薄膜电阻率的测量备受关注

电阻率是电子材料的重要参考性能数，薄膜电阻率的测量备受关注。采用传统四探针高电阻率测量方法测量薄膜电阻率，需要加入较多的修正才能得到精确的结果。因此， 研究薄膜电阻率的测量系统原理、软硬件集成方法等具有很重要的意义和应用价值。 在综合比较各种电阻率测量方法的基础上，本设计采用双电测组合法测量薄膜电阻 率。首先，系统研究双电测组合法薄膜电阻率测量原理，跟据测量要求改进电阻率的计 算方法，极大的简化相关修正，提高测量结果的可靠性和精确度。其次，基于单片机的 Rymaszewski四探针双电测组合法设计了薄膜电阻率自动化测量系统。在8051单片机的 控制下，利用基于CD4052芯片的接口电路实现电流探针，电压探针的自动切换，并通 过单片机控制实现两次电压测量；同时根据两次测量结果编程完成范德堡修正因子的计 算，最终实现薄膜电阻率自动测量和显示，建立基于8051单片机的双电测四探针薄膜电 阻率测量系统。实验结果表明，所设计的自动测量系统不仅可以满足多种薄膜电阻率测 量要求，而且提高了测量精度和自动化程度，同时精简了薄膜电阻率测量过程。 关键词：四探针双电测组合法; 范德堡修正因子;CD4052; 薄膜电阻率  Abstract Attention mainlypaid resistivity--animportant property thinfilm. Owing applytraditional four-probe method filmsample resistivity measurement, complex corrections accurateresult scratchedduring measuringprocess when using manual four-probe equipment. Therefore, measurementtheory, software hardwareintegration method virtualinstrumentation thinfilm resistivity automatic system importantvalue. comprehensivecomparative measurement method designUSES double electrical measurement group legal measuring film resistivity. First, system research double electrical measurement legitimatefilm resistivity measurements measurementrequirements, calculationmethod improvingresistivity, greatly simplified related correction, improve precisionmeasurement result. Secondly,Based SCMRymaszewski four-point probe double electrical measurement group filmresistivity legitimate design automation measuring system. 8051under singlechip microcomputer based CD4052chip interface circuit implements current probe, voltage probe single-chipmicrocomputer control achieve two voltage measurement; twomeasurement results programmed Vanderbilt correction factor calculation, finallyachieve filmresistivity automaticmeasurement display,based singlechip microcomputer 8051 double electrical measurement fourprobe film resistivity measuring system. experimentalresult shows automaticmeasurement system can onlymeet filmresistivity measurement requirements, measuringprecision automationdegree, streamlinefilm resistivity measurement process. Keywords: dual electro measurement fourpoint probes; van der Pauw correction factor CD4052;Film resistivity  目录 第一章 绪论 错误！未定义书签。11.1 设计的目的 1.2国内外研究进展 1.2.1电阻率测量对薄膜材料研究的意义 1.2.2电阻率测量技术 1.3本章小结 14第二章 四探针电阻率测量原理 152.1 四探针基本原理 162.1.1 体原理 162.1.2 薄层原理 182.1.3 测准条件 192.2 双电测组合法测量原理 202.3 本章小结 22第三章 单片机控制技术 错误！未定义书签。203.1 单片机简介 错误！未定义书签。203.2 单片机的发展 错误！未定义书签。203.3 单片机的定时器，中断系统以及串行口 错误！未定义书签。213.3.1 单片机的定时器 错误！未定义书签。213.3.2 单片机的中断系统及串行口 错误！未定义书签。223.4 单片机的人机交互与扩展技术 错误！未定义书签。233.4.1 单片机的人机交互技术 错误！未定义书签。233.4.2 存储器的扩展与系统扩展技术 错误！未定义书签。253.5 单片机应用系统开发与设计 错误！未定义书签。253.6 本章小结 34第四章 薄膜电阻率测量系统硬件设计 错误！未定义书签。284.1 系统设计 354.2 应用需求分析 354.3 系统硬件结构设计 37 4.3.1 硬件选择 374.3.2 硬件模块设计 394.4 本章小结 46第五章 薄膜电阻率测量系统软件设计 错误！未定义书签。355.1 薄膜电阻率测量系统软件构思 错误！未定义书签。355.2 信号采集模块 485.3 信号处理模块 495.4 薄膜电阻率的运算模块 505.5 数据显示模块 错误！未定义书签。415.6 薄膜电阻率测量软件 错误！未定义书签。435.7 本章小结 53第六章 总结与致谢 54总结 54致谢 55参考文献 错误！未定义书签。51外文翻译 23 第一章 绪论 1.1 设计的目的 电阻率是电子材料的基本参数，电阻率的精确测量对于材料机理研究和性能评价 有着重要的意义。针对不同材料，应该采用不同的方法来进行电阻率测量。肃然目前可 以应用的电阻率测量方法有很多种，但是仍然不能满足新型材料的测量需求。针对新材 料的特点改进原有方法或设计新的测量方法，也是新材料电阻率测量研究的重要组成部 近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提高，薄膜的厚度也越来越薄，几百纳米的薄膜超薄膜的广泛研究对 近年来，薄膜材料得到了越来越多的关注，而且随着对薄膜性能要求的提高，膜 的厚度越来越薄，几百纳米的超薄膜的广泛研究对电阻率测量提出了新的要求。对薄膜 这样有平整表面的样品，电阻率测量一般采用四探针法。常见的四探针电阻率测量设备 都是为半导体材料设计的。半导体材料材质坚硬，电阻率范围在 cm 10 cm 量级，而薄膜材料不仅是在样品厚度，在样品的材质以及电阻率的范围上都与一般的半导体材 料有着显著的不同。以纳米磁性薄膜为例，厚度只有几百纳米，一般采用溅射、电化学 沉积、气相沉积等方法制作，附着在基底表面，连接十分脆弱，采用四探针法测量电阻 率时，样品极易被针尖划伤，不仅不能完成测量，还会破坏样品；而且它们的电阻率多 在以下， cm 10 超出了一般电阻率测量装置的量程。量程更大精确度更高并且充分考虑薄膜样品特点的测量系统才能满足薄膜样品电阻率的测量需求。 1.2 国内外研究进展 电阻率是材料的基本参数之一。随着材料科学的不断发展，电阻率测量技术也在 不断进步。 本节首先说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义，接着总结电阻率测量方法， 最后介绍四探针电阻率测量方法的发展历程以及四探针电阻率测量设备的发展状况。  1.2.1 电阻率测量对薄膜材料研究的意义 随着材料应用领域的拓宽，材料电阻率对材料来说也不仅仅只是标识其导电性能 的参数，以纳米磁性薄膜为例说明电阻率测量在薄膜材料研究中的意义。纳米磁性薄膜 也是本研究测量对象的原型。 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的颗粒(晶粒)构成的薄膜或者层厚在纳米量级的单 层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。与普通薄膜相比，纳米薄膜 具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。因而在军事、重 工业、轻工业、石化等领域表现出了广泛的应用前景。常见的纳米磁性薄膜有微波软磁 薄膜、巨磁阻薄膜等。在这些应用中电阻率都极大的影响着材料的性能。 软磁薄膜随着通信技术的飞速发展，对能在 GHz 高频段应用的微磁器件提出越来越迫切的 需求。以高频电感器为代表的微磁器件在技术革新上的主要难题在于缺乏高频下仍能保 持良好性能的磁性材料。另外，通信技术的发展也带来越来越严重的电磁污染，对电磁 波吸收材料提出了更高要求，传统的磁性吸波材料由于材料局限性已难以满足这些应用 需求。因此，研究在微波高频下具有高磁导率、超低磁损耗或高磁损耗的材料都具有重 要意义。 软磁材料可以很好的满足这样的需求。所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易 磁化和退磁的磁性材料。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退磁，而且具 有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁 力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩等。 由于软磁材料一般应用在高频环境下，所以除过导磁率，在实际应用中对材料的 自然共振频率 FMR和涡流损耗也需要考虑。对于面内单轴各向异性 Hk 的薄膜，自然共 振频率 （1-1）其中， 为旋磁因子，Ms 为饱和磁化强度， Hk 为面内单轴各向异性场。在其难 轴方向，磁导率实部 (1-2) 考虑趋肤效应，涡流损耗截止频率 （1-3）其中 EC定义当磁导率实 部下降到起始磁导率值的2/3 时所对应的频率。可以看出，理想的软磁薄膜不仅应具有 高的饱和磁化强度 Ms 和适当的单轴面内各向异性场 Hk 以保证高的铁磁共振频率 FMR和高的磁导率 以尽可能减少高频下的涡流损耗。 反射率是评价吸波材料性能的重要参数，当在空气中传播的电磁波遇到由介电常 （1-4）其中 分别为磁导率和介电常数的损耗角。根据Drude 关系式，与电导率对应的介电常数为： （1-5）在微波频段，频率为 GHz时，通常极化弛豫时间 10 14 s，因此10 rf很大， 之间的数值差很大，故一般情形下纯金属磁性纳米膜的反射率较高。通过大幅度降低金属磁性纳米膜的介电常数来降低反射率，使其可以应用于微波吸收。 邓联文根据实验测量得到的不同类型的薄膜磁谱计算模拟了电导率对反射系数的影响。 对于拥有不同磁谱的材料，不论是共振性磁谱还是弛豫型磁谱抑或是双峰共振型磁谱， 材料的电导率都显著的影响着它们的吸波性能。一般说来电导率越小，反射率越小，材 料吸波性能越好。 由于纳米金属膜微波介电常数的测量技术还不能得到应用，而金属薄膜电导率测 量技术较成熟，并且电导率与介电常数直接关联，因此，研究探讨电导率对金属磁性纳  米膜微波吸收性能的影响规律，对研制超薄型薄膜吸波材料具有重要意义。 巨磁电阻薄膜磁记录材料在当今社会的发展中有着广泛而重要的作用，一般包括 垂直磁记录材 料，磁记录材料，高密度磁记录材料，巨磁电阻(GMR)材料，其中由于巨磁电阻材料的 优异的磁特性而成为当前研究的热点。 巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨 大变化的现象。巨磁阻效应自从被发现以来就被用于研制硬磁盘的数据读出头，使得存 储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提 巨磁阻效应的研究的主要内容是制作样品使得其能在磁场环境下更加灵敏的变化电阻率，电阻率测量显然是研究的基础。在市场需求的推动下，硬盘的磁头尺寸越来越 小，作为关键部件的巨磁阻薄膜器件的尺度也不断减小，对其电阻率的测量难度也就不 断的增加。这个领域的研究不仅局限在材料本身，对于电阻率测量方法的研究同样活跃。 综上所述电阻率测量在纳米磁性薄膜主要研究领域都有起着重要的作用。纳米薄 膜制备技术从原理上可归为化学方法与物理方法两大类,包括溶胶-凝胶法、L-B 电化学沉积法、化学气相沉积、低能团簇束沉积、真空蒸发法、溅射沉积、分子与原子束外延、分子自组装等。这些制作方法得到的薄膜品一般都不具有坚硬的材质和大的面 积，和坚硬的半导体材料有明显的不同。而且电阻率的范围也和半导体材料不同，常见 的吸波材料电阻率在 cm 左右，而一般的半导体材料电阻率都在cm 量级，针对磁性薄膜的电阻率测量仪器仍需要进一步研究。 1.2.2 电阻率测量技术 电阻率测量是材料研究的基础，伴随着材料以及相关学科的发展不断进步。不同 的样品有不同的性质，适用的电阻率测量方法也不相同。 下面首先总结各种电阻率测量方法，接着对本研究所采用的四探针电阻率测量法 的发展历程做简单回顾，并介绍现今四探针电阻率测量设备的发展现状。 电阻率测量方法材料电阻率的测量方法有很多，适用对象不同，测量原理也不相同。这些测量方 法大致可以分为接触式和非接触式两类。表1-1 中列举了比较流行的测量方法对其应用 范围。  1-1电阻率测量方法 测量分类方法及 使用范围及备注 非接触测量法 涡流法 测量整片样品电阻的平均值，， 非铁磁性金属样品 等离子共振红外线法 测量载流子浓度计算电阻率，测 试样品尺度大于1mm 微波扫描线微镜探头测试法 可测得薄膜电阻率分布图，用于 测量微区电阻率 接触测量法 电势探针 两探针法适合体电阻测量 三电极保护法 适合体电阻测量 扩展电阻法 需要背面大面积欧姆接触 四探针法 应用范围广 肖特基探 针法 电容汞探针法 要求衬底串联电阻小 三探针电击穿法 要求衬底起 短路作用 非接触测量法主要用于对微区电阻率的测量，在此只做简单的介绍。与接触测量法 相比非接触测量法最大优点在于：测量设备与被测样片没有接触，不损坏和沾污被测样 片。缺点是设备复杂，仪器成本高，测量范围窄。目前常见的非接触电阻率测量法有三 种，一是涡电流法，涡电流法要求必须事先使用己知电阻率的标准片校正，且只能测出 整个样片的电阻率平均值，测量精度约为5%；二是等离子共振红外线法，该测试方法 利用等离子共振极小点对薄层材料进行测试，该测试方法可以测量大于1mm 三是微波扫描显微镜探测头测试法，该方法己应用于金属薄膜电阻率测试。采用共振微波显微镜，通过扫描获取微区的电荷分布图，进而化为层电阻分图。 接触式电阻率测量方法是电阻率测量的主流。对于金属材料的电阻率，可以根据 欧姆定律，将电流通过材料，通过测量压降来计算电阻率。但是对与非金属材料来说， 由于金属探笔与材料样品间的接触电阻的存在，接触电阻可以高达几千欧姆，甚至超过 材料的体电阻，无法采用上述方法测量电阻率。为解决这个问题人们提出了二探针法和 四探针法。保证电压测量探针上没有电流通过，测出的电阻率与接触电阻无关。虽然四 探针法与二探针相比精度稍差，但是对于材料形状要求并不严格，大多数局限都可以通 过计算修正；对于薄膜材料四探针法不仅可以测量其电阻率的数值而且可以用来研究电 阻率分布等性质，因此被广泛使用。表1-2 中列出了四探针法分类和应用条件等信息。  1-2四探针法 测量分类及方法 使用范围及备注 直线四探针法 一位测 需要全方位修正 Perloff 经验公式修整Rymaszeski 双电测组合法来源矩形四探针法 竖直四探针 需要全方位修正 斜置四探针 （改进范得堡法） 可用于小于90um微区的薄 膜电阻率的测定 四探针法的发展四探针法已经有一百多年的历史，原理最初被Joseph John Thomson 在1861 出，并由Schlumberger在1920 年第一次实际应用在地球电阻率的测量。 四探针法测量电阻率的基本思想是将电流通过两根接触材料表面的探针导入材 料，再用两根探针采集材料表面两点在此电流环境下的电势差，通过电势差和电流便可 以计算出电阻率材料的电阻率。在测量样品无穷大且探针等距的排列在一条直线时，电 阻率计算公式有最简单的形式： 为通过探针的电流，V测量得到的电压值，s 为探针间距。探针也可以排列成方 形，也有相似的计算表达式。四探针法理论和实现都比较简单，但这都基于对样品的理 想假设，而在实际测量中，样品一般都不满足理想样品的条件。对非理想条件的修正才 是四探针法研究的主要内容。 20 世纪50、60 年代四探针法开始进入半导体电阻率测量领域，在此后的几十年中 四探针技术得到了深入的研究，形成了比较完备的理论体系。对四探针技术的研究可以 分为两个方向：一是通过理论推导得到精确的电阻率计算公式，采用的方法主要包括镜 像源法、保形变化法以及基本的电磁学分析等方法；二是通过改进测量方法来屏蔽边界 条件的影响。 以Valdes M为代表的一批研究者通过镜像法总结了各种非理想条件下的修正公式。Valdes 应用镜像法给出了直线四探针法测量规则样品时的近边界修正公式，并总结了四探针侧量的准条件；Smits M研究了直线四探针对称得放置在矩 形样品中央时的边缘修正；Catalano 和SwindonW研究了任意放置探针测量圆形样品的边缘修正；Keywell F，Martin 用无限系列镜像源研究了方形四探针测量方形样品的边缘修正系数；宿昌厚推导计算了直线型四探针测量矩形样品时，对于不同长宽比例的样片在各种边界条件下不同的修正 函数；Logan MA用无限系列镜像源研究了直线四探针测量方形样品时的边缘修正系数。 他们得到的修正公式都有统一的形式： 是理想状态下的电阻率测量值。随着修正维数的增加修正因子的复杂程度将快速的增加，而对于磁性薄膜这样 小尺寸的薄层样品，修正应该在三维方向进行，计算公式十分繁琐。 还有研究者通过图形变换的方法来得到修正函数。Micea 研究任意放置探针测量方形样品边缘修正系数，采用方法是先将方形样品变换成圆形，四个探针的位置也变 换到圆形上的相应位置，然后用Vaughan 得到的圆形样品电阻率计算公式计算得到电阻率，变换过程中探针位置的确定采用了镜像源法；Logan MA 研究任意排布的四探 针测量矩形样品时的修正函数，采用的方法是将矩形样品变换到无穷大平面，四根探针 的位置也变换到了无穷大平面上的相应位置，变换过程利用了复平面上的雅可比正弦函 数，十分复杂；孙以材在计算方形探针测量方形样品的边缘修正时，现将方形变换到圆 形，再将圆形变换到无穷大平面，计算方法相对简单。 Swartzendruber 则利用图形变换理论解决了直线四探针在理论上可以分辨多大区域内的电阻率不均匀性的问题，为微区电阻率分布问题的研究奠定了基础。 另一些研究者则从泊松方程，格林函数等电磁学基本理论出发来得到测量不同形 状样品时在不同边界条件下的修正函数，Yamashita M是其中的杰出代表，发表了一系 列论文说明用直线型四探针测量电阻率时，对不同样品修正函数的推导过程以及在实验 中检验的结果，包括矩形样品、圆形薄片和固体圆柱体，对于方形探针的情况也进行了 讨论。Hansen 等人也在这个领域的研究中做出了贡献。除了通过修正来得到精确的电阻率测量结果，一些研究者还希望通过对测量方法 的改进来修正四探针的测量结果。1958 年van der Pauw 针对薄膜样品提出了一种新的 电阻率测量方法。此方法要求样品厚度均匀，成片状，无孤立孔洞，并且接触点位于样 品的边缘，触点越小越好。具体的测量方法是，在如图 1-1 所示的一任意形状厚度为 的片状样品边缘作四个触点，A、B、C、D，尽量作到使AB 垂直CD。在任意相邻的 两触点，如AC，通以电流 AC，测出另一对触点 DB 电位差 VDB ，则有 ACDB 然后再向AD 间通过一电流 AD，测出 CB 间的电位差 VCB ,则有 ADCB 论文写作指导、各类文案代写QQ625880526 样品的电阻率可以表示为： （1-7）在公式1-7 图1-1van der Pauw 法测量电阻率 图1-2改进的van der Pauw 法测量示意图 Perloff 等人将这种测两次而屏蔽尺寸影响的测量方法推广到直线四探针法，发展出了双电测法。双电测法与传统四探针法测量过程的主要区别在于后 者是单次测量，而前者要对被测对象进行两次测量。相比传统的四探针法，它具有以下 优点：在四根探针排列成一条直线的条件下，测量结果与探针间距无关，并可使用不相 等间距探针头，而且对于小尺寸样品不需要进行边界修正和尺寸修正。Perloff Rymaszewski法不同只在于电路连接的方式，电阻率的计算方法是基本一样的，根据两 次测量的结果计算出电阻率值。在薄膜样品的物理模型下，在两种连接模式中得到的电  压测量结果应满足以下关系： (1-8)进而可以得到方阻计算公式： (1-9)双电测法提出后得到了广泛的研究。Perloff 给出了包含厚度修正的电阻率计算多项 式。宿昌厚和鲁效明在总结国内外对双电测法研究的基础上，比较总结了双电测法相对 一般四探针法的优势，提出了双电测组合法的概念并完善了修正体系，Yamashita 对双电测法的应用范围作了研究。目前双电测组合法已经被作为电阻率测量的标准方法被公布。本研究构建的磁性薄膜电阻率测量系统也主要应用双电测组合法完成。 微区电阻率的测量是四探针法的重要应用领域。将传统的四探针法应用于测量微区 电阻率，最大的误差来源将是探针的游移，而van der Pauw 法和双电测组合法测量对于 探针位置的要求不严格，正好可以解决这个问题。具体的测量方法包括改进的 vander Pauw 法和斜置式方形Rymaszewski 四探针法两种。改进的van der Pauw vander Pauw 的测量方法发展而来，并成功的应用于微区电阻率的测量。这一方法的要 点是：在显微镜帮助下用目视法将四个探针尖分别置于方形微小样品面上的内切圆外四 个角区，如图 1-2 所示；接着进行四次测量，第一次测量时，用 探针作为电流探针，电流为 探针作为电压探针，其间电压为V1 ；第二次测量时用 探针作为通电流探针，电流仍为I，A、D探针作为测电压探针，其间电压为 V2 ；然后 依次以C、D 间电压分别为 V3 V4。由四次测量结果可得样品的方块电阻为: （1-10）其中 为范得堡修正函数。基于同样的考虑，将直线型的 Rymaszewski 法应用于方形探针进行微区电阻率测 量，就是斜置式方形 Rymaszewski 四探针法。电阻率计算公式于直线型探针测量时基 本一致。改进的 van der Pauw Rymaszewski四探针法在微区电阻率测 量上的成功应用进一步说明了做为其来源的双电测组合法的优越性和可靠性。许多研究 者也在不断的改进四探针法，使其不再限于电阻率值的测量。例如，Crossley 论文写作指导、各类文案代写QQ625880526 Perloff 在上世纪70 年代就发展出了可得到样品薄层电阻分布的测试方法，即 Mapping 技术。孙以材等人也为Mapping 技术的实际应用做出贡献。 在集成电路研究中四探针法也得到广泛的应用，如在表面态研究，以及芯片测试方 法等，Perloff 曾应用四探针测量技术来研究光刻套刻误差；在器件研究中四探针法也有用武之地，如在对超浅结（Ultra-Shallow Junction，USJ）器件的研究中，一些研究 者通过特别设计的探针来减少测量对样品带来的损坏，另一些则对测量方法进行了深入 的讨论。四探针法测量磁性材料电阻率的研究也有许多报道，研究主要集中于对磁阻效 应的研究，磁场对材料电阻率的影响，而不在于电阻率本身的测量精度的提高。 3.四探针测量设备的发展 根据四探针法制作出测量仪器才能为科学研究服务。早期的文献中报道的电阻率 测量设备是全手动的，电流不能连续调节，电压表也是外接设备，对边界条件的修正参 数列表给出。Buehler 等人完成的电阻率测量设备就是这样的，测量对象是块状半导体样品，测量范围为0.7 cm ~30cm 。测量技术不断发展，对于自动化测量，自动化数据处理的需求使人们不断努力提高测量设备的性能，将计算机引入测量系统计算 修正函数的做法也渐渐出现。 到上世纪80 年代末，四探针测量设备已经设计定型并批量生产，其中一些设备可 以自动完成传统四探针法测量电阻率，并给出带厚度修正的电阻率测量结果，电阻率测 量范围可以达到 10 ，并出现了由计算机控制测量过程的产品。目前四探针测量设备已经实现了和计算机技术的紧密结合。国内国外设计生产四 探针测量电阻率设备的公司也很多。 1.3 本章小结 本设计的薄膜电阻率测试系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括激励 电路、信号处理电路。激励电路产生测量所需的激励电压和电流, 信号处理电路将激励 电压和电流信号进行放大、滤波处理。最终可以完成信号的采集和处理。 本设计要求采用基于8051 单片机的Rymaszewski 四探针双电测组合法，应用模拟 电子开关设计电流和电压探针切换控制电路，并应用8051 单片机控制实现电流和电压 探针的自动切换以及精密电流的输出和电压的测量；同时编程完成范德堡修正因子的计 算，最终建立基于8051 单片机的双电测四探针薄膜电阻率测量系统。 在总结比较各种电阻率测量理论的基础上，选择适合薄膜样品电阻率测量的双电测 组合法作为系统构建的理论基础。运用8051 单片机实现自动化测量系统。再依据薄膜  的特点设计特殊的功能模块使系统更加适合薄膜材料。最终的系统工作稳定，达到设计 要求。本文的主要内容分述如下。 首先阐明研究的目的，以纳米磁性薄膜为例说明了电阻率测量在现今薄膜材料研 究中的意义。系统的分析和总结了材料电阻率的测量方法以及四探针电阻率测量方法的 发展过程。 接着总结了传统四探针法测量原理及修正体系，双电测组合法测量原理和厚度修 正公式，并对双电测组合法不需要边界修正的特性给出证明。通过比较，双电测组合法 在测量薄膜样品上的优势被体现出来，成为系统构建的理论基础。 第二章 四探针电阻率测量原理 四探针理论是成熟的电阻率测量方法，因其理论简明，测量过程简单方便而被广 泛采用。本章首先总结一般四探针法的基本理论，测准条件以及通过镜像源法得到的修  正体系；接着介绍了双电测组合法的理论基础，给出电阻率计算方法以及厚度修正公式， 并对双电测组合法不需要边界和尺寸修正的特性给出证明。 2.1 四探针基本原理 四探针电阻率测量法的基本思路是，将电流通入材料，再测量电流在材料中产生 的电势差，根据材料的几何特性找到电阻率和电流以及测量电势差之间的关系，进而求 出材料的电阻率。由于样品的厚度会影响电力线在样品中的分布，根据样品的厚度应采 用不同的物理模型推导四探针测量电阻率计算公式，体原理适于块体样品而薄层原理适 于薄层样品。运用四探针法测量材料电阻率，在不满足测准条件的情况下得到的测量结 果都需要进行修正。 2.1.1 体原理 设想一块电阻率为ρ的均匀半导体样品，样品的几何尺寸与测量探针的间距相比 可以看作半无限大。设探针引入的点电流源的电流强度为I，样品内的电力线分布，等 势线分布如图2-1 所示： 图2-1 点电流源 对于无穷大样品上由探针引入的点电流源来说，样品中的等电位面是一个球面， 对应每一球面应有确定的电位 为半径。因为探针引入的点电流强度为I，而且导体是均匀的，所以半球等位面上电流密度可以表示为：