Измерительно-питающие приборы

Концепция измерительнопитающих приборов (ИПП)

Подобного рода задачи являются типичными в научных и инженерных исследованиях и в производственном тестировании электронных компонентов. Поэтому идея совмещения источника и измерителя в одном приборе сама по себе не нова. ИПП (рис.1) — это, по сути, комбинация в одном приборе функций регулируемого источника тока/ напряжения (калибратора) и измерителя тока/напряжения (мультиметра).

Рис. 1. Упрощённая модель ИПП

Компания Keithley Instruments (США), являясь одним из мировых лидеров в передовых измерительных технологиях, предлагает целую номенклатуру ИПП (оригинальный термин -SourceMeter — Источник/Измеритель). По сравнению с традиционными характериографами (измерителями ВАХ), ИПП ф.Keithley являются более функциональными и прецизионными приборами (разрешающая способность по току для некоторых моделей ИПП составляет менее 1 фемтоампера).

Преимущества ИПП

Совмещение функций источника и измерителя в одном приборе позволяет реализовать ряд преимуществ:

• возможность одновременного измерения различных параметров (тока, напряжения и сопротивления) одним измерительным прибором;
• отсутствие проблемы согласования работы нескольких приборов (синхронизация, электрические связи между приборами, аспекты программирования совместной работы);
• более высокая скорость проведения измерений в сочетании с высокой точностью и надёжностью;
• снижение время- и трудозатрат на монтаж и наладку измерительной установки
• снижение общей стоимости измерительной установки.
• снижение риска повреждения приборов и испытуемого образца из-за несогласованной работы.

ИПП являются универсальными приборами, и могут выступать в любой роли: вольтметр, амперметр, омметр, источник тока/напряжения, активная нагрузка, характериограф, тестовый контроллер.

Особенности работы ИПП в режиме источника

Характеристики ИПП Keithley как источника питания превосходят характеристики обычных источников по ряду параметров, таких как стабильность, шумность, наличие импульсного режима с изменяемой задержкой, возможность задания тестовых последовательностей. Разрешающая способность по току для некоторых моделей ИПП составляет менее 1 фемтоампера, что очень актуально для исследований и разработок в сфере нанотехнологий. Но основное преимущество ИПП как источника, это работа в четырёх квадрантах в системе координат ток-напряжение I(V). Т.е. выход источника является биполярным, и при этом при любой полярности источник может как отдавать ток в нагрузку, так и отбирать ток на себя, рассеивая мощность. Этосвойство позволяет использовать ИПП в качестве активной нагрузки (рис.2).

Рис. 2. ИПП в качестве активной нагрузки

Возможности ИПП в режиме измерения ВАХ

В качестве первичного параметра при снятии ВАХ может быть выбран как ток, так и напряжение, в зависимости от того что удобнее для исследователя и безопаснее для исследуемого образца. Например, при снятии параметров полупроводникового диода на участках с большой крутизной характеристики (участки прямого смещения и обратного пробоя) целесообразно использовать ток как первичный параметр. А на пологом участке обратного смещения проще оперировать напряжением. При программном управлении с компьютера (например, через интерфейс GPIB) гибкость управления ИПП практически не ограничена.

Рис. 3. Статическая и импульсная линейные развёртки

При измерении ВАХ в автоматическом режиме в ИПП предусмотрены различные опции развёртки по задающему параметру. Во-первых, можно управлять характером изменения задающего параметра: линейное нарастание, логарифмическое нарастание и изменение по произвольно заданному закону. Во-вторых, измерение ВАХ в некоторых моделях ИПП Keithley может проводиться в импульсном режиме. Это необходимо при исследовании микро- и наноразмерных структур, когда даже небольшой постоянный тестовый ток приводит к существенному саморазогреву образца, что может привести к уходу его параметров и тепловому пробою. В импульсном режиме тестовый ток подаётся кратковременными периодами достаточно малой длительности, чтобы образец не успевал ощутимо разогреться. За время импульса первичного параметра производится измерение зависимого параметра. В импульсном режиме развёртка также может быть линейной или логарифмической.

6-проводная технология измерения сопротивления

Измерение сопротивления по 4-проводной схеме с использованием щупов Кельвина является стандартной функцией ИПП Keithley. Однако некоторые модели могут проводить измерения по так называемой 6-проводной схеме, которую используют в случаях, когда измеряемое сопротивление зашунтировано параллельными цепями, например, плёночный резистор в составе гибридной микросхемы. Суть 6-проводного метода отражена на рис. 4.

Рис. 4. 6-проводная схема измерения сопротивлния

Допустим, необходимо измерить сопротивление R1, зашунтированное цепью R2-R3. К R1 подводятся щупы Кельвина, а к точке между R2 и R3 подводится цепь компенсации. Внутренняя обратная связь отрабатывает таким образом, что разность потенциалов на сопротивлении R2 равна нулю. Поэтому тестовый ток в верхней по схеме точке не отклоняется в шунтирующую цепь, а целиком проходит через R1, создавая на нём пропорциональное падение напряжения. Таким образом, шунтирующие цепи не вносят погрешности в процесс измерения сопротивления R1. При этом сопротивление может измеряться как методом тестового тока, так и методом тестового напряжения.

ИПП в производственном тестировании

В процессе производственного тестирования встаёт задача отбраковки изделий, по результатам промеров в нескольких точках ВАХ. Практически все ИПП Keithley являются интеллектуальными устройствами и имеют интерфейс дискретных входов/выходов для непосредственного взаимодействия с сортировочными автоматами. В наиболее простых моделях предусмотрена возможность прописать последовательность тестовых процедур (рис. 5), в каждой из которых задаются параметры очередного теста (значение задающего параметра, значение и допуск измеряемого параметра, критерии прохождения теста и др.). В ходе каждой процедуры ИПП проверяет измеренные значения на попадание в допуск и принимает решение об отбраковке. Благодаря тому, что все эти действия ИПП может производить самостоятельно (без взаимодействия с компьютером), удаётся достичь высокого быстродействия. В компьютер будет передаваться только отчёты по тестам. Более продвинутые модели сами по себе являются практически полноценными программируемыми устройствами, благодаря чему можно осуществить любой алгоритм, реализующий многоканальные измерения, сложные вычисления и условные операции, проверку попадания в допуск и отбраковку, управление тестовыми манипуляторами и сортировочными автоматами, ведение журнала измерений и пр.

Рис. 5. Выполнение тестовых алгоритмов в автономном режиме

Другая актуальная в производственном тестировании функция (опциональная) — проверка качества соединений в измерительных цепях. Она позволяет избежать ложной отбраковки тестируемых компонентов вследствие плохого контакта с испытуемым образцом. Процедура проверки в автоматическом режиме требует времени менее 1 мс. Её можно выполнять перед каждой тестовой последовательностью, гарантируя, таким образом, корректность измерений без ощутимого снижения производительности.

Заключение

Специфика применения ИПП существенно зависит от конкретной сферы использования. Так например в научной сфере важна гибкость управления измерительным процессом. Измерения сверхмалых сигналов напряжения и тока требуют учёта нюансов и побочных явлений, помехи от которых соизмеримы с полезным сигналом. Исследования и производство в полупроводниковой отрасли используют специфические методы измерения параметров полупроводниковых структур. В производственном тестировании электронных компонентов одним из приоритетных условий является производительность. Имея богатый опыт собственных разработок и поддерживая тесную связь с конечными пользователями, компания Keithley накопила боьшой арсенал программно-аппаратных решений, учитывающих специфику конкретных задач, и которые предлагаются ею для использования.