science,U niversity of Science and T echnolog y Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:T he character istics of the resistivity and str ucture of silv er film s deposited in low vacu -um of 2.2Pa by DC sputtering are investigated.T he experimental results show that the resistiv ities of the silver films decrease as the film thicknesses increase.The resistivity tends to 2.54@10-88#m w hen the film thickness is larg er than 200nm.T he film thickness dependence o f the r esistivity is re -lated to the scattering of the film surfaces and the grain boundaries to the conductive electr ons.It is feasible to use silver films in the gener al physics experiment course.Key words:silv er film;resistivity;structure[责任编辑:任德香]13第3期周英,等:颗粒堆积高度对静止角的影响。

面电阻的测量原理

面电阻的测量原理
薄膜电阻通常以面电阻（或方块电阻、薄层电阻）来表示。

按照电阻定律：
R=ρ×L／S （1）
式中R代表样品电阻，ρ代表样品电阻率，L代表电流方向上的样品长度，S代表样品垂直于电流方向上的截面积。

可以知道面电阻的测量原理如下：面电阻如图1所示：G表示玻璃原片；ITO表示被溅射在玻璃原片上的氧化铟锡膜层；D表示膜层的厚度；I表示平行于玻璃原片表面而流经膜层的电流；L1表示在电流方向上被测膜层的长度；L2表示垂直于电流方向上被测膜层的长度。

根据式（1），则膜层电阻R为：
R=ρ×L1／（L2×D）
：式中ρ为膜层材料的电阻率。

当式中L1= L2时，即为膜层的面电阻R
□
=ρ／D （单位：Ω∕□）（2）
R
□
它表示膜层的面电阻值仅与膜层材料本身和膜层的厚度有关，而与膜层的表面积大小无关。

在实际的测量中，手提式仪器基本上采用“直排四探针”方法测量膜层的面电阻。

原理如图2所示。

图中1、2、3、4表示四根探针；S表示探针间距；I表示从探针1流入、从探针4流出的电流（单位：mA）；V表示探针2、3间的电位差(单位：mV)。

（式（2））为：
此时，膜层的面电阻R
□
R
= 4.53×△V／I （单位：Ω∕□）
□
由上式可见，只要在测量时给样品输入适当的电流I，并测出相应的电位差△V，即可得出膜层的面电阻值。

薄膜表面电阻率中文版

薄膜表面电阻率玛丽亚.古铁雷斯李海勇杰弗里,巴顿材料工程中部分实现210配对实验方法的课程要求2002年秋G. Selvaduray教授什么是表面电阻率？定义表面电阻率可以被定义为材料的固有表面电阻乘以试样表面的尺寸比（电极宽度除以电极之间的距离），如果电极已形成了一个正方形的对立两边，表面电阻率则转换被测电阻【1】换句话说，它是材料表面固有电阻的量度。

表面电阻率不依赖于材料的物理尺寸。

根据欧姆法律电路理论，材料的电阻是应用电压除以穿过材料两个电极之间的电流得到的。

R=V/I (1)其中:R为电阻，单位欧姆V为电压，单位伏特I为电流，单位安培这个电阻和样品的长度成正比和样品的横截面面积成反比。

比例常数的电阻率R=ρ l/A (2)其中：Ρ为电阻率A为横截面面积l为长度单位表面电阻率的物理单位是欧姆/平方。

在实际中，表面电阻率常常以欧姆/平方的单位给出。

这个单位应该被看做是一种标志而不是表面电阻率的物理单位。

尽管如此，理解欧姆/平方的意义还是很重要的，因为在绝大多数出版物中，表面电阻率的单位是以那种方式表达的。

[2]那些对这个术语不熟悉的人会问，每平方是什么？是英寸？英尺？还是码？答案是，只要量度与方形有关就是每平方。

假设测试样品有一个长方形的形状与厚度（t）。

那么等式2可以写成ρ=R wt/l=Rw/l (3)其中w为宽度l为长度根据电路类推，方形式样的电阻可以认为是一个电路有个电阻值为R0的电阻，如图1所示。

根据等式3，电阻率等于电阻，因为w=1.图1：方形式样作为独立的电阻对于长度是其宽度2倍的长方形式样，其电阻为2R0。

这可以被认为是2个电阻值为R0的电阻串联到一起，如图2所示。

图2：两个电阻串联的矩形式样然而，它的电阻率为R0，因为电阻率是一个基本的材料性能，它不依赖于测试式样的尺寸规格。

ρ=2R0 w/2w= R0类似地，一个宽度是长度2倍的式样的电阻为1/2R0,可以认为是两个阻值为R0的电阻并联在一起，如图3所示。

四探针法高温电阻率测试系统

四探针法高温电阻率测试系统一、概述：采用由四探针双电测量方法测试方阻和电阻率系统与高温试验箱结合配置专用的高温测试探针治具，满足半导体材料因温度变化对电阻值变化的测量要求，通过先进的测控软件可以显示出温度与电阻，电阻率，电导率数据的变化曲线，是检验和分析导体材料和半导体材料质量的一种重要的工具。

二、适用行业：广泛用于：生产企业、高等院校、科研部门对导电陶瓷、硅、锗单晶（棒料、晶片）电阻率、测定硅外延层、扩散层和离子注入层的方块电阻以及测量导电玻璃（ITO）和其它导电薄膜的方块电阻、电阻率和电导率数据.三、功能介绍：液晶显示，无需人工计算，并带有温度补偿功能，电阻率单位自动选择，仪器自动测量并根据测试结果自动转换量程，无需人工多次和重复设置。

采用高精度AD芯片控制，恒流输出，结构合理、质量轻便，运输安全、使用方便；配备软件可以由电脑操控，并保存和打印数据，自动生成报表；本仪器采用4.3吋大液晶屏幕显示，同时显示液晶显示：电阻、电阻率、方阻、温度、单位换算、温度系数、电流、电压、探针形状、探针间距、厚度、电导率，配置不同的测试治具可以满足不同材料的测试要求。

测试治具可以根据产品及测试项目要求选购.双电测数字式四探针测试仪是运用直线或方形四探针双位测量。

该仪器设计符合单晶硅物理测试方法国家标准并参考美国 A.S.T.M 标准。

利用电流探针、电压探针的变换，进行两次电测量，对数据进行双电测分析，自动消除样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素对测量结果的影响，它与单电测直线或方形四探针相比，大大提高精确度，特别是适用于斜置式四探针对于微区的测试。

四、技术参数资料1.方块电阻范围：10-5～2×105Ω/□2.电阻率范围：10-5×106cm3.测试电流范围：0.1μA ，1μA，10μA，100µA，1mA，10mA，100 mA4.电流精度：±0.1%读数5.电阻精度：≤0.3%6.显示读数：液晶显示：电阻、电阻率、方阻、温度、单位换算、温度系数、电流、电压、探针形状、探针间距、厚度、电导率7.测试方式: 双电测量8.工作电源: 输入: AC 220V±10% ,50Hz功耗：<30W9.整机不确定性误差: ≤4%（标准样片结果）10.最高温度： 1200℃可调节；冲温值：≤1-3℃；控温精度：±1°C11、升温速度：9999分钟以内自由设定,一般10分钟内即可升到900℃；功率：3kw.12、炉膛材料：采用复合陶瓷纤维材料，具有真空成型，高温不掉粉的特征。

基于虚拟仪器的薄膜电阻率测量系统设计

维材料微纳器什与系统研究中心，苏常州２３６江１１４）
摘要：基于虚拟仪器技术及Ｒｍｓｗｋ四探针双电测组合法设计了薄膜电阻率自动化测量系统．ｙａｅｓｉｚ
在虚拟仪器软件ＬｂＩＷ和数字量输出模块Ｎ４１的控制下，用基于Ｃ４５ａＶＥＩ０９利Ｄ０２芯片的接口电
中图分类号：Ｐ１Ｔ２６文献标志码：Ａ文章编号：１７ —７７（００）４— ４７一５６１７５２１００４Ｏ
Ｄｅｉｎｏｈｎｆｌｒｓｓｉｉｙｍｅｓｒｍｅｔｓｓｅａｅｎｓｇｆｔｉｍｅｉｔｖｔａｕｅｉｎｙｔｍｂｓｄｏ
卷
（．ｃｏｌｆｅｈｎｃｌｎｉｅｒｇＪａｇｕＵｉｒｔ，ｈｎｉ￣，ｉｎｓ１０３，ｈｎ；．ｅｔｒｆｃｏＮｎｃｅｃｎｅｈ１ＳｈｏｏｃａｉａＥｇｎｅｎ，ｉｎｓｎｖｓｙＺｅｊｇＪｇｕ２２１Ｃｉ２Ｃｎｅｒ— ａｏＳｉｅａｄＴｃＭｉｅｉｍａａｏＭｉｎ
Ａｂｓｒｃ：Ｔｈｎｆｍｒｓｓｉｉｙｍｅｓｒｍｅｔｓｓｅｗａｅｉｎｅｂｓｄｏｈｅｉｕａｉｓｒｍｅｔｔｏｔａｔｉｌｉｅｉｔｖｔａｕｅｎｙｔｍｓｄｓｇｄａｅｎｔｖｒｌｎｔｕｎａｉｎｔ
ｔｃｎｌｇｎｍａｚｗｓｉｄｌｅｅｔｏｍｅｓｒｍｅｔｗｉｏｒｐｉｒｂｓＩｔｒａｅｃｒｕｔｂｓｄｏｅｈｏｏｙａｄＲｙｓｅｋｕａｌｃｒ — ａｕｅｎｔｆｕ — ｏｎｔｐｏｅ．ｎｅｆｃｉｃｉａｅｎｈＣＤ４２ｃｉｓｄｓｇｄｔｅｌｚｕｏａｉｗｉｃｎｆｃｒｎｏｅｎｏｔｇｒｂｓｕｎｅｈｅ０５ｈｐｗａｅｉｎｅｏｒａｉｅａｔｍｔｃｓｔｈｉｇｏｕｒｅｔｐｒｂｓａｄｖｌｅｐｏｅｄｒｔａ

基于虚拟仪器的薄膜电阻率自动测量系统

（ｅａｔｅｔｆＥｅｔｎｃｎｅ＆ＴｃｎｌｙＨａｈｎｎｅｉＳｉｃＴｃｎｌ，ｕａ０７，ｈｎ）ＤｐｒｎｏｌｒｉＳｉｃｍｃｏｃｅｅｈｏｇ，ｕｚｏｇＵｉｒｔｏｃｅｅ＆ｅｏｏｏｖｓｙｆｎｈｇＷｈｎ３０４Ｃｉａｙ４
基于虚拟仪器的薄膜电阻率自动测量系统木
王一楠，江建军，少伟别
（中科技大学电子科学与技术系武汉４０７）华３０４
摘要：薄Βιβλιοθήκη 样品相比半导体材料，电阻更小且材质脆弱，现有的四探针电阻率测量设备无法满足其测量要求。双电测组合法基于薄
层原理，不需要尺寸修正，更适合应用于薄膜样品，且能适应小尺寸样品的测量。但是双电．０钡、组合法需要在测量过程中切换电路连接，
Ａｂｔａｔ：Ｃｏａｉｇｗｉｅｃｎｕｔｒｍａｅａ，ｔｉｌｓｍｐｅａｅｓｌｌｒｒｓｓｉｉｙａｄｍｏｅｆａｉｅｔｒ．Ｅｘｓｒｃｍｐｒｎｔｓｍｉｏｄｃｏｔｒｌｈｎｆｍａｌｓｈｖｍａｅｅｉｔｔｒｒｇｌｔｘｕｅｈｉｉｖｎｅ－ｉｔｇｆｕｒｂａｕｅｎｑｉｍｅｔｃｕｄｎｔｆｌｌｔｅｍｅｓｒｍｅｔｒｑｉｅｎｓｏｈｎｆｍｅｉｔｖｔ．Ｄｕ — ｏ — ｓｉｏｒｐｏｅｍｅｓｒｍｅｔｅｕｐｎｏｌｏｕｆｌｈａｕｅｎｅｒｍｅｔｆｔｉｌｒｓｓｉｉｙｎｉｕｉｌａｃｎｉｒｔｏｐｅｍｅｈｄｉａｅｎｔｉａｅｒｃｐｅ，ｉｎｒｓｔｅｉｆｕｎｅｏｃｅｆｃｏｄｍｏｅｓｉｂｅｆｒｆｕａｉｎｆｕ－ｒｂｔｏｓｂｓｄｏｈｎｌｙｒｐｎｉｌｇｏｒｏｉｇｏｅｎｅｃｆｓａａｔｒａｒｕｔｌｏｈｌｌｎａｔｉｌｓｐｅ，ｂｔｉｒｑｉｅｉｕｔｓｔｈｎｎｔｅｍｅｕｅｎｒｃｓｄｃｍｐｅａｃｌｔｏｎｄｔｒｃｓｉｇｈｎｆｍａｌｓｕｔｅｕｒｓｃｒｉｗｃｉｇｉｈａｒｍｅｔｐｅｓａｏｌｘｃｕａｉｎｉａａｐｏｅｓｎ．ｉｍｃｉｓｏｎｌＶｉｕｎｔｕｎｅｈｉｅｉｔｇａｅｈａｕｅｎｅｉｅａｄｃｍｐｔｒｎｅｍｅｕｅｎｒｃｓｄｄｔｒ－ｓａｉｓｒｍｅｔｔｃｎｑｎｅｒｔｓｔｅｍｅｒｍｅｔｄｖｃｏｕｅ，ａｄｔａｒｍｅｔｐｏｅｓａａａｐｏｌｕｓｎｈｓｎｃｓｉｇａｅａｃｍｐｉｈｄｕｄｒｐｇａｏｔｏ．Ｉｈｓｐｐｒａｔｉｌｒｓｓｉｉａｕｅｎｙｔｍｓｉｔｄｃｄｅｓｎｒｃｏｌｓｅｎｅｒｒｍｃｎｒ１ｎｔｉａｅｈｎｆｍｅｉｔｔｍｅｒｍｅｔｓｓｅｉｎｒｕｅ．ｏｉｖｙｓｏ

导电聚合物薄膜电阻率测量系统的设计

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导电聚合物薄膜电阻率测量系统的设计
作者：付庆波王锐曹包华等
来源：《现代电子技术》2011年第06期
摘要：介绍一种实用的导电聚合物薄膜电阻率测量系统。

电阻率的测量原理基于四探针法与比率测量法，以低值恒压激励代替恒流激励，使2种方法结合在一起；然后以ARM7微控
制器为系统核心，构建了量程自适应的半自动式系统架构；对电路实际能达到的分辨率和设计要求分辨率进行详细的分析；最后测量了系列标准电阻和部分导电聚合物薄膜样品的电阻率值，与标准方法进行了对比，分析了系统各项指标。

关键词：电阻率；四探针；比率测量法；导电聚合物薄膜。

实验十八四探针法测量薄膜电阻率

实验十八四探针法测量薄膜电阻率一、实验目的1．熟悉四探针法测量薄膜电阻率的原理和特点； 2．测定一些薄膜材料的电阻率；3．了解薄膜厚度对薄膜电阻率的影响（尺寸效应）；薄膜材料是微电子技术的基础材料。

薄膜是人工制作的厚度在1微米（10-6米）以下的固体膜，“厚度1微米以下”并不是一个严格的区分定义。

薄膜一般来说都是被制备在一个衬底（如：玻璃、半导体硅等）上，由于薄膜的厚度（简称：膜厚）是非常薄的，因此膜厚在很大程度上影响着薄膜材料的物理特性（如，电学性质、光学性质、磁学性质、力学性质、铁电性质等）。

这种薄膜材料的物理特性受膜厚影响的现象被称为尺寸效应。

尺寸效应决定了薄膜材料的某些物理、化学特性不同于通常的块体材料，也就是说，同块体材料相比，薄膜材料将具有一些新的功能和特性。

因此，尺寸效应是薄膜材料（低维材料）科学中的基本而又重要的效应之一。

金属薄膜的电阻率是金属薄膜材料的一个重要的物理特性，是科研开发和实际生产中经常测量的物理特性之一，在实际工作中，通常用四探针法测量金属薄膜的电阻率。

四探针法测量金属薄膜的电阻率是四端子法测量低电阻材料电阻率的一个实际的应用。

二、实验原理在具有一定电阻率ρ的导体表面上，四根金属探针在任意点1、2、3、4处与导体良好地接触，如图1所示。

其触点是最够的小，可以近似认为点接触。

取其中的任意两个探针作为电极，如1和4。

当它们之间有电流通过时，薄膜表面和内部有不均匀的电流场分布，因此在表面上各点有不同的电势。

通过测量探针1，2间的电流、探针2，3间的电势差和距离，就可计算该薄膜的电阻率ρ。

如图2所示，设电流I 从探针1处流入，在触点附近，半径为r 的球面上，电流密度为：2r2Ij π=（1）如果金属的表面和厚度远大于探针之间的距离，则电场强度为2r 2Ij j E πρ=ρ=σ=（2）图 1 任意间距的四探针示意图设探针1和2、1和3、4和2、4和3之间的距离分别为r 12、r 13、r 24和r 34。

四探针法测量电阻率和薄层电阻

V D W F F W ，选取测试电流 I ，使 I S S
D W I F F S S
然后在仪器上调节 W1 和 W2，使测试电流显示值为 “□ W ABCD ，
ABCD” 。当选取不同的电流量程时，测试电流显示值与实际电流值的关系如表 3。按以上方法调节电流后，按 K6 键选择“ R / ” ，按 K5 键选择“ ” ，这时仪器所显示的数值即为样品电阻率的测试结果（ cm ）。
值得注意的是它与正方形边长的大小无关，所以取名为方块电阻。实际上无限薄层是不存在的，但只要薄层的厚度 d <<S / 2 时，可视为无限薄层。如，在半导体器件制造中，其扩散层的厚度只有数微米（ m ）或更小，一般薄膜材料的厚度也在几微米以下，多为纳米（ nm ）量级，而探针间距S一般为1mm 左右，所以无限薄层的条件是能够满足的。如果薄层的表面不能视为无穷大，就要对（15）式进行修正。此时薄层方块电阻的公式变为

V D W F F I S S
W
（17）
其中，D 为样品直径，单位：cm； S 为探针间距，单位：cm； W 为样品厚度，单位：cm； F（D/S）为样品直径修正系数，由附表Ⅰ查出； F（W/S）为样品厚度修正系数，由附表Ⅱ查出； I 为 1、4 探针流过的电流值，单位：mA； V 为 2、3 探针间的电压值，单位：mV. （2）薄层方块电阻 R ( / ) ：
（5）
（6）
V23 V2 V3
所以，样品的电阻率为：
I 1 1 1 1 ( ) 2 r12 r24 r13 r34
（7）

2 V23 1 1 1 1 ( ) 1 I r12 r24 r13 r34

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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AbstractAttention is mainly paid to the measurement of resistivity--an important property ofthin film. Owing to apply traditional four-probe method on film sample resistivitymeasurement, 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 byvirtual 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 . (4)1.2 国内外研究进展 (5)1.2.1 电阻率测量对薄膜材料研究的意义 (5)1.2.2 电阻率测量技术 (8)1.3 本章小结 (14)第二章四探针电阻率测量原理 (15)2.1 四探针基本原理 (15)2.1.1 体原理 (16)2.1.2 薄层原理 (18)2.1.3 测准条件 (19)2.2 双电测组合法测量原理 (20)2.3 本章小结 (22)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 (34)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 (35)4.2 应用需求分析 (35)4.3 系统硬件结构设计 (37)4.3.1 硬件选择 (37)4.3.2 硬件模块设计 (39)4.4 本章小结 (46)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 (48)5.3 信号处理模块 (49)5.4 薄膜电阻率的运算模块 (50)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 (53)第六章总结与致谢 (54)总结 (54)致谢 (55)参考文献......................................... 错误！未定义书签。

附录....................................... 错误！未定义书签。

外文翻译.. (23)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分。

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cm 10cm 13⋅Ω⋅Ω～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，cm 103⋅Ω超出了一般电阻率测量装置的量程。