DE102020209149A1

DE102020209149A1 - Kalibrieren einer impedanzmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102020209149A1
Application number: DE102020209149.8A
Authority: DE
Inventors: Manuel Kasper
Original assignee: Keysight Technologies Inc
Current assignee: Keysight Technologies Inc
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-02-04
Also published as: US10890642B1; US20210033690A1; CN112305480A

Abstract

Ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzmessvorrichtung (100) zum Messen einer DUT-Impedanz (145) beinhaltet ein Durchführen von Kurzschlusskalibrierungsmessungen unter Verwendung eines Kurzschlusskalibrierungsstandards (411), um Kurzschlussrohdaten zu erhalten; ein Durchführen erster Nebenschlusskalibrierungsmessungen unter Verwendung eines ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412), um erste Rohdaten zu erhalten, wobei der erste Nebenschlusskalibrierungsstandard (412) einen bekannten ersten Widerstandswert und eine unbekannte erste Induktivität (272) aufweist; ein Durchführen zweiter Nebenschlusskalibrierungsmessungen unter Verwendung eines zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (413), um zweite Rohdaten zu erhalten, wobei der zweite Nebenschlusskalibrierungsstandard (413) einen bekannten zweiten Widerstandswert und eine unbekannte zweite Induktivität (272) aufweist; ein Bestimmen einer ersten und einer zweiten Kompleximpedanz des ersten und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412 und 413) durch Berechnen der ersten und der zweiten Induktivität (273) unter Verwendung der Kurzschluss-, der ersten und der zweiten Rohdaten, die auf ein spezifisches Fehlermodell (200) angewendet werden; und ein Bestimmen allgemeiner Fehlerkoeffizienten für ein Fehlermodell (200) unter Verwendung der ersten und der zweiten Kompleximpedanz und der ersten und der zweiten Rohdaten, die auf eine Ein-Tor-Kalibrierungsprozedur angewendet werden.

Description

Die Impedanzspektroskopie ist ein leistungsstarkes Verfahren zum Testen und zur Analyse vieler Arten elektrischer Vorrichtungen, die beispielsweise Batterien und Superkondensatoren beinhalten. Im Allgemeinen werden Impedanzmessungen durch systematische Fehler, wie zum Beispiel Amplituden- und Phasenverfolgung, Streuinduktivität, Streukapazität und unerwünschtes Übersprechen, gestört. Deshalb müssen Impedanzspektroskopie-Instrumente geeignet kalibriert sein, um aussagekräftige Daten zu erzeugen.
Eine zuverlässige Kalibrierung wird mit sinkender Impedanzgröße und steigender Frequenz immer schwieriger. Herkömmliche Impedanzmessvorrichtungen beruhen auf einer Fabrik-Vorkalibrierung und typischerweise einer bestimmten Form von Kurzschlusskompensation, bevor mit Messungen an einem Testobjekt bzw. zu testenden Bauelement (DUT; DUT = device under test) begonnen wird. Eine derartige Kalibrierung funktioniert im Allgemeinen bei Standardimpedanzen (z. B. 100mΩ) und Signalfrequenzen (z. B. 1kHz) gut. Die Situation bei niedrigen Impedanzen (z. B. 100µΩ) und hohen Signalfrequenzen (z. B. 10kHz) jedoch ist anders, wie dies beispielsweise beim Testen moderner Hochleistungs-Lithium-lonen-Zellen der Fall ist. Zusätzlich drückt die Industrie auf diese Testgrenzen in Bezug auf sehr niedrige Impedanzen (z. B. 10µΩ) und sehr hohe Signalfrequenzen (z. B. 100kHz).
Gegenwärtig wird eine Fabrik-Vorkalibrierung durch nötige Elemente/Vorrichtungen (z. B. Kabel und/oder Einpräge- und Erfassungsverdrahtung zwischen der Impedanzmessvorrichtung und dem DUT) verfälscht. Außerdem verwenden existierende Kalibrierungsverfahren keinen anderen Kalibrierungsstandard als einen Kurzschlussstandard, da keine vollständig charakterisierten Impedanzstandards verfügbar sind. Beispielsweise sind Niedrigwert-Widerstände (z. B. 1mΩ) für einen Widerstandswert spezifiziert, jedoch nicht für eine Induktivität. Deshalb ist eine vollständige, absolute und nachverfolgbare Impedanzkalibrierung nicht möglich und kann nur eine Relativansprechkalibrierung erfolgen. Während dies zum Vergleich von Messungen, die durch eine Impedanzmessvorrichtung durchgeführt werden, ausreichend sein kann, versagen derartige Kalibrierungsverfahren, wenn Messungen durch unterschiedliche Impedanzvorrichtungen miteinander verglichen werden oder wenn nachverfolgbare absolute Ergebnisse erforderlich sind. Entsprechend werden Kalibrierungsvorrichtungen und -vorgänge zum Bereitstellen zuverlässiger Kalibrierungen, selbst bei sehr niedrigen Impedanzen und sehr hohen Frequenzen, wenn keine Kalibrierungsstandards verfügbar sind, benötigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzmessvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Die exemplarischen Ausführungsbeispiele sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen am besten verständlich. Es wird hervorgehoben, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Tatsächlich können die Abmessungen aus Erläuterungsgründen willkürlich vergrößert oder verkleinert werden. Wo immer dies zutreffend und praktisch ist, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Testinstruments zum Messen einer Impedanz eines Testobjekts (DUT) gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel;
2 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm, das das spezifische Fehlermodell anzeigt, das der Impedanzmessvorrichtung aus 1 entspricht, gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel;
3 ein vereinfachtes Flussdiagramm zum Bestimmen einer kalibrierten Impedanz eines DUT gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel;
4A Graphen, die Beispiele von Impedanzen von Kalibrierungsstandards und einer kalibrierten Impedanz eines DUT darstellen, die gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel bestimmt werden;
4B Graphen, die Beispiele einer kalibrierten Impedanz eines DUT als Funktion der Frequenz darstellen, die gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel bestimmt werden; und
5 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das eine standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierung eines Testinstruments zeigt.

In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zu Erläuterungszwecken und nicht als Einschränkung exemplarische Ausführungsbeispiele, die spezifische Details offenbaren, dargelegt, um für ein gründliches Verständnis eines Ausführungsbeispiels gemäß den vorliegenden Lehren zu sorgen. Es ist jedoch für einen durchschnittlichen Fachmann auf diesem Gebiet, der in den Genuss der vorliegenden Offenbarung kommt, zu erkennen, dass weitere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bleiben. Außerdem können Beschreibungen bekannter Vorrichtungen und Verfahren weggelassen sein, um so die Beschreibung der exemplarischen Ausführungsbeispiele nicht unklar zu machen. Derartige Verfahren und Vorrichtungen liegen klar und deutlich innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich einer Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht einschränkend aufzufassen. Die definierten Ausdrücke sind ein Zusatz zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Ausdrücke, wie diese üblicherweise auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Lehren verstanden und akzeptiert werden.
Wenn davon gesprochen wird, dass ein erstes Element mit einem zweiten Element verbunden ist, beinhaltet dies, außer bei anderweitiger Angabe, Fälle, in denen ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente eingesetzt werden können, um die beiden Elemente miteinander zu verbinden. Wenn jedoch davon gesprochen wird, dass ein erstes Element direkt mit einem zweiten Element verbunden ist, beinhaltet dies nur Fälle, in denen die beiden Elemente ohne dazwischenliegende oder eingeschobene Bauelemente miteinander verbunden sind. Ähnlich beinhaltet, wenn davon gesprochen wird, dass ein Signal mit einem Element gekoppelt ist, dies Fälle, in denen ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente eingesetzt werden können, um das Signal mit dem Element zu koppeln. Wenn jedoch davon gesprochen wird, dass ein Signal direkt mit einem Element gekoppelt ist, dann beinhaltet dies nur Fälle, in denen das Signal direkt ohne dazwischenliegende oder eingeschobene Bauelemente mit dem Element gekoppelt ist.
Die Ausdrücke „einer/eine/eines“ und „der/die/das“, wie sie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, beinhalten sowohl Singular- als auch Plural-Bezugnahmen, außer der Kontext gibt dies klar anderweitig vor. So beinhaltet beispielsweise „eine Vorrichtung“ eine Vorrichtung oder mehre Vorrichtungen. Die Ausdrücke „im Wesentlichen“ oder „wesentlich“, wie sie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, sowie zusätzlich zu ihren normalen Bedeutungen, meinen hier innerhalb annehmbarer Grenzen oder Ausmaße. Der Ausdruck „ungefähr“, wie er in der Beschreibung der beigefügten Ansprüche verwendet wird, und zusätzlich zu seiner normalen Bedeutung, meint hier für einen Fachmann auf diesem Gebiet innerhalb einer annehmbaren Grenze oder Menge. „Ungefähr gleich“ beispielsweise bedeutet, dass ein durchschnittlicher Fachmann auf diesem Gebiet denken würde, dass die Gegenstände, die verglichen werden, gleich sind.
Relative Ausdrücke, wie zum Beispiel „oberhalb“, „unterhalb“, „oben“, „unten“, können verwendet werden, um die Beziehungen verschiedener Elemente zueinander zu beschreiben, wie diese in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Diese relativen Ausdrücke sollen unterschiedliche Ausrichtungen der Elemente derselben zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtung beinhalten. Beispielsweise wäre, wenn eine Vorrichtung (z. B. eine Signalmessvorrichtung), die in einer Zeichnung dargestellt ist, in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen umgekehrt wäre, ein Element, das als „oberhalb“ eines anderen Elements beschrieben ist, nun beispielsweise „unterhalb“ dieses Elements. Ähnlich wäre, wenn die Vorrichtung in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen um 90° gedreht wäre, ein Element, das als „oberhalb“ oder „unterhalb“ eines anderen Elements beschrieben ist, nun „benachbart“ zu dem anderen Element; wobei „benachbart“ entweder an das andere Element angrenzend oder aber eine oder mehrere Schichten, Materialien, Strukturen usw. zwischen den Elementen aufweisend bedeutet.
Im Allgemeinen kann gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Vollimpedanzkalibrierung einer Impedanzmessvorrichtung, wie beispielsweise eines Netzwerkanalysators, Impedanzanalysators, LCR-Messgeräts oder eines anderen Spektroskopie-Instruments ohne vollständig charakterisierte Kalibrierungsstandards durchgeführt werden. Anders ausgedrückt kann eine Kalibrierung unter Verwendung von Niedrigwert-Widerständen durchgeführt werden, sowie Kurzschlussstandards, wo nur die Realteile (Widerstandswert) der Niedrigwert-Widerstände spezifiziert sind. Entsprechend kann eine Vollimpedanzkalibrierung direkt an den DUT-Verbindern in dem Impedanzbereich durchgeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine einfache und zuverlässige Kalibrierung von Impedanzmessvorrichtungen durchgeführt. Der Kalibrierungsvorgang ist schnell und kann nicht nur bei Forschung und Entwicklung verwendet werden, sondern auch in einer Produktionsumgebung (z. B. Batteriezellenproduktionstesten). Die Genauigkeit des Kalibrierungsvorgangs hängt nur von teilweise bekannten Nebenschlusskalibrierungsstandards (Widerständen) ab, bei denen der Realteil (Widerstandswert) bekannt ist und der Imaginärteil (Induktivitätswert) unbekannt ist. Dies ermöglicht eine effiziente Vorhersage der Unsicherheit anschließender Impedanzmessungen und erzeugt zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse, selbst unter Verwendung relativ billiger Kalibrierungsstandards. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Kalibrierungsstandards in die Impedanzmessvorrichtung integriert sein und kann ein Multiplexer verwendet werden, um die integrieren Kalibrierungsstandards automatisch auszuwählen. Es ist auch möglich, den Widerstandswert der Kalibrierungsstandards bei Gleichstrom zu messen und das Frequenzverhalten mit geeigneter EM-Modellierung zu berücksichtigen.
Außerdem ist es möglich, den frequenzabhängigen Realteil eines Nebenschlusswiderstands (Nebenschlusskalibrierungsstandards) zu bestimmen durch Vergleichen des frequenzabhängigen Realteils gegenüber einer bekannten frequenzabhängigen Funktion. Beispielweise kann der Nebenschlusswiderstand durch eine Impedanzmessvorrichtung, wie unten beschrieben ist, gemessen werden. Nachfolgend werden beispielsweise ein erster Kurzschlussstandard und ein zweiter Kurzschlussstandard gemessen, wobei der erste und der zweite Kurzschlussstandard unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel unterschiedliche Stromweglängen oder unterschiedliche magnetische Kopplungen beispielsweise zwischen Einpräge- und Erfassungsverdrahtung. Die Kurzschlussstandardmessungen können verwendet werden, um ein Signal mit bekanntem Frequenzansprechen aufzubauen, beispielsweise durch Subtrahieren, um ein Differenzsignal bereitzustellen. Das aufgebaute Signal kann einen festen Phasenwinkel und eine linear ansteigende Amplitude über die Frequenz aufweisen. Außerdem kann das aufgebaute Signal verwendet werden, um die Übertragungsfunktion TF der Impedanzmessausrüstung beispielsweise wie folgt zu bestimmen: $| TF | = | T F | = \frac{I m (D i f f e r e n z s i g n a l)}{ω} * c,$
wobei zwischen ITFI der Betrag (absoluter Wert) der Übertragungsfunktion ist, Im(Differenzsignal) der Imaginärteil des Differenzsignals ist, ω die Winkelfrequenz ist und c eine Konstante ist. Der frequenzabhängige Realteil des Nebenschlusswiderstands kann bestimmt werden durch Nehmen des Realteils der gemessenen Rohimpedanz des frequenzabhängigen Widerstands und Teilen oder Multiplizieren desselben durch/mit der bestimmten Übertragungsfunktion TF. Die verbleibende Konstante c kann bestimmt werden durch eine Widerstandswertmessung bei niedrigen Frequenzen in dem Bereich von etwa 1mHz bis etwa 1kHz oder bei einem Gleichstrom (DC). Dies würde zu einer vollständig automatischen Selbstkalibrierung führen.
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Impedanzmessvorrichtung zum Messen einer Impedanz eines DUT gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Die Kalibrierungsprozedur kalibriert die Niedrigpegel-Impedanzmessungen in einem Bereich von etwa 1 Mikroohm bis etwa 100 Ohm bei Frequenzen, die beispielsweise zwischen 1 Mikrohertz und etwa 1 MHz reichen. Im Allgemeinen funktionieren die Ausführungsbeispiele für verschiedene Typen von Testinstrumenten zum Messen der Impedanz, einschließlich beispielsweise einer Implementierung des I-V-Verfahrens, einer Auto-Nullsetz-Brücke, einer Zwei-Draht-Verbindung oder Vier-Draht-Verbindung und einer Strom- oder Spannungsquellenanregung. Die Stromquellenanregung ist auch bekannt als galvanostatische Messung und die Spannungsquellenanregung ist auch bekannt als potentiostatische Messung.
Bezug nehmend auf 1 ist eine Impedanzmessvorrichtung 100 gezeigt, die durch Einpräge- und Erfassungsverdrahtung (oder Testeinrichtung) 170 zum Messen einer Impedanz des DUT 140 mit dem DUT 140 verbunden ist. Die Impedanzmessvorrichtung 100 beinhaltet eine Anregungsstromquelle 110, eine Strommessschaltung 120 und eine Spannungsmessschaltung 130. Die Impedanzmessvorrichtung 100 kann beispielsweise ein Netzwerkanalysator, ein Spektralanalysator, ein Impedanzanalysator, ein Oszilloskop kombiniert mit einem Signalerzeuger, ein Universal-Digitalisierer kombiniert mit einem Generator, ein Lock-In-Verstärker kombiniert mit einem Generator oder ein anderer Impedanzspektroskopie-Instrumentaufbau sein, oder spezialisierte Hardware, die Analog-Digital-Wandler (ADCs; analog to digital converters), Digital-Analog-Wandler (DACs; digital to analog converters), Operationsverstärker oder DSP- (digital signal processing = Digitalsignalverarbeitung) oder FPGA-Technologie (field programmable gate array = freiprogrammierbares Gatterarray) beinhalten kann.
Die Impedanzmessvorrichtung 100 kann ferner eine Verarbeitungseinheit 180, die (durch einen Draht oder drahtlos) mit sowohl der Anregungsstromquelle 110 als auch der Strommessschaltung 120 und der Spannungsmessschaltung 130 verbunden ist, zum Steuern verschiedener Vorgänge und Durchführen von Messungen beinhalten. Die Verarbeitungseinheit kann einen oder mehrere Computerprozessoren, DSPs, FPGAs, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; application-specific integrated circuits) oder Kombinationen davon beinhalten, unter Verwendung einer beliebigen Kombination aus Hardware, Software, Firmware, festverdrahteten Logikschaltungen oder Kombinationen daraus. Die Verarbeitungseinheit 180 kann ihren eigenen Verarbeitungsspeicher (z. B. flüchtigen und/oder nicht flüchtigen Speicher) zum Speichern von computerlesbarem Code beinhalten, der eine Durchführung der verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen ermöglicht. Beispielsweise kann der Verarbeitungsspeicher Softwarebefehle/computerlesbaren Code, der durch die Verarbeitungseinheit (z. B. Computerprozessor) ausführbar ist, zum Durchführen einiger oder aller Aspekte von hierin beschriebenen Funktionen und Verfahren speichern, einschließlich verschiedener Schritte des Verfahrens, das unten Bezug nehmend auf 3 beschrieben wird. Hierin beschriebene Speicher können beispielsweise durch eine beliebige Anzahl, einen beliebigen Typ und eine beliebige Kombination von Direktzugriffsspeicher (RAM) und Nur-Lese-Speicher (ROM) implementiert sein und könnten beispielsweise verschiedene Typen von Informationen speichern, wie zum Beispiel Computerprogramme und Softwarealgorithmen, die durch den MIMO-Ziel-Emulator 130 ausführbar sind, der noch beschrieben werden wird, sowie beispielsweise Daten für Antennenstrukturen/Beabstandung des DUT 101 und Treiberszenarien. Die verschiedenen Typen von ROM und RAM können eine beliebige Anzahl, einen beliebigen Typ und eine beliebige Kombination computerlesbarer Speichermedien beinhalten, wie zum Beispiel ein Diskettenlaufwerk, einen EPROM (elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher), einen EEPROM (elektrisch löschbaren und programmierbaren Nur-Lese-Speicher), Register, eine Festplatte, eine entfernbare Platte, Band, Compact Disk, CD-ROM, DVD, Floppy Disk, Blu-Ray-Disk, Universal-Seriell-Bus (USB)-Treiber oder jede beliebige andere Form von Speichermedium, die in der Technik bekannt ist, sowie berührbare und nicht flüchtige Speichermedien (z. B. im Vergleich zu sich übergangsmäßig ausbreitenden Signalen).
Die Anregungsstromquelle 110 stellt einen Ausgangsstrom lout (Anregungssignal) durch ein erstes Verbindungskabel 171 (z. B. Koaxialkabel) der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 170 ansprechend auf ein Eingangssignal I_in (angezeigt als ein Stromsignal, zu Darstellungszwecken) an das DUT 140 bereit. Das DUT 140 beinhaltet eine DUT-Impedanz 145, die mit dem ersten Verbindungskabel 171 und einem zweiten Verbindungskabel 172 (z. B. Koaxialkabel) der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 170 verbunden ist. Die Strommessschaltung 120 ist außerdem durch das erste Verbindungskabel 171 mit dem DUT 140 verbunden und ist ausgebildet, um eine Messung eines DUT-Stroms I_d durch die DUT-Impedanz 145 zu ermöglichen. Die Spannungsmessschaltung 130 ist durch das zweite Verbindungskabel 172 mit dem DUT 140 verbunden und ist ausgebildet, um eine Messung einer DUT-Spannung V_d über die DUT-Impedanz 145 zu ermöglichen.
Insbesondere beinhaltet die Anregungsstromquelle 110 einen ersten Verstärker 111 mit einem nicht invertierenden Eingang, der mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC) 116 zum Empfangen des Eingangssignals I_in verbunden ist, und einem invertierenden Eingang, der mit einer Rückkopplungsschleife zum Sicherstellen dessen verbunden ist, dass das Ausgangssignal I_out (Anregungssignal) der Anregungsstromquelle 110 genau dem Eingangssignal I_in von dem DAC 116 folgt. Das Eingangssignal I_in kann beispielsweise ein Frequenzdurchlauf-Sinussignal sein, obwohl andere Typen von Signalverläufen, wie zum Beispiel bandbeschränktes Rauschen, Multi-Sinuswellensignale oder Pseudozufallsbitse-quenz(PRBS)-Signale (PRBS = pseudo random bit sequence) ebenfalls beinhaltet sein können. Der erste Verstärker 111 kann beispielsweise ein Linear-Bipolar-Typ-Verstärker sein, obwohl andere Technologien, wie zum Beispiel Schaltwandler und verschachtelte Schaltwandler, beinhaltet sein können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Lehren abzuweichen. Die Anregungsstromquelle 110 beinhaltet ferner einen ersten und einen zweiten Transistor 113 und 114, die mit dem Ausgang des ersten Verstärkers 111 verbunden sind, und einen Widerstand 115, der an einem Ende zwischen Sources des ersten und zweiten Transistors 113 und 114 geschaltet und an dem anderen Ende mit dem ersten Verbindungskabel 171 verbunden ist. Eine Spannung über den Widerstand 115 wird in einen zweiten Verstärker 112 (Rückkopplungsverstärker) eingegeben, dessen Ausgabe an den invertierenden Eingang des ersten Verstärkers 111 bereitgestellt wird, um die Rückkopplungsschleife bereitzustellen, die oben erläutert wurde. Die Anregungsstromquelle 110 beinhaltet ferner eine erste und eine zweite Spannungsquelle 117 und 118, die zwischen Drains des ersten und des zweiten Transistors 113 und 114 geschaltet sind. Die Spannungsquellen 117 und 118 können durch beispielsweise das Stromnetz versorgt werden oder durch eine beliebige andere elektrische Leistungsquelle.
Die Strommessschaltung 120 beinhaltet einen Nebenschlusswiderstand 126, der an einem Ende zwischen den ersten und den zweiten Kondensator 117 und 118 geschaltet ist und an dem anderen Ende mit dem ersten Verbindungskabel 171 verbunden ist. Die Strommessschaltung 120 beinhaltet außerdem einen dritten Verstärker 123 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 124. Eine Spannung über den Nebenschlusswiderstand 122 wird in den dritten Verstärker 123 eingegeben und die Ausgabe des dritten Verstärkers 123 wird zum Messen des DUT-Stroms I_d durch die DUT-Impedanz 145 in dem DUT durch den ADC 124 digitalisiert. Das digitalisierte Signal Strom vs. Zeit wird durch Digitalverarbeitungstechniken verarbeitet, wie beispielsweise Filtern, schnelle FourierTransformation (FFT = fast fourier transform), Hilbert-Transformation oder Korrelationsanalyse, die beispielsweise durch die Verarbeitungseinheit 180 ausgeführt werden kann, was zu dem gemessenen Strom I_m führt.
Die Spannungsmessschaltung 130 beinhaltet einen vierten Verstärker 133 und einen ADC 134. Eine Spannung von dem zweiten Verbindungskabel 172 wird in den vierten Verstärker 133 eingegeben und die Ausgabe des vierten Verstärkers 133 wird zum Messen der DUT-Spannung V_d über die DUT-Impedanz 145 in dem DUT 140 durch den ADC 134 digitalisiert. Die digitalisierte Spannung wird durch die Verarbeitungseinheit 180 verwendet, um Spannungsvektoren in der komplexen Ebene zu berechnen, was zu der gemessenen Spannung V_m führt. Der komplexe gemessene Strom Im und die komplexe gemessene Spannung V_m können verwendet werden, um eine gemessene Impedanz Z_m des DUT 140 zu bestimmen, definiert als V_m/I_m. Die echte Impedanz Z_d des DUT 140 ist definiert als V_d/I_d, was das kalibrierte Ergebnis ist.
1 liefert eine Übersicht systematischer Fehler, die in der Impedanzmessvorrichtung 100 auftreten, wenn Niedrigwert-Impedanzen des DUT 140 gemessen werden. Derartige systematische Fehler können eine Gewinnverfolgung zwischen der Strommessschaltung 120 und der Spannungsmessschaltung 130, eine Phasen- und Amplitudenverfolgung zwischen der Strommessschaltung 120 und der Spannungsmessschaltung 130, Einpräge- und Erfassungsverdrahtung-Widerstandswert/Induktivität, gegenseitige Induktivität und Übersprechen zwischen der Strommessschaltung 120 und der Spannungsmessschaltung 130 beinhalten. Ausführungsbeispiele der Kalibrierungsprozedur, die hierin erläutert werden, korrigieren diese systematischen Fehler.
Im Allgemeinen sind Ausführungsbeispiele der Kalibrierungsstruktur gemäß einem spezifischen Fehlermodell in eine Kalibrierungsfunktion und eine Korrekturfunktion strukturiert. Die Kalibrierungsfunktion nimmt die gemessenen Rohdaten zumindest zweier teilweise bekannter Kalibrierungsstandards (z. B. ist der Realteil bekannt und der Imaginärteil unbekannt), bestimmt Modellfehlerkoeffizienten gemäß einem spezifischen Fehlermodell und berechnet komplexe Impedanzen der zumindest zwei teilweise bekannten Kalibrierungsstandards unter Verwendung der Modellfehlerkoeffizienten und der gemessenen Rohdaten. Sobald die Kalibrierungsstandards aus dem spezifischen Fehlermodell vollständig bekannt sind, implementiert die Korrekturfunktion eine standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierungsprozedur, z. B. basierend auf ABCD-Matrizen, um allgemeine Fehlerkoeffizienten eines generischen Ein-Tor-Fehlermodells zu berechnen. Die Korrekturfunktion nimmt dann eine gemessene Impedanz Z_m des DUT 140 und die allgemeinen Fehlerkoeffizienten und bestimmt die echte Impedanz Z_d des DUT 140, was das letztendliche kalibrierte Ergebnis ist.
2 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm, das das spezifische Fehlermodell anzeigt, das der Impedanzmessvorrichtung 100 aus 1 entspricht, gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
Bezug nehmend auf 2 stellt ein spezifisches Fehlermodell 200 systematische Fehlerausdrücke der Impedanzmessvorrichtung dar und stellt Modellfehlerkoeffizienten bereit, die die systematischen Fehlerausdrücke anzeigen. Die Modellfehlerkoeffizienten des spezifischen Fehlermodells 200 beinhalten eine gegenseitige Induktivität M, Versatzimpedanz bzw. Offset-Impedanz Zos und einen Komplexskalierungswert KS, die verwendet werden, um den Imaginärteil jedes der teilweise bekannten Kalibrierungsstandards zu bestimmen.
Ein DUT (z. B. DUT 140) ist durch eine DUT-Impedanz (oder echte Impedanz) Z_d angezeigt, die sich an einer Kalibrierungsebene 260 des spezifischen Fehlermodells 200 zum Messen einer Impedanz des DUT befindet. Die DUT-Impedanz Z_d ist mit einer (willkürlich platzierten) Versatz-Nullsetzebene 250 durch Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 verbunden, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vier-Draht-Verbindung an Verbindern A, B, C und D in der Kalibrierungsebene 260 bereitstellt. Die Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 ist durch erste Induktivitäten 271 und 272 bei der Einprägeverdrahtung und zweite Induktivitäten 273 und 274 bei der Erfassungsverdrahtung angezeigt, die zum Messen des DUT-Stroms I_d und der DUT-Spannung V_d verwendet werden. Die Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 kann die Verbindungskabel (z. B. erstes und zweites Verbindungskabel 171 und 172) beinhalten. Wenn die DUT-Impedanz Z_d oder eine andere Impedanz während des Testens an der Kalibrierungsebene 270 verbunden ist, tritt eine magnetische Kopplung zwischen den ersten Induktivitäten 271 und 272 und zwischen der zweiten Induktivität 272 und der zweiten Induktivität 274, die durch die gegenseitige Induktivität M dargestellt ist, auf. Eine Annahme wird getroffen, dass der einzige systematische Fehler zwischen der Kalibrierungsebene 260 und der Versatz-Nullsetzebene 250 durch die magnetische Kopplung bedingt ist. Entsprechend wäre jeder mögliche Fehler bei der gemessenen Impedanz Z_m durch eine Spannung verursacht, die durch den Einprägestrom in die Erfassungsverdrahtung induziert wird. Es sollte kein signifikanter Fehler in dem Realteil der gemessenen Impedanz Z_m (z. B. parallele Leitfähigkeit) aufgrund der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 vorliegen, noch eine Veränderung des Einprägestroms aufgrund der Erfassungsspannung (z. B. Streukapazität). Dies bedeutet, dass das spezifische Fehlermodell parasitäre Kapazitäten vernachlässigen kann und eine rein induktive Kopplung zwischen Einprägen und Erfassung für die Einpräge- und Erfassungsverdrahtungsverbindungen annehmen kann. In der Praxis sichern Niedrigimpedanzpegel der DUT-Impedanz Z_d eine fast perfekte Erfüllung der Annahme, dass der einzige systematische Fehler durch magnetische Kopplung bei der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 zwischen der Kalibrierungsebene 260 und der Versatz-Nullsetzebene 250 bedingt ist. Ohne an Allgemeinheit zu verlieren, kann die Kurzschluss-Messung an der Versatz-Nullsetzebene 250 durch eine Versatz- (oder Offset-) Kurzschlussmessung (nicht gezeigt) an der Kalibrierungsebene 260 ersetzt werden, wobei der Versatz-Kurzschlussstandard ein Vier-Draht-Kurzschlussstandard mit unterschiedlicher Stromweglänge und unterschiedlicher magnetischer Kopplung zwischen der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 oder zwischen Anschlüssen des Versatz-Kurzschlussstandards ist, und zwar verglichen mit dem Kurzschlussstandard. In diesem Fall kann der Aufbau des Kurzschluss- und des Versatz-Kurzschlussstandards die Erfüllung obiger Annahmen garantieren. Aufbaudetails können einen Entwurf mit niedrigem Verlust beinhalten, was Wirbelströme, Nahwirkungseffekt und Skineffekt verhindert.
Innerhalb der Impedanzmessvorrichtung selbst (befindet sich links von der Versatz-Nullsetzebene 250) beinhaltet das Fehlermodell 200 einen Strommesskanal 220 entsprechend der Strommessschaltung 120 und einen Spannungsmesskanal 230 entsprechend der Spannungsmessschaltung 130 in 1. Der Strommesskanal 220 ist durch eine Stromphasenverfolgungsfunktion 226 und eine Stromamplitudenverfolgungsfunktion 227 angezeigt und gibt den gemessenen Strom I_m aus. Der Spannungsmesskanal 230 ist durch eine Spannungsphasenverfolgungsfunktion 236 und eine Spannungsamplitudenverfolgungsfunktion 237 angezeigt und gibt die gemessene Spannung V_m aus. Ein willkürliches Phasen- und Amplitudenansprechen, die bestimmt werden durch die Strom- und die Spannungsphasenverfolgungsfunktion 226, 236 und die Strom- und die Spannungsamplitudenverfolgungsfunktion 227, 237, werden verwendet, um den Komplexskalierungswert ks in dem Impedanzbereich zu bestimmen. Die Komplexversatzimpedanz Zos ist zwischen dem Strommesskanal 220 und dem Spannungsmesskanal 230 angezeigt, verbunden an einem Addierer 252.
So ist die Impedanzmessvorrichtung als ein perfektes Vektorampermeter und ein perfektes Vektorvoltmeter modelliert. Systematische Fehler der Impedanzmessvorrichtung sind durch Modellfehlerkoeffizienten dargestellt, die die Komplexversatzimpedanz Zos, den Komplexskalierungswert ks und die gegenseitige Induktivität M beinhalten. Ein Übersprechen zwischen dem Strommesskanal 220 und dem Spannungsmesskanal 230 kann beseitigt werden.
3 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm zum Bestimmen einer kalibrierten Impedanz eines DUT gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Das Flussdiagramm beinhaltet ein erstes Bestimmen von Modellfehlerkoeffizienten in einem spezifischen Fehlermodell (z. B. spezifischen Fehlermodell 200), das der Impedanzmessvorrichtung entspricht, bevor die kalibrierte (echte) Impedanz des DUT bestimmt wird. Die Vorgänge von 3 werden durch eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten oder Steuerungen gesteuert und/oder implementiert, wie beispielsweise die Verarbeitungseinheit 180, die oben erläutert wurde.
Bezug nehmend auf 3 wird die Impedanz eines ersten (anfänglichen) Kurzschlusskalibrierungsstandards bei Block S311 gemessen. Um den ersten Kurzschlusskalibrierungsstandard zu messen, wird die Erfassungs- und Einprägeverdrahtung 270 abgetrennt und durch den ersten Kurzschlusskalibrierungsstandard auf der Versatz-Nullsetzebene 250 ersetzt (obwohl die genaue Position der Verbindung nicht kritisch ist). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet der erste Kurzschlusskalibrierungsstandard eine Vier-Draht-Kurzschluss-Verbindung zum Verbinden mit Anschlussleitungen A', B', C' beziehungsweise D' an der Impedanzmessvorrichtung. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der erste Kurzschlusskalibrierungsstandard gemessen werden, wobei die Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 an ihrem Ort bleibt, und wobei ein Versatz-Kurzschlusskalibrierungsstandard mit der Kalibrierungsebene 260 verbunden ist. Die Versatz-Kurzschlusskalibrierung einer Vier-Draht-Kurzschluss-Verbindung zum Verbinden mit Anschlussleitungen A, B, C beziehungsweise D, wobei die Kurzschluss-Verbindung eine unterschiedliche Stromweglänge und eine unterschiedliche magnetische Kopplung zwischen der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 im Vergleich zu einem zweiten Kurzschlussstandard aufweist (beispielsweise unten Bezug nehmend auf Block S313 erläutert). Wenn der erste Kurzschlusskalibrierungsstandard vorhanden ist, wird die Versatzimpedanz Zos des spezifischen Fehlermodells 200 anfänglich bei Block S312 basierend auf Rohdaten von der ersten Kurzschlusskalibrierungsstandard-Messung bestimmt, beispielsweise gemäß folgender Gleichung: Zos=Zm_Kurzschluss1, wobei Zm_Kurzschluss1 die gemessene Rohimpedanz des ersten Kurzschlusskalibrierungsstandards ist. Genauer gesagt wird eine Messung mit erwünschten Überstreich-Einstellungen (beispielsweise anfänglicher vorbestimmter Frequenzbereich und Anzahl von Punkten) bei Block S311 ansprechend auf ein Testsignalüberstreichen über den anfänglichen vorbestimmten Frequenzbereich ausgelöst und werden die erfassten Rohdaten verwendet, um die Versatzimpedanz Zos bei Block S312 zu berechnen. Die Berechnung kann durch die Verarbeitungseinheit 180 durchgeführt werden.
Die Blöcke S311 und S312 stellen anfängliche Schritte dar, was bedeutet, dass sie nicht für jede DUT-Messung durchgeführt werden müssen. Vielmehr können die Blöcke S311 und S312 gelegentlich durchgeführt werden, wie beispielsweise jede Woche bis alle zwanzig Wochen, oder wenn signifikante Hardwareveränderungen an der Impedanzmessvorrichtung 100 erfolgt sind. Der anfängliche vorbestimmte Frequenzbereich der Messung sollte ausreichend breit sein, um alle antizipierten Frequenzen aufkommender DUT-Messungen zu beinhalten, um eine Extrapolation zu vermeiden, obwohl eine Interpolation bis zu einem gewissen Maß akzeptabel ist.
Reguläre Kalibrierungsmessungen beginnen bei Block S313, bei dem eine Impedanz eines zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandards über einen vorbestimmten Frequenzbereich an der Kalibrierungsebene 260 gemessen wird, wobei die Erfassungs- und Einprägeverdrahtung 270 verbunden ist. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann der gleiche wie der anfängliche vorbestimmte Frequenzbereich, der für die Messungen bei Block S311 verwendet wird, sein oder ein anderer sein. Beispielsweise kann, da der Typ von DUT für die regulären Kalibrierungsmessungen bekannt sein kann, der vorbestimmte Frequenzbereich verglichen mit dem anfänglichen vorbestimmten Frequenzbereich angesichts der spezifischen Charakteristika des DUT schmaler sein. Der zweite Kurzschlusskalibrierungsstandard umfasst eine Vier-Draht-Kurzschluss-Verbindung und ist mit Anschlussleitungen A, B, C, beziehungsweise D an der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 in der Kalibrierungsebene 260 verbunden. Definitionsgemäß weist der zweite Kurzschlusskalibrierungsstandard eine Impedanz von 0 + j0 Ohm auf. Bei Block S314 wird eine Phasenverfolgung in dem Impedanzbereich gemäß der Strom- und der Spannungsphasenverfolgungsfunktion 226 und 236 unter Verwendung der Rohdaten von der zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandardmessung bestimmt. Die Phasenverfolgung (Φ_Verfolgung) kann gemäß folgender Gleichung bestimmt werden: Φ_Verfolgung=arg(Zm_Kurzschluss2 - Zos), wobei Zm_Kurzschluss2 die gemessene Rohimpedanz des zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandards ist.
Die zweite Kurzschlusskalibrierungsstandardgeometrie stimmt mit der DUT-Geometrie überein, da Abweichungen zwischen den beiden (z. B. Differenzen bei der Kontaktentfernung) einen systematischen Fehler bei der DUT-Messung verursachen. Die Rohdaten können nachfolgend auch verwendet werden, um die volle Ein-Tor-Kalibrierung bereitzustellen, wie unten erläutert wird.
Blöcke S315 bis S319 bilden eine Schleife, bei der mehrere teilweise bekannte Nebenschlusskalibrierungsstandards gemessen werden. Zumindest zwei Nebenschlusskalibrierungsstandards (erster und zweiter Nebenschlusskalibrierungsstandard) müssen gemessen werden, um die Ein-Tor-Kalibrierung durchzuführen, um den allgemeinen Fehlerkoeffizienten bei Block S321 zu bestimmen, so dass die Schleife in 3 zumindest zweimal durchgeführt wird. Jeder der Nebenschluss-Kalibrierungsstandards ist ein Widerstand mit niedrigem Wert mit einer teilweise bekannten Impedanz, was bedeutet, dass ein Realteil der Impedanz (Widerstandswert) bekannt ist und ein Imaginärteil der Impedanz (Induktivität) nicht bekannt ist. Die Widerstände können relativ billig sein, da kein Bedarf besteht, Induktivitätsdaten mit denselben zu erzeugen und bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können mehr als zwei Nebenschlusskalibrierungsstandards (erster bis N-ter Nebenschlusskalibrierungsstandard, wobei N eine positive Ganzzahl ist) verwendet werden, um eine Kalibrierung zu verbessern durch Lösen eines überbestimmten Kalibrierungsproblems, beispielsweise unter Verwendung eines Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens, wie für einen durchschnittlichen Fachmann auf diesem Gebiet zu erkennen ist.
Bei Block S315 wird eine Impedanz eines ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards über den vorbestimmten Frequenzbereich an der Kalibrierungsebene 260 gemessen, wobei die Erfassungs- und Einprägeverdrahtung 270 verbunden ist. Der erste NebenschlussKalibrierungsstandard beinhaltet einen Vier-Draht-Nebenschluss zum Verbinden mit Anschlussleitungen A, B, C beziehungsweise D in der Kalibrierungsebene 260. Die Rohdaten aus der Messung des ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards, die bei Block S315 durchgeführt wird, zusammen mit den Rohdaten aus der Messung des zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandards, die bei Block S313 durchgeführt wird, werden verwendet, um zusätzliche Modellfehlerkoeffizienten des spezifischen Fehlermodells 200 zu bestimmen. Dies bedeutet, dass bei Block S316 eine Amplitudenverfolgung (A_Verfolgung) in dem Impedanzbereich gemäß der Strom- und der Spannungsamplitudenverfolgungsfunktion 227 und 237 basierend auf den Rohdaten von der ersten Nebenschlusskalibrierungsstandardmessung bestimmt wird, sowie folgender Gleichung: $A_{V e r f o l g u n g \frac{R e (Z m_{N e b e n s c h l u s s 1} * e^{- j \times φ_{V e r f o l g u n g}})}{R_{N e b e n s c h l u s s 1}}},$
wobei Zm_{Nebenschluss1} die gemessene Rohimpedanz des ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards ist und R_{Nebenschluss1} der bekannte Widerstandswert des ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards. Bei Block S317 werden die Amplitudenverfolgung aus Block S316 und die Phasenverfolgung aus Block S314 verwendet, um den Komplexskalierungswert ks und die gegenseitige Induktivität M gemäß folgenden Gleichungen zu bestimmen: ks = A_verfolgung * e^{j*φVerfolgung} und M = j * ω * ks^-1 * (Zm_Kurzschluss2 - Zos), wobei ω die Winkelfrequenz ist. Unter Verwendung des Komplexskalierungswerts ks und der gegenseitigen Induktivität M wird der Imaginärteil des ersten Kalibrierungsnebenschluss-Standards bei Block S318 unter Verwendung von beispielsweise folgender Gleichung bestimmt: X_{Nebenschluss1} = ks^-1 * (Zm_{Nebenschluss1} - Zos) - j * ω * M. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren unabhängig für jede Frequenz des Eingangssignals (z. B. Eingangssignal I_in) funktioniert.
Bei Block S319 wird bestimmt, ob ein weiterer Nebenschlusskalibrierungsstandard vorliegt, an dem Messungen durchzuführen sind. Wenn ein weiterer Nebenschlusskalibrierungsstandard zur Messung vorliegt (Block S319: Ja), werden die Blöcke S315 bis S318 als Schleife wiederholt, um den Komplexskalierungswert ks, die gegenseitige Induktivität M und den Imaginärteil dieses Kalibrierungsnebenschluss-Standards zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel führt jede Schleife zur Berechnung einzelner Komplexskalierungswerte ks und gegenseitiger Induktivitäten M für jeden einzelnen Nebenschluss-Imaginärteil. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden der Komplexskalierungswert ks und die gegenseitige Induktivität M aus der ersten Schleife bei nachfolgenden Ausführungen wieder verwendet und verwendet, um die einzelnen Imaginärteile zu berechnen. Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel werden die Komplexskalierungswerte ks und die gegenseitigen Induktivitäten M aus jeder Schleife gesammelt und in einen letztendlichen kombinierten (z. B. gemitteltem) Komplexskalierungswert ks und eine gegenseitige Induktivität M verarbeitet, der/die verwendet wird, um die einzelnen Imaginärteile zu berechnen.
Beispielsweise wird, zurückkehrend zu Block S315 eine Impedanz eines zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards über die vorbestimmte Frequenz an der Kalibrierungsebene 260 gemessen, wobei die Erfassungs- und Einprägeverdrahtung 270 verbunden ist. Der zweite Nebenschlusskalibrierungsstandard beinhaltet einen Vier-Draht-Nebenschluss zur Verbindung mit Anschlussleitungen A, B, C beziehungsweise D in der Kalibrierungsebene 260. Die Rohdaten aus der Messung des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards, die bei Block S315 durchgeführt wird, zusammen mit den Rohdaten aus der Messung des zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandards, die bei Block S 313 durchgeführt wird, werden verwendet, um zusätzliche Modellfehlerkoeffizienten des spezifischen Fehlermodells 200 zu bestimmen. Bei Block S316 wird eine Amplitudenverfolgung in dem Impedanzbereich gemäß der Strom- und der Spannungsamplitudenverfolgungsfunktion 227 und 237 basierend auf den Rohdaten aus der Messung des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards bestimmt. Bei Block S317 werden die Amplitudenverfolgung aus Block S316 und die Phasenverfolgung aus Block S314 verwendet, um wieder den Komplexskalierungswert ks und die gegenseitige Induktivität M zu bestimmen. Unter Verwendung des Komplexskalierungswerts ks und der gegenseitigen Induktivität M wird der Imaginärteil des zweiten Kalibrierungsnebenschlussstandards bei Block S318 bestimmt.
Wenn keine weiteren zu messenden Nebenschlusskalibrierungsstandards vorliegen (Block S319: Nein), fährt das Verfahren fort mit Block S320. Dieser Block ist optional (wie durch die gestrichelte Linie angezeigt) und ermöglicht eine Erweiterung des Verfahrens unter niedrige Frequenzen (z. B. < 10 Hz). Bei Block S320 wird eine Funktion (oder Anpassung) beispielsweise durch Polynomanpassung, bestimmt, die die Induktivität gegenüber der Frequenz jedes der Nebenschlusskalibrierungsstandards beschreibt. Die Daten, die zur Bestimmung der Funktion verwendet werden, sind auf einen bestimmten Frequenzbereich eingeschränkt, der keine Frequenzen unterhalb eines bestimmten Werts (z. B. 10 Hz) beinhaltet. Für die nachfolgenden Kalibrierungsschritte werden dann Induktivitätsdaten aus der bestimmten Funktion hergeleitet, wobei die bestimmte Funktion die Daten unterhalb des bestimmten Frequenzwerts (z. B. 10 Hz) extrapoliert. Der optionale Block S320 kann in Fällen von Signal-Rausch-Verhältnis-Einschränkungen der Impedanzmessausrüstung 100 unterhalb einer bestimmten Frequenz (z. B. 10 Hz) verwendet werden, da induzierte Spannungen linear mit der Frequenz abfallen.
Allgemeine Fehlerkoeffizienten, wie zum Beispiel ABCD-Fehlerkoeffizienten, werden bei Block S321 unter Verwendung einer standardmäßigen Ein-Tor-Impedanzkalibrierungsprozedur bestimmt, sowie der nun vollständig bekannten Kalibrierungsstandards, die den zweiten Kurzschlusskalibrierungsstandard und die zumindest zwei nun vollständig bekannten Nebenschlusskalibrierungsstandards beinhalten. Bei Block S322 wird eine DUT-Impedanz für ein DUT, das mit der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung 270 an der Kalibrierungsebene verbunden ist, anstelle des letzten gemessenen Nebenschlusskalibrierungsstandards gemessen. Die kalibrierte DUT-Impedanz wird dann bei Block S323 unter Verwendung der allgemeinen Fehlerkoeffizienten und Rohdaten aus der gemessenen DUT-Impedanz, sowie einer Korrekturfunktion bestimmt.
Die Korrekturfunktion ist Teil einer beliebigen bekannten standardmäßigen Ein-Tor-Kalibrierung zum Kalibrieren allgemeiner Fehlerkoeffizienten eines generischen Ein-Tor-Fehlermodells. Die standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierung kann auf einer linearen Netzwerkmodellierung basieren, die Netzwerkparameter, wie zum Beispiel ABCD-Kettenparameter, S-Parameter und/oder Z-Parameter beinhalten kann, die beispielsweise verwendet werden, um ein allgemeines Fehlermodell zu beschreiben, wie in 5 dargelegt wird. Dies bedeutet, dass 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm ist, das eine standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierung zeigt.
Bezug nehmend auf 5 ist eine ideale Impedanzmessvorrichtung 510 durch ein Fehlerfeld 520 mit dem DUT 530 verbunden. Das Fehlerfeld 520 berücksichtigt alle systematischen Fehler und die ideale Impedanzmessvorrichtung 510 in Kombination mit dem Fehlerfeld 520 stellt eine reale (d. h. nicht ideale) Impedanzmessvorrichtung dar. Das DUT 530 weist eine echte Impedanz Z_d, die beschrieben werden kann durch Z_d=V_d/I_d, wobei V_d eine DUT-Spannung über DUT-Anschlüsse 531 und 532 ist und I_d ein DUT-Strom durch das DUT 530 ist, auf. Insbesondere ist V_d die Spannung über die DUT-Erfassungsverbinder und ist I_d der Strom durch die DUT-Einprägeverbinder. Die Spannung über die DUT-Einprägeverbinder und der Strom durch die DUT-Erfassungsverbinder werden nicht berücksichtigt, was aufgrund der Natur der Niedrigimpedanzmessungen keine zusätzlichen Fehler einführt. Das Fehlerfeld 520 stellt eine allgemeine Transformation zwischen der echten Impedanz Z_d und der gemessenen Impedanz Z_m dar. Die gemessene Impedanz Z_m ist der Ablesewert, der durch die ideale Impedanzmessvorrichtung 510 bereitgestellt wird, beschrieben durch Zm=Vm/lm, wobei V_m die gemessene Spannung ist und Im der gemessene Strom ist. So kann die allgemeine Transformation, die durch das Fehlerfeld 520 dargestellt ist, beispielsweise durch Gleichungen (1) und (2) gegeben sein, wobei A, B, C und D Elemente in einer Matrix des Fehlerfelds 520 sind: $V_{m} = A * V_{d} + B * I_{d}$
$I_{m} = C * V_{d} + D * I_{d}$
Ausgedrückt durch eine gemessene Impedanz sind die Gleichungen (1) und (2) durch Gleichung (3) gegeben: $Z_{m} = (A * Z_{d} + B) / (C * Z_{d} + D)$
Fehlerkoeffizienten k1, k2 und k3 werden in die Gleichung (3) eingesetzt, wobei k1=C/D, k2=A/D und k3=B/D gilt, angezeigt durch die Kalibrierungsgleichung (4): $k 1 * Z_{m} * Z_{d} + Z_{m} = k 2 * Z_{d} + k 3$
Um nach den Fehlerkoeffizienten k1, k2 und k3 in der Gleichung (4) aufzulösen, muss ein Gleichungssystem (5) gelöst werden: $A * x = b mit A = \begin{matrix} Z m 1 * Z d 1 & - Z d 1 & - 1 \\ Z m 2 * Z d 2 & - Z d 2 & - 1 \\ Z m 3 * Z d 3 & - Z d 3 & - 1 \end{matrix}, x = \begin{matrix} k 1 \\ k 2 \\ k 3 \end{matrix} und b = \begin{matrix} - Z m 1 \\ - Z m 2 \\ - Z m 3 \end{matrix} .$
Das Gleichungssystem (5) ist exakt mit drei unabhängigen Gleichungen lösbar, die drei Kalibrierungsstandards entsprechen, beispielsweise dem Kurzschlusskalibrierungsstandard und zwei Nebenschlusskalibrierungsstandards, die oben erläutert wurden. Wie jedoch oben erwähnt wurde, können zusätzliche Gleichungen, die zusätzlichen Kalibrierungsstandards (z. B. zusätzliche Nebenschlussstandards) entsprechen, hinzugefügt werden, wobei in diesem Fall das Gleichungssystem (5) überbestimmt ist und unterschiedlich aufgelöst werden muss, beispielsweise durch das Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahren.
Eine Korrekturgleichung (6) wird aus der Kalibrierungsgleichung (4) hergeleitet und ermöglicht eine Berechnung der echten Impedanz Z_d aus der gemessenen Impedanz Z_m, sobald die Fehlerkoeffizienten k1, k2 und k3 durch das Gleichungssystem (5) bestimmt wurden: $Z_{d} = (Z_{m} - k 3) / (k 2 - k 1 * Z_{m})$
Die 4A und 4B sind Graphen, die ein Beispiel eines Bestimmens einer kalibrierten Impedanz eines DUT gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel darstellen. Dies bedeutet, dass 4A Graphen beinhaltet, die Beispiele von Rohdatenimpedanzen von Kalibrierungsstandards und einer Rohdatenimpedanz eines DUT darstellen, und 4B Graphen beinhaltet, die Beispiele einer kalibrierten Impedanz des DUT als eine Funktion der Frequenz darstellen, bestimmt gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
4A beinhaltet einen Graphen, der einen Realteil (Re(Z)) und einen Imaginärteil (Im(Z)) von Impedanzen für drei Kalibrierungsstandards und für das DUT darstellt, das bei dem Beispiel ein Prismenbatteriegehäuse mit einer internen Kurzschlussleiste ist. Es wird angenommen, dass das DUT eine niedrige Impedanz (z. B. bei diesem Beispiel weniger als etwa 500 µΩ) aufweist, die unter Verwendung herkömmlichen Techniken schwierig zu messen ist. Die drei Kalibrierungsstandards können einen Kurzschlusskalibrierungsstandard 411 (0 Ω), einen ersten Nebenschlusskalibrierungsstandard 412 (1 mΩ) und einen zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandard 413 (2 mΩ) beinhalten, wie auch in 4A dargestellt ist. Jeder des ersten und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards 412 und 413 ist teilweise bekannt, und zwar dahin gehend, dass nur der Realteil (Widerstandswert) bereitgestellt ist, wie oben erläutert wurde. Der Kurzschlusskalibrierungsstand 411 beinhaltet Anschlüsse 411a und 411b zur Verbindung mit der Impedanzmessvorrichtung (z. B. Impedanzmessvorrichtung 100) an einer Versatz-Nullsetzebene und einer Kalibrierungsebene eines entsprechenden spezifischen Fehlermodells (z. B. spezifischen Fehlermodells 200). Der erste Nebenschlusskalibrierungsstandard 412 beinhaltet Anschlüsse 412a und 412b und der zweite Nebenschlusskalibrierungsstandard 413 beinhaltet Anschlüsse 413a und 413b zur Verbindung mit der Impedanzmessvorrichtung an einer Kalibrierungsebene des entsprechenden spezifischen Fehlermodells. Eine Entfernung zwischen den Anschlüssen 411a und 411b muss gleich der Entfernung zwischen Anschlüssen des DUT sein. Eine Entfernung zwischen den Anschlüssen 412a und 412b und eine Entfernung zwischen den Anschlüssen 413a und 413b können gleich oder unterschiedlich zueinander sein und gleich der oder unterschiedlich zu der Entfernung zwischen Anschlüssen des DUT sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zu Darstellungszwecken die Entfernung zwischen den Anschlüssen 411a und 411b, die Entfernung zwischen den Anschlüssen 412a und 412b und die Entfernung zwischen den Anschlüssen 413a und 413b gleich zueinander und sind auch gleich zu einer Entfernung zwischen Anschlüssen des DUT selbst (nicht gezeigt). Dies stellt teilweise sicher, dass der Kurzschlusskalibrierungsstandard 411 und der erste und der zweite Nebenschlusskalibrierungsstandard 412 und 413 die gleiche Geometrie des DUT aufweisen.
Rohdaten, die mit jedem des Kurzschlusskalibrierungsstandards 411, des ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards 412 und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards 413, die an der Stelle verbunden sind, gemessen werden, sind in der Komplexebene abgebildet (z. B. Nyquist-Darstellung) und stellen jeweilige Spuren 401, 402 und 403 in 4A bereit. Die Imaginärteile des ersten und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards 412 und 413 werden insbesondere gemäß dem Vorgang bestimmt, der oben Bezug nehmend auf beispielsweise 3 erläutert wurde. Eine Spur 404 stellt die Komplexrohdatenimpedanzmessung des DUT dar.
4B beinhaltet zwei Graphen, die die kalibrierten Kompleximpedanzmessungen des DUT als eine Funktion der Frequenz des Anregungssignals zeigen, wobei die Impedanzmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung unter Verwendung des Kurzschlusskalibrierungsstandards 411 und des teilweise bekannten ersten und zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards 412 und 413 kalibriert wurde. Der obere Graph zeigt eine Spur 421, die einen Realteil (Re(Z)) der kalibrierten DUT-Impedanz als eine Funktion der Frequenz abbildet, und der untere Graph zeigt eine Spur 422, die einen Imaginärteil (Im(Z)) der kalibrierten DUT-Impedanz als eine Funktion der Frequenz abbildet. Bei dem dargestellten Beispiel wird das DUT in einem Frequenzbereich von beispielsweise etwa 10 mHz bis etwa 30 kHz gemessen.
Während die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben wurde, sollen diese Darstellung und diese Beschreibung als veranschaulichend oder exemplarisch und nicht einschränkend betrachtet werden; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt.
Andere Abänderungen an den offenbarten Ausführungsbeispielen sind für durchschnittliche Fachleute auf diesem Gebiet bei der Praktizierung der beanspruchten Erfindung aus einem Studieren der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verständlich und können durch diese ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und schließt der unbestimmte Artikel „einer/eine/eines“ eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in zueinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen genannt sind, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Während hierin repräsentative Ausführungsbeispiele offenbart sind, wird ein durchschnittlicher Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass viele Abänderungen, die gemäß den vorliegenden Lehren erfolgen, möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs des beigefügten Anspruchssatzes bleiben. Deshalb soll die Erfindung mit Ausnahme des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche nicht eingeschränkt sein.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzmessvorrichtung (100) zum Messen einer Niedrigpegelimpedanz eines Testobjekts (DUT) (101), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Durchführen von Kurzschlusskalibrierungsmessungen der Impedanzmessvorrichtung (100) über einen vorbestimmten Frequenzbereich unter Verwendung eines Kurzschlusskalibrierungsstandards (411) mit Einpräge- und Erfassungsverdrahtungsverbindungen (170), um Kurzschlussrohdaten zu erhalten; Durchführen erster Nebenschlusskalibrierungsmessungen der Impedanzmessvorrichtung (100) über den vorbestimmten Frequenzbereich unter Verwendung eines ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412), um erste Rohdaten zu erhalten, wobei der erste Nebenschlusskalibrierungsstandard (412) einen bekannten ersten Widerstandswert und einen unbekannten ersten Induktivitätswert (272) aufweist; Durchführen zweiter Nebenschlusskalibrierungsmessungen der Impedanzmessvorrichtung (100) über den vorbestimmten Frequenzbereich unter Verwendung eines zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (413), um zweite Rohdaten zu erhalten, wobei der zweite Nebenschlusskalibrierungsstandard (413) einen bekannten zweiten Widerstandswert und einen unbekannten zweiten Induktivitätswert (272) aufweist; Bestimmen einer ersten und einer zweiten Kompleximpedanz des ersten und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412 bzw. 413) durch Berechnen des ersten und des zweiten Induktivitätswerts (272) unter Verwendung der Kurzschlussrohdaten und der ersten und zweiten Rohdaten, die auf ein spezifisches Fehlermodell (200) angewendet werden, das systematische Fehlerausdrücke der Impedanzmessvorrichtung (100) darstellt; und Bestimmen allgemeiner Fehlerkoeffizienten für ein Fehlermodell (200) der Impedanzmessvorrichtung (100) unter Verwendung der ersten und der zweiten Kompleximpedanz, der Kurzschlussrohdaten und der ersten und der zweiten Rohdaten, die auf eine standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierungsprozedur angewendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Bestimmen der ersten und der zweiten Kompleximpedanz des ersten und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412 bzw. 413) folgende Schritte aufweist: Bestimmen von Modellfehlerkoeffizienten gemäß dem spezifischen Fehlermodell (200) unter Verwendung der ersten und der zweiten Rohdaten; und Berechnen des ersten und des zweiten Induktivitätswerts (272) unter Verwendung der Modellfehlerkoeffizienten und der ersten und der zweiten Rohdaten.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem jeder des ersten Nebenschlusskalibrierungsstandards (412) und des zweiten Nebenschlusskalibrierungsstandards (413) eine Niedrigpegelimpedanz zwischen etwa 1 Mikroohm und etwa 100 Ohm aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die Modellfehlerkoeffizienten eine Versatzimpedanz, einen Komplexskalierungswert und eine gegenseitige Induktivität aufweisen, die der Impedanzmessvorrichtung (100) entsprechen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgende Schritte aufweist: anfängliches Durchführen anfänglicher Kurzschlusskalibrierungsmessungen der Impedanzmessvorrichtung (100) unter Verwendung eines anfänglichen Kurzschlusskalibrierungsstandards (411) ohne die Einpräge- und Erfassungsverdrahtungsverbindungen (170), um anfängliche Kurzschlussrohdaten zu erhalten; und Berechnen der Versatzimpedanz unter Verwendung der anfänglichen Kurzschlusskalibrierungsmessungen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner folgenden Schritt aufweist: anfängliches Durchführen der anfänglichen Kurzschlusskalibrierungsmessungen unter Verwendung des anfänglichen Kurzschlusskalibrierungsstandards (411) mit den Einpräge- und Erfassungsverdrahtungsverbindungen (170), wobei der anfängliche Kurzschlusskalibrierungsstandard (411) verglichen mit dem Kurzschlusskalibrierungsstandard (411) unterschiedliche Eigenschaften aufweist, wobei die unterschiedlichen Eigenschaften eine unterschiedliche Stromweglänge und/oder eine unterschiedliche magnetische Kopplung zwischen der Einpräge- und Erfassungsverdrahtung (170) aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner folgende Schritte aufweist: Verbinden des DUT (101) durch die Einpräge- und Erfassungsverdrahtungsverbindungen (170) mit der Impedanzmessvorrichtung (100); Messen einer Impedanz des DUT (101) über zumindest einen Abschnitt des vorbestimmten Frequenzbereichs; und Bestimmen einer kalibrierten Kompleximpedanz des DUT (101) unter Verwendung der gemessenen Impedanz und der bestimmten allgemeinen Fehlerkoeffizienten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die ersten Rohdaten eine gemessene erste Impedanz, die durch einen systematischen Fehler gestört ist, aufweisen und die zweiten Rohdaten eine gemessene zweite Impedanz aufweisen, die durch einen systematischen Fehler gestört ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die standardmäßige Ein-Tor-Kalibrierungsprozedur auf einem linearen Netzwerkmodell basiert.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das lineare Netzwerkmodell lineare Netzwerkparameter aufweist, die ABCD-Parameter, S-Parameter und/oder Z-Parameter beinhalten.