CN102012464A - 一种微电容测量方法及专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电容测量方法和专用装置，设置正弦波电压激励源、限流电阻、前置运算放大器、反馈电阻、电压跟随器、放大单元、参考信号发生器、乘法器、低通滤波器、选择开关、检测处理单元。本发明微电容测量的精度和分辨率高。

Description

一种微电容测量方法及专用装置

技术领域

本发明涉及电子测量技术，具体涉及微电容测量方法。

背景技术

在半导体微电子、材料、生物医药、微机电系统领域的科学研究和生产制造中，广泛涉及微弱电容的检测问题。研究开发微弱电容监测技术和装置具有重要的现实意义。微电容测量基本分为三种，即电荷注入法(又称充放电法)、交流激励法、带平衡电容的交流激励法。

图2是基于电荷注入法的微电容测量原理图。图中E是直流电压源，Cx为被测微电容，Cas、Cbs为测量回路杂散电容，Z_F为反馈阻抗，A为前置运算放大器，S₁、S₂为电子开关。当S₁闭合，S₂断开，电压源E对被测微电容Cx充电，当S₁断开，S₂闭合，被测微电容Cx对地放电。当充放电频率为F时，前置运算放大器A的输出为EFZ_F Cx.

电荷注入法的缺点是：(1)电容两端电压不能突变，被测电容充放电电流较大，运算放大器因输出电流能力有限不能保证负输入端为虚地，即运算放大器不能始终工作在线性范围，Cbs的影响不能完全消除；(2)由于电压源存在一定的内阻抗，Cas的影响不能完全消除；(3)电子开关的开关控制信号通过电子开关的寄生电容对被测电容引起附加的注入电荷；(4)被测电容容量较大时电压源不能稳定；(5)反馈阻抗如果含有电容，则检测精度受到电容精度和激励频率的影响。

图3是基于交流激励法微电容测量原理图。图中E是交流电压源，Cx为被测微电容，Cas、Cbs为测量回路杂散电容，Z_F为反馈阻抗，A为前置运算放大器。设交流电压源的角频率为ω，则前置运算放大器A的输出为EωZ_FCx。

交流激励法的缺点是：(1)电容两端电压不能突变，被测电容充放电电流较大，运算放大器因输出电流能力有限不能保证负输入端为虚地，即运算放大器不能始终工作在线性范围，Cbs的影响不能完全消除；(2)由于电压源存在一定的内阻抗，Cas的影响不能完全消除；(3)被测电容容量较大时电压源不能稳定；(4)反馈阻抗如果含有电容，则检测精度受到电容精度和激励精度的影响。

图4是基于带平衡电容的交流激励法微电容测量原理图。图中E是交流电压源，M为具反相功能的乘法器，Cx为被测微电容，Cb为平衡电容，Cas、Cbs为测量回路杂散电容，Z_F为反馈阻抗，A为放大器，PU为检测处理器。PU检测处理器检测放大器A的输出，并根据放大器A的输出调节乘法器M的乘积系数，使得放大器A的输出为零。设当放大器A的输出为零时，乘法器M的乘积系数为μ，则有Cx＝μCb。

带平衡电容的交流激励法的缺点是：(1)电容两端电压不能突变，被测电容充放电电流较大，运算放大器因输出电流能力有限不能保证负输入端为虚地，即运算放大器不能始终工作在线性范围，Cbs的影响不能完全消除；(2)由于电压源存在一定的内阻抗，Cas的影响不能完全消除；(3)被测电容容量较大时电压源不能稳定；(4)反馈阻抗如果含有电容，则检测精度受到电容精度和激励精度频率的影响；(5)需要高精度和高稳定度的平衡电容。

专利“微电容参与测量电路’(申请号200810040836.9)提出了一种基于参比电容的微电容测量方法，参比电容的精度和稳定度限制了微电容测量的精度。

发明内容

鉴于上述现有微电容测量方法存在的缺陷，为了消除这些缺陷，本发明提供一种微电容测量方法和专用装置，使微电容测量的精度和分辨率进一步提高。

本发明的技术方案是这样的：

设置正弦波电压激励源E、限流电阻R、前置运算放大器A₁、反馈电阻R₁、电压跟随器A₂、放大单元A、参考信号发生器G、乘法器、低通滤波器、选择开关S、检测处理单元PU。

正弦波电压激励源E的输出经限流电阻R与被测电容Cx一端相连，被测电容Cx另一端与前置运算放大器A₁的反相端相连，前置运算放大器A₁的同相端接地，前置运算放大器A₁的反馈电阻为R₁，电压跟随器A₂的同相端与限流电阻R与被测电容Cx相连，前置运算放大器A₁输出与选择开关S一个输入端相连，电压跟随器A₂输出与选择开关S另一个输入端相连，放大单元A的输入与选择开关S输出端相连，放大单元A的输出与乘法器M的一个输入，乘法器M的另一个输入与参考信号发生器G相连，乘法器M的输出经低通滤波器L与检测处理单元PU相连。参考信号发生器G产生的两个与正弦波电压激励源E同频率的参考信号，并且该两个参考信号相位相差90°。

本发明的优点在于：

(1)由于限流电阻R的作用，充放电电流小于运算放大器最大允许输出电流及正弦波电压激励源的最大允许输出电流，避免了采用现有技术时电容负载对运算放大器和激励源的影响：

(2)能够有效消除测量回路杂散电容的影响；

(3)不存在电荷注入法中电子开关附加注入电荷引起的误差；

(4)输入测量回路结构在测量过程没有改变，不会引起传输路经变化带来的误差；

(5)不需要平衡电容或参与电容，不存在由此引起的精度和稳定度问题。

(6)前置运算放大器采用电阻反馈，电阻的稳定性比反馈电容的稳定性更好，精度更容易保证。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的微电容测量原理图

图2为背景技术中基于电荷注入法的微电容测量原理图；

图3为背景技术中基于交流激励法微电容测量原理图

图4为背景技术中基于带平衡电容的交流激励法微电容测量原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的原理如下：

图1是基于微电容比率测量法原理图，图中，E为正弦波激励电压源，R为限流电阻，A₁为前置运算放大器，R₁为前置运算放大器的反馈电阻，A₂为电压跟随器，A为放大单元，G为参考信号发生器，M为乘法器，L为低通滤波器，S为选择开关，PU为检测处理单元。参考信号发生器G产生的两个与正弦波电压激励源E同频率的参考信号，并且该两个参考信号相位相差90°。

设正弦波激励电压源E的产生的正弦波电压为

u_s＝U_s sin(ωt+β)                            (1)

式中ω、U_s、β分别正弦波激励电压源E的角频率，幅值、相位。被测电容Cx两端电压记为

式中U_a、

分别为被测电容Cx两端电压的幅值、相位。流过被测电容Cx的电流瞬时值为

流过被测电容Cx的电流幅值为

I_a＝U_aC_xω                        (4)

参考信号发生器G产生的参考信号中基波为

u_sr＝U_rsin(ωt+α+β)            (5)

或为

u_cr＝U_rcos(ωt+α+β)            (6)

式(5)、(6)U_r中为参考信号中基波的幅值。

当选则开关S接通前置运算放大器A₁输出，放大倍数为K的放大单元A输出为：

当选泽开关S接通前置运算放大器A₁输出，且当参考信号发生器G产生的信号为(α+β)时，由于噪声和直流误差与参考信号一般互不相关，只有参考信号的基波信号与被测信号互相关，低通滤波器L输出绝对值为：

当选泽开关S接通前置运算放大器A₁输出，且当参考信号发生器G产生的信号的相位为或

时，由于噪声和直流误差与参考信号一般互不相关，只有参考信号的基波信号与被测信号互相关，低通滤波器L输出绝对值为：

则：

$M_1={({X_1}^2+{Y_1}^2)}^{1/2}=\frac{1}{2}{U}_r{U}_a{\mathrm{KR}}_1{C}_x\mathrm{\ω}---\left(10\right)$

流过被测电容C_x的电流幅值为

$\mathrm{Ia}=\mathrm{UaCx\ω}=\frac{2M1}{\mathrm{KUrR}1}---\left(11\right)$

当选泽开关S接通电压跟随器A₂输出，放大倍数为K的放大单元A输出为：

当选泽开关S接通电压跟随器A₂输出，且当参考信号发生器G产生的信号的相位为(α+β)时，由于噪声和直流误差与参考信号一般互不相关，只有参考信号的基波信号与被测信号互相关，低通滤波器L输出绝对值为：

当选泽开关S接通电压跟随器A₂输出，且当参考信号发生器G产生的信号的相位为或时，由于噪声和直流误差与参考信号一般互不相关，只有参考信号的基波信号与被测信号互相关，低通滤波器L输出绝对值为：

则：

$M_2={({X_2}^2+{Y_2}^2)}^{1/2}=\frac{1}{2}{U}_r{U}_{a}K---\left(15\right)$

测微弱电容C_x两端的电压为：

$U_a=\frac{{2M}_2}{{\mathrm{KU}}_r}---\left(16\right)$

将式(16)代入式(11)得

$\mathrm{Cx}=\frac{M_1}{\mathrm{\ω}{R}_1{M}_2}---\left(17\right)$

由上可见，本发明由于限流电阻的作用电压激励源和前置运算放大器能够工作正常，有效消除了分布电容Cas、Cbs的影响，此外，由于采用正交锁相检测技术，消除了噪声和直流失调，提高了测量精度和能力。

本发明的实施步骤为：

(1)检测处理单元PU设定正弦波电压激励源E产生正弦波的频率ω、幅值U_S、相位β；

(2)检测处理单元PU令选择开关S接通前置运算放大器A₁输出，令参考信号发生器G产生基波幅值为U_r、相位为(α+β)、频率ω的参考信号，检测处理单元PU检测低通滤波器L的输出；

(3)检测处理单元PU令选择开关S接通前置运算放大器A₁输出，令参考信号发生器G产生基波幅值为U_r、相位为

或

频率ω的参考信号，检测处理单元PU检测低通滤波器L的输出；

(4)检测处理单元PU令选择开关S接通电压跟随器A₂输出，令参考信号发生器G产生基波幅值为U_r、相位为(α+β)、频率ω的参考信号，检测处理单元PU检测低通滤波器L的输出；

(5)检测处理单元PU令选择开关S接通电压跟随器A₂输出，令参考信号发生器G产生基波幅值为U_r、相位为

或

频率ω的参考信号，检测处理单元PU检测低通滤波器L的输出；

(6)检测处理单元PU计算得到被测电容Cx的电容值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种微电容测量方法，其特征是：设置正弦波电压激励源、限流电阻、前置运算放大器、反馈电阻、电压跟随器、放大单元、参考信号发生器、乘法器、低通滤波器、选择开关、检测处理单元；

正弦波电压激励源串联一个限流电阻施加到被测电容一端，被测电容的另一端连到前置运算放大器的反相端相连，将流过被测电容的电流信号转换为电压信号；

电压跟随器对被测电容两端的电压信号进行缓冲；

选择开关用来选择对前置运输放大器输出或电压跟随器输出进行放大；

参考信号发生器产生参考信号；

乘法器实现参考信号与经放大后的前置运算放大器的输出或电压跟随器的输出信号相乘；

低通滤波器对乘法器的输出进行低通滤波；

检测处理单元设定正弦波激励电压源的频率、幅值，及参考信号发生器产生参考信号的频率和相位，产生选择开关的选择信号，检测低通滤波器的输出，并计算被测电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的微电容测量方法，其特征是：参考信号发生器产生与正弦波激励电压源同频率的参考信号。

3.根据权利要求2所述的微电容测量方法，其特征是：所述参考信号的相位为γ或

或

4.根据权利要求1、2或3所述的微电容测量方法，其特征是：所述前置运输放大器采用电阻反馈，将流过被测电容的电流信号转换为电压信号。

5.根据权利要求1、2或3所述的微电容测量方法，其特征是：所述前置运输放大器的同相端接信号地。

6.根据权利要求1、2或3所述的微电容测量方法，其特征是：电压跟随器的同相输入端与所述限流电阻和被测电容的联接点相连。

7.根据权利要求1、2或3所述的微电容测量方法，其特征是：在正弦波激励电压源激励下，检测流过被测电容的电流信号和被测电容两端的电压信号，得到被测电容的电容值。

8.一种微电容测量装置，其特征是：正弦波电压激励源的输出经限流电阻与被测电容一端相连，被测电容另一端与前置运算放大器的反相端相连，前置运算放大器的同相端接地，前置运算放大器的反馈电阻为，电压跟随器的同相端与限流电阻与被测电容相连，前置运算放大器输出与选择开关一个输入端相连，电压跟随器输出与选择开关一个输入端相连，放大单元的输入与选择开关输出端相连，放大单元的输出与乘法器的一个输入，乘法器的另一个输入与参考信号发生器相连，乘法器的输出经低通滤波器与检测处理单元相连。

9.根据权利要求8所述的微电容测量装置，其特征是：参考信号发生器产生的两个与正弦波电压激励源同频率的参考信号，并且该两个参考信号相位相差90°。

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