Устройство для определения плотности поверхностного электрического заряда гетерогенных структур на заземленной проводящей подложке

Устройство позволяет получить информацию о дополнительном параметре слоя исследуемого образца, за счет чего повышается информативность электроемкостной системы.

Устройство содержит зонд, расположенный над заряженной поверхностью исследуемого образца, соединенный электрически с измерителем индуцированного напряжения, который состоит из заграждающего фильтра относительно радиочастоты соединенного последовательно с селективным усилителем моделирующей частоты и индикатора, кроме того в измеритель индуцированного напряжения включены последовательно соединенные избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту, детектор, усилитель низкой частоты и индикатор выпрямленного напряжения, причем избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту параллельно соединен с заграждающим фильтром относительно радиочастоты, механически зонд соединен с вибратором звуковой или ультразвуковой частот, обеспечивающим периодическое перемещение зонда по нормали к слою исследуемого образца с определенной амплитудой, заземленная проводящая подложка соединена с источником переменного гармонического напряжения радиочастоты с вольтметром, согласно полезной модели устройство снабжено источником постоянного регулируемого напряжения с вольтметром, соединенным гальванически с подложкой с возможностью изменения полярности, а источник переменного гармонического напряжения радиочастоты соединен электрически с подложкой через разделительный конденсатор.

Полезная модель относиться к измерительной технике и предназначена для определения плотности заряда и его результирующей величины на каждой из заряженных поверхностей веществ имеющих гетерогенную структуру. Оно может использоваться как при проведении научных исследованиях, так и в производственных условиях контроля выпускаемой продукции.

Известно устройство для измерения поверхностной плотности зарядов (А.С. 418815). Оно содержит электрод и индикатор, подключенный к электрической схеме преобразования сигнала измеряемой плотности. Воспринимающий электрод выполнен в виде последовательно соединенных коллектора, изолирующей шайбы и слоя люминофора, нанесенного на светопроницаемую основу, а электрическая схема - в виде моста с фоторезистором, расположенным в непосредственной близости от основы воспринимающего электрода. В этом устройстве используется явление электростатической индукции, в результате которого на измерительном плоском электроде - зонде индуцируется заряд, пропорциональный плотности поверхностного заряда

,

где - поверхностная плотность заряда, S - площадь зонда, Н - толщина слоя, h - расстояние от зонда до заряженной поверхности слоя, - диэлектрическая проницаемость слоя. Обычно индуцированный на зонде заряд преобразуется в переменный электрический ток за счет перемещения зонда по нормали к заряженной поверхности по гармоническому закону за счет вибрации зонда (h=h₀ +hsint), что облегчает процесс измерений

.

Недостатком является то, что оно определяет только величину поверхностного заряда исследуемого образца и не позволяет учитывать геометрические параметры слоя исследуемого образца.

Известно также устройство для бесконтактного измерения электрического потенциала заряженной поверхности (А.С. 1138765), содержащее электропроводящую подложку, металлический электрод, источник переменного напряжения, усилитель, к верху которого подключен демодулятор и конденсатор, включенный между входом усилителя и шиной нулевого потенциала. В него также введен МДП-диод, включенный между металлическим электродом и входом усилителя, источник одного напряжения и дифференциальный усилитель постоянного напряжения, первый вход которого подключен к выходу демодулятора, второй вход - к источнику опорного напряжения, а источник переменного напряжения включен между выходом дифференциального усилителя постоянного напряжения и электропроводящей подложкой. В этом устройстве используется параметрическое преобразование индуцированного на зонде заряда в электрический ток за счет изменения по гармоническому закону входной емкости индикатора.

Недостатком является также то, что устройство не позволяет учитывать влияние электрофизических и геометрических параметров слоя исследуемого образца на результат измерений.

Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для измерения заряда электретов (прототип - А.С. 921322). Оно содержит измерительные электроды, один из которых, через преобразователь индуцированного заряда и селективный усилитель моделирующей частоты, включающий заграждающий фильтр относительно радиочастоты, соединен с первым детектором, связанным по цепи опорного напряжения с преобразователем индуцированного заряда. Этот измерительный электрод вместе с преобразователем индуцированного заряда является зондом. А второй измерительный электрод является проводящей подложкой, он соединен с источником напряжения. Также устройство содержит индикатор, соединенные последовательно полосовой избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту включающий усилитель, второй детектор и блок сравнения. Причем вход полосового фильтра подключен к выходу преобразователя индуцированного заряда, вход первого детектора подключен ко второму входу блока сравнения, выход блока сравнения соединен с индикатором, а в качестве источника переменного гармонического напряжения применен генератор переменного напряжения. В этом устройстве в отклике зондовой системы может быть учтена только амплитуда колебаний зонда, вызванных включенным в зонд вибратором, обеспечивающего преобразование индуцированного в цепи зонда заряда в электрический ток.

Недостатком устройства по прототипу является то, что оно измеряет только величину поверхностного заряда, но не учитывает электрофизические параметры, в частности диэлектрическую проницаемость слоя исследуемого образца, и геометрические параметры, такие как толщину и расстояние от зонда до заряженной поверхности исследуемого образца.

Технической задачей является создание устройства, позволяющего получить информацию о дополнительном параметре слоя исследуемого образца, за счет чего повысить информативность электроемкостной системы.

Техническая задача решается тем, что устройство для определения плотности поверхностного электрического заряда гетерогенных структур на заземленной проводящей подложке, содержит зонд, расположенный над заряженной поверхностью исследуемого образца, соединенный электрически с измерителем индуцированного напряжения, который состоит из заграждающего фильтра относительно радиочастоты соединенного последовательно с селективным усилителем моделирующей частоты и индикатора, кроме того в измеритель индуцированного напряжения включены последовательно соединенные избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту, детектор, усилитель низкой частоты и индикатор выпрямленного напряжения, причем избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту параллельно соединен с заграждающим фильтром относительно радиочастоты, механически зонд соединен с вибратором звуковой или ультразвуковой частот, обеспечивающим периодическое перемещение зонда по нормали к слою исследуемого образца с определенной амплитудой, заземленная проводящая подложка соединена с источником переменного гармонического напряжения радиочастоты с вольтметром, согласно полезной модели устройство снабжено источником постоянного регулируемого напряжения с вольтметром, соединенным гальванически с подложкой с возможностью изменения полярности, а источник переменного гармонического напряжения радиочастоты соединен электрически с подложкой через разделительный конденсатор.

Отличием предлагаемой полезной модели от прототипа является то, что устройство снабжено источником постоянного регулируемого напряжения с вольтметром, соединенным гальванически с подложкой с возможностью изменения полярности, а источник переменного гармонического напряжения радиочастоты соединен электрически с подложкой через разделительный конденсатор.

На фигуре изображена схема устройства для определения плотности поверхностного электрического заряда гетерогенных структур на заземленной проводящей подложке.

Устройство содержит зонд 1, соединенный электрически с измерителем индуцированного напряжения, который состоит из заграждающего фильтра 2 относительно радиочастоты соединенного последовательно с селективным усилителем 3 моделирующей частоты и индикатора 4, кроме того в измеритель индуцированного напряжения включены последовательно соединенные избирательный фильтр 5, настроенный на радиочастоту, детектор 6, усилитель 7 низкой частоты и индикатор 8 выпрямленного напряжения, причем избирательный фильтр 5, настроенный на радиочастоту параллельно соединен с заграждающим фильтром 2 относительно радиочастоты, механически зонд 1 соединен с вибратором 9 звуковой или ультразвуковой частот, обеспечивающим периодическое перемещение зонда 1 по нормали к слою исследуемого образца 16 с определенной амплитудой, заземленная проводящая подложка 10 соединена с источником 12 переменного гармонического напряжения радиочастоты с вольтметром 13, согласно полезной модели устройство снабжено источником 14 постоянного регулируемого напряжения с вольтметром 15, соединенным гальванически с подложкой 10 с возможностью изменения полярности, а источник 12 переменного гармонического напряжения радиочастоты соединен электрически с подложкой через разделительный конденсатор 11.

Устройство работает следующим образом. Зонд 1 вибрирует по нормали к исследуемому образцу 16 с помощью вибратора 9. На подложке 10 действуют одновременно постоянное напряжение источника 14, измеряемое вольтметром 15 и переменное напряжение радиочастоты генератора 12 с вольтметром 13 отделенным от цепи постоянного напряжения конденсатором 11. В цепи зонда 1 индуцируется заряд, определяемый гармонической составляющей частоты и амплитудно-модулируемым сигналом с несущей радиочастотой и моделирующей вибратора 9.

Входное напряжение на селективном усилителе 5 и заграждающем фильтре 2 равно

На выходе усилителя 3 будет действовать переменное напряжение, измеряемое индикатором 4, с амплитудой

а на выходе усилителя 5 амплитуда несущей частоты равна

После детектирования 6 напряжение модулирующей частоты усиливается и на выходе 7 действует напряжение, измеряемое индикатором 8, с амплитудой

Из (1) при U=0 следует

Откуда

То есть, для измерения плотности заряда по поверхности слоя 16 кроме известных U_вых(), С_вх и К() необходима информация о толщине слоя Н, его диэлектрической проницаемости , расстоянии от зонда до слоя h₀ и амплитуде вибрации h.

Зависимость результата измерений от h и h исключается за счет компенсации действия поверхностного заряда напряжение источника 14 и поэтому

SH-₀SU=0

Или

.

Диэлектрическая проницаемость выражается из (3)

,

где все величины известны, кроме h ₀ и Н, которые, как правило, заданы.

Устройство для определения плотности поверхностного электрического заряда гетерогенных структур на заземленной проводящей подложке, содержащее зонд, расположенный над заряженной поверхностью исследуемого образца, соединенный электрически с измерителем индуцированного напряжения, который состоит из заграждающего фильтра относительно радиочастоты, соединенного последовательно с селективным усилителем моделирующей частоты и индикатора, кроме того, в измеритель индуцированного напряжения включены последовательно соединенные избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту, детектор, усилитель низкой частоты и индикатор выпрямленного напряжения, причем избирательный фильтр, настроенный на радиочастоту, параллельно соединен с заграждающим фильтром относительно радиочастоты, механически зонд соединен с вибратором звуковой или ультразвуковой частот, обеспечивающим периодическое перемещение зонда по нормали к слою исследуемого образца с определенной амплитудой, заземленная проводящая подложка соединена с источником переменного гармонического напряжения радиочастоты с вольтметром, отличающееся тем, что дополнительно устройство снабжено источником постоянного регулируемого напряжения с вольтметром, соединенным гальванически с подложкой с возможностью изменения полярности, а источник переменного гармонического напряжения радиочастоты соединен электрически с подложкой через разделительный конденсатор.