KR102582403B1 - 고주파 펄스 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 고주파 펄스 측정 시스템은 접지전극 및 접지전극으로부터 소정 간격 이격된 신호전극을 포함하는 기판, 신호전극에 제공되는 측정용 신호를 생성하는 펄스 제너레이터 및 펄스 제너레이터로부터의 측정용 신호를 신호전극에 인가하기 위한 것으로 신호전극과 접촉되는 제1 팁 및 상기 접지전극과 접촉되는 제2 팁으로 이루어지는 제1 프로브를 포함한다.

Description

고주파 펄스 측정 시스템{High frequency Pulse Measurement System}

본 발명은 보다 정확하게 고주파 대역을 측정할 수 있는 고주파 펄스 측정 시스템에 관한 것이다.

최근 전자 소자들이 점점 더 빠른 동작 속도를 갖게 되어, 전기 펄스를 사용한 측정 및 평가 방법에 관심이 높아지고 있다. 펄스의 폭이 매우 좁은 초고속 측정 영역에서는 전기 펄스를 전기장만의 중첩이 아닌, 전기장과 자기장이 함께 있는 전자기장의 중첩이 발생한다. 전기장의 변화가 자기장을 유도하고, 자기장의 변화가 전기장을 유도하는 패러데이 법칙 때문에 빠른 전기장의 변화가 더 큰 자기장의 변화를 야기한다. 따라서 GHz 대역의 초고속 측정 영역에서는 종래의 측정 시스템에서는 시료가 되는 기판에 정확한 펄스를 인가할 수 없고, 정확한 펄스를 측정하기 어려운 상황이다.

본 발명은 고주파 측정 과정에서 자기장 변화로 인하여 측정 오류가 발생하는 것을 개선하기 위한 고주파 펄스 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 고주파 펄스 측정 시스템은 접지전극 및 접지전극으로부터 소정 간격 이격된 신호전극을 포함하는 기판, 신호전극에 제공되는 측정용 신호를 생성하는 펄스 제너레이터 및 펄스 제너레이터로부터의 측정용 신호를 신호전극에 인가하기 위한 것으로 신호전극과 접촉되는 제1 팁 및 상기 접지전극과 접촉되는 제2 팁으로 이루어지는 제1 프로브를 포함한다.

본 발명은 고주파수 측정 과정에서 오버슈팅 또는 펄스 변동 등의 현상을 개선하면서, 보다 정확하게 고주파수를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 고주파 펄스 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 프로브를 나타내는 도면이다.
도 3은 측정 대상인 기판을 나타내는 도면이다.
도 4는 제1 프로브의 출력 정확도를 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 오실로스코프가 측정한 펄스의 결과 그래프이다.
도 6은 비교 예에 의한 펄스 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 비교 예에 의해서 측정된 펄스 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 반사파 실험 환경을 나타내는 도면이다.
도 9는 단일 및 본 발명에서 제작한 프로브 팁을 사용한 반사파 실험을 통해 출력된 각 오실로스코프 채널별 펄스이다.

본 명세서의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 명세서는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하며, 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 고주파 펄스 측정 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 프로브를 나타내는 도면이다. 도 3은 측정 대상인 기판을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 고주파 펄스 측정 시스템은 기판(200)에 GHz 대역 펄스를 인가하여 측정을 수행하기 위한 것이다. 이를 위해서, 고주파 펄스 측정 시스템은 펄스 제너레이터(100), 제1 프로브(300-1), 제2 프로브(300-2) 및 오실로스코프(400)를 포함한다.

기판(200)은 접지전극(210) 및 접지전극(210)으로부터 소정 간격 이격된 신호전극(220)을 포함한다. 신호전극(220)은 상부전극(223) 및 하부전극(221)을 포함할 수 있다.

펄스 제너레이터(100)는 신호전극(220)에 제공되는 측정용 신호를 생성한다. 펄스 제너레이터(100)는 고주파, 특히 GHz 주파수를 갖는 펄스를 생성한다. 펄스 제너레리터(100)와 오실로스코프(400)의 입-출력 임피던스는 50(Ω)으로 설정될 수 있다.

제1 프로브(300-1)는 펄스 제너레이터(100)로부터의 측정용 신호를 기판(200)의 신호전극(220)에 인가한다. 제2 프로브(300-2)는 기판(200)의 신호전극(220)으로부터의 신호를 오실로스코프(400)에 전달한다. 제1 프로브(300-1) 및 제2 프로브(300-2)는 도 2에 도시된 바와 같이 동일한 형태로 구현될 수 있다.

도 2를 참조하면, 예컨대, 제1 프로브(300-1)의 제1 팁(310) 및 제2 팁(320)은 하우징에 의해서 고정되어, 제1 팁(310)과 제2 팁(320)은 일정 간격 이격된 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 제1 팁(310)과 제2 팁(320) 간의 간격은 50㎛로 설정될 수 있다. 또한, 제1 팁(310) 및 제2 팁(320)의 직경은 5㎛일 수 있다.

제1 프로브(300-1)의 제1 팁(310)은 신호전극(220)과 접촉되고, 제2 팁(320)은 접지전극(210)과 접촉된다.

제1 프로브(300-1)의 제1 팁(310) 및 제2 팁(320)은 통해서 펄스 제너레이터(100)와 연결되고, 제2 프로브(300-2)의 제1 팁(310) 및 제2 팁(320)은 오실로스코프(400)와 연결된다. 제1 팁(310)과 연결되는 신호선(351) 및 제2 팁(320)과 연결되는 접지선(352)은 동축 케이블(coaxial) 형태로 구형될 수 있다.

오실로스코프(400)는 제2 프로브(300-2)를 통해서 신호전극(220)의 펄스를 측정한다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 의한 기판(200)은 접지전극(210)과 신호전극(220)이 일정 간격 이격된 상태이고, 제1 프로브(300-1)의 제1 팁(310) 및 제2 팁(320)은 서로 일정 간격 이격된 상태에서 측정을 진행한다. 이를 위해서, 접지전극(210)과 신호전극(220) 간의 최단 거리는 제1 팁(310)과 제2 팁(320) 간의 간격 보다 짧게 설정된다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 측정 과정에서 제1 팁(310)과 제2 팁(320)의 간격이 일정하게 유지되기 때문에, 단일 팁을 갖는 프로브를 이용하여 고주파를 측정할 때 발생하는 오버슈팅(overshooting) 및 펄스 변동(fluctuation)을 방지할 수 있다.

이를 설명하면 다음과 같다. 종래의 펄스 측정 장치는 단일 팁을 갖는 프로브를 이용하였다. 단일 팁을 갖는 프로브는 MHz 대역 이하의 펄스 측정 과정에서는 설정된 신호를 정확히 인가할 수 있다. 하지만 GHz 대역의 펄스 측정에서는 반사파 (reflection) 와 오버슈팅(overshooting) 및 펄스 변동(fluctuation) 등이 발생하여 입력한 펄스를 정확이 인가하기 어려운 현상이 발생한다. 측정 과정에서 기판의 전극을 따라 신호선이 이동할 때 케이블 내 접지선과 신호선 사이의 전자기장이 형성된다. 이때 단일 팁을 이용하는 경우 프로브와 연결되는 접지선과 신호선이 나누어지기 때문에, 펄스가 단일 프로브 팁에 도착하는 순간 접지선이 끊어지면서 (패러데이 법칙에 의해) 전자기장의 크기가 달라져서 설정된 펄스가 인가되지 않는 문제점이 발생한다.

이에 반해서, 본 발명의 실시 예에 의하면 프로브(300)에 고정된 제1 및 제2 팁들(310,320)이 일정한 간격을 유지하면서, 접지전극(210)과 신호전극(220) 상을 이동하기 때문에, 제1 프로브(300-1)를 통해서 인가되는 펄스의 크기가 일정하게 유지될 수 있다. 그 결과, GHz의 고주파수를 갖는 펄스를 측정할 때에도 오버슈팅 및 펄스 변동이 없이 정확한 신호를 측정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 측정 장치에서, 제1 프로브의 출력 정확도를 측정하는 것을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 펄스 제너레이터(100)와 연결된 제1 프로브(300-1)는 오실로스코프(400)와 연결된 제2 프로브(300-2)와 직접 접촉된다. 이에 따라, 펄스 제너레이터(100)에서 생성되어 제1 프로브(300-1)를 통해서 출력되는 펄스를 직접 측정할 수 있다. 이 때 펄스 제너레이터(100)와 오실로스코프(400)들 각각의 내부저항 50Ω으로 설정되었고, 모든 회로를 50 Ω으로 구현하여 임피던스 매칭을 하였다.

펄스 제너레이터(100)가 출력하는 펄스는 2ns의 상승 및 하강 시간을 갖고, 10 ns 펄스 폭을 갖는 사각파형으로 설정하였고, 진폭은 1 V부터 4 V까지 변경하였다.

도 5는 도 4의 시뮬레이션을 통해서, 오실로스코프가 측정한 펄스의 결과 그래프이다.

도 5에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 의한 고주파 펄스 측정 장치를 이용하면, 펄스 제너레이터(100)가 출력하는 출력 파형은 설정된 펄스 파형과 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.

도 6은 비교 예에 의한 펄스 측정 시스템으로써, 종래의 단일 프로브 팁을 사용하는 펄스 측정 시스템을 바탕으로 펄스를 측정하는 것을 나타내는 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 측정 시스템을 바탕으로 측정된 펄스 측정 결과를 나타내는 도면이다.

도 7에서와 같이, 단일 프로브 팁을 사용한 출력 펄스에서는 펄스 제너레이터에서 입력한 펄스 파형과 전혀 다른 출력 파형이 나타났으며, 20 ns 초에서 끝나는 입력 펄스와는 달리 60 ns까지 알 수 없는 신호가 계속해서 나타나는 것을 알 수 있다.

도 8은 반사파 실험 환경을 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)는 종래의 단일 프로브를 이용한 것이고, 도 8의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 2개의 팁을 갖는 프로브를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 펄스 제너레이터가 출력하는 신호는 파워 디바이더에 의해서 분할된다. 분할된 신호들 중에서 하나의 신호는 오실로스코프에 직접 입력되고, 다른 하나의 신호는 프로브 팁을 통해서 오실로스코프에 입력된다. 이를 바탕으로 파워 디이더와 오실로스코프를 바로 연결한 부분에서 반사파를 확인할 수 있다.

파워디바이더(500)는 하나의 펄스를 반으로 나누어 두 개의 펄스로 분할한다. 파워디바이더(500) 내에는 3개의 커넥터가 연결되어 있으며 각 커넥터는 16.6(Ω)의 저항기를 포함한다. 16.6(Ω)의 저항기는 각 3개로 나뉘어진 연결선의 임피던스를 50(Ω)으로 만들어 펄스 제너레이터와 오실로스코프의 임피던스 매칭시킨다. 파워 디바이더(500)와 프로브 팁 간의 케이블의 길이가 매우 짧은 경우, 파워 디바이더와 직접 연결된 오실로스코프를 통해 처음 출력되는 펄스는 펄스 제너레이터에서 인가한 펄스의 반과 중첩되어 반사파의 형태를 정확히 알 수 없기 때문에, 파워디바이더(500)와 프로브 간의 케이블은 반사파가 오실로스코프를 통해 처음 출력되는 펄스와 중첩되지 않도록 충분히 길게 설계하는 것이 바람직하다.

파워 디바이더와 오실로스코프가 직접 연결된 부분에서 펄스 제너레이터에서 설정한 펄스의 반이 먼저 오실로스코프를 통해 출력되고, 반사파가 있는 경우에는 일정 시간 이후에 반사파가 출력된다. 또한 파워 디바이더와 오실로스코프 사이에 위치한 프로브 팁과 연결된 부분에서는 프로브 팁을 통해 나오는 출력 신호를 확인할 수 있다.

펄스 제너레이터는 2 ns의 상승 및 하강 시간을 갖고, 10 ns 펄스 폭을 갖는 사각파형을 출력하도록 설정되었고, 진폭은 1 V부터 4 V까지 변경하였다.

도 9는 단일 및 본 발명에서 제작한 프로브 팁을 사용한 반사파 실험을 통해 출력된 각 오실로스코프 채널별 펄스이다.

도 9에서 좌측 상단의 (1)번 그래프와 우측 상단의 (2)번 그래프들은 도 8의 실험 환경에서 파워 디바이더와 오실로스코프에 직접 연결된 채널 1에서의 반사파 결과이다. (1)번 그래프는 단일 프로브 팁을 사용한 반사파 측정 시스템의 결과이고, (2)번 그래프는 본 발명에서 제작한 프로브 팁을 사용한 반사파 측정 시스템의 결과이다.

도 9에서 좌측 하단의 (3)번 그래프와 우측 하단의 (4)번 그래프는 도 8의 모식도에서 오실로스코프 채널 2에 나오는 출력 펄스에 해당하며, (3)번 그래프는 단일 프로브 팁을 사용한 출력 펄스 결과이고, (4)번 그래프는 본 발명에서 제작한 프로브 팁을 사용한 출력 펄스 결과이다.

실험 결과 단일 프로브를 사용한 (1)번 그래프에서 반사파를 확인할 수 있었으나, 본 발명에서 제작한 프로브 팁을 사용한 (2)번 그래프에서는 반사파가 없는 것을 확인하였다. 이는 단일 프로브 팁이 서로 연결되었을 때 접지선의 부재로 인해 신호선의 전위차가 달라지고, 이에 따라 예상치 못한 저항 또는 커패시턴스 특성이 나타나 임피던스 불일치를 일으켜 반사파가 일어나는 것을 의미한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 명세서의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (6)

1. 접지전극 및 상기 접지전극으로부터 소정 간격 이격된 신호전극을 포함하는 기판;
   상기 신호전극에 제공되는 측정용 신호를 생성하는 펄스 제너레이터;
   상기 펄스 제너레이터로부터의 상기 측정용 신호를 상기 신호전극에 인가하기 위한 것으로, 상기 신호전극과 접촉되는 제1 팁 및 상기 접지전극과 접촉되는 제2 팁으로 이루어지는 제1 프로브;
   상기 신호전극 및 상기 접지전극으로부터의 펄스를 측정하는 오실로스코프;
   상기 오실로스코프와 연결되며, 상기 신호전극과 접촉되는 제1 팁 및 상기 접지전극과 접촉되는 제2 팁으로 이루어지는 제2 프로브; 및
   상기 펄스 제너레이터로부터 생성되어 출력된 상기 측정용 신호를 2개의 신호로 분할하고, 분할된 하나의 신호는 상기 오실로스코프에 직접 입력하고, 분할된 나머지 하나의 신호는 상기 제 2프로브를 통해서 상기 오실로스코프에 입력함으로써, 임피던스 불일치에 따른 반사파를 확인하는 파워디바이더;를 포함하는 고주파 펄스 측정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 접지전극과 상기 신호전극 간의 최단 거리는, 상기 제1 팁과 상기 제2 팁 간의 간격 보다 짧은 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 측정 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 펄스 제너레이터는 신호선을 통해서 상기 제1 팁과 연결되고, 접지선을 통해서 상기 제2 팁과 연결되며,
   상기 신호선과 상기 접지선은 동축 케이블 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 측정 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 파워 디바이더는
   동일한 전기 저항을 지닌 저항기를 포함한 3개의 커넥터를 포함하고, 상기 저항기의 연결선의 임피던스를 일정하게 만들어 상기 펄스 제너레이터와 상기 오실로스코프를 임피던스 매칭하되, 상기 제 2프로브와 연결된 케이블의 길이가 상기 오실로스코프와 연결된 케이블의 길이보다 길게 형성되어 상기 반사파가 존재하는 경우에 상기 반사파를 출력하는 것을 특징으로 하는 고주파 펄스 측정 시스템.
   
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