專利名稱：一種微電容測(cè)量方法及專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子測(cè)量技術(shù)，具體涉及微電容測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體微電子、材料、生物醫(yī)藥、微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的科學(xué)研究和生產(chǎn)制造 中，廣泛涉及微弱電容的檢測(cè)問(wèn)題。研究開發(fā)微弱電容監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置具有重要的現(xiàn)實(shí) 意義。微電容測(cè)量基本分為三種，即電荷注入法(又稱充放電法)、交流激勵(lì)法、帶平衡 電容的交流激勵(lì)法。圖2是基于電荷注入法的微電容測(cè)量原理圖。圖中E是直流電壓源，Cx為被測(cè) 微電容，Cas、Cbs為測(cè)量回路雜散電容，ZF為反饋?zhàn)杩?，A為前置運(yùn)算放大器，Sp S2 為電子開關(guān)。iSi閉合，S2斷開，電壓源E對(duì)被測(cè)微電容Cx充電，iSi斷開，&閉 合，被測(cè)微電容Cx對(duì)地放電。當(dāng)充放電頻率為F時(shí)，前置運(yùn)算放大器A的輸出為EFZf Cx.電荷注入法的缺點(diǎn)是(1)電容兩端電壓不能突變，被測(cè)電容充放電電流較 大，運(yùn)算放大器因輸出電流能力有限不能保證負(fù)輸入端為虛地，即運(yùn)算放大器不能始終 工作在線性范圍，Cbs的影響不能完全消除；(2)由于電壓源存在一定的內(nèi)阻抗，Cas的 影響不能完全消除；(3)電子開關(guān)的開關(guān)控制信號(hào)通過(guò)電子開關(guān)的寄生電容對(duì)被測(cè)電容 引起附加的注入電荷；(4)被測(cè)電容容量較大時(shí)電壓源不能穩(wěn)定；(5)反饋?zhàn)杩谷绻?電容，則檢測(cè)精度受到電容精度和激勵(lì)頻率的影響。圖3是基于交流激勵(lì)法微電容測(cè)量原理圖。圖中E是交流電壓源，Cx為被測(cè)微 電容，Cas、Cbs為測(cè)量回路雜散電容，ZF為反饋?zhàn)杩?，A為前置運(yùn)算放大器。設(shè)交流 電壓源的角頻率為《，則前置運(yùn)算放大器A的輸出為E ZfCx。交流激勵(lì)法的缺點(diǎn)是(1)電容兩端電壓不能突變，被測(cè)電容充放電電流較 大，運(yùn)算放大器因輸出電流能力有限不能保證負(fù)輸入端為虛地，即運(yùn)算放大器不能始終 工作在線性范圍，Cbs的影響不能完全消除；(2)由于電壓源存在一定的內(nèi)阻抗，Cas的 影響不能完全消除；(3)被測(cè)電容容量較大時(shí)電壓源不能穩(wěn)定；(4)反饋?zhàn)杩谷绻须?容，則檢測(cè)精度受到電容精度和激勵(lì)精度的影響。圖4是基于帶平衡電容的交流激勵(lì)法微電容測(cè)量原理圖。圖中E是交流電壓源， M為具反相功能的乘法器，Cx為被測(cè)微電容，Cb為平衡電容，Cas、Cbs為測(cè)量回路雜 散電容，ZF為反饋?zhàn)杩梗珹為放大器，PU為檢測(cè)處理器。PU檢測(cè)處理器檢測(cè)放大器A 的輸出，并根據(jù)放大器A的輸出調(diào)節(jié)乘法器M的乘積系數(shù)，使得放大器A的輸出為零。 設(shè)當(dāng)放大器A的輸出為零時(shí)，乘法器M的乘積系數(shù)為y，則有Cx= PCb。帶平衡電容的交流激勵(lì)法的缺點(diǎn)是(1)電容兩端電壓不能突變，被測(cè)電容充 放電電流較大，運(yùn)算放大器因輸出電流能力有限不能保證負(fù)輸入端為虛地，即運(yùn)算放大 器不能始終工作在線性范圍，Cbs的影響不能完全消除；(2)由于電壓源存在一定的內(nèi)阻 抗，Cas的影響不能完全消除；(3)被測(cè)電容容量較大時(shí)電壓源不能穩(wěn)定；(4)反饋?zhàn)杩谷绻须娙荩瑒t檢測(cè)精度受到電容精度和激勵(lì)精度頻率的影響；(5)需要高精度和高 穩(wěn)定度的平衡電容。專利“微電容參與測(cè)量電路’(申請(qǐng)?zhí)?00810040836.9)提出了一種基于參比電 容的微電容測(cè)量方法，參比電容的精度和穩(wěn)定度限制了微電容測(cè)量的精度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有微電容測(cè)量方法存在的缺陷，為了消除這些缺陷，本發(fā)明提供一 種微電容測(cè)量方法和專用裝置，使微電容測(cè)量的精度和分辨率進(jìn)一步提高。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的設(shè)置正弦波電壓激勵(lì)源E、限流電阻R、前置運(yùn)算放大器Ap反饋電阻民、電 壓跟隨器A2、放大單元A、參考信號(hào)發(fā)生器G、乘法器、低通濾波器、選擇開關(guān)S、檢測(cè) 處理單元PU。正弦波電壓激勵(lì)源E的輸出經(jīng)限流電阻R與被測(cè)電容Cx —端相連，被測(cè)電容Cx 另一端與前置運(yùn)算放大器、的反相端相連，前置運(yùn)算放大器\的同相端接地，前置運(yùn)算 放大器\的反饋電阻為民，電壓跟隨器A2的同相端與限流電阻R與被測(cè)電容Cx相連， 前置運(yùn)算放大器、輸出與選擇開關(guān)S —個(gè)輸入端相連，電壓跟隨器A2輸出與選擇開關(guān)S 另一個(gè)輸入端相連，放大單元A的輸入與選擇開關(guān)S輸出端相連，放大單元A的輸出與 乘法器M的一個(gè)輸入，乘法器M的另一個(gè)輸入與參考信號(hào)發(fā)生器G相連，乘法器M的 輸出經(jīng)低通濾波器L與檢測(cè)處理單元PU相連。參考信號(hào)發(fā)生器G產(chǎn)生的兩個(gè)與正弦波 電壓激勵(lì)源E同頻率的參考信號(hào)，并且該兩個(gè)參考信號(hào)相位相差90°。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)由于限流電阻R的作用，充放電電流小于運(yùn)算放大器最大允許輸出電流及正 弦波電壓激勵(lì)源的最大允許輸出電流，避免了采用現(xiàn)有技術(shù)時(shí)電容負(fù)載對(duì)運(yùn)算放大器和 激勵(lì)源的影響(2)能夠有效消除測(cè)量回路雜散電容的影響；(3)不存在電荷注入法中電子開關(guān)附加注入電荷引起的誤差；(4)輸入測(cè)量回路結(jié)構(gòu)在測(cè)量過(guò)程沒(méi)有改變，不會(huì)引起傳輸路經(jīng)變化帶來(lái)的誤 差；(5)不需要平衡電容或參與電容，不存在由此引起的精度和穩(wěn)定度問(wèn)題。(6)前置運(yùn)算放大器采用電阻反饋，電阻的穩(wěn)定性比反饋電容的穩(wěn)定性更好，精 度更容易保證。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明；圖1為本發(fā)明的微電容測(cè)量原理2為背景技術(shù)中基于電荷注入法的微電容測(cè)量原理圖；圖3為背景技術(shù)中基于交流激勵(lì)法微電容測(cè)量原理4為背景技術(shù)中基于帶平衡電容的交流激勵(lì)法微電容測(cè)量原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明的原理如下圖1是基于微電容比率測(cè)量法原理圖，圖中，E為正弦波激勵(lì)電壓源，R為限 流電阻，、為前置運(yùn)算放大器，艮為前置運(yùn)算放大器的反饋電阻，入為電壓跟隨器，A 為放大單元，G為參考信號(hào)發(fā)生器，M為乘法器，L為低通濾波器，S為選擇開關(guān)，PU 為檢測(cè)處理單元。參考信號(hào)發(fā)生器G產(chǎn)生的兩個(gè)與正弦波電壓激勵(lì)源E同頻率的參考信 號(hào)，并且該兩個(gè)參考信號(hào)相位相差90°。設(shè)正弦波激勵(lì)電壓源E的產(chǎn)生的正弦波電壓為us = Us sin(wt+β )(1)式中《、US、3分別正弦波激勵(lì)電壓源E的角頻率，幅值、相位。被測(cè)電容 Cx兩端電壓記為
Ua=UaSin( CO\+(p)(2)式中Ua、p分別為被測(cè)電容Cx兩端電壓的幅值、相位。流過(guò)被測(cè)電容Cx的電
流瞬時(shí)值為
\a=UaCx wCOS ( w 屮)(3)流過(guò)被測(cè)電容Cx的電流幅值為Ia = UaCx “(4)參考信號(hào)發(fā)生器G產(chǎn)生的參考信號(hào)中基波為Usr = Ursin ( t+ a + 旦)(5)或?yàn)閁cr = Urcos ( t+ a + 旦)(6)式(5)、(6)認(rèn)中為參考信號(hào)中基波的幅值。當(dāng)選則開關(guān)S接通前置運(yùn)算放大器、輸出，放大倍數(shù)為K的放大單元A輸出
為
權(quán)利要求
1.一種微電容測(cè)量方法，其特征是設(shè)置正弦波電壓激勵(lì)源、限流電阻、前置運(yùn)算 放大器、反饋電阻、電壓跟隨器、放大單元、參考信號(hào)發(fā)生器、乘法器、低通濾波器、 選擇開關(guān)、檢測(cè)處理單元；正弦波電壓激勵(lì)源串聯(lián)一個(gè)限流電阻施加到被測(cè)電容一端，被測(cè)電容的另一端連到 前置運(yùn)算放大器的反相端相連，將流過(guò)被測(cè)電容的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)； 電壓跟隨器對(duì)被測(cè)電容兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行緩沖； 選擇開關(guān)用來(lái)選擇對(duì)前置運(yùn)輸放大器輸出或電壓跟隨器輸出進(jìn)行放大； 參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生參考信號(hào)；乘法器實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)與經(jīng)放大后的前置運(yùn)算放大器的輸出或電壓跟隨器的輸出信號(hào) 相乘；低通濾波器對(duì)乘法器的輸出進(jìn)行低通濾波；檢測(cè)處理單元設(shè)定正弦波激勵(lì)電壓源的頻率、幅值，及參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生參考信 號(hào)的頻率和相位，產(chǎn)生選擇開關(guān)的選擇信號(hào)，檢測(cè)低通濾波器的輸出，并計(jì)算被測(cè)電容 的電容值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電容測(cè)量方法，其特征是參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生與正弦 波激勵(lì)電壓源同頻率的參考信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電容測(cè)量方法，其特征是所述參考信號(hào)的相位為Y或[晉土 Y]或-[昏土 Y]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的微電容測(cè)量方法，其特征是所述前置運(yùn)輸放大器 采用電阻反饋，將流過(guò)被測(cè)電容的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的微電容測(cè)量方法，其特征是所述前置運(yùn)輸放大器 的同相端接信號(hào)地。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的微電容測(cè)量方法，其特征是電壓跟隨器的同相輸 入端與所述限流電阻和被測(cè)電容的聯(lián)接點(diǎn)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的微電容測(cè)量方法，其特征是在正弦波激勵(lì)電壓源 激勵(lì)下，檢測(cè)流過(guò)被測(cè)電容的電流信號(hào)和被測(cè)電容兩端的電壓信號(hào)，得到被測(cè)電容的電容值。
8.—種微電容測(cè)量裝置，其特征是正弦波電壓激勵(lì)源的輸出經(jīng)限流電阻與被測(cè)電 容一端相連，被測(cè)電容另一端與前置運(yùn)算放大器的反相端相連，前置運(yùn)算放大器的同相 端接地，前置運(yùn)算放大器的反饋電阻為，電壓跟隨器的同相端與限流電阻與被測(cè)電容相 連，前置運(yùn)算放大器輸出與選擇開關(guān)一個(gè)輸入端相連，電壓跟隨器輸出與選擇開關(guān)一個(gè) 輸入端相連，放大單元的輸入與選擇開關(guān)輸出端相連，放大單元的輸出與乘法器的一個(gè) 輸入，乘法器的另一個(gè)輸入與參考信號(hào)發(fā)生器相連，乘法器的輸出經(jīng)低通濾波器與檢測(cè) 處理單元相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微電容測(cè)量裝置，其特征是參考信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩個(gè) 與正弦波電壓激勵(lì)源同頻率的參考信號(hào)，并且該兩個(gè)參考信號(hào)相位相差90°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微電容測(cè)量方法和專用裝置，設(shè)置正弦波電壓激勵(lì)源、限流電阻、前置運(yùn)算放大器、反饋電阻、電壓跟隨器、放大單元、參考信號(hào)發(fā)生器、乘法器、低通濾波器、選擇開關(guān)、檢測(cè)處理單元。本發(fā)明微電容測(cè)量的精度和分辨率高。
文檔編號(hào)G01R27/26GK102012464SQ201010500688
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者季振明, 彭建學(xué) 申請(qǐng)人:季振明, 彭建學(xué)