原创 确保更精确的高电阻测量

高电阻测量已成为多种测试应用的组成部分，包括印制电路板的表面电阻（SIR）测试、绝缘材料和半导体的电阻率测量、高欧姆值电阻的电压系数测试等。确保高电阻测量（即高于1GW [10⁹欧姆]的电阻）的精度需要使用大量的特殊技术和仪器，例如静电计、源测量单元（SMU）、或皮可安培计/电压源组合。静电计可以采用恒压或恒流的方法测量高电阻。
恒压方法
采用恒压方法测量高电阻需要能够精确测量低电流的仪器和一个恒定的直流电压源。某些静电计和皮可安培计提供了内置电压源，能够自动计算出未知的电阻。图1给出了利用静电计或皮可安培计（图1a）或SMU的恒压方法的两种基本配置。在这种方法中，一个恒压源（V）与未知电阻（R）和安培计（IM）串联在一起。由于安培计上的电压降可以忽略不计，因此所有的测试电压都加载在R上。产生的电流由安培计测出，电阻可以根据欧姆定律计算出来（R= V/I）。

图1.

由于高电阻通常是所施加电压的函数，恒压方法一般比恒流方法更有优势。通过在选定电压下进行测试，可以得到电阻与电压的关系曲线，从而测出电阻的电压系数。例如，6517B型静电计（如图2所示）可以利用恒压方法测量电阻，由于电压系数的作用它适合于测量极高的电阻。 

图2
 
恒压方法需要精确测量低电流，因此必须考虑与低电流测量相关的误差源。其中包括不正确屏蔽的安培计连接，与安培计电压负荷和输入偏移电流相关的问题，以及待测器件的源电阻。外部误差源包括线缆和夹具的漏电流，以及由于静电或压电效应产生的电流。

恒流方法
下列几种仪器配置适合于采用恒流方法测量高电阻：

• 
  
• 静电计的伏特计功能和一个电流源
  
• 只用静电计的欧姆计功能
  
• 具有高输入阻抗和低电流源量程的SMU伏特计

利用静电计的伏特计和一个单独的电流源或SMU可以进行四线测量并控制流过样本的电流大小。根据测量的范围，静电计的欧姆计可以在特定的测试电流下实现双线电阻测量。

利用静电计伏特计和外部电流源
图3阐释了恒流方法的原理。来自电源（I）的电流流过未知电阻（R），利用静电计的伏特计（V）测量电压降。这种方法能够测量最高约10¹²Ω的电阻。尽管基本测量过程相对直接，某些预防措施还是必要的。伏特计的输入阻抗必须足够高，以确保负载误差在可接受的范围内。一般而言，静电计伏特计的输入阻抗大于10¹⁴Ω。此外，电流源的输出电阻必须大大高于未知电阻，以实现线性的测量。样本器件上的电压取决于样本的电阻，这使得我们在使用恒流方法时很难分析电压系数。如果关心电压系数，就应该采用恒压测量方法。

图3.

在电源I中采用SMU，测量V模式
利用双线（本地检测）或四线（远程检测）方法，可以利用SMU在源电流/测量电压模式下测量高电阻，这种方法能够消除接触电阻和引线电阻，这对于半导体材料的电阻系数测量尤其重要。这些测量操作通常需要测量很低的电压。金属探针到半导体的接触电阻可能非常高。当使用远程检测方法时，HI Force和HI Sense之间以及LO Force和 LO Sense之间的电压差通常限定为一个特定的值。超出这一电压差会产生没有规律的测量结果。

除了电压降限制，某些SMU在HI Force和HI Sense端之间以及LO Force和 LO Sense端之间还设置了自动远程检测电阻。这可能会进一步限制单台SMU远程模式对于某些应用的使用，例如半导体电阻系数。如果在这种情况下，SMU可以在双线模式下用作电流源，用一个单独的伏特表测量电压差。

利用静电计的欧姆计功能
当使用静电计的欧姆计功能时，各种因素（包括静电干扰和漏电流）都会影响测量的精度。图4给出了利用静电计的欧姆计测量电阻（R）的情形。欧姆计利用一个内部电流源和静电计的伏特计进行测量。它能够自动计算并显示测得的电阻值。注意，这是双线电阻测量方法，相比之下另外一种方法是利用静电计的伏特计和外部电流源进行四线测量。这是因为电流源在内部连接了伏特计，无法单独使用。 


图4.

保护与屏蔽
测量高电阻时最常见的两种误差源是静电干扰和漏电流。屏蔽高阻抗电路有助于尽可能减少静电干扰的影响（屏蔽层连接电路的LO端）；采取电路保护措施能够有效减少漏电流，提高测量精度。保护电路是电路中的低阻抗点，它与受保护的高阻抗引线具有几乎相同的电位。

电路稳定时间
在测量高电阻时，测量电路的稳定时间尤为重要。稳定时间受分路电容的影响，分路电容来自于连接线、测试夹具和DUT。分路电容（CSHUNT）必须经过充电才能测试电流（IS）对应的测试电压。对该电容充电充电所需的时间取决于RC时间常数（一个时间常数τ = RSCSHUNT），因此通常需要等待4或5个时间常数才能获得精确的读数。当测量极高的电阻值时，该稳定时间可能扩大到几分钟的量级，具体取决于测试系统中分路电容的大小。在测量高电阻值时要想尽可能缩短稳定时间，要保持连接线缆尽可能得短，从而保持系统的分路电容处于绝对极小值。采用电路保护措施也有利于大大缩短稳定时间。

高欧姆值电阻的特征分析
阻值大于1GΩ （10⁹欧姆）的电阻通常称之为高兆欧电阻，可分成碳膜电阻和金属氧化物电阻两类。在测量这类电阻时必须考虑几个因素，包括电压和温度系数，机械震动的影响和污染情况。相比传统的电阻，碳膜高兆欧电阻的噪声较大，不稳定，具有较高的温度系数，表现出较高的电压系数，且非常脆弱。新型金属氧化物类电阻的电压系数低得多（小于5ppm/V），温度和时间稳定性也得到了改善。

高兆欧电阻在处理过程中需要极其小心，因为机械震动会赶走导电材料的微粒，从而大大影响其电阻值。另外一点非常重要的是要避免接触电阻元件或者它外面包裹的玻璃外壳；这样做会因为产生新的电流回路或者电化学小电流而改变其电阻值。此外，这些电阻经过外壳的包裹能够防止其表面形成水膜。因此，如果由于处理不慎使电阻器表面形成了水膜或者淀积了空气污染，应该采用尖端带泡沫材料的棉签和甲醇进行清洁。经过清洁之后，要把电阻器置于低湿度的环境中干燥几个小时，使所有的静电电荷消散掉。