精確低電阻測量從識別誤差源開始

1、精確低電阻測量從識別誤差源開始精確低電阻測量從識別誤差源開始類別：消費電子低電阻（1及以下）的測量面臨各種技術挑戰(zhàn)。根據(jù)應用的不同，人們在構建測試系統(tǒng)時可以選擇不同的儀器選件，包括配合電流源使用的納伏計（用于測量低至幾十納歐的電阻），或者針對低電阻測量（可測量低至幾十微歐的電阻）而優(yōu)化的數(shù)字萬用表（DMM）。 低電阻測量包含很多與低電壓測量相同的誤差源，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輸入電路中的偏移。干擾低電阻測量精度的噪聲源包括約翰遜噪聲、磁場和地環(huán)。過大的共模電流（流經(jīng)儀器LO端和機架或大地之間的電流）也會影響低電阻的測量精度。低電阻

2、的測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，以及其它一些測量注意事項，包括干電路測試和電感器件的測試。 利用四線方法克服引線電阻誤差 在如圖1所示的雙線測量方法中，加載的測試電流從測試引線流向待測電阻（R）。然后萬用表通過同樣一組測試引線測量電阻上的電壓并計算出相應的電阻值。不幸的是，當采用雙線方法進行低電阻測量時，總引線電阻（RLEAD）被加入到測量中。由于測試電流（I）在引線電阻上引起一個雖然較小但是很明顯的電壓降，因此萬用表測得的電壓（VM）不是恰好等于直接落在測試電阻（R）上的電壓（VR），從而導致明顯的誤差。典型引

3、線電阻的大小在10100m的范圍內，因此當待測電阻低于10100時（取決于引線電阻）采用雙線測量方法很難獲得準確的結果。 圖1 雙線方法進行低電阻測量 四線（即開氏）連接方法（如圖2）通常更適合于低電阻測量。其中，測試電流（I）通過一組測試引線加載到測試電阻（R）上；通過另一組測試引線（探測引線）測量DUT上的電壓（VM）。可能流過探測引線上的電流一般很小足以忽略，不影響電路的電壓測量。探測引線上的電壓降也可以忽略，因此萬用表（VM）測得的電壓實質上等于電阻（R）上的電壓（VR）。因此，四線連接方法測量電阻的精度高得多。注意將電壓探測引線盡可能近的連接待測電阻，以避免把它們的電阻增加到測量中。

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

5、熱電EMF的變化，這樣就無法完全消除熱電電壓，誤差仍然存在。 a.采用正極性測量 b.采用負極性測量 圖3 電流倒向方法測量電阻 德爾塔方法 如果改變EMF會引起測量誤差，那么采用德爾塔方法可能更合適。與電流倒向方法類似，德爾塔方法也交替改變電流源的極性，但是它采用三種電壓測量計算各個電阻而不是兩種。 圖4給出了在交替改變電流極性的情況下DUT的電壓降與時間的函數(shù)關系。每次改變極性時測量電壓（VM1、VM2、VM3等）。每個電壓包含一個恒定的熱電壓偏移量（VEMF）和一個線性變化的電壓偏移量（V）。熱電壓偏移量在短時間內近似為一個線性函數(shù)，因此電壓變化速率與時間的函數(shù)關系（V）也可以看成是一個

6、常量。 圖4 德爾塔方法測量電阻 采用三種電壓測量能夠消除熱電電壓偏移（VEMF）項和熱電電壓改變（V）項。在德爾塔方法中，每個數(shù)據(jù)點是三個讀數(shù)的移動平均數(shù)。即使兩組數(shù)據(jù)是在同一時間周期內獲得的，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。德爾塔方法的成功取決于熱漂移的線性近似，這種熱漂移必須在一段很短的時間周期內觀察。 就像在電流倒向方法中一樣，對變化EMF的補償意味著測量周期必須快于DUT的熱時間常數(shù)，因此必須采用快速的電流源。一般我們使用納伏計實現(xiàn)必需的低壓靈敏性。 偏移補償式歐姆方法 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行測量。如圖5a所示，只在部分測量

7、周期上向待測電阻施加電流源。當電流源開啟時，測得的總電壓（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： 在測量周期的后半部分，電流源關閉，儀表測得的電壓（如圖5c所示）是電路中存在的所有熱電EMF： 假設后半周期測得的VEMF是準確的，那么可以從前半周期測得的電壓值中減去它，從而偏移補償式電壓測量可以表示為： 同樣，這個測量過程也消除了熱電EMF項（VEMF）。 a. 偏移補償測量周期 b.電流源開啟時測量電壓 c.電流源關閉時測量電壓 圖5偏移補償式歐姆方法 非歐姆接觸 當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，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，可能對存在的射頻能量（RFI）進行蒸餾而導致電路中出現(xiàn)偏移電壓。 如果利用DMM進行低電阻測量，改變量程通常也會改變測試電流的大小。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。 當采用獨立的電流源和伏特計進行低電阻測量時，對兩臺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，那么當電流源極性倒向時，順從電壓（compliance voltage）就存在明顯的差異。如果伏特計的接觸是非歐姆的，那么它們可能對電路中存在的所有交流噪聲（AC pickup）進行整流，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)的問題。要想減少由于伏特計非歐姆接觸而產(chǎn)生的誤差，可以通過屏蔽和適當?shù)慕拥靥幚頊p少交流噪聲。 器件發(fā)熱 當測量溫度敏感器件電阻時應該考慮器件發(fā)熱問題。低電阻測量中所采用的測試電流通常比高電阻測量中的測試電流高得多，因此器件中產(chǎn)生的能耗和溫度升高會導致器件電阻發(fā)生變化。 大多數(shù)DMM都無法設置測試電流的大小，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，其中儀表在測量周期中只對DUT施加

10、一個短暫的電流脈沖，以最大限度減小器件發(fā)熱誤差。偏移補償也可用于減少器件發(fā)熱。在偏移補償方法中，只在總測試時間50%的長度內施加測試電流，從而可以減少DUT的能耗。 低電阻測量應用 某些常見的低電阻測量類應用包括電感器件測試、接觸電阻和超導電阻的測量，以及導體的電阻率測量。這些測量可以采用一個納伏計配一個電流源來進行。 電感器件的測試 電感器件除了電感之外通常具有較小的電阻。一般采用DMM測量這種小電阻，但是電感器和測量儀器之間的相互作用會使得這些測量過程變得復雜。某些問題包括振蕩、負讀數(shù)等，通常表現(xiàn)為讀數(shù)不穩(wěn)定。 當出現(xiàn)這些問題時，要嘗試在多個量程上進行測量，檢查讀數(shù)值是否有響應。如果可能，

11、要避免采用偏移補償（脈沖式電流）方法，因為電感對電流脈沖的反應會導致不穩(wěn)定的測量，或者使自動變換量程變得非常困難。要盡量使用較高的電阻量程。 通過一臺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，在電感上跨接一個二極管可以在電場消失時對感應產(chǎn)生的感生電壓進行箝位，從而穩(wěn)定住振蕩。 接觸電阻測量 接觸電阻是電流流經(jīng)一對緊密接觸的導體時產(chǎn)生的電阻。這類測量是對接頭、繼電器和開關之類的元件進行的，大小通常在幾微歐到幾歐的范圍內。一般地，具有四端測量功能的歐姆計可用于防止引線電阻增加到測量中。 接觸電阻測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，那么這種膜會破裂，使得測試無效。擊穿膜所需的電壓通常是30毫伏100毫伏。 測試過程中流經(jīng)接觸點的電流過大會使接觸點及其周圍區(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題。在干電路技術中，電壓和電流被限制在不會引起接觸點物理和電氣狀態(tài)發(fā)生變化的大小范圍內。這意味著開路電壓為20毫伏以下，短路電流為100毫安以下。由于測試電流很小，所以需要一臺非常靈敏的伏特計測量電壓降，其量程通常在微伏的量級。其它一些測試方法都可能導致接觸點的物理或電氣特性發(fā)生變化，因此干電路測量應該在進行其它電氣測試之前進行。 超導電阻的測量 某些材料在極低的溫度下會變成超導體。超導體的轉

13、換溫度（即它的電阻從有限值變?yōu)榱愕臏囟赛c）和臨界電流密度（即在變成電阻性導體之前它在一定的溫度和磁場條件下能夠輸運的最大電流密度）是兩個最常見的測量參數(shù)。對這些參數(shù)進行特征分析需要測量非常小的電阻。 圖6給出了一種基本的超導體電阻測量結構。電壓引線應該采用塞貝克系數(shù)低于樣本的材料制成。必須采用納伏計進行精確的測量。對于轉換溫度測量，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，對于臨界電流測量，電流源必須能夠提供超過樣本臨界電流的電流。電流源應該具有可編程的極性，這樣可以采用電流倒向方法進行測試。 圖6 超導體電阻測量結構 近年來，儀器制造商已經(jīng)

14、開發(fā)出了很多簡化測量過程的功能。例如，吉時利的2182A型納伏計和6220型電流源就可以協(xié)同工作自動實現(xiàn)德爾塔方法。在這種模式下，6220自動交替改變電流極性，然后觸發(fā)納伏計采集每種極性下的讀數(shù)。然后，電流源顯示經(jīng)過“補償”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系曲線。在測量臨界電流時，可以聯(lián)合使用納伏計和電流源，在一個電流范圍內產(chǎn)生精確的I-V曲線。 導電材料的電阻率測量 導體電阻率的測量需要測量已知幾何尺寸的樣本的電阻，其中要通過一對引線將電流施加給樣本同時利用另外一對引線測量電壓降。盡管測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靈敏的伏特計和一個電流源。 塊狀材料的電阻率 圖7給出了一種用于測試塊狀材料（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引線之間的距離可以計算出電阻率： 其中，=電阻率，單位是-cm，V=伏特計測得的電壓，I=電流源，A=樣本的橫截面面積（wt），單位是cm2，L=伏特計引線之間的距離長度，單位是cm。 為了補償熱電電壓，我們在正向測試電流下獲得一個電壓讀數(shù)，在負向電流下獲得另一個電壓讀數(shù)。利用這個兩個讀數(shù)的絕對值求出平均值，用于上述公式的V/I。