方塊電阻測試儀的智能化方案
提出對便攜式方塊電阻測試儀的內(nèi)部功能進行智能化的必要性和實驗方案，包括：電源的動態(tài)監(jiān)測；探針通路的檢測；防止探針擊穿樣品；智能A/D轉(zhuǎn)換；自動量程轉(zhuǎn)換；數(shù)字通訊等。由硬件和軟件配合達到智能化的目的。
目前，氧化銦錫（ITO）以其出色的導電性和透光性，成為透明導電薄膜材料的突出代表。對其研發(fā)越來越深入、全面，制造和應(yīng)用也越來越廣泛。包括單色和彩色的LCD顯示、PDP顯示、OLED、PLED……幾乎所有的新型平面顯示技術(shù)和表面控制技術(shù)，都在采用或?qū)⒁捎肐TO透明導電材料作為其重要組成部分。如ITO透明導電玻璃產(chǎn)品，從TN型，延伸到STN型、TFT型、觸摸屏、彩色濾光片……眾多品種。同時，其他透明導電氧化物（TCO）薄膜材料的研發(fā)和應(yīng)用也在快速的發(fā)展。
1、導電薄膜材料的檢測
以ITO透明導電玻璃為例，透明導電薄膜材料的質(zhì)量檢測包括以下幾個方面：尺寸、方塊電阻、蝕刻性能、ITO膜層耐堿性、透光性和可靠性等。其中方塊電阻和透光性是應(yīng)用的主要參數(shù)，它們分別由靶材中的氧化錫和氧化銦的各占比例來確定。在基材確定，生產(chǎn)工藝、技術(shù)穩(wěn)定，靶材中含銦、錫配比選擇固定的情況下，對方塊電阻這個參數(shù)的測量，就可象征對ITO 玻璃的總體檢測。
2、方塊電阻及其測量原理
按照電阻定律的公式：
R = ρ × L/S （1）
式中R代表電阻，ρ代表電阻率，L代表電流方向的樣品長度，S代表樣品垂直于電流方向上的截面積。
可以得出導電薄膜膜層電阻的測量原理如下：如圖1所示：G表示基材—玻璃原片；ITO表示被濺射在玻璃原片上的氧化銦錫膜層；D表示膜層的厚度，I 表示平行于玻璃原片表面而流經(jīng)膜層的電流；L1 表示在電流方向上被測膜層的長度；L2表示垂直于電流方向上被測膜層的長度。依照（1）式，則膜層電阻R 為：
R = ρ × L1/（L2×D） （2）
式中ρ為膜層材料的電阻率。
當（2）式中L1=L2時，R即定義為膜層的方塊電阻R□：
R□ = ρ/D（單位：Ω/□） （3）
它表示膜層的方塊電阻值僅與膜層材料與膜層的厚度有關(guān)，而與膜層的表面尺寸無關(guān)。在實際的測量中，由于要求儀器便攜的需要，較多地采用“直排四探針”方法測量膜層的方塊電阻。測量原理如圖2 所示。圖中1、2、3、4 表示四根探針；S 表示探針間距；I 表示電流（單位：mA）從探針1 流入、從探針4 流出；△V 表示探針2、3 間的電位差(單位：mV)。
此時，（3） 式表示的膜層方塊電阻R□經(jīng)過推導為：
R□ = 4.53×△V /I（單位：Ω/□） （4）
可見，只要在測量時給樣品輸入適當?shù)碾娏鱅—要避免過多的少子注入和引起樣品發(fā)熱，并測出電位差△V，即可由（4）式得出膜層的方塊電阻值。任意尺寸的膜層電阻值，可聯(lián)立（2）（3）（4）式得出。
圖1 膜層電阻示意圖 圖2 方塊電阻的測量原理
3、測量儀器智能化的必要性
目前在ITO玻璃的生產(chǎn)過程中，手提式方塊電阻測試儀相對使用較多。它的特點是：
�、� 手持儀器測量，操作簡單、輕巧靈活、便于移動。
�、� 可采用電池供電，對測量的電磁干擾因素減少。
③ LCD 數(shù)字顯示，讀數(shù)直觀、讀數(shù)誤差小。
但這類手提式方塊電阻測試儀存在以下不足之處：
�、� 采用電池供電時，儀器在使用中電源電壓會從高到低變化。一旦電源電壓低于儀器內(nèi)部器件工作的要求，就會造成儀器工作的不穩(wěn)定，引起測量的誤差。現(xiàn)行的手提式儀器采用“以一概全”的方法檢測電源電壓，如僅在A/D轉(zhuǎn)換和顯示這一功能模塊進行檢測，而儀器的其他功能模塊的工作電壓則沒有監(jiān)測。這樣的結(jié)果是：或超前報警，浪費資源；或滯后報警，引入測量誤差。
�、� 手持式儀器需要操作者手動使用探頭進行測量，容易造成探頭損壞和探頭與樣品的接觸不良，帶來測量的錯誤�，F(xiàn)行的手提式儀器均沒有對探頭通路的檢測功能，以及對探頭與樣品接觸狀態(tài)的檢測功能，操作者全憑經(jīng)驗根據(jù)測量結(jié)果來判斷儀器的狀態(tài)是否正常。如果是對新配方材料的測量或者操作者沒有經(jīng)驗，這樣出現(xiàn)錯誤判斷的概率就非常高。
�、� 手持式儀器由于要求輕便，將其中測量回路的恒流源轉(zhuǎn)化為用穩(wěn)流措施取代，大大簡化了對測量電流的穩(wěn)定性管理。使用時，探頭的電流探針，按測量的需要必須與薄膜樣品接觸，就直接將電壓加在被測薄膜樣品上。這個電壓可能是幾伏甚至幾十伏，當探頭的探針與薄膜樣品接觸的瞬間，在接觸點就存在“打火”的可能性，可能導致?lián)舸悠罚斐蓪Ρ∧さ挠谰脫p壞。
④ 現(xiàn)在的ITO透明導電薄膜主要滿足導電性和透光性（80%左右）的均衡要求，它的方塊電阻最大值約200Ω/□左右。如果生產(chǎn)線的不穩(wěn)定，或人為的實驗需要，均有可能使薄膜的方塊電阻值在跨數(shù)量級的范圍變化。在當前對新型透明導電薄膜材料的研制中，增加了以透光性為主（90%左右），導電性為輔的材料（如觸摸屏等）的要求，所以需要制造更薄的ITO 薄膜或其他TCO 薄膜，使薄膜的方塊電阻可能達到幾千甚至上萬。這樣就有必要做到測量寬量程和測量精度的統(tǒng)一。
⑤ 在材料的研究和生產(chǎn)中， 對檢測的控制和對檢測數(shù)據(jù)的運算、管理等提出了更多的要求。手提式方塊電阻測試儀如果沒有數(shù)字通訊功能， 就缺少對測量數(shù)據(jù)進行集中管理和分析的便利， 以及融入全自動測控系統(tǒng)使用的條件。
因此有必要對方塊電阻測試儀作智能化的設(shè)計：
�、� 建立動態(tài)監(jiān)測電源電壓。
�、� 實現(xiàn)探針通斷和探頭與樣品接觸狀態(tài)的綜合檢測。
③ 有效避免探針擊穿樣品。
④ 智能的A/D 轉(zhuǎn)換和自動量程轉(zhuǎn)換。
�、� 建立與PC 的通訊功能。
4、技術(shù)的方案和實驗
4.1、電源電壓動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
方案如圖3 所示。根據(jù)儀器各功能模塊對電源要求的關(guān)系和不同，確定電源電壓的綜合參考點。同時在儀器系統(tǒng)建立一個不隨電池電壓改變的低電壓基準（如1.2 V），作為A/D轉(zhuǎn)換器的參照點。當電源電壓發(fā)生改變時，微處理器單元（MCU）通過A/D 轉(zhuǎn)換器讀取電壓參考點信號，在MCU 內(nèi)部結(jié)合電壓基準進行精確的運算、比較。當運算結(jié)果等于（或接近）設(shè)定值時，MCU 對報警電路輸出控制信號，儀器提示“電壓過高”或“電壓過低”。當使用非充電型干電池時，電池電壓隨放電電流和放電時間的不同而變化，并且有電壓虛高的特點。所以儀器開機時要對電源電壓進行檢測，并且在每次測量時也要對電源電壓進行檢測。以保證電源在每次測量中是有效的。
實驗結(jié)果，通過電源電壓動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在保障測準和電池電源有效利用上達到了較好的統(tǒng)一。
