2 微电阻测验的理论研讨
本章首要对高精度微电阻测验仪的相关基础理论进行研讨。
电阻按其巨细可以分为高电阻（100k以上）、中电阻（1到l00k.）和微电阻（1.以下），本课题首要研讨微欧姆数量等级电阻的阻值丈量。
电阻丈量一般选用加电流测电压的办法，微电阻丈量的办法也不破例。考虑到微电子阻值非常细小，所以，除了要准确操控测验电流并准确丈量出待测电阻上的弱小电压外，一起还要考虑消除导线电阻对丈量值的影响，而且将体系差错下降到最小程度，以到达高精度丈量微电阻阻值的意图。
2.1 电阻丈量根本原理
电阻丈量的墓本原理非常简略，即选用伏安法（如图2.1所示），以给定电流I经过电阻R，丈量R两段的电压值U，依据欧姆规律R=u/I即可得到电阻值。
可是由于检测电路中存在比如导线电阻、触摸电势、温差电势和电化学电势等的影响，当电阻值比较大时，这些影响可以被忽略不计。而假如电阻值极端细小，这些影响带来的差错绝对值乃至或许超越待测电阻自身数个数量级时，就必需要研讨这些差错从何而来、怎么下降乃至消除，才或许以较高精度的丈量出该微电阻的电阻值。
2.2直流微电阻丈量的差错剖析
用伏安法丈量电阻时，用的是直流电流源；而细小电阻值则对应着弱小的信号。所以，有必要首要研讨遍及含义上的弱小直流信号检测中的噪声，然后再详细到直流微电阻丈量中的差错来历。
2.2.1弱小直流信号检测的噪声理论
一般可以从两个视点来界说搅扰噪声，一是从回路视点界说，由于电荷载体的随机运动所导致的电压或电流的随机动摇所表现出来的噪声；二是从信号剖析的视点动身，污染或搅扰有用信号的不希望的信号都被称为噪声
搅扰噪声的类型有很多种，对不同的类型的搅扰噪声信号应采纳不同的检测办法。在进行信号检测前，应深入剖析信号的实质，清晰检测的目标，才干确认检测原理、办法和仪器等。
2.2.1.1检测电路内部的固有噪声源
检测电路元件内部发生的噪声称为固有噪声，它是由电荷载体的随机运动所引起的。
1.导体自身的热噪声导体的热噪声
是指任何导体即便没有衔接到电源，也没有任何电流经过该导体，也会在其两头也会呈现噪声电压崎岖的景象。热噪声是由电阻内部的电子随机不规则的热运动而发生的，其起伏巨细取决于温度，温度越高，导体内自由电子热运动越剧烈，噪声电压就越高；一旦其温度下降，热噪声就会减小。其起伏巨细也与导体的电阻值有关，关于大电阻来说导体的热噪声的影响相应的小一些，而关于微电阻来说，其影响就很大了。关于检测林v级乃至nV级弱小信号的体系来说，热噪声对电」阻的丈量精度的晦气影响是不容忽视的。
2.导体间的触摸噪：声触摸噪声又名1/f噪声，由两种导体的触摸点电导的随机涨落引起的，但凡有导体触摸不抱负的器材都存在触摸噪声；1/f噪声电流的起伏散布为高斯型，其功率谱密度函数今Sf（f）正比于作业频率f的倒数，今（f）可表明为：
由于Sf（f）正比于1了，频率越低，这种噪声的功率谱密度越大，在低频段1/f噪声的起伏或许很大；电阻内部由于阻值的动摇而发生的一种过量噪声也是一种1/f噪声；下面给出了几种电阻的过量噪声电压有效值（以电阻两头每1v电压，10倍频范围内测得）：
纯碳阻：0.1一3.0uv
碳膜电阻：0.05一0.3uv
金属膜电阻：0.02一0.2uv
所以，为了可以有效地丈量弱小信号，应尽或许地减小丈量带宽 。
3.爆裂噪声
引起爆裂噪声的原因是半导体中的杂质（一般为金属杂质）随机发射或捕获PN结中的载流子。爆裂噪声一般由一系列宽度不同，而起伏根本相同的随机电流脉冲组成，脉冲宽度一般为几微秒一0.15量级，脉冲起伏一般为0.01“A一0.001林A，其呈现的几率小于几百Hz，爆裂噪声取决于导体的制造工艺和导体材猜中的杂质情况。假如将爆裂噪声扩大并送到喇叭中，可听到相似爆米花的声响。由于爆裂噪声是电流型噪声，因而应尽或许的减小电路中相关电阻的阻值，一起应选用滤波办法 。
2.2.1.2检测电路外部的搅扰噪声
检测电路所在环境存在的噪声称为外部搅扰噪声，这种噪声是由环境决议的，而不是由内部电路引起，归于外部环境噪声。某个外部搅扰源发生噪声，并经过必定的途径将噪声祸合到信号检测电路，然后构成对检测体系的外部搅扰噪声{7］。外部搅扰噪声有很多种类型，如市电50Hz交流搅扰、电台的调幅播送信号或电源的开关火花搅扰、脉冲激光或雷达发射引起的宽带搅扰、宇宙射线、雷电、元件或部件的机械振动发生颤噪效应。常见的外部噪声首要包含因地线回路构成的地电位噪声和工频噪声。
地电位差噪声是由信号源和丈量仪器都衔接到同一地线上时构成的地线回路所引进的噪声。在地线上有许多的接地址，而不同接地址处就有不同电位，在不同点的很小的电位差就能在电路体系中构成较大的电流并发生适当大的电压降，这种噪声对细小电阻的丈量精度影响较大。这种外部噪声可以用阻隔而且将整个丈量电路体系以同一点接地的办法来消除。
工频噪声对直流信号丈量的影响适当显着，常见的工频搅扰源有电力线发生的工频电场和工频磁场，电力线和电源变压器发生的工频磁场、电机启动器发生的谐波搅扰等，工频噪声是对微电阻的丈量回路影响较大。
环境搅扰噪声对检测成果影响的巨细与检测电路的布局和结构密切相关，其特性既取决于搅扰源的特性，又取决于祸合途径的特性，而与电路中元件的好坏无关；搅扰噪声源功率要比检测电路中有用信号的功率大得多，经过揭合途径后，噪声功率大为削弱，但相关于弱小的有用信号或许仍是非常可观的汇9］。因而，必需要按捺外来环境的搅扰源，然后确保微电阻测验仪的高精度要求。
2.2.2直流微电阻丈量的差错来历
依据弱小直流信号的噪声理论，外部搅扰噪声存在于环境中，并不受检测电路操控，因而，在直流微电阻丈量中，首要研讨怎么下降内部固有噪声源对丈量成果的影响。
在微电阻丈量中，有以下几种内部固有噪声差错来历，导体内部的热噪声会带来温差电势差错，导体间触摸噪声会带来触摸电势差错，触摸电势和温差电势的一起效果发生热电势；导体和环境之间由于电子极化也会发生电化学电动势差错；而且丈量电路自身也存在失谐和温差差错。
2.2.2.1热电势
热电势是弱小直流电压丈量中最常见的差错源，热电势包含触摸电势和温差电势。
触摸电势是由两种不同的导体内部因电子密度不同而在触摸面上分散运动构成的，而且跟着温度改变而改变。电子丈量体系中，存在着多种导体，如铜、金、银、锡、锗、碳、铅、氧化铜等导体，则丈量体系中势必会存在触摸电势。丈量体系扩大电路内部的触摸电势的影响可选用多种技能加以消除，可是信号输入回路的触摸电势的影响消除的难度较大，因而应尽或许的选用同质资料进行衔接。
同一种导体当其两头温度不一起，高温端电子向低温端搬迁运动然后构成温差电势，这一现象又称为汤姆逊效应。明显，电子丈量体系存在温度场的分步不均现象：元器材表里温度不同，同一元器材不同的区域温度不同，所以必定存在温差电势。尽管电子丈量体系内部的温差电势的影响可以消除，但信号输入回路的触摸电势的影响有时很难消除，这时，尽或许的坚持丈量体系温度场散布均匀。
如前所述，热电势是由不同资料的导体触摸以及导体结点温度的差异构成的。
如图2.2所示：
A、B为两种不同资料的导体，双、几处为两导体触摸结点的温度，则发生的热电势为气。为：
其间，么，为不同资料导体之间触摸时的热电势常数，单位为。v/℃下面给出了几种金属触摸时的么，值：
由上可见，尽管铜一铜触摸所发生的热电动势很小，但假如铜质资料衔接不良，而且存在氧化时，热电势对弱小直流信号丈量的影响是适当大的 。
2.2.2.2化学电动势
电化学效应是弱小直流电压丈量中另一个首要的差错来历，它实质上是两个电极之间电化学效应发生的弱小的电池效应。例如，常用的环氧树脂印刷线路板，当清洁不行时有一些沾污或助焊剂等，就或许发生nA量级的差错电流。假如温度高或被沾污，资料的绝缘电阻会大大下降。高湿度会引起资料变形或吸收水分，而沾污则或许来历于人的体油、盐或焊料等。沾污首要下降绝缘电阻，假如再加上高湿度，会构成导电通路，乃至构成大串联电阻的化学电池。这种电池或许发生的差错电流在PA到nA量级。与热电势相同，体系内部的化学电势的影响是可以消除的，但信号输入回路的电化学电势的影响有时难以消除 。
2.3直流微电阻丈量的差错处理办法
测验电流流过弱电阻时，无法准确丈量两头弱小电压信号的原因首要是直流差错源的影响。：这些差错源首要包含：热电势、电化学电势、扩大电路自身的失谐和温漂等。一般情况下，差错信号的起伏远大于待测电压信号然后将其吞没，扩大待测信号的一起也会扩大差错信号。只需在消除或减小差错源的情况下进行扩大，丈量才有含义 。针对上末节说到的直流微电阻丈量中的热电势差错、化学电动势差错和丈量电路自身的失调差错，首要可以从物理手法上去处理，其次可以选用电流反向三次丈量法来消除差错，最终还可以挑选适宜的电路接线办法，以最大极限的扫除差错对微电阻电阴一值丈量的搅扰。
2.3.1消除差错的物理手法
为了减小热电势差错，在规划电路时应尽或许挑选同质的丈量导线，而且尽或许减小丈量端与丈量环境的温差。将仪器电路中的一切结点方位挨近放置，并坚持测验仪器内部的通风杰出，尽或许坚持各元器材的温度共同；应在丈量前使仪器预热一段时间，以使丈量仪器内部的温度与环境温度尽或许的挨近，以使丈量的差错尽或许的小。
为了减小化学电动势的影响，应挑选不吸水的资料，一起要留意坚持绝缘体的清洁卫生，不要被污物或尘埃附上，如发现绝缘体上附有尘垢应及时的进行清洁处理，这是消除和削减化学电动势的差错的物理手法。
咱们用物理手法只可以消除部分差错，比如热电动势、电化学电势、丈量电路失调等差错不能用物理手法彻底的消除，总仍是部分存在的。下面咱们从电路接线办法和二次丈量法上来讨论消除差错的办法。
2.3.2电路接线办法规划
常用的电阻丈量接线办法一般有四种，依据丈量所用馈线的根数，可分二线法、三线法和四线法，别的还有一种也是比较常见的电桥法丈量电阻接线办法。
下面别离来看二线法，。三线法、电桥法和四线法的原理和优缺点。
2.3.2.1二线法测电阻原理
二线法测电阻的电路示意图，如图2.3所示：
其间，待测电，阻为尺，丈量触摸电阻和引线电阻别离用尺和凡表明，从图中可以看出，不知道电阻凡测出的电阻值将是凡、尺和凡阻值之和。所以，只需在待测电阻较大的时分才干选用此办法，假如被测电阻较小，乃至小于丈量导线电阻，那么该办法就会发生较大的差错。因而，关于丈量自身电阻值很小的微电阻，二线法是不适合的，它只适合于较大电阻的丈量接线。
2.3.2.2三线法测电阻原理
选用三线法测电阻的接线是被测电阻凡与接地线相接。原理如图2.4所示。
图中，待测电阻」路的一端经过导线接地，另一端别离经由两根导线衔接运放Al和AZ，要求三根导线的电阻相同，均为尺。当通以如图电流I时，两个运放输出电压代和K别离为：（三个运放的增益都为1）
从上式可知，不论被测电阻的值是多少，导线电阻所发生的差错影响可以被补偿。在这种补偿法丈量微电阻电路中，确保丈量准确度的要素首要是三根导线的电阻值但凡否共同。所以，当用此法丈量电阻值较小的电阻时应该要特别留意衔招待测电阻的三根导线的电阻值要持平才干确保丈量的准确度。
这种三线法的丈量电阻的办法在实践的使用适当的广泛，只需留意三根导线的电阻值持平就根本上可以到达必定的精度要求。可是，三线制电阻丈量办法只能消除等值线电阻的影响，不能消除触摸电阻的影响，气而丈量导线的长度不或许彻底持平，因而，三线法无法到达微电阻丈量的高精度要求。
