TW200914843A - Capacitive measurements with fast recovery current return - Google Patents

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Description

200914843 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明一般涉及電容元件的測試。 【先前技術】 在一已知的測試電容元件(比如一電容器)的裝置及方法 中,該元件首先被充電到一所要電壓,,漏電流 待測量。該洩漏電流的一溢位值能指出該元件是有缺陷 的0
【發明内容】 本發明的實施例提供一種加速電容元件的測試的方法, 其在自動化、高產量的製造程序中尤其需要。具體言之, 本發明提供了-種裝置及—種方法的實施例,其允許在該 元件達到完全充電之後立即測試且具有改良的準確性。 本文中所講授的一種測試電容元件的裝置包含一耦合到 該電容元件的-終端的電流源並且其提供一電流給該電容
元件以達到一所要測試雷厭 _ L 電反° 一電錶被耦合到該電容元件 的一第一終端並且測量& ί* # - & ϋ . 里5項電谷π件的一洩漏電流。這裝 置由耦合在該電容元件的兮贷 的4第二終端與接地之間的一開關 以及該開關的一控制考杜ώ °件改良。該控制器件可操作用於當 該電流源提供該電流给電交 __ 电奋τΜ牛時保持該開關閉合,以及 在該電谷元件在該一終端τ. 、%達到該所要測試電壓之後及在由 該電錶測量該洩漏電流之新ι Ba L <則斷開該開關。 本文中所δ冓授的一種測叫+ ^ __ 、j式電谷元件的方法,使用一耦合 到該電容元件的一終端的雷 w源及一耦合到該電容元件的 131313.doc 200914843 一第二終端的電錶。該方法包括:當耦合在該電容元件的 該第二終端與接地之間的一開關閉合時,使用來自該電流 源的一電流將該電容元件的該一終端充電到一所要測試電 壓;當該電容元件的該一終端達到該所要測試電壓時斷開 該開關;以及在斷開該開關之後使用該電錶測量該電容元 件的一茂漏電流。 這些實施例的發明特點及其他被詳細地描述在下面。 【實施方式】 本文中所講授的用於電容測量的該裝置及方法係參考圖 1及圖2描述。與一傳統測試的該輸出的比較係參考圖3描 述。 圖1顯示了躺合到一電流源20的一電壓源1 電流源2〇 被耦合到一待測電容器件30(以下簡稱,DUT 30)。DUT 30 被_合到一二極體箝位電路(diode elamp)40以及一電錶50 的該輸入以測量DUT 30的該洩漏電流。 電壓源10被設定為在〇伏特及用於DUT 30的一所要測試 電壓之間的一值。例如,該測試電壓能在2伏特到1〇〇〇伏 特之間變化。對於一 100卟電容器的一合適測試電壓是5 伏特。該電流源20被設計以使用電壓源〗〇輸出一程式化電 流。一通/斷控制22使用來自電流源20的該程式化電流為 DUT 30充電。更具體地說,電流源2〇在〇1;丁 30標示為
Vcap-hi的該終端的該輸出是電流源2〇的該程式化電流, 並且當通/斷控制22是通時供應該程式化電流。例如,對 於一5伏特的所要電壓,為dut 30充電的該電流(即,該程 131313.doc 200914843 式化電流)可能是5 mA。 電愿源1G及電流源2G可為個別可程式化元件。電塵源1〇 提供-程式化電Μ給電流源2〇,以及電流源2〇提供一調節 輸出電壓給DUT 30,其為dUT 3〇線性充電。 電流源20被功能性地顯示’因為若有電壓源_該輸入 特性以及該所要輸出,電流源2〇的任何數量的電路設計在 此領域者的知識之内是可能的。作為另一個例子,電壓源 1〇可能是一可切換式電壓源’其被設計來在零伏特與dut 3〇的該所要測試電壓之間切換。電流源2〇然後可能提供一 對應該電壓源的該切換的調節電流輸出。例如,電流源“ 可能提供一與來自電壓源1〇的該所要測試電壓成比例的電 流輸出。將不併入電流源2〇之單獨的通/斷控制22。 電錶50由圖1中的該電錶的前端放大器電子設備的簡化 模型顯示。電錶5〇測量DUT 3〇的㈣漏電流並且可能是一 商用的測量電錶,比如Agilent 4349B高電阻電錶。該前端 放大器電子設備包含一輸入放大器52,其經配置作為一電 流轉電壓轉換器’其係藉由包含一搞合到其非反向輸入的 接地電阻器54及-搞合到其反向輸入的輸入阻抗%。提供 從在Vout的該輸出到輸入放大器52的該反向輸入的一電容 回饋路徑58。 二極體箝位電路40具有兩個並聯排列的二極體42、料以 使第一二極體42的該正極及第二二極體44的該負極被接 地,且第一二極體42的該負極及第二二極體料的該正極被 電耦合到輸入放大器52的虛擬接地60。DUT 30在標示為 131313.doc 200914843
Vcap-W的該終端也被耗合到該虛擬接地6〇,祕端在標 示為VCap-hi的該DUT 30的終端對面。箝位二極體44 為謝30的該充電電流提供一電流回返路徑。此外,若由 於箝位電流源20的該電壓而使斯3〇短路,則箝位二極體 42、44為電錶50提供輸入保護。 根據-已知的測試㈣,歸因於—與電容回饋路徑财 聯的閉合的開關62,使得電流源2〇是斷開的(如果通/斷控
制二是斷開的或者未接收到來自電壓源1〇的信號),以及 該前端(輸入)積分放大器52是不起作用的。電流源2〇然後 被接通以將謝30充電到其最後測試電壓。在DUT 30被 充電到其最後測試電塵之後,在„62斷開情況下使用電 錶5 0測量該洩漏電流。 根據這已知測試程序’在謝3〇的終端να—及 low各個的該輸出電壓被顯示在圖3中。在這個例子中,電 磨源職0伏特到5伏特變化,其中5伏特是該完全充電電 M。該上升時間是1GG π,該下降時間是1GG ,以及從 時間0秒到该上升時間的開始之延遲時間是1 ms。因此, 週期為1〇〇阳的該脈衝寬度是75 ms。DUT 30具有一丨00 MF的電容值。 、在該測試期㈤,基於二極體44的¥-工特性,該等電壓最 初上升到-電屢’其高於積分放大器52的該虛擬接地嘴 入。在veap-hi處的該„隨著從電流源糊電流的施加 而線!·生;I曰加’直到在Vcap_hi的該電壓達到該所要電壓為 止在此為5伏#。在Vcap_1〇w的該電墨保持在該初始上 13I313.doc 200914843 升4且然後逐漸下降至一等於或接近零伏特的低電壓。 月者已經確定了在大規模商業測試操作中使用這種方 ^所出現的問題。第—,跨DUT3G的該電麗比在該充電週 :末端的該所要充電電M更少(或更多,如果利用兩個二 極體)—個二極體電壓降(0.7伏特)。在圖3所說明的該例子 中該所要充電電壓是5伏特。在這樣低的測試電壓,與 〜斤要充電電壓的這種差異表示所測量的該洩漏電流中有 一大錯誤。
° 且也如圖3中所顯示,在Vcap-low的該電壓之後 衰減至零伏特。然而,由於在Vcap-l〇w的該電壓在變 化,在這個指數衰減週期期間發生的該洩漏測量也是不正 確的。 t種解決方案係一直等到在vcap-l〇W的該電壓達到在該 心數衰減週期的末端的零伏特°這種解決方法可能對在具 有小電谷值的應用中有效 '然而發明者已經發現,當該輸 阻抗56與DUT 30的該電容值的該虹時間常數較大時, 大於1 〇 nF,在等待該衰減週期的末端時可能發生 多的時間延遲。 ° 也就是說,測量器件(比如電錶5〇)通常有一相對高的輸 入阻抗。在圖3中所示的該圖表中,例如,電錶5〇的輸入 ^56是1⑽。指數衰減至小於在—·!㈣的該初始電壓 (5個時間书數)的該時間是5丁或者%該dut 的電容 值)X(該輪入阻抗56的電阻值)。這個時間常數因此 3〇的該電容值成正比例地增加,使得大電容值可能導致在 13I313.doc 200914843 沒漏測量可被啟動之前的—過長的時間。因此,如果該測 里在該衰減完成之前發生,那麼測量結果不準確。等待直 到該衰減完成則負面影響了測量總處理能力率,其在高產 量的應用中是不可取的。 圖1還說明了跨越二極體箝位電路4〇的一開關7〇的增 加。亦即,—㈤關70被耗合在輸入至放大器52的該虛擬接 地60與接地之間,以使其與二極體箝位電路4〇的二極體 42 44並如。根據先鈉描述的該方法的一修改,當dut 30 正在由電流源20充電時該開關7〇是在閉合位置。然後,開 關70在電錶50被命令測量DUT 3〇的該洩漏電流之前剛好斷 開。 圖2顯示根據這種裝置及方法iDUT 3〇的終端Vcap_hi及 Vcap-l〇w各個的该輸出電壓。像圖3中的該比較例子,電 壓源10從0伏特到5伏特變化,其中5伏特是該完全充電電 壓。S亥上升時間是100恥,該下降時間是丨〇〇 y,以及從 時間〇秒到該上升時間的開始之延遲時間是i ms。因此, 週期為100 ms的該脈衝寬度是75 ms。DuT 30有一 1〇〇 μΡ 的電容值。 在圖3中可以看出,DUT 3〇的該二極體終端(即,標示 vcap-i〇w的該終端)是立即位在與輸入放大器52的該虛擬 接地60之相同的電位。這消除了的該指數衰減時間,因為 该電錶的輸入阻抗56預先阻止在充電之後的立即測量。在 故個例子中,取代圖3中所示的大於5〇 ms的延遲的是, DUT 30的該茂漏電流的測量可能較早發生,大約l2 mS , 131313.doc 200914843 如圖2中所示〇;全圭- . 乂表不—個顯著的改進。 開關70是同步操作的以 ,κ ^ 定/、時間同步於電壓源1 〇愈電流 源20的該操作及經由開關62 /、 7〇^λ,θ "^錶5()的錢作。同步開關 可此疋,例如,一固離 繼雷器卞去 口嗔’比如-具有低導通電阻的 、骑電器。或者’一機械繼 曰 电裔J以被使用。然而,在高產 罝的應用中,開關數量 了此阿達母小時500,〇〇〇次。對於 一機械繼電器的持續維欲μ + # ' 符續維修的需要使這種繼電器比一固能開 關更不可取。 心Ί 開關由-控制器件喝作,比如—可程式化處理号、 數位信號處理器(DSP)、計時器等。例如,開關7〇可能是 由可程式化控制器控制的固態繼電器。該控制器一般 由一微電腦組成,纟包含中央處理單元(cpu)、接收資料 的輸入與輸出璋(1/〇)、隨機存取記憶體(RAM)、不失效記 憶體(KAM)、-共用資料匯流排以及作為可執行程式的一 電子儲存媒體的唯讀記憶體(R〇M)。在這個例子令開關7〇 的該等操作被實施為軟體作為該控制器的可執行程式。在 某些實施例中,控制器件8〇也可操作電壓源1()及開關. 或者,分離的控制器件可使用該等控制器件其中之一或另 一器件協調操作電壓源!〇、開關62及開關7〇的各個。 電容元件洩漏電流測量在生產環境中要求既要準確又要 快速。本發明的電路允許在該電容器位在其充電電壓之同 時,該電容元件DUT 30的該二極體終端連接就位在該輸入 放大器的輸入虛擬接地。洩漏測試能在該充電週期未完成 之後不久開始。 131313.doc -12- 200914843 根據本發明的該等教示,電容器洩漏測量可在該充電週 期之後立即發生以提高用於大電容值的該測試系統的效 率’而不是等待該指數電壓衰減。此外’如果在測量之前 的該時間是不夠的,精確地測量該洩漏電流係由該測量器 件’而不是由洩漏及指數衰減相結合的一測量。
U 上述的該等實施例已經被描述,以便使本發明能夠容易 理解,且不限制本發明。相反地,本發明意為涵蓋包含在 忒等所附專利申請範圍的精神及範圍之内的各種修改及等 效配置’纟該法律的允許τ,誠圍應得到最廣泛的解釋 以涵蓋所有此等修改及等效結構。 【圖式簡單說明】 圖1是根據本發明的—個實施例的—快速恢復電流回返 電路的示意圖; 圖2是在根據圖i的該電路操作期間,參 ::圖中;:一的該測量終端電壓的隨時間變Π J疋在傳統測試期 I-ΛΤΤΛ物 ’付測益仵的圖1中的坊 符號的該測量終端電壓的隨 ^ 「+ 1 处守間變化的曲線圖 【主要元件符號說明】 10 20 22 30 40 電壓源 電流源 通/斷控制 電容待測器件 二極體箝位電 131313.doc 第一二極體 第二二極體 電錶 輸入放大器 接地電阻器 輸入阻抗 電容回饋路徑 虛擬接地 開關 開關 控制器件 -14-

Claims (1)

  1. 200914843 十、申請專利範圍: 1. 一種測試一電容元件之 、 ’其包含:一電流源,該電 流源耦合到該電容元件 "^ —-从 、—個終端並供應一電流至該雷 谷儿件以達到一所要测試 4電 合到該電容元件的—第-故以及一電錶,該電錶耗 ㈣流,該裝置之特::端並測量跨該電容元件之- 一開關,其耦合於該 _ 間;以及 奋70件的該第二終端與接地之 f 一用於該開關的控制哭 列°。件,该控制器件可操作用於: 閉合在^流源供應該電流至電容㈣時使該開關保持 後並容元件在該—個終端達到該所要測試電壓之 後並且在由該電錶測番兮,占、口 該:ί該:體二:終端與接地之間之二極體箝位電路, 興該一極體箝位電路並聯。 3.如:求項1之裝置,其進-步包括: 一耦合到該電流源之電塵源 至該電户、. 彳/、應5亥所要充電電壓 電机源,且其中該電流源 該電流。 '所要充電電流輸出 4. 如請求項3之裒 比例。 /、中该電流與該所要充電電麗成正 5. 如請求項丨 電容值。 置,其令該電容元件具有-至少⑽之 131313.doc 200914843 6. 如請求項1之裴置,其中該控制器件是一計時器、— 位銘號處理器及一可程式化處理器中之一者。 7. 如請求項6之裝置,纟中該可程式化處理器是一微控制 器,該微控制ϋ包含-儲存的程式,該程式經程式化以 促使該微控制器: 在該電流源供應該電流至電容元件時使該開關保持閉 合;以及 在該電各元件在該一個終端達到該所要充電電壓之後 並且在由該電錶測量該洩漏電流之前斷開該開關。 8· —種測試一電容元件之方法,其使用一耦合到該電容元 件的個終端之電流源及一搞合到該電容元件的一第二 終端之電錶,該方法之特徵是: Α)當耦合在該電容元件的該第二終端與接地之間的 一開關係閉合時,使用來自該電流源之一電流將該電容 元件的該一個終端充電至一所要測試電壓; Β)當該電容元件的該—個終端達到該所要測試電壓 時斷開該開關;以及 C)在斷開該開關之後,使用該電錶測量該電容元件 之一汽漏電流。 9.如請求項8之方法,其進一步包括: 在測量該電容元件的該洩漏電流之後閉合該開關;以及 在閉合該開關之後,對於一第二電容元件重複A)到 C)。 10·如凊求項8之方法,其進一步包括: 131313.doc 200914843 使用一控制器件執行B),該控制器件包含一計時器、 一數位信號處理器及一可程式化處理器中之一者。 131313.doc
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