基于LabVIEW和Arduino的薄膜電阻率測試系統開發

孫如昊，劉 禹，劉 江，廖 成，何緒林，陳彥秋

(1.成都科學技術發展中心,四川 成都 610200；2.江南大學機械工程學院,江蘇 無錫 214122；3.江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

0 引言

太陽能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環保、來源充足等優勢，已成為應對能源短缺、氣候變暖等問題的重要選擇之一[1-2]。光伏薄膜太陽能電池以其較高的轉化效率和較低的制造成本等優勢，近年來受到了廣泛關注。研制高效、穩定、環保、低成本的太陽能電池材料，發展光伏發電技術，對于促進我國經濟發展、加強能源安全、解決環境污染等問題具有重大戰略意義。電阻率是反映半導體光伏薄膜材料摻雜濃度的重要參數，其高通量表征工作是光伏薄膜材料研究開發過程中的重要環節。

目前，薄膜電阻率檢測技術多種多樣。四探針法是其中理論成熟的經典方法[3-4]。現有的四探針測試設備中，多數采用常規四探針法。樣品的尺寸規格較小時，該方法的測試結果不夠理想，需要進行復雜的修正。而對于一些國產的非高端應用的四探針設備，其測量操作過程大多需要手動完成，自動化程度和工作效率較低[5]。

本文以改進的四探針雙電測組合法為基本原理，基于計算機虛擬儀器平臺LabVIEW，整合底層儀器設備，搭建了一套針對批量化小尺寸薄膜樣品電阻率測試設備。設備開發過程充分結合了“高通量”表征測試的理念，試驗技術人員通過單次試驗操作，就可以完成整個樣品陣列上所有樣品區塊的測試工作，改善了現有測試設備自動化程度低、測量效率低的問題。

1 總體設計

本測試系統的主要功能是實現批量化測試半導體薄膜樣品陣列所有樣品塊的電阻率，所依據的原理是四探針雙電測組合法。區別于傳統四探針測試設備的單次測量模式，本系統只需單次安裝具有一定規模的樣品陣列，即可自動完成整個陣列全部樣品塊的測試工作。樣品陣列在二維運動平臺的帶動下依照規劃好的路徑進行水平運動，從而依次實現每一個樣品區塊與探針的垂直對中。然后，通過Z軸滑臺運動，將探針下放，使之與薄膜樣品實現穩定接觸，并讀取接觸壓力反饋到上位機。

電信號測量模塊基于Keithley 2400數字源表構建電信號測試通路，源表在測試過程中用來提供可調的小幅恒定電流源，并采集電壓信號。為了實現四探針雙電測組合法中三種不同的探針接線模式，設置一個四路光耦隔離繼電器模組，并連接到源表與探針之間，通過改變每個繼電器的開閉狀態，實現不同探針與源表端口之間的導通狀態切換。

系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

在上位機，利用虛擬儀器平臺LabVIEW來開發整個測試系統的控制軟件和數據處理程序。通過串口與下位機Arduino單片機通信，實現步進電機運動控制、壓力信號讀取、繼電器控制等功能。通過配置程序前面板的對應控件，可更改和設置本測試系統的參數，主要包括串口號、樣品陣列行列數、注入電流幅值、鉗位電壓等。后臺程序利用采集到的電流與電壓信號進行電阻率的計算、修正以及結果輸出和保存。

2 四探針雙電測組合法測量原理

四探針法是測量薄膜微區電阻的一種經典方法。按照測試次數可分為常規四探針法與雙電測四探針法(四探針雙電測組合法的基礎)。其中：前者只需對同一樣品進行一次通電測量，而后者需要對同一樣品進行兩次通電測量，且兩次測量過程中的電流與電壓探針排布順序不同。兩者組合，才能完成最終電阻率結果的計算[6]。

常規四探針測量法操作流程較為簡便，但是對樣品規格與測量條件的要求較高。樣品的幾何尺寸與探針間距相比，若不能近似為無限大，則需要進行尺寸修正，并且在探針靠近樣品邊緣的情況下還需要進行較為復雜的邊界修正。其測量結果對探針間距和探針的游移率較為敏感，測量過程中容易造成較大的測量誤差[7]。因此，該方法并不適用于本項目中對小尺寸樣品電阻率的測試需求。而雙電測四探針法對應的方阻及電阻率測試結果與探針距離無關，能克服探針不等距以及針尖橫向游移帶來的影響；對小尺寸樣品或者大樣片邊緣附近位置進行測量時，可直接應用而不需作幾何修正與邊界修正，組合使用更能從一定程度上反映樣品電阻率分布的均勻性。故本項目采用四探針雙電測組合法來進行測試。

依據電流注入與電壓采集探針的不同組合，四探針雙電測組合法探針排列[7]如圖2所示。

圖2 四探針雙電測組合法探針排列示意圖Fig.2 Probe arrangement of four-probe dual electrical measurement combination method

三種不同組合方式各自所使用的電阻率具體計算公式不同，但是對應的電阻率的計算方法基本一致。例如，在薄膜樣品物理模型下，選取兩種連接模式進行組合(即Rymaszewski法)。1、2號探針注入電流，3、4號探針采集電壓；1、4號探針注入電流，2、3號探針采集電壓。兩次得到的電壓測量結果應滿足以下關系[7]：

(1)

進而得到方阻的計算公式[7]：

(2)

式中：V1為2號探針與3號探針之間的電壓測量值；V2為4號探針與3號探針之間的電壓測量值；I為注入電流設定值；Rs為薄膜樣品的方阻，進而可以依據樣品厚度計算得到電阻率。

其余兩種組合方式的計算形式與之類似。

由無限鏡像源陣列法推導可知，采用雙電測組合法進行薄膜電阻率測量時，樣品只需滿足厚度要求(小于3 mm)，其他幾何尺寸以及探針相對于樣品的位置，對電阻率測量結果理論上不產生影響[8]。因此，除了需要引入厚度修正因子外，該方法不需要進行尺寸修正與邊界修正，也不受探針機械性能的影響，測量結果準確度較高，更適用于本項目中的小尺寸薄膜樣品電阻率的高通量測試[9]。

3 二維掃描樣品平臺

3.1 樣品陣列逐點掃描

本高通量測試系統目前所檢測的樣品陣列規模最大為16×10個/批次。樣品單次安裝并完成系統的相應參數設置之后，系統即可短時間內自動完成160個樣品的測試工作，減少了大量樣品單點測試過程中頻繁手動更換樣品的時間開支。為了保證樣品陣列的相對密集程度、提高測試效率，同時考慮到樣品平臺尺寸的限制，目前設計制備的單個樣品區塊的規格為3 mm×8 mm。樣品陣列如圖3所示。

圖3 樣品陣列示意圖Fig.3 Schematic diagram of sample array

測試過程中，為了切換樣品陣列中不同的待測區塊，平臺需要按照規劃好的運動路徑，進行水平方向的二維步進運動，依次將每一個樣品塊的中心位置與四探針探頭垂直對中。上位機通過LabVIEW程序中的循環結構，每次向Arduino發送一位命令代碼，以完成行與列的往復掃描。針對接收到的不同代碼指令，Arduino單片機將執行不同的程序段，發送對應的脈沖信號到步進電機驅動器，進而對電機進行驅動，完成與樣品間距匹配的步進行程。

運動模組的構成如下。樣品平臺安裝在二維運動模組的頂部滑臺上，X-Y方向上各自布置一臺步進電機提供作動力源，并由同步齒形帶進行運動傳遞，從而保證了較快的運動速度與足夠的定位精度。四探針探頭安裝在豎直方向Z軸的運動滑臺上，同樣采用步進電機提供動力。由于測試過程中探頭運動行程短，且其往復運動的定位精度要求較高，所以采用滾珠絲杠作為Z向的傳動機構。通過運動滑臺在豎直方向小幅度的下降與上升，帶動探針實現與樣品的穩定接觸以及電信號采集過程之后的復位。如此運動往復，直到完成陣列中所有樣品區塊的檢測[10]。

3.2 接觸壓力反饋

針對不同的待測薄膜樣品，為了保證樣品與探針之間的良好接觸、避免樣品表面劃傷，以及規避接觸壓力過大或過小對于電阻率測試結果產生的不良影響[11-12]，在系統工作過程中增加了對探針與薄膜之間的接觸壓力的檢測環節。本功能模塊采用梁式壓力傳感器作為基本功能器件，用來檢測每次探針下壓到樣品后形成的接觸壓力。

壓力傳感器安裝在樣品平臺正下方，接觸壓力可以向下等效傳遞，彈性懸臂梁將探針的壓力轉換成為自身的彎曲形變程度。此形變同步傳遞到應變片上，引起其電阻變化，然后通過惠斯通電橋轉變成輸出電壓值，最后經由A/D轉換芯片將模擬電壓量數字化并上傳到Arduino單片機。樣品陣列安裝到樣品平臺后，在探針下行并接觸樣品前，先讀取壓力傳感器信號作為初始自重引起的壓力。接觸穩定之后的讀數與之求差，即可得到探針與樣品之間的接觸壓力。

4 電信號采樣通路

本系統采用的探頭為等間距碳化鎢直線四探針探頭，其探針間距為1 mm。每次信號采集過程中，分別由兩根探針進行電流注入，在待測樣品內部激勵產生電流場，另外兩根探針進行所在位點間電壓信號的采集[6,13]。電流源注入與電壓測量功能均由Keithley 2400數字源表提供。上位機虛擬儀器平臺的LabVIEW程序提供了數字源表的儀器驅動，并通過RS-232串口線將計算機與源表進行連接。源表自身設置為RS-232通信模式，在上位機程序開始運行之后通過串口號識別即可自動與儀表完成連接，對儀器進行直接控制與信號回傳。電流源強度數值以及相應的鉗位電壓均可由上位機的驅動程序控件完成設置[14]。

如前文所述，雙電測法共包含三種不同的接線方法組合，分別進行兩兩組合，可實現三種雙電測模式。測試系統對三種模式依次進行實現，并求取電阻率計算數據的平均值作為最終的輸出結果。因為直線四探針的不同測量模式實際上分別反映的是某根探針附近的電阻率典型值，所以這種數據平均化處理在一定程度上抵消了樣品區域自身電阻率分布不均勻性對結果的影響[7]。為實現不同的接線方式，要求轉換各個探針與源表電流輸出端口和電壓檢測端口的不同連接方式[5]。此功能通過一個四路光耦隔離繼電器模塊完成。該模塊由4個光耦隔離繼電器以及對應的控制電路構成，驅動電壓為5 V，可以實現高低電平選通切換。切換指令首先由上位機LabVIEW程序中的循環結構與延時控件分三次發送到下位機的Arduino單片機，然后由下位機發出對應的4位選通信號，分別控制4個繼電器的導通狀態。

繼電器模組接線如圖4所示。電流注入接口的2個管腳和電壓采集接口的2個管腳，分別與數字源表的電流信號源端口(INPUT/OUTPUT)、電壓信號采集端口(4-WIRE SENSE)相連接，4個探針接口依次與四探針探頭引出線連接，從而完成整個電信號回路的連通。

圖4 繼電器模組接線示意圖Fig.4 Schematic diagram of relay module wiring

通過控制4個繼電器(編號依次為A、B、C和D)的常開及常閉狀態切換，分別實現四探針雙電測法的3種接線模式。選通信號與探針功能對應關系如表1所示。其中，繼電器狀態0和1分別表示接通常閉觸點與常開觸點，I+表示電流注入端，I-表示電流導出端，U表示電壓測量端。

表1 選通信號與探針功能對應關系Tab.1 Corresponding relation between the signal and probe function

5 控制軟件與修正計算

測試系統的上位機控制程序是基于計算機虛擬儀器平臺LabVIEW開發的。LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司開發的、使用圖形化編程語言G編寫程序的開發環境，其程序基于數據流運行，是測試數據采集以及系統控制的一種理想工具[15]。開發基于計算機的測控程序是運用LabVIEW開發串口通信程序，簡單方便、運行可靠，可以方便地實現數據校驗等功能[16]。LabVIEW生成報表極為方便，能滿足各種場合的應用需求[17]。

程序前面板包含輸入控件與顯示控件。通過面板上的輸入控件，可以設定通信串口號、精密電流源幅值、對應的鉗位電壓、樣品陣列的行列數以及結果文件保存路徑等。顯示控件反饋給用戶的信息主要包括電流和電壓實時測量值、接觸壓力數值、三種測量模式各自的方阻計算值及其平均值等。

上位機程序流程如圖5所示。

圖5 上位機程序流程圖Fig.5 Program flowchart of host computer

運行參數設置完成之后，點擊前面板上的測量按鍵，程序將依次發送樣品平臺運動、探針下降、壓力信號采集、繼電器狀態切換等指令到下位機，并直接與源表進行通信，反饋注入電流與檢測電壓的值。三種測量模式依次執行后，回收探針，后臺程序對測量數據進行計算處理并獲得電阻率。按照此流程依次循環，直至整個批次的樣品測量完成。

程序結構的外層循環用來實現樣品切換，內層循環用來切換雙電測組合法的不同導通模式。電流電壓信號采集完成之后，使用Matlab script控件進行編程，在計算機后臺調用Matlab解析超越方程進行電阻率計算與修正。

關于電阻率計算與修正，如前文所述，由無限鏡像源陣列法推導可以證明：雙電測法測量薄膜材料電阻率理論上無需進行尺寸修正與邊界修正，只需進行厚度修正。具體修正算法可由薄層原理推導出。三種組合模式對應的公式如下[5]：

(3)

(4)

(5)

式中：ω為薄膜樣品厚度；s為探針間距；f1、f2和f3為輔助函數，分別是關于每種組合模式中兩個電壓測量值的超越函數；f4、f5和f6為電壓測量值的厚度修正函數，分別是每個電壓測量值的修正因子，可以由無限鏡像源陣列法推導得到[5]。

方阻計算與修正程序模塊如圖6所示。

圖6 方阻計算與修正程序模塊Fig.6 Program module of square resistance calculation and correction

本測試系統的目標樣品是厚度范圍在百納米級別的半導體薄膜，探針間距s為1 mm，由此可計算得到w/s的數量級約為10-5。用數學處理軟件Matlab計算可得，在此情況下，f4、f5和f6這三個修正函數均逼近于常數1[7]。由此可以說明，在薄膜樣品厚度處于數百納米量級的情況下，利用薄層原理推導的電阻率計算公式，如滿足誤差要求，其測量電壓值無需進行厚度修正。f1、f2和f3三個超越函數需要在 LabVIEW程序中調用Matlab script控件進行求解計算。電阻率計算完成之后，程序將結果自動保存到指定的文件路徑中。

6 實測結果與分析

以試驗室氧化銦錫(ITO)導電薄膜為測試樣品，利用本測試系統進行薄膜方阻值的測試，對比室溫條件下，不同注入電流對應的電阻率測量結果。試驗過程中，分別將0.5 mA、1 mA、2 mA、4 mA、8 mA、16 mA、32 mA、64 mA和128 mA的電流注入樣品來進行重復試驗。同一注入電流條件下，針對同一樣品的同一位點，依次采集十組數據，并以這十個數據的平均值作為對應注入電流下的ITO樣品方阻測試結果。測試結果如圖7所示。

圖7 測試結果Fig.7 Testing results

由圖7中的數據點分布可以看出，隨著試驗電流增大，同一個樣品位點的方阻測量值呈現出下降的趨勢。以32 mA為分界點，電流到達此點之前，下降趨勢明顯，之后則趨于平穩(電流增大到256 mA的時候，出現樣品擊穿失效的情況)。

分析四探針法測量電阻率的測準條件[18]，測量區域電阻率分布的不均勻性可以由三種模式的均值求取，并進行一定程度的抵消；而測量電流會通過少數截流子注入效應直接影響半導體樣品的電阻率，具體表現為電流密度增大，注入到樣品的少數截流子濃度增大，從而導致測量區域附近的電阻率降低。此外，隨著注入電流的增大，測量值的分布趨于集中，標準差減小，多次重復測量值表現出了更好的一致性。

7 結束語

針對材料基因工程的薄膜材料電阻率高效表征的需求，本文基于四探針雙電測組合法的基本原理，利用LabVIEW和Arduino，聯合設計開發了自動化測試平臺。相較于傳統的四探針檢測設備，自動化程度明顯提升，實現了由單一樣品檢測到樣品陣列批量化檢測的效率提高。

本文通過探針導通模式的可控切換，實現了四探針雙電測組合法，降低了修正難度，提高了測試精度，同時改善了小尺寸樣品自身電阻率分布的不均勻性對測試結果的不利影響。該設計中，電流源靈活可調，可以針對不同電阻率的樣品進行選擇，獲得更為理想的測試結果；在測試過程中增加了樣品平臺的壓力檢測環節，可以在保證探針良好接觸獲得理想測試的結果同時，對樣品進行保護，避免過大壓力造成劃傷甚至破壞樣品。系統整體應用效果良好，具有較好的實際工程應用前景。