TWI765503B

TWI765503B - 電容量測方法及使用該方法之電源量測設備

Info

Publication number: TWI765503B
Application number: TW109146799A
Authority: TW
Inventors: 王詠翰; 林明傑; 楊文明
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-05-21
Also published as: TW202225706A

Abstract

本發明係有關於一種電容量測方法及使用該方法之電源量測設備，主要包括以下步驟；首先，施加定電流脈衝予待測件，並量測待測件由第一電壓上升到第二電壓之電壓上升時間值，以獲得總電荷量；當待測件充電達飽和時，待測件之跨壓被維持於箝位電壓，並量測待測件之輸出電流值，以獲得漏電荷量；接著，將總電荷量扣除漏電荷量而得到實際電荷值，並依據實際電荷值除以第一、第二電壓之差值決定待測件之電容值。據此，本發明只利用定電流脈衝輸入和箝位電壓模式，即可取得各項參數，進而運算出電容值，其設備需求度不高，且量測結果準確。

Description

電容量測方法及使用該方法之電源量測設備

本發明係關於一種電容量測方法及使用該方法之電源量測設備，尤指一種利用輸入電壓和電流後量測相關參數，並經運算而獲知電容器之電容值的方法及設備。

在習知技術中，一般使用LCR測試儀(LCR meter)來測量電容器的電容值，所謂LCR測試儀顧名思義即是用來測量電感(L)電容(C)和電阻(R)等電子被動元件的相關特性。

但隨著電子元件所搭載功能的多元化，例如在雷射二極體的功能元件上並聯有一電容，請參閱圖1A，其係搭載有積層陶瓷電容MLCC之雷射二極體LD的示意圖。然而，在測量雷射二極體的特性之前，須事先測量電容器的相關數值，以更準確地獲知整個電子元件的檢測結果，並真實反映其優劣。

再者，以前述電子元件為例，為檢測雷射二極體LD和電容器則須分別使用不同的檢測設備，其中雷射二極體LD的特性量測一般常見使用電源供應及量測單元(Source Measurement Unit，SMU)，而電容器的特性量測則如上述使用LCR測試儀(LCR meter)。然而，於雷射二極體LD和電容器都需要量測其特性的前提之下，無非需要增加測試站數量，又或者將兩個檢測設備整合於同一測試站中進行時。

更進一步說明，因測試項目的增加，若僅簡單增加測試站，則在整體系統的測試時間會拉長，進而降低機台的測試效率，當然測試站數量越多，不論是系統的建置成本、維護成本及運轉成本都會大幅增加。另一方面，請一併參閱圖1B，其係為量測圖1A所示雷射二極體之習知檢測設備的示意圖；如圖所示，若欲將此二電子元件的測試項目整合在同一個測試站時，亦即整合電源供應及量測單元(SMU)和LCR測試儀(LCR meter)於單一測試站中，則需要增設二個繼電器開關RS來進行切替，如此將導致成本上會增加，且開關的壽命也會降低系統的平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)。

由此可知，在不增加測試站數量或增加設備的條件下，可實現單一檢測設備同時量測至少兩種不同功能元件之解決方案，實為產業界、及社會大眾所殷殷期盼者。

本發明之主要目的係使用一般電源供應及量測單元(Source Measurement Unit，SMU)來測量電容元件之電容值，其中僅透過輸入電流和電壓而取得各項參數值，進而運算出電容值。

為達成上述目的，本發明一種電容量測方法，其係用於量測一待測件之電容值，該方法包括：步驟(A)，施加一定電流脈衝予待測件，並量測待測件由一第一電壓上升到一第二電壓之一電壓上升時間值，以獲得一總電荷量；步驟(B)，當待測件充電達飽和時，待測件之跨壓被維持於一箝位電壓，並量測待測件之一輸出電流值，以獲得一漏電荷量；以及步驟(C)，總電荷量扣除漏電荷量而得到一實際電荷值，依據實際電荷值除以第一、第二電壓之差值即決定待測件之該電容值。

據此，本發明之電容量測方法係先以定電流模式對待測件輸入定電流脈衝，並藉此取得在一特定時間內輸入至待測件之總電荷量；接著，當待測件充飽電後，又以箝位電壓模式維持待測件於一箝位電壓，藉此取得待測件因等效電阻所產生的漏電荷量；最後，計算總電荷量和漏電荷量之間的差值，並將之除以定電流期間電壓上升值即可求出電容值。綜上，本發明只利用簡單的定電流脈衝輸入和箝位電壓模式，即可取得各項參數，進而運算出電容值，其設備需求度不高，採用一般電源供應及量測單元(SMU)即可，可完全取代傳統LCR測試儀，且量測結果準確。

進一步說明，於本發明之步驟(A)中，依據該定電流脈衝之特定電流對電壓上升時間值之一積分決定總電荷量；換言之，本發明在定電流模式中利用對待測件輸入定電流脈衝而得到特定電壓上升的時間，再以電流對時間積分，即可求出在該段電壓上升時間內輸入至待測件的總電荷量。

較佳的是，於本發明之步驟(B)中，先依據箝位電壓除以輸出電流值以決定一等效電阻之電阻值，再以電壓上升時間值內該等效電阻上跨壓的變化量除以等效電阻之電阻值後對電壓上升時間值之一積分來決定漏電荷量。亦即，在本發明所提供的電容量測方法中，亦考量到待測件本身所具備的等效電阻，以及因該等效電阻所產生的漏電流；其中，在箝位電壓模式中取得一輸出電流值，並利用電流、電壓及電阻三者關係之簡單公式，即可得該等效電阻之電阻值，並同樣以電流對時間積分就可得到因該等效電阻所產生的漏電荷量。

另一方面，於上述步驟(A)及步驟(B)中，本發明可透過一電源量測設備施加小於0.4 mA/ µs之一電流脈衝信號來實施；更進一步，於步驟(A)中之定電流脈衝之特定電流可為500µA、第一電壓可為0.3V以及第二電壓可為0.7V；又，於步驟(B)中之箝位電壓可為1V。

再者，為達成前述目的，本發明提供一種電源量測設備，其包括：主控制器、運算模組、電流信號施加模組、電流信號量測模組、電壓箝位模組以及電壓信號量測模組；其中，主控制器係電性連接運算模組、電流信號施加模組、電流信號量測模組、電壓箝位模組以及電壓信號量測模組；而主控制器控制電流信號施加模組施加一定電流脈衝予一待測件，並控制運算模組根據電壓信號量測模組所量測待測件由一第一電壓上升到一第二電壓之一電壓上升時間值，來計算獲得一總電荷量；次者，當待測件充電達飽和時，主控制器又控制電壓箝位模組維持待測件之跨壓於一箝位電壓，並控制運算模組根據電流信號量測模組量測待測件之一輸出電流值，來計算獲得一漏電荷量；此外，主控制器控制運算模組計算總電荷量與漏電荷量之差值而得到一實際電荷值，並依據實際電荷值除以第一、第二電壓之差值即決定待測件之電容值。

據此，根據本發明所提供之電源量測設備，其只要具備可分別輸出和量測電流信號與電壓信號之功能，並具備包括積分和加減乘除之基礎運算功能，即可準確求出待測物之電容值，故對設備的需求度不高，一般電源量測設備即可勝任。

此外，本發明之主控制器控制電流信號量測模組及電壓信號量測模組之量測週期可為10µs，當然如欲求取更精確的量測結果則再縮短量測週期即可。另一方面，本發明之待測件可包括一雷射二極體及一積層陶瓷電容，而雷射二極體可並聯於積層陶瓷電容；不過，本發明所適用之待測件並不以此為限，舉凡其他可運用一般電源供應及量測單元(SMU)測量並耦合有電容器之電子構件或電路單元，皆可適用本發明之方法或設備。

本發明電容量測方法及使用該方法之電源量測設備在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請先參閱圖2及圖3，圖2係本發明電源量測設備之系統方塊圖，圖3係本發明之量測原理示意圖。首先說明，本發明之主要目的即係使用一般電源供應及量測單元(Source Measurement Unit，SMU)來測量電容元件之電容值，故本實施例以下所述之電源量測設備中的各裝置或模組的軟硬體配置可參考目前一般電源供應及量測單元(SMU)。另外，本實施例之待測物DUT為一雷射二極體的功能元件上並聯有一積層陶瓷電容，可參考圖1A；不過，本發明所適用之待測件並不以此為限，舉凡其他可運用一般電源供應及量測單元(SMU)測量並耦合有電容器之電子構件或電路單元，皆可適用本發明之方法或設備。

進一步說明，本實施例之電源量測設備1主要包括一主控制器2、一運算模組3、一電流信號施加模組4、一電流信號量測模組5、一電壓箝位模組6以及一電壓信號量測模組7；其中，主控制器2係電性連接運算模組3、電流信號施加模組4、電流信號量測模組5、電壓箝位模組6以及電壓信號量測模組7。再者，電流信號施加模組4係用於對待測物DUT施加特定(固定)電流，而電流信號量測模組5則係用於量測待測物DUT所輸出電流相關參數，又電壓箝位模組6係用於對待測物DUT施加特定(固定)電壓，而電壓信號量測模組7則係用於量測待測物DUT所輸出電壓相關參數。

再者，請一併參閱圖3、圖4及圖5，圖4係本發明之電容充電行為曲線示意圖，圖5係本發明之電容量測方法一較佳實施例流程圖。以下詳細說明本實施例之電容量測方法，首先特別說明本實施例之幾項參數設定，如同上面所提到的，本實施例係透過一電源量測設備1施加小於0.4 mA/µs之一電流脈衝信號來實施，其亦可視為所輸入之電流波形的上升和下降的速度；此外，本實施例之量測週期為10µs，當然可視實際需求調高或調低該量測週期。

以下詳細說明本實施例之方法，首先，步驟S100，先進入定電流模式(CC mode)，即主控制器2控制電流信號施加模組4施加一定電流脈衝C ₁予一待測件DUT，在本實施例中所輸入之定電流脈衝C ₁之特定電流值為500µA；同時，主控制器2控制電壓信號量測模組7量測待測物DUT之輸出電壓。其中，如圖4所示，輸出電壓將隨著時間而逐步升高直到飽和，然而本實施例設定以一第一電壓V1和一第二電壓V2之間的電壓上升區段之作為取樣區段。

在本實施例中，第一電壓V1設定為0.3V，而第二電壓V2設定為0.7V；在此區段之間，主控制器2除了控制電壓信號量測模組7量測電壓之外，同時分別記錄當待測物DUT之輸出電壓達0.3V(第一電壓V1)和達0.7V(第二電壓V2)的時間，即分別為t _M1與t _M2。再者，進入步驟S105，即主控制器2控制運算模組3依據定電流脈衝C1對電壓上升時間值t _M1-t _M2之一積分以計算獲得總電荷量Q _TOTAL，請參考運算式如後，

，其中I(t)為所輸入之500µA的定電流脈衝C1的特定電流值，t _M1為所量測之第一電壓V1達0.3V的時間值，t _M1則為所量測之第二電壓V2達0.7V的時間值。

接著，當待測件DUT充電達飽和時，步驟S110進入箝位電壓模式(Clamp Voltage mode)，即主控制器2控制電壓箝位模組6來維持待測件DUT之跨壓於一箝位電壓V _M3，在本實施例中箝位電壓V _M3為1V；同時，並控制電流信號量測模組5量測待測件DUT之一輸出電流值I _M3。其中，如圖4所示，在本實施例中，箝位電壓V_M3即為飽和電壓。

再者，步驟S115，即主控制器2控制運算模組3根據電流信號量測模組5量測待測件DUT之輸出電流值I_M3，來計算獲得一漏電荷量Q_R。在本實施例中，以計算式R=V_M3÷I_M3先算出待測件DUT之等效電阻之電阻值R，其中V_M3為步驟S110中所輸入的箝位電壓，而I_M3為步驟S110中所量測到的輸出電流值；接著，再以計算式

算出漏電荷量Q_R；其中，V_c(t)指的是在電壓上升時間值t_M1-t_M2中待測件DUT內之等效電阻上跨壓的變化量。更簡單地說，也就是先求出第一電壓V1和第二電壓V2之差值，再將該差值除以等效電阻值R就可以得到漏電流，以該漏電流對電壓上升時間值t_M1-t_M2積分即可求得漏電荷量Q_R。特別說明，本步驟求出漏電荷量Q_R乃係作為補償總電荷量Q_TOTAL之用，因待測件DUT儘管並無內建電阻，但勢必有內部阻抗來形成等效電阻值，而產生漏電流。

最後，步驟S120，即主控制器2控制運算模組3計算總電荷量Q_TOTAL與漏電荷量Q_R之差值而得到一實際電荷值Q_C，請參考計算式Q_C=Q_TOTAL-Q_R。接著，將計算得到的實際電荷值Q_C除以該第一、第二電壓V1,V2之差值即決定待測件DUT之電容值C，請參考計算式C=Q_C÷△V，其中△V乃係第一、第二電壓V1,V2之差值。

以下表格呈現以目前市面上常見的LCR測量儀所量測之容值與本實施例所量測到的電容值之比較，其中該LCR測量儀之型號為Keysight U1731C，且共量測6個樣本DUT；而本實施例又對每個樣本DUT各量測5次。然而如下表格所呈現，與LCR測量儀相比，本實施例所量測出來的結果最多誤差值僅為3.34%，最小則為-0.88%。

*LCR測量儀(Keysight U1731C) 1kHz
樣本DUT編號	DUT 1	DUT 2	DUT 3	DUT 4	DUT 5	DUT 6
測量值 Cp (uF)	1.083	1.096	0.898	0.909	0.398	0.406
*本實施例之方法
樣本DUT編號	DUT 1	DUT 2	DUT 3	DUT 4	DUT 5	DUT 6
量測次數	1	1.120	1.087	0.932	0.896	0.393	0.405
2	1.112	1.086	0.929	0.899	0.391	0.400
3	1.111	1.086	0.929	0.900	0.391	0.400
4	1.109	1.087	0.928	0.901	0.391	0.400
5	1.108	1.087	0.927	0.901	0.391	0.400
平均值	1.112	1.086	0.929	0.899	0.391	0.401
誤差值 (相比於LCR測量儀)	2.60%	-0.88%	3.34%	-1.06%	-1.69%	-1.21%

由此足見，本實施例所提供之電容量測方法不僅可行，更可提供相當準確的量測結果。據此，本發明開創了全新的電容量測方法，僅利用現有一般電源供應及量測單元(SMU)即可實現，故當有整合電容器與其他功能電子元件或電路基板時，僅需使用單一設備即可完成多種量測，無須重新開發、整合測試機台或設備，不僅大幅節省成本，更顯著提高了檢測效率。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1:電源量測設備 2:主控制器 3:運算模組 4:電流信號施加模組 5:電流信號量測模組 6:電壓箝位模組 7:電壓信號量測模組 C1:定電流脈衝 DUT:待測件 IM3:輸出電流值 LD:雷射二極體 MLCC:積層陶瓷電容 R:等效電阻 RS:繼電器開關 t _M1:第一電壓上升時間 t _M2:第二電壓上升時間 V1:第一電壓 V2:第二電壓 V _M3:箝位電壓 S100,S105,S110,S115,S120:步驟

圖1A係搭載有電容器之雷射二極體的示意圖。圖1B係為量測圖1A所示雷射二極體之習知檢測設備的示意圖。圖2係本發明電源量測設備之系統方塊圖。圖3係本發明之量測原理示意圖。圖4係本發明之電容充電行為曲線示意圖。圖5係本發明之電容量測方法一較佳實施例流程圖。

S100,S105,S110,S115,S120:步驟

Claims

一種電容量測方法，其係用於量測一待測件之電容值，該方法包括： (A).施加一定電流脈衝予該待測件，並量測該待測件由一第一電壓上升到一第二電壓之一電壓上升時間值，以獲得一總電荷量； (B).當該待測件充電達飽和時，該待測件之跨壓被維持於一箝位電壓，並量測該待測件之一輸出電流值，以獲得一漏電荷量；以及 (C).該總電荷量扣除該漏電荷量而得到一實際電荷值，依據該實際電荷值除以該第一、第二電壓之差值即決定該待測件之該電容值。
如請求項1之電容量測方法，其中，於該步驟(A)中，依據該定電流脈衝之一特定電流對該電壓上升時間值之一積分決定該總電荷量。
如請求項1之電容量測方法，其中，於該步驟(B)中，先依據該箝位電壓除以該輸出電流值以決定一等效電阻之電阻值，再依據該電壓上升時間值內該等效電阻上跨壓的變化量除以該等效電阻之電阻值後對該電壓上升時間值之一積分決定該漏電荷量。
如請求項1之電容量測方法，其中，該步驟(A)及該步驟(B)係透過一電源量測設備施加小於0.4 mA/ µs之一電流脈衝信號來實施。
如請求項1之電容量測方法，其中，於步驟(A)中之該定電流脈衝為500µA、該第一電壓為0.3V以及該第二電壓為0.7V；於步驟(B)中之該箝位電壓為1V。
一種電源量測設備，其包括：一主控制器；一運算模組；一電流信號施加模組；一電流信號量測模組；一電壓箝位模組；以及一電壓信號量測模組；其中，該主控制器係電性連接該運算模組、該電流信號施加模組、該電流信號量測模組、該電壓箝位模組以及該電壓信號量測模組；該主控制器控制該電流信號施加模組施加一定電流脈衝予一待測件，並控制該運算模組根據該電壓信號量測模組所量測該待測件由一第一電壓上升到一第二電壓之一電壓上升時間值，來計算獲得一總電荷量；當該待測件充電達飽和時，該主控制器控制該電壓箝位模組維持該待測件之跨壓於一箝位電壓，並控制該運算模組根據該電流信號量測模組量測該待測件之一輸出電流值，來計算獲得一漏電荷量；該主控制器控制該運算模組計算該總電荷量與該漏電荷量之差值而得到一實際電荷值，並依據該實際電荷值除以該第一、第二電壓之差值即決定該待測件之該電容值。
如請求項6之電源量測設備，其中，該主控制器控制該運算模組依據該定電流脈衝之一特定電流對該電壓上升時間值之一積分以計算獲得該總電荷量。
如請求項6之電源量測設備，其中，該主控制器控制該運算模組先依據該箝位電壓除以該輸出電流值以決定一等效電阻之電阻值，再依據該電壓上升時間值內該等效電阻上跨壓的變化量除以該等效電阻之電阻值後對該電壓上升時間值之一積分以計算獲得該漏電荷量。
如請求項6之電源量測設備，其中，該主控制器控制該電流信號量測模組及該電壓信號量測模組之量測週期為10µs。
如請求項6之電源量測設備，其中，該待測件係包括一雷射二極體及一積層陶瓷電容，該雷射二極體係並聯於該積層陶瓷電容。