本发明属于电容测量仪器校准领域，更具体地，涉及一种可编程的熔融石英标准电容器。
背景技术：
电容器是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，所以电容器是储能元件。任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，组成一个电容器。平行板电容器由电容器的极板和电介质组成，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。
常用高精度标准电容器为空气电容器或采用熔融石英作为介质的电容器。熔融石英兼具高的机械结构稳定性和非常低的介质损耗，综合考虑来说，熔融石英介质的电容器仍是目前制作计量标准用电容器的最佳材料，也成为国内外主要计量机构的电容参考标准。
在精密电测量领域，为了获得高的测量准确度，一般要求标准和被测标准的名义值要尽量接近。如何实现从0.1fF到130pF的任意电容值的合成，实现在亚fF量级的电容值上逼近被测电容的真实值，将大大降低对后续测量系统的要求并提高量值传递的准确度。
在电容测量仪器校准领域，目前对精密电容测量电桥和精密LCR表的校准只能实现在几个特殊测量点下校准，因此有必要提供一种可编程电容器，实现一定量程下任意测量点下的校验，对被校仪器进行线性校准，大大提升我国在电容测量仪器方面的检测校准能力。
技术实现要素：
本发明基于在精密电测量领域，标准和被测标准的名义值越接近，测量准确度越高的特性，提供了一种可编程的熔融石英标准电容器，通过设置多个容值具有线性比例关系的独立电容器，每个独立电容器均由一个同轴开关来控制，设置控制系统控制每只同轴开关的闭合切换即可输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值。
为了实现上述目的，本发明提供一种可编程的熔融石英标准电容器，该电容器包括：熔融石英盘，所述熔融石英盘为圆柱体，其作为电容器的绝缘电介质；上极板，所述上极板设置于所述熔融石英盘的上端面，与所述熔融石英盘同轴，所述上极板包括多个子极板；下极板，所述下极板作为共用电极，其设置于所述熔融石英盘的下端面，与所述熔融石英盘同轴；圆环电极，所述圆环电极设置于所述下极板的圆周外，与所述下极板同心，其作为屏蔽电极减小泄漏电容，连接于地电位；其中，所述多个子极板与所述下极板构成多个独立电容器，所述多个独立电容器的电容值具有线性比例关系。
优选地，所述子极板为23个，与所述下极板构成23个所述独立电容器Ci(i＝1,2,…,23)。
优选地，所述多个独立电容器的电容值具有线性比例关系，所述独立电容器Ci的电容值表示为：
其中，ai表示第i个独立电容器Ci的电容值(i＝1,2,…,23)；a1为独立电容器C1的电容值。
优选地，每一个所述子极板的引出线通过一个同轴开关与控制系统连接，所述控制系统通过控制每一个同轴开关的通断调整所述标准电容器的电容值。
优选地，最大的独立电容器C1的电容值a1为65pF，所述标准电容器输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值。
优选地，进一步包括23个接线管脚，其分布在所述上极板的圆周外，每一个所述子极板通过一个与之对应的接线管脚向外引出。
优选地，所述独立电容器C1包括第一扇形结构和第二扇形结构，所述第一扇形结构与所述第二扇形结构同心。
优选地，第1-12个独立电容器的子极板构成所述上极板的主体结构，第13-23个独立电容器的子极板设置在第1-3个独立电容器子极板的边缘区域。
优选地，第13-23个独立电容器的子极板为宽度相同的长方形，通过调整所述子极板的长度或将所述子极板沿长边方向外移，设置第13-23个独立电容器的电容值。
优选地，通过镀膜光刻工艺将所述上极板和所述下极板设置在所述熔融石英盘的上下端面。
本发明的有益效果在于：提供了一种可编程的熔融石英标准电容器，通过设置多个容值具有线性比例关系的独立电容器，每个独立电容器均由一个同轴开关来控制，设置控制系统控制每只同轴开关的闭合切换即可输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值，用于微小电容溯源或计量仪器或传感器的线性度校验；区别于目前对精密电容测量电桥和精密LCR表的校准只能实现在几个特殊测量点下校准，本发明提供的精密可编程标准石英电容器的研制成功，实现了一定量程下任意测量点下的校验。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的可编程的熔融石英标准电容器的原理图。
图2a示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的设计示意图。
图2b示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的细节设计示意图。
图2c示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的接地引脚设计示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器上极板的设计示意图。
图4a示出了根据本发明的一个实施例的第1-3个独立电容器上极板的设计示意图。
图4b示出了根据本发明的一个实施例的第1个独立电容器上极板的第二扇形结构细节设计示意图。
图4c示出了根据本发明的一个实施例的第1个独立电容器上极板的细节设计示意图。
图5a示出了根据本发明的一个实施例的第4-9个独立电容器上极板的设计示意图。
图5b示出了根据本发明的一个实施例的第4-9个独立电容器上极板的细节设计示意图。
图6a示出了根据本发明的一个实施例的第10-12个独立电容器上极板的设计示意图。
图6b示出了根据本发明的一个实施例的第10-12个独立电容器上极板的细节设计示意图。
图7a示出了根据本发明的一个实施例的第13-23个独立电容器上极板的设计示意图。
图7b示出了根据本发明的一个实施例的第13-15个独立电容器上极板的细节设计示意图。
图8示出了根据本发明的一个实施例的小电容单元剖面的设计示意图。
附图标记说明
1、同轴开关；2、独立电容器；3、圆环电极；4、熔融石英盘；5、下极板；6、地电位；7、第一扇形结构；8、第二扇形结构；9、上极板；10、大电容单元上极板；11、小电容单元上极板。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种可编程的熔融石英标准电容器，该电容器包括：熔融石英盘，熔融石英盘为圆柱体，其作为电容器的绝缘电介质；上极板，上极板设置于熔融石英盘的上端面，与熔融石英盘同轴，上极板包括多个子极板；下极板，下极板作为共用电极，其设置于熔融石英盘的下端面，与熔融石英盘同轴；圆环电极，圆环电极设置于下极板的圆周外，与下极板同心，其作为屏蔽电极减小泄漏电容，连接于地电位；其中，多个子极板与下极板构成多个独立电容器，多个独立电容器的电容值具有线性比例关系。
在精密电测量领域，标准和被测标准的名义值越接近，测量准确度越高，因此，我们提供一种可编程的熔融石英标准电容器，该标准电容器通过设置多个容值具有线性比例关系的独立电容器，并通过加屏蔽电极来减小泄漏电容的影响，实现了一定量程下任意测量点下的校验。
作为优选方案，子极板为23个，与下极板构成23个独立电容器Ci(i＝1,2,…,23)。
具体地，下极板作为共用电极，上极板包括23个子极板，该23个子极板是相互独立的，每一个子极板与下极板均可构成一个独立电容器。
作为优选方案，多个独立电容器的电容值具有线性比例关系，独立电容器Ci的电容值表示为：
其中，ai表示第i个独立电容器Ci的电容值(i＝1,2,…,23)；a1为独立电容器C1的电容值。
具体地，多个独立电容器的电容值为一组等比数列，公比为很明显这23个独立电容器中最大的是C1，其容值为a1。
作为优选方案，最大的独立电容器C1的电容值a1为65pF，标准电容器输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值。
具体地，多个独立电容器的电容值为一组等比数列，因此可以输出的最大电容表示为：
其中，ai表示第i个独立电容器Ci的电容值(i＝1,2,…,23)，q为公比，在本发明中最大的独立电容器C1的电容值a1为65pF，公比为因此，可以获知标准电容器能够输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值。
作为优选方案，每一个子极板的引出线通过一个同轴开关与控制系统连接，控制系统通过控制每一个同轴开关的通断调整标准电容器的电容值。
具体地，每一个独立电容器的子极板的引出线通过一个同轴开关与控制系统连接，通过控制每一个同轴开关的闭合切换，将不同的独立电容器进行组合，可以实现一定量程下任意测量点下的校验。
例如，当需要标准电容器输出40.625pF的电容值时，通过控制系统将连接C2和C4的同轴开关闭合，其余独立电容器的同轴开关均断开，C2输出的电容值为32.5，C4输出的电容值为8.125，通过C2和C4两个电容器组合即可输出40.625pF的电容值。
同样，通过将C1、C4和C5进行组合，标准电容器即可输出77.1875pF的电容值，因此，通过控制每一个同轴开关的闭合切换，将不同的独立电容器进行组合，就可以实现一定量程下任意测量点下的校验。
作为优选方案，通过镀膜光刻工艺将上极板和下极板设置在熔融石英盘的上下端面。
具体地，23个独立电容器的上极板通过镀膜光刻工艺加工在一个单片超纯熔融石英盘上表面；下极板通过镀膜工艺加工在一个单片超纯熔融石英盘下表面，上极板和下极板的材质为金属，不仅是良导体，且适合镀膜工艺加工，比如可以使用金、银或铝。
作为优选方案，第1-12个独立电容器的子极板构成上极板的主体结构，第13-23个独立电容器的子极板设置在第1-3个独立电容器子极板的边缘区域。
具体地，将精密可编程电容器的第1-12个(C1-C12)较大电容值的电容单元的上电极，按照一定规律排布到上极板，构成一个整体的圆形。
第13-23个(C13-C23)小电容单元按照就近接线管脚大致分布在整个圆盘的一周。由于精密可编程电容器的第13-23个(C13-C23)小电容单元的电容值非常小，泄漏电容对电容值的影响较大。为了准确实现小电容单元值，将小电容单元的上极板设置在C1-C3较大电容单元上极板边缘区域中，利用C1-C3的上极板作为屏蔽电极来减小泄漏电容的影响。
作为优选方案，第13-23个独立电容器的子极板为宽度相同的长方形，通过调整子极板的长度或将子极板沿长边方向外移，设置第13-23个独立电容器的电容值。
具体地，将13-23个独立电容器的上极板设计为一定宽度的长条结构，对于其中电容值相对较大的独立电容器，是通过调整其子极板的长度来设置其电容值的，而对于余下的电容值相对较小的独立电容器，综合考虑加工工艺精度的限制和电容器结构的牢固性，必须保证一定的极板面积，因此采用子极板沿长边方向外移的方式设置其电容值，将上极板适当往圆心外移动，使得上极板与下极板重合区域减小或错位，实现10-16法拉(亚fF)量级的微小电容值。
作为优选方案，进一步包括23个接线管脚，其分布在上极板的圆周外，每一个子极板通过一个与之对应的接线管脚向外引出。
具体地，23只电容器的上极板均通过分布在熔融石英圆盘一周的极板管脚向外引出。
作为优选方案，独立电容器C1包括第一扇形结构和第二扇形结构，第一扇形结构与第二扇形结构同心。
具体地，在第1个C1电容单元上电极的圆心处多设计一个第二扇形结构，此结构与第1个单元电极的第一扇形结构成为一个整体，该设计可防止第2-4个(C2-C4)电容单元的扇形上电极出现尖锐角形状。
实施例1
图1示出了根据本发明的一个实施例的可编程的熔融石英标准电容器的原理图。图2a示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的设计示意图。图2b示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的细节设计示意图。图2c示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器下极板的接地引脚设计示意图。图3示出了根据本发明的一个实施例的可编程熔融石英标准电容器上极板的设计示意图。图4a示出了根据本发明的一个实施例的第1-3个独立电容器上极板的设计示意图。图4b示出了根据本发明的一个实施例的第1个独立电容器上极板的第二扇形结构细节设计示意图。图4c示出了根据本发明的一个实施例的第1个独立电容器上极板的细节设计示意图。图5a示出了根据本发明的一个实施例的第4-9个独立电容器上极板的设计示意图。图5b示出了根据本发明的一个实施例的第4-9个独立电容器上极板的细节设计示意图。图6a示出了根据本发明的一个实施例的第10-12个独立电容器上极板的设计示意图。图6b示出了根据本发明的一个实施例的第10-12个独立电容器上极板的细节设计示意图。图7a示出了根据本发明的一个实施例的第13-23个独立电容器上极板的设计示意图。图7b示出了根据本发明的一个实施例的第13-15个独立电容器上极板的细节设计示意图。图8示出了根据本发明的一个实施例的小电容单元剖面的设计示意图。
如图1-8所示，本发明提供了一种可编程的熔融石英标准电容器，该电容器包括：熔融石英盘4，熔融石英盘4为圆柱体，其作为电容器的绝缘电介质；上极板9，上极板9设置于熔融石英盘4的上端面，与熔融石英盘4同轴，上极板9包括多个子极板；下极板5，下极板5作为共用电极，其设置于熔融石英盘4的下端面，与熔融石英盘4同轴；圆环电极3，圆环电极3设置于下极板5的圆周外，与下极板5同心，其作为屏蔽电极减小泄漏电容，连接于地电位6；其中，多个子极板与下极板5构成多个独立电容器2，多个独立电容器2的电容值具有线性比例关系。
为了实现可编程电容器输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值的目的，本实施例设计整个标准电容器由23个小电容单元组成，其中最大电容单元电容值定为65pF，其余22个电容单元电容值分别以二进制的变化依次递减，最小电容单元电容值可达到0.1fF量级。
本领域技术人员应当理解，本实施例中通过设置23个容值具有线性比例关系的独立电容器，并将最大的独立电容器容值设置为65pF，使得可编程电容器输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值，精确度可达亚fF量级。本领域技术人员应当理解，本实施例中的设计只是一个例子，任何采用本发明中的方法，针对特定的测试需求，设置容值具有线性比例关系的独立电容器个数以及最大的独立电容器的电容值，也应该视为在本发明的保护之内。
在此需要说明的是，由于部分独立电容器的上极板过于细小，因此说明书附图中关于各个独立电容器的标注均指向其相应的接线管脚处。
如图1所示，每个电容电极的引出线通过一个同轴开关1与控制系统连接。通过控制每只同轴开关1的闭合切换，来达到实现量程内任意电容值的目的，这样通过23个电容单元的可编程组合即可以实现覆盖六个数量级的可编程电容值。
精密可编程的熔融石英标准电容器的23个电容单元共用一个下极板5，为了便于连接到控制系统，从下极板5引出到边缘引脚处。如图2a-2c所示，下极板5一周设计了一个环形接地屏蔽电极，可以有效隔断由下极板5发出的杂散电场所带来的杂散电容，环形屏蔽电极也设置了多处接地引脚。
可编程的熔融石英标准电容器上极板9的设计方案如图3所示。此设计方案把加工工艺精度和尽量避免泄漏电容的影响两个因素考虑在内，第1-12个(C1-C12)小电容单元按照一定方式排布在熔融石英盘上面，构成整个电容器的上极板9大体结构；由于其电容值太小，再加上牢固性考虑，第13-23个(C13-C23)小电容单元采取保证上极板9面积而适当外移的方式，分布在第1-3个(C1-C3)电容单元上，使得实际电容值达到项目要求。其中任意两个电容单元之间都留有一定的间隙，既有效隔断了泄漏电容，减小误差，又使得每个电容单元都互相隔开；每个电容单元上电极都引出到边缘，方便与同轴开关1连接。
第1-3个(C1-C3)电容单元细节图如图4a-4c所示。精密可编程的熔融石英标准电容器前3个电容单元电容值较大，理论值分别是65pF、32.5pF、16.25pF，采取扇形结构，半径为24mm。由于当扇形圆心角度数小于90°时，扇形就会出现锐角，圆心角度数越小，锐角就会越尖锐。对较尖锐的电容单元加上高电压时，锐角部分容易出现尖端放电现象，这在电容器结构设计中是不希望出现的。基于此，本发明设计在第1个电容单元的圆心处设置一个类似于扇形的第二扇形结构8，此结构与第1个单元的第一扇形结构7成为一个整体，有效防止了后续电容单元扇形圆心出现锐角的问题。
第4-9个(C4-C9)电容单元的结构设计如图5a-5b所示。此设计结构的目的在于避免出现狭窄的单元结构，从而避免引入不必要的误差。同时，每个电容单元的上极板9都引出到熔融石英圆盘的边缘。
第10-12个(C10-C12)电容单元的结构设计如图6a-6b所示。相较于第4-9个(C4-C9)电容单元，这三个电容单元的电容值更小，通过有限元仿真软件确定电容单元环形结构的度数。
第13-23个(C13-C23)电容单元需要实现fF到亚fF量级的电容，电容值非常小，综合考虑加工工艺精度的限制和电容器结构的牢固性，实际电容单元面积不能太小，必须保证一定的极板面积。本发明的设计方案是统一设计为一定宽度的长条结构，再引出到熔融石英圆盘边缘。由于泄漏电容对电容值的影响较大。如图7a-7b所示，为了准确实现小电容单元值，将小电容单元上极板11设置在C1-C3这些大电容单元上极板10边缘区域中，利用C1-C3的上极板9作为屏蔽电极来减小泄漏电容的影响。
针对此类较小电容(C13-C23)，本发明提出将小电容单元上极板11适当往圆心外移动，使小电容单元上极板11与可编程熔融石英电容下极板5重合区域减小或错位，即可实现10-16法拉(0.1fF)量级的微小电容值。小电容单元设计剖面示意如图8所示。
本实施例提供了一种可编程的熔融石英标准电容器，通过多个容值具有线性比例关系的独立电容器，每个独立电容器均由一个同轴开关来控制，设置控制系统控制每只同轴开关的闭合切换即可输出0.1fF-130pF范围内六个数量级变化的任意电容值，用于微小电容溯源或计量仪器或传感器的线性度校验；区别于目前对精密电容测量电桥和精密LCR表的校准只能实现在几个特殊测量点下校准，本发明提供的精密可编程标准石英电容器的研制成功，实现了一定量程下任意测量点下的校验。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。