Nelipunktsond

Nelipunktsond on elektroonikas kasutatav mõõteseade, millega määratakse materjali eritakistust. Seade on nime saanud sellest, et mõõtmiseks kasutatakse nelja elektrijuhet või metallteravikku ehk sondi, mis on korraga mõõteobjektiga ühendatud. Nelipunktsond võimaldab takistust täpsemalt määrata kui kahe sondiga oommeeter.

Tööpõhimõte

Kahe välimise sondi vahel tekitatakse alalisvool, mida mõõdetakse ampermeetriga. Kahe sisemise sondi vahel mõõdetakse voltmeetri abil pinge langust. Nende kahe näidu põhjal saab Ohmi seaduse kaudu arvutatda takistuse: $R={\frac {U}{I}}$ .^[1]

Nelipunktsondi eelis oommeetri ees

Tavaline oommeeter mõõdab terve mõõteahela takistust. Seega kajastab tulemus ka näiteks objekti ja oommeetrit ühendavate juhtmete takistust. Tavaolukorras on see väheoluline, kuid täpsete mõõtmiste puhul hakkab parasiittakistus suurt rolli mängima.Nelipunktsond mõõdab voolutugevust ja pinget. Voolutugevus on konstantne terves ahelas. Pingemuutust põhjustab ainult mõõteobjekt. Seega ei kajasta nelipunktsondi tulemus seadmest tulenevat parasiittakistust.^[1]

Takistuse mõõtmine elektroonikas

Elektroonikas kasutatakse mitmesugustel eesmärkidel õhukesi materjalikihte. Nende takistuse määramiseks on sobilik kasutada nelipunktsondi meetodit. Tüüpilises katseseadmes on sondid paigutatud võrdsete vahekaugustega ühele sirgele. Harilikult on sondid volframist ning vedrustatud, et vähendada objektile tekitatavaid mehaanilisi vigastusi. Sondid surutakse mõõteobjekti, lastakse peale vool ja mõõdetakse pinge. Nende põhjal arvutatakse objekti eritakistus ehk objekti suurusest mitte sõltuv takistuse väärtus. Tänu sellele on eritakistuse põhjal võimalik erinevaid materjale võrrelda.^[2]

Näiteks rakendatakse nelipunktsondi päiksepaneelide dopeerivate lisandainete kontsentratsiooni määramiseks, sest madalama lisandainete hulga juures on materjali takistus suurem. Seejuures peab objekt olema pimedas, sest valgus põhjustab paneelis voolu tekke, mis nelipunktsondi tööd segab.^[3] Halli efekti nähtuse abil saab kontsentratsiooni täpsemalt määrata, ent see võib objekti kahjustada.^[4]

Van der Pauw meetod

Nelipunktsond sobib kõige paremini korrapärase kujuga objektide mõõtmiseks. Alternatiivne võimalus on kasutada Van der Pauw meetodit, mille puhul sobivad ka ebakorrapärased kuid homogeensed, ilma aukudeta objektid.^[2] Tänapäevased mõõteseadmed võimaldavad mõõta takistust mõlema meetodiga, kuid erinevate sondidega. Kui nelipunktsond tuleks objektiga kontakti viia selle keskkohas, siis Van der Pauw meetodi puhul ühendatakse neli sondi objekti servades. Sondide vahekaugused ei mängi seejuures rolli. Van der Pauw meetod võimaldab määrata ka dielektrikute takistust, sest maksimaalne mõõdetav takistus jääb 10¹² oomi lähedale.^[5]

Nelipunktsond koduses kasutuses

Kodustes tingimustes saab nelipunktsondi tööpõhimõtet kasutades leida halba kontakti andvaid lüliteid või kaabliühendusi. Vooluahelasse tuleb ühendada alalisvooluallikas ning [multimeetriga] mõõta alalisvoolupinget kummalgi pool lülitit või ühenduskohta. Järgmisena tuleb mõõta samasuguse korralikku ühendust andva elemendi näitu. Suurem pinge tähendab suuremat takistust. Suur takistus aga seda, et kaabel või lüliti võib katki olla. NB! Vahelduvvool peab mõõtmiste ajaks väljas olema.^[1]

Ajalugu

19. sajandil kasutas Lord Kelvin sama põhimõtet, millel baseerub nelipunktsondi töö, et uurida madala takistusega objekte. Seetõttu nimetatakse nelipunktsondiga takistuse mõõtmist sageli ka Kelvini meetodiks.^[6]

Nelipunktsondiga saadud takistuse väärtused on eri mõõtmiste korral võrreldavad ainult juhul kui sondide vahekaugused on fikseeritud. Esimesena tuli praeguseks standardseks saanud ühele sirgele võrdsete vahekaugustega paigutatud sondide skeemiga välja Frank Wenner 1915. aastal. Esimest korda kasutati Wenneri skeemiga nelipunktsondi pooljuhtelektroonika ränialuste uurimiseks 1954. aastal. 1975. aastal määras Ameerika Standardiseerimisühing (ASTM) selle meetodi referentsmõõtmiste jaoks sobilikuks ning see leidis elektroonikatööstuses laiemat kasutust.^[7]

Viited

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 http://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-8/kelvin-resistance-measurement/
↑ ^2,0 ^2,1 "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 25. jaanuar 2016. Vaadatud 11. jaanuaril 2016.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)
↑ http://www.pveducation.org/pvcdrom/characterisation/four-point-probe-resistivity-measurements
↑ http://four-point-probes.com/four-point-probe-theory/
↑ http://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/document/resources/FourProbe%20Resistivity%20W4200AppNote.pdf
↑ http://www.thefamouspeople.com/profiles/lord-kelvin-139.php
↑ I. Miccoli, F. Edler, H.Pfnür, C. Tegenkamp. The 100th anniversary of the four-point probe technique: the role of probe geometries in isotropic and anisotropic systems. J. Phys.: Condens. Matter, 2015; 27 (223201) doi:10.1088/0953-8984/27/22/223201

[Kelvin-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 http://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-8/kelvin-resistance-measurement/

[Heany-2] 2,0 ^2,1 "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 25. jaanuar 2016. Vaadatud 11. jaanuaril 2016.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link)

[3] ttp://www.pveducation.org/pvcdrom/characterisation/four-point-probe-resistivity-measurements

[4] ttp://four-point-probes.com/four-point-probe-theory/

[5] ttp://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/document/resources/FourProbe%20Resistivity%20W4200AppNote.pdf

[6] ttp://www.thefamouspeople.com/profiles/lord-kelvin-139.php

[7] I. Miccoli, F. Edler, H.Pfnür, C. Tegenkamp. The 100th anniversary of the four-point probe technique: the role of probe geometries in isotropic and anisotropic systems. J. Phys.: Condens. Matter, 2015; 27 (223201) doi:10.1088/0953-8984/27/22/223201

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]