高精度直流微電阻測試儀的研究與開發(fā)

本章主要對高精度微電阻測試儀的相關基礎理論進行研究。

電阻按其大小可以分為高電阻（100k以上）、中電阻（1到l00k.）和微電阻（1.以下），本課題主要研究微歐姆數(shù)量級別電阻的阻值測量。

電阻測量通常采用加電流測電壓的方法，微電阻測量的方法也不例外?？紤]到微電子阻值非常微小，所以，除了要精確控制測試電流并準確測量出待測電阻上的微弱電壓外，同時還要考慮消除導線電阻對測量值的影響，并且將系統(tǒng)誤差降低到最小程度，以達到高精度測量微電阻阻值的目的。

2.1 電阻測量基本原理

電阻測量的墓本原理非常簡單，即采用伏安法（如圖2.1所示），以給定電流I通過電阻R，測量R兩段的電壓值U，根據(jù)歐姆定律R=u/I即可得到電阻值。

但是由于檢測電路中存在諸如導線電阻、接觸電勢、溫差電勢和電化學電勢等的影響，當電阻值比較大時，這些影響可以被忽略不計。而如果電阻值極其微小，這些影響帶來的誤差絕對值甚至可能超過待測電阻本身數(shù)個數(shù)量級時，就必須要研究這些誤差從何而來、如何降低乃至消除，才可能以較高精度的測量出該微電阻的電阻值。

2.2直流微電阻測量的誤差分析

用伏安法測量電阻時，用的是直流電流源；而微小電阻值則對應著微弱的信號。所以，有必要首先研究普遍意義上的微弱直流信號檢測中的噪聲，然后再具體到直流微電阻測量中的誤差來源。

2.2.1微弱直流信號檢測的噪聲理論

一般可以從兩個角度來定義干擾噪聲，一是從回路角度定義，由于電荷載體的隨機運動所導致的電壓或電流的隨機波動所表現(xiàn)出來的噪聲；二是從信號分析的角度出發(fā)，污染或干擾有用信號的不期望的信號都被稱為噪聲

干擾噪聲的類型有很多種，對不同的類型的干擾噪聲信號應采取不同的檢測方法。在進行信號檢測前，應深入分析信號的本質(zhì)，明確檢測的對象，才能確定檢測原理、方法和儀器等。

2.2.1.1檢測電路內(nèi)部的固有噪聲源

檢測電路元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲稱為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機運動所引起的。

1.導體本身的熱噪聲導體的熱噪聲

是指任何導體即使沒有連接到電源，也沒有任何電流經(jīng)過該導體，也會在其兩端也會呈現(xiàn)噪聲電壓起伏的情形。熱噪聲是由電阻內(nèi)部的電子隨機不規(guī)則的熱運動而產(chǎn)生的，其幅度大小取決于溫度，溫度越高，導體內(nèi)自由電子熱運動越激烈，噪聲電壓就越高；一旦其溫度降低，熱噪聲就會減小。其幅度大小也與導體的電阻值有關，對于大電阻來說導體的熱噪聲的影響相應的小一些，而對于微電阻來說，其影響就很大了。對于檢測林v級甚至nV級微弱信號的系統(tǒng)來說，熱噪聲對電」阻的測量精度的不利影響是不容忽視的。

2.導體間的接觸噪：聲接觸噪聲又叫1/f噪聲，由兩種導體的接觸點電導的隨機漲落引起的，凡是有導體接觸不理想的器件都存在接觸噪聲；1/f噪聲電流的幅度分布為高斯型，其功率譜密度函數(shù)今Sf（f）正比于工作頻率f的倒數(shù)，今（f）可表示為：

由于Sf（f）正比于1了，頻率越低，這種噪聲的功率譜密度越大，在低頻段1/f噪聲的幅度可能很大；電阻內(nèi)部由于阻值的波動而產(chǎn)生的一種過量噪聲也是一種1/f噪聲；下面給出了幾種電阻的過量噪聲電壓有效值（以電阻兩端每1v電壓，10倍頻范圍內(nèi)測得）：

純碳阻：0.1一3.0uv

碳膜電阻：0.05一0.3uv

金屬膜電阻：0.02一0.2uv

所以，為了能夠有效地測量微弱信號，應盡可能地減小測量帶寬 。