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實現高精度低電阻測量的探棒取樣要點

為何低電阻測量如此重要？

隨著電動車(EV)、油電混合車(HEV)的普及，使用大電流的系統也日益增加。匯流排的焊接不等電流流通過的地方，若是出現電阻過高的情況就有可能會導致系統效率低下或是出現發熱的情況，並可能導致意外出現。為解決這些課題，就需要進行高精度低電阻測量。

HIOKI的電阻計 RM3545A、RM3546，能夠以1 nΩ的解析度正確測量微小的電阻。將對被測物的取樣技術最適化，提供高信賴性的數據，並支援客戶的產品品質。本應用案例將介紹如何正確測量低電阻的取樣點，並以實例來解說。

低電阻測量的基本：4端子測量是甚麼

HIOKI的電阻計RM系列使用定電流的方式檢測。向被測物（DUT）的SOURCE（電流施加迴路）施加一定的電流（I），透過SENSE（電壓檢出迴路）檢測出電壓（V）。根據歐姆定例（R=V/I），計算出電阻值。4端子測量(開爾文測量法)是透過將電流施加迴路與電壓檢出迴路分離，能夠排除迴路電阻(配線電阻+接觸電阻)的影響，能為低電阻測量提供高信賴性的結果。
這裡就以四端子測量法為前提，詳細介紹取樣的要點。

圖1 4端子測量

取樣對測量造成的影響

低電阻測量會因為取樣的方法而影響測量結果，理想的電流流通(相同電流密度)與實測時的電流(不均等的電流密度)的不同正是造成測量誤差的主因。

這裡就以貼片電阻器(表面安裝電阻計)與金屬棒為例子，展示理想狀態與實測時的測量電流流通方法是如何對測量結果造成影響。

理想狀態下的電流流通方法

由於貼片電阻計會安裝在基板上，其規格值即是基板實裝狀態的電阻值。如同圖2，在理想的基板實裝狀態下，電阻器的電阻體會流過等量的電流。例如，如果偵測均勻電流流過時電極間的電位差（等於圖中等電位線的數量），則根據歐姆定律可以測量出接近規格值的電阻值。
若金屬棒的理論電阻值為R，R=電阻率ρ×長度L/橫切面面積A，來計算。此理論值是指電流均勻流過金屬棒時的電阻值。

圖2 電流的流通方式（理想狀態）

實際測量時的電流流通方式

接下來，是在實測狀態下內部電流的流通方式，請參考圖3的低電阻貼片電阻計、高電阻貼片電阻計、金屬棒的示意圖。
測量低電阻貼片電阻計與金屬棒時，會流過不均等的電流。與一般基板安裝時的電流流動方法不同。測量高電阻貼片電阻計時，會因為電極-電阻體間的電阻值差異，電流會先擴散。所以就會呈現與基板實裝狀態下一樣的電流流通方式。在測量金屬棒時，電流會從取樣的點以放射狀擴散，會與理論值不相同，是不均等的電流流通方式。
因為這些電流流通方式的不同，會影響測量數值。下一點會詳細說明。

圖3 電流流通方式（取樣時）

取樣對測量值造成具體的影響

影響1：規格値・理論値與測量值的差異

像圖4的取樣方法，對低電阻的DUT進行測量時，零件的邊角會出現幾乎沒有流通電流的地方。這樣的流通方式與前面所提到的電流理想狀態完全不同，沒有流通電流的地方會無法進測量，所以結果會與規格值或理論值出現差異。

舉例來說，若在SOURCE端附近進行檢測，測得的電阻值會高於標準值與理論值。這是因為被測物(DUT)的表面橫切面變小(可以想像ρ×A/L 中的 A 變小)。但是，根據SENSE-SOURCE間距離，這個關係可能會反轉。

圖4 不均等的電流密度

影響2：各取樣所產生的測量值波動

以低電阻貼片電阻計為範例來思考。

在不均等的電流密度下進行實測時，電流密度高的SOURCE點周圍的等電位線的間隔會變得狹窄。假設，等電位線以1 mV間隔，在SOURCE A - SENSE A間距離下各取樣以1 mm偏移時來實驗。

會如同圖5，SENSE - SOURCE間距離的大小就算同樣只有1 mm的偏移，也會出現電壓變動。檢出電壓會換算成電阻，就會直接造成電阻值的波動。也就是說，SENSE - SOURCE距離越大，取樣的位置就算有所偏差檢出的電壓變化也會較小，所以能夠抑制電壓值的變動。其結果，會如同圖6所顯示的，反覆精度會提升。