www.ed-china.com
电容-电压测量技术,技巧与陷阱(下)
作者:Lee Stauffer 高级工程师 吉时利仪器公司
刊登在上一期的《电容-电压(C-V)测量技术与技巧(上)》,讨论了如何针对特定 的应用选择最合适类型的 C-V 测量仪器,并探讨某些 C-V 测试的典型功能和参 数提取限制,连接探针台以及校正探针尖的技巧.这里将探讨识别和校正典型 C-V 测试误差的方法. 常见 C-V 测量误差 偏移和增益误差(如图 7 所示)是 C-V 测量中最常见的误差. 轴以对数标度的方 X 式给出了电容的真实值,大小范围从皮法到纳法.Y 轴表示系统实际测量的值, 包含测量误差.如果测量系统是理想的,那么所测出的值将与真实值完全匹配, 可以画成一条具有 45 度角的直线,如图 7 中黑色的线所示.实际上,增益和偏 移误差(蓝线和红线)总会存在因此必须进行校正.
图 7. 电容测量中的增益和偏移误差
由于坐标轴是对数形式的, 所以蓝线所示的偏移误差就表示小电容上的小误差以 及大电容上的大误差.由于偏移误差变化大,校正这种误差必须注意两个方面. 当测量很小的电容(<10pF),即大阻抗时,最好的校正方法是"开路校正".当测 量较大的电容(高达 10nF),即小阻抗时,最好采用"短路校正".
www.ed-china.com
www.ed-china.com
图 7 中还给出了增益误差, 以红线所示. 增益误差的变化取决于所测电容的大小, 它们相比偏移误差更难以校正."负载校正"是校正增益误差的一种方法.进行负 载校正时需要连接一个已知的标准负载壁并测量它, 然后计算比值使得测量的值 与已知的负载相匹配.负载校正的局限性在于,当负载大小接近于待测器件时, 它的效果最好.例如,如果想测量 10MHz 下的一个 5pF 电容,这表示负载约为 3 千欧姆,那么校正这一测量就需要找到 3 千欧姆的标准负载.如果待测器件的 尺寸变化很大(通常就是如此),这样做就不切实际了,因此负载校正方法实际上 不适用于一般的实验室应用.
图 8:交流阻抗测试系统的简化模型,
开路, 短路和负载校正实际上是在干什么 图 8 给出了一个交流阻抗测试系统的 简化模型,其中添加了集总元件表示开路,短路和负载误差项.测量系统的所有 组成部分——所有线缆,所有探针和所有卡盘——已集总在一起,表示为 Z 开 路(开路阻抗误差),Z 短路(短路电路阻抗误差)和 Z 负载(负载校正组件).在这个 测试系统上进行校正的第一步是在探针之间形成短路, 通常做法是将两个探针头 放在同一个接触点(pad)上,然后用电容计测量电容值,并将其保存为剩余短路 阻抗.第二步是抬起探针,使其保持在接近测量实际器件时应有的方向,然后电 容计测量电容值,将其保存为剩余开路阻抗.如果需要,可以在探针之间加一个 已知的阻抗负载,用电容计测量其值,将其保存为负载校正.下面的公式用于在 测量中应用这些校正.
Zfinal 1
Zm LoadRatio Zs
1
1 Zo
www.ed-china.com
www.ed-china.com
其中,Zfinal 为最终经过校正的测量阻抗,Zm 为测得的阻抗,Load ratio 为测得 的负载校正,Zs 为测得的短路校正,Zo 为测得的开路校正. Zfinal 是根据这一公式应用这些校正所得到的最终结果.如果校正值关闭,它就 会进入缺省状态,使其对这一公式不可见.值得注意的是,如果这些校正实现的 不正确,它们将使得最终的测量值不如完全不进行校正那样正确.幸运的是,为 提高易用性, 当前大多数交流阻抗表都已内置了开路,短路和负载校正以及相应 的计算公式. 线缆长度补偿是一种经常被忽视的校正技术. 它是针对仪器厂商提供的某些特殊 线缆进行相位偏移校正的. 交流信号沿着线缆传输需要一定的时间,其在测量结 果上产生的相位偏移正比于线缆长度和传输延迟.请注意,交流阻抗表测量的实 际上是阻抗和相位,因此线缆导致的任何相位偏移都表现为测量中的直接误差. 大多数交流阻抗表都支持对一组预定的线缆长度选择补偿,比如 0 米,1.5 米或 3 米. 随着测试频率的增大, 测量对相位误差越来越敏感, C-V 尤其是当频率高于 1MHz 时.不同的开关矩阵,探针台线缆和探针都具有不同的路径长度,我们必须考虑 这一因素并进行校正. 不同的线缆还具有不同的传输延迟,因此有不同的相位误 差. 随便选择现有的同轴线缆不是明智之举,因为它可能与厂商电容计预定的传 输延迟不匹配.幸运的是,某些新型的 C-V 表,例如吉时利的 4210-CVU,能测 量并调节相位误差,针对不同的线缆系统和不同的路径长度进行补偿. 某些探针台的卡盘本身带有很长的连接探针台的线缆, 它们可能与连接机械手的 线缆类型不匹配,这会给基于卡盘的测量带来问题.如果可能,解决办法是采用 双顶面接触. 如果不可行, 就要尽量使得连接卡盘的线缆与连接机械手的线缆相 互匹配.大多数交流阻抗表最好采用带一组开氏线缆的,一条用于加力,一条用 于检测,但有时候在系统中同时采用两种线缆是不切实际的.这时,可以用 T 型连接方式把开氏引线连接在一起,只用一条线连接器件.这种方式会带来增益 误差,尤其是对大电容. 卡盘本身就是一个非常沉重,复杂的负载,会影响测量精度.将交流阻抗表的交 流激励端(通常称为高电流端)与卡盘相连,将电流探测端(通常称为低电流端)与 机械手相连,可以得到最好的结果. 不同的线缆类型和线缆阻抗也会带来问题, 例如某些 C-V 表是 100 欧姆的系统, 而某些 C-V 表是 50 欧姆的系统.通常我们最好选用交流电表厂商推荐的线缆. 开关矩阵会产生很长的, 有时候甚至是无法控制的阻抗路径.降低测试频率一般 可以改善基于开关矩阵的测量效果.探针会增大与测量串联的接触电阻,可以采

下一页