Điện trở 5 mΩ của một shunt, 800 µΩ của một mối hàn, 50 mΩ của một tiếp điểm rơ-le. Những giá trị này nhỏ hơn điện trở của chính sợi dây đo. Ở vùng đó, câu hỏi không còn là “đồng hồ có đủ số chữ số không”. Mà là “đường đo có loại được các nguồn sai số cộng thêm không”. Vì vậy đo điện trở nhỏ bốn dây là một quy trình chứ không phải một chế độ trên máy: đấu Kelvin chỉ giải quyết được một nửa bài toán. Nửa còn lại nằm ở nhiệt điện động, tự nung và tiếp xúc phi ôm.
Bài viết đi qua từng nguồn sai số theo thứ tự độ lớn. Kèm cách khử tương ứng và cách triển khai trên nguồn-đo SMU.
Vì sao phép đo hai dây thất bại ở vùng mili-ôm
Trong đấu hai dây, cùng một cặp dây vừa dẫn dòng thử vừa dẫn về điện áp đo. Kết quả là điện trở dây cộng thẳng vào kết quả: giá trị đo được bằng điện trở mẫu cộng hai lần điện trở dây.
Điện trở dây đo điển hình nằm trong khoảng 1 mΩ đến 10 mΩ. Con số đó vô hại khi đo một điện trở 10 kΩ. Nhưng khi mẫu chỉ 5 mΩ thì sai số vượt 100%. Quy tắc thực hành: phép đo hai dây bắt đầu mất tin cậy khi điện trở cần đo xuống dưới khoảng 10 Ω đến 100 Ω, tuỳ chất lượng dây.
Tệ hơn, điện trở dây không phải hằng số. Nó thay đổi theo nhiệt độ, theo cách uốn cáp, theo độ siết của kẹp. Nghĩa là không thể trừ đi bằng một hằng số hiệu chỉnh đo một lần.
Đo điện trở nhỏ bốn dây bằng đấu Kelvin 4 dây: nguyên lý và ranh giới
Đấu Kelvin 4 dây tách hai chức năng ra hai cặp dây riêng. Cặp force bơm dòng thử qua mẫu; cặp sense chỉ đo điện áp. Vì mạch đo điện áp có trở kháng vào rất lớn, dòng chảy trong cặp sense gần như bằng không. Nên sụt áp trên dây sense cũng gần như bằng không. Điện áp máy đọc được chính là điện áp trên mẫu.
Hai chi tiết lắp đặt quyết định phép đo có đúng hay không:
Điểm chạm của cặp sense phải nằm trong điểm chạm của cặp force. Nếu sense đấu ra ngoài force, một phần điện trở tiếp xúc và điện trở dây vẫn lọt vào kết quả. Đúng lỗi mà bốn dây sinh ra để tránh.
Cặp sense phải chạm càng gần thân mẫu càng tốt. Với một shunt bốn cực đúc sẵn thì vị trí đã cố định. Với mẫu tự chế thì đây là biến số lớn nhất giữa hai lần đo.
Nhưng ngay cả khi đấu đúng hoàn hảo, ba nguồn sai số vẫn còn nguyên: nhiệt điện động, tự nung và tiếp xúc phi ôm. Bốn dây không đụng tới bất kỳ nguồn nào trong ba nguồn đó.
Nhiệt điện động: nguồn sai số lớn nhất còn lại
Sức nhiệt điện động sinh ra ở mọi mối nối giữa hai vật liệu khác nhau khi có chênh lệch nhiệt độ — hiệu ứng Seebeck. Trong một vòng đo điện trở nhỏ có hàng chục mối nối như vậy: kẹp cá sấu, đầu banana, mối hàn, chân linh kiện, tiếp điểm ổ cắm.
Độ lớn của vấn đề nằm ở hệ số Seebeck của từng cặp vật liệu, so với đồng:
- Đồng – đồng: khoảng 0,2 µV/°C — mức nền tốt nhất đạt được.
- Đồng – bạc và đồng – vàng: khoảng 0,3 µV/°C.
- Đồng – chì/thiếc (mối hàn thường): 1–3 µV/°C.
- Đồng – Kovar: khoảng 40–75 µV/°C.
- Đồng – silic: khoảng 400 µV/°C.
- Đồng – oxit đồng: tới khoảng 1000 µV/°C.
Hai kết luận rút ra ngay. Thứ nhất, một mối hàn thường chỉ cần chênh 1 °C là sinh vài µV. Với dòng thử 1 mA, vài µV đó tương đương vài mΩ sai số, đủ để phá hỏng phép đo một shunt 5 mΩ. Thứ hai, dòng cuối cùng trong bảng giải thích vì sao bề mặt tiếp xúc bị oxi hoá lại nguy hiểm gấp nghìn lần bề mặt sạch: oxit đồng biến một mối nối vô hại thành một cặp nhiệt điện thực thụ.
Phòng ngừa theo thứ tự hiệu quả: giữ toàn bộ vòng đo bằng cùng một vật liệu (kẹp đồng ép nguội lên dây đồng cho mối nối đồng–đồng). Giữ các mối nối tương ứng gần nhau và cùng gắn vào một khối tản nhiệt chung để chúng ở cùng nhiệt độ. Giữ bề mặt sạch không oxit, và chờ hệ ổn định nhiệt trước khi đo.
Kỹ thuật đảo dòng và offset compensation: ba biến thể
Phòng ngừa không bao giờ đủ. Nên phần còn lại phải khử bằng thuật toán đo. Có ba kỹ thuật, khác nhau ở chỗ chúng giả định gì về nguồn offset.
Đảo dòng (current reversal). Đo hai lần với dòng +I và −I. Phép đo thứ nhất cho VM+ = VEMF + IR. Phép thứ hai cho VM− = VEMF − IR. Lấy hiệu chia đôi thì thành phần VEMF triệt tiêu. Còn lại đúng IR. Điều kiện để kỹ thuật này hiệu quả: VEMF phải gần như không đổi trong suốt hai phép đo. Nghĩa là chu kỳ đo phải nhanh hơn hằng số thời gian nhiệt của mẫu.
Phương pháp delta. Khi nhiệt điện động không đứng yên mà trôi tuyến tính theo thời gian, đảo dòng hai điểm không đủ. Phương pháp delta mở rộng thành chuỗi ba phép đo trượt. Nhờ đó khử được cả thành phần trôi bậc nhất chứ không chỉ thành phần hằng số. Đổi lại, nó đòi hỏi nguồn dòng và vôn kế phải đáp ứng đủ nhanh.
Bù offset (offset compensation). Thay vì đảo cực, kỹ thuật này luân phiên giữa dòng đặt và dòng bằng không. Phép đo khi có dòng cho VM1 = VEMF + IR, Phép đo khi tắt dòng cho VM2 = VEMF. Hiệu hai phép đo là IR. Ưu điểm quyết định: nó không đòi hỏi dòng hai chiều phải đối xứng. Nên đáng tin hơn đảo dòng khi tiếp xúc của nguồn dòng có dấu hiệu phi ôm.
Dấu hiệu nhận biết tiếp xúc phi ôm rất cụ thể: đổi thang đo (kéo theo đổi dòng thử) mà số đọc thay đổi đáng kể chứ không chỉ đổi độ phân giải. Hoặc điện áp compliance lệch rõ giữa hai chiều dòng. Gặp dấu hiệu đó, hãy chuyển sang bù offset và xử lý bề mặt tiếp xúc. Chọn vật liệu tiếp xúc phù hợp như indi hoặc vàng thay vì cố sửa bằng thuật toán.
Chọn dòng thử: giữa nhiễu, tự nung và chế độ dry circuit
Dòng thử lớn cho tín hiệu lớn, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tốt, và làm nhiệt điện động trở nên tương đối nhỏ. Nhưng công suất tiêu tán tăng theo bình phương dòng: P = I²R. Gấp đôi dòng thì gấp bốn công suất, và với mẫu nhỏ hoặc vật liệu nhạy nhiệt, chính phép đo làm thay đổi đại lượng cần đo.
Quy tắc chọn: dùng dòng lớn nhất mà mẫu vẫn chưa nóng lên đáng kể. Cách kiểm chứng thực tế đơn giản — tăng dòng thử theo bậc và quan sát kết quả; khi kết quả bắt đầu trôi theo thời gian sau mỗi lần bật dòng, đó là ngưỡng tự nung. Nếu không giảm được dòng, hãy chuyển sang xung dòng hẹp kèm vôn kế đáp ứng nhanh thay vì dòng một chiều liên tục.
Một trường hợp đặc biệt cần nhớ: tiếp điểm rơ-le, công tắc và đầu nối. Nếu linh kiện sẽ hoạt động ở điều kiện dry circuit. Điện áp hở mạch dưới 20 mV và dòng ngắn mạch dưới 100 mA. Thì phải đo ở chính điều kiện đó. Dòng thử lớn sẽ chọc thủng màng oxit trên bề mặt tiếp điểm. Cho kết quả điện trở thấp hơn thực tế và làm phép đo mất giá trị. Cách xử lý là kẹp điện áp trên mẫu xuống dưới 20 mV. Thường bằng một điện trở shunt chính xác đấu song song ở đầu nguồn.
Triển khai trên SMU: hàm bù điện trở của dòng B2900B
Nguồn-đo SMU thuận tiện cho bài toán này vì nó là nguồn dòng chính xác và vôn kế trong cùng một khung. Với đường force và sense sẵn có trên mặt máy. Trên dòng B2900B, chức năng cần bật có tên R Compen: khi bật, kênh đo hai lần và trả về kết quả đã bù theo công thức
Rcompen = (V2 − V1) / (I2 − I1)
trong đó V1 là kết quả đo ở điều kiện nguồn 0 A và I1 là kết quả đo ở điều kiện nguồn 0 V. Đây chính là bù offset đã mô tả ở trên, hiện thực hoá ở tầng firmware — và nó là công cụ hiệu quả để giảm ảnh hưởng của nhiệt điện động.
Ba thiết lập đi kèm cần đặt đúng cùng lúc:
- Kiểu cảm biến phải đặt sang 4-WIRE. Mặc định của máy là hai dây; bật R Compen mà quên chuyển sang bốn dây thì vẫn còn nguyên sai số điện trở dây.
- Đầu guard. Đầu guard nối với lớp chắn bao quanh dây phía cao của mẫu để giảm dòng rò của dây. Không dùng thì phải để hở — tuyệt đối không nối guard vào bất kỳ ngõ ra, mass khung hay guard khác, vì việc đó làm hỏng máy.
- Thời gian tích phân và số lần lấy trung bình. Đặt bội số của chu kỳ điện lưới để loại nhiễu 50 Hz.
Về cấu hình phần cứng: nguồn-đo SMU Keysight B2902B là bản hai kênh với độ phân giải 100 fA, ra tới 210 V và 3 A một chiều hoặc 10,5 A xung — dải dòng đó cho phép chọn dòng thử rộng rãi khi mẫu chịu được. Khi cần nền nhiễu thấp hơn, nguồn-đo SMU Keysight B2912B nâng độ phân giải nguồn và đo lên 10 fA và 100 nV trên cùng khung ra 210 V, 3 A một chiều, 10,5 A xung.
Với bài toán một kênh, SMU Keysight B2901B là phương án gọn hơn. Cùng nguyên lý bốn dây nhưng áp cho tiếp xúc kim loại–bán dẫn, quy trình đo được trình bày trong bài đo điện trở tiếp xúc bằng cấu trúc TLM; còn khi bài toán chuyển sang đo bằng đồng hồ vạn năng thay vì SMU, số chữ số và chuỗi truy xuất chuẩn mới là yếu tố quyết định — xem bài đồng hồ vạn năng để bàn.
Kết luận
Đo điện trở nhỏ bốn dây là chuỗi bốn quyết định, và bỏ sót bất kỳ khâu nào cũng đủ làm hỏng kết quả: đấu Kelvin đúng thứ tự sense trong force để loại điện trở dây; chọn vật liệu và bố trí nhiệt để giảm nhiệt điện động tại nguồn; bật đảo dòng hoặc bù offset để khử phần còn lại; và chọn dòng thử ở mức cao nhất mà mẫu chưa nóng — trừ tiếp điểm, nơi phải tuân thủ chế độ dry circuit dưới 20 mV. Bảng hệ số Seebeck là công cụ tư duy hữu ích nhất trong cả quy trình: nó cho biết chính xác mối nối nào trong đồ gá đang là kẻ phá hoại.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nguồn-đo SMU, đồng hồ vạn năng và thiết bị đo điện trở chính xác. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn.
