低キャパシタンス測定を切り替える際の注意事項

低キャパシタンス測定に使用する自動テストシステム (ATS) は、以下の装置で構成されます。

• DMMまたはPXI LCRメーターなどのキャパシタンス測定デバイス
• テスト装置から測定デバイスに信号を経路設定するスイッチ
• 検査対象デバイスのテスト装置（DUT）
• 上記の各コンポーネントを接続するケーブル

確度、速度、DUTの数などの測定システム要件は、ATS内で使用できる機器とケーブルを決定します。 要件が厳しくなるにつれて、一般的な使用例の測定手法やスイッチ構成では十分なパフォーマンスが得られなくなる場合があります。 このチュートリアルで推奨されるテクニックと特殊な構成を使用して、必要な結果を得ることができます。

低レベルのキャパシタンス測定を計画する際には、考慮すべき多くの事項があります。以下の情報は、最も一般的な注意事項を示します。

ハードウェアの選択

キャパシタンス測定デバイスのオプションの1つに、NI PXI-4072（NI 4072）があります。 NI 4072は、インダクタンスとキャパシタンスを測定する内蔵LCRメータを備えた6½桁デジタルマルチメータ（DMM）です。 キャパシタンス範囲は300 pF～10,000 uFで、最小0.05 pFの分解能で測定できます。 NI 4072でのキャパシタンスおよびインダクタンス測定の詳細については、キャパシタンス/インダクタンス測定を参照してください。

キャパシタンス測定デバイスを選択した後、テスト信号をこのデバイスに接続する方法を決定します。 コスト効率に優れた標準化されたアプローチは、システムのフロントエンドでスイッチングを組み込むことです。

ほとんどのATSアプリケーションは、何らかのスイッチを使用します。 スイッチングにより、カスタマイズ可能な構成、高速接続、および多数のチャンネルを最小限のテスト計測器にプログラム的に接続できるため、自動テストシステムのコストを削減しながらシステムパフォーマンスを向上させることができます。たとえば、高密度NI PXIおよびSCXIスイッチモジュールを使用すると、1つのNI 4072を数百のDUTに接続する操作を自動化できます。 スループットまたは確度を最大化するために接続速度を変更したり、ソフトウェアを使用して構成を変更して以降のテストを実行できます。

ナショナルインスツルメンツでは、柔軟性とコスト効率に優れたさまざまなスイッチモジュールを提供しています。

スイッチトポロジ

スイッチトポロジとは、スイッチモジュールのチャンネルとリレーを構造的に表したものです。 システムに必要な接続ポイントと機能を提供するためには、さまざまなトポロジで構成された1つまたは複数のスイッチモジュールが必要です。 使用可能なトポロジとそれぞれの構成の詳細については、『NI スイッチヘルプ』を参照してください。

スイッチングキャパシタンス測定には、3つの一般的なトポロジがあります。MUX、単極双投 (SPDT)、および行列です。 

MUXトポロジは、多数のチャンネルを一度に1つずつ測定デバイスに接続する複数チャンネル測定アプリケーションでよく使用されます。このトポロジは、より大きなキャパシタンス測定に使用できます。 しかし、中レベルおよび低レベルのキャパシタンス測定では、寄生オフセットが結果に大きな影響を与える可能性があり、MUXトポロジが最良ではない可能性があります。 

SPDTおよびマトリクストポロジは、中レベルから低レベルのキャパシタンス測定を行う際に寄生オフセットを制限するのに役立つシステム構成を提供します。これらのトポロジとその有用な構成については、このチュートリアルの「上級注意事項」セクションで説明します。

補正

ほとんどのATSアプリケーションでは、DMMはケーブル、スイッチ、端子台、および装置を介してDUTに接続されます。 これらの追加コンポーネントは寄生キャパシタンスを追加し、測定で望ましくない誤差を引き起こす可能性があります。 図1は、システムに存在する可能性のあるその他の残差のモデルを示します。 キャパシタンス測定では、主に寄生キャパシタンス (Cp) を使用しますが、テストシステムによっては、その他の残差を考慮する必要がある場合があります。 Cpは、特定の予防措置が考慮されていないと、大規模なスイッチシステムで容易にuFレンジに到達します。 

^{図1:テストフィクスチャ残差のモデル}

DMMとDUT間の誤差を減らすために補正を行うことができます。 一般的に使用される補正方法は、オフセットヌル補正と開放/短絡補正の2つです。 

オフセットヌル (開放補正) は、RsとLsが無視できる値であると仮定した場合に役立ちます。オフセットヌルでは、2つの測定を行い、それらの値を差し引いてテストシステムに存在する並列キャパシタンス（図1のCp）の影響を除去します。最初の「オフセット」測定はDUTが接続されていない（開いている）状態で実行され、2番目の測定はDUTが接続されている状態で実行されます。DUT測定から初期オフセットを差し引くと、より正確な結果が得られます。

開放/短絡補正は、システムエラーがさまざまなテスト装置残留の組み合わせであると仮定した場合に役立ちます。 開放/短絡補正にはオフセットヌルが含まれますが、DUTの横の接続が短絡された場合も測定されます。 この短絡により、RsとLsを測定できます。

メモ:NI 4072で使用するNI-DMMドライバは、開放および短絡測定を行った後に、その後に続くすべての測定を自動的に補正できます。

ノイズと平均化

低キャパシタンス測定を行う場合、ノイズおよびその他の環境要因により測定誤差が生じる可能性があります。 そのため、ノイズソースからシステムを削除または保護するために最大限の努力をする必要があります。 NI 4072には、キャパシタンス測定中に使用するプリセットアパーチャ遅延があります。 より高い分解能が必要な場合は、「平均化するLC測定数」プロパティを変更して複数のサンプルを平均化できます。 ドライバでより多くのサンプルを平均化することで、信号に対するノイズの影響を低減できます。

低最小電流および低パス抵抗仕様のリレーを使用する

NI 4072 DMMは、キャパシタンスを測定するために小さなテスト電流を供給します。一貫した信号整合性を維持するためには、最小電流仕様が低いスイッチモジュールを使用する必要があります。 

DMMとDUT間のインピーダンスをできるだけ低く保つには、低パス抵抗仕様のスイッチモジュールを使用する必要があります。 ただし、短絡補正を実行する限り、より高いパス抵抗スイッチを使用できることに注意してください。

端子台の接続を検討

選択したスイッチがテスト装置に正しく接続されていることを確認します。 NIスイッチには、フロントマウント端子台やケーブルなど、いくつかの接続オプションがあります。 また、NIでは、お客様や他社製の相互接続を構築できるように、メイトコネクタの製品番号も提供しています。

絶縁およびケーブル

DMMで補正する必要があるキャパシタンスを減らすようにスイッチチャンネルを配置します。  スイッチチャンネルを並列に配置する方法は単純で頻繁に使用される構成ですが、寄生キャパシタンスの合計と測定誤差の確率が高くなります。スイッチチャンネルを並列に配置する代わりに、寄生キャパシタンスが加算されないようにスイッチをツリー構造に配置するという構成方法もあります。 詳細については、このチュートリアルの「上級注意事項」セクションで説明します。 

また、スイッチチャンネルを異なるセクションに絶縁すると、DMMで補正する必要があるキャパシタンスが減少します。 合計キャパシタンスが低いため、DMMでより低いレンジを使用でき、測定の分解能が向上します。 このテクニックを使用する場合、チャンネルの異なる部分を互いにシールドすることが重要です。

すべてのチャンネルにシールドケーブルを使用することで、ノイズおよびチャンネル間キャパシタンスの影響を低減できます。 ただし、シールドケーブルには伝導体とシールド間にキャパシタンスがあり、チャンネル/グランド間のキャパシタンスが増加します。 このチャンネル/グランド間キャパシタンスの増加により、DMMのオフセットキャパシタンスが大きくなります。 各チャンネルでシールドケーブルを使用する前に、ノイズとオフセットキャパシタンスのトレードオフを考慮する必要があります。 シールドケーブルも通常大きく、テスト装置がかさばる可能性があります。

ケーブルにストレスがかかったり、移動したり、ケーブル同士を擦り合ったりすると、圧電効果や摩擦電効果によって電位差が生じ、読み取り値が不正確になる可能性があります。 ケーブルが移動しないように、タイラップを使用してケーブルがしっかりと固定されていることを確認してください。

メモ:個々のケーブル直径が問題となる場合は、計測器とテスト装置間のインタフェースとしてマイクロ同軸ケーブルを使用することもできます。

低キャパシタンス測定システムでは、寄生チャンネル間キャパシタンスおよび近接DUTキャパシタンスの影響を最小限に抑えるために、特殊な構成および補正技術を使用することがよくあります。  

近接キャパシタとマルチプレクサトポロジ

容量性DUTがMUXトポロジで複数のチャンネルに接続されている場合、低キャパシタンス測定が行われると、開放補正の実行はより複雑な手順になります。MUXトポロジは、以下で説明するように低キャパシタンス測定には適していません。

1つの容量性DUTが測定された場合、開放補正はDUTがテスト装置から接続解除されたときに発生するシステムの並列キャパシタンスの影響を補正します。ただし、複数のDUTがテスト装置に接続されている場合、スイッチ接続が開いているときに他のDUTが寄生キャパシタンスによってシステムにカプリングされるため、開放補正は複雑になります。したがって、開放補正は、測定するチャンネル（スイッチリレーが閉じているチャンネルのみ）のテスト装置からDUTのみを接続解除し、他のすべてのDUTをテスト装置に接続したまま実行する必要があります。各チャンネルに対して開放補正を実行する必要があるため、この操作は困難な場合があります。

図2は、複数のDUTが隣接チャンネルに接続されているシステムで1つの容量性DUTを測定するシステム設定を示しています。 直列チャンネル間寄生キャパシタンス (C_P2およびC_P3) により、測定されていない各DUT (C₂およびC₃) は測定されているDUT (C₁) と並列になります。

^{図2:寄生キャパシタンスによるMUXの潜在的な問題}

C₁の適切な開放補正を行うには、C₂とC₃を接続する必要があります。 この場合、MUXはチャンネル1を開き、チャンネル2と3を閉じる必要があります。  MUXトポロジではこのような構成状態は許可されないため、正確な低レベル開放補正が必要な場合はトポロジを使用しないでください。

MUXトポロジは正確な低レベル開放補正を提供しませんが、SPDTおよびマトリクストポロジは提供します。さらに、これらのトポロジはどちらも近接するDUTによる並列キャパシタンスを低減します。 

近接キャパシタとSPDTトポロジ

SPDTリレーモジュール（図3を参照）は、寄生チャンネル間キャパシタンスによるキャパシタンスオフセットの除去に使用できます。これは、ノーマルクローズ (NC) 端子をコモン基準に接続することによって行われます。 測定されていないすべてのチャンネルはNCに接続されているため、コンデンサに0 Vを強制します。 これにより、測定されていないDUTはチャンネル間キャパシタンスと直列でなくなるため、測定に影響が及びません。残りの寄生キャパシタンスは、補正を使用することで測定結果から簡単に除去できます。

^{図3:SPDTトポロジを使用して寄生キャパシタンスの影響を軽減する}

メモ:このテクニックを使用するための必要条件は、容量性DUTを基準電位に終端することです。

たとえば、NI PXI-2566 SPDTスイッチモジュールを使用して6つの10 pFコンデンサを測定するDMM/スイッチのセットアップでは、0.1 pFのノイズのない分解能を達成できました。 このSPDTシステムは、複数のNI PXI-2566モジュール（それぞれが16 x 1 MUXを形成するように構成）をカスケード接続して256チャンネルスイッチシステムを構築できるように拡張できます。追加されるチャンネル数が多いほど、オフセットキャパシタンスは高くなります。ただし、スイッチモジュールをツリー構造でカスケード接続した場合、全体のオフセットキャパシタンスが制限され、測定デバイスでより低いレンジが使用される可能性があります。ツリーの各ブランチは他のブランチから絶縁されているため、オフセットキャパシタンスは制限されます。

SPDTリレーを使用する欠点の1つは、モジュールの密度が低いため、システムサイズが大きくなる場合があることです。

近接キャパシタとマトリクストポロジ

SPDT法と同様に、マトリクストポロジ（図4を参照）を使用して、システムに接続されている他のDUTによる誤差を減らすことができます。 これは、測定されていないDUTの両端に共通の基準を接続することでも行われます。 

^{図4:マトリクストポロジを使用して寄生キャパシタンスの影響を軽減する}

一部のマトリクスモジュールでは、特定の数のリレーを作動させるだけの電力しか供給できないため、すべてのチャンネルを接続できません。マトリクス内のリレーのサブセクションのみを閉じることができる場合、必要な信号経路と閉じていないリレー間の寄生チャンネル間キャパシタンスによりエラーが発生し、不正確な開放補正が発生します。 したがって、すべてのリレーを同時に閉じることができるマトリクスモジュールのみを検討してください (以下の「推奨事項」セクションを参照)。

補正

スイッチシステムを補正する場合、システム内のすべてのチャンネルが同じではないことに注意してください。 したがって、1つの補正値を使用して各チャンネルで使用するだけで十分である場合もあります。 各チャンネルを個別に補正し、それらの補正値をソフトウェアに保存する必要がある場合があります。 最高の性能を得るには、DUTにできるだけ近い値で定期的に補正を行う必要があります。

大きなシステムキャパシタンスを介して小さなキャパシタンスを測定する場合でも、補正は非常に優れた結果を得ることができます。 ただし、システムキャパシタンスによりDMMでより大きな測定レンジが使用されるため、最終測定の分解能が低下する可能性があります。 

システムのオフセットキャパシタンスは、常に小さくしてください。これは、低レベルのキャパシタンス測定では特に当てはまります。 NI 4072をATSで使用して100 pF DUTを測定する場合、理想的には300 pFレンジを使用して0.05 pFの分解能を達成する必要があります。 ただし、スイッチ、ケーブル、およびフィクスチャのキャパシタンスが2 nFの場合、DMMの10 nFレンジはオフセットの測定および補正に必要であり、このレンジでは1 pFの分解能しか許可されません。 つまり、オフセットキャパシタンスを減らし、DMMがより狭い範囲で測定できるようにし、分解能を向上させます。

低キャパシタンス測定用にシステムを設定する場合は、以下のガイドラインに従って最適なパフォーマンスを実現してください。 

スイッチモジュールの推奨事項

キャパシタンス測定確度の要件に応じて、以下のスイッチトポロジのいずれかを使用します。

• SPDTスイッチ
• すべてのリレーを同時に閉じることができる行列です。 

マルチプレクサスイッチモジュールは、寄生オフセットが測定に影響しない、より高いキャパシタンスを測定する場合にのみ使用してください。

SPDTスイッチは、特にツリー構造を使用している場合は、補正する必要があるオフセットキャパシタンスが低くなるため、最も厳しい分解能要件を必要とするシステムを構築するために使用できます。通常、オフセットキャパシタンスが低いほど、分解能に優れた低い測定レンジを使用できます。 

マトリクスモジュールは、大規模なチャンネルカウントシステムに対してコスト効率に優れています。 NI PXI-2529、NI SCXI-1129、またはNI PXI-2535などの高密度マトリクスモジュールは、すべてのリレーを同時に閉じることができ、複数のモジュールを適切な行数と列数に拡張できるため、推奨されます。

推奨シールドケーブル

シールドケーブルを使用すると、かさばるテスト装置を作成できます。 個々のケーブルの直径が問題になる場合は、計測器とテスト装置間のシールドインタフェースに微小同軸ケーブルを使用することを検討してください。スイッチチャンネルを異なるセクションに絶縁する場合は、シールドを使用する必要があります。

NI 4072は、非常に正確なキャパシタンス測定を手頃な価格で提供します。 PXIプラットフォームの柔軟性により、ニーズに最適なスイッチを選択できます。低レベルキャパシタンス測定システムでは、測定されていないチャンネルにグランド接続が可能なSPDTまたはマトリクススイッチを選択する必要があります。これにより、これらのチャンネルのDUTが追加エラーを引き起こすことを防ぎます。 

不要な寄生キャパシタンスは、すべてのテストシステムにおいて存在しますが、補正を行うことで影響を最小限に抑えることができます。 適切な補正を行うには、少なくとも開放補正を実行できるテスト装置とスイッチトポロジが必要です。テスト装置による誤差の原因を最小限に抑えるには、安全なケーブルを設計し、ケーブルの長さを最小化し、シールドを使用し、異なるスイッチング部分を絶縁します。

このチュートリアルで説明されている推奨事項に従うことで、非常に低いキャパシタンスを正確に測定できるシステムを設計および構築することができます。