精確低電阻測(cè)量從識(shí)別誤差源開(kāi)始

1、精確低電阻測(cè)量從識(shí)別誤差源開(kāi)始精確低電阻測(cè)量從識(shí)別誤差源開(kāi)始類別：消費(fèi)電子低電阻（1及以下）的測(cè)量面臨各種技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)應(yīng)用的不同，人們?cè)跇?gòu)建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)可以選擇不同的儀器選件，包括配合電流源使用的納伏計(jì)（用于測(cè)量低至幾十納歐的電阻），或者針對(duì)低電阻測(cè)量（可測(cè)量低至幾十微歐的電阻）而優(yōu)化的數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）。 低電阻測(cè)量包含很多與低電壓測(cè)量相同的誤差源，包括由于熱電EMF產(chǎn)生的偏移電壓，射頻干擾（RFI）整流產(chǎn)生的偏移，以及所選儀器伏特計(jì)輸入電路中的偏移。干擾低電阻測(cè)量精度的噪聲源包括約翰遜噪聲、磁場(chǎng)和地環(huán)。過(guò)大的共模電流（流經(jīng)儀器LO端和機(jī)架或大地之間的電流）也會(huì)影響低電阻的測(cè)量精度。低電阻

2、的測(cè)量包含諸如引線電阻、非歐姆接觸和器件發(fā)熱之類的誤差源。本文旨在提供一些能夠消除或最大限度減少這些誤差源的方法，以及其它一些測(cè)量注意事項(xiàng)，包括干電路測(cè)試和電感器件的測(cè)試。 利用四線方法克服引線電阻誤差 在如圖1所示的雙線測(cè)量方法中，加載的測(cè)試電流從測(cè)試引線流向待測(cè)電阻（R）。然后萬(wàn)用表通過(guò)同樣一組測(cè)試引線測(cè)量電阻上的電壓并計(jì)算出相應(yīng)的電阻值。不幸的是，當(dāng)采用雙線方法進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)，總引線電阻（RLEAD）被加入到測(cè)量中。由于測(cè)試電流（I）在引線電阻上引起一個(gè)雖然較小但是很明顯的電壓降，因此萬(wàn)用表測(cè)得的電壓（VM）不是恰好等于直接落在測(cè)試電阻（R）上的電壓（VR），從而導(dǎo)致明顯的誤差。典型引

3、線電阻的大小在10100m的范圍內(nèi)，因此當(dāng)待測(cè)電阻低于10100時(shí)（取決于引線電阻）采用雙線測(cè)量方法很難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。 圖1 雙線方法進(jìn)行低電阻測(cè)量 四線（即開(kāi)氏）連接方法（如圖2）通常更適合于低電阻測(cè)量。其中，測(cè)試電流（I）通過(guò)一組測(cè)試引線加載到測(cè)試電阻（R）上；通過(guò)另一組測(cè)試引線（探測(cè)引線）測(cè)量DUT上的電壓（VM）?？赡芰鬟^(guò)探測(cè)引線上的電流一般很小足以忽略，不影響電路的電壓測(cè)量。探測(cè)引線上的電壓降也可以忽略，因此萬(wàn)用表（VM）測(cè)得的電壓實(shí)質(zhì)上等于電阻（R）上的電壓（VR）。因此，四線連接方法測(cè)量電阻的精度高得多。注意將電壓探測(cè)引線盡可能近的連接待測(cè)電阻，以避免把它們的電阻增加到測(cè)量中。

4、 圖2 四線方法進(jìn)行低電阻測(cè)量 熱電電壓的補(bǔ)償 當(dāng)電路不同部分處于不同的溫度，以及當(dāng)由不同材料組成的導(dǎo)體連接在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電電壓即EMF。 電流倒向方法 進(jìn)行兩次電流極性相反的測(cè)量，如圖3所示，可以抵消熱電EMF。注意要采用具有獨(dú)立雙極電流源的伏特表。當(dāng)如圖3a所示施加正向電流時(shí)，測(cè)得的電壓為： 將電流極性反向（如圖3b）可以得到下列電壓測(cè)量結(jié)果： 然后可以結(jié)合這兩次測(cè)量消除熱電EMF： 所測(cè)量的電阻通常采用下列方法計(jì)算得到： 這樣就完全消除了熱電電壓。但是，要想有效實(shí)現(xiàn)這種方法，應(yīng)該采用響應(yīng)速度比待測(cè)電路的熱時(shí)間常數(shù)更快的低噪聲伏特計(jì)。如果其響應(yīng)速度太慢，那么電路溫度的任意變化都會(huì)引起

5、熱電EMF的變化，這樣就無(wú)法完全消除熱電電壓，誤差仍然存在。 a.采用正極性測(cè)量 b.采用負(fù)極性測(cè)量 圖3 電流倒向方法測(cè)量電阻 德?tīng)査椒?如果改變EMF會(huì)引起測(cè)量誤差，那么采用德?tīng)査椒赡芨线m。與電流倒向方法類似，德?tīng)査椒ㄒ步惶娓淖冸娏髟吹臉O性，但是它采用三種電壓測(cè)量計(jì)算各個(gè)電阻而不是兩種。 圖4給出了在交替改變電流極性的情況下DUT的電壓降與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。每次改變極性時(shí)測(cè)量電壓（VM1、VM2、VM3等）。每個(gè)電壓包含一個(gè)恒定的熱電壓偏移量（VEMF）和一個(gè)線性變化的電壓偏移量（V）。熱電壓偏移量在短時(shí)間內(nèi)近似為一個(gè)線性函數(shù)，因此電壓變化速率與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系（V）也可以看成是一個(gè)

6、常量。 圖4 德?tīng)査椒y(cè)量電阻 采用三種電壓測(cè)量能夠消除熱電電壓偏移（VEMF）項(xiàng)和熱電電壓改變（V）項(xiàng)。在德?tīng)査椒ㄖ?，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是三個(gè)讀數(shù)的移動(dòng)平均數(shù)。即使兩組數(shù)據(jù)是在同一時(shí)間周期內(nèi)獲得的，所得到的數(shù)據(jù)噪聲比電流倒向方法得到的數(shù)據(jù)噪聲更低。德?tīng)査椒ǖ某晒θQ于熱漂移的線性近似，這種熱漂移必須在一段很短的時(shí)間周期內(nèi)觀察。 就像在電流倒向方法中一樣，對(duì)變化EMF的補(bǔ)償意味著測(cè)量周期必須快于DUT的熱時(shí)間常數(shù)，因此必須采用快速的電流源。一般我們使用納伏計(jì)實(shí)現(xiàn)必需的低壓靈敏性。 偏移補(bǔ)償式歐姆方法 這種方法與電流倒向方法類似，只是在固定電流源和零電流之間交替進(jìn)行測(cè)量。如圖5a所示，只在部分測(cè)量

7、周期上向待測(cè)電阻施加電流源。當(dāng)電流源開(kāi)啟時(shí)，測(cè)得的總電壓（如圖5b所示）包括電阻上的電壓降以及所有熱電EMF，可定義為： 在測(cè)量周期的后半部分，電流源關(guān)閉，儀表測(cè)得的電壓（如圖5c所示）是電路中存在的所有熱電EMF： 假設(shè)后半周期測(cè)得的VEMF是準(zhǔn)確的，那么可以從前半周期測(cè)得的電壓值中減去它，從而偏移補(bǔ)償式電壓測(cè)量可以表示為： 同樣，這個(gè)測(cè)量過(guò)程也消除了熱電EMF項(xiàng)（VEMF）。 a. 偏移補(bǔ)償測(cè)量周期 b.電流源開(kāi)啟時(shí)測(cè)量電壓 c.電流源關(guān)閉時(shí)測(cè)量電壓 圖5偏移補(bǔ)償式歐姆方法 非歐姆接觸 當(dāng)電路接觸兩端的電位差與流經(jīng)其中電流不成線性比例時(shí)，非歐姆接觸現(xiàn)象就十分明顯。它們可能由于氧化膜或其它非

8、線性連接而出現(xiàn)在低壓電路中，可能對(duì)存在的射頻能量（RFI）進(jìn)行蒸餾而導(dǎo)致電路中出現(xiàn)偏移電壓。 如果利用DMM進(jìn)行低電阻測(cè)量，改變量程通常也會(huì)改變測(cè)試電流的大小。如果讀數(shù)相同只是分辨率較高或較低就表明情況正常。但是，如果讀數(shù)差異很大就表示可能存在非歐姆接觸。 當(dāng)采用獨(dú)立的電流源和伏特計(jì)進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)，對(duì)兩臺(tái)儀器都要檢查是否存在非歐姆接觸。如果電流源的接觸是非歐姆的，那么當(dāng)電流源極性倒向時(shí)，順從電壓（compliance voltage）就存在明顯的差異。如果伏特計(jì)的接觸是非歐姆的，那么它們可能對(duì)電路中存在的所有交流噪聲（AC pickup）進(jìn)行整流，引起直流偏移誤差。如果出現(xiàn)這種情形，那么偏移

9、補(bǔ)償式歐姆方法就比電流倒向方法更適合于消除偏移。 為了防止出現(xiàn)非歐姆接觸，要選擇合適的接觸材料，例如銦或者金，并且要確保順從電壓足夠高以避免由于電源接觸非線性而出現(xiàn)的問(wèn)題。要想減少由于伏特計(jì)非歐姆接觸而產(chǎn)生的誤差，可以通過(guò)屏蔽和適當(dāng)?shù)慕拥靥幚頊p少交流噪聲。 器件發(fā)熱 當(dāng)測(cè)量溫度敏感器件電阻時(shí)應(yīng)該考慮器件發(fā)熱問(wèn)題。低電阻測(cè)量中所采用的測(cè)試電流通常比高電阻測(cè)量中的測(cè)試電流高得多，因此器件中產(chǎn)生的能耗和溫度升高會(huì)導(dǎo)致器件電阻發(fā)生變化。 大多數(shù)DMM都無(wú)法設(shè)置測(cè)試電流的大小，因此，必須尋找一些變通的方法盡量減少器件發(fā)熱。一種簡(jiǎn)單但有效的方法就是利用儀表的單發(fā)觸發(fā)模式，其中儀表在測(cè)量周期中只對(duì)DUT施加

10、一個(gè)短暫的電流脈沖，以最大限度減小器件發(fā)熱誤差。偏移補(bǔ)償也可用于減少器件發(fā)熱。在偏移補(bǔ)償方法中，只在總測(cè)試時(shí)間50%的長(zhǎng)度內(nèi)施加測(cè)試電流，從而可以減少DUT的能耗。 低電阻測(cè)量應(yīng)用 某些常見(jiàn)的低電阻測(cè)量類應(yīng)用包括電感器件測(cè)試、接觸電阻和超導(dǎo)電阻的測(cè)量，以及導(dǎo)體的電阻率測(cè)量。這些測(cè)量可以采用一個(gè)納伏計(jì)配一個(gè)電流源來(lái)進(jìn)行。 電感器件的測(cè)試 電感器件除了電感之外通常具有較小的電阻。一般采用DMM測(cè)量這種小電阻，但是電感器和測(cè)量?jī)x器之間的相互作用會(huì)使得這些測(cè)量過(guò)程變得復(fù)雜。某些問(wèn)題包括振蕩、負(fù)讀數(shù)等，通常表現(xiàn)為讀數(shù)不穩(wěn)定。 當(dāng)出現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)，要嘗試在多個(gè)量程上進(jìn)行測(cè)量，檢查讀數(shù)值是否有響應(yīng)。如果可能，

11、要避免采用偏移補(bǔ)償（脈沖式電流）方法，因?yàn)殡姼袑?duì)電流脈沖的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的測(cè)量，或者使自動(dòng)變換量程變得非常困難。要盡量使用較高的電阻量程。 通過(guò)一臺(tái)示波器與器件和電表并聯(lián)可以檢查振蕩的情況。某些情況下，在電感上跨接一個(gè)二極管可以在電場(chǎng)消失時(shí)對(duì)感應(yīng)產(chǎn)生的感生電壓進(jìn)行箝位，從而穩(wěn)定住振蕩。 接觸電阻測(cè)量 接觸電阻是電流流經(jīng)一對(duì)緊密接觸的導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻。這類測(cè)量是對(duì)接頭、繼電器和開(kāi)關(guān)之類的元件進(jìn)行的，大小通常在幾微歐到幾歐的范圍內(nèi)。一般地，具有四端測(cè)量功能的歐姆計(jì)可用于防止引線電阻增加到測(cè)量中。 接觸電阻測(cè)試的目的通常是判斷接觸氧化物或其它積累形成的表面膜是否增大了DUT的電阻。如果器件上的電壓

12、太高，那么這種膜會(huì)破裂，使得測(cè)試無(wú)效。擊穿膜所需的電壓通常是30毫伏100毫伏。 測(cè)試過(guò)程中流經(jīng)接觸點(diǎn)的電流過(guò)大會(huì)使接觸點(diǎn)及其周圍區(qū)域變軟甚至熔化，增大接觸面積，減小接觸電阻。干電路方法通常用于防止這類問(wèn)題。在干電路技術(shù)中，電壓和電流被限制在不會(huì)引起接觸點(diǎn)物理和電氣狀態(tài)發(fā)生變化的大小范圍內(nèi)。這意味著開(kāi)路電壓為20毫伏以下，短路電流為100毫安以下。由于測(cè)試電流很小，所以需要一臺(tái)非常靈敏的伏特計(jì)測(cè)量電壓降，其量程通常在微伏的量級(jí)。其它一些測(cè)試方法都可能導(dǎo)致接觸點(diǎn)的物理或電氣特性發(fā)生變化，因此干電路測(cè)量應(yīng)該在進(jìn)行其它電氣測(cè)試之前進(jìn)行。 超導(dǎo)電阻的測(cè)量 某些材料在極低的溫度下會(huì)變成超導(dǎo)體。超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)

13、換溫度（即它的電阻從有限值變?yōu)榱愕臏囟赛c(diǎn)）和臨界電流密度（即在變成電阻性導(dǎo)體之前它在一定的溫度和磁場(chǎng)條件下能夠輸運(yùn)的最大電流密度）是兩個(gè)最常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行特征分析需要測(cè)量非常小的電阻。 圖6給出了一種基本的超導(dǎo)體電阻測(cè)量結(jié)構(gòu)。電壓引線應(yīng)該采用塞貝克系數(shù)低于樣本的材料制成。必須采用納伏計(jì)進(jìn)行精確的測(cè)量。對(duì)于轉(zhuǎn)換溫度測(cè)量，電流源必須保持低于樣本的臨界電流。如果電流太高，那么產(chǎn)生的能耗可能損壞樣本與低溫保持器。但是，對(duì)于臨界電流測(cè)量，電流源必須能夠提供超過(guò)樣本臨界電流的電流。電流源應(yīng)該具有可編程的極性，這樣可以采用電流倒向方法進(jìn)行測(cè)試。 圖6 超導(dǎo)體電阻測(cè)量結(jié)構(gòu) 近年來(lái)，儀器制造商已經(jīng)

14、開(kāi)發(fā)出了很多簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程的功能。例如，吉時(shí)利的2182A型納伏計(jì)和6220型電流源就可以協(xié)同工作自動(dòng)實(shí)現(xiàn)德?tīng)査椒?。在這種模式下，6220自動(dòng)交替改變電流極性，然后觸發(fā)納伏計(jì)采集每種極性下的讀數(shù)。然后，電流源顯示經(jīng)過(guò)“補(bǔ)償”的電阻值。隨著樣本溫度的變化，可以繪制出電阻與溫度的關(guān)系曲線。在測(cè)量臨界電流時(shí)，可以聯(lián)合使用納伏計(jì)和電流源，在一個(gè)電流范圍內(nèi)產(chǎn)生精確的I-V曲線。 導(dǎo)電材料的電阻率測(cè)量 導(dǎo)體電阻率的測(cè)量需要測(cè)量已知幾何尺寸的樣本的電阻，其中要通過(guò)一對(duì)引線將電流施加給樣本同時(shí)利用另外一對(duì)引線測(cè)量電壓降。盡管測(cè)量電阻率的特定方法取決于樣本的尺寸和形狀，但所有的方法都需要一個(gè)靈敏的伏特計(jì)和一個(gè)電流源。 塊狀材料的電阻率 圖7給出了一種用于測(cè)試塊狀材料（例如金屬塊或棒）電阻率的系統(tǒng)。電流源連接樣本的兩端。伏特計(jì)引線放置在間隔距離已知的位置上。根據(jù)樣本的橫截面面積和伏特計(jì)引線之間的距離可以計(jì)算出電阻率： 其中，=電阻率，單位是-cm，V=伏特計(jì)測(cè)得的電壓，I=電流源，A=樣本的橫截面面積（wt），單位是cm2，L=伏特計(jì)引線之間的距離長(zhǎng)度，單位是cm。 為了補(bǔ)償熱電電壓，我們?cè)谡驕y(cè)試電流下獲得一個(gè)電壓讀數(shù)，在負(fù)向電流下獲得另一個(gè)電壓讀數(shù)。利用這個(gè)兩個(gè)讀數(shù)的絕對(duì)值求出平均值，用于上述公式的V/I。