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【電阻計】實現高精度低電阻測量的取樣技術

為何低電阻抵抗如此重要？

伴隨電動車(EV)與油電混和車(HEV)的普及，使用大電流的系統也日漸增加。匯流排與焊接部分等電流通道所產生的微小電阻，也會導致系統的效率降低與發熱等潛在風險。為了解決這些課題，高精度低電阻測量是不可或缺的。
HIOKI的電阻計RM3545A能夠以1 nΩ的解析度正確測量微小電阻。配合測量對象可使用不同探針，提供高信賴性的數據，協助客戶提升產品品質。本應用案例將介紹探針技術如何成功實現低電阻測量。

低電阻測量的基本：四端子法

HIOKI的RM系列，使用定電流方式測量。由SOURCE(電流施加迴路)施加一定的電流再使用SENSE(電壓檢測迴路)電壓檢測被測物(DUT)的電阻。這裡我們只要使用簡單的歐姆法則(R=V/I)，就可以算出電阻值。四端子測量(開爾文測量法)是透過將電流施加迴路與電壓檢測迴路分開，可排除迴路電阻(=配線電阻+接觸電阻)的影響，故可以提供高信賴性的低電阻測量結果。
接下來我們會介紹預設使用四端子法的取樣重點並加以解說。

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圖1、4端子測量法

使用的取樣法對測量的影響

低電阻測量中，根據取樣法的不同對測量的結果也會有很大的影響。
而造成誤差的主因是因為預設的電流(相同電流密度)與實測的電流(不均等的電流密度)的不同而導致的。
這裡我們使用貼片電阻計(表面貼片電阻計)與金屬圓頭探棒為例，來看看理想狀態與實測時的測量電流流通方式與對測量數值的影響吧。

理想狀態下的電流流通方法

貼片電阻計是直接安裝於基板上使用的，其規格值為基板實裝狀態的電阻值。如下圖2，基板安裝狀態下，電阻器的電阻體會流過均勻的電流。舉例來說，相同電流流通狀態下，電極之間所產生的電位差(圖片中的等電位的數量相同)，則根據歐姆定理可以測量接近規格值的電阻值。

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圖2、電流的流通方式(理想狀態)

實測時的電流流通方式

圖3顯示了低電阻貼片電阻計、高電阻貼片電阻計、金屬棒三種情境時測的場合，內部電流的流通方式。
低電阻貼片電阻計與金屬棒進行測量時會有不均等的電流流過。一樣和基板實裝時的電流流通方式有很大的差異。高電阻貼片電阻計進行測量時，因電極-電阻體的電阻值的差距，電流會先擴散。為此，這與基板實裝狀態下的電流流通方式相同。金屬棒測量時，探針所接觸的地方電流會呈放射狀擴散。與理論值的狀態不同，呈現不均等的電流流通方式。
依據電流流通方式的不同，會影響測量值。將在下個章節作介紹。

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圖3、電流的流通方法(取樣時)

取樣手法對測量值造成的具體影響

影響1：規格值、理論值與測量值的分歧

如同圖4，使用探棒進行低電阻測量被測物時，產品的邊緣等會出現完全不會有電流流通的地方。與前面我們預想的理想狀態的電流流通方式不同，電流沒有流通的地方無法進行測量，就結果來說會產生規格值、理論值與測量值出現分歧。例如，如果在靠近SOURCE的位置附近進行SENSE測量，實際測得的電阻值會比規格值或理論值高。這是因為看起來的DUT截面積變小了（可以想像成ρ×A/L中的A變小）。但需要注意的是，根據SENSE與SOURCE之間的距離，這種關係有時也可能相反。

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圖4、不均等的電流密度

影響2:各測量值發生波動

以低電阻的貼片電阻計為案例。
若以不均等的電流密度進行測量時，電流密度高的SOURCE周遭的等電位線的間隔變得狹窄。假設等電位線以1mV間隔，從SOURCE A 到 SENSE A間以1mm距離錯開取樣的場合。如圖5，可以發現SENSE 到 SOURCE間距離的大小，相同1mm的距離也會有電壓變動的情況。因檢測出的電壓會換算成電阻值，所以電壓的變動也會造成電阻值的變動。也就是說，SENSE 到 SOURCE間距離越大，就算取樣的位置稍微有變動，檢測出的電壓變化也小，就可以抑制電阻值的變動。其結果可以參考圖6，反覆測量的精度可以顯著提升。

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圖5、SENSE - SOURCE間距離與檢出電壓的變化

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圖6、SENSE - SOURCE間距離所導致的測量值波動

解決方法：高精度測量用的取樣要點

實踐以下方法可以使測量精度與再現性有飛躍的提升。

1. SENSE-SOURCE間距離最適化

一般來說被測物的長寬比要在三倍以上，SENSE-SOURCE間的距離會是最理想的，這個比例下，可以測量一樣的電流部分，並抑制「規格值、理論值與測量值的分歧」、「各測量值發生波動」的影響。
但要確保每個被測對象的SENSE-SOURCE間距離足夠是非常困難的。
這時要讓測量值與理論值、規格值一致也是非常困難的。貼片電阻計的規格值與金屬棒的理論電阻值是以內部流通的電阻相通為前提。只要實測狀態與電流流通的方法不同，雙方的數值就會不同。
在這種場合下，比較推薦的作法是比較良品與不良品的電阻值，就可以發現明顯誤差。
此外，就算無法保持理想的距離，只要提升反覆取樣的精度，也可以提升測量整體精度，但在可行的範圍下，還是會推薦保持SENSE-SOURCE間的距離會比較保險。