Politechnika Śląska

Wydział Elektryczny

Kierunek Mechatronika

Sprawozdanie z laboratorium nauki o materiałach

Temat: Wyznaczenie grubości cienkich warstw metalicznych metodą elektryczną

Grupa 1 sekcja 3

Szymon Kafel

Rafał Szot

Gliwice 15.11.2011

1)Wprowadzenie teoretyczne:

1.1.Rezystancja :

jest miarą oporu, z jakim element przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R.Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (1 Ω).

Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens.

Dla większości materiałów ich rezystancja nie zależy od wielkości przepływającego prądu lub wielkości przyłożonego napięcia. Prąd i napięcie są wtedy do siebie proporcjonalne, a współczynnik propocjonalności to właśnie rezystancja. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma.

Miarą oporu, z jaką dany materiał przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego, jest rezystywność. Jeżeli znamy wymiary geometryczne elementu i rezystywność materiału, z jakiego został wykonany, to jego rezystancję obliczamy następująco:

gdzie:

R – rezystancja (opór),

S – pole przekroju poprzecznego elementu,

l – długość badanego elementu

Powyższy wzór po przekształceniach pozwala na określenie grubości warstwy poprzez

pomiar jej rezystancji na danym odcinku o długości l.

1.2.Rezystywność :

(rezystancja właściwa) to miara oporu z jakim materiał przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Rezystywność jest zazwyczaj oznaczana jako ρ. Jednostką rezystywności w układzie SI jest om*metr (1 Ωm).

Odwrotność rezystywności to konduktywność.

Rezystywność materiału wyznaczyć można znając wymiary geometryczne i rezystancję jednorodnego bloku danego materiału:

1.3.Prąd elektryczny :

Prąd elektryczny – uporządkowany (skierowany) ruch ładunków elektrycznych. W naturze przykładami są wyładowania atmosferyczne, wiatr słoneczny, czy czynność komórek nerwowych, którym również towarzyszy przepływ prądu. W technice obwody prądu elektrycznego są masowo wykorzystywane w elektrotechnice i elektronice.

1.4.Napięcie elektryczne :

Aby ładunek elektryczny mógł się przemieścić to pole musi wykonać pracę, którą można obliczyć ze wzoru: W=Fs. Wykonana praca będzie tym większa, im silniejsze jest pole i im większy ładunek. Napięciem elektrycznym nazywamy wykonaną pracę podzieloną przez wartość ładunku. Napięcie elektryczne oznaczamy literą U. Napięcie mierzymy za pomocą woltomierza.

Miarą napięcia elektrycznego jest stosunek wartości pracy wykonanej przez to pole przy przesunięciu ładunku między dwoma jego punktami A i B do wartości ładunku.

2)Przebieg ćwiczenia:

Upewniamy się że urządzenie jest wyłączone i że ostrze pomiarowe jest podniesione.

Następnie umieszczamy płytkę pokrytą warstwą metaliczną w uchwycie przyrządu.

Podłączamy amperomierz i woltomierz do odpowiednich wyjść układu oraz włączamy

zasilanie. Kolejnie ustawiamy sondę w pozycji 10 mm i zbliżamy pin do pozycji 25 mm.

Ustawiamy natężenie prądu na kolejne poziomy i odczytujemy wartości prądu i napięcia.

Opuszczamy ostrze pomiarowe i dokonujemy kolejnego pomiaru. Pomiary wykonujemy do

osiągnięcia odległości 50 mm co 1mm, a następnie wykonujemy pomiary w kierunku przeciwnym. Na koniec zmieniamy badaną próbkę i dokonujemy ponownie serii pomiarów.

3)Analiza pomiarów:

Tabela rezystywności niektórych materiałów (w temp. 20 stopni):

Odczytujemy oporność właściwą(rezystywność) miedzi, która wynosi: 1,7*10^-8[m] = 1,7*10^-11[mm]

Tabela pomiarowa nr I dla I płytki (85,1mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Gdzie a i b – współczynniki regresji liniowej.

Grubości warstw wyliczamy ze wzoru:

Gdzie:

gr- grubość warstwy

a- współczynnik a z regresji liniowej

sz- szerokość rowka

r- rezystywność

Grubość warstwy dla pomiaru I wynosi: 4,25*10^-6 [mm]

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru I wynosi: 2,61*10^-8

Tabela pomiarowa nr II dla I płytki (85,1mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Grubość warstwy dla pomiaru II wynosi : 4,28*10^-6

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru II wynosi: 2,63*10^-8

Tabela pomiarowa nr III dla I płytki (100,4mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Grubość warstwy dla pomiaru III wynosi : 4,09*10^-6

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru III wynosi: 2,62*10^-8

Tabela pomiarowa nr IV dla I płytki (100,4mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Grubość warstwy dla pomiaru IV wynosi : 4,09*10^-6

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru IV wynosi: 2,62*10^-8

Tabela pomiarowa nr I dla II płytki (90,1mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Grubość warstwy dla pomiaru I wynosi : 9,08*10^-6

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru I wynosi: 6,02*10^-8

Tabela pomiarowa nr II dla II płytki (90,1mA, szerokość rowka 4mm)

Wykres zależności oporu od długości przewodnika dla powyższych danych zawartych w tabeli.

Grubość warstwy dla pomiaru I wynosi : 9,78*10^-6

Niepewność grubości warstwy dla pomiaru I wynosi: 6,13*10^-8

4)Wnioski:

Doświadczenie to pozwoliło wyznaczyć wartość grubości cienkich warstw metalicznych

metodą elektryczną. Na podstawie pomiarów wnioskujemy że wraz ze wzrostem długości

przewodnika rośnie wartość oporu.