ในการทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เราจำเป็นต้องใช้เครื่องมือวัดหลากหลายชนิดเพื่อทดสอบคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป บทความนี้จะทำความรู้จักการใช้งานเครื่องมือวัดต่าง ๆ เหล่านี้ในการวัดคุฯสมบัติที่แตกต่างกันไปของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ทั้งนี้เครื่องมือวัดเหล่านี้อาจมาในรูปแบบเครื่องมือตั้งโต๊ะ การ์ดที่อยู่ในระบบ PXI (PCI eXtensible Instruments) หรือเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องทดสอบอัตโนมัติ (ATE: Automated Test Equipment)
1. Data acquisition (DAQ): เป็นเครื่องมือวัดเอนกประสงค์ที่มีฟังก์ชั่นการทำงานหลากหลายรูปแบบ ได้แก่
- อินพุตแบบแอนะล็อก (analog input): สำหรับวัดสัญญาณแอนะล็อกความถี่ต่ำ โดยทั่วไปจะไม่เกิน 1 MHz
- เอาท์พุตแบบแอนะล็อก (analog output): สำหรับวัดสัญญาณแอนะล็อกความถี่ต่ำ โดยทั่วไปจะไม่เกิน 100 kHz เนื่องจากสามารถสร้างจุดสัญญาณได้ที่ความถี่สูงสุดไม่เกิน 1 MHz
- อินพุต/เอาท์พุตแบบดิจิตัล (digital input/output): ใช้สำหรับสร้างและวัดสัญญาณดิจิตัล ทั้งแบบเป็นจุด ๆ และในรูปแบบคลื่นสัญญาณความถี่ไม่เกิน 1 MHz
- วงจรนับ (counter/timer): ใช้สำหรับวัดคุณสมบัติต่าง ๆ ของพัลส์ดิจิตัล เช่น ความถี่ ความกว้างพัลส์ คาบเวลา และอื่น ๆ นอกจากนี้ยังใช้สร้างสัญญาณพัลส์ได้ด้วย โดยความละเอียดของเวลาจะไม่ต่ำกว่า 10 ns
โดยปกติเราจะเจอเครื่องมือวัดชนิดนี้ในเครื่องทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแทบทุกเครื่องเนื่องจากราคาต่ำ มีช่องสัญญาณจำนวนมาก และมีความสามารถหลากหลาย ทว่าสามารถทำงานได้ที่ความถี่ค่อนข้างต่ำและมักจะใช้งานได้เฉพาะกับแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น
2. Digital multimeter (DMM): เป็นเครื่องมือวัดสำหรับวัดสัญญาณหลากหลายรูปแบบ เช่น แรงดันไฟฟ้าทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ กระแสไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ ความต้านทาน ความเหนื่ยวนำ และความเก็บประจุ เรามักไม่เจอเครื่องมือวัดชนิดนี้ในเครื่องทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำรุ่นใหม่ ๆ เนื่องจากฟังก์ชั่นต่าง ๆ เหล่านี้สามารถทดแทนด้วยเครื่องมือวัดที่มีความสามารถใกล้เคียงกันที่ราคาถูกกว่าและมีช่องสัญญาณมากกว่า แต่หากต้องการวัดด้วยความละเอียดสูงสุดหรือแรงดัน/กระแสไฟฟ้าสูงมาก DMM จะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด
3. Digital pattern instrument (DPI): นอกจากจะใช้สร้างและวัดสัญญาณดิจิตัลแล้ว เครื่องมือวัดประเภทนี้ยังประกอบไปด้วย pin electronics ซึ่งทำให้สามารถใช้วัดแรงดันและกระแสไฟฟ้าไปด้วยในตัว คุณสมบัติของเครื่องมือวัดประเภทนี้ที่เหนือกว่าอินพุต/เอาท์พุตแบบดิจิตัลทั่วไปก็คือ ความสามารถในการกำหนดช่วงเวลาในคาบสัญญาณด้วยความละเอียดสูงและทำการประมวลผลบนตัวเครื่องมือวัดเอง ซึ่งช่วยให้การออกแบบการทดสอบสามารถทำได้ด้วยการเขียนไฟล์ pattern แยกออกจากโปรแกรมทดสอบซึ่งช่วยให้ออกแบบระบบได้อย่างสะดวกรวดเร็ว เครื่องมือวัดประเภทนี้จำเป็นต้องมาพร้อมกับซอฟต์แวร์ซึ่งใช้ในการเขียนไฟล์ pattern และตั้งค่าต่าง ๆ ทั้งเวลาและแรงดัน/กระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือที่ใช้ในการทดสอบคุณสมบัติต่าง ๆ โดยไม่ต้องเขียนโปรแกรม เช่น shmoo อีกด้วย
4. Oscilloscope: เป็นเครื่องมือวัดสัญญาณไฟฟ้าด้วยความถี่สูงระดับ 100 MHz ถึงระดับ GHz โดยปกติจะใช้วัดแรงดันไฟฟ้าแต่สามารถใช้ร่วมกับโพรบเพื่อวัดกระแสไฟฟ้าได้เช่นเดียวกัน นอกจากความสามารถในการวัดสัญญาณด้วยความเร็วสูงแล้วยังสามารถประมวลผลเพื่อวัดคุณสมบัติของสัญญาณได้บนตัวเครื่องมือวัดเองซึ่งช่วยให้การเขียนโปรแกรมทดสอบเป็นไปอย่างสะดวกรวดเร็ว
5. Power supply: เป็นเครื่องมือสำหรับจ่าย/วัดแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ที่ทำการทดสอบหรือวงจรทดสอบ ถึงแม้จะมีช่องสัญญาณต่ำและความสามารถไม่หลากหลาย แต่ power supply มักจะสามารถจ่าย/วัดแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าได้สูงกว่าเครื่องมือวัดชนิดอื่นที่มีฟังก์ชั่นเดียวกัน นอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่าด้วย ทำให้ยังมีการใช้งานอยู่ทั่วไป
6. Source measurement unit (SMU): เป็นเครื่องมือวัดที่มีลักษณะการทำงานคล้าย power supply แต่นอกจากสามารถที่จะจ่าย/วัดแรงดัน/กระแสไฟฟ้าได้แล้วยังสามารถทำตัวเป็นโหลดได้อีกด้วย นอกจากนี้บ่อยครั้ง smu จะถูกเลือกใช้งานแทน DMM เนื่องจากมีราคาต่อช่องสัญญาณถูกกว่า ความสามารถอื่น ๆ ของ SMU ได้แก่ มีจำนวนช่องสัญญาณมาก สามารถสร้างพัลส์/คลื่นสัญญาณได้ สามารถกำหนดเวลาในการสร้าง/วัดสัญญาณได้ สามารถใช้งานในลักษณะเดียวกับ oscillpscope ที่ความถี่ต่ำได้ เป็นต้น
7. Switch: ใช้สำหรับเชื่อมต่อวงจรรูปแบบต่าง ๆ ตามความต้องการ เช่น เชื่อมต่อช่องสัญญาณเข้ากับจุดที่ต้องการวัดต่าง ๆ ซึ่งทำให้สามารถใช้ช่องสัญญาณเดียวกับจุดที่ต้องการวัดหลายจุด เป็นต้น โดยปกติเราจำเป็นต้องทราบแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ความถี่ของสัญญาณ และรูปแบบการเชื่อมต่อ (relay, multiplexer, matrix และอื่น ๆ) เพื่อเลือก switch ให้ถูกต้องกับการใช้งาน
8. Arbitrary waveform generator (AWG): เป็นเครื่องมือสร้างสัญญาณไฟฟ้าด้วยความถี่สูงระดับ 100 MHz ถึงระดับ GHz นอกจากจะใช้สร้างสัญญาณมาตรฐานเช่น สัญญาณไซน์ สัญญาณพัลส์ สัญญาณฟันเลื่อย และอื่น ๆ แล้วยังสามารถกำหนดจุดในแต่ละสัญญาณเพื่อสร้างรูปแบบของสัญญาณได้ตามอิสระ ความแตกต่างอีกอย่างหนึ่งเมื่อเทียบกับเอาท์พุตแอนะล็อกแบบทั่วไปก็คือ ความสามารถในการประมวลผลและตัวกรองสัญญาณบนเครื่องมือวัด ทำให้สัญญาณที่ได้มีสัญญาณรบกวนความถี่สูงต่ำกว่า
9. RF instruments: เป็นเครื่องมือวัดและสร้างสัญญาณวิทยุความถี่สูงตั้งแต่หลายร้อย MHz ถึงหลายสิบ GHz ซึ่งเครื่องมือวัดประเภทนี้ยังแบ่งย่อยออกเป็นหลากหลายประเภท เช่น
- Vector signal analyzer (VSA): ใช้สำหรับวัดสัญญาณวิทยุได้ทั้งแบบเวคเตอร์และแบบปกติ
- Vector signal generator (VSG): ใช้สำหรับสร้างสัญญาณวิทยุได้ทั้งแบบเวคเตอร์และแบบปกติ
- Vector signal transceiver (VST): ใช้สำหรับสร้างและวัดสัญญาณวิทยุได้ทั้งแบบเวคเตอร์และแบบปกติ เนื่องจากวงจรวัดและสร้างสัญญาณอยู่ในอุปกรณ์เดียวกันทำให้เหมาะกับการออกแบบระบบสัญญาณวิทยุที่ซับซ้อน เช่น ระบบ MIMO เป็นต้น
- Vector network analyzer (VNA): ใช้สำหรับวัดค่า S parameter โดยเฉพาะ บ่อยครั้ง VNA อาจถูกทดแทนด้วยการใช้ VST ร่วมกับ switch และ coupler แต่หากมีการวัด S parameter บ่อยครั้ง VNA จะเป็นตัวเลือกที่เหมาะกว่าเพื่อลดความซับซ้อนของระบบและความยุ่งยากในการเขียนโปรแกรม นอกจากนี้ VNA ยังวัดค่า S parameter ได้แม่นยำกว่าด้วย
- Power meter: ใช้สำหรับวัดกำลังงานของสัญญาณวิทยุทุกช่วงความถี่ที่รองรับพร้อมกัน เนื่องจากมีฟังก์ชั่นการทำงานที่เฉพาะเจาะจงจึงสามารถออกแบบให้มีความแม่นยำสูงสุด มักจะใช้งานเมื่อต้องการความแม่นยำสูงมากเช่น การปรับแต่งเครื่องมือวัดสัญญาณวิทยุ เป็นต้น
หวังว่าบทความนี้จะให้ความรู้ที่จำเป็นในการเลือกใช้เครื่องมือวัดให้เหมาะสมกับการทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ หากผู้อ่านต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมสามารถติดต่อทีมงาน ติดต่อ ทีมงาน เทคสแควร์ ได้ครับ
บทความที่เกี่ยวข้อง
การเลือกใช้ source measurement unit (SMU) ให้เหมาะสมกับการใช้งาน