Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 51)5 6 01 й 27/О НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОУУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Тамбовский институт химического машиностроения(56) Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. - М.; Высшая школа, 1975, с. 5 - 21.Авторское свидетельство СССР В 416627, кл. 6 01 й 27/00, 1974,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛ ЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений злектрофизических параметров электропроводных твердых материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений путем снижения систематичеИзобретение относится к измерительной технике и технической физике, в частности к измерениям электрофизических характеристик электропроводных твердых материалов.Известен способ определения электро- сопротивлений твердых материалов, заключающийся в приведении в контакт с поверхностью исследуемого образца четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине исследуемого образца на фиксированном расстоянии друг от друга, в плоскости, перпендикулярной поверхности образца, пропускании тока через образец между внешними зондами, измере.,Ж, 1758586 А ской погрешности. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов основан на четырехзондовом методе, причем при расчете удельного злектросопротивления образца по двум образцам с известными удельными электросопротивлениями и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определеяют их искомые характеристики с учетом масштабного коэффициента, Устройство содержит датчик 1 тока, исследуемый образец 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, информационный вход 7 ОЗУ, ОЗУ 8.вход 9 управления ОЗУ, генератор 10 управляемой частоты, микропроцессор 11, мультиплексор 12, ПЗУ, выход 14 ПЗУ, выход 15 ОЗУ, выход 16 мультиплексора, блок 17 (Я индикации, аналого-цифровой преобразователь 18. 2,с.п,ф-лы, 2 ил,нии падения напряжения между внутренними зондами, расстояния между зондами и определении искомых характеристик исследуемого материала.Недостатком способа является низкая точность и узкий диапазон определения удельного электросопротивления, ограничиваемые геометрией исследуемых образцов, так как расчетная формула выведена для полубесконечного образца и не учитывает масштабные деформации электрического поля в образце, определяемые его геометрией. Данный способ предполагает непосредственные измерения разнородных физических величин: электрический (ток, на 1758586пряжение) и геометрических (расстояний, росопротивления с учетом масштабного кокоэффициента), что вносит в конечный ре- эффициента,зультат как систематическую погрешность, Кроме того, в устройство для опредетак и случайную, ления удельного электросопротивленияИзвестно устройство для разбраковки 5 твердых материалов, содержащее датчик электрических изделий по активному сопро- тока, выполненный в виде резистора, соетиплению, содержащее две мостовые изме- диненного выводом с клеммой токового рительные схемы нижнего и верхнего зонда, в отличие от прототипа введены пределов с общей диагональю, к выходам микропроцессор, аналого-цифровой прекоторых подкл ючен ы входы усилителей 10 образователь, генератор управляемой часформирователей, генератор стробирующих тоты, компаратор, усилитель, импульсов, две схсмы И, инвертор, триггер, мультиплексор, оперативное запоминаю- третья схема И, причем выход первого уси- щее устройство, постоянное запоминаюлителя формирователя соединен с входом щее устройство, причем вывод датчика первой схемы И, выход которого усилителя 15 тока соединен с входом интегратора и вхоформирователя подключен к вторым входам дом аналого-цифрового преобразователя, первой и второй схем И, выход генератора второй выход соединен с вторым и третьим стробирующих импульсов соединен стреть- входами интегратора, входом генератора ими вход;или первой и второй схем И, через управляемой частоты и с выходом аналого- первый и второй триггеры подключены к 20 цифрового преобразователя, второй вывходам третьей схемы И, причем триггер с ход аналого-циФрового преобразователя первой схемой И на входе соединен прямым соединен с входом микропроцессора, его входом, а второй триггер - инверсным выхо- второй вход соединен с выходом генератодом. ра управляемой частоты, а третий его входОднако данное устройство имеет низ соединен с выходом мультиплексора, выкие функциональные возмокности, обус- ход микропроцессора соединен с входом ловленные отсутствием количественных блока индикатора, вход мультиплексора сопоказателей проведения процессов разбра- единен с выходом постоянного запоминаю- ковки, что естественно ухудшает качество щего устройства, его второй вход соединен проведения, имеет узкий диапазон разбра с выходом оперативного запоминающего ковки изделий, обусловленный жесткими устройства, его вход соединен с выходом структурными связями устройства. генератора управляемой частоты, второйЦель изобретения - повышение точно- вход соединен с выходом компаратора, втости измерения и расширение диапазона из- рым выходом датчика тока, вход компаратомерений в зависимости от геометрии 35 расоединенсвыходоминтегратора,второй исследуемых образцов, расширение функ- вход соединен с выходом усилителя, первый циональных возможностей и диапазона из- и второй входы которого соединены с клеммерений. мами потенциальных зондов, причем втоЦельдостигаетсятем,чтовспособеоп- рая клемма второго токового зонда ределения удельного сопротивления твер соединены с общей шиной.дых материалов, включающем Сущность способа определения удельг",уществление контакта с г 1 оверхностью ного электросопротивления твердых мате- образца четырех зондов, расположенных риалов заключается в следующем.вдоль линии, параллельной длине образца В контакт с поверхностью первого этанафиксированномрасстояниидруготдру лонного образца с известными удельным га, в плоскости, перпендикулярной повер- электросопротивлением р 1 и геометрией хности образца, пропускание тока через 1 длина а 1, ширина Ь 1) приводят четыре эонобразец между двумя внешними зондами, да, расположенных вдоль прямой линии паизмерение падения напряжения на образ- раллельно длине а 1 образца на це между двумя внутренними зондами, в 50 фиксированном расстоянии э друг от друга, расчете удельного электросопротивления в плоскости, перпендикулярной поверхнообразца, в отличие от известных решений сти образца, Пропускают ток 1; через обравычисление осуществляют по двум образ- зец между внешними зондами, измеряют цам с известными значениями удельных падение напряжения 0 на образце посредэлектросопротивлений и геометрией мас ством двух внутренних зондов, Затем опрештабного коэффициента, причем геомет- деляют удельное сопротивлениер,2 второго ри ю второго образца вы бира ют (+1) эталонного образца с геометрией а 2/Ь 2, соответствующей геометрии исследуемых равной отношению длины а 1+1 и ширины образцов и определяют их удельные элект- Ь 1+1, т,е. а 2/Ь 2=са 1/Ь 1, таким образомО +1Ъ 2(н 1) =Рэ 1 О По определению иэ (1) значению рз 2(н 1) и известному р,.2 вычисляют масштабный коэффициент Км, учитывающий изменение геометрии от первого ко второму эталону (деформацию, коэффициент преобразования координат), однозначно связанное через измеряемые величины. Принимая для удобства 1+2=/, получаем расчетную формулу для определения удельного злектросопротивления исследуемого образца с геометрией, равной второму эталону и отличной от геометрии первого эталона; 15 На практике удельное электросопро 20 тивление удобно рассчитывать по формуле р) = К)-1 О), а масштабный коэффициент К)-1=Кн 1 рассчитывают по двум эталонам перед измерениями на исследуемых образцах по вышеприведенной схеме.Выражение (1) с применением одного эталона является частным случаем из более общего выражения (2) для двух эталонов при условии, что р 1 =р 2 и равной геометрии 30 эталонов, для различных геометрий формула (2) преобразуется как; О+1 О+2/+2= /Ъ 1О 35 На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы,поясняющие его работу.Устройство для определения удельного 40электросопротивления твердых материаловсодержит датчик 1 тока, выполненный в виде резистора, исследуемый образец изделий 2, измерительный зонд 3, интегратор 4,усилитель 5, компаратор 6, связанный с информационным входом 7 оперативного запоминающего устройства 8, управляющийвход 9 которого соединен с генераторомуправляемой частоты 10, микропроцессор11, мультиплексор 12, постоянное эапоминающее устройство 13. Выходы 14 и 15 запоминающих устройств черезмультиплексор 12 соединены с первымивходами 16 микропроцессора 11, связанного с блоком индикации 17, причем вторые 55входы микропроцессора 11 соединены саналого-цифровым преобразователем 18,Устройство работает циклически следующим образом,Питание измерительного зонда осуществляется выходным сигналом колпаратора. Сигналы с измерительного зонда 3 датчика 1 тока и потенциальных выходов зонда поступают для сравнения на входы компаратора 6 (фиг, 2 а), На цервый вход компаратора 6 подается сигнал с интегратора 4, а на второй вход - с усилителя 5. В момент равенства проинтегрироьанного напряжения с датчика 1 и усиленного напряжения с потенциальных выходов измерительного зонда 3 на выходе кол 1 паратора 6 фиксируются импульсы длительност ь ю т 1 (ф и г. 2 б) и р о и о р ц и оа л ь н ы й напряжению,Выходной сигнал компаратооа 6 поступает на информационный вход 7 оцерагивного запоминающего устройства 8, заполненный с помощью управляющего входа 9 фиксированной час 1 отой 1 О(фиг. 2 в), вырабатываемой генератором 10 управляемой частоты.На выходе оперативного запол 1 инающего устройства 8 формируется код (фиг. 2 г) прямо пропорциональный измеряемол 1 у напряжению,В момент равенства сигналов на входах компаратора 6 последний пер.ключается (фиг, 2 б), т.е, формируется спад импульса длительностью и, Спадом этого импульса отключается датчик 1 тока, обнуляется интегратор 4, с помощью микропроцессора 11 из аналого-цифрового преобразователя 18 вводится коррекция по току датчика в блок 8 посредством генератора 10,Полученный код И переписывается (фиг. 2 д) из оперативного запоминающего устройства 8 через мультиплексор 12 в микропроцессор 11, где производится расчет по математическим моделям, хранящимся в блоке 13, активного удельного сопротивления образца изделия 2 и разбраковки образцов в заданных пределах изл 1 ерения удельного активного сопротивления (фиг, 2 е).Разбраковка образцов пор производится с помощью логической математической модели видаРф рз,р ) - сигнал "брак"3(где ре = И,р = й,Из, М" ) - диапазон раэбраковки по сопротивлению образцов, выраженный в коде.Сигнал "годен" соответствует появлению единицы на табло блока 17, а сигнал"брак" - появлению набора нулей на табло блока 17.При обнулении индикатора 4 заканчивается 1-й цикл измерения и разбраковки, а компаратор 6 устанавливаетсл в исходное состояние, Это соответствует формированию (+ 1) цикла измерения и разбраковки, который происходит аналогично 1-му циклу.Проверка способа осуществлялась с применением измерительно-вычислительной системы (ИВС) для определения электрофизических характеристик (ЭФХ) неразрушающим контролем (НК), созданной в 1983 году в ТИХМе ИВС-ЗФХ-НК, на предприятии по изготовлению электро- угольных изделий,Сопоставляя способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и способ ампервольтметра, используемый на производстве, очевидно, что точность измерения предлагаемого способа, д 1=+ 1 в 5 раз выше точности известного способа, 4= А 5Определение удельного электросопротивления твердых материалов с учетом масштабного коэффициента, рассчитанного по измерениям удельного электрического сопротивления на двух эталонных образцах, позволяет значительно снизить погрешность измерений и расширить диапазон контролируемых материалов от мини - до микроизделий с точностью, заданной эталонами. Измерения с помощью второго эталона, учитывающего геометрию исследуемого твердого материала, позволяют проводить неразрушающий контроль удельного электросопротивления последних и значительно повысить эффективность способа.По сравнению с прототипом, устройство позволяет количественно и качественно определить характеристики изделий, т.е. с наперед заданной точностью определять параметры и производить разбраковку изделий по заданным диапазонам разбраковки.Формула изобретенил1, Способ определенил удельного электросопротивления твердых материалов, заключающийся в том, что осуществляют контакт с поверхностью образца с помощью четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине образца на фиксированном расстоянии друг от друга в плоскости, перпендикулярной поверхности образца, пропускают ток через образец между двумя внешними зондами, измеряют падение напряжения на образце между двумя внутренними зондами и рассчиты вают удельное электросопротивление образца,отличающийся тем,что,сцелью повышенил точности измерений и расширения диапазона измерений в зависимости от геометрии исследуемых образцов, по двум 10 образцам с известными значениями удельных электросопротивлений и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых 15 образцов и определя.от их удельные электросопротивланил с учегом масштабного коэффициента.2. Устройство для определения удельного электросопротивленил твердых материа лов, содержащее датчик тока, выполненныйв виде резистора, соединенного выводом с клеммой токового зонда, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и диа пазона измерений, в него введенымикропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, генератор управляемой частоты, компаратор, усилитель, мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, 30 постоянное запоминающее устройство,причем вывод датчика тока соединен с входом интегратора и входом аналого-цифрового преобразователя, второй выход соединен с вторым и третьим входами ин тегратора, входом генератора управляемойчастоты и с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй выход аналогоцифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, его второй вход 40 Соединен с выходом генератора управляемой частоты, а третий его вход соединен с выходом мультиплексора, выход микропроцессора соединен с входом блока, индикатора, вход мультиплексора соединен с 45 выходом постоянного запоминающего устройства, его второй вход соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, его вход соединен с выходом генератора управллемой частоты, второй 50 вход, соединен с выходом компаратора, вторым выводом датчика тока, вход компарато- .ра соединен с выходом интегратора, второй входсоединен с выходомусилителя, первый и второй входы второго соединены с клем мами потенциальных зондов, причем вторая клемма второго токового зонда соединена с общей шиной.1758586 оставитель Б.Герехред М,Моргент ов Егоров ектор Т,Пал Редак аказ 2998 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина