便携式硅材料电阻率测量装置的制作方法

本发明涉及测量硅材料电阻率的技术领域，特别是涉及一种便携式硅材料电阻率测量装置。

背景技术：

硅料包括 P型硅料、N 型硅料以及电阻率低的重掺硅料，如果要将这些细碎硅料重新用作多晶硅铸锭或是单晶拉制的原料，必须严格控制这些硅料的导电类型和电阻率。目前，关于检测半导体硅材料电阻率及导电类型的测试设备及其仪器，已有相关的文献报道，如公开号为CN201311457的中国专利硅材料电阻率检测装置，该实用新型硅材料电阻率检测装置包括电压表，电流表，所述的电压表连接有航空插座，航空插座还与电流表相连接，电流表连接放大器的集电极，放大器的发射极连接有固定电阻和发光二极管，放大器的基极与滑动变阻器相连接，滑动变阻器还连接有供电电源，所述的放大器采用三级管放大器9013，所述的供电电源为45V恒流源；公开号为 CN101852827A的中国专利公开了一种硅材料电阻率语音测试笔，该发明是由探头(1342针四探针排列顺序)、电子电路部份及语音发声播放部分组成；电子电路部分由电源及升压电路部分、恒流源及探头电路部分、运算放大电路及语音发声播放部分所构成；本发明由于采用测量/校厚(转换开关)，所以测试时能根据硅材料的具体厚薄大小情况进行调试设定，采用集成运算放大电路芯片MAX4166具有低电压关闭模式，干电池供电，安全系数高，测得电阻率值可实时语音播报，且具制造简单，造价低廉等优点。目前测量硅材料PN型的技术设备存在的不足之处在于：

（1）目前，市场上测量硅材料电阻率的设备一般采用的是台式设备，采用220V交流供电，电路布局不合理，电路板不够集成化，体积过大，不易携带，测量不方便，功耗较大，并且存在安全问题；

（2）已公开的专利硅材料电阻率检测装置和硅材料电阻率语音测试笔不同时具备测试电阻率和PN型功能，也不具备液晶显示电阻率、PN型功能以及数据存储、编程功能；

(3)目前大多产品大多精度达到0.1%~1%，精度不高，电阻率在0.01到0.09之间时，测量不精确，电阻率在0.01以下时，无法测量，因此有必要提出一种便携、有效的硅材料PN测量装置解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是把体积过大且不易携带的测量硅材料电阻率及PN型测量设备集成为手持式的便携式设备，让使用者更高效的测量硅材料电阻率及PN型，同时操作更安全，更低耗，更精确。

本发明要解决的技术问题是电路板的高度集成化、测量硅材料电阻率、硅材料PN型测量、硅材料重掺型测量，为克服上述现有技术设备的不足，本发明提供了一种便携式硅材料电阻率测量装置，本发明解决其技术问题的技术方案为：所述便携式硅材料电阻率测量装置，由保护壳体、液晶显示屏、薄膜按键、USB插孔、探头插孔、四探针探头、内部干电池盒、集成电路板、防滑橡胶套组成，其特征在于所述便携式测量硅材料电阻率装置的保护壳体呈盒式，包括宽头部、窄尾部；所述液晶显示屏、薄膜按键设置在保护壳体同一侧，所述液晶显示屏设置在宽头部，所述薄膜按键设置在窄尾部；所述窄尾部端面上平行设置USB插孔、探头插孔；所述保护壳体内部腔体设置电路板层、电池层，所述电路板层设置在邻近薄膜按键一侧，所述集成电路板设置在电路板层，所述电池层设置在远离薄膜按键一侧，所述内部干电池盒设置在电池层；所述集成电路板端口分别与液晶显示屏、薄膜按键、USB插孔、探头插孔、内部干电池盒电连接；所述探头插孔通过导线与四探针探头电连接；所述防滑橡胶套设置在保护壳体外部两侧。

所述集成电路板包括ARM单片机，以及与所述ARM单片机连接的BOOT状态开关电路、按键输入模块、看门狗模块、时钟信号模块、编程存储模块、USB编程模块、TFT液晶显示屏模块、电压转换模块、模数转换模块、稳压电路模块；所述电压转换模块另一端口与电源模块连接。

所述模数转换模块包括三个端口，第一端口与ARM单片机端口连接，第二端口与基准电压源模块和稳压电路模块连接，第三端口与恒流源模块连接，所述恒流源模块另一端口与探头插孔连接；

所述基准电压源模块,包括基准电压产生芯片U1、放大器AR1、电阻R2、R3、电容C1、C2、C3、C4、极性电容CP1、CP2、CP3、CP4；所述基准电压产生芯片U1接地引脚接地，IN输入引脚串联电容C3后接地，同时IN输入引脚连接稳压电路模块，OUT输出引脚串联电阻R3后连接放大器AR1同相输入端；极性电容CP4正极一端连接OUT输出引脚，负极接地；极性电容CP4正极一端与电容C4一端并联后与放大器AR1同相输入端连接，二者另一端接地；所述放大器AR1第4引脚接地，第7引脚串联电容C1后接地，同时第7引脚连接稳压电路模块；电容C1、极性电容CP1、CP2并联后一端接地，另一端串联电阻R2后连接所述放大器AR1输出端，同时连接模数转换器U2；所述放大器AR1输出端通过导线反馈连接放大器AR1反相输入端；

所述模数转换模块，包括高精度模数转换器U2、电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、电容C7、C8、C9、C10、C13、C14、晶振Y1；所述高精度模数转换器U2的第24、23、22、21、20引脚分别串联电阻R4、R5、R6、R8、R10后连接ARM单片机；电容C13、C14接地后分别连接晶振Y1两端，再分别连接高精度模数转换器U2的第18、19引脚；高精度模数转换器U2的第6、7、8、9引脚分别与电阻R7、R9、R11、R12串联后连接恒流源模块，同时第6、7、8、9引脚与电容C7、C8、C9、C10分别串联后接地，第2、3引脚短接后接地，第14引脚串联电阻R14后连接电压转换模块，第14引脚同时串联电阻R13后连接单片机，第17引脚接地，第15引脚串联电阻R15后与第16引脚并联再连接稳压电路模块；第1引脚连接稳压电路模块；

所述恒流源模块，包括放大器AR2、AR3、AR4、四探针端子P6、TLP521光电耦合开关P7、P8、NMOS场效应管Q1、TL431三端可调分流基准源P11、电阻R24、R25、R26、R29、R45、R46；所述光电耦合开关P7的第1、3引脚分别串联电阻电阻R24、R25后连接ARM单片机，第2、4引脚并联后接地，第5、7引脚分别连接电源，第6、8引脚短接后连接四探针端子P6的第1引脚；所述四探针端子P6的第2引脚连接放大器AR2的同相输入端，第3引脚连接放大器AR3的同相输入端，第4引脚连接NMOS场效应管Q1的漏极；所述光电耦合开关P8的第1、3引脚分别串联电阻电阻R26、R29后连接ARM单片机，第2、4引脚并联后接地，第5、7引脚分别与模数转换模块中的R11、R12连接，第6、8引脚分别连接放大器AR2、AR3的同相输入端；放大器AR2、AR3的反同相输入端分别与各自的输出端连接后，再分别连接模数转换模块中的电阻R7、R9；所述NMOS场效应管Q1的栅极连接放大器AR4的输出端，放大器AR4的输出端连接电阻R45后接地；所述放大器AR4同相输入端连接NMOS场效应管Q1的源极；所述放大器AR4反相输入端连接三端可调分流基准源P11的第3引脚，所述三端可调分流基准源P11的第2引脚串联电阻R46后接地，三端可调分流基准源P11的第1引脚与放大器AR4的第7引脚并联后连接+12V电源；所述放大器AR2、AR3、AR4各自的第4引脚接地，放大器AR2、AR3各自的第7引脚连接+6V电源。

所述集成电路板的BOOT状态开关电路包括状态开关S2、电阻R53、R54；所述状态开关S2的第1引脚连接+3.3V电源,第3引脚悬空，第2引脚连接电阻R54后接地，第2引脚同时连接电阻R53后连接ARM单片机。

所述液晶显示屏模块为TFT_LCD集成芯片；所述看门狗模块芯片为SP706SEN；所述时钟信号模块芯片为DS1302;所述稳压电路模块芯片为SPX5205M5集成芯片；所述按键输入模块中的按键为薄膜按键。

本发明所述的便携式硅材料电阻率测量装置，还包括记忆统计和方块电阻计算功能模块，所述记忆统计和方块电阻计算功能模块包括编程存储模块、USB编程模块；

所述编程存储模块，包括编程存储芯片U9,型号为M95M01，所述芯片M95M01第1、2、3、5、6引脚连接单片机，第4引脚接地，第7引脚串联电阻R61后连接+3.3V电源，第8引脚连接+3.3V电源同时串联电容C49后接地，第1引脚同时串联电阻R60后连接+3.3V电源，第3引脚同时串联电阻R59后连接+3.3V电源；

所述USB编程模块，包括型号为CP2101的USB编程模块芯片U10、Mirco USB端口P12；所述Mirco USB端口P12的第1端口连接+3.3V电源，第4、5端口分别悬空、接地，所述Mirco USB端口P12的第3、2端口分别串联电阻R62、R65后连接CP2101芯片U10的第4、5引脚；所述CP2101芯片U10的第6、7引脚短接后连接+3.3V电源，同时第6、7引脚短接后串联电容C50后接地；CP2101芯片U10的第8引脚连接单片机CPU_5V电压端，第25、26引脚分别连接单片机读、写引脚。

所述四探针探头的金属探针采用接触电阻小、直径1mm的钨钢针；四探针探头的金属探针与探头插孔连接电缆线采用1.5mm铜线。

使用时，硅材料电阻率测试方法如下：第一步，四探针探头的第1、2、3、4号金属探针以一定的压力压在方块电阻半导体材料上；第二步，探针接触硅材料后，点击计算方块电阻按键，就可自动得到此硅材料的方块电阻率结果都显示在液晶显示屏上，也可通过按键输入参数，计算方块电阻的电阻率；第三步，调节单片机的自动调节档位，获取到不同的电压，通过自动分析电信号波形得出PN型，同时自动计算出电阻、电阻率，结果都显示在液晶显示屏上；第四步，当需要对一批硅材料进行测量完后数据处理时，再点击统计按钮，就能把测量完成的硅材料电阻率和PN型数据自动记录下来，自动写入到存储器中，并自动进行计算统计，得出这一批硅材料的电阻率和PN型数据情况，并自动以图形和图标的形式显示在液晶显示屏上，可按键可查看记录；第五步，利用USB端口人工读写、调用、分析测试数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明采用盒型外壳、恒流源模块、高精度AD、直径1mm的钨钢针、1.5mm铜线，当金属探针测试方块电阻半导体材料时，可自动计算出电阻、电阻率、分析电信号波形得出PN型，同时统计数据，在液晶显示屏上显示结果；本发明四探针可达到0.01%，精度等级远高于比市场上的同类产品。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图。

图2 为本发明的电路模块结构示意图。

图3 为本发明的基准电压源模块电路原理结构示意图。

图4 为本发明的模数转换模块电路原理结构示意图。

图5 为本发明的恒流源模块电路原理结构示意图。

图6 为本发明的BOOT状态开关电路原理结构示意图。

图7 为本发明的USB编程模块电路原理结构示意图。

图8 为本发明的编程存储模块电路原理结构示意图。

附图1中：1.保护壳体，2.液晶显示屏，3.薄膜按键，4.USB插孔，5.探头插孔，6.四探针探头，7.内部干电池盒，8.集成电路板,9.防滑橡胶套。

具体实施方式

结合附图1至图8对本发明进一步详细描述，以便公众更好地掌握本发明的实施方法，本发明具体的实施方案为：

如图 1所示，本发明所述的便携式硅材料电阻率测量装置，由保护壳体1、液晶显示屏2、薄膜按键3、USB插孔4、探头插孔5、四探针探头6、内部干电池盒7、集成电路板8、防滑橡胶套9组成，其特征在于所述便携式测量硅材料电阻率装置的保护壳体1呈盒式，包括宽头部、窄尾部；所述液晶显示屏2、薄膜按键3设置在保护壳体1同一侧，所述液晶显示屏2设置在宽头部，所述薄膜按键3设置在窄尾部；所述窄尾部端面上平行设置USB插孔4、探头插孔5；所述保护壳体1内部腔体设置电路板层、电池层，所述电路板层设置在邻近薄膜按键3一侧，所述集成电路板8设置在电路板层，所述电池层设置在远离薄膜按键3一侧，所述内部干电池盒7设置在电池层；所述集成电路板8端口分别与液晶显示屏2、薄膜按键3、USB插孔4、探头插孔5、内部干电池盒7电连接；所述探头插孔5通过导线与四探针探头6电连接；所述防滑橡胶套9设置在保护壳体1外部两侧。

如图 1、图 2所示，所述集成电路板8包括ARM单片机，以及与所述ARM单片机连接的BOOT状态开关电路、按键输入模块、看门狗模块、时钟信号模块、编程存储模块、USB编程模块、TFT液晶显示屏模块、电压转换模块、模数转换模块、稳压电路模块；所述电压转换模块另一端口与电源模块连接。

如图 2所示，所述模数转换模块包括三个端口，第一端口与ARM单片机端口连接，第二端口与基准电压源模块和稳压电路模块连接，第三端口与恒流源模块连接，所述恒流源模块另一端口与探头插孔（5）连接；

如图 3所示，所述基准电压源模块,包括基准电压产生芯片U1、放大器AR1、电阻R2、R3、电容C1、C2、C3、C4、极性电容CP1、CP2、CP3、CP4；所述基准电压产生芯片U1接地引脚接地，IN输入引脚串联电容C3后接地，同时IN输入引脚连接稳压电路模块，OUT输出引脚串联电阻R3后连接放大器AR1同相输入端；极性电容CP4正极一端连接OUT输出引脚，负极接地；极性电容CP4正极一端与电容C4一端并联后与放大器AR1同相输入端连接，二者另一端接地；所述放大器AR1第4引脚接地，第7引脚串联电容C1后接地，同时第7引脚连接稳压电路模块；电容C1、极性电容CP1、CP2并联后一端接地，另一端串联电阻R2后连接所述放大器AR1输出端，同时连接模数转换器U2；所述放大器AR1输出端通过导线反馈连接放大器AR1反相输入端；

如图 4所示，所述模数转换模块，包括高精度模数转换器U2、电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、电容C7、C8、C9、C10、C13、C14、晶振Y1；所述高精度模数转换器U2的第24、23、22、21、20引脚分别串联电阻R4、R5、R6、R8、R10后连接ARM单片机；电容C13、C14接地后分别连接晶振Y1两端，再分别连接高精度模数转换器U2的第18、19引脚；高精度模数转换器U2的第6、7、8、9引脚分别与电阻R7、R9、R11、R12串联后连接恒流源模块，同时第6、7、8、9引脚与电容C7、C8、C9、C10分别串联后接地，第2、3引脚短接后接地，第14引脚串联电阻R14后连接电压转换模块，第14引脚同时串联电阻R13后连接单片机，第17引脚接地，第15引脚串联电阻R15后与第16引脚并联再连接稳压电路模块；第1引脚连接稳压电路模块；

如图 5所示，所述恒流源模块，包括放大器AR2、AR3、AR4、四探针端子P6、TLP521光电耦合开关P7、P8、NMOS场效应管Q1、TL431三端可调分流基准源P11、电阻R24、R25、R26、R29、R45、R46；所述光电耦合开关P7的第1、3引脚分别串联电阻电阻R24、R25后连接ARM单片机，第2、4引脚并联后接地，第5、7引脚分别连接电源，第6、8引脚短接后连接四探针端子P6的第1引脚；所述四探针端子P6的第2引脚连接放大器AR2的同相输入端，第3引脚连接放大器AR3的同相输入端，第4引脚连接NMOS场效应管Q1的漏极；所述光电耦合开关P8的第1、3引脚分别串联电阻电阻R26、R29后连接ARM单片机，第2、4引脚并联后接地，第5、7引脚分别与模数转换模块中的R11、R12连接，第6、8引脚分别连接放大器AR2、AR3的同相输入端；放大器AR2、AR3的反同相输入端分别与各自的输出端连接后，再分别连接模数转换模块中的电阻R7、R9；所述NMOS场效应管Q1的栅极连接放大器AR4的输出端，放大器AR4的输出端连接电阻R45后接地；所述放大器AR4同相输入端连接NMOS场效应管Q1的源极；所述放大器AR4反相输入端连接三端可调分流基准源P11的第3引脚，所述三端可调分流基准源P11的第2引脚串联电阻R46后接地，三端可调分流基准源P11的第1引脚与放大器AR4的第7引脚并联后连接+12V电源；所述放大器AR2、AR3、AR4各自的第4引脚接地，放大器AR2、AR3各自的第7引脚连接+6V电源。

如图 6所示，所述集成电路板8的BOOT状态开关电路包括状态开关S2、电阻R53、R54；所述状态开关S2的第1引脚连接+3.3V电源,第3引脚悬空，第2引脚连接电阻R54后接地，第2引脚同时连接电阻R53后连接ARM单片机。

为确保本发明的实际使用效果，所述液晶显示屏模块为TFT_LCD集成芯片；所述看门狗模块芯片为SP706SEN；所述时钟信号模块芯片为DS1302;所述稳压电路模块芯片为SPX5205M5集成芯片；所述按键输入模块中的按键为薄膜按键；四探针探头6的金属探针采用接触电阻小的直径1mm的钨钢针；四探针探头6的金属探针与探头插孔5连接电缆线采用1.5mm铜线。

如图 7、图 8所示，所述便携式硅材料电阻率测量装置还包括记忆统计和方块电阻计算功能模块，所述记忆统计和方块电阻计算功能模块包括编程存储模块、USB编程模块；所述编程存储模块，包括编程存储芯片U9,型号为M95M01，所述芯片M95M01第1、2、3、5、6引脚连接单片机，第4引脚接地，第7引脚串联电阻R61后连接+3.3V电源，第8引脚连接+3.3V电源同时串联电容C49后接地，第1引脚同时串联电阻R60后连接+3.3V电源，第3引脚同时串联电阻R59后连接+3.3V电源；所述USB编程模块，包括型号为CP2101的USB编程模块芯片U10、Mirco USB端口P12；所述Mirco USB端口P12的第1端口连接+3.3V电源，第4、5端口分别悬空、接地，所述Mirco USB端口P12的第3、2端口分别串联电阻R62、R65后连接CP2101芯片U10的第4、5引脚；所述CP2101芯片U10的第6、7引脚短接后连接+3.3V电源，同时第6、7引脚短接后串联电容C50后接地；CP2101芯片U10的第8引脚连接单片机CPU_5V电压端，第25、26引脚分别连接单片机读、写引脚。

如图9所示，所述便携式硅材料电阻率测量装置实现记忆统计和方块电阻计算功能时需要利用USB编程模块和方块电阻计算和记忆统计功能主程序流程图编制内置程序。

实际工作原理为：恒流源输出部分通过运算放大器和三极管共同作用搭建起恒流源模块，搭建出来的恒流源通过电阻进行恒流档位调节，可恒流出1mA到1A的电流，当1、2、3、4根金属探针排成直线时，并以一定的压力压在半导体材料上，将搭建出来的不同大小的恒流源加在1、4两处探针间形成电流，则2、3探针间产生电位差V，然后通过单片机的自动调节档位进行调节，获取到不同的电压，并计算出电阻，进而计算出电阻率，显示在液晶显示屏上。四探针工作电路包括三探针电路原理，而三探针电路是把接触硅材料后产生的电压通过比较器进行比较得出PN型，四探针上的三探针原理是把接触硅材料后产生的电压通过一个24位高精度AD，获取一个周期内的电压，通过自动分析电信号波形得出PN型。可通过ARM单片机引脚进行三探针与四探针的自动切换，三探针用来测量硅材料PN型，四探针用来测量电阻率。

实际测试工作时，硅材料电阻率测试方法如下：第一步，四探针探头6的第1、2、3、4号金属探针以一定的压力压在方块电阻半导体材料上；第二步，探针接触硅材料后，点击计算方块电阻按键，就可自动得到此硅材料的方块电阻率结果都显示在液晶显示屏上，也可通过按键输入参数，计算方块电阻的电阻率；第三步，调节单片机的自动调节档位，获取到不同的电压，通过自动分析电信号波形得出PN型，同时自动计算出电阻、电阻率，结果都显示在液晶显示屏上；第四步，当需要对一批硅材料进行测量完后数据处理时，再点击统计按钮，就能把测量完成的硅材料电阻率和PN型数据自动记录下来，自动写入到存储器中，并自动进行计算统计，得出这一批硅材料的电阻率和PN型数据情况，并自动以图形和图标的形式显示在液晶显示屏上，可按键可查看记录；第五步，利用USB端口人工读写、调用、分析测试数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明采用盒型外壳、恒流源模块、高精度AD、直径1mm的钨钢针、1.5mm铜线，当金属探针测试方块电阻半导体材料时，可自动计算出电阻、电阻率、分析电信号波形得出PN型，同时统计数据，在液晶显示屏上显示结果；本发明四探针可达到0.01%，精度等级远高于比市场上的同类产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。