李海 摘要：本文介绍了一种智能型四探针电阻率测试仪的设计方法。该方法以STM32嵌入式系统为核心，采用恒流源供电，模数转换器AD7135为主要器件。该仪器硬件电路简单，有自动切换和自主选择量程的双重功能，同时可以自校准，稳定性好，能和PC机通讯，具有较高的智能水平与推广的价值。 关键词：四探针测试法；AD7135；恒流源；电阻率 1 引言 电子器件的很多重要因素都与薄层电阻有关，因而需要可靠的测量仪器来研究器件的性能。直流四探针测试法是微电子行业常用的测量材料电阻率的方法，通过测量材料的电阻率可以得到材料的掺杂浓度等重要信息。为此，本文以STM32为核心设计了数字化智能四探针测试仪。该仪器可以自动切换量程、自动运算相关的数据。而且方法简单易行，即使是对四探针原理不熟悉的人也可以方便地测出半导体材料的电阻率。 2 基本测试原理 四探针测试仪的测试理论已经相当成熟，依据的理论是范德堡原理，采用的是直流四探针测试法，将四根金属探针排成一条直线，利用恒流源给外面的1，4探针通过电流，再从2，3探针上测量出电位差，经过运算得到材料的电阻率（ρ=CV/I，其中C为修正系数。） 3 系统硬件设计 本系统硬件以STM32为核心，有恒流源模块、AD转换模块、键盘模块、显示模块、与PC通讯模块以及人机界面模块。 上电后系统初始化，电压档为2v，电流档为1mA，等待测试架的启动信号，探针下降接触被测对象，恒流源的电流送往探头模块，这样就从先前指定的1，4两根探针输出想要的恒流，这时需要四根探针和被测对象有良好的接触，使得探针获得另外两根针之间的电压，送给AD7135进行模数转换，转换后的信号送入STM32进行数据处理，最后将处理好的测量结果在彩屏上显示，同时把测量结果以及相应的参数通过串口或者USB上传到PC机进行显示。测量过程中，可以根据被测对象电阻率的大小可以进行电压电流量程的选择，量程的切换通过键盘模块。 3.1 恒流源的设计 在恒流源设计时，测量电流要根据样品电阻率的范围进行适当选取。在电流选好之后，还要在测量过程中保持该测量电流的稳定，这是准确测量的先决条件。所以说，用于提供测量电流的恒流源电路是四探针测试仪中最关键的电路组成部分。恒流源的性能在很大程度上决定了四探针测试仪的性能。恒流源电路可以由抑制零漂较强的OP07运算放大器差动输入，然后经三极管放大反馈，再通过单片机的控制端口来控制继电器接入的精密电阻阻值，但继电器需要外接三极管作为驱动。之后，再经过OP07运放将半导体的高阻抗变成低阻抗进行测量。本恒流源可采用电压负反馈来提高输入端电压的稳定性。地址控制端A0、A1、 A2端连接到74LS138译码器，得到五档恒定电流，分别为10μA、100μA、1 mA、1 0mA和100 mA。 3.2 AD转换模块 AD7135是双斜积分式４位半单片Ａ／Ｄ转换器,28脚DIP封装，能自动校零。本设计利用AD7135的“busy”端的信号送给STM32产生中断，进行信号处理。以输入电压Vx为例, “busy”输出端（AD7135的21脚）高电平的宽度等于积分和反积分时间之和。AD7135内部规定积分时间固定为10001个时钟脉冲时间,反积分时间长度与被测电压的大小成比例。如果利用单片机内部的计数器对AD7135的时钟脉冲计数,利用“busy”作为计数器门控信号,控制计数器只能在busy为高电平时计数,将这段busy高电平时间内计数器的内容减去10001,其余数便等于被测电压的数值。 3.3 STM32接口电路 本设计采用STM32做为控制器。用STM32与AD7135直接相连来对探针检测到的电压信号进行模数转换。在应用时，可以把busy接到STM32某个的I/0口，并使AD7135在转换结束后，使STM32产生中断，以读取最新的转换数据。当STM32对采集到的信号进行相应的处理后，即可将测量结果在彩屏上直接显示，从而直接读取样品的电阻率。彩色LCD模块接口采用FMSC接口驱动，其速度非常快。 3.4 键盘模块 键盘模块采用CH451芯片，CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP 监控的多功能外围芯片。CH451 内置RC 振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或者64 位LED，具有BCD 译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64 键的键盘扫描，本设计只使用了键盘扫描功能。CH451 的键盘扫描功能支持 8×8 矩阵的 64 键键盘。在键盘扫描期间，DIG7～DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7～SEG0 引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入；当启用键盘扫描功能后，DOUT引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断以及数据输出。 CH451 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间，DIG7～DIG0 引脚按照 DIG0至DIG7的顺序依次输出高电平，其余7个引脚输出低电平；SEG7～SEG0引脚的输出被禁止，当没有键被按下时，SEG7～SEG0都被下拉为低电平；当有键被按下时，例如连接 DIG3与 SEG4 的键被按下，则当DIG3输出高电平时SEG4检测到高电平； 为了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码， CH451实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按键才会被确认有效。如果 CH451检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过 DOUT 引脚产生低电平有效的键盘中断，此时STM32可以通过串行接口读取按键代码；在没有检测到新的有效按键之前，CH451 不再产生任何键盘中断。 3软件设计 本仪器的软件部分包括系统初始化、A/D转换、键盘模块、显示以及与上位机通讯等部分，可完成系统的数据采集与处理。程序通过AD7135进行A/D转换，然后通过程序判断并切换测量量程，直到测量量程合适，再进行数字滤波与运算，也可以在面板上选择手动模式，自主选择好量程。 4结束语 由于本仪器设计中采用了键盘CH451、AD7135器件，大大简化了系统的硬件电路的设计。而采用STM32作为嵌入式控制器，具备自动检测切换档位等功能，使系统的智能化和适应程度都得到了较大的提高。 [1]徐远志.数字化智能四探针测试仪的研制[J].半导体 技术,2004,29(8):47-48 [2]晏敏.基于SPCE061A数字四探针电阻率测试仪的设 计[J].宇航计测技术,2005，25(2):44-45 |