Los científicos e ingenieros a menudo tienden a dar por sentado el proceso de medir la resistencia. Simplemente conecte los cables de prueba a un multímetro digital (DMM), ajuste la función a resistencia y mida, ¿verdad? Esto es cierto para la mayoría de las mediciones de resistencia, pero la caracterización de resistencias por debajo de los 10 ohmios o por encima de los megaohmios suele ser muy compleja.
prólogo
Los científicos e ingenieros a menudo tienden a dar por sentado el proceso de medir la resistencia. Simplemente conecte los cables de prueba a un multímetro digital (DMM), ajuste la función a resistencia y mida, ¿verdad? Esto es cierto para la mayoría de las mediciones de resistencia, pero la caracterización de resistencias por debajo de los 10 ohmios o por encima de los megaohmios suele ser muy compleja.
Para comprender por qué es importante no dar por sentadas las mediciones de resistencia, el físico y matemático Georg Simon Ohm descubrió la relación entre la longitud del cable y la fuerza electromagnética en su experimento “Circuitos hidroeléctricos”. Repasemos lo que hemos hecho para comprender. Establezca la ley de Ohm.
En 1825, Ohm publicó un artículo titulado “Vorlaufige Anziege des Gesetzes, nach welchem Metalle die Contractelectricitat leiten” o “Publicación preliminar de la Ley de los Metales en Contacto con la Electricidad”. El propósito de su experimento era determinar la relación entre la reducción de la fuerza electromagnética que rodea un cable que transporta una corriente eléctrica y la longitud del cable. En sus experimentos, agregó cables cada vez más largos al circuito. El artículo original de Ohm no incluía ilustraciones, pero la Figura 1 muestra la configuración experimental que describió.
Los cables A, B y C, los “conductores constantes”, tenían un grosor de 0,104 pulgadas y una longitud total de 4 pies. Un “conductor variable” completó el circuito. Para medir los conductores uno por uno, coloco un extremo del conductor en la copa N y el otro extremo en la copa O. Ohm suspendió una aguja magnetizada sobre el conductor C para medir la fuerza magnética de la corriente. Es uno de los primeros ejemplos de equilibrio torsional de Coulomb en su enfoque. Colgaba de un elemento de torsión de cinta con una perilla en la parte superior y estaba graduado en 100 partes. Ohm asumió correctamente que la fuerza del campo magnético que rodea un conductor es directamente proporcional a la corriente que fluye a través del cable.
Una sola celda química con electrodos de zinc y cobre en un canal de 13 pulgadas de alto y 16 pulgadas de largo proporcionó la fuerza electromotriz requerida. El electrolito era ácido sulfúrico diluido (referencia 1).
La configuración experimental de Ohm era primitiva en comparación con las técnicas de medición de resistencia actualmente disponibles y desconocía muchas de las fuentes de error de medición que pueden afectar la integridad de las mediciones de resistencia de bajo nivel actuales. En ese momento, las principales fuentes de error de medición que preocupaban a Ohm estaban relacionadas con la calidad del alambre y su metalurgia. Por ejemplo, más tarde se descubrió que pequeñas impurezas en las interconexiones de cobre utilizadas reducían significativamente la conductividad.
Hoy en día, es importante conocer las posibles fuentes de error, como la deriva y el voltaje termoeléctrico, la resistencia de contacto, el calentamiento del dispositivo, la resistencia de los conductores y las fugas. Estas fuentes de error son de particular importancia tanto en el extremo inferior como en el superior de la envolvente de la prueba de resistencia.
Medición de micro-ohmios a ohmios
La caracterización de dispositivos a nanoescala, como el que se muestra en la Figura 2, requiere la capacidad de medir resistencias muy bajas con alta precisión.
Para medir resistencias por debajo de 1 ohm, la técnica más utilizada es generar una corriente y medir el voltaje resultante.
El método de dos hilos, que se muestra en la Figura 3, se usa comúnmente para medir la resistencia. Se fuerza una corriente de prueba a través de los cables de prueba y se mide la resistencia (R). Luego, el medidor mide el voltaje a través de la resistencia a través del mismo conjunto de cables de prueba y calcula el valor de la resistencia en consecuencia.
Sin embargo, para mediciones de baja resistencia, el método de 2 hilos tiene algunos problemas porque la resistencia total del conductor (RLEAD) se suma a la medición. Suponiendo que la corriente de prueba (I) provoque una caída de voltaje pequeña pero significativa en la resistencia del cable, la tensión (VM) medida por el instrumento es exactamente la tensión (VR) en la resistencia de prueba (R). , lo que puede dar lugar a bastantes errores. Las resistencias típicas de los cables oscilan entre 1 miliohmio y 1-2 ohmios. Si intenta medir resistencias inferiores a estos valores, la resistencia deseada será completamente superada por la resistencia del cable. De hecho, la resistencia del plomo es la principal fuente de error. Incluso si la resistencia que se está probando cae en el rango de 10 a 100 ohmios, las mediciones de 2 hilos aún pueden producir lecturas inexactas según el nivel de resistencia del cable involucrado.
Debido a las limitaciones del método de 2 hilos, generalmente se prefiere el método de conexión de 4 hilos (Kelvin) que se muestra en la Figura 4 para mediciones de baja resistencia. Para estas mediciones se puede utilizar un DMM, un microohmímetro u otra fuente de corriente y un voltímetro.
En esta configuración, la corriente de prueba (I) fluye a través de un juego de cables de prueba hacia la resistencia de prueba (R), y el voltaje (VM) a través del dispositivo bajo prueba se mide a través de un segundo juego de cables, llamados cables de detección. Una pequeña cantidad de corriente puede fluir a través de los cables de detección, pero generalmente es insignificante y puede ignorarse. Dado que la caída de voltaje en los cables de detección es insignificante, el voltaje (VM) medido por el medidor es esencialmente el mismo que el voltaje (VR) en la resistencia (R). Por lo tanto, los valores de resistencia se pueden determinar con mucha más precisión que con el método de dos hilos. Los cables de detección de voltaje deben conectarse lo más cerca posible de la resistencia bajo prueba para que la resistencia de los cables de prueba no se incluya en la medición.
La siguiente parte de esta serie discutirá las diferencias y los resultados de las pruebas obtenidas al realizar mediciones de resistencia de 2 y 4 cables en placas de circuitos electrónicos impresos utilizando tinta electrónica.
Referencias
1. Joseph F. Keithley, La historia de las medidas eléctricas y magnéticas: desde el 500 a. C. hasta la década de 1940, IEEE Press, 1999, pág.