Устройство для измерения контактной разности потенциалов

Устройство для измерения контактной разности потенциалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскмк

Соцмапмстнческнк респубики

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ iii972414 (61) Дополнительное к авт. синд-ву (22) Заявлено 17.10.80 (2! ) 2996878/18-21 с присоединением заявки И— (23) Приоритет

Опубликовано 07 11 82. Бюллетень М 41

Дата опубликования описания 07,11.82 (5l )M. Кл.

G 01 R 19/00

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений и открытий (53) УД К 621.817.

7 (088 8) (72) Авторы изобретения

В.А. Генкин, А,Л. Жарин, B.Ì, Ильин и Е,И. Фишбейн

Бе порусское респубпиканское научно-производСтвенное объединение порошковой металлургии (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ

HOTEHUHAËÎÂ

Йзобретение относится к эпектроизмерениям, в частности к технике измерения контактной разности потенциалов, и может быть использовано дпя контроля состояния поверхностей проводников и

5 по лупроводни ков.

Известно устройство дпя измерения контактной разности потенциалов, сойержашее динамический конденсатор, образованный неподвижной и подвижной .ппасти- то нами, источник компенсирующего напряжения, подключенный одним полюсом через добавочный резистор к подвижной пластине, генератор низкой частоты, первый выход которого соединен с вторым полюсом источника компенсирующего напряжения, а второй выход — с неподвижной пластиной динамического конденсатора, датчик амппитуды вибраций, имеющий го зонд, расположенный в непосредственной близости от подвижной пластины динамического конденсатора, узкополосный фильтр, соединенный с выходом датчика амппитуды вибраций, и регистрирующий прибор, подключенный к BbIxoAy узкополосного фи пыра jl ).

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения. На точность измерений влияет как наличие заряженных частиц между пластинами измерительногоо динамического конденсатора, так и наличие случайных эпектрических попей возле динамического конденсатора.

Поэтому известное устройство не позволяет производить измерения в случае, когда контролируемая поверхность эмиттирует заряженные частицы. Кроме того, показания устройства сильно зависят от рабочего зазора между контролируемой и эталонной поверхностями.

Известно также устройство дпя измерения контактной разности потенциалов, свободное от описанных выше недостатков и содержащее динамический конденсатор, образованный эталонной и контролируемой поверхностями, первая из кото97241 рых механически соединена с эпектромеханическим вибратором и электрически соединена с входом предусипитепя, генератор высокой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и пер= вым фазовым детектором, генератор низкой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и вторым фазовым детектором, первый заградитепьный фипьтр, вкпюченный между выходом предусипите- 10 пя и входом первого фазового детектора, второй заградитепьный фипьтр, вкпюченный между выходом предусипитепя и входом второго фазового детектора, интегратор, вход которого соединен с выходом 1$ первого фазового детектора, а выход — с входом регистратора и держатепем контропируемой поверхности.

Модупяция рабочего зазора измеритепьного динамического конденсатора, образо- 20 ванного этапонной и контропируемой поверхностями, осушествпяется одновременно на двух частотах, а компенсация величины контактной разности потенциапов ведется по низкочастотной огибающей сиг- 25 напа высшей частоты f2).

В известном устройстве для достижения высокой точности отспеживания контактной разности потенциапов, предусипитепь допжен иметь высокий коэффициент 30 усипения. При значитепьном отпичии потенциапа компенсации от веничины контактной разности потенциапов, а также при вкпючении устройства, сигнал на входе предусипитепя может иметь бопьшую амппитуду и поэтому предусипитепь может перейти в режим ограничения выходного сигнапа. При этом теряется низкочастотная амплитудная модупяция, т.е. низкочастотная огибающая высокочастотного сигнапа, по которой известное устройство отслеживает контактную разность потенциалов. Иными словами, при значительном отличии потенциала компенсации от величины контактной разности потенциапов 4 устройство обпадает низкой точностью измерения.

Цепь изобретения — повышение точности измерений в режиме со значитепьным отличием потенциапа компенсации от вепичины контактной разности потенциапов, и в частности при вкпючении устройства.

Поставпенная цепь достигается тем, что в известное устройство дпя измерения контактной разности потенциапов, со- >> держащее динамический конденсатор, образованный эта понным и контропируемым образцами, первый из которых механичесс1 4 ки соединен с эпектромеханическим вибратором, и эпектрически соединен с входом предусипитепя, генератор высокой частоты, соединенный с электромеханическим вибратором и первым фазовым детектором, генератор низкой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и вторым фазовым детектором, первый заградитепьный фипьтр, вкпюченный ме>кду выходом предусипитепя и входом первого фазового детектора, второй заградитепьный фипьтр, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, и интегратор, выход которого соединен с держатепем контропируемого образца и регистратором, допопнитепьно введены сумматор, один из входов которого сое-динен с выходом второго фазового детектора, а выход — с интегратором, эпектронноуправпяемый кпюч, вкпюченный между выходом первого фазового детектора и вторым входом сумма тора, и амп пи тудный детектор, вход которого соединен с

Э выходом первого заградитепьного фипьтра, а выход — с входом второго заградитепьного фильтра и через сглаживающий фипьтр соединен с управпяюшим входом эпектронноуправцяемого кпюча.

На чертеже представпена бпок — схема устройства.

Устройство содержит этапонный образец 1, электромеханический вибратор 2, предусипитепь 3, генератор 4 высокой частоты, первый фазовый детектор 5, генератор 6 низкой частоты, второй фазовый детектор 7, первый заградитепьный фипьтр 8, второй заградитепьный фипьтр

9, интегратор 10, держа тепь 1 1 измеряемого образца, регистратор 12, контропируемый образец 13, сумматор 14, эпектронноуправпяемый ключ 15, амппитудный детектор 16 и сгпаживаюший фипьтр 17.

Устройство работает спедуюшим образом.

Эталонный 1 и контропируемый 13 образцы образуют динамический конденсатор емкостью С. Вспедствие разпичия работ выхода эпектрона этапонного и контропируемого образцов динамический конденсатор будет иметь заряд

Ч х-М э е где I j — работа вь хода электрона конт«У ропируемого образца; > — работа выхода эпектрона этачон Я ного образца;

E — заряд эпектрона.

9724 14

Генераторы низкой 6 и высокой 4 частот раскачива»ат электромеханический вибратор и.закрепленный на нем зтапонный образец одновременно на двух частотах

uJ> и 00@. При достаточно бопьшой постоян- % ной времени входной цепи предусипитепя

3 периодические изменение емкости конденсатора вызывает появпение на входе предусипитепя 3 переменного потенциала, который представляет собой копебания вы-1© сокой частоты, промодупированные по амппитуде низкой частотой и колебания низкой частоты, Модупяция высокочастотных копебаний низкой частотой происходит вследствие периодического изменения коэффициента преобразования динамического конденсатора при изменении зазора между эталонным и контропируемым образцами, вызванного низкочастотными колебаниями этапонного образца. 26

С выхода интегратора 10 на контропируемый образец" 13 подается потенциал компенсации U поэтому величина заряда будет равйа

2$

» » »<р„>U 1, где IJ = — — контактная разность поЧ»--Чз

КРп= Е

1енциапов между эталонным и контролируемым образцами.

При О< =-0„заряд на динамическом конденсаторе и сигнал на входе предусипитепя становятся равны нупю, а при невыполнении этого равенства сигнап возрастает с возрастанием по абсолютной вепичине напряжения U» + 0 .

Усиленный сигнал с выхода предусипитепя 3 поступает на вход первого заградитепьного фильтра 8„настроенного на низкую частоту, где отфильтровывается сигнап низкой частоты. Поэтому на вход амппитудного детектора 16 поступает только высокочастотный сигнал. Пос-4 пе амппитудного детектирования с помошью второго заградительного фильтра 9, настроенного на высокую частоту (Ю выдепяется низкочастотная огибающая высокочастотного сигнапа, которая поступает на вход второго фазового детектора 7, куда также поступает опорный сигнал с низкочастотного генератора 6. Продетектированный сигнал через сумматор 14 поступает на вход интегратора 10. Соот55 ношение фаз прямого и опорного сигналов, поступающих на второй фазовый детектор

7, выбирается таким образом, чтобы выходное напряжение фазового детектора 7 повышапось при (J (Upnи понижапогь при

U»» > Окреп . При этом используется тот факт, что при переходе потенциала компенсации через значение, равное контактной разности потенциапов, фаза сигнала с динамического конденсатора изменяется на противопопожную.

При выпопнении равенства Ц, „=-U» заряд на динамическом конденсаторе равен нулю и сигнап на входе фазового детектора 7 отсутствует. При откпонении потенциала компенсации от контактной разности потенциапов на входе фазового детектора 7 появпяется сигнап соответствующей фазы, который приводит к изменению потенциапа компенсации таким образом, чтобы это равенство восстановилась. Еспи потенциал компенсации эначитепьно отпичается от контактной разности потенциапов, то сигнап на выходе преЛусилителя 3 возрастает настолько, что происходит ограничение сигнала по ампитуде. В этом случае сигнал на входе фазового детектора 7 отсутствует и описанная выше цель компенсации не работает, а компенсация осуществляется следующим образом. На выходе амппитудного детектора, в данном спучае, присутствует высокий постоянный потенциап, который является выпрямленным сигнапом с цредусипитепя 3. Этот высокий потенциал сглаживается сглаживающим фильтром 17, отпирает эпектронноуправ- пяемый кпюч 15 и сигнап высокой частоты с предусипитепя 3, через первый заградительный фипьтр 8 поступает на первый фазовый детектор 5, куда также поступает опорный сигнап от генератора высокой частоты 4. Продетектированный сигнал поступает через открытый эпектронноуправпяемый ключ 15 и сумматор

1 4 на вход интегратора 10, предотвращающего самовозбуждение цепи компенсации и дйпее на контропируемый образец.

Соотношение фаз сигнапов, поступающих на первый фазовый детектор 5, выбирается также, как и дпя второго фазового детектора 7. Поэтому потенциал компенсации будет приближаться к значению контактной разности потенциапов. Когда вспедствие приближения 0к к U

7 во перейдет к режиму описанной компенсаиии по низкочастотной огибающей высокочастотного сигнапа.

Таким образом, при значитепьном отпичии потенциапа компенсации от значе- В ния контактной разности потенциапов, устройствао осушествпяет компенсацию по высокочастотному сигнапу, а при прибпижении 0 ы к IJK óñòðoéñòâo переходит в режим компенсации по низкочастотной огибающей вы окочастотного сигнапа, что позвопяет повысить точность измерения контактной разности потенциалов.

Кроме того, устройство позвопяет производить исспедования быстрых изменений контактной разности потенциапов при розничных воздействиях на измеряемую поверхность и осушествпять сканирование поверхности измеряемого образца эталонным с цепью опредепения топопогии рас- М предепения работы иахода эпектронов.

Форму па. изобретения

Устройство дпя измерения контактной разности потенциапов, содержащее динамический конденсатор, образованный эталонным и контропируемым образцами, первый из которых механически соединен с эпектромеханическим вибратором и эпек- М трически соединен с входом предусипитепя, генератор высокой частоты, соединенный с эпектромеханическим вибратором и первым фазовым детектором, генератор низкой частоты, соединенный с эпрктро- .:ц;

14 8 механическим вибратором и вторым фазовым де тек тором, первый загради те пьный фипьтр, включенный между выходом предусипитепя и входом первого фазового детектора, второй заградитепьный фипьтр, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, и интегратор, выход которого соединен с держатепем контропируемого образца и регистратором, о т п и ч а ю ш е е с я тем, что, с цепью повышения точности измерения в режиме со значитепьным отличием потенциапа компенсации от вепичины контактной разности потенциапов, в него введены сумматор, один из входов которого соединен с выходом второго фазового детектора, а выход — с интегратором, эпектронноуправ пяемый к пюч, включенный между выходом первого фаэового детектора и вторым входом сумматора, и амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом первого заградитепьного фипьтра, а выход — с вхоRoM второго заградитепьного фипьтра и через сгиаживаюший фипьтр соединен с управпяюшим входом электронноуправпяемого ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ипюкович А. М. Техника эпектро-, метрии. М., "Энергия, 1976, с 335.

2,М.оИ, 3.H,I ÅÅT.Z. Д волгequewcS 1Ьгни саросйоr rnBtkocl аког contac,t pOQ t at йИегеисе wea supe e hts.—

"3 РЬ .а.",4969,E Х М 9, 785-788 (про отип) Составитель В, Костин

Редактор В. Пилипенко Техред А.Бабинеп Корректор Л. о >Н

Заказ 8509/34 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., a. 4/5

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4