SU894577A1 - Устройство дл измерени параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ Изобретение относитс  к электроизме рительной технике и может быть использовано дл  измерени  параметров полупроводниковых структур и тонких пленок при производстве полупроводниковых приборов, во влагометрии, биологии и других област х науки и техники, где объект контрол  можно представить в виде трехэлемент ного двухполюсника. Известна измерительна  цепь преобразовател  параметров трехэлементных двух попюсников в активные величины, содержаща  источник двух напр жений различных частот, подключенные к нему ветвь с исследуемым трехэлементным двухполюсником и ветвь образцовых величин, содержащую три звена направленного действи  с регулируемыми коэффициентами передачи, и узел суммировани  выходных велишн ветвей, причем ветвь образ. цовых величин содержит звено с коэффициентом передачи, совпадаклдим по величине фазового угла с отнощением парамет ров двухэлементной части двухполюсника. ДВУХПОЛЮСНИКОВ охваченное отрицательной обратной св зью с посто нным коэффициентом передачи и соединенное последовательно со звеном, коэффициент передачи которого совпадает по величине фазового сдвига с иммитансом одного из элементов двухэлементной части двухполюсника, а параллельно этим звень м включено звено с коэффициентом передачи, совпадающим по величине фазового угла с иммитансом третьего элемента 1 3. К недостаткам измеритепьной цепи преобразовател  параметров трехэлементных двухполосников относитс  низка  точность измерени  параметров двухполюсника при очень высокой точности уравновешивани  измерительной цепи. Это происходит по той причине, что, не зна  заранее параметров двухполюсника или его характеристик , невозможно оптимально выбрать значени  дискретных частот, питающих измерительную цепь, при которых погрей ность измерени  минимальна. К недостаткам цепи относ тс  также сложности про-

цесса уравновешивани  измерительной цепи , и как следствие этого - низкое быстродействие . Измерительна  цепь неуниверсальна , т.е. дл  каждого нового вида трехэлементного двухполюсника необходимо ее составл ть заново, что затрудн ет ее широкое использование.

Известен также преобразователь параметров пассивных нерезонансных двухполюсников , который содержит источник литани , соединенный с трансформатором тока, два усилител , в обратной св зи одного из которых включен образцовый элемент , а выход и вход другого усилител  соединены с клеммами дл  подключени  исследуемого двухполюсника; управл емый делитель напр жени  и дополнительный образцовый элемент, конденсатор, сумматор, два измерител  отношени  напр жений и фазочувствительный индикатор, причем источник питани  св зан с сумматором и через последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора тока и конденсатор - со входом усилител , подключенного к сумматору, выходом св занного со входами последовательно соединенных фазочувствительного индикатора , управл емого делител  напр жени  и двух измерителей отношени  напр жений , один из которых св зан с фазочувствительным индикатором, вход второго усилител  одновременно подключен ко вторичной обмотке трансформатора тока, второй конец которой заземлен и через дополнительный образцовый элемент соединен с выходом управл емого делител  напр жени  и входом одного из измерителей отношени  напр жений, а выход второго усилител  св зан одновременно со вторы ми входами фазочувствительного индика - тора и другого измерител  отношени  напp жeни i .

К недостаткам преобразовател  параметров пассивных нерезонансных двухполюсников относитс  то, что в контролируемом двухполкхзнике измер ютс  параметры двух элементов только при наличии известного номинала третьего элемента . Преобразователь имеет низкую точность , так как частота питани  измерительной цепи выбираетс  произвольно, вследствие чего на определенных частотах характеристики двухполюсника определ ютс , например, практически только параметрами одного из элементов схемы замещени , а также измерение параметров р да элементов происходит пр мым методом преобразовани . Преобразо-

ватель также неуниверсален в смыспе измерени  параметров различных видов трехэлементных двухполюсников.

Наиболее бтгазким к предлагаемо1 1у  вл етс  устройство дл  измерени  параметров нерезонансных пассивных -трехэлементных двухполюсников, содержаще е источник напр жени  измен ющиес  частоты, к которому подключен преобразователь комплексного сопротивлени  (комплексной проводимости) исследуемого двухполюсника в активный сигнал, формирователь компенсирующего сигнала, причем выходы преобразовател  и формировател  соединены со входами вычитающего устройства выход вычитающего блока соединен со входом указател  максимума реактивной составл ющей, блок умножени  и делени  на частоту указатель равенства активной и реактивной составл ющей, три отсчетных прибора, фазочувствительный детектор/С3f.

Измерение параметров трехэлементных двухполюсников в описанном устройстве основано на сочетании методов уравновешивани  и пр мого преобразовани , поэтому два параметра двухполюсника, которые измер ютс  методом пр мого преобразовани , измер ютс  с низкой точностью . Низка  точность измерени  этих параметров обуславливаетс  еще и тем, что их измер ют на неблагопри тной частоте в смысле точности. Это така  частота , где измер емые параметры мало вли ют на .частотную характеристику двухполюсника . Устройство обладает малыми функциональными возможност ми: при смене одного вида контролируемого двухполюсника на другой необходимо замен ть целый р д узлов устройства.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  и расширение функциональных возможностей.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл . измерени  параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников , содержащее источник напр жени  измен ющейс  частоты, преобразователь комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника в активный сиг .нал, формирователь компенсирующего сигнала, вычитающий блок и три отсчетных прибора, выход источника напр жени  измен ющейс  частоты соединен со входами преобразовател  комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника и формировател  компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом

пом нутый преобразовате ть содержит усиитель , во входную цепь которого включен образцовый элемент, а в обратную св зьсследуемый двухполюсник, введены частотомер , фазометр усилитетш с управл - емым коэффициентом передачи, ключ, программно-вычислительный блок, блок уравновешивани  и указатель экстремальных фазовых значений, причем выход преобразовател  комплексного сопротивлени  ис- в следуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра со входом усилител  с управл емым коэф (} циентом передачи, а выход последнего - со вторым входом вычитающего IS лока, второй вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формиовател  комплексирующего сигнала, при этом выход фазометра соединен с программно-вычислительным блоком и со20 входом указател  экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управл ющими входами частотомера и источника напр жени  измен ющейс  часта ты , выход вычитающего блока через блок 2S равновешивани  соединен с программновычислительным блоком и усилителем с управл емым коэффициентом передачи, выход источника напр жени  измен ющейс  частоты соединен через частотомер сю программно-вычислительным блоком, а последний - с двум  регулирующими органами формировател  компенсирующего сигнала и трем  отсчетными приборами.

Наличие в устройстве фазометра, ука- 15

зател  экстремальных фазовых значений, частотомера и их св зи обеспечивают достижение одновременно двух условий: первое - частота питани  измерительной цепи приводитс  в область максимального 40 наклона амплитудно-частотной характеристики двухполюсника, что обеспечивает достижение необходимой точности измерени ; второе - значение измеренной частоты дает возможность установки регули- 4S рующих органов формировател  компенсирующего сигнала в положение, удобное дл  приведени  измерительной цепи в положение равновеси . Наличие в устройстве фазометра и усилител  с регулируемым JQ коэффициентом передачи и их св зи обеспечивают раздельное уравновешивание измерительной цепи как по фазе, так и по амплитуде сигналов на всех частотах. В ре льтате все три измеренных парамет- jj pa дл  определени  номиналов элементов схемы двухполюсника определ ютс  методом у вновешивани , что повышает точность предлагаемого устройства по сравнению с известным. Натшчие в устройс-пве формировател  компенсирующего сигнала , состо щего из звена с регулируемым полюсом и нулем коэффициента передачи , позвол ет с одинаково высокой точностью измер ть параметры двухпопюоников разных видов и состо пщх из элементов разных номиналов. Это осуществл етс  за счет того, что каким бы ни был контролируемый двухпогаосник, попюс и нуль его передаточной функции располагаютс  всегда определенным образом и имеют одну размерность.

На фиг. 1 изображена структурна  схема предлагаемого устройства; на ф г, 2. схемы нерезонансный трехэлементных двухполюсников.

Устройство дл  измерени  параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников содержит источник 1 напр жени  измен ющейс  частоты, преобразователь 2 комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника в активный сигнал, в обратной св зи которого включен контролируемый двухполюсник 3, а во входной цепи - образцовый элемент 4, формирователь 5 компенсирующего сигнала, в обратной св зи которого включен образцовый конденсатор 6 и цифроуправл емый резистор 7, а во входной цепи подобным же образом включены образцовый конденсатор 8 и цифроуправл емый резистор 9, фазометр 10, один вход которого соединен с преобразователем 2, а второй - с ключем 11, имеющим контакты 12 н 13, выход фазометра соединен с указателем

14экстремальных фазовых значений и с программно-вычислительным блоком 15. Выход преобразовател  2 через уситштель 16с управл емым коэффициентом передачи соединен с одним из входов вычитающего блока 17. Выход вычитающего блока 17 подключен через блок 18 уравновешивани  к блоку 15 и управл ющему входу усилител  16. Выход указател  14 соединен со входом частотомера 19 и с управл ющим входом источника 1 напр жени  измен ющейс  частоты. Выход блока

15соединен с трем  отсчетными приборами 20, 21 и 22.

Устройство работает следуклцим образом .

Перед началом измерени  ключ 11 за мыкает контакт 13, На выходе источника 1 напр жени  измен етс  частота гармонического сигнала до достижени  макси - мального значени  фазы на выходе фазометра Ю. Экстремальное значение фазы фиксируетс  указателем 14, которн 1Й останавпивает изменение частоты источника 1 и дает команду частотомеру 19 на измерение этой частоты. Измеренное значение частоты в виде цифрового кода поступает в блок 15, далее ключ 11 замыкаетс  на клемму 12,. а частота источника 1 напр жени  начинает свипировать около измеренной частоты. Блок 15 на основе измеренного значени  частоты устанавливает необходимые равные между собой номиналы сопротивлений резисторов 9 и 7, а затем измен ет эти сопротвлени  - увеличивает одно сопротивление и уменьшает другое до по влени  на выходе фазометра 10 нулевого сигнала. В этот момент времени регулировка цифроуправл емых резисторов 7 и 9 прекращаетс  и их значение в виде цифрового кода запоминаетс  в блоке 15. После этого наступает второй этап работы устройства . Блок 18 у вновешивани  начинает измен ть коэффициент передачи усилител  16 так, чтобы на выходе вычитающего блока 17 отсутствовал сигнал. После уравновешивани  значение коэффициента передачи усилител  16 в виде цифрового кода поступает в блок 15. После измерени  трех величин - двух сопро- тивлений резисторов 7, 9 и коэффициента передачи усилител  16,, которые измер ютс  методом уравновешивани  и поэтому могут быть определены с очень высокой точностью, - блок 15 производит вычисление параметров двухполюсника, функционально св занных с измеренными величинами. Найденные параметры двухполюсника высвечиваютс  на табло отсчет-ных приборов 2О, 21 и 22. Программа вычислительному блоку 15 задаетс  в зависимости от вида контролируемого двухполюсника и легко может мен тьс .

Таким образом, происходит измерение параметров контролируемого двухполюсника и достигаетс  поставленна  цель. Так, например, дл  двухполюсников, изображенных на фиг. 2 а, б, операторное сопротивление имеет вид

Р +0

ZCp)--N

I

Р(Р где Р - j CJU

N - посто нЕ1ый коэффициент; of, и Р) - ноль и полюс функции операторного сопротивлени . Если в качестве образцового элемента 4 вз ть емкость Сд, то коэффициент передачи преобразовател  2 имеет вид

PtoC

)--Со При этом частота, на которой возникает экстремум фазового сдвига, вносимого преобразователем 2, определ етс  следующим образом

ш-VST

Можно показать, что при свипирова НИИ частоты источника 1 в окрестност х найденной частоты Л фазова  и амплитудна  характеристики преобразовател  2 обладают наибольшей чувствительностью к изменению параметров контролируемого двухполюсника, и в результате при контроле параметров в этой области частот может быть получена максимально возможна  точность измерений. Коэффициент передачи формировател  5ч имеет вид

Cg pfoC

s(P- --TTT

емкости образцовых конSгде Cg и денсаторов 8 и 6;

c.MfRgCg

P,

где Ro и -f - регулируемые

торы 9 и 7.

Как дл  преобразовател  2, так и дл  формировател  5 фазочастотные характе - ристики определ ютс  исключительно полюсами и нул ми, т.е. , f и . л  - того чтобы фазочастотные характеристики усилителей были идентичны и фазометр 10 на всех частотах показывал ноль, необходимо, чтобыо и/ yfj, поэтому первоначально блок 15 устанавливает значени  сопротивлений резисторов 7 и 9 равными между собой и чтобы при этом выполн лось условие.

-(jV

ЯтСб

при равенстве емкости , где С 2. - емкость образцового элемента 4, После этого блок 15 начинает измен ть сопротивление одновременно регулируемы резисторов 7 и 9, при этом соблюдаетс  соотношение

или

При полном совпадении фазочастотных характеристик регулировка сопротивлений R и R прекращаетс , что соответствует равенствам о/ с/ и р г |i. Дл  того, чтобы стали идентичными амплитудно-частотные характеристики преобразовател  2 и формировател  5, необходима регулировка коэффициента передачи К усилите п  16 до соблюдени  равенства

))

ИЛИ

KNCo

Таким образом, после полного уравновешивани  измерительной цепи величины контролируемого двухполюсника 3 ot, р и N; функционально св занные с его параметрами, определ ютс  следук щими выражени ми

ot,--l|RqCli ib--1(RiCi

NllKCo

Например, дл  двузшолюсника, изображенного на фиг. 2а, операторное сопротивление равно

) -i

f1)

1СР) ftp

этом

oC l/RCCj-Ci)

(1) 1 -- 1|RC

N-iИз (2) легко определ ютс  значени  емкости конденсаторов 23 (С) и 24 (С), а также сопротивление резистора 25 (R)

C--MNdL,, ()) (i)

,,R--()N

Из (3) и (2) находим окончательные выражени  дл  параметров двухполюсника (фиг, 2а) через регулировки R, Rp, К и через образцовые величины Со и С.

- -с-с К -5

С --СоК.

R7 - R,-R, CaRTU9-R-7 )

RК- RO

Подобнь1м образом определ ютс  параметры и других трехэлементных двухполюсников (фиг, 26, в, г, д, е, ж, з). Таким образом, исходные величины

К, и R дл  вычислени  параметров контролируемых двухполюсников определ ютс  методом полного уравновешивани  и потому могут быть измерены с очень высокой точностью. Относительна  погрешность измерени  параметров трехэлементных двухполюсников не превьпиает 0,1%. Предлагаемое устройство примен етс  дл  контрол  параметров полупроводниковых структур при производстве боль-

ших интегральных схем. Устройство позвол ет за счет измерени  параметров трехэлементных схем замещени  полупроводниковых структу э производить отбраковку изделий уже на промежуточных ста-

ди х их изготовлени , а также оперативно корректировать параметры технологических режимов.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников , содержащее источник напр жени 

   измен ющейс  частоты, преобразователь комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника в активный сигнал формирователь компенсирующего сигнала, вычитающий блок и три отсчетных прибора, выход источника напр жени  измен ющейс  частоты соединен со входами преобразовател  комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника и формировател  компенсирующего сигнала, а выход последнего - с одним из входов вычитающего блока, при этом упом нутый преобразователь содержит усилитель,во входную цепь которого включен образцовый элемент , а в обратную св зь - исследуемый двухполюсник, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  и расширени  функциональных возможностей, в него введены частотомер, фазометр, усилитель с управл емым коэффициентом передачи, ключ, программновычислительный блок, блок уравновещива- ВИЯ и указатель экстремальных фазовых значений, причем выход преобразовател  комплексного сопротивлени  исследуемого двухполюсника в активный сигнал соединен с первым входом фазометра и со входом усилител  с управл емым коэффициентом передачи, а выход последнего - со вторым входом вычитающего блока, второй 118 вход фазометра соединен через ключ со входом и выходом формировател  компенсирующего сигнала, при этом выход фазометра с эединен с программно-вычислитель ным блоком и со входом указател  экстремальных фазовых значений, выход последнего соединен с управл ющими входами частотомера и источника напр жени  измен ющейс  частоты, выход вычитающего блока через блок уравновешивани  соединен с программно-вычислительным блоком н усилителем с управл емым коэффициентом передачи, выход источника напр жени  измен ющейс  частоты соединен 7 через частотомер с программно-вычислительным блоком, а последний - с двум  регулирующими органами формировател  компенсирующего сигнала и с трем  отсчетными приборами. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СС5сР 444115, кл. Q 01 R 17/06, 1972.
2. 2.Авторское свидетельство СССР 519646, кл. G 01 R 27/00, 1974.
3. 3.Авторское свидетельство СССР № 234508, кп. GO1 R 31/26, 1966 (прототип) ,

   з(с) г(с)

   8 KID-CZl

   -ШЗ-0

   h

   ,z(.rv-v4.

   Cpu8.2