基于開爾文四線法進行接觸電阻的測量實例

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行接觸電阻的測量。接觸電阻就是電流流過閉合的接觸點對時的電阻。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對的兩端。取樣(Sense)端子則要連到距離該接點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為一塊具有相同幾何尺寸的金屬實體，而使其實際接觸區(qū)域的電阻為零時，整個接點所具有的電阻，設(shè)計成只有兩條引線的器件有的時候很難進行四線連接。器件的形式?jīng)Q定如何對其進行連接。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)使其對樣品的機械連接產(chǎn)生影響。例如，焊接探頭可能會使接點發(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。被測接點上的每個連接點都可能產(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償?shù)姆椒▉硌a償。

干電路(Dry Circuit)測試

通常，測試接點電阻的目的是確定接觸點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)。

在測試時流過接點的電流過大也能使接觸區(qū)域發(fā)生細微的物理變化。電流產(chǎn)生的熱量能夠使接觸點及其周圍區(qū)域變軟或熔解。結(jié)果，接點面積增大并導(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行接點電阻測試。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)在進行其它的電學(xué)測試之前進行。

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償模式自動補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)字源表儀器進行接觸電阻測量的測試配置情況。

2400系列儀器強制電流流過接點，而納伏表則測量接點兩端產(chǎn)生的電壓降。為了進行干電路測試，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，這一點特別重要。因為和接點兩端的電壓降相比，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)過補償”的電壓值：

接點電阻則可計算如下：

其中：I = 測試電流的絕對值。