一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备制造技术

本发明专利技术提供一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，属于材料测试技术领域。该设备包括高通量四探针探头、耐高温高压气密罐体、样品架台、多通道四探针电阻测试仪、传输线缆和数据记录软件；样品架台位于耐高温高压气密罐体内，高通量四探针探头安装在样品架台上，高通量四探针探头通过传输线缆连接多通道四探针电阻测试仪，数据记录软件安装于上位机，接收来自多通道四探针电阻测试仪测量的数据。本发明专利技术能够在高温高压气体环境下，同时测量和记录多达64个样品的四探针电阻随时间、气压、温度等参数的变化，具备足够的精度和可靠性，极高的数据采集频率，低廉的硬件成本和简单的操作方法，同时也可以满足对少量样品电阻精确测量的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备
本专利技术涉及材料测试
，特别是指一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备。
技术介绍
材料基因组计划中的材料高通量实验方法，是一种高效的新材料研发方法。其核心思想是在短时间内完成大量材料样品的制备和表征，并从中筛选出满足性能要求的样品对应相应工艺。相比传统的“试错法”，高通量试验方法具有研发周期短、开发费用低、人员劳动强度低等优点，是当前材料科研和应用领域发展的前沿技术。材料组合芯片技术是一种高通量制备大量材料样品的方法，其一般思路是使用PVD设备，采用分立掩模板法或者共溅射法将大量具有不同成分的二元、三元或者多远材料制备到一块小的基片上，该方法可极高的提升样品制备的通量。而对这些样品进行高通量的表征和测试，则对高通量的材料测量技术提出了需求。电阻作为材料的基本物理属性，在新型半导体材料、介电材料、电池材料、磁性材料等的研发中占有重要地位。另外，在一些气敏传感器材料的研究中，也需要测量电阻随气体浓度和温度的变化关系，这就对电阻的原位测量和记录技术提出了要求。将高通量电阻测量技术与材料的组合芯片制备技术结合，就能达到高通量材料制备和检测的目的。传统的电阻测量装置为达到这一目的，通常使用步进电机控制的探头，依次测量各个区域的电阻值，但这样难以满足原位测量和记录的要求，特别是高温高压的严苛环境中，另外当需要连续记录样品的电阻变化时，对每个样品的测量间隔过长，难以应对电阻快速变化的情况。另外，目前国内商用的四探针测试仪表均多为单通道，单台仪表价格通常在5000元以上，若用于高通量电阻测量，不仅成本高昂，也存在连线复杂的问题。本专利技术使用一体化的设计，针对材料高通量电阻原位测量的应用难题，提供一套专为材料高通量研发中电阻在高温高压环境原位测量和记录的装置，具有操作简单方便、成本相对低廉、运行稳定可靠、测量精度高、数据记录量大的优点，弥补了国内该领域应用技术的空白。
技术实现思路
本专利技术针对高通量材料研发，提供一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，不仅适用于材料组合芯片方法制备的高通量材料样品在高温高压严苛环境中的原位电阻测量记录，也可同时满足少量电阻精确测量的需求。该设备包括高通量四探针探头、耐高温高压气密罐体、样品架台、多通道四探针电阻测试仪、传输线缆和数据记录软件；样品架台位于耐高温高压气密罐体内，高通量四探针探头安装在样品架台上，高通量四探针探头通过传输线缆连接多通道四探针电阻测试仪，数据记录软件安装于上位机，数据记录软件接收来自多通道四探针电阻测试仪测量的数据，并进行实时显示和记录。其中，耐高温高压气密罐体用于提供反应所需的压力和气氛，通过上密封盖对耐高温高压气密罐体进行密封；耐高温高压气密罐体采用高级不锈钢材质，在内部不超过500℃和6MPa压力的条件下使用，非腐蚀性气体如氢气、氧气、一氧化碳、甲烷等在耐高温高压气密罐体内与被测样品反应。耐高温高压气密罐体上设有电器连接器件，用于耐高温高压气密罐体内的高通量四探针探头的线缆与外部多通道四探针电阻测试仪的线缆进行连接，可在完成电信号传输任务的同时保证罐体不漏气；上密封盖上设有气压和温度检测仪表，并设有超压超温报警组件和泄压阀，另设有紧急排气通道，紧急排气管道能够在1～3s之内排空耐高温高压气密罐体内的气体，最大限度地保证使用安全性。高通量四探针探头包括外壳、固定旋钮、线缆连接接头和探针，高通量四探针探头用于安装与样品直接接触的探针，探针内置缓冲装置，为可伸缩模式，能够与样品表面非硬性接触，探针间距固定，基于范德堡法原理与各样品接触，主要用于测量具有梯度成分分布的薄膜样品(也被成为材料芯片)；线缆连接接头位于外壳内，固定旋钮用于高通量四探针探头与样品架台固定。传输线缆内部导线为耐高温材质，且全部使用双绞线屏蔽处理。样品架台使用整体式结构，装载样品后可调整和固定样品位置，以利于探头上的探针与每个样品严格对准，探头与样品架之间使用螺栓固定，可调节相对距离从而改变探针与样品表面的接触力大小。样品架台内部设置了电阻加热设备和温度控制设备，由耐高温高压气密罐体外部的开关电源供电；样品架台包括接口、旋钮、基座和夹具，接口、旋钮和夹具位于基座上，接口用于与高通量四探针探头连接，旋钮用于调节样品位置，夹具用于调节和固定样品位置。多通道四探针电阻测试仪采用一体化结构，在一个壳体结构内部集成了包括64通道的可独立设置恒定电流大小的高精度压控恒流电源模块、微处理器控制模块、64通道电压采样电路和高精度型ADC模块、温度检测模块、通信模块、外围接口电路和开关电源模块；多通道四探针电阻测试仪外部设置接头、四针数据接口、LCD显示屏、测量模式选择开关、LCD亮度调节旋钮和总电源开关，接头用于与传输线缆完成数据输入输出，四针数据接口为1～8个通道的接线端子，每个通道的采样频率在数据记录软件中设置，最高采样频率超过50次/秒。外围接口方面，仪器预留了两个专用接口，分别用于为高通量四探针探头提供电阻测量用的恒流电源输出和采集多个通道的电压信号输入，使用时只需将专用线缆的插头分别接入两个接口即可，有效避免了接线失误和线路接触不良对实验的影响，同时极大地降低了劳动强度。除高通量电阻测试的应用之外，该仪器也预留了1～8个通道的接线端子，可满足对少量样品四探针电阻测试的需求。该仪器预留了RS485和TCP/IP接口用于与上位机通信。另外，该设备可根据被测电阻范围自动切换量程，自主选择恒流源输出值得大小，且各通道之间的工作相互独立。数据记录软件实时显示测得的当前电阻值和电阻值随时间、气压、温度变化的曲线，将数据以Excel或者txt文本文档文件的形式输出。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术设计的成套设备，样品放置在带有温度功能和探头固定功能的样品台上，能够保证探针的精确对准和精确的样品温度控制，高温高压密封罐为样品提供了安全的测试环境，特制的信号传输线缆使实验组装和连接过程简单方便，自主设计的高通量电阻测试仪能配合探头实现多达64个样品四探针电阻测量和记录的目的，数据记录软件界面友好，更能强大，使用方便。该设备针对高通量实验应用设计，同时也能满足日常少量样品的电阻测试需求，同时成本相对低廉，可靠性好，在材料的高通量研究领域具有广阔的应用范围。附图说明图1为本专利技术的高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备结构示意图；图2为本专利技术的自主研发的多通道四探针电阻测试仪结构示意图；图3为本专利技术的带有温度控制功能的样品架台结构示意图；图4为本专利技术的高通量四探针探头结构示意图。其中：1-包括高通量四探针探头；2-耐高温高压气密罐体；3-样品架台；4-上密封盖；5-传输线缆；6-多通道四探针电阻测试仪；7-数据记录软件；11-外壳；12-固定旋钮；13-线缆连接接头；14-探针；31-接口；32-旋钮；33-基座；34-夹具；61-接头；62-四针数据接口；63-LCD显示屏；64-测量模式选择开关；65-LCD亮度调节旋钮；66-总电源开关。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术提供一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备。如图1所示，为该设备结构示意图，该设备中，样品架台3位于耐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，其特征在于：包括高通量四探针探头(1)、耐高温高压气密罐体(2)、样品架台(3)、多通道四探针电阻测试仪(6)、传输线缆(5)和数据记录软件(7)；样品架台(3)位于耐高温高压气密罐体(2)内，高通量四探针探头(1)安装在样品架台(3)上，高通量四探针探头(1)通过传输线缆(5)连接多通道四探针电阻测试仪(6)，数据记录软件(7)安装于上位机，数据记录软件(7)接收来自多通道四探针电阻测试仪(6)测量的数据，并进行实时显示和记录。

【技术特征摘要】
1.一种高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，其特征在于：包括高通量四探针探头(1)、耐高温高压气密罐体(2)、样品架台(3)、多通道四探针电阻测试仪(6)、传输线缆(5)和数据记录软件(7)；样品架台(3)位于耐高温高压气密罐体(2)内，高通量四探针探头(1)安装在样品架台(3)上，高通量四探针探头(1)通过传输线缆(5)连接多通道四探针电阻测试仪(6)，数据记录软件(7)安装于上位机，数据记录软件(7)接收来自多通道四探针电阻测试仪(6)测量的数据，并进行实时显示和记录。2.根据权利要求1所述的高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，其特征在于：所述耐高温高压气密罐体(2)用于提供反应所需的压力和气氛，通过上密封盖(4)对耐高温高压气密罐体(2)进行密封；耐高温高压气密罐体(2)采用高级不锈钢材质，在内部不超过500℃和6MPa压力的条件下使用，非腐蚀性气体在耐高温高压气密罐体(2)内与被测样品反应。3.根据权利要求2所述的高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，其特征在于：所述耐高温高压气密罐体(2)上设有电器连接器件，用于耐高温高压气密罐体(2)内的高通量四探针探头的线缆与外部多通道四探针电阻测试仪的线缆进行连接；上密封盖(4)上设有气压和温度检测仪表，并设有超压超温报警组件和泄压阀，另设有紧急排气通道，紧急排气管道能够在1～3s之内排空耐高温高压气密罐体(2)内的气体。4.根据权利要求1所述的高通量材料芯片四探针原位电阻测量设备，其特征在于：所述高通量四探针探头(1)包括外壳(11)、固定旋钮(12)、线缆连接接头(13)和探针(14)，高通量四探针探头(1)用于安装与样品直接接触的探针(14)，探针(14)内置缓冲装置，能够与样品表面非硬性接触，探针(14)间距固定；线缆连接接头(13)位于外壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，谭奇伟，安富强，刘志伟，曲选辉，秦明礼，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11