TW416178B - Characterisation procedure for a voltage converter connected to a capacitive circuit - Google Patents

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A7 B7 89. 8. 年. 五、明説(明g ) L----— ---------------」 依據現有發明的程序’包含了標示爲《a》至《d》 的連續步驟。 I---,~„-----裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 步騾《a》在於從至少三個對應偏壓値V b所量測到 的三個實驗輸出電壓V 〇 ’要注意其中電容値差C 1 一 C 2保持固定。 參考符號V〇«>es1、v〇mes2、v〇mes3代表對應 的三個實驗輸出電壓ν〇 ’參考符號7&1、Vb2、

Vb3代表對應的三個偏壓値Vb ’要注意Vb^、Vb2 、Vb 3的値包含在轉換器2 0的操作範圍內° 在步驟《a》的最後，可以獲得三對的電壓値（Vbi 、V 0 m e s 1 ) > ( V b 2 , V 0 m e s 2 ) , (Vt>3' V 0 ,n e s 3 )。 步驟《b》接在步驟《a》之後’包含了標示爲《 b 1》與《b 2》的兩個次步驟。 在步驟《b》在於從之對數値（Vbi、Vo mu1) 、(Vb2v V〇mes2) , (Vb3、V〇™es3)來反推 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 決定分析囲線，所獲得的曲線就是轉換器2 0的電壓特性 分析說明，所依賴的電容性電路特性分析說明’之後會有 詳細的描述。 要知道，現有發明的程序是更加便利的’因爲它可以 使得.轉換器2 0的特性由偏壓Vb中之Vbi、Vb2' Vb3的値來決定’而不像傳統的程序’實際上轉換器2 0 的特性是由電容値差cii_c21’其中i = 1、2 ' 3 .4、5與偏壓値1^13維持固定來決定’結果依據現有發 本紙張尺度適用中國國家標芈（CNS ) A4規格（210X297公釐）-]i _ 416178 at B7 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印裝 五、發明説明（1 ) 目前的發明是有關於積體電路的領域與較爲特別的’ 連接至電容電路的電壓轉換器的特性程序。 現有許多種不同類型的感應器，是有關於其形狀、功 能、效果與應用。 在偵測某一參數，例如加速度或壓力的範圍時，如下 所述的電容電路經常被拿來利用。 圖1表示傳統式的電容性感應器1。 感應器1被置放成用來量測經過感應器的參數，如大 氣壓力或加速度，爲此目的，感應器1包含了支撐部分5 ，兩片相對於支撐部份爲靜止的平扳1 1及1 2，以及被 置於在1 1與1 2平板之間可以移動的第三個平板1 3。 感應器1的等效電路圖，可以視爲C 1與C 2兩個電 容的串聯，此電路圖中，電容値C 1代表由平與1 1及 1 3所形成的電容値，電容値〇 2代表由平板1 2及1 3 所形成的電容値。 電容性感應器1也可以置放成提供上述參數函數C1 一 C 2電容値差，爲此目的，感應器1包含了可以提供電 容値差的連接端1 5。 感應器1的運作則如下所述，經由上述參數的效應， 可移動的平板1 3在感應器1中移動，而感應器則根據此 效應，提供依1 1到1 3三個平板的位置組合，所反應出 來的電容値差Cl — C2。 在偵測如壓力或加速度之類參數的範圍內，此種電容 性感應器連接至電壓轉換器上，藉由此感應器與轉換器所 .------赛-- 丨 (锖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度逍用中國國家標率{ CNS M4规格（210X297公釐> _ 4 _ 416178 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 B7五、發明説明（2 ) 形成的電路，提供代表參數變化的電壓値。 圖2是包含圖1中之感應器1連接壓電壓轉換器2 0 的已知電路。 轉換器2 0包含兩個輸入端2 0 1及2 0 2與輸出端 2 0 3、轉換器2 0被連接置放成可以透過2 0 1端子來 接收由感應器1所提供的電容値差c 1 - C 2，與透過 2 0 2端子來接收由固定電壓源2 2所提供的偏壓値Vb ，轉換器2 0被置放成可以透過2 0 3端子，來提供由電 容値差C 1 _ C 2及偏壓値V b所決定的輸出電壓値V 〇 〇 要注意偏壓値V b可以是單極性或雙極性，而且必須 要參考電路的接地電位，同時要記住偏壓値V b基本上是 用來固定由感應器1與轉換器2 0靜電增益的預設値。 通常此種轉換器的傳統特性化程序，其特點是依賴作 爲電容値差c 1 _ C 2以及特別是轉換器電路表現函數的 輸出電壓Vo來決定。 要記住轉換器的《電路表現》經常由兩個電路參數來 決定：靜電增益A s與弈線性係數LAS，參考圖2來看1 V b 轉換器的靜電增益A s就等於C1H；C2-.，而非線性係數 Las代表介於輸出電壓有效値與轉換器理想線性特性的對 應電壓値之間的離散輸出電壓VO。 在達成此特性化所會遭遇到的困難，通常在於提供大 多數電容値差c 1 — C 2，來以電容値差c 1 — C 2的函 數量測輸出電壓V 〇的改變。 本紙張尺度逍用中國國家樣準（CNS > A4规格（210X297公釐） -5- (請先閲讀背面之注意^項再填寫本頁} 416178 經濟部中央標準局貝工消费合作社印繁 五、發明説明（3 ) 事實上：在轉換器連接至關於圖1所述的電容性感應 器的情況下，參數的變動會造成電容値差c 1 - C 2難以 控制在工業製程環境中，特別是半導體製造工廠，是必須 加以注意的。 爲了解決此一關注，一個等效電路圖接近前述的電容 性感應器電路，也就是能提供代表電容値差電路訊號的電 路，用來當作電容性感應器，在後續的敘述中’此種電路 被稱爲《電容性電路》。 舉例說明，圖3.表示能夠提供5個電容値差數値 C 1 . - C 2 . i = l、2、3、4、5的傳統電容性電 路，爲此目的，電容性電路2 5包含了連接單元2 5 1 ’ 與5個初級電容（：1*(丨=1、2、3、4' 5)對應地 串聯至5個次級電容〔2^(丨=1、2、3、4、5)電 容性電路2 5被置放於C 1 ,電容之一’連接單元2 5 1與 相關聯的電容C2^之間，因此’透過連接單元251 ’此 電路可以提供5個電容値差數値C 1 ^ — 02·其中之一° 在決定電壓轉換器的電路表現的所遭遇的問題，事實 上在於由此所決定的値並不可靠’因爲電容値會受到元件 本身內部的不準確性的容忍度，以及連接至電容性電路連 接元件外在的不準確性的影響，這些不準確性使得轉換器 能夠處理特性化低電容値變得更不容易。 圖4 a表現出圖2中轉換器2連接至圖3中電容性電 路2 5的電壓特性曲線，而曲線4 2則是代表此一特性化 丨的線性反推曲線。 ---;------1------iT------^ (請先聞讀背面之注意事項再瑣寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4洗格（210X297公釐） -6- 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印装 416178 A7 __ B7 五、發明説明（4 ) 記得前述電容性電路2 5可以提供5個連續的電容値 差數値 Cl, — C2i(i = l、2、3、4、5)，在此 情況下，電容性電路2 5用來模擬圖2電路中的電容性感 應器1，5個輸出電壓Vo的數値可以由5個相對應的電 容値差得到V0l(i=l、 2、 3、 4、 5)，換句話說 ，也因此可以得到5對資料（Cl^ — CS,、V〇1)。 爲了決定前述轉換器2 0的電路表現，這5對的資料 可以用圖4 a中所表示的曲線.利用外插法來作線性反推 ’這使得增益A s與係數Las可以決定。 要知道圖4 a中，輸出電壓V 〇的測量誤差，基本上 是由電容値差Cli — CS,有效値的誤差e。 關於圖1所述感應器，它可以提供小於千兆分之幾十 法拉第的電容値差，超過一般典型介於兆分之幾與兆分之 —·-、 幾十法拉第之間的電容値差C 1 - C 2的變動範圍。例如 ，具有1 2位元解析度的轉換器使得2 . 4 i F的變化， 可以在加PF的變動範圍內量得。 圖4b表示連至從圖4 a中獲得，作爲電容値差C 1 一 C 2函數的輸出電壓V 〇相對準確性，標示爲AV 〇/ Vo的理論曲線43，要注意在圖4b中，由特性化程序 決定，量測轉換器2 0電路表現的準確性，會受到以1 % 級數的誤差e的影響，這個數値由現有發明的申請人，考 慮電容値誤差容忍度在1 %級收的範圍所建立，要知道， 這個誤差是遠低於量測的電容値差。 換句話說，這樣的特性化程序，並未解決目前在一般 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4规格< 210X297公釐） I'1. ~ϊ I n n ^ I n I 線 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 416178 A7 B7 經濟部中央揉準局貞工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) 工業，特別是半導體製造工廠所關注’對於準確性及生產 的需求。 目前發明的目的之一，是提供連接至電容性電路的電 壓或電流轉換器的特性化程序，此一程序特別地藉由準確 地計算轉換電壓特性來克服較早技術中的缺點，特別是電 路表現的部份。 現有發明的另一個目的，是提供解決目前工業上’特 別是半導體製程工廠，所關注有關準確性與生產的特性化 程序。 除此之外，這些發明的目的是由專利申請案1的特性 化程序所達成。 現有發明特性化程序的優點在於，它依賴量測轉換器 輸出電壓，作爲不同偏壓値的函數，這使得轉換器的電路 表現可以不依賴電容値量測誤差決定，這使得準確的程序 可以簡單地工業環境中，特別是半導體領域中執行。 除此之外，這些發明的目的，特色及優點’可以硏讀 目前發明較佳實施例的詳細敘述，經由獨自的範例’得到 更淸晰的了解，關於附圖的敘述，如下： -圖1已被引用過，表示傳統的電容性感應器。 _圖2已被引用過，表示包含圖1中感應器，連接至 電壓轉換器的電路圖。 -圖3已被引用過，表示傳統的電容性電路。 -圖4 a已被引用過，表示依據傳統特性化程序所得 ，對應於電壓轉換器特性及此特性線性反推的兩條曲線。 (請先閲讀背面之注意事項再Ϊ本頁〕 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -g - 416178 A7 B7 經濟部中央橾窣局員工消费合作杜印製 五、發明説明（6 〉 一圖4 b已被引用過，表示可以由傳統特性化程序所 獲得，連接至電壓轉換器作爲電容値差函數的相對準確性 之理論曲線。 -圖5表示包含電容性電路，與根據現有發明所特性 化電壓轉換器的電路圖。 -圖6表示現有發明特性化程序之流程圖。 -圖7 a表示對應轉換器特性電壓與依據圖6特性化 程序線性反推所得之兩條曲線。 -圖7 b表示依據現有發明特性化程序所獲得，連接 至電壓轉換器作爲電壓函數相對準確性的理論曲線。 主要元件對照表 I 傳統電容性感應器 5 支撐單元 II 第一個平板 12 第二個平板 13 第三個平板（可動的） 1 5 連接端 20 電壓轉換器 22 固定電壓源 25 傳統電容性電路 3 2 電容性電路 2 0 1 輸入端 202 輸入端 ----------装------ir------0 - • » (請先閱讀背面之注意事項再硪寫本頁) 本紙張尺度逍用中國國家揉準（CNS) A4规格（ 210X297公羞> -9- 416178 經濟部中央揉準局貞工消费合作社印製 五、發明説明（7 ) 2 0 3 輸出端 251 連接單元 3 2 0 連接端 現有發明的特性化程序，是要用來決定連接至電容性 電路的電壓轉換器之特性。 藉由插圖得知，圖5表示包含圖2中連接至電容性電 路3 2的電壓轉換器2 0，並由現有發明的特性化程序’ 加以特性化= 要知道，圖5中所標示的參考元件’是用來標示圖2 中描述的相同元件，特別是轉換器2 0。 此外，如圖5所示，電容性電路3 2包含了連接至轉 換器2 0輸入端2 0 1的連接端3 2 0，電容性電路具有 一 ·-. 上述的架構，換句話說，此電路的等效電路圖接近圖1中 的感應器，也就是說其中兩個電容c 1與C 2串聯，因此 ，電容性電路3 2就被置放來透過端子3 2 0，提供C 1 —C 2的電容値差至轉換器2 0。 要記得轉換器2 0的輸出電壓V 〇是電容値差c 1 -C2與偏壓値Vb的函數。 要知道轉換器2 0透過2 0 2端子來接受，由傳統供 應單元（未表示出來）所提供的可變偏壓値Vb。 以下所述是依據現有發明，用來特性化圖5中電路 3 0中之轉換器2 0的程序。 圖6表示此一程序之流程圖。 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 本紙張尺度逍用中國國家棣準（CNS ) A4规格< 2丨0X297公釐） -10- A7 B7 89. 8. 年. 五、明説(明g ) L----— ---------------」 依據現有發明的程序’包含了標示爲《a》至《d》 的連續步驟。 I---,~„-----裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 步騾《a》在於從至少三個對應偏壓値V b所量測到 的三個實驗輸出電壓V 〇 ’要注意其中電容値差C 1 一 C 2保持固定。 參考符號V〇«>es1、v〇mes2、v〇mes3代表對應 的三個實驗輸出電壓ν〇 ’參考符號7&1、Vb2、

Vb3代表對應的三個偏壓値Vb ’要注意Vb^、Vb2 、Vb 3的値包含在轉換器2 0的操作範圍內° 在步驟《a》的最後，可以獲得三對的電壓値（Vbi 、V 0 m e s 1 ) > ( V b 2 , V 0 m e s 2 ) , (Vt>3' V 0 ,n e s 3 )。 步驟《b》接在步驟《a》之後’包含了標示爲《 b 1》與《b 2》的兩個次步驟。 在步驟《b》在於從之對數値（Vbi、Vo mu1) 、(Vb2v V〇mes2) , (Vb3、V〇™es3)來反推 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 決定分析囲線，所獲得的曲線就是轉換器2 0的電壓特性 分析說明，所依賴的電容性電路特性分析說明’之後會有 詳細的描述。 要知道，現有發明的程序是更加便利的’因爲它可以 使得.轉換器2 0的特性由偏壓Vb中之Vbi、Vb2' Vb3的値來決定’而不像傳統的程序’實際上轉換器2 0 的特性是由電容値差cii_c21’其中i = 1、2 ' 3 .4、5與偏壓値1^13維持固定來決定’結果依據現有發 本紙張尺度適用中國國家標芈（CNS ) A4規格（210X297公釐）-]i _ 416178 A7 B7 五、發明説明（9 ) 明的特性化程序之量測準確性’總可在1 m v的級數範圍 〇 舉例來說，若偏壓値Vb爲5伏特時，這使得1 0 PF的電容値差，可以在2fF的準確度中（1 iF = 1 0 — 1 5 F )量測到。 在次步驟《b 1》之後’便是次步驟《b 2》•此一 步驟在於由次步驟《b 1》所獲得的分析說明與Vbi、 V b 2、V b 3的數値之中，提供三個由輸出電壓V 〇所計 算出來的數値，分別以V 〇 «： a ! 1 ' V 〇。a ! 2、 V ο a ! 3代表以及相對應的三個實驗數値，分別以

V

V

V 代表 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印装 如上所述，在決定轉換器2 0的電路表現架構之內’ 緊接著次步驟《b 2》之後，就是決定轉換器2 0增益 —- ' A S的步驟《C》然後便是決定轉換器係數Las的步驟《 d》。 因此，步驟《C》在於從之前所量測到的實驗數値 V ο ,n e s 1、V 〇 m e s 2、V 〇 m e s 3與相對應的計算數値 Vo^,1、V〇eal2、V〇eal3，執行下列的計算公式 ，來決定轉換器的增益：

As:

Vo： •v〇Jcal

Vb, -Vb, 其中 1、 2、 3 φ 要知道此一增益是由關於偏壓値v b的量測準確性所 計算到。 ---：------^------1T------0 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國两家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） _ 12 _ A7 B7 L^Maxj 經濟部中央揉準局負工消费合作社印装 在此V ο 要知 計算得到 如同 線，是根 的轉換器 電路，都 首先 效電路包 變的電容 項式的。 考慮 路包含了 次步驟所 僅利 二種型式 曲線。 116178 五、發明説明（ίο) 步驟《d》緊接在步驟《c》之後’此一步驟在於應 用前述量測到之實驗數値（VOmh1、 V o m o s 3 )，與相對應的計算數値（V 0 u i 1、 VOcal2、V〇c*i3)執行下列的計算公式’來決定轉 換器的非線性係數： (v〇L.-v〇j„ ,„ax — V 〇mi -代表輸出訊號的變動範圍長度。 道係數L A s是由關於偏壓値V b的量測準確性所

P 之前所提到，在次步驟《b 1》量後所獲得的曲 據由電容性電路3 2所得到的分析模型’而得到 2 0電壓特性分析說明，以下所列的f種電容性 是被列入考慮的。 考慮第一種型式的電容性電路，其電路結構的等 含了一個電容値固定的電容C1與一個電容値可 C2，在此，次步驟《bl》所使用的反推是多 第二種型式的電容性電路，其電路結構的等效電 兩個電容値總和固定的電容C 1及C 2，在此， 使用的反推是線性的。 用插圖來看，圖7 a中的曲線7 0表示連接至第 的電容性電路的電壓轉換器之電壓特性線性反推 本纸張尺度逍用中國國家择準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） .-|3 . -------------ΐτ------^ (請先閲讀背面之注意事項再也寫本頁) 416178 A7 B7 五、發明説明（11 ) 在圖7 a中有五對的資訊’以參數（Vbi、 Vom，）未標示，其中i=l、 2、 3、 4、 5,這些 成對資訊是在圖中曲線7 0上’利用外差法所得，用來決 定增益A s及係數Las。 要知道，圖7 b中輸出電壓V 〇的量測誤差，基本上 是由於偏壓値V b有效値誤差的緣故。 圖7 b中標示爲AV o/V 〇 ’代表連接至圖7 a中 的作爲偏壓値V b函數的輸出電壓V 0之相關準確性理論 曲線7 2，要知道圖7 b中，轉換器的電路表現量測準確 性，是由特性化程序決定’而這個準確性會受到一般爲 0 · 0 2%級數的誤差値影響’而這個値由現有發明的申 請案中建立。 無庸置疑地，之前所詳細描述的技術’可以在不離開 --· ·, 現有發明的範圍內，而有不同的改良應用，藉由範例，依 據現有發明的特性化程序’可以用來決定電流轉換器的特 性，同時利用代換法’偏壓可以用偏壓電流來取代。 ----------^------ir------^ - .、· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央棣準局負工消費合作社印装 本纸張尺度逋用中國a家標準{ CNS ) A4规格（210X297公釐） .^ -

Claims (1)

1. ABCD 416178 、申請專利範圍 1 . 一種連接至電容性電路的電壓或電流轉換器的特 性化程序： -電容性電路被置放爲提供電容値差至轉換器；同時 —轉換器被置放成可以接受由電路提供的電容値差與 電路偏壓訊號（ Vb)，並且可以提供爲電容値差函數的 輸出電壓（V 〇 )與偏壓訊號，特性化程序是要來決定轉 換器的特性，它是轉換器输出電壓，電容値差與偏壓訊號 的函數，在此，它包含了一系列的步驟，在於保持電容値 差固定改變偏壓訊號，量測輸出電壓的反應。 2 .根據申請專利範圍第1項的程序，其中步驟的過 程，包括第一與第二個步驟（《a》、 《b》）包含： -從包含於轉換器操作範圍內的至少三個._相If應的偏 壓訊號，量測出至少三個實出電壓（Vo — s1)、丨 Vo-"2)、( V ο m e s 3 )\||\ -從上述的實驗點，利用線反推，來決定代表 轉換器特性的曲線，然後提供由Wit應的量測實驗値，計 算出三個輸出電壓値（Vo^l1、V〇eal2、V〇cal 3 ·根據申請專利範圍第2項的程序，更進一步的第 三個步驟（《C》），在於從前述的量測實驗値 (V〇mes、VOces2, V Ο π, e (V〇cal、VOcal2, V 0 〇 3 ’來決定轉換器的增益，在此，i=l、 2、 3,4,5 本紙張U逋用中國困家揉率（CNS ) A4*ye> ( 2IGX297公釐） --1'-------/------訂------*11 (請先聞讀背面之注意^項再填寫本頁) 經濟部中央梂準局負工消費合作社印製 3)與相對應的計算値 3)執行下列的計算式 -15- A8 B8 C8 D8 416178 六、申請專利範圍 As: Vo cal al Vbi-Vbj Las =Maxi#j 此增益是與關於偏壓訊號量測準確性共同計算。 4 .根據申請專利範圍第2項的程序’更進一步的第 四個步驟（《d》），在於由前述的量測實驗値 (V 〇 p s 1、V 〇 s 2、V 〇 » 3 )與相對應的計算値 (V o c » . 1 , V 〇。a ! 2、V o。a ! 3 )執行下列的計算式 ，來決定轉換器的非線性係數： mes_mes V〇max 一 V〇min (請先聞讀背面之注意事項再填寫本I) 在此V V 代表輸出訊號的變動範圍長度 經濟部肀央樣率局員工消費合作社印裝 上述的係數是與關於偏壓訊號量測準確性共同計算。 5 .根據申請專利範圍第2項的程序，在.典人電容性 電路形成電容性感應器，而此感應器包括第一個固定的電 容與第二個可變電容，同時此反推曲線爲多項式的。 6 ·根據申請專利範圍第2項的程序，在此，_電容性 電路形成電容性感應器，此感應器包含總電容値固定的第 一與第二個電容（Cl、C2)，同時此反推因爲線性的 本紙浪尺度速用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） -16 -