基于LabVIEW和Arduino的薄膜电阻率测试系统开发

孙如昊，刘 禹，刘 江，廖 成，何绪林，陈彦秋

(1.成都科学技术发展中心,四川 成都 610200；2.江南大学机械工程学院,江苏 无锡 214122；3.江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡 214122)

0 引言

太阳能作为一种可再生的新能源，具有清洁、环保、来源充足等优势，已成为应对能源短缺、气候变暖等问题的重要选择之一[1-2]。光伏薄膜太阳能电池以其较高的转化效率和较低的制造成本等优势，近年来受到了广泛关注。研制高效、稳定、环保、低成本的太阳能电池材料，发展光伏发电技术，对于促进我国经济发展、加强能源安全、解决环境污染等问题具有重大战略意义。电阻率是反映半导体光伏薄膜材料掺杂浓度的重要参数，其高通量表征工作是光伏薄膜材料研究开发过程中的重要环节。

目前，薄膜电阻率检测技术多种多样。四探针法是其中理论成熟的经典方法[3-4]。现有的四探针测试设备中，多数采用常规四探针法。样品的尺寸规格较小时，该方法的测试结果不够理想，需要进行复杂的修正。而对于一些国产的非高端应用的四探针设备，其测量操作过程大多需要手动完成，自动化程度和工作效率较低[5]。

本文以改进的四探针双电测组合法为基本原理，基于计算机虚拟仪器平台LabVIEW，整合底层仪器设备，搭建了一套针对批量化小尺寸薄膜样品电阻率测试设备。设备开发过程充分结合了“高通量”表征测试的理念，试验技术人员通过单次试验操作，就可以完成整个样品阵列上所有样品区块的测试工作，改善了现有测试设备自动化程度低、测量效率低的问题。

1 总体设计

本测试系统的主要功能是实现批量化测试半导体薄膜样品阵列所有样品块的电阻率，所依据的原理是四探针双电测组合法。区别于传统四探针测试设备的单次测量模式，本系统只需单次安装具有一定规模的样品阵列，即可自动完成整个阵列全部样品块的测试工作。样品阵列在二维运动平台的带动下依照规划好的路径进行水平运动，从而依次实现每一个样品区块与探针的垂直对中。然后，通过Z轴滑台运动，将探针下放，使之与薄膜样品实现稳定接触，并读取接触压力反馈到上位机。

电信号测量模块基于Keithley 2400数字源表构建电信号测试通路，源表在测试过程中用来提供可调的小幅恒定电流源，并采集电压信号。为了实现四探针双电测组合法中三种不同的探针接线模式，设置一个四路光耦隔离继电器模组，并连接到源表与探针之间，通过改变每个继电器的开闭状态，实现不同探针与源表端口之间的导通状态切换。

系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of system

在上位机，利用虚拟仪器平台LabVIEW来开发整个测试系统的控制软件和数据处理程序。通过串口与下位机Arduino单片机通信，实现步进电机运动控制、压力信号读取、继电器控制等功能。通过配置程序前面板的对应控件，可更改和设置本测试系统的参数，主要包括串口号、样品阵列行列数、注入电流幅值、钳位电压等。后台程序利用采集到的电流与电压信号进行电阻率的计算、修正以及结果输出和保存。

2 四探针双电测组合法测量原理

四探针法是测量薄膜微区电阻的一种经典方法。按照测试次数可分为常规四探针法与双电测四探针法(四探针双电测组合法的基础)。其中：前者只需对同一样品进行一次通电测量，而后者需要对同一样品进行两次通电测量，且两次测量过程中的电流与电压探针排布顺序不同。两者组合，才能完成最终电阻率结果的计算[6]。

常规四探针测量法操作流程较为简便，但是对样品规格与测量条件的要求较高。样品的几何尺寸与探针间距相比，若不能近似为无限大，则需要进行尺寸修正，并且在探针靠近样品边缘的情况下还需要进行较为复杂的边界修正。其测量结果对探针间距和探针的游移率较为敏感，测量过程中容易造成较大的测量误差[7]。因此，该方法并不适用于本项目中对小尺寸样品电阻率的测试需求。而双电测四探针法对应的方阻及电阻率测试结果与探针距离无关，能克服探针不等距以及针尖横向游移带来的影响；对小尺寸样品或者大样片边缘附近位置进行测量时，可直接应用而不需作几何修正与边界修正，组合使用更能从一定程度上反映样品电阻率分布的均匀性。故本项目采用四探针双电测组合法来进行测试。

依据电流注入与电压采集探针的不同组合，四探针双电测组合法探针排列[7]如图2所示。

图2 四探针双电测组合法探针排列示意图Fig.2 Probe arrangement of four-probe dual electrical measurement combination method

三种不同组合方式各自所使用的电阻率具体计算公式不同，但是对应的电阻率的计算方法基本一致。例如，在薄膜样品物理模型下，选取两种连接模式进行组合(即Rymaszewski法)。1、2号探针注入电流，3、4号探针采集电压；1、4号探针注入电流，2、3号探针采集电压。两次得到的电压测量结果应满足以下关系[7]：

(1)

进而得到方阻的计算公式[7]：

(2)

式中：V1为2号探针与3号探针之间的电压测量值；V2为4号探针与3号探针之间的电压测量值；I为注入电流设定值；Rs为薄膜样品的方阻，进而可以依据样品厚度计算得到电阻率。

其余两种组合方式的计算形式与之类似。

由无限镜像源阵列法推导可知，采用双电测组合法进行薄膜电阻率测量时，样品只需满足厚度要求(小于3 mm)，其他几何尺寸以及探针相对于样品的位置，对电阻率测量结果理论上不产生影响[8]。因此，除了需要引入厚度修正因子外，该方法不需要进行尺寸修正与边界修正，也不受探针机械性能的影响，测量结果准确度较高，更适用于本项目中的小尺寸薄膜样品电阻率的高通量测试[9]。

3 二维扫描样品平台

3.1 样品阵列逐点扫描

本高通量测试系统目前所检测的样品阵列规模最大为16×10个/批次。样品单次安装并完成系统的相应参数设置之后，系统即可短时间内自动完成160个样品的测试工作，减少了大量样品单点测试过程中频繁手动更换样品的时间开支。为了保证样品阵列的相对密集程度、提高测试效率，同时考虑到样品平台尺寸的限制，目前设计制备的单个样品区块的规格为3 mm×8 mm。样品阵列如图3所示。

图3 样品阵列示意图Fig.3 Schematic diagram of sample array

测试过程中，为了切换样品阵列中不同的待测区块，平台需要按照规划好的运动路径，进行水平方向的二维步进运动，依次将每一个样品块的中心位置与四探针探头垂直对中。上位机通过LabVIEW程序中的循环结构，每次向Arduino发送一位命令代码，以完成行与列的往复扫描。针对接收到的不同代码指令，Arduino单片机将执行不同的程序段，发送对应的脉冲信号到步进电机驱动器，进而对电机进行驱动，完成与样品间距匹配的步进行程。

运动模组的构成如下。样品平台安装在二维运动模组的顶部滑台上，X-Y方向上各自布置一台步进电机提供作动力源，并由同步齿形带进行运动传递，从而保证了较快的运动速度与足够的定位精度。四探针探头安装在竖直方向Z轴的运动滑台上，同样采用步进电机提供动力。由于测试过程中探头运动行程短，且其往复运动的定位精度要求较高，所以采用滚珠丝杠作为Z向的传动机构。通过运动滑台在竖直方向小幅度的下降与上升，带动探针实现与样品的稳定接触以及电信号采集过程之后的复位。如此运动往复，直到完成阵列中所有样品区块的检测[10]。

3.2 接触压力反馈

针对不同的待测薄膜样品，为了保证样品与探针之间的良好接触、避免样品表面划伤，以及规避接触压力过大或过小对于电阻率测试结果产生的不良影响[11-12]，在系统工作过程中增加了对探针与薄膜之间的接触压力的检测环节。本功能模块采用梁式压力传感器作为基本功能器件，用来检测每次探针下压到样品后形成的接触压力。

压力传感器安装在样品平台正下方，接触压力可以向下等效传递，弹性悬臂梁将探针的压力转换成为自身的弯曲形变程度。此形变同步传递到应变片上，引起其电阻变化，然后通过惠斯通电桥转变成输出电压值，最后经由A/D转换芯片将模拟电压量数字化并上传到Arduino单片机。样品阵列安装到样品平台后，在探针下行并接触样品前，先读取压力传感器信号作为初始自重引起的压力。接触稳定之后的读数与之求差，即可得到探针与样品之间的接触压力。

4 电信号采样通路

本系统采用的探头为等间距碳化钨直线四探针探头，其探针间距为1 mm。每次信号采集过程中，分别由两根探针进行电流注入，在待测样品内部激励产生电流场，另外两根探针进行所在位点间电压信号的采集[6,13]。电流源注入与电压测量功能均由Keithley 2400数字源表提供。上位机虚拟仪器平台的LabVIEW程序提供了数字源表的仪器驱动，并通过RS-232串口线将计算机与源表进行连接。源表自身设置为RS-232通信模式，在上位机程序开始运行之后通过串口号识别即可自动与仪表完成连接，对仪器进行直接控制与信号回传。电流源强度数值以及相应的钳位电压均可由上位机的驱动程序控件完成设置[14]。

如前文所述，双电测法共包含三种不同的接线方法组合，分别进行两两组合，可实现三种双电测模式。测试系统对三种模式依次进行实现，并求取电阻率计算数据的平均值作为最终的输出结果。因为直线四探针的不同测量模式实际上分别反映的是某根探针附近的电阻率典型值，所以这种数据平均化处理在一定程度上抵消了样品区域自身电阻率分布不均匀性对结果的影响[7]。为实现不同的接线方式，要求转换各个探针与源表电流输出端口和电压检测端口的不同连接方式[5]。此功能通过一个四路光耦隔离继电器模块完成。该模块由4个光耦隔离继电器以及对应的控制电路构成，驱动电压为5 V，可以实现高低电平选通切换。切换指令首先由上位机LabVIEW程序中的循环结构与延时控件分三次发送到下位机的Arduino单片机，然后由下位机发出对应的4位选通信号，分别控制4个继电器的导通状态。

继电器模组接线如图4所示。电流注入接口的2个管脚和电压采集接口的2个管脚，分别与数字源表的电流信号源端口(INPUT/OUTPUT)、电压信号采集端口(4-WIRE SENSE)相连接，4个探针接口依次与四探针探头引出线连接，从而完成整个电信号回路的连通。

图4 继电器模组接线示意图Fig.4 Schematic diagram of relay module wiring

通过控制4个继电器(编号依次为A、B、C和D)的常开及常闭状态切换，分别实现四探针双电测法的3种接线模式。选通信号与探针功能对应关系如表1所示。其中，继电器状态0和1分别表示接通常闭触点与常开触点，I+表示电流注入端，I-表示电流导出端，U表示电压测量端。

表1 选通信号与探针功能对应关系Tab.1 Corresponding relation between the signal and probe function

5 控制软件与修正计算

测试系统的上位机控制程序是基于计算机虚拟仪器平台LabVIEW开发的。LabVIEW是美国国家仪器(NI)公司开发的、使用图形化编程语言G编写程序的开发环境，其程序基于数据流运行，是测试数据采集以及系统控制的一种理想工具[15]。开发基于计算机的测控程序是运用LabVIEW开发串口通信程序，简单方便、运行可靠，可以方便地实现数据校验等功能[16]。LabVIEW生成报表极为方便，能满足各种场合的应用需求[17]。

程序前面板包含输入控件与显示控件。通过面板上的输入控件，可以设定通信串口号、精密电流源幅值、对应的钳位电压、样品阵列的行列数以及结果文件保存路径等。显示控件反馈给用户的信息主要包括电流和电压实时测量值、接触压力数值、三种测量模式各自的方阻计算值及其平均值等。

上位机程序流程如图5所示。

图5 上位机程序流程图Fig.5 Program flowchart of host computer

运行参数设置完成之后，点击前面板上的测量按键，程序将依次发送样品平台运动、探针下降、压力信号采集、继电器状态切换等指令到下位机，并直接与源表进行通信，反馈注入电流与检测电压的值。三种测量模式依次执行后，回收探针，后台程序对测量数据进行计算处理并获得电阻率。按照此流程依次循环，直至整个批次的样品测量完成。

程序结构的外层循环用来实现样品切换，内层循环用来切换双电测组合法的不同导通模式。电流电压信号采集完成之后，使用Matlab script控件进行编程，在计算机后台调用Matlab解析超越方程进行电阻率计算与修正。

关于电阻率计算与修正，如前文所述，由无限镜像源阵列法推导可以证明：双电测法测量薄膜材料电阻率理论上无需进行尺寸修正与边界修正，只需进行厚度修正。具体修正算法可由薄层原理推导出。三种组合模式对应的公式如下[5]：

(3)

(4)

(5)

式中：ω为薄膜样品厚度；s为探针间距；f1、f2和f3为辅助函数，分别是关于每种组合模式中两个电压测量值的超越函数；f4、f5和f6为电压测量值的厚度修正函数，分别是每个电压测量值的修正因子，可以由无限镜像源阵列法推导得到[5]。

方阻计算与修正程序模块如图6所示。

图6 方阻计算与修正程序模块Fig.6 Program module of square resistance calculation and correction

本测试系统的目标样品是厚度范围在百纳米级别的半导体薄膜，探针间距s为1 mm，由此可计算得到w/s的数量级约为10-5。用数学处理软件Matlab计算可得，在此情况下，f4、f5和f6这三个修正函数均逼近于常数1[7]。由此可以说明，在薄膜样品厚度处于数百纳米量级的情况下，利用薄层原理推导的电阻率计算公式，如满足误差要求，其测量电压值无需进行厚度修正。f1、f2和f3三个超越函数需要在 LabVIEW程序中调用Matlab script控件进行求解计算。电阻率计算完成之后，程序将结果自动保存到指定的文件路径中。

6 实测结果与分析

以试验室氧化铟锡(ITO)导电薄膜为测试样品，利用本测试系统进行薄膜方阻值的测试，对比室温条件下，不同注入电流对应的电阻率测量结果。试验过程中，分别将0.5 mA、1 mA、2 mA、4 mA、8 mA、16 mA、32 mA、64 mA和128 mA的电流注入样品来进行重复试验。同一注入电流条件下，针对同一样品的同一位点，依次采集十组数据，并以这十个数据的平均值作为对应注入电流下的ITO样品方阻测试结果。测试结果如图7所示。

图7 测试结果Fig.7 Testing results

由图7中的数据点分布可以看出，随着试验电流增大，同一个样品位点的方阻测量值呈现出下降的趋势。以32 mA为分界点，电流到达此点之前，下降趋势明显，之后则趋于平稳(电流增大到256 mA的时候，出现样品击穿失效的情况)。

分析四探针法测量电阻率的测准条件[18]，测量区域电阻率分布的不均匀性可以由三种模式的均值求取，并进行一定程度的抵消；而测量电流会通过少数截流子注入效应直接影响半导体样品的电阻率，具体表现为电流密度增大，注入到样品的少数截流子浓度增大，从而导致测量区域附近的电阻率降低。此外，随着注入电流的增大，测量值的分布趋于集中，标准差减小，多次重复测量值表现出了更好的一致性。

7 结束语

针对材料基因工程的薄膜材料电阻率高效表征的需求，本文基于四探针双电测组合法的基本原理，利用LabVIEW和Arduino，联合设计开发了自动化测试平台。相较于传统的四探针检测设备，自动化程度明显提升，实现了由单一样品检测到样品阵列批量化检测的效率提高。

本文通过探针导通模式的可控切换，实现了四探针双电测组合法，降低了修正难度，提高了测试精度，同时改善了小尺寸样品自身电阻率分布的不均匀性对测试结果的不利影响。该设计中，电流源灵活可调，可以针对不同电阻率的样品进行选择，获得更为理想的测试结果；在测试过程中增加了样品平台的压力检测环节，可以在保证探针良好接触获得理想测试的结果同时，对样品进行保护，避免过大压力造成划伤甚至破坏样品。系统整体应用效果良好，具有较好的实际工程应用前景。