發(fā)布時(shí)間：2022-02-11 15:21

　　隨著納米技術(shù)與微電子行業(yè)的快速發(fā)展,元器件的小型化已是重要的發(fā)展趨勢。電容作為三大基本阻抗元件之一,是電學(xué)信號(hào)傳遞的重要參數(shù)。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)便捷式亞pF及其量級(jí)以下的微小電容標(biāo)準(zhǔn),不僅有助于實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的小型化和高度集成化,也滿足了在交流阻抗測量領(lǐng)域?qū)ξ⑿‰娙莸牧恐邓菰春蜏y量的需求。本課題簡述微小電容標(biāo)準(zhǔn)建立的研究背景及研究意義,借助于可編程電容器中各電容單元的線性關(guān)系,提出一種利用可編程電容器中微小電容單元實(shí)現(xiàn)微小電容標(biāo)準(zhǔn)的方法�；诖�,給出一個(gè)利用施瓦茲克里斯托佛變換求解考慮電容邊緣效應(yīng)影響的實(shí)際電容值的算法,借助于有限元分析軟件Ansoft Maxwell輔助指導(dǎo)微小電容單元的設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)微小電容標(biāo)準(zhǔn)。提出微小電容標(biāo)準(zhǔn)檢測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),給出一種基于單片機(jī)STM32F429的微小電容檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理,借助于Multisim以及Tina輔助仿真指導(dǎo)硬件電路搭建。本課題的具體研究工作如下:（1）介紹微小電容標(biāo)準(zhǔn)的研究背景與研究意義,闡述其物理意義及工業(yè)價(jià)值。其次,分析國際上的發(fā)展現(xiàn)狀,提出到目前為止實(shí)現(xiàn)微小電容標(biāo)準(zhǔn)的難點(diǎn),并給出實(shí)現(xiàn)微小電容標(biāo)準(zhǔn)的思路。對(duì)于微小電容標(biāo)準(zhǔn)檢測方案,與交流... 

【文章來源】：青島大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

可編程熔融石英標(biāo)準(zhǔn)電容器系統(tǒng)示意圖

第二章可編程電容器微小電容檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)12瘀傎瘀傌瘀瘀瘀瘀瘀ろ瘀①②⑤⑥④③圖2.3可編程熔融石英標(biāo)準(zhǔn)電容器系統(tǒng)示意圖可編程熔融石英電容器通過內(nèi)部多個(gè)電容單元組合的方式，微小電容標(biāo)準(zhǔn)可通過多個(gè)電容單元組合補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，此方法對(duì)于所獨(dú)立的電容單元的精度要求較低，且容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于可編程電容中的大電容單元而言，采用的是嵌套式Kelvin等電位保護(hù)電極的方法，即在下極板外沿也加保護(hù)電極，作為大電容單元的等電位保護(hù)電極；而小電容單元?jiǎng)t嵌入在大電容單元以內(nèi)，則大電容單元?jiǎng)t為小電容單元的等電位保護(hù)電極（文章后序詳細(xì)講解），等效簡化模型即所圖2.3所示，由于大電容單元并非主要考慮因素，在圖2.2中是省略大電容單元模型，小電容單元分布在上極板的邊緣部分，圖(a)中黃色部分為小電容單元的Kelvin等電位保護(hù)電極,可編程電容器采用的是公用下極板的方式，即如圖2.2(b)所示，其中綠色部分為大電容單元的Kelvin等電位保護(hù)電極，藍(lán)色部分即代表中間介質(zhì)熔融石英。(a)可編程電容器中微小電容單元分布(b)可編程電容器下極板圖2.4可編程熔融石英標(biāo)準(zhǔn)電容器系統(tǒng)示意圖可編程熔融石英標(biāo)準(zhǔn)電容器的上下極板以及保護(hù)環(huán)采用光刻、掩膜等相關(guān)工藝電鍍在熔融石英的上下表面，最終與外界的同軸開關(guān)組成完整裝置。由圖1.2可知，

青島大學(xué)碩士學(xué)位論文19且網(wǎng)格劃分后的模型如圖2.9所示�？删幊屉娙萜鞅唤饘俸凶影趦�(nèi)，通過電鍍方式附著在熔融石英表面，熔融石英的介電常數(shù)為3.75。模型的外界條件加載：因?yàn)樵撃Ｐ屯ㄟ^金屬盒子屏蔽外界電磁場的干擾，所以金屬盒子為接地為0V，所有上極板電容模塊為10V，下極板以及保護(hù)環(huán)為0V。圖2.9可編程電容器網(wǎng)格劃分2.3.1利用保角變換求解主電極電容值根據(jù)理論分析得到，微小電容單元受邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的雜散電容影響比較大，要保證雜散電容能夠在穩(wěn)定范圍內(nèi)輸出需選擇適合的氣隙大小，為驗(yàn)證猜測的可行性，在氣隙范圍大小內(nèi)均勻取點(diǎn)，對(duì)30fF微小電容單元進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果與理論結(jié)果相對(duì)比。雜散電容值分析:首先對(duì)可編程電容器雜散電容進(jìn)行理論分析和仿真分析，設(shè)定在氣隙范圍為0.01mm～0.2mm內(nèi)均勻取20個(gè)點(diǎn)，即可到列向量12{{C,,....,},1,2,...,0}2TTiiCCCi(2-18)因?yàn)槔帽＝沁吘壡蠼怆娙葜荡笮【容^低，在求解電容值大小的目的是要獲知雜散電容的穩(wěn)定范圍，所以只需觀察電容值的相對(duì)變化量即可，電容值的相對(duì)變化量列向量如下g211,,C1,2,..,20,.TTjjCCCjC(2-19)根據(jù)上述兩個(gè)公式，得到{Cg}T仿真值和理論值變化趨勢，仿真值和理論值的相對(duì)變化量趨勢基本一致，結(jié)果如圖2.10所示。在圖中，H-Ⅰ區(qū)域是0.01mm~0.1mm范圍內(nèi)雜散電容的變化曲線，定義為劇變區(qū)，H-Ⅱ區(qū)域是0.1mm~0.2mm范圍內(nèi)雜散電容的變化曲線，定義為平緩區(qū)。在H-Ⅰ區(qū)內(nèi)，雜散電容的理論值和仿真值斜率變化較大，可以理解為此區(qū)間內(nèi)氣隙尺寸略有變化，便會(huì)導(dǎo)致可編程容器上極板邊緣部分電力線對(duì)下極板的作用加劇，引起雜

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