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微電阻測(cè)試儀的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究

2016-9-24 閱讀(2220)

本章主要對(duì)高精度微電阻測(cè)試儀的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。

  電阻按其大小可以分為高電阻(100k以上)、中電阻(1到l00k.)和微電阻(1.以下),本課題主要研究微歐姆數(shù)量級(jí)別電阻的阻值測(cè)量。

 

 

 

 

 

 

  電阻測(cè)量通常采用加電流測(cè)電壓的方法,微電阻測(cè)量的方法也不例外。考慮到微電子阻值非常微小,所以,除了要控制測(cè)試電流并準(zhǔn)確測(cè)量出待測(cè)電阻上的微弱電壓外,同時(shí)還要考慮消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量值的影響,并且將系統(tǒng)誤差降低到zui小程度,以達(dá)到高精度測(cè)量微電阻阻值的目的。

  2.1 電阻測(cè)量基本原理

  1.JPG

  電阻測(cè)量的墓本原理非常簡(jiǎn)單,即采用伏安法(如圖2.1所示),以給定電流I通過(guò)電阻R,測(cè)量R兩段的電壓值U,根據(jù)歐姆定律R=u/I即可得到電阻值。

  但是由于檢測(cè)電路中存在諸如導(dǎo)線電阻、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)和電化學(xué)電勢(shì)等的影響,當(dāng)電阻值比較大時(shí),這些影響可以被忽略不計(jì)。而如果電阻值極其微小,這些影響帶來(lái)的誤差值甚至可能超過(guò)待測(cè)電阻本身數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),就必須要研究這些誤差從何而來(lái)、如何降低乃至消除,才可能以較高精度的測(cè)量出該微電阻的電阻值。

  2.2直流微電阻測(cè)量的誤差分析

  用伏安法測(cè)量電阻時(shí),用的是直流電流源;而微小電阻值則對(duì)應(yīng)著微弱的信號(hào)。所以,有必要首先研究普遍意義上的微弱直流信號(hào)檢測(cè)中的噪聲,然后再具體到直流微電阻測(cè)量中的誤差來(lái)源。

  2.2.1微弱直流信號(hào)檢測(cè)的噪聲理論

  一般可以從兩個(gè)角度來(lái)定義干擾噪聲,一是從回路角度定義,由于電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的電壓或電流的隨機(jī)波動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)的噪聲;二是從信號(hào)分析的角度出發(fā),污染或干擾有用信號(hào)的不期望的信號(hào)都被稱為噪聲

  干擾噪聲的類型有很多種,對(duì)不同的類型的干擾噪聲信號(hào)應(yīng)采取不同的檢測(cè)方法。在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)前,應(yīng)深入分析信號(hào)的本質(zhì),明確檢測(cè)的對(duì)象,才能確定檢測(cè)原理、方法和儀器等。

  2.2.1.1檢測(cè)電路內(nèi)部的固有噪聲源

  檢測(cè)電路元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲稱為固有噪聲,它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起的。

  1.導(dǎo)體本身的熱噪聲導(dǎo)體的熱噪聲

  是指任何導(dǎo)體即使沒(méi)有連接到電源,也沒(méi)有任何電流經(jīng)過(guò)該導(dǎo)體,也會(huì)在其兩端也會(huì)呈現(xiàn)噪聲電壓起伏的情形。熱噪聲是由電阻內(nèi)部的電子隨機(jī)不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的,其幅度大小取決于溫度,溫度越高,導(dǎo)體內(nèi)自由電子熱運(yùn)動(dòng)越激烈,噪聲電壓就越高;一旦其溫度降低,熱噪聲就會(huì)減小。其幅度大小也與導(dǎo)體的電阻值有關(guān),對(duì)于大電阻來(lái)說(shuō)導(dǎo)體的熱噪聲的影響相應(yīng)的小一些,而對(duì)于微電阻來(lái)說(shuō),其影響就很大了。對(duì)于檢測(cè)林v級(jí)甚至nV級(jí)微弱信號(hào)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),熱噪聲對(duì)電」阻的測(cè)量精度的不利影響是不容忽視的。

  2.導(dǎo)體間的接觸噪:聲接觸噪聲又叫1/f噪聲,由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的,凡是有導(dǎo)體接觸不理想的器件都存在接觸噪聲;1/f噪聲電流的幅度分布為高斯型,其功率譜密度函數(shù)今Sf(f)正比于工作頻率f的倒數(shù),今(f)可表示為:

  2.JPG

  由于Sf(f)正比于1了,頻率越低,這種噪聲的功率譜密度越大,在低頻段1/f噪聲的幅度可能很大;電阻內(nèi)部由于阻值的波動(dòng)而產(chǎn)生的一種過(guò)量噪聲也是一種1/f噪聲;下面給出了幾種電阻的過(guò)量噪聲電壓有效值(以電阻兩端每1v電壓,10倍頻范圍內(nèi)測(cè)得):

  純碳阻:0.1一3.0uv

  碳膜電阻:0.05一0.3uv

  金屬膜電阻:0.02一0.2uv

  所以,為了能夠有效地測(cè)量微弱信號(hào),應(yīng)盡可能地減小測(cè)量帶寬 。

  3.爆裂噪聲

  引起爆裂噪聲的原因是半導(dǎo)體中的雜質(zhì)(一般為金屬雜質(zhì))隨機(jī)發(fā)射或捕獲PN結(jié)中的載流子。爆裂噪聲通常由一系列寬度不同,而幅度基本相同的隨機(jī)電流脈沖組成,脈沖寬度一般為幾微秒一0.15量級(jí),脈沖幅度一般為0.01“A一0.001林A,其出現(xiàn)的幾率小于幾百Hz,爆裂噪聲取決于導(dǎo)體的制作工藝和導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)狀況。如果將爆裂噪聲放大并送到喇叭中,可聽(tīng)到類似爆米花的聲音。由于爆裂噪聲是電流型噪聲,因此應(yīng)盡可能的減小電路中相關(guān)電阻的阻值,同時(shí)應(yīng)采用濾波措施 。
 

2.2.1.2檢測(cè)電路外部的干擾噪聲

  檢測(cè)電路所處環(huán)境存在的噪聲稱為外部干擾噪聲,這種噪聲是由環(huán)境決定的,而不是由內(nèi)部電路引起,屬于外部環(huán)境噪聲。某個(gè)外部干擾源產(chǎn)生噪聲,并經(jīng)過(guò)一定的途徑將噪聲禍合到信號(hào)檢測(cè)電路,從而形成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的外部干擾噪聲{7]。外部干擾噪聲有很多種類型,如市電50Hz交流干擾、電臺(tái)的調(diào)幅廣播信號(hào)或電源的開(kāi)關(guān)火花干擾、脈沖激光或雷達(dá)發(fā)射引起的寬帶干擾、宇宙射線、雷電、元件或部件的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生顫噪效應(yīng)。常見(jiàn)的外部噪聲主要包括因地線回路形成的地電位噪聲和工頻噪聲。

  地電位差噪聲是由信號(hào)源和測(cè)量?jī)x器都連接到同一地線上時(shí)形成的地線回路所引入的噪聲。在地線上有許多的接地點(diǎn),而不同接地點(diǎn)處就有不同電位,在不同點(diǎn)的很小的電位差就能在電路系統(tǒng)中形成較大的電流并產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓降,這種噪聲對(duì)微小電阻的測(cè)量精度影響較大。這種外部噪聲可以用隔離并且將整個(gè)測(cè)量電路系統(tǒng)以同一點(diǎn)接地的辦法來(lái)消除。

  工頻噪聲對(duì)直流信號(hào)測(cè)量的影響相當(dāng)明顯,常見(jiàn)的工頻干擾源有電力線產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng),電力線和電源變壓器產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)、電機(jī)啟動(dòng)器產(chǎn)生的諧波干擾等,工頻噪聲是對(duì)微電阻的測(cè)量回路影響較大。

  環(huán)境干擾噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的大小與檢測(cè)電路的布局和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),其特性既取決于干擾源的特性,又取決于禍合途徑的特性,而與電路中元件的優(yōu)劣無(wú)關(guān);干擾噪聲源功率要比檢測(cè)電路中有用信號(hào)的功率大得多,經(jīng)過(guò)揭合途徑后,噪聲功率大為減弱,但相對(duì)于微弱的有用信號(hào)可能還是十分可觀的匯9]。因此,必須要抑制外來(lái)環(huán)境的干擾源,從而確保微電阻測(cè)試儀的高精度要求。

  2.2.2直流微電阻測(cè)量的誤差來(lái)源

  基于微弱直流信號(hào)的噪聲理論,外部干擾噪聲存在于環(huán)境中,并不受檢測(cè)電路控制,因此,在直流微電阻測(cè)量中,主要研究如何降低內(nèi)部固有噪聲源對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

  在微電阻測(cè)量中,有以下幾種內(nèi)部固有噪聲誤差來(lái)源,導(dǎo)體內(nèi)部的熱噪聲會(huì)帶來(lái)溫差電勢(shì)誤差,導(dǎo)體間接觸噪聲會(huì)帶來(lái)接觸電勢(shì)誤差,接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)的共同作用產(chǎn)生熱電勢(shì);導(dǎo)體和環(huán)境之間因?yàn)殡娮訕O化也會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)誤差;而且測(cè)量電路本身也存在失調(diào)和溫差誤差。

  2.2.2.1熱電勢(shì)

  熱電勢(shì)是微弱直流電壓測(cè)量中zui常見(jiàn)的誤差源,熱電勢(shì)包括接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。

  接觸電勢(shì)是由兩種不同的導(dǎo)體內(nèi)部因電子密度不同而在接觸面上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)造成的,并且隨著溫度變化而變化。電子測(cè)量系統(tǒng)中,存在著多種導(dǎo)體,如銅、金、銀、錫、鍺、碳、鉛、氧化銅等導(dǎo)體,則測(cè)量系統(tǒng)中勢(shì)必會(huì)存在接觸電勢(shì)。測(cè)量系統(tǒng)放大電路內(nèi)部的接觸電勢(shì)的影響可采用多種技術(shù)加以消除,但是信號(hào)輸入回路的接觸電勢(shì)的影響消除的難度較大,因此應(yīng)盡可能的采用同質(zhì)材料進(jìn)行連接。

  同一種導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同時(shí),高溫端電子向低溫端遷移運(yùn)動(dòng)從而造成溫差電勢(shì),這一現(xiàn)象又稱為湯姆遜效應(yīng)。顯然,電子測(cè)量系統(tǒng)存在溫度場(chǎng)的分步不均現(xiàn)象:元器件內(nèi)外溫度不同,同一元器件不同的區(qū)域溫度不同,所以必然存在溫差電勢(shì)。雖然電子測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的溫差電勢(shì)的影響可以消除,但信號(hào)輸入回路的接觸電勢(shì)的影響有時(shí)很難消除,這時(shí),盡可能的保持測(cè)量系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布均勻。

  如前所述,熱電勢(shì)是由不同材料的導(dǎo)體接觸以及導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的差異造成的。

  如圖2.2所示:

  3.JPG



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