專利名稱：一種虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置屬于材料性能測試技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于半導(dǎo)體以及微電子封裝材料等材料電導(dǎo)率測試。

背景技術(shù)：
材料的電導(dǎo)率是研究和評定材料性能極為重要的一部分，特別是半導(dǎo)體類材料以及微電子封裝材料。半導(dǎo)體材料主要是因?yàn)閾诫s不同濃度和種類的粒子來改變材料的導(dǎo)電率，從而實(shí)現(xiàn)其功能，電導(dǎo)率的變化是評價(jià)其性能的重要手段，但是摻雜粒子后電導(dǎo)率的變化非常小，而找出一種簡便、高效同時(shí)具有高的可信度的測試方法是非常重要的。為電子封裝材料在服役過程中，由于不同的服役環(huán)境作用而使其電氣性能發(fā)生變化，通過測量其電導(dǎo)率的變化情況得到其可靠性的評估數(shù)據(jù)也是非常重要的，但是在為電子封裝材料本身尺寸非常小，其電導(dǎo)率的變化更小，并且其形狀、尺寸也不盡相同，所以也需要一種簡便、高效同時(shí)具有高的可靠性的測試方法。
中國科學(xué)院成都分院土壤研究室專利(90212551.6)提供了一種田間土壤電導(dǎo)率直接測定裝置，也適用于實(shí)驗(yàn)室溶液、純水等液體電導(dǎo)率測定的電導(dǎo)率儀，但該電導(dǎo)率儀主要土壤以及液體，且所測量的對象電阻率一般比較大，電極需要插入待測樣品，不適用于精確測量；西安電瓷研究所發(fā)明了一種污層電導(dǎo)率測量裝置(85200823)。該污層電導(dǎo)率測量裝置屬于電氣工程領(lǐng)域，用于高壓電力設(shè)備外絕緣污穢層濕潤條件下的電導(dǎo)率的測量，應(yīng)用范圍具有核大的局限性，并且數(shù)據(jù)僅僅是顯示，而不能采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)處理；FURUKAWAH專利JP2005291914-A提供了一種自動(dòng)售貨機(jī)用的電導(dǎo)率傳感器。該裝置主要用來測量循環(huán)液體的電導(dǎo)率，而不適用于半導(dǎo)體及微電子封裝材料。
由于缺乏合適的適應(yīng)各種形狀、尺寸的材料電阻微小變化以及數(shù)據(jù)自動(dòng)科學(xué)處理的裝置，在國內(nèi)，還沒有對不同形狀和尺寸的材料電阻率精確測量以及數(shù)據(jù)自動(dòng)科學(xué)處理的裝置。實(shí)際上，對于微小電阻變化的測量過程中，接觸電阻遠(yuǎn)大于所測電阻，而采用比較成熟的四電極法測量就很好的避免了接觸電阻堆測量結(jié)果的影響，測量結(jié)果更具可信性；同時(shí)對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，數(shù)據(jù)的采集與自動(dòng)處理是非常重要的，采用LabVIEWTM虛擬儀器軟件，配合通用接口總線控制卡，可以很好地實(shí)現(xiàn)這種功能；同時(shí)采用X-Y-Z三維移動(dòng)平臺，可以更好的適應(yīng)不同形狀、不同尺寸的待測樣品的要求。因此，開發(fā)和研制虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置，精確測量測定半導(dǎo)體類材料以及微電子封裝材料的電阻率，對正確評估半導(dǎo)體以及為電子封裝材料的電學(xué)性能具有十分重要的意義。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型主要針對半導(dǎo)體以及微電子封裝材料等材料電導(dǎo)率測試而設(shè)計(jì)，適用于室溫條件下的電導(dǎo)率的測量。
本虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置，其特征在于，它由硬件測試平臺和虛擬儀器軟件控制平臺兩大部分構(gòu)成，其中硬件測試平臺由X-Y-Z三維移動(dòng)平臺、垂直電極支撐平臺、水平電極支撐載物平臺以及彈簧電極構(gòu)成，虛擬儀器控制平臺主要包括電壓表、電流源表、通用接口總線控制卡和計(jì)算機(jī)。待測樣品安放在水平電極支撐載物平臺上表面，同時(shí)由兩個(gè)水平彈簧電極夾持住端面；垂直彈簧電極固定在垂直電極支撐平臺上，從垂直方向與待測樣品保持緊密接觸；垂直電極支撐平臺通過螺釘固定在X-Y-Z三維移動(dòng)平臺的豎直移動(dòng)模塊上，并由豎直移動(dòng)模塊帶動(dòng)使之在X-Y-Z三維方向上移動(dòng)，以滿足不同形狀和尺寸樣品的要求。同時(shí)還在垂直電極支撐平臺和水平電極支撐載物平臺上的不同位置鉆孔放置彈簧電極，以在更大變化范圍內(nèi)滿足樣品尺寸的要求。其連接關(guān)系如下:水平和垂直彈簧電極分別通過導(dǎo)線與電流源表以及電壓表相連，電壓表與電流源表之間通過觸發(fā)電纜連接，并分別通過通用接口總線電纜與連在計(jì)算機(jī)上的通用接口總線控制卡連接在一起。計(jì)算機(jī)中通用接口總線控制卡通過電壓表與電流源表采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型裝置的垂直電極支撐平臺和水平電極支撐載物平臺特點(diǎn)在于可以通過變換不同的彈簧電極接入點(diǎn)改變電極之間的距離，適應(yīng)不同尺寸的樣品的要求，同時(shí)彈簧電極的使用不僅可以更好的夾緊樣品，同時(shí)可以在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電極與樣品之間的距離，適應(yīng)尺寸變化比較小的樣品。
另外本實(shí)用新型裝置購置的X-Y-Z三維移動(dòng)平臺，可以在固定樣品以及測量間距的情況下，測量樣品不同位置的電導(dǎo)率的變化；同時(shí)作為可以大范圍移動(dòng)的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)在更大的尺寸范圍測量樣品的電導(dǎo)率。
本實(shí)用新型的另外一個(gè)重要的部分在于軟件控制測量部分，配合KeithleyTM的2400電流源表、2182電壓表以及通用接口總線控制卡來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集以及處理。具體連接次序?yàn)?電流源表通過導(dǎo)線、水平彈簧電極與樣品相連，電壓表通過導(dǎo)線、垂直彈簧電極與樣品連接；電流源表與電壓表通過通用接口總線電纜與插入計(jì)算機(jī)的通用接口總線控制卡相連，電流源表與電壓表之間通過觸發(fā)電纜相連，計(jì)算機(jī)通用接口總線控制卡采集、處理數(shù)據(jù)。
本實(shí)用新型在可以控制測量的時(shí)間間隔以及測量的周期，將測量結(jié)果保存并以圖表的方式直觀的顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)對電導(dǎo)率的測量以及電導(dǎo)率的變化進(jìn)行觀測。
本實(shí)用新型測量結(jié)果更具可信性，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與自動(dòng)處理。

: 圖1測試平臺總裝示意圖 圖2垂直電極支撐平臺示意圖 圖3水平電極支撐載物平臺示意圖 圖4實(shí)施例1樣品電壓測量圖 圖5實(shí)施例2樣品電壓測量圖 圖中數(shù)字所代表的內(nèi)容: 1-計(jì)算機(jī) 2-通用接口總線控制卡 3-通用接口總線電纜 4-觸發(fā)電纜 5-電壓表 6-電流源表 7-X-Y-Z三維移動(dòng)平臺 8-垂直電極支撐平臺 9-水平電極支撐載物平臺 具體實(shí)施方式
下面通過附圖及相應(yīng)的具體實(shí)施例描述樣品的電導(dǎo)率的測試方法和裝置，但應(yīng)理解的是，其中在實(shí)施例中關(guān)于試樣的尺寸、材料類型和相對布置的描述并不意味著將本實(shí)用新型限定在所公開的特定形式，本方案僅僅是以示例的方式公開，除非另有特別說明。
虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測量裝置由硬件測試平臺和虛擬儀器軟件控制平臺兩大部分構(gòu)成，裝配及連接方式如圖1所示。其中裝置主體主要包括計(jì)算機(jī)、通用接口總線控制卡、通用接口總線電纜、Keithley2400電流源表、Keithley2182電壓表、觸發(fā)電纜、X-Y-Z三維移動(dòng)平臺、垂直電極支撐平臺、水平電極支撐載物平臺以及彈簧電極，圖2、圖3分別為垂直電極支撐平臺和水平電極支撐載物平臺示意圖。
虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測量裝置的連接關(guān)系如下:通用接口總線控制卡通過計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展接口插槽與計(jì)算機(jī)相連；Keithley2400電流源表和Keithley2182電壓表通過通用接口總線電纜與通用接口總線控制卡上的通用接口總線接口相連，并分別接到220V電源上；Keithley2400電流源表和Keithley2182電壓表之間通過觸發(fā)電纜相連；彈簧電極通過導(dǎo)線分別與電流源表和電壓表相連；其中垂直彈簧電極通過垂直電極支撐平臺與X-Y-Z三維移動(dòng)平臺相連，從而實(shí)現(xiàn)電極的三維運(yùn)動(dòng)，通過X-Y-Z三維移動(dòng)平臺帶動(dòng)與樣品接觸；水平彈簧電極固定在水平電極支撐載物平臺，通過彈簧與待測樣品接觸；同時(shí)通過改變電極在水平電極支撐載物平臺上的固定位置，來實(shí)現(xiàn)大范圍的移動(dòng)測量；X-Y-Z三維移動(dòng)平臺通過螺釘固定在水平電極支撐載物平臺上。
計(jì)算機(jī)中裝入的LabVIEWTM軟件通過所編制的程序控制通用接口總線控制卡通過電壓表與電流源表采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過軟件控制測量的時(shí)間間隔以及測量的周期，將測量結(jié)果保存并以圖表的方式直觀的顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)對電導(dǎo)率的測量以及電導(dǎo)率的變化進(jìn)行觀測。
實(shí)施例1:所用的試樣是塊狀金屬錫，樣品尺寸為:長20mm，寬16mm，厚4.5mm。數(shù)據(jù)讀取點(diǎn)數(shù)10個(gè)，電極間距10mm，電流為0.02A。
本實(shí)施例的具體測試過程如下:將待測樣品的表面進(jìn)行打磨，除去表面的氧化物，并測量其尺寸，把處理好的樣品放在水平電極支撐載物平臺上，調(diào)整彈簧電極的位置使之與樣品的表面接觸，然后將電流源表和電壓表的電源打開，調(diào)整到待測狀態(tài)。打開計(jì)算機(jī)以及LabVIEWTM虛擬儀器軟件，調(diào)出所編制的測量程序，設(shè)置測量參數(shù)，運(yùn)行程序進(jìn)行測量。
由圖4可以測出該樣品在該試驗(yàn)條件下的電導(dǎo)率為7.3×104/Ω·cm。
純錫的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率為9.17×104/Ω·cm，考慮到在熔煉過程中會加入的雜質(zhì)，以及內(nèi)部會產(chǎn)生氣孔，夾渣等缺陷，阻礙了電子沿某一方向的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率降低，所以此測量裝置的測量結(jié)果比較精確。
實(shí)施例2:所用的試樣是塊狀金屬銅，樣品尺寸為:長17mm，寬12mm，厚3mm。數(shù)據(jù)讀取點(diǎn)數(shù)10個(gè)，電極間距10mm，電流0.02A。
本實(shí)例的具體測試過程如下:將待測樣品的表面進(jìn)行打磨，除去表面的氧化物，并測量其尺寸，把處理好的樣品放在水平電極支撐載物平臺上，調(diào)整彈簧電極的位置使之與樣品的表面接觸，然后將電流源表和電壓表的電源打開，調(diào)整到待測狀態(tài)。打開計(jì)算機(jī)以及LabVIEWTM虛擬儀器軟件，調(diào)出所編制的測量程序，設(shè)置測量參數(shù)，運(yùn)行程序進(jìn)行測量。
由圖5可以測出該樣品在此實(shí)驗(yàn)條件下的電導(dǎo)率為4.05×105/Ω·cm。
純銅的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率為6.8×105/Ω·cm，經(jīng)過切割和打磨后的樣品會出現(xiàn)過度的位錯(cuò)和缺陷，從而導(dǎo)致測量樣品的電導(dǎo)率降低，所以此測量裝置的測量結(jié)果比較精確。
權(quán)利要求1.一種虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置，其特征在于，它由硬件測試平臺和虛擬儀器軟件控制平臺兩大部分構(gòu)成，其中硬件測試平臺由X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(7)、垂直電極支撐平臺(8)、水平電極支撐載物平臺(9)、以及彈簧電極構(gòu)成，虛擬儀器控制平臺包括電壓表(5)、電流源表(6)、通用接口總線控制卡(2)、計(jì)算機(jī)(1)；垂直電極支撐平臺(8)固定在X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(7)的豎直移動(dòng)模塊上；其連接關(guān)系如下水平彈簧電極通過導(dǎo)線與電流源表以及電壓表相連；垂直彈簧電極通過導(dǎo)線與電流源表以及電壓表相連；電壓表與電流源表之間通過觸發(fā)電纜(4)連接，并分別通過通用接口總線電纜與連在計(jì)算機(jī)上的通用接口總線控制卡連接在一起。
專利摘要一種虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置屬于材料性能測試的領(lǐng)域。本裝置由硬件測試平臺和虛擬軟件控制平臺兩部分組成。硬件測試平臺由X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(7)、垂直電極支撐平臺(8)、水平電極支撐載物平臺(9)，以及彈簧電極組成，主要起到放置待測樣品和調(diào)整位置的作用，通過調(diào)整移動(dòng)平臺滿足不同形狀尺寸樣品的測試需要。虛擬軟件控制平臺由電壓表(5)、電流源表(6)、通用接口總線控制卡(2)和計(jì)算機(jī)(1)組成。電壓表與電流源表之間通過觸發(fā)電纜(4)連接，它們與計(jì)算機(jī)的通用接口總線控制卡通過通用接口總線電纜進(jìn)行連接，從而形成整個(gè)虛擬儀器控制的四電極法電導(dǎo)率測試裝置。此實(shí)用新型測量結(jié)果更具可信性，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與自動(dòng)處理。
文檔編號G01R27/02GK201203649SQ200820080450
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者福 郭, 楓 邰, 朋 劉, 原 高, 夏志東, 雷永平, 史耀武 申請人:北京工業(yè)大學(xué)