方块电阻测试仪的智能化方案

　　提出对便携式方块电阻测试仪的内部功能进行智能化的必要性和实验方案，包括：电源的动态监测；探针通路的检测；防止探针击穿样品；智能A/D转换；自动量程转换；数字通讯等。由硬件和软件配合达到智能化的目的。

　　目前，氧化铟锡（ITO）以其出色的导电性和透光性，成为透明导电薄膜材料的突出代表。对其研发越来越深入、全面，制造和应用也越来越广泛。包括单色和彩色的LCD显示、PDP显示、OLED、PLED……几乎所有的新型平面显示技术和表面控制技术，都在采用或将要采用ITO透明导电材料作为其重要组成部分。如ITO透明导电玻璃产品，从TN型，延伸到STN型、TFT型、触摸屏、彩色滤光片……众多品种。同时，其他透明导电氧化物（TCO）薄膜材料的研发和应用也在快速的发展。

1、导电薄膜材料的检测

　　以ITO透明导电玻璃为例，透明导电薄膜材料的质量检测包括以下几个方面：尺寸、方块电阻、蚀刻性能、ITO膜层耐碱性、透光性和可靠性等。其中方块电阻和透光性是应用的主要参数，它们分别由靶材中的氧化锡和氧化铟的各占比例来确定。在基材确定，生产工艺、技术稳定，靶材中含铟、锡配比选择固定的情况下，对方块电阻这个参数的测量，就可象征对ITO 玻璃的总体检测。

2、方块电阻及其测量原理

　　按照电阻定律的公式：

R = ρ × L/S （1）

　　式中R代表电阻，ρ代表电阻率，L代表电流方向的样品长度，S代表样品垂直于电流方向上的截面积。

　　可以得出导电薄膜膜层电阻的测量原理如下：如图1所示：G表示基材—玻璃原片；ITO表示被溅射在玻璃原片上的氧化铟锡膜层；D表示膜层的厚度，I 表示平行于玻璃原片表面而流经膜层的电流；L1 表示在电流方向上被测膜层的长度；L2表示垂直于电流方向上被测膜层的长度。依照（1）式，则膜层电阻R 为：

R = ρ × L1/（L2×D） （2）

　　式中ρ为膜层材料的电阻率。

　　当（2）式中L1=L2时，R即定义为膜层的方块电阻R□：

R□ = ρ/D（单位：Ω/□） （3）

　　它表示膜层的方块电阻值仅与膜层材料与膜层的厚度有关，而与膜层的表面尺寸无关。在实际的测量中，由于要求仪器便携的需要，较多地采用“直排四探针”方法测量膜层的方块电阻。测量原理如图2 所示。图中1、2、3、4 表示四根探针；S 表示探针间距；I 表示电流（单位：mA）从探针1 流入、从探针4 流出；△V 表示探针2、3 间的电位差(单位：mV)。

　　此时，（3） 式表示的膜层方块电阻R□经过推导为：

R□ = 4.53×△V /I（单位：Ω/□） （4）

　　可见，只要在测量时给样品输入适当的电流I—要避免过多的少子注入和引起样品发热，并测出电位差△V，即可由（4）式得出膜层的方块电阻值。任意尺寸的膜层电阻值，可联立（2）（3）（4）式得出。

图1 膜层电阻示意图　图2 方块电阻的测量原理

3、测量仪器智能化的必要性

　　目前在ITO玻璃的生产过程中，手提式方块电阻测试仪相对使用较多。它的特点是：

　　① 手持仪器测量，操作简单、轻巧灵活、便于移动。

　　② 可采用电池供电，对测量的电磁干扰因素减少。

　　③ LCD 数字显示，读数直观、读数误差小。

　　但这类手提式方块电阻测试仪存在以下不足之处：

　　① 采用电池供电时，仪器在使用中电源电压会从高到低变化。一旦电源电压低于仪器内部器件工作的要求，就会造成仪器工作的不稳定，引起测量的误差。现行的手提式仪器采用“以一概全”的方法检测电源电压，如仅在A/D转换和显示这一功能模块进行检测，而仪器的其他功能模块的工作电压则没有监测。这样的结果是：或超前报警，浪费资源；或滞后报警，引入测量误差。

　　② 手持式仪器需要操作者手动使用探头进行测量，容易造成探头损坏和探头与样品的接触不良，带来测量的错误。现行的手提式仪器均没有对探头通路的检测功能，以及对探头与样品接触状态的检测功能，操作者全凭经验根据测量结果来判断仪器的状态是否正常。如果是对新配方材料的测量或者操作者没有经验，这样出现错误判断的概率就非常高。

　　③ 手持式仪器由于要求轻便，将其中测量回路的恒流源转化为用稳流措施取代，大大简化了对测量电流的稳定性管理。使用时，探头的电流探针，按测量的需要必须与薄膜样品接触，就直接将电压加在被测薄膜样品上。这个电压可能是几伏甚至几十伏，当探头的探针与薄膜样品接触的瞬间，在接触点就存在“打火”的可能性，可能导致击穿样品，造成对薄膜的永久损坏。

　　④ 现在的ITO透明导电薄膜主要满足导电性和透光性（80%左右）的均衡要求，它的方块电阻最大值约200Ω/□左右。如果生产线的不稳定，或人为的实验需要，均有可能使薄膜的方块电阻值在跨数量级的范围变化。在当前对新型透明导电薄膜材料的研制中，增加了以透光性为主（90%左右），导电性为辅的材料（如触摸屏等）的要求，所以需要制造更薄的ITO 薄膜或其他TCO 薄膜，使薄膜的方块电阻可能达到几千甚至上万。这样就有必要做到测量宽量程和测量精度的统一。

　　⑤ 在材料的研究和生产中， 对检测的控制和对检测数据的运算、管理等提出了更多的要求。手提式方块电阻测试仪如果没有数字通讯功能， 就缺少对测量数据进行集中管理和分析的便利， 以及融入全自动测控系统使用的条件。

　　因此有必要对方块电阻测试仪作智能化的设计：

　　① 建立动态监测电源电压。
　　② 实现探针通断和探头与样品接触状态的综合检测。
　　③ 有效避免探针击穿样品。
　　④ 智能的A/D 转换和自动量程转换。
　　⑤ 建立与PC 的通讯功能。

4、技术的方案和实验

4.1、电源电压动态监测网络

　　方案如图3 所示。根据仪器各功能模块对电源要求的关系和不同，确定电源电压的综合参考点。同时在仪器系统建立一个不随电池电压改变的低电压基准（如1.2 V），作为A/D转换器的参照点。当电源电压发生改变时，微处理器单元（MCU）通过A/D 转换器读取电压参考点信号，在MCU 内部结合电压基准进行精确的运算、比较。当运算结果等于（或接近）设定值时，MCU 对报警电路输出控制信号，仪器提示“电压过高”或“电压过低”。当使用非充电型干电池时，电池电压随放电电流和放电时间的不同而变化，并且有电压虚高的特点。所以仪器开机时要对电源电压进行检测，并且在每次测量时也要对电源电压进行检测。以保证电源在每次测量中是有效的。

　　实验结果，通过电源电压动态监测网络，在保障测准和电池电源有效利用上达到了较好的统一。