提出對(duì)便攜式方塊電阻測(cè)試儀的內(nèi)部功能進(jìn)行智能化的必要性和實(shí)驗(yàn)方案，包括：電源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；探針通路的檢測(cè)；防止探針擊穿樣品；智能A/D轉(zhuǎn)換；自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換；數(shù)字通訊等。由硬件和軟件配合達(dá)到智能化的目的。

　　目前，氧化銦錫（ITO）以其出色的導(dǎo)電性和透光性，成為透明導(dǎo)電薄膜材料的突出代表。對(duì)其研發(fā)越來(lái)越深入、全面，制造和應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。包括單色和彩色的LCD顯示、PDP顯示、OLED、PLED……幾乎所有的新型平面顯示技術(shù)和表面控制技術(shù)，都在采用或?qū)⒁�采用ITO透明導(dǎo)電材料作為其重要組成部分。如ITO透明導(dǎo)電玻璃產(chǎn)品，從TN型，延伸到STN型、TFT型、觸摸屏、彩色濾光片……眾多品種。同時(shí)，其他透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜材料的研發(fā)和應(yīng)用也在快速的發(fā)展。

1、導(dǎo)電薄膜材料的檢測(cè)

　　以ITO透明導(dǎo)電玻璃為例，透明導(dǎo)電薄膜材料的質(zhì)量檢測(cè)包括以下幾個(gè)方面：尺寸、方塊電阻、蝕刻性能、ITO膜層耐堿性、透光性和可靠性等。其中方塊電阻和透光性是應(yīng)用的主要參數(shù)，它們分別由靶材中的氧化錫和氧化銦的各占比例來(lái)確定。在基材確定，生產(chǎn)工藝、技術(shù)穩(wěn)定，靶材中含銦、錫配比選擇固定的情況下，對(duì)方塊電阻這個(gè)參數(shù)的測(cè)量，就可象征對(duì)ITO 玻璃的總體檢測(cè)。

2、方塊電阻及其測(cè)量原理

　　按照電阻定律的公式：

R = ρ × L/S （1）

　　式中R代表電阻，ρ代表電阻率，L代表電流方向的樣品長(zhǎng)度，S代表樣品垂直于電流方向上的截面積。

　　可以得出導(dǎo)電薄膜膜層電阻的測(cè)量原理如下：如圖1所示：G表示基材—玻璃原片；ITO表示被濺射在玻璃原片上的氧化銦錫膜層；D表示膜層的厚度，I 表示平行于玻璃原片表面而流經(jīng)膜層的電流；L1 表示在電流方向上被測(cè)膜層的長(zhǎng)度；L2表示垂直于電流方向上被測(cè)膜層的長(zhǎng)度。依照（1）式，則膜層電阻R 為：

R = ρ × L1/（L2×D） （2）

　　式中ρ為膜層材料的電阻率。

　　當(dāng)（2）式中L1=L2時(shí)，R即定義為膜層的方塊電阻R□：

R□ = ρ/D（單位：Ω/□） （3）

　　它表示膜層的方塊電阻值僅與膜層材料與膜層的厚度有關(guān)，而與膜層的表面尺寸無(wú)關(guān)。在實(shí)際的測(cè)量中，由于要求儀器便攜的需要，較多地采用“直排四探針”方法測(cè)量膜層的方塊電阻。測(cè)量原理如圖2 所示。圖中1、2、3、4 表示四根探針；S 表示探針間距；I 表示電流（單位：mA）從探針1 流入、從探針4 流出；△V 表示探針2、3 間的電位差(單位：mV)。

　　此時(shí)，（3） 式表示的膜層方塊電阻R□經(jīng)過(guò)推導(dǎo)為：

R□ = 4.53×△V /I（單位：Ω/□） （4）

　　可見(jiàn)，只要在測(cè)量時(shí)給樣品輸入適當(dāng)?shù)碾娏鱅—要避免過(guò)多的少子注入和引起樣品發(fā)熱，并測(cè)出電位差△V，即可由（4）式得出膜層的方塊電阻值。任意尺寸的膜層電阻值，可聯(lián)立（2）（3）（4）式得出。

圖1 膜層電阻示意圖　圖2 方塊電阻的測(cè)量原理

3、測(cè)量?jī)x器智能化的必要性

　　目前在ITO玻璃的生產(chǎn)過(guò)程中，手提式方塊電阻測(cè)試儀相對(duì)使用較多。它的特點(diǎn)是：

　�、� 手持儀器測(cè)量，操作簡(jiǎn)單、輕巧靈活、便于移動(dòng)。

　�、� 可采用電池供電，對(duì)測(cè)量的電磁干擾因素減少。

　�、� LCD 數(shù)字顯示，讀數(shù)直觀、讀數(shù)誤差小。

　　但這類手提式方塊電阻測(cè)試儀存在以下不足之處：

　�、� 采用電池供電時(shí)，儀器在使用中電源電壓會(huì)從高到低變化。一旦電源電壓低于儀器內(nèi)部器件工作的要求，就會(huì)造成儀器工作的不穩(wěn)定，引起測(cè)量的誤差�，F(xiàn)行的手提式儀器采用“以一概全”的方法檢測(cè)電源電壓，如僅在A/D轉(zhuǎn)換和顯示這一功能模塊進(jìn)行檢測(cè)，而儀器的其他功能模塊的工作電壓則沒(méi)有監(jiān)測(cè)。這樣的結(jié)果是：或超前報(bào)警，浪費(fèi)資源；或滯后報(bào)警，引入測(cè)量誤差。

　�、� 手持式儀器需要操作者手動(dòng)使用探頭進(jìn)行測(cè)量，容易造成探頭損壞和探頭與樣品的接觸不良，帶來(lái)測(cè)量的錯(cuò)誤。現(xiàn)行的手提式儀器均沒(méi)有對(duì)探頭通路的檢測(cè)功能，以及對(duì)探頭與樣品接觸狀態(tài)的檢測(cè)功能，操作者全憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)判斷儀器的狀態(tài)是否正常。如果是對(duì)新配方材料的測(cè)量或者操作者沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，這樣出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷的概率就非常高。

　�、� 手持式儀器由于要求輕便，將其中測(cè)量回路的恒流源轉(zhuǎn)化為用穩(wěn)流措施取代，大大簡(jiǎn)化了對(duì)測(cè)量電流的穩(wěn)定性管理。使用時(shí)，探頭的電流探針，按測(cè)量的需要必須與薄膜樣品接觸，就直接將電壓加在被測(cè)薄膜樣品上。這個(gè)電壓可能是幾伏甚至幾十伏，當(dāng)探頭的探針與薄膜樣品接觸的瞬間，在接觸點(diǎn)就存在“打火”的可能性，可能導(dǎo)致?lián)舸�樣品，造成�?duì)薄膜的永久損壞。

　�、� 現(xiàn)在的ITO透明導(dǎo)電薄膜主要滿足導(dǎo)電性和透光性（80%左右）的均衡要求，它的方塊電阻最大值約200Ω/□左右。如果生產(chǎn)線的不穩(wěn)定，或人為的實(shí)驗(yàn)需要，均有可能使薄膜的方塊電阻值在跨數(shù)量級(jí)的范圍變化。在當(dāng)前對(duì)新型透明導(dǎo)電薄膜材料的研制中，增加了以透光性為主（90%左右），導(dǎo)電性為輔的材料（如觸摸屏等）的要求，所以需要制造更薄的ITO 薄膜或其他TCO 薄膜，使薄膜的方塊電阻可能達(dá)到幾千甚至上萬(wàn)。這樣就有必要做到測(cè)量寬量程和測(cè)量精度的統(tǒng)一。

　�、� 在材料的研究和生產(chǎn)中， 對(duì)檢測(cè)的控制和對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、管理等提出了更多的要求。手提式方塊電阻測(cè)試儀如果沒(méi)有數(shù)字通訊功能， 就缺少對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和分析的便利， 以及融入全自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)使用的條件。

　　因此有必要對(duì)方塊電阻測(cè)試儀作智能化的設(shè)計(jì)：

　�、� 建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電源電壓。
　�、� 實(shí)現(xiàn)探針通斷和探頭與樣品接觸狀態(tài)的綜合檢測(cè)。
　　③ 有效避免探針擊穿樣品。
　�、� 智能的A/D 轉(zhuǎn)換和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。
　�、� 建立與PC 的通訊功能。

4、技術(shù)的方案和實(shí)驗(yàn)

4.1、電源電壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

　　方案如圖3 所示。根據(jù)儀器各功能模塊對(duì)電源要求的關(guān)系和不同，確定電源電壓的綜合參考點(diǎn)。同時(shí)在儀器系統(tǒng)建立一個(gè)不隨電池電壓改變的低電壓基準(zhǔn)（如1.2 V），作為A/D轉(zhuǎn)換器的參照點(diǎn)。當(dāng)電源電壓發(fā)生改變時(shí)，微處理器單元（MCU）通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器讀取電壓參考點(diǎn)信號(hào)，在MCU 內(nèi)部結(jié)合電壓基準(zhǔn)進(jìn)行精確的運(yùn)算、比較。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果等于（或接近）設(shè)定值時(shí)，MCU 對(duì)報(bào)警電路輸出控制信號(hào)，儀器提示“電壓過(guò)高”或“電壓過(guò)低”。當(dāng)使用非充電型干電池時(shí)，電池電壓隨放電電流和放電時(shí)間的不同而變化，并且有電壓虛高的特點(diǎn)。所以儀器開機(jī)時(shí)要對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，并且在每次測(cè)量時(shí)也要對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)。以保證電源在每次測(cè)量中是有效的。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)電源電壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在保障測(cè)準(zhǔn)和電池電源有效利用上達(dá)到了較好的統(tǒng)一。