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四探针智能测试仪的研发

作　者: 罗辉
导　师: 秦会斌
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 四探针测试仪视频采集步进电机 MSP430F449单片机恒流源 A/D转换
分类号: TN304.07
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 62次
引　用: 1次
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内容摘要

随着电子科学技术的发展,对半导体材料各种性能参数的要求越来越高,其中,电阻率是半导体材料的主要性能参数之一。目前,四探针测试仪是测量半导体材料电阻率的一种重要仪器。传统四探针测试仪需要手动寻找测量点,测量周期较长、精度和效率较低,已无法适应时代发展,而市场上自动化程度较高的测试仪器价格一般比较昂贵。因此开发一台智能化且价格低廉的测试仪有着迫切的需要。本论文分析了国内外半导体材料测试仪的发展和现状,在传统ST-103A型手动四探针测试仪的基础上,结合PC机、单片机控制技术、视频采集技术等,研制出数字化智能四探针测试仪。该仪器可以对半导体材料电阻率进行自动测量,操作简便,工作效率高,且成本低廉,具有一定的研发价值和较好的市场应用前景。本文主要研究内容包括探针台机械改进,视频采集系统,下位机控制模块,上位机界面设计四大部分。其中,机械改进部分是在ST-103A型手动探针台基础上,设计了步进电机与丝杆导轨和滚珠导轨的机械连接件,用步进电机代替控制手轮,实现测试台的自动控制,且控制精度较高。视频采集系统采用CCD摄像头和SDK-2000视频卡实现了对测量过程的实时监视,能准确监测测量点和探针的位置。下位机控制模块以多I/O口且自带12位A/D内核的MSP430F449低功耗单片机为核心,设计了步进电机驱动模块、恒流源模块、四路选通开关模块、串口通信模块等,通过编写单片机代码实现对各功能模块的智能控制。上位机基于Visual C++编写中文操作界面,实现了测试界面显微图像的实时显示和存储、测试台的移动和测量控制、测量结果的处理等功能。上、下位机之间的联接通过串口通信协议实现。对测试仪的硬件和软件进行系统调试后,采用单晶Si(111)样品进行测量试验。结果表明,通过上位机对测试仪的自动控制,该测试仪能快速、准确地找到测量点,并可同时测量多点的电阻率值。测量数据能够被及时分析处理,并在上位机界面上直接显示,良好地实现了人机交互,且测量结果准确。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题研究背景  11
  1.2 薄层电阻率测试方法综述  11-12
    1.2.1 微区电阻率测量方法的原理与特点  11-12
    1.2.2 微区电阻测量结果的表示方法  12
  1.3 四探针技术的主要应用  12-13
  1.4 四探针测试仪的研究现状与发展前景  13-14
  1.5 视频采集技术在四探针测试系统中的应用  14-15
  1.6 本论文的主要研究内容  15-16
第2章四探针测试技术的原理分析  16-26
  2.1 四探针测试法简述  16
  2.2 直线四探针测试法  16-18
    2.2.1 直线四探针测试法的原理  16-17
    2.2.2 直线四探针测试法的修正问题  17-18
  2.3 改进的范德堡测试法  18-20
    2.3.1 改进的范德堡法的测量原理  19
    2.3.2 改进的范德堡法的边缘修正  19-20
  2.4 方形四探针测试法  20-23
    2.4.1 斜置式方形Rymaszewski 四探针法的测试原理  20-22
    2.4.2 斜置式方形Rymaszewski 四探针法的厚度修正  22-23
  2.5 本课题最终所采用的测试方法  23
  2.6 使用四探针法要点  23-25
  2.7 本章小结  25-26
第3章系统硬件部分的设计与实现  26-34
  3.1 机械架构  26-27
  3.2 机械改进部分的设计与实现  27-29
  3.3 视频采集系统  29-33
    3.3.1 视频图像概述  29-30
    3.3.2 数字图像的获取方式  30
    3.3.3 视频图像采集卡的介绍  30-31
    3.3.4 实际采用的视频采集方案  31-33
  3.4 改进后的实物效果  33
  3.5 本章小结  33-34
第4章系统下位机功能模块设计  34-49
  4.1 步进电机驱动模块  34-37
    4.1.1 步进电机工作原理  34-35
    4.1.2 步进电机驱动电路  35-37
  4.2 恒流源设计  37-40
    4.2.1 恒流源电路  38-39
    4.2.2 电流显示  39-40
  4.3 四路选通开关电路  40-42
  4.4 测量电压放大电路  42-43
  4.5 A/D 转换模块  43-45
  4.6 下位机与上位机通信模块  45-48
    4.6.1 串口硬件电路  45-46
    4.6.2 串口软件设计  46-48
  4.7 本章小结  48-49
第5章系统上位机软件设计  49-61
  5.1 开发初始化模块  50-51
    5.1.1 SDK-2000 二次开发包  50
    5.1.2 系统初始类  50-51
  5.2 视频采集配置与视频信息处理模块  51-53
    5.2.1 视频采集卡属性配置  51-52
    5.2.2 视频信息处理  52-53
  5.3 串行通信模块  53-54
  5.4 放大倍数设置模块  54-55
  5.5 测试台移动控制模块  55-56
  5.6 测量及数据处理模块  56-60
    5.6.1 定点测量模式  56-57
    5.6.2 单步测量模式  57-58
    5.6.3 直线测量模式  58-59
    5.6.4 区域测量模式  59-60
  5.7 本章小结  60-61
第6章测试系统的使用和测量结果分析  61-66
  6.1 测试系统的使用  61-62
    6.1.1 测量步骤  61-62
    6.1.2 注意事项  62
  6.2 测量结果分析  62-65
    6.2.1 定点测量  63
    6.2.2 直线测量  63-64
    6.2.3 区域测量  64-65
    6.2.4 结果分析  65
  6.3 本章小结  65-66
第7章总结与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
附录 1 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目  72-73
附录2 步进电机连接件机械图  73-74
附录3 单片机程序编译界面  74-75
附录4 主界面具体菜单表  75-76
详细摘要  76-81

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