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Dokumentenidentifikation DE102006031881A1 31.05.2007
Titel Verbindungszubehör für Mikrosondierung
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Mc Tigue, Michael T., Loveland, Col., US;
Cannon, James E., Loveland, Col., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 10.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006031881
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01R 31/28(2006.01)A, F, I, 20060710, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01R 13/33(2006.01)A, L, I, 20060710, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Sondiersystem weist ein Sondierzubehör zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem komplementären Sondenzubehör auf, das mit einem Testpunkt verbunden ist, wobei das Sondierzubehör das komplementäre Sondenzubehör durch eine Anlegung von lediglich Zugkräften aufnimmt und freigibt.

Beschreibung[de]

Wenn sich Betriebsfrequenzen von elektronischen Schaltungen erhöhen und Komponentengeometrien verringern, wird es schwieriger, Signale von Testpunkten einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB = Printed Circuit Board) zu sondieren und zu messen. Zusätzlich beginnen die Vorrichtungen, die verwendet werden, um die Testpunkte zu sondieren, eine Wirkung auf die Messung selbst aufzuweisen. Eine aktuelle Lösung besteht darin, einen oder mehrere Kopfanschlussstifte vorzusehen, die eine Verbindung mit einem gesockelten Sondenkopf herstellen. Die Kopfanschlussstifte sind typischerweise 635 &mgr;m (25/1000 Zoll) im Quadrat an Zentren mit 2540 &mgr;m (100/1000 Zoll). Bei vielen Anwendungen sind diese Kopfanschlussstifte physisch zu groß und stellen eine zu große parasitäre Belastung dar und begrenzen deshalb die Bandbreite eines Signals, die gemessen werden kann. Wenn Geometrien einer gedruckten Schaltungsplatine kleiner werden, nehmen die Kopfanschlussstifte einen größeren Prozentsatz der PCB-Oberflächenfläche ein, was kostspielig ist, und die Miniaturisierung der Vorrichtung begrenzt, die die PCB verwendet. Eine andere bekannte Lösung beseht darin, Sondenköpfe direkt an Testpunkte an der PCB zu löten. Vorteilhafterweise liefert der gelötete Sondenkopf eine Verbindung mit niedrigerer Kapazität und höherer Bandbreite. Nachteiligerweise ist die Lösung kostspielig, sieht keine schnelle einfache Verbindung/Abtrennung vor und die Anzahl von Malen, die dieselbe gelötet und entlötet werden kann, ist begrenzt.

Es besteht deshalb ein Bedarf nach einem Verbindungszubehör, das die Nachteile des Stands der Technik anspricht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sondiersystem und ein Verfahren zum Sondieren eines Testpunkts mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 und Anspruch 7 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Ein Verständnis der vorliegenden Lehren kann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gewonnen werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sondenkopfs und eines komplementären Sondierzubehörs gemäß den vorliegenden Lehren in einem nicht zusammengepassten Zustand;

2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sondenkopfs und eines komplementären Sondierzubehörs gemäß den vorliegenden Lehren in einem zusammengepassten Zustand;

3 eine konzeptionelle Ansicht einer gedruckten Schaltungsplatine, wobei ein Ausführungsbeispiel von Verbindungszubehör gemäß den vorliegenden Lehren installiert ist;

4 einen Graph der Zugkräfte, die an den Sondenkopf angelegt sind, um ein Verbindungszubehör gemäß den vorliegenden Lehren zu verbinden und abzutrennen; und

5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Sondenkopfs gemäß den vorliegenden Lehren in einem nicht zusammengepassten Zustand.

Mit spezifischer Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Sondenkopfs 100 und eines komplementären Sondierzubehörs 101 gemäß den vorliegenden Lehren gezeigt. Der Sondenkopf 100 stellt eine elektrische Verbindung mit einem Differenzsignal her und umfasst deshalb zwei identische Verbindungen für jedes der Differenztore bzw. jeden der Differenzports. Der Sondenkopf 100 umfasst ein Gehäuse 102, das zwei Aufnahmeelemente 103 hält. Jedes Aufnahmeelement 103 ist mit einem Impedanzelement 104 verbunden, das elektrisch zwischen dem Aufnahmeelement 103 und dem Rest der Sondenschaltungsanordnung in dem Sondenkopf 100 angeordnet ist. Das Impedanzelement 104 ist typischerweise ein Widerstandswert, um die Verbindungsfremdströme zu dämpfen, wie es einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Der Rest der Sondenschaltungsanordnung ist dieser ähnlich, die in dem US-Patent Seriennr. 10/829,725 mit dem Titel „Compliant Micro-Browser For A Hand Held Probe", eingereicht am 22. April 2004, und dem US-Patent Seriennr. 10/945,146 mit dem Titel „High Frequency Oscilloscope Probe With Unitized Probe Tips", eingereicht am 20. September 2004, offenbart ist, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die Aufnahmeelemente 103 umfassen jeweilige Federelemente 105. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel weist jedes Federelement 105 einen Draht auf, der zu näherungsweise 330 Grad eines Kreises gebildet ist, um eine offene Schleife 106 zu erzeugen. Enden 107 des Drahts, die distal von dem Gehäuse 102 des Sondenkopfs 100 gelegen sind, sind außerhalb der offenen Schleife 106 angeordnet, um ein „V" zu bilden, wobei ein großes Öffnungsende des „V" von einer zentralen Öffnung 108 jeder offenen Schleife 106 weg angeordnet ist. Die zentrale Öffnung 108 jeder offenen Schleife 106 ist proportioniert und konfiguriert, um ein Halteelement 109 aufzunehmen. Ein Abstand zwischen den Federelementen 105 bei einem einzigen Aufnahmeelement 103 ist an einem Ende, das eine Verbindung mit dem Gehäuse herstellt, am kürzesten und erhöht sich graduell auf einen größten Abstand an einem Ende, das von dem Gehäuse 102 weiter weg ist. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel beträgt die endgültige Länge jedes der Aufnahmeelemente 103 1524 &mgr;m (60/1000 Zoll).

Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das Halteelement 109 eine Sphäre bzw. Kugel, die mechanisch und elektrisch mit einem Erstreckungsschaft 110 verbunden ist oder mit demselben unitär ist. Ein Anbringungsende 111 des Erstreckungsschafts 110 ist über ein Lötmittel oder eine andere bekannte elektrische/mechanische Verbindung elektrisch und mechanisch mit einem Testpunkt an einer Testvorrichtung verbunden, wie beispielsweise einer gedruckten Schaltungsplatine („PCB"). Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die Sphäre 109 ein Metall und beträgt näherungsweise 381 &mgr;m (15/1000 Zoll) im Durchmesser und der Erstreckungsschaft 110 ist mit der Sphäre 109 unitär und beträgt näherungsweise 177,8 &mgr;m (7/1000 Zoll) im Durchmesser.

Wie einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ersichtlich, ist ein Erstreckungsschaft 110 des beispielhaften Durchmessers nicht in der Lage, irgendeine Druckkraft ohne eine Beschädigung an dem komplementären Sondenzubehör 101 zu nehmen. Weil der Erstreckungsschaft 110 jedoch ein Metall ist, ist einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ferner ersichtlich, dass derselbe in der Lage ist, eine Zugkraft ohne eine Beschädigung anzunehmen und derselben Stand zu halten.

Ein Verbindungsverfahren zwischen dem Aufnahmeelement 103 und dem komplementären Sondenzubehör 101 stellt ferner die Beziehung zwischen den Aufnahmeelementen 103 und dem Halteelement 109 dar. Genauer gesagt weist das Verbindungsverfahren für das in 1 der Zeichnungen dargestellte Verfahren ein Positionieren der Aufnahmeelemente 103 nahe an dem Anbringungsende 111 des Erstreckungsschafts 110 auf, so dass die Sphäre 109 von den Aufnahmeelementen 103 frei ist, aber der Erstreckungsschaft 110 zwischen den Aufnahmeelementen 103 positioniert ist. Aufgrund der relativen Größen zwischen dem Durchmesser des Erstreckungsschafts 110 und dem Abstand zwischen den Aufnahmeelementen 103 distal von dem Gehäuse 102, gibt es einen Raum, um die zwei wie beschrieben mit einer gewissen Einstellungsspanne zu positionieren. Bei dem eben beschriebenen Prozess wird eine minimale Zugkraft angelegt. 2 der Zeichnungen zeigt die Aufnahmeelemente 103, die die Sphäre 109 halten, wie es beschrieben ist.

Unter spezifischer Bezugnahme auf 3 der Zeichnungen ist ein Diagramm gezeigt, das ein komplementäres Sondenzubehör 101, das an eine PCB 112 gelötet ist, mehr suggeriert als darstellt. 3 der Zeichnungen ist hierin enthalten, um die vorliegenden Lehren in den Kontext einer Anwendung derselben zu setzen.

Unter spezifischer Bezugnahme auf 4 der Zeichnungen ist ein Graph der Zugkräfte gezeigt, die während einer Verbindung 113 und einer Abtrennung 114 eines Sondensystems gemäß den vorliegenden Lehren angelegt werden, als eine Funktion einer Verlagerung bzw. Verschiebung zwischen den Aufnahmeelementen 103 und der Sphäre 109 gezeigt. Wenn dieselben einmal positioniert sind, werden die Aufnahmeelemente 103 von dem Anbringungsende 110 des Erstreckungsschafts 110 weg bewegt, bis der größere offene Abschnitt des „V", der von der offenen Schleife 106 jedes Aufnahmeelements 103 weg angeordnet ist, die Oberfläche der Sphäre 103 in Eingriff nimmt. Wenn eine zusätzliche und sich erhöhende erste Zugkraft 115 an den Sondenkopf 100 angelegt ist, führt das „V" die Sphäre 109 zu einer Position hin, die zu den Aufnahmeelementen 103 zentral ist. Die Oberfläche der Sphäre 109 bewirkt in Kombination mit der ersten Zugkraft 115 eine Verlagerung der Aufnahmeelemente 103 nach außen, um den vollen Durchmesser der Sphäre 109 anzunehmen. Wenn eine weitere Zugkraft an den Sondenkopf 100 angelegt ist, ist die Sphäre 109 vollständig in den Raum zwischen den Aufnahmeelementen 103 angenommen 116. Weil die Federelemente 103 nach innen vorgespannt sind, kehren dieselben zu einer neutralen Position 117 zurück, wodurch die Sphäre 119 gehalten wird, wenn etwas weniger als eine Schwellenzugkraft angelegt ist.

Die Aufnahmeelemente 103 und die Sphäre 109 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Folglich liefert das Halten der Sphäre 109 zwischen den Aufnahmeelementen 103 eine elektrische Kontinuität zwischen dem Testpunkt an der PCB 112 und der Schaltungsanordnung in dem Sondenkopf 100, die die Sondierfunktion durchführt. Wenn die Sphäre 109 zwischen den Aufnahmeelementen 103 aufgenommen ist, ist die Sphäre 109 in der Lage, zu schaukeln, wenn dieselbe zwischen den Aufnahmeelementen 103 gehalten ist, ohne einen Verlust einer mechanischen oder elektrischen Verbindung. Das Schaukeln liefert einen gewissen Spielraum für eine Bewegung 117, wenn der Sondenkopf 100 gestoßen oder gewackelt wird, was dazu dient, eine Belastung zu minimieren, die eventuell an die Lötverbindung zwischen dem Erstreckungsschaft 110 und der PCB angelegt ist, während immer noch eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Sondenkopf 100 und dem Testpunkt geliefert wird.

Ein Abtrennungsverfahren zwischen dem Sondenkopf 100 und dem komplementären Sondenzubehör weist ein Anlegen einer zweiten Zugkraft 118 an den Sondenkopf in die gleiche Richtung wie die erste Zugkraft 115 auf, die angelegt wird, um die Aufnahme durchzuführen. Unter spezifischer Bezugnahme auf 4 der Zeichnungen bewirkt eine Anlegung der zweiten Zugkraft 118, nachdem die Sphäre 109 zwischen den Aufnahmeelementen 103 aufgenommen ist, dass ein Abschnitt der offenen Schleife 106, der sich distal von dem Gehäuse 102 und gegenüber dem „V" befindet, die Sphäre 109 in Eingriff nimmt. Die Oberfläche der Sphäre 109 bewirkt, dass sich die Aufnahmeelemente 103 voneinander nach außen verlagern, bis der volle Durchmesser der Sphäre 109 von den Aufnahmeelementen 103 frei 119 ist. Die Sphäre 109 ist dann in der Lage, sich vollständig von den Aufnahmeelementen 103 zu lösen 120, um die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Sondenkopf 100 und dem komplementären Sondenzubehör 101 zu entfernen.

Unter spezifischer Bezugnahme auf 5 der Zeichnungen ist ein alternatives Ausführungsbeispiel von Aufnahmeelementen 103 gemäß den vorliegenden Lehren gezeigt, die zwei Platten 121 mit einer Arretierung 122 aufweisen, um die Sphäre 109 aufzunehmen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die Arretierung 122 auch eine Öffnung oder ein anderer Aussparungsbereich sein, um einen Raum zu ermöglichen, um das Halteelement aufzunehmen, wenn die Aufnahmeelemente 103 zu der neutralen Position derselben zurückkehren. Die Aufnahmeplatten 121 führen die gleiche Funktion wie das Ausführungsbeispiel der Aufnahmeelemente 103 durch, die in 1 und Zeichen 2 der Zeichnungen dargestellt sind. Die Aufnahmeplatten 121 erstrecken sich an Aufnahmearmen 123 vorbei, die eine Verbindung mit dem Sondenkopf 102 herstellen. Die Aufnahmearme 122 sind voneinander weg gewickelt und an den Aufnahmeplatten 121 angebracht oder unitär mit denselben. Die Aufnahmeplatten 121 sind parallel zueinander. Aussparungsbereiche 124 in den Aufnahmearmen 123 gestatten ein Positionieren der Halteelemente 109 vor einer Anlegung der ersten Zugkraft 115, die die Halteelemente innerhalb der Öffnungen 122 in den Aufnahmeplatten aufnimmt und hält. Die Aufnahmeplatten 121 wirken als Federelemente, die einwärts vorgespannt sind, wenn die Oberfläche der Sphäre 109 dieselben nach außen zwingt. Wenn der volle Durchmesser der Sphäre 109 die Arretierung oder Öffnung 122 erreicht, kehren die Aufnahmeplatten 121 zu der neutralen Position derselben zurück, wodurch die Sphäre 109 aufgenommen ist. Die zweite Zugkraft 118 zwingt die Sphäre 109 an der Arretierung oder Öffnung 122 vorbei zu einem Punkt, bei dem die Sphäre 109 von den Aufnahmeplatten 121 frei ist. Die Aufnahmeplatten 121 kehren dann zu der neutralen Position derselben zurück, wenn die Sphäre 109 frei von den Aufnahmeplatten 121 ist.

Andere Ausführungsbeispiele, die nicht spezifisch dargestellt sind, fallen einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren ein und werden als innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche betrachtet. Das offenbarte Halteelement ist eine Sphäre, aber könnte auch eine andere geeignete Geometrie für eine gegebene Anwendung aufweisen, wie beispielsweise elliptisch, zylindrisch oder pillenförmig. Offenbarte Ausführungsbeispiele können abhängig von Anforderungen einer speziellen Anwendung unterschiedlich skaliert sein.


Anspruch[de]
Sondiersystem, das folgende Merkmale aufweist:

ein Sondierzubehör zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem Testpunkt, wobei das Sondierzubehör ein Sondenhalteelement (109) aufweist, das an einem Erstreckungsschaft (110) angeordnet ist, und

einen Sondenkopf (100), der konfiguriert ist, um das Halteelement (109) unter Verwendung lediglich einer Zugkraft an dem Sondenzubehör aufzunehmen und freizugeben.
Sondiersystem gemäß Anspruch 1, bei dem das Halteelement (109) sphärisch ist. Sondiersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Breite des Sondenhalteelements (109) größer als eine Breite des Erstreckungsschafts (110) ist. Sondiersystem gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem das Halteelement (109) einen Durchmesser in einem Bereich von näherungsweise 254–508 &mgr;m (10/1000–20/1000 Zoll) aufweist und die Verbindungswelle (110) eine Breite in einem Bereich von näherungsweise 127–254 &mgr;m (5/1000–10/1000 Zoll) aufweist. Sondiersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Sondenkopf ferner ein Aufnahmeelement (103) aufweist, das konfiguriert ist, um das Halteelement (109) zu positionieren und dann auf eine Anlegung einer ersten Zugkraft hin das Halteelement (109) anzunehmen. Sondiersystem gemäß Anspruch 5, bei dem das Aufnahmeelement (103) ferner konfiguriert ist, um das Halteelement (109) auf eine Anlegung einer zweiten Zugkraft hin freizugeben. Sondiersystem, das folgende Merkmale aufweist:

ein Sondenzubehör zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem Testpunkt, und

eine Einrichtung an einem Sondenkopf zum Aufnehmen und Freigeben des Sondenzubehörs durch lediglich eine Anlegung von Zugkräften.
Sondiersystem gemäß Anspruch 7, bei dem das Sondenzubehör ein Halteelement (109) aufweist, das mechanisch und elektrisch mit dem Testpunkt verbunden ist, und die Einrichtung zum Aufnehmen und Freigeben ein Aufnahmeelement (103) aufweist, das das Halteelement auf eine Anlegung einer ersten Zugkraft hin annimmt. Sondiersystem gemäß Anspruch 8, bei dem das Halteelement (109) sphärisch ist. Sondiersystem gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem das Aufnahmeelement (103) das Halteelement (109) auf eine Anlegung einer zweiten Zugkraft hin freigibt. Sondiersystem gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Sondenzubehör eine Sphäre ist und die Einrichtung zum Aufnehmen und Freigeben drei Federelemente aufweist, die konfiguriert sind, um die Sphäre zwischen denselben aufzunehmen. Sondiersystem gemäß Anspruch 11, bei dem jedes Federelement einen Draht aufweist, der zu einer offenen Schleife gebildet ist und konfiguriert ist, um die Sphäre zwischen denselben aufzunehmen. Sondiersystem gemäß Anspruch 11, bei dem jedes Federelement eine Platte (124) mit einer Arretierung (122) aufweist. Verfahren zum Sondieren eines Testpunkts, das folgende Schritte aufweist:

mechanisches und elektrisches Verbinden eines Halteelements (109) mit dem Testpunkt,

Positionieren eines Aufnahmeelements (103) über dem Halteelement (109) und

Anlegen einer ersten Zugkraft, bis das Aufnahmeelement (103) das Halteelement (109) annimmt und hält.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner den Schritt eines Anlegens einer zweiten Zugkraft aufweist, bis das Halteelement (109) von dem Aufnahmeelement (103) frei ist. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das Halteelement (109) eine Sphäre ist. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Aufnahmeelement (103) einen Draht aufweist, der zu einer offenen Schleife gebildet ist. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Aufnahmeelement (103) eine Platte (124) aufweist, die eine Arretierung (122) aufweist.






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