Устройство для измерения распределения электрического потенциала

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК К 29 1 ОП Е ИЕ ЛЬСТВУ Н АВТОРСКОМ С.Мотеюнас удового Дружбы ерситет тельство С /12, 1977, Доброволь спределени еского по- техника 3, с.165 о ГОСУаАРСТНЕННЫй КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(7 Ц Вильнюсский орденаКрасного Знамени и орденродов государственный уним. В.Капсукаса(прототип),(54) (57) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГОПОТЕНЦИАЛА содержащее. последовательносоединенные .зонд свибрирующим измерительным электродом, усилительпеременного напряжения,фазовраща.80102208 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 электропроводящейподложке, на которой находится.исследуемый объект, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью увеличния точности измерения, в неговведены блок изменения фазы, детектфазовой разности напряжений н блокперемещения зонда, причем выходсинхронного детектора подключен куправляющему входу блока измененияфазы, выход Фазовращателя подключен к сигнальному входу блока изменения Фазы, выход которого и выходгенератора подключен к входам детектора фазовой разности напряжений,который выходом подключен кблокуперемещения зонда, связанному с зондом.Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее, к измерениям электрического потенциалаили связанного с ним заряда, и можетбыть использовано для исследованиязаряженных поверхностей электрографических и видиконовых слоев.Известно устройство, реализующееспособ измерения локальной плотности поверхностного заряда и содержащее последовательно соединенные зондс вибрирующим измерительным электродом, модулятор, блок индикацииин дуцированного заряда и блок обратной связи, а также генератор высокой частоты, возбуждающий в области 15измерения электромагнитное поле высокой частоты Г 13.Однако это устройство имеет недостаточную точность измерения распределения потенциала на поверхностях с произвольной топографией,так как не всегда возможно возбуждать высокочастотное электромагнитное поле на заряженной поверхности,не искажая реального распределения 25потенциала. Кроме того, высокочастотное электромагнитное поле можетизменять электрические свойства исследуемой поверхности, например засчет воздействия на зйергетические З 0уровни полупроводника (при исследовании поверхности полупроводниковогослоя).Наиболее близким по техническомурешению является измеритель распределения поверхностного электрического потенциала, содержащий последовательно соединенные зонд с вибрирующим измерительным электродом, усилитель переменного напряжения с высоким входным сопротивлением, фазовращатель, синхронный детектор, усилитель постоянного напряжения ирегистратор, а также генератор, возбуждающий колебания измерительногоэлектрода и управляющий работой синх ронного детектора, в котором выходусилителя постоянного напряжения подключен к электропроводящей подложке, на которой находится исследуемый объект 2, 501Однако известное устройство также не обеспечивает высокой точности измерения распределения электрического потенциала на поверхностях с произвольной топографией, так как из-за изменения расстояния от вибрирующего измерительногоэлектрода зонда до,исследуемой поверхности изменяется его разрешающаяспособность. 60Целью изобретения является увеличение точности измерения распределения электримеского потенциала на поверхностях с произвольнойтопографией, 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 управляющему входу блокаизменения фазы, выход фазовращателя kодключен к сигнальному входу блока изменения фазы, выход которого и выход генератора 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 распределенияэлектрического потенциала.Устройство содержит зонд 1 с вибрирующим измерительным электродом,усилитель 2 переменного напряжения свысоким входньм сопротивлением, фазовращатель 3, синхронный детектор 4,усилитель 5 постоянного напряженияи регистратор 6, соединенные последовательно, генератор 7, воэбуждакщий колебания измерительного электрода зонда и управляющий синхронникдетектором 4, блок 8 измерения фазы,входом подсоединенный к выходу фазовращателя 3 и управляемый выходнымсигналом 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 которойнаходится исследуемый объект,Устройство работает следующим .образом.фаза сигнала на входе усилителя 2 переменного напряжения зависитот статической емкости между вибрирующим измерительным электродом иповерхностью исследуемого объекта,причем указанная зависимость,проявляется при соблюдении неравенства0,14 ЖКСа 10, где (и- угловая частотаколебаний вибрирующего измерительного электрода; С - статическая ем55 60 65 кость; В - нагрузочное сопротивление.Эта зависимость используется для автоматического поддержания величиныстатической емкости, или (что тождественно) расстоянияот вибрирующего измерительного электрода до исследуемой поверхности объекта.Переменное напряжение на выходеусилителя 2 переменного напряженияимеет 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 изстатической емкости и нагрузочногосопротивления (при заданном расстоянии ), а также фазовый сдвиг усилителя перемнного напряжения. С выхода фаэовращателя 3 сигнал, синФазный или строго противофазный(в зависимости от знака потенциалаповерхности исследуемого объекта).с напряжением генератора 7, синхронньм детектором 4 превращается в постоянное напряжение, которое усиливается усилителем 5 постоянногонапряжения и регистрируется регистратором 6,Сигнал с Фазовращателя 3 поступает также на блок 8 изменения фазы,который пропускает сигнал на одиниэ входов детектора,9 Фазовой разности напряжений беэ изменения егоФазы, если на выходе синхронного детектора 4 напряжение положительнойполярности, или с поворотом фазына 180 ф, если напряжение на выходесинхронного детектора 4 отрицательное. Блок 8 изменения Фазы предназначен для компенсации сдвига Фазысигнала на 180 ф при изменении знакаизмеряемого потенциала. Этот блокможет отсутствовать при измерениитолько. 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 исследуемогообъекта,.по сравнению с заданным,переменное напряжение на входе усилителя 2 переменного напряженияимеет больший Фазовый поворот; асигнал на выходе Фазовращателя 3 неявляется строго синфазньм или противофазным по сравнению с сигналомгенератора 7. Это уменьшает коэффициент передачи синхронного детектора 4, но за счет цепи отрицательной15 (обратной связи (выход усилителя 5постоянного напряжения - электропроводящая подложка 11,.на которойнаходится исследуемый объект) напряжение на входе регистратора 6, а также точность измерения потенциалапрактически не изменяется, Точностьже измерения распределения потенциала сильно уменьшается, так какплощадь поверхности, потенциал кото 25 рой действует на вибрирующий измерительный электрод, зависит почтиквадратично от расстояния 6 (придиаметре электрода, значительноменьшем, чем расстояние Ю ),На выходе детектора 9 фазовойразности напряжений появится напря,жение, пропорциональное дополнительному сдвигу фазы сигнала, которое поступит на вход блока 10 пере 35 мещения зонда. Блок 10 перемещениязонда будет приближать зонд 1 свибрирующим измерительньы электродом к заряженной поверхности до техпор, пока напряжение на его вхо 40 де не будет равно нулю, т.е. покаФазовый сдвиг между сигналами генератора 7 и блока изменения Фазы 8не станет равньак нулю или, иначе говоря, Йока не установится прежнее45 расстояние 6 от вибрирующего, электрода зонда до поверхности исследуемого объекта.Аналогично устройство работаети при уменьшении расстояния отви-,5 О брирующего измерительного электро-,да зонда 1 до заряженной поверхности исследуемого объекта. По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет повысить 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,Закаэ 4034/37 Тираж 710 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП фПатент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Устройство обладает также высокой фаэовой стабильностью, так как синхронный детектор работает в оптимальком режиме, что дополнительноповышает точность иэмерения распределения потенциала,