Устройство для измерения распределения электрического потенциала

Устройство для измерения распределения электрического потенциала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5Р G R 29/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4Р

ЬР

Ю. ф

ГОСУДМ СТВЕННЫй КОМИТЕТ CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3395660/18-21 (22) 15.02 82 (46) 07.06.83. Вюл. 9 21 (72) A.T.Добровольскис, K.С.Мотеюнас и С.Ю.Сакалаускас (71) Вильнюсский ордена Трудового

Красного Знамени и ордена Дружбы народов государственный университет им. В.Капсукаса (53) 621.317.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 574684, кл. G 01 R 29/12, 1977.

2. Сакалаускас С.Ю., Добровольский A T. Измеритель распределения поверхностного электрического потенциала.- Приборы и техника эксперимента, 1978, Р 3, с.165 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕН .ЦИАЛА содержащее последовательно соединенные зонд с вибрирующим измерительным электродом, усилитель переменного напряжения,фазовраща„.Я0„„10220?8 А тель, синхронный детектор, усилитель постоянного напряжения и регистратор, .генератор, подключенный к управляющему входу синхронного детектора и к зонду с вибрирующим электродом, при этом выход усилителя постоянного напряжения подключен к электропроводящей подложке, на которой находится .исследуемый объект, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в него введены блок изменения фазы, детектор фазовой разности напряжений н блок перемещения зонда, причем выход синхронного детектора подключен к управляющему входу блока изменения 3 . . фазы, выход фазовращателя подключен к сигнальному входу блока изменения фазы, выход которого и выход генератора подключен к входам детек- 6 тора фазовой разности напряжений, который выходом подключен к блоку перемещения зонда, связанному с зондом.

Овиши

1022078

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее, к измерениям электрического потенциала или связанного с ним заряда, и может быть использовано для исследования заряженных поверхностей электрографических и видиконовых слоев.

Известно устройство, реализующее способ измерения локальной плотности поверхностного заряда и содержащее последовательно соединенные зонд с вибрирующим .измерительным электродом, модулятор, блок индикации ин! дуцированного заряда и блок обратной связи, а также генератор высокой частоты, возбуждающий в области 15 измерения электромагнитное поле высокой частоты Ll).

Однако это устройство имеет недостаточную точность измерения распределения потенциала на поверхнос- 20 тях с произвольной топографией, так как не всегда возможно возбуждать высокочастотное электромагнитное поле на заряженной поверхности, не искажая реального распределения 25 потенциала. Кроме того, высокочастотное электромагнитное поле может изменять электрические свойства исследуемой поверхности, например за счет воздействия на зйергетические 30 уровни полупроводника (при исследовании поверхности полупроводникового слоя).

Наиболее близким по техническому решению является измеРитель Распределения поверхностного электрического потенциала, содержащий последовательно соединенные зонд с вибрирующим измерительным электродом, усилитель переменного напряжения с высоким входным сопротивлением, фазо- 40 вращатель, синхронный детектор, усилитель постоянного напряжения и регистратор, а также генератор, возбуждающий колебания измерительного электрода и управляющий работой синх-45 ронного детектора, в котором выход усилителя постоянного напряжения подключен к электропроводящей подложке, на которой находится исследуемый объект (2). 50

Однако известное устройство также не обеспечивает высокой точности измерения распределения электрического потенциала на поверхностях с произвольной топографией, так как из-за изменения рассто» яния от вибрирующего измерительного электрода зонда до,исследуемой поверхности изменяется его разрешающая способность. 60

Целью изобретения является увеличение точности измерения распределения электримеского потенциала на поверхностях с произвольной топографией. 65

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения распределения электрического потенциала, содержащее последовательно соединенные зонд с вибрирующим измерительным электродом, усилитель переменного напряжения, фазовращатель, синхронный детектор, . усилитель постоянного напряжения и регистратор, генератор, подключенный к управляющему входу синхронного детектора и к зонду с вибрирующим электродом, при этом выход усилителя постоянного напряжения подключен к электропроводящей подложке, на которой находится исследуемый объект, дополнительно введены блок изменения Фазы, детектор фазовой разности напряжений и блок перемещения зонда, причем выход синхронного детектора подключен к управлякщему входу блока изменения фазы, выход фазовращателя подключен к сигнальному входу блока измене ния фазы, выход которого и выход ге нератора подключены ко входам детектора фазовой разности напряжений, который выходом подключен к блоку перемещения зонда, связанному с зондом.

На чертеже дана блок-схема устройства для измерения распределения электрического потенциала.

Устройство содержит зонд 1 с вибрирующим измерительным электродом, усилитель 2 переменного напряжения с высоким входньм сопротивлением, фазовращатель 3, синхронный детектор 4, усилитель 5 постоянного напряжения и регистратор 6, соединенные последовательно, генератор 7, воэбуждакщий колебания измерительного электрода зонда и управляющий синхроннык детектором 4, блок 8 измерения фазы, входом подсоединенный к выходу фазовращателя 3 и управляемый выходным сигналом синхронного детектора 4, детектор 9 фазовой разности напряжений, подключенный входами к генератору 7 и к выходу блока 8 изменения фазы, и блОк 10 перемещения зонда, подключенный к выходу детектора 9 фазовой разности напряжения.

Кроме того, выход усилителя 5 посто-. янного напряжения соединен с электропроводящей подложкой 11, на которой находится исследуемый объект.

Устройство работает следующим . образом. фаза сигнала на входе усилителя 2 переменного напряжения зависит от статической емкости между вибрирующим измерительным электродом и поверхностью исследуемого объекта, причем указанная зависимость,проявляется при соблюдении неравенства

0,19URC510, где (и - угловая частота колебаний вибрирующего измерительного электрода; С вЂ” статическая ем1022078

65 кость; R - нагрузочное сопротивление.

Эта зависимость используется для автоматического поддержания величины статической емкости, или (что тождественно) расстояния от вибрирующего измерительного электрода до исследуемой поверхности объекта.

Переменное напряжение на выходе усилителя 2 переменного напряжения имеет амплитуду, пропорциональную потенциалу заряженной исследуемой поверхности, и фазу, зависящую от расстояния . Это напряжение поступает на фазовращатель 3, который поворачивает фазу сигнала так, чтобы компенсировать фазовый сдвиг, обусловленный входной цепью, состоящей из статической емкости и нагрузочного сопротивления (при заданном расстоянии g), а также фазовый сдвиг усилителя перемнного напряжения. С выхода фаэовращателя 3 сигнал, синфазный или строго пративофазный (в зависимости от знака потенциала поверхности исследуемого объекта) .с напряжением генератора 7, синхронньм детектором 4 превращается в постоянное напряжение, которое усиливается усилителем 5 постоянного напряжения и регистрируется регистратором 6.

Сигнал с фазовращателя 3 поступает также на блок 8 изменения фазы, который пропускает сигнал на один иэ входов детектора,9 Фазовой раз.ности напряжений беэ изменения его фазы, если на выходе синхронного детектора 4 напряжение положительной полярности, или с поворотом фазы на 1800, если напряжение на выходе синхронного детектора 4 отрицательное. Блок 8 изменения Фазы предназначен для компенсации сдвига фазы сигнала на 180 при.изменении знака измеряемого потенциала. Этот блок может отсутствовать при измерении только. положительного или только отрицательного потенциала.

На другой вход детектора 9 Фазовой разности напряжений поступает сигнал с генератора 7. При совпадении фаэ сигналов на обоих входах детектора 9 Фазовой разности напряжений его выходное напряжение равно. нулю. При наличии Фазовой разности между входными сигналами на его выходе появляется напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу, причем знак напряжения, зависит от того, опережает или отстает по Фазе сигнал на выходе блока 8 изменения фазы от сигнала генератора 7.

Выходное напряжение детектора 9 фазовой разности напряжений управляет работой. блока 10 перемещения зонда, который приближает или удаляет зонд 1 с вибрирующим электродом от заряженной поверхности.

При увеличении расстояния между вибрирующим измерительным электродом и поверхностью исследуемого объекта,.по сравнению с заданным, переменное напряжение на входе усилителя 2 переменного напряжения имеет больший фазовый поворот; а сигнал на выходе Фазовращателя 3 не является строго синфазньм или противофазным по сравнению с сигналом генератора 7. Это уменьшает коэффициент передачи синхронного детектора 4, но за счет цепи отрицательной

15 (обратной связи (выход усилителя 5 постоянного напряжения — электропроводящая подложка 11,.на которой находится исследуемый объект) напряжение на входе регистратора 6, а также точность измерения потенциала практически не изменяется. Точность же измерения распределения потенциала сильно уменьшается, так как площадь поверхности, потенциал кото25 рой действует на вибрирующий измерительный электрод, зависит почти квадратично от расстояния (при диаметре электрода, значительно меньшем, чем расстояние Ю ).

На выходе детектора 9 фазовой разности напряжений появится напря,жение, пропорциональное дополнительному сдвигу фазы сигнала, которое поступит на вход блока 10 пере35 мещения зонда. Блок 10 перемещения зонда будет приближать зонд 1 с вибрирующим измерительньы электродом к заряженной поверхности до тех пор, пока напряжение на его вхо40 де не будет равно нулю, т.е. пока

Фазовый сдвиг между сигналами генератора 7 и блока изменения фазы 8 не станет равньик нулю или, иначе говоря, Йока не установится прежнее

45 расстояние 6 от вибрирующего, электрода зонда до поверхности исследуемого объекта.

Аналогично устройство работает и при уменьшении расстояния от ви-, брирующего измерительного электро-,. да зонда 1 до заряженной поверхности исследуемого объекта.

По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет повы-. сить точность измерения распределения электрического потенциала на поверхностях с произвольной .топо-. графией за счет автоматического поддержания постоянным расстояния между зондом с вибрирующим измерительным электродом и поверхностью исследуемого объекта, не требуя при этом возбуждения электромагнитного высокочастотного поля в области измерения исследуемой поверхности.

1022078

Составитель В,Костин

Редактор Н.Егорова Техред К.Мыцьо Корректор В.Вутяга

Закаэ 4034/37 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Устройство обладает также высокой фаэовой стабильностью, так как синхронный детектор работает в оптимальком режиме, что дополнительно повышает точность иэмерения распределения потенциала.