毕业设计与论文-薄膜电阻率测量系统.pdf
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1、摘要电阻率是电子材料的重要参考性能数,薄膜电阻率的测量备受关注。采用传 统四探针高电阻率测量方法测量薄膜电阻率,需要加入较多的修正才能得到精确 的结果。因此,研究薄膜电阻率的测量系统原理、软硬件集成方法等具有很重要 的意义和应用价值。在综合比较各种电阻率测量方法的基础上,本设计采用双电测组合法测量薄 膜电阻率。首先,系统研究双电测组合法薄膜电阻率测量原理,跟据测量要求改 进电阻率的计算方法,极大的简化相关修正,提高测量结果的可靠性和精确度。其次,基于单片机的Rymaszewski四探针双电测组合法设计了薄膜电阻率自动化 测量系统。在8051单片机的控制下,利用基于CD4052芯片的接口电路实现
2、电流 探针,电压探针的自动切换,并通过单片机控制实现两次电压测量;同时根据两 次测量结果编程完成范德堡修正因子的计算,最终实现薄膜电阻率自动测量和显 示,建立基于8051单片机的双电测四探针薄膜电阻率测量系统。实验结果表明,所设计的自动测量系统不仅可以满足多种薄膜电阻率测量要求,而且提高了测量 精度和自动化程度,同时精简了薄膜电阻率测量过程。关键词:四探针双电测组合法;范德堡修正因子;CD4052;薄膜电阻率Ab st rac tAt t en t io n is main l y paid t o t he measuremen t o f resist ivit y-an impo rt
3、an t pro pert y o f t hin fil m.Owin g t o appl y t radit io n al fo ur-pro b e met ho d o n fil m sampl e resist ivit y measuremen t,c o mpl ex c o rrec t io n s are required in o rder t o ac quire an ac c urat e resul t an d sampl e wil l easil y b e sc rat c hed durin g t he measurin g pro c ess
4、when usin g man ual fo ur-pro b e equipmen t.Therefo re,t he measuremen t t heo ry,so ft ware an d hardware in t egrat io n met ho d b y virt ual in st rumen t at io n fo r t hin fil m resist ivit y aut o mat ic syst em are o f impo rt an t val ue.In c o mprehen sive c o mparat ive measuremen t met
5、ho d o f resist ivit y,o n t he b asis o f t he design USES do ub l e el ec t ric al measuremen t gro up l egal measurin g fil m resist ivit y.First,syst em researc h do ub l e el ec t ric al measuremen t is t he l egit imat e fil m resist ivit y measuremen t s o f t he prin c ipl e wit h ac c o rdi
6、n g t o measuremen t requiremen t s,t he c al c ul at io n met ho d o f impro vin g resist ivit y,great l y simpl ified rel at ed c o rrec t io n,impro ve t he rel iab il it y an d prec isio n measuremen t resul t.Sec o n dl y,Based o n SCM Rymaszewski fo ur-po in t pro b e do ub l e el ec t ric al
7、measuremen t gro up t he fil m resist ivit y l egit imat e design aut o mat io n measurin g syst em.In 8051 un der t he c o n t ro l o f t he sin gl e c hip mic ro c o mput er b ased o n CD4052 c hip in t erfac e c irc uit impl emen t s c urren t pro b e,vo l t age pro b e t o swit c h,an d t hro ug
8、h t he sin gl e-c hip mic ro c o mput er c o n t ro l ac hieve t wo vo l t age measuremen t;An d ac c o rdin g t o t wo measuremen t resul t s pro grammed Van derb il t c o rrec t io n fac t o r c al c ul at io n,an d fin al l y ac hieve t he fil m resist ivit y o f aut o mat ic measuremen t an d di
9、spl ay,b ased o n t he sin gl e c hip mic ro c o mput er 8051 do ub l e el ec t ric al measuremen t o f fo ur pro b e fil m resist ivit y measurin g syst em.The experimen t al resul t sho ws t hat t he design o f aut o mat ic measuremen t syst em c an n o t o n l y meet a variet y o f fil m resist i
10、vit y measuremen t requiremen t s,an d impro ve t he measurin g prec isio n an d aut o mat io n degree,an d st reaml in e fil m resist ivit y measuremen t pro c ess.Keywords:dual electro measurement with four point probes;van der Pauw correction factor;CD4052;Film resistivity目录论文第一章绪论.错误!未定义书签。1.1设计
11、的目的.41.2国内外研究进展.51.2.1电阻率测量对薄膜材料研究的意义.51.2.2电阻率测量技术.81.3本章小结.14第二章四探针电阻率测量原理.162.1四探针基本原理.162.1.1体原理.162.1.2薄层原理.182.1.3测准条件.192.2双电测组合法测量原理.202.3本章小结.22第三章单片机控制技术.错误!未定义书签。3.1单片机的结构.错误!未定义书签。3.2单片机的指令系统及汇编程序设计.错误!未定义书签。3.3单片机的定时器,中断系统以及串行口.错误!未定义书签。3.3.1单片机的定时器.错误!未定义书签。3.3.2单片机的中断系统及串行口.错误!未定义书签。3
12、.4单片机的人机交互与扩展技术.错误!未定义书签。3.4.1单片机的人机交互技术.错误!未定义书签。3.4.2存储器的扩展与系统扩展技术.错误!未定义书签。3.5 单片机应用系统开发与设计.错误!未定义书签。3.6 本章小结.错误!未定义书签。第四章薄膜电阻率测量系统硬件设计.错误!未定义书签。4.1系统设计.错误!未定义书签。4.2应用需求分析.错误!未定义书签。4.3系统硬件结构设计.错误!未定义书签。4.3.1硬件选择.错误!未定义书签。4.3.2硬件模块设计.错误!未定义书签。4.4本章小结.错误!未定义书签。第五章薄膜电阻率测量系统软件设计.错误!未定义书签。5.1 薄膜电阻率测量系
13、统软件构思.错误!未定义书签。5.2 信号采集模块.错误!未定义书签。5.3 信号处理模块.错误!未定义书签。5.4 薄膜电阻率的运算模块.错误!未定义书签。5.5 数据的存储与回放模块.错误!未定义书签。5.6 薄膜电阻率测量软件.错误!未定义书签。5.7 本章小结.错误!未定义书签。第六章 总结与致谢.错误!未定义书签。总结.错误!未定义书签。致谢.错误!未定义书签。参考文献.错误!未定义书签。附 录.错误!未定义书签。外文翻译.错误!未定义书签。第一章绪论1.1设计的目的电阻率是电子材料的基本参数,电阻率的精确测量对于材料机理研究和性 论文能评价有着重要的意义。针对不同材料,应该采用不同
14、的方法来进行电阻率测量。肃然目前可以应用的电阻率测量方法有很多种,但是仍然不能满足新型材料的测 量需求。针对新材料的特点改进原有方法或设计新的测量方法,也是新材料电阻 率测量研究的重要组成部分。近年来,薄膜材料得到了越来越多的关注,而且随着对薄膜性能要求的提 高,薄膜的厚度也越来越薄,几百纳米的薄膜超薄膜的广泛研究对近年来,薄膜材料得到了越来越多的关注,而且随着对薄膜性能要求的提 高,膜的厚度越来越薄,几百纳米的超薄膜的广泛研究对电阻率测量提出了新的 要求。对薄膜这样有平整表面的样品,电阻率测量一般采用四探针法。常见的四 探针电阻率测量设备都是为半导体材料设计的。半导体材料材质坚硬,电阻率范
15、围在1c.em103c.em量级,而薄膜材料不仅是在样品厚度,在样品的材质以及 电阻率的范围上都与一般的半导体材料有着显著的不同。以纳米磁性薄膜为例,厚度只有几百纳米,一般采用溅射、电化学沉积、气相沉积等方法制作,附着在 基底表面,连接十分脆弱,采用四探针法测量电阻率时,样品极易被针尖划伤,不仅不能完成测量,还会破坏样品;而且它们的电阻率多在以下,10dc m超出 了一般电阻率测量装置的量程。量程更大精确度更高并且充分考虑薄膜样品特点 的测量系统才能满足薄膜样品电阻率的测量需求。1.2国内外研究进展电阻率是材料的基本参数之一。随着材料科学的不断发展,电阻率测量技 术也在不断进步。本节首先说明电
16、阻率测量在薄膜材料研究中的意义,接着总结电阻率测量 方法,最后介绍四探针电阻率测量方法的发展历程以及四探针电阻率测量设备的 发展状况。1.2.1电阻率测量对薄膜材料研究的意义随着材料应用领域的拓宽,材料电阻率对材料来说也不仅仅只是标识其导 电性能的参数,以纳米磁性薄膜为例说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义。纳米磁性薄膜也是本研究测量对象的原型。纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在纳米量 级的单层或多层薄膜,通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。与普通薄膜相 比,纳米薄膜具有许多独特的性能,如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应 等。因而在军事、重工业、轻工业、石化等领
17、域表现出了广泛的应用前景。常见 的纳米磁性薄膜有微波软磁薄膜、巨磁阻薄膜等。在这些应用中电阻率都极大的 影响着材料的性能。1.软磁薄膜随着通信技术的飞速发展,对能在GHz高频段应用的微磁器件提出越来越 迫切的需求。以高频电感器为代表的微磁器件在技术革新上的主要难题在于缺乏 高频下仍能保持良好性能的磁性材料。另外,通信技术的发展也带来越来越严重 的电磁污染,对电磁波吸收材料提出了更高要求,传统的磁性吸波材料由于材料 局限性已难以满足这些应用需求。因此,研究在微波高频下具有高磁导率、超低 磁损耗或高磁损耗的材料都具有重要意义。软磁材料可以很好的满足这样的需求。所谓软磁材料,,特指那些矫顽力小、容易
18、磁化和退磁的磁性材料。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退 磁,而且具有很高的导磁率,可以起到很好的聚集磁力线的作用,所以软磁材料 被广泛用来作为磁力线的通路,即用作导磁材一料,例如变压器、传感器的铁芯,磁屏蔽罩等。由于软磁材料一般应用在高频环境下,所以除过导磁率,在实际应用中对 材料的自然共振频率了和涡流损耗也需要考虑。对于面内单轴各向异性从的 薄膜,自然共振频率为:其中,,为旋磁因子,肌为饱和磁化强度,”人为面内单轴各向异性场。在 其难轴方向,磁导率实部”为:,4%Ms4=-Hk(1-2)考虑趋肤效应,涡流损耗截止频率九C为:f=-PEC乃”为j(1-3)其中P和.,分别为薄膜的电
19、阻率和厚度,涡流损耗截止频率/ec定义当磁 论文导率实部下降到起始磁导率值的2/3时所对应的频率。可以看出,理想的软磁薄 膜不仅应具有高的饱和磁化强度Ms和适当的单轴面内各向异性场左以保证高 的铁磁共振频率/y和高的磁导率/”,还需要具备小的厚度乙和高的电阻率 以尽可能减少高频下的涡流损耗。反射率是评价吸波材?性能的重要参数,当在空气中传播的电磁波遇到由 介电常数为工、磁导率为的材料构成的界面时,其反射系数为:其中N=1为材料的阻抗,以和a分别为磁导率和介电常数的损耗角。根据Drude关系式,与电导率对应的介电常数为:7()7。工 卫、Rs 1(1-8)论文进而可以得到方阻计算公式:(1-9)
20、双电测法提出后得到了广泛的研究。P erl o ff给出了包含厚度修正的电阻率计 算多项式。宿昌厚和鲁效明在总结国内外对双电测法研究的基础上,比较总结了 双电测法相对一般四探针法的优势,提出了双电测组合法的概念并完善了修正体 系,Yamashit a M也对双电测法的应用范围作了研究。目前双电测组合法已经被 作为电阻率测量的标准方法被公布。本研究构建的磁性薄膜电阻率测量系统也主 要应用双电测组合法完成。微区电阻率的测量是四探针法的重要应用领域。将传统的四探针法应用于测 量微区电阻率,最大的误差来源将是探针的游移,而van der P auw法和双电测组合法测量对于探针位置的要求不严格,正好可以
21、解决这个问题。具体的测量方法包括改进的van der P auw法和斜置式方形Rymaszewski四探针法两种。改进的van der P auw法由孙以材从van der P auw的测量方法发展而来,并成功的应用于微 区电阻率的测量。这一方法的要点是:在显微镜帮助下用目视法将四个探针尖分 别置于方形微小样品面上的内切圆外四个角区,如图1-2所示;接着进行四次 测量,第一次测量时,用A、B探针作为电流探针,电流为I,D、C探针作为电 压探针,其间电压为;第二次测量时用B、C探针作为通电流探针,电流仍 为I,A、D探针作为测电压探针,其间电压为2;然后依次以C、D和D、A作 为通电流的探针,相
22、应测电压的探针B、A和C、D间电压分别为3和 V4o由 四次测量结果可得样品的方块电阻为:其中人为范得堡修正函数。基于同样的考虑,将直线型的Rymaszewski法应用于方形探针进行微区电 阻率测量,就是斜置式方形Rymaszewski四探针法。电阻率计算公式于直线型 探针测量时基本一致。改进的van der P auw法和斜置式方形Rymaszewski四探 针法在微区电阻率测量上的成功应用进一步说明了做为其来源的双电测组合法 的优越性和可靠性。许多研究者也在不断的改进四探针法,使其不再限于电阻率 值的测量。例如,Cro ssl ey P A和P erl o ff D S在上世纪70年代就发
23、展出了可得到 样品薄层电阻分布的测试方法,即Mappin g技术。孙以材等人也为Mappin g技 术的实际应用做出贡献。在集成电路研究中四探针法也得到广泛的应用,如在表面态研究,以及芯片 测试方法等,P erl o ff DS曾应用四探针测量技术来研究光刻套刻误差;在器件研 究中四探针法也有用武之地,如在对超浅结(Ul t ra-Shal l o w Jun c t io n,USJ)器件 的研究中,一些研究者通过特别设计的探针来减少测量对样品带来的损坏,另一 些则对测量方法进行了深入的讨论。四探针法测量磁性材料电阻率的研究也有许 多报道,研究主要集中于对磁阻效应的研究,磁场对材料电阻率的影
24、响,而不在 于电阻率本身的测量精度的提高。3.四探针测量设备的发展根据四探针法制作出测量仪器才能为科学研究服务。早期的文献中报道的 电阻率测量设备是全手动的,电流不能连续调节,电压表也是外接设备,对边界 条件的修正参数列表给出。Buehl er M G等人完成的电阻率测量设备就是这样的,测量对象是块状半导体样品,测量范围为0.7Cc a30c.e%。测量技术不断发 展,对于自动化测量,自动化数据处理的需求使人们不断努力提高测量设备的性 能,将计算机引入测量系统计算修正函数的做法也渐渐出现。到上世纪80年代末,四探针测量设备已经设计定型并批量生产,其中一些 设备可以自动完成传统四探针法测量电阻率
25、,并给出带厚度修正的电阻率测量结 果,电阻率测量范围可以达到并出现了由计算机控制测 量过程的产品。目前四探针测量设备已经实现了和计算机技术的紧密结合。国内国外设计 生产四探针测量电阻率设备的公司也很多。1.3本章小结本设计的薄膜电阻率测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包 括激励电路、信号处理电路。激励电路产生测量所需的激励电压和电流,信号处 理电路将激励电压和电流信号进行放大、滤波处理。设计中采用多功能数据采集 卡来完成信号的采集和处理。本设计要求采用基于虚拟仪器技术的Rymaszewski四探针双电测组合法,应 用模拟电子开关设计电流和电压探针切换控制电路,并应用Lab VIEW控
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