康 恒，李勇滔,李超波，景玉鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100029;3.集成電路測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

0 引言

電容薄膜真空計(jì)(CDG)是一種測(cè)量真空度的傳感器，因其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等因素被廣泛應(yīng)用于化工、航天等領(lǐng)域。尤其在半導(dǎo)體工藝中，由于許多工藝步驟需要高精度的真空度控制，因此這種傳感器在半導(dǎo)體設(shè)備中被大量使用。

圖1 電容薄膜真空計(jì)示意圖

電容薄膜真空計(jì)的示意圖如圖1所示。此真空計(jì)可以等效為一個(gè)可變的平行板式電容器。它由定電極板與周邊固支的薄膜動(dòng)電極板構(gòu)成。由于定電極板與動(dòng)電極板之間為高真空，在測(cè)量真空度時(shí)，在不同的絕對(duì)壓力作用到動(dòng)電極板上時(shí)，對(duì)應(yīng)著動(dòng)電極板與定電極板之間的距離變化的不同，產(chǎn)生的電容變化值與壓力大小成比例[1]。電容薄膜真空計(jì)的電容變化范圍是pF量級(jí)，容易受到雜散電容的干擾，并且真空計(jì)內(nèi)部電容的變化是非線性的[2-3]，要得到高的精確度必須對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償。目前測(cè)量電路設(shè)計(jì)以基于LC或RC振蕩電路為主[4-5]，這種方法測(cè)量的靈敏度雖然較高，但是其轉(zhuǎn)換是非線性的，增加了后續(xù)信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)。

本文提出了基于二極管橋電路[6]的檢測(cè)方案，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，通過(guò)測(cè)量差分電容能有效抑制共模雜散電容的影響。為解決真空計(jì)電容轉(zhuǎn)換非線性的問(wèn)題，采用了負(fù)反饋的方法進(jìn)行補(bǔ)償。

1 電路設(shè)計(jì)

圖2為薄膜真空計(jì)檢測(cè)電路的原理框圖。該方案采用二極管橋電路作為檢測(cè)電路，真空計(jì)內(nèi)部的檢測(cè)電容和測(cè)量電容直接接入電路，通過(guò)正弦交流信號(hào)的激勵(lì)后其輸出信號(hào)的直流分量與這兩個(gè)電容的差值成正比。后續(xù)經(jīng)過(guò)濾波，放大，調(diào)零等處理得到最終的輸出信號(hào)。為了解決真空計(jì)氣壓與電容的非線性問(wèn)題采用了負(fù)反饋的方式進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)的輸入電源為±15 V的直流電源，輸出為±13 V的直流分量。

圖2 電路原理框圖

1.1 二極管橋電路

二極管橋電路如圖3所示。二極管橋電路是檢測(cè)電路的核心部分，圖3中C1、C2分別接真空計(jì)的測(cè)量電容和其參考電容，電容值大小在pF量級(jí)。正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電容C3、C4進(jìn)入二極管橋，輸出信號(hào)的直流分量可通過(guò)式(1)計(jì)算[6]：

(1)

式中：Vdc為輸出直流分量；Vp為正弦激勵(lì)信號(hào)的幅值；ZL、ZS分別為該電路的負(fù)載阻抗和輸出端的源阻抗；Vd為二極管的正向?qū)▔航怠?/p>

從式(1)中可以看出輸出信號(hào)的直流分量近似與C1與C2的差值和正弦波幅度Vp成正比。綜合考慮電路的靈敏度和響應(yīng)速度將C3、C4取為10 nF，正弦信號(hào)設(shè)計(jì)為幅度6 V、頻率70 kHz。該電路檢測(cè)真空計(jì)內(nèi)部檢測(cè)電容和參考電容的差值能有效抑制因溫度等環(huán)境因素引起的共模干擾。

圖3 二極管橋電路

1.2 振蕩電路

圖4為文氏振蕩電路，該電路產(chǎn)生正弦波信號(hào)，其振蕩頻率可根據(jù)式(2)計(jì)算：

(2)

選取圖4中的參數(shù)可得正弦波頻率為70.34 kHz。文氏振蕩電路的起振條件是滿足環(huán)路增益A≥1，即在圖4的電路中滿足式(3)。

(3)

式中RQ為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源漏電阻值。

Q1工作在可變電阻區(qū)，其電阻值受柵極電壓控制。如果文氏振蕩電路的環(huán)路增益大于1會(huì)發(fā)生飽和失真，產(chǎn)生的交流信號(hào)類似于方波。為了得到無(wú)失真的正弦信號(hào)需要在電路起振后將環(huán)路增益控制在1左右。本文通過(guò)運(yùn)算電路去控制Q1的柵極電壓從而改變RQ，實(shí)現(xiàn)控制振蕩電路的環(huán)路增益，正弦波的反饋信號(hào)即為圖2中的反饋信號(hào)1。這樣做能防止電路發(fā)生飽和失真，并能控制正弦信號(hào)的幅度。

圖4 振蕩電路

1.3 有源濾波電路

有源濾波電路的目的是濾除交流分量，得到有效的直流信號(hào)。其電路如圖5所示。該電路為二階有源濾波電路，低頻極點(diǎn)由R2和C4決定，高頻極點(diǎn)由R1和C3決定。根據(jù)圖4中的參數(shù)通過(guò)Multisim仿真可得電路極點(diǎn)分別為171 Hz和989 kHz，直流增益為7.9 dB。

圖5 有源濾波電路

1.4 輸出電路

輸出電路的目的是將濾波后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)零和放大，電路如圖6所示。該電路為運(yùn)放的正向放大電路。通過(guò)±1.2 V的基準(zhǔn)源和可調(diào)電阻R2進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)，通過(guò)可調(diào)電阻R1進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，該級(jí)放大倍數(shù)的調(diào)整范圍為2.67～6倍。電容C4和C5起濾波作用，穩(wěn)定輸出電壓。

圖6 輸出電路

1.5 幅度控制電路

圖7為幅度控制電路，該電路接收2路的反饋信號(hào)，第一路為正弦波的半波整流信號(hào)對(duì)應(yīng)圖7中反饋信號(hào)1，第二路為有源濾波后的信號(hào)對(duì)應(yīng)圖7中反饋信號(hào)2。反饋正弦波信號(hào)的目的是穩(wěn)定文氏振蕩電路，防止輸出正弦信號(hào)發(fā)生飽和失真；反饋濾波后的信號(hào)目的是實(shí)現(xiàn)非線性的補(bǔ)償，其原理在1.6節(jié)敘述。2路反饋電路與1.2 V的基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)反向加法電路產(chǎn)生控制信號(hào)去控制文氏振蕩電路的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，即圖4的Q1?；鶞?zhǔn)信號(hào)大小和有源濾波信號(hào)的反饋系數(shù)可以通過(guò)圖7中可調(diào)電阻R1和R2進(jìn)行調(diào)整。R3、C4、C5的作用是穩(wěn)定反饋環(huán)路，其值通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試選取。

圖7 幅度控制電路

1.6 非線性補(bǔ)償

電容薄膜真空計(jì)的檢測(cè)電容隨氣壓變化是非線性的，理論和實(shí)驗(yàn)表明薄膜真空計(jì)電容的P-C曲線是一個(gè)上翹的非線性曲線。但是二極管橋電路C-V曲線是線性的，當(dāng)兩系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后整體的輸入輸出呈現(xiàn)非線性。

本文采用負(fù)反饋的方法進(jìn)行非線性的補(bǔ)償，即圖2中的反饋信號(hào)2。設(shè)開(kāi)環(huán)電路的傳輸函數(shù)為f(P)，負(fù)反饋的系數(shù)為F，則閉環(huán)電路的傳輸函數(shù)為f(P)/[1+fF(P)]，若f(P)為線性的函數(shù)則反饋后的傳輸函數(shù)為下翹的非線性函數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的大小控制反饋系數(shù)F的大小，讓電路的傳輸函數(shù)與真空計(jì)電容上翹的P-C曲線匹配即可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。非線性補(bǔ)償?shù)闹庇^原理如圖8所示。

圖8 非線性補(bǔ)償原理圖

2 仿真及實(shí)驗(yàn)

2.1 非線性補(bǔ)償?shù)姆抡鎸?shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證負(fù)反饋對(duì)真空計(jì)非線性的補(bǔ)償作用，本文首先對(duì)真空計(jì)電容的形變進(jìn)行建模，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2，7-8]可知彈性薄膜電容的P-C關(guān)系可由式(4)計(jì)算：

(4)

根據(jù)式(4)取氣壓p為100～900 Pa的等間隔的9個(gè)點(diǎn)，并取R=1.3×10-4m，d0=2×10-8m，h=5×10-7m，ρ= 0.3，E=2.06×1011Pa，∈=8.854 1×10-12F/m為常量，得到對(duì)應(yīng)的電容值C。設(shè)電路的開(kāi)環(huán)增益為0.5 V/pF,則未補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)與負(fù)反饋補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)如圖9所示，其中補(bǔ)償數(shù)據(jù)的反饋系數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)參選取為0.4，圖中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化處理。經(jīng)計(jì)算未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)那€非線性度為7.27%；采用負(fù)反饋補(bǔ)償?shù)那€非線性度降為0.661%，非線性得到了很大的改善。

圖9 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

仿真實(shí)驗(yàn)表明采用負(fù)反饋的補(bǔ)償方法能夠有效減少電容薄膜真空計(jì)的非線性，但是電路的靈敏度會(huì)降低，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要在靈敏度和線性度之間進(jìn)行折中。

2.2 電路實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證電路檢測(cè)電容的能力，采用可調(diào)電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。微變電容的電容值由LRC設(shè)備Agilent 4285A進(jìn)行標(biāo)定，輸出電壓由數(shù)字萬(wàn)用表Keithley2000測(cè)量，參考電容選取為50 pF，測(cè)試時(shí)通過(guò)改變可調(diào)電容值得到不同的輸出數(shù)據(jù)，測(cè)量過(guò)程中未使用負(fù)反饋進(jìn)行非線性的補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，在測(cè)試電容為43～57 pF范圍內(nèi)能夠得到輸出電壓與測(cè)試電容正比的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算電路非線性度為0.4%，靈敏度為1.85 V/pF。為了驗(yàn)證電路的穩(wěn)定性采用50.2 pF的測(cè)量電容進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果顯示間隔1 h的短期漂移量小于±30 μV，間隔24 h的長(zhǎng)期漂移量小于±200 μV。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該電路能夠準(zhǔn)確地測(cè)量電容值，電路穩(wěn)定性較好，能夠用于電容真空計(jì)的檢測(cè)。

圖10 電容檢測(cè)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于二極管橋電路的檢測(cè)電路，該電路能夠準(zhǔn)確地測(cè)量電容，與負(fù)反饋結(jié)合可以進(jìn)行非線性的補(bǔ)償，電路復(fù)雜度低適用于電容薄膜真空計(jì)的檢測(cè)。仿真和測(cè)試均證明了該電路的可行性，為薄膜真空計(jì)的電容檢測(cè)提供了新的方法。后續(xù)可進(jìn)一步將該電路集成到芯片中，進(jìn)一步提高檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性。