基于開爾文四線法進(jìn)行接觸電阻的測量實(shí)例

ASTM的方法B539 “測量電氣連接的接觸電阻”和MIL-STD-1344的方法3002“低信號電平接觸電阻”是通常用于測量接觸電阻的兩種方法。通常，一些基本的原則都采用開爾文四線法進(jìn)行接觸電阻的測量。接觸電阻就是電流流過閉合的接觸點(diǎn)對時的電阻。這類測量是在諸如連接器、繼電器和開關(guān)等元件上進(jìn)行的。接觸電阻一般非常小其范圍在微歐姆到幾個歐姆之間。根據(jù)器件的類型和應(yīng)用的情況，測量的方法可能會有所不同。

測量方法

圖4-42 說明用來測試一個接點(diǎn)的接觸電阻的基本配置。使用具有四端測量能力的歐姆計，以避免在測量結(jié)果中計入引線電阻。將電流源的端子接到該接點(diǎn)對的兩端。取樣(Sense)端子則要連到距離該接點(diǎn)兩端電壓降最近的地方。其目的是避免在測量結(jié)果中計入測試引線和體積電阻(bulk resistance)產(chǎn)生的電壓降。體積電阻就是假定該接點(diǎn)為一塊具有相同幾何尺寸的金屬實(shí)體，而使其實(shí)際接觸區(qū)域的電阻為零時，整個接點(diǎn)所具有的電阻，設(shè)計成只有兩條引線的器件有的時候很難進(jìn)行四線連接。器件的形式?jīng)Q定如何對其進(jìn)行連接。一般，應(yīng)當(dāng)盡可能按照其正常使用的狀態(tài)來進(jìn)行測試。在樣品上放置電壓探頭時不應(yīng)當(dāng)使其對樣品的機(jī)械連接產(chǎn)生影響。例如，焊接探頭可能會使接點(diǎn)發(fā)生不希望的變化。然而，在某些情況下，焊接可能是不可避免的。被測接點(diǎn)上的每個連接點(diǎn)都可能產(chǎn)生熱電動勢。然而，這種熱電動勢可以用電流反向或偏置補(bǔ)償?shù)姆椒▉硌a(bǔ)償。

干電路(Dry Circuit)測試

通常，測試接點(diǎn)電阻的目的是確定接觸點(diǎn)氧化或其它表面薄膜積累是否增加了被測器件的電阻。即使在極短的時間內(nèi)器件兩端的電壓過高，也會破壞這種氧化層或薄膜，從而破壞測試的有效性。擊穿薄膜所需要的電壓電平通常在30mV到100mV的范圍內(nèi)。

在測試時流過接點(diǎn)的電流過大也能使接觸區(qū)域發(fā)生細(xì)微的物理變化。電流產(chǎn)生的熱量能夠使接觸點(diǎn)及其周圍區(qū)域變軟或熔解。結(jié)果，接點(diǎn)面積增大并導(dǎo)致其電阻降低。

為了避免這類問題，通常采用干電路的方法來進(jìn)行接點(diǎn)電阻測試。干電路就是將其電壓和電流限制到不能引起接觸結(jié)點(diǎn)的物理和電學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化電平的電路。這就意味著其開路電壓為20mV或更低，短路電流為100mA或更低。

由于所使用的測試電流很低，所以就需要非常靈敏的電壓表來測量這種通常在微伏范圍的電壓降。由于其它的測試方法可能會引起接點(diǎn)發(fā)生物理或電學(xué)的變化，所以對器件的干電路測量應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行其它的電學(xué)測試之前進(jìn)行。

使用微歐姆計或數(shù)字多用表

圖4-42示出使用Keithley 580型微歐姆計、2010型數(shù)字多用表或2750型數(shù)字多用表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行四線接觸電阻測量的基本配置情況。這些儀器能夠采用偏置補(bǔ)償模式自動補(bǔ)償取樣電路中的熱電勢偏置，并且還具有內(nèi)置的干電路測量能力。對于大多數(shù)的應(yīng)用來說，微歐姆計或數(shù)字多用表足以用來進(jìn)行接觸電阻的測量工作。如果短路電流或者被測電阻值比微歐姆計或數(shù)字多用表的技術(shù)指標(biāo)小得很多，則必須使用納伏表加精密電流源的組合來進(jìn)行。

使用納伏表和電流源

圖4-43示出使用Keithley 2182A型納伏表和2400系列數(shù)字源表儀器進(jìn)行接觸電阻測量的測試配置情況。

2400系列儀器強(qiáng)制電流流過接點(diǎn)，而納伏表則測量接點(diǎn)兩端產(chǎn)生的電壓降。為了進(jìn)行干電路測試，設(shè)置數(shù)字源表的鉗位電壓為20mV，這樣就把電路的開路電壓鉗位到20mV。為了保證鉗位電壓只出現(xiàn)在接點(diǎn)兩端，而不是出現(xiàn)在測試引線的兩端，該數(shù)字源表采用四線模式。在使用較大的電流時，這一點(diǎn)特別重要。因為和接點(diǎn)兩端的電壓降相比，測試引線兩端的電壓降可能會比較大。

為了避免發(fā)生瞬變現(xiàn)象，一定要先將電流源關(guān)閉，然后再把接點(diǎn)接入測試夾具或?qū)⑵鋽嚅_。將一個100Ω的電阻器直接跨接在電流源的輸出端，能夠進(jìn)一步降低瞬變現(xiàn)象。

可以使用電流反向法將熱電勢偏置降至最小。2182A的Delta模式與數(shù)字源表儀器配合可以自動地實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)。在這種模式下，2182A 自動地觸發(fā)電流源改變極性，然后對每一種極性觸發(fā)測量一個讀數(shù)。接著，2182A顯示“經(jīng)過補(bǔ)償”的電壓值：

接點(diǎn)電阻則可計算如下：

其中：I = 測試電流的絕對值。