一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置

1.本实用新型属于测量设备技术领域，尤其涉及一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置。


背景技术：

2.材料电阻的测量，最初采用两端法或四端法测电阻来表征材料的导电性能。然而材料电阻是随着尺寸变化而变化的，特别地，当一种薄膜材料从三维变化到二维时，电阻率的变化往往是显著的。所以需进一步探索和研究能表征材料内秉性能且不受样品几何尺寸影响的物理量电阻率。同时材料的霍尔效应也是物理性能的重要指标。利用霍尔效应获得迁移率参数不仅是常规的硅材料基本测量手段，而且在分子束外延(mbe)
ⅲ‑ⅴ
族材料与工艺表征方面有着广泛的应用。
3.传统的四端法如直线四探针法是使用四根排列成排的探针阵列，将其压在待测样品表面来检测电阻。对于薄层样品不同位置，不同厚度，检测精度都会受到影响，因此传统探针阵列一般为笔形，并且用于测量的高精度探针阵列造价高昂，在检测时必须要稳定探针触点，不然就会造成测量结果的迁移，越来越无法满足新的实验要求，也很难用于微区薄层电阻的测量。范德堡法是任意形状薄片样品的电阻率和霍尔效应的重要测量方法，弥补了四探针的不足，但目前市场上并没有相关的设备直接测量。到目前为止，市面上大多数仪器造价高昂，测量步骤较为繁琐，存在由于实验操作失误造成实验误差的潜在问题。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置。
5.本实用新型提供一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置，包括单片机；所述单片机的模拟输入端口分别电连接有电流表、电压表和磁传感器；所述单片机的数字输出端口电连接有开关装置，用于根据数字信号通断所述开关装置；所述磁传感器用于检测电磁铁的磁场强度，所述电磁铁的输入端和输出端分别电连接电源的正极和负极；
6.所述开关装置包括第一电磁继电器、第二电磁继电器、第三电磁继电器、第四电磁继电器、第五电磁继电器、第六电磁继电器、第七电磁继电器、第八电磁继电器和第九电磁继电器；
7.所述第一电磁继电器的常闭输入端电连接所述电流表的输出端，常闭输出端电连接有第一探针，常开输出端分别电连接所述第四电磁继电器的常开输出端和第七电磁继电器的常开输入端；所述电流表的输入端电连接所述电源的正极；所述第五电磁继电器的常开输入端电连接所述电源的负极，常开输出端电连接所述第一探针；所述第四电磁继电器的常开输入端电连接所述电源的负极；所述第七电磁继电器的常开输出端分别电连接所述电压表的输入端、第八电磁继电器的常开输入端和第九电磁继电器的常开输出端；所述第八电磁继电器的常开输出端电连接所述第一探针；所述第九电磁继电器的常开输入端电连
接有第四探针；所述电压表的输出端电连接所述第六电磁继电器的常闭输入端；所述第六电磁继电器的常闭输出端电连接有第二探针，常开输出端电连接有第三探针和所述第四探针；所述第三电磁继电器的常开输入端电连接所述第二探针，常开输出端分别电连接所述第四电磁继电器的常开输入端、第五电磁继电器的常开输入端和第二电磁继电器的常开输出端；所述第二电磁继电器的常开输入端电连接所述第四探针。
8.进一步地，所述第一探针、第二探针、第三探针和第四探针插接有探针台，所述探针台的底部固定连接有可升降装置。
9.进一步地，所述探针台上设置有加热装置，以对所述探针台上的待测物进行加热。
10.进一步地，还包括终端，所述终端的输入端电连接所述单片机的数字输出端口。
11.本实用新型提供的薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置及方法，其中装置消除探针间距限制的优点，探针台接入设计的电路，通过继电器控制电路通断，电流表电压表可检测待测材料相关参数，将信号上传至单片机，以计算出待测材料电阻率。同时搭配有电源，电磁铁，磁传感器可检测待测材料霍尔效应。本实用新型提供的材料电阻率和霍尔效应测量装置实际操作方便，可提高实验效率和精度，降低由于操作造成的误差，功能多样，将继电器应用于对精度要求较高的测量系统中，降低对硬件的需求标准。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本实用新型实施例提供的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置的结构示意图；
14.图2为本实用新型实施例提供的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置的部分结构示意图；
15.图3为本实用新型实施例提供的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置中探针台的结构示意图；
16.图4为本实用新型实施例提供的一种薄膜材料电阻率测量方法的流程示意图；
17.图5为闭合第二电磁继电器和第七电磁继电器时的矫正函数图；
18.图6为闭合第一电磁继电器、第八电磁继电器和第二电磁继电器时的矫正函数图；
19.图7为闭合第六电磁继电器、第七电磁继电器和第三电磁继电器时的矫正函数图；
20.图8为闭合第六电磁继电器、第八电磁继电器、第一电磁继电器和第三电磁继电器时的矫正函数图；
21.图9为氧化铟锡随温度变化曲线图；
22.图10为本实用新型实施例提供的一种薄膜材料霍尔效应测量方法的流程示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.如图1所示，本实用新型实施例提供的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置，包括单片机1；单片机1的模拟输入端口分别电连接有电流表2、电压表3和磁传感器4；单片机1的数字输出端口电连接有开关装置5，用于根据数字信号通断开关装置5；磁传感器4用于检测电磁铁6的磁场强度，电磁铁6的输入端和输出端分别电连接电源7的正极和负极。
25.如图2所示，开关装置5包括第一电磁继电器51、第二电磁继电器52、第三电磁继电器53、第四电磁继电器54、第五电磁继电器55、第六电磁继电器56、第七电磁继电器57、第八电磁继电器58和第九电磁继电器59。
26.第一电磁继电器51的常闭输入端电连接电流表2的输出端，常闭输出端电连接有第一探针8，常开输出端分别电连接第四电磁继电器54的常开输出端和第七电磁继电器57的常开输入端；电流表2的输入端电连接电源7的正极；第五电磁继电器55的常开输入端电连接电源7的负极，常开输出端电连接第一探针8；第四电磁继电器54的常开输入端电连接电源7的负极；第七电磁继电器57的常开输出端分别电连接电压表3的输入端、第八电磁继电器58的常开输入端和第九电磁继电器59的常开输出端；第八电磁继电器58的常开输出端电连接第一探针8；第九电磁继电器59的常开输入端电连接有第四探针9；电压表3的输出端电连接第六电磁继电器56的常闭输入端；第六电磁继电器56的常闭输出端电连接有第二探针10，常开输出端电连接有第三探针11和第四探针9；第三电磁继电器53的常开输入端电连接第二探针10，常开输出端分别电连接第四电磁继电器54的常开输入端、第五电磁继电器55的常开输入端和第二电磁继电器52的常开输出端；第二电磁继电器52的常开输入端电连接第四探针9。
27.可选的，如图3所示，第一探针8、第二探针10、第三探针11和第四探针9插接有探针台12，探针台12的底部固定连接有可升降装置13。
28.可选的，探针台12上设置有加热装置14，以对探针台12上的待测物进行加热。
29.四根探针可根据需要固定位置，探针台12可以调节高度，以适配不同情况的实验测量，四根探针可搭加热装置14，加热装置14独立供电，可测量不同温度待测材料的电阻率。
30.可选的，所述测量装置还包括终端15，终端15的输入端电连接单片机1的数字输出端口。终端15可以是手机或者电脑。
31.本实用新型提供的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置，具有消除探针间距限制的优点，探针台接入设计的电路，通过继电器控制电路通断，电流表2和电压表3可检测待测材料相关参数，将信号上传至单片机1，计算出待测材料电阻率。同时搭配有电源7、电磁铁6和磁传感器4可检测待测物品霍尔效应。搭配加热装置14可检测变温材料电阻，同时还可配有测量夹头，可检测不同形状材料。本实用新型提供的材料电阻率和霍尔效应测量装置实际操作方便，可提高实验效率和精度，降低由于操作造成的误差，功能多样，将继电器应用于对精度要求较高的测量系统中，降低对硬件的需求标准，在保持精度的同时降低了整个装置的成本。
32.基于上述公开的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置，本实用新型实施例还提供一种薄膜材料电阻率测量方法，所述电阻率测量方法应用于上述公开的薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置。参见图4，所述电阻率测量方法包括：
33.步骤s101，接入待测样品，闭合第二电磁继电器52、第七电磁继电器，测出第一探针和第二探针之间的电压。
34.步骤s102，计算第一探针和第二探针之间的电阻，断开第二电磁继电器和第七电磁继电器。
35.步骤s103，闭合第一电磁继电器、第八电磁继电器和第二电磁继电器，测出第二探针和第三探针之间的电压。
36.步骤s104，计算第二探针和第三探针之间的电阻；断开第一电磁继电器、第八电磁继电器和第二电磁继电器。
37.步骤s105，闭合第六电磁继电器、第七电磁继电器和第三电磁继电器，测出第三探针和第四探针之间的电压。
38.步骤s106，计算第三探针和第四探针之间的电阻；断开第六电磁继电器、第七电磁继电器和第三电磁继电器。
39.步骤s107，闭合第六电磁继电器、第八电磁继电器、第一电磁继电器和第三电磁继电器，测出第一探针和第四探针之间的电压。
40.步骤s108，计算第一探针和第四探针之间的电阻；断开第六电磁继电器、第八电磁继电器、第一电磁继电器和第三电磁继电器。
41.步骤s101-s108中，第一探针和第二探针之间的电阻为r1，第二探针和第三探针之间的电阻为r2，第三探针和第四探针之间的电阻为r3，第一探针和第四探针之间的电阻为r4。
42.步骤s109，根据第一探针和第二探针之间的电阻、第二探针和第三探针之间的电阻、第三探针和第四探针之间的电阻以及第一探针和第四探针之间的电阻，计算待测样品的电阻。
43.本步骤中，根据以下公式计算待测样品的电阻：
[0044][0045]
其中，rs为待测样品的电阻；n为第n个探针，n+1＝1,2,3,4；vn为第n个探针测量的电压；i为电源输出的电流；为范德堡因子f；范德堡因子f可由反双曲余弦函数通过二分法逼近得到，满足其中，rn包括电阻r1、r2、r3、r4；n+1＝1,2,3,4。
[0046]
步骤s110，根据待测样品的电阻，计算待测样品的电阻率。
[0047]
本步骤中，根据以下公式计算待测样品的电阻率：
[0048]
ρ＝rsd；
[0049]
其中，ρ为待测样品的电阻率；rs为待测样品的电阻；d为待测样品的厚度。
[0050]
由于本实用新型使用继电器以控制电路，继电器使用电流控制电磁铁通断，会对电压表等器件产生干扰，厂家给出的模拟值转换函数无法应用于此电路中，本实用新型为
降低造价的同时提高精度，设计提升测量精度的方法，利用该方法重新计算出新的模拟值和修正电压值的函数关系：
[0051]
将四个标准色环电阻缠绕成环，用来模拟待测薄层样品，待测的薄层样品电阻总阻值已使用万用表测量，为已知量，即通入电流即可根据计算出电压值，该电压值定义为理论电压值。
[0052]
将待测薄层样品，接入测试电路，接通电流源；闭合开关第二电磁继电器52和第七电磁继电器57，电源7开始输出电流，计算出当前电流值对应的理论电压值，记录电压表3上传的模拟值。
[0053]
增加电源7输出电流，重复上述步骤，直至输出电流0.2a。最大输出电流不超过0.2a，电流过大会产生发热，对器件和待测薄层样品都有损坏。
[0054]
将所记录电压表3上传的模拟值为纵坐标，理论电压值为横坐标，使用origin进行函数拟合，得到一个y＝kx+b形式的一次函数，使得在不同电流下测量出的模拟值经过该修正函数后，得到的修正电压值等于理论电压值。
[0055]
闭合第一电磁继电器51、第八电磁继电器58和第二电磁继电器52；闭合第六电磁继电器56、第七电磁继电器57和第三电磁继电器53；闭合第六电磁继电器56、第八电磁继电器58、第一电磁继电器51、第三电磁继电器53。重复上述过程，最终得到关于模拟值和理论电压值有关的一次函数，将该修正函数编入程序中，使模拟值经过修正函数之后，转变为修正电压值。
[0056]
更换标准电阻，重复上述步骤，该修正函数仍有效，可将本实用新型精度提升至百分位。
[0057]
更换继电器，重复上述实验，进行检验；经检验，该修正函数适用于应用于该电路的继电器，继电器型号对结果影响不大，结果具有可重复性，经上述方法计算出函数适配于此实用新型设计的电路。
[0058]
例如，将四个660ω标准色环电阻缠绕成环，用来模拟待测的薄层样品，经万用表检测，其中任一电阻两端均为500ω。
[0059]
将待测的模拟样品，接入测试电路，接通电源7，闭合第二电磁继电器52和第七电磁继电器57，将电源7输出电流为1ma时开始，由于电阻已知，可计算出电路中电压为0.1v，记录电压表3上传的模拟值。
[0060]
电源7输出电流每次增加5ma，重复上述步骤，直至电源7输出为0.2a。
[0061]
将所记录电压表3上传的模拟值为纵坐标，实际电压为横坐标，使用origin进行函数拟合。为了简化计算，在收集数据时，函数中电压值和模拟值均缩小了10倍。使得在不同电流下测量出的模拟值经过该函数修正后，转换的电压值均与计算出的电压值相等，将拟合函数中的参数编入程序；
[0062]
闭合第一电磁继电器51、第八电磁继电器58和第二电磁继电器52；闭合第六电磁继电器56、第七电磁继电器57和第三电磁继电器53；闭合第六电磁继电器56、第八电磁继电器58、第一电磁继电器51、第三电磁继电器53。重复上述过程，为了简化计算，函数电压值和模拟值均除以10，最终得出函数参考图5至图8，即闭合第二电磁继电器52和第七电磁继电器57可得到函数y＝48.74x+11.42，其中y为检测模拟值，x为理论电压值，所以理论电压值x
＝(y-11.42)/48.74；闭合开关第一电磁继电器51、第八电磁继电器58和第二电磁继电器52时，x＝(y-9.04)/44.92；闭合第六电磁继电器56、第七电磁继电器57和第三电磁继电器53，x＝(y-9.32)/45.56；闭合第六电磁继电器56、第八电磁继电器58、第一电磁继电器51、第三电磁继电器53时，x＝(y-7.17)/48.85。
[0063]
使用1200ω，2000ω标准电阻做上述测验，进行检验；经检验，检测的模拟值代入修正函数后得到的修正电压值与根据改良范德堡法利用电阻阻值和电流计算出的理论电压值基本相同，该拟合函数有效，将本实用新型精度提升至百分位。
[0064]
更换继电器，重复上述实验，进行检验；经检验，该修正函数适用于任何应用于该电路的继电器，结果具有可重复性，经上述方法计算出函数适配于此实用新型设计的电路；
[0065]
将修正的函数以上面的格式编写入程序中，在检测时，单片机1控制继电器通断，根据测量顺序收集数据时，电压表3收集的模拟值即可利用修正函数运算得出修正电压值，即可代入进行计算。
[0066]
四根探针可根据需要固定位置，探针台12可以调节高度，以适配不同情况的实验测量，四根探针可搭加热装置14，加热装置14独立供电，可测量不同温度待测材料的电阻率。
[0067]
例如,如图9所示，待测样品为一块氧化铟锡ito薄膜，厂家参数厚度d＝135nm，室温下电阻小于15ω。
[0068]
将探针向外探出，固定探针，调整探针台12高度，使探针能够稳定接触于加热装置14。
[0069]
将ito薄膜四角点上导电银胶，以增加接触稳定度，放于加热装置14的中心处，将探针压于四个导电银胶点上，调节探针台12高度，使得触点接触良好。
[0070]
从室温下开始测量，每温度下测量六次，让数据稳定。开启加热装置14，每升高10摄氏度，测量一组数据，250摄氏度以上，每升高50摄氏度，测量一组数据。
[0071]
记录数据，绘制函数曲线。
[0072]
基于上述公开的一种薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置，本实用新型实施例还提供一种薄膜材料霍尔效应测量方法，所述霍尔效应测量方法应用于上述公开的薄膜材料电阻率和霍尔效应测量装置。参见图10，所述霍尔效应测量方法包括：
[0073]
步骤s201，获取待测样品的电阻。
[0074]
步骤s202，将电磁铁通电，利用磁传感器获取电磁铁产生磁场的强度。
[0075]
步骤s203，闭合第一电磁继电器、第二电磁继电器和第九电磁继电器，测出第一探针和第三探针之间的电压和电流。
[0076]
步骤s204，根据第一探针和第三探针之间的电压和电流，计算待测样品的霍尔系数。
[0077]
本步骤中，根据以下公式计算待测样品的霍尔系数：
[0078][0079]
其中，rh为待测样品的霍尔系数；d为待测样品的厚度；u
13
为第一探针和第三探针之间的电压；i为第一探针和第三探针之间的电流；b为电磁铁产生磁场的强度。
[0080]
步骤s205，根据待测样品的霍尔系数和电阻，计算待测样品的霍尔迁移率。
[0081]
本步骤中，根据以下公式计算待测样品的霍尔迁移率：
[0082][0083]
其中，μh为待测样品的霍尔迁移率；rh为待测样品的霍尔系数；rs为待测样品的电阻；d为待测样品的厚度。
[0084]
例如，该待测样品为一块n型gaas(砷化镓)半导体，材料厚度0.2mm，长宽均为1.5mm，通电电流要求小于3ma，厂家给出霍尔系数3.575
×
10
–2，霍尔迁移率3260，厂家已将其四角焊接上连接针脚。
[0085]
用鳄鱼夹将连接针脚固定于探针上，打开电流源，电流调整小于3ma，检测其方块电阻，经检测为528.5ω。
[0086]
将待测样品放入电磁线圈缝隙处，将线圈通电，产生磁场。
[0087]
磁传感器4检测到磁场数据，上传至单片机1，在终端输入样品厚度，开始检测霍尔效应。
[0088]
打开电流源，将电流调整小于3ma。
[0089]
单片机1控制第一电磁继电器51、第二电磁继电器52和第九电磁继电器59闭合，测量出测出第一探针8和第三探针11之间的电压和电流；终端通过公式计算出霍尔系数为3.345
×
10
–2m3/c,霍尔迁移率为3170.67cm2/(v.s)。
[0090]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。